本发明涉及，固体摄像装置，尤其涉及利用雪崩光电二极管等的电子倍增型光电转换元件的固体摄像装置。
背景技术：
近几年，提出了将包含雪崩光电二极管的像素电路配置为阵列状的固体摄像装置的方案。雪崩光电二极管，施加击穿电压以上的电压，从而能够对入射光子被光电转换而生成的电荷进行电子倍增，能够获得振幅大的输出信号。因此，适于光子数少的环境下的摄像。另一方面，在光子数多的环境下输出信号饱和，因此，存在的课题是，即使在多个光子入射的情况下，也不能获得输出信号的模拟灰度。
作为解决所述课题的一个手段，提出了图15的多模式光检测器的方案(专利文献1)。
图15的多模式光检测器具备：被施加电压vb来驱动的雪崩光电二极管pd；由读出雪崩光电二极管pd的电压的第一源极跟随晶体管m92以及第一开关晶体管m93构成的第一输出电路910；以及由与第一源极跟随晶体管m92的一端连接的电容c、读出电容c的电压的第二源极跟随晶体管m94以及第二开关晶体管m95构成的第二输出电路920。
简单地说明图15的多模式光检测器的工作的特征。
[电荷储存模式]
在电压vb为雪崩光电二极管的击穿电压以下的情况下，雪崩光电二极管中生成与入射光子数成比例的电荷，输出信号vx从由第一源极跟随晶体管m92以及第一开关晶体管m93构成的第一输出电路910输出。将该工作设为电荷积蓄模式。
[光子计数模式]
在电压vb为雪崩光电二极管的击穿电压以上的情况下，雪崩光电二极管中生成入射光子数倍增的电荷，第一源极跟随晶体管m92成为导通状态。电容c预先积蓄的电荷经由源极跟随晶体管m92放电一定量。也就是说，按每个光检测事件，从电容c放电一定量的电荷，在一定期间后，输出信号vtac从由第二源极跟随晶体管m94以及第二开关晶体管m95构成的第二输出电路920输出。将该工作设为光子计数模式。
如上所述，通过组合电荷积蓄模式和光子计数模式，从而能够与广泛的入射光子数对应，进行广泛的环境下的摄像。
并且，图中没有示出，但是，还举出专利文献1的第一源极跟随晶体管m92中以串联追加晶体管，从而对光子计数模式时的放电电荷进行控制的方法(专利文献2)。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：美国专利第8822900号说明书
专利文献2：美国专利申请公开第2014/0124653号说明书
然而，专利文献1的以往例，需要电荷积蓄模式的输出电路910和光子计数模式的输出电路920，因此，像素电路尺寸变大，像素数增加时成为课题。并且，在专利文献1、2的以往例的光子计数模式中，也存在构成晶体管数多，像素电路变大的课题。
技术实现要素：
根据该发明的一个局面，固体摄像装置具备像素阵列，该像素阵列将多个像素电路配置成矩阵状而被形成，所述多个像素电路分别具有：光电转换元件，在偏置端子与第一节点之间由光电转换来生成电荷，并且，按照经由所述偏置端子和所述第一节点施加的偏置电压，使所述电荷倍增；传输电路，按照第一控制信号，将所述第一节点与第二节点电连接；复位电路，按照第二控制信号，向所述第二节点施加复位电压；输出电路，按照第三控制信号，读出所述第二节点的电压；以及模拟存储器，按照第四控制信号，与所述第二节点电连接。
根据这样的结构，能够由电荷积蓄模式和光子计数模式，共享所述输出电路。据此，能够削减像素电路的结构元件数，能够实现像素电路面积削减以及像素数多的固体摄像装置的开发。
并且，也可以是，根据该发明的其他的局面，所述固体摄像装置还具备控制电路，所述控制电路生成所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号、以及向所述偏置端子施加的偏置端子电压，所述控制电路，在由所述光电转换元件使所述电荷倍增的驱动中，按每个光检测事件将由所述光电转换元件倍增的所述电荷，从所述模拟存储器经由所述传输电路补充到所述光电转换元件，所述输出电路，所述补充的前后各自所述模拟存储器积蓄着电荷应对所述第二节点电压读出。
根据这样的结构，例如，将由雪崩光电二极管构成的所述光电转换元件生成的电荷，由预先积蓄的模拟存储器直接向所述光电转换元件补充。因此，与现有技术的周知的电路结构不同，不另外追加放电用的控制晶体管也能够控制微量的电荷量，能够实现像素电路面积以及像素数多的固体摄像装置的开发。反复进行所述工作，从而能够将光子的入射事件数转换为模拟存储器的电压来进行光子计数。
并且，也可以在雪崩光电二极管的一端具备，以所希望的偏压能够钳位的二极管以及双极晶体管、电阻等的箝位电路。据此，在雪崩光电二极管进行电子倍增时，能够将雪崩光电二极管的一端的电压设定为所希望的偏压，能够控制光子计数时的模拟灰度。
并且，通过位于雪崩光电二极管与模拟存储器之间的晶体管的驱动方法，能够进行两种光子计数模式驱动。也就是说，能够进行按照光子的入射事件进行光子计数的事件驱动型光子计数模式驱动、以及与按每一定期间活化的控制信号同步进行光子计数的脉冲控制型光子计数模式驱动。
并且，具有多个模拟存储器，从而能够变更光子计数的动态范围，能够进行适于环境的摄像。
并且，根据该发明的其他的局面，所述控制电路进行全局复位、全局曝光、滚动读出以及全局传输，在所述全局复位中，将被配置在多个行的多个像素电路的所述第一节点一并设定为初始电压，在所述全局复位后，在所述全局曝光中，在同一期间由所述多个像素电路的所述光电转换元件进行光电转换，在进行所述全局曝光的同时，在所述滚动读出中，按每个行读出与先前帧中由所述多个像素电路的所述模拟存储器积蓄的电荷对应的所述第二节点的电压，在所述滚动读出后，在所述全局传输中，将当前帧中由所述多个像素电路的所述第一节点积蓄的电荷一并传输到所述模拟存储器。
