固态成像元件及其驱动方法以及电子设备与流程

本技术涉及固态成像元件、其驱动方法和配备有该固态成像元件的电子设备。该技术特别涉及在其中关于高亮度模式下的信号和低亮度模式下的信号均能实现令人满意的S/N(信噪比)并能够适当地消除复位噪声的固态成像元件、其驱动方法和配备有该固态成像元件的电子设备。

背景技术：

CMOS图像传感器已经被公知为固态成像元件(图像传感器)。CMOS 图像传感器已被用于数码相机、数字摄像机以及各种移动终端设备，诸如带有相机的移动电话。

在现有技术中的图像传感器的大多数情况下，以光电二极管(PD)的电荷被传输到浮置扩散区(FD)然后将FD的电位经历读取(sensing)的方式来提取信号。在这种情况下，在FD的电容较小时，变换为电压的增益增加，因而随后的噪声下降。因此，确保了良好的S/N且有用电荷的量较小。在FD的电容较大时，有用电荷的量较大，而S/N较小。

已经提出了这样的结构：在其中由两个电容器构成FD以解决在电荷的量和S/N之间的平衡，因此在电荷的量较小时，使用由一个电容器读取的信号 (S1)，而在电荷的量较大时，使用由两个电容器读取的信号(S2)(例如，参见专利文献1至3)。

即使在应用这种建议的技术的情况下，通过在FD1或FD2被复位的状态下计算在S1或S2和一个或两个复位电平信号(N)之间的差分来获得实际信号，对提供一个FD的情况类似。

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开号63-67976

专利文献2：日本未审查专利申请公开(PCT申请的翻译文本)号 2009-505498

专利文献3：国际公开号2005-083790

技术实现要素：

技术问题

但是，在现有技术中，留下如下问题中的至少一个。

第一问题是，即使在获得了差分时，S1或S2的至少其中一个也不能消除复位噪声等。

第二问题是，需要执行加法处理以获得在高亮度模式下的信号。换句话说，在低亮度模式下不执行加法处理时，信号的线性在开始加法处理的前后被恶化，而在低亮度模式下执行加法处理时，噪声增加。特别地，在S1的信号超过确保了像素的输出的线性的范围时，该问题变得十分明显。

例如，在专利文献1的情况下，PD也具有作为第一FD的功能，因此S1和 S2被输出，然后类似于所谓的三晶体管型像素，通过复位PD获得复位电平 (N)。因此，即使在获得相对于N的差分时，复位噪声也保留在两个信号中。

此外，在专利文献2的情况下，PD和FD被传输晶体管分离，因而专利文献2的技术应用于所谓的四晶体管型像素。因此，类似于四晶体管型像素，可通过获得S1和N之间的差分来消除复位噪声，而不能消除S2的复位噪声。

在专利文献3的情况下，FD划分成两部分。但是，电荷仍以在形成电荷累积时电荷从PD溢流到FD这样的方式被累积在FD中。因此，对应于累积周期的FD的复位噪声和暗电流重叠在S2中。此外，信号以N1→S1→S2→N2的顺序获得，因此需要由能够处理无论哪个先到的复位电平和信号电平两者的电路构成列信号处理电路。

在考虑了上述情况下公开了本技术。根据本技术，关于高亮度模式下的信号和低亮度模式下的信号均可实现令人满意的S/N，此外，可适当地消除复位噪声。

解决问题的方案

根据本技术的第一方面，提供具有排列了多个像素的像素区域的固态成像元件。像素包括：光电转换部分，其执行光电转换；传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；复位部分，其复位所述多个检测部分；连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号。在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号。由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，并且由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

优选的是，基于第一像素信号的电平来选择第一像素信号或第二像素信号中的任意一个信号，并且选择出的第一像素信号或选择出的第二像素信号作为关联于像素的像素信号输出。

优选的是，所述像素被排列成二维矩阵形状，并且由与所述像素的各行对应排列的差分计算部分计算从所述输出部分输出的信号的差分。

优选的是，所述像素被排列成二维矩阵形状，并且由与所述像素的各行对应排列并由具有样本保持器的相关双采样(CDS)电路构成的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

优选的是，所述像素被排列成二维矩阵形状，并且由与所述像素的各行对应排列并具有保存所述连接状态复位电平信号、所述分离状态复位电平信号、所述分离状态输出信号以及所述连接状态输出信号的锁存电路的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

优选的是，所述像素被排列成二维矩阵形状，并且由与所述像素的各行对应排列并具有在一个方向上计数所述连接状态复位电平信号的电平而在另一个方向上计数所述连接状态输出信号的电平的第一增减计数器和在一个方向上计数所述分离状态复位电平信号的电平而在另一个方向上计数所述分离状态输出信号的电平的第二增减计数器的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

根据本技术的第一方面，提供具有排列了多个像素的像素区域的固态成像元件的驱动方法，其中所述像素包括：光电转换部分，其执行光电转换；传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；复位部分，其复位所述多个检测部分；连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号，该驱动方法包括：在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号；并且由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，而由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

