CN113892257B - 固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法 - Google Patents

固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法 Download PDF

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Abstract

像素单元(101)被配置成矩阵状的固体摄像装置(100)，像素单元(101)具备：第1光电二极管(120)，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管(126)，保持从第1光电二极管(120)溢出的信号电荷；第2保持部(127)；第1传输晶体管(130)，将第2光电二极管(126)中保持的信号电荷传输给第2保持部(127)。

Description

固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法
技术领域
本公开涉及固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法。
背景技术
在以往的固体摄像装置中，为了扩大动态范围，例如提出了专利文献1所示的方法。在专利文献1的方法中仅具有单一像素，具备对从光电二极管溢出的电荷进行传输的溢出栅极、以及在蓄积工作时对由所述溢出栅极传输的电荷进行蓄积的蓄积电容元件，通过对低照度信号与高照度信号进行合成，来扩大动态范围。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1日本特开2006-217410号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，根据该专利文献1的背景技术，存在动态范围扩大与闪烁抑制不能兼具的问题。
在此，首先对闪烁抑制进行说明。近些年，LED光源(发光二极管光源)以及LD光源(激光二极管光源)正在不断地普及。这些光源大多是进行动态点灯，即以人的眼睛不能感觉到的速度反复地进行点灯与灭灯。换而言之，产生人的眼睛不能感觉到的速度的闪烁。例如，LED光源除了用于照明器具以外，还用于信号灯、车头灯、刹车灯等。
在动态点灯中，人的眼睛虽然看到的是光源一直处于点灯状态，然而在固体摄像装置中则会受到闪烁的影响。在固体摄像装置拍摄这种光源、或以使用了这种光源的照明环境来进行拍摄时，会有得到光源点灯时的图像的情况(或者得到亮的图像的情况)、和光源灭灯时的图像的情况(或者得到暗的图像的情况)。即在拍摄图像本身产生闪烁的现象。后者即得到光源灭灯时的图像的情况(或者得到暗的图像的情况)，则可以说是拍摄质量不好。以后将对这种因闪烁而造成的拍摄质量不好进行的抑制称为闪烁抑制。
在专利文献1中存在的问题是，若增长曝光时间则能够抑制闪烁信号，但是由于像素饱和，因此动态范围变窄。
于是，本公开提供一种使动态范围扩大与闪烁抑制均成立的固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法。
解决课题所采用的手段
解决上述课题的固体摄像装置，具备被配置成矩阵状的像素单元，所述像素单元具备：第1光电二极管，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管，保持从所述第1光电二极管溢出的信号电荷；第2保持部；以及第1传输晶体管，将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部。
解决上述课题的摄像装置具备：所述固体摄像装置、将来自被摄体的入射光导入到所述固体摄像装置的摄像光学系统、以及对来自所述固体摄像装置的输出信号进行处理的信号处理部。
并且，解决上述课题的摄像方法是像素单元被配置成矩阵状的固体摄像装置中的摄像方法，所述像素单元具备：第1光电二极管，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管，保持从所述第1光电二极管溢出的信号电荷；第2保持部；以及第1传输晶体管，将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部，在所述摄像方法中，对所述第1光电二极管进行曝光，将从所述第1光电二极管溢出的信号电荷传输到所述第1保持部，将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部。
发明效果
通过本公开的固体摄像装置、摄像装置以及摄像方法，能够使动态范围的扩大与闪烁现象的抑制均成立。
附图说明
图1是示出第1实施方式中的固体摄像装置的构成例的概略的方框图。
图2示出了第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。
图3A是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的第1例的模式截面图。
图3B是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的第2例的模式截面图。
图3C是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的第3例的模式截面图。
图3D是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的第4例的模式截面图。
图4是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素在半导体衬底内的电势的图。
图5是用于说明第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的动作的第1例的时间图。
图6是第1实施方式中的进行构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。
图7是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图。
图8是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的SN(信号与噪声的比)的关系的曲线图。
图9示出了第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。
图10是用于说明第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的动作的时间图。
图11是示出第2实施方式中的进行构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。
图12是示出第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图。
图13示出了第3实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。
图14是用于说明第3实施方式中的构成固体摄像装置的像素的动作的时间图。
图15是示出第3实施方式中的进行构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。
图16示出了第4实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。
图17是用于说明第4实施方式中的构成固体摄像装置的像素的动作的时间图。
图18示出了第5实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。
图19是用于说明第5实施方式中的构成固体摄像装置的像素的动作的时间图。
图20示出了适用了各实施方式中的固体摄像装置的摄像装置(相机系统)的构成例。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下参照附图对第1实施方式所涉及的固体摄像装置及其驱动方法进行说明。
另外，以下将要说明的实施方式均为一个具体例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接方式、步骤、步骤的顺序等均为一个例子，其主旨并非是对本发明进行限定。并且，对于以下的实施方式的构成要素之中没有记载在示出最上位概念的独立技术方案的构成要素，作为任意的构成要素来说明。
图1是第1实施方式所涉及的固体摄像装置的构成图。
如图1所示，本实施方式所涉及的固体摄像装置100具备：像素阵列部102，在该像素阵列部102中多个像素单元(单位单元)101被配置成矩阵状，多个像素单元(单位单元)101的每一个由进行光电转换的光电转换元件和晶体管构成；垂直扫描电路103，对像素阵列部102进行驱动；恒流源电路104；列读出电路105；水平扫描电路106；信号处理电路107；输出电路108；TG(定时发生电路)109；以及垂直信号线PIXOUT，用于将像素单元101的信号传递到各列电路。在垂直信号线PIXOUT上连接有恒流源电路104以及列读出电路105。列读出电路105中包括：接受1列的像素信号且具有差分法的噪声消除(CDS)电路、以及接受来自CDS电路的像素信号的模数转换电路(ADC)。于是，由水平扫描电路106选择的列的被模数转换后的数据依次向信号处理电路107输出，数据被信号处理。之后，经由输出电路108被依次输出到固体摄像装置之外。并且，固体摄像装置100具备发生用于使各部工作的脉冲的定时发生电路(TG)109。
并且，列读出电路105中包括的CDS电路例如按像素阵列部102中排列为矩阵状的像素单元101的每个列来连接。并且，CDS电路针对从在垂直扫描电路103选择的行的像素单元101经由垂直信号线PIXOUT而被输出的信号，通过CDS(相关双采样)处理，在进行去除在像素单元101发生的复位噪声、或因晶体管的阈值的偏差而造成的像素固有的固定模式噪声的信号处理的同时，对信号处理后的像素信号进行暂时保持。
模数转换电路(ADC)具有AGC(Auto Gain Control：自动增益控制)功能和模数转换功能，通过ADC，在CDS电路保持的模拟信号即像素信号被转换为数字信号。
图2示出了通过第1实施方式的构成固体摄像装置的像素的构成例。
如图2所示，本电路例所涉及的像素单元101具备：第1光电二极管120，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管126，对从第1光电二极管120溢出的信号电荷进行保持；第2保持部127；以及第1传输晶体管130，将第1保持部中保持的信号电荷向第2保持部127传输。更详细而言，作为光电转换元件，像素单元101例如具有第1光电二极管120、传输晶体管121、开关晶体管122、复位晶体管123、放大晶体管124、以及选择晶体管125。并且，作为第1保持部，像素单元101例如具有第2光电二极管126，作为第2保持部，像素单元101例如具有蓄积电容元件127、溢出晶体管128、电荷排出晶体管129、第1传输晶体管130、第2传输晶体管131。
作为各晶体管121～125以及128～131，例如可以使用N沟道的MOS晶体管。另外，将N沟道的MOS晶体管(Nch晶体管)设定为，栅极电位为“High”电平时成为导通状态、“Low”电平时成为截止状态。并且，将P沟道的MOS晶体管(Pch晶体管)设定为，栅极电位为“Low”电平时成为导通状态、“High”电平时成为截止状态。
传输晶体管121连接在第1光电二极管120的阴极电极与浮动扩散(FD1)部132之间。在传输晶体管121的栅极电极连接传输控制线TGL。在通过来自传输控制线TGL的传输脉冲φTGL，向传输晶体管121的栅极电极施加“High”电平时，传输晶体管121成为导通，在第1光电二极管120被光电转换且蓄积在第1光电二极管120的信号电荷(具体而言为电子)被传输到FD1部132。
溢出晶体管128连接在第1光电二极管120的阴极电极与第2光电二极管126的阴极电极之间。在溢出晶体管128的栅极电极连接溢出晶体管控制线OFG。在溢出晶体管128的栅极电极，经由溢出晶体管控制线OFG被施加DC偏置电压，通过对溢出晶体管128的沟道部的电势进行控制，若从第1光电二极管120经过光电转换而生成的信号电荷的生成量超过第1光电二极管120的蓄积容量时，则经由溢出晶体管128向第2光电二极管126传输。另外也可以搭载校正电路，在因温度或芯片间的偏差而出现溢出晶体管128的电势不同的情况下，通过对溢出晶体管控制线OFG的DC偏置电压值进行变更，来校正偏差。并且，在此的从第1光电二极管120向第2光电二极管126的电荷传输虽然由溢出晶体管128来控制，也可以没有溢出晶体管128，而可以通过半导体衬底内的杂质分布来进行控制。
