JP3064380B2 - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特
に受光部毎に増幅素子を有する増幅型固体撮像装置及び
その駆動方法に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof, and more particularly, to an amplification-type solid-state imaging device having an amplifying element for each light receiving unit and a driving method thereof.
<発明の概要> 本発明は、画素毎に増幅用MOSトランジスタ及びその
ゲート電位をリセットするリセット用MOSトランジスタ
を持つ固体撮像装置において、ストレージ及び出力ゲー
トによって1ビットのCCD(Charge Coupled Device;電
荷結合素子)を構成し、光電変換によって得られた信号
電荷を当該CCDによって増幅用MOSトランジスタ側へ完全
に転送させるとともに、リセット用MOSトランジスタを
増幅用MOSトランジスタのゲート電極と第1のリセット
信号線との間に接続し、かつそのゲート電極を第2のリ
セット信号線に接続した構成を採っている。<Summary of the Invention> The present invention relates to a solid-state imaging device having an amplifying MOS transistor for each pixel and a resetting MOS transistor for resetting the gate potential of the amplifying MOS transistor. Element), and the signal charge obtained by the photoelectric conversion is completely transferred to the amplification MOS transistor side by the CCD, and the reset MOS transistor is connected to the gate electrode of the amplification MOS transistor and the first reset signal line. And the gate electrode thereof is connected to the second reset signal line.
<従来の技術> 基本的なCCD型固体撮像装置では、各画素の光電変換
部に入射光量に応じて蓄積された信号電荷を、CCDを用
いて電荷のまま出力部に転送する構成となっていたた
め、CCDによる電荷転送中に雑音成分が混入することに
より、S/Nが劣化し易いという不具合があった。<Prior Art> A basic CCD solid-state imaging device is configured to transfer signal charges accumulated in a photoelectric conversion unit of each pixel in accordance with the amount of incident light to an output unit as they are using a CCD. Therefore, there is a problem that the noise component is mixed during the charge transfer by the CCD, so that the S / N tends to deteriorate.
かかる不具合を解消すべくなされた固体撮像装置とし
て、従来、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する光電変
換部と、この光電変換部に蓄積された信号電荷を増幅す
る手段と、この増幅手段の入力をリセットする手段とを
有する受光部を、2次元状に配列された複数画素の各画
素毎に設けた構成の増幅型固体撮像装置が知られている
(例えば、特開平1−154678号公報参照)。Conventionally, as a solid-state imaging device designed to solve such a problem, a photoelectric conversion unit that accumulates signal charges according to the amount of incident light, a unit that amplifies the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit, 2. Description of the Related Art There is known an amplification type solid-state imaging device having a configuration in which a light receiving unit having means for resetting an input is provided for each of a plurality of pixels arranged two-dimensionally (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-154678). reference).
<発明が解決しようとする課題> しかしながら、増幅型固体撮像装置では、キズ欠陥を
含む固定パターン雑音に関しては、製造プロセスの技術
改善により雑音低減が可能であるものの、素子の特性等
に起因するリセット雑音は原理的なものであるため、固
体撮像装置の小型化を図るべく画素セルを微細化する
と、S/Nが悪化するという問題があった。<Problems to be Solved by the Invention> However, in the amplification type solid-state imaging device, with respect to fixed pattern noise including a flaw defect, although noise can be reduced by technical improvement of a manufacturing process, resetting due to element characteristics and the like is possible. Since noise is fundamental, there is a problem in that if a pixel cell is miniaturized in order to reduce the size of a solid-state imaging device, S / N deteriorates.
また、画素単位で垂直及び水平走査を行うために、2
つの素子からなるホトゲートトランジスタを画素毎に設
けた構成の固体撮像装置も知られている(例えば、特開
昭63−100879号公報参照)。Also, in order to perform vertical and horizontal scanning in pixel units,
A solid-state imaging device having a configuration in which a photogate transistor including three elements is provided for each pixel is also known (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-100879).
ところで、ホトゲートトランジスタとして用いられる
MOSトランジスタのソース・ドレインは、どんなに電圧
をかけても空乏化しない、即ち常に電子が存在する条件
で作られる。すなわち、このホトゲートトランジスタを
通して信号電荷を転送するときに、光電変換部(例え
ば、ホトダイオード)に多くの電荷を取り残すプロファ
イルとなっている。一方、ホトダイオードでは、暗電流
成分が存在し、そこに光電変換された信号電荷が上積み
され、その上積みの分が信号電荷としてホトゲートトラ
ンジスタを通して転送されるのであるが、このとき、熱
雑音成分の不確定性があり、これがいわゆるkTC雑音と
なる。By the way, it is used as a photogate transistor
The source and drain of a MOS transistor are made under conditions that do not deplete no matter how much voltage is applied, that is, there are always electrons. That is, when transferring signal charges through the photogate transistor, the profile is such that much charge remains in the photoelectric conversion unit (for example, a photodiode). On the other hand, in a photodiode, a dark current component is present, and the signal charge that has been photoelectrically converted is added to the dark current component, and the amount of the additional charge is transferred as a signal charge through a photogate transistor. There is uncertainty, which is the so-called kTC noise.
