JP5080127B2 - 固体撮像装置、並びにそれを用いたビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ - Google Patents

Description

この発明は、イメージ入力装置等として広範に用いられる固体撮像装置法、並びにその固体撮像装置を用いたビデオカメラ及びデジタルスチルカメラに関するものである。

固体撮像装置には、これまでにＭＯＳ型やＣＣＤ型など様々な方式が提案され、実用化に至っている。また、ＭＯＳ型の中には、電荷生成手段で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成手段に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子（ＡＰＳ：Active Pixel Sensor ）構成の画素を備えた、所謂増幅型固体撮像装置がある。例えば、（Ｃ）ＭＯＳ型固体撮像装置の多くは、そのような構成を備えている。このような増幅型固体撮像装置において、画素信号の外部への読み出しは、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御を行い、個々の単位画素からの信号を任意に選択して実現している。

また、現在ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ等に使用されている（Ｃ）ＭＯＳ型固体撮像装置の画素を構成している電荷生成手段（例えばフォトダイオードＰＤ部）としては、例えば、特開２００５−６５１８４号公報に開示されているように、ノイズ低減のためにＰＤ部で発生した信号電荷を電荷蓄積部（フローティングディフージョンＦＤ部）に完全転送できるように、完全転送型埋込みフォトダイオードを用いることが一般的である。
特開２００５−６５１８４号公報

しかしながら、アプリケーション（ビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ）側からの要求である飽和電子数の増加と、半導体プロセス側の要求である電源電圧の低電圧化という、相反する要求を両立するようにＰＤ部、すなわちＰＤ部を含めた画素を開発しなければならず、更に、半導体製造上のバラツキに起因するポテンシャルのバラツキを含めて、商品に要求される飽和電子数及び電源電圧を確保した上で、完全転送できるようにＰＤ部、すなわちＰＤ部を含めた画素を開発することは大変困難になっている。

本発明は、従来の固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、ポテンシャルのバラツキによる信号電荷の転送残し、更には、歩留りの低下を防ぐことが可能な固体撮像装置、並びにそれを用いたビデオカメラ及びデジタルスチルカメラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成手段及び前記電荷生成手段により生成された信号電荷を転送するための信号転送手段から構成される少なくとも１つのサブユニットと、前記転送された信号電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、前記電荷蓄積手段をリセットする第１のリセット手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積されている信号電荷に応じた信号を増幅する増幅手段と、前記増幅された信号を選択的に垂直信号線に出力する選択手段とを有する画素ユニットが複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、前記信号転送手段に対する前記電荷生成手段近傍のポテンシャルの勾配を、前記信号電荷の転送時において非転送時よりも大きくする信号転送補助手段とを有して固体撮像装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記信号転送手段は第１のＭＯＳトランジスタを含み、前記信号転送補助手段は第２のＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る固体撮像装置において、前記信号電荷の転送時、前記第１のＭＯＳトランジスタはその制御電極が活性化され、且つ、前記第２のＭＯＳトランジスタはその制御電極に活性化電位とは逆極性の電位が印加されることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る固体撮像装置において、前記第２のＭＯＳトランジスタは、前記電荷生成手段をリセットする第２のリセット手段として用いられることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に係る固体撮像装置において、前記電荷生成手段の信号電荷のリセット時、前記第２のＭＯＳトランジスタはその制御電極が活性化され、且つ、前記第１のＭＯＳトランジスタはその制御電極に活性化電位とは逆極性の電位が印加されることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの映像信号に所定の信号処理を施し、輝度信号及びクロマ信号を生成する信号処理手段とを有してビデオカメラを構成するものである。

請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの信号を処理する信号処理手段とを有してデジタルスチルカメラを構成するものである。

