JP2011119837A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光検知素子の個数を増やすことなく、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなくダイナミックレンジを拡大する。
【解決手段】１個のフォトダイオード１０に対して、互いに電気的に分離されたフローティングディフュージョン領域３１および３２が配置される。転送ゲート２１および２２は、蓄積領域１５と、フローティングディフュージョン領域３１および３２との間にそれぞれ設けられる。転送ゲート２１は、蓄積領域１５での最大信号電荷蓄積量をフローティングディフュージョン領域３１へ転送するのに必要である完全転送期間にわたってオンする。完全転送期間の経過後には、転送ゲート２１がオフするとともに、転送ゲート２２が一定期間オンすることによって、当該期間にフォトダイオード１０が発生した信号電荷がフローティングディフュージョン領域３２へ転送される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、より特定的には、固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大に関するものである。

ＣＣＤ（Charge-coupled device）やＣＭＯＳ（Complementary mental-oxide semiconductor）イメージャーなどの固体撮像素子は、ビデオカメラやデジタルカメラを始めとして、今や携帯電話などにも内蔵されるようになり、廉価で消費電力の少ない撮像素子として広く普及している。

しかしながら、固体撮像素子の感知能力は、ヒトの視覚感知と比べて、大きく劣っている。ヒトの視覚では、一視野内に、４〜５桁程度の輝度分布があっても、明るい所と暗い所のコントラストを十分に検知することが可能である。この優れたコントラスト感知能力は、網膜内にある受光細胞が、その光感応特性を個々の細胞毎に調整できる機能によって実現されている。

これに対して、従来の固体撮像素子では、あるタイミングにおいて撮像される視野内に極端な輝度の差があった場合には、視野内の明るい所と暗い所で十分なコントラストを同時に得ることが困難である。

このため、特開２０００−３４０７７９号公報（特許文献１）には、周辺画素への入射光量に応じて、各画素回路での受光感度範囲をシフト可能な機構を備えることによって、ダイナミックレンジを拡大した半導体撮像素子の構成が記載されている。

また、特開２００４−１５９２７４号公報（特許文献２）では、画素回路の構成については単純なものとしたままで、長時間の蓄積による低照度信号と、短時間の蓄積による高照度信号とを画素回路からシリーズに取出すことにより、高照度における光電荷の飽和を防止してダイナミックレンジを広げる構成が記載されている。

同様に、特開２００４−３６３６６６号公報（特許文献３）には、長時間の光電荷蓄積による低照度信号と、短時間の光電荷蓄積による中照度信号と、超短時間の光電荷蓄積による高照度信号とを独立に取出すとともに、後段の信号処理でこれらの信号を組み合わせることによって、広いダイナミックレンジの撮像条件を動的に変更するダイナミックレンジの適応的制御を実現することが記載されている。

特開２０００−３４０７７９号公報 特開２００４−１５９２７４号公報 特開２００４−３６３６６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、各画素回路において自身の受光量を検知するための第１の光検知素子と、近傍画素での平均受光光量を検知するために他の画素回路との間で抵抗素子を介して互いに接続される第２の光検知素子との２個の光検
知素子を配置する必要が生じる。このため、特にモバイル型機器等への適用で要求される画素回路の小型化が困難になるおそれがある。

また、特許文献２および３では、画素回路は小型化できるものの、光検知素子で発生した信号電荷をフローティングディフュージョン領域へ転送するための転送ゲートの制御、および、画素回路から読出した信号の後段での処理が複雑化するおそれがある。

すなわち、光検知素子を増加させることなく、かつ、画素回路の制御あるいは画素回路後段での演算処理の複雑化をともなうことなくダイナミックレンジの拡大を図ることが困難であった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、画素に配置される光検知素子の個数を増やすことなく、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置素子の構成を提供することである。

この発明によれば、固体撮像素子は、受光に応じて信号電荷を発生するように構成された光検知素子と、光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積するための蓄積領域と、互いに電気的に分離された、それぞれが所定容量を有する第１および第２のフローティングディフュージョン領域と、第１および第２の転送手段と、第１および第２の転送手段を制御するための制御手段とを備える。第１の転送手段は、作動時に蓄積領域の信号電荷を第１のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に転送を遮断する。第２の転送手段は、作動時に蓄積領域の信号電荷を第２のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に転送を遮断する。制御手段は、蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、第１の転送手段によって蓄積領域から第１のフローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって第１の転送手段を作動させるとともに、完全転送期間の経過後には、第１の転送手段を非作動とする一方で、第１の転送手段の作動期間と連続的に第２の転送手段を第１の期間にわたって作動させる。そして、少なくとも第１のフローティングディフュージョン領域は、最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な容量を有する。

好ましくは、第１および第２のフローティングディフュージョン領域の各々は、最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な容量を有する。さらに好ましくは、第１のフローティングディフュージョン領域の容量は、蓄積領域の容量以上である。あるいは、第１および第２のフローティングディフュージョン領域の各々は、同等の容量を有する。

また好ましくは、第１の期間は、完全転送期間以上の長さを有する。
あるいは好ましくは、第１の転送手段の作動期間は、所定周期で設けられる。固体撮像素子のダイナミックレンジは、第１の転送手段の前回の作動期間の終了時点から今回の作動期間の開始時点までの期間と完全転送期間との和である基準露光期間において光検知素子が最大信号電荷蓄積量に相当する信号電荷量を発生する受光量に従う基準ダイナミックレンジと、第１の期間の長さに応じて変化する拡張ダイナミックレンジとの和で示される。そして、拡張ダイナミックレンジは、第１の期間に対する基準露光期間の比の対数に従う。

好ましくは、固体撮像素子は、連続的に配置された複数の画素回路をさらに備える。そして、第１および第２のフローティングディフュージョン領域は、複数個ずつの画素回路の間で共有されるように配置される。光検知素子、蓄積領域、第１の転送手段および、第２の転送手段は、複数の画素回路の各々に設けられる。第１のフローティングディフュージョン領域は、複数個の画素回路のそれぞれの第１の転送手段と共通に接続される。第２のフローティングディフュージョン領域は、複数個の画素回路のそれぞれの第２の転送手段と共通に接続される。そして、制御手段は、複数個の画素回路のうちの１つの画素回路において、第１または第２の転送手段が作動している間は、複数個の画素回路のうちの他の各画素回路において、第１および第２の転送手段を非作動とする。

