JP2003274290A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＯＳ型固体撮像装置のダイナミックレンジ
を拡大するとともに、低電圧化を図る。 【解決手段】 固体撮像装置の各画素は、フォトダイオ
ードＰＤ、ＦＤ部、転送トランジスタ（転送ゲート）Ｔ
ｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタ
Ｔｒ３、選択トランジスタＴｒ４を有して構成されてい
る。そして、画像の読み出し時には、転送ゲートＴｒ１
をオンしたままの状態で増幅トランジスタＴｒ３の出力
信号を後段のＣＤＳ回路に取り込む。これにより、転送
ゲートＴｒ１とＦＤ部との容量結合を使ってＦＤ部の電
圧を上げることができ、その分、画素内の低電圧化を図
ることができる。また、ＦＤ部と転送ゲートＴｒ１のチ
ャネルとフォトダイオードＰＤとを信号電荷の受け皿と
して使うことにより、取り扱い電子数を増やすことがで
き、ダイナミックレンジを拡大できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像領域部を構成
する各画素毎に光電変換素子とその読み出し回路を設け
たＭＯＳセンサ型の固体撮像装置及びその駆動方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、ＭＯＳセンサ型の固体撮像装
置における主要部の構成例を示す回路図である。画素１
０は、撮像領域内に２次元配列で多数配置されるもので
あり、各画素には、光電変換素子としてのフォトダイオ
ードＰＤと、その読み出し回路を構成する４つのＭＯＳ
トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４が設けられている。フォト
ダイオードＰＤは、受光量に応じた信号電荷を生成する
ものであり、転送トランジスタ（転送ゲート手段）Ｔｒ
１は、転送パルスに基づいてフォトダイオードＰＤの信
号電荷をフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に転
送するものである。リセットトランジスタ（リセット手
段）Ｔｒ２は、リセットパルスに基づいてＦＤ部の電圧
を定期的に電源電圧Ｖｄｄにリセットするものである。
増幅トランジスタ（増幅手段）Ｔｒ３は、そのゲートに
ＦＤ部が接続され、このＦＤ部の電圧変動に応じた出力
信号を出力するものである。選択トランジスタＴｒ４
は、画素行を選択する選択パルスに基づいて増幅トラン
ジスタＴｒ３の出力信号を垂直信号線（出力信号線）１
２に出力するものである。

【０００３】垂直信号線１２は、画素列毎に設けられて
おり、一方の端部は撮像領域外で定電流源としてのＬｏ
ａｄトランジスタＴｒ５に接続されている。また、垂直
信号線１２の他方の端部は、撮像領域外で各画素列毎に
設けられた信号処理回路に接続されている。この信号処
理回路は、撮像領域の次段に設けられて画素信号に各種
の信号処理を施すものであり、この信号処理回路には図
１０に示すようなＣＤＳ（Correlated Double Samplin
g）回路が含まれている。このＣＤＳ回路は、ＣＤＳ（C
orrelated Double Sampling）回路とは、時系列に２つ
の信号を入力し、その差に比例する信号を出力する回路
である。具体的には、トランジスタＴｒ６、Ｔｒ７、Ｔ
ｒ８、コンデンサＣｓ、Ｃｒ、差動アンプ１４を有す
る。

【０００４】そして、フォトダイオードＰＤの信号電荷
がＦＤ部に蓄積された時点でのタイミング信号ＳＨＳに
よってトランジスタＴｒ６をオンすることにより、コン
デンサＣｓによって出力信号をホールドするとともに、
ＦＤ部がリセットされた時点でのタイミング信号ＳＨＲ
によってトランジスタＴｒ７をオンすることにより、コ
ンデンサＣｒによって出力信号をホールドする。そし
て、これら２つのコンデンサＣｓ、Ｃｒにホールドした
レベルを差動アンプ１４で比較して両者の差分をとり、
この差分値をトランジスタＴｒ８を介して水平信号線１
６に出力する。

