光传感器、固体摄像装置和固体摄像装置的动作方法

专利名称：光传感器、固体摄像装置和固体摄像装置的动作方法
技术领域：
本发明涉及光传感器、固体摄像装置等光设备及其动作方法，特别是涉及CMOS型或CCD型的二维或一维固体摄像装置和该固体摄像装置的 动作方法。
背景技术：
CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器或 CCD (Charge Coupled Device)图像传感器等图像传感器在其特性提高的 同时，在数码相机、带相机的便携电话、扫描仪等用途中广泛使用。所述图像传感器希望进一步的特性提高，其一是动态范围宽。以往使 用的图像传感器的动态范围停留在3 4位(60 80dB)左右，希望实现具 有与肉眼或氯化银胶片匹敌的5 6位(100 120dB)以上的动态范围的图 像传感器。作为提高所述的图像传感器的图像质量特性的技术，例如在非专利文 献l中开发了如下的技术为了高灵敏度和高S/N比化，分别读出由与各 像素的光电二极管邻接的浮动扩散产生的噪声信号和将该噪声信号与光 信号相加而得的信号，取两者的差分，由此抑制噪声。可是，在该方法中，动态范围是80dB左右以下，希望比它更宽的动 态范围。例如，在专利文献1中，如图19所示，公开了如下的技术在光电 二极管PD上连接高灵敏度低照度侧的小电容Cl的浮动扩散和低灵敏度 高照度侧的大电容C2的浮动扩散，分别输出低照度侧的输出OUT1和高 照度侧输出OUT2，由此实现宽动态范围。此外，在专利文献2中，如图20所示，公开了使浮动扩散FD的电容 CS可变的宽动态范围化的技术。此外，公开了如下的技术进行基于短
曝光时间的与高照度侧对应的摄像和基于长曝光时间的与低照度侧对应 的摄像，分割为彼此不同的2次以上的曝光时间，由此实现宽动态范围。此外，在专利文献3和非专利文献2中，如图21所示，公幵了如下 的技术在光电二极管PD和电容C之间设置晶体管开关T，在第一次的 曝光期间打开开关T，在光电二极管PD和电容C双方存储光信号电荷， 在第二次的曝光期间关闭开关T，在前者的存储电荷的基础上，用光电二 极管PD存储光电荷，从而实现宽动态范围。在该例子中，在存在超过饱 和的光照射时，过剩电荷经由复位晶体管R排出。此外，在专利文献4中，如图22所示，公开了如下的技术使用电 容C比以往大的光电二极管PD，从而能应对高照度摄像。此外，在非专利文献3中，如图23所示，公开了如下的技术通过 组合MOS晶体管而构成的对数变换电路，将来自光电二极管的光电流信 号进行对数变换，同时存储和输出，从而实现宽动态范围。专利文献1:特开2003-134396号公报专利文献2:特开2000-165754号公报专利文献3:特开2002-77737号公报专利文献4:特开平5-90556号公报非专利文献1: S. Inoue et al.，正EE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001，pp.l6-19.非专利文献2: Y. Muramatsu et al., IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol.38,No. 1,2003.非专利文献3:图像信息媒体学会杂志，Vol. 57,2003.可是，在所述专利文献K 2、 3和非专利文献2中记载的方法或者用 不同的2次以上的曝光时间进行摄像的方法中，在不同的时刻进行低照度 的摄像和高照度侧的摄像，所以具有如下的问题在摄像时间上产生偏差， 损害动画摄像的图像质量。此外，在所述的专利文献4和专利文献3中记载的方法中，虽然与高 照度侧的摄像对应，能实现宽动态范围，但是关于低照度侧的摄像，存在 如下的问题成为低灵敏度、低S/N比，损害图像质量。如上所述，在CMOS图像传感器等图像传感器中，难以在维持高灵 敏度、高S/N比的同时，实现宽动态范围。此外，所述问题并不局限于将 像素配置为二维阵列的图像传感器，在将像素配置为一维阵列的线性传感 器或不具有多个像素的光传感器中也是同样的。发明内容本发明是鉴于所述的状况而提出的，本发明的目的在于，提供在维持高灵敏度、高S/N比的同时，能实现宽动态范围的固体摄像装置及其动作 方法。本发明的光传感器的特征在于，包括光电二极管，其接收光，生成光电荷;传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；多 个存储电容元件，其经由所述传送晶体管存储在存储动作时从所述光电二 极管溢出的光电荷。本发明的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素集成为一维 或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；多个存 储电容元件，其经由所述传送晶体管存储在存储动作时从所述光电二极管 溢出的光电荷。本发明的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素集成为一维 或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；存储电 容元件组，其由多个存储电容元件构成，所述多个存储电容元件至少包含 经由所述传送晶体管依次存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光 电荷的第一和第二存储电容元件。本发明的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素集成为一维 或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送门，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；第一存储门， 其连接在所述传送门上；第一存储电容元件，其经由所述传送门和所述第 一存储门存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷；第二存储电 容元件，其经由第二存储门连接在所述第一存储电容元件上。所述的本发明的固体摄像装置优选，所述多个存储电容元件彼此经由
存储门机构连接。所述的本发明的固体摄像装置优选，所述像素还具有经由所述传送晶 体管传送所述光电荷的浮动区域。所述的本发明的固体摄像装置优选，所述像素还具有经由所述传送门 传送所述光电荷的浮动区域。所述的本发明的固体摄像装置优选，所述第二存储电容元件具有比所 述第一存储电容元件大的电容。所述的本发明的固体摄像装置优选，所述多个存储电容元件全部具有 相同的电容。所述的本发明的固体摄像装置优选，还具有复位晶体管，其连接在 所述浮动区域或所述第一和第二存储电容元件的至少一个上，用于排出所 述第一和第二存储电容元件以及所述浮动区域内的信号电荷；放大晶体 管，其用于将所述浮动区域的信号电荷、或所述浮动区域和所述第一以及第二存储电容元件的至少一方的信号电荷作为电压读出；选择晶体管，其 连接在所述放大晶体管上，用于选择所述像素。所述本发明的固体摄像装置优选，还具有噪声取消机构，所述噪声取 消机构取得从所述浮动区域、所述第一存储电容元件和所述第二存储电容 元件的一个或多个得到的电压信号、和向所述浮动区域传送来自所述光电 二极管的所述光电荷并且使所述第一存储门和所述第二存储门中的至少 一个导通，从而从传送到所述浮动区域、所述第一存储电容元件和所述第 二存储电容元件的一个或多个的光电荷得到的电压信号、的差分。