電壓Vp。與積聚的 空穴的數(shù)量對應(yīng)的電壓Vp稱為"光信號分量"。
[0102] 在圖6C中所示的狀態(tài)下，選擇晶體管105接通。因此，放大器晶體管104輸出來 自像素100的光信號（Vp+Vres+kTCl)。將光信號保持在列電路140的電容器CTS中。在步 驟（2)中讀出的噪聲信號（Vres+kTCl)和在步驟（4)中讀出的光信號（Vp+Vres+kTCl)之 差是基于與積聚的信號電荷對應(yīng)的電壓Vp的信號。
[0103] 圖6D示出了光電轉(zhuǎn)換單元101在步驟（5)中的狀態(tài)。復(fù)位晶體管102接通，并且 節(jié)點(diǎn)B上的電壓復(fù)位到復(fù)位電壓Vres。之后，復(fù)位晶體管102斷開。以上述方式，節(jié)點(diǎn)B在 信號電荷的積聚開始之前復(fù)位，使得能夠去除已在節(jié)點(diǎn)B中積聚的前一幀的光信號分量。 因此，可以防止動態(tài)范圍根據(jù)節(jié)點(diǎn)B中的光信號的積聚而變窄。注意，可能不一定執(zhí)行步驟 (5)中的在信號電荷的積聚開始之前的復(fù)位。
[0104] 另外在這種情況中，復(fù)位噪聲（圖6D中所示的噪聲kTC2)可能由復(fù)位晶體管102 產(chǎn)生。可以在積聚時段完成之后通過步驟（1)中的復(fù)位操作來去除所產(chǎn)生的復(fù)位噪聲。
[0105] 圖6E和圖6F示出了光電轉(zhuǎn)換單元101在步驟（6)中的狀態(tài)。將第一電壓Vsl供 應(yīng)到第一電極201，并將復(fù)位電壓Vres供應(yīng)到節(jié)點(diǎn)B。由于復(fù)位電壓Vres低于第一電壓 Vsl，所以光電轉(zhuǎn)換層205中的電子被排出到第一電極201。相反，光電轉(zhuǎn)換層205中的空 穴移動到光電轉(zhuǎn)換層205和絕緣層207之間的交界面。然而，空穴不能移動到絕緣層207， 從而在光電轉(zhuǎn)換層205中積聚。另外，如之前所述，阻擋層203防止空穴注入到光電轉(zhuǎn)換層 205中。在這種狀態(tài)下，當(dāng)光進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換層205時，只有通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子-空穴 對中的空穴才作為信號電荷積聚在光電轉(zhuǎn)換層205中。在已執(zhí)行一定時段的積聚操作之 后，重復(fù)執(zhí)行步驟（1)到（6)中的操作。
[0106] 積聚的空穴導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換層205的表面電位發(fā)生變化。根據(jù)表面電位的變化，第 二電極209上的電壓增大。這種增大在圖6F中以VpO表示。如上所述，在圖6A中的復(fù)位 操作中，第二電極209上的電壓變化以抵消電壓VpO的變化。即，第二電極209上的電壓減 小。因此，光電轉(zhuǎn)換層205的表面電位在表面電位升高的方向上變化。
[0107] 如果信號電荷為電子，貝>J第二電壓Vs2是高于第一電壓Vsl的電壓。從而，在圖6A 到6F中所示的電位梯度反轉(zhuǎn)。其它操作基本上相同。
[0108] 將描述本示例性實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。在參考圖6A到6F描述的操作中，光電轉(zhuǎn)換層205 的電位梯度在圖6B中所示的狀態(tài)下反轉(zhuǎn)，從而使得能夠排出所積聚的信號電荷。不反轉(zhuǎn)光 電轉(zhuǎn)換層205的電位梯度導(dǎo)致出現(xiàn)未排出的電荷。因此，可能出現(xiàn)噪聲。在這里，當(dāng)?shù)谝浑?極201上的電壓的變化量dVs大于第二電極209 (節(jié)點(diǎn)B)上的電壓的變化量dVB的量增大 時，電位梯度更可能反轉(zhuǎn)。即，當(dāng)?shù)谝浑姌O201上的電壓的變化量dVs大于第二電極209 (節(jié) 點(diǎn)B)上的電壓的變化量dVB的量增大時，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的降噪。
