(57)【要約】【課題】一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域１０１と、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第１保持部１０２と、画素アレイ領域１０１を挟むように、第１保持手段１０２と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第２保持部２０２と、第１保持部１０２に保持される電気信号を外部に出力する出力部と、第２保持部２０２に保持される電気信号を外部に出力する第２出力部とを備える。【選択図】図１
2008172434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第１保持手段と、
前記画素アレイ領域を挟むように、前記第１保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第２保持手段と、
前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第１出力手段と、
前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第２出力手段とを備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第２保持手段に転送される動作と並列に、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力し、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第１保持手段に転送される動作と並列に、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する
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】
前記固体撮像装置は、さらに、
各列の複数の光電変換素子に変換された電気信号をそれぞれ伝送する複数の垂直信号線と、
前記複数の垂直信号線の一端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第１保持手段に保持するか否かを選択する第１スイッチ素子と、
前記複数の垂直信号線の他端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第２保持手段に保持するか否かを選択する第２スイッチ素子とを備える
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記第１出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第１水平信号線と、
前記第２出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第２水平信号線とを備える
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第２保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、
前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第２保持手段に転送される動作と並列に、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、
複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第１保持手段に転送される動作と並列に、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１保持手段は、
前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第１ＣＤＳ回路を備え、
前記第１保持手段は、前記第１ＣＤＳ回路が出力する差分を保持し、
前記第２保持手段は、
前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第２ＣＤＳ回路を備え、
前記第２保持手段は、前記第２ＣＤＳ回路が出力する差分を保持する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記画素アレイ領域、前記第１保持手段、及び前記第２保持手段は、半導体基板に形成され、
前記半導体基板において、前記画素アレイ領域と、前記第１保持手段が形成される領域と、前記第２保持手段が形成される領域とは、それぞれ電気的に分離される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラシステム。
【請求項１０】
行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第１保持手段と、
前記画素アレイ領域を挟むように、前記第１保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第２保持手段と、
前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第１出力手段と、
前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第２出力手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第２保持手段に転送する動作と、前記第１出力手段が前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第１ステップと、
行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第１保持手段に転送する動作と、前記第２出力手段が前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第２ステップとを含む
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記第１保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第２保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、
前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、
前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、
前記第１ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第２保持手段に転送する動作と、前記第１出力手段が前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する動作とを並列に行い、
前記第２ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第１保持手段に転送する動作と、前記第２出力手段が前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、行単位の画素のデータを保持する複数の保持部を備える固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置としては、ＣＣＤ型固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）とＭＯＳ型固体撮像装置（ＭＯＳイメージセンサ）とが知られている。ＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像装置に比べ高速な画像出力が可能であるため、近年、ＭＯＳ型固体撮像装置が注目されている。
【０００３】
以下、従来のＭＯＳ型固体撮像装置について説明する。
図９及び図１０は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置のデータ出力方式を模式的に示す図である。
【０００４】
ＭＯＳ型固体撮像装置は、行方向及び列方向に二次元状に配列された複数の画素を含む画素アレイ領域１０１と、各列の画素に共通であり、１行分の画素のデータを保持する保持部１０２と、保持部１０２が保持するデータが出力される水平信号線３１１とを備える。
【０００５】
まず、画素アレイ領域１０１のｎ（１以上の整数）行目の１行分の画素の信号が一括して保持部１０２に転送され、保持部１０２に保持される（Ｓ１０１）。この動作には、リセット状態の画素の出力電圧であるリセット電圧と、画素が光電変換した電気信号である光電変換信号との差分を取るいわゆる相関二重サンプル動作（ＣＤＳ）も含まれる。保持部１０２への信号の転送が完了すると、保持部１０２に保持されるデータが１画素分ずつ水平信号線３１１へ読み出される（Ｓ１０２）。例えば、１画素のデータを水平信号線３１１に読み出す動作に要する時間をＴ５０とし、画素アレイ領域１０１に含まれる列の数をＰ＿ｈｏｒｉとすると、１行分の画素が水平信号線３１１に読み出される時間Ｔ＿ｒｅａｄ＝Ｔ５０×Ｐ＿ｈｏｒｉとなる。保持部１０２に保持されるｎ行目の１行分の画素の信号を全て読み出し終えると、ｎ＋１行目の画素の信号が一括して保持部１０２に転送され（Ｓ１０１）、転送されたｎ＋１行目の画素のデータが読み出される（Ｓ１０２）。
【０００６】
上記一括転送動作（Ｓ１０１）及び読み出し動作（Ｓ１０２）を全ての行に対して繰り返し行うことで、全ての画素の信号が読み出される。
【０００７】
また、１行分の画素の画像出力に要する時間は、一括転送（Ｓ１０１）に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓと、読み出しに要する時間Ｔ＿ｒｅａｄの和となる。
【０００８】
以下、従来のＭＯＳ型固体撮像装置について、詳細に説明する。
図１１は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【０００９】
図１１に示す従来のＭＯＳ型固体撮像装置５００は、画素アレイ領域１０１と、保持部１０２と、負荷トランジスタ領域１０３と、一括転送パルス発生部１０４と、読み出しパルス発生部１０５と、水平信号線３１１とを備える。
【００１０】
画素アレイ領域１０１は、複数の画素１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２及び１３３と、垂直信号線３０１、３０２及び３０３とを備える。なお、図１１においては、説明の簡略化のため３行×３列の画素が配置された例を示す。
【００１１】
複数の画素１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２及び１３３は、行方向及び列方向に二次元状に配置される。画素アレイ領域１０１の各列の画素は、複数の垂直信号線３０１、３０２及び３０３にそれぞれ接続される。複数の画素１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２及び１３３は、光を電気信号に変換し、電気信号を接続される垂直信号線３０１、３０２及び３０３に出力する。
【００１２】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３は、各列の複数の画素に変換された電気信号をそれぞれ伝送する。
【００１３】
複数の画素１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２及び１３３は同一の構造であり、以下、一例として画素１１１の構造を説明する。
【００１４】
画素１１１は、フォトダイオードｐｄ１１と、転送トランジスタｍ１１１と、リセットトランジスタｍ１１２と、増幅トランジスタｍ１１３とを備える。
【００１５】
フォトダイオードｐｄ１１は、光を信号電荷に変換し蓄積する。転送トランジスタｍ１１１は、フォトダイオードｐｄ１１に蓄積された信号電荷を転送トランジスタｍ１１１のドレインであるフローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と称す。）に転送し、蓄積する。リセットトランジスタｍ１１２は、ＦＤに蓄積された信号電荷をリセットする。増幅トランジスタｍ１１３は、ＦＤに蓄積された信号電荷を増幅し、電気信号を垂直信号線３０１に出力する。
【００１６】
保持部１０２は、複数の画素が光電変換した１行分の画素に対応するデータを一時的に保持する。具体的には、保持部１０２は、各列の画素のリセット電圧と画素が光電変換した電気信号との差分をデータとして保持する。保持部１０２が保持する１行分の電気信号は、共通の水平信号線３１１に接続される。
