TWI786021B

TWI786021B - 固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備

Info

Publication number: TWI786021B
Application number: TW111119546A
Authority: TW
Inventors: 宮内健; 高柳功
Original assignee: 新加坡商普里露尼庫斯新加坡私人有限公司
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20220385852A1; JP2022180791A; CN115396611A; TW202247643A; US11671730B2

Abstract

提供固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備，其不受光學規格的影響，能夠抑制轉換增益不同的信號之間的結合點的SNR降低。像素（200），通過第1連接元件LG11-Tr選擇性地將浮置擴散層FD11與第1電容CS11連接，從而將FD11的電容變更為第1電容或者第2電容並將轉換增益切換為由第1電容決定的第1轉換增益(HCG)或者由第2電容決定的第2轉換增益(MCG)，通過第2連接元件SG11-Tr將FD11與第2電容CS12連接，從而將FD11的電容變更為第3電容並將SF11-Tr的轉換增益切換為由第3電容決定的第3轉換增益(LCG)。

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)圖像傳感器已作為使用有光電轉換元件的固態攝像裝置(圖像傳感器)而被實際運用，該光電轉換元件檢測光並產生電荷。 CMOS圖像傳感器已廣泛用作數碼相機、攝像機、監控相機、醫療用內視鏡、個人電腦(PERSONAL COMPUTER，PC)、車用相機、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圖像傳感器在每個像素中帶有包括光電二極管(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圖像傳感器的主流讀取類型為列並聯輸出型，即，選擇像素陣列中的某一行，同時向列(column)輸出方向對這些行進行讀取。

一般來說，CMOS圖像傳感器的各像素構成為，例如對應於1個光電二極管，包括作為傳輸元件的傳輸晶體管、作為重置元件的重置晶體管、作為源極跟隨元件(放大元件)的源極跟隨晶體管、以及作為選擇元件的選擇晶體管的4元件作為有源元件。

另外，為了提升其性能，已提出了各種實現具有高動態範圍(HDR)的高畫質的CMOS圖像傳感器的方法(例如參照專利文獻1、2、3)。

專利文獻1中記載了實現高動態範圍的CMOS圖像傳感器，在像素(pixel)中包含因應入射光而產生電荷的光電二極管PD，來自光電二極管PD的電荷被耦合到電壓源並被排出或者可以被傳輸到積累二極管等的電荷積累區域。若在電荷積累區域所產生的電荷超過第1電荷電平，則電荷可能通過第1晶體管溢流到第1積累電容。若所產生的電荷超過高於第1電荷電平的第2電荷電平，則電荷可能通過第2晶體管而溢流。通過第2晶體管而溢流的電荷，可以排出或者傳輸到第2積累電容以便隨後讀取。

專利文獻2中記載了實現寬動態範圍的固態圖像採集裝置及其控制方法、以及以能夠抑制PLS的影響為目的的電子裝置。固體圖像採集裝置包含配列了多個像素的像素陣列單元。像素陣列單元內的像素的一部份是有至少一個光電轉換元件以及溢出集合電容(LOFIC)的單元像素。而且，固體圖像採集裝置包含像素陣列單元內的1個或者多個單元像素用的一個AD轉換器。

專利文獻3中記載了以高S/N比維持高靈敏度並能實現寬動態範圍的CMOS圖像傳感器。像素陣列有如後的構造，各像素包含：用以接收光並產生及積累光電電荷的光電二極管PD、以及用以積累從光電二極管PD溢流的光電荷的通過傳輸晶體管Tr1與光電二極管PD結合的積累電容CS。積累電容CS構成為能夠積累從光電二極管PD溢出的光電荷。現有技術文獻專利文獻

專利文獻1:US10791292B1 專利文獻2:US10547802B2 專利文獻3:US20080266434A1

本發明所要解決的技術問題

如上述，CMOS圖像傳感器(CIS)可以構成為採用提高像素的動態範圍的種種特殊構造。

橫向溢出集合電容(LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor)的構成是高動態範圍化的途徑之一。但是，LOFIC有個重要的問題，即，在高轉換增益(HCG)信號與低轉換增益(LCG)信號的結合(接合)點的SNR降低。換句話說，僅靠LOFIC的構成，無法消除LCG信號的kTC噪聲，因此在HCG信號與LCG信號的結合點的SNR降低。

用以達成最小SNR降低的方法之一，是採用雙轉換增益(增益)讀取，並具有LOFIC以及分割像素(split pixel)的三重轉換增益讀取技術。

但是，這種像素構造(分割像素型)有幾個光學規格的課題。這些課題包括，例如大的光電二極管PD和小的光電二極管PD之間的光學構造、不同的角度反應和不同的量子效率(Q.E.)或者大的光電二極管PD和小的光電二極管PD之間的響應性。

本發明提供固態攝像裝置、固態攝像裝置的驅動方法、以及電子設備，其不受光學規格的影響，能夠抑制轉換增益不同的信號之間的結合點的SNR降低。解決問題的方案

本發明的第一觀點的固態攝像裝置包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出。

本發明的第二觀點為固態攝像裝置的驅動方法，所述固態攝像裝置包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出，通過所述第1連接元件而選擇性地連接所述浮置擴散層和所述第1電容元件，從而將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或者第2電容，並將轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或者由所述第2電容決定的第2轉換增益；通過所述第2連接元件而連接所述浮置擴散層與所述第2電容元件，通過所述第2連接元件而連接所述浮置擴散層與所述第2電容元件，從而能將所述浮置擴散層的電容變更為第3電容，並將轉換增益切換為由所述第3電容決定的第3轉換增益。

本發明的第三觀點的電子設備包括：固態攝像裝置；以及在所述固態攝像裝置上將被攝體像成像的光學系統，所述固態攝像裝置包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出。發明效果

根據本發明，不受光學規格的影響，能夠抑制轉換增益不同的信號之間的結合點的SNR降低。

以下，搭配附圖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。圖2是表示本發明的第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的構成例的電路圖。圖3(A)以及(B)是用以說明本發明的第一實施方式的固態攝像裝置中的三重轉換增益讀取相關的轉換增益以及電容的圖。在本實施方式中，固態攝像裝置10是由例如CMOS圖像傳感器構成。

如圖1所示，該固態攝像裝置10包括以下主要構成要素：作為拍攝部的像素部20、垂直掃描電路(行掃描電路)30、讀取電路(列讀取電路)40、水平掃描電路(列掃描電路)50、以及時序控制電路60。由這些構成要素中的例如垂直掃描電路30、讀取電路40、水平掃描電路50、以及時序控制電路60構成像素信號的讀取部70。

