CN102265605A - 固体拍摄元件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

传输电路(20)采用以下结构：利用对传输控制信号(TG)进行响应而接通断开的传输门(21)，在工作时将积累区域(15)的信号电荷向浮动扩散区域(30)传输，另一方面，在不工作时断开信号电荷的传输。像素控制电路(200)根据像素电路(100)的感光电平来控制传输电路(20)，使得在感光量为预定以上时，与感光量低于预定时相比，延长传输电路(20)的工作期间。

Description

固体拍摄元件及其控制方法

技术领域

本发明涉及固体拍摄元件及其控制方法，更特定而言，涉及固体拍摄元件的动态范围扩大。

背景技术

CCD(Charge-coupled device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementarymental-oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)成像器等固体拍摄元件在以摄像机或数码相机为代表的设备中应用，现在也已经内置于移动电话等，作为廉价、耗电量较少的拍摄元件广泛普及。

然而，固体拍摄元件的感知能力与人的视觉感知相比要差很多。在人的视觉中，在一个视野内即使存在4～5位左右的亮度分布，也可以充分检测亮处和暗处的对比度。该优良的对比度感知能力是由位于视网膜内的感光细胞可以利用对每个细胞调整其光感应特性的功能来实现。

与之相反，在以往的固体拍摄元件中，在某一定时拍摄的视野内存在极端的亮度差的情况下，在视野内的亮处和暗处难以同时得到充分的对比度。即，以亮处或者暗处的任一个作为起点，难以使位于其相反一处的亮度部分维持充分的对比度来进行拍摄。

因此，在日本专利特开2000-340779号公报(专利文献1)中，记载了一种半导体拍摄元件的结构，该结构包括可以根据向周边像素的入射光量、来移动各像素电路中的感光灵敏度范围的机构，从而扩大动态范围。

另外，在日本专利特开2004-159274号公报(专利文献2)中，记载了一种结构，该结构的像素电路的结构仍保持单纯的结构，通过从像素电路取出长时间的积累所产生的低照度信号、短时间的积累所产生的高照度信号，防止高照度的光电荷的饱和以拓宽动态范围。同样，在日本专利特开2004-363666号公报(专利文献3)中，记载了通过独立地取出长时间的光电荷积累所产生的低照度信号、短时间的光电荷积累所产生的中照度信号、超短时间的光电荷积累所产生的高照度信号，并且在后级的信号处理中组合这些信号，实现动态地变更较宽的动态范围的拍摄条件的动态范围的自适应控制。

专利文献1：日本专利特开2000-340779号公报

专利文献2：日本专利特开2004-159274号公报

专利文献3：日本专利特开2004-363666号公报

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在上述专利文献1记载的结构中，对各像素电路需要配置用于检测自身的感光量的第一光检测元件、以及用于检测附近像素的平均感光光量而在与其他像素电路之间经由电阻元件互相连接的第二光检测元件的2个光检测元件。因此，有可能难以实现特别是适用于移动型设备等所要求的像素电路的小型化。

另外，在专利文献2和3中，尽管像素电路可以小型化，但用于将光检测元件所产生的信号电荷向浮动扩散区域传输的传输门的控制、以及从像素电路读出的信号在后级的处理有可能复杂化。

即，在兼顾像素电路的小型化之后，难以既不使像素电路的控制或者在像素电路后级的计算处理复杂化，又同时扩大动态范围。

本发明是为了解决这样的问题而完成的，本发明的目的在于提供一种固体拍摄装置元件，不使像素电路的结构、或者像素电路的控制及/或在像素电路后级的计算处理复杂化，而可以扩大动态范围。

用于解决问题的方法

本发明所涉及的固体拍摄元件包括像素电路、及用于控制在像素电路中的信号电荷的传输的像素控制单元。像素电路包含：光检测元件，根据感光来产生信号电荷；积累区域，积累由光检测元件产生的信号电荷；浮动扩散区域；以及传输电路，其构成为在工作时将积累区域的信号电荷向浮动扩散区域传输，另一方面，在不工作时断开传输。像素控制单元根据像素电路的感光电平来控制传输电路，使得在感光量为预定以上时，与感光量低于预定时比较，延长传输电路的工作期间。

优选的是像素控制单元使传输电路工作预定期间，并且在预定期间向浮动扩散区域传输的信号电荷量大于基准时，与预定期间相比延长传输电路的工作；另一方面，在传输的信号电荷量为基准以下时，在预定期间结束时使传输电路不工作。

本发明所涉及的固体拍摄元件的控制方法包括：对于如上所述构成的像素电路、在传输电路不工作的状态下将光检测元件产生的信号电荷积累在积累区域的步骤；通过利用预定定时使传输电路工作预定期间、将在积累的步骤中积累在积累区域的信号电荷向浮动扩散区域传输的步骤；以及在预定期间向浮动扩散区域传输的信号电荷量大于基准时与预定期间相比延长传输电路的工作、从而将预定期间以后光检测元件产生的信号电荷进一步向浮动扩散区域传输的步骤。

在本发明的其他方面中，固体拍摄元件包括多个像素电路、及控制各像素电路的控制电路。各像素电路包含：光检测元件，根据感光来产生信号电荷；积累区域，积累由光检测元件产生的信号电荷；浮动扩散区域；以及传输电路，其构成为在工作时将积累区域的信号电荷向浮动扩散区域传输，另一方面，在不工作时断开传输。控制电路控制各像素电路的传输门，使得在将积累区域中的最大信号电荷积累量利用传输门从积累区域向浮动扩散区域传输所需的完全传输期间，使传输门工作，并且在经过完全传输期间后，在第一期间还使传输门继续工作。而且，浮动扩散区域的电容值是用于接受最大信号电荷积累量所需的第一电容值、与用于接受在第一期间中光检测元件产生的信号电荷所需的第二电容值之和以上。

在本发明的其他方面中，固体拍摄元件的控制方法包括：对于如上所述构成的多个像素电路的各个像素电路、在传输门断开时将光检测元件产生的信号电荷积累在积累区域的步骤；在将积累区域中的最大信号电荷积累量利用传输门从积累区域向浮动扩散区域传输所需的完全传输期间、接通传输门的步骤；以及在经过完全传输期间后还在第一期间使传输门继续接通、从而在接通的步骤后光检测元件产生的信号电荷向浮动扩散区域追加传输的步骤。而且，浮动扩散区域的电容值是用于接受最大信号电荷积累量所需的第一电容值、与用于接受在第一期间中光检测元件产生的信号电荷所需的第二电容值之和以上。

发明的效果

根据本发明，可以提供一种固体拍摄装置元件，以简单的像素电路结构，不使像素电路的结构、或者像素电路的控制及/或在像素电路后级的计算处理复杂化，而可以扩大动态范围。其结果是，可以以低成本制造兼顾了可以对应装载至移动设备等的小型化、及大动态范围的固体拍摄元件。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图2是表示图1所示的反相放大电路的结构例的电路图。

图3是说明实施方式1所涉及的像素电路及像素控制电路的控制动作的波形图。

图4是说明实施方式1所涉及的像素电路及其控制动作的示意图。

图5是表示本发明的实施方式1所涉及的像素电路的输出特性的图。

图6是表示根据本发明的实施方式1的变形例的固体拍摄元件的阵列结构的示意图。

图7是表示本发明的实施方式2所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图8是说明本发明的实施方式2所涉及的像素电路及像素控制电路的控制动作的波形图。

图9是表示将本发明的实施方式2所涉及的像素电路及像素控制电路进行阵列配置的固体拍摄元件的结构例的示意图。

图10是表示本发明的实施方式3所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图11是说明实施方式3所涉及的像素电路及像素控制电路的控制动作的波形图。

图12是表示本发明的实施方式3的变形例所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图13是表示本发明的实施方式4所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图14是表示本发明的实施方式4的变形例所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

图15是表示本发明的实施方式5所涉及的固体拍摄元件的第一例的示意图。

图16是表示本发明的实施方式5所涉及的固体拍摄元件的第二例的示意图。

图17是表示本发明的实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的结构的电路图。

图18是说明图17所示的像素电路的以往的控制动作的波形图。

图19是说明图17所示的像素电路的以往的控制动作的示意图。

图20是说明实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的控制动作的波形图。

图21是说明实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的控制动作的示意图。

图22是用于说明实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的输出特性的示意图。

标号说明

5接地节点，6电源节点，10光电二极管，15积累区域，20传输电路，21传输门，22辅助传输门，23双栅极晶体管，30浮动扩散区域，35复位开关，40晶体管(放大器)，50像素选择开关，90、90#信号电荷，100像素电路，105像素阵列，110数据线，150电流源，200、201像素控制电路，202电平判断电路，203操作开关，205反馈路径，210反相放大电路，212晶体管，214晶体管，220计时器电路，230脉冲发生器，250选择开关，255选择开关，Cfd电容(浮动扩散区域)，CG控制栅极，Cpd电容(积累区域)，CG控制栅极，G通常栅极，Lmn最小光量值，Lr基准光量，N1输入节点(反相放大电路)，N2输出节点(反相放大电路)，No输出节点(像素电路)，Rfd复位信号，SL像素选择信号，T0完全传输期间，T1延长期间，Td延长时间，TG传输控制信号，TG0传输控制基准信号，TG1控制信号，V(FD)FD电位，Vdd电源电位，Vout输出电位，Vss接地电位。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，下面对图中的或者同一部分，标注相同的标号，不重复其说明。