根据这样的结构，将所述模拟存储器作为暂时的保持存储器来使用，从而能够进行全局电子快门摄像。
并且，以多个行或全行一并进行，复位雪崩光电二极管的电压、进行曝光、将雪崩光电二极管生成的电荷传输到模拟存储器的一连串的工作，以当前帧按每一行读出先前帧中保持的模拟存储器的电压，从而看上去，能够删除读出时间，能够抑制帧率的降低。
根据本发明的固体摄像装置，能够由电荷积蓄模式和光子计数模式，共享输出电路，从而能够削减像素电路的结构元件数，能够实现像素电路面积削减以及像素数多的固体摄像装置的开发。
附图说明
图1是示出实施例1涉及的像素电路的结构的一个例子的电路图。
图2a是示出实施例1涉及的电荷积蓄模式驱动的一个例子的时序图。
图2b是示出实施例1涉及的像素电路的电荷积蓄模式驱动的等效的电路的电路图。
图3a是示出实施例1涉及的脉冲控制型光子计数模式驱动的一个例子的时序图。
图3b是示出实施例1涉及的像素电路的脉冲控制型光子计数模式驱动的等效的电路的电路图。
图4a是示出实施例1涉及的事件驱动型光子计数模式驱动的一个例子的时序图。
图4b是示出实施例1涉及的事件驱动型光子计数模式驱动的应用例的时序图。
图5是示出实施例1涉及的专门光子计数模式驱动的像素电路的结构的一个例子的电路图。
图6是示出实施例1涉及的多模式驱动的一个例子的时序图。
图7是示出实施例1涉及的适用于多模式驱动的信号处理电路的一个例子的电路图。
图8a是示出实施例1涉及的光子数与信号的关系的一个例子的图表。
图8b是示出实施例1涉及的光子数与信号的关系的一个例子的图表。
图8c是示出实施例1涉及的光子数与信号的关系的一个例子的图表。
图9a是示出实施例1的变形例涉及的像素电路的结构的一个例子的电路图。
图9b是示出实施例1的变形例涉及的像素电路的结构的一个例子的电路图。
图10a是示出实施例1涉及的像素阵列以及偏置开关的结构的一个例子的框图。
图10b是示出实施例1涉及的像素阵列以及偏置开关的结构的一个例子的框图。
图11是示出该发明的实施例2的像素阵列以及缓冲器的结构的框图。
图12是该发明的实施例2的工作波形。
图13是该发明的实施例2的工作图形。
图14是该发明的实施例3的固体摄像装置的框图。
图15是示出现有技术涉及的多模式光检测器的结构的一个例子的电路图。
具体实施方式
以下，对于该本发明的实施例，参照附图进行详细说明。而且，在图中对同一或相当部分附上同一符号，以后不重复其说明。并且，会有以同一符号示出同一图中的电短路的部分(节点)的情况。
(实施例1)
<像素电路结构>
图1是示出像素电路100的结构的一个例子的电路图。在像素电路100中，将雪崩光电二极管作为光电转换元件利用。
像素电路100，由受光部101、传输电路102、复位电路103、输出电路104、以及模拟存储器105构成。
受光部101，由因偏置端子电压vapd和节点npd的初始电压，而被施加电压vpd的雪崩光电二极管pd构成。
传输电路102，由将因雪崩光电二极管pd的光电转换而在节点npd生成的电荷，按照控制信号tg传输到浮置扩散区域nfd(以后，简称为fd区域)的传输晶体管m1构成。
复位电路103，由按照控制信号rst，对fd区域nfd、节点npd以及节点nc的全部、或任一个有选择地提供复位电压vrst来复位的复位晶体管m2构成。
输出电路104，由被施加读出电压vrd、按照fd区域nfd的电荷量进行电流放大的源极跟随晶体管m3、以及按照控制信号sel将输出信号sout输出的开关晶体管m4构成。
模拟存储器105，由开关晶体管m5按照控制信号mct被控制，具有与fd区域nfd成为电导通状态的节点nc的电容c1构成。
在此，作为一个例子，将像素电路100中利用的所有的晶体管设为n型晶体管，若施加到各个晶体管的栅极的控制信号为h，则晶体管成为导通状态，若l则成为非导通状态。
在如上构成的像素电路100中，节点npd以及节点nfd分别是第一节点以及第二节点的一个例子。并且，控制信号tg、控制信号rst、控制信号sel、以及控制信号mct分别是，第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、以及第四控制信号的一个例子。
而且，图中没有示出，但是，作为一个例子，雪崩光电二极管也可以，p区域(阳极)与偏置端子连接，n区域(阴极)与节点npd连接，向偏置端子电压vapd施加负电压，从而进行光电转换。在通过本连接进行光电转换的情况下，在节点npd生成作为电荷的电子。因此，电压电平从节点npd的初始电压降低，从而获得光响应的信号。
作为另一个例子，存在n区域(阴极)与偏置端子连接，p区域(阳极)与节点npd连接，向偏置端子电压vapd施加正电压，从而进行光电转换的雪崩光电二极管。在此情况下，通过进行光电转换，从而在节点npd生成作为电荷的空穴，节点npd的初始电压电平变高，从而获得光响应的信号。
与雪崩光电二极管的器件结构无关，而能够适用像素电路100的结构。
<电荷积蓄模式驱动方法>
接着，参照图2a以及图2b，简单地说明图1示出的像素电路100的电荷积蓄模式驱动。
图2a是示出电荷积蓄模式驱动的一个例子的时序图。
图2b是示出像素电路100的电荷积蓄模式驱动的等效的电路的电路图。
