(57)【要約】  【課題】  本発明は、ダイナミックレンジが広く、グローバルシャッタモードによる撮像可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置において、その画素寸法の増大が少なく、Ｓ／Ｎ（Signal/Noise）比の小さい固体撮像装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  フォトダイオードＰＤに接続されて光電変換動作を行うＭＯＳトランジスタＴ１を備え、光電変換された光電流を増幅して積分するための積分回路として、ＭＯＳトランジスタＴ２及びキャパシタＣを備える。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されたＭＯＳトランジスタＴ６によって、積分動作を制御することで、全画素同一タイミングによる撮像動作の開始及び終了を制御することができる。【選択図】      図３
2008283593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と、該光電変換部からの電気信号が制御電極に入力される積分用トランジスタと、該積分用トランジスタの第１電極に一端が接続されて前記積分用トランジスタと積分動作を行う積分用容量素子と、を有する複数の画素を備える固体撮像装置において、
前記画素が、前記積分用トランジスタの制御電極に対して前記積分用トランジスタをＯＦＦとする制御信号を与えて、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を制御する積分動作制御部を、備え、
前記複数の画素全てに対して、前記積分動作制御部によって前記積分用トランジスタをＯＮとする期間を同一期間とし、
前記複数の画素全てにおいて、前記光電変換部による光電変換動作、及び、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を、同一タイミングで行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換部が、
第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、
第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、
を備え、
前記光電変換用トランジスタの制御電極に与えられる電圧値を一定とし、
前記積分動作制御部として、前記積分用トランジスタの制御電極に前記制御信号を与えるスイッチ素子を備え、
前記スイッチ素子がＯＦＦであるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、
前記スイッチ素子がＯＮであるとき、前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止す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】
前記光電変換部が、
第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、
第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、
を備え、
前記光電変換用トランジスタの制御電極に与えられる電圧値を一定とするとともに、
前記光電変換用トランジスタの第２電極に、第１電圧値及び第２電圧値による状態切換信号が与えられることで、前記光電変換用トランジスタが、前記積分動作制御部としても動作し、
前記状態切換信号が第１電圧値であるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、
前記状態切換信号が第２電圧値であるとき、前記光電変換用トランジスタを通じて前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止す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４】
前記光電変換部が、
第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、
第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、
を備え、
前記光電変換用トランジスタの制御電極に、第１電圧値及び第２電圧値による状態切換信号が与えられることで、前記光電変換用トランジスタが、前記積分動作制御部としても動作し、
前記状態切換信号が第１電圧値であるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、
前記状態切換信号が第２電圧値であるとき、前記光電変換用トランジスタを通じて前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止す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５】
前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的な接離を行う電荷転送用スイッチ素子を備え、
前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を行うとき、前記電荷転送用スイッチ素子をＯＮとすることによって、前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的に接続し、
前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を停止するとき、前記電荷転送用スイッチ素子をＯＦＦとすることによって、前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的に切断することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換素子で発生した光電荷を外部に強制的に放出させるリセット用スイッチ素子を備え、
前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を停止するとき、前記リセット用スイッチ素子をＯＮとすることによって、前記光電変換素子で発生した光電荷を外部に強制的に放出することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素と接続されて前記画素から電気信号が出力される出力信号線を備え、
前記画素が、
前記容量素子に現れる電気信号を増幅する増幅部と、
前記出力信号線に接続されて、該増幅部で増幅された電気信号を前記出力信号線に出力する読み出し用スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか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、入射光に対する電気信号を出力する画素を備える固体撮像装置に関するもので、特に構成される各画素がトランジスタによって構成される固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の用途に供されている固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型の場合、フォトダイオードで光電変換した光電荷をフォトダイオードに蓄積し、光電荷を蓄積する積分時間が終了すると、蓄積された光電荷がＣＣＤである信号転送路に一斉に出力される。そして、信号転送路に出力された光電荷は、信号転送路におけるポテンシャルの井戸に光電荷を蓄積しつつ転送することで、順次出力回路に送られるようになっている。よって、各画素のフォトダイオードの積分タイミングが同一であり、このような撮像動作を「グローバルシャッタモード」と呼ぶ。
【０００３】
一方、ＣＭＯＳ型の場合、フォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷を、ＭＯＳトランジスタを通して直接読み出すように構成されている。そのため、ＣＭＯＳ型では、フォトダイオードで光電変換されて得られた光電荷による信号電荷が、信号線によって瞬時に伝播されることになる。よって、水平に１列に並んだ画素における積分タイミングが同一であるが、行毎に、その積分タイミングが異なるように動作することで、１フレームの撮影が行われる。このような動作を「ローリングシャッタモード」と呼ぶ。
【０００４】
しかしながら、これらのＣＣＤ型及びＣＭＯＳ型では、ダイナミックレンジが狭いという欠点があった。それに対して、従来のＣＭＯＳ型の固体撮像装置として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像装置においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。
【０００５】
簡単に、対数変換動作を行う固体撮像装置の動作原理について説明する。図１３は、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置内における画素の基本構成を示す回路図である。このＣＭＯＳ型の固体撮像装置内における画素として、図１３（ａ）に示すように、光電変換動作を行う観光素子として働くフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤのアノードにゲートとドレインが接続されてサブスレッショルド領域（弱反転領域）で動作するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとフォトダイオードＰＤのアノードとの接続ノードにゲートが接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２と、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに一端が接続されたキャパシタＣとを備え、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣとの接続ノードより信号出力を行う構成のものがある。
【０００６】
又、別の構成として、図１３（ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤのカソードにサブスレッショルド領域で動作するＭＯＳトランジスタＴ１のソースが接続されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースとフォトダイオードＰＤのカソードとの接続ノードにゲートが接続されたＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２ａと、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのソースに一端が接続されたキャパシタＣとを備え、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのソースとキャパシタＣとの接続ノードより信号出力を行う構成のものがある。
【０００７】
このように構成するとき、ＭＯＳトランジスタがサブスレッショルド領域で動作する場合、そのゲート電圧Ｖｇ、ソース電圧Ｖｓ、ドレイン電流Ｉｄの関係が（１）式のような関係となる。尚、（１）式において、ｑは電子電荷量、ｋはボルツマン定数、ｎはトランジスタの構造で決定するサブスレッショルド定数、Ｔは絶対温度、Ｉｄ０はサブスレッショルド電流が流れ始めるときのドレイン電流Ｉｄの値、Ｖｔは閾値電圧である。
【０００８】
【数１】
2008283593.tif 000003
【０００９】
