CN1965572A - 固体摄像装置、光传感器及固体摄像装置的动作方法 - Google Patents
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Abstract
提供维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置和光传感器、维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置的动作方法。把接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管PD、积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件Cs经由转送晶体管Tr1连接的结构的像素集成为阵列状。这里，积蓄电容元件Cs采用在从光电二极管PD的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间TCS中，积蓄从光电二极管PD溢出的光电荷。
Description
技术领域
本发明涉及固体摄像装置、光传感器和固体摄像装置的动作方法，特别是涉及CMOS型的固体摄像装置、光传感器和该固体摄像装置的动作方法。
背景技术
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器或CCD(Charge Coupled Device)图像传感器等图像输入图像传感器随着其特性提高，在数字相机或带相机的移动电话的用途中需要扩大起来。
所述的图像传感器希望进一步的特性提高，其一是扩大动态范围。
以往使用的图像传感器的动态范围例如停留在3～4位(60～80dB)左右，现状是达不到肉眼或银盐薄膜的5～6位(100～120dB)。
因此，希望开发具有与肉眼或银盐薄膜同等的5～6位(100～120dB)的动态范围的高图像质量图像传感器。具有这样宽的动态范围的图像传感器除了数字相机或带相机的移动电话，还期待向PDA(Personal DigitalAssistant)用图像输入相机、高级交通管理系统用相机、监视相机、FA(Factory Automation)用相机或医疗用相机等用途的应用。
作为提高所述图像传感器的特性的技术，在专利文献1中，开发为了高灵敏度和高S/N比化，分别读出各像素的二极管中产生的噪声和在该噪声中加上光信号的信号，取两者的差分，除去噪声成分，只取出光信号的称作芯片上噪声取消的技术。
可是，在该方法中，动态范围为80dB以下，希望比这更宽的动态范围化。
例如，在专利文献1中，如图1所示，描述在光电二极管PD上连接高灵敏度低照度一侧的小电容C1的浮置扩散和低灵敏度高照度一侧的大电容C2的浮置扩散，分别输出低照度一侧的out1和高照度一侧的输出out2，实现宽动态范围的技术。
此外，在专利文献2中，如图2所示，描述使浮置扩散FD的电容CS可变，覆盖从低照度到高照度，实现宽动态范围的技术。
还开发基于短曝光时间的与高照度对应的摄像、由长曝光时间与低照度对应的摄像等用不同的曝光时间2次摄像的技术。
此外，在专利文献3和非专利文献2中，如图3所示，描述在光电二极管PD和电容C之间设置晶体管T，在第1次的曝光时间把开关T导通，在光电二极管PD和电容C双方中积蓄光电荷信号，在第2次的曝光时间把开关T截止，加上前者的积蓄电荷，用光电二极管PD积蓄光电荷信号，实现宽动态范围的技术。这里，具有高于饱和的光照射时，通过复位晶体管R排出过剩电荷。
此外，在专利文献4中，如图4所示，描述作为光电二极管PD，采用比以往大的电容C，而使其能与高照度摄像对应的技术。
此外，在非专利文献3中，如图5所示，描述通过组合MOS晶体管构成的对数变换电路，一边对来自光电二极管PD的信号进行对数变换，一边输出，能与高照度摄像对应的技术。
可是，在所述专利文献1、2、3以及非专利文献2中记载的方法或用不同的曝光时间2次摄像的方法中，必须在不同的时刻进行低照度一侧的摄像和高照度一侧的摄像，所以如果拍摄活动图像，在与两照度对应的拍摄的图像中产生偏移，存在无法使两图像匹配的问题。
此外，在所述专利文献4和非专利文献3记载的方法中，能与高照度一侧的摄像对应，实现宽动态范围，但是关于低照度一侧的摄像，变为低灵敏度、低S/N比，无法提高图像质量。
如上所述，在CMOS图像传感器等图像传感器中，难以在维持高灵敏度、高S/N比的同时实现宽动态范围。
此外，所述事实并不局限于图像传感器，作为把像素排列为直线状的线传感器或不具有多个像素的光传感器，也难以在维持高灵敏度、高S/N比的同时实现宽动态范围。
专利文献1：特开2003-134396号公报
专利文献2：特开2000-165754号公报
专利文献3：特开2002-77737号公报
专利文献4：特开平5-90556号公报
非专利文献1：S.Inoue et al.，IEEE Workshop on CCDs and AdvancedImage Sensors2001，page16-19
非专利文献2：Yoshinori Muramatsu et al.，IEEE Journal of Solid-stateCircuits，vol.38，No.1，January 2003
非专利文献3：映像信息媒体学会杂志，57(2003)
发明内容
本发明是鉴于所述的状况提出的，本发明的目的在于，提供维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置和光传感器、维持高灵敏度、高S/N比的同时能实现宽动态范围的固体摄像装置的动作方法。
为了实现所述目的，本发明的固体摄像装置把多个像素集成为阵列状，该像素具有：接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管；至少通过所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，从所述光电二极管溢出的光电荷至少通过所述转送晶体管积蓄的积蓄电容元件。
所述本发明的固体摄像装置把接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件通过转送晶体管连接构成的像素集成为阵列状。这里，积蓄电容元件在从光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，积蓄从光电二极管溢出的光电荷。
所述本发明的固体摄像装置在所述转送晶体管和所述积蓄电容元件之间还具有通过所述转送晶体管转送所述光电荷的浮置扩散、把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割的积蓄晶体管。
此外，本发明的固体摄像装置把多个像素集成为阵列状，该像素具有：接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管；转送所述光电荷的转送晶体管；通过所述转送晶体管转送所述光电荷的浮置扩散；电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散积蓄的积蓄电容元件；把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割的积蓄晶体管；所述浮置扩散在与所述积蓄电容元件分割电势的状态下，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的浮置扩散积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。
所述本发明的固体摄像装置把具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、通过转送晶体管转送光电荷的浮置扩散、电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接并且积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件的结构的像素集成为阵列状。这里，浮置扩散在与积蓄电容元件分割电势的状态下，在从光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的浮置扩散积蓄期间中，积蓄从光电二极管溢出的光电荷。
本发明的固体摄像装置中，所述积蓄电容元件在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。
所述本发明的固体摄像装置还具有：与所述浮置扩散连接形成，用于排出所述浮置扩散内的光电荷的复位晶体管；把所述浮置扩散内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管；与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素的选择晶体管。
还具有：取得从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的差分的噪声取消部件；还具有：存储所浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的存储部件。
还具有：取得从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、或者从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号的差分的噪声取消部件。
所述本发明的固体摄像装置还具有：与所述积蓄电容元件和所述积蓄晶体管的连接部连接形成，用于排出所述积蓄电容元件和所述浮置扩散内的光电荷的复位晶体管；把所述浮置扩散内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管；与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素的选择晶体管。
还具有：取得从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的所述转送前的电平的电压信号的差分的噪声取消部件。
或者还具有：取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的差分的噪声取消部件。
还具有：存储所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的存储部件。
此外，本发明的固体摄像装置把多个具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、转送所述光电荷的转送晶体管、通过所述转送晶体管转送所述光电荷的浮置扩散、电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接并且在所述光电二极管的积蓄期间把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散积蓄的积蓄电容元件、把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割的积蓄晶体管的像素集成为阵列状，还具有：取得从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、或者从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号的差分的噪声取消部件。
所述本发明的固体摄像装置具有噪声取消部件，据此取得从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分，或取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号的差分。
