JP2001245214A

JP2001245214A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2001245214A
Application number: JP2000056029A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hagiwara; 義雄萩原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明はこのような点に鑑みなされたものであ
って、予め一様光を照射することなく、被写体の撮像時
における各画素の出力を補正する補正データを正確に得
ることができる固体撮像装置を提供することを目的とす
る。【解決手段】撮像動作を行うとき、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４をＯＮにするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３及
びＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにして、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こ
とによって、対数変換された出力信号を信号線６に導出
する。又、リセット動作を行うときは、ＭＯＳトランジ
スタＴ４をＯＦＦにするとともに、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３及びＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、ＭＯＳ
トランジスタＴ１に定電流を流すことによって、各画素
がリセットされたときの出力信号を信号線６に導出す
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２８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の
ドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ２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、画素毎に設けられたＭＯＳトランジスタの閾値
特性が異なることがあり、画素毎に感度が異なる場合が
ある。よって、予め輝度が一様な明るい光（一様光）を
照射することによって得られた出力を、被写体の撮像時
の各画素の出力を補正する補正データとして保持するな
どの対策が必要である。

【０００６】しかしながら、操作者が外部光源を用いて
各画素を照射するのは煩雑であったり、又、うまく一様
に露光できないなどの問題がある。又、一様光の照射機
構を撮像装置に設けると撮像装置の構成が複雑になった
り大型化するという問題があった。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、予め一様光を照射することなく、被写体の撮
像時における各画素の出力を補正する補正データを正確
に得ることが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、各画素のゲート部表
面ポテンシャルをほぼ同一の状態とする事によって、各
画素の感度のバラツキを抑制した固体撮像装置を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射した光量に
対して自然対数的に変換した出力信号を発生する光電変
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複数の画素を有する固体撮像装
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前記光電変換
素子の第２電極に接続され、制御電極から電気信号を出
力する第１トランジスタと、該第１トランジスタの第２
電極を、第１トランジスタがサブスレッショルド領域で
動作するように直流電圧を印加するための第１直流電圧
線又は前記第１トランジスタに定電流を流すための定電
流源のいずれかに選択的に接続する接続切換部と、該接
続切換部の動作に関連づけて、前記第１トランジスタの
第１電極及び制御電極に直流電圧を印加するための第２
直流電圧線との電気的な接離を行うための第１スイッチ
と、を有することを特徴とする。

【０００９】上記構成によれば、接続切換部が第１トラ
ンジスタの第２電極を、第１トランジスタをサブスレッ
ショルド領域で動作させるための直流電圧が印加された
第１直流電圧又は前記第１トランジスタに定電流を流す
ための定電流源のいずれかに選択的に接続するととも
に、接続切換部の動作に関連づけて、第１トランジスタ
の第１電極及び制御電極に直流電圧を印加するための第
２直流電圧線との電気的な接離を行うことにより、撮像
信号と各画素の感度バラツキを反映した信号を得ること
ができる。従って、一様光を照射することなく各画素の
感度バラツキ情報を得ることができる。

【００１０】このような固体撮像装置において、請求項
２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電極に直流電圧が印加されるとともに制御
電極が前記第１トランジスタの第１電極及び制御電極に
接続され、第２電極から電気信号を出力する第２トラン
ジスタを更に備えても良い。又、請求項３に記載するよ
うに、前記接続切換部が、前記第１トランジスタの第２
電極及び前記第１直流電圧線との間に接続された第２ス
イッチと、前記第１トランジスタの第２電極及び前記定
電流源に接続された第３スイッチとを含むようにしても
良い。

【００１１】このような固体撮像装置において、請求項
４に記載するように、光の入射に基づいて光電変換素子
から出力される電気信号が第１トランジスタに流れ込む
のを防止するための第４スイッチを更に備えるようにし
ても良い。この場合、第４スイッチは、直流電圧と光電
変換素子との間に設けるようにしても良いし、光電変換
素子と第１トランジスタの第１電極との間に設けるよう
にしても良い。

【００１２】請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固
体撮像装置において、前記画素が、マトリクス状に配設
されていても良い。

【００１３】請求項５に記載の固体撮像装置は、複数の
画素を有する固体撮像装置において、定電流源を有する
とともに、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダ
イオードの第２電極に第１電極及びゲート電極が接続さ
れた第１ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタの第１電極及び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、第１電極に直流電圧が
印加されるとともに、前記第１トランジスタの第１電極
及びゲート電極に第２電極が接続された第３ＭＯＳトラ
ンジスタと、前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極に
第１電極が接続されるとともに、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタをサブスレッショルド領域で動作させるための直
流電圧が印加された直流電圧線に第２電極が接続された
第４ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯＳトランジス
タの第２電極に第１電極が接続されるとともに、前記定
電流源に第２電極が接続された第５ＭＯＳトランジスタ
と、を有し、前記画素に撮像動作をさせるときは、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
に変換するように、前記第３、第５ＭＯＳトランジスタ
をＯＦＦにするとともに前記第４ＭＯＳトランジスタを
ＯＮにして、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、前記画素のリセッ
トを行うときに、前記第３、第５ＭＯＳトランジスタを
ＯＮにするとともに前記第４ＭＯＳトランジスタをＯＦ
Ｆにして、前記第１ＭＯＳトランジスタに定電流を流し
て、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極を前記第
１ＭＯＳトランジスタに対応した所定の電圧値にリセッ
トすることを特徴とする。

