JP4581792B2 - 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ - Google Patents

Description

本発明は、入射光に対する電気信号を出力する画素を備える固体撮像装置及びこれを備えたカメラに関するもので、特に構成される各画素がトランジスタによって構成される固体撮像装置及びこれを備えたカメラに関する。

種々の用途に供されている固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、ＣＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して直接読み出すようになっており、更に増幅用のＭＯＳトランジスタを画素内に取り入れたものとなっている。

又、従来のＣＭＯＳ型の固体撮像素子として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができやすいという問題があった。

これらに対して、本出願人は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号を生成する線形変換動作と上述の対数変換動作とを切り換えることが可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。又、本出願人は、このような線形変換動作と対数変換動作とを自動的に切り換えるために、光電変換を行うフォトダイオードに接続されたトランジスタのポテンシャル状態を適当な状態に設定するＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３による固体撮像装置は、トランジスタのポテンシャル状態を変更することにより、その光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点の位置を変えることができる。

又、従来の固体撮像装置として、図１のような埋込型フォトダイオードＰＤが用いられた画素を備える固体撮像装置が提供されている。この図１の画素は、Ｐ型ウェル層又はＰ型サブストレートに対して、Ｐ型層１０とＮ型埋込層１１とから構成される埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜１２を介して構成されたゲート電極１３を備える転送ゲートＴＧと、転送ゲートＴＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型浮遊拡散層ＦＤと、を備える。

埋込型フォトダイオードＰＤにおいては、Ｎ型埋込層１１の表面に高濃度のＰ型層１０が形成される。又、Ｎ型埋込層１１とＮ型浮遊拡散層ＦＤと転送ゲートＴＧとによってＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ１が構成される。そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤを画素内に構成することで、埋込型フォトダイオードＰＤを構成するＰ型層１０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤ周囲のＰ型層より成るチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。

更に、図１の画素は、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤにソースが接続されるとともに直流電圧ＶPDがドレインに印加されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２と、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにゲートが接続されるとともに直流電圧ＶPDがドレインに印加されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにドレインが接続されるとともにソースに出力信号線４が接続されたＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ４と、を備える。更に、転送ゲートＴＧ及びＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４のゲートそれぞれに、信号φＴＸ、φＲＳ、φＶそれぞれが与えられる。

図１に示す画素は、図２９に示すタイミングチャートに従って信号φＴＸ、φＲＳ、φＶを切り換えて動作させることで、線形変換された撮像信号とノイズ信号とをそれぞれ出力することができる。即ち、まず、ハイのパルス信号φＲＳを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとしてＭＯＳトランジスタＴ２のソースと接続されるＮ型浮遊拡散層ＦＤをリセットする。その後、ハイのパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとなり、リセット直後のノイズ信号が出力される。

そして、ハイのパルス信号φＴＸが与えられて転送ゲートＴＧがＯＮとされると、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤで蓄積された光電荷が移動する。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが埋込型フォトダイオードＰＤへの入射光量に応じた値となるため、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、埋込型フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値に応じた電圧が現れる。その後、ハイのパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとなり、線形変換された映像信号が出力される。

特開平１１−３１３２５７号公報 特開２００２−７７７３３号公報 特開２００２−３００４７６号公報

従来のフォトダイオードを用いたＣＭＯＳ型の固体撮像装置に対して、図１のような画素内に埋込型フォトダイオードＰＤを構成する固体撮像装置は、埋込型フォトダイオードＰＤの表面で発生する暗電流を抑圧することができるため、画素内で発生する暗電流を低減することができる。そのため、図１のような構成の画素を備える固体撮像装置は、画素毎の信号のバラツキを抑制することができる。

又、図１のような構成の画素を備える固体撮像装置は、サンプリングを行うＮ型浮遊拡散層ＦＤが光電変換部を兼ねるものではないために、その大きさを小さくすることができ、電荷電圧変化率を大きくすることができる。更に、図２９のように映像信号とノイズ信号とを出力して相関二重サンプリング法を用いることにより、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤにおけるＫＴＣ雑音を除去することができる。

しかしながら、図１のような構成の画素を備え図２９に示されるタイミングチャートに基づいて駆動を行う固体撮像装置は、ＣＣＤ型の固体撮像装置と同様、線形変換された映像信号が出力される。このように、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷の電荷量に比例した出力が出力されるため、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。又、特許文献１〜特許文献３に記載されるＣＭＯＳ型の固体撮像装置においては浮遊拡散層を構成することについて記載がなく、各画素の撮像動作を同時に行う同時シャッター機能を持たせた場合、この同時シャッター機能を実現するためのＭＯＳトランジスタが各画素毎に必要となる。そのため、各画素の回路構成が複雑化するとともに、画素サイズが増大して開口率が低下する。

このような問題を鑑みて、本発明は、埋込型フォトダイオードを備えるとともに、低雑音、高感度で広ダイナミックレンジを備える固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明は、埋込型フォトダイオードを用いて、同時シャッター機能を実現するとともに各画素の画素サイズを小さくすることができる固体撮像装置を提供することを別の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する埋込型フォトダイオードを有する画素を備える固体撮像装置において、前記画素が、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送ゲートと、該転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する第１浮遊拡散層と、前記第１浮遊拡散層と接続されて該第１浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、前記第１浮遊拡散層に接続された増幅器と、前記増幅器で増幅された出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、を備え、前記転送ゲートを制御電極とし、前記第１浮遊拡散層を第１電極とし、前記埋込型フォトダイオードを第２電極としてトランジスタを構成し、前記トランジスタが非導通状態となる第１電圧値と、前記トランジスタが導通状態となる第３電圧値と、前記第１及び第３電圧値の間の第２電圧値との３値の電圧値で切り換えられる電圧を前記転送ゲートに印加する電圧印加回路を備え、前記リセットゲートがＯＮの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第２電圧値の電圧を印加し、前記入射光量に応じた光電荷が前記埋込型フォトダイオードに蓄積されるとともに、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記トランジスタがサブスレッショルド領域で動作することにより、前記埋込型フォトダイオードおよび前記トランジスタの光電変換動作を、所定の入射光量までにおいては線形変換動作をさせ、前記所定の入射光量以上においては対数変換動作をさせ、前記リセットゲートがＯＦＦの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第３電圧値の電圧を印加し、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を前記第１浮遊拡散層に転移し、前記リセットゲートがＯＦＦの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第１電圧値の電圧を印加し、前記埋込型フォトダイオードからの電荷転移を禁止するとともに、前記第１浮遊拡散層に転移された電荷に応じた電圧信号を出力することを特徴とする。

このとき、前記第３電圧値が、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された光電荷を前記第１浮遊拡散層に完全に転移することのない電圧値、又は、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された光電荷を前記第１浮遊拡散層に完全に転移する電圧値のいずれであっても構わない。