【００１７】
保持部１０２は、各列に対応する複数の保持回路１１４、１２４及び１３４を備える。保持回路１１４、１２４及び１３４の構成は同一であり、以下、保持回路１１４について説明する。
【００１８】
保持回路１１４は、サンプルスイッチｍ０１５と、ホールドスイッチｍ０１６と、列選択スイッチｍ０１７と、サンプル容量ｃ０１１と、ホールド容量ｃ０１２とを備える。
【００１９】
サンプルスイッチｍ０１５のゲートはサンプルパルス線ＮＣＳＨ１に接続され、ソース／ドレインの一方は垂直信号線３０１に接続され、ソース／ドレインの他方はサンプル容量ｃ０１１の一端に接続される。サンプル容量ｃ０１１の他端はホールドスイッチｍ０１６のドレインに接続される。ホールドスイッチｍ０１６のゲートはクランプパルス線ＮＣＣＬ１に接続され、ソースはホールド電圧線ＣＬＤＣＮＣ１に接続される。ホールド容量ｃ０１２は、ホールドスイッチｍ０１６のドレインとＧＮＤとの間に接続される。列選択スイッチｍ０１７のゲートは列選択線ＳＬ０１に接続され、ソース／ドレインの一方はサンプルスイッチｍ０１５のドレインに接続され、ソース／ドレインの他方は水平信号線３１１に接続される。
【００２０】
負荷トランジスタ領域１０３は、各垂直信号線３０１、３０２及び３０３に接続される負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４を備える。負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４は、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に定電流を供給する。
【００２１】
一括転送パルス発生部１０４は、画素アレイ領域１０１に含まれる行単位の画素を垂直信号線３０１、３０２及び３０３に駆動する制御信号を出力する。
【００２２】
読み出しパルス発生部１０５は、保持部１０２が保持するデータを水平信号線３１１に１列毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。
【００２３】
次に、従来の固体撮像装置５００の動作を説明する。
図１２は、従来の固体撮像装置５００における制御信号のタイミングチャートである。なお、図１２において画素１１１、１２１及び１３１の１行分のデータを読み出す動作を示す。なお、画素１１１、１２１及び１３１の動作は、同様であり、以下に１例として画素１１１の動作を説明する。
【００２４】
期間Ｔ５１において、１行分の画素のデータが読み出され、保持部１０２に保持される。期間Ｔ５２において、期間Ｔ５１において読み出されたデータが順次、水平信号線３１１に出力される。
【００２５】
期間Ｔ５１において、まず、リセット線ＲＳ１がアクティブとなり、リセットトランジスタｍ１１２がオンする。これにより、ＦＤに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線ＮＣＳＨ１及びクランプパルス線ＮＣＣＬ１がアクティブとなり、ホールド電圧線ＣＬＤＣＮＣ１にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃが印加される。これにより、サンプルスイッチｍ０１５及びホールドスイッチｍ０１６がオンし、サンプル容量ｃ０１１に、リセット時の垂直信号線３０１の電圧であるリセット電圧ｖｒｓｔが印加され、ホールド容量ｃ０１２にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃが印加される。
【００２６】
次に、リセットトランジスタｍ１１２がオフし、転送トランジスタｍ１１１がオンする。これにより、フォトダイオードｐｄ１１に蓄積された信号電荷がＦＤに転送される。増幅トランジスタｍ１１３は、転送されたＦＤの信号電荷を増幅し、光電変換信号ｖｓｉｇを垂直信号線３０１に出力する。この際、ホールドスイッチｍ０１６がオフされ、リセット電圧ｖｒｓｔと光電変換信号ｖｓｉｇとの差分信号（ｃｌｄｃｎｃ−（ｖｒｓｔ−ｖｓｉｇ））がホールド容量ｃ０１２に保持される。
【００２７】
次に、サンプルスイッチｍ０１５がオフされる。また、リセットトランジスタｍ１１２がオンされ、ＦＤを低電位にし、読み出した行の増幅トランジスタｍ１１３を非選択にする。
【００２８】
また、画素１２１及び１３１に対しても、画素１１１と同様の動作が行われる。以上の動作により、画素１１１、１２１及び１３１のデータが保持部１０２に保持される。
【００２９】
画素１１１、１２１及び１３１のデータが保持部１０２に保持された後に、列選択スイッチｍ０１７、ｍ０２７及びｍ０３７が順次オンされる。これにより、各保持回路１１４、１２４及び１３４に保持されるデータが順次水平信号線３１１に読み出される。
【００３０】
上記動作を全ての行について行うことで全画素信号を読み出すことができる。ここで、画素数の増加に伴い、全画素のデータを読み出すのに必要な時間も増える。また、一括転送時に駆動する画素数が増加するので、行選択線ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、リセット線ＲＳ１、ＲＳ２及びＲＳ３に寄生する抵抗及び容量も増加する。これにより、Ｔ＿ｔｒａｎｓも増加する。また、一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓを無理に短縮すると、列間の固定パターンノイズが増加するため、撮像素子に求められる画質を満足できなくなる。
【００３１】
ここで、１行分の画素のデータを保持部１０２に一括転送する動作に要する時間をＴ＿ｔｒａｎｓとし、保持部１０２から水平信号線３１１へのデータの読み出しに要する時間をＴ＿ｒｅａｄとし、画素アレイ領域１０１に含まれる画素の行数をＰ＿ｖｅｒｔとすると、画素アレイ領域１０１に含まれる全ての画素のデータを読み出すのに必要な時間は、（Ｔ＿ｔｒａｎｓ  ＋  Ｔ＿ｒｅａｄ）  ×  Ｐ＿ｖｅｒｔとなる。すなわち、画素数が増加すると全ての画素のデータを読み出す時間も増加する。
【００３２】
一方、２つの保持部１０２を備えることにより、一括転送動作と読み出し動作とを並列で行う固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１記載の固体撮像装置は、一方の保持部１０２に対して画素の信号を転送している間に、他方の保持部１０２が保持するデータを読み出すことで、高速な画像出力を実現する。
【特許文献１】特開２００６−９３８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
しかしながら、特許文献１記載の従来の固体撮像装置は、一括転送動作とデータ読み出し動作とを同時に行うことにより、一括転送動作が読み出し動作に影響を与える。また、読み出し動作が一括転送動作に影響を与える。これにより、ノイズが信号に乗ってしまい、画質が悪化するという問題がある。
【００３４】
前記課題に鑑み、本発明は、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ること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】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第１保持手段と、前記画素アレイ領域を挟むように、前記第１保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第２保持手段と、前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第１出力手段と、前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第２出力手段とを備える。
【００３６】
この構成によれば、第１保持手段及び第２保持手段を備えることにより、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高速な画像出力を実現することができる。
【００３７】
さらに、第１保持手段と第２保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第１保持手段及び第２保持手段の一方に一括転送する動作と、第１保持手段及び第２保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高画質な画像を撮像することができる。
【００３８】
また、行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第２保持手段に転送される動作と並列に、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力し、行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第１保持手段に転送される動作と並列に、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力してもよい。
【００３９】
この構成によれば、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高速な画像出力を実現することができる。
【００４０】
また、前記固体撮像装置は、さらに、各列の複数の光電変換素子に変換された電気信号をそれぞれ伝送する複数の垂直信号線と、前記複数の垂直信号線の一端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第１保持手段に保持するか否かを選択する第１スイッチ素子と、前記複数の垂直信号線の他端に接続され、前記複数の垂直信号線に伝送された行単位の電気信号を前記第２保持手段に保持するか否かを選択する第２スイッチ素子とを備えてもよい。
【００４１】
この構成によれば、第１保持手段及び第２保持手段が画素アレイ領域を挟むように配置されるので、例えば、読み出し動作時に第１出力手段及び第２出力手段に印加される高速パルスに起因する、垂直信号線への影響を低減することができる。これにより、第１保持手段及び第２保持手段が保持する電気信号に対する影響を低減することができる。
【００４２】
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第１水平信号線と、前記第２出力手段により出力される電気信号を伝送する複数の第２水平信号線とを備えてもよい。
【００４３】
この構成によれば、第１出力手段及び第２出力手段が、それぞれ複数の水平信号線に並列に電気信号を出力することで、データの読み出し時間を短縮することができる。
【００４４】
また、前記第１保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第２保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力してもよい。
【００４５】
この構成によれば、複数の画素信号を混合し出力することができる。
また、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第２保持手段に転送される動作と並列に、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力し、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号が前記第１保持手段に転送される動作と並列に、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力してもよい。
【００４６】
この構成によれば、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置は、画素混合を行った画像信号を高速に出力することができる。
【００４７】
また、前記第１保持手段は、前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第１ＣＤＳ回路を備え、前記第１保持手段は、前記第１ＣＤＳ回路が出力する差分を保持し、前記第２保持手段は、前記垂直信号線を伝送される前記光電変換素子のリセット状態に対応する電位であるリセット電圧と該光電変換素子が変換した電気信号との差分を出力する第２ＣＤＳ回路を備え、前記第２保持手段は、前記第２ＣＤＳ回路が出力する差分を保持してもよい。
【００４８】
また、前記画素アレイ領域、前記第１保持手段、及び前記第２保持手段は、半導体基板に形成され、前記半導体基板において、前記画素アレイ領域と、前記第１保持手段が形成される領域と、前記第２保持手段が形成される領域とは、それぞれ電気的に分離されてもよい。
