JP2001168311A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、ダイナミックレンジの広い状態とダ
イナミックレンジの狭い状態との切換が可能な固体撮像
装置を提供することを目的とする。 【解決手段】フォトダイオードＰＤに入射されることに
よって発生する光電流（電気信号）によって、ＭＯＳト
ランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧を上昇させ、このゲ
ート電圧に応じた電流がトランジスタＴ２を介してキャ
パシタＣに流れ、接続ノードａの電圧が変遷する。この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに印加する電圧
φＶPSを調整して、ＭＯＳトランジスタＴ１が閾値以下
のサブスレッショルド領域で動作するとき、接続ノード
ａの電圧が前記光電流に対して自然対数的に変化する。
又、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに印加する電圧φ
ＶPSを直流電圧φＶPDと略等しくすることによって、接
続ノードａの電圧が前記光電流に対して線形的に変化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関す
るものであり、特に画素を二次元に配置した固体撮像装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオード等の光電変換素子（感
光素子）と、その光電変換素子で発生した光電荷を出力
信号線へ取り出す手段とを含む画素をマトリクス状（行
列状）に配してなる二次元固体撮像装置は種々の用途に
供されている。ところで、このような固体撮像装置は光
電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手
段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。Ｃ
ＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転
送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いと
いう欠点がある。一方、ＭＯＳ型はフォトダイオードの
ｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通
して直接読み出すようになっていた。

【０００３】ここで、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の１
画素当りの構成を図２９に示し説明する。同図におい
て、ＰＤはフォトダイオードであり、そのカソードがＭ
ＯＳトランジスタＴ１のゲートとＭＯＳトランジスタＴ
２のソースに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ１
のソースはＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続さ
れ、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線Ｖou
tへ接続されている。またＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ
２のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、フォトダイ
オードのアノードには直流電圧ＶPSが印加されている。

【０００４】フォトダイオードＰＤに光が入射すると、
光電荷が発生し、その電荷はＭＯＳトランジスタＴ１の
ゲートに蓄積される。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３
のゲートにパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタ
Ｔ３をＯＮすると、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートの
電荷に比例した電流がＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ３を
通って出力信号線へ導出される。このようにして入射光
量に比例した出力電流を読み出すことができる。信号読
み出し後はＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにしてＭＯ
ＳトランジスタＴ２をＯＮすることでＭＯＳトランジス
タＴ１のゲート電圧を初期化させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のＭ
ＯＳ型の固体撮像装置は各画素においてフォトダイオー
ドで発生しＭＯＳトランジスタのゲートに蓄積された光
電荷をそのまま読み出すものであったからダイナミック
レンジが狭く、そのため露光量を精密に制御しなければ
ならず、しかも露光量を精密に制御しても暗い部分が黒
くつぶれたり、明るい部分が飽和したりしていた。一
方、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生し
うる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタ
と、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流
が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、
光電流を対数変換するようにした固体撮像装置を提案し
た（特開平３−１９２７６４号公報参照）。このような
固体撮像装置は、広いダイナミックレンジを有している
ものの、低輝度の場合の特性やＳ／Ｎ比などが十分でな
いという問題があった。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、高輝度から低輝度までの幅広い被写体を高精
細に撮像することのできる固体撮像装置を提供すること
を目的とする。又、本発明の他の目的は、画素の出力を
大きく得ることができる固体撮像装置を提供することに
ある。又、本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比の良好な撮像
信号を得ることができる固体撮像装置を提供することに
ある。更に、本発明の他の目的は、同一の光電変換手段
でダイナミックレンジの広い状態とダイナミックレンジ
の狭い状態との切換が可能な固体撮像装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め請求項１に記載の固体撮像装置は、入射した光量に応
じた電気信号を発生する感光素子を有する光電変換手段
と、該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ導出する
導出路とを備えた固体撮像装置において、前記光電変換
手段の動作状態を、前記感光素子への入射光量とは独立
して、前記電気信号を線形的に変換する第１状態と、自
然対数的に変換する第２状態とに切り換え可能としたこ
とを特徴とする。

【０００８】又、請求項２に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信
号線へ導出する導出路とを備えた固体撮像装置におい
て、前記光電変換手段の動作状態を、前記光電変換手段
に送出される信号に基づいて、前記電気信号を線形的に
変換する第１状態と、自然対数的に変換する第２状態と
に切り換え可能としたことを特徴とする。

【０００９】又、請求項３に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信
号線へ導出する導出路とを備えた固体撮像装置におい
て、前記光電変換手段の動作状態を、前記感光素子への
同一の入射光量に対して前記電気信号を線形的に変換す
る第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り
換え可能としたことを特徴とする。

【００１０】請求項１〜請求項３のような構成の固体撮
像装置によると、被写体の輝度状態及び撮像時の環境に
応じて、ダイナミックレンジを変更することができる。
例えば、フォトダイオードで発生した光電荷をＭＯＳト
ランジスタを用いて変換する場合、このＭＯＳトランジ
スタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させる
と、対数変換状態（第２状態）となり、ダイナミックレ
ンジが大きくとれる。しかしながら、低輝度で動く被写
体を撮像すると、対数変換動作では、残像が目立つよう
になる。

【００１１】それは、対数変換動作では、ＭＯＳトラン
ジスタがＯＮ状態となっていてフォトダイオードの発生
する電気信号をリアルタイムで対数変換してＭＯＳトラ
ンジスタから出力するが、ＭＯＳトランジスタのゲート
側の電荷及びこのゲートに接続されたフォトダイオード
の寄生容量などに蓄積された電荷が放電されず、前の情
報が残るからである。これは、輝度が低い場合に特に目
立つ。又、対数変換では、一般に変換出力が小さいの
で、Ｓ／Ｎ比（信号／ノイズ比）が悪い。

【００１２】これに対して、ＭＯＳトランジスタをＯＦ
Ｆ状態にしている線形変換状態（第１状態）では、ダイ
ナミックレンジは狭いが、光電変換手段から出力される
信号は大きく得られるので、Ｓ／Ｎ比がよい。又、ＯＦ
Ｆ状態のＭＯＳトランジスタのゲートやフォトダイオー
ドで光電荷が積分されることと、リセットされることに
より、前の情報が残らないようにできる。

【００１３】従って、低輝度から高輝度の広い範囲にわ
たる被写体の撮像には、光電変換手段を第２状態（対数
変換）に切り換えて使用し、低輝度の被写体や、輝度範
囲の狭い被写体の撮像には、光電変換手段を第１状態
（線形変換）に切り換えて使用すると良い。

【００１４】又、請求項４に記載の固体撮像装置のよう
に、前記光電変換手段から出力される電気信号を積分す
るキャパシタを設けるとともに、該キャパシタで積分し
た信号を出力信号とすることにより、光源の変動成分や
高周波のノイズがキャパシタで吸収されて除去される。

【００１５】請求項５に記載の固体撮像装置は、請求項
４に記載の固体撮像装置において、前記積分した信号を
前記出力信号線へ出力した後に、前記キャパシタの電荷
を放出するリセット手段を有することを特徴とする。こ
のような固体撮像装置において、そのリセット手段を、
例えば、請求項６のように、第１電極と第２電極と制御
電極とを備え、前記キャパシタの一端に第１電極が接続
されたトランジスタで構成すると、該トランジスタの制
御電極に印加する電圧のレベルを変化して該トランジス
タを導通させることにより、前記キャパシタに蓄積され
た電荷を簡単に放出することができる。

【００１６】請求項７に記載の固体撮像装置は、入射し
た光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有する光
電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ
導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配して
なる二次元の固体撮像装置において、各画素の光電変換
手段の動作状態を、前記感光素子への入射光量とは独立
して、前記電気信号を線形的に変換する第１状態と、自
然対数的に変換する第２状態とに切り換え可能としたこ
とを特徴とする。

【００１７】又、請求項８に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号
線へ導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配
してなる二次元の固体撮像装置において、各画素の光電
変換手段の動作状態を、前記光電変換手段に送出される
信号に基づいて、前記電気信号を線形的に変換する第１
状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換え可
能としたことを特徴とする。

【００１８】又、請求項９に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号
線へ導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配
してなる二次元の固体撮像装置において、各画素の光電
変換手段の動作状態を、前記感光素子への同一の入射光
量に対して前記電気信号を線形的に変換する第１状態
と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換え可能と
したことを特徴とする。

【００１９】請求項７〜請求項９のような構成の固体撮
像装置によると、被写体の輝度状態及び撮像時の環境に
応じて、ダイナミックレンジを変更することができるデ
ジタルカメラやビデオカメラを実現することができる。
又、請求項１０に記載の固体撮像装置のように、前記各
画素が、前記光電変換手段の出力信号を増幅する増幅用
トランジスタを有し、該増幅用トランジスタの出力信号
を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力するように
なっていると、各画素からの信号が大きく安定した状態
で読み出される。

【００２０】更に、請求項１１に記載するように、請求
項１０に記載の固体撮像装置において、前記出力信号線
に接続されたその総数が全画素数より少ない負荷抵抗又
は定電流源を有するような固体撮像装置であっても良
い。この負荷抵抗又は定電流源を設けることによって、
各画素から出力される電流信号を電圧信号として読み出
すことができる。このような固体撮像装置において、請
求項１２に記載するように、前記負荷抵抗又は定電流源
は、前記出力信号線に接続された第１電極と、直流電圧
に接続された第２電極と、直流電圧に接続された制御電
極とを有するトランジスタであっても良い。

【００２１】請求項１２に記載の固体撮像装置におい
て、請求項１３に記載するように、前記増幅用トランジ
スタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとするとき、前
記増幅用トランジスタの第１電極に印加される直流電圧
を、前記負荷抵抗又は定電流源となるトランジスタの第
２電極に接続される直流電圧よりも高電位とすればよ
い。又、請求項１４に記載するように、前記増幅用トラ
ンジスタをＰチャネルのＭＯＳトランジスタとすると
き、前記増幅用トランジスタの第１電極に印加される直
流電圧を、前記負荷抵抗又は定電流源となるトランジス
タの第２電極に接続される直流電圧よりも低電位とすれ
ばよい。

【００２２】更に、請求項７〜１４のいずれかに記載の
固体撮像装置において、請求項１５に記載するように、
前記導出路に、全画素の中から所定のものを順次選択
し、選択された画素から増幅された信号を出力信号線に
導出するスイッチを設けることによって、各画素から前
記出力信号線に出力される信号を順次読み出してシリア
ルデータとして出力することができる。

【００２３】請求項１６に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加
された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極
とを備え、第１電極及び制御電極が光電変換素子の第２
電極に接続され、光電変換素子からの出力電流が流れ込
む第１のトランジスタと、第１電極と第２電極と制御電
極とを備え、第１電極に直流電圧が印加されるとともに
制御電極が前記第１のトランジスタの制御電極に接続さ
れ、第２電極から電気信号を出力する第２のトランジス
タとから構成され、前記第１のトランジスタの第１電極
と第２電極の間の電位差を変化させることによって、光
電変換手段の動作を、前記第１状態と前記第２状態とに
切り換えることができることを特徴とする。

【００２４】このような構成の固体撮像装置によると、
前記第１のトランジスタの第１電極と第２電極の間の電
位差を変えることによって、光電変換手段の動作を、前
記第１状態と前記第２状態とに切り換えて、そのダイナ
ミックレンジの大きさを変更することができる。

【００２５】請求項１７に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加
された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極
とを備え、第１電極が光電変換素子の第２電極に接続さ
れ、光電変換素子からの出力電流が流れ込むとともに第
２電極と制御電極が接続された第１のトランジスタと、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１のトラ
ンジスタの第１電極に接続され、第２電極から電気信号
を出力する第２のトランジスタとから構成され、前記第
１のトランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を
変化させることによって、光電変換手段の動作を、前記
第１状態と前記第２状態とに切り換えることができるこ
とを特徴とする。

【００２６】このような構成の固体撮像装置によると、
前記第１のトランジスタの第１電極と第２電極の間の電
位差を変えることによって、光電変換手段の動作を、前
記第１状態と前記第２状態とに切り換えて、そのダイナ
ミックレンジの大きさを変更することができる。

【００２７】請求項１８に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１７に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が前記第１状態で動作して電気信号を前記
出力信号線へ出力した後に、前記光電変換手段を初期化
するためのリセット手段が設けられたことを特徴とす
る。

【００２８】請求項１９に記載の固体撮像装置は、請求
項１６又は請求項１７に記載の固体撮像装置において、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前
記第１、第２のトランジスタの制御電極に接続されると
ともに第２電極が直流電圧に接続された第３のトランジ
スタを有し、前記光電変換手段が前記第１状態で動作し
て電気信号を前記出力信号線へ出力した後に、第３のト
ランジスタの制御電極に印加する電圧のレベルを変化さ
せて第３のトランジスタを導通させ、前記第１、第２の
トランジスタに蓄積された電荷を放出させることによっ
て、前記光電変換手段をリセットすることを特徴とす
る。

