JP2013153319A - Solid-state imaging device, method of driving solid-state imaging device, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、光電変換により生成されて転送されてくる信号電荷を蓄積するための蓄積部を備える固体撮像素子、当該固体撮像素子の駆動方法、及び、当該固体撮像素子を有する電子機器に関する。 The present technology relates to a solid-state imaging device including a storage unit for storing signal charges generated and transferred by photoelectric conversion, a method for driving the solid-state imaging device, and an electronic apparatus having the solid-state imaging device.
電荷結合素子(CCD)を用いたCCD固体撮像素子においては、複数のフォトダイオード(PD)が2次元マトリックス状に配列され、これら複数の受光センサ部のフォトダイオードに入射する被写体の光信号に基づく信号電荷が、発生並びに蓄積される。蓄積された信号電荷は、フォトダイオードの列毎に配置したCCD構造の垂直転送レジスタにより垂直方向に転送されると共に、CCD構造の水平転送レジスタによって水平方向に転送される。そして、水平方向に転送された信号電荷は、出力部によって電圧に変換出力される。 In a CCD solid-state imaging device using a charge coupled device (CCD), a plurality of photodiodes (PD) are arranged in a two-dimensional matrix, and are based on the optical signal of a subject incident on the photodiodes of the plurality of light receiving sensor portions. Signal charge is generated and stored. The accumulated signal charges are transferred in the vertical direction by a CCD structure vertical transfer register arranged for each column of photodiodes, and transferred in the horizontal direction by a CCD structure horizontal transfer register. The signal charge transferred in the horizontal direction is converted into a voltage by the output unit and output.
出力部は、通常、いわゆるフローティングディフージョン型アンプ(FD型アンプ)で構成されており、水平転送レジスタの終段に接続されたフローティングディフージョン(FD)とソースフォロア回路(出力回路部)とを備える。ソースフォロア回路は、微小な信号を増幅して出力するため、複数のソースフォロア回路を多段的に接続して構成される。これにより、水平転送レジスタを転送された各画素の信号電荷は、信号電荷に応じた信号電圧に変換出力される。 The output unit is usually composed of a so-called floating diffusion type amplifier (FD type amplifier), and includes a floating diffusion (FD) connected to the final stage of the horizontal transfer register and a source follower circuit (output circuit unit). Prepare. The source follower circuit is configured by connecting a plurality of source follower circuits in multiple stages in order to amplify and output a minute signal. As a result, the signal charge of each pixel transferred to the horizontal transfer register is converted and output to a signal voltage corresponding to the signal charge.
ここで、近年のCCD固体撮像装置においては、ソースフォロア回路の駆動MOSトランジスタのゲート長を縮小することにより電流駆動能力を向上し、トランジスタサイズを小型化している。これにより、ソースフォロア回路の性能(例えば、変換効率や周波数特性)が向上し、カメラの高性能化に寄与している。ただし、駆動MOSトランジスタのゲート長を縮小すると、ソース−ドレイン間が高電位化し、ホットキャリアが発生しやすくなるというデメリットもある。 Here, in recent CCD solid-state imaging devices, the current drive capability is improved by reducing the gate length of the drive MOS transistor of the source follower circuit, and the transistor size is reduced. Thereby, the performance (for example, conversion efficiency and frequency characteristics) of the source follower circuit is improved, which contributes to high performance of the camera. However, if the gate length of the driving MOS transistor is reduced, there is a demerit that the potential between the source and the drain is increased and hot carriers are easily generated.
ホットキャリアとは、ソースフォロア回路の駆動MOSトランジスタにおいて、ソースからドレインに流れる電子がドレイン近傍の高電界により加速されてシリコン結晶格子に衝突して放出される2次電子とフォトン(電子・正孔対)を指す。ホットキャリアが生成されると、ホットキャリア発光が発生する。また、電子・正孔対のうち、正孔の大部分は、基板に向かって流れ基板電流となる。 Hot carriers are secondary electrons and photons (electrons / holes) emitted from a source MOS transistor driven by a source follower circuit in which electrons flowing from the source to the drain are accelerated by a high electric field near the drain and collide with the silicon crystal lattice. Point to). When hot carriers are generated, hot carrier emission occurs. Moreover, most of the holes out of the electron-hole pairs flow toward the substrate and become a substrate current.
ホットキャリア発光は、エミッション顕微鏡観察により、ソースフォロア回路の駆動MOSトランジスタの部分で発光することが確認されている。特に、最終段の駆動MOSトランジスタでの発光が比較的顕著である。これは、nチャネルMOSトランジスタを駆動MOSトランジスタとするソースフォロア回路では、最終段の駆動MOSトランジスタのソース電圧とドレイン電圧の差異が最も大きいためである。 It has been confirmed that hot carrier light emission is emitted from the drive MOS transistor portion of the source follower circuit by observation with an emission microscope. In particular, light emission from the driving MOS transistor at the final stage is relatively remarkable. This is because in the source follower circuit in which the n-channel MOS transistor is a drive MOS transistor, the difference between the source voltage and the drain voltage of the final-stage drive MOS transistor is the largest.
ホットキャリアが発生すると、ホットキャリア現象により発生した電子・正孔対が再結合して発する光、あるいはホットキャリア発光が画素領域内に進入し、ノイズとして検出される現象が確認されている。あるいは、ホットキャリア現象により発生した電子・正孔対のうち、電子が拡散して画素領域の光電変換部に進入し、ノイズとなることも考えられる。これらノイズの影響は、ソースフォロア回路が画素領域付近に配置されている場合、特に顕著である。 It has been confirmed that when hot carriers are generated, light emitted by recombination of electron-hole pairs generated by the hot carrier phenomenon or hot carrier emission enters the pixel region and is detected as noise. Alternatively, it is conceivable that among the electron / hole pairs generated by the hot carrier phenomenon, the electrons diffuse and enter the photoelectric conversion portion in the pixel region, resulting in noise. The influence of these noises is particularly noticeable when the source follower circuit is arranged near the pixel region.
具体的には、CCDカメラにおいて、ソースフォロア回路でのホットキャリア現象に起因し、暗時の撮影など長時間露光モード(露光時間が1秒〜数分程度)の場合、ソースフォロア回路を中心とした円状に画像の輝度が上がる(画像が光って見える)現象が確認されている。露光時間の増加に伴い、高輝度領域の輝度や範囲は増加する傾向が見られる。この高輝度領域は、画像ノイズとして画像を劣化させる。むろん、ホットキャリア特性が悪い場合は、露光時間の短い通常露光モードにおいても同様に画像が劣化する。 Specifically, in a CCD camera, due to the hot carrier phenomenon in the source follower circuit, in the long exposure mode (exposure time of about 1 second to several minutes) such as shooting in the dark, the source follower circuit is the center. It has been confirmed that the brightness of the image increases in a circular shape (the image appears to shine). As the exposure time increases, the brightness and range of the high brightness area tend to increase. This high luminance region degrades the image as image noise. Of course, when the hot carrier characteristics are poor, the image is similarly deteriorated even in the normal exposure mode with a short exposure time.
特許文献1では、長時間露光モードでのホットキャリアや発光の発生箇所を中心に円状にセンサに不要電荷が溜まって光ったように写るホットスポットという現象を抑制するため、長時間露光モード期間中に、ホットキャリア発生箇所のトランジスタに流れる電流を軽減する駆動方法と回路構成が提案されている。
In
上述した特許文献1の技術においては、ホットスポットを抑制するために基板バイアス電圧を制御する手法を用いているため、基板バイアス電圧を制御するため、多数の回路素子を追加する必要があり、トランジスタの使用数や回路規模・回路面積を増大させることとなっていた。
In the technique of
本技術は上記課題に鑑みて考案されたものであり、出力信号の線形性やゲイン特性を維持しつつ、又、トランジスタの使用数や回路規模・回路面積を増大させることなく、ホットキャリアに起因する白浮きを抑制可能な固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、電子機器を提供することを目的とする。 This technology has been devised in view of the above problems, and it is caused by hot carriers while maintaining the linearity and gain characteristics of the output signal and without increasing the number of transistors used, circuit scale, or circuit area. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing white floating, a driving method of the solid-state imaging device, and an electronic apparatus.
