Source: https://patents.google.com/patent/JP4416668B2/en
Timestamp: 2018-11-20 16:19:12
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JP4416668B2 - The solid-state imaging device, a control method and camera - Google Patents
The solid-state imaging device, a control method and camera Download PDF
JP4416668B2
JP4416668B2 JP2005008124A JP2005008124A JP4416668B2 JP 4416668 B2 JP4416668 B2 JP 4416668B2 JP 2005008124 A JP2005008124 A JP 2005008124A JP 2005008124 A JP2005008124 A JP 2005008124A JP 4416668 B2 JP4416668 B2 JP 4416668B2
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勇武 上野
本発明は、固体撮像装置、その制御方法及びカメラに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a control method, and a camera.
下記の特許文献１には、光電荷が蓄積されている間にフォトダイオードからあふれ出た電荷は転送ゲート（ＴＧ）を介して浮遊拡散部（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に流入する固体撮像装置が記載されている。 Patent Document 1 below, floating diffusion charge overflowing from the photodiode via the transfer gate (TG) while the optical charges are accumulated: solid-state imaging device according to flow into a floating diffusion (FD) It is. 浮遊拡散部に流入した電荷を読み出すことにより、ダイナミックレンジを拡大している。 By reading the electric charge flowing into the floating diffusion portion, and increase the dynamic range.
ＦＤの容量は増幅部での増幅率に寄与するため、大きな値にすることができない。 Since the capacity of the FD is to contribute to the amplification factor in the amplifying portion can not be a large value. したがって、フォトダイオード部からあふれ出た電荷も少量しか蓄積することができない。 Therefore, it can only accumulate a small amount even charge overflowed from the photodiode portion. また、フォトダイオードは、画素内の増幅部の入力部に接続されるために、ＦＤを完全な埋め込み構造とすることは不可能である。 Moreover, the photodiode, in order to be connected to the input of the amplifier in the pixel, it is impossible to complete the buried structure FD. ここで、埋め込み構造とは、ＦＤを形成するための不純物拡散領域の表面に、逆導電型の不純物拡散領域を形成した構成であって、このような構成によれば、ＦＤを形成するための不純物領域表面での暗電流発生が低減される。 Here, the embedded structure, the surface of the impurity diffusion region for forming a FD, a configuration of forming the impurity diffusion region of opposite conductivity type, according to such a configuration, for forming an FD a dark current generated in the impurity region surface is reduced. したがって、光電変換部と比べてＦＤを形成する不純物領域での暗電流が大きく、故にデータを保持するノードとしては適していない。 Therefore, large dark current in the impurity region as compared with the photoelectric conversion unit forms the FD is, therefore not suitable as a node holding the data. ＦＤにあふれてきた電荷が、時間と共に失われるので、高輝度部の信号の高S/Nは期待できない。 Charges that have overflowed to the FD is, since the lost over time, high S / N of the high luminance portion of the signal can not be expected.
また、下記の特許文献２には、半導体基板の表面に複数の受光部がアレー状に配列され各受光部の信号を受光部毎に読み出すＭＯＳ型固体撮像装置において、前記各受光部に、入射光量に応じた信号を検出する第１信号電荷検出部と、該第１信号電荷検出部による検出信号が飽和したとき該第１信号電荷検出部の過剰電荷の一部を捕獲し捕獲電荷量に応じた信号を検出する第２信号電荷検出部とを設けたことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置が記載されている。 Patent Document 2 below, in a MOS type solid-state imaging device in which a plurality of light receiving portions on the surface of the semiconductor substrate reads the signals of the light receiving portions are arranged in an array for each light receiving portion, the respective light receiving portions, incident a first signal charge detector for detecting a signal corresponding to the light amount, the captured trapped charge amount a portion of the excess charge of the first signal charge detector when the detection signal by the first signal charge detector is saturated MOS type solid state imaging device is characterized by providing a second signal charge detector for detecting a response signal is described.
特許文献２は、その図２に示すように、第１信号電荷検出部（３１）で発生した電子が飽和したときにその一部を検出する第２信号電荷検出部（３８）を設けたことを特徴としている。 Patent Document 2, the as shown in FIG. 2, the provision of the second signal charge detector for the electrons generated in the first signal charge detector (31) detects a part when saturated (38) It is characterized in. また、一部の過剰電荷を捕獲し、残りを縦型オーバーフロードレインに捨てる構造になっている。 Furthermore, to capture a portion of the excess charge, it has a structure which discarding the rest in the vertical overflow drain. また、第１及び第２の信号検出部を独立して持っている。 Also has independent first and second signal detecting unit.
しかし、縦型オーバーフロードレインに一部を捨て、残りを第２信号電荷検出部（３８）に集める為にはバリア部（３３）と縦型オーバーフロードレインのポテンシャルの両方をきわめて高い精度で製造する技術が必要となる。 However, it discarded part in a vertical overflow drain, to produce the remaining second signal charge detector (38) barrier section in order to collect the (33) and the vertical overflow drain very high accuracy both the potential of technology Is required. この精度が十分でないと縦型オーバーフロードレインに捨てる量と検出部に流入する量にばらつきが生じてしまいサンプル毎にその流入割合が変わることとなり著しく量産性を欠くという欠点がある。 This accuracy has the disadvantage that lack sufficient non when vertical amount and its flow ratio for each sample will occur variation in the amount flowing into the detecting unit to discard the overflow drain will be significantly changes mass productivity.
また、特許文献２では、電荷を捨てる側が縦型オーバーフロードレイン、捕獲する側が横型オーバーフロードレインの構造の為それぞれが異なる構造のバリア障壁を越えることが必要となる。 In Patent Document 2, the side is vertical overflow drain to discard charge side to capture is necessary to exceed the barrier barriers each different structures for construction of the lateral overflow drain. 即ち、あふれる割合を異なる半導体工程で決定された濃度プロファイルに基づくポテンシャル障壁で制御するわけである。 That is, not controlled by the potential barrier which is based on full concentration profile proportions determined in different semiconductor processes. 加えて、一般にポテンシャル制御の電圧に対しあふれ出る電流量は指数関数的に変化するため、詳細かつ精度の高いあふれる割合の制御が困難という問題もある。 In addition, the amount of current overflowing to voltage generally potential control for changes exponentially, there is a problem that is difficult to control the rate at which full details and accurate. 上記の理由から、縦型オーバーフロードレインと横型オーバーフロードレインに流れ出る割合が温度依存性を持つという欠点もある。 For the above reasons, the proportion flowing in vertical overflow drain and the lateral overflow drain is a disadvantage of having a temperature dependency.
更に、縦型オーバーフロードレインは、フォトダイオードの飽和電荷量を決定するため、ポテンシャルの制御できる範囲はかなりの制限が生じる。 Furthermore, a vertical overflow drain in order to determine the saturation charge amount of the photodiode, the range can be controlled for potential significant limitations occur. 実用的には、これを補うためには横型オーバーフロードレイン構造にポテンシャル制御機構が必須となる。 In practice, the potential control mechanism is essential to the lateral overflow drain structure in order to compensate for this. この結果、暗時の偽信号（暗電流）増加や制御線増加にともなう歩留り低下などの問題が生じる。 As a result, problems such as yield loss due to a false signal (dark current) increases and the control line increase in the dark occurs.
米国特許第６３０７１９５号明細書 US Pat. No. 6307195 特開２００４−３３５８０３号公報 JP 2004-335803 JP
本発明の目的は、光電変換部からあふれ出る電荷のうち一部を電荷保持部に流入させることにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることである。 An object of the present invention, by flowing into the charge holding portion a part of the flows out from the photoelectric conversion unit, and to improve the image quality as well as expanding the dynamic range.
本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、 前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部を排出するための排出部と、電荷を増幅するための増幅部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部とを有する画素を有し、前記光電変換部の周辺の一部に対向して前記第１の電荷保持部が設けられ、前記光電変換部の周辺のその他の一部に対向して前記排出 The solid-state imaging device of the present invention, in a period in which the photoelectric conversion unit for accumulating generated charges by photoelectric conversion, the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, overflows from the photoelectric conversion unit charge a first charge carrier holding portion which is shielded for storing a part of, in a period in which the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, the other part of which flows out charges from the photoelectric conversion portion a discharge unit for discharging an amplifying section for amplifying the electric charge, a first transfer unit for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion unit to said amplification unit, wherein the first charge carrier holding portion second have a pixel having a transfer portion, said opposite first charge carrier holding portion is provided in a part of the periphery of the photoelectric conversion unit to the charge accumulated transferred to the amplifier part in , the discharge to be opposed to a portion of the other of the periphery of the photoelectric conversion portion が設けられていることを特徴とする。 Wherein the is provided.
また、本発明の固体撮像装置の制御方法は、光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、 前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部を排出するための排出部と、電荷を増幅するための増幅部とを有する画素を有し、前記光電変換部の周辺の一部に対向して前記第１の電荷保持部が設けられ、前記光電変換部の周辺のその他の一部に対向して前記排出部が設けられている固体撮像装置の制御方法であって、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路と前記第１の電荷保持部に蓄積され The control method of a solid-state imaging device of the present invention, in a period in which the photoelectric conversion unit for accumulating generated charges by photoelectric conversion, the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, the photoelectric conversion a first charge carrier holding portion which is shielded for accumulating a portion of the overflowing electric charge from parts, in a period in which the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, the overflows charges from the photoelectric conversion portion a discharge portion for discharging the other part, to have a pixel having an amplifier portion for amplifying the charges, the first charge carrier holding portion to face the part of the periphery of the photoelectric conversion portion provided a control method of a solid-state imaging device in which the discharge portion is opposed to a part of the other of the periphery of the photoelectric conversion unit is provided, the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the amplifying unit accumulated in the first charge carrier holding portion and the path for transferring 電荷を前記増幅部に転送する経路とを異ならせて電荷を転送することを特徴とする。 And wherein the transfer of charge at different and path for transferring charges to the amplifier part.
