JP2012119349A - 固体撮像装置とその駆動方法、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＯＳ固体撮像装置において、複数のフローティングディフュージョン部を有する画素を備え、小信号、大信号に対応して、リセットノイズの除去を可能にする。
【解決手段】画素に複数のフローティングディフュージョン部を備える。複数のフローティングディフュージョン部をリセットした後、前段のフローティングディフュージョン部のリセットレベルの信号Ｎ１を後段回路に取り込む。次に、前段のフローティングディフュージョン部に光電変換部からの電荷を転送し、その信号Ｓ１を後段回路に取り込む。次に、前段と後段のフローティングディフュージョンを接続し、接続されたフローティングディフュージョン部の信号Ｎ２を後段回路に取り込む。次いで、光電変換部から残りの電荷を転送して、接続されているフローティングディフュージョン部の信号Ｓ２を後段回路に取り込む。そして、信号Ｓ１−Ｎ１の差分の信号、信号Ｓ２−Ｎ２の差分の信号をとる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置とその駆動方法、及びこの固体撮像装置を備えたカメラ等の電子機器に関する。

固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ固体撮像装置が知られている。ＣＭＯＳ固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、さらにカメラ付き携帯電話などの各種携帯端末機器等に用いられている。

従来のＣＭＯＳ固体撮像装置では、光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）の電荷をフローティングディフュージョン部（ＦＤ）に転送し、フローティングディフュージョン部の電位を読み取ることで画素信号を取り出すものが多く知られている。その場合、フローティングディフュージョン部の容量が小さいと、電圧に変換されるゲインが上がり、それ以後のノイズが小さく見えるためＳ／Ｎは良いが、扱える電荷量が少ない。逆に、フローティングディフュージョン部の容量が大きいと、扱える電荷量は大きくなるが、Ｓ／Ｎが低くなる。

この取り扱い電荷量とＳ／Ｎのトレードオフの関係を解決するために、フローティングディフュージョン部を２つの容量で構成する固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置では、電荷量が少ないときは、１つの容量（ＦＤ１）で読み出した信号（Ｓ１）を使い、電荷量が多いときは、２つの容量（ＦＤ１，ＦＤ２）で読み出した信号（Ｓ２）を使うようになされている。特許文献１、２、３は、このような固体撮像装置の従来例を示している。

特開昭６３−６７９７６号公報 特表２００９−５０５４９８号公報 国際公開ＷＯ２００５／０８３７９０号公報

これらの固体撮像装置を実施するとした場合も、フローティングディフュージョン部が１個だけのものと同様に、上記信号Ｓ１やＳ２と、ＦＤ１やＦＤ２がリセットされた状態の１個または２個のリセットレベル信号（Ｎ）との差分をとって、実際の信号とする。しかし、従来例の駆動方法では、以下の問題点が有ることが分かった。

（１）信号Ｓ１とＳ２の少なくとも一方は、差分をとってもリセットノイズ等が除去できない。又はフレームメモリが必要となる。
（２）差分をとる回路に制限がかかる。すなわち、リセットレベル信号Ｎと信号Ｓの読み出す順番が逆でも対応しなければならない。差分をとるときも、元の信号を壊してはならない。

例えば、特許文献１は、フォトダイオードＰＤが１つ目のフローティングディフュージョン部ＦＤを兼ねている。従って、いわゆる３トランジスタ型の画素と同じく、信号Ｓ１とＳ２を出力した後に、フォトダイオードＰＤをリセットしてリセットレベル信号Ｎを取ることになり、リセットレベル信号Ｎとの差分を取っても両方の信号Ｓ１、Ｓ２にリセットノイズが残る。

特許文献２は、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョン部ＦＤが転送トランジスタで分離されている、いわゆる４トランジスタ型の画素との組み合わせである。従って、４トランジスタ型の画素と同じく、信号Ｓ１とリセットレベル信号Ｎとの差分を取ることでリセットノイズが除去できる。しかし、特許文献２で開示されている駆動方法では、信号Ｓ２には２つの容量を分けるトランジスタＤＣＧの電荷分配に起因するノイズが、リセットレベル信号Ｎとの差分を取っても除去できない。また、信号がＮ→Ｓ１→Ｓ２の順に出てくるので、Ｓ１とＮとの差分を取るときもリセットレベル信号Ｎを壊さずに保持しておかないと、Ｓ２とＮの差分を取ることができない。従って、使えるカラム処理回路に制限がかり、或いはリセットレベル信号Ｎを保持するための、面積をとる容量が必要になる。すなわち、ノイズに注意すると面積の広い容量が必要になる等の問題があった。

特許文献３は、フローティングディフュージョン部ＦＤを２つに分割している別の例である。この例は、蓄積時にフォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョン部ＦＤへ電荷をオーバーフローさせて、フローティングディフュージョン部ＦＤにも電荷を埋めることを前提としている。この例では、信号Ｓ２にリセットノイズと、蓄積期間の分のフローティングディフュージョン部ＦＤの暗電流とが乗る。また、信号がＮ１→Ｓ１→Ｓ２→Ｎ２の順に出てくるので、カラム処理回路はリセットレベルと信号レベルのどちらが先に出ても対応できるものである必要がある。

本発明は、上述の点に鑑み、複数のフローティングディフュージョン部を有する画素を備えて、小信号、大信号に対応して夫々の信号共に、カラム処理回路でのリセットノイズの除去を可能にした固体撮像装置とその駆動方法を提供するものである。
本発明は、かかる固体撮像装置を備えたカメラ等の電子機器を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が配列された画素領域を有する。画素は、光電変換部と、転送トランジスタと、光電変換部からの電荷を、転送トランジスタを通じて受け取る複数のフローティングディフュージョン部を備える。さらに画素は、フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタと、複数のフローティングディフュージョン部の接続をオン・オフ制御する分離トランジスタを備える。さらに画素は、フローティングディフュージョン部の電位に対応する信号を出力する増幅トランジスタを備える。そして、本固体撮像装置は次のように動作する。光電変換部から見て初段のフローティングディフュージョン部を、リセットトランジスタを介してリセットして、該初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。光電変換部から初段のフローティングディフュージョン部へ転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。分離トランジスタをオンして光電変換部から見て前段のフローティングディフュージョン部と後段のフローティングディフュージョン部を接続する。そして、この接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。光電変換部から前記接続されたフローティングディフュージョン部へ転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。後段回路において、電荷転送後の初段のフローティングディフュージョン部の出力と、リセットした初段のフローティングディフュージョン部の出力との差分をとる。また、光電変換部から転送された電荷を含む接続されたフローティングディフュージョン部の出力と、電荷転送前の接続されたフローティングディフュージョン部の出力との差分をとるようにする。

