JP2020145699A - Solid state image sensor and imaging device - Google Patents

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Abstract

To provide a solid state image sensor in which a SN ratio in high sensitivity reading is increased while a dynamic range can be expanded.SOLUTION: A solid state image sensor 4 includes: a plurality of pixel blocks BL each including one photoelectric conversion section PD, a node P, and one transfer switch TX provided corresponding to the one photoelectric conversion section PD and transferring an electrical charge from the photoelectric conversion section PD to the node P; an electrical connection provided between the node P of one pixel block BL and the node P of the other pixel block BL; and a plurality of connecting switches SWa, SWb per one of the pixel blocks BL, the connecting switches being provided in the connection.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state image sensor and an image pickup device using the same.

下記特許文献1には、複数の画素であって少なくとも2つの画素がそれぞれ(a)フォトディテクタ、(b)フローティング容量部をなす電荷電圧変換領域及び(c)増幅器への入力部を含む複数の画素と、前記電荷電圧変換領域同士を選択的に接続する連結スイッチとを備えた固体撮像素子が開示されている。 The following Patent Document 1 describes a plurality of pixels including a plurality of pixels, each of which includes (a) a photodetector, (b) a charge-voltage conversion region forming a floating capacitance portion, and (c) an input portion to an amplifier. And a solid-state image sensor including a connection switch that selectively connects the charge-voltage conversion regions to each other are disclosed.

特表2008−546313号公報Japanese Patent Publication No. 2008-546313

前記従来の固体撮像素子において、前記連結スイッチをオンして前記電荷電圧変換領域同士を接続することによって、接続された全体の電荷電圧変換領域での飽和電子数が拡大されるため、ダイナミックレンジを拡大させることができる。 In the conventional solid-state image sensor, by turning on the connection switch and connecting the charge-voltage conversion regions to each other, the number of saturated electrons in the entire connected charge-voltage conversion regions is expanded, so that the dynamic range is increased. It can be expanded.

また、前記従来の固体撮像素子において、前記連結スイッチをオフして前記電荷電圧変換領域を他の電荷電圧変換領域から切り離すことによって、電荷電圧変換容量が小さくなってその電荷電圧変換係数が大きくなるため、高感度読出し時のSN比が高くなる。 Further, in the conventional solid-state image sensor, by turning off the connection switch and separating the charge-voltage conversion region from the other charge-voltage conversion region, the charge-voltage conversion capacity becomes smaller and the charge-voltage conversion coefficient becomes larger. Therefore, the SN ratio at the time of high-sensitivity reading becomes high.

しかし、前記従来の固体撮像素子では、前記連結スイッチをオフにしても、高感度読み出し時のSN比をさほど高くすることはできなかった。 However, in the conventional solid-state image sensor, even if the connection switch is turned off, the SN ratio at the time of high-sensitivity reading cannot be increased so much.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、高感度読出し時のSN比を向上させることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a solid-state image sensor capable of expanding the dynamic range and improving the SN ratio at the time of high-sensitivity reading, and imaging using the solid-state image sensor. The purpose is to provide the device.

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、1つの光電変換部、ノード、及び、前記1つの光電変換部に対応して設けられ前記光電変換部から前記ノードに電荷を転送する1つの転送スイッチを有する複数の画素ブロックと、1つの前記画素ブロックの前記ノードと他の1つの前記画素ブロックの前記ノードとの間に設けられた電気的な接続部と、前記接続部中に設けられた前記画素ブロック1つ当たり複数の連結スイッチと、を備えたものである。 The following aspects are presented as means for solving the above problems. The solid-state image sensor according to the first aspect has one photoelectric conversion unit, a node, and one transfer switch provided corresponding to the one photoelectric conversion unit and transferring charges from the photoelectric conversion unit to the node. A plurality of pixel blocks, an electrical connection portion provided between the node of one pixel block and the node of the other pixel block, and the pixel block provided in the connection portion. It is provided with a plurality of connection switches, one for each.

前記画素ブロックは、前記光電変換部を1つのみ有していて1つの画素で構成されたものでもよいし、前記光電変換部を2つ以上有していて複数の画素で構成されたものでもよい。この点は、後述する各態様についても同様である。 The pixel block may have only one photoelectric conversion unit and be composed of one pixel, or may have two or more photoelectric conversion units and be composed of a plurality of pixels. Good. This point is the same for each aspect described later.

第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記連結スイッチを制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記画素ブロックの前記ノードに対して前記接続部が電気的に切断された状態となるように、前記連結スイッチを制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記画素ブロックの前記ノードに対して前記接続部が電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 In the first aspect, the solid-state image sensor according to the second aspect includes a control unit that controls the connection switch, and the control unit controls the node of the pixel block in the first operation mode. The connection switch is controlled so that the connection portion is electrically disconnected, and the control unit electrically connects the connection portion to the node of the pixel block in the second operation mode. The connection switch is controlled so as to be in a connected state.

第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記制御部は、前記第2の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結スイッチが、前記画素ブロックの前記ノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 In the solid-state imaging device according to the third aspect, in the second aspect, the control unit has one or more predetermined number of on-state connection switches among the connection switches in the second operation mode. The connection switch is controlled so as to be electrically connected to the node of the pixel block.

第4の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記複数の画素ブロックのうちの3つ以上の画素ブロックの前記ノードが、複数の前記接続部により数珠繋ぎ状に接続されたものである。 The solid-state image sensor according to the fourth aspect is the one in which the nodes of three or more pixel blocks of the plurality of pixel blocks are connected in a string by the plurality of connection portions in the first aspect. is there.

第5の態様による固体撮像素子は、前記第4の態様において、前記連結スイッチを制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記3つ以上の画素ブロックのうちの1つの画素ブロックの前記ノードに対して前記接続部が電気的に切断された状態となるように、前記連結スイッチを制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記3つ以上の画素ブロックのうちの前記1つの画素ブロックの前記ノードに対して前記接続部が電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 In the fourth aspect, the solid-state image sensor according to the fifth aspect includes a control unit that controls the connection switch, and the control unit is among the three or more pixel blocks in the first operation mode. The connection switch is controlled so that the connection portion is electrically disconnected from the node of one pixel block, and the control unit controls the three or more in the second operation mode. The connection switch is controlled so that the connection portion is electrically connected to the node of the one pixel block of the pixel blocks.

第6の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記制御部は、前記第2の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結スイッチが、前記3つ以上の画素ブロックのうちの前記1つの画素ブロックの前記ノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 In the fifth aspect of the solid-state imaging device according to the sixth aspect, in the fifth aspect, the control unit has one or more predetermined number of on-state coupling switches among the coupling switches in the second operation mode. The connection switch is controlled so as to be electrically connected to the node of the one pixel block among the three or more pixel blocks.

第7の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第6のいずれかの態様において、前記各画素ブロックは、前記光電変換部及び前記転送スイッチをそれぞれ複数有するものである。 In the solid-state image sensor according to the seventh aspect, in any one of the first to sixth aspects, each pixel block has a plurality of the photoelectric conversion unit and the transfer switch.

第8の態様による固体撮像素子は、複数の光電変換部、ノード、及び、前記複数の光電変換部にそれぞれ対応して設けられ前記複数の光電変換部から前記ノードに電荷を転送する複数の転送スイッチを有する複数の画素ブロックと、隣接する2つの前記画素ブロックの前記ノード間に設けられた複数の連結スイッチと、を備えたものである。 The solid-state image sensor according to the eighth aspect is provided corresponding to a plurality of photoelectric conversion units, nodes, and the plurality of photoelectric conversion units, and a plurality of transfers that transfer charges from the plurality of photoelectric conversion units to the node. It includes a plurality of pixel blocks having switches, and a plurality of connecting switches provided between the nodes of the two adjacent pixel blocks.

第9の態様による固体撮像素子は、前記第8の態様において、前記連結スイッチを制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちのオン状態の連結スイッチが、前記2つの画素ブロックのうちの1つの画素ブロックの前記ノードに対して電気的に接続された状態とならないように、前記連結スイッチを制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結スイッチが、前記1つの画素ブロックの前記ノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 In the eighth aspect, the solid-state imaging device according to the ninth aspect includes a control unit that controls the connection switch, and the control unit is in the ON state of each of the connection switches in the first operation mode. The connection switch is controlled so that the connection switch is not electrically connected to the node of one pixel block of the two pixel blocks, and the control unit performs a second operation. In the mode, the coupling switch is such that one or more predetermined number of on-state coupling switches of each coupling switch are electrically connected to the node of the one pixel block. Is to control.

第10の態様による固体撮像素子は、前記第8の態様において、前記複数の画素ブロックのうちの3つ以上の画素ブロックの前記ノードが、前記複数の連結スイッチの2組以上により数珠繋ぎ状に接続されたものである。 In the solid-state image sensor according to the tenth aspect, in the eighth aspect, the nodes of three or more pixel blocks of the plurality of pixel blocks are connected in a string by two or more sets of the plurality of connection switches. It was done.

第11の態様による固体撮像素子は、前記第10の態様において、前記連結スイッチを制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちのオン状態の連結スイッチが、前記3つ以上の画素ブロックのうちの1つの前記ノードに対して電気的に接続された状態とならないように、前記連結スイッチを制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記各連結スイッチのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結スイッチが、前記1つの画素ブロックの前記ノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記連結スイッチを制御するものである。 The solid-state imaging device according to the eleventh aspect includes a control unit that controls the connection switch in the tenth aspect, and the control unit is in the ON state of each of the connection switches in the first operation mode. The connection switch is controlled so that the connection switch is not electrically connected to the node of one of the three or more pixel blocks, and the control unit controls the second operation mode. In the connection switch, the connection switch is set so that one or more predetermined number of connection switches in the on state of each connection switch are electrically connected to the node of the one pixel block. It controls.

第12の態様による固体撮像素子は、前記第7乃至第11のいずれかの態様において、前記転送スイッチがトランジスタからなり、前記各画素ブロックにおいて、前記各転送スイッチのうちの1つの転送スイッチのソース又はドレインとなる拡散領域、及び、前記各転送スイッチのうちの他の1つの転送スイッチのソース又はドレインとなる拡散領域が、前記各光電変換部のうちの1つの光電変換部と前記各光電変換部のうちの他の1つの光電変換部との間に設けられた1つの拡散領域で兼用され、前記各画素ブロックにおいて、前記1つの転送スイッチのゲート電極は、前記1つの拡散領域の、前記1つの光電変換部の側に配置され、前記各画素ブロックにおいて、前記他の1つの転送スイッチのゲート電極は、前記1つの拡散領域の、前記他の1つの光電変換部の側に配置されたものである。 In the solid-state image sensor according to the twelfth aspect, in any one of the seventh to eleventh aspects, the transfer switch comprises a transistor, and in each pixel block, the source of one of the transfer switches is the source. Alternatively, the diffusion region serving as a drain and the diffusion region serving as a source or drain of the other transfer switch of each transfer switch are one photoelectric conversion unit of each photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion unit. It is also used as one diffusion region provided between the unit and the other photoelectric conversion unit, and in each pixel block, the gate electrode of the one transfer switch is the gate electrode of the one diffusion region. It is arranged on the side of one photoelectric conversion unit, and in each pixel block, the gate electrode of the other transfer switch is arranged on the side of the other photoelectric conversion unit in the one diffusion region. It is a thing.

第13の態様による固体撮像素子は、前記第7乃至第12のいずれかの態様において、前記複数の光電変換部の数及び前記複数の転送スイッチの数が、それぞれ2つであるものである。 In the solid-state image sensor according to the thirteenth aspect, in any one of the seventh to twelfth aspects, the number of the plurality of photoelectric conversion units and the number of the plurality of transfer switches are two, respectively.

第14の態様による固体撮像素子は、前記第13の態様において、前記複数の連結スイッチの数が2つであり、前記複数の連結スイッチのうちの1つの連結スイッチと前記複数の連結スイッチのうちの他の1つの連結スイッチとの所定方向の位置ずれ量は、前記複数の光電変換部の前記所定方向のピッチよりも大きくかつ前記ピッチの2倍よりも小さいものである。 In the thirteenth aspect, the solid-state image sensor according to the fourteenth aspect has two plurality of connection switches, and one of the plurality of connection switches and one of the plurality of connection switches. The amount of misalignment with the other one connecting switch in the predetermined direction is larger than the pitch in the predetermined direction of the plurality of photoelectric conversion units and smaller than twice the pitch.

第15の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第14のいずれかの態様において、前記複数の連結スイッチの数が2つであり、前記複数の連結スイッチがオフである場合における前記複数の連結スイッチ間の接続部と基準電位との間の容量の値は、前記複数の連結スイッチがオフである場合における前記ノードと前記基準電位との間の容量の値に対して±20%の範囲内の値であるものである。 The solid-state image sensor according to the fifteenth aspect has the plurality of connection switches in the case where the number of the plurality of connection switches is two and the plurality of connection switches are off in any one of the first to fourteenth aspects. The capacitance value between the connection between the coupling switches and the reference potential is in the range of ± 20% of the capacitance value between the node and the reference potential when the plurality of coupling switches are off. It is the value in.

第16の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第15のいずれかの態様において、前記複数の連結スイッチの数が2つであり、前記複数の連結スイッチがオフである場合における前記複数の連結スイッチ間の接続部を構成する配線の少なくとも一部の幅が前記画素ブロック内の他の配線の幅よりも広いこと、前記接続部にMOS容量が接続されていること、及び、前記各連結スイッチを構成しない拡散容量が前記接続部に接続されていること、のうちのいずれか1つ以上を満たすものである。 The solid-state image sensor according to the sixteenth aspect has the plurality of connection switches in the case where the number of the plurality of connection switches is two and the plurality of connection switches are off in any one of the first to fifteenth aspects. The width of at least a part of the wiring constituting the connection portion between the connection switches is wider than the width of the other wiring in the pixel block, the MOS capacity is connected to the connection portion, and each of the connections is described. It satisfies any one or more of the diffusion capacitances that do not form a switch are connected to the connection portion.

第17の態様による固体撮像素子は、1つの光電変換部、第1のノード、及び、前記1つの光電変換部に対応して設けられ前記光電変換部から前記第1のノードに電荷を転送する1つの転送スイッチを有する複数の画素ブロックと、1つの前記画素ブロックの前記第1のノード及び他の1つの前記画素ブロックの前記第1のノードにそれぞれ対応する2つの第2のノードと、前記1つの画素ブロックの前記第1のノード及び前記他の1つの画素ブロックの前記第1のノードと前記2つの第2のノードとの間を、それぞれ電気的に接続及び切断する2つの第1のスイッチ部と、前記2つの第2のノード間を電気的に接続及び切断する第2のスイッチ部と、を備えたものである。 The solid-state imaging device according to the seventeenth aspect is provided corresponding to one photoelectric conversion unit, the first node, and the one photoelectric conversion unit, and transfers charges from the photoelectric conversion unit to the first node. A plurality of pixel blocks having one transfer switch, two second nodes corresponding to the first node of the pixel block and the first node of the other pixel block, and the above. Two first nodes that electrically connect and disconnect between the first node of one pixel block and the first node of the other one pixel block and the two second nodes, respectively. It includes a switch unit and a second switch unit that electrically connects and disconnects between the two second nodes.

第18の態様による固体撮像素子は、前記第17の態様において、前記各第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部を制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記1つの画素ブロックの前記第1のノードとこれに対応する前記第2のノードとの間を電気的に接続及び切断する前記第1のスイッチ部がオフするように、前記第1のスイッチ部を制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記各第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちの1つ以上の所定数のオン状態のスイッチ部が、前記1つの画素ブロックの前記第1のノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記各第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部を制御するものである。 In the seventeenth aspect, the solid-state imaging device according to the eighteenth aspect includes a control unit that controls each of the first switch unit and the second switch unit, and the control unit is in the first operation mode. The first switch so that the first switch portion that electrically connects and disconnects between the first node of the one pixel block and the corresponding second node is turned off. The control unit controls the unit, and in the second operation mode, one or more of the first switch unit and the second switch unit in a predetermined number of on-state switches are The first switch unit and the second switch unit are controlled so as to be electrically connected to the first node of the pixel block.

第19の態様による固体撮像素子は、前記第17の態様において、前記複数の画素ブロックのうちの3つ以上の画素ブロックの前記第1のノードと、これらの3つ以上の前記第1のノードにそれぞれ対応する3つ以上の前記第2のノードとの間を、それぞれ電気的に接続及び切断する3つ以上の前記第1のスイッチ部を備え、前記3つ以上の第2のノードが、複数の前記第2のスイッチ部により数珠繋ぎ状に接続されたものである。 In the seventeenth aspect, the solid-state image sensor according to the nineteenth aspect includes the first node of three or more pixel blocks of the plurality of pixel blocks and the three or more first nodes thereof. Each of the three or more second nodes is provided with three or more first switch portions for electrically connecting and disconnecting from each of the three or more second nodes corresponding to the above. It is connected in a beaded shape by a plurality of the second switch portions.