所述本发明的固体摄像装置中，所述噪声取消部件包含交流结合电路，把从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、或与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号的差分作为交流信号输出。
或者所述噪声取消部件包含双电容器方式差动放大器，输出从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的差分、或与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号的差分。
此外，本发明的固体摄像装置包括：把多个具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、转送所述光电荷的转送晶体管、通过所述转送晶体管转送所述光电荷的浮置扩散、电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接并且在所述光电二极管的积蓄期间把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散积蓄的积蓄电容元件、把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势分割或结合的积蓄晶体管的像素集成为阵列状的传感器部；分别计算从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号以及从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号、各复位电平或复位相当电平的差分的前处理部；生成按照所述差分，设定各像素的增益的增益表的增益表生成部；按照所述差分以及所述增益表的数据，合成视频数据的视频数据合成部。
所述本发明的固体摄像装置具有传感器部、前处理部、增益表生成部、视频数据合成部。传感器部把具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、通过转送晶体管转送所述光电荷的浮置扩散、电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接并且在所述光电二极管的积蓄期间把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散积蓄的积蓄电容元件的结构的像素集成为阵列状。前处理部分别计算从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号以及从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号、各复位电平或复位相当电平的差分。增益表生成部生成按照所述差分设定各像素的增益的增益表。视频数据合成部按照差分以及增益表的数据，合成视频数据。
所述本发明的固体摄像装置中，所述前处理部，作为所述差分，计算从转送给所述浮置扩散的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号的第一差分、从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号或所述浮置扩散的复位电平的电压信号的第二差分。
所述增益表生成部在所述第一差分的值变为给定范围内时，作为各像素的增益表数据，计算所述第一差分和所述第二差分的比，生成增益表。
所述视频数据合成部从预先设定的视频数据，按照所述第一差分或所述第二差分和给定的阈值之和，求出视频数据，输出。
所述视频数据合成部输出所述第一差分或所述第二差分和所述增益表数据的积。
此外，为了实现所述目的，本发明提供具有一个所述本发明的固体摄像装置的像素的光传感器。
此外，为了实现所述目的，本发明的固体摄像装置的动作方法中，固体摄像装置把多个具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、转送所述光电荷的转送晶体管以及积蓄晶体管、通过所述转送晶体管与所述光电二极管连接的浮置扩散、在所述光电二极管的积蓄期间中把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管并且由所述积蓄晶体管控制与所述浮置扩散的电势结合或分割的积蓄电容元件的像素集成为阵列状，具有：在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，用于排出所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；读出所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；把由所述光电二极管产生的光电荷中饱和前电荷积蓄到所述光电二极管，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，把从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；使所述积蓄晶体管截止，把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势分割，排出所述浮置扩散内的光电荷的步骤；读出所述浮置扩散的复位电平的电压信号的步骤；使所述转送晶体管导通，把饱和前电荷转送给所述浮置扩散，读出包含所述饱和前电荷的电压信号的步骤；使所述积蓄晶体管导通，把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合，读出包含所述饱和前电荷和所述过饱和信号的电压信号的步骤。
所述本发明的固体摄像装置的动作方法在电荷积蓄前，使转送晶体管截止，使积蓄晶体管导通，排出浮置扩散和积蓄电容元件内的光电荷，读出浮置扩散和积蓄电容元件的复位电平的电压信号。
接着，把由光电二极管产生的光电荷中饱和前电荷在光电二极管中积蓄，在从光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，把从光电二极管溢出的过饱和电荷在浮置扩散以及积蓄电容元件中积蓄。
接着，使积蓄晶体管截止，把浮置扩散和积蓄电容元件的电势分割，排出浮置扩散内的光电荷，读出浮置扩散的复位电平的电压信号。
接着，使转送晶体管导通，把饱和前电荷转送给浮置扩散，读出包含饱和前电荷的电压信号。
接着，使积蓄晶体管导通，把浮置扩散和积蓄电容元件的电势结合，读出包含饱和前电荷和过饱和信号的电压信号。
此外，为了实现所述目的，本发明的固体摄像装置的动作方法中，固体摄像装置把多个具有接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管、转送所述光电荷的转送晶体管以及积蓄晶体管、通过所述转送晶体管与所述光电二极管连接的浮置扩散、在所述光电二极管的积蓄期间中把从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管并且由所述积蓄晶体管控制与所述浮置扩散的电势结合或分割的积蓄电容元件的像素集成为阵列状，具有：在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；读出所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；把由所述光电二极管产生的光电荷中饱和前电荷积蓄到所述光电二极管，把从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；使所述积蓄晶体管截止，把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势分割，排出所述浮置扩散内的光电荷的步骤；读出所述浮置扩散的复位电平的电压信号的步骤；通过所述积蓄晶体管和分割电势状态的所述浮置扩散，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的过饱和电荷的步骤；读出包含所述饱和前电荷的电压信号的步骤；使所述转送晶体管导通，把饱和前电荷转送给所述浮置扩散，读出包含所述饱和前电荷的电压信号的步骤；使所述积蓄晶体管导通，把所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合，读出包含所述饱和前电荷和所述过饱和信号的电压信号的步骤。
所述本发明的固体摄像装置的动作方法在电荷积蓄前，使转送晶体管截止，使积蓄晶体管导通，排出浮置扩散以及积蓄电容元件内的光电荷，读出浮置扩散和积蓄电容元件的复位电平的电压信号。
接着，把由光电二极管产生的光电荷中饱和前电荷积蓄到光电二极管，把从光电二极管溢出的过饱和电荷在浮置扩散以及积蓄电容元件中积蓄。
接着，使积蓄晶体管截止，把浮置扩散和积蓄电容元件的电势分割，排出浮置扩散内的光电荷，读出浮置扩散的复位电平的电压信号。
接着，通过积蓄晶体管和分割电势状态的浮置扩散，在从光电二极管的积蓄期间内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，积蓄从光电二极管溢出的过饱和电荷，读出包含饱和前电荷的电压信号。
接着，使转送晶体管导通，把饱和前电荷转送给浮置扩散，读出包含饱和前电荷的电压信号。
接着，使积蓄晶体管导通，把浮置扩散和积蓄电容元件的电势结合，读出包含饱和前电荷和过饱和信号的电压信号。
根据本发明的固体摄像装置，在基于接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管的低照度摄像中，维持高灵敏度、高S/N比，通过积蓄电容元件积蓄从光电二极管溢出的光电荷，进行高照度摄像的摄像，从而能实现宽动态范围。
根据本发明的光传感器，在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能实现宽动态范围。
根据本发明的固体摄像装置的动作方法，在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能实现宽动态范围。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是以往例1的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图2是以往例2的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图3是以往例3的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图4是以往例4的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图5是以往例5的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图6是本发明实施例1的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图7A是相当于本发明实施例1的CMOS图像传感器的各像素的一部分的模式剖视图，图7B是相当于图7A的区域的模式的电势图。
图8是在本发明实施例1的CMOS图像传感器的驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压的定时图。
图9A～图9D相当于图8的定时图的各定时的电势图。
图10A～图10D相当于图8的定时图的各定时的电势图。
图11是表示本发明实施例1的CMOS图像传感器的全体的电路结构的等价电路图。
图12A和图12B是表示本发明实施例1的CMOS图像传感器的行移位寄存器的结构的等价电路图。