また、本発明のカメラは、前記固体撮像装置と、光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする。 The camera of the present invention is characterized by comprising said solid-state imaging device, a lens for forming an optical image on the solid-state imaging device, and a diaphragm for varying the amount of light passing through the lens.
光電変換部からあふれ出る電荷のうち第１の電荷保持部に流入させる割合を高精度で制御することができるので、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。 It is possible to control the rate at which flow into the first charge carrier holding portion of the flows out from the photoelectric conversion region with high accuracy, it is possible to improve the image quality as well as expanding the dynamic range.
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 Figure 1 is a diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 固体撮像装置は、複数の画素が２次元配列される。 The solid-state imaging device, a plurality of pixels are arranged two-dimensionally. 以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にＭＯＳトランジスタという。 Hereinafter referred to simply MOS transistor an n-channel MOS field effect transistor. １つの画素は、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ，Ｔｙ−ＭＯＳ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳ、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳ及びセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳを有する。 One pixel has a transfer MOS transistor Tx-MOS, Ty-MOS, the reset MOS transistor RES-MOS, source follower MOS transistor SF-MOS and a select MOS transistor SEL-MOS. 転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのソース及びドレインは、光電変換部（フォトダイオード）１０１及び浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤに対応する。 The source and drain of the transfer MOS transistor Tx-MOS, corresponding to the photoelectric conversion unit (photodiode) 101, and floating diffusion (floating diffusion) FD. 転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソース及びドレインは、電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。 The source and drain of the transfer MOS transistor Ty-MOS corresponds to the charge holding unit 102 and the floating diffusion region FD.
光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の構造は、電荷を蓄積、保持する不純物領域の表面に逆導電型の不純物領域が形成された構造である。 Structure of the photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102, a storage, a reverse conductive type impurity regions on the surface of the impurity region for holding is formed structure charges. 光電変換部１０１は開口され、電荷保持部１０２は遮光されている。 The photoelectric conversion unit 101 is opened, the carrier holding portion 102 is shielded from light. 光電変換部１０１は、その周囲を素子分離部１０３により囲まれている。 The photoelectric conversion unit 101 are surrounded by the element isolation portion 103. 素子分離部１０３は光電変換部１０１に蓄積される電荷から見て、光電変換部１０１よりもポテンシャル障壁が高いので、光電変換部１０１は所定量の電荷を蓄積することができる。 Isolation portion 103 is viewed from the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 101, since a higher potential barrier than the photoelectric conversion unit 101, the photoelectric conversion unit 101 may store a predetermined amount of charge. 光電変換部１０１は、素子分離部１０３を介して、図１でいうと、上方に排出部１０４ａが設けられ、左に排出部１０４ｂが設けられ、下に電荷保持部１０２が設けられる。 The photoelectric conversion unit 101 via the element isolation portion 103, say at 1, the discharge portion 104a is provided above the discharge portion 104b is provided on the left, the charge holding unit 102 is provided below. 電荷保持部１０２は、左に排出部１０４ｂが設けられ、下に排出部１０４ｃが設けられる。 Charge holding unit 102, the discharge portion 104b is provided on the left, the discharge portion 104c is provided below. 以下、排出部１０４ａ，１０４ｂ及び１０４ｃの個々を又はそれらの総称を排出部１０４という。 Hereinafter, the discharge portion 104a, 104b and 104c individually or their generic term discharge portion 104 of the. 排出部１０４は、固定電源電位ＶＤＤに接続される。 Discharging unit 104 is connected to the fixed power supply potential VDD. 排出部１０４ａは、例えばリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのドレインである。 Discharging unit 104a is, for example, a drain of the reset MOS transistor RES-MOS. 排出部１０４の周囲は、素子分離部１０５により囲まれる。 Around the discharge portion 104 is surrounded by the element isolation portion 105. 素子分離部１０５は、自己の画素から隣接画素への電荷の漏れを防止する。 Element isolation portion 105 to prevent leakage of charges to adjacent pixels from its pixels. 光電変換部１０１は平面形状が四角形であり、その２辺に対向して排出部１０４ａ，１０４ｂが設けられ、他の１辺に対向して電荷保持部１０２が設けられる。 The photoelectric conversion unit 101 is a square planar shape, the discharge portion 104a so as to oppose the two sides, 104b are provided, the charge holding portion 102 is provided opposite to the other one side.
素子分離１０５は広義には排出部１０４も含み、この排出部があるために隣接画素への漏れを更に抑制することが可能となる。 Isolation 105 also includes discharge unit 104 in a broad sense, it is possible to further suppress leakage to adjacent pixels in order to have this discharge portion. また、この排出部は増幅部などに用いられるＭＯＳトランジスタのソースやドレインなどの不純物拡散領域を兼用することが可能である。 Further, the discharge unit is possible to use the impurity diffusion region such as source and drain of the MOS transistor used in such amplification unit. このことは、本発明の構造、即ち横方向へのオーバーフロー機構を利用していることが、画素内にＭＯＳトランジスタを有する増幅型の固体撮像装置に適した構造であることを示している。 This structure of the present invention, i.e., that utilizes an overflow mechanism in the lateral direction, which indicates a structure suitable for amplification type solid-state imaging device having a MOS transistor in a pixel.
光電変換部１０１は、光電変換により電荷を生成して蓄積する。 The photoelectric conversion unit 101, and accumulates the generated charges by photoelectric conversion. 浮遊拡散部ＦＤは、電荷を蓄積し、電圧に変換するための拡散領域である。 Floating diffusion FD accumulates charge, a diffusion region for converting the voltage. 転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、光電変換部１０１により生成された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送するためのゲートである。 The gate of the transfer MOS transistor Tx-MOS is a gate for transferring electric charge generated by the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion region FD. その転送ゲートを閉じることにより、光電変換部１０１は光電変換により電荷を生成して蓄積することができる。 By closing the transfer gate, the photoelectric conversion unit 101 may store generated electric charges by photoelectric conversion. その蓄積時間が終了すると、転送ゲートを開けることにより、光電変換部１０１に蓄積された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する（読み出す）ことができる。 If the accumulation time is completed, by opening the transfer gate to transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion region FD (reading) can be.
図２（Ａ）は、光電変換部１０１の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。 2 (A) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charge of the photoelectric conversion unit 101. 光電変換部１０１は、蓄積できる信号電荷量Ａ１が決まっている。 The photoelectric conversion unit 101, can be accumulated signal charge amount A1 is determined. したがって、光電変換部１０１に強い光が照射されると、光電変換部１０１から電荷があふれ出て、光量ｔ１で光電変換部１０１は飽和する。 Therefore, when the strong light to the photoelectric conversion unit 101 is irradiated, it overflows charge from the photoelectric conversion unit 101, the photoelectric conversion unit 101 in the light quantity t1 is saturated. 光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部が電荷保持部１０２に流入し、残りの電荷は排出部１０４に排出される。 Part of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge flows into the charge holding unit 102, the remaining charge is discharged to the discharge unit 104.
図２（Ｂ）は、電荷保持部１０２の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。 Figure 2 (B) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charge of the charge holding portion 102. さらに、電荷保持部１０２も蓄積できる信号電荷量Ａ２が決まっており、あふれ出た電荷は排出部１０４に排出される。 Furthermore, the carrier holding portion 102 are also decided signal charge amount A2 that can be accumulated, the charge overflowed is discharged to the discharge unit 104.
特性線２０１は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷がすべて電荷保持部１０２に流入する場合を示す。 Characteristic line 201 shows a case in which charge emitted photoelectric conversion unit 101 overflowing flows all the charge holding portion 102. 電荷保持部１０２の特性線２０１の傾きは、図２（Ａ）の光電変換部１０１の特性線の傾きと同じである。 Gradient of the characteristic line 201 of the carrier holding portion 102 is the same as the gradient of the characteristic line of the photoelectric conversion unit 101 of FIG. 2 (A). しかし、この場合、電荷保持部１０２は比較的少ない光量で飽和してしまう。 However, in this case, the charge holding portion 102 is saturated with a relatively small amount of light.
特性線２０２は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、一部が電荷保持部１０２に流入し、残りが排出部１０４に排出される場合を示す。 Characteristic line 202, among the charges out photoelectric conversion unit 101 overflows, a part flows into the charge holding unit 102 indicates the case where the remainder is discharged to the discharge unit 104. 電荷保持部１０２の特性線２０２の傾きは、図２（Ａ）の光電変換部１０１の特性線の傾きよりも緩やかである。 Gradient of the characteristic line 202 of the carrier holding portion 102 is gentler than the slope of the characteristic line of the photoelectric conversion unit 101 of FIG. 2 (A). したがって、光電変換部１０１に強い光が照射されても、電荷保持部１０２は飽和し難い。 Therefore, even if the photoelectric conversion unit 101 is strong light is irradiated, the charge holding unit 102 is hard to saturate. これにより、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。 Thus, it is possible to expand the dynamic range of the pixel signal.
即ち、電荷保持部１０２へのあふれる割合を小さくできることが、ダイナミックレンジをより大きくすることができる。 In other words, to be able to reduce the full rate to the charge holding portion 102, it is possible to further increase the dynamic range. 更に、本発明の特徴として、保持部を光電変換部と同じ構造を用いることが可能であるため、あふれる割合を小さくしても、ノイズに埋もれることなく検知することが可能である。 Further, as a feature of the present invention, since the holding portion can be used the same structure as the photoelectric conversion unit, even if a smaller full rate, it is possible to detect without buried in noise.