第20の態様による固体撮像素子は、前記第19の態様において、前記各第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部を制御する制御部を備え、前記制御部は、第1の動作モードにおいて、前記3つ以上の画素ブロックのうちの1つの画素ブロックの前記第1のノードとこれに対応する前記第2のノードとの間を電気的に接続及び切断する前記第1のスイッチ部がオフするように、前記3つ以上の画素ブロックのうちの前記1つの画素ブロックの前記第1のスイッチ部を制御し、前記制御部は、第2の動作モードにおいて、前記各第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部のうちの1つ以上の所定数のオン状態のスイッチ部が、前記3つ以上の画素ブロックのうちの前記1つの画素ブロックの前記第1のノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記各第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部を制御するものである。 In the nineteenth aspect, the solid-state imaging device according to the twentieth aspect includes a control unit that controls each of the first switch units and each of the second switch units, and the control unit has a first operation mode. In the first switch unit, which electrically connects and disconnects between the first node of one pixel block of the three or more pixel blocks and the second node corresponding thereto. The first switch unit of the one pixel block of the three or more pixel blocks is controlled so as to be turned off, and the control unit controls each of the first switch units in the second operation mode. And one or more predetermined number of on-state switch units of each of the second switch units are electrically connected to the first node of the one pixel block of the three or more pixel blocks. The first switch unit and the second switch unit are controlled so as to be connected to each other.

第21の態様による固体撮像素子は、前記第17乃至第20のいずれかの態様において、前記各画素ブロックは、前記光電変換部及び前記転送スイッチをそれぞれ複数有するものである。 In the solid-state image pickup device according to the 21st aspect, in any of the 17th to 20th aspects, each pixel block has a plurality of the photoelectric conversion unit and the transfer switch.

第22の態様による固体撮像素子は、前記第21の態様において、前記転送スイッチがトランジスタからなり、前記各画素ブロックにおいて、前記各転送スイッチのうちの1つの転送スイッチのソース又はドレインとなる拡散領域、及び、前記各転送スイッチのうちの他の1つの転送スイッチのソース又はドレインとなる拡散領域が、前記各光電変換部のうちの1つの光電変換部と前記各光電変換部のうちの他の1つの光電変換部との間に設けられた1つの拡散領域で兼用され、前記各画素ブロックにおいて、前記1つの転送スイッチのゲート電極は、前記1つの拡散領域の、前記1つの光電変換部の側に配置され、前記各画素ブロックにおいて、前記他の1つの転送スイッチのゲート電極は、前記1つの拡散領域の、前記他の1つの光電変換部の側に配置されたものである。 In the solid-state imaging device according to the 22nd aspect, in the 21st aspect, the transfer switch comprises a transistor, and in each pixel block, a diffusion region serving as a source or drain of one of the transfer switches. And, the diffusion region serving as the source or drain of the other transfer switch of each of the transfer switches is one of the photoelectric conversion units and the other of the photoelectric conversion units. It is also used as one diffusion region provided between the photoelectric conversion unit, and in each pixel block, the gate electrode of the one transfer switch is the photoelectric conversion unit of the one diffusion region. Arranged on the side, in each of the pixel blocks, the gate electrode of the other transfer switch is arranged on the side of the other photoelectric conversion unit in the one diffusion region.

第23の態様による固体撮像素子は、第21又は第22の態様において、前記複数の光電変換部の数及び前記複数の転送スイッチの数が、それぞれ2つであるものである。 In the 21st or 22nd aspect of the solid-state image sensor according to the 23rd aspect, the number of the plurality of photoelectric conversion units and the number of the plurality of transfer switches are two, respectively.

第24の態様による固体撮像素子は、前記第17乃至第23のいずれかの態様において、前記各第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部がオフ状態である場合における前記第2のノードと基準電位との間の容量の値は、前記第1のスイッチ部がオフ状態である場合における当該第1のノードと前記基準電位との間の容量の値に対して±20%の範囲内の値であるものである。 The solid-state image sensor according to the 24th aspect is the second node in any one of the 17th to 23rd aspects when the first switch unit and the second switch unit are in the off state. The capacitance value between and the reference potential is within ± 20% of the capacitance value between the first node and the reference potential when the first switch unit is in the off state. Is the value of.

第25の態様による固体撮像素子は、前記第17乃至第24のいずれかの態様において、前記第2のノードに接続されている配線の少なくとも一部の幅が前記画素ブロック内の他の配線の幅よりも広いこと、前記第2のノードにMOS容量が接続されていること、及び、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のいずれも構成しない拡散容量が前記第2のゲートに接続されていること、のうちのいずれか1つ以上を満たすものである。 In the solid-state image sensor according to the 25th aspect, in any one of the 17th to 24th aspects, at least a part of the width of the wiring connected to the second node is the width of the other wiring in the pixel block. The width is wider than the width, the MOS capacitance is connected to the second node, and the diffusion capacitance that does not form either the first switch section or the second switch section is provided to the second gate. It satisfies any one or more of being connected.

第26の態様による撮像装置は、前記第1乃至第25のいずれかの態様による固体撮像素子を備えたものである。 The image pickup device according to the 26th aspect includes a solid-state image pickup device according to any one of the first to 25th aspects.

第27の態様による撮像装置は、前記第2、第3、第5、第6、第9、第11、第18及び第20のいずれかの態様による固体撮像素子と、ISO感度の設定値に応じて前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを切り替える制御手段と、を備えたものである。 The image pickup device according to the 27th aspect is the solid-state image pickup device according to any one of the second, third, fifth, sixth, ninth, eleventh, 18th, and twentieth aspects, and the ISO sensitivity set value. It is provided with a control means for switching between the first operation mode and the second operation mode accordingly.

本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、高感度読出し時のSN比を向上させることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state image sensor capable of expanding the dynamic range and improving the SN ratio at the time of high-sensitivity reading, and an image pickup device using the solid-state image sensor.

本発明の第1の実施の形態による電子カメラを模式的に示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows typically the electronic camera by 1st Embodiment of this invention. 図1中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the solid-state image sensor in FIG. 図2中の3つの画素ブロックの付近を拡大して示す回路図である。It is a circuit diagram which enlarges and shows the vicinity of three pixel blocks in FIG. 図3に示す3つの画素ブロックの付近を模式的に示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows typically the vicinity of three pixel blocks shown in FIG. 図4中の1つの画素ブロックの付近を拡大して示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the vicinity of one pixel block in FIG. 4 enlarged. 図2に示す固体撮像素子の所定の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the predetermined operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 図2に示す固体撮像素子の他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows other operation modes of the solid-state image sensor shown in FIG. 図2に示す固体撮像素子の更に他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the other operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 比較例による固体撮像素子の3つの画素ブロックの付近を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the vicinity of three pixel blocks of a solid-state image sensor by a comparative example. 図9に示す3つの画素ブロックの付近を模式的に示す概略平面図である。9 is a schematic plan view schematically showing the vicinity of the three pixel blocks shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の3つの画素ブロックの付近を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the vicinity of three pixel blocks of the solid-state image sensor of the electronic camera by the 2nd Embodiment of this invention. 図11に示す3つの画素ブロックの付近を模式的に示す概略平面図である。FIG. 5 is a schematic plan view schematically showing the vicinity of the three pixel blocks shown in FIG. 本発明の第3の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the solid-state image sensor of the electronic camera by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the solid-state image sensor of the electronic camera by the 4th Embodiment of this invention. 図14中の4つの画素ブロックの付近を拡大して示す回路図である。It is a circuit diagram which enlarges and shows the vicinity of four pixel blocks in FIG. 図14に示す固体撮像素子の所定の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the predetermined operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 図14に示す固体撮像素子の他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows other operation modes of the solid-state image sensor shown in FIG. 図14に示す固体撮像素子の更に他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the other operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 図14に示す固体撮像素子の更に他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the other operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 図14に示す固体撮像素子の更に他の動作モードを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the other operation mode of the solid-state image sensor shown in FIG. 本発明の第5の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the schematic structure of the solid-state image sensor of the electronic camera by the 5th Embodiment of this invention.

以下、本発明による固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the solid-state image sensor and the image pickup device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による電子カメラ1を模式的に示す概略ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic block diagram schematically showing an electronic camera 1 according to the first embodiment of the present invention.

本実施の形態による電子カメラ1は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。 The electronic camera 1 according to the present embodiment is configured as, for example, a single-lens reflex digital camera, but the imaging device according to the present invention is not limited to this, and is mounted on other electronic cameras such as compact cameras and mobile phones. It can be applied to various imaging devices such as electronic cameras and electronic cameras such as video cameras that capture moving images.

電子カメラ1には、撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部3によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像素子4の撮像面が配置される。 A photographing lens 2 is attached to the electronic camera 1. The focus and aperture of the photographing lens 2 are driven by the lens control unit 3. The image pickup surface of the solid-state image sensor 4 is arranged in the image space of the photographing lens 2.

固体撮像素子4は、撮像制御部5の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。通常の本撮影時(静止画撮影時)などでは、撮像制御部5は、例えば、全画素を同時にリセットするいわゆるグローバルリセット後に、図示しないメカニカルシャッタで露光した後に、所定の読み出し動作を行うように固体撮像素子4を制御する。また、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、撮像制御部5は、例えばいわゆるローリング電子シャッタを行いつつ所定の読み出し動作を行うように固体撮像素子4を制御する。これらのとき、撮像制御部5は、後述するように、ISO感度の設定値に応じて、後述する各動作モードの読み出し動作を行うように、固体撮像素子4を制御する。デジタル信号処理部6は、固体撮像素子4から出力されるデジタルの画像信号に対して、デジタル増幅、色補間処理、ホワイトバランス処理などの画像処理等を行う。デジタル信号処理部6による処理後の画像信号は、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続されている。バス8には、レンズ制御部3、撮像制御部5、CPU9、液晶表示パネル等の表示部10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。CPU9には、レリーズ釦などの操作部14が接続される。操作部14によって、ISO感度を設定することができるようになっている。記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。 The solid-state image sensor 4 is driven by a command from the image pickup control unit 5 and outputs a digital image signal. During normal main shooting (still image shooting), for example, the image sensor 5 performs a predetermined readout operation after exposure with a mechanical shutter (not shown) after a so-called global reset that resets all pixels at the same time. The solid-state image sensor 4 is controlled. Further, in the electronic viewfinder mode, when shooting a moving image, or the like, the image pickup control unit 5 controls the solid-state image sensor 4 so as to perform a predetermined readout operation while performing, for example, a so-called rolling electronic shutter. At these times, the image pickup control unit 5 controls the solid-state image sensor 4 so as to perform the read operation of each operation mode described later according to the setting value of the ISO sensitivity, as will be described later. The digital signal processing unit 6 performs image processing such as digital amplification, color interpolation processing, and white balance processing on the digital image signal output from the solid-state image sensor 4. The image signal processed by the digital signal processing unit 6 is temporarily stored in the memory 7. The memory 7 is connected to the bus 8. A lens control unit 3, an image pickup control unit 5, a CPU 9, a display unit 10 such as a liquid crystal display panel, a recording unit 11, an image compression unit 12, an image processing unit 13, and the like are also connected to the bus 8. An operation unit 14 such as a release button is connected to the CPU 9. The ISO sensitivity can be set by the operation unit 14. A recording medium 11a is detachably attached to the recording unit 11.

電子カメラ1内のCPU9は、操作部14の操作により電子ビューファインダーモードや動画撮影や通常の本撮影(静止画撮影)などが指示されると、それに合わせて撮像制御部5を駆動する。このとき、レンズ制御部3によって、フォーカスや絞りが適宜調整される。固体撮像素子4は、撮像制御部5の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。固体撮像素子4からのデジタルの画像信号は、デジタル信号処理部6で処理された後に、メモリ7に蓄積される。CPU9は、電子ビューファインダーモード時にはその画像信号を表示部10に画像表示させ、動画撮影時にはその画像信号を記録媒体11aに記録する。通常の本撮影時(静止画撮影時)などの場合は、CPU9は、固体撮像素子4からのデジタルの画像信号がデジタル信号処理部6で処理されてメモリ7に蓄積された後に、操作部14の指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部11に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。 The CPU 9 in the electronic camera 1 drives the image pickup control unit 5 in accordance with an instruction such as an electronic viewfinder mode, moving image shooting, or normal main shooting (still image shooting) by the operation of the operation unit 14. At this time, the lens control unit 3 appropriately adjusts the focus and the aperture. The solid-state image sensor 4 is driven by a command from the image pickup control unit 5 and outputs a digital image signal. The digital image signal from the solid-state image sensor 4 is processed by the digital signal processing unit 6 and then stored in the memory 7. The CPU 9 causes the display unit 10 to display the image signal in the electronic viewfinder mode, and records the image signal in the recording medium 11a when shooting a moving image. In the case of normal main shooting (still image shooting) or the like, the CPU 9 performs the operation unit 14 after the digital image signal from the solid-state image sensor 4 is processed by the digital signal processing unit 6 and stored in the memory 7. The image processing unit 13 and the image compression unit 12 perform desired processing as necessary, and the recording unit 11 outputs the processed signal and records the processed signal on the recording medium 11a.

図2は、図1中の固体撮像素子4の概略構成を示す回路図である。図3は、図2中の列方向に順次並んだ3つの画素ブロックBLの付近を拡大して示す回路図である。図4は、図3に示す3つの画素ブロックBLの付近を模式的に示す概略平面図である。図5は、図4中の1つの画素ブロックBLの付近を拡大して示す概略平面図である。本実施の形態では、固体撮像素子4は、CMOS型の固体撮像素子として構成されているが、これに限らず、例えば、他のXYアドレス型固体撮像素子として構成してもよい。 FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-state image sensor 4 in FIG. FIG. 3 is an enlarged circuit diagram showing the vicinity of the three pixel blocks BL sequentially arranged in the column direction in FIG. FIG. 4 is a schematic plan view schematically showing the vicinity of the three pixel blocks BL shown in FIG. FIG. 5 is a schematic plan view showing the vicinity of one pixel block BL in FIG. 4 in an enlarged manner. In the present embodiment, the solid-state image sensor 4 is configured as a CMOS-type solid-state image sensor, but is not limited to this, and may be configured as, for example, another XY address-type solid-state image sensor.

固体撮像素子4は、図2乃至図4に示すように、N行M列に2次元マトリクス状に配置されそれぞれ2つの画素PX(PXA,PXB)を有する画素ブロックBLと、画素ブロックBLの1つ当たり複数の連結スイッチとしての連結トランジスタSWa,SWbと、垂直走査回路21と、画素ブロックBLの行毎に設けられた制御線22〜27と、画素PXの列毎に(画素ブロックBLの列毎に)設けられ対応する列の画素PX(画素ブロックBL)からの信号を受け取る複数の(M本の)垂直信号線28と、各垂直信号線28に設けられた定電流源29と、各垂直信号線28に対応して設けられたカラムアンプ30、CDS回路(相関2重サンプリング回路)31及びA/D変換器32と、水平読み出し回路33とを有している。 As shown in FIGS. 2 to 4, the solid-state imaging device 4 is arranged in a two-dimensional matrix in N rows and M columns, and has a pixel block BL having two pixels PX (PXA, PXB) and one of the pixel blocks BL. Connection transistors SWa and SWb as a plurality of connection switches, a vertical scanning circuit 21, control lines 22 to 27 provided for each row of the pixel block BL, and each column of the pixel PX (column of the pixel block BL). A plurality of (M) vertical signal lines 28 provided (for each) and receiving signals from pixels PX (pixel block BL) in the corresponding rows, and a constant current source 29 provided in each vertical signal line 28, and each It has a column amplifier 30, a CDS circuit (correlated double sampling circuit) 31 and an A / D converter 32 provided corresponding to the vertical signal line 28, and a horizontal readout circuit 33.

なお、カラムアンプ30として、アナログ増幅器を用いてもよいし、いわゆるスイッチトキャパシタアンプを用いてもよい。また、カラムアンプ30は、必ずしも設けなくてもよい。 As the column amplifier 30, an analog amplifier may be used, or a so-called switched capacitor amplifier may be used. Further, the column amplifier 30 does not necessarily have to be provided.

図面表記の便宜上、図2ではM=2として示しているが、列数Mは実際にはより多くの任意の数にされる。また、行数Nも限定されない。画素ブロックBLを行毎に区別する場合、j行目の画素ブロックBLは符号BL(j)で示す。この点は、他の要素や後述する制御信号についても同様である。図2及び図3には、3行に渡るn−1行目乃至n+1行目の画素ブロックBL(n−1)〜BL(n+1)が示されている。 For convenience of drawing notation, although it is shown as M = 2 in FIG. 2, the number of columns M is actually a larger arbitrary number. Further, the number of lines N is not limited. When the pixel block BL is distinguished for each row, the pixel block BL on the jth row is indicated by the reference numeral BL (j). This point also applies to other elements and control signals described later. In FIGS. 2 and 3, pixel blocks BL (n-1) to BL (n + 1) in the n-1th to n + 1th rows over three rows are shown.

