JP2018085709A - Reading control circuit, solid-state imaging element, and method of driving imaging element - Google Patents
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Abstract
【課題】
超多画素を高フレーム周波数で読みだす場合に、優れた動画撮像特性と解像度特性を実現し得、低照度において飽和レベルを狭めることなく線形かつ高S/Nの信号取得を可能にするとともに、高照度においては線形領域での良好なS/Nの信号取得を可能にするとともに、ダイナミックレンジを広げることができる。
【解決手段】
フォトダイオード(PD)111からの信号が転送ゲート(TX)112を経て入力される、容量が小さく変換ゲインが大きい浮遊拡散容量(FD1)113と、この(FD1)113からの信号がオーバーフローゲート(OFG)122を経て入力される、容量が大きく変換ゲインが小さい浮遊拡散容量(FD2)123とを備え、(FD1)113と(FD2)123は、ともに、固有の画素出力回路(OUT1、2)117、127を有し、各出力部から、固有の信号出力線(204A、B)に対応する信号を出力する。
【選択図】図1【Task】
In the case of reading a large number of pixels at a high frame frequency, it is possible to realize excellent moving image capturing characteristics and resolution characteristics, enabling linear and high S / N signal acquisition without reducing the saturation level at low illumination, At high illuminance, it is possible to obtain a good S / N signal in the linear region and to expand the dynamic range.
[Solution]
The signal from the photodiode (PD) 111 is input via the transfer gate (TX) 112, the floating diffusion capacitor (FD1) 113 having a small capacitance and a large conversion gain, and the signal from the (FD1) 113 is an overflow gate ( Of floating diffusion capacitance (FD2) 123, which is inputted via OFG) 122 and has a large capacitance and a small conversion gain. Both (FD1) 113 and (FD2) 123 have their own pixel output circuits (OUT1, 2). 117 and 127, and each output unit outputs a signal corresponding to a specific signal output line (204A, B).
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、読出し制御回路、固体撮像素子、および撮像素子の駆動方法に関し、詳しくは、光電変換部により得られた光電子に基づく、感度が異なる複数の信号を、この後の信号処理部で合成され得るように出力する、読出し制御回路、固体撮像素子、および撮像素子の駆動方法に関するものである。 The present invention relates to a readout control circuit, a solid-state imaging device, and a driving method of the imaging device. The present invention relates to a readout control circuit, a solid-state imaging device, and a driving method of the imaging device that output as possible.
従来、固体撮像素子、例えばCMOSイメージセンサにおいては、光電変換によって単位画素に蓄積された信号電荷の値に応じて、略線形な出力信号が得られるので、光電変換部の飽和信号量と暗時雑音の比からダイナミックレンジが決まってしまう。 Conventionally, in a solid-state imaging device, for example, a CMOS image sensor, a substantially linear output signal is obtained according to the value of signal charge accumulated in a unit pixel by photoelectric conversion. The dynamic range is determined from the noise ratio.
このような固体撮像素子では、低輝度の被写体にカメラレンズの絞りを合わせると高輝度の被写体の信号は飽和してしまい、逆に高輝度の被写体にカメラレンズの絞りを合わせると低輝度の被写体の信号は雑音に埋もれてしまうことから、高輝度、低輝度のいずれであっても良好な画像が得られる、十分に広いダイナミックレンジを有する画像素子が求められていた。 In such a solid-state image sensor, when the camera lens aperture is adjusted to a low-luminance subject, the signal of the high-luminance subject is saturated, and conversely, when the camera lens aperture is adjusted to a high-luminance subject, the low-luminance subject is Therefore, an image element having a sufficiently wide dynamic range capable of obtaining a good image with either high luminance or low luminance has been demanded.
そして、単にダイナミックレンジを拡大するだけではなく、次の(1)〜(4)のような項目を満たした上でダイナミックレンジを拡大化することが求められていた。すなわち、(1)光電変換部を分割しないで解像度特性を優れたものとすることができること、(2)露光時間を分割しないで動画撮像特性を優れたものとし得ること、(3)高感度、高S/N化と広ダイナミックレンジ化のトレードオフを解消できること、および(4)超多画素において
高フレーム周波数を読み出すことができること、が求められていた。
In addition to simply expanding the dynamic range, it has been required to expand the dynamic range after satisfying the following items (1) to (4). That is, (1) the resolution characteristics can be improved without dividing the photoelectric conversion unit, (2) the moving image imaging characteristics can be improved without dividing the exposure time, (3) high sensitivity, There is a need to be able to eliminate the trade-off between high S / N and wide dynamic range, and (4) to be able to read high frame frequencies in super-multiple pixels.
ここで、入射光量に対する、出力信号量のダイナミックレンジを拡大するために、同一の画素から長時間露光と短時間露光により得られた2つの信号を複数回読み出し、読み出された感度が異なる複数の信号を、撮像素子の後段の信号処理部で合成する方法が知られている(特許文献1、非特許文献1を参照)。 Here, in order to expand the dynamic range of the output signal amount with respect to the incident light quantity, two signals obtained by the long exposure and the short exposure from the same pixel are read out a plurality of times, and the read out sensitivity is different. Is known by a signal processing unit downstream of the image sensor (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
また、図22に示す従来技術においては、各画素は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードPDと、このPDに隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタTと、このTを介して上記PDに接続して設けられたフローティングディフュージョンFDと、露光蓄積動作時に上記PDから溢れ出た光電荷を上記Tを通じて蓄積する第1の蓄積容量CSaおよび第2の蓄積容量CSbと、を備える。さらに、これらの蓄積容量CSa、CSbの他、上記FD内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタRと、上記FDと上記CSaの間に設けられた第1の蓄積トランジスタCaと、上記CSaと上記CSbの間に設けられた第2の蓄積トランジスタCbと、上記FDと上記CSaと上記CSbの信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタSFと、このSFに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタXとを備えている。 Further, in the prior art shown in FIG. 22, each pixel includes a photodiode PD that receives light to generate a photocharge, a transfer transistor T that transfers a photocharge provided adjacent to the PD, A floating diffusion FD provided connected to the PD via T, and a first storage capacitor CSa and a second storage capacitor CSb for storing photocharges overflowing from the PD during the exposure accumulation operation through the T; . In addition to the storage capacitors CSa and CSb, a reset transistor R for discharging signal charges in the FD, a first storage transistor Ca provided between the FD and the CSa, and the CSa A second storage transistor Cb provided between the CSb, an amplification transistor SF for reading out signal charges of the FD, the CSa, and the CSb as voltages, and a pixel or a pixel block provided in connection with the SF And a selection transistor X for selecting.
このように構成された従来技術は、上記の構成の画素が2次元または1次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタT、第1の蓄積トランジスタCa、第2の蓄積トランジスタCb、リセットトランジスタRのゲート電極に、各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタXのゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインが接続され、さらに、選択トランジスタXの出力側ソースに1つの出力ラインOUTが接続され、列シフトレジスタにより制御されて、いずれの信号もこ
の1つの出力ラインOUTを通して出力される(特許文献2を参照)。
しかしながら、上記特許文献1等に記載の従来技術では、長時間露光と短時間露光によ
る信号を合成する方法では、信号量は2倍にならないのに対して、読出しのノイズは各々が積算されて2倍となることから、特に低照度においてはS/Nが劣化する。
また、長時間露光と短時間露光は互いに異なるタイミングで撮像するので、撮像時刻にずれが生じ、高速に動く被写体が互いにずれて見えるという問題が生じる。また、一画素あたりの読み出し回数が複数回になるので、最高フレーム周波数が低下する。
However, in the conventional technique described in Patent Document 1 and the like, the signal amount is not doubled in the method of synthesizing the signals by the long exposure and the short exposure, but the readout noises are each integrated. Since it becomes twice, the S / N deteriorates particularly at low illuminance.
In addition, since the long exposure and the short exposure are imaged at different timings, there is a problem that the imaging time is shifted and subjects moving at high speed appear to be shifted from each other. In addition, since the number of readings per pixel is a plurality of times, the maximum frame frequency is lowered.
また、上記特許文献2に記載の従来技術では、蓄積容量素子を使用し飽和前信号と過飽和信号を読み出す手法であり、一画素あたりの読み出し回数が複数回となるので、最高フレーム周波数が低下する。 Further, the conventional technique described in Patent Document 2 is a method of reading a pre-saturation signal and a supersaturation signal using a storage capacitor element. Since the number of times of readout per pixel is a plurality of times, the maximum frame frequency is lowered. .
本発明は上記の事情に鑑みなされたものであり、優れた動画撮像特性と解像度特性を実現し得、低照度において飽和レベルを狭めることなく線形かつ高S/Nの信号取得を可能にするとともに、高照度においては線形領域での良好なS/Nを可能にすることができ、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに最高フレーム周波数の低下を抑制し得る、読出し制御回路、固体撮像素子、および撮像素子の駆動方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can realize excellent moving image capturing characteristics and resolution characteristics, and enables linear and high S / N signal acquisition without reducing the saturation level at low illuminance. In a high illuminance, a readout control circuit, a solid-state imaging device, which can enable a good S / N in the linear region, can increase the dynamic range, and can suppress a decrease in the maximum frame frequency, It is another object of the present invention to provide a method for driving an image sensor.
本発明の、読出し制御回路は、
固体撮像装置の読出し制御回路において、光電変換部からの信号が蓄積される、容量が小さく変換ゲインが大きい第1の浮遊拡散容量手段と、
該第1の浮遊拡散容量手段からの信号がオーバーフローゲートを経て入力され蓄積される、容量が大きく変換ゲインが小さい第2の浮遊拡散容量手段とを備え、
該第1の浮遊拡散容量手段と該第2の浮遊拡散容量手段は、ともに、固有の画素出力回路を備えていることを特徴とするものである。
また、前記第1の浮遊拡散容量手段につき、転送トランジスタを含む4つのトランジスタを用いることにより、および前記第2の浮遊拡散容量手段につき、オーバーフローゲートを含む4つのトランジスタを用いることにより、各々構成することができる。
また、前記第1の浮遊拡散容量手段につき、転送トランジスタを含まない3つのトランジスタを用いることにより、および前記第2の浮遊拡散容量手段につき、オーバーフローゲートを含む4つのトランジスタを用いることにより、各々構成することができる。この場合において、前記光電変換部が光電変換膜から構成されていることが好ましい。
The read control circuit of the present invention comprises:
In the readout control circuit of the solid-state imaging device, a first floating diffusion capacitance unit that accumulates signals from the photoelectric conversion unit and has a small capacitance and a large conversion gain;
A second floating diffusion capacitor means having a large capacitance and a small conversion gain, in which a signal from the first floating diffusion capacitor means is inputted and stored via an overflow gate;
The first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means both have a unique pixel output circuit.
Further, each of the first floating diffusion capacitance means is configured by using four transistors including a transfer transistor, and each of the second floating diffusion capacitance means is configured by using four transistors including an overflow gate. be able to.
Further, each of the first floating diffusion capacitor means is configured by using three transistors not including a transfer transistor, and each of the second floating diffusion capacitor means is configured by using four transistors including an overflow gate. can do. In this case, it is preferable that the photoelectric conversion part is composed of a photoelectric conversion film.
また、本発明の固体撮像素子は、
上述した読出し制御回路と、
上述した固有の画素出力回路の各々からの出力信号を、対応する出力信号線に出力する、該画素出力回路に応じて設けられた出力部とを備えたことを特徴とするものである。
Moreover, the solid-state imaging device of the present invention is
A read control circuit as described above;
And an output unit provided in accordance with the pixel output circuit for outputting an output signal from each of the unique pixel output circuits to a corresponding output signal line.
