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JP4263005B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP4263005B2
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージスキャナー等の画像入力装置に用いられる固体撮像装置において、固体撮像素子の非線形領域を用いてダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の固体撮像装置の駆動では、先ず、リセットスイッチ(MOSトランジスタ)のゲートにオン・パルスを入力して、浮遊拡散領域FDを基準電圧にリセットする。次に、転送スイッチ(MOSトランジスタ)のゲートにオン・パルスを入力して、フォトダイオード等の光電変換部PDをリセットする。この時、リセットスイッチはオンしたままであるので、光電変換部PDの電荷をフローテフィングデヒュージョン部(以後、「浮遊拡散領域」または「FD」と呼ぶ)に転送する。そして、転送スイッチをオフして、光電変換部PDと浮遊拡散領域FDを分離する。光電変換部PDに残留していた電荷は全て浮遊拡散領域FDに転送されているので、光電変換部PDのn層は完全に空乏化する。この転送スイッチのオフによって、光電変換部PDへの光電荷の蓄積が始まる。
【0003】
続いて、リセットスイッチをオフし、一定時間電荷の蓄積を行った後、転送スイッチを再びオンして、光電変換部PDに蓄積された電荷を浮遊拡散領域FDに転送する。そして、転送スイッチをオフした後、選択スイッチのゲートに選択パルスを入力して増幅部トランジスタにより増幅された信号を読み出す。光電変換部PDに残留した電荷は、上述したリセット動作を再び行うことで除去される。これにより、ノイズ信号と画像信号を続けて出力することができるため、後段のノイズキャンセル回路で演算処理を行うことにより、暗時ノイズを削減した画像信号を得ることができ、飽和信号振幅と暗時ノイズの比で定義されるダイナミックレンジを拡大することが図られている。
【0004】
しかしながら、このような従来の固体撮像装置においては、飽和ばらつきによって飽和信号振幅が制限されており、実際の飽和信号の約1/2から1/3のみが飽和信号振幅として利用されている。このため、飽和ばらつきがダイナミックレンジを制限していた。
【0005】
これに鑑み、従来、飽和ばらつきを補正することにより飽和信号振幅を拡大してダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置が提案されている。この従来構成では、飽和ばらつきを抑制するために、半導体基板から電荷を逆注入して飽和信号を取得し、得られた飽和信号と画像信号との演算により飽和ばらつきを補正し、飽和信号振幅を拡大することによりダイナミックレンジの広い画像信号を取得していた。さらに、画像信号の飽和後の非線形特性を使って入射光量に対するダイナミックレンジをさらに拡大していた(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−201300号公報(図1〜8)
【特許文献2】
特開2001−094880号公報(図1〜8)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来構成の固体撮像装置では、飽和ばらつきを抑制するために、半導体基板から電荷を逆注入して飽和信号を取得し、得られた飽和信号と画像信号との演算により飽和ばらつきを補正しているので、このような構成例の場合、得られた飽和信号は画像信号データと同一のフレーム内に出力することができない。そのため、飽和信号データを一旦外部のフレームメモリに記憶しておき、画像信号データを取得後に演算処理を行う必要があった。さらに、固体撮像装置が飽和後に示す非線形特性は、半導体プロセス条件により決定されるため、装置毎にばらつきがあり、さらに、撮影条件に応じて画像の調整ができないといった問題があった。
【0008】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、画素からの出力信号と飽和信号を続けて出力することができ、飽和ばらつきを抑制した画像信号を得ることを目的とする。また、飽和特性の非線形特性を利用することによりダイナミックレンジの広い画像信号を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、画像信号を撮像入力して外部に読み出し、光信号を信号電荷に変換する光電変換手段と、信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送スイッチ手段と、光電変換手段から転送された信号電荷を保持する電荷保持手段とを備える。固体撮像装置は、さらに、光電変換手段と電荷保持手段をリセットするリセット電源供給手段と、電荷保持手段とリセット電源供給手段との接続をオン・オフスイッチするリセットスイッチ手段と、電荷保持手段に転送された信号電荷を増幅する信号増幅スイッチ手段と、信号増幅スイッチ手段を介して増幅された信号電荷を画像信号として外部に読み出すための選択スイッチ手段とを有し、前記電荷保持手段のリセット後に読み出されるノイズ信号と、前記光電変換手段から信号電荷を転送後に読み出される画像信号と、前記光電変換手段に電荷を充填後に前記電荷保持手段をリセットした後に読み出される第2のノイズ信号と、前記光電変換手段に充填された電荷を前記電荷保持手段に転送した後に読み出される飽和信号の、4種類の出力信号を読み出すことを特徴とする。
【0010】
上記構成により、リセット電源9を外部から制御可能としたことで、固体撮像装置の光電変換部PDばらつきに起因する固定パターンノイズを低減でき、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図11を用いて本発明の実施の形態について詳述する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。
【0012】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置について、図1乃至図6を参照して以下に説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の1画素分に対応する回路図、図2はその駆動タイミングを示すタイミングチャート、図3及び図4は、図1の回路が組込まれた半導体デバイスの概略断面構成による動作時のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【0013】
図1に示す基本構成において、1は光信号を信号電荷に変換するフォトダイオード部(以後、単に「PD」と略称する)、2はPD1により光電変換された信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送トランジスタ、7はPD1から転送された信号電荷を保持する容量手段を含むフロティングディヒュージョン部(以後、単に「FD」と略称する)であり、PD1のカソードは転送トランジスタ2を介してFD7に接続されている。3はFD7とリセット電源9との接続をオン・オフスイッチするリセットトランジスタ、4はFD7に転送された信号電荷を電圧に変換してFD7の電位を読み出すための信号増幅トランジスタ(ソースフォロアSF)、5は画像信号を外部に読み出すための選択トランジスタ、6は信号増幅トランジスタ4を介して読み出した画像信号を外部に出力する垂直信号線、8はPD1の電源、9はリセット電圧Vrstを発生してPD1とFD7のリセット電位を決めるリセット電源、10は信号増幅トランジスタ4の出力特性を決めるソースフォロア(SF)電源、11は転送トランジスタ2の制御線、12は転送トランジスタ2のゲート制御用パルスφtxを発生する制御パルス発生部、13はリセット電源9と接続するリセット電源線、14はリセットトランジスタ3を制御するためのリセット制御パルスφrstを送信するリセット制御線、15は選択トランジスタ5のゲート制御用パルスφselを送信する読み出し制御線、19は信号容量等のアナログラッチ部19である。
【0014】
本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ2の制御パルス電圧φtxは変更することができるように構成されており、転送トランジスタ2のオフ電圧を調整することによりその障壁電圧を調整している。
【0015】