上述の固体撮像装置それぞれにおいて、ローリングシャッター方式で動作するものとしても構わない。

又、上述の固体撮像装置それぞれにおいて、前記画素を複数備えるとともに、複数の前記画素全てにおいて前記トランジスタを駆動させて、複数の前記画素全てが同時に撮像動作を行うものとしても構わない。即ち、グローバルシャッター方式で動作するものとしても構わない。

このとき、撮像動作終了後に、複数の前記画素全てが同時に、前記転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードに蓄積した電荷を前記第１浮遊拡散層へ転移した後、前記転送ゲートによる前記埋込型フォトダイオードから前記第１浮遊拡散層への電荷の転移を禁止する。

又、上述の固体撮像装置それぞれにおいて、前記リセットゲートを通じてリセットされた前記第１浮遊拡散層の電位に応じた信号を前記読み出し用スイッチを通じて出力するものとしても構わない。

又、上述の固体撮像装置それぞれにおいて、前記画素での撮像動作を垂直ブランク期間で行うものとしても構わないし、更に、前記画素からの信号の読み出し動作を水平ブランク期間で行うものとしても構わない。

又、上述の固体撮像装置それぞれにおいて、前記埋込型ダイオード及び前記転送ゲート及び前記リセットゲート及び前記第１浮遊拡散層が同一の極性の第１ウェル層に設けられるものとしても構わない。又、前記増幅器及び前記読み出し用スイッチがトランジスタであり、前記第１ウェル層に設けられるとともに、前記埋込型フォトダイオードが前記第２電極に接続される前記トランジスタと同一極性のトランジスタであっても構わない。又、前記増幅器及び前記読み出し用スイッチがトランジスタであり、前記第１ウェル層と逆極性の第２ウェル層に設けられるとともに、前記埋込型フォトダイオードが前記第２電極に接続される前記トランジスタと逆極性のトランジスタであっても構わない。

本発明のカメラは、上述の固体撮像装置と、該固体撮像装置に被写体を導くための光学系と、前記固体撮像装置の制御を行うための制御部と、前記固体撮像装置からの出力に信号処理を施すための信号処理部と、該信号処理部からの出力を外部に出力するための出力部と、を備えることを特徴とする。

又、本発明のカメラは、上述の固体撮像装置と、前記画素への光の入射及び遮光を制御する機械的なシャッターと、を備え、前記固体撮像装置は前記画素を複数備えるものであり、前記シャッターを開いた状態とするとともに複数の前記画素全てにおいて前記トランジスタを駆動させて、複数の前記画素全てが同時に撮像動作を行うものとしても構わない。即ち、グローバルリセット方式で動作するものとしても構わない。

本発明によると、少なくとも被写体輝度範囲の一部においてトランジスタをサブスレッショルド領域で動作させるため、埋込型フォトダイオードを用いた固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを広くすることができる。よって、固体撮像装置を高感度な固体撮像装置とすることができる。又、埋込型フォトダイオードと転送ゲートと第１浮遊拡散層とリセットゲートにおける動作タイミングに基づいて埋込型フォトダイオード又は浮遊拡散層で撮像後の電荷を保持することができるため、同時撮像動作を行うことができる。よって、同時撮像動作を行うための同時シャッター機能用の素子を必要とせず、同時シャッター機能用の素子を設けたときの開口率の低下を防ぐことができる。

＜カメラの構成＞
まず、本発明の各実施形態における固体撮像装置を備えるカメラについて、図２８を参照して説明する。図２８は、本実施形態におけるカメラの内部構成を概略的に示すブロック図である。

図２８に示すカメラは、複数のレンズから構成される光学系１００と、光学系１００を通じて入射される光の入射光量を電気信号に変換する固体撮像装置１０１と、固体撮像装置１０１から出力される電気信号を増幅する出力アンプ１０２と、出力アンプ１０２で増幅された電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路１０３と、ＡＤ変換回路１０３からのデジタル信号に対して最低レベルを設定する黒基準補正処理、自動露出制御（ＡＥ制御）やホワイトバランス処理（ＷＢ処理）を行うための評価値を検出するＡＥ・ＷＢ評価値検出処理、ＷＢ処理、色補間処理、色補正処理、階調変換処理、コアリング処理などの各種の信号処理を施すための信号処理回路１０４と、各ブロックの制御を行う全体制御部１０５と、信号処理回路１０４で信号処理が施されて得られた映像信号を記憶するメモリ１０６と、外部へ出力するためのインターフェース１０７と、光学系１００に備えられる絞りによる露光量を制御する絞り制御部１０８と、光学系１００と固体撮像装置１０１との間に配置される機械的なメカシャッター１０９と、このメカシャッター１０９を制御するメカシャッター制御部１１０と、を備える。尚、このように構成されるカメラにおいて、固体撮像装置１０１内で電子的にシャッター動作を行うことができる場合は、メカシャッター１０９及びメカシャッター制御部１１０を省略することができる。

＜固体撮像装置の構成＞
次に、上述のカメラに備えられる本発明の各実施形態における固体撮像装置１０１について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施形態である二次元のＣＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。

図２において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していく。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線４−１、４−２、・・・、４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎや出力信号線４−１〜４−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。

又、出力信号線４−１〜４−ｍのそれぞれには、定電流源６−１〜６−ｍが接続されるとともに、信号線４−１〜４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路７−１〜７−ｍが設けられる。そして、補正回路８に選択回路７−１〜７−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路８で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源６−１〜６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。

更に、垂直走査回路１及び水平走査回路２にはタイミングジェネレータ９が接続されており、タイミングジェネレータ９からの指示に基づいて垂直走査回路１、水平走査回路２、選択回路７−１〜７−ｍ、及び補正回路８がそれぞれ所定のタイミングで動作する。このタイミングジェネレータ９は、ＣＭＯＳプロセスにより画素部と同じチップ上に形成されていてもよい。又、図示しない、各部へ所定の電圧を供給する電圧制御部や電圧レギュレータが更に形成されていてもよい。そして、タイミングジェネレータ９や電圧制御部や電圧レギュレータなどを固体撮像装置１０１と別体としても構わない。

このような固体撮像装置１０１において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線４−ａに接続された定電流源７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路７−ａに送出されるとともに、この選択回路７−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。

その後、選択回路７−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路８に送出される。補正回路８では、選択回路７−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路７−１〜７−ｍ及び補正回路８それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路７−１〜７−ｍの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。

