(57)【要約】【課題】信号電荷電圧変換ゲインを切替えることで高画質化するとともに、ビニング動作可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換された電荷を蓄積する画素ＰＣがロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された画素アレイ部１と、画素ＰＣ間に設けられ、画素ＰＣの信号電荷電圧変換ゲインを切替えるとともにビニング動作ができる切替トランジスタＴＲｍｉｘとを備える。【選択図】図１
2015211257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換された電荷を蓄積する画素がロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された画素アレイ部を備え、
前記画素は、
光電変換した電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を電圧に変換する電圧変換部と、
前記フォトダイオードで生成された電荷を前記電圧変換部に読み出す読み出しトランジスタと、
前記電圧変換部で変換された電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記カラム方向に隣接する画素の前記電圧変換部間を接続させる切替トランジスタと、
前記電圧変換部をリセットするためのリセットトランジスタとを備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記切替トランジスタは、
前記隣接した電圧変換部間に2個を直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記リセットトランジスタは、  
前記2個の切替トランジスタを直列に接続した接続点に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記切替トランジスタは、
前記隣接した電圧変換部間に１個が接続され、
前記リセットトランジスタが、前記切替トランジスタを介してリセットするように前記切替トランジスタに接続されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記切替トランジスタは、
前記隣接した電圧変換部間に１個が接続され、
前記切替トランジスタがON時に、容量が接続されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置では、読み出し速度の高速化およびノイズの低減化を図るために、ビニング動作が行われることがある。このビニング動作では、読み出し画素の間引き動作や信号電荷の加算動作などが行われることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４８０４０号公報
【特許文献２】特許第４７２３９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの実施形態は、信号電荷量が多い場合は低変換GAINで信号電圧に変換し、信号電荷量が少ない場合には高変換GIANで信号電圧に変換することで高画質化を実施する。さらにビニング動作で高画質化ができる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】
【０００５】
本発明の一つの実施形態によれば、画素アレイ部と切替トランジスタとが固体撮像装置に設けられている。画素アレイ部は、光電変換された電荷を蓄積する画素がロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置されている。切替トランジスタは、前記画素間に設けられ、前記画素で蓄積した信号電荷を電圧に変換する信号電荷電圧変換部間を接続することで電圧変換ゲイン（mV/ele）の切替動作させ、さらに前記画素をビニング動作させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図３】図３は、図２の画素の第１読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、図２の画素の第２読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、図２の画素の第３読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、第３実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図８】図８は、第４実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図９】図９は、第５実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図１０】図１０は、第６実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、第７実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
【図１３】図１３（ａ）は、第９実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、第１０実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
【図１５】図１５（ａ）は、第１１実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
【図１６】図１６は、第１２実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、固体撮像装置には、画素アレイ部１が設けられている。画素アレイ部１には、光電変換した電荷を蓄積する画素ＰＣがロウ方向ＲＤおよびカラム方向ＣＤにｍ（ｍは正の整数）行×ｎ（ｎは正の整数）列分だけマトリックス状に配置されている。また、この画素アレイ部１において、ロウ方向ＲＤには画素ＰＣの読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、カラム方向ＣＤには画素ＰＣから読み出された信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられている。なお、画素ＰＣは、２個の緑色用画素Ｇｒ、Ｇｂと１個の赤色用画素Ｒと１個の青色用画素Ｂからなるベイヤ配列を構成することができる。また、画素アレイ部１には、画素ＰＣをビニング動作させる切替トランジスタＴＲｍｉｘが画素ＰＣ間に設けられている。切替トランジスタＴＲｍｉｘはカラム方向ＣＤに隣接する画素ＰＣ間に設けることができる。画素ＰＣに蓄積された電荷を電圧に変換する電圧変換部を複数の画素ＰＣで共有した画素構成をセルと呼ぶと、切替トランジスタＴＲｍｉｘはセル間に設けることができる。
【０００９】
また、固体撮像装置には、読み出し対象となる画素ＰＣを垂直方向に走査する垂直走査回路２、画素ＰＣとの間でソースフォロア動作を行うことにより、画素ＰＣから垂直信号線Ｖｌｉｎにカラムごとに画素信号を読み出す負荷回路３、各画素ＰＣの信号成分のみを抽出するためのＣＤＳ処理を実施するとともにデジタル信号に変換するカラムＡＤＣ回路４、カラムＡＤＣ回路４にて検出された各画素ＰＣの信号成分をカラムごとに記憶するラインメモリ５、読み出し対象となる画素ＰＣを水平方向に走査する水平走査回路６、カラムＡＤＣ回路４に基準電圧ＶＲＥＦを出力する基準電圧発生回路７、各画素ＰＣの読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路８および切替トランジスタＴＲｍｉｘを切替制御する切替制御部９が設けられている。なお、タイミング制御回路８にはマスタークロックＭＣＫが入力される。基準電圧ＶＲＥＦはランプ波を用いることができる。切替制御部９は、例えば、静止画モードでは、切替トランジスタＴＲｍｉｘをオフすることにより画素ＰＣから個別に信号が読み出されるようにすることができる。また、切替制御部９は、例えば、動画モードまたはモニタモードでは、切替トランジスタＴＲｍｉｘをオンすることにより画素ＰＣをビニング動作させることができる。切替トランジスタＴＲｍｉｘの制御は、全て同時に制御する方法と垂直走査回路２に同期させて水平制御線Ｈｌｉｎ毎に制御することができる。
【００１０】
そして、切替トランジスタＴＲｍｉｘがオフの場合、垂直走査回路２にて画素ＰＣが１ラインづつ垂直方向に走査されることで、ロウ方向ＲＤに画素ＰＣが選択される。そして、負荷回路３において、その画素ＰＣとの間でソースフォロア動作がカラムごとに行われることにより、画素ＰＣから読み出された画素信号が垂直信号線Ｖｌｉｎを介して伝送され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。また、基準電圧発生回路７において、基準電圧ＶＲＥＦとしてランプ波が設定され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。そして、カラムＡＤＣ回路４において、画素ＰＣから読み出された信号レベルとリセットレベルがランプ波のレベルに一致するまでクロックのカウント動作が行われデジタル信号に変換する。その時の信号レベルとリセットレベルとの差分がとられることで各画素ＰＣの信号成分がＣＤＳにて検出され、ラインメモリ５を介して出力信号Ｓ１として出力される。
