(57)【要約】【課題】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素のフォトダイオードの光感度を下げ、ダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】CMOSイメージセンサにおいて、単位画素１(m,n) のフォトダイオードPDに、二つの読出しトランジスタREAD1,READ2 を接続する。一方の読出しトランジスタREAD1は信号読出し用のゲートであり、他方の読出しトランジスタREAD2 は余剰電荷排出用のゲートである。信号電荷量の少ない時は、余剰電荷排出用のゲートをオンせずに、フォトダイオードに蓄積された信号を全て読み出す。また、信号電荷量が多い時は、信号読出し用のゲートと余剰電荷排出用のゲートを交互にオンする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、
前記フォトダイオードに接続され信号電荷を排出する第２の読出しトランジスタと、
前記第１の読出しトランジスタのチャネル領域に蓄積された信号電荷を読み出す第３の読出しトランジスタと、
前記第３の読出しトランジスタを経て読み出された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタとを具備し、
前記第１の読出しトランジスタは、第１のチャネル領域と、第１のチャネル領域よりもポテンシャルの低い第２のチャネル領域を有し、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を前記第１のチャネル領域に一時的に蓄積することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の読出しトランジスタを制御する第１の制御信号と前記第２の読出しトランジスタを制御する第２の制御信号を、１回の読み出し動作サイクル内に交互に複数回活性化レベルに設定することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記入射光を光電変換して蓄積する高感度用フォトダイオードと、
前記高感度用フォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第１の高感度用読出しトランジスタと、
前記高感度用フォトダイオードに接続され、信号電荷を排出する第２の高感度用読出しトランジスタと、
前記第１の高感度用読出しトランジスタのチャネル領域に蓄積された信号電荷を前記フローティングディフュージョンに読み出す第３の高感度用読出しトランジスタとをさらに具備し、
前記第１の高感度用読出しトランジスタは、第３のチャネル領域と、第３のチャネル領域よりもポテンシャルの低い第４のチャネル領域を有し、前記高感度用フォトダイオードから読み出された信号電荷を前記第３のチャネル領域に蓄積することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記フォトダイオードの信号電荷と前記高感度用フォトダイオードの信号電荷とを加算することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の読出しトランジスタを制御する第１の制御信号と前記第２の読出しトランジスタを制御する第２の制御信号を、１回の読み出し動作サイクル内に交互に活性化レベルに設定する回数比と、前記第１の高感度用読出しトランジスタを制御する第３の制御信号と前記第２の高感度用読出しトランジスタを制御する第４の制御信号を、１回の読み出し動作サイクル内に交互に活性化レベルに設定する回数比とが異なることを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に単位画素の回路構成に関するもので、例えばCMOSイメージセンサに使用される。
【背景技術】
【０００２】
CMOSイメージセンサの撮像領域に行列状に配置されている単位画素は、従来、光電変換素子であるフォトダイオードと、フォトダイオードの蓄積を制御し、フローティングディフュージョンへ読み出す読出しトランジスタと、フローティングディフュージョンの信号電位を増幅して出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタのゲート電位（フローティングディフュージョンの電位）をリセットするリセットトランジスタと、選択トランジスタから構成されている。
【０００３】
上記従来の単位画素のアレイを有するCMOSイメージセンサの動作は、一般に次に述べるように行われる。各単位画素は、入射光の強さに応じて発生した信号電荷をフォトダイオードに一時的に蓄積する。このフォトダイオードの信号を読み出す時刻になると、フローティングディフュージョンの電位がリセットされた後に、フォトダイオードに蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンに転送される。増幅トランジスタは、撮像領域外に設置した電流源とともにソースフォロワ回路を形成し、フローティングディフュージョンの信号電荷量に応じたレベルの電圧を出力する。
【０００４】
しかし、上記従来の単位画素では、画素の動作範囲が、画素のフローティングディフュージョンまたはフォトダイオードの飽和レベルで決まり、それより強い光量の光が照射されると出力が飽和する（ダイナミックレンジが狭い）という問題点がある。