このＭＯＳトランジスタＴ１によるサブスレッショルド領域における動作によって、上述の（１）式で示されるようなドレイン電流Ｉｄが流れるとき、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ２ａとキャパシタＣとで構成される積分回路によって積分動作が成される。このとき、まず、フォトダイオードＰＤを流れる光電流をＩｐとして、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに現れる電圧をＶｉｎとすると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するため、（２）式のような関係となる。
【００１０】
【数２】
2008283593.tif 000004
【００１１】
そして、図１３（ａ）の場合、ＭＯＳトランジスタＴ２が、ＭＯＳトランジスタＴ１と同一の特性をもつものとすると、ＭＯＳトランジスタＴ２がＭＯＳトランジスタＴ１と同様、サブスレッショルド領域で動作し、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレイン電流がキャパシタＣに流れる。よって、キャパシタＣの容量値をＣとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにおける出力電圧をＶｏｕｔとすると、（３）式の関係が成り立つ。
【００１２】
【数３】
2008283593.tif 000005
【００１３】
よって、（２）式と（３）式の関係より、（４）式の関係が得られる。
【００１４】
【数４】
2008283593.tif 000006
【００１５】
そして、時間ｔが０であるとき、出力電圧Ｖｏｕｔが０であるものとして、（４）式を積分すると、（５）式のような出力電圧Ｖｏｕｔが得られることとなる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣの積分回路によって積分されて得られた出力電圧Ｖｏｕｔとして、光電流Ｉｐの積分値の対数値に比例した値となる。よって、この出力電圧Ｖｏｕｔの指数値を求めた場合、容易に、光電流Ｉｐの積分値に比例した値を得ることができる。
【００１６】
【数５】
2008283593.tif 000007
【００１７】
尚、図１３（ｂ）のように構成した場合、ＭＯＳトランジスタＴ１に対して、サブスレッショルド領域で動作するように、ゲート電圧として直流電圧Ｖｒが与えられる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２ａにおいて、そのトランジスタの構造で決定するサブスレッショルド定数ｎが等しいものとし、ａが、ＭＯＳトランジスタＴ１の特性と直流電圧Ｖｒとの関係によって決まる定数とすると、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのソースに現れる出力電圧Ｖｏｕｔが、（６）式のように表される。
【００１８】
【数６】
2008283593.tif 000008
【００１９】
しかしながら、図１３に示すような構成を基本とする画素を備えたＣＭＯＳ型の固体撮像装置は、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。よって、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。
【００２０】
又、本出願人は、このような線形変換動作と対数変換動作とを自動的に切り換えるために、光電変換動作を行うフォトダイオードに接続されたトランジスタのポテンシャル状態を適当な状態に設定するＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３による固体撮像装置は、トランジスタのポテンシャル状態を変更することにより、その光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。
【００２１】
上述の特許文献２及び特許文献３に代表される固体撮像装置の画素の代表例を、図１４に示す。図１４に示す画素の構成は、図１３（ａ）に示す基本構成に基づくものである。即ち、対数変換動作を行う画素、又は、線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることができる画素は、図１４に示す構成のように、図１３（ａ）と同様、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２、及びキャパシタＣを備え、そして、キャパシタＣに現れる電圧がゲートに与えられて増幅するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースと行毎の出力信号線１４との間に設置されるＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ４と、キャパシタＣをリセットするリセット用のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ５と、を備える。
【００２２】
このように構成される図１４に示す画素によると、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ５によって、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる電圧がリセットされる。又、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードに現れる、線形変換動作又は対数変換動作により得られた入射光量に対する電圧信号が、ＭＯＳトランジスタＴ３によって増幅される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされることで、ＭＯＳトランジスタＴ３によって増幅された電圧信号が出力信号線１４を通じて出力される。
【００２３】
この図１４の構成に代表される画素を備えたＣＭＯＳ型の固体撮像装置は、垂直走査及び水平走査を行うことによって、ローリングシャッタモードによる撮像動作を行った後、各画素より出力される映像信号がシリアルに固体撮像装置より出力される。このように、ローリングシャッタモードによる撮像動作を行い、行毎に撮像動作を行うタイミングが異なるため、刻一刻と変化する被写体を撮像する場合や、ストロボ撮影を行う場合、各画素において同一条件で撮像することできない。そのため、結果的に、撮像画像に画像歪みが発生することがある。
【００２４】
そこで、本出願人は、従来の固体撮像装置として、キャパシタを２つ備えることで全画素が同一タイミングで撮像動作を行うものを提案した（特許文献４及び特許文献５参照）。この従来の固体撮像装置における画素の構成として、図１３（ａ）の基本構成となる回路を光電変換回路に備えたものを、図１５に示す。
【００２５】
図１５の画素は、図１４と同様、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５、及びキャパシタＣを備え、そして、キャパシタＣで積分された電気信号をサンプルホールドするキャパシタＣ１と、キャパシタＣ，Ｃ１間の電気的な接離を行うＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１００と、キャパシタＣ１をリセットするためのスイッチとして働くＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１０１と、を備える。
【００２６】
このように構成される図１５に示す画素によると、固体撮像装置に備えられた全画素におけるＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５，Ｔ１００が同一のタイミングで動作することで、キャパシタＣに同一時間に撮像動作が行われて得られた電気信号が積分された後、キャパシタＣ１にサンプルホールドされる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１００をＯＦＦにした後、水平方向及び垂直方向に走査して各画素毎に、キャパシタＣ１でサンプルホールドされた電気信号に応じた映像信号が増幅されて出力される。
【００２７】
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとによる積分回路による積分動作の開始する直前に、全画素において、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとして、キャパシタＣをリセットする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとすることで、新しい積分期間を開始する。その後、ＭＯＳトランジスタＴ１０１をＯＮとしてキャパシタＣ１をリセットした後、ＭＯＳトランジスタＴ１０１をＯＦＦとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１００をＯＮとして、キャパシタＣに現れる電圧値をキャパシタＣ１にサンプルホールドさせる。ＭＯＳトランジスタＴ１００をＯＦＦとすることで、全画素における積分動作が終了する。これにより、グローバルシャッタモードによる撮像動作が実現可能となる。
【００２８】
又、固体撮像装置の暗電流を低減するために、埋込型フォトダイオードを用いた固体撮像装置が提案されている（特許文献６参照）。この特許文献６の固体撮像装置は、図１６に示すように、光電変換素子として働く埋込型フォトダイオードＰＤａと、埋込型フォトダイオードＰＤａのカソードにソースが接続されるＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１１と、ＭＯＳトランジスタＴ１１のドレインにソースが接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１２と、ＭＯＳトランジスタＴ１１のドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ１２のソースの接続ノードにゲートが接続されるＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ４と、を備える。
【００２９】
このように構成される画素は、図１７に示すように、Ｐ型基板３０上に形成されたＰ型ウェル層３１に対してＰ型層２０をその表面に形成してＮ型埋込層２１を埋め込むことによって構成される埋込型フォトダイオードＰＤａと、埋込型フォトダイオードＰＤａが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜２２を介して構成されたゲート電極２３を備える転送ゲートＴＧと、転送ゲートＴＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型浮遊拡散層ＦＤと、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに隣接する領域表面に絶縁膜２４を介して構成されたゲート電極２５を備えるリセットゲートＲＧと、リセットゲートＲＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型拡散層Ｄと、を備える。
【００３０】