此外，本发明的其他形态的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下 的像素集成为一维或二维的阵列状而成，所述像素至少具有光电二极管， 其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送 所述光电荷；浮动区域，其经由所述传送晶体管传送所述光电荷；第一存 储晶体管，其连接在所述传送晶体管上；第一存储电容元件，其通过所述 传送晶体管和所述第一存储晶体管存储在存储动作时从所述光电二极管 溢出的光电荷；第二存储晶体管，其传送从所述第一存储电容元件溢出的 光电荷；第二存储电容元件，其通过所述第二存储晶体管存储从所述第一 存储电容元件溢出的光电荷。 此外，本发明的其他形态的固体摄像装置的动作方法是上述的固体摄 像装置的动作方法，其特征在于，包括在电荷存储之前，将所述第一和 第二存储晶体管导通，排出所述浮动区域以及所述第一和第二存储电容元 件内的光电荷的工序；将所述光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷在 所述光电二极管中存储，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮 动区域和所述第一存储电容元件中存储的工序；将所述第一存储晶体管断 开，将所述浮动区域内的光电荷排出的工序；将所述传送晶体管导通，将 所述饱和前电荷向所述浮动区域传送，读出表示所述饱和前电荷的电压信 号的饱和前信号的工序；将所述第一存储晶体管导通，读出表示所述饱和 前电荷与从所述光龟二极管溢出的所述过饱和电荷的和的电压信号的第 一过饱和信号的工序；将所述第二存储晶体管导通，读出表示所述饱和前 电荷、从所述光电二极管溢出的所述过饱和电荷与从所述第一存储电容元 件溢出的过饱和电荷的和的电压信号的第二过饱和信号的工序。所述本发明的固体摄像装置的动作方法优选，还具有通过与规定的 基准电压的比较，来选择所述饱和前信号、所述第一过饱和信号和所述第 二过饱和信号的至少任意一个的输出信号选择工序。所述的本发明的固体摄像装置的动作方法优选，所述输出信号选择工 序在所述饱和前信号比第一基准电压大时，选择所述第一过饱和信号作为 输出信号，在所述第一过饱和信号比第二基准电压大时，选择所述第二过 饱和信号作为输出信号。此外，本发明的其他形态的光传感器的特征在于，具有光电二极管， 其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送 所述光电荷；溢流门，其连接在所述光电二极管上；多个存储电容元件， 其经由所述溢流门存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷。本发明的其他形态的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素 集成为一维或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光， 生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 溢流门，其连接在所述光电二极管上；多个存储电容元件，其经由所述溢 流门存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷。本发明的其他形态的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素 集成为一维或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷; 溢流门，其连接在所述光电二极管上；存储电容元件组，其由多个存储电 容元件构成，所述多个存储电容元件至少包含经由所述溢流门依次存储在 存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷的第一和第二存储电容元件。此外，本发明的其他形态的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下 的像素集成为一维或二维的阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其 接收光，生成光电荷；传送门，其连接在所述光电二极管上，传送所述光 电荷；溢流门，其连接在所述光电二极管上，传送在存储动作时从所述光 电二极管溢出的光电荷；第一存储门，其连接在所述溢流门上；第一存储 电容元件，其经由所述溢流门存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的 光电荷；第二存储门，其连接在所述第一存储电容元件上；第二存储电容 元件，其经由所述第二存储门连接在所述第一存储电容元件上。所述本发明的固体摄像装置优选，所述溢流门由MOS型晶体管或结 型晶体管构成。所述本发明的固体摄像装置优选，所述多个存储电容元件彼此经由存 储晶体管连接。所述本发明的固体摄像装置优选，所述像素还具有经由所述传送晶体 管传送所述光电荷的浮动区域。所述本发明的固体摄像装置优选，所述像素还具有经由所述传送门传 送所述光电荷的浮动区域。所述本发明的固体摄像装置优选，所述第二存储电容元件具有比所述 第一存储电容元件大的电容。所述本发明的固体摄像装置优选，所述多个存储电容元件全部具有相 同的电容。所述本发明的固体摄像装置优选，还具有复位晶体管，其连接在所 述浮动区域或所述第一和第二存储电容元件的至少一个上，用于排出所述 第一和第二存储电容元件以及所述浮动区域内的信号电荷；放大晶体管， 其用于将所述浮动区域的信号电荷、或所述浮动区域和所述第一以及第二 存储电容元件的至少一方的信号电荷作为电压读出；选择晶体管，其连接 在所述放大晶体管上，用于选择所述像素。本发明的其他形态的固体摄像装置的特征在于，通过多个如下的像素 集成为一维或二维的阵列状而成，所述像素至少具有光电二极管，其接 收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述 光电荷；浮动区域，其经由所述传送晶体管传送所述光电荷；溢流门，其 连接在所述光电二极管上；第一存储电容元件，其通过所述溢流门存储在 存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷；第一存储晶体管，其传送从 所述第一存储电容元件溢出的光电荷；第二存储电容元件，其通过所述第 一存储晶体管存储从所述第一存储电容元件溢出的光电荷；第二存储晶体 管，其连接在所述浮动区域和所述第一存储电容元件之间。此外，本发明的其他形态的固体摄像装置的动作方法是所述的固体摄 像装置的动作方法，其特征在于，具有在电荷存储前，将所述第一存储 晶体管和所述第二存储晶体管导通，排出所述浮动区域以及所述第一和第 二存储电容元件内的光电荷的工序；将所述光电二极管产生的光电荷中的 饱和前电荷在所述光电二极管中存储，将从所述光电二极管溢出的过饱和 电荷经由所述溢流门在所述第一存储电容元件中存储的工序；将所述传送 晶体管导通，将所述饱和前电荷向所述浮动区域传送，读出表示所述饱和 前电荷的电压信号的饱和前信号的工序；将所述第二存储晶体管导通，读 出表示所述饱和前电荷和从所述光电二极管溢出的所述过饱和电荷的和 的电压信号的第一过饱和信号的工序；将所述第一存储晶体管导通，读出 表示所述饱和前电荷、从所述光电二极管溢出的所述过饱和电荷与从所述 第一存储电容元件溢出的过饱和电荷的和的电压信号的第二过饱和信号 的工序。所述本发明的固体摄像装置的动作方法优选，还具有通过与规定的 基准电压的比较，来选择所述饱和前信号、所述第一过饱和信号和所述第 二过饱和信号的至少任意一个的输出信号选择工序。所述本发明的固体摄像装置的动作方法优选，所述输出信号选择工序 在所述饱和前信号比第一基准电压大时，选择所述第一过饱和信号作为输 出信号，在所述第一过饱和信号比第二基准电压大时，选择所述第二过饱 和信号作为输出信号。 根据本发明的固体摄像装置，在基于接收光并且生成和存储光电荷的 光电二极管的低照度摄像中，维持高灵敏度、高S/N比，并在多个存储电 容中存储从光电二极管溢出的光电荷，从而能进行高照度的摄像，实现宽 动态范围。


