JP2006005483A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めること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】 ２次元配列される画素部を有する固体撮像装置であって、画素部１０11，１０12，１０21，１０22は、受光した光量に応じた電荷をフレーム毎に生成する光電変換手段（光電変換素子ＰＤ）と、前記光電変換素子が生成した電荷が少なくなるようにフレーム毎に前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷を充電する充電手段（ＰＭＯＳトランジスタＱ５）とを備え、前記充電手段による前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷充電後における前記光電変換素子が生成した電荷を、前記各画素部からフレーム毎に取り出すようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用されるＭＯＳ型の固体撮像装置に関するものである。

ビデオカメラ、デジタルスチルカメラを代表とする画像入力装置の普及に伴い、様々な固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
図６は、従来の固体撮像装置の画素部の平面を示す図である。

図６に示されるように、従来の固体撮像装置の画素部は、１画素内に設けられる２つの感光部（相対的に広い面積を有する主感光部２０１および相対的に狭い面積を有する従感光部２０２）と、電荷転送路２０３と、４層駆動するためのポリシリコン電極２０４，２０５，２０６，２０７とを備え、主感光部２０１および従感光部２０２のいずれからも選択的に画素信号を取り出すことができるように構成される。

図７は、図６に示される主感光部２０１と、従感光部２０２の光量と出力の関係、つまり感度特性を示す図である。なお、図中の２１０は主感光部２０１の感度特性を示し、図７中の２１１は従感光部２０２の感度特性を示している。

主感光部２０１の感度特性２１０は、光量Ａで飽和となり、それ以上光量が多い領域でも出力は増大しない。従感光部２０２の感度特性は、主感光部２０１より低いため、光量Ａの時点でも飽和せず、光量Ａ時点より光量が多い領域でも出力が増大している。実際の使用では、主感光部２０１と従感光部２０２の出力の両方を合成して用いるため、その合成出力は図中２１２に示すような感度特性となる。
特開２００３−２１８３４３号公報（第１−６頁、第１図）

しかしながら、従来の固体撮像装置の画素部は、図７に示されるように、主感光部２０１と従感光部２０２との合成出力２１２によって、高光量受光時でも飽和を防止することができるものの、光量Ａを境として不連続な特性を示すことになる。つまり、光量Ａに至るまでの感度特性と、光量Ａを超えた後の感度特性とでその傾きが急変し、直線性が非常に悪い。このように直線性が悪いと、例えば比較的暗い室内および明るい室外の両方の風景を室内から撮影したような場合、光量Ａを超える室外の部分でコントラストのある画像を生成できないという事態を招く。

そこで、本発明は、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置においては、２次元配列される画素部を有する固体撮像装置であって、前記各画素部は、受光した光量に応じた電荷をフレーム毎に生成する光電変換手段と、前記光電変換手段が生成した電荷が生成量よりも少なくなるようにフレーム毎に前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷を充電する充電手段とを備え、前記充電手段による前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷充電後における前記光電変換手段が生成した電荷を、前記各画素部からフレーム毎に取り出すことを特徴とする。

これにより、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能となる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記充電手段は、前記光電変換手段が生成したそのフレームにおける電荷に応じて抵抗値を変えることにより前記光電変換手段を充電することを特徴とすることができる。

これにより、高光量の受光時には抵抗値を下げて光電変換素子への充電量を多くし、小光量受光時には抵抗値を上げて光電変換素子への充電量を少なくすることができ、簡単な構成で飽和にも強く、小光量でも感度低下も生じにくい適応的な充電制御が可能となる。

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記光電変換手段は、フォトダイオードであり、前記充電手段は、ＰＭＯＳトランジスタであり、前記ＰＭＯＳトランジスタのドレインに所定の電源電圧を印加し、前記ＰＭＯＳトランジスタのゲートに所定のバイアス電圧を印加し、前記ＰＭＯＳトランジスタのソースを前記フォトダイオードのカソードに接続したことを特徴とすることもできる。

これにより、画素部における製造プロセスにＰＭＯＳトランジスタの製造プロセスを追加するだけで高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能な固体撮像装置を簡単に作成できる。

