(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ個（Ｍは３以上の整数）の光電変換部と、
前記Ｍ個の光電変換部に対して共通に設けられた増幅部と、
前記Ｍ個の光電変換部に対して１対１に設けられ、電荷を前記Ｍ個の光電変換部から前記増幅部へそれぞれ転送するＭ個の転送トランジスタと、
前記Ｍ個の転送トランジスタがＮ個（ＮはＭよりも小さい２以上の整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に１個ずつ、前記グループに属する前記転送トランジスタと前記増幅部との間に設けられたＮ個のスイッチと、
を備え、
第１の動作モードにおいて、前記Ｍ個の転送トランジスタの１つを選択的にオンする動作が、当該１つの転送トランジスタが前記増幅部に接続されることを条件として前記Ｎ個のスイッチの２つ以上がオンされた状態で行われ、
第２の動作モードにおいて、前記Ｍ個の転送トランジスタの１つを選択的にオンする動作が、当該１つの転送トランジスタが前記増幅部に接続されることを条件として前記Ｎ個のスイッチの１つのみがオンされた状態で行われる、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記各転送トランジスタの出力部はフローティング拡散領域であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記各グループに属する前記転送トランジスタの数が同一であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示された固体撮像素子では、所定数の画素毎に画素ブロックをなし、画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記所定数の画素が、１つの増幅トランジスタを共有している。このため、１画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。開口率が大きいと、多くの電荷を扱うこととなり、ＳＮ比が良くなる。
【０００３】
そして、下記特許文献１に開示された固体撮像素子では、各画素ブロックにおいて、画素毎に光電変換部及び転送トランジスタが設けられている。各転送トランジスタの出力部は、画素ブロック毎の前記増幅トランジスタの入力部に配線により接続されている。これにより、各画素ブロックの前記増幅トランジスタの入力部には、当該画素ブロックの所定数の転送トランジスタの出力部をなす所定数のフローティング拡散領域や前記配線などによって、固定値のフローティング容量が形成されている。このフローティング容量は、前記転送トランジスタにより前記光電変換部から転送されて来た電荷を電圧に変換し、前記増幅トランジスタはその電圧に応じた信号を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７３７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の固体撮像素子では、前述したように、所定数の転送トランジスタの出力部をなす所定数のフローティング拡散領域や前記配線などによって固定値のフローティング容量が形成されている。前記フローティング拡散領域の容量値自体を小さくしようとしても、転送トランジスタによる電荷転送をいわゆる完全転送に近づけるためには、限界がある。また、前記配線も長くなってしまう。したがって、このフローティング容量の容量値は大きくならざるを得ない。一方、前記フローティング容量の飽和電荷量は前記フローティング容量の容量値に比例し、前記フローティング容量の電荷電圧変換ゲインはその容量値に反比例する。
【０００６】
このため、前記従来の固体撮像素子では、前記フローティング容量の飽和電荷量は大きくなるものの、前記フローティング容量の電荷電圧変換ゲインは小さくなってしまう。したがって、前記従来の固体撮像素子では、低感度時のダイナミックレンジの拡大を図ることができるものの、開口率を大きくすることができることの代償として、高感度時の高Ｓ／Ｎ化を図ることができなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、開口率を大きくすることができるにも拘わらず、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高Ｓ／Ｎ化を両立させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）の光電変換部と、前記Ｍ個の光電変換部に対して共通に設けられた増幅部と、前記Ｍ個の光電変換部に対して１対１に設けられ、電荷を前記Ｍ個の光電変換部から前記増幅部へそれぞれ転送するＭ個の転送トランジスタと、前記Ｍ個の転送トランジスタがＮ個（ＮはＭよりも小さい２以上の整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に１個ずつ、前記グループに属する前記転送トランジスタと前記増幅部との間に設けられたＮ個のスイッチと、を備えたものである。
【０００９】
第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記各転送トランジスタの前記出力部はフローティング拡散領域であるものである。
【００１０】
第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記各グループに属する前記転送トランジスタの数が同一であるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、開口率を大きくすることができるにも拘わらず、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高Ｓ／Ｎ化を両立させることができる固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。
【図２】図１中の画素ブロックを示す回路図である。
