JP2000350098A

JP2000350098A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2000350098A
Application number: JP2000092944A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hagiwara; 義雄萩原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2000-12-15
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP4352571B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、画素の出力を大きく得ることができ
る、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を提供する
ことを目的とする。【解決手段】フォトダイオードＰＤに入射されることに
よって発生する光電流（電気信号）によって、ＭＯＳト
ランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧を上昇させ、このゲ
ート電圧に応じた電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れ
る。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに印加
する電圧φＶPSを調整して、ＭＯＳトランジスタＴ１が
閾値以下のサブスレッショルド領域で動作するとき、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ２を流れる電流が前記光電流に対し
て自然対数的に変化する。又、ＭＯＳトランジスタＴ１
のソースに印加する電圧φＶPSを直流電圧φＶPDと略等
しくすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２を流れ
る電流が前記光電流に対して線形的に変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関す
るものであり、特に画素を二次元に配置した固体撮像装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオード等の光電変換素子と、
その光電変換素子で発生した光電荷を出力信号線へ取り
出す手段とを含む画素をマトリクス状（行列状）に配し
てなる二次元固体撮像装置は種々の用途に供されてい
る。ところで、このような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ＭＯＳ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ＭＯＳ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
出すようになっていた。

【０００３】ここで、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の１
画素当りの構成を図２３に示し説明する。同図におい
て、ＰＤはフォトダイオードであり、そのカソードがＭ
ＯＳトランジスタＴ１のゲートとＭＯＳトランジスタＴ
２のソースに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ１
のソースはＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続さ
れ、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線Ｖou
tへ接続されている。またＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ
２のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、フォトダイ
オードのアノードには直流電圧ＶPSが印加されている。

【０００４】フォトダイオードＰＤに光が入射すると、
光電荷が発生し、その電荷はＭＯＳトランジスタＴ１の
ゲートに蓄積される。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３
のゲートにパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタ
Ｔ３をＯＮすると、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートの
電荷に比例した電流がＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ３を
通って出力信号線へ導出される。このようにして入射光
量に比例した出力電流を読み出すことができる。信号読
み出し後はＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにしてＭＯ
ＳトランジスタＴ２をＯＮすることでＭＯＳトランジス
タＴ１のゲート電圧を初期化させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のＭ
ＯＳ型の固体撮像装置は各画素においてフォトダイオー
ドＰＤで発生しＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積
された光電荷をそのまま読み出すものであったからダイ
ナミックレンジが狭く、そのため露光量を精密に制御し
なければならず、しかも露光量を精密に制御しても暗い
部分が黒くつぶれたり、明るい部分が飽和したりするな
どの問題があった。

【０００６】一方、本出願人は、入射した光量に応じた
光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯ
Ｓトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレ
ッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス
手段とを備え、光電流を対数変換するようにした固体撮
像装置を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参
照）。このような固体撮像装置は、広いダイナミックレ
ンジを有しているものの、低輝度の場合の特性やＳ／Ｎ
比などが十分でないという問題があった。又、画素内に
キャパシタを有する積分回路を内蔵しているために画素
サイズが大きくなってしまうという問題があった。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、ダイナミックレンジの広い新規且つ有用な固
体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明の
他の目的は、画素サイズの小さい固体撮像装置を提供す
ることにある。更に、他の目的は、画素から大きく安定
した状態で信号を得ることのできる固体撮像装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射した光量
に応じた電気信号を発生する感光素子を有する光電変換
手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ導出
する導出路を備えた固体撮像装置において、前記光電変
換手段からの信号を積分することなく増幅する増幅手段
を有するとともに、前記光電変換手段によって前記電気
信号が自然対数的に変換された後、前記増幅手段によっ
て増幅された出力信号を前記導出路を介して前記出力信
号線へ出力することを特徴とする。

【０００９】又、請求項２に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信
号線へ導出する導出路を備えた固体撮像装置において、
前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅手段を有
し、前記光電変換手段と前記増幅手段との間には積分回
路が設けられておらず、前記光電変換手段によって前記
電気信号が自然対数的に変換された後、前記増幅手段に
よって増幅された出力信号を前記導出路を介して前記出
力信号線へ出力することを特徴とする。

【００１０】又、請求項３に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信
号線へ導出する導出路を備えた固体撮像装置において、
前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅手段と、読
み出し時の前記光電変換手段の出力を出力信号として読
み出す読み出し手段と、を有し、前記光電変換手段によ
って前記電気信号が自然対数的に変換された後、前記増
幅手段によって増幅された出力信号を前記導出路を介し
て前記出力信号線へ出力することを特徴とする。

【００１１】又、請求項４に記載の固体撮像装置は、入
射した光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有す
る光電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号
線へ導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配
してなる二次元の固体撮像装置において、各画素が、前
記光電変換手段からの信号を積分することなく増幅する
増幅手段を有するとともに、前記光電変換手段によって
前記電気信号が自然対数的に変換された後、前記増幅手
段によって増幅した出力信号を前記導出路を介して前記
出力信号線へ出力することを特徴とする。

【００１２】請求項５に記載の固体撮像装置は、入射し
た光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有する光
電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ
導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配して
なる二次元の固体撮像装置において、各画素が、前記光
電変換手段からの信号を増幅する増幅手段を有するとと
もに、前記光電変換手段と前記増幅手段との間には積分
回路が設けられておらず、前記光電変換手段によって前
記電気信号が自然対数的に変換された後、前記増幅手段
によって増幅された出力信号を前記導出路を介して前記
出力信号線へ出力することを特徴とする。

