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特開2024-10357固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024010357

(43)【公開日】2024-01-24

(54)【発明の名称】固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器

(51)【国際特許分類】

H04N 25/59 20230101AFI20240117BHJP

H04N 25/771 20230101ALI20240117BHJP

【ＦＩ】

H04N5/355 900

H04N5/3745 200

【審査請求】未請求

【請求項の数】29

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022111651

(22)【出願日】2022-07-12

(71)【出願人】

【識別番号】521182560

【氏名又は名称】ブリルニクスシンガポールプライベートリミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001863

【氏名又は名称】弁理士法人アテンダ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮内健

(72)【発明者】

【氏名】大和田英樹

(72)【発明者】

【氏名】盛一也

(72)【発明者】

【氏名】高柳功

【テーマコード（参考）】

5C024

【Ｆターム（参考）】

5C024CX03

5C024CX43

5C024GX03

5C024GX16

5C024GX18

5C024GY39

5C024GY41

5C024GZ06

5C024HX18

5C024HX50

(57)【要約】

【課題】ＲＳおよびＧＳの画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能で、ＨＣＧ信号とＬＣＧ信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、画素部２０に行列状に配置される画素２００が光電変換読み出し部２１０を含み、ローリングシャッタ（ＲＳ）の動作機能、グローバルシャッタ（ＧＳ）の動作機能を持ち、ＲＳおよびＧＳの画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記光電変換読み出し部は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含み、
前記読み出し部は、
前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換え可能である
固体撮像装置。

【請求項2】

前記画素は、
前記第１の変換利得読み出しモード時には、少なくとも２つの変換利得に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号および前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能であり、
前記第２の変換利得読み出しモード時には、少なくとも１つの変換利得に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号および前記光電変換素子の蓄積電荷またはオーバーフロー電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能である
請求項１記載の固体撮像装置。

【請求項3】

前記読み出し部は、
前記ローリングシャッタモードでの動作時に、前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードとを切り換え可能である
請求項２記載の固体撮像装置。

【請求項4】

前記読み出し部は、
前記ローリングシャッタモードでの動作時の前記第１の変換利得読み出しモードでは、低照度および中照度のうちの少なくともいずれかの照度シーンに動作可能として切り換え、
前記ローリングシャッタモードでの動作時の前記第２の変換利得読み出しモードでは、高照度の照度シーンに動作可能として切り換える
請求項３記載の固体撮像装置。

【請求項5】

前記読み出し部は、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第１の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量で決まる高変換利得、並びに前記フローティングディフュージョンの容量および前記第１の容量で決まる第１の低変換利得を設定し切り換え可能であり、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第２低変換利得を設定し切り換え可能であり、
前記第１の変換利得読み出しモードにおいては、第１の低変換利得リセット読み出し処理、高変換利得リセット読み出し処理、高変換利得信号読み出し処理、および第１の低変換利得信号読み出し処理を順次行い、
前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、第２の低変換利得信号読み出し処理、および第２の低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項6】

前記読み出し部は、
前記第２の変換利得読み出しモードにおける少なくとも第２の低変換利得信号読み出し処理、および第２の低変換利得リセット読み出し処理中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、前記転送素子を非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベルに保持する
請求項５記載の固体撮像装置。

【請求項7】

前記読み出し部は、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第１の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量で決まる第１の高変換利得、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第３の低変換利得、並びに、前記フローティングディフュージョンの容量および前記第１の容量で決まる第１の中変換利得を設定し切り換え可能であり、
前記第１の変換利得読み出しモードにおいては、第３の低変換利得リセット読み出し処理、第１の中変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得信号読み出し処理、第１の中変換利得信号読み出し処理、および第３の低変換利得信号読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項8】

前記読み出し部は、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量で決まる第２の高変換利得、並びに前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第４の低変換利得を設定し切り換え可能であり、
前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、第２の高変換利得リセット読み出し処理および第２の高変換利得信号読み出し処理を行い、第４の低変換利得信号読み出し処理、および第４の低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項9】

前記読み出し部は、
前記第２の変換利得読み出しモードにおける少なくとも第４の低変換利得信号読み出し処理、および第４の低変換利得リセット読み出し処理中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、前記転送素子を非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベルに保持する
請求項８記載の固体撮像装置。

【請求項10】

前記読み出し部は、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量で決まる第２の高変換利得、並びに前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第４の低変換利得を設定し切り換え可能であり、
前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、第４の低変換利得オーバーフロー（ＯＦ）信号読み出し処理、および第４の低変換利得ＯＦリセット読み出し処理を順次行い、第2の高変換利得リセット読み出し処理および第2の高変換利得信号読み出し処理を行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項11】

前記読み出し部は、
前記第２の変換利得読み出しモードにおける少なくとも第４の低変換利得信号読み出し処理、および第４の低変換利得リセット読み出し処理中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、前記転送素子を非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベルに保持する
請求項１０記載の固体撮像装置。

【請求項12】

前記読み出し部は、
ローリングシャッタモードでの動作時の前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、前記フローティングディフュージョンの容量で決まる第１の高変換利得、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第４の低変換利得、並びに、前記フローティングディフュージョンの容量および前記第１の容量で決まる第１の中変換利得を設定し切り換え可能であり、
前記第２の変換利得読み出しモードにおいては、第１の中変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得リセット読み出し処理、第１の高変換利得信号読み出し処理、第１の中変換利得信号読み出し処理、第４の低変換利得信号読み出し処理、および第４の低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項13】

前記読み出し部は、
前記第２の変換利得読み出しモードにおける少なくとも第４の低変換利得信号読み出し処理、および第４の低変換利得リセット読み出し処理中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、前記転送素子を非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベルに保持する
請求項１２記載の固体撮像装置。

【請求項14】

前記読み出し部は、
前記第１の容量および前記第２の容量のうち前記第１の容量を適用してグローバルシャッタ動作が可能で、前記フローティングディフュージョンの容量および前記第１の容量で決まる第５の中変換利得を設定し切り換え可能であり、
グローバルシャッタ動作においては、第５の中変換利得信号読み出し処理、および第５の中変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項15】

前記読み出し部は、
グローバルシャッタの露光期間後半に、前記フローティングディフュージョンのリセットレベルを揃える処理を行った後、前記フローティングディフュージョンおよび前記第１の容量をリセットして、蓄積電荷をフローティングディフュージョンおよび前記第１の容量に転送し、
読み出し処理待機中に、前記第１の容量へのアクセス停止した状態で、前記フローティングディフュージョンの寄生光感度を除去するために前記フローティングディフュージョンをリセットする
請求項１５記載の固体撮像装置。

【請求項16】

前記読み出し部は、
前記第１の容量および前記第２の容量を適用してグローバルシャッタ動作が可能で、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および前記第２の容量で決まる第５低変換利得を設定し切り換え可能であり、
グローバルシャッタ動作においては、第５低変換利得信号読み出し処理、および第５低変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項17】

前記読み出し部は、
グローバルシャッタの露光期間後半に、蓄積電荷をフローティングディフュージョン、前記第１の容量および前記第２の容量に転送し、
読み出し処理待機中に、前記フローティングディフュージョンの寄生光感度を除去するために前記フローティングディフュージョンをリセットする
請求項１６記載の固体撮像装置。

【請求項18】

前記読み出し部は、
前記第１の容量および前記第２の容量のうち前記第１の容量を適用してグローバルシャッタ動作が可能で、前記フローティングディフュージョンの容量および前記第１の容量で決まる第５の高変換利得を設定し切り換え可能であり、
グローバルシャッタ動作においては、第５の高変換利得信号読み出し処理、および第５の高変換利得リセット読み出し処理を順次行う
請求項４記載の固体撮像装置。

【請求項19】

【請求項20】

前記光電変換読み出し部は、
容量が前記第１の容量である第１の容量素子と、
容量が前記第２の容量である第２の容量素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記第１の容量素子とを選択的に接続する第１の蓄積接続素子と、
前記フローティングディフュージョンと前記第２の容量素子とを選択的に接続する第２の蓄積接続素子と、を含む
請求項１記載の固体撮像装置。

【請求項21】

前記光電変換読み出し部において、
前記第１の蓄積接続素子と前記第１の容量素子の接続ノードが、前記第２の蓄積接続素子に接続され、
前記第２の蓄積接続素子と前記第２の容量素子との接続ノードが、前記リセット素子に接続されている
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項22】