电荷排出晶体管129连接在第2光电二极管126的阴极电极与像素电源布线VDDC之间。在电荷排出晶体管129的栅极电极连接控制线OFD。当电荷排出晶体管129的栅极电极通过来自控制线OFD的电荷排出脉冲φOFD被施加“High”电平时，电荷排出晶体管129成为导通，蓄积在第2光电二极管126的信号电荷(具体而言，电子)向像素电源布线VDDC排出。
第1传输晶体管130连接在第2光电二极管126的阴极电极与蓄积电容元件127之间。在第1传输晶体管130的栅极电极连接传输控制线TGS1。当第1传输晶体管130的栅极电极通过来自传输控制线TGS1的传输脉冲φTGS1而被施加“High”电平时，第1传输晶体管130成为导通，蓄积在第2光电二极管126的信号电荷(具体而言，电子)被传输向蓄积电容元件127。在该传输中，第2光电二极管126的信号电荷不是被分配到第2光电二极管126和蓄积电容元件127，而是被完全传输到蓄积电容元件127。
在蓄积电容元件127的另一方的电极连接电容控制线PVDD。可以向电容控制线PVDD提供DC偏置电压。例如，作为DC偏置电压值，若设为AVDD的1/2，由于蓄积电容元件127的复位时的电压为AVDD，因此，蓄积电容元件127被施加的电压为AVDD的值的1/2。并且，在照射高照度的光的情况下，由于大量的信号电荷被传输，电位降低，因此蓄积电容元件127的电位下降到0V附近。此时的蓄积电容元件127之间的电压成为AVDD的1/2。即从复位时到信号蓄积时，被施加到蓄积电容元件127的电压的绝对值最大为AVDD/2。另外，在将提供到电容控制线PVDD的DC偏置电压设为AVDD时，从复位时到信号蓄积时，被施加到蓄积电容元件127间的电压的绝对值最大为AVDD。据此，从确保可靠性的观点来看，为了使施加在蓄积电容元件127间的电压的绝对值降低，作为提供到电容控制线PVDD的DC偏置电压，提供AVDD的1/2是有效的。
第2传输晶体管131与蓄积电容元件127和FD2部133连接，FD2部133位于开关晶体管122与复位晶体管123之间。在第2传输晶体管131的栅极电极连接传输控制线TGC1。当第2传输晶体管131的栅极电极通过来自传输控制线TGC1的传输脉冲φTGC1而被施加“High”电平时，第2传输晶体管131成为导通，蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷(具体而言，电子)被传输向FD2部133。
关于开关晶体管122，其栅极与开关控制线SW1连接，漏极电极与FD2部133连接，源极电极与FD1部132连接。
并且，关于复位晶体管123，其栅极与复位控制线RS连接，漏极电极与像素电源布线VDDC连接，源极电极与FD2部133连接。在从第1光电二极管120向FD1部132传输信号电荷之前，当复位晶体管123的栅极电极通过在复位控制线RS上传送的复位脉冲φRS而被施加“High”电平时，复位晶体管123导通，并且，当开关晶体管122的栅极电极通过在开关控制线SW1上传送的开关脉冲φSW而被施加“High”电平时，开关晶体管122也导通，FD1部132与FD2部133的电位被复位到电源电压AVDD。
关于放大晶体管124，其栅极电极与FD1部132连接，漏极电极与像素电源布线VDDC连接，源极电极与选择晶体管125的漏极电极连接。
关于选择晶体管125，其栅极电极与选择控制线SEL连接，漏极电极与放大晶体管124的源极电极连接，源极电极与垂直信号线PIXOUT连接。当读出行被选择时，通过在选择控制线SEL上传送的选择脉冲φSEL而被施加“High”电平，选择晶体管125导通，对放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT进行连接。
放大晶体管124经由成为导通的选择晶体管125，将由开关晶体管122和复位晶体管123复位后的FD1部132的电位作为复位电平，输出给垂直信号线PIXOUT，进一步将由传输晶体管121传输了信号电荷后的FD1部132的电位作为信号电平，输出给垂直信号线PIXOUT。
在此，若将像素电荷量设为q、将浮动扩散部的电容值设为C，从信号电荷转换为电压的转换效率η由η＝q/C来表示。由于转换效率η由电容值C来决定，在开关晶体管122导通时，由于在放大晶体管124的栅极部，成为FD1部132与FD2部133连接的状态，因此，与在开关晶体管122截止时的放大晶体管124的栅极部仅连接FD1部132的状态相比，会出现转换效率η降低的特征。
在此，转换效率η越高则越能够高效地将信号电荷量转换为电压，并能够增大输出信号的电压值。据此，能够提高针对与垂直信号线PIXOUT连接的列读出电路105发生的噪声分量N的像素信号S的比率S/N，从而能够得到高画质的图像。
并且，关于蓄积电容元件127的读出，蓄积电容元件127在第2传输晶体管131成为导通而向进行FD1部132传输时，不是完全传输，而是以电荷分配的方式，信号电荷移动到FD2部133以及FD1部132。将第2传输晶体管131成为导通后的FD1部132的电位，作为蓄积电容元件127的信号电平，向垂直信号线PIXOUT输出，在此之后，通过复位晶体管123，FD1部132被复位到AVDD。在复位晶体管123为截止时，发生kTC噪声。将被复位的FD1部132的电位作为复位电平，向垂直信号线PIXOUT输出，由于是根据信号电平与复位电平的差分，来读出蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷的输出信号，因此成为包含kTC噪声的输出信号。在此，通过将第1光电二极管120的输出信号用于低照度领域的图像生成、将蓄积电容元件127的输出信号用于高照度领域的图像生成，来实现大的动态范围。为此，由于蓄积电容元件127的输出信号在某种程度上蓄积了信号电荷，因此，在此发生的kTC噪声给画质造成的影响是轻微的。
通过图2所示的像素单元101，通过将第1光电二极管120的输出信号用于与低照度时对应的图像生成，将第2保持部127的输出信号用于与高照度对应的图像生成，从而能够实现大的动态范围。并且，由于第1保持部的存在，因此，光电二极管120能够适用于长时间曝光(例如，时常曝光或间歇曝光)。因此，能够容易地抑制闪烁。并且，第1保持部由于不是作为电容器来构成，而是作为第2光电二极管126来构成，因此，在从光电二极管126向第2保持部127的信号电荷的传输中，信号电荷不被分割或分配，而能够完全传输。第1保持部即第2光电二极管126由于可以与第1光电二极管120的构成相同，因此容易制造。
另外，在此虽然记载了选择晶体管125，也可以是没有选择晶体管125的构成。作为像素单元101的行选择方法，可以通过使选择行中的像素单元101的FD1部132的电位增高、使非选择行的FD1部132的电位降低，从而使选择行的放大晶体管124有效，来向垂直信号线PIXOUT输出。
图3A～图3D是第1实施方式所涉及的固体摄像装置中的像素单元构成的第1例～第4例的模式截面图。在图3A中示出了正面照射型的像素单元101的模式截面图，像素单元101具备：在半导体衬底170内的包括p型的杂质的阱区域140、包括与p型不同的n型的杂质的第1光电二极管120、作为第1保持部的包括n型的杂质的第2光电二极管126，并且具备：栅极绝缘膜141、溢出晶体管栅极128-1、遮光布线142、绝缘膜143、铜布线144、内衬膜(linerfilm)145、铜布线146、内衬膜147、高折射绝缘膜148、滤色器149、以及成为平坦化膜的滤光器150和微型透镜151。第1光电二极管120以及第2光电二极管126作为嵌入式二极管而被形成。
这样，在半导体衬底170中，在成为受光面的摄像区域构成了按照各个像素来蓄积电荷的第1光电二极管120，而且，作为半导体衬底170上的栅极的一个例子，与第1光电二极管120相邻形成了溢出晶体管栅极128-1。
在上述的半导体衬底170中，在由第1光电二极管120进行光电转换而生成并蓄积的信号电荷的生成量超过第1光电二极管120的蓄积容量时，经由溢出晶体管128，传输到相邻的第2光电二极管126。在该第2光电二极管126的上部形成有遮光布线，被构成为不接受来自上部的光照射。据此，由于光电转换主要由第1光电二极管120进行，因此，第1光电二极管120中蓄积的信号电荷、与第2光电二极管126中蓄积的信号电荷的针对照射到像素单元101的光的信号电荷的光电转换效率几乎一致，两个信号电荷能够由后级的信号处理电路107进行相加处理。
并且，通过作为第1保持部而使用第2光电二极管126，从而能够由第1传输晶体管130将第2光电二极管126的信号电荷完全传输到蓄积电容元件127。不仅如此，并且通过作为第1保持部而使用第2光电二极管126，从而能够由电荷排出晶体管129将第2光电二极管126的信号电荷完全排出。因此，通过对使电荷排出晶体管129的电荷排出脉冲φOFD从“High”到“Low”之后，使第1传输晶体管130的传输脉冲φTGS1从“Low”到“High”的期间进行控制，从而能够对第2光电二极管126的信号电荷的蓄积期间进行控制，这样，能够对光电转换效率进行任意地控制。通过利用信号处理电路107和第1光电二极管120的曝光期间以及第2光电二极管126的蓄积期间，从而能够对蓄积在第1光电二极管120的信号电荷与经由第2光电二极管126而蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷进行运算处理，并能够进行加法处理。
在图3B示出了正面照射型的像素单元101的模式截面图，与图3A的不同之处是，不具备溢出晶体管栅极128-1，而是作为传输线具备与第1光电二极管120的侧面相接、且位于第2光电二极管126的下方包括p型的杂质的扩散区域152。在由第1光电二极管120生成的信号电荷的生成量超过蓄积容量时，第1光电二极管120和第2光电二极管126经由扩散区域152而电连接，在第1光电二极管120产生的信号电荷进入到扩散区域152，而被蓄积到第2光电二极管126。扩散区域152起到将从第1光电二极管120溢出的信号电荷引导到第2光电二极管126的传输线的作用。另外，通过使扩散区域152的p型的杂质浓度比第1光电二极管120与第2光电二极管126之间的分离部的p型的杂质浓度低，从而能够进行上述的工作。
图3C示出了背照式的像素单元101的模式截面图，像素单元101具备：在半导体衬底160内的包括p型的杂质的阱区域161、包括与p型不同的n型的杂质的第1光电二极管120、作为第1保持部而包括n型的杂质的第2光电二极管126，并且具备：遮光壁162、栅极绝缘膜163、溢出晶体管栅极128-1、绝缘膜143、遮光膜164、滤色器165、成为平坦化膜的滤光器166和微型透镜167。另外，在此将相对于半导体衬底160而言具有微型透镜167一侧定义为背面侧，将具有溢出晶体管栅极128-1一侧定义为正面侧。
如以上所述，与图3A的不同之处是，在半导体衬底160背面侧形成微型透镜167，从半导体衬底160背面侧照射光，由第1光电二极管120接受光并进行光电转换。成为第1保持部的第2光电二极管126的结构为，在背面侧形成遮光膜164，在第1光电二极管120与第2光电二极管126之间形成遮光壁162，遮挡来自背面侧的光。另外，遮光壁162例如以DTI(DeepTrench Isolation：深沟隔离)来形成，中间的材质使用SiO或空气，与作为半导体衬底160的材料的一个例子的Si相比，可以提高折射率，相对于光照射实现全反射，抑制混合色。并且，也可以是埋入金属材料来进行反射的方法。遮光膜164例如可以使用钨(W)等材料来形成。
在图3D示出了背照式的像素单元101的模式截面图，与图3C的不同之处是，不具备溢出晶体管栅极128-1，而是作为传输线具备与第1光电二极管120的侧面相接、且位于第2光电二极管126的下方(正面侧)包括p型的杂质的扩散区域168。在由第1光电二极管120生成的信号电荷的生成量超过蓄积容量时，第1光电二极管120与第2光电二极管126经由扩散区域168来电连接，在第1光电二极管120生成的信号电荷进入到扩散区域168，并蓄积到第2光电二极管126。即，扩散区域168起到将从第1光电二极管120溢出的信号电荷引导到第2光电二极管126的传输线的作用。另外，通过使扩散区域168的n型的杂质浓度比第1光电二极管120与第2光电二极管126之间的分离部的p型的杂质浓度低，从而能够进行上述的工作。
在上述的图3B以及图3D中，在第2光电二极管126的非入射面侧具备作为传输线的杂质扩散区域152或168，用于将从第1光电二极管120溢出的信号电荷引导到第2光电二极管126。在此，非入射面是指与入射面相反一侧的面。即在固体摄像装置中，将光入射的面称为入射面，将与入射面相反一侧的面称为非入射面。在图3A至图3D中，没有形成微型透镜151的一侧为非入射面。
另外，在图3B中，第2光电二极管126(第1保持部)的构成可以是包括保持信号电荷的第1导电型的第1半导体区域、以及被配置在第1半导体区域上的第2导电型的第2半导体区域。并且，第1光电二极管120的构成也可以是包括保持信号电荷的第1导电型的第3半导体区域。也可以被构成为在第3半导体区域上配置第1半导体区域，在所述第3半导体区域与所述第1半导体区域之间包括第2导电型的第4半导体区域，以作为上述的扩散区域152。
