JP2001230399A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、画素からの出力が大きく、高品質の
撮像信号を得ることができる固体撮像装置を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】フォトトランジスタＰＴｒに光が入射され
たとき、そのベース・エミッタＰＮ接合によって、フォ
トトランジスタＰＴｒのベースに入射光量に応じた電流
が流れる。このベース電流が増幅されたエミッタ電流が
光電流として流れ、サブスレッショルド領域で動作を行
うＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに対数変換された電
圧が現れる。そして、この対数変換された電圧に応じて
積分された電圧が接続ノードａに現れるとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ６をＯＮにしたとき、この接続ノード
ａの電圧に応じた出力電流が、出力信号線に導出され
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（感
光素子）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。Ｃ
ＣＤ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１９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のド
レイン及びＭＯＳトランジスタＴ２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
ドで発生しＭＯＳトランジスタ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していた。又、
フォトダイオードによる光電変換における電気信号への
増幅率が小さいため、出力信号が小さいレベルとなるた
め、Ｓ／Ｎ比が悪く全体として高品質の撮像信号を得る
ことができないという欠点もある。

【０００６】そこで、本出願人は、入射した光量に応じ
た光電流を発生し得るフォトダイオードと、光電流を入
力するＭＯＳ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により、ダイナ
ミックレンジを拡大することが可能となった。しかしな
がら、このような固体撮像装置では、低輝度の場合の特
性やＳ／Ｎ比が十分でない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、画素からの出力が大きく、高品質の撮像信
号を得ることができる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、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、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
る導出路とを備えた固体撮像装置において、前記感光素
子が、制御電極に入射された光量に応じた光電流を増幅
して前記電気信号を発生するフォトトランジスタである
とともに、前記光電変換手段が、前記フォトトランジス
タより発生された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
能としたことを特徴とする。

【０００９】このような構成の固体撮像装置によると、
フォトダイオードに比べて、その入射光量に対する増幅
率の大きいフォトトランジスタで増幅された電気信号を
対数変換することで出力信号が得られる。そのため、固
体撮像装置のダイナミックレンジが広くなるとともに、
その信号レベルの大きい出力信号が得られる。

【００１０】又、被写体の輝度状態及び撮像時の環境に
応じて、ダイナミックレンジを変更することができる。
例えば、フォトトランジスタで発生した光電荷をＭＯＳ
トランジスタを用いて変換する場合、この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。

【００１１】それは、対数変換動作では、ＭＯＳトラン
ジスタがＯＮ状態となっていてフォトトランジスタの発
生する電気信号をリアルタイムで対数変換してＭＯＳト
ランジスタから出力するが、ＭＯＳトランジスタのゲー
ト側の電荷及びこのゲートに接続されたフォトトランジ
スタなど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。

【００１２】これに対して、ＭＯＳトランジスタをＯＦ
Ｆ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。従って、
低輝度から高輝度の広い範囲にわたる被写体の撮像に
は、光電変換手段を第２状態（対数変換）に切り換えて
使用し、低輝度の被写体や、輝度範囲の狭い被写体の撮
像には、光電変換手段を第１状態（線形変換）に切り換
えて使用すると良い。

【００１３】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、前記感光素子が、
制御電極に入射された光量に応じた光電流を増幅して前
記電気信号を発生するフォトトランジスタであるととも
に、前記光電変換手段が、前記フォトトランジスタより
発生された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
したことを特徴とする。

【００１４】このような固体撮像装置ににおいて、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されるため、被写
体の輝度状態及び撮像時の環境に応じて、ダイナミック
レンジを変更することができるデジタルカメラやビデオ
カメラを実現することができる。

【００１５】更に、請求項３に記載するように、前記光
電変換手段が前記第１状態で動作して電気信号を前記出
力信号線へ出力した後に前記光電変換手段を初期化する
ためのリセット手段を設けても構わない。

【００１６】このような構成によると、例えば、フォト
トランジスタで発生した光電荷をＭＯＳトランジスタを
用いて変換する場合、ＭＯＳトランジスタをＯＦＦ状態
にしている線形変換状態で撮像を行ったとき、前記フォ
トトランジスタや前記ＭＯＳトランジスタに蓄積された
電荷を、前記リセット手段でリセットを行うことによっ
て、前記フォトトランジスタや前記ＭＯＳトランジスタ
を初期状態とすることができる。

【００１７】又、請求項４に記載の固体撮像装置のよう
に、前記各画素が、前記光電変換手段の出力信号を増幅
する増幅用トランジスタを有し、該増幅用トランジスタ
の出力信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力
するようになっていると、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。

【００１８】更に、請求項５に記載するように、請求項
４に記載の固体撮像装置において、前記出力信号線に接
続されたその総数が全画素数より少ない負荷抵抗又は定
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、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。

【００１９】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てもよい。これによ
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。

【００２０】請求項６に記載の固体撮像装置は、請求項
１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記光電変換手段が、制御電極がフローティング状
態にされるとともに、第１電極に直流電圧が印加され、
制御電極に入射された光量によって発生した光電流を増
幅する前記フォトトランジスタと、第１電極と第２電極
と制御電極とを備え、該フォトトランジスタの第２電極
に第１電極及び制御電極が接続され、前記フォトトラン
ジスタからの出力電流が流れ込む第１トランジスタと、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１トラン
ジスタの制御電極に接続され、第２電極から電気信号を
出力する第２トランジスタとから構成され、前記第１ト
ランジスタをサブスレッショルド領域で動作させること
によって、前記フォトトランジスタから流れる出力電流
を自然対数的に変換することを特徴とする。

【００２１】又、請求項７に記載の固体撮像装置は、請
求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、定電流源が設けられるとともに、前記光電変換手
段が、第１電極に直流電圧が印加され、制御電極に入射
された光量によって発生した光電流を増幅する前記フォ
トトランジスタと、第１電極と第２電極と制御電極とを
備え、該フォトトランジスタの第２電極に第１電極及び
制御電極が接続され、前記フォトトランジスタからの出
力電流が流れ込む第１トランジスタと、第１電極と第２
電極と制御電極とを備え、第１電極に直流電圧が印加さ
れるとともに制御電極が前記第１トランジスタの制御電
極に接続され、第２電極から電気信号を出力する第２ト
ランジスタと、前記フォトトランジスタの制御電極と前
記定電流源との間に接続されるとともに、前記フォトト
ランジスタの制御電極と前記定電流源との接続を電気的
に接離する第１スイッチと、から構成され、撮像動作を
行うときは、前記第１スイッチをＯＦＦにするととも
に、前記第１トランジスタをサブスレッショルド領域で
動作させることによって、前記フォトトランジスタから
流れる出力電流を自然対数的に変換し、又、前記光電変
換手段の感度のバラツキを検出するときは前記第１スイ
ッチをＯＮにすることを特徴とする。

【００２２】このような構成の固体撮像装置によると、
各画素に設けられたフォトトランジスタの制御電極に、
定電流源より十分大きな定電流を流すとともに、このと
きの出力信号を読み出すことによって、フォトトランジ
スタの増幅率の差異に起因する各画素の感度のバラツキ
を検出することができる。

【００２３】又、上記固体撮像装置は、例えば、ビデオ
ムービーなどの撮像装置のように撮像動作とリセット動
作を繰り返し行うことで、動画を撮像する場合、光電変
換素子に光が入射された状態でも、定電流源に接続され
た第１スイッチをＯＮすることにより、フォトトランジ
スタを、光電変換素子への光入射に影響されにくい状態
とすることができ、各画素の感度バラツキを速やかに検
出することができる。従って、被写体の撮像時に各画素
毎の出力を補正するための補正データを獲得するため
に、従来のように一様光を照射する必要がなくなるとと
もに、一様光を照射したときに得られた補正データを記
録し続けておく必要もなくなる。

【００２４】請求項６又は請求項７に記載の固体撮像装
置において、前記光電変換手段が、前記第１トランジス
タの第１電極及び制御電極の接続ノードと前記第２トラ
ンジスタの制御電極との間に接続された第２スイッチを
有し、前記固体撮像装置に設けられた前記各光電変換手
段内の前記第２スイッチが、同一のタイミングで動作す
ることによって、同一時間に撮像した電気信号が前記各
光電変換手段から出力されるようにしても良い。