如下文所詳述，在本第一實施方式中，固態攝像裝置10，在像素部20以行列狀配置的像素200基本上具有如圖2所示的構成。換句話說，像素200構成為包含：保持被傳輸的電荷以將其讀取為電壓信號的浮置擴散層FD(Floating Diffusion;浮動擴散層)11；作為在曝光期間PEXP中積累與入射光量相應電荷的光電轉換元件的光電二極管PD11；作為在曝光期間PEXP中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將作為光電轉換元件的光電二極管PD11所積累的電荷傳輸到浮置擴散層FD11的傳輸元件的傳輸晶體管TG11-Tr；以及作為能執行將浮置擴散層FD11的積累電荷排出的重置處理的重置元件的重置晶體管RST11-Tr。

而且，像素200構成為包含：作為相應於轉換增益而被控制為與浮置擴散層FD11的連接狀態或者非連接狀態的第1電容元件的第1電容CS11；作為選擇性地將浮置擴散層FD11與作為第1電容元件的第1電容CS11連接的第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr；作為能積累從作為光電轉換元件的光電二極管PD11溢出的溢流電荷的第2電容元件的第2電容CS12；以及作為選擇性地將浮置擴散層FD11和作為第2電容元件的第2電容CS12連接的第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr。

而且，像素200構成為包含：能使得從作為光電轉換元件的光電二極管PD11溢出的電荷向作為第2電容元件的第2電容CS2的形成區域方向溢流的溢流路徑OVFP；作為形成在溢流路徑OVFP上，用以執行溢流路徑OVFP的導通控制的溢流柵極元件的溢流路徑晶體管LO11-Tr；作為將在浮置擴散層FD11轉換的電壓信號輸出的源極跟隨元件的源極跟隨晶體管SF11-Tr；以及作為選擇元件的選擇晶體管SEL11-Tr。

本實施方式的像素200，在讀取部70的控制下，通過作為第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr而選擇性地連接浮置擴散層FD11與作為第1電容元件的第1電容CS11，從而能將浮置擴散層FD11的電容變更為第1電容或者第2電容並切換為由第1電容决定的第1轉換增益(例如高轉換增益:HCG: High Conversion Gain)或者由第2電容决定的第2轉換增益(例如中轉換增益:MCG: Middle Conversion Gain)。而且，像素200，在讀取部70的控制下，通過作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr連接浮置擴散層FD11與作為第2電容元件的第2電容CS12，從而能將浮置擴散層FD11的電容變更為第3電容並切換為由第3電容決定的第3轉換增益(例如低轉換增益:LCG: Low Conversion Gain)。

如圖3所示，像素200構成為，在讀取部70的控制下，能夠執行：在被指定的雙轉換增益讀取模式期間中，根據與第1電容相應的第1轉換增益(高轉換增益:HCG)執行像素信號的讀取的第1轉換增益模式讀取；以及，根據與第2電容(不同於第1電容)相應的第2轉換增益(中轉換增益:MCG)執行像素信號的讀取的第2轉換增益模式讀取。而且，像素200構成為，在讀取部70的控制下，在雙轉換增益讀取模式之後接著被指定的溢流電荷相關的溢流讀取模式(LOFIC)讀取模式)期間，能夠執行根據與第3電容相應的第3轉換增益(低轉換增益:LCG)執行像素信號的讀取的轉換增益模式讀取。

像素200，設置有例如稱之為橫向溢出集合電容(以下稱為“LOFIC” (Lateral Overflow Integration Capacitor))的構造，在讀取部70的控制下，在低照度條件下執行使用光電轉換元件即光電二極管PD11的積累電荷以及溢流電荷相關的第3轉換增益(單增益)的2重採樣讀取模式(LOFIC模式)動作。

如上述，在本第一實施方式中，像素200，無需設置分割像素，為了實現最小SNR降低，如圖3所示，執行三重轉換增益讀取，即：根據與第1電容相應的第1轉換增益(例如高轉換增益: HCG)執行像素信號的讀取的第1轉換增益模式讀取；根據與第2電容(不同於第1電容)相應的第2轉換增益(例如中轉換增益:MCG)執行像素信號的讀取的第2轉換增益模式讀取；以及根據與第3電容相應的第3轉換增益(例如低轉換增益: LCG)執行像素信號的讀取的第3轉換增益模式讀取。

(像素200的具體的電路構成) 在此，說明圖2的像素200的具體的電路構成。在此是針對具有LOFIC構造的像素200的構成例進行說明。

像素部20中，包含光電二極管(光電轉換元件)和像素內放大器的讀取像素200配列為N行×M列的2維行列狀(矩陣狀)。

例如圖2所示，此像素200構成為包含：作為光電轉換元件的光電二極管PD11、作為傳輸元件的傳輸晶體管TG11-Tr、作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr、作為源極跟隨元件的源極跟隨晶體管SF11-Tr、作為選擇元件的選擇晶體管SEL11-Tr、作為第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr、作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr、作為溢流柵極元件的溢流路徑晶體管LO11-Tr、作為第1電容元件的第1電容CS11、作為第2電容元件的第2電容CS12、浮置擴散層FD11、與浮置擴散層FD11連接的第1節點ND11、第2節點ND12、以及與第2電容CS12連接的第3節點ND13。

在本第一實施方式中，像素200的光電二極管PD11由高電容光電二極管所形成。另外，在像素200中，浮置擴散層FD11、第1電容CS11、以及第2電容CS12的電容(capacitance)設定如後(另參照圖3(B))。浮置擴散層FD11的電容CFD，為了實現高增益低噪聲而形成為非常小的電容。第1電容CS11的電容CS1，為了將SNR的降低抑制為最小限度，設定為較高電容光電二極管PD11大的中電容。第2電容CS12的電容CS2，為了高FWC(Full Well Capacity)用而設定為非常大的電容(靜電電容)。第2電容CS12的電容CS2，大於第1電容CS11的電容CS1以及浮置擴散層FD11的電容CFD。而且，第1電容CS11的電容CS1主要用於中程度的轉換增益，第2電容CS12的電容CS2也用於低轉換增益。

高電容的光電二極管PD11，產生並積累與入射光量相應量的信號電荷(在此為電子)。以下，對信號電荷為電子且各晶體管為n型晶體管的情況進行說明，但信號電荷也可為空穴，各晶體管也可為p型晶體管。

在各像素200中，使用嵌入式光電二極管(PPD)作為光電二極管(PD)。在形成光電二極管(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。嵌入式光電二極管(PPD)中，通過將光電二極管(PD)的電荷積累部嵌入在基板內，可減少暗電流混入信號的情況。