【００４９】
この構成によれば、一括転送動作により垂直信号線を流れる電流が、水平信号線に及ぼす影響を抑制することができる。
【００５０】
また、本発明に係るカメラシステムは、前記固体撮像装置を備える。
この構成によれば、第１保持手段及び第２保持手段を備えることにより、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行うことができる。よって、本発明に係るカメラシステムは、高速な画像出力を実現することができる。
【００５１】
さらに、第１保持手段と第２保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第１保持手段及び第２保持手段の一方に一括転送する動作と、第１保持手段及び第２保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係るカメラシステムは、高画質な画像を撮像することができる。
【００５２】
また、本発明の係る固体撮像装置の駆動方法は、行方向及び列方向の二次元状に、光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が配置された画素アレイ領域と、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第１保持手段と、前記画素アレイ領域を挟むように、前記第１保持手段と対向して配置され、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を保持する第２保持手段と、前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第１出力手段と、前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する第２出力手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第２保持手段に転送する動作と、前記第１出力手段が前記第１保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第１ステップと、行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第１保持手段に転送する動作と、前記第２出力手段が前記第２保持手段に保持される電気信号を外部に出力する動作とを並列に行う第２ステップとを含む。
【００５３】
これによれば、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される電気信号を外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、高速な画像出力を実現することができる。
【００５４】
さらに、第１保持手段と第２保持手段とは画素アレイ領域を挟むように配置される。これにより、光電変換素子が光電変換した電気信号を第１保持手段及び第２保持手段の一方に一括転送する動作と、第１保持手段及び第２保持手段の他方が保持する電気信号を読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、高画質な画像を撮像することができる。
【００５５】
また、前記第１保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第２保持手段は、行単位の光電変換素子により変換された複数の行単位の電気信号を保持し、前記第１出力手段は、前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、前記第２出力手段は、前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し出力し、前記第１ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第２保持手段に転送する動作と、前記第１出力手段が前記第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に出力する動作とを並列に行い、前記第２ステップでは、複数の行単位の光電変換素子により変換された電気信号を前記第１保持手段に転送する動作と、前記第２出力手段が前記第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を外部に出力する動作とを並列に行ってもよい。
【００５６】
これによれば、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第１保持手段に保持する動作と、第２保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。また、複数の光電変換素子により光電変換された複数の行単位の電気信号を一括転送し第２保持手段に保持する動作と、第１保持手段に保持される複数の行単位の電気信号を混合し外部に読み出す動作とを並列に行う。よって、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、画素混合を行った画像信号を高速に出力することができる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明は、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ることができる固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、２つの保持部を画素アレイ領域の上下に配置する。これにより、一括転送動作と読み出し動作とを並列に行うことで、高速な画像出力を実現するとともに、ノイズを低減した高画質な画像を得ることができる。
【００６０】
まず、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図１１と同様の要素には同一の符号を付している。
【００６１】
図１に示す固体撮像装置１００は、画素アレイ領域１０１と、保持部１０２及び２０２と、負荷トランジスタ領域１０３及び２０３と、一括転送パルス発生部１０４と、読み出しパルス発生部１０５及び２０５と、水平信号線３１１及び３１２とを備える。
【００６２】
画素アレイ領域１０１は、複数の画素１１１、１１２、１２１、１２２、１３１及び１３２と、複数の垂直信号線３０１、３０２及び３０３とを備える。なお、図１においては、説明の簡略化のため２行×３列の画素が配置された例を示す。
【００６３】
複数の画素１１１、１１２、１２１、１２２、１３１及び１３２は、行方向及び列方向に二次元状に配置される。画素アレイ領域１０１の各列の画素は、複数の垂直信号線３０１、３０２及び３０３にそれぞれ接続される。複数の画素１１１、１１２、１２１、１２２、１３１及び１３２は、光を電気信号に変換し、電気信号を接続される垂直信号線３０１、３０２及び３０３に出力する。
【００６４】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３は、各列の複数の画素に変換された電気信号をそれぞれ伝送する。
【００６５】
複数の画素１１１、１１２、１２１、１２２、１３１及び１３２は、同一の構造であり、以下、一例として画素１１１の構造を説明する。画素１１１は、フォトダイオードｐｄ１１と、転送トランジスタｍ１１１と、リセットトランジスタｍ１１２と、増幅トランジスタｍ１１３とを備える。
【００６６】
フォトダイオードｐｄ１１は、光を信号電荷に変換し蓄積する。フォトダイオードｐｄ１１は、アノード側が接地され、カソード側が転送トランジスタｍ１１１のソースに接続される。
【００６７】
転送トランジスタｍ１１１は、フォトダイオードｐｄ１１に蓄積された信号電荷をＦＤ（転送トランジスタｍ１１１のドレイン）に、転送し、蓄積する。転送トランジスタｍ１１１のゲートは、行選択線ＴＸ１に接続される。
【００６８】
リセットトランジスタｍ１１２は、ＦＤに蓄積された信号電荷をリセットする。リセットトランジスタｍ１１２のゲートは、リセット線ＲＳ１に接続され、ドレインは転送トランジスタｍ１１１のドレインに接続され、ソースは電源に接続される。
【００６９】
増幅トランジスタｍ１１３は、ＦＤに蓄積された信号電荷を増幅し、電気信号を垂直信号線３０１に出力する。増幅トランジスタｍ１１３のゲートは転送トランジスタｍ１１１のドレインに接続され、ドレインは垂直信号線３０１に接続され、ソースは電源に接続される。
【００７０】
転送トランジスタｍ１１１、リセットトランジスタｍ１１２及び増幅トランジスタｍ１１３は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。
【００７１】
保持部１０２は、画素アレイ領域１０１の一方（図１の下方向）に配置される。保持部２０２は、画素アレイ領域１０１の他方（図１の上方向）に配置される。すなわち、保持部２０２は、画素アレイ領域１０１を挟むように、保持部１０２と対向して配置される。
【００７２】
保持部１０２及び２０２は、複数の画素が光電変換した１行分の電気信号を一時的に保持する。具体的には、保持部１０２及び２０２は、各列の画素のリセット状態に出力される電圧であるリセット電圧と、画素が光電変換した電気信号である光電変換信号との差分を各画素に対応するデータとして保持する。
【００７３】
保持部１０２は、保持するデータを順次、共通の水平信号線３１１に出力する。保持部２０２は、保持するデータを順次、共通の水平信号線３１２に出力する。
【００７４】
保持部１０２は、保持部２０２が保持部２０２に保持される１行分のデータを水平信号線３１１に出力する動作と並列に、複数の画素により光電変換された１行分の電気信号を保持する。保持部２０２は、保持部１０２が保持部１０２に保持される１行分のデータを外部に出力する動作と並列に、複数の画素により光電変換された１行分の電気信号を保持する。
【００７５】
保持部１０２は、各列に対応する複数の保持回路１１４、１２４及び１３４を備える。保持部２０２は、各列に対応する複数の保持回路２１４、２２４及び２３４を備える。保持回路１１４、１２４、１３４、２１４、２２４及び２３４の構成は同一であり、以下、保持回路１１４について説明する。
【００７６】
保持回路１１４は、１つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持する。また、保持回路１１４は、垂直信号線３０１を伝送される画素のリセット状態に対応する電圧であるリセット電圧と、該画素が変換した電気信号である光電変換信号との差分を出力するＣＤＳを行うＣＤＳ回路を含む。保持回路１１４は、ＣＤＳ回路が出力する差分を各画素に対応するデータとして保持する。
【００７７】
保持回路１１４は、サンプルスイッチｍ０１５と、ホールドスイッチｍ０１６と、列選択スイッチｍ０１７と、サンプル容量ｃ０１１と、ホールド容量ｃ０１２とを備える。サンプルスイッチｍ０１５、ホールドスイッチｍ０１６及び列選択スイッチｍ０１７は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。
【００７８】
サンプルスイッチｍ０１５は、垂直信号線３０１に伝送された電気信号を保持回路１１４に保持するか否かを選択する。サンプルスイッチｍ０１５のゲートはサンプルパルス線ＮＣＳＨ１に接続され、ソース／ドレインの一方は垂直信号線３０１に接続され、ソース／ドレインの他方はサンプル容量ｃ０１１の一端に接続される。
【００７９】
サンプル容量ｃ０１１及びホールドスイッチｍ０１６により、ＣＤＳ回路が構成される。サンプル容量ｃ０１１の他端はホールドスイッチｍ０１６のドレインに接続される。ホールドスイッチｍ０１６のゲートはクランプパルス線ＮＣＣＬ１に接続され、ソースはホールド電圧線ＣＬＤＣＮＣ１に接続される。
【００８０】
ホールド容量ｃ０１２は、１つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持するための容量である。ホールド容量ｃ０１２は、ホールドスイッチｍ０１６のドレインとＧＮＤとの間に接続される。
【００８１】
列選択スイッチｍ０１７は、ホールド容量ｃ０１２に保持されるデータを水平信号線３１１に出力するか否かを選択するスイッチである。列選択スイッチｍ０１７のゲートは列選択線ＳＬ０１に接続され、ソース／ドレインの一方はホールドスイッチｍ０１６のドレインに接続され、ソース／ドレインの他方は水平信号線３１１に接続される。
【００８２】
