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JP2006345277A - Solid state imaging device and method of driving the same - Google Patents

Solid state imaging device and method of driving the same Download PDF

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JP2006345277A
JP2006345277A JP2005169592A JP2005169592A JP2006345277A JP 2006345277 A JP2006345277 A JP 2006345277A JP 2005169592 A JP2005169592 A JP 2005169592A JP 2005169592 A JP2005169592 A JP 2005169592A JP 2006345277 A JP2006345277 A JP 2006345277A
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transfer unit
bias voltage
operation mode
signal charges
vertical transfer
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JP2005169592A
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Katsuhiro Shibata
勝弘 柴田
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Fujifilm Holdings Corp
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Fujifilm Holdings Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of driving an imaging device in an addition reading system for adding signal charges of a plurality of pixels which prevent the added signal charges from leaking from a vertical or horizontal transfer unit without changing the spectrum sensitivity characteristic. <P>SOLUTION: The imaging device may select a first operation mode for transferring signal charges from a sensor 2 without adding at a vertical or horizontal transfer unit 4, 7, or a second operation mode for adding the signal charges read out of the sensor 2 at the vertical or horizontal transfer unit 4, 7. At the second operation mode, the substrate bias voltage in the exposing time is set to the same voltage as the substrate bias voltage Vsub1 at the first operation mode, and risen up to a substrate bias voltage Vsub2 before reading from these sensors 2 to the vertical transfer unit 4 to prevent a plurality of sensors 2 from saturating. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に関し、特に、センサ部の分光感度を変化させることなく撮像して得られた信号電荷を、加算して読み出すことができる固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a method for driving the solid-state imaging device, and in particular, a solid-state imaging device capable of adding and reading out signal charges obtained by imaging without changing the spectral sensitivity of a sensor unit and the solid-state imaging device. The present invention relates to a method for driving an image sensor.

固体撮像素子のセンサ部で得られた照射光量に比例した信号電荷を外部に読み出す方式として、複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算することなく独立に転送する非加算読み出し方式と、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算する加算読み出し方式と、が知られている。非加算読み出し方式は、解像度を優先する静止画の撮影に用いられることが多く、全画素の信号電荷を一斉に読み出す全画素読み出し方式、および偶数ラインと奇数ラインの各画素の信号電荷を交互に読み出すフレーム読み出し方式などがある。一方、加算読み出し方式は、フレームレートを上げることができるので、オートフォーカス(AF)制御、モニタリング、動画撮影(MV)などの際に用いられる。   As a method of reading out signal charges proportional to the amount of irradiation light obtained by the sensor unit of the solid-state image sensor, signal charges read from multiple sensor units are independent without being added by the vertical transfer unit or horizontal transfer unit There are known a non-addition readout method in which the signal charges are transferred to the image sensor and an addition readout method in which signal charges corresponding to the number of pixels read out from a plurality of sensor units are added by a vertical transfer unit or a horizontal transfer unit. The non-additive readout method is often used for taking still images that prioritize resolution, and the all-pixel readout method that simultaneously reads out the signal charges of all pixels and the signal charges of each pixel of even and odd lines alternately. There is a frame reading method for reading out. On the other hand, the addition reading method can increase the frame rate, and is used for autofocus (AF) control, monitoring, moving image shooting (MV), and the like.

加算読み出し方式の固体撮像素子およびその駆動方法としては、センサ部の飽和信号電荷量が1/nとなるように基板バイアス電圧を掛け、n画素分の信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算して信号電荷の漏れを防止するようにしたものが知られている(特許文献1参照)。   As a solid-state image pickup device of addition readout method and a driving method thereof, a substrate bias voltage is applied so that the saturation signal charge amount of the sensor unit becomes 1 / n, and signal charges for n pixels are applied to the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit. In order to prevent the leakage of signal charges, it is known (see Patent Document 1).

