JP2009141419A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】チップサイズの大を必要拡とせずダイナミックレンジの拡張が実現される固体撮像素子を提供する。
【解決手段】複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像素子であって、受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する受光素子１と、前記光信号電荷の電荷量に応じて当該電荷量を調節する電荷調節回路１２と電荷調節回路１２で調節された電荷量に対応する電圧を画素信号として読み出す回路部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラに用いられる固体撮像素子に関する。

従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは、６０ｄＢから８０ｄＢ程度であり、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する１００ｄＢから１２０ｄＢ程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。

特許文献１では、受光素子で発生した電荷を大容量に蓄積することでダイナミックレンジを拡張する技術が開示されている。

図１４は特許文献１記載の固体撮像素子の回路構成図である。
同図における固体撮像素子は、受光素子５００と、容量５０１、５０２、及び５０３と、トランジスタ５０４、５０５、５０６、５０７、５０８、５０９、及び５１０とを備える。

容量５０１は、受光素子５００のカソード側に接続される。容量５０１は、受光素子５００の寄生容量もしくは付加容量によって形成される。トランジスタ５０４は、受光素子５００及び容量５０１、５０２、及び５０３をリセットするリセットトランジスタである。トランジスタ５０５及び５０６は、容量５０１の電荷を転送する。容量５０２及び５０３は、受光素子５００及び容量５０１から転送された電荷を蓄積するが、これらはそれぞれ、トランジスタ５０９及び５１０のゲート容量を主として構成される。トランジスタ５０７及び５０８は、選択スイッチである。トランジスタ５０９及び５１０は、ゲートがそれぞれ容量５０２及び５０３に接続されたソースフォロワトランジスタであり、容量５０２及び５０３の電荷を読み出す機能を有する。

以上のように、受光素子５００および容量５０１に蓄積された電荷は、２系統の出力手段を介して出力される。

次に、図１４に記載された従来の固体撮像素子の回路動作を説明する。
はじめに、受光素子５００及び容量５０１の電位は、トランジスタ５０４によってリセット電位Ｖｒにリセットされる。次に、蓄積期間に受光素子５００に光が入射すると、発生した光電荷は受光素子５００および容量５０１に溜められる。次に、トランジスタ５０５もしくはトランジスタ５０６をＯＮにすることで、容量５０２もしくは容量５０３の電位は、発生した光電荷の転送に応じて変化する。仮に、トランジスタ５０９のゲートサイズが幅Ｗ＝１μｍ、長さＬ＝１μｍであり、トランジスタ５１０のゲートサイズが幅Ｗ＝１０μｍ、長さＬ＝１０μｍであるとすると、トランジスタ５１０のゲート−ソース容量は、トランジスタ５０９のゲート−ソース容量に比べ１０倍となる。すなわち容量５０３は容量５０２の１０倍となり、ダイナミックレンジは１０倍となる。よって、同一光量の撮像をする場合には、トランジスタ５１０は、蓄積時間１０倍までダイナミックレンジ内で動作することが可能となる。
特開２００３−１３４３９６号公報

しかしながら、上述した特許文献１の技術では、トランジスタ５０９及び５１０のゲート寸法を大きくすることで等価容量を増加しダイナミックレンジを拡張しているので、チップサイズが大きくなるという問題がある。

上記問題に鑑み、本発明は、チップサイズの拡大を必要とせずダイナミックレンジの拡張が実現される固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像素子であって、前記画素部は、受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する受光素子と、前記光信号電荷の電荷量に応じて当該電荷量を調節する電荷調節部と前記電荷調節部で調節された電荷量に対応する電圧を画素信号として読み出す回路部とを備えることを特徴とする。

これにより、前記受光素子の受光量に対応して前記受光素子の蓄積電荷量が調節されるので、前記受光素子の蓄積電荷量の飽和が抑制される。よって、結果的には、前記受光素子の蓄積電荷量が飽和領域に達していないダイナミックレンジの拡張が実現される。

また、前記回路部は、第１の露光時間において前記受光素子で発生した第１の光信号電荷に対応する第１光信号電圧を読み出し、前記電荷調節部は、前記第１光信号電圧を前記第１光信号電圧に応じた調節電圧に変換する電圧変換回路と、前記調節電圧をオフセットとして、前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間において前記受光素子で発生した光信号電荷の電荷量を調節する電荷調節回路とを備えることが好ましい。

これにより、短時間である第１の露光時間にて得られた電荷量からオフセット調節電荷量を予め決定しておくことができる。この際に決定されるオフセット調節電荷量は、電圧変換回路により状況に応じた変換がなされたものであるので、状況に応じたダイナミックレンジの調整が可能となり、ダイナミックレンジ調整のバリエーションが増加する。

また、前記電圧変換回路は、前記第１光信号電圧を反転し、前記調節電圧として出力するインバータを備えてもよい。

これにより、前記受光素子で発生した光信号電荷の電荷量を、常に減少させる方向で電荷調整するので、電荷量の飽和によるダイナミックレンジの制限が緩和される。

また、前記電荷調節回路は、カソード端子に前記調節電圧が印加され、アノード端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続されたダイオードを備えることが好ましい。