图4示出了第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的半导体衬底内的电势。该图的横方向表示与半导体衬底内的相对的位置。在该图的纵方向上，下方的电位高。
在此示出像素单元101中的如下的电势，即FD2部133、传输晶体管栅极131-1下方的半导体衬底170内、容量元件节点(C1)127-1、传输晶体管栅极130-1下方的半导体衬底170内、第2光电二极管126、溢出晶体管栅极128-1下方的半导体衬底170内、第1光电二极管120、传输晶体管栅极121-1下方的半导体衬底170内、FD1部132、开关晶体管栅极122-1下方、FD2部133、复位晶体管栅极123-1下方、电源布线部VDDC、电荷排出晶体管栅极129-1下方中的电势。在此，为了明确图中的各元件的位置，各元件的符号记作控制线名以及节点名。
首先，图4的(a)示出复位工作，从复位控制线RS以复位脉冲φRS，向复位晶体管栅极123-1施加“High”电平，从开关控制线SW1以开关脉冲φSW1，向开关晶体管栅极122-1施加“High”电平，从传输控制线TGL以复位脉冲φTGL，向传输晶体管栅极121-1施加“High”电平，从传输控制线TGC1以复位脉冲φTGC1，向传输晶体管栅极131-1施加“High”电平，FD1部132和FD2部133以及容量元件节点(C1)127-1被复位为电源电压AVDD，信号电荷从第1光电二极管120和第2光电二极管126被完全传输并被复位。
图4的(b1)示出蓄积控制期间中的开始曝光时的电势。从复位控制线RS以复位脉冲φRS，向复位晶体管栅极123-1施加“Low”电平，从开关控制线SW1以开关脉冲φSW1，向开关晶体管栅极122-1施加“Low”电平，从传输控制线TGL以传输脉冲φTGL，向传输晶体管栅极121-1施加“Low”电平，从传输控制线TGS1以传输脉冲φTGS1，向传输晶体管栅极131-1施加“Low”电平，在第1光电二极管120和第2光电二极管126以及蓄积电容元件127成为能够蓄积信号电荷的状态。
图4的(b2)示出在蓄积控制期间内的信号电荷的蓄积时的电势。按照从第1光电二极管120照射的光，进行光电转换并蓄积信号电荷。以与第1光电二极管120相邻的溢出晶体管栅极128-1下方的半导体衬底170内的势垒，比同样与第1光电二极管120相邻的传输晶体管栅极121-1下方的半导体衬底170内的势垒低的方式，由从溢出晶体管控制线OFG提供的DC偏置电压来控制。据此，当蓄积在第1光电二极管120的信号电荷的生成超过第1光电二极管120的蓄积容量时，经由溢出晶体管栅极128-1下方的半导体衬底170，信号电荷被传输到第2光电二极管126，且信号电荷被蓄积在第2光电二极管126。
图4的(b3)示出了在蓄积控制期间内，将蓄积在第2光电二极管126的信号电荷传输到蓄积电容节点(C1)127-1的传输时的电势。从传输控制线TGS1以传输脉冲φTGS1，向传输晶体管栅极130-1施加“High”电平，第2光电二极管126中蓄积的信号电荷从第2光电二极管126被完全传输到蓄积电容节点(C1)127-1。
图4的(b4)示出了在蓄积控制期间内，将蓄积在第2光电二极管126的信号电荷进行排出的排出时的电势。从传输控制线TGS1以传输脉冲φTGS1，向传输晶体管栅极130-1施加“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容节点(C1)127的信号电荷的传输停止。从电荷排出控制线OFD以电荷排出脉冲φOFD，向电荷排出晶体管栅极129-1施加“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向电源布线VDDC排出。在该期间中，由于从第1光电二极管120向第2光电二极管126溢出的信号电荷由电源电压被复位，因此不被蓄积到第2光电二极管126。即第2光电二极管126成为不被曝光的状态。
关于第2光电二极管126的蓄积时间，若将b1)蓄积开始～向电容的传输b3)为止的期间定义为Texp，在该蓄积控制期间被反复N次时，以Texp*N来表示。
图4的(c)示出了蓄积电容元件127的信号电荷向浮动扩散132传输时的电势。从传输控制线TGC1以传输脉冲φTGC1，向传输晶体管栅极131-1施加“High”电平，蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷从蓄积电容元件127向FD2部133传输，从开关控制线SW1以开关脉冲φSW1，向开关晶体管栅极122-1施加“High”电平，FD2部133与FD1部132连接，蓄积在蓄积电容节点(C1)127的信号电荷被传输到FD1部132以及FD2部133。
接着，图5示出了用于说明图2所示的像素的动作的时间图的一个例子。
首先，在时刻t1，φRS和φSW1成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φTGL成为“High”电平，第1光电二极管120的信号电荷被排出。并且，由于φOFD为“High”电平，因此第2光电二极管126再次排出信号电荷。φTGC1成为“High”电平，向蓄积电容元件127施加电源电压AVDD。
在时刻t2，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，通常由于复位晶体管123以及开关晶体管122的导通与截止的切换而产生的噪声，因此FD1部132的电位产生落差。并且，φTGL和φTGC1成为“Low”电平，成为能够蓄积信号电荷的状态。
在时刻t3，φOFD成为“Low”电平，成为能够蓄积第2光电二极管126的信号电荷的状态。这是与图4的(b1)所示的蓄积开始时的电势对应的驱动定时。
在时刻t4，φTGS1成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向蓄积电容元件127传输。这是与图4的(b3)所示的信号传输时的电势对应的驱动定时。
在时刻t5，φTGS1成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件127的信号电荷的传输结束。并且，φOFD成为“High”电平，第2光电二极管126的信号电荷被排出到电源。这是与图4的(b4)所示的没有蓄积时的电势对应的驱动定时，从时刻t3到时刻t5的期间Texp相当于蓄积电容元件127的蓄积期间。
在时刻t6，φOFD成为“Low”电平，再次成为能够蓄积第2光电二极管126的信号电荷的状态。
时刻t3至t6作为蓄积周期Tt，直到时刻t14，φOFD和φTGS1的脉冲被反复。
在时刻t15，φRS和φSW1成为“High”电平，向FD2部133和FD1部132施加电源电压AVDD。并且，φSEL成为“High”电平，选择晶体管125成为导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。放大晶体管124通过流入一定的电流，而用作源极跟随器。虽然在该图中没有记载，在与相同的垂直信号线PIXOUT连接的其他的像素的选择晶体管125的栅极电极，作为φSEL而被提供“Low”电平，选择晶体管125截止。
在时刻t16，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，由于通常时的复位晶体管123以及开关晶体管122的开关而产生的噪声，因此FD1部的电位产生落差。
在时刻t17，φTGC1成为“High”电平。此时，在蓄积电容元件127中保持的信号电荷被分配到FD2部133以及FD1部132，FD1部132的电位降低，在电位稳定的时刻t17a对信号电平(SH3)进行采样。
在时刻t18，φRS成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132以及蓄积电容元件127被施加电源电压AVDD。
在时刻t19，φRS成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t19a，对信号电平(CL3，CL4)进行采样。于是，在列读出电路105，根据时刻17a中的信号电平(SH3)与时刻19a中的信号电平(CL3)的差分，来提取蓄积电容元件127的输出信号Sig3。
在时刻t20，φTGC1成为“Low”电平，第2传输晶体管131截止，φRS成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。
在时刻t21，φRS成为“Low”电平。此时，以FD1部132的电位稳定的时刻t21a对信号电平(CL2)进行采样。
在时刻t22，φSW1成为“Low”电平。此时，以FD1部132的电位稳定的时刻t22a对信号电平(CL1)进行采样。
在时刻t23，φTGL成为“High”电平。此时，信号电荷从第1光电二极管120向FD1部132传输，FD1部132的电位降低。
在时刻t24，φTGL成为“Low”电平，从第1光电二极管120向FD1部132的信号电荷的传输结束。
在时刻t24a，FD1部132的电位稳定，对信号电平(SH1)进行采样。于是，由列读出电路105根据时刻22a中的信号电平(CL1)与时刻24a中的信号电平(SH1)的差分，来提取第1光电二极管120的输出信号Sig1。
在时刻t25，φSW1成为“High”电平。此时，不仅是FD1部132，由于开关晶体管122和FD2部133的寄生电容部分的容量也増加，因此与时刻t24时相比，转换效率η降低，FD1部132的电位上升。以FD1部132的电位稳定的时刻t25a对信号电平(SH2)进行采样。于是，由列读出电路105根据时刻t21a中的信号电平(CL2)与时刻t25a中的信号电平(SH2)的差分，来提取第1光电二极管120的输出信号Sig2。
在时刻t26，φTGC1成为“High”电平。此时，不仅是FD1部132、开关晶体管122、以及FD2部133的容量，而且第2传输晶体管131的容量和蓄积电容元件127的容量也增加，因此与时刻t25时相比，转换效率η降低，FD1部132的电位上升。以FD1部132的电位稳定的时刻t26a对信号电平(SH4)进行采样。于是，由列读出电路105根据时刻19a中的信号电平(CL4)与时刻26a中的信号电平(SH4)的差分来提取第1光电二极管120的输出信号Sig4。
在时刻t27，φSW1和φTGC1成为“Low”电平。并且，φSEL为“Low”电平，选择晶体管125截止，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT的电连接被切断。
并且，第1光电二极管120的曝光期间Tpd成为从φTGL为“Low”电平的时刻t2到时刻t24的期间。另外，关于从蓄积电容元件127的第2光电二极管126传输信号电荷的蓄积期间Tc1，在将时刻t2到时刻t3的期间设为Ta、时刻t14到时刻t24的期间设为Tb时，若对蓄积周期Tt进行定义，则由(式1)来表示。
Tc1＝(Tpd-Ta-Tb)*Texp/Tt…(式1)
据此，利用表示第1光电二极管120的曝光期间Tpd与蓄积电容元件127的蓄积期间Tc1的式1，能够算出曝光期间Tpd与蓄积期间Tc1的比率。
按照以上的时间图，能够得到总共4个不同状态中的输出信号。能够获得输出信号Sig1、输出信号Sig2、输出信号Sig4，输出信号Sig1是在第1光电二极管120的信号电荷中，开关晶体管122为截止状态，以较高的转换效率将信号电荷转换为电压而得到的输出信号，输出信号Sig2是在第1光电二极管120的信号电荷中，开关晶体管122为导通时将信号电荷转换为电压而得到的输出信号，输出信号Sig4是在第1光电二极管120的信号电荷中，开关晶体管122为导通、第2传输晶体管131为导通时将信号电荷转换为电压而得到的输出信号。并且能够获得将从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig3。
图6是示出第1实施方式中的进行构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。首先，如图5的时间图所示，获得各像素的输出信号(Sig1～Sig4)(S11)。接着，算出曝光校正值GEX(S12)。曝光校正值相当于蓄积期间Tc1相对于第1光电二极管120的曝光期间Tpd的比率(GEX＝Tc1/Tpd)，蓄积期间Tc1是从第1光电二极管120向第2光电二极管126溢出的信号电荷被传输且被蓄积的期间。如图5的时间图所示，主要以φOFD和φTGS1的脉冲定时来控制蓄积期间Tc1。接着，进行数据运算(S13)。数据运算是指，针对第1光电二极管120的信号电荷的输出信号Sig4、和蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷的输出信号Sig3，按照Sig3’＝Sig3+Sig4*GEX的关系式，并按每个像素来运算。据此，输出作为第1光电二极管120的信号电荷的Sig1和Sig2、以及对第1光电二极管120的输出信号与蓄积电容元件127的输出信号进行运算处理而得到的Sig3’(S14)。Sig1、Sig2以及Sig3’与被摄体照度从低照度到高照度所对应的像素信号对应。通过对Sig1、Sig2以及Sig3’进行合成，从而能够实现大的动态范围。