また、基板バイアス電圧を掛けると分光感度特性が変化することを利用して、分光感度特性を積極的に制御することにより、機械的フィルタを用いずに昼間撮影、夜間撮影などの撮影条件に対応可能としたものも知られている(特許文献2参照)。
特開2000−307961号公報 特開2000−133791号公報
In addition, by using the fact that the spectral sensitivity characteristics change when a substrate bias voltage is applied, the spectral sensitivity characteristics are actively controlled, so that shooting conditions such as daytime shooting and nighttime shooting can be handled without using a mechanical filter. What has been made possible is also known (see Patent Document 2).
JP 2000-307961 A JP 2000-133791 A

特許文献1の固体撮像装置およびその駆動方法は、加算読み出し方式の場合、基板バイアス電圧を非加算読み出し方式の基板バイアス電圧より高く設定して、センサ部の飽和信号電荷量を1/加算画素数に制限し、これにより各画素の信号電荷を加算したとき、信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止している。しかし、基板バイアス電圧が高くなると、分光感度特性変化、特に長波長側の感度が低下する分光感度特性の変化が生じ(図3参照)、感度低下やホワイトバランスの崩れが生じる問題があった。   In the solid-state imaging device and the driving method thereof in Patent Document 1, in the case of the addition readout method, the substrate bias voltage is set higher than the substrate bias voltage of the non-addition readout method, and the saturation signal charge amount of the sensor unit is 1 / number of added pixels. This prevents the signal charge from leaking out from the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit when the signal charge of each pixel is added. However, when the substrate bias voltage is increased, a change in spectral sensitivity characteristic, particularly a change in spectral sensitivity characteristic that lowers the sensitivity on the long wavelength side occurs (see FIG. 3), and there is a problem that the sensitivity is lowered and the white balance is lost.

また、特許文献2の固体撮像装置は、基板バイアス電圧による分光感度特性の変化を利用したフィルタ機能を意図したものであり、加算読み出し方式の場合でも分光感度特性の変化がないようにすることを目的とする本発明とは、技術的に全く異なるものである。   In addition, the solid-state imaging device of Patent Document 2 is intended for a filter function that uses a change in spectral sensitivity characteristic due to a substrate bias voltage, and prevents the spectral sensitivity characteristic from changing even in the case of the additive readout method. It is technically completely different from the intended present invention.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数画素の信号電荷を加算する加算読み出し方式において、分光感度特性を変化させることなく、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to perform vertical addition without changing spectral sensitivity characteristics in an addition readout method in which signal charges of a plurality of pixels are added. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a solid-state imaging device driving method capable of preventing leakage from the transfer unit or horizontal transfer unit.

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成できる。
(1) 半導体基板と、前記半導体基板上に、行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部とを有し、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第1の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第2の動作モードを選択的に設定でき、前記第2の動作モード時には、露光期間の前記半導体基板の基板バイアス電圧が、前記第1の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.
(1) A semiconductor substrate, a plurality of sensor units that perform photoelectric conversion arranged in a matrix on the semiconductor substrate, a vertical transfer unit that vertically transfers signal charges read from the plurality of sensor units, A horizontal transfer unit that horizontally transfers the signal charges transferred from the vertical transfer unit, without adding the signal charges read from the plurality of sensor units in the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit A first operation mode for independently transferring and a second operation mode for adding signal charges corresponding to the number of pixels read from the plurality of sensor units in the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit are selectively used. In the second operation mode, the substrate bias voltage of the semiconductor substrate during the exposure period is set to the same voltage as the substrate bias voltage in the first operation mode, and the vertical direction from the plurality of sensor units Roll A solid-state imaging device comprising bias voltage control means for limiting saturation of the plurality of sensor units by increasing the substrate bias voltage before reading to a sending unit.

このように構成された固体撮像素子においては、複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送部又は水平転送部にて加算することなく独立に転送する第1の動作モードと、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部で加算する第2の動作モードとが選択可能である。第2の動作モードにおいて、露光期間の基板バイアス電圧を第1の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定すると共に、信号電荷をセンサ部から垂直転送部へ読み出す前に基板バイアス電圧を上昇させてセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備える。これにより、露光期間の分光感度特性を変化させずに撮像し、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる。   In the solid-state imaging device configured as described above, a first operation mode in which signal charges read from a plurality of sensor units are independently transferred without being added by a vertical transfer unit or a horizontal transfer unit, and a plurality of A second operation mode in which signal charges corresponding to the number of pixels read from the sensor unit are added by the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit can be selected. In the second operation mode, the substrate bias voltage during the exposure period is set to the same voltage as the substrate bias voltage in the first operation mode, and the substrate bias voltage is increased before reading the signal charge from the sensor unit to the vertical transfer unit. Bias voltage control means for limiting the saturation of the sensor unit. As a result, it is possible to prevent the leakage of the added signal charge from the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit while capturing an image without changing the spectral sensitivity characteristic during the exposure period.