【００１１】
一方、切替トランジスタＴＲｍｉｘがオンの場合、垂直走査回路２にて画素ＰＣが２ラインづつ垂直方向に走査されることで、ロウ方向ＲＤに２ライン分の同色の画素ＰＣが選択される。そして、負荷回路３において、２ライン分の画素ＰＣとの間でソースフォロア動作がカラムごとに行われることにより、２ライン分の画素ＰＣから読み出された画素信号が垂直信号線Ｖｌｉｎを介して伝送され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。また、基準電圧発生回路７において、基準電圧ＶＲＥＦとしてランプ波が設定され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。そして、カラムＡＤＣ回路４において、２ライン分の画素ＰＣから読み出された信号レベルとリセットレベルがランプ波のレベルに一致するまでクロックのカウント動作が行われデジタル信号に変換する。その時の信号レベルとリセットレベルとの差分がとられることで各画素ＰＣの信号成分がＣＤＳにて検出され、ラインメモリ５を介して出力信号Ｓ１として出力される。
【００１２】
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘをオフした場合、切替トランジスタＴＲｍｉｘをオンした場合に比べて、画素ＰＣに蓄積された電荷を電圧に変換する電圧変換部の容量を小さくすることができる。このため、画素ＰＣをビニング動作させない場合は、画素ＰＣをビニング動作させる場合に比べて変換ゲインを上げることができ、ＳＮ比を向上させることができる。
一方、画素ＰＣをビニング動作させる場合は、２ラインづつ画素ＰＣから信号を読み出すことができ、読み出し速度を２倍にすることができる。また、２ライン分の画素ＰＣとの間で並列にソースフォロア動作を行わせることができ、垂直信号線Ｖｌｉｎを介して伝送される画素信号のノイズを１／√２に低減することができる。
【００１３】
図２は、図１の固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
図２において、ベイヤ配列ＢＨ１、ＢＨ２がカラム方向ＣＤに隣接して配置されている。
ベイヤ配列ＢＨ１には、緑色用画素Ｇｒに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１が設けられ、青色用画素Ｂに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１が設けられ、赤色用画素Ｒに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｒ１が設けられ、緑色用画素Ｇｂに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ１が設けられている。また、ベイヤ配列ＢＨ１には、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＢ１、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＢ１、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＢ１および読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｂ１、ＴＧｒ１、ＴＧｇｂ１が設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１とリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１と読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｂ１との接続点には電圧変換部としてフローティングディフュージョンＦＤＡ１が形成されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ１とリセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ１と読み出しトランジスタＴＧｒ１、ＴＧｇｂ１との接続点には電圧変換部としてフローティングディフュージョンＦＤＢ１が形成されている。ここで、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｂ１にてフローティングディフュージョンＦＤＡ１が共有されることで２画素１セルが構成され、フォトダイオードＰＤ＿Ｒ１、ＰＤ＿Ｇｂ１にてフローティングディフュージョンＦＤＢ１が共有されることで２画素１セルが構成されている。
【００１４】
そして、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１は読み出しトランジスタＴＧｇｒ１を介してフローティングディフュージョンＦＤＡ１に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ１は読み出しトランジスタＴＧｂ１を介してフローティングディフュージョンＦＤＡ１に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１のゲートはフローティングディフュージョンＦＤＡ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤＡ１は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。
【００１５】
フォトダイオードＰＤ＿Ｒ１は読み出しトランジスタＴＧｒ１を介してフローティングディフュージョンＦＤＢ１に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ１は読み出しトランジスタＴＧｇｂ１を介してフローティングディフュージョンＦＤＢ１に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ１のゲートはフローティングディフュージョンＦＤＢ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ１のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒＢ１を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ１のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤＢ１は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ１を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。
【００１６】
ベイヤ配列ＢＨ２には、緑色用画素Ｇｒに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２が設けられ、青色用画素Ｂに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｂ２が設けられ、赤色用画素Ｒに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｒ２が設けられ、緑色用画素Ｇｂに対してフォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ２が設けられている。また、ベイヤ配列ＢＨ２には、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ２、ＴＲａｄｒＢ２、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２、ＴＲａｍｐＢ２、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２、ＴＲｒｓｔＢ２および読み出しトランジスタＴＧｇｒ２、ＴＧｂ２、ＴＧｒ２、ＴＧｇｂ２が設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２とリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２と読み出しトランジスタＴＧｇｒ２、ＴＧｂ２との接続点には電圧変換部としてフローティングディフュージョンＦＤＡ２が形成されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ２とリセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ２と読み出しトランジスタＴＧｒ２、ＴＧｇｂ２との接続点には電圧変換部としてフローティングディフュージョンＦＤＢ２が形成されている。ここで、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２、ＰＤ＿Ｂ２にてフローティングディフュージョンＦＤＡ２が共有されることで２画素１セルが構成され、フォトダイオードＰＤ＿Ｒ２、ＰＤ＿Ｇｂ２にてフローティングディフュージョンＦＤＢ２が共有されることで２画素１セルが構成されている。
