JP3562649B1 - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 チップ面積を増大させることなく、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎ向上を可能にする固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】 複数の単位セル５００を２次元状に配置した撮像領域５１０と、第１の垂直信号線５２０と、行選択回路５３０と、列選択回路５６０と、水平信号線５７０と、単位セルの増幅信号に対応する信号を蓄積するサンプリング容量を有し、信号の加算をおこなう場合と加算をおこなわない場合とを選択する信号処理部１００とを備え、加算をおこなう場合に各行毎の単位セルの増幅信号に対応する信号を蓄積するサンプリング容量の容量値は、当該容量から信号を読み出すために必要な容量値よりも小さい固体撮像装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に画素信号の加算をおこなうことができる固体撮像装置に関する。

近年、携帯電話機等の移動端末の分野においては、カメラ機能を備えたものが普及してきた。移動端末が備えるカメラ機能については、高画素化（メガピクセル化）による静止画像の高画質化が要求され、ローコストのＤＳＣ（Digital Still Camera）に置き換わることが期待されている。また一方で、移動端末が備えるカメラ機能に対して、動画や通信を考慮に入れたＱＶＧＡ（８万画素程度）以下の画像に対応することも要求されている。

これらの要求に対応するために、例えばメガピクセルといわれるような高画素のＣＣＤ固体撮像装置において、間引きとよばれる画像の一部抜き取りによる画素の削除をおこなっている。また、増幅型固体撮像装置において、撮像装置内で垂直方向の画素信号の加算をおこなっている。
図５は、「固体撮像装置」（特許文献１参照）の回路構成図を示す図であり、撮像装置内で垂直方向の画素信号の加算をおこなう固体撮像装置の一例である。

従来の固体撮像装置は、光信号を信号電荷に変換するフォトダイオード５０１と、フォトダイオード５０１の信号を読み出す読み出しトランジスタ５０２と、フォトダイオード５０１の信号電圧を増幅する増幅トランジスタ５０３と、フォトダイオード５０１の信号電圧をリセットするリセットトランジスタ５０４と、増幅された信号電圧を読み出す行を選択する垂直選択トランジスタ５０５と、フォトダイオード５０１の信号電圧を検出するＦＤ（フローティングディフュージョン）部５０６とから構成される単位セル５００と、ｎ×ｍ個の単位セル５００が２次元的に配置されたイメージエリア５１０と、信号処理部５５０に単位セル５００の信号電圧を列単位で伝達する第１の垂直信号線５２０と、単位セル５００を行単位で選択する行選択回路５３０と、負荷トランジスタ群５４０と、第１の垂直信号線５２０を介して伝達された信号電圧を保持し、ノイズをカットする信号処理部５５０と、単位セル５００を列単位で選択する列選択回路５６０と、信号処理部５５０から出力された信号電圧を出力アンプ５８０に伝達する水平信号線５７０と、出力アンプ５８０とから構成される。図５では、説明を簡略化するために、ｎ行、ｍ列の単位セル５００が示されている。

図６は、信号処理部５５０の回路構成図を示す図である。
信号処理部５５０は、第１の垂直信号線５２０と接続されたサンプルホールドトランジスタ６００と、サンプルホールドトランジスタ６００を介して第１の垂直信号線５２０に接続されたクランプ容量６１０と、クランプ容量６１０を介して第１の垂直信号線５２０に接続された第２の垂直信号線６２０と、第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃと、クランプトランジスタ６４０と、第２の垂直信号線６２０に接続された列選択トランジスタ６５０と、サンプリングトランジスタ６３０ａを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ａと、サンプリングトランジスタ６３０ｂを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ｂと、サンプリングトランジスタ６３０ｃを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量６６０ｃとから構成される。

サンプルホールドトランジスタ６００は、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第１の垂直信号線５２０により伝達された信号電圧をクランプ容量６１０に伝達する。
また、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加により、クランプトランジスタ６４０がＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の端子ＢにはＣＰＤＣ電圧が与えられる。クランプ容量６１０はリセット時の端子Ａ−Ｂ間の電圧を保持することで、単位セル５００毎で異なる固定パターンノイズを除去する。ここで、クランプ容量６１０の容量値をＣｃｐとする。

第２の垂直信号線６２０は、第１の垂直信号線５２０からクランプ容量６１０を介して伝達された信号電圧を伝達する。
サンプリングトランジスタ６３０ａは、ＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ａに転送する。また、サンプリングトランジスタ６３０ｂは、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ｂに転送する。そして、サンプリングトランジスタ６３０ｃは、ＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＣの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０により伝達された信号電圧をサンプリング容量６６０ｃに転送する。

クランプトランジスタ６４０は、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６２０と、クランプ容量６１０と、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃとをＣＰＤＣ線の電位にリセットする。
列選択トランジスタ６５０は、ＣＳＥＬ線をハイレベルにする列選択パルスの印加に対応して、順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃに蓄積された電荷を水平信号線５７０に転送する。

サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃは、それぞれ各行毎に読み出された信号電圧を蓄積する。例えば、サンプリング容量６６０ａは、ｎ行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量６６０ｂは、ｎ−１行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量６６０ｃは、ｎ−２行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積する。ここで、サンプリング容量６６０ａの容量値をＣｓｐ、サンプリング容量６６０ｂの容量値をＣｓｐ、サンプリング容量６６０ｃの容量値をＣｓｐとする。

以上のような従来の固体撮像装置の動作について、図７に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。
ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。

次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加される。サンプルホールドトランジスタ６００は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加される。クランプトランジスタ６４０はＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。