尚、上述した構成及び動作は、以下に示す各実施形態で共通の構成及び動作である。

＜第１の実施形態＞
図２に示した構成の固体撮像装置１０１内に設けられる画素に適用される第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図３は、本実施形態における固体撮像装置の画素の構成を示す回路図である。尚、図３の構成において、図１の画素構成と同一の部分及び素子については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図３に示す画素は、Ｐ型層１０とＮ型埋込層１１とによって構成される埋込型フォトダイオードＰＤに隣接する領域の表面に絶縁膜１４を介してゲート電極１５を形成して制御ゲートＣＧが構成されるとともに、更にこの制御ゲートＣＧの構成された領域に隣接した領域にＮ型浮遊拡散層ＦＤ１が構成される。即ち、Ｐ型ウェル層又はＰ型サブストレートにおいて、埋込型フォトダイオードＰＤを中心として、転送ゲートＴＧと制御ゲートＣＧとが対照な位置に形成されるとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ，ＦＤ１が対照な位置に形成される。

そして、浮遊拡散層ＦＤ１に直流電圧ＶPDが印加されるとともに、制御ゲートＣＧに直流電圧ＶPDよりも低い直流電圧ＶＭが常に印加される。この直流電圧ＶＭが印加されることによって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ１と埋込フォトダイオードＰＤのＮ型埋込層１１と制御ゲートＣＧとによって構成されるＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ５に、埋込型フォトダイオードＰＤにより発生する光電荷量がある値より大きくなるときに、サブスレッショルド領域で動作させることができる。即ち、所定の入射光量までは線形変換動作させ、それ以上の入射光量になると対数変換動作に切り換えることができる。そして、直流電圧ＶＭの値を変化させることによって、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ５とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点の位置を変えることができる。このように構成される画素の動作例について、以下に説明する。

１．第１の動作例
図３のような構成の画素の第１の動作例について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図５及び図６は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１行ごとに順次撮像動作（露光動作）を行うローリングシャッター方式を採用する。

まず、信号φＲＳ、φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４がＯＦＦとされる。このとき、信号φＴＸをローとすることで、図５（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャル（電位）を低い値とする。又、制御ゲートＣＧには、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルと転送ゲートＴＧのポテンシャルの間の適切な値（ここではＶＭ）を印加する。そして、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光が入射されると、その入射光量に応じた光電荷が発生して、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積されて、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが変化する。

ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷量に応じてポテンシャルが低くなる。即ち、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが、入射光量の積分値に対して線形的に比例した値となる。又、被写体の輝度が高いとき、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが低くなって制御ゲートＣＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、図５（ｂ）のように、制御ゲートＣＧを含むＭＯＳトランジスタＴ５がサブスレッショルド領域で動作し、電流が流れる。よって、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

このようにして埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光電変換動作が行われる間、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとすると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート領域で構成されるリセットゲートＲＧのポテンシャルが高くなり、図５（ｃ）のように、直流電圧ＶPDの値と同等となる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとなるＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルがリセットされる。

このようにして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのリセットを行うと、信号φＲＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとする。そして、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとする。そして、ＭＯＳトランジスタＴ３によって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに現れるポテンシャルに応じた電流が増幅され、ＭＯＳトランジスタＴ４を介して出力信号線４に出力される。このとき、出力信号線４には、このＭＯＳトランジスタＴ３が定電流源６−ｋ（ｋは、１≦ｋ≦ｍの自然数）とでソースフォロア回路を構成するため、ＭＯＳトランジスタＴ３を流れる電流に応じた電圧信号がノイズ信号として現れる。そして、このノイズ信号が選択回路７−ｋに格納される。

そして、信号φＶをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦとした後、信号φＴＸをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。即ち、転送ゲートＴＧのポテンシャルを図６（ａ）のように高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させる。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが低くなって、埋込型フォトダイオードＰＤで発生して蓄積された光電荷（埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャル）に応じた値に変化する。

その後、信号φＴＸをローとすることで図６（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、埋込型フォトダイオードＰＤからの光電荷の転移を禁止するとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。このようにして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを埋込型フォトダイオードＰＤでの入射光量に応じたポテンシャルに変化させた後、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。

即ち、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに、入射光量に対して線形変換又は対数変換された電圧が与えられ、この電圧に応じた電流がＭＯＳトランジスタＴ３よりＭＯＳトランジスタＴ４を介して出力信号線４を通じて流れることで、入射光量に対して線形変換又は対数変換された映像信号が出力される。又、信号φＴＸをローとして図６（ｂ）のようなポテンシャル状態とすることで、埋込型フォトダイオードＰＤの光電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤへの転移が禁止されて次の撮像動作が開始され、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷が蓄積される。

以上の動作は各行に含まれる複数画素に対して同時に行われ、この動作を順次各行に対して行うことで１フレームの画像を得ることができる。本例では、映像信号を読み出す前にノイズ信号を読み出すようにしているため、両者の差をとることによりＫＴＣ雑音の除去された映像信号を得ることができる。

２．第２の動作例
図３のような構成の画素の第２の動作例について、図５〜図７を参照して説明する。図７は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。尚、本動作例においては、１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルシャッター方式を採用する。

まず、図７（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図７（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸ、φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＦＦとして、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。よって、フォトダイオードＰＤでは、入射光量に応じて光電荷を蓄積し、そのポテンシャルが図５（ａ）又は図５（ｂ）のように変化する。

その後、信号φＴＸをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとすると、転送ゲートＴＧを介して、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移し、図６（ａ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが入射光量に応じたポテンシャルに変化する。そして、信号φＴＸをローとすることで図６（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。又、信号φＴＸをローとすることで、埋込型フォトダイオードＰＤの光電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤへの転移が禁止され、埋込型フォトダイオードＰＤで露光動作が開始し、次の撮像動作が開始される。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われ、図６（ｂ）のようにしてＮ型浮遊拡散層ＦＤにおいて入射光量に応じたポテンシャルが保持されると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図７（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。尚、この映像信号及びノイズ信号の読み出しを行うとき、信号φＴＸはローのままである。このとき、まず、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。

その後、信号φＶをローとした後、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積された電荷を再結合し、図５（ｃ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。そして、信号φＲＳをローとした後に、パルス信号φＶをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線４に出力する。このように本例においては、メカシャッター１０９などの機械的手段を用いることなく電子的にグローバルシャッターを実現することができる。

３．第３の動作例
図３のような構成の画素の第３の動作例について、図５、図８、及び図９を参照して説明する。図８は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図９は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。

尚、本動作例においては、機械的なメカシャッター１０９（図２９）を併用して１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルリセット方式を採用する。即ち、本動作例では、メカシャッター制御部１１０によってメカシャッター１０９を開閉制御することで、固体撮像装置への光の入射及び遮光を切り換えるように制御することができる。又、本動作例では、上述の第１及び第２の動作例と異なり、制御ゲートＣＧに信号φＣＸが与えられる。この信号φＣＸは、２値の電圧値であり、他の信号のローと等しい電圧値ＶＬと、上述の電圧値ＶＭとの間で切り換えられる。

