(57)【要約】【課題】固体撮像装置のＰＤばらつきに起因する固定パターンノイズを低減させ、ダイナミックレンジを拡大させること。【解決手段】光電変換部（ＰＤ１）の信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送スイッチ部（２）と、光電変換部から転送された信号電荷を保持する浮遊拡散領域（ＦＤ７）と、光電変換部（ＰＤ１）と浮遊拡散領域（ＦＤ７）をリセットするリセット電源供給部（９，１３）と、浮遊拡散領域（ＦＤ７）とリセット電源供給部（９，１３）との接続をオン・オフスイッチするリセットスイッチ部（３）とを有し、リセット電源供給部（９，１３）を外部から制御可能とすることにより、光電変換部（ＰＤ１）と浮遊拡散領域（ＦＤ７）のリセット電位を変更可能（Ｖｒｓｔ１，  Ｖｒｓｔ２）とする。【選択図】        図１
2004282554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像信号を撮像入力して外部に読み出す固体撮像装置において、
光信号を信号電荷に変換する光電変換手段と、
前記信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送スイッチ手段と、
前記光電変換手段から転送された信号電荷を保持する電荷保持手段と、
前記光電変換手段と前記電荷保持手段をリセットするリセット電源供給手段と、
前記電荷保持手段と前記リセット電源供給手段との接続をオン・オフスイッチするリセットスイッチ手段と、
前記電荷保持手段に転送された信号電荷を増幅する信号増幅スイッチ手段と、
前記信号増幅スイッチ手段を介して増幅された信号電荷を画像信号として外部に読み出すための選択スイッチ手段とを有し、
前記リセット電源供給手段を外部から制御可能とすることにより、前記光電変換手段と前記電荷保持手段のリセット電位を変更可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記リセット電源供給手段は、前記電荷保持手段のリセット電位とする第１のリセット電圧と、前記光電変換手段に電荷を充填して前記光電変換手段を電荷飽和状態にする第２のリセット電圧の２種類のリセット電位を設定する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記リセット電源供給手段は、前記光電変換手段から前記電荷保持手段に信号電荷を転送した直後に、前記光電変換手段に電荷を充填して飽和させる前記第２のリセット電圧に設定して電圧供給する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記電荷保持手段のリセット直後に読み出されるノイズ信号と、前記光電変換手段から信号電荷を転送後に読み出される画像信号と、前記光電変換手段に電荷を充填後に電荷転送される飽和信号の３種類の出力信号を読み出す請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電荷保持手段のリセット直後に読み出されるノイズ信号と、前記光電変換手段から信号電荷を転送後に読み出される画像信号と、前記光電変換手段に電荷を充填後に前記電荷保持手段をリセットした直後に読み出される第２のノイズ信号と、前記光電変換手段に充填された電荷を前記電荷保持手段に転送した直後に読み出される飽和信号の４種類の出力信号を読み出す請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換手段に電荷を蓄積する期間において、前記転送スイッチ手段のオフ電圧を任意の電圧に設定可能な制御パルス発生部を有する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換手段に電荷を蓄積する期間において、前記転送スイッチ手段のオフ電圧が前記光電変換手段の電源電位より僅かに低い請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記光電変換手段に電荷を蓄積する期間において、前記転送スイッチ手段のオフ電圧が、前記光電変換手段の電源電位を撮像対象に応じて調整することにより設定された請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光電変換手段をリセットする第２のリセットスイッチ手段を有する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２のリセットスイッチ手段が、飽和リセット電位を供給する電源に接続された請求項９記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージスキャナー等の画像入力装置に用いられる固体撮像装置において、固体撮像素子の非線形領域を用いてダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体撮像装置の駆動では、先ず、リセットスイッチ（ＭＯＳトランジスタ）のゲートにオン・パルスを入力して、浮遊拡散領域ＦＤを基準電圧にリセットする。