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SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND SIGNAL READING METHOD THEREOF

Foreign code F070001667
File No. F070001667
Posted date Sep 14, 2007
Country WIPO
International application number 2006JP311313
International publication number WO 2007/000879
Date of international filing Jun 6, 2006
Date of international publication Jan 4, 2007
Priority data
  • P2005-189314 (Jun 29, 2005) JP
Title SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND SIGNAL READING METHOD THEREOF
Abstract After resetting a potential (VPD) of a photodiode (11) to a prescribed potential (VRST), light is permitted to enter the photodiode (11) for a prescribed period, and the VPD is reduced by a quantity corresponding to the light entered. Then, when a falling ramp voltage (VRAMP) is applied to a source terminal of a first transistor (12), i.e. a source grounding type amplifier for reading VPD, the MOS transistor (12) is turned on and the output is rapidly reduced when a voltage difference between a gate and a source of the MOS transistor (12) exceeds a threshold voltage. When a signal having a pulse width from a ramp voltage sweep start point to an output rapid drop point is generated by a comparator circuit (4), the pulse width corresponds to the quantity of the light entered. When such PWM system signal reading is performed, power consumption is reduced while ensuring a dynamic range, and furthermore, a high pixel rate can be achieved by reducing the pixels.
Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、b)該光電変換部の保持電位を読み出すようにゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、c)前記第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、d)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持された状態で前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状電圧が印加されたときに、該第1MOSトランジスタの出力に基づいて前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、を備えることを特徴とする固体撮像素子。

【請求項2】前記アンプ部は、N型又P型である前記第1MOSトランジスタをソース接地形態としたアンプであることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項3】前記アンプ部は、N型又P型である前記第1MOSトランジスタのドレイン端子側にさらに逆極性のMOSトランジスタを追加したCMOSインバータアンプであることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項4】n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と前記アンプ部とを含み、さらに各画素セルは、前記光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタとを少なくとも備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項5】前記信号線は1列に属するn個の全画素セルに共用され、前記信号変換部は列毎にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。

【請求項6】n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と該光電変換部の保持電位を選択的に出力するための出力用ゲート回路とを含み、隣接する又は近接する複数の画素セルに対し、前記アンプ部と、その複数の画素セル内の光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタとを共用したことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項7】前記信号変換部は、前記第1MOSトランジスタの出力電圧から前記ランプ波形状電圧に相当する分を差し引いた電圧信号を生成する波形整形部と、該波形整形部の出力電圧を所定の判定閾値で以て判定して二値化する比較部と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項8】前記第1MOSトランジスタはN型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、前記電圧印加部は該第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最低電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧又はそれに近い電圧分だけ高い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、前記電圧印加部は下り勾配のランプ波形状の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項9】前記光電変換部の蓄積期間中の保持電位をリセット電位VRSTに設定した後、入射光の強度に応じた信号電荷を発生して保持電位を該リセット電位VRSTから下げてゆく際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に前記電圧VH1よりも高い電圧VH2を印加することを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。

【請求項10】前記第1MOSトランジスタはP型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最高電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値又はそれに近い電圧分だけ低い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、前記電圧印加部は上り勾配のランプ波形状の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項11】前記光電変換部の蓄積期間中の保持電位をリセット電位VRSTに設定した後、入射光の強度に応じた信号電荷を発生して保持電位を該リセット電位VRSTから上げてゆく際に、前記電圧印加部は第1MOSトランジスタのソース端子に前記電圧VH1よりも低い電圧VH2を印加することを特徴とする請求項10に記載の固体撮像素子。

【請求項12】少なくとも前記アンプ部に含まれるMOSトランジスタをSOI(Silicon on Insulator)基板上に形成したことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。

【請求項13】前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、さらに該第4MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であってランプ波形状電圧の印加前に該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段を備え、前記第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状電圧が印加されたときに該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで、該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。

【請求項14】前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、さらに該第4MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であってランプ波形状電圧の印加前に該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段を備え、前記第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状電圧が印加されたときに該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで、該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。

【請求項15】入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、該光電変換部の保持電位を読み出すようにゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、該第1MOSトランジスタの出力に基づいて入射光強度に応じた二値信号を生成する信号変換部と、を具備する固体撮像素子の信号読み出し方法であって、前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持された状態で、前記第1MOSトランジスタのソース端子にランプ波形状の電圧を印加し始め、そのランプ波形状電圧の変化に伴う該第1MOSトランジスタの出力の変化に基づいて、前記信号変換部により前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し方法。