在本技术的第一方面中，在所述复位信号输出操作中，在所述多个检测部分彼此连接的连接状态下，通过将所述检测部分复位而输出连接状态复位电平信号，因此在所述多个检测部分彼此分离的分离状态下，以相同的方式输出分离状态复位电平信号。此外，在所述输出信号输出操作中，在分离状态时，输出分离状态输出信号，而在连接状态时，输出连接状态输出信号。此外，通过计算所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分，生成第一像素信号。通过计算所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分，生成第二像素信号。

根据本技术的第二方面，提供具有排列了多个像素的像素区域的固态成像元件的电子设备，其中所述像素包括：光电转换部分，其执行光电转换；传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；复位部分，其复位所述多个检测部分；连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号，其中在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号，并且由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，而由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

在本技术的第二方面中，在所述复位信号输出操作中，在所述多个检测部分彼此连接的连接状态下，通过将所述检测部分复位输出连接状态复位电平信号，因此在所述多个检测部分彼此分离的分离状态下，以相同的方式输出分离状态复位电平信号。此外，在所述输出信号输出操作中，在所述分离状态时，输出分离状态输出信号，而在所述连接状态时，输出连接状态输出信号。此外，通过计算所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分，生成第一像素信号。通过计算所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分，生成第二像素信号。

发明效果

根据本技术，关于高亮度模式下的信号和低亮度模式下的信号均可实现令人满意的S/N，此外，可适当地消除复位噪声。

附图说明

图1是图示根据本技术的CMOS图像传感器的实施例的结构示例的图。

图2是图示单位像素的结构示例的图。

图3是用于说明单位像素的操作示例的时间图。

图4是用于说明单位像素的操作示例的电位图。

图5是图示像素信号提取部分的结构示例的框图。

图6是图示像素信号提取部分的结构示例的框图。

图7是图示像素信号提取部分的结构示例的框图。

图8是用于说明像素信号输出处理的示例的流程图。

图9是图示应用本技术的电子设备的实施例的结构示例的图。

具体实施方式

以下，参照附图描述在本说明书中公开的技术的实施例。

图1是图示按照本技术的实施例的CMOS图像传感器的结构示例的框图。

图1中所示的CMOS图像传感器1由具有像素区域3的半导体衬底11(例如，硅衬底)和外围电路单元构成，在所述像素区域3中包括光电转换部分的多个像素2排列成二维矩阵形状。

像素2是由一个光电转换部分、多个浮置扩散部分(floating diffusion portion)以及多个像素晶体管构成的单位像素。此外，像素2可以具有所谓的像素共享结构，在像素共享结构中多个浮置扩散部分和多个光电转换部分共享除去传输晶体管之外的像素晶体管。

像素2的详细结构将在后面说明。

上述多个像素晶体管可以具有这样的结构：在其中，例如，除了四个晶体管(即传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和选择晶体管)之外，还提供分离晶体管。作为替代，多个像素晶体管可以具有除了除去选择晶体管之外的三个晶体管以外还提供分离晶体管的结构。

外围电路单元由所谓的模拟电路和数字电路(诸如垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7以及控制电路8)构成。

控制电路8接收指令操作模式等的输入时钟和数据并输出数据，诸如 CMOS图像传感器1的内部信息。此外，控制电路8基于垂直同步信号、水平同步信号以及主时钟生成起垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等的操作基准的功能的时钟信号和控制信号。然后，控制电路8将信号输入到垂直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6等。

垂直驱动电路4由例如移位寄存器构成。垂直驱动电路4以垂直驱动电路4 选择像素驱动布线并对选择出的像素驱动布线施加用于驱动像素的脉冲的方式逐行驱动像素。换句话说，垂直驱动电路4在垂直方向上逐行并顺序地选择和扫描像素区域3中的各像素2。垂直驱动电路4基于各像素2的光电转换元件 (例如，光电二极管)根据接收光的量生成的信号电荷，将像素信号通过垂直信号线9提供给列信号处理电路5。

虽然在附图中未示出垂直驱动电路4的特定结构，但垂直驱动电路4具有提供读出扫描系统和扫除扫描系统(sweep scan system)的结构。作为替代，垂直驱动电路4有进行分批扫除和分批传输的结构。

为从单位像素读出信号，读出扫描系统在像素区域3逐行并顺序地选择和扫描单位像素。在行驱动(滚动快门操作)的情况下，在进行扫除操作时，对经历读出扫描系统的读出扫描的读出行，按快门速度的时间，在读出扫描操作之前，进行扫除扫描操作。此外，在全局曝光(全局快门操作)的情况下，按快门速度的时间，在分批传输操作之前进行分批扫除操作。