また、本願発明の撮像素子の駆動方法は、
上述した固体撮像素子を駆動する駆動方法であって、
前記第1の浮遊拡散容量手段と前記第2の浮遊拡散容量手段をリセットし、信号の蓄積期間に前記光電変換部から前記第1の浮遊拡散容量手段に光電子が移動する際に、
前記オーバーフローゲートのゲート電圧を所定の値として前記第1の浮遊拡散容量手段の飽和容量を設定し、前記第1の浮遊拡散容量手段から光電子が溢れた際には、この溢れた電子を前記第2の浮遊拡散容量手段へ移動させ、前記第1の浮遊拡散容量手段と前記第2の浮遊拡散容量手段について光電子量と変換ゲインにより定まる各信号電圧を、対応するソースフォロア素子によって各画素出力信号に変換し、この後、この2つの画素出力信号を、各々が対応する出力信号線に出力することを特徴とするものである。
Further, the driving method of the image sensor of the present invention is as follows:
A driving method for driving the solid-state imaging device described above,
When the first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means are reset and photoelectrons move from the photoelectric conversion unit to the first floating diffusion capacitance means during a signal accumulation period,
When the gate voltage of the overflow gate is set to a predetermined value, the saturation capacity of the first floating diffusion capacitor means is set, and when photoelectrons overflow from the first floating diffusion capacitor means, the overflow electrons are transferred to the first floating diffusion capacitor means. Each of the first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means, the signal voltage determined by the amount of photoelectrons and the conversion gain for each pixel output signal by the corresponding source follower element. Thereafter, the two pixel output signals are output to the corresponding output signal lines.
本発明の読出し制御回路および固体撮像素子によれば、第1の浮遊拡散容量手段は容量が小さく変換ゲインを大きくすることで、低照度において飽和レベルを狭めることなく線形かつ高S/Nの信号を取得することができる。第1の浮遊拡散容量手段から溢れた信号電荷はオーバーフローゲートを経て第2の浮遊拡散容量手段に流れる。第2の浮遊拡散容量手段は容量が大きく変換ゲインを小さくすることで、高照度においても線形領域での良好なS/Nを実現しながらダイナミックレンジを拡大することができる。 According to the readout control circuit and the solid-state imaging device of the present invention, the first floating diffusion capacitance means has a small capacitance and a large conversion gain, so that a linear and high S / N signal can be obtained without reducing the saturation level at low illuminance. Can be obtained. The signal charge overflowing from the first floating diffusion capacitor means flows to the second floating diffusion capacitor means through the overflow gate. Since the second floating diffusion capacitance means has a large capacitance and a small conversion gain, the dynamic range can be expanded while realizing a good S / N in the linear region even at high illuminance.
固体撮像素子から出力された上記2つの信号を後段の信号処理部で合成することにより、低照度状態では高S/Nであり、高照度状態では広ダイナミックレンジである信号とすることができる。
これらの2つの信号は、同一時刻に同一光電変換部で光信号を取得するので動画撮像特性と解像度特性において優れている。
なお、画素出力回路および信号出力線を複数本備えており、カラム信号処理回路は1出力線あたり1個に対応させることができ、最高フレーム周波数の低下を抑制し得る。
以上に説明した発明の効果は、本願発明の撮像素子の駆動方法によっても同様に奏することができる。
By synthesizing the two signals output from the solid-state imaging device by a signal processing unit at the subsequent stage, a signal having a high S / N in a low illuminance state and a wide dynamic range in a high illuminance state can be obtained.
These two signals are excellent in moving image capturing characteristics and resolution characteristics because an optical signal is acquired by the same photoelectric conversion unit at the same time.
It should be noted that a plurality of pixel output circuits and signal output lines are provided, and one column signal processing circuit can be provided for each output line, thereby suppressing a decrease in the maximum frame frequency.
The effects of the invention described above can be similarly achieved by the method for driving the image sensor of the present invention.
以下、本発明の実施形態について、上記図面を参照しながら説明する。
<実施例1>
図2は、単位画素の画素アレイを有する固体撮像素子、具体的にはCMOSイメージセンサのシステム構成図である。CMOSイメージセンサ200は、光電変換素子を含む単位画素202がアレイ状に2次元配列され、画素駆動配線203、垂直信号線204と接続している画素アレイ201を有するとともに、周辺回路として、カラム信号処理回路205、出力回路206、制御回路207、水平走査回路208、垂直走査回路209から構成されている。
ここで、カラム信号処理回路205および水平走査回路208が、図中の上方および下方に配されているのは、片側に配された場合に比べ、フレーム周波数を2倍にすることができるという理由からである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Example 1>
FIG. 2 is a system configuration diagram of a solid-state imaging device having a pixel array of unit pixels, specifically, a CMOS image sensor. The CMOS image sensor 200 has a pixel array 201 in which unit pixels 202 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in an array and connected to a pixel drive wiring 203 and a vertical signal line 204, and a column signal as a peripheral circuit. The processing circuit 205, output circuit 206, control circuit 207, horizontal scanning circuit 208, and vertical scanning circuit 209 are configured.
Here, the reason why the column signal processing circuit 205 and the horizontal scanning circuit 208 are arranged above and below in the drawing is that the frame frequency can be doubled compared to the case where they are arranged on one side. Because.
また、図1は、実施例1に係るCMOSイメージセンサに用いられる、画素回路(読出し制御回路)の等価回路図を示すものである。
図1に示すように、本実施例における読出し制御回路は、第1の信号経路および第2の信号経路の2系統の信号経路を備えている。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a pixel circuit (reading control circuit) used in the CMOS image sensor according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the read control circuit in this embodiment includes two signal paths, a first signal path and a second signal path.
図1に示すように、光電変換素子であるフォトダイオード(PD)111は転送トランジスタ(TX)112を経て第1の浮遊拡散容量(FD1)113に接続される。第1の浮遊拡散容量(FD1)113は、オーバーフローゲート(OFG)122を経て第2の浮遊拡散容量(FD2)123に接続される。 As shown in FIG. 1, a photodiode (PD) 111 that is a photoelectric conversion element is connected to a first floating diffusion capacitor (FD1) 113 via a transfer transistor (TX) 112. The first floating diffusion capacitor (FD1) 113 is connected to the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 via the overflow gate (OFG) 122.
第1の信号経路である、第1の浮遊拡散容量(FD1)113の画素出力回路は、リセットトランジスタ1(RT1)114、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115、選択トランジスタ1(SL1)116で構成され、画素出力1(OUT1)117は垂直信号線204Aに接続されている。 The pixel output circuit of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113, which is the first signal path, includes a reset transistor 1 (RT1) 114, a source follower transistor 1 (SF1) 115, and a selection transistor 1 (SL1) 116. The pixel output 1 (OUT1) 117 is connected to the vertical signal line 204A.
一方、第2の信号経路である、第2の浮遊拡散容量(FD2)123の画素出力回路は、リセットトランジスタ2(RT2)124、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)
125、選択トランジスタ2(SL2)126で構成され、画素出力2(OUT2)127は、上記とは別の垂直信号線204Bに接続されている。
On the other hand, the pixel output circuit of the second floating diffusion capacitor (FD2) 123, which is the second signal path, includes a reset transistor 2 (RT2) 124 and a source follower transistor 2 (SF2).
125 and the selection transistor 2 (SL2) 126, and the pixel output 2 (OUT2) 127 is connected to a vertical signal line 204B different from the above.
リセットトランジスタ1(RT1)114、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115、リセットトランジスタ2(RT2)124、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)125の各ドレイン電極は、画素電源(VDD)118に接続されている。 The drain electrodes of the reset transistor 1 (RT1) 114, the source follower transistor 1 (SF1) 115, the reset transistor 2 (RT2) 124, and the source follower transistor 2 (SF2) 125 are connected to a pixel power supply (VDD) 118. .
また、転送トランジスタ(TX)112、オーバーフローゲート(OFG)122、リセットトランジスタ1(RT1)114、リセットトランジスタ2(RT2)124、選択トランジスタ1(SL1)116、選択トランジスタ2(SL2)126の各ゲート電極は、それぞれの画素駆動配線203に接続されている。 The gates of the transfer transistor (TX) 112, the overflow gate (OFG) 122, the reset transistor 1 (RT1) 114, the reset transistor 2 (RT2) 124, the selection transistor 1 (SL1) 116, and the selection transistor 2 (SL2) 126 The electrode is connected to each pixel drive wiring 203.
図1に示す単位画素202の画素回路(読出し制御回路)において、フォトダイオード(PD)111は、入射光の強度に応じた量の負電荷を蓄積する。このフォトダイオード(PD)111のアノードは接地され、カソードは転送トランジスタ(TX)112、および第1の浮遊拡散容量(FD1)113を介してソースフォロアトランジスタ1(SF1)115のゲートに接続される。転送トランジスタ(TX)112のゲートは、垂直操作回路209からの画素駆動配線203(TX)に接続され、転送信号が入力される。 In the pixel circuit (reading control circuit) of the unit pixel 202 shown in FIG. 1, the photodiode (PD) 111 accumulates an amount of negative charge corresponding to the intensity of incident light. The anode of the photodiode (PD) 111 is grounded, and the cathode is connected to the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 115 via the transfer transistor (TX) 112 and the first floating diffusion capacitor (FD1) 113. . The gate of the transfer transistor (TX) 112 is connected to the pixel drive wiring 203 (TX) from the vertical operation circuit 209, and a transfer signal is input thereto.
第1の信号経路において、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115および選択トランジスタ1(SL1)116は、画素電源(VDD)118と画素出力1(OUT1)117との間に直列接続される。選択トランジスタ1(SL1)116のゲートは、垂直操作回路209からの画素駆動配線203(SL1)に接続され、選択信号が入力される。リセットトランジスタ1(RT1)114は、画素電源(VDD)118とソースフォロアトランジスタ1(SF1)115のゲートとの間に接続される。リセットトランジスタ1(RT1)114のゲートは、垂直操作回路209からの画素駆動配線203(RT1)に接続され、リセット信号を入力される。 In the first signal path, the source follower transistor 1 (SF1) 115 and the selection transistor 1 (SL1) 116 are connected in series between the pixel power supply (VDD) 118 and the pixel output 1 (OUT1) 117. The gate of the selection transistor 1 (SL1) 116 is connected to the pixel drive wiring 203 (SL1) from the vertical operation circuit 209, and a selection signal is input thereto. The reset transistor 1 (RT1) 114 is connected between the pixel power supply (VDD) 118 and the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 115. The gate of the reset transistor 1 (RT1) 114 is connected to the pixel drive wiring 203 (RT1) from the vertical operation circuit 209 and receives a reset signal.
また、第1の浮遊拡散容量(FD1)113は、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115のゲートに接続される。
前述したように、第2の浮遊拡散容量(FD2)123は、オーバーフローゲート(OFG)122を経て第1の浮遊拡散容量(FD1)113に接続されており、第1の浮遊拡散容量(FD1)113に蓄積された電荷が、オーバーフローゲート(OFG)122から溢れると、第2の浮遊拡散容量(FD2)123に入力される。
The first floating diffusion capacitor (FD1) 113 is connected to the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 115.
As described above, the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 is connected to the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 via the overflow gate (OFG) 122, and the first floating diffusion capacitor (FD1). When the charge accumulated in 113 overflows from the overflow gate (OFG) 122, it is input to the second floating diffusion capacitor (FD 2) 123.
第2の信号経路において、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)125および選択トランジスタ2(SL2)126は、画素電源(VDD)118と画素出力2(OUT2)127との間に直列接続される。選択トランジスタ2(SL2)126のゲートは、垂直操作回路209からの画素駆動配線203(SL2)に接続され、選択信号が入力される。リセットトランジスタ2(RT2)124は、画素電源(VDD)118とソースフォロアトランジスタ2(SF2)125のゲートとの間に接続される。リセットトランジスタ2(RT2)124のゲートは、垂直操作回路209からの画素駆動配線203(RT2)に接続され、リセット信号を入力される。 In the second signal path, the source follower transistor 2 (SF2) 125 and the selection transistor 2 (SL2) 126 are connected in series between the pixel power supply (VDD) 118 and the pixel output 2 (OUT2) 127. The gate of the selection transistor 2 (SL2) 126 is connected to the pixel drive wiring 203 (SL2) from the vertical operation circuit 209, and a selection signal is input thereto. The reset transistor 2 (RT2) 124 is connected between the pixel power supply (VDD) 118 and the gate of the source follower transistor 2 (SF2) 125. The gate of the reset transistor 2 (RT2) 124 is connected to the pixel drive wiring 203 (RT2) from the vertical operation circuit 209 and receives a reset signal.