本技術に係る固体撮像素子の態様の1つは、受光量に応じた信号電荷を生成するための光電変換部と、前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、基準電圧を入力されているリセット部と、前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成されており、前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、を備える。 One aspect of the solid-state imaging device according to the present technology includes a photoelectric conversion unit for generating a signal charge corresponding to the amount of received light, a transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit, An accumulation unit for accumulating the signal charges transferred from the photoelectric conversion unit by the transfer unit; a reset unit to which a reference voltage is input; a switch unit for switching connection between the accumulation unit and the reset unit; An output circuit configured to include a source follower circuit connected to the storage unit, outputting a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit, and the reference voltage according to an operating state of the solid-state imaging device; A reference voltage control unit for changing.
本技術によれば、出力信号の線形性やゲイン特性を維持しつつ、又、トランジスタの使用数や回路規模・回路面積を増大させることなく、ホットキャリアに起因する白浮きを抑制することが可能になる。 According to this technology, whilst maintaining the linearity and gain characteristics of the output signal, it is possible to suppress whitening caused by hot carriers without increasing the number of transistors used, circuit scale, or circuit area. become.
以下、下記の順序に従って本技術を説明する。
(1)本技術の態様:
(2)撮像装置の構成:
(3)固体撮像素子の構成:
(4)電荷電圧変換部の構成:
(5)まとめ:
Hereinafter, the present technology will be described in the following order.
(1) Aspects of the present technology:
(2) Configuration of imaging device:
(3) Configuration of solid-state image sensor:
(4) Configuration of the charge-voltage converter:
(5) Summary:
(1)本技術の態様:
本技術に係る固体撮像素子の態様の1つは、受光量に応じた信号電荷を生成するための光電変換部と、前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、基準電圧を入力されているリセット部と、前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、前記蓄積部に接続されていて、前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成されており、前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、を備える構成としてある。
(1) Aspects of the present technology:
One aspect of the solid-state imaging device according to the present technology includes a photoelectric conversion unit for generating a signal charge corresponding to the amount of received light, a transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit, An accumulation unit for accumulating the signal charges transferred from the photoelectric conversion unit by the transfer unit; a reset unit to which a reference voltage is input; a switch unit for switching connection between the accumulation unit and the reset unit; An output circuit that is connected to the storage unit and includes a source follower circuit connected to the storage unit, and that outputs a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit; And a reference voltage control unit for changing the reference voltage according to the operation state.
当該態様において、前記光電変換部が受光量に応じた信号電荷を生成すると、前記転送部は、前記光電変換部が生成した信号電荷を前記蓄積部へ転送する。これにより、前記蓄積部には、前記光電変換部の受光量に応じた信号電荷が蓄積される。 In this aspect, when the photoelectric conversion unit generates a signal charge corresponding to the amount of received light, the transfer unit transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion unit to the storage unit. As a result, signal charges corresponding to the amount of light received by the photoelectric conversion unit are stored in the storage unit.
また、前記光電変換部から前記蓄積部へ新たな信号電荷を転送する前に、前記スイッチ部が、前記リセット部と前記蓄積部とを適宜のタイミングで接続する。これにより、前記蓄積部は前記リセット部に入力されている基準電圧にリセットされる。従って、前記蓄積部には、前記転送部が順次に単位転送回数分の信号電荷をしてきたときに、この単位転送回数分の信号電荷が蓄積される。なお、単位転送回数は、1以上の整数であり、例えば1回、2回、等である。 Further, before transferring a new signal charge from the photoelectric conversion unit to the storage unit, the switch unit connects the reset unit and the storage unit at an appropriate timing. As a result, the storage unit is reset to the reference voltage input to the reset unit. Therefore, when the transfer unit sequentially generates signal charges for the number of unit transfers, the signal charges for the number of unit transfers are stored in the storage unit. The number of unit transfers is an integer of 1 or more, for example once, twice, etc.
ここで、固体撮像素子においては、前記出力回路においてホットキャリアが発生する可能性がある。前記出力回路におけるホットキャリアは、前記出力回路がソースフォロワ回路構成を取るため、前記蓄積部の基準電圧、すなわち前記リセット部に入力されている基準電圧に依存する。 Here, in the solid-state imaging device, hot carriers may be generated in the output circuit. The hot carrier in the output circuit depends on the reference voltage of the storage unit, that is, the reference voltage input to the reset unit, because the output circuit has a source follower circuit configuration.
また、前記出力回路において発生するホットキャリアは、例えば、露光時間、開口率、シャッター速度、ISO等の感度、等といった露光に関する各種の動作状態に応じて変化する。これらの動作状態は、装置内部では設定値によって管理されることが多く、実際の製品においては、いわゆる動作モードとして設定されることが多い。 The hot carrier generated in the output circuit changes in accordance with various operation states related to exposure such as exposure time, aperture ratio, shutter speed, ISO sensitivity, and the like. These operation states are often managed by setting values inside the apparatus, and in actual products, they are often set as so-called operation modes.
そこで、当該態様に係る固体撮像素子においては、前記基準電圧制御部により、当該固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させることができるようになっている。特に、ホットキャリアの発生量が増大する可能性のある動作状態や、画質に悪影響のあるレベルのホットキャリアが発生する可能性のある動作状態において、ホットキャリアを抑制するように前記基準電圧を制御することが好ましい。 Therefore, in the solid-state imaging device according to this aspect, the reference voltage can be changed by the reference voltage control unit according to the operating state of the solid-state imaging device. In particular, the reference voltage is controlled so as to suppress hot carriers in an operating state in which the amount of hot carriers generated may increase or in an operating state in which hot carriers at a level that adversely affects image quality may occur. It is preferable to do.
また、ソースフォロワ回路における駆動MOSトランジスタのソース−ドレイン間電位差が大きいほど、ホットキャリアが前記信号電荷に影響するため、後段のソースフォロワ回路における駆動MOSトランジスタのソース−ドレイン間電位差が小さくなるように、前記基準電圧を変化させる。これにより、ホットキャリアによる前記信号電荷に対する悪影響が抑制される。 Further, the larger the potential difference between the source and drain of the driving MOS transistor in the source follower circuit is, the more hot carriers affect the signal charge, so that the potential difference between the source and drain of the driving MOS transistor in the source follower circuit at the subsequent stage becomes smaller. The reference voltage is changed. Thereby, the bad influence with respect to the said signal charge by a hot carrier is suppressed.
次に、本技術に係る固体撮像素子の選択的な他の態様においては、前記基準電圧制御部は、静止画を撮像するために設けた露光期間の少なくとも一部において、前記基準電圧を、露光期間以外に比べて高い電圧に変化させる構成としてある。 Next, in another selective aspect of the solid-state imaging device according to the present technology, the reference voltage control unit exposes the reference voltage in at least a part of an exposure period provided for capturing a still image. The configuration is such that the voltage is changed to a higher voltage than in other periods.
当該態様に係る固体撮像素子は、前記転送部が前記蓄積部へ信号電荷を転送する直前に設けられる露光期間において、前記基準電圧を、前記露光期間以外の期間に比べて高い電圧に変化させている。 In the solid-state imaging device according to this aspect, in the exposure period provided immediately before the transfer unit transfers the signal charge to the storage unit, the reference voltage is changed to a higher voltage than the period other than the exposure period. Yes.
露光期間は、前記出力回路が前記電圧信号を出力しない期間である。従って、前記基準電圧を変化させても、前記電圧信号に影響することはない。よって、出力回路が出力する電圧信号に影響させることなく、ホットキャリアの影響を抑制することができる。 The exposure period is a period in which the output circuit does not output the voltage signal. Therefore, even if the reference voltage is changed, the voltage signal is not affected. Therefore, the influence of hot carriers can be suppressed without affecting the voltage signal output from the output circuit.
次に、本技術に係る固体撮像素子の選択的な他の態様においては、前記基準電圧制御部は、静止画を撮像するために設けた露光期間の少なくとも一部において、前記基準電圧を、前記蓄積部に蓄積される信号電荷に応じた信号電圧を入力されるバッファー回路の性能保証の範囲外となる電圧に変化させる構成としてある。 Next, in another selective aspect of the solid-state imaging device according to the present technology, the reference voltage control unit is configured to use the reference voltage in the exposure period provided for capturing a still image. In this configuration, the signal voltage corresponding to the signal charge stored in the storage unit is changed to a voltage that is outside the performance guarantee range of the input buffer circuit.