負荷トランジスタ領域１０３は、画素アレイ領域１０１の一方（図１の下方向）に配置される。負荷トランジスタ領域１０３は、各垂直信号線３０１、３０２及び３０３の一方（図１の下方向）に接続される負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４と、定電流用トランジスタｍ００４とを備える。負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４は、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に定電流を供給する。また、負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４は、全て定電流用トランジスタｍ００４とカレントミラーとなる構造を有することで、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に同一の定電流を供給する。
【００８３】
負荷トランジスタ領域２０３は、画素アレイ領域１０１の他方（図１の上方向）に配置される。すなわち、負荷トランジスタ領域２０３は、画素アレイ領域１０１を挟むように、負荷トランジスタ領域１０３と対向して配置される。負荷トランジスタ領域２０３は、各垂直信号線３０１、３０２及び３０３の他方（図１の上方向）に接続される負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４と、定電流用トランジスタｍ１０４とを備える。負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４は、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に定電流を供給する。また、負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４は、全て定電流用トランジスタｍ１０４とカレントミラー構造を有することで、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に同一の定電流を供給する。
【００８４】
一括転送パルス発生部１０４は、画素アレイ領域１０１に含まれる行単位の画素を垂直信号線３０１、３０２及び３０３に駆動する制御信号を出力する。具体的には、一括転送パルス発生部１０４は、画素アレイ領域１０１に含まれる１行の画素を選択する行選択信号を行選択線ＴＸ１及びＴＸ２に出力する。また、一括転送パルス発生部１０４は、画素アレイ領域１０１に含まれる１行の画素をリセットするリセット信号をリセット線ＲＳ１及びＲＳ２に出力する。
【００８５】
読み出しパルス発生部１０５は、保持部１０２が保持するデータを水平信号線３１１に１画素毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。具体的には、保持部１０２に保持されているデータのうち水平信号線３１１に読み出すデータを選択する列選択信号を列選択線ＳＬ０１、ＳＬ０２及びＳＬ０３に出力する。
【００８６】
読み出しパルス発生部２０５は、保持部２０２が保持するデータを水平信号線３１２に１画素毎に順次読み出しを行う制御信号を出力する。具体的には、保持部２０２に保持されているデータのうち水平信号線３１２に読み出すデータを選択する列選択信号を列選択線ＳＬ１１、ＳＬ１２及びＳＬ１３に出力する。
【００８７】
水平信号線３１１は、保持部１０２により出力されるデータを伝送する。水平信号線３１２は、保持部２０２により出力されるデータを伝送する。
【００８８】
このように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、２つの保持部１０２と２０２とが、画素アレイ領域１０１を挟むように（図１における上下に）配置される。これにより、画素の信号を保持部１０２及び２０２の一方に一括転送する動作と、保持部１０２及び２０２の他方が保持するデータを読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。これにより、高画質な画像を撮像することができる。
【００８９】
図２は本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の断面構造を模式的に示す図である。
【００９０】
図２に示すように固体撮像装置１００は、半導体基板４００と、第１導電領域４０１と、第２導電領域４０２と、第３導電領域４０３とを含む。第１導電領域４０１、第２導電領域４０２及び第３導電領域４０３は、半導体基板４００に形成される。また、第１導電領域４０１と第２導電領域４０２と第３導電領域４０３とは、電気的に分離される。画素アレイ領域１０１、負荷トランジスタ領域１０３及び２０３は、第１導電領域４０１に形成される。保持部１０２は、第２導電領域４０２に形成される。保持部２０２は、第３導電領域４０３に形成される。
【００９１】
ここで、一括転送動作時において、垂直信号線３０１、３０２及び３０３を短時間で出力電位まで引っ張るため、大電流が垂直信号線３０１、３０２及び３０３に流れる。特許文献１記載の従来の固体撮像装置では、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に流れる電流が、近くを走る水平信号線３１１及び３１２にも影響を及ぼし、読み出し水平信号線３１１及び３１２に出力されたデータにノイズが発生する。
【００９２】
一方、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、画素アレイ領域１０１が形成される半導体基板の領域と、保持部１０２が形成される半導体基板の領域と、保持部２０２が形成される半導体基板の領域とが電気的に分離される。これにより、一括転送動作により垂直信号線３０１、３０２及び３０３を流れる電流が、水平信号線３１１及び３１２に及ぼす影響を抑制することができる。
【００９３】
次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の動作を説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の動作を示すタイミングチャートである。なお、図３において、ｎ行目の画素に対応するリセット電圧をｖｒｓｔ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の光電変換信号をｖｓｉｇ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の一括転送動作時のホールド電圧をｃｌｄｃｎｃ（ｎ）と表す。また、水平信号線３１１及び３１２に読み出されるｎ行目かつｍ列目の画素のデータをｎ＿ｍと表す。
【００９４】
まず、期間Ｔ０１において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ行目の１行分の画素（画素１１１、１２１、１３１）の信号が保持部１０２に一括転送される。また、期間Ｔ０１において、保持部２０２に保持されているデータ（ｎ−１行目の１行分の画素に対応するデータ）が水平信号線３１２に読み出される。
【００９５】
以下、期間Ｔ０１におけるｎ行目の画素１１１、１２１及び１３１の信号を保持部１０２に一括転送する動作を説明する。
【００９６】
まず、リセット線ＲＳ１がアクティブとなり、リセットトランジスタｍ１１２、ｍ２１２及びｍ３１２がオンする。これにより、画素１１１、１２１及び１３１のＦＤに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線ＮＣＳＨ１及びクランプパルス線ＮＣＣＬ１がアクティブとなり、ホールド電圧線ＣＬＤＣＮＣ１にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃ（ｎ）が印加される。これにより、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５、ｍ０３５、ホールドスイッチｍ０１６、ｍ０２６及びｍ０３６がオンし、サンプル容量ｃ０１１、ｃ０２１及びｃ０３１に、リセット時の垂直信号線３０１の電圧であるリセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ）が印加され、ホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃ（ｎ）が印加される。
【００９７】
次に、リセット線ＲＳ１が非アクティブとなり、リセットトランジスタｍ１１２、ｍ２１２及びｍ３１２がオフする。その後、行選択線ＴＸ１がアクティブとなり、転送トランジスタｍ１１１、ｍ２１１及びｍ３１１がオンする。これにより、フォトダイオードｐｄ１１、ｐｄ２１及びｐｄ３１に蓄積された信号電荷がそれぞれＦＤに転送される。
【００９８】
増幅トランジスタｍ１１３、ｍ２１３及びｍ３１３は、転送されたＦＤの信号電荷をそれぞれ増幅し、光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ）を垂直信号線３０１、３０２及び３０３に出力する。この際、ホールドスイッチｍ０１６、ｍ０２６及びｍ０３６はオフしており、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ）−（ｖｒｓｔ（ｎ）−ｖｓｉｇ（ｎ）））がホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。次に、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５がオフされる。これにより、画素１１１で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１１４に保持される。画素１２１で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１２４に保持される。画素１３１で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１３４に保持される。
【００９９】
次に、リセットトランジスタｍ１１２、ｍ２１２及び３１２がオンされ、ＦＤが低電位になり、一括転送された行の画素の増幅トランジスタｍ１１３、ｍ２１３及びｍ３１３が非選択になる。
【０１００】
以上の動作により、ｎ行目の画素１１１、１２１及び１３１のデータが一括転送され保持部１０２に保持される。
【０１０１】
なお、期間Ｔ０１において、垂直信号線３０１、３０２及び３０３を駆動する負荷トランジスタ領域１０３の負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４のゲート及びドレインに電圧印加が行われる。これにより、負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４は、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に定電流を供給する。また、負荷トランジスタ領域２０３の負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４のゲート及びドレインに電圧印加が行われない。
【０１０２】
次に、期間Ｔ０１における、保持部２０２に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
【０１０３】
期間Ｔ０１において、列選択線ＳＬ１１、ＳＬ１２及びＳＬ１３が順次アクティブとなり、列選択スイッチｍ１１７、ｍ１２７及びｍ１３７が順次オンされる。これにより、各保持回路２１４、２２４及び２３４に保持されているデータｎ−１＿１、ｎ−１＿２及びｎ−１＿３が順次水平信号線３１２に読み出される。
【０１０４】
以上のように、期間Ｔ０１において、ｎ行目の１行分の画素が光電変換した信号の保持部１０２への一括転送と、保持部２０２に保持されているｎ−１行目の１行分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１０５】
次に、期間Ｔ０２において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋１行目の１行分の画素（画素１１２、１２２、１３２）のデータが保持部２０２に一括転送される。また、期間Ｔ０２において、期間Ｔ０１において一括転送され保持部１０２に保持されているデータ（ｎ行目の１行分の画素のデータ）が水平信号線３１１に読み出される。
【０１０６】
以下、期間Ｔ０２におけるｎ＋１行目の画素１１２、１２２及び１３２の信号を保持部２０２に一括転送する動作を説明する。
【０１０７】