上記構成の固体撮像装置の駆動動作について、図2乃至図4を参照して以下にに説明する。先ず、PDリセット期間P1において、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3を同時にオン(φtx=ハイレベルΔVg、φrst=ハイレベル)にしてPD1をリセットする。この時のポテンシャルプロファイルは、図3(1)に示すように、PD1の残留電荷は全てFD7に転送されるため、PD1は完全に電荷空乏化状態になる。この時のPD電位を空乏化電位と呼び、電圧電位Vdepで表すものとする。
【0016】
次に、電荷蓄積期間Teに入ると、図3(2)の斜線部で示すように、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3をオフして、PD1に入射光量に応じた信号電荷を蓄積する。電荷蓄積期間Te中のFDリセット期間P2において、図3(3)の斜線部で示すように、リセットトランジスタ3をオンして、FD7をリセット電源9から供給される高レベルのリセット電源電位Vrst1と同電位とする。
【0017】
その後、ノイズ読み出し期間P3においては、図3(4)に示すように、リセットトランジスタ3はオフとされており、FD7の電位は信号増幅トランジスタ4により増幅され、選択トランジスタ5をオンとすることで、垂直出力線6から読み出し信号が出力される。この時の垂直出力線6から出力される信号が、基準レベルとなるノイズ出力(Vb1)である。このノイズ出力(Vb1)は、FD7をリセットする際に発生するリセットノイズ成分や半導体製造ばらつきに起因する固定パターンノイズを含む信号である。
【0018】
次に、期間P1から一定の電荷蓄積時間Te経過後の信号電荷転送期間P4においては、図3(5)に示すように、転送トランジスタ2をオンすることで、PD1に蓄積された信号電荷がFD7に転送される。この時のFD7の電位も、先のノイズ読み出し期間P3において読み出した黒レベル信号のノイズ出力(Vb1)と同様にして読み出される(期間P5)。
【0019】
即ち、PD1からFD7に転送された信号電荷の電位は、信号読み出し期間P5において、図3(6)に示すように、信号増幅トランジスタ4により増幅され、選択トランジスタ5をオンとすることで、垂直出力線6から出力される。この時の垂直出力線6から出力される信号(電圧)が、入射光量に依存する信号成分Vs1となる。この信号成分(Vs1)と前述の黒レベル信号のノイズ出力(Vb1)との差分(Vs1−Vb1)を公知の差分演算手段(不図示)により得ることにより、リセットノイズ成分や固定パターンノイズを抑制した出力信号Vsigが同一画素から連続して得られる。このようにして得られた出力信号Vsigは、固体撮像装置に入射した光量に比例して変化し、入射光量に対する出力信号Vsigの関係を図4に示している。
【0020】
図5に示すように、撮像素子に入射する光量が低い領域、即ち、PD1が蓄積電荷の飽和状態に達していない線形領域では、撮像素子から得られる出力信号Vsigは入射光量に対し線形に変化する。PD1に蓄積される信号電荷が飽和電荷数Qmax(蓄積可能な最大電荷数)に近づくに従い、非線形応答を示すようになる。従って、固体撮像装置の実効的な動作領域は、図5に示すように、飽和電荷数Qmaxの1/2程度となる。また、入射光量がさらに強くなると、出力信号Vsigは入射光量に対し非線形に応答することが知られている(「ニー特性」と呼ばれる折れ線特性)。
【0021】
この非線形領域では、固体撮像装置の出力信号Vsigは入射光量の対数成分に比例する。このような非線形特性を示す領域も実効的に使用することができれば、光量範囲の6桁以上の広いダイナミックレンジを実現することができる。しかし、この飽和領域では、PD1の容量Cpdおよび空乏化電圧Vdepのばらつきに起因する飽和電荷ばらつきがあるため、図4に示すように飽和特性を示す光量付近から固定パターンノイズが増大する。従って、非線形領域も実効的に使用するためには、飽和電荷ばらつきによるノイズ成分を除去することが必要となる。
【0022】
このような飽和領域のばらつきによるノイズ成分を除去するための回路動作について以下に説明する。再び図2、図3及び図4を参照して、前述の期間P5で信号出力Vs1を読み出した後、PD飽和リセット期間P6において、図4(7)に示すように、リセット電源9の電圧Vrstを、PD1の電源(8)の電圧(例えば、GND)、好ましくは、転送トランジスタ2のオフ電圧に相当するリセット電位Vrst2(GND<Vrst2<Vrst1)に設定する。リセット電源9をリセット電位Vrst2に設定した後、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3を同時にオンとすることで、PD1を上記リセット電位Vrst2と同電位の飽和電圧にリセットすることができる。
【0023】
次に、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3の両方をオフし、リセット電源9の電位を、前述のFDリセット期間P2においてリセットしたFD7のリセット電位Vrst1に戻す。そして後段のFDリセット期間P7において、図3B(8)に示すように、リセットトランジスタ3をオンし、FD7をリセット電源9と同電位のリセット電位Vrst1にリセットする。
【0024】
その後、この時のFD7の電位は、先のノイズ読み出し期間P3において読み出した黒レベル信号のノイズ出力(Vb1)と同様にして読み出される。即ち、FD7のリセット電位Vrst1は、後段の信号(ノイズ)読み出し期間P8において、図4(9)に示すように、リセットトランジスタ3をオフし、信号増幅トランジスタ4により増幅され、選択トランジスタ5をオンとすることで、垂直出力線6から出力される。この時の垂直出力線6から出力される信号(電圧)Vb2が、飽和レベル出力の基準となるノイズ出力である。
【0025】
次に、飽和電荷転送期間P9においては、図4(10)に示すように、転送トランジスタ2をオンすることで、PD1に蓄積された飽和電荷がFD7に転送される。この時のFD7の電位も、ノイズ読み出し期間P8において読み出したノイズ出力(Vb1)と同様にして読み出される。
【0026】
即ち、PD1からFD7に転送された飽和電荷の電位は、飽和読み出し期間P10において、図4(11)に示すように、信号増幅トランジスタ4により増幅され、選択トランジスタ5をオンとすることで、垂直出力線6から出力される。この時の垂直出力線6から出力される信号(電圧)Vs2が、PD1の飽和電荷量に依存する画像信号となる。この画像信号成分(Vs2)と前述のノイズレベル出力(Vb2)との差分(Vs2−Vb2)をとることにより、リセットノイズ成分や固定パターンノイズを抑制した飽和出力信号Vsatが同一画素から連続して得られる。
【0027】
以上説明したように、図1に示す回路構成の固体撮像装置を図2に示す動作タイミングで駆動することにより、垂直出力線6から4種類の出力信号Vout、即ち、(1)第1のノイズ出力Vb1(線形及び非線形領域)、(2)PD蓄積画像出力Vs1(線形及び非線形領域)、(3)第2のノイズ出力Vb2(飽和領域)、(4)PD飽和出力Vs2(飽和領域)、を得ることができる。このように本実施の形態1による固体撮像装置では、各画素のPD1の飽和出力信号Vsat(=Vs2−Vb2)を各画素毎に出力することが可能となり、信号読み出し期間P5で得られた出力信号Vsigと、飽和読み出し期間P10で得られた各画素のPD1の飽和出力Vsatの2種類の信号を得ることができる。
【0028】
これにより、図5に示すような、飽和領域においても画素間のばらつきに起因する固定パターンノイズを削減することができ、従って、非線形領域も実効的に使用することが可能となり、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【0029】
次に、上記2つの出力信号VsigとVsatを使用して、図5に示すような飽和領域のばらつきを補正する方法について、さらに詳細に説明する。先に説明したように、2種類の出力信号VsigとVsatは同一画素から連続して得られる。従って、従来のように固体撮像装置以外にメモリ等の外部記憶装置を設ける必要がなく、撮像素子内部に例えば信号容量等のアナログラッチ部19を備えることにより、信号出力Vsigと飽和出力Vsatの比較を容易に行うことができる。
【0030】