前記光電変換読み出し部において、
前記第１の蓄積接続素子と前記第１の容量素子の接続ノードと前記第２の容量素子とを選択的に接続する第３の蓄積接続素子を有し、
前記第２の蓄積接続素子が前記光電変換素子と前記第２の容量素子との間に接続され、
前記第１の蓄積接続素子と前記第１の容量素子と前記第３の蓄積接続素子との接続ノードが、前記リセット素子に接続されている
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項23】

前記光電変換読み出し部において、
前記第２の蓄積接続素子と前記第１の容量素子とを選択的に接続する第３の蓄積接続素子を有し、
前記第１の蓄積接続素子が前記光電変換素子と前記第１の容量素子との間に接続され、
前記第２の蓄積接続素子と前記第３の蓄積接続素子との接続ノードが、前記フローティングディフュージョンに接続され、
前記第２の蓄積接続素子と前記第２の容量素子との接続ノードが、前記リセット素子に接続されている
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項24】

前記光電変換読み出し部は、
少なくとも読み出し処理待機中に、前記フローティングディフュージョンの寄生光感度を除去するために前記フローティングディフュージョンをリセット可能な第２のリセット素子を含む
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項25】

前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョンを複数の前記光電変換素子および前記転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項26】

前記光電変換読み出し部は、
前記光電変換素子から溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートを有する
請求項２０記載の固体撮像装置。

【請求項27】

各共有画素は、
前記光電変換素子に接続され、当該光電変換素子の電荷を前記フローティングディフュージョンの形成領域外方向に排出することが可能な前記オーバーフローゲートを有し、
前記読み出し部は、
フローティングディフュージョンに電荷をオーバーフローさせる読み出し形態と、
電荷を前記フローティングディフュージョンの形成領域外にオーバーフローさせる読み出し形態と、を混在させて、共有画素の読み出し制御が可能である
請求項２６記載の固体撮像装置。

【請求項28】

光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記光電変換読み出し部は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含む、
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、
前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、
で動作可能とし、
前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換える
固体撮像装置の駆動方法。

【請求項29】

固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記光電変換読み出し部は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含み、
前記読み出し部は、
前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換え可能である
電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、車載用カメラ、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。

【0003】

ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。

【0004】

一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素は、たとえば１個のフォトダイオードに対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子（増幅素子）としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタの４素子を能動素子として含んで構成される。

【0005】

転送トランジスタは、所定の転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
リセットトランジスタは、所定のリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線の電位にリセットする。
選択トランジスタは、読み出しスキャン時に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタはフローティングディフュージョンＦＤで電圧信号に変換した列出力の読み出し信号を垂直信号線に出力する。

【0006】

たとえば、読み出しスキャン期間において、リセット期間にフローティングディフュージョンＦＤがたとえば電源線の電位（基準電位）にリセットされた後、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、基準レベルの読み出しリセット信号（基準レベルの信号）Ｖｒｓｔとして垂直信号線に出力される。
続いて、所定の転送期間に、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。そして、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、信号レベルの読み出し信号（信号レベルの信号）Ｖｓｉｇとして垂直信号線に出力される。
画素の出力信号は、カラム読み出し回路において差分信号（Ｖｓｉｇ－Ｖｒｓｔ）としてＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理される。

【0007】

このように、通常の画素読み出し信号（以下、画素信号という場合もある）ＰＳは、１つの基準レベルの読み出しリセット信号Ｖｒｓｔと１つの信号レベルの読み出し信号Ｖｓｉｇにより形成される。

【0008】

ところで、ＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードで生成しかつ蓄積した光電荷を、画素毎あるいは行毎に順次走査して読み出す動作が行われる。
この順次走査、すなわち、電子シャッタとしてローリングシャッタを採用した場合は、光電荷を蓄積する露光の開始時間、および終了時間を全ての画素で一致させることができない。そのため、順次走査の場合、動被写体の撮像時に撮像画像に歪みが生じるという問題がある。

【0009】

そこで、画像歪みが許容できない、高速に動く被写体の撮像や、撮像画像の同時性を必要とするセンシング用途では、電子シャッタとして、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタが採用される。

【0010】

電子シャッタとしてグローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサは、画素内に、たとえば、読み出し部から読み出された信号を信号保持キャパシタに保持する信号保持部が設けられている。
グローバルシャッタを採用したＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードから電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタにアナログ的なサンプルホールド動作により蓄積し、そののち順次読み出すことにより、画像全体の同時性を確保している（たとえば、非特許文献１参照）。

【0011】

また、各画素の構成としては代表的なものとして、４トランジスタ（４Ｔｒ）ＡＰＳ画素（たとえば特許文献１参照）、あるいは容量性帰還トランスインピーダンスアンプ（ＣＴＩＡ：Capacitive Trans-Impedance Amplifier）画素（たとえば特許文献２，３参照）が知られている。

【0012】

そして、高ダイナミックレンジを持つ高画質のＣＭＯＳイメージセンサのグローバルシャッタ機能を備えた画素としては、ＶＭＧＳ（電圧モードグローバルシャッタ）画素、およびＣＭＧＳ（電荷モードグローバルシャッタ）画素が知られている。

【0013】

これらのうち、ＶＭＧＳ画素は、ＣＭＧＳ画素と比較して、シャッタ効率が高く、寄生光の感度（Parasitic Light Sensitivity : PLS）が低いという利点がある。

【0014】

近年、特にマシンビジョンやＩｏＴ(Internet Of Thing)分野において、グローバルシャッタ（ＧＳ）ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）の需要が高まっている。
これらの分野では、ＧＳ機能だけでなく、単一露光（シングルエクスポージャ）のハイダイナミックレンジ（SEHDR）パフォーマンスも強く求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開２００５－６５０７４号公報図２

【特許文献2】特表２００６－５０５９７５号公報

【特許文献3】特表２００２－５０１７１８号公報

【特許文献4】特開２００５－３２８４９３号公報

【非特許文献】

【0016】

【非特許文献1】J. Aoki, et al., “A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with -160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node” ISSCC 2013 / SESSION 27 / IMAGE SENSORS / 27.3.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）は、画素のダイナミックレンジを向上させる種々の特徴的な構造を採用して構成可能である。

【0018】

高ダイナミックレンジ化のアプローチの一つとして、横型オーバーフロー蓄積容量（LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor）の構成を挙げることができる（たとえば特許文献４参照）。

【0019】

ＬＯＦＩＣ構成の画素は、上述した基本的構成に、蓄積容量素子としての蓄積キャパシタおよび蓄積接続素子としての蓄積トランジスタが追加されており、同一露光時間にフォトダイオードから溢れた過飽和電荷を捨てずに蓄積キャパシタに蓄積する。

【0020】

このＬＯＦＩＣ画素は、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１による変換利得（高利得側：1/Cfd1に比例）と、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１＋蓄積キャパシタＣ２のＬＯＦＩＣ容量Ｃｌｏｆｉｃによる変換利得（低利得側：1/(Cfd1+Clofic)に比例）の２種類を持つことができる。
すなわち、ＬＯＦＩＣ画素では、低変換利得（ＬＣＧ）信号と高変換利得（ＨＣＧ）信号をそれぞれ使用して、大きな飽和と小さなダークノイズを実現する。

【0021】

しかしながら、ＬＯＦＩＣには、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合（接合）点におけるＳＮＲの低下という重要な問題がある。
すなわち、ＬＯＦＩＣ構成のみでは、ＬＣＧ信号のｋＴＣノイズを取り除くことができないため、ＨＣＧ信号とＬＣＧ信号の結合点におけるＳＮＲが低下する。

【0022】

高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の信号方向は互いに逆方向であり、低変換利得（ＬＣＣ）による読み出し処理において、読み出しリセット信号ＶＲＬのリセットノイズは読み出し輝度信号ＶＳＬのリセットノイズとは異なるため、差動ダブルサンプリング（ＤＤＳ）と呼ばれる減算処理ではリセットノイズを除去することは困難である。

【0023】

本発明は、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタの画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能で、その結果、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0024】

本発明の第１の観点の固体撮像装置は、光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記光電変換読み出し部は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含み、前記読み出し部は、前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換え可能である。

【0025】

本発明の第２の観点は、光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記光電変換読み出し部は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含む、固体撮像装置の駆動方法であって、前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で動作可能とし、前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換える。

【0026】

本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換読み出し部を含み、ローリングシャッタモードとグローバルシャッタモードで動作可能な画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記光電変換読み出し部は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの容量および第１の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードと、前記フローティングディフュージョンの容量、前記第１の容量および第２の容量に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードと、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部と、を含み、前記読み出し部は、前記第１の変換利得読み出しモードと、前記第２の変換利得読み出しモードと、で動作するか否かをシーンに応じて切り換え可能である。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタの画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能である。
その結果、本発明によれば、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の信号保持部の構成例を示す回路図である。

