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JP2006196742A - Imaging apparatus and drive method thereof - Google Patents

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JP2006196742A
JP2006196742A JP2005007480A JP2005007480A JP2006196742A JP 2006196742 A JP2006196742 A JP 2006196742A JP 2005007480 A JP2005007480 A JP 2005007480A JP 2005007480 A JP2005007480 A JP 2005007480A JP 2006196742 A JP2006196742 A JP 2006196742A
Authority
JP
Japan
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unit
photoelectric conversion
charge
floating diffusion
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2005007480A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichiro Yamashita
雄一郎 山下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2005007480A priority Critical patent/JP2006196742A/en
Publication of JP2006196742A publication Critical patent/JP2006196742A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus which can enlarge a dynamic range of light input while reducing influence of manufacturing dispersion of a photoelectric converter and a transfer transistor, and to provide its control method. <P>SOLUTION: The solid state imaging apparatus is constituted by disposing a unit picture element consisting of a photoelectric converter 401 for accumulating signal charge generated by incident light, a transfer 405 for transferring signal charge, a floating diffuser 403 whereto signal charge is transferred and an amplifier 404 for outputting amplified signal based on signal charge transferred to the floating diffuser in a plurality of lines. Each picture element separately has a charge retainer 402 which accumulates all the charge from immediately after exposure start to a certain time T in one exposure period. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、入射光を光電変換して得られた電荷に基づいた画像を撮像する撮像装置および撮像装置の駆動方法に関するものであり、特に、入力ダイナミックレンジの広い画像を撮影する撮像装置および撮像装置の駆動方法に関するものである。   The present invention relates to an imaging apparatus that captures an image based on charges obtained by photoelectric conversion of incident light, and a driving method of the imaging apparatus, and in particular, an imaging apparatus that captures an image with a wide input dynamic range and the imaging The present invention relates to a method for driving the apparatus.

従来、固体撮像素子を用いて入力ダイナミックレンジの広い画像を撮影する技術として、たとえば特許文献1,2などがあげられる。   Conventionally, as a technique for taking an image with a wide input dynamic range using a solid-state imaging device, for example, Patent Documents 1 and 2 can be cited.

特許文献1においては、図1に示すように、フォトダイオード101から転送トランジスタ102を介してフローティングディフュージョン103にあふれてくる電荷を取り込み、そのあふれてきた電荷をフォトダイオードからの信号を読む前に読み出すことで、画素信号が飽和することなく高輝度時の光電変換結果を得る。得られる光電変換結果のグラフを図2に示すが、201は通常のフォトダイオードでの光電変換の特性であり、202の光量以降フォトダイオードは飽和するので光電変換の特性も一定値にクリップされる。ただし、その際にあふれた電荷がフローティングディフュージョンに届き、光電変換の特性が203のように上昇し始める。203のカーブを適宜変換することで201の直線とあわせ、204のような入力ダイナミックレンジの大きい、合成光電変換特性を得る。   In Patent Document 1, as shown in FIG. 1, a charge overflowing from a photodiode 101 to a floating diffusion 103 is transferred via a transfer transistor 102, and the overflowed charge is read before reading a signal from the photodiode. Thus, a photoelectric conversion result at high luminance is obtained without saturation of the pixel signal. A graph of the photoelectric conversion result obtained is shown in FIG. 2, where 201 is a photoelectric conversion characteristic of a normal photodiode, and since the photodiode is saturated after the light amount of 202, the photoelectric conversion characteristic is also clipped to a constant value. . However, the electric charge overflowing at that time reaches the floating diffusion, and the characteristics of photoelectric conversion start to rise as indicated by 203. By appropriately converting the curve 203, a combined photoelectric conversion characteristic such as 204 having a large input dynamic range is obtained together with the straight line 201.

特許文献2においては、フローティングディフュージョンの容量をしめる一部に201の可変容量を設け、フローティングディフュージョンの容量を輝度に対応して変化させ、フローティングディフュージョンでの飽和を防ぎ、ダイナミックレンジ拡張を実現している。
米国特許第6307195号明細書 特開2000−1657545号公報
In Patent Document 2, a variable capacity of 201 is provided in part of the capacity of the floating diffusion, the capacity of the floating diffusion is changed in accordance with the brightness, saturation in the floating diffusion is prevented, and dynamic range expansion is realized. Yes.
US Pat. No. 6,307,195 JP 2000-1657545 A

しかしながら、上に示した二つの技術に代表されるような、高輝度側での飽和を防ぐ技術には様々な問題がある。   However, there are various problems in the technology for preventing saturation on the high luminance side, as typified by the above two technologies.

まず、特許文献1について、3つの問題をここでは取り上げる。第一に、フォトダイオードは理想的には一義的に飽和電荷量が決まるはずであるが、製造プロセスの統計的なばらつきにより、現実は飽和電荷量がある程度の幅を持ってばらつく。その影響を図3を用いて説明する。飽和電荷量がばらつくことで、あふれる点が異なり、203の開始点がばらつくことになる。そのため、合成光電変換特性は、各画素で301のようにばらつく。   First, regarding Patent Document 1, three problems will be taken up here. First, the saturation charge amount should ideally be determined uniquely for a photodiode, but the saturation charge amount varies in a certain range due to statistical variations in the manufacturing process. The influence will be described with reference to FIG. When the saturation charge amount varies, the overflow point is different, and the start point of 203 varies. Therefore, the combined photoelectric conversion characteristics vary as 301 in each pixel.

第二に、光電変換部とフローティングディフュージョンの間に転送トランジスタを設けた場合には、転送トランジスタのしきい値が製造工程で統計的にばらつく。しきい値がばらつくことはつまりあふれる電荷が通る経路のチャネルポテンシャルが異なることになり、このことがさらに合成光電変換特性のばらつき301の度合いを悪化させる。   Second, when a transfer transistor is provided between the photoelectric conversion unit and the floating diffusion, the threshold value of the transfer transistor varies statistically in the manufacturing process. If the threshold value varies, that is, the channel potential of the path through which the overflowing charge passes differs, and this further deteriorates the degree of variation 301 in the combined photoelectric conversion characteristics.