これにより、電圧変換回路で変換された調節電圧に応じた電流がダイオードのアノード端子に流れるので、同じくアノード端子に接続された前記受光素子で発生した光信号電荷の電荷量が調整される。さらに、電圧調節が簡単なダイオードによって実現される。よって、チップサイズを拡大せずにダイナミックレンジの調整が可能となる。

また、前記電荷調節回路は、ドレイン端子に前記調節電圧が印加され、ソース端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続され、ゲート端子に前記ソース端子が接続されたＭＯＳトランジスタを備えてもよい。

これにより、電圧変換回路で変換された調節電圧に応じた電流がＭＯＳトランジスタのソース端子に流れるので、同じくソース端子に接続された前記受光素子で発生した光信号電荷の電荷量が調整される。さらに、電圧調節が簡単なＭＯＳトランジスタによって実現される。よって、チップサイズを拡大せずにダイナミックレンジの調整が可能となる。

また、前記電荷調節部は、カソード端子に定電圧が印加され、アノード端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続されたダイオードを備えてもよい。

これにより、受光素子の出力側が接続されているダイオードのアノード端子は、受光素子の発生する電荷量により変化する。従って、アノード端子とカソード端子との間には、当該電荷量に対応した電圧が印加されることになり、当該電圧に対応した電流がダイオードのアノード端子に流れるので、受光素子で発生した光信号電荷の電荷量が調節される。さらに、電圧調節回路が簡単なダイオードによって実現され、しかも、電圧変換回路が不要である。さらに、光信号電荷の電荷量調節のための調節電圧を決定するための予備計測が不要となる。よって、チップサイズを拡大せずに、かつ信号電圧の出力までの応答時間を延ばすことなくダイナミックレンジの調整が可能となる。

また、前記ダイオードは、前記カソード端子の電圧の方が前記アノード端子の電圧よりも高く、かつ、前記カソード端子−前記アノード端子間の電圧の増減に対応して電流が増減する逆方向飽和領域で動作することにより、前記光信号電荷の電荷量を減少させることが好ましい。

これにより、電荷調節回路の有するダイオードのカソード端子からアノード端子へと電流が流れるので、光信号による負電荷が蓄積されたアノード端子の電荷量は減少する。また、ダイオードの逆方向飽和領域が使用されるので、ダイオードに印加された電圧の増減に対応した電流がダイオードに流れる。よって、電荷量の飽和によるダイナミックレンジの制限が緩和される。

また、前記電荷調節部は、ドレイン端子に定電圧が印加され、ソース端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続され、ゲート端子に当該ソース端子が接続されたＭＯＳトランジスタを備えてもよい。

これにより、ドレイン端子には定電圧が印加されるものの、ソース端子と短絡されたゲート端子には、受光素子の光信号電荷に応じた電圧が印加されているので、ドレイン端子とゲート端子間には、当該光信号電荷に応じた電圧が印加され当該電圧に応じた電流がソース端子に流れる。よって、受光素子で発生した光信号電荷の電荷量は調節される。さらに、電圧調節回路が簡単なＭＯＳトランジスタによって実現され、しかも、電圧変換回路が不要である。さらに、光信号電荷の電荷量調節のための調節電圧を決定するための予備計測が不要となる。よって、チップサイズを拡大せずに、かつ信号電圧の出力までの応答時間を延ばすことなくダイナミックレンジの調整が可能となる。

また、前記回路部は、前記光信号電荷を転送する転送回路と、前記転送回路を介して前記光信号電荷に対応する信号電圧を発生する信号発生回路と、前記信号電圧を画素信号として読み出す読み出し回路と、前記信号発生回路における前記信号電圧をリセットするリセット回路とを備えてもよい。

これにより、受光素子で発生した光信号電荷が調節された信号電圧を外部回路へ読み出す前に、当該信号電圧が保持されるので、所定のタイミングで当該信号電圧が外部回路へ読み出される。また、光信号電荷の蓄積および調節と、信号電圧の読み出しが同時に実行され得る。

また、前記回路部は、前記光信号電荷に対応する信号電圧を画素信号として読み出す読み出し回路と、前記光信号電荷を出力する出力ノードの電圧をリセットするリセット回路とを備えてもよい。

転送部や拡散層のない構造においては、受光素子で発生した光信号電荷が当該光信号電荷が信号電圧として読み出されるまで前記出力ノードにて蓄積されるので電荷の飽和が発生しやすい。しかし、本構成をとることにより、前記出力ノードの電荷調節が実行されるので、ダイナミックレンジの拡大が実現される。

また、前記電荷調節回路は、さらに、前記ゲート端子と前記ソース端子との間にスイッチが接続され、当該スイッチがオフの場合は前記出力ノードの電圧を前記ドレイン端子の電圧でリセットするリセット回路となってもよい。

これにより、同一のＭＯＳトランジスタを、前記出力ノードの電荷リセット用途と電荷調節用途とで共用できるので、チップサイズの拡大を必要としないダイナミックレンジの拡大が実現される。

また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像素子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素子を備えるカメラとしても、同様の構成と効果がある。

また、本発明は、このような特徴的な手段を備える固体撮像素子として実現することができるだけでなく、固体撮像素子に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像素子の駆動方法として実現することができる。