このように、ホトゲートトランジスタとしてMOSトラ
ンジスタを用いた画素構造では、ホトゲートトランジス
タを通して信号電荷を転送するときに、MOSトランジス
タのプロファイルに起因する電荷の転送残しが生じるた
めにkTC雑音が発生するという問題があった。As described above, in a pixel structure using a MOS transistor as a photogate transistor, when signal charges are transferred through the photogate transistor, charge transfer remains due to the profile of the MOS transistor, so that kTC noise is generated. There was a problem.
そこで、本発明は、低雑音化により高感度で、しかも
画素セルの微細化により装置の小型化が可能な固体撮像
装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device which has high sensitivity due to low noise and can be downsized by miniaturization of a pixel cell, and a driving method thereof.
<課題を解決するための手段> 本発明による固体撮像装置は、入射光量に応じた信号
電荷を貯えるストレージと、このストレージと共に1ビ
ットのCCDを構成する出力ゲートと、この出力ゲートを
通して前記ストレージから出力される信号電荷を増幅し
て出力する増幅用MOSトランジスタと、この増幅用MOSト
ランジスタのゲート電極と第1のリセット信号線との間
に接続されるとともに、第2のリセット信号線にゲート
電極が接続されたリセット用MOSトランジスタとを有
し、水平及び垂直方向にてマトリクス状に2次元配置さ
れた複数画素と、第1のリセット信号線を通してリセッ
ト用MOSトランジスタに第1のリセット信号を印加する
ことによって水平ラインを選択するとともに、その選択
した水平ラインのリセット用MOSトランジスタのゲート
電極に第2のリセット信号線を通して第2のリセット信
号を印加することによって増幅用MOSトランジスタのゲ
ート電位をリセットし、しかる後選択した水平ラインの
出力ゲートをオン状態とし、ストレージに貯えられてい
る信号電荷を当該出力ゲートを通して増幅用MOSトラン
ジスタのゲート電極に転送する垂直走査回路とを備えた
構成となっている。<Means for Solving the Problems> A solid-state imaging device according to the present invention includes a storage for storing signal charges corresponding to the amount of incident light, an output gate forming a 1-bit CCD together with the storage, and a storage through the output gate. An amplifying MOS transistor that amplifies and outputs an output signal charge, and is connected between a gate electrode of the amplifying MOS transistor and the first reset signal line, and has a gate electrode connected to the second reset signal line. And a plurality of pixels arranged two-dimensionally in a matrix in the horizontal and vertical directions, and a first reset signal is applied to the reset MOS transistor through a first reset signal line. The horizontal line is selected by performing the above operation, and the gate voltage of the reset MOS transistor of the selected horizontal line is selected. The gate potential of the amplifying MOS transistor is reset by applying the second reset signal to the pole through the second reset signal line, and then the output gate of the selected horizontal line is turned on and stored in the storage. A vertical scanning circuit for transferring signal charges to the gate electrode of the amplification MOS transistor through the output gate.
また、本発明による固体撮像装置の駆動方法は、水平
及び垂直方向にてマトリクス状に2次元配置された複数
画素の各々が、入射光量に応じた信号電荷を貯えるスト
レージと、このストレージと共に1ビットのCCDを構成
する出力ゲートと、この出力ゲートを通して前記ストレ
ージから出力される信号電荷を増幅して出力する増幅用
MOSトランジスタと、この増幅用MOSトランジスタのゲー
ト電極と第1のリセット信号線との間に接続されるとと
もに、第2のリセット信号線にゲート電極が接続された
リセット用MOSトランジスタとを有する固体撮像装置に
おいて、第1のリセット信号線を通してリセット用MOS
トランジスタに第1のリセット信号を印加することによ
って水平ラインを選択し、その選択した水平ラインのリ
セット用MOSトランジスタのゲート電極に第2のリセッ
ト信号線を通して第2のリセット信号を印加することに
よって増幅用MOSトランジスタのゲート電位をリセット
し、しかる後選択した水平ラインの出力ゲートをオン状
態とし、ストレージに貯えられている信号電荷を当該出
力ゲートを通して増幅用MOSトランジスタのゲート電極
に転送する。Further, in the driving method of the solid-state imaging device according to the present invention, each of a plurality of pixels arranged two-dimensionally in a matrix in the horizontal and vertical directions includes a storage for storing signal charges corresponding to the amount of incident light, and one bit together with the storage. And an amplification gate that amplifies and outputs signal charges output from the storage through the output gate.
