JP2013197951A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接続トランジスタを確実にオンさせることができる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】固体撮像装置は、複数の光電変換素子により生成された電荷を転送する複数の転送トランジスタ（２０２ａ，２０２ｂ）と、複数の転送トランジスタにより転送された電荷を保持する複数のフローティングディフュージョン（２０７ａ，２０７ｂ）と、複数のフローティングディフュージョンの電荷に基づく信号を増幅する増幅部（２０３ａ，２０３ｂ）と、複数のフローティングディフュージョンをリセット電圧にリセットするためのリセットトランジスタ（２０４ａ，２０４ｂ）と、複数のフローティングディフュージョンを相互に接続又は非接続するための接続トランジスタ（２０６ａ）とを有し、接続トランジスタのゲートのハイレベル電圧からフローティングディフュージョンのリセット電圧を減算した電圧が、接続トランジスタの閾値電圧より高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

ＭＯＳ型の固体撮像装置の画素の回路として、特許文献１の図４に記載されている画素の回路が知られている。特許文献１には、画素が二次元状に配置され、垂直方向に隣接する画素のフローティングディフュージョン同士を接続スイッチを介して電気的に接続する手段を備えた構成が開示されている。

特開２００９−３３３１６号公報

しかし、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）接続トランジスタがオンするための条件を満たさないと、ＦＤ接続トランジスタがオンせず、ＦＤ電圧の平均化ができないため、正しい基準電圧（ダークレベル）が読み出せない。それにより、光信号電圧と基準電圧の引き算が正しくできないため、画質が悪化してしまう。

本発明の目的は、接続トランジスタを確実にオンさせ、画質の悪化を防止することができる固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成する複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に対応して設けられ、前記複数の光電変換素子により生成された電荷をそれぞれ転送する複数の転送トランジスタと、前記複数の転送トランジスタにより転送された電荷をそれぞれ保持する複数のフローティングディフュージョンと、前記複数のフローティングディフュージョンの電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、前記複数のフローティングディフュージョンをリセット電圧にリセットするための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を相互に接続又は非接続するための接続トランジスタとを有し、前記接続トランジスタのゲートのハイレベル電圧から前記フローティングディフュージョンのリセット電圧を減算した電圧が、前記接続トランジスタの閾値電圧より高いことを特徴とする。

接続トランジスタを確実にオンさせ、複数のフローティングディフュージョンを相互に接続し、画質の悪化を防止することができる。

本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 図１に示す固体撮像装置の詳細な構成例を示す図である。 第１の実施形態の固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の画素の回路図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。固体撮像装置は、画素アレイＡ、画素定電流源１０２、垂直走査回路１０３、信号増幅部１０４、信号保持部１０５、制御部１０６、スイッチ１０７、水平走査回路１０８、出力アンプ１０９、水平出力線２１７，２１８及びリセット部１１１を有する。制御部１０６は、信号増幅部１０４及び信号保持部１０５を制御する。リセット部１１１は、水平出力線２１７及び２１８の電位をリセットする。画素アレイＡは、複数の画素１０１が複数行及び複数列を構成するように２次元行列状に配列されている。なお、図１では、３行３列の画素１０１で画素アレイＡが構成されているが、これは説明を簡単化することを意図したものであり、画素アレイＡの構成を限定することを意図したものではない。画素１０１は、入射光を電気信号に変換し、電気信号を列信号線１１０に出力する。画素定電流源１０２及び信号増幅部１０４は、列単位で、列信号線１１０２を介して、画素１０１に接続される。垂直走査回路１０３は、行単位で、選択した画素１０１の信号を列信号線１１０に読み出す。信号増幅部１０４は、列単位で、画素１０１から読み出された列信号線１１０の信号を増幅する。信号保持部１０５は、列単位で、信号増幅部１０４によって増幅された信号を保持する。水平走査回路１０８は、列毎のスイッチ１０７を制御し、列毎の信号保持部１０５に保持された信号を順次、水平出力線２１７及び２１８に出力する。水平出力線２１７には基準電圧（ダークレベル）が出力され、水平出力線２１８には光信号電圧が出力される。出力アンプ１０９は、水平出力線２１８の光信号電圧から水平出力線２１７の基準電圧を減算し、画素信号を出力する。