また、第2の浮遊拡散容量(FD2)123は、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)125のゲートに接続される。
図3は、図1に示す画素回路(読出し制御回路)202を用いて、信号読出しを行った場合における、各トランジスタの入力信号を表すタイムチャートである。
The second floating diffusion capacitor (FD2) 123 is connected to the gate of the source follower transistor 2 (SF2) 125.
FIG. 3 is a time chart showing an input signal of each transistor when signal reading is performed using the pixel circuit (reading control circuit) 202 shown in FIG.
図3において、各チャートは、選択トランジスタ1、2(SL1、2)116、126
、リセットトランジスタ1、2(RT1、2)114、124、第1の転送トランジスタ(TX)112、オーバーフローゲート(OFG)122の信号波形を示すものであり、SL、RT、TXおよびOFGの後段に記されたかっこの中の数字((1)から(n))は、対応ライン(行)上の1行目からn行目の単位画素であることを示している。
In FIG. 3, each chart shows select transistors 1, 2 (SL1, 2) 116, 126.
, Reset transistors 1 and 2 (RT1 and 2) 114 and 124, first transfer transistor (TX) 112, and overflow gate (OFG) 122 are shown in signal waveforms, and SL, RT, TX and OFG are shown in the subsequent stage. The numbers ((1) to (n)) in the parentheses indicated indicate unit pixels from the first row to the n-th row on the corresponding line (row).
図3に示されるように、選択トランジスタ1、2(SL1、2)116、126がオン状態(SL1とSL2が「H」レベル)の時にリセットトランジスタ1、2(RT1、2)114、124をオン状態(RT1とRT2が「H」レベル)とすることで、第1、第2の浮遊拡散容量(FD1、2)113、123がリセットされる。このことは、全ての行について同じである。
転送トランジスタ(TX)112をオン状態(TX(1)が「H」レベル)とすることで、フォトダイオード(PD)111の信号電荷が転送トランジスタ(TX)112を経て第1の浮遊拡散容量(FD1)113へ移動し、第1の浮遊拡散容量(FD1)113で信号電圧へ変換される。第1の浮遊拡散容量(FD1)113の飽和容量を超える信号電荷が流入してきた場合には、オーバーフローゲート(OFG)122を経て第2の浮遊拡散容量(FD2)123へ移動し、この第2の浮遊拡散容量(FD2)123で信号電圧へ変換される。
As shown in FIG. 3, when the selection transistors 1, 2 (SL1, 2) 116, 126 are in the on state (SL1 and SL2 are at “H” level), the reset transistors 1, 2 (RT1, 2) 114, 124 are turned on. The first and second floating diffusion capacitors (FD1, 2) 113 and 123 are reset by turning on (RT1 and RT2 are at “H” level). This is the same for all rows.
When the transfer transistor (TX) 112 is turned on (TX (1) is at “H” level), the signal charge of the photodiode (PD) 111 passes through the transfer transistor (TX) 112 and the first floating diffusion capacitance ( It moves to (FD1) 113 and is converted into a signal voltage by the first floating diffusion capacitor (FD1) 113. When signal charges exceeding the saturation capacity of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 flow in, the signal charge moves to the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 via the overflow gate (OFG) 122, and this second The floating diffusion capacitance (FD2) 123 is converted into a signal voltage.
ここで、第1の浮遊拡散容量(FD1)113の容量を小さくして変換ゲインを高く設定し、第2の浮遊拡散容量(FD2)123の容量を大きくして変換ゲインを低く設定する。
オーバーフローゲート(OFG)122のゲート電圧(閾値)は第1の浮遊拡散容量(FD1)113の飽和容量を所定の値に設定するため、電圧値を調整した上で所定の一定値に固定される。第1の浮遊拡散容量(FD1)113と第2の浮遊拡散容量(FD2)123の信号電圧はソースフォロアトランジスタ1(SF1)115とソースフォロアトランジスタ2(SF2)125のゲート電極へそれぞれ印加され、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115とソースフォロアトランジスタ2(SF2)125からの出力電流が、画素出力1(OUT1)と画素出力2(OUT2)から別々の垂直信号線204A、Bに出力される。
Here, the conversion gain is set high by reducing the capacitance of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113, and the conversion gain is set low by increasing the capacitance of the second floating diffusion capacitance (FD2) 123.
The gate voltage (threshold value) of the overflow gate (OFG) 122 is fixed to a predetermined constant value after adjusting the voltage value in order to set the saturation capacitance of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 to a predetermined value. . The signal voltages of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 and the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 are applied to the gate electrodes of the source follower transistor 1 (SF1) 115 and the source follower transistor 2 (SF2) 125, respectively. Output currents from the source follower transistor 1 (SF1) 115 and the source follower transistor 2 (SF2) 125 are output from the pixel output 1 (OUT1) and the pixel output 2 (OUT2) to separate vertical signal lines 204A and 204B.
図4は、実施例1に係る単位画素の平面模式図の一例を示すものであり、図1の単位画素の等価回路図に対応させたものである。
すなわち、この平面模式図では、フォトダイオード(PD)111は、転送トランジスタ(TX)112、第1の浮遊拡散容量(FD1)113、リセットトランジスタ1(RT1)114および画素電源(VDD)118を介してソースフォロアトランジスタ1(SF1)115のゲートに接続される、ことが示されている。ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115は、選択トランジスタ1(SL1)116を介して画素出力1(OUT1)117に接続される。
FIG. 4 shows an example of a schematic plan view of a unit pixel according to the first embodiment, which corresponds to the equivalent circuit diagram of the unit pixel of FIG.
That is, in this schematic plan view, the photodiode (PD) 111 is connected via the transfer transistor (TX) 112, the first floating diffusion capacitor (FD1) 113, the reset transistor 1 (RT1) 114, and the pixel power supply (VDD) 118. The source follower transistor 1 (SF1) 115 is connected to the gate. The source follower transistor 1 (SF1) 115 is connected to the pixel output 1 (OUT1) 117 via the selection transistor 1 (SL1) 116.
一方、この平面模式図では、フォトダイオード(PD)111は、転送トランジスタ(TX)112、オーバーフローゲート(OFG)122、第2の浮遊拡散容量(FD2)123、リセットトランジスタ2(RT2)124、画素電源(VDD)118を介してソースフォロアトランジスタ2(SF2)125のゲートに接続される、ことが示されている。ソースフォロアトランジスタ2(SF2)125は、選択トランジスタ2(SL2)126を介して画素出力2(OUT2)127に接続される。 On the other hand, in this schematic plan view, the photodiode (PD) 111 includes a transfer transistor (TX) 112, an overflow gate (OFG) 122, a second floating diffusion capacitor (FD2) 123, a reset transistor 2 (RT2) 124, a pixel. It is shown that it is connected to the gate of the source follower transistor 2 (SF2) 125 via a power supply (VDD) 118. The source follower transistor 2 (SF2) 125 is connected to the pixel output 2 (OUT2) 127 via the selection transistor 2 (SL2) 126.
図5は、低照度である場合について、図4における平面模式図のA−A’線断面を示すものであり、(A)は露光時について、(B)は信号電荷の移動時について、各々示すものである。
なお、各ポテンシャルが示されている部位の名称は、その部位の上方に記号にて示され
ている(図6において同じ)。
また、図中でクロスハッチングで示す部分は、元から、第1の浮遊拡散容量(FD1)113および第2の浮遊拡散容量(FD2)123に存在する電子量を示すものであり、梨地で示す部分は、フォトダイオード(PD)111中、またはフォトダイオード(PD)111から流入した光電子量を示すものである(図6において同じ)。
これらの図から明らかなように、低照度である場合には、フォトダイオード(PD)111の光電子の量が少ないため、転送トランジスタ(TX)112がオン状態のときには、光電子は第1の浮遊拡散容量(FD1)113に移動するだけで、第2の浮遊拡散容量(FD2)123には移動しない。このため第2の浮遊拡散容量(FD2)123は元の電圧VDDのままである。
FIG. 5 shows a cross section taken along the line AA ′ in the schematic plan view of FIG. 4 for the case of low illuminance. (A) is for exposure, and (B) is for movement of signal charge. It is shown.
In addition, the name of the site | part in which each potential is shown is shown by the symbol above the site | part (same in FIG. 6).
In addition, the portion indicated by cross-hatching in the drawing originally shows the amount of electrons existing in the first floating diffusion capacitance (FD1) 113 and the second floating diffusion capacitance (FD2) 123, and is shown in satin. The portion indicates the amount of photoelectrons flowing into or from the photodiode (PD) 111 (same in FIG. 6).
As is clear from these figures, when the illuminance is low, the amount of photoelectrons in the photodiode (PD) 111 is small. Therefore, when the transfer transistor (TX) 112 is on, the photoelectrons are in the first floating diffusion. It moves only to the capacitor (FD1) 113 and does not move to the second floating diffusion capacitor (FD2) 123. Therefore, the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 remains at the original voltage VDD.
一方、図6は、高照度である場合について、図4における平面模式図のA−A’線断面を示すものであり、(A)は露光時について、(B)は信号電荷の移動時について、各々示すものである。
これらの図から明らかなように、高照度である場合には、フォトダイオード(PD)111の光電子の量が多いため、転送トランジスタ(TX)112がオン状態のときには、光電子は第1の浮遊拡散容量(FD1)113に移動するのと同時に、この第1の浮遊拡散容量(FD1)113から溢れ、第2の浮遊拡散容量(FD2)123にも移動する。このため第2の浮遊拡散容量(FD2)123では元の電圧VDDから光電子量が増大した状態となる。
On the other hand, FIG. 6 shows a cross section taken along the line AA ′ in the schematic plan view of FIG. 4 in the case of high illuminance. (A) is for exposure, and (B) is for movement of signal charge. , Respectively.
As is clear from these figures, when the illumination is high, the amount of photoelectrons in the photodiode (PD) 111 is large, so that when the transfer transistor (TX) 112 is on, the photoelectrons are in the first floating diffusion. Simultaneously with the movement to the capacitor (FD1) 113, the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 overflows and moves to the second floating diffusion capacitor (FD2) 123. For this reason, in the second floating diffusion capacitor (FD2) 123, the amount of photoelectrons is increased from the original voltage VDD.
図7(A)は、第1の浮遊拡散容量FD1(113)を経て画素出力回路から出力される高変換ゲインの信号と、第2の浮遊拡散容量FD2(123)を経て画素出力回路から出力される低変換ゲインの信号の入射光強度に対する関係を示す図である。
また、図7(B)は、高変換ゲイン(FD1)の信号と低変換ゲイン(FD2)の信号を、この固体撮像素子の外部における後段の信号処理部(図示されていない)において信号合成される信号(合成後出力信号)を入射光強度との関係において示す図である。
この図7(A)からも分かるように、高変換ゲイン(FD1)の信号は、一定の出力値で飽和し(飽和点)、この入射光強度のときに、丁度、低変換ゲイン(FD2)の信号が立ち上がるので、この低変換ゲイン(FD2)の信号の立ち上がり点で、両信号を繋ぎ合わせるように合成すればよい。
図示するように、この合成後の信号は、低照度時には傾きが大となって、高S/Nとされ、一方、高照度時には傾きが小となって、広ダイナミックレンジとされる。したがって、1つの信号によって、相反する2つの特性を発揮させることができる。したがって、低輝度の被写体に合わせることで高輝度の被写体の信号が飽和してしまったり、高輝度の被写体に合わせることで低輝度の被写体の信号が雑音に埋もれてしまったり、というような不都合を回避することができる。
さらに、本実施例では、光電変換部を分割しないで解像度特性を優れたものとすることができ、露光時間を分割しないで動画撮像特性を優れたものとすることができ、さらに高感度、高S/N化と広ダイナミックレンジ化のトレードオフを解消することができる。
FIG. 7A shows a high conversion gain signal output from the pixel output circuit via the first floating diffusion capacitor FD1 (113) and output from the pixel output circuit via the second floating diffusion capacitor FD2 (123). It is a figure which shows the relationship with respect to the incident light intensity | strength of the signal of the low conversion gain performed.