【００１４】請求項６に記載の固体撮像装置は、請求項
５に記載の固体撮像装置において、前記フォトダイオー
ドと前記第１ＭＯＳトランジスタとの間に設けられ、前
記フォトダイオードの第２電極に第１電極が接続される
とともに、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極及び
ゲート電極の接続ノードに第２電極が接続された第６Ｍ
ＯＳトランジスタを有し、前記画素に撮像動作をさせる
ときは、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するように、前記第３及び第５ＭＯ
ＳトランジスタをＯＦＦにするとともに前記第４及び第
６ＭＯＳトランジスタをＯＮにして、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、前記画素のリセットを行うときに、前記第３及び
第５ＭＯＳトランジスタをＯＮにするとともに前記第４
及び第６ＭＯＳトランジスタをＯＦＦにして、前記第１
ＭＯＳトランジスタに定電流を流して、前記第１ＭＯＳ
トランジスタのゲート電極を前記第１ＭＯＳトランジス
タに対応した所定の電圧値にリセットすることを特徴と
する。

【００１５】請求項７に記載の固体撮像装置は、請求項
５に記載の固体撮像装置において、第１電極に直流電圧
が印加されるとともに、前記フォトダイオードの第１電
極に第２電極が接続された第６ＭＯＳトランジスタを有
し、前記画素に撮像動作をさせるときは、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す
るように、前記第３及び第５ＭＯＳトランジスタをＯＦ
Ｆにするとともに前記第４及び第６ＭＯＳトランジスタ
をＯＮにして、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、前記画素のリセ
ットを行うときに、前記第３及び第５ＭＯＳトランジス
タをＯＮにするとともに前記第４及び第６ＭＯＳトラン
ジスタをＯＦＦにして、前記第１ＭＯＳトランジスタに
定電流を流して、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート
電極を前記第１ＭＯＳトランジスタに対応した所定の電
圧値にリセットすることを特徴とする。

【００１６】上記のような固体撮像装置において、前記
第６ＭＯＳトランジスタを、ディプレッション型ＭＯＳ
トランジスタに、又は、前記第１ＭＯＳトランジスタと
逆極性のＭＯＳトランジスタにすることによって、第６
ＭＯＳトランジスタを動作させるための電源を他のスイ
ッチング素子として働くＭＯＳトランジスタを動作させ
るための電源と共通の電源にすることが可能となる。

【００１７】請求項５〜請求項７のいずれかに記載の固
体撮像装置において、請求項８に記載するように、前記
画素に、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７ＭＯＳトランジス
タを設けても良い。又、請求項９に記載の固体撮像装置
のように、前記画素に、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８ＭＯ
Ｓトランジスタを設けても良い。

【００１８】又、請求項９に記載の固体撮像装置におい
て、請求項１０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。

【００１９】又、請求項１１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９ＭＯＳ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９
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９ＭＯＳ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９ＭＯＳ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９
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。

【００２０】請求項１２に記載の固体撮像装置は、請求
項５〜請求項１１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。

【００２１】

【発明の実施の形態】＜画素構成の第１例＞図１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、Ｇ
11〜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。又、定電流源９−１、９−２、・・・、９−ｍが列
毎にそれぞれ、電流供給線８−１、８−２、・・・、８
−ｍを介して、画素Ｇ11〜Ｇ1n、Ｇ21〜Ｇ2n、・・・、
Ｇm1〜Ｇmnと接続される。直流電圧ＶPSが供給されるラ
イン７−１、７−２、・・・、７−ｎが行毎にそれぞ
れ、画素Ｇ11〜Ｇm1、Ｇ12〜Ｇm2、・・・、Ｇ1n〜Ｇmn
に接続される。各画素に対し、上記ライン４−１、４−
２・・・、４−ｎ、ライン７−１、７−２、・・・、７
−ｎ及び電流供給線８−１、８−２、・・・、８−ｍ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
らについて省略する。

【００２２】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１０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、後述するように図２の画素にはスイッチ用
のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ７も設けられてい
る。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ７は行の選択を行う
ものであり、ＭＯＳトランジスタＱ２は列の選択を行う
ものである。

【００２３】＜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（図２）
について、図面を参照して説明する。

【００２４】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ＭＯＳトランジスタＴ１のド
レイン及びゲート、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、
そして、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースに接続されて
いる。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用のＭ
ＯＳトランジスタＴ７のドレインに接続されている。Ｍ
ＯＳトランジスタＴ７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。又、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１のソースは、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレイン及
びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインに接続されてい
る。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５，Ｔ７は、それ
ぞれ、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。

