JP2003018471A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP2003018471A JP2001201601A JP2001201601A JP2003018471A JP 2003018471 A JP2003018471 A JP 2003018471A JP 2001201601 A JP2001201601 A JP 2001201601A JP 2001201601 A JP2001201601 A JP 2001201601A JP 2003018471 A JP2003018471 A JP 2003018471A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイナミックレンジを拡大する。 【解決手段】 タイミングジェネレータはリセットパル
ス１３４をリセットゲート１２８に供給する前に、バッ
ファー回路１３０の出力電圧をサンプルホールド回路２
に保持させる。このリセットの段階では、フォトダイオ
ード１２２に対する入射光量が多い場合、フォトダイオ
ード１２２が生成した電荷はフォトダイオード１２２か
らオーバーフローしてＦＤ部１２４に流れ込み、さらに
ＦＤ部１２４でもオーバーフローして電源Ｖｄｄに流出
する。このとき、ＦＤ部１２４の電圧は、電源に流出す
る電荷による電流の大きさにより決まるが、リセットゲ
ート１２８は、チャネルに流れる電流が小さくサブスレ
ッショルド領域で動作するので、ＦＤ部１２４の電圧は
電流値の対数に対応した値となる。よって、サンプルホ
ールド回路２が保持する電圧は、光量の対数に対応した
値となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関
し、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図
った固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図９は従来の固体撮像装置を示す構成
図、図１０は図９の固体撮像装置を構成する１つの画素
部周辺を示す回路図、図１１は図１０に示した回路の動
作を示すタイミングチャートである。図９に示した固体
撮像装置１０２は、具体的にはＣＭＯＳ光センサーであ
り、半導体基板上に形成された画素領域１０４、Ｖ選択
手段１０６、Ｈ選択手段１０８、タイミングジェネレー
タ１１０（ＴＧ）、信号処理部１１２、定電流部１１４
Ａなどを含んでいる。画素領域１０４には、多数の画素
がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成
した電気信号が、タイミングジェネレータ１１０からの
タイミングパルスにもとづきＶ選択手段１０６およびＨ
選択手段１０８により順次選択され、水平信号線１１６
から出力部１１８を通じて出力する構成となっている。
【０００３】画素１２０は、図１０に示したように、フ
ォトダイオード１２２、電荷量に応じた大きさの電圧を
生成するフローティングディフュージョン部１２４（Ｆ
Ｄ部１２４）、転送パルスが供給されたときフォトダイ
オード１２２をＦＤ部１２４に接続する転送ゲート１２
６と、リセットパルスが供給されたときＦＤ部１２４を
電源Ｖｄｄに接続するリセットゲート１２８、ＦＤ部１
２４の電圧を出力するバッファー回路１３０を含んで構
成されている。
【０００４】フォトダイオード１２２は、アノードがグ
ランドに接続され、カソードは、転送ゲート１２６を構
成するＮ型のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ電界効果トランジス
ター）のソースに接続されている。同ＭＯＳＦＥＴのド
レインはＦＤ部１２４に接続され、またゲートにはタイ
ミングジェネレータ１１０より転送パルス１３２が供給
される。リセットゲート１２８もＮ型のＭＯＳＦＥＴに
より構成され、そのソースはＦＤ部１２４に、ドレイン
は電源Ｖｄｄにそれぞれ接続され、ゲートにはタイミン
グジェネレータ１１０よりリセットパルス１３４が供給
される。
【０００５】バッファー回路１３０を構成するＮ型のＭ
ＯＳＦＥＴのゲートはＦＤ部１２４に接続され、ドレイ
ンは電源Ｖｄｄに接続されている。バッファー回路１３
０と垂直信号線１３６との間には、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ
から成るアドレスゲート１３８が介在し、そのゲートに
はＶ選択手段１０６からアドレスパルス１４０が供給さ
れる。そして、バッファー回路１３０のソースはアドレ
スゲート１３８のドレインに接続され、アドレスゲート
１３８のソースは垂直信号線１３６に接続されている。
【０００６】垂直信号線１３６は、マトリクス状に配列
された画素１２０の各列ごとに設けられ、同一の列に属
する画素１２０のアドレスゲート１３８のソースはすべ
て対応する垂直信号線１３６に接続されている。垂直信
号線１３６の一端は、画素領域１０４の外に配置された
定電流部１１４Ａにおいて定電流源１１４に接続され、
垂直信号線１３６に一定の電流が流されている。垂直信
号線１３６の他端は、画素領域１０４の外に配置された
信号処理部１１２に接続されている。
【０００７】信号処理部１１２には、各垂直信号線１３
６ごとに第１および第２のサンプルホールド回路１４
２、１４４、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回
路１４６（第１の演算回路）などが設けられている。第
１および第２のサンプルホールド回路１４２、１４４
は、タイミングジェネレータ１１０から第１および第２
のサンプリングパルス１４８、１５０が供給されて、バ
ッファー回路１３０が垂直信号線１３６に出力した信号
電圧を保持する。ＣＤＳ回路１４６は、これら第１およ
び第２のサンプルホールド回路１４２、１４４が保持し
た電圧の差を算出する。
【０００８】各垂直信号線１３６ごとのＣＤＳ回路１４
６の出力信号は、タイミングジェネレータ１１０からの
タイミング信号にもとづいて動作するＨ選択手段１０８
により順次選択されて水平信号線１１６に出力され、出