【０００５】
この問題点を解決する技術として、ある時刻に読み出しトランジスタをオンする電子シャッタが知られている。電子シャッタにより、イメージセンサ側でシャッタスピードを短くして、画素が飽和することを防ぐことができる。
【０００６】
しかし、デジタルカメラなどで写真を撮る場合に、絞りとシャッタスピードを撮影者が決めたい場合が多い。なぜならば、撮影者は、写真の背景のボケ具合（被写体深度）を想定して絞りを設定したいし、電車、飛行機、鳥など動きのある被写体の流れを想定して、シャッタスピードを設定したいからである。従来のように、イメージセンサ側でシャッタスピードを設定すると、撮影者の意図した設定とは別の設定で画像が撮影される。
【０００７】
一方、例えば特許文献１および２には、CCD エリアセンサの撮像領域内に高感度画素と低感度画素を隣接して設け、ダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。この特許文献１および２に記載のCCD エリアセンサでは、高感度画素と低感度画素を別々に読み出し、高感度画素の出力をクリップした後に高感度画素と低感度画素の出力を加算している。即ち、単位画素の中に光感度の異なるフォトダイオードを設ける必要があり、画素のフォトダイオードの設計が複雑になり易いという問題がある。
【０００８】
なお、非特許文献１には、１つのフォトダイオードに対して読出しトランジスタが二つ設けられ、フォトダイオードから読み出した信号を一時的に拡散層容量に蓄積する構成が開示されている。しかし、拡散層容量は、MOS ゲート容量と比較すると、一般に単位面積あたりの容量が小さいので、フォトダイオードから読み出した信号電荷を蓄積するための面積が大きくなり、画素サイズを小さくするのが難しいという問題がある。
【０００９】
上述したように、従来のイメージセンサは、光感度およびダイナミックレンジを任意の値に設定することが困難である。また、シンプルなフォトダイオード構成をとることなく、ダイナミックレンジを大きくすることが困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２９８１７５号公報
【特許文献２】特開２０００−１２５２０９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Hyung-June Yoon, Shinya Itoh and Shoji Kawahito, "A CMOS Image Sensor With In-Pixel Two-Stage Charge Transfer for Fluorescence Lifetime Imaging," IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 56, NO. 2, Feb. 2009, pp. 214-221.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は前記した従来の問題点を解決すべくなされたもので、フォトダイオード構成を複雑にすることなく、ダイナミックレンジを大きくすることが可能な固体撮像装置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】
【００１３】
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され、信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、前記フォトダイオードに接続され信号電荷を排出する第２の読出しトランジスタと、前記第１の読出しトランジスタのチャネル領域に蓄積された信号電荷を読み出す第３の読出しトランジスタと、前記第３の読出しトランジスタを経て読み出された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタとを具備し、前記第１の読出しトランジスタは、第１のチャネル領域と、第１のチャネル領域よりもポテンシャルの低い第２のチャネル領域を有し、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を前記第１のチャネル領域に蓄積することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フォトダイオード構成を複雑にすることなく、ダイナミックレンジを大きくすることが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の固体撮像装置の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。
【図２】（ａ）は図１中の単位画素を取り出して素子形成領域とゲートのレイアウトイメージを示す平面図、（ｂ）はその断面構造および単位画素の読み出し動作時における半導体基板内のポテンシャル電位の一例を概略的に示す図。
【図３】図１中の各単位画素から信号を読み出す際の動作の一例を示すタイミング図。
【図４】図１のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために入出力特性の一例を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。
