CN107888807A - 固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。像素部包含以行列状配置了多个第1像素的光电变换读出部的第1像素阵列、以行列状配置了多个第1像素的信号保持部的保持部阵列、和以行列状配置了多个第2像素的光电变换读出部的第2像素阵列，在卷帘快门模式时，第1像素以及第2像素的光电变换读出部的读出信号不经由旁路路径而直接输出到第1垂直信号线，在全局快门模式时，第1像素的信号保持部的保持信号输出到第2垂直信号线。由此，能实现能防止结构的复杂化并能防止布局上的面积效率降低的固体摄像装置。

Description

固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备

本发明包含涉及日本专利申请JP2016-192237(申请日：2016年9月29日)，将其内容全部援引于此。

技术领域

本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。

背景技术

作为使用了检测光来产生电荷的光电变换元件的固体摄像装置(图像传感器)，实用中有CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器。

CMOS图像传感器作为数字摄像机、视频摄像机、监视摄像机、医疗用内窥镜、个人计算机(PC)、便携电话等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分而广泛应用。

CMOS图像传感器在每个像素具备具有光电二极管(光电变换元件)以及浮动扩散层(FD：Floating Diffusion)的FD放大器，其读出的主流方式是列并行输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时在列(column)输出方向上将其读出。

然而，在CMOS图像传感器中，进行以下动作：按每个像素或每行依次扫描由光电二极管生成并积蓄的光电荷，进行读出。

在该依次扫描、即作为电子快门而采用卷帘快门的情况下，不能使积蓄光电荷的曝光的开始时间以及结束时间在全部像素一致。因此，在依次扫描的情况下，存在在运动被摄体的摄像时在摄像图像中出现失真这样的问题。

因此，在不能允许图像失真的高速运动的被摄体的摄像、需要摄像图像的同时性的传感用途中，作为电子快门而采用全局快门(global shutter)，该全局快门对像素阵列部中的全部像素在同一定时下执行曝光开始和曝光结束。

作为电子快门而采用了全局快门的CMOS图像传感器在像素内例如设置将从光电变换读出部读出的信号保持在信号保持电容器中的信号保持部。

在采用了全局快门的CMOS图像传感器中，将基于光电二极管的电荷作为电压信号一齐积蓄到信号保持部的信号保持电容器中，之后依次读出，由此确保图像整体的同时性(例如，参考非专利文献1)。

另外，该CMOS图像传感器构成为，具有将光电变换读出部的输出绕开信号保持部而转送到信号线的旁路开关，除了全局快门功能以外还同时具有卷帘快门功能。

在非专利文献1记载的层叠型CMOS图像传感器中，具有第1基板(Pixel die，像素裸片)和第2基板(ASIC die，ASIC裸片)通过微凸块(连接部)连接的层叠结构。并且，在第1基板形成各像素的光电变换读出部，在第2基板形成各像素的信号保持部、信号线、垂直扫描电路、水平扫描电路、列读出电路等。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：J.Aoki，et al.，”A Rolling-Shutter Distortion-Free 3DStacked Image Sensor with-160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel StorageNode”ISSCC 2013/SESSION 27/IMAGE SENSORS/27.3.

上述现有的具备全局快门功能的CMOS图像传感器由于在全局快门功能以及卷帘快门功能这两个功能中共用信号线，从而需要将绕开信号保持部而转送到信号线的旁路开关与信号保持部并列设置，因此有以下的不利。

上述现有的具备全局快门功能的层叠型CMOS图像传感器由于在第1基板(Pixeldie，像素裸片)和第2基板(ASIC die，ASIC裸片)中成对地具备像素和全局快门用信号保持电容器，因此第2基板(ASIC die，ASIC裸片)侧的外围电路所需的面积成为开销，存在面积效率低这样的问题。

另外，在上述的CMOS图像传感器中，信号保持部侧的结构会复杂化。

发明内容

本发明提供一种能防止结构的复杂化且能防止布局上的面积效率降低的固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。

本发明的第1观点的固体摄像装置具有：配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素当中的至少所述第1像素的像素部；从所述像素部进行像素信号的读出的读出部；输出所述光电变换读出部的读出信号的第1信号线；和输出所述信号保持部的保持信号的第2信号线，至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：输出节点；在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷的光电变换元件；能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷的转送元件；通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷的浮动扩散；将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点的源极跟随器元件；在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位的重置元件；和在第1期间将所述输出节点与所述第1信号线电连接的选择元件，所述信号保持部包含：能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号的信号保持电容器；在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接的开关元件；包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线的输出部。

本发明的第2观点的固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素的像素部；从所述像素部进行像素信号的读出的读出部；输出所述光电变换读出部的读出信号的第1信号线；和输出所述信号保持部的保持信号的第2信号线，至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：输出节点；在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷的光电变换元件；能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷的转送元件；通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷的浮动扩散；将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点的源极跟随器元件；在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位的重置元件；和在第1期间将所述输出节点与所述第1信号线电连接的选择元件，所述信号保持部包含：能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号的信号保持电容器；在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接的开关元件；和包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线的输出部，所述像素部包含：以行列状配置了多个所述第1像素的所述光电变换读出部的第1像素阵列；以行列状配置了所述多个所述第1像素的所述信号保持部的保持部阵列；和以行列状配置了多个所述第2像素的所述光电变换读出部的第2像素阵列，在所述固体摄像装置的驱动方法中，在第1动作时，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述第2像素的所述第2像素阵列成为有效(active)来进行像素信号的读出，在第2动作时，在使所述第1像素以及所述第2像素的所述光电变换读出部中的所述选择元件成为非选择状态的状态下，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述保持部阵列成为有效来进行像素信号的读出。

本发明的第3观点的电子设备具有：固体摄像装置；和将被摄体像成像于所述固体摄像装置的光学系统，所述固体摄像装置具有：配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素当中的至少所述第1像素的像素部；从所述像素部进行像素信号的读出的读出部；输出所述光电变换读出部的读出信号的第1信号线；和输出所述信号保持部的保持信号的第2信号线，至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：输出节点；在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷的光电变换元件；能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷的转送元件；通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷的浮动扩散；将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点的源极跟随器元件；在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位的重置元件；和在第1期间使所述输出节点与所述第1信号线电连接的选择元件，所述信号保持部包含：能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号的信号保持电容器；在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接的开关元件；和包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线的输出部。

发明效果

根据本发明，能防止结构的复杂化且能防止布局上的面积效率降低。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的第1像素以及第2像素的一例的电路图。

图3是用于对本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的像素部中的像素阵列进行说明的图。

图4A～图4C是用于说明本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的像素部的列输出的读出系统的结构例的图。

图5是用于对本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构进行说明的图。

图6A～图6H是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的全局快门模式时的读出动作的时序图。

图7A～图7D是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的卷帘快门模式时的读出动作的时序图。

图8是用于说明本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的图。

图9是用于说明本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的图。

图10A以及图10B是在本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构中表示垂直扫描电路的构成部件的配置例的图。

图11是表示本发明的第4实施方式所涉及的电荷再生系统的结构例的图。

图12A～图12J是用于说明本发明的第4实施方式所涉及的电荷再生系统的动作的图。

图13是表示应用本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的电子设备的构成的一例的图。

具体实施方式

以下，联系附图来说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

在本实施方式中，固体摄像装置10例如由CMOS图像传感器构成。

该固体摄像装置10如图1所示，作为主构成要素而具有作为摄像部的像素部20、垂直扫描电路(行扫描电路)30、读出电路(列读出电路)40、水平扫描电路(列扫描电路)50以及定时控制电路60。

由这些构成要素当中例如垂直扫描电路30、渎出电路40、水平扫描电路50以及定时控制电路60构成像素信号的读出部70。

在本第1实施方式中，固体摄像装置10如之后详述的那样例如构成为以下那样的层叠型的CMOS图像传感器，其中，在像素部20中有包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含光电变换读出部的第2像素作为像素而混合存在，且同时具有第1动作即卷帘快门和第2动作即全局快门这两个动作功能。

