JP2001177775A - 固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法Info
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- JP2001177775A JP2001177775A JP2000306443A JP2000306443A JP2001177775A JP 2001177775 A JP2001177775 A JP 2001177775A JP 2000306443 A JP2000306443 A JP 2000306443A JP 2000306443 A JP2000306443 A JP 2000306443A JP 2001177775 A JP2001177775 A JP 2001177775A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置
とする。 【解決手段】 光電変換部１０４，１０５と、光電変換
部から信号を出力する出力手段１０２，１０３とを有す
る画素を備えた固体撮像装置の駆動方法において、一単
位の蓄積期間中に光電変換部に蓄積された光電荷を分割
して出力手段を介して読み出す。
とする。 【解決手段】 光電変換部１０４，１０５と、光電変換
部から信号を出力する出力手段１０２，１０３とを有す
る画素を備えた固体撮像装置の駆動方法において、一単
位の蓄積期間中に光電変換部に蓄積された光電荷を分割
して出力手段を介して読み出す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置、撮像
システム及び固体撮像装置の駆動方法に係わり、特に光
電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換
する電荷電圧変換部と、該電圧信号を信号増幅する信号
増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電
荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に任意
の電圧を入力する手段と、を有する固体撮像装置、撮像
システム及び固体撮像装置の駆動方法に好適に用いられ
るものである。
システム及び固体撮像装置の駆動方法に係わり、特に光
電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換
する電荷電圧変換部と、該電圧信号を信号増幅する信号
増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電
荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に任意
の電圧を入力する手段と、を有する固体撮像装置、撮像
システム及び固体撮像装置の駆動方法に好適に用いられ
るものである。
【０００２】
【従来の技術】固体撮像装置の代表的なものには、ホト
ダイオードおよびＣＣＤシフトレジスタからなるものと
ホトダイオードおよびＭＯＳトランジスタからなるＡＰ
Ｓ（Active Pixel Sensor）と呼ばれるものがある。
ダイオードおよびＣＣＤシフトレジスタからなるものと
ホトダイオードおよびＭＯＳトランジスタからなるＡＰ
Ｓ（Active Pixel Sensor）と呼ばれるものがある。
【０００３】ＡＰＳは、１画素毎にホトダイオード、Ｍ
ＯＳスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するた
めの増幅回路などを含み、「ＸＹアドレッシング」や
「センサと信号処理回路の１チップ化」などが可能とい
った多くのメリットを有している。近年、ＭＯＳトラン
ジスタの微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の
１チップ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりか
ら、注目を集めている。
ＯＳスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するた
めの増幅回路などを含み、「ＸＹアドレッシング」や
「センサと信号処理回路の１チップ化」などが可能とい
った多くのメリットを有している。近年、ＭＯＳトラン
ジスタの微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の
１チップ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりか
ら、注目を集めている。
【０００４】図１４に従来のＡＳＰの画素部およびそれ
を用いた固体撮像装置の等価回路図を示す。これらは、
Eric.R.Fossum氏らによって１９９５年ＩＥＥＥのワー
クショップで報告されている。従来技術の構成を、以下
簡単に説明する。
を用いた固体撮像装置の等価回路図を示す。これらは、
Eric.R.Fossum氏らによって１９９５年ＩＥＥＥのワー
クショップで報告されている。従来技術の構成を、以下
簡単に説明する。
【０００５】光電変換部は、ＣＣＤ等で用いられている
埋め込み型のホトダイオード（ＰＰＤ）である。埋め込
み型のホトダイオードは、表面に濃いｐ層を設けること
で、その上にあるＳｉＯ2との界面で発生する暗電流を
抑制し、また、蓄積部のｎ層と表面のｐ層との間にも接
合容量を設けることができ、ホトダイオードの飽和電荷
量を増やすことができる。
埋め込み型のホトダイオード（ＰＰＤ）である。埋め込
み型のホトダイオードは、表面に濃いｐ層を設けること
で、その上にあるＳｉＯ2との界面で発生する暗電流を
抑制し、また、蓄積部のｎ層と表面のｐ層との間にも接
合容量を設けることができ、ホトダイオードの飽和電荷
量を増やすことができる。
【０００６】光電変換部で蓄積した光信号電荷をＭＯＳ
トランジスタからなる電荷転送手段（ＴＸ）を介し浮遊
拡散領域（ＦＤ）に読み出す。
トランジスタからなる電荷転送手段（ＴＸ）を介し浮遊
拡散領域（ＦＤ）に読み出す。
【０００７】この浮遊拡散領域の容量ＣFDにより信号電
荷ＱsigをＱsig／ＣFDに電圧変換し、不図示のソースフ
ォロワ回路を通して信号を読み出す。
荷ＱsigをＱsig／ＣFDに電圧変換し、不図示のソースフ
ォロワ回路を通して信号を読み出す。
【０００８】埋め込み型のホトダイオードのｎ層に逆バ
イアスを印加すると、そのバイアスに応じて表面の濃い
ｐ層と基板のＰウエルの各接合から空乏層は延びる。こ
の時、ホトダイオード内の電子数は、両空乏層に挟まれ
た中性領域の電子数にほぼ等しく、空乏層幅に比例して
減少する。逆バイアス＝０voltの時の前述の中性領域の
電子数が飽和電荷量に相当する。逆バイアスにより、両
空乏層が延び、両空乏層が接続すると、ホトダイオード
内は空乏化し、中性領域がなくなる。この時の逆バイア
スを以下、空乏化電圧（又は完全空乏化電圧）と称す
る。更に逆バイアスを印加するとホトダイオード内の電
子濃度は、逆バイアスに対し指数関数的に減少する。上
記センサにおいて、読み出した際に、ホトダイオード内
が、完全に空乏化すれば、光によって発生した電荷はほ
ぼ完全に浮遊拡散領域に転送されるとともに、ホトダイ
オード内に電荷はなくなり、電子のリセットが達成され
る。以下、この様な電荷転送を空乏転送と称する。
イアスを印加すると、そのバイアスに応じて表面の濃い
ｐ層と基板のＰウエルの各接合から空乏層は延びる。こ
の時、ホトダイオード内の電子数は、両空乏層に挟まれ
た中性領域の電子数にほぼ等しく、空乏層幅に比例して
減少する。逆バイアス＝０voltの時の前述の中性領域の
電子数が飽和電荷量に相当する。逆バイアスにより、両
空乏層が延び、両空乏層が接続すると、ホトダイオード
内は空乏化し、中性領域がなくなる。この時の逆バイア
スを以下、空乏化電圧（又は完全空乏化電圧）と称す
る。更に逆バイアスを印加するとホトダイオード内の電
子濃度は、逆バイアスに対し指数関数的に減少する。上
記センサにおいて、読み出した際に、ホトダイオード内
が、完全に空乏化すれば、光によって発生した電荷はほ
ぼ完全に浮遊拡散領域に転送されるとともに、ホトダイ
オード内に電荷はなくなり、電子のリセットが達成され
る。以下、この様な電荷転送を空乏転送と称する。
【０００９】図１５は、ホトダイオードの飽和電荷量Ｑ
satと、飽和電荷を読み出した際の拡散浮遊領域の電圧
値ＶFDsat（図１５の、）と飽和電荷量Ｑsatに対す
る空乏化電圧（）を示した図である。Ａは実用的なホ
トダイオードに求められる飽和電荷の下限値、Ｂ及びＥ
はＶFDsat＝空乏化電圧となる飽和電荷量の値、Ｆは実
用的な固体撮像装置の飽和電荷量の上限値を示す。
satと、飽和電荷を読み出した際の拡散浮遊領域の電圧
値ＶFDsat（図１５の、）と飽和電荷量Ｑsatに対す
る空乏化電圧（）を示した図である。Ａは実用的なホ
トダイオードに求められる飽和電荷の下限値、Ｂ及びＥ
はＶFDsat＝空乏化電圧となる飽和電荷量の値、Ｆは実
用的な固体撮像装置の飽和電荷量の上限値を示す。
【００１０】ＶFDsatは以下の式で与えられる。
【００１１】ＶFDsat＝Ｖres−Ｑsat／ＣFD Ｖresは、拡散浮遊領域のリセット電圧を示す。
【００１２】一般的にホトダイオードの飽和電荷は、あ
る値以上は必要であり、その下限の値が図１５中のＡで
示す値である。また、前述の空乏転送を達成するために
は、 ＶFdsat≧空乏化電圧、好ましくはＶFdsat＞空乏化電圧 を達成することが求められる。
る値以上は必要であり、その下限の値が図１５中のＡで
示す値である。また、前述の空乏転送を達成するために
は、 ＶFdsat≧空乏化電圧、好ましくはＶFdsat＞空乏化電圧 を達成することが求められる。
【００１３】よって、図１５のの場合、この関係を満
たす空乏化電圧の上限の値が図１５中のＢで示す値であ
る。
たす空乏化電圧の上限の値が図１５中のＢで示す値であ
る。
【００１４】ＶFDsat＜空乏化電圧の場合、ホトダイオ
ードの逆バイアス電圧はＶFDと等しくなり、ホトダイオ
ード内には中性領域が存在し、前述の両空乏層からなる
容量と浮遊拡散領域の容量との容量分割で読み出される
ことになる。それとともに、読み出し後でも、ホトダイ
オード内には、飽和電荷量Ｑsatに近い量の残留電子が
存在し、空乏転送は実現しない。この時の残留電子が残
像およびノイズの原因になる。
ードの逆バイアス電圧はＶFDと等しくなり、ホトダイオ
ード内には中性領域が存在し、前述の両空乏層からなる
容量と浮遊拡散領域の容量との容量分割で読み出される
ことになる。それとともに、読み出し後でも、ホトダイ
オード内には、飽和電荷量Ｑsatに近い量の残留電子が
存在し、空乏転送は実現しない。この時の残留電子が残
像およびノイズの原因になる。
【００１５】故に、ホトダイオードの飽和電荷量Ｑsat
は、Ａ＜Ｑsat＜Ｂの区間Ｃを満たすように設計される
ことが求められる。
は、Ａ＜Ｑsat＜Ｂの区間Ｃを満たすように設計される
ことが求められる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、飽和電
荷量Ｑsatもしくは空乏化電圧は、製造工程の影響を受
けやすいという問題がある。例えば、ホトダイオードの
ｎ層を形成する際のイオン打ち込みのドーズ量が１０％
変動しただけで、空乏化電圧は０．４voltも変動してし
まうことがある。
荷量Ｑsatもしくは空乏化電圧は、製造工程の影響を受
けやすいという問題がある。例えば、ホトダイオードの
ｎ層を形成する際のイオン打ち込みのドーズ量が１０％
変動しただけで、空乏化電圧は０．４voltも変動してし
まうことがある。
【００１７】この結果、製造歩留まりが低くなってしま
う。これらの問題を回避する方法の一つとして、拡散浮
遊領域のリセット電圧Ｖresの値を上げ、図１５の直線
の様にすることで、飽和電荷量Ｑsatの選択範囲（マ
ージン）を区間Ａ−Ｅまで広げることができる。この場
合には、より高いリセット電圧が必要になる。このこと
は、信号／ノイズ比を確保するためには高い電源電圧を
確保する必要があることを意味し、この点がＡＰＳの低
電圧化を妨げる大きな要因となっている。
う。これらの問題を回避する方法の一つとして、拡散浮
遊領域のリセット電圧Ｖresの値を上げ、図１５の直線