第三に、画素に増幅部を設けた場合には、光電変換部は、画素内の増幅部の入力部に接続されるために、フローティングディフュージョン部を完全な埋め込み構造とすることは不可能である。ここで、埋め込み構造とは、フローティングディフュージョン部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、フローティングディフュージョン部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。したがって、光電変換部と比べてフローティングディフュージョン領域を形成する拡散部のpnダイオードの逆方向リーク電流が大きく、故にデータを保持するノードとしては適していない。フローティングディフュージョン部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。   Third, when the amplifying unit is provided in the pixel, the photoelectric conversion unit is connected to the input unit of the amplifying unit in the pixel, so that it is impossible to make the floating diffusion unit completely embedded. is there. Here, the buried structure is a structure in which an impurity diffusion region of a reverse conductivity type is formed on the surface of the impurity diffusion region for forming the floating diffusion portion. According to such a configuration, the floating diffusion portion is Generation of dark current on the surface of the impurity region for formation is reduced. Therefore, the reverse leakage current of the pn diode in the diffusion portion that forms the floating diffusion region is larger than that in the photoelectric conversion portion, and is therefore not suitable as a node for holding data. Since the charges overflowing in the floating diffusion portion are lost with time, a high S / N of the signal in the high luminance portion cannot be expected.

次に、特許文献2に関して述べる。本方式においては、フローティングディフュージョン部の飽和電荷数は増加するが、光電変換部の飽和電荷数は従来と変わらない。故に、フローティングディフュージョン部以降の入力ダイナミックレンジの拡大という点では効果があるが、光入力のダイナミックレンジ拡大という点に関しては更なる改善が期待される。   Next, Patent Document 2 will be described. In this method, the number of saturated charges in the floating diffusion portion increases, but the number of saturated charges in the photoelectric conversion portion is not different from the conventional one. Therefore, it is effective in terms of expanding the input dynamic range after the floating diffusion portion, but further improvement is expected in terms of expanding the dynamic range of the optical input.

本発明は、以上の問題を鑑み、フォトダイオードや転送トランジスタの製造ばらつきの影響を低減しながら、かつ光入力のダイナミックレンジが拡大される撮像素子およびその制御方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an image pickup device that can reduce the influence of manufacturing variations of photodiodes and transfer transistors and expand the dynamic range of light input, and a control method thereof.

以上の課題に鑑み、本発明に係る撮像装置は、入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、該電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷を増幅する増幅部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される撮像装置であって、前記画素の少なくともひとつは、一露光期間中に、露光開始後から所定時間Tまでに光電変換された電荷を蓄積する第一保持部を前記フローティングディフュージョン部とは別に有することを特徴とする。   In view of the above problems, an imaging apparatus according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that accumulates charges generated by incident light, a transfer unit that transfers the charges, and a floating diffusion unit that transfers the charges. , An imaging device configured by arranging unit pixels having an amplification unit that amplifies the charge transferred to the floating diffusion unit in a matrix, wherein at least one of the pixels is in one exposure period, In addition to the floating diffusion part, the first holding part for storing the electric charge photoelectrically converted from the start of exposure to a predetermined time T is provided.

また、本発明に係る固体撮像装置の制御方法は、入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、該電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷を増幅する増幅部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される撮像装置の制御方法であって、
一露光期間中に、露光開始後から所定時間Tまでの第一の光電変換結果を電荷保持部に保持し、その後に、前記所定時間Tから開始して露光終了までの第二の光電変換結果を得て、前記第一の光電変換結果と、第二の光電変換結果とを出力することを特徴とするものである。
The solid-state imaging device control method according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that accumulates charges generated by incident light, a transfer unit that transfers the charges, and a floating diffusion unit that transfers the charges. A control method for an imaging apparatus configured by arranging unit pixels having an amplifying unit for amplifying the charge transferred to the floating diffusion unit in a matrix,
During one exposure period, the first photoelectric conversion result from the start of exposure to a predetermined time T is held in the charge holding unit, and then the second photoelectric conversion result from the predetermined time T to the end of exposure And outputting the first photoelectric conversion result and the second photoelectric conversion result.

本発明によれば、光電変換部や転送トランジスタの製造ばらつきの影響を低減し、かつ光入力のダイナミックレンジが拡大された固体撮像素子を実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a solid-state imaging device in which the influence of manufacturing variations of the photoelectric conversion unit and the transfer transistor is reduced and the dynamic range of light input is expanded.

(実施例1)
本発明の第一の実施例を説明する。図4は本発明の画素の構成要件を示した図面である。401は入射光を電荷に変換する光電変換部となるフォトダイオード、402は露光開始後から所定時間Tまでの電荷を蓄積する電荷保持部、403はフローティングディフュージョン部、404はフローティングディフュージョン部の電圧を増幅するアンプ、405、406、407はそれぞれ電荷の流れを制御するスイッチである。408はフローティングディフュージョン部、フォトダイオード部、電荷保持部をリセットするためのスイッチである。この単位画素が行列状に並べられ、かつ同一列の画素は選択スイッチ409を介して共通の垂直出力線410に接続されている。
(Example 1)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing the constituent requirements of the pixel of the present invention. 401 is a photodiode serving as a photoelectric conversion unit that converts incident light into electric charge, 402 is a charge holding unit that accumulates electric charge from the start of exposure to a predetermined time T, 403 is a floating diffusion unit, and 404 is a voltage of the floating diffusion unit. Amplifiers 405, 406, and 407 for amplifying are switches that control the flow of charges. Reference numeral 408 denotes a switch for resetting the floating diffusion portion, the photodiode portion, and the charge holding portion. The unit pixels are arranged in a matrix, and pixels in the same column are connected to a common vertical output line 410 via a selection switch 409.