【００２５】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。ＭＯＳト
ランジスタＴ３のドレインには直流電圧ＶＤが印加され
る。一方、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにはライン
７（このライン７は図１の７−１、７−２、・・・、７
−ｎに対応する）より直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳ
トランジスタＴ５のソースには一端に直流電圧ＶSSが印
加された定電流源９（この定電流源９は図１の９−１、
９−２、・・・、９−ｍに対応する）の他端にライン８
（このライン８は図１の８−１、８−２、・・・、８−
ｍに対応する）を介して接続される。ＭＯＳトランジス
タＴ２のソースには他端にライン７より直流電圧ＶPSが
印加されたキャパシタＣの一端が接続される。ＭＯＳト
ランジスタＴ７のゲートには信号φＶが入力される。
又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４，Ｔ５のゲートに
は、それぞれ、信号φＳＷ，φＳＷ１，φＳＷ２が入力
される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには
信号φＤが入力される。

【００２６】（１）各画素への入射光を電気信号に変換
する動作についてまず、信号φＳＷ，φＳＷ２をローレベルとしてＭＯＳ
トランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦにするとともに、ＭＯ
Ｓ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、信号φＳＷ１をハイレベルにしてＭＯＳトラ
ンジスタＴ４をＯＮにする。又、信号φＤはハイレベル
とされ、直流電圧ＶPDと同じ又は直流電圧ＶPDに近い電
圧となっている。

【００２７】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、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Ｔ
２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Ｔ７はＯＦＦの状
態とする。

【００２８】次に、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ７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。よって、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、ＭＯＳトランジスタＴ７を
ＯＦＦする。

【００２９】（２）各画素のリセット動作について以下に、図面を参照して、図２のような回路構成の画素
のリセット動作について説明する。図３は、リセット動
作を行うときの画素内の各素子に接続された各信号線に
与える信号のタイミングチャートである。

【００３０】（１）で説明したように、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えられて出力信
号が出力されると、まず、信号φＳＷ，φＳＷ２をハイ
レベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＮにす
るとともに、信号φＳＷ１をローレベルにして、ＭＯＳ
トランジスタＴ４をＯＦＦにする。このようにして、定
電流源９を流れる電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ
るようにする。尚、この定電流源９を流れる電流は、フ
ォトダイオードＰＤより与えられる光電流に比べて、十
分大きい電流となるため、ＭＯＳトランジスタＴ１に流
れるドレイン電流が定電流源９から供給される電流に略
等しいものとすることができる。そして、一旦信号φＤ
をローレベルにして、、キャパシタＣに蓄積された電荷
をＭＯＳトランジスタＴ２を通して信号φＤの信号線路
に放出して、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初
期化した後、再び信号φＤをハイレベルに戻す。

【００３１】このように信号φＳＷ，φＳＷ２をハイレ
ベルにするとともに信号φＳＷ１をローレベルにしてい
る間、定電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れる。よっ
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース・ゲート間電圧が
ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン電流によって決定
し、初期化される。このように、ＭＯＳトランジスタＴ
１のゲート電圧が初期値にリセットされると、ＭＯＳト
ランジスタＴ７のゲートにパルス信号φＶを与えて、そ
のリセットされたときの信号（出力電流）を出力信号線
６に出力する。

【００３２】このようにして、リセット時の信号を読み
出すと、信号φＳＷ，φＳＷ２をローレベルにして、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦにするとともに信
号φＳＷ１をハイレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ
４をＯＮにする。その後、信号φＤをローレベルにし
て、キャパシタＣに蓄積された電荷をＭＯＳトランジス
タＴ２を通して信号φＤの信号線路に放出して、キャパ
シタＣ及び接続ノードａの電位が初期化される。そし
て、信号φＤを元のハイレベルに戻して、次の撮像が行
える状態とする。

【００３３】＜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。又、定
電流源９−１、９−２、・・・、９−ｍが列毎にそれぞ
れ、電流供給線８−１、８−２、・・・、８−ｍを介し
て、画素Ｇ11〜Ｇ1n、Ｇ21〜Ｇ2n、・・・、Ｇm1〜Ｇmn
と接続される。直流電圧ＶPSが供給されるライン７−
１、７−２、・・・、７−ｎが行毎にそれぞれ、画素Ｇ
11〜Ｇm1、Ｇ12〜Ｇm2、・・・、Ｇ1n〜Ｇmnに接続され
る。各画素に対し、上記ライン４−１、４−２・・・、
４−ｎ、ライン７−１、７−２、・・・、７−ｎ及び電
流供給線８−１、８−２、・・・、８−ｍ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
省略する。

【００３４】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１１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
１２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１０に接続され、ゲートは水平走査回路３
に接続されている。

【００３５】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の実施形態では、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ８に、第４、第５の実施形態では、
ＭＯＳ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ＭＯ
Ｓ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。

【００３６】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３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ＭＯＳトランジスタＴ７も設けら
れている。このＭＯＳトランジスタＴ７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Ｔ７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Ｔ７は行の選択を行う
ものであり、ＭＯＳ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〜第５の実施形態に共通の構成である。

【００３７】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ＭＯＳ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。

【００３８】＜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。

【００３９】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の電圧に応じた電流増幅を行うＭＯＳトランジス
タＴ８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ＭＯＳトラ
ンジスタＴ９とが付加された構成となる。ＭＯＳトラン
ジスタＴ８のソースには行選択用のＭＯＳトランジスタ
Ｔ７のドレインが接続されている。ＭＯＳトランジスタ
Ｔ７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Ｔ８，Ｔ９も、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５，Ｔ７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。