【００１３】請求項６に記載の固体撮像装置は、入射し
た光量に応じた電気信号を発生する感光素子を有する光
電変換手段と該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ
導出する導出路とを備えた画素をマトリクス状に配して
なる二次元の固体撮像装置において、読み出し時の前記
光電変換手段の出力を出力信号として読み出す読み出し
手段を有するとともに、各画素が、前記光電変換手段か
らの信号を増幅する増幅手段を有し、各画素において、
前記光電変換手段によって前記電気信号が自然対数的に
変換された後、前記増幅手段によって増幅された出力信
号が、前記読み出し手段によって、前記導出路を介して
前記出力信号線へ出力されることを特徴とする。

【００１４】請求項１〜請求項６のような構成の固体撮
像装置によると、光電変換手段によって、入射光量に応
じた電気信号を自然対数的に変換して出力することがで
きるので、ダイナミックレンジを大きくとることができ
る。又、光電変換手段からの信号を増幅する増幅手段を
設けているので、各画素からの信号が大きく安定した状
態で読み出される。光電変換手段からの信号を積分する
ことなく増幅して導出路より出力信号線に出力するの
で、画素構成が簡素になり、画素サイズを小さくするこ
とができる。

【００１５】更に、請求項１〜請求項６のいずれかに記
載の固体撮像装置において、請求項７に記載するよう
に、前記増幅手段が、制御電極に積分されることなく入
力される前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅用
トランジスタであっても良い。又、請求項８に記載する
ように、この増幅用トランジスタが、ゲート電極に前記
光電変換手段からの信号が与えられるとともに、第１電
極に直流電圧が印加され、第２電極に前記導出路が接続
されたＭＯＳトランジスタであっても良い。尚、このと
き、前記光電変換手段からの信号は、電圧信号であり、
前記ＭＯＳトランジスタによって、電流増幅された信号
が出力信号線に出力される。

【００１６】又、請求項９に記載するように、請求項７
又は請求項８に記載の固体撮像装置において、前記増幅
用トランジスタからの信号が前記導出路を介して出力さ
れる出力信号線に接続された負荷抵抗又は定電流源を有
するような固体撮像装置であっても良い。この負荷抵抗
又は定電流源を設けることによって、各画素から出力さ
れる電流信号を電圧信号として読み出すことができる。
このような固体撮像装置において、請求項１０に記載す
るように、前記負荷抵抗又は定電流源の総数が全画素数
より少なくても良い。又、請求項１１に記載するよう
に、前記負荷抵抗又は定電流源は、前記出力信号線に接
続された第１電極と、直流電圧に接続された第２電極
と、直流電圧に接続された制御電極とを有するトランジ
スタであっても良い。

【００１７】請求項１１に記載の固体撮像装置におい
て、請求項１２に記載するように、前記増幅用トランジ
スタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとするとき、前
記増幅用トランジスタの第１電極に印加される直流電圧
を、前記抵抗用のトランジスタの第２電極に接続される
直流電圧よりも高電位とすればよい。又、請求項１３に
記載するように、前記増幅用トランジスタをＰチャネル
のＭＯＳトランジスタとするとき、前記増幅用トランジ
スタの第１電極に印加される直流電圧を、前記抵抗用の
トランジスタの第２電極に接続される直流電圧よりも低
電位とすればよい。

【００１８】更に、請求項４〜請求項１３にのいずれか
に記載の固体撮像装置において、請求項１４に記載する
ように、前記導出路に、全画素の中から所定のものを順
次選択し、選択された画素から増幅された信号を出力信
号線に導出するスイッチを設けることによって、各画素
から前記出力信号線に出力される信号を順次読み出して
シリアルデータとして出力することができる。

【００１９】このような固体撮像装置において、請求項
１５のように、前記スイッチを第１電極に前記導出路が
接続されるとともに第２電極に前記出力信号線が接続さ
れたトランジスタとし、該トランジスタの制御電極に信
号を与えて導通させたとき、画素から増幅された信号を
前記出力信号線に導出させても良い。

【００２０】請求項１６に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電
変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、
第１電極及び制御電極が光電変換素子の第２電極に接続
され、光電変換素子からの出力電流が流れ込むトランジ
スタとから構成され、該トランジスタの制御電極に現れ
る電圧信号を出力信号とすることを特徴とする。

【００２１】請求項１７に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電
変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、
第１電極が光電変換素子の第２電極に接続され、光電変
換素子からの出力電流が流れ込むとともに第２電極と制
御電極が接続されたトランジスタとから構成され、該ト
ランジスタの第１電極に現れる電圧信号を出力信号とす
ることを特徴とする。

【００２２】請求項１８に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電
変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、
第１電極が光電変換素子の第２電極に接続されるととも
に制御電極に直流電圧が印加され、光電変換素子からの
出力電流が流れ込むトランジスタとから構成され、該ト
ランジスタの第１電極に現れる電圧信号を出力信号とす
ることを特徴とする。

【００２３】請求項１９に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォ
トダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを
備え、第１電極及びゲート電極が前記フォトダイオード
の第２電極に接続され、前記フォトダイオードからの出
力電流が流れ込むＭＯＳトランジスタとから構成され、
該ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド
領域で動作させることによってゲート電極に現れる電圧
信号を出力信号とすることを特徴とする。