[实施方式1]

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

参照图1，像素电路100包括作为“光检测元件”的光电二极管10、积累区域15、传输电路20、浮动扩散区域30、复位开关35、构成“放大器”的晶体管40、及像素选择开关50。

光电二极管10设在供给接地电位Vss的接地节点5及传输电路20之间。在图1的例子中，光电二极管10的阳极与接地节点5相连接，光电二极管10的阴极构成对光电二极管10产生的信号电荷的积累区域15。即，在图1的例子中，信号电荷成为阴极(n型)的多数载流子、即电子(负电荷)。在积累区域15，由于寄生电容等而存在预定的电容Cpd。在一般的像素结构中，由于在布局限制的范围内尽可能确保光电二极管10的感光面积，因此某种程度确保了积累区域15的电容Cpd。可积累在积累区域15的最大信号电荷量，取决于电容Cpd而决定。

传输电路20由连接于积累区域15与浮动扩散区域30之间的传输门21构成。传输门21由利用传输控制信号TG来控制接通断开的晶体管构成。在图1的例子中，传输门21由n型晶体管构成。

传输门21根据传输控制信号TG而接通断开。在传输门21的接通期间中，从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷，传输电路20工作。另一方面，在传输门21的断开期间中，从积累区域15向浮动扩散区域30停止传输信号电荷，传输电路20不工作。

复位开关35对复位信号Rfd进行响应，将浮动扩散区域30与供给作为复位电位的电源电位Vdd的电源节点6进行电连接。即，对复位开关35的接通进行响应，存在于浮动扩散区域30的信号电荷(负电荷)被吸引向接地节点5，积累在浮动扩散区域30的信号电荷量被清除(复位)。此外，作为复位电位，也可以适用不同于电源电位Vdd的电位。

对于浮动扩散区域30，也由于寄生电容等而存在预定的电容Cfd。关于浮动扩散区域30的电容Cfd优选的是在可接受由传输门21传输的信号电荷量的设想的最大值的范围内尽可能小。这是因为，电容Cfd越小，与浮动扩散区域30的信号电荷量的差对应而产生的FD电位V(FD)的差越大，因此检测灵敏度越高。

像素选择开关50、与构成放大器的晶体管40，串联连接在电源节点6与像素电路100的输出节点No之间。例如，像素选择开关50由对像素选择信号SL进行响应并接通的n型晶体管构成。若接通像素选择开关50，则形成从电源节点6经由晶体管40、像素选择开关50、输出节点No、未图示的数据线、以及电流源150而到达接地节点5的路径。

晶体管40的栅极与浮动扩散区域30相连接。其结果是，在像素选择开关50的接通期间中，晶体管40作为所谓的源极跟随放大器动作，产生与浮动扩散区域30的电位相应的电位的电信号。该电信号经由像素选择开关50向输出节点No输出。即，由晶体管40构成的“放大器”输出的电信号可以经由接通的像素选择开关50，从输出节点No取出。

此外，在本实施方式中，电源电位Vdd及接地电位Vss处于Vdd＞Vss的关系，且可以利用(Vdd-Vss)的电位差给电路动作提供所需的偏压即可，可以分别设定为任意的电位。即，对于接地电位Vss，确实记载了也可以设定为接地电位以外的任意电位(也可以是负电位)。

像素控制电路200包含：用于将浮动扩散区域30的电位进行反馈的路径205、产生与浮动扩散区域30的电位相应的信号的反相放大电路210、计时器电路220、及脉冲发生器230。

图2是表示反相放大电路210的电路结构的图。

参照图2，反相放大电路210包含串联连接于接地节点5与电源节点6之间的晶体管212和214。由于晶体管212的栅极与电源节点6相连接，因此晶体管212起到作为电阻元件的作用。所以，反相放大电路210在与晶体管214的栅极连接的输入节点N1的电位超过与晶体管214的阈值电压对应的预定电位时，将接地电位Vss(逻辑低电平、以下仅标记为“L电平”)的信号向输出节点N2输出。另一方面，反相放大电路210在输入节点N1的电位低于预定电位时，向输出节点N2将电源电位Vdd(逻辑高电平、以下仅称作“H电平”)的信号输出至节点N2。输入节点N1与图1所示的反馈路径205相连接。输出节点N2与图1所示的脉冲发生器230相连接。

再次参照图1，反相放大电路210进行动作，使得在浮动扩散区域30的电位(以下也称作FD电位)V(FD)低于基准电位时，输出H电平的信号；另一方面，在FD电位V(FD)为该基准电位以上时，输出L电平的信号。

由于FD电位V(FD)在复位至电源电位Vdd后，随着信号电荷的积累量增大而下降，因此FD电位V(FD)在像素电路100的感光量大时相对降低；另一方面，在感光量小时相对提高。所以，可以根据反相放大电路210的设计(晶体管214的阈值电压)来构成反相放大电路210，使得在浮动扩散区域30的信号电荷量大于基准时输出H电平的信号，在信号电荷量为基准以下时输出L电平的信号。

计时器电路220基于用于决定传输电路20的本来的动作期间的传输控制基准信号TG0，产生从产生传输控制基准信号TG0起接通预定期间而设定的控制信号TG1。脉冲发生器230接收信号TG0、TG1及反相放大电路210的输出信号、即表示浮动扩散区域30的信号电荷量是否大子基准的信号，生成提供给传输门21的栅极的传输控制信号TG。

此外，关于反相放大电路210，也可以设在脉冲发生器230的内部。即，也可以采用以下结构：对于脉冲发生器230直接输入FD电位V(FD)，并且在脉冲发生器230的内部产生表示FD电位V(FD)是否低于基准电位的信号，换言之，产生表示浮动扩散区域30的信号电荷量是否大于基准的信号。

接下来，使用图3及图4说明像素电路100及像素控制电路200的动作。

参照图3，在时刻t1产生复位信号Rfd，接通复位开关35。据此，将FD电位V(FD)复位至电源电位Vdd。在该状态下，如图4(a)所示，在浮动扩散区域30中不存在信号电荷。而且，由于传输门21断开(传输电路20不工作)，因此在积累区域15及浮动扩散区域30之间存在势垒层，即使存在积累区域15的信号电荷，也不会向浮动扩散区域30传输。

再次参照图3，光电二极管10根据像素电路100的感光而产生的信号电荷积累在积累区域15。而且，在就要产生传输控制基准信号TG0的时刻t2之前，如图4(b)所示，成为与至此产生的像素电路100的感光量相应的量的信号电荷90积累在积累区域15的状态。

再次参照图3，传输控制基准信号TG0被设定为在时刻t2～t3之间使传输门21接通。据此，如图4(c)所示，随着由于传输电路20的工作使积累区域15及浮动扩散区域30之间的势垒层下降，至时刻t2为止积累在积累区域15的信号电荷向浮动扩散区域30传输。此外，时刻t2～t3的期间长度(传输控制基准信号TG0的设定期间)与在一般的像素电路的控制同样，一般而言与将至时刻t2为止积累在积累区域15的信号电荷进行传输所需的最低限度的时间对应来设定。

如图3所示，随着信号电荷向浮动扩散区域30传输，FD电位V(FD)变化。像素电路100的感光量越大，即，传输的信号电荷量越多，FD电位V(FD)的下降越大。

在本实施方式中，像素控制电路200根据像素电路100的感光电平生成传输控制信号TG，具体而言，使得在感光量为预定以上时，与感光量低于预定时比较，在时刻t3以后延长传输电路20的工作期间。即，脉冲发生器230(图1)生成传输控制信号TG，使得传输门21的接通期间根据在时刻t3的FD电位V(FD)而变化。