本発明によれば、商品に要求される飽和電子数および電源電圧を確保した固体撮像装置、更には、Ｓ／Ｎの高い映像信号を有するビデオカメラ、デジタルスチルカメラを提供することができる。請求項毎の発明の効果を述べると、次の通りである。
請求項１に係る発明によれば、電荷生成手段から電荷蓄積手段への信号電荷転送を容易にすることが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、信号転送手段、及び前記信号転送補助手段を汎用的な（Ｃ）ＭＯＳプロセスで容易に作成することが可能となる。
請求項３に係る発明によれば、第２のＭＯＳトランジスタの変調効果を利用することにより、電荷生成手段からの信号電荷の転送に、より好適なポテンシャル勾配を形成することが可能となる。
請求項４に係る発明によれば、電荷蓄積手段に蓄積されている信号電荷を読出している場合においても、電荷生成手段で発生した新たな電荷を排出することが可能となり、電荷生成手段をリセット状態にすることが可能となる。
請求項５に係る発明によれば、第１のＭＯＳトランジスタの変調効果を利用することにより、電荷生成手段の信号電荷を排出するのに、より好適なポテンシャル勾配を形成することが可能となる。
請求項６に係る発明によれば、Ｓ／Ｎの高い画像信号を有するビデオカメラを提供することが可能となる。
請求項７に係る発明によれば、Ｓ／Ｎの高い画像信号を有するデジタルスチルカメラを提供することが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。この実施例１は、請求項１〜３に係る発明の実施例に対応するものである。図１は、実施例１に係る固体撮像装置における画素部を構成する画素の等価回路とその制御部を示す図である。図１においては、説明の都合上、画素としては、第１の画素１-1と第２の画素１-2の２つの画素のみを示しているが、第１あるいは第２の画素と同一構成の画素が２次元行列状に配列されて画素部が構成されている。図１に示すように、第１の画素１-1及び第２の画素１-2は、それぞれ、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ-1，ＰＤ-2、該フォトダイオードＰＤ-1，ＰＤ-2で生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2、前記生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2に転送するための転送スイッチである転送ＭＯＳトランジスタＭ１-1，Ｍ１-2、前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2をリセットするためのリセットスイッチであるリセットトランジスタＭ２-1，Ｍ２-2、前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2の電荷に応じた信号を増幅するための増幅トランジスタＭ３-1，Ｍ３-2、前記増幅された信号を選択するための選択スイッチである選択トランジスタＭ４-1，Ｍ４-2、選択スイッチ線10-1，10-2、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2、転送スイッチ線30-1，30-2、垂直信号線50から構成されている。そして、リセットトランジスタＭ２-1，Ｍ２-2はディプリッション型ＭＯＳトランジスタ（あるいはそれと同等なトランジスタ）を想定している。

そして、第１の画素１-1のフォトダイオードＰＤ-1と第２の画素１-2のフォトダイオードＰＤ-2との間には、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５が接続され、そのゲートには信号転送補助スイッチ線40が接続されている。なお、選択スイッチ線10-1，10-2、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2、転送スイッチ線30-1，30-2及び信号転送補助スイッチ線40は、行方向に配列された画素にそれぞれ共通に接続され、また垂直信号線50は、列方向に配列された画素に共通に接続されている。そして、制御部100 からの制御信号により各部が駆動制御されるようになっている。なお、上記ＭＯＳトランジスタは全てｎチャンネルＭＯＳトランジスタとする。

次に、このように構成されている実施例１の動作を、図２のタイミングチャートに基づいて説明する。まず、第１の画素１-1のＦＤリセットスイッチ線20-1をＨigh レベル（時刻：ｔ５〜ｔ６）にすることにより、電荷蓄積部ＦＤ-1を電源電圧ＶＤＤにリセットする。次に、選択スイッチ線10-1をＨigh レベル（時刻：ｔ７〜ｔ８）にすることにより、第１の画素１-1のリセットレベルを垂直信号線50から出力する。次に、転送スイッチ線30-1をＨigh レベル（時刻：ｔ９〜ｔ13）とすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベル（時刻：ｔ10〜ｔ12）とすることにより、第１の画素１-1のフォトダイオードＰＤ-1からの信号電荷を電荷蓄積部ＦＤ-1に転送をする。再び選択スイッチ線10-1をＨigh レベル（時刻：ｔ11〜ｔ14）にすることにより、第１の画素１-1の信号レベルを垂直信号線50から出力する。その後、図示していない信号処理回路部で両レベルの差分を取ることにより、信号成分を得ることが可能となる。第２の画素１-2からの信号成分も同様に得ることができる（時刻：ｔ５′〜ｔ14′）。ここで、Ｈigh レベルとは電源電圧ＶＤＤ（ここでは、 2.5Ｖ）、Ｍinusレベルとはグランド電圧ＧＮＤ（０Ｖ）以下となる負電圧（ここでは、−1.0 Ｖ）を想定している。