In FIG. 7B, the signal of the high conversion gain (FD1) and the signal of the low conversion gain (FD2) are combined in a signal processing unit (not shown) at the subsequent stage outside the solid-state imaging device. It is a figure which shows a signal (output signal after a synthesis | combination) in relation to incident light intensity.
As can be seen from FIG. 7A, the signal of the high conversion gain (FD1) is saturated at a constant output value (saturation point), and at this incident light intensity, just the low conversion gain (FD2). Therefore, the two signals may be combined at the rising point of the low conversion gain (FD2) signal.
As shown in the figure, the combined signal has a large slope at low illuminance and high S / N, while the slope is small at high illuminance and has a wide dynamic range. Therefore, two contradictory characteristics can be exhibited by one signal. Therefore, the signal of a high-brightness subject is saturated by matching to a low-brightness subject, or the signal of a low-brightness subject is buried in noise by matching to a high-brightness subject. It can be avoided.
Furthermore, in this embodiment, the resolution characteristics can be made excellent without dividing the photoelectric conversion unit, the moving image pickup characteristics can be made excellent without dividing the exposure time, and the sensitivity and the high The trade-off between S / N and wide dynamic range can be eliminated.
次に、図8は、単位画素のポテンシャルシミュレーションによる結果を表す平面図である。転送トランジスタ(TX)112のゲート電極には2.5V、オーバーフローゲート(OFG)122のゲート電極には1.9V、リセットトランジスタ1(RT1)114、リセットトランジスタ2(RT2)124、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)115、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)125、選択トランジスタ1(SL1)116、選択トランジスタ2(SL2)126のゲート電極には0Vが印加されている。
なお、図8中において、文字を挿入することによる煩雑さによって、各部を表す線等が見難くなることを避けるため、図8の各部の番号は省略している。
Next, FIG. 8 is a plan view showing the result of the potential simulation of the unit pixel. The gate electrode of the transfer transistor (TX) 112 is 2.5 V, the gate electrode of the overflow gate (OFG) 122 is 1.9 V, the reset transistor 1 (RT1) 114, the reset transistor 2 (RT2) 124, and the source follower transistor 1 0 V is applied to the gate electrodes of (SF1) 115, source follower transistor 2 (SF2) 125, selection transistor 1 (SL1) 116, and selection transistor 2 (SL2) 126.
In FIG. 8, the numbers of the respective parts in FIG. 8 are omitted in order to avoid difficulty in seeing lines and the like representing the respective parts due to the complexity of inserting characters.
また、図9は、図8におけるB-B’線断面図である。図9の例では、フォトダイオー
ド(PD)111に光電子が空の状態を示している。
すなわち、このB-B’線断面において、フォトダイオード(PD)111は、伝導帯
の底に電子がたまっていない状態となっており、空の状態となっていることが示されている。一方、第1の浮遊拡散容量(FD1)113および転送トランジスタ(TX)112下部には、電子が所定量入っている状態が示されている。
FIG. 9 is a sectional view taken along line BB ′ in FIG. In the example of FIG. 9, a photoelectron is empty in the photodiode (PD) 111.
That is, in the cross section taken along the line BB ′, it is shown that the photodiode (PD) 111 is in an empty state because no electrons are accumulated at the bottom of the conduction band. On the other hand, under the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 and the transfer transistor (TX) 112, a state in which a predetermined amount of electrons are contained is shown.
一方、図10は、図8におけるC-C’線断面図である。図10の例では、第1の浮遊
拡散容量(FD1)113において、電子が飽和した状態が示されている。
すなわち、第1の浮遊拡散容量(FD1)113は光電子が飽和状態(オーバーフローゲート(OFG)122が満杯状態)となっており、これ以上第1の浮遊拡散容量(FD1)113に光電子が入ってくると、この光電子は第2の浮遊拡散容量(FD2)123に流入する。なお、図10に示す状態では、第2の浮遊拡散容量(FD2)123はVDD=3.3Vの状態であって元の電子の状態であり、第1の浮遊拡散容量(FD1)113からの光電子はまだ流入していない状態とされている。
<実施例2>
On the other hand, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. In the example of FIG. 10, the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 shows a state where electrons are saturated.
That is, the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 is in a saturated state (the overflow gate (OFG) 122 is full), and no more photoelectrons enter the first floating diffusion capacitor (FD1) 113. Then, the photoelectrons flow into the second floating diffusion capacitor (FD2) 123. In the state shown in FIG. 10, the second floating diffusion capacitor (FD2) 123 is in the state of VDD = 3.3V and is in the original electron state, and is from the first floating diffusion capacitor (FD1) 113. The photoelectrons have not yet flowed in.
<Example 2>
以下、本発明の実施例2について、上記図面を参照しながら説明する。
なお、実施例2のものは実施例1のものと共通する部分も多いので、以下の説明において、実施例1の各部に付した番号に200を加えた番号を実施例1の各部に対応した実施例2の各部に付し、その詳しい説明は省略する場合がある。
図12は、実施例2に係る単位画素の画素アレイを有する固体撮像素子、具体的にはCMOSイメージセンサのシステム構成を示すものであって、実施例1について示す図2と
対応するものである。CMOSイメージセンサ400は、光電変換素子を含む単位画素402がアレイ状に2次元配列され、画素駆動配線403、垂直信号線404と接続している画素アレイ401を有するとともに、周辺回路として、カラム信号処理回路405、センサ外部のデジタルCDS回路410と接続される出力回路406、制御回路407、水平走査回路408、および垂直走査回路409から構成されている。
ここで、カラム信号処理回路405および水平走査回路408が、図中の上方および下方に配されているのは、片側に配された場合に比べ、フレーム周波数を2倍にすることができるという理由からである。
Hereinafter, Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, since the thing of Example 2 has many parts in common with the thing of Example 1, in the following description, the number which added 200 to the number attached | subjected to each part of Example 1 respond | corresponded to each part of Example 1. It attaches | subjects to each part of Example 2, and the detailed description may be abbreviate | omitted.
FIG. 12 shows a system configuration of a solid-state imaging device having a pixel array of unit pixels according to the second embodiment, specifically, a CMOS image sensor, and corresponds to FIG. 2 showing the first embodiment. . The CMOS image sensor 400 includes a pixel array 401 in which unit pixels 402 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in an array and connected to a pixel drive wiring 403 and a vertical signal line 404, and a column signal as a peripheral circuit. It comprises a processing circuit 405, an output circuit 406 connected to the digital CDS circuit 410 outside the sensor, a control circuit 407, a horizontal scanning circuit 408, and a vertical scanning circuit 409.
Here, the reason why the column signal processing circuit 405 and the horizontal scanning circuit 408 are arranged above and below in the drawing is that the frame frequency can be doubled compared to the case where they are arranged on one side. Because.
また、図11は、実施例2に係るCMOSイメージセンサに用いられる、画素回路(読出し制御回路)の等価回路図を示すものである。本等価回路は、光電変換部から信号電荷を読み出す画素回路が、前記第1の浮遊拡散容量手段につき、転送トランジスタは配置されていないのでトランジスタ3個から、および前記第2の浮遊拡散容量手段につきオーバーフローゲートを含めてトランジスタ4個から構成され、低照度状態では高S/N状態、高照度状態では広ダイナミックレンジ状態となる信号を生成する構成とされている。
図11に示すように、実施例2における読出し制御回路は、第1の信号経路および第2の信号経路の2系統の信号経路を備えている。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a pixel circuit (reading control circuit) used in the CMOS image sensor according to the second embodiment. In this equivalent circuit, the pixel circuit that reads the signal charge from the photoelectric conversion unit is provided for the first floating diffusion capacitor means, and since no transfer transistor is provided, the three transistors and the second floating diffusion capacitor means are provided. It is composed of four transistors including an overflow gate, and is configured to generate a signal in a high S / N state in a low illuminance state and a wide dynamic range state in a high illuminance state.
As shown in FIG. 11, the read control circuit according to the second embodiment includes two signal paths, ie, a first signal path and a second signal path.
図11に示すように、光電変換素子であるフォトダイオード(PD)311は第1の浮遊拡散容量(FD1)313に接続される。第1の浮遊拡散容量(FD1)313は、オーバーフローゲート(OFG)322を経て第2の浮遊拡散容量(FD2)323に接続される。 As shown in FIG. 11, a photodiode (PD) 311 that is a photoelectric conversion element is connected to a first floating diffusion capacitor (FD1) 313. The first floating diffusion capacitor (FD1) 313 is connected to the second floating diffusion capacitor (FD2) 323 via the overflow gate (OFG) 322.
第1の信号経路である、第1の浮遊拡散容量(FD1)313の画素出力回路は、リセットトランジスタ1(RT1)314、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315、選択トランジスタ1(SL1)316で構成され、画素出力1(OUT1)317は垂
直信号線404Aに接続されている。
The pixel output circuit of the first floating diffusion capacitor (FD1) 313, which is the first signal path, includes a reset transistor 1 (RT1) 314, a source follower transistor 1 (SF1) 315, and a selection transistor 1 (SL1) 316. The pixel output 1 (OUT1) 317 is connected to the vertical signal line 404A.
一方、第2の信号経路である、第2の浮遊拡散容量(FD2)323の画素出力回路は、リセットトランジスタ2(RT2)324、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325、選択トランジスタ2(SL2)326で構成され、画素出力2(OUT2)327は、上記とは別の垂直信号線404Bに接続されている。 On the other hand, the pixel output circuit of the second floating diffusion capacitor (FD2) 323, which is the second signal path, includes a reset transistor 2 (RT2) 324, a source follower transistor 2 (SF2) 325, and a selection transistor 2 (SL2) 326. The pixel output 2 (OUT2) 327 is connected to a vertical signal line 404B different from the above.
リセットトランジスタ1(RT1)314、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315、リセットトランジスタ2(RT2)324、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325の各ドレイン電極は、画素電源(VDD)318に接続されている。 The drain electrodes of the reset transistor 1 (RT1) 314, the source follower transistor 1 (SF1) 315, the reset transistor 2 (RT2) 324, and the source follower transistor 2 (SF2) 325 are connected to a pixel power supply (VDD) 318. .
また、オーバーフローゲート(OFG)322、リセットトランジスタ1(RT1)314、リセットトランジスタ2(RT2)324、選択トランジスタ1(SL1)316、選択トランジスタ2(SL2)326の各ゲート電極は、それぞれの画素駆動配線403に接続されている。 The gate electrodes of the overflow gate (OFG) 322, the reset transistor 1 (RT1) 314, the reset transistor 2 (RT2) 324, the selection transistor 1 (SL1) 316, and the selection transistor 2 (SL2) 326 are driven by the respective pixels. It is connected to the wiring 403.
図11に示す単位画素402の画素回路(読出し制御回路)において、フォトダイオード(PD)311は、入射光の強度に応じた量の負電荷を発生する。このフォトダイオード(PD)311のアノードは接地され、カソードは第1の浮遊拡散容量(FD1)313を介してソースフォロアトランジスタ1(SF1)315のゲートに接続される。 In the pixel circuit (reading control circuit) of the unit pixel 402 shown in FIG. 11, the photodiode (PD) 311 generates an amount of negative charge corresponding to the intensity of incident light. The anode of the photodiode (PD) 311 is grounded, and the cathode is connected to the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 315 via the first floating diffusion capacitor (FD1) 313.