信号増幅部１０４及び信号保持部１０５は、１列毎に設けられてもよいし、複数列毎に設けられてもよい。垂直走査回路１０３は、典型的には、シフトレジストを含んで構成され、画素アレイＡ中の画素１０１の行を選択する。水平走査回路１０８は、典型的には、シフトレジストを含んで構成され、列毎のスイッチ１０７を制御することにより、画素アレイＡ中の画素１０１の列を選択する。この例では、画素アレイＡ中の画素１０１の列の選択は、信号保持部１０５から出力アンプ１０９に信号が転送されるようにスイッチ１０７を選択的に活性化することによってなされる。

図２は、図１の画素１０１から出力アンプ１０９までの回路の詳細な構成例を示す図である。列方向に隣接する２個の画素１０１ａ及び１０１ｂは、図１の列方向に隣接する２個の画素１０１に対応する。画素部１０１ａは、フォトダイオード２０１ａと、転送トランジスタ２０２ａと、増幅トランジスタ（ソースフォロアトランジスタ）２０３ａと、リセットトランジスタ２０４ａと、選択トランジスタ２０５ａと、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａとを有する。フォトダイオード２０１ａは、光電変換により電荷を生成する光電変換素子である。転送トランジスタ２０２ａは、フォトダイオード２０１ａに対応して設けられ、駆動線ＰＴＸ＿ａの電位に応じて、フォトダイオード２０１ａにより生成された電荷をフローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）２０７ａに転送する。ＦＤ２０７ａは、転送トランジスタ２０２ａにより転送された電荷を保持する。この電荷の転送によってＦＤ２０７ａの電位が定まる。ＦＤ２０７ａは、増幅トランジスタ２０３ａのゲートと共通のノードである。増幅トランジスタ（増幅部）２０３ａは、ＦＤ２０７ａの電荷に基づく信号を増幅する。選択トランジスタ２０５ａは、駆動線ＰＳＥＬ＿ａの電位に応じて、増幅トランジスタ２０３ａにより増幅された信号を列信号線１１０に出力する。列信号線１１０は、画素定電流源１０２に接続されていて、ソースフォロア回路が構成されている。リセットトランジスタ２０４ａは、駆動線ＰＲＥＳ＿ａの電位に応じて、ＦＤ２０７ａをリセット電圧ＳＶＤＤにリセットする。

画素部１０１ｂも、画素部１０１ａと同様の構成で列信号線１１０に接続されている。画素部１０１ｂは、フォトダイオード２０１ｂと、転送トランジスタ２０２ｂと、増幅トランジスタ（ソースフォロアトランジスタ）２０３ｂと、リセットトランジスタ２０４ｂと、選択トランジスタ２０５ｂと、ＦＤ接続トランジスタ２０６ｂとを有する。フォトダイオード２０１ｂは、光電変換により電荷を生成する光電変換素子である。転送トランジスタ２０２ｂは、フォトダイオード２０１ｂに対応して設けられ、駆動線ＰＴＸ＿ｂの電位に応じて、フォトダイオード２０１ｂにより生成された電荷をＦＤ２０７ｂに転送する。ＦＤ２０７ｂは、転送トランジスタ２０２ｂにより転送された電荷を保持する。この電荷の転送によってＦＤ２０７ｂの電位が定まる。ＦＤ２０７ｂは、増幅トランジスタ２０３ｂのゲートと共通のノードである。増幅トランジスタ（増幅部）２０３ｂは、ＦＤ２０７ｂの電荷に基づく信号を増幅する。選択トランジスタ２０５ｂは、駆動線ＰＳＥＬ＿ｂの電位に応じて、増幅トランジスタ２０３ｂにより増幅された信号を列信号線１１０に出力する。リセットトランジスタ２０４ｂは、駆動線ＰＲＥＳ＿ｂの電位に応じて、ＦＤ２０７ｂをリセット電圧ＳＶＤＤにリセットする。