本発明の固体撮像素子によれば、受光素子の受光量に応じて光信号電荷が調節されるので、信号ごとに受光素子の感度を調節でき、受光量が比較的少ない受光素子では高感度を維持し、受光量の多い受光素子では感度を押さえることができる。また、簡単なダイオードやＭＯＳトランジスタを付加することのみで、電荷調節機能が実現される。従って、チップを大きくせずにダイナミックレンジの拡張が達成される。

（実施の形態１）
本実施の形態１における固体撮像素子は、受光素子と、当該受光素子で発生した光信号電荷に対応した信号電圧を読み出す回路部と、短い第１の露光時間にて発生した光信号電荷に対応する第１の光信号電圧を調節電圧に変換する電圧変換回路と、当該調節電圧を第２の露光時間にて発生した第２の光信号電荷にオフセットして、当該第２の光信号電荷を調節する電荷調節回路とを画素部内に備える。

この実施の形態によれば、オフセット調節電荷量は、電圧変換回路により状況に応じて変換され、また、電圧変換回路や電圧調節回路は簡単な回路素子で実現されるので、チップサイズを拡大することなく、状況に応じたダイナミックレンジの調整が可能となる。

以下、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の基本回路構成図である。同図における固体撮像素子は、受光素子１と、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ２、３、４、５、６、８、及び１１と、容量９及び１０と、電荷調節回路１２と、電圧変換回路１３とを備える。なお、容量１４は浮遊容量である。

受光素子１は、受光強度に応じた光信号電荷を発生する受光素子である。
ＭＯＳトランジスタ２は、転送回路を構成し、受光素子１で発生した信号電荷を拡散層ＦＤへ転送するための転送ゲートである。拡散層ＦＤは、光信号電荷に対応する信号電圧を発生する信号発生回路を構成する。つまり、ＭＯＳトランジスタ２が導通すると、受光素子１に発生した電荷が拡散層ＦＤに転送される。そして、その電荷に応じた電圧が拡散層ＦＤに発生する。ＭＯＳトランジスタ３は、拡散層ＦＤの電圧を初期化電圧Ｖ_RSTにリセットするトランジスタであり、リセット回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ４は、読み出し回路を構成し、ゲートにバイアス電圧ＬＧを印加したＭＯＳトランジスタ５と組み合わせることでソースフォロワとして機能している。ＭＯＳトランジスタ６は、画素行を選択するスイッチとして機能している。

なお、画素行を選択する機能については、ＭＯＳトランジスタ４に接続されているＶ_DDが、行選択用信号として制御されることにより、画素外への出力がオンオフされるという方式が採用され、ＭＯＳトランジスタ６がない構成をとってもよい。

また、ＭＯＳトランジスタ５は、画素毎に設けられているが、回路素子削減のため垂直共通信号線毎に設けられる構成をとってもよい。

電圧変換回路１３は、拡散層ＦＤの電圧に応じた電圧を検知し、電荷調節回路１２にバイアス電圧を印加する。

電荷調節回路１２は、受光素子１の出力点で発生する光信号電荷量を調節する。
同図において、破線で囲まれた部分が１つの画素内に存在する。

また、ＭＯＳトランジスタ８および１１、容量９および１０はノイズキャンセラを形成しており、画素のリセット状態における出力電圧と光信号電荷に対応した出力電圧との差分が出力されることにより、画素ごとのオフセットばらつきが低減される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の具体的な回路構成図である。同図に記載された回路構成図は、図１に記載された基本回路構成図を具体化したものである。図２における回路構成図は、図１における回路構成図と比較して、電荷調節回路１２及び電圧変換回路１３の回路構成と、その間に付加されたＭＯＳトランジスタ１７のみが異なる。同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを説明する。

電圧変換回路１３は、ＭＯＳトランジスタ１３１及び１３２を備える。ＭＯＳトランジスタ１３１のゲート端子はＭＯＳトランジスタ４の出力ノード１５に接続され、ソース端子はＧＮＤ接続され、ドレイン端子はＭＯＳトランジスタ１３２のソース端子と接続され電圧変換回路１３の出力端子となっている。またＭＯＳトランジスタ１３２のゲート端子はドレイン端子と短絡され電源電圧Ｖ_DDに接続されている。上記接続により、ＭＯＳトランジスタ１３１及び１３２は、ｎチャネルＥＥ形インバータ回路を構成し、ノード１５の入力電圧を反転し、かつ、その電圧レベルを調整した調節電圧をノード１６に出力する。

なお、電圧変換回路１３はインバータ機能を有するものであればよく、上記構成のほかにも、ＭＯＳトランジスタを用いたｎチャネルＥＤ形や相補形などであってもよい。

ＭＯＳトランジスタ１７は、電圧変換回路１３の出力及び電荷調節回路１２の入力に接続され、電圧変換回路１３と電荷調節回路１２との接続及び非接続を制御する。

電荷調節回路１２はダイオード１２１を備える。ダイオード１２１のアノード端子は受光素子１の出力側であるノード１８に接続され、カソード端子はＭＯＳトランジスタ１７に接続されている。電圧変換回路１３から出力された調節電圧は、ＭＯＳトランジスタ１７を介してダイオード１２１のカソードに印加される。この調節電圧がダイオード１２１のバイアス電圧として印加されることにより、そのバイアス電圧に応じた電流がノード１８へ流れ、受光素子１で発生した光信号電荷をオフセットする。