本発明の固体撮像装置では、小信号、大信号に対応して夫々の信号共に、カラム処理回路でのリセットノイズの除去が可能になる。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、複数の画素が配列された画素領域を有し、画素が次の要素を有する固体撮像装置を備える。画素は、光電変換部と、転送トランジスタと、光電変換部からの電荷を、転送トランジスタを通じて受け取る複数のフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタを有する。さらに画素は、複数のフローティングディフュージョン部の接続をオン・オフ制御する分離トランジスタと、フローティングディフュージョン部の電位に対応する信号を出力する増幅トランジスタを有する。

そして、光電変換部から見て初段のフローティングディフュージョン部を、リセットトランジスタを介してリセットして、該初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。光電変換部から初段のフローティングディフュージョン部へ転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。分離トランジスタをオンして光電変換部から見て前段のフローティングディフュージョン部と後段のフローティングディフュージョン部を接続して該接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。光電変換部から接続されたフローティングディフュージョン部へ転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込む。後段回路において、電荷転送後の初段のフローティングディフュージョン部の出力と、リセットした初段のフローティングディフュージョン部の出力との差分をとる。また、光電変換部から転送された電荷を含む接続されたフローティングディフュージョン部の出力と、電荷転送前の接続されたフローティングディフュージョン部の出力との差分をとる。

本発明の固体撮像装置の駆動方法では、小信号、大信号に対応して夫々の信号共に、カラム回路でのリセットノイズの除去が可能になる。

本発明に係る電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の光電変換部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える。固体撮像装置は、上記本発明の固体撮像装置で構成される。

本発明の電子機器では、上記固体撮像装置を備えるので、小信号、大信号に対応してそれぞれの信号共に、カラム処理回路でのリセットノイズ除去が可能になる。

本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、複数のフローティングディフュージョン部を有する画素を備えて、小信号、大信号に対応してそれぞれの信号共に、カラム処理回路でのリセットノイズ除去を可能にする。従って、画質の向上を図ることができる。

本発明に係る電子機器によれば、上記固体撮像装置において、小信号、大信号に対応してそれぞれの信号共に、カラム処理回路でのリセットノイズ除去を可能にするので、画質が向上し、高品質の電子機器を提供できる。

ＣＭＯＳ固体撮像装置の例を示す概略構成図である。 本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す画素の等価回路図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミング波形図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の駆動時のポテンシャル図である。 本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す駆動タイミング波形図である。 第２実施の形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミング波形図である。 本発明の固体撮像装置の画素の変形例に係る等価回路図である。 本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す画素の等価回路図である。 第３実施の形態に係るフォトダイオードと第１、第２フローティングディフュージョン部を含む部分の概略断面図である。 第３実施の形態に係る固体撮像装置の駆動時のポテンシャル図である。 本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す画素の等価回路図である。 第４実施の形態に係る駆動タイミング波形図である。 第４実施の形態に係る固体撮像装置の駆動時のポテンシャル図（その１）である。 第４実施の形態に係る固体撮像装置の駆動時のポテンシャル図（その２）である。 本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態を示す画素の等価回路図である。 第５実施の形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング波形図である。 本発明の第６実施の形態に係る電子機器を示す概略構成図である。

以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．ＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成例
２．第１実施の形態（固体撮像装置の構成例とその駆動方法）
３．第２実施の形態（固体撮像装置の構成例とその駆動方法）
４．第３実施の形態（固体撮像装置の構成例とその駆動方法）
５．第４実施の形態（固体撮像装置の構成例とその駆動方法）
６．第５実施の形態（固体撮像装置の構成例とその駆動方法）
７．第６実施の形態（電子機器の構成例）

＜１．ＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成例＞
図１に、本発明の実施の形態に適用されるＣＭＯＳ固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例のＣＭＯＳ固体撮像装置１は、半導体基板１１例えばシリコン基板に光電変換部を含む複数の画素２が規則的に２次元行列状に配列された画素領域３と、周辺回路部とを有して構成される。画素２としては、後述するように、１つの光電変換部と複数のフローティングディフュージョン部と複数の画素トランジスタからなる単位画素を適用することができる。また、画素２としては、複数のフローティングディフュージョン部と、複数の光電変換部が転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有した、いわゆる画素共有の構造を適用することができる。複数の画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタの４トランジスタに、さらに分離トランジスタを加えた構成とすることができる。あるいは複数の画素トランジスタは、選択トランジスタを省略した３トランジスタに、さらに分離トランジスタを加えたで構成とすることができる。

周辺回路部は、垂直駆動回路４と、カラム処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８など、いわゆるアナログ回路やロジック回路を有して構成される。

制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置の内部情報などのデータを出力する。さらに、制御回路８では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路４、カラム処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム処理回路５及び水平駆動回路６等に入力する。

垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを印加し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換素子となる例えばフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基く画素信号をカラム処理回路５に印加する。

カラム処理回路５は、画素２の例えば列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される画像信号を受け、画素列ごとに信号レベルとリセットレベルの差分をとり、ノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム処理回路５は、画素２固有の固定パターンノイズを除去するためのＣＤＳや、信号増幅、ＡＤ変換等の信号処理を行う。カラム処理回路５の出力段には水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０との間に接続されて設けられる。

水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム処理回路５の各々を順番に選択し、カラム処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。

出力回路７は、カラム処理回路５の各々から水平信号線１０を通して順次に印加される画像信号に対し、ゲイン調整や傷補正などの信号処理を行って出力する。例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１２は、外部と信号のやりとりをする。

＜２．第１実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態は、複数の画素が２次元行列状に配列された画素領域を有し、画素が次の要素を備える。画素は、物理量を検出し、物理量に応じた電荷を蓄える蓄積部、すなわち光電変換部となるフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤから電荷を転送する転送トランジスタを備える。また、画素は、フォトダイオードＰＤからの電荷を、転送トランジスタを通じて受け取る複数の検出部、すなわち複数のフローティングディフュージョン部ＦＤと、フローティングディフュージョン部ＰＤをリセットするリセットトランジスタを備える。さらに、画素は、複数のフローティングディフュージョン部ＦＤ間の接続をオン・オフ制御する分離トランジスタと、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位に対応する信号を出力する増幅トランジスタを備える。