次に本装置の動作を図5を用いて説明する。図5は、ある画素の蓄積時間に着目したときの各スイッチの動作、および光電変換結果の変化を示している。時刻501以前において、405,406,408のスイッチはすべて短絡(on)され、フォトダイオード、電荷保持部、フローティングディフュージョンがリセット状態に設定される。ここで画素は、リセット状態においては、フォトダイオード、電荷保持部の電荷は完全にはき出されるように設計されている。そのような設計は、半導体基板中の不純物濃度を、リセット時において、フォトダイオードと電荷保持部のチャネルポテンシャルがフローティングディフュージョンよりも高くなるような値にすれば可能である。   Next, the operation of this apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the operation of each switch and the change in the photoelectric conversion result when focusing on the accumulation time of a certain pixel. Before time 501, all the switches 405, 406, and 408 are short-circuited (on), and the photodiode, the charge holding unit, and the floating diffusion are set to the reset state. Here, in the reset state, the pixel is designed so that the charge of the photodiode and the charge holding portion is completely discharged. Such a design is possible if the impurity concentration in the semiconductor substrate is set to such a value that the channel potential of the photodiode and the charge holding portion is higher than that of the floating diffusion at the time of reset.

その後、時刻502にてスイッチ405と406を閉じる(offする)ことで、光電変換結果の電荷がフォトダイオードで保持される。その後、時間T経過後、時刻503にてスイッチ407を開き(on)、フォトダイオードにある電荷をすべて電荷保持部に転送する。この転送は、フォトダイオードのチャネルポテンシャルをフローティングディフュージョンのポテンシャルよりも高くするように設計すれば可能である。   After that, by closing (turning off) the switches 405 and 406 at time 502, the charge of the photoelectric conversion result is held by the photodiode. Thereafter, after time T has elapsed, at time 503, the switch 407 is opened (on), and all charges in the photodiode are transferred to the charge holding portion. This transfer is possible if the channel potential of the photodiode is designed to be higher than that of the floating diffusion.

スイッチ407を閉じたのち、電荷保持部への電荷流入、保持部からの電荷流出はなくなり、フォトダイオード部にて蓄積が継続(再度開始)される。その後、時刻504にて、まずはスイッチ406をあけて電荷保持部の電荷をフローティングディフュージョンに転送し、電荷電圧変換した後に、その電圧値を電荷の信号として読み出し、次にリセットスイッチによってフローティングディフュージョン部をリセットした後に、時刻505にてフォトダイオード部の電荷を第二の信号として読み出す。なお、ここで、「電荷」は負の電荷であるとして説明する。正の電荷については、チャネルポテンシャルの大小関係を適宜入れ替えればよいことは言うまでもない。また、ここで、蓄積期間の定義であるが、505にてフォトダイオードの電荷を読み出すまでとしている。この蓄積期間については、別途、機械式シャッターなどで定義される場合もある。   After the switch 407 is closed, there is no charge inflow to the charge holding unit and no charge outflow from the holding unit, and accumulation is continued (started again) in the photodiode unit. After that, at time 504, first, the switch 406 is opened to transfer the charge in the charge holding portion to the floating diffusion, and after the charge-to-voltage conversion, the voltage value is read as a charge signal, and then the floating diffusion portion is turned on by the reset switch. After resetting, the charge of the photodiode portion is read out as a second signal at time 505. Here, it is assumed that “charge” is a negative charge. Needless to say, for positive charges, the magnitude relationship of channel potentials may be changed as appropriate. Here, the storage period is defined as 505 until the charge of the photodiode is read. This accumulation period may be separately defined by a mechanical shutter or the like.

つぎに、フォトダイオードに入射した光量が小さく、フォトダイオードが一蓄積期間中に飽和しないような場合、また、光量が大きく、フォトダイオードが一蓄積期間中で飽和してしまう場合の二種類のケースについて、それぞれ図5の506,507として説明する。   Next, there are two types of cases where the amount of light incident on the photodiode is small and the photodiode does not saturate during one accumulation period, and when the amount of light is large and the photodiode saturates during one accumulation period. Will be described as 506 and 507 in FIG.

506は、入射光量が小さい場合の例である。508に示すように、時刻503にて、フォトダイオードの電荷が電荷保持部に転送されるが、その値508は微々たるものである。その後、フォトダイオードは通常の蓄積を続ける。時刻504で電荷保持部の電荷はフローティングディフュージョンにて電圧に変換されるが、その値は微々たるものであり、S/Nの高いものではない。一方、フォトダイオードは時刻505まで飽和することなく蓄積を続け、その値は再度フローティングディフュージョンにて電圧509に変換される。この場合、後の撮影系にて509を優先的に光電変換結果として採用することで、S/Nの高い光電変換結果を得ることが可能となる。   Reference numeral 506 denotes an example where the amount of incident light is small. As indicated at 508, at time 503, the charge of the photodiode is transferred to the charge holding portion, but the value 508 is insignificant. Thereafter, the photodiode continues normal accumulation. At time 504, the charge in the charge holding portion is converted into a voltage by floating diffusion, but the value is insignificant and does not have a high S / N. On the other hand, the photodiode continues to accumulate without saturating until time 505, and the value is converted again to the voltage 509 by the floating diffusion. In this case, it becomes possible to obtain a photoelectric conversion result having a high S / N by preferentially adopting 509 as a photoelectric conversion result in a later photographing system.