次に、ＲＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）がリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。ここで、Ｖｔは、増幅トランジスタ５０３の閾値電圧であり、αは電圧増幅率である。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量６６０ａには、ＦＤ部５０６の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧と、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送されたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧との差に応じた電圧変化がｎ行目の単位セル５００の信号電圧として蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＦＦ状態となる。

次に、ｎ−１行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量６６０ｂには、ｎ−１行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｂはＯＦＦ状態となる。

次に、ｎ−２行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＣが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量６６０ｃには、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＣ線をローレベルにする容量選択パルスＣが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｃはＯＦＦ状態となる。

次に、ＳＷＡ線、ＳＷＢ線、およびＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＡ、容量選択パルスＢ、および容量選択パルスＣが同時に印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃはＯＮ状態となる。
次に、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ−１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ−１）、・・・を列選択トランジスタ６５０に順次印加され、各列選択トランジスタ６５０は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６６０ａとサンプリング容量６６０ｂとサンプリング容量６６０ｃとに蓄積された信号電圧が加算されて水平信号線５７０に順次出力される。

以上のような動作において、ｎ行目の単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量６６０ａに蓄積するために、クランプトランジスタ６４０と列選択トランジスタ６５０とがＯＦＦ状態となり、サンプリングトランジスタ６３０ａがＯＮ状態となって、クランプ容量６１０とサンプリング容量６６０ａとにより形成された回路のゲインは（１）式のように計算される。

Ｇ＝Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）
・・・（１）
ここで、ｎ−１、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量６６０ｂ、６６０ｃに蓄積するために、クランプ容量６１０とサンプリング容量６６０ｂとにより形成された回路のゲイン、クランプ容量６１０とサンプリング容量６６０ｃとにより形成された回路のゲインも同様に（１）式のように計算される。
特開２０００−１０６６５３号公報

ところで、従来の固体撮像装置では、クランプ容量６１０、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃの容量は、単位面積当たり数ｆＦ／μｍ²のキャパシタンスで構成される。よって、数ｐＦの容量を形成する場合には、信号処理部５５０の面積は大きくなり、画素信号の加算をおこなうために形成される回路は、チップ面積を増大させる。例えば、Ｃｃｐ、Ｃｓｐが５ｐＦであり、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃの単位面積当たりの容量が５ｆＦ／μｍ²である場合、クランプ容量６１０、サンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃの面積は、それぞれ１０００μｍ²となり、その合計は４０００μｍ²という大きな面積となる。従って、列毎に形成されるクランプ容量およびサンプリング容量の水平方向の容量幅が４μｍで形成されている場合には、容量長は１０００μｍとなる。

しかしながら、従来の固体撮像装置では、信号電圧の加算をおこなわずサンプリング容量６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃのいずれかを使用して信号電圧を蓄積し、水平信号線５７０に出力する場合、出力される信号電圧は、サンプリング容量値Ｃｓｐが小さいほど列選択トランジスタ６５０のＯＮ、ＯＦＦに起因する飛び込みノイズの影響を受け易い。よって、その飛び込みノイズの影響を抑えるために、サンプリング容量値Ｃｓｐは必然的に数ｐＦという大きな値となり、チップ面積が増大するという問題がある。例えば列選択トランジスタのゲート容量が４ｆＦ（ゲートサイズとしてはＷ／Ｌ＝５μｍ／１μｍ程度で、ゲートの半分の容量がサンプリング容量側への飛び込みノイズとして影響したと仮定）で、列選択トランジスタに３Ｖのパルス電圧が印加された場合には、３Ｖ×４ｆ／（４ｆ＋Ｃｓｐ）の電圧がサンプリング容量に蓄積された信号電圧に飛び込む計算となる。従って、仮にサンプリング容量に飽和信号として５００ｍＶの信号電圧が蓄えられていた場合には、その信号電圧に対する飛び込みノイズのＳ／Ｎ比を−４０ｄＢ以下とするために、サンプリング容量はサンプリング容量＞＞ゲート容量、パルス電圧をＶＩＮとした場合、
飽和信号電圧／１００＞ＶＩＮ×ゲート容量／サンプリング容量
を満たすことが必要となり、飛び込みノイズに起因するゲート容量の約６００倍の約２．４ｐＦ以上の大きなサンプリング容量が必要となる。また、前記飛び込みノイズの１０％が列選択トランジスタ間での飛び込みノイズばらつきとなって発生し、そのときのＳ／Ｎ比を−６０ｄＢ以下とする場合でも、同一の約２．４ｐＦ以上の大きなサンプリング容量が必要となる。