A solid-state imaging device having a MOS transistor and a reset MOS transistor connected between the gate electrode of the amplification MOS transistor and the first reset signal line and having a gate electrode connected to the second reset signal line; A reset MOS through a first reset signal line;
A horizontal line is selected by applying a first reset signal to the transistor, and amplification is performed by applying a second reset signal to a gate electrode of a reset MOS transistor of the selected horizontal line through a second reset signal line. The gate potential of the MOS transistor for use is reset, and then the output gate of the selected horizontal line is turned on, and the signal charge stored in the storage is transferred to the gate electrode of the MOS transistor for amplification through the output gate.
<作用> 本発明では、画素毎に増幅用MOSトランジスタ及びそ
のゲート電位をリセットするリセット用MOSトランジス
タを持つ固体撮像装置において、ストレージ及び出力ゲ
ートによって1ビットのCCDを構成し、光電変換によっ
て得られた信号電荷を当該CCDによって増幅用MOSトラン
ジスタ側へ完全に転送させる。また、垂直走査の駆動に
際しては、先ず、第1のリセット信号線を通してリセッ
ト用MOSトランジスタに第1のリセット信号を印加する
ことによって水平ラインを選択する。そして、その選択
した水平ラインのリセット用MOSトランジスタのゲート
電極に第2のリセット信号線を通して第2のリセット信
号を印加することによって増幅用MOSトランジスタのゲ
ート電位をリセットし、しかる後選択した水平ラインの
出力ゲートをオン状態とする。これにより、ストレージ
に貯えられている信号電荷が、上述したように、1ビッ
トのCCDによって増幅用MOSトランジスタ側に完全に転送
される。<Operation> In the present invention, in a solid-state imaging device having an amplification MOS transistor for each pixel and a reset MOS transistor for resetting the gate potential of the pixel, a 1-bit CCD is configured by a storage and an output gate, and the CCD is obtained by photoelectric conversion. The signal charge is completely transferred to the amplification MOS transistor side by the CCD. In driving the vertical scanning, first, a horizontal line is selected by applying a first reset signal to a reset MOS transistor through a first reset signal line. The gate potential of the amplification MOS transistor is reset by applying a second reset signal to the gate electrode of the reset MOS transistor of the selected horizontal line through the second reset signal line. Are turned on. As a result, the signal charge stored in the storage is completely transferred to the amplification MOS transistor by the 1-bit CCD as described above.
<実施例> 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。<Example> Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1図は、本発明による固体撮像装置の一実施例の要
部のみを示す回路図である。この図では、説明の都合
上、水平及び垂直方向においてマトリクス状に2次元配
列された複数画素のうち、隣り合うn番目及びn+1番
目の2ラインの各1画素のみの回路構成を示している
が、残りの画素も全て同じ回路構成となっているものと
する。FIG. 1 is a circuit diagram showing only a main part of an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. In this figure, for convenience of explanation, the circuit configuration of only one pixel of each of two adjacent n-th and (n + 1) -th lines among a plurality of pixels arranged two-dimensionally in a matrix in the horizontal and vertical directions is shown. It is assumed that all the remaining pixels have the same circuit configuration.
図において、各画素に光が入射すると、その入射光量
に応じた信号電荷がストレージ(ST)1に貯えられる。
このストレージ1及びその出力ゲート(OG)スイッチ2
により、ストレージ1を蓄積部、出力ゲートスイッチ2
を転送部とする1ビット(1段)のCCD(Charge Couple
d Device)が構成されている。また、このCCDと同一チ
ップ上にリセット用MOS−FET3とソースホロワの増幅用M
OS−FET4とが作られ、増幅用MOS−FET4のゲートがフロ
ーティング・ディフュージョン(Floating Diffusion)
に接続されてフローティング・ディフュージョン・アン
プ(FDA)5を構成している。In the figure, when light is incident on each pixel, a signal charge corresponding to the amount of incident light is stored in a storage (ST) 1.
This storage 1 and its output gate (OG) switch 2
Storage 1 as a storage unit and an output gate switch 2
1-bit (one-stage) CCD (Charge Couple)
d Device) is configured. The reset MOS-FET 3 and the source follower amplifier M
OS-FET4 is made, and the gate of MOS-FET4 for amplification is floating diffusion.
To form a floating diffusion amplifier (FDA) 5.