光電変換部１０１に光が照射されると、光量ｔ１までは光電変換部１０１に電荷が蓄積され、電荷保持部１０２には電荷が蓄積されない。 When the photoelectric conversion unit 101 is irradiated with light, to the light quantity t1 is accumulated charges in the photoelectric conversion unit 101 is not accumulated charges in the charge holding portion 102. 光量ｔ１になると、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入し、電荷保持部１０２は電荷を蓄積し始める。 Becomes the quantity t1, the photoelectric conversion unit 101 is saturated, the charge from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding portion 102 flows into the charge holding unit 102 starts to accumulate charges.
電荷保持部１０２は、横方向の（横型）オーバーフロードレイン構造を有することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部が電荷保持部１０２に流入する。 Charge holding portion 102, by having a lateral (horizontal) overflow drain structure, a part of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charges flowing into the charge holding portion 102. また、排出部１０４も、横型オーバーフロードレイン構造を有することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の他の一部が排出部１０４に排出される。 The discharge unit 104 also, by having a horizontal overflow drain structure, another portion of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge is discharged to the discharge unit 104. すなわち、電荷保持部１０２及び排出部１０４は、半導体基板の主表面から同程度の深さに配置される。 That is, the charge holding unit 102 and the discharge unit 104 is disposed at the same level of depth from the main surface of the semiconductor substrate.
図１において、長さＬ１は、光電変換部１０１が排出部１０４ａに対向する辺の長さである。 In Figure 1, the length L1 is the photoelectric conversion portion 101 is the length of the side opposite to the discharge portion 104a. 長さＬ２は、光電変換部１０１が電荷保持部１０２に対向する辺の長さである。 Length L2, of the side photoelectric conversion unit 101 is opposed to the charge holding portion 102 is the length. 長さＬ３は、光電変換部１０１が排出部１０４ｂに対向する辺の長さである。 The length L3 is the photoelectric conversion portion 101 is the length of the side opposite to the discharge unit 104b. 光電変換部１０１が飽和し、光電変換部１０１からあふれ出る過剰電荷量をＱ０とすると、光電変換部１０１から電荷保持部１０２へ流入する過剰電荷量Ｑ１は、次式で表される。 The photoelectric conversion unit 101 is saturated, the excess amount of charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflowing and Q0, an excess amount of charge Q1 which flows from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding unit 102 is expressed by the following equation.
Ｑ１＝Ｑ０×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３） Q1 = Q0 × L2 / (L1 + L2 + L3)
光電変換部１０１と電荷保持部１０２間、光電変換部１０１と電荷排出部１０４間の不純物プロファイルが略同一である場合に、単位辺当たりの流れ込み量は、各辺等価と考えられるため上記比率になる。 Between the photoelectric conversion unit 101 and the charge holding portion 102, when the impurity profile between charge discharging unit 104 and the photoelectric conversion unit 101 are substantially the same, amount flows per unit sides, in the ratio because it is considered that each side equivalent Become. プロセスバラツキにより、ポテンシャル障壁は多少ばらつくものの、前述の通り、単位辺当たりの流れ込み量は等価であるため、プロセスがばらついても、意図的に不純物プロファイルが異なるように設計しなければ上記比率が保持される。 The process variation, although the potential barrier is somewhat varied, as described above, since the amount of flow per unit sides are equivalent, even variations in the process, is intentionally above ratio to be designed so that the impurity profile is different retention It is.
排出部１０４は、ＭＯＳトランジスタ等の電源端子が接続された不純物領域を利用するため、特に新たな場所をとることはない。 Discharging unit 104, since the power supply terminals such as a MOS transistor is utilized impurity region connected, no particular take new location. 縦方向の（縦型）オーバーフロードレインは、電荷蓄積領域下部の不純物濃度を低くする必要があり、光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１が減少する。 Longitudinal (vertical) overflow drain, it is necessary to lower the impurity concentration of the charge accumulation region lower saturation charge amount A1 of the photoelectric conversion unit 101 is reduced. 本実施形態は、横型オーバーフロードレイン構造であるので、光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１は減少せず、電荷保持部１０２により、ダイナミックレンジを拡大しても、あくまでも主たる光電変換部１０１の飽和電荷量Ａ１を高く維持できることは重要である。 This embodiment is the horizontal overflow drain structure, the saturation charge amount A1 of the photoelectric conversion unit 101 is not reduced, by the charge holding unit 102, also to expand the dynamic range, merely the saturation charge of the main photoelectric conversion unit 101 it is important to be able to maintain a high amount A1.
本実施形態は、横型オーバーフロードレイン構造により、光電変換部１０１からあふれ出た電荷を、排出部１０４の固定電位に排出する経路と電荷保持部１０２に流す経路とをもつことを特徴とする。 This embodiment, the horizontal overflow drain structure, a charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflows, characterized in that with a path for discharging the fixed potential of the discharge portion 104 and the path to be supplied to the charge holding portion 102.
横型オーバーフロードレインを並列に配置することにより、電荷保持部１０２に流入する電荷量を２次元配置で調整することが可能となる。 By placing the lateral overflow drain in parallel, it is possible to adjust the amount of charge flowing into the charge holding unit 102 in a two-dimensional arrangement. 例えば、（１）光電変換部１０１が排出部１０４に接する幅Ｌ１，Ｌ３、（２）排出部１０４の長さＷ１、（３）電荷保持部１０２の幅Ｌ２、（４）電荷保持部の長さＷ２等により調整することができる。 For example, (1) the width L1, L3 of the photoelectric conversion portion 101 are in contact with the discharge unit 104, (2) the length W1 of the discharge portion 104, (3) the width L2 of the charge holding unit 102, (4) the length of the charge holding portion it can be adjusted by the W2 or the like. また、各領域間の不純物プロファイルを異ならせて、所望の割合のあふれ出た電荷を電荷保持部１０２に送ることも可能である。 Further, by varying the impurity profile between the regions, it is also possible to send a desired percentage of overflowing charge holding portion 102.
光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の構造は、電荷を蓄積、保持する不純物領域の表面に逆導電型の不純物領域が形成された構造である。 Structure of the photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102, a storage, a reverse conductive type impurity regions on the surface of the impurity region for holding is formed structure charges. 光電変換部１０１は開口され、電荷保持部１０２は遮光されている。 The photoelectric conversion unit 101 is opened, the carrier holding portion 102 is shielded from light. 光電変換部１０１及び電荷保持部１０２は、構造が同じで、表面に逆導電型の不純物領域が形成されているため、光電変換部１０１の信号と電荷保持部１０２の信号を加算してもノイズがのり難い。 The photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102, the structure is the same, the impurity region of the opposite conductivity type is formed on the surface, even when the addition signal of the photoelectric conversion unit 101 and the signal charge storage section 102 noise It is hard to ride. また、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、電荷保持部１０２に流入させる割合は光電変換部１０１、電荷保持部１０２及び排出部１０４の面積及び周辺長により制御できるので、プロセスバラツキの影響を受け難い。 Among charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflows, the ratio to flow into the charge holding unit 102 is a photoelectric conversion unit 101, can be controlled by the area and peripheral length of the carrier holding portion 102 and the discharge unit 104, the influence of process variations the less susceptible.
光電変換部１０１で光電変換された負電荷は、光電変換部１０１の第１導電型（ｎ型）の電荷蓄積領域に蓄積される。 Negative charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 101 is accumulated in the charge accumulation region of the first conductivity type of the photoelectric conversion unit 101 (n-type). 電荷保持部１０２は、光電変換部１０１とは別に遮光された領域である。 Charge holding unit 102, the photoelectric conversion unit 101 is a separate light-shielding region. 光電変換部１０１の飽和電荷量を超えたとき該飽和電荷量を超えた過剰電荷の一部を画素内の第１導電型の排出部１０４に排出する第１の経路と他の一部を電荷保持部１０２に排出する第２の経路とを有する。 First path and another part of the charge to discharge a portion of the excess charge beyond the saturated charge amount when it exceeds the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 101 to the first conductive type discharge portion 104 of the pixel and a second path for discharging the holding portion 102. 光電変換部１０１は、第１の転送部（ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。 The photoelectric conversion unit 101, via the first transfer unit (MOS transistor Tx-MOS gate) is connected to the source follower MOS transistor SF-MOS constituting a source follower amplifier. 電荷保持部１０２は、第２の転送部（ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート）を介し、ソースフォロアアンプを構成するソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳに接続されている。 Charge holding unit 102, via the second transfer unit (MOS transistor Ty-MOS gate) is connected to the source follower MOS transistor SF-MOS constituting a source follower amplifier. ソースフォロアアンプは、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２の信号電荷を増幅する。 The source follower amplifier amplifies the signal charges of the photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102.
図３は図１の固体撮像装置の等価回路図であり、図４は図３の回路の動作例を示すタイミングチャートである。 Figure 3 is an equivalent circuit diagram of a solid-state imaging device of FIG. 1, FIG. 4 is a timing chart showing an operation of the circuit of FIG. 電位φｒｅｓはリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｘは転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｙは転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｓｅｌはセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのゲート電位、電位φＣｔｓＦＤはＭＯＳトランジスタ４１１のゲート電位、電位φＣｔｎはＭＯＳトランジスタ４１３のゲート電位、電位φＣｔｓＰＤはＭＯＳトランジスタ４１２のゲート電位を示す。 Potential φres the gate potential of the reset MOS transistor RES-MOS, potential φtx the gate potential of the transfer MOS transistor Tx-MOS, potential φty the gate potential of the transfer MOS transistor Ty-MOS, potential φsel the select MOS transistor SEL-MOS gate potential, the potential φCtsFD the gate potential of the MOS transistor 411, potential φCtn the gate potential of the MOS transistor 413, potential φCtsPD denotes a gate potential of the MOS transistor 412.