(2) 前記バイアス電圧制御手段は、前記半導体基板に接続された基板バイアス発生回路であることを特徴とする上記(1)記載の固体撮像素子。   (2) The solid-state imaging device according to (1), wherein the bias voltage control means is a substrate bias generation circuit connected to the semiconductor substrate.

このように構成された固体撮像素子においては、基板バイアス発生回路により半導体基板に基板バイアス電圧を掛けるようにしたので、簡単な電気回路により半導体基板に任意の電圧の基板バイアス電圧を掛けて、センサ部の飽和を任意のレベルに制限することができる。   In the solid-state imaging device configured as described above, since the substrate bias voltage is applied to the semiconductor substrate by the substrate bias generation circuit, the substrate bias voltage of an arbitrary voltage is applied to the semiconductor substrate by a simple electric circuit, and the sensor The saturation of the part can be limited to an arbitrary level.

また、本発明に係る上記目的は、下記方法により達成できる。
(3) 半導体基板と、前記半導体基板上に行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第1の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第2の動作モードを選択的に設定でき、前記第2の動作モード時には、露光期間の基板バイアス電圧が、前記第1の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
Moreover, the said objective based on this invention can be achieved by the following method.
(3) a semiconductor substrate, a plurality of sensor units that perform photoelectric conversion arranged in a matrix on the semiconductor substrate, a vertical transfer unit that vertically transfers signal charges read from the plurality of sensor units, And a horizontal transfer unit that horizontally transfers the signal charges transferred from the vertical transfer unit, wherein the signal charges read from the plurality of sensor units are transferred to the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit. A first operation mode in which transfer is performed independently without adding in the transfer unit, and a signal charge corresponding to the number of pixels read from the plurality of sensor units is added in the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit. A second operation mode can be selectively set. In the second operation mode, a substrate bias voltage during an exposure period is set to the same voltage as the substrate bias voltage in the first operation mode, and the plurality of sensors A method of driving a solid-state imaging device, wherein saturation of the plurality of sensor units is limited by increasing the substrate bias voltage before reading from the unit to the vertical transfer unit.

このような方法によれば、第2の動作モード時に、露光期間の基板バイアス電圧を第1の動作モード時のバイアス電圧と同じ電圧に設定し、センサ部から垂直転送部へ読み出す前に基板バイアス電圧を上昇させてセンサ部の飽和を制限するようにしたので、露光期間の分光感度特性が変化せずに第1の動作モードと同じ分光感度で撮像でき、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止することができる。   According to such a method, in the second operation mode, the substrate bias voltage in the exposure period is set to the same voltage as the bias voltage in the first operation mode, and the substrate bias is read before reading from the sensor unit to the vertical transfer unit. Since the voltage is increased to limit the saturation of the sensor section, the spectral sensitivity characteristics during the exposure period can be changed without changing the spectral sensitivity in the first operation mode, and the added signal charge can be transferred vertically. Leakage from the horizontal transfer unit or horizontal transfer unit can be prevented.

本発明によれば、複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部又は水平転送部で加算する第2の動作モードにおいて、露光期間の分光感度特性を変化させず、且つ加算された信号電荷が垂直転送部又は水平転送部から漏れるのを防止可能な固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法を提供できる。   According to the present invention, in the second operation mode in which the signal charges corresponding to the number of pixels read from the plurality of sensor units are added by the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit, the spectral sensitivity characteristics of the exposure period are not changed. In addition, it is possible to provide a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device that can prevent the added signal charges from leaking from the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit.

以下に、図面を参照して、本発明にかかる固体撮像素子の一実施形態を説明する。
図1に固体撮像素子の概略構成図を示す。固体撮像素子10は、図1に示すように、PN接合のフォトダイオードなどである光電変換を行う複数のセンサ部2が、半導体基板1上に水平及び垂直方向に二次元配列されている。列方向(縦方向)に配列された複数のセンサ部2に対応して垂直転送部4がそれぞれ配置され、各センサ部2と垂直転送部4の間には、読み出しゲート部3が置かれている。即ち、複数のセンサ部2、読み出しゲート部3および垂直転送部4により撮像エリア5が構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device. As shown in FIG. 1, in the solid-state imaging device 10, a plurality of sensor units 2 that perform photoelectric conversion, such as PN junction photodiodes, are two-dimensionally arranged in a horizontal and vertical direction on a semiconductor substrate 1. Vertical transfer units 4 are arranged corresponding to the plurality of sensor units 2 arranged in the column direction (vertical direction), and a read gate unit 3 is placed between each sensor unit 2 and the vertical transfer unit 4. Yes. That is, the imaging area 5 is configured by the plurality of sensor units 2, the readout gate unit 3, and the vertical transfer unit 4.