まず、リセット線ＲＳ２がアクティブとなり、リセットトランジスタｍ１２２、ｍ２２２及びｍ３２２がオンする。これにより、画素１１２、１２２及び１３２のＦＤに蓄積された信号電荷がリセットされる。この時、サンプルパルス線ＮＣＳＨ２及びクランプパルス線ＮＣＣＬ２がアクティブとなり、ホールド電圧線ＣＬＤＣＮＣ２にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋１）が印加される。これにより、サンプルスイッチｍ１１５、ｍ１２５、ｍ１３５、ホールドスイッチｍ１１６、ｍ１２６及びｍ１３６がオンし、サンプル容量ｃ１１１、ｃ１２１及びｃ１３１に、リセット時の垂直信号線３０１の電圧であるリセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ＋１）が印加され、ホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２にホールド電圧ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋１）が印加される。
【０１０８】
次に、リセット線ＲＳ２が非アクティブとなり、リセットトランジスタｍ１２２、ｍ２２２及びｍ３２２がオフする。その後、行選択線ＴＸ２がアクティブとなり、転送トランジスタｍ１２１、ｍ２２１及びｍ３２１がオンする。これにより、フォトダイオードｐｄ１２、ｐｄ２２及びｐｄ３２に蓄積された信号電荷がそれぞれＦＤに転送される。
【０１０９】
増幅トランジスタｍ１２３、ｍ２２３及びｍ３２３は、転送されたＦＤの信号電荷をそれぞれ増幅し、光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋１）を垂直信号線３０１、３０２及び３０３に出力する。この際、ホールドスイッチｍ１１６、ｍ１２６及びｍ１３６はオフしており、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ＋１）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋１）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋１）−（ｖｒｓｔ（ｎ＋１）−ｖｓｉｇ（ｎ＋１）））がホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持される。次に、サンプルスイッチｍ１１５、ｍ１２５及びｍ１３５がオフされる。これにより、画素１１２で光電変換された信号に対応するデータが保持回路２１４に保持される。画素１２２で光電変換された信号に対応するデータが保持回路２２４に保持される。画素１３２で光電変換された信号に対応するデータが保持回路２３４に保持される。
【０１１０】
次に、リセットトランジスタｍ１２２、ｍ２２２及び３２２がオンされ、ＦＤが低電位になり、一括転送された行の画素の増幅トランジスタｍ１２３、ｍ２２３及びｍ３２３が非選択になる。
【０１１１】
以上の動作により、ｎ＋１行目の画素１１２、１２２及び１３２のデータが一括転送され保持部２０２に保持される。
【０１１２】
なお、期間Ｔ０２において、垂直信号線３０１、３０２及び３０３を駆動する負荷トランジスタ領域２０３の負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４のゲート及びドレインに電圧印加が行われる。これにより、負荷トランジスタｍ１１４、ｍ１２４及びｍ１３４は、垂直信号線３０１、３０２及び３０３に定電流を供給する。また、負荷トランジスタ領域１０３の負荷トランジスタｍ０１４、ｍ０２４及びｍ０３４のゲート及びドレインに電圧印加が行われない。
【０１１３】
次に、期間Ｔ０２における、保持部１０２に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
【０１１４】
期間Ｔ０２において、列選択線ＳＬ０１、ＳＬ０２及びＳＬ０３が順次アクティブとなり、列選択スイッチｍ０１７、ｍ０２７及びｍ０３７が順次オンされる。これにより、期間Ｔ０１で一括転送され各保持回路１１４、１２４及び１３４に保持されているデータｎ＿１、ｎ＿２及びｎ＿３が順次水平信号線３１１に読み出される。
【０１１５】
以上のように、期間Ｔ０２において、ｎ＋１行目の１行分の画素が光電変換した信号の保持部２０２への一括転送と、保持部１０２に保持されているｎ行目の１行分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１１６】
さらに、期間Ｔ０１及び期間Ｔ０２の動作を繰り返し行うことで、画素アレイ領域１０１に含まれる全ての画素の信号を水平信号線３１１又は３１２に読み出すことができる。
【０１１７】
以上より、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、２つの保持部１０２及び２０２を備え、２つの保持部１０２及び２０２の一方に画素の信号を一括転送する動作と、保持部１０２及び２０２の他方が保持するデータの読み出し動作とを並列で行う。これにより、１行分の画像出力に要する時間（画素の信号の保持部１０２又は２０２への一括転送と保持部１０２又は２０２が保持するデータの読み出しとに要する時間）は、一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓ及び読み出しに要する時間Ｔ＿ｒｅａｄのうち長い方の時間となる。通常、画素数が多い場合には、一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓよりも読み出しに要する時間Ｔ＿ｒｅａｄの方が長いので、上述した期間Ｔ０１及び期間Ｔ０２の長さは、一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓとなる。すなわち、一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓを実質的にゼロにすることができる。よって、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、高速な画像出力を実現することができる。
【０１１８】
さらに、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、２つの保持部１０２と２０２とが、画素アレイ領域１０１を挟むように（図１における上下に）配置される。これにより、画素の信号を保持部１０２及び２０２の一方に一括転送する動作と、保持部１０２及び２０２の他方が保持するデータを読み出す動作とを並列に行った場合の、相互に影響を与えて発生するノイズを抑制することができる。これにより、高画質な画像を撮像することができる。
【０１１９】
また、特許文献１記載の従来の固体撮像装置では、データの読み出し時には高速パルスが列選択スイッチｍ０１７、ｍ０２７及びｍ０３７に入力されるため、近くを走る垂直信号線３０１、３０２及び３０３に影響を与える。これにより、保持部１０２及び２０２に保持中のデータにノイズが発生するという問題がある。一方、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、２つの保持部１０２及び２０２を画素アレイ領域１０１の上下に配置することで、保持部１０２及び２０２が保持中のデータに与える影響を抑制することができる。
【０１２０】
また、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、画素アレイ領域１０１が形成される半導体基板の領域と、保持部１０２が形成される半導体基板の領域と、保持部２０２が形成される半導体基板の領域とが電気的に分離される。これにより、一括転送動作により垂直信号線３０１、３０２及び３０３を流れる電流が、水平信号線３１１及び３１２に及ぼす影響を抑制することができる。
【０１２１】
なお、上記説明では、簡単のため２行×３列の画素構成にしているが、これは画素数を限定するものではなく、いかなる画素数においても本発明を適用することができる。
【０１２２】
また、上記説明では、画素は選択トランジスタのない３つのトランジスタで構成されているが、選択トランジスタを含む４つのトランジスタで構成されてもよい。さらに、転送トランジスタを含まない、非破壊読み出しが可能である３つのトランジスタで構成されてもよい。
【０１２３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、２つの保持部がそれぞれ複数の水平信号線に並列にデータを出力する。これにより、読み出し動作を高速に行うことができる。
【０１２４】
まず、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
【０１２５】
図４に示す固体撮像装置２００は、保持部１０２が２つの水平信号線３１１及び３１３に接続され、保持部２０２が２つの水平信号線３１２及び３１４に接続されている点が、図１に示す実施の形態１に係る固体撮像装置１００と異なる。なお、固体撮像装置２００のそれ以外の構造は、図１に示す固体撮像装置１００と同様である。
【０１２６】
水平信号線３１１及び３１３は、保持部１０２により出力されるデータを伝送する。水平信号線３１２及び３１４は、保持部２０２により出力されるデータを伝送する。
【０１２７】
図４に示すように、例えば、保持部１０２の奇数列の画素に対応する列選択スイッチｍ０１７及びｍ０３７が水平信号線３１１に接続され、偶数列の画素に対応する列選択スイッチｍ０２７が水平信号線３１３に接続される。保持部２０２の奇数列の画素に対応する列選択スイッチｍ１１７及びｍ１３７が水平信号線３１２に接続され、偶数列の画素に対応する列選択スイッチｍ１２７が水平信号線３１４に接続される。
【０１２８】
以上の構成により、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、保持部１０２及び２０２が保持する１行分の画素に対応するデータの２列分を同時に出力することができる。よって、読み出し動作を高速に行うことができる。
【０１２９】
なお、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００の断面構造は、図２に示す実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様であり、説明は省略する。
【０１３０】
次に、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００の動作を説明する。
図５は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００の動作を示すタイミングチャートである。なお、図５において、ｎ行目の画素に対応するリセット電圧をｖｒｓｔ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の光電変換信号をｖｓｉｇ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の一括転送時のホールド電圧をｃｌｄｃｎｃ（ｎ）と表す。また、水平信号線３１１及び３１２に読み出されるｎ行目かつｍ列目の画素のデータをｎ＿ｍと表す。
【０１３１】
まず、期間Ｔ１１において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ行目の１行分の画素（画素１１１、１２１、１３１）のデータが保持部１０２に一括転送される。また、期間Ｔ１１において、保持部２０２に保持されているデータ（ｎ−１行目の１行分の画素のデータ）が水平信号線３１２及び３１４に読み出される。
【０１３２】
なお、期間Ｔ１１における画素１１１、１２１及び１３１の信号を保持部１０２に一括転送する動作は、図３に示す期間Ｔ０１の動作と同様であり説明は省略する。
【０１３３】
以下、期間Ｔ１１における、保持部２０２に保持されているｎ−１行目の画素に対応するデータの読み出し動作を説明する。
【０１３４】
期間Ｔ１１において、列選択線ＳＬ１１、ＳＬ１２及びＳＬ１３のうち２つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線ＳＬ１１及びＳＬ１２がアクティブとなり、次に列選択線ＳＬ１３及びＳＬ１４（列選択線ＳＬ１４は図示せず。）がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチｍ１１７及びｍ１２７がオンされ、次に、列選択スイッチｍ１３７及びｍ１４７（列選択スイッチｍ１４７は図示せず。）がオンされる。よって、保持回路２１４に保持されているデータｎ−１＿１と、保持回路２２４に保持されているデータｎ−１＿２とが並列に、水平信号線３１２及び３１４に読み出される。その後、２列毎のデータが順次、水平信号線３１２及び３１４に出力される。