第1の信号経路において、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315および選択トランジスタ1(SL1)316は、画素電源(VDD)318と画素出力1(OUT1)317との間に直列接続される。選択トランジスタ1(SL1)316のゲートは、垂直操作回路409からの画素駆動配線403(SL1)に接続され、選択信号が入力される。リセットトランジスタ1(RT1)314は、画素電源(VDD)318とソースフォロアトランジスタ1(SF1)315のゲートとの間に接続される。リセットトランジスタ1(RT1)314のゲートは、垂直操作回路409からの画素駆動配線403(RT1)に接続され、リセット信号を入力される。 In the first signal path, the source follower transistor 1 (SF1) 315 and the selection transistor 1 (SL1) 316 are connected in series between the pixel power supply (VDD) 318 and the pixel output 1 (OUT1) 317. The gate of the selection transistor 1 (SL1) 316 is connected to the pixel drive wiring 403 (SL1) from the vertical operation circuit 409, and a selection signal is input thereto. The reset transistor 1 (RT1) 314 is connected between the pixel power supply (VDD) 318 and the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 315. The gate of the reset transistor 1 (RT1) 314 is connected to the pixel drive wiring 403 (RT1) from the vertical operation circuit 409 and receives a reset signal.
また、第1の浮遊拡散容量(FD1)313は、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315のゲートに接続される。
前述したように、第2の浮遊拡散容量(FD2)323は、オーバーフローゲート(OFG)322を経て第1の浮遊拡散容量(FD1)313に接続されており、第1の浮遊拡散容量(FD1)313に蓄積された電荷が、オーバーフローゲート(OFG)322から溢れると、第2の浮遊拡散容量(FD2)323に入力される。
The first floating diffusion capacitor (FD1) 313 is connected to the gate of the source follower transistor 1 (SF1) 315.
As described above, the second floating diffusion capacitor (FD2) 323 is connected to the first floating diffusion capacitor (FD1) 313 via the overflow gate (OFG) 322, and the first floating diffusion capacitor (FD1). When the charge accumulated in 313 overflows from the overflow gate (OFG) 322, the charge is input to the second floating diffusion capacitor (FD 2) 323.
第2の信号経路において、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325および選択トランジスタ2(SL2)326は、画素電源(VDD)318と画素出力2(OUT2)327との間に直列接続される。選択トランジスタ2(SL2)326のゲートは、垂直操作回路(図12においては番号409が付されている:以下同じ)からの画素駆動配線403(SL2)に接続され、選択信号が入力される。リセットトランジスタ2(RT2)324は、画素電源(VDD)318とソースフォロアトランジスタ2(SF2)325のゲートとの間に接続される。リセットトランジスタ2(RT2)324のゲートは、垂直操作回路409からの画素駆動配線403(RT2)に接続され、リセット信号を入力される。 In the second signal path, the source follower transistor 2 (SF2) 325 and the selection transistor 2 (SL2) 326 are connected in series between the pixel power supply (VDD) 318 and the pixel output 2 (OUT2) 327. The gate of the selection transistor 2 (SL2) 326 is connected to the pixel drive wiring 403 (SL2) from the vertical operation circuit (numbered 409 in FIG. 12; the same applies hereinafter), and a selection signal is input thereto. The reset transistor 2 (RT2) 324 is connected between the pixel power supply (VDD) 318 and the gate of the source follower transistor 2 (SF2) 325. The gate of the reset transistor 2 (RT2) 324 is connected to the pixel drive wiring 403 (RT2) from the vertical operation circuit 409 and receives a reset signal.
また、第2の浮遊拡散容量(FD2)323は、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325のゲートに接続される。
図13は、図11に示す画素回路(読出し制御回路)402を用いて、信号読出しを行
った場合における、各トランジスタの入力信号を表すタイムチャートである。
The second floating diffusion capacitor (FD2) 323 is connected to the gate of the source follower transistor 2 (SF2) 325.
FIG. 13 is a time chart showing the input signal of each transistor when signal reading is performed using the pixel circuit (reading control circuit) 402 shown in FIG.
図13において、各チャートは、選択トランジスタ1、2(SL1、2)316、326、リセットトランジスタ1、2(RT1、2)314、324、オーバーフローゲート(OFG)322の信号波形を示すものであり、SL、RTおよびOFGの後段に記されたかっこの中の数字((1)から(n))は、対応ライン(行)上の1行目からn行目の単位画素であることを示している。ADCは、AD変換器のサンプリングのタイミングを示している。従来技術では、画素回路がトランジスタ3個から構成される場合、駆動波形は後リセット方式のデジタル式相関二重サンプリング(デジタルCDS)によってリセットノイズを除去する。本方式は画素回路がトランジスタ3個から構成される場合からの改良であるので、駆動波形は後リセット方式のデジタルCDSによってリセットノイズを除去するようになっている。 In FIG. 13, each chart shows signal waveforms of the selection transistors 1, 2 (SL1, 2) 316, 326, the reset transistors 1, 2 (RT1, 2) 314, 324, and the overflow gate (OFG) 322. , SL, RT, and the numbers in parentheses after the OFG ((1) to (n)) indicate unit pixels in the first to nth rows on the corresponding line (row). Yes. ADC indicates the sampling timing of the AD converter. In the prior art, when the pixel circuit is composed of three transistors, the reset noise is removed from the driving waveform by digital correlation double sampling (digital CDS) of the post-reset method. Since this method is an improvement over the case where the pixel circuit is composed of three transistors, reset noise is removed from the drive waveform by a digital CDS of a post-reset method.
図13に示されるように、選択トランジスタ1、2(SL1、2)316、326がオン状態(SL1とSL2が「H」レベル)の時にリセットトランジスタ1、2(RT1、2)314、324をオン状態(RT1とRT2が「H」レベル)とすることで、第1、第2の浮遊拡散容量(FD1、2)313、323がリセットされる。このことは、全ての行について同じである。
フォトダイオード(PD)311の信号電荷は、第1の浮遊拡散容量(FD1)313へ移動し、第1の浮遊拡散容量(FD1)313で信号電圧へ変換される。第1の浮遊拡散容量(FD1)113の飽和容量を超える信号電荷が流入してきた場合には、オーバーフローゲート(OFG)322を経て第2の浮遊拡散容量(FD2)323へ移動し、この第2の浮遊拡散容量(FD2)323で信号電圧へ変換される。
As shown in FIG. 13, when the selection transistors 1, 2 (SL1, 2) 316, 326 are in the ON state (SL1 and SL2 are at “H” level), the reset transistors 1, 2 (RT1, 2) 314, 324 are turned on. The first and second floating diffusion capacitors (FD1, 2) 313, 323 are reset by turning on (RT1 and RT2 are at “H” level). This is the same for all rows.
The signal charge of the photodiode (PD) 311 moves to the first floating diffusion capacitor (FD1) 313 and is converted into a signal voltage by the first floating diffusion capacitor (FD1) 313. When signal charges exceeding the saturation capacity of the first floating diffusion capacitor (FD1) 113 flow in, the signal charge moves to the second floating diffusion capacitor (FD2) 323 via the overflow gate (OFG) 322, and this second The floating diffusion capacitance (FD2) 323 is converted into a signal voltage.
ここで、第1の浮遊拡散容量(FD1)313の容量を小さくして変換ゲインを高く設定し、第2の浮遊拡散容量(FD2)323の容量を大きくして変換ゲインを低く設定する。
オーバーフローゲート(OFG)322のゲート電圧(閾値)は第1の浮遊拡散容量(FD1)313の飽和容量を所定の値に設定するため、電圧値を調整した上で所定の一定値に固定される。第1の浮遊拡散容量(FD1)313と第2の浮遊拡散容量(FD2)323の信号電圧はソースフォロアトランジスタ1(SF1)315とソースフォロアトランジスタ2(SF2)325のゲート電極へそれぞれ印加され、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315とソースフォロアトランジスタ2(SF2)325からの出力電流が、画素出力1(OUT1)と画素出力2(OUT2)から別々の垂直信号線404A、Bに出力される。
Here, the conversion gain is set high by reducing the capacitance of the first floating diffusion capacitance (FD1) 313, and the conversion gain is set low by increasing the capacitance of the second floating diffusion capacitance (FD2) 323.
The gate voltage (threshold value) of the overflow gate (OFG) 322 is fixed to a predetermined constant value after adjusting the voltage value in order to set the saturation capacity of the first floating diffusion capacitor (FD1) 313 to a predetermined value. . The signal voltages of the first floating diffusion capacitor (FD1) 313 and the second floating diffusion capacitor (FD2) 323 are applied to the gate electrodes of the source follower transistor 1 (SF1) 315 and the source follower transistor 2 (SF2) 325, respectively. Output currents from the source follower transistor 1 (SF1) 315 and the source follower transistor 2 (SF2) 325 are output from the pixel output 1 (OUT1) and the pixel output 2 (OUT2) to separate vertical signal lines 404A and 404B.
図14は、実施例2に係る単位画素の平面模式図の一例を示すものであり、図11の単位画素の等価回路図に対応させたものである。
すなわち、この平面模式図では、フォトダイオード(PD)311は、第1の浮遊拡散容量(FD1)313、リセットトランジスタ1(RT1)314および画素電源(VDD)318を介してソースフォロアトランジスタ1(SF1)315のゲートに接続される、ことが示されている。ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315は、選択トランジスタ1(SL1)316を介して画素出力1(OUT1)317に接続される。
FIG. 14 shows an example of a schematic plan view of a unit pixel according to the second embodiment, which corresponds to the equivalent circuit diagram of the unit pixel of FIG.
That is, in this schematic plan view, the photodiode (PD) 311 includes the source follower transistor 1 (SF1) via the first floating diffusion capacitor (FD1) 313, the reset transistor 1 (RT1) 314, and the pixel power supply (VDD) 318. ) Connected to the gate of 315. The source follower transistor 1 (SF1) 315 is connected to the pixel output 1 (OUT1) 317 via the selection transistor 1 (SL1) 316.
一方、この平面模式図では、フォトダイオード(PD)311は、オーバーフローゲート(OFG)322、第2の浮遊拡散容量(FD2)323、リセットトランジスタ2(RT2)324、画素電源(VDD)318を介してソースフォロアトランジスタ2(SF2)325のゲートに接続される、ことが示されている。ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325は、選択トランジスタ2(SL2)326を介して画素出力2(OUT2)327に接続される。 On the other hand, in this schematic plan view, the photodiode (PD) 311 includes an overflow gate (OFG) 322, a second floating diffusion capacitor (FD2) 323, a reset transistor 2 (RT2) 324, and a pixel power supply (VDD) 318. The source follower transistor 2 (SF2) 325 is connected to the gate. The source follower transistor 2 (SF2) 325 is connected to the pixel output 2 (OUT2) 327 via the selection transistor 2 (SL2) 326.
図15(A)は、低照度である場合について、平面模式図である図14のA−A’線断面を示すものであり、信号電荷の移動時について、示すものである。
なお、各ポテンシャルが示されている部位の名称は、その部位の上方に記号にて示されている。
また、図中でクロスハッチングで示す部分は、第1の浮遊拡散容量(FD1)313および第2の浮遊拡散容量(FD2)323に存在する電子量を示すものであり、梨地で示す部分は、フォトダイオード(PD)311から流入した光電子量を示すものである。
これらの図から明らかなように、低照度である場合には、フォトダイオード(PD)311の光電子の発生量が少ないため、光電子は第1の浮遊拡散容量(FD1)313に移動するだけで、第2の浮遊拡散容量(FD2)323には移動しない。このため第2の浮遊拡散容量(FD2)323は元の電圧VDDのままである。
FIG. 15A shows a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 14, which is a schematic plan view, in the case of low illuminance, and shows when signal charges move.
In addition, the name of the site | part in which each potential is shown is shown by the symbol above the site | part.
In addition, the portion indicated by cross hatching in the figure indicates the amount of electrons existing in the first floating diffusion capacitance (FD1) 313 and the second floating diffusion capacitance (FD2) 323, and the portion indicated by satin is This shows the amount of photoelectrons flowing from the photodiode (PD) 311.
As is clear from these figures, when the illumination is low, the amount of photoelectrons generated in the photodiode (PD) 311 is small, so that the photoelectrons only move to the first floating diffusion capacitor (FD1) 313. It does not move to the second floating diffusion capacitor (FD2) 323. Therefore, the second floating diffusion capacitance (FD2) 323 remains at the original voltage VDD.