【００４０】又、ＭＯＳトランジスタＴ８のドレインに
は直流電圧ＶPDが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ７の
ゲートには信号φＶが入力される。又、ＭＯＳトランジ
スタＴ９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。更に、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが印
加される。尚、本実施形態において、ＭＯＳトランジス
タＴ１〜Ｔ５，Ｔ７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、各画素のリセット動作
及び撮像動作を行うことができる。以下にその動作を説
明する。

【００４１】（１）各画素への入射光を電気信号に変換
する動作についてまず、信号φＳＷ，φＳＷ２をローレベルとしてＭＯＳ
トランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦにするとともに、ＭＯ
Ｓ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、信号φＳＷ１をハイレベルにしてＭＯＳトラ
ンジスタＴ４をＯＮにする。

【００４２】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、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Ｔ
２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Ｔ７，Ｔ９はＯＦ
Ｆの状態とする。

【００４３】次に、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ７をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ８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Ｔ８，Ｔ７を
通って出力信号線６に導出される。今、ＭＯＳトランジ
スタＴ８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。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、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦする。

【００４４】（２）各画素のリセット動作について以下に、図面を参照して、図６のような回路構成の画素
のリセット動作について説明する。図７は、リセット動
作を行うときの画素内の各素子に接続された各信号線に
与える信号のタイミングチャートである。

【００４５】（１）で説明したように、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えられて出力信
号が出力されると、まず、信号φＳＷ，φＳＷ２をハイ
レベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＮにす
るとともに、信号φＳＷ１をローレベルにして、ＭＯＳ
トランジスタＴ４をＯＦＦにする。このようにして、定
電流源９を流れる電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ
るようにする。尚、この定電流源９を流れる電流は、フ
ォトダイオードＰＤより与えられる光電流に比べて、十
分大きい電流となるため、ＭＯＳトランジスタＴ１に流
れるドレイン電流が定電流源９から供給される電流に略
等しいものとすることができる。そして、一旦パルス信
号φＶRSをＭＯＳトランジスタＴ９のゲートに与えて、
キャパシタＣに蓄積された電荷をＭＯＳトランジスタＴ
９を通して直流電圧ＶRBが印加される直流電圧線に放出
して、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初期化す
る。

【００４６】このように信号φＳＷ，φＳＷ２をハイレ
ベルにするとともに信号φＳＷ１をローレベルにしてい
る間、定電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れる。よっ
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース・ゲート間電圧が
ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン電流によって決定
し、初期化される。このように、ＭＯＳトランジスタＴ
１のゲート電圧が初期値にリセットされると、ＭＯＳト
ランジスタＴ７のゲートにパルス信号φＶを与えて、そ
のリセットされたときの信号（出力電流）を出力信号線
６に出力する。

【００４７】このようにして、リセット時の信号を読み
出すと、信号φＳＷ，φＳＷ２をローレベルにして、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦにするとともに信
号φＳＷ１をハイレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ
４をＯＮにする。その後、パルス信号φＶRSをＭＯＳト
ランジスタＴ９のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ９を介してキャパシタＣ及び接続ノードａの電位が初
期化される。そして、信号φＶRSを元のローレベルに戻
して、次の撮像が行える状態とする。

【００４８】＜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。

【００４９】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Ｔ９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、第１の実施形態（図２）と同様にキャパシタ
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Ｔ２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Ｔ８のゲー
トは略信号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Ｔ９を省略できる
分、構成がシンプルになる。

【００５０】この実施形態において、撮像動作をさせる
ときは、第２の実施形態と同様に、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３，Ｔ５をＯＦＦにして定電流源９からＭＯＳトラン
ジスタＴ１に電流が流れないようにするとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４をＯＮにしてＭＯＳトランジスタＴ
１がサブスレッショルド状態で動作するようにする。
又、信号φＤをハイレベルにして、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Ｔ７をＯＮにして、ＭＯＳトランジスタＴ８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Ｔ
８，Ｔ７を通して出力信号線６に導出する。

【００５１】又、各画素をリセットするときは、第１の
実施形態と同様、図３のタイミングで信号を制御する。
即ち、まず、パルス信号φＶが与えられた後、信号φＳ
Ｗ，φＳＷ２をハイレベルにするとともに信号φＳＷ１
をローレベルにして、リセット動作が始まる。このよう
にＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＮにすることによ
って、定電流源９を流れる定電流がＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に流れるようにしてＭＯＳトランジスタＴ１のゲー
ト電圧を一定の初期値にリセットする。

【００５２】この間に、信号φＤをローレベルにしてキ
ャパシタＣに蓄積された電荷をＭＯＳトランジスタＴ２
を通して信号φＤの信号線路に放出して、キャパシタＣ
及び接続ノードａの電位を初期化した後、信号φＤをハ
イレベルに戻す。しかる後、パルス信号φＶをＭＯＳト
ランジスタＴ７のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１がリセットされたときの信号を出力信号線６に出力
する。そして、信号φＳＷ，φＳＷ２をローレベルにす
るとともに信号φＳＷ１をハイレベルにした後、信号φ
Ｄをローレベルにして、キャパシタＣに蓄積された電荷
をＭＯＳトランジスタＴ２を通して信号φＤの信号線路
に放出して、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位が初
期化される。そして、φＤを元のハイレベルに戻して、
次の撮像が行える状態とする。

