專利名稱：固體拍攝元件及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體拍攝元件及其控制方法，更特定而言，涉及固體拍攝元件的動態(tài)范圍擴(kuò)大。
背景技術(shù)：
CCD(Charge-coupled device,電荷耦合器件)或 CMOS(Complementary mental-oxide semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)成像器等固體拍攝元件在以攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)為代表的設(shè)備中應(yīng)用，現(xiàn)在也已經(jīng)內(nèi)置于移動電話等，作為廉價(jià)、耗電量較少的拍攝元件廣泛普及。然而，固體拍攝元件的感知能力與人的視覺感知相比要差很多。在人的視覺中，在一個視野內(nèi)即使存在4 5位左右的亮度分布，也可以充分檢測亮處和暗處的對比度。該優(yōu)良的對比度感知能力是由位于視網(wǎng)膜內(nèi)的感光細(xì)胞可以利用對每個細(xì)胞調(diào)整其光感應(yīng)特性的功能來實(shí)現(xiàn)。與之相反，在以往的固體拍攝元件中，在某一定時(shí)拍攝的視野內(nèi)存在極端的亮度差的情況下，在視野內(nèi)的亮處和暗處難以同時(shí)得到充分的對比度。即，以亮處或者暗處的任一個作為起點(diǎn)，難以使位于其相反一處的亮度部分維持充分的對比度來進(jìn)行拍攝。因此，在日本專利特開2000-340779號公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)中，記載了一種半導(dǎo)體拍攝元件的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括可以根據(jù)向周邊像素的入射光量、來移動各像素電路中的感光靈敏度范圍的機(jī)構(gòu)，從而擴(kuò)大動態(tài)范圍。另外，在日本專利特開2004-159274號公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中，記載了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的像素電路的結(jié)構(gòu)仍保持單純的結(jié)構(gòu)，通過從像素電路取出長時(shí)間的積累所產(chǎn)生的低照度信號、短時(shí)間的積累所產(chǎn)生的高照度信號，防止高照度的光電荷的飽和以拓寬動態(tài)范圍。同樣，在日本專利特開2004-363666號公報(bào)(專利文獻(xiàn)幻中，記載了通過獨(dú)立地取出長時(shí)間的光電荷積累所產(chǎn)生的低照度信號、短時(shí)間的光電荷積累所產(chǎn)生的中照度信號、超短時(shí)間的光電荷積累所產(chǎn)生的高照度信號，并且在后級的信號處理中組合這些信號，實(shí)現(xiàn)動態(tài)地變更較寬的動態(tài)范圍的拍攝條件的動態(tài)范圍的自適應(yīng)控制。專利文獻(xiàn)1 日本專利特開2000-340779號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利特開2004-159274號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本專利特開2004-363666號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題然而，在上述專利文獻(xiàn)1記載的結(jié)構(gòu)中，對各像素電路需要配置用于檢測自身的感光量的第一光檢測元件、以及用于檢測附近像素的平均感光光量而在與其他像素電路之間經(jīng)由電阻元件互相連接的第二光檢測元件的2個光檢測元件。因此，有可能難以實(shí)現(xiàn)特別是適用于移動型設(shè)備等所要求的像素電路的小型化。
另外，在專利文獻(xiàn)2和3中，盡管像素電路可以小型化，但用于將光檢測元件所產(chǎn)生的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)膫鬏旈T的控制、以及從像素電路讀出的信號在后級的處理有可能復(fù)雜化。S卩，在兼顧像素電路的小型化之后，難以既不使像素電路的控制或者在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，又同時(shí)擴(kuò)大動態(tài)范圍。本發(fā)明是為了解決這樣的問題而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種固體拍攝裝置元件，不使像素電路的結(jié)構(gòu)、或者像素電路的控制及/或在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，而可以擴(kuò)大動態(tài)范圍。用于解決問題的方法本發(fā)明所涉及的固體拍攝元件包括像素電路、及用于控制在像素電路中的信號電荷的傳輸?shù)南袼乜刂茊卧Ｏ袼仉娐钒鈾z測元件，根據(jù)感光來產(chǎn)生信號電荷；積累區(qū)域，積累由光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷；浮動擴(kuò)散區(qū)域；以及傳輸電路，其構(gòu)成為在工作時(shí)將積累區(qū)域的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸，另一方面，在不工作時(shí)斷開傳輸。像素控制單元根據(jù)像素電路的感光電平來控制傳輸電路，使得在感光量為預(yù)定以上時(shí)，與感光量低于預(yù)定時(shí)比較，延長傳輸電路的工作期間。優(yōu)選的是像素控制單元使傳輸電路工作預(yù)定期間，并且在預(yù)定期間向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)男盘栯姾闪看笥诨鶞?zhǔn)時(shí)，與預(yù)定期間相比延長傳輸電路的工作；另一方面，在傳輸?shù)男盘栯姾闪繛榛鶞?zhǔn)以下時(shí)，在預(yù)定期間結(jié)束時(shí)使傳輸電路不工作。本發(fā)明所涉及的固體拍攝元件的控制方法包括對于如上所述構(gòu)成的像素電路、 在傳輸電路不工作的狀態(tài)下將光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷積累在積累區(qū)域的步驟；通過利用預(yù)定定時(shí)使傳輸電路工作預(yù)定期間、將在積累的步驟中積累在積累區(qū)域的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)牟襟E；以及在預(yù)定期間向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)男盘栯姾闪看笥诨鶞?zhǔn)時(shí)與預(yù)定期間相比延長傳輸電路的工作、從而將預(yù)定期間以后光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷進(jìn)一步向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)牟襟E。在本發(fā)明的其他方面中，固體拍攝元件包括多個像素電路、及控制各像素電路的控制電路。各像素電路包含光檢測元件，根據(jù)感光來產(chǎn)生信號電荷；積累區(qū)域，積累由光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷；浮動擴(kuò)散區(qū)域；以及傳輸電路，其構(gòu)成為在工作時(shí)將積累區(qū)域的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸，另一方面，在不工作時(shí)斷開傳輸。控制電路控制各像素電路的傳輸門，使得在將積累區(qū)域中的最大信號電荷積累量利用傳輸門從積累區(qū)域向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸所需的完全傳輸期間，使傳輸門工作，并且在經(jīng)過完全傳輸期間后，在第一期間還使傳輸門繼續(xù)工作。而且，浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容值是用于接受最大信號電荷積累量所需的第一電容值、與用于接受在第一期間中光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷所需的第二電容值之和以上。在本發(fā)明的其他方面中，固體拍攝元件的控制方法包括對于如上所述構(gòu)成的多個像素電路的各個像素電路、在傳輸門斷開時(shí)將光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷積累在積累區(qū)域的步驟；在將積累區(qū)域中的最大信號電荷積累量利用傳輸門從積累區(qū)域向浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸所需的完全傳輸期間、接通傳輸門的步驟；以及在經(jīng)過完全傳輸期間后還在第一期間使傳輸門繼續(xù)接通、從而在接通的步驟后光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域追加傳輸?shù)牟襟E。而且，浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容值是用于接受最大信號電荷積累量所需的第一電容值、與用于接受在第一期間中光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷所需的第二電容值之和以上。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種固體拍攝裝置元件，以簡單的像素電路結(jié)構(gòu)，不使像素電路的結(jié)構(gòu)、或者像素電路的控制及/或在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，而可以擴(kuò)大動態(tài)范圍。其結(jié)果是，可以以低成本制造兼顧了可以對應(yīng)裝載至移動設(shè)備等的小型化、及大動態(tài)范圍的固體拍攝元件。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖2是表示圖1所示的反相放大電路的結(jié)構(gòu)例的電路圖。圖3是說明實(shí)施方式1所涉及的像素電路及像素控制電路的控制動作的波形圖。圖4是說明實(shí)施方式1所涉及的像素電路及其控制動作的示意圖。圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的像素電路的輸出特性的圖。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例的固體拍攝元件的陣列結(jié)構(gòu)的示意圖。圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖8是說明本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的像素電路及像素控制電路的控制動作的波形圖。圖9是表示將本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的像素電路及像素控制電路進(jìn)行陣列配置的固體拍攝元件的結(jié)構(gòu)例的示意圖。圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖11是說明實(shí)施方式3所涉及的像素電路及像素控制電路的控制動作的波形圖。圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的變形例所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的變形例所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的固體拍攝元件的第一例的示意圖。圖16是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的固體拍攝元件的第二例的示意圖。圖17是表示本發(fā)明的實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖18是說明圖17所示的像素電路的以往的控制動作的波形圖。圖19是說明圖17所示的像素電路的以往的控制動作的示意圖。圖20是說明實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的控制動作的波形圖。圖21是說明實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的控制動作的示意圖。
