TWI779360B - 固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供可利用小像素尺寸，藉由特定的讀取模式來擴大動態範 圍的固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備。像素200包含：光電轉換元件PD0、PD1，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；傳輸元件TG0-Tr、TG1-Tr，可傳輸所累積的電荷；輸出節點FD，通過各傳輸元件傳輸由光電轉換元件累積的電荷；輸出緩衝部211，將輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號；以及比較器220，進行對輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，比較器220可在讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。

Description

固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備
本發明涉及一種固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備。
互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）影像感測器已作為使用有光電轉換元件的固態攝像裝置（影像感測器）而被實際運用，該光電轉換元件檢測光並產生電荷。 CMOS影像感測器已廣泛用作數位相機、攝像機、監控相機、醫療用內窺鏡、個人電腦（Personal Computer，PC）、手機等便攜終端裝置（移動設備）等各種電子設備的一部分。
CMOS影像感測器在每個像素中帶有包括光電二極體（光電轉換元件）及浮動擴散層（FD：Floating Diffusion，浮置擴散層）的FD放大器，該CMOS影像感測器的主流讀取類型為行並聯輸出型，即，選擇像素陣列中的某一列，同時向行（column）輸出方向對這些列進行讀取。
另外，實際上已提出了行並聯輸出型CMOS影像感測器的各種像素信號讀取（輸出）電路。 其中，最先進的電路之一是每行（column）包括類比-數位轉換器（ADC（Analog digital converter）），將像素信號作為數位信號取出的電路（例如參照專利文獻1、2）。
在搭載有該行並聯ADC的CMOS影像感測器（行AD方式CMOS影像感測器）中，比較器（comparator）對所謂的RAMP波與像素信號進行比較，並利用後段的計數器進行數位相關雙取樣（Correlated Double Sampling，CDS），藉此，進行類比數位（Analog Digital，AD）轉換。
但是，此種CMOS影像感測器雖可高速傳輸信號，但存在無法進行全域快門讀取的缺點。
相對於此，已提出了數位像素（pixel）感測器，其在各像素中配置包括比較器的ADC（還配置記憶體部），可實現以同一時序對像素陣列部中的所有像素開始曝光與結束曝光的全域快門（例如參照專利文獻3、4）。
[現有技術文獻][專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2005-278135號公報 [專利文獻2]日本專利特開2005-295346號公報 [專利文獻3]US 7164114 B2 FIG. 4 [專利文獻4]US 2010/0181464 A1
[本發明所要解決的技術問題]上述現有的包括數位像素感測器的CMOS影像感測器可實現全域快門功能，另外，在各像素中配置包括比較器的ADC，可藉由特定的讀取模式來擴大動態範圍。
再者，作為擴大動態範圍的方法，例如已知有從影像感測器的同一像素讀取累積時間不同的兩種信號，並將該兩種信號組合而擴大動態範圍的方法；或利用高靈敏度的像素，將動態範圍小的信號與低靈敏度地擴大動態範圍後的信號加以組合而擴大動態範圍的方法等。
但是，上述現有的包括數位像素感測器的CMOS影像感測器需要在像素內安裝比較器（comparator）及數位記憶體的大量的電晶體，因此，一般難以減小像素尺寸。 這樣，對於上述現有的包括數位像素感測器的CMOS影像感測器，難以縮小比較器（comparator）及數位記憶體，像素尺寸受限，在大動態範圍化方面存在極限。
本發明提供可利用小像素尺寸，藉由特定的讀取模式來擴大動態範圍的固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法及電子設備。
[解決問題的方案]本發明的第一觀點的固態攝像裝置包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件而被傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，上述比較器可在上述讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
本發明的第二觀點是固態攝像裝置的驅動方法，上述固態攝像裝置包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件而被傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，在上述讀取部的控制下，在上述比較器中進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
本發明的第三觀點的電子設備包括：固態攝像裝置；以及光學系統，使被拍攝體像在上述固態攝像裝置中成像，上述固態攝像裝置包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間而被傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，上述比較器可在上述讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。 發明效果
根據本發明，可利用小像素尺寸，藉由特定的讀取模式來擴大動態範圍。
以下，與附圖關聯地說明本發明的實施方式。
（第一實施方式） 圖1是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的結構例的方框圖。 在本實施方式中，固態攝像裝置10例如由包含數位像素（Digital Pixel）作為像素的CMOS影像感測器構成。
如圖1所示，該固態攝像裝置10包括作為拍攝部的像素部20、垂直掃描電路（列掃描電路）30、輸出電路40及時序控制電路50作為主結構要素。 由這些結構要素中的例如垂直掃描電路30、輸出電路40及時序控制電路50構成像素信號的讀取部60。
在本第一實施方式中，固態攝像裝置10在像素部20中包含光電轉換讀取部、AD（類比數位）轉換部及記憶體部作為數位像素，從而構成為例如積層型的CMOS影像感測器。再者，固態攝像裝置10也可以具有全域快門的動作功能的方式構成。 在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，如下文所詳述，各數位像素DP具有AD（類比數位）轉換功能，AD轉換部包括比較器（comparator），該比較器對光電轉換讀取部所讀取的電壓信號與參考電壓進行比較，並對所讀取的電壓信號VSL進行類比數位（AD）轉換處理，輸出數位化後的比較結果信號。
比較器在讀取部60的控制下，進行輸出第一比較結果信號的第一比較處理、與輸出第二比較結果信號的第二比較處理，該第一比較結果信號是將與在累積期間（曝光期間）從光電轉換元件溢出至輸出節點（浮置擴散層）的溢流電荷對應的電壓信號數位化所得的信號，該第二比較結果信號是將與在累積期間後的傳輸期間傳輸至輸出節點的光電轉換元件的累積電荷對應的電壓信號數位化所得的信號。
而且，在本實施方式中包括快門閘極（SG），即使在第二比較處理中，不規則的強光射入至光電轉換元件，該快門閘極（SG）也會防止如下情況，該情況是指多餘的電荷從光電轉換元件釋放至浮置擴散層FD區域外，電荷從光電轉換元件溢流至浮置擴散層FD而導致FD位準變動。 藉此，即使在第二比較處理中，不規則的強光射入至光電轉換元件，也會防止FD位準變動，從而可實現正常的AD轉換處理。
而且，本第一實施方式的固態攝像裝置10可利用小像素尺寸，藉由特定的讀取模式來擴大動態範圍並實現數位像素，因此，讀取部60以如下方式執行從數位像素讀取像素信號的處理及AD轉換處理後的資料儲存。
在固態攝像裝置10中，比較器可在讀取部60的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。 更具體而言，比較器是以如下方式構成，即，連接於由不同的兩個光電轉換元件共享一個作為輸出節點的浮置擴散層FD的一個光電轉換讀取部（像素），可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對同一光電轉換讀取部內的不同的光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。 另外，比較器是以如下方式構成，即，選擇性地連接各自包含一個或複數個光電轉換元件的複數個光電轉換讀取部，一個比較器由複數個光電轉換讀取部共享，可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的光電轉換讀取部內的不同的光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
在本實施方式中，讀取部60至少可利用第一讀取模式RMD1、第二讀取模式RMD2、第三讀取模式RMD3及第四讀取模式RMD4這四個體系的讀取模式中的至少兩個體系的讀取模式來讀取上述像素信號。 各讀取模式的讀取序列在後文中詳述。
讀取部60可在第一讀取模式RMD1時，在重置期間PR後的重置讀取期間PRRD中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點（浮置擴散層）的第二電荷量對應的第二轉換增益（例如低轉換增益：LCG）轉換後的讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器進行對於該讀取重置信號LCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第一讀取模式RMD1時，在接續重置讀取期間PRRD後的傳輸期間PT的讀取期間PRD中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取信號LCGVSIG，並利用比較器進行對於該讀取信號LCGVSIG的比較處理。
或者，讀取部60可在第一讀取模式RMD1時，在重置期間PR後的重置讀取期間PRRD中進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點（浮置擴散層）的第一電荷量對應的第一轉換增益（例如高轉換增益：HCG）轉換後的讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器進行對於該讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第一讀取模式RMD1時，在接續重置讀取期間PRRD後的傳輸期間PT的讀取期間PRD中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取信號HCGVSIG，並利用比較器進行對於該讀取信號HCGVSIG的比較處理。
讀取部60可在第二讀取模式RMD2時，在重置期間PR後的重置讀取期間PRRD中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器進行對於第二讀取重置信號LCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第二讀取模式RMD2時，藉由增益切換部來切換增益，進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器進行對於該第一讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第二讀取模式RMD2時，在接續重置讀取期間PRRD後的第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號HCGVSIG，並利用比較器進行對於該第一讀取信號HCGVSIG的比較處理。 此外，讀取部60可在第二讀取模式RMD2時，在第一讀取期間PRD1後，藉由增益切換部來切換增益，在接續第一讀取期間PRD1後的第二傳輸期間PT2的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號LCGVSIG，並利用比較器進行對於該第二讀取信號LCGVSIG的比較處理。
讀取部60可在第三讀取模式RMD3時，在第一重置期間PR1後的第一重置讀取期間PRRD1中進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器進行對於該第一讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第三讀取模式RMD3時，在接續第一重置讀取期間PRRD1後的第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號HCGVSIG，並利用比較器進行對於該第一讀取信號HCGVSIG的比較處理。 而且，讀取部60可在第三讀取模式RMD3時，在第一讀取期間PRD1後，藉由增益切換部來切換增益，在接續第一讀取期間PRD1後的第二傳輸期間PT2的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號LCGVSIG，並利用比較器進行對於該第二讀取信號LCGVSIG的比較處理。 此外，讀取部60可在第三讀取模式RMD3時，在接續第二讀取期間PRD2後的第二重置期間PR2的第二重置讀取期間PRRD2中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRSD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器進行對於該第二讀取重置信號LCGVRST的比較處理。