一方、図15(B)は、高照度である場合について、図14におけるポテンシャル図のA−A’線断面を示すものであり、信号電荷の移動時について、示すものである。
これらの図から明らかなように、高照度である場合には、フォトダイオード(PD)311の光電子の発生量が多いため、光電子は第1の浮遊拡散容量(FD1)313に移動するのと同時に、この第1の浮遊拡散容量(FD1)313から溢れ、第2の浮遊拡散容量(FD2)323にも移動する。このため第2の浮遊拡散容量(FD2)323では元の電圧VDDから光電子量が増大した状態となる。
On the other hand, FIG. 15B shows a cross section taken along the line AA ′ of the potential diagram in FIG. 14 in the case of high illuminance, and shows the movement of the signal charge.
As is clear from these figures, when the illuminance is high, the amount of photoelectrons generated in the photodiode (PD) 311 is large, so that the photoelectrons move to the first floating diffusion capacitor (FD1) 313 at the same time. The first floating diffusion capacitor (FD1) 313 overflows and moves to the second floating diffusion capacitor (FD2) 323. For this reason, in the second floating diffusion capacitor (FD2) 323, the amount of photoelectrons is increased from the original voltage VDD.
なお、本実施例において、第1の浮遊拡散容量FD1(313)を経て画素出力回路から出力される高変換ゲインの信号と、第2の浮遊拡散容量FD2(323)を経て画素出力回路から出力される低変換ゲインの信号の入射光強度に対する関係は、実施例1におい
て図7を用いて行った説明と同様であるので、ここではその説明を省略する。
In this embodiment, a high conversion gain signal output from the pixel output circuit via the first floating diffusion capacitor FD1 (313) and an output from the pixel output circuit via the second floating diffusion capacitor FD2 (323). Since the relationship between the low conversion gain signal and the incident light intensity is the same as that described with reference to FIG. 7 in the first embodiment, the description thereof is omitted here.
次に、図16は、単位画素のポテンシャルシミュレーションによる結果を表す平面図である。オーバーフローゲート(OFG)322のゲート電極には1.9V、リセットトランジスタ1(RT1)314、リセットトランジスタ2(RT2)324、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)315、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)325、選択トランジスタ1(SL1)316、選択トランジスタ2(SL2)326のゲート電極には0Vが印加されている。
実施例1における同様の図である図8と比べると、フォトダイオード(PD)311と第1の浮遊拡散容量(FD1)313との間に転送トランジスタ(TX)112が設けられていない点が相違している(図17について同じ)。
Next, FIG. 16 is a plan view showing the result of the potential simulation of the unit pixel. The gate electrode of the overflow gate (OFG) 322 is 1.9 V, the reset transistor 1 (RT1) 314, the reset transistor 2 (RT2) 324, the source follower transistor 1 (SF1) 315, the source follower transistor 2 (SF2) 325, the selection 0 V is applied to the gate electrodes of the transistor 1 (SL1) 316 and the selection transistor 2 (SL2) 326.
Compared to FIG. 8, which is a similar diagram in the first embodiment, the difference is that the transfer transistor (TX) 112 is not provided between the photodiode (PD) 311 and the first floating diffusion capacitor (FD1) 313. (Same for FIG. 17).
また、図17は、図16におけるB-B’線断面図である。図17の例では、フォトダ
イオード(PD)311に光電子が空の状態を示している。
すなわち、このB-B’線断面において、フォトダイオード(PD)311は、伝導帯
の底に電子がたまっていない状態となっており、空の状態となっていることが示されている。一方、第1の浮遊拡散容量(FD1)313下部には、電子が所定量入っている状態が示されている。
FIG. 17 is a sectional view taken along line BB ′ in FIG. In the example of FIG. 17, a photoelectron is empty in the photodiode (PD) 311.
That is, in the cross section taken along the line BB ′, it is shown that the photodiode (PD) 311 is in an empty state because no electrons are accumulated at the bottom of the conduction band. On the other hand, a state where a predetermined amount of electrons are contained is shown below the first floating diffusion capacitor (FD1) 313.
一方、図16におけるC-C’線断面図である図18は、実施例1における図8のC-C’線断面図と同様であるので、図18の説明は省略する。
以上のように形成された実施例2においては、実施例1のものと共通した構成も多いが、互いに相違する部分も存在する。以下、この相違点を中心として列挙形式にて説明する。
On the other hand, FIG. 18, which is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 16, is the same as the cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG.
In the second embodiment formed as described above, there are many configurations common to those of the first embodiment, but there are also portions that are different from each other. Hereinafter, this difference will be mainly described in an enumerated form.
<実施例1と実施例2の相違点>
実施例1は4トランジスタの画素回路を前提に広ダイナミックレンジ機能を持たせたものとしているのに対し、実施例2は3トランジスタの画素回路を前提に広ダイナミックレンジ機能を持たせたものとしている。したがって、実施例1と実施例2は、前提が4トランジスタの画素回路と3トランジスタの画素回路という点において、互いに相違する(下記相違点1)。
また、実施例1は、4トランジスタの画素回路に広ダイナミックレンジ機能を持たせたものであり、実施例2は、3トランジスタの画素回路に広ダイナミックレンジ機能を持たせたものであることから、互いに異なる画素回路に広ダイナミックレンジ機能を持たせたことによる作用効果の違いにおいて相違する(下記相違点2)。
<Differences between Example 1 and Example 2>
The first embodiment is assumed to have a wide dynamic range function on the premise of a four-transistor pixel circuit, whereas the second embodiment is assumed to have a wide dynamic range function on the premise of a three-transistor pixel circuit. . Therefore, the first embodiment and the second embodiment are different from each other in that the premise is a pixel circuit with four transistors and a pixel circuit with three transistors (difference 1 below).
In the first embodiment, a four-transistor pixel circuit is provided with a wide dynamic range function. In the second embodiment, a three-transistor pixel circuit is provided with a wide dynamic range function. The difference is in the difference in action and effect due to the wide dynamic range function provided to different pixel circuits (difference 2 below).
[1]相違点1
(1)等価回路およびレイアウト
実施例1のものでは、第1の浮遊拡散容量につき、転送トランジスタ(TX)、リセットトランジスタ1(RT1)、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)、および選択トランジスタ1(SL1)の4つのトランジスタ(4トランジスタ方式)で構成されており、第2の浮遊拡散容量につき、オーバーフローゲート(OFG)、リセットトランジスタ2(RT2)、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)、および選択トランジスタ2(SL2)の4つのトランジスタで構成されている。
これに対し、実施例2のものでは、転送トランジスタ(TX)が設けられておらず、第1の浮遊拡散容量につき、リセットトランジスタ1(RT1)、ソースフォロアトランジスタ1(SF1)、および選択トランジスタ1(SL1)の3つのトランジスタ(3トランジスタ方式)で構成されており、第2の浮遊拡散容量につき、オーバーフローゲート(OFG)、リセットトランジスタ2(RT2)、ソースフォロアトランジスタ2(SF2)、および選択トランジスタ2(SL2)の4つのトランジスタで構成されている。
ただし、上記実施例1において、転送トランジスタ(TX)をON状態に保持することで、実施例2のような3トランジスタ用の駆動手法を適用することができる。
(2)駆動波形について
4トランジスタ方式の実施例1においては、リセットしてから信号を読む、前リセット方式を採用しているので、アナログCDSを画素とAD変換器の間に配置して、リセットノイズを除去することができる。
これに対し、3トランジスタ方式の実施例2においては、信号を読んでからリセットする、後リセット方式を採用することになるので、アナログCDSを画素とAD変換器の間に配置しても、リセットノイズを除去することができない。リセットノイズと1フレーム後の信号(信号+リセットノイズ)との間に、リセットノイズに関する相関がある(リセットノイズが略同一レベル)ので、デジタルCDSを適用してリセットノイズを除去することができる。なお、デジタルCDS(図12のデジタルCDS410を参照)としてはセンサチップ外部にフレームメモリを配置することにより構成することができる。
(3)最高フレーム周波数について
3トランジスタ方式の実施例2において、デジタルCDSを採用している場合、リセットノイズと、1フレーム後の信号(信号+リセットノイズ)とをAD変換器で読み出し、両者の差を求め、リセットノイズを相殺して、1フレーム分の画像信号としている(図13を参照)ので、画素以外の回路構成が同じ場合には、3トランジスタ方式を採用した場合は、4トランジスタ方式を採用した場合に比べて、最高フレーム周波数が1/2となる
。
(4)ノイズについて
4トランジスタ方式のリセットノイズと信号(信号+リセットノイズ)間のリセットノイズの相関性は、3トランジスタ方式のリセットノイズと信号(信号+リセットノイズ)間のリセットノイズの相関性よりも強いので、4トランジスタ方式の方がCDSでのリセットノイズのキャンセル効果が大きい。
(5)飽和信号量について
4トランジスタ方式の飽和信号量は、フォトダイオード(PD)の飽和電子量で規定される。露光時にフォトダイオード(PD)からあふれた電子は、浮遊拡散容量(FD)に移動し、リセット時に画素電源(VDD)に放出される。各フレームの蓄積期間にフォトダイオード(PD)からあふれた電子は使用されない。
一方、3トランジスタ方式の飽和信号量は、浮遊拡散容量(FD)の飽和電子量で規定される。フォトダイオード(PD)がn-型で不純物濃度が低いのに対し、浮遊拡散容量
(FD)はn+型で不純物濃度が高いので、浮遊拡散容量(FD)は状態密度が高く、面
積が小さくても、フォトダイオード(PD)よりも飽和電子量が大きい。各フレームの蓄積期間に浮遊拡散容量(FD)からあふれた電子は使用されない。
(6)フォトダイオード(PD)の感度について
各画素にマイクロレンズを付設していない場合、フォトダイオード(PD)の感度はフォトダイオード(PD)の面積により規定される。これに対して、各画素にマイクロレンズを付設している場合、入射光が画素上に集光されるので、フォトダイオード(PD)の感度はフォトダイオード(PD)の面積よりもマイクロレンズの性能に大きく影響される。4トランジスタ方式であるか、3トランジスタ方式であるかにによって、フォトダイオード(PD)の感度が大きく影響を受けるものではない。
[1] Difference 1
(1) Equivalent circuit and layout In the first embodiment, the transfer transistor (TX), the reset transistor 1 (RT1), the source follower transistor 1 (SF1), and the selection transistor 1 (SL1) for the first floating diffusion capacitor 4 transistors (4-transistor type), and for the second floating diffusion capacitance, an overflow gate (OFG), a reset transistor 2 (RT2), a source follower transistor 2 (SF2), and a selection transistor 2 (SL2) 4).
On the other hand, in the second embodiment, the transfer transistor (TX) is not provided, and the reset transistor 1 (RT1), the source follower transistor 1 (SF1), and the selection transistor 1 are provided for the first floating diffusion capacitance. (SL1) is composed of three transistors (three-transistor type), and for the second floating diffusion capacitance, an overflow gate (OFG), a reset transistor 2 (RT2), a source follower transistor 2 (SF2), and a selection transistor 2 (SL2) four transistors.
However, in the first embodiment, the driving method for three transistors as in the second embodiment can be applied by holding the transfer transistor (TX) in the ON state.
(2) Drive waveform In the first embodiment of the four-transistor method, the pre-reset method is adopted in which the signal is read after resetting, so the analog CDS is arranged between the pixel and the AD converter and reset. Noise can be removed.
On the other hand, in the second embodiment of the three-transistor method, a post-reset method is adopted in which a reset is performed after reading a signal. Therefore, even if an analog CDS is arranged between the pixel and the AD converter, the reset is performed. Noise cannot be removed. Since there is a correlation regarding reset noise between the reset noise and the signal after one frame (signal + reset noise) (the reset noise is approximately the same level), the digital CDS can be applied to remove the reset noise. The digital CDS (see the digital CDS 410 in FIG. 12) can be configured by arranging a frame memory outside the sensor chip.
(3) Maximum frame frequency In the case of adopting the digital CDS in the 3-transistor embodiment 2, the reset noise and the signal after one frame (signal + reset noise) are read out by the AD converter. Since the difference is obtained and the reset noise is canceled to obtain an image signal for one frame (see FIG. 13), when the circuit configuration other than the pixel is the same, when the three-transistor method is adopted, the four-transistor method The maximum frame frequency is ½ compared to the case of adopting.