【図３】図１中の画素ブロックを模式的に示す概略平面図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子の各動作モードを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。図２は、図１中の画素ブロック１０を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。
【００１５】
本実施の形態による固体撮像素子は、図１に示すように、２次元状に配置された複数の画素１と、垂直走査回路２と、水平走査回路３と、読み出し回路４と、出力アンプ５と、画素１の各列ごとに設けられ各列ごとの画素１の出力が供給される垂直信号線７とを備えている。各画素１のフォトダイオードＰＤで光電変換された電気信号は、垂直走査回路２により行単位で垂直信号線７を介して読み出し回路４に取り出され、読み出し回路４に取り出された電気信号は、水平走査回路３により列単位で出力アンプ５を介して出力端子６に順次出力されるようになっている。図１及び図２において、ＶＤＤは電源電圧である。
【００１６】
なお、図面では、後述の画素ブロック１０の４個の画素１について、図１及び図２中下側から順に符号を１−１〜１−４として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときにはこれらに符号１を付して説明する場合がある。また、図面では、画素１−１〜１−４のフォトダイオードの符号をそれぞれＰＤ１〜ＰＤ４として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときには両者に符号ＰＤを付して説明する場合がある。同様に、画素１−１〜１−４の転送トランジスタの符号をＴＸ１〜ＴＸ４として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときには両者に符号ＴＸを付して説明する場合がある。
【００１７】
本実施の形態では、前記複数の画素１は、光電変換部としてのフォトダイオードＰＤが列方向に順次並んだＭ個の画素１毎に画素ブロック１０をなしている。本実施の形態ではＭ＝４とされているが、本発明ではＭは３以上であればよい。図２に示すように、各画素ブロック１０毎に、当該画素ブロック１０に属する４個の画素１（１−１〜１−４）が、１組のフローティング容量部２０、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴ及び選択トランジスタＳＥＬを共有している。したがって、１画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。フローティング容量部２０は、可変の容量値を持ち、転送されてきた電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を構成している。フローティング容量部２０の構成については、後述する。
【００１８】
増幅トランジスタＡＭＰは、自身の入力部（ゲート）の電位（フローティング容量部２０の電位）に応じた信号を出力する増幅部を構成している。リセットトランジスタＲＳＴは、フローティング容量部２０の電位をリセットするリセット部を構成している。選択トランジスタＳＥＬは、当該画素ブロック１０を選択するための選択部を構成している。フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタＴＸは、４個の画素１（１−１〜１−４）で共有されることなく、画素１毎に設けられている。これにより、転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤに対して１対１に設けられている。各転送トランジスタＴＸは、対応するフォトダイオードＰＤの電荷を、自身の出力部（後述する拡散領域２１〜２４）側へ転送する。図１及び図２では、ｎは画素ブロック１０の行を示している。例えば、１行目乃至４行目の画素１により１行目の画素ブロック１０が構成され、５行目乃至８行目の画素１により２行目の画素ブロック１０が構成されている。
【００１９】
本実施の形態では、各画素ブロック１０において、Ｍ個の転送トランジスタＴＸがＮ個（ＮはＭよりも小さい２以上の整数）のグループに分けられて、Ｎ個のスイッチＦＤＸが、前記グループ毎に１個ずつ、前記グループに属する転送トランジスタＴＸの出力部と増幅トランジスタＡＭＰの入力部との間をオンオフするように設けられている。本実施の形態では、Ｍ＝４、Ｎ＝２とされ、各グループの転送トランジスタＴＸの数は同じ２個とされている。図２では、前記２個のスイッチＦＤＸを区別して、それぞれ符号ＦＤＸ１，ＦＤＸ２を付している。スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２の具体的な接続関係については、後述する。フローティング容量部２０は、前述したスイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２、後述するフローティング拡散領域２１〜２９による容量、及び、関連する配線による容量等によって構成されている。
【００２０】
図３は、行方向に並んだ図１中の２個の画素ブロック１０を模式的に示す概略平面図である。実際には、フォトダイオードＰＤの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズ等が配置されるが、ここでは省略する。なお、図３において、グランド線のレイアウトは省略している。
【００２１】
本実施の形態では、Ｎ型シリコン基板（図示せず）上にＰ型ウエル（図示せず）が設けられ、前記Ｐ型ウエル中にフォトダイオードＰＤなどの画素部における各素子が配置されている。図３において、符号２１〜３２は、前述した各トランジスタの一部となっているＮ型不純物拡散領域である。符号４１〜４９は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。なお、拡散領域３０は電源電圧ＶＤＤが印加される電源拡散部である。符号２１〜２９はフローティング容量部２０を構成する拡散領域である。
【００２２】
フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４は、前記Ｐ型ウエル中に設けられたＮ型の電荷蓄積層（図示せず）とその表面側に配置されたＰ型の空乏化防止層（図示せず）からなる埋め込み型フォトダイオードである。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４は、入射する光を光電変換し、生じた電荷をその電荷蓄積層に蓄積する。
【００２３】
転送トランジスタＴＸ１は、フォトダイオードＰＤ１の電荷蓄積層をソース、拡散領域２１をドレイン（出力部）、ゲート電極４１をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。転送トランジスタＴＸ２は、フォトダイオードＰＤ２の電荷蓄積層をソース、拡散領域２２をドレイン、ゲート電極４２をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。転送トランジスタＴＸ３は、フォトダイオードＰＤ３の電荷蓄積層をソース、拡散領域２３をドレイン、ゲート電極４３をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。転送トランジスタＴＸ４は、フォトダイオードＰＤ４の電荷蓄積層をソース、拡散領域２４をドレイン、ゲート電極４４をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。
【００２４】
転送トランジスタＴＸ１のゲート電極４１は、画素行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸ１を導く制御線に接続されている。転送トランジスタＴＸ２のゲート電極４２は、画素行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸ２を導く制御線に接続されている。転送トランジスタＴＸ３のゲート電極４３は、画素行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸ３を導く制御線に接続されている。転送トランジスタＴＸ４のゲート電極４４は、画素行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸ４を導く制御線に接続されている。
【００２５】
スイッチＦＤＸ１は、拡散領域２５をソース、拡散領域２６をドレイン、ゲート電極４５をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。スイッチＦＤＸ２は、拡散領域２７をソース、拡散領域２８をドレイン、ゲート電極４６をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。拡散領域２１，２２，２５間が、配線５１によって接続されている。拡散領域２３，２４，２７間が、配線５２によって接続されている。スイッチＦＤＸ１のゲート電極４５は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＦＤＸ１を導く制御線に接続されている。スイッチＦＤＸ２のゲート電極４６は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＦＤＸ２を導く制御線に接続されている。
【００２６】
リセットトランジスタＲＳＴは、電源拡散領域３０をドレイン、拡散領域２９をソース、ゲート電極４７をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。増幅トランジスタＡＭＰは、電源拡散領域３０をドレイン、拡散領域３１をソース、ゲート電極４８をゲート（入力部）とするｎＭＯＳトランジスタである。拡散領域２６，２８，２９及びゲート電極４８間が、配線５３，５４によって接続されている。リセットトランジスタＲＳＴのゲート電極４７は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＲＳＴを導く制御線に接続されている。
【００２７】
選択トランジスタＳＥＬは、拡散領域３１をドレイン、拡散領域３２をソース、ゲート電極４９をゲートとするｎＭＯＳトランジスタである。拡散領域３２は、垂直信号線７に接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲート電極４９は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＳＥＬを導く制御線に接続されている。
【００２８】
各トランジスタＴＸ１〜ＴＸ４，ＲＳＴ，ＳＥＬ及びスイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２は、対応する制御信号φＴＸ１〜φＴＸ４，φＲＳＴ，φＳＥＬ，φＦＤＸ１，φＦＤＸ２がハイレベル“Ｈ”のときにオンし、ローレベル“Ｌ”のときにオフする。
【００２９】
フローティング容量部２０は、スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２のゲートに供給される制御信号φＦＤＸ１，φＦＤＸ２により、次の第１乃至第３の状態となる。
【００３０】
第１の状態は、φＦＤＸ１とφＦＤＸ２が両方とも“Ｈ”で、スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２が両方ともオンしている状態である。この状態では、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して、拡散領域２１〜２９の容量、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量が、寄与することになる。したがって、増幅トランジスタＡＭＰのゲートに対するフローティング容量部２０の静電容量値は大きくなるため、高い飽和電荷量の出力信号が得られる。
【００３１】
第２の状態は、φＦＤＸ１が“Ｈ”でφＦＤＸ２が“Ｌ”で、スイッチＦＤＸ１がオンでスイッチＦＤＸ２がオフの場合である。この状態では、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して、拡散領域２１，２２，２５，２６，２８，２９の容量、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与するが、拡散領域２３，２４，２７及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与しない。したがって、第２の状態における増幅トランジスタＡＭＰのゲートに対するフローティング容量部２０の静電容量値は、前記第１の状態と比較して、おおよそ半分の値となる。このため、第２の状態では、フローティング容量部２０の電荷電圧変換ゲインが高くなり、高感度の出力信号が得られる。