【００１７】
そして、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２は読み出しトランジスタＴＧｇｒ２を介してフローティングディフュージョンＦＤＡ２に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ２は読み出しトランジスタＴＧｂ２を介してフローティングディフュージョンＦＤＡ２に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２のゲートはフローティングディフュージョンＦＤＡ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ２を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤＡ２は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。
【００１８】
フォトダイオードＰＤ＿Ｒ２は読み出しトランジスタＴＧｒ２を介してフローティングディフュージョンＦＤＢ２に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ２は読み出しトランジスタＴＧｇｂ２を介してフローティングディフュージョンＦＤＢ２に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ２のゲートはフローティングディフュージョンＦＤＢ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ２のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒＢ２を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐＢ２のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤＢ２は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ２を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。なお、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＢ１、ＴＲａｄｒＡ２、ＴＲａｄｒＢ２、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＢ１、ＴＲｒｓｔＡ２、ＴＲｒｓｔＢ２および読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｂ１、ＴＧｒ１、ＴＧｇｂ１、ＴＧｇｒ２、ＴＧｂ２、ＴＧｒ２、ＴＧｇｂ２のゲートには水平制御線Ｈｌｉｎを介して信号を入力することができる。
【００１９】
フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２は、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡを介して互いに接続され、フローティングディフュージョンＦＤＢ１、ＦＤＢ２は、切替トランジスタＴＲｍｉｘＢを介して互いに接続されている。なお、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ、ＴＲｍｉｘＢのゲートには切替制御部９から信号を入力することができる。
【００２０】
図３は、図２の画素の第１読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。なお、図３の例では、図２の垂直信号線Ｖｌｉｎ１に対する読み出し動作を示した。
図３において、この第１読み出し動作では切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに分離される。
そして、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１での信号電荷の蓄積が開始される。
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１の電荷が排出された後、読み出しトランジスタＴＧｂ１がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１での信号電荷の蓄積が開始される。
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ２の電荷が排出された後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２での信号電荷の蓄積が開始される。
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ２の電荷が排出された後、読み出しトランジスタＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ２での信号電荷の蓄積が開始される。
【００２１】
次に、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１がオフの時に行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１がオンされることで増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１がソースフォロア動作し、フローティングディフュージョンＦＤＡ１の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｇｒ１が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｇｒ１が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｇｒ１と黒レベルの画素信号Ｒｇｒ１との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１に蓄積された電荷に応じた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１の蓄積時間はＴＭ１となる。
【００２２】
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１の電荷が排出される。そして、読み出しトランジスタＴＧｂ１がオフ、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１がオンの時に増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｂ１が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｂ１が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｂ１と黒レベルの画素信号Ｒｂ１との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１に蓄積された電荷に応じた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ１の蓄積時間はＴＭ１となる。
【００２３】
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ２の電荷が排出される。次に、読み出しトランジスタＴＧｇｒ２がオフの時に行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ２がオンされることで増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作し、フローティングディフュージョンＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｇｒ２が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ２に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｇｒ２が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｇｒ２と黒レベルの画素信号Ｒｇｒ２との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２に蓄積された電荷に応じた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２の蓄積時間はＴＭ１となる。