【００２５】このような構成の固体撮像装置によると、
前記第２スイッチを同一のタイミングでＯＮすることに
よって、同一時間の電気信号が前記第２トランジスタの
制御電極にサンプルホールドすることができる。このよ
うに同一時間の映像情報となる電気信号が得られるた
め、各画素毎に順次出力する動作を行って、その出力信
号をシリアルデータとして出力する場合であっても、こ
の出力信号の映像情報が同一時間における映像情報であ
るため、時間的な誤差をなくすことができる。

【００２６】請求項１〜請求項７のいずれかに記載の固
体撮像装置において、前記光電変換手段から出力される
電気信号を積分するキャパシタを有し、該キャパシタで
積分した信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ導
出するようにしても良い。

【００２７】このような構成の固体撮像装置によると、
キャパシタで積分した信号を出力信号とすることによ
り、光源の変動成分や高周波のノイズがキャパシタで吸
収されて除去される。

【００２８】請求項８に記載の固体撮像装置は、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、ベース電極がフローティング状態にされ
るとともに、第１電極に直流電圧が印加され、ベース電
極に入射された光量によって発生した光電流を増幅する
フォトトランジスタと、該フォトトランジスタの第２電
極に第１電極とゲート電極が接続された第１ＭＯＳトラ
ンジスタと、該第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に
ゲート電極が接続された第２ＭＯＳトランジスタと、を
有し、前記第１ＭＯＳ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で、前記フォトトラ
ンジスタから出力される電気信号を自然対数的に変換し
て前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力させ
ることを特徴とする。

【００２９】請求項９に記載の固体撮像装置は、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、各画素に定電流を供給する定電流源を有するととも
に、各画素が、第１電極に直流電圧が印加され、ベース
電極に入射された光量によって発生した光電流を増幅す
るフォトトランジスタと、該フォトトランジスタの第２
電極に第１電極とゲート電極が接続された第１ＭＯＳト
ランジスタと、該第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極
にゲート電極が接続された第２ＭＯＳトランジスタと、
前記定電流源に第１電極が接続されるとともに、前記フ
ォトトランジスタのベース電極に第２電極が接続された
第３ＭＯＳトランジスタと、を有し、撮像動作を行うと
きは、前記第３ＭＯＳトランジスタにＯＦＦとするとと
もに、前記第１ＭＯＳ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で、前記フォトトラ
ンジスタから出力される電気信号を自然対数的に変換し
て前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力さ
せ、前記画素の感度のバラツキを検出するときは前記第
３ＭＯＳトランジスタをＯＮにすることを特徴とする。

【００３０】請求項８又は請求項９に記載の固体撮像装
置において、請求項１０に記載するように、前記画素
に、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に第１電
極が接続され、第２電極が直流電圧に接続されるととも
に、ゲート電極に入力される電圧のレベルの切り換えに
よって、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄
積された電荷を放出してリセットする第４ＭＯＳトラン
ジスタを設けても構わない。このような構成によると、
前記第１トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位
差を変えることによって、光電変換手段の動作を、前記
フォトトランジスタから出力される電気信号を線形的に
変換して出力する第１状態と、前記フォトトランジスタ
から出力される電気信号を自然対数的に変換して出力す
る第２状態とに切り換えて、そのダイナミックレンジの
大きさを変更することができる。

【００３１】そして、前記画素が前記第１状態で動作す
る場合は、前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極と前
記フォトトランジスタの第１電極の電位を接近させるこ
とにより前記第１ＭＯＳトランジスタを不作動状態とす
るとともに、電気信号を出力した後、前記第４ＭＯＳト
ランジスタのゲート電極に入力する電圧のレベルを切り
換えることによって前記第４ＭＯＳトランジスタを導通
させて、少なくとも前記第１ＭＯＳトランジスタの第１
電極及びゲート電極に蓄積された電荷を放出してリセッ
トする。又、前記画素が前記第２状態で動作する場合
は、前記第１ＭＯＳ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。

【００３２】請求項８又は請求項９に記載する固体撮像
装置において、請求項１１に記載するように、前記画素
に、前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極とゲート電
極との接続ノードに第１電極が接続されるとともに、前
記第２ＭＯＳトランジスタのゲート電極に第２電極が接
続された第５ＭＯＳトランジスタを設けても構わない。
このような構成の固体撮像装置によると、前記固体撮像
装置内に設けられた各画素内の前記第５ＭＯＳトランジ
スタが、同一のタイミングで動作することによって、同
一時間に撮像した電気信号が前記各画素から出力され
る。

【００３３】又、請求項８〜請求項１１に記載する固体
撮像装置において、請求項１２に記載するように、前記
画素に、第１電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第２
電極に接続され、第２電極が出力信号線に接続され、ゲ
ート電極が行選択線に接続された第６ＭＯＳトランジス
タを設けることで、この第６ＭＯＳトランジスタを行選
択用のスイッチとすることができる。

【００３４】請求項１３に記載する固体撮像装置は、請
求項８〜請求項１０のいずれかに記載の固体撮像装置に
おいて、前記画素が、第１電極が直流電圧に接続され、
ゲート電極が前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に
接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第
２電極から出力される出力信号を増幅する第７ＭＯＳト
ランジスタと、第１電極が前記第７ＭＯＳトランジスタ
の第２電極に接続され、第２電極が出力信号線に接続さ
れ、ゲート電極が行選択線に接続された第６ＭＯＳトラ
ンジスタと、を有することを特徴とする。

【００３５】請求項１３の固体撮像装置において、請求
項１４に記載するように、前記画素に、前記第２ＭＯＳ
トランジスタの第２電極に一端が接続され他端が前記第
１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続される信号線に
接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第
１電極にリセット電圧が与えられたときに前記第２ＭＯ
Ｓトランジスタを介してリセットされるキャパシタを設
けても良い。このような構成にすることによって、画素
から出力される信号が、一旦キャパシタで積分された信
号となるので、光源の変動成分や高周波のノイズがキャ
パシタで吸収されて除去される。更に、前記第２ＭＯＳ
トランジスタの第１電極にリセット電圧を与えることに
よって、前記第２ＭＯＳトランジスタを介してキャパシ
タ内の電荷が放出されてリセットされる。

【００３６】又、請求項１５に記載するように、前記画
素において、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極が
直流電圧に接続されるとともに、前記第２ＭＯＳトラン
ジスタの第２電極に第１電極が接続され第２電極に直流
電圧が接続された第８ＭＯＳトランジスタと、前記第２
ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続され他端が
前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続される信
号線に接続されるとともに、前記第８ＭＯＳトランジス
タのゲート電極にリセット電圧が与えられたときに前記
第８ＭＯＳトランジスタを介してリセットされるキャパ
シタと、を設けても良い。このような構成にすることに
よって、画素から出力される信号が、一旦キャパシタで
積分された信号となるので、光源の変動成分や高周波の
ノイズがキャパシタで吸収されて除去される。更に、前
記第８ＭＯＳトランジスタのゲート電極にリセット電圧
を与えることによって、前記第８ＭＯＳトランジスタを
介してキャパシタ内の電荷が放出されてリセットされ
る。

【００３７】請求項１６に記載の固体撮像装置は、請求
項８〜請求項１５のいずれかに記載の固体撮像装置前記
画素に対し前記出力信号線を介して接続された負荷抵抗
又は定電流源を成すＭＯＳトランジスタを備えているこ
とを特徴とする。

【００３８】又、請求項１７に記載の固体撮像装置は、
請求項８〜請求項１６のいずれかに記載の固体撮像装置
において、前記ＭＯＳトランジスタが全てＮチャネルの
ＭＯＳトランジスタであるとともに、前記フォトトラン
ジスタがｎｐｎ型のフォトトランジスタであることを特
徴とする。

【００３９】

【発明の実施の形態】＜画素構成の第１例＞図１は本発
明の他の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、Ｇ
11〜Ｇｍｎ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。

【００４０】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１１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
１２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７に接続され、ゲートは水平走査回路３に
接続されている。