在本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10中，像素部20包含：以行列状配置了多个第1像素的光电变换读出部的第1像素阵列；以行列状配置了多个第1像素的信号保持部的保持部阵列；和以行列状配置了多个第2像素的光电变换读出部的第2像素阵列。

并且，在第1动作即卷帘快门模式时，第1像素以及第2像素的光电变换读出部的读出信号不经由旁路路径而直接输出到第1垂直信号线。

另外，在第2动作即全局快门模式时，第1像素的信号保持部的保持信号输出到第2垂直信号线。

以下，详述固体摄像装置10的各部的构成以及功能的概要，特别详述像素部20的构成及功能、与其关联的读出处理、以及像素部20和读出部70的层叠结构等。

(第1像素以及第2像素和像素部20的构成)

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的第1像素以及第2像素的一例的电路图。

配置于像素部20的第1像素21包含光电变换读出部211以及信号保持部212。

配置于像素部20的第2像素22包含光电变换读出部221。

第1像素21的光电变换读出部211包含光电二极管(光电变换元件)和像素内放大器。

具体地，该光电变换读出部211例如具有光电变换元件即光电二极管PD21。

对于该光电二极管PD21，分别各具有1个作为转送元件的转送晶体管TG1-Tr、作为重置元件的重置晶体管RST1-Tr、作为源极跟随器元件的源极跟随器晶体管SF1-Tr、输出节点ND21、以及作为选择元件(选择开关)的选择晶体管SEL1-Tr。

如此，第1实施方式所涉及的第1像素21的光电变换读出部211包含转送晶体管TG1-Tr、重置晶体管RST1-Tr、源极跟随器晶体管SF1-Tr、以及选择晶体管SEL1-Tr这4个晶体管(4Tr)。

在本第1实施方式所涉及的光电变换读出部211中，输出节点ND21与第1像素21的信号保持部212的输入部连接，并经由选择晶体管SEL1-Tr与第1垂直信号线LSGN11连接。

光电变换读出部211在卷帘快门模式时将读出电压(信号电压)(VRST1、VSIG1)输出到第1垂直信号线LSGN11。

光电变换读出部211在全局快门模式时将读出电压(信号电压)(VRST1、VSIG1)输出到信号保持部212。

在本第1实施方式中，第1垂直信号线LSGN11在卷帘快门模式时由恒定电流源Ibias1驱动，第2垂直信号线LSGN12在全局快门模式时由恒定电流源Ibias1驱动。

恒定电流源Ibias1在卷帘快门模式时和全局快门模式时共用。

恒定电流源Ibias1如图2所示那样，由开关部410按照动作模式来切换连接目的方。在卷帘快门模式时，第1垂直信号线LSGN11与恒定电流源Ibias1连接，第2垂直信号线LSGN12与基准电位VSS(例如接地)连接。另一方面，在全局快门模式时，第2垂直信号线LSGN12与恒定电流源Ibias1连接，第1垂直信号线LSGN11与基准电位VSS(例如接地)连接。

光电二极管PD21产生、积蓄与入射光量相应的量的信号电荷(在此是电子)。

以下，说明信号电荷是电子且各晶体管是n型晶体管的情况，但也可以信号电荷是空穴(hole)，各晶体管是p型晶体管。

另外，本实施方式在多个光电二极管以及转送晶体管间共有各晶体管的情况下也是有效的。

光电变换读出部211的转送晶体管TG1-Tr连接在光电二极管PD21与浮动扩散FD21之间，由通过控制线而施加到栅极的控制信号TG控制。

转送晶体管TG1-Tr在控制信号TG为高(H)电平的转送期间被选择成为导通状态，将由光电二极管PD21光电变换并积蓄的电荷(电子)转送到浮动扩散FD21。

重置晶体管RST1-Tr连接在电源电压VDD的电源线Vdd与浮动扩散FD21之间，由通过控制线而施加到栅极的控制信号RST控制。

重置晶体管RST1-Tr在控制信号RST为高电平的重置期间被选择成为导通状态，将浮动扩散FD21重置到电源电压VDD的电源线Vdd的电位。

源极跟随器晶体管SF1-Tr和选择晶体管SEL1-Tr在电源线Vdd与由恒定电流源Ibias1驱动的第1垂直信号线LSGN11之间串联连接。

由源极跟随器晶体管SF1-Tr的源极与选择晶体管SEL1-Tr的漏极的连接点形成输出节点ND21。

该输出节点ND21与信号保持部212的输入部之间的信号线LSGN13例如由配置于信号保持部212的输入部的恒定电流源Ibias3驱动。

源极跟随器晶体管SF1-Tr将列输出的读出电压(VRST1、VSIG1)输出到输出节点ND21，该列输出将浮动扩散FD21的电荷变换成与电荷量(电位)相应的电压信号而得到。

在源极跟随器晶体管SF1-Tr的栅极连接浮动扩散FD21，选择晶体管SEL1-Tr由通过控制线施加在栅极的控制信号SEL控制。

选择晶体管SEL1-Tr在控制信号SEL为高电平的选择期间被选择成为导通状态。由此，源极跟随器晶体管SF1-Tr将列输出的读出电压(VRST1、VSIG1)输出到第1垂直信号线LSGN11，该列输出将浮动扩散FD21的电荷变换成与电荷量(电位)相应的电压信号而得到。

第1像素21的信号保持部212基本上包含连接恒定电流源Ibias3的输入部2121、采样保持部2122、输出部2123、节点ND22～ND24。

另外，节点ND22相当于输入节点，节点ND23相当于第1保持节点，节点ND24相当于第2保持节点。

恒定电流源Ibias3连接在节点ND22与基准电位VSS之间，例如在全局快门期间中的给定的期间被控制成接通状态。

另外，也可以取代恒定电流源Ibias3而设置开关元件，该开关元件连接在节点ND22与基准电位VSS之间，且例如在全局快门期间中的给定的期间被控制成接通状态。

采样保持部2122具有：在第2期间即全局快门期间将采样保持部2122的信号保持电容器与光电变换读出部211的输出节点ND21选择性地连接的第1开关元件SW21；能保持从第1像素21的光电变换读出部211的输出节点ND21输出的信号的第1信号保持电容器C21以及第2信号保持电容器C22；和第2开关元件SW22。

第1开关元件SW21的端子a与连接到第3信号线LSGN13的输入节点ND22连接，端子b连接到与采样保持部2122侧连接的节点ND23。

第1开关元件SW21在例如信号sw1为高电平的期间将端子a和b连接而成为导通状态。

第1信号保持电容器C21连接在第1保持节点即节点ND23与基准电位VSS之间。

第2信号保持电容器C22连接在第2保持节点即节点ND24与基准电位VSS之间。

第2开关元件SW22的端子a与节点ND23连接，端子b与节点ND24连接。

第2开关元件SW22在例如信号SHRT为高电平的期间将端子a和b连接而成为导通状态。

输出部2123包含在第2期间即全局快门期间根据保持电压输出保持在信号保持电容器C21、C22中的信号的源极跟随器晶体管SF3-Tr，将保持的信号选择性地经由选择晶体管SEL3-Tr输出到由恒定电流源Ibias1驱动的第2垂直信号线LSGN12。

源极跟随器晶体管SF3-Tr和选择晶体管SEL3-Tr在电源线Vdd与由恒定电流源Ibias1驱动的第2垂直信号线LSGN12之间串联连接。

在源极跟随器晶体管SF3-Tr的栅极连接节点ND24，选择晶体管SEL3-Tr由通过控制线施加在栅极的控制信号SEL3控制。

选择晶体管SEL3-Tr在控制信号SEL3为高电平的选择期间被选择成为导通状态。由此，源极跟随器晶体管SF3-Tr将与信号保持电容器C21、C22的保持电压相应的列输出的读出电压(VRST、VSIG)输出到第2垂直信号线LSGN12。

另外，上述的信号保持部212的构成是一例，只要是具备在第2期间即全局快门期间保持光电变换读出部211所输出的读出电压(信号电压)(VRST1、VSIG1)的功能的电路，就不问其构成。