あるいは好ましくは、固体撮像素子は、連続的に配置された複数の画素回路をさらに備える。第１および第２のフローティングディフュージョン領域、ならびに、第１および第２の転送手段は、複数の画素回路のうちの複数個ずつの画素回路の間で共有されるように配置される。各画素回路は、上記の光検知素子および蓄積領域に加えて、第３の転送手段をさらに含む。第３の転送手段は、作動時に蓄積領域の信号電荷を、複数個の画素回路毎に設けられた接続ノードへ転送する一方で、非作動時に転送を遮断する。第１の転送手段は、接続ノードおよび第１のフローティングディフュージョン領域の間に設けられ、作動時に接続ノードへ転送された信号電荷をさらに第１のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に転送を遮断する。第２の転送手段は、接続ノードおよび第２のフローティングディフュージョン領域の間に設けられ、作動時に接続ノードへ転送された信号電荷をさらに第２のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に転送を遮断する。そして、制御手段は、複数個の画素回路のうちの１つの画素回路において、第３の転送手段が作動している間は、複数個の画素回路のうちの他の各画素回路において、第３の転送手段を非作動とする。

この発明によれば、画素に配置される光検知素子の個数を増やすことなく、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置素子を提供することができる。

本発明の実施の形態による固体撮像素子の基本構成を説明する回路図である。 図１に示した固体撮像素子の動作を説明するための動作波形図である。 図２の各タイミングにおける固体撮像素子の動作を説明するための概念図でである。 本実施の形態による固体撮像素子における各画素の出力特性を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態の比較例による固体撮像素子の基本構成を説明する回路図である。 図５に示した比較例による固体撮像素子での動作を説明するための動作波形図である。 本実施の形態による固体撮像素子と比較例による固体撮像素子との間で各画素の出力特性を比較するグラフである。 本実施の形態による固体撮像装置の全体構成を説明する概略図である。 本実施の形態による固体撮像装置における制御タイミングを示す波形図である。 本実施の形態による固体撮像装置における、画素回路およびフローティングディフュージョン領域の配置例を説明する回路図である。 本実施の形態による固体撮像装置における、画素回路およびフローティングディフュージョン領域の他の配置例を説明する回路図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中のまたは同一部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による固体撮像素子の基本構成を説明する回路図である。図１には、１個の画素（光検知素子）に対する信号読出構成が示される。

図１を参照して、本発明の実施の形態による固体撮像素子１００は、フォトダイオード１０と、蓄積領域１５と、転送ゲート２１，２２と、フローティングディフュージョン領域３１，３２と、リセットスイッチ３５，３６と、「増幅器」を構成するトランジスタ４１，４２と、制御回路５０と、演算器６０とを備える。

フォトダイオード１０は、画素毎に設けられ、接地電位Ｖｓｓを供給する接地ノード５および転送ゲート２１，２２の間に電気的に接続される。図１の例では、フォトダイオード１０のアノードが接地ノード５と接続され、フォトダイオード１０のカソードは、フォトダイオード１０によって発生された信号電荷の蓄積領域１５を構成する。すなわち、図１の例では、信号電荷はカソード（ｎ型）での多数キャリアである電子（負電荷）となる。フォトダイオード１０は、「光検知素子」の一実施例として示される。

蓄積領域１５には、寄生容量等により所定の容量Ｃｐｄが存在する。一般的な画素構成では、フォトダイオード１０の受光面積が、レイアウト制約の範囲内で可能な限り確保されるので、蓄積領域１５の容量Ｃｐｄがある程度確保される。蓄積領域１５に蓄積可能な最大信号電荷量は、容量Ｃｐｄに依存して決まる。

フローティングディフュージョン領域３１および３２は、互いに電気的に分離されている。フローティングディフュージョン領域３１および３２には、寄生容量等により所定の容量Ｃｆｄ１およびＣｆｄ２がそれぞれ存在する。好ましくは、Ｃｆｄ１＝Ｃｆｄ２となるように、フローティングディフュージョン領域３１および３２は設計される。

転送ゲート２１は、制御回路５０からの転送制御信号ＴＧ１によってオンオフを制御されるトランジスタで構成される。転送ゲート２１のオン期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３１へ信号電荷が転送される。一方、転送ゲート２１のオフ期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３１への信号電荷の転送は停止される。

同様に、転送ゲート２２は、制御回路５０からの転送制御信号ＴＧ２によってオンオフを制御されるトランジスタで構成される。転送ゲート２２のオン期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３２へ信号電荷が転送される。一方、転送ゲート２２のオフ期間では、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３２への信号電荷の転送は停止される。このように、転送ゲート２１，２２の各々は、オン時に作動し、オフ時に非作動となる。図１の例では、転送ゲート２１，２２は、ｎ型トランジスタで構成される。

制御回路５０は、各画素での１フレーム期間（撮像周期）や走査タイミングを規定する制御信号群に応じて、各画素での撮像のための転送ゲート２１，２２の動作期間を制御するように構成される。

リセットスイッチ３５は、リセット信号Ｒｆｄに応答して、フローティングディフュージョン領域３１を、リセット電位としての電源電位Ｖｄｄを供給する電源ノード６と電気的に接続する。同様に、リセットスイッチ３６は、リセット信号Ｒｆｄに応答して、フローティングディフュージョン領域３２を、リセット電位としての電源電位Ｖｄｄを供給する電源ノード６と電気的に接続する。

すなわち、リセットスイッチ３５および３６のオンにそれぞれ応答して、フローティングディフュージョン領域３１および３２にそれぞれ存在する信号電荷（負電荷）は電源ノード６に吸い寄せられて、フローティングディフュージョン領域３１および３２にそれぞれ蓄積された信号電荷量はクリア（リセット）されることとなる。

なお、リセット電位としては、電源電位Ｖｄｄとは異なる電位を適用することも可能である。また、図１では、リセットスイッチ３５および３６が共通のリセット信号Ｒｆｄにより制御される例を示したが、リセットスイッチ３５および３６のそれぞれのリセット信号を別個に設けてもよい。

トランジスタ４１は、電源ノード６および出力ノードＮｏ１の間に接続される。トランジスタ４２は、電源ノード６および出力ノードＮｏ２の間に接続される。出力ノードＮｏ１およびＮｏ２は、図示しないデータ線、および、電流源１５１，１５２を介して、接地ノード５と電気的に接続可能である。そして、トランジスタ４１のゲートは、フローティングディフュージョン領域３１と接続され、トランジスタ４２のゲートは、フローティングディフュージョン領域３２と接続される。

トランジスタ４１，４２は、いわゆるソースフォロアアンプとして動作し、フローティングディフュージョン領域３１，３２の電位に応じた電位の信号Ｖ１，Ｖ２を発生する。この結果、出力ノードＮｏ１，Ｎｏ２を、図示しない選択スイッチを介して、接地ノード５と電気的に接続することによって、フローティングディフュージョン領域３１の電位Ｖｆｄ１（電位信号Ｖ１）およびフローティングディフュージョン領域３２の電位Ｖｆｄ２（電位信号Ｖ２）を、所望のタイミングで読み出すことが可能である。