一方、507は、フォトダイオードが飽和してしまうような光量の場合である。511のように、光量が大きいため、短い時間Tでも充分大きい量の電荷を得ることが出来る。一方、光量が大きいため、フォトダイオードは時刻512で飽和してしまい、それ以降のフォトダイオードでの光電変換結果の情報は著しく劣化する。506の入射光量が少なかった場合の例のように、電荷保持部の電荷、フォトダイオードの電荷がそれぞれ電圧として513,514として読み出されるが、フォトダイオードからの信号出力は飽和してしまい信頼できない値となっている。一方、電荷保持部の電圧は飽和していない。この場合、後の撮影系にて513の信号を優先的に光電変換結果として採用し、かつ、全蓄積期間(502〜505)と時刻T間での蓄積時間(502〜503)の比を用いて514の信号を変換することで、フォトダイオードが飽和してしまうような高輝度条件下での光電変換結果を得ることが可能となる。   On the other hand, reference numeral 507 denotes a case where the light quantity is such that the photodiode is saturated. Since the amount of light is large as in 511, a sufficiently large amount of charge can be obtained even in a short time T. On the other hand, since the amount of light is large, the photodiode is saturated at time 512, and the information on the photoelectric conversion result in the subsequent photodiodes is significantly degraded. As in the case where the amount of incident light 506 is small, the charge of the charge holding unit and the charge of the photodiode are read as voltages 513 and 514, respectively, but the signal output from the photodiode is saturated and the value is not reliable. It has become. On the other hand, the voltage of the charge holding unit is not saturated. In this case, the signal 513 is preferentially adopted as the photoelectric conversion result in the later photographing system, and the ratio of the total accumulation period (502 to 505) and the accumulation time (502 to 503) between the time T is used. By converting the signal 514, it is possible to obtain a photoelectric conversion result under a high luminance condition that saturates the photodiode.

このような動作によって得られる光電変換特性を図5(b)に示す。大きな違いは、高輝度側の信号515が、従来の例とは異なり、光量0の時からフォトダイオードが飽和してしまうような高輝度側まで、線形性を持っているという点である。またこの傾きは、電荷がすべて電荷保持部に転送されている場合、フォトダイオードのみの光電変換特性の飽和していない際の傾きと、蓄積時間中にしめる時間Tの割合のみで決まり、フォトダイオードの飽和電荷量など、様々なデバイスの製造ばらつきによらない。ゆえに様々な製造ばらつきが起こりうる現実のデバイスにおいても、安定性良く合成後の特性516を得ることが出来る。   The photoelectric conversion characteristics obtained by such an operation are shown in FIG. The major difference is that the signal 515 on the high luminance side has linearity from the time when the amount of light is zero to the high luminance side where the photodiode is saturated unlike the conventional example. In addition, when all charges are transferred to the charge holding portion, this inclination is determined only by the inclination when the photoelectric conversion characteristic of only the photodiode is not saturated and the ratio of the time T during the accumulation time. It does not depend on manufacturing variations of various devices such as saturation charge. Therefore, even in an actual device in which various manufacturing variations can occur, the synthesized characteristic 516 can be obtained with good stability.

ここでは、光電変換結果を508,509,512,513と直接得ることを仮定しているが、たとえば従来のCMOSセンサやCCDで用いられているように、フローティングディフュージョンをリセットした後のリセットの固定パターンノイズ、熱雑音などを記憶しておき、その値に重畳するように画素信号を読み出し、相関のある二つの信号の引き算をする、相関二重サンプリングのようなことを行っても良い。そうすることで、さらに信号のS/Nを増加させられることが可能となる。ただし、このようなことをしなくても本発明の入力ダイナミックレンジの拡張という効果を得られることは言うまでもない。   Here, it is assumed that the photoelectric conversion results are obtained directly as 508, 509, 512, and 513, but the reset is fixed after the floating diffusion is reset as used in, for example, a conventional CMOS sensor or CCD. Pattern noise, thermal noise, etc. may be stored, a pixel signal may be read so as to be superimposed on the value, and two correlated signals may be subtracted to perform correlated double sampling. By doing so, the S / N of the signal can be further increased. However, it goes without saying that the effect of extending the input dynamic range of the present invention can be obtained without doing this.

また、電荷保持部であるが、酸化膜などの容量、もしくは、PNダイオードなどで構成するのがよい。その際、PNダイオードを用いる場合は、表面欠陥の影響を排除できるような、埋め込み構造にすることが望ましい。電荷保持部も長い時間電荷を保持する必要があるので、埋め込み構造にすることにより、PN接合が逆バイアスになっている時のリーク電流を減らすことが出来、S/Nの高い電荷の保持を実現できる。   In addition, the charge holding portion is preferably composed of a capacitor such as an oxide film or a PN diode. At that time, when a PN diode is used, it is desirable to have a buried structure that can eliminate the influence of surface defects. Since the charge holding portion also needs to hold the charge for a long time, the embedded structure can reduce the leakage current when the PN junction is reverse biased, and can hold the charge with high S / N. realizable.

ここで、スイッチ407については、図6の601のように、時刻Tまで常にONしておき、その後時刻T経過後にOFFするような駆動をしても良い。この場合、フォトダイオードの電荷が電荷保持部に速やかに転送されるように、フォトダイオードのチャネルポテンシャル<スイッチ407の経路のチャネルポテンシャル<電荷保持部のチャネルポテンシャルの関係が成り立つようなスイッチの設計、および駆動を行うことが望ましい。   Here, the switch 407 may be driven such that it is always turned on until time T and then turned off after time T, as indicated by reference numeral 601 in FIG. In this case, the design of the switch such that the relationship of the channel potential of the photodiode <the channel potential of the path of the switch 407 <the channel potential of the charge holding portion is satisfied, so that the charge of the photodiode is quickly transferred to the charge holding portion, And driving is desirable.