图7是示出第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图。横轴表示被摄体照度，纵轴表示输出。在该图中示出了，在第1光电二极管120的信号电荷中，开关晶体管122为截止状态，以高的转换效率将信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig1；开关晶体管122为导通，将信号电荷进行了电压转换而得到的输出信号Sig2；将从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷进行电压转换，并进行运算处理而得到的输出信号Sig3’。曲线的倾斜依存于转换效率以及AD转换时的增益设定、蓄积期间以及曝光期间。能够应对低照度的被摄体的输出信号Sig1，由于转换效率高、且AD转换时的增益设定也比其他的设定得高，因此曲线的倾斜较陡。并且，由于输出是示出AD转换后的输出，因此最大值依存于AD转换时的bit数。
在成为被摄体照度L1时，Sig1的AD转换后的输出值到达最大值，因此不依存被摄体照度而成为固定的输出。
在成为被摄体照度L2时，Sig2的AD转换后的输出值到达最大值，因此不依存被摄体照度而成为固定的输出。与Sig1相比，由于FD1部132的转换效率低、且AD转换时的增益设定也低，因此在更高照度一侧的被摄体照度L2，输出成为最大值。
在成为被摄体照度L3时，Sig3’的AD转换后的输出值到达最大值，因此不依存被摄体照度而成为固定的输出。
Sig3’与Sig2相比，能够拍摄的被摄体照度的范围较大成为0～L3，即使在被摄体照度比较高的情况下，也能够得到与被摄体照度相对应的信号电荷量。这是因为，在蓄积电容元件127能够以某个蓄积时间比来蓄积从第1光电二极管120溢出的信号电荷的缘故。并且，通过缩短蓄积期间，能够使曲线的倾斜变缓(降低相对灵敏度)，据此，可以不必增大像素尺寸来增加蓄积电容元件127的电容值，因此能够进行更高的照度下的拍摄。
在此，为了抑制因LED光源而出现的闪烁，固体摄像装置对于时常曝光工作或者LED光源的亮灭周期TLED，需要以周期TLED/2以下的周期来进行间歇地曝光工作。关于输出信号Sig1和Sig2，由于是第1光电二极管120的信号电荷，是以时常曝光工作而获得的信号电荷，因此能够抑制闪烁。并且通过Sig3’，在利用蓄积电容元件127对信号电荷的蓄积电荷量进行扩大的同时，周期性地反复图5中的时刻t3至t6来间歇地蓄积信号电荷，从而进行间歇地曝光工作，据此，能够得到既能够进行高照度的被摄体的拍摄，又抑制了LED光源的闪烁的图像。
图8是示出通过第1实施方式的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的SN(信号与噪声的比)的关系的曲线图。横轴表示被摄体照度、纵轴表示SN。示出了从低照度到高照度，连续了Sig1、Sig2、Sig3’的输出信号，且示出了针对被摄体照度的图像的SN。通过使各输出信号连续，从而能够维持高的SN且能够确保大的动态范围。
并且，此时关于动态范围(DR)的计算，若利用第1光电二极管120的饱和Sat_pd与蓄积电容元件127的饱和Sat_cap的饱和比(Sat_cap/Sat_pd)、以及从第1光电二极管120向第2光电二极管126溢出的信号电荷被传输且被蓄积的蓄积期间Tc1相对于第1光电二极管120的曝光期间Tpd的蓄积期间比率(Tc1/Tpd)，就能够简易地计算，而成为以下所示。
WDR的DR＝1帧的DR+饱和比(Sat_cap/Sat_pd)/蓄积期间比率(Tc1/Tpd)＝72dB(AD12bit)+48dB(256/1倍)＝120dB
另外在此，关于1帧的DR，设为像素的DR(＝饱和/噪声比)超过ADbit精度，从而以ADbit精度受到限制。
并且，若使用蓄积电容元件127，如以上所述，在输出信号中包含kTC噪声，噪声则增大。假设仅以Sig3’来获得大的动态范围的图像，在低照度区域，kTC噪声产生的影响显著，画质(S/N)变差，尤其是重视S/N的低照度的画质是不能允许的。然而，通过第1实施方式，低照度的画质由于是来自第1光电二极管120的输出信号即Sig1和Sig2，因此没有低照度画质的S/N变差的问题。
如以上说明所示，本实施方式中的固体摄像装置100是像素单元101被配置成矩阵状的固体摄像装置100，像素单元101具备：第1光电二极管120，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管126，保持从第1光电二极管溢出的信号电荷；第2保持部127；以及第1传输晶体管130，将第1保持部(即第2光电二极管126)中保持的信号电荷传输给第2保持部127。
据此，通过将第1光电二极管120的输出信号用于与低照度对应的图像生成，将第2保持部127的输出信号用于与高照度对应的图像生成，从而能够实现大的动态范围。并且，由于有第1保持部，因此光电二极管120适用于长时间曝光(例如时常曝光或间歇曝光)。因此能够容易地抑制闪烁。而且，由于第1保持部不是电容器，而是作为第2光电二极管126来构成，因此，在从光电二极管126向第2保持部127的信号电荷的传输中，信号电荷不被分割或分配，而能够完全传输。第1保持部(第2光电二极管126)由于与第1光电二极管120的构成相同，因此容易制造。
在此，固体摄像装置100还可以进一步具备：保持信号电荷的浮动扩散部132、以及将信号电荷从第2保持部127传输给浮动扩散部132的第2传输晶体管131。
在此，固体摄像装置100也可以具有位于第2传输晶体管131与浮动扩散部132之间的开关晶体管122。
在此，第2光电二极管126可以是嵌入式光电二极管(pinned photodiode)。
在此也可以是，固体摄像装置100具有光入射的入射面、以及与入射面相反一侧的非入射面，在第2光电二极管126的非入射面一侧具备作为传输线的杂质扩散区域152或168，用于将从第1光电二极管120溢出的信号电荷引导到第2光电二极管126。
在此，固体摄像装置100也可以具备溢出晶体管128，将从第1光电二极管120溢出的信号电荷引导到第2光电二极管126。
在此，固体摄像装置100也可以具有对第2光电二极管126进行遮光的遮光膜(例如遮光布线142或遮光壁162)。
在此还可以具有：电荷排出用晶体管129，将信号电荷从第1保持部排出；以及垂直扫描电路103，对电荷排出用晶体管129进行控制。
在此也可以是，通过以垂直扫描电路103来控制电荷排出用晶体管129和第1传输晶体管130，从而对与第2保持部127中保持的信号电荷的蓄积对应的第1蓄积期间进行控制。
在此也可以是，垂直扫描电路103对第1传输晶体管130进行控制，将1帧期间中保持在第1保持部(即第2光电二极管126)的信号电荷，分多次传输给第2保持部127。
在此也可以是，固体摄像装置100具有第1加法部，对第1光电二极管120的信号电荷与第2保持部127中保持的信号电荷进行相加。
并且，本实施方式中的摄像方法是像素单元101被配置成矩阵状的固体摄像装置100中的摄像方法，所述像素单元101具备：第1光电二极管120，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；作为第1保持部的第2光电二极管126，保持从第1光电二极管120溢出的信号电荷；第2保持部127；以及第1传输晶体管130，将保持在第1保持部的信号电荷传输给第2保持部127，在摄像方法中，对第1光电二极管120进行曝光，将从第1光电二极管120溢出的信号电荷传输到第1保持部，将第1保持部(即第2光电二极管126)中保持的信号电荷传输给第2保持部127。
(第2实施方式)
图9示出了第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。另外，在图9中对与第1实施方式不同之处进行描述。
在图9中，本电路例所涉及的像素单元101除了具有第1实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成以外，还具有作为第3保持部的例如蓄积电容元件134、传输晶体管135、以及传输晶体管136。
作为各晶体管135和136例如可以使用N沟道的MOS晶体管。
传输晶体管135被连接在第2光电二极管126的阴极电极与蓄积电容元件134之间。在传输晶体管135的栅极电极连接传输控制线TGS2。当从传输控制线TGS2以传输脉冲φTGS2，向传输晶体管135的栅极电极施加“High”电平时，传输晶体管135导通，第2光电二极管126中蓄积的信号电荷(具体而言为电子)被传输给蓄积电容元件134。蓄积电容元件134的另一方的电极与电容控制线PVDD连接。
传输晶体管136与蓄积电容元件134和FD2部133连接，FD2部133位于开关晶体管122与复位晶体管123之间。传输晶体管136的栅极电极与传输控制线TGC2连接。当从传输控制线TGC2以传输脉冲φTGC2，向传输晶体管136的栅极电极施加“High”电平时，传输晶体管136导通，蓄积电容元件134中蓄积的信号电荷(具体而言电子)被传输给FD2部133。
接着，图10示出了用于说明图9所示的像素的动作的时间图的一个例子。
首先在时刻t1，φRS和φSW1成为“High”电平，FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φTGL成为“High”电平，第1光电二极管120的信号电荷被排出。并且，由于φOFD为“High”电平，因此，第2光电二极管126也排出信号电荷。φTGC1和φTGC2成为“High”电平，在蓄积电容元件127和蓄积电容元件134被施加电源电压AVDD。
在时刻t2，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，在通常的情况下，由于复位晶体管123以及开关晶体管122的导通与截止切换而造成的噪声，从而FD1部132的电位产生落差。并且，φTGL、φTGC1、以及φTGC2成为“Low”电平，成为信号电荷能够蓄积的状态。
在时刻t3，φOFD成为“Low”电平，成为第2光电二极管126的信号电荷能够蓄积的状态。
在时刻t4，φTGS1成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126被传输给蓄积电容元件127。
在时刻t5，φTGS1成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件127的信号电荷的传输结束。时刻t3至时刻t5的期间Texp1相当于蓄积电容元件127的蓄积期间。
在时刻t6，φTGS2成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126被传输给蓄积电容元件134。
在时刻t7，φTGS2成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件134的信号电荷的传输结束。时刻t5至时刻t7的期间Texp2相当于蓄积电容元件134的蓄积期间。并且，φOFD成为“High”电平，第2光电二极管126的信号电荷被排出到电源。
时刻t3至t8作为蓄积周期Tt，直到时刻t20为止，φOFD、φTGS1、以及φTGS2的脉冲被反复进行。
在时刻21，φRS和φSW1成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φSEL成为“High”电平，选择晶体管125成为导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT被电连接。放大晶体管124通过流入一定的电流，而用作源极跟随器。在该图中虽然没有记载，在与相同的垂直信号线PIXOUT连接的其他的像素的选择晶体管125的栅极电极，作为φSEL而被提供“Low”电平，选择晶体管125截止。
在时刻t22，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，在通常情况下，由于复位晶体管123以及开关晶体管122的切换而造成的噪声，从而FD1部132的电位产生落差。
在时刻t23，φTGC1成为“High”电平。此时，保持在蓄积电容元件127的信号电荷被分配给FD2部133以及FD1部132，FD1部132的电位降低，在电位稳定的时刻t23a对信号电平(SH2)进行采样。
在时刻t24，φRS成为“High”电平，FD2部133和FD1部132以及蓄积电容元件127被施加电源电压AVDD。