図２に、第１実施の形態に係る固体撮像装置の画素の等価回路を示す。本実施の形態では、２つのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２を有して構成される。画素２１は、１つのフォトダイオードＰＤと、各１つの転送トランジスタＴｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３、選択トランジスタＴｒ４及び分離トランジスタＴｒ５と、２つのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２を備える。

すなわち、フォトダイオードＰＤは、転送トランジスタＴｒ１を介して第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に接続される。第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１は、増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続されると共に、分離トランジスタＴｒ５を介して第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２に接続される。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、リセットトランジスタＴｒ２に接続されると共に、容量素子Ｃに接続される。容量素子Ｃの他端は接地される。この例では、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、寄生容量だけでなく、容量素子Ｃによりトータルの容量を稼いでいる。容量素子Ｃは、例えば、ポリシリコンなどで形成しても良いし、別の例では、容量素子Ｃをあらわに作らず拡散層の寄生容量を利用するだけでも良い。一例として、容量素子Ｃは、ポリシリコン膜―ゲート酸化膜―Ｓｉ基板の構造で構成してもよいし、１層目ポリシリコン膜―ＳｉＮなどの層間膜―２層目ポリシリコン膜の構造で構成してもよい。増幅トランジスタＴｒ３は、そのドレインが選択トランジスタＴｒ４に接続され、そのソースが垂直信号線９に接続される。さらに、リセットトランジスタＴｒ２及び選択トランジスタＴｒ４のそれぞれのドレインが電源Ｖｄｄに接続される。

小信号と大信号の読み出しを好適にするためには、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の２倍〜２０倍程度の容量を有することが望ましい。そして、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２の容量は、フォトダイオードＰＤＦの飽和電荷を丁度受け切れる程度が良い。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２の容量が小さすぎると、信号Ｓ１と信号Ｓ２のゲインの差が小さく、効果が小さくなる。大きすぎると、Ｓ２でほとんど全ての信号領域を扱うことになりＳ１の意味があまり無くなる。

転送トランジスタＴｒ１のゲートは、転送配線１５に接続される。分離トランジスタＴｒ５のゲートは、分離配線１６に接続される。選択トランジスタＴｒ４のゲートは選択配線１７に接続される。リセットトランジスタＴｒ２のゲートは、リセット配線１８に接続される。

上記画素２１では、選択トランジスタＴｒ４がオン状態のとき、増幅トランジスタＴｒ３は第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の電位に対応した信号を垂直信号線９に出力する。また、増幅トランジスタＴｒ３は、分離トランジスタＴｒ５がオンした状態では、接続された第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２の電位に対応した信号を垂直信号線９に出力する。この垂直信号線９が前述したように後段回路であるカラム処理回路に接続され、垂直信号線９に出力された信号がカラム処理回路に取り込まれる。リセットトランジスタＴｒ２は、第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２の電荷を電源Ｖｄｄ、すなわち電源配線に排出して第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２をリセットする。

本実施の形態の固体撮像装置は、次に述べる駆動方法により駆動するように構成される。

［駆動方法］
図３及び図４に、第１実施の形態の固体撮像装置の駆動方法を示す。図３に、画素２１を読み出すときの駆動タイミングを示し、図４に駆動時のポテンシャルを示す。本実施の形態の固体撮像装置では、信号電荷として電子を用いている。画素を読み出す前にフォトダイオードＰＤには多くの電荷（電子）ｅが蓄積されているとする（図４（１）参照）。

図３に示すように、選択配線１７を通じて選択パルスＰｓｅｌを印加して選択トランジスタＴｒ４をオンして画素を選択する。この状態で、リセット配線１８及び分離配線１６を通じて夫々リセットパルスＰｒｓｔ及び分離パルスＰｓｅｐを印加してリセットトランジスタＴｒ２及び分離トランジスタＴｒ５をオンし、フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２をリセットする。リセットトランジスタＴｒ２及び分離トランジスタＴｒ５をオフすることで、図３の時点（１）及び図４（１）の状態になる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力しているリセットレベル信号を、Ｎ１としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図３の時点（２）で転送トランジスタＴｒ１に転送配線１５を通じて転送パルスＰｔｇを印加して転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤから電荷ｅを第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１へ転送する。このとき、電荷ｅが多い場合は、フォトダイオードＰＤ側にも電荷ｅが残る（図４（２）参照）。

次に、図３の時点（３）で示すように、転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（３）で電荷ｅは、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に溜められる（図４（３）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョンＦＤ１の信号を、Ｓ１としてカラム処理回路に取り込む。

信号Ｎ１に電荷による信号が乗って信号Ｓ１になっているので、カラム処理回路のＣＤＳ処理で信号Ｓ１と信号Ｎ１の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した信号を得ることができる。

フォトダイオードＰＤの電荷ｅが多いときは、図４（３）に示すように、フォトダイオードＰＤ側に電荷ｅが残り、電荷ｅが少ないときは、フォトダイオードＰＤ側には残らず、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に完全転送される。信号Ｓ１は、電荷ｅが少ないときに正しい信号としてえられる。この信号は、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１だけを用いるので、ゲインの高い信号となる。

次に、図３の時点（４）に示すように、分離配線１６を通じて分離パルスＰｓｅｐを印加して分離トランジスタＴｒ５をオンし、第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２を接続する。第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の信号Ｓ１は、接続されたフローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２にわたって蓄積されることになる（図４（４）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号を、Ｎ２としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図３の時点（５）に示すように、再度転送パルスＰｔｇを印加して、転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤの残りの電荷ｅを接続されているフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に転送する。このとき、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１と第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２が接続されて、容量が大きくなっているので、フォトダイオードＰＤに電荷ｅが残らない（図４（５）参照）。

次に、図３の時点（６）で転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（６）で電荷ｅは、接続されている第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に溜められる（図４（６）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号を、Ｓ２としてカラム処理回路に取り込む。

信号Ｎ２に電荷による信号が乗って信号Ｓ２になっているので、カラム処理回路のＣＤＳ処理で信号Ｓ２と信号Ｎ２の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した信号を得ることができる。この信号は、残りの電荷ｅが多い時も少ない時も正しい信号として得られる。但し、この信号は、ゲインが低い信号である。

次いで、信号Ｓ１と信号Ｎ１との差分を取った信号と、信号Ｓ２と信号Ｎ２との差分を取った信号を、出力部において入力換算ゲインを揃えて加算する。ここで、入力換算ゲインを揃えるとは、同じ光電子数に対しては同じ信号値になるよう、２つの差分信号に対して出力部では異なるゲインをかけることである。入力換算ゲインを揃えて加算する処理は、アナログ信号で行ってもよいし、ＡＤ変換後にデジタル信号で行ってもよい。また、この処理は、出力部でなくとも、カラム回路部や固体撮像装置の外部で行うことも可能である。