图13A和图13B是表示对包含图12A和图12B所示的S/H用行移位寄存器SRV SH(左)和复位用行移位寄存器SRV RST(右)的电路输入的ΦRin的波形，图13C和图13D表示对S/H用行移位寄存器SRV SH(左)和复位用行移位寄存器SRV RST(右)的初始信号的输入。
图14是进行饱和前电荷信号+CFD噪声、CFD噪声、调制的过饱和电荷信号+CFD+CS噪声、CFD+CS噪声等4个信号的处理的电路。
图15是在本发明实施例1中，对于光量(相对值)，描绘信号(S1’+S2’+N2)的图。
图16是在本发明实施例2的CMOS图像传感器的驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压的定时图。
图17是进行饱和前电荷信号、饱和前电荷信号+过饱和电荷信号、复原的超过饱和电荷信号等3个信号的处理的电路。
图18是在本发明实施例2的CMOS图像传感器的驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压的定时图。
图19A是本发明实施例3的CMOS图像传感器的CDS电路的电路图，图19B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
图20A是本发明实施例3的CMOS图像传感器的CDS电路的电路图，图20B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
图21A是本发明实施例3的CMOS图像传感器的CDS电路的电路图，图21B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
图22是本发明实施例4的CMOS图像传感器前处理部的信号处理的框图。
图23A和图23B是表示本发明实施例4的CMOS图像传感器前处理部的结构的框图。
图24是表示本发明实施例4的CMOS图像传感器的增益表生成部的结构的框图。
图25是表示本发明实施例4的CMOS图像传感器的视频数据合成部的结构的框图。
图26是本发明实施例5的CMOS图像传感器的1像素的等价电路图。
图27是本发明实施例5的CMOS图像传感器的要部的模式的电势图。
图28是在本发明实施例5的CMOS图像传感器的驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压的定时图。
图29A～图29D相当于本发明实施例5的CMOS图像传感器的图28的定时图的各定时的电势图。
图30A～图30C相当于本发明实施例5的CMOS图像传感器的图28的定时图的各定时的电势图。
图31是把本发明实施例5的CMOS图像传感器的低照度信号的曲线图和高照度信号的曲线图重叠表示的图。
图32是表示本发明实施例6的CMOS图像传感器的全体电路结构的等价电路图。
图33是把本发明实施例7的CMOS图像传感器的低照度信号的曲线图和高照度信号的曲线图重叠表示的图。
图34A是把本发明实施例7的CMOS图像传感器的低照度信号的曲线图、高照度信号的曲线图、以给定增益把高照度信号的曲线图复原的曲线图重叠表示的图，图34B是表示对于相对光量，混合低照度信号和高照度信号的比率的曲线图。
符号的说明。
10-n型半导体基板；11-p型阱；12、14、17-p+型分离区；13-n型半导体区；15、16-n+型分离区；20、21、22-元件分离绝缘膜；23、24-栅绝缘膜；25-电容绝缘膜；30、31-栅极电极；32-上部电极；33、34-布线；50-CMOS图像传感器部；60-前处理部；61、63-差动放大器；62-减法块；70-增益表生成部；71-上限设定部；72-下限设定部；73-比较器；74-除法块；75-增益表；76-指示器；80-视频数据合成部；81-限制器；82-比较器；83-阈值设定部；84、85-选择器；86-加法块；87-视频表；88-乘法块；ADC1～6-AD转换器；AP-放大器；C1-小电容；C2-大电容；CFD、CPD、C-电容；CS-积蓄电容元件；CDS-CDS电路；CH-芯片；CP、CP1、CP2-比较器；CTa、CTb-电路；DA1～4-差动放大器；FD-浮置扩散；FM-帧存储器；GND-接地；LT-光；N1-CFD的复位电平的信号(噪声)；N2-CFD+CS的复位电平的信号(噪声)；out-输出(线)；out1、out2-输出；PD-光电二极管；Pixel-像素；QA-过饱和电荷；QB-饱和前电荷；R-复位晶体管；S1-饱和前电荷信号；S1’-调制的饱和前电荷信号；S2-过饱和电荷信号；S2’-调制的过饱和电荷信号；S3-超过饱和电荷信号；SE、SE1、SE2-选择器；SL-选择线；SRH-列移位寄存器；SRV SH-S/H用行移位寄存器；SRV RST-复位用行移位寄存器；T-晶体管开关；T0～T4-时刻；TPD-二极管的积蓄期间；TCS-积蓄电容元件积蓄期间；TFD-浮置扩散积蓄期间；Tr1-转送晶体管；Tr2-积蓄晶体管；Tr3-复位晶体管；Tr4-放大晶体管；Tr5-选择晶体管；VDD-电源电压；ΦT、ΦS、ΦR、ΦX、ΦS1+N1、ΦN1、ΦS1’+S2’+N2、ΦN2、Φv1、Φv2-驱动线。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的固体摄像装置的实施例。
实施例1
本实施例的固体摄像装置是CMOS图像传感器，图6是1像素的等价电路图。
各像素由接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管PD、转送来自光电二极管PD的光电荷的转送晶体管Tr1、通过所述转送晶体管转送光电荷的浮置扩散FD、在积蓄动作时积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件CS、把浮置扩散FD和积蓄电容元件CS的电势结合或分割的积蓄晶体管Tr2、连接在浮置扩散FD上形成并且用于排出浮置扩散FD内的光电荷的复位晶体管Tr3、把浮置扩散FD内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管Tr4、连接在放大晶体管上形成并且用于选择像素的选择晶体管Tr5构成，是所谓的5晶体管型的CMOS图像传感器。例如所述5个晶体管都由n沟道MOS晶体管构成。对复位晶体管Tr3的漏极供给给定的基准电压例如电源电压Vdd。此外，对放大晶体管Tr4的漏极供给电源电压Vdd。对积蓄电容元件Cs的另一方端子供给电源电压Vdd或基准电位Vss。
本实施例的CMOS图像传感器把多个所述结构的像素集成为阵列状，在各像素中，在转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2、复位晶体管Tr3的栅极电极连接ΦT、ΦS、ΦR的各驱动线，在选择晶体管Tr5的栅极电极连接从行移位寄存器驱动的像素选择线SL(ΦX)，进一步在选择晶体管Tr5的输出一侧源极和漏极连接输出线out，由列移位寄存器控制，输出。
关于选择晶体管Tr5、驱动线ΦX，因为可以固定在浮置扩散FD的电压的适宜的值，以便能实现像素的选择、非选择动作，所以也能省略它们。
图7A是相当于本实施例的CMOS图像传感器的各像素的一部分(光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置扩散FD、积蓄晶体管Tr2和积蓄电容元件Cs)的模式剖视图。
例如，在n型半导体基板(n-sub)上形成p型阱(p-well)11，形成划分各像素以及积蓄电容元件Cs区的基于LOCOS法的元件分离绝缘膜(20、21、22)，在相当于分离像素的元件分离绝缘膜20的下方的p型阱11中形成p+型分离区12。
在p型阱11中形成n型半导体区13，在其表层形成p+型分离区14，通过该pn结而构成电荷转送嵌入型的光电二极管PD。光如果对在pn结上作用适当的偏压而产生的耗尽层中入射，就由光电效应产生光电荷。
在n型半导体区13端部中存在从p+型分离区14伸出形成的区域，从该区域离开给定距离，在p型阱11的表层形成成为浮置扩散FD的n+型半导体区15，再从该区域离开给定距离，在p型阱11的表层形成n+型半导体区16。
这里，在与n型半导体区13和n+型半导体区15有关的区域中，在p型阱11上面隔着由氧化硅等构成的栅绝缘膜23形成由多晶硅等构成的栅极电极30，n型半导体区13和n+型半导体区15为源极和漏极，在p型阱11的表层构成具有沟道区的转送晶体管Tr1。
此外，n+型半导体区15和n+型半导体区16有关的区域中，在p型阱11上面隔着由氧化硅等构成的栅绝缘膜24形成由多晶硅等构成的栅极电极31，n+型半导体区15和n+型半导体区16为源极和漏极，在p型阱11的表层构成具有沟道区的积蓄晶体管Tr2。
此外，在由元件分离绝缘膜(21、22)划分的区域中，在p型阱11的表层形成成为下部电极的p+型分离区17，在上层隔着由氧化硅构成的电容绝缘膜25形成由多晶硅构成的上部电极32，由它们构成积蓄电容元件CS。
覆盖转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2和积蓄电容元件CS，形成由氧化硅构成的绝缘膜，形成到达n+型半导体区15和n+型半导体区16、上部电极32的开口部，分别形成与n+型半导体区15连接的布线33、连接n+型半导体区16以及上部电极32的布线34。
此外，在转送晶体管Tr1的栅极电极30连接设置驱动线ΦT，此外，在积蓄晶体管Tr2的栅极电极31连接设置驱动线ΦS。
关于所述其他要素的复位晶体管Tr3、放大晶体管Tr4、选择晶体管Tr5、各驱动线(ΦT、ΦS、ΦR、ΦX)和输出out，例如布线33连接在不图示的放大晶体管Tr4上等成为图6的等价电路图所示的结构那样，在图7所示的半导体基板10上的不图示的区域中构成。
须指出的是，在图7A的剖视图中，积蓄电容元件CS为平面型MOS电容器，但是也可以为结型电容器、层叠型电容器、沟型电容器或把它们复合的形状等各种形状的电容器，还可以是电容绝缘膜使用氮化硅或Ta2O5等所谓的High-k材料，具有更大的电容的积蓄电容元件CS。
图7B是相当于所述光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置扩散FD、积蓄晶体管Tr2以及积蓄电容元件CS的模式的电势图。
光电二极管PD构成相对浅的电势的电容CPD，浮置扩散FD和积蓄电容元件CS构成相对深的电势的电容(CFD、CS)。
这里，转送晶体管Tr1和积蓄晶体管Tr2按照晶体管的on/off，能取2能级。
说明用图6的等价电路图、图7A的剖视图以及图7B的电势图说明的本实施例的CMOS图像传感器的驱动方法。
图8是用驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压为on/off的2能级加上关于ΦT由(+α)表示的能级的3能级表示的定时图。
驱动线ΦT上作用的电压可以为on/off的2能级，但是像本例子那样为3能级时，从光电二极管PD溢出的电荷能更有效地由浮置扩散FD和积蓄电容元件CS捕获，积蓄。
此外，图9A～图9D和图10A～图10D相当于定时图的各定时的电势图。
首先，如图9A所示，在新的画面开始的时刻T0，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，ΦR为on，完全排出前一画面中产生的光电荷，复位。
对于CPD的积蓄期间(它相当于图像期间)TPD从时刻T0之前的ΦT为off的时刻(T4’)开始，在CPD开始光电荷的积蓄。
须指出的是，由于上述的理由，在时刻T0之后，关于ΦT，为(+α)能级。
接着，在从图像时间的开始经过给定的时间的时刻T1，ΦR为off。
这时，如图9B所示，ΦS为on，所以成为CFD和CS结合的状态，在复位之后，伴随着复位动作，在CFD和CS中产生所谓的kTC噪声。这里，把CFD和CS的复位电平的信号作为噪声N2读出。