ＦＤ接続トランジスタ２０６ａは、駆動線ＰＡＤＤ＿ａの電位に応じて、複数のＦＤ２０７ａ及び２０７ｂを相互に接続又は非接続する。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオフにすれば、各フォトダイオード２０１ａ及び２０１ｂの信号は、それぞれ、別々にＦＤ２０７ａ及び２０７ｂに転送される。すると、増幅トランジスタ２０３ａはＦＤ２０７ａの信号を増幅して列信号線１１０に出力し、増幅トランジスタ２０３ｂはＦＤ２０７ｂの信号を増幅して列信号線１１０に出力する。列信号線１１０には、順次、フォトダイオード２０１ａの信号とフォトダイオード２０１ｂの信号が別々に出力される。これに対し、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンにすれば、隣接するＦＤ２０７ａ及び２０７ｂが相互に接続され、隣接するフォトダイオード２０１ａ及び２０１ｂの信号（電荷）はＦＤ２０７ａ及び２０７ｂ上で加算される。増幅トランジスタ２０３ａは、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂ上の加算された信号を増幅して列信号線１１０に出力する。

また、画素部１０１ａにおいて、転送トランジスタ２０２ａのゲート電極には駆動線ＰＴＸ＿ａが接続されている。リセットトランジスタ２０４ａのゲート電極には駆動線ＰＲＥＳ＿ａが接続されている。選択トランジスタ２０５ａのゲート電極には駆動線ＰＳＥＬ＿ａが接続されている。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲート電極には駆動線ＰＡＤＤ＿ａが接続されている。画素部１０１ｂも同様である。転送トランジスタ２０２ｂのゲート電極には駆動線ＰＴＸ＿ｂが接続されている。リセットトランジスタ２０４ｂのゲート電極には駆動線ＰＲＥＳ＿ｂが接続されている。選択トランジスタ２０５ｂのゲート電極には駆動線ＰＳＥＬ＿ｂが接続されている。ＦＤ接続トランジスタ２０６ｂのゲート電極には駆動線ＰＡＤＤ＿ｂが接続されている。

信号増幅部１０４は、例えば、クランプ容量２３０、反転アンプ２０８、フィードバック容量２０９及びクランプスイッチ２１０を有する。列信号線１１０は、信号増幅部１０４のクランプ容量２３０の一端に接続されている。フィードバック容量２０９及びクランプスイッチ２１０は、反転アンプ２０８の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。クランプスイッチ２１０は、クランプパルスＰＣ０Ｒに応じてオン／オフする。反転アンプ２０８の非反転入力端子は、電圧ＶＣ０Ｒのノードに接続される。反転アンプ２０８の出力端子は、信号保持部１０５に接続されている。信号保持部１０５は、例えば、スイッチ２１１，２１２及び保持容量２１３，２１４を有する。スイッチ２１１はパルスＰＴＮに応じてオン／オフし、スイッチ２１２はパルスＰＴＳに応じてオン／オフする。保持容量２１３及び２１４は、互いに同一の容量値をもつことが好ましい。信号増幅部１０４の出力端子は、スイッチ２１１及び２１２を介して、保持容量２１３及び２１４にそれぞれ接続されている。図１の制御部１０６は、クランプスイッチ２１０及びスイッチ２１１，２１２の制御を行う。スイッチ１０７は、列選択スイッチ２１５及び２１６を有する。列選択スイッチ２１５及び２１６は、水平走査回路１０８から供給されるパルスＰＨに応じて、それぞれ、保持容量２１３及び２１４に保持された信号を水平出力線２１７及び２１８に出力する。保持容量２１３及び２１４には、それぞれ基準電圧及び光信号電圧が保持される。出力アンプ１０９は、水平出力線２１８の光信号電圧と水平出力線２１７の基準電圧との差分を増幅する。リセット部１１１は、スイッチ２１９及び２２０を有する。スイッチ２１９及び２２０は、パルスＰＣＨＲに応じて、水平出力線２１７及び水平出力線２１８の電圧をリセット電圧ＶＣＨＲにリセットする。