なお、本実施の形態において、電源電位Ｖｄｄおよび接地電位Ｖｓｓは、Ｖｄｄ＞Ｖｓｓの関係にあり、かつ、（Ｖｄｄ−Ｖｓｓ）の電位差により回路動作に必要なバイアスを与えることが可能であれば、それぞれ任意の電位に設定できる。すなわち、接地電位Ｖｓｓについても、接地電位以外の任意の電位（負電位でも可）に設定することが可能であることを確認的に記載する。

演算器６０は、電位信号Ｖ１，Ｖ２に基づいて、フォトダイオード１０（光検知素子）の受光量を示す出力信号Ｖｏｕｔを出力する。後述する、受光量とフローティングディフュージョン領域３１，３２での電位変化量との所定の関係に従って、出力信号Ｖｏｕｔは演算される。

次に、図２および図３を用いて、図１に示した固体撮像素子の動作を説明する。
図２を参照して、時刻ｔ０では、転送制御信号ＴＧ２が論理ハイレベル（以下、「Ｈレベル」と表記する）から論理ローレベル（以下、「Ｌレベル」と表記する）へ変化する。これにより、転送ゲート２１，２２の両方がオフされた状態となる。

図３（ａ）に示すように、時刻ｔ０において、前回の撮像（前回フレーム）で発生した信号電荷９０は、全てフローティングディフュージョン領域３１，３２へ転送された状態となる。したがって、蓄積領域１５の信号電荷量は零である。一方、時刻ｔ０において、フローティングディフュージョン領域３１，３２には、点線で示されるように、前回フレームでの受光量に応じた量の信号電荷が蓄積された状態となる。

そして、時刻ｔ０以降では、新たな撮像（今回フレーム）での受光に対応して、フォトダイオード１０が信号電荷を発生する。転送ゲート２１，２２の両方がオフされているので、当該信号電荷は、蓄積領域１５へ蓄積される。

再び図２を参照して、時刻ｔ１では、リセット信号Ｒｆｄが発生される。これにより、リセットスイッチ３５，３６（図１）がターンオンされるので、フローティングディフュージョン領域３１，３２の電位Ｖｆｄ１およびＶｆｄ２が、電源電位Ｖｄｄにリセットされる。

図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１後は、上記リセット動作により、フローティングディフュージョン領域３１，３２には信号電荷は存在しないことになる。また、蓄積領域１５には、時刻ｔ０〜ｔ１の期間での受光量に応じた量の信号電荷９０が発生しているが、転送ゲート２１および２２の両方がオフしているため、蓄積領域１５の信号電荷は、フローティングディフュージョン領域３１，３２へは転送されない。転送ゲート２１，２２がオフされているので、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３１，３２の間にはそれぞれポテンシャル障壁が存在するからである。

なお、時刻ｔ０〜ｔ１間の任意のタイミングで、トランジスタ４１，４２によって、出力ノードＮｏ１，Ｎｏ２に、フローティングディフュージョン領域３１，３２の蓄積電荷量に応じた電位信号Ｖ１，Ｖ２を発生することができる。そして、この電位信号Ｖ１，Ｖ２から、前回フレームにおける受光量を示す出力信号Ｖｏｕｔを取り出すことができる。

再び図２を参照して、転送制御信号ＴＧは、時刻ｔ２〜ｔ４の間は、蓄積領域１５の信号電荷を読出すためにＨレベルに設定される。時刻ｔ２〜ｔ４のうちの、時刻ｔ２〜ｔ３は転送制御信号ＴＧ１がＨレベルに設定され、時刻ｔ３〜ｔ４では転送制御信号ＴＧ２がＨレベルに設定される。

時刻ｔ２に、転送制御信号ＴＧ１がＨレベルに変化するのに応答して、転送ゲート２１がオンされる。そして、転送ゲート２１は、転送制御信号ＴＧ１がＬレベルに変化するのに応答して、時刻ｔ３にオフされる。

ここで、転送ゲート２１のオン期間、すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３の期間長（Ｔ０の長さ）の決定手法についてする。

フォトダイオード１０が発生する信号電荷量は、プロセスおよび構造に依存する物理定数となる光電変換効率（量子効率）と、受光強度と、光照射時間との積に依存する。一方で、フォトダイオード１０の蓄積領域１５の容量Ｃｐｄによって、蓄積できる最大電荷量（飽和電荷量）が決まる。飽和電荷量を超える信号電荷が発生されても、蓄積領域１５には蓄積できないので、その明るさを検知することができなくなる。

したがって、フォトダイオード１０のサイズおよび構造から、蓄積領域１５に蓄積される信号電荷量の最大値（以下、最大信号電荷蓄積量）Ｑｐｄｍａｘが決まる。そして、少なくとも、フローティングディフュージョン領域３１の容量Ｃｆｄ１は、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れられるように設計される。たとえば、容量Ｃｆｄ１は、蓄積領域１５の容量Ｃｐｄよりも大きく設計される。

ここで、転送ゲート２１が、一定量の信号電荷を転送するのに要する時間は、転送ゲート２１を構成するトランジスタのサイズ（Ｗ／Ｌ）等の、プロセスおよび構造に依存する物理定数と、蓄積領域１５およびフローティングディフュージョン領域３１の間の電位差に依存して決まる。したがって、転送ゲート２１のオン期間（Ｔ０）は、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート２１によって転送可能な範囲内で、できるだけ短く設定することが好ましい。一般的には、Ｔ０は、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート
２１によって転送するための所要時間と同等に設定される。以下では、Ｔ０を完全転送期間とも称する。

１個のフォトダイオード１０に対して、単一の転送ゲートおよびフローティングディフュージョン領域を配置した通常の画素構成（たとえば、後程説明する図５の構成）では、各フレーム毎に転送ゲートを完全転送期間Ｔ０だけオンさせるとともに、フローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷量に基づいて受光量を検知することが、一般な信号読出である。この場合には、１フレーム期間での露光時間で最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを生じさせる光強度が、コントラストを検知可能な受光範囲の上限に相当する。現状のプロセスおよび構造では、たとえば、３０フレーム／秒程度の動画撮影時に、コントラストを検知可能な受光範囲の範囲の広さを示すダイナミックレンジは、６０（ｄＢ）程度が一般的である。また、この際の完全転送期間Ｔ０は、一般的に、数（ｎｓ）〜数十（ｎｓ）程度である。

これに対して、本実施の形態による固体撮像素子では、時刻ｔ３に転送ゲート２１がオフされるのと同時に、転送制御信号ＴＧ２がＨレベルに変化するのに応答して、転送ゲート２２がオンされる。そして、転送ゲート２２は、転送制御信号ＴＧ２がＬレベルに変化するのに応答して、時刻ｔ４にオフされる。これにより、完全転送期間Ｔ０の経過後においても、転送ゲート２２が時刻ｔ３〜ｔ４の間（以下、延長期間Ｔ１とも称する）、転送ゲート２２のオンによって、フォトダイオード１０によって発生された信号電荷を、フローティングディフュージョン領域３２へ転送することができる。なお、転送ゲート２１のオン期間（時刻ｔ２〜ｔ３）および転送ゲート２２のオン期間（時刻ｔ３〜ｔ４）は、連続的に設けられる。また、延長期間Ｔ１は「第１の期間」に対応する。

