(57)【要約】【課題】  回路規模の増大を抑制しながらも、増幅型固体撮像装置における飽和電荷を拡大できるようにする。【解決手段】  増幅型固体撮像装置の画素１において、フォトダイオード２に蓄積した信号電荷を増幅用トランジスタ３のゲートに転送する転送動作時には、信号出力線１２に電源電圧を供給するようにして、信号出力線１２の電位変化により、信号出力線１２と容量結合されている、増幅用トランジスタ３のゲートに信号電荷を供給するためのＦＤ部４の電位を上げ、飽和電荷を大きく設定することができるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、
上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時には、上記信号出力線に所定の電位を供給することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記所定の電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に電位が変化する方向とは反対方向の電位差を上記リセット電位に対して有する電位であ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】
上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするリセット動作時と、上記転送動作時とで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に異なる電位を供給す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】
上記転送動作時に上記電源供給端子に供給する電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に電位が変化する方向とは反対方向の電位差を、上記リセット動作時に上記電源供給端子に供給する電位に対して有する電位であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、
上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするリセット動作時と、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時とで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に異なる電位を供給することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
上記転送動作時に上記電源供給端子に供給する電位は、上記増幅用トランジスタの制御電極のリセット電位に対して上記増幅信号出力時に電位が変化する方向とは反対方向の電位差を、上記リセット動作時に上記電源供給端子に供給する電位に対して有する電位であ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】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、
上記転送用トランジスタがオン状態であるときには、上記信号出力線に所定の電位を供給することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
上記リセット用トランジスタがオン状態であるときと、上記転送用トランジスタがオン状態であるときとで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に異なる電位を供給することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、
上記フォトダイオードのカソードに第１のトランジスタを介してゲートが接続され、電源を供給するための電源配線にドレインが接続され、増幅信号を出力するための信号出力線に対してソースが接続された第２のトランジスタと、
上記電源配線にドレインが接続され、上記第２のトランジスタのゲートにソースが接続された第３のトランジスタと、
上記第２のトランジスタのゲートに一方の電極が接続され、上記信号出力線に他方の電極が接続された第１の容量とを有する単位画素を複数配列するとともに、
上記信号出力線にドレインが接続され、電源端子にソースが接続された第４のトランジスタを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
上記単位画素は、上記電源配線に一方の電極が接続され、上記第２のトランジスタのゲートに他方の電極が接続された第２の容量をさらに有し、
上記電源配線にドレインが接続され、第１の電源端子にソースが接続された第５のトランジスタと、
上記第１の電源端子から供給される電位とは異なる電位を供給する第２の電源端子にドレインが接続され、上記電源配線にソースが接続された第６のトランジスタとをさらに備え、
上記第５のトランジスタのゲートと上記第６のトランジスタのゲートとが、制御線に共通接続されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列して成る固体撮像装置の駆動方法であって、
上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時には、上記信号出力線の電位を所定の電位に設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列して成る固体撮像装置の駆動方法であって、