次に、転送スイッチ（ＭＯＳトランジスタ）のゲートにオン・パルスを入力して、フォトダイオード等の光電変換部ＰＤをリセットする。この時、リセットスイッチはオンしたままであるので、光電変換部ＰＤの電荷をフローテフィングデヒュージョン部（以後、「浮遊拡散領域」または「ＦＤ」と呼ぶ）に転送する。そして、転送スイッチをオフして、光電変換部ＰＤと浮遊拡散領域ＦＤを分離する。光電変換部ＰＤに残留していた電荷は全て浮遊拡散領域ＦＤに転送されているので、光電変換部ＰＤのｎ層は完全に空乏化する。この転送スイッチのオフによって、光電変換部ＰＤへの光電荷の蓄積が始まる。
【０００３】
続いて、リセットスイッチをオフし、一定時間電荷の蓄積を行った後、転送スイッチを再びオンして、光電変換部ＰＤに蓄積された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する。そして、転送スイッチをオフした後、選択スイッチのゲートに選択パルスを入力して増幅部トランジスタにより増幅された信号を読み出す。光電変換部ＰＤに残留した電荷は、上述したリセット動作を再び行うことで除去される。これにより、ノイズ信号と画像信号を続けて出力することができるため、後段のノイズキャンセル回路で演算処理を行うことにより、暗時ノイズを削減した画像信号を得ることができ、飽和信号振幅と暗時ノイズの比で定義されるダイナミックレンジを拡大することが図られている。
【０００４】
しかしながら、このような従来の固体撮像装置においては、飽和ばらつきによって飽和信号振幅が制限されており、実際の飽和信号の約１／２から１／３のみが飽和信号振幅として利用されている。このため、飽和ばらつきがダイナミックレンジを制限していた。
【０００５】
これに鑑み、従来、飽和ばらつきを補正することにより飽和信号振幅を拡大してダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置が提案されている。この従来構成では、飽和ばらつきを抑制するために、半導体基板から電荷を逆注入して飽和信号を取得し、得られた飽和信号と画像信号との演算により飽和ばらつきを補正し、飽和信号振幅を拡大することによりダイナミックレンジの広い画像信号を取得していた。さらに、画像信号の飽和後の非線形特性を使って入射光量に対するダイナミックレンジをさらに拡大していた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２０１３００号公報（図１〜８）
【特許文献２】
特開２００１−０９４８８０号公報（図１〜８）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来構成の固体撮像装置では、飽和ばらつきを抑制するために、半導体基板から電荷を逆注入して飽和信号を取得し、得られた飽和信号と画像信号との演算により飽和ばらつきを補正しているので、このような構成例の場合、得られた飽和信号は画像信号データと同一のフレーム内に出力することができない。そのため、飽和信号データを一旦外部のフレームメモリに記憶しておき、画像信号データを取得後に演算処理を行う必要があった。さらに、固体撮像装置が飽和後に示す非線形特性は、半導体プロセス条件により決定されるため、装置毎にばらつきがあり、さらに、撮影条件に応じて画像の調整ができないといった問題があった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、画素からの出力信号と飽和信号を続けて出力することができ、飽和ばらつきを抑制した画像信号を得ることを目的とする。また、飽和特性の非線形特性を利用することによりダイナミックレンジの広い画像信号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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、画像信号を撮像入力して外部に読み出し、光信号を信号電荷に変換する光電変換手段と、信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送スイッチ手段と、光電変換手段から転送された信号電荷を保持する電荷保持手段とを備える。