Ｓ１−Ｎ１の差分信号が一定値より小さい小信号の場合には、このＳ１−Ｎ１の差分信号を採用し、そうでない大信号の場合はＳ１−Ｎ１の差分信号とＳ２−Ｎ２の差分信号を加算した信号を採用する。これにより、暗い部分は高ゲインできれいに撮影することができ、明るい部分は低ゲインで白飛びしにくく撮影することができる。

小信号の場合でも、Ｓ１−Ｎ１の差分信号による１回の読み出しで、フォトダイオードＰＤの電荷ｅがゼロになっていても、２回の読み出しを行い、Ｓ１−Ｎ１の差分信号を採用することが、好ましい。

第１実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、フローティングディフュージョン部ＦＤをＦＤ１とＦＤ２に２分割して高ゲインと低ゲインの信号を出力する。この場合に、両方の信号が、リセットレベル信号→リセットレベル信号に信号電荷が乗った信号、の順で出力される。すなわち、Ｎ１→Ｓ１→Ｎ２→Ｓ２の順に信号が出力される。従って、両方の信号とも、カラム処理回路でＣＤＳ処理することができ、リセットノイズなどを除去することができる。

本実施の形態に係るカラム処理回路は、通常のＣＭＯＳ固体撮像装置のカラム処理回路を流用できるなど、カラム処理回路上の制限が少ない。すなわち、本実施の形態のカラム処理回路は、フローティングディフュージョン部を分割していない現在主流の画素に対応する、Ｎ→Ｓの順に出力された信号の差分を取る通常のカラム処理回路で対応することができる。

本実施の形態では、信号が２セット出力されるので、カラム処理回路は、画素１列に対応して２個配置してもよい。あるいは、カラム処理回路は、画素１列に対応して１個配置し、１個のカラム処理回路を２回用いてもよい。差分をとるときに、信号Ｎを保持する必要がないので、別途リセットレベルを保持しておくための、サンプルホールド用の面積を取る容量を設ける必要がない。因みに、別途リセットレベルを保持するための容量を設ける場合には、ノイズに注意するために面積の広い容量が必要になる。

＜３．第２実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態は、前述の第１実施の形態で説明したと同様の画素領域及び画素（等価回路を含む）を有する。従って、画素領域及び画素の詳細説明は省略する。そして、本実施の形態の固体撮像装置は、次に述べる駆動方法により駆動するように構成される。

［駆動方法］
図５及び図６に、第２実施の形態の固体撮像装置の駆動方法を示す。図５に、画素２１を読み出すときの駆動タイミングを示し、図６に駆動時のポテンシャルを示す。本実施の形態の固体撮像装置では、信号電荷として電子を用いている。画素を読み出す前にフォトダイオードＰＤには多くの電荷（電子）ｅが蓄積されているとする（図６（１）参照）。

本実施の形態の駆動方法は、図５に示すように、時点（３）と時点（４）との間に２回目のリセットパルスＰｒｓｔを印加する点で第１実施の形態と異なり、それ以外のタイミング波形は第１実施の形態と同じである。

すなわち、図５に示すように、選択配線１７を通じて選択パルスＰｓｅｌを印加して選択トランジスタＴｒ４をオンして画素を選択する。この状態で、リセット配線１８及び分離配線１６を通じて夫々リセットパルスＰｒｓｔ及び分離パルスＰｓｅｐを印加してリセットトランジスタＴｒ２及び分離トランジスタＴｒ５をオンし、フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２をリセットする。図５の時点（１）及び図６（１）の状態になる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号を、Ｎ１としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図５の時点（２）で転送トランジスタＴｒ１に転送配線１５を通じて転送パルスＰｔｇを印加して転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤから電荷ｅを第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１へ転送する。このとき、電荷ｅが多い場合は、フォトダイオードＰＤ側にも電荷ｅが残る（図６（２）参照）。

次に、図５の時点（３）で示すように、転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（３）で電荷ｅは、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に溜められる（図６（３）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョンＦＤ１の信号を、Ｓ１としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｓ１と信号Ｎ１の差分を取り、リセットノイズを除去した信号を得る。図６ではフォトダイオードＰＤの電荷ｅが多いので、図６（３）では、フォトダイオードＰＤに電荷ｅが残る。
ここまでは、第１実施の形態と同様である。

次に、図５の時点（３）と時点（４）との間に、再度、リセットパルスＰｒｓｔを印加して第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の信号Ｓ１を除去し、第１フローティングディフュージョンＦＤ１をリセットする。同時に、分離パルスＰｓｅｐを印加して分離トランジスタＴｒ５をオンし、第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２を接続する（図６（４）参照）。このとき、接続されたフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２の信号をＮ２として、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力し、カラム処理回路に取り込む。信号Ｎ２は、接続された第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットレベル信号に相当する。

次に、図５の時点（５）に示すように、転送パルスＰｔｇが印加されて転送トランジスタＴｒ１がオンし、フォトダイオードＰＤの残りの電荷ｅが接続された第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に転送される（図６（５）参照）。

次に、図５の時点（６）で転送トランジスタＴｒ１をオフする。このとき、接続されたフローティングディフュージョンＦＤ１及びＦＤ２の信号をＳ２として（図６（６）参照）、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力し、カラム処理回路に取り込む。信号Ｓ２は、信号Ｎ２に信号電荷ｅを上乗せした信号に相当する。

そして、カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｓ２と信号Ｎ２の差分を取り、リセットノイズを除去した信号を得る。その後、出力回路において、Ｓ１とＮ１の差分の信号と、Ｓ２とＮ２の差分の信号を、入力換算ゲインを揃えて加算する。

第２実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、図５の時点（３）と時点（４）の間でリセットパルスＰｒｅｔの印加により、信号電荷Ｓ１が捨てられ、残りの信号がＳ２となる。Ｓ１−Ｎ１の差分の信号が一定値より小さい場合には、この差分の信号をそのまま採用する。そうでない場合は、Ｓ１−Ｎ１の差分の信号に、Ｓ２−Ｎ２の差分の信号を、入力換算ゲインを揃えて加算することで、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。

第２実施の形態では、第１実施の形態と異なり、信号Ｓ１を一旦除去するので、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２の容量が小さくて済む。また、信号Ｎ２のレベルが毎回一定になるので、垂直信号線の出力レンジが狭い設計で済むこと等が長所である。