また、従来の固体撮像装置では、信号加算をおこなわない場合に単純に複数のサンプリング容量を使用するという方法を用いると、回路ゲインの大幅な低下という問題が生じる。すなわち、信号加算をおこなわない場合に、例えばＣｓｐを３個分使用して信号を蓄積する場合、列選択トランジスタ６５０を介し、水平信号線５７０に読み出す際の感度は、共通信号線の容量をＣｃｏｍとすると３Ｃｓｐ／（３Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ）となり、Ｃｓｐを１つ使用する場合のこの部分での回路ゲインＣｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ）に対し向上する。しかし、（１）式に基づくゲインでは逆にＣｃｐ／（Ｃｃｐ＋３Ｃｓｐ）となり、Ｃｓｐを１つ使用する場合のＣｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）に対し回路のゲイン低下を生じ、信号の伝達効率が悪くなるのである。このとき、サンプリング容量に対するクランプ容量の値Ｃｃｐを大きくすることで（１）式より計算される回路のゲイン低下をおさえることができる。しかし、そのときのクランプ容量の値Ｃｃｐは、数ｐＦから数十ｐＦという大きな値となるため、チップ面積の増大という問題が発生する。例えば、ゲインを同一にするために使用するサンプリング容量が増加した分クランプ容量を１０ｐＦ増加させる場合、更に５００μｍ容量長を増加させる必要が生じる。また、Ｃｓｐ＞＞Ｃｃｏｍ、かつＣｃｐ＞＞Ｃｓｐとすることで、３個同時に読み出す場合の回路ゲインを３倍とすることができる。しかし、水平共通信号線の容量は数ｐ〜数十ｐＦあるため、クランプ容量値Ｃｃｐおよびサンプリング容量値Ｃｓｐが非常に大きくなり、上記条件が成立することは現実的ではない。さらには、画素からの信号が非破壊で読み出し可能な場合、信号加算をおこなわない場合に、信号加算をおこなう場合のように各サンプリング容量に対し複数回読み出すことで、前記回路ゲインはＣｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）となりゲイン低下は生じない。しかし、複数回読み出すために、読み出し期間が通常よりも３倍必要となる不具合が発生する。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、チップ面積を増大させることなく、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎ向上を可能にする固体撮像装置を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と前記光電変換部の出力を増幅して増幅信号を出力する増幅部とからなる複数の単位セルを２次元状に配置してなる撮像領域と、列方向に前記単位セルの増幅信号を伝達する複数の垂直信号線と、前記撮像領域に配置された単位セルから行方向で単位セルを選択する水平方向選択手段と、各列毎の垂直信号線に接続され、各行毎の前記単位セルの増幅信号に対応する信号を蓄積する第１蓄積容量および第２蓄積容量と、前記信号を蓄積する蓄積容量を前記第１蓄積容量および第２蓄積容量から選択する蓄積容量選択手段と、前記複数の垂直信号線のそれぞれに接続された前記第１蓄積容量および第２蓄積容量から任意の前記垂直信号線に接続された前記第１蓄積容量および第２蓄積容量を選択する垂直方向選択手段と、前記垂直方向選択手段を介して各列毎の垂直信号線に接続され、前記第１蓄積容量あるいは第２蓄積容量に蓄積された増幅信号に対応する信号を伝達する水平信号線とを備えた固体撮像装置であって、前記蓄積容量選択手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には前記第１蓄積容量を選択し、前記加算をおこなわない場合には前記第２蓄積容量を選択し、前記第１蓄積容量の容量値は、前記第２蓄積容量の容量値よりも小さく、前記第２蓄積容量の容量値は、当該第２蓄積容量に蓄積された信号を読み出すために必要な最小の容量値であることを特徴とする。ここで、前記第２蓄積容量の容量値は、前記垂直方向選択手段からの飛び込みノイズの吸収に必要な容量値であってもよい。また、前記第１蓄積容量および第２蓄積容量は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の第３蓄積容量が並列に接続されてなり、前記蓄積容量選択手段は、ｋ行（ｋ≦ｎ、ｋは２以上の整数）の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、ｍ個（ｍ≦ｎ／ｋ、ｍは１以上の整数）の前記第３蓄積容量を選択し、前記加算をおこなわない場合には、ｐ個（ｍ＜ｐ≦ｎ、ｐは２以上の整数）の前記第３蓄積容量を選択し、前記第３蓄積容量に蓄積された信号を読み出す場合には、前記信号を蓄積する全ての前記第３蓄積容量を選択してもよいし、前記蓄積容量選択手段は、前記加算をおこなう場合には、前記第３蓄積容量の選択をｋ回おこない、前記ｍは、前記ｋ回の第３蓄積容量の選択において同じ値であってもよいし、前記ｋ×ｍ個の第３蓄積容量および前記ｐ個の第３蓄積容量のいずれか総容量値の小さい方は、前記垂直方向選択手段のもつ寄生容量値の所定倍よりも大きな総容量値を有し、前記寄生容量値の所定倍の値は、前記垂直方向選択手段による選択に用いられる電圧の値と、前記第３蓄積容量から読み出される信号電圧の値とから決定されてもよいし、前記ｍは、１であり、前記ｎは、前記ｋおよび前記ｐと等しくてもよいし、前記蓄積容量選択手段は、前記加算をおこなう場合には、前記第３蓄積容量の選択をｋ回おこない、前記ｍは、前記ｋ回の第３蓄積容量の選択において異なる値であってもよい。

これによって、チップ面積を増大させることなく、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎ向上を可能にするという効果が発揮される。

また、前記第３蓄積容量は、クランプ容量を介して前記垂直信号線と接続されてもよい。
これによって、単位セル毎で異なる固定パターンノイズを除去することができるという効果が発揮される。

また、前記第３蓄積容量の容量値は、前記加算をおこなう場合のＳ／Ｎ比と前記加算をおこなわない場合のＳ／Ｎ比とが同等になるように決定されてもよい。
これによって、蓄積容量の容量値を最適化する方法を提供することができるという効果が発揮される。

また、前記第３蓄積容量の容量値は、Ｃｃｐをクランプ容量の容量値とし、Ｃｓｐを第３蓄積容量の容量値とし、ｋを加算する行数として、下記の数式
Ｃｃｐ：Ｃｓｐ≒（１−１／√ｋ）：（√ｋ−１）
から決定されてもよい。
これによって、蓄積容量の容量値を最適化することができるという効果が発揮される。