通常であれば、前記蓄積部をリセットするための基準電圧を前記バッファー回路の性能保証の範囲外に変化させると、前記蓄積部が出力した信号電圧が前記バッファー回路において飽和する等といった画質に対する悪影響が発生するが、露光期間であれば、このような悪影響は発生しない。 Normally, if the reference voltage for resetting the storage unit is changed outside the guaranteed performance range of the buffer circuit, the signal voltage output from the storage unit is saturated in the buffer circuit. However, such an adverse effect does not occur during the exposure period.
一方、ホットキャリアの流入抑制の効果は、上述したように、後段のソースフォロワ回路における駆動MOSトランジスタのソース−ドレイン間電位差が小さいほど高い。このソース−ドレイン間電位差は、前記基準電圧が高いほど小さくなる。そこで、当該態様においては、基準電圧の変動範囲を出力バッファー回路の性能保証の範囲内に限定せず、基準電圧を出力バッファー回路の性能保証の範囲外へ変動できるようにし、前記リセット部が保持する基準電圧を、ホットキャリアの発生の抑制効果が高まる方向に可能な限り変化させる。これにより、ホットキャリアによる悪影響を抑制する効果を高めることができる。 On the other hand, as described above, the effect of suppressing the inflow of hot carriers increases as the potential difference between the source and drain of the driving MOS transistor in the source follower circuit at the subsequent stage is smaller. This source-drain potential difference becomes smaller as the reference voltage is higher. Therefore, in this aspect, the reference voltage variation range is not limited to the output buffer circuit performance guarantee range, but the reference voltage can be varied outside the output buffer circuit performance guarantee range, and the reset unit holds the reference voltage. The reference voltage to be changed is changed as much as possible in the direction in which the effect of suppressing the generation of hot carriers increases. Thereby, the effect which suppresses the bad influence by a hot carrier can be heightened.
次に、本技術に係る固体撮像素子の選択的な他の態様においては、前記基準電圧制御部は、当該固体撮像素子の内部信号を利用して、前記蓄積部の基準電圧を自動的に変化させる構成としてある。 Next, in another selective aspect of the solid-state imaging device according to the present technology, the reference voltage control unit automatically changes the reference voltage of the storage unit using an internal signal of the solid-state imaging device. This is a configuration to be made.
当該態様においては、内部信号を利用して基準電圧を変化させるため、外部から別途に特別な信号を入力する必要が無く、回路規模や回路面積を増大する必要が無く、設計変更も最小限で済む。また、内部信号を利用するため、外部からの制御等を必要とせず、基準電圧を自動的に変化させることが容易である。 In this aspect, since the reference voltage is changed using an internal signal, it is not necessary to input a special signal separately from the outside, it is not necessary to increase the circuit scale and circuit area, and design changes are minimized. That's it. Further, since an internal signal is used, it is easy to automatically change the reference voltage without requiring external control or the like.
その他、本技術に係る固体撮像素子の選択的な他の態様においては、前記蓄積部は、フローティングディフュージョン部であり、前記リセット部は、前記基準電圧を入力されているドレイン部であり、前記スイッチ部は、前記蓄積部と前記ドレイン部との間の接続を切り替えるゲート部であり、を備え、前記フローティングディフュージョン部は、前記ゲート部の制御によってドレイン部と接続されることにより前記基準電圧にリセットされる構成としてある。 In another selective aspect of the solid-state imaging device according to the present technology, the storage unit is a floating diffusion unit, the reset unit is a drain unit to which the reference voltage is input, and the switch A gate unit that switches a connection between the storage unit and the drain unit, and the floating diffusion unit is reset to the reference voltage by being connected to the drain unit under the control of the gate unit The configuration is as follows.
なお、上述した本技術の概要においては、ホットキャリアの抑制を目的として前記基準電圧を変化させる場合を例に取り説明しているが、むろん、この目的に限らず、様々な目的で前記基準電圧を前記動作状態に応じて変化させる技術も本開示に含むものである。 In the outline of the present technology described above, the case where the reference voltage is changed for the purpose of suppressing hot carriers is described as an example. However, the reference voltage is not limited to this purpose, and may be used for various purposes. The present disclosure also includes a technique for changing the value according to the operation state.
また、上述した固体撮像素子は、他の機器に組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。また、本技術は前記固体撮像素子を有する電子機器や撮像システム、前記固体撮像素子の駆動方法、上述した装置の構成に対応した機能をコンピュータに実現させるプログラム、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、等としても実現可能である。 Further, the above-described solid-state imaging device includes various modes such as being implemented in a state of being incorporated in another device or being implemented together with another method. In addition, the present technology provides an electronic device or an imaging system having the solid-state imaging device, a driving method of the solid-state imaging device, a program that causes a computer to realize functions corresponding to the configuration of the above-described device, and a computer-readable computer that records the program It can also be realized as a recording medium.
(2)撮像装置の構成:
図1は、固体撮像素子を備える撮像装置の一例を示す構成図である。同図に示す撮像装置は、電子機器の一例である。
(2) Configuration of imaging device:
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of an imaging apparatus including a solid-state imaging device. The imaging apparatus shown in the figure is an example of an electronic device.
なお、本明細書において、撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯電話機などの携帯端末装置など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像装置を用いる電子機器全般を指す。むろん、画像取込部に固体撮像装置を用いる電子機器には、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機も含まれる。また、撮像装置は、上述した電子機器に搭載するために固体撮像素子を含めてモジュール化されたモジュールであってもよい。 Note that in this specification, the imaging device is a solid-state imaging device in an image capturing unit (photoelectric conversion unit) such as an imaging device such as a digital still camera or a digital video camera, or a mobile terminal device such as a mobile phone having an imaging function. Refers to all electronic devices that use. Of course, an electronic apparatus using a solid-state imaging device for an image capturing unit also includes a copying machine using a solid-state imaging device for an image reading unit. In addition, the imaging device may be a module including a solid-state imaging device to be mounted on the electronic device described above.