このフローティング・ディフュージョン・アンプ5に
おいて、出力ゲートスイッチ2のゲート電極が出力ゲー
ト(OG)信号線6に接続され、又リセット用MOS−FET3
のゲート電極がリセットゲート(RG)信号線(第2のリ
セット信号線)7aに、ドレイン電極がリセットドレイン
(RD)信号線(第1のリセット信号線)7bに、ソース電
極が増幅用MOS−FET4のゲート電極にそれぞれ接続され
ている。そして、垂直走査シフトレジスタ8から、出力
ゲートスイッチ2のゲート電極に出力ゲートパルスφOG
が、またリセット用MOS−FET3のゲート電極にリセット
ゲートパルス(第1のリセット信号)φRGが、ドレイン
電極にリセットドレインパルス(第2のリセット信号)
φRDがそれぞれ印加されることにより水平ラインの選択
を行うようになっている。また、増幅用MOS−FET4のド
レイン電極には電源電圧VDDが印加され、そのソース電
極が出力端Voutとして垂直信号線9に接続されている。
そして、1の水平ラインが選択されると、その選択され
た水平ラインの画素の信号電荷が増幅用MOS−FET4によ
って増幅されて垂直信号線9に出力される。In the floating diffusion amplifier 5, the gate electrode of the output gate switch 2 is connected to the output gate (OG) signal line 6, and the reset MOS-FET 3
The gate electrode is a reset gate (RG) signal line (second reset signal line) 7a, the drain electrode is a reset drain (RD) signal line (first reset signal line) 7b, and the source electrode is a MOS- Each is connected to the gate electrode of FET4. Then, the output gate pulse φ OG is supplied from the vertical scanning shift register 8 to the gate electrode of the output gate switch 2.
But also a reset gate pulse to the gate electrode of the reset MOS-FET 3 (first reset signal) phi RG is reset drain pulse to the drain electrode (second reset signal)
A horizontal line is selected by applying φ RD . The power supply voltage V DD is applied to the drain electrode of the amplification MOS-FET 4, and the source electrode is connected to the vertical signal line 9 as the output terminal V out .
Then, when one horizontal line is selected, the signal charges of the pixels on the selected horizontal line are amplified by the amplification MOS-FET 4 and output to the vertical signal line 9.
垂直信号線9には転送ゲートスイッチ10を介して負荷
トランジスタ11が接続されており、垂直信号9に出力さ
れた各画素の増幅出力はノイズ除去用コンデンサC0に貯
えられる。このコンデンサC0の出力端にはクランプスイ
ッチ12が接続されており、クランプスイッチ12がそのゲ
ート電極にクランプパルスφcLが印加されることによっ
てオン状態となることにより、コンデンサC0の出力端の
電位がクランプレベルVcLpにクランプされる。このノイ
ズ除去用コンデンサC0及びクランプスイッチ12により、
増幅用MOS−FET4のソース出力に含まれるリセット雑音
等の雑音を低減するためのCDS(相関二重サンプリン
グ)回路15が構成されている。The vertical signal line 9 is connected to the load transistor 11 through the transfer gate switch 10, the amplified output of each pixel output to the vertical signal 9 is stored in the noise eliminating capacitor C 0. The output end of the capacitor C 0 is connected clamp switch 12, by which is turned by the clamp switch 12 is a clamp pulse phi cL to the gate electrode is applied, the output end of the capacitor C 0 The potential is clamped to the clamp level VcLp . The noise removing capacitor C 0 and the clamp switch 12,
A CDS (correlated double sampling) circuit 15 for reducing noise such as reset noise included in the source output of the amplification MOS-FET 4 is configured.
ノイズ除去用コンデンサC0の出力は、バッファアンプ
13を経た後切替えスイッチ14によって第1,第2の信号保
持手段であるサンプル/ホールド用コンデンサC1,C2に
択一的に供給され、これらコンデンサC1,C2によってサ
ンプル/ホールドされる。切替えスイッチ14の切替え制
御は、水平ブランキング期間において発生されるサンプ
ル/ホールドパルスφSHによって1ライン毎に行われ
る。これにより、例えば、偶数ラインの画素出力がコン
デンサC1に、奇数ラインの画素出力がコンデンサC2にそ
れぞれホールドされることになる。The output of the noise removal capacitor C 0, the buffer amplifier
13 first by switching the switch 14 after a are alternatively supplied to the sample / hold capacitor C 1, C 2 is the second signal holding means, is sampled / held by the capacitors C 1, C 2 . The switching control of the selector switch 14 is performed for each line by a sample / hold pulse φ SH generated in a horizontal blanking period. Thus, for example, the pixel output of the even lines in the capacitor C 1, the pixel output of the odd line is to be held respectively in the capacitor C 2.