【０００５】図１１は、このような構成の固体撮像装置
における従来の動作例を示すタイミングチャートであ
り、図１２は、図１１に示す動作時における信号電荷の
遷移を示すポテンシャル図である。なお、図１１と図１
２でタイミングを示す番号は対応しているものとする。
まず、タイミング０の間、フォトダイオードＰＤに光電
子が溜まっている。そして、タイミング１で、選択トラ
ンジスタＴｒ４をオンすると、その画素の増幅トランジ
スタＴｒ３が垂直信号線１２に接続される。すると、Ｌ
ｏａｄトランジスタＴｒ５によって決められる定電流
が、Ｖｄｄ（電源電圧端子）から増幅トランジスタＴｒ
３→垂直信号線１２→ＬｏａｄトランジスタＴｒ５とい
う経路で流れる。増幅トランジスタＴｒ３とＬｏａｄト
ランジスタＴｒ５はソースフォロアを組むので、増幅ト
ランジスタＴｒ３のゲート電圧、すなわちＦＤ部の電圧
に対応した電圧が、垂直信号線１２に現れる。これは選
択トランジスタＴｒ４をオンしている間、ずっと継続す
る。

【０００６】次に、タイミング２のリセットパルスで、
ＦＤ部をリセットする。この直後のタイミング３におけ
るポテンシャルは、図１２の（３）に示すようになる。
図示のように、この時点でフォトダイオードＰＤに光電
子が溜まっており、ＦＤ部はリセット直後の状態であ
る。なお、これ以後の説明を分かりやすくするため、こ
のＦＤ部の電圧がＶｄｄにほぼ等しいものとする。タイ
ミング３では、そのＦＤ部の電位に対応した電圧（リセ
ットレベル）が垂直信号線１２に現れているので、ＳＨ
Ｒパルスを入力することにより、これをＣＤＳ回路のコ
ンデンサＣｒにサンプルホールドする。

【０００７】次に、タイミング４のパルスで、フォトダ
イオードＰＤの光電子をＦＤ部に転送する。この直後の
タイミング５でのポテンシャルは、図１２の（５）に示
すようになる。図示のように、ＦＤ部の電位は、光電子
の分だけマイナス側にシフトしている。そして、このＦ
Ｄ部の電位に対応した電圧（信号レベル）が垂直信号線
１２に現れているので、ＳＨＳパルスを入力することに
より、これをＣＤＳ回路のコンデンサＣｓにサンプルホ
ールドする。ＣＤＳ回路の差動アンプ１４は、以上のよ
うにして各コンデンサＣｓ、Ｃｒにホールドされた信号
レベルとリセットレベルの差に比例する電圧を出力す
る。次に、タイミング６で、選択トランジスタＴｒ４を
オフして増幅トランジスタＴｒ３を垂直信号線１２から
切り離す。この後、Ｈ選択手段（水平スキャナ回路）か
らのトランジスタＴｒ８の制御により、ＣＤＳ回路の差
動アンプ１４の出力を水平信号線１６に読み出す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来技術では、以下のような問題点があった。 （１）低電圧化が困難である。すなわち、ＦＤ部が実際
にはＶｄｄより低い電圧でしかリセットできないため、
そのリセット電圧から信号電圧振幅をとった上でソース
フォロアを安定して動作させなければならないため、リ
セットの電圧降下分と信号振幅分とソースフォロアの動
作電圧とそれらのマージンを見込むと、周辺回路は低電
圧化できるのに、画素の動作電圧が電源電圧を律則して
しまい、低電圧化できないものとなる。

【０００９】（２）フォトダイオードの大容量化ができ
ないため、ダイナミックレンジが狭い。すなわち、フォ
トダイオードを大容量化すると、それに対してＦＤ部の
容量も大きくしないと、フォトダイオードの光電子をＦ
Ｄ部が受けきれず、フォトダイオードに電子が残ってし
まうという問題がある。しかし、ＦＤ部の容量を大きく
することは電荷を電圧に変換する効率を下げることにな
り、感度を落とす要因となる。また、画素面積も大きく
してしまう。したがって、フォトダイオードの大容量化
ができず、ダイナミックレンジの拡大が困難なものとな
る。

【００１０】そこで本発明の目的は、ダイナミックレン
ジを拡大できるとともに、低電圧化を図ることが可能な
固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域部
と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設けて構
成され、前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信
号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子に
よって生成された信号電荷をフローティングデフュージ
ョン部に転送する転送ゲート手段と、前記フローティン
グデフュージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号
線に出力する増幅手段と、前記フローティングデフュー
ジョン部の電圧をリセットするリセット手段とを有して
構成された固体撮像装置において、前記転送ゲート手段
がオンした状態で前記出力信号線に出力される電気信号
を前記周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込
み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成することを
特徴とする。