なお、図面では、画素ブロックBLのうち図2及び図3中下側の画素の符号をPXAとし、図2及び図3中上側の画素の符号をPXBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号PXを付して説明する場合がある。また、図面では、画素PXAのフォトダイオードの符号をPDAとし、画素PXBのフォトダイオードの符号をPDBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号PDを付して説明する場合がある。同様に、画素PXAの転送トランジスタの符号をTXAとし、画素PXBの転送トランジスタの符号をTXBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号TXを付して説明する場合がある。なお、本実施の形態では、画素PXのフォトダイオードPDは、2N行M列に2次元マトリクス状に配置されている。 In the drawings, the reference numerals of the lower pixels in FIGS. 2 and 3 of the pixel block BL are referred to as PXA, and the reference numerals of the upper pixels in FIGS. 2 and 3 are referred to as PXB. When the explanation is made without distinction, both may be described by adding a reference numeral PX. Further, in the drawing, the code of the photodiode of the pixel PXA is PDA, and the code of the photodiode of the pixel PXB is PDB, and the two are distinguished. However, when the explanation is made without distinguishing between the two, the code PD is added to both. May be explained. Similarly, the code of the transfer transistor of the pixel PXA is TXA, and the code of the transfer transistor of the pixel PXB is TXB, and the two are distinguished. However, when the description is made without distinguishing between the two, the code TX is added to both. In some cases. In the present embodiment, the photodiode PDs of the pixel PX are arranged in a 2N row and M column in a two-dimensional matrix.

本実施の形態では、各画素PXは、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDからノードPに電荷を転送する転送スイッチとしての転送トランジスタTXとを有している。 In the present embodiment, each pixel PX has a photodiode PD as a photoelectric conversion unit that generates and stores signal charges according to incident light, and a transfer transistor as a transfer switch that transfers charges from the photodiode PD to the node P. It has TX.

本実施の形態では、複数の画素PXは、フォトダイオードPDが列方向に順次並んだ2個の画素PX(PXA,PXB)毎に画素ブロックBLをなしている。図2及び図3に示すように、各画素ブロックBL毎に、当該画素ブロックBLに属する2個の画素PX(PXA,PXB)が、1組のノードP、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有している。ノードPには基準電位との間に容量(電荷電圧変換容量)が形成され、その容量によって、ノードPに転送されてきた電荷が電圧に変換される。増幅トランジスタAMPは、ノードPの電位に応じた信号を出力する増幅部を構成している。リセットトランジスタRSTは、ノードPの電位をリセットするリセットスイッチを構成している。選択トランジスタSELは、当該画素ブロックBLを選択するための選択部を構成している。フォトダイオードPD及び転送トランジスタTXは、2個の画素PX(PXA,PXB)で共有されることなく、画素PX毎に設けられている。図2及び図3では、nは画素ブロックBLの行を示している。例えば、1行目の画素PX(PXA)と2行目の画素PX(PXB)とにより1行目の画素ブロックBLが構成され、3行目の画素PX(PXA)と4行目の画素PX(PXB)とにより2行目の画素ブロックBLが構成されている。 In the present embodiment, the plurality of pixels PX form a pixel block BL for each of two pixel PXs (PXA, PXB) in which photodiode PDs are sequentially arranged in the column direction. As shown in FIGS. 2 and 3, for each pixel block BL, two pixels PX (PXA, PXB) belonging to the pixel block BL are a set of nodes P, an amplification transistor AMP, a reset transistor RST, and selection. It shares a transistor SEL. A capacitance (charge-voltage conversion capacitance) is formed in the node P with the reference potential, and the charge transferred to the node P is converted into a voltage by the capacitance. The amplification transistor AMP constitutes an amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the node P. The reset transistor RST constitutes a reset switch that resets the potential of the node P. The selection transistor SEL constitutes a selection unit for selecting the pixel block BL. The photodiode PD and the transfer transistor TX are provided for each pixel PX without being shared by the two pixels PX (PXA, PXB). In FIGS. 2 and 3, n indicates a row of pixel block BL. For example, the pixel block BL in the first row is composed of the pixel PX (PXA) in the first row and the pixel PX (PXB) in the second row, and the pixel PX (PXA) in the third row and the pixel PX in the fourth row. (PXB) and the pixel block BL of the second row are configured.

なお、本発明では、例えば、フォトダイオードPDが列方向に順次並んだ3個以上の画素PX毎に画素ブロックBLを構成するようにしてもよい。 In the present invention, for example, the pixel block BL may be configured for each of three or more pixel PXs in which the photodiode PDs are sequentially arranged in the column direction.

図面には示していないが、本実施の形態では、各々の画素PXのフォトダイオードPDの光入射側には、それぞれが異なる色成分の光を透過させる複数種類のカラーフィルタが、所定の色配列(例えば、ベイヤー配列)で配置されている。画素PXは、カラーフィルタでの色分解によって各色に対応する電気信号を出力する。 Although not shown in the drawings, in the present embodiment, a plurality of types of color filters that transmit light having different color components are arranged in a predetermined color arrangement on the light incident side of the photodiode PD of each pixel PX. (For example, Bayer arrangement). The pixel PX outputs an electric signal corresponding to each color by color separation by a color filter.

各画素ブロックBLのうちの列方向に互いに隣り合う各2つの画素ブロックBLについて、一方の画素ブロックBLのノードPと他方の画素ブロックBLのノードPとの間に設けられた電気的な接続路(接続部)であってその間に固有の接続路(接続部)中に、2つの連結スイッチとしての2つの連結トランジスタSWa,SWbが直列に設けられている。これによって、本実施の形態では、3つ以上の画素ブロックBLのノードPが、複数の前記接続路(接続部)により数珠繋ぎ状に接続されている。それらの2つの連結トランジスタSWa,SWbのうち、連結トランジスタSWaは、図2及び図3中の下側の画素ブロックBLのノードPの側に配置されたものであり、連結トランジスタSWbは、図2及び図3中の上側の画素ブロックBLのノードPの側に配置されたものである。 An electrical connection path provided between a node P of one pixel block BL and a node P of the other pixel block BL for each of two pixel block BLs adjacent to each other in the column direction of each pixel block BL. Two connection transistors SWa and SWb as two connection switches are provided in series in the connection path (connection portion) which is (connection portion) and is unique between them. As a result, in the present embodiment, the nodes P of the three or more pixel block BLs are connected in a beaded shape by the plurality of connection paths (connection portions). Of these two connected transistors SWa and SWb, the connected transistor SWa is arranged on the side of the node P of the lower pixel block BL in FIGS. 2 and 3, and the connected transistor SWb is shown in FIG. And, it is arranged on the side of the node P of the upper pixel block BL in FIG.

例えば、n行目の画素ブロックBL(n)のノードP(n)とn+1行目の画素ブロックBLのノードP(n+1)との間の電気的な接続路であってその間に固有の接続路中に、2つの連結トランジスタSWa(n),SWb(n)が直列に設けられている。図4に示すように、連結トランジスタSWa(n)は画素ブロックBL(n)の領域内に形成される一方、連結トランジスタSWb(n)は画素ブロックBL(n+1)の領域内に形成されているが、これらの連結トランジスタSWa(n),SWb(n)には、同じ固有の接続路中に直列に設けられていることを示すために、符号の末尾に同じ(n)を付している。なお、本発明では、前記各固有の接続路中に3個以上の連結スイッチを直列に設けてもよいが、構造を簡単にするために、本実施の形態のように、前記各固有の接続路中に2個の連結トランジスタSWa,SWbを直列に設けることが好ましい。 For example, an electrical connection path between the node P (n) of the pixel block BL (n) on the nth row and the node P (n + 1) of the pixel block BL on the n + 1th line, and a unique connection path between them. Two connecting transistors SWa (n) and SWb (n) are provided in series therein. As shown in FIG. 4, the connecting transistor SWa (n) is formed in the region of the pixel block BL (n), while the connecting transistor SWb (n) is formed in the region of the pixel block BL (n + 1). However, the same (n) is added to the end of the reference numerals to these connected transistors SWa (n) and SWb (n) to indicate that they are provided in series in the same unique connection path. .. In the present invention, three or more connecting switches may be provided in series in each of the unique connection paths, but in order to simplify the structure, each of the unique connections is made as in the present embodiment. It is preferable to provide two connecting transistors SWa and SWb in series in the path.

図2及び図3において、VDDは電源電位である。なお、本実施の形態では、トランジスタTXA,TXB,AMP,RST,SEL,SWa,SWbは、全てnMOSトランジスタである。 In FIGS. 2 and 3, VDD is the power supply potential. In the present embodiment, the transistors TXA, TXB, AMP, RST, SEL, SWa, and SWb are all nMOS transistors.

転送トランジスタTXAのゲートは行毎に制御線26に共通に接続され、そこには、制御信号φTXAが垂直走査回路21から供給される。転送トランジスタTXBのゲートは行毎に制御線25に共通に接続され、そこには、制御信号φTXBが垂直走査回路21から供給される。リセットトランジスタRSTのゲートは行毎に制御線24に共通に接続され、そこには、制御信号φRSTが垂直走査回路21から供給される。選択トランジスタSELのゲートは行毎に制御線23に共通に接続され、そこには、制御信号φSELが垂直走査回路21から供給される。連結トランジスタSWaのゲートは行毎に制御線22に共通に接続され、そこには、制御信号φSWaが垂直走査回路21から供給される。連結トランジスタSWbのゲートは行毎に制御線27に共通に接続され、そこには、制御信号φSWbが垂直走査回路21から供給される。例えば、転送トランジスタTXA(n)のゲートには制御信号φTXA(n)が供給され、転送トランジスタTXB(n)のゲートには制御信号φTXB(n)が供給され、リセットトランジスタRST(n)のゲートには制御信号φRST(n)が供給され、選択トランジスタSEL(n)のゲートには制御信号φSEL(n)が供給され、連結トランジスタSWa(n)のゲートには制御信号φSWa(n)が供給され、連結トランジスタSWb(n)のゲートには制御信号φSWb(n)が供給される。 The gate of the transfer transistor TXA is commonly connected to the control line 26 line by line, to which the control signal φTXA is supplied from the vertical scanning circuit 21. The gate of the transfer transistor TXB is commonly connected to the control line 25 line by line, to which the control signal φTXB is supplied from the vertical scanning circuit 21. The gate of the reset transistor RST is commonly connected to the control line 24 line by line, to which the control signal φRST is supplied from the vertical scanning circuit 21. The gate of the selection transistor SEL is commonly connected to the control line 23 line by line, to which the control signal φSEL is supplied from the vertical scanning circuit 21. The gate of the connecting transistor SWa is commonly connected to the control line 22 for each row, and the control signal φSWa is supplied to the control line 22 from the vertical scanning circuit 21. The gate of the connecting transistor SWb is commonly connected to the control line 27 for each row, and the control signal φSWb is supplied from the vertical scanning circuit 21 to the control line 27. For example, the control signal φTXA (n) is supplied to the gate of the transfer transistor TXA (n), the control signal φTXB (n) is supplied to the gate of the transfer transistor TXB (n), and the gate of the reset transistor RST (n). The control signal φRST (n) is supplied to the gate, the control signal φSEL (n) is supplied to the gate of the selection transistor SEL (n), and the control signal φSWa (n) is supplied to the gate of the connecting transistor SWa (n). Then, the control signal φSWb (n) is supplied to the gate of the connecting transistor SWb (n).

各トランジスタTXA,TXB,RST,SEL,SWa,SWbは、対応する制御信号φTXA,φTXB,φRST,φSEL,φSWa,φSWbがハイレベル(H)のときにオンし、ローレベル(L)のときにオフする。 Each transistor TXA, TXB, RST, SEL, SWa, SWb is turned on when the corresponding control signals φTXA, φTXB, φRST, φSEL, φSWa, φSWb are high level (H), and when the corresponding control signals are low level (L). Turn off.

垂直走査回路21は、図1中の撮像制御部5による制御下で、画素ブロックBLの行毎に、制御信号φTXA,φTXB,φRST,φSEL,φSWa,φSWbをそれぞれ出力し、画素ブロックBL、連結トランジスタSWa,SWbを制御し、静止画読み出し動作や動画読み出し動作などを実現する。この制御において、例えばISO感度の設定値に応じて、後述する各動作モードの読み出し動作が行われる。この制御によって、各垂直信号線28には、それに対応する列の画素PXの信号(アナログ信号)が供給される。 Under the control of the image pickup control unit 5 in FIG. 1, the vertical scanning circuit 21 outputs control signals φTXA, φTXB, φRST, φSEL, φSWa, and φSWb for each row of the pixel block BL, and connects the pixel block BL and the connection. The transistors SWa and SWb are controlled to realize a still image reading operation, a moving image reading operation, and the like. In this control, for example, a read operation of each operation mode described later is performed according to a set value of ISO sensitivity. By this control, each vertical signal line 28 is supplied with a signal (analog signal) of the pixel PX in the corresponding row.

本実施の形態では、垂直走査回路21は、後述する各動作モードを、図1中の撮像制御部5からの指令(制御信号)に応じて切り替えて行う制御部を構成している。 In the present embodiment, the vertical scanning circuit 21 constitutes a control unit that switches each operation mode described later according to a command (control signal) from the imaging control unit 5 in FIG.

垂直信号線28に読み出された信号は、各列毎に、カラムアンプ30で増幅され更にCDS回路31にて光信号(画素PXで光電変換された光情報を含む信号)と暗信号(光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号)との差分を得る処理が施された後に、A/D変換器32にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はA/D変換器32に保持される。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。 The signal read out on the vertical signal line 28 is amplified by the column amplifier 30 in each column and further amplified by the CDS circuit 31 as an optical signal (a signal including optical information photoelectrically converted by the pixel PX) and a dark signal (light). After processing to obtain the difference from the signal for difference including the noise component to be subtracted from the signal), it is converted into a digital signal by the A / D converter 32, and the digital signal is held in the A / D converter 32. Will be done. The digital image signal held in each A / D converter 32 is horizontally scanned by the horizontal readout circuit 33, converted into a predetermined signal format as necessary, and externally (digital signal processing unit 6 in FIG. 1). ) Is output.

なお、CDS回路31は、図1中の撮像制御部5による制御下でタイミング発生回路(図示せず)から暗信号サンプリング信号φDARKCを受け、φDARKCがハイレベル(H)の場合にカラムアンプ30の出力信号を暗信号としてサンプリングするとともに、図1中の撮像制御部5による制御下で前記タイミング発生回路から光信号サンプリング信号φSIGCを受け、φSIGCがHの場合にカラムアンプ30の出力信号を光信号としてサンプリングする。そして、CDS回路31は、前記タイミング発生回路からのクロックやパルスに基づいて、サンプリングした暗信号と光信号との差分に応じた信号を出力する。このようなCDS回路31の構成としては、公知の構成を採用することができる。 The CDS circuit 31 receives a dark signal sampling signal φDARKC from a timing generation circuit (not shown) under the control of the imaging control unit 5 in FIG. 1, and when φDARKC is high level (H), the column amplifier 30 The output signal is sampled as a dark signal, and the optical signal sampling signal φSIGC is received from the timing generation circuit under the control of the imaging control unit 5 in FIG. 1. When φSIGC is H, the output signal of the column amplifier 30 is an optical signal. Sampling as. Then, the CDS circuit 31 outputs a signal corresponding to the difference between the sampled dark signal and the optical signal based on the clock or pulse from the timing generation circuit. As the configuration of such a CDS circuit 31, a known configuration can be adopted.

ここで、図4及び図5を参照して、画素ブロックBLの構造について説明する。実際には、フォトダイオードPDの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズ等が配置されるが、図4及び図5では省略している。なお、図4及び図5において、電源線、グランド線及び制御線22〜27等のレイアウトは省略している。 Here, the structure of the pixel block BL will be described with reference to FIGS. 4 and 5. Actually, a color filter, a microlens, etc. are arranged on the upper part of the photodiode PD, but they are omitted in FIGS. 4 and 5. In addition, in FIGS. 4 and 5, the layout of the power supply line, the ground line, the control lines 22 to 27, etc. is omitted.

本実施の形態では、N型シリコン基板(図示せず)上にP型ウエル(図示せず)が設けられ、前記P型ウエル中にフォトダイオードPDなどの画素ブロックBLにおける各素子が配置されている。図5において、符号41〜49は、前述した各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域である。符号61〜67は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。なお、拡散領域42,45は、図示しない電源線により電源電圧VDDが印加される領域である。 In the present embodiment, a P-type well (not shown) is provided on an N-type silicon substrate (not shown), and each element in the pixel block BL such as a photodiode PD is arranged in the P-type well. There is. In FIG. 5, reference numerals 41 to 49 are N-type impurity diffusion regions that are a part of each of the above-mentioned transistors. Reference numerals 61 to 67 are gate electrodes of each transistor made of polysilicon. The diffusion regions 42 and 45 are regions in which the power supply voltage VDD is applied by a power supply line (not shown).

フォトダイオードPDA(n),PDB(n)は、前記P型ウエル中に設けられたN型の電荷蓄積層(図示せず)とその表面側に配置されたP型の空乏化防止層(図示せず)からなる埋め込み型フォトダイオードである。フォトダイオードPDA(n),PDB(n)は、入射する光を光電変換し、生じた電荷をその電荷蓄積層に蓄積する。 The photodiodes PDA (n) and PDB (n) are an N-type charge storage layer (not shown) provided in the P-type well and a P-type depletion prevention layer (not shown) arranged on the surface side thereof (FIG.). It is an embedded photodiode consisting of (not shown). The photodiodes PDA (n) and PDB (n) photoelectrically convert incident light and accumulate the generated charge in the charge storage layer.