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記各画素部は、さらに前記充電手段による電荷充電後における前記光電変換手段が生成した電荷をフレーム毎に転送する転送手段と、前記転送手段が転送した電荷をフレーム毎に蓄積する蓄積領域と、前記蓄積領域の電位をフレーム毎に電圧に変換する電圧変換手段とを備え、前記光電変換手段は、フォトダイオードであり、前記充電手段は、ＰＭＯＳトランジスタであり、前記ＰＭＯＳトランジスタのドレインに所定の電源電圧を印加し、前記ＰＭＯＳトランジスタのゲートに前記電圧変換手段の出力を印加し、前記ＰＭＯＳトランジスタのソースを前記フォトダイオードのカソードに接続したことを特徴とすることもできる。

これによっても、画素部における製造プロセスにＰＭＯＳトランジスタの製造プロセスを追加するだけで高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能な固体撮像装置を簡単に作成できる。

なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現することができるだけでなく、このような固体撮像装置を含むカメラとして実現したりすることもできる。
これにより、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能なカメラを実現することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る固体撮像装置によれば、前記各画素部が、受光した光量に応じた電荷をフレーム毎に生成する光電変換手段と、前記光電変換手段が生成した電荷が少なくなるようにフレーム毎に前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷を充電する充電手段とを備え、前記充電手段による前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷充電後における前記光電変換手段が生成した電荷を、前記各画素部からフレーム毎に取り出すようにしているので、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能となる。

よって、本発明により、例えば比較的暗い室内および明るい室外の両方の風景を室内から撮影したような場合、室外の高光量部分でコントラストのある画像を生成することができ、デジタルカメラが普及してきた今日における本願発明の実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における固体撮像装置１の要部構成を示す回路図である。

図１に示されるように、固体撮像装置１は、２次元配列された複数（図示４つ）の画素部１０11，１０12，１０21，１０22と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22に電源電圧ＶＤＤを供給するための電源線１１と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22にリセットパルスを印加するためのリセットパルス印加信号線１２と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22に転送パルスを供給するための転送パルス印加信号線１３と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22を行毎に選択するための行選択信号線１４と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22の出力を列毎に共通に取り出すための列方向共通信号線１５と、各画素部１０11，１０12，１０21，１０22にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加線１６等とを備えて構成される。

なお、画素部１０11，１０12，１０21，１０22が同構成であるので、画素部１０11を各画素部１０11，１０12，１０21，１０22の代表とし、その構成を説明する。また、リセットパルス印加信号線１２、転送パルス印加信号線１３および行選択信号線１４の画素部へ印加するタイミングは、画素部１０11，１０12と画素部１０21，１０22では異なっている。

画素部１０11は、光電変換素子ＰＤと、電荷を蓄積する蓄積領域（以下、「フローティング ディフュージョン」（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）とも呼ぶ。）ＦＤと、電荷転送用のＭＯＳトランジスタＱ１と、リセット用のＭＯＳトランジスタＱ２と、増幅アンプ用のＭＯＳトランジスタＱ３と、行選択用のＭＯＳトランジスタＱ４と、フィードバック用のＰＭＯＳトランジスタＱ５等とから構成される。

光電変換素子ＰＤのアノードは、接地される。ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインは光電変換素子ＰＤのカソードに、そのソースはＭＯＳトランジスタＱ２のソースおよびＭＯＳトランジスタＱ３のゲートに、それぞれ接続される。これらＭＯＳトランジスタＱ１のソース、ＭＯＳトランジスタＱ２のソース、ＭＯＳトランジスタＱ３のゲートが接続される領域が蓄積領域ＦＤである。

ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは電源線１１に、そのゲートはリセットパルス印加信号線１２に、それぞれ接続される。ＭＯＳトランジスタＱ３のドレインは電源線１１に、そのソースはＭＯＳトランジスタＱ４のドレインにそれぞれ接続される。ＭＯＳトランジスタＱ４のソースは列方向共通信号線１５に、そのゲートは行選択信号線１４に、それぞれ接続される。ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレインは電源線１１に、そのソースは光電変換素子ＰＤのカソードに、そのゲートはバイアス電圧印加線１６に、それぞれ接続される。