在时刻t3的FD电位V(FD)为基准电位以上、浮动扩散区域30的信号电荷量为基准以下时，脉冲发生器230生成与传输控制基准信号TG0同样的传输控制信号TG。其结果是，传输门21在时刻t3关断，传输电路20在本来的动作期间的时刻t2～t3以后不工作。通过这样，如图4(d)所示，在时刻t3以后，由于传输电路20所涉及的势垒层再次上升，因此停止从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。此时，如图3所示，在时刻t3以后，将FD电位V(FD)维持为时刻t3的电位。然后，随着在时刻t5利用像素选择信号SL接通像素选择开关50(图1)，从输出节点No读出与FD电位V(FD)相应的输出电位Vout。

另一方面，在时刻t3的FD电位V(FD)低于基准电位、浮动扩散区域30的信号电荷量大于基准时，脉冲发生器230生成传输控制信号TG，以延长传输门21的接通期间。具体而言，生成传输控制信号TG，使得传输门21的接通期间延长由计时器电路220(图1)设定的延长时间Td，即，使得在控制信号TG1的H电平期间中维持传输门21接通。

脉冲发生器230例如可以根据将表示在时刻t3的FD电位V(FD)与基准电位的比较结果的信号(图1的反相放大电路210的输出信号)、传输控制基准信号TG0及控制信号TG1作为输入的触发器及/或逻辑门的组合来任意设计。或者，如上所述，也可以将FD电位V(FD)向脉冲发生器230直接输入，在脉冲发生器230的内部产生表示FD电位V(FD)与基准电位的比较结果的信号。

其结果是，由于在像素电路100的感光量大于基准时，延长传输门21的接通期间(传输电路20的工作期间)，因此如图4(e)所示，对于由于在时刻t3～t4的感光而使光电二极管10新产生的信号电荷90#，也会向浮动扩散区域30传输、积累。其结果是，如图3所示，在时刻t3以后，FD电位V(FD)进一步下降。在本实施方式所涉及的像素电路100中，为了接受因传输门21的接通期间(传输电路20的工作期间)的延长所产生的追加的信号电荷量，将浮动扩散区域30的电容Cfd设计为大于通常的值。然后，如图4(f)所示，在从时刻t3起经过延长时间Td的时刻t4，由于传输电路20所涉及的势垒层再次上升，因此停止从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。

然后，随着在时刻t5利用像素选择信号SL接通像素选择开关50(图1)，从输出节点No读出与FD电位V(FD)相应的输出电位Vout。此外，像素选择开关50的接通期间只要包含上述读出定时(时刻t5)即可，可以任意设定。例如，也可以生成像素选择信号SL，使得从时刻t2前、到就要到达下一复位定时(时刻t1)之前维持像素选择开关50接通。

其结果是，根据实施方式1所涉及的像素控制，像素电路100的感光特性成为如图5所示。图5的横轴表示像素电路100的感光量(入射光量)，纵轴表示基于输出电位Vout而生成的像素输出信号OUT。

像素输出信号OUT与输出电位Vout相反，感光量越大，表示作为数值越高的信号。即，在像素电路100的感光量为零、FD电位V(FD)不从复位电位变化、输出电位Vout＝Vdd时，像素输出信号OUT是最小值(0)。相反，在由于像素电路100的感光量超过极限、浮动扩散区域30的信号电荷饱和、输出电位Vout＝Vdd时，像素输出信号OUT成为最大值。

图5中的基准光量Lr是表示是否延长传输门21的接通期间，即传输电路20的工作期间的阈值的基准值。该基准光量Lr的信号电荷积累在浮动扩散区域30时的FD电位V(FD)相当于上述的FD电位V(FD)的基准电位。

在光量为基准光量Lr以下时，像素电路100根据通常动作，可以得到与至时刻t2(图2)为止积累的信号电荷量相应的像素输出信号OUT。即，在这样的低照度区域中，可以将像素输出信号OUT对于感光量的变化特性、即感光灵敏度特性确保得到如以往那样锐利。

另一方面，在光量大于基准光量Lr时，可以生成延长的传输电路20的工作期间(传输门21的接通期间)中的、进一步反映光电二极管10产生的信号电荷量的像素输出信号OUT。其结果是，浮动扩散区域30的电容Cfd为通常值(即、小于本实施方式的像素电路100的Cfd)，且与仅基于至时刻t2为止积累在积累区域15的信号电荷量来生成像素输出信号OUT的以往的像素控制(图5中的虚线)比较，可以提高高照度区域中的、像素输出信号OUT对于光量变化的变化比例。

其结果是，由于高照度区域的对比度检测能力提高，因此可以扩大像素电路100的动态范围。特别是，通过适当设定基准光量Lr，可以确保在规定的低照度区域(＜Lr)的感光灵敏度特性的灵敏度特性与以往同样，之后，可以扩大高照度区域的动态范围。另外，从以上的说明可知，利用像素电路100达到的动态范围取决于延长时间Td而变化。换言之，根据本实施方式所涉及的像素电路的控制，可以与期望的动态范围对应，唯一设计所需的延长时间Td。

特别是，在实施方式1所涉及的像素控制中，不向像素电路追加特别的构成要素，仅控制有无延长传输门21的接通期间(传输电路20的工作期间)，就可以实现上述扩大动态范围。所以，根据装载有按照本实施方式的像素电路100及像素控制电路200的固体拍摄元件，可以兼顾像素电路的小型化，不使像素控制(像素电路的控制)或者在像素电路后级的计算处理复杂化，就可以扩大动态范围。其结果是，可以以低成本制造兼顾了可以对应装载至移动设备等的小型化、及大动态范围的固体拍摄元件。

[实施方式1的变形例]

在实施方式1中，说明了单独的像素电路及其控制，但实际上，本发明的重点是应用于将多个像素电路100配置在阵列上的固体拍摄元件。另外，关于像素控制电路200(图1)，由于存在计时器电路220或脉冲发生器230等构成要素，因此需要一定程度的电路面积。所以，在实施方式1的变形例中，说明使用实施方式1所涉及的像素电路100及像素控制电路200的固体拍摄元件的有效的结构例。

参照图6，在根据本发明的实施方式1的变形例的固体拍摄元件中，构成将图1所示的像素电路100配置为矩阵状的像素阵列105。在该像素阵列中，像素行可以利用垂直扫描来依次选择，像素列可以利用水平扫描来依次选择。此外，基本上说明了像素阵列105内的所有的像素电路100适用实施方式1所涉及的像素控制，但也可以仅对于构成像素阵列105的像素中的一部分的像素，适用实施方式1所涉及的像素控制。

例如，若利用垂直扫描，将多个像素行中的一行选择为扫描对象，则从该扫描行的像素电路对于每个像素列所设的数据线110输出有输出电位Vout。如上所述，可以利用像素选择开关50(图1)来控制各像素电路100与数据线110的连接。

对每个像素列配置像素控制电路200(图1)。而且，在各像素列中，在像素控制电路200与各像素电路100之间配置有选择开关250和255。选择开关250插入在像素控制电路200与对应的像素电路100的传输电路20之间进行连接。另外，选择开关255插入在像素控制电路200与对应的像素电路100的反馈路径205之间进行连接。

在固体拍摄元件中，由于根据垂直扫描及/或水平扫描来依次控制各像素电路100，因此在各像素列中通过控制选择开关250和255的接通断开，可以将同一列的多个像素电路100中的1个像素电路与像素控制电路200选择性相连接。据此，利用属于同一像素列的多个像素电路100，可以共有单独的像素控制电路200。即，关于各像素电路100，可以根据图3所示的顺序来适用实施方式1所涉及的像素控制。

若采用这样的结构，则可以抑制像素控制电路200的配置个数并抑制电路面积，并且，通过在像素阵列外配置像素控制电路200，可以缩小像素阵列的面积。据此，可以更容易构成适于装载至移动设备的、小型的拍摄元件。

此外，在实施方式1的变形例中，示出了对每个像素列配置1个像素控制电路200、并且利用同一像素列内的像素电路100共有共同的像素控制电路200的结构例，但利用除此以外的结构也可以共有像素控制电路200。例如，也可以在像素列以外的其他每组配置共同的像素控制电路200，并且，在属于该组的多个像素电路100与像素控制电路200之间适当配置选择开关250、255。或者，也可以将各像素列进一步分割为多个组，对每组配置共同的像素控制电路200。即，关于共有像素控制电路200的像素电路100的组，确实记载了可以任意设定这一点。

[实施方式2]

在实施方式2中，说明了一种结构，该结构对于将浮动扩散区域30的电位V(FD)进行直接反馈的实施方式1的结构进行排列，基于将FD电位V(FD)放大的电信号的反馈，来控制传输门21的接通期间(传输电路20的工作期间)。

图7所示为表示本发明的实施方式2所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

将图7与图1相比，在实施方式2中，将像素电路100的输出节点No利用反馈路径205与像素控制电路200相连接。如实施方式1也说明的那样，在像素选择开关50的接通期间，利用作为源极跟随放大器工作的晶体管40，在输出节点No生成与浮动扩散区域30的电位V(FD)相应的输出电位Vout。而且，输出电位Vout利用反馈路径205，向像素控制电路200传递。