Vsig<Vsatとなる線形領域の場合では、信号出力Vsigをそのまま信号出力VSIGとする。一方、Vsig>Vsatの飽和領域の場合では、信号出力Vsigは飽和ばらつきを含むため、両信号の差分(Vsig−Vsat)を求めることにより飽和ばらつきを補正し、さらにDC成分を補正するためにVsatの平均値(/Vsatと記載する)を求め、これを先に求めた差分(Vsig−Vsat)に加算する。よって、信号出力VSIGは、VSIG=Vsig−Vsat+ /Vsatにより得られる。
【0031】
この時の入射光量に対する信号出力VSIGの関係及び入射光量に対する固定パターンノイズの関係を図6に示す。図6からわかるように、入射光に対する出力応答は図4に示す従来と同じ応答特性を維持できるとともに、固定パターンノイズ(FPN)を従来よりも遥かに低減することができる。よって、固体撮像装置のPD1の飽和領域まで動作領域として使用することが可能となり、ダイナミックレンジを大幅に拡大できる。
【0032】
なお、好ましい実施例では、PD1に電荷を蓄積する期間において、転送トランジスタ2のオフ電圧がPD1の電源8電位より僅かに低く設定してもよい。または、転送トランジスタ2のオフ電圧を、PD1の電源(8)電位を撮像対象に応じて調整することにより設定してもよい。これにより、PD1から転送された電荷を蓄積するFD7に、PD1においてオーバーフローした電荷を流し出し、固体撮像装置の感度特性が飽和領域において対数特性を示すことができる。
【0033】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2について、図7乃至図10を参照して、以下に説明する。本実施の形態2では、実施の形態1で説明した図5に示す入射光量に対する出力信号の応答特性について、その動作原理を説明するものである。実施の形態1で説明したように、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3を同時にオンすることで、PD1の残留電荷をFD7に引き抜くことによりPD1をリセットすることができる。
【0034】
次に、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ3をオフにした状態からPD1は電荷蓄積を開始する。そのときの暗時、低照度のポテンシャルプロファイルを図6(1)に示す。このとき、PD1の初期電位Vdep(空乏化電位)は、固体撮像装置の製造工程におけるPD注入工程の注入ドーズ量や注入エネルギーによって決定される。PD1に入射する光は、PD1の空乏層において光電変換される。PD1に蓄積することができる最大電荷量Qmaxは、転送トランジスタ2のゲート化に形成される障壁電圧VbrやPD1の電源8の電位によって決定される。本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ2の制御パルス電圧φtxを変更することができるため、トランジスタ2のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Vbrを調整することができる。
【0035】
固体撮像装置への入射光量がPD1を飽和させない程度の低照度から中間照度に移行した場合、発生する光電流(光電荷)は入射光量に比例する線形領域であるため、PD1の初期電位Vdep(空乏化電位)からの変化量Vpdは、下記の式(1)で決定される(IEEE Trans. Electron. Devices, vol. 42, pp. 652-655 参照)。
Vpd = −Iph × Te / Cpd (1)
ただし、Iphは光電流、Te は電荷蓄積時間、CpdはPD1の容量である。
【0036】
このときのポテンシャルプロファイルを図7(2)に示す。PD1の蓄積電荷量が増加するにともない、PD電位の変化量Vpd相当分だけ障壁電圧Vbrが減少する。このとき転送トランジスタ2の電位障壁を超えてFD7に流れ込むリーク電流Iexは、下記の式(2)で表される。
Iex = Io × exp(−β・Vpd) (2)
ただし、Ioは定数、βはq/kTである。
【0037】
この式(2)からわかるように、変化量Vpdが増加してPD1がほぼ飽和する高照度・飽和領域の状態では、障壁電圧Vbrが減少して0に近づき(〜0)、リーク電流Iexが急激に増加する。このときのポテンシャルプロファイルを図6(3)に示し、光電流Iphとリーク電流Iexがほぼ等しくIph≒Iexの関係を満たし、PD1の電位変化量Vpdは下記の式(3)で表される。
Vpd = −logIex / β + logIo / β (3)
式(1)、(3)からわかるように、PD1の蓄積電荷数Qpdと飽和電荷数Qmaxの関係が、Qpd<Qmaxのときは固定撮像素子の応答特性は線形となり、Qpd≒Qmaxのときは固定撮像素子の応答は対数特性を示す。これらの応答特性を図8に示す。
【0038】
図9に示すように、PD1の飽和付近で応答特性が折れ曲がる「ニー特性」が現れる。本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ2のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Vbrを調整できるため、線形特性から対数特性に切り替わる折れ点位置を調整することができる。図8に示す例では、転送トランジスタ2のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Vbrを0.8Vと1.0Vと1.2Vの3通りに変化させた場合を示している。
【0039】
なお、図8に示すポテンシャルプロファイルは、転送トランジスタ2の障壁電圧Vbrを図7に示す場合よりも小さく設定した例を示す。この場合は、図8(2)に示すように、中間照度の信号電荷蓄積期間において、変化量Vpdが僅かに増加するだけでPD1がほぼ飽和する飽和領域の状態となり、障壁電圧Vbrが減少して0に近づき(〜0)、リーク電流Iexが急激に増加する。その他の動作は図7の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【0040】
図10は、図9の対数特性を分かり易く表すために、縦軸をリニアスケールとして対数領域の特性を表示したものである。図10から明らかなように、障壁電圧Vbrを変更することにより、固体撮像装置の感度特性を変更することができ、撮像対象の画像のコントラストを調整できる。例えば、障壁電圧Vbrを下げることにより、対数領域を大きくとることにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、線形領域を大きくとることにより、低照度領域のコントラストを向上させることもできる。
【0041】
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置について図11を参照して以下に説明する。図11は、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の基本構成を示す回路図である。その基本構成、動作原理は実施の形態1と同様であり、相違点は、図1に示す実施の形態1では、リセットトランジスタ3を介してリセット電源9でPD1を飽和電圧に充電していたが、本実施の形体では、図11に示すように、飽和電圧に充電するための飽和リセットトランジスタ16を、PD1のカソードとリセット電源線13間に接続し、飽和リセット制御線17から飽和リセット制御信号を飽和リセットトランジスタ16のゲートに入力する構成としてもよい。
【0042】
上記構成により、転送トランジスタ2を介さずにPD1を飽和電圧までリセットすることができ、転送トランジスタ2のゲート電圧を一定にした状態で飽和電圧を出力でき、実施の形態1の場合よりも精度よく飽和信号を出力することができる。
【0043】
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置について図12を参照して以下に説明する。図12は、本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置の基本構成を示す回路図である。その基本構成、動作原理は実施の形態1、3と同様であり、相違点は、図1、図11に示す実施の形態1、3では、リセット電源9からのリセット電源線13はFD7とPD1に共用され、リセット電圧Vrst1がFD7に、飽和電圧Vrst2がPD1に供給されていたが、本実施の形体4では、図12に示すように、飽和リセット電源線18をPD1の飽和電圧供給専用に設けた構成としている。
【0044】