作为一个例子，假设读出电压vrd＝vdd(vdd为电源电压)、复位电压vrst＝vrs、偏置端子电压vapd＝－va施加到像素电路100。假设－va是0v以下的负电压，在施加－va时，电压vpd是比雪崩光电二极管的击穿电压小的电压，光电转换后生成的电荷不被电子倍增。
并且，为了将模拟存储器105与fd区域nfd的电连接切断，而在电荷积蓄模式驱动方法中，将控制信号mct总是设定为l。据此，节点nc被维持为浮置状态hiz。在图2b中，以模拟存储器105内的虚线表示该状态。
〔时刻t0(初始状态)：曝光〕
在时刻t0，控制信号sel以及rst分别被设定为l，fd区域nfd成为浮置状态hiz。并且，控制信号tg也被设定为l，成为曝光期间。由雪崩光电二极管生成的电荷(电子)积蓄到节点npd，节点npd的电位降低。
〔时刻t1：复位电压读出〕
在时刻t1，控制信号rst成为h，从而fd区域nfd被设定为复位电压vrs。并且，控制信号sel也被设定为h，由源极跟随晶体管m3，理想地输出vrs－vtm3(vtm3为源极跟随晶体管m3的阈值电压)，以作为输出信号sout。
〔时刻t2：信号电压读出〕
在时刻t2，控制信号rst成为l，控制信号tg成为h。据此，雪崩光电二极管pd进行光电转换，从fd区域nfd传输节点npd所积蓄的电荷。通过传输电荷，节点npd的电压从vph初始化为vinit，fd区域nfd的电压从vrs降低到vdat。据此，理想地输出vdata－vtm3，以作为输出信号sout。
获得输出信号的差分电压(vdat－vtm3)－(vrs－vtm3)＝(vdat－vrs)，以作为由光电转换生成的光检测信号。
〔时刻t4：曝光〕
在时刻t4，控制信号sel以及rst分别被设定为l，fd区域nfd成为浮置状态hiz。并且，控制信号tg也被设定为l，成为曝光期间，返回到时刻t0的状态。
<光子计数模式驱动方法：脉冲控制型>
接着，参照图3a以及图3b，简单地说明图1所示的像素电路100的脉冲控制型光子计数模式驱动。
图3a是示出脉冲控制型光子计数模式驱动的一个例子的时序图。
图3b是示出像素电路100的脉冲控制型光子计数模式驱动的等效的电路的电路图。
作为一个例子，假设读出电压vrd＝vdd、复位电压vrst＝vrs、偏置端子电压vapd＝－vb施加到像素电路100。假设－vb是比－va低的负电压，在施加－vb时，电压vpd是比雪崩光电二极管的击穿电压大的电压，光电转换后生成的电荷被电子倍增。
在光子计数模式中，对控制信号mct进行脉冲控制，从而将模拟存储器105与fd区域nfd电连接(图3b)以及切断(图2b)。
〔时刻t0(初始状态)：读出后的复位〕
在时刻t0，控制信号rst、mct以及tg分别被设定为h，从而fd区域nfd以及节点nc被设定为复位电压vrs，节点npd被设定为初始电压vinit(会有初始电压由器件结构决定，成为与复位电压vrs等效的情况)。
〔时刻t1：曝光〕
在时刻t1，控制信号rst以及tg被设定为l，从而成为曝光状态。此时，节点nc保持复位电压vrs，节点npd保持初始电压vinit。
〔时刻t2：第一次的光子检测〕
在时刻t2，假设光子入射到雪崩光电二极管。入射的光子由雪崩光电二极管光电转换后，被电子倍增，在节点npd生成电荷δqph＝(vinit－vph)·capd。在此，vph是电子倍增后的节点npd的电压，capd是节点npd具有的电容。据此，节点npd的电压从初始电压vinit降低到vph。
〔时刻t3：第一次的光子计数〕
在时刻t3，将控制信号tg设定为h。控制信号mct也被设定为h，因此，模拟存储器105(电容c1)的节点nc与雪崩光电二极管fd的节点npd成为电导通状态。据此，在时刻t2由节点npd生成的电荷δqph，由电容c1预先积蓄的节点nc的电荷直接补充，在补充完成时电荷的移动自动结束。
结束时刻的节点npd，从vph被设定为初始电压vinit，节点nc从复位电压vrs成为电压vnc1(＝vrs－(vinit－vph)·capd/(c1的电容))。
如上所述，与控制信号tg同步，按照雪崩光电二极管fd的光子的入射事件，雪崩光电二极管fd生成的电荷，由模拟存储器105直接补充，据此，模拟存储器105的节点nc的电位逐渐变化。据此，能够将光子的入射事件转换为模拟存储器105的节点nc的电压变化。将该工作，设为脉冲控制型光子计数模式驱动。
〔时刻t4：曝光〕
在时刻t4，将控制信号tg设定为l，从而保持模拟存储器105的节点nc的电压vnc1，再次成为曝光期间。
〔时刻t5：第二次的光子检测〕
在时刻t5，处于光子入射到雪崩光电二极管光子的状态，与时刻t2同样，由雪崩光电二极管在节点npd生成电子倍增后的电荷δqph，节点npd成为电压vph。
〔时刻t6：第二次的光子计数〕
在时刻t6，控制信号tg被设定为h，从而雪崩光电二极管的节点npd所积蓄的电荷δqph，由模拟存储器105(电容c1)的节点nc直接补充。在补充完成时电荷的移动自动结束。
结束时刻的节点npd，从vph被设定为初始电压vinit，节点nc从第一次的光子计数时的电压vnc1成为vnc2(＝vnc1－(vinit－vph)·capd/(c1的电容))，进行与时刻t3同样的工作。
据此，每当控制信号tg的h转移时进行如下工作，即，若有光子的入射事件，则模拟存储器105的节点nc的电压，降低δvcount＝(vinit－vph)·capd/(c1的电容)。
反复进行控制信号tg的脉冲控制，从而反复进行光子计数模式驱动，并且，能够根据曝光期间内的控制信号的tg脉冲次数，调整光子计数次数的最大值。因此，也能够调整输出信号sout的模拟灰度。