配置于像素部20的第2像素22包含光电变换读出部221。

第2像素22的光电变换读出部221具有与上述第1像素21的光电变换读出部211相同的构成。

即，第2像素22的光电变换读出部221包含光电二极管(光电变换元件)和像素内放大器。

具体地，该光电变换读出部221例如具有光电变换元件即光电二极管PD22。

对于该光电二极管PD22，分别各具有1个作为转送元件的转送晶体管TG2-Tr、作为重置元件的重置晶体管RST2-Tr、作为源极跟随器元件的源极跟随器晶体管SF2-Tr、以及作为选择元件(选择开关)的选择晶体管SEL2-Tr。

如此，第1实施方式所涉及的第2像素22的光电变换读出部221包含转送晶体管TG2-Tr、重置晶体管RST2-Tr、源极跟随器晶体管SF2-Tr、以及选择晶体管SEL2-Tr这4个晶体管(4Tr)。

本第1实施方式所涉及的光电变换读出部221在卷帘快门模式时将读出电压(信号电压)(VRST2、VSIG2)输出到第1垂直信号线LSGN11。

光电二极管PD22产生、积蓄与入射光量相应的量的信号电荷(在此是电子)。

以下也说明信号电荷是电子且各晶体管是n型晶体管的情况，但也可以信号电荷是空穴(hole)，各晶体管是p型晶体管。

另外，本实施方式在多个光电二极管与转送晶体管间共有各晶体管的情况下也是有效的。

光电变换读出部221的转送晶体管TG2-Tr连接在光电二极管PD22与浮动扩散FD22之间，由通过控制线施加在栅极的控制信号TG控制。

转送晶体管TG2-Tr在控制信号TG为高电平的转送期间被选择成为导通状态，将由光电二极管PD22光电变换并积蓄的电荷(电子)转送到浮动扩散FD22。

重置晶体管RST2-Tr连接在电源电压VDD的电源线Vdd与浮动扩散FD22之间，由通过控制线施加在栅极的控制信号RST控制。

重置晶体管RST2-Tr在控制信号RST为高电平的重置期间被选择成为导通状态，将浮动扩散FD22重置到电源电压VDD的电源线Vdd的电位。

源极跟随器晶体管SF2-Tr和选择晶体管SEL2-Tr在电源线Vdd与由恒定电流源Ibias1驱动的第1垂直信号线LSGN11之间串联连接。

在源极跟随器晶体管SF2-Tr的栅极连接浮动扩散FD22，选择晶体管SEL2-Tr由通过控制线施加在栅极的控制信号SEL控制。

选择晶体管SEL2-Tr在控制信号SEL为高电平的选择期间被选择成为导通状态。由此，源极跟随器晶体管SF2-Tr将列输出的读出电压(VRST2、VSIG2)输出到第1垂直信号线LSGN11，该列输出将浮动扩散FD21的电荷变换成与电荷量(电位)相应的电压信号而得到。

具有以上那样的构成的第1像素21以及第2像素22例如如图3所示那样排列为像素阵列，将多个像素阵列组合，从而构成本第1实施方式所涉及的像素部20。

图3是用于说明本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的像素部20中的像素阵列的图。

第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的像素部20包含第1像素阵列230、保持部阵列240、上侧(例如一侧)的第2像素阵列250-1、以及下侧(另一侧)的第2像素阵列250-2。

第1像素阵列230将多个第1像素21的光电变换读出部211排列成N行×M列的二维的行列状(矩阵状)。

第1像素阵列230将多个第1像素21的光电变换读出部211排列成N行×M列的二维的行列状(矩阵状)，以便能输出例如16∶9的纵横比的图像。

保持部阵列240将多个第1像素21的信号保持部212与第1像素阵列230对应地排列成N行×M列的二维的行列状(矩阵状)。

保持部阵列240将多个第1像素21的信号保持部212排列成N行×M列的二维的行列状(矩阵状)，以便与第1像素阵列230同样地，能输出例如16：9的纵横比的图像。

上侧的第2像素阵列250-1将多个第2像素22的光电变换读出部221排列成P(P＜N)行×M列的二维的行列状(矩阵状)。

同样地，下侧的第2像素阵列250-2将多个第2像素22的光电变换读出部221排列成P(P＜N)行×M列的二维的行列状(矩阵状)。

在图3的示例中，第2像素阵列250-1、250-2配置在第1像素阵列230的第1垂直信号线LSGN11的布线方向的两侧(上侧以及下侧)。另外，第2像素阵列250也可以配置在第1像素阵列230的第1垂直信号线LSGN11的布线方向的两侧当中的至少一侧。

第2像素阵列250-1、250-2在卷帘快门模式时和第1像素阵列230一起被设为有效，将多个第2像素22的光电变换读出部221排列成P(P＜N)行×M列的二维的行列状(矩阵状)，以便能整体上输出例如1∶1的纵横比的图像。上述纵横比也可以是4∶3等任意的比率。

如上述那样，在本实施方式中，读出部70在第2动作即全局快门模式时能输出与第1像素阵列230的纵横比对应的纵横比的图像。更具体地，读出部70在第2动作即全局快门模式时能输出在第1像素阵列230中所能形成的任意的纵横比的图像。

另外，读出部70在第1动作即卷帘快门模式时能输出在由第1像素阵列230和第2像素阵列250(-1、-2)形成的合成像素阵列中所能形成的任意的纵横比的图像。

另外，在卷帘快门模式时，也可以将第1像素阵列230利用为电子式手抖补正用的区域，输出16∶9的纵横比的图像。

另外，第1像素阵列230和第2像素阵列250-1、250-2的同一列的光电变换读出部211连接到共同的第1垂直信号线LSGN11。

在固体摄像装置10如后述那样具有第1基板(上基板)和第2基板(下基板)的层叠结构的情况下，在第1基板形成第1像素阵列230和第2像素阵列250-1、250-2，在第2基板形成为保持部阵列240与第1像素阵列230对置。

像素部20在读出部70的控制下，在第1动作即卷帘快门模式时，使第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2成为有效来依次访问像素，以行为单位来进行像素信号的读出。

另外，像素部20在读出部70的控制下，在第2动作即全局快门模式时，在使第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2的光电变换读出部221中的选择晶体管SEL1-Tr、SEL2-Tr成为非选择状态的状态(信号SEL为低电平)下，使第1像素阵列230以及保持部阵列240成为有效来进行像素信号的读出。

由于在像素部20中，例如转送晶体管TG-Tr、重置晶体管RST-Tr以及选择晶体管SEL-Tr的各栅极以行为单位连接，因此对1行份的各像素同时并行地进行。

在像素部20中，由于像素配置(N+2P)行×M列，因此各控制线LSEL、LRST、LTG分别有(N+2P)条，第1垂直信号线LSGN11以及第2垂直信号线LSGN12分别有M条。

在图1中，将各行控制线表征为1条行扫描控制线。同样地，将各垂直信号线LSGN11、LSGN12表征为1条垂直信号线。

垂直扫描电路30按照定时控制电路60的控制，在快门行以及读出行通过行扫描控制线进行第1像素21的光电变换读出部211以及信号保持部212、和第2像素22的光电变换读出部221的驱动。

另外，垂直扫描电路30按照地址信号来输出进行信号的读出的读出行和将积蓄于光电二极管PD的电荷重置的快门行的行地址的行选择信号。

列读出电路40也可以构成为包含与像素部20的各列输出对应地配置的多个列信号处理电路(未图示)，且能由多个列信号处理电路进行列并行处理。

本第1实施方式所涉及的列读出电路40能包含相关双采样(CDS：CorrelatedDouble Sampling)电路、ADC(模拟数字转换器；AD变换器)、放大器(AMP)、采样保持(S/H)电路等。