図３（ｃ）を参照して、時刻ｔ２〜ｔ３では、完全転送期間Ｔ０にわたって転送ゲート２１がオンされる。これにより、蓄積領域１５の信号電荷がフローティングディフュージョン領域３１へ転送される。一方、転送ゲート２２はオフされているので、フローティングディフュージョン領域３２への信号電荷９０の転送は遮断される。

図３（ｄ）では、時刻ｔ３時点において、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘが、フローティングディフュージョン領域３１へ転送されたケースを想定する。すなわち、図３では、上述した従来の画素構成におけるダイナミックレンジを超えた受光強度に対応する撮像が示される。このとき、時刻ｔ０〜ｔ２の間では、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを超える信号電荷９０が発生されるが、蓄積領域１５の飽和により、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを超える電荷量を、時刻ｔ２の時点で蓄積領域１５に蓄積することができない。

図３（ｅ）に示されるように、時刻ｔ３〜ｔ４では、転送ゲート２１がオフされることによって、フローティングディフュージョン領域３１への信号電荷９０の転送が遮断される一方で、延長期間Ｔ１にわたって転送ゲート２２がオンされる。

これにより、時刻ｔ３以降にフォトダイオード１０が受光に応じて新たに発生した信号電荷９０が、フローティングディフュージョン領域３２へ転送される。

再び図２を参照して、時刻ｔ２〜ｔ３間では、フローティングディフュージョン領域３１に転送された信号電荷９０の電荷量に応じて、電位Ｖｆｄ１が変化する。同様に、時刻ｔ３〜ｔ４間では、フローティングディフュージョン領域３２に転送された信号電荷９０の電荷量に応じて、電位Ｖｆｄ２が変化する。時刻ｔ２から（Ｔ０＋Ｔ１）が経過した時刻ｔ４において、転送ゲート２２はターンオフされる。

これにより、図３（ｆ）に示されるように、時刻ｔ４以降では、転送ゲート２１，２２ではポテンシャル障壁が再び上昇するので、蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３０への信号電荷の転送は停止される。この状態は、図３（ａ）に示した時刻ｔ０と同じである。

この時点では、フローティングディフュージョン領域３１には、時刻ｔ２時点で蓄積領域１５に蓄積されていた信号電荷９０が蓄積された状態となる一方で、フローティングディフュージョン領域３２には、時刻ｔ３〜ｔ４の期間でフォトダイオード１０が発生した信号電荷９０が蓄積された状態となる。

なお、時刻ｔ４では、延長期間Ｔ１の間に発生された信号電荷９０が、フローティングディフュージョン領域３０へ完全に転送されているべきである。なぜなら、時刻ｔ４から、次回フレームの露光が開始されるので、蓄積領域１５に信号電荷９０が残留していると、次回フレームでの受光量検知に誤差が発生するからである。

この観点から、延長期間Ｔ１は、少なくとも、蓄積領域１５での最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを転送ゲート２１によって転送するのに必要な時間、すなわち、完全転送期間Ｔ０以上確保することが好ましい（Ｔ１≧Ｔ０）。

再び図２を参照して、時刻ｔ４以降において、電位Ｖｆｄ１およびＶｆｄ２は、時刻ｔ３および時刻ｔ４での電位にそれぞれ維持される。そして、フローティングディフュージョン領域３１，３２が次にリセットされるまでの任意のタイミングにおいて、電位Ｖｆｄ１およびＶｆｄ２に基づく電位信号Ｖ１，Ｖ２を出力ノードＮｏ１，Ｎｏ２から読出すことができる。

上述した、１個のフォトダイオード１０に対して、単一の転送ゲートおよびフローティングディフュージョン領域を配置した通常の画素構成における一般的な信号読出では、１回の撮像（１フレーム）に対応する露光時間は、ＴＦ１（ＴＦ１＝ＴＦ０＋Ｔ０）となる。ここで、ＴＦ０は、転送ゲート２１がターンオフされてから再びターンオンされるまでの期間に対応し、Ｔ０は転送ゲート２１のオン期間に対応する。

これに対して、本実施の形態による固体撮像素子の各画素では、１回の撮像（１フレーム）に対応する露光時間は、ＴＦ１（ＴＦ１＝ＴＦ０＋Ｔ０、以下では「基準露光時間」とも称する）からＴＦ２（＝ＴＦ１＋Ｔ１）に延長される。この延長によるダイナミックレンジの拡大の原理について、図４を用いて説明する。

図４は、本実施の形態による固体撮像素子における画素回路の出力特性を概念的に示すグラフである。

なお、図４の横軸は、フォトダイオード１０が受光する光量（あるいは受光強度）を示し、縦軸は、フローティングディフュージョン領域３１，３２でのリセット時からの電位変化（ΔＶｆｄ１，ΔＶｆｄ２）を示すものとする。すなわち、ΔＶｆｄ１，ΔＶｆｄ２は、フローティングディフュージョン領域３１，３２へ転送された信号電荷量と、容量Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２とによって決まる。

図４において、基準露光時間ＴＦ１の間にフォトダイオード１０が最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを発生するときの光量に対応するＬ０までの範囲、すなわち、光量Ｌｍｎ（最小光量値）〜Ｌ０の範囲に対応して、フローティングディフュージョン領域３１の電位変化ΔＶｆｄ１が０〜Ｖｍａｘの範囲で生じる。すなわち、光量Ｌｍｎ（最小光量値）〜Ｌ０の範囲の光量（あるいは受光強度）は、電位Ｖｆｄ１に基づいて検出できる。

電位の可変範囲を示すＶｍａｘは、（Ｖｄｄ−Ｖｓｓ）から、デバイス製造時の設計値であるフォトダイオード１０での電位井戸の深さ（図３（ａ）での蓄積領域１５の電位の深さに相当））を差し引いた電位差に相当する。すなわち、Ｖｍａｘは、リセット電位であるＶｄｄと、図３（ａ）での蓄積領域１５の電位レベル（信号電荷無し）との電位差に対応する。このように、Ｖｍａｘはプロセス上の制約を受けるので、限られた０〜Ｖｍａｘの範囲を有効に用いて、受光量を検知する必要がある。

上述した、通常の画素構成における一般的な信号読出では、Ｌ０よりも光量が高い範囲、すなわち、Ｌ０に対応する光強度よりも受光強度が高い範囲では、蓄積領域１５が飽和するため、光量を正しく検出することができない。したがって、光量Ｌ０がダイナミックレンジの上限に対応する。