【００４１】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Ｔａが設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴａ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。このＭＯ
ＳトランジスタＴａは、第１及び第２の実施形態では、
第７ＭＯＳトランジスタＴ７に、第３〜第５の実施形態
では、第２ＭＯＳトランジスタＴ２に相当する。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Ｔａ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Ｔａ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Ｔａ
から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

【００４２】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、
後述するように図３以降の各実施形態の画素内にはスイ
ッチ用のＮチャネルの第６ＭＯＳトランジスタＴ６も設
けられている。この第６ＭＯＳトランジスタＴ６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Ｔ６がＭＯＳト
ランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴａとの間に挿入
されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ６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。尚、図１および図２に示す構成は以下に
説明する第１の実施形態〜第５の実施形態に共通の構成
である。

【００４３】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。従って、画素がダ
イナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光
電流を自然対数的に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）での処理が容易になる。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。

【００４４】＜第１の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第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。

【００４５】図３において、ｎｐｎ型フォトトランジス
タＰＴｒが感光部（光電変換部）を形成している。その
フォトトランジスタＰＴｒのエミッタは第１ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のドレインとゲート、及び第２ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトラン
ジスタＴ２のソースは第７ＭＯＳトランジスタＴ７のゲ
ート、及び第８ＭＯＳトランジスタＴ８のドレインに接
続され、ＭＯＳトランジスタＴ７のソースは第６ＭＯＳ
トランジスタＴ６のドレインに接続されている。ＭＯＳ
トランジスタＴ６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Ｔ
１，Ｔ２，Ｔ６〜Ｔ８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。

【００４６】又、フォトトランジスタＰＴｒのコレクタ
とＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ７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のソースには直流電圧ＶPSが印加されて
おり、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにはキャパシタ
Ｃを介して同じく直流電圧ＶPSが印加されている。ＭＯ
ＳトランジスタＴ８のソースには直流電圧ＶRGが印加さ
れている。ＭＯＳトランジスタＴ８のゲートには信号φ
ＶRSが入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲー
トには信号φＶが入力される。ＭＯＳトランジスタＴ
１、Ｔ２はいずれも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。

【００４７】又、フォトトランジスタＰＴｒのベース
は、電圧が印加されないフローティング状態とする。こ
のフォトトランジスタＰＴｒは、ベース・エミッタ間の
ＰＮ接合に入射される光の光量に応じてベース電流が発
生し、このベース電流が増幅されたエミッタ電流を電気
信号（以下、「光電流」と呼ぶ）としてＭＯＳトランジ
スタＴ１のドレインに与える。このフォトトランジスタ
ＰＴｒは、ベース電流をその大きさが略１００倍となる
エミッタ電流に増幅するため、フォトダイオードに比べ
て、大きな光電流を得ることができる。

【００４８】フォトトランジスタＰＴｒ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，Ｔ２のゲートに発
生する。この電圧により、ＭＯＳトランジスタＴ２に電
流が流れ、キャパシタＣには前記光電流の積分値を自然
対数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。つま
り、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ２のソースと
の接続ノードａに、前記光電流の積分値を自然対数的に
変換した値に比例した電圧が生じることになる。ただ
し、このとき、ＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ８はＯＦＦ
状態である。

【００４９】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ７のゲートにかかる
電圧に比例した電流がＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ７を
通って出力信号線６に導出される。今、ＭＯＳトランジ
スタＴ７のゲートにかかる電圧は、接続ノードａにかか
る電圧であるので、出力信号線６に導出される電流は前
記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。

【００５０】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。信号読み
出し後はＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにするととも
に、ＭＯＳトランジスタＴ８のゲートにハイレベルの信
号φＶRSを与えることでＭＯＳトランジスタＴ８をＯＮ
として、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初期化
して、次の撮像動作に備える。

【００５１】尚、図４に示すように、キャパシタＣとＭ
ＯＳトランジスタＴ８との間に、キャパシタＣにドレイ
ンが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ８のドレインにソ
ースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ９と、ＭＯＳト
ランジスタＴ９のソースに一端が接続されたキャパシタ
Ｃ２とを設けても良い。この場合、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ９のゲートに与える信号φＶ１によりＭＯＳトランジ
スタＴ９をＯＮしてキャパシタＣの電荷をキャパシタＣ
２に移した後、ＭＯＳトランジスタＴ９をＯＦＦするこ
とでＭＯＳトランジスタＴ６によって信号読み出しを行
っている間にキャパシタＣによる次の積分動作を開始す
ることができる。従って、全画素について同時刻に積分
を行うことができる。

【００５２】＜第２の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第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。

【００５３】図５に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ２のドレインに信号φＤを与えること
によってキャパシタＣ及び接続ノードａの電圧を初期化
するようにし、それによってＭＯＳトランジスタＴ８を
削除した構成となっている。その他の構成は第１の実施
形態（図３）と同一である。尚、信号φＤのハイレベル
期間では、キャパシタＣで積分が行なわれ、ローレベル
期間では、キャパシタＣの電荷がＭＯＳトランジスタＴ
２を通して放電され、キャパシタＣの電圧及びＭＯＳト
ランジスタＴ７のゲートは略信号φＤのローレベル電圧
に初期化される（リセット）。本実施形態では、ＭＯＳ
トランジスタＴ８を省略できる分、構成がシンプルにな
る。

【００５４】この実施形態において、まず、信号φＤを
ハイレベル（例えば、直流電圧ＶPDと略等しい電圧）に
して、光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等
の電荷をキャパシタＣに蓄積する。そして、所定のタイ
ミングでＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにして、ＭＯＳ
トランジスタＴ７のゲートにかかる電圧に比例した電流
をＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ７を通して出力信号線６
に導出する。その後、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦ
するとともに信号φＤをローレベル（直流電圧ＶPSより
も低い電圧）にすると、キャパシタＣの電荷がＭＯＳト
ランジスタＴ２を通して信号φＤの信号線路へ放電さ
れ、それによって、キャパシタＣ及び接続ノードａの電
圧が初期化される。

【００５５】＜第３の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第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。尚、図５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。

【００５６】図６に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加さ
れるとともに、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタＴ
７を削除した構成となっている。そして、ＭＯＳトラン
ジスタＴ２のソースがＭＯＳトランジスタＴ６のドレイ
ンに接続される。その他の構成は第２の実施形態（図
５）と同一である。

【００５７】このような構成の回路において、ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲート電圧をフォトトランジスタＰＴ
ｒで発生する光電流に対して自然対数的に変化させるこ
とによって、前記光電流に対して自然対数的に比例した
値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れる。
そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに信号φＶを
与えてＯＮとすると、前記光電流に対して自然対数的に
比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ６を通して出力信号線６に導出される。このと
き、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ
１（図２）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。このようにして信号が読
み出された後、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦにな
る。

【００５８】尚、本実施形態では上記第２の実施形態の
ように、光信号をキャパシタＣで一旦積分するというこ
とを行わないので、積分時間が不要となり、又、キャパ
シタＣのリセットも不要であるので、その分信号処理の
高速化が図れる。又、本実施形態では、第２の実施形態
に比し、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタＴ７を省
略できる分、構成が更にシンプルになり画素サイズを小
さくすることができる。

【００５９】＜第４の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第４の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図７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。

【００６０】図７に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のドレインとゲートとの接続ノード
にドレインが接続されるとともに、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２のゲートにソースが接続された第５ＭＯＳトランジ
スタＴ５が新たに設けられた構成となっている。ＭＯＳ
トランジスタＴ５のゲートには、信号φＳが入力され
る。その他の構成は第３の実施形態（図６）と同一であ
る。尚、ＭＯＳトランジスタＴ５は、ＭＯＳトランジス
タＴ１と同様、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。

【００６１】このような構成の回路において、まず、信
号φＳをローレベルにして、図１のような構成の固体撮
像装置内の画素Ｇ11〜Ｇmn（図１）に設けられたＭＯＳ
トランジスタＴ５を全てＯＦＦの状態にする。このと
き、フォトトランジスタＰＴｒは入射される光の光量に
応じた光電流を発生し、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲー
ト電圧はこの光電流を対数変換した値に相当する電圧と
なる。次に、同一のタイミングで画素Ｇ11〜Ｇmn内のＭ
ＯＳトランジスタＴ５のゲートにパルス信号φＳを与え
る。尚、ＭＯＳトランジスタＴ５は、パルス信号φＳが
ハイレベルのときＯＮとなり、このとき、ＭＯＳトラン
ジスタＴ１に現れる光電流を対数変換した値に相当する
電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにサンプルホー
ルドされる。即ち、同一時間に撮像した映像情報が、各
画素の出力側の回路にサンプルホールドされたことにな
る。このようにＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにサン
プルホールドされると、ＭＯＳトランジスタＴ５がＯＦ
Ｆになる。