図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。
ここでは、図２に記載された回路構成を用いてその動作を詳細に説明する。

まず、時刻ｔ１において、制御信号ＲＳＴおよびＳＨ、ＣＬの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、拡散層ＦＤが初期化電圧Ｖ_RSTに設定されるとともにＭＯＳトランジスタ８、１１が導通して端子ＯＵＴが電圧Ｖ_NCDCに設定される。なお、図示していないが、行選択用ＭＯＳトランジスタ６はその行が選択されている間ＯＮ状態である。

次に、時刻ｔ２では、制御信号ＲＳＴ、ＣＬの電圧レベルがＬＯＷとなり、ＭＯＳトランジスタ３、１１が非導通となる。

次に、時刻ｔ３では、制御信号ＴＲＡＮの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、ＭＯＳトランジスタ２が導通し、蓄積時間Ｔｉにおいて受光素子１で発生した光信号電荷が拡散層ＦＤに転送される。拡散層ＦＤでは転送された電荷に応じて電圧降下が生じる。この電圧降下がＭＯＳトランジスタ４及び５で構成するソースフォロワ回路、ＭＯＳトランジスタ６及び８を介して容量９のＭＯＳトランジスタ８側の端子に伝わる。端子ＯＵＴでは、この電圧降下のうち、容量９及び１０にて容量分配された分だけ電圧変化が生じ、Ｖ_NCDCとの差が信号出力となる。

次に、時刻ｔ５では、再び制御信号ＲＳＴの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、拡散層ＦＤが初期化電圧Ｖ_RSTに設定される。

次に、時刻ｔ６では、制御信号ＴＲＡＮの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、蓄積時間Ｔｉに比べ非常に短い蓄積時間Ｔｉｓにおいて、受光素子１にて発生した信号電荷が拡散層ＦＤに転送される。拡散層ＦＤでは転送された電荷に応じて電圧降下が生じる。この短い時間Ｔｉｓでの拡散層ＦＤの電圧降下（図３におけるＶａ）が小さい場合は受光素子１に入射する光量が少なく、また、Ｖａが大きい場合は受光素子１に入射する光量が非常に多いと考えられる。つまり、蓄積時間Ｔｉｓにおいて入射する光量が非常に多いときは、信号読み出しを実行する蓄積時間Ｔｉにおいては、受光素子１はすぐに飽和することが予想される。ノード１６の信号電圧はノード１５の信号電圧が反転され、かつ、ノード１５の信号電圧レベルに対応した調節電圧（図３におけるＶｂ＋Ｖｐｄ）が発生している。

次に、時刻ｔ８では、制御信号ＳＥＴの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、ＭＯＳトランジスタ１７が導通してノード１６に出力された調節電圧Ｖｂがダイオード１２１のカソードに印加される。ダイオード１２１は、アノードに対しカソードの電圧が高く印加されるため、逆方向飽和電流が流れ、受光素子１に蓄積された電荷を減らすように動作する。このダイオード１２１の動作について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、電圧変換回路１３の入出力特性を示す図である。ここで、ＶｔをＭＯＳトランジスタ４の閾値電圧、Ｖｐｄを受光素子１からの光信号電荷によるノード１８の電圧とする。電圧変換回路１３への入力が（Ｖ_rst−Ｖｔ）、つまり光信号電荷による電圧降下のない電圧が入力された場合は、電圧変換回路１３はダイオード１２１の両端には電圧が発生しないような調節電圧Ｖｐｄを出力する。一方、電圧変換回路１３への入力が（Ｖ_rst−Ｖｔ）以下、つまり光信号電荷による電圧降下を含む電圧が入力された場合は、電圧変換回路１３はダイオード１２１のカソード端子にＶｐｄ以上の調節電圧（図３におけるＶａの電圧降下に対し（Ｖｂ＋Ｖｐｄ））を出力する。この電圧変換回路１３への入力が（Ｖ_rst−Ｖｔ）以下においては、入力電圧の降下に伴い出力調節電圧は上昇し、両者は線型な関係となる。図４に記載された特性は、電圧変換回路１３のＭＯＳトランジスタ１３２の電極幅Ｗを大きく、電極長さＬを小さく（たとえばＷ／Ｌ＝１０程度）した特性である。受光素子１の入射光が少ない場合、時刻ｔ６では受光素子１で発生する電荷が少なく、拡散層ＦＤに転送しても電圧低下はほとんどなく、出力ノード１５の電圧は、時刻ｔ５における電圧から変化なく（Ｖ_rst−Ｖｔ）である。入力電圧が（Ｖ_rst−Ｖｔ）の場合、電圧変換回路１３の出力調節電圧はＶｐｄを発生し、ダイオード１２１のカソードにＶｐｄを印加する。このとき、ダイオード１２１はアノード、カソード間電圧に差がないため逆方向飽和電流は流れず、受光素子１の蓄積電荷は減少しない。