次いで、固体撮像装置１における動作を説明する。
図２は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置１の画素部１０11を動作させるタイミングを示す図である。ここで、図２（ａ）は行選択信号線１４に印加される行選択パルスであり、行選択信号線１４を介してＭＯＳトランジスタＱ４のゲートに印加される。また、図２（ｂ）はリセットパルス印加信号線１２に印加されるリセットパルスであり、リセットパルス印加信号線１２を介してＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに印加される。また、図２（ｃ）は転送パルス印加信号線１３に印加される転送パルスであり、転送パルス印加信号線１３を介してＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに印加される。また、図２（ｄ）はＳトランジスタＱ５の非動作時における蓄積領域ＦＤの電位を示す図である。また、図２（ｅ）はＰＭＯＳトランジスタＱ５が動作しないときの光電変換素子ＰＤのカソードの電位を示す図である。さらに、図２（ｆ）はＰＭＯＳトランジスタＱ５が動作するときの光電変換素子ＰＤのカソードの電位を示す図である。

図２（ａ）に示されるように、まず、時刻ｔ１から所定の期間、ハイレベルの行選択パルスを行選択信号線１４を介してＭＯＳトランジスタＱ４のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ４を導通させる。

次いで、図２（ｂ）に示されるように、時刻ｔ２から所定の期間、ハイレベルのリセットパルスをリセットパルス印加信号線１２を介してＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ２を導通させる。これにより、図２（ｄ）に示されるように、蓄積領域ＦＤの電位が電源電圧ＶＤＤまで上昇する。そして、蓄積領域ＦＤの電位が上昇すると、蓄積領域ＦＤの電位は、ＭＯＳトランジスタＱ３により増幅され，ＭＯＳトランジスタＱ４を介して列方向共通信号線１５に出力される。なお、蓄積領域ＦＤは、その後時刻ｔ３に転送パルスが印加されるまで、その電位をほぼ維持する。

次いで、図２（ｃ）に示されるように、時刻ｔ３から所定の期間ハイレベルの転送パルスを転送パルス印加信号線１３を介してＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ１を導通させる。これにより、光電変換素子ＰＤのゲートに蓄積されている電荷（電子）が光電変換素子ＰＤから蓄積領域ＦＤに転送され、電子の転送の結果、蓄積領域ＦＤの電位が図２（ｄ）に示されるように、下降する。そして、蓄積領域ＦＤの電位が下降すると、蓄積領域ＦＤの電位は、ＭＯＳトランジスタＱ３により増幅され，ＭＯＳトランジスタＱ４を介して列方向共通信号線１５に出力される。ここで、このような時刻ｔ２から所定の期間経過後と、時刻ｔ３から所定の期間経過後の蓄積領域ＦＤの電位差（図２（ｄ）中に示される矢印Ｖ）が、１フレームタイムにおける光電変換素子ＰＤからの信号成分である。このような動作は、１フレームタイム後、繰り返し行われる。

ところで、光電変換素子ＰＤに入射する光量がＡ＜Ｂ＜Ｃであるとすると、光電変換素子ＰＤのカソードの電位は、１フレームタイム中の光量に応じて変化する。
ＰＭＯＳトランジスタＱ５が非動作である場合において、光量Ａのときは、光電変換素子ＰＤに入射する１フレームタイムにおける光量が少ないため、光電変換素子ＰＤ内で発生する電荷（電子）が少なく、そのカソード電位の下降率が低い。光量Ｂのときには、Ａより光量が多いため、光電変換素子ＰＤ内で発生する電荷（電子）が少し増加し、そのカソード電位の下降率は多くなり、１フレームタイム後にちょうど横軸に接する。光量Ｃのときには、入力光量がさらに多い場合であり、１フレームが経過する前に光電変換素子ＰＤのカソードは短時間で横軸と接する。つまり、１フレームが経過する前に飽和する。すなわち、ＰＭＯＳトランジスタＱ５が非動作である場合には、従来の主感光部２０１を動作させた場合に相当する。