图1是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的一个像素的等效电路图。图2是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的概略剖视图。 图3是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的一个像素的概略俯视图。图4是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的框图。图5是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的主要驱动时间图。图6是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的概略电势图。图7是本发明的第一实施方式的固体摄像装置的光电变换特性的概略图。图8是本发明的第二实施方式的固体摄像装置的驱动时间图。 图9是本发明的第二实施方式的固体摄像装置的概略电势图。 图10是本发明的第三实施方式的固体摄像装置的一个像素的等效电 路图。图11是本发明的第三实施方式的固体摄像装置的概略剖视图。 图12是本发明的第三实施方式的固体摄像装置的驱动时间图。 图13是本发明的第三实施方式的固体摄像装置的概略电势图。 图14是本发明的第四实施方式的固体摄像装置的一个像素的等效电 路图。图15-1是本发明的第四实施方式的固体摄像装置的概略剖视图。 图15-2是本发明的第四实施方式的固体摄像装置的其他概略剖视图。 图16是本发明的第四实施方式的固体摄像装置的一个像素的概略俯 视图。图17是本发明的第五实施方式的固体摄像装置的框图。 图18是表示本发明的第一实施方式的固体摄像装置的光电变换特性 的图。图19是本发明的专利文献1的固体摄像装置的一个像素的等效电路图。图20是本发明的专利文献2的固体摄像装置的一个像素的等效电路图。图21是本发明的专利文献3的固体摄像装置的一个像素的等效电路图。图22是本发明的专利文献4的固体摄像装置的一个像素的等效电路图。图23是本发明的非专利文献3的固体摄像装置的一个像素的等效电 路图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的固体摄像装置的实施方式。 第一实施方式图1表示本实施方式的固体摄像装置的一个像素的等效电路图，图2 表示概略剖视图，图3表示概略俯视图。各像素由以下的部分构成接收光，生成光电荷的光电二极管PD1;与光电二极管PD1邻接设置的传送光电荷的传送晶体管T2;经由传送晶 体管T2与光电二极管PD1连接设置的浮动扩散FD3;通过所述传送晶体 管T2存储在曝光存储动作时从所述光电二极管PD1溢出的光电荷的第一 存储电容CSa4和第二存储电容CSb5;在第一存储电容CSa4上连接形成， 用于排出第一存储电容CSa4、第二存储电容CSb5和浮动扩散FD3内的 信号电荷的复位晶体管R6;设置在浮动扩散FD3和第一存储电容CSa4 之间的第一存储晶体管Ca7;设置在第一存储电容CSa4和第二存储电容 CSb5之间的第二存储晶体管Cb8;用于将浮动扩散FD3的信号电荷或浮 动扩散FD3和第一存储电容CSa4的信号电荷或浮动扩散FD3、第一存储 电容CSa4和第二存储电容CSb5的信号电荷作为电压读出的放大晶体管 SF9;与放大晶体管连接设置，用于选择所述像素或像素块的选择晶体管 XIO。本实施方式的固体摄像装置将多个所述结构的像素集成为二维或一维的阵列状，在各像素中，在传送晶体管T2、第一存储晶体管Ca7、第二 存储晶体管Cb8、复位晶体管R6的栅极上连接OT11、①Cal2、 OCbl3、 OR14的各驱动线，此外，在选择晶体管X10的栅极上连接由行移位寄存 器驱动的像素选择线①X15，在选择晶体管XIO的输出侧源极连接输出线 OUT16，由列移位寄存器控制并输出。在图2中，例如，在n型硅半导体衬底(n-sub)20上形成p型井(p-well) 21，在p型井21中形成n型半导体区域22，在其表层形成p+型半导体区 域23，经由该pn结而构成电荷传送埋入型的光电二极管PD。如果光向在 pn结上施加适当的偏压而产生的耗尽层中入射，则由于光电效应，产生光 电荷。在n型半导体区域22的端部具有从p+型半导体区域23突出形成的区 域，从该区域离开规定距离，在p型井21的表层形成作为浮动扩散FD的 n+型半导体区域24，从该区域离开规定距离，形成n+型半导体区域25和 n+型半导体区域26。这里，在n型半导体区域22和n+型半导体区域24的区域中，在p 型井21上面，经由由氧化硅等构成的栅绝缘膜，形成由多晶硅等构成的 栅极，n型半导体区域22和n+型半导体区域24作为源极和漏极，构成在 p型井21的表层具有沟道形成区域的传送晶体管T2。此外，在n+型半导体区域24和n+型半导体区域25的区域中，在p 型井21上面，经由由氧化硅等构成的栅绝缘膜，形成由多晶硅等构成的 栅极，n+型半导体区域24和n+型半导体区域25作为源极和漏极，构成 在p型井21的表层具有沟道形成区域的存储晶体管Ca。此外，在n+型半导体区域25和n+型半导体区域26的区域中，在p 型井21上面，经由由氧化硅等构成的栅绝缘膜，形成由多晶硅等构成的 栅极，n+型半导体区域25和n+型半导体区域26作为源极和漏极，构成 在p型井21的表层具有沟道形成区域的存储晶体管Cb。这里，第二存储 晶体管Cb的阈值电压比传送晶体管T的阈值电压低。在图3中，表示在光电二极管PD1的周围形成传送晶体管T2、第一