【００２９】このような固体撮像装置において、前記光
電変換手段を前記第１状態で動作させたとき、前記光電
変換素子からの出力電流に応じて前記第２のトランジス
タの制御電極の電圧を変化させるために、前記第１、第
２のトランジスタに蓄積させた電荷を、前記第３のトラ
ンジスタによって放出して、光電変換手段をリセットす
ることができる。

【００３０】請求項２０に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記光電変換手段が、第２電極に直流電圧が印加
された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極
とを備え、第２電極が前記光電変換素子の第１電極に接
続された第１のトランジスタと、第１電極と第２電極と
制御電極とを備え、第１電極に直流電圧が印加されると
ともに制御電極が前記第１のトランジスタの第２電極に
接続され、第２電極から電気信号を出力する第２のトラ
ンジスタと、から構成され、前記第１のトランジスタの
制御電極に与える電圧を変化させることによって、光電
変換手段の動作を、前記第１状態と前記第２状態とに切
り替えることができることを特徴とする。

【００３１】このような固体撮像装置によると、前記第
１のトランジスタをサブスレッショルド領域で動作する
ように該第１のトランジスタの制御電極に電圧を与える
ことによって、前記光電変換手段を第２状態（対数変
換）で動作させることができる。又、前記第１のトラン
ジスタを非導通状態になるように制御電極に電圧を与え
ることによって、第２のトランジスタの制御電極に電荷
を蓄積させて、前記光電変換手段を第１状態（線形変
換）で動作させることができる。

【００３２】又、請求項２１に記載するように、第１電
極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前記第１
のトランジスタの第２電極に接続されるとともに第２電
極が前記光電変換素子の第１電極に接続されることによ
って、前記第１のトランジスタ及び前記光電変化素子と
直列に接続された第３のトランジスタを設けて、前記光
電変化手段を前記第１状態で動作させる場合は、前記第
３のトランジスタを常に導通状態にし、前記光電変換手
段を前記第２状態で動作させる場合は、撮像動作させる
ときは前記第３のトランジスタを導通状態にし、又、各
画素のバラツキを検出するときは前記第３のトランジス
タを非導通状態にするようにしても構わない。

【００３３】このように第３のトランジスタを設けたと
き、前記光電変換手段を第１状態で動作させる場合、撮
像動作させるときは前記第１のトランジスタを非導通状
態にし、又、リセットするときは前記第１のトランジス
タを導通状態にして前記第２のトランジスタの制御電極
の電圧をリセットする。又、前記光電変換手段を第２状
態で動作させる場合、撮像動作させるときは前記第３の
トランジスタを導通状態にして前記第１のトランジスタ
をサブスレッショルド領域で動作させる。又、この場
合、各画素の感度のバラツキを検出するときは前記第３
のトランジスタを非導通状態にするとともに、前記第１
のトランジスタの第１電極に印加する電圧を変化させ
て、前記第１のトランジスタの閾値電圧によって生じる
各画素の感度のバラツキを検出する。

【００３４】請求項２２に記載の固体撮像装置は、画素
をマトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置にお
いて、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダイオ
ードの一方の電極に第１電極とゲート電極が接続された
第１ＭＯＳトランジスタと、該第１ＭＯＳトランジスタ
のゲート電極にゲート電極が接続された第２ＭＯＳトラ
ンジスタと、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極
に第１電極が接続され、第２電極が直流電圧に接続され
るとともに、ゲート電極に入力される電圧のレベルの切
り換えによって、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート
電極に蓄積された電荷を放出してリセットする第３ＭＯ
Ｓトランジスタとを有し、前記フォトダイオードから出
力される電気信号を自然対数的に変換して前記第２ＭＯ
Ｓトランジスタの第２電極から出力させるときは、前記
第１ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレッショル
ド領域で動作させ、一方、前記フォトダイオードから出
力される電気信号を線形的に変換して前記第２ＭＯＳト
ランジスタの第２電極から出力させるときは、前記第１
ＭＯＳトランジスタの第２電極と前記フォトダイオード
の他方の電極の電位を接近させることにより前記第１Ｍ
ＯＳトランジスタを不作動状態とするとともに、電気信
号を出力した後、前記第３ＭＯＳトランジスタのゲート
電極に入力する電圧のレベルを切り換えることによって
前記第３ＭＯＳトランジスタを導通させて、少なくとも
前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極及びゲート電極
に蓄積された電荷を放出してリセットすることを特徴と
する。

【００３５】請求項２３に記載の固体撮像装置は、画素
をマトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置にお
いて、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダイオ
ードの一方の電極に第１電極が接続され、第２電極とゲ
ート電極が同一の直流電圧に接続された第１ＭＯＳトラ
ンジスタと、該第１ＭＯＳトランジスタの第１電極にゲ
ート電極が接続された第２ＭＯＳトランジスタと、前記
第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に第１電極が接続さ
れ、第２電極が直流電圧に接続されるとともに、そのゲ
ート電極に入力する電圧のレベルを切り換えることによ
って、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に蓄積さ
れた電荷を放出してリセットする第３ＭＯＳトランジス
タとを有し、前記フォトダイオードから出力される電気
信号を自然対数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジス
タの第２電極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳト
ランジスタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作
させ、一方、前記フォトダイオードから出力される電気
信号を線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの
第２電極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタの第２電極と前記フォトダイオードの他方の電極
の電位を接近させることにより前記第１ＭＯＳトランジ
スタを不作動状態とするとともに、電気信号を出力した
後、前記第３ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力す
る電圧のレベルを切り換えることによって前記第３ＭＯ
Ｓトランジスタを導通させて、少なくとも前記第１ＭＯ
Ｓトランジスタの第１電極及び前記第２ＭＯＳトランジ
スタのゲート電極に蓄積された電荷を放出してリセット
することを特徴とする。

【００３６】請求項２４に記載の固体撮像装置は、画素
をマトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置にお
いて、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダイオ
ードの一方の電極に第１電極が接続され、ゲート電極が
直流電圧に接続された第１ＭＯＳトランジスタと、該第
１ＭＯＳトランジスタの第１電極にゲート電極が接続さ
れた第２ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタの第１電極に第１電極が接続され、第２電極が直
流電圧に接続されるとともに、そのゲート電極に入力す
る電圧のレベルを切り換えることによって、前記第１Ｍ
ＯＳトランジスタの第１電極に蓄積された電荷を放出し
てリセットする第３ＭＯＳトランジスタとを有し、前記
フォトダイオードから出力される電気信号を自然対数的
に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から
出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタを閾値
以下のサブスレッショルド領域で動作させ、一方、前記
フォトダイオードから出力される電気信号を線形的に変
換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力
させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極
と前記フォトダイオードの他方の電極の電位を接近させ
ることにより前記第１ＭＯＳトランジスタを不作動状態
とするとともに、電気信号を出力した後、前記第３ＭＯ
Ｓトランジスタのゲート電極に入力する電圧のレベルを
切り換えることによって前記第３ＭＯＳトランジスタを
導通させて、少なくとも前記第１ＭＯＳトランジスタの
第１電極及び前記第２ＭＯＳトランジスタのゲート電極
に蓄積された電荷を放出してリセットすることを特徴と
する。

【００３７】請求項２５に記載の固体撮像装置は、画素
をマトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置にお
いて、各画素が、フォトダイオードと、第１電極と第２
電極とゲート電極とを備えた第１ＭＯＳトランジスタ
と、該第１ＭＯＳトランジスタの第２電極にゲート電極
が接続された第２ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯ
Ｓトランジスタの第２電極に第１電極が接続され、第２
電極が前記補とダイオードの一方の電極に接続された第
３ＭＯＳトランジスタとを有し、前記フォトダイオード
から出力される電気信号を自然対数的に変換して前記第
２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力させるとき
は、前記第１ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレ
ッショルド領域で動作させ、一方、前記フォトダイオー
ドから出力される電気信号を線形的に変換して前記第２
ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力させるときは、
前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電
圧のレベルを切り換えて前記第１ＭＯＳトランジスタを
非導通状態とするとともに、電気信号を出力した後、前
記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電圧
のレベルを切り換えることによって前記第１ＭＯＳトラ
ンジスタを導通させ、前記第１ＭＯＳトランジスタの第
１電極に印加される電圧を前記第２ＭＯＳトランジスタ
のゲート電極に与えてリセットすることを特徴とする。

【００３８】請求項２６に記載の固体撮像装置は、請求
項２５に記載の固体撮像装置において、前記第１ＭＯＳ
トランジスタの第２電極に第１電極が接続され、第２電
極が前記フォトダイオードの一方の電極に接続された第
３ＭＯＳトランジスタを有し、前記フォトダイオードか
ら出力される電気信号を線形的に変換して前記第２ＭＯ
Ｓトランジスタの第２電極から出力させる場合は、常に
前記第３ＭＯＳトランジスタを導通状態にし、前記フォ
トダイオードから出力される電気信号を自然対数的に変
換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力
させる場合は、撮像させるときは前記第３ＭＯＳトラン
ジスタを導通状態にし、又、各画素のバラツキを検出す
るときは前記第３ＭＯＳトランジスタを非導通状態にす
ることを特徴とする。

【００３９】請求項２７に記載の固体撮像装置は、請求
項２２〜請求項２６のいずれかに記載の固体撮像装置に
おいて、前記画素が、第１電極が前記第２ＭＯＳトラン
ジスタの第２電極に接続され、第２電極が出力信号線に
接続され、ゲート電極が行選択線に接続された第５ＭＯ
Ｓトランジスタを有することを特徴とする。

【００４０】請求項２８に記載の固体撮像装置は、請求
項２２〜請求項２４のいずれかに記載の固体撮像装置に
おいて、前記画素が、第１電極が直流電圧に接続され、
ゲート電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に
接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第
２電極から出力される出力信号を増幅する第４ＭＯＳト
ランジスタを有することを特徴とする。このような構成
の固体撮像装置において、請求項２９に記載するよう
に、前記画素に、第１電極が前記第４ＭＯＳトランジス
タの第２電極に接続され、第２電極が出力信号線に接続
され、ゲート電極が行選択線に接続された第５ＭＯＳト
ランジスタを設けて、この第５ＭＯＳトランジスタを行
選択用のスイッチとすることができる。

【００４１】請求項２８又は請求項２９の固体撮像装置
において、請求項３０に記載するように、前記画素に、
前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続さ
れ他端が前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続
される信号線に接続されるとともに、前記第２ＭＯＳト
ランジスタの第１電極にリセット電圧が与えられたとき
に前記第２ＭＯＳトランジスタを介してリセットされる
キャパシタを設けても良い。このような構成にすること
によって、画素から出力される信号が、一旦キャパシタ
で積分された信号となるので、光源の変動成分や高周波
のノイズがキャパシタで吸収されて除去される。更に、
前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極にリセット電圧
を与えることによって、前記第２ＭＯＳトランジスタを
介してキャパシタ内の電荷が放出されてリセットされ
る。

【００４２】又、請求項３１に記載するように、前記画
素において、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極が
直流電圧に接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトラン
ジスタの第２電極に第１電極が接続され第２電極に直流
電圧が接続された第６ＭＯＳトランジスタと、前記第２
ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続され他端が
前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続される信
号線に接続されるとともに、前記第６ＭＯＳトランジス
タのゲート電極にリセット電圧が与えられたときに前記
第６ＭＯＳトランジスタを介してリセットされるキャパ
シタと、を設けても良い。このような構成にすることに
よって、画素から出力される信号が、一旦キャパシタで
積分された信号となるので、光源の変動成分や高周波の
ノイズがキャパシタで吸収されて除去される。更に、前
記第６ＭＯＳトランジスタのゲート電極にリセット電圧
を与えることによって、前記第６ＭＯＳトランジスタを
介してキャパシタ内の電荷が放出されてリセットされ
る。

【００４３】請求項２５又は請求項２６に記載の固体撮
像装置において、請求項３２に記載するように、前記画
素に、前記画素が、第１電極が直流電圧に接続され、ゲ
ート電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に接
続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第２
電極から出力される出力信号を増幅する第４ＭＯＳトラ
ンジスタ設けた構成としても構わない。又、このような
構成の固体撮像装置において、請求項３３に記載するよ
うに、前記画素に、第１電極が前記第４ＭＯＳトランジ
スタの第２電極に接続され、第２電極が出力信号線に接
続され、ゲート電極が行選択線に接続された第５ＭＯＳ
トランジスタを設けても構わない。

【００４４】又、請求項３２又は請求項３３に記載の固
体撮像装置において、請求項３４に記載するように、前
記画素に、前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一
端が接続され他端が直流電圧に接続されるとともに、前
記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極にリセット電圧が
与えられたときに前記第２ＭＯＳトランジスタを介して
リセットされるキャパシタを設けても良い。このような
構成にすることによって、画素から出力される信号が、
一旦キャパシタで積分された信号となるので、光源の変
動成分や高周波のノイズがキャパシタで吸収されて除去
される。更に、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極
にリセット電圧を与えることによって、前記第２ＭＯＳ
トランジスタを介してキャパシタ内の電荷が放出されて
リセットされる。

【００４５】このような構成の固体撮像装置において、
請求項３５に記載するように、前記第２ＭＯＳトランジ
スタが前記第１ＭＯＳトランジスタと逆の極性のＭＯＳ
トランジスタとしても構わない。