傳輸晶體管TG11-Tr，被連接在光電二極管PD11與浮置擴散層FD11(以及第1節點ND11)之間，受到控制信號TG控制。傳輸晶體管TG11-Tr，在控制信號TG為高電平(H)的期間被選擇而成為導通狀態，將由光電二極管PD11光電轉換並積累於積累節點的電荷(電子)傳輸到浮置擴散層FD11。

重置晶體管RST11-Tr，在圖2的例中，連接在通過第1節點ND11而被連接到電源電位VAAPIX和浮置擴散層FD11的第1開關晶體管LG11-Tr、以及、通過第2節點ND12而被連接的第2開關晶體管SG11-Tr之間，受到控制信號RST控制。重置晶體管RST11-Tr，在控制信號RST為H電平的期間被選擇而成為導通狀態，至少將浮置擴散層FD11重置到電源電位VAAPIX。

另外，在本第一實施方式中，重置晶體管RST11-Tr以及傳輸晶體管TG11-Tr被保持在導通狀態，而浮置擴散層FD11以及光電二極管PD11被重置。

第1開關晶體管LG11-Tr，通過第1節點ND11而被連接在浮置擴散層FD11與第1電容CS11之間。第1開關晶體管LG11-Tr，受到通過控制線而施加於柵極的控制信號LG控制。第1開關晶體管LG11-Tr，在控制信號LG為H電平的期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD11與第1電容CS11連接。在本第一實施方式中，重置晶體管RST11-Tr以及第1開關晶體管LG11-Tr被保持在導通狀態，浮置擴散層FD11以及第1電容CS11被重置。

第2開關晶體管SG11-Tr，通過第2節點ND12而被連接在浮置擴散層FD11(以及重置晶體管RST11-Tr)與第2電容CS12之間。第2開關晶體管SG11-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SG控制。第2開關晶體管SG11-Tr，在控制信號SG為H電平的期間被選擇而成為導通狀態，將浮置擴散層FD11(以及重置晶體管RST11-Tr)與第2電容CS12連接。在本第一實施方式中，重置晶體管RST11-Tr以及第2開關晶體管SG11-Tr被保持在導通狀態，浮置擴散層FD11以及第2電容CS12被重置。

溢流路徑晶體管LO11-Tr，通過第3節點ND13而被連接在光電二極管PD11的電荷積累節點與第2電容CS12之間。溢流路徑晶體管LO11-Tr，受到通過控制線施加於柵極的控制信號LO控制。溢流路徑晶體管LO11-Tr，在控制信號LO為H電平的期間被選擇而成為導通狀態，將光電二極管PD11的電荷積累節點與第2電容CS12連接。

再者，如圖2所示，在本第一實施方式中，溢流路徑OVFP，形成作為能使光電二極管PD11的溢流電荷通過溢流路徑晶體管LO11-Tr、第3節點ND13而溢流到第2電容CS12的路徑(實線的箭頭)，而且，還形成作為能使第2電容CS12的溢流電荷通過第2開關晶體管SG11-Tr、第2節點ND12、重置晶體管RST11-Tr而丟棄到電源電位VAAPIX的路徑(虛線的箭頭)。

源極跟隨晶體管SF11-Tr和選擇晶體管SEL11-Tr，在電源電位VAAPIX與垂直信號線LSGN11之間串聯連接。源極跟隨晶體管SF-Tr的柵極連接有浮置擴散層FD11，選擇晶體管SEL-Tr受到通過控制線施加於柵極的控制信號SEL控制。選擇晶體管SEL11-Tr，在控制信號SEL為H電平的選擇期間被選擇而成為導通狀態。由此，源極跟隨晶體管SF11-Tr將由浮置擴散層FD11轉換的電壓信號(VRST1，VSIG1)輸出至垂直信號線LSGN11。

在像素部20中，像素電路200被配置為N行×M列，因此，各控制線分別有N條、垂直信號線有M條。在圖1中，將各控制線表示為1條行掃描控制線。

垂直掃描電路30，相應於時序控制電路60的控制，在快門行以及讀取行中通過行掃描控制線執行像素的驅動。另外，垂直掃描電路30，根據地址信號，輸出進行信號讀取的讀取行、以及將光電二極管PD11所積累的電荷重置的快門行的行地址的行選擇信號。

讀取電路40，可以構成為包括相應於像素部20的各列輸出而配置的多個列信號處理電路(未圖示)，能以多個列信號處理電路執行列並聯處理。

水平掃描電路50，將由讀取電路40的多個列信號處理電路處理後的信號掃描並傳輸至水平方向，輸出到未圖示的信號處理電路。

時序控制電路60，產生像素部20、垂直掃描電路30、讀取電路40、水平掃描電路50等的信號處理必需的時序信號。

讀取部70，當雙轉換增益讀取模式MDCG被指定時，執行第2轉換增益重置讀取處理MCGRRD、第1轉換增益重置讀取處理HCGRRD、第1轉換增益讀取處理HCGSRD、以及第2轉換增益讀取處理MCGSRD。讀取部70，當溢流電荷相關的溢流讀取模式MOVF(MLOFIC)被指定時，執行第3轉換增益讀取處理LCGSRD以及第3轉換增益重置讀取處理LCGRRD。

在本第一實施方式中，讀取部70，在開始曝光期間PEXP後，執行雙轉換增益讀取模式MDCG的讀取處理作為讀取模式處理，接著，進行讀取序列控制，以執行溢流讀取模式MOVF(MLOFIC)。

例如，讀取部70，將重置晶體管RST11-Tr、第1開關晶體管LG11-Tr、第2開關晶體管SG11-Tr、以及傳輸晶體管TG11-Tr在規定期間保持為導通狀態，將光電二極管PD11、浮置擴散層FD11、第1電容CS11、以及第2電容CS12重置並執行快門處理，使傳輸晶體管TG11-Tr為非導通狀態並開始曝光期間PEXP。而且，讀取部70，開始曝光期間PEXP後，依序執行第2轉換增益重置讀取處理MCGRRD、第1轉換增益重置讀取處理HCGRRD、第1轉換增益信號讀取處理HCGSRD、以及第2轉換增益信號讀取處理MCGSRD，以作為雙轉換增益讀取模式DMCG的處理。接著，讀取部70，執行第3轉換增益信號讀取處理LCGSRD，以作為溢流電荷相關的溢流讀取模式處理。然後，讀取部70，將重置晶體管RST11-Tr、第1開關晶體管LG11-Tr、以及第2開關晶體管SG11-Tr在規定期間保持為導通狀態，將浮置擴散層FD11、第1電容CS11、以及第2電容CS12的電荷全部丟到電源電位VAAPIX並執行快門處理後，依序執行第3轉換增益重置讀取處理LCGRRD。