コンデンサC1,C2のホールド出力は、バッファアンプ1
6-1,16-2を経た後水平ゲートスイッチ17-1,17-2による
スイッチングによって水平信号線18-1,18-2に導出され
る。水平ゲートスイッチ16-1,16-2のスイッチング制御
は、水平走査シフトレジスタ19から出力される水平シフ
トパルスφHによって行われる。The hold outputs of capacitors C 1 and C 2 are connected to buffer amplifier 1
After passing through 6 -1 and 16 -2, they are led out to horizontal signal lines 18 -1 and 18 -2 by switching by the horizontal gate switches 17 -1 and 17 -2 . Switching control of the horizontal gate switches 16 -1 and 16 -2 is performed by a horizontal shift pulse φ H output from the horizontal scan shift register 19.
かかる構成の本発明による固体撮像装置の断面構造を
第2図に示す。なお、第2図は、1ユニットセルにおけ
るST−OG−RG−RD…FET4のドレイン電極(VDD)−ゲー
ト電極−ソース電極(Vout)の断面図である。同図から
明らかなように、本発明による固体撮像装置は、薄いシ
リコン基板20の表面上にフローティング・ディフュージ
ョン・アンプ(FDA)を構成する電極素子群を配し、そ
の上にさらにCVD(Chemical Vapor Deposition)等の方
法によりSiO2膜21を堆積させる一方、シリコン基板20の
裏面に配されたSiO2膜22上に第4図に示す如くXYマトリ
クス状にパターン配線された水平アルミ線23及び垂直ア
ルミ線24にリセットドレイン(RD)及び増幅用MOS−FET
4の出力端(Vout)をそれぞれ接続し、シリコン基板20
の裏面側から照射光を取り込むいわゆる裏面照射型構造
となっている。FIG. 2 shows a sectional structure of the solid-state imaging device according to the present invention having such a configuration. FIG. 2 is a cross-sectional view of the drain electrode (V DD ) -gate electrode-source electrode (V out ) of ST-OG-RG-RD... FET4 in one unit cell. As is clear from the figure, the solid-state imaging device according to the present invention has an electrode element group constituting a floating diffusion amplifier (FDA) on the surface of a thin silicon substrate 20, and further has a CVD (Chemical Vapor Vapor Deposition) thereon. The SiO 2 film 21 is deposited by a method such as Deposition) while the horizontal aluminum wires 23 and the vertical aluminum wires 23 are patterned and arranged in an XY matrix on the SiO 2 film 22 disposed on the back surface of the silicon substrate 20 as shown in FIG. Reset drain (RD) and MOS-FET for amplification on aluminum wire 24
4 output terminals (V out ) are connected to each other,
Has a so-called back-illuminated structure in which irradiation light is taken in from the back side.
このように、固体撮像装置の構造を裏面照射型とする
ことにより、シリコン基板20の裏面側には水平アルミ線
23及び垂直アルミ線24がパターン配線されているのみで
あるため、開口率を飛躍的に向上できることになる。As described above, the solid-state imaging device has a back-illuminated structure.
Since only the 23 and the vertical aluminum wires 24 are patterned, the aperture ratio can be dramatically improved.
続いて、本発明による固体撮像装置において、垂直走
査シフトレジスタ8及び水平走査シフトレジスタ19によ
って選択された1画素につき、第2図のセル断面図及び
第3図のポテンシャル分布図を参照しつつ第5図のタイ
ムチャートに従ってその動作を説明する。Subsequently, in the solid-state imaging device according to the present invention, one pixel selected by the vertical scanning shift register 8 and the horizontal scanning shift register 19 will be described with reference to the cell sectional view of FIG. 2 and the potential distribution diagram of FIG. The operation will be described with reference to the time chart of FIG.