［画素等価回路の変形例］
図７に、第１実施の形態、第２実施の形態における画素の等価回路の変形例を示す。本例の画素の等価回路は、リセットトランジスタＴｒ２を第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１側に接続している。図では電源Ｖｄｄが２個設けられているが、リセットトランジスタＴｒ２に接続された電源Ｖｄｄは、下側の画素等価回路の選択トランジスタＴｒ４に接続された電源Ｖｄｄと共有しており、実質的には、電源は１個である。それ以外の構成は、図２と同様であるので重複説明を省略する。

この等価回路の画素を備えた固体撮像装置においても、図２の等価回路の画素を備えた第１実施の形態、第２実施の形態で説明したと同様の駆動方法が採られ、同様の効果を奏する。

＜４．第３実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態について説明する。図８は、本実施の形態の画素の等価回路を示す。この等価回路では、リセットトランジスタＴｒ２を第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１側に接続すると共に、分離トランジスタＴｒ５のドレイン領域を省略して構成される。図９に、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１、分離トランジスタＴｒ５及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２の概略断面構造を示す。第１導電型、例えばｐ型の半導体ウェル領域（シリコン）２３に、フォトダイオードＰＤとｎ型半導体領域による第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１が形成される。フォトダイオードＰＤと第１フローティングディフュージョンＦＤ１との間にゲート絶縁膜２４を介して転送ゲート電極２５が形成され、ここに転送トランジスタＴｒ１が形成される。一方、第１フローティングディフュージョンＦＤ１をソースとして、半導体ウェル領域２３の表面にゲート絶縁膜２４を介して分離トランジスタＴｒ５の分離ゲート電極２６が形成される。ドレイン側に対応する部分には絶縁膜による素子分離領域２７が形成され、ドレインとなる半導体領域は形成されない。

図８の等価回路におけるその他の構成は、図７と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

図９に示すように、分離ゲート電極２６に高レベルの分離パルスＰｓｅｐが印加されると、分離ゲート電極２６下のｐ型半導体ウェル領域２３の表面に反転層２８が形成される。この反転層２８が第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２として作用する。

［駆動方法］
図１０に、動作時の各領域のポテンシャルを示す。動作は基本的に図４で説明したと同様である。先ず、図１０（１）に示すように、選択トランジスタＴｒ４をオンして画素を選択した状態で、リセットトランジスタＴｒ２をオンして第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１をリセットする。このときのリセットレベル信号Ｎ１を垂直信号線９に出力してカラム処理回路に取り込む。

次に、図１０（２）に示すように、転送トランジスタＴｒ１をオンしてフォトダイオードＰＤの電荷ｅを第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に転送する。

次に、図１０（３）に示すように、転送トランジスタＴｒ１をオフする。このときの第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の信号をＳ１として、垂直信号線９に出力して、カラム処理回路に取り込む。そして、カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｓ１と信号Ｎ１の差分を取り、リセットノイズが除去された信号を得る。

次に、図１０（４）に示すように、分離ゲート電極２６に分離パルスＰｓｅｐを印加して反転層２８による第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２を形成する。この第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１と接続される。従って、信号Ｓ１が接続された第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２にわたり蓄積される。この接続された第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２の信号をＮ２として、垂直信号線９に出力し、カラム処理回路に取り込む。

次に、図１０（５）に示すように、転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤＦの残りの電荷ｅを接続されている第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に転送する。

次に、図１０（６）に示すように、転送トランジスタＴｒ１をオフする。このとき、接続された第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２の信号をＳ２として、垂直信号線９に出力し、カラム処理回路に取り込む。カラム処理回路のＣＤＳ処理で信号Ｓ２と信号Ｎ２の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した信号を得ることができる。

次いで、信号Ｓ１と信号Ｎ１との差分を取った信号と、信号Ｓ２と信号Ｎ２との差分を取った信号を出力部において入力換算ゲインを揃えて加算する。

本実施の形態では、分離トランジスタＴｒ５と、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２とが一体に構成された形になる。

第３実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、第１実施の形態と同様の効果を奏する。

＜５．第４実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態について説明する。第４実施の形態に係る固体撮像装置は、画素内に３つのフローティングディフュージョン部を配置して構成される。図１１に、第４実施の形態の画素の等価回路を示す。画素２２は、１つのフォトダイオードＰＤと、各１つの転送トランジスタＴｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３、選択トランジスタＴｒ４を備える。さらに、画素２２は、２つの分離トランジスタＴｒ５１、Ｔｒ５２と、３つのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、Ｆｄ２、ＦＤ３とを備える。

すなわち、フォトダイオードＰＤは、転送トランジスタＴｒ１を介して第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に接続される。第１フローティングディフュージョンＦＤ１は、増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続されると共に、第１分離トランジスタＴｒ５１を介して第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２に接続される。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、第２分離トランジスタＴｒ５２を介して第３フローティングディフュージョン部ＦＤ３に接続される。第３フローティングディフュージョン部ＦＤ３は、リセットトランジスタＴｒ２に接続され、リセットトランジスタＴｒ２のドレインが電源Ｖｄｄに接続される。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ３と接地間には、それぞれ容量素子Ｃ１、Ｃ２が接続される。一方、増幅トランジスタＴｒ３は、そのドレインが選択トランジスタＴｒ４を介して電源Ｖｄｄに接続され、そのソースが垂直信号線９に接続される。

転送トランジスタＴｒ１のゲートは、転送配線１５に接続される。第１分離トランジスタＴｒ５１のゲート及び第２分離トランジスタＴｒ５２のゲートは、それぞれ第１分離配線１６１及び第２分離配線１６２に接続される。リセットトランジスタＴｒ２のゲートは、リセット配線１７に接続される。選択トランジスタＴｒ４のゲートは、選択配線１８に接続される。

ここで、第１、第２、第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３の容量の好ましい条件を示す。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の２〜２０倍が好ましく、第３フローティングディフュージョン部ＦＤ３は、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２の２〜２０倍が好ましい。

上記画素２２では、選択トランジスタＴｒ４がオン状態のとき、増幅トランジスタＴｒ３は第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の電位に対応した信号を垂直信号線９に出力する。また、増幅トランジスタＴｒ３は、第１分離トランジスタＴｒ５１がオンした状態では、接続された第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２の電位に対応した信号を垂直信号線９に出力する。増幅トランジスタＴｒ３は、第１分離トランジスタＴｒ５１及び第２分離トランジスタＴｒ５２がオンした状態では、接続された第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３の電位に対応した信号を垂直信号線９に出力する。この垂直信号線９が前述したように後段回路であるカラム処理回路に接続され、垂直信号線９に出力された信号がカラム処理回路に取り込まれる。リセットトランジスタＴｒ２は、第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３の電荷を電源Ｖｄｄ、すなわち電源配線に排出して第１、第２及び第３ローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３をリセットする。