これに対して、本実施の形態による固体撮像素子では、延長期間Ｔ１において、フォトダイオード１０が発生した信号電荷がフローティングディフュージョン領域３２に転送されるので、フォトダイオード１０が受光する光量に応じた電位変化ΔＶｆｄ２が生じる。したがって、Ｌ０よりも高い範囲の光量についても、ΔＶｆｄ２に基づいて検知することができる。すなわち、基準露光時間ＴＦ１および延長期間Ｔ１の比に従って、ΔＶｆｄ１によって検知される受光量に対する倍数の形で、ΔＶｆｄ２に基づいてＬ０より高い範囲の光量を検知することができる。

そして、延長期間Ｔ１で転送される信号電荷量に応じた電位変化ΔＶｆｄ２がＶｍａｘに達するときの光量Ｌ１に対応する受光強度が、ダイナミックレンジの上限となる。すなわち、実施の形態による固体撮像素子では、従来と比較して、ΔＬ（Ｌ０〜Ｌ１）だけダイナミックレンジが拡大することになる。

電位変化ΔＶｆｄ２の特性線（光量に対する傾き）は、延長期間Ｔ１の長さに応じて変化する。具体的には、同一光量に対して延長期間Ｔ１で発生される信号電荷の総量が小さいほど、フローティングディフュージョン領域３２（容量Ｃｆｄ２）によって検知可能な光量範囲が広くなる。したがって、延長期間Ｔ１が短いほど特性線の傾きは小さくなり、反対に、延長期間Ｔ１が長いほど特性線の傾きは大きくなる。

また、電位変化ΔＶｆｄ２の特性線（光量に対する傾き）は、容量Ｃｆｄ２によっても変わる。すなわち、延長期間Ｔ１において検知可能な光量の範囲は、容量Ｃｆｄ２によっても変化する。好ましくは、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘをフローティングディフュージョン領域３２に受入れることができるように、容量Ｃｆｄ１と同様に容量Ｃｆｄ２を設計すれば、延長期間Ｔ１での受光量に応じて、信号電荷量が０〜Ｑｐｄｍａｘまでの範囲を用いて、Ｌ０よりも高い範囲の光量を検知できる。

なお、光量Ｌ０によって延長期間Ｔ１で生じる電位変化ΔＶｆｄ２は、Ｃｆｄ１＝Ｃｆｄ２とすると、ΔＶｆｄ２＝Ｖｍａｘ・（Ｔ１／ＴＦ１）である。後述のように、（Ｔ１／ＴＦ１）は、１／１０²あるいは１／１０^３程度であるので、光量Ｌｍｉｎ〜Ｌ０の範囲の受光量が、ΔＶｆｄ２に与える影響は、無視してもよい。

ここで、Ｌｍｎ〜Ｌ０に対応する基準ダイナミックレンジＤＲは、下記（１）式で示される。

ＤＲ＝２０×ｌｏｇ₁₀（Ｌ０／Ｌｍｎ） ・・・（１）
さらに、延長期間Ｔ１でも信号電荷量が０〜Ｑｐｄｍａｘまでの範囲を用いて光量を検知できるようにすれば、ΔＬに対応する拡大ダイナミックレンジΔＤＲは、延長期間Ｔ１に対する基準露光時間ＴＦ１の比によって、下記（２）式で示される。

ΔＤＲ＝２０×ｌｏｇ₁₀（ＴＦ１／Ｔ１） ・・・（２）
このように、延長期間Ｔ１に応じて拡大ダイナミックレンジΔＤＲが決まる。なお、容量Ｃｆｄ２によって保持できる信号電荷量が最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘよりも小さい場合には、延長期間Ｔ１の間でフローティングディフュージョン領域３２が飽和する可能性がある。この際には、飽和するまでの光量範囲のみが検知可能となるので、拡大ダイナミックレンジΔＤＲは、式（２）よりも小さくなる。

一方、図４に示されるように、延長期間Ｔ１を短くすると、同一の容量Ｃｆｄ２に対するΔＬは拡大する一方で、光量に対するΔＶｆｄ２の傾きが小さくなるので、コントラストの検知上不利となる。したがって、所望のダイナミックレンジに対する基準ダイナミックレンジＤＲの不足分をカバーするように、拡大ダイナミックレンジΔＤＲを設定することにより、延長期間Ｔ１を適切に求めることができる。

たとえば、３０フレーム／秒の動画撮影では、１フレーム期間に対応させてＴＦ１＝３３（ｍｓ）程度となる。このときの基準ダイナミックレンジＤＲは、上述のように、従来の固体撮像素子では６０（ｄＢ）程度である。一方で、ヒトが同一視野内で検知可能な輝度分布は５桁前後から７桁の範囲（ダイナミックレンジが８０〜１４０（ｄＢ））まで及ぶ。したがって、この差を拡大ダイナミックレンジΔＤＲによって埋めるように、延長期間Ｔ１を決めることができる。

一例として、固体撮像素子のダイナミックレンジを１４０ｄＢとするためには、ΔＤＲ＝８０（ｄＢ）が必要であるから、Ｔ１＝ＴＦ１／１０⁴＝３．３（μｓ）と定めることができる。同様に、固体撮像素子のダイナミックレンジを１００ｄＢとするためには、ΔＤＲ＝４０（ｄＢ）が必要であるから、Ｔ１＝ＴＦ１／１０²＝３３０（μｓ）と定めることができる。現実的には、延長期間Ｔ１は、ヒトの視覚と同等のコントラスト検知能力を持たせる観点から、拡大ダイナミックレンジΔＤＲを加えた固体撮像素子のダイナミックレンジが８０（ｄＢ）〜１４０（ｄＢ）となる範囲内で設定されることが好ましい。

図４の特性線から理解されるように、本実施の形態による固体撮像素子では、時刻ｔ０〜ｔ３（基準露光時間ＴＦ１）での露光によって発生した信号電荷量に基づいて、Ｌ０以下の範囲について光量に比例した出力（ΔＶｆｄ１）を得ることができる。さらに、延長期間Ｔ１（時刻ｔ３〜ｔ４）での露光によって発生した信号電荷量に応じて、Ｌ０より高い範囲の光量を検出することができる。すなわち、基準露光時間ＴＦ１および延長露光時間（延長期間Ｔ１）のそれぞれでは、異なる光量（受光強度）範囲での撮像を行っていることと等価である。