【００１２】また、本発明は、半導体基板に複数の画素
よりなる撮像領域部と、前記撮像領域部を制御する周辺
回路部とを設けて構成され、前記撮像領域部の各画素
が、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子
と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷をフ
ローティングデフュージョン部に転送する転送ゲート手
段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧に応
じた電気信号を出力信号線に出力する増幅手段と、前記
フローティングデフュージョン部の電圧をリセットする
リセット手段とを有して構成された固体撮像装置の駆動
方法において、前記転送ゲート手段がオンした状態で前
記出力信号線に出力される電気信号を前記周辺回路部に
設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信
号から撮像信号を生成することを特徴とする。

【００１３】本発明の固体撮像装置及びその駆動方法で
は、転送ゲート手段がオンした状態で出力信号線に出力
される電気信号を周辺回路部に設けられた信号処理回路
で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成す
るようにした。したがって、転送ゲート手段とフローテ
ィングデフュージョン部との容量結合を使ってフローテ
ィングデフュージョン部の電圧を上げることができ、そ
の分、画素内の低電圧化を図ることができる。また、フ
ローティングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャ
ネルと光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使える
ので、取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミッ
クレンジを拡大できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像装置
及びその駆動方法の実施の形態例について説明する。本
実施の形態例は、ＣＭＯＳセンサ型固体撮像装置を低電
圧で広ダイナミックレンジに駆動する方法を提供するも
のであり、ＣＭＯＳセンサの各画素信号を読み出す際
に、各画素の転送ゲート手段をオンしたまま画素信号の
出力信号線の電圧を読み出すことにより、容量結合の分
だけ低電圧化を実現し、かつ、取り扱い電荷量を増やす
ことで、飽和不足を解決し、ダイナミックレンジを拡大
するようにしたものである。

【００１５】図１は、本実施の形態によるＭＯＳセンサ
型の固体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図であ
る。この固体撮像装置は、半導体チップ１１０上に形成
された撮像画素部１１２、Ｖ選択手段１１４、Ｈ選択手
段１１６、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１１８、Ｃ
ＤＳ部１２０、定電流部１２２、水平信号線１２４、出
力部１２６等を含んでいる。

【００１６】撮像画素部１１２には、上述した撮像領域
を構成するものであり、多数の画素が２次元マトリクス
状に配列され、各画素には、図１０に示したものと同様
に、フォトダイオードＰＤ、ＦＤ部、転送トランジスタ
Ｔｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジス
タＴｒ３、及び選択トランジスタＴｒ４等が設けられて
いる。なお、以下の説明では、図１０に示す符号を適宜
援用して説明する。また、撮像画素部１１２の各画素
は、Ｖ選択手段１１４によって垂直方向に水平ライン
（画素行）単位で順次選択され、タイミングジェネレー
タ１１８からの各種パルス信号によって各画素のＭＯＳ
トランジスタが制御されることにより、各画素信号が垂
直信号線を通して画素列毎にＣＤＳ部１２０に読み出さ
れる。

【００１７】ＣＤＳ部１２０は、撮像画素部１１２の画
素列毎に、上述した図１０に示すＣＤＳ回路を設けたも
のであり、撮像画素部１１２の各画素列から読み出され
た画素信号に対し、ＣＤＳ処理を行い、その画素信号を
水平信号線１２４を介して出力部１２６に出力する。出
力部１２６には、ＣＤＳ回路からの画素信号に対し、自
動利得変換（ＡＧＣ）、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）
変換、増幅等の処理を行う各回路を設けたものである。
また、Ｈ選択手段１１６は、ＣＤＳ部１２０からの画素
信号出力を水平方向に選択して、これを水平信号線１２
４に出力するものである。

【００１８】また、定電流部１２２は、上述のような撮
像画素部１１２に対し、各画素列毎に定電流源を供給す
るものである。また、タイミングジェネレータ１１８
は、上述した撮像画素部１１２の各画素以外の各部にも
各種のタイミング信号を供給している。また、出力部１
２６は、水平信号線１２４から送られてきたデジタル信
号を半導体チップ１１０の外部端子に出力するものであ
る。なお、このような構成自体は、基本的に従来と同様
のものであり、本発明は、以下に説明する駆動方法に特
徴を有するものである。