タイミングＴ１より前では、電位φｒｅｓは正電位であり、電位φｔｘ，φｔｙ，φｓｅｌ，φＣｔｓＦＤ，φＣｔｎ，φＣｔｓＰＤは０Ｖである。 Prior to time T1, the potential φres is positive potential, the potential φtx, φty, φsel, φCtsFD, φCtn, φCtsPD is 0V. リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、浮遊拡散部ＦＤに電源電位ＶＤＤが供給される。 Reset MOS transistor RES-MOS is turned on, the power supply potential VDD is supplied to the floating diffusion region FD.
次に、タイミングＴ１では、電位φｔｘ及びφｔｙとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T1, a positive pulse is applied as φtx and Faity. トランジスタＴｘ−ＭＯＳ及びＴｙ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤ、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２に電源電位ＶＤＤが印加されてリセットされる。 Transistor Tx-MOS and Ty-MOS is turned on, the floating diffusion region FD, the photoelectric conversion unit 101 and the power supply potential VDD to the charge holding unit 102 is reset is applied. リセット後、電位φｒｅｓを０Ｖに下げ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳをオフにする。 After reset, lowering the potential φres to 0V, thereby turning off the reset MOS transistor RES-MOS. そして、電位φｔｘ及びφｔｙを例えば−１．３Ｖにし、光電変換部１０１、電荷保持部１０２及び浮遊拡散部ＦＤをフローティング状態にする。 Then, the potential φtx and φty example, -1.3 V, to the photoelectric conversion unit 101, a charge holding unit 102 and the floating diffusion region FD to a floating state. ただし、このとき外部の機械的なシャッタはまだ開いておらず、光電変換部１０１において光電荷の蓄積は始まっていない。 However, this time external mechanical shutter is not yet open, accumulation of photoelectric charges is not started in the photoelectric conversion unit 101.
次に、タイミングＴ２では、機械的なシャッタ５３（図７）が開き、光電変換部１０１に光が照射され、光電変換部１０１は光電荷の生成及び蓄積を開始する。 Then, at a timing T2, opens mechanical shutter 53 (FIG. 7), light is irradiated to the photoelectric conversion unit 101, the photoelectric conversion unit 101 starts generation and accumulation of photoelectric charge. 光電変換部１０１に弱い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和せず、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷が流入しない。 When the weak light to the photoelectric conversion unit 101 is irradiated, the photoelectric conversion unit 101 is not saturated, the charge from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding unit 102 does not flow. これに対し、光電変換部１０１に強い光が照射されたときには、光電変換部１０１は飽和し、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に一部の電荷が流入する。 In contrast, when the photoelectric conversion unit 101 is strong light is irradiated, the photoelectric conversion unit 101 is saturated and a part of the charge flowing from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding portion 102.
次に、タイミングＴ３では、シャッタ５３が閉じ、光電変換部１０１は遮光され、光電変換部１０１の光電荷の生成が終了する。 Then, at a timing T3, the shutter 53 is closed, the photoelectric conversion unit 101 is shielded, the generation of photoelectric charge of the photoelectric conversion unit 101 is completed.
次に、タイミングＴ４では、電位φｔｙとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T4, a positive pulse is applied as Faity. 転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳはオンし、電荷保持部１０２に蓄積された負電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。 The transfer MOS transistor Ty-MOS is turned on, the negative charges accumulated in the charge holding unit 102 is read out to the floating diffusion region FD. 浮遊拡散部ＦＤの電位の実線は、弱い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出なかった場合を示す。 The solid line in the potential of the floating diffusion portion FD is weak light is irradiated, it shows a case where electric charges from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding portion 102 is not overflowed. 浮遊拡散部ＦＤの電位の点線は、強い光が照射され、光電変換部１０１から電荷保持部１０２に電荷があふれ出た場合を示す。 Dotted potential of the floating diffusion portion FD is strong light is irradiated, shows a case where electric charges from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding portion 102 is overflowed. 電荷保持部１０２から浮遊拡散部ＦＤに負電荷が読み出されると、浮遊拡散部ＦＤの電位が下がる。 When negative charges are read out from the charge holding unit 102 to the floating diffusion region FD, the potential of the floating diffusion region FD is lowered.
次に、タイミングＴ５では、電位φｓｅｌを０Ｖから正電位にする。 Then, at a timing T5, to a positive potential the potential φsel from 0V. セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオンし、信号出力線４０１をアクティブ状態にする。 Select MOS transistor SEL-MOS is turned on, the signal output line 401 to the active state. ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、ソースフォロアアンプを構成し、浮遊拡散部ＦＤの電位に応じて、信号出力線４０１に出力電圧を出力する。 Source follower MOS transistor SF-MOS constitutes a source-follower amplifier in response to the potential of the floating diffusion region FD, and outputs the output voltage to the signal output line 401.
次に、タイミングＴ６では、電位φＣｔｓＦＤとして正パルスが印加される。 Then, at a timing T6, a positive pulse is applied as the potential FaiCtsFD. トランジスタ４１１がオンし、容量ＣｔｓＦＤに浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号出力線４０１の電位が蓄積される。 Transistor 411 is turned on, the potential of the signal output line 401 in response to the potential of the floating diffusion region FD to the capacity CtsFD is accumulated. 光電変換部１０１が飽和していない画素には、電荷保持部１０２に電荷があふれ出ないので、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤに応じた出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。 The pixel photoelectric conversion unit 101 is not saturated, since no overflow charge in the charge holding unit 102, an output corresponding to the reset voltage VDD of the floating diffusion portion FD is accumulated in the capacitor CtsFD. また、光電変換部１０１に強い光が照射され、光電変換部１０１が飽和した場合は、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤより低い出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。 Further, the irradiated strong light to the photoelectric conversion unit 101, when the photoelectric conversion unit 101 is saturated, lower than the reset voltage VDD of the floating diffusion portion FD output is accumulated in the capacitor CtsFD.
次に、タイミングＴ７では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T7, a positive pulse is applied as .phi.RES. リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤは再度電源電位ＶＤＤにリセットされる。 The reset MOS transistor RES-MOS is turned on, and the floating diffusion region FD is reset to again supply potential VDD.
次に、タイミングＴ８では、電位φＣｔｎとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T8, a positive pulse is applied as FaiCtn. ＭＯＳトランジスタ４１３はオンし、浮遊拡散部ＦＤがリセットされた状態での信号出力線４０１のオフセットノイズ電圧が容量Ｃｔｎに蓄積される。 MOS transistor 413 is turned on, the floating diffusion portion FD is offset noise voltage of the signal output line 401 in the reset state is accumulated in the capacitor Ctn.
次に、タイミングＴ９では、電位φｔｘとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T9, a positive pulse is applied as? Tx. 転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳはオンし、光電変換部１０１に蓄積された電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。 Transfer MOS transistor Tx-MOS turned, the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 101 is read out to the floating diffusion region FD.
次に、タイミングＴ１０では、電位φＣｔｓＰＤとして正パルスを印加する。 Then, at a timing T10, a positive pulse is applied as FaiCtsPD. ＭＯＳトランジスタ４１２はオンし、光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤに読み出された電荷に応じた信号出力線４０１の電圧が容量ＣｔｓＰＤに蓄積される。 MOS transistor 412 is turned on, the voltage of the signal output line 401 corresponding to charges read from the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion region FD is accumulated in the capacitor CtsPD.
次に、タイミングＴ１１では、電位φｓｅｌを０Ｖにする。 Then, at a timing T11, the potential φsel to 0V. セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオフし、信号出力線４０１は非アクティブ状態になる。 Select MOS transistor SEL-MOS is turned off, the signal output line 401 becomes inactive.
次に、タイミングＴ１２では、電位φｒｅｓを正電位にする。 Then, at a timing T12, the potential φres a positive potential. リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤの電位を電源電位ＶＤＤに固定する。 The reset MOS transistor RES-MOS is turned on to fix the potential of the floating diffusion FD to the power supply potential VDD.
以上の処理により、容量Ｃｔｎにはオフセットノイズに対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＦＤには光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出た電荷に対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＰＤには光電変換部１０１の蓄積電荷に対応する電圧が蓄積される。 By the above processing, a voltage corresponding to the offset noise is accumulated in the capacitor Ctn, capacity CtsFD a voltage corresponding to the charge overflowed from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding unit 102 is accumulated in the photoelectric the capacity CtsPD voltage corresponding to the accumulated charge of the conversion unit 101 is accumulated.
図９に別の例を示す。 It shows another example in FIG. 本例において、図３の構成に更に、オフセットノイズに対応する電圧を蓄積するための容量Ｃｔｎを、光電変換部１０１用容量ＣｔｎＰＤ及び電荷保持部１０２用容量ＣｔｎＦＤの二つの容量を設けた構成での動作例を示すタイミングチャートである。 In this example, further to the configuration of FIG. 3, the capacity Ctn for storing a voltage corresponding to the offset noise, the configuration provided with two capacity capacitor photoelectric conversion unit 101 CtnPD and the charge storage part 102 for capacitance CtnFD is a timing chart showing an operation example. 同様に、ＭＯＳトランジスタ４１３も２つ設けられ、一方がゲート電位φＣｔｎＰＤで制御され、他方がゲート電位φＣｔｎＦＤで制御される。 Similarly, MOS transistor 413 is also two provided, one of which is controlled by the gate potential FaiCtnPD, the other is controlled by the gate potential FaiCtnFD.