存储电容CSa4、第二存储电容CSb5、复位晶体管R6、第一存储晶体管 Ca7、第二存储晶体管Cb8、放大晶体管SF9、选择晶体管X10的区域。 虽然浮动扩散FD3未图示，但是设置在传送晶体管T2和第一存储电容 CSa4的附近。图4表示本实施方式的固体摄像装置的框图。在配置为二维的像素阵 列(30、 31、 2、 33)的周边部设置行移位寄存器34、列移位寄存器35、 信号和噪声保持部36、输出电路37。这里，为了简单，表示2像素X2 像素的像素阵列，但是像素的数量并不局限于此。从各像素依次读出的信号成为噪声信号Nl 、由FD进行了电荷电压变 换的饱和前的光信号+噪声信号(S1+N1)、噪声信号N2、由FD+CSa进 行了电荷电压变换的饱和前与饱和后的相加的光信号+噪声信号 (Sl+S2+N2)、噪声信号N3、由FD+CSa+CSb进行了电荷电压变换的饱 和前与饱和后的相加的光信号+噪声信号(Sl+S2+S3+N3)。通过减法电路， 进行噪声除去(S1+N1) —Nl、 (Sl+S2+N2) —N2、 (Sl+S2+S3+N3) _ N3的动作，除去随机噪声成分和固定模式噪声成分双方。如后所述，与 存储开始之后读出噪声信号N1、 N2、 N3的一个或多个的情况对应，将噪 声信号暂时保存到帧存储器后，通过减法电路，除去噪声。这样，就得到 除去了噪声的饱和前侧信号Sl和过饱和侧信号Sl+S2、 Sl+S2+S3。减法电路、帧存储器可以形成在图像传感器芯片上，也可以作为其他 芯片形成。说明图1~图4中说明的本实施方式的固体摄像装置的动作方法。图5 是本实施方式的固体摄像装置的主要驱动时间图，图6是从像素的光电二 极管经过浮动扩散FD、第一存储电容，到达第二存储电容的局部概略电 势图。如果参照图5和图6，则首先在曝光存储之前，将第一存储晶体管Ca 和第二存储晶体管Cb设置为导通，将传送晶体管T、复位晶体管R设置 为断开。接着，将复位晶体管R、传送晶体管T导通，进行浮动扩散FD 和第一存储电容CSa、第二存储电容CSb的复位(时刻to)。这时，光电 二极管PD完全耗尽化。接着，将在复位晶体管R断开之后取入的 FD+CSa+CSb的复位噪声作为N3读出(时刻t,)。这时，在噪声信号N3
中，将放大晶体管SF的阈值电压偏差作为固定模式噪声成分而包含。接着，如果第二存储晶体管Cb断开，则在FD+CSa+CSb中存储的信 号电荷按照其电容比分配给FD+CSa和CSb。其中，将分配给FD+CSa的 信号作为N2读出(时刻t2)。这时，在N2中也将放大晶体管SF的阈值 电压偏差作为固定模式噪声成分而包含。在存储期间中(时刻t3)，在第一 存储晶体管Ca导通，第二存储晶体管Cb、复位晶体管R、选择晶体管X 断开的状态下，光电二极管PD饱和前的光电荷由光电二极管PD存储， 此外，超过饱和时的过剩光电荷经由传送晶体管T和第一存储晶体管Ca 与N2重叠，在浮动扩散FD和第一存储电容CSa中存储。有强光的照射， 光电二极管PD和第一存储电容CSa的超过饱和时的过剩光电荷经由第二 存储晶体管Cb也存储在第二存储电容CSb中。第二存储晶体管Cb的阈 值电压设定为比传送晶体管T的阈值电压低，所以在浮动扩散FD和第一 存储电容CSa饱和时，过剩电荷不回到光电二极管PD侧，而是高效地传 送给第二存储电容CSb。通过该动作，不抛弃在过饱和状态下从光电二极 管PD溢出的电荷，有效地活用。这样，饱和前以及过饱和后，在各像素 用同一光电二极管PD在同一期间内受光，由此进行存储动作。在存储结束后(时刻t4)，选择晶体管X导通后，如果第一存储晶体 管Ca断开，则FD+CSa中存储的信号电荷按照其电容比分配给浮动扩散 FD和存储电容CSa。其中，将分配给浮动扩散FD的信号作为N1读出。 这时，在N1中也将放大晶体管SF的阈值电压偏差作为固定模式噪声成分 而包含。接着，传送晶体管T导通，光电二极管PD中存储的光信号电荷 向浮动扩散FD完全传送，与信号N1重叠，作为S1+N1，读出信号(时 刻t5)。接着，第一存储晶体管Ca也导通(时刻t6)，混合FD的电荷和 CSa中存储的电荷，作为Sl+S2+N2，读出信号。接着，第二存储晶体管 Cb也导通(时刻t7)，混合FD+CSa的电荷与CSb中存储的电荷，作为 Sl+S2+S3+N3，读出信号。接着，复位晶体管R导通，进行浮动扩散FD、第一存储电容CSa、 第二存储电容CSb的复位(时刻ts)。通过重复以上的动作，本实施方式 的固体摄像元件工作。如果FD的电容为CpD，第一存储电容CSa的电容为Cc;sa，第二存储
电容CSb的电容为ccsb，则动态范围的扩大率简单地表示为 (CFD+CCSa+CCSb)/CFD。实际上，难以按照将FD、 FD+CSa、 FD+CSa+CSb 复位的顺序受到复位晶体管R的时钟馈通的影响，过饱和侧信号Sl+S2 的饱和电压比饱和前侧信号Sl的饱和电压高，进而，过饱和侧信号 Sl+S2+S3的饱和信号高，所以动态范围以其以上的比率扩大。为了维持 高的光电二极管开口率，且不扩大像素尺寸，有效地扩大动态范围，要求 能形成面积效率好的大存储电容。通过选择已除去噪声的饱和前侧信号Sl、第一过饱和侧信号(S1+S2)、 第二过饱和侧信号(Sl+S2+S3)中的任意一个信号，实现宽动态范围信号 的合成。图7是表示S1、 Sl+S2、 Sl+S2+S3的信号选择的状态的概略光 电变换特性图。比较预先设定的S1和(S1+S2)的切换基准电压和S1的信 号输出电压，比较(S1+S2)禾卩(Sl+S2+S3)的切换基准电压和(S1+S2)的信 号输出电压，来选择Sl或Sl+S2或Sl+S2+S3中的任意一个信号，从而 实现S1、 Sl+S2、 Sl+S2+S3的选择。这里，Sl和(S1+S2)的切换基准电压、(Sl+S2)禾卩(Sl+S2+S3)的切 换基准电压可以是相同的电压。在图7中，表示为Sl和(S1+S2)的切换 基准电压、(Sl+S2)禾卩(Sl+S2+S3)的切换基准电压相同。该切换基准电 压为了不受Sl和Sl+S2的饱和电压偏差的影响，可以设定为比Sl饱和电 压和Sl+S2饱和电压低，并且将切换点的过饱和侧信号Sl+S2 (图7中A 点)以及Sl+S2+S3 (图7中B点)和除去噪声后残留的噪声信号(图7 中C点)的S/N比维持为较高的电压。在用人眼鉴赏由固体摄像装置得到 的图像的用途中使用时，为了不观测到亮度的偏差，该S/N比优选设定为 40dB以上，更优选设定为43dB以上，进一步优选设定为46dB以上。这里，第一过饱和侧信号Sl+S2能通过将其增益与(CFD+CCSa) /CFD 比相乘而与饱和前侧信号Sl的增益匹配，此外，第二过饱和侧信号 Sl+S2+S3能通过将其增益与(CFD+CCSa+CCSb) /CFD比相乘而与饱和前侧 信号Sl的增益匹配。这样，能得到从低照度到高照度以线性的信号选择 合成的宽动态范围扩大的图像信号。从上述的动作可知，在本固体摄像装置中，混合饱和前侧和第一过饱 和侧的信号电荷，作为第一过饱和侧的信号S1+S2，所以在S1+S2中，即
使最低但也存在接近饱和前侧光信号Sl的饱和的信号电荷，相对于第一 过饱和侧的复位噪声、暗电流等噪声成分的容许度提高。同样，在第二过饱和侧的Sl+S2+S3中，即使最低但也存在接近第一过饱和侧的信号Sl+S2 的饱和的信号电荷，相对于第二过饱和侧的复位噪声、暗电流等噪声成分 的容许度提高。利用相对于第一过饱和侧的信号Sl+S2和第二过饱和侧的 信号Sl+S2+S3的噪声容许度提高的情况，利用图5所示的下一半帧(field) 的信号N3，或N2'，取得Sl+S2+S3+N3和N3，的差分((S1+S2+S3+N3) —N3，)或S1+S2+N2和N2，的差分((S1+S2+N2) —N2')，除去固定模式 噪声成分，由此，在饱和前侧和过饱和侧信号的选择切换点附近，也能确 保充分的S/N比。因此，帧存储器并不是必须的。在光电二极管PD不饱和的低照度摄像中，通过取消噪声而得到的饱 和前电荷信号(Sl)，能维持高灵敏度、高S/N比，进而，在光电二极管 PD饱和的高照度摄像中，由第一和第二存储电容存储从光电二极管溢出 的光电荷，将其取入，与所述同样，通过取消噪声而得到的信号(Sl+S2) 和(Sl+S2+S3)，能维持高S/N比，在高照度侧能实现足够宽的动态范围 扩大。本实施方式的固体摄像装置如上所述，除了不降低低照度侧的灵敏 度，提高高照度侧的灵敏度，实现宽动态范围之外，还不使电源电压从通 常使用的范围上升，所以能应对将来的图像传感器的微细化。将元件的追 加抑制在极小，不会引起像素尺寸的扩大。不像以往的实现宽动态范围化的图像传感器那样在高照度侧和低照 度侧分割存储时间，即不跨帧，在同一存储时间中存储，所以在动画的摄 像中，也不会使图像质量劣化。此外，关于浮动扩散FD的漏电流，在本实施方式的图像传感器中，CFD+Ccsa的最小信号成为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷，此 外，CFD+Ccsa+Ccsb的最小信号成为过饱和电荷+来自光电二极管PD的饱和电荷+浮动扩散FD和第一存储电容CSa的饱和电荷，处理比FD的漏电 荷大的电荷量，所以具有不易受FD泄漏的影响的优点。在所述的实施方式中，第二存储晶体管Cb的阈值电压比传送晶体管 T的阈值电压低，但是第二存储晶体管Cb的阈值电压也可以与传送晶体