在时刻t25，φRS成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t25a对信号电平(CL2，CL4)进行采样。于是，在列读出电路105根据时刻23a中的信号电平(SH2)与时刻25a中的信号电平(CL2)的差分，来提取蓄积电容元件127的输出信号Sig2。
在时刻t26，φTGC1成为“Low”电平，第2传输晶体管131成为截止，φRS成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。
在时刻t27，φRS成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t27a对信号电平(CL1)进行采样。
在时刻t28，φTGL成为“High”电平。此时，从第1光电二极管120向FD1部132传输信号电荷，FD1部132的电位降低。
在时刻t29，φTGL成为“Low”电平，从第1光电二极管120向FD1部132的信号电荷的传输结束。在时刻t29a，FD1部132的电位稳定，对信号电平(SH1)进行采样。于是，由列读出电路105根据时刻27a中的信号电平(CL1)与时刻29a中的信号电平(SH1)的差分，来提取第1光电二极管120的输出信号Sig1。
在时刻t30，φTGC1成为“High”电平。此时，除了FD1部132、开关晶体管122、以及FD2部133的容量以外，由于第2传输晶体管131的容量和蓄积电容元件127的容量也増加，因此与时刻t29a时相比，转换效率η降低，FD1部132的电位上升。在FD1部132的电位稳定的时刻t30a，对信号电平(SH4)进行采样。于是，由列读出电路105，根据时刻25a中的信号电平(CL4)与时刻30a中的信号电平(SH4)的差分，来提取第1光电二极管120的输出信号Sig4。
在时刻t31，φTGC1成为“Low”电平，第2传输晶体管131截止，φRS成为“High”电平，在FD2部133与FD1部132被施加电源电压AVDD。
在时刻t32，φRS成为“Low”电平。
在时刻t33，φTGC2成为“High”电平。此时，保持在蓄积电容元件134的信号电荷被分配到FD2部133以及FD1部132，FD1部132的电位降低，在FD1部132的电位稳定的时刻t33a，对信号电平(SH3)进行采样。
在时刻t34，φRS成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132以及蓄积电容元件134被施加电源电压AVDD。
在时刻t35，φRS成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t35a，对信号电平(CL3)进行采样。于是，由列读出电路105根据时刻33a中的信号电平(SH3)与时刻35a中的信号电平(CL3)的差分，来提取蓄积电容元件134的输出信号Sig3。
在时刻t36，φSW1和φTGC2成为“Low”电平。并且，φSEL成为“Low”电平，选择晶体管125截止，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT的电连接被切断。
并且，第1光电二极管120的曝光期间Tpd成为，φTGL为“Low”电平的时刻t2至时刻t29的期间。并且，关于从蓄积电容元件127的第2光电二极管126输出信号电荷的蓄积期间Tc1’，在将时刻t2至时刻t3的期间定义为Ta、将时刻t19至时刻t24的期间定义为Tb，则由(式2)来表示。
Tc1’＝(Tpd-Ta-Tb)*Texp1/Tt…(式2)
并且，从蓄积电容元件134的第2光电二极管126传输信号电荷的蓄积期间Tc2’由(式3)来表示。
Tc2’＝(Tpd-Ta-Tb)*Texp2/Tt…(式3)
据此，通过以式2、式3来表示第1光电二极管120的曝光期间Tpd、蓄积电容元件127的蓄积期间Tc1’、以及蓄积电容元件134的蓄积期间Tc2’，从而能够算出针对曝光期间Tpd、蓄积期间Tc1’和Tc2’的比率。
依照以上的时间图，能够得到合计4个不同状态下的输出信号。即能够得到：将第1光电二极管120的信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig1；以及在开关晶体管122为导通、第2传输晶体管131为导通时，将第1光电二极管120的信号电荷进行了电压转换而得到的输出信号Sig4。并且能够得到：将从第2光电二极管126传输的被蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷进行了电压转换而得到的输出信号Sig2；以及将从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行了电压转换而得到的输出信号Sig3。
图11示出了第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。首先，获得图10的时间图示出的各像素的输出信号(Sig1～Sig4)(S21)。接着，设定参数值(S22)。首先，曝光校正值GEX1和GEX2，以从第1光电二极管120溢出到第2光电二极管126的信号电荷被传输且被蓄积的曝光时间，相对于第1光电二极管120的曝光时间的比率(GEX1＝Tc1’/Tpd、GEX2＝Tc2’/Tpd)来表示。正如图10的时间图所示，由φOFD、φTGS1、φTGS2的脉冲定时来控制。并且，增益校正值由将蓄积电容元件127的信号电荷量转换为电压的转换效率η1与将蓄积电容元件134的信号电荷量转换为电压的转换效率η2的比率来表示，成为GMS＝η1/η2。
接着，进行数据运算(S23)。数据运算是指，通过针对第1光电二极管120的信号电荷的输出信号Sig4、和蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷的输出信号Sig2，按照(式4)的关系式并按每个像素进行运算，从而得到与被摄体照度从低照度到高照度对应的像素信号。
Sig2’＝Sig2+Sig4*GEX1…(式4)
并且，关于蓄积电容元件134中蓄积的信号电荷的输出信号Sig3，按照(式5)的关系式，并按每个像素来进行运算。
Sig3’＝Sig3+Sig4*GEX2/GMS…(式5)
据此，输出作为第1光电二极管120的信号电荷的Sig1、对第1光电二极管120的信号与蓄积电容元件127的信号进行运算处理而得到的Sig2’、以及对第1光电二极管120的信号与蓄积电容元件134的信号进行运算处理而得到的Sig3’(S24)。Sig1、Sig2’以及Sig3’与被摄体照度从低照度到高照度所对应的像素信号对应。通过对Sig1、Sig2’以及Sig3’进行合成，从而能够实现更大的动态范围。
图12是示出第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图。横轴表示被摄体照度，纵轴表示输出。该图示出作为第1光电二极管120的信号电荷的Sig1、对第1光电二极管120的输出信号与蓄积电容元件127的输出信号进行运算处理而得到的Sig2’、以及对第1光电二极管120的输出信号与蓄积电容元件134的输出信号进行运算处理而得到的Sig3’。
在成为被摄体照度L1’时，如Sig1所示，AD转换后的输出值到达最大值，在此之后不依存被摄体照度而成为固定的输出。
在成为被摄体照度L2’时，Sig2’的AD转换后的输出值到达最大值，在此之后不依存被摄体照度而成为固定的输出。被摄体照度L2’与图7中的被摄体照度L2相比，向高照度一侧偏移。这是因为，在蓄积电容元件127能够以某个曝光时间比，来蓄积从第1光电二极管120溢出的信号电荷的缘故。并且，在被摄体照度L2’的位置，通过缩短蓄积期间Tc1’，来使曲线的倾斜变缓(相对地降低灵敏度)，据此能够进行更高的被摄体照度的拍摄。
在成为被摄体照度L3’时，如Sig3’所示，AD转换后的输出值到达最大值，在此之后则不依存被摄体照度，而成为固定的输出。
作为在此的曲线图的前提，蓄积电容元件134的电容值比蓄积电容元件127大，蓄积期间Tc2’比蓄积期间Tc1’短。据此，Sig3’与Sig2’相比，能够拍摄的被摄体照度的范围较大成为0～L3，即使在被摄体照度比较高的情况下，也能够得到与被摄体照度对应的信号电荷量。并且，在被摄体照度L3’的位置，通过缩短蓄积期间Tc2’，来使曲线的倾斜变缓(相对地降低灵敏度)，从而能够进行更高的被摄体照度的拍摄。
在此，为了抑制LED光源的闪烁现象，针对时常曝光工作或者LED光源的亮灭周期TLED，需要以周期TLED/2以下的周期来进行间歇曝光工作(蓄积工作)。通过Sig2’以及Sig3’确保大的动态范围，以周期TLED/2以下的周期来进行间歇蓄积工作，从而能够得到抑制了LED光源的闪烁的图像。
并且，作为输出信号Sig2’以及Sig3’的蓄积控制，通过进行间歇蓄积工作，从而能够按照各种拍摄场景，来进行最佳的蓄积时间的设定。
另外，在输出信号Sig2’以及Sig3’重叠kTC噪声。若将kTC噪声换算成电子数，则由(式6)表示。
[数式1]
通过式6进行了电子数换算的kTC噪声Noisektc由于与电容值C的√成正比，因此，电容值C越大则噪声就越大。如图11所示，输出信号Sig2’能够应对的被摄体照度与Sig3’能够应对的被摄体照度相比为低照度，被光电转换的信号电荷变得更少，因此担心kTC噪声给画质造成的影响。因此，通过使蓄积电容元件127的电容值比蓄积电容元件134的电容值小，从而能够缓和kTC噪声的影响。
如以上说明所示，本实施方式中的固体摄像装置100具有：电荷排出用晶体管129，将信号电荷从第1保持部(即第2光电二极管126)排出；垂直扫描电路103，对电荷排出用晶体管129进行控制；第3保持部134，保持从第1保持部(第2光电二极管126)传输的信号电荷；以及晶体管135，将信号电荷从第1保持部(第2光电二极管126)传输到第3保持部134。
据此，能够兼具动态范围的扩大和闪烁现象的抑制，而且通过相对地降低灵敏度，从而能够进行更高的被摄体照度的拍摄。
在此也可以是，通过以垂直扫描电路103来控制电荷排出用晶体管129或者第4传输晶体管135、和第1传输晶体管130，从而对与第2保持部127中保持的信号电荷的蓄积对应的第2蓄积期间进行控制。
在此也可以是，通过以垂直扫描电路103来控制电荷排出用晶体管129或者第1传输晶体管130、和第4传输晶体管135，从而对与第3保持部134中保持的信号电荷的蓄积对应的第3蓄积期间进行控制。
在此，第2蓄积期间可以比第3蓄积期间长。
在此也可以是，垂直扫描电路103对第1传输晶体管130进行控制，将在1帧期间中保持到第1保持部(即第2光电二极管126)的信号电荷，分多次传输给第2保持部127，垂直扫描电路103对第4传输晶体管135进行控制，将在1帧期间中保持在第1保持部的信号电荷，分多次传输给第3保持部134。
在此，第2保持部127的电容值可以比第3保持部134的电容值小。
在此也可以是，固体摄像装置100具有：第1校正部，对第1光电二极管120接受光并进行光电转换的曝光期间、与第2保持部127中保持的信号电荷的蓄积所对应的第2蓄积期间的差分进行校正；第1加法部，对第1光电二极管120的信号电荷与第2保持部127中保持的信号电荷进行相加；第2校正部，对第1光电二极管120进行光电转换的曝光期间、与第3保持部134中保持的信号电荷的蓄积所对应的第3蓄积期间的差分进行校正；增益校正部，对将第2保持部127中保持的信号电荷转换为电压的转换效率、与将第3保持部134中保持的信号电荷转换为电压的转换效率的差分进行校正；以及第2加法部，对第1光电二极管120的信号电荷与第3保持部134中保持的信号电荷进行相加。
(第3实施方式)
图13示出了第3实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。另外，针对图13，以与第2实施方式不同之处为中心进行说明。
在图13中，本电路例所涉及的像素单元101除了具有第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例以外，还具有开关晶体管137。
作为开关晶体管137，例如可以使用N沟道的MOS晶体管。
关于开关晶体管137，栅极与开关控制线SW2连接，源极电极与第N行的像素单元101的FD2部133、以及在此未图示的第N+1行的开关晶体管137的漏极电极连接，漏极电极与第N-1行的像素单元101的FD2部133以及开关晶体管137的源极电极连接。
接着，图14示出了用于对图13所示的像素的动作进行说明的时间图的一个例子。另外，从时刻t1至t20由于与图10所示的第2实施方式中的时间图相同，因此省略说明。另外，在此虽然示出了第N-1行的像素单元101的一部分的驱动定时，不过，对于时间图中未示出的第N-1行的像素单元101的控制脉冲(φSEL、φSW2、φTGL、φOFD、φTGS1、φTGS2、φTGC1、φTGC2)，视为维持时刻t41后的状态。