以下、ダイオード１２１が、電圧変換回路１３からの調節電圧を入力として電荷調節機能を有することを以下説明する。

図５は、電荷調節回路を構成するダイオードの電圧電流特性を示すグラフである。
受光素子１の入射光が少なく電圧変換回路１３からの調節電圧がほぼＶｐｄである場合の動作点は、図５中における“Ａ”点である。このとき、ダイオード１２１のカソード−アノード間には電圧がかからないため電流が流れず、受光素子１の蓄積電荷は不変である。

一方、受光素子１の入射光が多く電圧変換回路１３からの調節電圧が（Ｖｐｄ＋Ｖｂ）である場合の動作点は、図５中における“Ｂ”点である。このとき、ダイオード１２１のカソードはアノードよりＶｂだけ電圧が高くなり、いわゆる逆方向飽和電流が流れ、受光素子１の蓄積電荷を減らす動作をする。

再び、図３に戻って駆動タイミングチャートについての説明をする。
時刻ｔ９では、次の期間Ｔｉの電荷が読み出されるための準備が行われる。すなわち、時刻ｔ１と同様に、制御信号ＲＳＴおよびＳＨ、ＣＬの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、拡散層ＦＤが初期化電圧Ｖ_RSTに設定されるとともにＭＯＳトランジスタ８、１１が導通して端子ＯＵＴが電圧Ｖ_NCDCに設定される。

次に、時刻ｔ１０では、制御信号ＴＲＡＮの電圧レベルがＨＩＧＨとなり、ＭＯＳトランジスタ２が導通し、時刻ｔ８で印加された調節電圧によって調節された次の期間Ｔｉにおける受光素子１の出力電荷量が、拡散層ＦＤに転送される。拡散層ＦＤでは転送された電荷に応じて電圧降下が生じる。

図６（ａ）は入射光量の少ない場合の入射光量と出力電荷量との関係を示したグラフである。Ｑ１は受光素子１の発生電荷量、Ｑ２は電荷調節回路１２を構成するダイオード１２１の逆方向飽和電流による受光素子１の電荷を減らす電荷量、及びＱ３は電荷調節回路により調節されＭＯＳトランジスタ２へ出力される電荷量である。電荷量Ｑ２はほとんどなく、受光素子１の発生した電荷Ｑ１が出力Ｑ３に反映される。

図６（ｂ）は入射光量の多い場合の入射光量と出力電荷量との関係を示したグラフである。Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３は同図（ａ）に記載されたものと同定義である。受光素子１から発生電荷量Ｑ１と電荷調節回路の調節電荷量Ｑ２との差であるＱ３が、受光素子１の発生した電荷を反映した信号として出力される。即ち、見かけの感度が小さくなりダイナミックレンジの拡張が実現される。

図７は、本発明の実施の形態１に係る第１の変形例を示す固体撮像素子の具体的な回路構成図である。同図に記載された回路構成図は、図１に記載された基本回路構成図を具体化したものである。図７における回路構成図は、図1における回路構成図と比較して、電荷調節回路１２及び電圧変換回路１３の回路構成と、その間に付加されたＭＯＳトランジスタ１７のみが異なる。同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを説明する。

電圧変換回路１３及びＭＯＳトランジスタ１７は、図２に記載された回路構成図と同様の構成及び機能であるので、ここでは説明を省略する。

電荷調節回路１２はＭＯＳトランジスタ１２２を備える。ＭＯＳトランジスタ１２２のゲート端子はソース端子に短絡されており、いわゆる、ダイオード接続を構成している。ソース端子は受光素子１の出力側であるノード１８に接続され、ドレイン端子はＭＯＳトランジスタ１７に接続されている。電圧変換回路１３から出力された調節電圧は、ＭＯＳトランジスタ１７を介してＭＯＳトランジスタ１２２のドレインに印加される。この調節電圧がＭＯＳトランジスタ１２２のバイアス電圧として印加されることにより、そのバイアス電圧に応じた電流がノード１８へ流れ、受光素子１で発生した光信号電荷をオフセットする。

図７に記載された回路構成は、図２に記載された回路構成に比べ、電荷調節回路１２の構成のみが異なる。つまり、ＭＯＳトランジスタ１２２をダイオード接続して、図２に記載されたダイオード１２１と同等の機能を有するようにしている。従って、図７に記載された回路構成を有する固体撮像素子の動作は、図３で説明された実施の形態１に係る固体撮像素子の動作タイミングチャートを用いて同様に説明される。また、図７に記載された電圧変換回路１３の入出力特性は、図４に記載された電圧変換回路１３の入出力特性と同等である。さらに、電荷調節回路１２を構成するＭＯＳトランジスタ１２２の電圧電流特性は、図５に記載されたダイオード１２１の電圧電流特性と同様である。

従って、実施の形態１に係る第１の変形例を示す固体撮像素子においても、図６（ａ）および図６（ｂ）に記載された、入射光量の少ない場合および入射光量の多い場合の電荷量調節の効果が得られ、ダイナミックレンジの拡張が実現される。