〔时刻t7：曝光〕
在时刻t7，将控制信号tg设定为l，从而保持模拟存储器105的节点nc的电压vnc2，再次成为曝光期间，成为与时刻t4同样的工作。
如此，反复进行曝光〔时刻t1〕、光子检测〔时刻t2〕、与控制信号tg对应的直接的电荷补充工作、伴随于它的模拟存储器105的节点nc的电压变化〔时刻t3〕、以及曝光〔时刻t4〕，从而执行脉冲控制型光子计数模式驱动。
〔时刻t8：复位电压读出〕
在时刻t8，将控制信号mct设定为l，保持模拟存储器105(电容c1)的节点nc的电压vnc2。将控制信号rst设定为h，从而将fd区域nfd设定为复位电压vrs。控制信号sel被设定为h，因此，由源极跟随晶体管m3理想地输出vrs－vtm3。
〔时刻t9：信号电压读出〕
在时刻t9，将控制信号rst设定为l，将控制信号mct设定为h，从而fd区域nfd被设定为，与模拟存储器105(电容c1)的节点nc相同电位vnc2。控制信号sel被设定为h，因此，由源极跟随晶体管m3输出vnc2－vtm3。
能够根据复位电压与信号电压的差电压(vrs－vtm3)－(vnc2－vtm3)＝(vrs－vnc2)，检测光子的入射事件次数。
〔时刻t10：读出后的复位〕
在时刻t10，控制信号rst、mct、tg分别被设定为h，从而fd区域nfd以及节点nc被设定为复位电压vrs，节点npd被设定为初始电压vinit。返回到时刻t0的状态。
<其他的光子计数模式驱动方法：事件驱动型>
接着，参照图4a，简单地说明图1示出的像素电路100的事件驱动型光子计数模式驱动。事件驱动型光子计数模式驱动是，光子计数模式驱动的另一个例子。
图4a是示出事件驱动型光子计数模式驱动的一个例子的时序图。在事件驱动型光子计数模式驱动中，若检测光子的入射事件，据此，则发生由模拟存储器105的节点nc的直接的电荷补充以及电压变化，进行光子计数工作。
与图3a的变更点是，将曝光期间、控制信号tg设定为一定的电压vtg(电压vtg也可以与h时的电压相同电位)。据此，相对于图3a示出的脉冲控制型光子计数模式驱动，〔时刻t2〕至〔时刻t8〕的曝光期间的工作改变，因此，以下简单地说明变更点。
〔时刻t2：曝光，第一次的光子检测，以及光子计数〕
假设在时刻t2，光子入射到雪崩光电二极管。
入射的光子由雪崩光电二极管光电转换后，电子倍增后的电荷积蓄到节点npd，电压降低到vph。节点npd的电压降低数百毫伏，从而电压vpd变小并成为击穿电压以下，电子倍增结束。
另一方面，根据生成后的电荷δqph，节点npd的电压开始从初始电压vinit降低，从而传输晶体管m1开始使亚阈值电流流动，fd区域nfd的电压开始降低。同样，fd区域nfd的电压开始降低，从而开关晶体管m5开始使亚阈值电流流动，模拟存储器105的的节点nc的电压开始降低。
在节点npd的电压成为初始电压vinit，模拟存储器105的电压降低δvcount＝(vinit－vph)·capd/(c1的电容)时，电荷的补充结束，节点nc的电压成为vnc1＝(vrs－δvcount)，再次返回到曝光期间。
如上所述，进行一连串的工作，即，由光子而发生入射事件，从而在雪崩光电二极管pd生成的电荷δqph，由模拟存储器105的节点nc的电荷直接补充，并且，理想地使模拟存储器105的节点nc的电压降低δvcount，再次返回到曝光期间。将该工作，设为事件驱动型光子计数模式驱动。
〔时刻t5：曝光，第二次的光子检测，以及光子计数〕
与时刻t2同样，若由光子而发生入射事件，则在雪崩光电二极管pd生成的电荷δqph，由模拟存储器105的节点nc的电荷直接补充，并且，理想地使模拟存储器105的节点nc的电压降低δvcount＝(vinit－vph)·capd/(c1的电容)，节点nc的电压成为vnc2＝(vnc1－δvcount)，再次返回到曝光期间。
〔时刻t8:复位电压读出期间〕
时刻t8以后为，与图3a的工作同样的工作，因此，省略说明。
<事件驱动型光子计数模式驱动的应用例>
图4b是示出图4a的事件驱动型光子计数模式驱动的应用例的时序图，示出配置在多个行的像素电路100的工作的一个例子。图4b的时刻t0至t8示出，与图4a相同的时刻，在所有的行的像素电路100进行与所述同样的工作。并且，时刻tread是，图4a的read期间的工作，按每一行读出数据。
利用图4b简单地说明工作。
在时刻ts，光源向对象物发光。
在时刻t0，将全行的像素电路100复位。
在时刻t1至t8，由全行的像素电路100，进行事件驱动型光子计数模式驱动。光源脉冲，优选的是一定时间活化的矩形波或反复脉冲。对象物的距离越近光子的入射事件次数就越多，因此，按照每光子的入射事件的模拟存储器105的电压变化量δvcount降低。时刻t8以后，按每一行读出数据。能够根据输出信号sout的电压电平，测量到对象物的距离。
如上所述，在事件驱动型光子计数模式驱动中，每当在雪崩光电二极管发生光子的入射事件时，模拟存储器105的电压发生变化。据此，能够不驱动控制信号tg而进行光子计数工作，能够将光子的入射事件次数转换为模拟存储器105的节点nc的电压电平来检测。
<专门光子计数模式驱动的像素电路>
图5是示出专门光子计数模式驱动的像素电路150的结构的一个例子的电路图。
像素电路100也可以，仅专门光子计数模式，仅进行脉冲控制型光子计数或事件驱动型光子计数，而不执行电荷积蓄模式。在此情况下，根据所述的说明，为了进行光子计数而最低限度需要的元件是，雪崩光电二极管pd、传输晶体管m1、以及模拟存储器105中的电容c1。