【００４６】又、請求項３６に記載するように、前記画
素において、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極が
直流電圧に接続されるとともに、前記画素が、前記第２
ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接続され第
２電極に直流電圧が接続された第６ＭＯＳトランジスタ
と、前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接
続され他端が直流電圧に接続されるとともに、前記第６
ＭＯＳトランジスタのゲート電極にリセット電圧が与え
られたときに前記第６ＭＯＳトランジスタを介してリセ
ットされるキャパシタと、を設けても構わない。このよ
うな構成にすることによって、画素から出力される信号
が、一旦キャパシタで積分された信号となるので、光源
の変動成分や高周波のノイズがキャパシタで吸収されて
除去される。更に、前記第６ＭＯＳトランジスタのゲー
ト電極にリセット電圧を与えることによって、前記第６
ＭＯＳトランジスタを介してキャパシタ内の電荷が放出
されてリセットされる。

【００４７】このような構成の固体撮像装置において、
請求項３７に記載するように、前記第２及び第６ＭＯＳ
トランジスタを前記第１ＭＯＳトランジスタと逆の極性
のＭＯＳトランジスタとしても構わない。

【００４８】請求項３８に記載の固体撮像装置は、請求
項２２〜請求項３７のいずれかに記載の固体撮像装置に
おいて、前記画素に対し前記出力信号線を介して接続さ
れた負荷抵抗又は定電流源を成すＭＯＳトランジスタを
備えていることを特徴とする。

【００４９】

【発明の実施の形態】＜画素構成の第１例＞以下、本発
明の固体撮像装置の各実施形態を図面を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施形態である二次元のＭＯＳ型
固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。同図
において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）
された画素を示している。２は垂直走査回路であり、行
（ライン）４−１、４−２、・・・、４−ｎを順次走査
していく。３は水平走査回路であり、画素から出力信号
線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変
換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源
ラインである。各画素に対し、上記ライン４−１、４−
２・・・、４−ｎや出力信号線６−１、６−２・・・、
６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例え
ば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続さ
れるが、図１ではこれらについて省略し、図２に示す第
１の実施形態において示している。

【００５０】出力信号線６−１、６−２、・・・、６−
ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ２が図示の
如く１つずつ設けられている。出力信号線６−１を例に
とって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン
は出力信号線６−１に接続され、ソースは最終的な信号
線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接続されて
いる。尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のＮ
チャネルの第５ＭＯＳトランジスタＴ５も設けられてい
る。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ５は行の選択を行う
ものであり、トランジスタＱ２は列の選択を行うもので
ある。

【００５１】＜第１の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第１の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。

【００５２】図２において、ｐｎフォトダイオードＰＤ
が感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダ
イオードＰＤのアノードは第１ＭＯＳトランジスタＴ１
のドレインとゲート、第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲ
ート、及び第３ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接
続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選
択用の第５ＭＯＳトランジスタのＴ５のドレインに接続
されている。ＭＯＳトランジスタのソースは出力信号線
６（この出力信号線６は図１の６−１、６−２、・・
・、６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳ
トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５は、Ｎチャネルの
ＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。

【００５３】又、フォトダイオードＰＤのカソードには
直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１のソースには信号φＶPSが印加さ
れ、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには他端に信号φ
ＶPSが印加されるキャパシタＣの一端が接続される。Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３のソースには直流電圧ＶRBが印加
されるとともに、そのゲートには信号φＶRSが入力され
る。ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには信号φＤが
入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートには
信号φＶが入力される。尚、本実施形態において、信号
φＶPSは、２値的に変化するものとし、ＭＯＳトランジ
スタＴ１，Ｔ２をサブスレッショルド領域で動作させる
ための電圧をローレベルとし、直流電圧ＶPDと略等しい
電圧をハイレベルとする。

【００５４】この実施形態において、信号φＶPSの電圧
値を切り換えてＭＯＳトランジスタＴ１のバイアスを変
えることにより、単一の画素において出力信号線６に導
出される出力信号をフォトダイオードＰＤが入射光に応
じて出力する電気信号（以下、「光電流」という。）に
対して自然対数的に変換させる場合と、線形的に変換さ
せる場合とを実現することができる。以下、これらの各
場合について説明する。

【００５５】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 まず、信号φＶPSをローレベルとし、ＭＯＳトランジス
タＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するよう
にバイアスされているときの動作について、図２及び図
３を用いて説明する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートには、ローレベルの信号φＶRSが与えられる
ので、ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的
に存在しないことと等価になる。

【００５６】ところで、フォトダイオードＰＤは、例え
ば、図３（ａ）のように、Ｐ型の半導体基板（以下、
「Ｐ型基板」という。）１０に、Ｎ型ウェル層１１を形
成するとともに、そのＮ型ウェル層１１にＰ型拡散層１
２を設けることによって形成される。又、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１は、Ｐ型基板１０にＮ型拡散層１３，１４を
形成し、且つ、そのＮ型拡散層１３，１４間のチャンネ
ル上に順次、酸化膜１５とポリシリコン層１６を形成す
ることによって構成される。ここで、Ｎ型ウェル層１１
がフォトダイオードＰＤのカソード側を形成するととも
に、Ｐ型拡散層１２がアノード側を形成する。又、Ｎ型
拡散層１３，１４が、それぞれＭＯＳトランジスタＴ１
のドレイン、ソースを形成するとともに、酸化膜１５及
びポリシリコン層１６がそれぞれゲート絶縁膜とゲート
電極を形成する。このような構成のフォトダイオードＰ
Ｄ及びＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャルは、信号
φＶPSがローレベルのとき、図３（ｂ）のようになる。

【００５７】図２の回路において、フォトダイオードＰ
Ｄに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジス
タのサブスレッショルド特性により、前記光電流を自然
対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１，
Ｔ２のゲートに発生する。この電圧により、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２に電流が流れ、キャパシタＣには前記光電
流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷が蓄
積される。つまり、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタ
Ｔ２のソースとの接続ノードａに、前記光電流の積分値
を自然対数的に変換した値に比例した電圧が生じること
になる。ただし、このとき、ＭＯＳトランジスタＴ５は
ＯＦＦの状態であるとする。

【００５８】次に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯ
Ｎにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電
流として出力信号線６に導出される。この出力信号線６
に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に
変換した値となる。このようにして入射光量の対数値に
比例した信号（出力電流）を読み出すことができる。
又、信号読み出し後、トランジスタＴ５をＯＦＦする。
この後、トランジスタＴ５をＯＦＦとするとともに信号
φＤをローレベルにしてトランジスタＴ２を通して信号
φＤの信号線路へキャパシタＣに蓄積された電荷を放電
することによって、キャパシタＣ及び接続ノードａの電
位が初期化される。このような動作を所定の時間間隔で
繰り返すことにより、刻々と変化する被写体像を広いダ
イナミックレンジで連続的に撮像することができる。
尚、このように入射光量に対してその出力電流を自然対
数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベルの
ままである。

【００５９】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合。 次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動作につい
て説明する。このとき、フォトダイオードＰＤ及びＭＯ
ＳトランジスタＴ１のポテンシャルは、図３（ｃ）のよ
うになる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１は実質的に
ＯＦＦ状態となり、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース・
ドレイン間に電流が流れない。又、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３のゲートに与える信号φＶRSをローレベルに保ち、
ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦする。

【００６０】そして、まず、ＭＯＳトランジスタＴ５を
ＯＦＦするとともに信号φＤをローレベル（信号φＶPS
よりも低い電位）にするとキャパシタＣの電荷がトラン
ジスタＴ２を通して信号φＤの信号線路へ放電され、そ
れによってキャパシタＣをリセットして、接続ノードａ
の電位を例えば直流電圧ＶPDより低い電位に初期化す
る。この電位はキャパシタＣによって保持される。その
後、φＤをハイレベル（直流電圧ＶPDと同じ又は直流電
圧ＶPDに近い電位）に戻す。このような状態において、
フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生す
る。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１のバックゲート
とゲートとの間やフォトダイオードＰＤの接合容量など
でキャパシタを構成するので、光電流による電荷が主と
してＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに蓄積され
る。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電
圧が前記光電流を積分した値に比例した値になる。

【００６１】今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDよ
り低いので、ＭＯＳトランジスタＴ２はＯＮし、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流が
ＭＯＳトランジスタＴ２を流れ、ＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄
積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を
積分した値に比例した値になる。次に、ＭＯＳトランジ
スタＴ５のゲートにパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳト
ランジスタＴ５をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積さ
れた電荷が、出力電流として出力信号線６に導出され
る。この出力電流は前記光電流の積分値を線形的に変換
した値となる。

【００６２】このようにして入射光量に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。又、この後、ト
ランジスタＴ５をＯＦＦとするとともに信号φＤをロー
レベルにしてトランジスタＴ２を通して信号φＤの信号
線路へ放電することによって、キャパシタＣ及び接続ノ
ードａの電位が初期化される。しかる後、ＭＯＳトラン
ジスタＴ３のゲートにハイレベルの信号φＶRSを与える
ことで、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとして、フォト
ダイオードＰＤ、トランジスタＴ１のドレイン電圧及び
トランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧を初期化させる。
このような動作を所定の時間間隔で繰り返すことによ
り、刻々と変化する被写体像をＳ／Ｎ比の良好な状態で
連続的に撮像することができる。

【００６３】このように、本実施形態においては、簡単
な電位操作により、入射光量とは独立して、同一の画素
で複数の出力特性を切り換えることが可能になる。即
ち、各画素へ送る信号に基づいて、感光素子（フォトダ
イオードＰＤ）の入射光量が同じであっても、任意に対
数変換して出力する状態と、線形的に変換して出力する
状態とを切り換えることができる。

【００６４】尚、信号を対数変換して出力する状態から
線形変換して出力する状態に切り換える際には、まずφ
ＶPSの電位調整により出力の切り換えを行ってから、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３によるＭＯＳトランジスタＴ１な
どのリセットを行うことが好ましい。一方、信号を線形
変換して出力する状態から対数変換して出力する状態に
切り換える際には、ＭＯＳトランジスタＴ３によるＭＯ
ＳトランジスタＴ１などのリセットは特に必要ない。こ
れは、ＭＯＳトランジスタＴ１が完全なＯＦＦ状態では
ないことに起因してＭＯＳトランジスタＴ１に蓄積され
たキャリアは逆極性のキャリアによってうち消されるた
めである。

【００６５】又、各画素からの信号読み出しは電荷結合
素子（ＣＣＤ）を用いて行うようにしてもかまわない。
この場合、図２のＭＯＳトランジスタＴ５に相当するポ
テンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を設
けることにより、ＣＣＤへの電荷読み出しを行えばよ
い。

【００６６】＜画素構成の第２例＞図４は本発明の他の
実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の
構成を概略的に示している。同図において、Ｇ11〜Ｇｍ
ｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示してい
る。２は垂直走査回路であり、行（ライン）４−１、４
−２、・・・、４−ｎを順次走査していく。３は水平走
査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・
・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水
平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素
に対し、上記ライン４−１、４−２・・・、４−ｎや出
力信号線６−１、６−２・・・、６−ｍ、電源ライン５
だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバ
イアス供給ライン等）も接続されるが、図４ではこれら
について省略し、図６以降の各実施形態において示して
いる。

【００６７】出力信号線６−１、６−２、・・・、６−
ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が
図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線６−１
を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲ
ートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号線
６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン８
に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のド
レインは出力信号線６−１に接続され、ソースは最終的
な信号線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接続
されている。

【００６８】画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、
それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力する
ＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴａが設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴａと上記ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１との接続関係は図５（ａ）のようになる。このＭＯ
ＳトランジスタＴａは、第２、第３、第６、第７、第１
１、及び第１２の実施形態では、第４ＭＯＳトランジス
タＴ４に、第４、第５、第８〜第１０、及び第１３の実
施形態では、第２ＭＯＳトランジスタＴ２に相当する。
ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される
直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴａのドレイン
に接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’
であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）
である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴａ
のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタ
Ｑ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。この
ため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源
と等価であり、図５（ａ）の回路はソースフォロワ型の
増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタ
Ｔａから増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

【００６９】ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路３
によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、
後述するように図６以降の各実施形態の画素内にはスイ
ッチ用のＮチャネルの第５ＭＯＳトランジスタＴ５も設
けられている。この第５ＭＯＳトランジスタＴ５も含め
て表わすと、図５（ａ）の回路は正確には図５（ｂ）の
ようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ５がＭＯＳト
ランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴａとの間に挿入
されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ５は行の選
択を行うものであり、トランジスタＱ２は列の選択を行
うものである。尚、図４および図５に示す構成は以下に
説明する第２の実施形態〜第１３の実施形態に共通の構
成である。

【００７０】図５のように構成することにより信号のゲ
インを大きく出力することができる。従って、画素がダ
イナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光
電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのま
までは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大き
な信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せ
ず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗
部分を構成するトランジスタＱ１を画素内に設けずに、
列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線
６−１、６−２、・・・、６−ｍごとに設けることによ
り、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チッ
プ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。