先ず、水平ブランキング期間において、第3図に示す
ように、垂直方向において選択するn番目の水平ライン
のRD(リセットドレイン)に対してのみ、時点t1でリセ
ットドレインパルスφRDによる高レベル(例えば、5V)
のリセット電圧VRDを印加し、残りの水平ラインのRDに
は低レベル(例えば、1.5V)の電圧を印加することによ
り、ライン選択を行う。このとき、選択された水平ライ
ンの画素のFDをリセットゲートパルスφRGでリセットす
れば、FDの電位が高レベルとなり、これにより増幅用MO
S−FET4のゲート電位も高レベルとなる。一方、選択さ
れなかった水平ラインの画素においては、そのFD電位を
低レベルに保持することにより、増幅用MOS−FET4はそ
のゲート電位が第3図に点線で示す如くFD電位よりスレ
ッショールドレベルVth分だけ低レベル(例えば、0.5
V)となり、カットオフ状態になる。First, in the horizontal blanking period, as shown in FIG. 3, only for the n-th horizontal lines to be selected in the vertical direction RD (reset drain), at time t 1 the reset drain pulse phi RD with high levels ( For example, 5V)
Of applying a reset voltage V RD, the RD of the remaining horizontal lines by applying a voltage of low level (e.g., 1.5V), performs the line selection. At this time, if the FD of the pixel on the selected horizontal line is reset by the reset gate pulse φRG , the potential of the FD becomes high level, thereby
The gate potential of the S-FET 4 also becomes high. On the other hand, in the pixels of the horizontal line which are not selected, the FD potential is held at a low level, so that the gate potential of the amplifying MOS-FET 4 is lower than the FD potential by a threshold level as shown by a dotted line in FIG. Low level by V th (for example, 0.5
V) and a cutoff state is established.
次に、時点t2でリセットゲートパルスφRGが低レベル
に遷移することにより、リセット用MOS−FET3がカット
オフ状態となる。この状態では、クランプパルスφcLに
よりクランプスイッチ12がオンとなってコンデンサC0の
出力端をクランプレベルVcLpに固定している。そして、
時点t3でクランプパルスφcLが消滅することにより、ク
ランプスイッチ12がオフとなる。Next, the reset gate pulse phi RG at time t 2 is changed to the low level, MOS-FET 3 is reset becomes cut off. In this state, securing the output end of the capacitor C 0 to the clamp level V CLP clamp switch 12 by the clamping pulse phi cL is turned on. And
By clamp pulse phi cL disappears at time t 3, the clamp switch 12 is turned off.
このCDS回路15におけるコンデンサC0及びクランプス
イッチ12の作用により、キズを含む固定パターン雑音
(FPN)、ソースホロワの入力オフセットばらつきに起
因するVthムラやソースホロワの低周波(1/f)雑音及び
FDAのリセット時に発生するリセット雑音、さらには信
号線やCCDへの光の混入に起因するスミアをキャンセル
できることになる。これにより、固体撮像装置の出力信
号の信号処理系において従来用いられいたFPN除去用の
フレームメモリが不要となる。Due to the action of the capacitor C 0 and the clamp switch 12 in the CDS circuit 15, fixed pattern noise (FPN) including a flaw, Vth unevenness due to input offset variation of the source follower, low frequency (1 / f) noise of the source follower and
Reset noise generated when the FDA is reset, as well as smear caused by light entering signal lines and CCDs, can be canceled. This eliminates the need for the FPN removal frame memory conventionally used in the signal processing system of the output signal of the solid-state imaging device.
続いて、出力ゲートパルスφOGにより時点t4で出力ゲ
ート(OG)2をオン状態とすることにより、ストレージ
(ST)1に貯えられた信号電荷をFDへ転送し、出力ゲー
トパルスφOGが消滅する時点t5までの間に全ての信号電
荷をFDに移す。しかる後、サンプル/ホールドパルスφ
SHにより時点t6で切替えスイッチ14をサンプル/ホール
ド用コンデンサC1側に切り替えて信号電圧をコンデンサ
C1に入力し、サンプル/ホールドパルスφSHが消滅する
時点t7で切替えスイッチ14をオフ状態(図の中立位置)
としてコンデンサC1の信号電圧をホールドする。Then, by the output gate (OG) 2 turned on at time t 4, the output gate pulse phi OG, to transfer signal charges that are stored in the storage (ST) 1 to the FD, the output gate pulse phi OG transferring all signal charges to the FD until time t 5 to disappear. Then, the sample / hold pulse φ
Capacitor signal voltage switches the switch 14 switching at time t 6 to the sample / hold capacitor C 1 side by SH
Type in C 1, the sample / hold pulse phi SH off switch 14 switchable time t 7 which disappears state (neutral position in the figure)
It holds the signal voltage of the capacitor C 1 as.
上述した動作タイミングによってn番目の水平ライン
の信号電荷を増幅用MOS−FET4で増幅し、CDS回路15のコ
ンデンサC1に貯えたなら、続けて同様の動作タイミング
によってn+1番目の水平ラインの信号電荷を増幅用MO
S−FET4で増幅し、CDS回路15のコンデンサC2に貯える。
これにより、水平走査シフトレジスタ19から発せられる
水平シフトパルスφHによる水平ゲートスイッチ17-1,1
7-2のスイッチング制御によって垂直方向の隣り合う2
画素の信号を水平走査有効期間に独立に読み出すことが
できることになる。なお、水平走査有効期間では、リセ
ットゲート(RG)を高レベル、リセットドレイン(RD)
を低レベル(約1.5V)にする。The n-th signal charges of the horizontal line and amplified by the amplifying MOS-FET 4 by the operation timing described above, if the stored in the capacitor C 1 of the CDS circuit 15, n + 1 th signal charges of horizontal lines by the same operation timing continues Amplify MO
It is amplified by the S-FET 4 and stored in the capacitor C 2 of the CDS circuit 15.