在不进行电荷积蓄模式驱动的情况下，电容c1也可以，与fd区域nfd不断连接。于是，专门光电计数模式驱动的像素电路150被构成为，从像素电路100中省略开关晶体管m5。
<多模式驱动方法>
接着，参照图6，简单地说明图1示出的像素电路100的多模式驱动。
图6是示出多模式驱动的一个例子的时序图。多模式驱动，与图2a的电荷积蓄模式驱动以及图3a的光子计数模式驱动相比，不同之处是，不是按每个模式独立读出由各个模式获得的数据，而是在光子计数模式驱动之后，进行电荷积蓄模式驱动，然后，连续读出光子计数中积蓄的数据和电荷积蓄中积蓄的数据。
简单地总括所述的工作。
〔时刻t0：复位〕
复位受光部101的雪崩光电二极管、以及模拟存储器105。
〔时刻t1至t8：脉冲控制型光子计数模式驱动〕
进行脉冲控制型光子计数模式驱动。向雪崩光电二极管施加击穿电压以上，在模拟存储器105积蓄光子计数后的数据。
〔时刻t8：复位〕
复位雪崩光电二极管。
〔时刻t9至t10：电荷积蓄模式驱动〕
进行电荷积蓄模式驱动。向雪崩光电二极管施加击穿电压以下，在节点npd积蓄电荷积蓄模式的数据。
〔时刻t10至t12：第一次的读出〕
进行第一次的读出。使传输晶体管m1成为导通状态，将电荷积蓄模式的数据从节点npd作为输出信号sout(电荷积蓄模式)读出。
〔时刻t12至t14：第二次的读出〕
进行第二次的读出。使开关晶体管m5成为导通状态，将光子计数模式的数据从模拟存储器105作为输出信号sout(光子计数模式)读出。
〔时刻t14:读出后的复位〕
复位雪崩光电二极管以及模拟存储器105，返回到时刻t0的状态。
在以上的多模式驱动方法中，在向模拟存储器105积蓄数据的光子计数模式驱动之后进行电荷积蓄模式驱动，连续读出由两个模式获得的数据，从而能够在也抑制电路噪声的影响的状态下，容易对两个模式的数据进行运算。
以下，说明数据运算的具体例以及用于它的电路。
图7是示出，用于对图6的多模式驱动中，由电荷积蓄模式以及脉冲控制型光子计数模式分别读出的输出信号sout进行的运算电路200的一个例子的电路图。
运算电路200，由列增益电路210和cds(相关双采样)及合成电路220构成。
列增益电路210，由与输出信号sout连接的电容ca、反相器inv、与反相器inv并联连接的电容cb、cc、开关sw1至sw4构成。
能够将从列增益电路210输出的信号siga，表示为siga＝(ca/cg)·(sout的电压变化量)。在此，cg，在开关sw3的非导通状态下，按照开关sw2，被切换为cb的电容、cb与cc的合成电容的任一个。也就是说，列增益电路210的增益被切换为至少两个阶段。
并且，cds及合成电路220，相对于来自列增益电路210的信号siga，在读出复位电压时，使sw5成为导通状态，将信号sigb固定为恒压vb2。并且，在电荷积蓄模式以及光子计数模式中读出各个模式的信号siga时，使sw5成为非导通状态且使sw6成为导通状态，从而合成两个模式的信号电压。而且，能够将复位电压与合成后的信号电压的差分电压积蓄到电容ce。
如此，运算电路200，计算电荷积蓄模式以及光子计数模式各自的信号siga的负荷和。
如上构成的信号处理电路200，如下驱动。
使sw7成为导通状态，将信号sigc固定为恒压vrd，将sw7设定为非导通状态。
读出电荷积蓄模式的输出信号sout，向电容ce积蓄信号电荷。
读出光子计数模式的输出信号sout，向电容ce追加并积蓄信号电荷。
图8a、图8b、图8c分别是示出光子数和信号sigc的关系的一个的图表，图8a表示仅由光子计数模式的情况，图8b表示仅由电荷积蓄模式的情况，以及图8c表示合成电荷积蓄模式以及光子计数模式的输出信号sout的情况。
在图8c中，
光子计数模式(虚线的左侧)以及电荷积蓄模式(虚线的右侧)的信号sigc的倾斜度是，由列增益电路210进行增益调整来能够独立调整的。
如上所述，切换两个模式来连续曝光，将第一模式的信号电荷积蓄在模拟存储器105，将第二模式的信号电荷积蓄在雪崩光电二极管。对于数据的读出，也切换两个模式来连续读出。例如，第二模式的信号电荷由输出电路读出，然后连续，第一模式的信号电荷由输出电路读出。
而且，在读出各个模式的信号电荷时也可以，在读出信号电荷之前或之后将复位电压与信号电荷一起读出。
并且，读出顺序也可以是，先读出第一模式的信号电荷之后，读出第二模式的信号电荷。
如此，在雪崩光电二极管pd和像素电路100内的模拟存储器105积蓄各个模式的信号电荷，连续读出两个模式的信号，从而能够不利用帧存储器，而对数据进行运算。
而且，对于数据的运算，能够在列电路等的固体摄像装置内执行，但是，也可以在固体摄像装置外设置线缓冲器来进行运算。
以下，说明像素电路100的变形例。
<雪崩光电二极管的钳位功能>
图9a的像素电路500是，像素电路100的变形例。
除了像素电路100以外，还在雪崩光电二极管pd的节点npd具备，能够施加钳位电压vclp的箝位电路clp。
在由雪崩光电二极管的光子计数模式驱动时，节点nfd从初始电压降低到vph。在像素电路100的情况下，由传输晶体管m1的扩散二极管钳位。在像素电路500中，设置箝位电路clp，从而能够设定电压vph的电压电平。对于箝位电路clp，也可以设置作为器件的二极管以及双极晶体管，也可以设置作为电子电路的二极管等。