そして、本実施の形態の固体撮像装置は、次に述べる駆動方法により駆動するように構成される。その他の構成は、第１実施の形態と同様である。

［駆動方法］
図１２〜図１４に、第４実施の形態の固体撮像装置の駆動方法を示す。図１２に、画素２１を読み出すときの駆動タイミングを示し、図１３及び図１４にその時のポテンシャルを示す。本実施の形態の固体撮像装置では、信号電荷として電子を用いている。画素を読み出す前にフォトダイオードＰＤには多くの電荷（電子）ｅが蓄積されているとする（図１３（１）参照）。

図１２に示すように、選択配線１７を通じて選択パルスＰｓｅｌを印加して選択トランジスタＴｒ４をオンして画素を選択する。この状態で、リセット配線１８を通じてリセットパルスＰｒｓｔを印加してリセットトランジスタＴｒ２をオンする。同時に、第１分離配線１６１及び第２分離配線１６２を通じて夫々第１分離パルスＰｓｅｐ１及び第２分離パルスＰｓｅｐ２を印加して第１分離トランジスタＴｒ５１及び第２分離トランジスタＴｒ５２をオンする。これにより、第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３を接続し、第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３をリセットする。リセットトランジスタＴｒ２、第１、第２分離トランジスタＴｒ５１、Ｔｒ５２をオフすることで。図１２の時点（１）及び図１３（１）の状態になる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１のリセットレベル信号を、Ｎ１としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図１２の時点（２）で、転送トランジスタＴｒ１に転送配線１５を通じて転送パルスＰｔｇを印加して転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤから電荷ｅを第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１へ転送する。このとき、電荷ｅが多い場合は、フォトダイオードＰＤ側にも電荷ｅが残る（図１３（２）参照）。

次に、図１２の時点（３）で示すように、転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（３）で電荷ｅは、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に溜められる（図１３（３）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョンＦＤ１の信号を、Ｓ１としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｎ１に電荷による信号が乗った信号Ｓ１と、信号Ｎ１との差分をとることで、リセットノイズなどを除去した第１信号を得る。

次に、図１２時点（４）に示すように、第１分離配線１６１を通じて第１分離パルスＰｓｅｐ１を印加して第１分離トランジスタＴｒ５１をオンし、第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２を接続する。第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の信号Ｓ１は、接続されたフローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２にわたって蓄積される（図１３（４）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号（接続されているＦＤ１及びＦＤ２の信号）をＮ２としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図１２の時点（５）に示すように、転送パルスＰｔｇを印加して、転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤの電荷ｅを接続されているフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に転送する。

次に、図１２の時点（６）で転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（６）で電荷ｅは、接続されている第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に溜められる（図１３（６）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号（接続されているＦＤ１及びＦＤ２の信号）を、Ｓ２としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｎ２に電荷による信号が乗った信号Ｓ２と信号Ｎ２の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した第２信号を得る。

次に、図１２時点（７）に示すように、第１分離トランジスタＴｒ５１がオン状態で、第２分離配線１６２を通じて第２分離パルスＰｓｅｐ２を印加して第２分離トランジスタＴｒ５１をオンする。これにより、第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３が接続され、信号Ｓ２が第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３にわたって蓄積される（図１３１４（７）参照）。このとき、増幅、ＦＤ２及びＦＤ３の信号）をＮ３としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図１２の時点（８）に示すように、転送パルスＰｔｇを印加して、転送トランジスタＴｒ１をオンし、フォトダイオードＰＤの残りの電荷ｅを接続されているフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３に転送する。

次に、図１２の時点（９）で転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（９）で電荷ｅは、接続されている第１、第２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３に溜められる（図１３（９）参照）。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号（接続されているＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ２の信号）を、Ｓ３としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｎ３に電荷による信号が乗った信号Ｓ３と信号Ｎ３の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した第３信号を得る。

次いで、上記第１信号と第２信号と第３信号を出力部において入力換算ゲインを揃えて加算する。

小信号のときは第１信号を採用し、中信号のときは第１信号と第２信号を加算した信号を採用し、大信号のときは第１信号、第２信号及び第３信号を加算した信号を採用する。前述と同様に、小信号、中信号、大信号のいずれの場合も、３回の読み出しを行う。

第４実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、フローティングディフュージョン部ＦＤをＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３に３分割している。高ゲインと中ゲインと低ゲインの信号を出力する場合に、各信号が、リセットレベル信号→リセットレベル信号に信号電荷が乗った信号、の順で出力される。すなわち、Ｎ１→Ｓ１→Ｎ２→Ｓ２→Ｎ３→Ｓ３の順に信号が出力される。従って、各信号とも、カラム処理回路でＣＤＳ処理することができ、リセットノイズなどを除去することができる。その他、第１実施の形態で説明した効果を奏する。

［変形例］
図１１の画素を備えた固体撮像装置において、第２実施の形態と同様の駆動方法を採用することができる。すなわち、図１３（３）の後に信号Ｓ１をリセットして、第１分離トランジスタＴｒ５１をオンして、第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２を接続する。接続されたＦＤ１、ＦＤ２の信号Ｓ１の無い信号Ｎ２をカラム処理回路に取り込む。次に、フォトダイオードＰＤの電荷ｅを接続されている第１、第２フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２に転送して、接続されているＦＤ１、ＦＤ２の信号Ｓ２をカラム処理回路に取り込み、ＣＤＳ処理してＳ２−Ｎ２の差分の第２信号を得る。

次に、信号Ｓ２をリセットした後、第２分離トランジスタＴｒ５２をオンして、第１、ＦＤ２及び第３フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３を接続する。接続されたＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３の信号Ｓ２の無い信号Ｎ３をカラム処理回路に取り込む。次に、フォトダイオードＰＤの残りの電荷ｅを接続されている第１、第２及びＦＤ３フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３に転送する。電荷転送された、接続されているＦＤ１、ＦＤ２及びＦＤ３の信号Ｓ３をカラム処理回路に取り込み、ＣＤＳ処理してＳ３−Ｎ３の差分の第３信号を得る。そして、出力部において、入力換算ゲインを揃えて第１信号と第２信号と第３信号を加算する。

