(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブ・ピクセル・センサであって、
受けた光の強度の関数として電荷を伝導するフォトダイオードであって、フォトダイオード電圧を生成する該フォトダイオードによって伝導された電荷を集めるダイオード容量を有する、フォトダイオードと、
第１の所定電圧レベルに維持されるゲート・コンデンサ・バイアスを有するゲート・コンデンサであって、前記フォトダイオード電圧が第２の所定電圧レベル未満に降下したときに、前記ゲート・コンデンサと前記フォトダイオードとの間の電気的接続が確立されて維持され、前記ゲート・コンデンサと前記フォトダイオードとの間の前記電気的接続が確立されて維持されているときに、前記ゲート・コンデンサの容量が前記ダイオード容量に加えられる、ゲート・コンデンサと、
前記フォトダイオード電圧をサンプリングする手段と、
を備える、アクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項２】
前記ゲート・コンデンサは、並列接続された複数のゲート・コンデンサを備える、請求項１に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項３】
前記ゲート・コンデンサは、ソースおよびドレインが前記フォトダイオードのカソードに接続されるＦＥＴを含む、請求項１に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項４】
前記第１の所定電圧レベルは、前記ゲート・コンデンサ内のＦＥＴの前記ゲート・コンデンサ・バイアスの電圧レベルを選択することにより、選択される、請求項３に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項５】
前記複数のゲート・コンデンサのそれぞれは、ソースおよびドレインが前記フォトダイオードのカソードに接続されるＦＥＴを含む、請求項２に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項６】
前記それぞれのゲート・コンデンサ内のＦＥＴのゲート電圧を選択することにより、複数の第１の所定電圧レベルが選択される、請求項５に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項７】
前記フォトダイオード電圧をサンプリングする手段は、バイアス・トランジスタおよび選択トランジスタを備える、請求項４に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【請求項８】
前記ゲート・コンデンサは前記フォトダイオードに隣接した位置に配置され、前記ゲート・コンデンサの前記電気的接続は、入射光の強度レベルに基づいて調整可能であり、前記第１の所定電圧レベルと前記フォトダイオード電圧レベルとの間の電圧電位に従って自動的に切り換わる、請求項１に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、アクティブ・ピクセル・センサに関するものである。とりわけ、本発明は、アクティブ・ピクセル・センサの感度が、アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度に従って調整される、アクティブ・ピクセル・センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子カメラは、一般に、光イメージを１組の電子信号に変換する。電子信号は、カメラが受ける光の色の強度を表すことが可能である。電子カメラには、一般に、カメラが受ける光の強度を検出するイメージ・センサまたは感光センサのアレイが含まれている。イメージ・センサは、一般に、センサが受ける光の強度に比例した振幅を備える電子信号を発生する。電子信号に調整を加え、サンプリングを施すことによって、イメージ処理を行えるようにすることが可能である。
【０００３】
イメージ・センサと信号処理回路要素の一体化は、イメージング・システムの小型化及び単純化を可能にするので、いっそう重要になりつつある。イメージ・センサとアナログ及びデジタル信号処理回路要素の一体化によって、電子カメラ・システムを低コストにし、コンパクトにし、必要な電力を少なくすることが可能になる。
【０００４】
歴史的に、イメージ・センサは、主として電荷結合素子（ＣＣＤ）であった。ＣＣＤは、比較的小さく、高充填率を得ることが可能である。しかし、ＣＣＤは、デジタル及びアナログ回路要素と一体化するのが極めて困難である。さらに、ＣＣＤは、大量の電力を消費し、イメージのスメア問題に悩まされる。
【０００５】
ＣＣＤセンサに対する代替案が、アクティブ・ピクセル・センサである。アクティブ・ピクセル・センサは、標準的なＣＭＯＳプロセスを利用して製作することが可能である。従って、アクティブ・ピクセル・センサは、デジタル及びアナログ信号処理回路要素と容易に一体化することが可能である。さらに、ＣＭＯＳ回路が消費する電力は少量である。
【０００６】