上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするリセット動作時と、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時とで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に供給される電位を異なる電位に設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
光学像を上記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、
上記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及びカメラに関し、特に、ＣＭＯＳセンサ等の増幅型固体撮像装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から固体撮像装置としては、得られる信号のＳＮ比が良いことからＣＣＤ（charge
coupled device）が多く使われてきた。しかし、一方では消費電力の少なさや使い勝手
の良さを長所とする、いわゆる増幅型固体撮像装置（電荷転送信号増幅型固体撮像装置）の開発も行われてきた。
【０００３】
増幅型固体撮像装置は、入射光によりフォトダイオードに蓄積された信号電荷を画素が備えるトランジスタの制御電極に導き、信号電荷量に応じた出力を上記トランジスタの主電極から増幅して出力するものである。特に、トランジスタとしてＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタを用いたＣＭＯＳ（complementary MOS）センサは、ＣＭＯＳプロセスとのマッチングが良く、それに係る駆動回路及び信号処理回路をオンチップ化することが可能であることから開発に力が注がれている。
【０００４】
図６は、特許文献１に記載されている、従来のＣＭＯＳセンサ画素の構成を示す回路図である。
図６において、１は単位画素である。２は入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオード、３は供給される信号電荷量に応じた増幅信号を出力する増幅用ＭＯＳトランジスタ、４は信号電荷を受け、それを増幅用ＭＯＳトランジスタ３のゲート電極に供給するためのフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ部」とも称す。）、５はフォトダイオード２に蓄積した信号電荷をＦＤ部４に転送するための転送用ＭＯＳトランジスタ、６はＦＤ部４をリセットするためのリセット用ＭＯＳトランジスタ、７は出力画素を選択するための選択用ＭＯＳトランジスタである。
【０００５】
８は転送用ＭＯＳトランジスタ５のゲートにパルスを印加して電荷転送動作を制御するための制御線、９はリセット用ＭＯＳトランジスタ６のゲートにパルスを印加してリセット動作を制御するための制御線、１０は選択用ＭＯＳトランジスタ７のゲートにパルスを印加して選択動作を制御するための制御線である。１１は電源配線であって、増幅用ＭＯＳトランジスタ３のドレイン及びリセット用ＭＯＳトランジスタ６のドレインに接続され、それらに電源電位を供給する。
【０００６】
１２は選択された画素１の増幅信号が出力される信号出力線、１３は定電流源として動作し増幅用ＭＯＳトランジスタ３とソースフォロワを形成するＭＯＳトランジスタ、１４はＭＯＳトランジスタ１３が定電流動作するような電位をＭＯＳトランジスタ１３のゲート電極に供給する配線である。
【０００７】
図７は、図６に示したＣＭＯＳセンサ画素の動作を示すタイミングチャートである。
図７において、ＳＣ、ＲＣ、及びＴＣは、制御線１０、９、８を介してＭＯＳトランジスタ７、６、５に印加される駆動パルス信号であり、ＦＤ及びＳＯは、ＦＤ部４及び信号出力線１２の電位を示したものである。なお、図６におけるＭＯＳトランジスタはＮチャネル型ＭＯＳトランジスタとし、ゲート電位がハイレベル（"Ｈ"）でオン状態になり、ロウレベル（"Ｌ"）でオフ状態になるとする。
【０００８】
まず、信号ＳＣ、ＲＣ及びＴＣがすべて"Ｌ"の状態で、時刻Ｔ３１において、信号ＳＣを"Ｈ"にして選択用ＭＯＳトランジスタ７をオン状態にすると、信号を読み出す画素１が選択される。次に、時刻Ｔ３２において、信号ＲＣがパルス状に"Ｈ"となり（時刻Ｔ３３において"Ｌ"に変化）、リセット用ＭＯＳトランジスタ６がオン状態になることで、ＦＤ部４がリセットされる。増幅用ＭＯＳトランジスタ３と定電流用ＭＯＳトランジスタ１３とでソースフォロワが形成されるから、リセット電位に応じた出力電位が信号出力線１２にあらわれる。
【０００９】
次に、時刻Ｔ３４において、信号ＴＣがパルス状に"Ｈ"となる（時刻Ｔ３５において"Ｌ"に変化）ことによって、転送用ＭＯＳトランジスタ５がオン状態になり、フォトダイオード２に蓄積された信号電荷がＦＤ部４に転送される。すると、この信号電荷量に応じた電圧分ＶｓだけＦＤ部４の電位ＦＤが変化し、その電位変化分が信号出力線１２にもあらわれ、信号出力線１２の電位ＳＯが変化する。その後、時刻Ｔ３６において、信号ＳＣを"Ｌ"にし、選択用ＭＯＳトランジスタ７をオフ状態にする。
【００１０】
ここで、信号出力線１２にあらわれるリセット電位には、増幅用ＭＯＳトランジスタ３の閾電圧値ばらつき及びＦＤ部４をリセットするときのリセット雑音などの雑音がのっているが、信号電荷を転送し終わった後のフォトダイオード２は完全空乏化することで信号電荷が残らない構造になっている。したがって、信号電荷量に対応した電位変化分Ｖｓは雑音を含まないものである。
【００１１】
２次元ＣＭＯＳセンサにおいて、リセット雑音を除去して、信号のみを取り出すための図示しない読み出し回路が、信号出力線１２に接続されている。この読み出し回路には、クランプ回路によって上記雑音を除去するものや、雑音と（雑音＋純粋信号）とを別々に保持してそれぞれ水平走査の読み出し時に最終段の差動アンプに導くことによって雑音を除去するものなど、いくつかの構成が提案されているが詳しい説明は省略する。