図３は、図１及び図２に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミング図である。図３を参照しながら、固体撮像装置の動作を説明する。時刻ｔ０の初期状態において、駆動線ＰＲＥＳ＿ａ及びＰＲＥＳ＿ｂはハイレベルであり、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂがオンする。すると、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂの電圧は、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂを介して、リセット電圧ＳＶＤＤにリセットされる。また、駆動線ＰＡＤＤ＿ａがハイレベルであり、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンする。すると、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂは、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａを介して、相互に電気的に接続される。また、パルスＰＣＨＲはハイレベルであり、スイッチ２１９及び２２０はオンする。すると、水平出力線２１７及び２１８の電圧は、スイッチ２１９及び２２０を介して、電圧ＶＣＨＲにリセットされる。

時刻ｔ１で、選択信号ＰＳＥＬ＿ａ及びＰＳＥＬ＿ｂがハイレベルになり、選択トランジスタ２０５ａ及び２０５ｂがオンする。これにより、増幅トランジスタ２０３ａ及び２０３ｂが活性化される。この状態では、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂは、リセット電圧ＳＶＤＤによってリセットされている。

時刻ｔ２で、クランプパルスＰＣ０Ｒがハイレベルになり、クランプスイッチ２１０がオンし、反転アンプ２０８は、ユニティゲインバッファ状態になり、ＶＣ０Ｒの電圧を出力する。

時刻ｔ３で、リセット信号ＰＲＥＳ＿ａ及びＰＲＥＳ＿ｂがローレベルになり、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂがオフする。すると、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂの電位が黒信号レベルに固定される。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンしているため、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂは同電位となり、列信号線１１０の基準電位ＶＮが定まる。

時刻ｔ４で、クランプパルスＰＣ０Ｒがローレベルになり、クランプスイッチ２１０がオフし、列信号線１１０の基準電位ＶＮがクランプ容量２３０にクランプされる。

時刻ｔ５で、パルスＰＴＮがハイレベルになり、信号保持部１０５のスイッチ２１１がオンし、保持容量２１３に対して、電圧ＶＣ０Ｒと反転アンプ２０８のオフセット電圧が加算された値が基準電圧として書き込まれる。時刻ｔ６で、パルスＰＴＮがローレベルになり、信号保持部１０５のスイッチ２１１がオフし、この書き込みが終了する。

時刻ｔ７で、転送パルスＰＴＸ＿ａ及びＰＴＸ＿ｂがハイレベルになり、転送トランジスタ２０２ａ及び２０２ｂがオンする。すると、フォトダイオード２０１ａ及び２０１ｂの信号電荷がＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂに転送される。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンしているため、フォトダイオード２０１ａ及び２０１ｂの信号電荷はＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂ上で加算され、同電位となる。時刻ｔ８では、転送パルスＰＴＸ＿ａ及びＰＴＸ＿ｂがローレベルになり、転送トランジスタ２０２ａ及び２０２ｂがオフし、上記の転送が終了する。選択信号ＰＳＥＬ＿ａ及びＰＳＥＬ＿ｂがハイレベルであるので、選択トランジスタ２０５ａ及び２０５ｂがオンし、増幅トランジスタ２０３ａ及び２０３ｂは、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂの信号を増幅して列信号線１１０に出力する。

その後、時刻ｔ９で、パルスＰＴＳがハイレベルになり、信号保持部１０５のスイッチ２１２がオンし、反転アンプ２０８の出力信号が保持容量２１４に書き込まれる。転送パルスＰＴＸ＿ａ及びＰＴＸ＿ｂがハイレベルになることにより、列信号線１１０の電位は、基準電位ＶＮから光信号電位ＶＳに変化する。信号電荷が電子である場合には、ＶＳ＜ＶＮの関係となる。この電圧の変化量（ＶＳ−ＶＮ）がクランプ容量（Ｃ０）２３０とフィードバック容量（Ｃｆ）２０９との比率（Ｃ０／Ｃｆ）で反転された電圧には、電圧ＶＣ０Ｒと反転アンプ２０８のオフセット電圧とが加算される。加算された電圧は、信号保持部１０５のスイッチ２１２を介して、保持容量２１４に光信号電圧として書き込まれる。時刻ｔ１０で、パルスＰＴＳがローレベルになり、スイッチ２１２がオフし、この書き込みが終了する。