図１には、先行技術によるアクティブ・ピクセル・センサの略回路図が示されている。アクティブ・ピクセル・センサは、一般に、アクティブ・ピクセル・センサのアレイ内に含まれている。アクティブ・ピクセル・センサには、フォトダイオードＤ１、リセット・トランジスタＱ１、バイアス・トランジスタＱ２、及び、選択トランジスタＱ３が含まれている。フォトダイオードＤ１は、露光すると、電荷を集める。フォトダイオードＤ１は、信号ノードＮ２に容量負荷を加える固有の容量Ｃｄを備えている。フォトダイオードＤ１によって集められた電荷は、フォトダイオードＤ１のコンデンサＣｄによって集積され、フォトダイオードＤ１が受けた光の強度に比例したフォトダイオード電圧を生じる。フォトダイオード電圧は、フォトダイオードＤ１の陰極に生じる。
【０００７】
リセット・トランジスタは、フォトダイオードのコンデンサＣｄに放電させることによって、フォトダイオードＤ１のリセットを可能にする。パルスでＲＳＴ（リセット）ラインを高電位にして、ＲＳＴラインによるフォトダイオード・コンデンサＣｄからの放電を生じさせることによって、フォトダイオードの陰極が所定のリセット電圧になる。図１に示すアクティブ・ピクセル・センサに関する所定のリセット電圧は、ＲＳＴラインの電圧電位からリセット・トランジスタＱ１のしきい値電圧を引いた値である。
【０００８】
ＳＥＬＥＣＴラインにパルスを加え、選択トランジスタＱ３を導通させることによって、選択トランジスタＱ３は、コントローラが、特定のアクティブ・ピクセル・センサのＰＩＸＯＵＴ出力におけるフォトダイオード電圧の選択的サンプリングを行えるようにする。
【０００９】
図２は、図１に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ１の信号電圧に関するプロットである。信号電圧は、基準電圧からＰＩＸＯＵＴ出力の電圧電位を引いた値と定義される。基準電圧は、信号ノードＮ２が所定のリセット電圧にリセットされる時の、ＰＩＸＯＵＴの電圧電位と定義される。フォトダイオードＤ１が受ける光の強度が強くなるほど、信号電圧は高くなる。プロットによって示されるように、フォトダイオードによって伝導する電荷が増すにつれて、信号電圧の飽和が始まる。飽和電圧Ｖｓは、フォトダイオードＤ１が受ける光の強度の増大が信号電圧に影響しない信号電圧である。フォトダイオードＤ１の飽和は、フォトダイオードＤ１のダイナミック・レンジを制限する。有効に検出可能な、アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度範囲は、アクティブ・ピクセル・センサが飽和するという事実によって制限される。アクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ１の信号が飽和すると、アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度変化を検出することが不可能になる。さらに、フォトダイオードＤ１が受ける光の強度が、アクティブ・ピクセル・センサを飽和させるのに必要な光の強度をほんのわずかに下回る場合、フォトダイオードＤ１の応答は、極めて非線形性となる。アクティブ・ピクセル・センサの動作は、フォトダイオードＤ１の応答が線形である光の強度範囲に制限される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、現在可能であるよりも広い範囲にわたって、アクティブ・ピクセル・センサが受ける検出可能な光の強度の変動を可能にする、アクティブ・ピクセル・センサを提供することにある。本発明のもう１つの目的は、現在可能であるよりも広い光の強度範囲にわたって、アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度を表すアナログ電圧を発生する、アクティブ・ピクセル・センサを提供することにある。本発明のさらにもう１つの目的は、現存するＣＭＯＳ製作プロセスを用いて製造可能なアクティブ・ピクセル・センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、現在可能であるよりも広い光の強度のダイナミック・レンジにわたって、受ける光の検出可能にするアクティブ・ピクセル・センサが得られる。アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度が、アクティブ・ピクセル・センサの応答を飽和させるのに十分に強い可能性のある場合、ゲート・コンデンサは、アクティブ・ピクセル・センサ内においてフォトダイオードと並列に接続される。アクティブ・ピクセル・センサは、低レベルの受光強度において、高レベルの感度を維持する。アクティブ・ピクセル・センサは、低コストのＣＭＯＳ製作プロセスに適合可能である。
【００１２】
本発明の一態様には、アクティブ・ピクセル・センサが含まれている。アクティブ・ピクセル・センサには、フォトダイオードが含まれている。フォトダイオードは、フォトダイオードが受ける光の強度の関数として電荷を伝導する。フォトダイオードには、フォトダイオードが伝導する電荷を集めて、フォトダイオード電圧を発生するダイオード容量が含まれている。また、アクティブ・ピクセル・センサには、第１の所定電圧レベルに維持されるゲート・コンデンサ・バイアスを有するゲート・コンデンサが含まれており、フォトダイオード電圧が第２の所定電圧レベル未満まで降下すると、ゲート・コンデンサとフォトダイオードとの間の電気的接続が確立されて維持され、ゲート・コンデンサとフォトダイオードとの間の電気的接続が確立されて維持されているときに、ゲート・コンデンサの容量がダイオード容量に加えられる。アクティブ・ピクセル・センサには、さらに、コントローラがフォトダイオード電圧のサンプリングを行えるようにする電子回路要素が含まれている。