上記構成により、FD7とPD1のリセット電源を互いに独立して供給できるため、電源線13,18の電位を変更する必要がなく、実施の形態1、3の場合よりも精度よく飽和信号を出力することができる。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、画素からの出力信号と飽和信号を続けて出力することができ、飽和ばらつきを抑制した画像信号を得るとともに、飽和特性の非線形特性を利用することによりダイナミックレンジの広い画像信号を得ることができる固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の1画素分に対応する回路図。
【図2】 図1の回路構成の動作を示すタイミングチャート。
【図3】 図1の回路構成の動作時のポテンシャルプロファイルの前半部を示す図。
【図4】 図1の回路構成の動作時のポテンシャルプロファイルの後半部を示す図。
【図5】 図1の回路構成の飽和領域ばらつきを補正する動作を説明するための入射光量に対する信号出力の関係を示すグラフ図。
【図6】 図1の回路構成の飽和領域ばらつきを補正する動作を説明するための入射光量に対する信号出力及び固定パターンノイズの関係を示すグラフ図。
【図7】 本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の動作時のポテンシャルプロファイルの例を示す図。
【図8】 本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の動作時のポテンシャルプロファイルの他の例を示す図。
【図9】 本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の入射光量に対する応答特性を示すグラフ図。
【図10】 図8の対数特性において縦軸をリニアスケールとして対数領域の特性を表したグラフ図。
【図11】 本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の1画素分に対応する回路図。
【図12】 本発明の実施の形態4に係る固体撮像装置の1画素分に対応する回路図。
【符号の説明】
1 フォトダイオードPD、 2 転送トランジスタ、 3 リセットトランジスタ、 4 信号増幅トランジスタ、 4a,4b 金属反射板、 5 選択トランジスタ、 6 垂直信号線、 7 浮遊拡散領域FD、 8 PD1の電源、 9 リセット電源、 10 ソースフォロア(SF)電源、 11 制御線、 11a 基板面、 11b 段差平坦部、 12 制御パルス発生部、 13 リセット電源線、 14 リセット制御線、 15 読み出し制御線、 16 飽和リセットトランジスタ、 17 飽和リセット制御線、 18 飽和リセット電源線、 19 アナログラッチ部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly to a solid-state image pickup device in which a dynamic range is expanded using a nonlinear region of a solid-state image pickup element in a solid-state image pickup device used for an image input device such as a digital camera, a video camera, and an image scanner. It is.
[0002]
[Prior art]
In driving a conventional solid-state imaging device, first, an on-pulse is input to the gate of a reset switch (MOS transistor) to reset the floating diffusion region FD to a reference voltage. Next, an ON pulse is input to the gate of the transfer switch (MOS transistor) to reset the photoelectric conversion unit PD such as a photodiode. At this time, since the reset switch remains on, the charge of the photoelectric conversion unit PD is transferred to the floating diffusing unit (hereinafter referred to as “floating diffusion region” or “FD”). Then, the transfer switch is turned off to separate the photoelectric conversion unit PD and the floating diffusion region FD. Since all the charges remaining in the photoelectric conversion unit PD are transferred to the floating diffusion region FD, the n layer of the photoelectric conversion unit PD is completely depleted. As the transfer switch is turned off, accumulation of photoelectric charges in the photoelectric conversion unit PD starts.
[0003]
Subsequently, after the reset switch is turned off and charge is accumulated for a certain time, the transfer switch is turned on again to transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion unit PD to the floating diffusion region FD. Then, after turning off the transfer switch, a selection pulse is input to the gate of the selection switch, and the signal amplified by the amplifying unit transistor is read out. The charge remaining in the photoelectric conversion unit PD is removed by performing the reset operation described above again. As a result, since the noise signal and the image signal can be output continuously, an image signal with reduced dark noise can be obtained by performing arithmetic processing in the subsequent noise cancellation circuit, and the saturation signal amplitude and dark signal can be obtained. The dynamic range defined by the time-to-noise ratio is expanded.
[0004]
However, in such a conventional solid-state imaging device, the saturation signal amplitude is limited by saturation variation, and only about 1/2 to 1/3 of the actual saturation signal is used as the saturation signal amplitude. For this reason, saturation variation has limited the dynamic range.