【００２４】
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ２の電荷が排出される。そして、読み出しトランジスタＴＧｂ２がオフ、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ２がオンの時に増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｂ２が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ２に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｂ２が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｂ２と黒レベルの画素信号Ｒｂ２との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ２に蓄積された電荷に応じた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ２の蓄積時間はＴＭ１となる。また、黒レベルの画素信号Ｒｇｒ１、Ｒｂ１、Ｒｇｒ２、Ｒｂ２と信号レベルの画素信号Ｓｇｒ１、Ｓｂ１、Ｓｇｒ２、Ｓｂ２は水平同期信号ＨＤに同期して順次読み出され、４周期で完了させることができる。
【００２５】
ここで、第１読み出し動作では、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡにてフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２を切り離すことができ、画素ＰＣに蓄積された電荷を電圧に変換する電圧変換部の容量を小さくすることができる。このため、画素ＰＣをビニング動作させない場合は、画素ＰＣをビニング動作させる場合に比べて変換ゲインを上げることができ、ＳＮ比を向上させることができる。
【００２６】
図４は、図２の画素の第２読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。なお、図４の例では、図２の垂直信号線Ｖｌｉｎ１に対する読み出し動作を示した。
図４において、この第２読み出し動作では切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに結合される。
そして、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２での信号電荷の蓄積が開始される。
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電荷が排出された後、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２での信号電荷の蓄積が開始される。
【００２７】
次に、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオフの時に行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２がオンされることで増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作し、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｇｒ３が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｇｒ３が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｇｒ３と黒レベルの画素信号Ｒｇｒ３との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２に蓄積された電荷に応じてビニングされた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の蓄積時間はＴＭ２となる。
【００２８】
次に、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電荷が排出される。そして、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオフ、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２がオンの時に増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｂ３が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出される。そして、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｂ３が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｂ３と黒レベルの画素信号Ｒｂ３との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２に蓄積された電荷に応じてビニングされた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の蓄積時間はＴＭ２となる。また、黒レベルの画素信号Ｒｇｒ３、Ｒｂ３と信号レベルの画素信号Ｓｇｒ３、Ｓｂ３は水平同期信号ＨＤに同期して順次読み出され、２周期で完了させることができる。
【００２９】
ここで、第２読み出し動作では、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡにてフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２を結合させることができ、２ラインづつ画素ＰＣから信号を読み出すことが可能となることから、読み出し速度を２倍にすることができる。また、２ライン分の増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２を並列にソースフォロア動作させることができ、垂直信号線Ｖｌｉｎ１を介して伝送される黒レベルの画素信号Ｒｇｒ３、Ｒｂ３と信号レベルの画素信号Ｓｇｒ３、Ｓｂ３のノイズを１／√２に低減することができる。
【００３０】
図５は、図２の画素の第３読み出し動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。なお、図５の例では、図２の垂直信号線Ｖｌｉｎ１に対する読み出し動作を示した。
図５において、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに分離される。
そして、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２での信号電荷の蓄積が開始される。
次に、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに結合される。そして、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電荷が排出される。次に、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに分離される。そして、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の残留電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に排出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオフされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２での信号電荷の蓄積が開始される。
【００３１】