各垂直転送部4の一端(図1において撮像エリア5の下側)には、ラインメモリ部6、水平転送部7がこの順序で配置されており、垂直転送部4により垂直転送される信号電荷を、ラインメモリ部6で一時的に蓄積してから水平転送部7に転送する。水平転送部7のデータ転送方向先端には、電荷電圧変換部8および出力端子9が設けられている。センサ部2、読み出しゲート部3、垂直転送部4、ラインメモリ部6、水平転送部7および電荷電圧変換部8などは、半導体基板1上に形成されている。   At one end of each vertical transfer unit 4 (below the imaging area 5 in FIG. 1), a line memory unit 6 and a horizontal transfer unit 7 are arranged in this order, and signal charges vertically transferred by the vertical transfer unit 4 are arranged. Are temporarily stored in the line memory unit 6 and then transferred to the horizontal transfer unit 7. A charge voltage conversion unit 8 and an output terminal 9 are provided at the tip of the horizontal transfer unit 7 in the data transfer direction. The sensor unit 2, the read gate unit 3, the vertical transfer unit 4, the line memory unit 6, the horizontal transfer unit 7, the charge voltage conversion unit 8 and the like are formed on the semiconductor substrate 1.

固体撮像素子10は、該固体撮像素子10を駆動するための垂直転送クロックφV1〜φV8、水平転送クロックφH1〜φH2、ラインメモリクロックφLMおよびシャッタパルスφsubを発生するタイミング発生回路11と、半導体基板1をバイアスする基板バイアス電圧Vsubを発生するバイアス電圧制御手段の一例である基板バイアス発生回路12を更に備えている。   The solid-state imaging device 10 includes a timing generation circuit 11 that generates vertical transfer clocks φV1 to φV8, horizontal transfer clocks φH1 to φH2, a line memory clock φLM, and a shutter pulse φsub for driving the solid-state imaging device 10, and a semiconductor substrate 1. Is further provided with a substrate bias generation circuit 12 which is an example of a bias voltage control means for generating a substrate bias voltage Vsub for biasing.

基板バイアス発生回路12で生成された基板バイアス電圧Vsubは、ダイオードDを経て端子21から半導体基板1に印加される。また、タイミング発生回路11で生成されたシャッタパルスφsubは、コンデンサCで直流カットされて端子21から半導体基板1に印加される。端子21とグランドGとの間には、抵抗Rが接続されている。また、基板バイアス発生回路12には、基板バイアス電圧Vsubを制御するための電圧入力部DCINが接続されている。基板バイアス発生回路12は、基板バイアス電圧Vsubを変えることにより、センサ部2の飽和信号電荷量を制御することができる。   The substrate bias voltage Vsub generated by the substrate bias generation circuit 12 is applied to the semiconductor substrate 1 from the terminal 21 via the diode D. Further, the shutter pulse φsub generated by the timing generation circuit 11 is DC-cut by the capacitor C and applied to the semiconductor substrate 1 from the terminal 21. A resistor R is connected between the terminal 21 and the ground G. The substrate bias generating circuit 12 is connected to a voltage input unit DCIN for controlling the substrate bias voltage Vsub. The substrate bias generation circuit 12 can control the saturation signal charge amount of the sensor unit 2 by changing the substrate bias voltage Vsub.