讀取部60可在第四讀取模式RMD4時，在不規則的強光射入至光電轉換元件的情況下，輸出節點（浮置擴散層FD）的電位因溢流電荷而變動，將直到比較器的輸出反轉為止的時間利用時脈計數，並預測信號量，在第一重置讀取期間PRRD1中進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器進行對於該第一讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60可在第四讀取模式RMD4時，在接續第一重置讀取期間PRRD1後的第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號HCGVSIG，並利用比較器進行對於該第一讀取信號HCGVSIG的比較處理。 而且，讀取部60可在第四讀取模式RMD4時，在第一讀取期間PRD1後，藉由增益切換部來切換增益，在接續第一讀取期間PRD1後的第二傳輸期間PT2的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號LCGVSIG，並利用比較器進行對於該第二讀取信號LCGVSIG的比較處理。 此外，讀取部60可在第四讀取模式RMD4時，在接續第二讀取期間PRD2後的第二重置期間PR2的第二重置讀取期間PRRD2中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRSD，即，從輸出緩衝部讀取以與輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器進行對於該第二讀取重置信號LCGVRST的比較處理。
以下，詳述固態攝像裝置10的各部分的結構及功能的概要，特別是像素部20及數位像素的結構及功能、與這些關聯的讀取處理、以及像素部20與讀取部60的積層構造等。
（像素部20及數位像素200的結構） 圖2是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置10的像素部的數位像素陣列的一例的圖。 圖3是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置10的像素的一例的電路圖。
如圖2所示，像素部20的複數個數位像素200排列為N列M行的行列狀（矩陣狀）。 再者，在圖2中，為了簡化附圖而表示了由九個數位像素200配置為3列3行的行列狀（M＝3，N＝3的矩陣狀）的例子。
本第一實施方式的數位像素200的結構包含光電轉換讀取部（圖2中標記為PD）210、AD轉換部（圖2中標記為ADC）220及記憶體部（圖2中標記為MEM）230。 本第一實施方式的像素部20構成為第一基板110與第二基板120的積層型的CMOS影像感測器，但在本例中，如圖3所示，在第一基板110上形成有光電轉換讀取部210，在第二基板120上形成有AD轉換部220及記憶體部230。
數位像素200的光電轉換讀取部210的結構包含兩個光電二極體（光電轉換元件）與一個像素內放大器。 具體而言，該光電轉換讀取部210包括例如第一光電轉換元件即第一光電二極體PD0及第二光電轉換部即光電二極體PD1。 本第一實施方式的像素200的第一光電二極體PD0及第二光電二極體PD1共享作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD。
第一光電二極體PD0及第二光電二極體PD1在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷。 在第一光電二極體PD0的累積部PND0與浮置擴散層FD之間，連接有作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr，在累積部PND0與特定的固定電位VAAPIX之間，連接有作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr。 另外，在第二光電二極體PD1的累積部PND1與浮置擴散層FD之間，連接有作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr，在累積部PND1與特定的固定電位VAAPIX之間，連接有作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr。
而且，光電轉換讀取部210對應於一個作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD，分別包括一個作為重置元件的重置電晶體RST-Tr、一個作為源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF-Tr、一個作為累積元件的累積電晶體BIN-Tr、一個作為累積電容元件的累積電容器CS及一個讀取節點ND1。
而且，在本第一實施方式中，包含源極隨耦電晶體SF-Tr及讀取節點ND1而構成輸出緩衝部211。 另外，包含累積電晶體BIN-Tr及累積電容器CS而構成增益切換部212。
本第一實施方式的光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211的讀取節點ND1連接於AD轉換部220的輸入部。 光電轉換讀取部210將作為輸出節點的浮置擴散層FD的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的電壓信號VSL輸出至AD轉換部220。
本第一實施方式的光電轉換讀取部210在讀取部60的控制下，對作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0的累積電荷，進行第四讀取模式RMD4或上述第三讀取模式RMD3的讀取。 接著，光電轉換讀取部210對作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1的累積電荷，進行第一讀取模式RMD1或第二讀取模式RMD2的讀取。 在本第一實施方式中，對作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0的累積電荷，進行第四讀取模式RMD4的讀取，對作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1的累積電荷，進行第二讀取模式RMD2的讀取。
例如，光電轉換讀取部210在AD轉換部220的第一比較處理期間PCMP1中，輸出與在累積期間PI中從光電轉換元件即光電二極體PD0溢出至作為輸出節點的浮置擴散層FD的溢流電荷對應的電壓信號VSL。
而且，光電轉換讀取部210在AD轉換部220的第二比較處理期間PCMP2中，輸出與在累積期間PI後的傳輸期間PT中傳輸至作為輸出節點的浮置擴散層FD的光電二極體PD1的累積電荷對應的電壓信號VSL。 光電轉換讀取部210在第二比較處理期間PCMP2中，將作為像素信號的讀取重置信號（信號電壓）（VRST）及讀取信號（信號電壓）（VSIG）輸出至AD轉換部220。
第一光電二極體PD0及第二光電二極體PD1產生並累積與入射光量對應的量的信號電荷（此處為電子）。 以下，對信號電荷為電子且各電晶體為n型電晶體的情況進行說明，但信號電荷也可為電洞（hole），各電晶體也可為p型電晶體。
在各數位像素200中，使用嵌入型光電二極體（PPD）作為光電二極體（PD）。 在形成光電二極體（PD）的基板表面，存在由懸掛鍵等缺陷引起的界面態，因此，會因熱能而產生大量的電荷（暗電流），導致無法讀取正確的信號。 嵌入型光電二極體（PPD）藉由將光電二極體（PD）的電荷累積部嵌入在基板內，可減少暗電流混入信號的情況。
光電轉換讀取部210的第一傳輸電晶體TG0-Tr連接在第一光電二極體PD0的累積部PND0與浮置擴散層FD之間，受到通過控制線施加至閘極的控制信號TG0控制。 第一傳輸電晶體TG0-Tr在控制信號TG0為高（H）位準的傳輸期間PT內被選擇而成為導通狀態，將由第一光電二極體PD0光電轉換並累積的電荷（電子）傳輸至浮置擴散層FD。 再者，在第一光電二極體PD0及浮置擴散層FD被重置為特定的重置電位後，第一傳輸電晶體TG0-Tr成為控制信號TG0為低（L）位準的非導通狀態，第一光電二極體PD0達到累積期間PI，但此時，在入射光的強度（量）非常高的情況下，超過飽和電荷量的電荷會通過第一傳輸電晶體TG0-Tr下的溢流路徑，作為溢流電荷而溢出至浮置擴散層FD。
作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr將第一光電二極體PD0的累積部PND0與特定的固定電位VAAPIX之間連接，受到通過控制線施加的控制信號SG0控制。 第一快門閘極電晶體SG0-Tr在控制信號SG0為H位準的期間被選擇而成為導通狀態，在第一光電二極體PD0的電荷累積部PND0與特定的固定電位VAAPIX之間形成抑制高光溢出的發射極流（emitter flow），使多餘的電荷釋放至固定電位VAAPIX。
這樣，第一傳輸電晶體TG0-Tr與第一快門閘極電晶體SG0-Tr分別以各別的時序受到驅動控制。
光電轉換讀取部210的第二傳輸電晶體TG1-Tr連接在第二光電二極體PD1的累積部PND1與浮置擴散層FD之間，受到通過控制線施加至閘極的控制信號TG1控制。 第二傳輸電晶體TG1-Tr在控制信號TG1為高（H）位準的傳輸期間PT內被選擇而成為導通狀態，將由第二光電二極體PD1光電轉換並累積的電荷（電子）傳輸至浮置擴散層FD。 再者，在第二光電二極體PD1及浮置擴散層FD被重置為特定的重置電位後，第二傳輸電晶體TG1-Tr成為控制信號TG1為低（L）位準的非導通狀態，第二光電二極體PD1達到累積期間PI，但此時，在入射光的強度（量）非常高的情況下，超過飽和電荷量的電荷會通過第二快門閘極電晶體SG1-Tr下的溢流路徑，作為溢流電荷而溢出至固定電位VAAPIX。
作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr將第二光電二極體PD1的累積部PND1與特定的固定電位VAAPIX之間連接，受到通過控制線施加的控制信號SG1控制。 第二快門閘極電晶體SG1-Tr在控制信號SG1為H位準的期間被選擇而成為導通狀態，在第二光電二極體PD1的電荷累積部PND1與特定的固定電位VAAPIX之間形成抑制高光溢出的發射極流，使多餘的電荷釋放至固定電位VAAPIX。
這樣，第二傳輸電晶體TG1-Tr與第二快門閘極電晶體SG1-Tr分別以各別的時序受到驅動控制。
重置電晶體RST-Tr連接在電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix與浮置擴散層FD之間，受到通過控制線施加至閘極的控制信號RST控制。 重置電晶體RST-Tr在控制信號RST為H位準的重置期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD重置為電源電壓VAAPIX的電源線Vaapix的電位。
累積電晶體BIN-Tr連接在浮置擴散層FD與重置電晶體RST-Tr之間，在其連接節點ND2與基準電位VSS之間連接有累積電容器CS。 累積電晶體BIN-Tr受到通過控制線施加至閘極的控制信號BIN控制。 累積電晶體BIN1-Tr在控制信號BIN為H位準的重置期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD與累積電容器CS連接。
在第一轉換增益信號讀取處理HCGSRD時，累積電晶體BIN-Tr保持為非導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容器CS的電荷分離而執行讀取處理。 在第二轉換增益信號讀取處理LCGSRD時，累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，共享輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容器CS的電荷而執行讀取處理。 在第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD時，重置電晶體RST-Tr及累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，清除輸出節點ND即浮置擴散層FD的電荷與累積電容器CS的電荷而執行讀取處理。
作為源極隨耦元件的源極隨耦電晶體SF-Tr的源極連接於讀取節點ND1，汲極側連接於電源線Vaapix，閘極連接於浮置擴散層FD。 而且，形成輸出緩衝部211的輸出節點ND1連接於與AD轉換部220的輸入部連接的信號線LSGN1。 在連接著讀取節點ND1的信號線LSGN1與基準電位VSS（例如GND）之間，連接有作為電流源元件的電流電晶體IC-Tr的汲極、源極。電流電晶體IC-Tr的閘極連接於控制信號VBNPIX的供應線。 而且，讀取節點ND1與AD轉換部220的輸入部之間的信號線LSGN1由作為電流源元件的電流電晶體IC-Tr驅動。
圖4是表示本發明第一實施方式的數位像素的主要部分即包括快門閘極電晶體的電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖視圖。
各數位像素單元PXLC形成於包括受到光L照射的第一基板面1101側（例如背面側）及與該第一基板面1101側相向的一側的第二基板面1102側的基板（在本例中為第一基板110），並由分離層SPL分離。 而且，圖4的本實施方式的數位像素單元PLXC的結構包含形成光電轉換讀取部210的例如第一光電二極體PD0、第一傳輸電晶體TG0-Tr、浮置擴散層FD、快門閘極電晶體SG0-Tr、分離層SPL，還包含未圖示的彩色濾光片部及微透鏡。
再者，將背面照射型作為一例表示了圖4的數位像素，但本發明也可為表面照射型。
（光電二極體的結構） 第一光電二極體PD0是以如下方式構成，即，包含第一導電型（在本實施方式中為n型）半導體層（在本實施方式中為n層）2102，且具有對接收的光進行光電轉換的功能及電荷累積功能，該第一導電型半導體層2102是以嵌入至包括第一基板面1101側及與第一基板面1101側相向的一側的第二基板面1102側的半導體基板的第二導電型（在本實施方式中為p型）的外延層（p-epi）2101的方式形成。 在第一光電二極體PD0的與基板的法線正交的方向（X方向）上的側部，在圖中的兩側隔著外延層（p-epi）2101R、2101L而形成有第二導電型（在本實施方式中為p型）分離層SPL（SPL1、SPL2）。
這樣，在本實施方式中，各數位像素單元PXLC使用嵌入型光電二極體（PPD）作為光電二極體（PD）。 在形成光電二極體（PD）的基板表面，存在由懸掛鍵等缺陷引起的界面態，因此，會因熱能而產生大量的電荷（暗電流），導致無法讀取正確的信號。 嵌入型光電二極體（PPD）藉由將光電二極體（PD）的電荷累積部嵌入在基板內，可減少暗電流混入信號的情況。