次に、図３の画素ポテンシャル図に基づいて、本実施例の画素においてフォトダイオードＰＤから電荷蓄積部ＦＤへの信号電荷転送時における各部のポテンシャル状態について説明する。本実施例においては、信号電荷転送時には、転送スイッチ線30をＨigh レベルにすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベルとすることで、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤ近傍のポテンシャル勾配をより好適にすることが可能になる。なお、図３においては、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５を備えていない従来の画素におけるポテンシャル状態を、対比するため示している（なお、図３においては、信号転送補助スイッチ線40への印加電圧を０Ｖとして、従来例の態様を示している）。

以上説明したように、フォトダイオードＰＤ（ＰＤ-1，ＰＤ-2）から電荷蓄積部ＦＤ（ＦＤ-1，ＦＤ-2）への信号電荷転送時には、転送スイッチ線30をＨigh レベルにすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベルとすることで、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤから電荷蓄積部ＦＤへの信号電荷の転送を容易にすることが可能となる。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。この実施例２も請求項１〜３に係る発明の実施例に対応するものである。図４は、実施例２に係る固体撮像装置における画素部を構成する画素の等価回路とその制御部を示す図である。図４においても、画素としては、第１の画素１-1と第２の画素１-2のみを示しているが、第１あるいは第２の画素と同一構成の画素が２次元行列状に配列されて画素部が構成されている。図４に示すように、第１の画素１-1及び第２の画素１-2は、それぞれ、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ-1，ＰＤ-2、該フォトダイオードＰＤ-1，ＰＤ-2で生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2、前記生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2に転送するための転送スイッチである転送ＭＯＳトランジスタＭ１-1，Ｍ１-2、前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2をリセットするためのリセットスイッチであるリセットトランジスタＭ２-1，Ｍ２-2、前記電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2の電荷に応じた信号を増幅するための増幅トランジスタＭ３-1，Ｍ３-2、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2、転送スイッチ線30-1，30-2、垂直信号線50から構成されている。そして、リセットトランジスタＭ２-1，Ｍ２-2はディプリッション型ＭＯＳトランジスタ（あるいはそれと同等なトランジスタ）を想定している。

そして、第１の画素１-1のフォトダイオードＰＤ-1と第２の画素１-2のフォトダイオードＰＤ-2との間には、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５が接続され、そのゲートには信号転送補助スイッチ線40が接続されている。なお、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2、転送スイッチ線30-1，30-2及び信号転送補助スイッチ線40は、行方向に配列された画素にそれぞれ共通に接続され、また垂直信号線50は、列方向に配列された画素に共通に接続されている。そして、制御部100 からの制御信号により各部が駆動制御されるようになっている。この実施例が実施例１と異なる点は、選択スイッチである選択トランジスタＭ４-1，Ｍ４-2と選択スイッチ線10-1，10-2を設ける代わりに、電源線（ＶＤＤ）をクロック動作（φＶＤＤ）とすることにより、選択手段としての動作を行わせている点である。

次に、実施例２の動作を、図５のタイミングチャートに基づいてついて説明する。時刻：ｔ５〜ｔ14，ｔ５′〜ｔ14′の期間の動作は実施例１と同様である。電源線（φＶＤＤ）を時刻：ｔ15〜ｔ18，ｔ15′〜ｔ18′の間Ｌowレベル( 例えば、 1.0Ｖ）とし、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2をＨigh レベル（時刻：ｔ16〜ｔ17，ｔ16′〜ｔ17′）にすることにより、電荷蓄積部ＦＤ-1，ＦＤ-2をＬowレベルとすることによって第１の画素又は第２の画素を非選択状態にしている。それ以外の動作は実施例１と同様であるので説明は省略する。

以上説明したように、この実施例２によれば、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５を設けても画素を構成するトランジスタの数が略変わらないので、画素ピッチの増加を抑制しながら、実施例１と同様に、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤ（ＰＤ-1，ＰＤ-2）から電荷蓄積部ＦＤ（ＦＤ-1，ＦＤ-2）への信号電荷の転送を容易にすることが可能になる。