まず、図８（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図８（ａ）における信号φＣＸ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸをローとするとともに信号φＣＸの電圧値をＶＬとして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ５をＯＦＦとする。そして、メカシャッター１０９を開いて固体撮像装置に外部から光を入射すると同時に、信号φＣＸの電圧値をＶＬからＶＭに切り換えて、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。よって、フォトダイオードＰＤでは、入射光量に応じて光電荷を蓄積し、そのポテンシャルが図５（ａ）又は図５（ｂ）のように変化する。

その後、露光動作が行われて所定期間が経過すると、メカシャッター１０９を閉じて固体撮像装置に光が入射しないように遮光すると同時に、信号φＣＸの電圧値をＶＭからＶＬに切り換えて、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤ１に転移することを禁止させる。このようにすることで、図９（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて、メカシャッター１０９が開いた期間に露光された入射光量に応じたポテンシャルを保持する。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われ、図９（ａ）のように埋込型フォトダイオードＰＤに入射光量に応じたポテンシャルが保持されると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＴＸ、φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図８（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。即ち、まず、信号φＲＳをハイとし、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積された電荷を再結合し、図９（ｂ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。

このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化すると、信号φＲＳをローとした後に、パルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線４に出力する。その後、信号φＴＸをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させて、図９（ｃ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを入射光量に応じたポテンシャルへと変化させる。

そして、信号φＴＸをローとすることで図９（ｄ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。このようにしてＮ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させると、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。

本実施形態のように構成することで、１つのＭＯＳトランジスタを追加した構成とすることで、簡単に線形変換動作と対数変換動作とを切り換えて撮像動作を行うことができる固体撮像装置を構成することができる。よって、回路構成を大きく変更することなく、そのダイナミックレンジの広い固体撮像装置を構成することができる。

＜第２の実施形態＞
図２に示した構成の固体撮像装置１０１内に設けられる画素に適用される第２の実施形態について、図面を参照して説明する。このとき、本実施形態における固体撮像装置の画素の構成は、図１のような構成である。即ち、本実施形態における固体撮像装置の画素構成では、第１の実施形態の画素構成から、制御ゲートＣＧを構成する絶縁膜１４及びゲート電極１５と、直流電圧ＶPDが印加されたＮ型浮遊拡散層ＦＤ１とが省かれた構成となる。

本実施形態における固体撮像装置を構成する各画素では、図２９に示したタイミングチャートとは異なり、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸが、ハイ、ローの２値でなく３値の電圧値の間で変化させる信号である。尚、本実施形態において、第１の実施形態におけるハイ、ローに相当する電圧値をＶＨ、ＶＬとし、又、この電圧値ＶＨ、ＶＬの間となる電圧値をＶＭとする。この電圧値ＶＭは、第１の実施形態における制御ゲートＣＧに与える電圧値ＶＭと同一である。よって、信号φＴＸの電圧値ＶＭを適切な値に設定することで入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とに切りかわるようにすることができる。又、信号φＴＸの電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点の位置を変えることができる。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作例を説明する。

１．第１の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例について、図１０〜図１２を参照して説明する。図１０は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図１１及び図１２は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１行ごとに露光動作を行うローリングシャッター方式を採用する。

まず、第１の実施形態と同様、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされる。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭとし、更に、信号φＲＳをハイとする。このようにすることで、転送ゲートＴＧのポテンシャルを埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルよりも低い値とするとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルをリセットゲートＲＧを通じて直流電圧ＶPDと同等のポテンシャルとする。尚、転送ゲートＴＧに現れるポテンシャルは、第１の実施形態における制御ゲートＣＧに現れるポテンシャルと同等の値であり、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルとリセットゲートＲＧのポテンシャルの間の値となる。

そして、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光が入射されると、第１の実施形態と同様、その入射光量に応じた光電荷が発生して、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積されて、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが変化する。ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷が蓄積されて、図１１（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが入射光量の積分値に対して線形的に変化する。又、被写体の輝度が高いとき、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが低くなって転送ゲートＴＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、図１１（ｂ）のように、転送ゲートＴＧを含むＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作し、電流が流れる。よって、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

このようにして埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光電変換動作が行われるとともに信号φＲＳをハイとしている間に、ハイとなるパルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮであるため、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが初期化されている。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされることで、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線４に出力する。

そして、信号φＶをローとした後に、信号φＲＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦとして、図１１（ｃ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを浮遊状態にする。その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨに切り換えることによって、図１２（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させる。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが、埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルに応じた値に変化する。

そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬに切り換えることによって、図１２（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、埋込型フォトダイオードＰＤからの光電荷の転移を禁止するとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。その後、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。

このように映像信号を出力した後、信号φＶをローとする。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えた後に、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。このようにして、埋込型フォトダイオードＰＤ及び転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤそれぞれのポテンシャル状態を図１１（ａ）のような関係とすることで、次の撮像動作が開始される。

２．第２の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例について、図１１〜図１４を参照して説明する。図１３は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図１４は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルシャッター方式を採用する。

まず、図１３（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図１３（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともに信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＦＦとした状態から、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。よって、図１４（ａ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを高くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。

その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨに切り換えることで、図１４（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを初期化する。このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤ及び埋込型フォトダイオードＰＤそれぞれの初期化を行った後、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えて、埋込型フォトダイオードＰＤ、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ、転送ゲートＴＧ及びリセットゲートＲＧそれぞれのポテンシャル状態を図１１（ａ）のような関係にして、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。よって、フォトダイオードＰＤでは、入射光量に応じて光電荷を蓄積し、そのポテンシャルが蓄積電荷に応じて図１１（ａ）又は図１１（ｂ）のように変化する。

このようにして露光動作が行われて所定期間が経過すると、信号φＲＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＦＦとして、図１１（ｃ）のようにリセットゲートＲＧのポテンシャルを低くし、更に、信号φＴＸの電圧値をＶＨとして、図１２（ａ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くする。よって、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷がＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移し、図１２（ａ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが入射光量に応じたポテンシャルに変化する。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬとすることで図１２（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われ、図１２（ｂ）のようにしてＮ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルが保持されると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図１３（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。尚、この映像信号及びノイズ信号の読み出しを行うとき、信号φＴＸの電圧値はＶＬのままである。このとき、第１の実施形態における第２の動作例と同様（図７（ｂ）参照）、まず、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えて映像信号を出力する。そして、信号φＲＳをハイとしてＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化した後、再びハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えてノイズ信号を出力する。

３．第３の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例について、図１１、図１２、図１４、及び図１５を参照して説明する。図１５は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。尚、本動作例においては、機械的なメカシャッター１０９（図２９）を併用して１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルリセット方式を採用する。

まず、図１５（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図１５（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともに信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＦＦとするとともに、メカシャッター１０９を閉じた状態とする。その後、信号φＲＳをハイとして、図１４（ａ）のようにリセットゲートＲＧのポテンシャルを高くした後、信号φＴＸの電圧値をＶＨとして、図１４（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くする。このようにすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ及び埋込型フォトダイオードＰＤそれぞれの初期化を行う。

そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭとして埋込型フォトダイオードＰＤ、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ、転送ゲートＴＧ及びリセットゲートＲＧそれぞれのポテンシャル状態を図１１（ａ）のような関係にするとともにメカシャッター１０９を開く。このようにして、メカシャッター１０９を開いて固体撮像装置に外部から光を入射すると同時に、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えて埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。よって、フォトダイオードＰＤでは、入射光量に応じて光電荷を蓄積し、そのポテンシャルが蓄積電荷に応じて図１１（ａ）又は図１１（ｂ）のように変化する。そして、露光動作が行われて所定期間が経過すると、メカシャッター１０９を閉じて固体撮像装置に光が入射しないように遮光し、それとともに信号φＴＸの電圧値をＶＬとする。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＴＸ、φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図１５（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。即ち、まず、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えてノイズ信号を出力する。尚、信号φＶをハイとするまで、信号φＲＳはハイのままであり、又、信号φＴＸの電圧値はＶＬとされたままである。その後、信号φＲＳをローとして、図１４（ｃ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを低くする。

次に、信号φＴＸの電圧値をＶＨとして、図１２（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを入射光量に応じたポテンシャルに変化させる。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬとして、図１２（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルを保持させる。このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルを保持させると、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えて映像信号を出力する。

本実施形態のように構成することで、固体撮像装置内の各画素をＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４の４つのＭＯＳトランジスタで構成することができる。よって、その回路構成を小型化することができ、開口率を向上することができる。

＜第３の実施形態＞
図２に示した構成の固体撮像装置１０１内に設けられる画素に適用される第３の実施形態について、図面を参照して説明する。このとき、本実施形態における固体撮像装置の画素の構成は、第２の実施形態と同様、図１のような構成である。

本実施形態における固体撮像装置を構成する各画素において、第２の実施形態と同様、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸが３値の電圧値の間で変化させる信号である。しかしながら、第２の実施形態とは異なり、転送動作を行うときに与える信号φＴＸの値が、電圧値ＶＨ，ＶＭの間の電圧値となるＶＨｘとされる。即ち、第２の実施形態においては、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転送させるとき、図１２（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを十分に高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに完全に転送させる。それに対して、本実施形態では、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに完全に転送させるのではなく、埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷を残留させた状態で転送動作を行う。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作例を説明する。尚、以下の各動作例において、転送動作以外は第２の実施形態と同様の動作を行う。よって、以下では、この転送動作について詳細に説明する

１．第１の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例について、図１１、図１６、図１７を参照して説明する。図１６は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図１７は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１行ごとに露光動作を行うローリングシャッター方式を採用している。

まず、第２の実施形態と同様、信号φＴＸの電圧値をＶＭとするとともに信号φＲＳをハイとした状態として、図１１（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルよりも低い値とするとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルをリセットゲートＲＧを通じて直流電圧ＶPDと同等のポテンシャルとする。このとき、転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ１は、転送ゲートＴＧの閾値に応じて各画素毎にばらついた値となる。

この状態で埋込型フォトダイオードＰＤに光が入射されるため、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光電荷が発生する。よって、低輝度の光が入射されたときは、図１１（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが入射光量の積分値に対して線形的に変化し、又、高輝度の光が入射されたときは、図１１（ｂ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。このとき、ハイとなるパルス信号φＶが与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされることで、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線４に出力する。

その後、信号φＲＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦとすることで、図１１（ｃ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを浮遊状態にした後、信号φＴＸの電圧値をＶＭからＶＨｘに切り換える。このように、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとすることによって、図１７（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させる。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが、埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルに応じた値に変化する。このとき、第２の実施形態において与える電圧値ＶＨと比べて低い電圧値ＶＨｘが、信号φＴＸの電圧値として与えられる。

そのため、図１７（ａ）に示す転送ゲートＴＧのポテンシャルが、第２の実施形態における図１２（ａ）に示す光電荷を完全に転移したときの埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルよりも低い値に設定される。よって、図１７（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤは、転送ゲートＴＧのポテンシャルまで光電荷を蓄積した状態となる。そして、このときの転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ２は、撮像動作を行うために信号φＴＸの電圧値をＶＭとしたときのポテンシャルＶｔｇ１と同様、転送ゲートＴＧの閾値に応じて各画素毎にばらついた値となる。

即ち、撮像時の転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ１の各画素におけるバラツキと、転送時の転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ２の各画素におけるバラツキとが等しく現れるため、転送時と撮像時との転送ゲートＴＧのポテンシャルの差が全画素Ｇ11〜Ｇmnで等しい値となる。その結果、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれに入射される光の輝度値が同一となるとき、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれにおいて、埋込型フォトダイオードＰＤより浮遊拡散層ＦＤに転移される光電荷量が等しくなる。そのため、各画素の転送ゲートＴＧにおける閾値バラツキに基づく固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を、浮遊拡散層ＦＤへの転送動作時に解消することができる。

このようにして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを、埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルに応じた値に変化させると、信号φＴＸの電圧値をＶＬに切り換えて、図１７（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、埋込型フォトダイオードＰＤからの光電荷の転移を禁止するとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。その後、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。

２．第２の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例について、図１１、図１４、図１７〜１９を参照して説明する。図１８は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図１９は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルシャッター方式を採用する。

まず、図１８（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図１８（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともに信号φＲＳをローとした状態から、信号φＲＳをハイとして、図１４（ａ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを高くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。

その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘに切り換えることで、図１９のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを初期化する。このとき、第１の動作例と同様、信号φＴＸの電圧値がＶＨｘであるため、このときの転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ２が、各画素毎の閾値バラツキに応じた値となる。よって、埋込型フォトダイオードＰＤにはこの転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ２まで光電荷が蓄積された状態となる。このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤ及び埋込型フォトダイオードＰＤそれぞれの初期化を行った後、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えることで、図１１（ａ）のようなポテンシャル状態として、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始する。よって、埋込型フォトダイオードＰＤでは、入射光量に応じて光電荷を蓄積し、そのポテンシャルが蓄積電荷に応じて図１１（ａ）又は図１１（ｂ）のように変化する。

このようにして露光動作が行われて所定期間が経過すると、信号φＲＳをローとして図１１（ｃ）のようにリセットゲートＲＧのポテンシャルを低くし、更に、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとして、図１７（ａ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、第１の動作例と同様、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移させる。よって、図１７（ａ）のように、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが入射光量に応じたポテンシャルに変化する。

そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬとすることで図１７（ｂ）のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルを保持させる。このとき、転送動作時の転送ゲートＴＧのポテンシャルＶｔｇ２が転送ゲートＴＧの閾値に応じた値とされるため、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに保持される埋込型フォトダイオードＰＤにおけるポテンシャルは、第１の動作例で説明したように、各画素毎の閾値バラツキが解消された値となる。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われ、図１７（ｂ）のようにしてＮ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルが保持されると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図１８（ｂ）のように変遷させて、映像信号とノイズ信号が出力される。この各行毎に映像信号及びノイズ信号が順次出力されるときの動作については、第２の実施形態と同様であるため、その詳細な説明については省略する。

３．第３の動作例
本実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例について、図１１、図１４、図１７、図１９、図２０を参照して説明する。図２０は、本実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。尚、本動作例においては、機械的なメカシャッター１０９（図２９）を併用して１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルリセット方式を採用する。

まず、図２０（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図２０（ａ）における信号φＲＳ、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともに信号φＲＳをローとするとともにメカシャッター１０９を閉じた状態とした後、信号φＲＳをハイとして、図１４（ａ）のようにリセットゲートＲＧのポテンシャルを高くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。

その後、第２の動作例と同様、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとして、図１９のように転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、埋込型フォトダイオードＰＤの初期化を行う。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭに切り換えることで、図１１（ａ）のようなポテンシャル状態とするとともに、メカシャッター１０９を開いて固体撮像装置に外部から光を入射する。よって、埋込型フォトダイオードＰＤでの露光動作を開始し、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが蓄積電荷に応じて図１１（ａ）又は図１１（ｂ）のように変化する。

そして、露光動作が行われて所定期間が経過すると、メカシャッター１０９を閉じて固体撮像装置に光が入射しないように遮光し、それとともに信号φＴＸの電圧値をＶＬとし、撮像動作を終了する。その後、第２の実施形態と異なり、信号φＲＳをローに切り換えることによって、図１４（ｃ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを低くする。このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＴＸ、φＲＳ、φＶを水平ブランク期間毎に図２０（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。

このとき、第２の実施形態と異なり、信号φＲＳがローのままとされる。そして、まず、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えてノイズ信号を出力する。その後、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとして、図１７（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを入射光量に応じたポテンシャルに変化させる。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬとして、図１７（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くすることで、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルを保持させると、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えて映像信号を出力する。

本実施形態によると、転送動作を行うときやリセット動作を行うときにおいて、埋込型フォトダイオードＰＤの光電荷が完全に転移されないようなポテンシャル状態に、転送ゲートＴＧのポテンシャル状態が設定される。即ち、転送ゲートＴＧのポテンシャル状態が、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷がわずかに残るようなポテンシャル状態となるように設定される。このようにすることで、撮像動作時における転送ゲートＴＧのポテンシャル状態に対して、転送ゲートＴＧの閾値に基づいて生じる画素毎のバラツキが、転送時における転送ゲートＴＧのポテンシャルについても同様にバラツキが生じるために、解消されることとなる。その結果、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置において生じていた出力される映像信号における画素バラツキをキャンセルすることができる。

＜第４の実施形態＞
図２に示した構成の固体撮像装置１０１内に設けられる画素に適用される第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図２１は、本実施形態における固体撮像装置の画素の構成を示す回路図である。尚、図２１の構成において、図１の画素構成と同一の部分及び素子については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

本実施形態における固体撮像装置を構成する各画素では、第２の実施形態と異なり、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸが、ハイ、ローの２値で変化させる信号であるとともに、リセットゲートＲＧに与える信号φＲＳが、ハイ、ローの２値でなく３値の電圧値ＶＨ、ＶＭ、ＶＬで変化させる信号である。尚、本実施形態における電圧値ＶＨ、ＶＭ、ＶＬがそれぞれ、第２の実施形態における電圧値ＶＨ、ＶＭ、ＶＬと同等の電圧値である。又、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには、第２の実施形態（図１）と異なり、図２１のように、信号φＶRSが与えられる。その他の構成については、第２の実施形態と同一である。

このような信号φＴＸ、φＲＳが与えられるとき、第１及び第２の実施形態と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態によって、各画素の光電変換動作が設定される。よって、信号φＲＳの電圧値ＶＭを適切な値に設定することで入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とに切りかわるようにすることができる。又、信号φＲＳの電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。以下に、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作例を説明する。

図２１のような構成の画素の動作例について、図２２及び図２３を参照して説明する。図２２は、本実施形態の固体撮像装置における画素の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。又、図２３は、本実施形態の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。尚、本動作例においては、１フレーム全ての画素を同時に露光動作させるグローバルシャッター方式を採用する。

まず、図２２（ａ）によって全画素を垂直ブランク期間で同時に撮像動作させる際の各信号の変遷について説明する。このとき、図２２（ａ）における信号φＲＳ、φＶRS、φＴＸのタイミングを、固体撮像装置を構成する全画素に対して同一のタイミングとする。そして、まず、信号φＴＸをローとするとともに信号φＲＳの電圧値をＶＬとして、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２をＯＦＦとする。そして、信号φＶRSをハイとして、直流電圧ＶPDと同等の電圧をＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに与える。

そして、信号φＲＳの電圧値をＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとした後、信号φＴＸをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。尚、信号φＲＳの電圧値をＶＨとしてＯＮとされたＭＯＳトランジスタＴ２は、導通状態となる。その後、信号φＶRSをローとすることによって、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤに電荷を蓄積させて、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを、最大輝度となる光が入射された状態のときと同様の値（以下、「白基準の値」とする）に強制的に変化させる。

その後、信号φＶRSをハイとすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート領域となる転送ゲートＴＧ及びリセットゲートＲＧを通じて、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化し、光の入射されていない状態の時と同様の値（以下、「黒基準の値」とする）に変化させる。そして、信号φＲＳの電圧値をＶＭとして、リセットゲートＲＧにおけるポテンシャルを低くする。即ち、図２３（ａ）のように、リセットゲートＲＧにおけるポテンシャルを、埋込型フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルよりも低い値とする。

このようにすることによって、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷が、埋込型フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積されて、図２３（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤそれぞれのポテンシャルが低くなる。このとき、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷がそのまま蓄積されるため、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが入射光量の積分値に対して線形的に変化する。又、被写体の輝度が高いとき、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが低くなって、リセットゲートＲＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、図２３（ｂ）のように、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作し、電流がリセットゲートＲＧを流れる。よって、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

このようにして埋込型フォトダイオードＰＤにおいて光電変換動作が行われて、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが入射光量に応じて線形的又は自然対数的に変化すると、信号φＴＸをローとするとともに信号φＲＳの電圧値をＶＬとする。よって、図２３（ｃ）のように、転送ゲートＴＧとリセットゲートＲＧのポテンシャルを低くして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに入射光量に応じたポテンシャルを保持させる。