【図4】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。

【図5】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第１のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第２のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図8】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第３のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図9】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の第３のオプショナル処理例における変換利得読み出しにオーバーフロー電荷を利用しない場合と利用した場合の光電変換特性を示す図である。

【図10】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第４のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図11】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第１の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図12】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第２の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図13】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第３の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【図14】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図15】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図16】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図17】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置における画素共有構造を有する光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図18】本発明の第５の実施形態に係る画素共有構造を有する画素の使用形態を説明するための図である。

【図19】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。

【図20】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。

【図21】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置における画素共有構造を有する光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【図22】本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。

【0030】

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の信号保持部の構成例を示す回路図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。

【0031】

この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（カラム読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。

【0032】

本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、画素部２０に行列状に配置される画素２００がたとえば光電変換読み出し部２１０および信号保持部２２０を含み、ローリングシャッタ（ＲＳ）の動作機能、グローバルシャッタ（ＧＳ）の動作機能を持ち、ローリングシャッタ（ＲＳ）およびグローバルシャッタ（ＧＳ）の画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能であり、その結果、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することを可能とする、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている。

【0033】

光電変換読み出し部２１０は、図２に示すように、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１１、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷を蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子としての転送トランジスタＴＧ１１－Ｔr、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔrを通じてフォトダイオードＰＤ１１で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンＦＤ１１と、を有している。

【0034】

さらに、光電変換読み出し部２１０は、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および、これらの容量に対して十分に大きい容量である第２の容量Ｃ２に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２と、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部２１１を含んで構成されている。

【0035】

本第１の実施形態において、画素２００は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１時には、少なくとも２つの変換利得、たとえば第１の高変換利得（ＨＣＧ１）および第１の低変換利得（ＬＣＧ１）の２つの変換利得に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号およびフォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能である。
なお、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１は、デュアル変換利得読み出しモードと呼ぶことも可能である。
画素２００は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２時には、少なくとも１つの変換利得、たとえば第２の低変換利得ＬＣＧ２に応じてリセット状態時の読み出しリセット信号およびフォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷またはオーバーフロー電荷に応じた読み出し信号を画素信号として読み出し可能である。

【0036】

そして、本実施形態において、読み出し部７０は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２と、で動作するか否かをシーン（たとえば照度の大きさ（強さ））に応じて切り換え可能である。
本第１の実施形態においては、低照度から中照度時は第１の変換利得読み出しモード（たとえばデュアル変換利得読み出しモード）ＣＧＲＭ１、高照度時は第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２を適用することで、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能となる。

【0037】

本実施形態において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時に、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２とを切り換え可能である。

【0038】

読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１では、低照度および中照度のうちの少なくともいずれかの照度シーンに動作可能として切り換え、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２では、高照度の照度シーンに動作可能として切り換える。

【0039】

（ローリングシャッタモード時の基本的な処理例）
読み出し部７０は、基本的処理として、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１においては、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得（ＨＣＧ１）、並びにフローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第１の低変換利得（ＬＣＧ１）を設定し切り換え可能である。
読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、フローティングディフュージョンＣＦＤの容量、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第２の低変換利得（ＬＣＧ２）を設定し切り換え可能である。
なお、この容量の設定切り換え構成については、後で図２に関連付けて説明する。

【0040】

これにより、読み出し部７０は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１においては、第１の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ１-ＳＩＧ、および第１の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ１－ＳＩＧを順次行う。
そして、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、第２の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ２－ＳＩＧ、および第２の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ２－ＲＳＴを順次行う。

【0041】

また、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第２低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ２－ＳＩＧ、および第２低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ２－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0042】

（ローリングシャッタモード時のオプショナル処理例）
ここで、ローリングシャッタモード時のオプショナルな処理として４つの例を挙げる。

【0043】

（ＲＳモード時の第１のオプショナル処理例）
この処理は、低照度および中間照度シーンに対応するトリプル変換利得（Triple-CG）モードとして行われる。
この処理において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１においては、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得ＨＣＧ１、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第３の低変換利得ＬＣＧ３、並びに、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第１の中変換利得ＭＣＧ１を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１においては、第３の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ３－ＲＳＴ、第１の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ１－ＳＩＧ、第１の中変換利得信号読み出し処理ＭＣＧ１－ＳＩＧ、および第３の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ３－ＳＩＧを順次行う。

【0044】

本構成によれば、シングルフレームでの単一露光（シングルエクスポージャ）のハイダイナミックレンジ（SEHDR）パフォーマンスを十分に発現することが可能で、実質的に広ダイナミックレンジ化を実現することが可能となる

【0045】

（ＲＳモード時の第２のオプショナル処理例）
この処理は、ＬＯＦＩＣモードとして行われる。
この処理において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤで決まる第２の高変換利得ＨＣＧ２、並びにフローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第４の低変換利得ＬＣＧ４を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、第２の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣG２－ＲＳＴおよび第２の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ２－ＳＩＧを行い、第４の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴを順次行う。

【0046】

本構成によれば、シングルフレームでの単一露光（シングルエクスポージャ）のハイダイナミックレンジ（SEHDR）パフォーマンスを十分に発現することが可能で、実質的に広ダイナミックレンジ化を実現することが可能となる。

【0047】

また、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第４の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0048】

（ＲＳモード時の第３のオプショナル処理例）
この処理は、オーバーフロー（ＯＦ）電荷を用いたモードとして行われる。
この処理において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤで決まる第2の高変換利得ＨＣＧ２、並びにフローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第４の低変換利得ＬＣＧ４を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモーＣＧＲＭ２ドにおいては、第４の低変換利得ＯＦ信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得ＯＦリセット読み出し処理ＬＣＧＲ－ＲＳＴを順次行い、第２の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ２－ＲＳＴおよび第２の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ２－ＳＩＧを行う。

【0049】

本構成によれば、フォトダイオードＰＤの飽和分だけＬＯＦＩＣ構成よりも飽和特性が向上する。

【0050】

また、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第４の低変換利得ＯＦ信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得ＯＦリセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0051】

（ＲＳモード時の第４のオプショナル処理例）
この処理は、デュアル変換利得および低変換利得を適用したモードとして行われる。
この処理において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得ＨＣＧ１、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第４の低変換利得ＬＣＧ４、並びに、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第１の中変換利得ＭＣＧ１を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２においては、第１の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴ、第１の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ１－ＳＩＧ、第１の中変換利得信号読み出し処理ＭＣＧ１－ＳＩＧ、第４の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴを順次行う。

【0052】

【0053】

（グローバルシャッタモード時の処理例）
ここで、グローバルシャッタ（ＧＳ）モード時の処理として３つの例を挙げる。

【0054】

（ＧＳモード時の第１の処理例）
この第１の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２のうち第１の容量Ｃ１を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第５の中変換利得ＭＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の中変換利得信号読み出し処理ＭＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0055】

ＧＳモード時の第１の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、フローティングディフュージョンＦＤ１１のリセットレベルを揃える処理を行った後、フローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１をリセットして、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、第１の容量Ｃ１へのアクセス停止（禁止）した状態で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0056】

本第１の処理によれば、高飽和でグローバルシャッタ（ＧＳ）を実現することが可能となる。

【0057】

（ＧＳモード時の第２の処理例）
この第２の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第５の低変換利得ＬＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0058】

ＧＳモード時の第２の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0059】

（ＧＳモード時の第３の処理例）
この第３の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２のうち第１の容量Ｃ１を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第５の高変換利得ＨＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0060】

ＧＳモード時の第３の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、フローティングディフュージョンＦＤ１１のリセットレベルを揃える処理を行った後、フローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１をリセットして、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、第１の容量Ｃ１へのアクセス停止（禁止）した状態で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0061】

本第１、第２および第３の処理によれば、自行が読み出されるまでの電荷保持中にフローティングディフュージョンのＰＬＳ除去を行うため、シェーディングの低減を図ることが可能となる。

【0062】

なお、光電変換読み出し部２１０は、容量が第１の容量Ｃ１である第１の容量素子としての第１の蓄積キャパシタＳＣ１１と、容量が第２の容量Ｃ２である第２の容量素子としての第２の蓄積キャパシタＣＧ１２と、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第１の容量素子とを選択的に接続する第１の蓄積接続素子としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと、フローティングディフュージョンＦＤ１１とを選択的に接続する第２の蓄積接続素子としての第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと、を含む。

【0063】

以上、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０のローリングシャッタＲＳとグローバルシャッタＧＳにおける特徴的な読み出し処理の概要について説明した。
次に、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要、特に、画素部２０に配置される画素２００の光電変換読み出し部２１０および信号保持部２２０の構成および機能、それらに関連した読み出し処理等について詳述する。