の様にすることで、飽和電荷量Ｑsatの選択範囲（マ
ージン）を区間Ａ−Ｅまで広げることができる。この場
合には、より高いリセット電圧が必要になる。このこと
は、信号／ノイズ比を確保するためには高い電源電圧を
確保する必要があることを意味し、この点がＡＰＳの低
電圧化を妨げる大きな要因となっている。
【００１８】周知のとおり、高い電源電圧は消費電力の
上昇をもたらす。又、ロジック回路と集積化する場合に
はロジック回路の低い電源電圧とは別にセンサチップ用
に別の高い電源電圧を用意する必要がある。これは、Ａ
ＰＳチップの性能を落とすことになる。
上昇をもたらす。又、ロジック回路と集積化する場合に
はロジック回路の低い電源電圧とは別にセンサチップ用
に別の高い電源電圧を用意する必要がある。これは、Ａ
ＰＳチップの性能を落とすことになる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、従来よ
りも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及び
その駆動方法並びに撮像システムを提供することにあ
る。
りも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及び
その駆動方法並びに撮像システムを提供することにあ
る。
【００２０】本発明の別の目的は、電源電圧やリセット
電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装
置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供すること
にある。
電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装
置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供すること
にある。
【００２１】本発明は、光電変換部と、該光電変換部か
ら信号を出力する出力手段とを有する画素を備えた固体
撮像装置の駆動方法において、一単位の蓄積期間中に前
記光電変換部に蓄積された光電荷を分割して前記出力手
段を介して読み出すことを特徴とする。
ら信号を出力する出力手段とを有する画素を備えた固体
撮像装置の駆動方法において、一単位の蓄積期間中に前
記光電変換部に蓄積された光電荷を分割して前記出力手
段を介して読み出すことを特徴とする。
【００２２】又、別の本発明は、光電変換部と、該光電
変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部
と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する
信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に
光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に
所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段
と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、一単位
の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷を、
前記光電変換部から読み出す読み出し期間において、前
記光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換
部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信
号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った
後、前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電荷の残
りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、
前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力
線に読み出す最後の読み出し動作を行うことを特徴とす
る。
変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部
と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する
信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に
光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に
所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段
と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、一単位
の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷を、
前記光電変換部から読み出す読み出し期間において、前
記光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換
部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信
号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った
後、前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電荷の残
りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、
前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力
線に読み出す最後の読み出し動作を行うことを特徴とす
る。
【００２３】そして、別の本発明は、光電変換部と、該
光電変換部から信号を出力する出力手段とを有する画素
を備えた固体撮像装置において、一単位の蓄積期間中に
前記光電変換部に蓄積された光電荷を分割して前記出力
手段を介して読み出す回路を具備することを特徴とす
る。
光電変換部から信号を出力する出力手段とを有する画素
を備えた固体撮像装置において、一単位の蓄積期間中に
前記光電変換部に蓄積された光電荷を分割して前記出力
手段を介して読み出す回路を具備することを特徴とす
る。
【００２４】更に別の本発明は、光電変換部と、該光電
変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部
と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する
信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に
光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に
所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段
と、を有する固体撮像装置であって、一単位の蓄積期間
中に前記光電変換部に蓄積された光電荷を、前記光電変
換部から読み出す読み出し期間において、前記光電変換
部から前記光電荷を前記電荷電圧変換部に転送し、前記
信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に
読み出す初回の読み出し動作を行った後、前記電荷電圧
変換部をリセットし、前記光電変換部から前記光電荷を
前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅
された出力信号を前記出力線に読み出す最後の読み出し
動作を行うように制御する制御回路を具備することを特
徴とする。
変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部
と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する
信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に
光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に
所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段
と、を有する固体撮像装置であって、一単位の蓄積期間
中に前記光電変換部に蓄積された光電荷を、前記光電変
換部から読み出す読み出し期間において、前記光電変換
部から前記光電荷を前記電荷電圧変換部に転送し、前記
信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に
読み出す初回の読み出し動作を行った後、前記電荷電圧
変換部をリセットし、前記光電変換部から前記光電荷を
前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅
された出力信号を前記出力線に読み出す最後の読み出し
動作を行うように制御する制御回路を具備することを特
徴とする。
【００２５】本発明によれば、一単位の蓄積期間中に蓄
積された光電荷を読み出す際に、読み出し動作を２回以
上行うことで、リセット電圧をさほど高めることなく、
光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができる。
さらに、読み出された出力信号を加算すれば広いダイナ
ミックレンジの信号を得ることができる。
積された光電荷を読み出す際に、読み出し動作を２回以
上行うことで、リセット電圧をさほど高めることなく、
光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができる。
さらに、読み出された出力信号を加算すれば広いダイナ
ミックレンジの信号を得ることができる。
【００２６】そして、本発明は、第１の蓄積期間中に蓄
積された信号を読み出した後、第２の蓄積期間に入り、
第２の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出し、それら
の信号を加算してダイナミックレンジを拡大する公知の
技術とは、異なることに留意されたい。
積された信号を読み出した後、第２の蓄積期間に入り、
第２の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出し、それら
の信号を加算してダイナミックレンジを拡大する公知の
技術とは、異なることに留意されたい。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１、図２及び図３を用いて本発
明の基本的な動作原理について詳細に説明する。
明の基本的な動作原理について詳細に説明する。
【００２８】図１は、本発明の原理を説明するための固
体撮像装置の一部の断面とそのポテンシャルの関係を模
式的に示す図である。
体撮像装置の一部の断面とそのポテンシャルの関係を模
式的に示す図である。
【００２９】図２は、本発明の固体撮像装置の駆動方法
を示す駆動タイミング図である。
を示す駆動タイミング図である。
【００３０】図３は、本発明の固体撮像装置の一画素の
回路図である。
回路図である。
【００３１】図１において、（ａ）は、光電変換部とし
てのホトダイオードと、電荷転送手段としての転送ゲー
トと、電荷電圧変換部（半導体拡散領域）としての浮遊
拡散領域と、リセット手段としてのリセットスイッチと
を含む部分の断面を示している。
てのホトダイオードと、電荷転送手段としての転送ゲー
トと、電荷電圧変換部（半導体拡散領域）としての浮遊
拡散領域と、リセット手段としてのリセットスイッチと
を含む部分の断面を示している。
【００３２】１０１はホトダイオードのアノードとして
も機能するＰウエル、１０２は転送ゲート、１０３はｎ
型半導体からなる浮遊拡散領域である。
も機能するＰウエル、１０２は転送ゲート、１０３はｎ