次に、図4に示した画素を実現するレイアウトの一例を図7に示す。図4と対応する番号を振ってある。ここで各デバイスはP型の半導体基体中に作られているとし、フォトダイオードは埋め込みフォトダイオード、電荷保持部も埋め込みダイオード、フローティングディフュージョンはn+拡散層、スイッチ405,406,407,408,409はMOSトランジスタ、アンプ404は一つのMOSで構成されるソースフォロアとして構成し、かつフォトダイオードの上部のみを701の形状に開口し、その他を遮光している。言うまでもなくこれは本発明の効果を得るための画素の一例であり、これに限られるものではない。たとえばN型の基体中に構成し、フォトダイオードに蓄積するマイノリティキャリアが正孔になるような構成としてもよい。   Next, FIG. 7 shows an example of a layout for realizing the pixel shown in FIG. Numbers corresponding to those in FIG. 4 are assigned. Here, it is assumed that each device is made in a P-type semiconductor substrate, the photodiode is a buried photodiode, the charge holding portion is also a buried diode, the floating diffusion is an n + diffusion layer, and the switches 405, 406, 407, 408, and 409 are The MOS transistor / amplifier 404 is configured as a source follower composed of one MOS, and only the upper part of the photodiode is opened in the shape of 701 and the others are shielded from light. Needless to say, this is an example of a pixel for obtaining the effect of the present invention, and the present invention is not limited to this. For example, it may be configured in an N-type substrate so that minority carriers accumulated in the photodiode become holes.

(実施例2)
次に第二の実施例を図8を用いて説明する。図8は、第一の実施例と別な回路図例である。ここではフォトダイオードとフローティングディフュージョンの間に、スイッチを介して電荷保持部を設けてある。スイッチ801,802を用いてフォトダイオード、フローティングディフュージョン、電荷保持部の間の接続を制御している。図9はそのレイアウト例の一例である。図4,図7、図8と同じ機能、役割を有する部位には同一の番号を振っている。
(Example 2)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a circuit diagram example different from the first embodiment. Here, a charge holding unit is provided between the photodiode and the floating diffusion via a switch. Switches 801 and 802 are used to control the connection between the photodiode, the floating diffusion, and the charge holding unit. FIG. 9 shows an example of the layout. Parts having the same functions and roles as those in FIGS. 4, 7, and 8 are given the same numbers.

図10は本実施例における、各スイッチの動作タイミング、およびフォトダイオード、電荷保持部、フローティングディフュージョンの状態を示した波形図例である。図5と同等の点には同じ番号を振っている。図10を用いて本画素の動作を説明する。飽和する場合、飽和しない場合、共に第一の実施例と説明が変わるところはない。変わるのはスイッチの駆動方法である。801をオフ状態のまま802のみをオンすることで、フォトダイオードの中の電荷をそのまま保持したまま、電荷保持部の電荷のみを読み出すことが出来る。電荷保持部の電荷をすべて掃きだした後に、フローティングディフュージョンをリセットし、次は801と802を共にオンすることで、フォトダイオードからの電荷をフローティングディフュージョンに読み出すことを実現している。この際に、電荷保持部の電荷はすでに無視できるほど少ないので、二回目の読み出し結果はすなわちフォトダイオードのみの成分で構成されることとなる。本実施例の新たな効果は、電荷保持部をフォトダイオードとフローティングディフュージョンの間に設けることによって、第一の実施例ではフォトダイオード、フローティングディフュージョン、電荷保持部を接続するのに必要だった三つのスイッチが、二つのスイッチですむようになり、画素サイズの縮小が可能となったことにある。   FIG. 10 is a waveform diagram showing the operation timing of each switch and the state of the photodiode, the charge holding unit, and the floating diffusion in this embodiment. Points equivalent to those in FIG. 5 are given the same numbers. The operation of this pixel will be described with reference to FIG. When saturated or not saturated, there is no difference between the first embodiment and the description. What changes is the way the switch is driven. By turning on only 802 while keeping 801 off, only the charge in the charge holding portion can be read out while keeping the charge in the photodiode as it is. After all the charges in the charge holding portion are swept out, the floating diffusion is reset, and then both 801 and 802 are turned on to read out the charge from the photodiode to the floating diffusion. At this time, since the charge in the charge holding portion is already negligibly small, the second read result is composed of only the components of the photodiode. The new effect of the present embodiment is that the charge holding portion is provided between the photodiode and the floating diffusion, so that in the first embodiment, three photodiodes required to connect the photodiode, the floating diffusion, and the charge holding portion. This is because the number of switches is reduced to two, and the pixel size can be reduced.

(実施例3)
第三の実施例を説明する。図11は、第二の実施例の構成における、図9のA−A’の線にある、(1)フォトダイオード、(2)フォトダイオード−電荷保持部間のトランジスタ、(3)電荷保持部、(4)電荷保持部−フローティングディフュージョン、(5)フローティングディフュージョンの一連のつながりの、チャネルポテンシャルを示した一例である。ここでは電荷を電子として考えている。図11(a)のように、第一の実施例でも説明したように、時刻Tまでの全部の電荷をすべて電荷保持部に転送するためには、第一保持部のチャネルポテンシャルをフォトダイオードのチャネルポテンシャルよりも高くする必要があるが、それと併せて、S/Nを向上させるために、電荷をフローティングディフュージョンに読み出す際は、図11(c)のように、電荷保持部のチャネルポテンシャルはフローティングディフュージョンのチャネルポテンシャルよりも低くして、すべての電荷がフローティングディフュージョンに読み出されるように読み出し動作を行うことが好ましい。
(Example 3)
A third embodiment will be described. FIG. 11 shows (1) a photodiode, (2) a transistor between the photodiode and the charge holding unit, and (3) a charge holding unit on the line AA ′ of FIG. 9 in the configuration of the second embodiment. (4) Charge holding part-floating diffusion, (5) An example showing a channel potential of a series of floating diffusions. Here, charge is considered as electrons. As shown in FIG. 11A, as described in the first embodiment, in order to transfer all charges up to time T to the charge holding portion, the channel potential of the first holding portion is set to be equal to that of the photodiode. At the same time, it is necessary to set the channel potential higher than the channel potential. However, in order to improve the S / N, when the charge is read out to the floating diffusion, the channel potential of the charge holding portion is floating as shown in FIG. It is preferable to perform the read operation so that all charges are read out to the floating diffusion by lowering the channel potential of the diffusion.