（実施例３）
次に、実施例３について説明する。この実施例３は請求項１〜５に係る発明の実施例に対応するものである。図６は、実施例３に係る固体撮像装置における画素部を構成する画素の等価回路とその制御部を示す図である。図６においては、単一の画素のみを示しているが、同一構成の画素を２次元行列状に配列して画素部を構成している。図６に示すように、画素１は、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ、前記生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤに転送するための転送スイッチである転送ＭＯＳトランジスタＭ１、前記電荷蓄積部ＦＤをリセットするためのリセットスイッチであるリセットトランジスタＭ２、前記電荷蓄積部ＦＤの電荷に応じた信号を増幅するための増幅ＭＯＳトランジスタＭ３、前記増幅された信号を選択するための選択スイッチである選択トランジスタＭ４，信号転送補助スイッチである信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５、選択スイッチ線10、ＦＤリセットスイッチ線20、転送スイッチ線30、信号転送補助スイッチ線40、垂直信号線50から構成されている。そして、リセットトランジスタＭ２はディプリッション型ＭＯＳトランジスタ（あるいはそれと同等なトランジスタ）を想定している。

なお、選択スイッチ線10、ＦＤリセットスイッチ線20、転送スイッチ線30及び信号転送補助スイッチ線40は、行方向に配列された画素にそれぞれ共通に接続され、また垂直信号線50は、列方向に配列された画素に共通に接続されている。そして、制御部100 からの制御信号により各部が駆動制御されるようになっている。

次に、実施例３の動作を図７のタイミングチャートに基づいて説明する。まず、信号転送補助スイッチ線40をＨigh レベル（時刻：ｔ１〜ｔ４）とし、転送スイッチ線30をＭinusレベル（時刻：ｔ２〜ｔ３）とすることにより、フォトダイオードＰＤの電荷を電源線（ＶＤＤ）に排出する。次に、ＦＤリセットスイッチ線20をＨigh レベル（時刻：ｔ５〜ｔ６）とすることにより、電荷蓄積部ＦＤをリセットし、選択スイッチ線10をＨigh レベル（時刻：ｔ７〜ｔ８）にすることにより、画素のリセットレベルを垂直信号線50から出力する。

次に、転送スイッチ線30をＨigh レベル（時刻：ｔ９〜ｔ13）とし、信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベル（時刻：ｔ10〜ｔ12）とすることにより、フォトダイオードＰＤの信号電荷を電荷蓄積部ＦＤに完全転送し、選択スイッチ線10をＨigh レベル（時刻：ｔ11〜ｔ14）にすることにより、画素の信号レベルを垂直信号線50から出力する。その後、図示していない信号処理回路部で両レベルの差分を取ることにより、信号成分を得ることが可能となる。ここで、Ｈigh レベルとは電源電圧ＶＤＤ（ここでは、 2.5Ｖ）、Ｍinusレベルとはグランド電圧ＧＮＤ（０Ｖ）以下となる負電圧（ここでは、−1.0 Ｖ）を想定している。

更に、図８のタイミングチャートに示すような動作を行わせることにより、より好適な駆動が行われる。すなわち、図７に示した動作において、信号転送補助スイッチ線40をＨigh レベル（時刻：ｔ１〜ｔ４）とすると共に転送スイッチ線30をＭinusレベル（時刻：ｔ２〜ｔ３）にした後、転送スイッチ線30をＨigh レベル（時刻：ｔ９〜ｔ13）とすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベル（時刻：ｔ10〜ｔ12）とするまでの期間において、この図８に示す動作においては、信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベル（時刻：ｔ４〜ｔ12）とすると共に転送スイッチ線30をＭinusレベル（時刻：ｔ２〜ｔ９）としている。これにより、画素、特にフォトダイオードＰＤで発生する暗電流を抑制することが可能になる。

次に、信号電荷転送時及び信号電荷排出時の画素の各部のポテンシャル状態について説明する。信号電荷転送時の各部のポテンシャル状態を図９に示す。フォトダイオードＰＤから電荷蓄積部ＦＤへの信号電荷転送時は、転送スイッチ線30をＨigh レベルとすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベルとすることで、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤ近傍のポテンシャル勾配をより好適にすることが可能になる。また、信号電荷排出時の各部のポテンシャル状態を図10に示す。フォトダイオードＰＤから電源線（ＶＤＤ）への信号電荷排出時には、転送スイッチ線30をＭinusレベルとすると共に信号転送補助スイッチ線40をＨigh レベルとすることで、転送ＭＯＳトランジスタＭ１の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤ近傍のポテンシャル勾配をより好適にすることが可能になる。なお、図９及び図10においても、従来の信号電荷転送時及び信号電荷排出時におけるポテンシャル状態を、対比するため示している。