进行上述扫除操作，因此在读出行中从单位像素的光电转换元件扫除(复位)不需要的电荷。所谓的电子快门操作以扫除(复位)不需要的电荷的方式进行。在此情况下，电子快门操作指的是消除光电转换元件中的光电电荷并开始新曝光的操作(开始光电电荷的累积)。

由读出扫描系统的读出操作读出的信号，对应于紧接在读出操作前接收到的、或在电子快门操作之后接收到的光的量。在行驱动的情况下，从通过先前的读出操作的读出时间或通过电子快门操作的扫除时间至通过当前读出操作的读出时间的期间被设置为单位像素中光电电荷的累积期间(曝光期间)。在全局曝光的情况下，从分批扫除到分批传输的期间被设置为累积期间(曝光期间)。

例如，对像素2的各行提供列信号处理电路5。列信号处理电路5接收从形成一行的像素2输出的像素信号并获得各像素行的信号电平和复位电平之间的差分。然后，列信号处理电路5进行信号处理，例如噪声去除。换句话说，列信号处理电路5进行信号处理，诸如用于消除像素2的固定模式(pattern) 噪声的相关双采样(CDS)、信号放大、模拟-数字转换(AD转换)等。提供水平选择开关(未示出)连接在列信号处理电路5的输出端子和水平信号线 10之间。

水平驱动电路6例如由移位寄存器构成。水平驱动电路6顺序输出水平扫描脉冲，因此水平驱动电路6顺序选择各自的列信号处理电路5并导致选择出的列信号处理电路5将像素信号输出到水平信号线10。

输出电路7对通过水平信号线10从各自的列信号处理电路5顺序供给的图像信号进行信号处理，诸如增益调整和缺陷校正，然后输出图像信号。在一些情况下，在信号处理中仅进行缓冲。但是，在另一些情况下，进行黑电平调整、列变动校正、各种数字信号处理等。

输入/输出端子12向外部发送/从外部接收信号。

接下来，将描述像素2的结构的细节。在这种情况下，将描述作为像素区域3中的多个单位像素的一个单位像素的像素2的结构。

图1所示的各像素2是检测物理量并根据物理量累积电荷的累积部分。像素2具有提供作为光电转换部分的光电二极管PD和从光电二极管PD传输电荷的传输晶体管的结构。

此外，像素2是通过传输晶体管从光电二极管PD接收电荷的多个检测部分。像素2具有提供多个浮置扩散部分FD和将浮置扩散部分FD复位的复位晶体管的结构。

此外，像素2具有分离晶体管以导通/截止方式控制多个浮置扩散部分FD 的连接和分离并且放大晶体管输出对应于浮置扩散部分FD的电位的信号的结构。

图2图示像素2的等效电路的例子。在本例子中，像素2(的等效电路)具有提供两个浮置扩散部分的结构。

如图2所示，像素2具有一个光电二极管PD。此外，像素2具有一个传输晶体管Tr1、一个复位晶体管Tr2、一个放大晶体管Tr3、一个选择晶体管Tr4、和一个分离晶体管Tr5。此外，像素2具有两个浮置扩散部分FD1和FD2。

在图2的结构中，光电二极管PD经由传输晶体管Tr1连接到第一浮置扩散部分FD1。第一浮置扩散部分FD1连接到放大晶体管Tr3的栅极并经由分离晶体管Tr5连接到第二浮置扩散部分FD2。第二浮置扩散部分FD2连接到复位晶体管Tr2并连接到电容元件(电容器)C。电容器C的另一端接地。

在本例子中，以不仅使用寄生电容而且还连接到电容器C来构成第二浮置扩散部分FD2的方式增加第二浮置扩散部分FD2的总电容。例如，可以由多晶硅形成电容器C。作为替代，第二浮置扩散部分FD2可以仅使用扩散层的寄生电容而不使用电容器C。作为例子，电容器C可以具有多晶硅薄膜-栅极氧化膜-Si衬底的结构，或可以具有第一多晶硅膜-层间膜(例如SiN-第二多晶硅膜) 的结构。

放大晶体管Tr3的漏极连接到选择晶体管Tr4，放大晶体管Tr3的源极连接到垂直信号线9。此外，复位晶体管Tr2和选择晶体管Tr4的漏极连接到电源 Vdd。

为了在低亮度模式和高亮度模式两者下适当地进行信号读出操作，优选的是，例如，第二浮置扩散部分FD2具有接近第一浮置扩散部分FD1具有的电容量的2倍到20倍的电容量。此外，优选的是，第二浮置扩散部分FD2的电容量被设置为适合接收光电二极管PD的饱和电荷的量。在第二浮置扩散部分 FD2的电容量明显较小时，以下描述的信号S1和信号S2之间的增益的差分较小，因此由第二浮置扩散部分FD2产生的效果较小。相反，在第二浮置扩散部分FD2的电容量明显较大时，几乎整个信号区域都通过信号S2来处理，因此信号S1几乎是无用的。