ただし、その二条件を満たすことの出来る電荷保持部のチャネルポテンシャルは通常限定されてしまい、電荷保持部に保持できる電荷数は自ずと限られた数となってしまう。そのために、時刻Tまででも電荷保持部が飽和してしまうような、図11(b)にしめしたような電荷が流入してしまうと、電荷保持部がすべて電荷を読むという条件が崩れ、S/Nの悪化につながる。また、図11(c)のように、フローティングディフュージョンにすべて電荷を読み出そうとしても、ある程度以上の電荷が電荷保持部に蓄積されてしまうと、それが困難になる。   However, the channel potential of the charge holding portion that can satisfy the two conditions is usually limited, and the number of charges that can be held in the charge holding portion is naturally limited. Therefore, if the charge as shown in FIG. 11B flows in until the charge holding portion is saturated until time T, the condition that the charge holding portion reads all charges collapses. / N worsens. Further, as shown in FIG. 11C, even if all the charges are read out to the floating diffusion, it becomes difficult to store the charges in the charge holding portion to some extent.

本発明によって、図12に示すように、電荷保持部のチャネルポテンシャルを、図12(a)のように電荷が流入する時と、図12(b)のように電荷保持部からフローティングディフュージョンへ電荷を読み出す時とで動的に変化させることで、時刻T間での電荷が多い場合でも電荷保持部の飽和電荷量を確保しながら、S/N向上のための読み出し条件を合わせて実現することが可能となる。   According to the present invention, as shown in FIG. 12, the channel potential of the charge holding portion is changed from when the charge flows in as shown in FIG. 12A and from the charge holding portion to the floating diffusion as shown in FIG. Is dynamically changed according to the time when data is read out, and even when there is a large amount of charge during time T, the saturation charge amount of the charge holding unit is secured and the read conditions for improving the S / N are also realized. Is possible.

図13は、電荷保持部のチャネルポテンシャルを変更可能な画素のレイアウトの一例である。図13(a)は上面図であり、図9で示したレイアウトにおいて、電荷保持部の上にさらにゲート1301を設けたことが異なる。図13(b)は図13(a)に示したA−A’の断面図であり、新たなゲート1301は、ここではたとえば第二層目のポリシリコンを用いて作成している。もちろん従来のCCDでも一部ためされている様な、半導体層の不純物濃度を工夫しながら、同一層のポリシリコンのみで同等の機能を実現する手法を用いても良い。本発明の効果は動的にチャネルポテンシャルを変更することから得られるのであり、どのような層構造で実現するか種々選択可能である。   FIG. 13 is an example of a pixel layout in which the channel potential of the charge holding portion can be changed. FIG. 13A is a top view, which is different from the layout shown in FIG. 9 in that a gate 1301 is further provided on the charge holding portion. FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ shown in FIG. 13A, and a new gate 1301 is formed using, for example, a second layer of polysilicon. Of course, a technique for realizing an equivalent function using only the polysilicon of the same layer may be used while devising the impurity concentration of the semiconductor layer, which is partially used in the conventional CCD. The effect of the present invention can be obtained by dynamically changing the channel potential, and various layer structures can be selected.

(実施例4)
第4の実施例を説明する。図14は、本発明の読み出し回路を説明する図面である。各列は画素信号を記憶するメモリ1401を有しており、そのアナログメモリは各行の信号出力を同時に保持しながら、シフトレジスタ1402で順次操作されて出力端子1403に出力される。その際に、各列は、信号レベルを判定する比較器1404と、その比較の結果としての大小判別データを保持する1ビットのデジタルメモリ1405を有している。比較器には、一方には画素信号が入力され、他方の端子1406にはフォトダイオードが飽和したときに得られる信号出力Vsatが与えられている。比較は、比較指示信号1407によって制御される。端子1408は、デジタルメモリの出力端子である。1409はメモリへのサンプルホールドを制御するサンプルホールドスイッチ、1410はそのサンプルホールドを制御するための指示信号である。
(Example 4)
A fourth embodiment will be described. FIG. 14 is a diagram illustrating a readout circuit of the present invention. Each column has a memory 1401 for storing pixel signals, and the analog memory is sequentially operated by the shift register 1402 and simultaneously outputted to the output terminal 1403 while simultaneously holding the signal output of each row. At that time, each column has a comparator 1404 for determining a signal level and a 1-bit digital memory 1405 for holding magnitude discrimination data as a result of the comparison. A pixel signal is input to one of the comparators, and a signal output Vsat obtained when the photodiode is saturated is supplied to the other terminal 1406. The comparison is controlled by a comparison instruction signal 1407. A terminal 1408 is an output terminal of the digital memory. Reference numeral 1409 denotes a sample hold switch for controlling the sample hold to the memory, and 1410 denotes an instruction signal for controlling the sample hold.

つぎに本回路の動作を図15のタイミングチャート、および出力波形例を用いて説明する。図15(a)は、フォトダイオードからの信号が飽和していない場合の例である。1501は、列に現れる画素からの信号出力の一例である。フォトダイオードが飽和していないので、この場合はフォトダイオードからの信号を読み出すのがよい。そのような場合の動作は以下の通りである。   Next, the operation of this circuit will be described using the timing chart of FIG. 15 and an output waveform example. FIG. 15A shows an example when the signal from the photodiode is not saturated. 1501 is an example of a signal output from a pixel appearing in a column. Since the photodiode is not saturated, it is better to read the signal from the photodiode in this case. The operation in such a case is as follows.