固体撮像装置は、さらに、光電変換手段と電荷保持手段をリセットするリセット電源供給手段と、電荷保持手段とリセット電源供給手段との接続をオン・オフスイッチするリセットスイッチ手段と、電荷保持手段に転送された信号電荷を増幅する信号増幅スイッチ手段と、信号増幅スイッチ手段を介して増幅された信号電荷を画像信号として外部に読み出すための選択スイッチ手段とを有し、リセット電源供給手段を外部から制御可能とすることにより、光電変換手段と電荷保持手段のリセット電位を変更可能としたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、リセット電源９を外部から制御可能としたことで、固体撮像装置の光電変換部ＰＤばらつきに起因する固定パターンノイズを低減でき、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図１１を用いて本発明の実施の形態について詳述する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。
【００１２】
（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について、図１乃至図６を参照して以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の１画素分に対応する回路図、図２はその駆動タイミングを示すタイミングチャート、図３及び図４は、図１の回路が組込まれた半導体デバイスの概略断面構成による動作時のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００１３】
図１に示す基本構成において、１は光信号を信号電荷に変換するフォトダイオード部（以後、単に「ＰＤ」と略称する）、２はＰＤ１により光電変換された信号電荷の転送をオン・オフスイッチする転送トランジスタ、７はＰＤ１から転送された信号電荷を保持する容量手段を含むフロティングディヒュージョン部（以後、単に「ＦＤ」と略称する）であり、ＰＤ１のカソードは転送トランジスタ２を介してＦＤ７に接続されている。３はＦＤ７とリセット電源９との接続をオン・オフスイッチするリセットトランジスタ、４はＦＤ７に転送された信号電荷を電圧に変換してＦＤ７の電位を読み出すための信号増幅トランジスタ（ソースフォロアＳＦ）、５は画像信号を外部に読み出すための選択トランジスタ、６は信号増幅トランジスタ４を介して読み出した画像信号を外部に出力する垂直信号線、８はＰＤ１の電源、９はリセット電圧Ｖｒｓｔを発生してＰＤ１とＦＤ７のリセット電位を決めるリセット電源、１０は信号増幅トランジスタ４の出力特性を決めるソースフォロア（ＳＦ）電源、１１は転送トランジスタ２の制御線、１２は転送トランジスタ２のゲート制御用パルスφｔｘを発生する制御パルス発生部、１３はリセット電源９と接続するリセット電源線、１４はリセットトランジスタ３を制御するためのリセット制御パルスφｒｓｔを送信するリセット制御線、１５は選択トランジスタ５のゲート制御用パルスφｓｅｌを送信する読み出し制御線、１９は信号容量等のアナログラッチ部１９である。
【００１４】
本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ２の制御パルス電圧φｔｘは変更することができるように構成されており、転送トランジスタ２のオフ電圧を調整することによりその障壁電圧を調整している。
【００１５】
上記構成の固体撮像装置の駆動動作について、図２乃至図４を参照して以下にに説明する。先ず、ＰＤリセット期間Ｐ１において、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３を同時にオン（φｔｘ＝ハイレベルΔＶｇ、φｒｓｔ＝ハイレベル）にしてＰＤ１をリセットする。この時のポテンシャルプロファイルは、図３（１）に示すように、ＰＤ１の残留電荷は全てＦＤ７に転送されるため、ＰＤ１は完全に電荷空乏化状態になる。この時のＰＤ電位を空乏化電位と呼び、電圧電位Ｖｄｅｐで表すものとする。
【００１６】
次に、電荷蓄積期間Ｔｅに入ると、図３（２）の斜線部で示すように、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３をオフして、ＰＤ１に入射光量に応じた信号電荷を蓄積する。電荷蓄積期間Ｔｅ中のＦＤリセット期間Ｐ２において、図３（３）の斜線部で示すように、リセットトランジスタ３をオンして、ＦＤ７をリセット電源９から供給される高レベルのリセット電源電位Ｖｒｓｔ１と同電位とする。
【００１７】
その後、ノイズ読み出し期間Ｐ３においては、図３（４）に示すように、リセットトランジスタ３はオフとされており、ＦＤ７の電位は信号増幅トランジスタ４により増幅され、選択トランジスタ５をオンとすることで、垂直出力線６から読み出し信号が出力される。この時の垂直出力線６から出力される信号が、基準レベルとなるノイズ出力（Ｖｂ１）である。このノイズ出力（Ｖｂ１）は、ＦＤ７をリセットする際に発生するリセットノイズ成分や半導体製造ばらつきに起因する固定パターンノイズを含む信号である。