能够任意设定钳位电压vclp，因此，能够将光子的入射事件时的模拟存储器105的电压变动δvcount＝(vinit－vph)·capd/(c1的电容)设定为δvcount＝(vinit－vclp)·capd/(c1的电容)，能够变更模拟灰度，能够进行最佳的摄像。
<由多个电容构成的模拟存储器>
图9b的像素电路550是，像素电路100的变形例。
与像素电路100的变更点是，模拟存储器106，由电容c1、c2以及开关晶体管m5、m6构成。
据此，能够将光子的入射事件时的模拟存储器106的电压变动设为δvcount＝(vinit－vph)·capd/csum。在此，对于csum，按照控制信号mct1、mct2，设为c1的电容、c2的电容、以及c1与c2的合成电容的任一个。其结果为，能够变更光子计数的动态范围，能够进行适于环境的摄像。也就是说，能够变更模拟灰度，能够进行最佳的摄像。
<雪崩光电二极管的偏置电压切换>
接着，说明为了进行电荷积蓄模式驱动(图2a)和光子计数模式驱动(图3a，图4a)而切换雪崩光电二极管的偏置电压的电路。
图10a是示出固体摄像装置600a的功能结构的一个例子的框图。固体摄像装置600a，由像素阵列601、row电路651、column电路652、以及偏置开关650构成。像素阵列601是，将多个像素电路100配置为矩阵状而成的。row电路651，向各个行的像素电路100提供各种控制信号。column电路652，对来自各个列的像素电路100的输出信号进行处理。偏置开关650，将电压－va、－vb的任一个有选择地作为偏置端子电压vapd输出。
在固体摄像装置600a中，将由偏置开关650选择的电压－va、－vb的一方作为偏置端子电压vapd，经由row电路651，提供到各个行的像素电路100的雪崩光电二极管。电压－va、－vb的一方是与节点npd的初始电压vinit的差比雪崩光电二极管的击穿电压小的电荷积蓄模式用，另一方是该差比该击穿电压大的光子计数模式用。
图10b是示出固体摄像装置600b的功能结构的一个例子的框图。固体摄像装置600b，由像素阵列601、row电路653、以及column电路652构成。像素阵列601是，将多个像素电路100配置为矩阵状而成的。row电路653，具有偏置开关650，向各个行的像素电路100提供各种控制信号。column电路652，对来自各个列的像素电路100的输出信号进行处理。
在固体摄像装置600b中，由偏置开关654将各个行的控制信号tg[i]的电压切换为电压tg1、tg2的任一个，从而将节点npd的初始电压vinit设定为与电压tg1、tg2对应的电压。电压tg1、tg2的一方是用于设定与电压vapd的差比雪崩光电二极管的击穿电压小的初始电压vinit的电荷积蓄模式用，另一方是用于设定该差比该击穿电压大的初始电压vinit的光子计数模式用。
而且，也可以不是有选择地利用控制信号tg的两种电压，而是有选择地利用两种复位电压vrst，从而切换节点npd的初始电压vinit。
<效果>
根据以上说明的像素电路，能够由电荷积蓄模式和光子计数模式，共享输出电路。据此，能够削减像素电路的构成元件数，能够实现像素电路面积削减以及像素数多的固体摄像装置的开发。
并且，将雪崩光电二极管生成的电荷，由预先积蓄的模拟存储器直接向雪崩光电二极管补充，因此，不另外追加放电用的控制晶体管也能够进行微量的电荷量的控制，能够实现像素电路面积以及像素数多的固体摄像装置的开发。反复进行所述工作，从而能够将光子的入射事件数转换为模拟存储器的电压来进行光子计数。
并且，也可以在雪崩光电二极管的一端具备，以所希望的偏压能够钳位的二极管以及双极晶体管、电阻等的箝位电路。据此，在雪崩光电二极管进行电子倍增时，能够将雪崩光电二极管的一端的电压设定为所希望的偏压，能够控制光子计数时的模拟灰度。
并且，通过位于雪崩光电二极管与模拟存储器之间的晶体管的驱动方法，能够进行按照光子的入射事件进行光子计数的事件驱动型光子计数模式驱动、以及与按每一定期间活化的控制信号同步进行光子计数的脉冲控制型光子计数模式驱动。
并且，具有多个模拟存储器，从而能够变更光子计数的动态范围，能够进行适于环境的摄像。
(实施例2)
在实施例2中，说明具有实施例1所述的像素电路的固体摄像装置。
<用于全局电子快门驱动的控制信号以及缓冲电路结构>
图11是示出具有多个像素电路的固体摄像装置600c的主要部的结构的一个例子的框图。对于该像素电路，例如，也可以利用图1示出的像素电路100。
固体摄像装置600c具有，由被配置为矩阵状的多个像素电路100构成的像素阵列601、缓冲电路602、以及定时生成电路609。图11，作为一个例子，示出固体摄像装置600c中的两个行两个列部分的结构。以下，以标号[i]示出第i行的构成要素，以标号[j]示出第j行的构成要素，以标号[i:j]示出第i行第j列的构成要素。
定时生成电路609，生成每个行的定时不同的局部控制信号rst[i]、mct[i]、sel[i]、以多个行(也可以是全行)同一定时的全局控制信号g_tg、gs_tg、g_rs、g_mct、gs_mct、以及偏置端子电压vapd，提供到缓冲电路602。
缓冲电路602，由同一结构的每个行的子缓冲电路603、604构成。
子缓冲电路603，根据局部控制信号rst[1]、mct[1]、sel[1]、以及全局控制信号g_tg、gs_tg、g_rs、g_mct、gs_mct，生成控制信号tg[1]、rs[1]、sl[1]、mct[1]，提供到第1行的各个像素电路100。并且，子缓冲电路603，将偏置端子电压vapd，分配到第1行的各个像素电路100。