上記構成の固体撮像素子10の動作について、以下に詳細に説明する。図1に示すように、センサ部2は、光が照射されると光電変換して光量に応じた電荷量の信号電荷を蓄積する。センサ部2に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部3に読み出しパルスが印加されて読み出しゲート部3が開くと、各センサ部2からいっせいに垂直転送部4に読み出される。垂直転送部4は、タイミング発生回路11からの8相の垂直転送クロックφV1〜φV8によって駆動されて、読み出された信号電荷を垂直転送する。そして、ラインメモリ部6がフレーム単位で信号電荷を一時的に蓄積してから水平転送部7に転送する。垂直転送クロックφVの相数は、8相に限定されるものではなく、垂直転送制御方法により、例えば4相であってもよい。   The operation of the solid-state imaging device 10 having the above configuration will be described in detail below. As shown in FIG. 1, the sensor unit 2 performs photoelectric conversion when light is irradiated, and accumulates signal charges having a charge amount corresponding to the light amount. The signal charges accumulated in the sensor unit 2 are read from each sensor unit 2 to the vertical transfer unit 4 together when a read pulse is applied to the read gate unit 3 to open the read gate unit 3. The vertical transfer unit 4 is driven by the eight-phase vertical transfer clocks φV1 to φV8 from the timing generation circuit 11 and vertically transfers the read signal charges. The line memory unit 6 temporarily accumulates signal charges in units of frames and then transfers the signal charges to the horizontal transfer unit 7. The number of phases of the vertical transfer clock φV is not limited to eight, and may be four, for example, depending on the vertical transfer control method.

水平転送部7は、2相の水平転送クロックφH1〜φH2によって駆動されて垂直転送部4から転送された信号電荷を水平方向に転送する。そして、電荷電圧変換部8は、転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力端子9から順次出力する。   The horizontal transfer unit 7 is driven by the two-phase horizontal transfer clocks φH1 to φH2 and transfers the signal charges transferred from the vertical transfer unit 4 in the horizontal direction. The charge-voltage converter 8 converts the transferred signal charges into signal voltages and sequentially outputs them from the output terminal 9.

次に、本発明の主旨である基板バイアス電圧Vsubの制御について、図2〜図4を参照して説明する。基板バイアス電圧Vsubは、複数のセンサ部2から読み出された信号電荷を垂直転送部4又は水平転送部7にて加算することなく独立に転送する第1の動作モード(非加算読み出し方式)と、複数のセンサ部2から読み出された画素数に応じた信号電荷を垂直転送部4又は水平転送部7で加算する第2の動作モード(加算読み出し方式)と、で異なる制御が行われる。   Next, control of the substrate bias voltage Vsub, which is the gist of the present invention, will be described with reference to FIGS. The substrate bias voltage Vsub is a first operation mode (non-addition readout method) in which signal charges read from the plurality of sensor units 2 are transferred independently without being added by the vertical transfer unit 4 or the horizontal transfer unit 7. Different control is performed in the second operation mode (addition readout method) in which the signal charges corresponding to the number of pixels read from the plurality of sensor units 2 are added by the vertical transfer unit 4 or the horizontal transfer unit 7.

図2はセンサ部周辺の基板深さ方向のポテンシャル分布図、図3は基板バイアス電圧と感度の関係を示す分光感度特性図、図4は第2の動作モード(加算読み出し方式)における固体撮像素子の駆動タイミングチャート図である。   2 is a potential distribution diagram in the substrate depth direction around the sensor unit, FIG. 3 is a spectral sensitivity characteristic diagram showing the relationship between the substrate bias voltage and sensitivity, and FIG. 4 is a solid-state imaging device in the second operation mode (addition readout method). It is a drive timing chart figure of.

先ず、第1の動作モード(非加算読み出し方式)について簡単に説明する。第1の動作モード(非加算読み出し方式)では、電圧入力部DCINは常に“L”レベルに保持されており、半導体基板1には端子21から低い基板バイアス電圧Vsub1が印加されている。このときセンサ部2に蓄積される信号電荷の電荷量は、図2に示すように、ポテンシャル曲線13によって決まり、高い基板バイアス電圧Vsub2を印加した場合のポテンシャル曲線14による電荷量eより大きい。   First, the first operation mode (non-addition readout method) will be briefly described. In the first operation mode (non-addition readout method), the voltage input unit DCIN is always kept at the “L” level, and a low substrate bias voltage Vsub 1 is applied to the semiconductor substrate 1 from the terminal 21. At this time, as shown in FIG. 2, the charge amount of the signal charge accumulated in the sensor unit 2 is determined by the potential curve 13, and is larger than the charge amount e by the potential curve 14 when the high substrate bias voltage Vsub2 is applied.