在此，說明對於本第一實施方式的固態攝像裝置中的像素200的讀取序列的一例。

圖4(A)~(E)是用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖5(A)~(H) 是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖6(A)~(H) 是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖7(A)~(H) 是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。

圖4(A)表示重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST，圖4(B)表示第2開關晶體管SG11-Tr的控制信號SG，圖4(C)表示第1開關晶體管LG11-Tr的控制信號LG，圖4(D)表示傳輸晶體管TG11-Tr的控制信號TG，圖4(E)表示溢流路徑晶體管LO11-Tr的控制信號LO。

再者，如以下所說明的那樣，對於像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列，基本上在低照度下、中照度下、高照度下都是同樣地進行。

在雙轉換增益讀取模式MDCG的處理開始之前，控制信號RST、SG、LG、TG、LO在規定期間被設定為高電平，重置晶體管RST11-Tr、第2開關晶體管SG11-Tr、第1開關晶體管LG11-Tr、傳輸晶體管TG11-Tr、以及溢流路徑晶體管LO11-Tr在規定期間被保持為導通狀態。由此，光電二極管PD11、浮置擴散層FD11、第1電容CS11、以及第2電容CS12被重置到固定電位VAAPIX。也就是執行快門動作(圖4(A)~(E))。

然後，在傳輸晶體管TG11-Tr從導通狀態被切換為非導通狀態時，曝光時間PEXP開始(圖4(D))。曝光期間PEXP結束後，在讀取期間一開始時，控制信號RST以及控制信號LG切換為高電平，重置晶體管RST11-Tr以及第1開關晶體管LG11-Tr被切換為導通狀態。由此，浮置擴散層FD11以及第1電容CS11被重置。在此，控制信號RST以及控制信號LG被切換為高電平後經過規定期間後，僅有控制信號RST被切換為低電平且重置晶體管RST11-Tr被切換為非導通狀態，成為第1重置信號讀取期間。此時，控制信號LG仍保持為高電平，第1開關晶體管LG11-Tr處於導通狀態，因此，浮置擴散層FD11的電荷及第1電容CS11的電荷被共享，浮置擴散層FD11的增益被切換為以包含浮置擴散層FD11的電容CFD及第1電容CS11的電容CS1的第2電容決定的第2轉換增益MCG。

然後，在重置處理後的第1重置信號讀取期間，執行第2轉換增益重置讀取處理MCGRRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第2電容決定的第2轉換增益MCG轉換後的第2讀取重置信號MCGRST(ADC)，對此第2讀取重置信號MCGRST(ADC)執行規定的處理。

接著，第1重置信號讀取期間經過後，控制信號LG被切換為低電平，第1開關晶體管LG11-Tr被切換為非導通狀態，成為第2重置信號讀取期間。此時，第1電容CS11與浮置擴散層FD11斷開，浮置擴散層FD11的電荷與第1電容CS11的電荷被分開，浮置擴散層FD11(源極跟隨晶體管SF11-Tr)的增益被切換為由浮置擴散層FD11的第1電容CFD決定的第1轉換增益HCG。

然後，在第2重置信號讀取期間，執行第1轉換增益重置讀取處理HCGRRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第1電容決定的第1轉換增益HCG轉換後的第1讀取重置信號HCGRST(ADC)，對此第1讀取重置信號HCGRST(ADC)執行規定的處理。

接著，在第2重置信號讀取期間後的第1傳輸期間，控制信號TG被切換為高電平且傳輸晶體管TG11-Tr被保持在導通狀態，光電二極管PD11的積累電荷被傳輸至浮置擴散層FD11。第1傳輸期間後，控制信號TG被切換為低電平，傳輸晶體管TG11-Tr被切換為非導通狀態。

接著，在第1傳輸期間接續的第1信號讀取期間，執行第1轉換增益信號讀取處理HCGSRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第1電容決定的第1轉換增益轉換後的第1讀取信號HCGSIG(ADC)，對此第1讀取信號HCGSIG(ADC)執行規定的處理。

然後，保持重置電平HCGRSTADC及信號電平HCGSIGADC，或者，根據重置電平與信號電平的差值進行CDS演算。

接著，在第1轉換增益讀取處理HCGSRD後，控制信號LG從低電平切換為高電平，將第1開關晶體管LG11-Tr切換為導通狀態且第1電容CS11與浮置擴散層FD11連接。由此，浮置擴散層FD11的電荷與第1電容CS11的電荷被共享且浮置擴散層FD11的增益被切換為由第2電容決定的第2轉換增益MCG。

接著，在第1信號讀取期間後的第2傳輸期間，控制信號TG被切換為高電平且傳輸晶體管TG11-Tr被保持為導通狀態，光電二極管PD11的積累電荷被傳輸至浮置擴散層FD11。第2傳輸期間後，控制信號TG被切換為低電平，傳輸晶體管TG11-Tr被切換為非導通狀態。然後，在第1信號讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2信號讀取期間，執行第2轉換增益信號讀取處理MCGSRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第2電容決定的第2轉換增益MCG轉換後的第2讀取信號MCGSIG(ADC)，對此第2讀取信號MCGSIG(ADC)執行規定的處理。

然後，保持重置電平MCGRSTADC及信號電平MCGSIGADC，或者，根據重置電平MCGRSTADC與信號電平MCGSIGADC的差值進行CDS演算。在此，讀取模式由雙轉換增益讀取模式切換為LOFIC讀取模式。再者，雙轉換增益讀取處理只是用2個增益讀取光電二極管PD11的積累電荷，而在LOFIC讀取時，也讀取超過光電二極管PD11的飽和而溢流積累到第2電容CS12的電荷。

在上述第2轉換增益讀取處理MCGSRD後，控制信號SG從低電平切換為高電平，第2開關晶體管SG11-Tr被切換為導通狀態且第2電容CS12與浮置擴散層FD11連接。由此，浮置擴散層FD11的電荷FDC與第1電容CS11及第2電容CS12的電荷被共享且浮置擴散層FD11的增益被切換為由第3電容決定的第3轉換增益LCG。

然後，在第2信號讀取期間後的第3信號讀取期間，執行第3轉換增益信號讀取處理LCGSRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第3電容決定的第3轉換增益LCG轉換後的第3讀取信號LCG(LOFIC)SIG(ADC)(圖4(B))，對此第3讀取信號LCGSIG(ADC)執行規定的處理。