控制信号tg[1]是，or电路605中生成的全局控制信号g_tg与gs_tg的或信号，对传输晶体管m1进行控制。
控制信号rs[1]是，or电路606中生成的全局控制信号g_rs与局部控制信号rst[1]的或信号，对复位晶体管m2进行控制。
控制信号sl[1]是，经由缓冲器元件607的局部控制信号sel[1]，对开关晶体管m4进行控制。
控制信号mc[1]是，or电路608中生成的全局控制信号g_mct、gs_mct、以及局部控制信号mct[1]的或信号，对开关晶体管m5进行控制。
子缓冲电路604也被构成为，与子缓冲电路603同样，根据局部控制信号rst[2]、mct[2]、sel[2]、以及全局控制信号g_tg、gs_tg、g_rs、g_mct、gs_mct，生成控制信号tg[2]、rs[2]、sl[2]、mct[2]，提供到第2行的各个像素电路100。并且，子缓冲电路604，将偏置端子电压vapd，分配到第2行的各个像素电路100。
并且，第1列的各个像素电路100以及第2列的各个像素电路100，分别将输出信号sout[1]以及输出信号sout[2]提供到图外的读出电路等。读出电压vrd、复位电压vrst是，从该读出电路等提供到各个像素电路100的、以多个列(也可以是全列)中相同的电压。
在如上构成的固体摄像装置600c中，控制信号tg[i]、rs[i]、sl[i]、以及mct[i]，分别是第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、以及第四控制信号的一个例子，定时生成电路609和缓冲电路602的总体是，生成所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号、以及偏置端子电压vapd的控制电路的一个例子。
<全局电子快门驱动>
图12是，将图1示出的模拟存储器105作为检测信号的暂时的存储元件利用来能够进行的全局电子快门驱动，参照图1、图11以及图12说明工作。
而且，像素电路100的工作，全都同样，因此，仅记载设置在第1行第1列的像素电路100[1:1]。
假设在像素电路100[1:1]，作为一个例子，施加读出电压vrd[1]＝vdd、复位电压vrst[1]＝vrs。进而，在此，假设向雪崩光电二极管施加击穿电压－vb，进行电子倍增驱动。
〔时刻t0：帧1的光子检测〕
在时刻t0，全局控制信号g_tg以及gs_tg被设定为l，控制信号tg[1]成为l，因此，雪崩光电二极管pd处于曝光状态。若光子入射到雪崩光电二极管，则被光电转换并生成的电荷被电子倍增。据此，像素电路100[1:1]的节点npd[1:1]的电压，从初始电压vinit降低到vph并被保持(光子检测工作)。
〔时刻t1：帧1的全局电荷传输以及电荷保持(数据保持)〕
在时刻t1，全局控制信号gs_tg以及gs_mct被设定为h，全行的控制信号tg以及全行的控制信号mct成为h。
据此，所有的像素电路100，被设置在像素电路100内的模拟存储器105的节点nc与雪崩光电二极管pd的节点npd成为电导通状态，在光子的入射事件发生的像素电路100中，从节点nc向节点npd进行电荷的补充。与此同时，节点npd从vph成为初始电压vinit，模拟存储器105的节点nc的电压从复位电压vrs降低到vdat。
据此，进行将帧1的光子的入射事件的有无转换为电压存储到模拟存储器105的电荷传输以及电荷保持(数据保持)工作。
〔时刻t2：帧1的全局电荷传输结束〕
在时刻t2，全局控制信号gs_tg以及gs_mct被设定为l，全行的控制信号tg以及全行的控制信号mct成为l。据此，全像素电路的电荷传输工作结束。并且，模拟存储器105保持电荷(数据保持)。
〔时刻t3：帧2的全局复位，第1行复位读出〕
在时刻t3，全局控制信号g_rs以及g_tg被设定为h，所有的像素电路100的控制信号rst以及tg成为h。据此，复位电压vrs，提供到全像素电路100的fd区域nfd，并且，将雪崩光电二极管pd的节点npd重新设定为初始电压vinit(全行一并的全局复位工作)。先前帧(帧1)的数据读出开始，首先，通过每个行的滚动读出，来读出复位电压。
以后，关注第1行第1列的像素电路100[1:1]进行说明。局部控制信号rst[1]被设定为h，控制信号rs[1]成为h。据此，fd区域nfd被设定为复位电压vrs。局部控制信号sel[1]被设定为h，因此，控制信号sl[1]也成为h，由源极跟随晶体管m3输出vrs－vtm3，以作为输出信号sout[1]。
〔时刻t4：帧2的一并曝光开始，第1行帧1时的信号读出〕
在时刻t4，全局控制信号g_rs以及g_tg被设定为l，所有的像素电路100的控制信号rst以及tg成为l，全像素一并成为曝光状态。
另一方面，局部控制信号rst[1]被设定为l，mct[1]被设定为h。控制信号rs[1]成为l，mct[1]成为h，从而先前帧(帧1)中由模拟存储器105的节点nc积蓄的电荷传输到fd区域nfd，成为与节点nc相同电位vdat。局部控制信号sel[1]被设定为h，因此，控制信号sl[1]也成为h，由源极跟随晶体管m3输出vout[1]＝vdat－vtm3，以作为输出信号sout[1]。
〔时刻t5：帧2的曝光，第1行模拟存储器的复位〕
在时刻t5，将局部控制信号sel[1]设定为l，将rst[1]以及mct[1]设定为h。控制信号sl[1]成为l，从而从第1行的像素电路100的输出信号sout[1]的输出工作结束。并且，控制信号rs[1]以及mc[1]成为h，从而fd区域nfd、以及模拟存储器105的节点nc被初始化为复位电压vrs。