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−２７４４５４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０９５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来のＣＭＯＳセンサ画素における飽和電荷量は、信号電荷転送終了時にフォトダイオード２が完全空乏化できる限界で決まる。信号電荷転送終了時点、すなわち制御線８を介して印加する転送用の駆動パルス信号ＴＣにおける"Ｈ"パルス終了時点（図７の時刻Ｔ３５）での転送用ＭＯＳトランジスタ５のチャンネル電位は、フォトダイオード２を完全空乏化するために最低限Ｖｄ必要であるとする。
【００１４】
信号電荷が多い場合には、信号電荷転送終了時点での転送用ＭＯＳトランジスタ５のチャンネル電位はＦＤ部４の電位ＦＤに等しい。よって、ＦＤ部４のリセット電位をＶｒｓとすると、（Ｖｒｓ−Ｖｓ）＞Ｖｄが完全信号転送の条件となる（正確には、リセットパルス（図７のＲＣ参照。）及び転送パルス（図７のＴＣ参照。）の印加により、リセットゲートとＦＤ部４との寄生容量、転送ゲートとＦＤ部４との寄生容量によりＦＤ部４の電位ＦＤが振られる分があるが、ここではその振られ分は省略している。）。
【００１５】
飽和信号に相当するＦＤ部４の信号電位ＦＤをＶｓａｔと仮定すると、（Ｖｒｓ−Ｖｓａｔ）＞Ｖｄが飽和信号電荷を完全転送する条件となり、フォトダイオード２における飽和電荷量を上げると、必然的にＶｄ及びＶｓａｔが高くなるので、上述した完全転送する条件を満足する限界までしかフォトダイオード２の飽和電荷量を上げることができない。
【００１６】
したがって、ＦＤ部４のリセット電位Ｖｒｓを高くすることが、飽和電荷量を上げるための必須条件となるが、リセット電位Ｖｒｓの上限はリセットパルスにおけるハイレベルの電位から、リセット用ＭＯＳトランジスタ６のしきい電圧値を減算した値である。ここで、一般にはパルス信号のハイレベルは、センサの電源電圧である。したがって、飽和電荷量の限界値はセンサの電源電圧に依存し、センサの電源電圧で決まることになり、ダイナミックレンジを拡大することは困難であった。
【００１７】
この問題に対処するため、上記特許文献２には昇圧回路を用いてリセットパルスにおけるハイレベルの電位を高くすることで、ＦＤ部４のリセット電位をより高い電位に設定する方法が提案されている。しかしながら、センサチップ内部に昇圧回路を組み込むと、回路規模が大きくなったり、回路にかかる大きな電圧によってチップの信頼性が落ちたりするなどの欠点があり、簡単な方法で上記問題を解決する必要がある。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回路規模の増大を抑制しながらも、増幅型固体撮像装置における飽和電荷量を拡大できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の固体撮像装置は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時には、上記信号出力線に所定の電位を供給することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列し、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするリセット動作時と、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時とで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に異なる電位を供給することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列して成る固体撮像装置の駆動方法であって、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時には、上記信号出力線の電位を所定の電位に設定することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードからの信号電荷が制御電極に供給され、信号電荷量に応じた増幅信号を信号出力線に対して出力する増幅用トランジスタと、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするためのリセット用トランジスタと、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送するための転送用トランジスタとを有する単位画素を複数配列して成る固体撮像装置の駆動方法であって、上記増幅用トランジスタの制御電極をリセットするリセット動作時と、上記フォトダイオードに蓄積した信号電荷を上記増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時とで、上記増幅用トランジスタの電源供給端子に供給される電位を異なる電位に設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
本発明によれば、フォトダイオードに蓄積した信号電荷を増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時に信号出力線の電位を高い電位にすることで、信号出力線に対して容量結合された、増幅用トランジスタの制御電極が接続されるノードの電位を上げることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、フォトダイオードに蓄積した信号電荷を増幅用トランジスタの制御電極に転送する転送動作時に信号出力線の電位を高い電位にすることで、信号出力線に対して容量結合された、増幅用トランジスタの制御電極が接続されるノードの電位を上げることができ、飽和電荷の限界値を従来よりも上げることができる。したがって、簡単な回路を追加するだけで、より大きな飽和電圧を得ることが可能となり、ダイナミックレンジを高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す等価回路図である。