また、前記第３蓄積容量、水平方向選択手段および垂直方向選択手段は、ＮＭＯＳ型トランジスタにより構成されてもよい。
これによって、列選択トランジスタは列選択時のオン抵抗が低いＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、列選択トランジスタのゲートサイズを小さくすることが可能となり、列選択トランジスタによる飛び込みノイズの影響を低減することができる。また、容量はＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、応答特性を速くすることができる。更に、２層のポリシリコンではなく、１層のポリシリコンにより容量を形成することが可能となり、製造工程を簡略化することができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、単位セルの信号電圧を加算するために大きな容量値を持つ蓄積容量を用意する必要がないので、チップ面積を増大することなく、画質劣化のない画像圧縮を可能にする。また、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎ向上を可能にする。また、使用する蓄積容量を選択することにより単位セルの信号電圧を加算する場合と単位セルの信号電圧を加算しない場合とを選択することができるので、高画素を必要とする場合と必要最小限の画素を必要とする場合とに対応した固体撮像装置を提供することができる。また、単位セルの信号電圧を蓄積する蓄積容量の容量値を最適化することができる。

よって、本発明により、チップ面積を増大することなく、間引きといった方法と異なる画質劣化のない画像圧縮を可能にする固体撮像装置を提供することが可能となり、移動端末が備えるカメラの静止画像を高画質化し、かつ、そのカメラは動画や通信に対応することができるので、本発明の固体撮像装置の実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態おける増幅型固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態の増幅型固体撮像装置の回路構成図である。図１において、図５と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。

本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、チップ面積を増大させることなく、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎ向上を可能にする固体撮像装置を実現することを目的とするものであって、従来の固体撮像装置とは異なる信号処理部を有し、信号処理部１００と、単位セル５００と、イメージエリア５１０と、第１の垂直信号線５２０と、行選択回路５３０と、第１の垂直信号線５２０と接続された負荷トランジスタ群５４０、列選択回路５６０と、水平信号線５７０と、水平信号線５７０と接続された出力アンプ５８０とから構成される。図１では、説明を簡略化するために、ｎ行、ｍ列の単位セル５００が示されている。

単位セル５００は、光信号を信号電荷に変換するフォトダイオード５０１と、フォトダイオード５０１の信号を読み出す読み出しトランジスタ５０２と、フォトダイオード５０１の信号電圧を増幅する増幅トランジスタ５０３と、フォトダイオード５０１の信号電圧をリセットするリセットトランジスタ５０４と、増幅された信号電圧を読み出す行を選択する垂直選択トランジスタ５０５と、フォトダイオード５０１の信号電圧を検出するＦＤ部５０６とから構成される。

ここで、信号処理部１００の回路構成図を図２に示す。図２において、図６と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
信号処理部１００は、従来の固体撮像装置とは異なるサンプリング容量を有し、第１の垂直信号線５２０と接続されたサンプルホールドトランジスタ６００と、サンプルホールドトランジスタ６００を介して第１の垂直信号線５２０に接続されたクランプ容量６１０と、クランプ容量６１０を介して第１の垂直信号線５２０に接続された第２の垂直信号線６２０と、第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、クランプトランジスタ６４０、列選択トランジスタ６５０と、サンプリングトランジスタ６３０ａを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量２００ａと、サンプリングトランジスタ６３０ｂを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量２００ｂと、サンプリングトランジスタ６３０ｃを介して第２の垂直信号線６２０と接続されたサンプリング容量２００ｃと、水平信号線５７０と接続された水平信号線容量２１０とから構成される。

サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃは、それぞれ各行毎に読み出された信号電圧を蓄積する。例えば、サンプリング容量２００ａは、ｎ行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量２００ｂは、ｎ−１行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積し、サンプリング容量２００ｃは、ｎ−２行目にある単位セル５００から読み出された信号電圧を蓄積する。ここで、サンプリング容量２００ａをＣｓｐ／３、サンプリング容量２００ｂの容量値をＣｓｐ／３、サンプリング容量２００ｃの容量値をＣｓｐ／３とする。各サンプリング容量の容量値の合計であるＣｓｐは、サンプリング容量に蓄積された信号電圧を水平信号線５７０に読み出すために必要な容量値である。すなわち、列選択トランジスタ６５０からの飛び込みノイズの吸収に必要な容量値である。

水平信号線容量２１０は、列選択トランジスタ６５０と水平信号線５７０とによる浮遊容量を表したものである。ここで、水平信号線容量２１０の容量値をＣｃｏｍとする。
以上のように構成された本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の動作（単位セル５００の信号電圧の加算をおこなわない場合）について、図３に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。

ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。

次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加される。サンプルホールドトランジスタ６００は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加される。クランプトランジスタ６４０はＯＮ状態となり、クランプ容量６１０の第２の垂直信号線６２０側がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線を常にハイレベルにする容量選択パルスＡと、ＳＷＢ線を常にハイレベルにする容量選択パルスＢと、ＳＷＣ線を常にハイレベルにする容量選択パルスＣとが印加されているので、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃは常にＯＮ状態となり、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。

次に、ＲＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）がリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃには、ＦＤ部５０６の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧と、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送されたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧との差がｎ行目の単位セル５００の信号電圧として蓄積される。

次に、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ−１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ−１）、・・・を列選択トランジスタ６５０に順次印加する。各列選択トランジスタ６５０は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃに蓄積された信号電圧が水平信号線５７０に順次出力される。

以上のような動作に基づく、単位セル５００の信号電圧の加算をおこなわない場合の信号処理部１００のゲインは、以下のように計算される。

まず、ｎ行目の単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃに蓄積するために、クランプトランジスタ６４０と列選択トランジスタ６５０とがＯＦＦ状態となり、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃが同時にＯＮ状態となって、クランプ容量６１０とサンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃとにより形成された回路のゲインは（２）式のように計算される。