このとき、埋込型フォトダイオードＰＤａにおいて、Ｎ型埋込層２１の表面に高濃度のＰ型層２０が形成される。又、Ｎ型埋込層２１とＮ型浮遊拡散層ＦＤと転送ゲートＴＧとによってＭＯＳトランジスタＴ１１が構成されるとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ及びＮ型拡散層Ｄと転送ゲートＲＧとによってＭＯＳトランジスタＴ１２が構成される。そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤａを画素内に構成することで、Ｐ型層２０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤａ周囲のＰ型層より成るチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。そして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤにＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００３１】
埋込型フォトダイオードＰＤａ周辺の構造を図１７に示す構造とすることで、埋込型フォトダイオードＰＤａ周辺の表面で発生する暗電流を抑圧することができ、画素で発生する暗電流を低減することができる。そして、画素の後段に設けられる信号出力回路では、相関二重サンプリング法を用いることができ、ｋＴＣノイズの除去も可能となる。これらの効果により、埋込型フォトダイオードＰＤａを用いた固体撮像装置は、低雑音で高感度の固体撮像装置として有力視されている。
【００３２】
又、図１７のような構成部分を備える画素において、転送ゲートＴＧにおけるポテンシャル状態を決定するゲート電極２３でのゲート電圧を中間電位とすることで、入射光量に対して線形的に電気信号を変化させる線形変換動作と、入射光量に対して対数的に電気信号を変化させる対数変換動作とを、切り換えて動作させることができる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１１，Ｔ１２を全画素同時に動作させることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルを全画素同時に保持させることができる。これにより、図１６の構成による画素を備えた固体撮像装置によっても、グローバルシャッタモードによる撮像動作が実現可能となる。
【特許文献１】特許第２８３６１４７号公報
【特許文献２】特許第３６６４０３５号公報
【特許文献３】特開２００２−３００４７６号公報
【特許文献４】特許第３４９３４０５号公報
【特許文献５】特開２００４−３４９９０７号公報
【特許文献６】特開２００６−０５０５４４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、図１５の構成に代表される画素を備えた固体撮像装置では、図１４の構成と比較して、ＭＯＳトランジスタを２個、キャパシタを１個、それぞれ追加する必要がある。そのため、１画素の寸法が大きくなるだけでなく、フォトダイオードＰＤの設置面積が狭くなり、開口率の向上や画素の縮小化に限界がある。又、キャパシタＣ，Ｃ１間で電荷の受け渡しが成されるため、キャパシタＣ１に転送される電荷が半分だけとなり、キャパシタＣ１においてサンプリングされる値が小さくなる。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１００によって、キャパシタＣ，Ｃ１間の転送動作が成されるため、ＭＯＳトランジスタＴ１００が原因となるノイズ量が信号に重畳されることがある。
【００３４】
又、図１６の構成に代表される画素を備えた固体撮像装置については、線形変換動作が行われて画像信号が出力される場合は、入射光によってフォトダイオードＰＤで発生した光電荷が蓄積され、積分回路が具備されていなくても、積分された画像信号が出力されることとなる。それに対して、対数変換動作が行われて画像信号が出力される場合は、露光期間中の入射光量変化にかかわらず、ＭＯＳトランジスタＴ１１をＯＦＦとした瞬間に応じた値の画像信号が、出力される。このように、図１６の構成の画素から、積分された線形変換された画像信号、又は、積分されることのない対数変換された画像信号が出力されることとなる。そのため、積分成分がある線形変換動作時の信号に比べて、信号の変動率が大きく、ノイズの影響も受けやすくなる。
【００３５】
よって、入射光量変化が起こりやすいと思われる長時間露光時やストロボ撮影時において、その被写体の輝度が高い場合などのように対数変換された画像信号が出力される場合には、被写体情報を正確に取得できないという問題がある。又、この対数変換された画像信号が出力される場合には、照明光の輝度変動に対してフリッカが生じるという問題もある。
【００３６】
このような問題を鑑みて、本発明は、ダイナミックレンジが広く、グローバルシャッタモードによる撮像可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置において、その画素寸法の増大が少なく、Ｓ／Ｎ（Signal/Noise）の大きい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】
【００３７】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と、該光電変換部からの電気信号が制御電極に入力される積分用トランジスタと、該積分用トランジスタの第１電極に一端が接続されて前記積分用トランジスタと積分動作を行う積分用容量素子と、を有する複数の画素を備える固体撮像装置において、前記画素が、前記積分用トランジスタの制御電極に対して前記積分用トランジスタをＯＦＦとする制御信号を与えて、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を制御する積分動作制御部を、備え、前記複数の画素全てに対して、前記積分動作制御部によって前記積分用トランジスタをＯＮとする期間を同一期間とし、前記複数の画素全てにおいて、前記光電変換部による光電変換動作、及び、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を、同一タイミングで行うことを特徴とする。
【００３８】
このように構成されるとき、前記光電変換部が、第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、を備え、前記光電変換用トランジスタの制御電極に与えられる電圧値を一定とし、前記積分動作制御部として、前記積分用トランジスタの制御電極に前記制御信号を与えるスイッチ素子を備え、前記スイッチ素子がＯＦＦであるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、前記スイッチ素子がＯＮであるとき、前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止するものとしても構わない。
【００３９】
又、前記光電変換部が、第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、を備え、前記光電変換用トランジスタの制御電極に与えられる電圧値を一定とするとともに、前記光電変換用トランジスタの第２電極に、第１電圧値及び第２電圧値による状態切換信号が与えられることで、前記光電変換用トランジスタが、前記積分動作制御部としても動作し、前記状態切換信号が第１電圧値であるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、前記状態切換信号が第２電圧値であるとき、前記光電変換用トランジスタを通じて前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止するものとしても構わない。
【００４０】
又、前記光電変換部が、第１電極に直流電圧が印加されるとともに、入射光量に応じた光電荷を発生する光電変換素子と、第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、該光電変換素子の第２電極に第１電極が接続されることで該光電変換素子と直列に接続され、前記光電変換素子の第２電極との接続ノードに前記積分用トランジスタの制御電極に与える前記入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換用トランジスタと、を備え、前記光電変換用トランジスタの制御電極に、第１電圧値及び第２電圧値による状態切換信号が与えられることで、前記光電変換用トランジスタが、前記積分動作制御部としても動作し、前記状態切換信号が第１電圧値であるとき、前記積分用トランジスタが、前記光電変換用トランジスタからの前記入射光量に応じた電気信号に基づいて駆動し、前記状態切換信号が第２電圧値であるとき、前記光電変換用トランジスタを通じて前記制御信号が前記積分用トランジスタに与えられて、前記積分用トランジスタがＯＦＦとなり、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作が停止するものとしても構わない。
【００４１】
更に、前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的な接離を行う電荷転送用スイッチ素子を備え、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を行うとき、前記電荷転送用スイッチ素子をＯＮとすることによって、前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的に接続し、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を停止するとき、前記電荷転送用スイッチ素子をＯＦＦとすることによって、前記光電変換素子と前記光電変換用トランジスタとの間の電気的に切断するものとしても構わない。
【００４２】
そして、前記光電変換素子で発生した光電荷を外部に強制的に放出させるリセット用スイッチ素子を備え、前記積分用トランジスタと前記積分用容量素子とによる積分動作を停止するとき、前記リセット用スイッチ素子をＯＮとすることによって、前記光電変換素子で発生した光電荷を外部に強制的に放出するものとしても構わない。
【００４３】
又、前記画素と接続されて前記画素から電気信号が出力される出力信号線を備え、前記画素が、前記容量素子に現れる電気信号を増幅する増幅部と、前記出力信号線に接続されて、該増幅部で増幅された電気信号を前記出力信号線に出力する読み出し用スイッチと、を備えるものとしても構わない。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によると、従来の画素構成に対して、積分用トランジスタをＯＦＦとするための積分動作制御部を設置することにより、この積分動作制御部が積分トランジスタ及び積分用容量素子による積分動作を停止して、積分用容量素子による電気信号のサンプルホールドを行うことができる。よって、積分動作制御部を設置することで、固体撮像装置内の全画素の積分動作を同時に制御して、各画素の電気信号を積分用容量素子でサンプルホールドさせた後、画素毎に信号の読み出しを行うことができるため、グローバルシャッタモードを実現できる。
【００４５】
又、積分用トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御のみで実現できるため、積分動作制御部を１つのトランジスタで構成することができ、その回路規模の大型化を防ぐことができる。更に、積分用トランジスタ及び積分用容量素子を設けた構成であるため、光電変換部で発生した電気信号に重畳したノイズを吸収して、Ｓ／Ｎの大きい電気信号を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００４７】
＜固体撮像装置の構成＞
まず、以下の各実施形態で共通となる固体撮像装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である二次元のＣＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。
【００４８】