【００７１】＜第２の実施形態＞図４に示した画素構成
の第２例の各画素に適用される第２の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図２に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００７２】図６に示すように、本実施形態では、図２
に示す画素に、接続ノードａにゲートが接続され接続ノ
ードａにかかる電圧に応じた電流増幅を行う第４ＭＯＳ
トランジスタＴ４と、このＭＯＳトランジスタＴ４のソ
ースにドレインが接続された行選択用の第５ＭＯＳトラ
ンジスタＴ５と、接続ノードａにドレインが接続されキ
ャパシタＣ及び接続ノードａの電位の初期化を行う第６
ＭＯＳトランジスタＴ６とが付加された構成となる。Ｍ
ＯＳトランジスタＴ５のソースは出力信号線６（この出
力信号線６は図４の６−１、６−２、・・・、６−ｍに
対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４〜Ｔ６も、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３と同様
に、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが
接地されている。

【００７３】又、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４のドレ
インには直流電圧ＶPDが印加され、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ５のゲートには信号φＶが入力される。又、ＭＯＳト
ランジスタＴ６のソースには直流電圧ＶRB2が印加され
るとともに、そのゲートには信号φＶRS2が入力され
る。尚、本実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１
〜Ｔ３及びキャパシタＣは、第１の実施形態（図２）と
同様の動作を行い、信号φＶPSの電圧値を切り換えてＭ
ＯＳトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、
出力信号線６に導出される出力信号を光電流に対して自
然対数的に変換させる場合と、線形的に変換させる場合
とを実現することができる。以下これらの各場合におけ
る動作を説明する。

【００７４】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 まず、信号φＶPSをローレベルとし、ＭＯＳトランジス
タＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するよう
にバイアスされているときの動作について、説明する。
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、第１
の実施形態と同様にローレベルの信号φＶRSが与えられ
るので、ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質
的に存在しないことと等価になる。

【００７５】フォトダイオードＰＤに光が入射すると光
電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショル
ド特性により、前記光電流を自然対数的に変換した値の
電圧がＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに発生す
る。この電圧により、ＭＯＳトランジスタＴ２に電流が
流れ、キャパシタＣには前記光電流の積分値を自然対数
的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。つまり、キ
ャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続
ノードａに、前記光電流の積分値を自然対数的に変換し
た値に比例した電圧が生じることになる。ただし、この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６はＯＦＦ状態であ
る。

【００７６】次に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにかかる
電圧に比例した電流がＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５を
通って出力信号線６に導出される。今、ＭＯＳトランジ
スタＴ４のゲートにかかる電圧は、接続ノードａにかか
る電圧であるので、出力信号線６に導出される電流は前
記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。

【００７７】このようにして入射光量の対数値に比例し
た信号（出力電流）を読み出すことができる。信号読み
出し後はＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにするととも
に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにハイレベルの信
号φＶRS2を与えることでＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎとして、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初期
化させることができる。尚、このように入射光量に対し
てその出力電流を自然対数的に変換する場合、信号φＶ
RSは、常にローレベルのままである。

【００７８】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合。 次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動作につい
て説明する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲー
トにローレベルの信号φＶRSを与えて、ＭＯＳトランジ
スタＴ３はＯＦＦとする。そして、まず、ＭＯＳトラン
ジスタＴ６のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を与え
て該ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮすることによりキャ
パシタＣをリセットするとともに、接続ノードａの電位
を直流電圧ＶPDより低い電位ＶRB2に初期化する。この
電位はキャパシタＣによって保持される。その後、信号
φＶRS2をローレベルとして、ＭＯＳトランジスタＴ６
をＯＦＦとする。このような状態において、フォトダイ
オードＰＤに光が入射すると光電流が発生する。このと
き、ＭＯＳトランジスタＴ１のバックゲートとゲートと
の間やフォトダイオードＰＤの接合容量でキャパシタを
構成するので、光電流による電荷がＭＯＳトランジスタ
Ｔ１のゲート及びドレインに蓄積される。よって、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧が前記光電流を
積分した値に比例した値になる。

【００７９】今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDよ
り低いので、ＭＯＳトランジスタＴ２はＯＮし、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流が
ＭＯＳトランジスタＴ２を流れ、ＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄
積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を
積分した値に比例した値になる。次に、ＭＯＳトランジ
スタＴ５のゲートにパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳト
ランジスタＴ５をＯＮにすると、ＭＯＳトランジスタＴ
４のゲートにかかる電圧に比例した電流がＭＯＳトラン
ジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線６に導出される。
ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにかかる電圧は、接続
ノードａの電圧であるので、出力信号線６に導出される
電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値とな
る。

【００８０】このようにして入射光量に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。信号読み出し後
は、まず、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにするとと
もに、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにハイレベルの
信号φＶRSを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＮとして、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトランジス
タＴ１のドレイン電圧、及びＭＯＳトランジスタＴ１，
Ｔ２のゲート電圧を初期化させる。次に、ＭＯＳトラン
ジスタＴ６のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を与え
ることでＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとして、キャパ
シタＣ及び接続ノードａの電位を初期化させる。

【００８１】＜第３の実施形態＞第３の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００８２】図７に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ２のドレインに信号φＤを与えること
によってキャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初期化
するようにし、それによってＭＯＳトランジスタＴ６を
削除した構成となっている。その他の構成は第２の実施
形態（図６）と同一である。尚、信号φＤのハイレベル
期間では、キャパシタＣで積分が行なわれ、ローレベル
期間では、キャパシタＣの電荷がＭＯＳトランジスタＴ
２を通して放電され、キャパシタＣの電圧及びＭＯＳト
ランジスタＴ４のゲートは略クロックφＤのローレベル
電圧になる（リセット）。本実施形態では、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ６を省略できる分、構成がシンプルになる。

【００８３】この実施形態において、出力電流を光電流
に対して自然対数的に変換させる場合は、ＭＯＳトラン
ジスタＴ３をＯＦＦ状態に固定し、信号φＶPSを直流電
圧ＶPDよりも低い電圧にするとともに、信号φＤをハイ
レベル（例えば、直流電圧ＶPDと略等しい電圧）にし
て、光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の
電荷をキャパシタＣに蓄積する。そして、所定のタイミ
ングでＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、ＭＯＳト
ランジスタＴ４のゲートにかかる電圧に比例した電流を
ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５を通して出力信号線６に
導出する。

【００８４】その後、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦ
するとともに信号φＤをローレベル（信号φＶPSよりも
低い電圧）にすると、キャパシタＣの電荷がＭＯＳトラ
ンジスタＴ２を通して信号φＤの信号線路へ放電され、
それによって、キャパシタＣ及び接続ノードａの電圧が
初期化される。

【００８５】これに対して、出力電流を光電流に対して
線形的に変換させる場合は、まず、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３をＯＦＦにして、信号φＶPSの電圧を直流電圧ＶPD
と略等しくするとともに信号φＤをハイレベルにする。
これに先だって、ＭＯＳトランジスタＴ２を用いた初期
化動作を行うことによって、第２の実施形態と同様に接
続ノードａの直流電圧ＶPDより低い電圧となっている。
このような状態で、光電流の積分値を線形的に変換した
値と同等の電荷をキャパシタＣに蓄積する。そして、所
定のタイミングでＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにし
て、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにかかる電圧に比
例した電流をＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５を通して出
力信号線６に導出する。

【００８６】その後、まず、信号φＤをローレベルにし
てキャパシタＣの電荷をＭＯＳトランジスタＴ２を通し
て信号φＤの信号線路に放電して、接続ノードａの電圧
を信号φＶPSの電圧より低い電圧に初期化する。続い
て、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮして、フォトダイオ
ードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン電圧、及
びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧を初期化
する。

【００８７】＜第４の実施形態＞第４の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図８は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図７に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００８８】図８に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加さ
れるとともに、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタＴ
４を削除した構成となっている。その他の構成は第３の
実施形態（図７）と同一である。

【００８９】このような構成の回路において、第３の実
施形態と同様に、信号φＶPSの電圧値を切り換えてＭＯ
ＳトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、出
力信号線６に導出される出力信号を光電流に対して自然
対数的に変換させる場合と、線形的に変換させる場合と
を実現することができる。

【００９０】このように信号φＶPSの電圧値を切り換え
てＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧をフォトダイオ
ードＰＤで発生する光電流に対して自然対数的に、又
は、線形的に変化させることによって、前記光電流に対
して自然対数的に、又は、線形的に比例した値のドレイ
ン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れる。そして、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ５のゲートに信号φＶを与えてＯＮ
とすると、前記光電流に対して自然対数的に、又は、線
形的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトランジス
タＴ５を通して出力信号線６に導出される。このとき、
ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１
（図４）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決
まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号と
して出力信号線６に現れる。このようにして信号が読み
出された後、ＭＯＳトランジスタＴ５がＯＦＦになる。
入射光量に対して線形的に比例した信号が読み出された
場合、この信号を読み出した後、ＭＯＳトランジスタＴ
３をＯＮにして、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１のドレイン電圧、及びＭＯＳトランジスタＴ
１，Ｔ２のゲート電圧を初期化する。

【００９１】尚、本実施形態では上記第３の実施形態の
ように、光信号をキャパシタＣで一旦積分するというこ
とを行わないので、積分時間が不要となり、又、キャパ
シタＣのリセットも不要であるので、その分信号処理の
高速化が図れる。又、本実施形態では、第３の実施形態
に比し、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタＴ４を省
略できる分、構成が更にシンプルになり画素サイズを小
さくすることができる。

【００９２】＜第５の実施形態＞第５の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図８に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００９３】図９に示すように、本実施形態では、フォ
トダイオードＰＤのカソードに信号φＶPDが入力され、
ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに直流電圧ＶPSが印加
されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに
直流電圧ＶDDが印加される。その他の構成は第４の実施
形態（図８）と同一である。

【００９４】このような構造の画素において、フォトダ
イオードＰＤのカソードに与える信号φＶPDを直流電圧
ＶPSより高いハイレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ
１，Ｔ２をサブスレッショルド領域で動作させる。この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにすると、入射光
量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すこと
ができる。又、フォトダイオードＰＤのカソードに与え
る信号φＶPDを直流電圧ＶPSと同等のローレベルにし
て、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにすると、入射光量
に比例した信号を読み出すことができる。

【００９５】このように、本実施形態は、第４の実施形
態の直流電圧ＶPDを信号φＶPDに、信号φＶPSを直流電
圧ＶPSに変更したものである。よって、上記したよう
に、出力電流を入射光量に対して自然対数的に変換する
場合と線形的に変換する場合と切り換えるために、第４
の実施形態で信号φＶPSのレベルを切り換える代わり
に、本実施形態では信号φＶPDを切り換える。それ以外
の動作については、第４の実施形態における動作と同様
である。

【００９６】＜第６の実施形態＞第６の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１０は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。又、図１１は、画素内のＭＯＳトランジス
タＴ１とフォトダイオードＰＤの構成を示す断面図と、
ＭＯＳトランジスタＴ１のソース、ゲート、ドレインそ
れぞれのポテンシャルを示す図である。尚、図７に示す
画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、
同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００９７】図１０に示すように、本実施形態では、第
３の実施形態（図７）のようにＭＯＳトランジスタＴ１
のドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接
続するようにしている。第３の実施形態における画素の
構造をこのように変更した画素の動作について、図１０
及び図１１を使用して説明する。

【００９８】ところで、フォトダイオードＰＤは、例え
ば、図１１（ａ）のように、Ｐ型基板１０に、Ｎ型ウェ
ル層１１を形成するとともに、そのＮ型ウェル層１１に
Ｐ型拡散層１２を設けることによって形成される。又、
ＭＯＳトランジスタＴ１は、Ｐ型基板１０にＮ型拡散層
１３，１４を形成し、且つ、そのＮ型拡散層１３，１４
間のチャンネル上に順次、酸化膜１５とポリシリコン層
１６を形成することによって構成される。ここで、Ｎ型
ウェル層１１がフォトダイオードＰＤのカソード側を形
成するとともに、Ｐ型拡散層１２がアノード側を形成す
る。又、Ｎ型拡散層１３，１４が、それぞれＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のドレイン、ソースを形成するとともに、
酸化膜１５及びポリシリコン層１６がそれぞれゲート絶
縁膜とゲート電極を形成する。

【００９９】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 まず、信号φＶPSを直流電圧ＶPDに対して十分低い電圧
となるローレベルとしたときの動作について説明する。
このようにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１
のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、図１１
（ｂ）のようにゲート・ソース間に発生する電圧をスレ
ッショルド電圧ＶTHより小さくする。このようにするこ
とによって、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショ
ルド領域で動作するようにバイアスされているときと同
様の状態となる。そのため、フォトダイオードＰＤに光
が入射して光電流が発生すると、ＭＯＳトランジスタの
サブスレッショルド特性により、第１の実施形態で説明
したように、前記光電流を自然対数的に変換した値の電
圧がＭＯＳトランジスタＴ１の第１電極（ここではドレ
イン）に発生する。