Ｇ３＝Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ）
・・・（２）
次に、蓄積された単位セル５００の信号電圧を水平信号線５７０に出力するために、サンプルホールドトランジスタ６００とクランプトランジスタ６４０とがＯＦＦ状態となり、列選択トランジスタ６５０とサンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃとがＯＮ状態となって、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃと水平信号線容量２１０とにより形成された回路のゲインは（３）式のように計算される。

Ｇ４＝Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ）
・・・（３）
そして、（２）式、（３）式から得られたＧ３とＧ４とから単位セル５００の信号電圧の加算をおこなわない場合の信号処理部１００のゲインは（４）式のように計算される。
Ｇ＝Ｇ３×Ｇ４
＝（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ））×（Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ））
・・・（４）
次に、本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の動作（単位セル５００の信号電圧の加算をおこなう場合）について、図４に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。

ｎ行目の単位セル５００が選択されると、ＬＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｎ）がｎ行目の単位セル５００の垂直選択トランジスタ５０５に印加される。垂直選択トランジスタ５０５はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ５０３と負荷トランジスタ群５４０とでソースフォロア回路が形成され、単位セル５００の電源電圧に追従した電圧がそのソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力される。

次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６００に印加される。サンプルホールドトランジスタ６００は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５２０に出力された電圧をクランプ容量６１０に保持する。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加される。クランプトランジスタ６４０はＯＮ状態となり、クランプ容量６１０がＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷＡ線をハイレベルにする容量選択パルスＡが印加されているので、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＮ状態となり、サンプリング容量２００ａがＣＰＤＣ線の電位にリセットされる。

次に、ＲＳＥＴ（ｎ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｎ）がリセットトランジスタ５０４に印加される。リセットトランジスタ５０４はＯＮ状態となり、ＦＤ部５０６の電位がリセットされる。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加され、クランプトランジスタ６４０がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６２０はフローティング状態となる。
次に、ＲＥＡＤ（ｎ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｎ）が読み出しトランジスタ５０２に印加される。読み出しトランジスタ５０２はＯＮ状態となり、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送される。ＦＤ部５０６に接続している増幅トランジスタ５０３のゲート電圧はＦＤ部５０６の電位となり、この電圧とほぼ同等の電圧が第１の垂直信号線５２０に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６４０に印加されているので、クランプトランジスタ６４０はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量２００ａには、ＦＤ部５０６の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧と、フォトダイオード５０１に蓄積した信号電荷がＦＤ部５０６に転送されたときに第１の垂直信号線５２０に出力された電圧との差がｎ行目の単位セル５００の信号電圧として蓄積される。そして、ＳＷＡ線をローレベルにする容量選択パルスＡが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａはＯＦＦ状態となる。

次に、ｎ−１行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＢ線をハイレベルにする容量選択パルスＢが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量２００ｂには、ｎ−１行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＢ線をローレベルにする容量選択パルスＢが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｂはＯＦＦ状態となる。

次に、ｎ−２行目の単位セル５００が選択され、ＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＣが印加され、同様の動作が繰り返されることで、サンプリング容量２００ｃには、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧が蓄積される。そして、ＳＷＣ線をローレベルにする容量選択パルスＣが印加され、サンプリングトランジスタ６３０ｃはＯＦＦ状態となる。

次に、ＳＷＡ線、ＳＷＢ線、およびＳＷＣ線をハイレベルにする容量選択パルスＡ、容量選択パルスＢ、および容量選択パルスＣが同時に印加され、サンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃはＯＮ状態となる。
次に、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ−１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ−１）、・・・を列選択トランジスタ６５０に順次印加する。各列選択トランジスタ６５０はＯＮ状態となり、サンプリング容量２００ａとサンプリング容量２００ｂとサンプリング容量２００ｃとに蓄積された信号電圧が加算されて水平信号線５７０に順次出力される。

以上のような動作に基づく、単位セル５００の信号電圧の加算をおこなう場合の信号処理部１００のゲインは、以下のように計算される。
まず、ｎ行目の単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量２００ａに蓄積するために、クランプトランジスタ６４０と列選択トランジスタ６５０とがＯＦＦ状態となり、サンプリングトランジスタ６３０ａがＯＮ状態となって、クランプ容量６１０とサンプリング容量２００ａとにより形成された回路のゲインは（５）式のように計算される。

Ｇ５＝Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ／３）
・・・（５）
例えば、ＣｓｐとＣｃｐとが５ｐＦである場合、信号処理部５５０のゲインは、（５）式より計算され、約０．７５となる。この値は、従来の固体撮像装置におけるゲインよりも５０％大きい。

ここで、ｎ−１、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量２００ｂ、２００ｃに蓄積するために、クランプ容量６１０とサンプリング容量２００ｂとにより形成された回路のゲイン、クランプ容量６１０とサンプリング容量２００ｃとにより形成された回路のゲインも同様に（５）式のように計算される。
次に、加算されたｎ、ｎ−１、ｎ−２行目の単位セル５００の信号電圧を水平信号線５７０に出力するために、サンプルホールドトランジスタ６００とクランプトランジスタ６４０とがＯＦＦ状態となり、列選択トランジスタ６５０とサンプリングトランジスタ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃとがＯＮ状態となって、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃと水平信号線容量２１０とにより形成された回路のゲインは（６）式のように計算される。なお、（６）式においては、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃに蓄積された信号電圧を同時に水平信号線に読み出すために、サンプリング容量に蓄積された信号電圧を水平信号線５７０に読み出すために必要な容量値Ｃｓｐは確保される。