接著，在第3信號讀取期間後的第2重置處理期間，控制信號RST被切換為高電平，重置晶體管RST11-Tr被切換為導通狀態。由此，浮置擴散層FD11、第1電容CS11、以及第2電容CS12被重置。在此，控制信號RST被切換為高電平後經過規定期間後，控制信號RST被切換為低電平且重置晶體管RST11-Tr被切換為非導通狀態，成為第3重置信號讀取期間。此時，控制信號LG以及SG仍保持高電平，第1開關晶體管LG11-Tr以及第2開關晶體管SG11-Tr處於導通狀態，因此，浮置擴散層FD11的電荷與第1電容CS11的電荷及第2電容CS12被共享，浮置擴散層FD11的增益被保持在由包含浮置擴散層FD11的電容CFD及第1電容CS11的電容CS1及第2電容CS12的電容CS2的第3電容決定的第3轉換增益LCG。

然後，在重置處理後的第3重置信號讀取期間，執行第3轉換增益重置讀取處理LCGRRD，從源極跟隨晶體管SF11-Tr讀取根據由浮置擴散層FD11的第3電容決定的第3轉換增益LCG轉換後的第3讀取重置信號LOFIC(LCG)RST(ADC)(圖4(B)、(C))，對此第3讀取重置信號LOFIC(LCG)RST(ADC)執行規定的處理。

然後，保持重置電平LCGRSTADC及信號電平LCGSIGADC，或者，根據重置電平LCGRSTADC及信號電平LCGSIGADC的差值進行CDS演算。

如上述，在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，如圖5(A)所示，在第1讀取重置信號HCGRST的讀取前執行浮置擴散層FD11的重置處理，因此，能去除被充入浮置擴散層FD11的FD暗電流(不存在FD暗電流)。另外，在本第一實施方式的固態攝像裝置10中，如圖6(C)所示，在第2讀取重置信號MCGRST的讀取前執行浮置擴散層FD11以及第1電容CS11的重置處理，因此，充入浮置擴散層FD11以及第1電容CS11的FD/CS暗電流不存在。不過，作為第2電容元件的第2電容CS12，因為是積累期間中積累電荷的節點，所以無法去除暗電流。

如上述，依據本第一實施方式，像素200構成為包含：保持被傳輸的電荷以將其讀取為電壓信號的浮置擴散層FD11、在曝光期間PEXP中積累與入射光量相應電荷的光電二極管PD11、在曝光期間PEXP中被保持為非導通狀態並在傳輸期間中被保持為導通狀態且將光電二極管PD11所積累的電荷傳輸至浮置擴散層FD11的傳輸晶體管TG11-Tr、以及能執行將浮置擴散層FD11的積累電荷排出的重置處理的重置晶體管RST11-Tr。而且，像素200構成為包含：相應於轉換增益而被控制為與浮置擴散層FD11的連接狀態或者非連接狀態的第1電容CS11、選擇性地將浮置擴散層FD11與第1電容CS11連接的第1開關晶體管LG11-Tr、能積累從光電二極管PD11溢出的溢流電荷的第2電容CS12、以及選擇性地將浮置擴散層FD11與第2電容CS12連接的第2開關晶體管SG11-Tr。而且，像素200構成為包含：能使得從光電二極管PD11溢出的電荷向第2電容CS12的形成區域方向溢流的溢流路徑OVFP、形成在溢流路徑OVFP上且用以執行溢流路徑OVFP的導通控制的溢流柵極元件LO11-Tr、以及將在浮置擴散層FD11轉換的電壓信號增幅並輸出的源極跟隨晶體管SF11-Tr。

本第一實施方式的像素200，在讀取部70的控制下，通過第1開關晶體管LG11-Tr而選擇性地連接浮置擴散層FD11與第1電容CS11，從而能將浮置擴散層FD11的電容變更為第1電容或者第2電容並將浮置擴散層FD11的轉換增益切換為由第1電容決定的第1轉換增益(高轉換增益:HCG)或者由第2電容決定的第2轉換增益(中轉換增益:MCG)。而且，像素200，讀取部70的控制下，通過第2開關晶體管SG11-Tr連接浮置擴散層FD11與第2電容CS12，從而能將浮置擴散層FD11的電容變更為第3電容並將轉換增益切換為由第3電容決定的第3轉換增益(低轉換增益:LCG)。

像這樣，在本第一實施方式中，像素200執行三重轉換增益讀取，其執行根據與第1電容相應的第1轉換增益(例如高轉換增益:HCG)執行像素信號的讀取的第1轉換增益模式讀取、根據與第2電容(不同於第1電容)相應的第2轉換增益(例如中轉換增益:MCG)執行像素信號的讀取的第2轉換增益模式讀取、以及根據與第3電容相應的第3轉換增益(例如低轉換增益:LCG)執行像素信號的讀取的第3轉換增益模式讀取，從而無須設置分割像素，而能實現在模式間接點的最小SNR降低。換句話說，依據本第一實施方式，不受光學規格的影響，能夠抑制轉換增益不同的信號之間的結合點的SNR降低。

另外，依據本第一實施方式，能以小像素尺寸通過規定的讀取模式來擴大動態範圍。依據本第一實施方式，能實現實質上的高動態範圍化、高幀率化。而且，如圖8(A)~(C)所示，依據本第一實施方式，高動態範圍信號可以用線性響應的方式讀取，高靈敏度/低噪聲信號可以用HCG讀取。如此就可以防止由飽和波動引起的像素間接點信號偏差。

(第二實施方式) 圖9是表示本發明的第二實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。

圖10(A)~(F)是用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖11(A)~(H)是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖12(A)~(H)是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖13(A)~(H)是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。

圖9(A)表示重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST，圖9(B)表示第3開關晶體管R_RD11-Tr的控制信號R_RD，圖9(C)表示第2開關晶體管SG11-Tr的控制信號SG，圖9(D)表示第1開關晶體管LG11-Tr的控制信號LG，圖9(E)表示傳輸晶體管TG11-Tr的控制信號TG，圖9(F)表示溢流路徑晶體管LO11-Tr的控制信號LO。

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。

本第二實施方式的固態攝像裝置10A的像素200A中，在重置晶體管RST11-Tr和第2開關晶體管SG11-Tr的連接節點(第2節點)ND12與浮置擴散層FD11之間，連接了作為通過控制信號R_RD而被選擇性地控制為導通狀態以及非導通狀態的第3連接元件的第3開關晶體管R_RD11-Tr。