【００６２】そして、垂直走査回路２（図１）及び水平
走査回路３（図１）によって、画素Ｇ11〜Ｇmnに設けら
れたＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス信号φＶ
が順次与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮする
ことにより、光電流を対数変換した出力電流が出力信号
線６に出力される。このとき、各画素では、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ６がＯＮすることによって、ＭＯＳトランジ
スタＴ２のゲートにサンプルホールドされた光電流を対
数変換した電圧に比例したドレイン電流が、出力電流と
してＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ６を通して出力信号線
６に導出される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ２及び
ＭＯＳトランジスタＱ１（図２）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。こ
のようにして信号が読み出された後、ＭＯＳトランジス
タＴ６がＯＦＦになる。

【００６３】このように、本実施形態では、固体撮像装
置内の全ての画素が同一時間に撮像動作を行った後、垂
直走査回路や水平走査回路が各画素を操作することで、
各画素が順番にその撮像した際の映像情報を有する出力
信号を出力する。よって、固体撮像装置は、同一時間の
映像情報の出力信号をシリアルデータとして出力できる
ため、このようなシリアルデータとなる出力信号を再生
したとき、その映像情報に時間的な誤差が含まれること
がなくなる。

【００６４】＜第５の実施形態＞図１に示した画素構成
の第１例の各画素に適用される第５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。

【００６５】図８に示すように、本実施形態では、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲートとＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートとの接続ノードにドレインが接続
されるとともに、ソースに直流電圧ＶPG2が印加された
第４ＭＯＳトランジスタＴ４が新たに設けられた構成と
なっている。ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには、信
号φＶRS2が入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１
のソースには、信号φＶPSが与えられる。その他の構成
は第３の実施形態（図６）と同一である。尚、ＭＯＳト
ランジスタＴ４は、ＭＯＳトランジスタＴ１と同様、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。

【００６６】本実施形態において、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。尚、信号φ
ＶPSは、２値的に変化するものとし、ＭＯＳトランジス
タＴ１，Ｔ２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。以下これらの各場合における動
作を説明する。

【００６７】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合 まず、信号φＶPSをローレベルとし、ＭＯＳトランジス
タＴ１，Ｔ２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、説明する。
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにはローレ
ベルの信号φＶRS2が与えられるので、ＭＯＳトランジ
スタＴ４はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等
価になる。

【００６８】フォトトランジスタＰＴｒ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，Ｔ２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、
前記光電流を自然対数的に変換した値と同等のドレイン
電流が流れようとする。ただし、このとき、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ６はＯＦＦ状態である。

【００６９】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにかかる
電圧に比例したドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ６を通って出力信号線６に導出される。よって、
出力信号線６に導出される電流は前記光電流を自然対数
的に変換した値となる。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）を読み出すと、ＭＯＳト
ランジスタＴ６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φＶRS2は、常にローレベルのままである。

【００７０】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合 次に、信号φＶPSをハイレベルとして、ＭＯＳトランジ
スタＴ１をカットオフ状態に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Ｔ４のゲートに
ローレベルの信号φＶRS2を与えて、ＭＯＳトランジス
タＴ４はＯＦＦとする。このような状態において、フォ
トトランジスタＰＴｒに光が入射す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トランジスタＰＴｒ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のゲート及びドレインに蓄積される。よって、
ＭＯＳトランジスタＴ１，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。

【００７１】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにかかる
電圧に比例したドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ６を通って出力信号線６に導出される。ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートにかかる電圧は、前記光電流を
積分した値に比例した値の電圧であるので、出力信号線
６に導出される出力電流は前記光電流の積分値を線形的
に変換した値となる。

【００７２】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Ｔ６をＯＦＦにするとと
もに、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにハイレベルの
信号φＶRS2を与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ４
をＯＮとして、フォトトランジスタＰＴｒ、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のドレイン電圧、及びＭＯＳトランジスタ
Ｔ１，Ｔ２のゲート電圧を初期化させる。

【００７３】このように、本実施形態においては、簡単
な電位操作により同一の画素で複数の出力特性を切り換
えることが可能になる。尚、信号を対数変換して出力す
る状態から線形変換して出力する状態に切り換える際に
は、まずφＶPS2の電位調整により出力の切り換えを行
ってから、ＭＯＳトランジスタＴ４によるＭＯＳトラン
ジスタＴ１などのリセットを行うことが好ましい。一
方、信号を線形変換して出力する状態から対数変換して
出力する状態に切り換える際には、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４によるＭＯＳトランジスタＴ１などのリセットは特
に必要ない。これは、ＭＯＳトランジスタＴ１が完全な
ＯＦＦ状態ではないことに起因してＭＯＳトランジスタ
Ｔ１に蓄積されたキャリアは逆極性のキャリアによって
うち消されるためである。

【００７４】尚、本実施形態において、第１又は第２の
実施形態のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに
一端が接続されたキャパシタＣ（図３又は図５参照）、
及びＭＯＳトランジスタＴ２のソースにゲートが接続さ
れるとともにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインにソー
スが接続されたＭＯＳトランジスタＴ７（図３又は図５
参照）を設けて、出力側に積分回路を設けた構成にして
も構わない。

【００７５】このとき、対数変換動作によって出力電流
を出力した場合、ＭＯＳトランジスタＴ８（図３参照）
又はＭＯＳトランジスタＴ２（図５参照）によって、接
続ノードａ及びキャパシタＣをリセットを行う。又、線
形変換動作によって出力電流を出力した場合、まず、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ４によってＭＯＳトランジスタＴ１
などのリセットを行った後、ＭＯＳトランジスタＴ８
（図３参照）又はＭＯＳトランジスタＴ２（図５参照）
によって、接続ノードａ及びキャパシタＣのリセットを
行う。

【００７６】又、本実施形態において、第４の実施形態
のように、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイ
ンの接続ノードにソースが接続されるとともにＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートにドレインが接続されたＭＯＳ
トランジスタＴ５（図７参照）を設けても構わない。こ
のとき、線形変換動作を行って、ＭＯＳトランジスタＴ
４によるＭＯＳトランジスタＴ１などのリセットを行う
際、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮの状態にする。そし
て、ＭＯＳトランジスタＴ１などのリセットが終了する
とともに、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにし、次の
撮像動作に備えるようにする。尚、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４のドレインは、ＭＯＳトランジスタＴ５のソース、
ドレインのいずれに接続しても構わない。

【００７７】＜画素構成の第２例＞図９は本発明の実施
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。尚、図１に示す二次元のＭＯＳ
型固体撮像装置の一部の構成において、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。

【００７８】図９における固体撮像装置は、図１の固体
撮像装置に、定電流源９−１、９−２、・・・、９−ｍ
と、電流供給線８−１、８−２、・・・、８−ｍとを設
けて、定電流源９−１、９−２、・・・、９−ｍが列毎
にそれぞれ、電流供給線８−１、８−２、・・・、８−
ｍを介して、画素Ｇ11〜Ｇ1n、Ｇ21〜Ｇ2n、・・・、Ｇ
m1〜Ｇmnに電流を供給する。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、電流供給線８−１、８−２、・・
・、８−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９ではこれらについて省略する。

【００７９】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１１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
１２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７に接続され、ゲートは水平走査回路３に
接続されている。

【００８０】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Ｔａが設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴａと上記ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１との接続関係は、図１の場合と同様に、図２（ａ）
のようになり、図２（ａ）の回路はソースフォロワ型の
増幅回路となる。このＭＯＳトランジスタＴａは、第６
の実施形態では、第７ＭＯＳトランジスタＴ７に、第７
〜第９の実施形態では、第２ＭＯＳトランジスタＴ２に
相当する。