【００５３】＜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。

【００５４】図９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
８を削除した構成となっている。即ち、ＭＯＳトランジ
スタＴ２のソースにＭＯＳトランジスタＴ７のドレイン
が接続される。その他の構成は第３の実施形態（図８）
と同一である。

【００５５】この実施形態において、撮像動作をさせる
ときは、第３の実施形態と同様に、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３，Ｔ５をＯＦＦにして定電流源９を流れる電流がＭ
ＯＳトランジスタＴ１に流れないようにするとともに、
ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮにしてＭＯＳトランジス
タＴ１がサブスレッショルド状態で動作するようにす
る。このようにＭＯＳトランジスタＴ１を動作させるこ
とによって、前記光電流に対して自然対数的に比例した
値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れる。

【００５６】そして、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲート
にパルス信号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比例した値のドレイン電流が、ＭＯ
ＳトランジスタＴ７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Ｔ７をＯ
ＦＦにする。

【００５７】又、各画素をリセットする際には、図１０
のタイミングチャートのように動作させる。まず、パル
ス信号φＶが与えられた後、信号φＳＷ，φＳＷ２をハ
イレベルにするとともに信号φＳＷ１をローレベルにし
て、リセット動作が始まる。このようにＭＯＳトランジ
スタＴ３，Ｔ５をＯＮにすることによって、定電流源９
を流れる電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れるように
してＭＯＳトランジスタ直流電圧Ｔ１のゲート電圧を一
定の初期値にリセットする。しかる後、パルス信号φＶ
をＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えて、ＭＯＳト
ランジスタＴ１がリセットされたときの信号を出力信号
線６に出力する。そして、信号φＳＷ，φＳＷ２をロー
レベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦ
にするとともに信号φＳＷ１をハイレベルにして、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４をＯＮにすることで、次の撮像が行
える状態とする。

【００５８】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Ｔ８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。

【００５９】＜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１１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９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。

【００６０】図１１に示すように、本実施形態では、第
４の実施形態（図９）に示す画素に、フォトダイオード
ＰＤのアノードとＭＯＳトランジスタＴ１のドレインと
の間に接続されたＭＯＳトランジスタＴ６を付加した構
成となる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ６は、そのドレ
インがフォトダイオードＰＤのアノードに接続され、そ
のソースがＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲー
トとＭＯＳトランジスタＴ３のソースとの接続ノードに
接続される。また、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
は信号φＳが与えられる。以下に、このような構成の画
素の動作について説明する。

【００６１】（１）各画素への入射光を電気信号に変換
する動作についてまず、第４の実施形態と同様に、信号φＳＷ，φＳＷ２
をローレベルとするとともに信号φＳＷ１をハイレベル
とする。このとき、信号φＳをハイレベルとしてＭＯＳ
トランジスタＴ６をＯＮにして、フォトダイオードＰＤ
より光電流がＭＯＳトランジスタＴ１に与えられるよう
にする。又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５がＯＦＦで
あるので、第４の実施形態と同様、定電流源９を流れる
電流がＭＯＳトランジスタＴ１を流れることがない。こ
のようにして、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッシ
ョルド状態で動作するようにし、前記光電流に対して自
然対数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。

【００６２】そして、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲート
にパルス信号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比例した値のドレイン電流が、ＭＯ
ＳトランジスタＴ７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Ｔ７をＯ
ＦＦにする。

【００６３】（２）各画素のリセット動作について以下に、図面を参照して、図１１のような回路構成の画
素のリセット動作について説明する。図１２は、リセッ
ト動作を行うときの画素内の各素子に接続された各信号
線に与える信号のタイミングチャートである。

【００６４】（１）で説明したように、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えられて出力信
号が出力されると、信号φＳＷ，ＳＷ２をハイレベルに
してＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＮにするととも
に信号φＳＷ１，φＳをローレベルにしてＭＯＳトラン
ジスタＴ４，Ｔ６をＯＦＦにする。このようにして、定
電流源９を流れる電流がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ
るようにするとともに、フォトダイオードＰＤからＭＯ
ＳトランジスタＴ１に光電流が流れないようにする。よ
って、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース・ゲート間電圧
がＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン電流によって決定
するため、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧が初期
値にリセットされる。

【００６５】このように、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲ
ート電圧が初期値にリセットされると、パルス信号φＶ
をＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えて、ＭＯＳト
ランジスタＴ１がリセットされたときの信号を出力信号
線６に出力する。そして、信号φＳＷ，φＳＷ２をロー
レベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５をＯＦＦに
する。又、このとき、信号φＳＷ１，φＳをハイレベル
にしてＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６をＯＮにして、次
の撮像が行える状態とする。