これに対して、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲートに接続するバイアス電圧印加線１６の電圧を所望の電圧に設定することで、電源線１１より光電変換素子ＰＤに＋電荷が充電される。この充電電荷量が図２（ｅ）中の網点で示す面積に等しい電荷量である場合、高光量Ｃのとき、図２（ｅ）Ｃの特性に網点の面積の相当する電荷が充電されるため、図２（ｆ）のＣ’の特性になり、実際上飽和が早く生じる場合でもＰＭＯＳトランジスタＱ５が動作して光電変換素子ＰＤに電荷（図２（ｅ）の網点部）を充電することで、飽和する現象を回避できる。同様に、図２（ｅ）Ｂの場合は図２（ｆ）Ｂ’に、図２（ｅ）Ａは図２（ｆ）Ａ’に特性が変わり、飽和しにくい特性に改善できる。また、入射光量が多くなって光電変換素子ＰＤのカソード電位が下がると、そこに接続されるＰＭＯＳトランジスタＱ５のソース電位が下がり、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間電圧が高くなり、ゲートが一定電位でもＰＭＯＳトランジスタＱ５を介して電源線１１から充電される電流は増加するため、光電変換素子ＰＤのカソード電位の低下の割合が図２（ｆ）に示されるように減少し、さらに飽和しにくくなる。

すなわち、ＰＭＯＳトランジスタＱ５が動作されている場合、光電変換素子ＰＤのカソード電位に応じてＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が変わり、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗が変わる。ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が高い場合、つまり、光電変換素子ＰＤが高光量を受光してそのソース電位が下降した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗が低下する。これにより、光電変換素子ＰＤに多量の電荷が充電され、光電変換素子ＰＤのカソード電位の下降率を図２（ｆ）Ｃ’のようになだらかにすることができる。ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が中程度の場合、つまり、光電変換素子ＰＤが中光量を受光してそのソース電位が下降した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗が少し増加する。これにより、光電変換素子ＰＤへの電荷の充電が弱められ、光電変換素子ＰＤのカソード電位の下降率を図２（ｆ）Ｂ’のようになだらかにすることができる。ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が低い場合、つまり、光電変換素子ＰＤが弱い光量を受光してそのソース電位が下降した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗がさらに増加する。これにより、光電変換素子ＰＤへの電荷の充電がさらに弱められ、光電変換素子ＰＤのカソード電位の下降率を図２（ｆ）Ａ’のようになだらかにすることができる。

つまり、光電変換素子ＰＤとＰＭＯＳトランジスタＱ５と協働することで、図３に示されるように従来の主感光部２０１と同じ素の感度特性であったものが、その感度特性の傾きがｌｏｇ特性を有することとなり、光量Ａではその傾きΔ１に平行な感度特性α１を有し、光量Ｂではその傾きΔ２に平行な感度特性α２を有し、光量Ｃではその傾きΔ３に平行な感度特性α３を有することとなる。

以上のように本実施の形態１の発明によれば、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能となり、従来のように高光量の部分でコントラストのある画像を生成することができないといった事態を避けることができる。また、高光量の受光時には抵抗値を下げて光電変換素子への充電量を多くし、小光量受光時には抵抗値を上げて光電変換素子への充電量を少なくすることができ、簡単な構成で飽和にも強く、小光量でも感度低下も生じにくい適応的な充電制御が可能となる。

（実施の形態２）
次いで、本発明に係る他の固体撮像装置について説明する。
図４は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置２の要部構成を示す回路図である。

図４に示されるように、固体撮像装置２は、２次元配列された複数（図示４つ）の画素部２０11，２０12，２０21，２０22と、各画素部２０11，２０12，２０21，２０22に電源電圧ＶＤＤを供給するための電源線１１と、各画素部２０11，２０12，２０21，２０22にリセットパルスを印加するためのリセットパルス印加信号線１２と、各画素部２０11，２０12，２０21，２０22に転送パルスを供給するための転送パルス印加信号線１３と、各画素部２０11，２０12，２０21，２０22を行毎に選択するための行選択信号線１４と、各画素部２０11，２０12，２０21，２０22の出力を列毎に共通に取り出すための列方向共通信号線１５等とを備えて構成される。

なお、画素部２０11，２０12，２０21，２０22が同構成であるので、画素部２０11を画素部２０11，２０12，２０21，２０22の代表とし、その構成を説明する。
画素部２０11は、固体撮像装置１の画素部１０11と同様に、光電変換素子ＰＤと、電荷を蓄積する蓄積領域ＦＤと、ＭＯＳトランジスタＱ１と、ＭＯＳトランジスタＱ２と、ＭＯＳトランジスタＱ３と、ＭＯＳトランジスタＱ４と、ＰＭＯＳトランジスタＱ５等とから構成される。