【図６】（ａ）は図５中の撮像領域における単位画素を取り出して素子形成領域とゲートのレイアウトイメージを示す平面図、（ｂ）はその断面構造および単位画素の読み出し動作時における半導体基板内のポテンシャル電位の一例を概略的に示す図。
【図７】図５のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために入出力特性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明を実施形態により説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１７】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の固体撮像装置の第１の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサにおいて、撮像領域１０はｍ行、ｎ列に配置された複数の単位画素（ユニットセル）１(m,n) を含む。ここでは、各単位画素のうち、ｍ行目、ｎ列目の１つの単位画素１(m,n) 、および、撮像領域の各カラムに対応して列方向に形成された垂直信号線のうちの１本の垂直信号線１１(n) を代表的に示す。
【００１８】
撮像領域１０の一端側（図中左側）には、撮像領域の各行にADRES(m)、RESET(m)、READ(m) 、φA(m)、φB(m)などの画素駆動信号を供給する垂直シフトレジスタ１２が配置されている。
【００１９】
撮像領域１０の上端側（図中上側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続された電流源１７が配置されており、これは画素ソースフォロワ回路の一部を形成する。
【００２０】
撮像領域の下端側（図中下側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されている相関二重サンプリング(Correlated double Sampling;CDS)回路＆アナログ・デジタル変換回路(Analog Digital Convert;ADC)回路を含むCDS&ADC １３と、水平シフトレジスタ１４が配置されている。CDS&ADC １３は、画素のアナログ出力をCDS 処理し、デジタル出力に変換する。
【００２１】
信号レベル判定回路１５は、CDS&ADC １３でデジタル化された出力信号のレベルに基づいて単位画素の出力信号VSIG(n) が所定値より少ないか多いかを判定し、判定出力をタイミング発生回路１６に供給するとともに、CDS&ADC １３にアナログゲイン(Analog Gain) 制御信号として供給する。
【００２２】
タイミング発生回路１６は、単位画素中のフォトダイオードの蓄積時間を制御するための電子シャッタ制御信号や動作モード切替用の制御信号等をそれぞれ所定のタイミングで発生し、垂直シフトレジスタ１２に供給する。
【００２３】
各単位画素は同一構成を有する。ここで、図１中の単位画素１(m,n) の構成を説明する。
【００２４】
単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換して蓄積するフォトダイオードPDと、このフォトダイオードPDに接続され、フォトダイオードPDの信号電荷を読み出し制御する第１の読出しトランジスタREAD1 と、フォトダイオードPDから余剰電荷を排出する第２の読出しトランジスタREAD2 と、第１の読出しトランジスタREAD1 のチャネルに蓄積された電荷を転送する第３の読出しトランジスタREAD3 と、この第３の読出しトランジスタREAD3 に接続され、第３の読出しトランジスタREAD3 により転送された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、このフローティングディフュージョンFDにゲートが接続され、フローティングディフュージョンFDの信号を増幅して垂直信号線１１(n) へ出力する増幅トランジスタAMP と、この増幅トランジスタAMP のゲートにソースが接続され、フローティングディフュージョンFDをリセットするリセットトランジスタRST と、垂直方向における所望の水平位置の単位画素を選択制御するために増幅トランジスタAMP への電源供給を制御する選択トランジスタADR を有する。なお、各トランジスタは、本例ではｎ型のMOSFETである。
【００２５】
選択トランジスタADR 、リセットトランジスタRST 、第２の読出しトランジスタREAD2 、第１の読出しトランジスタREAD1 、第３の読出しトランジスタREAD3 は、それぞれ対応する行の信号ADRES(m)、RESET(m)、φA(m)、φB(m)、φREAD(m) により制御される。
【００２６】