As a result, the horizontal gate switches 17 -1 , 1 -1 by the horizontal shift pulse φ H generated from the horizontal scan shift register 19 are output .
Vertically adjacent 2 by switching control of 7 -2
Pixel signals can be read out independently during the horizontal scanning effective period. During the horizontal scanning valid period, the reset gate (RG) is set to high level and the reset drain (RD)
To a low level (about 1.5V).
この読出しの際に、コンデンサC1,C2の各ホールド出
力を順次に読み出すことにより、ノンインターレースの
テレビジョン信号を得ることができることになる。ま
た、コンデンサC1,C2の各ホールド出力を同時に読み出
すようにしても良く、この場合には、読み出した信号を
図示せぬ信号処理系で適当に処理することにより、順次
読出しの場合と同様に、ノンインターレースのテレビジ
ョン信号を得ることができることになる。In this reading, a non-interlaced television signal can be obtained by sequentially reading out the hold outputs of the capacitors C 1 and C 2 . Alternatively, the hold outputs of the capacitors C 1 and C 2 may be simultaneously read out. In this case, the read signals are appropriately processed by a signal processing system (not shown), so that the readout is performed in the same manner as in the case of sequential reading. In addition, a non-interlaced television signal can be obtained.
ストレージ(ST)1が信号電荷で溢れた場合には、そ
の信号電荷はST→OG→FD→RDへと横型オーバーフローに
より捨てられることになる。このように、リセット用MO
S−FET3のドレイン電極(RD)を水平ラインの選択に利
用すると共に、オーバーフロードレインに共用すること
により、水平ラインの選択素子及びオーバーフロートレ
インの構成を簡易化できる。When the storage (ST) 1 overflows with signal charges, the signal charges are discarded by a horizontal overflow from ST → OG → FD → RD. Thus, the reset MO
By using the drain electrode (RD) of the S-FET 3 for selecting a horizontal line and sharing the overflow drain, the configurations of the horizontal line selection element and the overflow train can be simplified.
<発明の効果> 以上説明したように、本発明によれば、画素毎に増幅
用MOSトランジスタ及びそのゲート電位をリセットする
リセット用MOSトランジスタを持つ固体撮像装置におい
て、ストレージ及び出力ゲートにより1ビットのCCDを
構成し、信号電荷を増幅用MOSトランジスタ側へ完全に
転送させる構成としたことにより、画素のリセット時に
発生するkTC雑音を、発生させないように抑制すること
ができるため、低雑音化により高感度化及び画素セルの
微細化が図れ、さらには画素セルの微細化によって装置
を小型化できる効果がある。<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, in a solid-state imaging device having an amplification MOS transistor for each pixel and a reset MOS transistor for resetting the gate potential thereof, one bit of storage and output gates is used. Since the CCD is configured and the signal charge is completely transferred to the amplification MOS transistor side, kTC noise generated at the time of pixel reset can be suppressed so as not to be generated. Sensitivity and miniaturization of the pixel cell can be achieved, and further, the miniaturization of the pixel cell has the effect of reducing the size of the device.