タイミングＴ１は、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２のリセット期間である。 Timing T1 is a reset period of the photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102. タイミングＴ２〜Ｔ３は、光照射期間である。 Timing T2~T3 is a light irradiation period. タイミングＴ４は、読み出し開始（リセット解除）期間である。 Timing T4 is read start (reset cancellation) period. タイミングＴ５は、電荷保持部１０２読み出し用のノイズ電圧書き込み期間である。 Timing T5 is the noise voltage writing period of the charge holding unit 102 for reading. タイミングＴ６は、電荷保持部１０２の信号を浮遊拡散部ＦＤに転送する期間である。 The timing T6 is a period for transferring signal charge holding unit 102 to the floating diffusion region FD. タイミングＴ７は、電荷保持部１０２読み出し用の信号電圧書き込み期間である。 Time T7 is a signal voltage writing period of the charge holding unit 102 for reading. タイミングＴ８は、浮遊拡散部ＦＤをリセットする期間である。 Timing T8 is a period for resetting the floating diffusion portion FD. タイミングＴ９は、光電変換部１０１読み出し用のノイズ電圧書き込み期間である。 Timing T9 is the noise voltage writing period of the photoelectric conversion unit 101 for reading. タイミングＴ１０は、光電変換部１０１の信号を浮遊拡散部ＦＤに転送する期間である。 Timing T10 is a period for transferring signal in the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion region FD. タイミングＴ１１は、光電変換部１０１読み出し用の信号電圧書き込み期間である。 Timing T11 is a signal voltage writing period of the photoelectric conversion unit 101 for reading. タイミングＴ１２は、読み出し終了（リセットオン）期間である。 Timing T12 is a reading end (reset on) period. 以下、より詳細に説明する。 It will be described in more detail below.
まず、タイミングＴ１において、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２のリセットを行うために、電位φｒｅｓを正電位とし、電位φｔｘ、電位φｔｙとして正パルスを印加する。 First, at timing T1, in order to perform the resetting of the photoelectric conversion unit 101 and the charge storage part 102, the potential φres a positive potential, the potential? Tx, a positive pulse is applied as Faity.
次に、タイミングＴ２〜Ｔ３において、メカシャッタ５３が開いて光電変換部１０１が露光される。 Then, at the timing T2 to T3, the mechanical shutter 53 is the photoelectric conversion unit 101 is exposed open. タイミングＴ４において、電位φｒｅｓが０Ｖとなり、読み出しが開始される。 At timing T4, the potential φres to 0V, reading is started.
まずはタイミングＴ５において、電位φＣｔｎＦＤに正パルスが印加され、電荷保持部１０２のＮ信号（オフセットノイズ）が蓄積される。 First at time T5, the positive pulse is applied to the potential φCtnFD, N signal of the charge holding unit 102 (offset noise) is accumulated. タイミングＴ６において、電位φｔｙとして正パルスを印加して、電荷保持部１０２に蓄積された信号電荷を転送し、タイミングＴ７において電位φＣｔｓＦＤに正パルスを印加して、容量ＣｔｓＦＤにＳ信号（正規信号）を蓄積する。 At timing T6, and a positive pulse is applied as the potential Faity, transfers the signal charge accumulated in the charge holding unit 102, by applying a positive pulse to the potential φCtsFD at timing T7, S signal in the capacitor CtsFD (normal signal) the accumulation.
次にタイミングＴ８において、浮遊拡散部ＦＤをリセットするために、電位φｒｅｓを正電位とする。 Next, at timing T8, to reset the floating diffusion region FD, the potential φres a positive potential. そしてタイミングＴ９〜Ｔ１１において、光電変換部１０１に蓄積された電荷を読み出す。 Then at timing T9～T11, reading out the charges stored in the photoelectric conversion unit 101. これは、タイミングＴ５〜Ｔ７の電荷保持部１０２からのＮ信号、Ｓ信号の読み出しと同様のシーケンスで、電位φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎＰＤ、φｔｘにパルスを印加すればよい。 This, N signal from the carrier holding portion 102 of the timing T5 to T7, the same sequence and reading S signal, potential φCtsFD, φCtnPD, may be applied a pulse to the? Tx. 図９の浮遊拡散部ＦＤの電位は浮遊拡散部ＦＤに溢れだす電荷量を示している。 The potential of the floating diffusion region FD in FIG. 9 shows the amount of charge overflowing to the floating diffusion region FD.
図３において、差動アンプ４２１は、容量ＣｔｓＦＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。 3, the differential amplifier 421 outputs a voltage obtained by subtracting the noise voltage of the capacitor Ctn from the signal voltage of the capacitor CtsFD. 差動アンプ４２２は、容量ＣｔｓＰＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。 Differential amplifier 422 outputs a voltage obtained by subtracting the noise voltage of the capacitor Ctn from the signal voltage of the capacitor CtsPD. アンプ４２３は、差動アンプ４２１の出力信号を増幅する。 Amplifier 423 amplifies the output signal of the differential amplifier 421. アンプ４２４は、差動アンプ４２２の出力信号を増幅する。 Amplifier 424 amplifies the output signal of the differential amplifier 422.
アンプ４２３及び４２４の増幅度（ゲイン）は、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、電荷保持部１０２に流入する量と排出部１０４に排出する量の比率により決まる。 Amplification of the amplifier 423 and 424 (gain) Among charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflows, determined by the ratio of the amount to be discharged to the discharge unit 104 and the amount that flows into the charge holding portion 102. 例えば、光電変換部１０１からあふれ出た電荷のうち、１／３が電荷保持部１０２に流入し、２／３が排出部１０４に排出される場合を説明する。 For example, among charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflows, 1/3 flows into the charge holding portion 102, 2/3 will be described when it is discharged to the discharge unit 104. その場合は、アンプ４２３は入力信号を３倍して出力し、アンプ４２４は入力信号を１倍して出力する。 In that case, the amplifier 423 and outputs the 3-fold input signals, the amplifier 424 outputs the 1-fold the input signal. すなわち、電荷保持部１０２にあふれ出た電荷量の３倍が、光電変換部１０１からあふれ出た電荷量であることを意味する。 In other words, three times the amount of charge overflow to the charge holding portion 102, which means that the amount of charge exiting the photoelectric conversion unit 101 overflows.
電荷保持部１０２の信号と光電変換部１０１の信号を読み出す画素内の増幅回路を共通にする、即ち読み出し経路を同一にすることで、経路の違いによるわずかな感度のズレ、オフセットズレを抑制することができる。 To a common amplifier circuit in a pixel for reading a signal of the photoelectric conversion unit 101 of the charge holding portion 102, i.e., by a read path in the same, offset a slight sensitivity due to differences in path, suppresses the offset deviation be able to. この結果、後段アンプでの増幅も可能となる。 As a result, it is possible amplification in the subsequent stage amplifier. 特に、ダイナミックレンジを拡大するためには、この後段アンプでの増幅を大きくする必要があり、経路を同一にすることで増幅が可能となる。 In particular, in order to expand the dynamic range, it is necessary to increase the amplification in the subsequent stage amplifier, it is possible to amplify by a path to the same.
加算器４２５は、アンプ４２３及び４２４の出力信号を加算して画素信号を出力する。 The adder 425 outputs a pixel signal by adding the output signal of the amplifier 423 and 424. 画素信号は、光電変換部１０１の蓄積電荷及び電荷保持部１０２にあふれ出た電荷を基に生成されるので、光電変換部１０１の蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。 Pixel signal is expanded because it is generated based on the accumulated charge and the charge storage part 102 to the overflowing charges in the photoelectric conversion unit 101, compared to using only the stored charge in the photoelectric conversion unit 101, the dynamic range of the pixel signal can do.
アンプ４２６は、ＩＳＯ感度に応じて、加算器４２５の出力信号を増幅して出力する。 Amplifier 426, depending on the ISO sensitivity, amplifies the output signal of the adder 425. ＩＳＯ感度値が小さいときには増幅度が小さく、ＩＳＯ感度値が大きいときには増幅度が大きい。 When the ISO sensitivity value is small small degree of amplification, a large amplification degree when the ISO sensitivity value is greater.
上記の素子が画素信号生成部を構成する。 The above elements constituting the pixel signal generation unit. 画素信号生成部は、光電変換部１０１に蓄積された電荷及び電荷保持部１０２に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する。 Pixel signal generation section generates a pixel signal corresponding to the charge accumulated in the photoelectric conversion unit charge and the charge storage part 102 accumulates the 101. 本実施形態によれば、光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち電荷保持部１０２に流入させる割合を高精度で制御することができ、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。 According to this embodiment, the rate to flow into the charge holding portion 102 of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charges can be controlled with high precision, it is possible to improve the image quality as well as expanding the dynamic range. また、光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出る構造と光電変換部１０１から排出部１０２にあふれ出る構造は、共に横型オーバーフロードレイン構造なので、両者にあふれ出る電荷量の比率を容易に制御することができる。 Furthermore, overflowing structure to the discharge unit 102 from the structure and the photoelectric conversion unit 101 overflowing from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding unit 102 are both so horizontal overflow drain structure, to easily control the ratio of overflow to both charge amount be able to.
図５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 Figure 5 is a diagram showing a configuration example of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. 図５が図１と異なる点を説明する。 Figure 5 is referring to differences from the FIG. 本実施形態は、図１の電荷保持部１０２の代わりに、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂを設ける。 This embodiment, instead of the charge holding unit 102 of FIG. 1, providing a first charge carrier holding portion 102a and the second charge carrier holding portion 102b. 以下、電荷保持部１０２ａ及び１０２ｂの個々を又はそれらの総称を電荷保持部１０２という。 Hereinafter, the individual charge storage part 102a and 102b or their generic term charge holding portion 102.