读出噪声N2，积蓄到后面描述的帧存储器(存储部件)中，在生成图像信号时利用该噪声N2的方法是能取得最佳S/N比的动作方法，但是在过饱和时，与饱和前电荷(低照度信号)+过饱和电荷(高照度信号)相比，噪声N2十分小，所以代替噪声N2，可以使用后面描述的噪声N1。此外，代替当前帧的噪声N2，可以使用下一帧的噪声N2。
在时刻T1，对于CS的积蓄电容元件积蓄期间TCS开始，从光电二极管PD溢出的光电荷开始在CS中积蓄。
此外，如上所述，从映像时间的开始经过规定的时间，因此图面上示出了某一程度的饱和前电荷QB积蓄在CPD中。
由此，光电荷为使CPD饱和的量以下时，只在CPD中积蓄光电荷，光电荷为使CPD饱和的量以上时，除了CPD，还在CFD和CS中积蓄光电荷。
图9C表示CPD饱和，在CPD中积蓄饱和前电荷QB，在CFD和CS中积蓄过饱和电荷QA的状态。
接着ΦT从(+α)能级回到off，在积蓄电容元件积蓄期间TCS的结束时，ΦS为off，如图9D所示，分割CFD和CS的电势。据此，向CS的积蓄结束。
接着，ΦR为on，如图10A所示，排出CFD中的光电荷，复位。
接着，在时刻T2，ΦR为off，在结束复位之后，如图10B所示，在CFD中新产生KTC噪声。这里，把CFD的复位电平的信号作为噪声N1读出。
接着，ΦT为on，如图10C所示，把CPD中的饱和前电荷QB转送给CFD。这里，CPD的电势比CFD浅，转送晶体管的能级比CPD深，所以能实现把位于CPD中的饱和前电荷QB全部转送给CFD的完全电荷转送。
这里，在时刻T3，ΦT回到off，从转送给CFD的饱和前电荷QB读出饱和前电荷信号S1。可是，带有CFD噪声，所以实际读出的是S1+N1。图10C表示ΦT回到off前的状态。
接着，ΦS为on，接着使ΦT为on，使CFD和CS的电势结合，如图10D所示，混合CFD中的饱和前电荷QB和CS中的过饱和电荷QA。
这里，在时刻T4，ΦT回到off，从扩散到CFD+CS的饱和前电荷QB+过饱和电荷QA读出饱和前电荷信号S1与过饱和电荷信号S2的和的信号。可是，这里带着CFD+CS噪声，从扩散到CFD+CS的电荷读取，所以实际读出的是S1’+S2’+N2(S1’和S2’分别是由CFD和CS的电容比率缩小调制的S1+S2的值)。图10D表示ΦT回到off前的状态。
接着，如上所述，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，使ΦR为on，全部排出该画面中产生的光电荷，如图9A所示那样复位，转移到下一画面。
下面说明把所述结构的像素集成为阵列状的CMOS图像传感器全体的电路结构。
图11是表示本实施例的CMOS图像传感器的全体电路结构的等价电路图。
多个(图中，作为代表4个)像素(pixel)配置为阵列状，在各像素(pixel)连接控制驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)的S/H用行移位寄存器SRV SH和控制驱动线(ΦR)的复位用行移位寄存器SRV RST，连接电源VDD和接地GND。
从各像素(pixel)，通过CDS(相关二重采样)电路，由列移位寄存器SRH和驱动线(ΦS1+N1、ΦN1、ΦS1’+S2’+N2、ΦN2)控制，如上所述，在各自的定时，对各输出线输出饱和前电荷信号(S1)+CFD噪声(N1)、CFD噪声(N1)、调制的饱和前电荷信号(S1’)+调制的过饱和电荷信号(S2’)+CFD+CS噪声(N2)、CFD+CS噪声(N2)等4个值。
这里，饱和前电荷信号(S1)+CFD噪声(N1)、CFD噪声(N1)的各输出端部分CTa如以下说明的那样取它们的差分，所以，可以在CMOS图像传感器芯片上形成包含差动放大器DA1的电路CTb。
接着，图12A和图12B表示用于实现图8所示的驱动的电路即S/H用行移位寄存器SRV SH和复位用行移位寄存器SRV RST的电路图。
S/H用行移位寄存器SRV SH是左侧行移位寄存器SRV L上连接驱动线(ΦS、ΦR、ΦT)，而复位用行移位寄存器SRV RST是驱动线(ΦR)连接在右侧行移位寄存器SRV L上的结构。
在通常的CMOS摄像装置中，可以是在水平消隐期间中，同时进行像素的复位和像素信息的读出，所以移位寄存器的有效信号在1帧中选择1行，每读出1行，按每次1行移动的结构，S/H用行移位寄存器SRV SH相当于该移位寄存器。可是，用该结构，无法实现图8所示的驱动。
因此，在本实施例中，新设置只担当复位的复位用行移位寄存器SRV RST，夹着配置像素的受光部配置S/H用行移位寄存器SRV SH和复位用行移位寄存器SRV RST。据此，在1帧中选择多行，能实现图8所示的驱动。
在图8中，调整ΦR下降的时刻，调整积蓄电容元件积蓄期间TCS的开始的时刻，但是使用所述复位用行移位寄存器SRV RST时，积蓄电容元件积蓄期间TCS以外与S/H用行移位寄存器SRV SH的第二次复位脉冲同步，复位用行移位寄存器SRV RST用每1行的周期发送复位脉冲。
图13A和图13B表示对包含图12A和图12B所示的S/H用行移位寄存器SRV SH(左)和复位用行移位寄存器SRV RST(右)的电路输入的ΦRin的波形。
此外，图13C和图13D表示对S/H用行移位寄存器SRV SH(左)和复位用行移位寄存器SRV RST(右)的初始信号的输入。
这里，ΦVRST(左)在1帧中是1脉冲，所以在1帧中只选择1行。这是因为不能选择多个进行读出的行。而ΦVRST(右)在1帧中如果输入多个，例如用512行CMOS图像传感器输入256脉冲，则在忽略水平消隐时，向浮置扩散和积蓄电容元件的积蓄时间TCS变为在积蓄电容元件积蓄期间TCS的开始定时不调整时(从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始时)的256/512即一半。
图14是进行如上所述那样输出的饱和前电荷信号(S1)+CFD噪声(N1)、CFD噪声(N1)、调制的饱和前电荷信号(S1’)+调制的过饱和电荷信号(S2’)+CFD+CS噪声(N2)、CFD+CS噪声(N2)等4个信号的处理的电路。
从所述的输出，把饱和前电荷信号(S1)+CFD噪声(N1)、CFD噪声(N1)对差动放大器DA1输出，取它们的差分，取消CFD噪声(N1)，取得饱和前电荷信号(S1)。
而把调制的饱和前电荷信号(S1’)+调制的过饱和电荷信号(S2’)+CFD+CS噪声(N2)、CFD+CS噪声(N2)对差动放大器DA2输出，取它们的差分，取消CFD+CS噪声(N2)，再通过放大器AP，根据CFD和CS的电容比率复原，调整为与饱和前电荷信号(S1)相同的增益，取得饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)。
这里，如图8的定时图所示，CFD+CS噪声(N2)与其他信号相比，相对早取得，所以在取得其他信号之前暂时存储在帧存储器FM中，在取得其他信号的定时，从帧存储器FM读出，进行以下的处理。
说明调制的饱和前电荷信号(S1’)+调制的过饱和电荷信号(S2’)的复原。
S1’、S2’、α(从CFD向CFD+CS的电荷分配比)和β(从CS向CFD+CS的电荷分配比)由以下的表达式表示。
S1’＝S1×α (1)
S2’＝S2×α×β (2)
α＝CFD/(CFD+CS) (3)
β＝CS/(CFD+CS) (4)
因此，从CFD和CS的值，从所述表达式(3)和(4)求出α和β，把它代入所述表达式1、2中，复原为S1+S2，能调整为与另外取得的S1相同的增益。
在从对光电二极管PD的积蓄期间TPD内以给定的期间比率设定的积蓄电容元件积蓄期间TCS中，积蓄电容元件CS中积蓄的光电荷的信号是S2，所以S2乘以TPD/TCS的比率，在图像期间全体捕获时，能复原为积蓄电容元件CS中积蓄的光电荷的信号。
接着，如图14所示，选择取得的S1和S1+S2的任意一方，作为最终输出。
首先把S1对比较器CP输入，与预先决定的基准电位V0比较。而把S1和S1+S2对选择器SE输入，按照所述的比较器CP的输出，选择S1和S1+S2的任意一方输出。按照光电二极管PD的电容，选择饱和前的电位，基准电位V0例如为0.3V。
即S1减去V0，如果为负，即S1小于V0，就判断为光电二极管PD不饱和，输出S1。
相反，S1减去V0，如果为正，即S1大于V0，就判断为光电二极管PD饱和，输出S1+S2。
在CMOS图像传感器芯片CH上形成该输出，并且带实现差动放大器DA1和帧存储器FM以后的电路来实现。另外，对于差动放大器DA1也可以形成在CMOS图像传感器芯片CH上。
此外，关于差动放大器DA1和帧存储器FM以后的电路，因为处理的模拟数据增大，所以对差动放大器DA1和帧存储器FM输入前进行A/D转换，对差动放大器DA1和帧存储器FM以后进行数字处理。可是，数字化后，如果进行基于所述的TPD/TCS的比率的复原(放大)，就放大到数字化引起的不连续性，所以尽可能复原(放大)后，数字化。例如，按照使用的A/D转换器的输入范围，预先由不图示的放大器放大。
如上所述，在本实施例的CMOS图像传感器中，在一个像素、每1个画面，取得饱和前电荷信号(S1)饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)等2个信号，实际判断光电二极管PD(CPD)是否为饱和或接近它的状态，选择S1和S1+S2的任意一方。
不调整积蓄电容元件积蓄期间TCS时(从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始时)，对于光电二极管PD的积蓄期间TPD和蓄电容元件积蓄期间TCS几乎相等，例如30fps时，都变为33毫秒。这时，超过光电二极管PD的饱和量的光电荷全部向积蓄电容元件CS溢出，有时无法取得高照度信息。而在本实施例中，在对于光电二极管PD的积蓄期间TPD中存在ΦR变为on的期间，附加有选择地对VDD排出在曝光时间初期超越ΦT向积蓄电容元件CS溢出的光电荷的功能。通过该功能，在高照度时积蓄电容元件CS也不溢出，能扩大可测定的高照度区的范围，能扩大动态范围。
图15是对于光量(相对值)，描绘取得的信号(S1’+S2’+N2)的图，分别表示复位为on的期间的长度为积蓄期间TPD的20/50、30/50、40/50、45/50的情形。
从该图，延迟ΦR下降的定时，限制对积蓄电容元件CS的积蓄期间TCS，从而高照度一侧的光量对于输出的倾斜变得缓和，积蓄电容元件CS不溢出，能压缩高照度时的信息，即使输入更高照度的信息，也难以饱和。
从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始时，在光量800时，在500mV的输出饱和，但是积蓄电容元件积蓄期间TCS为对于光电二极管PD的积蓄期间TPD的5/50(复位为on的期间为45/50)时，在光量3500，输出也不饱和。这时，低照度时的灵敏度下降。
根据本实施例的驱动方法，不使低照度一侧的灵敏度和S/N比恶化，高照度一侧的信息不饱和地扩大动态范围。
对于针对光电二极管PD的积蓄期间TPD，限制积蓄电容元件积蓄期间TCS引起的动态范围扩大的逻辑值为以下。
[表1]
| TPD/TCS | 饱和光量 | 动态范围扩大 |
| 100％20％10％5％ | 1(基准)3.0倍5.8倍9.9倍 | -+9.5dB+15.3bB+19.9bB |
根据本实施例的CMOS图像传感器的结构和所述的动作方法，从分别取消噪声而取得的饱和前电荷信号(S1)、饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)的2个信号，如果光电二极管PD(CPD)不饱和，就采用饱和前电荷信号(S1)，如果饱和，就采用饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)。