【００１４】
本発明の他の態様及び利点については、本発明の原理を例示した添付の図面に関連して示された、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
例示を目的とした図面に示すように、本発明はアクティブ・ピクセル・センサによって実現される。アクティブ・ピクセル・センサは、現在可能であるよりも広い光強度のダイナミック・レンジにわたって、受光強度の検出を可能にする。アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度が、アクティブ・ピクセル・センサの応答を飽和させるの十分に強い可能性がある場合、ゲート・コンデンサは、アクティブ・ピクセル・センサ内においてフォトダイオードと並列に接続される。さらに、アクティブ・ピクセル・センサが受ける光の強度が弱い場合、ゲート・コンデンサが、アクティブ・ピクセル・センサ内においてフォトダイオードと並列にスイッチされることはない。
【００１６】
図３には、アクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ２と並列に接続されたゲート・コンデンサＧＣを含む本発明の実施態様が示されている。ゲート・コンデンサＧＣには、ゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢが含まれている。ゲート・コンデンサＧＣは、信号ノードＮ１においてフォトダイオードＤ２の陰極に接続されている。アクティブ・ピクセル・センサには、リセット・トランジスタＱ４、バイアス・トランジスタＱ５、及び、選択トランジスタＱ６が含まれている。アクティブ・ピクセル・センサには、さらに、電源電圧Ｖｄｄが含まれている。
【００１７】
リセット・トランジスタＱ４は、フォトダイオード・コンデンサＣD2を放電させることによって、フォトダイオードＤ２のリセットを可能にする。パルスでＲＳＴ（リセット）ラインを高電位にして、ＲＳＴラインによるフォトダイオード・コンデンサＣD2からの放電を生じさせることによって、フォトダイオードＤ２の陰極が所定のリセット電圧になる。図３に示すアクティブ・ピクセル・センサに関する所定のリセット電圧は、ＲＳＴラインの電圧電位からリセット・トランジスタＱ４のしきい値電圧を引いた値である。
【００１８】
ＳＥＬ（選択）ラインにパルスを加え、バイアス・トランジスタＱ５及び選択トランジスタＱ６を導通させる電圧電位にすることによって、バイアス・トランジスタＱ５及び選択トランジスタＱ６は、コントローラが、特定のアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオード電圧の選択的サンプリングを行えるようにする。バイアス・トランジスタＱ５及び選択トランジスタＱ６が導通すると、フォトダイオード電圧は、ＰＩＸＯＵＴ出力に結合される。ＰＩＸＯＵＴ出力がサンプリング可能になる。
【００１９】
ゲート・コンデンサＧＣは、ＮチャネルＦＥＴのソース及びドレインをフォトダイオードＤ２の陰極に接続することによって形成される。ゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴが、そのゲートとソース／ドレインとの間に電流を導通していない場合、ゲート・コンデンサＧＣが、信号ノードＮ１に接続されたインピーダンスに影響することはない。しかし、ゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴがそのゲートとソース／ドレインとの間に電流を導通している場合、ゲート・コンデンサは、信号ノードＮ１に容量負荷を加える。ゲート・コンデンサ内のＦＥＴがそのゲートとソース／ドレインとの間で導通している場合、ゲート・コンデンサのキャパシタンスは、フォトダイオードＤ２のキャパシタンスＣD2と並列に接続される。
【００２０】
ゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴは、ゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢと信号ノードＮ１の間の電圧が、ゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴのしきい値を超える場合に、電流を導通する。一般に、ゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴのしきい値電圧は、ゲート・コンデンサＧＣ内における有効チャネル長とＦＥＴの逆ゲート・バイアスによって決まる、０．８〜１．２ボルトの範囲である。
【００２１】
フォトダイオードＤ２は、フォト・ダイオードＤ２の露光時に、電荷を伝導する。フォトダイオードＤ２によって伝導される電荷は、信号ノードＮ１に接続されたコンデンサに集まる。コンデンサに集められた電荷は、信号ノードＮ１に負電圧を発生する。フォトダイオードＤ２によって伝導される電荷量が増すほど、信号ノードＮ１における電圧電位の低下が大きくなる。フォトダイオードＤ２によって伝導される電荷量は、フォトダイオードＤ２が受ける光の強度によって決まる。