【００３２】
第３の状態はφＦＤＸ２が“Ｈ”でφＦＤＸ１が“Ｌ”で、スイッチＦＤＸ２がオンでスイッチＦＤＸ１がオフの場合である。この状態では、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して、拡散領域２３，２４，２７，２６，２８，２９の容量、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与するが、拡散領域２１，２２，２５及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与しない。したがって、第２の状態における増幅トランジスタＡＭＰのゲートに対するフローティング容量部２０の静電容量値は、前記第１の状態と比較して、おおよそ半分の値となる。このため、第３の状態では、フローティング容量部２０の電荷電圧変換ゲインが高くなり、高Ｓ／Ｎで高感度の出力信号が得られる。
【００３３】
図４（ａ）は、本実施の形態による固体撮像素子の第１の動作モードを示すタイミングチャートである。この第１の動作モードは、前記第１の状態を使用して飽和電荷量の大きい（ダイナミックレンジの広い）出力信号を得る場合の動作モードである。（ｎ）はｎ行目の画素ブロック１０の信号であることを示している。
【００３４】
本実施の形態では、メカニカルシャッタ（図示せず）が所定の露光期間だけ開かれて各画素ブロック１０のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、画素ブロック１０が１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図４（ａ）は、ｎ行目の画素ブロック１０が選択された場合の動作を示している。なお、垂直信号線７に信号が出力された後の読み出し回路４及び水平走査回路３の動作については、公知であるので、以下ではその説明は省略する。これらの点は、後述する図４（ｂ）についても同様である。
【００３５】
この第１の動作モードでは、制御信号φＦＤＸ１，φＦＤＸ２は両方とも“Ｈ”で固定する。
【００３６】
ｎ行目の画素ブロック１０が選択されると、制御信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｈ”にすることで、ｎ行目の画素ブロック１０を垂直信号線７に接続する。
【００３７】
そして、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ１（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００３８】
次に、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ２（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００３９】
次に、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ３（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００４０】
次に、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。制御信号φＴＸ４（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ４に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００４１】
その後、制御信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｌ”にして画素ブロック１０を垂直信号線７から切り離す。以上でｎ行目の画素ブロック１０の４画素行分の読出しが終了する。他の行の画素ブロック１０の読み出しについても、同様に行われる。
【００４２】
図４（ｂ）は、本実施の形態による固体撮像素子の第２の動作モードを示すタイミングチャートである。この第２の動作モードは、前記第２及び第３の状態を使用して感度の高い出力信号を得る場合の動作モードである。
【００４３】
この第１の動作モードでは、ｎ行目の画素ブロック１０が選択されると、制御信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｈ”にすることで、ｎ行目の画素ブロック１０を垂直信号線７に接続する。
【００４４】
まず、制御信号φＦＤＸ１を“Ｈ”にし、制御信号φＦＤＸ２を“Ｌ”にする。
【００４５】
そして、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ１（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００４６】
次に、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ２（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００４７】
次に、制御信号φＦＤＸ１（ｎ）を“Ｌ”にし、制御信号φＦＤＸ２（ｎ）を“Ｈ”にする。
【００４８】
そして、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ３（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００４９】
次に、制御信号φＲＳＴ（ｎ）を“Ｈ”にしてフローティング容量部２０の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。次いで、制御信号φＴＸ４（ｎ）を“Ｈ”にしてフォトダイオードＰＤ４に蓄積された信号電荷をフローティング容量部２０で電圧に変換し、増幅トランジスタＡＭＰで増幅して垂直信号線７へ出力する。