図１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）１３−１、１３−２、・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査回路であり、画素から出力信号線１４−１、１４−２、・・・、１４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン１３−１〜１３−ｎや出力信号線１４−１〜１４−ｍ、電源ライン１５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００４９】
又、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれには、定電流源１６−１〜１６−ｍが接続されるとともに、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる各信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍが設けられる。そして、補正回路１８にサンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍでサンプルホールドされた各信号が与えられると、この補正回路１８で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源１６−１〜１６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００５０】
このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる画像信号及びノイズ信号がそれぞれ、出力信号線１４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線１４−ａに接続された定電流源１６−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番にサンプルホールド回路１７−ａに送出されるとともに、このサンプルホールド回路１７−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００５１】
その後、サンプルホールド回路１７−ａより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路１８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路１８に送出される。補正回路１８では、サンプルホールド回路１７−ａより与えられた画像信号を、同じくサンプルホールド回路１７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理する。そして、サンプルホールド回路１７−ａにおいてノイズ信号によりノイズ除去された画像信号が、固体撮像装置の外部に出力される。
【００５２】
又、このような固体撮像装置に対して、不図示の信号制御部より垂直走査回路１１に信号が与えられることにより、各行の画素の転送ゲートを閉じるタイミングが設定される信号、及び、画素Ｇ11〜Ｇmnが撮像動作を開始するタイミングと画像信号及びノイズ信号の出力タイミングとを設定するための信号が垂直走査回路１１より出力される。更に、不図示の信号制御部から水平走査回路１２に信号が与えられることにより、サンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍから画像信号及びノイズ信号が補正回路１８に出力されるタイミングを設定するための信号が水平走査回路１２より出力される。
【００５３】
このように構成される固体撮像装置の各実施形態について、以下に説明する。尚、以下の各実施形態では、固体撮像装置を構成する画素の構成が異なるため、その画素の構成を中心に説明する。
【００５４】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態における固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を示す図である。尚、図２に示す画素の構成において、図１４に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
【００５５】
図２の画素は、図１４に示す画素の構成に対して、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインの接続ノードにドレインが接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ６を追加した構成となる。又、フォトダイオードＰＤのカソード、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のドレインに直流電圧ＶPDが与えられるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のドレイン及びキャパシタＣの他端に直流電圧ＶPS（ＶPS＜ＶPD）が与えられる。更に、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに直流電圧ＶRSが与えられる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４〜Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＶ，φＲＳ，φＲが与えられて、そのＯＮ／ＯＦＦが制御される。又、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６それぞれのバックゲートには、直流電圧ＶPSが印加される。
【００５６】
このように構成される画素において、信号φＲがローとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦであるとき、入射光量が所定値より低い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２はカットオフ状態となり、入射光量が所定値を超えると、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作する。よって、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートとの接続ノードには、入射光量に応じた値を積分した電圧値が現れる。又、信号φＲがハイとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮであるとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられる電圧値が低くなるため、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＦＦとなり、キャパシタＣとによる積分動作が停止する。以下に、このようなＭＯＳトランジスタＴ６を追加した構成となる画素を備えた固体撮像装置の動作について、図３のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００５７】
全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＲをローとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとして撮像動作を開始すると、フォトダイオードＰＤにおいて、入射光量に応じた光電荷が発生するため、ＭＯＳトランジスタＴ１より入射光量に応じた光電流が流れる。このとき、信号φＶ，φＲＳについてもローとされるため、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５がＯＦＦの状態である。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に応じた電圧が現れ、ＭＯＳトランジスタＴ２を入射光量に応じた電流が流れることで、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２とによる積分動作が行われる。
【００５８】
このとき、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態であるために、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに光電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量の積分値に対して線形的に比例した電圧が現れる。このように線形変換動作が成されるため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の積分値に線形的に比例した値となる。
【００５９】
又、被写体の輝度が高く、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が高くなると、上述したように、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作を行う。このように対数変換動作が成されるため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２とによる積分動作によって、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の対数変換値の積分値に比例した値となる。
【００６０】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＲをローとすることで、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣに蓄電されると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＲをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとする。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられる電圧値を低くして、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとによる積分動作を停止させる。即ち、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、垂直ブランク期間で信号φＲをローとする期間を同一タイミングとすることによって、全画素Ｇ11〜Ｇmnが同時に同一期間による撮像動作を行うこととなる。
【００６１】
そして、信号φＲをハイとして、この全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングによる撮像動作が終了すると、行毎に、ハイのパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ３において、キャパシタＣで積分された入射光量の積分値又は対数値に応じた電圧に対する電流が流れる。これにより、信号線１４には、積分された入射光量の積分値又は対数値に応じた電圧値となる画像信号が現れる。
【００６２】