如此，列读出电路40也可以例如如图4A所示那样，包含将像素部20的各列输出的读出信号VSL变换成数字信号的ADC41。

或者，列读出电路40也可以例如如图4B所示那样，配置将像素部20的各列输出的读出信号放大的放大器(AMP)42。

另外，列读出电路40也可以例如如图4C所示那样，配置将像素部20的各列输出的读出信号VSL采样、保持的采样保持(S/H)电路43。

在本第1实施方式中，列读出电路40在例如各列的列信号处理电路配置按照动作模式选择性地使在第1垂直信号线LSGN11传送的信号和在第2垂直信号线LSGN12传送的信号输入的电路。

水平扫描电路50扫描由读出电路40的ADC等多个列信号处理电路处理过的信号并将其在水平方向上转送，输出到未图示的信号处理电路。

定时控制电路60生成像素部20、垂直扫描电路30、读出电路40、水平扫描电路50等的信号处理所需的定时信号。

读出部70在第1动作即卷帘快门模式时，使第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2成为有效来依次访问像素，以行为单位来进行像素信号的读出。

读出部70在第2动作即全局快门模式时，在使第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2的光电变换读出部221中的选择晶体管SEL1-Tr、SEL2-Tr成为非选择状态的状态(信号SEL为低电平)下，使第1像素阵列230以及保持部阵列240成为有效来进行像素信号的读出。

(固体摄像装置10的层叠结构)

接下来，说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的层叠结构。

图5是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的层叠结构的图。

本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10具有第1基板(上基板)110和第2基板(下基板)120的层叠结构。

固体摄像装置10例如在以晶片级进行贴合后作为以切割方式切出的层叠结构的摄像装置而形成。

在本示例中具有在第2基板120上层叠第1基板110的结构。

在第1基板110，形成以其中央部为中心排列了像素部20的各第1像素21的光电变换读出部211的第1像素阵列230，在第1像素阵列230的第1垂直信号线LSGN11的布线方向的两侧(上侧以及下侧)形成第2像素阵列250-1、250-2。

另外，在第1基板110形成第1垂直信号线LSGN11。

如此，在本第1实施方式中，在第1基板110以行列状形成第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221。

在第2基板120，形成以其中央部为中心将与第1像素阵列230的各光电变换读出部211的输出节点ND21连接的各第1像素21的信号保持部212排列成矩阵状的保持部阵列240(区域121)以及第2垂直信号线LSGN12。

并且，在保持部阵列240的周围、在图5的示例中是在图中的上侧以及下侧形成列读出电路40用的区域122、123。另外，列读出电路40可以构成为配置在保持部阵列240的区域121的上侧以及下侧的任一侧。

另外，在保持部阵列240的侧部侧形成垂直扫描电路30用的区域124、数字系统和输出系统的区域125。

另外，在第2基板120还可以形成垂直扫描电路30、水平扫描电路50以及定时控制电路60。

在这样的层叠结构中，第1基板110的第1像素阵列230的各光电变换读出部211的输出节点ND21和第2基板120的各第1像素21的信号保持部212的输入节点ND22例如如图2所示那样，分别使用导通孔(Die-to-Die Via)或微凸块等进行电连接。

另外，第1基板110的第1垂直信号线LSGN11和第2基板120的列读出电路40的输入部例如如图2所示那样，分别使用导通孔(Die-to-Die Via)或微凸块等进行电连接。

(固体摄像装置10的读出动作)

以上，说明了固体摄像装置10的各部的特征性的构成以及功能。

接下来，详述本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的全局快门模式时以及卷帘快门模式时的读出动作等。

(全局快门模式时的读出动作)

首先，说明全局快门模式时的读出动作。

图6A～图6H是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的全局快门模式时的读出动作的时序图。

图6A表示全局快门模式时的读出动作过程。图6B表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的选择晶体管SEL1-Tr、SEL2-Tr的控制信号SEL。图6C表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的重置晶体管RST1-Tr、RST2-Tr的控制信号RST。图6D表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的转送晶体管TG1-Tr、TG2-Tr的控制信号TG。

图6E表示第1像素21的信号保持部212的开关元件SW21的控制信号sw1。图6F表示第1像素21的信号保持部212的开关元件SW22的控制信号SHRT。图6G表示第1像素21的信号保持部212的选择晶体管SEL3-Tr的控制信号SEL3。图6H表示配置于第1像素21的信号保持部212的恒定电流源Ibias3的驱动状态(接通、断开状态)。

在全局快门模式时，如图6B所示那样，第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的选择晶体管SEL1-Tr、SEL2-Tr的控制信号SEL在全局快门模式的整个期间中被设定为低电平(L)。

由此，在全局快门模式的整个期间中，从第1像素阵列230和第2像素阵列250-1、250-2向第1垂直信号线LSGN11的电压信号的输出被抑制(停止)。

因此，第2像素阵列250-1、250-2被控制成非有效状态。

另外，第1像素阵列230是有效状态，成为来自输出节点ND21的电压信号能输出到信号保持部212的状态。

即，在全局快门模式时，由于仅第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2当中的第1像素阵列230处于有效状态，因此例如成为能输出16：9的纵横比的图像的状态。

在图6B～图6H中，时刻t1～t2是第1像素阵列230的全部光电变换读出部211中的光电二极管PD21以及浮动扩散FD21的重置期间。

另外，在该重置期间，控制保持部阵列240的全部的信号保持部212的驱动的开关元件SW21的控制信号sw1、控制开关元件SW22的控制信号SHRT、控制选择晶体管SEL3-Tr的控制信号SEL3被设定为低电平，开关元件SW21、开关元件SW22、选择晶体管SEL3-Tr被控制成非导通状态，恒定电流源Ibias3被控制成断开状态。

在这样的状态下，在重置期间，重置晶体管RST1-Tr在控制信号RST为高电平的期间被选择成为导通状态。

并且，在控制信号RST为高电平期间中，转送晶体管TG1-Tr在控制信号TG为高电平的期间被选择成为导通状态，由光电二极管PD21光电变换并积蓄的电荷(电子)的积蓄节点与浮动扩散FD21成为导通状态，光电二极管PD21以及浮动扩散FD21被重置到电源线Vdd的电位。

在光电二极管PD21的重置后，转送晶体管TG1-Tr的控制信号TG被切换成低电平，转送晶体管TG1-Tr成为非导通状态，在光电二极管PD21中开始被光电变换后的电荷的积蓄。

这时，重置晶体管RST1-Tr的控制信号RST保持在高电平，浮动扩散FD21保持在被重置到电源线Vdd的电位不变的状态。

然后，由于重置期间的结束，因此重置晶体管RST1-Tr的控制信号RST被切换到低电平，重置晶体管RST1-Tr成为非导通状态。

接下来，在时刻t2～t3，是读出重置状态时的像素信号以及向信号保持部212的信号保持电容器C22去的读出重置信号VRST的保持期间。

在各光电变换读出部211中，通过源极跟随器晶体管SF1-Tr，浮动扩散FD21的电荷带有与电荷量(电位)相应的增益地被变换成电压信号，作为列输出的读出重置信号VRST从输出节点ND21输出。

在光电变换读出部211中，与重置晶体管RST1-Tr的控制信号RST被切换成低电平的定时并行地，在保持部阵列240的全部的信号保持部212中进行如下的控制。

在信号保持部212中控制为：控制信号sw1被切换成高电平从而开关元件SW21成为导通状态，控制信号SHRT被切换成高电平从而开关元件SW22成为导通状态，恒定电流源Ibias3成为接通状态。

由此，在时刻t2，从各光电变换读出部211的输出节点ND21输出的读出重置信号VRST通过第3信号线LSGN13传送到对应的信号保持部212，通过开关元件SW21以及开关SW22被保持于信号保持电容器C22。

接下来，在控制信号sw1为高电平而开关元件SW21保持在导通状态，且恒定电流源Ibias3保持在接通状态的状态下，控制信号SHRT被切换为低电平，开关元件SW22成为非导通状态。

在此，包含时刻t3的给定期间成为转送期间。

在转送期间，在各光电变换读出部211中，转送晶体管TG1-Tr在控制信号TG为高电平的期间被选择成为导通状态，将由光电二极管PD21光电变换并积蓄的电荷(电子)转送到浮动扩散FD21。