そして、それぞれでの撮像結果を示す電位変化ΔＶｆｄ１，ΔＶｆｄ２が現れた電位Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２に応じた電位信号Ｖ１，Ｖ２に基づいて、図４の特性に従って、フォトダイオード１０が受光した光量（あるいは受光強度）を示す出力信号Ｖｏｕｔを、図１に示した演算器６０により生成することができる。たとえば、拡張後のダイナミックレンジ全体を表現するためのＭビットのデジタル信号（Ｍ：整数）のうちの、基準ダイナミックレンジに対応する下位側ビットをΔＶｆｄ１に応じて定めるとともに、拡大ダイナミックレンジに対応する上位側ビットをΔＶｆｄ２に応じて定めることができる。このように、本実施の形態による固体撮像素子では、広いダイナミックレンジの撮像を実現できる。

さらに、低光量範囲（Ｌｍｉｎ〜Ｌ１）および高光量範囲（Ｌ０〜Ｌ１）のそれぞれでの特性（電位／光量）が一様な直線状であるので、後段での演算処理が簡易である他（たとえば、特許文献２および３と比較して）、固定パターンノイズの除去等も簡易かつ効率的に実行できることが期待される。

次に、図５〜７を用いて、フローティングディフュージョン領域３１，３２を電気的に独立的に設けたことによる効果をさらに説明する。

図５は、本実施の形態に対する比較例として示される固体撮像素子の構成を示す回路図である。

図５を参照して、比較例による固体撮像装置では、フォトダイオード１０に対して、単一のフローティングディフュージョン領域３０が設けられる点で、図１の構成と異なる。これに対応して、転送ゲート２１，２２（図１）に代えて、単一の転送ゲート２０が配置され、増幅器を構成するトランジスタ４１，４２（図１）に代えて、単一のトランジスタ４０が配置される。すなわち、図５の構成は、上述した通常の画素構成に相当する。

比較例による固体撮像装置では、転送ゲート２０のオンオフは、図１の転送制御信号ＴＧによって制御される。したがって、転送ゲート２０は、上述した一般的な信号読出とは異なり、完全転送期間Ｔ０の経過後にも延長期間Ｔ１にわたって継続的にオンされる。

さらに、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、完全転送期間Ｔ０の経過時に最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れた後に、さらに、延長期間Ｔ１においてフォトダイオード１０が発生する信号電荷を受入れるための余裕を持つように設計される。たとえば、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄは、蓄積領域１５の容量Ｃｐｄの２倍程度確保される。

図６を参照して、図２で説明したのと同様に、時刻ｔ０で新たな撮像（今回フレーム）が開始され、時刻ｔ１ではフローティングディフュージョン領域３１の電位がリセットされる。そして、時刻ｔ２〜ｔ４の間（完全転送期間Ｔ０＋延長期間Ｔ１）、転送ゲート２１がオンされる。

すなわち、比較例による固体撮像素子は、本実施の形態による固体撮像素子と比較して、図１で分割配置されたフローティングディフュージョン領域３１，３２を、単一のフローティングディフュージョン領域３０に統合した点のみが異なり、撮像の原理は、本実施の形態と同様である。すなわち、フローティングディフュージョン領域３０は、大容量（Ｃｆｄ＝Ｃｆｄ１＋Ｃｆｄ２）で設けられる。

この結果、比較例による固体撮像素子における各画素の出力特性は、図７中に点線で示したものとなる。図７の縦軸および横軸は、図４と同様である。

図７を参照して、比較例による固体撮像素子では、Ｃｆｄが大きく設計されるので、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受けたときの、フローティングディフュージョン領域３０の電位変化ΔＶｆｄ０がＶ０（＜Ｖｍａｘ）に止まる。Ｖ０は、フローティングディフュージョン領域３０の容量Ｃｆｄと、最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘとを用いて、Ｖ０＝Ｑｐｄｍａｘ／Ｃｆｄで示される。

さらに、Ｌ０に対応する光強度よりも受光強度が高いときには、延長期間Ｔ１で発生される信号電荷量に対応して、フローティングディフュージョン領域３０の電位変化ΔＶｆｄ０がＶ０よりも大きくなる。すなわち、Ｌ０よりも高い範囲の光量に対しても、電位変化ΔＶｆｄ０を生じさせることができる。

この結果、延長期間Ｔ１を設け、かつ、容量Ｃｆｄを最大信号電荷蓄積量Ｑｐｄｍａｘを受入れるための容量値よりも確保することによって、比較例による固体撮像素子によれば、基準ダイナミックレンジＤＲおよび拡大ダイナミックレンジΔＤＲにわたって、光量の検出が可能となる。すなわち、比較例による固体撮像素子では、基準露光時間ＴＦ１および延長露光時間（延長期間Ｔ１）のそれぞれでは、異なる光量（受光強度）範囲での撮像を行っていることと等価であり、かつ、それぞれで発生された信号電荷量を単純に足し合わせることによって、これらの撮像結果を合成した広いダイナミックレンジの撮像を等価的に実現できることになる。なお、図４で説明したのと同様に、光量がＬ０よりも大きい領域での特性線は、延長時間Ｔ１および容量Ｃｆｄに変化する。

図７には、さらに、図４に示した、本実施の形態による固体撮像素子における各画素の出力特性が実線で示される。

図７での実線および点線の比較から理解されるように、本実施の形態および比較例の間では、検知可能な光量の範囲（Ｌｍｉｎ〜Ｌ１）は同一となるが、光量Ｌｍｉｎ〜Ｌ０およびＬ０〜Ｌ１の範囲の各々において、ΔＶｆｄ１，ΔＶｆｄ２の変化範囲（０〜Ｖｍａｘ）の方が、ΔＶｆｄ０の変化範囲（０〜Ｖ０またはＶ０〜Ｖｍａｘ）よりも大きい。したがって、本実施の形態による固体撮像装置は、図５および図６に示した、フローティングディフュージョン領域が単一である比較例よりも、光量の検知感度が高く、コントラストの検知上有利である。

以上説明したように、本実施の形態による固体撮像素子では、完全転送期間Ｔ０に加えて、延長期間Ｔ１での露光によって発生した信号電荷を検知することにより、画素に配置される光検知素子の個数を増やすことなく、あるいは、画素回路の制御および／または画素回路後段での演算処理を複雑化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。

さらに、基準転送期間Ｔ０および延長期間Ｔ１のそれぞれで、別個のフローティングディフュージョン領域３１，３２に信号電荷を転送するので、転送ゲートの複雑な制御シーケンスを必要とすることなく、さらに、比較的簡易な出力特性（図４）に従って、複雑な演算処理を行うことなく、各画素（フォトダイオード１０）の受光量を示す出力信号Ｖｏｕｔを得ることができる。また、限られた電位変化の範囲（Ｖｍａｘ）を有効に活用して、ダイナミックレンジ内での光量差の検出感度を上昇することができる。そして、基準転送期間Ｔ０および延長期間Ｔ１を連続して設けることができるので、撮像間隔が延びることを防止でき、高速撮像に有利である。