在光电二极管PD不饱和的低照度摄像中，通过取消噪声而取得的饱和前电荷信号(S1)，能维持高S/N比，在光电二极管PD饱和的高照度摄像中，在从光电二极管的积蓄期间以给定的比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，以所述给定的比率由积蓄电容元件积蓄从光电二极管溢出的光电荷，取入它，与所述同样，通过取消噪声而取得的信号(饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2))，能维持高S/N比，在高照度一侧能实现宽动态范围。
本实施例的CMOS图像传感器除了不降低低照度一侧的灵敏度，提高高照度一侧的灵敏度，实现宽动态范围，电源电压不从通常使用的范围上升，所以能与将来的图像传感器的微细化对应。
元件的追加抑制在极小，不引起像素尺寸的扩大。
不像以往的实现宽动态范围化的图像传感器那样在高照度一侧和低照度一侧分割积蓄时间，即不跨帧，在同一积蓄时间积蓄，所以也能与活动图象的摄像对应。
此外，关于浮置扩散FD的泄漏电流(FD泄漏)，在本实施例的图像传感器中，CFD+CS的最小信号变为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷，处理比FD泄漏还大的电荷量，所以存在难以受FD泄漏的影响的优点。
实施例2
本实施例的CMOS图像传感器与实施例1的CMOS图像传感器同样，但是驱动方法不同。
图16是用on/off的2能级表示在驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压的定时图。与实施例1同样，可以为关于ΦT加上由(+α)表示的能级的3能级。
首先，在新画面开始的时刻T0，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，ΦR为on，完全排出前一画面中产生的光电荷，复位。
对于CPD的积蓄期间TPD从时刻T0之前的ΦT为off的时刻开始，在CPD开始光电荷的积蓄。
接着，在时刻T0的复位之后的时刻T1，ΦR为off。这时，成为CFD和CS结合的状态，把CFD+CS的复位电平的信号作为噪声N2读出，积蓄到帧存储器。在过饱和时，与饱和前电荷+过饱和电荷相比，噪声N2十分小，所以代替噪声N2，可以使用后面描述的噪声N1。此外，代替当前帧的噪声N2，可以使用下一帧的噪声N2。
在时刻T1，对于CS的积蓄电容元件积蓄期间TCS开始，从CPD溢出的光电荷在CS中积蓄。
光电荷为使CPD饱和的量以下时，只在CPD中积蓄光电荷，光电荷为使CPD饱和的量以上时，除了CPD，还在CFD和CS中积蓄光电荷。
接着，积蓄电容元件积蓄期间TCS结束时，Φs为off，分割CFD和CS的电势。由此向积蓄电容元件CS的积蓄结束。
接着ΦR为on，排出CFD中的光电荷，复位，在之后的时刻T2，ΦR回到off，把CFD的复位电平的信号作为噪音N1读出。
在此，时刻T2以后把CPD中的饱和前电荷转送给CFD，ΦT为on之前的期间成为从对于CPD的积蓄期间TPD内以给定的期间比率设定的浮置扩散积蓄期间TFD，在浮置扩散FD和积蓄电容元件CS的电势分割的状态下，从光电二极管PD溢出的光电荷由浮置扩散FD积蓄。在浮置扩散积蓄期间TFD的结束时的ΦT为on之前的时刻T2A，读出在浮置扩散积蓄期间TFD中在浮置扩散FD中积蓄的超过饱和电荷信号(超高照度信号)S3。可是，这里带有CFD噪声，所以实际读出的是S3+N1。
从在时刻T2复位到在时刻T0再复位的期间通常称作水平消隐期间。在本实施例中，使用水平消隐期间的一部分，用浮置扩散FD积蓄从光电二极管PD溢出的光电荷，生成超过饱和电荷信号。浮置扩散积蓄期间TFD能用1行单位调整。
接着，ΦT为on，把CPD中的饱和前电荷转送给CFD。这里，CPD的电势比CFD浅，转送晶体管的能级比CPD深，所以能实现把位于CPD中的饱和前电荷全部转送给CFD的完全电荷转送。
这里，在时刻T3，ΦT回到off从转送给CFD的饱和前电荷读出饱和前电荷信号S1。可是，这里存在超过饱和电荷信号S3，还带有CFD噪声，所以实际读出的是S1+S3+N1。
接着，ΦS为on，接着使ΦT为on，使CFD和CS的电势结合，混合CFD中的饱和前电荷和CS中的过饱和电荷。
这里，在时刻T4，ΦT回到off，读出扩散到CFD+CS的电荷信号。这时，CFD+CS中存在饱和前电荷+超过饱和电荷+过饱和电荷，读出饱和前电荷信号S1+超过饱和电荷信号S3+过饱和电荷信号S2。可是，这里带着CFD+CS噪声，从扩散到CFD+CS的电荷信读取，所以实际读出的是S1’+S2’+S3’+N2(S1’、S2’和S3’分别是由CFD和CS的电容比率缩小调制的S1、S2、S3的值)。
接着，如上所述，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，使ΦR为on，全部排出该画面中产生的光电荷，转移到下一画面。
从如上所述取得的各电荷信号按以下生成各信号。
即首先取在时刻T2A取得的S3+N1和时刻T2取得的N1的差分，生成取消噪声的超过饱和电荷S3。
此外，取在时刻T3取得的S1+S3+N1和时刻T2A取得的S3+N1的差分，取得取消噪声的饱和前电荷信号S1。
取在时刻T4取得的S1’+S2’+S3’+N2和时刻T1取得的N2的差分，取得取消噪声的S1’+S2’+S3’，用与实施例1同样的步骤把它用CFD和CS的电容比率复原，为S1+S2+S3。取与在所述中取得的S3的差分，生成饱和前电荷信号S1+过饱和电荷信号S2。可是，对于S1+S2，S3十分小时，可以不取差分，忽略S3。
所述取得的超过饱和电荷信号S3是在从对光电二极管PD的积蓄期间TPD内以给定的期间比率设定的浮置扩散积蓄期间TFD中，在浮置扩散FD中积蓄的光电荷的信号，所以把S3乘以TPD/TFD的比率，在图像期间全体捕获时，能复原为浮置扩散FD中积蓄的光电荷的信号(S3×γ)。
例如，30fps时，图像期间(TPD)为33毫秒，浮置扩散积蓄期间TFD设置在水平消隐期间中，所以即使长，也就是10微秒左右。这时，乘以33毫秒/10微秒的比率，能复原S3。
关于所述取得的3个信号(S1、S1+S2、S3×γ)，与实施例1同样，使用比较器和选择器，选择采用哪个信号。
图17是从所述3个信号(S1、S1+S2、S3×γ)选择1个输出的电路图。
把S1对比较器CP1输入，与预先决定的基准电位V0比较。而把S1和S1+S2对选择器SE1输入，按照所述的比较器CP1的输出，选择S1和S1+S2的任意一方输出。基准电位V0按照光电二极管PD的电容，选择饱和前的电位。
接着把选择器SE1的输出对比较器CP2输入，与预先决定的基准电位V0’比较。而把选择器SE1的输出和S3×γ对选择器SE2输入，按照比较器CP2的输出，选择选择器SE1的输出和S3×γ的任意一个输出。基准电位V0’按照积蓄电容元件CS的电容，选择饱和前的电位。
在所述本实施例的CMOS图像传感器和它的驱动方法中，除了低照度和高照度的2次采样，还取得超高照度的信息，该方法以在高照度一侧的短曝光时间也能取得充分的信号电荷，并且能除去kTC噪声为前提，所以在以往的CMOS图像传感器中，在信号的切换时噪声增大，无法使用，但是在本实施例中，因为追加积蓄电容元件CS引起的动态范围的扩大，所以能使从高照度信号向低照度信号切换时的S/N比的恶化保持很小。
此外，图18是在本实施例的取得3个信号(S1、S1+S2、S3×γ)的驱动方法中组合实施例1所示的驱动方法时的驱动线的电压的定时图。对于TPD以给定比率设定用于取得S2的积蓄电容元件积蓄期间TCS，动态范围进一步扩大，因此能进一步抑制从高照度信号向超高照度信号的信号切换时的S/N比的恶化。
如上所述，TFD是10微秒左右，积蓄电容元件CS的饱和时的1/30秒的发生电荷数分别为200ke-、400ke-、800ke-、2000ke-时的最差情况的S/N比变为表2。这里，噪声的成分假定为5e-。
[表2]
| 1/30秒的发生电荷数 | 10微秒中在CFD中积蓄的电荷数 | S/N(dB) |
| 200ke-400ke-800ke-2000ke- | 60ke-120ke-240ke-606ke- | 21.627.633.641.7 |
如表2所示，如果在1/30秒的曝光时间中能处理20万电子，则S/N比变为21.6dB左右，如果通过追加积蓄电容元件CS，处理20万电子，进一步使用实施例1的手法，能处理200万电子，在信号切换时刻就能确保40dB以上的足够的S/N。
而动态范围的扩大中，向浮置扩散FD的积蓄期间TFD(10微秒)和向光电二极管PD的积蓄期间TPD(33微秒)的比变为动态范围的扩大部分。本实施例的动态范围的扩大变为+70dB，追加积蓄电容元件CS引起在高照度一侧能扩大20～40dB到30～50dB，总的动态范围变为190dB。
根据本实施例的CMOS图像传感器的结构和所述的动作方法，从分别取消噪声而取得的饱和前电荷信号(S1)、饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)、超过饱和电荷信号(S3×γ)等3个信号，按照光电二极管PD(CPD)的饱和与积蓄电容元件CS的饱和，从它们中选择任意一个。
在光电二极管PD不饱和的低照度摄像中，通过取消噪声而取得的饱和前电荷信号(S1)，能维持高灵敏度、高S/N比，在光电二极管PD饱和的高照度摄像中，由积蓄电容元件积蓄由光电二极管溢出的光电荷，取入它，与所述同样，通过取消噪声而取得的信号(饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2))，在高照度一侧能扩大动态范围，在积蓄电容元件饱和的超高照度摄像中，在从光电二极管的积蓄期间以给定的比率设定的浮置扩散积蓄期间中，以所述给定的比率由积蓄电容元件积蓄从光电二极管溢出的光电荷，取入它，与所述同样，通过取消噪声并且以给定比率复原的信号(超过饱和电荷信号(S3×γ)，能维持高S/N比，在高照度一侧能实现宽动态范围。
与实施例1同样，本实施例的CMOS图像传感器如上所述，除了不降低低照度一侧的灵敏度，提高高照度一侧的灵敏度，实现宽动态范围，电源电压不从通常使用的范围上升，所以能与将来的图像传感器的微细化对应。
元件的追加抑制在极小，不引起像素尺寸的扩大。
不像以往的实现宽动态范围化的图像传感器那样在高照度一侧和低照度一侧分割积蓄时间，即不跨帧，在同一积蓄时间积蓄，所以也能与活动图象的摄像对应。
此外，关于浮置扩散FD的泄漏电流(FD泄漏)，在本实施例的图像传感器中，CFD+CS的最小信号变为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷，处理比FD泄漏还大的电荷量，所以存在难以受FD泄漏的影响的优点。
实施例3
实施例1和2的CMOS图像传感器、或实施例1中从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始的模式的CMOS图像传感器，把CFD+CS的复位电平的信号作为噪声N2读出，存储到帧存储器FM中，从而取消对饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)采样时的噪声，但是在本实施例的CMOS图像传感器中，不使用帧存储器，能降低芯片成本。
CFD+CS的复位电平的信号(N2)的采样定时比调制的饱和前电荷信号和过饱和电荷信号的和(S1’+S2’+N2)的采样定时提前1帧发生，从而帧存储器成为必要。
这里，CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD的复位电平的信号(N1)或下一帧的N2(表示为N2”)代用，能取消像素内放大器的阈值偏差，所以剩下的是kTC噪声。
该噪声成为(kTC)1/2的电荷偏差，所以积蓄电容元件CS的电容越大，偏差越大，但是在高照度一侧动态范围能扩大20dB以上，所以即使积蓄电容元件CS的电容为40fF，也只变为相当于82电子的噪声。
而从低照度一侧向高照度一侧切换数据的时刻的信号电荷也根据受光部的电容，但是通常有10000电子以上，这时的光拍照噪声为100电子，如果取所述82电子的平方和，就变为129电子。变为S/N比，40dB只恶化到37.8dB左右。