【０１３５】
以上のように、期間Ｔ１１において、ｎ列目の１列分の画素が光電変換した信号の保持部１０２への一括転送と、保持部２０２に保持されているｎ−１列目の１列分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１３６】
次に、期間Ｔ１２において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋１行目の１行分の画素（画素１１２、１２２、１３２）のデータが保持部２０２に一括転送される。また、期間Ｔ１２において、期間Ｔ１１において一括転送され保持部１０２に保持されているデータ（ｎ行目の１行分の画素のデータ）が水平信号線３１１に読み出される。
【０１３７】
なお、期間Ｔ１２における画素１１２、１２２及び１３２の信号を保持部２０２に一括転送する動作は、図３に示す期間Ｔ０２の動作と同様であり説明は省略する。
【０１３８】
以下、期間Ｔ１２における、保持部１０２に保持されているｎ行目の画素に対応するデータの読み出し動作を説明する。
【０１３９】
期間Ｔ１２において、列選択線ＳＬ０１、ＳＬ０２及びＳＬ０３のうち２つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線ＳＬ０１及びＳＬ０２がアクティブとなり、次に列選択線ＳＬ０３及びＳＬ０４（列選択線ＳＬ０４は図示せず。）がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチｍ０１７及びｍ０２７がオンされ、次に、列選択スイッチｍ０３７及びｍ０４７（列選択スイッチｍ１４７は図示せず。）がオンされる。よって、保持回路１１４に保持されているデータｎ＿１と、保持回路１２４に保持されているデータｎ＿２とが並列に、水平信号線３１１及び３１３に読み出される。その後、２列毎のデータが順次、水平信号線３１１及び３１３に出力される。
【０１４０】
以上のように、期間Ｔ１２において、ｎ＋１列目の１列分の画素が光電変換した信号の保持部２０２への一括転送と、保持部１０２に保持されているｎ列目の１列分の画素のデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１４１】
さらに、期間Ｔ１１及び期間Ｔ１２の動作を繰り返し行うことで、画素アレイ領域１０１に含まれる全ての画素の信号を水平信号線３１１、３１２、３１３及び３１４に読み出すことができる。
【０１４２】
以上より、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様の効果を実現することができる。
【０１４３】
さらに、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、２つの保持部１０２及び２０２が、それぞれ２つの水平信号線に並列にデータを出力することで、データの読み出し時間を１／２に短縮することができる。ここで、通常、一括転送の時間に比べデータの読み出し時間の方が長い。よって、データの読み出し時間が短縮されることにより、全画素の画像出力に要する時間は短くなる。すなわち、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置２００は、更に高速な画像出力を実現することができる。
【０１４４】
なお、上記説明では、２つの保持部１０２及び２０２に対して、それぞれ２本の水平信号線が接続されているが、面積の許す限り何本でも接続することは可能である。水平信号線の本数を増やすことで、データの読み出し時間を更に短縮することができる。
【０１４５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００は、２つの保持部がそれぞれ２行分の画素のデータを保持する。さらに、各保持部は、保持するデータを混合して出力する。
【０１４６】
まず、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図６は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
【０１４７】
図６に示す固体撮像装置３００は、保持部１０２及び２０２の構成が、図１に示す実施の形態１に係る固体撮像装置１００と異なる。
【０１４８】
図６に示す保持部１０２及び２０２は、複数の画素により変換された２行分の画素に対応するデータを保持する。また、保持部１０２は、保持部１０２に保持される２行分のデータを混合し水平信号線３１１に出力する。保持部２０２は、保持部２０２に保持される２行分のデータを混合し水平信号線３１２に出力する。
【０１４９】
保持部１０２は、各列に対応する複数の保持回路１１４、１２４及び１３４を備える。保持部２０２は、各列に対応する複数の保持回路２１４、２２４及び２３４を備える。保持回路１１４、１２４、１３４、２１４、２２４及び２３４の構成は同一であり、以下、保持回路１１４について説明する。
【０１５０】
保持回路１１４は、サンプルスイッチｍ０１５と、ホールドスイッチｍ０１６と、列選択スイッチｍ０１７と、サンプル容量ｃ０１１と、ホールド容量ｃ０１２及びｃ０１３と、ホールド容量選択スイッチｍ０１８及びｍ０１９とを備える。なお、サンプルスイッチｍ０１５、ホールドスイッチｍ０１６、列選択スイッチｍ０１７、及びサンプル容量ｃ０１１の構成は、実施の形態１及び実施の形態２と同様であり、説明は省略する。
【０１５１】
ホールド容量選択スイッチｍ０１８及びｍ０１９は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。ホールド容量選択スイッチｍ０１８のゲートはホールド容量選択線ＳＷＡ１に接続され、ソース／ドレインの一方はホールド容量ｃ０１２の一端に接続され、ソース／ドレインの他方はサンプル容量ｃ０１１の他端（ホールドスイッチｍ０１６のドレイン）に接続される。ホールド容量選択スイッチｍ０１９のゲートはホールド容量選択線ＳＷＢ１に接続され、ソース／ドレインの一方はホールド容量ｃ０１３の一端に接続され、ソース／ドレインの他方はサンプル容量ｃ０１１の他端（ホールドスイッチｍ０１６のドレイン）に接続される。
【０１５２】
ホールド容量ｃ０１２は、ホールド容量選択スイッチｍ０１８のソース／ドレインの一方とＧＮＤとの間に接続される。ホールド容量ｃ０１３は、ホールド容量選択スイッチｍ０１９のソース／ドレインの一方とＧＮＤとの間に接続される。ホールド容量ｃ０１２及びホールド容量ｃ０１３は、それぞれ１つの画素が光電変換した電気信号に対応するデータを保持するための容量である。
【０１５３】
以上の構成により、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００は、ホールド容量選択スイッチｍ０１８及びｍ０１９を制御することにより、異なる２つの行の画素の信号を２つのホールド容量ｃ０１２及びｃ０１３に保持することができる。
【０１５４】
さらに、ホールド容量選択スイッチｍ０１８及びｍ０１９を共にオンした状態で読み出しを行うことにより、２つの画素の出力を混合することができる。さらに、２つの列選択スイッチｍ０１７及びｍ０３７と、２つのホールド容量選択スイッチｍ０１８及びｍ０１９とを同時にオンすることにより２行×２列の４画素の出力を混合することができる。
【０１５５】
なお、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００の断面構造は、図２に示す実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様であり、説明は省略する。
【０１５６】
次に、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００の動作を説明する。
図７は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００の動作を示すタイミングチャートである。なお、図７において、ｎ行目の画素に対応するリセット電圧をｖｒｓｔ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の光電変換信号をｖｓｉｇ（ｎ）と表す。また、水平信号線３１２に出力されるｎ−１行目及びｎ−３行目の１列目及び３列目の４画素が混合されたデータをｖ０１と表し、２列目及び４列目の４画素が混合されたデータをｖ０２と表す。水平信号線３１１に出力されるｎ行目及びｎ＋２行目の１列目及び３列目の４画素が混合されたデータをｖ０３と表し、２列目及び４列目の４画素が混合されたデータをｖ０４と表す。
【０１５７】
まず、期間Ｔ２１において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ行目の１行分の画素（１１１、１２１及び１３１）の信号が保持部１０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。また、期間Ｔ２１において、保持部２０２のホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持されているデータ（ｎ−３行目の１行分の画素に対応するデータ）とホールド容量ｃ１１３、ｃ１２３及びｃ１３３に保持されているデータ（ｎ−１行目の１行分の画像に対応するデータ）とが４画素毎に混合され、混合されたデータが水平信号線３１２に読み出される。
【０１５８】
以下、期間Ｔ２１における画素のデータを保持部１０２に一括転送する動作を説明する。
【０１５９】
なお、画素アレイ領域１０１の画素から垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ）が出力されるまでの動作は、実施の形態１と同様であり説明は省略する。
【０１６０】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ）が出力される際に、サンプルパルス線ＮＣＳＨ１がアクティブであり、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５がオンしている。さらに、ホールド容量選択線ＳＷＡ１がアクティブであり、ホールド容量選択線ＳＷＢ１が非アクティブであるので、ホールド容量選択スイッチｍ０１８、ｍ０２８及びｍ０３８がオンされ、ホールド容量選択スイッチｍ０１９、ｍ０２９及びｍ０３９がオフされる。これにより、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ）−ｖｒｓｔ（ｎ）−ｖｓｉｇ（ｎ））がそれぞれホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。次に、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５と、ホールド容量選択スイッチｍ０１８、ｍ０２８及びｍ０３８がオフされる。これにより、画素１１１、１２１及び１３１で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１１４のホールド容量ｃ０１２、保持回路１２４のホールド容量ｃ０２２及び保持回路１３４のホールド容量ｃ０３２に保持される。
【０１６１】
以上の動作により、画素１１１、１２１及び１３１のデータが一括転送され保持部１０２のホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。
【０１６２】
次に、期間Ｔ２１における、保持部２０２に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
【０１６３】
期間Ｔ２１において、ホールド容量選択線ＳＷＡ２及びＳＷＢ２がアクティブとなり、保持部２０２のホールド容量選択スイッチｍ１１８、ｍ１１９、ｍ１２８、ｍ１２９、ｍ１３８及びｍ１３９がオンされる。
【０１６４】
また、期間Ｔ２１において、列選択線ＳＬ１１、ＳＬ１２及びＳＬ１３のうち２つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線ＳＬ１１及びＳＬ１３がアクティブとなり、次に列選択線ＳＬ１２及びＳＬ１４（列選択線ＳＬ１４は図示せず。）がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチｍ１１７及びｍ１３７がオンされる。よって、保持回路２１４のホールド容量ｃ１１２及びｃ１１３と、保持回路２３４のホールド容量ｃ１３２及びｃ１３３に保持されている２行×２列の４画素のデータが混合され、水平信号線３１２に出力される。次に、列選択スイッチｍ１２７及びｍ１４７（列選択スイッチｍ１４７は図示せず。）がオンされる。よって、保持回路２２４のホールド容量ｃ１２２及びｃ１２３と、保持回路２４４のホールド容量ｃ１４２及びｃ１４３（保持回路２４４、ホールド容量ｃ１４２及びｃ１４３は図示せず。）に保持されている２行×２列の４画素のデータが混合され、水平信号線３１２に出力される。
