[发明专利]固体摄像装置

说明书

本申请基于2008年11月21日提出的在先日本专利申请第2008-298539号，要求享受其优先权，其全部内容被一并记载于本申请。

技术领域

本发明涉及固体摄像装置，尤其涉及单位像素的电路结构，例如可用于CMOS图像传感器。

背景技术

在CMOS图像传感器的摄像区域排列有多个单位像素。各单位像素包含光电二极管、浮动扩散(floating diffusion)、读出晶体管、放大晶体管、复位晶体管以及选择晶体管。光电二极管对入射光进行光电转换。读出晶体管将光电二极管的累积电荷读出到浮动扩散层并进行控制。放大晶体管将浮动扩散的信号进行放大并输出给垂直信号线。复位晶体管复位放大晶体管的栅极电位(浮动扩散的电位)。选择晶体管选择单位像素，并控制放大晶体管的动作。

已知，通常在CMOS传感器中，存在放大晶体管的热噪声及1/f噪声，这些被称为暗流随机噪声(暗時ランダムノイズ)。为改善暗流随机噪声，有效的是在产生噪声的前期增大浮动扩散的信号电平。浮动扩散的电压振幅OUT(V)由OUT(V)＝(e/CFD)×input(q)给出。此处，e是元电荷量，CFD是浮动扩散的电容，input(q)是信号电荷量。为了使浮动扩散的电压振幅增大，减小暗流随机噪声，有效的是减小浮动扩散的电容CFD。并且单位像素的变换增益Gain由Gain＝OUT(V)/input(q)给出。

图1为示出普通CMOS传感器中累积在光电二极管PD的信号电荷量较少的情况下的复位动作和读出动作的图。即，通过使复位晶体管RST开启而进行复位动作，从而将进行复位动作之后的浮动扩散FD的电位设定为和漏极电位相同的电位电平。接着，在开启了读出晶体管RD时，因为目前累积于光电二极管PD的信号电荷量少，所以，即使为了降低暗流随机噪声而将浮动扩散FD的电容CFD设计成较小，也能够将信号电荷传送到浮动扩散FD。

另一方面，图2为示出普通CMOS传感器中累积在光电二极管PD的信号电荷量较多的情况下的复位动作和读出动作的图。即，通过使复位晶体管RST开启而进行复位动作，从而将进行复位动作之后的浮动扩散FD的电位设定为和漏极电位相同的电位电平。接着，在开启了读出晶体管RD时，将目前累积于光电二极管PD的信号电荷不能完全传送到浮动扩散FD，在光电二极管PD上产生信号电荷的残留Lag。

在日本特开2000-165754号公报中，公开了一种这样的技术，对单位像素内的浮动扩散附加栅电容，使浮动扩散电容可变。但是，在该技术中，在使作为高灵敏度用而附加的栅电容截止(OFF)时，也不能将该栅极和浮动扩散之间的寄生电容完全归零。因此，与浮动扩散电容不可变的情况相比，浮动扩散的电容增加，转换增益降低。结果，暗流随机噪声特性变差。

另一方面，在日本特开2002-77737号公报中，公开了这样的技术，通过在单位像素内经由MOS晶体管对光电二极管附加电容，从而增加信号电荷处理量。但是，在该技术中，没有读出晶体管，光电二极管和新附加的电容与放大晶体管的栅极相连接。由此，转换增益降低。结果，暗流随机噪声特性变差。

另外，在日本特开2006-245522号公报中，公开了这样的技术，通过在单位像素内经由MOS晶体管对光电二极管附加电容，从而增加信号电荷处理量。但是，在该技术中，和现有技术的单位像素比较，因为需要添加2个晶体管，2个电容器，合计4个电路元件，所以像素尺寸的缩小变困难。

如上所述，在现有技术的固体摄像装置中，暗流随机噪声和信号电荷处理量之间为折衷关系(二律背反trade off)，难以在维持暗流的低噪声的状态下增大信号电荷处理量，因此期待改善这些问题。

发明内容

根据本发明第1方面，提供一种固体摄像装置，具备：光电二极管，对入射光进行光电转换；第1晶体管，与上述光电二极管连接，从光电二极管读出信号电荷；浮动扩散，与上述第1晶体管连接，累积由第1晶体管读出的信号电荷；第2晶体管，与上述浮动扩散连接，对浮动扩散有选择地附加电容；以及第3晶体管，与上述第2晶体管连接，将上述浮动扩散的电位进行复位。

上述第2晶体管在由上述第1晶体管读出的信号电荷量大于等于上述浮动扩散的饱和电平的情况下，基于控制信号被导通，由此，对上述浮动扩散附加电容，在小于饱和电平的情况下，基于上述控制信号而不被导通。