JP2006303768A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光強度に対する光検出のダイナミックレンジを拡大できると共に画素毎の光検出特性ばらつきを抑制できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 この固体撮像装置では、転送トランジスタ２のゲートにオン電位とオフ電位との間の中間電位を印加した状態で、フォトダイオード１で電荷を蓄積する電荷蓄積動作を行う。これにより、低光量域では感度の高いリニア変換型とし、高光量域ではダイナミックレンジの広い対数変換型とすることができる。また、制御部１１によって、転送トランジスタ２の駆動条件(ゲートに印加する中間電位)を制御することにより、リニア変換型領域と対数変換型領域の割合を調整することが可能である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、固体撮像装置に関し、より詳しくは、光検出のダイナミックレンジを拡大可能な固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置において、光検出のダイナミックレンジを拡大する手法の一つとして、画素毎に信号を対数変換する技術が知られている。

図６は、１個のフォトダイオード１２１と３個のＭＯＳ型トランジスタ１２４,１２５,１２６を用いて、対数変換型イメージセンサを構成した場合の１画素１２０の構成を示す。図６において、１２１は光電変換用フォトダイオード、１２４は対数圧縮用ＭＯＳトランジスタ、１２５は増幅用ＭＯＳトランジスタ、１２６は画素選択用ＭＯＳトランジスタである。

上記光電変換用フォトダイオード１２１はサブスレショルド領域で動作する対数圧縮用ＭＯＳトランジスタ１２４と接続されている。このため、光電変換用フォトダイオード１２１において、光電変換により発生した光電流Ｉｐｈは、サブスレショルド電流Ｉｓｕｂと釣り合うソース電位Ｖｓを出力する。すなわち、次式(１)が成り立つ。
Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｈ … (１)

このサブスレショルド電流Ｉｓｕｂの対数がソース電位Ｖｓと比例するので、ソース電位Ｖｓは光電流Ｉｐｈの対数に比例する。よって、ソース電位Ｖｓと光電流Ｉｐｈとの間に、次式(２)が成り立つ。この式(２)において、ｋ１、ｋ２は定数である。
Ｖｓ＝ｋ１・ｌｏｇ(Ｉｐｈ)＋ｋ２ … (２)

このソース電位Ｖｓを、増幅用トランジスタ１２５で増幅し、選択トランジスタ１２６を介して出力信号線１２７から出力信号Ｖｏｕｔを得る。この場合の入射光強度に対応する光電流Ｉｐｈの対数と出力信号Ｖｏｕｔとの関係を図７に示す。

実際には、入射光が無い場合にも、図７に示すように、光電変換用フォトダイオード１２１には暗電流Ｉｄａｒｋが流れる。したがって、上記式(１)と式(２)は、次式(３)、(４)のように変更される。
Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｈ＋Ｉｄａｒｋ …(３)
Ｖｓ＝ｋ１・ｌｏｇ(Ｉｐｈ＋Ｉｄａｒｋ)＋ｋ２ …(４)

このため、入射光強度が暗電流Ｉｄａｒｋ以下になると光検出ができず、低光量での感度が得られない。

そこで、この暗電流Ｉｄａｒｋを小さくするには、フォトダイオード１２１を埋め込み型にすることが望ましいが、図６の構成では、光電変換用フォトダイオード１２１に直接コンタクトを取る必要があり、埋め込み型フォトダイオードを採用できない、という問題がある。

そこで、例えば、特許文献１(特開平１０−９００５８号公報)では、対数変換型撮像素子における低光量での感度を改善するために、対数圧縮用ＭＯＳトランジスタをパルス駆動し、光電変換用フォトダイオードをリセット動作して、低光量域では蓄積動作をする方法が提案されている。

図８に、この低光量域では蓄積動作をする方法を採用する場合の画素１３０の回路構成を示す。また、図９に、この回路構成における入射光強度に対応する光電流Ｉｐｈと出力信号Ｖｏｕｔとの関係を示す。低光量域(リニア領域)では光電流Ｉｐｈの直接蓄積動作によりリニア型の応答を示し、高光量域(対数領域)では光電流Ｉｐｈとサブスレッショルド電流Ｉsubとが釣り合う電流の蓄積動作により対数型の応答を示す。