また、このとき(低い基板バイアス電圧Vsub1印加時)の分光感度は、図3に示すように、分光感度特性曲線17で表わされ、高い基板バイアス電圧Vsub2を半導体基板1に印加した場合の分光感度特性曲線18より高感度となっている。特に、長波長側での感度が大きい。センサ部2に蓄積された信号電荷は、前記したように垂直転送部4、ラインメモリ部6および水平転送部7によって転送され、更に電荷電圧変換部8で電圧信号に変換されて出力端子9から出力する。換言すれば、第1の動作モード(非加算読み出し方式)においては、分光感度特性曲線17で表わされる高感度で撮像されてセンサ部2に蓄積された信号電荷は、該信号電荷の量に応じた電圧の電圧信号に変換されて出力端子9から出力される。   Further, the spectral sensitivity at this time (when the low substrate bias voltage Vsub1 is applied) is represented by a spectral sensitivity characteristic curve 17 as shown in FIG. 3, and the spectral when the high substrate bias voltage Vsub2 is applied to the semiconductor substrate 1 is shown. The sensitivity is higher than the sensitivity characteristic curve 18. In particular, the sensitivity on the long wavelength side is large. The signal charge accumulated in the sensor unit 2 is transferred by the vertical transfer unit 4, the line memory unit 6 and the horizontal transfer unit 7 as described above, and further converted into a voltage signal by the charge / voltage conversion unit 8, and from the output terminal 9. Output. In other words, in the first operation mode (non-addition readout method), the signal charge that is imaged with high sensitivity represented by the spectral sensitivity characteristic curve 17 and accumulated in the sensor unit 2 depends on the amount of the signal charge. It is converted into a voltage signal of the selected voltage and output from the output terminal 9.

次に第2の動作モード(加算読み出し方式)について説明する。図4に示すように、第2の動作モード(加算読み出し方式)では、固体撮像素子10のセンサ部2に光を照射して光量に応じた信号電荷を蓄積する露光期間(t〜t)の間、電圧入力部DCINは“L”レベルに保持されており、半導体基板1には端子21から低い基板バイアス電圧Vsub1が印加される。このときの分光感度は、第1の動作モードと同じであり、低い基板バイアス電圧Vsub1の高感度の分光感度特性曲線17となる(図3参照)。また、センサ部2に蓄積される信号電荷は、第1の動作モードと同じであり、ポテンシャル曲線13に従う。即ち、高い基板バイアス電圧Vsub2を印加した場合のポテンシャル曲線14より大きい(図2参照)。 Next, the second operation mode (addition readout method) will be described. As shown in FIG. 4, in the second operation mode (addition readout method), an exposure period (t 0 to t 1 ) in which the sensor unit 2 of the solid-state imaging device 10 is irradiated with light and signal charges corresponding to the amount of light are accumulated. ), The voltage input unit DCIN is held at the “L” level, and a low substrate bias voltage Vsub 1 is applied to the semiconductor substrate 1 from the terminal 21. The spectral sensitivity at this time is the same as in the first operation mode, and becomes a high-sensitivity spectral sensitivity characteristic curve 17 with a low substrate bias voltage Vsub1 (see FIG. 3). The signal charge accumulated in the sensor unit 2 is the same as that in the first operation mode, and follows the potential curve 13. That is, it is larger than the potential curve 14 when the high substrate bias voltage Vsub2 is applied (see FIG. 2).

図4に戻って、露光期間(t〜t)が終了し、蓄積された信号電荷がセンサ部2から垂直転送部4に読み出される直前tにおいて、電圧入力部DCINが“H”レベルに切り換えられて、半導体基板1に端子21から高い基板バイアス電圧Vsub2が半導体基板1に印加される。このときの基板バイアス電圧Vsub2は、加算される画素数に対応した電圧値であり、例えば、2画素加算される場合は、センサ部2の飽和信号電荷量を1/2に設定する電圧値となっている。 Returning to FIG. 4, at the time t 1 immediately before the exposure period (t 0 to t 1 ) ends and the accumulated signal charges are read from the sensor unit 2 to the vertical transfer unit 4, the voltage input unit DCIN is at the “H” level. The high substrate bias voltage Vsub 2 is applied to the semiconductor substrate 1 from the terminal 21 to the semiconductor substrate 1. The substrate bias voltage Vsub2 at this time is a voltage value corresponding to the number of pixels to be added. For example, when two pixels are added, the substrate bias voltage Vsub2 is a voltage value that sets the saturation signal charge amount of the sensor unit 2 to ½. It has become.