【００２４】請求項２０に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォ
トダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを
備え、第１電極が前記フォトダイオードの第２電極に接
続され、前記フォトダイオードからの出力電流が流れ込
むとともに第２電極とゲート電極が接続されたＭＯＳト
ランジスタとから構成され、該ＭＯＳトランジスタを閾
値以下のサブスレッショルド領域で動作させることによ
って第１電極に現れる電圧信号を出力信号とすることを
特徴とする。

【００２５】請求項２１に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項１５に記載の固体撮像装置において、前記
光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォ
トダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを
備え、第１電極が前記フォトダイオードの第２電極に接
続されるとともにゲート電極に直流電圧が印加され、前
記フォトダイオードからの出力電流が流れ込むＭＯＳト
ランジスタとから構成され、該ＭＯＳトランジスタを閾
値以下のサブスレッショルド領域で動作させることによ
って第１電極に現れる電圧信号を出力信号とすることを
特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像装置の各
実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一
実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の
構成を概略的に示している。同図において、Ｇ11〜Ｇｍ
ｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示してい
る。２は垂直走査回路であり、行（ライン）４−１、４
−２、・・・、４−ｎを順次走査していく。３は水平走
査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・
・・、６−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４−１、４−２・・・、４−ｎや出
力信号線６−１、６−２・・・、６−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１ではこれら
について省略し、図３以降の各実施形態において示して
いる。

【００２７】出力信号線６−１、６−２、・・・、６−
ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が
図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線６−１
を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲ
ートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号線
６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン８
に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のド
レインは出力信号線６−１に接続され、ソースは最終的
な信号線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接続
されている。

【００２８】画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、
それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力する
ＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１との接続関係は図２（ａ）のようになる。ここで、
ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧
ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続さ
れる直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、
直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。
この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート
に信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲ
ートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段
のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価で
あり、図２（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路
となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から
増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

【００２９】ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路３
によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、
後述するように各実施形態の画素内にはスイッチ用のＮ
チャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられてい
る。このＭＯＳトランジスタＴ４も含めて表わすと、図
２（ａ）の回路は正確には図２（ｂ）のようになる。即
ち、ＭＯＳトランジスタＴ４がＭＯＳトランジスタＱ１
とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されている。こ
こで、ＭＯＳトランジスタＴ４は行の選択を行うもので
あり、トランジスタＱ２は列の選択を行うものである。
なお、図１および図２に示す構成は以下に説明する第１
実施形態〜第８実施形態に共通の構成である。いずれに
しても、図２のように構成することにより信号のゲイン
を大きく出力することができる。

【００３０】従って、画素がダイナミックレンジ拡大の
ためにフォトダイオードが入射光に応じて出力する電気
信号（以下、「光電流」という。）を対数変換している
ような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増
幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の
信号処理回路（図示せず）での処理が楽になる。また、
増幅回路の負荷抵抗部分を構成するトランジスタＱ１を
画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接
続される出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍご
とに設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低
減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少な
くできる。

【００３１】＜第１の実施形態＞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、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。

【００３２】図３において、ｐｎフォトダイオードＰＤ
が感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダ
イオードＰＤのアノードは第１ＭＯＳトランジスタＴ１
のドレインとゲート、第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲ
ート、及び第３ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接
続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは第４
ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続され、ＭＯＳ
トランジスタＴ４のソースは出力信号線６（この出力信
号線６は図１の６−１、６−２、・・・、６−ｍに対応
する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１
〜Ｔ４は、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲ
ートが接地されている。

【００３３】又、フォトダイオードＰＤのカソードとＭ
ＯＳトランジスタＴ２のドレインには、直流電圧ＶPDが
印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジス
タＴ１のソースには信号φＶPSが印加される。ＭＯＳト
ランジスタＴ３のソースには直流電圧ＶRBが印加される
とともに、そのゲートには信号φＶRSが入力される。
又、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには信号φＶが入
力される。尚、本実施形態において、信号φＶPSは、２
値的に変化するものとし、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ
２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧を
ローレベルとし、直流電圧ＶPDと略等しい電圧をハイレ
ベルとする。

【００３４】この実施形態において、信号φＶPSの電圧
値を切り換えてＭＯＳトランジスタＴ１のバイアスを変
えることにより、出力信号線６に導出される出力信号を
光電流に対して自然対数的に変換させる場合と、線形的
に変換させる場合とを実現することができる。以下、こ
れらの各場合について説明する。

【００３５】（１）出力信号を光電流に対して自然対
数的に変換させる場合。まず、信号φＶPSをローレベルとし、ＭＯＳトランジス
タＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイ
アスされているときの動作について、図３及び図４を用
いて説明する。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲ
ートには、ローレベルの信号φＶRSが与えられるので、
ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在
しないことと等価になる。

【００３６】ところで、フォトダイオードＰＤは、例え
ば、図４（ａ）のように、Ｐ型の半導体基板（以下、
「Ｐ型基板」という。）１０に、Ｎ型ウェル層１１を形
成するとともに、そのＮ型ウェル層１１にＰ型拡散層１
２を設けることによって形成される。又、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１は、Ｐ型基板１０にＮ型拡散層１３，１４を
形成し、且つ、そのＮ型拡散層１３，１４間のチャンネ
ル上に順次、酸化膜１５とポリシリコン層１６を形成す
ることによって構成される。ここで、Ｎ型ウェル層１１
がフォトダイオードＰＤのカソード側を形成するととも
に、Ｐ型拡散層１２がアノード側を形成する。又、Ｎ型
拡散層１３，１４が、それぞれＭＯＳトランジスタＴ１
のドレイン、ソースを形成するとともに、酸化膜１５及
びポリシリコン層１６がそれぞれゲート絶縁膜とゲート
電極を形成する。このような構成のフォトダイオードＰ
Ｄ及びＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャルは、信号
φＶPSがローレベルのとき、図４（ｂ）のようになる。