【0064】

（画素２００の構成）
上述したように、図２および図３は固体撮像装置１０の画素２００の回路構成例を示している。
すなわち、図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の信号保持部の構成例を示す回路図である。

【0065】

画素部２０に配置される画素２００は、上述したように、光電変換読み出し部２１０および信号保持部２２０を含んで構成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、後で詳述するように、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図２および図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０に信号保持部２２０が形成されている。

【0066】

画素２００の光電変換読み出し部２１０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含んで構成される。

【0067】

フォトダイオードＰＤ１１は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
フォトダイオードＰＤ１１とフローティングディフュージョンＦD１１との間に転送素子としての転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒが接続されている。

【0068】

本第１の実施形態の光電変換読み出し部２１０において、ダイオードＰＤ１１から電荷を排出させることが可能なシャッタゲートトランジスタＡＢ１１－Ｔｒが配置されている。
すなわち、本第１の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０は、光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１１に接続され、フォトダイオードＰＤ１１から電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１の形成領域外方向、たとえば電源電位ＶＤＤ（Ｖｄｄ，ＶＡＡＰＩＸ）に排出させることが可能なシャッタゲートトランジスタＡＢ１１－Ｔｒを有する。

【0069】

光電変換読み出し部２１０のシャッタゲートトランジスタＡＢ１１－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＡＢ１により制御される。
第１のシャッタゲートトランジスタＡＢ１１－Ｔｒは、制御信号ＡＢ１がハイ（Ｈ）レベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１１で変換され蓄積された電荷（電子）を電源電位ＶＤＤに排出する。

【0070】

そして、光電変換読み出し部２１０は、一つの出力ノードＮＤ１としてのフローティングディフュージョンＦＤ１１に対して、リセット素子としての第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒ、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ１１－Ｔｒ、選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒ、第１の蓄積接続素子としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第１の蓄積容量素子としての第１の蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積接続素子としての第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、第２の蓄積容量素子としての第２の蓄積キャパシタＳＣ１２、第２のリセット素子としての第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒ、および読み出しノードＮＤ２をそれぞれ一つずつ有する。

【0071】

そして、本第１の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒ、選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒ、および読み出しノードＮＤ２（さらにはカレントトランジスタＩＣ１１－Ｔｒ）を含んで出力バッファ部としての変換信号読み出し部２１１が構成されている。
また、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第１の蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および第２の蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＳＣ１２を含んで利得切換部２１２が構成されている。

【0072】

本第１の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０は、変換信号読み出し部２１１の読み出しノードＮＤ２が、内部信号線ＬＳＧＮ１を介して信号保持部２２０の入力部に接続され、選択トランジスタＳＥＬ１１-Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ２に接続されている。
そして、グローバルシャッタ（ＧＳ）モード時においては、変換信号読み出し部２１１は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬを信号保持部２２０に出力する。
一方、ローリングシャッタ（ＲＳ）モード時においては、変換信号読み出し部２１１は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤ１１の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬを選択トランジスタＳＥＬ１１-Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ２に出力する。

【0073】

フォトダイオードＰＤ１１は、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。

【0074】

各画素２００において、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。

【0075】

光電変換読み出し部２１０の転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒは、フォトダイオードＰＤ１１とフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧ１により制御される。
第１の転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する。

【0076】

なお、フォトダイオードＰＤ１１およびフローティングディフュージョンＦＤ１１が所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、フォトダイオードＰＤ１１は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤ１１に溢れ出す。
また、非常に高照度の場合、たとえばフローティングディフュージョンＦＤ１１の飽和電荷量を超えた電荷が蓄積トランジスタＳＧ１１―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として蓄積キャパシタＳＣ１１側に溢れ出す。

【0077】

第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒは、電源電圧ＶＤＤの電源線ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤ１１の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
第１のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積キャパシタＳＣ１２を電源電圧ＶＤＤの電源線Ｖｄｄの電位にリセットする。

【0078】

第１の蓄積トランジスタＳＧ１１―Ｔｒは、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第２の蓄積トランジスタＳＧ１２―Ｔｒとの間に接続され、その接続ノードＮＤ３と基準電位ＶＳＳとの間に第１の蓄積キャパシタＳＣ１１が接続されている。
第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮ１により制御される。
第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮ１がＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第１の蓄積キャパシタＳＣ１１とを接続する。

【0079】

第２の蓄積トランジスタＳＧ１２―Ｔｒは、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１―Ｔｒとの間に接続され、その接続ノードＮＤ４と基準電位ＶＳＳとの間に第２の蓄積キャパシタＳＣ１２が接続されている。
第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮ２により制御される。
第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮ２がＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第１の蓄積キャパシタＳＣ１１と第２の蓄積キャパシタＳＣ１２とを接続する。

【0080】

ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒは、ソースが読み出しノードＮＤ２に接続され、ドレイン側が電源線Ｖｄｄに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤ１１に接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ２と信号保持部２２０の入力部間の内部信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタにより駆動される。

【0081】

読み出しノードＮＤ２と垂直信号線ＬＳＧＮの間に選択素子としての選択トランジスＳＥＬ１１－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒのゲートは制御信号ＳＥＬの供給ラインに接続されている。
そして、選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒを介して読み出しノードＮＤ２と接続される垂直信号線ＬＳＧＮ２は、電流源素子としてのカレントトランジスタにより駆動される。

【0082】

さらに、光電変換読み出し部２１０において、電源電圧ＶＤＤの電源線（電源電位）ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤ１１との間に第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２-Ｔｒのソースドレインが接続されている。第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴ１により制御される。
第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴ１がＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤ１１を電源電位Ｖｄｄの電位にリセットする。
制御信号ＲＳＴ１はローリングシャッタモード時にはＬレベルで供給され、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２－Ｔｒは非導通状態に保持され、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－ＴｒによるフローティングディフュージョンＦＤ１１に対するリセット処理は行われない。
制御信号ＲＳＴ１はグローバルシャッタモード時には読み出し処理待機中の所定の期間にＨレベルで供給されて、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２－Ｔｒは導通状態に保持され、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－ＴｒによるフローティングディフュージョンＦＤ１１に対するリセット処理が行われ、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）の除去処理が行われる。

【0083】

信号保持部２２０は、変換信号読み出し部２１１により画素内信号線ＬＳＧＮ１に読み出された電圧信号である画素信号を取り込んで保持可能である。
本第１の実施形態において、信号保持部２２０は、光電変換読み出し部２１０のフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送されたフォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷に応じた電圧信号であり、内部信号線ＬＳＧＮ１に読み出された画素信号としての電圧信号をサンプリング信号により取り込んで保持するサンプルホールド回路２３０を含んで構成されている。
具体的には、サンプルホールド回路２３０は、入力部２３１，２つの読み出しリセット信号および読み出し画素信号を１セットとして、変換利得が異なる２セットの画素信号をサンプリング信号でサンプリングするサンプリングスイッチ部２３２―１、サンプリングスイッチ部２３２でサンプリングされた読み出し画素信号を同時並列的に保持可能な保持キャパシタ（ＣＳ，ＣＲ）を含む保持キャパシタ部２３２-２を備えらサンプルホールド部２３２、および、信号保持キャパシタ部２３２－２に保持された読み出し画素信号を選択的に垂直信号線ＬＳＧＮ１１（～１４）に出力する出力部２３３（－１～－４）を含んで構成されている。

【0084】

画素２００の信号保持部２２０は、図３に示すように、サンプルホールド回路２３０により構成されている。
サンプルホールド回路２３０は、基本的に、入力ノードＮＤ２２を含む入力部２３１、サンプルホールド部２３２、出力部２３３、および保持ノードＮＤ２３，ＮＤ２４、ＮＤ２５，ＮＤ２６を含んで構成されている。

【0085】

入力部２３１は、光電変換読み出し部２１０の読み出しノードＮＤ２と内部信号線ＬＳＧＮ１を介して接続され、読み出しノードＮＤ２から出力される読み出し信号（ＶＳＩＧ）および読み出しリセット信号（ＶＲＳＴ）をサンプルホールド部２３２に入力する。

【0086】

サンプルホールド部２２２は、第１のスイッチ素子としての第１のサンプリングトランジスタＳＨＲ１－Ｔｒ、第２のスイッチ素子としての第２のサンプリングトランジスタＳＨＳ１－Ｔｒ、第３のスイッチ素子としての第３のサンプリングトランジスタＳＨＲ２－Ｔｒ、第４のスイッチ素子としての第４のサンプリングトランジスタＳＨＳ２－Ｔｒ、第１の信号保持キャパシタＣＲ２１、第２の信号保持キャパシタＣＳ２１、第３の信号保持キャパシタＣＲ２２、第４の信号保持キャパシタＣＳ２２を含んで構成されている。