【０１６５】
その後、２列分の列選択信号が順次アクティブとなり、混合された４画素のデータが順次水平信号線３１２に出力される。
【０１６６】
以上のように、期間Ｔ２１において、ｎ行目の１行分の画素が光電変換した信号の保持部１０２への一括転送と、保持部２０２に保持されているｎ−１行目及びｎ−３行目の２行×２列の画素のデータを混合したデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１６７】
次に、期間Ｔ２２において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋１行目の１行分の画素の信号が保持部２０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持される。
【０１６８】
なお、画素アレイ領域１０１の画素から垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇが出力されるまでの動作は、実施の形態１と同様であり説明は省略する。
【０１６９】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋１）が出力される際に、サンプルパルス線ＮＣＳＨ２がアクティブであり、サンプルスイッチｍ１１５、ｍ１２５及びｍ１３５がオンしている。さらに、ホールド容量選択線ＳＷＡ２がアクティブであり、ホールド容量選択線ＳＷＢ２が非アクティブであるので、ホールド容量選択スイッチｍ１１８、ｍ１２８及びｍ１３８がオンされ、ホールド容量選択スイッチｍ１１９、ｍ１２９及びｍ１３９がオフされる。これにより、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ＋１）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋１）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋１）−ｖｒｓｔ（ｎ＋１）−ｖｓｉｇ（ｎ＋１））がそれぞれホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持される。次に、サンプルスイッチｍ１１５、ｍ１２５及びｍ１３５と、ホールド容量選択スイッチｍ１１８、ｍ１２８及びｍ１３８がオフされる。これにより、ｎ＋１行目の１行分の画素で光電変換された信号に対応するデータが保持回路２１４のホールド容量ｃ１１２、保持回路２２４のホールド容量ｃ１２２及び保持回路２３４のホールド容量ｃ１３２に保持される。
【０１７０】
以上の動作により、ｎ＋１行目の画素のデータが一括転送され保持部２０２のホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持される。
【０１７１】
次に、期間Ｔ２３において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋２行目の１行分の画素の信号が保持部１０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持される。
【０１７２】
なお、画素アレイ領域１０１の画素から垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇが出力されるまでの動作は、実施の形態１と同様であり説明は省略する。
【０１７３】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋２）が出力される際に、サンプルパルス線ＮＣＳＨ１がアクティブであり、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５がオンしている。さらに、ホールド容量選択線ＳＷＡ１が非アクティブであり、ホールド容量選択線ＳＷＢ１がアクティブであるので、ホールド容量選択スイッチｍ０１８、ｍ０２８及びｍ０３８がオフされ、ホールド容量選択スイッチｍ０１９、ｍ０２９及びｍ０３９がオンされる。これにより、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ＋２）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋２）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋２）−ｖｒｓｔ（ｎ＋２）−ｖｓｉｇ（ｎ＋２））がそれぞれホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持される。次に、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５と、ホールド容量選択スイッチｍ０１９、ｍ０２９及びｍ０３９がオフされる。これにより、ｎ＋２行目の１行分の画素で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１１４のホールド容量ｃ０１３、保持回路１２４のホールド容量ｃ０２３及び保持回路１３４のホールド容量ｃ０３３に保持される。
【０１７４】
以上の動作により、ｎ＋２行目の画素のデータが一括転送され保持部１０２のホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持される。
【０１７５】
次に、期間Ｔ２４において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋３行目の１行分の画素の信号が保持部２０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ１１３、ｃ１２３及びｃ１３３に保持される。また、期間Ｔ２４において、保持部１０２のホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持されているデータ（ｎ行目の１行分の画素に対応するデータ）とホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持されているデータ（ｎ＋２行目の１行分の画像に対応するデータ）とが４画素毎に混合され、混合されたデータが水平信号線３１１に読み出される。
【０１７６】
以下、期間Ｔ２４における画素のデータを保持部２０２に一括転送する動作を説明する。
【０１７７】
なお、画素アレイ領域１０１の画素から垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇが出力されるまでの動作は、実施の形態１と同様であり説明は省略する。
【０１７８】
垂直信号線３０１、３０２及び３０３に光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋３）が出力される際に、サンプルパルス線ＮＣＳＨ２がアクティブであり、サンプルスイッチｍ１１５、ｍ１２５及びｍ１３５がオンしている。さらに、ホールド容量選択線ＳＷＡ２が非アクティブであり、ホールド容量選択線ＳＷＢ２がアクティブであるので、ホールド容量選択スイッチｍ１１８、ｍ１２８及びｍ１３８がオフされ、ホールド容量選択スイッチｍ１１９、ｍ１２９及びｍ１３９がオンされる。これにより、リセット電圧ｖｒｓｔ（ｎ＋３）と光電変換信号ｖｓｉｇ（ｎ＋３）との差分信号（ｃｌｄｃｎｃ（ｎ＋３）−ｖｒｓｔ（ｎ＋３）−ｖｓｉｇ（ｎ＋３））がそれぞれホールド容量ｃ１１３、ｃ１２２及びｃ０３２に保持される。次に、サンプルスイッチｍ０１５、ｍ０２５及びｍ０３５と、ホールド容量選択スイッチｍ０１８、ｍ０２８及びｍ０３８がオフされる。これにより、画素１１１、１２１及び１３１で光電変換された信号に対応するデータが保持回路１１４のホールド容量ｃ０１２、保持回路１２４のホールド容量ｃ０２２及び保持回路１３４のホールド容量ｃ０３２に保持される。
【０１７９】
以上の動作により、画素１１１、１２１及び１３１のデータが一括転送され保持部１０２のホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。
【０１８０】
次に、期間Ｔ２４における、保持部１０２に保持されているデータの読み出し動作を説明する。
【０１８１】
期間Ｔ２４において、ホールド容量選択線ＳＷＡ１及びＳＷＢ１がアクティブとなり、保持部１０２のホールド容量選択スイッチｍ０１８、ｍ０１９、ｍ０２８、ｍ０２９、ｍ０３８及びｍ０３９がオンされる。
【０１８２】
また、期間Ｔ２４において、列選択線ＳＬ０１、ＳＬ０２及びＳＬ０３のうち２つの列選択線が順次アクティブとなる。具体的には、まず、列選択線ＳＬ０１及びＳＬ０３がアクティブとなり、次に列選択線ＳＬ０２及びＳＬ０４（列選択線ＳＬ１４は図示せず。）がアクティブとなる。これにより、まず、列選択スイッチｍ０１７及びｍ０３７がオンされる。よって、保持回路１１４のホールド容量ｃ０１２及びｃ０１３と、保持回路１３４のホールド容量ｃ０３２及びｃ０３３に保持されている２行×２列の４画素のデータが混合され、水平信号線３１１に出力される。次に、列選択スイッチｍ０２７及びｍ０４７（列選択スイッチｍ１４７は図示せず。）がオンされる。よって、保持回路１２４のホールド容量ｃ０２２及びｃ０２３と、保持回路１４４のホールド容量ｃ０４２及びｃ０４３（保持回路１４４、ホールド容量ｃ０４２及びｃ０４３は図示せず。）に保持されている２行×２列の４画素のデータが混合され、水平信号線３１１に出力される。
【０１８３】
その後、２列分の列選択信号が順次アクティブとなり、混合された４画素のデータが順次水平信号線３１１に出力される。
【０１８４】
以上のように、期間Ｔ２４において、ｎ＋３行目の１行分の画素が光電変換した信号の保持部２０２への一括転送と、保持部１０２に保持されているｎ行目及びｎ＋２行目の２行×２列の画素のデータを混合したデータの読み出しとが並列に行われる。
【０１８５】
以上より、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００は、期間Ｔ２１〜期間Ｔ２４の動作により、ｎ行目〜ｎ＋３行目までの４行分の画素の信号を、保持部１０２及び２０２に一括転送し、保持部１０２及び２０２は対応するデータを保持する。さらに、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００は、期間Ｔ２１〜期間Ｔ２４の動作により、保持部１０２及び２０２に保持されている４行分のデータの２行×２列のデータを混合し、水平信号線３１１及び３１２に出力する。
【０１８６】
すなわち、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置は、期間Ｔ２１〜期間Ｔ２４の動作により、４行分のデータを保持部１０２及び２０２に一括転送し、４行分のデータを水平信号線３１１及び３１２に読み出すことができる。
【０１８７】
また、期間Ｔ２１及び期間Ｔ２４では、一括転送動作と、読み出し動作とが並列に行われる。通常、読み出し動作に要する時間は、一括転送動作に要する時間より長いので、期間Ｔ２１及び期間Ｔ２４のそれぞれの長さは、読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄとなる。また、期間Ｔ２２及び期間Ｔ２３では、一括転送動作のみが行われるので、期間Ｔ２２及び期間Ｔ２３のそれぞれの長さは、一括転送動作に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓとなる。
【０１８８】
すなわち、４行分の画素の信号の一括転送と、４行分のデータの読み出しとに要する時間（期間Ｔ２１〜期間Ｔ２４の合計の時間）は、（Ｔ＿ｔｒａｎｓ  ＋  Ｔ＿ｒｅａｄ）  ×  ２となる。ここで、画素アレイ領域１０１に含まれる画素の行数をＰ＿ｖｅｒｔとすると、画素アレイ領域１０１に含まれる全ての画素の画像出力に必要な時間は、（Ｔ＿ｔｒａｎｓ  ＋  Ｔ＿ｒｅａｄ）  ×  Ｐ＿ｖｅｒｔ／２となる。よって、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３００は、高速な画像出力を実現することができる。
【０１８９】
なお、上記説明では、保持部１０２及び２０２がそれぞれ２行分の画素に対応するデータを保持するとしたが、保持部１０２及び２０２がそれぞれ３行分以上の画素に対応するデータを保持してもよい。さらに、保持部１０２及び２０２がそれぞれ３行分以上の画素のデータを保持する場合には、水平信号線３１１及び３１２に３行分以上の画素のデータを混合し、出力してもよい。