圖22是用于說明實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的輸出特性的示意圖。標(biāo)號說明5接地節(jié)點(diǎn)，6電源節(jié)點(diǎn)，10光電二極管，15積累區(qū)域，20傳輸電路，21傳輸門，22 輔助傳輸門，23雙柵極晶體管，30浮動擴(kuò)散區(qū)域，35復(fù)位開關(guān)，40晶體管(放大器)，50像素選擇開關(guān)，90、90#信號電荷，100像素電路，105像素陣列，110數(shù)據(jù)線，150電流源，200、 201像素控制電路，202電平判斷電路，203操作開關(guān)，205反饋路徑，210反相放大電路，212 晶體管，214晶體管，220計(jì)時(shí)器電路，230脈沖發(fā)生器，250選擇開關(guān)，255選擇開關(guān)，Cfd電容(浮動擴(kuò)散區(qū)域)，CG控制柵極，Cpd電容(積累區(qū)域)，CG控制柵極，G通常柵極，Lmn最小光量值，Lr基準(zhǔn)光量，Nl輸入節(jié)點(diǎn)(反相放大電路)，N2輸出節(jié)點(diǎn)(反相放大電路)，No 輸出節(jié)點(diǎn)(像素電路)，Rfd復(fù)位信號，SL像素選擇信號，TO完全傳輸期間，Tl延長期間， Td延長時(shí)間，TG傳輸控制信號，TGO傳輸控制基準(zhǔn)信號，TGl控制信號，V(FD)FD電位，Vdd 電源電位，Vout輸出電位，Vss接地電位。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。此外，下面對圖中的或者同一部分， 標(biāo)注相同的標(biāo)號，不重復(fù)其說明。[實(shí)施方式1]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。參照圖1，像素電路100包括作為“光檢測元件”的光電二極管10、積累區(qū)域15、傳輸電路20、浮動擴(kuò)散區(qū)域30、復(fù)位開關(guān)35、構(gòu)成“放大器”的晶體管40、及像素選擇開關(guān)50。光電二極管10設(shè)在供給接地電位Vss的接地節(jié)點(diǎn)5及傳輸電路20之間。在圖1 的例子中，光電二極管10的陽極與接地節(jié)點(diǎn)5相連接，光電二極管10的陰極構(gòu)成對光電二極管10產(chǎn)生的信號電荷的積累區(qū)域15。即，在圖1的例子中，信號電荷成為陰極(η型)的多數(shù)載流子、即電子(負(fù)電荷)。在積累區(qū)域15，由于寄生電容等而存在預(yù)定的電容Cpd。 在一般的像素結(jié)構(gòu)中，由于在布局限制的范圍內(nèi)盡可能確保光電二極管10的感光面積，因此某種程度確保了積累區(qū)域15的電容Cpd。可積累在積累區(qū)域15的最大信號電荷量，取決于電容Cpd而決定。傳輸電路20由連接于積累區(qū)域15與浮動擴(kuò)散區(qū)域30之間的傳輸門21構(gòu)成。傳輸門21由利用傳輸控制信號TG來控制接通斷開的晶體管構(gòu)成。在圖1的例子中，傳輸門 21由η型晶體管構(gòu)成。傳輸門21根據(jù)傳輸控制信號TG而接通斷開。在傳輸門21的接通期間中，從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷，傳輸電路20工作。另一方面，在傳輸門21的斷開期間中，從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30停止傳輸信號電荷，傳輸電路20不工作。復(fù)位開關(guān)35對復(fù)位信號Rfd進(jìn)行響應(yīng)，將浮動擴(kuò)散區(qū)域30與供給作為復(fù)位電位的電源電位Vdd的電源節(jié)點(diǎn)6進(jìn)行電連接。即，對復(fù)位開關(guān)35的接通進(jìn)行響應(yīng)，存在于浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷(負(fù)電荷)被吸引向接地節(jié)點(diǎn)5，積累在浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量被清除(復(fù)位)。此外，作為復(fù)位電位，也可以適用不同于電源電位Vdd的電位。
對于浮動擴(kuò)散區(qū)域30，也由于寄生電容等而存在預(yù)定的電容Cfd。關(guān)于浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd優(yōu)選的是在可接受由傳輸門21傳輸?shù)男盘栯姾闪康脑O(shè)想的最大值的范圍內(nèi)盡可能小。這是因?yàn)椋娙軨fd越小，與浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量的差對應(yīng)而產(chǎn)生的FD電位V(FD)的差越大，因此檢測靈敏度越高。像素選擇開關(guān)50、與構(gòu)成放大器的晶體管40，串聯(lián)連接在電源節(jié)點(diǎn)6與像素電路 100的輸出節(jié)點(diǎn)No之間。例如，像素選擇開關(guān)50由對像素選擇信號SL進(jìn)行響應(yīng)并接通的 η型晶體管構(gòu)成。若接通像素選擇開關(guān)50，則形成從電源節(jié)點(diǎn)6經(jīng)由晶體管40、像素選擇開關(guān)50、輸出節(jié)點(diǎn)No、未圖示的數(shù)據(jù)線、以及電流源150而到達(dá)接地節(jié)點(diǎn)5的路徑。晶體管40的柵極與浮動擴(kuò)散區(qū)域30相連接。其結(jié)果是，在像素選擇開關(guān)50的接通期間中，晶體管40作為所謂的源極跟隨放大器動作，產(chǎn)生與浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電位相應(yīng)的電位的電信號。該電信號經(jīng)由像素選擇開關(guān)50向輸出節(jié)點(diǎn)No輸出。即，由晶體管40構(gòu)成的“放大器”輸出的電信號可以經(jīng)由接通的像素選擇開關(guān)50，從輸出節(jié)點(diǎn)No取出。此外，在本實(shí)施方式中，電源電位Vdd及接地電位Vss處于Vdd > Vss的關(guān)系，且可以利用(Vdd-Vss)的電位差給電路動作提供所需的偏壓即可，可以分別設(shè)定為任意的電位。即，對于接地電位Vss，確實(shí)記載了也可以設(shè)定為接地電位以外的任意電位(也可以是負(fù)電位)。像素控制電路200包含用于將浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電位進(jìn)行反饋的路徑205、產(chǎn)生與浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電位相應(yīng)的信號的反相放大電路210、計(jì)時(shí)器電路220、及脈沖發(fā)生器 230 ο圖2是表示反相放大電路210的電路結(jié)構(gòu)的圖。參照圖2，反相放大電路210包含串聯(lián)連接于接地節(jié)點(diǎn)5與電源節(jié)點(diǎn)6之間的晶體管212和214。由于晶體管212的柵極與電源節(jié)點(diǎn)6相連接，因此晶體管212起到作為電阻元件的作用。所以，反相放大電路210在與晶體管214的柵極連接的輸入節(jié)點(diǎn)m的電位超過與晶體管214的閾值電壓對應(yīng)的預(yù)定電位時(shí)，將接地電位Vss (邏輯低電平、以下僅標(biāo)記為“L電平”)的信號向輸出節(jié)點(diǎn)N2輸出。另一方面，反相放大電路210在輸入節(jié)點(diǎn)m的電位低于預(yù)定電位時(shí)，向輸出節(jié)點(diǎn)N2將電源電位Vdd(邏輯高電平、以下僅稱作“H電平”) 的信號輸出至節(jié)點(diǎn)N2。輸入節(jié)點(diǎn)m與圖1所示的反饋路徑205相連接。輸出節(jié)點(diǎn)N2與圖 1所示的脈沖發(fā)生器230相連接。再次參照圖1，反相放大電路210進(jìn)行動作，使得在浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電位(以下也稱作FD電位)V(FD)低于基準(zhǔn)電位時(shí)，輸出H電平的信號；另一方面，在FD電位V(FD) 為該基準(zhǔn)電位以上時(shí)，輸出L電平的信號。由于FD電位V(FD)在復(fù)位至電源電位Vdd后，隨著信號電荷的積累量增大而下降，因此FD電位V(FD)在像素電路100的感光量大時(shí)相對降低；另一方面，在感光量小時(shí)相對提高。所以，可以根據(jù)反相放大電路210的設(shè)計(jì)(晶體管214的閾值電壓)來構(gòu)成反相放大電路210，使得在浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量大于基準(zhǔn)時(shí)輸出H電平的信號，在信號電荷量為基準(zhǔn)以下時(shí)輸出L電平的信號。計(jì)時(shí)器電路220基于用于決定傳輸電路20的本來的動作期間的傳輸控制基準(zhǔn)信號TG0，產(chǎn)生從產(chǎn)生傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO起接通預(yù)定期間而設(shè)定的控制信號TGl。脈沖發(fā)生器230接收信號TG0、TG1及反相放大電路210的輸出信號、即表示浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量是否大子基準(zhǔn)的信號，生成提供給傳輸門21的柵極的傳輸控制信號TG。此外，關(guān)于反相放大電路210，也可以設(shè)在脈沖發(fā)生器230的內(nèi)部。S卩，也可以采用以下結(jié)構(gòu)對于脈沖發(fā)生器230直接輸入FD電位V(FD)，并且在脈沖發(fā)生器230的內(nèi)部產(chǎn)生表示FD電位V(FD)是否低于基準(zhǔn)電位的信號，換言之，產(chǎn)生表示浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量是否大于基準(zhǔn)的信號。接下來，使用圖3及圖4說明像素電路100及像素控制電路200的動作。參照圖3，在時(shí)刻tl產(chǎn)生復(fù)位信號Rfd，接通復(fù)位開關(guān)35。據(jù)此，將FD電位V(FD) 復(fù)位至電源電位Vdd。在該狀態(tài)下，如圖4(a)所示，在浮動擴(kuò)散區(qū)域30中不存在信號電荷。 而且，由于傳輸門21斷開(傳輸電路20不工作)，因此在積累區(qū)域15及浮動擴(kuò)散區(qū)域30 之間存在勢壘層，即使存在積累區(qū)域15的信號電荷，也不會向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。再次參照圖3，光電二極管10根據(jù)像素電路100的感光而產(chǎn)生的信號電荷積累在積累區(qū)域15。而且，在就要產(chǎn)生傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO的時(shí)刻t2之前，如圖4(b)所示，成為與至此產(chǎn)生的像素電路100的感光量相應(yīng)的量的信號電荷90積累在積累區(qū)域15的狀態(tài)。再次參照圖3，傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO被設(shè)定為在時(shí)刻t2 t3之間使傳輸門21 接通。據(jù)此，如圖4(c)所示，隨著由于傳輸電路20的工作使積累區(qū)域15及浮動擴(kuò)散區(qū)域 30之間的勢壘層下降，至?xí)r刻t2為止積累在積累區(qū)域15的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。