第3開關晶體管R_RD11-Tr，如圖10(A)~(B)所示，在第1重置期間中，在與重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST相同的期間被切換為高電平，在此期間被保持為導通狀態。另外，第3開關晶體管R_RD11-Tr，如圖10(A)~(C)所示，在從雙轉換增益讀取模式切換為LOFIC讀取模式時，以相同於第2開關晶體管SG11-Tr的控制信號SG的時序被切換為高電平並被保持為導通狀態。

除了此構成之外，在本第二實施方式的固態攝像裝置10A中，對於像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列，是以與前述第一實施方式固態攝像裝置相同的方式進行。因此，在此省略其詳細說明。

其他構成相同於上述第一實施方式。依據本第二實施方式，可以得到與上述第一實施方式的效果相同的效果，還能得到以下的效果。

換句話說，依據本第二實施方式，能夠僅在第3轉換增益LCG的設定期間連接浮置擴散層FD11與第2電容CS12側，當第2電容CS12的電容不必要時，能防止不必要的電荷向浮置擴散層FD11流入，引起電荷的混合(成為偽信號)，這又減少了決定浮置擴散層FD11的轉換增益的鄰接晶體管的數量，而能高精度的設置轉換增益。

(第三實施方式) 圖14是表示本發明的第三實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。

圖15(A)~(D)是用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖16(A)~(H)是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖17(A)~(H) 是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖18(A)~(H) 是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。

圖14(A)表示重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST，圖14(B)表示第2開關晶體管SG11-Tr的控制信號SG，圖14(C)表示第1開關晶體管LG11-Tr的控制信號LG，圖14(D)表示傳輸晶體管TG11-Tr的控制信號TG。

本第三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。

本第三實施方式的固態攝像裝置10B的像素200B中，作為溢流柵極元件的溢流路徑晶體管LO11-Tr是與作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr共用。另外，第3節點ND13是與第2節點ND12共用。而且，被共用的作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr，連接於浮置擴散層FD11與作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr之間，由其連接節點形成第2節點ND12。而且，作為第2電容元件的第2電容CS12，連接於作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr與作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr的連接節點即第2節點ND12。另外，作為第1連接元件的第1開關晶體管LO11-Tr以及作為第1電容元件的第1電容CS11，串聯連接於連接在第1節點ND11的浮置擴散層FD11與基準電位VSS之間。

在本第三實施方式的固態攝像裝置10B中，如圖15(A)所示，第1讀取重置信號HCGRST讀取前未執行浮置擴散層FD11的重置處理，因此無法完全去除被充入浮置擴散層FD11的FD暗電流(存在FD暗電流)。像這樣，在第1讀取重置信號HCGRST的讀取階段雖存在若干FD暗電流，但能通過CDS處理而將其去除。

除了此構成之外，本第三實施方式的固態攝像裝置10B中，對於像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列，是以與前述第一實施方式固態攝像裝置相同的方式進行。因此，在此省略其詳細說明。

其他構成相同於上述第一實施方式。依據本第三實施方式，可以得到與上述第一實施方式的效果相同的效果，還能簡化電路構成。

(第四實施方式) 圖19是表示本發明的第四實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。

圖20(A)~(D) 是用以說明對於本發明的第四實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖21(A)~(X) 是表示用以說明對於本發明的第四實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。

圖20(A)表示重置晶體管RST11-Tr的控制信號RST，圖20(B)表示第2開關晶體管SG11-Tr的控制信號SG，圖20(C)表示第1開關晶體管LG11-Tr的控制信號LG，圖20(D)表示傳輸晶體管TG11-Tr的控制信號TG。

本第四實施方式的固態攝像裝置10C的像素200C與上述第三實施方式的固態攝像裝置10B的像素電路200B的不同點如下。

在本第四實施方式的固態攝像裝置10C的像素200C中，作為第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr串聯連接在浮置擴散層FD11與作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr之間。另外，由作為第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr與作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr的連接節點形成第4節點ND14。而且，作為被共用的第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr，連接在作為第2連接元件的第2開關晶體管SG11-Tr與作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr之間，由其連接節點形成第2節點ND12。而且，作為第1電容元件的第1電容CS11，連接在第1開關晶體管LG11-Tr與第2開關晶體管SG11-Tr的連接節點即第4節點ND14。另外，作為第2電容元件的第2電容CS12，連接於第2開關晶體管SG11-Tr與作為重置元件的重置晶體管RST11-Tr的連接節點即第2節點ND12。

在本第四實施方式的固態攝像裝置10C中，如圖20(A)所示，也是在第1讀取重置信號HCGRST讀取前未執行浮置擴散層FD11的重置處理，所以無法完全去除被充入浮置擴散層FD11的FD暗電流(存在FD暗電流)。像這樣，在第1讀取重置信號HCGRST的讀取階段雖存在若干FD暗電流，但能通過CDS處理而將其去除。

除了此構成之外，在本第四實施方式的固態攝像裝置10C中，對於像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列，是以與前述第一實施方式固態攝像裝置相同的方式進行。因此，在此省略其詳細說明。

其他構成相同於上述第三實施方式。依據本第四實施方式，可以得到與上述第三實施方式的效果相同的效果，還能簡化電路構成。

(第五實施方式) 圖22是表示本發明的第五實施方式的固態攝像裝置10D的像素電路的構成例的電路圖。

本第五實施方式的固態攝像裝置10D的像素200D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。

本第五實施方式的固態攝像裝置10D，在鄰接的多個(本實施方式中為2個)像素200-1，200-2中，有共享浮置擴散層FD11的像素共享構造。本第五實施方式的固態攝像裝置10D，在鄰接的像素200-1，200-2中，共享作為第1連接元件的第1開關晶體管LG11-Tr以及作為第1電容元件的第1電容CS11。另外，在本例的像素共享構造中，源極跟隨晶體管SF11-Tr以及選擇晶體管SEL11-Tr也被共享。

其他構成相同於上述第一實施方式。根據本第五實施方式，可以得到與上述第一實施方式的效果相同的效果，還能縮小像素尺寸，並能更簡化電路構成。

(對電子設備的應用例) 而且，以上已說明的固態攝像裝置10、10A、10B、10C、10D，能夠作為攝像裝置而應用於數碼相機或攝像機、便攜終端、或者監控用相機、醫療用內視鏡用相機等電子設備。

圖23是表示安裝有本發明實施方式的固態攝像裝置所應用的攝像系統的電子設備的構成的一例的圖。

如圖23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、10C、10D的CMOS圖像傳感器310。而且，電子設備300包括將入射光引導至該CMOS圖像傳感器310的像素區域(使被拍攝體像成像)的光學系統(透鏡等)420。電子設備300包括處理CMOS圖像傳感器310的輸出信號的信號處理電路(PRC)330。