【0087】

第１のサンプリングトランジスタＳＨＲ１－Ｔｒは、内部信号線ＬＳＧＮ１に接続された入力ノードＮＤ２２と保持ノードＮＤ２３との間に接続されている。
第１のサンプリングトランジスタＳＨＲ１－Ｔｒは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２３２の第１の信号保持キャパシタＣＲ２１を、保持ノードＮＤ２３を介して光電変換読み出し部２１０の読み出しノードＮＤ２と選択的に接続する。
第１のサンプリングトランジスタＳＨＲ１－Ｔｒは、たとえば制御信号ＳＨＲ１がハイレベルに期間に導通状態となる。
第１の信号保持キャパシタＣＲ２１は、保持ノードＮＤ２３と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。

【0088】

第２のサンプリングトランジスタＳＨＳ１－Ｔｒは、内部信号線ＬＳＧＮ１に接続された入力ノードＮＤ２２と保持ノードＮＤ２４との間に接続されている。
第２のサンプリングトランジスタＳＨＳ１－Ｔｒは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２３２の第２の信号保持キャパシタＣＳ２１を、保持ノードＮＤ２４を介して光電変換読み出し部２１０の読み出しノードＮＤ２と選択的に接続する。
第２のサンプリングトランジスタＳＨＳ１－Ｔｒは、たとえば制御信号ＳＨＳ１がハイレベルに期間に導通状態となる。
第２の信号保持キャパシタＣＳ２１は、保持ノードＮＤ２４と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。

【0089】

第３のサンプリングトランジスタＳＨＲ２－Ｔｒは、内部信号線ＬＳＧＮ１に接続された入力ノードＮＤ２２と保持ノードＮＤ２５との間に接続されている。
第３のサンプリングトランジスタＳＨＲ２－Ｔｒは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２３２の第３の信号保持キャパシタＣＲ２２を、保持ノードＮＤ２５を介して光電変換読み出し部２１０の読み出しノードＮＤ２と選択的に接続する。
第３のサンプリングトランジスタＳＨＲ２－Ｔｒは、たとえば制御信号ＳＨＲ２がハイレベルに期間に導通状態となる。
第３の信号保持キャパシタＣＲ２２は、保持ノードＮＤ２５と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。

【0090】

第４のサンプリングトランジスタＳＨＳ２－Ｔｒは、内部信号線ＬＳＧＮ１に接続された入力ノードＮＤ２２と保持ノードＮＤ２６との間に接続されている。
第４のサンプリングトランジスタＳＨＳ２－Ｔｒは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部２３２の第４の信号保持キャパシタＣＳ２２を、保持ノードＮＤ２６を介して光電変換読み出し部２１０の読み出しノードＮＤ２と選択的に接続する。
第４のサンプリングトランジスタＳＨＳ２－Ｔｒは、たとえば制御信号ＳＨＳ２がハイレベルに期間に導通状態となる。
第４の信号保持キャパシタＣＳ２２は、保持ノードＮＤ２６と基準電位ＶＳＳとの間に接続されている。

【0091】

なお、第１のサンプリングトランジスタＳＨＲ１－Ｔｒ、第２のサンプリングトランジスタＳＨＳ１－Ｔｒ、第３のサンプリングトランジスタＳＨＲ２－Ｔｒ、および第４のサンプリングトランジスタＳＨＳ２－Ｔｒは、ＭＯＳトランジスタ、たとえばｐチャネルＭＯＳ（ＰＭＯＳ）トランジスタにより形成される。

【0092】

出力部２３３は、第１の出力部２３３－１、第２の出力部２３３－２、第３の出力部２３３－３、および第４の出力部２３３－４を含んで構成されている。

【0093】

第１の出力部２３３―１は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第１の信号保持キャパシタＣＲ２１に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第２のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ２Ｒ－Ｔｒを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタＳＥＬ１Ｒ－Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力する。

【0094】

ソースフォロワトランジスタＳＦ２Ｒ－Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ１Ｒ－Ｔｒは、基準電位ＶＳＳと垂直信号線ＬＳＧＮ１１の間に直列に接続されている。

【0095】

ソースフォロワトランジスタＳＦ２Ｒ－Ｔｒのゲートには保持ノードＮＤ２３が接続され、選択トランジスタＳＥＬ１Ｒ－Ｔｒは制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＳＥＬ１１により制御される。
選択トランジスタＳＥＬ１Ｒ－Ｔｒは、制御信号ＳＥＬ１がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ２Ｒ－Ｔｒは第１の信号保持キャパシタＣＲ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＲＳＴ）を垂直信号線ＬＳＧＮ１１に出力する。

【0096】

第２の出力部２３３－２は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第２の信号保持キャパシタＣＳ２１に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第３のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ３Ｓ－Ｔｒを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタＳＥＬ２Ｓ－Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力する。

【0097】

ソースフォロワトランジスタＳＦ３Ｓ－Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ２Ｓ－Ｔｒは、基準電位ＶＳＳと垂直信号線ＬＳＧＮ１２の間に直列に接続されている。

【0098】

ソースフォロワトランジスタＳＦ３Ｓ－Ｔｒのゲートには保持ノードＮＤ２４が接続され、選択トランジスタＳＥＬ２Ｓ－Ｔｒは制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＳＥＬ１２により制御される。
選択トランジスタＳＥＬ２Ｓ－Ｔｒは、制御信号ＳＥＬ２がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ３Ｓ－Ｔｒは第２の信号保持キャパシタＣＳ２１の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＳＩＧ）を垂直信号線ＬＳＧＮ１２に出力する。

【0099】

第３の出力部２３３－３は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第３の信号保持キャパシタＣＲ２２に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第４のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ４Ｒ－Ｔｒを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタＳＥＬ３Ｒ－Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ１３に出力する。

【0100】

ソースフォロワトランジスタＳＦ４Ｒ－Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ３Ｒ－Ｔｒは、基準電位ＶＳＳと垂直信号線ＬＳＧＮ１３の間に直列に接続されている。

【0101】

ソースフォロワトランジスタＳＦ４Ｒ－Ｔｒのゲートには保持ノードＮＤ２５が接続され、選択トランジスタＳＥＬ３Ｒ－Ｔｒは制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＳＥＬ１３により制御される。
選択トランジスタＳＥＬ３Ｒ－Ｔｒは、制御信号ＳＥＬ３がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ４Ｒ－Ｔｒは第３の信号保持キャパシタＣＲ２２の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＲＳＴ）を垂直信号線ＬＳＧＮ１３に出力する。

【0102】

第４の出力部２３３－４は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第４の信号保持キャパシタＣＳ２２に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第５のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ５Ｓ－Ｔｒを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタＳＥＬ４Ｓ－Ｔｒを介して垂直信号線ＬＳＧＮ１４に出力する。

【0103】

ソースフォロワトランジスタＳＦ５Ｓ－Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ４Ｓ－Ｔｒは、基準電位ＶＳＳと垂直信号線ＬＳＧＮ１４の間に直列に接続されている。

【0104】

ソースフォロワトランジスタＳＦ５Ｓ－Ｔｒのゲートには保持ノードＮＤ２６が接続され、選択トランジスタＳＥＬ４Ｓ－Ｔｒは制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＳＥＬ１４により制御される。
選択トランジスタＳＥＬ４Ｓ－Ｔｒは、制御信号ＳＥＬ４がＨレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ５Ｓ－Ｔｒは第４の信号保持キャパシタＣＳ２２の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧（ＶＳＩＧ）を垂直信号線ＬＳＧＮ１４に出力する。

【0105】

このように、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０においては、画素信号ストレージとしての信号保持部２２０に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時にサンプリングし、第１の信号保持キャパシタＣＲ２１，第２の信号保持キャパシタＣＳ２１，第３の信号保持キャパシタＣＲ２２，第４の信号保持キャパシタＣＳ２２に保持された読み出し信号に対応する変換信号を垂直信号線ＬＳＧＮ１１～１４に読み出し、カラム読み出し回路４０に供給する。

【0106】

画素部２０において、全画素同時にリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒと転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒを使ってフォトダイオードをリセットすることで、全画素同時並列的に露光を開始する。また、所定の露光期間が終了した後、転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒを使って光電変換読み出し部２１０からの出力信号を信号保持部２２０でサンプリングすることで、全画素同時並列的に露光を終了する。これにより、完全なシャッタ動作を電子的に実現する。