對於圖4的第一光電二極體PD0，在n層（第一導電型半導體層）2102的第二基板面1102側形成有p+層2103。 再者，在外延層（p-epi）2101的光入射側形成有彩色濾光片部，而且，與彩色濾光片部的光入射側即第一光電二極體PD0及分離層SPL的一部分對應地形成有微透鏡。
（X方向（行方向）上的分離層的結構） 在圖4的X方向（行方向）右側的p型分離層2104（SPL1）的第二基板面1102側，形成有成為浮置擴散層FD的n+層2105。 在圖4的X方向（行方向）左側的p型分離層2106（SPL2）的第二基板面1102側，形成有成為快門閘極電晶體TSG0-Tr的汲極的n+層2107。 另外，在第二基板面1102側的外延層（p-epi）2101R上，隔著閘極絕緣膜而形成有第一傳輸電晶體TG0-Tr的閘極電極2108。 在第一傳輸電晶體TG0-Tr下，形成從第一光電二極體PD0到浮置擴散層FD的溢流路徑OVP。 再者，溢流路徑OVP的電位也可藉由例如閘極控制而進行控制。
另一方面，在第二基板面1102側的外延層（p-epi）2101L上，隔著閘極絕緣膜而形成有第一快門閘極電晶體SG0-Tr的閘極電極2109。 在第一快門閘極電晶體SG0-Tr下，形成從光電二極體PD0到n+層2107的發射極流路徑EFP。
此種構造在入射光的強度（量）非常高的情況下，超過飽和電荷量的電荷會通過第一傳輸電晶體TG0-Tr下的溢流路徑OVP，作為溢流電荷而溢出至浮置擴散層FD。 在比較器221的第一比較處理CMPR1中使用溢流電荷。
相對於此，若在AD轉換的第二比較處理中，不規則的強光射入至第一光電二極體PD0，則電荷會從光電二極體PD0溢流至浮置擴散層FD，導致輸出節點即浮置擴散層FD的位準變動，從而有可能無法實現正常的AD轉換處理。 因此，在本實施方式中包括第一快門閘極電晶體SG0-Tr，即使在第二比較處理中，不規則的強光射入至第一光電二極體PD0，該第一快門閘極電晶體SG0-Tr也會防止如下情況，該情況是指多餘的電荷從第一光電二極體PD0釋放至浮置擴散層FD區域外，電荷從第一光電二極體PD0溢流至浮置擴散層FD而導致FD位準變動。 藉此，即使在第二比較處理中，不規則的強光射入至第一光電二極體PD0，也會防止FD位準變動，可實現正常的AD轉換處理。
如上所述的由兩組第一光電二極體PD0、第一傳輸閘極電晶體TG0-Tr及第一快門閘極電晶體SG0-Tr以及第二光電二極體PD1、第二傳輸閘極電晶體TG1-Tr及第二快門閘極電晶體SG1-Tr共享一個作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的像素200的光電轉換讀取部210根據對應的讀取模式來改變光電二極體PD的容量，以提高動態範圍。 在本第一實施方式中，對第一光電二極體PD0的累積電荷進行第四讀取模式RMD4的讀取，並對第二光電二極體PD1的累積電荷進行例如第二讀取模式RMD2讀取，與此對應地，形成在同一光電轉換讀取部210內的第一光電二極體PD0的容量形成得小於相鄰地形成在同一光電轉換讀取部210內的第二光電二極體PD1的容量。
藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0的FWC會因TTS飽和而受到限制，並不受光電二極體自身的滿井容量（Full Well Capacity，FWC）限制。 另一方面，藉由第一讀取模式RMD1等被讀取的第一光電二極體PD1的FWC受光電二極體的FWC限制。 因此，藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0是以使FWC變小的方式形成，藉由第一讀取模式RMD1等被讀取的第二光電二極體PD1是以使FWC變大的方式形成。
圖5是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由兩個光電二極體共享一個浮置擴散層FD的情況下的各電晶體、電容器等的配置例的簡略平面圖。
像素單元PXLC包含中央部分的中央區域CTAR以及隔著中央區域CTAR的兩側（Y方向）的第一區域FSAR及第二區域SCAR作為元件的形成區域，從而分配矩形區域RCT。
在中央區域CTAR中，浮置擴散層FD形成在X方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有累積電晶體BIN-Tr、重置電晶體RST-Tr，在左側形成有源極隨耦電晶體SF-Tr。
在第一區域FSAR中，相鄰地形成有至少藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3受到存取的作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0、作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr、作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr及作為累積電容元件的累積電容器CS。 在圖5的例子中，累積電容器CS被一分為二而形成在第一區域FSAR的X方向的邊緣部側（兩側）。 而且，在受到兩個累積電容器CS的形成區域包夾的中央部，形成有第一光電二極體PD0、第一傳輸電晶體TG0-Tr、第一快門閘極電晶體SG0-Tr。 在此情況下，第一傳輸電晶體TG0-Tr以與浮置擴散層FD連接的方式形成在中央區域CTAR側，第一快門閘極電晶體SG0-Tr形成在矩形區域RCT的邊緣部側（外周側、圖中的上側）。
在第二區域SCAR中，形成有藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3以外的讀取模式例如第二讀取模式RMD2受到存取的作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1、作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr、作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr。 在此情況下，第二光電二極體PD1在整個第二區域SCAR中，容量形成得比第一光電二極體PD0更大。 而且，第二傳輸電晶體TG1-Tr以與浮置擴散層FD連接的方式形成在中央區域CTAR側，第二快門閘極電晶體SG1-Tr形成在矩形區域RCT的邊緣部側（外周側、圖中的下側）。
藉由採用如圖5所示的結構，不僅可提高第四讀取模式（或第三讀取模式）的動態範圍，而且可提高另外的第一讀取模式、第二讀取模式的動態範圍。
圖6是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由四個光電二極體共享一個浮置擴散層FD的情況下的各電晶體、電容器等的配置例的簡略平面圖。 圖7是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由四個光電二極體共享一個浮置擴散層的數位像素的一例的電路圖。
在該例子中，第一光電二極體PD0的容量形成得比另外三個第二光電二極體PD1、第三光電二極體PD2及第四光電二極體PD3更小。
在圖6的例子中，在第一區域FSAR的X方向的左半部分，相鄰地形成有至少藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3受到存取的作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0、作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr、作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr及作為累積電容元件的累積電容器CS。
在第一區域FSAR的X方向的右半部分，形成有藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3以外的讀取模式例如第一讀取模式RMD1或第二讀取模式RMD2受到存取的作為第三光電轉換元件的第三光電二極體PD2、作為第三傳輸元件的第三傳輸電晶體TG2-Tr、作為第三電荷溢流閘極元件的第三快門閘極電晶體SG2-Tr。
在第二區域FSAR的X方向的左半部分，形成有藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3以外的讀取模式例如第一讀取模式RMD1或第二讀取模式RMD2受到存取的作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1、作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr、作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr。
在第二區域FSAR的X方向的右半部分，形成有藉由第四讀取模式RMD4或第三讀取模式RMD3以外的讀取模式例如第一讀取模式RMD1或第二讀取模式RMD2受到存取的作為第四光電轉換元件的第四光電二極體PD3、作為第四傳輸元件的第四傳輸電晶體TG3-Tr、作為第四電荷溢流閘極元件的第四快門閘極電晶體SG3-Tr。
藉由採用如圖6所示的結構，不僅可提高第四讀取模式或上述第三讀取模式的動態範圍，而且可提高另外的第一讀取模式、第二讀取模式的動態範圍。
此處，返回圖1至圖3的說明。
數位像素200的AD轉換部220發揮如下功能，即，將光電轉換讀取部210所輸出的類比的電壓信號VSL與保持特定斜率地發生變化的斜波波形或固定電壓的參考電壓VREF作比較，將該電壓信號VSL轉換為數位信號。
如圖3所示，AD轉換部220的結構包含比較器（COMP）221、輸出側的負載電容器CL1及重置開關SW-RST。
比較器221在作為第一輸入端子的反轉輸入端子（-）處被供應從光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211輸出至信號線LSGN1的電壓信號VSL，在作為第二輸入端子的非反轉輸入端子（+）處被供應參考電壓VREF，從而進行對電壓信號VST與參考電壓VREF進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號SCMP的AD轉換處理（比較處理）。
比較器221的作為第一輸入端子的反轉輸入端子（-）連接著耦合電容器CC1，藉由使第一基板110側的光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211與第二基板120側的AD轉換部220的比較器221的輸入部交流（Alternating Current，AC）耦合，可降低雜訊，並在低照度時實現高信號雜訊比（Signal Noise Ratio，SNR）。
另外，比較器221在輸出端子與作為第一輸入端子的反轉輸入端子（-）之間連接有重置開關SW-RST，並在輸出端子與基準電位VSS之間連接有負載電容器CL1。
基本上，在AD轉換部220中，從光電轉換讀取部210的輸出緩衝部211讀取至信號線LSGN1的類比信號（電位VSL）在比較器221中，與參考電壓VREF例如呈具有某斜率的線形地發生變化的觸發極性波形即斜波信號RAMP作比較。 此時，例如與比較器221同樣地配置於每行的未圖示的計數器進行動作，具有斜波波形的斜波信號RAMP與計數值逐一對應地發生變化，藉此，將電壓信號VSL轉換為數位信號。 基本上，AD轉換部220將參考電壓VREF（例如斜波信號RAMP）的變化從電壓的變化轉換為時間的變化，藉由在某週期（時脈）內計數該時間而轉換為數位值。 於是，當類比信號VSL與斜波信號RAMP（參考電壓VREF）相交時，比較器221的輸出反轉，停止未圖示的計數器的輸入時脈，或將輸入已停止的時脈輸入至未圖示的計數器，並將此時的計數器的值（資料）記憶於記憶體部230而完成AD轉換。 在以上的AD轉換期間結束後，各數位像素200的記憶體部230所儲存的資料（信號）從輸出電路40輸出至未圖示的信號處理電路，藉由特定的信號處理而產生二維圖像。
記憶體部230由靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory，SRAM）或動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM）構成，被供應數位轉換所得的信號，並能夠對應於光轉換碼而由像素陣列周邊的輸出電路40的外部輸入輸出（Input Output，IO）緩衝器讀取。 在本例中，記憶體部230的兩個記憶體231、232連接於比較器221的輸出。
垂直掃描電路30根據時序控制電路50的控制，在快門列及讀取列中，藉由列掃描控制線來驅動數位像素200的光電轉換讀取部210。 垂直掃描電路30根據時序控制電路50的控制，對各數位像素200的比較器221供應按照比較處理而設定的參考電壓VREF。 另外，垂直掃描電路30根據地址信號，輸出讀取信號的讀取列、與對光電二極體PD所累積的電荷進行重置的快門列的列地址的列選擇信號。
輸出電路40包含例如與像素部20的各數位像素200的記憶體輸出對應地配置的IO緩衝器，並將從各數位像素200讀取的數位資料輸出至外部。
時序控制電路50產生像素部20、垂直掃描電路30、輸出電路40等的信號處理所需的時序信號。
在本第一實施方式中，讀取部60進行從數位像素200讀取像素信號的讀取控制。
（讀取部60從數位像素200讀取像素信號的讀取控制） 接著，具體地說明本第一實施方式的讀取部60從數位像素200讀取像素信號的讀取控制。
首先，說明本實施方式中例示的第一讀取模式RMD1、第二讀取模式RMD2、第三讀取模式RMD3及第四讀取模式RMD4的具體的讀取序列。
圖8（A）～圖8（D）是用以說明利用第二轉換增益（LCG）的讀取序列的一例作為本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的第一讀取模式的時序圖。 圖8（A）表示利用第一讀取模式RMD1的存取對象即傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖8（B）表示快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖8（C）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖8（D）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