管T的阈值电压为相同程度，在存储期间中，第二存储晶体管Cb的栅极 电位为正，浮动扩散FD和第一存储电容CSa饱和时，过剩电荷不回到光 电二极管PD侧，高效地向第二存储电容CSb传送。所述的实施方式使用了2个存储电容，但是使用3个以上的存储电容， 也能同样构成并进行工作。使用3个以上的存储电容时，为了不受饱和电 压偏差的影响，可以将切换基准电压设定为比饱和电压低，并且将切换点 的信号和噪声的比S/N比维持为较高的电压。通过使用3个以上的存储电 容，能维持高S/N比，在高照度侧能进一步实现充分宽的动态范围扩大。 此外，多个存储电容可以全部具有相同的电容值，也可以不同。优选越是 位于远离浮动扩散FD的位置的存储电容，越具有大的电容值。第二实施方式本实施方式是根据第一实施方式的固体摄像装置的其他动作方法的 实施方式。本实施方式的固体摄像装置的结构与图1 图4中说明的第一实 施方式的固体摄像装置同样。可是，第一存储晶体管Ca和第二存储晶体 管Cb的阈值电压比传送晶体管T的阈值电压低。图8是本实施方式的固体摄像装置的主要驱动时间图，图9是从像素 的光电二极管经过浮动扩散FD、第一存储电容到第二存储电容的局部概 略电势图。首先，在曝光存储前，第一存储晶体管Ca和第二存储晶体管Cb设置 为导通，传送晶体管T、复位晶体管R设定为断开。接着，将复位晶体管 R、传送晶体管T导通，进行浮动扩散FD和第一存储电容CSa、第二存 储电容CSb的复位(时刻to')。这时，光电二极管PD完全耗尽化。接着将在复位晶体管R断开之后取入的FD+CSa+CSb的复位噪声作 为N3读出(时刻V)。这时，在噪声信号N3中，将放大晶体管SF的阈 值电压偏差作为固定模式噪声成分而包含。接着，如果第二存储晶体管 Cb断开，则在FD+CSa+CSb中存储的信号电荷按照其电容比分配给 FD+CSa和CSb。其中，将分配给FD+CSa的信号作为N2读出(时刻t2，)。 这时，在N2中也将放大晶体管SF的阈值电压偏差作为固定模式噪声成分 而包含。接着，如果第一存储晶体管Ca断开，则FD+CSa中存储的信号电荷 按照其电容比分配给FD和CSa。其中，将分配给FD的信号作为N1读出 (时刻V)。这时，在N1中也将放大晶体管SF的阈值电压偏差作为固定 模式噪声成分而包含。在存储期间中(t4')，在第一存储晶体管Ca、第二 存储晶体管Cb、复位晶体管R、选择晶体管X断开的状态下，光电二极 管PD饱和前的光电荷由光电二极管PD存储，此外，超过饱和时的过剩 光电荷经由传送晶体管T与N1重叠，在浮动扩散FD中存储。有更强光 的照射，光电二极管PD和浮动扩散FD的超过饱和时的过剩电荷经由第 一存储晶体管Ca与N2重叠，在第一存储电容CSa中存储。进而，有强 光的照射，光电二极管PD、浮动扩散FD和第一存储电容CSa的超过饱 和时的过剩光电荷经由第二存储晶体管Cb也存储在第二存储电容CSb 中。第一存储晶体管Ca和第二存储晶体管Cb的阈值电压设定得比传送晶 体管T的阈值电压低，所以在浮动扩散FD饱和时，过剩电荷不回到PD 侧，高效地向第一存储电容CSa传送，在浮动扩散FD和第一存储电容 CSa饱和时，过剩电荷不回到光电二极管PD侦U，高效地向第二存储电容 CSb传送。通过该动作，在过饱和状态下，不放弃从光电二极管PD溢出 的电荷，有效地活用。这样，饱和前以及过饱和后，在各像素用同一光电 二极管PD在同一期间内受光，由此进行存储动作。在存储结束后，选择晶体管X、传送晶体管T导通，将光电二极管 PD中存储的光信号电荷完全向浮动扩散FD传送，与信号N1重叠，作为 S1+N1，读出信号(时刻V)。接着，第一存储晶体管Ca也导通(时刻V)， 将FD的电荷和CSa中存储的电荷混合，作为S1+S2+N2，读出信号。接 着，第二存储晶体管Cb也导通(时刻t/)，混合FD+CSa的电荷和CSb 中存储的电荷，作为S1+S2+S3+N3,读出信号。接着，复位晶体管R导 通，进行浮动扩散FD、第一存储电容CSa、第二存储电容CSb的复位(时 刻V)。通过重复以上的动作，本实施方式的固体摄像元件工作。在所述的实施方式中，第一存储晶体管Ca和第二存储晶体管Cb的阈 值电压比传送晶体管T的阈值电压低，但是第一存储晶体管Ca和第二存 储晶体管Cb的阈值电压也可以与传送晶体管T的阈值电压为相同程度， 在存储期间中，第一存储晶体管Ca和第二存储晶体管Cb的栅极电位为正， 浮动扩散FD和第一存储电容CSa饱和时，过剩电荷不回到光电二极管PD 侧，高效地向第二存储电容CSb传送。在本实施方式中，也得到与第一实施方式同样的效果，能维持高S/N比，在高照度侧实现充分宽的动态范围扩大。 第三实施方式图10表示本实施方式的固体摄像装置的一个像素的等价电流图，图 ll表示概略剖视图，概略俯视图与第一实施方式的图3同样。各像素由以下的部分构成接收光，生成光电荷的光电二极管PD1; 与光电二极管PD1邻接设置的传送光电荷的传送晶体管T2;经由传送晶体管T2与光电二极管PD1连接设置的浮动扩散FD3;在曝光存储动作时， 通过传送晶体管T2存储从所述光电二极管PD1溢出的光电荷的第一存储 电容CSa4和第二存储电容CSb5;与浮动扩散FD3连接形成，用于排出 浮动扩散FD3、第一存储电容CSa4和第二存储电容CSb5内的信号电荷 的复位晶体管R6;设置在浮动扩散FD3和第一存储电容CSa4之间的第 一存储晶体管Ca7;设置在第一存储电容CSa4和第二存储电容CSb5之间 的第二存储晶体管Cb8;用于将浮动扩散FD3的信号电荷或浮动扩散FD3 和第一存储电容CSa4的信号电荷或浮动扩散FD3、第一存储电容CSa4 和第二存储电容CSb5的信号电荷作为电压读出的放大晶体管SF9;与放 大晶体管连接设置，用于选择所述像素或像素块的选择晶体管XIO。本实施方式的固体摄像装置将多个所述结构的像素集成为二维或一 维的阵列状，在各像素中，在传送晶体管T2、第一存储晶体管Ca7、第二 存储晶体管Cb8、复位晶体管R6的栅极上连接OTll、 0Ca12、 0Cb13、 0R14 的各驱动线，此外，在选择晶体管X10的栅极上连接由行移位寄存器驱动 的像素选择线^x15，进而，在选择晶体管X10的输出侧源极连接输出线 OUT16,由列移位寄存器控制并输出。在图11中，除了复位晶体管R6代替第一存储电容CSa4，连接在作 为浮动扩散的n+半导体区域上之外，其他与第一实施方式同样。此外，与 第一实施方式同样将第二存储晶体管Cb的阈值电压设定为比传送晶体管 T的阈值电压低。此外，本实施方式的固体摄像装置的框图也与第一实施 方式的图4同样。说明图10~图11中说明的本实施方式的固体摄像装置的动作方法。图 12是本实施方式的固体摄像装置的主要驱动时间图，图13是从像素的光电二极管经过浮动扩散FD、第一存储电容到达第二存储电容的局部概略 电势图。