由于输出电位Vout是已经由晶体管40放大的电位，因此设有反相放大电路210的必要性下降。即，通过在脉冲发生器230内配置反相器等，可以基于输出电位Vout产生表示FD电位V(FD)与基准电位的比较结果的信号。此外，即使对于晶体管40及像素选择开关50的连接点设有反馈路径205，也可以同样将输出电位Vout进行反馈。由于图7所示的其他电路结构与图1同样，因此不重复其详细的说明。

图8是说明图7所示的实施方式2所涉及的像素电路的控制动作的动作波形图。

将图8与图3相比，在实施方式2所涉及的像素控制中，在时刻t3以前的一定期间，也需要使像素选择开关50接通，设置通过利用电流源150驱动输出节点No来产生输出电位Vout的期间。据此，与实施方式1同样，可以等效地执行在时刻t3的FD电位V(FD)与基准电位的比较(感光量和基准光量Lr：相当于与图5的比较)。

在图8的例子中，通过将像素选择信号SL设定为与传输控制基准信号TG0同样的期间(时刻t2～t3)的H电平，使像素选择开关50接通。若这样，则可以利用输出电位Vout的反馈，生成与图3同样的传输控制基准信号TG0。

此外，在像素控制上，最低限度需要分别与在时刻t3的输出电位Vout的反馈、以及在时刻t5的来自像素电路100的输出电位Vout的读出相对应，而设有像素选择开关50的接通期间。但是，如图3说明的那样，只要包含上述最低限度期间，像素选择开关50的接通期间就可以任意设定。例如，也可以生成像素选择信号SL，使得从时刻t2前、到就要到达下一复位定时(时刻t1)之前维持像素选择开关50接通。

由于像素控制的其他动作与实施方式1(图3)同样，因此不重复详细的说明。

所以，根据实施方式2所涉及的像素电路100及像素控制电路200(图7)，通过将输出电位Vout进行反馈以代替FD电位V(FD)，可以实现与实施方式1同样的像素控制。即，可以维持像素电路的小型化，之后，可以实现兼顾在低照度区域维持感光灵敏度特性及在高照度区域扩大动态范围的像素控制。

特别是，在实施方式2所涉及的结构中，由于可以避免将浮动扩散区域30与像素电路100的外部相连接，因此通过形成反馈路径205，浮动扩散区域30的电容Cfd不会受到影响。所以，可以防止像素电路100的FD电容(Cfd)在像素间产生偏差，抑制像素电路100的特性偏差。

[实施方式2的变形例]

图9是表示将实施方式2所涉及的像素电路及像素控制电路进行阵列配置的固体拍摄元件的结构例的示意图。

参照图9，与图6所示的实施方式1的变形例同样，构成将图7所示的像素电路100配置为矩阵状的像素阵列105，并且，对每个像素列配置像素控制电路200(图7)。此外，与实施方式1的变形例同样，基本上说明了像素阵列的各像素电路100适用实施方式1所涉及的像素控制，但也可以仅对于构成像素阵列的像素中的一部分的像素，适用实施方式1所涉及的像素控制。

在实施方式2所涉及的像素控制中，需要将输出电位Vout向像素控制电路200进行反馈，但输出电位Vout是通过接通像素电路100中的像素选择开关50(图7)而输出至数据线110。因此，在实施方式2的变形例中，若将每个像素列的数据线110与像素控制电路200相连接，则不用对每个像素电路100设置像图6那样的选择开关255，可以在与扫描行的像素电路100之间选择性形成反馈路径205。

另一方面，在像素控制电路200与各像素电路100之间，配置与图6同样的选择开关250。而且，通过在各像素列中以适当的定时控制选择开关250的接通断开，可以将同一列的多个像素电路100中的1个像素电路与像素控制电路200选择性相连接。利用属于同一像素列的多个像素电路100，可以共有单独的像素控制电路200，并且关于各像素电路100，可以根据图8所示的顺序适用实施方式2所涉及的像素控制。

这样，对于实施方式2所涉及的像素电路100及像素控制电路200，也与实施方式1同样，通过配置为阵列状的多个像素电路100、和将每个像素列共有的像素控制电路200配置在阵列外，可以更容易构成适于装载至移动设备的小型的拍摄元件。特别是，在实施方式2所涉及的变形例中，由于配置在像素控制电路200与各像素电路100之间的开关元件的个数与实施方式1的变形例相比要减少，因此可以进一步有助于固体拍摄元件的小型化。

此外，在实施方式2的变形例中，也示出了对每个像素列配置1个像素控制电路200、并且利用同一像素列内的像素电路100共有共同的像素控制电路200的结构例，但如实施方式1的变形例中说明的那样，利用除此以外的结构也可以共有像素控制电路200。即，关于共有像素控制电路200的像素电路100的组，可以任意设定。

[实施方式3]

在实施方式3中，说明像素电路结构的进一步变化。

参照图10，实施方式3所涉及的像素电路100与图1所示的像素电路100相比，传输电路20的结构不同。具体而言，在实施方式3中，传输电路20包含并联连接于积累区域15及浮动扩散区域30之间的传输门21及辅助传输门22。由于像素电路100的其他电路结构与图1同样，因此不重复详细的说明。

像素控制电路200与实施方式1同样，对来自设在浮动扩散区域30的反馈路径205的FD电位V(FD)及传输控制基准信号TG0进行响应，生成控制辅助传输门22的接通断开的传输控制信号TG#。另一方面，向传输门21的栅极原样提供有传输控制基准信号TG0。

参照图11，传输控制信号TG#基于传输控制基准信号TG0、计时器电路220(延长时间Td)产生的控制信号TG1、FD电位V(FD)与基准电位的比较结果(例如反相放大电路210的输出信号)，在像素电路100的感光量较大的情况下，设定为在时刻t3～t4的期间接通辅助传输门22；另一方面，在像素电路100的感光量较小时，设定为将辅助传输门22维持断开。

通过分别对传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#进行响应来使传输门21及辅助传输门22进行接通断开，可以使传输电路20与实施方式1同样工作。

即，通过在时刻t2～t3利用传输门21的接通使传输电路20工作，可以将至此积累在积累区域15的信号电荷向浮动扩散区域30传输。并且，在时刻t3～t4中，根据FD电位V(FD)，控制辅助传输门22的接通断开，在感光量较大时传输电路20工作；另一方面，在感光量较小时传输电路20不工作。其结果是，通过传输电路20产生的从积累区域15向浮动扩散区域30的电荷传输动作，与实施方式1同样。另外，关于像素选择信号SL，也与实施方式1(图3)中说明的同样生成。

所以，利用上述的实施方式3所涉及的像素电路及像素控制电路，也最低限度抑制像素电路的追加电路要素，并且，与实施方式1同样，不使像素控制(像素电路的控制)或者在像素电路后级的计算处理复杂化，就可以扩大动态范围。

此外，关于图10所示的、实施方式3所涉及的像素电路100及像素控制电路200，与图6所示的实施方式1的变形例同样，通过配置为阵列状的多个像素电路100、和将每个像素列(预定组)共有的像素控制电路200配置在阵列外，可以更容易构成适于装载至移动设备的小型的拍摄元件。

但是，在实施方式3所涉及的像素控制中，对于传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#，需要分别控制从像素控制电路200向各像素电路100进行的传输。所以，对于各像素电路100，关于图6所示的选择开关250，需要分别与传输门21及辅助传输门22对应地独立配置。

[实施方式3的变形例]

图12是表示本发明的实施方式3的变形例所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

将图12与图10相比，在实施方式3的变形例中，关于与实施方式3同样的结构的像素电路100，与实施方式2同样，将反馈路径205设在输出节点No与像素控制电路200之间。

关于用于判断像素电路100的感光量是否为基准以上的FD电位V(FD)与基准电位的比较，像素控制电路200不是直接使用FD电位V(FD)，而使用将FD电位放大的输出电位Vout，除此以外，与实施方式3(图10)同样生成传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#。此外，在图12的结构中，对于晶体管40及像素选择开关50的连接点可以设有反馈路径205。关于其他结构，由于与实施方式3同样，因此不重复详细的说明。

若采用这样的结构，则在与实施方式3同样设有利用传输门21及辅助传输门22的并联连接而构成的传输电路20的像素电路100中，与实施方式2同样，可以实现使用了由构成放大器(源极跟随放大器)的晶体管40放大的输出电位Vout的像素控制。