【0107】

なお、上述した信号保持部２２０の構成は、一例であり、グローバルシャッタ期間に、上述した光電変換読み出し部２１０の出力する読み出し輝度信号（ＶＳＩＧ）および読み出しリセット信号（ＶＲＳＴ）を保持する機能を備える回路であればその構成は問わない。

【0108】

垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通して画素２００の光電変換読み出し部２１０および信号保持部２２０駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。

【0109】

カラム読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列(カラム)信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
カラム読み出し回路４０は、グローバルシャッタモード時に、垂直信号線ＬＳＧＮ１１～１４に、画素２００の信号保持部２２０から読み出された差動の画素信号Pｉｘｏｕｔ（ＶＳＬ）に対して、増幅処理およびＡＤ変換処理を行う。

【0110】

ここで、画素信号Pｉｘｏｕｔ（ＶＳＬ）は、グローバルシャッタモード時に画素（本例では画素２００の光電変換読み出し部２１０、さらに信号保持部２２０）から順に読み出される読み出し信号ＶＳＩＧおよび読み出しリセット信号ＶＲＳＴを含む画素読み出し信号をいう。

【0111】

本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、カラム読み出し回路４０は、動作モードや読み出し信号の信号形態(シングルエンドや差動等の信号)にかかわらず一つの回路構成で共用することが可能に形成されている。

【0112】

カラム読み出し回路４０は、たとえばアンプ（ＡＭＰ，増幅器）およびＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器を含んで構成される。

【0113】

水平走査回路５０は、カラム読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。

【0114】

タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。

【0115】

本第１の実施形態において、読み出し部７０は、たとえばグローバルシャッタモード時に、画素アレイ２３０および保持部アレイ２４０をアクティブにして、画素信号Ｐｉｘｏｕｔの読み出しを行う。

【0116】

読み出し部７０は、ローリングシャッタモード時およびグローバルシャッタ時において、モード動作に応じた読み出し制御を行う。
読み出し部７０は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２と、で動作するか否かをシーンに応じて切り替え可能である。

【0117】

【0118】

（固体撮像装置１０の読み出し動作）
以上、固体撮像装置１０の各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０のローリングシャッタ（ＲＳ）モード時およびグローバルシャッタ（ＧＳ）モード時の画素信号の読み出し動作の概要について説明する。
以下では、前述したように、ローリングシャッタモード時の読み出し動作について５例、グローバルシャッタモード時の読み出し動作について３例を挙げてタイミングチャートに関連付けて説明する。

【0119】

（ＲＳモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）および第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出し処理）
図４（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図５（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。

【0120】

図４および図５の（Ａ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図４および図５の（Ｂ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図４および図５の（Ｃ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図４および図５の（Ｄ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図４および図５の（Ｅ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、それぞれ示している。

【0121】

（ＲＳモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）における読み出し処理）
この場合、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを所定期間導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積キャパシタＳＣ１２、およびフォトダイオードＰＤ１１をリセットする。
そして、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態にして露光期間ＰＥＸＰを開始する。
読み出し部７０は、露光期間ＰＥＸＰを開始した後、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを所定期間導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0122】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換えるとともに、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１で決まる第１の低変換利得ＬＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ１－ＲＳＴを行う。
次いで、蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得ＨＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴを行う。

【0123】

次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第１の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、第１の転送期間に続く第１の読み出し期間に第１の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ１－ＳＩＧを行う。
次いで、蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤおよび第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１で決まる第１の低変換利得ＬＣＧ１に設定する。

【0124】

次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第２の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、第２の転送期間に続く第２の読み出し期間に第１の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ１－ＳＩＧを行う。

【0125】

（ＲＳモード時の第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出し処理）
この場合も、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを所定期間導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積キャパシタＳＣ１２、およびフォトダイオードＰＤ１１をリセットする。
そして、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態にして露光期間ＰＥＸＰを開始する。
読み出し部７０は、露光期間ＰＥＸＰを開始した後、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態のまま、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを期間導通状態に切り換えてフローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第２の低変換利得ＬＣＧ２に設定する。

【0126】

次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換える。
このとき、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第２低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ２－ＳＩＧ、および第２低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ２－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0127】

次いで、読み出し部７０は、転送期間に続く読み出し期間に第２の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ２－ＳＩＧを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0128】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、続く読み出し期間に第２の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ２－ＲＳＴを行う。

【0129】

（ＲＳモード時の第１のオプショナル処理例）
図６（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第１のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0130】

図６（Ａ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図６（Ｂ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図６（Ｃ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図６（Ｄ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図６（Ｅ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、それぞれ示している。

【0131】

【0132】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第３の低変換利得ＬＣＧ３に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第３の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ３－ＲＳＴを行う。
次いで、読み出し部７０は、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、および第１の蓄積キャパシタＳＣ１１で決まる第１の中変換利得ＭＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ１－ＲＳＴを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得ＨＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴを行う。

【0133】

【0134】

次いで、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤおよび第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１で決まる第１の中変換利得ＭＣＧ１に設定する。
次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第２の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、第２の転送期間に続く第２の読み出し期間に第１の中変換利得信号読み出し処理ＭＣＧ１－ＳＩＧを行う。

【0135】

次いで、蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第３の低変換利得ＬＣＧ３に設定する。
次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第３の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、第３の転送期間に続く第３の読み出し期間に第３の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ３－ＳＩＧを行う。

【0136】

この第１のオプショナル処理例によれば、フォトダイオードＰＤ１１のＦＷＣは、ＣＦＤ＋Ｃ１のＦＷＣより大きいことから、ダイナミックレンジの拡張に効果的である。

【0137】

（ＲＳモード時の第２のオプショナル処理例）
図７（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第２のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0138】

図７（Ａ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図７（Ｂ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図７（Ｃ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図７（Ｄ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図７（Ｅ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、それぞれ示している。

【0139】

【0140】

読み出し部７０は、露光期間ＰＥＸＰを開始した後、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを非導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセット状態に保持する。
これにより、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤで決まる第２の高変換利得ＨＣＧ２に設定する。
そして、読み出し部７０は、第２の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ２－ＲＳＴを行う。

【0141】

【0142】

読み出し部７０は、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態のまま、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを導通状態に切り換えてフローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第３の低変換利得ＬＣＧ３に設定する。

【0143】

次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第２の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換える。
このとき、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第３の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ３－ＳＩＧ、および第３の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ３－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0144】

次いで、読み出し部７０は、第２の転送期間に続く第２の読み出し期間に第３の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ３－ＳＩＧを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0145】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、続く読み出し期間に第３の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ３－ＲＳＴを行う。

【0146】

（ＲＳモード時の第３のオプショナル処理例）
図８（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第３のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。
図９（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の第３のオプショナル処理例における変換利得読み出しにオーバーフロー電荷を利用しない場合と利用した場合の光電変換特性を示す図である。

【0147】

図８（Ａ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図８（Ｂ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図８（Ｃ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図８（Ｄ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図８（Ｅ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、それぞれ示している。

【0148】

【0149】

読み出し部７０は、露光期間ＰＥＸＰを開始した後、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態のまま、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを期間導通状態に切り換えてフローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第３の低変換利得ＬＣＧ３に設定する。

【0150】

このとき、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第３の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ３－ＳＩＧ、および第３の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ３－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0151】

次いで、読み出し部７０は、第３の低変換利得オーバーフロー（ＯＦ）信号読み出し処理ＬＣＧ３ＯＦ－ＲＳＴを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0152】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、続く読み出し期間に第３の低変換利得ＯＦリセット読み出し処理ＬＣＧ３ＯＦ－ＲＳＴを行う。

【0153】

次いで、読み出し部７０は、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積キャパシタＳＧ１２－Ｔｒを非導通状態に切り換えてフローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤで決まる第２の高変換利得ＨＣＧ２に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第２の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ２－ＲＳＴを行う。

【0154】

次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、転送期間に続く読み出し期間に第２の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ２－ＳＩＧを行う。

【0155】

本第３のオプショナル処理例によれば、低変換利得（ＬＣＧ）信号と高変換利得（ＨＣＧ）信号をそれぞれ使用して、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能となる。

【0156】

（ＲＳモード時の第４のオプショナル処理例）
図１０（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時における第４のオプショナル処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0157】

図１０（Ａ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図１０（Ｂ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図１０（Ｃ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図１０（Ｄ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１０（Ｅ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、それぞれ示している。