Ｇ６＝Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ）
・・・（６）
そして、（５）式、（６）式から得られたＧ５とＧ６とから単位セル５００の信号電圧の加算をおこなう場合の信号処理部１００のゲインは（７）式のように計算される。
Ｇ＝Ｇ５×Ｇ６
＝（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ／３））×（Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ））
・・・（７）
なお、十分な信号処理部１００のゲインを得るために水平信号線容量２１０の容量値Ｃｃｏｍは、サンプリング容量の容量値Ｃｓｐと、クランプ容量の容量値Ｃｃｐと同等の容量値であるのが好ましいので、Ｃｃｏｍ、Ｃｓｐ、Ｃｃｐは、例えば（８）式の関係を持つとする。

Ｃｃｏｍ＝Ｃｓｐ＝Ｃｃｐ
・・・（８）
そして、ＣｓｐとＣｃｏｍとが５ｐＦである場合、信号処理部５５０のゲインは、（７）式、（８）式より計算され、約０．３８となる。
以上のように本実施の形態によれば、（５）式により計算される単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量２００ａに蓄積するために形成された回路のゲインは大きな値となり、また、その回路のゲインに基づいて（７）式により計算される信号処理部５５０のゲインも大きな値となり、かつ、単位セル５００の信号電圧の加算をおこなうために用意した３つのサンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃの容量値の合計も小さな値となる。よって、大きな容量値を持つ、つまり、大きな面積を持つサンプリング容量を用意することなく単位セル５００の信号電圧の加算をおこなうことができるので、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、チップ面積を増大させることなく単位セル５００の信号電圧を加算することができる。また、画素信号を加算するモードと、加算しない両モードでのＳ／Ｎを向上させることができる。例えば、Ｃｓｐが５ｐＦであり、Ｃｃｐが５ｐＦであり、サンプリング容量２００ａ、２００ｂ、２００ｃの単位面積当たりの容量が５ｆＦ／μｍ²である場合、単位セル５００の信号電圧をサンプリング容量６６０ａに蓄積するために形成される回路のゲインは、従来の固体撮像装置では０．５という小さな値となるのに対して、本実施の形態の増幅型固体撮像装置では０．７５という十分な値となり、かつ、サンプリング容量の面積は、従来の固体撮像装置では３０００μｍ²という大きな値となるのに対して、本実施の形態の増幅型固体撮像装置では１０００μｍ²という小さな面積で済む。

また、容量選択パルスＡ、容量選択パルスＢ、および容量選択パルスＣを変化させることにより、単位セル５００の信号電圧を加算する場合と、単位セル５００の信号電圧を加算しない場合とを選択することができる。よって、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、単位セル５００の信号電圧を加算する場合と単位セル５００の信号電圧を加算しない場合との両方に対応することができる。

ここで、単位セル５００の信号電圧をｋ行（ｋは２以上の整数）加算する場合のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）は、フォトダイオード５０１の光ショットノイズにより、√ｋ（加算画素数）に比例して向上する。よって、出力アンプ５８０を含む後段回路にてＮａという一定のノイズが存在し、単位セル５００の信号電圧を加算する場合も単位セル５００の信号電圧を加算しない場合も出力信号レベルＳは一定であるとすると、単位セル５００の信号電圧を３行加算したときのＳ／Ｎ比は√３に比例して向上する。しかし、単位セル５００の信号電圧を３行加算する場合のＳ／Ｎ比は単位セル５００の信号電圧を加算しない場合のＳ／Ｎ比よりも必要以上に良くなる必要はないので、単位セル５００の信号電圧を加算する場合のＳ／Ｎ比と単位セル５００の信号電圧を加算しない場合のＳ／Ｎ比とを同等にすることによりＣｓｐの最適化をおこなうことができる。

以上で述べたことに基づいて、Ｃｓｐの最適化をおこなうための（９）式が導出される。ここで（９）式において、左辺は、単位セル５００の信号電圧を３行加算する場合のゲインであり、右辺は、単位セル５００の信号電圧を加算しない場合のゲインに、左辺の信号電圧を加算する場合のＳ／Ｎ比と比較した回路ゲイン向上が必要となる√３倍を積算したものである。

（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ／３））×（Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ））＝
√３×（Ｃｃｐ／（Ｃｃｐ＋Ｃｓｐ））×（Ｃｓｐ／（Ｃｓｐ＋Ｃｃｏｍ））
・・・（９）
（９）式からＣｓｐの最適値を与える式が求められ、（１０）式となる。
Ｃｃｐ：Ｃｓｐ＝（１−１／√３）：（√３−１）
・・・（１０）
例えば、Ｃｃｐが５ｐＦである場合、（１０）式からＣｓｐは約８ｐＦとなる。

なお、本実施の形態において、単位セル５００の信号電圧を３行加算する場合について例示した。しかし、（１１）式により最適化された容量値Ｃｓｐを有するサンプリング容量をｋ個（ｋは２以上の整数）用意することにより、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、単位セル５００の信号電圧をｋ行加算してもよい。
Ｃｃｐ：Ｃｓｐ＝（１−１／√ｋ）：（√ｋ−１）
・・・（１１）
またＳ／Ｎ比は、通常±３ｄＢ（＝±√２）程度の差は許容されるレベルにあるので、ＣｃｐとＣｓｐの比は、
（１−１／√（ｋ／２））：（√（ｋ／２）−１）
から
（１−１／√（２ｋ））：（√（２ｋ）−１）
の範囲、つまりＣｃｐとＣｓｐの比として±３ｄＢ（＝±√２）の範囲で最適化してもよい。

以上のように本実施の形態によれば、単位セル５００の信号電圧を加算する場合のＳ／Ｎ比と単位セル５００の信号電圧を加算しない場合のＳ／Ｎ比とを同等にすることによりＣｓｐの最適化をおこなうことができる。よって、本実施の形態の増幅型固体撮像装置は、単位セル５００の信号電圧を加算する場合と単位セル５００の信号電圧を加算しない場合とに対応する固体撮像装置において、最適なＣｓｐを決定することができる。