図1において、撮像装置100は、レンズ群を含む光学系110、固体撮像素子120、DSP130(Digital Signal Processor)、フレームメモリ140、表示装置150、記録装置160、操作系170、電源系180及び制御部190を備えている。
In FIG. 1, an
DSP130、フレームメモリ140、表示装置150、記録装置160、操作系170、電源系180及び制御部190は、通信バスを介して、互いにデータや信号を送受信できるように接続されている。
The
光学系110は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子120の撮像面上に結像する。固体撮像素子120は、光学系110によって撮像面上に結像された入射光の光量を、画素単位で電気信号に変換して、画素信号として出力する。
The
表示装置150は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子120で撮像された動画や静止画、その他の情報を表示する。記録装置160は、固体撮像素子120で撮像された動画または静止画を、DVD(Digital Versatile Disk)や半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
The
操作系170は、ユーザから各種の操作を受け付けるものであり、ユーザの操作に応じた操作命令を、通信バスを介して、各部130,140,150,160,180,190へ送信する。電源系180は、各部110,130,140,150,160,170,190の駆動電源となる各種の電源を生成し、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
制御部190は、演算処理を行うCPUや撮像装置100の制御プログラムを記憶するROM、CPUのワークエリアとして機能するRAM、等を備えており、RAMをワークエアリアとして利用しつつROMに記憶されている制御プログラムをCPUが実行することにより、通信バスを介して各部110,120,130,140,150,160,170,180を制御する。また、例えば、制御部190は、不図示のタイミングジェネレータから各部へ各種のタイミング信号を供給させる制御を行ったりする。
The
(3)固体撮像素子の構成:
以上説明した撮像装置においては、固体撮像素子120として、後述する各実施形態に係るCCDイメージセンサ等の固体撮像素子を用いることができる。図2は、本実施形態に係る固体撮像素子の構成を示すブロック図である。なお、同図には、インターライン転送(IT)方式の固体撮像素子10を例示してあるが、この方式に限るものではない。
(3) Configuration of solid-state image sensor:
In the imaging apparatus described above, a solid-state imaging device such as a CCD image sensor according to each embodiment described later can be used as the solid-
同図に示す固体撮像素子10は、半導体基板(チップ)11上に、複数の光センサ部12と、複数の読み出しゲート部13と、複数の垂直転送部14と、水平転送部15と、電荷電圧変換部16、が形成されている。なお、以下では、半導体基板がN型の場合を例に取り説明する。
A solid-
複数の光センサ部12は、いわゆる画素を構成し、半導体基板11上に行列状に2次元配置されている。光センサ部12は、例えばPN接合のフォトダイオードを有し、受光した光を露光期間に亘って光電変換することにより、受光量に応じた信号電荷を発生して蓄積する。この光センサ部12は、本実施形態において光電変換部を構成する。
The plurality of
読み出しゲート部13は、画素毎に設けられており、各画素と、この画素に対応する垂直転送部14との間を接続している。読み出しゲート部13を所定の制御信号により制御すると、光センサ部12に蓄積されている信号電荷が、適宜のタイミングで垂直転送部14へ転送される(読み出される)。
The read
垂直転送部14は、行列状の画素配列に対して画素列ごとに設けられている。垂直転送部14は、半導体基板表面の酸化膜上に複数の電極を設けたCCD(Charge Coupled Device)にて構成される。これにより、垂直転送部14は、複数電極の各電極に対して隣同士で異なる電圧を与えて各電極の間にポテンシャル障壁を形成し、各電極に電荷を保持することができる。このような電荷転送態様から、垂直転送部14は垂直転送レジスタと呼ばれることもある。
The
垂直転送部14は、読出しゲート部13を通って光センサ部12へ読み出された信号電荷を、水平ブランキング期間の一部にて1走査線(1行)に相当する部分ずつ順次に垂直方向に転送する。なお、垂直方向とは、行列状に配列された複数画素の列方向(図2の上下方向に対応)を指す。
The
水平転送部15は、垂直転送部14の一方の端部(即ち、転送先側の端部)に設けられている。水平転送部15は、上述した垂直転送部14と同様にCCDにて構成される。このため、水平転送部15は水平転送レジスタと呼ばれることもある。
The
水平転送部15は、複数本の垂直転送部14から1行に相当する信号電荷が順にシフト(転送)される。水平転送部15は、複数本の垂直転送部14からシフトされる1行分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間に、順次に水平方向へ転送する。なお、水平方向とは、行列状に配列された複数画素の行方向(図2の左右方向に対応)を指す。
In the
以上説明した読み出しゲート部13と垂直転送部14と水平転送部15は、本実施形態において、光電変換部が生成した信号電荷をCCDにて転送するための転送部を構成する。
In the present embodiment, the
水平転送部15の転送先側の端部には、当該水平転送部15によって転送される信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部16が設けられている。電荷電圧変換部16は、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ構成のものが用いられる。
At the end of the
具体的には、図2に示す電荷電圧変換部16は、蓄積部を構成するフローティングディフュージョン(FD)部16aと、電荷排出部を構成するリセットドレイン(RD)部16bと、蓄積部と電荷排出部の接続を制御するリセットゲート(RG)部16cと、出力回路16dと、バイアス発生回路16eと、ドレイン電圧発生回路16fとを有する。
Specifically, the charge-
リセットドレイン部16bは、所定電圧値のリセットドレイン電圧Vdrが印加されている。このリセットドレイン電圧Vdrを印加されたリセットドレイン部16bのポテンシャルは、水平転送部15から垂直転送部14へ電荷転送を行わないとき(後述する、垂直転送部14の最終段の電極HOGに所定電圧が印加されていないとき)の水平転送部15の最終転送段のポテンシャルに比べて深くなっている。
A reset drain voltage Vdr having a predetermined voltage value is applied to the
リセットゲート部16cは、MOSトランジスタ構成となっており、そのゲート電極には、バイアス発生回路16eで発生される直流のバイアス電圧が印加される。さらに、このゲート電極は、半導体基板11外に設けられたリセットクロック発生回路21から、キャパシタ22を介して、リセットクロック(リセットパルス)φRGを印加される。
The
リセットクロックφRGは、バイアス発生回路16eで発生されるバイアス電圧に重畳されてリセットゲート部16cに印加される。これにより、フローティングディフュージョン部16aの電位は、リセットクロックφRGの周期で、リセットドレイン電圧Vdrにリセットされる。
The reset clock φRG is superimposed on the bias voltage generated by the
水平転送部15から電荷電圧変換部16へ転送された信号電荷は、フローティングディフュージョン部16aに蓄積される。これにより、フローティングディフュージョン部16aは、蓄積された信号電荷に応じた電圧となる。フローティングディフュージョン部16aは、バッファーとしての機能を持つ出力回路(出力部)16dに接続されており、出力回路16dには、フローティングディフュージョン部16aの電圧に相当する電圧信号が入力される。
The signal charge transferred from the
出力回路16dは、光センサ部12、垂直転送部14、水平転送部15、電荷電圧変換部16およびバイアス発生回路16eと同じ半導体基板11に搭載される周辺回路の一つであり、一般に、多段のソースフォロワ回路を用いて構成される。このようにして、電荷電圧変換部16から出力される電圧信号は、撮像信号Voutとして、出力回路16dを介して半導体基板11外に出力される。
The
(4)電荷電圧変換部の構成:
次に、図3を参照しつつ、電荷電圧変換部16の構成の一例について説明する。図3は、電荷電圧変換部16を説明するための模式的な断面図である。同図に示すように、水平転送部15は、N型の半導体基板11aの表面側にP型ウェル11bを介してN型のチャネル領域11cが形成されている。
(4) Configuration of the charge-voltage converter:
Next, an example of the configuration of the charge-
N型のチャネル領域11cの表面部には、N型のトランスファ(TR)領域11dが図の左右方向に沿って一定のピッチで形成され、トランスファ領域11d,11dの間のチャネル領域11cがストレージ(ST)領域11eとなっている。
On the surface of the N-
ストレージ領域11eの上方には、1層目のポリシリコンからなる電極H1が絶縁膜(図示せず)を介して形成され、トランスファ領域11dの上方には、2層目のポリシリコンからなる電極H2が絶縁膜(図示せず)を介して形成されている。
An electrode H1 made of polysilicon of the first layer is formed above the
このように形成された隣り合う電極H1,H2が対となり、この電極対(H1,H2)に対してその配列方向にて交互に2相の転送クロックHφ1,Hφ2が印加されることで2相駆動の水平転送が実現することとなる。 Adjacent electrodes H1 and H2 formed in this manner form a pair, and two-phase transfer clocks Hφ1 and Hφ2 are alternately applied to the electrode pair (H1 and H2) in the arrangement direction to thereby form a two-phase. The horizontal transfer of driving is realized.