【００３７】図３の回路において、フォトダイオードＰ
Ｄに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジス
タのサブスレッショルド特性により、前記光電流を自然
対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１の
ゲートに発生する。この電圧により、ＭＯＳトランジス
タＴ２に前記光電流に対して自然対数的に比例した値の
電流が流れる。

【００３８】次に、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに
パルス信号を与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮに
すると、前記光電流を自然対数的に比例した値の電流が
ＭＯＳトランジスタＴ４を通って出力信号線６に導出さ
れる。このようにして入射光量の対数値に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。又、このとき、
ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１
（図１）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決
まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号と
して出力信号線６に現れる。信号読み出し後はＭＯＳト
ランジスタＴ４をＯＦＦにする。尚、このように入射光
量に対してその出力電流を自然対数的に変換する場合、
信号φＶRSは、常にローレベルのままである。

【００３９】（２）出力信号を光電流に対して線形的
に変換させる場合。次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動作につい
て説明する。このとき、フォトダイオードＰＤ及びＭＯ
ＳトランジスタＴ１のポテンシャルは、図４（ｃ）のよ
うになる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１は実質的に
ＯＦＦ状態となり、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース・
ドレイン間に電流が流れない。又、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３のゲートにローレベルの信号φＶRSを与えて、ＭＯ
ＳトランジスタＴ３はＯＦＦとする。

【００４０】図３の回路において、フォトダイオードＰ
Ｄに光が当たると光電流が発生する。このとき、ＭＯＳ
トランジスタＴ１のバックゲートとゲートとの間やフォ
トダイオードＰＤの接合容量などでキャパシタを構成す
るので、光電流による電荷がＭＯＳトランジスタＴ１の
ゲートに蓄積される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ
１，Ｔ２のゲート電圧が前記光電流を積分した値に比例
した値になる。

【００４１】今、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧
がドレイン電圧より低いので、ＭＯＳトランジスタＴ２
がＯＮするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート
電圧に応じた値の電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れ
る。次に、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにパルス信
号を与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮにすると、
前記光電流の積分値を線形的に比例した値となる電流が
ＭＯＳトランジスタＴ４を通って出力信号線６に導出さ
れる。このようにして入射光量に比例した信号（出力電
流）を読み出すことができる。信号読み出し後は、ま
ず、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦにする。そして、
ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにハイレベルの信号φ
ＶRSを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮと
して、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電位を初
期化させる。

【００４２】このように、光電変換手段の動作状態を、
前記電気信号を線形的に変換する第１状態と、自然対数
的に変換する第２状態とに切り換え可能とした固体撮像
装置によると、被写体の輝度状態及び撮像時の環境に応
じて、単一の光電変換手段によってダイナミックレンジ
を変更することができる。本実施形態で示すように、フ
ォトダイオードＰＤで発生した光電荷をＭＯＳトランジ
スタＴ１を用いて変換する場合、このＭＯＳトランジス
タＴ１を閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ
ると、対数変換状態（第２状態）となり、ダイナミック
レンジが大きくとれる。しかしながら、低輝度で動く被
写体を撮像すると、対数変換動作では、残像が目立つよ
うになる。

【００４３】それは、対数変換動作では、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１がＯＮ状態となっていてフォトダイオードＰ
Ｄから発生される電気信号をリアルタイムで対数変換し
てＭＯＳトランジスタＴ１から出力するが、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のゲート側の電荷及びこのゲートに接続さ
れたフォトダイオードＰＤの寄生容量に蓄積された電荷
が放電されず、前の情報が残るからである。これは、輝
度が低い場合に特に目立つ。又、対数変換では、一般に
変換出力が小さいので、Ｓ／Ｎ比（信号／ノイズ比）が
悪い。

【００４４】これに対して、ＭＯＳトランジスタＴ１を
ＯＦＦ状態にしている線形変換状態（第１状態）では、
ダイナミックレンジは狭いが、光電変換手段から出力さ
れる信号は大きく得られるので、Ｓ／Ｎ比がよい。又、
ＯＦＦ状態のＭＯＳトランジスタＴ１のゲートやフォト
ダイオードＰＤで光電荷が積分されることと、リセット
されることにより、前の情報が残らないようにできる。

【００４５】又、本実施形態によれば、ＭＯＳトランジ
スタＴ２のソース電極に接続されるキャパシタなどに代
表される積分回路を画素内に設けていないので、画素サ
イズを小さくできるという利点がある。

【００４６】＜第２の実施形態＞第２の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図３に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００４７】図５に示すように、本実施形態では、フォ
トダイオードＰＤのカソードに信号φＶPDが入力され、
ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに直流電圧ＶPSが印加
されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに
直流電圧ＶDDが印加される。その他の構成は第１の実施
形態（図３）と同一である。