図２（ａ）は、図１中の単位画素を取り出して、素子形成領域とゲートのレイアウトイメージを示す平面図であり、図２（ｂ）は、その断面構造および単位画素の読み出し動作時における半導体基板内のポテンシャル(Potential) 電位の一例を概略的に示す図である。フォトダイオードPDに隣接して、信号φA が印加される信号電荷読出し用の第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１と、信号φBが印加される余剰電荷排出用の第２の読出しトランジスタREAD2 のゲート２２が配置されている。そして、第１の読出しトランジスタREAD1 に隣り合うように、信号φREADが印加される第３の読出しトランジスタREAD3 のゲート２３が配置され、このゲート２３に隣接してフローティングディフュージョンFDが配置されている。そして、フォトダイオード以外の素子に光が入射されることを防止するために、フォトダイオードPD以外の領域上には例えば金属等からなる遮光膜２４が配置されている。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部には、例えば不純物イオン注入量を相違させるように制御して、所謂、二相CCD のようにポテンシャル段差が形成されている。具体的には、フォトダイオードPDから遠い側にポテンシャルが高い第１のチャネル領域２１１が形成され、フォトダイオードPDに近い側にポテンシャルが低い第２のチャネル領域２１２が形成されている。このため、電荷ｅ- が読出しトランジスタREAD1 のゲート２１下の第１のチャネル領域２１１に一旦転送されると、フォトダイオードPD側には戻りにくい構造となっている。
【００２８】
第１の読出しトランジスタREAD1 に隣接して、第３の読出しトランジスタREAD3 が配置されており、この第３の読出しトランジスタREAD3 のゲート２３をハイ(high)レベルにすることにより、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部に蓄積された信号電荷ｅ-がフローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷ｅ- は、増幅トランジスタAMP と電流源（図１中１７）で形成される画素ソースフォロワ回路を用いて読み出される。一方、第２の読出しトランジスタREAD2の一端側（図中左側）にはドレイン領域Drain が配置されており、第２の読出しトランジスタREAD2 をオンすることにより、フォトダイオードPDの余剰電荷ｅ- がドレイン領域Drain に排出される。
【００２９】
図３は、図１中の各単位画素から信号を読み出す際の動作の一例を示し、図３（ａ）は、フォトダイオードPDに蓄積される信号電荷量が多い場合（明時）に適した低感度モードのタイミング図である。フォトダイオードPDに蓄積される信号電荷量が多い場合は、センサの感度を落として、CMOSイメージセンサの出力がなるべく飽和しないようにして、ダイナミックレンジ（信号電荷取扱量）を拡大することが求められる。
【００３０】
すなわち、図３（ａ）に示すように、読出しトランジスタREAD1 ，READ2 制御用の信号φA ，φB が交互にハイ(high)レベル（活性化レベル）となり、フォトダイオードPDで光電変換された信号電荷（電子）は、半分は読出しトランジスタREAD2 を経由してドレイン領域Drain に排出され、残り半分は読出しトランジスタREAD1 のゲートの下部のチャネル領域に順次蓄積される。この場合、信号φA ，φB は、１回の読み出し動作サイクル内に１回乃至複数回、交互にハイ(high)レベルにされる。最後に第３の読出しトランジスタREAD3 がオンし、読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDの電位変化を、画素ソースフォロワ回路を用いて出力する。以上の動作により、光感度を１／２にして、CMOSイメージセンサのダイナミックレンジを二倍に拡大することができる。
【００３１】
なお、図３（ａ）中には、信号φA ，φB をハイ(high)レベルにする回数の比が１：１であり、光感度が１／２になっている場合を示している。信号φA ，φB をハイ(high)レベルにする回数の比が１：２であれば光感度は１／３、信号φA ，φB をハイ(high)レベルにする回数の比が２：３であれば光感度は２／５となり、光感度を任意に制御できる。
【００３２】
図３（ｂ）は、図１中の各単位画素においてフォトダイオードPDに蓄積される信号電荷量が少ない場合（暗時）に適した高感度モードでの画素の読み出し動作の一例を示すタイミング図である。フォトダイオードPDに蓄積される信号電荷量が少ない場合は、CMOSイメージセンサの感度を上げてS/N 比を向上させることが求められる。
【００３３】
すなわち、図３（ｂ）に示すように、信号φB は常にロウ（low）レベルにされ、余剰電荷排出用の読出しトランジスタREAD2 は常にオフしている。そして、１回の読み出し動作サイクル内に、信号φA が何回かハイ(high)レベルにされ、信号電荷読み出しトランジスタREAD1 が何回かオンするので、フォトダイオードPDで光電変換された信号電荷は読み出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部に順次蓄積される。最後に第３の読出しトランジスタREAD3 がオンし、読み出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDの電位変化を、画素ソースフォロワ回路を用いて出力する。
【００３４】