其结果是，在包括根据实施方式3的变形例的像素电路100及像素控制电路200的固体拍摄元件中，可以进一步享受与实施方式2同样的效果。

此外，关于图12所示的、实施方式3的变形例所涉及的像素电路100及像素控制电路200，与图9所示的实施方式2的变形例同样，通过配置为阵列状的多个像素电路100、和将每个像素列(预定组)共有的像素控制电路200配置在阵列外，可以更容易构成适于装载至移动设备的小型的拍摄元件。

但是，与实施方式3同样，关于传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#，由于需要分别控制从像素控制电路200向各像素电路100进行的传输，因此对于各像素电路100，关于图9所示的选择开关250，需要与传输门21及辅助传输门22分别对应地独立配置。

[实施方式4]

图13是表示实施方式4所涉及的像素电路100及像素控制电路200的结构的电路图。

将图13与图1相比，在根据实施方式4的像素电路100中，不同之处在于传输电路20由双栅极晶体管23构成这一点。由于像素电路100的其他部分的结构与实施方式1(图1)同样，因此不重复详细的说明。

而且，像素控制电路200与实施方式3(图10)同样构成，将图11所示的传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#向传输电路20提供。

双栅极晶体管23具有通常栅极G及控制栅极CG，根据通常栅极G及控制栅极CG的电位，控制从积累区域15向浮动扩散区域30执行/停止电荷传输。具体而言，n型结构的双栅极晶体管23通过使通常栅极G及控制栅极CG的至少一方为接通电位(n型晶体管时H电平：Vdd)而导通，从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。另一方面，在使通常栅极G及控制栅极CG这两者不为接通电位的情况下，停止从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。

例如，作为双栅极晶体管23，可以使用根据与通常栅极G重叠而制造的控制栅极CG的电位、通过调制形成于沟道的电场来控制晶体管的增益系数而构成的国际公开WO02/059979号公报(或者日本专利特开2002-222944号公报)、或日本专利特开2005-012002号公报所公开的可调整增益系数β的半导体元件。

如图13所示构成传输电路20，在图10所示的传输控制基准信号TG0的H电平期间及传输控制信号TG#的H电平期间这两者的H电平期间中，使双栅极晶体管23接通，从而也可以从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。即，可以使传输电路20与实施方式1同样工作。

其结果是，利用实施方式4所涉及的像素电路100及像素控制电路200，也与实施方式1同样，可以兼顾像素电路的小型化，不使像素控制(像素电路的控制)或者在像素电路后级的计算处理复杂化，就可以扩大动态范围。

此外，关于图13所示的、实施方式4所涉及的像素电路100及像素控制电路200，与图6所示的实施方式1的变形例同样，通过配置为阵列状的多个像素电路100、和将每个像素列(预定组)共有的像素控制电路200配置在阵列外，可以更容易构成适于装载至移动设备的小型的拍摄元件。

但是，在实施方式4所涉及的像素控制中，对于传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#，也需要分别控制从像素控制电路200向各像素电路100进行的传输。所以，与实施方式3同样，对于各像素电路100，关于图6所示的选择开关250，需要分别与传输门21及辅助传输门22对应地独立配置。

[实施方式4的变形例]

图14是表示本发明的实施方式4的变形例所涉及的像素电路及像素控制电路的结构的电路图。

将图14与图13相比，在实施方式4的变形例中，关于与实施方式3同样的结构的像素电路100，与实施方式2同样，将反馈路径205设在输出节点No与像素控制电路200之间。

关于用于判断像素电路100的感光量是否为基准以上的FD电位V(FD)与基准电位的比较，像素控制电路200不是直接使用FD电位V(FD)，而是使用将FD电位放大的输出电位Vout。然后，生成与实施方式4(图12)同样的传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#。此外，如图7中也说明的那样，即使对于晶体管40及像素选择开关50的连接点设有反馈路径205，也可以同样将输出电位Vout进行反馈。关于其他结构，由于与实施方式4同样，因此不重复详细的说明。

若采用这样的结构，则在与实施方式4同样设有由双栅极晶体管23构成的传输电路20的像素电路100中，与实施方式2同样，可以实现使用了由构成放大器(源极跟随放大器)的晶体管40放大的输出电位Vout的像素控制。

其结果是，在包括实施方式4的变形例所涉及的像素电路100及像素控制电路200的固体拍摄元件中，可以进一步享受与实施方式2同样的效果。

此外，关于图14所示的、实施方式4的变形例所涉及的像素电路100及像素控制电路200，与图9所示的实施方式2的变形例同样，通过配置为阵列状的多个像素电路100、和将每个像素列(预定组)共有的像素控制电路200配置在阵列外，可以更容易构成适于装载至移动设备的小型的拍摄元件。

但是，在实施方式4的变形例所涉及的像素控制中，对于传输控制基准信号TG0及传输控制信号TG#，也需要分别控制从像素控制电路200向各像素电路100进行的传输。所以，与实施方式4同样，对于各像素电路100，关于图6所示的选择开关250，需要分别与传输门21及辅助传输门22对应地独立配置。

在实施方式1～4及这些变形例中，是基于传输电路20的在本来的工作期间(在图3中的时刻t2～t3)的结束时间点的FD电位，比较像素电路100的感光量与基准光量，但除了利用该方法以外，也可以采用以下结构：判断像素电路100的感光量电平，并且根据其判断结果来控制是否需要延长传输电路20的工作期间。

[实施方式5]

在实施方式1～4及这些变形例中，说明了对每个像素电路控制是否需要延长传输电路20的工作期间的结构。

在实施方式5中，说明根据在多个像素电路整体(即、图6、9的像素阵列105)中的感光电平、在各像素电路共同控制是否需要延长传输电路20的工作期间的结构。即，实施方式5是面向图6及图9所示的、配置有多个根据实施方式1～4及这些变形例的像素电路100的固体拍摄元件。

图15是表示本发明的实施方式5所涉及的固体拍摄元件的第一例的示意图。

参照图15，实施方式5的第一例所涉及的固体拍摄元件与图6所示的固体拍摄元件相比，不同之处在于包括像素控制电路201以代替像素控制电路200这一点。另外，关于像素电路100中的传输电路20，可以适用图1(单个传输门21)、图10(传输门21及辅助传输门22)、以及图13(双栅极晶体管23)所示的任一结构。此外，图示虽然省略，但由于在各像素电路100中不需要反馈路径205，因此将其删除。

像素控制电路201与像素控制电路200相比，不同之处在于包含电平判断部202这一点。电平判断部202基于来自各像素电路100的输出信号，判断在多个像素电路100整体中的感光电平是否为预定以上。例如，可以利用来自各像素电路100的输出信号的总和或平均值与预定的阈值的比较来实现该判断。

此外，在图15中，对每个像素控制电路201标记了电平判断部202，但实际上，合理的结构为由像素阵列105内的多个像素电路100整体共有单独的电平判断部202。

在像素控制电路201中，构成对于像素控制电路200中的反馈路径205输入表示电平判断部202中的判断结果的信号的结构。

所以，在配置有图1所示的结构的各像素电路100的像素阵列105中，在像素电路整体中的感光电平为预定以上时，对于各像素电路100，根据控制信号TG1输出传输控制信号TG。另一方面，在像素电路整体中的感光电平低于预定时，对于各像素电路100，根据传输基准信号TG0输出传输控制信号TG。

另外，在配置有图10或者图13所示的结构的各像素电路100的像素阵列105中，在像素电路整体中的感光电平为预定以上时，对于各像素电路100，将传输控制信号TG#设定为在与图11的时刻t3～t4对应的期间成为H电平。另一方面，在像素电路整体中的感光电平低于预定时，对于各像素电路100，将传输控制信号TG#固定为L电平。

图16是表示本发明的实施方式5所涉及的固体拍摄元件的第二例的示意图。

参照图16，实施方式5的第二例所涉及的固体拍摄元件与图15所示的第一例相比，不同之处在于进一步设有操作开关203这一点。

操作开关203是用于用户输入选择是否需要扩大动态范围的指示而设的。电平判断部202基于向操作开关203的输入，判断在多个像素电路100整体中的感光电平是否为预定以上。

例如，在操作开关203设置作为用于在夜间拍摄时进行操作的输入端的情况下，电平判断部202在对操作开关203进行了操作时，可以判断为在像素电路整体中的感光电平低于预定；另一方面，在不对操作开关203进行操作时，可以判断为在像素电路整体中的感光电平为预定以上。与此相反，操作开关203也可以设置作为用于在光量电平较高的状况下拍摄时进行操作的输入端。

根据在像素电路整体中的感光电平是否为预定以上的判断，生成像素控制电路201的传输控制信号TG(或者TG#)，由于这方面与图15中说明的同样，因此不重复说明。

此外，在图15中，对每个像素控制电路201标记电平判断部202及操作开关203，但实际上，合理的结构为各配置1个电平判断部202及操作开关203，由像素阵列105内的多个像素电路100整体共有。