しかしながら、この光電変換用フォトダイオード１２１をリセット動作させる方法では、蓄積動作の基準となるリセット電位がドレイン電圧Ｖｄで固定されるのに対し、リニア型の応答(リニア領域)と対数型の応答(対数領域)との境界となる電位がリセットトランジスタ１３４のチャネルポテンシャルで決められる。このため、図９に示すように、リニア型の応答領域Ｒ１と対数型の応答領域Ｒ２との境界は、リセットトランジスタ１３４の閾値により影響されて画素毎にばらつき、撮像素子内では制御できない問題がある。さらに、この後者の対数変換型撮像素子においても、光電変換用フォトダイオード１２１として埋め込み型フォトダイオードを採用できず、低光量域では蓄積型における暗電流問題としての固定パターンノイズの問題が残る。
特開平１０−９００５８号公報

そこで、この発明の課題は、入射光強度に対する光検出のダイナミックレンジを拡大できると共に画素毎の光検出特性ばらつきを抑制できる固体撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の固体撮像装置は、光電変換素子と、
上記光電変換素子で発生した電荷が導入される転送トランジスタと、
上記転送トランジスタから上記電荷が導入されるフローティングディフュージョン部と、
上記フローティングディフュージョン部に接続されたリセットトランジスタと、
上記フローティングディフュージョン部に接続されると共に上記フローティングディフュージョン部の電位変化を増幅する増幅トランジスタと、
上記転送トランジスタとリセットトランジスタとを制御して、上記転送トランジスタとリセットトランジスタをオンして上記光電変換素子を所定のリセット電位にリセットするリセット動作と、上記転送トランジスタのゲートにオン電位とオフ電位との間の中間電位を印加すると共に上記フローティングディフュージョン部の電荷を上記リセットトランジスタから排出させ、上記光電変換素子で、低光量域で光量に対してリニア変換された電荷を蓄積し、高光量域で光量に対して対数変換された電荷を蓄積する電荷蓄積動作と、上記光電変換素子に蓄積した電荷を上記転送トランジスタを経由して上記フローティングディフュージョン部に転送する電荷転送動作とを順次行わせる制御部とを備えたことを特徴としている。

この発明の固体撮像装置では、光電変換素子で電荷を蓄積する電荷蓄積動作を行う際、転送トランジスタのゲートにオン電位とオフ電位との間の中間電位(ＶＴ１)が印加されている。これにより、光電変換素子では、低光量域では光電変換により発生する電荷がそのまま蓄積するので、光電変換素子で蓄積する電荷量は入射光に対してリニアな応答となる。一方、高光量域では、光電変換素子は、光電変換による光電流とオーバーフロー電流とが釣り合った分だけ電荷が蓄積するから、光電変換素子で蓄積する電荷量は入射光に対して対数型の応答となる。

このように、この発明によれば、低光量域では光電変換素子への入射光に対してリニアに応答して電荷を蓄積できると共に、高光量域では光電変換素子への入射光に対して対数型で応答して電荷を蓄積できる。したがって、上記光電変換素子に蓄積した電荷を転送トランジスタを経由して上記フローティングディフュージョン部に転送し、このフローティングディフュージョン部の電位から出力信号を得ることで、光検出のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

また、この発明によれば、上記制御部が電荷蓄積動作において転送トランジスタのゲートに印加する中間電位の高低を制御することによって、リニア応答領域の大小を設定可能である。

また、この発明によれば、光電変換素子に直接コンタクトを取る必要がないので、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを採用できる。したがって、暗電流を小さくできる。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記制御部は、上記転送トランジスタのオン電位から上記中間電位を減算した値を変えることによって、上記光電変換素子への入射光量をリニア変換して上記フローティングディフュージョン部の電位にするリニア変換領域と上記入射光量を対数変換して上記フローティングディフュージョン部の電位にする対数変換領域との境界を変える。

この実施形態の固体撮像装置によれば、リニア型動作となる低光量側の入射光範囲を任意に設定することが可能となる。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記光電変換素子は、埋め込みチャネル構造を有するフォトダイオードである。