【００１８】
次に、期間Ｐ１から一定の電荷蓄積時間Ｔｅ経過後の信号電荷転送期間Ｐ４においては、図３（５）に示すように、転送トランジスタ２をオンすることで、ＰＤ１に蓄積された信号電荷がＦＤ７に転送される。この時のＦＤ７の電位も、先のノイズ読み出し期間Ｐ３において読み出した黒レベル信号のノイズ出力（Ｖｂ１）と同様にして読み出される（期間Ｐ５）。
【００１９】
即ち、ＰＤ１からＦＤ７に転送された信号電荷の電位は、信号読み出し期間Ｐ５において、図３（６）に示すように、信号増幅トランジスタ４により増幅され、選択トランジスタ５をオンとすることで、垂直出力線６から出力される。この時の垂直出力線６から出力される信号（電圧）が、入射光量に依存する信号成分Ｖｓ１となる。この信号成分（Ｖｓ１）と前述の黒レベル信号のノイズ出力（Ｖｂ１）との差分（Ｖｓ１−Ｖｂ１）を公知の差分演算手段（不図示）により得ることにより、リセットノイズ成分や固定パターンノイズを抑制した出力信号Ｖｓｉｇが同一画素から連続して得られる。このようにして得られた出力信号Ｖｓｉｇは、固体撮像装置に入射した光量に比例して変化し、入射光量に対する出力信号Ｖｓｉｇの関係を図４に示している。
【００２０】
図５に示すように、撮像素子に入射する光量が低い領域、即ち、ＰＤ１が蓄積電荷の飽和状態に達していない線形領域では、撮像素子から得られる出力信号Ｖｓｉｇは入射光量に対し線形に変化する。ＰＤ１に蓄積される信号電荷が飽和電荷数Ｑｍａｘ（蓄積可能な最大電荷数）に近づくに従い、非線形応答を示すようになる。従って、固体撮像装置の実効的な動作領域は、図５に示すように、飽和電荷数Ｑｍａｘの１／２程度となる。また、入射光量がさらに強くなると、出力信号Ｖｓｉｇは入射光量に対し非線形に応答することが知られている（「ニー特性」と呼ばれる折れ線特性）。
【００２１】
この非線形領域では、固体撮像装置の出力信号Ｖｓｉｇは入射光量の対数成分に比例する。このような非線形特性を示す領域も実効的に使用することができれば、光量範囲の６桁以上の広いダイナミックレンジを実現することができる。しかし、この飽和領域では、ＰＤ１の容量Ｃｐｄおよび空乏化電圧Ｖｄｅｐのばらつきに起因する飽和電荷ばらつきがあるため、図４に示すように飽和特性を示す光量付近から固定パターンノイズが増大する。従って、非線形領域も実効的に使用するためには、飽和電荷ばらつきによるノイズ成分を除去することが必要となる。
【００２２】
このような飽和領域のばらつきによるノイズ成分を除去するための回路動作について以下に説明する。再び図２、図３及び図４を参照して、前述の期間Ｐ５で信号出力Ｖｓ１を読み出した後、ＰＤ飽和リセット期間Ｐ６において、図４（７）に示すように、リセット電源９の電圧Ｖｒｓｔを、ＰＤ１の電源（８）の電圧（例えば、ＧＮＤ）、好ましくは、転送トランジスタ２のオフ電圧に相当するリセット電位Ｖｒｓｔ２（ＧＮＤ＜Ｖｒｓｔ２＜Ｖｒｓｔ１）に設定する。リセット電源９をリセット電位Ｖｒｓｔ２に設定した後、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３を同時にオンとすることで、ＰＤ１を上記リセット電位Ｖｒｓｔ２と同電位の飽和電圧にリセットすることができる。
【００２３】
次に、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３の両方をオフし、リセット電源９の電位を、前述のＦＤリセット期間Ｐ２においてリセットしたＦＤ７のリセット電位Ｖｒｓｔ１に戻す。そして後段のＦＤリセット期間Ｐ７において、図３Ｂ（８）に示すように、リセットトランジスタ３をオンし、ＦＤ７をリセット電源９と同電位のリセット電位Ｖｒｓｔ１にリセットする。
【００２４】
その後、この時のＦＤ７の電位は、先のノイズ読み出し期間Ｐ３において読み出した黒レベル信号のノイズ出力（Ｖｂ１）と同様にして読み出される。即ち、ＦＤ７のリセット電位Ｖｒｓｔ１は、後段の信号（ノイズ）読み出し期間Ｐ８において、図４（９）に示すように、リセットトランジスタ３をオフし、信号増幅トランジスタ４により増幅され、選択トランジスタ５をオンとすることで、垂直出力線６から出力される。この時の垂直出力線６から出力される信号（電圧）Ｖｂ２が、飽和レベル出力の基準となるノイズ出力である。
【００２５】
次に、飽和電荷転送期間Ｐ９においては、図４（１０）に示すように、転送トランジスタ２をオンすることで、ＰＤ１に蓄積された飽和電荷がＦＤ７に転送される。この時のＦＤ７の電位も、ノイズ読み出し期間Ｐ８において読み出したノイズ出力（Ｖｂ１）と同様にして読み出される。