如上所述，在实施方式5所涉及的固体拍摄元件中，例如，为了分别对应夜间拍摄与晴天时的白天拍摄的不同等、感光电平有很大差别的拍摄场面，可以选择是否扩大各像素电路共同的动态范围来进行拍摄。特别是，由于不必对每个像素电路配置反馈结构，因此可以简化控制结构，并进行如上所述的拍摄。

[实施方式6]

在实施方式1～5及这些变形例中，说明了控制是否需要延长传输电路20的工作期间的结构。在实施方式6中，进一步探讨了传输电路20的工作期间，说明通过设定与以往的构思不同的工作期间长度、可以实现扩大动态范围的情况。

即，在下面说明的实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，将多个像素电路100的各个像素电路中的传输电路20的工作期间设定为共同且固定。

图17是表示本发明的实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的结构的电路图。

图17所示的像素电路100与图1所示的像素电路100相比，不同之处在于删除了反馈路径205这一点。像素电路100的结构是一般的结构，包括作为“光检测元件”的光电二极管10、积累区域15、传输电路20、浮动扩散区域30、复位开关35、构成“放大器”的晶体管40、及像素选择开关50。像素控制电路205执行利用传输控制信号设定传输电路20的工作期间、以及利用复位信号Rfd设定复位定时等的像素电路100的控制。

此处，使用图18及图19，说明像素电路100的传输电路20的工作期间的通常的设定方法。

参照图18，在时刻t0，通过传输控制信号从H电平向L电平转移，传输门21断开。即，停止传输电路20的工作。

如图19(a)所示，在时刻t0，上次的拍摄(前一帧)中产生的信号电荷90处于向全部浮动扩散区域30传输的状态。所以，积累区域15的信号电荷量为零。另一方面，在时刻t0，在浮动扩散区域30中，如虚线所示，处于积累有与在前一帧中的感光量相应的量的信号电荷的状态。

而且，在时刻t0以后，对应于新的拍摄(当前帧)的感光，光电二极管10产生信号电荷，并且该信号电荷积累至积累区域15。

再次参照图18，在时刻t1，产生有复位信号Rfd。据此，由于将复位开关35(图17)接通，因此将FD电位V(FD)复位至电源电位Vdd。

如图19(b)所示，在时刻t1，利用上述复位动作，在浮动扩散区域30中不存在信号电荷。另外，在积累区域15中，产生与在时刻t0～t1的期间的感光量相应的量的信号电荷90，但由于将传输门21断开(传输电路20不工作)，因此积累区域15的信号电荷不向浮动扩散区域30传输。这是因为，由于将传输门21断开，因此在积累区域15及浮动扩散区域30之间存在势垒层。

另外，在时刻t0～t1间的任一定时，与FD电位V(FD)相应的输出电位Vout、即与前一帧对应的输出信号经由接通的像素选择开关50从输出节点No读出。

再次参照图18，在时刻t2～t3之间，传输控制信号TG被设定为接通传输门21。即，传输控制信号TG与图3等中的传输控制基准信号TG0等同。

如图19(c)所示，在就要到达时刻t2之前，将与时刻t0～t2的期间中的感光量相应的量的信号电荷90积累在积累区域15。然后，如图19(d)所示，由于传输电路20的工作而使积累区域15及浮动扩散区域30之间的势垒层下降，随之至时刻t2为止积累在积累区域15的信号电荷90向浮动扩散区域30传输。

另外，在时刻t2～t3之间，光电二极管10根据感光而产生信号电荷90。关于该期间产生的信号电荷90，也利用传输电路20(传输门21)向浮动扩散区域30传输。

再次参照图18，在时刻t3，传输控制信号TG被设定为关断传输门21。据此，如图19(e)所示，本次的拍摄(当前帧)所产生的信号电荷90处于向全部浮动扩散区域30传输的状态。在时刻t3以后，在直到将浮动扩散区域30进行复位为止的任一定时，可以将与FD电位V(FD)相应的输出电位Vout从输出节点No读出。

再次参照图18，在各个像素电路100中，与1次拍摄(1帧)对应的曝光时间成为TF1(TF1＝TF0+T0)。此处，TF0与传输门21从关断到再次接通的期间对应，T0与传输门21的接通期间对应。

此处，说明时刻t2～t3的期间长度(T0的长度)的一般设定。

光电二极管10产生的信号电荷量取决于成为取决于工艺及构造的物理常数的光电转换效率(量子效率)、感光强度与光照射时间之积。另一方面，根据光电二极管10的积累区域15的电容Cpd，决定可以积累的最大电荷量(饱和电荷量)。由于即使产生了超过饱和电荷量的信号电荷，在积累区域15也无法积累，因此无法检测其明亮度。

所以，根据光电二极管10的尺寸及构造，决定积累在积累区域15的信号电荷量的最大值(以下为最大信号电荷积累量)Qpdmax。该最大信号电荷积累量也相当于传输门21(传输电路20)传输的信号电荷量的最大值。

此处，传输门21传输一定量的信号电荷所需的时间取决于构成传输门21的晶体管的尺寸(W/L)等的取决于工艺及构造的物理常数、积累区域15及浮动扩散区域30之间的电位差而决定。所以，优选的是传输门21的接通期间(T0)在可以利用传输门21传输最大信号电荷积累量Qpdmax的范围内要设定得尽可能短。一般而言，T0被设定为与利用传输门21传输最大信号电荷积累量Qpdmax所需的时间等同。下面，将T0也称作完全传输期间。

若根据图17及图18所述的像素电路的结构及控制方法，则1帧期间中的以曝光时间TF1产生最大信号电荷积累量Qpdmax的光强度，对应于可检测对比度的感光范围的上限。在现状的工艺及构造中，例如，在30帧/秒左右的动态图像拍摄时，表示可检测对比度的感光范围的范围大小的动态范围一般是60(dB)左右。另外，此时的完全传输期间T0一般而言是几(ns)～几十(ns)左右。

接下来，使用图20及图21，说明实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的控制动作。

从图20及图18的比较可以理解，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件的各像素电路100中，传输门21超过时刻t2～t3、而在时刻t2～t4之间接通。即，传输门21即使经过完全传输期间T0后，也遍及延长期间T1继续接通。即，延长期间T1对应于本发明的“第一期间”。另外，由于至时刻t2为止的控制动作与图18同样，因此不重复说明。

参照图21，关于图21(a)～(d)是与以往(图19)同样的动作。即，在时刻t2～t3(图21(d))中，遍及完全传输期间T0接通传输门21。在图21(e)中，设想在时刻t3时间点，最大信号电荷积累量Qpdmax向浮动扩散区域30传输的情况。即，在图21中，示出对应于超过以往的动态范围的感光强度的拍摄情况。此时，在时刻t0～t2之间，虽然产生超过最大信号电荷积累量Qpdmax的信号电荷90，但由于积累区域15的饱和，无法将超过最大信号电荷积累量Qpdmax的电荷量在时刻t2的时间点积累在积累区域15。

在各像素电路100中，关于浮动扩散区域30的电容Cfd，也与上述的以往思想不同来进行设定。即，将Cfd决定为具有一定余量，该余量用于在接受最大信号电荷积累量Qpdmax的时间点并且在延长期间T1中、接受光电二极管10产生的信号电荷。所以，浮动扩散区域30的电容Cfd大于积累区域15的电容Cpd。

然后，如图21(f)所示，在时刻t3～t4中，由于传输门21遍及延长期间T1继续接通，因此时刻t3以后将光电二极管10根据感光而产生的信号电荷90向浮动扩散区域30追加传输。此时，若根据以往的思想来设计浮动扩散区域30的电容Cfd，则无法在浮动扩散区域30中接受追加传输的信号电荷90，确实记载了上述这一点。

此外，若将Cfd确保为Cpd的2倍左右，则在延长期间T1也可以接受最大信号电荷积累量Qpdmax。

再次参照图20，在从时刻t2经过(T0+T1)的时刻t4，将传输门21关断。据此，如图21(g)所示，在时刻t4以后，由于传输电路20所涉及的势垒层再次上升，因此停止从积累区域15向浮动扩散区域30传输信号电荷。

所以，在传输门21的断开时间点，处于在浮动扩散区域30积累有在时刻t2时间点积累在积累区域15的信号电荷90、在时刻t2～t4的期间光电二极管10产生的信号电荷90之和的状态。

此外，在时刻t4，在延长期间T1的期间产生的信号电荷90需要完全向浮动扩散区域30传输。这是因为，在时刻t4，由于开始有下一帧用的曝光，因此若在积累区域15残留有信号电荷90，则下一帧中的感光量检测会产生误差。所以，优选的是延长期间T1至少确保为利用传输门21传输积累区域15中的最大信号电荷积累量Qpdmax所需的时间、即完全传输期间T0以上(T1≥T0)。