以下，说明CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD的复位电平的信号(N1)或下一帧的N2代用的电路的具体例。
以下对用于实现CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD的复位电平的信号(N1)代用的电路的具体例进行说明。
图19A是用于实现CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD的复位电平的信号(N1)代用的CDS电路的电路图。此外，图19B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
即图19A的CDS电路中，作为噪声取消电路，包含交流结合电路，在N1的采样时，晶体管SH1和SH2变为on，分别输入，接着在S1+N1的采样时，晶体管SH1变为on，S1+N1与刚才输入的N1的差分作为交流成分输出，对AD转换器ADC1输入。接着在S1’+S2’+N2的采样时，晶体管SH2变为on，S1’+S2’+N2与刚才输入的N1的差分作为交流成分输出，对AD转换器ADC2输入。S1’+S2’+N2与刚才输入的N1的差分剩下kTC噪声，实质上变为S1’+S2’。
图20A是是用于实现CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD+CS的下一帧的复位电平的信号(N2”)代用的CDS电路的电路图。此外，图20B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
即图20A的CDS电路作为噪声取消电路，包含交流结合电路，在N1的采样时，晶体管SH1变为on，输入，接着在S1+N1的采样时，晶体管SH1变为on，S1+N1与刚才输入的N1的差分作为交流成分输出，对AD转换器ADC1输入。
接着在S1’+S2’+N2的采样时，晶体管SH2变为on，输入，接着在下一帧的N2”的采样时，晶体管SH2变为on，N2”与刚才输入的S1’+S2’+N2的差分作为交流成分输出，对AD转换器ADC2输入。N2”与刚才输入的S1’+S2’+N2的差分剩下kTC噪声，实质上变为S1’+S2’。
图21A是是用于实现CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD+CS的下一帧的复位电平的信号(N2”)代用的CDS电路的电路图。此外，图21B是表示驱动线的外加电压和采样定时的定时图。
即图20A的CDS电路作为噪声取消电路，包含2电容器方式差动放大器，如图21B所示，把N1、S1+N1、S1’+S2’+N2、N2”的各采样定时采样的信号对图21A的CDS电路输入，从差动放大器DA3输出S1+N1和N1的差分，此外从差动放大器DA4输出S1’+S2’+N2和下一帧的N2”的差分。
在所述中，各定时图相当于实施例1中从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始的模式，但是并不局限于此，本实施例也能把本实施例应用于实施例1或实施例2的方法。
根据本实施例，除了在各像素中，通过晶体管与二极管连接地设置积蓄电容元件CS引起的动态范围扩大，还能省略用于输出N2的专用缓冲电路、AD转换器，帧存储器变为不要，能高效除去固定模式噪声，同时由于电路的单纯化，能削减芯片成本。
实施例4
在所述各实施例或实施例1中从时刻T0蓄电容元件积蓄期间TCS开始的模式的CMOS图像传感器中，在各像素中，通过晶体管与二极管连接地设置积蓄电容元件CS与浮置扩散电容CFD无相关，由浮置扩散电容CFD单独变换电压时与加上积蓄电容元件CS变换电压时，增益偏差的倾向不同。
因此，把进行浮置扩散电容CFD的增益修正的处理系统嵌入低照度信号和高照度信号的合成电路中，抑制伴随着信号的切换的固定模式噪声的发生，图像质量的改善成为可能。
图22是本实施例的CMOS图像传感器前处理部的信号处理的框图。
来自CMOS图像传感器部50的传感器输出在前处理部60数字化，再由增益表生成部70和视频数据合成部80进行信号处理，作为2个视频输出(Video1、Video2)输出。
CMOS图像传感器部50包含配置为矩阵状的多个像素，相当于把各像素的输出作为传感器输出而输出之前的电路。
图23A是构成前处理部60的结构的框图。
在差动放大器61中，取得从转送给浮置扩散的光电荷取得的电压信号(S1+N1)和浮置扩散的复位电平的电压信号(N1)的第一差分，由AD转换器ADC3数字化，作为低照度一侧信号数据V1输出。为了适合AD转换器ADC3的输入电压范围设置增益A1，但是也能在差动放大器61中包含。
此外，从转送给浮置扩散以及积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号(S1’+S2’+N2)和浮置扩散以及积蓄电容元件的复位电平的电压信号(N2)分别用增益A2适合AD转换器的输入电压范围后，由AD转换器(ADC4、5)数字化。浮置扩散以及积蓄电容元件的复位电平的电压信号(N2)比其他信号提前1帧输出，所以由帧存储器FM存储，在减法块62，取得S1’+S2’+N2和N2的第二差分，作为高照度一侧信号数据V2输出。
如实施例3所示，CFD+CS的复位电平的信号(N2)由CFD的复位电平的信号(N1)或下一帧的N2”代用时，如图23B所示，在差动放大器63中，取得从转送给浮置扩散以及积蓄电容元件的光电荷取得的电压信号(S1’+S2’+N2)与浮置扩散的复位电平的电压信号(N1)或下一帧的浮置扩散以及积蓄电容元件的复位电平的电压信号(N2”)的第二差分，用增益A3适合AD转换器的输入电压范围后，由AD转换器ADC6数字化，作为高照度一侧信号数据V2输出。
按所述取得的V1和V2在同一光量时，产生CMOS图像传感器的浮置扩散FD的CFD部分的差。
图24是表示增益表生成部70的结构的框图。
增益表生成部70生成按照由所述取得的差分(V1和V2)，设定各像素的增益的增益表，具有下限设定部71、上限设定部72、比较器73、除法块74，生成增益表75。
用比较器73比较所述低照度一侧信号数据V1的值和下限设定部71、上限设定部72的值，成为由下限设定部71、上限设定部72设定的给定范围内时，比较器73对除法块74输出有效信号Enable。
这时，除法块74计算V1/V2的比，生成、更新增益表75。如果生成、更新增益表75，指示器76就变为有效，能把增益表75的值在应用一侧使用。
通过增益表生成部70，抑制浮置扩散FD的增益的偏差，能抑制V1和V2的切换时的固定模式噪声的发生。
此外，作为所述增益表，写入预先假定的V1/V2的值，在接通电源时等增益表的生成、更新前，没有不协调的感觉的摄像成为可能。
图25是表示视频数据合成部80的结构的框图，输出2系统的视频输出(Video1、Video2)。
首先，为了抑制各像素的饱和电平的偏差，对限制器81作用低照度一侧信号数据V1。比较器82比较由阈值(TH Level)设定部83预先设定的阈值和低照度一侧信号数据V1，生成用于选择器(84、85)的数据选择信号。
选择器84按照来自比较器82的数据选择信号，选择分辨率更高的低照度一侧信号数据V1、由阈值设定部83预先设定的阈值由加法块86相加的能处理更大量的电荷量信息的高照度一侧信号数据V2的任意一个，对视频表87输出。
在视频表87存储根据应用而必要的灰度曲线，参照它，输出视频信号Video1。
另一方的视频输出Video2从低照度到高照度处理线性的数据。
从由增益表生成部70生成的增益表75读出增益数据，在乘法块88与高照度一侧信号数据V2相乘。它表示高照度一侧信号数据V2具有与低照度一侧信号数据V1相同的斜率，在CMOS图像传感器能处理的全光量范围中，把直线的数值作为Video2的输出提供。如果摄像对象是低照度，选择器85就选择分辨率高的低照度一侧信号数据V1。信号选择的动作与Video1同样。
Video2系统的输出通过使各像素的增益偏差与Video1相同，以修正低照度一侧信号切换为高照度一侧信号时产生的不连续的增益的形式输出，能除去2个信息的切换时能观察到的固定模式噪声。
根据本实施例的CMOS图像传感器，除了在各像素中，通过晶体管与二极管连接地设置积蓄电容元件CS引起的动态范围扩大，还能在取消浮置扩散的增益偏差的同时，通过合成低照度一侧信息和高照度一侧信息，除去2个信息的切换时能观察到的固定模式噪声。
此外，在除法块74和乘法块88中能包含OB电平修正。
实施例5
本实施例的CMOS是与图像传感器与实施例1同样的CMOS图像传感器，图26表示1像素的等价电路图。
各像素由接收光并且产生、积蓄光电荷的光电二极管PD、转送来自光电二极管PD的光电荷的转送晶体管Tr1、通过所述转送晶体管转送光电荷的浮置扩散FD、在积蓄动作时积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件CS、把浮置扩散FD和积蓄电容元件CS的电势结合或分割的积蓄晶体管Tr2、与积蓄电容元件CS直接连接，通过积蓄晶体管Tr2连接在浮置扩散FD上形成并且用于排出积蓄电容元件CS和浮置扩散FD内的光电荷的复位晶体管Tr3、把浮置扩散FD内的光电荷放大变换为电压信号的放大晶体管Tr4、连接在放大晶体管Tr4上形成并且用于选择像素的选择晶体管Tr5构成，是所谓的5晶体管型的CMOS图像传感器。所述5个晶体管都由n沟道MOS晶体管构成。
本实施例的CMOS图像传感器把所述结构的多个像素集成为阵列状，在各像素中，在转送晶体管Tr1、积蓄晶体管Tr2、复位晶体管Tr3的栅极电极连接ΦT、ΦS、ΦR的各驱动线，在选择晶体管Tr5的栅极电极连接由行移位寄存器驱动的像素选择线SL(ΦX)，在选择晶体管Tr5的输出一侧源极和漏极连接输出线out，由列移位寄存器控制，输出。
关于选择晶体管Tr5、驱动线ΦX，因为可以固定在浮置扩散FD的电压的适宜的值，从而能实现像素的选择、非选择动作，所以也能省略它们。
图27是相当于光电二极管PD、转送晶体管Tr1、浮置扩散FD、积蓄晶体管Tr2和积蓄电容元件Cs的模式电势图。
光电二极管PD构成相对浅的电势的电容CPD，浮置扩散FD和积蓄电容元件CS构成相对深的电势的电容(CFD、CS)。
这里，转送晶体管Tr1和积蓄晶体管Tr2按照晶体管的on/off，能取2能级。
说明用图26的等价电路图、图27的电势图说明的本实施例的CMOS图像传感器的驱动方法。
图28是用驱动线(ΦT、ΦS、ΦR)上作用的电压为on/off的2能级加上关于ΦT由(+α)表示的能级的3能级表示的定时图。
驱动线ΦT上作用的电压可以为on/off的2能级，但是像本例子那样为3能级时，从光电二极管PD溢出的电荷能更有效地由浮置扩散FD和积蓄电容元件CS捕获，积蓄。
此外，图29A～图29D和图30A～图30C相当于定时图的各定时的电势图。
首先，如图29A所示，在新的画面开始的时刻T0，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，ΦR为on，完全排出前一画面中产生的光电荷，复位。
对于CPD的积蓄期间(它相当于图像期间)TPD从时刻T0之前的ΦT为off的时刻(T4’)开始，在CPD开始光电荷的积蓄。
须指出的是，由于上述的理由，在时刻T0之后，关于ΦT，为(+α)能级。
接着，在从图像时间的开始经过给定的时间的时刻T1，ΦR为off。
这时，如图29B所示，ΦS为on，所以成为CFD和CS结合的状态，在复位之后，伴随着复位动作，在CFD和CS中产生所谓的kTC噪声。这里，把CFD和CS的复位电平的信号作为噪声N2读出。
在时刻T1，对于CS的积蓄电容元件积蓄期间TCS开始，从光电二极管PD溢出的光电荷开始在CS中积蓄。