この変形例に係る固体撮像装置及びその駆動方法によれば、信号Ｓ１、Ｓ２を一旦除去するので、第２、第３のフローティングディフュージョン部ＦＤ２、ＦＤ３の容量が小さくて済む。また、信号Ｎ２、Ｎ３のレベルが毎回一定になるので、垂直信号線の出力レンジが狭い設計で済むこと等、第２実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

＜６．第５実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態について説明する。第５実施の形態に係る固体撮像装置は、画素として画素共有構造、本例では２画素共有構造を備えた固体撮像装置に適用した場合である。図１５に、第５実施の形態の画素の等価回路を示す。画素３１は、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と、２つの転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２と、共有する１つのリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を備える。さらに、画素３１は、２つのフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２と、１つの分離トランジスタＴｒ５を備える。

すなわち、フォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２は、それぞれ第１及び第２転送トランジスタＴｒ１１及びＴｒ１２を介して第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に接続される。第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１は、増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続されると共に、分離トランジスタＴｒ５を介して第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２に接続される。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、リセットトランジスタＴｒ２に接続され、リセットトランジスタＴｒ２のドレインが電源Ｖｄｄに接続される。第２フローティングディフュージョン部ＦＤ２と接地間には容量素子Ｃが接続される。一方、増幅トランジスタＴｒ３は、そのドレインが選択トランジスタＴｒ４を介して電源Ｖｄｄに接続され、そのソースが垂直信号線９に接続される。

第１転送トランジスタＴｒ１１のゲートは、第１転送配線１５１に接続される。第２転送トランジスタＴｒ１２のゲートは、第２転送配線１５２に接続される。分離トランジスタＴｒ５のゲートは、分離配線１６に接続される。リセットトランジスタＴｒ２のゲートは、リセット配線１７１８に接続される。選択トランジスタＴｒ４のゲートは、選択配線１８１７に接続される。

そして、本実施の形態の固体撮像装置は、次に述べる駆動方法により駆動するように構成される。その他の構成は、第１実施の形態で説明したと同様である。

［駆動方法］
図１６に示すように、選択配線１７を通じて選択パルスＰｓｅｌを印加して選択トランジスタＴｒ４をオンして画素を選択する。この状態で、リセット配線１８を通じてリセットパルスＰｒｓｔを印加してリセットトランジスタＴｒ２をオンする。同時に、分離配線１６を通じて分離パルスＰｓｅｐを印加して分離トランジスタＴｒ５をオンして、第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２を接続し、第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２をリセットする。

リセットトランジスタＴｒ２及び分離トランジスタＴｒ５をオフすることで、図１６の時点（１）の状態になる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１のリセットレベル信号をＮ１としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図１６の時点（２）で、第１転送トランジスタＴｒ１１に第１転送配線１５１を通じて第１転送パルスＰｔｇ１を印加して第１転送トランジスタＴｒ１１をオンする。これにより、第１フォトダイオードＰＤ１からの電荷ｅを第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に転送する。このとき、電荷ｅが多い場合は、フォトダイオードＰＤ側にも電荷ｅが残る。

次に、図１６の時点（３）で示すように、第１転送トランジスタＴｒ１１をオフする。この時点（３）で電荷ｅは、第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１に溜められる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している第１フローティングディフュージョンＦＤ１の信号を、Ｓ１としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｎ１に電荷による信号が乗った信号Ｓ１と、信号Ｎ１との差分をとることで、リセットノイズなどを除去した第１信号を得る。

次に、図１６の時点（４）に示すように、分離配線１６を通じて分離パルスＰｓｅｐ１を印加して分離トランジスタＴｒ５をオンし、第１及び第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２を接続する。第１フローティングディフュージョン部ＦＤ１の信号Ｓ１は、接続されたフローティングディフュージョン部ＦＤ１及びＦＤ２にわたって蓄積される。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号（接続されているＦＤ１及びＦＤ２の信号）をＮ２としてカラム処理回路に取り込む。

次に、図１６の時点（５）に示すように、第１転送パルスＰｔｇ１を印加して、第１転送トランジスタＴｒ１１をオンし、第１フォトダイオードＰＤ１の電荷ｅを接続されているフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に転送する。

次に、図１６の時点（６）で第１転送トランジスタＴｒ１をオフする。この時点（６）で電荷ｅは、接続されている第１、第２フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に溜められる。このとき、増幅トランジスタＴｒ３を通じて垂直信号線９に出力している信号（接続されているＦＤ１及びＦＤ２の信号）を、Ｓ２としてカラム処理回路に取り込む。

カラム処理回路のＣＤＳ処理で、信号Ｎ２に電荷による信号が乗った信号Ｓ２と信号Ｎ２の差分をとることで、リセットノイズなどを除去した第２信号を得る。

次いで、上記第１信号と第２信号を出力部において入力換算ゲインを揃えて加算する。

次に、図１６の時点（７）〜時点（１２）において、第２フォトダイオードＰＤ２からの電荷ｅによる信号を読み出す。第２フォトダイオードＰＤ２の電荷ｅのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２への転送は第２転送トランジスタＴｒ２をオンして行われる。時点（７）〜時点（１２）の駆動は、前段の時点（１）〜時点（６）の繰り返しであるので、重複説明を省略する。このようにして、２画素の信号が読み出される。

第５実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法においても、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

上例では、フローティングディフュージョン部ＦＤを、２つあるいは３つに分割した構成について説明したが、フローティングディフュージョン部ＦＤを、それ以上に分割してフォトダイオードに電荷が残らないようになるまで、４回以上読み出すことも可能である。

本発明の固体撮像装置は、可視光以外にも、Ｘ線や粒子束などの物理量を電荷量に変換して検出するもの全般に適用できる。

＜７．第６実施の形態＞
［電子機器の構成例］
本発明に係る固体撮像装置は、固体撮像装置を備えたカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像装置を備えたその他の機器、等の電子機器に適用することができる。

本実施の形態に係る電子機器は、基本構成として、固体撮像装置と、固体撮像装置に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、固体撮像装置に上述の実施の形態の固体撮像装置を用いて構成される。

図１７に、本発明の電子機器の一例としてカメラに適用した実施の形態を示す。本実施の形態に係るカメラ４１は、光学レンズ群（光学系）４２、固体撮像装置４３、ＤＳＰ（Digital signal processor）４４、フレームメモリ４５、中央処理装置（ＣＰＵ）４６を備える。さらに、表示装置４７、記録装置４８、操作系４９及び電源系５０等を備えて構成される。このうち、ＤＳＰ４４、フレームメモリ４５、ＣＰＵ４６、表示装置４７、記録装置４８、操作系４９及び電源系５０は、共通のバスライン５１に接続されている。