更に、水平転送部15の最終段には、2層目のポリシリコンからなる電極HOGが形成されている。この電極HOGは、固体撮像素子基準電位であるグランド(接地)電位に電気的に接続されている。なお、電極HOGはその下のチャネル領域と共に出力ゲート部11fを構成している。
Furthermore, an electrode HOG made of polysilicon of the second layer is formed at the final stage of the
また、出力ゲート部11fに隣接してN+型のフローティングディフュージョン(FD)部16aが形成され、このフローティングディフュージョン(FD)部16aの横にチャネル領域11cを挟んでN+型のリセットドレイン(RD)部16aが形成されている。更に、チャネル領域11cの上方に、絶縁膜(図示せず)を介してリセットゲート(RG)部16cが形成されている。
Further, an N + type floating diffusion (FD)
リセットゲート部16cには、図2に示すリセットクロック発生回路21に接続されており、リセットクロック発生回路21で生成されたリセットクロックRGφをリセットゲートに印加可能に構成されている。
The
フローティングディフュージョン部16aは、出力回路16d内のソースフォロア回路と接続されており、リセットドレイン部16bは、一定のドレイン電圧Vdrが印加されている。フローティングディフュージョン部16aは、リセットゲートパルスφRGによるリセットゲート部16cの制御により、リセットドレイン部16bとの接続を制御される。
The floating
フローティングディフュージョン部16aは、リセットドレイン部16bに接続するとドレイン電圧Vdrにリセットされ、リセットドレイン部16bに接続されないときは水平転送部15から転送されてきた信号電荷を保持する。
The floating
出力ゲート部11fから出力された信号電荷は、こうしたフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の電荷電圧変換部16によって、電荷に応じた信号電圧が検出されることとなる。
The signal charge output from the output gate section 11f is detected by the charge-
次に、図4,5を参照しつつ、以上のように構成された電荷電圧変換部16における信号電荷の転送動作について説明する。なお、図4は、水平転送部15と電荷電圧変換部16におけるポテンシャルを説明する図であり、図5は、電荷電圧変換部16におけるタイミングチャートを示してある。
Next, the signal charge transfer operation in the charge-
水平転送部15に転送された信号電荷は、水平転送部15の転送電極(H1,H2,LH)に、それぞれ転送クロックを印加することで、出力方向へ転送される。具体的には、電極H1に対して転送クロックHφ1を印加し、電極H2に対して転送クロックHφ2を印加し、電極LHに対して転送クロックLHφを印加する。
The signal charges transferred to the
これら転送クロックHφ1,Hφ2,LHφによって、水平転送部15を構成する各レジスタのポテンシャルが適宜のタイミングで上下され、信号電荷は、出力方向(右方向から左方向)へ転送される。水平転送部15内を転送された信号電荷は、フローティングディフュージョン16cへ転送される。
By these transfer clocks Hφ1, Hφ2, and LHφ, the potential of each register constituting the
フローティングディフュージョン部16aに転送された信号電荷は、出力回路16dにおいて電荷量に応じた電圧に変換される。その後、リセットゲート部16cにリセットゲート電圧RGφが印加されることで、信号電荷は、リセットドレイン部16bに掃き捨てられる。こうした一連の動作を行なうことによって、固体撮像素子10の出力信号を得ることができる。
The signal charge transferred to the floating
なお、水平転送部15の最終段にある電極HOGには、固定電圧として電圧HOGφが印加されている。従って、電極HOG下のポテンシャルはほとんど変化しない。ただし、電極LHに印加される転送クロックLHφによって電極LH下のポテンシャルが上下に変化する。
Note that a voltage HOGφ is applied as a fixed voltage to the electrode HOG in the final stage of the
ここで、転送クロックLHφがハイレベル(Hレベル)状態のとき、図4に示すように、電極HOG下のポテンシャルと電極LH下のポテンシャルとで電極LH下(図3のチャネル領域11c)に蓄積できる最大信号量(Dレンジ)が定義されることとなる。
Here, when the transfer clock LHφ is in a high level (H level) state, as shown in FIG. 4, accumulation is performed below the electrode LH (
一方、転送クロックLHφがローレベル(Lレベル)状態のとき、図4に示すように、電極LH下から電極HOG下方向に階段状に低下する転送電界が形成される。このように電極LH下から電極HOG下方向に転送電界が形成されると、電極LH下に蓄積されていた信号電荷は、電極HOG下のポテンシャルを越えて、フローティングディフュージョン部16aに転送される。
On the other hand, when the transfer clock LHφ is in a low level (L level) state, as shown in FIG. 4, a transfer electric field is formed that decreases stepwise from below the electrode LH to below the electrode HOG. Thus, when a transfer electric field is formed from the lower side of the electrode LH to the lower side of the electrode HOG, the signal charge accumulated under the electrode LH is transferred to the floating
次に、図6を参照して、信号電荷を信号電圧に変換する出力動作について説明する。同図には、出力動作に係るタイミングチャートを示してある。 Next, an output operation for converting signal charges into signal voltages will be described with reference to FIG. This figure shows a timing chart relating to the output operation.
同図に示す「動画期間」は、連続的に撮像することにより、いわゆるプレビュー動作を行う期間である。「露光動作期間」は、ユーザの行う撮像指示に応じて、いわゆる静止画を撮像するための露光を行う期間である。「静止画読み出し期間」は、「露光動作期間」において各画素に蓄積された信号電荷を、順次に読み出して信号電圧に変換する期間である。なお、ユーザは、撮像装置100に対して所定の操作入力を行うことにより撮像指示を行うことができる。
The “moving image period” shown in the figure is a period during which a so-called preview operation is performed by continuously capturing images. The “exposure operation period” is a period during which exposure for capturing a so-called still image is performed in accordance with an imaging instruction given by the user. The “still image readout period” is a period in which signal charges accumulated in each pixel in the “exposure operation period” are sequentially read and converted into signal voltages. Note that the user can issue an imaging instruction by performing a predetermined operation input to the
図6(a)には、静止画撮影時の基板電圧Vsubのタイミングチャートを示してある。基板電圧Vsubは、各画素に蓄積可能な電荷量を調整するための電圧であり、具体的には、図3に示すN型の半導体基板11aの基板電圧である。この基板電圧Vsubは、図7に示す固体撮像素子の外部にある制御電圧発生回路30から制御電圧入力端子18に入力される制御信号に基づいて作成されており、図6(a)に示すように、動作状態に応じて変化するように調整されている。
FIG. 6A shows a timing chart of the substrate voltage Vsub during still image shooting. The substrate voltage Vsub is a voltage for adjusting the amount of charge that can be accumulated in each pixel, and specifically, is the substrate voltage of the N-
基板電圧Vsubは、動画期間に比べて静止画読み出し期間の方が低くなっている。具体的には、例えば、動画期間における基板電圧Vsubを10Vとすると、静止画読み出し期間における基板電圧Vsubは4〜5Vとする。これにより、静止画読み出し期間においては、1画素に蓄積できる電荷量が、動画期間に比べて多くなるように調整されている。 The substrate voltage Vsub is lower in the still image reading period than in the moving image period. Specifically, for example, when the substrate voltage Vsub in the moving image period is 10 V, the substrate voltage Vsub in the still image reading period is 4 to 5 V. Thereby, in the still image reading period, the amount of charge that can be accumulated in one pixel is adjusted to be larger than that in the moving image period.
また、基板電圧Vsubは、露光期間において、動画期間と静止画読み出し期間との中間くらいになっている。具体的には、上述した動画期間や静止画読み出し期間における具体的な電圧値に対応させると、露光期間の基板電圧Vsubは、約6〜7Vとする。このように、静止画を撮影する時の基板電圧Vsubを、露光期間と静止画読み出し期間とで異なる値にする基板電圧Vsubの調整は、2段変調と呼ばれる。 Further, the substrate voltage Vsub is about halfway between the moving image period and the still image reading period in the exposure period. Specifically, the substrate voltage Vsub in the exposure period is set to about 6 to 7 V in correspondence with specific voltage values in the moving image period and the still image reading period described above. Thus, the adjustment of the substrate voltage Vsub at which the substrate voltage Vsub at the time of taking a still image is different between the exposure period and the still image reading period is called two-stage modulation.
この2段変調を行う理由は、画素の電荷漏れに対応するためである。画素の電荷漏れとは、1フレームを構成する複数の画素のそれぞれに蓄積された信号電荷を順次に読み出している間に、最初に読み出した信号については蓄積された状態の信号電荷が出力されるのに対し、読み出し順が遅い画素については時間の経過に伴い信号電荷が抜けてしまい、同じ光量を受光した画素であっても、読み出し順の遅い画素の信号は階調が低くなるという現象である。 The reason for performing this two-stage modulation is to cope with the charge leakage of the pixel. The charge leakage of a pixel means that while the signal charge accumulated in each of a plurality of pixels constituting one frame is sequentially read out, the signal charge in the accumulated state is output for the first read signal. On the other hand, for the pixels with a slow readout order, the signal charge is lost over time, and even if the pixels receive the same amount of light, the signal of the pixel with the slow readout order has a lower gradation. is there.
そこで、各画素に蓄積可能な電荷の総量が、露光期間に比べて静止画読み出し期間の方が多くなるように、露光期間における基板電圧Vsubを静止画読み出し期間の基板電圧Vsubに比べてやや高めに設定している。これにより、各画素に蓄積されている信号電荷が漏れ出にくくなり、上述した電荷漏れの影響を極力低下できる。 Therefore, the substrate voltage Vsub in the exposure period is slightly higher than the substrate voltage Vsub in the still image readout period so that the total amount of charge that can be accumulated in each pixel is larger in the still image readout period than in the exposure period. Is set. This makes it difficult for signal charges accumulated in each pixel to leak, and the influence of the above-described charge leakage can be reduced as much as possible.