此外，時(shí)刻t2 t3的期間長度(傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO的設(shè)定期間)與在一般的像素電路的控制同樣，一般而言與將至?xí)r刻t2為止積累在積累區(qū)域15的信號電荷進(jìn)行傳輸所需的最低限度的時(shí)間對應(yīng)來設(shè)定。如圖3所示，隨著信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸，F(xiàn)D電位V(FD)變化。像素電路100的感光量越大，即，傳輸?shù)男盘栯姾闪吭蕉?，F(xiàn)D電位V(FD)的下降越大。在本實(shí)施方式中，像素控制電路200根據(jù)像素電路100的感光電平生成傳輸控制信號TG，具體而言，使得在感光量為預(yù)定以上時(shí)，與感光量低于預(yù)定時(shí)比較，在時(shí)刻t3以后延長傳輸電路20的工作期間。即，脈沖發(fā)生器230(圖1)生成傳輸控制信號TG，使得傳輸門21的接通期間根據(jù)在時(shí)刻t3的FD電位V(FD)而變化。在時(shí)刻t3的FD電位V(FD)為基準(zhǔn)電位以上、浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量為基準(zhǔn)以下時(shí)，脈沖發(fā)生器230生成與傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO同樣的傳輸控制信號TG。其結(jié)果是，傳輸門21在時(shí)刻t3關(guān)斷，傳輸電路20在本來的動作期間的時(shí)刻t2 t3以后不工作。 通過這樣，如圖4(d)所示，在時(shí)刻t3以后，由于傳輸電路20所涉及的勢壘層再次上升，因此停止從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。此時(shí)，如圖3所示，在時(shí)刻t3以后，將FD電位V(FD)維持為時(shí)刻t3的電位。然后，隨著在時(shí)刻t5利用像素選擇信號SL接通像素選擇開關(guān)50 (圖1)，從輸出節(jié)點(diǎn)No讀出與FD電位V(FD)相應(yīng)的輸出電位Vout。另一方面，在時(shí)刻t3的FD電位V(FD)低于基準(zhǔn)電位、浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷量大于基準(zhǔn)時(shí)，脈沖發(fā)生器230生成傳輸控制信號TG，以延長傳輸門21的接通期間。具體而言，生成傳輸控制信號TG，使得傳輸門21的接通期間延長由計(jì)時(shí)器電路220(圖1)設(shè)定的延長時(shí)間Td，即，使得在控制信號TGl的H電平期間中維持傳輸門21接通。脈沖發(fā)生器230例如可以根據(jù)將表示在時(shí)刻t3的FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較結(jié)果的信號(圖1的反相放大電路210的輸出信號)、傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及控制信號TGl作為輸入的觸發(fā)器及/或邏輯門的組合來任意設(shè)計(jì)?；蛘?，如上所述，也可以將FD電位 V(FD)向脈沖發(fā)生器230直接輸入，在脈沖發(fā)生器230的內(nèi)部產(chǎn)生表示FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較結(jié)果的信號。其結(jié)果是，由于在像素電路100的感光量大于基準(zhǔn)時(shí)，延長傳輸門21的接通期間 (傳輸電路20的工作期間)，因此如圖4(e)所示，對于由于在時(shí)刻t3 t4的感光而使光電二極管10新產(chǎn)生的信號電荷90#，也會向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸、積累。其結(jié)果是，如圖3 所示，在時(shí)刻t3以后，F(xiàn)D電位V(FD)進(jìn)一步下降。在本實(shí)施方式所涉及的像素電路100中， 為了接受因傳輸門21的接通期間(傳輸電路20的工作期間)的延長所產(chǎn)生的追加的信號電荷量，將浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd設(shè)計(jì)為大于通常的值。然后，如圖4(f)所示，在從時(shí)刻t3起經(jīng)過延長時(shí)間Td的時(shí)刻t4，由于傳輸電路20所涉及的勢壘層再次上升，因此停止從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。然后，隨著在時(shí)刻t5利用像素選擇信號SL接通像素選擇開關(guān)50 (圖1)，從輸出節(jié)點(diǎn)No讀出與FD電位V(FD)相應(yīng)的輸出電位Vout。此外，像素選擇開關(guān)50的接通期間只要包含上述讀出定時(shí)(時(shí)刻t5)即可，可以任意設(shè)定。例如，也可以生成像素選擇信號SL，使得從時(shí)刻t2前、到就要到達(dá)下一復(fù)位定時(shí)(時(shí)刻tl)之前維持像素選擇開關(guān)50接通。其結(jié)果是，根據(jù)實(shí)施方式1所涉及的像素控制，像素電路100的感光特性成為如圖 5所示。圖5的橫軸表示像素電路100的感光量(入射光量)，縱軸表示基于輸出電位Vout 而生成的像素輸出信號OUT。像素輸出信號OUT與輸出電位Vout相反，感光量越大，表示作為數(shù)值越高的信號。 即，在像素電路100的感光量為零、FD電位V (FD)不從復(fù)位電位變化、輸出電位Vout = Vdd 時(shí)，像素輸出信號OUT是最小值(0)。相反，在由于像素電路100的感光量超過極限、浮動擴(kuò)散區(qū)域30的信號電荷飽和、輸出電位Vout = Vdd時(shí)，像素輸出信號OUT成為最大值。圖5中的基準(zhǔn)光量Lr是表示是否延長傳輸門21的接通期間，即傳輸電路20的工作期間的閾值的基準(zhǔn)值。該基準(zhǔn)光量Lr的信號電荷積累在浮動擴(kuò)散區(qū)域30時(shí)的FD電位 V(FD)相當(dāng)于上述的FD電位V(FD)的基準(zhǔn)電位。在光量為基準(zhǔn)光量Lr以下時(shí)，像素電路100根據(jù)通常動作，可以得到與至?xí)r刻 t2(圖2)為止積累的信號電荷量相應(yīng)的像素輸出信號OUT。即，在這樣的低照度區(qū)域中，可以將像素輸出信號OUT對于感光量的變化特性、即感光靈敏度特性確保得到如以往那樣銳利。另一方面，在光量大于基準(zhǔn)光量Lr時(shí)，可以生成延長的傳輸電路20的工作期間 (傳輸門21的接通期間)中的、進(jìn)一步反映光電二極管10產(chǎn)生的信號電荷量的像素輸出信號OUT。其結(jié)果是，浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd為通常值(S卩、小于本實(shí)施方式的像素電路 100的Cfd)，且與僅基于至?xí)r刻t2為止積累在積累區(qū)域15的信號電荷量來生成像素輸出信號OUT的以往的像素控制(圖5中的虛線)比較，可以提高高照度區(qū)域中的、像素輸出信號OUT對于光量變化的變化比例。其結(jié)果是，由于高照度區(qū)域的對比度檢測能力提高，因此可以擴(kuò)大像素電路100 的動態(tài)范圍。特別是，通過適當(dāng)設(shè)定基準(zhǔn)光量Lr，可以確保在規(guī)定的低照度區(qū)域(< Lr)的感光靈敏度特性的靈敏度特性與以往同樣，之后，可以擴(kuò)大高照度區(qū)域的動態(tài)范圍。另外， 從以上的說明可知，利用像素電路100達(dá)到的動態(tài)范圍取決于延長時(shí)間Td而變化。換言之，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的像素電路的控制，可以與期望的動態(tài)范圍對應(yīng)，唯一設(shè)計(jì)所需的延長時(shí)間Td。特別是，在實(shí)施方式1所涉及的像素控制中，不向像素電路追加特別的構(gòu)成要素， 僅控制有無延長傳輸門21的接通期間(傳輸電路20的工作期間)，就可以實(shí)現(xiàn)上述擴(kuò)大動態(tài)范圍。所以，根據(jù)裝載有按照本實(shí)施方式的像素電路100及像素控制電路200的固體拍攝元件，可以兼顧像素電路的小型化，不使像素控制(像素電路的控制)或者在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，就可以擴(kuò)大動態(tài)范圍。其結(jié)果是，可以以低成本制造兼顧了可以對應(yīng)裝載至移動設(shè)備等的小型化、及大動態(tài)范圍的固體拍攝元件。[實(shí)施方式1的變形例]在實(shí)施方式1中，說明了單獨(dú)的像素電路及其控制，但實(shí)際上，本發(fā)明的重點(diǎn)是應(yīng)用于將多個像素電路100配置在陣列上的固體拍攝元件。另外，關(guān)于像素控制電路200(圖 1)，由于存在計(jì)時(shí)器電路220或脈沖發(fā)生器230等構(gòu)成要素，因此需要一定程度的電路面積。所以，在實(shí)施方式1的變形例中，說明使用實(shí)施方式1所涉及的像素電路100及像素控制電路200的固體拍攝元件的有效的結(jié)構(gòu)例。參照圖6，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例的固體拍攝元件中，構(gòu)成將圖1所示的像素電路100配置為矩陣狀的像素陣列105。在該像素陣列中，像素行可以利用垂直掃描來依次選擇，像素列可以利用水平掃描來依次選擇。此外，基本上說明了像素陣列105內(nèi)的所有的像素電路100適用實(shí)施方式1所涉及的像素控制，但也可以僅對于構(gòu)成像素陣列 105的像素中的一部分的像素，適用實(shí)施方式1所涉及的像素控制。例如，若利用垂直掃描，將多個像素行中的一行選擇為掃描對象，則從該掃描行的像素電路對于每個像素列所設(shè)的數(shù)據(jù)線Iio輸出有輸出電位Vout。如上所述，可以利用像素選擇開關(guān)50 (圖1)來控制各像素電路100與數(shù)據(jù)線110的連接。對每個像素列配置像素控制電路200(圖1)。而且，在各像素列中，在像素控制電路200與各像素電路100之間配置有選擇開關(guān)250和255。選擇開關(guān)250插入在像素控制電路200與對應(yīng)的像素電路100的傳輸電路20之間進(jìn)行連接。另外，選擇開關(guān)255插入在像素控制電路200與對應(yīng)的像素電路100的反饋路徑205之間進(jìn)行連接。在固體拍攝元件中，由于根據(jù)垂直掃描及/或水平掃描來依次控制各像素電路 100，因此在各像素列中通過控制選擇開關(guān)250和255的接通斷開，可以將同一列的多個像素電路100中的1個像素電路與像素控制電路200選擇性相連接。據(jù)此，利用屬于同一像素列的多個像素電路100，可以共有單獨(dú)的像素控制電路200。即，關(guān)于各像素電路100，可以根據(jù)圖3所示的順序來適用實(shí)施方式1所涉及的像素控制。若采用這樣的結(jié)構(gòu)，則可以抑制像素控制電路200的配置個數(shù)并抑制電路面積， 并且，通過在像素陣列外配置像素控制電路200，可以縮小像素陣列的面積。據(jù)此，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的、小型的拍攝元件。此外，在實(shí)施方式1的變形例中，示出了對每個像素列配置1個像素控制電路200、 并且利用同一像素列內(nèi)的像素電路100共有共同的像素控制電路200的結(jié)構(gòu)例，但利用除此以外的結(jié)構(gòu)也可以共有像素控制電路200。例如，也可以在像素列以外的其他每組配置共同的像素控制電路200，并且，在屬于該組的多個像素電路100與像素控制電路200之間適當(dāng)配置選擇開關(guān)250、255?；蛘?，也可以將各像素列進(jìn)一步分割為多個組，對每組配置共同