図４は、図１のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために入出力特性の一例を示す図である。図４中、横軸は入射光量を示し、縦軸はフォトダイオードPDに発生する信号電荷（電子）量を示している。ここでは、高感度モードの特性をＡ、低感度モードの特性をＢ１、Ｂ２で示している。φA ：φB のハイ(high)レベルの回数比を１：１に設定する場合は、特性Ｂ１に示すように光感度が１／２となり、φA ：φB のハイ(high)レベルの回数比を１：２に設定する場合は、特性Ｂ２に示すように光感度が１／３となる。
【００３５】
図４から分かるように、φA ：φB のハイ(high)レベルの回数比を１：１に設定する場合はダイナミックレンジが２倍、１：２に設定する場合はダイナミックレンジが３倍となる。このように、本実施形態のCMOSイメージセンサは、ダイナミックレンジを任意の値に設定できる。
【００３６】
なお、本実施形態のCMOSイメージセンサでは、フォトダイオードで光電変換した信号電荷を読出しトランジスタREAD1 のゲートの下部に一旦転送し、読出しトランジスタREAD1のゲートの下部に蓄積された信号電荷をライン毎に順次読み出す動作が可能である。一般に、CMOSイメージセンサとCCD エリアセンサを比較すると、CMOSイメージセンサは同時性が無いといわれる。同時性とは、撮影した画面の中で信号の蓄積開始時間と蓄積終了時間が同じであることを意味する。しかし、本実施形態のCMOSイメージセンサでは、従来のCMOSイメージセンサとは異なり、同時性があるという利点がある。
【００３７】
また、上記したようにフォトダイオードPDから読み出した信号電荷をMOS トランジスタのゲートの下部のチャネル領域（MOS トランジスタ容量）に蓄積しているので、非特許文献１のような構成と比べて面積的に有利である。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図である。このCMOSイメージセンサは、第１の実施形態のものと比べて、単位画素および垂直シフトレジスタの構成が異なり、CDS&ADC １３、水平シフトレジスタ１４、信号レベル判定回路１５、タイミング発生回路１６、電流源１７等は同様である。
【００３９】
即ち、単位画素１’(m,n)は、第１の実施形態のものと比べて、高感度用フォトダイオードPD2 と、高感度用フォトダイオードPD2 から信号を読み出すために信号φA2により制御される第１の高感度用読出しトランジスタREAD21と、高感度用フォトダイオードPD2 から余剰電荷を排出するために信号φB2により制御される第２の高感度用読出しトランジスタREAD22と、第１の高感度用読出しトランジスタREAD21のチャネルに蓄積された電荷を転送するために信号φREAD2 により制御される第３の読出しトランジスタREAD23が追加されている点が異なる。また、垂直シフトレジスタ１２’ は、撮像領域の各行に画素駆動信号ADRES(m)、RESET(m)、φA(m)、φB(m)、φREAD1(m)などの他、φA2(m) 、φB2(m) 、φREAD2(m)などの画素駆動信号を供給する点が異なる。なお、本実施形態では図１中のフォトダイオードPDに対応するフォトダイオードをPD1 と表記する。
【００４０】
図６（ａ）は、図５中の単位画素を取り出して、素子形成領域とゲートのレイアウトイメージを示す平面図であり、図６（ｂ）は、その断面構造、基板内ポテンシャル変化の一例を概略的に示す図である。図２を参照して前述した第１の実施形態の場合と同様に、フォトダイオードPD1 に隣接して、信号φA が印加される信号電荷読出し用の第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１と、信号φB が印加される余剰電荷排出用の第２の読出しトランジスタREAD2 のゲート２２とが配置されている。そして、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１に隣り合うように、信号φREADが印加される第３の読出しトランジスタREAD3 のゲート２３が配置され、この第３の読出しトランジスタREAD3 に隣接してフローティングディフュージョンFDが配置されている。
【００４１】
さらに、フォトダイオードPD1 の近傍に高感度用フォトダイオードPD2 が配置され、この高感度用フォトダイオードPD2 に隣接して、信号φA2が印加される信号電荷読出しトランジスタREAD21のゲート６１と、信号φB2が印加される余剰電荷排出用の読出しトランジスタREAD22のゲート６２が配置されている。そして、信号電荷読出しトランジスタREAD21のゲート６１に隣り合うように、信号φREAD2 が印加される読出しトランジスタREAD23のゲート６３が配置され、この読出しトランジスタREAD23に隣接してフローティングディフュージョンFDが配置されている。そして、フォトダイオード以外の素子に光が入射されることを防止するために、フォトダイオードPD,PD2以外の領域上には遮光膜２４が配置されている。
【００４２】
なお、高感度用フォトダイオードPD2 は、フォトダイオードPD1 と同じパターン面積となるように形成してもよいが、フォトダイオードPD1 に比べて大きなパターン面積となるように形成してもよい。この場合、高感度用フォトダイオードPD2 上に配置されるマイクロレンズ（図示せず）として、フォトダイオードPD1 上に配置されるマイクロレンズ（図示せず）に比べて大きなレンズを用いるようにしてもよい。