力部１１８を通じて出力される。出力部１１８は詳しく
は増幅回路、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器などにより構成
されている。
【０００９】次に、このように構成された固体撮像装置
１０２の動作について、図１１をも参照しつつ、画素１
２０における動作を中心に説明する。Ｖ選択手段１０６
はタイミングジェネレータ１１０からのタイミングパル
スにもとづき動作して、画素領域１０４の行を選択し、
選択した行に属する画素１２０に対し、タイミングＴ１
でアドレスパルス１４０（ハイレベル）を出力する。こ
のアドレスパルス１４０は、各画素１２０においてアド
レスゲート１３８に供給され、その結果、アドレスゲー
ト１３８がオンしてバッファー回路１３０が垂直信号線
１３６に接続される。
【００１０】次に、タイミングジェネレータ１１０はタ
イミングＴ２においてリセットパルス１３４を出力し、
これによりリセットゲート１２８がオンしてＦＤ部１２
４は電源Ｖｄｄに接続され、ＦＤ部１２４に蓄積してい
る電荷（電子）が排除される。そして、このリセット状
態のＦＤ部１２４の電圧がバッファー回路１３０により
垂直信号線１３６に出力される。なお、バッファー回路
１３０は、アドレスゲート１３８がオンしているとき
は、定電流源１１４とともにソースフォロワー回路を形
成するので、ゲート電圧、すなわちＦＤ部１２４の電圧
に追従した電圧がバッファー回路１３０から垂直信号線
１３６に低インピーダンスで出力される。
【００１１】つづいて、タイミングＴ３において、タイ
ミングジェネレータ１１０は垂直信号線１３６ごとに設
けられた各第１のサンプルホールド回路１４２に第１の
サンプリングパルス１４８を出力し、バッファー回路１
３０により垂直信号線１３６に出力された電圧を保持さ
せる。その後、タイミングＴ４において、タイミングジ
ェネレータ１１０は転送パルス１３２を出力し、転送ゲ
ート１２６をオンさせてフォトダイオード１２２がタイ
ミングＴ４までに受光して蓄積した電荷（電子）をＦＤ
部１２４に転送させる。ＦＤ部１２４は転送された電荷
量に応じた電圧を生成し、バッファー回路１３０はその
電圧を、低インピーダンスで垂直信号線１３６に出力す
る。
【００１２】そして、タイミングジェネレータ１１０は
タイミングＴ５で、垂直信号線１３６ごとに設けられた
各第２のサンプルホールド回路１４４に第２のサンプリ
ングパルス１５０を出力し、このときバッファー回路１
３０が垂直信号線１３６に出力している電圧を保持させ
る。これにより、各垂直信号線１３６ごとに設けられた
ＣＤＳ回路１４６は、第１のサンプルホールド回路１４
２が保持しているリセット時の電圧と、第２のサンプル
ホールド回路１４４が保持している電圧との差を算出し
て、オフセット分を除去した、フォトダイオード１２２
の受光光量に対応する大きさの電圧を出力する。なお、
上記オフセット分は画素１２０ごとに大きさが異なるた
め、このようにＣＤＳ回路１４６によりオフセット分を
除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを
除去することができる。
【００１３】各垂直信号線１３６ごとのＣＤＳ回路１４
６の出力信号は、タイミングジェネレータ１１０からの
タイミングパルスにもとづきＨ選択手段１０８により順
次選択されて水平信号線１１６に出力され、出力部１１
８を通じ画像信号として出力される。その後、Ｖ選択手
段１０６はタイミングＴ６においてアドレスパルス１４
０をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート１３
８がオフしてバッファー回路１３０が垂直信号線１３６
から切り離され、１行分の画素１２０に関する動作が完
了する。
【００１４】以降、Ｖ選択手段１０６は、タイミングジ
ェネレータ１１０からのタイミングパルスにもとづき動
作して、画素部１２０の各行を順次選択する。そして、
各行ごとに上述のような動作が行われ、Ｖ選択手段１０
６がすべての行を選択したところで、すべての画素部１
２０により生成された画像１枚分の画像信号が出力され
たことになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような固
体撮像装置１０２では、フォトダイオード１２２が生成
した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフ
ォトダイオード１２２の飽和レベルまでの範囲の光量し
か検出することができなかった。したがって、たとえば
被写体の暗い部分に絞りやシャッター速度を合わせた場
合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード１２
２が飽和してしまうことから、全体がたとえば真っ白に
撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
【００１６】この問題の解決を図るべく、特開平１１−
３１３２５７号公報には、受光光量の対数に対応した信
号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した
固体撮像素子が開示されている。しかし、この固体撮像
素子では、コンデンサーを使用していることから、その
充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点があ
る。そして、構造的に、雑音が少ないという長所を有し
ている埋め込みフォトダイオード（フォトダイオード表
面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばＰ＋層
が形成されている）を使用できないため、画質が劣ると
いう問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いた
め、小型化が困難である。
【００１７】また、シャッター速度、したがってフォト
ダイオード１２２における電荷蓄積時間を変え、フォト
ダイオード１２２が飽和しないような短い時間と、充分
に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することで
ダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られて
いるが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモ
リーが必要なために装置が大型化し、またコスト高とな
ってしまう。そして、感光期間の異なる２つの信号を合
成するので、動く被写体への適用が困難である。さら
に、画素領域１０４の隣接行間で電荷蓄積時間を変える
ことにより、メモリーを不要にする技術も知られている
が、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要で
あるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さ
らに、２画素で１つの信号を生成するので解像度が劣化
する。
【００１８】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広
く、かつ高性能で、しかも小型、低コストの固体撮像装
置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、半導体基板上に１個以上の画素を配し、各画
素は、フォトダイオードと、電荷量に応じた大きさの電
圧を生成するフローティングディフュージョン部と、転
送パルスが供給されたとき前記フォトダイオードを前記
フローティングディフュージョン部に接続する転送ゲー
トと、リセットパルスが供給されたとき前記フローティ
ングディフュージョン部を所定電位点に接続するリセッ
トゲートと、前記フローティングディフュージョン部の
電圧を出力するバッファー手段とを含み、前記リセット
ゲートは電界効果トランジスターにより構成され、同ト
ランジスターのドレインは前記所定電位点に、ソースは
前記フローティングディフュージョン部にそれぞれ接続
され、前記トランジスターのゲートに前記リセットパル
スを供給した後、前記転送パルスを前記転送ゲートに供
給し、そのとき前記バッファー手段が出力する電圧を前
記フォトダイオードによる光の検出電圧として処理する
信号経路を有する固体撮像装置であって、前記リセット
パルスが前記リセットゲートに供給される前の、前記バ
ッファー手段の出力電圧を前記フォトダイオードによる
第２の光の検出電圧として処理する第２の信号経路を有
することを特徴とする。
【００２０】本発明の固体撮像装置では、リセットパル
スがリセットゲートに供給される前に、バッファー手段
の出力電圧が第２の信号経路に取り込まれる。このリセ
ットパルスがリセットゲートに供給される前の段階で
は、フォトダイオードに対する入射光量が多い場合、フ
ォトダイオードが生成した電荷はフォトダイオードから
オーバーフローしてＦＤ部に流れ込み、さらにＦＤ部で
もオーバーフローして所定電位点に流出する。このと
き、ＦＤ部の電圧は、所定電位点に流出する電荷による
電流の大きさにより決まるが、電界効果トランジスター
によるリセットゲートは、チャネルに流れる電流が小さ
くサブスレッショルド領域で動作するので、ＦＤ部の電
圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、ＦＤ部
の電圧がバッファー手段を通じて出力され、第２の信号
経路に供給されるので、入射光量が多い場合、第２の信
号経路に供給される電圧は、入射光量の対数に対応した
値となる。すなわち、本発明では、フォトダイオードの
入射光量が多い場合、入射光量の対数に対応した電圧が
第２の信号経路から出力され、よって、ダイナミックレ
ンジの広い固体撮像装置を実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明による固体撮
像装置の一例を構成する画素部周辺を示す回路図、図２
は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図
３は主に図１の画素部の動作を示すタイミングチャー
ト、図４は図１の画素部を構成するフォトダイオード周
辺のポテンシャル図である。図１、図２において図９、
図１０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。
【００２２】図１に示したように、実施の形態例の固体
撮像装置では、マトリックス状に画素１２０が並べられ
た画素領域１０４の各列に対して、サンプルホールド回
路２、ならびにＣＤＳ回路４（第２の演算回路）が新た
に設けられている。サンプルホールド回路２は、タイミ
ングジェネレータ６（図２）からのサンプリングパルス
８にもとづいて垂直信号線１３６に出力されている電圧
を保持し、ＣＤＳ回路４はサンプルホールド回路２が保
持している電圧と、第１のサンプルホールド回路１４２
が保持している電圧との差を算出し、オフセット分を除
去する。これらの回路はすべて図２に示した信号処理部
１０に配置されている。
【００２３】本実施の形態例では、図２に示したよう
に、信号処理部１０とともにＨ選択手段１２が新たに設
けられ、信号処理部１０のＣＤＳ回路４の出力信号は、
Ｈ選択手段１２により順次選択され水平信号線１４を通
じ出力部１６から出力される。出力部１６は詳しくは増
幅回路、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器などにより構成され
ている。タイミングジェネレータ６は、従来同様、画素
１２０、Ｖ選択手段１０６、Ｈ選択手段１０８、信号処
理部１１２にタイミングパルスを供給するとともに、上
記信号処理部１０およびＨ選択手段１２にタイミングパ
ルスを出力する。
【００２４】次に、本実施の形態例の固体撮像装置１の
動作について、図３、図４をも参照しつつ説明する。図
３において、図１１に示したタイミングに相当するタイ
ミングには同じ符号が付されている。図４の（Ａ）は画
素１２０におけるフォトダイオード１２２（ＰＤ）、転
送ゲート１２６、ＦＤ部１２４、リセットゲート１２
８、ならびに電源Ｖｄｄの位置関係を示し、（Ｂ）から
（Ｅ）は図３に示した各タイミングにおける各部のポテ
ンシャルの状態を示している。図４の（Ｂ）から（Ｅ）
において、下方が正の方向となっている。