13的像素控制電路200。即，關(guān)于共有像素控制電路200的像素電路100的組，確實(shí)記載了可以任意設(shè)定這一點(diǎn)。[實(shí)施方式2]在實(shí)施方式2中，說明了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于將浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電位V(FD) 進(jìn)行直接反饋的實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，基于將FD電位V(FD)放大的電信號的反饋， 來控制傳輸門21的接通期間(傳輸電路20的工作期間)。圖7所示為表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。將圖7與圖1相比，在實(shí)施方式2中，將像素電路100的輸出節(jié)點(diǎn)No利用反饋路徑205與像素控制電路200相連接。如實(shí)施方式1也說明的那樣，在像素選擇開關(guān)50的接通期間，利用作為源極跟隨放大器工作的晶體管40，在輸出節(jié)點(diǎn)No生成與浮動擴(kuò)散區(qū)域30 的電位V (FD)相應(yīng)的輸出電位Vout。而且，輸出電位Vout利用反饋路徑205，向像素控制電路200傳遞。由于輸出電位Vout是已經(jīng)由晶體管40放大的電位，因此設(shè)有反相放大電路210 的必要性下降。即，通過在脈沖發(fā)生器230內(nèi)配置反相器等，可以基于輸出電位Vout產(chǎn)生表示FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較結(jié)果的信號。此外，即使對于晶體管40及像素選擇開關(guān)50的連接點(diǎn)設(shè)有反饋路徑205，也可以同樣將輸出電位Vout進(jìn)行反饋。由于圖7所示的其他電路結(jié)構(gòu)與圖1同樣，因此不重復(fù)其詳細(xì)的說明。圖8是說明圖7所示的實(shí)施方式2所涉及的像素電路的控制動作的動作波形圖。將圖8與圖3相比，在實(shí)施方式2所涉及的像素控制中，在時(shí)刻t3以前的一定期間，也需要使像素選擇開關(guān)50接通，設(shè)置通過利用電流源150驅(qū)動輸出節(jié)點(diǎn)No來產(chǎn)生輸出電位Vout的期間。據(jù)此，與實(shí)施方式1同樣，可以等效地執(zhí)行在時(shí)刻t3的FD電位V(FD) 與基準(zhǔn)電位的比較(感光量和基準(zhǔn)光量Lr 相當(dāng)于與圖5的比較)。在圖8的例子中，通過將像素選擇信號SL設(shè)定為與傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO同樣的期間(時(shí)刻t2 t3)的H電平，使像素選擇開關(guān)50接通。若這樣，則可以利用輸出電位 Vout的反饋，生成與圖3同樣的傳輸控制基準(zhǔn)信號TG0。此外，在像素控制上，最低限度需要分別與在時(shí)刻t3的輸出電位Vout的反饋、以及在時(shí)刻t5的來自像素電路100的輸出電位Vout的讀出相對應(yīng)，而設(shè)有像素選擇開關(guān)50 的接通期間。但是，如圖3說明的那樣，只要包含上述最低限度期間，像素選擇開關(guān)50的接通期間就可以任意設(shè)定。例如，也可以生成像素選擇信號SL，使得從時(shí)刻t2前、到就要到達(dá)下一復(fù)位定時(shí)(時(shí)刻tl)之前維持像素選擇開關(guān)50接通。由于像素控制的其他動作與實(shí)施方式1(圖3)同樣，因此不重復(fù)詳細(xì)的說明。所以，根據(jù)實(shí)施方式2所涉及的像素電路100及像素控制電路200(圖7)，通過將輸出電位Vout進(jìn)行反饋以代替FD電位V(FD)，可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)施方式1同樣的像素控制。 即，可以維持像素電路的小型化，之后，可以實(shí)現(xiàn)兼顧在低照度區(qū)域維持感光靈敏度特性及在高照度區(qū)域擴(kuò)大動態(tài)范圍的像素控制。特別是，在實(shí)施方式2所涉及的結(jié)構(gòu)中，由于可以避免將浮動擴(kuò)散區(qū)域30與像素電路100的外部相連接，因此通過形成反饋路徑205，浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd不會受到影響。所以，可以防止像素電路100的FD電容(Cfd)在像素間產(chǎn)生偏差，抑制像素電路100的特性偏差。[實(shí)施方式2的變形例]圖9是表示將實(shí)施方式2所涉及的像素電路及像素控制電路進(jìn)行陣列配置的固體拍攝元件的結(jié)構(gòu)例的示意圖。參照圖9，與圖6所示的實(shí)施方式1的變形例同樣，構(gòu)成將圖7所示的像素電路100 配置為矩陣狀的像素陣列105，并且，對每個像素列配置像素控制電路200(圖7)。此外， 與實(shí)施方式1的變形例同樣，基本上說明了像素陣列的各像素電路100適用實(shí)施方式1所涉及的像素控制，但也可以僅對于構(gòu)成像素陣列的像素中的一部分的像素，適用實(shí)施方式1 所涉及的像素控制。在實(shí)施方式2所涉及的像素控制中，需要將輸出電位Vout向像素控制電路200進(jìn)行反饋，但輸出電位Vout是通過接通像素電路100中的像素選擇開關(guān)50(圖7)而輸出至數(shù)據(jù)線110。因此，在實(shí)施方式2的變形例中，若將每個像素列的數(shù)據(jù)線110與像素控制電路200相連接，則不用對每個像素電路100設(shè)置像圖6那樣的選擇開關(guān)255，可以在與掃描行的像素電路100之間選擇性形成反饋路徑205。另一方面，在像素控制電路200與各像素電路100之間，配置與圖6同樣的選擇開關(guān)250。而且，通過在各像素列中以適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)控制選擇開關(guān)250的接通斷開，可以將同一列的多個像素電路100中的1個像素電路與像素控制電路200選擇性相連接。利用屬于同一像素列的多個像素電路100，可以共有單獨(dú)的像素控制電路200，并且關(guān)于各像素電路 100，可以根據(jù)圖8所示的順序適用實(shí)施方式2所涉及的像素控制。這樣，對于實(shí)施方式2所涉及的像素電路100及像素控制電路200，也與實(shí)施方式 1同樣，通過配置為陣列狀的多個像素電路100、和將每個像素列共有的像素控制電路200 配置在陣列外，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的小型的拍攝元件。特別是，在實(shí)施方式2所涉及的變形例中，由于配置在像素控制電路200與各像素電路100之間的開關(guān)元件的個數(shù)與實(shí)施方式1的變形例相比要減少，因此可以進(jìn)一步有助于固體拍攝元件的小型化。此外，在實(shí)施方式2的變形例中，也示出了對每個像素列配置1個像素控制電路 200、并且利用同一像素列內(nèi)的像素電路100共有共同的像素控制電路200的結(jié)構(gòu)例，但如實(shí)施方式1的變形例中說明的那樣，利用除此以外的結(jié)構(gòu)也可以共有像素控制電路200。 即，關(guān)于共有像素控制電路200的像素電路100的組，可以任意設(shè)定。[實(shí)施方式3]在實(shí)施方式3中，說明像素電路結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變化。參照圖10，實(shí)施方式3所涉及的像素電路100與圖1所示的像素電路100相比，傳輸電路20的結(jié)構(gòu)不同。具體而言，在實(shí)施方式3中，傳輸電路20包含并聯(lián)連接于積累區(qū)域 15及浮動擴(kuò)散區(qū)域30之間的傳輸門21及輔助傳輸門22。由于像素電路100的其他電路結(jié)構(gòu)與圖1同樣，因此不重復(fù)詳細(xì)的說明。像素控制電路200與實(shí)施方式1同樣，對來自設(shè)在浮動擴(kuò)散區(qū)域30的反饋路徑 205的FD電位V (FD)及傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO進(jìn)行響應(yīng)，生成控制輔助傳輸門22的接通斷開的傳輸控制信號TG#。另一方面，向傳輸門21的柵極原樣提供有傳輸控制基準(zhǔn)信號TG0。參照圖11，傳輸控制信號TG#基于傳輸控制基準(zhǔn)信號TG0、計(jì)時(shí)器電路220 (延長時(shí)間Td)產(chǎn)生的控制信號TGI、FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較結(jié)果(例如反相放大電路 210的輸出信號)，在像素電路100的感光量較大的情況下，設(shè)定為在時(shí)刻t3 t4的期間接通輔助傳輸門22 ；另一方面，在像素電路100的感光量較小時(shí)，設(shè)定為將輔助傳輸門22 維持?jǐn)嚅_。通過分別對傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#進(jìn)行響應(yīng)來使傳輸門21 及輔助傳輸門22進(jìn)行接通斷開，可以使傳輸電路20與實(shí)施方式1同樣工作。S卩，通過在時(shí)刻t2 t3利用傳輸門21的接通使傳輸電路20工作，可以將至此積累在積累區(qū)域15的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。并且，在時(shí)刻t3 t4中，根據(jù)FD 電位V(FD)，控制輔助傳輸門22的接通斷開，在感光量較大時(shí)傳輸電路20工作；另一方面， 在感光量較小時(shí)傳輸電路20不工作。其結(jié)果是，通過傳輸電路20產(chǎn)生的從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電荷傳輸動作，與實(shí)施方式1同樣。另外，關(guān)于像素選擇信號SL，也與實(shí)施方式1(圖3)中說明的同樣生成。所以，利用上述的實(shí)施方式3所涉及的像素電路及像素控制電路，也最低限度抑制像素電路的追加電路要素，并且，與實(shí)施方式1同樣，不使像素控制(像素電路的控制) 或者在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，就可以擴(kuò)大動態(tài)范圍。此外，關(guān)于圖10所示的、實(shí)施方式3所涉及的像素電路100及像素控制電路200， 與圖6所示的實(shí)施方式1的變形例同樣，通過配置為陣列狀的多個像素電路100、和將每個像素列(預(yù)定組)共有的像素控制電路200配置在陣列外，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的小型的拍攝元件。但是，在實(shí)施方式3所涉及的像素控制中，對于傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#，需要分別控制從像素控制電路200向各像素電路100進(jìn)行的傳輸。所以，對于各像素電路100，關(guān)于圖6所示的選擇開關(guān)250，需要分別與傳輸門21及輔助傳輸門22對應(yīng)地獨(dú)立配置。[實(shí)施方式3的變形例]圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的變形例所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。將圖12與圖10相比，在實(shí)施方式3的變形例中，關(guān)于與實(shí)施方式3同樣的結(jié)構(gòu)的像素電路100，與實(shí)施方式2同樣，將反饋路徑205設(shè)在輸出節(jié)點(diǎn)No與像素控制電路200之間。關(guān)于用于判斷像素電路100的感光量是否為基準(zhǔn)以上的FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較，像素控制電路200不是直接使用FD電位V(FD)，而使用將FD電位放大的輸出電位Vout，除此以外，與實(shí)施方式3(圖10)同樣生成傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號 TG#。此外，在圖12的結(jié)構(gòu)中，對于晶體管40及像素選擇開關(guān)50的連接點(diǎn)可以設(shè)有反饋路徑205。關(guān)于其他結(jié)構(gòu)，由于與實(shí)施方式3同樣，因此不重復(fù)詳細(xì)的說明。若采用這樣的結(jié)構(gòu)，則在與實(shí)施方式3同樣設(shè)有利用傳輸門21及輔助傳輸門22 的并聯(lián)連接而構(gòu)成的傳輸電路20的像素電路100中，與實(shí)施方式2同樣，可以實(shí)現(xiàn)使用了由構(gòu)成放大器(源極跟隨放大器)的晶體管40放大的輸出電位Vout的像素控制。其結(jié)果是，在包括根據(jù)實(shí)施方式3的變形例的像素電路100及像素控制電路200 的固體拍攝元件中，可以進(jìn)一步享受與實(shí)施方式2同樣的效果。