信號處理電路330對CMOS圖像傳感器310的輸出信號執行規定的信號處理。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，或也可輸出至打印機，另外，可採用各種形態，例如直接記錄於存儲卡等存儲介質。

如上述，通過搭載所述固態攝像裝置10、10A、10B、10C、10D作為CMOS圖像傳感器310，能提供高性能、小型、低成本的攝像系統。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、醫療用內視鏡用相機等電子設備。

10、10A、10B、10C、10D:固態攝像裝置 20:像素部 200、200A~200D、200-1、200-2:像素 PD11:光電二極管 FD11:浮置擴散層 TG11-Tr:傳輸晶體管 RST11-Tr:重置晶體管 SF11-Tr:源極跟隨晶體管 LG11-Tr:第1開關晶體管 SG11-Tr:第2開關晶體管 CS11:第1電容 CS12:第2電容 LO11-Tr:溢流路徑晶體管 300:電子設備 310:CMOS圖像傳感器 320:光學系統 330:信號處理電路(PRC)

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是表示本發明的第一實施方式的固態攝像裝置中的像素的構成例的電路圖。圖3是用以說明本發明的第一實施方式的固態攝像裝置中的三重轉換增益讀取相關的光電轉換特性的圖。圖4是用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖5是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖6是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖7是表示用以說明對於本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖8是表示依據本發明的第一實施方式的固態攝像裝置的三重轉換增益讀取模式的各讀取信號的合成信號的線性特性、噪聲特性、以及SNR特性的圖。圖9是表示本發明的第二實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。圖10是用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖11是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖12是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖13是表示用以說明對於本發明的第二實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖14是表示本發明的第三實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。圖15是用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖16是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在低照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖17是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在中照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖18是表示用以說明對於本發明的第三實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中在高照度下的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖19是表示本發明的第四實施方式的固態攝像裝置中的讀取像素的構成例的電路圖。圖20是用以說明對於本發明的第四實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的讀取序列的一例的時序圖。圖21是表示用以說明對於本發明的第四實施方式的固態攝像裝置的像素的雙轉換增益讀取模式以及溢流讀取模式中的動作的動作序列以及電勢轉移的圖。圖22是表示本發明的第五實施方式的固態攝像裝置的像素的構成例的電路圖。圖23是表示本發明實施方式的固態攝像裝置所應用的電子設備的構成的一例的圖。

10:固態攝像裝置 20:像素部 200:像素 PD11:光電二極管 FD11:浮置擴散層 TG11-Tr:傳輸晶體管 RST11-Tr:重置晶體管 SF11-Tr:源極跟隨晶體管 LG11-Tr:第1開關晶體管 SG11-Tr:第2開關晶體管 CS11:第1電容 CS12:第2電容 LO11-Tr:溢流路徑晶體管