[0005]
In view of this, conventionally, there has been proposed a solid-state imaging device that expands a saturation signal amplitude and corrects a dynamic range by correcting saturation variation. In this conventional configuration, in order to suppress the saturation variation, a charge is reversely injected from the semiconductor substrate to obtain a saturation signal, and the saturation variation is corrected by calculating the saturation signal and the image signal thus obtained. By enlarging, an image signal with a wide dynamic range was acquired. Furthermore, the dynamic range with respect to the amount of incident light is further expanded using the nonlinear characteristics after saturation of the image signal (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-201300 A (FIGS. 1 to 8)
[Patent Document 2]
JP 2001-094880 A (FIGS. 1-8)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the solid-state imaging device having the above-described conventional configuration, in order to suppress the saturation variation, the charge is reversely injected from the semiconductor substrate to obtain the saturation signal, and the saturation variation is calculated by the calculation of the obtained saturation signal and the image signal. Since correction is performed, in the case of such a configuration example, the obtained saturation signal cannot be output in the same frame as the image signal data. Therefore, it is necessary to store the saturation signal data once in an external frame memory and perform arithmetic processing after obtaining the image signal data. Furthermore, since the nonlinear characteristics that the solid-state imaging device exhibits after saturation are determined by the semiconductor process conditions, there are variations from device to device, and there is another problem that the image cannot be adjusted according to the imaging conditions.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to obtain an image signal that can continuously output an output signal from a pixel and a saturation signal and suppress saturation variation. It is another object of the present invention to provide a solid-state imaging device that can obtain an image signal with a wide dynamic range by using a nonlinear characteristic of a saturation characteristic.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that captures an image signal and reads the image signal to the outside and converts the optical signal into a signal charge, and an on / off switch for signal charge transfer. Transfer switch means, and charge holding means for holding the signal charge transferred from the photoelectric conversion means. The solid-state imaging device further transfers reset power supply means for resetting the photoelectric conversion means and charge holding means, reset switch means for switching on / off the connection between the charge holding means and reset power supply means, and transfer to the charge holding means A signal amplifying switch means for amplifying the signal charge, and a selection switch means for reading out the signal charge amplified through the signal amplifying switch means to the outside as an image signal, A noise signal read after resetting the charge holding means, an image signal read after transferring signal charges from the photoelectric conversion means, and a second read after resetting the charge holding means after charging the photoelectric conversion means 4 types of output signals are read out, such as a noise signal and a saturation signal read out after the charge charged in the photoelectric conversion means is transferred to the charge holding means It is characterized by that.
[0010]
With the above configuration, the reset power supply 9 can be controlled from the outside, so that fixed pattern noise caused by variations in the photoelectric conversion unit PD of the solid-state imaging device can be reduced and the dynamic range can be expanded.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0012]
(Embodiment 1)
A solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit diagram corresponding to one pixel of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a timing chart showing the drive timing, and FIGS. 3 and 4 incorporate the circuit of FIG. It is a figure which shows the potential profile at the time of operation | movement by the general | schematic cross-section structure of the manufactured semiconductor device.
[0013]
In the basic configuration shown in FIG. 1, reference numeral 1 denotes a photodiode section (hereinafter simply referred to as “PD”) that converts an optical signal into signal charges, and 2 denotes an on / off switch for transferring signal charges photoelectrically converted by PD1. The transfer transistor 7 is a floating diffusion portion (hereinafter simply referred to as “FD”) including a capacitor means for holding the signal charge transferred from the PD 1. The cathode of the PD 1 is connected to the FD 7 via the transfer transistor 2. It is connected to the. 3 is a reset transistor that switches on / off the connection between the FD 7 and the reset power source 9, 4 is a signal amplification transistor (source follower SF) for converting the signal charge transferred to the FD 7 into a voltage and reading the potential of the FD 7, 5 is a selection transistor for reading out an image signal to the outside, 6 is a vertical signal line for outputting the image signal read out through the signal amplification transistor 4 to the outside, 8 is a power source of PD1, 9 is a reset voltage Vrst A reset power source that determines the reset potential of PD1 and FD7, 10 is a source follower (SF) power source that determines the output characteristics of the signal amplification transistor 4, 11 is a control line for the transfer transistor 2, and 12 is a gate control pulse φtx for the transfer transistor 2. The control pulse generator to be generated, 13 is a reset power line connected to the reset power supply 9, and 14 is a reset. A reset control line for transmitting a reset control pulse φrst for controlling the gate transistor 3, 15 a read control line for transmitting a gate control pulse φsel of the selection transistor 5, and 19 an analog latch unit 19 for signal capacity and the like .
[0014]
In the solid-state imaging device of the present invention, the control pulse voltage φtx of the transfer transistor 2 can be changed, and the barrier voltage is adjusted by adjusting the off-voltage of the transfer transistor 2.
[0015]
The driving operation of the solid-state imaging device having the above configuration will be described below with reference to FIGS. First, in the PD reset period P1, the transfer transistor 2 and the reset transistor 3 are simultaneously turned on (φtx = high level ΔVg, φrst = high level) to reset PD1. In the potential profile at this time, as shown in FIG. 3A, since all the residual charges of PD1 are transferred to FD7, PD1 is completely depleted of charge. The PD potential at this time is called a depletion potential and is expressed by a voltage potential Vdep.
[0016]
Next, when the charge accumulation period Te is entered, as indicated by the hatched portion in FIG. 3B, the transfer transistor 2 and the reset transistor 3 are turned off, and signal charges corresponding to the amount of incident light are accumulated in PD1. In the FD reset period P2 in the charge accumulation period Te, as shown by the hatched portion in FIG. 3 (3), the reset transistor 3 is turned on, and the FD7 is supplied from the reset power supply 9 with the high level reset power supply potential Vrst1. Same potential.
[0017]
Thereafter, in the noise readout period P3, as shown in FIG. 3 (4), the reset transistor 3 is turned off, the potential of the FD 7 is amplified by the signal amplification transistor 4, and the selection transistor 5 is turned on. A readout signal is output from the vertical output line 6. A signal output from the vertical output line 6 at this time is a noise output (Vb1) that becomes a reference level. This noise output (Vb1) is a signal including a reset noise component generated when the FD 7 is reset and a fixed pattern noise caused by semiconductor manufacturing variations.
[0018]
Next, in the signal charge transfer period P4 after a lapse of a certain charge accumulation time Te from the period P1, as shown in FIG. 3 (5), by turning on the transfer transistor 2, the signal charge accumulated in PD1 is changed. Transferred to FD7. The potential of the FD 7 at this time is also read in the same manner as the noise output (Vb1) of the black level signal read in the previous noise reading period P3 (period P5).
[0019]
That is, the signal charge potential transferred from PD1 to FD7 is amplified by the signal amplification transistor 4 and turned on in the signal readout period P5, as shown in FIG. Output from the output line 6. The signal (voltage) output from the vertical output line 6 at this time becomes a signal component Vs1 depending on the amount of incident light. The difference (Vs1−Vb1) between the signal component (Vs1) and the noise output (Vb1) of the black level signal described above is obtained by a known difference calculation means (not shown), thereby suppressing reset noise components and fixed pattern noise. The output signal Vsig thus obtained is continuously obtained from the same pixel. The output signal Vsig thus obtained changes in proportion to the amount of light incident on the solid-state imaging device, and the relationship of the output signal Vsig with respect to the amount of incident light is shown in FIG.