此外，關(guān)于圖12所示的、實(shí)施方式3的變形例所涉及的像素電路100及像素控制電路200，與圖9所示的實(shí)施方式2的變形例同樣，通過配置為陣列狀的多個像素電路100、 和將每個像素列(預(yù)定組)共有的像素控制電路200配置在陣列外，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的小型的拍攝元件。但是，與實(shí)施方式3同樣，關(guān)于傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#，由于需要分別控制從像素控制電路200向各像素電路100進(jìn)行的傳輸，因此對于各像素電路100， 關(guān)于圖9所示的選擇開關(guān)250，需要與傳輸門21及輔助傳輸門22分別對應(yīng)地獨(dú)立配置。[實(shí)施方式4]圖13是表示實(shí)施方式4所涉及的像素電路100及像素控制電路200的結(jié)構(gòu)的電路圖。將圖13與圖1相比，在根據(jù)實(shí)施方式4的像素電路100中，不同之處在于傳輸電路 20由雙柵極晶體管23構(gòu)成這一點(diǎn)。由于像素電路100的其他部分的結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式1 (圖 1)同樣，因此不重復(fù)詳細(xì)的說明。而且，像素控制電路200與實(shí)施方式3 (圖10)同樣構(gòu)成，將圖11所示的傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#向傳輸電路20提供。雙柵極晶體管23具有通常柵極G及控制柵極CG，根據(jù)通常柵極G及控制柵極CG 的電位，控制從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30執(zhí)行/停止電荷傳輸。具體而言，η型結(jié)構(gòu)的雙柵極晶體管23通過使通常柵極G及控制柵極CG的至少一方為接通電位(η型晶體管時(shí)H電平Vdd)而導(dǎo)通，從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。另一方面，在使通常柵極G及控制柵極CG這兩者不為接通電位的情況下，停止從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。例如，作為雙柵極晶體管23，可以使用根據(jù)與通常柵極G重疊而制造的控制柵極CG的電位、通過調(diào)制形成于溝道的電場來控制晶體管的增益系數(shù)而構(gòu)成的國際公開TO02/059979號公報(bào)(或者日本專利特開2002-222944號公報(bào))、或日本專利特開 2005-012002號公報(bào)所公開的可調(diào)整增益系數(shù)β的半導(dǎo)體元件。如圖13所示構(gòu)成傳輸電路20，在圖10所示的傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO的H電平期間及傳輸控制信號TG#的H電平期間這兩者的H電平期間中，使雙柵極晶體管23接通，從而也可以從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。即，可以使傳輸電路20與實(shí)施方式1同樣工作。其結(jié)果是，利用實(shí)施方式4所涉及的像素電路100及像素控制電路200，也與實(shí)施方式1同樣，可以兼顧像素電路的小型化，不使像素控制(像素電路的控制)或者在像素電路后級的計(jì)算處理復(fù)雜化，就可以擴(kuò)大動態(tài)范圍。此外，關(guān)于圖13所示的、實(shí)施方式4所涉及的像素電路100及像素控制電路200， 與圖6所示的實(shí)施方式1的變形例同樣，通過配置為陣列狀的多個像素電路100、和將每個像素列(預(yù)定組)共有的像素控制電路200配置在陣列外，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的小型的拍攝元件。但是，在實(shí)施方式4所涉及的像素控制中，對于傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#，也需要分別控制從像素控制電路200向各像素電路100進(jìn)行的傳輸。所以，與實(shí)施方式3同樣，對于各像素電路100，關(guān)于圖6所示的選擇開關(guān)250，需要分別與傳輸門21及輔助傳輸門22對應(yīng)地獨(dú)立配置。[實(shí)施方式4的變形例]圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的變形例所涉及的像素電路及像素控制電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。將圖14與圖13相比，在實(shí)施方式4的變形例中，關(guān)于與實(shí)施方式3同樣的結(jié)構(gòu)的像素電路100，與實(shí)施方式2同樣，將反饋路徑205設(shè)在輸出節(jié)點(diǎn)No與像素控制電路200之間。關(guān)于用于判斷像素電路100的感光量是否為基準(zhǔn)以上的FD電位V(FD)與基準(zhǔn)電位的比較，像素控制電路200不是直接使用FD電位V(FD)，而是使用將FD電位放大的輸出電位Vout。然后，生成與實(shí)施方式4(圖12)同樣的傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#。此外，如圖7中也說明的那樣，即使對于晶體管40及像素選擇開關(guān)50的連接點(diǎn)設(shè)有反饋路徑205，也可以同樣將輸出電位Vout進(jìn)行反饋。關(guān)于其他結(jié)構(gòu)，由于與實(shí)施方式4 同樣，因此不重復(fù)詳細(xì)的說明。若采用這樣的結(jié)構(gòu)，則在與實(shí)施方式4同樣設(shè)有由雙柵極晶體管23構(gòu)成的傳輸電路20的像素電路100中，與實(shí)施方式2同樣，可以實(shí)現(xiàn)使用了由構(gòu)成放大器(源極跟隨放大器)的晶體管40放大的輸出電位Vout的像素控制。其結(jié)果是，在包括實(shí)施方式4的變形例所涉及的像素電路100及像素控制電路200 的固體拍攝元件中，可以進(jìn)一步享受與實(shí)施方式2同樣的效果。此外，關(guān)于圖14所示的、實(shí)施方式4的變形例所涉及的像素電路100及像素控制電路200，與圖9所示的實(shí)施方式2的變形例同樣，通過配置為陣列狀的多個像素電路100、 和將每個像素列(預(yù)定組)共有的像素控制電路200配置在陣列外，可以更容易構(gòu)成適于裝載至移動設(shè)備的小型的拍攝元件。但是，在實(shí)施方式4的變形例所涉及的像素控制中，對于傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO及傳輸控制信號TG#，也需要分別控制從像素控制電路200向各像素電路100進(jìn)行的傳輸。所以，與實(shí)施方式4同樣，對于各像素電路100，關(guān)于圖6所示的選擇開關(guān)250，需要分別與傳輸門21及輔助傳輸門22對應(yīng)地獨(dú)立配置。在實(shí)施方式1 4及這些變形例中，是基于傳輸電路20的在本來的工作期間(在圖3中的時(shí)刻t2 t3)的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)的FD電位，比較像素電路100的感光量與基準(zhǔn)光量， 但除了利用該方法以外，也可以采用以下結(jié)構(gòu)判斷像素電路100的感光量電平，并且根據(jù)其判斷結(jié)果來控制是否需要延長傳輸電路20的工作期間。[實(shí)施方式5]在實(shí)施方式1 4及這些變形例中，說明了對每個像素電路控制是否需要延長傳輸電路20的工作期間的結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式5中，說明根據(jù)在多個像素電路整體(S卩、圖6、9的像素陣列105)中的感光電平、在各像素電路共同控制是否需要延長傳輸電路20的工作期間的結(jié)構(gòu)。即，實(shí)施方式5是面向圖6及圖9所示的、配置有多個根據(jù)實(shí)施方式1 4及這些變形例的像素電路100的固體拍攝元件。圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的固體拍攝元件的第一例的示意圖。參照圖15，實(shí)施方式5的第一例所涉及的固體拍攝元件與圖6所示的固體拍攝元
18件相比，不同之處在于包括像素控制電路201以代替像素控制電路200這一點(diǎn)。另外，關(guān)于像素電路100中的傳輸電路20，可以適用圖1(單個傳輸門21)、圖10(傳輸門21及輔助傳輸門22)、以及圖13 (雙柵極晶體管23)所示的任一結(jié)構(gòu)。此外，圖示雖然省略，但由于在各像素電路100中不需要反饋路徑205，因此將其刪除。像素控制電路201與像素控制電路200相比，不同之處在于包含電平判斷部202 這一點(diǎn)。電平判斷部202基于來自各像素電路100的輸出信號，判斷在多個像素電路100 整體中的感光電平是否為預(yù)定以上。例如，可以利用來自各像素電路100的輸出信號的總和或平均值與預(yù)定的閾值的比較來實(shí)現(xiàn)該判斷。

此外，在圖15中，對每個像素控制電路201標(biāo)記了電平判斷部202，但實(shí)際上，合理的結(jié)構(gòu)為由像素陣列105內(nèi)的多個像素電路100整體共有單獨(dú)的電平判斷部202。在像素控制電路201中，構(gòu)成對于像素控制電路200中的反饋路徑205輸入表示電平判斷部202中的判斷結(jié)果的信號的結(jié)構(gòu)。所以，在配置有圖1所示的結(jié)構(gòu)的各像素電路100的像素陣列105中，在像素電路整體中的感光電平為預(yù)定以上時(shí)，對于各像素電路100，根據(jù)控制信號TGl輸出傳輸控制信號TG。另一方面，在像素電路整體中的感光電平低于預(yù)定時(shí)，對于各像素電路100，根據(jù)傳輸基準(zhǔn)信號TGO輸出傳輸控制信號TG。另外，在配置有圖10或者圖13所示的結(jié)構(gòu)的各像素電路100的像素陣列105中， 在像素電路整體中的感光電平為預(yù)定以上時(shí)，對于各像素電路100，將傳輸控制信號
定為在與圖11的時(shí)刻t3 t4對應(yīng)的期間成為H電平。另一方面，在像素電路整體中的感光電平低于預(yù)定時(shí)，對于各像素電路100，將傳輸控制信號TG#固定為L電平。圖16是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的固體拍攝元件的第二例的示意圖。參照圖16，實(shí)施方式5的第二例所涉及的固體拍攝元件與圖15所示的第一例相比，不同之處在于進(jìn)一步設(shè)有操作開關(guān)203這一點(diǎn)。操作開關(guān)203是用于用戶輸入選擇是否需要擴(kuò)大動態(tài)范圍的指示而設(shè)的。電平判斷部202基于向操作開關(guān)203的輸入，判斷在多個像素電路100整體中的感光電平是否為