〔时刻t6：帧2的曝光，第1行读出工作结束〕
在时刻t6，局部控制信号rst[1]以及mct[1]被设定为l，控制信号rs[1]以及mc[1]被设定为l，在fd区域nfd、以及模拟存储器105的节点nc保持复位电压vrs，第1行的读出工作完成。
在时刻t3至t6，将模拟存储器105作为暂时的保持存储器使用，从而能够将设置在全像素电路100的雪崩光电二极管一并设定为曝光状态(全局复位工作)，进一步，能够在曝光期间中以背后，按每一行读出先前帧时的数据(滚动读出)。
能够将先前帧数据的读出作为当前帧的背后处理来执行，因此，能够避免帧率的降低。
〔时刻t7：帧2：曝光，第2行复位读出〕
在时刻t7，所有的像素电路100的雪崩光电二极管pd处于曝光状态，与时刻t3的第1行的复位读出工作同样，执行第2行的像素电路100的复位读出。
〔时刻t8：帧2：曝光，第2行帧1时的信号读出〕
在时刻t7，与时刻t4的第1行的信号读出工作同样，执行第2行的像素电路100的信号读出。
〔时刻t9：帧2：曝光，第2行模拟存储器的复位〕
在时刻t9，与时刻t5的第1行的模拟存储器105的复位工作同样，执行第2行的像素电路100的模拟存储器105的复位工作。
〔时刻t10：帧2：曝光，第2行读出工作结束〕
在时刻t10，与时刻t6的第1行的读出工作完成同样，第2行的像素电路100的读出工作完成。
〔时刻t11：帧2：光子检测〕
在时刻t11，全行的像素电路100的读出工作已经完成，再次成为曝光状态。这与时刻t0同样，反复进行。
而且，若在曝光期间中则能够检测光子的入射事件。
<全局电子快门的整体工作>
图13示出全局电子快门的整体工作的主要部分。
帧1内的像素电路的工作，由全局复位grs、曝光、先前帧数据读出、以及全局数据传输gtr构成。
在期间p0，为了以全像素电路一并进行复位而执行全局复位工作。同时，进行第1行的复位读出，滚动读出工作开始。
在期间p1，全像素电路的雪崩光电二极管一并成为曝光状态。同时，通过滚动读出，来读出先前帧中由模拟存储器积蓄的数据。
在期间p2，为了将由曝光在雪崩光电二极管pd生成的电荷传输到模拟存储器，而进行全局数据传输。
也可以在全局数据传输结束的时刻结束帧1。帧2以后也反复进行同样的工作。
<效果>
在所述固体摄像装置600c中，将像素电路100的模拟存储器105作为暂时的保持存储器来使用，从而能够进行全局电子快门摄像。
并且，以多个行或全行一并进行，复位雪崩光电二极管的电压、进行曝光、将雪崩光电二极管生成的电荷传输到模拟存储器的一连串的工作。据此，以当前帧按每一行读出先前帧中保持的模拟存储器的电压，从而看上去，能够删除读出时间，能够抑制帧率的降低。
<用于单发·光子计数模式驱动的二值化驱动>
图14是示出作为固体摄像装置的变形例的固体摄像装置600d的结构的一个例子的框图。固体摄像装置600d被构成为，在图11的固体摄像装置600c的每个列的输出(例如，sout[1]，sout[2])，具备二值化电路700、701。
在光子计数模式驱动中，在想要仅检测一次的光子的入射事件的情况下，像素电路100的输出sout为，high或low的二值即可。因此，为了将输出sout的low电平以及high电平分别设为固定值，而利用二值化电路700、701。
对于二值化电路700、701的结构，没有特别的限定。例如，也可以是利用一般的cmos图像传感器所利用的列放大器的结构，总是输出0或饱和电压的电路结构。
而且，对于像素电路100的结构，也不仅限于此，在由复位晶体管、源极跟随晶体管、选择晶体管、以及雪崩光电二极管构成的像素电路中，以及，还在雪崩光电二极管与源极跟随晶体管之间追加了传输晶体管的像素电路中，也可以将一次的光子的入射事件成为二值化来进行数字输出。也就是说，通过利用设置在垂直信号线上的二值化电路，从而与像素电路的结构无关，而能够将由像素电路生成的电压成为二值化来进行数字输出。
据此，若仅检测一次的光子的入射事件，则不需要在各个像素配置二值化功能，能够实现像素电路的尺寸的小型化、增加像素数。并且，将二值化功能按每个列配置来共享化，从而也能够抑制像素间的电路不均匀。并且，不需要将二值化功能配置在像素内，因此，也由所示的由三个晶体管以及四个晶体管结构构成的像素电路得知，容易进行电荷积蓄模式和一次的光子计数模式的像素电路的共享化，并且，能够容易进行两个模式的切换。
以上，对于本发明的几个实施方案涉及的固体摄像装置，根据实施例进行了说明，但是，本发明不仅限于该实施例。只要不脱离本发明的宗旨，对本实施例实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的形态，以及组合不同实施例的构成要素来构筑的形态，也可以包含在本发明的范围内。
本发明涉及的固体摄像装置，能够作为图像以及视频的摄像装置广泛地利用。
符号说明
100、150、500、550像素电路
101受光部
102传输电路
103复位电路
104输出电路
105、106模拟存储器
200运算电路
210列增益电路
220cds及合成电路
600a、600b、600c、600d固体摄像装置
601像素阵列
602缓冲电路
603、604子缓冲电路
605、606、608or电路
607缓冲器元件
650、654偏置开关
651、653row电路
652column电路
700二值化电路