転送ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのソース及びドレインは、第１の電荷保持部１０２ａ及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。 The source and drain of the transfer MOS transistor Ty-MOS corresponds to the first charge carrier holding portion 102a and the floating diffusion region FD. ＭＯＳトランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲートを制御することにより、第１の電荷保持部１０２ａの蓄積電荷を浮遊拡散部ＦＤに読み出すことができる。 By controlling the gate of the MOS transistor Ty-MOS, it can be read out charges accumulated in the first charge carrier holding portion 102a to the floating diffusion region FD.
また、転送ＭＯＳトランジスタＴｚ−ＭＯＳのソース及びドレインは、第２の電荷保持部１０２ｂ及び浮遊拡散部ＦＤに対応する。 The source and drain of the transfer MOS transistor Tz-MOS corresponds to the second charge carrier holding portion 102b and the floating diffusion region FD. ＭＯＳトランジスタＴｚ−ＭＯＳのゲートを制御することにより、第２の電荷保持部１０２ｂの蓄積電荷を浮遊拡散部ＦＤに読み出すことができる。 By controlling the gate of the MOS transistor Tz-MOS, it can be read out charges accumulated in the second charge carrier holding portion 102b to the floating diffusion region FD.
排出部１０４ｄは、光電変換部１０１及び第１の電荷保持部１０２ａの間に設けられ、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部を排出する。 Discharge portion 104d is provided between the photoelectric conversion portion 101 and the first charge carrier holding portion 102a, to discharge a portion of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge. 排出部１０４ｅは、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂの間に設けられ、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出る電荷の一部を排出する。 Discharging unit 104e is provided between the first charge carrier holding portion 102a and the second charge carrier holding portions 102b, to discharge a portion of the first charge carrier holding portion 102a overflows out charge. 以下、排出部１０４ａ〜１０４ｅの個々を又はそれらの総称を排出部１０４という。 Hereinafter, the individual discharge portions 104a~104e or their generic term discharge portion 104.
光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち、一部は第１の電荷保持部１０２ａに流入し、他の一部は第２の電荷保持部１０２ｂに流入し、残りは排出部１０４に排出される。 Of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge, part flows into the first charge carrier holding portion 102a, the other part flows into the second charge carrier holding portion 102b, the rest is discharged to the discharge unit 104 . また、第１の電荷保持部１０２ａが飽和すると、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷のうち、一部が第２の電荷保持部１０２ｂに流入し、残りが排出部１０４に排出される。 Further, the first charge carrier holding portion 102a is saturated, among charge exiting the first charge carrier holding portion 102a overflows, part flows into the second charge carrier holding portion 102b, the rest is discharged to the discharge unit 104 that.
なお、光電変換部１０１から直接第２の電荷保持部１０２ｂに流入する経路は必ずしも必要でない。 Note that the path that flows directly into the second charge carrier holding portion 102b from the photoelectric conversion unit 101 is not always necessary. 例えば、光電変換部１０１からあふれ出た電荷量の１／２が第１の電荷保持部１０２ａに流入させ、さらに第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷量の１／２が第２の電荷保持部１０２ｂに流入させることができる。 For example, 1/2 of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge amount allowed to flow into the first charge carrier holding portion 102a, further 1/2 of the first charge carrier holding portion 102a overflowing out charge amount of the second it can be made to flow into the charge holding portion 102b.
本実施形態は、２次元上で第２の電荷保持部１０２ｂを設置することができ、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出た電荷をさらに第２の電荷保持部１０２ｂに取り込むことができ、更にダイナミックレンジを拡大することができる。 This embodiment may be located a second charge carrier holding portion 102b on the two-dimensional, can be incorporated into the first charge carrier holding portion 102a overflowing out charge further second charge carrier holding portion 102b, Furthermore it is possible to expand the dynamic range.
図６（Ａ）は、本実施形態による固体撮像装置の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。 6 (A) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charges of the solid-state imaging device according to the present embodiment. 信号電荷は、光電変換部１０１及び電荷保持部１０２ａ，１０２ｂの合計蓄積電荷量を示す。 Signal charge shows the photoelectric conversion unit 101 and the charge holding portion 102a, the total accumulated charge amount of 102b. 光量が増加するに従い、信号電荷は領域６０１〜６０３に推移する。 According amount is increased, the signal charges are shifted to regions 601-603. 領域６０１は、光電変換部１０１が飽和する前の光電変換部１０１に蓄積される信号電荷を示す。 Region 601 shows the signal charges photoelectric conversion unit 101 is accumulated in the photoelectric conversion unit 101 before the saturation. 領域６０２は、光電変換部１０１が飽和し、光電変換部１０１から第１の電荷保持部１０２ａに一部の電荷が流入する領域を示す。 Region 602, the photoelectric conversion unit 101 is saturated, shows a region where a portion of the charge flows from the photoelectric conversion unit 101 to the first charge carrier holding portion 102a. 領域６０３は、第１の電荷保持部１０２ａが飽和し、第１の電荷保持部１０２ａから第２の電荷保持部１０２ｂに一部の電荷が流入する領域を示す。 Region 603, the first charge carrier holding portion 102a is saturated, it shows a region where a portion of the charge flows from the first charge carrier holding portion 102a to the second charge carrier holding portion 102b. 領域６０１〜６０３は、徐々に特性線の傾きが緩やかになる。 Regions 601 to 603, gradually slope of the characteristic line becomes gentle. 人間の視感度特性は、光量が多い（明るい）ときには光量の変化を比較的認識し難い。 Human visibility characteristics, the light quantity is large (bright) sometimes difficult to relatively recognize the change in light intensity. したがって、この信号電荷をそのまま画素信号としてもよい。 Therefore, it may be as a pixel signal the signal charge. すなわち、図３のアンプ４２３，４２４は、必ずしも必要でない。 That is, the amplifier 423 and 424 of FIG. 3 is not necessarily required.
図６（Ｂ）は、本実施形態による固体撮像装置の光量と画素信号との関係を示すグラフである。 6 (B) is a graph showing the relationship between the amount of light and the pixel signals of the solid-state imaging device according to the present embodiment. 画素信号は、図６（Ａ）の各領域６０１〜６０３の信号電荷をアンプ４２３，４２４等によりゲイン補正したものである。 Pixel signal is obtained by the gain correction by the amplifier 423 and 424 or the like the signal charges of the regions 601 to 603 in FIG. 6 (A). 全領域６０１〜６０３において、画素信号は光量に対して線形特性を保つことができる。 In the entire region 601 to 603, the pixel signal can keep the linear characteristic with respect to light intensity.
本実施形態によれば、第１の電荷保持部１０２ａ及び第２の電荷保持部１０２ｂを容易に段階的に設けることができ、図６（Ａ）の線形特性に連続性を持たせることができる。 According to this embodiment, the first charge carrier holding portion 102a and the second charge carrier holding portions 102b can be easily provided in stages, it is possible to have continuity in the linear characteristic shown in FIG. 6 (A) .
なお、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートのローレベル電位を制御することにより、光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤに一部の電荷を流入させ、第１の電荷保持部１０２ａへ流入する割合を制御することもできる。 By controlling the low-level potential of the gate of the transfer MOS transistor Tx-MOS, allowed to flow into a portion of the charge from the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion region FD, the rate of flow into the first charge carrier holding portion 102a it is also possible to control. しかし、過剰電荷の５０％程度の漏れ制御はできるものの、より少ない漏れ量を制御するのはバラツキが問題となり困難である。 However, although it is leak control about 50% of the excess charge, it is difficult becomes variation problem to control the lesser amount of leakage. そこで、それに本実施形態を併用することで、より高精度の制御が可能となる。 Therefore, it is possible combination of this embodiment, it is possible to more accurately control the.
また、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートのローレベル電位を制御する場合、第１の電荷保持部１０２ａへの漏れこみを抑制、すなわち光電変換部１０１から浮遊拡散部ＦＤへの漏れ込みを増大させると、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳの暗電流という問題が生じるため、大幅なダイナミックレンジ拡大は困難である。 Also, when controlling the low-level potential of the gate of the transfer MOS transistor Tx-MOS, suppressing leakage of the first charge carrier holding portion 102a, i.e. to increase the leakage from the photoelectric conversion unit 101 to the floating diffusion portion FD If, because the problem of the transfer MOS transistor Tx-MOS dark current occurs, substantial dynamic range expansion is difficult.
光電変換部１０１の蓄積電荷は、電荷保持部１０２ａ，１０２ｂの蓄積電荷に比べ、重要な信号電荷である。 Charges accumulated in the photoelectric conversion unit 101, the charge holding portion 102a, as compared to 102b of accumulated charge, is an important signal charge. したがって、光電変換部１０１の転送ゲート（トランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート）を十分にオフし、第１の電荷保持部１０２ａの転送ゲート（トランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲート）のローレベル電位を制御することにより、第２の電荷保持部１０２ｂに流入する電荷量の割合を制御することが好ましい。 Therefore, the transfer gates of the photoelectric conversion unit 101 (transistor Tx-MOS gate) fully off, by controlling the low-level potential of the transfer gate of the first charge carrier holding portion 102a (transistor Ty-MOS gate) , it is preferable to control the ratio of the amount of charge flowing into the second charge carrier holding portion 102b.
また、第１及び第２の実施形態では、電荷保持部に流入する割合に応じて、アンプ４２３，４２４により信号電荷を増幅補正して画素信号を生成する場合を説明したが、アンプ４２３，４２４を用いずに、容量ＣｔｓＦＤ及びＣｔｓＰＤの容量値（サイズ）等を調整して電圧増幅するようにしてもよい。 In the first and second embodiments, depending on the rate of flow into the charge holding portion, a case has been described for generating a pixel signal by amplifying correcting the signal charges by the amplifier 423, amplifier 423 and 424 the without it may be voltage amplified by adjusting the capacitance CtsFD and capacitance values ​​of CtsPD (size) or the like.