この実施形態の固体撮像装置によれば、光電変換素子としてのフォトダイオードで発生する暗電流を大幅に削減することが可能となる。したがって、低光量域でのリニア型動作期間において、暗電流ノイズを大幅に削減することができる。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記制御部は、上記電荷転送動作において、上記光電変換素子を完全に空乏化させない。

この実施形態の固体撮像装置によれば、光電変換素子のリセット電位を、光電変換素子によって個々独自に決まる空乏化電位ではなく、対となる転送トランジスタの閾値を反映した値をリセット電位とすることが可能となる。したがって、リニア型の応答と対数型の応答との境界となる光電変換素子の電位(ψlin/log)はリセット電位(ψrst)が基準となり、画素毎のばらつきはキャンセルすることが可能となる。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記制御部は、上記リセット動作において、上記転送トランジスタをオンとすると共に上記リセットトランジスタをオンとしたままの状態で、上記リセットトランジスタのドレインを順に高電位、低電位、高電位にすることによって、上記光電変換素子に電荷を注入してから排出する動作を行う。

この実施形態の固体撮像装置によれば、上記リセット動作において、上記光電変換素子に電荷を注入してから排出するから、光電変換素子のリセット電位はリセットトランジスタのドレインを高電位にしたときの転送トランジスタのチャネルポテンシャルで決まる。一方、リニア型の応答と対数型の応答との境界となる光電変換素子の電位(ψlin/log)は、リセットトランジスタのドレインを高電位にしたときの転送トランジスタのチャネルポテンシャルで決まる。

したがって、複数の画素を備える場合に全ての画素において、転送トランジスタのオン電位(ＶＴ２)から中間電位(ＶＴ１)を減算した値ΔＶＴが一定であれば、リセットトランジスタの閾値が画素毎にばらついていても、動作に影響が出ない。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記制御部は、上記リセット動作において、上記リセットトランジスタのドレインに印加する低電位を、上記転送トランジスタのゲートに上記中間電位を印加したときの上記転送トランジスタのチャネルポテンシャルと上記転送トランジスタのゲートに上記オン電位を印加したときの上記転送トランジスタのチャネルポテンシャルとの中間のポテンシャルとする。

この実施形態の固体撮像装置によれば、フローティングディフュージョン部とリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを、複数の画素で共有する構成とした場合において、各画素の光電変換素子を独立にリセットすることが可能となる。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記増幅トランジスタの出力信号が入力される信号処理回路を備え、上記制御部は、上記電荷蓄積動作によって上記リセットトランジスタから電荷を排出させた上記フローティングディフュージョン部のリセット電位を上記増幅トランジスタで増幅して読み出すと共に、上記電荷転送動作によって上記光電変換素子に蓄積した電荷が転送された上記フローティングディフュージョン部の信号電位を上記増幅トランジスタで読み出す読み出し制御を行い、上記信号処理回路は、上記増幅トランジスタからの上記信号電位と上記リセット電位との差を出力信号として出力する。

この実施形態の固体撮像装置によれば、上記信号処理部は、上記増幅トランジスタからの上記信号電位(Ｖｓ)と上記リセット電位(Ｖｒ)との差(Ｖｓ−Ｖｒ)を出力信号とする。これにより、画素毎のリセットトランジスタの閾値ばらつきや、増幅トランジスタの閾値ばらつきなど、画素間のばらつきをキャンセルすることが可能となる。なお、上記信号処理回路を、一例として、相関二重サンプリング回路としてもよい。

また、一実施形態の固体撮像装置では、上記光電変換素子と転送トランジスタを有する複数の画素を備え、上記フローティングディフュージョン部とリセットトランジスタと増幅トランジスタとを上記複数の画素で共有した。

この実施形態によれば、画素毎の光検出特性ばらつきの小さい固体撮像装置を実現できる。

この発明の固体撮像装置によれば、転送トランジスタのゲートにオン電位とオフ電位との間の中間電位を印加した状態で、光電変換素子で電荷を蓄積する電荷蓄積動作を行うので、低光量域では感度の高いリニア変換型とし、高光量域ではダイナミックレンジの広い対数変換型とすることができる。