【００４８】このような構成の画素において、フォトダ
イオードＰＤのカソードに与える信号φＶPDを直流電圧
ＶPSより高いハイレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ
１をサブスレッショルド領域で動作させる。このとき、
ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮにすると、入射光量の対
数値に比例した信号（出力電流）を読み出すことができ
る。又、フォトダイオードＰＤのカソードに与える信号
φＶPDを直流電圧ＶPSと同等のローレベルにして、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４をＯＮにすると、入射光量に比例し
た信号を読み出すことができる。

【００４９】このように、本実施形態は、第１の実施形
態の直流電圧ＶPDを信号φＶPDに、信号φＶPSを直流電
圧ＶPSに変更したものである。よって、上記したよう
に、出力電流を入射光量に対して自然対数的に変換する
場合と線形的に変換する場合と切り換えるために、第１
の実施形態で信号φＶPSのレベルを切り換える代わり
に、本実施形態では信号φＶPDを切り換える。それ以外
の動作については、第１の実施形態における動作と同様
である。

【００５０】＜第３の実施形態＞第３の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。又、図７は、画素内のＭＯＳトランジスタＴ
１とフォトダイオードＰＤの構成を示す断面図と、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のソース、ゲート、ドレインそれぞ
れのポテンシャルを示す図である。尚、図３に示す画素
と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一
の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００５１】図６に示すように、本実施形態では、第１
の実施形態（図３）のようにＭＯＳトランジスタＴ１の
ドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接続
する。第１の実施形態における画素の構造をこのように
変更した画素の動作について、図６及び図７を使用して
説明する。

【００５２】ところで、フォトダイオードＰＤは、例え
ば、図７（ａ）のように、Ｐ型基板１０に、Ｎ型ウェル
層１１を形成するとともに、そのＮ型ウェル層１１にＰ
型拡散層１２を設けることによって形成される。又、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１は、Ｐ型基板１０にＮ型拡散層１
３，１４を形成し、且つ、そのＮ型拡散層１３，１４間
のチャンネル上に順次、酸化膜１５とポリシリコン層１
６を形成することによって構成される。ここで、Ｎ型ウ
ェル層１１がフォトダイオードＰＤのカソード側を形成
するとともに、Ｐ型拡散層１２がアノード側を形成す
る。又、Ｎ型拡散層１３，１４が、それぞれＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のドレイン、ソースを形成するとともに、
酸化膜１５及びポリシリコン層１６がそれぞれゲート絶
縁膜とゲート電極を形成する。

【００５３】（１）出力信号を光電流に対して自然対
数的に変換させる場合。まず、信号φＶPSを直流電圧ＶPDに対して十分低い電圧
となるローレベルとしたときの動作について説明する。
このようにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１
のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、図７
（ｂ）のようにゲート・ソース間に発生する電圧をスレ
ッショルド電圧ＶTHより低下させる。このようにするこ
とによって、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショ
ルド領域で動作するようにバイアスされているときと同
様の状態となる。そのため、フォトダイオードＰＤに光
が入射して光電流が発生すると、ＭＯＳトランジスタの
サブスレッショルド特性により、第１の実施形態で説明
したように、前記光電流を自然対数的に変換した値の電
圧がＭＯＳトランジスタＴ１の第１電極（ここではドレ
イン）に発生する。

【００５４】その後の動作は、第１の実施形態と同様の
動作を行う。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２に前記光電
流を自然対数的に変換した値に比例した電流が流れる。
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮにすると、前
記光電流を自然対数的に変換した値と同等な電流がＭＯ
ＳトランジスタＴ４を通り、出力信号線６へ導出され
る。このようにして、入射光量の対数値に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。この信号を読み
出した後、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦの状態にす
る。又、このように入射光量に対してその出力電流を自
然対数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベ
ルのままであり、ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとす
る。

【００５５】（２）出力信号を光電流に対して線形的
に変換させる場合。次に、信号φＶPSを直流電圧ＶPDより若干低い電位とな
るハイレベルとしたときの動作について説明する。この
とき、ＭＯＳトランジスタＴ１において、ソース、ゲー
ト、ドレインのポテンシャルの関係は、図７（ｃ）のよ
うになり、ＭＯＳトランジスタＴ１は実質的にカットオ
フ状態となる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１のソー
ス・ドレイン間に電流が流れない。又、ＭＯＳトランジ
スタＴ３のゲートにローレベルの信号φＶRSを与えて、
ＭＯＳトランジスタＴ３はＯＦＦとする。

【００５６】図６の回路において、フォトダイオードＰ
Ｄに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジス
タＴ１のバックゲートとドレインとの間やフォトダイオ
ードＰＤの接合容量などでキャパシタを構成するので、
光電流による電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン
に蓄積される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレ
インに接続されたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧
が前記光電流を積分した値に比例した値になる。

【００５７】今、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧
がドレイン電圧より低いので、ＭＯＳトランジスタＴ２
がＯＮし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じ
た値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れ
る。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにパル
ス信号を与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮにする
と、前記光電流を線形的に変換した値となる電流がＭＯ
ＳトランジスタＴ４を通り、出力信号線６へ導出され
る。このようにして入射光量に比例した信号（出力電
流）を読み出すことができる。信号読み出し後は、ま
ず、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦにする。そして、
ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにハイレベルの信号φ
ＶRSを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮと
して、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電位を初期化さ
せる。