次に、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオフの時に行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２がオンされることで増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作し、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｇｒ４が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｇｒ１、ＴＧｇｒ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出される。この時、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出された信号電荷が平均化される。そして、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互に分離された後、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｇｒ４が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｇｒ４と黒レベルの画素信号Ｒｇｒ４との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２に蓄積された電荷に応じてビニングされた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｇｒ２の蓄積時間はＴＭ３となる。
【００３２】
次に、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに結合される。そして、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２がオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電荷が排出される。次に、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに分離される。そして、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオフ、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２がオンの時に増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の黒レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて黒レベルの画素信号Ｒｂ４が検出される。その後、読み出しトランジスタＴＧｂ１、ＴＧｂ２がオンされることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出される。この時、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に読み出された信号電荷が平均化される。そして、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオフされることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２が互いに分離された後、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２がソースフォロア動作することで、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の信号レベルの電荷に応じた電圧が垂直信号線Ｖｌｉｎ１に読み出される。そして、この時の垂直信号線Ｖｌｉｎ１の電圧に基づいて信号レベルの画素信号Ｓｂ４が検出される。そして、信号レベルの画素信号Ｓｂ４と黒レベルの画素信号Ｒｂ４との差分が取られることでフォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２に蓄積された電荷に応じてビニングされた信号成分が検出される。この時、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｂ２の蓄積時間はＴＭ３となる。また、黒レベルの画素信号Ｒｇｒ４、Ｒｂ４と信号レベルの画素信号Ｓｇｒ４、Ｓｂ４は水平同期信号ＨＤに同期して順次読み出され、２周期で完了させることができる。
【００３３】
ここで、第３読み出し動作では、２ライン分の増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２を並列にソースフォロア動作させることができ、垂直信号線Ｖｌｉｎ１を介して伝送される黒レベルの画素信号Ｒｇｒ４、Ｒｂ４と信号レベルの画素信号Ｓｇｒ４、Ｓｂ４のノイズを１／√２に低減することができる。また、信号読み出し後に切替トランジスタＴＲｍｉｘＡをオンすることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電位を均等化することができ、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２の電位差を数１０ｍＶ程度にすることができる。このため、信号読み出し後のフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に０．３Ｖ〜０．５Ｖの電位差がある場合においても、ソースフォロア動作で平均化した信号を垂直信号線Vlin1に出力することができる。
図３の第１読み出し動作では、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡにてフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２を切り離すことができ、画素ＰＣに蓄積された電荷を電圧に変換する電圧変換部の容量を小さくすることができる。このため、変換ゲインを上げることができ、ＳＮ比を向上させることができる。特にフローティングディフュージョンＦＤＡの飽和容量をフォトダイオードPDの飽和容量より小さくなるように高変換ゲインとすることで信号電荷量が少ない暗い撮影時に高SN比の信号を得ることができる。明るい撮影時には、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡにてフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２を接続することで、FDAの飽和容量を大きくすることでフォトダイオードPDの飽和信号電荷を信号電圧に変換して出力することができる。さらに、図４または図５と同様に、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２を並列にソースフォロア動作させることができ、増幅トランジスタのノイズを１／√２に低減することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
図６において、この固体撮像装置では、図２の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ、ＴＲｍｉｘＢの代わりに切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２、ＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２が設けられている。また、図２のリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＢ１、ＴＲｒｓｔＡ２、ＴＲｒｓｔＢ２の代わりにリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ、ＴＲｒｓｔＢが設けられている。
切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２は互いに直列に接続され、その直列回路は、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２のゲートは共通に接続されている。リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡは、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２の接続点と電源電位ＶＤＤとの間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２の接続点にはフローティングディフュージョンＦＤＡｍが形成されている。なお、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１は、フローティングディフュージョンＦＤＡ１に近接して配置することができる。切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ２は、フローティングディフュージョンＦＤＡ２に近接して配置することができる。