【００１９】図２は、本実施の形態例による固体撮像装
置における第１の動作例（第１実施例）を示すタイミン
グチャートであり、図３は、図２に示す第１実施例の動
作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図であ
る。なお、図２と図３でタイミングを示す番号は対応し
ているものとする。本例において、図２のタイミング２
〜６で選択トランジスタＴｒ４がオンしている期間は、
ＦＤ部の電位に対応する電圧が垂直信号線に出力されて
いるのは従来例と同じである。しかし、図２では、タイ
ミング２のリセットパルス（第１のリセットパルス）で
ＦＤ部をリセットする。また、タイミング３で転送ゲー
トＴｒ１をオンした状態でＣＤＳ回路のトランジスタＴ
ｒ６にＳＨＳパルスを入力し、垂直信号線１２の電圧
（信号レベル）をＣＤＳ回路のコンデンサＣｓに取り込
む。ここではフォトダイオードＰＤの光電子がＦＤ部に
転送されてポテンシャルは図３の（３）に示す状態とな
っている。

【００２０】ここで従来例と異なるのは、（１）転送ゲ
ートＴｒ１にＨｉｇｈレベルのゲート信号が入っている
ので、転送ゲートＴｒ１のチャネル下も電圧の高い状態
になっていることと、（２）ＦＤ部に光電子が存在する
が、転送ゲートＴｒ１とＦＤ部との容量結合によって、
リセット電圧（ここではおよそＶｄｄ）よりも高い電圧
から光電子が溜まっている、ことである。本例では、特
に後者が重要である。これによって画素の駆動電圧が低
電圧化できる。この転送ゲートＴｒ１とＦＤ部の容量結
合分は、電源電圧２．５Ｖに対して、およそ０．５Ｖ程
度であり、低電圧化に重要な役割を果たすことになる。

【００２１】次に、図２に戻って説明を続けると、上述
したタイミング３の後で転送パルスを立ち下げた後、タ
イミング４でＦＤ部を第２のリセットパルスによってリ
セットし、再び転送パルスを立上げ、タイミング５で、
トランジスタＴｒ７にＳＨＲパルスを入力し、垂直信号
線１２の電圧（リセットレベル）をＣＤＳ回路のコンデ
ンサＣｒに入力する。この時点でのポテンシャルは、図
３の（５）に示すような状態となる。ここでは転送ゲー
トＴｒ１とＦＤ部との容量結合によって、ＦＤ部はリセ
ット電圧（およそＶｄｄ）よりも高い電圧になってい
る。この分が上述のように低電圧化に寄与する。この
後、ＣＤＳ回路の差動アンプ１４は上記信号レベルとリ
セットレベルの差に比例する信号を出力し、次いで、転
送ゲートＴｒ１、選択ゲートＴｒ４を閉じて画素の動作
が終了する。

【００２２】なお、撮像画素部１１２において、各画素
１０は行列状に配列されており、この走査で１行分の画
素が全て同時に駆動され、１行分の画素信号がＣＤＳ回
路を配列したＣＤＳ部に同時に読み出されて、保持され
る。その後、光電子蓄積期間に入る。そして、図２では
省略しているが、この期間にＨ選択手段１１６を動作さ
せて、ＣＤＳ回路の出力を順番に水平信号線１１６に導
いて出力する。この後、Ｖ選択手段１１４で次の行を選
択し、同様の動作を行えば、次の行の信号が読み出さ
る。そして、このＶ選択手段１１４で順次走査すること
によって、全ての行の信号を読み出すことができる。こ
のようにして低電圧、広ダイナミックレンジの固体撮像
装置を実現することができる。