また、制御部によって、転送トランジスタの駆動条件(ゲートに印加する中間電位)を制御することにより、リニア変換型領域と対数変換型領域の割合を調整することが可能である。さらに、この発明によれば、光電変換素子に直接コンタクトを取る必要がないので、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを採用できて、暗電流を大幅に低減でき、低光量域での高いＳ/Ｎを達成できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１に、この発明の固体撮像装置の実施形態が備える複数の画素のうちの１つの画素１０の構成、および制御部１１を示す。

この画素１０は、アノードがグランドに接続されると共にカソードが転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のソースに接続された光電変換用フォトダイオード１を有する。転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のゲートは信号線ＴＸに接続され、ドレインはＦＤ(フローティングディフュージョン)部３に接続されている。このＦＤ部３は、増幅用ＮＭＯＳトランジスタ５のゲートに接続されている。

この増幅用ＮＭＯＳトランジスタ５のドレインは電源ＯＤに接続されると共にソースは画素選択用ＮＭＯＳトランジスタ６のドレインに接続されている。この画素選択用ＮＭＯＳトランジスタ６のソースは出力信号線７に接続されると共にゲートは信号線ＳＥＬに接続されている。

また、上記ＦＤ部３は、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のソースに接続され、このリセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のゲートは、リセット信号線ＲＳＴに接続されている。また、このリセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のドレインは、信号線ＲＤに接続されている。

図１に示すように、上記リセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のドレインは、専用の信号線ＲＤに接続されており、増幅用トランジスタ５のドレインとは分離されている。図１に示す構成では、光電変換用フォトダイオード１にはコンタクトを取る必要がないので、埋め込み型のフォトダイオードを採用することができる。したがって、光電変換用フォトダイオード１として埋め込み型のフォトダイオードを採用して、暗電流を大幅に削減することが可能となる。

図１に示した画素１０の動作タイミングを図２に示す。図２において、φＳＥＬは、図１の信号線ＳＥＬに印加されるパルス信号の信号波形を示し、φＲＳＴは、図１の信号線ＲＳＴに印加されるパルス信号の信号波形を示す。また、φＴＸは、図１の信号線ＴＸに印加されるパルス信号の信号波形を示し、φＲＤは、図１の信号線ＲＤに印加されるパルス信号の信号波形を示す。このパルス信号φＲＤ、φＲＳＴ、φＴＸ、φＳＥＬは、それぞれ、図１に示す制御部１１から信号線ＲＤ、ＲＳＴ、ＴＸ、ＳＥＬに印加される。

次に、図３Ａ〜図３Ｃを参照して、図２に示すｔ１からｔ５までの各期間の動作を説明する。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、横軸の記号ＰＤは光電変換用フォトダイオード１を表し、横軸の記号ＴＸは転送用ＮＭＯＳトランジスタ２を表す。また、横軸のＦＤはフローティングディフュージョン部３を表し、横軸のＲＳＴはリセット用ＮＭＯＳトランジスタ４を表している。また、横軸のＲＤは、転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のドレインを表している。また、図３Ａ〜図３Ｃにおいて、縦軸は図において下方が高くなるポテンシャルを表している。

図３Ａは、図２の期間ｔ１における光電変換用フォトダイオード１のリセット動作を示している。図２に示すように、この期間ｔ１では、パルス信号φＲＳＴとφＴＸとがＨレベルとなり、転送用トランジスタ２とリセット用トランジスタ４は共にオンとなる。また、この期間ｔ１では、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のドレインに印加されるパルス信号ＲＤが、順に、Ｈレベル(ＶＲ２)、Ｌレベル(ＶＲ１)、Ｈレベル(ＶＲ２)へと変化する。

このため、この期間ｔ１では、図３Ａに示すように、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ４のドレインから光電変換用フォトダイオード１への電荷の注入(fill)動作と、フォトダイオード１からの電荷の排出(spill)動作とが行われる。これにより、光電変換用フォトダイオード１の電位は、転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のゲート電位がＨレベルの時のポテンシャルに応じた値(ψＲＳＴ)にリセットされる(図３Ａ)。