(4) Noise The correlation between the reset noise of the 4-transistor system and the reset noise between the signal (signal + reset noise) is based on the correlation of the reset noise between the 3-transistor system reset noise and the signal (signal + reset noise). Therefore, the 4-transistor method has a larger canceling effect of reset noise in CDS.
(5) Saturation signal amount The saturation signal amount of the 4-transistor system is defined by the saturation electron amount of the photodiode (PD). Electrons overflowing from the photodiode (PD) at the time of exposure move to the floating diffusion capacitance (FD), and are discharged to the pixel power supply (VDD) at the time of reset. Electrons overflowing from the photodiode (PD) during the accumulation period of each frame are not used.
On the other hand, the saturation signal amount of the three-transistor method is defined by the saturation electron amount of the floating diffusion capacitance (FD). The photodiode (PD) is n-type and has a low impurity concentration, whereas the floating diffusion capacitance (FD) is n + and has a high impurity concentration, so that the floating diffusion capacitance (FD) has a high state density and a small area. However, the amount of saturated electrons is larger than that of the photodiode (PD). Electrons overflowing from the floating diffusion capacitance (FD) during the accumulation period of each frame are not used.
(6) Photodiode (PD) Sensitivity When no microlens is attached to each pixel, the sensitivity of the photodiode (PD) is defined by the area of the photodiode (PD). On the other hand, when a microlens is attached to each pixel, incident light is collected on the pixel, so the sensitivity of the photodiode (PD) is higher than that of the photodiode (PD). It is greatly influenced by. The sensitivity of the photodiode (PD) is not greatly affected by the 4-transistor system or the 3-transistor system.
[2]相違点2
(1)実施例1に係る4トランジスタ画素回路を前提に広ダイナミックレンジ機能を持たせたもの(以下、広DR機能付き4Tr.方式と称する場合がある)と、実施例2に係る3トランジスタ画素回路を前提に広ダイナミックレンジ機能を持たせたもの(以下、広DR機能付き3Tr.方式と称する場合がある)とを比較する前に、広DR機能を付加することによる効果について言及する。
この効果としては、(A)光電変換部を分割しないでも、解像度特性において優れていること、(B)露光時間を分割しないでも、動画撮像特性において優れていること、(C)画素出力信号において、高感度、高S/N化と、広ダイナミックレンジ化のトレードオ
フを解消し得ること、(D)超多画素において高フレーム周波数化ができること、が挙げられる。
(2)広DR機能の具体的な構成および効果
第1の浮遊拡散容量(FD1)と第2の浮遊拡散容量(FD2)がオーバーフローゲート(OFG)により接続して構成され、第1の浮遊拡散容量(FD1)の飽和電子量をオーバーフローゲート(OFG)のゲート電圧で調整するとともに、第1の浮遊拡散容量(FD1)からあふれた電子を第2の浮遊拡散容量(FD2)に移動させる。第1の浮遊拡散容量(FD1)と第2の浮遊拡散容量(FD2)は、各々の画素回路を介し、出力部OUT1、2から、互いに異なる信号を出力する。第1の浮遊拡散容量(FD1)の面積は小さく電荷電圧変換係数が高く、一方、第2の浮遊拡散容量(FD2)の面積は大きく電荷電圧変換係数が低い。低照度側は、第1の浮遊拡散容量(FD1)のみを使用して高感度、高S/N信号とし、一方、高照度側は、第1の浮遊拡散容量(FD1)および第2の
浮遊拡散容量(FD2)を使用して高感度、広DR信号とし、センサチップ外部で上記2つの信号を合成して、広DR信号を得る。
なお、広DR機能付き4Tr.方式と、広DR機能付き3Tr.方式の、各広DR機能自体は同じである。
(3)最高フレーム周波数について
画素出力が2種類、設けられていることから、それぞれに対してAD変換器を配設することで、最高フレーム周波数の低下を抑制して、従来技術と同等のフレーム周波数とすることが可能である。
(4)ノイズ、飽和信号量、およびフォトダイオード(PD)の感度について
ノイズ、飽和信号量、およびフォトダイオード(PD)の感度については、上記相違点1と同様である。
(5)広DR機能付き3Tr.方式に光電変換膜を用いる場合について
広DR機能付き3Tr.方式は、光電変換膜を積層することによって以下のような利点を有している(下記実施例3を参照)。この場合、光電変換膜の膜材料は特に限定されるものではない。
光電変換膜を積層した広DR機能付き3Tr.方式は、浮遊拡散容量(FD)のn+型
SiとVIAの金属が、バリアが無い状態で接続されているので、リセットの動作時間と信号の読出時間を短縮することができる(従来技術における3Tr.方式の場合と同等とすることができる)。
なお、光電変換膜を積層した広DR機能付き4Tr.方式は、構造として光電変換膜を積層することはできるが、フォトダイオード(PD)のn-型SiとVIAの金属が接続
され、浮遊拡散容量(FD)のn+型SiとVIAの金属の間に、フォトダイオード(P
D)のn-型Siが入り込み、バリアとして機能するので、リセットの動作時間と信号の
読出時間が長くなるため、問題がある。
また、実施例2に示すような、一般のフォトダイオード(PD)を用いた広DR機能付き3Tr.方式では、画素内においてトランジスタが7個存在し、これらトランジスタが占める面積割合が大きく、フォトダイオード(PD)の開口率が低くなってしまうため、マイクロレンズにより集光させることが必要であるが、後述する実施例3に示すような、光電変換膜を積層した広DR機能付き3Tr.方式のものでは、マイクロレンズなしに開口率を略100%にすることができる。
[2] Difference 2
(1) A device having a wide dynamic range function on the premise of the 4-transistor pixel circuit according to the first embodiment (hereinafter sometimes referred to as a 4Tr. System with a wide DR function) and a 3-transistor pixel according to the second embodiment. Before comparing with a circuit provided with a wide dynamic range function (hereinafter sometimes referred to as a 3Tr. System with a wide DR function), the effect of adding the wide DR function will be described.
The effects are as follows: (A) Even if the photoelectric conversion unit is not divided, the resolution characteristics are excellent; (B) Even when the exposure time is not divided, the moving image imaging characteristics are excellent; and (C) In the pixel output signal The trade-off between high sensitivity, high S / N ratio, and wide dynamic range can be eliminated, and (D) high frame frequency can be achieved in super-multiple pixels.
(2) Specific configuration and effect of wide DR function First floating diffusion capacitance (FD1) and second floating diffusion capacitance (FD2) are connected by an overflow gate (OFG), and the first floating diffusion is formed. The saturation electron amount of the capacitor (FD1) is adjusted by the gate voltage of the overflow gate (OFG), and the electrons overflowing from the first floating diffusion capacitor (FD1) are moved to the second floating diffusion capacitor (FD2). The first floating diffusion capacitor (FD1) and the second floating diffusion capacitor (FD2) output different signals from the output units OUT1 and OUT2 through the respective pixel circuits. The area of the first floating diffusion capacitor (FD1) is small and the charge voltage conversion coefficient is high, while the area of the second floating diffusion capacitor (FD2) is large and the charge voltage conversion coefficient is low. On the low illuminance side, only the first floating diffusion capacitor (FD1) is used to obtain high sensitivity and a high S / N signal, while on the high illuminance side, the first floating diffusion capacitor (FD1) and the second floating diffusion capacitor are used. A diffusion capacitor (FD2) is used to obtain a high sensitivity and wide DR signal, and the above two signals are synthesized outside the sensor chip to obtain a wide DR signal.
Note that 4Tr. System and 3Tr. The wide DR function itself of the system is the same.
(3) About the maximum frame frequency Since two types of pixel outputs are provided, the AD converter is provided for each of them, so that the decrease in the maximum frame frequency is suppressed and the frame equivalent to the conventional technology is provided. It can be a frequency.
(4) Noise, saturation signal amount, and sensitivity of photodiode (PD) Noise, saturation signal amount, and sensitivity of photodiode (PD) are the same as in difference 1 above.
(5) 3Tr. With wide DR function When using a photoelectric conversion film for the system 3Tr. The system has the following advantages by laminating photoelectric conversion films (see Example 3 below). In this case, the film material of the photoelectric conversion film is not particularly limited.
3Tr. With wide DR function with laminated photoelectric conversion film. In the method, since the n + -type Si of the floating diffusion capacitance (FD) and the metal of VIA are connected without a barrier, the reset operation time and the signal readout time can be shortened (in the prior art). It can be equivalent to the case of 3Tr.
Note that 4Tr. With wide DR function in which photoelectric conversion films are stacked. In the method, a photoelectric conversion film can be stacked as a structure, but the n − type Si of the photodiode (PD) and the metal of VIA are connected, and the n + type Si of the floating diffusion capacitance (FD) and the metal of VIA are connected. In between, photodiode (P
Since the n-type Si of D) enters and functions as a barrier, there is a problem because the reset operation time and the signal readout time become long.
Further, as shown in the second embodiment, 3Tr. With a wide DR function using a general photodiode (PD). In the method, since there are seven transistors in the pixel, the area ratio occupied by these transistors is large, and the aperture ratio of the photodiode (PD) becomes low. As shown in Example 3 described later, 3Tr. In the system, the aperture ratio can be made substantially 100% without a microlens.
<実施例3>
上記実施例2において、フォトダイオード(PD)311を光電変換膜(PF)511に置き換えることができるので、このようにフォトダイオード(PD)311の部分のみを光電変換膜(PF)511に置き換えたものを実施例3として、以下に説明する。
<Example 3>
In the second embodiment, since the photodiode (PD) 311 can be replaced with the photoelectric conversion film (PF) 511, only the portion of the photodiode (PD) 311 is replaced with the photoelectric conversion film (PF) 511 in this way. This will be described as Example 3 below.
図19に示すように、実施例3に係る単位画素602の画素アレイを有する固体撮像素子、具体的にはCMOSイメージセンサに用いられる、画素回路(読出し制御回路)の等価回路図を示すものである。実施例3のものは、実施例2のものと共通する部分も多いので、以下の説明においては、実施例2の各部に付した番号に200を加えた番号を、実施例2の各部に対応した実施例3の各部に付し、その詳しい説明は省略する場合がある。 FIG. 19 shows an equivalent circuit diagram of a pixel circuit (reading control circuit) used in a solid-state imaging device having a pixel array of unit pixels 602 according to the third embodiment, specifically, a CMOS image sensor. is there. Since the thing of Example 3 has many parts in common with the thing of Example 2, in the following description, the number which added 200 to each part of Example 2 corresponds to each part of Example 2. It attaches to each part of the Example 3 which was done, and the detailed description may be abbreviate | omitted.
図19に示すように、実施例3における光電変換部は、光電変換膜(PF)511とされている。光電変換膜(PF)511は、各単位画素602上に積層されてなり、第1の浮遊拡散容量(FD1)513に接続される。
このように、光電変換膜を各単位画素602上に積層することにより、各単位画素602を配置するスペースを有効に利用することができ、画素の密度を高めることができる。
As shown in FIG. 19, the photoelectric conversion unit in Example 3 is a photoelectric conversion film (PF) 511. The photoelectric conversion film (PF) 511 is stacked on each unit pixel 602 and connected to the first floating diffusion capacitor (FD1) 513.
As described above, by stacking the photoelectric conversion film on each unit pixel 602, a space for arranging each unit pixel 602 can be used effectively, and the density of the pixels can be increased.
図19に示す単位画素602の画素回路(読出し制御回路)において、光電変換膜(PF)511は、入射光の強度に応じた量の負電荷を発生する。この光電変換膜(PF)511の上部電極(UE)511Aは画素駆動配線(UE)603に接続され、下部電極(LE)511Bは第1の浮遊拡散容量(FD1)513を介してソースフォロアトランジスタ1(SF1)515のゲートに接続される。 In the pixel circuit (reading control circuit) of the unit pixel 602 shown in FIG. 19, the photoelectric conversion film (PF) 511 generates a negative charge of an amount corresponding to the intensity of incident light. The upper electrode (UE) 511A of the photoelectric conversion film (PF) 511 is connected to the pixel drive wiring (UE) 603, and the lower electrode (LE) 511B is a source follower transistor via the first floating diffusion capacitor (FD1) 513. 1 (SF1) 515 is connected to the gate.