ハイのパルス信号φＶを与えて画像信号を出力した後、次に、ハイとなるパルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとし、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとの接続ノードの電圧値をリセットする。そして、信号φＲＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとした後、ハイのパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、リセットしたキャパシタＣに現れる電圧に応じた電流がＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４を流れる。これにより、信号線１４には、リセットしたキャパシタＣの電圧に応じた値となるノイズ信号が現れる。
【００６３】
このような画像信号及びノイズ信号の読み出し動作が、行毎に行われるとき、上述したように、サンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍにサンプルホールドする。その後、サンプルホールドした画像信号及びノイズ信号による減算を行い、ノイズ除去した画像信号を出力する。このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnによるノイズ除去した画像信号を出力すると、次のフレームに対する撮像動作を行うために、信号φＲをローとして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおける同一タイミングによる撮像動作を開始する。
【００６４】
このように、本実施形態においては、ＭＯＳトランジスタＴ６を設けることによって、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする期間に、ＭＯＳトランジスタＴ２及びキャパシタＣによる積分動作が行われる構成とした。これにより、上述したように、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする期間を、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して同一期間とし、グローバルシャッタモードによる撮像を可能とすることができる。
【００６５】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は、本実施形態における固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を示す図である。尚、図４に示す画素の構成において、図２に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
【００６６】
図４の画素は、図２に示す画素の構成に対して、ＭＯＳトランジスタＴ６を除いた図１４と同様の構成とする代わりに、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに信号φＶPSが与えられる。このように構成するとき、信号φＶPSは２値の電圧信号であり、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶＭとし、又、この電圧よりも低くＭＯＳトランジスタＴ１を導通状態にする電圧をＶＬとする。
【００６７】
このように構成される画素において、信号φＶPSをＶＭとしたとき、入射光量が所定値より低い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２はカットオフ状態となり、入射光量が所定値を超えると、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作する。よって、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートとの接続ノードに、入射光量に応じた値を積分した電圧値が現れる。又、信号φＶPSをＶＬとしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通状態（ＯＮ）とするとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられる電圧値が低くなるため、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＦＦとなり、キャパシタＣとによる積分動作が停止する。以下に、このようなＭＯＳトランジスタＴ１に信号φＶPSを与えた構成となる画素を備えた固体撮像装置の動作について、図５のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００６８】
画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、フォトダイオードＰＤで入射光量に応じた光電荷が発生し、ＭＯＳトランジスタＴ１に入射光量に応じた光電流が流れる。このとき、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＶPSをＶＭとしてＭＯＳトランジスタＴ１を動作させることで、撮像動作を開始する。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に応じた電圧が現れ、ＭＯＳトランジスタＴ２を入射光量に応じた電流が流れることで、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２とによる積分動作が行われる。尚、信号φＶ，φＲＳについてはローとして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５をＯＦＦの状態とする。
【００６９】
即ち、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態となるため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに、入射光量の積分値に線形的に比例した電圧値が現れる。又、被写体の輝度が高いと、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに、入射光量の対数変換値の積分値に比例した電圧値が現れる。
【００７０】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＶPSをＶＭとすることで、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣに蓄電されると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＶPSをＶＬとして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられる電圧値を低くして、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとによる積分動作を停止させる。即ち、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、垂直ブランク期間で信号φＶPSをＶＭとする期間を同一タイミングとすることによって、全画素Ｇ11〜Ｇmnが同時に同一期間による撮像動作を行うこととなる。
【００７１】
この全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングによる撮像動作が終了すると、第１の実施形態と同様、行毎に、画像信号とノイズ信号の出力を行う。即ち、まず、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、電圧信号となる画像信号を出力信号線１４に出力する。そして、ハイとなるパルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとの接続ノードの電圧値をリセットする。その後、再び、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、リセットしたキャパシタＣの電圧に応じた値となるノイズ信号を出力信号線１４に出力する。
【００７２】
このように、本実施形態においては、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに信号φＶPSを与えることによって、信号φＶPSの電圧値をＶＭとする期間に、ＭＯＳトランジスタＴ２及びキャパシタＣによる積分動作が行われる構成とした。即ち、上述したように、信号φＶPSの電圧値をＶＭとする期間を、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して同一期間とし、グローバルシャッタモードによる撮像を可能とすることができる。又、本実施形態では、第１の実施形態と比べて、ＭＯＳトランジスタＴ６を省略することができるため、画素の回路構成を小さくすることができる。
【００７３】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態における固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を示す図である。尚、図６に示す画素の構成において、図１６に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
【００７４】
図６の画素は、図１６に示す画素の構成に対して、ＭＯＳトランジスタＴ１１を除く代わりに、フォトダイオードＰＤのカソードとＭＯＳトランジスタＴ１２のソースとの接続ノードにゲートが接続されたＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２ａと、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのソースにドレインが接続されたＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴ５ａと、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのソースとＭＯＳトランジスタＴ５ａのドレインとの接続ノードに一端が接続されたキャパシタＣａと、を追加した構成となる。
【００７５】
又、フォトダイオードＰＤのアノード及びＭＯＳトランジスタＴ２ａのドレインに、直流電圧ＶPSが与えられるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１２，Ｔ３のドレイン、キャパシタＣａの他端、及び、ＭＯＳトランジスタＴ５ａのソースに、直流電圧ＶPD（ＶPD＞ＶPS）が与えられる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５ａ，Ｔ１２のゲートにはそれぞれ、信号φＶ，φＲＳ，φＲが与えられて、そのＯＮ／ＯＦＦや動作状態が制御される。
【００７６】
尚、ＭＯＳトランジスタＴ１２のゲートに与えられる信号φＲは２値の電圧値による信号であり、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶｍとし、又、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ１２を導通状態にする電圧をＶｈとする。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ１２のバックゲートに直流電圧ＶPSが印加されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２ａ，Ｔ５ａのバックゲートに直流電圧ＶPDが印加される。
【００７７】