次に、図３Ｂは、図２の期間ｔ２における光電変換用フォトダイオード１での蓄積動作を示している。図２に示すように、この期間ｔ２では、パルス信号ＲＳＴがＨレベルであり、リセット用トランジスタ４はオン状態であるので、フローティングディフュージョン部３は、リセットドレイン電位ＶＲＤに固定される。このとき、転送用ＮＭＯＳトランジスタ２は、ゲートにオンレベルとオフレベルとの間の中間電位ＶＴ１が印加されている。

このため、図３Ｂに示す低光量域Ｒ１では、光電変換用フォトダイオード１(のカソード)の電位はリセットレベル(ψＲＳＴ)からの変化が小さく、光電変換により発生した電荷は転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のチャネルを越えることはなく、上記電荷はフォトダイオード１でそのまま蓄積する。よって、フォトダイオード１に蓄積する電荷量は、入射光に対してリニアな応答となる。

一方、図３Ｂに示す高光量域Ｒ２では、光電変換用フォトダイオード１(のカソード)の電位はリセットレベル(ψＲＳＴ)からの変化が大きくなり、或る境界値(ψlin/log)を越えると、光電変換により発生した電荷は転送用ＮＭＯＳトランジスタ２のチャネルを越えてフローティングディフュージョン部３へオーバーフローし始める。この場合には、光電変換用フォトダイオード１(のカソード)の電位変化量は光電流の対数に比例する。したがって、このフォトダイオード１の部分の電荷量は入射光の対数に応じた値となる。

次に、図２に示す期間ｔ３では、パルス信号φＳＥＬがＨレベルとなり、画素選択用トランジスタ６をオンにする。これにより、フローティングディフュージョン部３のリセット電位Ｖｒ(リセットレベルＲＬ)を読み出す。

次に、図３Ｃに、図２の期間ｔ４における光電変換用フォトダイオード１からフローティングディフュージョン部３への電荷転送動作を示している。図２に示すように、この期間ｔ４では、パルス信号φＲＳＴがＬレベルであり、リセット用トランジスタ４がオフとなって、フローティングディフュージョン部３は信号線ＲＤから遮断される。また、パルス信号φＳＥＬがＬレベルとなる。

この状態で、信号線ＴＸに印加されるパルス信号φＴＸがＨレベル(ＶＴ２)となり、転送用トランジスタ２がオンになることにより、フォトダイオード１から転送用トランジスタ２を経由してフローティングディフュージョン部３に電荷が転送される。この電荷転送によって、フローティングディフュージョン部３は電位が変化する。この電位の変化量は、低光量域では、フォトダイオード１への入射光量に対してリニアな変化となり、高光量域では、入射光量に対して対数圧縮型の変化となる。

次に、図２に示す期間ｔ５では、パルス信号φＳＥＬが再びＨレベルとなり、画素選択用トランジスタ６がオンする。これにより、期間ｔ４でのフローティングディフュージョン部３への電荷転送後のフローティングディフュージョン部３の電位Ｖｓを読み出す。したがって、この画素１０の後段の信号処理回路１２において、この電荷転送後のシグナルレベルＳＬの電位Ｖｓから期間ｔ３で読み出したリセットレベルＲＬのリセット電位Ｖｒを減算した(Ｖｓ−Ｖｒ)の値を取れば、転送トランンジスタ２の閾値ばらつきや、増幅トランジスタ５の閾値ばらつきを除去した、正味のフォトダイオード蓄積電荷量に対応した信号が得られる。上記信号処理回路は、一例としてＣＤＳ(相関二重サンプリング)回路としてもよい。