このようにして、垂直ブランク期間で全画素の撮像動作が行われるとき、図２３（ｃ）のようにしてＮ型浮遊拡散層ＦＤにおいて入射光量に応じたポテンシャルが保持されると、固体撮像装置の各行毎に与える信号φＲＳ、φＶRS、φＶを水平ブランク期間毎に図２２（ｂ）のように変遷することで、映像信号とノイズ信号が各行毎に順次出力される。尚、この映像信号及びノイズ信号の読み出しを行うとき、信号φＴＸはローのままである。即ち、まず、ハイとなるパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えることで、入射光量に応じた電圧信号を映像信号として出力信号線４に出力する。尚、信号φＶをハイとするまで信号φＶRSはハイのままであり、又、信号φＲＳの電圧値はＶＬとされたままである。

その後、信号φＶをローとすると、信号φＲＳの電圧値をＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ２を導通状態とした後、信号φＶRSをローとして、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを白基準の値に強制的に変化させる。そして、信号φＶRSを再びハイとすると、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに蓄積された電荷を再結合し、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化する。このようにＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルを初期化すると、信号φＲＳをローとした後に、パルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、初期化されたＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルに応じた電圧信号をノイズ信号として出力信号線４に出力する。

このように、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与える信号φＲＳの電圧値ＶＭにより、入射光量に応じた電気信号を発生する光電変換動作を設定することができる。そして、このＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与える信号φＲＳを３値の電圧値で変化させることで、第１及び第２の実施形態と同様、従来の線形変換動作を行う固体撮像装置と同等の回路構成で同時シャッター機能を達成することができる。

尚、本実施形態における図２１の構成の画素によって構成される固体撮像装置において、第２又は第３の実施形態と同様、転送ゲートＴＧに与える信号φＴＸを３値の電圧値で変化させるものとしても構わない。このときの動作について、第３の実施形態のように、信号φＴＸをＶＨｘ、ＶＭ、ＶＬの３値の電圧値で変化させる信号としたときの動作を例に挙げて、以下に説明する。尚、以下で説明する動作は、ローリングシャッター方式、グローバルシャッター方式、グローバルリセット方式の３方式による動作である。又、以下で説明する各動作について、第３の実施形態と同一の部分については、その詳細な説明を省略する。

１．第１の動作例
本例における第１の動作例を図２４のタイミングチャートに示す。第３の実施形態と同様、信号φＴＸの電圧値をＶＭとすることで埋込型フォトダイオードＰＤにおいて撮像動作を行う。このとき、信号φＲＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとした状態で、ハイとなる信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、ノイズ信号を出力する。尚、このように、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて撮像動作を行うとともに、ノイズ信号の出力動作を行っている際、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに与えられる信号φＶRSがハイとされている。

そして、信号φＲＳをローとした後に、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとすることによって、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷を転送ゲートＴＧに転移させる。このようにして、転送ゲートＴＧのポテンシャルを埋込型フォトダイオードＰＤへの入射光量に応じたポテンシャルに変化させると、信号φＴＸの電圧値をＶＬとした後、ハイとなるパルス信号φＶを与えることによって、映像信号を出力する。

この映像信号を出力すると、第３の実施形態と異なり、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとするとともに、信号φＲＳをハイとする。その後、信号φＶRSをローとすることによって、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤに電荷を蓄積させて、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを、白基準の値に強制的に変化させる。そして、信号φＶRSをハイとして、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを初期化し、黒基準の値に変化させる。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭとして、埋込型フォトダイオードＰＤにおける撮像動作を開始する。

２．第２の動作例
本例における第２の動作例を図２５のタイミングチャートに示す。第３の実施形態と同様、信号φＴＸの電圧値をＶＭとすることで埋込型フォトダイオードＰＤにおいて撮像動作を行う。図２５（ａ）のように垂直ブランク期間において全画素同時に撮像動作させるとき、信号φＶRSがハイの状態において、信号φＲＳをローからハイに切り換えた後、信号φＴＸの電圧値をＶＬからＶＨｘに切り換える。その後、まず、信号φＶRSをローとすることによって、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを白基準の値に強制的に変化させる。そして、次に、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘとするとともに信号φＲＳをハイとしたままで、信号φＶRSをハイに切り換えることで、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを初期化し、黒基準の値に変化させる。

その後、信号φＴＸの電圧値をＶＭとすることで埋込型フォトダイオードＰＤの撮像動作を行った後、信号φＲＳをローとすると、信号φＴＸの電圧値をＶＨｘに切り換えることで、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷をＮ型浮遊拡散層ＦＤに転移する。そして、信号φＴＸの電圧値をＶＬとして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤへの転送動作を終了させる。その後、第３の実施形態における図１８（ｂ）と同一のタイミングとなる図２５（ｂ）のタイミングで、信号φＲＳ、φＶを切り換えるとともに、信号φＶRSを常にハイとすることによって、水平ブランク期間毎に、固体撮像装置の映像信号及びノイズ信号が各行毎に出力される。

３．第３の動作例
本例における第３の動作例を図２６のタイミングチャートに示す。第３の実施形態と同様、信号φＴＸの電圧値をＶＭとすることで埋込型フォトダイオードＰＤにおいて撮像動作を行う。図２６（ａ）のように垂直ブランク期間において全画素同時に撮像動作させるとき、信号φＶRSがハイの状態において、信号φＲＳをローからハイに切り換えた後、信号φＴＸの電圧値をＶＬからＶＨｘに切り換える。その後、第２の動作例と同様、まず、信号φＶRSをローとして、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを白基準の値に強制的に変化させた後、次に、信号φＶRSをハイに切り換えることで、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルを黒基準の値に変化させる。

そして、信号φＴＸの電圧値をＶＭとするとともにシャッターを開くことで埋込型フォトダイオードＰＤの撮像動作を行った後、信号φＴＸの電圧値をＶＬとするとともにシャッターを閉じることで撮像動作を終了し、更に、信号φＲＳをローとする。その後、第３の実施形態における図２０（ｂ）と同一のタイミングとなる図２６（ｂ）のタイミングで、信号φＲＳ、φＴＸ、φＶを切り換えるとともに、信号φＶRSを常にハイとすることによって、水平ブランク期間毎に、固体撮像装置の映像信号及びノイズ信号が各行毎に出力される。

尚、このように、図２１の構成の画素によって構成される固体撮像装置において、第３の実施形態と同様、信号φＴＸをＶＨｘ、ＶＭ、ＶＬの３値の電圧値で変化させる信号としたものを例にして説明したが。第２の実施形態と同様、信号φＴＸをＶＨ、ＶＭ、ＶＬの３値の電圧値で変化させる信号とした場合においても、信号φＴＸをＶＨとするとともに信号φＲＳをハイとしたときに、信号φＶRSをローとした後にハイとすることで、撮像動作前に埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャル状態を強制的に白基準値とした後に黒基準値とする。このようにすることで、各画素の埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャル状態を撮像開始前に常に同一のポテンシャル状態にリセットさせることができる。