まず、タイミング1502にて列には電荷保持部からの信号が現れる。タイミング1503にてサンプルホールド信号1410をホールド状態にし、メモリに電荷保持部からの信号を保持する。次にタイミング1504にて列にはフォトダイオードからの信号が現れる。その値を比較器はVsatと比較する。ここではフォトダイオードの信号は飽和しておらず、比較結果はここではHiとなる。なお、飽和している場合にはLoを出力するように設計されている。タイミング1505,1506にてそれぞれサンプル、ホールドし、メモリの値はこの時点でフォトダイオードの値と入れ替えられる。それと平行して、併設されたデジタルメモリには、比較結果のHiレベルを取り込む。この動作によって、メモリにはフォトダイオードからの信号、および、デジタルメモリにはフォトダイオードからの信号を取り込んだというフラグ情報が蓄えられる。その後にこれらのデータを走査して外部に出力する。   First, at timing 1502, a signal from the charge holding portion appears in the column. At timing 1503, the sample hold signal 1410 is set in the hold state, and the signal from the charge holding unit is held in the memory. Next, at timing 1504, a signal from the photodiode appears in the column. The comparator compares the value with Vsat. Here, the signal of the photodiode is not saturated, and the comparison result is Hi here. In addition, when it is saturated, it is designed to output Lo. Sample and hold are performed at timings 1505 and 1506, respectively, and the value of the memory is replaced with the value of the photodiode at this point. In parallel with this, the Hi level of the comparison result is taken into the digital memory provided. With this operation, the memory stores the signal from the photodiode, and the digital memory stores the flag information indicating that the signal from the photodiode has been captured. Thereafter, these data are scanned and output to the outside.

一方、図15(b)は、フォトダイオードからの信号が飽和している場合の例である。図15(a)と同一の部位には同じ番号をふっている。大きな違いは、電荷保持信号をホールドした後の比較器の動作である。比較器は、フォトダイオードが飽和しているというLoレベルの信号を出力する。故にフォトダイオードの信号でメモリの信号を置き換えるという動作は起こらず、最終的にはメモリには電荷保持部からの信号、およびデジタルメモリには、電荷保持部からの信号を取り込んだ、というフラグ情報が蓄えられる。その後これらのデータを走査して外部に出力する。   On the other hand, FIG. 15B shows an example where the signal from the photodiode is saturated. The same parts as those in FIG. 15A are given the same numbers. The major difference is the operation of the comparator after holding the charge retention signal. The comparator outputs a Lo level signal that the photodiode is saturated. Therefore, the operation of replacing the signal of the memory with the signal of the photodiode does not occur, and the flag information that the signal from the charge holding unit is finally taken into the memory and the signal from the charge holding unit is taken into the digital memory. Is stored. Thereafter, these data are scanned and output to the outside.

本実施例の効果は以下の通りである。従来、高輝度時の信号と低輝度時の信号は二回読まなくては成らなかった。その際に、特にラインメモリから外部にデータを読み出す走査動作に時間がかかっていた。本発明では、画素からの読み出しは二度必要であるが、走査は一度ですむことから、一フレームを読み出す時間を従来に比べて短縮することが可能になる。   The effects of the present embodiment are as follows. Conventionally, a signal at a high luminance and a signal at a low luminance have to be read twice. At that time, it took a long time to perform a scanning operation for reading data from the line memory to the outside. In the present invention, readout from the pixel is required twice, but scanning is only required once, so that it is possible to shorten the time for reading out one frame as compared with the conventional case.

また、ここで、フォトダイオードの信号、および電荷保持部の信号については、詳しい説明をしていない。たとえばそれらは光電荷をそのまま電圧変換した値そのものでもよいし、一度リセットノイズや固定パターンノイズを除いた、S/Nを高めた信号などを扱っても良い。本発明はそれらの信号の素性によらず効果を得られることは言うまでもない。   Here, detailed explanations of the photodiode signal and the charge holding portion signal are omitted. For example, they may be a value obtained by directly converting the photoelectric charge into a voltage, or may handle a signal with an increased S / N, excluding reset noise and fixed pattern noise. It goes without saying that the present invention can achieve an effect regardless of the characteristics of these signals.

(撮像システムへの応用例)
図16は、実施例1〜4の固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
(Application example to imaging system)
FIG. 16 illustrates an example of a circuit block in the case where the solid-state imaging device according to the first to fourth embodiments is applied to a camera. A shutter 1001 is provided in front of the taking lens 1002 and controls exposure. The amount of light is controlled by the diaphragm 1003 as necessary, and an image is formed on the solid-state imaging device 1004. A signal output from the solid-state imaging device 1004 is processed by a signal processing circuit 1005 and converted from an analog signal to a digital signal by an A / D converter 1006. The output digital signal is further processed by a signal processing unit 1007. The processed digital signal is stored in the memory 1010 or sent to an external device through the external I / F 1013. The solid-state imaging device 1004, the imaging signal processing circuit 1005, the A / D converter 1006, and the signal processing unit 1007 are controlled by a timing generation unit 1008, and the entire system is controlled by an overall control unit / arithmetic unit 1009. In order to record an image on the recording medium 1012, the output digital signal is recorded through a recording medium control I / F unit 1011 controlled by the overall control unit / arithmetic unit.