【００２６】
即ち、ＰＤ１からＦＤ７に転送された飽和電荷の電位は、飽和読み出し期間Ｐ１０において、図４（１１）に示すように、信号増幅トランジスタ４により増幅され、選択トランジスタ５をオンとすることで、垂直出力線６から出力される。この時の垂直出力線６から出力される信号（電圧）Ｖｓ２が、ＰＤ１の飽和電荷量に依存する画像信号となる。この画像信号成分（Ｖｓ２）と前述のノイズレベル出力（Ｖｂ２）との差分（Ｖｓ２−Ｖｂ２）をとることにより、リセットノイズ成分や固定パターンノイズを抑制した飽和出力信号Ｖｓａｔが同一画素から連続して得られる。
【００２７】
以上説明したように、図１に示す回路構成の固体撮像装置を図２に示す動作タイミングで駆動することにより、垂直出力線６から４種類の出力信号Ｖｏｕｔ、即ち、（１）第１のノイズ出力Ｖｂ１（線形及び非線形領域）、（２）ＰＤ蓄積画像出力Ｖｓ１（線形及び非線形領域）、（３）第２のノイズ出力Ｖｂ２（飽和領域）、（４）ＰＤ飽和出力Ｖｓ２（飽和領域）、を得ることができる。このように本実施の形態１による固体撮像装置では、各画素のＰＤ１の飽和出力信号Ｖｓａｔ（＝Ｖｓ２−Ｖｂ２）を各画素毎に出力することが可能となり、信号読み出し期間Ｐ５で得られた出力信号Ｖｓｉｇと、飽和読み出し期間Ｐ１０で得られた各画素のＰＤ１の飽和出力Ｖｓａｔの２種類の信号を得ることができる。
【００２８】
これにより、図５に示すような、飽和領域においても画素間のばらつきに起因する固定パターンノイズを削減することができ、従って、非線形領域も実効的に使用することが可能となり、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００２９】
次に、上記２つの出力信号ＶｓｉｇとＶｓａｔを使用して、図５に示すような飽和領域のばらつきを補正する方法について、さらに詳細に説明する。先に説明したように、２種類の出力信号ＶｓｉｇとＶｓａｔは同一画素から連続して得られる。従って、従来のように固体撮像装置以外にメモリ等の外部記憶装置を設ける必要がなく、撮像素子内部に例えば信号容量等のアナログラッチ部１９を備えることにより、信号出力Ｖｓｉｇと飽和出力Ｖｓａｔの比較を容易に行うことができる。
【００３０】
Ｖｓｉｇ＜Ｖｓａｔとなる線形領域の場合では、信号出力Ｖｓｉｇをそのまま信号出力ＶＳＩＧとする。一方、Ｖｓｉｇ＞Ｖｓａｔの飽和領域の場合では、信号出力Ｖｓｉｇは飽和ばらつきを含むため、両信号の差分（Ｖｓｉｇ−Ｖｓａｔ）を求めることにより飽和ばらつきを補正し、さらにＤＣ成分を補正するためにＶｓａｔの平均値（／Ｖｓａｔと記載する）を求め、これを先に求めた差分（Ｖｓｉｇ−Ｖｓａｔ）に加算する。よって、信号出力ＶＳＩＧは、ＶＳＩＧ＝Ｖｓｉｇ−Ｖｓａｔ＋  ／Ｖｓａｔにより得られる。
【００３１】
この時の入射光量に対する信号出力ＶＳＩＧの関係及び入射光量に対する固定パターンノイズの関係を図６に示す。図６からわかるように、入射光に対する出力応答は図４に示す従来と同じ応答特性を維持できるとともに、固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を従来よりも遥かに低減することができる。よって、固体撮像装置のＰＤ１の飽和領域まで動作領域として使用することが可能となり、ダイナミックレンジを大幅に拡大できる。
【００３２】
なお、好ましい実施例では、ＰＤ１に電荷を蓄積する期間において、転送トランジスタ２のオフ電圧がＰＤ１の電源８電位より僅かに低く設定してもよい。または、転送トランジスタ２のオフ電圧を、ＰＤ１の電源（８）電位を撮像対象に応じて調整することにより設定してもよい。これにより、ＰＤ１から転送された電荷を蓄積するＦＤ７に、ＰＤ１においてオーバーフローした電荷を流し出し、固体撮像装置の感度特性が飽和領域において対数特性を示すことができる。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図７乃至図１０を参照して、以下に説明する。本実施の形態２では、実施の形態１で説明した図５に示す入射光量に対する出力信号の応答特性について、その動作原理を説明するものである。実施の形態１で説明したように、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３を同時にオンすることで、ＰＤ１の残留電荷をＦＤ７に引き抜くことによりＰＤ１をリセットすることができる。
【００３４】