以上説明したように、フォトダイオードＰＤからの信号電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送する場合には、転送スイッチ線30をＨigh レベルにすると共に信号転送補助スイッチ線40をＭinusレベルとすることで、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、またフォトダイオードＰＤからの信号電荷を電源線（ＶＤＤ）に排出する場合には、転送スイッチ線30をＭinusレベルにすると共に信号転送補助スイッチ線40をＨigh レベルとすることにより、転送ＭＯＳトランジスタＭ１の変調効果を利用することで、転送あるいは排出動作を容易にすることが可能となる。

（実施例４）
次に、実施例４について説明する。この実施例４も請求項１〜５に係る発明の実施例に対応するものである。図11は、実施例４に係る固体撮像装置における画素部を構成する画素の等価回路とその制御部を示す図である。図11においては、単一の画素のみを示しているが、同一構成の画素を２次元行列状に配列して画素部を構成している。図11に示すように、画素１は、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ、前記生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤに転送するための転送スイッチである転送ＭＯＳトランジスタＭ１、前記電荷蓄積部ＦＤをリセットするためのリセットスイッチであるリセットトランジスタＭ２、前記電荷蓄積部ＦＤの電荷に応じた信号を増幅するための増幅ＭＯＳトランジスタＭ３、信号転送補助スイッチである信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ5 、ＦＤリセットスイッチ線20、転送スイッチ線30、信号転送補助スイッチ線40、垂直信号線50から構成されている。そして、リセットトランジスタＭ２はディプリッション型ＭＯＳトランジスタ（あるいはそれと同等なトランジスタ）を想定している。

なお、ＦＤリセットスイッチ線20、転送スイッチ線30及び信号転送補助スイッチ線40は、行方向に配列された画素にそれぞれ共通に接続され、また垂直信号線50は、列方向に配列された画素に共通に接続されている。そして、制御部100 からの制御信号により各部が駆動制御されるようになっている。この実施例が図６に示した実施例３と異なる点は、選択スイッチである選択トランジスタＭ４と選択スイッチ線10を設ける代わりに、電源線（ＶＤＤ）をクロック動作（φＶＤＤ）とすることにより、選択手段としての動作を行わせている点である。

次に、実施例４の動作を、図12及び図13のタイミングチャートに基づいて説明する。時刻：ｔ１〜ｔ14の期間の動作は、図７及び図８に示した実施例３の動作と同様である。電源線（φＶＤＤ）を時刻：ｔ15〜ｔ18の間Ｌowレベル（例えば、 1.0Ｖ）とし、ＦＤリセットスイッチ線20をＨigh レベル（時刻：ｔ16〜ｔ17）にすることにより、電荷蓄積部ＦＤをＬowレベルにとすることによって画素を非選択状態にしている。それ以外の動作は図７及び図８に示した実施例３の動作と同様であるので、説明は省略する。

以上説明したように、この実施例４によれば、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５を設けても画素を構成するトランジスタの数は略変わらないので、画素ピッチの増加を抑制しながら、実施例３と同様に、フォトダイオードＰＤからの転送あるいは排出動作を容易にすることが可能になる。

（実施例５）
次に、実施例５について説明する。この実施例５も請求項請求項１〜５に係る発明の実施例に対応している。図14は、実施例５に係る固体撮像装置の構成を示す回路構成図である。この実施例に係る固体撮像装置は、図６に示した実施例３に係る画素構成の画素セルを、説明を簡単にするため３行３列に配列した画素部と、選択スイッチ線10-1，10-2，10-3、ＦＤリセットスイッチ線20-1，20-2，20-3、転送スイッチ線30-1，30-2，30-3、信号転送補助スイッチ線40-1，40-2，40-3、垂直信号線50-1，50-2，50-3、定電流源60-1，60-2，60-3、共通信号出力転送スイッチである共通信号出力転送トランジスタ70-1，70-2，70-3、共通信号出力転送スイッチ線71-1，71-2，71-3、出力アンプ80、ＡＤコンバータ82、フレームメモリ83、共通信号出力線84、垂直走査回路90、水平走査回路91、信号蓄積部95、及びそれらを制御する駆動制御部100 とから構成されている。なお、図14において、符号の枝番号は３行３列の画素セルの各行あるいは各列に対応して付されている。