【請求項16】前記第1MOSトランジスタはN型であり、前記光電変換部の保持電位をリセットする際に、該第1MOSトランジスタのソース端子に本素子の最低電位でない電圧VH1を印加することで、前記光電変換部の電位をその電圧VH1よりもそのMOSトランジスタの閾値電圧又はそれに近い電圧分だけ高い電位付近のリセット電位VRSTに初期設定し、その後に下り勾配のランプ波形状の電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項15に記載の固体撮像素子の信号読み出し方法。

【請求項17】前記固体撮像素子にあっては、n行m列の二次元状に画素セルが配置され、各画素セルには前記光電変換部と前記アンプ部とを含み、さらに各画素セルは、前記光電変換部の保持電位をリセットするための第2MOSトランジスタと、第1MOSトランジスタの出力電圧を複数の画素セルで共用する信号線に出力するか否かを決める出力選択用の第3MOSトランジスタを少なくとも含み、前記信号変換部は前記信号線と電源供給線との間に接続された第4MOSトランジスタを含み、前記ランプ波形状電圧の印加前に前記第4MOSトランジスタのゲート端子に所定電圧を印加することで該第4MOSトランジスタを導通させて前記信号線に一端が接続された浮遊容量を充電し、前記ランプ波形状電圧の印加時に第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで該第1MOSトランジスタの出力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項15に記載の固体撮像素子の信号読み出し方法。

【請求項18】a)入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、b)該光電変換部の保持電位を読み出すように該光電変換部の出力端子にゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、c)前記第1MOSトランジスタのソース端子、又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、d)前記アンプ部の出力信号を出力する出力信号線と電源供給線との間に接続された第2MOSトランジスタと、e)該第2MOSトランジスタのゲート端子に制御電圧を印加する回路であって、ランプ波形状電圧の印加前に該第2MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電する充電制御手段と、f)前記光電変換部に読み出すべき電位が保持された状態で前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状電圧が印加されたときに、該第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで変化した前記出力信号線上の電圧に基づいて前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、を備えることを特徴とする固体撮像素子。

【請求項19】入射光の強度に応じた信号電荷を発生してこれによる電位を保持する光電変換部と、該光電変換部の保持電位を読み出すように該光電変換部の出力端子にゲート端子が接続されるとともにドレイン端子を出力とする第1MOSトランジスタを含むアンプ部と、前記第1MOSトランジスタのソース端子、又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状の電圧を印加する電圧印加部と、前記アンプ部の出力信号を出力する出力信号線と電源供給線との間に接続された第2MOSトランジスタと、前記出力信号線上の電圧に基づいて前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成する信号変換部と、を具備する固体撮像素子の信号読み出し方法であって、前記光電変換部に入射光の強度に応じた読み出すべき電位が保持された状態で且つ前記電圧印加部によるランプ波形状電圧の印加前に、前記第2MOSトランジスタのゲート端子に所定の制御電圧を印加することで該MOSトランジスタを導通させて前記出力信号線に一端が接続された浮遊容量を充電しておき、その後に、前記電圧印加部により前記第1MOSトランジスタのソース端子又は容量素子を介して前記光電変換部の出力端子にランプ波形状電圧を印加し始め、そのランプ波形状電圧の変化の過程で前記第1MOSトランジスタを通して前記浮遊容量の充電電荷を放電することで変化した前記出力信号線上の電圧に基づいて、前記信号変換部により前記保持電位に応じたパルス幅を有する二値信号を生成するようにしたことを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し方法。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • National University Corporation Nara Institute Of Science And Technology
  • Inventor
  • Kagawa, Keiichiro
  • Ohta, Jun
IPC(International Patent Classification)
Specified countries AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BE BF BG BJ BR BW BY BZ CA CF CG CH CI CM CN CO CR CU CY CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI FR GA GB GD GE GH GM GN GQ GR GW HR HU ID IE IL IN IS IT JP KE KG KM KN KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV LY MA MC MD MG MK ML MN MR MW MX MZ NA NE NG NI NL NO NZ OM PG PH PL PT RO RS RU SC SD SE SG SI SK SL SM SN SY SZ TD TG TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
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