【００８１】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、
後述するように図１０以降の各実施形態の画素内にはス
イッチ用のＮチャネルの第６ＭＯＳトランジスタＴ６も
設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ６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Ｔ６がＭＯＳトラ
ンジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴａとの間に挿入さ
れている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ６は行の選択
を行うものであり、ＭＯＳトランジスタＱ２は列の選択
を行うものである。尚、図９および図２に示す構成は以
下に説明する第６の実施形態〜第９の実施形態に共通の
構成である。

【００８２】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。従って、画素がダ
イナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光
電流を自然対数的に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）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗
部分を構成するＭＯＳ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。

【００８３】＜第６の実施形態＞図９に示した画素構成
の第２例の各画素に適用される第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。

【００８４】図１０に示すように、本実施形態では、フ
ォトトランジスタＰＴｒのベースにソースが接続される
とともに、定電流源９（この定電流源９は、図９の９−
１、９−２、・・・、９−ｍに対応する）に電流供給線
８（この電流供給線８は、図９の８−１、８−２、・・
・、８−ｍに対応する）を介してドレインが接続された
第３ＭＯＳトランジスタＴ３が新たに設けられた構成と
なっている。ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、信
号φＳＷが入力される。その他の構成は第１の実施形態
（図３）と同一である。尚、ＭＯＳトランジスタＴ３
は、ＭＯＳトランジスタＴ１と同様、ＮチャネルのＭＯ
Ｓトランジスタでバックゲートが接地されている。

【００８５】このような構成において、画素が撮像動作
を行う場合は、信号φＳＷをローレベルにしてＭＯＳト
ランジスタＴ３をＯＦＦすることによって、フォトトラ
ンジスタＰＴｒのベースをフローティング状態にする。
又、画素の感度バラツキを検出する場合は、信号φＳＷ
をハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮする
ことによって、定電流源９からフォトトランジスタＰＴ
ｒのベースに定電流を与える。以下に、撮像動作及び感
度バラツキの検出動作について説明する。

【００８６】（１）撮像動作 まず、ローレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートに与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＦＦにして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。このとき、フォトトランジス
タＰＴｒ、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ６〜Ｔ
８、及びキャパシタＣが、第１の実施形態と同様の動作
を行うことで、対数変換された出力電流が出力信号線６
に出力される。

【００８７】即ち、フォトトランジスタＰＴｒ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，Ｔ２のゲー
トに発生する。この電圧により、キャパシタＣには前記
光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷
が蓄積される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲー
トにパルス信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ６を
ＯＮすることで、前記光電流の積分値を自然対数的に変
換した値に等しい出力電流が、ＭＯＳトランジスタＴ
６，Ｔ７を通って出力信号線６に導出される。

【００８８】（２）画素の感度バラツキ検出 画素の感度バラツキ検出動作について、図１１を参照し
て説明する。上記のようにパルス信号φＶを与えて出力
電流を出力すると、まず、パルス信号φＶRSをＭＯＳト
ランジスタＴ８のゲートに与えて、キャパシタＣ及び接
続ノードａのリセットを行う。次に、ハイレベルの信号
φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えてＭＯ
ＳトランジスタＴ３をＯＮにして、フォトトランジスタ
ＰＴｒのベースに定電流源９より電流供給線８を介して
定電流が流れるようにする。

【００８９】このように、各画素に定電流源９より一定
の電流が流れると、この定電流源９によってフォトトラ
ンジスタＰＴｒのベース電流が一定とされる。このと
き、このベース電流が、フォトトランジスタＰＴｒのベ
ース・エミッタ間ＰＮ接合に入射される光の光量に応じ
て生じる電流より十分大きな電流である。そのため、フ
ォトトランジスタＰＴｒのエミッタ電流である光電流
が、定電流源９より与えられる電流によって決定され
る。このときの光電流の値が、感度のバラツキの原因と
なるフォトトランジスタＰＴｒの増幅率を表す。

【００９０】よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２の
ゲートに、定電流源９によって決定された光電流を対数
変換した値の電圧が現れる。この電圧により、キャパシ
タＣには前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値
と同等の電荷が蓄積される。そして、ＭＯＳトランジス
タＴ６のゲートにパルス信号φＶを与えてＭＯＳトラン
ジスタＴ６をＯＮすることで、前記光電流の積分値を自
然対数的に変換した値に等しい出力電流が、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ６，Ｔ７を通って出力信号線６に導出され
る。この光電流が感度のバラツキの原因となるフォトト
ランジスタＰＴｒの増幅率を表すため、出力信号線６に
出力される出力信号が、各画素の感度のバラツキを表し
た信号となる。

【００９１】このように、パルス信号φＶを与えて、各
画素の感度バラツキが検出されると、信号φＳＷをロー
レベルにして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦ
にして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフローテ
ィング状態にする。その後、パルス信号φＶRSをＭＯＳ
トランジスタＴ８のゲートに与えて、キャパシタＣ及び
接続ノードａをリセットすることによって、次の撮像動
作に備える。

【００９２】尚、本実施形態において、第２の実施形態
（図５）と同様、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに
信号φＤを与えるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ８を
削除した構成の画素としても構わない。このとき、信号
φＤを図１１の信号φＶRSと同様のタイミングでローレ
ベルのパルス信号を与えることによって、キャパシタＣ
及び接続ノードａのリセットを行えばよい。

【００９３】＜第７の実施形態＞図９に示した画素構成
の第２例の各画素に適用される第７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。

【００９４】図１２に示すように、本実施形態では、第
６の実施形態（図１０）と同様、フォトトランジスタＰ
Ｔｒのベースにソースが接続されるとともに、定電流源
９に電流供給線８を介してドレインが接続された第３Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３が新たに設けられた構成となって
いる。ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、信号φＳ
Ｗが入力される。その他の構成は第３の実施形態（図
６）と同一である。尚、ＭＯＳトランジスタＴ３は、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１と同様、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。

【００９５】このような構成において、第６の実施形態
と同様に、画素が撮像動作を行う場合は、信号φＳＷを
ローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦする
ことによって、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。又、画素の感度バラツキを検
出する場合は、信号φＳＷをハイレベルにしてＭＯＳト
ランジスタＴ３をＯＮすることによって、定電流源９か
らフォトトランジスタＰＴｒのベースに定電流を与え
る。以下に、撮像動作及び感度バラツキの検出動作につ
いて説明する。

【００９６】（１）撮像動作 まず、ローレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートに与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＦＦにして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。このとき、フォトトランジス
タＰＴｒ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ６が、
第３の実施形態と同様の動作を行うことで、対数変換さ
れた出力電流が出力信号線６に出力される。

【００９７】即ち、フォトトランジスタＰＴｒ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，Ｔ２のゲー
トに発生する。この電圧により、前記光電流に対して自
然対数的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳトランジ
スタＴ２を流れる。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６の
ゲートに信号φＶを与えてＯＮとすると、前記光電流に
対して自然対数的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯ
ＳトランジスタＴ２，Ｔ６を通して出力信号線６に導出
される。このようにして信号が読み出された後、ＭＯＳ
トランジスタＴ６がＯＦＦになる。

【００９８】（２）画素の感度バラツキ検出 画素の感度バラツキ検出動作について、図１３を参照し
て説明する。上記のようにパルス信号φＶを与えて出力
電流を出力すると、まず、ハイレベルの信号φＳＷをＭ
ＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えてＭＯＳトランジ
スタＴ３をＯＮにして、フォトトランジスタＰＴｒのベ
ースに定電流源９より電流供給線８を介して定電流が流
れるようにする。

【００９９】このように、各画素に定電流源９より一定
の電流が流れると、この定電流源９より与えられる電流
によって決定される光電流がフォトトランジスタＰＴｒ
より流れる。このときの光電流の値が、感度のバラツキ
の原因となるフォトトランジスタＰＴｒの増幅率を表
す。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート
に、定電流源９によって決定された光電流を対数変換し
た値の電圧が現れる。この電圧により、前記光電流に対
して自然対数的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳト
ランジスタＴ２を流れようとする。