【００２２】
ゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢは、一般に、固定電圧電位である。従って、フォトダイオードＤ２が受ける光の強度が十分に強くなると、ゲート・コンデンサＧＣがオンになる。ゲート・コンデンサＧＣがオンになると、フォトダイオードＤ２によって集められた電荷が、より大量のキャパシタンス（すなわち、フォトダイオードＤ２のキャパシタンスと、ゲート・コンデンサＧＣのキャパシタンスとの合計キャパシタンス）に蓄積される。従って、信号ノードＮ１における電圧電位の低下が緩やかになる。
【００２３】
図４には、図３に示す実施態様の等価回路が示されている。ゲート・コンデンサＧＣは、等価ゲート・コンデンサＣGCとスイッチＳＷによって表されている。スイッチＳＷは、信号ノードＮ１の電圧電位が所定の電圧電位より低くなると、接続される。所定の電圧電位は、ゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢの電圧電位からゲート・コンデンサＧＣ内のＦＥＴのしきい値電圧を引いた値である。信号ノードＮ１の電圧電位が所定の電圧電位を超える場合には、スイッチＳＷは接続されない。信号ノードＮ１の電圧電位は、フォトダイオードＤ２によって集められた電荷によって直接的に決まる。フォトダイオードＤ２によって集められる電荷は、フォトダイオードが受ける光の強度によって直接的に決まる。従って、従って、フォトダイオードＤ２が受ける光の強度が十分に強い場合、スイッチＳＷが接続され、等価ゲート・コンデンサＣGCが信号ノードＮ１に接続されることになる。
【００２４】
図５は、図３に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ２の信号電圧に関するプロットである。信号電圧は、基準電圧からＰＩＸＯＵＴ出力の電圧電位を引いた値と定義される。基準電圧は、信号ノードＮ１が所定のリセット電圧にリセットされる時の、ＰＩＸＯＵＴの電圧電位と定義される。プロットには、ゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢの２つの異なる値に関する信号電圧が示されている。曲線５１は、第１のゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢに関する信号電圧を示すものである。曲線５３は、第２のゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢに関する信号電圧を示すものである。ゲート・コンデンサ内のＦＥＴは、ゲート・コンデンサ・バイアスの２つの異なる値に関する信号電圧の異なる値でオンになる。従って、ゲート・コンデンサＧＣのキャパシタンスが信号ノードＮ１に接続される、２つの曲線５１、５３上のポイントは、異なっている。
【００２５】
両曲線５１、５３とも、ゲート・コンデンサＧＣが信号ノードＮ１に容量負荷をかけている場合、アクティブ・ピクセル・センサの感度が変化する。追加キャパシタンスは、アクティブ・ピクセル・センサが、信号ノードＮ１における電圧電位が受光強度の増大につれて線形に変化しない、非線形領域に入り込むのを阻止する。
【００２８】
図６は、アクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ２と並列に接続された２つ以上のゲート・コンデンサを含む本発明のもう１つの実施態様である。一般に、第１のゲート・コンデンサＧＣ１の第１のゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢ１は、第２のゲート・コンデンサＧＣ２の第２のゲート・コンデンサ・バイアスＧＣＢ２とは異なる。従って、各ゲート・コンデンサＧＣ１、ＧＣ２は、信号ノードＮ１の異なる電圧電位に対して、信号ノードＮ１に容量負荷をかける。
【００２９】
図７には、図６に示す実施態様の等価回路が示されている。第１のゲート・コンデンサは、第１の等価ゲート・コンデンサＣGC1と第１のスイッチＳＷ１によって表されている。第２のゲート・コンデンサは、第２の等価ゲート・コンデンサＣGC2と第２のスイッチＳＷ２によって表されている。
【００３０】
図８は、図６に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードＤ２の信号電圧に関するプロットである。信号電圧は、基準電圧からＰＩＸＯＵＴ出力の電圧電位を引いた値と定義される。基準電圧は、信号ノードＮ１が所定のリセット電圧にリセットされる時の、ＰＩＸＯＵＴの電圧電位と定義される。プロットには、第１の折れ点９１及び第２の折れ点９３が含まれている。折れ点は、第１のゲート・コンデンサＧＣ１内のＦＥＴ及び第２のゲート・コンデンサＧＣ２内のＦＥＴが、信号ノードＮ１における電圧電位の低下のために導通を開始するプロット上のポイントを表している。
【００３１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００３２】
（実施態様１）  以下（ａ）から（ｃ）を含むことを特徴とする、アクティブ・ピクセル・センサ、