図１において、単位画素１は、フォトトランジスタ２、増幅用ＭＯＳトランジスタ３、転送用ＭＯＳトランジスタ５、リセット用ＭＯＳトランジスタ６、選択用ＭＯＳトランジスタ７、及び容量１７を有する。また、単位画素１内の４はフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）である。
【００２２】
フォトダイオード２は、入射光によって発生した信号電荷を蓄積する。増幅用ＭＯＳトランジスタ３は、転送用ＭＯＳトランジスタ５及びＦＤ部４を介してフォトダイオード２より供給される信号電荷量に応じた増幅信号を出力する。ＦＤ部４は、フォトダイオード２からの信号電荷を受け、それを増幅用ＭＯＳトランジスタ３のゲート電極に供給するためのものである。
【００２３】
転送用ＭＯＳトランジスタ５は、フォトダイオード２に蓄積した信号電荷をＦＤ部４に転送するためのものであり、リセット用ＭＯＳトランジスタ６はＦＤ部４をリセットするためのものであり、選択用ＭＯＳトランジスタ７は出力画素を選択するためのものである。容量１７は、一方の電極がＦＤ部４に接続され、他方の電極が信号出力線１２に接続されている。すなわち、ＦＤ部４と信号出力線１２は容量結合されている。なお、容量１７は、意図的に形成して組み込まれた容量であっても良いし、寄生容量であっても良い。
【００２４】
また、転送用ＭＯＳトランジスタ５、リセット用ＭＯＳトランジスタ６、及び選択用ＭＯＳトランジスタ７のゲートには、制御線８、９、１０がそれぞれ接続されている。制御線８は、転送用ＭＯＳトランジスタ５のゲートに信号（パルス）を印加して電荷転送動作を制御するための制御線である。制御線９は、リセット用ＭＯＳトランジスタ６のゲートに信号（パルス）を印加してリセット動作を制御するための制御線である。制御線１０は、選択用ＭＯＳトランジスタ７のゲートに信号（パルス）を印加して選択動作を制御するための制御線である。
【００２５】
電源配線１１は、増幅用ＭＯＳトランジスタ３のドレイン及びリセット用ＭＯＳトランジスタ６のドレインに接続され、それらに電源電位を供給する。信号出力線１２は、選択された画素１の増幅信号が出力されるものであり、ＭＯＳトランジスタ１３は、定電流源として動作し増幅用ＭＯＳトランジスタ３とソースフォロワを形成する。ＭＯＳトランジスタ１３のゲートには、ＭＯＳトランジスタ１３が定電流動作するような電位を供給する配線１４が接続されている。
【００２６】
Ｐチャネル型トランジスタ１５は、ゲートに制御線１６が接続され、ドレイン及びソースが信号出力線１２及び電源に接続されている。制御線１６は、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ１５のゲートに信号（パルス）を印加して信号出力線１２の電位を制御するための制御線である。
【００２７】
図１に示した単位画素１を、図２に示すように２次元的マトリックス状に配列することにより２次元固体撮像装置の画素領域が形成される。そのマトリックス構成において、図２に示すように、信号出力線１２は１つの列を構成する画素１に共通接続され、制御線８、９、１０はそれぞれ１つの行を構成する画素１に共通接続されている。この構成により、制御線１０により選択された行に属する画素１の出力信号のみが信号出力線１２に出力される。
【００２８】
次に、図１に示した画素の動作について説明する。
図３は、図１に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図３において、ＳＣ、ＲＣ、ＴＣ、及びＶＣは、制御線１０、９、８、１６を介してＭＯＳトランジスタ７、６、５、１５に印加される駆動パルス信号であり、ＦＤ及びＳＯは、ＦＤ部４及び信号出力線１２の電位を示したものである。なお、図１におけるＭＯＳトランジスタ７、６、５はＮチャネル型ＭＯＳトランジスタとし、ゲート電位がハイレベル（"Ｈ"）でオン状態になり、ロウレベル（"Ｌ"）でオフ状態になるとする。また、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ１６は、ゲート電位が"Ｈ"でオフ状態になり、"Ｌ"でオン状態になる。
【００２９】
信号ＳＣ、ＲＣ及びＴＣが"Ｌ"、信号ＶＣが"Ｈ"の状態、つまりＭＯＳトランジスタ７、６、５、１５がすべてオフ状態で、まず、時刻Ｔ１１において、信号ＳＣを"Ｈ"にして選択用ＭＯＳトランジスタ７をオン状態にすると、信号を読み出す画素１が選択される。
【００３０】
次に、時刻Ｔ１２において、信号ＲＣを"Ｈ"にし、所定時間経過後の時刻Ｔ１３において信号ＲＣを"Ｌ"にする。このようにして信号ＲＣをパルス状に"Ｈ"にすることで、リセット用ＭＯＳトランジスタ６がオン状態になり、ＦＤ部４がリセットされる。このとき、増幅用ＭＯＳトランジスタ３と定電流用ＭＯＳトランジスタ１３とでソースフォロワが形成されているので、リセット電位に応じた出力電位が信号出力線１２にあらわれ、信号出力線１２の電位ＳＯが変化する。
【００３１】
次に、時刻Ｔ１４において、信号ＶＣを"Ｌ"にする。これにより、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ１５がオン状態になり、リセット電位に応じた出力電位が出ていた信号出力線１２の電位ＳＯが電源電位になる。この信号出力線１２の電位ＳＯの変化にともなって、信号出力線１２とＦＤ部４との間で形成される容量により、信号出力線１２と容量結合されているＦＤ部４の電位ＦＤが電圧ΔＶ１だけ上昇する。