型半導体からなる浮遊拡散領域である。
【００３３】１０４はＰ型半導体からなるホトダイオー
ドの表面ｐ領域、１０５はｎ型半導体からなるホトダイ
オードのカソードとして機能するｎ領域であり、この表
面Ｐ領域の存在により埋め込みホトダイオードが形成さ
れている。１０６は酸化シリコンなどの絶縁膜、１０７
はｎ型半導体からなるリセット領域であり、配線などを
通じて所定のリセット電圧が与られ、該リセット領域は
所定のリセット電位に維持される。１０８は浮遊拡散領
域１０３を所定の電位にリセットするリセットスイッチ
のリセットゲートである。ｎ領域１０５と浮遊拡散領域
１０３の一部は転送スイッチのソース、ドレイン領域と
なる。浮遊拡散領域１０３とリセット領域１０７の一部
はリセットスイッチのソース、ドレイン領域となる。浮
遊拡散領域１０３は不図示の信号増幅手段となる増幅用
トランジスタのゲートに接続され、信号増幅手段の入力
部となる。
ドの表面ｐ領域、１０５はｎ型半導体からなるホトダイ
オードのカソードとして機能するｎ領域であり、この表
面Ｐ領域の存在により埋め込みホトダイオードが形成さ
れている。１０６は酸化シリコンなどの絶縁膜、１０７
はｎ型半導体からなるリセット領域であり、配線などを
通じて所定のリセット電圧が与られ、該リセット領域は
所定のリセット電位に維持される。１０８は浮遊拡散領
域１０３を所定の電位にリセットするリセットスイッチ
のリセットゲートである。ｎ領域１０５と浮遊拡散領域
１０３の一部は転送スイッチのソース、ドレイン領域と
なる。浮遊拡散領域１０３とリセット領域１０７の一部
はリセットスイッチのソース、ドレイン領域となる。浮
遊拡散領域１０３は不図示の信号増幅手段となる増幅用
トランジスタのゲートに接続され、信号増幅手段の入力
部となる。
【００３４】そして、転送ゲート、浮遊拡散領域、リセ
ットスイッチ及び増幅用トランジスタにより出力手段が
構成され、ホトダイオードに蓄積された光電荷（ここで
は電子）を読み出すために用いられる。
ットスイッチ及び増幅用トランジスタにより出力手段が
構成され、ホトダイオードに蓄積された光電荷（ここで
は電子）を読み出すために用いられる。
【００３５】この構成が用いられた固体撮像装置の一画
素の回路図は図３のようになり、５０５がホトダイオー
ド、Ｑ1が転送スイッチ、Ｑ2がリセットスイッチ、Ｑ3
が増幅用トランジスタで示されている。Ｑ4は画素を選
択するとともに増幅用トランジスタから電流増幅された
出力信号を読み出す選択スイッチである。
素の回路図は図３のようになり、５０５がホトダイオー
ド、Ｑ1が転送スイッチ、Ｑ2がリセットスイッチ、Ｑ3
が増幅用トランジスタで示されている。Ｑ4は画素を選
択するとともに増幅用トランジスタから電流増幅された
出力信号を読み出す選択スイッチである。
【００３６】図１において、（ｂ）は転送スイッチをオ
ンして電荷の一部を転送している時の状態を示し、
（ｃ）は転送スイッチをオフした直後の状態を示し、
（ｄ）はリセットスイッチをオンして浮遊拡散領域をリ
セットした後リセットスイッチをオフした直後の状態を
示し、（ｅ）は再び転送スイッチをオンして残留電荷を
空乏転送した状態を示している。
ンして電荷の一部を転送している時の状態を示し、
（ｃ）は転送スイッチをオフした直後の状態を示し、
（ｄ）はリセットスイッチをオンして浮遊拡散領域をリ
セットした後リセットスイッチをオフした直後の状態を
示し、（ｅ）は再び転送スイッチをオンして残留電荷を
空乏転送した状態を示している。
【００３７】時系列的には（ａ），（ｂ），（ｃ），
（ｄ），（ｅ）の順で動作が進行する。
（ｄ），（ｅ）の順で動作が進行する。
【００３８】上述した動作を含めた駆動タイミングの概
略について図２を参照して説明する。
略について図２を参照して説明する。
【００３９】なお、図２中の「リセット」は、リセット
するためのＭＯＳトランジスタへの駆動パルスに限定さ
れるものではなく、リセット動作全般を示し、パルスが
ハイ（ＯＮ）状態にあることは、そのリセット動作を行
っていることを示している。また、「読み出し」につい
ても同様であり、この「読み出し」は読み出し動作全般
をさし、パルスがハイ（ＯＮ）状態にあることは、その
読み出し動作を行っていることを示している。
するためのＭＯＳトランジスタへの駆動パルスに限定さ
れるものではなく、リセット動作全般を示し、パルスが
ハイ（ＯＮ）状態にあることは、そのリセット動作を行
っていることを示している。また、「読み出し」につい
ても同様であり、この「読み出し」は読み出し動作全般
をさし、パルスがハイ（ＯＮ）状態にあることは、その
読み出し動作を行っていることを示している。
【００４０】まず、ホトダイオードへの光電荷の蓄積が
開始される。
開始される。
【００４１】必要に応じて、期間Ｔ0において、選択ス
イッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリセット
電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トラン
ジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号と
みなすことができる。
イッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリセット
電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トラン
ジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号と
みなすことができる。
【００４２】次に、期間Ｔ1において、図１の（ｂ）に
示すように、転送スイッチをオンして蓄積期間の途中で
ホトダイオード５０５のｎ領域１０５からから浮遊拡散
領域１０３に光電荷の一部を転送する。
示すように、転送スイッチをオンして蓄積期間の途中で
ホトダイオード５０５のｎ領域１０５からから浮遊拡散
領域１０３に光電荷の一部を転送する。
【００４３】転送後において、飽和状態に近い強い光で
露光されたホトダイオードでは、図１の（ｃ）に示すよ
うに、光電荷の残部が残っている。非常に弱い光で露光
されたホトダイオードでは、全ての電荷が転送されるこ
ともある。
露光されたホトダイオードでは、図１の（ｃ）に示すよ
うに、光電荷の残部が残っている。非常に弱い光で露光
されたホトダイオードでは、全ての電荷が転送されるこ
ともある。
【００４４】期間Ｔ3において、選択スイッチＱ4をオン
して、浮遊拡散領域１０３に転送された電荷に基づいて
増幅された出力信号を読み出す。
して、浮遊拡散領域１０３に転送された電荷に基づいて
増幅された出力信号を読み出す。
【００４５】そして、期間Ｔ4において、リセットスイ
ッチＱ2をオンして、浮遊拡散領域の電位をリセットす
る。リセット後の状態が図１の（ｄ）に示した状態であ
る。
ッチＱ2をオンして、浮遊拡散領域の電位をリセットす
る。リセット後の状態が図１の（ｄ）に示した状態であ
る。
【００４６】更に、必要に応じて、期間Ｔ5において、
選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリ
セット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用
トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ
信号とみなすことができる。
選択スイッチＱ4をオンして、浮遊拡散領域１０３のリ
セット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用
トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ
信号とみなすことができる。
【００４７】期間Ｔ6において、再び、転送スイッチを
オンして蓄積期間を終了させ、ホトダイオード５０５の
ｎ領域１０５から浮遊拡散領域１０３に光電荷の残部を
転送する。このときの状態を図１の（ｅ）に示す。
オンして蓄積期間を終了させ、ホトダイオード５０５の
ｎ領域１０５から浮遊拡散領域１０３に光電荷の残部を
転送する。このときの状態を図１の（ｅ）に示す。
【００４８】機械式シャッターなどの固体撮像装置外部
のシャッターにより、蓄積時間を制御しない場合には、
厳密に言えば期間Ｔ1における転送時の蓄積時間より、
期間Ｔ6における転送時の蓄積時間の方が長くなる。し
かしながら、期間Ｔ1以前の蓄積時間（露光時間が）十
分に長いために、期間Ｔ1終了から期間Ｔ6開始までの時
間は無視することができる。
のシャッターにより、蓄積時間を制御しない場合には、
厳密に言えば期間Ｔ1における転送時の蓄積時間より、
期間Ｔ6における転送時の蓄積時間の方が長くなる。し
かしながら、期間Ｔ1以前の蓄積時間（露光時間が）十
分に長いために、期間Ｔ1終了から期間Ｔ6開始までの時
間は無視することができる。
【００４９】期間Ｔ6終了後には、全てのホトダイオー
ド５０５のｎ領域１０５が空乏化しているので、全ホト
ダイオードが初期状態にリセットされたことになる。こ
のときホトダイオードが露光されていれば、この期間Ｔ
6終了後から次の蓄積期間が開始となる。
ド５０５のｎ領域１０５が空乏化しているので、全ホト
ダイオードが初期状態にリセットされたことになる。こ
のときホトダイオードが露光されていれば、この期間Ｔ
6終了後から次の蓄積期間が開始となる。
【００５０】更に、期間Ｔ7において、選択スイッチＱ4
をオンして、浮遊拡散領域１０３の転送電荷に基づく信
号を読み出す。そして、画素外の回路において、必要に
応じて、期間Ｔ3において読み出した信号と、期間Ｔ7に
おいて読み出した信号を加算する。
をオンして、浮遊拡散領域１０３の転送電荷に基づく信
号を読み出す。そして、画素外の回路において、必要に
応じて、期間Ｔ3において読み出した信号と、期間Ｔ7に
おいて読み出した信号を加算する。
【００５１】期間Ｔ7終了後、リセットスリッチＱ2を再
びオンして、浮遊拡散領域１０３の電位をリセットす
る。
びオンして、浮遊拡散領域１０３の電位をリセットす
る。
【００５２】本実施形態による作用について詳述する。
【００５３】ここで再び図１５を参照して、ホトダイオ
ードの飽和電荷量ＱsatがＢ−Ｆ間の値である場合につ
いて考える。
ードの飽和電荷量ＱsatがＢ−Ｆ間の値である場合につ
いて考える。
【００５４】この場合、浮遊拡散領域１０３に与えるリ
セット電圧を高くして、Ｂ−Ｆ間でＶFdsat＞空乏化電
圧とすれば、一回の転送動作で空乏転送が実現できる。
セット電圧を高くして、Ｂ−Ｆ間でＶFdsat＞空乏化電
圧とすれば、一回の転送動作で空乏転送が実現できる。
【００５５】これに対して、直線のようにリセット電
圧を低くした場合、直線、の関係より、ホトダイオ
ードに飽和電荷量相当の電荷が蓄積されている状態で転
送スイッチを開く（図２のＴ1期間に転送ゲート１０２
をハイレベルとして転送スイッチをオンする）と、ＶFD
sat＜空乏化電圧のため、転送動作によってもホトダイ
オード内には、多くの電荷が残留している。その様子は
図１の（ｂ）に示したとおりである。
圧を低くした場合、直線、の関係より、ホトダイオ
ードに飽和電荷量相当の電荷が蓄積されている状態で転
送スイッチを開く（図２のＴ1期間に転送ゲート１０２
をハイレベルとして転送スイッチをオンする）と、ＶFD
sat＜空乏化電圧のため、転送動作によってもホトダイ
オード内には、多くの電荷が残留している。その様子は
図１の（ｂ）に示したとおりである。
【００５６】従来の技術のうち、ある一つの方法では、
この状態で転送スイッチを閉じ（図２のＴ2期間のよう
に転送ゲート１０２をローレベルとして転送スイッチを
オフし）、次の蓄積を開始していた。よって、ホトダイ
オードでは、次の蓄積期間に蓄積された信号電荷を読み
出す時に、前回転送しきれなかった残留電荷が混ざった
信号となり、残像の原因となっていた。
この状態で転送スイッチを閉じ（図２のＴ2期間のよう
に転送ゲート１０２をローレベルとして転送スイッチを
オフし）、次の蓄積を開始していた。よって、ホトダイ
オードでは、次の蓄積期間に蓄積された信号電荷を読み
出す時に、前回転送しきれなかった残留電荷が混ざった
信号となり、残像の原因となっていた。
【００５７】この問題を解決するために、ホトダイオー