第1図は、本発明による固体撮像装置の一実施例の要部
のみを示す回路図、 第2図は、1ユニットセルの構造を示す断面構造図、 第3図は、第2図に対応して示したポテンシャル分布
図、 第4図は、本発明による固体撮像装置の一部を示す裏面
図、 第5図は、第1図の回路動作を説明するためのタイムチ
ャートである。 1……ストレージ(ST), 2……出力ゲート(OG), 3……リセット用MOS−FET, 4……増幅用MOS−FET, 5……FDA(フローティング・ディフュージョン・アン
プ), 12……クランプスイッチ, 15……CDS(相関二重サンプルホールド)回路, C1,C2……サンプル/ホールド用コンデンサ。FIG. 1 is a circuit diagram showing only a main part of an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, FIG. 2 is a sectional structural view showing a structure of one unit cell, and FIG. 3 corresponds to FIG. FIG. 4 is a rear view showing part of the solid-state imaging device according to the present invention, and FIG. 5 is a time chart for explaining the circuit operation of FIG. 1 ... Storage (ST), 2 ... Output gate (OG), 3 ... Reset MOS-FET, 4 ... Amplification MOS-FET, 5 ... FDA (floating diffusion amplifier), 12 ... clamp switch, 15 ...... CDS (correlated double sample-and-hold) circuit, C 1, C 2 ...... sample / hold capacitors.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 5/30 - 5/335 H01L 27/146 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H04N 5/30-5/335 H01L 27/146
Claims (2)
ージと、このストレージと共に1ビットの電荷結合素子
を構成する出力ゲートと、この出力ゲートを通して前記
ストレージから出力される信号電荷を増幅して出力する
増幅用MOSトランジスタと、この増幅用MOSトランジスタ
のゲート電極と第1のリセット信号線との間に接続され
るとともに、第2のリセット信号線にゲート電極が接続
されたリセット用MOSトランジスタとを有し、水平及び
垂直方向にてマトリクス状に2次元配置された複数画素
と、 前記第1のリセット信号線を通して前記リセット用MOS
トランジスタに第1のリセット信号を印加することによ
って水平ラインを選択するとともに、その選択した水平
ラインの前記リセット用MOSトランジスタのゲート電極
に前記第2のリセット信号線を通して第2のリセット信
号を印加することによって前記増幅用MOSトランジスタ
のゲート電位をリセットし、しかる後前記選択した水平
ラインの前記出力ゲートをオン状態とし、前記ストレー
ジに貯えられている信号電荷を前記出力ゲートを通して
前記増幅用MOSトランジスタのゲート電極に転送する垂
直走査回路と を備えたことを特徴とする固体撮像装置。1. A storage for storing a signal charge according to the amount of incident light, an output gate forming a 1-bit charge-coupled device together with the storage, and a signal charge output from the storage through the output gate is amplified and output. And a reset MOS transistor connected between the gate electrode of the amplification MOS transistor and the first reset signal line and having a gate electrode connected to the second reset signal line. A plurality of pixels two-dimensionally arranged in a matrix in the horizontal and vertical directions; and the reset MOS through the first reset signal line.
A horizontal line is selected by applying a first reset signal to the transistor, and a second reset signal is applied to the gate electrode of the reset MOS transistor on the selected horizontal line through the second reset signal line. This resets the gate potential of the amplifying MOS transistor, and then turns on the output gate of the selected horizontal line, and transfers the signal charges stored in the storage through the output gate to the amplifying MOS transistor. A solid-state imaging device, comprising: a vertical scanning circuit for transferring data to a gate electrode.
元配置された複数画素の各々が、入射光量に応じた信号
電荷を貯えるストレージと、このストレージと共に1ビ
ットの電荷結合素子を構成する出力ゲートと、この出力
ゲートを通して前記ストレージから出力される信号電荷
を増幅して出力する増幅用MOSトランジスタと、この増
幅用MOSトランジスタのゲート電極と第1のリセット信
号線との間に接続されるとともに、第2のリセット信号
線にゲート電極が接続されたリセット用MOSトランジス
タとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、 前記第1のリセット信号線を通して前記リセット用MOS
トランジスタに第1のリセット信号を印加することによ
って水平ラインを選択し、 その選択した水平ラインの前記リセット用MOSトランジ
スタのゲート電極に前記第2のリセット信号線を通して
第2のリセット信号を印加することによって前記増幅用
MOSトランジスタのゲート電位をリセットし、 しかる後前記選択した水平ラインの前記出力ゲートをオ
ン状態とし、前記ストレージに貯えられている信号電荷
を前記出力ゲートを通して前記増幅用MOSトランジスタ
のゲート電極に転送する ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。2. A storage in which each of a plurality of pixels arranged two-dimensionally in a matrix in the horizontal and vertical directions stores a signal charge corresponding to the amount of incident light, and an output which constitutes a 1-bit charge-coupled device together with the storage. A gate, an amplifying MOS transistor for amplifying and outputting the signal charge output from the storage through the output gate, and a gate connected to the gate electrode of the amplifying MOS transistor and the first reset signal line; A reset MOS transistor having a gate electrode connected to a second reset signal line, wherein the reset MOS transistor is driven through the first reset signal line.
Selecting a horizontal line by applying a first reset signal to a transistor, and applying a second reset signal through the second reset signal line to the gate electrode of the reset MOS transistor on the selected horizontal line. For said amplification
Resetting the gate potential of the MOS transistor, and thereafter turning on the output gate of the selected horizontal line, and transferring the signal charges stored in the storage to the gate electrode of the amplifying MOS transistor through the output gate; A method for driving a solid-state imaging device, comprising:
Priority Applications (1)
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JP5136524B2 (en) * | 2009-08-17 | 2013-02-06 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof |
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- 1990-10-17 JP JP2279932A patent/JP3064380B2/en not_active Expired - Lifetime
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