預(yù)定以上。例如，在操作開關(guān)203設(shè)置作為用于在夜間拍攝時(shí)進(jìn)行操作的輸入端的情況下， 電平判斷部202在對操作開關(guān)203進(jìn)行了操作時(shí)，可以判斷為在像素電路整體中的感光電平低于預(yù)定；另一方面，在不對操作開關(guān)203進(jìn)行操作時(shí)，可以判斷為在像素電路整體中的感光電平為預(yù)定以上。與此相反，操作開關(guān)203也可以設(shè)置作為用于在光量電平較高的狀況下拍攝時(shí)進(jìn)行操作的輸入端。根據(jù)在像素電路整體中的感光電平是否為預(yù)定以上的判斷，生成像素控制電路 201的傳輸控制信號TG(或者TG#)，由于這方面與圖15中說明的同樣，因此不重復(fù)說明。此外，在圖15中，對每個像素控制電路201標(biāo)記電平判斷部202及操作開關(guān)203， 但實(shí)際上，合理的結(jié)構(gòu)為各配置1個電平判斷部202及操作開關(guān)203，由像素陣列105內(nèi)的多個像素電路100整體共有。如上所述，在實(shí)施方式5所涉及的固體拍攝元件中，例如，為了分別對應(yīng)夜間拍攝與晴天時(shí)的白天拍攝的不同等、感光電平有很大差別的拍攝場面，可以選擇是否擴(kuò)大各像素電路共同的動態(tài)范圍來進(jìn)行拍攝。特別是，由于不必對每個像素電路配置反饋結(jié)構(gòu)，因此可以簡化控制結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行如上所述的拍攝。[實(shí)施方式6]在實(shí)施方式1 5及這些變形例中，說明了控制是否需要延長傳輸電路20的工作期間的結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式6中，進(jìn)一步探討了傳輸電路20的工作期間，說明通過設(shè)定與以往的構(gòu)思不同的工作期間長度、可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大動態(tài)范圍的情況。即，在下面說明的實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，將多個像素電路100的各個像素電路中的傳輸電路20的工作期間設(shè)定為共同且固定。圖17是表示本發(fā)明的實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖17所示的像素電路100與圖1所示的像素電路100相比，不同之處在于刪除了反饋路徑205這一點(diǎn)。像素電路100的結(jié)構(gòu)是一般的結(jié)構(gòu)，包括作為“光檢測元件”的光電二極管10、積累區(qū)域15、傳輸電路20、浮動擴(kuò)散區(qū)域30、復(fù)位開關(guān)35、構(gòu)成“放大器”的晶體管40、及像素選擇開關(guān)50。像素控制電路205執(zhí)行利用傳輸控制信號設(shè)定傳輸電路20的工作期間、以及利用復(fù)位信號Rfd設(shè)定復(fù)位定時(shí)等的像素電路100的控制。此處，使用圖18及圖19，說明像素電路100的傳輸電路20的工作期間的通常的設(shè)定方法。參照圖18，在時(shí)刻t0，通過傳輸控制信號從H電平向L電平轉(zhuǎn)移，傳輸門21斷開。 艮口，停止傳輸電路20的工作。如圖19(a)所示，在時(shí)刻t0，上次的拍攝(前一幀)中產(chǎn)生的信號電荷90處于向全部浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸?shù)臓顟B(tài)。所以，積累區(qū)域15的信號電荷量為零。另一方面，在時(shí)刻t0，在浮動擴(kuò)散區(qū)域30中，如虛線所示，處于積累有與在前一幀中的感光量相應(yīng)的量的信號電荷的狀態(tài)。而且，在時(shí)刻t0以后，對應(yīng)于新的拍攝(當(dāng)前幀)的感光，光電二極管10產(chǎn)生信號電荷，并且該信號電荷積累至積累區(qū)域15。再次參照圖18，在時(shí)刻tl，產(chǎn)生有復(fù)位信號Rfd。據(jù)此，由于將復(fù)位開關(guān)35(圖17) 接通，因此將FD電位V(FD)復(fù)位至電源電位Vdd。如圖19(b)所示，在時(shí)刻tl，利用上述復(fù)位動作，在浮動擴(kuò)散區(qū)域30中不存在信號電荷。另外，在積累區(qū)域15中，產(chǎn)生與在時(shí)刻t0 tl的期間的感光量相應(yīng)的量的信號電荷90，但由于將傳輸門21斷開(傳輸電路20不工作)，因此積累區(qū)域15的信號電荷不向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。這是因?yàn)椋捎趯鬏旈T21斷開，因此在積累區(qū)域15及浮動擴(kuò)散區(qū)域30之間存在勢壘層。另外，在時(shí)刻t0 tl間的任一定時(shí)，與FD電位V (FD)相應(yīng)的輸出電位Vout、即與前一幀對應(yīng)的輸出信號經(jīng)由接通的像素選擇開關(guān)50從輸出節(jié)點(diǎn)No讀出。 再次參照圖18，在時(shí)刻t2 t3之間，傳輸控制信號TG被設(shè)定為接通傳輸門21。 艮口，傳輸控制信號TG與圖3等中的傳輸控制基準(zhǔn)信號TGO等同。如圖19(c)所示，在就要到達(dá)時(shí)刻t2之前，將與時(shí)刻t0 t2的期間中的感光量相應(yīng)的量的信號電荷90積累在積累區(qū)域15。然后，如圖19(d)所示，由于傳輸電路20的工作而使積累區(qū)域15及浮動擴(kuò)散區(qū)域30之間的勢壘層下降，隨之至?xí)r刻t2為止積累在積累區(qū)域15的信號電荷90向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。
另外，在時(shí)刻t2 t3之間，光電二極管10根據(jù)感光而產(chǎn)生信號電荷90。關(guān)于該期間產(chǎn)生的信號電荷90，也利用傳輸電路20(傳輸門21)向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。再次參照圖18，在時(shí)刻t3，傳輸控制信號TG被設(shè)定為關(guān)斷傳輸門21。據(jù)此，如圖 19(e)所示，本次的拍攝(當(dāng)前幀)所產(chǎn)生的信號電荷90處于向全部浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸?shù)臓顟B(tài)。在時(shí)刻t3以后，在直到將浮動擴(kuò)散區(qū)域30進(jìn)行復(fù)位為止的任一定時(shí)，可以將與 FD電位V(FD)相應(yīng)的輸出電位Vout從輸出節(jié)點(diǎn)No讀出。再次參照圖18，在各個像素電路100中，與1次拍攝(1幀)對應(yīng)的曝光時(shí)間成為 TFl (TFl = TF0+T0)。此處，TFO與傳輸門21從關(guān)斷到再次接通的期間對應(yīng)，TO與傳輸門 21的接通期間對應(yīng)。此處，說明時(shí)刻t2 t3的期間長度(TO的長度)的一般設(shè)定。光電二極管10產(chǎn)生的信號電荷量取決于成為取決于工藝及構(gòu)造的物理常數(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率(量子效率)、感光強(qiáng)度與光照射時(shí)間之積。另一方面，根據(jù)光電二極管10的積累區(qū)域15的電容Cpd，決定可以積累的最大電荷量(飽和電荷量)。由于即使產(chǎn)生了超過飽和電荷量的信號電荷，在積累區(qū)域15也無法積累，因此無法檢測其明亮度。所以，根據(jù)光電二極管10的尺寸及構(gòu)造，決定積累在積累區(qū)域15的信號電荷量的最大值(以下為最大信號電荷積累量)Qpdmax。該最大信號電荷積累量也相當(dāng)于傳輸門 21 (傳輸電路20)傳輸?shù)男盘栯姾闪康淖畲笾怠４颂?，傳輸門21傳輸一定量的信號電荷所需的時(shí)間取決于構(gòu)成傳輸門21的晶體管的尺寸(W/L)等的取決于工藝及構(gòu)造的物理常數(shù)、積累區(qū)域15及浮動擴(kuò)散區(qū)域30之間的電位差而決定。所以，優(yōu)選的是傳輸門21的接通期間(TO)在可以利用傳輸門21傳輸最大信號電荷積累量Qpdmax的范圍內(nèi)要設(shè)定得盡可能短。一般而言，TO被設(shè)定為與利用傳輸門21傳輸最大信號電荷積累量Qpdmax所需的時(shí)間等同。下面，將TO也稱作完全傳輸期間。若根據(jù)圖17及圖18所述的像素電路的結(jié)構(gòu)及控制方法，則1幀期間中的以曝光時(shí)間TFl產(chǎn)生最大信號電荷積累量Qpdmax的光強(qiáng)度，對應(yīng)于可檢測對比度的感光范圍的上限。在現(xiàn)狀的工藝及構(gòu)造中，例如，在30幀/秒左右的動態(tài)圖像拍攝時(shí)，表示可檢測對比度的感光范圍的范圍大小的動態(tài)范圍一般是60(dB)左右。另外，此時(shí)的完全傳輸期間TO — 般而言是幾(ns) 幾十(ns)左右。接下來，使用圖20及圖21，說明實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的控制動作。從圖20及圖18的比較可以理解，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的各像素電路100中，傳輸門21超過時(shí)刻t2 t3、而在時(shí)刻t2 t4之間接通。即，傳輸門21即使經(jīng)過完全傳輸期間TO后，也遍及延長期間Tl繼續(xù)接通。即，延長期間Tl對應(yīng)于本發(fā)明的 “第一期間”。另外，由于至?xí)r刻t2為止的控制動作與圖18同樣，因此不重復(fù)說明。參照圖21，關(guān)于圖21(a) (d)是與以往(圖19)同樣的動作。S卩，在時(shí)刻t2 t3(圖21(d))中，遍及完全傳輸期間TO接通傳輸門21。在圖21(e)中，設(shè)想在時(shí)刻t3時(shí)間點(diǎn)，最大信號電荷積累量Qpdmax向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸?shù)那闆r。S卩，在圖21中，示出對應(yīng)于超過以往的動態(tài)范圍的感光強(qiáng)度的拍攝情況。此時(shí)，在時(shí)刻t0 t2之間，雖然產(chǎn)生超過最大信號電荷積累量Qpdmax的信號電荷90，但由于積累區(qū)域15的飽和，無法將超過最大信號電荷積累量Qpdmax的電荷量在時(shí)刻t2的時(shí)間點(diǎn)積累在積累區(qū)域15。在各像素電路100中，關(guān)于浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd，也與上述的以往思想不同來進(jìn)行設(shè)定。即，將Cfd決定為具有一定余量，該余量用于在接受最大信號電荷積累量 Qpdmax的時(shí)間點(diǎn)并且在延長期間Tl中、接受光電二極管10產(chǎn)生的信號電荷。所以，浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd大于積累區(qū)域15的電容Cpd。然后，如圖21(f)所示，在時(shí)刻t3 t4中，由于傳輸門21遍及延長期間Tl繼續(xù)接通，因此時(shí)刻t3以后將光電二極管10根據(jù)感光而產(chǎn)生的信號電荷90向浮動擴(kuò)散區(qū)域30 追加傳輸。此時(shí)，若根據(jù)以往的思想來設(shè)計(jì)浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd，則無法在浮動擴(kuò)散區(qū)域30中接受追加傳輸?shù)男盘栯姾?0，確實(shí)記載了上述這一點(diǎn)。