ドの空乏化電圧を更に下げる方法を採用すると、固体撮
像装置で取り扱える電荷量が少なくなり、固体撮像装置
としての性能が十分に発揮できないことになる。そこ
で、取り扱い電荷量を確保するために、やむを得ず電源
電圧を高くしていた。
ドの空乏化電圧を更に下げる方法を採用すると、固体撮
像装置で取り扱える電荷量が少なくなり、固体撮像装置
としての性能が十分に発揮できないことになる。そこ
で、取り扱い電荷量を確保するために、やむを得ず電源
電圧を高くしていた。
【００５８】このため、画素部に微細なＭＯＳトランジ
スタを使用することが難しく、ＡＰＳセンサの微細化が
困難になっていた。
スタを使用することが難しく、ＡＰＳセンサの微細化が
困難になっていた。
【００５９】本発明においては、初回（１回目）の信号
読み出し期間Ｔ3が終了した後、図２のリセット期間Ｔ4
においてリセットゲート１０８をハイレベルとしてリセ
ットを行う。そうすると、図１の（ｄ）のように信号増
幅手段の入力となる浮遊拡散領域１０３が一旦リセット
される。その後、期間Ｔ6において、転送ゲート１０２
をハイレベルとして転送スイッチを開いて信号転送を行
い、図１の（ｅ）の様に残留電荷を読み出し、その後期
間Ｔ7において、前回の信号読み出しで読み出せなかっ
た信号分を読み出す。こうして、ホトダイオードに蓄積
された光電荷は全て転送され、ホトダイオードは完全空
乏化する。
読み出し期間Ｔ3が終了した後、図２のリセット期間Ｔ4
においてリセットゲート１０８をハイレベルとしてリセ
ットを行う。そうすると、図１の（ｄ）のように信号増
幅手段の入力となる浮遊拡散領域１０３が一旦リセット
される。その後、期間Ｔ6において、転送ゲート１０２
をハイレベルとして転送スイッチを開いて信号転送を行
い、図１の（ｅ）の様に残留電荷を読み出し、その後期
間Ｔ7において、前回の信号読み出しで読み出せなかっ
た信号分を読み出す。こうして、ホトダイオードに蓄積
された光電荷は全て転送され、ホトダイオードは完全空
乏化する。
【００６０】この後、浮遊拡散領域のリセットを行え
ば、今回の蓄積期間に基づく残像はなくなる。
ば、今回の蓄積期間に基づく残像はなくなる。
【００６１】また、必要であれば、更に信号増幅手段の
入力部となる浮遊拡散領域１０３を一旦リセットした後
に３回目の読み出す動作を行ってもよい。勿論、４回以
上の読み出し動作を行っても良い。
入力部となる浮遊拡散領域１０３を一旦リセットした後
に３回目の読み出す動作を行ってもよい。勿論、４回以
上の読み出し動作を行っても良い。
【００６２】さらに、ホトダイオード内の電荷が充分読
み出せる回数だけ、前述の読み出し動作を繰り返し行え
ば、残像もなくホトダイオードが取り扱える最大電荷を
読み出すことが可能である。
み出せる回数だけ、前述の読み出し動作を繰り返し行え
ば、残像もなくホトダイオードが取り扱える最大電荷を
読み出すことが可能である。
【００６３】また、本発明においては、前述の信号増幅
手段からの信号を加算すること、たとえば、前述のよう
に、３回の読み出し動作を行って得られた信号増幅手段
からの３回分の出力を加算することで、より多くの光電
荷信号の情報を読み出すこともできる。
手段からの信号を加算すること、たとえば、前述のよう
に、３回の読み出し動作を行って得られた信号増幅手段
からの３回分の出力を加算することで、より多くの光電
荷信号の情報を読み出すこともできる。
【００６４】従来センサからの出力信号を加算するとい
う考え方は有ったものの、そのような技術は、カメラの
測光センサなどに代表されるよう実質的に蓄積時間が異
なる出力を加算するものであった。
う考え方は有ったものの、そのような技術は、カメラの
測光センサなどに代表されるよう実質的に蓄積時間が異
なる出力を加算するものであった。
【００６５】また、同一の蓄積時間の信号を加算する技
術としては、色処理などに代表されるように、他画素の
信号を加算する技術であった。
術としては、色処理などに代表されるように、他画素の
信号を加算する技術であった。
【００６６】これに対して、本発明の実施形態では、同
一画素の一単位の蓄積時間の信号を分割して読み出し加
算する。
一画素の一単位の蓄積時間の信号を分割して読み出し加
算する。
【００６７】加算する手段は、幾つかあり、例えば、信
号増幅手段からの出力をデジタル変換した後、デジタル
的に加算するＡＤ変換器とデジタル加算回路を採用する
ことができる。また各回数の出力に重み付けをして加算
する重み付け加算回路を採用してもよく、重み付け加算
することで光量の範囲に応じ感度やガンマを変えること
ができる。また、デジタル変換前にアナログ的に加算す
るアナログ加算器を用いても良い。
号増幅手段からの出力をデジタル変換した後、デジタル
的に加算するＡＤ変換器とデジタル加算回路を採用する
ことができる。また各回数の出力に重み付けをして加算
する重み付け加算回路を採用してもよく、重み付け加算
することで光量の範囲に応じ感度やガンマを変えること
ができる。また、デジタル変換前にアナログ的に加算す
るアナログ加算器を用いても良い。
【００６８】特にホトダイオードが埋め込み型ホトダイ
オードであった場合は、各転送動作毎には、リセットノ
イズなどのノイズが重畳されないため、加算した情報
は、電源電圧を高くし１回の読み出しで読み出した情報
と何ら遜色のないものである。
オードであった場合は、各転送動作毎には、リセットノ
イズなどのノイズが重畳されないため、加算した情報
は、電源電圧を高くし１回の読み出しで読み出した情報
と何ら遜色のないものである。
【００６９】この点について、以下さらに詳細に述べ
る。
る。
【００７０】前述のようにホトダイオード内の電荷すべ
て転送できる回数だけ、前述の転送・読み出し動作を繰
り返し行い、その信号を加算する。ここで重要なのは、
仮に各読み出し時に読み出される電荷がばらついたとし
ても埋め込みホトダイオードを用いた場合、最終的には
全電荷を読み出すため、加算すれば全電荷量になる。よ
って、読み出しを分割することによるノイズは乗らない
ところである。具体的な例で説明すると、蓄積の結果、
電荷が１００個蓄積され、各回の読み出しが、１回目で
５０個の電荷、２回目で４０個の電荷が読み出された場
合、埋め込みホトダイオード内には１０個の電荷しか残
っていないため３回目は１０個となる。従って、加算し
た結果は、１００個となる。原理的には各回での読み出
し電荷の数は揺らぎ、１回目が４８個の電荷、２回目が
３８個の電荷が読み出される場合もあるが、この場合は
埋め込みホトダイオード内には、１４個の電荷しか残っ
ていないため、３回目は１４個となり、加算した結果
は、１００個となる。
て転送できる回数だけ、前述の転送・読み出し動作を繰
り返し行い、その信号を加算する。ここで重要なのは、
仮に各読み出し時に読み出される電荷がばらついたとし
ても埋め込みホトダイオードを用いた場合、最終的には
全電荷を読み出すため、加算すれば全電荷量になる。よ
って、読み出しを分割することによるノイズは乗らない
ところである。具体的な例で説明すると、蓄積の結果、
電荷が１００個蓄積され、各回の読み出しが、１回目で
５０個の電荷、２回目で４０個の電荷が読み出された場
合、埋め込みホトダイオード内には１０個の電荷しか残
っていないため３回目は１０個となる。従って、加算し
た結果は、１００個となる。原理的には各回での読み出
し電荷の数は揺らぎ、１回目が４８個の電荷、２回目が
３８個の電荷が読み出される場合もあるが、この場合は
埋め込みホトダイオード内には、１４個の電荷しか残っ
ていないため、３回目は１４個となり、加算した結果
は、１００個となる。
【００７１】この結果、ホトダイオードは所望の飽和電
荷量Ｑsatを転送できる条件、Ｖres＞空乏化電圧を満た
せばよいことになり、従来技術と比較して、より一層の
低電圧化が可能である。
荷量Ｑsatを転送できる条件、Ｖres＞空乏化電圧を満た
せばよいことになり、従来技術と比較して、より一層の
低電圧化が可能である。
【００７２】以上述べた通り、本発明によれば、読み出
し動作を２回以上行うことで光電変換部に残留する光電
荷を読み出すことができ、さらに読み出された信号を加
算することにより、広いダイナミックレンジの光信号を
得ることができる。
し動作を２回以上行うことで光電変換部に残留する光電
荷を読み出すことができ、さらに読み出された信号を加
算することにより、広いダイナミックレンジの光信号を
得ることができる。
【００７３】当然のことながら本発明は、画素が１次元
に配列されたリニアセンサおよび画素が２次元に配列さ
れたエリアセンサのいずれにも有効であるが、画素縮小
にニーズの強いエリアセンサにおいては、トランジスタ
のタイプや数に制限が多く、回路的な対応がとれない
分、本発明はより有効に用いられる。
に配列されたリニアセンサおよび画素が２次元に配列さ
れたエリアセンサのいずれにも有効であるが、画素縮小
にニーズの強いエリアセンサにおいては、トランジスタ
のタイプや数に制限が多く、回路的な対応がとれない
分、本発明はより有効に用いられる。
【００７４】（実施形態１）本実施形態に用いた画素の
等価回路図は図３に示したものと同じであり、本実施例
はこの画素を２次元に配列してエリアセンサとしたもの
である。
等価回路図は図３に示したものと同じであり、本実施例
はこの画素を２次元に配列してエリアセンサとしたもの
である。
【００７５】図３において、５０５が光電変換部にあた
る埋め込み型のホトダイオードである。埋め込み型のホ
トダイオードは、本実施例においては、基体に形成され
たｐ型半導体からなるウエル中に、光電荷を蓄積するた
めのｎ型の蓄積層と、このｎ層とその上の絶縁層との間
に表面の暗電流を抑えるための不純物濃度の高いＰ型半
導体からなるｐ+層とを設け、図１に示したような埋め
込みホトダイオードとした。このホトダイオードの空乏
化電圧は、１．０voltである。
る埋め込み型のホトダイオードである。埋め込み型のホ
トダイオードは、本実施例においては、基体に形成され
たｐ型半導体からなるウエル中に、光電荷を蓄積するた
めのｎ型の蓄積層と、このｎ層とその上の絶縁層との間
に表面の暗電流を抑えるための不純物濃度の高いＰ型半
導体からなるｐ+層とを設け、図１に示したような埋め
込みホトダイオードとした。このホトダイオードの空乏
化電圧は、１．０voltである。
【００７６】信号増幅手段Ｑ3としてソースフォロワア
ンプの入力トランジスタとしてｎＭＯＳトランジスタ
を、選択スイッチＱ4として読み出す行を選択するため
にｎＭＯＳトランジスタを用いた。
ンプの入力トランジスタとしてｎＭＯＳトランジスタ
を、選択スイッチＱ4として読み出す行を選択するため
にｎＭＯＳトランジスタを用いた。
【００７７】不図示ではあるが、ソースフォロワの負荷
として定電流負荷を信号出力線５０４に接続している。
として定電流負荷を信号出力線５０４に接続している。
【００７８】ソースフォロワの入力端子をリセットする
ためのリセットスイッチＱ2としてｎＭＯＳトランジス
タを用いた。
ためのリセットスイッチＱ2としてｎＭＯＳトランジス
タを用いた。
【００７９】ホトダイオード５０５の光信号を入力部に
転送するための転送スイッチＱ1として、ホトダイオー
ドのｎ層と浮遊拡散領域との間の領域上に転送ゲートを
設けた。この転送ゲートが信号増幅手段であるソースフ
ォロワの入力部への電荷転送手段にあたる。
転送するための転送スイッチＱ1として、ホトダイオー
ドのｎ層と浮遊拡散領域との間の領域上に転送ゲートを
設けた。この転送ゲートが信号増幅手段であるソースフ
ォロワの入力部への電荷転送手段にあたる。
【００８０】５０１はリセット用及び増幅用の基準電圧
を与える電源線、５０２はリセットスイッチＱ2の動作
を制御するためのリセットスイッチ線、５０３は選択ス
イッチＱ4の動作を制御するための選択スイッチ線、５
０６は転送スイッチの動作を制御するための転送スイッ
チ線である。
を与える電源線、５０２はリセットスイッチＱ2の動作
を制御するためのリセットスイッチ線、５０３は選択ス
イッチＱ4の動作を制御するための選択スイッチ線、５
０６は転送スイッチの動作を制御するための転送スイッ
チ線である。
【００８１】図４は、本発明に用いられる、加算手段を
備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【００８２】図４において、６０１は、画素であり、図