次に、このように構成されている実施例５に係る固体撮像装置の動作を、図15のタイミングチャートに基づいてついて説明する。まず、信号転送補助スイッチ線40-1〜40-3をＨigh レベルとすると共に転送スイッチ線30-1〜30-3をＭinusレベルとする。これにより、全画素のフォトダイオードＰＤの電荷を電源線（ＶＤＤ）に排出する。次に、ＦＤリセットスイッチ線20-1〜20-3をＨigh レベルとすることにより全画素の電荷蓄積部ＦＤをリセットする。なお、信号転送補助スイッチ線40-1〜40-3、転送スイッチ線30-1〜30-3、ＦＤリセットスイッチ線20-1〜20-3、選択スイッチ線10-1〜10-3は、駆動制御部100 の制御に従って垂直走査回路90によって駆動される。

次に、1 行目の選択スイッチ線10-1をＨigh レベルとし、画素のリセットレベルを信号蓄積部95に保持する。その後、共通信号出力転送トランジスタ70-1〜70-3に接続された共通信号出力転送スイッチ線71-1〜71-3を順次Ｈigh レベルにすることにより、画素のリセットレベルを共通信号出力線84、アンプ80を通して出力端子81から順次出力する。前記出力（リセットレベル）はＡＤコンバータ82により、アナログ／デジタル変換してフレームメモリ83に保持される。信号蓄積部95への蓄積動作は、駆動制御部100 によって制御／駆動され、また、共通信号出力転送スイッチ線71は、駆動制御部100 の制御に従って水平走査回路91によって駆動される。２行目以降についても、図15に示すように同様に読み出され、全画素分のリセットレベルがフレームメモリ83に保持される。

所望の蓄積時間経過後に、信号転送補助スイッチ線40-1〜40-3をＭinusレベルとすると共に、転送スイッチ線30-1〜30-3をＨigh レベルとする。これにより、全画素のフォトダイオードＰＤの電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送する。

次に、１行目の選択スイッチ線10-1をＨigh レベルとし、画素の信号レベルを信号蓄積部95に保持する。次に、ＦＤリセットスイッチ線20-1をＨigh レベルとすることにより電荷蓄積部ＦＤをリセットする。その後、共通信号出力転送トランジスタ70-1〜70-3に接続された共通信号出力転送スイッチ線71-1〜71-3を順次Ｈigh レベルにすることにより、画素の信号レベルを共通信号出力線84，アンプ80を通して順次出力する。前記出力（信号レベル）はＡＤコンバータ82により、アナログ／デジタル変換され、予めフレームメモリ83に保持されている１行目のリセットレベルとの差分をとることで、リセットノイズ及び固定パターンノイズを除去した、信号成分のみを取り出す。２行目以降についても図15に示すように同様に読み出され、Ｓ／Ｎの高い信号成分が得られる。

以上説明したように、フォトダイオードＰＤからの信号電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送する場合には、転送スイッチ線30-1〜30-3をＨigh レベルとすると共に信号転送補助スイッチ線40-1〜40-3をＭinusレベルとすることで、信号転送補助ＭＯＳトランジスタＭ５の変調効果を利用し、フォトダイオードＰＤからの信号電荷を電源線（ＶＤＤ）に排出する場合には、転送スイッチ線30-1〜30-3をＭinusレベルとすると共に信号転送補助スイッチ線40-1〜40-3をＨigh レベルとすることで、転送ＭＯＳトランジスタＭ１の変調効果を利用することによって、転送並びに排出の各動作を容易にすることが可能となる。なお、本実施例では、全行の信号蓄積開始、終了のタイミングが同時である場合について、簡易的に画素が３行３列の画素セルを用いて説明したが、これに限るものではない。

（実施例６）
次に、本発明に係る固体撮像装置をビデオカメラに使用した場合の構成例を実施例６として説明する。図16は、ビデオカメラの構成を示すブロック図である。図16において、101Aは撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ、101Bはズーム動作を行うズームレンズ、101Cは結像用のレンズである。また、102 は絞り、103 は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像装置であり、例えば図14に示した実施例５で説明した固体撮像装置を用いるものとする。104 は固体撮像装置103 から出力された撮像信号をサンプルホールドし、更に、信号レベルを増幅するサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