切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２は互いに直列に接続され、その直列回路は、フローティングディフュージョンＦＤＢ１、ＦＤＢ２間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２のゲートは共通に接続されている。リセットトランジスタＴＲｒｓｔＢは、切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２の接続点と電源電位ＶＤＤとの間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２の接続点にはフローティングディフュージョンＦＤＢｍが形成されている。なお、切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１は、フローティングディフュージョンＦＤＢ１に近接して配置することができる。切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ２は、フローティングディフュージョンＦＤＢ２に近接して配置することができる。
切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２は切替トランジスタＴＲｍｉｘＡと同様に動作し、切替トランジスタＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２は切替トランジスタＴＲｍｉｘＢと同様に動作することができる。リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡはリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２と同様に動作し、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＢはリセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ１、ＴＲｒｓｔＢ２と同様に動作することができる。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２、ＴＲｍｉｘＢ１、ＴＲｍｉｘＢ２をフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２、ＦＤＢ１、ＦＤＢ２にそれぞれ近接して配置することにより、図３の第１読み出し動作時にフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２、ＦＤＢ１、ＦＤＢ２に付加される配線容量を低減することができ、変換ゲインを上げることができる。さらに、図２のリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１とＴＲｒｓｔＡ２の２個を１個に削減することができる。同様にリセットトランジスタＴＲｒｓｔＢ１とＴＲｒｓｔＢ２の２個を１個に削減することができる。
【００３５】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
図７において、この固体撮像装置では、図２のベイヤ配列ＢＨ１、ＢＨ２の代わりにベイヤ配列ＢＨ１´、ＢＨ２´が設けられている。ベイヤ配列ＢＨ１´では、図２のフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＢ１の代わりにフローティングディフュージョンＦＤ１が設けられ、図２の行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＢ１の代わりに行選択トランジスタＴＲａｄｒ１が設けられ、図２の増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＢ１の代わりに増幅トランジスタＴＲａｍｐ１が設けられている。ここで、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１、ＰＤ＿Ｂ１、ＰＤ＿Ｒ１、ＰＤ＿Ｇｂ１にてフローティングディフュージョンＦＤ１が共有されることで４画素１セルが構成されている。
【００３６】
そして、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ１は読み出しトランジスタＴＧｇｒ１を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ１は読み出しトランジスタＴＧｂ１を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｒ１は読み出しトランジスタＴＧｒ１を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ１は読み出しトランジスタＴＧｇｂ１を介してフローティングディフュージョンＦＤ１に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のゲートはフローティングディフュージョンＦＤ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒ１を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤ１は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ１を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。
【００３７】
ベイヤ配列ＢＨ２´では、図２のフローティングディフュージョンＦＤＡ２、ＦＤＢ２の代わりにフローティングディフュージョンＦＤ２が設けられ、図２の行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ２、ＴＲａｄｒＢ２の代わりに行選択トランジスタＴＲａｄｒ２が設けられ、図２の増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ２、ＴＲａｍｐＢ２の代わりに増幅トランジスタＴＲａｍｐ２が設けられている。ここで、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２、ＰＤ＿Ｂ２、ＰＤ＿Ｒ２、ＰＤ＿Ｇｂ２にてフローティングディフュージョンＦＤ２が共有されることで４画素１セルが構成されている。
【００３８】
そして、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｒ２は読み出しトランジスタＴＧｇｒ２を介してフローティングディフュージョンＦＤ２に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｂ２は読み出しトランジスタＴＧｂ２を介してフローティングディフュージョンＦＤ２に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｒ２は読み出しトランジスタＴＧｒ２を介してフローティングディフュージョンＦＤ２に接続され、フォトダイオードＰＤ＿Ｇｂ２は読み出しトランジスタＴＧｇｂ２を介してフローティングディフュージョンＦＤ２に接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のゲートはフローティングディフュージョンＦＤ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のソースは行選択トランジスタＴＲａｄｒ２を介して垂直信号線Ｖｌｉｎ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のドレインは電源電位ＶＤＤに接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤ２は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ２を介して電源電位ＶＤＤに接続されている。フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２は、切替トランジスタＴＲｍｉｘを介して互いに接続されている。
【００３９】
ベイヤ配列ＢＨ１´、ＢＨ２´間でビニング動作されない時は切替トランジスタＴＲｍｉｘがオフされ、ベイヤ配列ＢＨ１´、ＢＨ２´の各画素から個別に信号が読み出される。ベイヤ配列ＢＨ１´、ＢＨ２´間でビニング動作される時は切替トランジスタＴＲｍｉｘがオンされ、ベイヤ配列ＢＨ１´、ＢＨ２´の同色画素から同時に信号が読み出されフローティングディフュージョンＦＤ１とＦＤ２で加算される。
【００４０】
ここで、４画素１セル構成においてビニング動作されない時は、切替トランジスタＴＲｍｉｘにてフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２を切り離すことができる。このため、画素ＰＣに蓄積された電荷を電圧に変換する電圧変換部の容量を小さくすることができ、変換ゲインを上げることができる。
【００４１】
また、４画素１セル構成においてビニング動作される時は、切替トランジスタＴＲｍｉｘにてフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２を結合させることができる。このため、２ラインずつ画素ＰＣから信号を読み出すことが可能となり、読み出し速度を２倍にすることができる。また、２ライン分の増幅トランジスタＴＲａｍｐ１、ＴＲａｍｐ２を並列にソースフォロア動作させることができ、垂直信号線Ｖｌｉｎ１、Ｖｌｉｎ２を介して伝送された画素信号を後段で加算もしくは平均化することで画素信号のノイズを１／√２に低減することができる。
