JP2002064751A - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging deviceInfo
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- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
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- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 1個のフォトダイオードと、4個のトランジ
スタと、1個のコンデンサからなる画素構成の固体撮像
装置では、フィールドシャッター機能とkTCノイズキ
ャンセル機能のどちらか一方しか使用できない。
【解決手段】 トランジスタM1によるコンデンサCe
のリセット後に、電荷転送用トランジスタM5をオンと
してフォトダイオードPDで光電変換された電荷をコン
デンサCeに転送して蓄積させる。続いて、トランジス
タM5をオフとすることを全画素同時に行ってから、同
じ行の画素のトランジスタM1及びトランジスタM3を
オンさせて所定電位をCDS回路5へ出力させる。続い
て、トランジスタM6をオンとし、かつ、トランジスタ
M3をオンさせてコンデンサCeに蓄積されたフィール
ドシャッター機能による電荷に対応した信号をCDS回
路5へ出力させる。これにより、CDS回路5ではkT
Cノイズをキャンセルできる。
(57) [Problem] In a solid-state imaging device having a pixel configuration including one photodiode, four transistors, and one capacitor, only one of a field shutter function and a kTC noise cancellation function is used. Can not. SOLUTION: A capacitor Ce by a transistor M1 is provided.
After resetting, the charge transfer transistor M5 is turned on to transfer the charge photoelectrically converted by the photodiode PD to the capacitor Ce for accumulation. Subsequently, turning off the transistor M5 is performed for all pixels at the same time, and then the transistors M1 and M3 of the pixels in the same row are turned on to output a predetermined potential to the CDS circuit 5. Subsequently, the transistor M6 is turned on, and the transistor M3 is turned on to output a signal corresponding to the electric charge by the field shutter function accumulated in the capacitor Ce to the CDS circuit 5. Thereby, the CDS circuit 5 has kT
C noise can be canceled.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に係
り、特に蓄積転送部を画素内に持ったCMOSイメージ
センサに関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a CMOS image sensor having a storage and transfer unit in a pixel.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の固体撮像装置には、大きく分けて
CCD方式とCMOSセンサ方式の2つがある。両者の
違いは、光を電荷に変換するフォトダイオードではな
く、フォトダイオードの電荷の情報を各受光素子の外に
如何に伝えるかというところにある。2. Description of the Related Art Conventional solid-state imaging devices are roughly classified into two types, a CCD system and a CMOS sensor system. The difference between the two is not the photodiode that converts light into electric charge, but how the information on the electric charge of the photodiode is transmitted outside each light receiving element.
【0003】CCD方式は、フォトダイオードに発生し
た電荷を電荷転送素子(CCD:charge coupled devic
e)により直接に外部へ転送する。一方、CMOSセン
サ方式は、フォトダイオードに発生した電荷による電位
の情報を、各フォトダイオードに対応して設けられたア
ンプを通して素子外部に出力する。このCMOSセンサ
方式の画素構造は、通常のCMOS−LSIプロセスと
殆ど同じプロセスで作成できるので、CMOS−LSI
用のラインをそのまま使え、また、エリアセンサと他の
CMOS回路を混在できるというメリットがある。In the CCD system, charges generated in a photodiode are transferred to a charge transfer device (CCD).
e) Transfer directly to the outside. On the other hand, in the CMOS sensor system, information on the potential due to the charge generated in the photodiode is output to the outside of the element through an amplifier provided for each photodiode. Since the pixel structure of the CMOS sensor system can be formed by almost the same process as a normal CMOS-LSI process, the CMOS-LSI
There is an advantage that an area sensor and other CMOS circuits can be mixed.
【0004】一方、CMOSセンサ方式にはCCD方式
に比べて固定パターン雑音が大きいという問題点があ
る。固定パターン雑音は、主にアンプ用トランジスタの
しきい値電圧のバラツキに起因している。On the other hand, the CMOS sensor system has a problem that fixed pattern noise is larger than that of the CCD system. The fixed pattern noise is mainly caused by variation in the threshold voltage of the amplifier transistor.
【0005】図7は従来の固体撮像装置の一例の構成図
を示す。この従来の固体撮像装置は、最も一般的なCM
OSイメージセンサを示しており、画素211〜233等が
二次元マトリクス状に配置されており、これらの画素2
11〜233のうち、垂直シフトレジスタ1で、各行の(水
平方向に配置されている)複数の画素の動作が、各行毎
に(通常は上の行から下の行に向かう)制御され、各画
素211〜233からの信号は、負荷及びノイズキャンセラ
3に入力され、ノイズキャンセル動作された後、水平シ
フトレジスタ4により順次トランジスタT1〜T3がオ
ンして、各列の信号が撮像信号として出力される。通常
処理は、右の列から左の列に処理が進む。なお、行と列
は逆に配置することも可能である。また、二次元マトリ
クス状ではなく1列の一次元ライン状に画素を配置する
ことも可能である。FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional solid-state imaging device. This conventional solid-state imaging device is the most common CM
Shows the OS image sensor are arranged in the pixel 2 11-2 33 like a two-dimensional matrix, the pixel 2
Of 11-2 33, a vertical shift register 1, each row of (are arranged in the horizontal direction) operation of a plurality of pixels, for each row (usually toward the bottom line from the top line) is controlled, signals from the pixels 2 11-2 33 is input to the load and the noise canceller 3, after being noise canceling operation, sequential transistor T1~T3 by the horizontal shift register 4 is turned on, the signal of each column as an imaging signal Is output. In normal processing, processing proceeds from the right column to the left column. Note that the rows and columns can be arranged in reverse. It is also possible to arrange the pixels not in a two-dimensional matrix but in a one-dimensional one-dimensional line.
【0006】この従来の固体撮像装置、すなわち、従来
のCMOSイメージセンサには画素と共にCDS回路と
呼ばれるノイズキャンセラがついている。これは画素の
出力信号から信号が入っていない場合のバックグラウン
ド・ノイズ(主に画素のアンプ用トランジスタのしきい
値電圧のバラツキ)を除去するためにある。This conventional solid-state imaging device, that is, a conventional CMOS image sensor has a noise canceller called a CDS circuit together with pixels. This is to remove background noise (mainly variation in threshold voltage of the amplifier transistor of the pixel) when no signal is input from the output signal of the pixel.
【0007】図8はCMOSイメージセンサと呼ばれる
従来の固体撮像装置の1画素分の一例の等価回路図を示
す。同図中、図7と同一構成部分には同一符号を付して
ある。図8において、一つの画素2aは一つのフォトダ
イオードPDと、フォトダイオードPDのN型層にソー
スが接続されたリセット用トランジスタM1と、フォト
ダイオードPDのN型層にゲートが接続された増幅用ト
ランジスタM2と、転送用トランジスタM3とからな
る。トランジスタM1、M2及びM3は、MOS型電界
効果トランジスタ(FET)で、通常はnチャネルのF
ETである。FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of an example of one pixel of a conventional solid-state imaging device called a CMOS image sensor. 7, the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 8, one pixel 2a includes one photodiode PD, a reset transistor M1 having a source connected to the N-type layer of the photodiode PD, and an amplifying transistor having a gate connected to the N-type layer of the photodiode PD. It comprises a transistor M2 and a transfer transistor M3. The transistors M1, M2 and M3 are MOS type field effect transistors (FETs), which are usually n-channel F-channel transistors.
ET.
【0008】トランジスタM2のソースは、スイッチ機
能を持つトランジスタM3を通して2重相関サンプリン
グ(CDS)回路5と負荷6に接続されており、トラン
ジスタM3はソースフォロワ回路として動作する。CD
S回路5は、2つのコンデンサC1及びC2と、2個の
スイッチS1及びS2とから構成されており、コンデン
サC1の非接地側端子がスイッチS1、コンデンサC2
を直列に介してトランジスタM3のソースに接続され、
コンデンサC2のスイッチS1側端子C2aがスイッチ
S2を介して基準電圧Vrefに接続され、コンデンサ
C1のスイッチS1側端子C1bがスイッチS3を介し
て信号出力線に接続されている。The source of the transistor M2 is connected to a double correlation sampling (CDS) circuit 5 and a load 6 through a transistor M3 having a switching function, and the transistor M3 operates as a source follower circuit. CD
The S circuit 5 includes two capacitors C1 and C2 and two switches S1 and S2. The non-ground terminal of the capacitor C1 is a switch S1, a capacitor C2.
Are connected in series to the source of the transistor M3,
The switch S1 side terminal C2a of the capacitor C2 is connected to the reference voltage Vref via the switch S2, and the switch S1 side terminal C1b of the capacitor C1 is connected to the signal output line via the switch S3.
【0009】CDS回路5と負荷6が図7の負荷及びノ
イズキャンセラ3のうち、画素1列分の回路構成部分で
ある。CDS回路5は、画素からの信号電圧と信号電圧
が乗っていないバックグラウンドノイズのみの状態の2
つをサンプリングして、その差を取ることによりノイズ
を除去するノイズキャンセラの役割をする。また、負荷
6は、通常は定電流回路を用いる。The CDS circuit 5 and the load 6 are circuit components of one column of the pixel in the load and noise canceller 3 of FIG. The CDS circuit 5 has a state in which only the signal voltage from the pixel and the background noise on which no signal voltage is applied are included.
The sampler serves as a noise canceller that removes noise by sampling the two and taking the difference. The load 6 usually uses a constant current circuit.
【0010】次に、この従来装置の動作について説明す
る。いま、図8中の画素2aは最上行、最下行でない、
どこか中間の行のある列の画素であるとする。まず、ト
ランジスタM1がオン、トランジスタM3がオフとさ
れ、フォトダイオードPDのN型層側の端子T1をリセ
ット状態とする。このときの端子T1の電位は、リセッ
ト電圧(Vdd−Vthrst)にする。ここで、Vd
dは電源電圧、VthrstはトランジスタM1のしき
い値電圧である。このリセット状態では、トランジスタ
M3がオフであるので、列信号線にこの画素2aからの
出力はない。Next, the operation of the conventional device will be described. Now, the pixel 2a in FIG. 8 is not the top row and the bottom row,
It is assumed that the pixel is somewhere in the middle row. First, the transistor M1 is turned on, the transistor M3 is turned off, and the terminal T1 on the N-type layer side of the photodiode PD is reset. At this time, the potential of the terminal T1 is set to the reset voltage (Vdd-Vthrst). Where Vd
d is a power supply voltage, and Vthrst is a threshold voltage of the transistor M1. In this reset state, since the transistor M3 is off, there is no output from the pixel 2a on the column signal line.
【0011】次に、トランジスタM1をオフとした状態
で、フォトダイオードPDに被写体からの光を入射して
光電変換を行わせる。これにより、フォトダイオードP
Dには入射光量に応じた電荷が蓄積される。端子T1で
の容量Cpxlは、フォトダイオードPDの容量Cpd
と、トランジスタM2のゲート容量Campと、トラン
ジスタM1の拡散容量Crstと、配線の浮遊容量Cf
からなっている。フォトダイオードPDに総電荷量Qが
発生すると、△V=Q/Cpxlだけの電位変化がこの
端子T1に起きる。一方、CDS回路5は、その間、他
の行の画素の出力信号を処理している。Next, with the transistor M1 turned off, light from a subject is incident on the photodiode PD to perform photoelectric conversion. Thereby, the photodiode P
In D, charges corresponding to the amount of incident light are accumulated. The capacitance Cpxl at the terminal T1 is equal to the capacitance Cpd of the photodiode PD.
, The gate capacitance Camp of the transistor M2, the diffusion capacitance Crst of the transistor M1, and the floating capacitance Cf of the wiring.
Consists of When the total charge Q occurs in the photodiode PD, a potential change of ΔV = Q / Cpxl occurs at the terminal T1. Meanwhile, the CDS circuit 5 is processing the output signals of the pixels in the other rows during that time.
【0012】CDS回路5が注目している画素2aの前
の行の画素(図示せず)の出力信号の処理を終了し、処
理結果を、水平シフトレジスタ4により閉じたスイッチ
S3を通して出力すると、続いて、CDS回路5は注目
している画素2aの処理を開始する。CDS回路5は、
まず、自らのリセット動作を行う。When the CDS circuit 5 finishes processing the output signal of the pixel (not shown) in the row before the pixel 2a of interest and outputs the processing result through the switch S3 closed by the horizontal shift register 4, Subsequently, the CDS circuit 5 starts processing the pixel 2a of interest. The CDS circuit 5
First, it performs its own reset operation.
【0013】すなわち、スイッチS1、S2を閉じて端
子C2aと、端子C1bの電位をリファレンス電位Vr
efにする。この状態でトランジスタM3のゲートにハ
イレベルの電圧を印加してM3をオンにすると、フォト
ダイオードPDの端子T1の電位(Vdd−Vthrs
t+△V)が、トランジスタM2で増幅され、更にトラ
ンジスタM3のドレイン、ソースを通して(Vdd−V
thrst−Vthamp+△V)の電位が列信号線
(つまり端子C2b)に出力される。これにより、コン
デンサC2には、(Vdd−Vthrst−Vtham
p+△V−Vref)の電位差がかかる。ここで、Vt
hampはトランジスタM2のしきい値電圧である。That is, the switches S1 and S2 are closed, and the potentials of the terminals C2a and C1b are changed to the reference potential Vr.
ef. In this state, when a high-level voltage is applied to the gate of the transistor M3 to turn on M3, the potential of the terminal T1 of the photodiode PD (Vdd-Vthrs)
t + △ V) is amplified by the transistor M2, and further (Vdd−V) through the drain and source of the transistor M3.
The potential of (thrst−Vthamp + ΔV) is output to the column signal line (that is, the terminal C2b). As a result, (Vdd-Vthrst-Vtam) is stored in the capacitor C2.
(p + △ V−Vref). Where Vt
hamp is the threshold voltage of the transistor M2.