[0020]
As shown in FIG. 5, in a region where the amount of light incident on the image sensor is low, that is, in a linear region where the PD 1 has not reached the accumulated charge saturation state, the output signal Vsig obtained from the image sensor changes linearly with respect to the amount of incident light. To do. As the signal charge accumulated in PD1 approaches the saturation charge number Qmax (maximum chargeable number of charges), a nonlinear response is exhibited. Therefore, the effective operation region of the solid-state imaging device is about ½ of the number of saturated charges Qmax as shown in FIG. Further, it is known that when the amount of incident light is further increased, the output signal Vsig responds nonlinearly to the amount of incident light (a broken line characteristic called “knee characteristic”).
[0021]
In this nonlinear region, the output signal Vsig of the solid-state imaging device is proportional to the logarithmic component of the incident light quantity. If such a region exhibiting nonlinear characteristics can also be used effectively, a wide dynamic range of at least 6 digits in the light amount range can be realized. However, in this saturation region, there is a variation in saturation charge due to variations in the capacitance Cpd of PD1 and the depletion voltage Vdep, so that fixed pattern noise increases from the vicinity of the amount of light showing saturation characteristics as shown in FIG. Therefore, in order to effectively use the non-linear region, it is necessary to remove noise components due to saturation charge variations.
[0022]
A circuit operation for removing a noise component due to such variation in the saturation region will be described below. Referring to FIGS. 2, 3 and 4 again, after reading the signal output Vs1 in the above-described period P5, in the PD saturation reset period P6, as shown in FIG. Is set to a voltage (for example, GND) of the power source (8) of PD1, preferably a reset potential Vrst2 (GND <Vrst2 <Vrst1) corresponding to the off voltage of the transfer transistor 2. After setting the reset power supply 9 to the reset potential Vrst2, the transfer transistor 2 and the reset transistor 3 are simultaneously turned on, whereby the PD1 can be reset to the saturation voltage having the same potential as the reset potential Vrst2.
[0023]
Next, both the transfer transistor 2 and the reset transistor 3 are turned off, and the potential of the reset power supply 9 is returned to the reset potential Vrst1 of the FD 7 reset in the FD reset period P2. Then, in the subsequent FD reset period P7, as shown in FIG. 3B (8), the reset transistor 3 is turned on, and the FD 7 is reset to the reset potential Vrst1 having the same potential as the reset power source 9.
[0024]
Thereafter, the potential of the FD 7 at this time is read in the same manner as the noise output (Vb1) of the black level signal read in the previous noise reading period P3. That is, the reset potential Vrst1 of the FD 7 is turned off by the reset transistor 3 and amplified by the signal amplification transistor 4 and turned on by the signal amplification transistor 4 as shown in FIG. 4 (9) in the subsequent signal (noise) readout period P8. As a result, the signal is output from the vertical output line 6. The signal (voltage) Vb2 output from the vertical output line 6 at this time is a noise output serving as a reference for the saturation level output.
[0025]
Next, in the saturated charge transfer period P9, as shown in FIG. 4 (10), the transfer transistor 2 is turned on to transfer the saturated charge accumulated in the PD1 to the FD7. The potential of the FD 7 at this time is also read in the same manner as the noise output (Vb1) read in the noise reading period P8.
[0026]
That is, the potential of the saturation charge transferred from PD1 to FD7 is amplified by the signal amplification transistor 4 and turned on by selecting the selection transistor 5 in the saturation readout period P10 as shown in FIG. Output from the output line 6. The signal (voltage) Vs2 output from the vertical output line 6 at this time is an image signal that depends on the saturation charge amount of the PD1. By taking the difference (Vs2−Vb2) between the image signal component (Vs2) and the noise level output (Vb2) described above, the saturated output signal Vsat in which the reset noise component and the fixed pattern noise are suppressed is continuously generated from the same pixel. can get.
[0027]
As described above, by driving the solid-state imaging device having the circuit configuration shown in FIG. 1 at the operation timing shown in FIG. 2, four types of output signals Vout from the vertical output line 6, that is, (1) first noise. Output Vb1 (linear and nonlinear region), (2) PD accumulated image output Vs1 (linear and nonlinear region), (3) second noise output Vb2 (saturated region), (4) PD saturated output Vs2 (saturated region), Can be obtained. As described above, in the solid-state imaging device according to the first embodiment, the saturation output signal Vsat (= Vs2−Vb2) of the PD1 of each pixel can be output for each pixel, and the output obtained in the signal readout period P5. Two types of signals can be obtained: the signal Vsig and the saturation output Vsat of PD1 of each pixel obtained in the saturation readout period P10.
[0028]
As a result, fixed pattern noise caused by pixel-to-pixel variations can be reduced even in the saturation region, as shown in FIG. 5, and therefore, the nonlinear region can be effectively used. The dynamic range can be expanded.
[0029]
Next, a method for correcting the variation in the saturation region as shown in FIG. 5 using the two output signals Vsig and Vsat will be described in more detail. As described above, two types of output signals Vsig and Vsat are obtained continuously from the same pixel. Accordingly, it is not necessary to provide an external storage device such as a memory other than the solid-state imaging device as in the prior art, and by providing an analog latch unit 19 such as a signal capacity inside the imaging element, the signal output Vsig and the saturation output Vsat are compared. Can be easily performed.
[0030]
In the case of a linear region where Vsig <Vsat, the signal output Vsig is directly used as the signal output VSIG. On the other hand, in the case of the saturation region where Vsig> Vsat, the signal output Vsig includes saturation variation. Therefore, the saturation variation is corrected by obtaining the difference (Vsig−Vsat) between both signals, and further, Vsat is used to correct the DC component. The average value (described as / Vsat) is obtained and added to the previously obtained difference (Vsig−Vsat). Therefore, the signal output VSIG is obtained by VSIG = Vsig−Vsat + / Vsat.
[0031]
FIG. 6 shows the relationship of the signal output VSIG with respect to the incident light amount and the relationship of the fixed pattern noise with respect to the incident light amount at this time. As can be seen from FIG. 6, the output response to the incident light can maintain the same response characteristics as the conventional one shown in FIG. 4, and the fixed pattern noise (FPN) can be further reduced compared to the conventional one. Therefore, it can be used as an operation region up to the saturation region of PD1 of the solid-state imaging device, and the dynamic range can be greatly expanded.