３に示す画素を簡略して表現したものである。
３に示す画素を簡略して表現したものである。
【００８３】各画素の出力は、信号出力線６０４に接続
されている出力信号保持手段６０２に読み出される。出
力信号を一旦保持するための出力信号保持手段６０２に
は、具体的には複数の容量素子を用いることができる。
本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図
４中のスイッチＳ1を開閉し、出力信号を容量に保持す
る。２回目の読み出し時には、スイッチＳ2を開閉し
て、別の容量に出力信号を保持し、最後（３回目）の読
み出し時には、スイッチＳ3を開閉して、更に別の容量
に出力信号を保持する。
されている出力信号保持手段６０２に読み出される。出
力信号を一旦保持するための出力信号保持手段６０２に
は、具体的には複数の容量素子を用いることができる。
本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図
４中のスイッチＳ1を開閉し、出力信号を容量に保持す
る。２回目の読み出し時には、スイッチＳ2を開閉し
て、別の容量に出力信号を保持し、最後（３回目）の読
み出し時には、スイッチＳ3を開閉して、更に別の容量
に出力信号を保持する。
【００８４】各容量に保持された信号は、信号加算手段
６０３としてのアナログ加算器により加算され、水平走
査回路６０５で時系列信号に変換されて、出力アンプ６
０６より出力される。
６０３としてのアナログ加算器により加算され、水平走
査回路６０５で時系列信号に変換されて、出力アンプ６
０６より出力される。
【００８５】図４の回路は減算処理手段を含んでいない
が、出力信号保持手段６０２に減算処理手段を含むよう
に構成することもできる。この場合には、減算処理され
ノイズが除去された信号が出力信号加算手段６０３で加
算され、水平走査回路６０５により出力線に出力され、
出力アンプ６０６を介して出力されることになる。
が、出力信号保持手段６０２に減算処理手段を含むよう
に構成することもできる。この場合には、減算処理され
ノイズが除去された信号が出力信号加算手段６０３で加
算され、水平走査回路６０５により出力線に出力され、
出力アンプ６０６を介して出力されることになる。
【００８６】加算手段６０３としては、図５に示すよう
なクランプ方式の加算回路を用いることも出来る。
なクランプ方式の加算回路を用いることも出来る。
【００８７】図５において、３つの入力端子には容量素
子（クランプ容量）が直列に接続されており、容量素子
の出力側にはリセット用スイッチとソースホロワからな
る増幅用トランジスタが接続されている。読み出された
出力信号は３つのクランプ容量により加算されて、増幅
用トランジスタから出力される。
子（クランプ容量）が直列に接続されており、容量素子
の出力側にはリセット用スイッチとソースホロワからな
る増幅用トランジスタが接続されている。読み出された
出力信号は３つのクランプ容量により加算されて、増幅
用トランジスタから出力される。
【００８８】駆動タイミングの概略は以下のとおりであ
る。
る。
【００８９】転送スイッチＱ1のオフ状態あるいはシャ
ッターを開くことにより、ホトトランジスタへの露光を
開始する。
ッターを開くことにより、ホトトランジスタへの露光を
開始する。
【００９０】１フィールド走査期間あるいは１フレーム
走査期間に相当する期間を経た後、リセットスイッチＱ
2をＯＮからＯＦＦにしソースフォロワの入力部をリセ
ットした後にフローティング状態にする。
走査期間に相当する期間を経た後、リセットスイッチＱ
2をＯＮからＯＦＦにしソースフォロワの入力部をリセ
ットした後にフローティング状態にする。
【００９１】次に、転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダ
イオード５０５に蓄積された光電荷の一部をソースフォ
ロアの入力部に転送する。
イオード５０５に蓄積された光電荷の一部をソースフォ
ロアの入力部に転送する。
【００９２】画素の選択スイッチＱ4をオンするととも
に、スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２に出
力信号を保持する。
に、スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２に出
力信号を保持する。
【００９３】再び、リセットスイッチＱ2を開閉し、ソ
ースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態
にする。転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５
０５に蓄積された光電荷の残りの一部をソースフォロア
の入力部に転送する。
ースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態
にする。転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダイオード５
０５に蓄積された光電荷の残りの一部をソースフォロア
の入力部に転送する。
【００９４】先ほどと同様、今度は２回目の読み出し信
号を得るために、画素の選択スイッチＱ4をオンすると
ともに、スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２
に出力信号を保持する。
号を得るために、画素の選択スイッチＱ4をオンすると
ともに、スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２
に出力信号を保持する。
【００９５】３回目の読み出し信号を得るために、リセ
ットスイッチＱ2を開閉し、ソースフォロアの入力部を
リセットしフローティング状態にてから、転送スイッチ
Ｑ1を開閉し、ホトダイオード５０５に蓄積された光電
荷の残りの一部をソースフォロアの入力部に転送する。
そして、画素の選択スイッチＱ4をオンするとともに、
スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２に出力信
号を保持する。
ットスイッチＱ2を開閉し、ソースフォロアの入力部を
リセットしフローティング状態にてから、転送スイッチ
Ｑ1を開閉し、ホトダイオード５０５に蓄積された光電
荷の残りの一部をソースフォロアの入力部に転送する。
そして、画素の選択スイッチＱ4をオンするとともに、
スイッチＳ１を開閉することにより容量６０２に出力信
号を保持する。
【００９６】本実施の形態によれば、飽和状態にあるホ
トダイオードから信号を転送し読み出す場合であって
も、３回の転送及び読み出し動作により、ホトダイオー
ドを完全に空乏化させることができる。蓄積電荷量が少
ないホトダイオードにおいては、２回目の転送動作によ
って完全に電荷が転送され、ホトダイオードは完全空乏
化リセットされる。さらに蓄積電荷量がより少ないホト
ダイオードにおいては、一回目の転送動作によって空乏
化リセットが達成されるものもある。
トダイオードから信号を転送し読み出す場合であって
も、３回の転送及び読み出し動作により、ホトダイオー
ドを完全に空乏化させることができる。蓄積電荷量が少
ないホトダイオードにおいては、２回目の転送動作によ
って完全に電荷が転送され、ホトダイオードは完全空乏
化リセットされる。さらに蓄積電荷量がより少ないホト
ダイオードにおいては、一回目の転送動作によって空乏
化リセットが達成されるものもある。
【００９７】従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を
２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リ
セット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リ
セット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
【００９８】一方、本実施の形態では、電源電圧＝３．
３volt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わら
ず、従来と同等の良好な光信号を得ることができる。
３volt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わら
ず、従来と同等の良好な光信号を得ることができる。
【００９９】また、前述の性能を達成するために、従来
は、電源電圧が５．０voltを必要とし、０．８μｍルー
ルのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざるを得なか
ったのに対し、本実施の形態では、電源電圧を３．３vo
ltにすることができ、０．３５μｍルールのＭＯＳトラ
ンジスタを用いることができる。
は、電源電圧が５．０voltを必要とし、０．８μｍルー
ルのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざるを得なか
ったのに対し、本実施の形態では、電源電圧を３．３vo
ltにすることができ、０．３５μｍルールのＭＯＳトラ
ンジスタを用いることができる。
【０１００】（実施形態２）本実施形態による固体撮像
装置の各画素の物理的構成及び回路構成は、実施形態１
と同じである。
装置の各画素の物理的構成及び回路構成は、実施形態１
と同じである。
【０１０１】実施形態１と異なる点は、読み出し回路と
して図６に示した回路を用いた点にある。
して図６に示した回路を用いた点にある。
【０１０２】図６は、本発明に用いられる、加算手段を
備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【０１０３】各画素の出力は、信号出力線７０４に接続
されている出力信号保持手段７０２に読み出される。出
力信号を一旦保持するための出力信号保持手段７０２に
は、具体的には複数の容量素子を用いることができる。
本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図
６中のスイッチＳ1を開閉し、ノイズ信号及び出力信号
を容量に保持する。２回目の読み出し時には、スイッチ
Ｓ2を開閉して、別の容量にノイズ信号及び出力信号を
保持し、最後（３回目）の読み出し時には、スイッチＳ
3を開閉して、更に別の容量にノイズ信号及び出力信号
を保持する。
されている出力信号保持手段７０２に読み出される。出
力信号を一旦保持するための出力信号保持手段７０２に
は、具体的には複数の容量素子を用いることができる。
本実施形態の場合、初回（１回目）の読み出し時には図
６中のスイッチＳ1を開閉し、ノイズ信号及び出力信号
を容量に保持する。２回目の読み出し時には、スイッチ
Ｓ2を開閉して、別の容量にノイズ信号及び出力信号を
保持し、最後（３回目）の読み出し時には、スイッチＳ
3を開閉して、更に別の容量にノイズ信号及び出力信号
を保持する。
【０１０４】各容量に保持されたノイズ信号及び出力信
号は、水平走査回路７０５で時系列信号に変換されて、
出力アンプ７０６より出力される。
号は、水平走査回路７０５で時系列信号に変換されて、
出力アンプ７０６より出力される。
【０１０５】駆動タイミングチャートを図７に示す。
【０１０６】リセットスイッチＱ2をＯＮからＯＦＦに
しソースフォロワの入力部をリセットした後にフローテ
ィング状態にする。画素の選択スイッチＱ4をオンし
て、このリセット動作により発生したリセットノイズを
出力信号線７０４に読み出し、スイッチＳ1の一方を開
閉してノイズ信号を保持するための容量に転送する。図
７の読み出し用のハイレベルパルスＳ1（Ｎ）はスイッ
チＳ1の一方を開く信号である。
しソースフォロワの入力部をリセットした後にフローテ
ィング状態にする。画素の選択スイッチＱ4をオンし
て、このリセット動作により発生したリセットノイズを
出力信号線７０４に読み出し、スイッチＳ1の一方を開
閉してノイズ信号を保持するための容量に転送する。図
７の読み出し用のハイレベルパルスＳ1（Ｎ）はスイッ
チＳ1の一方を開く信号である。
【０１０７】次に、転送スイッチＱ1を開閉し、ホトダ
イオード５０５から光信号をソースフォロアの入力部に
転送し、光信号成分を入力部に残留するリセットノイズ