なお、本実施の形態の固体撮像装置において、３つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を３行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の１つのサンプリング容量への蓄積を３回おこなった後、３つのサンプリング容量に蓄積された３行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を３つ全てのサンプリング容量に蓄積した後、３つのサンプリング容量に蓄積された１行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出すとした。しかし、ｎ個（ｎ≧ｋ、ｎは２以上の整数）のサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧をｋ行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧のｍ個（ｍ≦ｎ／ｋ、ｍは１以上の整数）のサンプリング容量への蓄積をｋ回おこなった後、サンプリング容量に蓄積されたｋ行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧をｐ個（ｍ＜ｐ≦ｎ、ｐは２以上の整数）のサンプリング容量に蓄積した後、サンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出してもよい。ここで、ｍは、前記ｋ回のサンプリング容量への蓄積において同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。具体的には、例えば以下の（１）〜（６）のような態様がある。
（１）３つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を３行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の１つのサンプリング容量への蓄積を３回おこなった後、３つのサンプリング容量に蓄積された３行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を２つのサンプリング容量に蓄積した後、２つのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。
（２）４つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を４行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の１つのサンプリング容量への蓄積を４回おこなった後、４つのサンプリング容量に蓄積された４行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を４つ全てのサンプリング容量に蓄積した後、４つのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。
（３）４つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を２行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の１つのサンプリング容量への蓄積を２回おこなった後、２つのサンプリング容量に蓄積された２行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を４つ全てのサンプリング容量に蓄積した後、４つのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。
（４）４つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を２行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の２つのサンプリング容量への蓄積を２回おこなった後、４つのサンプリング容量に蓄積された２行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を４つ全てのサンプリング容量に蓄積した後、４つのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。
（５）４つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を２行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の２つのサンプリング容量への蓄積を２回おこなった後、４つのサンプリング容量に蓄積された２行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を３つのサンプリング容量に蓄積した後、３つのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。
（６）４つのサンプリング容量が第２の垂直信号線に並列に接続され、単位セルの信号電圧を２行加算する場合には、各行の単位セルの信号電圧の１つのサンプリング容量への蓄積と２つのサンプリング容量への蓄積とをおこなった後、３つのサンプリング容量に蓄積された２行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出し、単位セルの信号電圧を加算しない場合には、各行の単位セルの信号電圧を４つのサンプリング容量に蓄積した後、４つ全てのサンプリング容量に蓄積された各行の単位セルの信号電圧を水平信号線に同時に読み出す。

上記のような読み出しをおこなう場合において、加算する場合に使用するサンプリング容量の総容量値および加算しない場合に使用するサンプリング容量の総容量値のいずれか小さい方は、例えば飽和信号電圧に対する列選択信号の飛び込みノイズのＳ／Ｎ比を−４０ｄＢ以下、または飛び込みノイズの１０％が列選択トランジスタ間での飛び込みノイズばらつきとなって発生し、そのときの飽和信号電圧に対する列選択信号の飛び込みノイズのＳ／Ｎ比を−６０ｄＢ以下とするために、サンプリング容量の総容量値＞＞ゲート容量、列選択信号のパルス電圧をＶＩＮとした場合、
飽和信号電圧／１００＞ＶＩＮ×ゲート容量／サンプリング容量の総容量値
を満たすことが必要である。例えば飽和信号電圧を５００ｍＶ、ＶＩＮ＝３Ｖとすると、加算する場合に使用するサンプリング容量の総容量値および加算しない場合に使用するサンプリング容量の総容量値のいずれか小さい方の容量値は、ゲート容量の約６００倍が必要となる。ここで、加算する場合に使用するサンプリング容量の総容量値および加算しない場合に使用するサンプリング容量の総容量値の比は、容量部の面積を最小とするために、１に近いことが好ましい。具体的なサンプリング容量の総容量値Ｃｓｐ₀としては、例えば、Ｃｓｐ（１つのサンプリング容量の容量値）＝０．８ｐＦ、ｍ＝１、ｋ＝３、ｐ＝３として、ｍ×ｋ×Ｃｓｐ＝ｐ×Ｃｓｐ＝Ｃｓｐ₀＝２．４ｐＦとなる。

また、本実施の形態の固体撮像装置において、トランジスタおよび容量は、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されてもよい。これによって、列選択トランジスタはＰＭＯＳ型トランジスタと比較して列選択時のオン抵抗が低いＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、列選択トランジスタのゲートサイズを小さくすることが可能となり、列選択トランジスタによる飛び込みノイズの影響を低減することができる。また、容量はＮ型ＭＯＳトランジスタから構成されるので、応答特性を速くすることができる。更に、２層のポリシリコンではなく、１層のポリシリコンにより容量を形成することが可能となり、製造工程を簡略化することができる。

本発明は、固体撮像装置に利用でき、特に移動端末が備えるカメラ等に利用することができる。

本発明の実施の形態における増幅型固体撮像装置の回路構成図を示す図である。 同増幅型固体撮像装置の信号処理部１００の回路構成図を示す図である。 同増幅型固体撮像装置の動作（単位セル５００の信号電圧の加算をおこなわない場合）を示す駆動タイミングチャートである。 同増幅型固体撮像装置の動作（単位セル５００の信号電圧の加算をおこなう場合）を示す駆動タイミングチャートである。 従来の固体撮像装置の回路構成図を示す図である。 従来の固体撮像装置の信号処理部５５０の回路構成図を示す図である。 従来の固体撮像装置の動作を示す駆動タイミングチャートである。