この減算した値(Ｖｓ−Ｖｒ)で表される信号Ｖoutと入射光量の対数(Ｌog(Ｐ))との関係の一例を図４に示す。前述したように、この信号Ｖoutは、低光量域では入射光量Ｐに対してリニア型で変化し(リニア型応答領域Ｒ１)、高光量域では入射光量Ｐに対して対数型で変化する(対数型応答領域Ｒ２)。図４に示すように、このリニア型の応答領域Ｒ１と対数型の応答領域Ｒ２とは、(ＶＴ２−ＶＴ１)＝ΔＶＴを調整することにより可変できる。このΔＶＴは、上記転送用トランジスタ２のゲートに印加されるパルス信号φＴＸの中間電位ＶＴ１とオン電位ＶＴ２との差である。前述したように、信号φＴＸが中間電位ＶＴ１では、転送用トランジスタ２はオンとオフとの間の状態であり、信号φＴＸがオン電位ＶＴ２では転送用トランジスタ２はオンする。

上記ΔＶＴを大きくすれば、図４の特性Ｗ１のように、出力信号Ｖoutのリニア応答領域Ｒ１が拡大する一方、上記ΔＶＴを小さくすれば、特性Ｗ２のように、出力信号Ｖoutのリニア応答領域Ｒ１が縮小する。

なお、上記実施形態では、１つの画素１０にフォトダイオード(光電変換素子)１、転送用ＮＭＯＳトランジスタ２、フローティングディフュージョン部３、増幅用ＮＭＯＳトランジスタ５、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ４を全て含む場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、図５に示すように、２つの画素５１と５２とで、フローティングディフュージョン部５３、増幅用ＮＭＯＳトランジスタ５５、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ５４、画素選択用ＮＭＯＳトランジスタ５６を共有してもよい。図５に示すように、画素５１は、１つの光電変換用フォトダイオード５１−１と１つの転送用ＮＭＯＳトランジスタ５１−２を有し、画素５２は、１つの光電変換用フォトダイオード５２−１と１つの転送用ＮＭＯＳトランジスタ５２−２を有する。そして、フローティングディフュージョン部５３と、増幅用トランジスタ５５と、リセット用トランジスタ５４と、画素選択用トランジスタ５６は２画素で共用している。これにより、光電変換素子の面積を拡大することが可能となり、感度増大、飽和信号量増大がもたらされる。

なお、図５に示す一例では、２つの画素で、フローティングディフュージョン部５３、増幅用ＮＭＯＳトランジスタ５５、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ５４、画素選択用ＮＭＯＳトランジスタ５６を共有したが、３つ以上の画素で共有してもよい。

また、一例として、上記制御部１１は、上記期間ｔ１のリセット動作において、上記リセット用トランジスタ４のドレインに印加する低電位ＶＲ１を、上記転送用トランジスタ２のゲートに上記中間電位ＶＴ１を印加したときの転送用トランジスタ２のチャネルポテンシャルと転送用トランジスタ２のゲートに上記オン電位ＶＴ２を印加したときの転送用トランジスタ２のチャネルポテンシャルとの中間のポテンシャルとする。この場合、フローティングディフュージョン部３とリセット用トランジスタ４および増幅用トランジスタ５を、複数の画素で共有する構成とした場合において、各画素の光電変換用フォトダイオード１を独立にリセットすることが可能となる。

また、画素内トランジスタの閾値ばらつきに起因する画素毎のばらつきノイズは、ＣＤＳ(相関二重サンプリング)回路を用いたＣＤＳ動作によりキャンセルすることが可能であり、外部メモリ等は不要である。さらに、光電変換用フォトダイオードとして埋め込みフォトダイオードを採用した場合に、埋め込みフォトダイオードを完全空乏化させる必要が無く、形成が容易となる。

この発明の固体撮像装置の実施形態が備える画素の回路構成を示す図である。 図１に示す画素の動作タイミングを示す図である。 図１に示す画素のリセット動作をポテンシャルで説明する図である。 上記画素の蓄積動作をポテンシャルで説明する図である。 上記画素の電荷転送動作をポテンシャルで説明する図である。 上記実施形態により得られるリニア型応答および対数型応答による出力信号と入射光強度Ｐの対数との関係を表す特性図である。 上記実施形態の変形例の画素の回路構成を示す図である。 従来の対数変換型固体撮像装置の画素の回路構成を示す図である。 図６に示す従来の対数変換型固体撮像装置における光電流Ｉｐｈの対数と出力信号との関係を表わす図である。 今一つの従来の対数変換型固体撮像装置の画素の回路構成を示す図である。 図８に示す従来の対数変換型固体撮像装置における光電流Ｉｐｈの対数と出力信号との関係を表わす図である。