【0158】

この場合、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを所定期間導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１、第２の蓄積キャパシタＳＣ１２、およびフォトダイオードＰＤ１１をリセットする。
そして、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒ、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒ、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒ、および転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態にして露光期間ＰＥＸＰを開始する。
読み出し部７０は、露光期間ＰＥＸＰを開始した後、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを所定期間導通状態に保持してフローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、および第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１で決まる第１の中変換利得ＭＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ１－ＲＳＴを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤで決まる第１の高変換利得ＨＣＧ１に設定する。
これにより、読み出し部７０は、第１の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ１－ＲＳＴを行う。

【0159】

【0160】

【0161】

次いで、蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１の利得を、ＦＤ容量ＣＦＤ、第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の第１の容量Ｃ１、および第２の蓄積キャパシタＳＣ１２の第２の容量Ｃ２で決まる第４の低変換利得ＬＣＧ４に設定する。
次いで、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１―Ｔｒを所定の第３の転送期間導通状態に切り換えて、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送させる。
そして、読み出し部７０は、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換える。

【0162】

このとき、読み出し部７０は、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２における少なくとも第４の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧ、および第４の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴ中は、読み出し中のオーバーフロー電荷抑制のため、転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒを非導通状態に保持するレベルをさらに非導通状態を強くするレベル、たとえば負レベル（負電圧）ＶＭに保持する。

【0163】

次いで、読み出し部７０は、第３の転送期間に続く第３の読み出し期間に第４の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ４－ＳＩＧを行う。
次いで、読み出し部７０は、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを導通状態に切り換えて、フローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0164】

次いで、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを非導通状態に切り換え、続く読み出し期間に第４の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ４－ＲＳＴを行う。

【0165】

この第４のオプショナル処理例によれば、フォトダイオードＰＤ１１のＦＷＣは、ＣＦＤ＋Ｃ１のＦＷＣより大きいことから、ダイナミックレンジの拡張に効果的である。

【0166】

（ＧＳモード時の処理例）
次に、グローバルシャッタモード時の処理ついて３例を挙げてタイミングチャートに関連付けて説明する。

【0167】

（ＧＳモード時の第１の処理例）
図１１（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第１の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0168】

図１１（Ａ）は選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒの制御信号ＳＥＬを、図１１（Ｂ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、図１１（Ｃ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図１１（Ｄ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図１１（Ｅ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図１１（Ｆ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１１（Ｇ）はオーバーフローゲートＡＢ１１－Ｔｒの制御信号ＡＢ１を、それぞれ示している。

【0169】

この第１の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２のうち第１の容量Ｃ１を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第５の中変換利得ＭＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－ＴｒによるフローティングディフュージョンＦＤ１１のリセット処理を挟んで、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の中変換利得信号読み出し処理ＭＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の中変換利得リセット読み出し処理ＭＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0170】

ＧＳモード時の第１の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒを通してフローティングディフュージョンＦＤ１１のリセットレベルを揃える処理を行った後、フローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１をリセットして、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを所定期間非導通状態に切り換えて、第１の容量Ｃ１へのアクセス停止（禁止）した状態で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0171】

本第１の処理によれば、高飽和でグローバルシャッタ（ＧＳ）を実現することが可能となる。

【0172】

（ＧＳモード時の第２の処理例）
図１２（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第２の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0173】

図１２（Ａ）は選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒの制御信号ＳＥＬを、図１２（Ｂ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、図１２（Ｃ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図１２（Ｄ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図１２（Ｅ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図１２（Ｆ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１２（Ｇ）はオーバーフローゲートＡＢ１１－Ｔｒの制御信号ＡＢ１を、それぞれ示している。

【0174】

この第２の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２で決まる第５の低変換利得ＬＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の低変換利得信号読み出し処理ＬＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の低変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0175】

ＧＳモード時の第２の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0176】

（ＧＳモード時の第３の処理例）
図１３（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するグローバルシャッタモード時における第３の処理例を説明するためのタイミングチャートである。

【0177】

図１３（Ａ）は選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒの制御信号ＳＥＬを、図１３（Ｂ）は第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１を、図１３（Ｃ）は第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒの制信号ＲＳＴを、図１３（Ｄ）は第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図１３（Ｅ）は第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ２を、図１３（Ｆ）は転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１３（Ｇ）はオーバーフローゲートＡＢ１１－Ｔｒの制御信号ＡＢ１を、それぞれ示している。

【0178】

この第３の処理では、読み出し部７０は、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２のうち第１の容量Ｃ１を適用してグローバルシャッタ（ＧＳ）動作が可能で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１で決まる第５の高変換利得ＨＣＧ５を設定し切り換え可能である。
そして、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）動作においては、第５の高変換利得信号読み出し処理ＨＣＧ５－ＳＩＧ、および第５の高変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧ５－ＲＳＴを順次行う。

【0179】

ＧＳモード時の第３の処理において、読み出し部７０は、グローバルシャッタ（ＧＳ）の露光期間ＰＥＸＰの後半に、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒを通してフローティングディフュージョンＦＤ１１のリセットレベルを揃える処理を行った後、フローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１をリセットして、蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１および第１の容量Ｃ１に転送する。
読み出し部７０は、読み出し処理待機ＰＷＲＤ中に、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒを所定期間非導通状態に切り換えて、第１の容量Ｃ１へのアクセス停止（禁止）した状態で、フローティングディフュージョンＦＤ１１の寄生光感度（PLS）を除去するためにフローティングディフュージョンＦＤ１１をリセットする。

【0180】

【0181】

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、固体撮像装置１０は、画素部２０に行列状に配置される画素２００がたとえば光電変換読み出し部２１０および信号保持部２２０を含み、ローリングシャッタ（ＲＳ）の動作機能、グローバルシャッタ（ＧＳ）の動作機能を持ち、ローリングシャッタ（ＲＳ）およびグローバルシャッタ（ＧＳ）の画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能である。
光電変換読み出し部２１０は、図２に示すように、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１１、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷を蓄積期間後の転送期間に転送可能な転送素子としての転送トランジスタＴＧ１１、転送トランジスタＴＧ１１を通じてフォトダイオードＰＤ１１で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンＦＤ１１と、を有している。
さらに、光電変換読み出し部２１０は、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤおよび第１の容量Ｃ１に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、フローティングディフュージョンＦＤ１１の容量ＣＦＤ、第１の容量Ｃ１および、これらの容量に対して十分に大きい容量である第２の容量Ｃ２に関連付けた少なくとも１つの変換利得に応じた信号を読み出し可能な第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２と、で動作可能で、変換利得をもって変換した電圧信号を増幅して出力する変換信号読み出し部２１１を含んで構成されている。

【0182】

本第１の実施形態において、読み出し部７０は、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２と、で動作するか否かをシーン（たとえば照度の大きさ（強さ））に応じて切り換え可能である。
本第１の実施形態においては、低照度から中照度時は第１の変換利得読み出しモード（たとえばデュアル変換利得読み出しモード）ＣＧＲＭ１、高照度時は第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２を適用することで、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能となる。

【0183】

本第１の実施形態において、読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時に、第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１と、第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２とを切り換え可能である。
読み出し部７０は、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第１の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ１では、低照度および中照度のうちの少なくともいずれかの照度シーンに動作可能として切り換え、ローリングシャッタ（ＲＳ）モードでの動作時の第２の変換利得読み出しモードＣＧＲＭ２では、高照度の照度シーンに動作可能として切り換える。

【0184】

したがって、本第１の実施形態によれば、変換利得の異なる信号同士の結合点におけるＳＮＲの低下を抑止することが可能となる。
また、本第１の実施形態によれば、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
本第１の実施形態によれば、実質的に高ダイナミックレンジ化を実現することが可能となる。

【0185】

すなわち、本第１の実施形態によれば、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタの画素動作モードを任意に選択することが可能で、しかも、変換利得が異なる信号を読み出す変換利得読み出しモードをシーンに応じて切り替えることが可能である。
その結果、本発明によれば、高変換利得（ＨＣＧ）信号と低変換利得（ＬＣＧ）信号の結合点におけるＳＮＲの低下を最小限に抑えることができ、大きな飽和と小さなダークノイズを実現することが可能となる。

【0186】

（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【0187】

本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの画素２００Ａの光電変換読み出し部２１０Ａが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００の光電変換読み出し部２１０と異なる点は、次の通りである。

【0188】

第１の実施形態の光電変換読み出し部２１０は、基本的な構成要素として、容量が第１の容C１である第１の容量素子としての第１の蓄積キャパシタＳＧ１１－Ｔｒと、容量が第２の容量Ｃ２である第２の容量素子としての第２の蓄積キャパシタＳＣ１２－Ｔｒと、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第１の蓄積キャパシタＳＣ１１とを選択的に接続する第１の蓄積接続素子としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと、フローティングディフュージョンＦＤ１１と第２の蓄積キャパシタＳＣ１２とを選択的に接続する第２の蓄積接続素子としての第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと、を含む。
そして、光電変換読み出し部２１０において、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の接続ノードＮＤ１１が第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒに接続され、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと第２の蓄積キャパシタＳＣ１２との接続ノードＮＤ１２が、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒに接続されている。