【０１９０】
さらに、上記説明では、２つの列選択信号を同時にオンすることで、２列の画像に対応するデータを混合しているが、３つ以上の列選択信号を同時にオンすることで、３列以上の画素に対応するデータを混合してもよい。
【０１９１】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、保持部２０２が保持部２０２に保持される２行分のデータを混合し外部に出力する動作と、保持部１０２が複数の画素により変換された２行分の信号を保持する動作とを並列に行う。また、保持部１０２が保持部１０２に保持される２行分のデータを混合し外部に出力する動作と、保持部２０２が複数の画素により変換された２行分の信号を保持する動作とを並列に行う。
【０１９２】
本発明の実施の形態４の固体撮像装置の回路構成は、図６に示す固体撮像装置３００と同様である。また、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の断面構造は、図２に示す実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様である。
【０１９３】
以下、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の動作を説明する。
図８は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。なお、図８において、ｎ行目の画素に対応するリセット電圧をｖｒｓｔ（ｎ）と表し、ｎ行目の画素の光電変換信号をｖｓｉｇ（ｎ）と表す。また、水平信号線３１１に出力されるｎ−１行目及びｎ−３行目の１列目及び３列目の４画素が混合されたデータをｖ１１と表し、２列目及び４列目の４画素が混合されたデータをｖ１２と表す。水平信号線３１２に出力されるｎ行目及びｎ＋２行目の１列目及び３列目の４画素が混合されたデータをｖ１３と表し、２列目及び４列目の４画素が混合されたデータをｖ１４と表す。
【０１９４】
まず、期間Ｔ３１において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ行目の１行分の画素の信号が保持部１０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持される。
【０１９５】
次に、期間Ｔ３２において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋２行目の１行分の画素の信号が保持部１０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持される。
【０１９６】
また、期間Ｔ３１及び期間Ｔ３２において、保持部２０２のホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持されているデータ（ｎ−３行目の１行分の画素に対応するデータ）とホールド容量ｃ１１３、ｃ１２３及びｃ１３３に保持されているデータ（ｎ−１行目の１行分の画像に対応するデータ）とが水平信号線３１２に読み出される。
【０１９７】
次に、期間Ｔ３３において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋１行目の１行分の画素の信号が保持部２０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ１１２、ｃ１２２及びｃ１３２に保持される。
【０１９８】
次に、期間Ｔ３４において、画素アレイ領域１０１に含まれるｎ＋３行目の１行分の画素の信号が保持部２０２に一括転送され、対応するデータがホールド容量ｃ１１３、ｃ１２３及びｃ１３３に保持される。
【０１９９】
また、期間Ｔ３３及び期間Ｔ３４において、保持部１０２のホールド容量ｃ０１２、ｃ０２２及びｃ０３２に保持されているデータ（ｎ行目の１行分の画素に対応するデータ）とホールド容量ｃ０１３、ｃ０２３及びｃ０３３に保持されているデータ（ｎ＋２行目の１行分の画像に対応するデータ）とが水平信号線３１１に読み出される。
【０２００】
なお、期間Ｔ３１〜期間Ｔ３４における一括転送動作及び読み出し動作の詳細は、上述した実施の形態３と同様であり、説明は省略する。
【０２０１】
以上より、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、期間Ｔ３１〜期間Ｔ３４の動作により、ｎ行目〜ｎ＋３行目までの４行分の画素の信号を、保持部１０２及び２０２に一括転送し、保持部１０２及び２０２は対応するデータを保持する。さらに、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、期間Ｔ３１〜期間Ｔ３４の動作により、保持部１０２及び２０２に保持されている４行分のデータの２行×２列のデータを混合し、水平信号線３１１及び３１２に出力する。
【０２０２】
すなわち、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、期間Ｔ３１〜期間Ｔ３４の動作により、４行分のデータを保持部１０２及び２０２に一括転送し、４行分のデータを水平信号線３１１及び３１２に読み出すことができる。
【０２０３】
また、期間Ｔ３１及び期間Ｔ３２において、保持部１０２へのｎ行目及びｎ＋２行目の画素のデータの一括転送動作と、保持部２０２が保持するデータの読み出し動作とが並列に行われる。
【０２０４】
通常、読み出し動作に要する時間は、一括転送動作に要する時間より長い。読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄが、２行分の画素のデータの一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓ×２より長い場合には、期間Ｔ３１及び期間Ｔ３２の合計の長さは、読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄとなる。
【０２０５】
また、期間Ｔ３３及び期間Ｔ３４において、保持部１０２へのｎ＋１行目及びｎ＋３行目の画素のデータの一括転送動作と、保持部１０２が保持するデータの読み出し動作とが並列に行われる。
【０２０６】
読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄが、２行分の画素のデータの一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓ×２より長い場合には、期間Ｔ３３及び期間Ｔ３４の合計の長さは、読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄとなる。
【０２０７】
すなわち、４行分の画素の信号の一括転送と、４行分のデータの読み出しとに要する時間（期間Ｔ３１〜期間Ｔ３４の合計の時間）は、Ｔ＿ｒｅａｄ×２となる。ここで、画素アレイ領域１０１に含まれる画素の行数をＰ＿ｖｅｒｔとすると、画素アレイ領域１０１に含まれる全ての画素のデータを読み出すのに必要な時間は、Ｔ＿ｒｅａｄ  ×  Ｐ＿ｖｅｒｔ／２となる。よって、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、読み出し動作に要する時間Ｔ＿ｒｅａｄが、２行分の画素のデータの一括転送に要する時間Ｔ＿ｔｒａｎｓ×２より長い場合には、実施の形態３に係る固体撮像装置３００と比べ、高速に画像出力を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０８】
本発明は、固体撮像装置に適用でき、特に、ＣＭＯＳイメージセンサに適用できる。さらに、本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサを用いるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、Ｗｅｂカメラ、及び携帯電話に搭載されるカメラ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２０９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の読み出し動作における制御信号のタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の読み出し動作における制御信号のタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の読み出し動作における制御信号のタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の読み出し動作における制御信号のタイミングチャートである。
【図９】従来の固体撮像装置の画素信号出力方式を示す図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の画素信号出力方式を示す図である。
【図１１】従来の固体撮像装置の回路構成を示す図である。
【図１２】従来の固体撮像装置の読み出し動作における制御信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０２１０】
１００、２００、３００、５００  固体撮像装置
１０１  画素アレイ領域
１０２、２０２  保持部
１０３、２０３  負荷トランジスタ領域
１０４  一括転送パルス発生部
１０５、２０５  読み出しパルス発生部
１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２、１３３  画素
１１４、１２４、１３４、２１４、２２４、２３４  保持回路
３０１、３０２、３０３  垂直信号線
３１１、３１２、３１３、３１４  水平信号線
４００  半導体基板
４０１  第１導電領域
４０２  第２導電領域
４０３  第３導電領域
ｃ０１１、ｃ０２１、ｃ０３１、ｃ１１１、ｃ１２１、ｃ１３１  サンプル容量
ｃ０１２、ｃ０２２、ｃ０３２、ｃ１１２、ｃ１２２、ｃ１３２、ｃ０１３、ｃ０２３、ｃ０３３、ｃ１１３、ｃ１２３、ｃ１３３  ホールド容量
ｍ１１１、ｍ１２１、ｍ１３１、ｍ２１１、ｍ２２１、ｍ２３１、ｍ３１１、ｍ３２１、ｍ３３１  転送トランジスタ
ｍ１１２、ｍ１２２、ｍ１３２、ｍ２１２、ｍ２２２、ｍ２３２、ｍ３１２、ｍ３２２、ｍ３３２  リセットトランジスタ
ｍ１１３、ｍ１２３、ｍ１３３、ｍ２１３、ｍ２２３、ｍ２３３、ｍ３１３、ｍ３２３、ｍ３３３  増幅トランジスタ
ｍ０１４、ｍ０２４、ｍ０３４、ｍ１１４、ｍ１２４、ｍ１３４  負荷トランジスタ
ｍ００４、ｍ１０４  定電流用トランジスタ
ｍ０１５、ｍ０２５、ｍ０３５、ｍ１１５、ｍ１２５、ｍ１３５  サンプルスイッチ
ｍ０１６、ｍ０２６、ｍ０３６、ｍ１１６、ｍ１２６、ｍ１３６  ホールドスイッチ
ｍ０１７、ｍ０２７、ｍ０３７、ｍ１１７、ｍ１２７、ｍ１３７  列選択スイッチ
ｍ０１８、ｍ０１９、ｍ０２８、ｍ０２９、ｍ０３８、ｍ０３９、ｍ１１８、ｍ１１９、ｍ１２８、ｍ１２９、ｍ１３８、ｍ１３９  ホールド容量選択スイッチ
ｐｄ１１、ｐｄ１２、ｐｄ１３、ｐｄ２１、ｐｄ２２、ｐｄ２３、ｐｄ３１、ｐｄ３２、ｐｄ３３  フォトダイオード
ｃｌｄｃｎｃ  ホールド電圧
ｖｒｓｔ  リセット電圧
ｖｓｉｇ  光電変換信号
ＣＬＤＣＮＣ１、ＣＬＤＣＮＣ２  ホールド電圧線
ＮＣＣＬ１、ＮＣＣＬ２  クランプパルス線
ＮＣＳＨ１、ＮＣＳＨ２  サンプルパルス線
ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３  リセット線
ＳＬ０１、ＳＬ０２、ＳＬ０３、ＳＬ１１、ＳＬ１２、ＳＬ１３  列選択線
ＳＷＡ１、ＳＷＡ２、ＳＷＢ１、ＳＷＢ２  ホールド容量選択線
ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３  行選択線
【図１】
2008172434.tif 000003
【図２】
2008172434.tif 000004
【図３】
2008172434.tif 000005
【図４】
2008172434.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008172434.tif 000008
【図７】
2008172434.tif 000009
【図８】
2008172434.tif 000010
【図９】
2008172434.tif 000011
【図１０】
2008172434.tif 000012
【図１１】
2008172434.tif 000013
【図１２】
2008172434.tif 000014