传输晶体管Tr1的栅极连接到传输布线15。分离晶体管Tr5的栅极连接到分离布线16。选择晶体管Tr4的栅极连接到选择布线17。复位晶体管Tr2的栅极连接到复位布线18。

在像素2中，在选择晶体管Tr4导通时，放大晶体管Tr3向垂直信号线9输出对应于第一浮置扩散部分FD1的电位的信号。此外，在分离晶体管Tr5导通时，放大晶体管Tr3向垂直信号线9输出对应于连接状态下第一浮置扩散部分 FD1和第二浮置扩散部分FD2的电位的信号。垂直信号线9连接到作为后级电路的列信号处理电路，因此向垂直信号线9输出的信号被发送到列信号处理电路。

以复位晶体管Tr2导致第一浮置扩散部分FD1和第二浮置扩散部分FD2的电荷漏到电源Vdd(即，电源布线)的方式，复位晶体管Tr2复位第一浮置扩散部分FD1和第二浮置扩散部分FD2。

接下来，参照图3和图4说明在图2中所示的电路的驱动方法。

图3是由控制电路8生成并通过垂直驱动电路4供给到像素2的控制信号的时间图。在图3中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压值。图3图示构成施加到图2中所示的选择布线17、复位布线18、分离布线16和传输布线15的脉冲的控制信号。

图4是示意地图示在图2中的光电二极管PD(以下，适当地简称为PD)、第一浮置扩散部分FD1(以下，适当地简称为FD1)和第二浮置扩散部分FD2 (以下，适当地简称为FD2)内累积的电荷的状态的电位图。在图4中，图示了在图3中由垂直点划线示出的时间(1)至(4)时PD、FD1和FD2中的电荷的状态。

如图3所示，通过选择布线17向选择晶体管Tr4施加脉冲，以使选择晶体管Tr4导通，由此选择像素。在此状态下，通过复位布线18和分离布线16向复位晶体管Tr2和分离晶体管Tr5施加脉冲，以使复位晶体管Tr2和分离晶体管 Tr5导通，因此FD1和FD2被复位。然后，复位布线18的脉冲被降低，因此复位晶体管Tr2被截止(时间(1))。

此时，在PD、FD1和FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(1)中。换句话说，分离晶体管Tr5导通，因此FD1和FD2被连接。此外，对应于接收光的量的电荷累积在光电二极管PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3向垂直信号线9输出的复位电平信号作为N2发送到列信号处理电路5。

接下来，如图3所示，分离布线16的脉冲被降低，因此分离晶体管Tr5被截止(时间(2))。

此时，在PD、FD1、FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(2)中。换句话说，分离晶体管Tr5被截止，从而FD1和FD2彼此分离。此外，对应于接收光的量的电荷累积在光电二极管PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3 向垂直信号线9输出的复位电平信号作为N1被发送到列信号处理电路5。

随后，如图3所示，传输布线15的脉冲施加到传输晶体管Tr1以使传输晶体管Tr1导通，然后传输晶体管Tr1被截止(时间(3))。因此，电荷从PD 传输到FD1。但是，在这种情况下，在PD中累积的电荷的量较大时，电荷也保留在PD中。

此时，在PD、FD1、FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(3)中。换句话说，传输晶体管Tr1导通，从而电荷从PD传输到FD1。在本例子中，PD 中累积的电荷的量较大，从而电荷也保留在PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3向垂直信号线9输出的、来自FD1的输出信号作为S1被发送到列信号处理电路5。

随后，如图3所示，向分离布线16施加脉冲以使分离晶体管Tr5导通，并向传输布线15施加脉冲以使传输晶体管Tr1导通，然后传输晶体管Tr1被截止 (时间(4))。

此时，在PD、FD1、FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(4)中。换句话说，分离晶体管Tr5导通，从而FD1和FD2被彼此连接。此外，传输晶体管Tr1导通，从而电荷被传输到PD、FD1和FD2。在此情况下，在图4中的时间(3)时存储的保留在PD中的电荷也被传输到FD1和FD2。在此状态下，经由放大晶体管Tr3向垂直信号线9输出的、来自FD1和FD2的输出信号作为S2 被发送到列信号处理电路5。

在上述描述的输出信号S1的情况下，可认为由电荷引起的信号被重叠在复位电平信号N1上，从而输出信号S1被检测。因此，在列信号处理电路5中获得输出信号S1和复位电平信号N1之间的差分，从而可获得消除了复位噪声等的像素信号。此信号是具有高增益的信号。但是，例如，在PD中累积的电荷的量较大时，可获得精确信号。因此，此信号是适合低亮度模式的像素信号。再有，此信号被称为第一像素信号。

此外，在上述描述的输出信号S2的情况下，可认为由电荷引起的信号被重叠在复位电平信号N2上，从而输出信号S2被检测。因此，在列信号处理电路5中获得输出信号S2和复位电平信号N2之间的差分，从而可获得消除了复位噪声等的像素信号。无论PD中累积的电荷的量较大还是较小，此信号都是精确的。但是，此信号是具有低增益的信号。因此，此信号是适合高亮度模式的像素信号并被称为第二像素信号。