図７は、本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 Figure 7 is a block diagram showing a configuration example of a still video camera according to a third embodiment of the present invention. 図７に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。 Based on FIG. 7, described in detail an example of the case of applying the solid-state imaging device of the first and second embodiments in a still video camera. 固体撮像素子５４及び撮像信号処理回路５５は上記の固体撮像装置に対応する。 Solid-state imaging device 54 and the image signal processing circuit 55 corresponds to the solid-state imaging device.
図７において、５１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞り及びシャッタ、５４はレンズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路、５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部、５７はＡ／Ｄ変換部５６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタ 7, the barrier 51 serving as a protection and a main switch of the lens, 52 is a lens for forming an optical image of an object on a solid-state imaging device 54, a diaphragm and a shutter for varying the amount of light passing through the lens 52 is 53, the solid-state imaging device for taking a subject focused by the lens 52 as an image signal 54, image signal processing circuit 55 to analog signal processing an imaging signal (image signal) output from the solid-state imaging device 54, 56 is captured analog image signal output from the signal processing circuit 55 - a / D converter for performing digital conversion, 57 signal processing for compressing the data or perform various corrections on image data outputted from the a / D converter 56 parts, 58 the solid-state imaging device 54, image signal processing circuit 55, a / D converter 56, the signal processing unit 57, data for outputting various timing signals ミング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。 Timing generating unit, 59 system control and operation unit for controlling the overall various operations and still video camera, 60 is a memory unit for temporarily storing image data, for recording or reading the recording medium 62 is 61 interface, a removable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading of the image data 62, 63 is an interface unit for communicating with an external computer or the like.
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。 Next, the operation of the still video camera upon photographing in the configuration described above. バリア５１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換部５６などの撮像系回路の電源がオンされる。 When the barrier 51 is opened, the main power supply is turned on, and turned on the power supply is then controlled based, it is further powered on imaging system circuits such as the A / D converter 56. それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６で変換された後、信号処理部５７に入力される。 Then, in order to control the exposure amount, the whole control arithmetic operation unit 59 the diaphragm 53 to open, the signal output from the solid-state imaging device 54 is converted by the A / D converter 56 through the image signal processing circuit 55 after, it is input to the signal processing unit 57. そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部５９で行う。 Performed by the system control and operation unit 59 calculates the exposure based on the data. この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞り５３を制御する。 Determines the brightness by result of this photometry, the system control and operation unit 59 in accordance with the result controls the diaphragm 53.
次に、固体撮像素子５４から出力された信号を基に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部５９で行う。 Next, based on the signal output from the solid-state imaging device 54 performs the entire control and operation unit 59 calculates the distance to the subject is taken out high frequency components. その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。 Then, by driving the lens is determined whether the focusing, when it is determined that not in focus, performs a distance measuring lens is driven again. そして、合焦が確認された後に、シャッタ５３を開いて本露光が始まる。 After the focus state is confirmed, exposure starts by opening the shutter 53. 露光が終了すると、固体撮像素子５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。 After the exposure, the image signal output from the solid-state imaging device 54 is A / D converted by the A / D converter 56 through the image signal processing circuit 55, the whole through the signal processor 57 control and operation unit 59 It is written into the memory unit 60. その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。 Thereafter, the data stored in the memory unit 60 is recorded in the removable recording medium 62 such as through a semiconductor memory recording medium control I / F unit 61 under the control of the whole control arithmetic operation unit 59. また、外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。 It is also possible for image processing by inputting an external I / F unit 63 as direct a computer or the like.
タイミング発生部５８は、図４の電位φｒｅｓ、φｔｘ、φｔｙ、φｓｅｌ、φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎ、φＣｔｓＰＤ等の信号を制御する。 Timing generator 58, the potential of FIG. 4 φres, φtx, φty, φsel, φCtsFD, φCtn, controls the signals such FaiCtsPD.
図８は、本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 Figure 8 is a block diagram showing a configuration example of a video camera according to a fourth embodiment of the present invention. 図８に基づいて、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。 Based on FIG. 8, it will be described in detail an embodiment of the case where the solid-state image pickup device of the first and second embodiments is applied to a video camera.
１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１Ｂ、結像用のレンズ１Ｃを備えている。 1 is provided with a focus lens 1A for performing focus adjustment in photographing lens, a zoom lens 1B zooming operation, the lens 1C for imaging. ２は絞り及びシャッタ、３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子、４は固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。 2 aperture and shutter 3 to the solid-state image pickup element for converting into an electrical image signal by photoelectrically converting an object image formed on the imaging surface, 4 samples and holds the image pickup signal outputted from the solid-state imaging device 3 further, a sample hold circuit for amplifier level (S / H circuit), and outputs a video signal.
５はサンプルホールド回路４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。 5 gamma to the video signal output from the sample hold circuit 4 correction, color separation, a process circuit for performing a predetermined processing such as blanking process, and outputs a luminance signal Y and the chroma signal C. プロセス回路５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。 Chroma signal C outputted from the process circuit 5, the color signal correction circuit 21, is made to correct the white balance and color balance, color difference signals R-Y, and output as a B-Y.
また、プロセス回路５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。 Also, the luminance signal Y outputted from the process circuit 5, the color difference signals outputted from the color signal correction circuit 21 R-Y, B-Y is modulated by the encoder circuit (ENC circuit) 24, a standard television signal is output. そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。 Then, it is supplied to the electronic view finder such as a video recorder (not shown) or the monitor electronic view finder, (EVF).
次いで、６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御するものである。 Then, 6 denotes an iris control circuit for controlling the iris driving circuit 7 on the basis of a video signal supplied from the sample hold circuit 4, so that the level of the video signal becomes a constant value of a predetermined level, the diaphragm 2 opening the ig meter 8 to control the amount that automatically controls.
１３及び１４は、サンプルホールド回路４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。 13 and 14 is a band-pass filter of bandwidth limitations different for extracting high frequency components necessary for performing in-focus detection from the video signal outputted from the sample hold circuit 4 (BPF). 第１のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１７に入力される。 First band-pass filter 13 (BPF1), and a signal output from the second band-pass filter 14 (BPF2) are each gated by the gate circuit 15 and the focus gate frame signal, the peak value in the peak detection circuit 16 There while being held are detected, are inputted to the logic control circuit 17. この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。 This signal is called a focus voltage and set the focus by the focus voltage.
また、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。 Further, 18 is a focus encoder for detecting the movement position of the focus lens 1A, 19 is a zoom encoder for detecting the focal length of the zoom lens 1B, 20 is an iris encoder for detecting the aperture amount of the diaphragm 2. これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１７へと供給される。 Detection values ​​of these encoders are supplied to logic control circuit 17 for system control.
論理制御回路１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。 Logic control circuit 17, on the basis of the video signal corresponding to the set focus detection area, performs focus adjustment carried out focus detection with respect to the subject. 即ち、各々のバンドパスフィルタ１３、１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモーター１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。 That takes a peak value information of high frequency components supplied from each of the bandpass filters 13 and 14, the focus motor 10 to the focus driving circuit 9 to drive the focus lens 1A to the position where the peak value of the high-frequency component is maximum rotational direction of the rotational speed, and supplies the control signal of the rotation / stop, and controls it.
ズーム駆動回路１１は、ズームが指示されると、ズームモーター１２を回転させる。 Zoom drive circuit 11, when the zoom is instructed to rotate the zoom motor 12. ズームモーター１２が回転すると、ズームレンズ１Ｂが移動し、ズームが行われる。 When the zoom motor 12 is rotated, the zoom lens 1B is moved, zooming is performed.
以上のように、第１〜第４の実施形態によれば、電荷保持部１０２は、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の一部を蓄積する。 As described above, according to the first to fourth embodiments, the charge holding unit 102 in a period in which the photoelectric conversion unit 101 is accumulated to generate a charge, the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge one part accumulate. トランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第１の転送部である。 Transistor Tx-MOS gate is a first transfer unit for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion unit 101 to the source follower amplifier SF-MOS. トランジスタＴｙ−ＭＯＳのゲートは、電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第２の転送部である。 Transistor Ty-MOS gate is the second transfer unit for transferring charges accumulated in the charge holding unit 102 to the source follower amplifier SF-MOS. 排出部１０４は、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部１０１からあふれ出る電荷の他の一部を排出する。 Discharging unit 104, in a period in which the photoelectric conversion unit 101 is accumulated to generate a charge, to discharge another portion of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charge. 光電変換部１０１に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する経路と電荷保持部１０２に蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送する経路とを異ならせて電荷を転送することが特徴である。 By varying the path for transferring route and charges accumulated in the charge holding unit 102 for transferring the charges accumulated in the photoelectric conversion unit 101 to the source follower amplifier SF-MOS to the source follower amplifier SF-MOS transfer charge it is a feature.
第２の実施形態では、第２の電荷保持部１０２ｂは、光電変換部１０１が電荷を生成して蓄積している期間において、第１の電荷保持部１０２ａからあふれ出る電荷の一部を蓄積する。 In the second embodiment, the second charge carrier holding portion 102b, in the period in which the photoelectric conversion unit 101 is accumulated to generate a charge accumulates a part of the first charge carrier holding portion 102a overflowing out charge . トランジスタＴｚ−ＭＯＳのゲートは、第２の電荷保持部１０２ｂに蓄積された電荷をソースフォロアアンプＳＦ−ＭＯＳに転送するための第３の転送部である。 Transistor Tz-MOS gate is a third transfer unit for transferring charges accumulated in the second charge carrier holding portion 102b to the source follower amplifier SF-MOS.