符号の説明

１００ 信号処理部
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ サンプリング容量
２１０ 水平信号線容量
５００ 単位セル
５０１ フォトダイオード
５０２ 読み出しトランジスタ
５０３ 増幅トランジスタ
５０４ リセットトランジスタ
５０５ 垂直選択トランジスタ
５０６ ＦＤ部
５１０ イメージエリア
５２０ 第１の垂直信号線
５３０ 行選択回路
５４０ 負荷トランジスタ群
５５０ 信号処理部
５６０ 列選択回路
５７０ 水平信号線
５８０ 出力アンプ
６００ サンプルホールドトランジスタ
６１０ クランプ容量
６２０ 第２の垂直信号線
６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ サンプリングトランジスタ
６４０ クランプトランジスタ
６５０ 列選択トランジスタ
６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ サンプリング容量

Claims (12)

1. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と前記光電変換部の出力を増幅して増幅信号を出力する増幅部とからなる複数の単位セルを２次元状に配置してなる撮像領域と、列方向に前記単位セルの増幅信号を伝達する複数の垂直信号線と、前記撮像領域に配置された単位セルから行方向で単位セルを選択する水平方向選択手段と、各列毎の垂直信号線に接続され、各行毎の前記単位セルの増幅信号に対応する信号を蓄積する第１蓄積容量および第２蓄積容量と、前記信号を蓄積する蓄積容量を前記第１蓄積容量および第２蓄積容量から選択する蓄積容量選択手段と、前記複数の垂直信号線のそれぞれに接続された前記第１蓄積容量および第２蓄積容量から任意の前記垂直信号線に接続された前記第１蓄積容量および第２蓄積容量を選択する垂直方向選択手段と、前記垂直方向選択手段を介して各列毎の垂直信号線に接続され、前記第１蓄積容量あるいは第２蓄積容量に蓄積された増幅信号に対応する信号を伝達する水平信号線とを備えた固体撮像装置であって、
   前記蓄積容量選択手段は、前記複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には前記第１蓄積容量を選択し、前記加算をおこなわない場合には前記第２蓄積容量を選択し、
   前記第１蓄積容量の容量値は、前記第２蓄積容量の容量値よりも小さく、
   前記第２蓄積容量の容量値は、当該第２蓄積容量に蓄積された信号を読み出すために必要な最小の容量値である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２蓄積容量の容量値は、前記垂直方向選択手段からの飛び込みノイズの吸収に必要な容量値である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１蓄積容量および第２蓄積容量は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の第３蓄積容量が並列に接続されてなり、
   前記蓄積容量選択手段は、ｋ行（ｋ≦ｎ、ｋは２以上の整数）の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合には、ｍ個（ｍ≦ｎ／ｋ、ｍは１以上の整数）の前記第３蓄積容量を選択し、前記加算をおこなわない場合には、ｐ個（ｍ＜ｐ≦ｎ、ｐは２以上の整数）の前記第３蓄積容量を選択し、前記第３蓄積容量に蓄積された信号を読み出す場合には、前記信号を蓄積する全ての前記第３蓄積容量を選択する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記蓄積容量選択手段は、前記加算をおこなう場合には、前記第３蓄積容量の選択をｋ回おこない、
   前記ｍは、前記ｋ回の第３蓄積容量の選択において同じ値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記ｋ×ｍ個の第３蓄積容量および前記ｐ個の第３蓄積容量のいずれか総容量値の小さい方は、前記垂直方向選択手段のもつ寄生容量値の所定倍よりも大きな総容量値を有し、
   前記寄生容量値の所定倍の値は、前記垂直方向選択手段による選択に用いられる電圧の値と、前記第３蓄積容量から読み出される信号電圧の値とから決定される
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記ｍは、１であり、
   前記ｎは、前記ｋおよび前記ｐと等しい
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記蓄積容量選択手段は、前記加算をおこなう場合には、前記第３蓄積容量の選択をｋ回おこない、
   前記ｍは、前記ｋ回の第３蓄積容量の選択において異なる値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
8. 前記第３蓄積容量は、クランプ容量を介して前記垂直信号線と接続される
   ことを特徴とする請求項３〜７のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
9. 前記第３蓄積容量の容量値は、前記加算をおこなう場合のＳ／Ｎ比と前記加算をおこなわない場合のＳ／Ｎ比とが同等になるように決定される
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
10. 前記第３蓄積容量の容量値は、Ｃｃｐをクランプ容量の容量値とし、Ｃｓｐを第３蓄積容量の容量値とし、ｋを加算する行数として、下記の数式
    Ｃｃｐ：Ｃｓｐ≒（１−１／√ｋ）：（√ｋ−１）
    から決定される
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の固体撮像装置。
11. 前記第３蓄積容量、水平方向選択手段および垂直方向選択手段は、ＮＭＯＳ型トランジスタにより構成される
    ことを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と前記光電変換部の出力を増幅して増幅信号を出力する増幅部とからなる複数の単位セルを２次元状に配置してなる撮像領域と、列方向に前記単位セルの増幅信号を伝達する複数の垂直信号線と、各列毎の垂直信号線に接続され、前記単位セルの増幅信号に対応する信号を蓄積する複数の蓄積容量とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
    複数行の前記単位セルの増幅信号の加算をおこなう場合において、前記複数の蓄積容量から加算する各行毎に独立に１つずつを選択して各行毎の前記増幅信号に対応する信号を蓄積した後、前記増幅信号に対応する信号が蓄積された蓄積容量の全てを選択し、
    前記加算をおこなわない場合において、前記複数の蓄積容量から各行毎の前記増幅信号に対応する信号を蓄積する２以上の蓄積容量を並列に選択する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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