在本技术中，如上所述地获得复位电平信号N1和N2。在进行复位操作和 FD1和FD2被连接的状态下获得复位电平信号N2。在进行复位操作和FD1和 FD2被分离的状态下获得复位电平信号N1。此外，获得在FD1和FD2被分离的状态下的输出信号S1和在FD1和FD2被分离的状态下的输出信号S1。然后，消除了复位噪声的第一像素信号通过获得输出信号S1和复位电平信号N1之间的差分来提取，而消除了复位噪声的第二像素信号通过获得输出信号S2和复位电平信号N2之间的差分来提取。

例如，即使在进行复位操作的状态下进行例如PD的电荷的传输的处理，然后获得FD1和FD2被连接的状态下的复位电平信号，也不能精确地消除复位噪声。相反，根据本技术，在提取第一像素信号时和提取第二像素信号时两种情况下，可精确地消除复位噪声。

此外，根据本技术，在提取第一像素信号时和提取第二像素信号时这两种情况下，不需要进行信号的加法。

在进行例如信号的加法的情况下，在低亮度模式下不进行信号的加法时，信号的线性在开始加法的前后被恶化。因此，当在低亮度情况下进行加法时，这导致噪声增加。相反，根据本技术，可提取第一像素信号和第二像素信号，而不恶化信号的线性并不导致噪声增加。

接下来，将描述用于获得消除了复位噪声等的像素信号的方法的细节。如上所述，复位电平信号N1、复位电平信号N2、输出信号S1和输出信号S2 被发送到列信号处理电路5。

列信号处理电路5具有提供用于进行AD转换的ADC、用于消除复位噪声的CDS等的结构。换句话说，在图1的列信号处理电路5中提供具有ADC、CDS 等的像素信号提取部分，以对应于各垂直信号线9。

图5是图示在列信号处理电路5中提供的像素信号提取部分100的结构例子的框图。在图5的例子中，ADC/CDS部分101和样本保持器(SH)部分102 连接到垂直信号线9。

在图5的像素信号提取部分100中，在时间处在图3的时间(1)时，即在图4的(1)的状态下，复位电平信号N2保持在样本保持器部分102中。

ADC/CDS部分101获得在图3的时间(2)时(即图4的(2)的状态下) 获得的复位电平信号N1和图3的时间(3)(即图4的(3)的状态下)获得的输出信号S1之间的差分，并进行AD转换，从而提取第一像素信号。

此外，ADC/CDS部分101获得在样本保持器部分102中保持的复位电平信号N2和在图3的时间(4)(即图4的(4)的状态下)获得的输出信号S2之间的差分，并进行AD转换，从而提取第二像素信号。

接下来，在列信号处理电路5中，由在像素信号提取部分100的后级提供的选择部分(未示出)选择第一像素信号或第二像素信号中的任意一个信号，然后输出选择出的信号。例如，在列信号处理电路5中，在第一像素信号的值低于预定的阈值时，选择并输出第一像素信号。此外，在第一像素信号的值不低于预定的阈值时，选择并输出第二像素信号。

图6是图示在列信号处理电路5中提供的像素信号提取部分100的结构例子的框图。在图6的例子中，ADC部分111连接到垂直信号线9，并且锁存电路 112-1至112-4连接到ADC部分111。此外，差分计算部分113-1至113-2连接到锁存电路112-1至112-4。

在图6的像素信号提取部分100中，在时间处在图3的时间(1)时，即，在图4的(1)的状态下，复位电平信号N2通过ADC部分111经历AD转换，然后将AD转换后的信号保持在锁存电路112-1中。在时间处在图3的时间(2) 时，即，在图4的(2)的状态下，复位电平信号N1通过ADC部分111经历AD 转换，然后将AD转换后的信号保持在锁存电路112-2中。此外，在时间处于图3的时间(3)时，即，在图4的(3)的状态下，输出信号S1通过ADC部分 111经历AD转换，然后将AD转换后的信号保持在锁存电路112-3中。此外，在时间处于图3的时间(4)时，即，在图4的(4)的状态下，输出信号S2通过ADC部分111经历AD转换，然后将AD转换后的信号保持在锁存电路112-4 中。

差分计算部分113-1计算在锁存电路112-2中保持的复位电平信号N1和锁存电路112-3中保持的输出信号S1之间的差分，然后提取第一像素信号。差分计算部分113-2计算在锁存电路112-1中保持的复位电平信号N2和锁存电路 112-4中保持的输出信号S2之间的差分，然后提取第二像素信号。

图7是图示在列信号处理电路5中提供的像素信号提取部分100的结构例子的框图。在图7的例子中，比较器121连接到垂直信号线9和斜坡信号线19。此外，UD(增减)计数器122-1和UD计数器122-2连接到比较器121。