次に、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ３をオフにした状態からＰＤ１は電荷蓄積を開始する。そのときの暗時、低照度のポテンシャルプロファイルを図６（１）に示す。このとき、ＰＤ１の初期電位Ｖｄｅｐ（空乏化電位）は、固体撮像装置の製造工程におけるＰＤ注入工程の注入ドーズ量や注入エネルギーによって決定される。ＰＤ１に入射する光は、ＰＤ１の空乏層において光電変換される。ＰＤ１に蓄積することができる最大電荷量Ｑｍａｘは、転送トランジスタ２のゲート化に形成される障壁電圧ＶｂｒやＰＤ１の電源８の電位によって決定される。本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ２の制御パルス電圧φｔｘを変更することができるため、トランジスタ２のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Ｖｂｒを調整することができる。
【００３５】
固体撮像装置への入射光量がＰＤ１を飽和させない程度の低照度から中間照度に移行した場合、発生する光電流（光電荷）は入射光量に比例する線形領域であるため、ＰＤ１の初期電位Ｖｄｅｐ（空乏化電位）からの変化量Ｖｐｄは、下記の式（１）で決定される（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ｖｏｌ．  ４２，  ｐｐ．  ６５２−６５５  参照）。
Ｖｐｄ  ＝  −Ｉｐｈ  ×  Ｔｅ  ／  Ｃｐｄ          （１）
ただし、Ｉｐｈは光電流、Ｔｅ  は電荷蓄積時間、ＣｐｄはＰＤ１の容量である。
【００３６】
このときのポテンシャルプロファイルを図７（２）に示す。ＰＤ１の蓄積電荷量が増加するにともない、ＰＤ電位の変化量Ｖｐｄ相当分だけ障壁電圧Ｖｂｒが減少する。このとき転送トランジスタ２の電位障壁を超えてＦＤ７に流れ込むリーク電流Ｉｅｘは、下記の式（２）で表される。
Ｉｅｘ  ＝  Ｉｏ  ×  ｅｘｐ（−β・Ｖｐｄ）      （２）
ただし、Ｉｏは定数、βはｑ／ｋＴである。
【００３７】
この式（２）からわかるように、変化量Ｖｐｄが増加してＰＤ１がほぼ飽和する高照度・飽和領域の状態では、障壁電圧Ｖｂｒが減少して０に近づき（〜０）、リーク電流Ｉｅｘが急激に増加する。このときのポテンシャルプロファイルを図６（３）に示し、光電流Ｉｐｈとリーク電流Ｉｅｘがほぼ等しくＩｐｈ≒Ｉｅｘの関係を満たし、ＰＤ１の電位変化量Ｖｐｄは下記の式（３）で表される。
Ｖｐｄ  ＝  −ｌｏｇＩｅｘ  ／  β  ＋  ｌｏｇＩｏ  ／  β      （３）
式（１）、（３）からわかるように、ＰＤ１の蓄積電荷数Ｑｐｄと飽和電荷数Ｑｍａｘの関係が、Ｑｐｄ＜Ｑｍａｘのときは固定撮像素子の応答特性は線形となり、Ｑｐｄ≒Ｑｍａｘのときは固定撮像素子の応答は対数特性を示す。これらの応答特性を図８に示す。
【００３８】
図９に示すように、ＰＤ１の飽和付近で応答特性が折れ曲がる「ニー特性」が現れる。本発明の固体撮像装置では、転送トランジスタ２のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Ｖｂｒを調整できるため、線形特性から対数特性に切り替わる折れ点位置を調整することができる。図８に示す例では、転送トランジスタ２のオフ電圧を調整することにより、障壁電圧Ｖｂｒを０．８Ｖと１．０Ｖと１．２Ｖの３通りに変化させた場合を示している。
【００３９】
なお、図８に示すポテンシャルプロファイルは、転送トランジスタ２の障壁電圧Ｖｂｒを図７に示す場合よりも小さく設定した例を示す。この場合は、図８（２）に示すように、中間照度の信号電荷蓄積期間において、変化量Ｖｐｄが僅かに増加するだけでＰＤ１がほぼ飽和する飽和領域の状態となり、障壁電圧Ｖｂｒが減少して０に近づき（〜０）、リーク電流Ｉｅｘが急激に増加する。その他の動作は図７の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００４０】
図１０は、図９の対数特性を分かり易く表すために、縦軸をリニアスケールとして対数領域の特性を表示したものである。図１０から明らかなように、障壁電圧Ｖｂｒを変更することにより、固体撮像装置の感度特性を変更することができ、撮像対象の画像のコントラストを調整できる。例えば、障壁電圧Ｖｂｒを下げることにより、対数領域を大きくとることにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、線形領域を大きくとることにより、低照度領域のコントラストを向上させることもできる。
【００４１】