このような構成される画素において、信号φＲをＶｍとしたとき、入射光量が所定値より低い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ１２はカットオフ状態となり、入射光量が所定値を超えると、ＭＯＳトランジスタＴ１２がサブスレッショルド領域で動作する。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに、入射光量に応じた電圧値が現れるため、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートとの接続ノードには、入射光量に応じた値を積分した電圧値が現れる。又、信号φＲをＶｈとしてＭＯＳトランジスタＴ１２を導通状態（ＯＮ）とするとき、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに与えられる電圧値が高くなるため、ＭＯＳトランジスタＴ２ａがＯＦＦとなり、キャパシタＣａとによる積分動作が停止する。以下に、このような構成となる画素を備えた固体撮像装置の動作について、図７のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００７８】
画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、フォトダイオードＰＤで入射光量に応じた光電荷が発生し、ＭＯＳトランジスタＴ１２に入射光量に応じた光電流が流れる。このとき、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＲをＶｍとしてＭＯＳトランジスタＴ１２を動作させることで、撮像動作を開始する。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに入射光量に応じた電圧が現れ、ＭＯＳトランジスタＴ２ａを入射光量に応じた電流が流れることで、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとによる積分動作が行われる。尚、信号φＶをローとするとともに信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５ａをＯＦＦの状態とする。
【００７９】
このように動作するため、第１及び第２の実施形態と同様、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１２がカットオフ状態となり、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとの接続ノードに、入射光量の積分値に線形的に比例した電圧値が現れる。又、被写体の輝度が高いと、ＭＯＳトランジスタＴ１２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとの接続ノードに、入射光量の対数変換値の積分値に比例した電圧値が現れる。
【００８０】
即ち、被写体輝度が低い場合は、埋込型ダイオードＰＤで発生した光電荷が、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに蓄積されるため、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲート電圧が、この蓄積された光電荷に基づく値、即ち、入射光量の積分値に線形的に比例した値となる。又、被写体輝度が高い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに蓄積される光電荷量が多いため、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲート電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ１２のゲート電圧値Ｖｍに近づき、ＭＯＳトランジスタＴ１２がサブスレッショルド領域で動作することとなる。
【００８１】
これにより、被写体輝度が低い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２ａに、入射光量に対して線形的に変化する電流が流れて、入射光量の積分値に対して線形的に変化した電圧が、キャパシタＣａに現れる。又、被写体輝度が高い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２ａに、入射光量に対して自然対数的に変化する電流が流れて、入射光量の積分値に対して自然対数的に変化した電圧が、キャパシタＣａに現れる。尚、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとコンデンサＣａとの接続ノードに現れる電圧値は、ＭＯＳトランジスタＴ１２を流れる光電流の時間積分値に応じた値だけ降下する。
【００８２】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＲをＶｍとすることで、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣａにサンプルホールドされると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで信号φＲをＶｈとして、ＭＯＳトランジスタＴ１２をＯＮとする。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに与えられる電圧値を高くして、ＭＯＳトランジスタＴ２ａをＯＦＦとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとによる積分動作を停止させる。即ち、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、垂直ブランク期間で信号φＲをＶｍとする期間を同一タイミングとすることによって、全画素Ｇ11〜Ｇmnが同時に同一期間による撮像動作を行うこととなる。
【００８３】
この全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングによる撮像動作が終了すると、第１の実施形態と同様、行毎に、画像信号とノイズ信号の出力を行う。即ち、まず、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、電圧信号となる画像信号を出力信号線１４に出力する。そして、ローとなるパルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５ａのゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ５ａをＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとの接続ノードの電圧値をリセットする。
【００８４】
その後、パルス信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ５ａをＯＦＦとした後、再び、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、リセットしたキャパシタＣａの電圧に応じた値となるノイズ信号を出力信号線１４に出力する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ５ａをＯＦＦとすると、まず、ＭＯＳトランジスタＴ２ａが飽和状態で動作するため、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとの接続ノードの電圧値が低下し始める。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２ａがサブスレッショルド領域で動作して、ＭＯＳトランジスタＴ２ａが遮断状態になる電圧値を目指して、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとの接続ノードの電圧値が徐々に低下する。
【００８５】
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２ａが、フォトダイオードＰＤのカソードにおける電圧値とコンデンサＣａとの接続ノードにおける電圧値とによる電圧差が、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧を超えるまでは大電流を流すことができる。よって、コンデンサＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａのドレインとの接続ノードに現れる電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧のバラツキに応じて降下することとなる。よって、ハイとなるパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧のバラツキ成分を含むノイズ信号が出力される。
【００８６】
このように、本実施形態においては、ＭＯＳトランジスタＴ１２のゲートに信号φＲを与えることによって、信号φＲの電圧値をＶｍとする期間に、ＭＯＳトランジスタＴ２ａ及びキャパシタＣａによる積分動作が行われる構成とした。即ち、上述したように、信号φＲの電圧値をＶｍとする期間を、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して同一期間とし、グローバルシャッタモードによる撮像を可能とすることができる。又、本実施形態では、第２の実施形態と同数となるＭＯＳトランジスタで構成できるため、第１の実施形態と比べて画素の回路構成を小さくすることができる。又、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとによる積分回路を設けることによって、対数変換時における信号の変動を吸収し、ノイズの影響を低減させることができる。
【００８７】
尚、第１〜第３の実施形態において、各行毎にリセット動作を行ってノイズ信号を出力するものとしたが、このノイズ信号の出力については、各行毎に画像信号に続いてノイズ信号が出力されるようにしても構わないし、全行の画像信号が出力された後に、ノイズ信号が行毎に出力されるようにしても構わない。又、ノイズ信号の読み出しを省略して、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ５ａによるリセット動作についても、全画素Ｇ11〜Ｇmn同時に行われるものとしても構わない。
【００８８】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図８は、本実施形態における固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を示す図である。尚、図８に示す画素の構成において、図６に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
【００８９】
図８の画素は、図６に示す画素の構成に対して、フォトダイオードＰＤを埋込型フォトダイオードＰＤａとするとともに、アノードに直流電圧ＶPSが与えられた埋込型フォトダイオードＰＤａのカソードにソースが接続されるとともにＭＯＳトランジスタＴ１２のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ１１と、埋込フォトダイオードＰＤａのカソードとＭＯＳトランジスタＴ１１のソースとの接続ノードにソースが接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１３と、を追加した構成となる。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１１は、図１６に示す画素構成と同一である。
【００９０】