若转送期间结束，则转送晶体管TG1-Tr的控制信号TG被切换成低电平，转送晶体管TG1-Tr成为非导通状态。

在该状态下，在时刻t4，在各光电变换读出部211中，通过源极跟随器晶体管SF1-Tr，浮动扩散FD11的电荷带有与电荷量(电位)相应的增益地被变换成电压信号，作为列输出的读出信号VSIG从输出节点ND21输出。

然后，在时刻t4，从各光电变换读出部211的输出节点ND21输出的读出信号VSIG通过第3信号线LSGN13传送到对应的信号保持部212，通过开关元件SW21保持于信号保持电容器C21。

在信号保持电容器C21中保持了读出信号VSIG后，控制信号sw1被切换成低电平，从而开关元件SW21成为非导通状态，之后恒定电流源Ibias3被切换成断开状态。

由于为了读出在该状态下保持的信号而选择保持部阵列240中的某一行，因此该选择的行的各选择晶体管SEL3-Tr的控制信号SEL3被设定为高电平，从而该选择晶体管SEL3-Tr成为导通状态。

然后，在时刻t5，进行保持于信号保持电容器C22的读出重置信号VRST的读出。

这时，在各信号保持部212中，通过将栅极连接到节点ND24的源极跟随器晶体管SF3-Tr，根据与节点ND24连接的信号保持电容器C22的保持电压，作为列输出的读出重置信号VRST输出到第2垂直信号线LSGN12，提供给列读出电路40，从而例如被保持。

接下来，控制信号SHRT在包含时刻t6的给定期间保持在高电平，开关元件SW22保持在导通状态。

然后，在时刻t6，进行保持于信号保持电容器C21的读出信号VSIG以及保持于信号保持电容器C22的读出重置信号VRST的合成信号的读出。

合成信号CMS能用下式表征。

[数学表达式1]

CMS

＝{(C1/(C1+C2))·VSIG+(C2/(C1+C2))·VRST}

在此，C1表征信号保持电容器C21的电容，C2表征信号保持电容器C22的电容。

这时，在各信号保持部212中，通过将栅极连接到节点ND23以及节点ND24的源极跟随器晶体管SF3-Tr，根据与节点ND23连接的信号保持电容器C21以及与节点ND24连接的信号保持电容器C22的保持电压，作为列输出的读出合成信号CMS输出到第2垂直信号线LSGN12，提供给列读出电路40，从而例如被保持。

然后，在例如构成读出部70的一部分的读出电路40中，取在时刻t5读出的读出重置信号VRST与在时刻t6读出的合成信号CMS的差分(VRST-CMS)来进行CDS处理。

[数学表达式2]

VRST-CMS＝VRST-

{(C1/(C1+C2))·VSIG+(C2/(C1+C2))·VRST}

＝(C1/(C1+C2))·(VRST-VSIG)

(卷帘快门模式时的读出动作)

接下来，说明卷帘快门模式时的读出动作。

图7A～图7D是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的卷帘快门模式时的读出动作的时序图。

图7A表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的选择晶体管SEL1-Tr、SEL2-Tr的控制信号SEL。图7B表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的重置晶体管RST1-Tr、RST2-Tr的控制信号RST。图7C表示第1像素21的光电变换读出部211以及第2像素22的光电变换读出部221的转送晶体管TG1-Tr、TG2-Tr的控制信号TG。

图7D表示第1像素21的信号保持部212的开关元件SW21的控制信号sw1、开关元件SW22的控制信号SHRT、选择晶体管SEL3-Tr的控制信号SEL3。

另外，在该卷帘快门模式期间，控制保持部阵列240的全部的信号保持部212的驱动的开关元件SW21的控制信号sw1、控制开关元件SW22的控制信号SHRT、控制选择晶体管SEL3-Tr的控制信号SEL3被设定为低电平，开关元件SW21、开关元件SW22、选择晶体管SEL3-Tr被控制成非导通状态。

即，在卷帘快门模式期间，不访问形成于第2基板120的保持部阵列240的全部的信号保持部212。

在卷帘快门模式期间，以行为单位依次访问形成于第1基板110的第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2。

即，在卷帘快门模式时，由于第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2处于有效状态，因此成为例如能输出16∶9或与16∶9不同的1∶1或4∶3等纵横比的图像的状态。

在卷帘快门模式期间，由于如图7A所示那样选择第1像素阵列230或第2像素阵列250-1、250-2中的某一行，因此对该选择出的行的第1像素阵列230的各光电变换读出部211或第2像素阵列250-1、250-2的光电变换读出部221进行控制(驱动)的控制信号SEL被设定为高电平，从而像素的选择晶体管SEL2-Tr(或SEL1-Tr)成为导通状态。

在该选择状态下，在重置期间PR，重置晶体管RST2-Tr(或RST1-Tr在控制线RST为高电平的期间被选择成为导通状态，浮动扩散FD22(或FD21)被重置到电源线Vdd的电位。

在经过该重置期间PR后(重置晶体管RST2-Tr或RST1-Tr为非导通状态)，包含直到转送期间PT开始为止的时刻t11的期间成为读出重置状态时的像素信号的第1读出期间。

在时刻t11，通过所选择出的行的源极跟随器晶体管SF2-Tr(或SF1-Tr)，浮动扩散FD22(或FD21)的电荷带有与电荷量(电位)相应的增益地被变换成电压信号，作为列输出的读出重置信号VRST直接输出到第1垂直信号线LSGN11，提供到列读出电路40，从而例如被保持。

在此，第1读出期间结束，成为转送期间PT。

在转送期间PT，转送晶体管TG2-Tr(或TG1-Tr)在控制信号TG为高电平(H)的期间被选择成为导通状态，将由光电二极管PD22(或PD21)光电变换并积蓄的电荷(电子)转送到浮动扩散FD22(或FD21)。

在该转送期间PT经过后(转送晶体管TG2-Tr或TG1-Tr为非导通状态)，成为包含读出与光电二极管PD22(或PD21)进行光电变换并积蓄的电荷相应的像素信号的时刻t12的第2读出期间。

在第2读出期间开始的时刻t12，通过所选择出的行的源极跟随器晶体管SF2-Tr(或SF1-Tr)，浮动扩散FD22(或FD21)的电荷带有与电荷量(电位)相应的增益地被变换成电压信号，作为列输出的读出信号VSIG直接输出到第1垂直信号线LSGN11，提供到列读出电路40，从而例如被保持。

然后，在例如构成读出部70的一部分的读出电路40，取读出重置信号VRST与读出信号VSIG的差分{VRST-VSIG}来进行CDS处理。

如上述那样，在卷帘快门模式期间，以行为单位依次访问形成于第1基板110的第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2，依次进行上述的读出动作。

如以上说明的那样，根据本第1实施方式，固体摄像装置10构成为例如以下那样的层叠型的CMOS图像传感器，其中，在像素部20中有包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素21和包含光电变换读出部的第2像素22作为像素而混合存在，且同时具有第1动作即卷帘快门和第2动作即全局快门这两个动作功能。

在本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10中，像素部20包含：以行列状配置了多个第1像素21的光电变换读出部211的第1像素阵列230、以行列状配置了多个第1像素21的信号保持部212的保持部阵列240、和以行列状配置了多个第2像素的光电变换读出部的第2像素阵列250-1、250-2。

并且，在第1动作即卷帘快门模式时，第1像素21以及第2像素22的光电变换读出部211、221的读出信号不经由旁路路径而直接输出到第1垂直信号线LSGN11。另外，在第2动作即全局快门模式时，第1像素的信号保持部212的保持信号输出到第2垂直信号线LSGN12。

因此，根据本第1实施方式的固体摄像装置10，能防止构成的复杂化，并且能防止布局上的面积效率降低。

另外，根据本第1实施方式的固体摄像装置10，能根据动作模式得到所期望的纵横比的图像信号。

另外，本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10具有第1基板(上基板)110和第2基板(下基板)120的层叠结构。