首先，在曝光存储之前，将第一存储晶体管Ca和第二存储晶体管Cb 设置为导通，将传送晶体管T、复位晶体管R设置为断开。接着，将复位 晶体管R、传送晶体管T导通，进行浮动扩散FD和第一存储电容CSa、 第二存储电容CSb的复位(时刻V，)。这时，光电二极管完全耗尽化。接 着，将在复位晶体管R断开之后取入的FD+CSa+CSb的复位噪声作为N3 读出(时刻t,")。这时，在噪声信号N3中，将放大晶体管SF的阈值电压 偏差作为固定模式噪声成分而包含。接着，如果第二存储晶体管Cb断开，则在FD+CSa+CSb中存储的信 号电荷按照其电容比分配给FD+CSa和CSb。其中，将分配给FD+CSa的 信号作为N2读出(时刻V')。这时，在N2中也将放大晶体管SF的阈值 电压偏差作为固定模式噪声成分而包含。在存储期间中(时刻V')，在第 一存储晶体管Ca导通，第二存储晶体管Cb、复位晶体管R、选择晶体管 X断开的状态下，光电二极管PD饱和前的光电荷由光电二极管PD存储， 此外，超过饱和时的过剩光电荷经由传送晶体管T和第一存储晶体管Ca 与N2重叠，在浮动扩散FD和第一存储电容CSa中存储。进而，有强光 的照射，光电二极管PD和第一存储电容CSa的超过饱和时的过剩光电荷 经由第二存储晶体管Cb也存储在第二存储电容CSb中。第二存储晶体管 Cb的阈值电压设定为比传送晶体管T的阈值电压低，所以在浮动扩散FD 和第一存储电容CSa饱和时，过剩电荷不回到光电二极管PD侧，高效地 传送给第二存储电容CSb。通过该动作，不抛弃在过饱和状态下从光电二 极管PD溢出的电荷，有效地活用。这样，饱和前以及过饱和后，在各像 素用同一光电二极管PD在同一期间内受光，由此进行存储动作。在存储结束后(时刻t4")，选择晶体管X导通后，复位晶体管R导 通(时刻V')， FD复位后，复位晶体管R断开后将FD中存在的信号作 为N1读出(时刻V')。这时，在N1中也将放大晶体管SF的阈值电压偏 差作为固定模式噪声成分而包含。接着，传送晶体管T导通，光电二极管 PD中存储的光信号电荷向浮动扩散FD完全传送，与信号N1重叠(时刻
t7")，作为S1+N1，读出信号。接着，第一存储晶体管Ca也导通(时刻V')，混合FD的电荷和Csa 中存储的电荷，作为Sl+S2+N2，读出信号。接着，第二存储晶体管Cb 也导通(时刻t9")，混合FD+CSa的电荷与CSb中存储的电荷，作为 Sl+S2+S3+N3，读出信号。接着，复位晶体管R导通，进行浮动扩散FD、 第一存储电容CSa、第二存储电容CSb的复位(时刻tu)")。通过重复以 上的动作，本实施方式的固体摄像元件工作。动态范围的扩大率、宽动态 范围信号的合成方法等与第一实施方式同样。在本实施方式中，也得到与第一实施方式同样的效果，能维持高S/N 比，在高照度侧实现充分宽的动态范围扩大。第四实施方式图14表示本实施方式的固体摄像装置的一个像素的等效电路图，图 15-1、图15-2表示概略剖视图，图16表示概略俯视图。各像素由以下的部分构成接收光，生成光电荷的光电二极管PD1; 与光电二极管PD1邻接设置的传送光电荷的传送晶体管T2;经由传送晶 体管T2与光电二极管PD1连接设置的浮动扩散FD3;设置在光电二极管 PD1和第一存储电容CSa4之间的溢流门L017;通过溢流门L017存储在 曝光存储动作时从所述光电二极管PD1溢出的光电荷的第一存储电容 CSa4和第二存储电容CSb5;与浮动扩散FD3连接形成，用于排出浮动扩 散FD3、第一存储电容CSa4和第二存储电容CSb5内的信号电荷的复位 晶体管R6;设置在浮动扩散FD3和第一存储电容CSa4之间的第一存储 晶体管Ca7;设置在第一存储电容CSa4和第二存储电容CSb5之间的第二 存储晶体管Cb8;用于将浮动扩散FD3的信号电荷或浮动扩散FD3和第 一存储电容CSa4的信号电荷或浮动扩散FD3、第一存储电容CSa4和第 二存储电容CSb5的信号电荷作为电压读出的放大晶体管SF9;与放大晶 体管连接设置，用于选择所述像素或像素块的选择晶体管XIO。在图15-1、图15-2中，在n型半导体区域22和n+型半导体区域25 的区域中，在p型井21上面形成p+半导体区域18，构成了将n型半导体 区域22和n+型半导体区域25作为源极和漏极，将p+型半导体区域18作 为栅极的结型晶体管型的溢流门LO。其他构造与所述的第三实施方式同
样。p+半导体区域18与p+型半导体区域23和p型井区域21电连接。本实施方式的固体摄像装置将多个所述结构的像素集成为二维或一 维的阵列状，在各像素中，在传送晶体管T2、第一存储晶体管Ca7、第二 存储晶体管Cb8、复位晶体管R6的栅极上连接OTll、 0>Ca12、 <DCb13、 0R14 的各驱动线，此外，在选择晶体管X10的栅极上连接由行移位寄存器驱动 的像素选择线Ox15，进而，在选择晶体管XIO的输出侧源极连接输出线 OUT16，由列移位寄存器控制并输出。在本实施方式中，与第一实施方式同样地将第二存储晶体管Cb的阈 值电压设定为比传送晶体管T的阈值电压低，同时，将溢流门LO的阈值 电压设定为比传送晶体管T的阈值电压低。另外，本实施方式的固体摄像 装置的框图也与第一实施方式的图4同样。图14 图16中说明的本实施方式的固体摄像装置的动作方法与第三 实施方式的图12同样，但是在存储期间中(时刻V')，在第一存储晶体 管Ca断开，第二存储晶体管Cb、复位晶体管R、选择晶体管X断开的状 态下，光电二极管PD饱和前的光电荷由光电二极管PD存储，此外，超 过饱和时的过剩光电荷经由溢流门LO在第一存储电容CSa中存储。进而， 有强光的照射，光电二极管PD和第一存储电容CSa的超过饱和时的过剩 光电荷经由第二存储晶体管Cb也存储在第二存储电容CSb中。溢流门LO 和第二存储晶体管Cb的阈值电压设定为比传送晶体管T的阈值电压低， 所以在第一存储电容CSa饱和时，过剩电荷不回到光电二极管PD侧，高 效地传送给第二存储电容CSb。通过该动作，不抛弃在过饱和状态下从光 电二极管PD溢出的电荷，有效地活用。这样，饱和前以及过饱和后，在 各像素用同一光电二极管PD在同一期间内受光，由此进行存储动作。动 态范围的扩大率、宽动态范围信号的合成方法等与第一实施方式同样。在本实施方式中，也得到与第一实施方式同样的效果，能维持高S/N 比，在高照度侧实现充分宽的动态范围扩大。第五实施方式本实施方式是基于第一至第四实施方式的固体摄像装置的其他框图 和动作方法的实施方式。本实施方式的固体摄像装置的像素的结构与第一 至第四实施方式中说明的固体摄像装置同样。