転送トランジスタTXA(n)は、フォトダイオードPDA(n)の電荷蓄積層をソース、拡散領域41をドレイン、ゲート電極61をゲートとするnMOSトランジスタである。転送トランジスタTXB(n)は、フォトダイオードPDB(n)の電荷蓄積層をソース、拡散領域41をドレイン、ゲート電極62をゲートとするnMOSトランジスタである。拡散領域41は、フォトダイオードPDA(n)とフォトダイオードPDB(n)との間に設けられている。拡散領域41は、転送トランジスタTXA(n)のドレインとなる拡散領域及び転送トランジスタTXB(n)のドレインとなる拡散領域として、兼用されている。転送トランジスタTXA(n)のゲート電極61は、拡散領域41のフォトダイオードPDA(n)側に配置されている。転送トランジスタTXB(n)のゲート電極62は、拡散領域41のフォトダイオードPDB(n)側に配置されている。 The transfer transistor TXA (n) is an nMOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PDA (n) as the source, the diffusion region 41 as the drain, and the gate electrode 61 as the gate. The transfer transistor TXB (n) is an nMOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PDB (n) as the source, the diffusion region 41 as the drain, and the gate electrode 62 as the gate. The diffusion region 41 is provided between the photodiode PDA (n) and the photodiode PDB (n). The diffusion region 41 is also used as a diffusion region serving as a drain of the transfer transistor TXA (n) and a diffusion region serving as a drain of the transfer transistor TXB (n). The gate electrode 61 of the transfer transistor TXA (n) is arranged on the photodiode PDA (n) side of the diffusion region 41. The gate electrode 62 of the transfer transistor TXB (n) is arranged on the photodiode PDB (n) side of the diffusion region 41.

増幅トランジスタAMP(n)は、拡散領域42をドレイン、拡散領域43をソース、ゲート電極63をゲートとするnMOSトランジスタである。選択トランジスタSEL(n)は、拡散領域43をドレイン、拡散領域44をソース、ゲート電極64をゲートとするnMOSトランジスタである。拡散領域44は、垂直信号線28に接続されている。リセットトランジスタRST(n)は、拡散領域45をドレイン、拡散領域46をソース、ゲート電極65をゲートとするnMOSトランジスタである。 The amplification transistor AMP (n) is an nMOS transistor having a diffusion region 42 as a drain, a diffusion region 43 as a source, and a gate electrode 63 as a gate. The selection transistor SEL (n) is an nMOS transistor having a diffusion region 43 as a drain, a diffusion region 44 as a source, and a gate electrode 64 as a gate. The diffusion region 44 is connected to the vertical signal line 28. The reset transistor RST (n) is an nMOS transistor having a diffusion region 45 as a drain, a diffusion region 46 as a source, and a gate electrode 65 as a gate.

連結トランジスタSWa(n)は、拡散領域46をソース、拡散領域47をドレイン、ゲート電極66をゲートとするnMOSトランジスタである。連結トランジスタSWb(n−1)は、拡散領域48をドレイン、拡散領域49をソース、ゲート電極67をゲートとするnMOSトランジスタである。 The connection transistor SWa (n) is an nMOS transistor having a diffusion region 46 as a source, a diffusion region 47 as a drain, and a gate electrode 66 as a gate. The connection transistor SWb (n-1) is an nMOS transistor having a diffusion region 48 as a drain, a diffusion region 49 as a source, and a gate electrode 67 as a gate.

画素ブロックBL(n)のゲート電極63及び拡散領域41,46並びに連結トランジスタSWb(n−1)の拡散領域48間が、配線71(n)によって互いに電気的に接続されて導通している。本実施の形態では、ノードP(n)は、配線71(n)及びこれに対して電気的に接続されて導通している箇所全体に相当している。 The gate electrode 63 of the pixel block BL (n), the diffusion regions 41 and 46, and the diffusion region 48 of the connecting transistor SWb (n-1) are electrically connected to each other by the wiring 71 (n) to conduct electricity. In the present embodiment, the node P (n) corresponds to the wiring 71 (n) and the entire portion electrically connected to and conducting the wiring 71 (n).

n行目以外の画素ブロックBLの構造も、前述したn行目の画素ブロックBL(n)の構造と同様である。連結トランジスタSWa(n)以外の連結トランジスタSWaの構造も、前述した連結トランジスタSWa(n)の構造と同様である。連結トランジスタSWb(n)以外の連結トランジスタSWbの構造も、前述した連結トランジスタSWb(n)の構造と同様である。 The structure of the pixel block BL other than the nth row is the same as the structure of the pixel block BL (n) of the nth row described above. The structure of the connected transistor SWa other than the connected transistor SWa (n) is the same as the structure of the connected transistor SWa (n) described above. The structure of the connected transistor SWb other than the connected transistor SWb (n) is the same as the structure of the connected transistor SWb (n) described above.

そして、前記各固有の接続路中に直列に設けられている2個の連結トランジスタSWa,SWbについて、連結トランジスタSWaの拡散領域47と連結トランジスタSWbの拡散領域49との間が、配線72によって接続されている。例えば、連結トランジスタSWa(n−1)の拡散領域47と連結トランジスタSWb(n−1)の拡散領域49との間が、配線72(n−1)によって電気的に接続されている。配線72(n−1)は、連結トランジスタSWa(n−1),SWb(n−1)がオフである場合における連結トランジスタSWa(n−1),SWb(n−1)間の接続部を構成している。連結トランジスタSWa(n)の拡散領域47と連結トランジスタSWb(n)の拡散領域49との間が、配線72(n)によって電気的に接続されている。配線72(n)は、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)がオフである場合における連結トランジスタSWa(n),SWb(n)間の接続部を構成している。 Then, with respect to the two connecting transistors SWa and SWb provided in series in each of the unique connecting paths, the diffusion region 47 of the connecting transistor SWa and the diffusion region 49 of the connecting transistor SWb are connected by the wiring 72. Has been done. For example, the diffusion region 47 of the connection transistor SWa (n-1) and the diffusion region 49 of the connection transistor SWb (n-1) are electrically connected by wiring 72 (n-1). The wiring 72 (n-1) connects the connection portions between the connection transistors SWa (n-1) and SWb (n-1) when the connection transistors SWa (n-1) and SWb (n-1) are off. It is configured. The diffusion region 47 of the connection transistor SWa (n) and the diffusion region 49 of the connection transistor SWb (n) are electrically connected by the wiring 72 (n). The wiring 72 (n) constitutes a connection portion between the connecting transistors SWa (n) and SWb (n) when the connecting transistors SWa (n) and SWb (n) are off.

ここで、図4に示すように、前記各固有の接続路中に直列に設けられている2個の連結トランジスタSWa,SWb間の列方向の位置ずれ量をLsとし、フォトダイオードPDの列方向のピッチをPgとする。本発明では、ピッチPgと位置ずれLsとの関係は限定されるものではないが、後述する容量CAの容量値Cfd1を小さくするためには、pg<Ls<2×Pgであることが好ましい。本実施の形態では、例えば、連結トランジスタSWb(n−1)が連結トランジスタSWa(n)の近傍に配置され、位置ずれ量Lsが2×Pgをわずかに下回るよう程度に設定されて、配線71(n)の長さが極力短くされ、後述する容量CA(n)の容量値Cfd1が極力小さくなるようになっている。 Here, as shown in FIG. 4, the amount of misalignment in the row direction between the two connecting transistors SWa and SWb provided in series in each of the unique connection paths is Ls, and the row direction of the photodiode PD is defined as Ls. Let Pg be the pitch of. In the present invention, the relationship between the pitch Pg and the misalignment Ls is not limited, but in order to reduce the capacitance value Cfd1 of the capacitance CA described later, it is preferable that pg <Ls <2 × Pg. In the present embodiment, for example, the connecting transistor SWb (n-1) is arranged in the vicinity of the connecting transistor SWa (n), and the misalignment amount Ls is set to be slightly less than 2 × Pg, and the wiring 71. The length of (n) is shortened as much as possible, and the capacitance value Cfd1 of the capacitance CA (n) described later is made as small as possible.

図2乃至図5において、CA(n)は、連結トランジスタSWa(n),SWb(n−1)がオフしている場合の、ノードP(n)と基準電位との間の容量である。容量CA(n)の容量値をCfd1とする。CB(n)は、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)がオフしている場合の、配線72(n)と基準電位との間の容量を示している。容量CB(n)の容量値をCfd2とする。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 In FIGS. 2 to 5, CA (n) is a capacitance between the node P (n) and the reference potential when the connected transistors SWa (n) and SWb (n-1) are off. Let the capacity value of the capacity CA (n) be Cfd1. CB (n) indicates the capacitance between the wiring 72 (n) and the reference potential when the connected transistors SWa (n) and SWb (n) are off. Let the capacitance value of the capacitance CB (n) be Cfd2. These points are the same for the rows of other pixel blocks BL.

容量CA(n)は、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域41の容量と、リセットトランジスタRST(n)のソース拡散領域46の容量と、連結トランジスタSWa(n)のソース拡散領域46の容量と、連結トランジスタSWb(n−1)のドレイン拡散領域48の容量と、増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極63の容量と、配線71(n)の配線容量とから構成され、それらの容量値の合計が容量CA(n)の容量値Cfd1となる。この点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The capacitance CA (n) is the capacitance of the drain diffusion region 41 of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), the capacitance of the source diffusion region 46 of the reset transistor RST (n), and the source of the connection transistor SWa (n). It is composed of the capacitance of the diffusion region 46, the capacitance of the drain diffusion region 48 of the connecting transistor SWb (n-1), the capacitance of the gate electrode 63 of the amplification transistor AMP (n), and the wiring capacitance of the wiring 71 (n). , The sum of those capacity values is the capacity value Cfd1 of the capacity CA (n). This point is the same for the rows of other pixel blocks BL.

ここで、連結トランジスタSWaのオン時のチャネル容量の値及び連結トランジスタSWbのオン時のチャネル容量の値を、両方ともCswとする。通常、容量値Cswは、容量値Cfd1,Cfd2に対して小さい値である。 Here, the value of the channel capacitance when the connected transistor SWa is turned on and the value of the channel capacitance when the connected transistor SWb is turned on are both set to Csw. Usually, the capacitance value Csw is a small value with respect to the capacitance values Cfd1 and Cfd2.

今、画素ブロックBL(n)に着目して、連結トランジスタSWa(n),SWb(n−1)が両方ともオフする(すなわち、各連結トランジスタSWa,SWbのうちのオン状態の連結トランジスタがノードP(n)に対して電気的に接続された状態とならず、連結トランジスタSWa,SWbが設けられている接続路がノードP(n)に対して電気的に接続された状態とならない)と、ノードP(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CA(n)となる。よって、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1となる。この状態は、後述する第1の動作モードを示す図6中の期間T2の状態に相当している。 Now, focusing on the pixel block BL (n), both the connected transistors SWa (n) and SWb (n-1) are turned off (that is, the connected transistor in the on state of the connected transistors SWa and SWb is the node. It will not be in a state of being electrically connected to P (n), and the connection path provided with the connecting transistors SWa and SWb will not be in a state of being electrically connected to the node P (n)). , The capacitance (charge-voltage conversion capacitance) between the node P (n) and the reference potential is the capacitance CA (n). Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is Cfd1. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 6 showing the first operation mode described later.

また、画素ブロックBL(n)に着目して、連結トランジスタSWa(n)がオンすると、各連結トランジスタSWa,SWbのうち連結トランジスタSWa(n)以外のオン状態の連結トランジスタがノードP(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、連結トランジスタSWb(n−1),SWb(n)がオフであれば)、ノードP(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CA(n)に対して、容量CB(n)及び連結トランジスタSWa(n)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+Cfd2+Csw≒Cfd1+Cfd2となる。この状態は、後述する第2Aの動作モードを示す図7中の期間T2の状態に相当している。 Further, paying attention to the pixel block BL (n), when the connected transistor SWa (n) is turned on, the connected transistors in the on state other than the connected transistors SWa (n) among the connected transistors SWa and SWb are connected to the node P (n). If the state is not electrically connected to (specifically, if the connected transistors SWb (n-1) and SWb (n) are off), the node P (n) and the reference The capacitance between the potential and the potential (charge-voltage conversion capacitance) is obtained by adding the channel capacitance when the capacitance CB (n) and the connecting transistor SWa (n) are on to the capacitance CA (n). Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is Cfd1 + Cfd2 + Csw≈Cfd1 + Cfd2. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 7, which shows the operation mode of the second A described later.

さらに、画素ブロックBL(n)に着目して、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)が両方ともオンすると、各連結トランジスタSWa,SWbのうち連結トランジスタSWa(n),SWb(n)以外のオン状態の連結トランジスタがノードP(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、連結トランジスタSWb(n−1),SWa(n+1)がオフであれば)、ノードP(n)の電荷電圧変換容量は、容量CA(n)に対して、容量CB(n)、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)のオン時のチャネル容量及び容量CA(n+1)を付加したものとなる。よって、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1+Cfd2+2×Csw≒2×Cfd1+Cfd2となる。この状態は、後述する第2Bの動作モードを示す図8中の期間T2の状態に相当している。 Further, paying attention to the pixel block BL (n), when both the connected transistors SWa (n) and SWb (n) are turned on, among the connected transistors SWa and SWb, other than the connected transistors SWa (n) and SWb (n). Unless the connected transistor in the ON state of is electrically connected to the node P (n) (specifically, here, the connected transistors SWb (n-1) and SWa (n + 1) are turned off. If), the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is the channel capacitance when the capacitance CB (n), the connected transistors SWa (n), and SWb (n) are turned on with respect to the capacitance CA (n). The capacity CA (n + 1) is added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is 2 × Cfd1 + Cfd2 + 2 × Csw≈2 × Cfd1 + Cfd2. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 8 showing the operation mode of the second B described later.

このように、各連結トランジスタSWa,SWbのうちノードP(n)に対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタがなければ、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値が最小となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、最高のSN比での読出しが可能となる。 As described above, if there is no connected transistor in the on state electrically connected to the node P (n) among the connected transistors SWa and SWb, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is the minimum. Therefore, the charge-voltage conversion coefficient due to the charge-voltage conversion capacity becomes large, so that the reading with the highest SN ratio becomes possible.

一方、各連結トランジスタSWa,SWbのうちノードP(n)に対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタの数を1つ以上の所望の数に増やしていけば、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値を所望の値に大きくすることができ、大きな信号電荷量を扱うことができるため、飽和電子数を拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。 On the other hand, if the number of on-state connected transistors electrically connected to the node P (n) among the connected transistors SWa and SWb is increased to one or more desired number, the node P (n) Since the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance can be increased to a desired value and a large signal charge amount can be handled, the number of saturated electrons can be increased. As a result, the dynamic range can be expanded.

以上、画素ブロックBL(n)のノードP(n)について説明したが、他の画素ブロックBLのノードPについても同様である。 The node P (n) of the pixel block BL (n) has been described above, but the same applies to the node P of the other pixel block BL.

図6は、図2に示す固体撮像素子4の第1の動作モードを示すタイミングチャートである。この第1の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各連結トランジスタSWa,SWbのうち選択された画素ブロックBLのノードPに対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタがない状態(当該ノードPの電荷電圧変換容量が最小である状態)で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。図6に示す例では、全画素PXA,PXBの信号を読み出すが、これに限らず、例えば、画素行を間引いて読み出す間引き読み出し等を行ってもよい。この点は、後述する図7及び図8にそれぞれ示す各例についても同様である。 FIG. 6 is a timing chart showing the first operation mode of the solid-state image sensor 4 shown in FIG. In this first operation mode, each pixel block BL is sequentially selected row by row, and is electrically connected to the node P of the selected pixel block BL among the connected transistors SWa and SWb. The transfer transistors TXA and TXB of the selected pixel block BL are sequentially and selectively turned on in the state where there is no connecting transistor of (the state where the charge-voltage conversion capacity of the node P is the minimum), and the selected pixel block BL is selected. This is an example of an operation of sequentially reading out the signals of the photodiodes PDA and PDB of the above for each row. In the example shown in FIG. 6, the signals of all pixels PXA and PXB are read, but the present invention is not limited to this, and for example, thinning-out reading may be performed by thinning out the pixel rows. This point is the same for each of the examples shown in FIGS. 7 and 8 described later.

図6は、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。いずれの行の画素ブロックBLが選択された場合の動作も同様であるので、ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択された場合の動作についてのみ説明する。 In FIG. 6, the pixel block BL (n-1) in the n-1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the pixels in the n + 1th row in the period T3. It shows the situation where the block BL (n + 1) is selected. Since the operation when the pixel block BL of any row is selected is the same, only the operation when the pixel block BL (n) of the nth row is selected will be described here.

期間T2の開始前に既に、所定の露光期間において、フォトダイオードPDA(n),PDB(n)の露光が終了している。この露光は、通常の本撮影時(静止画撮影時)などでは、全画素を同時にリセットするいわゆるグローバルリセット後にメカニカルシャッタ(図示せず)により行われ、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、いわゆるローリング電子シャッタ動作により行われる。期間T2の開始直前には、全てのトランジスタSEL,RST,TXA,TXB,SWa,SWbはオフしている。 The exposure of the photodiodes PDA (n) and PDB (n) has already been completed in the predetermined exposure period before the start of the period T2. This exposure is performed by a mechanical shutter (not shown) after a so-called global reset that resets all pixels at the same time during normal main shooting (still image shooting), and in electronic viewfinder mode or movie shooting. , So-called rolling electronic shutter operation. Immediately before the start of the period T2, all the transistors SEL, RST, TXA, TXB, SWa, and SWb are turned off.