讀取部60在第一讀取模式RMD1時，將控制信號TG1設定為低位準而將傳輸電晶體TG1-Tr保持為非導通狀態，控制信號SG1從高位準切換為低位準，將快門閘極電晶體SG1-Tr從導通狀態切換為非導通狀態。 以該快門閘極電晶體SG1-Tr從導通狀態切換為非導通狀態的時序，開始曝光時間。 另外，讀取部60將控制信號RST設定為高位準而將重置電晶體RST-Tr保持為導通狀態，且將控制信號BIN設定為高位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，從而維持重置期間RP中的輸出節點ND0即浮置擴散層FD的重置狀態。 此處，讀取部60將控制信號RST切換為低位準而將重置電晶體RST-Tr切換為非導通狀態，從而結束重置期間PR。 此時，讀取部60將控制信號BIN設為高位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷被共享，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第二電荷量。藉此，可執行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD及第二轉換增益信號讀取處理LCGSRD。
在此種狀態下，讀取部60在重置期間PR後的重置讀取期間PRRD中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益（例如低轉換增益：LCG）轉換後的讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號LCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60在第一讀取模式RMD1時，在重置讀取期間PRRD後的特定期間內，將控制信號TG1設定為高位準，在該傳輸期間PT中，使光電二極體PD1的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在接續傳輸期間PT的讀取期間PRD中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取信號LCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號LCGVSIG的比較處理。
圖9（A）～圖9（D）是用以說明利用第一轉換增益（HCG）的讀取序列的一例作為本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的第一讀取模式的時序圖。 圖9（A）表示利用第一讀取模式RMD1的存取對象即傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖9（B）表示快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖9（C）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖9（D）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
上述說明說明了執行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD及第二轉換增益信號讀取處理LCGSRD作為第一讀取模式RMD1的例子，但也可執行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD及第一轉換增益信號讀取處理HGSRD作為第一讀取模式RMD1。 在此情況下，如圖9（C）所示，讀取部60在特定期間內，將控制信號BIN切換為低位準，將累積電晶體BIN-Tr保持為非導通狀態而斷開輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第一電荷量。藉此，可執行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD及第一轉換增益信號讀取處理HCGSRD。
圖10是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置10中的像素的利用第二讀取模式RMD2的讀取序列的一例的時序圖。 圖10（A）表示利用第二讀取模式RMD2的存取對象即傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖10（B）表示快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖10（C）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖10（D）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
讀取部60在第二讀取模式RMD2時，與上述第一讀取模式RMD1同樣地進行從曝光開始到重置期間PR結束為止的處理。 在此情況下，讀取部60也將控制信號BIN設為高位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷被共享，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第二電荷量。藉此，可執行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD。
在此種狀態下，讀取部60在重置期間PR後的重置讀取期間PRRD中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號LCGVRST的比較處理。 接著，讀取部60將控制信號BIN切換為低位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為非導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷分離，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第一電荷量。藉此，可執行第一轉換增益信號讀取處理HCGSRD。
在此種狀態下，讀取部60在重置期間PR後的又一個重置讀取期間PRRD中進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益（高轉換增益：HCG）轉換後的讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60在第二讀取模式RMD2時，在重置讀取期間PPRD後的特定期間內，將控制信號TG1設定為高位準，在該第一傳輸期間PT1中，使光電二極體PD1的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在接續第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取信號HCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號HCGVSIG的比較處理。
而且，讀取部60在第二讀取模式RMD2時，在第一讀取期間PRD1後，將控制信號BIN切換為高位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷被共享，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第二電荷量。藉此，可執行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD。 在該狀態下，讀取部60在第一讀取期間PRD1後的特定期間內，將控制信號TG1設定為高位準，在該第二傳輸期間PT2中，使光電二極體PD1的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在第二傳輸期間PT2後，將控制信號SG1切換為高位準而將快門閘極電晶體SG1-Tr保持為導通狀態，在後續的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取信號LCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號LCGVSIG的比較處理。
圖11是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置10中的像素的利用第三讀取模式RMD3的讀取序列的一例的時序圖。 圖11（A）表示利用第三讀取模式RMD1的存取對象即傳輸電晶體TG0-Tr的控制信號TG0，圖11（B）表示快門閘極電晶體SG0-Tr的控制信號SG0，圖11（C）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖11（D）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
讀取部60在第三讀取模式RMD3時，與上述第一讀取模式RMD1及第二讀取模式RMD2同樣地進行從曝光開始到重置期間PR結束為止的處理。 在此情況下，讀取部60將控制信號BIN設為低位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為非導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷分離，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第一電荷量。藉此，可執行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD。 再者，在第三讀取模式RMD3時的曝光期間中，浮置擴散層FD與累積電容器CS不會被重置。
在此種狀態下，讀取部60在第一重置期間PR後的第一重置讀取期間PRRD進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60在第三讀取模式RMD3時，在重置讀取期間PPRD後的特定期間內，將控制信號TG0設定為高位準，在該第一傳輸期間PT1中，使光電二極體PD1的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在接續第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取信號HCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號HCGVSIG的比較處理。
而且，讀取部60在第三讀取模式RMD3時，在第一讀取期間PRD1後，將控制信號BIN切換為高位準而使累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷被共享，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第二電荷量。藉此，可執行第二轉換增益讀取處理LCGSRD。 在該狀態下，讀取部60在第一讀取期間PRD1後的特定期間內，將控制信號TG0設定為高位準，在該第二傳輸期間PT2中，使光電二極體PD1的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在第二傳輸期間PT2後，將控制信號SG0切換為高位準而將快門閘極電晶體SG0-Tr保持為導通狀態，在後續的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取信號LCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號LCGVSIG的比較處理。
而且，讀取部60在第三讀取模式RMD3時，在第一讀取期間PRD1後的特定期間內，將控制信號RST切換為高位準，將重置電晶體RST-Tr保持為導通狀態而對輸出節點ND0即浮置擴散層FD進行重置。 在此種狀態下，讀取部60在第二重置期間PR2後的第二重置讀取期間PRRD2中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號LCGVRST的比較處理。
圖12是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置10中的像素的利用第四讀取模式RMD4的讀取序列的一例的時序圖。 圖12（A）表示利用第四讀取模式RMD4的存取對象即傳輸電晶體TG0-Tr的控制信號TG0，圖12（B）表示快門閘極電晶體SG0-Tr的控制信號SG0，圖12（C）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖12（D）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
第四讀取模式RMD4時的讀取序列是進行對於與在累積期間（曝光期間）從光電二極體PD0溢出至作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的溢流電荷對應的電壓信號的比較處理，除了此方面與上述第三讀取模式RMD3時的讀取序列不同以外，讀取部60基本上進行與第三讀取模式RMD3時的讀取序列相同的處理。
即，讀取部60在第四讀取模式RMD4時，與上述第一讀取模式RMD1及第二讀取模式RMD2同樣地進行從曝光開始到重置期間PR結束為止的處理。 在此情況下，讀取部60將控制信號BIN設為低位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為非導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷分離，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第一電荷量。藉此，可執行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD。
在此種狀態下，讀取部60在第一重置期間PR後的第一重置讀取期間PRRD中進行第一轉換增益重置讀取處理HCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取重置信號HCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號HCGVRST的比較處理。 而且，讀取部60在第四讀取模式RMD4時，在重置讀取期間PPRD後的特定期間內，將控制信號TG0設定為高位準，在該第一傳輸期間PT1中，使光電二極體PD0的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在接續第一傳輸期間PT1的第一讀取期間PRD1中進行第一轉換增益讀取處理HCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的讀取信號HCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號HCGVSIG的比較處理。