に重畳させる。選択スイッチＱ4をオンしてこの光信号
を出力線７０４に読み出し、この信号をもう一つの容量
にスイッチＳ1の他方を開いて保持する。図７の読み出
し用のハイレベルのパルスＳ1（Ｓ）はスイッチＳ1の他
方を開く信号である。
イオード５０５から光信号をソースフォロアの入力部に
転送し、光信号成分を入力部に残留するリセットノイズ
に重畳させる。選択スイッチＱ4をオンしてこの光信号
を出力線７０４に読み出し、この信号をもう一つの容量
にスイッチＳ1の他方を開いて保持する。図７の読み出
し用のハイレベルのパルスＳ1（Ｓ）はスイッチＳ1の他
方を開く信号である。
【０１０８】その後、再びリセットスイッチＱ2を開閉
し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティン
グ状態にする。先ほどと同様、今度は２回目の読み出し
信号を得るために、ハイレベルのパルスＳ2（Ｎ）、Ｓ2
（Ｓ）によりスイッチＳ2を順次開閉し、出力信号を夫
々の容量にリセットノイズと光信号とを保持する。
し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティン
グ状態にする。先ほどと同様、今度は２回目の読み出し
信号を得るために、ハイレベルのパルスＳ2（Ｎ）、Ｓ2
（Ｓ）によりスイッチＳ2を順次開閉し、出力信号を夫
々の容量にリセットノイズと光信号とを保持する。
【０１０９】更に、３回目の読み出し信号を得るため
に、同様にハイレベルのパルスＳ3（Ｎ）、Ｓ3（Ｓ）で
スイッチＳ3を順次開閉しノイズと出力信号を夫々の容
量に保持する。
に、同様にハイレベルのパルスＳ3（Ｎ）、Ｓ3（Ｓ）で
スイッチＳ3を順次開閉しノイズと出力信号を夫々の容
量に保持する。
【０１１０】本実施例においては、３回目の読み出しに
より、飽和状態あるいはシステム上最大蓄積量の電荷が
蓄積された状態にある埋め込みホトダイオード内の電荷
が全て転送できるように、ホトダイオード並びにリセッ
ト電圧を設計している。
より、飽和状態あるいはシステム上最大蓄積量の電荷が
蓄積された状態にある埋め込みホトダイオード内の電荷
が全て転送できるように、ホトダイオード並びにリセッ
ト電圧を設計している。
【０１１１】従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を
２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リ
セット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
２．５volt確保するために、電源電圧＝５．０volt、リ
セット電圧＝３．５volt、で駆動せざるを得なかった。
【０１１２】一方、本実施例では、電源電圧＝３．３vo
lt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わらず、
従来と同等の良好な光信号を得ることができた。
lt、リセット電圧＝１．８voltに下げたにも関わらず、
従来と同等の良好な光信号を得ることができた。
【０１１３】また、前述の性能を達成するために、従来
は、電源電圧が５．０voltを必要とし、最小線幅０．８
μｍルールのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざる
を得なかったのに対し、本実施例では、電源電圧を３．
３voltにすることができるとともに、最小線幅０．３５
μｍルールのＭＯＳトランジスタを用いることができ
た。
は、電源電圧が５．０voltを必要とし、最小線幅０．８
μｍルールのＭＯＳトランジスタプロセスを使用せざる
を得なかったのに対し、本実施例では、電源電圧を３．
３voltにすることができるとともに、最小線幅０．３５
μｍルールのＭＯＳトランジスタを用いることができ
た。
【０１１４】（実施形態３）図８は、本実施形態による
１画素及び読み出し回路の回路図である。
１画素及び読み出し回路の回路図である。
【０１１５】９０１、９０１’はリセット用電圧及び増
幅用トランジスタの電源電圧を与える電源線、９０２、
９０２’はリセットスイッチＱ2、Ｑ2’の動作を制御す
るリセットスイッチ線、９０４は信号出力線、９０５は
ホトダイオード、９０６、９０６’は転送スイッチＱ
1、Ｑ1’の動作を制御する転送スイッチ線である。
幅用トランジスタの電源電圧を与える電源線、９０２、
９０２’はリセットスイッチＱ2、Ｑ2’の動作を制御す
るリセットスイッチ線、９０４は信号出力線、９０５は
ホトダイオード、９０６、９０６’は転送スイッチＱ
1、Ｑ1’の動作を制御する転送スイッチ線である。
【０１１６】実施形態１、２においては、１画素に一つ
ソースフォロワを配置したものであり、読み出すたびに
時系列的にソースフォロワの入力部をリセットしてい
た。
ソースフォロワを配置したものであり、読み出すたびに
時系列的にソースフォロワの入力部をリセットしてい
た。
【０１１７】本実施形態においては、１画素に２つのソ
ースフォロワＱ3およびＱ3’を配置されている。ここで
は、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入力部を、リセッ
トスイッチＱ2、Ｑ2’をオンすることにより同時にリセ
ットする。
ースフォロワＱ3およびＱ3’を配置されている。ここで
は、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入力部を、リセッ
トスイッチＱ2、Ｑ2’をオンすることにより同時にリセ
ットする。
【０１１８】その後、選択スイッチＱ4とスイッチＳ1の
ノイズ用のスイッチおよび選択スイッチＱ4’とスイッ
チＳ２のノイズ用のスイッチを順次開閉し、リセットノ
イズ信号をそれぞれスイッチＳ1，Ｓ2に接続されるノイ
ズ用の容量に保持する。
ノイズ用のスイッチおよび選択スイッチＱ4’とスイッ
チＳ２のノイズ用のスイッチを順次開閉し、リセットノ
イズ信号をそれぞれスイッチＳ1，Ｓ2に接続されるノイ
ズ用の容量に保持する。
【０１１９】続いて、転送スイッチＱ2，Ｑ2’を順次ま
たは同時に開閉し、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入
力部に電荷を転送し、順次、選択スイッチＱ4、Ｑ4’を
開閉して、光信号情報を含んだ信号出力をそれぞれスイ
ッチＳ1，Ｓ2に接続される信号用の容量に信号を保持す
る。
たは同時に開閉し、ソースフォロアＱ3およびＱ3’の入
力部に電荷を転送し、順次、選択スイッチＱ4、Ｑ4’を
開閉して、光信号情報を含んだ信号出力をそれぞれスイ
ッチＳ1，Ｓ2に接続される信号用の容量に信号を保持す
る。
【０１２０】そして、水平走査回路を用いて信号を加算
しながら出力し、差動アンプによりノイズ抑制処理を施
し、出力する。
しながら出力し、差動アンプによりノイズ抑制処理を施
し、出力する。
【０１２１】（実施形態４）図９は本実施形態による固
体撮像装置の回路図である。
体撮像装置の回路図である。
【０１２２】ここでは、第１の信号出力線９０４と平行
に第２の信号出力線９０４’を配置し、ソースフォロア
Ｑ3’の出力を第２の信号出力線に読み出すことで、ノ
イズ信号および光信号を含んだ信号出力の読み出しを並
列に行うことができる。つまり、選択スイッチＱ4、Ｑ
4’を同時に開閉することができる。
に第２の信号出力線９０４’を配置し、ソースフォロア
Ｑ3’の出力を第２の信号出力線に読み出すことで、ノ
イズ信号および光信号を含んだ信号出力の読み出しを並
列に行うことができる。つまり、選択スイッチＱ4、Ｑ
4’を同時に開閉することができる。
【０１２３】本実施形態により、実施形態１と同様に低
電圧でかつ広いダイナミックレンジの光信号を得ると同
時に、画素サイズは大きくなるものの実施形態１、２に
比べ読み出しのための時間を短縮することができた。
電圧でかつ広いダイナミックレンジの光信号を得ると同
時に、画素サイズは大きくなるものの実施形態１、２に
比べ読み出しのための時間を短縮することができた。
【０１２４】（実施形態５）例えば、実施例１の固体撮
像装置の読み出し回路を変更して、順次読み出しを行っ
た信号を夫々デジタル信号に変換してからデジタル処理
により信号の加算を行うこともできる。
像装置の読み出し回路を変更して、順次読み出しを行っ
た信号を夫々デジタル信号に変換してからデジタル処理
により信号の加算を行うこともできる。
【０１２５】このデジタル処理においては、重みを可変
とした、重み付け加算を簡単に行うことができるので、
その結果、例えば、図１０に示すように、信号の加算を
プログラマブルに設定できる。この方法を用いれば、例
えば、光量の範囲に応じ感度を変えることができる。
とした、重み付け加算を簡単に行うことができるので、
その結果、例えば、図１０に示すように、信号の加算を
プログラマブルに設定できる。この方法を用いれば、例
えば、光量の範囲に応じ感度を変えることができる。
【０１２６】（実施形態６）本実施の形態による固体撮
像装置の回路を図１１に示す。基本的な構成や動作は実
施形態２と同じである。異なる点は、ソースフォロワの
入力部たる電荷電圧変換部の容量ＣFDを小さくて一信号
出力線あたりの読み出し容量の組を３組から２組に減ら
して、２回の動作で転送及び読み出しを行うようにした
点である。
像装置の回路を図１１に示す。基本的な構成や動作は実
施形態２と同じである。異なる点は、ソースフォロワの
入力部たる電荷電圧変換部の容量ＣFDを小さくて一信号
出力線あたりの読み出し容量の組を３組から２組に減ら
して、２回の動作で転送及び読み出しを行うようにした
点である。
【０１２７】具体的には、感度を向上させるためにソー
スフォロワの入力部にたる電荷電圧変換部の容量ＣFDを
４ｆＦ程度にした。
スフォロワの入力部にたる電荷電圧変換部の容量ＣFDを
４ｆＦ程度にした。
【０１２８】ＣFD＝７ｆＦ程度では、入力部における１
電子あたりの電荷変換係数は、２３μＶ／電子である。
電子あたりの電荷変換係数は、２３μＶ／電子である。
【０１２９】本実施形態では、ＣFD＝４ｆＦ程度に設計
し、電荷変換係数を４０μＶ／電子とした。
し、電荷変換係数を４０μＶ／電子とした。
【０１３０】従来技術では、感度を上げるために、容量
値を小さくしてしまうとその分ダイナミックレンジは小
さくなってしまっていた。具体的には取り扱い電荷が５
７％に減少してしまい、感度の向上とダイナミックレン
ジの拡大は両立することが困難であった。
値を小さくしてしまうとその分ダイナミックレンジは小
さくなってしまっていた。具体的には取り扱い電荷が５
７％に減少してしまい、感度の向上とダイナミックレン
ジの拡大は両立することが困難であった。
【０１３１】本実施形態例では、電源電圧＝５．０volt
とし、２回の読み出しにより、ホトダイオード内に蓄積
できる最大電荷量を完全に転送し読み出すことが可能で
あり、この２回の読み出しによる信号を共通の水平出力
線上で加算した。この結果、ダイナミックレンジを確保
しつつ、感度を約２倍に向上させることができる。
とし、２回の読み出しにより、ホトダイオード内に蓄積
できる最大電荷量を完全に転送し読み出すことが可能で
あり、この２回の読み出しによる信号を共通の水平出力
線上で加算した。この結果、ダイナミックレンジを確保
しつつ、感度を約２倍に向上させることができる。
【０１３２】（実施形態７）本実施形態の固体撮像装置
の３画素の回路図を図１２に示す。
の３画素の回路図を図１２に示す。
【０１３３】本実施形態は、３つのホトダイオードから
なる光電変換部と３つの転送スイッチに対し、一つの増
幅手段であるソースフォロワアンプ、選択スイッチ及び
リセットスイッチが接続されて３画素を構成している。
なる光電変換部と３つの転送スイッチに対し、一つの増
幅手段であるソースフォロワアンプ、選択スイッチ及び
リセットスイッチが接続されて３画素を構成している。
【０１３４】１３０１は電源線、１３０２はリセットス
イッチ線、１３０３は選択スイッチ線、１３０５ａ〜１
３０５ｃはホトダイオード，１３０６は転送スイッチ線
である。
イッチ線、１３０３は選択スイッチ線、１３０５ａ〜１
３０５ｃはホトダイオード，１３０６は転送スイッチ線
である。
【０１３５】本実施形態の特徴は、各ホトダイオード部
の信号をそれぞれの転送スイッチを開閉することで選択