【００４２】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
図８において、この固体撮像装置では、図７の切替トランジスタＴＲｍｉｘの代わりに切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２が設けられている。また、図７のリセットトランジスタＴＲｒｓｔ１、ＴＲｒｓｔ２の代わりにリセットトランジスタＴＲｒｓｔが設けられている。
切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２は互いに直列に接続され、その直列回路は、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２のゲートは共通に接続されている。リセットトランジスタＴＲｒｓｔは、切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２の接続点と電源電位ＶＤＤとの間に接続されている。切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２の接続点にはフローティングディフュージョンＦＤｍが形成されている。なお、切替トランジスタＴＲｍｉｘ１は、フローティングディフュージョンＦＤ１に近接して配置することができる。切替トランジスタＴＲｍｉｘ２は、フローティングディフュージョンＦＤ２に近接して配置することができる。
切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２は切替トランジスタＴＲｍｉｘと同様に動作することができる。リセットトランジスタＴＲｒｓｔはリセットトランジスタＴＲｒｓｔ１、ＴＲｒｓｔ２と同様に動作することができる。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘ１、ＴＲｍｉｘ２をフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２にそれぞれ近接して配置することにより、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２に付加される配線容量を低減することができ、変換ゲインを上げることができる。さらに、図７のリセットトランジスタＴＲｒｓｔ１とＴＲｒｓｔ２の２個を１個に削減することができる。
【００４３】
（第５実施形態）
図９は、第５実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。なお、図９の例では、図２の垂直信号線Ｖｌｉｎ１に対する構成のみを示した。
図９において、この固体撮像装置では、図２の行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２が除去されている。また、この固体撮像装置では、フローティングディフュージョンＦＤＡ１は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１を介して電源電位ＶＲＤに接続され、フローティングディフュージョンＦＤＡ２は、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ２を介して電源電位ＶＲＤに接続されている。
ここで、図２の構成では、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２がオフされることで非選択行が設定される。これに対して、図９の構成では、リセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２がオンしている時に電源電位ＶＲＤを立ち下げ、増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２をオフすることで非選択行が設定される。それ以外は図２の構成と同様に動作することができる。
これにより、行選択トランジスタＴＲａｄｒＡ１、ＴＲａｄｒＡ２が除去されている場合においても、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡにてフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２を切り離したり結合させたりすることができる。このため、ビニング動作させない時の変換ゲインの低下を抑制しつつ、ビニング動作時に増幅トランジスタＴＲａｍｐＡ１、ＴＲａｍｐＡ２を同時にオンにすることで、増幅トランジスタの回路のノイズを１／√２に低減することができる。
【００４４】
（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。なお、図１０の例では、図６の垂直信号線Ｖｌｉｎ１に対する構成のみを示した。
図１０において、この固体撮像装置では、図６の構成に結合トランジスタＴＲｃおよび容量Ｃｐが付加されている。容量Ｃｐは結合トランジスタＴＲｃを介して切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２の接続点ＦＤＡｍに接続されている。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２がオンされている時に結合トランジスタＴＲｃをオンさせることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に容量Ｃｐを付加させることができる。このため、ビニング動作時の電圧変換部の飽和電子数を増大させることが可能となるとともに、変換ゲインを下げることができる。この画素構成では、例えばフローティングディフュージョンＦＤＡ１もしくはＦＤＡ２の飽和電子数をフォトダイオードＰＤの飽和電子数の1/2とすることで、高変換ゲインとなり、暗い撮影時に後段の回路ノイズを1/2化することで高画質化できる。明るい撮影時には、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２をオンにすることで、変換ゲインを約1/2とすることで、フォトダイオードＰＤの飽和電子数を電圧に変換することができる。ビニング動作時には、同色のフォトダイオードＰＤの2画素から信号電荷が読み出されるため、結合トランジスタＴＲｃをオンにすることで容量Ｃｐを追加し、変換ゲインをさらに1/2化することでフォトダイオード2画素分の飽和電子数を電圧に変換することができる。
【００４５】
（第７実施形態）
図１１は、第７実施形態に係る固体撮像装置の２画素１セル構成における横２×縦４画素分の画素の構成例を示す回路図である。
図１１において、この固体撮像装置では、図１０の構成から結合トランジスタＴＲｃが除去されている。容量Ｃｐは切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２の接続点に直接接続されている。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡ１、ＴＲｍｉｘＡ２をオンさせることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に容量Ｃｐを付加させることができる。このため、ビニング動作時の電圧変換部の飽和電子数を増大させることが可能となるとともに、変換ゲインを下げることができる。
【００４６】
（第８実施形態）
図１２（ａ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）の構成では、図９の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡの部分を抜き出して示した。
図１２（ａ）において、この固体撮像装置では、図９の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域に容量Ｃｐが付加されている。また、図１２（ｂ）に示すように、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡには、ゲート電極Ｇ１が設けられ、ゲート電極Ｇ１下にはチャネル領域が形成されている。また、チャネル領域の両側には拡散層Ｄ１、Ｄ２が形成されている。さらに、チャネル領域の脇には拡散層Ｄ３が形成され、拡散層Ｄ３には容量Ｃｐが接続されている。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡをオンさせることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に容量Ｃｐを付加させることができる。このため、ビニング動作時の電圧変換部の飽和電子数を増大させることが可能となるとともに、変換ゲインを下げることができる。また、容量Ｃｐが接続される拡散層Ｄ３をチャネル領域の脇に配置することにより、レイアウト面積の増大を抑制することができる。