図８は、本発明の実施の形態１に係る第２の変形例を示す固体撮像素子の基本回路構成図である。同図における固体撮像素子は、受光素子１と、ＭＯＳトランジスタ３、４、５、６、８、及び１１と、容量９及び１０と、電荷調節回路１２と、電圧変換回路１３とを備える。なお、容量１４は浮遊容量である。

図８に記載された回路構成は、図１に記載された回路構成と比較し、転送回路であるＭＯＳトランジスタ２および拡散層ＦＤがないことのみが異なる。本回路構成は、ＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＭＯＳ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｉｍａｇｅｒ）型と呼ばれる。ＡＭＩ型は、転送回路および拡散層ＦＤを有するＦＤＡ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｕｓｉｏｎ Ａｒｒａｙ）型と比較し、回路構成の簡略化や非破壊読み出しができるという特徴を有する。

電荷調節回路１２および電圧変換回路１３の具体的な回路構成については、実施の形態１およびその第１の変形例で挙げられた回路構成が全て適用される。

本固体撮像素子の駆動タイミングについては、ＴＲＡＮ及びＦＤの信号が除外されているため、ＭＯＳトランジスタ３のオフ動作時から受光素子１への光信号電荷の蓄積が開始される。同時にノード１５は受光素子１に蓄積された電荷に対応した電圧となる。電荷調節のための蓄積時間Ｔｉｓにおいて受光素子１に蓄積された光信号電荷に対応したノード１５の電圧が、電圧変換回路１３及び電荷調節回路１２を経て、次の蓄積期間Ｔｉにおける受光素子１のカソード電圧をオフセットする。蓄積時間Ｔｉにおける光信号電荷が、その前の短い蓄積時間Ｔｉｓにおいて生成された調節電圧によって調節される動作原理については、実施の形態１におけるＦＤＡ型回路と同様である。

本構成においても、実施の形態１の回路構成と同様に、電荷調節回路１２及び電圧変換回路１３が配置されていることにより、受光素子１にて発生した光信号電荷は、その電荷量に応じて電荷調節されるので、ダイナミックレンジの拡張が実現される。

図９は、本発明の実施の形態１に係る第３の変形例を示す固体撮像素子の具体的な回路構成図である。同図における固体撮像素子は、受光素子１と、ＭＯＳトランジスタ４、５、６、８、１１、１７、１９、１３１及び１３２と、容量９及び１０と、スイッチ素子２０とを備える。なお、容量１４は浮遊容量である。

図９に記載された固体撮像素子の回路構成は、図８に記載された実施の形態１に係る第２の変形例を示す固体撮像素子の基本回路構成図を具現化したものである。図９に記載された回路構成は、図８に記載された回路構成と比較し、電圧変換回路１３を具体的回路素子で構成した点、電荷調節回路１２を具体的回路素子で構成した点、電圧変換回路１３と電荷調節回路１２との間にＭＯＳトランジスタ１７が付加されている点、及び電荷調節回路１２がリセット回路の機能を兼ねている点のみが異なる。図８に記載された回路構成と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを説明する。

電圧変換回路１３及びＭＯＳトランジスタ１７は、図２に記載された回路構成図と同様の構成及び機能であるので、ここでは説明を省略する。

電荷調節回路１２は、ＭＯＳトランジスタ１９と、スイッチ素子２０とを備える。ＭＯＳトランジスタ１９のゲート端子とソース端子との間にスイッチ素子２０が接続され、ＭＯＳトランジスタ１９のドレイン端子はＭＯＳトランジスタ１７に接続され、ソース端子は受光素子１の出力端子であるノード１８に接続されている。電荷調節回路１２がノード１８の電荷量を調節する回路として機能する場合には、スイッチ素子２０はオンとなりＭＯＳトランジスタ１９はダイオード接続されている。また、電荷調節回路１２がノード１８の電圧をリセットする回路として機能する場合には、スイッチ素子２０はオフとなり、ゲート端子からＲＳＴ信号が入力され、調節電圧がノード１８のリセット電圧となる。

本構成において、実施の形態１の回路構成と同様に電荷調節回路１２及び電圧変換回路１３が配置され、それらの回路が簡単な回路素子で構成され、さらに電荷調節回路１２とリセット回路が兼用されていることにより、チップサイズの拡大を必要としないダイナミックレンジの拡張が実現される。

以上のように、本実施の形態１における固体撮像素子によれば、受光素子と、受光素子で発生した光信号電荷に対応した信号電圧を読み出す回路部と、短い第１の露光時間にて発生した光信号電荷に対応する第１の光信号電圧を調節電圧に変換する電圧変換回路と、調節電圧を第２の露光時間にて発生した第２の光信号電荷にオフセットして、第２の光信号電荷を調節する電荷調節回路とを画素部内に備えることにより、オフセット調節電荷量は、電圧変換回路により状況に応じて変換され、また、電圧変換回路や電圧調節回路は簡単な回路素子で実現されるので、チップサイズが拡大されることなく、状況に応じたダイナミックレンジの調整が可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態２における固体撮像素子は、受光素子と、当該受光素子で発生した光信号電荷を当該光信号電荷に対応した電荷量でオフセットして当該光信号電荷を調節する電荷調節回路と、当該電荷調節回路で調節された光信号電荷に対応した信号電圧を読み出す回路部とを画素部内に備える。