而且，讀取部60在第四讀取模式RMD4時，在第一讀取期間PRD1後，將控制信號BIN切換為高位準而將累積電晶體BIN-Tr保持為導通狀態，使輸出節點ND0即浮置擴散層FD的電荷與累積電容元件即累積電容器CS的電荷被共享，從而使浮置擴散層FD的電荷量保持為第二電荷量。藉此，可執行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD。 在該狀態下，讀取部60在第一讀取期間PRD1後的特定期間內，將控制信號TG0設定為高位準，在該第二傳輸期間PT2中，使光電二極體PD0的累積電荷傳輸至浮置擴散層FD。 接著，在第二傳輸期間PT2後，將控制信號SG0切換為高位準而將快門閘極電晶體SG0-Tr保持為導通狀態，在後續的第二讀取期間PRD2中進行第二轉換增益讀取處理LCGSRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取信號LCGVSIG，並利用比較器221進行對於該讀取信號LCGVSIG的比較處理。
而且，讀取部60在第四讀取模式RMD4時，在第一讀取期間PRD1後的特定期間內，將控制信號RST切換為高位準，將重置電晶體RST-Tr保持為導通狀態而對輸出節點ND0即浮置擴散層FD進行重置。 在此種狀態下，讀取部60在第二重置期間PR2後的第二重置讀取期間PRRD2中進行第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD，即，從輸出緩衝部211讀取以與作為輸出節點ND0的浮置擴散層FD的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的讀取重置信號LCGVRST，並利用比較器221進行對於該讀取重置信號LCGVRST的比較處理。
再者，比較器221的比較處理結果的數位資料交替地儲存於記憶體部230的記憶體231、232。 藉此，可實現快速的讀取動作。
圖13（A）～圖13（F）是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置10中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖13（A）表示利用第二讀取模式RMD2的存取對象即傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖13（B）表示快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖13（C）表示利用第四讀取模式RMD4的存取對象即傳輸電晶體TG0-Tr的控制信號TG0，圖13（D）表示快門閘極電晶體SG0-Tr的控制信號SG0，圖13（E）表示累積電晶體BIN-Tr的控制信號BIN，圖13（F）表示重置電晶體RST-Tr的控制信號RST。
在本第一實施方式中，如圖13所示，讀取部60進行藉由第四讀取模式RMD4來讀取存取對象即傳輸電晶體TG0-Tr的累積電荷的讀取處理，並接著該第四讀取模式RMD4，進行藉由第二讀取模式RMD2來讀取存取對象即傳輸電晶體TG1-Tr的累積電荷的讀取處理。 再者，利用第四讀取模式RMD4的讀取序列與利用第二讀取模式RMD2的讀取序列基本上，和與圖12及圖10關聯地說明的讀取序列相同，因此，此處省略其詳細說明。
但是，讀取部60在第四讀取模式RMD4與第二讀取模式RMD2的續接部分，共用第二轉換增益重置讀取處理LCGRRD的信號。 藉此，可實現處理的高速化。
如以上的說明上述，根據本第一實施方式，固態攝像裝置10在像素部20中包含光電轉換讀取部210、AD轉換部220及記憶體部230作為數位像素，從而構成為例如積層型的CMOS影像感測器。 在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，各數位像素200具有AD轉換功能，AD轉換部220包括比較器221，該比較器221對光電轉換讀取部210所讀取的電壓信號與參考電壓進行比較，並進行輸出數位化後的比較結果信號的AD轉換處理。 而且，在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，比較器221是以如下方式構成，即，連接於由不同的兩個光電二極體PD0、PD1共享一個浮置擴散層FD的一個光電轉換讀取部210，可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對同一光電轉換讀取部210內的不同的光電二極體PD0、PD1的累積電荷進行讀取所得的信號。 在本第一實施方式中，對第一光電二極體PD0的累積電荷進行第四讀取模式RMD4的讀取，並對第二光電二極體PD1的累積電荷進行例如第二讀取模式RMD2的讀取，與此對應地，將形成在同一像素內的第一光電二極體PD0的容量形成得小於相鄰地形成在同一像素內的第二光電二極體PD1的容量。
因此，根據本第一實施方式的固態攝像裝置10，可利用小像素尺寸，藉由特定的讀取模式來擴大動態範圍。 另外，根據本第一實施方式，可實質上實現大動態範圍化、高幀率化，而且能夠降低雜訊，最大限度地擴大有效像素區域，並可最大限度地提高性價比。
（第二實施方式） 圖14是表示本發明第二實施方式的固態攝像裝置10A的像素的一例的電路圖。
本第二實施方式的固態攝像裝置10A的像素200A與上述第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200的不同點如下所述。
在第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200中，比較器221是以如下方式構成，即，連接於由不同的兩個光電二極體PD0、PD1共享一個浮置擴散層FD的一個光電轉換讀取部210，可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對同一光電轉換讀取部210內的不同的光電二極體PD0、PD1的累積電荷進行讀取所得的信號。
相對於此，在本第二實施方式的固態攝像裝置10A的像素200A中，比較器221是以如下方式構成，即，選擇性地連接各自包含一個光電二極體PD0、PD1的複數個（在本例中為兩個）光電轉換讀取部210，一個比較器221由複數個光電轉換讀取部210共享，可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的光電轉換讀取部210內的不同的光電二極體PD0、PD1的累積電荷進行讀取所得的信號。
由複數個光電轉換讀取部（共享像素）210A-0、210A-1共享一個比較器221，因此，如圖12所示，光電轉換讀取部210A-0、210A-1的輸出緩衝部211A-0、211A-1包括連接在讀取節點ND1-0、ND1-1與信號線SGNL1之間的作為選擇元件的選擇電晶體SEL0-Tr、SEL1-Tr。信號線SGNL1與連接於比較器221的輸入端子的耦合電容器CC1連接。
第一光電轉換讀取部210A-0包含作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0、作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr、作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr及作為第一輸出節點ND0-0的第一浮置擴散層FD0。 而且，第一光電轉換讀取部210A-0的結構包含作為第一重置元件的第一重置電晶體RST0-Tr、形成第一輸出緩衝部211A-0的作為第一源極隨耦元件的第一源極隨耦電晶體SF0-Tr及第一讀取節點ND1-0、以及形成第一增益轉換部212A-0的作為第一累積元件的第一累積電晶體BIN0-Tr及作為第一累積電容元件的第一累積電容器CS0。
第二光電轉換讀取部210A-1包含作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1、作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr、作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr及作為第二輸出節點ND0-1的第二浮置擴散層FD1。 而且，第二光電轉換讀取部210A-1的結構包含作為第二重置元件的第二重置電晶體RST1-Tr、形成第二輸出緩衝部211A-1的作為第二源極隨耦元件的第二源極隨耦電晶體SF1-Tr及第二讀取節點ND1-1、以及形成第二增益轉換部212A-1的作為第二累積元件的第二累積電晶體BIN1-Tr及作為第二累積電容元件的第二累積電容器CS1。
具有此種結構的第一光電轉換讀取部210A-0及第二光電轉換讀取部210A-1的光電二極體的周邊元件、節點積體化地形成於共同的形成區域。 具體而言，第一光電轉換讀取部210A-0的第一光電二極體PD0、第一傳輸電晶體TG0-Tr、第一快門閘極電晶體SG0-Tr及第一浮置擴散層FD0、與第二光電轉換讀取部210A-1的第二光電二極體PD1、第二傳輸電晶體TG1-Tr、第二快門閘極電晶體SG1-Tr及第二浮置擴散層FD1例如積體化地形成於一個矩形的形成區域。
圖15（A）及圖15（B）是表示本第二實施方式的共享比較器的相鄰的兩個光電轉換讀取部中的光電二極體周邊的各電晶體、電容器、節點等的積體化的配置例的圖。 圖15（A）是簡略平面圖，圖15（B）是圖15（A）的A-B線的簡略剖視圖。
像素單元PXLC-A包含中央部分的中央區域CTAR-A以及隔著中央區域CTAR-A的兩側（Y方向）的第一邊緣部區域FSAR-A及第二邊緣部區域SCAR-A作為元件的形成區域，從而分配矩形區域RCT-A。
在中央區域RCT-A的X方向的兩側部，形成有作為第一累積電容元件的第一累積電容器CS0及作為第二累積電容元件的第二累積電容器CS1。 在第一累積電容器CS0及第二累積電容器CS1的形成區域之間，在第一邊緣部區域FSAR-A側形成有作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0、作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr及作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr。 而且，在第二邊緣部區域SCAR-A側形成有作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1、作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr及作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr。
在第一邊緣部區域FSAR-A中，第一浮置擴散層FD0形成在X方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有第一累積電晶體BIN0-Tr、第一重置電晶體RST0-Tr，在左側形成有第一源極隨耦電晶體SF0-Tr、第一選擇電晶體SEL0-Tr。另外，第一浮置擴散層FD0連接著第一傳輸電晶體TG0-Tr。 在第二邊緣部區域SCAR-A中，第二浮置擴散層FD1形成在X方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有第二累積電晶體BIN1-Tr、第二重置電晶體RST1-Tr，在左側形成有第二源極隨耦電晶體SF1-Tr、第二選擇電晶體SEL1-Tr。另外，第二浮置擴散層FD1連接著第二傳輸電晶體TG1-Tr。
藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0及藉由第三讀取模式RMD3被讀取的第二光電二極體PD1的FWC會因TTS飽和及累積電容器CS0、CS1的容量而受到限制。 因此，藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0及藉由第三讀取模式RMD3被讀取的第二光電二極體PD1是以使FWC變小的方式形成。 而且，如圖15（B）所示，形成光電二極體PD的深n層2102-1形成到與第一累積電容器CS0及第二累積電容器CS1的形成區域相向的下層區域為止，因此，能夠高靈敏度地實現光學對稱性。
圖16（A）～圖16（F）是表示本發明第二實施方式的固態攝像裝置10A中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖16（A）是表示第一光電轉換讀取部210A-0的快門閘極電晶體SG0-Tr的控制信號SG0，圖16（B）是表示利用第四讀取模式RMD4的存取對象即第一光電轉換讀取部210A-0的傳輸電晶體TG0-Tr的控制信號TG0，圖16（C）是表示第一光電轉換讀取部210A-0的累積電晶體BIN0-Tr的控制信號BIN0，圖16（D）是表示第一光電轉換讀取部210A-0的重置電晶體RST0-Tr的控制信號RST0。 圖16（E）表示第二光電轉換讀取部210A-1的快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖16（F）表示利用第三讀取模式RMD3的存取對象即第二光電轉換讀取部210A-1的傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖16（G）表示第二光電轉換讀取部210A-1的累積電晶體BIN1-Tr的控制信號BIN01，圖16（H）表示第二光電轉換讀取部210A-1的重置電晶體RST1-Tr的控制信號RST1。
在本第二實施方式中，如圖16所示，讀取部60對存取對象即第一光電轉換讀取部210A-0的傳輸電晶體TG0-Tr的累積電荷進行第四讀取模式RMD4的讀取處理，並接著該第四讀取模式RMD4，對第二光電轉換讀取部210A-1的傳輸電晶體TG0-Tr的累積電荷進行第三讀取模式RMD3的讀取處理。 再者，利用第四讀取模式RMD4的讀取序列與利用第三讀取模式RMD3的讀取序列基本上，和與圖12及圖11關聯地說明的讀取序列相同，因此，此處省略其詳細說明。
根據本第二實施方式，能夠獲得與上述第一實施方式的效果相同的效果。
（第三實施方式） 圖17是表示本發明第三實施方式的固態攝像裝置10B的像素的一例的電路圖。
本第二實施方式的固態攝像裝置10B的像素200B與上述第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200的不同點如下所述。