光学レンンズ群４２は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置４３の撮像面（画素アレイ部：画素部）に導くものである。固体撮像装置４３は、上述した実施の形態のいずれか１つの固体撮像装置が適用される。この固体撮像装置４３は、光学レンズ群４２によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換する。ＤＳＰ４４は、固体撮像装置４３を制御するとともに、そこからの信号を受け、画像信号を生成するものである。フレームメモリ４５は、ＤＳＰ４４で処理される画像信号を一時的に記憶するために使用されるメモリである。

表示装置４７は、ＤＳＰ４４の処理結果として出力された画像信号を表示するものである。記録装置４８は、その画像信号を例えば磁気テープ、磁気ディスク、光ディスク等に記録するものである。操作系４９は、カメラを操作するためのものである。電源系５０は、固体撮像装置４３を駆動するための電力を印加するものである。ＣＰＵ４６は、これらの動作を制御する。

本発明は、光学系４２、固体撮像装置４３、ＤＳＰ４４、ＣＰＵ４６、フレームメモリ４５、電源系５０等をモジュール化したカメラモジュールの形態を取ることができる。
本発明は、このようなカメラモジュールを備えた例えば携帯電話に代表されるカメラ付き携帯機器などを構成することができる。
さらに上記のモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ−ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。

第６実施の形態に係るカメラ等の電子機器４１によれば、固体撮像装置において、複数のフローティングディフュージョン部を有する画素を備えて、小信号、大信号に対応して夫々の信号共に、カラム回路でのリセットノイズの除去を可能にしている。従って、画質の改善を図ることができ、高品質の電子機器を提供できる。高品質のカメラを提供することができる。

１・・固体撮像装置、２、２１、２２、３１・・画素、３・・画素領域、４・・垂直駆動回路、５・・カラム処理回路、６・・水平駆動回路、７・・出力回路、８・・制御回路、９・・垂直信号線、１０・・水平信号線、１１・・基板、１２・・入出力端子、ＰＤ、ＰＤ１、ＰＤ２・・フォトダイオード、Ｔｒ１、Ｔｒ１１、Ｔｒ１２・・転送トランジスタ、Ｔｒ２・・リセットトランジスタ、Ｔｒ３・・増幅トランジスタ、Ｔｒ４・・選択トランジスタ、Ｔｒ５、Ｔｒ５１、Ｔｒ５２・・分離トランジスタ、Ｖｄｄ・・電源

Claims (13)

1. 複数の画素が配列された画素領域を有し、
   前記画素は、
   光電変換部と、
   転送トランジスタと、
   前記光電変換部からの電荷を、前記転送トランジスタを通じて受け取る複数のフローティングディフュージョン部と、
   前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタと、
   前記複数のフローティングディフュージョン部の接続をオン・オフ制御する分離トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する信号を出力する増幅トランジスタと
   を備え、
   前記光電変換部から見て初段のフローティングディフュージョン部を、前記リセットトランジスタを介してリセットして該初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記光電変換部から前記初段のフローティングディフュージョン部へ前記転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記分離トランジスタをオンして前記光電変換部から見て前段のフローティングディフュージョン部と後段のフローティングディフュージョン部を接続して該接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記光電変換部から前記接続されたフローティングディフュージョン部へ前記転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   電荷転送後の前記初段のフローティングディフュージョン部の出力と、リセットした前記初段のフローティングディフュージョン部の出力との差分、及び前記光電変換部から転送された電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力と、電荷転送前の前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力との差分をとるようにした
   固体撮像装置。
2. それぞれの差分の信号の入力換算ゲインを揃えて、加算する
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記画素が２次元行列状に配列され、
   前記後段回路が、前記画素に列に対応して配置されている
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記フローティングディフュージョン部は、１画素に２つ備えている
   請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前段のフローティングディフュージョン部の電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョンの出力を後段回路で取り込み、
   前記接続されたフローティングディフュージョン部をリセットせずに、前記光電変換部からの電荷を、前記接続されたフローティングディフュージョン部へ転送して、該接続されたフローティングディフュージョンの出力を後段回路で取り込み、
   前記後段回路に取り込まれた両出力の差分をとる
   請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記光電変換部から転送された電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力を取り込む前に、前段のフローティングディフュージョン部の電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部をリセットする
   請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 複数の画素が配列された画素領域を有し、
   前記画素が、
   光電変換部と、
   転送トランジスタと、
   前記光電変換部からの電荷を、前記転送トランジスタを通じて受け取る複数のフローティングディフュージョン部と、
   前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタと、
   前記複数のフローティングディフュージョン部の接続をオン・オフ制御する分離トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン部の電位に対応する信号を出力する増幅トランジスタを有する
   固体撮像装置において、
   前記光電変換部から見て初段のフローティングディフュージョン部を前記リセットトランジスタを介してリセットして該初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記光電変換部から前記初段のフローティングディフュージョン部へ前記転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む初段のフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記分離トランジスタをオンして前記光電変換部から見て前段のフローティングディフュージョン部と後段のフローティングディフュージョン部を接続して該接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   前記光電変換部から前記接続されたフローティングディフュージョン部へ前記転送トランジスタを通じて電荷転送して該電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力を後段回路で取り込み、
   電荷転送後の前記初段のフローティングディフュージョン部の出力と、リセットした前記初段のフローティングディフュージョン部の出力との差分、及び前記光電変換部から転送された電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力と、電荷転送前の前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力との差分をとるようにした
   固体撮像装置の駆動方法。
8. それぞれの差分の信号の入力換算ゲインを揃えて加算する
   請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 画素が２次元行列状に配列され、
   前記後段回路が、前記画素に列に対応して配置されている
   請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 前記フローティングディフュージョン部は、画素毎に２つ備えている
    請求項７乃至９のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
11. 前段のフローティングディフュージョン部の電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョンの出力を後段回路で取り込み、
    前記接続されたフローティングディフュージョン部をリセットせずに、前記光電変換部からの電荷を、前記接続されたフローティングディフュージョン部へ転送して、該接続されたフローティングディフュージョンの出力を後段回路で取り込み、
    前記後段回路に取り込まれた両出力の差分をとる
    請求項７乃至１０のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 前記光電変換部から転送された電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部の出力を取り込む前に、前段のフローティングディフュージョン部の電荷を含む前記接続されたフローティングディフュージョン部をリセットする
    請求項７乃至１０のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
13. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の光電変換部に入射光を導く光学系と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
    前記固体撮像装置は、請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置で構成される
    電子機器。

Images