【００４３】
図６に示すように、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部には、図２を参照して前述した第１の実施形態の場合と同様に、ポテンシャル段差が形成されている。このため、読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部の第１のチャネル領域２１１に電荷が一旦転送されると、フォトダイオードPD1 側には戻りにくい構造となっている。第１の読出しトランジスタREAD1 に隣り合うように第３の読出しトランジスタREAD3 が存在しており、この第３の読出しトランジスタREAD3 のゲート２３をハイ(high)レベルにすることにより、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート下に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷は、増幅トランジスタAMP と電流源で形成される画素ソースフォロワ回路を用いて読み出される。第２の読出しトランジスタREAD2 の一端側（図中左側）にはドレイン領域Drain が配置され、第２の読出しトランジスタREAD2 をオンすることにより、フォトダイオードPD1 の余剰電荷を排出することができる。
【００４４】
また、図６中に図示していないが、高感度用フォトダイオードPD2 に隣接する読出しトランジスタREAD21のゲート６１の下部にも、第１の読出しトランジスタREAD1 のゲート２１の下部と同様に、ポテンシャル段差が形成されている。このため、読出しトランジスタREAD21のゲート６１の下部に電荷が一旦転送されると、フォトダイオードPD2 側には戻りにくい構造となっている。読出しトランジスタREAD21に隣り合うように読出しトランジスタREAD23が存在しており、この読出しトランジスタREAD23のゲート６３をハイ(high)レベルにすることにより、読出しトランジスタREAD21のゲートの下部に蓄積されている信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷は、増幅トランジスタAMP と電流源で形成される画素ソースフォロワ回路を用いて読み出される。読出しトランジスタREAD22の一端側（図中左側）にはドレイン領域Drain が配置され、読出しトランジスタREAD22をオンすることにより、高感度用フォトダイオードPD2 の余剰電荷を排出することができる。
【００４５】
上記構成のCMOSイメージセンサでは、第１の実施形態のCMOSイメージセンサの動作と同様に、１回の読み出し動作サイクル内における信号φA ，φB のハイ(high)レベル回数比を設定することにより、低感度用のフォトダイオードPD1 の光感度を制御することができる。また、１回の読み出し動作サイクル内における信号φA2，φB2のハイ(high)レベル回数比を設定することにより、高感度用フォトダイオードPD2 の光感度を制御することができる。ここで、信号φA ，φB のハイ(high)レベル回数比と信号φA2，φB2のハイ(high)レベル回数比をそれぞれ同一あるいは異なるように独立して設定することにより、光感度およびダイナミックレンジを任意の値に設定することができる。
【００４６】
図７は、図５のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために入出力特性の一例を示す図である。図７中、横軸は入射光量を示し、縦軸は単位画素内の２つのフォトダイオードPD1 ,PD2 に発生する信号電荷量を示している。ここでは、高感度用フォトダイオードPD2 の特性をＡ、低感度用のフォトダイオードPD1 に対して信号φA ：φB のハイ(high)レベル回数比を３：１に設定して光感度が１／４となっている場合の特性をＢで示している。さらに、２つのフォトダイオードPD1 ,PD2 に発生する信号電荷量を加算した特性をＣで示している。
【００４７】
第２の実施形態によれば、高感度用フォトダイオードPD2 の信号と低感度用のフォトダイオードPD1 の信号を、オンチップ、あるいは、オフチップで加算することにより、第１の実施形態の場合よりもダイナミックレンジを拡大することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１(m,n) …単位画素、PD…フォトダイオード、FD…フローティングディフュージョン、READ1,READ2 …読み出しトランジスタ、AMP …増幅トランジスタ、RST …リセットトランジスタ、ADR …選択トランジスタ、１０…撮像領域、１１(n) …垂直信号線、１２…垂直シフトレジスタ、１３…CDS&ADC 、１４…水平シフトレジスタ、１５…信号レベル判定回路、１６…タイミング発生回路、１７…電流源。
【図１】
2011040482.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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