ところで、画素部１０11においてはＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲートがバイアス電圧印加線１６に接続されていたが、本実施の形態２に係る固体撮像装置２の画素部２０11においてはＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲートがＭＯＳトランジスタＱ３のソースに接続される点だけが異なっており、他の点については同じであるので、画素部２０11の接続構成の説明を省略する。

次いで、固体撮像装置２における動作を説明する。
図５は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置２の画素部２０11を動作させるタイミングを示す図である。

ここで、図中、図５（ａ），図５（ｂ），図５（ｃ），図５（ｄ）については、図２の場合と同様である。また、図５（ｅ）はＭＯＳトランジスタＱ３のソース電位を示す図であり、図中のＤは光量が少ない場合のソース電位であり、Ｅは光量が多い場合のソース電位である。さらに、図５（ｆ）は光電変換素子ＰＤのカソード電位を示す図である。

図４（ａ）に示されるように、まず、時刻ｔ１から所定の期間、ハイレベルの行選択パルスを行選択信号線１４を介してＭＯＳトランジスタＱ４のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ４を導通させる。

次いで、図４（ｂ）に示されるように、時刻ｔ２から所定の期間、ハイレベルのリセットパルスをリセットパルス印加信号線１２を介してＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ２を導通させる。これにより、図４（ｄ）に示されるように、蓄積領域ＦＤの電位が電源電圧ＶＤＤまで上昇する。そして、蓄積領域ＦＤの電位が上昇すると、蓄積領域ＦＤの電位は、ＭＯＳトランジスタＱ３により増幅され，ＭＯＳトランジスタＱ４を介して列方向共通信号線１５に出力される。なお、蓄積領域ＦＤは、その後時刻ｔ３に転送パルスが印加されるまで、その電位をほぼ維持する。

次いで、図４（ｃ）に示されるように、時刻ｔ３から所定の期間ハイレベルの転送パルスを転送パルス印加信号線１３を介してＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＱ１を導通させる。これにより、光電変換素子ＰＤのゲートに蓄積されている電荷（電子）が光電変換素子ＰＤから蓄積領域ＦＤに転送され、電子の転送の結果、蓄積領域ＦＤの電位が図４（ｄ）に示されるように、下降する。この電圧変動はＭＯＳトランジスタＱ３のゲートの変動であり、ＭＯＳトランジスタＱ３のソースの変動は図５（ｅ）に示す。Ｄは光量の少ない場合のソース変動で、Ｅは光量の多い場合のソース変動であり、電圧値は光量の多いＥの場合の方が低くなっている。この電圧値は次の１フレームタイム（図５中に示す）の間保持される。

すなわち、ＭＯＳトランジスタＱ３のソース電位はＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲートに伝達されるため、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲート電圧値に応じた充電が電源線１１より光電変換素子ＰＤに実行される。具体的には、前の１フレームタイムに光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジスタＱ３のソース電位の低下が少なく、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲート電位の低下も少なくなり、電源線１１からの充電も少なくなる。一方、前の１フレームタイムに光量が多い場合はＭＯＳトランジスタＱ３のソース電位の低下が多く、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲート電位の低下も多くなり、電源線１１からの充電も多くなる。

実施の形態１では電源線１１から光電変換素子ＰＤへの充電量が一定であったのに対し、本実施の形態２では１フレームタイム前の光電変換素子ＰＤに入射した光量が少ない場合は電源線１１から光電変換素子ＰＤへの充電量を少なくし、また、１フレームタイム前の光電変換素子ＰＤに入射した光量が多い場合は電源線１１から光電変換素子ＰＤへの充電量を多くするような充電量の調整が可能である。高光量になるほど光電変換素子ＰＤのカソード電位が下がり、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間電圧が多くなり、実施の形態１同様、飽和しにくくすることができる。

すなわち、光電変換素子ＰＤのカソード電位に応じてＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が変わり、さらに１フレームタイム前のＭＯＳトランジスタＱ３のソース電位によりＰＭＯＳトランジスタＱ５のゲート電位が変わり、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗が変わる。

ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が高く、かつゲート電位が高い場合、つまり、光電変換素子ＰＤが前のフレームタイム共々高光量を受光してそのソース電位が下降した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗が低下する。これにより、光電変換素子ＰＤに多量の電荷が充電され、光電変換素子ＰＤのカソード電位の下降率を図４（ｆ）Ｅ’のようになだらかにすることができる。ＰＭＯＳトランジスタＱ５のドレイン−ソース間の電圧が低く、かつゲート電位が低い場合、つまり、光電変換素子ＰＤが前のフレームタイム共々弱い光量を受光してそのソース電位が下降した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のオン抵抗がさらに増加する。これにより、光電変換素子ＰＤへの電荷の充電がさらに弱められ、光電変換素子ＰＤのカソード電位の下降率を図４（ｆ）Ｄ’のようになだらかにすることができる。

以上のように本実施の形態２の発明によっても、高光量でも飽和せず、しかも感度特性の直線性を高めることが可能となり、従来のように高光量の部分でコントラストのある画像を生成できないといった事態を避けることができる。また、高光量の受光時には画素部１０11の場合よりもさらに抵抗値を下げて光電変換素子への充電量を多くし、小光量受光時には抵抗値を上げて光電変換素子への充電量を少なくすることができ、簡単な構成で飽和にも強く、小光量でも感度低下も生じにくい適応的な充電制御が可能となる。

なお、上記実施の形態１，２ではＦＤＡ型の画素部を用いた固体撮像装置について実施したが、ＦＤを有しないＡＭＩ型の画素部を用いた固体撮像装置に本発明を適用することができる。

なお、本発明に係るカメラは、上記実施の形態に示した固体撮像装置や、レンズ等を備えて構成され、上記と同様の構成、作用、効果を奏する。

本発明の固体撮像装置は、感度低下が少なく、大光量が入射する場合でも飽和が生じにくい直線性のよい光応答が得られ、これを用いたカメラ等に有用である。例えば、屋内、屋外と光量が大きく変化する撮像条件下に最適なデジタルカメラの他、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに備えられるカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット、イメージセンサ等に適している。

本実施の形態における固体撮像装置１の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における固体撮像装置１の画素部１０11を動作させるタイミングを示す図である。 光電変換素子ＰＤとＰＭＯＳトランジスタＱ５との協働により得られる光量と出力（傾き）の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置２の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置２の画素部２０11を動作させるタイミングを示す図である。 従来の固体撮像装置の画素部の平面を示す図部ある。 従来の固体撮像装置の主感光部と従感光部の光量と出力の関係を示す図である。

符号の説明

１，２ 固体撮像装置
１０11，１０12，１０21，１０22，２０11，２０12，２０21，２０22 画素部
１１ 電源線
１２ リセットパルス印加信号線
１３ 転送パルス印加信号線
１４ 行選択信号線
１５ 列方向共通信号線
１６ バイアス電圧印加線
ＰＤ 光電変換素子
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ ＭＯＳトランジスタ
Ｑ５ ＰＭＯＳトランジスタ

Claims (5)

1. ２次元配列される画素部を有する固体撮像装置であって、
   前記各画素部は、
   受光した光量に応じた電荷をフレーム毎に生成する光電変換手段と、
   前記光電変換手段が生成した電荷が生成量よりも少なくなるようにフレーム毎に前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷を充電する充電手段とを備え、
   前記充電手段による前記生成した電荷と反対の電気的特性を持つ電荷充電後における前記光電変換手段が生成した電荷を、前記各画素部からフレーム毎に取り出す
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記充電手段は、前記光電変換手段が生成したそのフレームにおける電荷に応じて抵抗値を変えることにより前記光電変換手段を充電する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記光電変換手段は、フォトダイオードであり、
   前記充電手段は、ＰＭＯＳトランジスタであり、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのドレインに所定の電源電圧を印加し、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのゲートに所定のバイアス電圧を印加し、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのソースを前記フォトダイオードのカソードに接続した
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記各画素部は、さらに
   前記充電手段による電荷充電後における前記光電変換手段が生成した電荷をフレーム毎に転送する転送手段と、
   前記転送手段が転送した電荷をフレーム毎に蓄積する蓄積領域と、
   前記蓄積領域の電位をフレーム毎に電圧に変換する電圧変換手段とを備え、
   前記光電変換手段は、フォトダイオードであり、
   前記充電手段は、ＰＭＯＳトランジスタであり、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのドレインに所定の電源電圧を印加し、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのゲートに前記電圧変換手段の出力を印加し、
   前記ＰＭＯＳトランジスタのソースを前記フォトダイオードのカソードに接続した
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
   

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