此外，若將Cfd確保為Cpd的2倍左右，則在延長期間Tl也可以接受最大信號電荷積累量Qpdmax0再次參照圖20，在從時(shí)刻t2經(jīng)過(T0+T1)的時(shí)刻t4，將傳輸門21關(guān)斷。據(jù)此，如圖21(g)所示，在時(shí)刻t4以后，由于傳輸電路20所涉及的勢壘層再次上升，因此停止從積累區(qū)域15向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸信號電荷。所以，在傳輸門21的斷開時(shí)間點(diǎn)，處于在浮動擴(kuò)散區(qū)域30積累有在時(shí)刻t2時(shí)間點(diǎn)積累在積累區(qū)域15的信號電荷90、在時(shí)刻t2 t4的期間光電二極管10產(chǎn)生的信號電荷90之和的狀態(tài)。此外，在時(shí)刻t4，在延長期間Tl的期間產(chǎn)生的信號電荷90需要完全向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸。這是因?yàn)?，在時(shí)刻t4，由于開始有下一幀用的曝光，因此若在積累區(qū)域15殘留有信號電荷90，則下一幀中的感光量檢測會產(chǎn)生誤差。所以，優(yōu)選的是延長期間Tl至少確保為利用傳輸門21傳輸積累區(qū)域15中的最大信號電荷積累量Qpdmax所需的時(shí)間、即完全傳輸期間TO以上(Tl彡TO)。再次參照圖20，在時(shí)刻t4以后，將FD電位V(FD)維持為時(shí)刻t4的電位。然后，在直到將浮動擴(kuò)散區(qū)域30接下來復(fù)位的任一定時(shí)，將與FD電位V (FD)相應(yīng)的輸出電位Vout 從輸出節(jié)點(diǎn)No讀出。S卩，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的各像素電路100中，與1次拍攝(1 幀)對應(yīng)的曝光時(shí)間從TFl (TFl = TF0+T0、下面也稱作“基準(zhǔn)曝光時(shí)間”)延長至TF2 (= TF1+T1)。使用圖22說明該延長所導(dǎo)致的擴(kuò)大動態(tài)范圍的原理。圖22是用于說明實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件的像素電路的輸出特性的示意圖。此外，設(shè)圖22的橫軸表示光量(或者感光強(qiáng)度)，縱軸表示FD電位V(FD)的從復(fù)位時(shí)起的電位變化AV(FD)。S卩，AV(FD)由向浮動擴(kuò)散區(qū)域30傳輸?shù)男盘栯姾闪颗cCfd決定。在圖22中，以往的控制動作(圖18、19)及作為Cfd的情況的輸出特性如虛線所示。在以往的像素電路中，在基準(zhǔn)曝光時(shí)間TFl的期間光電二極管10產(chǎn)生最大信號電荷積累量Qpdmax時(shí)的光量所對應(yīng)的L0，與動態(tài)范圍的上限對應(yīng)。S卩，AV(FD)與光量Lmn(最小光量值) LO的范圍對應(yīng)而在0 Vmax變化，據(jù)此來檢測光量(或者感光強(qiáng)度)。艮口， 在光量高于LO的范圍，即，在感光強(qiáng)度高于與LO對應(yīng)的光強(qiáng)度的范圍，由于積累區(qū)域15飽和，因此無法正確地檢測光量。與之不同的是，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，由于將Cfd設(shè)計(jì)得大于以往的數(shù)值，因此接收最大信號電荷積累量Qpdmax時(shí)的AV(FD)停止在VO ( < Vmax)。然后， 在感光強(qiáng)度高于與LO對應(yīng)的光強(qiáng)度時(shí)，與在延長期間Tl產(chǎn)生的信號電荷量對應(yīng)，AV(FD) 從VO上升。即，對于高于LO的范圍的光量，也可以使AV(FD)變化。而且，與根據(jù)加上在延長期間Tl的追加傳輸?shù)暮嫌?jì)的信號電荷量而AV(FD)到達(dá) Vmax時(shí)的光量Ll對應(yīng)的感光強(qiáng)度，成為動態(tài)范圍的上限。即，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，與以往相比，動態(tài)范圍擴(kuò)大了 Δ L (L0 Li)。即，浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd需要確保為用于接受最大信號電荷積累量Qpdmax 的電容值、與用于接受在延長期間Tl產(chǎn)生的信號電荷量(S卩、與擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR對應(yīng)的信號電荷量的 電容值之和以上。在光量大于LO的區(qū)域的特性線根據(jù)延長時(shí)間Tl而變化。相對于同一光量在延長期間Tl產(chǎn)生的信號電荷的總量越小，由于Cfd的余量而可檢測的光量范圍越寬。所以，延長期間Tl越小，特性線的傾斜度越小，相反，延長期間Tl越大，特性線的傾斜度越大。另外，關(guān)于AV(FD)的VO與Vmax之比，根據(jù)Cfd而改變。S卩，在延長期間Tl中可檢測的光量的范圍也根據(jù)Cfd而變化。如上所述，優(yōu)選的是Cfd決定為在延長期間Tl中也可以在浮動擴(kuò)散區(qū)域30追加接受最大信號電荷積累量Qpdmax。例如，若將Cfd確保為Cpd 的2倍左右，則在延長期間Tl中也可以使用信號電荷量為0 Qpdmax的范圍來測光量。此處，與Lmn LO對應(yīng)的基準(zhǔn)動態(tài)范圍DR如下述(1)式所示。DR = 20 X Iog10 (L0/Lmn)…(1)并且，若在延長期間Tl也可以使用信號電荷量為O Qpdmax的范圍來檢測光量， 則利用基準(zhǔn)曝光時(shí)間TFl相對于延長期間Tl之比，與AL對應(yīng)的擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR如下述⑵式所示。ADR = 20 X Iog10 (TF1/T1)…(2)這樣，根據(jù)延長期間Tl來決定擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR。此外，在可以利用Cfd保持的信號電荷量小于2XQpdmax的情況下，由于在延長期間Tl的期間浮動擴(kuò)散區(qū)域30有可能飽和，因此可以僅檢測直到飽和的光量范圍。所以，此時(shí)的擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR小于式(2)。 反言之，從這方面來說，也優(yōu)選的是Cfd確保為Cpd的2倍左右。另一方面，如圖22所示，由于若縮短延長期間Tl，則相對于同一 Cfd的Δ L擴(kuò)大； 另一方面，相對于光量的AV(FD)的變化減小，因此在對比度的檢測上不利。所以，通過設(shè)定擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR，可以適當(dāng)求出延長期間Tl，以覆蓋相對于期望的動態(tài)范圍的基準(zhǔn)動態(tài)范圍DR的不足量。例如，在30幀/秒的動態(tài)圖像拍攝中，與1幀期間對應(yīng)達(dá)到TFl = 33 (ms)左右。 此時(shí)的基準(zhǔn)動態(tài)范圍DR如上所述，在以往的固體拍攝元件中是60(dB)左右。另一方面， 人在同一視野內(nèi)可檢測的亮度分布可以從5位前后到達(dá)7位的范圍(動態(tài)范圍為80 140(dB))。所以，可以決定延長期間Tl，以通過擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR來將該差別填補(bǔ)。作為一個例子，為了使固體拍攝元件的動態(tài)范圍為140dB，由于需要ADR = 80 (dB)，因此可以決定為Tl = TF1/104 = 3. 3 ( μ s)。同樣，為了使固體拍攝元件的動態(tài)范圍為IOOdB,由于需要ADR = 40 (dB)，因此可以決定為Tl = TF1/102 = 330 ( μ s)。在現(xiàn)實(shí)中，從具有與人的視覺等同的對比度檢測能力的觀點(diǎn)而言，優(yōu)選的是將延長期間Tl設(shè)定為加上擴(kuò)大動態(tài)范圍ADR的固體拍攝元件的動態(tài)范圍在80 (dB) 140(dB)的范圍內(nèi)。
從圖22的特性線可知，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，基于在時(shí)刻tO t3(基準(zhǔn)曝光時(shí)間TFl)積累在積累區(qū)域15的信號電荷量，對于LO以下的范圍可以得到與光量成正比的絕對值輸出(AV(FD))。并且，利用由在延長期間Tl (時(shí)刻t3 t4)的曝光而追加產(chǎn)生的信號電荷量，可以將高于LO范圍的光量捕捉作為像素電路100間的相對值 (即、像素間的對比度成分)來檢測。該動作與在人的視覺中壓縮背景光成分的信號的動作對應(yīng)。即，分別在基準(zhǔn)曝光時(shí)間TFl及延長曝光時(shí)間(延長期間Tl)中，與進(jìn)行在不同的光量(感光強(qiáng)度)范圍的拍攝是等效的，且通過單純加上分別產(chǎn)生的信號電荷量，可以等效地實(shí)現(xiàn)將這些拍攝結(jié)果合成的較寬的動態(tài)范圍的拍攝。這樣，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，通過以與以往的構(gòu)思相反的想法， 來決定各像素電路中的傳輸門21的接通期間(傳輸電路20的工作期間)、以及浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd，能夠不使像素電路的結(jié)構(gòu)、或者像素電路的控制及/或在像素電路后級的計(jì)算處理完全復(fù)雜化，就實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大動態(tài)范圍。即，可以以低成本制造兼顧了可以對應(yīng)裝載至移動設(shè)備等的小型化、及大動態(tài)范圍的固體拍攝元件。此外，關(guān)于實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件，將像素電路100的傳輸電路20的動作期間遍及延長期間Tl而延長的概念，也可以適用于圖10所示的、由一組傳輸門21及輔助傳輸門22構(gòu)成的傳輸電路。然而，在簡化電路結(jié)構(gòu)及像素控制的方面而言，傳輸電路 20由單個傳輸門21構(gòu)成時(shí)優(yōu)點(diǎn)較大。另外，在實(shí)施方式1 5及這些變形例所涉及的固體拍攝元件中，優(yōu)選的是延長時(shí)間Td也與實(shí)施方式6的延長期間Tl同樣來決定。另外，關(guān)于浮動擴(kuò)散區(qū)域30的電容Cfd， 優(yōu)選的是也與實(shí)施方式6同樣來決定。 此外，如實(shí)施方式1 5及這些變形例所示，在控制是否需要延長傳輸電路20的工作期間的結(jié)構(gòu)的固體拍攝元件中，與如實(shí)施方式6所示一律且無條件地使傳輸電路20的工作期間延長的固體拍攝元件相比，在低照度的拍攝(夜間等)中可以確保曝光時(shí)間，在這點(diǎn)是有利的。另一方面，在實(shí)施方式6所涉及的固體拍攝元件中，可以利用與以往完全同樣的像素電路結(jié)構(gòu)及控制電路結(jié)構(gòu)大幅擴(kuò)大動態(tài)范圍，在這點(diǎn)是有利的。此外，在以上的實(shí)施方式中，關(guān)于構(gòu)成像素電路100的晶體管，全部都例舉了 η型導(dǎo)電型的元件，但關(guān)于晶體管的導(dǎo)電型也可以適當(dāng)變更，使用P型元件。此時(shí)，通過使得從像素控制電路200輸出的傳輸控制信號的邏輯電平(H/L)、與電源節(jié)點(diǎn)6/接地節(jié)點(diǎn)5的連接適當(dāng)相反，可以實(shí)現(xiàn)同樣的像素控制。另外，在實(shí)施方式1 6及這些變形例中，例舉了將負(fù)電荷(電子)作為信號電荷的結(jié)構(gòu)，但也可以通過將光電二極管10的陰極與電源節(jié)點(diǎn)6進(jìn)行電連接，構(gòu)成將正電荷 (空穴)作為信號電荷的電路結(jié)構(gòu)。但是，由于正電荷(空穴)的遷移率比負(fù)電荷(電子) 的遷移率小，因此應(yīng)理解為包括本實(shí)施方式1 4及這些變形例所示的像素電路及像素控制電路的固體拍攝元件在高速拍攝方面相對有利。本次披露的實(shí)施方式的所有方面僅是舉例表示，并非限制性的。意味著本發(fā)明的范圍不是由上述的說明而是由權(quán)利要求表示的，包含了在與權(quán)利要求均等的意義及范圍內(nèi)的所有變更。工業(yè)上的實(shí)用性本發(fā)明可以適用于在各像素電路具有感光檢測元件的一般的固體拍攝元件。
權(quán)利要求