[0032]
In the preferred embodiment, the off-voltage of the transfer transistor 2 may be set slightly lower than the power supply 8 potential of the PD1 during the period in which the charge is accumulated in the PD1. Alternatively, the off voltage of the transfer transistor 2 may be set by adjusting the power supply (8) potential of the PD 1 according to the imaging target. As a result, the charge overflowed in PD1 is caused to flow out to FD 7 that accumulates the charge transferred from PD1, and the sensitivity characteristic of the solid-state imaging device can exhibit logarithmic characteristics in the saturation region.
[0033]
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the second embodiment, the operation principle of the response characteristic of the output signal with respect to the incident light amount shown in FIG. 5 described in the first embodiment will be described. As described in the first embodiment, by simultaneously turning on the transfer transistor 2 and the reset transistor 3, the PD1 can be reset by extracting the residual charge of the PD1 to the FD7.
[0034]
Next, PD1 starts charge accumulation from the state in which the transfer transistor 2 and the reset transistor 3 are turned off. FIG. 6A shows a potential profile of low illuminance in the dark at that time. At this time, the initial potential Vdep (depletion potential) of the PD 1 is determined by the implantation dose amount and implantation energy in the PD implantation step in the manufacturing process of the solid-state imaging device. Light incident on PD1 is photoelectrically converted in the depletion layer of PD1. The maximum amount of charge Qmax that can be stored in PD1 is determined by the barrier voltage Vbr formed when the transfer transistor 2 is gated and the potential of the power supply 8 of PD1. In the solid-state imaging device of the present invention, since the control pulse voltage φtx of the transfer transistor 2 can be changed, the barrier voltage Vbr can be adjusted by adjusting the off voltage of the transistor 2.
[0035]
When the amount of incident light on the solid-state imaging device shifts from low illuminance that does not saturate PD1 to intermediate illuminance, the generated photocurrent (photocharge) is a linear region proportional to the amount of incident light, and therefore the initial potential Vdep ( The change amount Vpd from the depletion potential is determined by the following equation (1) (see IEEE Trans. Electron. Devices, vol. 42, pp. 652-655).
Vpd = −Iph × Te / Cpd (1)
Where Iph is the photocurrent, Te is the charge accumulation time, and Cpd is the capacitance of PD1.
[0036]
The potential profile at this time is shown in FIG. As the accumulated charge amount of PD1 increases, the barrier voltage Vbr decreases by an amount corresponding to the PD potential change amount Vpd. At this time, the leak current Iex flowing into the FD 7 beyond the potential barrier of the transfer transistor 2 is expressed by the following equation (2).
Iex = Io × exp (−β · Vpd) (2)
However, Io is a constant and β is q / kT.
[0037]
As can be seen from this equation (2), in the high illuminance / saturation region where PD1 is almost saturated as the change amount Vpd increases, the barrier voltage Vbr decreases and approaches 0 (˜0), and the leakage current Iex is Increases rapidly. The potential profile at this time is shown in FIG. 6 (3). The photocurrent Iph and the leak current Iex are almost equal and satisfy the relationship Iph≈Iex, and the potential change amount Vpd of PD1 is expressed by the following formula (3).
Vpd = −logIex / β + logIo / β (3)
As can be seen from the equations (1) and (3), when the relationship between the accumulated charge number Qpd of PD1 and the saturated charge number Qmax is Qpd <Qmax, the response characteristic of the fixed imaging element is linear, and when Qpd≈Qmax, The response of the fixed image sensor shows logarithmic characteristics. These response characteristics are shown in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 9, a “knee characteristic” appears in which the response characteristic is bent near the saturation of PD1. In the solid-state imaging device of the present invention, the barrier voltage Vbr can be adjusted by adjusting the off-voltage of the transfer transistor 2, so that the position of the break point where the linear characteristic is switched to the logarithmic characteristic can be adjusted. In the example shown in FIG. 8, the barrier voltage Vbr is changed in three ways of 0.8 V, 1.0 V, and 1.2 V by adjusting the off voltage of the transfer transistor 2.
[0039]
The potential profile shown in FIG. 8 shows an example in which the barrier voltage Vbr of the transfer transistor 2 is set smaller than that shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 8 (2), in the signal charge accumulation period of intermediate illuminance, the PD1 is almost saturated only by a slight increase in the amount of change Vpd, and the barrier voltage Vbr decreases. As a result, the leakage current Iex increases rapidly. Since other operations are the same as those in FIG. 7, detailed description thereof is omitted.
[0040]
FIG. 10 shows the characteristics of the logarithmic region with the vertical axis as a linear scale for easy understanding of the logarithmic characteristics of FIG. As apparent from FIG. 10, by changing the barrier voltage Vbr, the sensitivity characteristic of the solid-state imaging device can be changed, and the contrast of the image to be imaged can be adjusted. For example, the dynamic range can be expanded by increasing the logarithmic region by lowering the barrier voltage Vbr. In addition, the contrast in the low illuminance region can be improved by increasing the linear region.
[0041]
(Embodiment 3)
A solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 11 is a circuit diagram showing a basic configuration of a solid-state imaging apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. The basic configuration and operation principle are the same as those of the first embodiment, and the difference is that in the first embodiment shown in FIG. 1, the PD 1 is charged to the saturation voltage by the reset power source 9 via the reset transistor 3. In this embodiment, as shown in FIG. 11, a saturation reset transistor 16 for charging to a saturation voltage is connected between the cathode of PD1 and the reset power supply line 13, and a saturation reset control signal is transmitted from the saturation reset control line 17. May be input to the gate of the saturation reset transistor 16.
[0042]
With the above configuration, PD1 can be reset to the saturation voltage without passing through the transfer transistor 2, and the saturation voltage can be output with the gate voltage of the transfer transistor 2 kept constant, which is more accurate than in the first embodiment. A saturation signal can be output.
[0043]
(Embodiment 4)
A solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 12 is a circuit diagram showing a basic configuration of a solid-state imaging apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. The basic configuration and operation principle are the same as those of the first and third embodiments, and the difference is that in the first and third embodiments shown in FIGS. 1 and 11, the reset power supply line 13 from the reset power supply 9 is FD7 and PD1. The reset voltage Vrst1 is supplied to the FD7 and the saturation voltage Vrst2 is supplied to the PD1. However, in the present embodiment 4, as shown in FIG. 12, the saturation reset power supply line 18 is dedicated to supply the saturation voltage of the PD1. The configuration is provided.
[0044]
With the above configuration, the reset power of FD7 and PD1 can be supplied independently of each other, so that it is not necessary to change the potential of power supply lines 13 and 18, and a saturation signal is output with higher accuracy than in the first and third embodiments. be able to.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an output signal from a pixel and a saturation signal can be continuously output, and an image signal in which saturation variation is suppressed is obtained, and dynamic characteristics are obtained by using a nonlinear characteristic of the saturation characteristic. A solid-state imaging device capable of obtaining an image signal with a wide range can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram corresponding to one pixel of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the circuit configuration of FIG.