在时刻21，φRS<N>、φSW1<N>、φRS<N-1>、以及φSW<N-1>成为“High”电平，在第N行和第N-1行的FD2部133以及FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φSEL成为“High”电平，选择晶体管125导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。在放大晶体管124中流入一定的电流，从而用作源极跟随器。虽然在该图中没有记载，在与相同的垂直信号线PIXOUT连接的其他的像素的选择晶体管125的栅极电极，作为φSEL而被提供“Low”电平，选择晶体管125截止。
在时刻t22，φRS<N>、φRS<N-1>成为“Low”电平。此时，通常会因为复位晶体管123的导通与截止的切换所产生的噪声，因此FD1部132的电位产生落差。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t22a进行信号电平(CL1)的采样。
在时刻t23，φTGL成为“High”电平。此时，从第1光电二极管120向FD1部132传输信号电荷，FD1部132的电位降低。
在时刻t24，φTGL成为“Low”电平，从第1光电二极管120向FD1部的信号电荷的传输结束。在时刻t24a，FD1部132的电位稳定，对信号电平(SH1)进行采样。于是，在列读出电路105，根据时刻22a中的信号电平(CL1)与时刻24a中的信号电平(SH1)的差分，提取第1光电二极管120的输出信号Sig1。
在时刻t25，φSW2成为“High”电平，第N行和第N-1行的FD2部133以及FD1部132电连接，信号电荷被分配。
在时刻t26，φSW2成为“Low”电平，第N行和第N-1行的FD2部133的电连接被切断。
在时刻t27，φRS<N>成为“High”电平，FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD，第N行的FD2部133中保持的信号电荷被复位。
在时刻t28，φRS<N>成为“Low”电平，复位晶体管123断开。在将第N行的FD2部133、开关晶体管122、以及FD1部132的容量设为Cfd2_N，将第N-1行的FD2部133、开关晶体管122、以及FD1部132的容量设为Cfd2_N-1时，通过时刻t25至时刻t27的工作，在时刻t25中保持的信号电荷Qfd2根据电荷分配的法则，而由(式7)来表示。
Qfd2’＝Qfd2*Cfd2_N-1/(Cfd2_N+Cfd2_N-1)…(式7)
在时刻t29，φSW2成为“High”电平，第N行和第N-1行的FD2部电连接，信号电荷被分配。
在时刻t30，φSW2成为“Low”电平，第N行和第N-1行的FD2部133的电连接被切断。
在时刻t31，φRS<N-1>成为“High”电平，FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD，第N-1行的FD2部133中保持的信号电荷被复位。
在时刻t32，RS<N-1>成为“Low”电平，复位晶体管123截止。通过从时刻t29至时刻t32的工作，在时刻t29中保持的信号电荷Qfd2’根据电荷分配的法则，由(式8)来表示。
Qfd2”＝Qfd2’*Cfd2_N/(Cfd2_N+Cfd2_N-1)…(式8)
在此，若假设Cfd2_N＝Cfd2_N-1来计算式8，则时刻t32的信号电荷Qfd2”以Qfd2”＝Qfd2/4来表示。对此，由于实际上电容值Cfd2_N和Cfd2_N-1是存在差异的，因此从时刻t25至时刻t32，通过对第N行以及第N-1行的FD2部133的信号电荷交替地进行复位，从而电容值Cfd2_N和Cfd2_N-1的差异所造成的信号电荷的复位差异得到抑制，以信号电荷Qfd2”接近于Qfd2”＝Qfd2/4的方式来进行驱动控制。例如，设为Cfd2_N＝1fF、Cfd2_N-1＝1.1fF，在不对第N行以及第N-1行的FD2部133的信号电荷交替地进行复位的情况，等同于式8的两次反复，信号电荷Qfd2”成为Qfd2”＝{1/(1+1.1)}^2*Qfd2＝0.227Qfd2。另外，若对第N行以及第N-1行的FD2部133的信号电荷交替地进行复位，信号电荷Qfd2”成为Qfd2”＝1*1.1/(1+1.1)^2*Qfd2＝0.249Qfd2，可以知道更接近于理想值的0.25*Qfd2(＝1/4*Qfd2)。
在时刻t33，φTGC1成为“High”电平。此时，蓄积电容元件127中保持的信号电荷与FD2部133以及FD1部132中保持的第1光电二极管120的信号电荷Qfd2”相加，FD1部132的电位降低，在电位稳定的时刻t33a进行信号电平(SH2)的采样。此时，为了将第1光电二极管120的信号电荷与蓄积电容元件127的信号电荷在FD1部132相加，从而将以时刻t25至t32的驱动定时进行的第1光电二极管120的信号电荷的衰减率设为Ggain，为了将蓄积电容元件127的蓄积期间Tc1’与第1光电二极管120的曝光期间Tpd的比率Tc1’/Tpd和衰减率Ggain相一致，而需要对蓄积期间Tc1’进行设定。另外，通过反复时刻t25至时刻t32，从而能够改变衰减率Ggain。
在时刻t34，φRS<N>成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132以及蓄积电容元件127被施加电源电压AVDD。
在时刻t35，φRS<N>成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t35a进行信号电平(CL2)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻33a中的信号电平(SH2)与时刻35a中的信号电平(CL2)的差分，来提取蓄积电容元件127的输出信号Sig2。
在时刻t36，φTGC1成为“Low”电平，第2传输晶体管131截止，φRS<N>成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。
在时刻t37，φRS<N>成为“Low”电平。
在时刻t38，φTGC2成为“High”电平。此时，蓄积电容元件134中保持的信号电荷被分配给FD2部133以及FD1部132，FD1部132的电位降低，在电位稳定的时刻t38a进行信号电平(SH3)的采样。
在时刻t39，φRS<N>成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132以及蓄积电容元件134被施加电源电压AVDD。
在时刻t40，φRS<N>成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t40a进行信号电平(CL3)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻33a中的信号电平(SH3)与时刻40a中的信号电平(CL3)的差分，来提取蓄积电容元件134的输出信号Sig3。
在时刻t41，φSW1<N>和φSW<N-1>以及φTGC2成为“Low”电平。并且，φSEL成为“Low”电平，选择晶体管125截止，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT的电连接被切断。
根据以上的时间图，能够得到合计为三个的不同的状态中的输出信号。即能够获得：将第1光电二极管120的信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig1；将第1光电二极管120的信号电荷与从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷在FD1部132进行相加，并进行电压转换而得到的输出信号Sig2；以及对从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行电压转换而得到的输出信号Sig3。
图15是示出通过第3实施方式的构成固体摄像装置的像素的信号处理的流程图。首先，获得图14的时间图中所示的各像素的输出信号(Sig1～Sig3)(S31)。接着，对参数值进行设定(S32)。参数有曝光校正值GEX1和GEX2以及增益校正值GLS。增益校正值GLS由将第1光电二极管120的信号电荷量在FD1部132转换为电压的转换效率η0、与将蓄积电容元件134的信号电荷量转换为电压的转换效率η2的比率来表示，成为GLS＝η0/η2。
接着，进行数据运算(S33)。数据运算是指，针对第1光电二极管120的信号电荷的输出信号Sig1、以及蓄积电容元件134中蓄积的信号电荷的输出信号Sig3，按照(式9)的关系式，按每个像素进行运算，从而得到与被摄体照度从低照度到高照度对应的像素信号。
Sig3’＝Sig3+Sig1*GEX2/GLS…(式9)
据此，输出作为第1光电二极管120的信号电荷的Sig1、将第1光电二极管120的信号与蓄积电容元件127的信号在FD1部132进行相加而得到的Sig2、以及对第1光电二极管120的信号与蓄积电容元件134的信号进行了运算处理而得到的Sig3’(S34)。据此，能够得到与被摄体照度从低照度到高照度对应的像素信号。另外，作为示出像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图，与图12同样，以Sig1、Sig2、以及Sig3’的输出信号，能够进行大范围的被摄体照度的拍摄。
在此，作为针对実施例2的不同之处是，不是将Sig2的信号在信号处理电路107中进行运算处理，而是在FD1部132进行模拟的相加。据此，能够将输出信号从四个状态中的输出信号减少为三个状态中的输出信号。据此，能够缩短驱动时间，并能够降低功耗等。
(第4实施方式)
图16示出了第4实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例。另外，在图16中以与第2实施方式不同之处为中心进行说明。
在图16中，本电路例所涉及的像素单元101相对于第2实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例，不具备电荷排出晶体管129。并且具有放大晶体管138和选择晶体管139。
作为放大晶体管138和选择晶体管139，例如可以使用N沟道的MOS晶体管。
关于放大晶体管138，栅极电极与FD2部133连接，漏极电极与像素电源布线VDDC连接，源极电极与选择晶体管139的漏极电极连接。
关于选择晶体管139，栅极电极与选择控制线SEL2连接，漏极电极与放大晶体管138的源极电极连接，源极电极与垂直信号线PIXOUT连接。当像素的读出行被选择时，经由选择控制线SEL2以选择脉冲φSEL2被施加“High”电平，选择晶体管139导通，对放大晶体管138的源极电极与垂直信号线PIXOUT进行连接。并且，选择晶体管125的栅极电极与选择控制线SEL1连接。
接着，图17示出了用于说明图16所示的像素的动作的时间图的一个例子。
首先，在时刻t1，φRS和φSW1成为“High”电平，FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φTGL成为“High”电平，第1光电二极管120的信号电荷被排出。并且，φTGC1和φTGC2成为“High”电平，蓄积电容元件127和蓄积电容元件134被施加电源电压AVDD。
在时刻t2，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，由于通常时复位晶体管123以及开关晶体管122的导通与截止的切换而产生的噪声，因此FD1部的电位产生落差。并且，φTGL、φTGC1、以及φTGC2成为“Low”电平，成为能够蓄积信号电荷的状态。
在时刻t3，φTGS1成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向蓄积电容元件127传输。
在时刻t4，φTGS1成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件127的信号电荷的传输结束。时刻t2至时刻t4的期间Texp1相当于蓄积周期Tt中的蓄积电容元件127的曝光期间。
在时刻t5，φTGS2成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向蓄积电容元件134传输。
在时刻t6，φTGS2成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件134的信号电荷的传输结束。时刻t4至时刻t6的期间Texp2相当于蓄积周期Tt中的蓄积电容元件134的曝光期间。
在时刻t7，φTGS1成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向蓄积电容元件127传输。
在时刻t8，φTGS1成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件127的信号电荷的传输结束。时刻t6至时刻t8的期间Texp1相当于蓄积周期Tt中的蓄积电容元件127的曝光期间。