基板バイアス電圧がVsub1からVsub2に切り換えられると、図2に示すように、ポテンシャル曲線もポテンシャル曲線13からポテンシャル曲線14に変化して飽和信号電荷量が1/2となって、過剰な信号電荷は半導体基板1に掃き出される。これにより、第1の動作モード(非加算読み出し方式)で読み出される信号電荷と、2画素加算された第2の動作モード(加算読み出し方式)の信号電荷との電荷量が等しくなる。   When the substrate bias voltage is switched from Vsub1 to Vsub2, the potential curve also changes from the potential curve 13 to the potential curve 14 as shown in FIG. The semiconductor substrate 1 is swept out. Thereby, the charge amount of the signal charge read in the first operation mode (non-addition read method) and the signal charge in the second operation mode (addition read method) obtained by adding two pixels become equal.

そして、露光期間後のタイミングtでタイミング発生回路11から読み出しパルスを読み出しゲート部3に出力すると、各センサ部2に蓄積していた信号電荷は、垂直転送部4に読み出される。その後、タイミングtで基板バイアス電圧は再びVsub1に戻されて次の露光に備える。 When the readout pulse is output from the timing generation circuit 11 to the readout gate unit 3 at the timing t 2 after the exposure period, the signal charge accumulated in each sensor unit 2 is read out to the vertical transfer unit 4. Thereafter, the substrate bias voltage at the timing t 3 is returned again to Vsub1 preparation for the next exposure.

垂直転送部4に読み出された信号電荷は、第1の動作モードと同様に、ラインメモリ部6および水平転送部7へと転送され、更に電荷電圧変換部8で信号電圧に変換されて出力端子9から出力する。上記したように、垂直転送部4に読み出される信号電荷の電荷量は、第1の動作モードおよび第2の動作モードで同じなので、信号電荷が垂直転送部4又は水平転送部7から漏れてブルーミングなどが発生することが防止される。   The signal charge read out to the vertical transfer unit 4 is transferred to the line memory unit 6 and the horizontal transfer unit 7 as in the first operation mode, and further converted into a signal voltage by the charge voltage conversion unit 8 and output. Output from terminal 9. As described above, since the amount of signal charge read to the vertical transfer unit 4 is the same in the first operation mode and the second operation mode, the signal charge leaks from the vertical transfer unit 4 or the horizontal transfer unit 7 and blooms. Is prevented from occurring.

尚、上記説明において、加算読み出し方式において、2画素加算するものとして説明したが、これに限定されるもではなく、3画素以上の信号電荷を加算することもできる。この場合、基板バイアス電圧は、加算される画素数に対応した基板バイアス電圧に設定される。   In the above description, the addition readout method is described as adding two pixels, but the present invention is not limited to this, and signal charges of three or more pixels can be added. In this case, the substrate bias voltage is set to a substrate bias voltage corresponding to the number of pixels to be added.

以上説明したように、本実施形態の固体撮像素子10によれば、加算読み出し方式(第2の動作モード)で駆動するとき、露光時には基板バイアス電圧を低い基板バイアス電圧Vsub1に維持し、これにより非加算読み出し方式(第1の動作モード)の分光感度特性と同じ高感度で露光するので、ホワイトバランスの崩れや感度低下を防止することができる。且つ、信号電荷がセンサ部2から垂直転送部4に読み出される直前で、高い基板バイアス電圧Vsub2に切り換えて、センサ部2の飽和信号電荷量を加算される画素数nに応じて1/nとするので、加算された信号電荷が垂直転送部4又は水平転送部7から漏れるのを防止することができる。即ち、分光感度特性と信号電荷の漏れとの相反する特性を両立させて、画像品質が良好であり、且つフレームレートを上げてAF制御を容易にし、また滑らかなモニター画像や動画が得られる。   As described above, according to the solid-state imaging device 10 of the present embodiment, when driven by the addition readout method (second operation mode), the substrate bias voltage is maintained at the low substrate bias voltage Vsub1 during exposure, thereby Since exposure is performed with the same high sensitivity as the spectral sensitivity characteristic of the non-additive readout method (first operation mode), it is possible to prevent the white balance from being lost and the sensitivity from being lowered. In addition, immediately before the signal charge is read from the sensor unit 2 to the vertical transfer unit 4, it is switched to a high substrate bias voltage Vsub2, and the saturation signal charge amount of the sensor unit 2 is increased to 1 / n according to the number of pixels n to be added. Therefore, the added signal charge can be prevented from leaking from the vertical transfer unit 4 or the horizontal transfer unit 7. In other words, the spectral sensitivity characteristic and the signal charge leakage are compatible with each other, the image quality is good, the frame rate is increased, the AF control is facilitated, and a smooth monitor image or moving image can be obtained.