【００６６】このように、リセット動作を行う際、フォ
トダイオードＰＤより光電流が第１ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に流れることがないので、ＭＯＳトランジスタＴ１
に流れるドレイン電流が定電流源９を流れる定電流とな
る。又、ＭＯＳトランジスタＴ６を設けこれをＯＦＦし
ておくことによって、リセット時にＭＯＳトランジスタ
Ｔ１を流れるドレイン電流が、フォトダイオードＰＤか
らの光電流の影響を受けることがない。従って、第４の
実施形態よりも定電流源９を流れる定電流の電流値を小
さくすることができる。

【００６７】尚、本実施形態において、第２の実施形態
（図５）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに
他端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣやＭＯＳ
トランジスタＴ８のゲートを接続し、そして、キャパシ
タＣをリセットするためのＭＯＳトランジスタＴ９のド
レインを接続するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ８の
ソースをＭＯＳトランジスタＴ７のドレインに接続する
ような構成にしても良い。又、第３の実施形態（図８）
のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに信号φ
Ｄを与えるようにして、上述した第２の実施形態（図
５）のような構成からＭＯＳトランジスタＴ９を削除し
た構成にしても良い。

【００６８】又、本実施形態において、ＭＯＳトランジ
スタＴ６をディプレッション型のＮチャネルのＭＯＳト
ランジスタとしても構わない。この画素の構成を、図１
３に示す。図１３に示すように、ＭＯＳトランジスタＴ
６以外のＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５，Ｔ７は、エン
ハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳトランジスタであ
る。

【００６９】図１１の構成の画素ように、画素内に設け
られたＭＯＳトランジスタを全てエンハンスメント型の
ＭＯＳトランジスタで構成したとき、ＭＯＳトランジス
タＴ６，Ｔ１が直列に接続されるため、ＭＯＳトランジ
スタＴ６のゲートに与える信号φＳのハイレベルの電圧
を、この画素に供給する電圧よりも高くする場合があ
る。そのためには、ＭＯＳトランジスタＴ６に信号φＳ
を与えるための別の電源を設ける必要がある。

【００７０】それに対して、上述したように、このＭＯ
ＳトランジスタＴ６をディプレッション型のＭＯＳトラ
ンジスタとすることによって、そのゲートに与える信号
φＳのハイレベルの電圧を低くすることができ、他のＭ
ＯＳトランジスタに与えるハイレベルの信号と同じ又は
これに近い電圧にすることが可能になる。これは、ディ
プレッション型のＭＯＳトランジスタの閾値が負の値と
なるため、エンハンスメント型のＭＯＳトランジスタと
比べて、低いゲート電圧でＯＮすることができるからで
ある。

【００７１】又、本実施形態において、ＭＯＳトランジ
スタＴ６をＰチャネルのＭＯＳトランジスタとしても構
わない。この画素の構成を、図１４に示す。図１４に示
すように、ＭＯＳトランジスタＴ６以外のＭＯＳトラン
ジスタＴ１〜Ｔ５，Ｔ７は、ＮチャネルのＭＯＳトラン
ジスタである。又、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースが
フォトダイオードＰＤのアノードと接続されるととも
に、ドレインがＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに接
続される。

【００７２】このような構成にしたとき、ＭＯＳトラン
ジスタＴ６は、ゲート・ドレイン間の電圧差が閾値より
大きければＯＮとなり、又、ゲート・ドレイン間の電圧
差が閾値より小さければＯＦＦとなる。よって、ＭＯＳ
トランジスタＴ６のゲートに与える信号φＳが、図１２
の信号φＳとそのタイミングが逆転するとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ６のドレインに直列に接続されたＭＯ
ＳトランジスタＴ１の影響を受けることなく、ＯＮ／Ｏ
ＦＦ動作を行うことができる。

【００７３】又、ＭＯＳトランジスタＴ８のＯＮ／ＯＦ
Ｆ動作が、ＭＯＳトランジスタＴ１の影響を受けること
がないので、信号φＳを供給するための別の電源を設け
る必要が無くなる。更に、このようにすることによっ
て、ＭＯＳトランジスタＴ６を、他のＭＯＳトランジス
タと同様にエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタと
することができるので、他のＭＯＳトランジスタと同一
の工程でＭＯＳトランジスタＴ６を生成することが可能
である。よって、上述したように、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６のみをディプレッション型のＭＯＳトランジスタと
するときと比べて、その生産工程が簡素化される。

【００７４】又、図１５に示すように、ＭＯＳトランジ
スタＴ６を直流電圧線ＶPDとフォトダイオードＰＤのカ
ソードとの間に接続するような構成にしても構わない。
即ち、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインに直流電圧Ｖ
PDが印加されるとともに、そのソースにフォトダイオー
ドＰＤのカソードが接続される。更に、このような構成
の画素において、上述したように、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６をディプレッション型のＭＯＳトランジスタ、また
は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタとしても良い。

【００７５】尚、第１〜第５の実施形態のように、画素
毎に、各ＭＯＳトランジスタを動作させることによっ
て、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧をリセットし
たときの信号を出力信号線６に出力すると、このリセッ
ト時の信号がシリアルに出力され、後続回路においてメ
モリに画素毎の補正データとして記憶しておく。そし
て、実際の撮像時の信号を前記記憶されている補正デー
タで画素毎に補正すれば、出力信号から画素毎のバラツ
キを取り除くことができる。尚、この補正方法の具体例
は後述する図２７に示している。この補正方法はライン
メモリなどのメモリを素子内に設けることによっても実
現できる。