【００２５】Ｖ選択手段１０６はタイミングジェネレー
タ６からのタイミングパルスにもとづき本発明に係わる
タイミングパルス発生手段の一部として動作して、画素
領域１０４の行を選択し、選択した行に属する画素１２
０に対し、タイミングＴ１でアドレスパルス１４０（ハ
イレベル）を出力する。このアドレスパルス１４０は、
各画素部１２０においてアドレスゲート１３８に供給さ
れ、その結果、アドレスゲート１３８がオンしてバッフ
ァー回路１３０が垂直信号線１３６に接続される。この
とき、バッファー回路１３０は定電流源１１４とともに
ソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、す
なわちＦＤ部１２４の電圧に追従した電圧がバッファー
回路１３０から垂直信号線１３６に低インピーダンスで
出力される。
【００２６】その後、タイミングジェネレータ６はタイ
ミングＴ１ａで、サンプルホールド回路２に対してサン
プリングパルス８を出力し、バッファー回路１３０を通
じて垂直信号線１３６に出力されているＦＤ部１２４の
電圧を保持させる。なお、ここで保持した電圧がどのよ
うな電圧であるかについては、後に図４を参照して詳し
く説明する。
【００２７】次に、タイミングジェネレータ６はタイミ
ングＴ２においてリセットパルス１３４を出力し、これ
によりリセットゲート１２８がオンしてＦＤ部１２４は
電源Ｖｄｄに接続され、ＦＤ部１２４に蓄積している電
荷が排除される。そして、このリセット状態のＦＤ部１
２４の電圧がバッファー回路１３０により垂直信号線１
３６に出力される。
【００２８】つづいて、タイミングＴ３において、タイ
ミングジェネレータ６は垂直信号線１３６ごとに設けら
れた各第１のサンプルホールド回路１４２に第１のサン
プリングパルス１４８を出力し、バッファー回路１３０
により垂直信号線１３６に出力された電圧を保持させ
る。その後、タイミングＴ４において、タイミングジェ
ネレータ６は転送パルス１３２を出力し、転送ゲート１
２６をオンさせてフォトダイオード１２２がタイミング
Ｔ４までに受光して蓄積した電荷をＦＤ部１２４に転送
させる。ＦＤ部１２４は転送された電荷量に応じた電圧
を生成し、バッファー回路１３０はその電圧を低インピ
ーダンスで垂直信号線１３６に出力する。
【００２９】そして、タイミングジェネレータ６はタイ
ミングＴ５で、垂直信号線１３６ごとに設けられた各第
２のサンプルホールド回路１４４に第２のサンプリング
パルス１５０を出力し、このときバッファー回路１３０
が垂直信号線１３６に出力している電圧を保持させる。
これにより、信号処理部１１２では、各垂直信号線１３
６ごとに設けられたＣＤＳ回路１４６が、第１および第
２のサンプルホールド回路１４２、１４４が保持してい
る電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォト
ダイオード１２２の受光光量に対応する大きさの電圧を
出力する。各垂直信号線１３６ごとのＣＤＳ回路１４６
の出力信号は、タイミングジェネレータ６からのタイミ
ングパルスにもとづきＨ選択手段１０８により順次選択
されて水平信号線１１６に出力され、出力部１１８を通
じ画像信号として出力される。
【００３０】一方、信号処理部１０では、各垂直信号線
１３６ごとに設けられたＣＤＳ回路４が、サンプルホー
ルド回路２が保持している電圧、および第１のサンプル
ホールド回路１４２（信号処理部１１２）が保持してい
るリセット時の電圧の差を算出し、オフセット分を除去
して、フォトダイオード１２２の受光光量に対応する大
きさの電圧を出力する。各垂直信号線１３６ごとのＣＤ
Ｓ回路４の出力信号は、タイミングジェネレータ６から
のタイミングパルスにもとづきＨ選択手段１２により順
次選択されて水平信号線１４に出力され、出力部１６を
通じ画像信号として出力される。
【００３１】次に、タイミングジェネレータ６は、次の
サイクルに備えるべくタイミングＴ５ａにおいて再度リ
セットパルス１３４を出力する。これによりリセットゲ
ート１２８がオンしてＦＤ部１２４は電源Ｖｄｄに接続
され、ＦＤ部１２４に蓄積している電荷が排除される。
その後、Ｖ選択手段１０６はタイミングＴ６においてア
ドレスパルス１４０をローレベルに戻し、その結果、ア
ドレスゲート１３８がオフしてバッファー回路１３０が
垂直信号線１３６から切り離され、１行分の画素部１２
０に関する動作が完了する。
【００３２】以降、Ｖ選択手段１０６は、タイミングジ
ェネレータ６からのタイミングパルスにもとづき動作し
て、画素部１２０の各行を順次選択する。そして、各行
ごとに上述のような動作が行われ、Ｖ選択手段１０６が
すべての行を選択したところで、すべての画素部１２０
により生成された１枚分の画像信号が出力されたことに
なる。
【００３３】次に、フォトダイオード１２２への入射光
量が多い場合の各部のポテンシャルを示す図４を参照し
てさらに詳しく説明する。図４の（Ｂ）は図３のタイミ
ングＴ１ａにおける状態を示し、図４の（Ｃ）、
（Ｄ）、（Ｅ）はそれぞれタイミングＴ３、Ｔ５、Ｔ５
ａの状態を示している。
【００３４】フォトダイオード１２２への入射光量が多
い場合、図４の（Ｂ）に示したように、フォトダイオー
ド１２２が受光して生成した電荷２０は転送ゲート１２
６を越えてＦＤ部１２４へと溢れ、さらに入射光量が多
い場合はＦＤ部１２４も溢れて電荷２０はリセットゲー
ト１２８を越えて電源Ｖｄｄへと流れ込む。このとき、
ＦＤ部１２４の電圧は、電源Ｖｄｄに流出する電荷によ
る電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード１２
２が生成する電荷量は小さく、ＭＯＳＦＥＴによるリセ
ットゲート１２８のチャネルに流れる電流はナノアンペ
アのオーダーの弱い電流であり、リセットゲート１２８
はサブスレッショルド領域で動作するので、ＦＤ部１２
４の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、
このＦＤ部１２４の電圧がバッファー回路１３０を通じ
て出力され、サンプルホールド回路２に供給されるの
で、入射光量が多い場合、タイミングＴ１ａでサンプル