斜坡信号是其电压随着时间从信号开始点的经过而增加的模拟信号。比较器121将垂直信号线9的电压与斜坡信号线19的电压比较，然后比较器121 将比较结果发送到UD计数器122-1和122-2。UD计数器122-1和122-2基于例如从PLL电路(未示出)等提供的时钟进行减计数(down-counting)和增计数 (up-counting)。更具体地，在垂直信号线9的电压高于斜坡信号线19的电压时，UD计数器122-1和122-2进行时钟的增计数或时钟的减计数。然后，在垂直信号线9的电平和斜坡信号的电压电平之间的大小关系反转时，保持时钟的计数值。

在图7的像素信号提取部分100中，在时间处于图3的时间(1)时，即，在图4的(1)的状态下，UD计数器122-1在复位电平信号N2的电平高于斜坡信号的电平时进行时钟的增计数。然后，在复位电平信号N2的电平和斜坡信号的电平之间的大小关系反转时，保持时钟的计数值。

此外，在时间处于图3的时间(2)时，即，在图4的(2)的状态下，UD 计数器122-2在复位电平信号N2的电平高于斜坡信号的电平时进行时钟的增计数。然后，在复位电平信号N2的电平和斜坡信号的电平之间的大小关系反转时，保持时钟的计数值。

此外，在时间处于图3的时间(3)时，即，在图4的(3)的状态下，UD 计数器122-2在输出信号S1的电平高于斜坡信号的电平时进行时钟的减计数。然后，在输出信号S1的电平和斜坡信号的电平之间的大小关系反转时，保持时钟的计数值。其结果，保持的计数值被设定为对应于输出信号S1和复位电平信号N1之间的差分的值。

因此，由UD计数器122-2提取第一像素信号。

此外，在时间处于图3的时间(4)时，即，在图4的(4)的状态下，UD 计数器122-1在输出信号S2的电平高于斜坡信号的电平时进行时钟的减计数。然后，在输出信号S2的电平和斜坡信号的电平之间的大小关系反转时，保持时钟的计数值。其结果，保持的计数值被设定为对应于输出信号S2和复位电平信号N2之间的差分的值。

因此，由UD计数器122-1提取第二像素信号。

提供上述描述的像素信号提取部分100，因此可以以使用参照图3描述的控制信号获得图4中图示的输出信号S1、输出信号S2、复位电平信号N1和复位电平信号N2的方式来消除复位噪声。

换句话说，根据本技术，可以以由图3中所示的控制信号驱动像素2的方式从各像素中提取第一像素信号和第二像素信号。在这种情况下，根据本技术，如图4的(1)和(2)所示，在电荷从PD传输到FD1和FD2之前获得复位电平信号N2和复位电平信号N1。因此，可获得精确复位电平信号。

接下来，将参照图8的流程图描述由图1的CMOS图像传感器1进行的像素信号输出处理的例子。对以通过选择布线17向选择晶体管Tr4施加脉冲以导通选择晶体管Tr4的方式选择的相应像素2进行本处理。

在步骤S21中，FD1和FD2被连接和复位。此时，通过复位布线18和分离布线16向复位晶体管Tr2和分离晶体管Tr5施加脉冲，以便导通复位晶体管Tr2 和分离晶体管Tr5，因而FD1和FD2被复位在连接状态下。然后，复位晶体管 Tr2被截止。

在步骤S22中，获得并保持复位电平信号N2。

此时，在PD、FD1和FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(1)中。换句话说，分离晶体管Tr5导通，因而FD1和FD2被彼此连接。此外，对应于接收光的量的电荷累积在光电二极管PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3 输出到垂直信号线9的复位电平信号作为N2发送到列信号处理电路5。然后，复位电平信号N2保持在参照图5至7描述的像素信号提取部分100中。

在步骤S23中，FD1和FD2彼此分离。此时，分离布线16的脉冲被降低，因而分离晶体管Tr5被截止。因此，FD1和FD2彼此分离。

在步骤S24中，获得并保持复位电平信号N1。

此时，在PD、FD1和FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(2)中。换句话说，分离晶体管Tr5被截止，因而FD1和FD2被分离。此外，对应于接收光的量的电荷累积在光电二极管PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3输出到垂直信号线9的复位电平信号作为N1发送到列信号处理电路5。然后，复位电平信号N1保持在像素信号提取部分100中。

在步骤S25中，从PD传输电荷。此时，传输布线15的脉冲施加到传输晶体管Tr1，因而传输晶体管Tr1导通，然后截止。因此，电荷从PD传输到FD1。但是，在这种情况下，在PD中累积的电荷的量较大时，电荷也保留在PD中。

在步骤S26中，获得输出信号S1。

此时，PD、FD1和FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(3)中。换句话说，传输晶体管Tr1导通，从而电荷从PD传输到FD1。在本例子中，PD中累积的电荷的量较大，因而电荷也保留在PD中。在此状态下，经由放大晶体管Tr3输出到垂直信号线9的来自FD1的输出信号作为S1发送到列信号处理电路5。