【００５０】
その後、制御信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｌ”にして画素ブロック１０を垂直信号線７から切り離す。以上でｎ行目の画素ブロック１０の４画素行分の読出しが終了する。他の行の画素ブロック１０の読み出しについても、同様に行われる。
【００５１】
本実施の形態では、垂直走査回路２は、外部からの動作モード選択信号φＭＳに応答して、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとが選択的に行われるように、前述した各制御信号を送出する。例えば、動作モード選択信号φＭＳは、低感度撮影時に前記第１の動作モードが行われ、高感度撮影時に前記第２の動作モードが行われるように、外部から供給される。
【００５２】
したがって、本実施の形態によれば、飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得る第１の動作モードによる撮像と、高Ｓ／Ｎで高感度の出力信号を得る第２の動作モードによる撮像とを選択的に行うことができ、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高Ｓ／Ｎ化を両立させることができる。
【００５３】
ここで、本実施の形態による固体撮像素子と比較される比較例による固体撮像素子について、説明する。この比較例が本実施の形態と異なる所は、各画素ブロック１０のフローティング容量部２０の構成のみである。この比較例では、フローティング容量部２０において、スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２（したがって、拡散領域２５〜２８も）が取り除かれ、転送トランジスタＴＸ１〜ＴＸ４のドレイン拡散領域２１〜２４が、配線により増幅トランジスタＡＭＰのゲートに接続される。この比較例は、従来の固体撮像素子に相当している。
【００５４】
この比較例では、フローティング容量部２０は、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して、拡散領域２１〜２４，２９の容量、増幅トランジスタＡＭＰのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量が、常時寄与する。これを本実施の形態の前記第２の状態と比較すると、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して寄与する容量は、前記第２の状態では、この比較例と比べて、拡散領域２５，２６，２８の容量の分は増えるものの、拡散領域２３，２４の容量の分及び寄与する配線が短くてすむ分は減ることになる。また、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して寄与する容量は、前記第３の状態では、この比較例と比べて、拡散領域２７，２６，２８の容量の分は増えるものの、拡散領域２１，２２の容量の分及び寄与する配線が短くてすむ分は減ることになる。拡散領域２１〜２４の容量は、フォトダイオードＰＤからの電荷の完全転送を図るためにかなり大きくせざるを得ないのに対し、拡散領域２５〜２８は単なるスイッチを構成するにすぎないからかなり小さくて済む。よって、増幅トランジスタＡＭＰの入力部（ゲート）に対して寄与する容量は、前記第２及び第３の状態では、前記比較例と比べて、トータルでかなり小さくすることができる。したがって、前記第２及び第３の状態では、前記比較例に比べて、フローティング容量部２０の電荷電圧変換ゲインがかなり高くなり、より高Ｓ／Ｎで高感度の出力信号が得られる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００５６】
例えば、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）の転送トランジスタＴＸをＮ個（ＮはＭよりも小さい２以上の整数）のグループに分けるに際し、前記実施の形態では、Ｍ＝４、Ｎ＝２とし、各グループの転送トランジスタＴＸの数は同じ２個とされている。しかしながら、本発明はこれに限られず、例えば、各グループの転送トランジスタＴＸの数は異なる数にしてもよい。具体例を挙げると、Ｍ＝３、Ｎ＝２とし、転送トランジスタＴＸが１個のグループ（第１グループ）と転送トランジスタＴＸが２個のグループ（第２グループ）に分けて、第１グループに対してスイッチＦＤＸ１を設け、第２グループに対してスイッチＦＤＸ２を設けてもよい。この場合、第１グループの転送トランジスタＴＸに係る画素行のみを間引き読み出しする場合には、スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２を両方ともオンした動作モードで飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得ることができるとともに、スイッチＦＤＸ１をオンしＦＤＸ２をオフした動作モードで感度の高い出力信号を得ることができる。間引き読み出しすることなく全画素行を読み出す場合には、スイッチＦＤＸ１，ＦＤＸ２を両方ともオンした動作モードで、飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得ればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１（１−１〜１−４）  画素
１０  画素ブロック
２０  フローティング容量部
２１〜２９  フローティング拡散領域
ＰＤ１〜ＰＤ４  フォトダイオード
ＡＭＰ  増幅トランジスタ
ＲＳＴ  リセットトランジスタ
ＴＸ１〜ＴＸ４  転送トランジスタ
ＳＥＬ  選択トランジスタ
ＦＤＸ１，ＦＤＸ２  スイッチ
【図１】
0005440056.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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