105 はサンプルホールド回路104 から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙ及びクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路105 から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路121 でホワイトバランス及び色バランスの補正が施され、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。また、プロセス回路105 から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路121 から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）124 で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。このテレビジョン信号は、図示しないビデオレコーダあるいは電子ビューファインダ等のモニタＥＶＦへ供給される。更に、色信号補正回路121 から出力された色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは、ゲート回路122 でゲートされ、積分回路125 で積分値が検出されて論理制御回路117 に入力される。この信号は、主にホワイトバランスの調節（不図示）に利用される。

106 はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路104 から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路107 を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り102 の開口量を制御すべくｉｇメータ108 を自動制御する。113 ，114 はサンプルホールド回路104 から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する、異なった帯域制限の第１及び第２のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１，ＢＰＦ２）である。第１のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１）113 及び第２のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ２）114 から出力された信号は、ゲート回路115 及びフォーカスゲート枠信号で各々ゲートされ、ピーク検出回路116 でピーク値が検出されてホールドされると共に論理制御回路117 に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、118 はフォーカスレンズ101Aの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、119 はズームレンズ101Bの焦点距離を検出するズームエンコーダ、120 は絞り102 の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値はシステムコントロールを行う論理制御回路117 へ供給される。論理制御回路117 は設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。すなわち、第１及び第２のバンドパスフィルタ113 ，114 より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へフォーカスレンズ101Aを駆動すべくフォーカス駆動回路10９にフォーカスモータ110 の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。また、123 はゲートパルス発生回路で、論理制御回路117 からの制御信号に基づきゲート回路115 ，122 のゲート枠信号を発生するものである。

以上説明したように、上記ビデオカメラでは、本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法を用いているので、Ｓ／Ｎの高い映像信号を有するビデオカメラが得られる。

（実施例７）
次に、本発明に係る固体撮像装置をデジタルスチルカメラに使用した場合の構成例を実施例７として説明する。図17はデジタルスチルカメラの構成を示すブロック図である。図17において、131 はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、132 は被写体の光学像を固体撮像装置134 に結像させるレンズ、133 はレンズ132 を通った光量を可変するための絞り、134 はレンズ132 で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像装置であり、例えば図14で示した実施例５で説明したものを用いるものとする。135 は固体撮像装置134 から出力される撮像信号の信号処理を行う撮像信号処理回路、136 は撮像信号処理回路135 から出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、137 はＡ／Ｄ変換器136 から出力された画像データに各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする信号処理部、138 は固体撮像装置134 、撮像信号処理回路135 、Ａ／Ｄ変換器136 、信号処理部137 に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。また、139 は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部、140 は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、141 は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ（インターフェース）部、142 は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、143 は外部コンピュータ等と通信するための外部Ｉ／Ｆ（インターフェース）部である。

次に、このように構成されているデジタルスチルカメラの撮影時の動作について説明する。まず、バリア131 がオープンされると、メイン電源がオンされ、次いでコントロール系の電源がオンし、更に、Ａ／Ｄ変換器136 等の撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部139 は絞り133 を開放にし、固体撮像装置134 から出力された信号は撮像信号処理回路135 を経てＡ／Ｄ変換器136 でＡ／Ｄ変換された後、信号処理部137 に入力される。全体制御・演算部139 では、そのデータに基づいて露出の演算を行う。すなわち、上記処理により測光を行った結果によって明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部139 は絞り133 を制御する。

次に、固体撮像装置134 から出力された信号をもとに高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を全体制御・演算部139 で行う。その後、レンズ132 を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ132 を駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置134 から出力され、撮像信号処理回路135 で処理された画像信号はＡ／Ｄ変換器136 でＡ／Ｄ変換され、信号処理部137 を通り全体制御・演算部139 によりメモリ部140 に書き込まれる。その後、メモリ部140 に蓄積されたデータは全体制御・演算部139 の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部141 を通り、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体142 に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部143 を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