图17表示本实施方式的固体摄像装置的框图。在配置为二维的像素阵列(30、 31、 32、 33)的周边部设置行移位寄存器34、列移位寄存器 35、垂直信号线38、 38，、水平信号线39、输出电路37。这里，为了简单， 表示2像素X2像素的像素阵列，但是像素的数量并不局限于此。从各像素依次读出的信号成为噪声信号N1、由FD进行了电荷电压变 换的饱和前的光信号+噪声信号Sl+Nl、噪声信号N2、由FD+CSa进行了 电荷电压变换的饱和前与饱和后的相加的光信号+噪声信号Sl+S2+N2、噪 声信号N3、由FD+CSa+CSb进行了电荷电压变换的饱和前与饱和后的相 加的光信号+噪声信号Sl+S2+S3+N3。通过行移位寄存器34、列移位寄存 器35，从各像素依次选择垂直信号线38、 38'、水平信号线39、输出电路 37，读出这些输出信号。通过减法电路，进行噪声除去(S1+N1) —N1、 (Sl+S2+N2) —N2、 (Sl+S2+S3+N3) —N3的动作，除去随机噪声成分 和固定模式噪声成分双方。如后所述，与存储开始之后读出噪声信号N1、 N2、 N3的一个或多个的情况对应，将噪声信号暂时保存到帧存储器后， 通过减法电路，除去噪声。这样，就得到已除去噪声的饱和前侧信号Sl 和过饱和侧信号Sl+S2、 Sl+S2+S3。减法电路、帧存储器可以形成在图像 传感器芯片上，也可以作为其他芯片形成。本实施方式的固体摄像元件中， 读出电路系统变得简单。 (实施例1)在本发明的固体摄像装置中，制作具有像素尺寸20ym见方、浮动扩 散电容CFD=3.4fF、第一存储电容CSa=73fF、第二存储电容CSb=3700fF 的固体摄像元件，求出其光电变换特性和动态范围特性。各存储电容由 MOS电容和多晶硅-多晶硅电容的并联电容构成。图18是本实施例的光电变换特性。信号S1、 Sl+S2、 Sl+S2+S3的饱 和信号电压分别是500mV、 1000 mV、 1200 mV。此外，除去噪声后，Sl、 Sl+S2、 Sl+S2+S3中残留的残留噪声电压都相等，为0.09mV。从Sl向Sl+S2的切换电压、从Sl+S2向Sl+S2+S3的切换电压设定 为比各自的饱和电压低，为400mV、 900mV。各切换点的Sl+S2信号、Sl+S2+S3信号和残留噪声的S/N比都得到 46dB，能实现具有高图像质量的性能的固体摄像元件。
此外，Sl、 Sl+S2、 Sl+S2+S3的动态范围分别能实现75dB、 108 dB、 143 dB。在本实施例中，能维持高S/N比，在高照度侧实现充分宽的动态范围 扩大。(实施例2)在本发明的固体摄像装置中，应用沟道型存储电容元件，制作像素尺 寸10um见方、浮动扩散电容CFD=3.4fF、第一存储电容CSa=148fF、第 二存储电容CSb=15pF的固体摄像元件，求出其光电变换特性和动态范围 特性。信号S1、S1+S2、S1+S2+S3的饱和信号电压分别是500mV、 1000 mV、 1200mV。此外，除去噪声后，Sl、 Sl+S2、 Sl+S2+S3中残留的残留噪声 电压都相等，为0.09mV。从Sl向Sl+S2的切换电压、从Sl+S2向Sl+S2+S3 的切换电压设定为比各自的饱和电压低，为400mV、 900mV。各切换点的Sl+S2信号、Sl+S2+S3信号和残留噪声的S/N比都得到 40dB，能实现具有高图像质量的性能的固体摄像元件。此外，Sl、 Sl+S2、 Sl+S2+S3的动态范围分别能实现75dB、 114 dB、 175 dB。在本实施例中，能维持高S/N比，在高照度侧实现充分宽的动态范围 扩大。本发明并不局限于所述的说明。例如，在实施例中，说明了固体摄像 装置，但是并不局限于此，关于将各固体摄像装置的像素配置为直线状的 线传感器、通过原封不动地单独构成各固体摄像装置的像素而得到的光传 感器，也能实现以往无法得到的宽动态范围化、高灵敏度、高S/N比。此外，存储电容的形状等并未特别限定，为了在MOS电容、多晶硅-多晶硅间电容、DRAM的存储器存储电容等中提高电容，可釆用此前开发 的沟道电容或堆积电容等各种方法。作为固体摄像装置，除了 CMOS图像 传感器之外，还能应用于CCD中。此外，在不脱离本发明的宗旨的范围 内，能进行各种变更。例如，在本实施例中，说明了在第一和第二存储电 容中存储信号电荷的情况，但是本发明进而也能应用于在多级的存储电容 中存储信号电荷的结构。产业上的可利用性 本发明的固体摄像装置能适应数码相机、带相机的便携电话、监视相 机、车载相机等要求宽动态范围的图像传感器。本发明的固体摄像装置的动作方法能适应要求宽动态范围的图像传 感器的动作方法。
权利要求
1.一种光传感器，其包括光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；多个存储电容元件，其经由所述传送晶体管存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷。
2. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 多个存储电容元件，其经由所述传送晶体管存储在存储动作时从所述 光电二极管溢出的光电荷。
3. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 存储电容元件组，其由多个存储电容元件构成，所述多个存储电容元件至少包含经由所述传送晶体管依次存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷的第一和第二存储电容元件。
4. 一种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送门，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷；第一存储门，其连接在所述传送门上；第一存储电容元件，其经由所述传送门和所述第一存储门存储在存储 动作时从所述光电二极管溢出的光电荷；第二存储电容元件，其经由第二存储门连接在所述第一存储电容元件上。
5. 根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述多个存 储电容元件彼此经由存储门机构连接。
6. 根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素还 具有经由所述传送晶体管传送所述光电荷的浮动区域。
7. 根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素还 具有经由所述传送门传送所述光电荷的浮动区域。
8. 根据权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，还具有 复位晶体管，其连接在所述浮动区域或所述第一和第二存储电容元件的至少一个上，用于排出所述第一和第二存储电容元件以及所述浮动区域 内的信号电荷；放大晶体管，其用于将所述浮动区域的信号电荷、或所述浮动区域和 所述第一以及第二存储电容元件的至少一方的信号电荷作为电压读出； 选择晶体管，其连接在所述放大晶体管上，用于选择所述像素。
9. 根据权利要求7所述的固体摄像装置，其特征在于，还具有噪声 取消机构，所述噪声取消机构取得从所述浮动区域、所述第一存储电容元 件和所述第二存储电容元件的一个或多个得到的电压信号、和向所述浮动 区域传送来自所述光电二极管的所述光电荷并且使所述第一存储门和所 述第二存储门中的至少一个导通，从而从传送到所述浮动区域、所述第一 存储电容元件和所述第二存储电容元件的一个或多个的光电荷得到的电 压信号、的差分。
10. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素至少具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光 电二极管上，传送所述光电荷；浮动区域，其经由所述传送晶体管传送所 述光电荷；第一存储晶体管，其连接在所述传送晶体管上；第一存储电容 元件，其通过所述传送晶体管和所述第一存储晶体管存储在存储动作时从 所述光电二极管溢出的光电荷；第二存储晶体管，其传送从所述第一存储 电容元件溢出的光电荷；第二存储电容元件，其通过所述第二存储晶体管 存储从所述第一存储电容元件溢出的光电荷。