この実施の形態によれば、光信号電荷量の調節に利用されるオフセット調節電荷量は、簡単な回路素子から構成される電荷調節回路により発生し、また受光素子からの光信号電荷を予め計測しておく必要がないので、チップサイズを拡大することなく、また信号出力までの応答時間を延ばすことなくダイナミックレンジの調整が可能となる。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の具体的な回路図である。同図における固体撮像素子は、受光素子１と、ＭＯＳトランジスタ２、３、４、５、６、８、及び１１と、容量９及び１０と、ダイオード１２３とを備える。

図１０に記載された回路構成は、図２に記載された実施の形態１に係る固体撮像素子の回路構成と比較し、電圧変換回路１３及びＭＯＳトランジスタ１７がないこと、及び電荷調節回路１２の構成要素であるダイオード１２３の入力電圧が電圧変換回路１３の出力調節電圧ではなく定電圧Ｖ₀であること、のみが異なる。図２に記載された回路構成と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみを説明する。

ダイオード１２３は、電荷調節回路を構成し、アノード端子は受光素子１の出力側であるノード１８に接続され、カソード端子は定電圧Ｖ₀に接続されている。

以下、ダイオード１２３が、定電圧Ｖ₀を入力として受光素子１からの電荷量を調節する機能を有することを以下説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の電荷調節回路の入出力電圧と光量との関係を表すグラフである。横軸は光量、縦軸は電圧を示す。電荷調節回路１２であるダイオード１２３のカソード端子の電圧Ｖ_Kは固定電圧Ｖ₀に固定されている。ここで、ノード１８の電圧をＶ_Aとし、光量の少ない場合のＶ_AをＶｐｄとする。光量が増加すると受光素子１で電荷が発生し、その電荷によりＶ_Aは減少する（図１１におけるＶ_C）。即ち、ダイオード１２３のカソード端子はＶ₀で固定されているので、アノード端子がＶｐｄからＶ_Cだけ下がり、ダイオード１２３のカソード−アノード間電圧が大きくなる。従って、受光素子１に大光量が入射すると、ダイオード１２３のカソード−アノード間電圧が増えるので、いわゆる逆方向飽和電流が増加する。これにより、受光素子１で発生した電荷は、光量が多いほど電荷量の減少分が増加するので、見かけの感度が小さくなりダイナミックレンジの拡張が実現される。しかも本実施の形態２によれば、光信号電荷量の調節に利用されるオフセット調節電荷量は、簡単なダイオード素子から構成される電荷調節回路により発生し、また受光素子からの光信号電荷を予め計測しておく必要がないので、チップサイズを拡大することなく、また信号出力までの応答時間を延ばすことなくダイナミックレンジの調整が可能となる。

なお、ダイオード１２３は、ＭＯＳトランジスタをダイオード接続したものであってもよい。例えば、ゲート端子とソース端子とが短絡され、ドレイン端子が定電圧Ｖ₀に接続され、ソース端子がノード１８に接続された場合である。

以上のように、本実施の形態２における固体撮像素子によれば、受光素子と、受光素子で発生した光信号電荷を光信号電荷に対応した電荷量でオフセットして光信号電荷を調節する電荷調節回路と、電荷調節回路で調節された光信号電荷に対応した信号電圧を読み出す回路部とを画素部内に備えることにより、光信号電荷量の調節に利用されるオフセット調節電荷量は、簡単な回路素子から構成される電荷調節回路により発生し、また受光素子からの光信号電荷を予め計測しておく必要がないので、チップサイズが拡大されることなく、また信号出力までの応答時間が延びることなくダイナミックレンジの調整が可能となる。

なお、本発明に係る固体撮像素子は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施形態１及び２における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態１及び２に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

また、例えば、図１２に示されるように、本発明に係る固体撮像素子５２が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。このカメラは、図１２に示されるように、レンズ５１と、固体撮像素子５２と、駆動回路５３と、信号処理部５４と、外部インターフェイス部５５とを備える。レンズ５１を通過した光は、固体撮像素子５２に入射する。信号処理部５４は、駆動回路５３を介して固体撮像素子５２を駆動し、固体撮像素子５２からの出力信号を取り込む。その出力信号は、信号処理部５４で各種信号処理が施され、外部インターフェイス部５５を介して外部に出力される。ここで、駆動回路５３は、固体撮像素子５２の有する受光素子で発生した電荷量を、その電荷量に対応した電荷量でオフセット調節することにより、固体撮像素子５２が備える複数の画素部およびノイズキャンセラからの信号が、素子サイズを拡大することなく広いダイナミックレンジを有するように固体撮像素子５２を駆動する点に特徴を有する。このようなカメラは、強い光が入射したときであっても、あるいは微弱な光が入射されても、鮮明な画像を撮影することができる利点を有し、例えば、図１３に示されるデジタルスチルカメラやビデオカメラとして実現される。