【００３２】
次に、時刻Ｔ１５において、信号ＴＣを"Ｈ"にし、所定時間経過後の時刻Ｔ１６において信号ＴＣを"Ｌ"にする。このようにして信号ＴＣをパルス状に"Ｈ"にすることで、転送用ＭＯＳトランジスタ５がオン状態になり、フォトダイオード２に蓄積された信号電荷がＦＤ部４に転送される。これにより、この信号電荷量に応じた電圧分ＶｓだけＦＤ部４の電位ＦＤが変化し、その電位変化分が信号出力線１２にもあらわれ、信号出力線１２の電位ＳＯが変化する。
その後、時刻Ｔ１７において、信号ＶＣを"Ｈ"にしてＰチャネル型ＭＯＳトランジスタ１５をオフ状態にし、続いて時刻Ｔ１８において信号ＳＣを"Ｌ"にして選択用ＭＯＳトランジスタ７をオフ状態にする。
【００３３】
以上、説明したように第１の実施形態によれば、フォトダイオード２からＦＤ部４への信号電荷転送時、すなわち制御線８を介して転送用ＭＯＳトランジスタ５のゲートに供給される信号ＴＣが"Ｈ"となる期間（時刻Ｔ１５〜時刻Ｔ１６）においては、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１５をオン状態にすることで、リセット電位に応じた出力電位が出ていた信号出力線１２の電位ＳＯを電源電位にし、この信号出力線１２の電位変化により信号出力線１２と容量結合されているＦＤ部４の電位ＦＤをΔＶ１だけ上昇させる。
これにより、飽和電圧Ｖｓａｔ出力のための条件は（Ｖｒｓ−Ｖｓａｔ＋ΔＶ１）＞Ｖｄとなるので、飽和電圧の限界を決めるＶｄの値を従来よりも大きく設定することができ、より大きな飽和電圧を得ることが可能となる。したがって、高ダイナミックレンジを実現するＣＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法を提供することができ、従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置に比べて、ダイナミックレンジを高くすることができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す等価回路図である。この図４において、図１に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
図４において、１８はＦＤ部４のリセット電位Ｖｒｓを供給するための端子である。１９は、電源配線１１に対してリセット電位Ｖｒｓを供給するためのＮチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、２０は電源配線１１に対して電源電位を供給するためのＰチャネル型ＭＯＳトランジスタである。２１はＭＯＳトランジスタ１９、２０の共通制御線である。したがって、第２の実施形態における画素においては、ＭＯＳトランジスタ１９、２０を共通制御線２１により制御することで、リセット電位Ｖｒｓ又は電源電位を適宜切り替えて電源配線１１に対して供給可能なようになっている。
【００３６】
２２は電源線１１とＦＤ部４との間に形成される容量であり、一方の電極が電源配線１１に接続され、他方の電極がＦＤ部４に接続されている。すなわち、電源配線１１とＦＤ部４とは容量結合されている。なお、容量２２は、意図的に形成して組み込まれた容量であっても良いし、寄生容量であっても良い。
なお、図４に示した単位画素１を複数配列して構成される固体撮像装置の構成については、上述した第１の実施形態（図２参照）と同様である。
【００３７】
次に、図４に示した画素の動作について説明する。
図５は、図４に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図５において、ＳＣ、ＲＣ、ＴＣ、ＶＣ、及びＲＶＣは、制御線１０、９、８、１６、２１を介してＭＯＳトランジスタ７、６、５、１５、１９、２０に印加される駆動パルス信号であり、ＦＤ及びＳＯは、ＦＤ部４及び信号出力線１２の電位を示したものである。なお、図１におけるＭＯＳトランジスタ７、６、５、１９はＮチャネル型ＭＯＳトランジスタとし、ゲート電位が"Ｈ"でオン状態になり、ロウレベル"Ｌ"でオフ状態になる。また、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ１６、２０は、ゲート電位が"Ｈ"でオフ状態になり、"Ｌ"でオン状態になる。
【００３８】
信号ＳＣ、ＲＣ、ＴＣ及びＲＶＣが"Ｌ"、信号ＶＣが"Ｈ"の状態、つまりＭＯＳトランジスタ７、６、５、１５、１９がオフ状態、ＭＯＳトランジスタ２０がオン状態であるときには、電源配線１１に対しては電源電位が供給されている。この状態で、まず、時刻Ｔ２１において、信号ＳＣを"Ｈ"にして選択用ＭＯＳトランジスタ７をオン状態にすると、信号を読み出す画素１が選択される。
【００３９】
次に、時刻Ｔ２２において、信号ＲＣ及びＲＶＣを"Ｈ"にし、所定時間経過後の時刻Ｔ２３において信号ＲＣを"Ｌ"にする。このようにして信号ＲＣをパルス状に"Ｈ"にすることで、リセット用ＭＯＳトランジスタ６がオン状態になり、ＦＤ部４がリセットされる。このとき、信号ＲＶＣが"Ｈ"なので、ＭＯＳトランジスタ１９はオン状態、ＭＯＳトランジスタ２０はオフ状態であり、端子１８を介して供給されるリセット電位Ｖｒｓが電源配線１１に対して供給されている。また、増幅用ＭＯＳトランジスタ３と定電流用ＭＯＳトランジスタ１３とでソースフォロワが形成されているので、リセット電位に応じた出力電位が信号出力線１２にあらわれ、信号出力線１２の電位ＳＯが変化する。
【００４０】
その後、時刻Ｔ２４において、信号ＲＶＣを"Ｌ"にする。これにより、ＭＯＳトランジスタ１９がオフ状態、ＭＯＳトランジスタ２０がオン状態になり、電源配線１１に対して供給される電位が、リセット電位Ｖｒｓから電源電位に切り替わる。この電源配線１１の電位変化にともなって、電源配線１１と容量結合されているＦＤ部４の電位ＦＤが電圧ΔＶ２だけ上昇する。