（固体撮像装置の全体構成例）
次に、本実施の形態による固体撮像装置の全体構成例を説明する。

図８を参照して、本実施の形態による固体撮像装置１００は、画素回路１１０が連続的に配置された画素アレイ１２０と、画素アレイ１２０の周辺領域１３０とを含む。

たとえば、画素アレイ１２０には、第１行から第ｎ行（ｎ：整数）までのｎ個の行にわたって、画素回路１１０が行列状に配置される。このような構成では、ｎ個の画素行のうちの１つの画素行が順次選択されて、選択行の各画素回路１１０が読出対象とされる。

読出対象の画素回路１１０では、図１および図２に示した転送ゲート２１，２２のオン期間（読出期間）を設けることによって、１フレーム期間での受光量に応じた出力が読出される。

図９を参照して、図８に示した固体撮像装置１００では、第１行から第ｎ行での読出期間をそれぞれ規定する転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）が設けられる。転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）の各々は、対応の画素行に対して、図１および図２での転送制御信号ＴＧとして作用する。転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）の周期Ｔｃは、図２に示した、１回の撮像（１フレーム）に対応する露光時間ＴＦ２に相当する。

転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）の各々のＨレベル期間は、転送制御信号ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ）のＨレベル期間（基準転送期間Ｔ０）と、転送制御信号ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ）のＨレベル期間（延長期間Ｔ１）とに分割される。すなわち、転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）と、転送制御信号ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ）およびＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ）との間の関係は、図２に示した、転送制御信号ＴＧと、転送制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の関係と同様である。なお、図示を省略しているが、リセット信号Ｒｆｄについても、図２に準じた適切なタイミングで、転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）に対応して生成されるものとする。

転送制御信号ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ）の各々は、対応の画素行の各画素回路１１０に対して、図１および図２での転送制御信号ＴＧ１として作用し、転送制御信号ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ）の各々は、対応の画素行の各画素回路１１０に対して、図１および図２での転送制御信号ＴＧ２として作用する。

図９に示した転送制御信号ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ），ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ），ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ）に従って、ｎ個の画素行のうちの１つの画素行を読出対象に順次選択するとともに、読出対象の各画素回路１１０からの出力信号Ｖｏｕｔを得ることが可能となる。

図１に示したように、本実施の形態では、複数のフローティングディフュージョン領域３１，３２が分割して設けられるため、当該領域の面積が大きくなることが懸念される。したがって、図１０に示すように、フローティングディフュージョン領域３１，３２については、複数個の画素回路１１０によって共有する構成とすることが好ましい。

図１０は、本実施の形態による固体撮像装置における、画素回路およびフローティングディフュージョン領域の配置例を説明する回路図である。

図１０を参照して、ＦＤユニット３０♯は、ｋ個（ｋ：ｋ≦ｎの整数）によって共有される。ＦＤユニット３０♯は、フローティングディフュージョン領域３１，３２と、リセットスイッチ３５，３６とを有する。図９に示した画素行毎の選択を行う構成では、ｋ個の画素回路１１０は、異なる画素行に属している。

フローティングディフュージョン領域３１は、ｋ個の画素回路１１０の転送ゲート２１と電気的に接続される。転送制御信号ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｋ）に応答した転送ゲート２１の選択的なオンにより、ｋ個のうちの１つの画素回路１１０の蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３１へ、信号電荷を転送できる。

同様に、フローティングディフュージョン領域３２は、ｋ個の画素回路１１０の転送ゲート２２と電気的に接続される。転送制御信号ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｋ）に応答した転送ゲート２２の選択的なオンにより、ｋ個のうちの１つの画素回路１１０の蓄積領域１５からフローティングディフュージョン領域３２へ、信号電荷を転送できる。

アンプユニット４０♯は、フローティングディフュージョン領域３１，３２の電位に応じた電位信号Ｖ１，Ｖ２を発生するためのトランジスタ４１，４２を有する。アンプユニット４０♯は、基本的には、ＦＤユニット３０♯に対応して設けられる。

図１０の構成では、各画素回路１１０に配置される転送ゲート２１および転送ゲート２２が、「第１の転送手段」および「第２の転送手段」にそれぞれ対応する。

このような構成とすることにより、フローティングディフュージョン領域３１，３２の配置個数を削減することができるので、モバイル機器への搭載に適用するための装置の小型化に有利となる。

また、ＦＤユニット３０♯およびアンプユニット４０♯については、可能な限り、画素アレイ１２０を避けて、周辺領域１３０（図８）に設けることによって、画素アレイ１２０での各画素回路１１０の開口部（フォトダイオード１０の受光面積）を確保することができる。

あるいは、図１１に示すように、各画素回路１１０の転送ゲートの配置を変更することも可能である。

図１１は、本実施の形態による固体撮像装置における、画素回路およびフローティングディフュージョン領域の他の配置例を説明する回路図である。

図１１を参照して、各画素回路１１０には、転送制御信号ＴＧ（ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ）のいずれか１つ）に応答してオンオフする転送ゲート２０が、転送ゲート２１，２２に代えて設けられる。転送ゲート２０は、蓄積領域１５と、共通のＦＤユニット３０♯を共有するｋ個の画素回路１１０の接続ノードＮ１との間に電気的に接続される。

転送ゲート２１，２２は、ｋ個の画素回路によって共有されるＦＤユニット３０♯に配置される。転送ゲート２１は、接続ノードＮ１とフローティングディフュージョン領域３１との間に電気的に接続される。同様に、転送ゲート２１は、接続ノードＮ１とフローティングディフュージョン領域３２との間に電気的に接続される。

転送ゲート２１のオンオフを制御する転送制御信号ＴＧ１♯は、図９に示した転送制御信号ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ）の論理和演算によって生成することができる。同様に、転送ゲート２２のオンオフを制御する転送制御信号ＴＧ２♯は、図９に示した転送制御信号ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ）の論理和演算によって生成することができる。

アンプユニット４０♯は、図１０と同様に、基本的にはＦＤユニット３０♯に対応して設けられる。また、ＦＤユニット３０♯およびアンプユニット４０♯は、可能な限り、画素アレイ１２０を避けて、周辺領域１３０（図８）に設けられる。

図１１の構成としても、各画素回路１１０からフローティングディフュージョン領域３１，３２への信号電荷の転送を、図１０の構成と同様に実行できる。図１１の構成では、各画素回路１１０の転送ゲート２０は、「第３の転送手段」に対応し、ＦＤユニット３０♯の転送ゲート２１および転送ゲート２２は、「第１の転送手段」および「第２の転送手段」にそれぞれ対応する。

図１１に示す構成例では、固体撮像装置１００全体での転送ゲートの個数を削減できるので、装置の小型化に有利である。特に、各画素回路１１０での転送ゲートの個数が減少するので、画素回路１１０について、面積の小型化あるいは、開口部（フォトダイオード１０の受光面積）の確保を図ることができる。これにより、画像の高精細化や高感度化によるの画質向上を図ることができる。