【００５８】＜第４の実施形態＞第４の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図８は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００５９】図８に示すように、フォトダイオードＰＤ
のカソードに信号φＶPDが入力され、ＭＯＳトランジス
タＴ１のソースに直流電圧ＶPSが印加されるとともに、
ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶDDが印
加される。又、本実施形態の構成と第３の実施形態（図
６）の構成との関係は、第２の実施形態の構成（図５）
と第１の実施形態の構成（図３）との関係と同一であ
る。よって、フォトダイオードＰＤのカソードに与える
信号φＶPDを直流電圧ＶPSより十分高いハイレベルにし
て、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域
で動作させる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯ
Ｎにすると、入射光量の対数値に比例した信号（出力電
流）を読み出すことができる。又、フォトダイオードＰ
Ｄのカソードに与える信号φＶPDを直流電圧ＶPSより若
干高い電位となるローレベルにして、ＭＯＳトランジス
タＴ１のドレインに電荷を蓄積させる。このとき、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４をＯＮにすると、入射光量に比例し
た信号を読み出すことができる。

【００６０】＜第５の実施形態＞第５の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態に使
用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路
図である。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００６１】図９に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のゲートに直流電圧ＶRGが印加され
る。このとき、予め直流電圧ＶRGを直流電圧ＶPSよりも
若干高くするなどして調整することによって、ＭＯＳト
ランジスタＴ１のソースとフォトダイオードＰＤのカソ
ードとの間の電圧差を小さくする。このようにすること
によって、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショル
ド領域で動作させる場合、信号φＶPSの電圧を第３の実
施形態のように直流電圧ＶPDに比べて極端に低くしなく
ても、ＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャルが先の図
７（ｂ）で説明したものと同様の状態になる。よって、
第３の実施形態と比べて、信号φＶPSがハイレベルであ
るときの電圧とローレベルのときの電圧の差が小さくな
る。尚、本実施形態において、入射光量又は入射光量の
対数値に比例した信号（出力電流）を出力するときの動
作は、第３の実施形態（図６）と同様であるので、詳細
な説明は省略する。

【００６２】以上説明した第１〜第５の実施形態は、画
素は、第１ＭＯＳトランジスタＴ１のソース又はドレイ
ンに印加する電圧を変更することによって、フォトダイ
オードＰＤに入射された入射光に対して対数的に変換し
た信号を出力する手段と、フォトダイオードＰＤに入射
された入射光に対して線形的に変換した信号を出力する
手段とを切り換えることができるような構成をしている
が、フォトダイオードＰＤに入射された入射光に対して
対数的に変換した信号を出力する手段専用の画素でも良
い。以下に、このようなフォトダイオードＰＤに入射さ
れた入射光に対して対数的に変換した信号を出力する手
段専用の画素の構成について、説明する。

【００６３】＜第６の実施形態＞第６の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１０は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図３に示す画素と同様の目的で使用さ
れる素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その
詳細な説明は省略する。

【００６４】図１０に示すように、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に直流電圧ＶPSが印加されて、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１が、サブスレッショルド領域で動作するようにバイ
アスされている。又、第１の実施形態（図３）におい
て、フォトダイオードＰＤに入射された入射光に対して
線形的に変換した信号を出力するときに、フォトダイオ
ードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン、及びＭ
ＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートをリセットするた
めのＭＯＳトランジスタＴ３が省略されている。

【００６５】＜第７の実施形態＞第７の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１１は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用さ
れる素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その
詳細な説明は省略する。

【００６６】図１１に示すように、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に直流電圧ＶPSが印加されて、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１が、サブスレッショルド領域で動作するようにバイ
アスされている。又、第３の実施形態（図６）におい
て、フォトダイオードＰＤに入射された入射光に対して
線形的に変換した信号を出力するときに、フォトダイオ
ードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン、及びＭ
ＯＳトランジスタＴ２のゲートをリセットするためのＭ
ＯＳトランジスタＴ３が省略されている。

【００６７】＜第８の実施形態＞第８の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１２は、本実施形態に
使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回
路図である。尚、図９に示す画素と同様の目的で使用さ
れる素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その
詳細な説明は省略する。

【００６８】図１２に示すように、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に直流電圧ＶPSが印加されて、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ１が、サブスレッショルド領域で動作するようにバイ
アスされている。又、第５の実施形態（図９）におい
て、フォトダイオードＰＤに入射された入射光に対して
線形的に変換した信号を出力するときに、フォトダイオ
ードＰＤ、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン、及びＭ
ＯＳトランジスタＴ２のゲートをリセットするためのＭ
ＯＳトランジスタＴ３が省略されている。

【００６９】以上説明した第１〜第８の実施形態は、画
素内の能動素子であるＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４を
全てＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成している
が、これらのＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４を全てＰチ
ャネルのＭＯＳトランジスタで構成してもよい。図１５
〜図２２には、上記第１〜第８の実施形態をＰチャネル
のＭＯＳトランジスタで構成した例である第９〜第１６
の実施形態を示している。そのため図１３〜図２２では
接続の極性や印加電圧の極性が逆になっている。例え
ば、図１５（第９の実施形態）において、フォトダイオ
ードＰＤはアノードが直流電圧ＶPDに接続され、カソー
ドが第１ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲートに
接続され、また第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに
接続されている。第１ＭＯＳトランジスタＴ１のソース
は信号φＶPSに接続されている。