11. 一种固体摄像装置的动作方法，其是权利要求10的固体摄像装 置的动作方法，其包括-在电荷存储之前，将所述第一和第二存储晶体管导通，排出所述浮动区域以及所述第一和第二存储电容元件内的光电荷的工序；将所述光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷在所述光电二极管中存储，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷在所述浮动区域和所述第一存储电容元件中存储的工序；将所述第一存储晶体管断开，将所述浮动区域内的光电荷排出的工序；将所述传送晶体管导通，将所述饱和前电荷向所述浮动区域传送，读 出表示所述饱和前电荷的电压信号的饱和前信号的工序；将所述第一存储晶体管导通，读出表示所述饱和前电荷与从所述光电 二极管溢出的所述过饱和电荷的和的电压信号的第一过饱和信号的工序；将所述第二存储晶体管导通，读出表示所述饱和前电荷、从所述光电 二极管溢出的所述过饱和电荷与从所述第一存储电容元件溢出的过饱和 电荷的和的电压信号的第二过饱和信号的工序。
12. 根据权利要求11所述的固体摄像装置的动作方法，其特征在于， 还具有通过与规定的基准电压的比较，来选择所述饱和前信号、所述第 一过饱和信号和所述第二过饱和信号的至少任意一个的输出信号选择工 序。
13. 根据权利要求12所述的固体摄像装置的动作方法，其特征在于， 所述输出信号选择工序在所述饱和前信号比第一基准电压大时，选择所述 第一过饱和信号作为输出信号，在所述第一过饱和信号比第二基准电压大 时，选择所述第二过饱和信号作为输出信号。
14. 一种光传感器，其具有 光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 溢流门，其连接在所述光电二极管上；多个存储电容元件，其经由所述溢流门存储在存储动作时从所述光电 二极管溢出的光电荷。
15. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 溢流门，其连接在所述光电二极管上；多个存储电容元件，其经由所述溢流门存储在存储动作时从所述光电 二极管溢出的光电荷。
16. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 溢流门，其连接在所述光电二极管上；存储电容元件组，其由多个存储电容元件构成，所述多个存储电容元 件至少包含经由所述溢流门依次存储在存储动作时从所述光电二极管溢 出的光电荷的第一和第二存储电容元件。
17. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素具有-光电二极管，其接收光，生成光电荷； 传送门，其连接在所述光电二极管上，传送所述光电荷； 溢流门，其连接在所述光电二极管上，传送在存储动作时从所述光电 二极管溢出的光电荷；第一存储门，其连接在所述溢流门上；第一存储电容元件，其经由所述溢流门存储在存储动作时从所述光电 二极管溢出的光电荷；第二存储门，其连接在所述第一存储电容元件上；第二存储电容元件，其经由所述第二存储门连接在所述第一存储电容 元件上。
18. 根据权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于，所述溢流 门由MOS型晶体管或结型晶体管构成。
19. 根据权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于，所述多个 存储电容元件彼此经由存储晶体管连接。
20. 根据权利要求15所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素 还具有经由所述传送晶体管传送所述光电荷的浮动区域。
21. 根据权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于，所述像素 还具有经由所述传送门传送所述光电荷的浮动区域。
22. 根据权利要求16所述的固体摄像装置，其特征在于，所述第二 存储电容元件具有比所述第一存储电容元件大的电容。
23. 根据权利要求19所述的固体摄像装置，其特征在于，还具有 复位晶体管，其连接在所述浮动区域或所述第一和第二存储电容元件的至少一个上，用于排出所述第一和第二存储电容元件以及所述浮动区域 内的信号电荷；放大晶体管，其用于将所述浮动区域的信号电荷、或所述浮动区域和 所述第一以及第二存储电容元件的至少一方的信号电荷作为电压读出； 选择晶体管，其连接在所述放大晶体管上，用于选择所述像素。
24. —种固体摄像装置，其通过多个如下的像素集成为一维或二维的 阵列状而成，所述像素至少具有光电二极管，其接收光，生成光电荷；传送晶体管，其连接在所述光 电二极管上，传送所述光电荷；浮动区域，其经由所述传送晶体管传送所 述光电荷；溢流门，其连接在所述光电二极管上；第一存储电容元件，其 通过所述溢流门存储在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷；第一 存储晶体管，其传送从所述第一存储电容元件溢出的光电荷；第二存储电容元件，其通过所述第一存储晶体管存储从所述第一存储电容元件溢出的 光电荷；第二存储晶体管，其连接在所述浮动区域和所述第一存储电容元 件之间。
25. —种固体摄像装置的动作方法，其是权利要求24所述的固体摄 像装置的动作方法，其特征在于，具有-在电荷存储前，将所述第一存储晶体管和所述第二存储晶体管导通， 排出所述浮动区域以及所述第一和第二存储电容元件内的光电荷的工序；将所述光电二极管产生的光电荷中的饱和前电荷在所述光电二极管 中存储，将从所述光电二极管溢出的过饱和电荷经由所述溢流门在所述第 一存储电容元件中存储的工序；将所述传送晶体管导通，将所述饱和前电荷向所述浮动区域传送，读 出表示所述饱和前电荷的电压信号的饱和前信号的工序；将所述第二存储晶体管导通，读出表示所述饱和前电荷和从所述光电二极管溢出的所述过饱和电荷的和的电压信号的第一过饱和信号的工序； 将所述第一存储晶体管导通，读出表示所述饱和前电荷、从所述光电 二极管溢出的所述过饱和电荷与从所述第一存储电容元件溢出的过饱和 电荷的和的电压信号的第二过饱和信号的工序。
26. 根据权利要求25所述的固体摄像装置的动作方法，其特征在于， 还具有通过与规定的基准电压的比较，来选择所述饱和前信号、所述第 一过饱和信号和所述第二过饱和信号的至少任意一个的输出信号选择工 序。
27. 根据权利要求26所述的固体摄像装置的动作方法，其特征在于，所述输出信号选择工序在所述饱和前信号比第一基准电压大时，选择所述 第一过饱和信号作为输出信号，在所述第一过饱和信号比第二基准电压大 时，选择所述第二过饱和信号作为输出信号。
全文摘要
本发明提供一种光传感器、固体摄像装置和固体摄像装置的动作方法。在具有接收光并且生成光电荷的光电二极管、和传送光电荷的传送晶体管(或溢流门)的光传感器、固体摄像装置等光设备中，具有经由所述传送晶体管或溢流门将在存储动作时从所述光电二极管溢出的光电荷存储在多个存储电容元件中的结构，由此，能取得维持高灵敏度、高S/N比，并且动态范围宽的光设备。
文档编号H04N5/3745GK101164334SQ200680008769
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月6日 优先权日2005年4月7日
发明者赤羽奈奈, 须川成利 申请人:国立大学法人东北大学