（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について図１１を参照して以下に説明する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の基本構成を示す回路図である。その基本構成、動作原理は実施の形態１と同様であり、相違点は、図１に示す実施の形態１では、リセットトランジスタ３を介してリセット電源９でＰＤ１を飽和電圧に充電していたが、本実施の形体では、図１１に示すように、飽和電圧に充電するための飽和リセットトランジスタ１６を、ＰＤ１のカソードとリセット電源線１３間に接続し、飽和リセット制御線１７から飽和リセット制御信号を飽和リセットトランジスタ１６のゲートに入力する構成としてもよい。
【００４２】
上記構成により、転送トランジスタ２を介さずにＰＤ１を飽和電圧までリセットすることができ、転送トランジスタ２のゲート電圧を一定にした状態で飽和電圧を出力でき、実施の形態１の場合よりも精度よく飽和信号を出力することができる。
【００４３】
（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について図１２を参照して以下に説明する。図１２は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の基本構成を示す回路図である。その基本構成、動作原理は実施の形態１、３と同様であり、相違点は、図１、図１１に示す実施の形態１、３では、リセット電源９からのリセット電源線１３はＦＤ７とＰＤ１に共用され、リセット電圧Ｖｒｓｔ１がＦＤ７に、飽和電圧Ｖｒｓｔ２がＰＤ１に供給されていたが、本実施の形体４では、図１２に示すように、飽和リセット電源線１８をＰＤ１の飽和電圧供給専用に設けた構成としている。
【００４４】
上記構成により、ＦＤ７とＰＤ１のリセット電源を互いに独立して供給できるため、電源線１３，１８の電位を変更する必要がなく、実施の形態１、３の場合よりも精度よく飽和信号を出力することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、画素からの出力信号と飽和信号を続けて出力することができ、飽和ばらつきを抑制した画像信号を得るとともに、飽和特性の非線形特性を利用することによりダイナミックレンジの広い画像信号を得ることができる固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の１画素分に対応する回路図。
【図２】図１の回路構成の動作を示すタイミングチャート。
【図３】図１の回路構成の動作時のポテンシャルプロファイルの前半部を示す図。
【図４】図１の回路構成の動作時のポテンシャルプロファイルの後半部を示す図。
【図５】図１の回路構成の飽和領域ばらつきを補正する動作を説明するための入射光量に対する信号出力の関係を示すグラフ図。
【図６】図１の回路構成の飽和領域ばらつきを補正する動作を説明するための入射光量に対する信号出力及び固定パターンノイズの関係を示すグラフ図。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の動作時のポテンシャルプロファイルの例を示す図。
【図８】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の動作時のポテンシャルプロファイルの他の例を示す図。
【図９】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の入射光量に対する応答特性を示すグラフ図。
【図１０】図８の対数特性において縦軸をリニアスケールとして対数領域の特性を表したグラフ図。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の１画素分に対応する回路図。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の１画素分に対応する回路図。
【符号の説明】
１  フォトダイオードＰＤ、    ２  転送トランジスタ、    ３  リセットトランジスタ、    ４  信号増幅トランジスタ、    ４ａ，４ｂ  金属反射板、  ５  選択トランジスタ、    ６  垂直信号線、    ７  浮遊拡散領域ＦＤ、  ８  ＰＤ１の電源、    ９  リセット電源、    １０  ソースフォロア（ＳＦ）電源、    １１  制御線、    １１ａ  基板面、    １１ｂ  段差平坦部、  １２  制御パルス発生部、    １３  リセット電源線、    １４  リセット制御線、    １５  読み出し制御線、    １６  飽和リセットトランジスタ、    １７  飽和リセット制御線、    １８  飽和リセット電源線、    １９  アナログラッチ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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