【００２３】次に、第２の動作例（第２実施例）につい
て説明する。この第２実施例は、フォトダイオードＰＤ
のポテンシャル井戸が深かったり、容量が大きくて光電
子をＦＤ部で受けきれない場合に対応することを目的と
したものである。図４は、この第２実施例における動作
を示すタイミングチャートであり、図５は、図４に示す
第２実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテ
ンシャル図である。なお、図４と図５でタイミングを示
す番号は対応しているものとする。まず、選択トランジ
スタＴｒ４をオンした後、リセットパルス（第１のリセ
ットパルス）を入力してから転送ゲートＴｒ１をオン
し、タイミング３でＳＨＳパルスにより垂直信号線１２
の電圧（信号レベル）をコンデンサＣｓに取り込むこと
は第１実施例と同じである。このとき、ＦＤ部で光電子
が受けきれないと、図５の（３）に示すように転送ゲー
トＴｒ１のチャネルやフォトダイオードＰＤにまで光電
子が存在する。この状態で信号を出すので、従来の転送
ゲートＴｒ１をオフしてフォトダイオードＰＤとＦＤ部
を分離する場合と異なり、全光電子の信号を読み出すこ
とができる。

【００２４】図６は、フォトダイオードにおける受光光
量と出力信号量との関係を示す説明図である。図示のよ
うに、光量が小さい場合はＦＤ部で光電子を受けきれる
ので、光量−出力曲線の傾きが比較的大きい。また、光
量が増えると、ＦＤ部と転送ゲートＴｒ１のチャネルで
受けるようになるので、傾きがなだらかになる。そし
て、光量がさらに増えると、フォトダイオードＰＤにも
光電子が残るようになるので、さらに傾きがなだらかに
なる。このように、光電子をＦＤ部で受けきれない場合
でも、暗いところは感度を高くし、明るいところは感度
を落とすことにより、取り扱い光電子数を多くした出力
が可能である。次に、リセットゲートＴｒ２もオン（活
性化）すると、ＦＤ部とフォトダイオードＰＤが両方リ
セットされる。特にＦＤ部はおよそＶｄｄの電圧にリセ
ットされる。それからタイミング４で転送ゲートＴｒ１
をオフすると、容量結合でＦＤ部の電圧が下がろうとす
るが、リセットゲートＴｒ２がオン（活性化）している
ので、ＦＤ部の電位はやはりおよそＶｄｄに保たれる。
この順番が図２で示した第１実施例との相違であり、順
番が逆であるとフォトダイオードＰＤに残った光電子が
リセットされないことになる。

【００２５】それからリセットゲートＴｒ２をオフ（不
活性化）して、次に転送ゲートＴｒ１をオンすると、タ
イミング５では第１実施例と同じ状態に復帰する。この
ときの垂直信号線１２の電圧（リセットレベル）をＳＨ
ＲパルスによりコンデンサＣｒに取り込んで処理し、転
送ゲートＴｒ１と選択トランジスタＴｒ４をオフするの
は第１実施例と同様である。これにより、フォトダイオ
ードＰＤの飽和電子数が多くてＦＤ部で受けきれない場
合でも、暗いところは感度が高く、明るいところは感度
が落ち、取り扱い光電子数を多くした出力が可能であ
る。また、転送ゲートＴｒ１とＦＤ部の容量結合を用い
た低電圧化の効果も第１実施例と同じなのは明らかであ
る。もちろん、フォトダイオードＰＤの飽和光電子数が
少なく、ＦＤ部で全て受けきれる場合に、この動作を行
っても何ら問題は無いものである。

【００２６】次に、第３の動作例（第３実施例）につい
て説明する。この第３実施例は、ダイナミックレンジを
さらに拡大することが可能な駆動方法を提供するもので
ある。図７は、この第３実施例における動作を示すタイ
ミングチャートである。また、この第３実施例における
ポテンシャル図は図５と共通であるので、これを援用し
て説明する。なお、図７と図５でタイミングを示す番号
は対応しているものとする。この第３実施例は、上記第
２実施例の動作に対して、図４に示した選択トランジス
タＴｒ４のオン直後のリセットパルスが無いことが異な
る。光量が大きい場合には、タイミング０の光電子蓄積
期間中にフォトダイオードＰＤからＦＤ部に電子が溢
れ、ＦＤ部にも光電子が溜まっているが、タイミング３
では、これをリセットすることなく、フォトダイオード
ＰＤから転送された光電子が加算された状態になってい
る（図５参照）。