以降、時刻Ｔ２５〜時刻Ｔ２９における動作は、図３に示した時刻Ｔ１４〜Ｔ１８における動作と同様であるので説明は省略する。
【００４１】
以上、説明したように第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の駆動に加えて、ＦＤ部４のリセット時、すなわち、制御線９を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ６のゲートに供給される信号ＲＣが"Ｈ"となる期間（時刻Ｔ１５〜時刻Ｔ１６）においては、ＭＯＳトランジスタ１９をオフ状態、ＭＯＳトランジスタ２０をオン状態にして電源配線１１に対して供給する電位を電源電位からリセット電位Ｖｒｓに切り替える。ＦＤ部４のリセット終了後に電源配線１１に対して供給する電位を再び電源電位に切り替える。この電源配線１１におけるリセット電位Ｖｒｓから電源電位への電位変化により、電源配線１１と容量結合されているＦＤ部４の電位ＦＤをΔＶ２だけ上昇させる。
【００４２】
これにより、上述した第１の実施形態と同様に得られる効果も考慮すると、飽和電圧Ｖｓａｔ出力のための条件は（Ｖｒｓ−Ｖｓａｔ＋ΔＶ１＋ΔＶ２）＞Ｖｄとなるので、リセット電位Ｖｒｓを電源電位からリセット用ＭＯＳトランジスタ６のしきい電圧値を差し引いた値に設定すれば、上述した第１の実施形態の場合と比較してもさらに飽和電圧の限界を決めるＶｄの値を大きく設定することができ、より大きな飽和電圧を得ることが可能となる。したがって、より高いダイナミックレンジを実現するＣＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法を提供することができ、上述した第１の実施形態よりもさらにダイナミックレンジを高くすることができる。
【００４３】
なお、上述した第２の実施形態においては、上述した第１の実施形態に加えて、さらに信号ＲＣが"Ｈ"である期間に電源電位とリセット電位Ｖｒｓとを切り替えて電源配線１１に供給できるようにしているが、上述した第１の実施形態を考慮せずに、信号ＲＣが"Ｈ"である期間に電源電位とリセット電位Ｖｒｓとを切り替えて電源配線１１に供給できるだけであっても良い。このようにしても、ＦＤ部４のリセット時のリセット電位Ｖｒｓとリセット終了後の電源電位との電位差により電源配線１１と容量結合されているＦＤ部４の電位ＦＤをΔＶ２だけ上昇させることができる。
【００４４】
なお、上述した第１及び第２の実施形態において示した固体撮像装置を構成する画素の構成は一例であり、これに限定されるものではなく、例えば、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタの極性、及び信号（パルス）の極性をすべて反転した構成であっても良い。
また、上記第１及び第２の実施形態では、フォトダイオード２からＦＤ部４への信号電荷転送時に設定する信号出力線１２の電位を電源電位としているが、リセット電位から信号出力電位へと変化する方向に対して、それとは反対方向の電位差をリセット電位に対して持つ電位であれば良く、第２の実施形態におけるＦＤ部４のリセット時に設定する電源配線１１の電位についても同様である。
また、上記第１及び第２の実施形態では、画素の構成要素であるトランジスタはＭＯＳトランジスタとしているが、バイポーラトランジスタや接合型電界効果トランジスタ等、他の型のトランジスタを構成要素とするものであっても良い。
【００４５】
（本発明の他の実施形態）
次に、上述した各実施形態による固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合について説明する。
図８は、上述した各実施形態による固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。
【００４６】
図８において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像装置１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像装置、１０６は固体撮像装置１０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像装置１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００４７】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像装置１０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。
【００４８】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを制御する。
【００４９】
次に、固体撮像装置１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００５０】
露光が終了すると、固体撮像装置１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１０７を通り全体制御・演算部１０９によりメモリ部に書き込まれる。
【００５１】
その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。
また、外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５２】
次に、上述した各実施形態による固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合について説明する。