在第1基板110，形成以其中央部为中心排列了像素部20的各第1像素21的光电变换读出部211的第1像素阵列230，在第1像素阵列230的第1垂直信号线LSGN11的布线方向的两侧(上侧以及下侧)形成第2像素阵列250-1、250-2。

另外，在第1基板110形成第1垂直信号线LSGN11。

在第2基板120，形成以其中央部为中心将与第1像素阵列230的各光电变换读出部211的输出节点ND21连接的将各第1像素21的信号保持部212排列成矩阵状的保持部阵列240(区域121)以及第2垂直信号线LSGN12。

并且，在保持部阵列240的周围形成列读出电路40用的区域122、123等。

因此，在本第1实施方式中，由于基本上仅由NMOS系的元件形成第1基板110侧，并且利用第1像素阵列和第2像素阵列的像素最大限度地扩大有效像素区域，因此能最大限度地提高每成本的价值。

(第2实施方式)

图8是用于说明本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的图。

本第2实施方式的层叠结构与第1实施方式的层叠结构的不同点如以下那样。

在本第2实施方式的层叠结构中，第2基板120A中所具备的垂直扫描电路(RowDecoder)30的区域124以及列读出电路系统(Column Signal Chain，列信号链)用的区域122、123以小于像素间距的间距配置。

另外，通过在第2基板120A的周缘部确保布线区域126～128来使布线间距匹配于第1基板110A的像素间距。

进而，在本第2实施方式的层叠结构中，在第1基板110A，卷帘快门用的第2像素阵列250-3、250-4形成在第1像素阵列230以及第2像素阵列250-1、250-2的两侧部。

由此，在卷帘快门模式动作时和全局快门模式动作时，能输出相同或任意的纵横比的图像信号。

(第3实施方式)

图9是用于说明本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的图。

图10A以及图10B是在本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构中表示垂直扫描电路的构成部件的配置例的图。

本第3实施方式的层叠结构与第1实施方式的层叠结构的不同点如以下那样。

在本第3实施方式的层叠结构中，第2基板120B中所具备的垂直扫描电路(RowDecoder)的区域124的一部分在第1基板110B形成为区域111，构成部件的一部分配置在第1基板110B的区域111。

在图10A的示例中，在第1基板110B的区域111配置垂直扫描电路(Row Decoder)30的电源稳定化电容器C30。

由此，能谋求基本上仅形成像素系统的第1基板110B的空白区域的有效利用，通过内置稳定化电容器C30，能削减外置部件件数。

在图10B的示例中，构成垂直扫描电路(Row Decoder)30的驱动器的CMOS的p沟道MOS(PMOS)晶体管PT和n沟道MOS(NMOS)晶体管NT当中的PMOS晶体管PT配置在第2基板120B，NMOS晶体管NT配置在第1基板110B。

由此，由于在基本由NMOS系的元件形成的第1基板110B形成NMOS晶体管NT，因此设计和制造变得容易，能谋求第1基板110B的空白区域的有效利用。

(第4实施方式)

图11是表示本发明的第4实施方式所涉及的电荷再生系统的结构例的图。

本第4实施方式的固体摄像装置10除了第1～第3实施方式的构成以外还设置了电荷再生(电荷回收)系统80。

作为电荷再利用部的本电荷再生系统80包含外部电容器Cext、信号保持部212C、过充电调节电路810以及调节器820、830。

另外，由过充电调节电路810以及调节器820、830构成电源电路部。

另外，图11的信号保持部212C取代恒定电流源Ibias3而配置第3开关元件SW23，选择晶体管作为开关元件SW25来设置，但除了作为外部连接开关元件的开关元件SW24以外，在功能上与图2的信号保持部212相同。

本电荷再生系统80对外部的大电容的外部电容器Cext转送积存于全部第1像素21的信号保持部212C的第1信号保持电容器(采样电容)CS21以及第2信号保持电容器(采样电容)CS22的电荷，作为自芯片的数字电路的电源进行再利用。

由此，能降低芯片的消耗电力。

作为外部连接开关元件的开关元件SW24连接在信号保持部212C的第1保持节点即节点ND23、和与输入输出端子TI/O连接的节点ND80之间，通过控制信号sw4控制导通状态。

外部电容器Cext将容量设定为10μF程度。

该外部电容器Cext也可以片上(on-chip)化。例如可以形成在第1基板110C。由此，能谋求第1基板110C的空白区域的有效利用。

<外部电容器Cext的电容的算出例>

若设为CS＝10fF、N＝2M pixel、Ctot＝2*CS*N＝40nF，则满足下式来决定Cext(为了将波动抑制在1/100)。

Cext＞100*Ctot

过充电调节电路810使用电流钳位电路811、迟滞比较器812、低通滤波器(LPF)813来抑制波动并用低消耗电力来调节电压。

做出使电荷流入其他接地(GNDCR)而不给电路带来影响的放电路径，抑制电荷转送时的电源噪声。

<迟滞比较器812的参考电压VREF的设定值>

将迟滞比较器812的参考电压VREF设定为低的电压，以使得能将信号保持电容器CS的电荷大致全部转送(例如～0.5V)。

若过低，就会需要大的电容。

若过高，能回收的电荷量就会减少。

因而，考虑再利用时的电压，0.5V程度为佳。

调节器820将从低电压升压到高电压的升压电路821和LDO调节器822片上化而构成。

调节器830将从低电压升压到高电压的升压电路831和LDO调节器832片上化而构成。

调节器820、830在升压电路821、831中按照0.5V→1.2V(DVDD)或1.8V(DVDDIO)进行升压，主要生成数字电路(包含垂直扫描电路(Row Decoder)30)的电源电压。

另外，调节器有几个都可以。

在电荷再生系统80中，对外部的大电容的外部电容器Cext转送积存于全部第1像素21的信号保持部212C的信号保持电容器(采样电容)CS21、CS22的电荷，作为自芯片的数字电路的电源进行再利用。

在第1像素21的信号保持部212C中，采样电路最终在以完全的接地(GNDPIX)将残差电荷重置后进行所谓的全局采样动作。

图12A～图12J是用于说明本发明的第4实施方式所涉及的电荷再生系统的动作的图。

图12A表示第1像素21的光电变换读出部211的重置晶体管RST1-Tr的控制信号RST。图12B表示第1像素21的光电变换读出部211的转送晶体管TG1-Tr的控制信号TG。

图12C表示第1像素21的信号保持部212C的第1开关元件SW21的控制信号sw1。图12D表示第1像素21的信号保持部212C的第2开关元件SW22的控制信号sw2(SHRT)。图12E表示第1像素21的信号保持部212C的第3开关元件SW23的控制信号sw3。图12F表示作为第1像素21的信号保持部212C的外部连接开关元件的开关元件SW24的控制信号sw4。图12G表示第1像素21的信号保持部212C的开关元件SW25的控制信号sw5(SEL3)。

图12H表示第1像素21的光电变换读出部211的浮动扩散FD21的电位Vfd。图12I表示第1像素21的信号保持部212C的节点ND23的电位Vx。图12J表示电荷再生系统80的节点ND80的电位Vy。

在图12A～图12J中，t21表示全局采样期间的开始时刻。

在时刻t21，控制信号RST被设定为高电平从而重置晶体管RST1-Tr成为导通状态。由此，浮动扩散FD21被重置到电源线Vdd的电位。

另外，控制信号sw2被设定为高电平从而开关元件SW22成为导通状态(接通状态)，第1信号保持电容器CS21和第2信号保持电容器CS22短路(连接)。与此并行地，控制信号sw3被设定为高电平从而开关元件SW23成为导通状态(接通状态)。由此，第1信号保持电容器CS21和第2信号保持电容器CS22与接地GNDPIX连接，从而除去残差电荷。

在图12A～图12J中，t22表示重置电压VRST的采样开始时刻。

在时刻t22，控制信号sw1被设定为高电平从而开关元件SW21成为导通状态(接通状态)，第1像素21的第1基板110C侧的光电变换读出部211的输出节点ND21和第2基板120C侧的信号保持部212C的采样保持部的节点ND23连接。