在第一實施方式的固態攝像裝置10的像素200中，比較器221是以如下方式構成，即，連接於由不同的兩個光電二極體PD0、PD1共享一個浮置擴散層FD的一個光電轉換讀取部210，可進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對同一光電轉換讀取部210內的不同的光電二極體PD0、PD1的累積電荷進行讀取所得的信號。
相對於此，在本第三實施方式的固態攝像裝置10B的像素200B中，比較器221是以如下方式構成，即，選擇性地連接各自由不同的兩個光電二極體PD0、PD1、PD2、PD3共享一個浮置擴散層FD0、FD1的複數個（在本例中為兩個）光電轉換讀取部210B-0、210B-1，一個比較器221由複數個（在本例中為兩個）光電轉換讀取部210B-0、210B-1共享，可進行對於四個體系的模式讀取信號的比較處理，上述四個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的光電轉換讀取部210B-0、210B-1內的不同的光電二極體PD0、PD1及光電二極體PD2、PD3的累積電荷進行讀取所得的信號。
再者，比較器221的比較處理結果的數位資料交替地儲存於記憶體部230B的四個記憶體231、232、233、234。 藉此，可實現快速的讀取動作。
由複數個光電轉換讀取部（共享像素）210B-0、210B-1共享一個比較器221，因此，如圖17所示，光電轉換讀取部210B-0、210B-1的輸出緩衝部211B-0、211B-1包括連接在讀取節點ND1-0、ND1-1與信號線SGNL1之間的作為選擇元件的選擇電晶體SEL0-Tr、SEL1-Tr。信號線SGNL1與連接於比較器221的輸入端子的耦合電容器CC1連接。
第一光電轉換讀取部210B-0包含作為第一光電轉換元件的第一光電二極體PD0、作為第一傳輸元件的第一傳輸電晶體TG0-Tr、作為第一電荷溢流閘極元件的第一快門閘極電晶體SG0-Tr、作為第二光電轉換元件的第二光電二極體PD1、作為第二傳輸元件的第二傳輸電晶體TG1-Tr、作為第二電荷溢流閘極元件的第二快門閘極電晶體SG1-Tr及作為第一輸出節點的第一浮置擴散層FD0。 而且，第一光電轉換讀取部210B-0的結構包含作為第一重置元件的第一重置電晶體RST0-Tr、形成第一輸出緩衝部211A-0的作為第一源極隨耦元件的第一源極隨耦電晶體SF0-Tr及第一讀取節點ND1-0、以及形成第一增益轉換部212A-0的作為第一累積元件的第一累積電晶體BIN0-Tr及作為第一累積電容元件的第一累積電容器CS0。
第二光電轉換讀取部210B-1包含作為第三光電轉換元件的第三光電二極體PD2、作為第三傳輸元件的第三傳輸電晶體TG2-Tr、作為第三電荷溢流閘極元件的第三快門閘極電晶體SG2-Tr、作為第四光電轉換元件的第四光電二極體PD3、作為第四傳輸元件的第四傳輸電晶體TG3-Tr、作為第四電荷溢流閘極元件的第四快門閘極電晶體SG3-Tr及作為第二輸出節點的第二浮置擴散層FD1。 而且，第二光電轉換讀取部210B-1的結構包含作為第二重置元件的第二重置電晶體RST1-Tr、形成第二輸出緩衝部211A-1的作為第二源極隨耦元件的第二源極隨耦電晶體SF1-Tr及第二讀取節點ND1-1、以及形成第二增益轉換部212B-1的作為第二累積元件的第二累積電晶體BIN1-Tr及作為第二累積電容元件的第二累積電容器CS1。
具有此種結構的第一光電轉換讀取部210B-0及第二光電轉換讀取部210B-1的光電二極體的周邊元件、節點積體化地形成於共同的形成區域。 具體而言，第一光電轉換讀取部210B-0的第一光電二極體PD0、第一傳輸電晶體TG0-Tr、第一快門閘極電晶體SG0-Tr、第二光電二極體PD1、第二傳輸電晶體TG1-Tr、第二快門閘極電晶體SG1-Tr及第一浮置擴散層FD0、與第二光電轉換讀取部210B-1的第三光電二極體PD2、第三傳輸電晶體TG2-Tr、第三快門閘極電晶體SG2-Tr、第四光電二極體PD3、第四傳輸電晶體TG3-Tr、第四快門閘極電晶體SG3-Tr及第二浮置擴散層FD1積體化地形成於一個矩形的形成區域。
另外，在本第三實施方式中，對第一光電轉換讀取部210B-0的第一光電二極體PD0的累積電荷，進行第四讀取模式RMD4的讀取，並對第二光電二極體PD1的累積電荷，進行例如第一讀取模式RMD1的讀取，與此對應地，形成在同一像素內的第一光電二極體PD0的容量形成得小於相鄰地形成在同一光電轉換讀取部210B-0內的第二光電二極體PD1的容量。 另外，對第二光電轉換讀取部210B-1的第三光電二極體PD2的累積電荷，進行第三讀取模式RMD3的讀取，並對第四光電二極體PD3的累積電荷，進行例如第一讀取模式RMD1的讀取，與此對應地，形成在同一光電轉換讀取部210B-1內的第三光電二極體PD2的容量形成得小於相鄰地形成在同一像素內的第四光電二極體PD3的容量。
圖18（A）及圖18（B）是表示本第三實施方式的共享比較器的相鄰的兩個光電轉換讀取部中的光電二極體周邊的各電晶體、電容器、節點等的積體化的配置例的圖。 圖18（A）是簡略平面圖，圖18（B）是圖18（A）的A-B線的簡略剖視圖。
像素單元PXLC-B包含中央部分的中央區域CTAR-B以及隔著中央區域CTAR-A的兩側（Y方向）的第一邊緣部區域FSAR-B及第二邊緣部區域SCAR-B作為元件的形成區域，從而分配矩形區域RCT-B。
在中央區域CTAR-B的X方向的圖中左側，呈大致T字形狀地形成有作為第一累積電容元件的第一累積電容器CS0，該第一累積電容器CS0包括其基座CSBS0、與由基座SCBS0的中央部向X方向右側延伸而成的延設部EXT0。 而且，在隔著延設部EXT0的Y方向的兩側，形成有容量小的第一光電二極體PD0及第三光電二極體PD2。 第一光電二極體PD0形成為矩形狀，且在相向的一對角部形成有第一傳輸電晶體TG0-Tr及第一快門閘極電晶體SG0-Tr。 同樣地，第三光電二極體PD2形成為矩形狀，且在相向的一對角部形成有第三傳輸電晶體TG2-Tr及第三快門閘極電晶體SG2-Tr。
而且，在中央區域CTAR-B的X方向的圖中右側，形成有容量比第一光電二極體PD0更大的第二光電二極體PD1及容量比第三光電二極體PD2更大的第四光電二極體PD3。 第二光電二極體PD1形成為矩形狀，且在相向的一對角部形成有第二傳輸電晶體TG1-Tr及第二快門閘極電晶體SG1-Tr。 同樣地，第四光電二極體PD3形成為矩形狀，且在相向的一對角部形成有第四傳輸電晶體TG3-Tr及第四快門閘極電晶體SG3-Tr。
在第一邊緣部區域FSAR-B中，第一浮置擴散層FD0形成在X方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有第一累積電晶體BIN0-Tr、第一重置電晶體RST0-Tr，在左側形成有第一源極隨耦電晶體SF0-Tr、第一選擇電晶體SEL0-Tr。另外，第一浮置擴散層FD0連接著第一傳輸電晶體TG0-Tr及第二傳輸電晶體TG1-Tr。 在第二邊緣部區域SCAR-B中，第二浮置擴散層FD1形成在X方向的中央部，在該X方向的圖中右側形成有第二累積電晶體BIN1-Tr、第二重置電晶體RST1-Tr，在左側形成有第二源極隨耦電晶體SF1-Tr、第二選擇電晶體SEL1-Tr。另外，第二浮置擴散層FD1連接著第三傳輸電晶體TG2-Tr及第四傳輸電晶體TG3-Tr。
在本第三實施方式中，藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0及藉由第三讀取模式RMD3被讀取的第三光電二極體PD2的FWC會因TTS飽和及累積電容器CS0、CS1的容量而受到限制，並不受光電二極體自身的FWC限制。 因此，藉由第四讀取模式RMD4被讀取的第一光電二極體PD0及藉由第三讀取模式RMD3被讀取的第三光電二極體PD2是以使FWC變小的方式形成。相對於此，藉由第二讀取模式RMD2等被讀取的第二光電二極體PD1及第四光電二極體PD3是以使FWC變大的方式形成。 而且，如圖18（B）所示，形成光電二極體PD的深n層2102-1形成到與第一累積電容器CS0的形成區域相向的下層區域為止，因此，能夠高靈敏度地實現光學對稱性。
圖19（A）～圖19（N）是表示本發明第三實施方式的固態攝像裝置10B中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖19（A）表示第一光電轉換讀取部210B-0的第一選擇電晶體SEL0-Tr的控制信號SEL0，圖19（B）表示第一光電轉換讀取部210B-0的第一快門閘極電晶體SG0-Tr的控制信號SG0，圖19（C）表示利用第四讀取模式RMD4的存取對象即第一光電轉換讀取部210B-0的第一傳輸電晶體TG0-Tr的控制信號TG0，圖19（D）表示第一光電轉換讀取部210B-0的第二快門閘極電晶體SG1-Tr的控制信號SG1，圖19（E）表示利用第二讀取模式RMD2的存取對象即第一光電轉換讀取部210B-0的第二傳輸電晶體TG1-Tr的控制信號TG1，圖19（F）表示第一光電轉換讀取部210B-0的第一累積電晶體BIN0-Tr的控制信號BIN0，圖19（G）表示第一光電轉換讀取部210B-0的重置電晶體RST0-Tr的控制信號RST0。 圖19（H）表示第二光電轉換讀取部210B-1的第二選擇電晶體SEL1-Tr的控制信號SEL1，圖19（I）表示第二光電轉換讀取部210B-1的第三快門閘極電晶體SG2-Tr的控制信號SG2，圖19（J）表示利用第三讀取模式RMD3的存取對象即第二光電轉換讀取部210B-1的第三傳輸電晶體TG2-Tr的控制信號TG2，圖19（K）表示第二光電轉換讀取部210B-1的第四快門閘極電晶體SG3-Tr的控制信號SG3，圖19（L）表示利用第二讀取模式RMD2的存取對象即第二光電轉換讀取部210B-1的第四傳輸電晶體TG3-Tr的控制信號TG3，圖19（M）表示第二光電轉換讀取部210B-1的第二累積電晶體BIN1-Tr的控制信號BIN1，圖19（N）表示第二光電轉換讀取部210B-1的重置電晶體RST1-Tr的控制信號RST1。
在本第四實施方式中，如圖19所示，讀取部60對存取對象即第一光電轉換讀取部210B-0的第一傳輸電晶體TG0-Tr的累積電荷進行第四讀取模式RMD4的讀取處理，並接著該第四讀取模式RMD4，對第二光電轉換讀取部210B-1的第三傳輸電晶體TG2-Tr的累積電荷進行第三讀取模式RMD3的讀取處理。 而且，讀取部60接著該第三讀取模式RMD3，對第一光電轉換讀取部210B-0的第二傳輸電晶體TG1-Tr的累積電荷進行第二讀取模式RMD2的讀取處理，並接著該第二讀取模式RMD2，對第二光電轉換讀取部210B-1的第四傳輸電晶體TG3-Tr的累積電荷進行第二讀取模式RMD2的讀取處理。 再者，利用第四讀取模式RMD4的讀取序列與利用第三讀取模式RMD3的讀取序列基本上，和與圖12、圖11及圖10關聯地說明的讀取序列相同，因此，此處省略其詳細說明。
根據本第三實施方式，能夠獲得與上述第一實施方式的效果相同的效果。
以上說明的固態攝像裝置10、10A、10B能夠作攝像裝置而應用於數位相機或攝像機、便攜終端、或者監控用相機、醫療用內窺鏡用相機等電子設備。
圖20是表示搭載有如下相機系統的電子設備的結構的一例的圖，該相機系統應用了本發明實施方式的固態攝像裝置。
如圖20所示，本電子設備300包括可應用本實施方式的固態攝像裝置10、10A、10B的CMOS影像感測器310。 而且，電子設備300包括將入射光引導至該CMOS影像感測器310的像素區域（使被拍攝體像成像）的光學系統（透鏡等）220。 電子設備300包括對CMOS影像感測器310的輸出信號進行處理的信號處理電路（PRC）330。
信號處理電路330對CMOS影像感測器310的輸出信號實施特定的信號處理。 由信號處理電路330處理後的圖像信號可作為動態圖像而顯示在包含液晶顯示器等的監視器中，或也可輸出至印表機，另外，可採用各種形態，例如直接記錄於記憶卡等記錄媒體。
如上所述，藉由搭載上述固態攝像裝置10、10A、10B作為CMOS影像感測器310，可提供高性能、小型、低成本的相機系統。 而且，能夠實現使用於在相機的設置條件方面存在安裝尺寸、可連接的線纜條數、線纜長度、設置高度等限制的用途的例如監控用相機、醫療用內窺鏡用相機等電子設備。
10、10A、10B:固態攝像裝置 20:像素部 30:垂直掃描電路 40:輸出電路 50:時序控制電路 60:讀取部 110:第一基板 120:第二基板 200、220A、220B:數位像素 200A:像素 210、210A-0、210A-1、210B-0、210B-1:光電轉換讀取部 211、211A、211A-0、211A-1、211B、211B-0、211B-1:輸出緩衝部 212、212A、212B:增益轉換部 212A-0:第一增益轉換部 212A-1、212B-1:第二增益轉換部 220、320:光學系統 221:比較器 222:驅動器 230、230A、230B:記憶體部 231～234:記憶體 300:電子設備 310:CMOS影像感測器 330:信號處理電路（PRC） 1101:第一基板面 1102:第二基板面 2101、2101L、2101R:外延層 2102:第一導電型半導體層 2102-1:深n層 2103:p+層 2104、2106:p型分離層 2105、2107:n+層 2108、2109:閘極電極 A-B:線 BIN、BIN0、BIN1、RST、RST0、RST1、SEL0、SEL1、SG0、SG1、SG2、SG3、TG0、TG1、TG2、TG3、VBNPIX:控制信號 BIN-Tr:累積電晶體 BIN0-Tr:第一累積電晶體 BIN1-Tr:第二累積電晶體 CC1:耦合電容器 CL1:輸出側的負載電容器 CS:累積電容器 CS0:第一累積電容器 CS1:第二累積電容器 CSBS0:基座 CTAR、CTAR-A、CTAR-B:中央區域 EFP:發射極流路徑 EXT0:延設部 FD:浮置擴散層 FD0:第一浮置擴散層 FD1:第二浮置擴散層 FSAR:第一區域 FSAR-A、FSAR-B:第一邊緣部區域 HCG:高轉換增益 HCGVRST:第一讀取重置信號 HCGVSIG:第一讀取信號 L:光 LCG:低轉換增益 LCGVRST:讀取重置信號 LCGVSIG:讀取信號 LSGN1:信號線 ND0:輸出節點 ND0-0:第一輸出節點 ND0-1:第二輸出節點 ND1:讀取節點 ND1-0:第一讀取節點 ND1-1:第二讀取節點 ND2:連接節點 OVP:溢流路徑 PD0:第一光電二極體 PD1:第二光電二極體 PD2:第三光電二極體 PD3:第四光電二極體 PND0、PND1:累積部 PR:重置期間 PR1:第一重置期間 PR2:第二重置期間 PRD:讀取期間 PRD1:第一讀取期間 PRD2:第二讀取期間 PRRD:重置讀取期間 PRRD1:第一重置讀取期間 PRRD2:第二重置讀取期間 PT:傳輸期間 PT1:第一傳輸期間 PT2:第二傳輸期間 PXLC:數位像素單元 PXLC-A、PXLC-B:像素單元 Ramp:斜波信號 RCT、RCT-A、RCT-B:矩形區域 RMD1:第一讀取模式 RMD2:第二讀取模式 RMD3:第三讀取模式 RMD4:第四讀取模式 RST-Tr:重置電晶體 RST0-Tr:第一重置電晶體 RST1-Tr:第二重置電晶體 SCAR:第二區域 SCAR-A、SCAR-B:第二邊緣部區域 SEL0-Tr:第一選擇電晶體 SEL1-Tr:第二選擇電晶體 SF-Tr:源極隨耦電晶體 SF0-Tr:第一源極隨耦電晶體 SF1-Tr:第二源極隨耦電晶體 SG:快門閘極 SG0-Tr:第一快門閘極電晶體 SG1-Tr:第二快門閘極電晶體 SG2-Tr:第三快門閘極電晶體 SG3-Tr:第四快門閘極電晶體 SPL1、SPL2:第二導電型分離層 SW-RST:重置開關 TG0-Tr:第一傳輸電晶體 TG1-Tr:第二傳輸電晶體 TG2-Tr:第三傳輸電晶體 TG3-Tr:第四傳輸電晶體 VAAPIX:固定電位 Vaapix:電源線 VREF:參考電壓 VSL:電壓信號 VSS:基準電位 X、Y:方向