再次参照图20，在时刻t4以后，将FD电位V(FD)维持为时刻t4的电位。然后，在直到将浮动扩散区域30接下来复位的任一定时，将与FD电位V(FD)相应的输出电位Vout从输出节点No读出。

即，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件的各像素电路100中，与1次拍摄(1帧)对应的曝光时间从TF1(TF1＝TF0+T0、下面也称作“基准曝光时间”)延长至TF2(＝TF1+T1)。使用图22说明该延长所导致的扩大动态范围的原理。

图22是用于说明实施方式6所涉及的固体拍摄元件的像素电路的输出特性的示意图。此外，设图22的横轴表示光量(或者感光强度)，纵轴表示FD电位V(FD)的从复位时起的电位变化ΔV(FD)。即，ΔV(FD)由向浮动扩散区域30传输的信号电荷量与Cfd决定。

在图22中，以往的控制动作(图18、19)及作为Cfd的情况的输出特性如虚线所示。在以往的像素电路中，在基准曝光时间TF1的期间光电二极管10产生最大信号电荷积累量Qpdmax时的光量所对应的L0，与动态范围的上限对应。即，ΔV(FD)与光量Lmn(最小光量值)～L0的范围对应而在0～Vmax变化，据此来检测光量(或者感光强度)。即，在光量高于L0的范围，即，在感光强度高于与L0对应的光强度的范围，由于积累区域15饱和，因此无法正确地检测光量。

与之不同的是，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，由于将Cfd设计得大于以往的数值，因此接收最大信号电荷积累量Qpdmax时的ΔV(FD)停止在V0(＜Vmax)。然后，在感光强度高于与L0对应的光强度时，与在延长期间T1产生的信号电荷量对应，ΔV(FD)从V0上升。即，对于高于L0的范围的光量，也可以使ΔV(FD)变化。

而且，与根据加上在延长期间T1的追加传输的合计的信号电荷量而ΔV(FD)到达Vmax时的光量L1对应的感光强度，成为动态范围的上限。即，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，与以往相比，动态范围扩大了ΔL(L0～L1)。

即，浮动扩散区域30的电容Cfd需要确保为用于接受最大信号电荷积累量Qpdmax的电容值、与用于接受在延长期间T1产生的信号电荷量(即、与扩大动态范围ΔDR对应的信号电荷量的电容值之和以上。

在光量大于L0的区域的特性线根据延长时间T1而变化。相对于同一光量在延长期间T1产生的信号电荷的总量越小，由于Cfd的余量而可检测的光量范围越宽。所以，延长期间T1越小，特性线的倾斜度越小，相反，延长期间T1越大，特性线的倾斜度越大。

另外，关于ΔV(FD)的V0与Vmax之比，根据Cfd而改变。即，在延长期间T1中可检测的光量的范围也根据Cfd而变化。如上所述，优选的是Cfd决定为在延长期间T1中也可以在浮动扩散区域30追加接受最大信号电荷积累量Qpdmax。例如，若将Cfd确保为Cpd的2倍左右，则在延长期间T1中也可以使用信号电荷量为0～Qpdmax的范围来测光量。

此处，与Lmn～L0对应的基准动态范围DR如下述(1)式所示。

DR＝20×log₁₀(L0/Lmn)…(1)

并且，若在延长期间T1也可以使用信号电荷量为0～Qpdmax的范围来检测光量，则利用基准曝光时间TF1相对于延长期间T1之比，与ΔL对应的扩大动态范围ΔDR如下述(2)式所示。

ΔDR＝20×log₁₀(TF1/T1)…(2)

这样，根据延长期间T1来决定扩大动态范围ΔDR。此外，在可以利用Cfd保持的信号电荷量小于2×Qpdmax的情况下，由于在延长期间T1的期间浮动扩散区域30有可能饱和，因此可以仅检测直到饱和的光量范围。所以，此时的扩大动态范围ΔDR小于式(2)。反言之，从这方面来说，也优选的是Cfd确保为Cpd的2倍左右。

另一方面，如图22所示，由于若缩短延长期间T1，则相对于同一Cfd的ΔL扩大；另一方面，相对于光量的ΔV(FD)的变化减小，因此在对比度的检测上不利。所以，通过设定扩大动态范围ΔDR，可以适当求出延长期间T1，以覆盖相对于期望的动态范围的基准动态范围DR的不足量。

例如，在30帧/秒的动态图像拍摄中，与1帧期间对应达到TF1＝33(ms)左右。此时的基准动态范围DR如上所述，在以往的固体拍摄元件中是60(dB)左右。另一方面，人在同一视野内可检测的亮度分布可以从5位前后到达7位的范围(动态范围为80～140(dB))。所以，可以决定延长期间T1，以通过扩大动态范围ΔDR来将该差别填补。

作为一个例子，为了使固体拍摄元件的动态范围为140dB，由于需要ΔDR＝80(dB)，因此可以决定为T1＝TF1/10⁴＝3.3(μs)。同样，为了使固体拍摄元件的动态范围为100dB，由于需要ΔDR＝40(dB)，因此可以决定为T1＝TF1/10²＝330(μs)。在现实中，从具有与人的视觉等同的对比度检测能力的观点而言，优选的是将延长期间T1设定为加上扩大动态范围ΔDR的固体拍摄元件的动态范围在80(dB)～140(dB)的范围内。

从图22的特性线可知，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，基于在时刻t0～t3(基准曝光时间TF1)积累在积累区域15的信号电荷量，对于L0以下的范围可以得到与光量成正比的绝对值输出(ΔV(FD))。并且，利用由在延长期间T1(时刻t3～t4)的曝光而追加产生的信号电荷量，可以将高于L0范围的光量捕捉作为像素电路100间的相对值(即、像素间的对比度成分)来检测。该动作与在人的视觉中压缩背景光成分的信号的动作对应。即，分别在基准曝光时间TF1及延长曝光时间(延长期间T1)中，与进行在不同的光量(感光强度)范围的拍摄是等效的，且通过单纯加上分别产生的信号电荷量，可以等效地实现将这些拍摄结果合成的较宽的动态范围的拍摄。

这样，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，通过以与以往的构思相反的想法，来决定各像素电路中的传输门21的接通期间(传输电路20的工作期间)、以及浮动扩散区域30的电容Cfd，能够不使像素电路的结构、或者像素电路的控制及/或在像素电路后级的计算处理完全复杂化，就实现扩大动态范围。即，可以以低成本制造兼顾了可以对应装载至移动设备等的小型化、及大动态范围的固体拍摄元件。

此外，关于实施方式6所涉及的固体拍摄元件，将像素电路100的传输电路20的动作期间遍及延长期间T1而延长的概念，也可以适用于图10所示的、由一组传输门21及辅助传输门22构成的传输电路。然而，在简化电路结构及像素控制的方面而言，传输电路20由单个传输门21构成时优点较大。

另外，在实施方式1～5及这些变形例所涉及的固体拍摄元件中，优选的是延长时间Td也与实施方式6的延长期间T1同样来决定。另外，关于浮动扩散区域30的电容Cfd，优选的是也与实施方式6同样来决定。

此外，如实施方式1～5及这些变形例所示，在控制是否需要延长传输电路20的工作期间的结构的固体拍摄元件中，与如实施方式6所示一律且无条件地使传输电路20的工作期间延长的固体拍摄元件相比，在低照度的拍摄(夜间等)中可以确保曝光时间，在这点是有利的。另一方面，在实施方式6所涉及的固体拍摄元件中，可以利用与以往完全同样的像素电路结构及控制电路结构大幅扩大动态范围，在这点是有利的。

此外，在以上的实施方式中，关于构成像素电路100的晶体管，全部都例举了n型导电型的元件，但关于晶体管的导电型也可以适当变更，使用p型元件。此时，通过使得从像素控制电路200输出的传输控制信号的逻辑电平(H/L)、与电源节点6/接地节点5的连接适当相反，可以实现同样的像素控制。

另外，在实施方式1～6及这些变形例中，例举了将负电荷(电子)作为信号电荷的结构，但也可以通过将光电二极管10的阴极与电源节点6进行电连接，构成将正电荷(空穴)作为信号电荷的电路结构。但是，由于正电荷(空穴)的迁移率比负电荷(电子)的迁移率小，因此应理解为包括本实施方式1～4及这些变形例所示的像素电路及像素控制电路的固体拍摄元件在高速拍摄方面相对有利。

本次披露的实施方式的所有方面仅是举例表示，并非限制性的。意味着本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求表示的，包含了在与权利要求均等的意义及范围内的所有变更。