【００２７】この後の動作は第２実施例と同じである。
したがって、この第３実施例では、第２実施例と同じ効
果を保持したまま、取り扱い電荷量がフォトダイオード
ＰＤの飽和量ではなく、フォトダイオードＰＤの飽和量
とＦＤ部の飽和量の和まで増える。ただし、この第３実
施例では、タイミング０の期間にＦＤ部に溜まっていた
暗電荷（光に関係なく発生する雑音成分）を一緒に読み
出してしまうことになるため、ノイズ的には不利であ
る。そこで、固体撮像装置の用途に応じて、低ノイズ化
が可能な第２実施例の駆動方法と、ダイナミックレンジ
の拡大が可能な第３実施例の駆動方法を適宜選択して採
用することが好ましい。

【００２８】次に、第４の動作例（第４実施例）につい
て説明する。この第４実施例は、ダイナミックレンジを
拡大しつつ、動作時間を節約する駆動方法を提供するも
のである。図８は、この第４実施例における動作を示す
タイミングチャートであり、図９は、図８に示す第４実
施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャ
ル図である。なお、図８と図９でタイミングを示す番号
は対応しているものとする。この第４実施例において、
選択トランジスタＴｒ４のオン直後のリセットパルスが
無いことは、上記第３実施例と同様である。次に、タイ
ミング２で転送ゲートＴｒ１をオンし、タイミング３で
ＳＨＳパルスを入力して信号レベルをコンデンサＣｓに
取り込む。そして、タイミング４でリセットし、タイミ
ング５でＳＨＲパルスを入力してリセットレベルをコン
デンサＣｒに取り込む。この場合のタイミング３とタイ
ミング５のポテンシャルは、図９の（３）（５）に示す
ような状態となる。

【００２９】また、ＦＤ部をリセットするときも、転送
ゲートＴｒ１をオンしているので、タイミング５のＦＤ
部のリセット電圧は、これまでの結合容量による上昇効
果は無く、この場合、およそＶｄｄになっている。ま
た、タイミング３ではＦＤ部に光電子が転送されている
が、上述した図５の（３）のように、その電圧から光電
子が溜まる。したがって、低電圧化の効果は無い。しか
し、取り扱い電荷量がフォトダイオードＰＤの飽和量と
ＦＤ部の飽和量の和となり、ダイナミックレンジが広が
ることは第３実施例と同じてあり、ダイナミックレンジ
を拡大する効果は得ることができる。そして、この第４
実施例では、駆動パルスが簡単であるので、動作時間を
節約したい場合に有効である。

【００３０】以上、本実施の形態例における４つの実施
例について説明してきたが、いずれも電子シャッタ機能
を設けることが可能である。また、画素のトランジスタ
をＮＭＯＳとしたが、これをＰＭＯＳとして電圧の極性
を入れ替えても同様である。また、光電変換素子はフォ
トダイオードでなくともよく、例えばフォトゲート等で
あっても良い。また、駆動方法は、例えば上述の例でリ
セットパルスを１個としたところを、複数個のパルスで
実行するなど、本発明の趣旨を変えない範囲で種々変形
することが可能である。

【００３１】また、上述の例では、垂直信号線に画素か
ら電圧が出力される構成としたが、出力信号線は水平方
向の配線であってもよく、また、出力信号は電流信号で
あっても良い。また、画素構造としては、上述のように
４つのトランジスタで構成する方式のものに限らない。
また、次段の信号処理回路として、ＣＤＳ回路を例とし
たが、例えばＣＤＳの効果をもつＡ／Ｄ変換器等であっ
ても良いし、単にリセットレベルと信号レベルを保持す
るだけの回路として、ＣＤＳについては、さらに後段に
配置するような構成を採用することも可能である。この
ように本発明は種々の構成で実施することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置によれば、転送ゲート手段がオンした状態で出力信号
線に出力される電気信号を周辺回路部に設けられた信号
処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号
を生成することから、転送ゲート手段とフローティング
デフュージョン部との容量結合を使ってフローティング
デフュージョン部の電圧を上げることができ、その分、
画素内の低電圧化を図ることができる。また、フローテ
ィングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャネルと
光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使えるので、
取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミックレン
ジを拡大できる。