ホールド回路２が保持する電圧は、入射光量の対数に対
応した値となる。
【００３５】なお、入射光量が、フォトダイオード１２
２からＦＤ部１２４へ電荷が溢れるるものの、ＦＤ部１
２４から電源へは溢れない程度であった場合には、ＦＤ
部１２４はフォトダイオード１２２から溢れた電荷に対
応する電圧を生成するので、サンプルホールド回路２が
保持する電圧は、フォトダイオード１２２から溢れた電
荷量に比例した電圧となる。
【００３６】その後、タイミングＴ２でＦＤ部１２４が
リセットされ、各部のポテンシャルは図４の（Ｃ）のよ
うになり、そしてリセット直後のＦＤ部１２４の電圧が
バッファーを通じて出力され、第１のサンプルホールド
回路１４２に保持される（タイミングＴ３）。
【００３７】上述のように、ＣＤＳ回路４はサンプルホ
ールド回路２が保持している電圧と、第１のサンプルホ
ールドが保持しているリセットレベルの電圧（オフセッ
ト分）との差を算出するので、その出力電圧は、入射光
量が多い場合のオフセット調整が行われた電圧となる。
【００３８】次に、タイミングＴ４で転送ゲート１２６
がオンすることから、図４の（Ｄ）に示したように、フ
ォトダイオード１２２に蓄積されていた電荷２０がＦＤ
部１２４に転送されＦＤ部１２４に蓄積する。そして、
タイミングＴ５で、この電荷量に対応する電圧が、第２
のサンプルホールド回路１４４に保持される。この電圧
は、入射光量がフォトダイオード１２２を飽和させない
程度のものであれば、入射光量に対応した電圧となる
が、今のように入射光量が多い場合には、フォトダイオ
ード１２２が飽和した状態に対応する電圧となる。そし
て、信号処理部１１２のＣＤＳ回路１４６は、上述のよ
うに第１および第２のサンプルホールド回路１４２、１
４４が保持している電圧の差を算出する。
【００３９】その後、タイミングＴ５ａでＦＤ部１２４
が再度リセットされるので、ポテンシャルは図４の
（Ｅ）に示したように、いずれの箇所にも電荷が蓄積し
ていない状態となる。そして、これ以降、フォトダイオ
ード１２２が受光して生成した電荷はフォトダイオード
１２２の箇所に除々に蓄積し、次のサイクルのタイミン
グＴ１ａで、それまでに蓄積した電荷に対応する電圧が
上述のようにして取得されることになる。
【００４０】このように、本実施の形態例の固体撮像装
置１では、フォトダイオード１２２の入射光量が多い場
合でも、入射光量の対数に対応した電圧がサンプルホー
ルド回路２、したがって出力部１６から出力される。そ
のため、被写体における標準的な明るさ（フォトダイオ
ード１２２が飽和しない明るさ）の箇所では、従来どお
り明るさに比例して信号レベルが変化する出力部１１８
の出力を用い、それ以上の明るさの箇所では、出力部１
６の対数出力を用いることができる。これにより、たと
えば従来の１万倍という広いダイナミックレンジを備え
た固体撮像装置も実現することが可能となる。
【００４１】また、本実施の形態例では、上述のように
出力部１１８および出力部１６から同時に信号を出力で
きるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを
用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理にお
ける自由度が高い。また、対数変換にコンデンサーなど
は使用しないので、残像の問題がなく、また、雑音の少
ない埋め込みフォトダイオード１２２を使用できるた
め、良好な画質が得られる。そして、ラインメモリー、
フレームメモリーを用いたり、画素領域１０４の行間で
の演算処理を行ったりする必要がないので、構成および
処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であり、製
造コストが特に上昇することもない。さらに、画素部１
２０の構成は従来と同じであるから、画素部１２０のサ
イズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置
の小型化に有利である。
【００４２】ここで、リセットゲート１２８を構成する
ＭＯＳＦＥＴのチャネル電圧について説明する。ＦＤ部
１２４の電圧をサンプリングする図４の（Ｂ）および
（Ｅ）の状態（タイミングＴ１ａ、Ｔ５ａ）では、チャ
ネル電圧Ｖｒ１は、フォトダイオード１２２を飽和させ
る光量のたとえば１万倍などの大光量に対しても、ＦＤ
部１２４の電圧が光量の対数に対応する値となり、かつ
バッファー回路１３０の入力レンジに収まる電圧となる
ように設定する。このようなチャネル電圧Ｖｒ１は多く
の場合、ポテンシャルの下限を決定する。なお、チャネ
ル電圧の設定は、具体的にはＭＯＳＦＥＴのゲート下の
イオンインプランテーションやゲート電圧の調整などに
より行うことができる。
【００４３】一方、図４の（Ｃ）、（Ｄ）の状態（タイ
ミングＴ３、Ｔ５）では、チャネル電圧Ｖｒ２は、フォ
トダイオード１２２から溢れた電荷をＦＤ部１２４がす
べて受け取ることができるような値に設定する。このよ
うなチャネル電圧Ｖｒ２は多くの場合、ポテンシャルの
上限を決定する。
【００４４】このような条件で設定するチャネル電圧Ｖ
ｒ１、Ｖｒ２は、互いに同一の電圧でもよいが、Ｖｒ１
＞Ｖｒ２とすることが好ましい。たとえば、電源Ｖｄｄ
の電圧が２．５Ｖなら、チャネル電圧を、電流が１ｎＡ
となるときのソース電圧と定義した場合に、Ｖｒ１＝
１．７Ｖ、Ｖｒ２＝１．０Ｖとすることができる。な
お、このような異なるチャネル電圧は、リセットゲート
１２８を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに、タイミング
により異なる電圧を印加することで設定することができ
る。
【００４５】本実施の形態例では、信号処理部１０にも
ＣＤＳ回路４を設けるとしたが、サンプルホールド回路
２により保持した電圧に対してはオフセット分の除去を
行わない構成とすることも可能である。すなわち、サン
プルホールド回路２が出力する信号は入射光量が多い場
合の信号であり、その信号レベルは大きい。したがっ
て、画素部１２０ごとのオフセット分のバラツキ成分が
信号に含まれていたとしても、その影響は小さく、よっ
てＣＤＳ回路４を用いない構成としてもよい。