并且，第1信号保持电容器CS21和第2信号保持电容器CS22成为负载电容和动态的第1像素放大器驱动电流源，节点ND23的电位Vx上升到VRST。

之后，控制信号sw2被设定为低电平从而开关元件SW22成为非导通状态(断开状态)，在信号保持电容器CS22采样重置电压VRST。

在图12A～图12J中，t23表示第1次电荷回收开始时刻。

在时刻t23，控制信号sw4被设定为高电平从而开关元件SW24成为导通状态(接通状态)，信号保持电容器CS21连接到外部电容器Cext，进行电荷转送。

其结果，信号保持部212C的节点ND23的电位Vx成为VREF。

在图12A～图12J中，t24表示信号电压VSIG的采样准备期间。

在时刻t24，控制信号sw3被设定为高电平从而开关元件SW23成为导通状态(接通状态)。由此，信号保持电容器CS21连接到接地GNDPIX，残差电荷被除去。

在图12A～图12J中，t25表示光信号电荷转送期间。

在时刻t25，控制信号TG被设定为高电平从而转送晶体管TG1-Tr成为导通状态，由光电二极管PD21光电变换并积蓄的光电荷(电子)被转送到浮动扩散FD21。

其结果，浮动扩散FD21的电压Vfd与电荷量成正比地降低。

在图12A～图12J中，t26表示光信号电压VSIG采样期间的开始时刻。

在时刻t26，控制信号sw1被设定为高电平从而开关元件SW21成为导通状态(接通状态)，第1像素21的第1基板110C侧的光电变换读出部211的输出节点ND21和第2基板120C侧的信号保持部212C的采样保持部的节点ND23再次连接。

其结果，节点ND23的电位Vx上升到VSIG。

在图12A～图12J中，t27表示读出期间开始时刻。

在时刻t27，控制信号sw5被设定为高电平从而开关元件SW25成为导通状态(接通状态)，信号保持部212C的输出部和第2垂直信号线LSGN12连接。

其结果，与在信号保持电容器CS22被采样的电压成正比的电压出现在第2垂直信号线LSGN12。

在图12A～图12J中，t28表示被采样的光信号读出开始时刻。

在时刻t28，控制信号sw2被设定为高电平从而开关元件SW22成为导通状态(接通状态)，第1信号保持电容器CS21和第2信号保持电容器CS22短路(连接)。

其结果，如所述那样对应于信号保持电容器CS21和CS22中的各自的采样电压和电容值(通常两者设计成相同的值)，节点ND23的电位Vx发生变化。由于控制信号sw5是高电平，因此与节点ND23的电位Vx成正比的电压出现在第2垂直信号线LSGN12。

在图12A～图12J中，t29表示第2次电荷回收开始时刻。

在时刻t29，在控制信号sw2为高电平的状态下，控制信号sw4被设定为高电平从而开关元件SW24成为导通状态(接通状态)，信号保持电容器CS21和CS22与外部电容Cext连接。

其结果，为了读出动作而使用、积蓄在信号保持电容器CS21和CS22中的电荷被转送到外部电容Cext，成为用于进行再利用的电荷。

另外，节点ND23的电位Vx成为VREF。

如以上那样，本电荷再生系统80对外部的大电容的外部电容器Cext转送积存于全部第1像素21的信号保持部212C的信号保持电容器(采样电容)CS21、CS22的电荷，作为自芯片的数字电路的电源进行再利用。

由此，能降低芯片的消耗电力。

以上说明的固体摄像装置10能作为摄像器件应用于数字摄像机、视频摄像机、便携终端或者监视用摄像机、医疗用内窥镜用摄像机等电子设备中。

图13是表示搭载了应用本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的摄像机系统的电子设备的构成的一例的图。

本电子设备300如图13所示那样具有本实施方式所涉及的固体摄像装置10所能应用的CMOS图像传感器310。

进而，电子设备300具有将入射光引导到CMOS图像传感器310的像素区域(将被摄体像成像)的光学系统(镜头等)320。

电子设备300具有对CMOS图像传感器310的输出信号进行处理的信号处理电路(PRC)330。

信号处理电路330对CMOS图像传感器310的输出信号实施给定的信号处理。

由信号处理电路330处理过的图像信号可以是以下各种形式：作为动态图像在由液晶显示器等构成的监视器映出，或者还能输出到打印机，另外还能直接记录于存储卡等记录介质等。

如上述那样，通过作为CMOS图像传感器310而搭载前述的固体摄像装置10，能提供高性能、小型、低成本的摄像机系统。

并且，能实现被利用于在摄像机的设置的要件中存在安装尺寸、能连接线缆根数、线缆长度、设置高度等制约的用途中的、例如监视用摄像机、医疗用内窥镜用摄像机等电子设备。

Claims (20)

1.一种固体摄像装置，具有：

像素部，配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素当中的至少所述第1像素；

读出部，从所述像素部进行像素信号的读出；

第1信号线，输出所述光电变换读出部的读出信号；和

第2信号线，输出所述信号保持部的保持信号，

至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：

输出节点；

光电变换元件，在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷；

转送元件，能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷；

浮动扩散，通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷；

源极跟随器元件，将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点；

重置元件，在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位；和

选择元件，在第1期间将所述输出节点与所述第1信号线电连接，

所述信号保持部包含：

信号保持电容器，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

开关元件，在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接；和

输出部，包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线。

2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，

所述像素部至少包含：

第1像素阵列，以行列状配置了多个所述第1像素的所述光电变换读出部；和

保持部阵列，以行列状配置了所述多个所述第1像素的所述信号保持部。

3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中，

所述像素部具有：

第2像素阵列，以行列状配置了多个所述第2像素的所述光电变换读出部，

所述第2像素的所述光电变换读出部包含：

光电变换元件，在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷；

转送元件，能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷；

浮动扩散，通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷；

源极跟随器元件，将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号；

重置元件，在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位；和

选择元件，在第1期间将基于所述源极跟随器元件的电压信号的输出行与所述第1信号线电连接。

4.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述第2像素阵列至少配置在所述第1像素阵列的所述第1信号线的布线方向的两侧当中的至少一侧。

5.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述第2像素阵列配置在与所述第1像素阵列的所述第1信号线的布线方向正交的方向的两侧当中的至少一侧。

6.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部在第1动作时，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述第2像素的所述第2像素阵列成为有效来进行像素信号的读出。

7.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部在第2动作时，在使所述第1像素以及所述第2像素的所述光电变换读出部中的所述选择元件成为非选择状态的状态下，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述保持部阵列成为有效来进行像素信号的读出。

8.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部在第1动作时，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述第2像素的所述第2像素阵列成为有效来进行像素信号的读出，

所述读出部在第2动作时，在使所述第1像素以及所述第2像素的所述光电变换读出部中的所述选择元件成为非选择状态的状态下，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述保持部阵列成为有效来进行像素信号的读出。

9.根据权利要求8所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部在所述第2动作时，能输出在所述第1像素阵列中所能形成的任意的纵横比的图像，

所述读出部在所述第1动作时，能输出在由所述第1像素阵列和所述第2像素阵列形成的合成像素阵列中所能形成的任意的纵横比的图像。

10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，

从所述第1像素的所述光电变换读出部读出的所述像素信号至少包含重置读出信号以及读出信号，

所述信号保持部包含：

第1保持节点；

第2保持节点；

第1所述信号保持电容器，与所述第1保持节点连接，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

第2所述信号保持电容器，与所述第2保持节点连接，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

第1所述开关元件，在第2期间将连接所述第1信号保持电容器的所述第1保持节点与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接；

第2开关元件，在所述第2期间选择性地连接所述第1保持节点和所述第2保持节点；和

输出部，包含在所述第2期间根据保持电压输出在与所述第1保持节点以及所述第2保持节点当中的至少所述第2保持节点连接的所述第2信号保持电容器中保持的信号的源极跟随器元件，且所述输出部将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线。

11.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部从所述第1像素的所述光电变换读出部读出所述重置读出信号作为所述像素信号，接着读出所述读出信号，