【0014】続いて、スイッチS2を開き、トランジス
タM1のゲートにリセット電圧を印加してM1をオンと
する。すると、フォトダイオードPDの端子T1の電位
は、(Vdd−Vthrst)となるから、端子C2b
の電位は(Vdd−Vthrst−Vthamp)とな
る。これにより、端子C2bは(Vdd−Vthrst
−Vthamp)−(Vdd−Vthrst−Vtha
mp+△V)=−△Vだけ電位が変化したことになる。
これは、フォトダイオードPDの端子T1側の電圧変化
分に等しい。従って、フォトダイオードPDの光電変換
による電圧変化分だけが上記の一連の動作により純粋に
取り出せたことになる。Subsequently, the switch S2 is opened, and a reset voltage is applied to the gate of the transistor M1 to turn on M1. Then, the potential of the terminal T1 of the photodiode PD becomes (Vdd-Vthrst), so that the terminal C2b
Is (Vdd-Vthrst-Vthamp). As a result, the terminal C2b becomes (Vdd-Vthrst).
−Vthamp) − (Vdd−Vthrst−Vtha)
mp + ΔV) = − ΔV means that the potential has changed.
This is equal to the voltage change on the terminal T1 side of the photodiode PD. Therefore, only the voltage change due to the photoelectric conversion of the photodiode PD can be purely extracted by the above-described series of operations.
【0015】この結果、端子C2a(=端子C1b)の
電位は、電圧変化分△VがコンデンサC1、C2が直列
につながった比例成分だけ変化する。つまり、 Vref−{△V・C1/(C1+C2)} (1) となる。この後、スイッチS1を開いてオフとし、コン
デンサC1に処理結果を保持し待機する。その後、トラ
ンジスタM3がオフになり、画素2aからの出力は無く
なる。続いて、図7の水平シフトレジスタ4により、あ
るタイミングでスイッチS3が閉じられ、コンデンサC
1に保持されていた、(1)式の処理結果が画素信号と
して出力される。その後、スイッチS3が開いてオフと
され、最初のリセット状態に戻る。各画素についても上
記と同様の動作が行われる。As a result, the potential of the terminal C2a (= terminal C1b) changes by a voltage change ΔV by a proportional component in which the capacitors C1 and C2 are connected in series. That is, Vref− {V · C1 / (C1 + C2)} (1) After that, the switch S1 is opened and turned off, and the processing result is held in the capacitor C1 to be on standby. Thereafter, the transistor M3 is turned off, and the output from the pixel 2a disappears. Subsequently, the switch S3 is closed at a certain timing by the horizontal shift register 4 in FIG.
The processing result of equation (1) held at 1 is output as a pixel signal. Thereafter, the switch S3 is opened and turned off, and returns to the initial reset state. The same operation as described above is performed for each pixel.
【0016】しかし、図8のCMOSイメージセンサで
は、シャッター機能が問題となる。すなわち、CCDで
は、ある瞬間に一斉にキャリアをフォトダイオードから
転送領域に移すので、CCDから得られる画像情報は1
画面内のすべての画素に同時性があり、CCDは本質的
にシャッター機能を持っている。However, the CMOS image sensor shown in FIG. 8 has a problem with the shutter function. That is, in the CCD, the carriers are simultaneously transferred from the photodiode to the transfer area at a certain moment.
All pixels in the screen are synchronized, and the CCD essentially has a shutter function.
【0017】これに対して、図8のCMOSイメージセ
ンサは、行毎に順番に読み出していくので、この情報に
より作成した画像は、行毎に違う時間を示している。従
って、静止画を取り出すと、歪んだ画像になってしま
う。このような時間的にずれた画像のシャッターをロー
リングシャッターということが多い。On the other hand, the CMOS image sensor shown in FIG. 8 reads out data sequentially for each row, so that an image created based on this information indicates a different time for each row. Therefore, extracting a still image results in a distorted image. Such shutters of images shifted in time are often called rolling shutters.
【0018】一方、時間的に揃った静止画を作るシャッ
ターをフィールドシャッターということが多い。ローリ
ングシャッターの機能しかない図8の構成の従来のCM
OSイメージセンサでフィールドシャッター機能を持た
せる一つの方法は、機械的なシャッターを設けることで
ある。すなわち、機械的なシャッターを素子以外に設け
て、ある特定の時間だけシャッターを開けばよい。しか
しこの方法では、コストが高くなるし、動画の撮影は困
難である。On the other hand, a shutter for producing a still image which is temporally aligned is often called a field shutter. A conventional CM having the configuration of FIG. 8 having only a rolling shutter function
One method for providing a field shutter function in an OS image sensor is to provide a mechanical shutter. That is, a mechanical shutter may be provided other than the element, and the shutter may be opened for a specific time. However, this method is costly and makes it difficult to capture moving images.
【0019】フィールドシャッター機能付きとするに
は、ある瞬間の画像情報を全画素で同時に取り出すスイ
ッチと、それを一時的に貯える蓄積部を持つことが不可
欠である。そこで、通常は図9のように画素部にトラン
ジスタM4と容量Ceを加えて実現する。同図中、図8
と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。図9において、画素2bは、図8の画素2aに、更
にフォトダイオードPDのN型層と端子T1の間にドレ
イン、ソースが接続されたMOS型トランジスタM4
と、端子T1に一端が接続され、他端が接地された調整
用コンデンサCeを更に追加した点に特徴がある。トラ
ンジスタM4がシャッター機能、コンデンサCeが蓄積
機能を受け持つ。なお、コンデンサCeは、トランジス
タM2のゲート容量などで十分な場合があり、その場合
はコンデンサCeを特に設ける必要はない。このような
構成にした場合の、動作を以下に示す。In order to provide a field shutter function, it is essential to have a switch for simultaneously extracting image information at a certain moment from all pixels and a storage unit for temporarily storing the information. Therefore, this is usually realized by adding the transistor M4 and the capacitor Ce to the pixel portion as shown in FIG. In FIG.
The same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. 9, the pixel 2b is different from the pixel 2a of FIG. 8 in that a MOS transistor M4 having a drain and a source connected between the N-type layer of the photodiode PD and the terminal T1.
And an adjustment capacitor Ce having one end connected to the terminal T1 and the other end grounded. The transistor M4 has a shutter function, and the capacitor Ce has a storage function. Note that the capacitor Ce may be sufficient with the gate capacitance of the transistor M2 in some cases. In such a case, the capacitor Ce need not be particularly provided. The operation in such a configuration is described below.
【0020】画素2bは画素部の最上行、最下行でな
い、どこか中間の行のある列の画素であるとする。画素
の動作のサイクルを説明するにあたって、いま前回の情
報の出力が終ったところであるとする。この状態では、
トランジスタM1、M3、M4はオフになっている。こ
の時の端子T1の電位は(Vdd−Vthrst)にな
っている。ここで、Vddは電源電圧、Vthrstは
トランジスタM1のしきい値電圧である。このとき、端
子T1はどこにもつながっておらず、電気的に浮いてい
るので、リセット電位のままである。また、トランジス
タM3がオフであるので、列信号線に画素2bからの出
力はない。一方、トランジスタM4もオフとなってお
り、そのため端子T1と電気的に切り離されているフォ
トダイオードPDでは光電変換が行われている。画素2
bは、こうして光電変換を実行しつつ、自分より下のす
べての行の画素の情報が読み出されるまで待っている。It is assumed that the pixel 2b is not a top row and a bottom row of the pixel portion, but is a pixel of a certain column in an intermediate row. In describing the pixel operation cycle, it is assumed that the output of the previous information has just been completed. In this state,
The transistors M1, M3, M4 are off. At this time, the potential of the terminal T1 is (Vdd-Vthrst). Here, Vdd is a power supply voltage, and Vthrst is a threshold voltage of the transistor M1. At this time, since the terminal T1 is not connected anywhere and is electrically floating, the terminal T1 remains at the reset potential. Further, since the transistor M3 is off, there is no output from the pixel 2b on the column signal line. On the other hand, the transistor M4 is also off, and thus the photoelectric conversion is performed in the photodiode PD that is electrically separated from the terminal T1. Pixel 2
b executes the photoelectric conversion in this way, and waits until the information of the pixels in all rows below itself is read.
【0021】こうして、すべての画素の信号が読み出さ
れ、光電変換開始後から所定の時間が経つと、全画素の
トランジスタM4が一斉にオンする。すると、フォトダ
イオードPDのN型層側に蓄積されていた電荷は、全画
素で同時に端子T1に転送される。この結果、フォトダ
イオードPDの電荷は無くなり、PDはリセットされ
る。転送が終了すると、トランジスタM4はオフにな
り、再びフォトダイオードPDは光電変換を開始する。In this manner, the signals of all the pixels are read out, and when a predetermined time elapses after the start of the photoelectric conversion, the transistors M4 of all the pixels are simultaneously turned on. Then, the charges accumulated on the N-type layer side of the photodiode PD are simultaneously transferred to the terminal T1 in all the pixels. As a result, the charge of the photodiode PD is lost, and the PD is reset. When the transfer is completed, the transistor M4 is turned off, and the photodiode PD starts photoelectric conversion again.
【0022】端子T1の容量Cpxlは、コンデンサC
eとトランジスタM2のゲート容量Campと、トラン
ジスタM1の拡散容量Crstと、配線の浮遊容量Cf
とからなっている。従って、転送された総電荷量がQと
すると、△V=Q/Cpxlだけの電位変化が端子T1
に起こる。なお、転送されるキャリアは電子なので、電
荷Qは負の値であり、従って、△Vも負の値である。端
子T1の電位は、電荷転送前は(Vdd−Vthrs
t)であったから、電荷転送後は(Vdd−Vthrs
t+△V)となる。The capacitance Cpxl of the terminal T1 is
e, the gate capacitance Camp of the transistor M2, the diffusion capacitance Crst of the transistor M1, and the floating capacitance Cf of the wiring.
It consists of Therefore, assuming that the transferred total charge amount is Q, a potential change of ΔV = Q / Cpxl results in a terminal T1
Happens. Since the carriers to be transferred are electrons, the charge Q has a negative value, and accordingly, ΔV also has a negative value. Before the electric charge transfer, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd-Vthrs).
t), (Vdd−Vthrs) after the charge transfer.
t + △ V).
【0023】全画素で電荷の転送が終了すると、CDS
回路5が行毎に信号処理を行う。他の行の処理をしてい
る間、注目している画素2bは電荷を端子T1に接続さ
れたコンデンサCeに保持したまま待機する。そして、
CDS回路5は注目している画素2bの処理を開始す
る。まず、自らのリセット動作を行う。すなわち、前述
したように、スイッチS1、S2を閉じて、端子C2a
と端子C1bの電位をリファレンス電位Vrefにす
る。この時、スイッチS3は開いてオフになっている。
この状態でトランジスタM3のゲートにハイレベルの電
圧を印加してM3をオンにすると、列信号線(つまり、
端子C2b)に(Vdd−Vthrst−Vthamp
+△V)の電位が出力される。これにより、コンデンサ
C2には、(Vdd−Vthrst−Vthamp+△
V−Vref)の電位差がかかる。When charge transfer is completed in all pixels, CDS
The circuit 5 performs signal processing for each row. During the processing of another row, the pixel of interest 2b waits while holding the electric charge in the capacitor Ce connected to the terminal T1. And
The CDS circuit 5 starts processing the pixel 2b of interest. First, it performs its own reset operation. That is, as described above, the switches S1 and S2 are closed and the terminal C2a
And the potential of the terminal C1b to the reference potential Vref. At this time, the switch S3 is open and off.
In this state, when a high-level voltage is applied to the gate of the transistor M3 to turn on M3, a column signal line (ie,
(Vdd-Vthrst-Vthamp) is connected to the terminal C2b).
+ △ V) is output. As a result, (Vdd−Vthrst−Vthamp + △) is stored in the capacitor C2.
(V-Vref).
【0024】続いて、スイッチS2を開きオフにする
と、端子C2a(=端子C1b)にはどこにもつながっ
ていないので、電気的に浮いた状態になる。ここで、ト
ランジスタM1を一旦オンにし、所定時間後にオフにし
て、端子T1をリセットする。すると、端子T1の電位
は、(Vdd−Vthrst)となるから、端子C2b
の電位は(Vdd−Vthrst−Vthamp)とな
る。従って、端子C2bの電位は、(Vdd−Vthr
st−Vthamp)−(Vdd−Vthrst−Vt
hamp+△V)=−△Vだけ変化したことになる。こ
れは、フォトダイオードPDに発生した電荷量Qに比例
した成分である。従って、フォトダイオードPDの光電
変換による信号分だけが上記の一連の動作により純粋に
取り出せたことになる。Subsequently, when the switch S2 is opened and turned off, there is no connection to the terminal C2a (= terminal C1b), so that the terminal C2a is in an electrically floating state. Here, the transistor M1 is turned on once, turned off after a predetermined time, and the terminal T1 is reset. Then, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd-Vthrst), so that the terminal C2b
Is (Vdd-Vthrst-Vthamp). Therefore, the potential of the terminal C2b is (Vdd-Vthr
st-Vthamp)-(Vdd-Vthrst-Vt
hamp + ΔV) = − ΔV. This is a component proportional to the amount of charge Q generated in the photodiode PD. Therefore, only the signal component obtained by the photoelectric conversion of the photodiode PD can be purely extracted by the above-described series of operations.
【0025】この結果、端子C2a(=端子C1b)の
電位は、変化分−△VがコンデンサC1、C2が直列に
つながった比例成分だけ変化する。つまり、前記(1)
式と同じ値だけ変化する。この後、スイッチS1を開い
てオフとし、コンデンサC1に処理結果を保持し待機す
る。その後、トランジスタM3がオフになり、画素2b
からの出力は無くなる。続いて、図7の水平シフトレジ
スタ4により、あるタイミングでスイッチS3が閉じら
れ、コンデンサC1に保持されていた、(1)式の処理
結果が画素信号として出力される。その後、スイッチS
3が開いてオフとされ、最初の状態に戻る。こうして一
連の処理の1サイクルが完了し、以下同様の動作が繰り
返される。As a result, the potential of the terminal C2a (= terminal C1b) changes by a change of -ΔV by a proportional component in which the capacitors C1 and C2 are connected in series. That is, (1)
It changes by the same value as the expression. After that, the switch S1 is opened and turned off, and the processing result is held in the capacitor C1 to be on standby. Thereafter, the transistor M3 is turned off, and the pixel 2b is turned off.