在步骤S27中，像素信号提取部分100通过计算在步骤S24中获得的复位电平信号N1和步骤S26中获得的输出信号S1之间的差分来提取第一像素信号。

在步骤S28中，FD1和FD2被再次连接。此时，脉冲施加到分离布线16，因而分离晶体管Tr5导通。因此，FD1和FD2被再次连接。

在步骤S29中，从PD传输电荷。此时，传输布线15的脉冲施加到传输晶体管Tr1，因而传输晶体管Tr1导通。然后，传输晶体管Tr1截止。其结果，电荷从PD传输到FD1和FD2。

在步骤S30中，获得输出信号S2。

此时，在PD、FD1和FD2中累积的电荷的状态示出在图4的(4)中。换句话说，分离晶体管Tr5导通，因而FD1和FD2彼此连接。此外，传输晶体管 Tr1导通，因而电荷从PD传输到FD1和FD2。在此状态下，经由放大晶体管Tr3 输出到垂直信号线9的来自FD1和FD2的输出信号，作为S2被发送到列信号处理电路5。

在步骤S31中，像素信号提取部分100通过计算在步骤S22中获得的复位电平信号N2和步骤S30中获得的输出信号S2之间的差分来提取第二像素信号。

在步骤S32中，选择在步骤S27的处理中提取出的第一像素信号或在步骤 S31的处理中提取出的第二像素信号两者中的任意一个信号，然后将选择出的信号作为像素的像素信号输出。

此时，在列信号处理电路5中，例如，通过例如提供在像素信号提取部分 100的后级的选择部分(未示出)选择第一像素信号或第二像素信号两者中的任意一个信号，然后输出选择出的信号。例如，在第一像素信号的值低于预定的阈值时，选择并输出第一像素信号。在第一像素信号的值不低于预定的阈值时，选择并输出第二像素信号。

如上述那样进行像素信号输出处理。但是，像素信号输出处理不限于此。可以输出第一像素信号和第二像素信号两者。作为替代，第一像素信号和第二像素信号可以组合为一个信号并可以输出组合信号。

在以上例子中，浮置扩散部分划分成两个部分(FD1和FD2)。但是，本技术能够应用于浮置扩散部分划分成三个部分(FD1、FD2和FD3)的例子。

换句话说，显然通过读出信号三次以使电荷不保留在PD中而能够进行相同的驱动。即，在FD1至FD3连接的状态下复位电平信号N3被读出并且复位电平信号N2和复位电平信号N1被顺序读出。然后，输出信号S1、输出信号S2 和输出信号S3被顺序读出。随后，通过N3和S3之间的差分可以消除复位噪声，通过N2和S2之间的差分可以消除复位噪声，而通过N1和S1之间的差分可以消除复位噪声。

以类似的方式，本技术能够应用于将浮置扩散部分划分成四部分或更多部分的例子。

本技术的应用不限于例如CMOS图像传感器的固态成像元件。即，本技术能够应用于将固态成像元件用于图像捕获部分(光电转换部分)的普通电子设备，例如，成像装置(比如数码相机和摄像机)、具有成像功能的移动终端设备以及将固态成像元件用于图像读取部分的复印机。固态成像元件可以具有单芯片结构或可以具有将多芯片彼此层叠或彼此相邻配置的结构。固态成像元件可以具有将成像部分和信号处理部分或光学系统封装并具有成像功能的模块形状。

图9是图示作为应用本技术的电子设备的成像装置的结构例子的框图。

图9的成像装置600包括由透镜组等构成的光学部分601、应用上述像素2 的结构的固态成像元件(成像器件)602以及作为相机信号处理电路的DSP电路603。此外，成像装置600包括帧存储器604、显示器605、记录部分606、操作部分607以及电源部分608。DSP电路603、帧存储器604、显示器605、记录部分606、操作部分607以及电源部分608通过总线609相互连接。

光学部分601捕获来自目标的入射光束(图像光束)并在固态成像元件602 的成像表面上形成图像。固态成像元件602将由光学部分601在成像表面上形成图像的入射光束的量逐个像素地变换成电信号。然后，固态成像元件602 输出电信号作为像素信号。根据上述实施例的固态成像元件(诸如CMOS图像传感器1)，即通过全局曝光(全局曝光)能够无失真地进行成像的固态成像元件，可以用作固态成像元件602。

显示器605由平板型显示设备(诸如液晶板和有机电致发光(EL)板) 构成。显示器605显示由固态成像元件602成像的运动图像或静止图像。记录部分606在记录介质(诸如录像带和数字通用盘(DVD))中记录由固态成像元件602成像的运动图像或静止图像。