その後、時刻ｔ１１で、リセット信号ＰＲＥＳ＿ａ及びＰＲＥＳ＿ｂがハイレベルになり、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂがオンし、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂの電位がリセットされる。これと同時に、選択信号ＰＳＥＬ＿ａ及びＰＳＥＬ＿ｂがローレベルになり、選択トランジスタ２０５ａ及び２０５ｂがオフする。これにより、増幅トランジスタ２０３ａ及び２０３の活性化が解除され、行の選択が解除される。

その後、時刻ｔ１２で、水平走査回路１０８が出力するパルスＰＨがハイレベルになる。すると、列選択スイッチ２１５及び２１６がオンし、保持容量２１３の基準電圧が水平出力線２１７に出力され、保持容量２１４の光信号電圧が水平出力線２１８に出力される。出力アンプ１０９は、水平出力線２１７の基準電圧と水平出力線２１８の光信号電圧との差分を演算し、画素信号を出力する。時刻ｔ１３で、パルスＰＨがローレベルになり、列選択スイッチ２１５及び２１６がオフする。水平走査回路１０８は、パルスＰＨのハイレベルパルスを列毎のスイッチ１１１に順次出力することにより、各列の信号を順次、水平出力線２１７及び２１８に出力させることができる。、パルスＰＣＨＲによる水平出力線２１７及び２１８のリセットとパルスＰＨによる列選択を交互に行うことにより、順次各列の信号が出力される。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間の各トランジスタのバイアス条件について説明する。リセット電圧ＳＶＤＤが５．０Ｖ、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧が５．０Ｖ、リセットトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが０．３Ｖとすると、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂのリセット電圧は時刻ｔ１〜ｔ２で４．７Ｖとなる。ここで、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧は、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートのハイレベル電圧であり、リセット信号ＰＲＥＳ＿ａ及びＰＲＥＳ＿ｂのハイレベル電圧である。

また、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧が４．９Ｖ、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａの閾値電圧を０．３Ｖとする。ここで、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧は、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートのハイレベル電圧であり、駆動線ＰＡＤＤ＿ａのハイレベル電圧である。

その場合、「ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧（４．９Ｖ）」−「ＦＤリセット電圧（４．７Ｖ）」＞「ＦＤ接続トランジスタの閾値電圧（０．３Ｖ）」という式が満たせなくなり、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンできない。その後、時刻ｔ６で、転送パルスＰＴＸ＿ａ及びＰＴＸ＿ｂがハイレベルになり、転送トランジスタ２０２ａ及び２０２ｂがオンする。すると、フォトダイオード２０１ａ及び２０１ｂの信号電荷がＦＤ２０７ａ及び２０７ｂに転送され、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂの電位は低下する。それにより、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂの電位が仮に４．０Ｖになったとすると、今度は「ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧（４．９Ｖ）」−「ＦＤリセット電圧（４．０Ｖ）」＞「ＦＤ接続トランジスタの閾値電圧（０．３Ｖ）」の式を満たす。すると、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンする。すなわち、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートのハイレベル電圧（４．９Ｖ）からＦＤ２０７ａ及び２０７ｂのリセット電圧（４．０Ｖ）を減算した電圧が、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａの閾値電圧（０．３Ｖ）より高くなる。これにより、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンする。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンすると、チャネル容量が見えてくるため、基準電圧ＶＮ出力時と光信号電圧ＶＳ出力時で、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂの容量が異なり、出力リニアリティが悪化する。そのような事態に陥らないように、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧をＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧に比べて下げることで、ＦＤリセット電圧を下げる。ここで、例えば、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧を４．８Ｖとする。これにより、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートのハイレベル電圧（４．８Ｖ）は、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートのハイレベル電圧（４．９Ｖ）よりも低くなり、ＦＤリセット電圧を４．５Ｖにすることができ、上記の式を満たす。そのため、電源変動や閾値電圧の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンし、基準電圧ＶＮの読み出しと光信号電圧ＶＳの読み出しが可能となる。そして、出力アンプ１０９が差分を演算することにより、正しい画素信号を得ることができ、画質の悪化を防止することができる。