（ａ）フォトダイオード（Ｄ２）であって、前記フォトダイオード（Ｄ２）は、受ける光の強度の関数として電荷を伝導し、フォトダイオード電圧を発生する前記フォトダイオード（Ｄ２）によって伝導した電荷を集めるダイオード容量を備え、
（ｂ）フォトダイオード電圧が所定の電圧電位未満まで降下すると、フォトダイオード（Ｄ２）に並列に接続されるスイッチ式コンデンサであって、前記スイッチ式コンデンサの容量は、前記スイッチ式コンデンサが接続されると、前記ダイオード・キャパシタンスに加えられ、
（ｃ）前記フォトダイオード電圧のサンプリング手段。
【００３３】
（実施態様２）  前記スイッチ式コンデンサに、ゲート・コンデンサ（ＧＣ）が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３４】
（実施態様３）  前記スイッチ式コンデンサ（ＧＣ）に、並列に接続された複数のゲート・コンデンサ（ＧＣ１，ＧＣ２）が含まれることを特徴とする、実施態様２に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３５】
（実施態様４）  前記ゲート・コンデンサ（ＧＣ）に、ソース及びドレインが前記フォトダイオード（Ｄ２）の陰極に接続されたＦＥＴが含まれることを特徴とする、実施態様２に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３６】
（実施態様５）  前記ゲート・コンデンサ（ＧＣ）内のＦＥＴのゲート電圧を選択することによって、所定の電圧電位が選択されることを特徴とする、実施態様４に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３７】
（実施態様６）  前記各ゲート・コンデンサ（ＧＣ１、ＧＣ２）に、ソース及びドレインが前記フォトダイオード（Ｄ２）の陰極に接続されたＦＥＴが含まれていることを特徴とする、実施態様３に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３８】
（実施態様７）  前記各ゲート・コンデンサ（ＧＣ１、ＧＣ２）内のＦＥＴのゲート電圧を選択することによって、複数の所定の電圧電位が選択されることを特徴とする、実施態様６に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００３９】
（実施態様８）  前記ゲート電圧が可変的に調整可能であり、これによって、所定の電圧電位が可変的に調整されることを特徴とする、実施態様５に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００４０】
（実施態様９）  前記フォトダイオード電圧の前記サンプリング手段に、バイアス・トランジスタ（Ｑ５）と選択トランジスタ（Ｑ６）が含まれることを特徴とする、実施態様５に記載のアクティブ・ピクセル・センサ。
【００４１】
本発明の特定の実施態様に関して説明し、例示してきたが、本発明は、このように説明し、例示してきた部分の特定の形態または構成に制限することはできない。本発明は、請求項による制限しか受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術によるアクティブ・ピクセル・センサを示す図である。
【図２】図１に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードの信号電圧に関するプロット図である。
【図３】アクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードと並列に接続されたゲート・コンデンサを含む本発明の実施態様を示す図である。
【図４】図３に示す実施態様の等価回路を示す図である。
【図５】図３に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードの信号電圧に関するプロット図である。
【図６】アクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードに並列に接続された２つ以上のゲート・コンデンサを含む本発明のもう１つの実施態様の図である。
【図７】図６に示す実施態様の等価回路を示す図である。
【図８】図６に示すアクティブ・ピクセル・センサのフォトダイオードの信号電圧に関するプロット図である。
【符号の説明】
ＣD2：フォトダイオード・コンデンサ
ＣGC：等価ゲート・コンデンサ
ＣGC1：第１の等価ゲート・コンデンサ
ＣGC2：第２の等価ゲート・コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２：フォトダイオード
ＧＣ：ゲート・コンデンサ
ＧＣ１：第１のゲート・コンデンサ
ＧＣ２：第２のゲート・コンデンサ
ＧＣＢ：ゲート・コンデンサ・バイアス
ＧＣＢ１：第１のゲート・コンデンサ・バイアス
ＧＣＢ２：第２のゲート・コンデンサ・バイアス
Ｎ１：信号ノード
Ｑ４：リセット・トランジスタ
Ｑ５：バイアス・トランジスタ
Ｑ６：選択トランジスタ
ＳＷ：スイッチ
ＳＷ１：第１のスイッチ
ＳＷ２：第２のスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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