的に読み出せる一方、３つの転送スイッチを同時に開閉
することでソースフォロワの入力端子上で３つホトダイ
オードの信号を加算できるところにある。３つのホトダ
イオードを加算した場合は、１つのホトダイオードの場
合と比較して信号量が増加する。従来では、加算して
も、ソースフォロワの入力端子上での信号振幅で制限さ
れてしまっていたが、転送動作を複数回繰り返すことに
より一単位の蓄積期間に蓄積された電荷に基づく信号を
よみだせば、本発明を適用することで、加算したすべて
の信号を読み出すことができる。
の信号をそれぞれの転送スイッチを開閉することで選択
的に読み出せる一方、３つの転送スイッチを同時に開閉
することでソースフォロワの入力端子上で３つホトダイ
オードの信号を加算できるところにある。３つのホトダ
イオードを加算した場合は、１つのホトダイオードの場
合と比較して信号量が増加する。従来では、加算して
も、ソースフォロワの入力端子上での信号振幅で制限さ
れてしまっていたが、転送動作を複数回繰り返すことに
より一単位の蓄積期間に蓄積された電荷に基づく信号を
よみだせば、本発明を適用することで、加算したすべて
の信号を読み出すことができる。
【０１３６】また、本発明においては、初回に読み出し
た信号を使わずに、２回目或いはそれ以降の信号を用い
るモードを選択して、所定の露光量以上の信号のみを抽
出できるようにすることも可能である。
た信号を使わずに、２回目或いはそれ以降の信号を用い
るモードを選択して、所定の露光量以上の信号のみを抽
出できるようにすることも可能である。
【０１３７】例えば、３回以上の読み出しを行う場合
に、初回の信号を加算せずに、２回目読み出し信号のみ
を選択して加算すれば、デジタル演算することなしに、
ある露光光量以上の信号を簡単に抽出することが可能と
なる。
に、初回の信号を加算せずに、２回目読み出し信号のみ
を選択して加算すれば、デジタル演算することなしに、
ある露光光量以上の信号を簡単に抽出することが可能と
なる。
【０１３８】また、画素部分の駆動に用いられる電源を
３．３voltにすることができるため、単一の電源でアナ
ログ−デジタル変換器とともに駆動をすることができ
る。さらには、画素部分とアナログ−デジタル変換器を
同一のチップ上に作製することが容易にできる。
３．３voltにすることができるため、単一の電源でアナ
ログ−デジタル変換器とともに駆動をすることができ
る。さらには、画素部分とアナログ−デジタル変換器を
同一のチップ上に作製することが容易にできる。
【０１３９】図１３に本発明による上記撮像装置を用い
たシステム概略図を示す。
たシステム概略図を示す。
【０１４０】同図に示すように、光学系７１を通って入
射した画像光は固体撮像装置７２上に結像する。固体撮
像装置７２によって光情報は電気信号へと変換される。
その電気信号は信号処理回路７３によってホワイトバラ
ンス補正、ガンマ補正、輝度信号形成、色信号形成、輪
郭補正処理等予め決められた方法によって信号変換処理
され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通
信系７４により情報記録装置により記録、あるいは情報
転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系７
７により再生される。固体撮像装置７２、信号処理回路
７３はタイミング制御回路７５により制御され、光学系
７１、タイミング制御回路７５、記録系・通信系７４、
再生系７７はシステムコントロール回路７６により制御
される。タイミング制御回路７５により独立読み出し
か、加算・間引き読み出しかを選択することができる。
射した画像光は固体撮像装置７２上に結像する。固体撮
像装置７２によって光情報は電気信号へと変換される。
その電気信号は信号処理回路７３によってホワイトバラ
ンス補正、ガンマ補正、輝度信号形成、色信号形成、輪
郭補正処理等予め決められた方法によって信号変換処理
され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通
信系７４により情報記録装置により記録、あるいは情報
転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系７
７により再生される。固体撮像装置７２、信号処理回路
７３はタイミング制御回路７５により制御され、光学系
７１、タイミング制御回路７５、記録系・通信系７４、
再生系７７はシステムコントロール回路７６により制御
される。タイミング制御回路７５により独立読み出し
か、加算・間引き読み出しかを選択することができる。
【０１４１】７０は必要に応じて設けられ、固体撮像装
置７２の露光時間を定める機械式シャッターである。
置７２の露光時間を定める機械式シャッターである。
【０１４２】以上説明したように、本発明の実施形態に
よれば、以下のような効果を得ることができる。 （１）電源電圧を下げても広いダイナミックレンジのセ
ンサ信号を得ることができる。 （２）上記（１）の効果により、より微細なＭＯＳトラ
ンジスタを使用することができ、画素の縮小化が可能と
なる。 （３）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になった
ため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの使用が
可能となる。 （４）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になった
ため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの１チッ
プ化が可能となる。 （５）ダイナミックレンジを劣化させることなく、感度
向上が可能となる。
よれば、以下のような効果を得ることができる。 （１）電源電圧を下げても広いダイナミックレンジのセ
ンサ信号を得ることができる。 （２）上記（１）の効果により、より微細なＭＯＳトラ
ンジスタを使用することができ、画素の縮小化が可能と
なる。 （３）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になった
ため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの使用が
可能となる。 （４）微細なＭＯＳトランジスタの使用が可能になった
ため、単一の電源で、高性能なデジタルＩＣとの１チッ
プ化が可能となる。 （５）ダイナミックレンジを劣化させることなく、感度
向上が可能となる。
【０１４３】
【発明の効果】本発明によれば、従来よりも、低消費電
力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並
びに撮像システムを提供することができる。
力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並
びに撮像システムを提供することができる。
【０１４４】或いは、電源電圧やリセット電圧を高くす
ることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆
動方法並びに撮像システムを提供することができる。
ることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆
動方法並びに撮像システムを提供することができる。
【図１】本発明に係わる固体撮像装置の画素部構成とそ
の動作を説明するための模式図である。
の動作を説明するための模式図である。
【図２】本発明による、画素部の駆動タイミング図であ
る。
る。
【図３】本発明に用いられる画素部の代表的な回路図で
ある。
ある。
【図４】本発明に用いられる加算回路を有する読み出し
回路の模式的な回路図である。
回路の模式的な回路図である。
【図５】本発明に用いられる加算回路の一例を示す図で
ある。
ある。
【図６】本発明に用いられる別の加算回路を有する読み
出し回路の模式的な回路図である。
出し回路の模式的な回路図である。
【図７】本発明に用いられる画素部の駆動タイミング図
である。
である。
【図８】本発明に用いられる別の固体撮像装置の回路図
である。
である。
【図９】本発明に用いられる更に別の固体撮像装置の回
路図である。
路図である。
【図１０】光量と演算後の出力信号の関係の一例を示す
図である。
図である。
【図１１】本発明に用いられる他の読み出し回路の回路
図である。
図である。
【図１２】本発明に用いられる他の固体撮像装置の画素
部の回路図である。
部の回路図である。
【図１３】本発明に用いられる撮像システムのブロック
図である。
図である。
【図１４】従来の固体撮像装置の動作を説明するための
模式図である。
模式図である。
【図１５】ホトダイオードの飽和電荷量と浮遊拡散領域
の電位の関係を示す図である。
の電位の関係を示す図である。
１０１ Ｐウエル １０２ 転送スイッチのゲート １０３ 浮遊拡散領域 １０４ ホトダイオードの表面ｐ領域 １０５ ホトダイオードのｎ領域 １０６ 酸化膜 １０７ リセット領域 １０８ リセットスイッチのゲート ５０１ 電源線 ５０２ リセットスイッチ線 ５０３ 選択スイッチ線 ５０４ 信号出力線 ５０５ 埋め込み型のホトダイオード ５０６ 転送スイッチ線 Ｑ１ 転送スイッチ Ｑ２ リセットスイッチ Ｑ３ 入力ＭＯＳトランジスタ（信号増幅手段） Ｑ４ 選択スイッチ
Claims (30)
- 【請求項１】 光電変換部と、該光電変換部から信号を
出力する出力手段とを有する画素を備えた固体撮像装置
の駆動方法において、 一単位の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電
荷を分割して前記出力手段を介して読み出すことを特徴
とする固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項２】 前記分割されて読み出された出力信号に
それぞれノイズ抑制処理を施した後、加算する請求項１
に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項３】 前記分割されて読み出された出力信号を
それぞれ保持し、それらを加算した後、あるいは加算し
ながら水平走査を行う請求項１に記載の固体撮像装置の
駆動方法。 - 【請求項４】 前記光電変換部からの信号を複数の出力
手段から分割して読み出す請求項１に記載の固体撮像装
置の駆動方法。 - 【請求項５】 前記光電変換部が一回の転送動作で完全
空乏化しないようなリセット電圧を前記出力手段の電荷
電圧変換部に与えてリセットを行う請求項１に記載の固
体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項６】 前記リセット電圧は、前記光電変換部の
飽和電荷量ＱSATに対応した、前記光電変換部の空乏化
電圧ＶDEPより、前記電荷電圧変換部の電圧値ＶＦＤ
SAT が低くなるような値の前記リセット電圧である請求
項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項７】 前記光電変換部が完全空乏化しないよう
に該光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記出力手
段の電荷電圧変換部に読み出す初回の読み出し工程と、 前記初回の読み出し工程の後、前記電荷電圧変換部をリ
セットするリセット工程と、 該リセット工程の後、該光電変換部が完全空乏化するよ
うに該光電変換部に蓄積された残りの光電荷を前記電荷
電圧変換部に読み出す最後の読み出し工程と、を含む請
求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項８】 前記光電変換部が一回の転送動作で完全
空乏化しないようなリセット電圧を前記出力手段の電荷
電圧変換部に与えてリセットを行う第１のリセット工程
と、 該光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記電荷電圧
変換部に読み出す初回の読み出し工程と、 該初回の読み出し工程の後、前記電荷電圧変換部をリセ
ットする第２のリセット工程と、 該第２のリセット工程の後、該光電変換部に蓄積された
残りの光電荷を前記電荷電圧変換部に読み出す最後の読