【００７６】又、第１〜第５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Ｔ７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。

【００７７】以上説明した第１〜第５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〜Ｔ９を
図１４の形態を除いて全て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Ｔ
１〜Ｔ９を全てＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成
してもよい。図１７、図２０〜図２４及び図２６には、
上記第１〜第５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６〜第１０の実施形態を示
している。又、図２５は、第１０の実施形態において、
ＭＯＳトランジスタＴ６をエンハンスメント型のＮチャ
ネルのＭＯＳトランジスタとしたものである。そのため
図１６〜図２６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６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ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイ
ン及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されてい
る。ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにはＭＯＳトラン
ジスタＴ４，Ｔ５のドレインが接続され、ＭＯＳトラン
ジスタＴ４のソースには直流電圧ＶPSが印加される。

【００７８】ところで、図１７のような画素が対数変換
を行うとき、直流電圧ＶPSと直流電圧ＶPDは、ＶPS＞Ｖ
PD 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、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３、ＭＯＳトランジスタＴ４、ＭＯＳトランジスタＴ
５、ＭＯＳトランジスタＴ７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以降の実施形
態（第７〜第１０の実施形態）において、ＭＯＳトラン
ジスタＴ９、ＭＯＳ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２５に示す
構成の画素において、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタ
となるＭＯＳ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Ｍ
ＯＳ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２６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。

【００７９】第６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１
６に、第７〜第１０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
１８に示す。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１１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１２に接続
されている。

【００８０】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１０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、ＭＯＳトラ
ンジスタＴａは、第７、第８の実施形態ではＭＯＳトラ
ンジスタＴ８に相当し、又、第９、第１０の実施形態で
はＭＯＳトランジスタＴ２に相当する。

【００８１】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、ＶP
D’＜ＶPS’であり、直流電圧ＶPD’は例えばグランド
電圧（接地）である。ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイ
ンはＭＯＳ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１０へ導出する。第７〜第１０
の実施形態のように、画素内に設けられたＭＯＳトラン
ジスタＴ７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。

【００８２】＜画像データの補正方法＞上述した第１〜
第１０の実施形態のような回路構成の画素が設けられた
固体撮像装置がデジタルカメラなどの画像入力装置に使
用されたときの実施例を、図面を参照して説明する。

【００８３】図２７に示す画像入力装置は、対物レンズ
５１と、該対物レンズ５１を通して入射される光の光量
に応じて電気信号を出力する固体撮像装置５２と、撮像
時の固体撮像装置５２の電気信号（以下、「画像デー
タ」と呼ぶ。）が入力されて一時記憶されるメモリ５３
と、リセット時の固体撮像装置５２の電気信号（以下、
「補正データ」と呼ぶ。）が入力されて一時記憶される
ためのメモリ５４と、メモリ５３から送出される画像デ
ータからメモリ５４から記憶される補正データを補正演
算する補正演算回路５５と、補正演算回路５５で補正デ
ータにより補正の施された画像データを演算処理して外
部に出力する処理部５６とを有する。尚、固体撮像装置
５２は、第１〜１０の実施形態（図２、図６、図８、図
９、図１１図１３〜図１５、図１７、図２０〜図２６）
のような回路構成の画素が設けられた固体撮像装置であ
る。

【００８４】このような構成の画像入力装置は、まず、
撮像動作を行って、固体撮像装置５２から各画素毎に画
像データがメモリ５３に出力される。そして、各画素が
撮像動作を終えて、リセット動作を行ったときに、上記
で説明したように、各画素の感度のバラツキを調べて、
補正データをメモリ５４に出力する。そして、メモリ５
３内の各画素の画像データとメモリ５４内の各画素の補
正データを、補正演算回路５５にこの画像データを各画
素毎に送出する。

【００８５】補正演算回路５５では、メモリ５３から送
出された画像データからこの画像データを出力した同一
画素のメモリ５４から送出された補正データが各画素毎
に補正演算される。この補正データが補正演算された画
像データが処理部５６に送出されて、演算処理された
後、外部に出力される。又、このような画像入力装置に
おいて、メモリ５３，５４は、それぞれ、固体撮像装置
５２からライン毎に送出されるデータが記録されるライ
ンメモリなどが用いられる。従って、メモリ５３，５４
を固体撮像装置内に組み込むことも容易である。

【００８６】

【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、被写体の撮像時に各画素毎の出力を補正
するための補正データを獲得するために、従来のように
一様光を照射する必要が無くなる。更に、能動素子をＭ
ＯＳ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】第１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】第２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８】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９】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１０】第４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１１】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１２】第５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１３】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１４】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１５】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６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７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８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９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１０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１０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１０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１０の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２７】画像入力装置の構成を示すブロック図。