【0189】

これに対して、本第２の実施形態の光電変換読み出し部２１０Ａにおいては、基本的な構成要素としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－ＴｒがフローティングディフュージョンＦＤ１１と第１の蓄積キャパシタＳＣ１１との間に接続され、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－ＴｒがフローティングディフュージョンＦＤ１１と第２の蓄積キャパシタＳＣ１２との間（接続ノードＮＤ１２）に接続されている。
また、第２の実施形態においては、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－ＴｒはオーバーフローゲートトランジスタＡＢ１１－Ｔｒにより共用されている。

【0190】

本第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

【0191】

（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【0192】

本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの画素２００Ｂの光電変換読み出し部２１０Ｂが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００の光電変換読み出し部２１０と異なる点は、次の通りである。

【0193】

【0194】

これに対して、本第３の実施形態の光電変換読み出し部２１０Ｂにおいては、さらに、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと第１の蓄積キャパシタＳＣ１１の接続ノードＮＤ１１と第２の蓄積キャパシタＳＣ１２とを選択的に接続する第３の蓄積接続素子としての第３の蓄積トランジスタＳＧ１３－Ｔｒを有している。
そして、光電変換読み出し部２１０Ｂにおいては、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－ＴｒがフォトダイオードＰＤ１１と第２の蓄積キャパシタＳＣ１２との間に接続され、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒと第１の蓄積キャパシタＳＣ１１と第３の蓄積トランジスタＳＧ１３－Ｔｒとの接続ノードＮＤ１３が、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒに接続されている。

【0195】

本第３の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

【0196】

（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置における画素の光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【0197】

本第４の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｃの画素２００Ｃの光電変換読み出し部２１０Ｃが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００の光電変換読み出し部２１０と異なる点は、次の通りである。

【0198】

【0199】

これに対して、本第４の実施形態の光電変換読み出し部２１０Ｃにおいては、さらに、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと第１の蓄積キャパシタＳＣ１１とを選択的に接続する第３の蓄積接続素子としての第３の蓄積トランジスタＳＧ１４－Ｔｒを有している。
そして、光電変換読み出し部２１０Ｃにおいては、第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－ＴｒがフォトダイオードＰＤ１１と第１の蓄積キャパシタＳＣ１１との間に接続され、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと第３の蓄積トランジスタＳＧ１４－Ｔｒとの接続ノードＮＤ１４が、フローティングディフュージョンＦＤ１１に接続され、第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒと第２の蓄積キャパシタＳＣ１２との接続ノードＮＤ１２が、リセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒに接続されている。

【0200】

本第４の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

【0201】

（第５の実施形態）
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置における画素共有構造を有する光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【0202】

本第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｄの画素２００Ｄの光電変換読み出し部２１０Ｄが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００の光電変換読み出し部２１０と異なる点は、次の通りである。

【0203】

本第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｄは、隣接する複数（本実施形態では４）の画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、フローティングディフュージョンＦＤ１１を共有する画素共有構造を有する。
本第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｄは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第１の接続素子としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒおよび第１の容量素子としての第１の蓄積キャパシタＳＣ１１を共有している。
本第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｄは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第２の接続素子としての第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒおよび第２の容量素子としての第２の蓄積キャパシタＳＣ１２を共有している。
本第５の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｄは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第１のリセット素子としての第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒおよび第２のリセット素子としての第２のリセットトランジスタＲＳＴ１２－Ｔｒを共有している。
また、本例の画素共有構造においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒおよび選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒが共有されている。

【0204】

図１８（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る画素共有構造を有する画素の使用形態を説明するための図である。
図１８において「３Ｔ-ＰＤ」とは高ＦＷＣ読み出しのためにフローティングディフュージョンＦＤに電荷をオーバーフローさせる読み出し形態を示し、「４Ｔ-ＰＤ」とは低ノイズ読み出しのために電荷を電源電位Ｖｄｄ（あるいはＶＡＡＰＩＸ）にオーバーフローさせる読み出し形態を示している。

【0205】

図１９（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第１の変換利得読み出しモード（デュアル変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図２０（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素に対するローリングシャッタモード時の第２の変換利得読み出しモード（低変換利得読み出しモード）における読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。

【0206】

本第５の実施形態において、各共有画素２００-０～２００－３は、フォトダイオードＰＤ１１に接続され、フォトダイオードＰＤ１１の電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１の形成領域外方向に排出することが可能なオーバーフローゲートＡＢ１１―Ｔｒを有している。
そして、読み出し部７０は、フローティングディフュージョンＦＤ１１に電荷をオーバーフローさせる読み出し形態「３Ｔ－ＰＤ」と、電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１の形成領域外、たとえば電源電位ＶＡＡＰＩＸにオーバーフローさせる読み出し形態「４Ｔ－ＰＤ」と、を混在させて、共有画素の読み出し制御が可能である。
図１８（Ｂ）では、４つの共有画素のうち、２画素が「３Ｔ－ＰＤ」、２画素が「４Ｔ－ＰＤ」の読み出しを行う。
図１８（Ｃ）では、４つの共有画素のうち、３画素が「３Ｔ－ＰＤ」、１画素が「４Ｔ－ＰＤ」の読み出しを行う。
図１８（Ｂ）では、４つの共有画素のうち、１画素が「３Ｔ－ＰＤ」、３画素が「４Ｔ－ＰＤ」の読み出しを行う。

【0207】

その他の構成は上述した第１の実施形態と同様である。
本第５の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、画素サイズの縮小化を図ることができ、回路構成のさらなる簡略化を図ることが可能となる。

【0208】

（第６の実施形態）
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置における画素共有構造を有する光電変換読み出し部の構成例を示す回路図である。

【0209】

本第６の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｅの画素２００Ｅの光電変換読み出し部２１０Ｅが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００の光電変換読み出し部２１０と異なる点は、次の通りである。

【0210】

本第６の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｅは、隣接する複数（本実施形態では４）の画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、フローティングディフュージョンＦＤ１１を共有する画素共有構造を有する。
本第６の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｅは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第１の接続素子としての第１の蓄積トランジスタＳＧ１１－Ｔｒおよび第１の容量素子としての第１の蓄積キャパシタＳＣ１１を共有している。
本第６の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｅは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第２の接続素子としての第２の蓄積トランジスタＳＧ１２－Ｔｒおよび第２の容量素子としての第２の蓄積キャパシタＳＣ１２を共有している。
本第６の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｅは、隣接する画素２００－０，２００－１，２００－２，２００－３で、第１のリセット素子としての第１のリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒを共有している。
また、本例の画素共有構造においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ１１－Ｔｒおよび選択トランジスタＳＥＬ１１－Ｔｒが共有されている。

【0211】

その他の構成は上述した第１の実施形態と同様である。
本第６の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、画素サイズの縮小化を図ることができ、回路構成のさらなる簡略化を図ることが可能となる。

【0212】

（電子機器への適用例）
さらに、以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。

【0213】

図２２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。

【0214】

本電子機器３００は、図２２に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ３１０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）３２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。

【0215】

信号処理回路３３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。

【0216】

上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ～１０Ｅを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。

【符号の説明】

【0217】

１０，１０Ａ～１０Ｅ・・・固体撮像装置、２０・・・画素部、２００，２００Ａ・・・画素、ＰＤ１１・・・フォトダイオード、ＦＤ１１・・・フローティングディフュージョン、ＴＧ１１－Ｔｒ・・・転送トランジスタ、ＲＳＴ１１-Ｔｒ・・・第１のリセットトランジスタ、ＲＳＴ１２-Ｔｒ・・・第２のリセットトランジスタ、ＳＦ１１－Ｔｒ・・・ソースフォロワトランジスタ、ＳＧ１１－Ｔｒ・・・第１の蓄積トランジスタ、ＳＧ１２－Ｔｒ・・・第２の蓄積トランジスタ、ＳＣ１１・・・第１の蓄積キャパシタ、ＳＣ１２・・・第２の蓄積キャパシタ、２１０，２１０Ａ～２１０Ｅ・・・光電変換読み出し部、２１１・・・変換信号読み出し部、２２０・・・信号保持部、２３０・・・サンプルホールド回路、３００・・・電子機器、３１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、３２０・・・光学系、３３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。

【図1】