1.一種固體拍攝元件，其特征在于，包括 多個像素電路(100)；以及控制電路005)，控制各所述像素電路， 各所述像素電路包含光檢測元件(10)，根據(jù)感光而產(chǎn)生信號電荷； 積累區(qū)域(15)，積累由所述光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷； 浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)；以及傳輸電路(20)，構(gòu)成為在工作時(shí)將所述積累區(qū)域的信號電荷向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸，另一方面，在不工作時(shí)將所述傳輸斷開，所述控制電路構(gòu)成為，控制各所述像素電路的所述傳輸電路，使得在遍及利用所述傳輸電路將在所述積累區(qū)域的最大信號電荷積累量從所述積累區(qū)域向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸所需的完全傳輸期間(TO)，使所述傳輸電路工作，并且，在經(jīng)過所述完全傳輸期間后遍及第一期間(Tl)還使所述傳輸電路繼續(xù)工作，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容值(Cfd)是用于接受所述最大信號電荷積累量所需的第一電容值、與用于接受在所述第一期間中所述光檢測元件產(chǎn)生的所述信號電荷所需的第二電容值之和以上。
2.如權(quán)利要求1所述的固體拍攝元件，其特征在于， 所述第一期間(Tl)具有所述完全傳輸期間(TO)以上的長度。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容值(Cfd)是所述積累區(qū)域的電容值(Cpd)的2倍以上。
4.如權(quán)利要求3所述的固體拍攝元件，其特征在于， 以預(yù)定周期而設(shè)置所述傳輸電路00)的工作期間，所述固體拍攝元件的動態(tài)范圍由在從所述傳輸電路的上次的工作期間的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)到本次的工作期間的開始時(shí)間點(diǎn)的期間與所述完全傳輸期間之和的基準(zhǔn)曝光期間(TFl) 中根據(jù)所述光檢測元件產(chǎn)生相當(dāng)于所述最大信號電荷積累量的信號電荷量的感光量的基準(zhǔn)動態(tài)范圍、根據(jù)所述第一期間(Tl)的長度而變化的擴(kuò)展動態(tài)范圍之和表示， 所述擴(kuò)展動態(tài)范圍根據(jù)所述基準(zhǔn)曝光期間相對于所述第一期間之比的對數(shù)。
5.一種固體拍攝元件的控制方法，其特征在于， 是包括多個像素電路(100)的固體拍攝元件的控制方法， 各所述像素電路包含光檢測元件(10)，根據(jù)感光而產(chǎn)生信號電荷； 積累區(qū)域(15)，積累由所述光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷； 浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)；以及傳輸電路(20)，構(gòu)成為在工作時(shí)將所述積累區(qū)域的信號電荷向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸，另一方面在不工作時(shí)斷開所述傳輸， 所述控制方法包括在所述傳輸電路不工作時(shí)，將所述光檢測元件產(chǎn)生的所述信號電荷積累在所述積累區(qū)域的步驟；遍及利用所述傳輸電路將在所述積累區(qū)域的最大信號電荷積累量從所述積累區(qū)域向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸所需的完全傳輸期間(TO)，使所述傳輸電路工作的步驟；以及在經(jīng)過所述完全傳輸期間后遍及第一期間(Tl)還使所述傳輸電路繼續(xù)工作，在所述工作的步驟之后將所述光檢測元件產(chǎn)生的所述信號電荷向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域追加傳輸?shù)牟襟E，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容值(Cfd)是用于接受所述最大信號電荷積累量所需的第一電容值、與用于接受在所述第一期間中所述光檢測元件產(chǎn)生的所述信號電荷所需的第二電容值之和以上。
6.一種固體拍攝元件，其特征在于，包括像素電路(100)，包含根據(jù)感光而產(chǎn)生信號電荷的光檢測元件(10)、積累由所述光檢測元件產(chǎn)生的信號電荷的積累區(qū)域(15)、浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)、構(gòu)成為在工作時(shí)將所述積累區(qū)域的信號電荷向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸而另一方面在不工作時(shí)斷開所述傳輸?shù)膫鬏旊娐?20)；以及像素控制單元000)，用于控制所述信號電荷的傳輸，所述像素控制單元根據(jù)所述像素電路的感光電平來控制所述傳輸電路，使得在感光量為預(yù)定以上時(shí)，與所述感光量低于預(yù)定時(shí)相比，延長所述傳輸電路的工作期間。
7.如權(quán)利要求6所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述像素控制單元(200)包含第一傳輸控制單元，使所述傳輸電路00)工作預(yù)定期間；以及第二傳輸控制單元，在所述預(yù)定期間向所述浮動擴(kuò)散區(qū)域傳輸?shù)男盘栯姾闪看笥诨鶞?zhǔn)時(shí)，與所述預(yù)定期間相比延長所述傳輸電路的工作，另一方面，在所述傳輸?shù)男盘栯姾闪繛樗龌鶞?zhǔn)以下時(shí)，在所述預(yù)定期間結(jié)束時(shí)使所述傳輸電路不工作。
8.如權(quán)利要求7所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述傳輸電路00)具有并聯(lián)連接于所述光檢測元件與所述浮動擴(kuò)散區(qū)域之間的傳輸門及輔助傳輸門02)，所述第一傳輸控制單元在所述預(yù)定期間接通所述傳輸門，所述第二傳輸控制單元在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪看笥谒龌鶞?zhǔn)時(shí)，在所述預(yù)定期間以后將所述輔助傳輸門接通一定期間。
9.如權(quán)利要求7所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述傳輸電路00)具有連接于所述光檢測元件與所述浮動擴(kuò)散區(qū)域之間的傳輸門 (21),所述第一傳輸控制單元遍及所述預(yù)定期間接通所述傳輸門，所述第二傳輸控制單元在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪看笥谒龌鶞?zhǔn)時(shí)，在所述預(yù)定期間結(jié)束后還將所述傳輸門的接通維持一定期間。
10.如權(quán)利要求7 9中任一項(xiàng)所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述第二傳輸控制單元基于所述預(yù)定期間中的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)的電位 (V(FD))，判斷在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪渴欠翊笥谒龌鶞?zhǔn)。
11.如權(quán)利要求7 9中任一項(xiàng)所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述像素電路(100)還包含工作時(shí)產(chǎn)生與所述浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)的信號電荷量相應(yīng)的電信號的放大器G0)，所述放大器構(gòu)成為在所述預(yù)定期間工作，所述第二傳輸控制單元基于所述預(yù)定期間中的來自所述放大器的所述電信號，判斷在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪渴欠翊笥谒龌鶞?zhǔn)。
12.如權(quán)利要求10所述的固體拍攝元件，其特征在于， 所述固體拍攝元件還包括像素陣列(105)，具有多個所述像素電路；以及數(shù)據(jù)線(110)，用于讀出來自各所述像素電路的輸出，各所述像素電路(100)還包含工作時(shí)產(chǎn)生與所述浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)的信號電荷量相應(yīng)的電信號的放大器GO)、以及配置在所述放大器與所述數(shù)據(jù)線之間的像素選擇開關(guān)元件 (50)，將所述多個像素電路分割為多個組，并且，所述像素控制單元(200)與所述多個組的各個組對應(yīng)而設(shè)在所述像素陣列的外部區(qū)域， 所述固體拍攝元件還包括第一開關(guān)元件050)，配置在各所述像素電路中的所述傳輸電路O0)與對應(yīng)的所述像素控制單元之間；以及第二開關(guān)元件055)，配置在各所述像素電路中的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)與對應(yīng)的所述像素控制單元之間，控制所述第一及所述第二開關(guān)元件，使得在所述多個組的各個組中，將該組內(nèi)的所述像素電路中的被選擇的1個所述像素電路與所述像素控制單元依次相連接，所述第二傳輸控制單元基于經(jīng)由所述第二開關(guān)元件連接的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域的電位， 判斷在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪渴欠翊笥谒龌鶞?zhǔn)。
13.如權(quán)利要求11所述的固體拍攝元件，其特征在于， 所述固體拍攝元件還包括像素陣列(105)，具有多個所述像素電路；以及數(shù)據(jù)線(110)，用于讀出來自各所述像素電路的輸出，各所述像素電路還包含配置在所述數(shù)據(jù)線與所述放大器之間的像素選擇開關(guān)元件 (50)，將所述多個像素電路分割為多個組，并且，所述像素控制單元(200)與所述多個組的各個組對應(yīng)而設(shè)在所述像素陣列的外部區(qū)域，所述固體拍攝元件還包括配置在各所述像素電路中的所述傳輸電路與對應(yīng)的所述像素控制單元之間的第一開關(guān)元件050)，控制所述第一開關(guān)元件，使得在所述多個組的各個組中，將該組內(nèi)的所述像素電路中的被選擇的1個像素電路與所述像素控制單元依次相連接，所述第二傳輸控制單元基于從所述放大器向所述數(shù)據(jù)線輸出的所述電信號，判斷在所述預(yù)定期間傳輸?shù)男盘栯姾闪渴欠翊笥谒龌鶞?zhǔn)。
14.如權(quán)利要求6或者7所述的固體拍攝元件，其特征在于， 所述固體拍攝元件包括多個所述像素電路(100)，所述像素控制單元(201)控制所述傳輸電路，使得在所述多個像素電路整體中的感光電平為預(yù)定以上時(shí)，對于所述多個像素電路的各個像素電路共同地延長所述工作期間；另一方面，控制所述傳輸電路，使得在所述感光電平低于預(yù)定時(shí)，對于所述多個像素電路的各個像素電路共同地不延長所述工作期間。
15.如權(quán)利要求14所述的固體拍攝元件，其特征在于，還包括用于指定所述感光電平是否為所述預(yù)定以上的狀況的操作開關(guān)(203)， 所述像素控制單元(201)根據(jù)向所述操作開關(guān)有無輸入，判斷在所述多個像素電路整體中的感光電平是否為所述預(yù)定以上。
16.如權(quán)利要求14所述的固體拍攝元件，其特征在于，所述像素控制單元(201)基于利用所述固體拍攝元件在剛剛之前的拍攝時(shí)的來自所述多個像素電路(100)的輸出，判斷在所述多個像素電路整體中的感光電平是否為所述預(yù)定以上。
全文摘要
傳輸電路(20)采用以下結(jié)構(gòu)利用對傳輸控制信號(TG)進(jìn)行響應(yīng)而接通斷開的傳輸門(21)，在工作時(shí)將積累區(qū)域(15)的信號電荷向浮動擴(kuò)散區(qū)域(30)傳輸，另一方面，在不工作時(shí)斷開信號電荷的傳輸。像素控制電路(200)根據(jù)像素電路(100)的感光電平來控制傳輸電路(20)，使得在感光量為預(yù)定以上時(shí)，與感光量低于預(yù)定時(shí)相比，延長傳輸電路(20)的工作期間。
文檔編號H04N5/374GK102265605SQ20098015312
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者廣津亞彌子, 廣津總吉 申請人:廣津和子