【０１００】その後の動作は、第３の実施形態（図７）
と同様の動作を行う。即ち、キャパシタＣに前記光電流
を自然対数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにすると、キ
ャパシタＣへ蓄積された電荷に比例した電流がＭＯＳト
ランジスタＴ４，Ｔ５を通り、出力信号線６へ導出され
る。このようにして、入射光量の対数値に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。その後、ＭＯＳ
トランジスタＴ５をＯＦＦするとともに、信号φＤをロ
ーレベルにし、キャパシタＣの電荷をＭＯＳトランジス
タＴ２を通して信号φＤの信号線路に放電して、キャパ
シタＣ及び接続ノードａの電圧を初期化する。又、この
ように入射光量に対してその出力電流を自然対数的に変
換する場合、信号φＶRSは、常にローレベルのままであ
り、ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとなっている。

【０１０１】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合。 次に、信号φＶPSを直流電圧ＶPDより若干低い電位とな
るハイレベルとしたときの動作について説明する。この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ１において、ソース、ゲー
ト、ドレインのポテンシャルの関係は、図１１（ｃ）の
ようになり、ＭＯＳトランジスタＴ１は実質的にカット
オフ状態となる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１のソ
ース・ドレイン間に電流が流れない。又、ＭＯＳトラン
ジスタＴ３のゲートにローレベルの信号φＶRSを与え
て、ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとする。

【０１０２】そして、まず、ＭＯＳトランジスタＴ２の
ドレインにローレベルの信号φＤを与えることによっ
て、第３の実施形態（図７）と同様に、キャパシタＣを
リセットするとともに、接続ノードａの電位を直流電圧
ＶPDより低い電位にする。その後、信号φＤをハイレベ
ルとする。その後の動作については、第３の実施形態と
同様の動作を行う。即ち、フォトダイオードＰＤに光が
入射して光電流が発生すると、ＭＯＳトランジスタＴ１
のバックゲートとゲートとの間やフォトダイオードＰＤ
の接合容量でキャパシタを構成するので、光電流による
電荷が主としてＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート
に蓄積される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２
のゲート電圧が前記光電流を積分した値に比例した値に
なる。

【０１０３】今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDよ
り低いので、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮし、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流が
ＭＯＳトランジスタＴ２を流れ、ＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄
積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を
積分した値に比例した値になる。このとき、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ５のゲートにパルス信号φＶを与えて、ＭＯ
ＳトランジスタＴ５をＯＮにすると、ＭＯＳトランジス
タＴ４のゲートにかかる電圧に比例した電流がＭＯＳト
ランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線６に導出され
る。

【０１０４】このようにして入射光量に比例した信号
（出力電流）を画素から読み出すことができる。信号読
み出し後は、まず、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦに
するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにハイ
レベルの信号φＶRSを与えることで、ＭＯＳトランジス
タＴ３をＯＮとして、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳト
ランジスタＴ１のドレイン電圧、及びＭＯＳトランジス
タＴ２のゲート電圧を初期化させる。次に、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のドレインにローレベルの信号φＤを与え
ることでＭＯＳトランジスタＴ２を通してキャパシタＣ
の電荷を放電して、キャパシタＣ及び接続ノードａの電
位を初期化させる。

【０１０５】＜第７の実施形態＞第７の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１２は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図１０に示す画素と同様の目的で使用
される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【０１０６】図１２に示すように、本実施形態では、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１のゲートに直流電圧ＶRGが印加さ
れる。このとき、予め直流電圧ＶRGを信号φＶPSよりも
若干高くするなどして調整することによって、ＭＯＳト
ランジスタＴ１のソースとフォトダイオードＰＤのカソ
ードとの間の電圧差を小さくする。このようにすること
によって、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショル
ド領域で動作させる場合、信号φＶPSの電圧を第６の実
施形態のように直流電圧ＶPDに比べて極端に低くしなく
ても、ＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャルが先の図
１１（ｂ）で説明したときのものと同様の状態になる。
よって、第６の実施形態と比べて、信号φＶPSがハイレ
ベルであるときの電圧とローレベルのときの電圧の差が
小さくなる。尚、本実施形態において、入射光量又は入
射光量の対数値に比例した信号（出力電流）を出力する
ときの動作は、第６の実施形態（図１０）と同様である
ので、詳細な説明は省略する。

【０１０７】＜第８の実施形態＞第８の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１３は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図１０に示す画素と同様の目的で使用
される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【０１０８】図１３に示すように、本実施形態では、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加
されるとともに、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタ
Ｔ４を削除した構成となっている。その他の構成は第６
の実施形態（図１０）と同一である。

【０１０９】このように、本実施形態の構成と第６の実
施形態の構成との関係は、第４の実施形態の構成（図
８）と第３の実施形態の構成（図７）との関係と同一で
ある。よって、フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトラン
ジスタＴ１〜Ｔ３において、第６の実施形態におけるフ
ォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３
と同様の動作を行い、又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ
５において、第４の実施形態におけるＭＯＳトランジス
タＴ３，Ｔ５と同様の動作を行う。

【０１１０】＜第９の実施形態＞第９の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１４は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図１３に示す画素と同様の目的で使用
される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【０１１１】図１４に示すように、フォトダイオードＰ
Ｄのカソードに信号φＶPDが入力され、ＭＯＳトランジ
スタＴ１のソースに直流電圧ＶPSが印加されるととも
に、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶDD
が印加される。又、本実施形態の構成と第８の実施形態
（図１３）の構成との関係は、第５の実施形態の構成
（図９）と第４の実施形態の構成（図８）との関係と同
一である。よって、フォトダイオードＰＤのカソードに
与える信号φＶPDを直流電圧ＶPSより十分高いハイレベ
ルにして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をサブスレッ
ショルド領域で動作させる。このとき、ＭＯＳトランジ
スタＴ５をＯＮにすると、入射光量の対数値に比例した
信号（出力電流）を読み出すことができる。又、フォト
ダイオードＰＤのカソードに与える信号φＶPDを直流電
圧ＶPSより若干高い電位となるローレベルにして、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインに電荷を蓄積
させる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにす
ると、入射光量に比例した信号を読み出すことができ
る。

【０１１２】＜第１０の実施形態＞第１０の実施形態に
ついて、図面を参照して説明する。図１５は、本実施形
態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示
す回路図である。尚、図１２に示す画素と同様の目的で
使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付し
て、その詳細な説明は省略する。

【０１１３】図１５に示すように、本実施形態では、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加
されるとともに、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタ
Ｔ４を削除した構成となっている。その他の構成は第７
の実施形態（図１２）と同一である。

【０１１４】このように、本実施形態の構成と第７の実
施形態の構成との関係は、第４の実施形態の構成（図
８）と第３の実施形態の構成（図７）との関係と同一で
ある。よって、フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトラン
ジスタＴ１〜Ｔ３において、第７の実施形態におけるフ
ォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３
と同様の動作を行い、又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ
５において、第４の実施形態におけるＭＯＳトランジス
タＴ３，Ｔ５と同様の動作を行う。

【０１１５】＜第１１の実施形態＞第１１の実施形態に
ついて、図面を参照して説明する。図３０は、本実施形
態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示
す回路図である。尚、図６に示す画素と同様の目的で使
用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、
その詳細な説明は省略する。

【０１１６】図３０に示すように、本実施形態では、画
素の出力側を構成するＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４，
Ｔ５，Ｔ６及びキャパシタＣが、図６の画素と同様の構
成をしている。このような図３０の画素において、フォ
トダイオードＰＤのアノード及びキャパシタＣの一端に
直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ１のド
レインに信号φＶPDが与えられるとともにそのソースが
ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続される。又、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１のソースにドレインが接続される
とともにフォトダイオードＰＤのカソードにソースが接
続された第７ＭＯＳトランジスタＴ７が設けられる。更
に、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには信号φＶPGが
与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲートには信号φ
Ｓが与えられる。

【０１１７】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショル
ド領域で動作させるための電圧を第１電圧とし、ＭＯＳ
トランジスタＴ１の閾値のバラツキを検出するために、
直流電圧ＶPSに略等しい値となる電圧を第２電圧とす
る。

【０１１８】（１−ａ）撮像動作 信号φＶPDを第１電圧として、ＭＯＳトランジスタＴ１
をサブスレッショルド領域で動作させるとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ７のゲートに与えられる信号φＳをハ
イレベルにし、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＮの状態に
する。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射する
と光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッシ
ョルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の
電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フォ
トダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトラン
ジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射され
るほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くな
る。

【０１１９】このようにして光電流に対して自然対数的
に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現
れると、まず、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにハイ
レベルの信号φＶRS2を与えてＭＯＳトランジスタＴ６
をＯＮにして、キャパシタＣ及び接続ノードａの電圧を
リセットする。このとき、接続ノードａの電圧をＭＯＳ
トランジスタＴ２が動作できるようにＭＯＳトランジス
タＴ２のゲート電圧により決定される表面ポテンシャル
より低い電圧になるようにリセットする。次に、信号φ
ＶRS2をローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
ＦＦにした後、信号φＶをハイレベルにしてＭＯＳトラ
ンジスタＴ５をＯＮにする。

【０１２０】このとき、接続ノードａの電圧がＭＯＳト
ランジスタＴ６によってリセットされることで、ＭＯＳ
トランジスタＴ２が動作を行い、ＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧によって決定される表面ポテンシャルを
サンプルした電圧がＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに
与えられる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート
電圧が入射光量を対数変換した値に比例した値となるた
め、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにしたとき、前記光
電流を自然対数的に変換した値となる電流が、ＭＯＳト
ランジスタＴ４，Ｔ５を介して出力信号線６に導出され
る。このようにして入射光量の対数値に比例した信号
（出力電流）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ５を
ＯＦＦにする。

【０１２１】（１−ｂ）感度のバラツキ検出 各画素の感度のバラツキを検出するときの、各信号のタ
イミングチャートを図３１に示す。上記のように、パル
ス信号φＶRS2がＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与
えられて接続ノードａの電圧がリセットされた後、パル
ス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えら
れて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＳをロ
ーレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦにす
る。そして、信号φＶPDを第２電圧にして、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のドレイン・ソース間に負の電荷を蓄積さ
せる。

【０１２２】次に、信号φＶPDを第１電圧に戻すと、こ
の蓄積された負の電荷が信号φＶPDの信号線に流れ出し
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積
された状態になる。この負の電荷の蓄積量は、ゲート・
ソース間の閾値電圧によって決まる。このように、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積される
と、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス信号φＶ
RS2を与えて、接続ノードａの電圧をリセットした後、
ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートにパルス信号φＶを与
えて出力信号を読み出す。

【０１２３】このとき、読み出された出力信号は、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１の閾値電圧に応じた値となるため、
これにより、各画素の感度のバラツキを検出することが
できる。そして、最後に、撮像動作が行えるように、信
号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯ
Ｎにする。このように検出した感度のバラツキ検出を行
って得られる信号を補正データとしてラインメモリなど
のメモリに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信
号をこの補正データを用いて補正することによって、出
力信号から画素のバラツキによる成分を取り除くことが
できる。

【０１２４】（２）光電流を線形的に変換して出力する
場合。 このとき、信号φＶPDの電圧は、ＭＯＳトランジスタＴ
２の動作点となる電圧である第３電圧とする（ＭＯＳト
ランジスタＴ２が正しく作動するように回路構成が最適
化されていれば、信号φＶPDの電圧を先の第１電圧とす
ることも可能である。）。又、このとき、信号φＳは常
にハイレベルで、信号φＳがゲートに与えられるＭＯＳ
トランジスタＴ７は、常にＯＮ状態である。このように
することによって、ＭＯＳトランジスタＴ１が図２９の
リセット用のＭＯＳトランジスタに、ＭＯＳトランジス
タＴ２が図２９の信号増幅用のＭＯＳトランジスタに相
当した構成になる。

【０１２５】（２−ａ）撮像動作 まず、信号φＶPGをローレベルにして、リセット用のＭ
ＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦの状態にする。このよう
に、リセット用のＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにす
ると、フォトダイオードＰＤに光電流が流れることによ
って、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が変化す
る。即ち、フォトダイオードＰＤより負の光電荷がＭＯ
ＳトランジスタＴ２のゲートに与えられ、ＭＯＳトラン
ジスタＴ２のゲート電圧が、光電流に対して線形的に変
化した値になる。尚、このとき、フォトダイオードＰＤ
で発生した負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲー
トに流れ込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲート電圧が低くなる。

【０１２６】このようにして光電流に対して線形的に変
化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる
と、まず、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにハイレベ
ルの信号φＶRS2を与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにして、キャパシタＣ及び接続ノードａの電圧をリセ
ットする。このとき、接続ノードａの電圧をＭＯＳトラ
ンジスタＴ２が動作できるようにＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧で決定される表面ポテンシャルより低い
電圧になるようにリセットする。次に、信号φＶRS2を
ローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにし
た後、信号φＶをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタ
Ｔ５をＯＮにする。