【０１００】そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲート
に信号φＶを与えてＯＮとすると、前記光電流に対して
自然対数的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２，Ｔ６を通して出力信号線６に導出され
る。この光電流が感度のバラツキの原因となるフォトト
ランジスタＰＴｒの増幅率を表すため、出力信号線６に
出力される出力信号が、各画素の感度のバラツキを表し
た信号となる。このように、パルス信号φＶを与えて、
各画素の感度バラツキが検出されると、信号φＳＷをロ
ーレベルにして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦ
Ｆにして、次の撮像動作に備える。

【０１０１】＜第８の実施形態＞図９に示した画素構成
の第２例の各画素に適用される第８の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１４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７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。

【０１０２】図１４に示すように、本実施形態では、第
６の実施形態（図１０）と同様、フォトトランジスタＰ
Ｔｒのベースにソースが接続されるとともに、定電流源
９に電流供給線８を介してドレインが接続された第３Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３が新たに設けられた構成となって
いる。ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、信号φＳ
Ｗが入力される。その他の構成は第４の実施形態（図
７）と同一である。尚、ＭＯＳトランジスタＴ３は、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１と同様、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。

【０１０３】このような構成において、第６の実施形態
と同様に、画素が撮像動作を行う場合は、信号φＳＷを
ローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦする
ことによって、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。又、画素の感度バラツキを検
出する場合は、信号φＳＷをハイレベルにしてＭＯＳト
ランジスタＴ３をＯＮすることによって、定電流源９か
らフォトトランジスタＰＴｒのベースに定電流を与え
る。以下に、撮像動作及び感度バラツキの検出動作につ
いて説明する。

【０１０４】（１）撮像動作 まず、ローレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートに与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＦＦにして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。このとき、フォトトランジス
タＰＴｒ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ
６が、第４の実施形態と同様の動作を行うことで、対数
変換された出力電流が出力信号線６に出力される。

【０１０５】まず、信号φＳをローレベルにして、図９
のような構成の固体撮像装置内の画素Ｇ11〜Ｇmn（図
９）に設けられたＭＯＳトランジスタＴ５を全てＯＦＦ
の状態にする。このとき、フォトトランジスタＰＴｒは
入射される光の光量に応じた光電流を発生し、ＭＯＳト
ランジスタＴ１のゲート電圧はこの光電流を対数変換し
た値に相当する電圧となる。次に、同一のタイミングで
画素Ｇ11〜Ｇmn内のＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに
パルス信号φＳを与え、ＭＯＳトランジスタＴ１に現れ
る光電流を対数変換した値に相当する電圧をＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートにサンプルホールドする。このよ
うにサンプルホールドされると、ＭＯＳトランジスタＴ
５をＯＦＦにする。

【０１０６】そして、垂直走査回路２（図１）及び水平
走査回路３（図１）によって、画素Ｇ11〜Ｇmnに設けら
れたＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにパルス信号φＶ
が順次与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮする
ことにより、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにサンプ
ルホールドされた光電流を対数変換した電圧に比例した
出力電流が出力信号線６に出力される。このようにして
信号が読み出された後、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦ
Ｆになる。

【０１０７】（２）画素の感度バラツキ検出 画素の感度バラツキ検出動作について、図１５を参照し
て説明する。尚、図１５のタイミングチャートは、１画
素における各信号の動作を示す。上記のように、パルス
信号φＳを全ての画素に与えた後、各画素に順次パルス
信号φＶを与えて、全ての画素から出力電流を出力する
と、まず、ハイレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジス
タＴ３のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮ
にして、フォトトランジスタＰＴｒのベースに定電流源
９より電流供給線８を介して定電流が流れるようにす
る。

【０１０８】このように、各画素に定電流源９より一定
の電流が流れると、この定電流源９より与えられる電流
によって決定される光電流がフォトトランジスタＰＴｒ
より流れる。このときの光電流の値が、感度のバラツキ
の原因となるフォトトランジスタＰＴｒの増幅率を表
す。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１ゲートに、定電流
源９によって決定された光電流を対数変換した値の電圧
が現れる。

【０１０９】次に、パルス信号φＳを全画素のＭＯＳト
ランジスタＴ５のゲートに与えることによって、ＭＯＳ
トランジスタＴ２のゲートに、ＭＯＳトランジスタＴ１
のゲート電圧となる定電流源９によって決定された光電
流を対数変換した値の電圧をサンプルホールドする。こ
の電圧により、前記光電流に対して自然対数的に比例し
た値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れよ
うとする。そして、このようにＭＯＳトランジスタＴ２
のゲートにサンプルホールドされると、ＭＯＳトランジ
スタＴ５をＯＦＦにする。

【０１１０】そして、信号φＳＷをローレベルにしてＭ
ＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。その後、各画素
毎にＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに信号φＶを与え
てＯＮとして、前記光電流に対して自然対数的に比例し
た値のドレイン電流を、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ６
を通して出力信号線６に導出する。この光電流が感度の
バラツキの原因となるフォトトランジスタＰＴｒの増幅
率を表すため、出力信号線６に出力される出力信号が、
各画素の感度のバラツキを表した信号となる。このよう
に、同時にサンプルホールドされた各画素の感度バラツ
キを表した信号を、各画素より順番に出力することでシ
リアルデータとして出力すると、ＭＯＳトランジスタＴ
６をＯＦＦにして次の撮像動作に備える。

【０１１１】＜第９の実施形態＞図９に示した画素構成
の第２例の各画素に適用される第９の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１６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８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。

【０１１２】図１６に示すように、本実施形態では、第
６の実施形態（図１０）と同様、フォトトランジスタＰ
Ｔｒのベースにソースが接続されるとともに、定電流源
９に電流供給線８を介してドレインが接続された第３Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３が新たに設けられた構成となって
いる。ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには、信号φＳ
Ｗが入力される。その他の構成は第５の実施形態（図
８）と同一である。尚、ＭＯＳトランジスタＴ３は、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６と同様、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。又、信号φＶPSは、２値的に変化するものと
し、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２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。以下これ
らの各場合における動作を説明する。

【０１１３】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合 （１−ａ）撮像動作 まず、ローレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートに与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＦＦにして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。このとき、フォトトランジス
タＰＴｒ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ
６が、第５の実施形態と同様の動作を行うことで、対数
変換された出力電流が出力信号線６に出力される。

【０１１４】即ち、まず、信号φＶPSをローレベルと
し、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショル
ド領域で動作するようにバイアスするとともに、信号φ
ＶRS2をローレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ４は
ＯＦＦにする。このとき、フォトトランジスタＰＴｒ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，Ｔ２
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、前記光電流を自然対数的に変換した値と同
等のドレイン電流が流れようとする。

【０１１５】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにかかる
電圧に比例したドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ６を通って出力信号線６に導出される。よって、
出力信号線６に導出される電流は前記光電流の積分値を
自然対数的に変換した値となる。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）を読み出すと、
ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにする。

【０１１６】（１−ｂ）画素の感度バラツキ検出 画素の感度バラツキ検出動作について、図１７を参照し
て説明する。上記のようにパルス信号φＶを与えて出力
電流を出力すると、まず、ハイレベルの信号φＳＷをＭ
ＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えてＭＯＳトランジ
スタＴ３をＯＮにして、フォトトランジスタＰＴｒのベ
ースに定電流源９より電流供給線８を介して定電流が流
れるようにする。

【０１１７】このように、各画素に定電流源９より一定
の電流が流れると、この定電流源９より与えられる電流
によって決定される光電流がフォトトランジスタＰＴｒ
より流れる。このときの光電流の値が、感度のバラツキ
の原因となるフォトトランジスタＰＴｒの増幅率を表
す。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート
に、定電流源９によって決定された光電流を対数変換し
た値の電圧が現れる。この電圧により、前記光電流に対
して自然対数的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳト
ランジスタＴ２を流れようとする。

【０１１８】そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲート
に信号φＶを与えてＯＮとすると、前記光電流に対して
自然対数的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２，Ｔ６を通して出力信号線６に導出され
る。この光電流が感度のバラツキの原因となるフォトト
ランジスタＰＴｒの増幅率を表すため、出力信号線６に
出力される出力信号が、各画素の感度のバラツキを表し
た信号となる。このように、パルス信号φＶを与えて、
各画素の感度バラツキが検出されると、信号φＳＷをロ
ーレベルにして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦ
Ｆにして、次の撮像動作に備える。尚、このとき、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４はＯＦＦの状態である。