なお、露光期間に入ると、各画素に蓄積されていた電荷を排出するための電子シャッター動作が実行される。このとき、各画素から排出される電荷は、N型の半導体基板11aに排出されるため、基板電圧Vsubは瞬間的に上昇する。これにより、各画素は、電子シャッター動作を行って以降に受光した光量に応じた電荷を蓄積することになる。
When the exposure period starts, an electronic shutter operation for discharging the charges accumulated in each pixel is executed. At this time, the charges discharged from each pixel are discharged to the N-
図6(b)には、メカシャッターの動作に係るタイミングチャートを示してある。メカシャッターは、開閉動作によって固体撮像素子の表面を機械的に覆ったり開放したりするものであり、制御部190の出力する制御信号によって駆動されている。メカシャッターは、動画期間や露光動作期間においては開放され、静止画読み出し期間においては閉鎖される。これにより、動画撮影中や静止画読み出しのための露光中は、画素への入光を可能としつつ、静止画の信号電荷を転送している静止画読み出し期間中は、画素への入光を確実に防止できる。
FIG. 6B shows a timing chart relating to the operation of the mechanical shutter. The mechanical shutter mechanically covers or opens the surface of the solid-state imaging device by an opening / closing operation, and is driven by a control signal output from the
図6(c)には、制御電圧Vctlのタイミングチャートを示してある。制御電圧Vctlは、固体撮像素子の各部の動作を制御するための電圧であり、上述した基板電圧Vsubも、この制御電圧Vctlを利用して生成されている。制御電圧Vctlは、固体撮像素子の制御電圧入力端子18に入力されており、図6(c)に示すように、動作状態に応じて調整されている。
FIG. 6C shows a timing chart of the control voltage Vctl. The control voltage Vctl is a voltage for controlling the operation of each part of the solid-state imaging device, and the above-described substrate voltage Vsub is also generated using this control voltage Vctl. The control voltage Vctl is input to the control
この制御電圧Vctlも、上述した基板電圧Vsubと同様に、動画期間に比べて静止画読み出し期間の方が低くなっており、露光期間においては動画期間と静止画読み出し期間との中間くらいになっている。 Similarly to the substrate voltage Vsub described above, the control voltage Vctl is lower in the still image reading period than in the moving image period, and is about the middle between the moving image period and the still image reading period in the exposure period. Yes.
図7は、基板電圧生成回路を説明するブロック図である。同図に示すように、固体撮像素子10の外部には、制御電圧発生回路30が設けられており、制御電圧発生回路30は、制御電圧Vctlを生成し、固体撮像素子10の制御電圧入力端子18へ入力している。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a substrate voltage generation circuit. As shown in the figure, a control
制御電圧入力端子18へ入力された制御電圧Vctlは、基板電圧発生回路17に入力される。なお、制御電圧Vctlは、必要に応じて固体撮像素子10の他の構成へも供給され、各種の制御に利用される。例えば、制御電圧Vctlは、電荷電圧変換部16に供給され、後述するドレイン電圧Vdrを変化させるためのトリガーとして用いることができる。
The control voltage Vctl input to the control
基板電圧発生回路17は、入力された制御電圧Vctlを適宜に調整して基板電圧Vsubを生成して半導体基板11aに供給する。半導体基板11aにおける基板電圧Vsubは、上述したように光センサ部12における電荷の蓄積容量を規定する電圧であり、基板電圧Vsubが高いほど光センサ部12の容量は小さくなり、基板電圧Vsubが低いほど光センサ部12の容量は大きくなる。
The substrate
また、基板電圧Vsubは、必要に応じて固体撮像素子10の他の構成へも供給され、各種の制御に利用される。例えば、基板電圧Vsubは、電荷電圧変換部16に供給され、後述するドレイン電圧Vdrを変化させるためのトリガーとして用いることができる。
The substrate voltage Vsub is also supplied to other components of the solid-
図6(d)は、ドレイン電圧Vdrの変化を示すタイミングチャートである。同図に示すように、露光期間におけるドレイン電圧Vdrは、他の期間に比べて高くなるように調整されている。すなわち、フローティングディフュージョン部16aとリセットゲート部16cとリセットドレイン部16bとによって構成されるMOSトランジスタ構造において、リセットドレイン部16bに印加されるドレイン電圧Vdrが、通常よりも高くしてある。
FIG. 6D is a timing chart showing changes in the drain voltage Vdr. As shown in the figure, the drain voltage Vdr in the exposure period is adjusted to be higher than in other periods. That is, in the MOS transistor structure constituted by the floating
露光期間中のドレイン電圧Vdrは、固体撮像素子の内部に既存の信号を利用して変化させてもよいし、外部から別途に入力した信号を利用して変化させてもよい。前者の場合は、上述した基準電圧や制御電圧Vctlを利用することができる。なお、基準電圧を利用する場合は、上述したリセット時の瞬間的な電圧上昇を容量にて解消してから用いてもよい。後者の場合は、メカシャッターの制御信号を利用してもよいし、制御部190にて別途に生成した制御信号を用いてもよい。
The drain voltage Vdr during the exposure period may be changed using an existing signal inside the solid-state imaging device, or may be changed using a signal input separately from the outside. In the former case, the above-described reference voltage and control voltage Vctl can be used. When the reference voltage is used, it may be used after eliminating the instantaneous voltage increase at the time of reset described above with the capacitor. In the latter case, a mechanical shutter control signal may be used, or a control signal separately generated by the
ここで、MOSトランジスタ構造においては、ソース−ドレイン間の電位差が小さいほどホットキャリアが発生しにくく、逆に、ソース−ドレイン間の電位差が大きいほどホットキャリアが発生しやすい。従って、上述のように露光期間においてドレイン電圧Vdrを上昇させることにより、ホットキャリアが抑制され、画質が向上する。 Here, in the MOS transistor structure, the smaller the potential difference between the source and the drain, the less likely hot carriers are generated. Conversely, the greater the potential difference between the source and the drain, the more likely hot carriers are generated. Therefore, by increasing the drain voltage Vdr during the exposure period as described above, hot carriers are suppressed and the image quality is improved.
なお、ドレイン電圧Vdrは、露光期間の少なくとも一部において上昇させればよい。むろん、露光期間の全期間においてドレイン電圧Vdrを上昇させた方がホットキャリアの抑制効果は高いが、露光期間の一部においてドレイン電圧Vdrを上昇させても、当然に、ホットキャリアの抑制効果があるためである。 The drain voltage Vdr may be increased at least during a part of the exposure period. Of course, increasing the drain voltage Vdr during the entire exposure period has a higher effect of suppressing hot carriers. However, even if the drain voltage Vdr is increased during a part of the exposure period, the effect of suppressing hot carriers is naturally. Because there is.
また、ドレイン電圧Vdrは、フローティングディフュージョン部16aから出力される信号電圧の基準電圧であるため、従来は、信号電圧が後段のバッファーIC23の入力制限範囲内に収まるように調整されていた。このバッファーIC23は、固体撮像素子10の外部に配置されるものであり、出力回路16dから出力される撮像信号Voutを入力され、これを増幅する素子である。本実施形態においては、露光期間のみでドレイン電圧Vdrを変化させるため、信号電圧が後段のバッファーIC23の入力制限範囲外となるようなドレイン電圧Vdrに変化させることができる。
Further, since the drain voltage Vdr is a reference voltage of the signal voltage output from the floating
すなわち、露光期間においては、各画素に信号電荷を蓄積中であるため、信号電荷がフローティングディフュージョン部16aに転送されてくることがなく、フローティングディフュージョン部16aから電圧信号を出力することもない。従って、上述した入力制限範囲は、バッファーIC23の入出力の線形性を維持可能な範囲であり、露光期間中にドレイン電圧Vdrを変動させても、信号電圧に影響しない。
That is, during the exposure period, since signal charges are being accumulated in each pixel, the signal charges are not transferred to the floating
従って、ドレイン電圧Vdrを、後段のバッファーIC23の入力制限範囲に制限させることなく上昇させることにより、ソース−ドレイン間の電位差を十分に大きくすることが可能となり、ホットキャリアの抑制効果を高めることができる。
Therefore, by raising the drain voltage Vdr without being restricted to the input restriction range of the
図8は、ドレイン電圧発生回路を説明するブロック図である。同図(a)は、従来のドレイン電圧Vdrを発生するためのドレイン電圧発生回路であり、同図(b)は、本実施形態に係るドレイン電圧Vdrを発生するためのドレイン電圧発生回路の一例である。 FIG. 8 is a block diagram illustrating a drain voltage generation circuit. FIG. 4A shows a drain voltage generation circuit for generating a conventional drain voltage Vdr, and FIG. 4B shows an example of a drain voltage generation circuit for generating a drain voltage Vdr according to the present embodiment. It is.