以上説明したように、上記デジタルスチルカメラでは、本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法を用いているので、Ｓ／Ｎの高い映像信号を有するデジタルスチルカメラが得られる。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１における画素部の画素の等価回路構成及びその制御部を示す図である。 図１に示した実施例１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１に示した実施例１の画素における信号電荷転送時の各部のポテンシャル態様を示す図である。 実施例２における画素部の画素の等価回路構成とその制御部を示す図である。 図４に示した実施例２の動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例３における画素部の画素の等価回路構成とその制御部を示す図である。 図６に示した実施例３の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図６に示した実施例３の更に好適な動作を説明するためのタイミングチャートである。 図６に示した実施例３の画素における信号電荷転送時の各部のポテンシャル態様を示す図である。 図６に示した実施例３の画素における信号電荷排出時の各部のポテンシャル態様を示す図である。 実施例４における画素部の画素の等価回路構成とその制御部を示す図である。 図11に示した実施例４の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図11に示した実施例４の更に好適な動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施例５に係る固体撮像装置の構成を示す回路構成図である。 図14に示した実施例５の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に係る固体撮像装置を用いたビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 本発明に係る固体撮像装置を用いたデジタルスチルカメラの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 画素
１-1 第１の画素
１-2 第２の画素
10，10-1，10-2，10-3 選択スイッチ線
20，20-1，20-2，20-3 ＦＤリセットスイッチ線
30，30-1，30-2，30-3 転送スイッチ線
40，40-1，40-2，40-3 信号転送補助スイッチ線
50，50-1，50-2，50-3 垂直信号線
60-1，60-2，60-3 定電流源
70-1，70-2，70-3 共通信号出力転送トランジスタ
71-1，71-2，71-3 共通信号出力転送スイッチ線
80 出力アンプ
81 出力端子
82 ＡＤコンバータ
83 フレームメモリ
84 共通出力線
90 垂直走査回路
91 水平走査回路
95 信号蓄積部
100 制御部
101A フォーカスレンズ
101B ズームレンズ
101C 結像用レンズ
102 絞り
103 固体撮像装置
104 サンプルホールド回路
105 プロセス回路
106 アイリス制御回路
107 アイリス駆動回路
108 ｉｇメーター
109 フォーカス駆動回路
110 フォーカスモータ
111 ズーム駆動回路
112 ズームモータ
113 第１のＢＰＦ
114 第２のＢＰＦ
115 ゲート回路
116 ピーク検出回路
117 論理制御回路
118 フォーカスエンコーダ
119 ズームエンコーダ
120 アイリスエンコーダ
121 色信号補正回路
122 ゲート回路
123 ゲートパルス発生回路
124 エンコーダ回路
125 積分回路
131 バリア
132 レンズ
133 絞り
134 固体撮像素子
135 撮像信号処理回路
136 ＡＤ変換器
137 信号処理部
138 タイミング発生部
139 全体制御・演算部
140 メモリ部
141 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
142 記録媒体
143 外部Ｉ／Ｆ部

Claims (7)

1. 入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成手段及び前記電荷生成手段により生成された信号電荷を転送するための信号転送手段から構成される少なくとも１つのサブユニットと、前記転送された信号電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、前記電荷蓄積手段をリセットする第１のリセット手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積されている信号電荷に応じた信号を増幅する増幅手段と、前記増幅された信号を選択的に垂直信号線に出力する選択手段とを有する画素ユニットが複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、
   前記信号転送手段に対する前記電荷生成手段近傍のポテンシャルの勾配を、前記信号電荷の転送時において非転送時よりも大きくする信号転送補助手段とを有する固体撮像装置。
2. 前記信号転送手段は第１のＭＯＳトランジスタを含み、前記信号転送補助手段は第２のＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記信号電荷の転送時、前記第１のＭＯＳトランジスタはその制御電極が活性化され、且つ、前記第２のＭＯＳトランジスタはその制御電極に活性化電位とは逆極性の電位が印加されることを特徴とする請求項２に係る固体撮像装置。
4. 前記第２のＭＯＳトランジスタは、前記電荷生成手段をリセットする第２のリセット手段として用いられることを特徴とする請求項２又は３に係る固体撮像装置。
5. 前記電荷生成手段の信号電荷のリセット時、前記第２のＭＯＳトランジスタはその制御電極が活性化され、且つ、前記第１のＭＯＳトランジスタはその制御電極に活性化電位とは逆極性の電位が印加されることを特徴とする請求項４に係る固体撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの映像信号に所定の信号処理を施し、輝度信号及びクロマ信号を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするビデオカメラ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像するレンズと、前記固体撮像装置からの信号を処理する信号処理手段とを有することを特徴とするデジタルスチルカメラ。

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