また、先の動作例では、選択トランジスタ２０５ａ及び２０５ｂの２つをオンし、増幅トランジスタ２０３ａ及び２０３ｂで出力する例を示したが、これに限定されない。例えば、選択信号ＰＳＥＬ＿ｂをローレベルに固定し、選択信号ＰＳＥＬ＿ａをハイレベルにし、増幅トランジスタ２０３ａだけで出力させても良い。ただ、増幅トランジスタを２つ使用した方が、増幅トランジスタの実行面積が２倍に増える。そのため、増幅トランジスタに起因する１／ｆノイズが低減でき、さらに実効的に増幅トランジスタのチャネル幅が２倍となるため、オーバードライブ電圧を小さくすることができるため列信号線１１０のダイナミックレンジをより広く使うことができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置に対して、同じ構成を有するが、各トランジスタのバイアス条件だけが異なる。図３を参照しながら、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間の各トランジスタのバイアス条件について説明する。第１の実施形態では、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧をＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧に比べて下げることで、ＦＤリセット電圧を下げ、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンさせた。これに対し、本実施形態では、リセット電圧ＳＶＤＤを下げることで、同様の効果を得る。例えば、リセット電圧ＳＶＤＤを４．５Ｖ、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧を５．０Ｖ、リセットトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈを０．３Ｖとする。この場合、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂはオンするので、ＦＤ２０７ａ及び２０７ｂはリセット電圧ＳＶＤＤの４．５Ｖにリセットされる。そのとき、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧が５．０Ｖで、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａの閾値電圧が０．３Ｖであるとする。その場合、「ＦＤ接続トランジスタのゲートハイ電圧（５．０Ｖ）」−「ＦＤリセット電圧（４．５Ｖ）」＞「ＦＤ接続トランジスタの閾値電圧（０．３Ｖ）」の式を満たすことができる。すなわち、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのドレイン電圧は、リセット電圧ＳＶＤＤ（４．５Ｖ）であり、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートのハイレベル電圧（５．０Ｖ）よりも低くなる。これにより、上記の式を満たし、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンできる。それにより、基準電圧ＶＮの読み出しと光信号電圧ＶＳの読み出しが可能となり、出力アンプ１０９の差分演算により正しい画素信号を得ることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の画素１０１の構成例を示す回路図である。以下、図４の画素が図２の画素１０１ａ及び１０１ｂと異なる点を説明する。本実施形態では、各ＦＤに対して、フォトダイオード及び転送トランジスタの組みが２組設けられる。第１のフォトダイオード２０１ａ１は転送トランジスタ２０２ａ１を介してＦＤ２０７ａに接続され、第２のフォトダイオード２０１ａ２は転送トランジスタ２０２ａ２を介してＦＤ２０７ａに接続される。第３のフォトダイオード２０１ｂ１は転送トランジスタ２０２ｂ１を介してＦＤ２０７ｂに接続され、第４のフォトダイオード２０１ｂ２は転送トランジスタ２０２ｂ２を介してＦＤ２０７ｂに接続される。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａは、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂを接続可能である。

第１のフォトダイオード２０１ａ１において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ａ１によってＦＤ２０７ａに転送される。第２のフォトダイオード２０１ａ２において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ａ２によってＦＤ２０７ａに転送される。第３のフォトダイオード２０１ｂ１において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ｂ１によってＦＤ２０７ｂに転送される。第４のフォトダイオード２０１ｂ２において光電変換によって生成された電荷は、転送トランジスタ２０２ｂ２によってＦＤ２０７ｂに転送される。この場合、ベイヤ配列のカラーフィルタの場合、第１のフォトダイオード２０１ａ１及び第３のフォトダイオード２０１ｂ１は同色、第２のフォトダイオード２０１ａ２及び第４のフォトダイオード２０１ｂ２も同色となるため、同色の加算が可能である。すなわち、ＦＤ接続トランジスタ２０６ａをオンすることにより、第１のフォトダイオード２０１ａ１及び第３のフォトダイオード２０１ｂ１の信号をＦＤ２０７ａ及び２０７ｂ上で加算することができる。そして、その後、第２のフォトダイオード２０１ａ２及び第４のフォトダイオード２０１ｂ２の信号をＦＤ２０７ａ及び２０７ｂ上で加算することができる。