又、ＭＯＳトランジスタＴ１３のドレインに直流電圧ＶPDが与えられるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに信号φＲＤが与えられる。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１１，Ｔ１３のバックゲートに直流電圧ＶPDが印加される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１１，Ｔ１３のゲートにはそれぞれ、信号φＴＧ，φＯＧが与えられて、そのＯＮ／ＯＦＦや動作状態が制御される。
【００９１】
（第１の動作例）
上述のように構成される画素を備えた固体撮像装置の第１の動作例について、図９のタイミングチャートに基づいて説明する。本動作例においては、信号φＲＤを常にハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに一定の電圧値ＶPDが与えられる。
【００９２】
全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＯＧをローとしてＭＯＳトランジスタＴ１３をＯＦＦとするとともに、信号φＴＧをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１１をＯＮとし、信号φＲをＶｍとしてＭＯＳトランジスタＴ１２を動作させることで、撮像動作を開始する。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ１１を通じてＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに埋込型フォトダイオードＰＤａのカソードが接続された状態となり、ＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートに入射光量に応じた電圧が現れることとなる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ２ａを入射光量に応じた電流が流れることで、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとによる積分動作が行われる。尚、信号φＶをローとするとともに信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５ａをＯＦＦの状態とする。
【００９３】
このように動作するため、第３の実施形態と同様、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１２がカットオフ状態となり、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとの接続ノードに、入射光量の積分値に線形的に比例した電圧値が現れる。又、被写体の輝度が高いと、ＭＯＳトランジスタＴ１２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、キャパシタＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａとの接続ノードに、入射光量の対数変換値の積分値に比例した電圧値が現れる。
【００９４】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをロー、ハイとするとともに、信号φＲをＶｍとすることで、撮像動作を開始して、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣａにサンプルホールドされると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをハイ、ローとするとともに、信号φＲをＶｈとする。
【００９５】
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ１１をＯＦＦとして、埋込型フォトダイオードＰＤａのカソードとＭＯＳトランジスタＴ２ａのゲートとの電気的な接続を切断し、ＭＯＳトランジスタＴ１３をＯＮとして、埋込型フォトダイオードＰＤａで発生した電荷を放電する。又、ＭＯＳトランジスタＴ１２をＯＮとすることで、第３の実施形態と同様、ＭＯＳトランジスタＴ２ａをＯＦＦとして、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとによる積分動作を停止させ、コンデンサＣａに蓄積された電荷が保持される。このように、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、垂直ブランク期間で信号φＲをＶｍとするとともに信号φＴＧ，φＯＧそれぞれをハイ、ローとする期間を同一タイミングとすることによって、全画素Ｇ11〜Ｇmnが同時に同一期間による撮像動作を行うこととなる。
【００９６】
この全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングによる撮像動作が終了すると、第３の実施形態と同様、行毎に、画像信号とノイズ信号の出力を行う。即ち、まず、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、電圧信号となる画像信号を出力信号線１４に出力する。そして、ローとなるパルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５ａのゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ５ａをＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとの接続ノードの電圧値をリセットする。その後、パルス信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ５ａをＯＦＦとした後、再び、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、リセットしたキャパシタＣａの電圧に応じた値となるノイズ信号を出力信号線１４に出力する。
【００９７】
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２ａが、ＭＯＳトランジスタＴ１１のドレイン（浮遊拡散層ＦＤ）における電圧値とコンデンサＣａとの接続ノードにおける電圧値とによる電圧差が、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧を超えるまでは大電流を流すことができる。よって、コンデンサＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａのドレインとの接続ノードに現れる電圧ＣＶが、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧のバラツキに応じて降下することとなる。よって、ハイとなるパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧のバラツキ成分を含むノイズ信号が出力される。
【００９８】
（第２の動作例）
又、上述のように構成される画素を備えた固体撮像装置の第２の動作例について、図１０のタイミングチャートに基づいて説明する。本動作例においては、第１の動作例と異なり、信号φＲＤをローとする期間を設ける。尚、本動作例において、第１の動作例と同一の動作状態については、その詳細な説明は省略する。
【００９９】
本動作例では、第１の動作例と同様、全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＯＧをローとしてＭＯＳトランジスタＴ１３をＯＦＦとするとともに、信号φＴＧをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１１をＯＮとすることで、撮像動作を開始する。尚、信号φＶをローとするとともに信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５ａをＯＦＦの状態とする。又、信号φＲをＶｍとしてＭＯＳトランジスタＴ１２を動作させるとともに、信号φＲＤをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに電圧値ＶPDが与えられる。
【０１００】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをロー、ハイとすることで、撮像動作を開始して、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣａにサンプルホールドされると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをハイ、ローとするとともに、信号φＲをＶｈとして、撮像動作を終了する。その後、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、すぐに、信号φＲをＶｍに戻すが、ＭＯＳトランジスタＴ１１がＯＦＦであるため、埋込型フォトダイオードＰＤａで発生した光電荷が、ＭＯＳトランジスタＴ１２のソースとＭＯＳトランジスタＴ１１のドレインとの接続ノード部分（浮遊拡散層ＦＤ）に流れ込むことがない。又、この浮遊拡散層ＦＤが浮遊状態であるため、その電圧値の変化は小さい。
【０１０１】
よって、ＭＯＳトランジスタＴ２ａ，Ｔ５ａがＯＦＦとなるため、ＭＯＳトランジスタＴ２ａとキャパシタＣａとによる積分動作を停止させ、コンデンサＣａに蓄積された電荷が保持される。その後、上述の第１の動作例と同様、行毎に、画像信号とノイズ信号の出力を行う。即ち、まず、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、電圧信号となる画像信号を出力信号線１４に出力する。
【０１０２】
その後、信号φＲＤをハイからローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに与える直流電圧を低くする。これにより、浮遊拡散層ＦＤの電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ１２の閾値に応じて低下することとなる。即ち、サブスレッショルド動作を行うＭＯＳトランジスタＴ１２の閾値のバラツキが、浮遊拡散層ＦＤの電圧に反映されることとなる。そして、この浮遊拡散層ＦＤの電圧値が定常状態となると、信号φＲＤをローからハイとして直流電圧ＶPDがＭＯＳトランジスタＴ１２のドレインに印加される状態とする。
【０１０３】
このとき、浮遊拡散層ＦＤにゲートが接続されたＭＯＳトランジスタＴ２ａは、浮遊拡散層ＦＤにおける電圧値とコンデンサＣａとの接続ノードにおける電圧値とによる電圧差が、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧を超えるまでは大電流を流すことができる。よって、コンデンサＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａのドレインとの接続ノードに現れる電圧ＣＶが、ＭＯＳトランジスタＴ２ａの閾値電圧のバラツキに応じて降下することとなる。
【０１０４】
これにより、コンデンサＣａとＭＯＳトランジスタＴ２ａのドレインとの接続ノードにサンプルホールドされる電圧値が、ＭＯＳトランジスタＴ１２，Ｔ２ａの閾値電圧に応じた値となる。よって、信号φＲＤをローからハイとした後、ハイとなるパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタ１２，Ｔ２ａの閾値電圧のバラツキ成分を含むノイズ信号が出力される。
【０１０５】
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図１１は、本実施形態における固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を示す図である。尚、図１１に示す画素の構成において、図３に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。