【００７０】この場合、直流電圧ＶPSとＶPDは、ＶPS＞
ＶPD となっており、図３（第１の実施形態）と逆であ
る。また、第３ＭＯＳトランジスタＴ３や第４ＭＯＳト
ランジスタＴ４をＯＮさせるときには、低い電圧をゲー
トに印加する。以上の通り、ＮチャネルのＭＯＳトラン
ジスタを使った場合に比し、ＰチャネルのＭＯＳトラン
ジスタを用いる場合は、電圧関係や接続関係が一部異な
るが、構成は実質的に同一であり、また基本的な動作も
同一であるので、図１５〜図２２については図面で示す
のみで、その構成や動作についての説明は省略する。

【００７１】尚、これらの第９〜第１６の実施形態の画
素を含む固体撮像装置の全体構成を説明するためのブロ
ック回路構成図を図１３に示し、その電圧増幅回路部分
を抜き出して図１３に示している。図１３については、
図１と同一部分（同一の役割部分）に同一の符号を付し
て説明を省略する。図１３に示すように、列方向に配列
された出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに対
してＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１とＰチャネル
のＭＯＳトランジスタＱ２が接続されている。ＭＯＳト
ランジスタＱ１のゲートは直流電圧線７に接続され、ド
レインは出力信号線６−１に接続され、ソースは直流電
圧ＶPS’のライン８に接続されている。一方、ＭＯＳト
ランジスタＱ２のドレインは出力信号線６−１に接続さ
れ、ソースは最終的な信号線９に接続され、ゲートは水
平走査回路３に接続されている。ここで、ＭＯＳトラン
ジスタＱ１は画素内のＰチャネルのＭＯＳトランジスタ
Ｔ２と共に図１４（ａ）に示すような増幅回路を構成し
ている。

【００７２】この場合、ＭＯＳトランジスタＱ１はＭＯ
ＳトランジスタＴ２の負荷抵抗又は定電流源となってい
る。従って、このトランジスタＱ１のソースに接続され
る直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレイ
ンに接続される直流電圧ＶPD’との関係は、ＶPD’＜Ｖ
PS’であり、直流電圧ＶPD’は例えばグランド電圧（接
地）である。トランジスタＱ１のドレインはトランジス
タＴ２に接続され、ゲートには直流電圧が印加されてい
る。ＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回
路３によって制御され、増幅回路の出力を最終的な信号
線９へ導出する。画素内の第４ＭＯＳトランジスタＴ４
を考慮すると、図１４（ａ）の回路は図１４（ｂ）のよ
うに表わされる。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置によれば、電気信号を対数変換して出力するので、
ダイナミックレンジが広くなる。又、各画素毎に光電変
換手段からの出力信号を増幅する増幅手段が設けられて
いるので、読み出し手段によって出力信号が読み出され
たとき、より正確に安定した信号読み出しが可能であ
る。更に、光電変換回路と増幅手段との間に積分回路を
画素内に設けていないので、画素サイズを小さくするこ
とができる。又、能動素子をＭＯＳトランジスタで構成
することにより高集積化が容易となり、周辺の処理回路
（Ａ／Ｄコンバータ、デジタル・システム・プロセッ
サ、メモリ）等とともにワンチップ上に形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である二次元固体撮像装置
の全体の構成を説明するためのブロック回路図。

【図２】図１の一部の回路図。

【図３】本発明の第１の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図４】第１の実施形態で使用する画素の構成及びポテ
ンシャルの関係を表した図。

【図５】本発明の第２の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図６】本発明の第３の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図７】第３の実施形態で使用する画素の構成及びポテ
ンシャルの関係を表した図。

【図８】本発明の第４の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図９】本発明の第５の実施形態の１画素の構成を示す
回路図。

【図１０】本発明の第６の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１１】本発明の第７の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１２】本発明の第８の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１３】画素内の能動素子をＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタで構成した実施形態の場合の本発明の二次元固
体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路
図。

【図１４】図１３の一部の回路図。

【図１５】本発明の第９の実施形態の１画素の構成を示
す回路図。

【図１６】本発明の第１０の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図１７】本発明の第１１の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図１８】本発明の第１２の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図１９】本発明の第１３の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２０】本発明の第１４の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２１】本発明の第１５の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２２】本発明の第１６の実施形態の１画素の構成を
示す回路図。