操作部分607基于用户的操作发送有关成像装置600的各种功能的操作指令。电源部分608向提供目标适当地提供作为DSP电路603、帧存储器604、显示器605、记录部分606和操作部分607的操作电源的各种电源。

根据如上所述的实施例的CMOS图像传感器1用作固态成像元件602，因此可在提取第一像素信号时和提取第二像素信号时这两种情况下，精确地消除复位噪声，而不用执行信号的加法。因此，可实现由安装在例如摄像机、数码相机或用于移动设备(诸如移动电话)的相机模块中的成像装置600捕获的图像的高质量。

此外，在上述实施例中，例示了使用CMOS图像传感器的情况，在该情况下，CMOS图像传感器通过作为物理量检测对应于可见光束的量的信号电荷并排列成行和列的单位像素构成。但是，本技术不限于应用于CMOS图像传感器。本技术能够应用于普通的列型固态成像元件，在列型固态成像元件中列处理部分提供给像素阵列部分的各像素行。

此外，本技术的应用不限于检测入射的可见光束的量的分布并捕获它作为图像的固态成像元件。本技术能够应用于捕获入射的红外线光束、X光、粒子的量的分布作为图像的固态成像元件。此外，在广义上，本技术能够应用于检测其他类型的物理量(诸如例如压力和静电容)的分布并捕获它作为图像的普通固态成像元件(物理量分布检测设备)，诸如指纹检测传感器。

本技术的实施例不限于上述实施例，只要不脱离本技术的范围，就能够做出各种改进。

此外，本技术也可以如下构成。

(1)

一种固态成像元件，包括：

排列了多个像素的像素区域，

所述像素包括：

光电转换部分，其执行光电转换；

传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；

多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；

复位部分，其复位所述多个检测部分；

连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及

输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号，

其中，在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号，并且

其中由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，而由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

(2)

(1)中公开的固态成像元件，

其中基于所述第一像素信号的电平来选择所述第一像素信号或所述第二像素信号中的任意一个信号，并且

其中所述选择出的第一像素信号或所述选择出的第二像素信号作为关联于所述像素的像素信号输出。

(3)

(1)或(2)中公开的固态成像元件，

其中所述像素被排列成二维矩阵形状，并且

其中由与所述像素的各行对应排列的差分计算部分计算从所述输出部分输出的信号的差分。

(4)

(1)至(3)中任意一项公开的固态成像元件，

其中所述像素被排列成二维矩阵形状，并且

其中由与所述像素的各行对应排列并由具有样本保持器的相关双采样 (CDS)电路构成的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

(5)

(1)至(3)中任意一项公开的固态成像元件，

其中所述像素被排列成二维矩阵形状，并且

其中由与所述像素的各行对应排列并具有保存所述连接状态复位电平信号、所述分离状态复位电平信号、所述分离状态输出信号以及所述连接状态输出信号的锁存电路的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

(6)

(1)至(3)中任意一项公开的固态成像元件，

其中所述像素被排列成二维矩阵形状，并且

其中由与所述像素的各行对应排列并具有在一个方向上计数所述连接状态复位电平信号的电平而在另一个方向上计数所述连接状态输出信号的电平的第一增减计数器和在一个方向上计数所述分离状态复位电平信号的电平而在另一个方向上计数所述分离状态输出信号的电平的第二增减计数器的差分计算部分，计算从所述输出部分输出的信号的差分。

(7)

一种具有排列了多个像素的像素区域的固态成像元件的驱动方法，其中所述像素包括：光电转换部分，其执行光电转换；传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；复位部分，其复位所述多个检测部分；连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号，该方法包括：

在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号；并且

由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

(8)

一种电子设备，包括：

具有排列了多个像素的像素区域的固态成像元件，

其中所述像素包括：

光电转换部分，其执行光电转换；

传输部分，其从所述光电转换部分传输电荷；

多个检测部分，其检测由所述传输部分传输的电荷；

复位部分，其复位所述多个检测部分；

连接/分离控制部分，其控制所述多个检测部分的连接和分离；以及

输出部分，其输出与所述检测部分的电位对应的信号，

其中，在所述连接/分离控制部分连接所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出连接状态复位电平信号和连接状态输出信号，而在所述连接/分离控制部分分离所述多个检测部分的状态下，所述输出部分输出分离状态复位电平信号和分离状态输出信号，并且

其中由所述连接状态复位电平信号和所述连接状态输出信号之间的差分生成第一像素信号，而由所述分离状态复位电平信号和所述分离状态输出信号之间的差分生成第二像素信号。

标号描述

1 CMOS图像传感器

2 像素

3 像素区域

4 垂直驱动电路

5 列处理电路

7 输出电路

8 控制电路

9 垂直信号线

11 半导体衬底

12 输入/输出端子

100 像素信号提取部分

101 ADC/CDS部分

102 样本保持器部分

111 ADC部分

112-1至112-4 锁存电路

113-1、113-2 差分计算部分

121 比较器

122-1、122-2 增减计数器