【００４６】また、本実施の形態例では、ＦＤ部１２４
をリセットする場合、ＦＤ部１２４をリセットゲート１
２８を通じて電源Ｖｄｄに接続し、ＦＤ部１２４の電圧
を電源Ｖｄｄの電圧としたが、リセット後のＦＤ部１２
４の電圧は、これに限らず電源電圧より低い電圧として
もよく、その場合にも、同様の作用効果が得られる。そ
して、本実施の形態例では、電子がキャリアであるとし
たが、各ゲートなどを構成するＭＯＳＦＥＴとしてＰ型
のＭＯＳＦＥＴを用い、正孔をキャリアとした場合に
も、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られ
る。また、ここではタイミングジェネレータを内蔵した
場合の形態例を示したが、タイミングジェネレータは外
付けでも本発明には影響しない。また、信号処理部は並
列に配した２つのサンプルホールド回路を用いる形態例
を挙げたが、２つの信号の差を取り、保持する回路であ
ってもよい。さらに、垂直信号線に直接バッファーを接
続して、外部に出力することも可能であり、垂直信号線
以降の信号処理は種々の形態で実施することができる。
【００４７】次に、本発明の第２の実施の形態例につい
て説明する。図５は第２の実施の形態例の固体撮像装置
を構成する画素とその周辺を示す回路図、図６は図５の
画素部の動作を示すタイミングチャートである。図５に
おいて図１と同一の要素には同一の符号が付されてお
り、それらに関する説明はここでは省略する。また、図
６において図３と同一のタイミングには同一の符号が付
されている。図５に示した画素部２２が図１の画素部１
２０と異なるのは、リセットゲート１２８を構成するト
ランジスターのドレインを、電源ライン２４に接続し、
電圧制御回路２６より電源ライン２４に電圧を印加する
構成とした点である。
【００４８】そして、電圧制御回路２６は、図６に示し
たように、常時は電源Ｖｄｄと同じ電圧を電源ライン２
４に出力するが、タイミングＴ６でアドレスゲート１３
８をオフさせた後、次のサイクルのタイミングＴ１ａで
サンプルホールド回路２にサンプリングパルス８を供給
する前に、タイミングＴ７で電源Ｖｄｄの電圧のたとえ
ば半分の電圧に一時的に低下させる。これにより、ＦＤ
部１２４は電荷により満たされた状態となる。したがっ
て、以降、入射光量が大きく、フォトダイオード１２２
から溢れてきた電荷は、ただちに電源ライン２４側に溢
れる。その結果、第２の実施の形態例では、入射光量が
大きく、フォトダイオード１２２で電荷が溢れた場合に
は、最初から入射光量の対数に対応した大きさの電圧が
バッファー回路１３０に入力され、よって入射光量とバ
ッファー回路１３０の出力電圧との関係は、上記実施の
形態例の場合のような途中のリニアな領域はなく、最初
から対数の関係となる。
【００４９】なお、タイミングＴ７で電源ライン２４の
電圧を低くし過ぎた場合には、フォトダイオード１２２
にまで電荷が注入されるため好ましくない。ただし、タ
イミングＴ７の後、フォトダイオード１２２に蓄積して
いる電荷のリセットも行う場合には、グランド電位とす
ることも可能である。
【００５０】次に、本発明の第３の実施の形態例につい
て説明する。図７は第３の実施の形態例の固体撮像装置
を構成する画素部およびその周辺を示す回路図、図８は
図７の画素部の動作を示すタイミングチャートである。
図７において図１と同一の要素には同一の符号が付され
ており、それらに関する説明はここでは省略する。
【００５１】第３の実施の形態例の固体撮像装置は、上
記実施の形態例で各垂直信号線１３６に接続されていた
定電流源１１４に変えてスイッチング素子が設けられて
いる点、および上記タイミングジェネレータ６に相当す
るタイミングジェネレータ（図示せず）が同スイッチン
グ素子をも制御する点で最初の実施の形態例の固体撮像
装置と異なっている。
【００５２】図７に示したように、上記スイッチング素
子は、トランジスター２８（Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ）から
成り、トランジスター２８のゲートにはタイミングジェ
ネレータからロードパルス３０が入力され、トランジス
ター２８のソースはグランドに、ドレインは垂直信号線
１３６に接続されている。
【００５３】このような構成において、第３の実施の形
態例の固体撮像装置を構成するタイミングジェネレータ
は、図８に示したように、タイミングＴ１ａ、Ｔ３、Ｔ
５で各サンプルホールド回路にサンプリングパルスを供
給するのに先だって、タイミングＴ１ｂ、Ｔ２ａ、Ｔ４
ａにおいてそれぞれロードパルス３０をトランジスター
２８に出力し、一定の期間、トランジスター２８をオン
させて垂直信号線１３６をグランドに接続する。
【００５４】したがって、この固体撮像装置では、垂直
信号線１３６にバッファー回路１３０から出力される電
圧を各サンプルホールド回路２に取り込む前に、垂直信
号線１３６に係わる寄生容量に蓄積している電荷が放電
され、その後、垂直信号線１３６はグランドから切り離
される。そして、垂直信号線１３６がグランドから切り
離された直後から、垂直信号線１３６の電圧は、バッフ
ァー回路１３０の出力電圧、すなわちＦＤ部１２４の電
圧を反映した電圧に漸近して、タイミングＴ１ａ、Ｔ
３、Ｔ５までには同電圧に一致し、これらのタイミング
でサンプルホールド回路２、第１および第２のサンプル
ホールド回路１４２、１４４は、固体撮像装置１の場合
と同様に垂直信号線１３６の電圧を保持する。
【００５５】この第３の実施の形態例では、トランジス
ター２８は常時は動作している必要がないので、定電流
源１１４として動作させる場合のようにトランジスター
２８のソース・ドレイン間に一定値以上の電圧が印加さ
れた状態に保つ必要がない。よって、バッファー回路１
３０に入力できる電圧の最小値はトランジスタのしきい
値程度となり、リセットゲート１２８のチャネル電圧Ｖ
ｒ１、Ｖｒ２を低くしても画素部１２０は動作可能とな
る。そのため、チャネル電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２の選択にお
いて自由度が増す。たとえば電源Ｖｄｄの電圧が２．５
Ｖの場合、リセットゲート１２８のチャネル電圧を、電