【図２３】従来例の１画素の構成を示す回路図。

【符号の説明】

Ｇ11〜Ｇｍｎ画素２垂直走査回路３水平走査回路４−１〜４−ｎ行選択線６−１〜６−ｍ出力信号線ＰＤフォトダイオードＴ１〜Ｔ４第１〜第４ＭＯＳトランジスタＣキャパシタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
出力信号を出力信号線へ導出する導出路を備えた固体撮
像装置において、前記光電変換手段からの信号を積分することなく増幅す
る増幅手段を有するとともに、前記光電変換手段によって前記電気信号が自然対数的に
変換された後、前記増幅手段によって増幅された出力信
号を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力すること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
出力信号を出力信号線へ導出する導出路を備えた固体撮
像装置において、前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅手段を有
し、前記光電変換手段と前記増幅手段との間には積分回路が
設けられておらず、前記光電変換手段によって前記電気
信号が自然対数的に変換された後、前記増幅手段によっ
て増幅された出力信号を前記導出路を介して前記出力信
号線へ出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と、該光電変換手段の
出力信号を出力信号線へ導出する導出路を備えた固体撮
像装置において、前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅手段と、読み出し時の前記光電変換手段の出力を出力信号として
読み出す読み出し手段と、を有し、前記光電変換手段によって前記電気信号が自然対数的に
変換された後、前記増幅手段によって増幅された出力信
号を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力すること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
て、各画素が、前記光電変換手段からの信号を積分すること
なく増幅する増幅手段を有するとともに、前記光電変換
手段によって前記電気信号が自然対数的に変換された
後、前記増幅手段によって増幅した出力信号を前記導出
路を介して前記出力信号線へ出力することを特徴とする
固体撮像装置。
【請求項５】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
て、各画素が、前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅
手段を有するとともに、前記光電変換手段と前記増幅手
段との間には積分回路が設けられておらず、前記光電変
換手段によって前記電気信号が自然対数的に変換された
後、前記増幅手段によって増幅された出力信号を前記導
出路を介して前記出力信号線へ出力することを特徴とす
る固体撮像装置。
【請求項６】入射した光量に応じた電気信号を発生す
る感光素子を有する光電変換手段と該光電変換手段の出
力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた画素を
マトリクス状に配してなる二次元の固体撮像装置におい
て、読み出し時の前記光電変換手段の出力を出力信号として
読み出す読み出し手段を有するとともに、各画素が、前記光電変換手段からの信号を増幅する増幅
手段を有し、各画素において、前記光電変換手段によって前記電気信
号が自然対数的に変換された後、前記増幅手段によって
増幅された出力信号が、前記読み出し手段によって、前
記導出路を介して前記出力信号線へ出力されることを特
徴とする固体撮像装置。
【請求項７】前記増幅手段が、制御電極に積分される
ことなく入力される前記光電変換手段からの信号を増幅
する増幅用トランジスタであることを特徴とする請求項
１〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記光電変換手段から出力される信号が
電圧信号であり、前記増幅用トランジスタが、ゲート電極に前記光電変換
手段からの電圧信号が与えられるとともに、第１電極に
直流電圧が印加され、第２電極に前記導出路が接続され
たＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項７
に記載の固体撮像装置。
【請求項９】前記増幅用トランジスタからの信号が前
記導出路を介して出力される出力信号線に接続された負
荷抵抗又は定電流源を有する請求項７又は請求項８に記
載の固体撮像装置。
【請求項１０】前記負荷抵抗又は定電流源の総数が全
画素数より少ないことを特徴とする請求項９に記載の固
体撮像装置。
【請求項１１】前記負荷抵抗又は定電流源は、前記出
力信号線に接続された第１電極と、直流電圧に接続され
た第２電極と、直流電圧に接続された制御電極とを有す
る抵抗用トランジスタであることを特徴とする請求項９
又は請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】前記増幅用トランジスタがＮチャネル
のＭＯＳトランジスタであり、前記増幅用トランジスタ
の第１電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トラン
ジスタの第２電極に接続される直流電圧よりも高電位で
あることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装
置。
【請求項１３】前記増幅用トランジスタがＰチャネル
のＭＯＳトランジスタであり、前記増幅用トランジスタ
の第１電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トラン
ジスタの第２電極に接続される直流電圧よりも低電位で
あることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装
置。
【請求項１４】前記導出路は、全画素の中から所定の
ものを順次選択し、選択された画素から増幅された信号
を出力信号線に導出するスイッチを含むことを特徴とす
る請求項４〜請求項１３のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項１５】前記スイッチが、第１電極に前記導出
路が接続されるとともに第２電極に前記出力信号線が接
続されたトランジスタで、該トランジスタの制御電極に信号を与えて導通させたと
き、画素から増幅された信号を前記出力信号線に導出す
ることを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び
制御電極が光電変換素子の第２電極に接続され、光電変
換素子からの出力電流が流れ込むトランジスタとから構
成され、該トランジスタの制御電極に現れる電圧信号を出力信号
とすることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれ
かに記載の固体撮像装置。
【請求項１７】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が光
電変換素子の第２電極に接続され、光電変換素子からの
出力電流が流れ込むとともに第２電極と制御電極が接続
されたトランジスタとから構成され、該トランジスタの第１電極に現れる電圧信号を出力信号
とすることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれ
かに記載の固体撮像装置。
【請求項１８】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が光
電変換素子の第２電極に接続されるとともに制御電極に
直流電圧が印加され、光電変換素子からの出力電流が流
れ込むトランジスタとから構成され、該トランジスタの第１電極に現れる電圧信号を出力信号
とすることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれ
かに記載の固体撮像装置。
【請求項１９】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを備え、第１電極及
びゲート電極が前記フォトダイオードの第２電極に接続
され、前記フォトダイオードからの出力電流が流れ込む
ＭＯＳトランジスタとから構成され、該ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド
領域で動作させることによってゲート電極に現れる電圧
信号を出力信号とすることを特徴とする請求項１〜請求
項１５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項２０】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを備え、第１電極が
前記フォトダイオードの第２電極に接続され、前記フォ
トダイオードからの出力電流が流れ込むとともに第２電
極とゲート電極が接続されたＭＯＳトランジスタとから
構成され、該ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド
領域で動作させることによって第１電極に現れる電圧信
号を出力信号とすることを特徴とする請求項１〜請求項
１５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項２１】前記光電変換手段が、第１電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、第１電極と第２電極とゲート電極とを備え、第１電極が
前記フォトダイオードの第２電極に接続されるとともに
ゲート電極に直流電圧が印加され、前記フォトダイオー
ドからの出力電流が流れ込むＭＯＳトランジスタとから
構成され、該ＭＯＳトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド
領域で動作させることによって第１電極に現れる電圧信
号を出力信号とすることを特徴とする請求項１〜請求項
１５のいずれかに記載の固体撮像装置。