【図２８】従来例の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５電源ライン６−１〜６−ｍ出力信号線７−１〜７−ｎライン８−１〜８−ｍ電流供給線９−１〜９−ｍ定電流源１０信号線１１直流電圧線１２ライン５１対物レンズ５２固体撮像装置５３，５４メモリ５５補正演算回路５６処理部ＰＤフォトダイオードＴ１〜Ｔ９ＭＯＳトランジスタＣキャパシタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射した光量に対して自然対数的に変換
した出力信号を発生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
複数の画素を有する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
制御電極が前記光電変換素子の第２電極に接続され、制
御電極から電気信号を出力する第１トランジスタと、該第１トランジスタの第２電極を、第１トランジスタが
サブスレッショルド領域で動作するように直流電圧を印
加するための第１直流電圧線又は前記第１トランジスタ
に定電流を流すための定電流源のいずれかに選択的に接
続する接続切換部と、該接続切換部の動作に関連づけて、前記第１トランジス
タの第１電極及び制御電極に直流電圧を印加するための
第２直流電圧線との電気的な接離を行うための第１スイ
ッチと、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】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トランジスタの第１電極及び制御電極に接続
され、第２電極から電気信号を出力する第２トランジス
タを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体
撮像装置。
【請求項３】前記接続切換部が、前記第１トランジス
タの第２電極及び前記第１直流電圧線との間に接続され
た第２スイッチと、前記第１トランジスタの第２電極及
び前記定電流源に接続された第３スイッチとを含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装
置。
【請求項４】光の入射に基づいて光電変換素子から出
力される電気信号が第１トランジスタに流れ込むのを防
止するための第４スイッチを更に備えたことを特徴とす
る請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項５】複数の画素を有する固体撮像装置におい
て、定電流源を有するとともに、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダイオードの第２電極に第１電極及びゲート電
極が接続された第１ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極及びゲート電極
にゲート電極が接続された第２ＭＯＳトランジスタと、第１電極に直流電圧が印加されるとともに、前記第１ト
ランジスタの第１電極及びゲート電極に第２電極が接続
された第３ＭＯＳトランジスタと、前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接
続されるとともに、前記第１ＭＯＳトランジスタをサブ
スレッショルド領域で動作させるための直流電圧が印加
された直流電圧線に第２電極が接続された第４ＭＯＳト
ランジスタと、前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接
続されるとともに、前記定電流源に第２電極が接続され
た第５ＭＯＳトランジスタと、を有し、前記画素に撮像動作をさせるときは、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するよ
うに、前記第３、第５ＭＯＳトランジスタをＯＦＦにす
るとともに前記第４ＭＯＳトランジスタをＯＮにして、
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、前記画素のリセットを行うときに、前記第３、第５ＭＯ
ＳトランジスタをＯＮにするとともに前記第４ＭＯＳト
ランジスタをＯＦＦにして、前記第１ＭＯＳトランジス
タに定電流を流して、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極を前記第１ＭＯＳトランジスタに対応した所定
の電圧値にリセットすることを特徴とする固体撮像装
置。
【請求項６】前記フォトダイオードと前記第１ＭＯＳ
トランジスタとの間に設けられ、前記フォトダイオード
の第２電極に第１電極が接続されるとともに、前記第１
ＭＯＳトランジスタの第１電極及びゲート電極の接続ノ
ードに第２電極が接続された第６ＭＯＳトランジスタを
有し、前記画素に撮像動作をさせるときは、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するよ
うに、前記第３及び第５ＭＯＳトランジスタをＯＦＦに
するとともに前記第４及び第６ＭＯＳトランジスタをＯ
Ｎにして、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、前記画素のリセットを行うときに、前記第３及び第５Ｍ
ＯＳトランジスタをＯＮにするとともに前記第４及び第
６ＭＯＳトランジスタをＯＦＦにして、前記第１ＭＯＳ
トランジスタに定電流を流して、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタのゲート電極を前記第１ＭＯＳトランジスタに対
応した所定の電圧値にリセットすることを特徴とする請
求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】第１電極に直流電圧が印加されるととも
に、前記フォトダイオードの第１電極に第２電極が接続
された第６ＭＯＳトランジスタを有し、前記画素に撮像動作をさせるときは、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するよ
うに、前記第３及び第５ＭＯＳトランジスタをＯＦＦに
するとともに前記第４及び第６ＭＯＳトランジスタをＯ
Ｎにして、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、前記画素のリセットを行うときに、前記第３及び第５Ｍ
ＯＳトランジスタをＯＮにするとともに前記第４及び第
６ＭＯＳトランジスタをＯＦＦにして、前記第１ＭＯＳ
トランジスタに定電流を流して、前記第１ＭＯＳトラン
ジスタのゲート電極を前記第１ＭＯＳトランジスタに対
応した所定の電圧値にリセットすることを特徴とする請
求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項８】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
７ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求項
５〜請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】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８Ｍ
ＯＳトランジスタと、第１電極が前記第８ＭＯＳ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７ＭＯＳトランジスタと、を有することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれ
かに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】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るとともに、前記第２
ＭＯＳ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９
に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】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９ＭＯＳ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
れるとともに、前記第９ＭＯＳ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９ＭＯＳ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９に記載の固体撮像装
置。
【請求項１２】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５〜請求項
１１のいずれかに記載の固体撮像装置。