【０１１９】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合 （２−ａ）撮像動作 まず、ローレベルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ
３のゲートに与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３を
ＯＦＦにして、フォトトランジスタＰＴｒのベースをフ
ローティング状態にする。このとき、フォトトランジス
タＰＴｒ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ
６が、第５の実施形態と同様の動作を行うことで、線形
変換された出力電流が出力信号線６に出力される。

【０１２０】即ち、まず、信号φＶPSをハイレベルとし
て、ＭＯＳトランジスタＴ１をカットオフ状態にすると
ともに、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにローレベル
の信号φＶRS2を与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４はＯ
ＦＦとする。このとき、フォトトランジスタＰＴｒに光
が入射して光電流が発生すると、光電流による電荷がＭ
ＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインなどに蓄積
されることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，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。

【０１２１】次に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに
パルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯ
Ｎにすると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートにかかる
電圧に比例したドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ
２，Ｔ６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、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６をＯＦＦにする。

【０１２２】（２−ｂ）画素の感度バラツキ検出 画素の感度バラツキ検出動作について、図１８を参照し
て説明する。上記のようにパルス信号φＶを与えて出力
電流を出力すると、まず、パルス信号φＶRS2を与えて
ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮすることで、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１などのリセットを行う。そして、ハイレベ
ルの信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与
えてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮにして、フォトトラ
ンジスタＰＴｒのベースに定電流源９より電流供給線８
を介して定電流が流れるようにする。

【０１２３】このように、各画素に定電流源９より一定
の電流が流れると、この定電流源９より与えられる電流
によって決定される光電流がフォトトランジスタＰＴｒ
より流れる。このときの光電流の値が、感度のバラツキ
の原因となるフォトトランジスタＰＴｒの増幅率を表
す。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート
に、定電流源９によって決定された光電流を線形変換し
た値の電圧が現れる。この電圧により、前記光電流に対
して線形的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳトラン
ジスタＴ２を流れようとする。

【０１２４】そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲート
に信号φＶを与えてＯＮとすると、前記光電流に対して
線形的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトランジ
スタＴ２，Ｔ６を通して出力信号線６に導出される。こ
の光電流が感度のバラツキの原因となるフォトトランジ
スタＰＴｒの増幅率を表すため、出力信号線６に出力さ
れる出力信号が、各画素の感度のバラツキを表した信号
となる。

【０１２５】このように、パルス信号φＶを与えて、各
画素の感度バラツキが検出されると、信号φＳＷをロー
レベルにして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦ
にする。その後、パルス信号φＶRS2を与えてＭＯＳト
ランジスタＴ１などをリセットすることによって、次の
撮像動作に備える。

【０１２６】尚、本実施形態において、第１又は第２の
実施形態のように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに
一端が接続されたキャパシタＣ（図３又は図５参照）、
及びＭＯＳトランジスタＴ２のソースにゲートが接続さ
れるとともにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインにソー
スが接続されたＭＯＳトランジスタＴ７（図３又は図５
参照）を設けて、出力側に積分回路を設けた構成にして
も構わない。又、本実施形態において、第４の実施形態
のように、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイ
ンの接続ノードにソースが接続されるとともにＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲートにドレインが接続されたＭＯＳ
トランジスタＴ５（図７参照）を設けても構わない。

【０１２７】尚、上述した第６〜第９の実施形態におい
て、画素毎に、その感度バラツキを検出したときの信号
を出力信号線６に出力すると、この検出時の信号がシリ
アルに出力され、後続回路においてメモリに画素毎の補
正データとして記憶しておく。そして、実際の撮像時の
信号を前記記憶されている補正データで画素毎に補正す
れば、出力信号から画素毎のバラツキを取り除くことが
できる。この補正方法はラインメモリなどのメモリを素
子内に設けることによっても実現できる。

【０１２８】尚、第１〜第９の実施形態において、各画
素からの信号読み出しは電荷結合素子（ＣＣＤ）を用い
て行うようにしてもかまわない。この場合、行選択用の
スイッチとなるＭＯＳトランジスタＴ６に相当するポテ
ンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を設け
ることにより、ＣＣＤへの電荷読み出しを行えばよい。

【０１２９】又、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ９をＮチ
ャネルのＭＯＳトランジスタとするとともに、フォトト
ランジスタＰＴｒをｎｐｎ型トランジスタとしたが、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ９をＰチャネルのＭＯＳトラ
ンジスタとするとともに、フォトトランジスタＰＴｒを
ｐｎｐ型トランジスタとした構成としても構わない。ま
た、このとき、図１又は図９の画素構成において、ＭＯ
ＳトランジスタＱ１，Ｑ２もＰチャネルのＭＯＳトラン
ジスタで構成される。このように、ＰチャネルのＭＯＳ
トランジスタ及びｐｎｐ型トランジスタで固体撮像装置
を構成したとき、その構成及び動作が逆となるものの、
実質的には同一の構成となる。

【０１３０】

【発明の効果】本願請求項１及び請求項２の固体撮像装
置によると、光電変換手段の感光素子にフォトトランジ
スタを用いることにより、光電流が増幅されて電気信号
として出力されるので高感度な撮像を行うことが可能と
なる。しかも、光電変換手段の出力状態を、被写体の輝
度とは独立して、自然対数的出力状態と線形的出力状態
とに自由に設定できるので、例えば、輝度範囲の広い被
写体の撮像には自然対数的出力状態を選択し、低輝度の
被写体や輝度範囲の狭い被写体の撮像には線形的出力状
態を選択するという使い分けができる。従って、低輝度
から高輝度までの幅広い被写体を高品位に撮像できる。

【０１３１】本願請求項８及び請求項９の固体撮像装置
によると、感光素子にフォトトランジスタを用い、この
フォトトランジスタの第２電極に、第１ＭＯＳトランジ
スタの第１電極とゲート電極とを接続し、第１ＭＯＳト
ランジスタのゲート電極に、第２ＭＯＳトランジスタの
ゲート電極を接続するとともに、第１ＭＯＳトランジス
タをサブスレッショルド領域で動作させてフォトトラン
ジスタからの電気信号を自然対数的に変換して第２ＭＯ
Ｓトランジスタの第２電極から出力するようにしたこと
により、簡素で且つ設計の自由度の高い回路構成で、高
感度でダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得るこ
とができる。特に、本願請求項９の固体撮像装置による
と、フォトトランジスタのベース電極に定電流を流す定
電流源が設けられることによって、各画素のフォトトラ
ンジスタの制御電極に同一の定電流を流すことでそのフ
ォトトランジスタの増幅率を表す出力信号が得られる。
そのため、従来のように、一様光を与えることなく、こ
のフォトトランジスタの増幅率のバラツキに起因する画
素のバラツキを検出することができる。従って、画素感
度のバラツキがキャンセルされた高品位な撮像を行うこ
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】本発明の第１の実施形態の１画素の別の構成を
示す回路図。

【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】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８】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９】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】第６の実施形態で使用する画素の各素子に与
える信号のタイミングチャート。

【図１２】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１３】第７の実施形態で使用する画素の各素子に与
える信号のタイミングチャート。

【図１４】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１５】第８の実施形態で使用する画素の各素子に与
える信号のタイミングチャート。

【図１６】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１７】第９の実施形態で使用する画素の各素子に与
える信号のタイミングチャート。