図20は、図19に示す画素回路(読出し制御回路)を用いて、信号読出しを行った場合における、各トランジスタの入力信号を表すタイムチャートを示すものである。 FIG. 20 is a time chart showing the input signal of each transistor when signal reading is performed using the pixel circuit (reading control circuit) shown in FIG.
図20における各チャートは、実施例2において説明した図13における各チャート(最上部の上部電極(UE)のチャート以外)と同様であるので各チャートについての説明は省略する。
なお、上部電極(UE)には、常時、L信号が入力されることにより、光電変換膜がON状態であることが維持されるように構成されている。
Since each chart in FIG. 20 is the same as each chart in FIG. 13 described in the second embodiment (other than the chart of the uppermost upper electrode (UE)), description of each chart is omitted.
Note that the upper electrode (UE) is configured such that the photoelectric conversion film is maintained in an ON state by constantly inputting an L signal.
図21は、単位画素の平面模式図と断面模式図の一例を示すものであり、図19の単位画素602の等価回路図に対応させたものである。
すなわち、この平面模式図と断面模式図では、光電変換膜(PF)511は、上部電極(UE)511Aおよび下部電極(LE)511Bによって挟まれた構造とされており、図19に示すように、上部電極(UE)511Aは画素駆動配線(UE)603に接続され、下部電極(LE)511Bは第1の浮遊拡散容量(FD1)513に接続されている。実施例2の図14と比較すると、大きな面積を占めるフォトダイオード(PD)311が無いので、画素サイズの小型化を図ることができる。
FIG. 21 shows an example of a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of a unit pixel, and corresponds to the equivalent circuit diagram of the unit pixel 602 in FIG.
That is, in the schematic plan view and the schematic cross-sectional view, the photoelectric conversion film (PF) 511 is sandwiched between the upper electrode (UE) 511A and the lower electrode (LE) 511B, as shown in FIG. The upper electrode (UE) 511A is connected to the pixel drive wiring (UE) 603, and the lower electrode (LE) 511B is connected to the first floating diffusion capacitor (FD1) 513. Compared with FIG. 14 of the second embodiment, since there is no photodiode (PD) 311 occupying a large area, the pixel size can be reduced.
また、この平面模式図と断面模式図では、下部電極(LE)511Bが第1の浮遊拡散容量(FD1)513に接続され、第1の浮遊拡散容量(FD1)513はオーバーフローゲート(OFG)522を経て第2の浮遊拡散容量(FD2)523に接続される、ことが示されている。 Further, in the schematic plan view and the schematic cross-sectional view, the lower electrode (LE) 511B is connected to the first floating diffusion capacitor (FD1) 513, and the first floating diffusion capacitor (FD1) 513 is the overflow gate (OFG) 522. It is shown that it is connected to the second floating diffusion capacitor (FD2) 523 via
ここでは、光電変換膜(PF)511のキャリアは電子であり上部電極(UE)511Aに負電圧が印加されている場合について記載したが、キャリアが正孔であり上部電極(UE)に正電圧が印加されている場合についても同様の効果が得られる。 Although the case where the carrier of the photoelectric conversion film (PF) 511 is an electron and a negative voltage is applied to the upper electrode (UE) 511A is described here, the carrier is a hole and the positive voltage is applied to the upper electrode (UE). The same effect can be obtained even when is applied.
本実施形態の撮像装置、駆動方法および読出し制御回路においては、上述したような構成とされたことで、低照度状態においては、飽和レベルを狭めることなく、線形かつ高S/Nの信号取得を行うことができ、高照度状態においては、線形領域での良好なS/Nを確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる。
特に、低照度状態用と高照度状態用とで、それぞれが、画素出力回路と信号出力線を備えているため、同一時刻に同一光電変換部で得られた光信号を高フレーム周波数で読みだすことが可能であり、優れた動画撮像特性と解像度特性を有しつつ、超多画素を高フレーム周波数で読みだす撮像機器に対応することができる。
このような作用効果は、例えば、従来技術において説明した特許文献2(特許第5066704号公報)に記載のものに比べて、スーパーハイビジョン等のように、超多画素を高フレーム周波数で読みだす場合に、極めて有利である。
In the imaging apparatus, driving method, and readout control circuit of the present embodiment, the above-described configuration enables linear and high S / N signal acquisition without reducing the saturation level in a low illuminance state. In a high illuminance state, the dynamic range can be expanded while ensuring a good S / N in the linear region.
In particular, for low illuminance state and high illuminance state, each has a pixel output circuit and signal output line, so the optical signal obtained by the same photoelectric conversion unit at the same time is read at high frame frequency Therefore, it is possible to cope with an imaging device that reads an extremely large number of pixels at a high frame frequency while having excellent moving image imaging characteristics and resolution characteristics.
Such an operational effect is obtained when, for example, a super-multi-pixel is read at a high frame frequency, such as Super Hi-Vision, as compared with that described in Patent Document 2 (Patent No. 5066704) described in the related art. Very advantageous.
さらに、本発明の読出し制御回路、固体撮像素子、および撮像素子の駆動方法としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様のものを採用し得る。例えば、上記実施形態においては、画像出力回路部を2組、出力信号線を2つ、各々設けているが、これに替えて画像出力回路部を3組以上、出力信号線を3つ以上設けてもよい。画像出力回路部を3組、出力信号線を3つとしたときは、高照度、中照度、低照度の各露光時に対応させることが可能となる。 Furthermore, the readout control circuit, the solid-state imaging device, and the driving method of the imaging device of the present invention are not limited to those of the above-described embodiment, and other various modes can be adopted. For example, in the above-described embodiment, two sets of image output circuit units and two output signal lines are provided, but three or more sets of image output circuit units and three or more output signal lines are provided instead. May be. When there are three sets of image output circuit units and three output signal lines, it is possible to cope with each exposure of high illuminance, medium illuminance, and low illuminance.
また、各単位画素の等価回路構成としても図1、図11および図19に示す回路のものに限られるものではなく、その他の種々の態様のものに変更することが可能であり、各画素出力回路部におけるトランジスタの数を増加させることも可能である。
また、各浮遊拡散容量(FD1、2)113、123、313、323、513、523の飽和状態電圧(オーバーフローゲート(OFG)のゲート設定値)や各種トランジスタのゲート電圧としても、上記実施形態のものに限られるものではなく、適切な値に設定することが可能である。
Also, the equivalent circuit configuration of each unit pixel is not limited to the circuit shown in FIGS. 1, 11, and 19, and can be changed to other various modes. It is also possible to increase the number of transistors in the circuit portion.
Further, the saturation state voltages (gate set values of the overflow gate (OFG)) of the floating diffusion capacitors (FD1, 2) 113, 123, 313, 323, 513, and 523 and the gate voltages of various transistors are also described in the above embodiment. It is not restricted to a thing, It is possible to set to an appropriate value.
111、311 フォトダイオード(PD)
112 転送トランジスタ(TX)
113、313、513 第1の浮遊拡散容量(FD1)
114、314、514 リセットトランジスタ1(RT1)
115、315、515 ソースフォロアトランジスタ1(SF1)
116、316、516 選択トランジスタ1(SL1)
117、317、517 画素出力1(OUT1)
118、318、518 画素電源(VDD)
122、322、522 オーバーフローゲート(OFG)
123、323、523 第2の浮遊拡散容量(FD2)
124、324、524 リセットトランジスタ2(RT2)
125、325、525 ソースフォロアトランジスタ2(SF2)
126、326、526 選択トランジスタ2(SL2)
127、327、527 画素出力2(OUT2)
200、400 CMOSイメージセンサ
201、401 画素アレイ
202、402、602 単位画素
203、403、603 画素駆動配線
204、204A、B、404A、B、604A、B 垂直信号線
205、405 カラム信号処理回路
206、406 出力回路
207、407 制御回路
208、408 水平走査回路
209、409 垂直走査回路
410 デジタルCDS
511 光電変換膜(PF)
511A 上部電極(UE)
511B 下部電極(LE)
111,311 Photodiode (PD)
112 Transfer transistor (TX)
113, 313, 513 First floating diffusion capacitance (FD1)
114, 314, 514 Reset transistor 1 (RT1)
115, 315, 515 Source follower transistor 1 (SF1)
116, 316, 516 Select transistor 1 (SL1)
117, 317, 517 Pixel output 1 (OUT1)
118, 318, 518 Pixel power supply (VDD)
122, 322, 522 Overflow gate (OFG)
123, 323, 523 Second floating diffusion capacitance (FD2)
124, 324, 524 Reset transistor 2 (RT2)
125, 325, 525 Source follower transistor 2 (SF2)
126, 326, 526 Select transistor 2 (SL2)
127, 327, 527 Pixel output 2 (OUT2)
200, 400 CMOS image sensor 201, 401 Pixel array 202, 402, 602 Unit pixel 203, 403, 603 Pixel drive wiring 204, 204A, B, 404A, B, 604A, B Vertical signal line 205, 405 Column signal processing circuit 206 , 406 Output circuit 207, 407 Control circuit 208, 408 Horizontal scanning circuit 209, 409 Vertical scanning circuit 410 Digital CDS
511 Photoelectric conversion film (PF)
511A Upper electrode (UE)
511B Lower electrode (LE)
Claims (6)
該第1の浮遊拡散容量手段からの信号がオーバーフローゲートを経て入力され蓄積される、容量が大きく変換ゲインが小さい第2の浮遊拡散容量手段とを備え、
該第1の浮遊拡散容量手段と該第2の浮遊拡散容量手段は、ともに、固有の画素出力回路を備えていることを特徴とする読出し制御回路。 In the readout control circuit of the solid-state imaging device, a first floating diffusion capacitance unit that accumulates signals from the photoelectric conversion unit and has a small capacitance and a large conversion gain;
A second floating diffusion capacitor means having a large capacitance and a small conversion gain, in which a signal from the first floating diffusion capacitor means is inputted and stored via an overflow gate;
Both the first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means include a unique pixel output circuit.
前記固有の画素出力回路の各々から出力された信号を、対応する出力信号線に出力する、該画素出力回路各々に応じて設けられた出力部とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。 A read control circuit according to any one of claims 1 to 4,
A solid-state imaging device, comprising: an output unit provided in accordance with each pixel output circuit that outputs a signal output from each of the unique pixel output circuits to a corresponding output signal line.
前記第1の浮遊拡散容量手段と前記第2の浮遊拡散容量手段をリセットし、信号の蓄積期間に前記光電変換部から前記第1の浮遊拡散容量手段に光電子が移動する際に、
前記オーバーフローゲートのゲート電圧を所定の値として前記第1の浮遊拡散容量手段の飽和容量を設定し、前記第1の浮遊拡散容量手段から光電子が溢れた際には、この溢れた電子を前記第2の浮遊拡散容量手段へ移動させ、前記第1の浮遊拡散容量手段と前記第2の浮遊拡散容量手段について光電子量と変換ゲインにより定まる各信号電圧を、対応するソースフォロア素子によって各画素出力信号に変換し、この後、この2つの画素出力信号を、各々が対応する出力信号線に出力することを特徴とする固体撮像素子を駆動する駆動方法。 A driving method for driving the solid-state imaging device according to claim 5,
When the first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means are reset and photoelectrons move from the photoelectric conversion unit to the first floating diffusion capacitance means during a signal accumulation period,
When the gate voltage of the overflow gate is set to a predetermined value, the saturation capacity of the first floating diffusion capacitor means is set, and when photoelectrons overflow from the first floating diffusion capacitor means, the overflow electrons are transferred to the first floating diffusion capacitor means. Each of the first floating diffusion capacitance means and the second floating diffusion capacitance means, the signal voltage determined by the amount of photoelectrons and the conversion gain for each pixel output signal by the corresponding source follower element. A driving method for driving a solid-state imaging device, wherein the two pixel output signals are output to corresponding output signal lines.
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