固体撮像素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a solid-state image sensor. センサ部周辺の基板深さ方向のポテンシャル分布図である。It is a potential distribution figure of the substrate depth direction around a sensor part. 基板バイアス電圧と感度の関係を示す分光感度特性図である。It is a spectral sensitivity characteristic figure which shows the relationship between a substrate bias voltage and a sensitivity. 固体撮像素子を駆動するタイミングチャート図であるIt is a timing chart figure which drives a solid-state image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 センサ部
4 垂直転送部
7 水平転送部
10 固体撮像素子
12 基板バイアス発生回路(バイアス電圧制御手段)
n 画素数
〜t 露光期間
Vsub1 基板バイアス電圧
Vsub2 基板バイアス電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Sensor part 4 Vertical transfer part 7 Horizontal transfer part 10 Solid-state image sensor 12 Substrate bias generation circuit (bias voltage control means)
n Number of pixels t 0 to t 1 Exposure period Vsub1 Substrate bias voltage Vsub2 Substrate bias voltage

Claims (3)

半導体基板と、
前記半導体基板上に、行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部とを有し、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第1の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第2の動作モードを選択的に設定でき、前記第2の動作モード時には、露光期間の前記半導体基板の基板バイアス電圧が、前記第1の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限するバイアス電圧制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
A semiconductor substrate;
A plurality of sensor units that perform photoelectric conversion arranged in a matrix on the semiconductor substrate;
A vertical transfer unit that vertically transfers signal charges read from the plurality of sensor units;
A horizontal transfer unit that horizontally transfers the signal charges transferred from the vertical transfer unit,
A first operation mode in which signal charges read from the plurality of sensor units are independently transferred without being added by the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit, and pixels read from the plurality of sensor units A second operation mode in which signal charges corresponding to the number are added in the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit can be selectively set, and in the second operation mode, the substrate bias voltage of the semiconductor substrate during the exposure period Is set to the same voltage as the substrate bias voltage in the first operation mode, and by increasing the substrate bias voltage before reading from the plurality of sensor units to the vertical transfer unit, A solid-state imaging device comprising bias voltage control means for limiting saturation.
前記バイアス電圧制御手段は、前記半導体基板に接続された基板バイアス発生回路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。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the bias voltage control unit is a substrate bias generation circuit connected to the semiconductor substrate. 半導体基板と、前記半導体基板上に行列状に配列された光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記複数のセンサ部から読み出された信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算することなく独立に転送する第1の動作モードと、前記複数のセンサ部から読み出された画素数に応じた信号電荷を前記垂直転送部又は前記水平転送部にて加算する第2の動作モードを選択的に設定でき、前記第2の動作モード時には、露光期間の基板バイアス電圧が、前記第1の動作モード時の基板バイアス電圧と同じ電圧に設定され、前記複数のセンサ部から前記垂直転送部へ読み出す前に前記基板バイアス電圧を上昇させることで、前記複数のセンサ部の飽和を制限することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
A semiconductor substrate, a plurality of sensor units that perform photoelectric conversion arranged in a matrix on the semiconductor substrate, a vertical transfer unit that vertically transfers signal charges read from the plurality of sensor units, and the vertical transfer unit A horizontal transfer unit that horizontally transfers a signal charge transferred from a solid-state imaging device,
A first operation mode in which signal charges read from the plurality of sensor units are independently transferred without being added by the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit, and pixels read from the plurality of sensor units A second operation mode in which signal charges corresponding to the number are added in the vertical transfer unit or the horizontal transfer unit can be selectively set, and in the second operation mode, the substrate bias voltage during the exposure period is set to the first transfer mode. Saturation of the plurality of sensor units is limited by increasing the substrate bias voltage before being read from the plurality of sensor units to the vertical transfer unit. A method for driving a solid-state imaging device.
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