须指出的是，如上所述，从图像时间的开始经过给定的时间，所以图上表示某程度的饱和前电荷QB在CFD中积蓄。
光电荷为使CPD饱和的量以下时，只在CPD中积蓄光电荷，光电荷为使CPD饱和的量以上时，除了CPD，还在CFD和CS中积蓄光电荷。
图29C表示CPD饱和，在CPD中积蓄饱和前电荷QB，在CFD和CS中积蓄过饱和电荷QA的状态。
接着，在积蓄电容元件积蓄期间TCS的结束时，ΦT从(+α)能级回到off，在时刻T2，ΦS为off，如图29D所示，分割CFD和CS的电势。这时，过饱和电荷QA按照CFD和CS的电容比，分割为QA1和QA2。这里，把保持过饱和电荷的一部分QA1的CFD的电平信号作为噪声N1读出。
接着，ΦT为on，如图30A所示，把CPD中的饱和前电荷QB转送给CFD，与原来保持在CFD中的过饱和电荷的一部分QA1混合。
这里，CPD的电势比CFD浅，转送晶体管的能级比CPD深，所以能实现把位于CPD中的饱和前电荷QB全部转送给CFD的完全电荷转送。
接着，在时刻T3，ΦT回到off，从转送给CFD的饱和前电荷QB读出饱和前电荷信号S1。可是，在CFD中存在饱和前电荷QB与过饱和电荷的一部分QA1的和的电荷，实际读出的是S1+N1。图30A表示ΦT回到off前的状态。
接着，ΦS为on，接着使ΦT为on，使CFD和CS的电势结合，如图30B所示，混合CFD中的饱和前电荷QB与过饱和电荷的一部分QA1的和的电荷、CS中的过饱和电荷QA2。过饱和电荷的一部分QA1与过饱和电荷QA2的和相当于分割前的过饱和电荷QA，所以变为在CFD和CS的结合的电势中保持饱和前电荷QB与过饱和电荷QA的和的信号的状态。
这里，在时刻T4，ΦT回到off，从扩散到CFD+CS的饱和前电荷QB+过饱和电荷QA读出饱和前电荷信号S1与过饱和电荷信号S2的和的信号。可是，这里带着CFD+CS噪声，从扩散到CFD+CS的电荷读取，所以实际读出的是S1’+S2’+N2(S1’和S2’分别是由CFD和CS的电容比率缩小调制的S1和S2的值)。图30B表示ΦT回到off前的状态。
以上，一个画面结束，转移到下一画面，在ΦT为off，ΦS为on的状态下，ΦR为on，完全排出前一画面中产生的光电荷，复位。
从如上所述取得的4个信号N2、N1、S1+N1、S1’+S2’+N2，通过与实施例1同样的步骤，取得饱和前电荷信号(S1)、饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)。根据是饱和前还是饱和后，选择任意的信号。
在所述的说明中，读出噪声N2，在帧存储器存储，在生成像素信号时利用该噪声N2，但是在过饱和时，与饱和前电荷+过饱和电荷相比，噪声N2十分小，所以代替当前帧的噪声N2，可以使用下一帧的噪声N2。
图31是重叠表示在本实施例的CMOS图像传感器中，对于相对光量描绘使用电容CFD时的浮置扩散电压的低照度信号的曲线图(表示为CFD)、对于相对光量描绘使用电容CFD+CS时的浮置扩散电压的高照度信号的曲线图(表示为CFD+CS)的图。
可是，如果使用电容CFD+CS，照射相同的光量，取得相同的电荷数，CS的分电容值增大，所以变换的电压降低该部分。
例如把给定的阈值为设定电压，在使用CFD时的电压超过阈值之前的低照度一侧，使用由CFD表示的曲线的低照度一侧信号S1，在超过阈值电压的高照度一侧，切换为表示为CFD+CS的曲线的高照度一侧信号S1+S2，使用。
可是，象本实施例那样，在宽动态范围化的CMOS图像传感器中，在由CFD表示的曲线中，伴随着相对光量增加，电压也增加，终于饱和，电压不上升，如果此后相对光量增加，有时产生电压下降的现象。
这是因为如图29D和图30A所示，饱和前电荷的测定一边把过饱和电荷的一部分作为噪声处理，一边测定，所以伴随着相对光量增加，噪声电平增加，能测定饱和前电荷的范围变窄。
如果产生所述的现象，即使设定用于在低照度信号和高照度信号切换的阈值，在超过电压的峰值，下降的区域中，存在成为所述阈值的光量，只凭使用CFD时的电压是否超过阈值，无法进行正确的阈值的判断。
因此，产生所述现象时，分别设定低照度一侧(使用CFD时)的信号的阈值THL和高照度一侧(使用CFD+CS)的信号的阈值THH，在两信号都低于各自的阈值时，使用由CFD表示的曲线图的低照度信号S1，在两信号的任意一方超过阈值电压时，使用表示为CFD+CS的曲线的高照度信号S1+S2。
根据本实施例的CMOS图像传感器，与实施例1同样，维持高S/N，能在高照度一侧实现宽动态范围。
实施例6
本实施例的CMOS图像传感器是在实施例1～5的CMOS图像传感器中，把来自各像素的输出用低照度信号和高照度信号对多路器输出的结构的CMOS图像传感器。
图32是表示本实施例的CMOS图像传感器的全体电路结构的等价电路图。实质上是与实施例1的图11所示的等价电路图同样的结构，但是从各像素，用驱动线(ΦS1+N1、ΦN1、ΦS1’+S2’+N2、ΦN2)控制，从一方的输出线，按照由始终控制的定时，分别输出饱和前电荷信号(S1)+CFD噪声(N1)、调制的饱和前电荷信号(S1’)+调制的过饱和电荷信号(S2’)+CFD+CS噪声(N2)，从另一方的输出线，输出CFD噪声(N1)、CFD+CS噪声(N2)。
在本实施例的结构的CMOS图像传感器中，由于输出线减少，能简化输出系统的电路，接收该输出，能减少外部芯片的端子数，例如在一个外部芯片中具有2个输入端子时，能把外部芯片从2个减少到一个。
实施例7
本实施例的CMOS图像传感器是是在实施例1～6的CMOS图像传感器中，如下所述，进行对高照度信号的增益控制的CMOS图像传感器。
图33是重叠表示在本实施例的CMOS图像传感器中，对于相对光量描绘使用电容CFD时的浮置扩散电压的低照度信号的曲线图(表示为CFD)、对于相对光量描绘使用电容CFD+CS时的浮置扩散电压的高照度信号的曲线图(表示为CFD+CS)的图。
可是，如果使用电容CFD+CS，照射相同的光量，取得相同的电荷数，CS的分电容值增大，所以变换的电压降低该部分。因此，使用高照度信号时，根据CFD和CS的电容比率复原，调整为与低照度信号即饱和前电荷信号(S1)相同的增益，取得高照度信号即饱和前电荷信号与过饱和电荷信号的和(S1+S2)。
这里，作为求出用于把所述高照度信号复原的增益的值的方法，如图33所示，高照度信号位于特定的输出区间RG时，计算该区间的高照度信号和低照度信号的输出比。
例如从图33的所述输出区间RG内的某光量的低照度信号的电压A1和高照度信号A2的值计算比率A1/A2。
把取得的比率作为增益反馈，进行高照度信号的增益控制。
在本实施例的结构的CMOS图像传感器中，在摄影时能重新计算增益，所以能取得正确的增益，进行高照度信号的增益控制。
实施例8
本实施例的CMOS图像传感器是是在实施例1～7的CMOS图像传感器中，如下所述，提高低照度信号和高照度信号的切换中的连续性的CMOS图像传感器。
图34A是重叠表示在本实施例的CMOS图像传感器中，对于相对光量描绘使用电容CFD时的浮置扩散电压的低照度信号的曲线图(表示为CFD)、对于相对光量描绘使用电容CFD+CS时的浮置扩散电压的高照度信号的曲线图(表示为CFD+CS)、用给定的增益把高照度信号的曲线复原的曲线图(表示为(CFD+CS)’)的图。
进行增益调整，有时在低照度信号的曲线和高照度信号的曲线中也存在差，如果以某电位为阈值，从低照度信号切换为高照度信号，就在该切换点产生台阶，变为不连续。
在本实施例中，如图34B的对于相对光量的比率的曲线所示，在输出电压A，100％使用低照度信号(CFD)，在输出电压B，100％使用高照度信号(CFD+CS)，在其间的区域中，按照输出，以给定比率把低照度信号(CFD)和高照度信号(CFD+CS)混合使用。
据此，能顺利地从低照度信号向高照度信号进行切换，能提高连续性。
本发明并不局限于此。
例如在实施例中，说明固体摄像装置，但是并不局限于此，关于把各固体摄像装置的像素排列为直线状的线传感器、把各固体摄像装置的像素单独构成而取得的光传感器，能实现以往未取得的宽动态范围和高灵敏度、高S/N比。
此外，积蓄电容元件的形状并未特别限定，能采用DRAM的存储电容器等此前为了提高容量而开发的各种方法。
作为固体摄像装置，可以是光电二极管与积蓄从光电二极管溢出的光电荷的积蓄电容元件通过转送晶体管连接的结构，除了CMOS图像传感器，还能应用于CCD。
此外，在不脱离本发明的要旨的范围中，能进行各种变更。
产业上的可利用性
本发明的固体摄像装置能应用于数字相机或带相机的移动电话等上搭载的CMOS图像传感器或CCD图像传感器等希望宽动态范围的图像传感器。
本发明的光传感器能应用于希望宽的动态范围的光传感器。
本发明的固体摄像装置的动作方法能应用于希望宽的动态范围的图像传感器的动作方法。
Claims (26)
1.一种固体摄像装置，将多个像素集成为阵列状，
所述像素具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；和
积蓄电容元件，至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，从所述光电二极管溢出的光电荷至少通过所述转送晶体管积蓄。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中：
在所述转送晶体管和所述积蓄电容元件之间还具有：
浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；和
积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割。
3.一种固体摄像装置，将多个像素集成为阵列状，
所述像素具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；
积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和
积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
所述浮置扩散在与所述积蓄电容元件分割电势的状态下，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的浮置扩散积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。
4.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中：
所述积蓄电容元件在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。
5.根据权利要求2～4中的任意一项所述的固体摄像装置，其中：
还具有：
复位晶体管，与所述浮置扩散连接形成，用于排出所述浮置扩散内的光电荷；
放大晶体管，将所述浮置扩散内的光电荷放大变换为电压信号；和
选择晶体管，与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其中：
还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分。
7.根据权利要求6所述的固体摄像装置，其中：
还具有存储部件，存储所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号。
8.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其中：
还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、或者从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号之间的差分。
9.根据权利要求2～4中的任意一项所述的固体摄像装置，其中：
还具有：
复位晶体管，与所述积蓄电容元件和所述积蓄晶体管的连接部连接形成，用于排出所述积蓄电容元件和所述浮置扩散内的光电荷；