長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３等を調整することにより、光電変換部１０１からあふれ出る電荷のうち電荷保持部１０２に流入させる割合を高精度で制御することができ、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。 By adjusting the lengths L1, L2, L3, etc., the rate to flow into the charge holding portion 102 of the photoelectric conversion unit 101 overflowing out charges can be controlled with high precision, image quality as well as expanding the dynamic range it is possible to improve. また、光電変換部１０１から電荷保持部１０２にあふれ出る構造と光電変換部１０１から排出部１０４にあふれ出る構造は、共に横型オーバーフロードレイン構造なので、両者にあふれ出る電荷量の比率を容易に制御することができる。 Furthermore, overflowing structure to the discharge unit 104 from the structure and the photoelectric conversion unit 101 overflowing from the photoelectric conversion unit 101 to the charge holding unit 102 are both so horizontal overflow drain structure, to easily control the ratio of overflow to both charge amount be able to.
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。 The above embodiments are all merely illustrate concrete examples of implementing the present invention, in which technical scope of the present invention should not be limitedly interpreted. すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 That is, the present invention without departing from its spirit or essential characteristics thereof, can be implemented in various forms.
本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 It is a diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 図２（Ａ）は光電変換部の光量と信号電荷との関係を示すグラフであり、図２（Ｂ）は電荷保持部の光量と信号電荷との関係を示すグラフである。 2 (A) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charges of the photoelectric conversion unit, FIG. 2 (B) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charge of the charge storage part. 図１の固体撮像装置の等価回路図である。 It is an equivalent circuit diagram of a solid-state imaging device of FIG. 図３の回路の動作例を示すタイミングチャートである。 Is a timing chart showing an operation of the circuit of FIG. 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 It is a diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. 図６（Ａ）は第２の実施形態による固体撮像装置の光量と信号電荷との関係を示すグラフであり、図６（Ｂ）は第２の実施形態による固体撮像装置の光量と画素信号との関係を示すグラフである。 6 (A) is a graph showing the relationship between the amount of light and the signal charges of the solid-state imaging device according to the second embodiment and FIG. 6 (B) and the light amount of the pixel signal of the solid-state imaging device according to the second embodiment is a graph showing the relationship. 本発明の第３の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 It is a block diagram showing a configuration example of a still video camera according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 It is a block diagram showing a configuration example of a video camera according to a fourth embodiment of the present invention. 固体撮像装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。 Another operation example of the solid-state imaging device is a timing chart showing the.
５１ バリア５２ レンズ５３ 絞り（シャッタ） 51 barrier 52 lens 53 aperture (shutter)
５４ 固体撮像素子５５ 撮像信号処理回路５６ Ａ／Ｄ変換部５７ 信号処理部５８ タイミング発生部５９ 全体制御・演算部６０ メモリ部６１ 記録媒体制御インタフェース部６２ 記録媒体６３ 外部インタフェース部６４ 温度計１０１ 光電変換部１０２ 電荷保持部１０３，１０５ 素子分離部１０４ 排出部４０１ 信号出力線４１１〜４１３ ＭＯＳトランジスタ４２１，４２２ 差動アンプ４２３，４２４，４２６ アンプ４２５ 加算器 54 solid-state imaging device 55 image signal processing circuit 56 A / D converting section 57 signal processing section 58 timing generator 59 the system control and operation unit 60 memory unit 61 the recording medium control interface unit 62 the recording medium 63 external interface unit 64 temperature gauge 101 photoelectrically converter 102 charge the holding portion 103, 105 the element isolation portion 104 discharge unit 401 signal output line 411 to 413 MOS transistors 421 and 422 the differential amplifier 423,424,426 amplifier 425 adder
光電変換により電荷を生成して蓄積するための光電変換部と、 A photoelectric conversion unit for accumulating generated charges by photoelectric conversion,
前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための遮光された第１の電荷保持部と、 During a period in which the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, the first charge carrier holding portion is shielded for accumulating a portion of the overflowing electric charge from the photoelectric conversion unit,
前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部を排出するための排出部と、 During a period in which the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, and a discharge portion for discharging another portion of which flows out charges from the photoelectric conversion unit,
電荷を増幅するための増幅部と、 An amplifier portion for amplifying the charge,
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第１の転送部と、 A first transfer unit for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the amplifying unit,
前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第２の転送部とを有する画素を有し、 Have a pixel and a second transfer unit for transferring the charges accumulated in the first charge holding unit to the amplifying unit,
前記光電変換部の周辺の一部に対向して前記第１の電荷保持部が設けられ、前記光電変換部の周辺のその他の一部に対向して前記排出部が設けられている The obtained charge holding portion oppositely said first part periphery of the photoelectric conversion unit is provided, wherein the discharge portion is opposed to a part of the other of the periphery of the photoelectric conversion unit is provided
前記第１の電荷保持部及び前記排出部は、前記光電変換部の横方向に配されている Wherein the first charge carrier holding portion and the discharge portion is disposed in the transverse direction of the photoelectric conversion portion
前記光電変換部と、前記第１の電荷保持部と、前記光電変換部から前記第１の電荷保持部に電荷があふれ出る経路とが横型オーバーフロードレイン構造をなし、 And the photoelectric conversion unit, and the first charge carrier holding portion, and the path from the photoelectric conversion unit overflow charge in the first charge carrier holding portion is without a horizontal overflow drain structure,
前記光電変換部と、前記排出部と、前記光電変換部から前記排出部に電荷があふれ出る経路とが横型オーバーフロードレイン構造をなしていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。 And the photoelectric conversion unit, and the discharge portion, the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein a path from said photoelectric conversion unit overflowing charges in the discharge portion, characterized in that it forms a lateral overflow drain structure .
さらに、前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 Further, any of claims 1 to 3, characterized in that it has a pixel signal generator that generates a pixel signal corresponding to the charge accumulated in the charge and the first charge carrier holding portion accumulated in the photoelectric conversion portion or solid-state imaging device according to item 1.
前記光電変換部は、電荷を蓄積するための第１導電型の第１の不純物領域と、前記第１の不純物領域の表面側に配された第２導電型の第２の不純物領域とを含み、前記第１の電荷保持部は、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための第１導電型の第３の不純物領域と、前記第３の不純物領域の表面側に配された第２導電型の第４の不純物領域とを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 The photoelectric conversion portion includes a first impurity region of a first conductivity type for accumulating charge, and said second impurity region of the first second conductivity type disposed on the surface side of the impurity region the first charge carrier holding portion, the third impurity region of the first conductivity type for accumulating a part of flows out from the photoelectric conversion unit, arranged on the surface side of the third impurity region solid-state imaging device according to claim 1, characterized in that it comprises a fourth impurity region of the second conductivity type.
前記第１の転送部に対応し、前記増幅部の入力部となる第１の浮遊拡散部と、前記第２の転送部に対応し、前記増幅部の入力部となる第２の浮遊拡散部とを含み、前記第１及び第２の浮遊拡散部は、導電体により接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 Corresponding to the first transfer portion, the the first floating diffusion region as an input portion of the amplifying portion, said second corresponding to the transfer portion, wherein the input portion of the amplifying portion and the second floating diffusion DOO wherein the first and second floating diffusion region to a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is connected by a conductor.
前記排出部は、前記光電変換部及び前記第１の電荷保持部の間にも設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 The discharge portion, the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that also provided between the photoelectric conversion portion and the first charge carrier holding portion.
前記第１の電荷保持部及び前記排出部は、半導体基板の主表面から同程度の深さに配置し、 Wherein the first charge carrier holding portion and the discharge portion is arranged in the same degree of depth from the main surface of the semiconductor substrate,
前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記第１の電荷保持部に流入し、 Some overflows charge before Symbol photoelectric conversion unit flows into the first charge carrier holding portion,
前記光電変換部からあふれ出る電荷の他の一部が前記排出部に排出されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a portion of the other overflows charges from the photoelectric conversion portion is discharged to the discharge portion.
さらに前記画素は、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記第１の電荷保持部からあふれ出る電荷の一部を蓄積するための第２の電荷保持部と、 Further, the pixel in the period in which the photoelectric conversion unit are accumulated to generate a charge, a second charge carrier holding portion for accumulating a portion of the overflowing electric charge from the first charge carrier holding portion,
前記第２の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送するための第３の転送部とを有することを特徴とする請求項１〜 ８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1-8, characterized in that it comprises a third transfer unit for transferring the charge accumulated in the second charge carrier holding portion to the amplification portion .
前記画素を複数有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of the pixels.
電荷を増幅するための増幅部と を有する画素を有し、 Have a pixel having an amplifier portion for amplifying the charge,
前記光電変換部の周辺の一部に対向して前記第１の電荷保持部が設けられ、前記光電変換部の周辺のその他の一部に対向して前記排出部が設けられている固体撮像装置の制御方法であって、 The portion of the periphery of the photoelectric conversion portion and the opposite first charge carrier holding portion is provided on the other part the discharge portion to face is provided in the solid-state imaging device of the periphery of the photoelectric conversion portion a control method,
前記光電変換部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路と前記第１の電荷保持部に蓄積された電荷を前記増幅部に転送する経路とを異ならせて電荷を転送することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 Characterized by transferring charge at different and path for transferring charges accumulated charges accumulated in the photoelectric conversion part to said first charge carrier holding portion and the path to be transferred to the amplifying unit to the amplifying unit control method of a solid-state imaging device according to.
請求項１〜 １０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、 A solid-state imaging device according to any one of claims 1-10,
光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、 A lens for forming an optical image on the solid-state imaging device,
前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とするカメラ。 Camera; and a diaphragm for varying the amount of light passing through the lens.
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