【図１８】第９の実施形態で使用する画素の各素子に与
える信号のタイミングチャート。

【図１９】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 ７ 信号線 ８−１〜８−ｍ 電流供給線 ９−１〜９−ｍ 定電流源 １０ 直流電圧線 １１ ライン ＰＴｒ フォトトランジスタ Ｔ１〜Ｔ８ 第１〜第８ＭＯＳトランジスタ Ｃ キャパシタ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【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とを備えた固体
   撮像装置において、 前記感光素子が、制御電極に入射された光量に応じた光
   電流を増幅して前記電気信号を発生するフォトトランジ
   スタであるとともに、 前記光電変換手段が、前記フォトトランジスタより発生
   された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こ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【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、 前記感光素子が、制御電極に入射された光量に応じた光
   電流を増幅して前記電気信号を発生するフォトトランジ
   スタであるとともに、 前記光電変換手段が、前記フォトトランジスタより発生
   された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こ
   とを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記光電変換手段が前記第１状態で動作
   して電気信号を前記出力信号線へ出力した後に前記光電
   変換手段を初期化するためのリセット手段が設けられた
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮
   像装置。
4. 【請求項４】 前記各画素が、前記光電変換手段の出力
   信号を増幅する増幅用トランジスタを有しており、該増
   幅用トランジスタの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請求項２に記載
   の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記出力信号線に接続された負荷抵抗又
   は定電流源を有し、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４に記載の
   固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記光電変換手段が、 制御電極がフローティング状態にされるとともに、第１
   電極に直流電圧が印加され、制御電極に入射された光量
   によって発生した光電流を増幅する前記フォトトランジ
   スタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、該フォトトラ
   ンジスタの第２電極に第１電極及び制御電極が接続さ
   れ、前記フォトトランジスタからの出力電流が流れ込む
   第１トランジスタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
   流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１トラン
   ジスタの制御電極に接続され、第２電極から電気信号を
   出力する第２トランジスタとから構成され、 前記第１トランジスタをサブスレッショルド領域で動作
   させることによって、前記フォトトランジスタから流れ
   る出力電流を自然対数的に変換することを特徴とする請
   求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 定電流源が設けられるとともに、 前記光電変換手段が、 第１電極に直流電圧が印加され、制御電極に入射された
   光量によって発生した光電流を増幅する前記フォトトラ
   ンジスタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、該フォトトラ
   ンジスタの第２電極に第１電極及び制御電極が接続さ
   れ、前記フォトトランジスタからの出力電流が流れ込む
   第１トランジスタと、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極に直
   流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第１トラン
   ジスタの制御電極に接続され、第２電極から電気信号を
   出力する第２トランジスタと、 前記フォトトランジスタの制御電極と前記定電流源との
   間に接続されるとともに、前記フォトトランジスタの制
   御電極と前記定電流源との接続を電気的に接離する第１
   スイッチと、から構成され、 撮像動作を行うときは、前記第１スイッチをＯＦＦにす
   るとともに、前記第１トランジスタをサブスレッショル
   ド領域で動作させることによって、前記フォトトランジ
   スタから流れる出力電流を自然対数的に変換し、 又、前記光電変換手段の感度のバラツキを検出するとき
   は前記第１スイッチをＯＮにすることを特徴とする請求
   項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 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、 ベース電極がフローティング状態にされるとともに、第
   １電極に直流電圧が印加され、ベース電極に入射された
   光量によって発生した光電流を増幅するフォトトランジ
   スタと、 該フォトトランジスタの第２電極に第１電極とゲート電
   極が接続された第１ＭＯＳトランジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極にゲート電極が
   接続された第２ＭＯＳトランジスタと、を有し、 前記第１ＭＯＳ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で、前記フォトトランジス
   タから出力される電気信号を自然対数的に変換して前記
   第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力させること
   を特徴とする固体撮像装置。
9. 【請求項９】 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、 各画素に定電流を供給する定電流源を有するとともに、 各画素が、 第１電極に直流電圧が印加され、ベース電極に入射され
   た光量によって発生した光電流を増幅するフォトトラン
   ジスタと、 該フォトトランジスタの第２電極に第１電極とゲート電
   極が接続された第１ＭＯＳトランジスタと、 該第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極にゲート電極が
   接続された第２ＭＯＳトランジスタと、 前記定電流源に第１電極が接続されるとともに、前記フ
   ォトトランジスタのベース電極に第２電極が接続された
   第３ＭＯＳトランジスタと、 を有し、 撮像動作を行うときは、前記第３ＭＯＳトランジスタに
   ＯＦＦとするとともに、前記第１ＭＯＳ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
   で、前記フォトトランジスタから出力される電気信号を
   自然対数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第
   ２電極から出力させ、 前記画素の感度のバラツキを検出するときは前記第３Ｍ
   ＯＳトランジスタをＯＮにすることを特徴とする固体撮
   像装置。
10. 【請求項１０】 前記画素が、 前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に第１電極が
    接続され、第２電極が直流電圧に接続されるとともに、
    ゲート電極に入力される電圧のレベルの切り換えによっ
    て、前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積さ
    れた電荷を放出してリセットする第４ＭＯＳトランジス
    タを有し、 前記フォトトランジスタから出力される電気信号を自然
    対数的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電
    極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳ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、 一方、前記フォトトランジスタから出力される電気信号
    を線形的に変換して前記第２ＭＯＳトランジスタの第２
    電極から出力させるときは、前記第１ＭＯＳトランジス
    タの第２電極と前記フォトトランジスタの第１電極の電
    位を接近させることにより前記第１ＭＯＳトランジスタ
    を不作動状態とするとともに、電気信号を出力した後、
    前記第４ＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力する電
    圧のレベルを切り換えることによって前記第４ＭＯＳト
    ランジスタを導通させて、少なくとも前記第１ＭＯＳト
    ランジスタの第１電極及びゲート電極に蓄積された電荷
    を放出してリセットすることを特徴とする請求項８又は
    請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 【請求項１１】 前記画素が、 前記第１ＭＯＳトランジスタの第１電極とゲート電極と
    の接続ノードに第１電極が接続されるとともに、前記第
    ２ＭＯＳトランジスタのゲート電極に第２電極が接続さ
    れた第５ＭＯＳトランジスタを有し、 前記固体撮像装置内に設けられた各画素内の前記第５Ｍ
    ＯＳトランジスタが、同一のタイミングで動作すること
    によって、同一時間に撮像した電気信号が前記各画素か
    ら出力されることを特徴とする請求項８又は請求項９に
    記載の固体撮像装置。
12. 【請求項１２】 前記画素が、第１電極が前記第２ＭＯ
    Ｓトランジスタの第２電極に接続され、第２電極が出力
    信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された
    第６ＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求
    項８〜請求項１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
13. 【請求項１３】 前記画素が、 第１電極が直流電圧に接続され、ゲート電極が前記第２
    ＭＯＳトランジスタの第２電極に接続されるとともに、
    前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極から出力される
    出力信号を増幅する第７ＭＯＳトランジスタと、 第１電極が前記第７ＭＯＳトランジスタの第２電極に接
    続され、第２電極が出力信号線に接続され、ゲート電極
    が行選択線に接続された第６ＭＯＳトランジスタと、 を有することを特徴とする請求項８〜請求項１０のいず
    れかに記載の固体撮像装置。
14. 【請求項１４】 前記画素が、前記第２ＭＯＳトランジ
    スタの第２電極に一端が接続され他端が前記第１ＭＯＳ
    トランジスタの第２電極が接続される信号線に接続され
    るとともに、前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電極に
    リセット電圧が与えられたときに前記第２ＭＯＳトラン
    ジスタを介してリセットされるキャパシタを有すること
    を特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 【請求項１５】 前記第２ＭＯＳトランジスタの第１電
    極が直流電圧に接続されるとともに、 前記画素が、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に第１電極が接
    続され第２電極に直流電圧が接続された第８ＭＯＳトラ
    ンジスタと、 前記第２ＭＯＳトランジスタの第２電極に一端が接続さ
    れ他端が前記第１ＭＯＳトランジスタの第２電極が接続
    される信号線に接続されるとともに、前記第８ＭＯＳト
    ランジスタのゲート電極にリセット電圧が与えられたと
    きに前記第８ＭＯＳトランジスタを介してリセットされ
    るキャパシタと、 を有することを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像
    装置。
16. 【請求項１６】 前記画素に対し前記出力信号線を介し
    て接続された負荷抵抗又は定電流源を成すＭＯＳトラン
    ジスタを備えていることを特徴とする請求項８〜請求項
    １５のいずれかに記載の固体撮像装置。
17. 【請求項１７】 前記ＭＯＳトランジスタが全てＮチャ
    ネルのＭＯＳトランジスタであるとともに、前記フォト
    トランジスタがｎｐｎ型のフォトトランジスタであるこ
    とを特徴とする請求項８〜請求項１６のいずれかに記載
    の固体撮像装置。