期間T2において、n行目のφSEL(n)がHにされ、n行目の画素ブロックBL(n)の選択トランジスタSEL(n)がオンにされ、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される。 In the period T2, φSEL (n) in the nth row is set to H, the selection transistor SEL (n) in the pixel block BL (n) in the nth row is turned on, and the pixel block BL (n) in the nth row is changed. Be selected.

また、期間T2において、φSWa(n),φSWb(n−1)がLにされ、連結トランジスタSWa(n),SWb(n−1)がオフにされる。これにより、期間T2において、各連結トランジスタSWa,SWbのうち選択された画素ブロックBL(n)のノードP(n)に対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタがない状態となる。したがって、前述したように、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1となり、最小となる。 Further, in the period T2, φSWa (n) and φSWb (n-1) are set to L, and the connected transistors SWa (n) and SWb (n-1) are turned off. As a result, in the period T2, there is no connected transistor in the on state that is electrically connected to the node P (n) of the selected pixel block BL (n) among the connected transistors SWa and SWb. Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is Cfd1, which is the minimum.

期間T2の開始直後から一定期間だけ、φRST(n)がHにされてn行目のリセットトランジスタRST(n)が一旦オンにされ、ノードP(n)の電位が一旦電源電位VDDにリセットされる。 For a certain period from the start of the period T2, φRST (n) is set to H, the reset transistor RST (n) on the nth line is temporarily turned on, and the potential of the node P (n) is temporarily reset to the power supply potential VDD. To.

期間T2中のその後の時点t1から一定期間だけ、暗信号サンプリング信号φDARKCがHにされて、ノードP(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、暗信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。 The dark signal sampling signal φDARKC is set to H for a certain period from the subsequent time point t1 in the period T2, and the potential appearing at the node P (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) on the nth line, and then the selection transistor. The signal further amplified by the column amplifier 30 via the SEL (n) and the vertical signal line 28 is sampled by the CDS circuit 31 as a dark signal.

期間T2中のその後の時点t2から一定期間だけ、φTXA(n)がHにされてn行目の転送トランジスタTXA(n)がオンにされる。これにより、n行目の画素ブロックBL(n)のフォトダイオードPDA(n)に蓄積されていた信号電荷が、ノードP(n)の電荷電圧変換容量に転送される。ノードP(n)の電位は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量とノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値の逆数とに比例した値となる。 For a certain period of time from the subsequent time point t2 in the period T2, φTXA (n) is set to H and the transfer transistor TXA (n) on the nth row is turned on. As a result, the signal charge stored in the photodiode PDA (n) of the pixel block BL (n) on the nth row is transferred to the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n). The potential of the node P (n) is a value proportional to the amount of this signal charge and the reciprocal of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n), excluding the noise component.

期間T2中のその後の時点t3において、光信号サンプリング信号φSIGCがHにされて、ノードP(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、光信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。 At the subsequent time point t3 during the period T2, the optical signal sampling signal φSIGC is set to H, the potential appearing at the node P (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) on the nth line, and then the selection transistor SEL (n). ) And the signal further amplified by the column amplifier 30 via the vertical signal line 28 are sampled by the CDS circuit 31 as an optical signal.

その後にφSIGCがLになった時点の後に、CDS回路31は、時点t1からの一定期間でサンプリングした暗信号と時点t3からの一定時間でサンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。A/D変換器32は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、デジタル信号画像信号として外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。 After that, after the time when φSIGC becomes L, the CDS circuit 31 outputs a signal corresponding to the difference between the dark signal sampled in a certain period from the time point t1 and the optical signal sampled in a certain time from the time point t3. .. The A / D converter 32 converts a signal corresponding to this difference into a digital signal and holds it. The digital image signal held in each A / D converter 32 is horizontally scanned by the horizontal readout circuit 33 and output as a digital signal image signal to the outside (digital signal processing unit 6 in FIG. 1).

そして、期間T2中の時点t4から一定期間だけ、φRST(n)がHにされてn行目のリセットトランジスタRST(n)が一旦オンにされ、ノードP(n)の電位が一旦電源電位VDDにリセットされる。 Then, φRST (n) is set to H, the reset transistor RST (n) on the nth row is once turned on for a certain period from the time point t4 in the period T2, and the potential of the node P (n) is once set to the power supply potential VDD. Will be reset to.

期間T2中のその後の時点t5から一定期間だけ、暗信号サンプリング信号φDARKCがHにされて、ノードP(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、暗信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。 The dark signal sampling signal φDARKC is set to H for a certain period from the subsequent time point t5 in the period T2, and the potential appearing at the node P (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) on the nth line, and then the selection transistor. The signal further amplified by the column amplifier 30 via the SEL (n) and the vertical signal line 28 is sampled by the CDS circuit 31 as a dark signal.

期間T2中のその後の時点t6から一定期間だけ、φTXB(n)がHにされてn行目の転送トランジスタTXB(n)がオンにされる。これにより、n行目の画素ブロックBL(n)のフォトダイオードPDB(n)に蓄積されていた信号電荷が、ノードP(n)の電荷電圧変換容量に転送される。ノードP(n)の電位は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量とノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値の逆数とに比例した値となる。 For a certain period from the subsequent time point t6 during the period T2, φTXB (n) is set to H and the transfer transistor TXB (n) on the nth row is turned on. As a result, the signal charge stored in the photodiode PDB (n) of the pixel block BL (n) on the nth row is transferred to the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n). The potential of the node P (n) is a value proportional to the amount of this signal charge and the reciprocal of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n), excluding the noise component.

期間T2中のその後の時点t7において、光信号サンプリング信号φSIGCがHにされて、ノードP(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、光信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。 At the subsequent time point t7 during the period T2, the optical signal sampling signal φSIGC is set to H, the potential appearing at the node P (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) on the nth line, and then the selection transistor SEL (n). ) And the signal further amplified by the column amplifier 30 via the vertical signal line 28 are sampled by the CDS circuit 31 as an optical signal.

その後にφSIGCがLになった時点の後に、CDS回路31は、時点t5からの一定期間でサンプリングした暗信号と時点t7からの一定時間でサンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。A/D変換器32は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、デジタル信号画像信号として外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。 After that, after the time when φSIGC becomes L, the CDS circuit 31 outputs a signal corresponding to the difference between the dark signal sampled in a certain period from the time point t5 and the optical signal sampled in a certain time from the time point t7. .. The A / D converter 32 converts a signal corresponding to this difference into a digital signal and holds it. The digital image signal held in each A / D converter 32 is horizontally scanned by the horizontal readout circuit 33 and output as a digital signal image signal to the outside (digital signal processing unit 6 in FIG. 1).

このように、前記第1の動作モードでは、各連結トランジスタSWa,SWbのうち選択された画素ブロックBLのノードPに対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタがないので、選択された画素ブロックBLのノードPの電荷電圧変換容量の容量値が最小となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、最高のSN比での読出しが可能となる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い場合に、撮像制御部5によって、前記第1の動作モードを行うように指令される。 As described above, in the first operation mode, there is no connected transistor in the on state that is electrically connected to the node P of the selected pixel block BL among the connected transistors SWa and SWb, so that the selected transistor is selected. Since the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P of the pixel block BL is minimized and the charge-voltage conversion coefficient due to the charge-voltage conversion capacity is large, reading at the highest SN ratio is possible. For example, when the ISO sensitivity setting value is the highest, the image pickup control unit 5 is instructed to perform the first operation mode.

図7は、図2に示す固体撮像素子4の第2Aの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Aの動作モードは、第2の動作モードのうちの1つの動作モードである。この第2の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各連結トランジスタSWa,SWbのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結トランジスタが、選択された画素ブロックBLのノードPに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。前記第2Aの動作モードは、前記第2の動作モードにおいて、前記所定数を1つとした動作の例である。 FIG. 7 is a timing chart showing the operation mode of the second A of the solid-state image sensor 4 shown in FIG. The second A operation mode is one of the second operation modes. In this second operation mode, each pixel block BL is sequentially selected row by row, and one or more predetermined number of on-state connected transistors among the connected transistors SWa and SWb are selected pixel blocks. While electrically connected to the node P of the BL, the transfer transistors TXA and TXB of the selected pixel block BL are sequentially and selectively turned on, and the photodiodes PDA and PDB of the selected pixel block BL are sequentially turned on. This is an example of an operation of sequentially reading the signals of. The second operation mode is an example of the operation in which the predetermined number is one in the second operation mode.

図7も、図6と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図7に示す第2Aの動作モードが図6に示す前記第1の動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 In FIG. 7, similarly to FIG. 6, the pixel block BL (n-1) in the n-1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T3. Shows the situation in which the pixel block BL (n + 1) on the n + 1th row is selected. The difference between the operation mode of the second A shown in FIG. 7 and the operation mode of the first operation mode shown in FIG. 6 is described below.

図7に示す第2Aの動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWa(n)がHにされるとともにφSWb(n−1)がLにされ、連結トランジスタSWa(n)がオンにされるとともに連結トランジスタSWb(n−1)がオフにされる。これにより、期間T2において、各連結トランジスタSWa,SWbのうちの1つのオン状態の連結トランジスタ(ここでは、連結トランジスタSWa(n))が、選択された画素ブロックBL(n)のノードP(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+Cfd2+Csw≒Cfd1+Cfd2となり、図6に示す前記第1の動作モードに比べていわば1段階大きくなる。 In the operation mode of the second A shown in FIG. 7, φSWa (n) is set to H and φSWb (n-1) is set to L in the period T2 in which the pixel block BL (n) in the nth row is selected. The connection transistor SWa (n) is turned on and the connection transistor SWb (n-1) is turned off. As a result, in the period T2, one of the connected transistors SWa and SWb in the on-state (here, the connected transistor SWa (n)) becomes the node P (n) of the selected pixel block BL (n). ) Is electrically connected. Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is Cfd1 + Cfd2 + Csw≈Cfd1 + Cfd2, which is one step larger than that of the first operation mode shown in FIG.

ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the nth row is selected has been described, but the same applies to the period in which the other pixel block BL is selected.

このように、前記第2Aの動作モードでは、各連結トランジスタSWa,SWbのうちの1つのオン状態の連結トランジスタが、選択された画素ブロックBLのノードPに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLのノードPの電荷電圧変換容量の容量値がいわば1段階大きくなり、ノードPの電荷電圧変換容量での飽和電子数を1段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを1段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から1段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第2Aの動作モードを行うように指令される。 As described above, in the operation mode of the second A, one of the connected transistors SWa and SWb in the ON state is electrically connected to the node P of the selected pixel block BL. The capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P of the selected pixel block BL is increased by one step, and the number of saturated electrons in the charge-voltage conversion capacity of the node P can be increased by one step. As a result, the dynamic range can be expanded by one step. For example, when the ISO sensitivity setting value is one step smaller than the highest value, the image pickup control unit 5 is instructed to perform the operation mode of the second A.

図8は、図2に示す固体撮像素子4の第2Bの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Bの動作モードは、前記第2の動作モードのうちの他の1つの動作モードであり、前記所定数を2つとした動作例である。 FIG. 8 is a timing chart showing the operation mode of the second B of the solid-state image sensor 4 shown in FIG. The second B operation mode is another operation mode of the second operation mode, and is an operation example in which the predetermined number is two.

図8も、図6及び図7と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図8に示す第2Bの動作モードが図6に示す前記第1の動作モードや図7に示す第2Aに示す動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 In FIG. 8, similarly to FIGS. 6 and 7, the pixel block BL (n-1) in the n-1th row is selected in the period T1, and the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2. , The situation where the pixel block BL (n + 1) in the n + 1th row is selected in the period T3 is shown. The difference between the operation mode of the second B shown in FIG. 8 and the operation mode shown in the first operation mode shown in FIG. 6 and the operation mode shown in the second A shown in FIG. 7 is described below.

図8に示す第2Bの動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWa(n),φSWb(n)がHにされるとともにφSWb(n−1),φSWa(n+1)がLにされ、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)がオンにされるとともに連結トランジスタSWb(n−1),SWa(n+1)がオフにされる。これにより、期間T2において、各連結トランジスタSWa,SWbのうちの2つのオン状態の連結トランジスタ(ここでは、連結トランジスタSWa(n),SWb(n))が、選択された画素ブロックBL(n)のノードP(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1+Cfd2+2Csw≒2×Cfd1+Cfd2となり、図6に示す前記第1の動作モードに比べていわば2段階大きくなる。 In the operation mode of the second B shown in FIG. 8, φSWa (n) and φSWb (n) are set to H and φSWb (n-1) is set in the period T2 in which the pixel block BL (n) in the nth row is selected. , ΦSWa (n + 1) is set to L, the connected transistors SWa (n) and SWb (n) are turned on, and the connected transistors SWb (n-1) and SWa (n + 1) are turned off. As a result, in the period T2, two on-state connected transistors (here, the connected transistors SWa (n) and SWb (n)) of the connected transistors SWa and SWb are selected as the pixel block BL (n). It is in a state of being electrically connected to the node P (n) of. Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is 2 × Cfd1 + Cfd2 + 2Csw≈2 × Cfd1 + Cfd2, which is two steps larger than that of the first operation mode shown in FIG.

ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the nth row is selected has been described, but the same applies to the period in which the other pixel block BL is selected.

このように、前記第2Bの動作モードでは、各連結トランジスタSWa,SWbのうちの2つのオン状態の連結トランジスタが、選択された画素ブロックBLのノードPに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLのノードPの電荷電圧変換容量の容量値がいわば2段階大きくなり、ノードPの電荷電圧変換容量での飽和電子数を2段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを2段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から2段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第2Bの動作モードを行うように指令される。 As described above, in the operation mode of the second B, the two on-state connecting transistors of the connecting transistors SWa and SWb are electrically connected to the node P of the selected pixel block BL. The capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P of the selected pixel block BL is increased by two steps, and the number of saturated electrons in the charge-voltage conversion capacity of the node P can be increased by two steps. As a result, the dynamic range can be expanded by two steps. For example, when the ISO sensitivity setting value is two steps smaller than the highest value, the imaging control unit 5 is instructed to perform the operation mode of the second B.

なお、前記第2の動作モードにおいて、前記所定数を3つ以上にしてもよい。 In the second operation mode, the predetermined number may be three or more.

ここで、本実施の形態における固体撮像素子4と比較される比較例による固体撮像素子について、説明する。図9は、この比較例による固体撮像素子の3つの画素ブロックBLの付近を示す回路図であり、図3に対応している。図10は、図9に示す3つの画素ブロックBLの付近を模式的に示す概略平面図であり、図4及び図5に対応している。図9及び図10において、図3、図4及び図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお、図10において、拡散領域やゲート電極に符号を付していないが、それらの符号は図5と同じであるので、図5を参照されたい。 Here, a solid-state image sensor according to a comparative example compared with the solid-state image sensor 4 in the present embodiment will be described. FIG. 9 is a circuit diagram showing the vicinity of the three pixel blocks BL of the solid-state image sensor according to this comparative example, and corresponds to FIG. FIG. 10 is a schematic plan view schematically showing the vicinity of the three pixel blocks BL shown in FIG. 9, and corresponds to FIGS. 4 and 5. In FIGS. 9 and 10, the same or corresponding elements as those in FIGS. 3, 4 and 5 are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. Although the diffusion region and the gate electrode are not designated in FIG. 10, their codes are the same as those in FIG. 5, so refer to FIG.

この比較例が本実施の形態と異なる所は、各連結トランジスタSWbが取り除かれ、配線71,72を含む配線171によって、取り除かれた各連結トランジスタSWbの箇所が短絡状態にされている点である。例えば、本実施の形態では、連結トランジスタSWb(n−1)が取り除かれ、配線71(n),72(n−1)を含む配線171(n)によって、画素ブロックBL(n)のゲート電極63及び拡散領域41,46並びに連結トランジスタSWa(n−1)の拡散領域47間が、互いに電気的に接続されて導通している。 The difference between this comparative example and the present embodiment is that each connected transistor SWb is removed, and the removed connection transistor SWb is short-circuited by the wiring 171 including the wirings 71 and 72. .. For example, in the present embodiment, the connection transistor SWb (n-1) is removed, and the gate electrode of the pixel block BL (n) is provided by the wiring 171 (n) including the wirings 71 (n) and 72 (n-1). The 63, the diffusion regions 41 and 46, and the diffusion region 47 of the connecting transistor SWa (n-1) are electrically connected to each other to conduct conduction.

図9及び図10において、CAB(n)は、連結トランジスタSWa(n),SWa(n−1)がオフしている場合の、ノードP(n)と基準電位との間の容量である。容量CAB(n)の容量値をCfdとする。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 In FIGS. 9 and 10, CAB (n) is the capacitance between the node P (n) and the reference potential when the connected transistors SWa (n) and SWa (n-1) are off. Let the capacitance value of the capacitance CAB (n) be Cfd. These points are the same for the rows of other pixel blocks BL.

容量CAB(n)は、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域41の容量と、リセットトランジスタRST(n)のソース拡散領域46と、連結トランジスタSWa(n)のソース拡散領域46と、連結トランジスタSWa(n−1)のドレイン拡散領域47の容量と、増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極63の容量と、配線171(n)の配線容量とから構成され、それらの容量値の合計が容量CAB(n)の容量値Cfdとなる。この点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The capacitance CAB (n) includes the capacitance of the drain diffusion region 41 of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), the source diffusion region 46 of the reset transistor RST (n), and the source diffusion region of the connection transistor SWa (n). It is composed of 46, the capacitance of the drain diffusion region 47 of the connecting transistor SWa (n-1), the capacitance of the gate electrode 63 of the amplification transistor AMP (n), and the wiring capacitance of the wiring 171 (n). The sum of the values is the capacitance value Cfd of the capacitance CAB (n). This point is the same for the rows of other pixel blocks BL.