Claims

一種固態攝像裝置，包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出，其中當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件斷開連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為第1轉換增益，當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為第2轉換增益，以及當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件連接時，所述轉換增益切換為第3轉換增益。
根據請求項1所述的固態攝像裝置，其中，所述像素包括：第3連接元件，選擇性地將所述第2連接元件和所述浮置擴散層連接。
根據請求項1所述的固態攝像裝置，其中，所述溢流柵極元件與所述第2連接元件被共用，被共用的所述第2連接元件連接於所述浮置擴散層和所述重置元件之間，所述第2電容元件連接於所述第2連接元件和所述重置元件的連接節點，所述第1連接元件以及所述第1電容元件串聯連接於所述浮置擴散層和基準電位之間。
根據請求項1所述的固態攝像裝置，其中，所述溢流柵極元件與所述第2連接元件被共用，所述第1連接元件以及被共用的所述第2連接元件串聯連接在所述浮置擴散層與所述重置元件之間，所述第1電容元件連接於所述第1連接元件與所述第2連接元件的連接節點，所述第2電容元件連接於所述第2連接元件與所述重置元件的連接節點。
根據請求項1所述的固態攝像裝置，其中，包含配置有多個所述像素的像素部，所述像素部包含：像素共享構造，在至少鄰接的2個所述像素共享所述浮置擴散層。
根據請求項5所述的固態攝像裝置，其中，所述像素部，在至少鄰接的2個所述像素共享所述重置元件。
根據請求項5所述的固態攝像裝置，其中，所述像素部，在至少鄰接的2個所述像素共享所述第1電容元件以及所述第1連接元件。
根據請求項1至7中任一項所述的固態攝像裝置，包括：像素部，配列有所述像素；以及讀取部，從所述像素部的所述像素讀取像素信號，所述讀取部通過所述第1連接元件來選擇性地將所述浮置擴散層和所述第1電容元件連接，從而能將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或者第2電容，並將所述轉換增益切換為用所述第1電容決定的所述第1轉換增益或者用所述第2電容決定的所述第2轉換增益；所述讀取部通過所述第2連接元件來連接所述浮置擴散層與所述第2電容元件，從而能將所述浮置擴散層的電容變更為第3電容，並將所述轉換增益切換為用所述第3電容決定的所述第3轉換增益。
根據請求項8所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部在雙轉換增益讀取模式中，依序執行第2轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益重置讀取處理、第1轉換增益信號讀取處理以及第2轉換增益信號讀取處理，所述讀取部在關於溢流電荷的溢流讀取模式中，依序執行第3轉換增益信號讀取處理以及第3轉換增益重置讀取處理。
根據請求項9所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部將所述重置元件、所述第1連接元件、所述第2連接元件以及所述傳輸元件在規定期間保持為導通狀態，將所述光電轉換元件、所述浮置擴散層、所述第1電容元件以及所述第2電容元件重置，並使所述傳輸元件為非導通狀態且開始曝光期間後，所述讀取部作為所述雙轉換增益讀取模式的處理，依序執行所述第2轉換增益重置讀取處理、所述第1轉換增益重置讀取處理、所述第1轉換增益信號讀取處理以及所述第2轉換增益信號讀取處理，接著，所述讀取部作為關於所述溢流電荷的所述溢流讀取模式的處理，依序執行所述第3轉換增益信號讀取處理以及所述第3轉換增益重置讀取處理。
根據請求項10所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部在所述雙轉換增益讀取模式中，在所述第1轉換增益重置讀取處理之前，由所述重置元件執行所述浮置擴散層的重置處理。
根據請求項10所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部在所述曝光期間開始起經過規定期間後，執行如下處理：所述第2轉換增益重置讀取處理，將所述第1連接元件在規定期間切換為導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的所述第2轉換增益，在第1重置讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第2電容決定的所述第2轉換增益轉換的第2讀取重置信號，對該第2讀取重置信號執行規定的處理；所述第1轉換增益重置讀取處理，將所述第1連接元件切換為非導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層斷開，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷分離，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第1電容決定的所述第1轉換增益，在所述第1重置讀取期間接續的第2重置讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第1電容決定的所述第1轉換增益轉換的第1讀取重置信號，對該第1讀取重置信號執行規定的處理；所述第1轉換增益信號讀取處理，在所述第2重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第1電容決定的所述第1轉換增益轉換的第1讀取信號，對該第1讀取信號執行規定的處理；所述第2轉換增益信號讀取處理，在所述第1轉換增益信號讀取處理後，將所述第1連接元件切換為導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的所述第2轉換增益，在所述第1讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第2電容決定的所述第2轉換增益轉換的第2讀取信號，對該第2讀取信號執行規定的處理，並且還能夠執行如下處理：所述第3轉換增益信號讀取處理，在所述第2轉換增益信號讀取處理後，將所述第2連接元件切換為導通狀態並將所述第2電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件及所述第2電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第3電容決定的所述第3轉換增益，在所述第2讀取期間接續的第3讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第3電容決定的所述第3轉換增益轉換的第3讀取信號，對該第3讀取信號執行規定的處理；所述第3轉換增益重置讀取處理，由所述重置元件將所述浮置擴散層重置後，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第3電容決定的所述第3轉換增益轉換的第3讀取重置信號，對該第3讀取重置信號執行規定的處理。
根據請求項11項所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部在所述曝光期間開始起經過規定期間後，執行如下處理：所述第2轉換增益重置讀取處理，將所述第1連接元件在規定期間切換為導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的所述第2轉換增益，由所述重置元件將所述浮置擴散層重置後，在第1重置讀取期間，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第2電容決定的所述第2轉換增益轉換的第2讀取重置信號，對該第2讀取重置信號執行規定的處理；所述第1轉換增益重置讀取處理，將所述第1連接元件切換為非導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層斷開，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷分離，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第1電容決定的所述第1轉換增益，在重置處理後的所述第1重置讀取期間接續的第2重置讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第1電容決定的所述第1轉換增益轉換的第1讀取重置信號，對該第1讀取重置信號執行規定的處理；所述第1轉換增益信號讀取處理，在所述第2重置讀取期間後的第1傳輸期間接續的第1讀取期間中從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第1電容決定的所述第1轉換增益轉換後的第1讀取信號，對該第1讀取信號執行規定的處理；所述第2轉換增益信號讀取處理，在所述第1轉換增益信號讀取處理後，將所述第1連接元件切換為導通狀態並將所述第1電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第2電容決定的所述第2轉換增益，在所述第1讀取期間後的第2傳輸期間接續的第2讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第2電容決定的所述第2轉換增益轉換的第2讀取信號，對該第2讀取信號執行規定的處理，並且還能夠執行如下處理：所述第3轉換增益信號讀取處理，在所述第2轉換增益信號讀取處理後，將所述第2連接元件切換為導通狀態並將所述第2電容元件與所述浮置擴散層連接，使所述浮置擴散層的電荷與所述第1電容元件及所述第2電容元件的電荷共享，從而將所述浮置擴散層的增益切換為由所述第3電容決定的所述第3轉換增益，在所述第2讀取期間接續的第3讀取期間中，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第3電容決定的所述第3轉換增益轉換的第3讀取信號，對該第3讀取信號執行規定的處理；以及所述第3轉換增益重置讀取處理，由所述重置元件將所述浮置擴散層重置後，從所述源極跟隨元件讀取根據由所述浮置擴散層的所述第2電容決定的所述第3轉換增益轉換的第3讀取重置信號，對該第3讀取重置信號執行規定的處理。
根據請求項12或13所述的固態攝像裝置，其中，所述讀取部在所述曝光期間中，執行所述第2轉換增益重置讀取處理以及所述第1轉換增益重置讀取處理。
一種固態攝像裝置的驅動方法，其中，所述固態攝像裝置包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出，通過所述第1連接元件而選擇性地將所述浮置擴散層和所述第1電容元件連接，從而將所述浮置擴散層的電容變更為第1電容或者第2電容，並將所述轉換增益切換為由所述第1電容決定的第1轉換增益或者由所述第2電容決定的第2轉換增益；通過所述第2連接元件而連接所述浮置擴散層與所述第2電容元件，通過所述第2連接元件而連接所述浮置擴散層與所述第2電容元件，從而能將所述浮置擴散層的電容變更為第3電容，並將轉換所述增益切換為由所述第3電容決定的第3轉換增益，其中當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件斷開連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為所述第1轉換增益，當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為所述第2轉換增益，以及當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件連接時，所述轉換增益切換為所述第3轉換增益。
一種電子設備，包括：固態攝像裝置；以及在所述固態攝像裝置上將被攝體像成像的光學系統，所述固態攝像裝置包含執行光電轉換並能讀取與至少3個轉換增益相應的信號的像素，所述像素包括：浮置擴散層，其為了讀取為電壓信號而保持被傳輸的電荷，並將所述電荷轉換為與電容相應的電壓；光電轉換元件，在曝光期間中積累與入射光量相應的電荷；傳輸元件，在所述曝光期間中保持為非導通狀態，在傳輸期間保持為導通狀態並將所述光電轉換元件所積累的電荷傳輸到所述浮置擴散層；重置元件，能執行至少將所述浮置擴散層的積累電荷排出的重置處理；第1電容元件，相應於轉換增益被控制為與所述浮置擴散層的連接狀態或者非連接狀態；第1連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接；第2電容元件，能積累從所述光電轉換元件溢出的溢流電荷；第2連接元件，選擇性地將所述浮置擴散層和所述第2電容元件連接；溢流路徑，能使得從所述光電轉換元件溢出的電荷向所述第2電容元件的形成區域方向溢流；溢流柵極元件，形成在所述溢流路徑上，用以執行所述溢流路徑的導通控制；源極跟隨元件，將在所述浮置擴散層轉換的電壓信號增幅並輸出，其中當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件斷開連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為第1轉換增益，當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件斷開連接時，所述轉換增益切換為第2轉換增益，以及當所述第1連接元件將所述浮置擴散層與所述第1電容元件連接，並且所述第2連接元件將所述浮置擴散層與所述第2電容元件連接時，所述轉換增益切換為第3轉換增益。