在时刻t9，φTGS2成为“High”电平，信号电荷从第2光电二极管126向蓄积电容元件134传输。
在时刻t10，φTGS2成为“Low”电平，从第2光电二极管126向蓄积电容元件134的信号电荷的传输结束。时刻t8至时刻t10的期间Texp2相当于蓄积周期Tt中的蓄积电容元件134的曝光期间。
时刻t6至t10作为蓄积周期Tt，直到时刻t22为止反复进行φTGS1和φTGS2的脉冲。
在时刻23，φRS和φSW1成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD。并且，φSEL2成为“High”电平，选择晶体管139导通，放大晶体管138的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。放大晶体管138中流入一定的电流，以用作源极跟随器。虽然在该图中没有记载，在与相同的垂直信号线PIXOUT连接的其他的像素的选择晶体管125以及选择晶体管139的栅极电极，作为φSEL1以及φSEL2而被提供“Low”电平，选择晶体管125以及选择晶体管139截止。
在时刻t24，φRS和φSW1成为“Low”电平。此时，由于通常时的复位晶体管123以及开关晶体管122的导通与截止的切换而产生的噪声，因此FD1部132以及FD2部133的电位产生落差。
在时刻t25，φTGC2成为“High”电平。此时，蓄积电容元件134中保持的信号电荷被分配给FD2部133，FD2部133的电位降低，在电位稳定的时刻t25a进行信号电平(SH3)的采样。
在时刻t26，φSEL2成为“Low”电平，选择晶体管139截止，φSEL1成为“High”电平，选择晶体管125导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。放大晶体管124中流动一定的电流，以用作源极跟随器。此时，在垂直信号线PIXOUT的电位稳定的时刻t26a进行信号电平(CL1)的采样。
在时刻t27，φTGL成为“High”电平。此时，信号电荷从第1光电二极管120向FD1部132传输，FD1部132的电位降低。
在时刻t28，φTGL成为“Low”电平，从第1光电二极管120向FD1部132的信号电荷的传输结束。在时刻t28a，FD1部132的电位稳定，对信号电平(SH1)进行采样。于是，在列读出电路105，根据时刻26a中的信号电平(CL1)与时刻28a中的信号电平(SH1)的差分，提取第1光电二极管120的输出信号Sig1。
在时刻t29，φSW1成为“High”电平。此时，从第1光电二极管120传输到FD1部132的信号电荷、与FD2部133中保持的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷被相加。并且，φTGC1成为“High”电平，蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷在FD2部133以及FD1部132被相加。FD1部132的电位降低，在电位稳定的时刻t29a进行信号电平(SH2)的采样。
在时刻t30，φRS成为“High”电平，在FD2部133和FD1部132被施加电源电压AVDD，信号电荷被排出到电源。
在时刻t31，φRS成为“Low”电平。此时，在FD1部132的电位稳定的时刻t31a进行信号电平(CL2)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻29a中的信号电平(SH2)与时刻31a中的信号电平(CL2)的差分，提取对蓄积电容元件127、蓄积电容元件134、以及第1光电二极管120的信号电荷进行相加而得到的输出信号Sig2。
在时刻t32，φSW1成为“Low”电平，开关晶体管122截止。并且，φTGC1成为“Low”电平，第2传输晶体管131截止。φSEL1成为“Low”电平，选择晶体管125截止，φSEL2成为“High”电平，选择晶体管139导通，放大晶体管138的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。在垂直信号线PIXOUT的电位稳定的时刻t32a进行信号电平(CL3)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻25a中的信号电平(SH3)与时刻32a中的信号电平(CL3)的差分，提取蓄积电容元件134的输出信号Sig3。
在时刻t33，φTGC2成为“Low”电平。并且，φSEL2成为“Low”电平，选择晶体管139截止，放大晶体管138的源极电极与垂直信号线PIXOUT的电连接被切断。
并且，第1光电二极管120的曝光期间Tpd成为φTGL为“Low”电平的时刻t2至时刻t28的期间。另外，关于从蓄积电容元件127的第2光电二极管126传输信号电荷的蓄积期间Tc1”，在将时刻t21至时刻t24的期间设为Tb，来定义为蓄积周期Tt时，由(式10)来表示。
Tc1”＝(Tpd-Tb)*Texp1/Tt…(式10)
并且，从蓄积电容元件134的第2光电二极管126传输信号电荷的蓄积期间Tc2”由(式11)来表示。
Tc2”＝(Tpd-Tb)*Texp2/Tt…(式11)
并且，蓄积电容元件127的蓄积期间Texp1与蓄积电容元件134的蓄积期间Texp2的相加的值与蓄积周期Tt(＝Texp1+Texp2)等同。据此，针对蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷、与蓄积电容元件134中蓄积信号电荷相加的值的蓄积期间由(式12)来表示。
Tc3＝Tc1”+Tc2”＝Tpd-Tb…(式12)
通常，由于相对于第1光电二极管120的曝光期间Tpd而言，Tb非常小，因此可以知道，蓄积电容元件127和蓄积电容元件134中蓄积的信号电荷的蓄积期间几乎与第1光电二极管120的曝光期间等同。即，若对蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷、与蓄积电容元件134中蓄积的信号电荷相加，由于成为与第1光电二极管120的曝光期间几乎等同的蓄积期间，因此，针对蓄积电容元件127的信号电荷、蓄积电容元件134的信号电荷、以及第1光电二极管120的信号电荷，能够在FD1部132以及FD2部133相加。因此，关于Sig2，能够得到线性特性良好的输出信号。
若依照以上的时间图，能够得到合计为三个不同的状态中的输出信号。即能够获得：将第1光电二极管120的信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig1；对第1光电二极管120的信号电荷、从第2光电二极管126传输的且蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷、以及从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行相加，并进行电压转换而得到的输出信号Sig2；以及将从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行电压转换而得到的输出信号Sig3。针对输出信号的信号处理流程与图15相同。通过图15的信号处理流程，Sig1、Sig2、Sig3’的输出信号作为数据被输出。作为示出像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系的曲线图，与图12相同，能够以Sig1、Sig2、以及Sig3’的输出信号来进行大范围的被摄体照度的拍摄。
如以上说明所述，本实施方式中的固体摄像装置100具备像素阵列部，在该像素阵列部中像素单元被配置成矩阵状，所述像素单元具备：光电转换元件，接受光并蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；第1传输晶体管，将所述信号电荷传输到第1浮动扩散部，第1保持部，保持从所述光电转换元件溢出的所述信号电荷；第2保持部；第2传输晶体管，将所述第1保持部中保持的所述信号电荷传输给第2保持部；第3传输晶体管，将信号电荷从所述第2保持部传输向第2浮动扩散部；第3保持部，保持从所述第1保持部传输的所述信号电荷；第4传输晶体管，将所述信号电荷从所述第1保持部传输到所述第3保持部；第5传输晶体管，将信号电荷从所述第3保持部传输向所述浮动扩散部；开关晶体管，对所述第1浮动扩散部与所述第2浮动扩散部进行电连接；复位晶体管，对所述第1浮动扩散部和第2浮动扩散部进行复位；第1放大晶体管，与所述第1浮动扩散部连接，所述第1浮动扩散部对与所述信号电荷量相对应的放大信号进行输出；第1选择晶体管，与所述第1放大晶体管连接；第2放大晶体管，与所述第2浮动扩散部连接，所述第2浮动扩散部对与所述信号电荷量相对应的放大信号进行输出；以及第2选择晶体管，与所述第2放大晶体管连接。
(第5实施方式)
图18示出了通过第5实施方式的构成固体摄像装置的像素的构成例。另外，在图18中以与第4实施方式不同之处为中心进行说明。
图18中的本电路例所涉及的像素单元101，相对于第4实施方式中的构成固体摄像装置的像素的构成例，具有开关晶体管137，而没有放大晶体管138和选择晶体管139。作为开关晶体管137，例如可以使用N沟道的MOS晶体管。
关于开关晶体管137，栅极与开关控制线SW2连接，源极电极与第N行的像素单元101的FD2部133、以及在此未图示的第N+1行的开关晶体管137的漏极电极连接，漏极电极与第N-1行的像素单元101的FD2部133和开关晶体管137的源极电极连接。
接着，图19示出了用于说明图18所示的像素的动作的时间图的一个例子。另外，省略与图17的时间图的驱动定时相同的时刻t1至时刻t22的说明，仅对不同之处进行说明。另外，关于第N-1行中的φTGL<N-1>、φTGS1<N-1>、TGS2<N-1>、TGC1<N-1>、TGC2<N-1>，作为“Low”电平，说明针对第N行的像素单元的动作。并且，将第N行的FD1部132设为FD1<N>、将FD2部133设为FD2<N>、将第N-1行的FD1部132设为FD1<N-1>、将FD2部133设为FD2<N-1>。
在时刻t23，φRS<N>、φSW1<N>以及φRS<N-1>、φSW1<N-1>成为“High”电平，在第N行和第N-1行的像素单元中的FD1<N>、FD2<N>、FD1<N-1>、FD2<N-1>被施加电源电压AVDD。并且，φSW2<N>成为“High”电平，FD2<N>与FD2<N-1>连接。并且，φSEL<N-1>成为“High”电平，第N-1行的选择晶体管125导通，第N-1行的放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。
在时刻t24，φRS<N>、φSW1<N>以及φRS<N-1>成为“Low”电平。此时，由于通常时的复位晶体管123以及开关晶体管122的导通与截止的切换而产生的噪声，因此FD1<N>与FD1<N-1>的电位产生落差。
在时刻t25，φTGC2成为“High”电平。此时，蓄积电容元件134中保持的信号电荷被分配到FD1<N-1>以及FD2<N>和FD2<N-1>，FD1<N-1>的电位降低，在电位稳定的时刻t25a进行信号电平(SH3)的采样。
在时刻t26，φSEL<N-1>成为“Low”电平，第N-1行的选择晶体管125截止，φSEL<N>成为“High”电平，第N行的选择晶体管125导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。放大晶体管124中流动一定的电流，而用作源极跟随器。此时，在垂直信号线PIXOUT的电位稳定的时刻t26a进行信号电平(CL1)的采样。
在时刻t27，φTGL<N>成为“High”电平。此时，信号电荷从第1光电二极管120向FD1<N>传输，FD1<N>的电位降低。
在时刻t28，φTGL<N>成为“Low”电平，从第1光电二极管120向FD1<N>的信号电荷的传输结束。在时刻t28a，FD1<N>的电位稳定，对信号电平(SH1)进行采样。于是，在列读出电路105，根据时刻26a中的信号电平(CL1)与时刻28a中的信号电平(SH1)的差分，提取第1光电二极管120的输出信号Sig1。
在时刻t29，φSW1<N>成为“High”电平。此时，若信号电荷从第1光电二极管120传输到FD1<N>，则FD2<N>中保持的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷被相加。并且，φTGC1<N>成为“High”电平，蓄积电容元件127中蓄积的信号电荷在FD2<N>以及FD1<N>被相加。FD1<N>的电位降低，在电位稳定的时刻t29a，对信号电平(SH2)进行采样。