【００３３】また同様に、本発明の固体撮像装置の駆動
方法によれば、転送ゲート手段がオンした状態で出力信
号線に出力される電気信号を周辺回路部に設けられた信
号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信
号を生成することから、転送ゲート手段とフローティン
グデフュージョン部との容量結合を使ってフローティン
グデフュージョン部の電圧を上げることができ、その
分、画素内の低電圧化を図ることができる。また、フロ
ーティングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャネ
ルと光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使えるの
で、取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミック
レンジを拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるＭＯＳセンサ型の固
体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図である。

【図２】本発明の第１実施例における動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図３】図２に示す第１実施例の動作時における信号電
荷の遷移を示すポテンシャル図である。

【図４】本発明の第２実施例における動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図５】図４に示す第２実施例の動作時における信号電
荷の遷移を示すポテンシャル図である。

【図６】本発明の第２〜第４実施例におけるフォトダイ
オードの受光光量と出力信号量との関係を示す説明図で
ある。

【図７】本発明の第３実施例における動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図８】本発明の第４実施例における動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図９】図８に示す第４実施例の動作時における信号電
荷の遷移を示すポテンシャル図である。

【図１０】従来のＭＯＳセンサ型の固体撮像装置におけ
る出力要部の構成例を示す回路図である。

【図１１】図１０に示す固体撮像装置の動作例を示すタ
イミングチャートである。

【図１２】図１１に示す動作時における信号電荷の遷移
を示すポテンシャル図である。

【符号の説明】

１１０……半導体チップ、１１２……撮像画素部、１１
４……Ｖ選択手段、１１６……Ｈ選択手段、１１８……
タイミングジェネレータ（ＴＧ）、１２０……ＣＤＳ
部、１２２……定電流部、１２４……水平信号線、１２
６……出力部。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に複数の画素よりなる撮像領
   域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設け
   て構成され、 前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を
   生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生
   成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に
   転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュ
   ージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力
   する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部
   の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成され
   た固体撮像装置において、 前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に
   出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号
   処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号
   を生成する、 ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記信号処理回路は、前記光電変換素子
   によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によ
   ってフローティングデフュージョン部に転送した際の信
   号レベルと前記リセット手段によってフローティングデ
   フュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそ
   れぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、
   その差分値に応じた信号を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。
3. 【請求項３】 前記リセット手段に第１のリセットパル
   スを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で
   出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に
   取り込んだ後に転送ゲート手段をオフし、次に、リセッ
   ト手段に第２のリセットパルスを入力した後、転送ゲー
   ト手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電
   気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記リセット手段に第１のリセットパル
   スを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で
   出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に
   取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート手
   段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、転
   送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力さ
   れる電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴
   とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記リセット手段を不活性化した後、転
   送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力さ
   れる電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリセ
   ット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次に、
   リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオン
   し、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記
   信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項２記載
   の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記転送ゲート手段をオンし、その状態
   で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路
   に取り込んだ後、リセット手段にリセットパルスに入力
   し、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記
   信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項２記載
   の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 半導体基板に複数の画素よりなる撮像領
   域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設け
   て構成され、 前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を
   生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生
   成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に
   転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュ
   ージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力
   する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部
   の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成され
   た固体撮像装置の駆動方法において、 前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に
   出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号
   処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号
   を生成する、 ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
8. 【請求項８】 前記信号処理回路は、前記光電変換素子
   によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によ
   ってフローティングデフュージョン部に転送した際の信
   号レベルと前記リセット手段によってフローティングデ
   フュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそ
   れぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、
   その差分値に応じた信号を出力することを特徴とする請
   求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 【請求項９】 前記リセット手段に第１のリセットパル
   スを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で
   出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に
   取り込んだ後に転送ゲート手段をオフし、次に、リセッ
   ト手段に第２のリセットパルスを入力した後、転送ゲー
   ト手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電
   気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする
   請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 【請求項１０】 前記リセット手段に第１のリセットパ
    ルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態
    で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路
    に取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート
    手段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、
    転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力
    される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特
    徴とする請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
11. 【請求項１１】 前記リセット手段を不活性化した後、
    転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力
    される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリ
    セット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次
    に、リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段を
    オンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を
    前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項８
    記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 【請求項１２】 前記転送ゲート手段をオンし、その状
    態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回
    路に取り込んだ後、リセット手段にリセットパルスに入
    力し、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前
    記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項８記
    載の固体撮像装置の駆動方法。