放大晶体管，将所述浮置扩散内的光电荷放大变换为电压信号；和选择晶体管，与所述放大晶体管连接形成，用于选择所述像素。
10.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其中：
还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的所述转送前的电平的电压信号之间的差分。
11.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其中：
还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号之间的差分。
12.根据权利要求11所述的固体摄像装置，其中：
还具有存储部件，存储所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号。
13.一种固体摄像装置，将多个像素集成为阵列状，
所述像素具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；
积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和
积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
所述固定摄像装置还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、或者从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号之间的差分。
14.根据权利要求13所述的固体摄像装置，其中：
所述噪声取消部件包含交流结合电路，将从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、或与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号之间的差分作为交流信号输出。
15.根据权利要求13所述的固体摄像装置，其中：
所述噪声取消部件包含双电容器方式差动放大器，输出从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、或者与从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号之间的差分。
16.一种固体摄像装置，
包括：
传感器部，将多个像素集成为阵列状，其中，所述像素具有；光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；转送晶体管，转送所述光电荷；浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
前处理部，分别计算从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号以及从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号、与各复位电平或复位相当电平之间的差分；
增益表生成部，生成按照所述差分设定各像素的增益的增益表；和
视频数据合成部，按照所述差分以及所述增益表的数据，合成视频数据。
17.根据权利要求16所述的固体摄像装置，其中：
所述前处理部作为所述差分，计算从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的第一差分、从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号或所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的第二差分。
18.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其中：
所述增益表生成部，当所述第一差分的值在给定范围内时，作为各像素的增益表数据，计算所述第一差分和所述第二差分的比，生成增益表。
19.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其中：
所述视频数据合成部从预先设定的视频数据，按照所述第一差分或所述第二差分和给定的阈值之和，求出视频数据，输出。
20.根据权利要求18所述的固体摄像装置，其中：
所述视频数据合成部输出所述第一差分或所述第二差分和所述增益表数据的积。
21.一种光传感器，
包括：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；和
积蓄电容元件，至少经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，从所述光电二极管溢出的光电荷至少通过所述转送晶体管来积蓄。
22.一种光传感器，
具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；
积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和
积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
所述浮置扩散在与所述积蓄电容元件分割电势的状态下，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的浮置扩散积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的光电荷。
23.一种光传感器，
具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；
积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和
积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
还具有噪声取消部件，取得从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分，取得从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号和所述浮置扩散的复位电平的电压信号之间的差分、或者从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的当前帧的电压信号和所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的下一帧的复位电平的电压信号之间的差分。
24.一种光传感器，
包括：
传感器部，具有；光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；转送晶体管，转送所述光电荷；浮置扩散，通过所述转送晶体管转送所述光电荷；积蓄电容元件，电势的结合或分割成为可能地与所述浮置扩散连接而设置，在所述光电二极管的积蓄期间将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述浮置扩散来积蓄；和积蓄晶体管，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合或分割；
前处理部，分别计算从转送给所述浮置扩散的光电荷所取得的电压信号以及从转送给所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件的光电荷所取得的电压信号、与各复位电平或复位相当电平之间的差分；
增益表生成部，按照所述差分设定各像素的增益；和
视频数据合成部，按照所述差分以及所述增益表的数据，合成视频数据。
25.一种固体摄像装置的动作方法，该固体摄像装置将多个像素集成为阵列状，
所述像素具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管以及积蓄晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置；和
积蓄电容元件，在所述光电二极管的积蓄期间中将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管来积蓄，并且由所述积蓄晶体管控制与所述浮置扩散的电势的结合或分割：
所述固体摄像装置的动作方法包括：
在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；
读出所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；
将由所述光电二极管所产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到所述光电二极管，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的积蓄电容元件积蓄期间中，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；
使所述积蓄晶体管截止，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势分割，排出所述浮置扩散内的光电荷的步骤；
读出所述浮置扩散的复位电平的电压信号的步骤；
使所述转送晶体管导通，将所述饱和前电荷转送给所述浮置扩散，读出包含所述饱和前电荷的电压信号的步骤；和
使所述积蓄晶体管导通，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合，读出包含所述饱和前电荷和所述过饱和信号的电压信号的步骤。
26.一种固体摄像装置的动作方法，该固体摄像装置将多个像素集成为阵列状，
所述像素具有：
光电二极管，接收光并且产生、积蓄光电荷；
转送晶体管以及积蓄晶体管，转送所述光电荷；
浮置扩散，经由所述转送晶体管与所述光电二极管连接而设置；和
积蓄电容元件，在所述光电二极管的积蓄期间中将从所述光电二极管溢出的光电荷通过所述转送晶体管和所述积蓄晶体管来积蓄，并且由所述积蓄晶体管控制与所述浮置扩散的电势的结合或分割：
所述固体摄像装置的动作方法包括：
在电荷积蓄前，使所述转送晶体管截止，使所述积蓄晶体管导通，排出所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件内的光电荷的步骤；
读出所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的复位电平的电压信号的步骤；
将由所述光电二极管所产生的光电荷中的饱和前电荷积蓄到所述光电二极管，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮置扩散以及所述积蓄电容元件中积蓄的步骤；
使所述积蓄晶体管截止，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势分割，排出所述浮置扩散内的光电荷的步骤；
读出所述浮置扩散的复位电平的电压信号的步骤；
通过与所述积蓄晶体管分割电势的状态的所述浮置扩散，在从所述光电二极管的积蓄期间内以给定的期间的比率设定的浮置扩散积蓄期间中，积蓄从所述光电二极管溢出的超过饱和电荷的步骤；
读出包含所述超过饱和前电荷的电压信号的步骤；
使所述转送晶体管导通，将所述饱和前电荷转送给所述浮置扩散，读出包含所述饱和前电荷的电压信号的步骤；和
使所述积蓄晶体管导通，将所述浮置扩散和所述积蓄电容元件的电势结合，读出包含所述饱和前电荷和所述过饱和信号的电压信号的步骤。
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