【０１２７】このとき、接続ノードａの電圧がＭＯＳト
ランジスタＴ６によってリセットされることで、ＭＯＳ
トランジスタＴ２が動作を行い、ＭＯＳトランジスタＴ
２のゲート電圧によって決定される表面ポテンシャルを
サンプルした電圧がＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに
与えられる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート
電圧が入射光量を積分した値に比例した値となるため、
ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにしたとき、前記光電流
を線形的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジス
タＴ４，Ｔ５を介して出力信号線６に導出される。この
ようにして入射光量の値に比例した信号（出力電流）を
読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。

【０１２８】（２−ｂ）リセット動作 各画素のリセットを行うときの、各信号のタイミングチ
ャートを図３２に示す。上記のように、パルス信号φＶ
RS2がＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えられて接
続ノードａの電圧がリセットされた後、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えられて、出力
信号が読み出されると、まず、信号φＶPGをハイレベル
にして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮにする。このよ
うにＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートに第３電圧が与えられ、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧がリセットされる。そし
て、信号φＶPGを再びローレベルにして、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１をＯＦＦにする。

【０１２９】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶRS2を与えて、接続ノードａの電圧をリ
セットした後、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートにパル
ス信号φＶを与えて出力信号を読み出す。このとき、出
力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じ
た値となり、初期化されたときの出力信号として読み出
される。そして、出力信号が読み出されると、再び上記
した撮像動作が行われる。

【０１３０】このように初期化されたときの信号を補正
データとしてラインメモリなどのメモリに記憶し、各画
素毎に、実際の撮像時の出力信号をこの補正データを用
いて補正することによって、出力信号から画素のバラツ
キによる成分を取り除くことができる。尚、第３の実施
形態（図７）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレ
インにパルス信号（例えば、φＶPD’）を与えるような
構造にして、この信号φＶPD’によって、ＭＯＳトラン
ジスタＴ２より接続ノードａの電圧をリセットできるよ
うにすることで、図３０の構成の画素からＭＯＳトラン
ジスタＴ６を省略した構成にしても構わない。

【０１３１】＜第１２の実施形態＞第１２の実施形態に
ついて、図面を参照して説明する。図３３は、本実施形
態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示
す回路図である。尚、図３０に示す画素と同様の目的で
使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付し
て、その詳細な説明は省略する。

【０１３２】図３３に示すように、本実施形態では、図
３０の画素におけるＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ６をＰ
チャネルのＭＯＳトランジスタとし、ＭＯＳトランジス
タＴ２のドレインに直流電圧ＶPSが印加されるととも
に、このＭＯＳトランジスタＴ２のソースに一端が接続
されたキャパシタＣの他端に直流電圧ＶPDが印加され
る。又、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインに直流電圧
ＶRB2が印加され、そのソースにＭＯＳトランジスタＴ
４のゲートが接続される。その他の構成については、図
３０の画素の構成と同様である。尚、ＭＯＳトランジス
タＴ６のソースに印加される直流電圧ＶRB2は、ＶPSよ
りも高い電圧である。

【０１３３】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 このとき、第１１の実施形態と同様に、ＭＯＳトランジ
スタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための
電圧を第１電圧とし、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値の
バラツキを検出するために、直流電圧ＶPSに略等しい値
となる電圧を第２電圧とする。

【０１３４】（１−ａ）撮像動作 信号φＶPDを第１電圧として、ＭＯＳトランジスタＴ１
をサブスレッショルド領域で動作させるとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ７のゲートに与えられる信号φＳをハ
イレベルにし、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＮの状態に
する。尚、キャパシタＣ及び接続ノードａの電圧が、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ６によってリセットされているもの
とする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射す
ると光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッ
ショルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値
の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フ
ォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射さ
れるほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くな
る。

【０１３５】このようにして光電流に対して自然対数的
に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現
れると、接続ノードａがリセットされてＭＯＳトランジ
スタＴ２のゲート電圧により決定される表面ポテンシャ
ルより高い電圧になっているので、キャパシタＣから正
の電荷がＭＯＳトランジスタＴ２を介して流れる。この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧によって、
キャパシタＣから流れる正の電荷量が決定される。即
ち、強い光が入射されてＭＯＳトランジスタＴ１のソー
ス電圧が低くなるときほど、キャパシタＣから流れる正
の電荷量が多い。

【０１３６】このようにしてキャパシタＣから正の電荷
が流れ、接続ノードａの電圧が入射光量の積分値を対数
変換した値に比例した値となる。そして、パルス信号φ
Ｖを与えてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにしたとき、
前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる電
流が、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ５を介して出力信号
線６に導出される。このようにして入射光量の対数値に
比例した信号（出力電流）を読み出すと、ＭＯＳトラン
ジスタＴ５をＯＦＦにする。

【０１３７】（１−ｂ）感度のバラツキ検出 各画素の感度のバラツキを検出するときの、各信号のタ
イミングチャートを図３４に示す。上記のように、パル
ス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えら
れて、出力信号が読み出されると、第１１の実施形態
（図３１）と同様に、まず、信号φＳをローレベルにし
て、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦにする。そして、
信号φＶPDを第２電圧にして、ＭＯＳトランジスタＴ１
のドレイン・ソース間に負の電荷を蓄積させる。

【０１３８】次に、信号φＶPDを第１電圧に戻すと、こ
の蓄積された負の電荷が信号φＶPDの信号線に流れ出し
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積
された状態になる。この負の電荷の蓄積量は、ゲート・
ソース間の閾値電圧によって決まる。このように、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積される
と、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス信号φＶ
RS2を与えて、接続ノードａの電圧をリセットした後、
ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートにパルス信号φＶを与
えて出力信号を読み出す。尚、ＭＯＳトランジスタＴ６
のゲートに与えるパルス信号φＶRS2は、ローレベルの
パルス信号である。

【０１３９】このとき、読み出された出力信号は、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１の閾値電圧に応じた値となるため、
これにより、各画素の感度のバラツキを検出することが
できる。そして、最後に、撮像動作が行えるように、信
号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯ
Ｎにした後、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス
信号φＶRS2を与えて接続ノードａの電圧をリセットす
る。このように検出した感度のバラツキ検出を行って得
られる信号を補正データとしてラインメモリなどのメモ
リに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信号をこ
の補正データを用いて補正することによって、出力信号
から画素のバラツキによる成分を取り除くことができ
る。

【０１４０】（２）光電流を線形的に変換して出力する
場合。 このとき、第１１の実施形態と同様に、信号φＶPDの電
圧は、ＭＯＳトランジスタＴ２の動作点となる電圧であ
る第３電圧とする。又、このとき、信号φＳは常にハイ
レベルで、信号φＳがゲートに与えられるＭＯＳトラン
ジスタＴ７は、常にＯＮ状態である。このようにするこ
とによって、ＭＯＳトランジスタＴ１が図２９のリセッ
ト用のＭＯＳトランジスタに、ＭＯＳトランジスタＴ２
が図２９の信号増幅用のＭＯＳトランジスタに相当した
構成になる。

【０１４１】（２−ａ）撮像動作 まず、第１１の実施形態と同様に、信号φＶPGをローレ
ベルにして、リセット用のＭＯＳトランジスタＴ１をＯ
ＦＦの状態にする。尚、キャパシタＣ及び接続ノードａ
の電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ６によってリセットさ
れているものとする。このように、リセット用のＭＯＳ
トランジスタＴ１をＯＦＦにすると、フォトダイオード
ＰＤに光電流が流れることによって、ＭＯＳトランジス
タＴ２のゲート電圧が変化する。即ち、フォトダイオー
ドＰＤより負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲー
トに与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧
が、光電流に対して線形的に変化した値になる。尚、こ
のとき、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷が
ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに流れ込むため、強い
光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電
圧が低くなる。

【０１４２】このようにして光電流に対して線形的に変
化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる
と、接続ノードａがリセットされてＭＯＳトランジスタ
Ｔ２のゲート電圧により決定される表面ポテンシャルよ
り高い電圧になっているので、キャパシタＣから正の電
荷がＭＯＳトランジスタＴ２を介して流れる。このと
き、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧によって、キ
ャパシタＣから流れる正の電荷量が決定される。即ち、
強い光が入射されてＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電
圧が低くなるときほど、キャパシタＣから流れる正の電
荷量が多い。

【０１４３】このようにしてキャパシタＣから正の電荷
が流れ、接続ノードａの電圧が入射光量の積分値に比例
した値となる。そして、パルス信号φＶを与えてＭＯＳ
トランジスタＴ５をＯＮにしたとき、前記光電流の積分
値を線形的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジ
スタＴ４，Ｔ５を介して出力信号線６に導出される。こ
のようにして入射光量の積分値に比例した信号（出力電
流）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦに
する。

【０１４４】（２−ｂ）リセット動作 各画素のリセットを行うときの、各信号のタイミングチ
ャートを図３５に示す。上記のように、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えられて、出力
信号が読み出されると、まず、信号φＶPGをハイレベル
にして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮにする。このよ
うにＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートに第３電圧が与えられ、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧がリセットされる。そし
て、信号φＶPGを再びローレベルにして、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１をＯＦＦにする。

【０１４５】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶRS2を与えて、接続ノードａの電圧をリ
セットした後、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートにパル
ス信号φＶを与えて出力信号を読み出す。このとき、出
力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じ
た値となり、初期化されたときの出力信号として読み出
される。そして、出力信号が読み出されると、もう一度
ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス信号φＶRS2
を与えて、接続ノードａの電圧をリセットした後、再び
上記した撮像動作が行われる。尚、パルス信号φＶRS2
は、ローレベルのパルス信号である。

【０１４６】このように初期化されたときの信号を補正
データとしてラインメモリなどのメモリに記憶し、各画
素毎に、実際の撮像時の出力信号をこの補正データを用
いて補正することによって、出力信号から画素のバラツ
キによる成分を取り除くことができる。尚、第３の実施
形態（図７）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレ
インにパルス信号（例えば、φＶPS）を与えるような構
造にして、この信号φＶPSによって、ＭＯＳトランジス
タＴ２より接続ノードａの電圧をリセットできるように
することで、図３３の構成の画素からＭＯＳトランジス
タＴ６を省略した構成にしても構わない。尚、この場合
は、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに与えるパルス
信号φＶPSをフォトダイオードＰＤのアノードに印加す
る直流電圧ＶPSとは異なる電源線から供給するようにす
る。

【０１４７】＜第１３の実施形態＞第１３の実施形態に
ついて、図面を参照して説明する。図３６は、本実施形
態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示
す回路図である。尚、図３０に示す画素と同様の目的で
使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付し
て、その詳細な説明は省略する。

【０１４８】図３６に示すように、本実施形態では、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加
されるとともに、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタ
Ｔ４，Ｔ６を削除した構成となっている。その他の構成
は、第１１の実施形態（図３０）と同一である。

【０１４９】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。 このとき、第１１の実施形態と同様に、ＭＯＳトランジ
スタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための
電圧を第１電圧とし、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値の
バラツキを検出するために、直流電圧ＶPSに略等しい値
となる電圧を第２電圧とする。

【０１５０】（１−ａ）撮像動作 信号φＶPDを第１電圧として、ＭＯＳトランジスタＴ１
をサブスレッショルド領域で動作させるとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ７のゲートに与えられる信号φＳをハ
イレベルにし、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＮの状態に
する。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射する
と光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッシ
ョルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の
電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フォ
トダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトラン
ジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射され
るほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くな
る。

【０１５１】このようにして光電流に対して自然対数的
に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現
れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジス
タＴ５をＯＮとして、前記光電流を自然対数的に変換し
た値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ５を介
して出力信号線６に導出される。このようにして入射光
量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すと、
ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。

【０１５２】（１−ｂ）感度のバラツキ検出 各画素の感度のバラツキを検出するときの、各信号のタ
イミングチャートを図３７に示す。上記のように、パル
ス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えら
れて、出力信号が読み出されると、第１１の実施形態
（図３１）と同様に、まず、信号φＳをローレベルにし
て、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦにする。そして、
信号φＶPDを第２電圧にして、ＭＯＳトランジスタＴ１
のドレイン・ソース間に負の電荷を蓄積させる。

【０１５３】次に、信号φＶPDを第１電圧に戻すと、こ
の蓄積された負の電荷が信号φＶPDの信号線に流れ出し
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積
された状態になる。この負の電荷の蓄積量は、ゲート・
ソース間の閾値電圧によって決まる。このように、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積される
と、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートにパルス信号φＶ
を与えて出力信号を読み出す。

【０１５４】このとき、読み出された出力信号は、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１の閾値電圧に応じた値となるため、
これにより、各画素の感度のバラツキを検出することが
できる。そして、最後に、撮像動作が行えるように、信
号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯ
Ｎにする。このように検出した感度のバラツキ検出を行
って得られる信号を補正データとしてラインメモリなど
のメモリに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信
号をこの補正データを用いて補正することによって、出
力信号から画素のバラツキによる成分を取り除くことが
できる。

【０１５５】（２）光電流を線形的に変換して出力する
場合。 このとき、第１１の実施形態と同様に、信号φＶPDの電
圧は、ＭＯＳトランジスタＴ２の動作点となる電圧であ
る第３電圧とする。又、このとき、信号φＳは常にハイ
レベルで、信号φＳがゲートに与えられるＭＯＳトラン
ジスタＴ７は、常にＯＮ状態である。このようにするこ
とによって、ＭＯＳトランジスタＴ１が図２９のリセッ
ト用のＭＯＳトランジスタに、ＭＯＳトランジスタＴ２
が図２９の信号増幅用のＭＯＳトランジスタに相当した
構成になる。