流１ｎＡで定義したときに、チャネル電圧Ｖｒ１、Ｖｒ
２はともに１．０Ｖとしてもよい。
【００５６】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置では、リセットパルスがリセットゲートに供給される
前に、バッファー手段の出力電圧が第２の信号経路に取
り込まれる。このリセットパルスがリセットゲートに供
給される前の段階では、フォトダイオードに対する入射
光量が多い場合、フォトダイオードが生成した電荷はフ
ォトダイオードからオーバーフローしてＦＤ部に流れ込
み、さらにＦＤ部でもオーバーフローして所定電位点に
流出する。このとき、ＦＤ部の電圧は、所定電位点に流
出する電荷による電流の大きさにより決まるが、電界効
果トランジスターによるリセットゲートは、チャネルに
流れる電流が小さくサブスレッショルド領域で動作する
ので、ＦＤ部の電圧は電流値の対数に対応した値とな
る。そして、ＦＤ部の電圧がバッファー手段を通じて出
力され、第２の信号経路に供給されるので、入射光量が
多い場合、第２の信号経路に供給される電圧は、入射光
量の対数に対応した値となる。すなわち、本発明では、
フォトダイオードの入射光量が多い場合、入射光量の対
数に対応した電圧が第２の信号経路から出力され、よっ
て、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現する
ことができる。
【００５７】また、本発明では、対数変換にコンデンサ
ーなどは使用しないので、残像の問題がなく、また、雑
音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるた
め、良好な画質が得られる。そして、ラインメモリー、
フレームメモリーを用いたり、画素部の行間での演算処
理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容
が簡素であり、装置の小型化に有利であり、特に製造コ
ストが上昇することもない。さらに、画素部は基本的に
従来と同じ構成とできるので、画素部のサイズが大きく
なることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有
利である。また、明るい部分の信号と暗い部分の信号と
で、感光期間がずれるということがなく、解像度も劣化
しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置の一例を構成する画
素部周辺を示す回路図である。
【図２】実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成
図である。
【図３】図１の画素部周辺の動作を示すタイミングチャ
ートである。
【図４】図１の画素部を構成するフォトダイオード周辺
のポテンシャル図である。
【図５】第２の実施の形態例の固体撮像装置を構成する
画素部周辺を示す回路図である。
【図６】図５の画素部の動作を示すタイミングチャート
である。
【図７】第３の実施の形態例の固体撮像装置を構成する
画素部およびその周辺を示す回路図である。
【図８】図７の画素部の動作を示すタイミングチャート
である。
【図９】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図１０】図９の固体撮像装置を構成する１つの画素部
周辺を示す回路図である。
【図１１】図１０に示した回路の動作を示すタイミング
チャートである。
【符号の説明】
１……固体撮像装置、２……サンプルホールド回路、４
……ＣＤＳ回路、６……タイミングジェネレータ、８…
…サンプリングパルス、１０……信号処理部、１２……
Ｈ選択手段、１４……水平信号線、１６……出力部、２
０……電荷、２２……画素部、２４……電源ライン、２
６……電圧制御回路、２８……トランジスター、３０…
…ロードパルス。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年９月４日（２００２．９．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】各垂直信号線１３６ごとのＣＤＳ回路１４
６の出力信号は、タイミングジェネレータ１１０からの
タイミングパルスにもとづきＨ選択手段１０８により順
次選択されて水平信号線１１６に出力され、出力部１１
８を通じ画像信号として出力される。Ｖ選択手段１０６
はタイミングＴ６においてアドレスパルス１４０をロー
レベルに戻し、その結果、アドレスゲート１３８がオフ
してバッファー回路１３０が垂直信号線１３６から切り
離され、１行分の画素１２０に関する動作が完了する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３１】タイミングジェネレータ６は、次のサイク
ルに備えるべくタイミングＴ５ａにおいて再度リセット
パルス１３４を出力する。これによりリセットゲート１
２８がオンしてＦＤ部１２４は電源Ｖｄｄに接続され、
ＦＤ部１２４に蓄積している電荷が排除される。Ｖ選択
手段１０６はタイミングＴ６においてアドレスパルス１
４０をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート１
３８がオフしてバッファー回路１３０が垂直信号線１３
６から切り離され、１行分の画素部１２０に関する動作
が完了する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３３】次に、フォトダイオード１２２への入射光
量が多い場合の各部のポテンシャルを示す図４を参照し
てさらに詳しく説明する。図４の（Ｂ）は図３のタイミ
ングＴ１ａにおける状態を示し、図４の（Ｃ）、
（Ｄ）、（Ｅ）はそれぞれタイミングＴ３、Ｔ５、Ｔ６
の状態を示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４２】ここで、リセットゲート１２８を構成する
ＭＯＳＦＥＴのチャネル電圧について説明する。ＦＤ部
１２４の電圧をサンプリングする図４の（Ｂ）および
（Ｅ）の状態（タイミングＴ１ａ、Ｔ６）では、チャネ
ル電圧Ｖｒ１は、フォトダイオード１２２を飽和させる