読み出しのタイミングは、図３で示した信号に加え、転送パルスＰＴＸ＿ａ１，ＰＴＸ＿ａ２，ＰＴＸ＿ｂ１，ＰＴＸ＿ｂ２などが増えるが、基本的に同じである。各トランジスタのバイアス条件も基本的に第１の実施形態又は第２の実施形態と同じである。第１の実施形態の場合には、リセットトランジスタ２０４ａ及び２０４ｂのゲートハイ電圧をＦＤ接続トランジスタ２０６ａのゲートハイ電圧に比べて下げ、ＦＤリセット電圧を下げる。これにより、電源変動や閾値電圧の製造ばらつきの影響によらず、確実にＦＤ接続トランジスタ２０６ａがオンし、基準電圧ＶＮの読み出しと光信号電圧ＶＳの読み出しが可能となり、出力アンプ１０９の差分演算により正しい画素信号を得ることができる。

本実施形態では、１個のＦＤに対して２個のフォトダイオードを設ける例を示したが、図５のように、１個のＦＤに対して３個のフォトダイオードを設けるなど、３個以上のフォトダイオードを設けてもよい。図５の画素では、図４の画素に対して、さらに、フォトダイオード２０１ａ３が転送トランジスタ２０２ａ３を介してＦＤ２０７ａに接続され、フォトダイオード２０１ｂ３が転送トランジスタ２０２ｂ３を介してＦＤ２０７ｂに接続される。１個のＦＤ２０７ａに対して、転送トランジスタ２０２ａ１〜２０２ａ３及びフォトダイオード２０１ａ１〜２０１ａ３の組みが複数組み設けられる。また、１個のＦＤ２０７ｂに対して、転送トランジスタ２０２ｂ１〜２０２ｂ３及びフォトダイオード２０１ｂ１〜２０１ｂ３の組みが複数組み設けられる。ＦＤ接続トランジスタ２０６ａは、ＦＤ２０７ａ及びＦＤ２０７ｂを接続可能である。この場合、上記と同様の効果が得られる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

２０１ａ，２０１ｂ フォトダイオード、２０２ａ，２０２ｂ 転送トランジスタ、２０３ａ，２０３ｂ 増幅トランジスタ、２０４ａ，２０４ｂ リセットトランジスタ、２０６ａ，２０６ｂ ＦＤ接続トランジスタ、２０７ａ，２０７ｂ フローティングディフュージョン

Claims (5)

1. 光電変換により電荷を生成する複数の光電変換素子と、
   前記複数の光電変換素子に対応して設けられ、前記複数の光電変換素子により生成された電荷をそれぞれ転送する複数の転送トランジスタと、
   前記複数の転送トランジスタにより転送された電荷をそれぞれ保持する複数のフローティングディフュージョンと、
   前記複数のフローティングディフュージョンの電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
   前記複数のフローティングディフュージョンをリセット電圧にリセットするための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を相互に接続又は非接続するための接続トランジスタとを有し、
   前記接続トランジスタのゲートのハイレベル電圧から前記フローティングディフュージョンのリセット電圧を減算した電圧が、前記接続トランジスタの閾値電圧より高いことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記リセットトランジスタのゲートのハイレベル電圧は、前記接続トランジスタのゲートのハイレベル電圧よりも低いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記リセットトランジスタのドレイン電圧は、前記接続トランジスタのゲートのハイレベル電圧よりも低いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. １個の前記フローティングディフュージョンに対して、前記転送トランジスタ及び前記光電変換素子の組みが複数組み設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記接続トランジスタをオンにすることにより、前記複数のフローティングディフュージョンが相互に接続され、前記複数の光電変換素子の電荷が加算されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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