【０１５６】（２−ａ）撮像動作 まず、第１１の実施形態と同様に、信号φＶPGをローレ
ベルにして、リセット用のＭＯＳトランジスタＴ１をＯ
ＦＦの状態にする。このように、リセット用のＭＯＳト
ランジスタＴ１をＯＦＦにすると、フォトダイオードＰ
Ｄに光電流が流れることによって、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２のゲート電圧が変化する。即ち、フォトダイオード
ＰＤより負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲート
に与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が、
光電流に対して線形的に変化した値になる。尚、このと
き、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯ
ＳトランジスタＴ２のゲートに流れ込むため、強い光が
入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が
低くなる。

【０１５７】このようにして光電流に対して線形的に変
化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる
と、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ
５をＯＮにする。このとき、前記光電流の積分値を線形
的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ５を介して出力信号線６に導出される。このよう
にして入射光量の積分値に比例した信号（出力電流）を
読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。

【０１５８】（２−ｂ）リセット動作 各画素のリセットを行うときの、各信号のタイミングチ
ャートを図３８に示す。上記のように、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えられて、出力
信号が読み出されると、まず、信号φＶPGをハイレベル
にして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮにする。このよ
うにＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートに第３電圧が与えられ、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲート電圧がリセットされる。そし
て、信号φＶPGを再びローレベルにして、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１をＯＦＦにする。

【０１５９】次に、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに
パルス信号φＶを与えて出力信号を読み出す。このと
き、出力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧
に応じた値となり、初期化されたときの出力信号として
読み出される。そして、出力信号が読み出されると、再
び上記した撮像動作が行われる。このように初期化され
たときの信号を補正データとしてラインメモリなどのメ
モリに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信号を
この補正データを用いて補正することによって、出力信
号から画素のバラツキによる成分を取り除くことができ
る。

【０１６０】以上説明した実施形態において、各画素か
らの信号読み出しは電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いて行
うようにしてもかまわない。この場合、ＭＯＳトランジ
スタＴ５に相当するポテンシャルレベルを可変としたポ
テンシャルの障壁を設けることにより、ＣＣＤへの電荷
読み出しを行えばよい。

【０１６１】又、以上説明した第１〜第１１及び第１３
の実施形態は、画素内の能動素子であるＭＯＳトランジ
スタＴ１〜Ｔ７を全てＮチャネルのＭＯＳトランジスタ
で構成しているが、これらのＭＯＳトランジスタＴ１〜
Ｔ７を全てＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成して
もよい。又、第１２の実施形態において、画素内のＮチ
ャネルのＭＯＳトランジスタをＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタに、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタをＮチャ
ネルのＭＯＳトランジスタに変えて構成しても構わな
い。

【０１６２】図１７及び図２０〜図２８には、上記第１
〜第１０の実施形態をＰチャネルのＭＯＳトランジスタ
で構成した例である第１４〜第２３の実施形態を示して
いる。又、図３９〜図４１には、上記第１１〜第１３の
実施形態の画素のＭＯＳトランジスタを逆極性のＭＯＳ
トランジスタで構成した例である第２４〜第２６の実施
形態を示している。そのため図１６〜図２８及び図３９
〜図４１では接続の極性や印加電圧の極性が逆になって
いる。例えば、図１７（第１４の実施形態）において、
フォトダイオードＰＤはアノードに直流電圧ＶPDに接続
され、カソードが第１ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイ
ンとゲートに接続され、また第２ＭＯＳトランジスタの
ゲートに接続されている。第１ＭＯＳトランジスタＴ１
のソースは信号φＶPSが入力される。

【０１６３】ところで、図１７のような画素が対数変換
を行うとき、信号φＶPSの電圧と直流電圧ＶPDは、φＶ
PS＞ＶPD となっており、図２（第１の実施形態）と逆
である。また、キャパシタＣの出力電圧は初期値が高い
電圧で、積分によって降下する。また、第３ＭＯＳトラ
ンジスタＴ３をＯＮさせるときには、低い電圧をゲート
に印加する。更に、図２０〜図２８、図３９及び図４１
の実施形態（第１５〜第２４及び第２６の実施形態）に
おいて、第５ＭＯＳトランジスタＴ５や第６ＭＯＳトラ
ンジスタＴ６をＯＮさせるときには、低い電圧をゲート
に印加する。又、図４０の実施形態（第２５の実施形
態）において、第５ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮさせ
るときには低い電圧をゲートに印加し、そして、第６Ｍ
ＯＳトランジスタＴ６をＯＮさせるときには高い電圧を
ゲートに印加する。以上の通り、逆極性のＭＯＳトラン
ジスタを用いる場合は、電圧関係や接続関係が一部異な
るが、構成は実質的に同一であり、また基本的な動作も
同一であるので、図１７、図２０〜図２８及び図３９〜
図４１については図面で示すのみで、その構成や動作に
ついての説明は省略する。

【０１６４】第１４の実施形態の画素を含む固体撮像装
置の全体構成を説明するためのブロック回路構成図を図
１６に示し、第１５〜第２６実施形態の画素を含む固体
撮像装置の全体構成を説明するためのブロック回路構成
図を図１８に示している。図１６及び図１８について
は、図１及び図４と同一部分（同一の役割部分）に同一
の符号を付して説明を省略する。以下、図１８の構成に
ついて簡単に説明する。列方向に配列された出力信号線
６−１、６−２、・・・、６−ｍに対してＰチャネルの
ＭＯＳトランジスタＱ１とＰチャネルのＭＯＳトランジ
スタＱ２が接続されている。ＭＯＳトランジスタＱ１の
ゲートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号
線６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン
８に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２の
ドレインは出力信号線６−１に接続され、ソースは最終
的な信号線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接
続されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１は画素
内のＰチャネルのＭＯＳトランジスタＴａと共に図１９
（ａ）に示すような増幅回路を構成している。尚、ＭＯ
ＳトランジスタＴａは、第１５、第１６、第１９、第２
０、第２４及び第２５の実施形態では第４ＭＯＳトラン
ジスタＴ４に相当し、又、第１７、第１８、第２１〜第
２３及び第２６の実施形態では第２ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２に相当する。

【０１６５】この場合、ＭＯＳトランジスタＱ１はＭＯ
ＳトランジスタＴａの負荷抵抗又は定電流源となってい
る。従って、このトランジスタＱ１のソースに接続され
る直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴａのドレイ
ンに接続される直流電圧ＶPD’との関係は、ＶPD’＜Ｖ
PS’であり、直流電圧ＶPD’は例えばグランド電圧（接
地）である。トランジスタＱ１のドレインはトランジス
タＴａに接続され、ゲートには直流電圧が印加されてい
る。ＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回
路３によって制御され、増幅回路の出力を最終的な信号
線９へ導出する。第１５〜第２６の実施形態のように、
画素内に設けられた第５ＭＯＳトランジスタＴ５を考慮
すると、図１９（ａ）の回路は図１９（ｂ）のように表
わされる。

【０１６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置によれば、フォトダイオードなどの感光素子で発生
した電気信号を対数変換して出力するか、線形的に変換
して出力するかを自由に選択できる。従って、例えば、
輝度範囲の広い被写体の撮像には対数変換に切り換えて
使用し、低輝度の被写体や輝度範囲の狭い被写体の撮像
には、線形変換に切り換えて使用するという使い分けが
できる。そして、そのことによって、低輝度から高輝度
までの幅広い被写体を高精度に撮像できる。更に、能動
素子をＭＯＳトランジスタで構成することにより高集積
化が容易となり、周辺の処理回路（Ａ／Ｄコンバータ、
デジタル・システム・プロセッサ、メモリ）等とともに
ワンチップ上に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である二次元固体撮像装置
の全体の構成を説明するためのブロック回路図。

【図２】本発明の第１の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図３】本発明で使用する画素の構成及びポテンシャル
の関係を表した図。

【図４】本発明の一実施形態である二次元固体撮像装置
の全体の構成を説明するためのブロック回路図。

【図５】図４の一部の回路図。

【図６】本発明の第２の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図７】本発明の第３の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図８】本発明の第４の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図９】本発明の第５の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図１０】本発明の第６の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１１】第６の実施形態で使用する画素の構成及びポ
テンシャルの関係を表した図。

【図１２】本発明の第７の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１３】本発明の第８の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１４】本発明の第９の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１５】本発明の第１０の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図１６】画素内の能動素子をＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタで構成した実施形態の場合の本発明の二次元固
体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路
図。

【図１７】本発明の第１４の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図１８】画素内の能動素子をＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタで構成した実施形態の場合の本発明の二次元固
体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路
図。

【図１９】図１８の一部の回路図。

【図２０】本発明の第１５の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２１】本発明の第１６の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２２】本発明の第１７の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２３】本発明の第１８の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２４】本発明の第１９の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２５】本発明の第２０の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２６】本発明の第２１の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２７】本発明の第２２の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２８】本発明の第２３の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２９】従来例の１画素の構成を示す回路図。

【図３０】本発明の第１１の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図３１】第１１の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３２】第１１の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３３】本発明の第１２の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図３４】第１２の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３５】第１２の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３６】本発明の第１３の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図３７】第１３の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３８】第１３の実施形態で使用する画素の各素子に
与える信号のタイミングチャート。

【図３９】本発明の第２４の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図４０】本発明の第２５の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図４１】本発明の第２６の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【符号の説明】

Ｇ11〜Ｇｍｎ 画素 ２ 垂直走査回路 ３ 水平走査回路 ４−１〜４−ｎ 行選択線 ６−１〜６−ｍ 出力信号線 ＰＤ フォトダイオード Ｔ１〜Ｔ７ 第１〜第７ＭＯＳトランジスタ Ｃ キャパシタ