The output from is lost. Subsequently, the switch S3 is closed at a certain timing by the horizontal shift register 4 in FIG. 7, and the processing result of Expression (1) held in the capacitor C1 is output as a pixel signal. Then switch S
3 is opened and turned off, and returns to the initial state. Thus, one cycle of a series of processing is completed, and the same operation is repeated thereafter.
【0026】[0026]
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の図9
に示した従来の固体撮像装置である、フィールドシャッ
ター機能付きCMOSイメージセンサには、重大な問題
点がある。すなわち、図9の従来装置では、フォトダイ
オードPDの電荷は、予めリセットされた端子T1に転
送され、それがある電位を発生させ画素外に出力した
後、再びリセットしてキャンセルのための基準のレベル
としている。つまり、信号を出力するときと、バックグ
ラウンドを出力するときとで、異なるタイミングのリセ
ット動作を用いている。このように別のタイミングのリ
セット動作による電圧を比較すると、kTCノイズが除
去されないという問題がある。However, FIG.
There is a serious problem in the CMOS image sensor with a field shutter function, which is the conventional solid-state imaging device shown in FIG. That is, in the conventional device of FIG. 9, the charge of the photodiode PD is transferred to the terminal T1 which has been reset in advance, and after generating a certain potential and outputting it to the outside of the pixel, the charge is reset again to cancel the reference for cancellation. Level. That is, a reset operation at a different timing is used between when a signal is output and when a background is output. As described above, there is a problem that the kTC noise is not removed when the voltages obtained by the reset operation at different timings are compared.
【0027】このkTCノイズとは、電子の熱運動に起
因する雑音である。例えば、図10のように、ある容量
Cの電位をある電位Vにするということは、その容量C
に電荷qの電子を所定の数n個だけ与える(または取り
除く)ということである。その数nは次式のように表わ
せる。This kTC noise is noise caused by thermal motion of electrons. For example, as shown in FIG. 10, setting the potential of a certain capacitor C to a certain potential V means that
Is given (or removed) by a predetermined number n of electrons having a charge q. The number n can be represented by the following equation.
【0028】 n=V/(C・q) (2) 具体的な動作としては、図10に示すように、容量Cを
電圧Vの電源に抵抗R及びスイッチS4を介してつな
ぎ、スイッチS4を閉じて、十分長い時間が経ってから
スイッチS4を開くと、容量Cには上記の数の電子が蓄
えられて、両端は電圧Vになっている。N = V / (C · q) (2) As a specific operation, as shown in FIG. 10, a capacitor C is connected to a power source of a voltage V via a resistor R and a switch S4, and the switch S4 is connected. When the switch S4 is opened after a sufficiently long time after being closed, the above-mentioned number of electrons is stored in the capacitor C, and both ends are at the voltage V.
【0029】しかし、実際には電子がランダムに熱運動
をしているために、スイッチS4を閉じている間、容量
Cにある電子数は、ある時は電子の数がnより多くな
り、別の時はnより小さいというふうに、時間的にバラ
ツキがある。このため、スイッチS4を開いてオフにす
ると、そのとき容量Cに残った電子数は、偶然によって
nより多かったり少なかったりすることになる。このバ
ラツキはkTCノイズと呼ばれる雑音となって現れる。
kTCとはk:ボルツマン定数、T:絶対温度、C:容
量のことであり、その雑音レベルViはrmsで Vi=√(kT/C) (3) と表わされる。(3)式から分かるように、この雑音レ
ベルViは、温度と容量のみに依存しているのが特徴で
ある。However, since the electrons are actually performing a thermal motion at random, while the switch S4 is closed, the number of electrons in the capacitor C sometimes becomes larger than n in some cases. In the case of, there is a variation in time, such as smaller than n. For this reason, when the switch S4 is opened and turned off, the number of electrons remaining in the capacitor C at that time may be larger or smaller than n by chance. This variation appears as noise called kTC noise.
kTC is k: Boltzmann's constant, T: absolute temperature, C: capacity, and the noise level Vi is represented by Vi = √ (kT / C) (3) in rms. As can be seen from the equation (3), the characteristic is that the noise level Vi depends only on the temperature and the capacity.
【0030】従って、図9のCMOSイメージセンサの
端子T1において、2つの異なったリセットのタイミン
グのものを比較すると、それぞれ異なった雑音レベルV
i1とVi2が残り、キャンセルできない。これらの雑
音レベルVi1とVi2には相関はなく、このような無
相関のものを比較する場合、kTCノイズは√2倍さ
れ、 Vi’=√(2kT/C) (4) となる。Therefore, comparing the two different reset timings at the terminal T1 of the CMOS image sensor in FIG.
i1 and Vi2 remain and cannot be canceled. There is no correlation between these noise levels Vi1 and Vi2. When comparing such uncorrelated noise levels, kTC noise is multiplied by √2, and Vi ′ = √ (2kT / C) (4)
【0031】上記の(3)式及び(4)式から分かるよ
うに、kTCノイズは容量が小さいほど大きくなる。こ
のため、図8、図9の構成では画素を微細化していく
と、次第にCpxlを大きくとれなくなり、kTCノイ
ズが大きくなる。As can be seen from the above equations (3) and (4), the kTC noise increases as the capacitance decreases. For this reason, in the configurations of FIGS. 8 and 9, as pixels are miniaturized, Cpxl cannot be gradually increased, and the kTC noise increases.
【0032】ここで、kTCノイズを定量的に見積もっ
てみる。例えば、端子T1の容量Cpxlが8fFにな
ったとする。この8fFという数値は、画素サイズが5
μm口以下になった場合、現実味を帯びた数値である。
このとき、kTCノイズ分Vi’はT=300゜Kの室
温で約1mVになる。信号の最大振幅が2Vでノイズが
kTCノイズだけとすると、上記のフィールドシャッタ
ー機能付きCMOSイメージセンサのS/N比は46d
Bとなる。CCD方式のS/N比は60dB以上といわ
れているので、kTCノイズだけで、CCD方式に比較
してかなり性能が劣ることが分かる。Here, the kTC noise is quantitatively estimated. For example, assume that the capacitance Cpxl of the terminal T1 becomes 8 fF. This numerical value of 8fF indicates that the pixel size is 5
When the diameter is less than μm, it is a realistic value.
At this time, the kTC noise component Vi ′ becomes about 1 mV at room temperature of T = 300 ° K. Assuming that the maximum amplitude of the signal is 2 V and the noise is only kTC noise, the S / N ratio of the CMOS image sensor with the field shutter function is 46d.
B. Since the S / N ratio of the CCD system is said to be 60 dB or more, it can be seen that the performance is considerably inferior to that of the CCD system only with kTC noise.
【0033】前記の図8の最も簡単な構造のCMOSイ
メージセンサ構成の場合には、端子T1の容量には、フ
ォトダイオードPDの容量Cpdがかなり大きいので、
問題は図9の構成の場合よりも小さい。しかし、図8の
構成ではkTCノイズを除去するのは不可能である。In the case of the CMOS image sensor having the simplest structure shown in FIG. 8, the capacitance Cpd of the photodiode PD is considerably larger than the capacitance of the terminal T1.
The problem is smaller than in the configuration of FIG. However, it is impossible to remove kTC noise with the configuration of FIG.
【0034】一方、図9の構成の従来のCMOSイメー
ジセンサでは微細化していくと、トランジスタの数が図
8の構成より多いこともあり、端子T1に大きな容量を
次第に割けなくなる。従って、kTCノイズを抑制する
必要性は図9の構成の方が高い。この図9の構成では、
フィールドシャッターでなく、ローリングシャッター動
作を行えば、kTCノイズを除去できる。On the other hand, in the conventional CMOS image sensor having the configuration shown in FIG. 9, when the size is reduced, the number of transistors may be larger than the configuration shown in FIG. 8, and a large capacity cannot be gradually allocated to the terminal T1. Therefore, the necessity of suppressing the kTC noise is higher in the configuration of FIG. In the configuration of FIG. 9,
If a rolling shutter operation is performed instead of a field shutter, kTC noise can be removed.
【0035】図9の構成でローリングシャッター動作は
以下のように行う。まず、トランジスタM4、M3はオ
フとする。このとき、列信号線C2bにこの画素2bか
らの出力はない。この時、画素2bのフォトダイオード
PDに光が入射されて光電変換が行われ、フォトダイオ
ードPDに電荷が蓄積される。また、CDS回路5は他
の行の素子の信号を処理している。The rolling shutter operation in the configuration of FIG. 9 is performed as follows. First, the transistors M4 and M3 are turned off. At this time, there is no output from the pixel 2b on the column signal line C2b. At this time, light is incident on the photodiode PD of the pixel 2b, photoelectric conversion is performed, and charges are accumulated in the photodiode PD. Further, the CDS circuit 5 processes signals of elements in other rows.
【0036】次に、注目している行の処理が始まる。ト
ランジスタM1がオンし、端子T1が(Vdd−Vth
rst)にリセットされる。その後、トランジスタM1
はオフされる。続いて、トランジスタM3がオンとされ
る。このとき、トランジスタM4はオフのままである。
これにより、端子T1がリセットされたときの信号(V
dd−Vthrst−Vthamp)が列信号線に出力
される。CDS回路5においては、スイッチS1及びS
2を閉じ、コンデンサC2に(Vdd−Vthrst−
Vthamp−Vref)の電位差を保存する。Next, the processing of the line of interest starts. The transistor M1 is turned on, and the terminal T1 is connected to (Vdd-Vth
rst). Then, the transistor M1
Is turned off. Subsequently, the transistor M3 is turned on. At this time, the transistor M4 remains off.
As a result, the signal (V) when the terminal T1 is reset
dd−Vthrst−Vthamp) is output to the column signal line. In the CDS circuit 5, the switches S1 and S
2 is closed, and (Vdd-Vthrst-
(Vthamp-Vref) is stored.
【0037】次に、スイッチS2を開きオフとする。続
いて、トランジスタM4をオンとする。これにより、フ
ォトダイオードPDの電荷がトランジスタM4のドレイ
ン、ソースを通して端子T1に流れ込む。端子T1の容
量Cpxlは、コンデンサCeと、トランジスタM2の
ゲート容量Campと、トランジスタM1の拡散容量C
rstと、配線の浮遊容量Cfからなる。フォトダイオ
ードPDの総電荷量をQとすると、△V=Q/Cpxl
だけの電位変化がこの端子T1に起きる。この端子T1
の電位は、トランジスタM2で増幅され、オンであるト
ランジスタM3を通して、(Vdd−Vthrst−V
thamp+△V)として列信号線に出力される。Next, the switch S2 is opened and turned off. Subsequently, the transistor M4 is turned on. Thereby, the charge of the photodiode PD flows into the terminal T1 through the drain and the source of the transistor M4. The capacitance Cpxl of the terminal T1 is the capacitance of the capacitor Ce, the gate capacitance Camp of the transistor M2, and the diffusion capacitance Cp of the transistor M1.
rst and the stray capacitance Cf of the wiring. Assuming that the total charge of the photodiode PD is Q, ΔV = Q / Cpxl
Only the potential change occurs at the terminal T1. This terminal T1
Is amplified by the transistor M2 and passed through the transistor M3 which is on (Vdd−Vthrst−V
(Tamp + ΔV) is output to the column signal line.
【0038】これにより、端子C2bの電位の変化は
(Vdd−Vthrst−Vthamp+△V)−(V
dd−Vthrst−Vthamp)=+△Vとなるか
ら、それに比例した電位Vref+{△V・C1/(C
1+C2)}が端子C1bに現れる。この電位が水平シ
フトレジスタ4へ出力される。その後、トランジスタM
3をオフとし、最初のリセット状態とする。Thus, the change in the potential of the terminal C2b is (Vdd-Vthrst-Vthamp + mpV)-(V
dd−Vthrst−Vthamp) = + ΔV, so that the potential Vref + ΔV · C1 / (C
1 + C2)} appears at terminal C1b. This potential is output to the horizontal shift register 4. Then, the transistor M
3 is turned off to bring it to the first reset state.
【0039】このようにすると、リセットは1回しか行
わず、同じリセット動作の中で信号からバックグラウン
ドノイズを除去するので、kTCノイズも除去できるこ
とになる。このような特性があるので、図9のような構
成は、フィールドシャッター動作のためというよりも、
雑音の少ないローリングシャッター動作で用いられるこ
とが多い。In this case, the reset is performed only once, and the background noise is removed from the signal in the same reset operation, so that the kTC noise can also be removed. Because of these characteristics, the configuration shown in FIG. 9 is more suitable for the field shutter operation than for the field shutter operation.
Often used in rolling shutter operation with low noise.
【0040】このように、図8及び図9のいずれの従来
の固体撮像装置でも、フォトダイオードPDの光電荷変
換機能部、電荷一時蓄積機能部、電荷電圧変換機能部が
それぞれ独立していなかったため、図8のような1個の
フォトダイオードPDと、3個のトランジスタM1〜M
3からなる画素構成の固体撮像装置では、上記3つの機
能部が一体になっていて、構成上非常にシンプルである
という特長がある反面、その結果としてフィールドシャ
ッター機能及びkTCノイズキャンセル機能を実現でき
ず、時間的に揃った高画質の静止画を得ることができな
いという問題がある。As described above, in any of the conventional solid-state imaging devices shown in FIGS. 8 and 9, the photocharge conversion function, the charge temporary storage function, and the charge-voltage conversion function of the photodiode PD are not independent. , One photodiode PD and three transistors M1 to M as shown in FIG.
The solid-state imaging device having a pixel configuration of 3 has a feature that the above three functional units are integrated and is very simple in configuration, but as a result, a field shutter function and a kTC noise canceling function can be realized. Therefore, there is a problem that it is not possible to obtain a high-quality still image that is uniform in time.