図９は、上述した各実施形態による固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合を示すブロック図であり、２０１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ２０１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ２０１Ｂ、結像用のレンズ２０１Ｃを備えている。
【００５３】
２０２は絞り、２０３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像装置、２０４は固体撮像装置２０３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。
【００５４】
２０５はサンプルホールド回路２０４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路２０５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。
【００５５】
また、プロセス回路２０５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいは電子ビューファインダ等のモニタＥＶＦへと供給される。
【００５６】
次いで、２０６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路２０４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路２０７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２０２の開口量を制御すべくｉｇメータを自動制御するものである。
【００５７】
２１３、２１４は、サンプルホールド回路２０４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第一のバンドパスフィルタ２１３（ＢＰＦ１）、及び第二のバンドパスフィルタ２１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路２１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路２１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路２１７に入力される。
この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
【００５８】
また、２１８はフォーカスレンズ２０１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、２１９はズームレンズ２０１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２２０は絞り２０２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路２１７へと供給される
【００５９】
論理制御回路２１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ２１３、２１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ２０１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路２０９にフォーカスモータ２１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
【００６０】
また、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。
【図２】第１の実施形態における固体撮像装置の一例を示す図である。
【図３】図１に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態による固体撮像装置を構成する画素の構成例を示す図である。
【図５】図４に示す画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】従来のＣＭＯＳセンサ画素の構成を示す図である。
【図７】図６に示すＣＭＯＳセンサ画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施形態による固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施形態による固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  画素
２  フォトダイオード
３  増幅用ＭＯＳトランジスタ
４  フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）
５  転送用ＭＯＳトランジスタ
６  リセット用ＭＯＳトランジスタ
７  選択用ＭＯＳトランジスタ
８、９、１０、１６、２１  制御線
１１  電源配線
１２  信号出力線
１３、１９  ＭＯＳトランジスタ
１５、２０  Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ
１７、２２  容量
１８  端子
【図１】
2005192191.tif 000003
【図２】
2005192191.tif 000004
【図３】
2005192191.tif 000005
【図４】
2005192191.tif 000006
【図５】
2005192191.tif 000007
【図６】
2005192191.tif 000008
【図７】
2005192191.tif 000009
【図８】
2005192191.tif 000010
【図９】
2005192191.tif 000011