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
   出力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた固体
   撮像装置において、 前記光電変換手段の動作状態を、前記感光素子への入射
   光量とは独立して、前記電気信号を線形的に変換する第
   １状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換え
   可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
   出力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた固体
   撮像装置において、 前記光電変換手段の動作状態を、前記光電変換手段に送
   出される信号に基づいて、前記電気信号を線形的に変換
   する第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切
   り換え可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
   出力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた固体
   撮像装置において、 前記光電変換手段の動作状態を、前記感光素子への同一
   の入射光量に対して前記電気信号を線形的に変換する第
   １状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換え
   可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記光電変換手段から出力される電気信
   号を積分するキャパシタを有し、該キャパシタで積分し
   た信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ導出する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載
   の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記積分した信号を前記出力信号線へ出
   力した後に、前記キャパシタの電荷を放出するリセット
   手段を有することを特徴とする請求項４に記載の固体撮
   像装置。
6. 【請求項６】 前記リセット手段が、第１電極と第２電
   極と制御電極とを備え、前記キャパシタの一端に第１電
   極が接続されたトランジスタで構成され、 該トランジスタの制御電極に印加する電圧のレベルを変
   化して該トランジスタを導通させたとき、前記キャパシ
   タに蓄積された電荷が放出されることを特徴とする請求
   項５に記載の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
   力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
   マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
   て、 各画素の光電変換手段の動作状態を、前記感光素子への
   入射光量とは独立して、前記電気信号を線形的に変換す
   る第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り
   換え可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
8. 【請求項８】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
   力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
   マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
   て、 各画素の光電変換手段の動作状態を、前記光電変換手段
   に送出される信号に基づいて、前記電気信号を線形的に
   変換する第１状態と、自然対数的に変換する第２状態と
   に切り換え可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
9. 【請求項９】 入射した光量に応じた電気信号を発生す
   る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
   力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
   マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
   て、 各画素の光電変換手段の動作状態を、前記感光素子への
   同一の入射光量に対して前記電気信号を線形的に変換す
   る第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り
   換え可能としたことを特徴とする固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 前記各画素が、前記光電変換手段の出
    力信号を増幅する増幅用トランジスタを有しており、該
    増幅用トランジスタの出力信号を前記導出路を介して前
    記出力信号線へ出力することを特徴とする請求項７〜請
    求項９のいずれかに記載の固体撮像装置。
11. 【請求項１１】 前記出力信号線に接続された負荷抵抗
    又は定電流源を有し、前記負荷抵抗又は定電流源の総数
    が全画素数より少ないことを特徴とする請求項１０に記
    載の固体撮像装置。
12. 【請求項１２】 前記負荷抵抗又は定電流源は、前記出
    力信号線に接続された第１電極と、直流電圧に接続され
    た第２電極と、直流電圧に接続された制御電極とを有す
    る抵抗用トランジスタであることを特徴とする請求項１
    １に記載の固体撮像装置。
13. 【請求項１３】 前記増幅用トランジスタがＮチャネル
    のＭＯＳトランジスタであり、前記増幅用トランジスタ
    の第１電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トラン
    ジスタの第２電極に接続される直流電圧よりも高電位で
    あることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装
    置。
14. 【請求項１４】 前記増幅用トランジスタがＰチャネル
    のＭＯＳトランジスタであり、前記増幅用トランジスタ
    の第１電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トラン
    ジスタの第２電極に接続される直流電圧よりも低電位で
    あることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装
    置。
15. 【請求項１５】 前記導出路は、全画素の中から所定の
    ものを順次選択し、選択された画素から増幅された信号
    を出力信号線に導出するスイッチを含むことを特徴とす
    る請求項７〜請求項１４のいずれかに記載の固体撮像装
    置。
16. 【請求項１６】 前記光電変換手段が、 第１電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び
    制御電極が光電変換素子の第２電極に接続され、光電変
    換素子からの出力電流が流れ込む第１のトランジスタ
    と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
    流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１のトラ
    ンジスタの制御電極に接続され、第２電極から電気信号
    を出力する第２のトランジスタとから構成され、 前記第１のトランジスタの第１電極と第２電極の間の電
    位差を変化させることによって、光電変換手段の動作
    を、前記第１状態と前記第２状態とに切り換えることが
    できることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれ
    かに記載の固体撮像装置。
17. 【請求項１７】 前記光電変換手段が、 第１電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が光
    電変換素子の第２電極に接続され、光電変換素子からの
    出力電流が流れ込むとともに第２電極と制御電極が接続
    された第１のトランジスタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
    流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１のトラ
    ンジスタの第１電極に接続され、第２電極から電気信号
    を出力する第２のトランジスタとから構成され、 前記第１のトランジスタの第１電極と第２電極の間の電
    位差を変化させることによって、光電変換手段の動作
    を、前記第１状態と前記第２状態とに切り換えることが
    できることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれ
    かに記載の固体撮像装置。
18. 【請求項１８】 前記光電変換手段が前記第１状態で動
    作して電気信号を前記出力信号線へ出力した後に前記光
    電変換手段を初期化するためのリセット手段が設けられ
    たことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれかに
    記載の固体撮像装置。
19. 【請求項１９】 第１電極と第２電極と制御電極とを備
    え、第１電極が前記第１、第２のトランジスタの制御電
    極に接続されるとともに第２電極が直流電圧に接続され
    た第３のトランジスタを有し、 前記光電変換手段が前記第１状態で動作して電気信号を
    前記出力信号線へ出力した後に、第３のトランジスタの
    制御電極に印加する電圧のレベルを変化させて第３のト
    ランジスタを導通させ、前記第１、第２のトランジスタ
    に蓄積された電荷を放出させることによって、前記光電
    変換手段をリセットすることを特徴とする請求項１６又
    は請求項１７に記載の固体撮像装置。
20. 【請求項２０】 前記光電変換手段が、 第２電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第２電極が前
    記光電変換素子の第１電極に接続された第１のトランジ
    スタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
    流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１のトラ
    ンジスタの第２電極に接続され、第２電極から電気信号
    を出力する第２のトランジスタと、から構成され、 前記第１のトランジスタの制御電極に与える電圧を変化
    させることによって、光電変換手段の動作を、前記第１
    状態と前記第２状態とに切り替えることができることを
    特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれかに記載の固
    体撮像装置。
21. 【請求項２１】 第１電極と第２電極と制御電極とを備
    え、第１電極が前記第１のトランジスタの第２電極に接
    続されるとともに第２電極が前記光電変換素子の第１電
    極に接続されることによって、前記第１のトランジスタ
    及び前記光電変化素子と直列に接続された第３のトラン
    ジスタを有し、 前記光電変化手段を前記第１状態で動作させる場合は、
    前記第３のトランジスタを常に導通状態にし、 前記光電変換手段を前記第２状態で動作させる場合は、
    撮像動作させるときは前記第３のトランジスタを導通状
    態にし、又、各画素の感度のバラツキを検出するときは
    前記第３のトランジスタを非導通状態にすることを特徴
    とする請求項２０に記載の固体撮像装置。
22. 【請求項２２】 画素をマトリクス状に配してなる二次
    元の固体撮像装置において、 各画素が、 フォトダイオードと、 該フォトダイオードの一方の電極に第１電極とゲート電
    極が接続された第１ＭＯＳトランジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極にゲート電極が
    接続された第２ＭＯＳトランジスタと、 前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に第１電極が
    接続され、第２電極が直流電圧に接続されるとともに、
    ゲート電極に入力される電圧のレベルの切り換えによっ
    て、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積さ
    れた電荷を放出してリセットする第３ＭＯＳトランジス
    タとを有し、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対
    数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極
    から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタを
    閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、 一方、前記フォトダイオードから出力される電気信号を
    線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電
    極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタ
    の第２電極と前記フォトダイオードの他方の電極の電位
    を接近させることにより前記第１ＭＯＳトランジスタを
    不作動状態とするとともに、電気信号を出力した後、前
    記第３ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電圧
    のレベルを切り換えることによって前記第３ＭＯＳトラ
    ンジスタを導通させて、少なくとも前記第１ＭＯＳトラ
    ンジスタの第１電極及びゲート電極に蓄積された電荷を
    放出してリセットすることを特徴とする固体撮像装置。
23. 【請求項２３】 画素をマトリクス状に配してなる二次
    元の固体撮像装置において、 各画素が、 フォトダイオードと、 該フォトダイオードの一方の電極に第１電極が接続さ
    れ、第２電極とゲート電極が同一の直流電圧に接続され
    た第１ＭＯＳトランジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタの第１電極にゲート電極が接
    続された第２ＭＯＳトランジスタと、 前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に第１電極が接
    続され、第２電極が直流電圧に接続されるとともに、そ
    のゲート電極に入力する電圧のレベルを切り換えること
    によって、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に蓄
    積された電荷を放出してリセットする第３ＭＯＳトラン
    ジスタとを有し、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対
    数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極
    から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタを
    閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、 一方、前記フォトダイオードから出力される電気信号を
    線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電
    極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタ
    の第２電極と前記フォトダイオードの他方の電極の電位
    を接近させることにより前記第１ＭＯＳトランジスタを
    不作動状態とするとともに、電気信号を出力した後、前
    記第３ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電圧
    のレベルを切り換えることによって前記第３ＭＯＳトラ
    ンジスタを導通させて、少なくとも前記第１ＭＯＳトラ
    ンジスタの第１電極及び前記第２ＭＯＳトランジスタの
    ゲート電極に蓄積された電荷を放出してリセットするこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
24. 【請求項２４】 画素をマトリクス状に配してなる二次
    元の固体撮像装置において、 各画素が、 フォトダイオードと、 該フォトダイオードの一方の電極に第１電極が接続さ
    れ、ゲート電極が直流電圧に接続された第１ＭＯＳトラ
    ンジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタの第１電極にゲート電極が接
    続された第２ＭＯＳトランジスタと、 前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に第１電極が接
    続され、第２電極が直流電圧に接続されるとともに、そ
    のゲート電極に入力する電圧のレベルを切り換えること
    によって、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極に蓄
    積された電荷を放出してリセットする第３ＭＯＳトラン
    ジスタとを有し、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対
    数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極
    から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタを
    閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、 一方、前記フォトダイオードから出力される電気信号を
    線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電
    極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタ
    の第２電極と前記フォトダイオードの他方の電極の電位
    を接近させることにより前記第１ＭＯＳトランジスタを
    不作動状態とするとともに、電気信号を出力した後、前
    記第３ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電圧
    のレベルを切り換えることによって前記第３ＭＯＳトラ
    ンジスタを導通させて、少なくとも前記第１ＭＯＳトラ
    ンジスタの第１電極及び前記第２ＭＯＳトランジスタの
    ゲート電極に蓄積された電荷を放出してリセットするこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
25. 【請求項２５】 画素をマトリクス状に配してなる二次
    元の固体撮像装置において、 各画素が、 フォトダイオードと、 第１電極と第２電極とゲート電極とを備え、前記フォト
    ダイオードから出力される電気信号が第２電極に入力さ
    れる第１ＭＯＳトランジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタの第２電極にゲート電極が接
    続された第２ＭＯＳトランジスタとを有し、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対
    数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極
    から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタを
    閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、 一方、前記フォトダイオードから出力される電気信号を
    線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電
    極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジスタ
    のゲート電極に入力する電圧のレベルを切り換えて前記
    第１ＭＯＳトランジスタを非導通状態とするとともに、
    電気信号を出力した後、前記第１ＭＯＳトランジスタの
    ゲート電極に入力する電圧のレベルを切り換えることに
    よって前記第１ＭＯＳトランジスタを導通させ、前記第
    １ＭＯＳトランジスタの第１電極に印加される電圧を前
    記第２ＭＯＳトランジスタのゲート電極に与えてリセッ
    トすることを特徴とする固体撮像装置。
26. 【請求項２６】 前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電
    極に第１電極が接続され、第２電極が前記フォトダイオ
    ードの一方の電極に接続された第３ＭＯＳトランジスタ
    を有し、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を線形的
    に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から
    出力させる場合は、常に前記第３ＭＯＳトランジスタを
    導通状態にし、 前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対
    数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極
    から出力させる場合は、撮像させるときは前記第３ＭＯ
    Ｓトランジスタを導通状態にし、又、各画素のバラツキ
    を検出するときは前記第３ＭＯＳトランジスタを非導通
    状態にすることを特徴とする請求項２５に記載の固体撮
    像装置。
27. 【請求項２７】 前記画素が、第１電極が前記第２ＭＯ
    Ｓトランジスタの第２電極に接続され、第２電極が出力
    信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された
    第５ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求
    項２２〜請求項２６のいずれかに記載の固体撮像装置。
28. 【請求項２８】 前記画素が、第１電極が直流電圧に接
    続され、ゲート電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第
    ２電極に接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジ
    スタの第２電極から出力される出力信号を増幅する第４
    ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求項２
    ２〜請求項２４のいずれかに記載の固体撮像装置。
29. 【請求項２９】 前記画素が、第１電極が前記第４ＭＯ
    Ｓトランジスタの第２電極に接続され、第２電極が出力
    信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された
    第５ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求
    項２８に記載の固体撮像装置。
30. 【請求項３０】 前記画素が、前記第２ＭＯＳトランジ
    スタの第２電極に一端が接続され他端が前記第１ＭＯＳ
    トランジスタの第２電極が接続される信号線に接続され
    るとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極に
    リセット電圧が与えられたときに前記第２ＭＯＳトラン
    ジスタを介してリセットされるキャパシタを有すること
    を特徴とする請求項２８又は請求項２９に記載の固体撮
    像装置。
31. 【請求項３１】 前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電
    極が直流電圧に接続されるとともに、 前記画素が、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接
    続され第２電極に直流電圧が接続された第６ＭＯＳトラ
    ンジスタと、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続さ
    れ他端が前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続
    される信号線に接続されるとともに、前記第６ＭＯＳト
    ランジスタのゲート電極にリセット電圧が与えられたと
    きに前記第６ＭＯＳトランジスタを介してリセットされ
    るキャパシタと、 を有することを特徴とする請求項２８又は請求項２９に
    記載の固体撮像装置。
32. 【請求項３２】 前記画素が、第１電極が直流電圧に接
    続され、ゲート電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第
    ２電極に接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジ
    スタの第２電極から出力される出力信号を増幅する第４
    ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求項２
    ５又は請求項２６に記載の固体撮像装置。
33. 【請求項３３】 前記画素が、第１電極が前記第４ＭＯ
    Ｓトランジスタの第２電極に接続され、第２電極が出力
    信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された
    第５ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求
    項３２に記載の固体撮像装置。
34. 【請求項３４】 前記画素が、前記第２ＭＯＳトランジ
    スタの第２電極に一端が接続され他端が直流電圧に接続
    されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電
    極にリセット電圧が与えられたときに前記第２ＭＯＳト
    ランジスタを介してリセットされるキャパシタを有する
    ことを特徴とする請求項３２又は請求項３３に記載の固
    体撮像装置。
35. 【請求項３５】 前記第２ＭＯＳトランジスタが前記第
    １ＭＯＳトランジスタと逆の極性のＭＯＳトランジスタ
    であることを特徴とする請求項３４に記載の固体撮像装
    置。
36. 【請求項３６】 前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電
    極が直流電圧に接続されるとともに、 前記画素が、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接
    続され第２電極に直流電圧が接続された第６ＭＯＳトラ
    ンジスタと、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続さ
    れ他端が直流電圧に接続されるとともに、前記第６ＭＯ
    Ｓトランジスタのゲート電極にリセット電圧が与えられ
    たときに前記第６ＭＯＳトランジスタを介してリセット
    されるキャパシタと、 を有することを特徴とする請求項３２又は請求項３３に
    記載の固体撮像装置。
37. 【請求項３７】 前記第２及び第６ＭＯＳトランジスタ
    が前記第１ＭＯＳトランジスタと逆の極性のＭＯＳトラ
    ンジスタであることを特徴とする請求項３６に記載の固
    体撮像装置。
38. 【請求項３８】 前記画素に対し前記出力信号線を介し
    て接続された負荷抵抗又は定電流源を成すＭＯＳトラン
    ジスタを備えていることを特徴とする請求項２２〜請求
    項３７のいずれかに記載の固体撮像装置。