【0041】また、図9に示した1個のフォトダイオー
ドPDと、4個のトランジスタM1〜M4と、1個のコ
ンデンサCeからなる画素構成の固体撮像装置では、フ
ィールドシャッター機能により時間的に揃った静止画を
得ることができる反面、フィールドシャッター機能とk
TCノイズキャンセル機能のどちらか一方しか使用でき
ないという問題がある。Further, in the solid-state imaging device having a pixel configuration including one photodiode PD, four transistors M1 to M4, and one capacitor Ce shown in FIG. While still images can be obtained, the field shutter function and k
There is a problem that only one of the TC noise canceling functions can be used.
【0042】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
フィールドシャッター機能とkTCノイズキャンセル機
能を同時に実現し得る固体撮像装置を提供することを目
的とする。The present invention has been made in view of the above points,
It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device that can simultaneously realize a field shutter function and a kTC noise cancellation function.
【0043】また、本発明の他の目的は、フォトダイオ
ードの面積を小さくして微細化に有利な構成の固体撮像
装置を提供することにある。Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a structure which is advantageous for miniaturization by reducing the area of a photodiode.
【0044】[0044]
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、フォトダイオードと、フォトダイオードが
光電変換して得られた電荷を電位変化に変換する変換部
と、変換部をリセットするためのリセット用トランジス
タと、変換部の電位を外部へ出力する出力手段とを備え
る画素が、二次元マトリクス状に又は一次元ライン状に
複数配列されており、画素からの信号電圧と信号電圧が
乗っていないバックグラウンドノイズのみの状態の2つ
をサンプリングして、その差を取ることによりノイズを
除去するノイズキャンセラを備えた固体撮像装置におい
て、画素内において、フォトダイオードと変換部の間に
電荷を一時蓄積するためのコンデンサを設け、コンデン
サとフォトダイオードの間には第1の電荷転送用トラン
ジスタを、コンデンサと変換部の間には第2の電荷転送
用トランジスタをそれぞれ設け、リセット用トランジス
タによる変換部のリセット後に、信号の乗っていないバ
ックグラウンドノイズのみの電位を出力手段で出力して
ノイズキャンセラに保存した後、フォトダイオードで光
電変換し第1の電荷転送用トランジスタを通して全画素
同時にコンデンサに転送して蓄積しておいた電荷を第2
の電荷転送用トランジスタを通して変換部へ転送し、そ
の結果変換部で生じた新たな電位を出力手段でノイズキ
ャンセラへ出力し、ノイズキャンセラにおいて予め保存
しておいたバックグラウンドノイズのみの電位との差分
を取って、その差分を真の信号として取り出す制御手段
を有する構成としたものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a photodiode, a converter for converting a charge obtained by photoelectrically converting the photodiode into a potential change, and resetting the converter. A plurality of pixels each including a transistor for resetting and output means for outputting the potential of the conversion unit to the outside are arranged in a two-dimensional matrix or a one-dimensional line, and a signal voltage and a signal voltage from the pixel are In a solid-state imaging device equipped with a noise canceller that removes noise by sampling two background noises that are not on the ground and taking the difference between the two, charge is transferred between the photodiode and the conversion unit in the pixel. A capacitor for temporary storage is provided, and a first charge transfer transistor is provided between the capacitor and the photodiode. A second charge transfer transistor is provided between the converter and the converter, and after resetting the converter by the reset transistor, the potential of only background noise without a signal is output by the output means and stored in the noise canceller. After that, the charge that has been photoelectrically converted by the photodiode and transferred to the capacitor at the same time for all pixels through the first charge transfer transistor and accumulated is transferred to the second charge transfer transistor.
The new potential generated in the conversion unit is output to the noise canceller by the output means, and the difference from the potential of only the background noise previously stored in the noise canceller is calculated. And a control means for extracting the difference as a true signal.
【0045】この発明では、全画素のフォトダイオード
で同時に光電変換して得られた電荷をコンデンサに蓄積
した後、出力手段を通して外部へ出力するに際し、リセ
ット用トランジスタ及び出力手段を動作させて信号の乗
っていないバックグラウンドノイズのみの電位をノイズ
キャンセラへ送出して保存させてから、コンデンサに蓄
積された電荷に対応した信号を変換部から出力手段を通
してノイズキャンセラへ出力することにより、ノイズキ
ャンセラにおいてフォトダイオードの光電変換によって
生じた電荷に比例した信号成分だけを取り出すことがで
きる。According to the present invention, after the electric charge obtained by the photoelectric conversion by the photodiodes of all the pixels at the same time is accumulated in the capacitor, when the electric charge is output to the outside through the output means, the reset transistor and the output means are operated to operate the signal. The potential of only the background noise that is not riding is transmitted to the noise canceller and stored, and then the signal corresponding to the electric charge stored in the capacitor is output from the conversion unit to the noise canceller through the output means, so that the noise of the photodiode in the noise canceller is reduced. Only a signal component proportional to the charge generated by the conversion can be extracted.
【0046】また、上記の目的を達成するため、本発明
は、画素内に、フォトダイオードに接続された第1の電
荷転送用トランジスタと、変換部に接続された第2の電
荷転送用トランジスタと、第1及び第2の電荷転送用ト
ランジスタの間に接近して設けられ、その直下にフォト
ダイオードからの電荷を蓄積するMOSゲートとを設
け、リセット用トランジスタにより変換部をリセットし
た後に、信号の乗っていないバックグラウンドノイズの
みの電位を出力手段で出力してノイズキャンセラに保存
した後、フォトダイオードで光電変換し第1の電荷転送
用トランジスタを通して全画素同時にMOSゲートの直
下に転送して蓄積しておいた電荷を第2の電荷転送用ト
ランジスタを通して変換部へ転送し、その結果変換部で
生じた新たな電位を出力手段でノイズキャンセラへ出力
し、ノイズキャンセラにおいて予め保存しておいたバッ
クグラウンドノイズのみの電位との差分を取って、その
差分を真の信号として取り出す制御手段を有する構成と
したものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a first charge transfer transistor connected to a photodiode and a second charge transfer transistor connected to a converter in a pixel. A MOS gate which is provided between the first and second charge transfer transistors and is provided immediately below the charge transfer transistor, and which stores the charge from the photodiode. After outputting the potential of only the background noise that does not ride on the output means and storing it in the noise canceller, photoelectrically converts it with a photodiode and transfers it through the first charge transfer transistor to all pixels simultaneously immediately below the MOS gate for accumulation. The stored charge is transferred to the conversion unit through the second charge transfer transistor, and as a result, a new potential generated in the conversion unit is transferred. Output by the force means to the noise canceller, taking the difference between the background noise only potential previously saved in a noise canceller, in which a structure having a control means for taking the difference as a true signal.
【0047】この発明では、全画素のフォトダイオード
で同時に光電変換して得られた電荷をMOSゲート直下
に蓄積した後、出力手段を通して外部へ出力するに際
し、リセット用トランジスタ及び出力手段を動作させて
信号の乗っていないバックグラウンドノイズのみの電位
を出力手段で出力してノイズキャンセラに保存させてか
ら、MOSゲートの直下に蓄積された電荷に対応した信
号を変換部から出力手段を通してノイズキャンセラへ出
力することにより、ノイズキャンセラにおいてフォトダ
イオードの光電変換によって生じた電荷に比例した信号
成分だけを取り出すことができる。According to the present invention, after the electric charges obtained by photoelectric conversion at the same time by the photodiodes of all the pixels are accumulated immediately below the MOS gate, when the electric charges are outputted to the outside through the output means, the reset transistor and the output means are operated. Outputting the potential of only the background noise without a signal on the output means and storing it in the noise canceller, and then outputting the signal corresponding to the electric charge accumulated immediately below the MOS gate from the conversion unit to the noise canceller through the output means. Accordingly, it is possible to extract only a signal component proportional to the charge generated by the photoelectric conversion of the photodiode in the noise canceller.
【0048】ここで、フォトダイオードと第1の電荷転
送用トランジスタの接続点に、任意のタイミングでスイ
ッチングされ、オン時にフォトダイオードをリセットす
る第2のリセット用トランジスタを接続することによ
り、任意のタイミングでフォトダイオードのリセットが
できる。Here, by connecting a second reset transistor, which is switched at an arbitrary timing and resets the photodiode when turned on, to a connection point between the photodiode and the first charge transfer transistor, an arbitrary timing is obtained. Resets the photodiode.
【0049】また、上記の目的を達成するため、本発明
は、フォトダイオードと、フォトダイオードに接続され
た第1のリセット用トランジスタと、フォトダイオード
が光電変換して得られた電荷を電位変化に変換する変換
部と、変換部をリセットするための第2のリセット用ト
ランジスタと、変換部の電位を外部へ出力する出力手段
とを備える画素が、二次元マトリクス状に又は一次元ラ
イン状に複数配列されており、画素からの信号電圧と信
号電圧が乗っていないバックグラウンドノイズのみの状
態の2つをサンプリングして、その差を取ることにより
ノイズを除去するノイズキャンセラを備えた固体撮像装
置であって、画素内に、フォトダイオード及び第1のリ
セット用トランジスタに接続された第1の電荷転送用ト
ランジスタと、出力手段に一端が接続された第2の電荷
転送用トランジスタと、第2の電荷転送用トランジスタ
及び出力手段にそれぞれ接続された第2のリセット用ト
ランジスタと、第1及び第2の電荷転送用トランジスタ
の間に接近して設けられ、その直下にフォトダイオード
からの電荷を蓄積するMOSゲートとを各画素のそれぞ
れに設け、第1のリセット用トランジスタによりフォト
ダイオードをリセットした後に、第1のリセット用トラ
ンジスタをオフとし、かつ、MOSゲートの直下のポテ
ンシャルを最大時と最小時の中間のレベルに設定するた
めの第1の電圧をMOSゲートに印加している状態で第
1の電荷転送用トランジスタをオンとして、第1のシャ
ッター時間、フォトダイオードで光電変換された電荷を
MOSゲートの直下に転送して蓄積させてから第1の電
荷転送用トランジスタをオフとし、再び第1のリセット
用トランジスタによりフォトダイオードをリセットした
後に、第1のリセット用トランジスタをオフとし、か
つ、MOSゲートの直下のポテンシャルを第1の電圧よ
り大きいレベルに設定するための第2の電圧をMOSゲ
ートに印加している状態で第1の電荷転送用トランジス
タをオンとして、第1のシャッター時間よりも短い第2
のシャッター時間、フォトダイオードで光電変換された
電荷をMOSゲートの直下に転送して蓄積させてから第
1の電荷転送用トランジスタをオフとする制御手段を有
する構成としたものである。Further, in order to achieve the above object, the present invention provides a photodiode, a first reset transistor connected to the photodiode, and an electric charge obtained by photoelectrically converting the photodiode into a potential change. A plurality of pixels each including a conversion unit for conversion, a second reset transistor for resetting the conversion unit, and an output unit for outputting the potential of the conversion unit to the outside are provided in a two-dimensional matrix or a one-dimensional line. A solid-state imaging device having a noise canceller that is arranged and samples two states of a signal voltage from a pixel and a background noise only where no signal voltage is applied, and removes the noise by taking the difference therebetween. A first charge transfer transistor connected to the photodiode and the first reset transistor in the pixel; A second charge transfer transistor having one end connected to the means, a second reset transistor connected to the second charge transfer transistor and the output means, and a first and second charge transfer transistor. A MOS gate for accumulating charges from the photodiode, which is provided close to each other, and a MOS gate for accumulating charges from the photodiode is provided for each pixel, and after the photodiode is reset by the first reset transistor, the first reset transistor Is turned off, and the first charge transfer transistor is turned on while a first voltage for setting the potential immediately below the MOS gate to an intermediate level between the maximum time and the minimum time is applied to the MOS gate. In the first shutter time, the charge photoelectrically converted by the photodiode is transferred to and stored immediately below the MOS gate. After that, the first charge transfer transistor is turned off, and the photodiode is reset again by the first reset transistor. Then, the first reset transistor is turned off, and the potential immediately below the MOS gate is set to the first potential. The first charge transfer transistor is turned on in a state where the second voltage for setting to a level larger than the voltage of the second gate is applied to the MOS gate, and the second charge transfer transistor is turned on.
During the shutter time, the control unit turns off the first charge transfer transistor after transferring and accumulating the charge photoelectrically converted by the photodiode immediately below the MOS gate.
【0050】この発明では、長い方の第1のシャッター
時間でフォトダイオードで光電変換した電荷に、短い方
の第2のシャッター時間でフォトダイオードで光電変換
した電荷を、MOSゲートの直下で足し合わせることが
できる。According to the present invention, the electric charge photoelectrically converted by the photodiode during the longer first shutter time is added to the electric charge photoelectrically converted by the photodiode during the shorter second shutter time immediately below the MOS gate. be able to.