図8(a)に示すように、従来のドレイン電圧発生回路においては、電源VddとグランドVssとの間を直列に接続する2つのMOS抵抗16f3,16f4にて構成される分圧回路と、駆動MOS16f1や符号16f2に対応するMOS抵抗と電流源にて構成されたソースフォロワ回路と、を備えていた。 As shown in FIG. 8A, in the conventional drain voltage generation circuit, a voltage dividing circuit composed of two MOS resistors 16f3 and 16f4 that connect the power supply Vdd and the ground Vss in series, A source follower circuit composed of a MOS resistor and a current source corresponding to the MOS 16f1 and 16f2 is provided.
分圧回路は、電源Vddを分圧した電圧を、ソースフォロワ回路を構成する駆動MOS16f1のゲートに入力している。これにより、駆動MOS16f1のドレインには、電源Vddが所定値を超えたとき駆動MOS16f1のゲートに印加される電圧に応じた電圧が、ドレイン電圧Vdrとして出力される The voltage dividing circuit inputs a voltage obtained by dividing the power supply Vdd to the gate of the driving MOS 16f1 constituting the source follower circuit. As a result, a voltage corresponding to the voltage applied to the gate of the drive MOS 16f1 when the power supply Vdd exceeds a predetermined value is output to the drain of the drive MOS 16f1 as the drain voltage Vdr.
一方、図8(b)に示すように、本実施形態に係るドレイン電圧発生回路は、2つのMOS抵抗16f3,16f4にて構成された分圧回路にスイッチ回路16f5を組み込んである。 On the other hand, as shown in FIG. 8B, the drain voltage generating circuit according to the present embodiment incorporates a switch circuit 16f5 in a voltage dividing circuit composed of two MOS resistors 16f3 and 16f4.
スイッチ回路16f5は、例えば、多段的に組み合わせたスイッチングトランジスタにより構成され、上述した制御電圧Vctlや基板電圧Vsub等のように、露光期間の開始タイミングや終了タイミングにおいて電圧変動のある電圧を利用してオンオフが駆動されるようになっている。これにより、スイッチ回路16f5は、動画期間においてはオンし、露光動作期間においてはオフし、静止画読み出し期間においてはオンする。 The switch circuit 16f5 is configured by, for example, switching transistors combined in multiple stages, and uses a voltage that varies in voltage at the start timing and end timing of the exposure period, such as the control voltage Vctl and the substrate voltage Vsub described above. ON / OFF is driven. Accordingly, the switch circuit 16f5 is turned on during the moving image period, turned off during the exposure operation period, and turned on during the still image reading period.
すなわち、スイッチ回路16f5がオフされている時は、電源Vddが分圧回路を介して駆動MOS16f1に駆動電圧としてそのまま入力されるため、ドレイン電圧Vdrは上昇する。一方、スイッチ回路16f5がオンされている時は、分圧回路で分圧されたVddが駆動MOS16f1に駆動電圧として入力されるため、ドレイン電圧Vdrは低下する。 That is, when the switch circuit 16f5 is turned off, the power supply Vdd is directly input as a drive voltage to the drive MOS 16f1 via the voltage dividing circuit, and thus the drain voltage Vdr rises. On the other hand, when the switch circuit 16f5 is turned on, Vdd divided by the voltage dividing circuit is input as a drive voltage to the drive MOS 16f1, so that the drain voltage Vdr decreases.
以上説明した図8(b)に係るドレイン電圧発生回路を用いることにより、従来回路に数点の回路素子を追加するだけで、自動的に、露光期間のみドレイン電圧Vdrを所望の電圧値に変化させつつ、他の期間のドレイン電圧Vdrは一定の電圧値に維持することが可能なドレイン電圧発生回路16fを実現することができる。
By using the drain voltage generating circuit according to FIG. 8B described above, the drain voltage Vdr is automatically changed to a desired voltage value only during the exposure period by adding several circuit elements to the conventional circuit. In addition, the drain
(5)まとめ:
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子10は、受光量に応じた信号電荷を生成するための光センサ部12と、光センサ部12が生成した信号電荷をCCDにて転送するための転送部(読み出しゲート部13,垂直転送部14、水平転送部15)と、転送部が光センサ部12から転送した信号電荷を蓄積するためのフローティングディフュージョン部16aと、ドレイン電圧Vdrを入力されているリセットドレイン部16bと、フローティングディフュージョン部16aとリセットドレイン部16bとの接続を切り替えるためのリセットゲート部16cと、フローティングディフュージョン部16aに接続されたソースフォロワ回路により構成されており、フローティングディフュージョン部16aに蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路16dと、固体撮像素子10の動作状態に応じてドレイン電圧Vdrを変化させるためのドレイン電圧発生回路16fと、を備えている。これにより、出力信号の線形性やゲイン特性を維持しつつ、又、トランジスタの使用数や回路規模・回路面積を増大させることなく、ホットキャリアに起因する白浮きを抑制することが可能になる。
(5) Summary:
As described above, the solid-
なお、本実施形態に係る技術の適用対象は、固体撮像素子に限るものではなく、フォトダイオード等の光電変換素子が生成した信号電荷を、フローティングディフュージョン等の蓄積部に転送し、蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた電圧信号を出力する固体撮像素子であれば、様々なものに適用することができる。このような意味で、CMOS固体撮像素子も本技術の適用対象であることは言うまでも無い。 The application target of the technology according to the present embodiment is not limited to the solid-state imaging device, and the signal charge generated by the photoelectric conversion element such as a photodiode is transferred to the storage unit such as a floating diffusion and stored in the storage unit. Any solid-state imaging device that outputs a voltage signal corresponding to the signal charge can be applied to various devices. In this sense, it goes without saying that the CMOS solid-state imaging device is also an application target of the present technology.
また、本技術は上述した実施形態や変形例に限られず、上述した実施形態および変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態および変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また,本技術に係る技術思想の範囲は上述した実施形態に限定されず,特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。 In addition, the present technology is not limited to the above-described embodiments and modifications, and the configurations disclosed in the above-described embodiments and modifications are mutually replaced, the combinations are changed, known technologies, and the above-described implementations. Configurations in which the configurations disclosed in the embodiments and modifications are mutually replaced or the combinations are changed are also included. Further, the scope of the technical idea according to the present technology is not limited to the above-described embodiment, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
なお、以上説明した本技術の態様は、以下のような構成を取ることができる。
(a)受光量に応じた信号電荷を生成するための光電変換部と、
前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、
基準電圧を入力されているリセット部と、
前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、
前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路であって前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、
を備える固体撮像素子。
In addition, the aspect of this technique demonstrated above can take the following structures.
(A) a photoelectric conversion unit for generating a signal charge according to the amount of received light;
A transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulator for accumulating signal charges transferred from the photoelectric converter by the transfer unit;
A reset unit to which a reference voltage is input;
A switch unit for switching the connection between the storage unit and the reset unit;
An output circuit that is a source follower circuit connected to the storage unit and outputs a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit;
A reference voltage control unit for changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
A solid-state imaging device.
(b)前記基準電圧制御部は、静止画を撮像するために設けた露光期間の少なくとも一部において、前記基準電圧を、露光期間以外に比べて高い電圧に変化させる前記(a)に記載の固体撮像素子。 (B) The reference voltage control unit according to (a), wherein the reference voltage is changed to a voltage higher than that other than the exposure period in at least a part of an exposure period provided for capturing a still image. Solid-state image sensor.