【００４７】
（第９実施形態）
図１３（ａ）は、第９実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
図１３（ａ）において、この固体撮像装置では、図１２（ａ）の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域に結合トランジスタＴＲｃを介して容量Ｃｐが付加されている。また、図１３（ｂ）に示すように、結合トランジスタＴＲｃには、ゲート電極Ｇ２が設けられている。また、ゲート電極Ｇ２下のチャネル領域の両側には拡散層Ｄ４、Ｄ５が形成されている。ここで、拡散層Ｄ４は切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置されている。また、拡散層Ｄ５には容量Ｃｐが接続されている。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされている時に結合トランジスタＴＲｃをオンさせることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２に容量Ｃｐを付加させることができる。このため、ビニング動作時の電圧変換部の飽和電子数をさらに増大させることが可能となるとともに、変換ゲインをさらに下げることができる。また、結合トランジスタＴＲｃの拡散層Ｄ４を切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置することにより、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡと結合トランジスタＴＲｃとを接続する配線を不要とすることができ、レイアウト面積の増大を抑制することができる。
【００４８】
（第１０実施形態）
図１４（ａ）は、第１０実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）の構成では、図２の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡおよびリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２の部分を抜き出して示した。
図１４（ａ）において、この固体撮像装置では、図２のリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２の代わりにリセットトランジスタＴＲｒｓｔが設けられている。ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域はリセットトランジスタＴＲｒｓｔを介して電源電位ＶＤＤに接続されている。また、図１４（ｂ）に示すように、リセットトランジスタＴＲｒｓｔには、ゲート電極Ｇ３が設けられている。また、ゲート電極Ｇ３下のチャネル領域の両側には拡散層Ｄ６、Ｄ７が形成されている。ここで、拡散層Ｄ６は切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置されている。また、拡散層Ｄ７には電源電位ＶＤＤが接続されている。
ここで、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡがオンされている時にリセットトランジスタＴＲｒｓｔをオンさせることでフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２をリセットすることができる。また、リセットトランジスタＴＲｒｓｔの拡散層Ｄ６を切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置することにより、フローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２でリセットトランジスタＴＲｒｓｔを共有することができる。このため、図２のリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２をフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２ごとに設ける必要がなくなり、リセットトランジスタの個数を減らすことができる。
【００４９】
（第１１実施形態）
図１５（ａ）は、第１１実施形態に係る固体撮像装置に適用される切替トランジスタの構成例を示す回路図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の切替トランジスタのレイアウト構成例を示す平面図である。
図１５（ａ）において、この固体撮像装置では、図１４（ａ）の切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域に結合トランジスタＴＲｃを介して容量Ｃｐが付加されている。なお、結合トランジスタＴＲｃは、図１３（ａ）および図１３（ｂ）の構成と同様である。ここで、結合トランジスタＴＲｃの拡散層Ｄ４とリセットトランジスタＴＲｒｓｔの拡散層Ｄ６とは、ゲート電極Ｇ１を間にして互いに対向するようにゲート電極Ｇ１下のチャネル領域の脇に配置することができる。
ここで、結合トランジスタＴＲｃの拡散層Ｄ４を切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置することにより、切替トランジスタＴＲｍｉｘＡと結合トランジスタＴＲｃとを接続する配線を不要とすることができ、レイアウト面積の増大を抑制することができる。また、リセットトランジスタＴＲｒｓｔの拡散層Ｄ６を切替トランジスタＴＲｍｉｘＡのチャネル領域の脇に配置することにより、図２のリセットトランジスタＴＲｒｓｔＡ１、ＴＲｒｓｔＡ２をフローティングディフュージョンＦＤＡ１、ＦＤＡ２ごとに設ける必要がなくなり、リセットトランジスタの個数を減らすことができる。
【００５０】
（第１２実施形態）
図１６は、第１２実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
図１６において、デジタルカメラ１１は、カメラモジュール１２および後段処理部１３を有する。カメラモジュール１２は、撮像光学系１４および固体撮像装置１５を有する。後段処理部１３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）１６、記憶部１７及び表示部１８を有する。なお、ＩＳＰ１６の少なくとも一部の構成は固体撮像装置１５とともに１チップ化するようにしてもよい。固体撮像装置１５としては、図１および図６〜図１１のいずれかの構成を用いることができる。
【００５１】
撮像光学系１４は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置１５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ１６は、固体撮像装置１５での撮像により得られた画像信号を信号処理する。記憶部１７は、ＩＳＰ１６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部１７は、ユーザの操作等に応じて、表示部１８へ画像信号を出力する。表示部１８は、ＩＳＰ１６あるいは記憶部１７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部１８は、例えば、液晶ディスプレイである。なお、カメラモジュール１２は、デジタルカメラ１１以外にも、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用するようにしてもよい。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１  画素アレイ部、２  垂直走査回路、３  負荷回路、４  カラムＡＤＣ回路、５  ラインメモリ、６  水平走査回路、７基準電圧発生回路、８  タイミング制御回路、９  切替制御部、ＰＣ  画素、Ｖｌｉｎ  垂直信号線、Ｈｌｉｎ  水平制御線、ＴＲｍｉｘ  切替トランジスタ
【図１】
2015211257.tif 000003
【図２】
2015211257.tif 000004
【図３】
2015211257.tif 000005
【図４】
2015211257.tif 000006
【図５】
2015211257.tif 000007
【図６】
2015211257.tif 000008
【図７】
2015211257.tif 000009
【図８】
2015211257.tif 000010
【図９】
2015211257.tif 000011
【図１０】
2015211257.tif 000012
【図１１】
2015211257.tif 000013
【図１２】
2015211257.tif 000014
【図１３】
2015211257.tif 000015
【図１４】
2015211257.tif 000016
【図１５】
2015211257.tif 000017
【図１６】
2015211257.tif 000018