光量のたとえば１万倍などの大光量に対しても、ＦＤ部
１２４の電圧が光量の対数に対応する値となり、かつバ
ッファー回路１３０の入力レンジに収まる電圧となるよ
うに設定する。このようなチャネル電圧Ｖｒ１は多くの
場合、ポテンシャルの下限を決定する。なお、チャネル
電圧の設定は、具体的にはＭＯＳＦＥＴのゲート下のイ
オンインプランテーションやゲート電圧の調整などによ
り行うことができる。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に１個以上の画素を配し、
    各画素は、フォトダイオードと、電荷量に応じた大きさ
    の電圧を生成するフローティングディフュージョン部
    と、転送パルスが供給されたとき前記フォトダイオード
    を前記フローティングディフュージョン部に接続する転
    送ゲートと、リセットパルスが供給されたとき前記フロ
    ーティングディフュージョン部を所定電位点に接続する
    リセットゲートと、前記フローティングディフュージョ
    ン部の電圧を出力するバッファー手段とを含み、前記リ
    セットゲートは電界効果トランジスターにより構成さ
    れ、同トランジスターのドレインは前記所定電位点に、
    ソースは前記フローティングディフュージョン部にそれ
    ぞれ接続され、前記トランジスターのゲートに前記リセ
    ットパルスを供給した後、前記転送パルスを前記転送ゲ
    ートに供給し、そのとき前記バッファー手段が出力する
    電圧を前記フォトダイオードによる光の検出電圧として
    処理する信号経路を有する固体撮像装置であって、 前記リセットパルスが前記リセットゲートに供給される
    前の、前記バッファー手段の出力電圧を前記フォトダイ
    オードによる第２の光の検出電圧として処理する第２の
    信号経路を有する固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記第２の信号経路に、前記第２の光の
    検出電圧を保持するサンプルホールド手段を備えること
    を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記第２の信号経路に、前記第２の光の
    検出電圧と、前記リセットパルスが前記リセットゲート
    に供給された後の前記バッファー手段の出力電圧との差
    を算出して、同電圧差に対応する電圧を生成する演算手
    段を備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
    置。
  4. 【請求項４】 前記リセットパルスが前記リセットゲー
    トに供給された後の前記バッファー手段の出力電圧を保
    持する第１のサンプルホールド手段と、前記光の検出電
    圧を保持する第２のサンプルホールド手段を備え、前記
    第２の信号経路のサンプルホールド手段および前記第１
    のサンプルホールド手段が保持する電圧の差を算出し
    て、同電圧差に対応する電圧を生成する第１の演算手段
    と、前記第１および第２のサンプルホールド手段が保持
    する電圧の差を算出して、同電圧差に対応する電圧を生
    成する第２の演算手段とを備えることを特徴とする請求
    項２記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項５】 前記所定電位点の電圧を制御する電圧制
    御手段を備え、前記バッファー手段が前記光の検出電圧
    を出力した後、前記電圧制御手段が、一定の期間、前記
    所定電位点の電圧を低下させることを特徴とする請求項
    １記載の固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 前記画素が複数個マトリクス状に配列さ
    れた画素領域を有し、前記画素領域の各列ごとに垂直信
    号線が設けられ、各画素の前記バッファー手段の出力電
    圧はその画素が対応する前記垂直信号線を通じて出力さ
    れ、前記信号経路と前記第２の信号経路とが、前記画素
    領域を挟んで垂直信号線の両端部に設けられていること
    を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 前記リセットゲートの電圧を制御する電
    圧制御手段を備え、前記電圧制御手段は、前記バッファ
    ー手段が前記第２の光の検出電圧を出力する期間におけ
    る前記リセットゲートの電圧を、前記バッファー手段が
    前記光の検出電圧を出力する期間における前記リセット
    ゲートの電圧よりも高く設定することを特徴とする請求
    項１記載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 前記画素部はマトリクス状に配列され、
    マトリクスの各列を構成する前記画素部ごとに垂直信号
    線が設けられ、各画素部の前記バッファー手段の出力電
    圧は画素部が対応する前記垂直信号線を通じて各サンプ
    ルホールド手段に供給されることを特徴とする請求項２
    記載の固体撮像装置。
  9. 【請求項９】 前記垂直信号線と基準電位点との間に接
    続され、ロードパルスが供給されたときオンするスイッ
    チング素子を含み、前記タイミングパルス発生手段は、
    各サンプルホールド手段にサンプリングパルスを供給す
    る際には、あらかじめ前記ロードパルスを前記スイッチ
    ング素子に供給し、前記バッファー手段は、トランジス
    ターから成り、同トランジスターのゲートは前記フロー
    ティングディフュージョン部に、ドレインは電源にそれ
    ぞれ接続され、ソースは、少なくとも前記バッファー手
    段が電圧を出力するとき前記垂直信号線に接続されるこ
    とを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
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