圖1是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的結構例的方框圖。 圖2是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的像素部的數位像素陣列的一例的圖。 圖3是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置的數位像素的一例的電路圖。 圖4是表示本發明第一實施方式的數位像素的主要部分即包括快門閘極電晶體的電荷累積傳輸系統的結構例的簡略剖視圖。 圖5是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由兩個光電二極體共享一個浮置擴散層的情況下的各電晶體、電容器等的配置例的簡略平面圖。 圖6是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由四個光電二極體共享一個浮置擴散層的情況下的各電晶體、電容器等的配置例的簡略平面圖。 圖7是表示在本第一實施方式的同一光電轉換讀取部內，由四個光電二極體共享一個浮置擴散層的數位像素的一例的電路圖。 圖8是用以說明利用第二轉換增益（LCG）的讀取序列的一例作為本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的第一讀取模式的時序圖。 圖9是用以說明利用第一轉換增益（HCG）的讀取序列的一例作為本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的第一讀取模式的時序圖。 圖10是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的利用第二讀取模式的讀取序列的一例的時序圖。 圖11是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的利用第三讀取模式的讀取序列的一例的時序圖。 圖12是用以說明本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的利用第四讀取模式的讀取序列的一例的時序圖。 圖13是表示本發明第一實施方式的固態攝像裝置中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖14是表示本發明第二實施方式的固態攝像裝置的像素的一例的電路圖。 圖15是表示本第二實施方式的共享比較器的相鄰的兩個光電轉換讀取部中的光電二極體周邊的各電晶體、電容器、節點等的積體化的配置例的圖。 圖16是表示本發明第二實施方式的固態攝像裝置中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖17是表示本發明第三實施方式的固態攝像裝置的像素的一例的電路圖。 圖18是表示本第三實施方式的共享比較器的相鄰的兩個光電轉換讀取部中的光電二極體周邊的各電晶體、電容器、節點等的積體化的配置例的圖。 圖19是表示本發明第三實施方式的固態攝像裝置中的數位像素的讀取序列的一例的圖。 圖20是表示應用了本發明實施方式的固態攝像裝置的電子設備的結構的一例的圖。
無
110:第一基板
120:第二基板
20:像素部
200:數位像素
210:光電轉換讀取部
211:輸出緩衝部
212:增益切換部
220:光學系統
230:記憶體部
231、232:記憶體
BIN、RST、SG0、TG0、TG1、VBNPIX:控制信號
BIN-Tr:累積電晶體
CC1:耦合電容器
CL1:輸出側的負載電容器
CS:累積電容器
DC:直流
FD:浮置擴散層
LSGN1:信號線
ND0:輸出節點
ND1:讀取節點
ND2:連接節點
PD0:第一光電二極體
PD1:第二光電二極體
PND0、PND1:累積部
Ramp:斜波信號
RMD1:第一讀取模式
RMD4:第四讀取模式
RST-Tr:重置電晶體
SF-Tr:源極隨耦電晶體
SG0-Tr:第一快門閘極電晶體
SG1-Tr:第二快門閘極電晶體
SW-RST:重置開關
TG0-Tr:第一傳輸電晶體
TG1-Tr:第二傳輸電晶體
VAAPIX:固定電位
Vaapix:電源線
VREF:參考電壓
VSL:電壓信號
VSS:基準電位

Claims (29)

  1. 一種固態攝像裝置，其包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件而被傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，上述比較器可在上述讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
  2. 如請求項1的固態攝像裝置，其中：上述比較器可在上述讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對相同的上述光電轉換讀取部內的不同的上 述光電轉換元件或不同的上述光電轉換讀取部的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
  3. 如請求項2的固態攝像裝置，其中：上述讀取部可藉由複數個讀取模式中的至少兩個體系的讀取模式來進行上述像素信號的讀取。
  4. 如請求項3的固態攝像裝置，其中：上述像素包含增益切換部，其可將上述輸出節點的電荷量變更為第一電荷量或第二電荷量，將上述輸出緩衝部的轉換增益切換為與上述第一電荷量對應的第一轉換增益或與上述第二電荷量對應的第二轉換增益，上述讀取部至少可藉由第一讀取模式、第二讀取模式、第三讀取模式及第四讀取模式這四個體系的讀取模式中的至少兩個體系的讀取模式來進行上述像素信號的讀取，可在上述第一讀取模式時，在上述重置期間後的重置讀取期間進行第一轉換增益重置讀取處理或第二轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量或第二電荷量對應的第一轉換增益或第二轉換增益轉換後的讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述讀取重置信號的上述比較處理，在接續上述重置讀取期間後的上述傳輸期間的讀取期間進行第一轉換增益讀取處理或第二轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量或第二電荷量對應的第一轉換增益或第二轉換增益轉換後的讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述讀取信號的上述比較處理；可在上述第二讀取模式時，在上述重置期間後的重置讀取期間進行第二轉換增益重置讀取處理，即， 從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取重置信號的上述比較處理，藉由上述增益切換部來切換增益，進行第一轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取重置信號的上述比較處理，在接續上述重置讀取期間後的第一上述傳輸期間的第一讀取期間進行第一轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取信號的上述比較處理，在上述第一讀取期間後，藉由上述增益切換部來切換增益，在接續上述第一讀取期間後的第二上述傳輸期間的第二讀取期間進行第二轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取信號的上述比較處理；可在上述第三讀取模式時，在第一重置讀取期間進行第一轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取重置信號的上述比較處理，在接續上述第一重置讀取期間後的第一上述傳輸期間的第一讀取期間進行第一轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一 電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取信號的上述比較處理，在上述第一讀取期間後，藉由上述增益切換部來切換增益，在接續上述第一讀取期間後的第二上述傳輸期間的第二讀取期間進行第二轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取信號的上述比較處理，在接續上述第二讀取期間後的第二重置期間的第二重置信號讀取期間進行第二轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取重置信號的上述比較處理；可在上述第四讀取模式時，在不規則的強光射入至光電轉換元件的情況下，上述輸出節點的電位因溢流電荷而變動，將直到上述比較器的輸出反轉為止的時間利用時脈來計數，並預測信號量，在第一上述重置期間後的第一重置讀取期間進行第一轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取重置信號的上述比較處理，在接續上述第一重置讀取期間後的第一上述傳輸期間的第一讀取期間進行第一轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第一電荷量對應的第一轉換增益轉換後的第一讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第一讀取信號的上述比較處理，在上述第一讀取期間後，藉由上述增益切換部來切換增益，在接續上述第 一讀取期間後的第二上述傳輸期間的第二讀取期間進行第二轉換增益讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取信號的上述比較處理，在接續上述第二讀取期間後的第二重置期間的第二重置信號讀取期間進行第二轉換增益重置讀取處理，即，從上述輸出緩衝部讀取以與上述輸出節點的第二電荷量對應的第二轉換增益轉換後的第二讀取重置信號，並利用上述比較器進行對於上述第二讀取重置信號的上述比較處理。
  5. 如請求項4的固態攝像裝置，其中：上述讀取部：藉由上述第四讀取模式或上述第三讀取模式，對上述不同的光電轉換元件中的一個上述光電轉換元件的累積電荷，進行作為上述像素信號的讀取，並藉由除了上述第四讀取模式或上述第三讀取模式以外的至少上述第一讀取模式及上述第二讀取模式中的任一個讀取模式，對剩餘的上述光電轉換元件的累積電荷，進行作為上述像素信號的讀取。
  6. 如請求項4的固態攝像裝置，其中：於一個上述比較器選擇性地連接有複數個上述光電轉換讀取部，一個上述比較器由複數個上述光電轉換讀取部共享，上述讀取部對於上述一個比較器，藉由上述第四讀取模式，僅對上述複數個共享光電轉換讀取部中的一個光電轉換元件的累積電荷，進行作為上述像素信號的讀取。
  7. 如請求項6的固態攝像裝置，其中：上述讀取部藉由除了上述第四讀取模式或上述第三讀取模式以外的至少上述 第一讀取模式及上述第二讀取模式中的任一個讀取模式，對剩餘的上述光電轉換元件的累積電荷，進行作為上述像素信號的讀取。
  8. 如請求項1的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含電荷溢流閘極元件，其連接於上述光電轉換元件，可使電荷從上述光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流。
  9. 如請求項4的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含電荷溢流閘極元件，其連接於上述光電轉換元件，可使電荷從上述光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流，在上述第四讀取模式時，使讀取對象的上述光電轉換元件的溢流電荷向上述輸出節點側溢流。
  10. 如請求項9的固態攝像裝置，其中：在上述傳輸元件的至少比通道形成區域更深的層形成有溢流路徑。
  11. 如請求項10的固態攝像裝置，其中：上述溢流路徑的電位可藉由上述傳輸元件的閘極電位控制。
  12. 如請求項4的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含電荷溢流閘極元件，其連接於上述光電轉換元件，可使電荷從上述光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流，在除了上述第四讀取模式或上述第三讀取模式以外的至少上述第一讀取模式及上述第二讀取模式中的任一個讀取模式時，使讀取對象的上述光電轉換元件的溢流電荷溢流至上述電荷溢流閘極元件。
  13. 如請求項12的固態攝像裝置，其中：在上述電荷溢流閘極元件的至少通道形成區域下形成溢流路徑。
  14. 如請求項13的固態攝像裝置，其中：上述電荷溢流閘極元件作為將上述光電轉換元件的累積電荷傳輸至上述輸出節點區域外的快門閘極而發揮功能。
  15. 如請求項14的固態攝像裝置，其中：上述傳輸元件與上述電荷溢流閘極元件分別以個別的時序而受到驅動控制。
  16. 如請求項15的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部在上述傳輸元件為非導通狀態下，以上述電荷溢流閘極元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序，開始曝光期間。