上述の各実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５それぞれをＮチャネルのＭＯＳトランジスタによって構成されるものとした。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ５それぞれがＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるとき、Ｐ型ウェル層又はＰ型サブストレートに構成される。

尚、各実施形態において、ＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ５をＮチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ４をＰチャネルのＭＯＳトランジスタに構成するものとしても構わない。このとき、例えば、図２７のようにＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４（第２の実施形態の画素構成に相当する）で構成されるとき、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ４が、Ｎウェル層５０に構成されるものとしても構わない。又、このＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに、直流電圧ＶPSが印加される。

は、固体撮像装置に備えられる画素の構成例を示す図である。 は、本発明の各実施形態における固体撮像装置の構成を示す図である。 は、第１の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す図である。 は、第１の実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図３の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図３の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第１の実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、第１の実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図３の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第２の実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第２の実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第２の実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、第３の実施形態の固体撮像装置における画素の第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第３の実施形態の固体撮像装置における画素の第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第３の実施形態の固体撮像装置における画素の第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、第４の実施形態の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す図である。 は、第４の実施形態の固体撮像装置における画素の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２１の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、第３の実施形態の固体撮像装置の画素を図２１の構成としたときの第１の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、第３の実施形態の固体撮像装置の画素を図２１の構成としたときの第２の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、第３の実施形態の固体撮像装置の画素を図２１の構成としたときの第３の動作例を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、固体撮像装置に備えられる画素の別の構成例を示す図である。 は、図２の固体撮像装置を備えるカメラの内部構成を示す図である。 は、従来の固体撮像装置における画素の動作を説明するための各信号の状態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｍ 出力信号線
５ 電源ライン
６−１〜６−ｍ 定電流源
７−１〜７−ｍ 選択回路
８ 補正回路
９ タイミングジェネレータ
１０ Ｐ型層
１１ Ｎ型埋込層
１２，１４ 絶縁膜
１３，１５ ゲート電極
ＦＤ，ＦＤ１ Ｎ型浮遊拡散層
ＰＤ 埋込型フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ５ ＭＯＳトランジスタ
ＴＧ 転送ゲート
ＲＧ リセットゲート
ＣＧ 制御ゲート

Claims (14)

1. 入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する埋込型フォトダイオードを有する画素を備える固体撮像装置において、
   前記画素が、
   前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を転送する転送ゲートと、
   該転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードより転送される電荷を蓄積する第１浮遊拡散層と、
   前記第１浮遊拡散層と接続されて該第１浮遊拡散層をリセットするリセットゲートと、
   前記第１浮遊拡散層に接続された増幅器と、
   前記増幅器で増幅された出力信号を読み出すための読み出し用スイッチと、
   を備え、
   前記転送ゲートを制御電極とし、前記第１浮遊拡散層を第１電極とし、前記埋込型フォトダイオードを第２電極としてトランジスタを構成し、
   前記トランジスタが非導通状態となる第１電圧値と、前記トランジスタが導通状態となる第３電圧値と、前記第１及び第３電圧値の間の第２電圧値との３値の電圧値で切り換えられる電圧を前記転送ゲートに印加する電圧印加回路を備え、
   前記リセットゲートがＯＮの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第２電圧値の電圧を印加し、前記入射光量に応じた光電荷が前記埋込型フォトダイオードに蓄積されるとともに、前記埋込型フォトダイオードへの入射光の少なくとも一部の輝度範囲に対して、前記トランジスタがサブスレッショルド領域で動作することにより、前記埋込型フォトダイオードおよび前記トランジスタの光電変換動作を、所定の入射光量までにおいては線形変換動作をさせ、前記所定の入射光量以上においては対数変換動作をさせ、
   前記リセットゲートがＯＦＦの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第３電圧値の電圧を印加し、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された電荷を前記第１浮遊拡散層に転移し、
   前記リセットゲートがＯＦＦの状態で、前記電圧印加回路が前記転送ゲートに前記第１電圧値の電圧を印加し、前記埋込型フォトダイオードからの電荷転移を禁止するとともに、前記第１浮遊拡散層に転移された電荷に応じた電圧信号を出力することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第３電圧値が、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された光電荷を前記第１浮遊拡散層に完全に転移することのない電圧値であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第３電圧値が、前記埋込型フォトダイオードに蓄積された光電荷を前記第１浮遊拡散層に完全に転移する電圧値であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記画素を複数備えるとともに、
   複数の前記画素全てにおいて前記トランジスタを駆動させて、複数の前記画素全てが同時に撮像動作を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 撮像動作終了後に、
   複数の前記画素全てが同時に、前記転送ゲートを介して前記埋込型フォトダイオードに蓄積した電荷を前記第１浮遊拡散層へ転移することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置と、
   前記画素への光の入射及び遮光を制御する機械的なシャッターと、
   を備え、
   前記固体撮像装置は前記画素を複数備えるものであり、
   前記シャッターを開いた状態とするとともに複数の前記画素全てにおいて前記トランジスタを駆動させて、複数の前記画素全てが同時に撮像動作を行うことを特徴とするカメラ。
7. 前記リセットゲートを通じてリセットされた前記第１浮遊拡散層の電位に応じた信号を前記読み出し用スイッチを通じて出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記リセットゲートを通じてリセットされた前記第１浮遊拡散層の電位に応じた信号を前記読み出し用スイッチを通じて出力することを特徴とする請求項６に記載のカメラ。
9. 前記画素での撮像動作を垂直ブランク期間で行うことを特徴とする請求項１〜請求項５、請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
10. 前記画素での撮像動作を垂直ブランク期間で行うことを特徴とする請求項６または請求項８に記載のカメラ。
11. 前記画素からの信号の読み出し動作を水平ブランク期間で行うことを特徴とする請求項１〜請求項５、請求項７、請求項９のいずれかに記載の固体撮像装置。
12. 前記画素からの信号の読み出し動作を水平ブランク期間で行うことを特徴とする請求項６、請求項８、請求項１０のいずれかに記載のカメラ。
13. 請求項１〜請求項５、請求項７、請求項９、請求項１１のいずれかに記載の固体撮像装置と、
    該固体撮像装置に被写体を導くための光学系と、
    前記固体撮像装置の制御を行うための制御部と、
    前記固体撮像装置からの出力に信号処理を施すための信号処理部と、
    該信号処理部からの出力を外部に出力するための出力部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
14. 前記固体撮像装置に被写体を導くための光学系と、
    前記固体撮像装置の制御を行うための制御部と、
    前記固体撮像装置からの出力に信号処理を施すための信号処理部と、
    該信号処理部からの出力を外部に出力するための出力部と、
    を備えることを特徴とする請求項６、請求項８、請求項１０、請求項１２のいずれかに記載のカメラ。

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