み出し工程と、 を含む請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項９】 前記出力手段は、半導体拡散領域と、該
半導体拡散領域に発生した該電圧信号を増幅するトラン
ジスタと、該光電変換部から該半導体拡散領域に光電荷
を転送する転送ゲートと、該半導体拡散領域に所定のリ
セット電圧を与えてリセットするリセットスイッチと、
を有する請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１０】 前記出力手段は、該光電変換部からの
電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電
圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段
と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送
する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセッ
ト電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する
請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１１】 光電変換部と、該光電変換部からの電
荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧
変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段
と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送
する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセッ
ト電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する
固体撮像装置の駆動方法であって、 一単位の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電
荷を、前記光電変換部から読み出す読み出し期間におい
て、 前記光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変
換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力
信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行っ
た後、 前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電荷の残りを
前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記
増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に
読み出す最後の読み出し動作を行うことを特徴とする固
体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１２】 前記初回の読み出し動作及び最後の読
み出し動作により読み出された出力信号にそれぞれノイ
ズ抑制処理を施した後、加算する請求項１１に記載の固
体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１３】 前記初回の読み出し動作及び最後の読
み出し動作により読み出された出力信号をそれぞれ保持
し、それらを加算した後、あるいは加算しながら水平走
査を行う請求項１１に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１４】 前記光電変換部からの信号を複数の出
力手段から分割して読み出す請求項５に記載の固体撮像
装置の駆動方法。 - 【請求項１５】 前記光電変換部の飽和電荷量ＱSATに
対応した、前記光電変換部の空乏化電圧ＶDEPより、前
記電荷電圧変換部の電圧値ＶＦＤSAT が低くなるような
値の前記リセット電圧を与える請求項１１に記載の固体
撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１６】 前記初回の読み出し動作の後であっ
て、前記最後の読み出し動作の前に、前記電荷電圧変換
部をリセットし、前記光電荷の一部を前記光電変換部か
ら前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増
幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す中間の読
み出し動作を少なくとも１回行う請求項１１に記載の固
体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１７】 光電変換部と、該光電変換部から信号
を出力する出力手段とを有する画素を備えた固体撮像装
置において、 一単位の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電
荷を分割して前記出力手段を介して読み出す回路を具備
することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項１８】 前記分割されて読み出された出力信号
にそれぞれノイズ抑制処理を施すノイズ抑制回路と、ノ
イズ抑制処理がされた該出力信号を加算する加算回路と
を具備する請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項１９】 前記分割されて読み出された出力信号
をそれぞれ保持する保持回路と、保持された該出力信号
を加算した後、あるいは加算しながら水平走査を行う走
査回路とを具備する請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２０】 前記光電変換部からの信号を複数の出
力手段から分割して読み出すための複数の転送ゲートを
具備する請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２１】 前記光電変換部が一回の転送動作で完
全空乏化しないようなリセット電圧を前記出力手段の電
荷電圧変換部に与えてリセットを行うリセットスイッチ
を具備する請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２２】 前記リセット電圧は、前記光電変換部
の飽和電荷量ＱSATに対応した、前記光電変換部の空乏
化電圧ＶDEPより、前記電荷電圧変換部の電圧値ＶＦＤ
SAT が低くなるような値の前記リセット電圧である請求
項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２３】 前記光電変換部が完全空乏化しないよ
うに該光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記出力
手段の電荷電圧変換部に読み出す初回の読み出し工程
と、 前記初回の読み出し工程の後、前記電荷電圧変換部をリ
セットするリセット工程と、 該リセット工程の後、該光電変換部が完全空乏化するよ
うに該光電変換部に蓄積された残りの光電荷を前記電荷
電圧変換部に読み出す最後の読み出し工程と、 を行うように制御する制御回路を具備する請求項１７に
記載の固体撮像装置。 - 【請求項２４】 前記光電変換部が一回の転送動作で完
全空乏化しないようなリセット電圧を前記出力手段の電
荷電圧変換部に与えてリセットを行う第１のリセット工
程と、 該光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記電荷電圧
変換部に読み出す初回の読み出し工程と、 該初回の読み出し工程の後、前記電荷電圧変換部をリセ
ットする第２のリセット工程と、 該第２のリセット工程の後、該光電変換部に蓄積された
残りの光電荷を前記電荷電圧変換部に読み出す最後の読
み出し工程と、 を行うように制御する制御回路を具備する請求項１７に
記載の固体撮像装置。 - 【請求項２５】 前記出力手段は、半導体拡散領域と、
該半導体拡散領域に発生した該電圧信号を増幅するトラ
ンジスタと、該光電変換部から該半導体拡散領域に光電
荷を転送する転送ゲートと、該半導体拡散領域に所定の
リセット電圧を与えてリセットするリセットスイッチ
と、を有する請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２６】 前記出力手段は、該光電変換部からの
電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電
圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段
と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送
する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセッ
ト電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する
請求項１７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２７】 光電変換部と、該光電変換部からの電
荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧
変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段
と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送
する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセッ
ト電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する
固体撮像装置であって、 一単位の蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電
荷を、前記光電変換部から読み出す読み出し期間におい
て、 前記光電変換部から前記光電荷を前記電荷電圧変換部に
転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を
信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、 前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電変換部から
前記光電荷を前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手
段により増幅された出力信号を前記出力線に読み出す最
後の読み出し動作を行うように制御する制御回路を具備
することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項２８】 前記光電変換部は埋め込み型のホトダ
イオードであることを特徴とする請求項１７又は請求項
２７に記載の固体撮像装置。 - 【請求項２９】 請求項１７又は請求項２７に記載の固
体撮像装置と、 該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装
置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有するこ
とを特徴とする撮像システム。 - 【請求項３０】 請求項１７又は請求項２７に記載の固
体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系
と、該固体撮像装置の露光時間を定めるための機械式シ
ャッターと、該固体撮像装置からの出力信号を処理する
信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システ
ム。
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