所述读出部在读出所述重置读出信号作为所述像素信号时，使所述信号保持部的所述第1开关元件以及所述第2开关元件导通给定期间而将该读出重置信号保持在所述第2信号保持电容器中，使所述第2开关元件成为非导通状态，

所述读出部在读出所述读出信号作为所述像素信号时，将所述信号保持部的所述第2开关元件保持在非导通状态，使所述第1开关元件导通而将该读出信号保持在所述第1信号保持电容器中，使所述第1开关元件成为非导通状态，

所述读出部在将所述第1开关元件以及所述第2开关元件保持在非导通状态的状态下，将与保持在所述第2信号保持电容器中的重置读出信号对应的变换信号输出到所述第2信号线，

所述读出部在将所述第1开关元件保持在非导通状态且将所述第2开关元件保持在导通状态的状态下，将与保持在所述第2信号保持电容器中的重置读出信号以及保持在所述第1信号保持电容器中的读出信号的合成信号对应的变换信号输出到所述第2信号线。

12.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，

所述固体摄像装置包含第1基板和第2基板，且具有将所述第1基板和所述第2基板通过连接部而连接的层叠结构，

在所述第1基板至少形成所述第1像素的所述光电变换读出部以及所述第1信号线，

在所述第2基板至少形成所述第1像素的所述信号保持部、所述第2信号线、以及所述读出部的至少一部分。

13.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，

所述固体摄像装置包含第1基板和第2基板，且具有将所述第1基板和所述第2基板通过连接部而连接的层叠结构，

在所述第1基板至少形成所述第1像素阵列、所述第2像素阵列、所述第1信号线、以及所述读出部的一部分，

在所述第2基板至少形成所述第1像素的所述信号保持部、所述第2信号线、以及所述读出部的至少一部分。

14.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，

所述固体摄像装置包含：

电荷再利用部，将在多个所述第1像素的所述信号保持部的所述信号保持电容器中保持的电荷转送到外部电容器，作为自芯片的数字电路的电源进行再利用。

15.根据权利要求14所述的固体摄像装置，其中，

所述电荷再利用部包含：

所述外部电容器，能积蓄在多个所述第1像素的所述信号保持部的所述信号保持电容器中保持的电荷；和

电源电路部，能将使用在所述外部电容器中保持的电荷生成的处理用电力提供到处理系统电路。

16.根据权利要求15所述的固体摄像装置，其中，

从所述第1像素的所述光电变换读出部读出的所述像素信号至少包含重置读出信号以及渎出信号，

所述信号保持部包含：

第1保持节点；

第2保持节点；

第1所述信号保持电容器，与所述第1保持节点连接，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

第2所述信号保持电容器，与所述第2保持节点连接，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

第1所述开关元件，在第2期间将连接所述第1信号保持电容器的所述第1保持节点与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接；

第2开关元件，在所述第2期间选择性地连接所述第1保持节点和所述第2保持节点；

外部连接开关元件，在电荷回收期间将所述第1保持节点与所述外部电容器连接；和

输出部，包含在所述第2期间根据保持电压来输出在与所述第1保持节点以及所述第2保持节点当中的至少所述第2保持节点连接的所述第2信号保持电容器中保持的信号的源极跟随器元件，且所述输出部将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线。

17.根据权利要求16所述的固体摄像装置，其中，

所述读出部从所述第1像素的所述光电变换读出部读出所述重置读出信号作为所述像素信号，接着读出所述读出信号，

所述读出部在读出所述重置读出信号作为所述像素信号时，使所述信号保持部的所述第1开关元件以及所述第2开关元件导通给定期间而将该读出重置信号保持在所述第2信号保持电容器中，使所述第2开关元件以及所述第1开关元件成为非导通状态，

所述读出部使所述外部连接开关元件在给定期间成为导通状态，将所述第1信号保持电容器的电荷转送到所述外部电容器而进行第1次电荷回收，

所述读出部在读出所述读出信号作为所述像素信号时，将所述信号保持部的所述第2开关元件保持在非导通状态，使所述第1开关元件导通而将该读出信号保持在所述第1信号保持电容器中，使所述第1开关元件成为非导通状态，

所述读出部在将所述第1开关元件以及所述第2开关元件保持在非导通状态的状态下，将与保持在所述第2信号保持电容器中的重置读出信号对应的变换信号输出到所述第2信号线，

所述读出部在将所述第1开关元件保持在非导通状态且将所述第2开关元件保持在导通状态的状态下，将与保持在所述第2信号保持电容器中的重置读出信号以及保持在所述第1信号保持电容器中的读出信号的合成信号对应的变换信号输出到所述第2信号线，

所述读出部在将所述第1开关元件保持在非导通状态且将所述第2开关元件保持在导通状态的状态下，使所述外部连接开关元件在给定期间成为导通状态，将所述第1信号保持电容器以及所述第2信号保持电容器的电荷转送到所述外部电容器而进行第2次电荷回收。

18.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其中，

所述信号保持部包含：

第3开关元件，在所述第2期间将所述第1保持节点和给定的基准电位选择性地连接，

所述读出部在读出所述重置读出信号前，将所述第2开关元件以及所述第3开关元件保存在导通状态，除去所述第1信号保持电容器以及所述第2信号保持电容器的残差电荷，

所述读出部在所述第1次电荷回收处理后且读出所述读出信号前，将所述第3开关元件保存在导通状态，除去所述第1信号保持电容器的残差电荷。

19.一种固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：

像素部，配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素；

读出部，从所述像素部进行像素信号的读出；

第1信号线，输出所述光电变换读出部的读出信号；和

第2信号线，输出所述信号保持部的保持信号，

至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：

输出节点；

光电变换元件，在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷；

转送元件，能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷；

浮动扩散，通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷；

源极跟随器元件，将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点；

重置元件，在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位；和

选择元件，在第1期间将所述输出节点与所述第1信号线电连接，

所述信号保持部包含：

信号保持电容器，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

开关元件，在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接；和

输出部，包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线，

所述像素部包含：

第1像素阵列，以行列状配置了多个所述第1像素的所述光电变换读出部；

保持部阵列，以行列状配置了所述多个所述第1像素的所述信号保持部；和

第2像素阵列，以行列状配置了多个所述第2像素的所述光电变换读出部，

在所述固体摄像装置的驱动方法中，

在第1动作时，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述第2像素的所述第2像素阵列成为有效来进行像素信号的读出，

在第2动作时，在使所述第1像素以及所述第2像素的所述光电变换读出部中的所述选择元件成为非选择状态的状态下，使所述第1像素的所述第1像素阵列以及所述保持部阵列成为有效来进行像素信号的读出。

20.一种电子设备，具有：

固体摄像装置；和

光学系统，将被摄体像成像于所述固体摄像装置，

所述固体摄像装置具有：

像素部，配置了包含光电变换读出部以及信号保持部的第1像素和包含所述光电变换读出部的第2像素当中的至少所述第1像素；

读出部，从所述像素部进行像素信号的读出；

第1信号线，输出所述光电变换读出部的读出信号；和

第2信号线，输出所述信号保持部的保持信号，

至少所述第1像素的所述光电变换读出部包含：

输出节点；

光电变换元件，在积蓄期间积蓄通过光电变换生成的电荷；

转送元件，能在转送期间转送积蓄在所述光电变换元件中的电荷；

浮动扩散，通过所述转送元件转送由所述光电变换元件积蓄的电荷；和

源极跟随器元件，将所述浮动扩散的电荷变换成与电荷量相应的电压信号并将变换后的信号输出到所述输出节点；

重置元件，在重置期间将所述浮动扩散重置成给定的电位；和

选择元件，在第1期间将所述输出节点与所述第1信号线电连接，

所述信号保持部包含：

信号保持电容器，能保持从所述第1像素的所述光电变换读出部的输出节点输出的信号；

开关元件，在第2期间将所述信号保持电容器与所述光电变换读出部的输出节点选择性地连接；和

输出部，包含在所述第2期间根据保持电压输出保持在所述信号保持电容器中的信号的源极跟随器元件，且将变换后的信号选择性地输出到所述第2信号线。