工业上的实用性

本发明可以适用于在各像素电路具有感光检测元件的一般的固体拍摄元件。

Claims (16)

1.一种固体拍摄元件，其特征在于，包括：

多个像素电路(100)；以及

控制电路(205)，控制各所述像素电路，

各所述像素电路包含：

光检测元件(10)，根据感光而产生信号电荷；

积累区域(15)，积累由所述光检测元件产生的信号电荷；

浮动扩散区域(30)；以及

传输电路(20)，构成为在工作时将所述积累区域的信号电荷向所述浮动扩散区域传输，另一方面，在不工作时将所述传输断开，

所述控制电路构成为，控制各所述像素电路的所述传输电路，使得在遍及利用所述传输电路将在所述积累区域的最大信号电荷积累量从所述积累区域向所述浮动扩散区域传输所需的完全传输期间(T0)，使所述传输电路工作，并且，在经过所述完全传输期间后遍及第一期间(T1)还使所述传输电路继续工作，

所述浮动扩散区域的电容值(Cfd)是用于接受所述最大信号电荷积累量所需的第一电容值、与用于接受在所述第一期间中所述光检测元件产生的所述信号电荷所需的第二电容值之和以上。

2.如权利要求1所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述第一期间(T1)具有所述完全传输期间(T0)以上的长度。

3.如权利要求1或者2所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述浮动扩散区域的电容值(Cfd)是所述积累区域的电容值(Cpd)的2倍以上。

4.如权利要求3所述的固体拍摄元件，其特征在于，

以预定周期而设置所述传输电路(20)的工作期间，

所述固体拍摄元件的动态范围由：在从所述传输电路的上次的工作期间的结束时间点到本次的工作期间的开始时间点的期间与所述完全传输期间之和的基准曝光期间(TF1)中根据所述光检测元件产生相当于所述最大信号电荷积累量的信号电荷量的感光量的基准动态范围、根据所述第一期间(T1)的长度而变化的扩展动态范围之和表示，

所述扩展动态范围根据所述基准曝光期间相对于所述第一期间之比的对数。

5.一种固体拍摄元件的控制方法，其特征在于，

是包括多个像素电路(100)的固体拍摄元件的控制方法，

各所述像素电路包含：

光检测元件(10)，根据感光而产生信号电荷；

积累区域(15)，积累由所述光检测元件产生的信号电荷；

浮动扩散区域(30)；以及

传输电路(20)，构成为在工作时将所述积累区域的信号电荷向所述浮动扩散区域传输，另一方面在不工作时断开所述传输，

所述控制方法包括：

在所述传输电路不工作时，将所述光检测元件产生的所述信号电荷积累在所述积累区域的步骤；

遍及利用所述传输电路将在所述积累区域的最大信号电荷积累量从所述积累区域向所述浮动扩散区域传输所需的完全传输期间(T0)，使所述传输电路工作的步骤；以及

在经过所述完全传输期间后遍及第一期间(T1)还使所述传输电路继续工作，在所述工作的步骤之后将所述光检测元件产生的所述信号电荷向所述浮动扩散区域追加传输的步骤，

所述浮动扩散区域的电容值(Cfd)是用于接受所述最大信号电荷积累量所需的第一电容值、与用于接受在所述第一期间中所述光检测元件产生的所述信号电荷所需的第二电容值之和以上。

6.一种固体拍摄元件，其特征在于，包括：

像素电路(100)，包含：根据感光而产生信号电荷的光检测元件(10)、积累由所述光检测元件产生的信号电荷的积累区域(15)、浮动扩散区域(30)、构成为在工作时将所述积累区域的信号电荷向所述浮动扩散区域传输而另一方面在不工作时断开所述传输的传输电路(20)；以及

像素控制单元(200)，用于控制所述信号电荷的传输，

所述像素控制单元根据所述像素电路的感光电平来控制所述传输电路，使得在感光量为预定以上时，与所述感光量低于预定时相比，延长所述传输电路的工作期间。

7.如权利要求6所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述像素控制单元(200)包含：

第一传输控制单元，使所述传输电路(20)工作预定期间；以及

第二传输控制单元，在所述预定期间向所述浮动扩散区域传输的信号电荷量大于基准时，与所述预定期间相比延长所述传输电路的工作，另一方面，在所述传输的信号电荷量为所述基准以下时，在所述预定期间结束时使所述传输电路不工作。

8.如权利要求7所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述传输电路(20)具有并联连接于所述光检测元件与所述浮动扩散区域之间的传输门(21)及辅助传输门(22)，

所述第一传输控制单元在所述预定期间接通所述传输门，

所述第二传输控制单元在所述预定期间传输的信号电荷量大于所述基准时，在所述预定期间以后将所述辅助传输门接通一定期间。

9.如权利要求7所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述传输电路(20)具有连接于所述光检测元件与所述浮动扩散区域之间的传输门(21)，

所述第一传输控制单元遍及所述预定期间接通所述传输门，

所述第二传输控制单元在所述预定期间传输的信号电荷量大于所述基准时，在所述预定期间结束后还将所述传输门的接通维持一定期间。

10.如权利要求7～9中任一项所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述第二传输控制单元基于所述预定期间中的所述浮动扩散区域(30)的电位(V(FD))，判断在所述预定期间传输的信号电荷量是否大于所述基准。

11.如权利要求7～9中任一项所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述像素电路(100)还包含工作时产生与所述浮动扩散区域(30)的信号电荷量相应的电信号的放大器(40)，

所述放大器构成为在所述预定期间工作，

所述第二传输控制单元基于所述预定期间中的来自所述放大器的所述电信号，判断在所述预定期间传输的信号电荷量是否大于所述基准。

12.如权利要求10所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述固体拍摄元件还包括：

像素阵列(105)，具有多个所述像素电路；以及

数据线(110)，用于读出来自各所述像素电路的输出，

各所述像素电路(100)还包含工作时产生与所述浮动扩散区域(30)的信号电荷量相应的电信号的放大器(40)、以及配置在所述放大器与所述数据线之间的像素选择开关元件(50)，

将所述多个像素电路分割为多个组，并且，所述像素控制单元(200)与所述多个组的各个组对应而设在所述像素阵列的外部区域，

所述固体拍摄元件还包括：

第一开关元件(250)，配置在各所述像素电路中的所述传输电路(20)与对应的所述像素控制单元之间；以及

第二开关元件(255)，配置在各所述像素电路中的所述浮动扩散区域(30)与对应的所述像素控制单元之间，

控制所述第一及所述第二开关元件，使得在所述多个组的各个组中，将该组内的所述像素电路中的被选择的1个所述像素电路与所述像素控制单元依次相连接，

所述第二传输控制单元基于经由所述第二开关元件连接的所述浮动扩散区域的电位，判断在所述预定期间传输的信号电荷量是否大于所述基准。

13.如权利要求11所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述固体拍摄元件还包括：

像素阵列(105)，具有多个所述像素电路；以及

数据线(110)，用于读出来自各所述像素电路的输出，

各所述像素电路还包含配置在所述数据线与所述放大器之间的像素选择开关元件(50)，

将所述多个像素电路分割为多个组，并且，所述像素控制单元(200)与所述多个组的各个组对应而设在所述像素阵列的外部区域，

所述固体拍摄元件还包括配置在各所述像素电路中的所述传输电路与对应的所述像素控制单元之间的第一开关元件(250)，

控制所述第一开关元件，使得在所述多个组的各个组中，将该组内的所述像素电路中的被选择的1个像素电路与所述像素控制单元依次相连接，

所述第二传输控制单元基于从所述放大器向所述数据线输出的所述电信号，判断在所述预定期间传输的信号电荷量是否大于所述基准。

14.如权利要求6或者7所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述固体拍摄元件包括多个所述像素电路(100)，

所述像素控制单元(201)控制所述传输电路，使得在所述多个像素电路整体中的感光电平为预定以上时，对于所述多个像素电路的各个像素电路共同地延长所述工作期间；另一方面，控制所述传输电路，使得在所述感光电平低于预定时，对于所述多个像素电路的各个像素电路共同地不延长所述工作期间。

15.如权利要求14所述的固体拍摄元件，其特征在于，

还包括用于指定所述感光电平是否为所述预定以上的状况的操作开关(203)，

所述像素控制单元(201)根据向所述操作开关有无输入，判断在所述多个像素电路整体中的感光电平是否为所述预定以上。

16.如权利要求14所述的固体拍摄元件，其特征在于，

所述像素控制单元(201)基于利用所述固体拍摄元件在刚刚之前的拍摄时的来自所述多个像素电路(100)的输出，判断在所述多个像素电路整体中的感光电平是否为所述预定以上。

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