【0051】[0051]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。図1は本発明になる固体撮像装
置の第1の実施の形態の1画素回路の等価回路図を示
す。同図中、図8、図9と同一構成部分には同一符号を
付してある。図1に示す第1の実施の形態では、画素2
cを図9の画素2bに比べてMOS型電界効果トランジ
スタ(FET)とコンデンサをそれぞれ1つ追加し、1
フォトダイオード、5トランジスタ、2キャパシタ構成
にしたものである。すなわち、画素2cは、フォトダイ
オードPDのN型層側が、トランジスタM5のドレイ
ン、ソース、トランジスタM6のドレイン、ソースを介
してリセット用トランジスタM1のソースとトランジス
タM2のゲートにそれぞれ接続点(端子)T1で接続さ
れている。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of one pixel circuit of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 8, the same components as those in FIGS. 8 and 9 are denoted by the same reference numerals. In the first embodiment shown in FIG.
c is different from the pixel 2b of FIG. 9 by adding one MOS field effect transistor (FET) and one capacitor,
This is a photodiode, five transistor, and two capacitor configuration. That is, in the pixel 2c, the N-type layer side of the photodiode PD is connected to the connection point (terminal) T1 to the source of the resetting transistor M1 and the gate of the transistor M2 via the drain and source of the transistor M5 and the drain and source of the transistor M6. Connected by
【0052】また、トランジスタM5とM6の共通接続
点は、コンデンサCexを介して接地されている。更
に、端子T1はコンデンサCeを介して接地されてい
る。更に、トランジスタM2のソースは出力用トランジ
スタM3のドレイン、ソースを介してCDS回路5と負
荷6にそれぞれ接続されている。なお、コンデンサCe
xは例えばp基板表面に作ったN-拡散層で構成する。ま
た、コンデンサCeは、端子T1の容量Cpxlがトラ
ンジスタM2のゲート容量Camp、トランジスタM1
の拡散容量Crst、配線の浮遊容量Cfの合計で十分
な場合は、特に設ける必要はない。端子T1の容量Cp
xlは、コンデンサCeと共に前述した電荷を電圧に変
換する変換部を構成している。The common connection point between the transistors M5 and M6 is grounded via a capacitor Cex. Further, the terminal T1 is grounded via the capacitor Ce. Further, the source of the transistor M2 is connected to the CDS circuit 5 and the load 6 via the drain and the source of the output transistor M3, respectively. Note that the capacitor Ce
x is composed of, for example, an N - diffusion layer formed on the surface of the p substrate. The capacitor Ce has a capacitance Cpxl of the terminal T1 and a gate capacitance Camp of the transistor M2 and a capacitance of the transistor M1.
When the sum of the diffusion capacitance Crst and the floating capacitance Cf of the wiring is sufficient, there is no particular need to provide them. The capacitance Cp of the terminal T1
xl constitutes a conversion unit for converting the above-mentioned electric charge into a voltage together with the capacitor Ce.
【0053】次に、この実施の形態の動作について説明
する。ここで、画素2cは画素部の最上行、最下行でな
い、どこか中間の行のある列の画素であるとする。ま
た、各トランジスタM1、M3、M5及びM6のスイッ
チング制御は図示しない制御回路からの信号に基づき行
われる。Next, the operation of this embodiment will be described. Here, it is assumed that the pixel 2c is not a top row and a bottom row of the pixel portion, but is a pixel in a certain column in an intermediate row. The switching control of each of the transistors M1, M3, M5 and M6 is performed based on a signal from a control circuit (not shown).
【0054】動作サイクル説明の出発点として、この画
素2cからの前回の信号の出力が終ったばかりであると
いうところから始める。この状態では、トランジスタM
1、M6はオフであり、端子T1は電気的に浮いた状態
にある。端子T1には前回のサイクルで、フォトダイオ
ードPDが光電変換し、トランジスタM5、M6を通し
て転送されてきた電荷がそのまま残っている。トランジ
スタM3もオフとなっており、この画素2cから列信号
線への出力はない。As a starting point of the explanation of the operation cycle, the operation starts from the point that the output of the previous signal from the pixel 2c has just finished. In this state, the transistor M
1, M6 is off, and the terminal T1 is in an electrically floating state. At the terminal T1, the charge that has been photoelectrically converted by the photodiode PD in the previous cycle and transferred through the transistors M5 and M6 remains. The transistor M3 is also off, and there is no output from the pixel 2c to the column signal line.
【0055】一方、トランジスタM5もオフとなってお
り、フォトダイオードPDは電気的に他から分離された
状態で光電変換を行い、電荷を蓄積している。また、コ
ンデンサCexにあった電荷は、トランジスタM6を通
して端子T1に転送されており、コンデンサCexには
電荷が無い状態である。On the other hand, the transistor M5 is also off, and the photodiode PD performs photoelectric conversion while being electrically separated from the others, and accumulates electric charges. In addition, the charge existing in the capacitor Cex has been transferred to the terminal T1 through the transistor M6, and the capacitor Cex has no charge.
【0056】このような状態で、画素2cはCDS回路
5が他の行の画素の処理を終了するのを待っている。す
べての画素からの信号読み出しが終了すると、トランジ
スタM5が画素2cを含めた全画素で一斉にオンする。
すると、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷Q
は全画素で同時に、それぞれのトランジスタM5を通し
てそれぞれのコンデンサCexに転送される。この結
果、フォトダイオードPDの電荷は無くなり、リセット
される。電荷転送終了後、トランジスタM5はオフとさ
れ、再びフォトダイオードPDは光電変換して電荷の蓄
積を開始する。In such a state, the pixel 2c is waiting for the CDS circuit 5 to complete the processing of the pixels in another row. When the reading of signals from all the pixels is completed, the transistor M5 turns on all the pixels including the pixel 2c at the same time.
Then, the charge Q stored in the photodiode PD
Are simultaneously transferred to the respective capacitors Cex through the respective transistors M5 in all the pixels. As a result, the charge of the photodiode PD disappears and is reset. After completion of the charge transfer, the transistor M5 is turned off, and the photodiode PD performs photoelectric conversion again and starts accumulating charges.
【0057】その後、画素2cはCDS回路5が他の行
の画素の処理をしている間、待機する。注目している画
素2cの処理が始まると、画素2cは端子T1のリセッ
ト動作を行う。つまり、図示していない制御回路からの
ハイレベルの信号がトランジスタM1のゲート電極に印
加され、M1をオンにする。この時、トランジスタM
3、M6はオフのままである。その結果、端子T1の電
位は(Vdd−Vthrst)となる。ここで、Vdd
は電源電圧、VthrstはトランジスタM1のしきい
値電圧である。Thereafter, the pixel 2c waits while the CDS circuit 5 is processing pixels in another row. When the processing of the pixel 2c of interest starts, the pixel 2c performs a reset operation of the terminal T1. That is, a high-level signal from a control circuit (not shown) is applied to the gate electrode of the transistor M1 to turn on M1. At this time, the transistor M
3, M6 remains off. As a result, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd-Vthrst). Where Vdd
Is a power supply voltage, and Vthrst is a threshold voltage of the transistor M1.
【0058】その後、トランジスタM1のゲート電極へ
の信号がローレベルとなり、M1がオフとされる。これ
により、端子T1は電気的に浮いた状態に戻り、リセッ
ト動作が完了する。この時、端子T1にはkTCノイズ
成分Vktcが乗るので、端子T1の電位は(Vdd−
Vthrst+Vktc)となる。Vktcは従来技術
の説明中には明示していなかったが、この実施の形態に
より除去できることを明らかにするために示すこととす
る。Thereafter, the signal to the gate electrode of the transistor M1 becomes low level, and M1 is turned off. As a result, the terminal T1 returns to an electrically floating state, and the reset operation is completed. At this time, since the kTC noise component Vktc is put on the terminal T1, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd−
(Vthrst + Vktc). Although Vktc is not explicitly described in the description of the related art, it will be shown to clarify that it can be removed by this embodiment.
【0059】一方、CDS回路5でも画素2cの信号処
理をするための準備を行う。すなわち、スイッチS1、
S2を閉じ、端子C2a、C1bを基準電位Vrefに
する。この状態でトランジスタM3のゲート電極へ図示
しない制御回路からハイレベルの信号が印加されること
により、M3がオンとされるため、列信号出力線、つま
り端子C2bには(Vdd−Vthrst+Vktc−
Vthamp)の電位が出力される。ここで、Vtha
mpは増幅用トランジスタM2のしきい値電圧である。
この結果、コンデンサC2には(Vdd−Vthrst
+Vktc−Vthamp−Vref)の電位差がかか
る。On the other hand, the CDS circuit 5 also prepares for signal processing of the pixel 2c. That is, the switch S1,
S2 is closed, and the terminals C2a and C1b are set to the reference potential Vref. In this state, a high-level signal is applied to the gate electrode of the transistor M3 from a control circuit (not shown) to turn on M3. Therefore, (Vdd−Vthrst + Vktc−) is applied to the column signal output line, that is, the terminal C2b.
Vthamp) is output. Where Vtha
mp is a threshold voltage of the amplification transistor M2.
As a result, (Vdd-Vthrst) is stored in the capacitor C2.
+ Vktc−Vthamp−Vref).
【0060】次に、CDS回路5はスイッチS2を開き
オフとし、端子C2a(=端子C1b)を浮いた状態に
する。ここで、トランジスタM6がそのゲート電極に図
示しない制御回路からハイレベルの信号が印加されるこ
とによりオンとされる。すると、コンデンサCexに保
持されていた電荷QがトランジスタM6を通して端子T
1へ転送される。電荷転送完了後トランジスタM6はオ
フとされる。この結果、コンデンサCexには電荷が無
くなり、リセットされた状態となる。Next, the CDS circuit 5 opens the switch S2 and turns it off, so that the terminal C2a (= terminal C1b) floats. Here, the transistor M6 is turned on when a high-level signal is applied to its gate electrode from a control circuit (not shown). Then, the electric charge Q held in the capacitor Cex is transferred to the terminal T through the transistor M6.
Transferred to 1. After the completion of the charge transfer, the transistor M6 is turned off. As a result, the capacitor Cex has no charge, and is in a reset state.
【0061】一方、端子T1には電荷Qによる電位変化
が生じる。端子T1の容量Cpxlは、コンデンサCe
の容量と、トランジスタM2のゲート容量Campと、
トランジスタM1の拡散容量Crstと、配線の浮遊容
量Cfとからなっているが、ここに電荷Qが入ることに
より、△V=Q/Cpxlの電位変化が発生する。従っ
て、端子T1の電位は、(Vdd−Vthrst+Vk
tc+△V)となる。On the other hand, a potential change due to the charge Q occurs at the terminal T1. The capacitance Cpxl of the terminal T1 is
And the gate capacitance Camp of the transistor M2,
It is composed of the diffusion capacitance Crst of the transistor M1 and the floating capacitance Cf of the wiring. When the electric charge Q enters here, a potential change of ΔV = Q / Cpxl occurs. Therefore, the potential of the terminal T1 is (Vdd-Vthrst + Vk
tc + △ V).
【0062】端子T1に電位変化が起ると、それはトラ
ンジスタM2によるソースフォロワ回路により増幅さ
れ、更にオン状態にあるトランジスタM3を通して列信
号出力線、つまり端子C2bへ伝えられる。これによ
り、端子C2bの電位は、(Vdd−Vthrst+V
ktc−Vthamp+△V)となる。つまり、端子C
2bに生じた電位変化は、(Vdd−Vthrst+V
ktc−Vthamp+△V)−(Vdd−Vthrs
t+Vktc−Vthamp)=△Vで、フォトダイオ
ードPDの光電変換による電荷量Qによる成分のみの影
響しか受けておらず、kTCノイズの影響も無い。When a potential change occurs at the terminal T1, the potential change is amplified by a source follower circuit formed by a transistor M2, and further transmitted to a column signal output line, that is, a terminal C2b through a transistor M3 which is in an ON state. As a result, the potential of the terminal C2b becomes (Vdd-Vthrst + V
ktc−Vthamp + △ V). That is, the terminal C
2b is (Vdd-Vthrst + V
ktc−Vthamp + △ V) − (Vdd−Vthrs
(t + Vktc−Vthamp) = △ V, and is affected only by the component due to the charge amount Q due to the photoelectric conversion of the photodiode PD, and is not affected by kTC noise.
【0063】この端子C2bの電位変化に応じて、電気
的に浮いた状態である端子C2a(=端子C1b)は、
コンデンサC1、C2が直列につながった比例分Vre
f+{△V・C1/(C1+C2)}の電位変化が生じ
る。その後、スイッチS1を開いてオフとし、コンデン
サC1に上記の電位変化である処理結果を保持する。そ
して、トランジスタM3がオフとされて画素2cからの
出力が無くなる。その後、図示しない水平シフトレジス
タによりスイッチS3がオンとされ、コンデンサC1に
保持されていた画素2cの処理結果がスイッチS3を通
して画素信号として出力される。続いて、スイッチS3
が再び開かれてオフとされ、この画素2cにおけるサイ
クルが一つ終了する。後は再び最初から同じことが繰り
返される。In response to the potential change of the terminal C2b, the terminal C2a (= terminal C1b), which is in an electrically floating state,
The proportional component Vre when the capacitors C1 and C2 are connected in series
A potential change of f + {V · C1 / (C1 + C2)} occurs. After that, the switch S1 is opened and turned off, and the processing result of the above-described potential change is held in the capacitor C1. Then, the transistor M3 is turned off, and the output from the pixel 2c disappears. Thereafter, the switch S3 is turned on by a horizontal shift register (not shown), and the processing result of the pixel 2c held in the capacitor C1 is output as a pixel signal through the switch S3. Then, switch S3
Is re-opened and turned off, and one cycle in the pixel 2c ends. After that, the same is repeated from the beginning again.
【0064】なお、上記の実施の形態の動作の説明は一
例であり、これに限定されるものではない。例えば、端
子T1のトランジスタM1によるリセットは、上記の説
明では端子T1のリセット電位を出力する直前に行って
いるが、これに限定されるものではなく、前回の信号出
力が終ってから、次の信号出力動作までのどこかで1回
行えばよい。例えば、前回の信号出力が終った直後にト
ランジスタM1をオンにし、真っ先に端子T1のリセッ
ト動作を行うようにしてもよい。The description of the operation of the above embodiment is an example, and the present invention is not limited to this. For example, in the above description, the reset of the terminal T1 by the transistor M1 is performed immediately before the reset potential of the terminal T1 is output. However, the present invention is not limited to this. It may be performed once somewhere before the signal output operation. For example, the transistor M1 may be turned on immediately after the previous signal output ends, and the reset operation of the terminal T1 may be performed first.
【0065】また、コンデンサCexのリセットは、上
記の説明ではCexの蓄積電荷を完全に転送することに
より行っているが、蓄積電荷が多すぎると転送しきれ
ず、Cexに電荷が残る現象が生じ、残像となる可能性
がある。このため、トランジスタM5をオンして、フォ
トダイオードPDからコンデンサCexに電荷を転送す
る前に、一度トランジスタM1及びM6をオンして、コ
ンデンサCexを強制的にリセットする動作を行うよう
にしてもよい。In the above description, the reset of the capacitor Cex is performed by completely transferring the stored charge of Cex. However, if the stored charge is too large, the transfer cannot be completed and the charge remains in Cex. An afterimage may occur. Therefore, before the transistor M5 is turned on and the charge is transferred from the photodiode PD to the capacitor Cex, the operation of once turning on the transistors M1 and M6 and forcibly resetting the capacitor Cex may be performed. .