本発明は、特に固体撮像素子を内蔵する車載カメラや監視カメラ等に有用であり、特に受光量が少ない場合には高感度を維持し、受光量の多い場合には感度を押さえて広いダイナミックレンジを確保することが必要な固体撮像素子に用いるのに最適である。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の基本回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の具体的な回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の駆動タイミングチャートである。 電圧変換回路の入出力特性を示す図である。 電荷調節回路を構成するダイオードの電圧電流特性を示すグラフである。 （ａ）は入射光量の少ない場合の入射光量と出力電荷量との関係を示したグラフである。（ｂ）は入射光量の多い場合の入射光量と出力電荷量との関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態１に係る第１の変形例を示す固体撮像素子の具体的な回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る第２の変形例を示す固体撮像素子の基本回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る第３の変形例を示す固体撮像素子の具体的な回路構成図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の具体的な回路図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の電荷調節回路の入出力電圧と光量との関係を表すグラフである。 本発明に係る固体撮像素子を備えるカメラの構成を示すブロック図である。 本発明に係る固体撮像素子を備えるカメラの外観図である。 特許文献１記載の固体撮像素子の回路構成図である。

符号の説明

１、５００ 受光素子
２、３、４、５、６、８、１１、１７、１９、１２２、１３１、１３２ ＭＯＳトランジスタ
７ 垂直共通信号線
９、１０、１４、５０１、５０２、５０３ 容量
１２ 電荷調節回路
１３ 電圧変換回路
１５、１６、１８ ノード
２０ スイッチ素子
５１ レンズ
５２ 固体撮像素子
５３ 駆動回路
５４ 信号処理部
５５ 外部インターフェイス部
１２１、１２３ ダイオード
５０４、５０５、５０６、５０７、５０８、５０９、５１０ トランジスタ

Claims (14)

1. 複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像素子であって、
   前記画素部は、
   受光強度及び露光時間に応じた光信号電荷を発生する受光素子と、
   前記光信号電荷の電荷量に応じて当該電荷量を調節する電荷調節部と、
   前記電荷調節部で調節された電荷量に対応する電圧を画素信号として読み出す回路部とを備える
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記回路部は、第１の露光時間において前記受光素子で発生した第１の光信号電荷に対応する第１光信号電圧を読み出し、
   前記電荷調節部は、
   前記第１光信号電圧を前記第１光信号電圧に応じた調節電圧に変換する電圧変換回路と、
   前記調節電圧をオフセットとして、前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間において前記受光素子で発生した光信号電荷の電荷量を調節する電荷調節回路とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記電圧変換回路は、
   前記第１光信号電圧を反転し、前記調節電圧として出力するインバータを備える
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記電荷調節回路は、
   カソード端子に前記調節電圧が印加され、アノード端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続されたダイオードを備える
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
5. 前記電荷調節回路は、
   ドレイン端子に前記調節電圧が印加され、ソース端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続され、ゲート端子に前記ソース端子が接続されたＭＯＳトランジスタを備える
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
6. 前記電荷調節部は、
   カソード端子に定電圧が印加され、アノード端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続されたダイオードを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記ダイオードは、前記カソード端子の電圧の方が前記アノード端子の電圧よりも高く、かつ、前記カソード端子−前記アノード端子間の電圧の増減に対応して電流が増減する逆方向飽和領域で動作することにより、前記光信号電荷の電荷量を減少させる
   ことを特徴とする請求項４または６に記載の固体撮像素子。
8. 前記電荷調節部は、
   ドレイン端子に定電圧が印加され、ソース端子に前記受光素子の前記光信号電荷を出力する出力ノードが接続され、ゲート端子に当該ソース端子が接続されたＭＯＳトランジスタを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
9. 前記回路部は、
   前記光信号電荷を転送する転送回路と、
   前記転送回路を介して前記光信号電荷に対応する信号電圧を発生する信号発生回路と、
   前記信号電圧を画素信号として読み出す読み出し回路と、
   前記信号発生回路における前記信号電圧をリセットするリセット回路とを備える
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
10. 前記回路部は、
    前記光信号電荷に対応する信号電圧を画素信号として読み出す読み出し回路と、
    前記光信号電荷を出力する出力ノードの電圧をリセットするリセット回路とを備える
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記電荷調節回路は、さらに、前記ゲート端子と前記ソース端子との間にスイッチが接続され、当該スイッチがオフの場合は前記出力ノードの電圧を前記ドレイン端子の電圧でリセットするリセット回路となる
    ことを特徴とする請求項５または８に記載の固体撮像素子。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備える
    ことを特徴とするカメラ。
13. 複数の画素部が二次元状に配置された固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記画素部に設けられた受光素子が第１の露光時間において生成した第１の光信号電荷に応じた電圧を第１光信号電圧として読み出す調節信号読み出しステップと、
    前記受光素子が前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間において生成した第２の光信号電荷の電荷量を、前記第１光信号電圧に対応する電圧をオフセットとして調節する電荷調節ステップと、
    前記電荷調節ステップにおいて調節された電荷量に対応する電圧を画素信号として読み出す画素信号読み出しステップとを含む
    ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
14. 前記第１光信号電圧に対応する電圧は、
    前記電荷調節ステップにより調節された電荷量が、前記第２の光信号電荷の電荷量よりも少なくなるよう、前記第２の光信号電荷の電荷量を調節する
    ことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像素子の駆動方法。

Images