  17. 如請求項16的固態攝像裝置，其中：上述曝光期間：在上述第一讀取模式的情況下，是從上述電荷溢流閘極元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序，到上述傳輸期間中上述傳輸元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序為止，在上述第二讀取模式及上述第三讀取模式的情況下，是從上述電荷溢流閘極元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序，到上述第二傳輸期間中上述傳輸元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序為止，在上述第四讀取模式的情況下，是從上述電荷溢流閘極元件從導通狀態切換為非導通狀態的時序，到上述比較器側進行自動歸零動作的時序為止。
  18. 如請求項12的固態攝像裝置，其中：上述增益切換部包含： 累積元件，連接於上述輸出節點；以及累積電容元件，經由上述累積元件累積上述輸出節點的電荷，上述讀取部將上述傳輸元件、上述電荷溢流閘極元件及上述重置元件保持為非導通狀態，且將上述累積元件保持為非導通狀態，使上述輸出節點的電荷與上述累積電容元件的電荷分離而執行上述第一轉換增益重置讀取處理及第一轉換增益信號讀取處理，在上述第一讀取模式及上述第二讀取模式的情況下，將上述傳輸元件、上述電荷溢流閘極元件及上述重置元件保持為非導通狀態，且將上述累積元件保持為導通狀態，使上述輸出節點的電荷與上述累積電容元件的電荷被共享而執行上述第二轉換增益重置讀取處理，將上述傳輸元件及上述重置元件保持為非導通狀態，將上述電荷溢流閘極元件保持為導通狀態，且將上述累積元件保持為導通狀態，使上述輸出節點的電荷與上述累積電容元件的電荷被共享而執行第二轉換增益信號讀取處理，在上述第三讀取模式及上述第四讀取模式的情況下，將上述傳輸元件及上述重置元件保持為非導通狀態，將上述電荷溢流閘極元件保持為導通狀態，且將上述累積元件保持為導通狀態，使上述輸出節點的電荷與上述累積電容元件的電荷被共享而執行上述第二轉換增益重置讀取處理及上述第二轉換增益信號讀取處理。
  19. 如請求項18的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含：第一光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第一傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第一光電轉換元件所累積的電荷； 第一電荷溢流閘極元件，連接於上述第一光電轉換元件，可使電荷從上述第一光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；第二光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第二傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第二光電轉換元件所累積的電荷；第二電荷溢流閘極元件，連接於上述第二光電轉換元件，可使電荷從上述第二光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；以及作為上述輸出節點的浮置擴散層，通過上述第一傳輸元件而被傳輸由上述第一光電轉換元件累積的電荷或通過上述第二傳輸元件而被傳輸由上述第二光電轉換元件累積的電荷，上述輸出緩衝部包含源極隨耦元件，其將上述浮置擴散層的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的信號輸出至連接於上述比較器的輸入端子的信號線，上述讀取部：對上述第一光電轉換元件的累積電荷進行上述第四讀取模式的讀取，接著，對上述第二光電轉換元件的累積電荷進行上述第一讀取模式或上述第二讀取模式的讀取。
  20. 如請求項19的固態攝像裝置，其中：上述讀取部接著上述第四讀取模式，進行上述第二讀取模式的讀取處理，並在續接部分共用上述第二轉換增益重置讀取處理的信號。
  21. 如請求項19的固態攝像裝置，其中：配置在相同的上述光電轉換讀取部內的上述第一光電轉換元件的容量形成得 小於上述第二光電轉換元件的容量。
  22. 如請求項19的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含中央部分的中央區域以及隔著上述中央區域的兩側的第一區域及第二區域作為元件的形成區域，在上述中央區域，形成有上述浮置擴散層、上述重置元件、上述累積元件，在上述第一區域，相鄰地形成有至少藉由上述第四讀取模式或上述第三讀取模式而受到存取的上述第一傳輸元件、上述第一電荷溢流閘極元件及上述累積電容元件，在上述第二區域，形成有藉由上述第四讀取模式或上述第三讀取模式以外的讀取模式而受到存取的上述第二傳輸元件及上述第二電荷溢流閘極元件。
  23. 如請求項18的固態攝像裝置，其中：於一個上述比較器選擇性地連接有複數個上述光電轉換讀取部，一個上述比較器由複數個上述像素共享，一個上述光電轉換讀取部包含：第一光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第一傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第一光電轉換元件所累積的電荷；第一電荷溢流閘極元件，連接於上述第一光電轉換元件，可使電荷從上述第一光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；以及作為上述輸出節點的第一浮置擴散層，通過上述第一傳輸元件而被傳輸由上述第一光電轉換元件累積的電荷，上述輸出緩衝部包含第一源極隨耦元件，其將上述第一浮置擴散層的電荷 轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的信號輸出至連接於上述比較器的輸入端子的信號線，上述增益切換部包含：第一累積元件，連接於上述第一浮置擴散層；以及第一累積電容元件，經由上述第一累積元件累積上述第一浮置擴散層的電荷，其他的上述光電轉換讀取部包含：第二光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第二傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第二光電轉換元件所累積的電荷；第二電荷溢流閘極元件，連接於上述第二光電轉換元件，可使電荷從上述第二光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；以及作為上述輸出節點的第二浮置擴散層，通過上述第二傳輸元件而被傳輸由上述第二光電轉換元件累積的電荷，上述輸出緩衝部包含第二源極隨耦元件，其將上述第二浮置擴散層的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的信號輸出至連接於上述比較器的輸入端子的上述信號線，上述增益切換部包含：第二累積元件，連接於上述第二浮置擴散層；以及第二累積電容元件，經由上述第二累積元件累積上述第二浮置擴散層的電荷，上述讀取部： 對上述一個像素的上述第一光電轉換元件的累積電荷，進行上述第四讀取模式或上述第三讀取模式的讀取，接著，對上述其他像素的上述第二光電轉換元件的累積電荷，進行上述第一讀取模式或上述第二讀取模式的讀取。
  24. 如請求項23的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含中央部分的中央區域以及隔著上述中央區域的兩側的第一邊緣部區域及第二邊緣部區域作為元件的形成區域，在上述中央區域，在兩側部形成有上述第一累積電容元件及上述第二累積電容元件，在上述第一累積電容元件及上述第二累積電容元件的形成區域之間，在上述第一邊緣部區域側形成有上述第一光電轉換元件、上述第一傳輸元件及上述第一電荷溢流閘極元件，在上述第二邊緣部區域側形成有上述第二光電轉換元件、上述第二傳輸元件及第二電荷溢流閘極元件，在上述第一邊緣部區域，形成有上述第一浮置擴散層、上述第一重置元件、上述第一累積元件，在上述第二邊緣部區域，形成有上述第二浮置擴散層、上述第二重置元件、上述第二累積元件。
  25. 如請求項18的固態攝像裝置，其中：於一個上述比較器選擇性地連接有複數個上述光電轉換讀取部，一個上述比較器由複數個上述光電轉換讀取部共享，一個上述光電轉換讀取部包含：第一光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷； 第一傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第一光電轉換元件所累積的電荷；第一電荷溢流閘極元件，連接於上述第一光電轉換元件，可使電荷從上述第一光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；第二光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第二傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第二光電轉換元件所累積的電荷；第二電荷溢流閘極元件，連接於上述第二光電轉換元件，可使電荷從上述第二光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；以及作為上述輸出節點的第一浮置擴散層，通過上述第一傳輸元件而被傳輸由上述第一光電轉換元件累積的電荷或通過上述第二傳輸元件而被傳輸由上述第二光電轉換元件累積的電荷，上述輸出緩衝部包含第一源極隨耦元件，其將上述第一浮置擴散層的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的信號輸出至連接於上述比較器的輸入端子的信號線，上述增益切換部包含：第一累積元件，連接於上述第一浮置擴散層；以及第一累積電容元件，經由上述第一累積元件累積上述第一浮置擴散層的電荷，其他的上述光電轉換讀取部包含：第三光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第三傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第三光電轉換元 件所累積的電荷；第三電荷溢流閘極元件，連接於上述第三光電轉換元件，可使電荷從上述第三光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；第四光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；第四傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述第四光電轉換元件所累積的電荷；第四電荷溢流閘極元件，連接於上述第四光電轉換元件，可使電荷從上述第四光電轉換元件向上述輸出節點區域方向或上述輸出節點區域外方向溢流；以及作為上述輸出節點的第二浮置擴散層，通過上述第三傳輸元件而被傳輸由上述第三光電轉換元件累積的電荷或通過上述第四傳輸元件而被傳輸由上述第四光電轉換元件累積的電荷，上述輸出緩衝部包含第二源極隨耦元件，其將上述第二浮置擴散層的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並將轉換所得的信號輸出至連接於上述比較器的輸入端子的信號線，上述增益切換部包含：第二累積元件，連接於上述第二浮置擴散層；以及第二累積電容元件，經由上述第二累積元件累積上述第二浮置擴散層的電荷，上述讀取部：對上述一個光電轉換讀取部的上述第一光電轉換元件的累積電荷，進行上述第四讀取模式或上述第三讀取模式的讀取，接著，對上述其他光電轉換讀取部的上述第三光電轉換元件的累積電荷， 進行上述第三讀取模式的讀取，對上述一個光電轉換讀取部的上述第二光電轉換元件的累積電荷，進行上述第一讀取模式或上述第二讀取模式的讀取，接著，對上述其他光電轉換讀取部的上述第四光電轉換元件的累積電荷，進行上述第一讀取模式或上述第二讀取模式的讀取。
  26. 如請求項25的固態攝像裝置，其中：配置在相同的上述一個光電轉換讀取部內的上述第一光電轉換元件的容量形成得小於上述第二光電轉換元件的容量，配置在相同的上述其他光電轉換讀取部內的上述第三光電轉換元件的容量形成得小於上述第四光電轉換元件。
  27. 如請求項25的固態攝像裝置，其中：上述像素的上述光電轉換讀取部包含中央部分的中央區域以及隔著上述中央區域的兩側的第一邊緣部區域及第二邊緣部區域作為元件的形成區域，在上述中央區域，上述第一光電轉換元件、上述第一傳輸元件及上述第一電荷溢流閘極元件，與上述第一累積電容元件相鄰地，形成在上述第一邊緣部區域側，上述第三光電轉換元件、上述第三傳輸元件及上述第三電荷溢流閘極元件形成在上述第二邊緣部區域側，在剩餘的區域，上述第二光電轉換元件、上述第二傳輸元件及上述第二電荷溢流閘極元件形成在上述第一邊緣部區域側，上述第四光電轉換元件、上述第四傳輸元件及上述第四電荷溢流閘極元件形成在上述第二邊緣部區域側，在上述第一邊緣部區域，形成有上述第一浮置擴散層、上述第一重置元件、上述第一累積元件， 在上述第二邊緣部區域，形成有上述第二浮置擴散層、上述第二重置元件、上述第二累積元件。
  28. 一種固態攝像裝置的驅動方法，其中，上述固態攝像裝置包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件而被傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，上述固態攝像裝置的驅動方法還包含以下步驟：在上述讀取部的控制下，在上述比較器中，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
  29. 一種電子設備，其包括：固態攝像裝置；以及 光學系統，使被拍攝體像在上述固態攝像裝置成像，上述固態攝像裝置包括：像素部，配置有進行光電轉換的像素；以及讀取部，從上述像素部的上述像素讀取像素信號，上述像素包含光電轉換讀取部與比較器，上述光電轉換讀取部包含：至少一個光電轉換元件，在累積期間，累積藉由光電轉換產生的電荷；至少一個傳輸元件，可在上述累積期間後的傳輸期間傳輸上述光電轉換元件所累積的電荷；輸出節點，通過上述傳輸元件而被傳輸由上述光電轉換元件累積的電荷；重置元件，在重置期間，將上述輸出節點重置為特定的電位；以及輸出緩衝部，將上述輸出節點的電荷轉換為與電荷量對應的電壓信號，並輸出轉換所得的電壓信號，上述比較器進行對上述輸出緩衝部的電壓信號與參考電壓進行比較，並輸出數位化後的比較結果信號的比較處理，上述比較器可在上述讀取部的控制下，進行對於至少兩個體系的模式讀取信號的比較處理，上述至少兩個體系的模式讀取信號是以不同的讀取序列對不同的上述光電轉換元件的累積電荷進行讀取所得的信號。
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