配線171(n)の配線容量は、配線71(n)の配線容量(浮遊容量)と配線171(n)の配線容量との和にほぼ等しい。よって、容量CAB(n)の容量値Cfdは、本実施の形態における前述した容量CA(n)の容量値Cfd1と容量CB(n)の容量値Cfd2との和にほぼ等しくなり、Cfd≒Cfd1+Cfd2となる。 The wiring capacitance of the wiring 171 (n) is substantially equal to the sum of the wiring capacitance (stray capacitance) of the wiring 71 (n) and the wiring capacitance of the wiring 171 (n). Therefore, the capacity value Cfd of the capacity CAB (n) is substantially equal to the sum of the capacity value Cfd1 of the capacity CA (n) and the capacity value Cfd2 of the capacity CB (n) described above in the present embodiment, and Cfd≈Cfd1 + Cfd2. It becomes.

この比較例では、画素ブロックBL(n)に着目して、連結トランジスタSWa(n),SWa(n−1)が両方ともオフすると、ノードP(n)の電荷電圧変換容量は、容量CAB(n)となる。よって、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfdとなって比較例における最小となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、比較例における最高のSN比での読出しが可能となる。 In this comparative example, focusing on the pixel block BL (n), when both the connected transistors SWa (n) and SWa (n-1) are turned off, the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is the capacitance CAB ( n). Therefore, the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P (n) becomes Cfd, which is the minimum in the comparative example, and the charge-voltage conversion coefficient due to the charge-voltage conversion capacity becomes large, so that the highest SN ratio in the comparative example is used. Can be read.

この比較例では、画素ブロックBL(n)に着目して、各連結トランジスタSWaのうちの1つ以上の所定数のオン状態の連結トランジスタが、ノードP(n)に対して電気的に接続された状態にすると、そのオン状態の連結トランジスタの数に応じてノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は大きくなり、飽和電子数を拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。 In this comparative example, focusing on the pixel block BL (n), one or more predetermined number of connected transistors in the on state of each connected transistor SWa are electrically connected to the node P (n). In this state, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) increases according to the number of connected transistors in the on state, and the number of saturated electrons can be increased. As a result, the dynamic range can be expanded.

ところが、この比較例では、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd≒Cfd1+Cfd2よりも小さくすることができない。したがって、この比較例によれば、電荷電圧変換係数をさほど大きくすることができず、さほど高いSN比で読み出すことができない。 However, in this comparative example, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) cannot be made smaller than Cfd≈Cfd1 + Cfd2. Therefore, according to this comparative example, the charge-voltage conversion coefficient cannot be increased so much, and it cannot be read out with a very high SN ratio.

これに対し、本実施の形態によれば、連結トランジスタSWbが追加されているので、前述したように、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の最小の容量値をCfd1≒Cfd−Cfd2にすることができ、前記比較例に比べてより小さくすることができる。 On the other hand, according to the present embodiment, since the connected transistor SWb is added, the minimum capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) is set to Cfd1≈Cfd-Cfd2 as described above. It can be made smaller than the comparative example.

したがって、本実施の形態によれば、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、前記比較例に比べて、高感度読出し時のSN比を向上させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the dynamic range can be expanded, and the SN ratio at the time of high-sensitivity reading can be improved as compared with the comparative example.

本実施の形態では、列方向に順次隣り合う全ての2つのノードP間に連結トランジスタSWa,SWbを設けているが、本発明では、必ずしもこれに限らない。例えば、列方向に並ぶq個(qは2以上の整数)置きのノードPと当該ノードPに対し図中下側に隣り合うノードPとの間には、連結トランジスタSWa,SWbを設けずにその間を常に開放しておいてもよい。この場合、qの数が小さいほど、前記第2の動作モードにおける前記所定数の最大数が小さくなり、ダイナミックレンジの拡大の度合いが低下するが、前記比較例に比べて高感度読出し時のSN比を向上させることができる。 In the present embodiment, the connecting transistors SWa and SWb are provided between all the two nodes P sequentially adjacent to each other in the column direction, but the present invention is not necessarily limited to this. For example, no connecting transistors SWa and SWb are provided between the q nodes (q is an integer of 2 or more) arranged in the column direction and the nodes P adjacent to the node P on the lower side in the figure. You may always leave the space open. In this case, as the number of q is smaller, the maximum number of the predetermined number in the second operation mode becomes smaller and the degree of expansion of the dynamic range decreases, but the SN at the time of high-sensitivity reading is compared with the comparative example. The ratio can be improved.

なお、図6乃至図8を参照して説明した各動作例は、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合することなく読み出す動作の例であった。しかし、本発明では、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、同色の他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合して読み出してもよい。 In addition, each operation example described with reference to FIGS. 6 to 8 is an example of the operation which reads out the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX without mixing with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX. Met. However, in the present invention, the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX may be mixed with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX of the same color and read out.

例えば、連結トランジスタSWa(n−1),SWb(n−1),SWa(n),SWb(n)をオンにしてノードP(n−1),P(n),P(n+1)を互いに連結し、TXA(n−1),TXA(n),TXA(n+1)を同時にオンにすると、ベイヤー配列等を前提とした場合における同色の3つの画素PXA(n−1),PXA(n),PXA(n−1)のフォトダイオードPDA(n−1),PDA(n),PDA(n−1)の信号電荷が互いに連結されたノードP(n−1),P(n),P(n+1)で平均化され、同色3画素混合読出しの機能を実現することができる。このとき、連結トランジスタSWb(n−2),SWa(n+1)をオフにし、ノードP(n−1),P(n),P(n+1)に対して電気的に接続されるオン状態の連結トランジスタの数を最小限にすることによって、連結されたノードP(n−1),P(n),P(n+1)における電荷電圧変換容量値が最小となり、最高のSN比で同色3画素混合読出しを行うことができる。一方、連結トランジスタSWa(n−1),SWb(n−1),SWa(n),SWb(n)の他に、1個以上のオン状態の連結トランジスタがノードP(n−1),P(n),P(n+1)に対して電気的に接続されるようにすれば、その数に応じて、連結されたノードP(n−1),P(n),P(n+1)における電荷電圧変換容量値が大きくなり、同色3画素混合読出しのダイナミックレンジを拡大することができる。 For example, the connected transistors SWa (n-1), SWb (n-1), SWa (n), and SWb (n) are turned on, and the nodes P (n-1), P (n), and P (n + 1) are connected to each other. When TXA (n-1), TXA (n), and TXA (n + 1) are turned on at the same time by connecting them, three pixels of the same color PXA (n-1) and PXA (n) in the case of assuming a Bayer arrangement or the like. , PXA (n-1) photodiodes PDA (n-1), PDA (n), PDA (n-1) nodes P (n-1), P (n), P in which the signal charges are connected to each other. It is averaged by (n + 1), and the function of mixed reading of three pixels of the same color can be realized. At this time, the connection transistors SWb (n-2) and SWa (n + 1) are turned off, and the connection is electrically connected to the nodes P (n-1), P (n), and P (n + 1). By minimizing the number of transistors, the charge-voltage conversion capacitance value at the connected nodes P (n-1), P (n), P (n + 1) is minimized, and the same color 3 pixels are mixed at the highest SN ratio. It can be read. On the other hand, in addition to the connected transistors SWa (n-1), SWb (n-1), SWa (n), and SWb (n), one or more on-state connected transistors are nodes P (n-1), P. If it is electrically connected to (n) and P (n + 1), the charges at the connected nodes P (n-1), P (n) and P (n + 1) are increased according to the number of the connections. The voltage conversion capacitance value becomes large, and the dynamic range of the same color 3-pixel mixed reading can be expanded.

[第2の実施の形態]
図11は、本発明の第2の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の3つの画素ブロックBLの付近を示す回路図であり、図3に対応している。図12は、図9に示す3つの画素ブロックBLの付近を模式的に示す概略平面図であり、図4及び図5に対応している。図11及び図12において、図3、図4及び図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 11 is a circuit diagram showing the vicinity of the three pixel blocks BL of the solid-state image sensor of the electronic camera according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 12 is a schematic plan view schematically showing the vicinity of the three pixel blocks BL shown in FIG. 9, and corresponds to FIGS. 4 and 5. In FIGS. 11 and 12, the same or corresponding elements as those in FIGS. 3, 4 and 5 are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted.

本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、各配線72に、容量値Cfd3を有する調整容量CB’が追加されている点である。容量CB(n)は、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)がオフしている場合の、配線72(n)と基準電位との間の容量であるので、調整容量CB’(n)も容量CB(n)に含まれるものであるが、調整容量CB’は、前記第1の実施の形態における容量CB(n)の容量値Cfd2をなす構成に対して、容量値Cfd3を追加する構成要素であることを明示するために、図11及び図12において容量CB(n)とは別個に調整容量CB’を示している。前記第1の実施の形態では、容量CB(n)の容量値はCfd2であるのに対し、本実施の形態では、容量CB(n)の容量値はCfd2+Cfd3となる。これらの点は、他の容量CB、配線72、調整容量CB’についても同様である。 The difference between this embodiment and the first embodiment is that an adjustment capacitance CB'having a capacitance value Cfd3 is added to each wiring 72. Since the capacitance CB (n) is the capacitance between the wiring 72 (n) and the reference potential when the connected transistors SWa (n) and SWb (n) are off, the adjustment capacitance CB'(n) Is also included in the capacity CB (n), but the adjusted capacity CB'adds the capacity value Cfd3 to the configuration forming the capacity value Cfd2 of the capacity CB (n) in the first embodiment. In order to clearly indicate that it is a component, the adjusted capacitance CB'is shown separately from the capacitance CB (n) in FIGS. 11 and 12. In the first embodiment, the capacitance value of the capacitance CB (n) is Cfd2, whereas in the present embodiment, the capacitance value of the capacitance CB (n) is Cfd2 + Cfd3. These points are the same for the other capacitance CB, the wiring 72, and the adjustment capacitance CB'.

本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる他、調整容量CB’を設けることにより、容量CBの容量値を任意の所望の容量値に設定することができる。 According to the present embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the capacity value of the capacity CB can be set to an arbitrary desired capacity value by providing the adjustment capacity CB'. it can.

調整容量CB’は、具体的には、例えば、(i)配線72の配線幅の少なくとも一部の幅を画素ブロックBL内の他の配線の配線幅よりも広くすることにより、配線72の面積を前記第1の実施の形態における配線72の面積よりも広くすること、(ii)配線72にMOS容量を接続すること、(iii)連結トランジスタSWa,SWbを構成しない拡散容量を接続すること、(iv)連結トランジスタSWaのドレイン拡散領域47の面積を前記第1の実施の形態におけるドレイン拡散領域47の面積よりも広くすること、(v)連結トランジスタSWbのソース拡散領域49の面積を前記第1の実施の形態におけるソース拡散領域49の面積よりも広くすること、の1つ又は2つ以上を組み合わせることによって構成することができる。 Specifically, the adjustment capacitance CB'is defined as, for example, (i) the area of the wiring 72 by making at least a part of the wiring width of the wiring 72 wider than the wiring width of other wiring in the pixel block BL. To make the area larger than the area of the wiring 72 in the first embodiment, (ii) connect the MOS capacitance to the wiring 72, and (iii) connect the diffusion capacitance that does not constitute the connecting transistors SWa and SWb. (Iv) Make the area of the drain diffusion region 47 of the connection transistor SWa wider than the area of the drain diffusion region 47 in the first embodiment, and (v) make the area of the source diffusion region 49 of the connection transistor SWb wider than the area of the first embodiment. It can be configured by making one or a combination of two or more of the area larger than the area of the source diffusion region 49 in the embodiment.

ここで、調整容量CB’の容量値Cfd3の設定の一例について説明する。ノードPの電荷電圧変換容量の容量値は、基準容量値の整数倍になることが望ましい。しかし、前述した第1の実施の形態の構造では、調整容量CB’を付加しない場合には、一般的に、容量CAの容量値Cfd1に対して、容量CBの容量値Cfd2は小さくなる。したがって、例えば、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値を基準容量値の2倍にするためには、連結トランジスタSWa(n),SWb(n)をオンにして、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値を2×Cfd1+Cfd2+2×Cswにして、2個の画素ブロックBL(n),BL(n+1)を使用することになる。 Here, an example of setting the capacity value Cfd3 of the adjustment capacity CB'will be described. It is desirable that the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P is an integral multiple of the reference capacity value. However, in the structure of the first embodiment described above, when the adjustment capacity CB'is not added, the capacity value Cfd2 of the capacity CB is generally smaller than the capacity value Cfd1 of the capacity CA. Therefore, for example, in order to double the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the node P (n) with the reference capacitance value, the connection transistors SWa (n) and SWb (n) are turned on and the node P (n) is turned on. ), The capacity value of the charge-voltage conversion capacity is set to 2 × Cfd1 + Cfd2 + 2 × Csw, and two pixel blocks BL (n) and BL (n + 1) are used.

これに対し、本実施の形態において、調整容量CB’の容量値Cfd3がCfd1−Cfd2となるように調整容量CB’を形成すると、容量CBの容量値がcfd2+Cfd3=Cfd1となる。したがって、ノードP(n)の電荷電圧変換容量の容量値を基準容量値の2倍にするためには、連結トランジスタSWa(n)をオンするだけですみ、1個の画素ブロックBL(n)を使用するだけでよい。また、更に大きな飽和電荷量を扱う場合には、連結する画素ブロックBLの数を大幅に削減することができる。 On the other hand, in the present embodiment, when the adjustment capacity CB'is formed so that the capacity value Cfd3 of the adjustment capacity CB'is Cfd1-Cfd2, the capacity value of the capacity CB becomes cfd2 + Cfd3 = Cfd1. Therefore, in order to double the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P (n) to the reference capacity value, it is only necessary to turn on the connection transistor SWa (n), and one pixel block BL (n). All you have to do is use. Further, when handling a larger saturated charge amount, the number of pixel blocks BL to be connected can be significantly reduced.

このような調整容量CB’の容量値Cfd3の設定例は、一例にすぎず、これに限らない。 The setting example of the capacity value Cfd3 of the adjustment capacity CB'is only an example, and is not limited to this.

なお、ノードPの電荷電圧変換容量の容量値を基準用量値の整数倍に近づけるためには、容量CBの容量値は、容量CAの容量値に対して±20%の範囲内の値であることが好ましく、容量CAの容量値に対して±10%の範囲内の値であることがより好ましい。 In order to bring the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of the node P close to an integral multiple of the reference dose value, the capacity value of the capacity CB is a value within ± 20% of the capacity value of the capacity CA. It is preferable, and it is more preferable that the value is within the range of ± 10% with respect to the capacity value of the capacity CA.

[第3の実施の形態]
図13は、本発明の第3の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子84の概略構成を示す回路図であり、図2に対応している。図13において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 13 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state image sensor 84 of an electronic camera according to a third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 2. In FIG. 13, elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted.

本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、前記第1の実施の形態において、各画素ブロックBLにおいて、フォトダイオードPDB及び転送トランジスタTXBが取り除かれ、各画素ブロックBLが画素PXAになっている点である。ただし、本実施の形態では、フォトダイオードPDAの列方向の密度は、前記第1の実施の形態におけるフォトダイオードPDAの列方向の密度の2倍にされ、前記第1の実施の形態におけるフォトダイオードPDA,PDB全体の列方向の密度と同一になっている。本実施の形態では、nは、画素ブロックBLの行を示すと同時に、画素PXAの行を示すことになる。 The difference between the present embodiment and the first embodiment is that in the first embodiment, the photodiode PDB and the transfer transistor TXB are removed from each pixel block BL in the first embodiment. The point is that the pixel block BL is a pixel PXA. However, in the present embodiment, the density in the row direction of the photodiode PDA is doubled the density in the row direction of the photodiode PDA in the first embodiment, and the photodiode in the first embodiment is used. It is the same as the density in the column direction of the entire PDA and PDB. In the present embodiment, n indicates the row of the pixel block BL and at the same time indicates the row of the pixel PXA.

換言すれば、前記第1の実施の形態では、各画素ブロックBLは2個の画素PX(PXA,PXB)で構成されているのに対し、本実施の形態では、各画素ブロックBLは1個の画素PX(PXA)で構成されている。そして、前記第1の実施の形態では、画素ブロックBLに属する2個の画素PX(PXA,PXB)が、1組のノードP、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有しているに対し、本実施の形態では、各画素PX(本実施の形態では、PXAのみ)が、それぞれ1組のノードP、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを有している。 In other words, in the first embodiment, each pixel block BL is composed of two pixel PXs (PXA, PXB), whereas in the present embodiment, each pixel block BL is one. It is composed of the pixels PX (PXA) of. Then, in the first embodiment, the two pixels PX (PXA, PXB) belonging to the pixel block BL share a set of nodes P, an amplification transistor AMP, a reset transistor RST, and a selection transistor SEL. On the other hand, in the present embodiment, each pixel PX (only PXA in the present embodiment) has a set of nodes P, an amplification transistor AMP, a reset transistor RST, and a selection transistor SEL.