【0066】このように、本実施の形態によれば、CD
S回路5内でフォトダイオードPDの電荷転送による信
号中からバックグラウンドノイズである(Vdd−Vt
hrst−Vthamp+Vktc)が除去されて、フ
ォトダイオードPDの光電変換によって生じた総電荷量
Qに比例した電圧変化分△Vが純粋に列信号出力線C2
bに取り出せるので、kTCノイズのキャンセル機能を
実現することができる。As described above, according to the present embodiment, the CD
In the S circuit 5, the signal is the background noise (Vdd-Vt) from the signal due to the charge transfer of the photodiode PD.
hrst-Vthamp + Vktc) is removed, and the voltage change ΔV proportional to the total charge Q generated by the photoelectric conversion of the photodiode PD becomes purely the column signal output line C2.
b, a kTC noise canceling function can be realized.
【0067】また、電荷を所定の時間だけコンデンサC
exに保持することも可能である。更に、この実施の形
態では、フォトダイオードPDを含む全画素のフォトダ
イオードに同時に入射した光を光電変換して得られた電
荷を電圧に変換して出力するようにしているため、フィ
ールドシャッター機能を実現でき、同じ時刻での静止画
を得ることができる。以上より、従来に比べて高画質の
静止画を撮像できる。The electric charge is stored in the capacitor C for a predetermined time.
ex can also be held. Furthermore, in this embodiment, since the charges obtained by photoelectrically converting the light simultaneously incident on the photodiodes of all the pixels including the photodiode PD are converted into a voltage and output, a field shutter function is provided. And still images at the same time can be obtained. As described above, it is possible to capture a still image with higher image quality as compared with the related art.
【0068】ところで、画素の面積が限られているの
に、トランジスタの数をどんどん増やしていくと、それ
に応じてフォトダイオードの面積が減っていくことにな
る。すると、フォトダイオードで発生する電荷量Qが少
なくなってしまい、イメージセンサとして明るさに対す
る感度は低くなってしまう。しかしながら、本実施の形
態の構成では、上記のフォトダイオードの面積の低下は
不利とはならず、むしろ有利に働く。By the way, although the area of the pixel is limited, if the number of transistors is increased steadily, the area of the photodiode is reduced accordingly. Then, the charge amount Q generated in the photodiode decreases, and the sensitivity to brightness as an image sensor decreases. However, in the configuration of the present embodiment, the above-described reduction in the area of the photodiode does not become disadvantageous but works rather advantageously.
【0069】すなわち、この実施の形態では、端子T1
の電位の変化△Vは△V=Q/Cpxlで表せられるか
ら、Cpxlを小さくすると、電荷電圧変換率を高くす
ることができる。従って、フォトダイオードの面積が小
さくなった割合だけCpxlを小さくすると、感度は一
定になる。さらに、容量Cpxlを小さくすればするほ
ど、感度は高くなるので有利となる。That is, in this embodiment, the terminal T1
Can be expressed by ΔV = Q / Cpxl, so that decreasing Cpxl can increase the charge-voltage conversion rate. Therefore, if Cpxl is reduced by the rate at which the area of the photodiode is reduced, the sensitivity becomes constant. Further, the smaller the capacitance Cpxl, the higher the sensitivity, which is advantageous.
【0070】これに対し、図8や図9に示した従来の構
成では、(3)式及び(4)式から分かるように、容量
Cpxlを小さくすると、kTCノイズが大きくなるた
め、従来ではCpxlを小さくすることはできない。し
かし、本実施の形態の構成にすれば、フィールドシャッ
ター動作とkTCノイズの除去が同時に可能になるた
め、Cpxlを小さくでき、フォトダイオードの面積も
小さくできる。従って、微細化に有利な構成である。On the other hand, in the conventional configurations shown in FIGS. 8 and 9, as can be seen from the equations (3) and (4), when the capacitance Cpxl is reduced, the kTC noise increases, and thus the conventional Cpxl Cannot be reduced. However, according to the configuration of the present embodiment, the field shutter operation and the kTC noise removal can be performed at the same time, so that Cpxl can be reduced and the area of the photodiode can be reduced. Therefore, the configuration is advantageous for miniaturization.
【0071】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。本発明の特徴は光電変換を行うフォトダイオ
ードと、フォトダイオードの発生させたキャリアを一時
的に保持するサイトと、キャリアの電荷を電圧に変換す
るサイトをそれぞれ独立させる構成にある。ここで、キ
ャリアを一時的に保持するサイトの構成は、コンデンサ
でなく、別の方法も可能である。そこで、この第2の実
施の形態は、MOSゲートにより、キャリアを保持する
ようにしたものである。Next, a second embodiment of the present invention will be described. A feature of the present invention is that a photodiode for performing photoelectric conversion, a site for temporarily holding a carrier generated by the photodiode, and a site for converting a charge of the carrier into a voltage are independently provided. Here, the structure of the site for temporarily holding the carrier is not limited to the capacitor, and another method is also possible. In the second embodiment, carriers are held by MOS gates.
【0072】図2は本発明になる固体撮像装置の第2の
実施の形態の1画素分の等価回路図を示す。同図中、図
1と同一構成部分には同一符号を付してある。この第2
の実施の形態では、図1のコンデンサCexの代わり
に、図2に示すように、MOSのゲートMccdをトラ
ンジスタM5とM6に接近して配置し、MOSゲートM
ccdの下に電荷を保持できる構造の画素2dを用いる
点に特徴がある。この時のポテンシャルと電荷の移動の
様子を図3に示す。なお、図1と同様に、Ceは調整用
の付加容量なので、省略することが機能である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of one pixel of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. This second
In this embodiment, as shown in FIG. 2, a MOS gate Mccd is arranged close to transistors M5 and M6 instead of capacitor Cex of FIG.
It is characterized in that a pixel 2d having a structure capable of holding electric charges under ccd is used. FIG. 3 shows how the potentials and charges move at this time. Note that, similarly to FIG. 1, Ce is an additional capacity for adjustment, so that its function is to omit it.
【0073】次に、本実施の形態の動作について図2及
び図3と共に説明する。なお、画素2dは、固体撮像装
置の最上行、最下行でない、どこか中間の行のある列の
画素であるとする。動作サイクル説明の出発点として、
この画素2dからの前回の信号の出力が終ったばかりで
あるというところから始める。Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. It is assumed that the pixel 2d is not a top row and a bottom row of the solid-state imaging device, but is a pixel in a column having some intermediate row. As a starting point for explaining the operation cycle,
It starts from the point that the output of the previous signal from the pixel 2d has just finished.
【0074】この状態では、トランジスタM1、M6は
オフであり、端子T1は電気的に浮いた状態にある。端
子T1には前回のサイクルで、フォトダイオードPDが
光電変換し、トランジスタM5、Mccd、M6を通し
て転送されてきた電荷がそのまま残っている。トランジ
スタM3もオフとなっており、この画素2dから列信号
線への出力はない。一方、トランジスタM5もオフとな
っており、フォトダイオードPDは電気的に他から分離
された状態で図3(A)のように光電変換を行い、図3
(B)のように電荷を蓄積している。また、Mccdも
オフとなっており、電荷が蓄えられない状態で、電荷が
無い状態である。In this state, the transistors M1 and M6 are off, and the terminal T1 is in an electrically floating state. In the terminal T1, the charge that has been photoelectrically converted by the photodiode PD in the previous cycle and transferred through the transistors M5, Mccd, and M6 remains as it is. The transistor M3 is also off, and there is no output from this pixel 2d to the column signal line. On the other hand, the transistor M5 is also off, and the photodiode PD performs photoelectric conversion as shown in FIG.
Electric charges are accumulated as shown in FIG. In addition, Mccd is also off, and no charge is stored, and no charge is present.
【0075】このような状態で、画素2dはCDS回路
5が他の行の画素の処理を終了するのを待っている。す
べての画素からの信号読み出しが終了し、光電変換開始
から所定の時間が経過すると、図3(C)のようにトラ
ンジスタM5、MOSゲートMccdが画素2dを含め
た全画素で一斉にオンする。すると、フォトダイオード
PDに蓄積されていた電荷Qは全画素で同時に、それぞ
れのトランジスタM5を通してそれぞれのMOSゲート
Mccdの直下の方向に転送される。この結果、フォト
ダイオードPDの電荷は無くなり、リセットされる。In such a state, the pixel 2d is waiting for the CDS circuit 5 to finish processing the pixels on the other rows. When the reading of signals from all the pixels is completed and a predetermined time has elapsed from the start of the photoelectric conversion, the transistor M5 and the MOS gate Mccd are simultaneously turned on in all the pixels including the pixel 2d as shown in FIG. Then, the electric charge Q stored in the photodiode PD is simultaneously transferred to all the pixels in the direction directly below each MOS gate Mccd through each transistor M5. As a result, the charge of the photodiode PD disappears and is reset.
【0076】電荷転送終了後、図3(D)に示すよう
に、トランジスタM5はオフとされ、電荷はすべてMO
SゲートMccdの直下に転送される。再びフォトダイ
オードPDは光電変換して電荷の蓄積を開始する。一
方、Mccdはオンのままになっており、ゲートの下に
電荷を保持し続ける。画素2dはこのような状態で、C
DS回路5が他の行の画素を処理している間、待機し続
ける。After the completion of the charge transfer, the transistor M5 is turned off as shown in FIG.
The data is transferred directly below the S gate Mccd. Again, the photodiode PD performs photoelectric conversion and starts accumulating charges. On the other hand, Mccd remains on and continues to hold charge under the gate. The pixel 2d is in this state,
While the DS circuit 5 is processing pixels in another row, it keeps waiting.
【0077】その後、注目している画素2dの処理が始
まると、画素2dは端子T1のリセット動作を行う。つ
まり、図示していない制御回路からのハイレベルの信号
がトランジスタM1のゲート電極に印加され、M1をオ
ンにする。この時、トランジスタM3、M6はオフのま
まである。その結果、端子T1の電位は(Vdd−Vt
hrst)となる。ここで、Vddは電源電圧、Vth
rstはトランジスタM1のしきい値電圧である。Thereafter, when the processing of the pixel 2d of interest starts, the pixel 2d performs a reset operation of the terminal T1. That is, a high-level signal from a control circuit (not shown) is applied to the gate electrode of the transistor M1 to turn on M1. At this time, the transistors M3 and M6 remain off. As a result, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd-Vt).
hrst). Here, Vdd is the power supply voltage, Vth
rst is the threshold voltage of the transistor M1.
【0078】その後、トランジスタM1のゲート電極へ
の信号がローレベルとなり、M1がオフとされる。これ
により、端子T1は電気的に浮いた状態に戻り、リセッ
ト動作が完了する。この時、端子T1にはkTCノイズ
成分Vktcが乗るので、端子T1の電位は(Vdd−
Vthrst+Vktc)となる。Thereafter, the signal to the gate electrode of the transistor M1 becomes low level, and M1 is turned off. As a result, the terminal T1 returns to an electrically floating state, and the reset operation is completed. At this time, since the kTC noise component Vktc is put on the terminal T1, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd−
(Vthrst + Vktc).
【0079】一方、CDS回路5でも画素2dの信号処
理をするための準備を行う。すなわち、スイッチS1、
S2を閉じ、端子C2a、C1bを基準電位Vrefに
する。この状態でトランジスタM3のゲート電極へ図示
しない制御回路からハイレベルの信号が印加されること
により、M3がオンとされるため、列信号出力線、つま
り端子C2bには(Vdd−Vthrst+Vktc−
Vthamp)の電位が出力される。ここで、Vtha
mpは増幅用トランジスタM2のしきい値電圧である。
この結果、コンデンサC2には(Vdd−Vthrst
+Vktc−Vthamp−Vref)の電位差がかか
る。On the other hand, the CDS circuit 5 also prepares for signal processing of the pixel 2d. That is, the switch S1,
S2 is closed, and the terminals C2a and C1b are set to the reference potential Vref. In this state, a high-level signal is applied to the gate electrode of the transistor M3 from a control circuit (not shown) to turn on M3. Therefore, (Vdd−Vthrst + Vktc−) is applied to the column signal output line, that is, the terminal C2b.
Vthamp) is output. Where Vtha
mp is a threshold voltage of the amplification transistor M2.
As a result, (Vdd-Vthrst) is stored in the capacitor C2.
+ Vktc−Vthamp−Vref).
【0080】次に、CDS回路5はスイッチS2を開き
オフとし、端子C2a(=端子C1b)を浮いた状態に
する。ここで、トランジスタM6がそのゲート電極に図
示しない制御回路からハイレベルの信号が印加されるこ
とにより、図3(E)に示すようにM6がオンとされ
る。一方、MOSゲートMccdにはローレベルの信号
を印加すると、Mccd直下にあった電荷Qがトランジ
スタM6を通して端子T1へ転送される。電荷転送完了
後トランジスタM6はオフとされ、図3(F)に示すよ
うに、すべての電荷が端子T1に転送される。Next, the CDS circuit 5 opens the switch S2 to turn it off, so that the terminal C2a (= terminal C1b) floats. Here, when a high-level signal is applied to the gate electrode of the transistor M6 from a control circuit (not shown), the transistor M6 is turned on as shown in FIG. On the other hand, when a low-level signal is applied to the MOS gate Mccd, the charge Q immediately below Mccd is transferred to the terminal T1 through the transistor M6. After the completion of the charge transfer, the transistor M6 is turned off, and all charges are transferred to the terminal T1, as shown in FIG.