(c)前記基準電圧制御部は、静止画を撮像するために設けた露光期間の少なくとも一部において、前記基準電圧を、前記蓄積部に蓄積される信号電荷に応じた信号電圧を入力されるバッファー回路の性能保証の範囲外となる電圧に変化させる前記(a)又は前記(b)に記載の固体撮像素子。 (C) The reference voltage control unit receives the reference voltage and a signal voltage corresponding to the signal charge stored in the storage unit in at least a part of an exposure period provided for capturing a still image. The solid-state imaging device according to (a) or (b), wherein the voltage is changed to a voltage that is out of a performance guarantee range of the buffer circuit.
(d)前記基準電圧制御部は、本固体撮像素子の内部信号を利用して、前記蓄積部の基準電圧を自動的に変化させる前記(a)〜(c)の何れか1項に記載の固体撮像素子。 (D) The reference voltage control unit according to any one of (a) to (c), wherein the reference voltage of the storage unit is automatically changed using an internal signal of the solid-state imaging device. Solid-state image sensor.
(e)前記蓄積部は、フローティングディフュージョン部であり、
前記リセット部は、前記基準電圧を入力されているドレイン部であり、
前記スイッチ部は、前記蓄積部と前記ドレイン部との間の接続を切り替えるゲート部であり、を備え、
前記フローティングディフュージョン部は、前記ゲート部の制御によってドレイン部と接続されることにより前記基準電圧にリセットされる前記(a)〜(d)の何れか1項に記載の固体撮像素子。
(E) the storage unit is a floating diffusion unit;
The reset unit is a drain unit to which the reference voltage is input,
The switch unit is a gate unit that switches a connection between the storage unit and the drain unit, and
The solid-state imaging device according to any one of (a) to (d), wherein the floating diffusion portion is reset to the reference voltage by being connected to a drain portion under the control of the gate portion.
(f)前記転送部は、前記光電変換部が生成した信号電荷をCCD(Charge Coupled Device)にて転送する前記(a)〜(e)の何れか1項に記載の固体撮像素子。 (F) The solid-state imaging device according to any one of (a) to (e), wherein the transfer unit transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion unit using a CCD (Charge Coupled Device).
(f)受光量に応じた信号電荷を光電変換部が生成する光電変換工程と、
前記光電変換部の生成した信号電荷を転送部が転送する転送工程と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積部に蓄積する蓄積工程と、
基準電圧を入力されているリセット部と前記蓄積部との接続を切り替えるためのスイッチ部を接続させるリセット工程と、
前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を、前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成された出力回路に出力させる出力工程と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させる基準電圧制御工程と、
を含む、固体撮像素子の駆動方法。
(F) a photoelectric conversion step in which the photoelectric conversion unit generates a signal charge corresponding to the amount of received light;
A transfer step in which the transfer unit transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulation step of accumulating the signal charges transferred from the photoelectric conversion unit by the transfer unit in an accumulation unit;
A reset step of connecting a switch unit for switching the connection between the reset unit to which a reference voltage is input and the storage unit;
An output step of outputting a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit to an output circuit configured by a source follower circuit connected to the storage unit;
A reference voltage control step of changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
A method for driving a solid-state imaging device.
(g)受光量に応じた信号電荷を生成するための光電変換部と、
前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、
基準電圧を入力されているリセット部と、
前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、
前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路であって前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、
を有する固体撮像素子を備える電子機器。
(G) a photoelectric conversion unit for generating a signal charge according to the amount of received light;
A transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulator for accumulating signal charges transferred from the photoelectric converter by the transfer unit;
A reset unit to which a reference voltage is input;
A switch unit for switching the connection between the storage unit and the reset unit;
An output circuit that is a source follower circuit connected to the storage unit and outputs a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit;
A reference voltage control unit for changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
An electronic apparatus comprising a solid-state imaging device having
10…固体撮像素子、11…半導体基板、12…光センサ部、13…読み出しゲート部、14…垂直転送部、15…水平転送部、16…電荷電圧変換部、16a…フローティングディフュージョン部、16b…リセットドレイン部、16c…リセットゲート部、16d…出力回路、16e…バイアス発生回路、16f…ドレイン電圧発生回路、17…基板電圧発生回路、18…制御電圧入力端子、21…リセットクロック発生回路、22…キャパシタ、23…バッファーIC、30…制御電圧発生回路、11a…半導体基板、11b…P型ウェル、11c…チャネル領域、11d…トランスファ領域、11e…ストレージ領域、11f…出力ゲート部、16f1…駆動MOS、16f3…MOS抵抗、16f4…MOS抵抗、16f5…スイッチ回路、100…撮像装置、110…光学系、120…固体撮像素子、130…DSP、140…フレームメモリ、150…表示装置、160…記録装置、170…操作系、180…電源系、190…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、
基準電圧を入力されているリセット部と、
前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、
前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成されており、前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、
を備える固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit for generating a signal charge according to the amount of received light;
A transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulator for accumulating signal charges transferred from the photoelectric converter by the transfer unit;
A reset unit to which a reference voltage is input;
A switch unit for switching the connection between the storage unit and the reset unit;
An output circuit configured by a source follower circuit connected to the storage unit, and outputting a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit;
A reference voltage control unit for changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
A solid-state imaging device.
前記リセット部は、前記基準電圧を入力されているドレイン部であり、
前記スイッチ部は、前記蓄積部と前記ドレイン部との間の接続を切り替えるゲート部であり、を備え、
前記フローティングディフュージョン部は、前記ゲート部の制御によってドレイン部と接続されることにより前記基準電圧にリセットされる請求項1に記載の固体撮像素子。 The storage unit is a floating diffusion unit,
The reset unit is a drain unit to which the reference voltage is input,
The switch unit is a gate unit that switches a connection between the storage unit and the drain unit, and
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the floating diffusion portion is reset to the reference voltage by being connected to a drain portion under the control of the gate portion.
前記光電変換部の生成した信号電荷を転送部が転送する転送工程と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積部に蓄積する蓄積工程と、
基準電圧を入力されているリセット部と前記蓄積部の接続を切り替えるためのスイッチ部を接続させるリセット工程と、
前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を、前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成された出力回路に出力させる出力工程と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させる基準電圧制御工程と、
を含む、固体撮像素子の駆動方法。 A photoelectric conversion step in which the photoelectric conversion unit generates a signal charge according to the amount of received light;
A transfer step in which the transfer unit transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulation step of accumulating the signal charges transferred from the photoelectric conversion unit by the transfer unit in an accumulation unit;
A reset step of connecting a reset unit to which a reference voltage is input and a switch unit for switching the connection of the storage unit;
An output step of outputting a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit to an output circuit configured by a source follower circuit connected to the storage unit;
A reference voltage control step of changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
A method for driving a solid-state imaging device.
前記光電変換部が生成した信号電荷を転送するための転送部と、
前記転送部が前記光電変換部から転送した信号電荷を蓄積するための蓄積部と、
基準電圧を入力されているリセット部と、
前記蓄積部と前記リセット部の接続を切り替えるためのスイッチ部と、
前記蓄積部に接続されたソースフォロワ回路により構成されており、前記蓄積部に蓄積されている信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力回路と、
本固体撮像素子の動作状態に応じて前記基準電圧を変化させるための基準電圧制御部と、
を有する固体撮像素子を備える電子機器。 A photoelectric conversion unit for generating a signal charge according to the amount of received light;
A transfer unit for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion unit;
An accumulator for accumulating signal charges transferred from the photoelectric converter by the transfer unit;
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An output circuit configured by a source follower circuit connected to the storage unit, and outputting a voltage signal corresponding to the signal charge stored in the storage unit;
A reference voltage control unit for changing the reference voltage according to the operating state of the solid-state imaging device;
An electronic apparatus comprising a solid-state imaging device having
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| JP2012012968A JP2013153319A (en) | 2012-01-25 | 2012-01-25 | Solid-state imaging device, method of driving solid-state imaging device, and electronic apparatus |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115002361A (en) * | 2022-04-18 | 2022-09-02 | 昆明物理研究所 | Digital integral charge-digital conversion circuit for measuring current or capacitance |
-
2012
- 2012-01-25 JP JP2012012968A patent/JP2013153319A/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
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