基本的に、前記第1の実施の形態の説明は、画素ブロックBLを画素PXAに置き換えることで、本実施の形態の説明として適合する。よって、ここでは、本実施の形態の詳細な説明は省略する。 Basically, the description of the first embodiment fits as the description of the present embodiment by replacing the pixel block BL with the pixel PXA. Therefore, a detailed description of the present embodiment will be omitted here.

本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。 The present embodiment also provides the same advantages as the first embodiment.

なお、本発明では、前記第1の実施の形態を変形して本実施の形態を得たのと同様の変形を、前記第2の実施の形態に対して適用してもよい。 In the present invention, the same modification as that obtained by modifying the first embodiment to obtain the present embodiment may be applied to the second embodiment.

[第4の実施の形態]
図14は、本発明の第4の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子94の概略構成を示す回路図であり、図2に対応している。図15は、図14中の列方向に順次並んだ4つの画素ブロックBLの付近を拡大して示す回路図であり、図3に対応している。図14及び図15において、図2及び図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state image sensor 94 of an electronic camera according to a fourth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 15 is an enlarged circuit diagram showing the vicinity of the four pixel blocks BL sequentially arranged in the column direction in FIG. 14, and corresponds to FIG. In FIGS. 14 and 15, elements that are the same as or correspond to the elements in FIGS. 2 and 3 are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. The difference between the present embodiment and the first embodiment is described below.

本実施の形態では、前記第1の実施の形態において、第1の連結トランジスタSWa、第2の連結トランジスタSWb及び配線71,72が取り除かれ、その代わりに、第1のノードPaとこれに対応する第2のノードPbとの間を電気的に接続及び切断する第1のスイッチ部としての第1のトランジスタSWA、2つの第2のノードPb間を電気的に接続及び切断する第2のスイッチ部としての第2のトランジスタSWB、及び、配線97,98が設けられている。 In the present embodiment, in the first embodiment, the first connecting transistor SWa, the second connecting transistor SWb, and the wirings 71 and 72 are removed, and instead, the first node Pa and the corresponding node Pa are removed. First transistor SWA as a first switch unit that electrically connects and disconnects from the second node Pb, and a second switch that electrically connects and disconnects between the two second nodes Pb. A second transistor SWB as a unit and wirings 97 and 98 are provided.

画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)は、前記第1の実施の形態におけるノードP(n)に相当している。転送トランジスタTXA(n)は、フォトダイオードPDA(n)から第1のノードPa(n)に電荷を転送し、転送トランジスタTXB(n)はフォトダイオードPDB(n)から第1のノードPa(n)に電荷を転送する。第1のノードPa(n)には基準電位との間に容量(電荷電圧変換容量)が形成され、その容量によって、第1のノードPa(n)に転送されてきた電荷が電圧に変換される。増幅トランジスタAMP(n)は、第1のノードPa(n)の電位に応じた信号を出力する。リセットトランジスタRST(n)は、第1のノードPa(n)の電位をリセットする。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The first node Pa (n) of the pixel block BL (n) corresponds to the node P (n) in the first embodiment. The transfer transistor TXA (n) transfers an electric charge from the photodiode PDA (n) to the first node Pa (n), and the transfer transistor TXB (n) is transferred from the photodiode PDB (n) to the first node Pa (n). ) Transfer the charge. A capacitance (charge-voltage conversion capacitance) is formed in the first node Pa (n) with the reference potential, and the charge transferred to the first node Pa (n) is converted into a voltage by the capacitance. Ru. The amplification transistor AMP (n) outputs a signal corresponding to the potential of the first node Pa (n). The reset transistor RST (n) resets the potential of the first node Pa (n). These points are the same for the rows of other pixel blocks BL.

第1のトランジスタSWA(n)は、第1のノードPa(n)とこれに対応する第2のノードPb(n)との間を電気的に接続及び切断する第1のスイッチ部を構成している。このような第1のスイッチ部は、複数のトランジスタ等のスイッチを組み合わせて構成することも可能であるが、構造を簡単にするため、本実施の形態のように単一の第1のトランジスタSWA(n)で構成することが好ましい。これらの点は、他の第1のトランジスタSWAについても同様である。 The first transistor SWA (n) constitutes a first switch unit that electrically connects and disconnects between the first node Pa (n) and the corresponding second node Pb (n). ing. Such a first switch unit can be configured by combining switches such as a plurality of transistors, but in order to simplify the structure, a single first transistor SWA as in the present embodiment. It is preferably composed of (n). These points are the same for the other first transistor SWA.

各第2のトランジスタSWBは、各画素ブロックBLのうちの列方向に互いに隣り合う各2つの画素ブロックBLについて、一方の画素ブロックBLの第1のノードPaに対応する第2のノードPbと他方の画素ブロックBLの第1のノードPaに対応する第2のノードPbとの間を電気的に接続及び切断するように設けられた第2のスイッチ部を構成している。これによって、本実施の形態では、3つ以上の画素ブロックBLの第1のノードPaが、複数の前記第2のスイッチ部により数珠繋ぎ状に接続されている。前述したような第2のスイッチ部は、複数のトランジスタ等のスイッチを組み合わせて構成することも可能であるが、構造を簡単にするため、本実施の形態のように単一の第2のトランジスタSWBで構成することが好ましい。 Each second transistor SWB is a second node Pb corresponding to the first node Pa of one pixel block BL and the other for each of two pixel blocks BL adjacent to each other in the column direction of each pixel block BL. A second switch unit is configured so as to electrically connect and disconnect from the second node Pb corresponding to the first node Pa of the pixel block BL of the above. As a result, in the present embodiment, the first node Pa of the three or more pixel blocks BL is connected in a string by the plurality of second switch portions. The second switch unit as described above can be configured by combining switches such as a plurality of transistors, but in order to simplify the structure, a single second transistor as in the present embodiment. It is preferably composed of SWB.

例えば、第2のトランジスタSWB(n)は、n行目の画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対応する第2のノードPb(n)とn−1行目の画素ブロックBL(n−1)の第1のノードPa(n−1)に対応する第2のノードPb(n−1)との間を電気的に接続及び切断するように、設けられている。この点は、他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 For example, the second transistor SWB (n) is the second node Pb (n) corresponding to the first node Pa (n) of the pixel block BL (n) in the nth row and the pixels in the n-1th row. It is provided so as to electrically connect and disconnect from the second node Pb (n-1) corresponding to the first node Pa (n-1) of the block BL (n-1). This point is the same for the other second transistor SWB.

画素ブロックBL(n)の増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極、リセットトランジスタRST(n)のソース領域、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域、及び、第1のトランジスタSWA(n)のソース拡散領域の間が、配線97(n)によって互いに電気的に接続されて導通している。第1のノードPa(n)は、配線97(n)及びこれに対して電気的に接続されて導通している箇所全体に相当している。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The gate electrode of the amplification transistor AMP (n) of the pixel block BL (n), the source region of the reset transistor RST (n), the drain diffusion region of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), and the first transistor SWA. The source diffusion regions of (n) are electrically connected to each other by wiring 97 (n) to conduct electricity. The first node Pa (n) corresponds to the wiring 97 (n) and the entire portion electrically connected to and conducting the wiring 97 (n). These points are the same for the rows of other pixel blocks BL.

第1のトランジスタSWA(n)のドレイン拡散領域、第2のトランジスタSWB(n)のドレイン拡散領域及び第2のトランジスタSWB(n+1)のソース拡散領域の間が、配線98(n)によって互いに電気的に接続されて導通している。第2のノードPb(n)は、配線98(n)及びこれに対して電気的に接続されて導通している箇所全体に相当している。これらの点は、他の第1のトランジスタSWA及び他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 The drain diffusion region of the first transistor SWA (n), the drain diffusion region of the second transistor SWB (n), and the source diffusion region of the second transistor SWB (n + 1) are electrically connected to each other by the wiring 98 (n). It is connected and conducting. The second node Pb (n) corresponds to the wiring 98 (n) and the entire portion electrically connected and conducting with the wiring 98 (n). These points are the same for the other first transistor SWA and the other second transistor SWB.

第1のトランジスタSWAのゲートは行毎に制御線95に共通に接続され、そこには、制御信号φSWAが垂直走査回路21から供給される。第2のトランジスタSWBのゲートは行毎に制御線96に共通に接続され、そこには、制御信号φSWBが垂直走査回路21から供給される。 The gate of the first transistor SWA is commonly connected to the control line 95 line by row, to which the control signal φSWA is supplied from the vertical scanning circuit 21. The gate of the second transistor SWB is commonly connected to the control line 96 line by row, to which the control signal φSWB is supplied from the vertical scanning circuit 21.

図14及び図15において、CC(n)は、第1のトランジスタSWA(n)がオフしている場合の、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量である。容量CC(n)の容量値をCfd1’とする。CD(n)は、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)がオフしている場合の、配線98(n)と基準電位との間の容量である。容量CD(n)の容量値をCfd2’とする。これらの点は、他の第1のトランジスタSWA及び他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 In FIGS. 14 and 15, CC (n) is the capacitance between the first node Pa (n) and the reference potential when the first transistor SWA (n) is off. Let the capacitance value of the capacitance CC (n) be Cfd1'. The CD (n) is the capacitance between the wiring 98 (n) and the reference potential when the first transistor SWA (n) and the second transistors SWB (n) and SWB (n + 1) are off. is there. The capacity value of the capacity CD (n) is Cfd2'. These points are the same for the other first transistor SWA and the other second transistor SWB.

容量CC(n)は、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域の容量と、リセットトランジスタRST(n)のソース拡散領域の容量と、第1のトランジスタSWA(n)のソース拡散領域の容量と、増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極の容量と、配線97(n)の配線容量とから構成され、それらの容量値の合計が容量CC(n)の容量値Cfd1’となる。この点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The capacitance CC (n) includes the capacitance of the drain diffusion region of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), the capacitance of the source diffusion region of the reset transistor RST (n), and the source of the first transistor SWA (n). It is composed of the capacitance of the diffusion region, the capacitance of the gate electrode of the amplification transistor AMP (n), and the wiring capacitance of the wiring 97 (n), and the total of these capacitance values is the capacitance value Cfd1'of the capacitance CC (n). Become. This point is the same for the rows of other pixel blocks BL.

なお、第2のトランジスタSWB(n)のソース拡散領域の容量は容量CC(n)の構成要素とならないので、その分、容量CC(n)の容量値Cfd1’は小さくなる。この点、前記第1の実施の形態では、連結トランジスタSWa(n)のソース拡散領域46の容量のみならず連結トランジスタSWb(n−1)のドレイン拡散領域48の容量も容量CBの構成要素となっているので、その分、容量CBの容量値Cfd1は大きくなる。すなわち、本実施の形態における容量値Cfd1’は、前記第1の実施の形態における容量値Cfd1よりも、トランジスタ拡散容量1個分だけ小さくなる。 Since the capacitance of the source diffusion region of the second transistor SWB (n) is not a component of the capacitance CC (n), the capacitance value Cfd1'of the capacitance CC (n) becomes smaller by that amount. In this regard, in the first embodiment, not only the capacitance of the source diffusion region 46 of the connecting transistor SWa (n) but also the capacitance of the drain diffusion region 48 of the connecting transistor SWb (n-1) is a component of the capacitance CB. Therefore, the capacity value Cfd1 of the capacity CB is increased by that amount. That is, the capacitance value Cfd1'in the present embodiment is smaller than the capacitance value Cfd1 in the first embodiment by one transistor diffusion capacitance.

ここで、第1のトランジスタSWAのオン時のチャネル容量の値及び第2のトランジスタSWBのオン時のチャネル容量の値を、両方ともCswとする。通常、容量値Cswは、容量値Cfd1’,Cfd2’に対して小さい値である。 Here, the value of the channel capacitance when the first transistor SWA is ON and the value of the channel capacitance when the second transistor SWB is ON are both set to Csw. Usually, the capacitance value Csw is a small value with respect to the capacitance values Cfd1'and Cfd2'.

今、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)がオフする(すなわち、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちのオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならない)と、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CC(n)となる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1’となる。この状態は、後述する第1の動作モードを示す図16中の期間T2の状態に相当している。 Now, focusing on the pixel block BL (n), the first transistor SWA (n) is turned off (that is, the on-state transistor of each of the first transistor SWA and each second transistor SWB is the first. The capacitance (charge-voltage conversion capacitance) between the first node Pa (n) and the reference potential is the capacitance CC (n). It becomes. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1'. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 16 showing the first operation mode described later.

また、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、第1のトランジスタSWA(n)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)がオフであれば)、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)及び第1のトランジスタSWA(n)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1’+Cfd2’+Csw≒Cfd1’+Cfd2’となる。この状態は、後述する第2Aの動作モードを示す図17中の期間T2の状態に相当している。 Further, paying attention to the pixel block BL (n), when the first transistor SWA (n) is turned on, among the first transistor SWA and each second transistor SWB, other than the first transistor SWA (n). Unless the on-state transistor is electrically connected to the first node Pa (n) (specifically, here, the second transistors SWB (n), SWB (n + 1)). (If is off), the capacitance (charge-voltage conversion capacitance) between the first node Pa (n) and the reference potential is the capacitance CD (n) and the first transistor with respect to the capacitance CC (n). The channel capacitance when SWA (n) is on is added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1'+ Cfd2' + Csw≈Cfd1'+ Cfd2'. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 17, which shows the operation mode of the second A described later.

さらに、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWB(n+1)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWB(n),SWA(n+1),SWB(n+2)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)及びトランジスタSWA(n),SWB(n+1)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1’+2×Cfd2’+2×Csw≒Cfd1’+2×Cfd2’となる。この状態は、後述する第2Bの動作モードを示す図18中の期間T2の状態に相当している。 Further, focusing on the pixel block BL (n), when the first transistor SWA (n) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, among the first transistor SWA and each second transistor SWB, Unless the on-state transistors other than the transistors SWA (n) and SWB (n + 1) are electrically connected to the first node Pa (n) (here, specifically, the transistor SWB). (If (n), SWA (n + 1), SWB (n + 2) are off), the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is the capacitance CD (n) with respect to the capacitance CC (n). The channel capacitance when the capacitance CD (n + 1) and the transistors SWA (n) and SWB (n + 1) are on is added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1 ′ + 2 × Cfd2 ′ + 2 × Csw≈Cfd1 ′ + 2 × Cfd2 ′. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 18 showing the operation mode of the second B described later.

さらにまた、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWA(n+1),SWB(n+1)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWB(n),SWB(n+2)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)、容量CC(n+1)及びトランジスタSWA(n),SWA(n+1),SWB(n+1)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1’+2×Cfd2’+3×Csw≒2×Cfd1’+2×Cfd2’となる。この状態は、後述する第2Cの動作モードを示す図19中の期間T2の状態に相当している。 Furthermore, focusing on the pixel block BL (n), when the first transistors SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, each first transistor SWA and each second transistor are turned on. Among the transistors SWB in the above, unless the on-state transistors other than the transistors SWA (n), SWA (n + 1), and SWB (n + 1) are electrically connected to the first node Pa (n). (Specifically, if the transistors SWB (n) and SWB (n + 2) are off), the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is relative to the capacitance CC (n). The channel capacitances of the capacitance CD (n), the capacitance CD (n + 1), the capacitance CC (n + 1), and the transistors SWA (n), SWA (n + 1), and SWB (n + 1) at the time of on are added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is 2 × Cfd1 ′ + 2 × Cfd2 ′ + 3 × Csw≈2 × Cfd1 ′ + 2 × Cfd2 ′. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 19 showing the operation mode of the second C described later.

また、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1),SWB(n+2)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWB(n+1),SWB(n+2)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWA(n+1),SWA(n+2),SWB(n),SWB(n+3)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)、容量CD(n+2)及びトランジスタSWA(n),SWB(n+1),SWB(n+2)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1’+3×Cfd2’+3×Csw≒Cfd1’+3×Cfd2’となる。この状態は、後述する第2Cの動作モードを示す図20中の期間T2の状態に相当している。 Further, paying attention to the pixel block BL (n), when the first transistor SWA (n) and the second transistors SWB (n + 1) and SWB (n + 2) are turned on, each of the first transistor SWA and each second transistor is turned on. Of the transistors SWB, on-state transistors other than the transistors SWA (n), SWB (n + 1), and SWB (n + 2) must be electrically connected to the first node Pa (n) ( Here, specifically, if the transistors SWA (n + 1), SWA (n + 2), SWB (n), and SWB (n + 3) are off), the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Addition of channel capacitance when the capacitance CD (n), capacitance CD (n + 1), capacitance CD (n + 2) and transistors SWA (n), SWB (n + 1), SWB (n + 2) are turned on to the capacitance CC (n). It will be the one that was done. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1'+ 3 × Cfd2 ′ + 3 × Csw≈Cfd1 ′ + 3 × Cfd2 ′. This state corresponds to the state of the period T2 in FIG. 20, which shows the operation mode of the second C described later.