符号の説明

１、５１−１、５２−１ 光電変換用フォトダイオード
２、５１−２、５２−２ 転送用ＮＭＯＳトランジスタ
３、５３ フローティングディフュージョン部
４、５４ リセット用ＮＭＯＳトランジスタ
５、５５ 増幅用ＮＭＯＳトランジスタ
６、５６ 画素選択用ＮＭＯＳトランジスタ
７ 出力信号線
１０、５１ 画素
１１ 制御部
１２ 信号処理回路
ＲＳＴ リセット信号線
ＲＤ ドレイン用信号線
ＴＸ 信号線
ＳＥＬ 信号線

Claims (8)

1. 光電変換素子と、
   上記光電変換素子で発生した電荷が導入される転送トランジスタと、
   上記転送トランジスタから上記電荷が導入されるフローティングディフュージョン部と、
   上記フローティングディフュージョン部に接続されたリセットトランジスタと、
   上記フローティングディフュージョン部に接続されると共に上記フローティングディフュージョン部の電位変化を増幅する増幅トランジスタと、
   上記転送トランジスタとリセットトランジスタとを制御して、上記転送トランジスタとリセットトランジスタをオンして上記光電変換素子を所定のリセット電位にリセットするリセット動作と、上記転送トランジスタのゲートにオン電位とオフ電位との間の中間電位を印加すると共に上記フローティングディフュージョン部の電荷を上記リセットトランジスタから排出させ、上記光電変換素子で、低光量域で光量に対してリニア変換された電荷を蓄積し、高光量域で光量に対して対数変換された電荷を蓄積する電荷蓄積動作と、上記光電変換素子に蓄積した電荷を上記転送トランジスタを経由して上記フローティングディフュージョン部に転送する電荷転送動作とを順次行わせる制御部とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   上記制御部は、
   上記転送トランジスタのオン電位から上記中間電位を減算した値を変えることによって、上記光電変換素子への入射光量をリニア変換して上記フローティングディフュージョン部の電位にするリニア変換領域と上記入射光量を対数変換して上記フローティングディフュージョン部の電位にする対数変換領域との境界を変えることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   上記光電変換素子は、
   埋め込みチャネル構造を有するフォトダイオードであることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   上記制御部は、
   上記電荷転送動作において、上記光電変換素子を完全に空乏化させないことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   上記制御部は、
   上記リセット動作において、上記転送トランジスタをオンとすると共に上記リセットトランジスタをオンとしたままの状態で、上記リセットトランジスタのドレインを順に高電位、低電位、高電位にすることによって、上記光電変換素子に電荷を注入してから排出する動作を行うことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   上記制御部は、
   上記リセット動作において、上記リセットトランジスタのドレインに印加する低電位を、上記転送トランジスタのゲートに上記中間電位を印加したときの上記転送トランジスタのチャネルポテンシャルと上記転送トランジスタのゲートに上記オン電位を印加したときの上記転送トランジスタのチャネルポテンシャルとの中間のポテンシャルとすることを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   上記増幅トランジスタの出力信号が入力される信号処理回路を備え、
   上記制御部は、
   上記電荷蓄積動作によって上記リセットトランジスタから電荷を排出させた上記フローティングディフュージョン部のリセット電位を上記増幅トランジスタで増幅して読み出すと共に、上記電荷転送動作によって上記光電変換素子に蓄積した電荷が転送された上記フローティングディフュージョン部の信号電位を上記増幅トランジスタで読み出す読み出し制御を行い、
   上記信号処理回路は、上記増幅トランジスタからの上記信号電位と上記リセット電位との差を出力信号として出力することを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   上記光電変換素子と転送トランジスタを有する複数の画素を備え、
   上記フローティングディフュージョン部とリセットトランジスタと増幅トランジスタとを上記複数の画素で共有したことを特徴とする固体撮像装置。
   

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