【０１０６】
図１１の画素は、図３に示す画素の構成に対して、フォトダイオードＰＤのアノードにソースが接続されるとともにＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインにドレインが接続されたＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１１ａと、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ１１ａのソースとの接続ノードにソースが接続されたＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１３ａと、を追加した構成となる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１１ａ，Ｔ１３ａのゲートにはそれぞれ、信号φＴＧ，φＯＧが与えられて、そのＯＮ／ＯＦＦや動作状態が制御される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１３ａのドレインに直流電圧ＶPSが与えられるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ１１ａ，１３ａのバックゲートに直流電圧ＶPSが印加される。
【０１０７】
以下に、このような構成となる画素を備えた固体撮像装置の動作について、図１２のタイミングチャートに基づいて説明する。全画素Ｇ11〜Ｇmnに対して、信号φＯＧをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１３ａをＯＦＦとするとともに、信号φＴＧをローとしてＭＯＳトランジスタＴ１１ａをＯＮとすることで、撮像動作を開始する。尚、信号φＶ，φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５をＯＦＦの状態とする。このとき、信号φＶPSをＶＭとしてＭＯＳトランジスタＴ１を動作させることで、フォトダイオードＰＤで入射光量に応じた光電荷が発生し、ＭＯＳトランジスタＴ１に入射光量に応じた光電流が流れる。
【０１０８】
即ち、第２の実施形態と同様、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態となるため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに、入射光量の積分値に線形的に比例した電圧値が現れる。又、被写体の輝度が高いと、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに、入射光量の対数変換値の積分値に比例した電圧値ＣＶが現れる。
【０１０９】
このようにして、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをハイ、ローとすることで、撮像動作を開始して、入射光量に応じた電圧値がキャパシタＣに蓄電されると、次に、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングで、信号φＯＧ，φＴＧそれぞれをロー、ハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ１３ａをＯＮとするとともにＭＯＳトランジスタＴ１１ａをＯＦＦし、更に、信号φＶPSをＶＬとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。
【０１１０】
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ１１ａをＯＦＦとして、フォトダイオードＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びソースとの電気的な接続を切断し、ＭＯＳトランジスタＴ１３ａをＯＮとして、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を放電する。又、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとすることで、第２の実施形態と同様、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとして、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとによる積分動作を停止させ、コンデンサＣに蓄積された電荷が保持される。
【０１１１】
その後、全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、すぐに、信号φＶPSをＶＭに戻すが、第４の実施形態における第２の動作例と同様、ＭＯＳトランジスタＴ１１ａがＯＦＦであるため、フォトダイオードＰＤａで発生した光電荷が、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びゲートの接続ノード部分（浮遊拡散層ＦＤ）に流れ込むことがない。又、この浮遊拡散層ＦＤが浮遊状態であるため、その電圧値の変化は小さい。
【０１１２】
この全画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて同一タイミングによる撮像動作が終了すると、第２の実施形態と同様、行毎に、画像信号とノイズ信号の出力を行う。即ち、まず、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、電圧信号となる画像信号を出力信号線１４に出力する。そして、ハイとなるパルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２とキャパシタＣとの接続ノードの電圧値をリセットする。その後、再び、ハイのパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、リセットしたキャパシタＣの電圧に応じた値となるノイズ信号を出力信号線１４に出力する。
【０１１３】
このように、上述の各実施形態に示すような構成となる画素を備えた固体撮像装置によると、全画素同時に撮像動作（光電変換及び積分動作）を行い、グローバルシャッタモードによる撮像を実現することができる。尚、信号の読み出しについては、光電変換及び積分動作と同時に行うことができないが、例えば、ＶＧＡ（Video Graphics Array）画素による固体撮像装置の場合、総画素数が３１万画素程度であるため、４０ＭＨｚのデータレートで画像信号を読み出すとすると、その読出に要する時間が１／１００秒以下となる。しかしながら、通常の積分時間が１／３０秒程度であり、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置の場合、分割して読み出すことで実効的な読み出しのデータレートを向上させることが容易であるため、信号の読み出しが同時に行えなくても、その撮影速度に大きな影響を与えることはない。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】は、本発明の各実施形態で共通の構成となる固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】は、第１の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図３】は、図２の画素における撮像動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図４】は、第２の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図５】は、図４の画素における撮像動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図６】は、第３の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図７】は、図６の画素における撮像動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図８】は、第４の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図９】は、図８の画素による第１の動作例における撮像動作の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図１０】は、図８の画素による第２の動作例における撮像動作の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図１１】は、第５の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図１２】は、図１１の画素における撮像動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。
【図１３】は、従来の固体撮像装置における画素内の光電変換部分の基本回路を示す回路図である。
【図１４】は、従来の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図１５】は、従来の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図１６】は、従来の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。
【図１７】は、図１６の構成の画素における埋込型フォトダイオード周辺の構造を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１１    垂直走査回路
１２    水平走査回路
１３−１〜１３−ｎ    ライン
１４−１〜１４−ｍ    出力信号線
１５    電源ライン
１６−１〜１６−ｍ    定電流源
１７−１〜１７−ｍ    サンプルホールド回路
１８    補正回路
２０    Ｐ型層
２１    Ｎ型埋込層
２２，２４    絶縁膜
２３，２５    ゲート電極
３０    Ｐ型基板
３１    Ｐ型ウェル層
ＦＤ    Ｎ型浮遊拡散層
ＰＤ    フォトダイオード
ＰＤａ    埋込型フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６，Ｔ１１〜Ｔ１３    ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２ａ，Ｔ５ａ，Ｔ１１ａ，Ｔ１３ａ    ＭＯＳトランジスタ
ＴＧ    転送ゲート
ＲＧ    リセットゲート
【図１】
2008283593.tif 000009
【図２】
2008283593.tif 000010
【図３】
2008283593.tif 000011
【図４】
2008283593.tif 000012
【図５】
2008283593.tif 000013
【図６】
2008283593.tif 000014
【図７】
2008283593.tif 000015
【図８】
2008283593.tif 000016
【図９】
2008283593.tif 000017
【図１０】
2008283593.tif 000018
【図１１】
2008283593.tif 000019
【図１２】
2008283593.tif 000020
【図１３】
2008283593.tif 000021
【図１４】
2008283593.tif 000022
【図１５】
2008283593.tif 000023
【図１６】
2008283593.tif 000024
【図１７】
2008283593.tif 000025