【0081】この結果、端子T1には電荷Qによる電位
変化が生じる。端子T1の容量Cpxlは、コンデンサ
Ceの容量と、トランジスタM2のゲート容量Camp
と、トランジスタM1の拡散容量Crstと、配線の浮
遊容量Cfとからなっているが、ここに電荷Qが入るこ
とにより、△V=Q/Cpxlの電位変化が発生する。
従って、端子T1の電位は、(Vdd−Vthrst+
Vktc+△V)となる。As a result, a potential change due to the electric charge Q occurs at the terminal T1. The capacitance Cpxl of the terminal T1 is determined by the capacitance of the capacitor Ce and the gate capacitance Camp of the transistor M2.
And the diffusion capacitance Crst of the transistor M1 and the floating capacitance Cf of the wiring. When the electric charge Q enters here, a potential change of ΔV = Q / Cpxl occurs.
Therefore, the potential of the terminal T1 becomes (Vdd−Vthrst +
Vktc + △ V).
【0082】端子T1に電位変化が起ると、それはトラ
ンジスタM2によるソースフォロワ回路により増幅さ
れ、更にオン状態にあるトランジスタM3を通して列信
号出力線、つまり端子C2bへ伝えられる。これによ
り、端子C2bの電位は、(Vdd−Vthrst+V
ktc−Vthamp+△V)となる。つまり、端子C
2bに生じた電位変化は、(Vdd−Vthrst+V
ktc−Vthamp+△V)−(Vdd−Vthrs
t+Vktc−Vthamp)=△Vで、フォトダイオ
ードPDの光電変換による電荷量Qによる成分のみの影
響しか受けておらず、kTCノイズの影響も無い。When a potential change occurs at the terminal T1, the potential change is amplified by a source follower circuit constituted by a transistor M2, and further transmitted to a column signal output line, that is, a terminal C2b through a transistor M3 which is in an ON state. As a result, the potential of the terminal C2b becomes (Vdd-Vthrst + V
ktc−Vthamp + △ V). That is, the terminal C
2b is (Vdd-Vthrst + V
ktc−Vthamp + △ V) − (Vdd−Vthrs
(t + Vktc−Vthamp) = △ V, and is affected only by the component due to the charge amount Q due to the photoelectric conversion of the photodiode PD, and is not affected by kTC noise.
【0083】この端子C2bの電位変化に応じて、電気
的に浮いた状態である端子C2a(=端子C1b)は、
コンデンサC1、C2が直列につながった比例分Vre
f+{△V・C1/(C1+C2)}の電位変化が生じ
る。その後、スイッチS1を開いてオフとし、コンデン
サC1に上記の電位変化である処理結果を保持する。そ
して、トランジスタM3がオフとされて画素2cからの
出力が無くなる。According to the potential change of the terminal C2b, the terminal C2a (= terminal C1b), which is in an electrically floating state,
The proportional component Vre when the capacitors C1 and C2 are connected in series
A potential change of f + {V · C1 / (C1 + C2)} occurs. After that, the switch S1 is opened and turned off, and the processing result of the above-described potential change is held in the capacitor C1. Then, the transistor M3 is turned off, and the output from the pixel 2c disappears.
【0084】その後、図示しない水平シフトレジスタに
よりスイッチS3がオンとされ、コンデンサC1に保持
されていた画素2dの処理結果がスイッチS3を通して
画素信号として出力される。続いて、スイッチS3が再
び開かれてオフとされ、この画素2dにおけるサイクル
が一つ終了する。後は再び最初から同じことが繰り返さ
れる。Thereafter, the switch S3 is turned on by a horizontal shift register (not shown), and the processing result of the pixel 2d held in the capacitor C1 is output as a pixel signal through the switch S3. Subsequently, the switch S3 is opened again to be turned off, and one cycle in the pixel 2d ends. After that, the same is repeated from the beginning again.
【0085】なお、上記の実施の形態の動作の説明は一
例であり、これに限定されるものではない。例えば、端
子T1のトランジスタM1によるリセットは、上記の説
明では端子T1のリセット電位を出力する直前に行って
いるが、これに限定されるものではなく、前回の信号出
力が終ってから、次の信号出力動作までのどこかで1回
行えばよい。The operation described in the above embodiment is an example, and the present invention is not limited to this. For example, in the above description, the reset of the terminal T1 by the transistor M1 is performed immediately before the reset potential of the terminal T1 is output. However, the present invention is not limited to this. It may be performed once somewhere before the signal output operation.
【0086】以上の動作により、差し引きする信号とバ
ックグラウンドノイズは同じタイミングで行なったリセ
ット電位で取っているので、kTCノイズはキャンセル
される。また、全画素同一時刻の光電変換した電荷が順
次に水平シフトレジスタから出力されるため、フィール
ドシャッター機能が実現される。By the above operation, the signal to be subtracted and the background noise are taken at the reset potential performed at the same timing, so that the kTC noise is canceled. In addition, since the photoelectrically converted charges of all pixels at the same time are sequentially output from the horizontal shift register, a field shutter function is realized.
【0087】次に、本発明の第3の実施の形態及び第4
の実施の形態について説明する。図4は本発明になる固
体撮像装置の第3の実施の形態の一画素の等価回路図、
図5は本発明になる固体撮像装置の第4の実施の形態の
一画素の等価回路図を示す。両図中、図1、図2と同一
構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。Next, the third embodiment and the fourth embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of one pixel of a third embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention,
FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of one pixel of the fourth embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. In both figures, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0088】これまでの第1及び第2の実施の形態で
は、フォトダイオードPDのリセットはキャリア(電
荷)を転送するという行為により行われていた。しかし
この方法では、フォトダイオードPDのリセットは1フ
ィールドに1回であり、いつも固定した露光時間になっ
てしまう。これではシャッター速度を自由にできないの
で、フォトダイオードPDに独立したフォトダイオード
リセット用トランジスタをつければ便利である。In the first and second embodiments, the photodiode PD is reset by transferring carriers (charges). However, in this method, the photodiode PD is reset once per field, and the exposure time is always fixed. In this case, since the shutter speed cannot be freely set, it is convenient to attach an independent photodiode reset transistor to the photodiode PD.
【0089】そこで、図4に示す本発明の第3の実施の
形態では、第1の実施の形態の画素にフォトダイオード
リセット用トランジスタM7を設けたものであり、図5
に示す本発明の第4の実施の形態では、第2の実施の形
態の画素にフォトダイオードリセット用トランジスタM
7を設けたものである。すなわち、図4及び図5におい
て、フォトダイオードPDのN型層が、MOS型電界効
果トランジスタM7のソース、ドレインを介して電源電
圧Vddに接続されている。Therefore, in the third embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the pixel of the first embodiment is provided with a photodiode reset transistor M7.
In the fourth embodiment of the present invention, the pixel of the second embodiment has a photodiode reset transistor M
7 is provided. That is, in FIGS. 4 and 5, the N-type layer of the photodiode PD is connected to the power supply voltage Vdd via the source and drain of the MOS field-effect transistor M7.
【0090】これにより、図4及び図5では、トランジ
スタM7のゲートにハイレベルのリセット信号を印加す
ると、トランジスタM7がオンになり、トランジスタM
7のドレイン、ソースを介して電源電圧Vddがフォト
ダイオードPDのN型層に印加されて、これをリセット
する。すなわち、フォトダイオードPDのキャリアが転
送され終わらなくても、トランジスタM7を任意のタイ
ミングでオンすることにより、フォトダイオードPDを
任意のタイミングでリセットすることができる。従っ
て、第3及び第4の実施の形態では、シャッター時間を
自由に設定できることになる。4 and 5, when a high-level reset signal is applied to the gate of the transistor M7, the transistor M7 is turned on, and the transistor M7 is turned on.
The power supply voltage Vdd is applied to the N-type layer of the photodiode PD via the drain and the source of No. 7 to reset it. That is, even if the transfer of the carriers of the photodiode PD is not completed, the photodiode PD can be reset at an arbitrary timing by turning on the transistor M7 at an arbitrary timing. Therefore, in the third and fourth embodiments, the shutter time can be set freely.
【0091】また、図5の第4の実施の形態では、キャ
リア保持部分をCCDタイプのMOSゲートMccdで
構成しているので、MOSゲートMccdの電位により
MOSゲートMccd直下のキャリアが保持される部分
の電位を自由に動かすことができる。これにより、有利
な動作モードを設定できる。In the fourth embodiment shown in FIG. 5, since the carrier holding portion is constituted by the CCD type MOS gate Mccd, the portion where the carrier immediately below the MOS gate Mccd is held by the potential of the MOS gate Mccd. Can be moved freely. Thereby, an advantageous operation mode can be set.
【0092】次に、本発明の第4の実施の形態の他の動
作モードについて説明する。ダイナミックレンジを広げ
る方法として、従来より、シャッター時間の短いものと
長いものを足し合わせるという方法が知られている。シ
ャッター時間の長いものは、例えば10msecであ
り、短いものは例えば0.5msecである。Next, another operation mode of the fourth embodiment of the present invention will be described. As a method of expanding the dynamic range, a method of adding a shutter having a short shutter time and a shutter having a long shutter time has been conventionally known. A shutter having a long shutter time is, for example, 10 msec, and a shutter having a short shutter time is, for example, 0.5 msec.
【0093】周知のように、シャッター時間が長い場合
は、暗いところがよく写るが、明るいところはべたな白
になってしまう。一方、シャッター時間が短い場合は、
明るいところの写りは良くなるが暗いところがべたな黒
になってしまう。従って、両方の情報を足し合わせれ
ば、暗いところも明るいところも一緒に写すことができ
る。As is well known, when the shutter time is long, dark places are well photographed, but bright places are solid white. On the other hand, if the shutter time is short,
Images in bright places are better, but dark places are solid black. Therefore, by adding both pieces of information, it is possible to capture both dark and bright places together.
【0094】以下、この第4の実施の形態の他のモード
の動作について、図6(A)に示した構成に基づいて具
体的に説明する。同図(A)中、図5と同一構成部分に
は同一符号を付してある。なお、トランジスタM7、M
1〜M3の図示は省略してある。まず、フォトダイオー
ドPDをリセットしてから、シャッター時間が長い方の
時間Tlの間光電変換を行う。続いて、MOSゲートM
ccdのチャネルのポテンシャルが、Mccdのゲート
電極にVddの電位をかけた時のポテンシャルの約半分
になるような第1の電位をMccdのゲート電極にかけ
る。Hereinafter, the operation in another mode of the fourth embodiment will be specifically described based on the configuration shown in FIG. 5A, the same components as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. The transistors M7, M
Illustrations of 1 to M3 are omitted. First, after the photodiode PD is reset, photoelectric conversion is performed for the longer shutter time Tl. Subsequently, the MOS gate M
A first potential is applied to the Mccd gate electrode such that the potential of the ccd channel becomes approximately half the potential when the potential of Vdd is applied to the Mccd gate electrode.
【0095】この状態でトランジスタM5をオンする
と、図6(B)に示すように、トランジスタM5を通し
てMOSゲートMccdの下にキャリア(電荷)が転送
される。続いて、トランジスタM5をオフとする。これ
により、図6(B)に示すように、トランジスタM5の
ポテンシャルの電位が高くなり、MOSゲートMccd
の直下に電荷が保持される。When the transistor M5 is turned on in this state, as shown in FIG. 6B, carriers (charges) are transferred under the MOS gate Mccd through the transistor M5. Subsequently, the transistor M5 is turned off. Thereby, as shown in FIG. 6B, the potential of the potential of the transistor M5 increases, and the MOS gate Mccd
The electric charge is held immediately below the.
【0096】次に、再びフォトダイオードPDをリセッ
トした後、シャッター時間が短いTsだけ光電変換を行
う。この光電変換により、図6(C)に黒丸で模式的に
示すように、フォトダイオードPDに電荷が蓄積され
る。続いて、MOSゲートMccdのゲート電極に第1
の電位より大きい第2の電位、例えばVddを印加す
る。これにより、Mccd直下のポテンシャルの電位は
直前の状態よりも更に深くなる。Next, after resetting the photodiode PD again, photoelectric conversion is performed only for Ts having a short shutter time. As a result of this photoelectric conversion, electric charges are accumulated in the photodiode PD as schematically shown by a black circle in FIG. Subsequently, the first electrode is applied to the gate electrode of the MOS gate Mccd.
Is applied, for example, Vdd. As a result, the potential of the potential immediately below Mccd becomes further deeper than the previous state.
【0097】この状態で、トランジスタM5をオンとす
ると、図6(D)に示すように、MOSゲートMccd
に、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷がトラ
ンジスタM5を通して流れ、前回のシャッター時間Tl
のときの電荷に、今回のシャッター時間Tsの電荷がM
ccdの直下で足し合わされる。この様にしてできた電
荷をTlに出力すれば、ダイナミックレンジの広がった
信号を出力することができる。In this state, when the transistor M5 is turned on, as shown in FIG. 6D, the MOS gate Mccd
Then, the electric charge accumulated in the photodiode PD flows through the transistor M5, and the previous shutter time Tl
, The charge of the current shutter time Ts is M
It is added just below the ccd. By outputting the charge thus generated to Tl, a signal having a wide dynamic range can be output.
【0098】なお、これまでの説明ではNMOS FE
Tを使っているが、N型、P型を入れ替え、電圧の方向
を逆にすれば、PMOS FETでも同様の効果が得ら
れることは勿論である。In the above description, the NMOS FE
Although T is used, if the N-type and P-type are switched and the direction of the voltage is reversed, the same effect can be naturally obtained with the PMOS FET.