このように、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち第1のノードPa(n)に対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがなければ、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値が最小の容量値Cfd1’となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、最高のSN比での読出しが可能となる。そして、前述したように、容量値Cfd1’が前記第1の実施の形態における最小の容量値Cfd1よりもトランジスタ拡散容量1個分だけ小さくなるので、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と比べても、電荷電圧変換係数が一層大きくなり、より一層高いSN比での読み出しが可能となる。 As described above, if there is no on-state transistor electrically connected to the first node Pa (n) among the first transistor SWA and each second transistor SWB, the first node Pa ( Since the capacity value of the charge-voltage conversion capacity of n) becomes the minimum capacity value Cfd1'and the charge-voltage conversion coefficient due to the charge-voltage conversion capacity becomes large, it is possible to read at the highest SN ratio. Then, as described above, the capacitance value Cfd1'is smaller than the minimum capacitance value Cfd1 in the first embodiment by one transistor diffusion capacitance. Therefore, according to the first embodiment, the first embodiment. Compared with the embodiment, the charge-voltage conversion coefficient becomes larger, and reading with a higher SN ratio becomes possible.

一方、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち第1のノードPa(n)に対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタの数を1つ以上の所望の数に増やしていけば、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値を所望の値に大きくすることができ、大きな信号電荷量を扱うことができるため、飽和電子数を拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。 On the other hand, among the first transistor SWA and each second transistor SWB, the number of on-state transistors electrically connected to the first node Pa (n) is increased to one or more desired number. As a result, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) can be increased to a desired value, and a large signal charge amount can be handled, so that the number of saturated electrons can be increased. it can. As a result, the dynamic range can be expanded.

以上、画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)について説明したが、他の画素ブロックBLの第1のノードPaについても同様である。 The first node Pa (n) of the pixel block BL (n) has been described above, but the same applies to the first node Pa (n) of the other pixel block BL.

図16は、図14に示す固体撮像素子94の第1の動作モードを示すタイミングチャートである。この第1の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがない状態(当該第1のノードPaの電荷電圧変換容量が最小である状態)で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。図16に示す例では、全画素PXA,PXBの信号を読み出すが、これに限らず、例えば、画素行を間引いて読み出す間引き読み出し等を行ってもよい。この点は、後述する図17乃至図20にそれぞれ示す各例についても同様である。 FIG. 16 is a timing chart showing the first operation mode of the solid-state image sensor 94 shown in FIG. In this first operation mode, each pixel block BL is sequentially selected row by row, and the first node Pa of the selected pixel block BL among the first transistor SWA and each second transistor SWB is selected. On the other hand, in the state where there is no on-state transistor electrically connected (the state in which the charge-voltage conversion capacity of the first node Pa is the minimum), the transfer transistors TXA and TXB of the selected pixel block BL are sequentially selected. This is an example of an operation in which the signals of the photodiodes PDA and PDB of the selected pixel block BL are sequentially read out row by row. In the example shown in FIG. 16, the signals of all pixels PXA and PXB are read, but the present invention is not limited to this, and for example, thinning-out reading may be performed by thinning out the pixel rows. This point is the same for each of the examples shown in FIGS. 17 to 20 described later.

これまでの説明から図16に示す第1の動作モードの動作は明らかであるので、その詳細な説明は省略する。 Since the operation of the first operation mode shown in FIG. 16 is clear from the explanation so far, the detailed description thereof will be omitted.

図17は、図14に示す固体撮像素子94の第2Aの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Aの動作モードは、第2の動作モードのうちの1つの動作モードである。この第2の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1つ以上の所定数のオン状態のトランジスタが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。前記第2Aの動作モードは、前記第2の動作モードにおいて、前記所定数を1つ(第1のトランジスタSWAの1つ)とした動作の例である。 FIG. 17 is a timing chart showing the operation mode of the second A of the solid-state image sensor 94 shown in FIG. The second A operation mode is one of the second operation modes. In this second operation mode, each pixel block BL is sequentially selected row by row, and one or more predetermined number of on-state transistors of each first transistor SWA and each second transistor SWB are selected. , The transfer transistors TXA and TXB of the selected pixel block BL are sequentially and selectively turned on in a state of being electrically connected to the first node Pa of the selected pixel block BL, and the selected pixel is selected. This is an example of an operation of sequentially reading the signals of the photodiodes PDA and PDB of the block BL line by line. The second operation mode is an example of the operation in which the predetermined number is one (one of the first transistor SWA) in the second operation mode.

これまでの説明から図17に示す第2Aの動作モードの動作は明らかであるので、その詳細な説明は省略する。 Since the operation of the operation mode of the second A shown in FIG. 17 is clear from the explanation so far, the detailed description thereof will be omitted.

図18は、図14に示す固体撮像素子94の第2Bの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Bの動作モードは、前記第2の動作モードのうちの他の1つの動作モードであり、前記所定数を2つ(第1のトランジスタSWAの1つと第2のトランジスタSWBの1つ)とした動作例である。これまでの説明から図18に示す第2Bの動作モードの動作は明らかであるので、その詳細な説明は省略する。 FIG. 18 is a timing chart showing the operation mode of the second B of the solid-state image sensor 94 shown in FIG. The operation mode of the second B is the other one operation mode of the second operation mode, and the predetermined number is two (one of the first transistor SWA and one of the second transistor SWB). This is an example of the operation. Since the operation of the second B operation mode shown in FIG. 18 is clear from the above description, the detailed description thereof will be omitted.

図19は、図14に示す固体撮像素子94の第2Cの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Cの動作モードは、前記第2の動作モードのうちの更に他の1つの動作モードであり、前記所定数を3つ(第1のトランジスタSWAの2つと第2のトランジスタSWBの1つ)とした動作例である。これまでの説明から図19に示す第2Cの動作モードの動作は明らかであるので、その詳細な説明は省略する。 FIG. 19 is a timing chart showing the operation mode of the second C of the solid-state image sensor 94 shown in FIG. The operation mode of the second C is still one other operation mode of the second operation mode, and the predetermined number is three (two of the first transistor SWA and one of the second transistor SWB). This is an operation example. Since the operation of the operation mode of the second C shown in FIG. 19 is clear from the explanation so far, the detailed description thereof will be omitted.

図20は、図14に示す固体撮像素子94の第2Dの動作モードを示すタイミングチャートである。第2Dの動作モードは、前記第2の動作モードのうちの更に他の1つの動作モードであり、前記所定数を3つ(第1のトランジスタSWAの1つと第2のトランジスタSWBの2つ)とした動作例である。これまでの説明から図20に示す第2Dの動作モードの動作は明らかであるので、その詳細な説明は省略する。 FIG. 20 is a timing chart showing a second D operation mode of the solid-state image sensor 94 shown in FIG. The second operation mode is still one other operation mode of the second operation mode, and the predetermined number is three (one of the first transistor SWA and two of the second transistor SWB). This is an operation example. Since the operation of the second D operation mode shown in FIG. 20 is clear from the above description, detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、前記比較例に比べて、高感度読出し時のSN比を向上させることができる。また、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と比べても、電荷電圧変換係数が一層大きくなり、より一層高いSN比での高感度読み出しが可能となる。 According to the present embodiment, the dynamic range can be expanded and the SN ratio at the time of high-sensitivity reading can be improved as compared with the comparative example, as in the first embodiment. Further, according to the present embodiment, the charge-voltage conversion coefficient becomes larger than that of the first embodiment, and high-sensitivity reading with a higher SN ratio becomes possible.

本実施の形態では、列方向に順次隣り合う全ての2つの第2のノードPb間に第2のトランジスタSWBを設けているが、本発明では、必ずしもこれに限らない。例えば、列方向に並ぶr個(rは2以上の整数)置きの第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間には、第2のトランジスタSWBを設けずにその間を常に開放しておいてもよい。この場合、rの数が小さいほど、前記第2の動作モードにおける前記所定数の最大数が小さくなり、ダイナミックレンジの拡大の度合いが低下するが、前記比較例に比べて高感度読出し時のSN比を向上させることができる。また、例えば、列方向に並ぶs個(sは1以上の整数)置きの第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間には、第2のトランジスタSWBを設けずにその間を電気的に短絡させておいてもよい。さらに、例えば、列方向に並ぶu個(uは1以上の整数)置きの第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間にのみ第2のトランジスタSWBを設ける一方で、列方向に並ぶu個置き以外の第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間を電気的に短絡させてもよい。 In the present embodiment, the second transistor SWB is provided between all the two second nodes Pb sequentially adjacent to each other in the column direction, but the present invention is not necessarily limited to this. For example, between the second node Pb every r (r is an integer of 2 or more) arranged in the column direction and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb, The second transistor SWB may not be provided and the space between them may be always open. In this case, as the number of r is smaller, the maximum number of the predetermined number in the second operation mode becomes smaller and the degree of expansion of the dynamic range decreases, but the SN at the time of high-sensitivity reading is compared with the comparative example. The ratio can be improved. Further, for example, between the second node Pb every s (s is an integer of 1 or more) arranged in the column direction and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb. May not be provided with the second transistor SWB and may be electrically short-circuited between them. Further, for example, between the second node Pb every u (u is an integer of 1 or more) arranged in the column direction and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb. While providing only the second transistor SWB, between the second node Pb other than every u node arranged in the column direction and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb. It may be electrically short-circuited.

なお、前記第2の実施の形態と同様に、本実施の形態において、配線98に調整容量を設けてもよい。また、本実施の形態においても、容量CDの容量値を、容量CCの容量値に対して±20%の範囲内の値にしてもよいし、容量CCの容量値に対して±10%の範囲内の値にしてもよい。これらの点は、後述する第5の実施の形態についても同様である。 As in the second embodiment, the wiring 98 may be provided with an adjustment capacitance in the present embodiment. Further, also in the present embodiment, the capacity value of the capacity CD may be set to a value within the range of ± 20% with respect to the capacity value of the capacity CC, or ± 10% with respect to the capacity value of the capacity CC. The value may be within the range. These points are the same for the fifth embodiment described later.

なお、図16乃至図20に示す各動作例は、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合することなく読み出す動作の例であった。しかし、本発明では、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、同色の他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合して読み出してもよい。 In addition, each operation example shown in FIGS. 16 to 20 was an example of the operation which reads out the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX without mixing with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX. However, in the present invention, the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX may be mixed with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX of the same color and read out.

例えば、第1のトランジスタSWA(n−1),SWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)をオンにして第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)を互いに連結し、TXA(n−1),TXA(n),TXA(n+1)を同時にオンにすると、ベイヤー配列等を前提とした場合における同色の3つの画素PXA(n−1),PXA(n),PXA(n−1)のフォトダイオードPDA(n−1),PDA(n),PDA(n−1)の信号電荷が互いに連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)で平均化され、同色3画素混合読出しの機能を実現することができる。このとき、第2のトランジスタSWB(n−2),SWB(n+2)をオフにし、第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)に対して電気的に接続されるオン状態の第1又は第2のトランジスタの数を最小限にすることによって、連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)における電荷電圧変換容量値が最小となり、最高のSN比で同色3画素混合読出しを行うことができる。一方、第1のトランジスタSWA(n−1),SWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)の他に、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1個以上のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)に対して電気的に接続されるようにすれば、その数に応じて、連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)における電荷電圧変換容量値が大きくなり、同色3画素混合読出しのダイナミックレンジを拡大することができる。 For example, the first node Pa (n-1) is turned on by turning on the first transistors SWA (n-1), SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistors SWB (n), SWB (n + 1). , Pa (n), Pa (n + 1) are connected to each other, and when TXA (n-1), TXA (n), and TXA (n + 1) are turned on at the same time, three of the same color when assuming a Bayer arrangement or the like. A first in which the signal charges of the photodiodes PDA (n-1), PDA (n), and PDA (n-1) of the pixels PXA (n-1), PXA (n), and PXA (n-1) are connected to each other. It is averaged by the nodes Pa (n-1), Pa (n), and Pa (n + 1) of the above, and the function of the same color 3-pixel mixed reading can be realized. At this time, the second transistors SWB (n-2) and SWB (n + 2) are turned off and electrically connected to the first nodes Pa (n-1), Pa (n) and Pa (n + 1). Charge-voltage conversion capacitance values at the connected first nodes Pa (n-1), Pa (n), Pa (n + 1) by minimizing the number of on-state first or second transistors. Is the minimum, and the same color 3-pixel mixed reading can be performed with the highest SN ratio. On the other hand, in addition to the first transistors SWA (n-1), SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistors SWB (n), SWB (n + 1), each first transistor SWA and each second transistor If one or more on-state transistors of the transistors SWB of the above are electrically connected to the first node Pa (n-1), Pa (n), Pa (n + 1), the transistor is used. Depending on the number, the charge-voltage conversion capacitance values at the connected first nodes Pa (n-1), Pa (n), and Pa (n + 1) increase, and the dynamic range of the same color 3-pixel mixed readout is expanded. Can be done.

[第5の実施の形態]
図21は、本発明の第5の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子104の概略構成を示す回路図であり、図14に対応している。図21において、図14中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 21 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state image sensor 104 of an electronic camera according to a fifth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. In FIG. 21, elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 14 are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted.

本実施の形態が前記第4の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、前記第4の実施の形態において、各画素ブロックBLにおいて、フォトダイオードPDB及び転送トランジスタTXBが取り除かれ、各画素ブロックBLが画素PXAになっている点である。ただし、本実施の形態では、フォトダイオードPDAの列方向の密度は、前記第4の実施の形態におけるフォトダイオードPDAの列方向の密度の2倍にされ、前記第4の実施の形態におけるフォトダイオードPDA,PDB全体の列方向の密度と同一になっている。本実施の形態では、nは、画素ブロックBLの行を示すと同時に、画素PXAの行を示すことになる。 The difference between the present embodiment and the fourth embodiment is that in the fourth embodiment, the photodiode PDB and the transfer transistor TXB are removed in each pixel block BL, and each of them is different from the fourth embodiment. The point is that the pixel block BL is a pixel PXA. However, in the present embodiment, the density in the row direction of the photodiode PDA is doubled the density in the row direction of the photodiode PDA in the fourth embodiment, and the photodiode in the fourth embodiment is used. It is the same as the density in the column direction of the entire PDA and PDB. In the present embodiment, n indicates the row of the pixel block BL and at the same time indicates the row of the pixel PXA.

換言すれば、前記第4の実施の形態では、各画素ブロックBLは2個の画素PX(PXA,PXB)で構成されているのに対し、本実施の形態では、各画素ブロックBLは1個の画素PX(PXA)で構成されている。そして、前記第4の実施の形態では、画素ブロックBLに属する2個の画素PX(PXA,PXB)が、1組の第1のノードPa、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有しているに対し、本実施の形態では、各画素PX(本実施の形態では、PXAのみ)が、それぞれ1組の第1のノードPa、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを有している。 In other words, in the fourth embodiment, each pixel block BL is composed of two pixel PXs (PXA, PXB), whereas in the present embodiment, each pixel block BL is one. It is composed of the pixels PX (PXA) of. Then, in the fourth embodiment, the two pixels PX (PXA, PXB) belonging to the pixel block BL share a set of the first node Pa, the amplification transistor AMP, the reset transistor RST, and the selection transistor SEL. On the other hand, in the present embodiment, each pixel PX (in the present embodiment, only the PXA) has a set of the first node Pa, the amplification transistor AMP, the reset transistor RST, and the selection transistor SEL. are doing.

基本的に、前記第4の実施の形態の説明は、画素ブロックBLを画素PXAに置き換えることで、本実施の形態の説明として適合する。よって、ここでは、本実施の形態の詳細な説明は省略する。 Basically, the description of the fourth embodiment fits as the description of the present embodiment by replacing the pixel block BL with the pixel PXA. Therefore, a detailed description of the present embodiment will be omitted here.

本実施の形態によっても、前記第4の実施の形態と同様の利点が得られる。 The present embodiment also provides the same advantages as the fourth embodiment.

以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Although the embodiments and modifications of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto.

4 固体撮像素子
BL 画素ブロック
PX 画素
PD フォトダイオード
TXA,TXB 転送トランジスタ
P ノード
AMP 増幅トランジスタ
SWa,SWb 連結トランジスタ
4 Solid-state image sensor BL pixel block PX pixel PD photodiode TXA, TXB transfer transistor P node AMP amplification transistor SWa, SWb connection transistor

Claims (1)

複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部からの電荷が転送されるノードと、を有する複数の画素ブロックと、
前記複数の画素ブロックのうち、列方向において隣り合って配置される第1画素ブロックと第2画素ブロックとにおいて、前記第1画素ブロックの前記ノードと前記第2画素ブロックの前記ノードとに接続される第1接続部と、
前記複数の画素ブロックのうち、前記列方向において隣り合って配置される前記第2画素ブロックと第3画素ブロックとにおいて、前記第2画素ブロックの前記ノードと前記第3画素ブロックの前記ノードとに接続される第2接続部と、を備え、
前記第1接続部は、前記第1画素ブロックの前記ノードと前記第2画素ブロックの前記ノードとの間において3つ以上のスイッチを有し、
前記第2接続部は、前記第2画素ブロックの前記ノードと前記第3画素ブロックの前記ノードとの間において3つ以上のスイッチを有する撮像素子。
A plurality of pixel blocks having a plurality of photoelectric conversion units and nodes to which charges from the plurality of photoelectric conversion units are transferred.
Among the plurality of pixel blocks, the first pixel block and the second pixel block arranged adjacent to each other in the column direction are connected to the node of the first pixel block and the node of the second pixel block. 1st connection and
Among the plurality of pixel blocks, in the second pixel block and the third pixel block arranged adjacent to each other in the column direction, the node of the second pixel block and the node of the third pixel block With a second connection part to be connected,
The first connection portion has three or more switches between the node of the first pixel block and the node of the second pixel block.
The second connection portion is an image pickup device having three or more switches between the node of the second pixel block and the node of the third pixel block.
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