在时刻t30，φRS<N>和φRS<N-1>成为“High”电平，在第N行和第N-1行的FD2部133和FD1<N>被施加电源电压AVDD，信号电荷被排出到电源电压。
在时刻t31，φRS<N>和φRS<N-1>成为“Low”电平。此时，在FD1<N>的电位稳定的时刻t31a进行信号电平(CL2)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻29a中的信号电平(SH2)与时刻31a中的信号电平(CL2)的差分，提取对蓄积电容元件127、蓄积电容元件134、以及第1光电二极管120的信号电荷相加而得到的输出信号Sig2。
在时刻t32，φSW1<N>成为“Low”电平，第N行的开关晶体管122截止。并且，φTGC1<N>成为“Low”电平，第2传输晶体管131截止。φSEL<N>成为“Low”电平，第N行的选择晶体管125截止，φSEL<N-1>成为“High”电平，第N-1行的选择晶体管125导通，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT电连接。在垂直信号线PIXOUT的电位稳定的时刻t32a进行信号电平(CL3)的采样。于是，在列读出电路105，根据时刻25a中的信号电平(SH3)与时刻32a中的信号电平(CL3)的差分，提取蓄积电容元件134的输出信号Sig3。
在时刻t33，φTGC2<N>成为“Low”电平。并且，φSEL<N-1>成为“Low”电平，第N-1行的选择晶体管125截止，放大晶体管124的源极电极与垂直信号线PIXOUT的电连接被切断。
与第4实施方式同样，在蓄积电容元件127和蓄积电容元件134蓄积的信号电荷的蓄积期间几乎与第1光电二极管120的曝光期间等同。据此，若对蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷、与蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行相加，由于成为与第1光电二极管120的曝光期间几乎等同的蓄积期间，因此，蓄积电容元件127的信号电荷、蓄积电容元件134的信号电荷、以及第1光电二极管120的信号电荷能够在FD1部132以及FD2部133相加。据此，关于Sig2能够得到线性特性良好的输出信号。
按照以上的时间图，能够得到合计为三个的不同的状态中的输出信号。能够得到将第1光电二极管120的信号电荷转换为电压而得到的输出信号Sig1；将第1光电二极管120的信号电荷、从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件127的信号电荷、从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行相加，并进行电压转换而得到的输出信号Sig2；将从第2光电二极管126传输的蓄积在蓄积电容元件134的信号电荷进行电压转换而得到的输出信号Sig3。针对输出信号的信号处理流程与图15相同。通过图15的信号处理流程，Sig1、Sig2、Sig3’的输出信号作为数据被输出。作为示出像素的被摄体照度与像素的输出信号的关系曲线图，与图12相同，能够以Sig1、Sig2、以及Sig3’的输出信号进行大的范围的被摄体照度的拍摄。
作为针对第4实施方式的优点，不必在像素单元101内设置多个放大晶体管以及选择晶体管。据此，能够减少像素单元101内的晶体管的数量，从而能够实现微小化，并且能够扩大第1光电二极管120的面积。
如以上说明所述，本实施方式中的固体摄像装置100具备像素阵列部，在该像素阵列中，像素单元被配置成矩阵状，所述像素单元具备：光电转换元件，接受光，并蓄积进行光电转换而生成的信号电荷；第1传输晶体管，将所述信号电荷传输到第1浮动扩散部；第1保持部，保持从所述光电转换元件溢出的所述信号电荷；第2保持部；第2传输晶体管，将所述第1保持部中保持的所述信号电荷传输给第2保持部；第3传输晶体管，将信号电荷从所述第2保持部传输给第2浮动扩散部；第3保持部，保持从所述第1保持部传输的所述信号电荷；第4传输晶体管，将所述信号电荷从所述第1保持部传输到所述第3保持部；第5传输晶体管，将信号电荷从所述第3保持部传输给所述浮动扩散部；第1开关晶体管，对所述第1浮动扩散部与所述第2浮动扩散部进行电连接；复位晶体管，对所述第1浮动扩散部和第2浮动扩散部进行复位；第1放大晶体管，与输出按照所述信号电荷量的放大信号的所述第1浮动扩散部连接；与所述第1放大晶体管连接的第1选择晶体管；以及第2开关晶体管，与和输出按照所述信号电荷量的放大信号的所述第2浮动扩散部为不同的像素单元中的所述第2浮动扩散部连接。
(第6实施方式)
图20是示出适用了各实施方式中的固体摄像装置100的摄像装置(相机系统)的构成例的图。该图的摄像装置具备：固体摄像装置201、包括透镜的摄像光学系统202、信号处理部203、驱动电路204以及系统控制部205。
在图20所示的撮影装置200中，作为固体摄像装置201，使用上述的第1至第5实施方式(包括各变形例)的固体摄像装置100。
并且，驱动电路204从系统控制部205接受与驱动模式对应的控制信号，将驱动模式信号提供到固体摄像装置201。在被提供有驱动模式信号的固体摄像装置201中，定时发生电路(图1的TG109)发生与驱动模式信号对应的驱动脉冲，提供给固体摄像装置201内的各功能块。
并且，信号处理部203接受从固体摄像装置201输出的图像信号，并对该图像信号进行各种信号处理。
这样，本实施方式中的摄像装置具备：上述的固体摄像装置100、将来自被摄体的入射光导入到固体摄像装置100的摄像光学系统202、以及对来自固体摄像装置100的输出信号进行处理的信号处理部203。
工业实用性
本公开涉及固体摄像装置、将固体摄像装置用作摄像器件的摄像装置以及摄像方法，例如适用于视频摄象机和数字相机等。
符号说明
100 固体摄像装置
101 像素单元
102 像素阵列部
103 垂直扫描电路
104 恒流源电路
105 列读出电路
106 水平扫描电路
107 信号处理电路
108 输出电路
109 TG(定时发生电路)
120 第1光电二极管
121、135、136 传输晶体管
122、137 开关晶体管
123 复位晶体管
124、138 放大晶体管
125、139 选择晶体管
126 第2光电二极管
127、134 蓄积电容元件
128 溢出晶体管
128-1 溢出晶体管栅极
129 电荷排出晶体管
130 第1传输晶体管
131 第2传输晶体管
132、133 浮动扩散部
140、161 阱区域
141、163 栅极绝缘膜
142 遮光布线
143 绝缘膜
144 铜布线
145 内衬膜
146 铜布线
147 内衬膜
148 高折射绝缘膜
149、165 滤色器
150、166 滤光器
151、167 微型透镜
152、168 扩散区域
160、170 半导体衬底
162 遮光壁
164 遮光膜
200 摄像装置

Claims (19)

1.一种固体摄像装置，具备被配置成矩阵状的像素单元，
所述像素单元具备：
第1光电二极管，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；
作为第1保持部的第2光电二极管，保持从所述第1光电二极管溢出的信号电荷；
第2保持部；以及
第1传输晶体管，将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部，
所述固体摄像装置具备第1校正部，对所述第1光电二极管接受光并进行光电转换的曝光期间、与所述第2保持部中保持的所述信号电荷所对应的第1蓄积期间的差分进行校正。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置进一步具备：
浮动扩散部，保持信号电荷；以及
第2传输晶体管，将信号电荷从所述第2保持部传输给所述浮动扩散部。
3.如权利要求2所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置进一步具备位于所述第2传输晶体管与所述浮动扩散部之间的开关晶体管。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述第2光电二极管是嵌入式光电二极管。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具有光入射的入射面、以及与所述入射面相反一侧的非入射面，
在所述第2光电二极管的所述非入射面一侧具备作为传输线的杂质扩散区域，用于将从所述第1光电二极管溢出的信号电荷引导到所述第2光电二极管。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备溢出晶体管，将从所述第1光电二极管溢出的所述信号电荷引导到所述第2光电二极管。
7.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备对所述第2光电二极管进行遮光的遮光膜。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备：
电荷排出用晶体管，将所述信号电荷从所述第1保持部排出；以及
垂直扫描电路，对所述电荷排出用晶体管进行控制。
9.如权利要求8所述的固体摄像装置，
通过以所述垂直扫描电路对所述电荷排出用晶体管和所述第1传输晶体管进行控制，从而对与所述第2保持部中保持的所述信号电荷对应的第1蓄积期间进行控制。
10.如权利要求8所述的固体摄像装置，
所述垂直扫描电路对所述第1传输晶体管进行控制，将1帧期间中由所述第1保持部保持的所述信号电荷，分多次传输给所述第2保持部。
11.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备第1加法部，对所述第1光电二极管的所述信号电荷与所述第2保持部中保持的所述信号电荷进行相加。
12.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备：
电荷排出用晶体管，将所述信号电荷从所述第1保持部排出；
垂直扫描电路，对所述电荷排出用晶体管进行控制；
第3保持部，对从所述第1保持部传输的所述信号电荷进行保持；以及
晶体管，将所述信号电荷从所述第1保持部传输到所述第3保持部。
13.如权利要求12所述的固体摄像装置，
通过以所述垂直扫描电路对所述电荷排出用晶体管或所述晶体管、和所述第1传输晶体管进行控制，从而对与所述第2保持部中保持的所述信号电荷对应的第1蓄积期间进行控制。
14.如权利要求13所述的固体摄像装置，
通过以所述垂直扫描电路对所述电荷排出用晶体管或所述第1传输晶体管、和所述晶体管进行控制，从而对与所述第3保持部中保持的所述信号电荷对应的第3蓄积期间进行控制。
15.如权利要求12所述的固体摄像装置，
所述垂直扫描电路对所述第1传输晶体管进行控制，将1帧期间中由所述第1保持部保持的所述信号电荷，分多次传输给所述第2保持部，
所述垂直扫描电路对所述晶体管进行控制，将1帧期间中由所述第1保持部保持的所述信号，分多次传输给所述第3保持部。
16.如权利要求12所述的固体摄像装置，
所述第2保持部的电容值比所述第3保持部的电容值小。
17.如权利要求14所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置具备：
第1加法部，对所述第1光电二极管的所述信号电荷与所述第2保持部中保持的所述信号电荷进行相加；
第2校正部，对所述第1光电二极管进行光电转换的曝光期间、与所述第3保持部中保持的所述信号电荷所对应的所述第3蓄积期间的差分进行校正；
增益校正部，对将所述第2保持部中保持的所述信号电荷转换为电压的转换效率、与将所述第3保持部中保持的所述信号电荷转换为电压的转换效率的差分进行校正；以及
第2加法部，对所述第1光电二极管的所述信号电荷与所述第3保持部中保持的所述信号电荷进行相加。
18.一种摄像装置，具备：
权利要求1至17的任一项所述的固体摄像装置；
摄像光学系统，将来自被摄体的入射光引导到所述固体摄像装置；以及
信号处理部，对来自所述固体摄像装置的输出信号进行处理。
19.一种摄像方法，是像素单元被配置成矩阵状的固体摄像装置中的摄像方法，
所述像素单元具备：
第1光电二极管，蓄积通过光电转换而生成的信号电荷；
作为第1保持部的第2光电二极管，保持从所述第1光电二极管溢出的信号电荷；
第2保持部；以及
第1传输晶体管，将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部，
在所述摄像方法中，
对所述第1光电二极管进行曝光，
将从所述第1光电二极管溢出的信号电荷传输到所述第1保持部，
将所述第1保持部中保持的信号电荷传输给所述第2保持部，
所述固体摄像装置所具备的第1校正部对所述第1光电二极管接受光并进行光电转换的曝光期间、与所述第2保持部中保持的所述信号电荷所对应的第1蓄积期间的差分进行校正。
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