(a)従来の画素構造の例を説明するための図面である。(b)入射光量とが租出力の関係を説明するための図である。(A) It is drawing for demonstrating the example of the conventional pixel structure. (B) It is a figure for demonstrating the relationship between incident light quantity and a tax output. 従来の画素の等価回路図を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the equivalent circuit schematic of the conventional pixel. 従来の例の課題を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the subject of the prior art example. 第一の実施例の装置の等価回路を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the equivalent circuit of the apparatus of a 1st Example. 図4で示した回路の動作例を説明するための図面である。5 is a diagram for explaining an operation example of the circuit shown in FIG. 4. 図5で示した例の他の動作例を説明するための図面である。6 is a diagram for explaining another operation example of the example shown in FIG. 5. 第一の実施例の画素の平面図を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the top view of the pixel of a 1st Example. 第二の実施例の画素の等価回路を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the equivalent circuit of the pixel of a 2nd Example. 第二の実施例の画素の平面図を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the top view of the pixel of a 2nd Example. 第二の実施例の動作例を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the operation example of a 2nd Example. (a)〜(c)第三の実施例の従来との差異を説明するための図面である。(A)-(c) It is drawing for demonstrating the difference with the prior art of a 3rd Example. (a)第三の実施例のポテンシャル状態(電荷保持部へ電荷転送時)を説明するための図面である。(b)第三の実施例のポテンシャル状態(電荷蓄積時)を説明するための図面である。(A) It is drawing for demonstrating the potential state (at the time of charge transfer to a charge holding part) of a 3rd Example. (B) It is drawing for demonstrating the potential state (at the time of charge accumulation) of the 3rd Example. (a)第三の実施例の画素の平面図を説明するための図面である。(b)第三の実施例の画素の断面図を説明するための図面である。(A) It is drawing for demonstrating the top view of the pixel of a 3rd Example. (B) It is drawing for demonstrating sectional drawing of the pixel of a 3rd Example. 第四の実施例の列回路を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the column circuit of a 4th Example. 第四の実施例の動作例を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the operation example of a 4th Example. 撮像システムへの応用例を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the application example to an imaging system.

Claims (9)

入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、該電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷を増幅する増幅部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される撮像装置であって、
前記画素の少なくともひとつは、一露光期間中に、露光開始後から所定時間Tまでに光電変換された電荷を蓄積する電荷保持部を前記フローティングディフュージョン部とは別に有することを特徴とする撮像装置。
A photoelectric conversion unit that accumulates charges generated by incident light, a transfer unit for transferring the charges, a floating diffusion unit to which the charges are transferred, and an amplification that amplifies the charges transferred to the floating diffusion unit An image pickup apparatus configured by arranging unit pixels having a portion in a matrix,
At least one of the pixels has an electric charge holding unit that accumulates electric charge photoelectrically converted from the start of exposure until a predetermined time T during one exposure period, separately from the floating diffusion unit.
前記電荷保持部が、前記光電変換部とフローティングディフュージョン部の間に配されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the charge holding unit is disposed between the photoelectric conversion unit and the floating diffusion unit. 前記電荷保持部は半導体基板に設けられ、該電荷保持部のチャネルポテンシャルを変更する制御部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the charge holding unit is provided on a semiconductor substrate and includes a control unit that changes a channel potential of the charge holding unit. 各列は画素の信号を保持するアナログメモリと、列ごとに画素の信号と第一の参照電圧を比較する比較器と、比較の結果を保持するデジタルメモリを有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。   2. Each column includes an analog memory for holding a pixel signal, a comparator for comparing the pixel signal and a first reference voltage for each column, and a digital memory for holding a comparison result. 4. The imaging device according to any one of items 1 to 3. 入射した光によって発生した電荷を蓄積する光電変換部と、該電荷を転送するための転送部と、該電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷を増幅する増幅部とを有する単位画素を、行列状に配列して構成される撮像装置の制御方法であって、
一露光期間中に、露光開始後から所定時間Tまでの第一の光電変換結果を電荷保持部に保持し、その後に、前記所定時間Tから開始して露光終了までの第二の光電変換結果を得て、前記第一の光電変換結果と、第二の光電変換結果とを出力することを特徴とする撮像装置の制御方法。
A photoelectric conversion unit that accumulates charges generated by incident light, a transfer unit for transferring the charges, a floating diffusion unit to which the charges are transferred, and an amplification that amplifies the charges transferred to the floating diffusion unit A control method of an imaging device configured by arranging unit pixels having a portion in a matrix,
During one exposure period, the first photoelectric conversion result from the start of exposure to a predetermined time T is held in the charge holding unit, and then the second photoelectric conversion result from the predetermined time T to the end of exposure And outputting the first photoelectric conversion result and the second photoelectric conversion result.
前記第一の光電変換結果を読み出した後に、前記第二の光電変換結果を読み出すことを特徴とする請求項5に記載の撮像装置の制御方法。   The method for controlling an imaging apparatus according to claim 5, wherein the second photoelectric conversion result is read after reading the first photoelectric conversion result. 前記第一の光電変換結果は半導体基板に設けられた電荷保持部に蓄えられ、かつ該電荷保持部のチャネルポテンシャルを一露光期間中に二値以上に制御することを特徴とする請求項5または6に記載の撮像装置の制御方法。   6. The first photoelectric conversion result is stored in a charge holding portion provided in a semiconductor substrate, and the channel potential of the charge holding portion is controlled to a binary value or more during one exposure period. 6. A method for controlling the imaging apparatus according to 6. 各列は画素からの信号を保持するアナログメモリを有し、前記第一の光電変換結果を前記アナログメモリで保持した後に、前記第二の光電変換結果を画素からの信号として再度読み出し、その値に応じて前記アナログメモリの値を書き換えることを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の撮像装置の制御方法。   Each column has an analog memory for holding a signal from a pixel, and after holding the first photoelectric conversion result in the analog memory, the second photoelectric conversion result is read again as a signal from the pixel, and its value The method of controlling an imaging apparatus according to claim 5, wherein the value of the analog memory is rewritten according to 請求項1〜4のいずれかの1項に記載の撮像装置と、該撮像装置へ光を結像する光学系と、該撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
5. The image pickup apparatus according to claim 1, an optical system that forms an image of light on the image pickup apparatus, and a signal processing circuit that processes an output signal from the image pickup apparatus. An imaging system.
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