3 is a diagram showing a first half of a potential profile during operation of the circuit configuration of FIG. 1. FIG.
4 is a diagram showing a second half of a potential profile during operation of the circuit configuration of FIG. 1;
5 is a graph showing the relationship between signal output and incident light amount for explaining an operation for correcting saturation region variation in the circuit configuration of FIG. 1; FIG.
6 is a graph showing the relationship between the signal output and the fixed pattern noise with respect to the amount of incident light for explaining the operation for correcting the saturation region variation of the circuit configuration of FIG. 1;
FIG. 7 is a diagram showing an example of a potential profile during operation of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing another example of a potential profile during operation of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing response characteristics with respect to the amount of incident light of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
10 is a graph showing the characteristics of a logarithmic region with the vertical axis as a linear scale in the logarithmic characteristics of FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram corresponding to one pixel of a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram corresponding to one pixel of a solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photodiode PD, 2 Transfer transistor, 3 Reset transistor, 4 Signal amplification transistor, 4a, 4b Metal reflector, 5 Selection transistor, 6 Vertical signal line, 7 Floating diffusion area FD, 8 Power supply of PD1, 9 Reset power supply, 10 Source follower (SF) power supply, 11 control line, 11a substrate surface, 11b flat step portion, 12 control pulse generator, 13 reset power supply line, 14 reset control line, 15 readout control line, 16 saturation reset transistor, 17 saturation reset control Line, 18 saturation reset power line, 19 analog latch part

Claims (6)

画像信号を撮像入力して外部に読み出す固体撮像装置において、
光信号を信号電荷に変換する光電変換手段と、
前記信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送スイッチ手段と、
前記光電変換手段から転送された信号電荷を保持する電荷保持手段と、
前記光電変換手段と前記電荷保持手段をリセットするリセット電源供給手段と、
前記電荷保持手段と前記リセット電源供給手段との接続をオン・オフスイッチするリセットスイッチ手段と、
前記電荷保持手段に転送された信号電荷を増幅する信号増幅スイッチ手段と、
前記信号増幅スイッチ手段を介して増幅された信号電荷を画像信号として外部に読み出すための選択スイッチ手段とを有し
前記電荷保持手段のリセット後に読み出されるノイズ信号と、
前記光電変換手段から信号電荷を転送後に読み出される画像信号と、
前記光電変換手段に電荷を充填後に前記電荷保持手段をリセットした後に読み出される第2のノイズ信号と、
前記光電変換手段に充填された電荷を前記電荷保持手段に転送した後に読み出される飽和信号の、4種類の出力信号を読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
In a solid-state imaging device that captures an image signal and reads it out,
Photoelectric conversion means for converting an optical signal into a signal charge;
Transfer switch means for switching on and off the transfer of the signal charge;
Charge holding means for holding the signal charge transferred from the photoelectric conversion means;
Reset power supply means for resetting the photoelectric conversion means and the charge holding means;
Reset switch means for switching on and off the connection between the charge holding means and the reset power supply means;
Signal amplification switch means for amplifying the signal charge transferred to the charge holding means;
Selection switch means for reading the signal charge amplified through the signal amplification switch means to the outside as an image signal ,
A noise signal read after resetting the charge holding means;
An image signal read out after transferring signal charges from the photoelectric conversion means;
A second noise signal read out after resetting the charge holding means after charging the photoelectric conversion means;
4. A solid-state image pickup device that reads out four types of output signals of a saturation signal that is read after the charge charged in the photoelectric conversion means is transferred to the charge holding means.
前記リセット電源供給手段を外部から制御可能とすることにより、前記光電変換手段と前記電荷保持手段のリセット電位を変更可能とし、
前記リセット電源供給手段は、前記電荷保持手段のリセット電位とする第1のリセット電圧と、前記光電変換手段に電荷を充填して前記光電変換手段を電荷飽和状態にする第2のリセット電圧の2種類のリセット電位を設定する請求項1記載の固体撮像装置。
By making the reset power supply means controllable from the outside, the reset potential of the photoelectric conversion means and the charge holding means can be changed,
The reset power supply means has a first reset voltage that is a reset potential of the charge holding means, and a second reset voltage that fills the photoelectric conversion means with charge and brings the photoelectric conversion means into a charge saturation state. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the kind of reset potential is set.
前記リセット電源供給手段は、前記画像信号が読み出された後に、前記光電変換手段に電荷を充填して飽和させる前記第2のリセット電圧に設定して電圧供給する請求項記載の固体撮像装置。 3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the reset power supply unit supplies the voltage after setting the second reset voltage to fill and saturate the photoelectric conversion unit after the image signal is read. . 前記光電変換手段に電荷を蓄積する期間において、前記転送スイッチ手段のオフ電圧を任意の電圧に設定可能な制御パルス発生部を有する請求項1記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a control pulse generation unit capable of setting an off voltage of the transfer switch unit to an arbitrary voltage during a period in which charges are accumulated in the photoelectric conversion unit. 前記光電変換手段をリセットする第2のリセットスイッチ手段を有する請求項1記載の固体撮像装置。  The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a second reset switch unit that resets the photoelectric conversion unit. 前記第2のリセットスイッチ手段が、飽和リセット電位を供給する電源に接続された請求項記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the second reset switch means is connected to a power source that supplies a saturation reset potential.
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JP4529027B2 (en) * 2004-09-06 2010-08-25 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Solid-state imaging device
JP2006140666A (en) * 2004-11-11 2006-06-01 Renesas Technology Corp Driving method of imaging device
JP4736792B2 (en) * 2004-12-27 2011-07-27 コニカミノルタホールディングス株式会社 Imaging apparatus and image processing method used therefor
US7978243B2 (en) 2007-02-28 2011-07-12 Canon Kabushiki Kaisha Imaging apparatus, driving method thereof, and imaging system
US7920193B2 (en) * 2007-10-23 2011-04-05 Aptina Imaging Corporation Methods, systems and apparatuses using barrier self-calibration for high dynamic range imagers
JP5196187B2 (en) * 2009-04-15 2013-05-15 セイコーエプソン株式会社 Sensing device and electronic device
JP6268563B2 (en) * 2015-08-28 2018-01-31 パナソニックIpマネジメント株式会社 Imaging device and solid-state imaging device
JP6541513B2 (en) * 2015-08-31 2019-07-10 キヤノン株式会社 Imaging device and imaging system
TWI754696B (en) * 2016-12-14 2022-02-11 日商索尼半導體解決方案公司 Solid-state imaging elements and electronic devices

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