なお、本実施の形態では、トランジスタについてはすべてｎ型の導電型の素子を例示したが、トランジスタの導電型については適宜変更してｐ型素子を用いることも可能である。その際には、転送制御信号の論理レベル（Ｈ／Ｌ）や、電源ノード６／接地ノード５への接続を適宜反転することによって、同様の画素制御を実現することができる。

また、本実施の形態では、負電荷（電子）を信号電荷とした構成を例示したが、フォトダイオード１０のカソードを電源ノード６と電気的に接続することによって、正電荷（正孔）を信号電荷とするような回路構成とすることも可能である。ただし、正電荷（正孔）の移動度は、負電荷（電子）の移動度よりも小さいので、本実施の形態で例示した固体撮像素子は、高速撮像の面で相対的に有利であることが理解される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、光検知素子を各画素回路に有する一般的な固体撮像素子に適用できる。

５ 接地ノード、６ 電源ノード、１０ フォトダイオード（光検知素子）、１５ 蓄積領域（フォトダイオード）、２０，２１，２２ 転送ゲート、３０，３１，３２ フローティングディフュージョン領域、３０♯ ＦＤユニット、３５，３６ リセットスイッチ、４０，４１，４２ トランジスタ（増幅器）、４０♯ アンプユニット、５０ 制御回路、６０ 演算器、９０ 信号電荷、１００ 固体撮像装置、１１０ 画素回路、１２０ 画素アレイ、１３０ 周辺領域、１５１，１５２ 電流源、Ｃｆｄ，Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２ 容量（フローティングディフュージョン領域）、Ｎ１ 接続ノード、Ｎｏ１，Ｎｏ２ 出力ノード、Ｑｐｄｍａｘ 最大信号電荷蓄積量、Ｒｆｄ リセット信号、Ｔ０ 完全転送期間、Ｔ１ 延長期間、ＴＦ１ 基準露光時間、ＴＧ，ＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ（１）〜ＴＧ（ｎ），ＴＧ１（１）〜ＴＧ１（ｎ），ＴＧ２（１）〜ＴＧ２（ｎ） 転送制御信号、Ｖ１，Ｖ２ 電位信号、Ｖｄｄ 電源電位、Ｖｆｄ０，Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２ 電位（フローティングディフュージョン領域）、Ｖｏｕｔ 出力信号、Ｖｓｓ 接地電位、ΔＶｆｄ０，ΔＶｆｄ１，ΔＶｆｄ２ 電位変化（フローティングディフュージョン領域）。

Claims (8)

1. 受光に応じて信号電荷を発生するように構成された光検知素子と、
   前記光検知素子によって発生された信号電荷を蓄積するための蓄積領域と、
   互いに電気的に分離された、それぞれが所定容量を有する第１および第２のフローティングディフュージョン領域と、
   作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記第１のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に前記転送を遮断するための第１の転送手段と、
   作動時に前記蓄積領域の信号電荷を前記第２のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、非作動時に前記転送を遮断するための第２の転送手段と、
   前記第１および第２の転送手段を制御するための制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記蓄積領域での最大信号電荷蓄積量を、前記第１の転送手段によって前記蓄積領域から前記第１のフローティングディフュージョン領域へ転送するのに必要である完全転送期間にわたって前記第１の転送手段を作動させるとともに、前記完全転送期間の経過後には、前記第１の転送手段を非作動とする一方で、前記第１の転送手段の作動期間と連続的に前記第２の転送手段を第１の期間にわたって作動させ、
   少なくとも前記第１のフローティングディフュージョン領域は、前記最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な容量を有する、固体撮像素子。
2. 前記第１および第２のフローティングディフュージョン領域の各々は、前記最大信号電荷蓄積量を受入れるために必要な容量を有する、請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記第１のフローティングディフュージョン領域の容量は、前記蓄積領域の容量以上である、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第１および第２のフローティングディフュージョン領域の各々は、同等の容量を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の期間は、前記完全転送期間以上の長さを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記第１の転送手段の作動期間は、所定周期で設けられ、
   前記固体撮像素子のダイナミックレンジは、前記第１の転送手段の前回の作動期間の終了時点から今回の作動期間の開始時点までの期間と前記完全転送期間との和である基準露光期間において前記光検知素子が前記最大信号電荷蓄積量に相当する信号電荷量を発生する受光量に従う基準ダイナミックレンジと、前記第１の期間の長さに応じて変化する拡張ダイナミックレンジとの和で示され、
   前記拡張ダイナミックレンジは、前記第１の期間に対する前記基準露光期間の比の対数に従う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記固体撮像素子は、
   連続的に配置された複数の画素回路をさらに備え、
   前記第１および第２のフローティングディフュージョン領域は、複数個ずつの前記画素回路の間で共有されるように配置され、
   前記光検知素子、前記蓄積領域、前記第１の転送手段および、前記第２の転送手段は、前記複数の画素回路の各々に設けられ、
   前記第１のフローティングディフュージョン領域は、前記複数個の前記画素回路のそれぞれの前記第１の転送手段と共通に接続され、
   前記第２のフローティングディフュージョン領域は、前記複数個の前記画素回路のそれぞれの前記第２の転送手段と共通に接続され、
   前記制御手段は、前記複数個の画素回路のうちの１つの画素回路において、前記第１または前記第２の転送手段が作動している間は、前記複数個の画素回路のうちの他の各画素回路において、前記第１および第２の転送手段を非作動とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記固体撮像素子は、
   連続的に配置された複数の画素回路をさらに備え、
   前記第１および第２のフローティングディフュージョン領域、ならびに、前記第１および第２の転送手段は、前記複数の画素回路のうちの複数個ずつの前記画素回路の間で共有されるように配置され、
   各前記画素回路は、
   前記光検知素子および前記蓄積領域と、
   作動時に前記蓄積領域の信号電荷を、前記複数個の画素回路毎に設けられた接続ノードへ転送する一方で、非作動時に前記転送を遮断するための第３の転送手段とを含み、
   前記第１の転送手段は、前記接続ノードおよび前記第１のフローティングディフュージョン領域の間に設けられ、作動時に前記接続ノードへ転送された信号電荷をさらに前記第１のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、前記非作動時に前記転送を遮断し、
   前記第２の転送手段は、前記接続ノードおよび前記第２のフローティングディフュージョン領域の間に設けられ、作動時に前記接続ノードへ転送された信号電荷をさらに前記第２のフローティングディフュージョン領域へ転送する一方で、前記非作動時に前記転送を遮断し、
   前記制御手段は、前記複数個の画素回路のうちの１つの画素回路において、前記第３の転送手段が作動している間は、前記複数個の画素回路のうちの他の各画素回路において、前記第３の転送手段を非作動とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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