【0099】[0099]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
全画素のフォトダイオードで同時に光電変換して得られ
た電荷をコンデンサやMOSゲートなどの電荷蓄積部に
蓄積した後、出力手段を通して外部へ出力するに際し、
リセット用トランジスタ及び出力手段を動作させて所定
電位をノイズキャンセラへ送出してから、電荷蓄積部に
蓄積された電荷に対応した信号を出力手段を通してノイ
ズキャンセラへ出力することにより、ノイズキャンセラ
においてフォトダイオードの光電変換によって生じた電
荷に比例した信号成分だけを取り出すようにしたため、
全画素同時光電変換によるフィールドシャッター動作
と、ノイズキャンセラでのバックグランドノイズの除去
(kTCノイズ除去)とを同時に行うことができ、これ
により高画質の静止画を撮像することができる。As described above, according to the present invention,
After accumulating the charge obtained by photoelectric conversion at the same time by the photodiodes of all pixels in a charge storage unit such as a capacitor or a MOS gate, when outputting to the outside through output means,
The reset transistor and the output means are operated to send a predetermined potential to the noise canceller, and then a signal corresponding to the electric charge accumulated in the charge accumulating unit is output to the noise canceller through the output means. To extract only signal components proportional to the charge generated by
The field shutter operation by simultaneous photoelectric conversion of all pixels and the removal of background noise (kTC noise removal) by the noise canceller can be performed at the same time, whereby a high-quality still image can be captured.
【0100】また、本発明によれば、長い方の第1のシ
ャッター時間でフォトダイオードで光電変換した電荷
に、短い方の第2のシャッター時間でフォトダイオード
で光電変換した電荷を、MOSゲートの直下で足し合わ
せるようにしたため、ダイナミックレンジの広がった信
号を出力することができる。According to the present invention, the charge photoelectrically converted by the photodiode in the longer first shutter time and the charge photoelectrically converted by the photodiode in the shorter second shutter time are transferred to the MOS gate. Since the signals are added immediately below, a signal having a wide dynamic range can be output.
【0101】更に、本発明によれば、リセット用トラン
ジスタと第2の電荷転送用トランジスタと出力手段との
共通接続端子における容量に反比例した電圧が、この共
通接続端子に生じるように構成しているため、フォトダ
イオードの面積を小さくするのに対応して上記の容量が
小さくできることから、微細化に有利な構成とすること
ができる。Further, according to the present invention, a voltage inversely proportional to the capacitance at the common connection terminal of the reset transistor, the second charge transfer transistor, and the output means is generated at the common connection terminal. Therefore, since the above-described capacitance can be reduced in accordance with the reduction in the area of the photodiode, a configuration advantageous for miniaturization can be obtained.
【図1】本発明の第1の実施の形態の一画素分の等価回
路図である。FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of one pixel according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施の形態の一画素分の等価回
路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of one pixel according to the second embodiment of the present invention.
【図3】図2の要部のポテンシャルと電荷の移動の様子
を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a state of potential and charge movement of a main part of FIG. 2;
【図4】本発明の第3の実施の形態の一画素の等価回路
図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of one pixel according to a third embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第4の実施の形態の一画素の等価回路
図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of one pixel according to a fourth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第4の実施の形態の他のモードの動作
を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an operation in another mode according to the fourth embodiment of the present invention.
【図7】固体撮像装置全体の一例の構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of an example of the entire solid-state imaging device.
【図8】従来の固体撮像装置の一例の一画素分の等価回
路図である。FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of one pixel of an example of a conventional solid-state imaging device.
【図9】従来の固体撮像装置の他の例の一画素分の等価
回路図である。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of another pixel of another example of the conventional solid-state imaging device.
【図10】ある容量Cの電位をある電位Vにすることを
示す図である。FIG. 10 is a diagram showing that a potential of a certain capacitor C is set to a certain potential V;
1 垂直シフトレジスタ 2c、2d 第1、第2の実施の形態の画素 3 負荷およびノイズキャンセラ 4 水平シフトレジスタ 5 CDS回路 6 負荷 PD フォトダイオード M1 リセット用電界効果トランジスタ M2 増幅用電界効果トランジスタ(出力手段) M3 出力用電界効果トランジスタ(出力手段) M5、M6 電荷転送用トランジスタ(第1、第2の電
荷転送用トランジスタ) M7 フォトダイオードリセット用電界効果トランジス
タ Mccd MOSゲート Cex 電荷蓄積用コンデンサ Ce 変換部の容量調整用コンデンサ S1、S2、S3 スイッチ T1 端子DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical shift register 2c, 2d Pixel of 1st, 2nd embodiment 3 Load and noise canceller 4 Horizontal shift register 5 CDS circuit 6 Load PD photodiode M1 Reset field effect transistor M2 Amplification field effect transistor (output means) M3 Output field effect transistor (output means) M5, M6 Charge transfer transistor (first and second charge transfer transistors) M7 Photodiode reset field effect transistor Mccd MOS gate Cex Charge storage capacitor Ce Capacitance of converter Adjustment capacitor S1, S2, S3 Switch T1 terminal
Claims (4)
ードが光電変換して得られた電荷を電位変化に変換する
変換部と、前記変換部をリセットするためのリセット用
トランジスタと、前記変換部の電位を外部へ出力する出
力手段とを備える画素が、二次元マトリクス状に又は一
次元ライン状に複数配列されており、前記画素からの信
号電圧と信号電圧が乗っていないバックグラウンドノイ
ズのみの状態の2つをサンプリングして、その差を取る
ことによりノイズを除去するノイズキャンセラを備えた
固体撮像装置において、 前記画素内において、前記フォトダイオードと前記変換
部の間に電荷を一時蓄積するためのコンデンサを設け、
前記コンデンサと前記フォトダイオードの間には第1の
電荷転送用トランジスタを、前記コンデンサと前記変換
部の間には第2の電荷転送用トランジスタをそれぞれ設
け、 前記リセット用トランジスタによる前記変換部のリセッ
ト後に、信号の乗っていないバックグラウンドノイズの
みの電位を前記出力手段で出力して前記ノイズキャンセ
ラに保存した後、前記フォトダイオードで光電変換し前
記第1の電荷転送用トランジスタを通して全画素同時に
前記コンデンサに転送して蓄積しておいた電荷を前記第
2の電荷転送用トランジスタを通して前記変換部へ転送
し、その結果該変換部で生じた新たな電位を前記出力手
段で前記ノイズキャンセラへ出力し、該ノイズキャンセ
ラにおいて予め保存しておいた前記バックグラウンドノ
イズのみの電位との差分を取って、その差分を真の信号
として取り出す制御手段を有することを特徴とする固体
撮像装置。1. A photodiode, a converter for converting electric charge obtained by photoelectric conversion of the photodiode into a potential change, a reset transistor for resetting the converter, and a potential of the converter. A plurality of pixels each including an output unit for outputting to the outside are arranged in a two-dimensional matrix or a one-dimensional line, and only a signal voltage from the pixel and a background noise without a signal voltage are present. In a solid-state imaging device provided with a noise canceller that removes noise by sampling one and taking a difference between the two, a capacitor for temporarily storing charge between the photodiode and the conversion unit is provided in the pixel. ,
A first charge transfer transistor is provided between the capacitor and the photodiode, and a second charge transfer transistor is provided between the capacitor and the conversion unit. The reset unit resets the conversion unit. Later, after outputting the potential of only background noise on which no signal is carried by the output means and storing the potential in the noise canceller, photoelectric conversion is performed by the photodiode, and all the pixels are simultaneously transferred to the capacitor through the first charge transfer transistor. Transferring the transferred and accumulated charge to the conversion unit through the second charge transfer transistor; and outputting a new potential generated in the conversion unit to the noise canceller by the output unit. Of the background noise only stored in advance in A solid-state imaging device comprising: a control unit that obtains a difference from a position and extracts the difference as a true signal.
ードが光電変換して得られた電荷を電位変化に変換する
変換部と、前記変換部をリセットするためのリセット用
トランジスタと、前記変換部の電位を外部へ出力する出
力手段とを備える画素が、二次元マトリクス状に又は一
次元ライン状に複数配列されており、前記画素からの信
号電圧と信号電圧が乗っていないバックグラウンドノイ
ズのみの状態の2つをサンプリングして、その差を取る
ことによりノイズを除去するノイズキャンセラを備えた
固体撮像装置において、 前記画素内に、前記フォトダイオードに接続された第1
の電荷転送用トランジスタと、前記変換部に接続された
第2の電荷転送用トランジスタと、前記第1及び第2の
電荷転送用トランジスタの間に接近して設けられ、その
直下に前記フォトダイオードからの電荷を蓄積するMO
Sゲートとを設け、 前記リセット用トランジスタにより前記変換部をリセッ
トした後に、信号の乗っていないバックグラウンドノイ
ズのみの電位を前記出力手段で出力して前記ノイズキャ
ンセラに保存した後、前記フォトダイオードで光電変換
し前記第1の電荷転送用トランジスタを通して全画素同
時に前記MOSゲートの直下に転送して蓄積しておいた
電荷を前記第2の電荷転送用トランジスタを通して前記
変換部へ転送し、その結果該変換部で生じた新たな電位
を前記出力手段で前記ノイズキャンセラへ出力し、該ノ
イズキャンセラにおいて予め保存しておいた前記バック
グラウンドノイズのみの電位との差分を取って、その差
分を真の信号として取り出す制御手段を有することを特
徴とする固体撮像装置。2. A photodiode, a converter for converting electric charge obtained by photoelectric conversion of the photodiode into a potential change, a reset transistor for resetting the converter, and a potential of the converter. A plurality of pixels each including an output unit for outputting to the outside are arranged in a two-dimensional matrix or a one-dimensional line, and only a signal voltage from the pixel and a background noise without a signal voltage are present. In a solid-state imaging device including a noise canceller that removes noise by sampling one and taking a difference between them, a first pixel connected to the photodiode in the pixel is provided.
A charge transfer transistor, a second charge transfer transistor connected to the converter, and the first and second charge transfer transistors. MO that accumulates electric charges
An S gate is provided. After resetting the conversion unit by the reset transistor, a potential of only background noise without a signal is output by the output unit and stored in the noise canceller. The charges which have been converted and transferred through the first charge transfer transistor to all the pixels at the same time immediately below the MOS gate and stored are transferred to the conversion unit through the second charge transfer transistor. A new potential generated in the section is output to the noise canceller by the output means, a difference from a potential of only the background noise stored in advance in the noise canceller is obtained, and the difference is extracted as a true signal. A solid-state imaging device comprising means.
転送用トランジスタの接続点に、任意のタイミングでス
イッチングされ、オン時に前記フォトダイオードをリセ
ットする第2のリセット用トランジスタを接続したこと
を特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。3. A second reset transistor, which is switched at an arbitrary timing and resets the photodiode when turned on, is connected to a connection point between the photodiode and the first charge transfer transistor. The solid-state imaging device according to claim 1.
ードに接続された第1のリセット用トランジスタと、前
記フォトダイオードが光電変換して得られた電荷を電位
変化に変換する変換部と、前記変換部をリセットするた
めの第2のリセット用トランジスタと、前記変換部の電
位を外部へ出力する出力手段とを備える画素が、二次元
マトリクス状に又は一次元ライン状に複数配列されてお
り、前記画素からの信号電圧と信号電圧が乗っていない
バックグラウンドノイズのみの状態の2つをサンプリン
グして、その差を取ることによりノイズを除去するノイ
ズキャンセラを備えた固体撮像装置であって、 前記画素内に、前記フォトダイオード及び第1のリセッ
ト用トランジスタに接続された第1の電荷転送用トラン
ジスタと、前記変換部に接続された第2の電荷転送用ト
ランジスタと、前記第1及び第2の電荷転送用トランジ
スタの間に接近して設けられ、その直下に前記フォトダ
イオードからの電荷を蓄積するMOSゲートとを設け、 前記第1のリセット用トランジスタにより前記フォトダ
イオードをリセットした後に、前記第1のリセット用ト
ランジスタをオフとし、かつ、前記MOSゲートの直下
のポテンシャルを最大時と最小時の中間のレベルに設定
するための第1の電圧を前記MOSゲートに印加してい
る状態で前記第1の電荷転送用トランジスタをオンとし
て、第1のシャッター時間、前記フォトダイオードで光
電変換された電荷を前記MOSゲートの直下に転送して
蓄積させてから前記第1の電荷転送用トランジスタをオ
フとし、再び前記第1のリセット用トランジスタにより
前記フォトダイオードをリセットした後に、前記第1の
リセット用トランジスタをオフとし、かつ、前記MOS
ゲートの直下のポテンシャルを前記第1の電圧よりも大
きいレベルに設定するための第2の電圧を前記MOSゲ
ートに印加している状態で前記第1の電荷転送用トラン
ジスタをオンとして、前記第1のシャッター時間よりも
短い第2のシャッター時間、前記フォトダイオードで光
電変換された電荷を前記MOSゲートの直下に転送して
蓄積させてから前記第1の電荷転送用トランジスタをオ
フとする制御手段を有することを特徴とする固体撮像装
置。4. A photodiode, a first reset transistor connected to the photodiode, a converter for converting a charge obtained by photoelectric conversion of the photodiode into a potential change, and a converter for: A plurality of pixels each including a second resetting transistor for resetting, and an output unit for outputting the potential of the conversion unit to the outside are arranged in a two-dimensional matrix or a one-dimensional line. A solid-state imaging device including a noise canceller that removes noise by sampling two of a signal voltage and a background noise only where no signal voltage is applied, and taking a difference between the two. A first charge transfer transistor connected to the photodiode and the first reset transistor; A second charge transfer transistor, and a MOS gate that is provided between the first and second charge transfer transistors and that is provided immediately below the second charge transfer transistor and that stores charges from the photodiode. After the photodiode is reset by a first reset transistor, the first reset transistor is turned off, and the potential immediately below the MOS gate is set to an intermediate level between the maximum time and the minimum time. While the first voltage is being applied to the MOS gate, the first charge transfer transistor is turned on, and the charge photoelectrically converted by the photodiode is transferred directly below the MOS gate for a first shutter time. The first charge transfer transistor is turned off, and the first reset transistor is again turned on. After resetting the photodiode by motor, said first reset transistor is turned off, and the MOS
The first charge transfer transistor is turned on in a state where a second voltage for setting the potential immediately below the gate to a level higher than the first voltage is applied to the MOS gate, and the first charge transfer transistor is turned on. Control means for transferring the charge photoelectrically converted by the photodiode to a position immediately below the MOS gate for a second shutter time shorter than the shutter time, and then turning off the first charge transfer transistor. A solid-state imaging device comprising:
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