[0109] 如上所述，第一電極201上的電壓的變化量dVs和節(jié)點(diǎn)B上的電壓的變化量dVB 之間存在由dVB=dVsXC2ACl+C2)表示的關(guān)系。修改該方程得到針對第一電極201上的 電壓的變化量dVs的如下方程：dVs=dVB+(Cl/C2)XdVB。即，第一電極201上的電壓的變 化量dVs比第二電極209(節(jié)點(diǎn)B)上的電壓的變化量dVB大（C1/C2)XdVB。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn) B的電容值C1增大時，第一電極201上的電壓的變化量dVs和第二電極209上的電壓的變 化量dVB之差增大。
[0110] 在本示例性實(shí)施例中，第一電容器103與第二電極209連接。因此，可以增大節(jié)點(diǎn) B的電容值C1。這種配置使得第一電極201上的電壓的變化量dVs能夠大于第二電極209 上的電壓的變化量dVB。因此，更可能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換層205的耗盡，導(dǎo)致減少未排出的電荷。 因此，根據(jù)本示例性實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)降噪。
[0111] 將描述其中第一電容器103不與節(jié)點(diǎn)B連接的比較例。在該配置中，節(jié)點(diǎn)B具有 可以包括由于半導(dǎo)體區(qū)中的PN結(jié)導(dǎo)致的電容分量和布線的寄生電容分量的電容。因?yàn)樯?述電容分量比光電轉(zhuǎn)換單元101中所包括的第二電容器111的電容值C2小到可忽略，所以 由C1/C2給出的值基本上等于零。因此，當(dāng)將第二電壓Vs2供應(yīng)到第一電極201時，第一電 極201上的電壓的變化量dVs基本上等于第二電極209上的電壓的變化量dVB。在這種情 況下，在圖6B中所示的狀態(tài)中電位梯度可能不反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一些作為信號電荷積聚的空穴可 能不會被排出。在本示例性實(shí)施例中，與比較例相比，可以減少未排出的信號電荷的量，從 而導(dǎo)致噪聲降低。
[0112] 現(xiàn)在將描述第一電容器103的電容值C1、光電轉(zhuǎn)換單元101中所包括的第二電容 器111的電容值C2和供應(yīng)到各單元的電壓之間的關(guān)系。
[0113] 在本示例性實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換層101包括阻擋層203、光電轉(zhuǎn)換層205和絕緣層 207。阻擋層203具有比光電轉(zhuǎn)換層205和絕緣層207更高的電導(dǎo)率。因此，光電轉(zhuǎn)換單元 101中所包括的第二電容器111的電容值C2是由光電轉(zhuǎn)換層205形成的電容分量Ci和由 絕緣層207形成的電容分量Cins的組合電容。具體地，第二電容器111的電容值C2由以 下表達(dá)式⑴給出：
[0114] C2 = CiXCins/(Ci+Cins) · · · (1)
[0115] 電容分量Ci和電容分量Cins分別由以下表達(dá)式（2)和表達(dá)式（3)給出：
[0116] Ci = EOXEiXSs/di · · · (2)
[0117]Cins=EOXEinsXSs/dins，· · ·（3)
[0118] 其中，Ss表示第二電極209在平面圖中的面積，di表示光電轉(zhuǎn)換層205的厚度， dins表示絕緣層207的厚度，Ei表示光電轉(zhuǎn)換層205的相對介電常數(shù)，Eins表示絕緣層 207的相對介電常數(shù)，E0表示真空的介電常數(shù)。
[0119] 第二電極209周圍的邊緣場（fringingfield)基本上可忽略不計(jì)。因此，僅考慮 第二電極209在平面圖中的面積Ss作為用來計(jì)算電容的面積就足夠了。例如，第二電極 209在平面圖中的面積Ss為圖4中所示的第二電極209的面積。另外，在圖5A和5B中示 出了光電轉(zhuǎn)換層205的厚度di和絕緣層207的厚度dins。
[0120] 第一電容器103的電容值Cl由以下表達(dá)式（4)給出：
[0121] Cl=EOXEdXSd/dd，· · ·（4)
[0122] 其中，Sd表示上電極211或下電極213在平面圖中的面積，dd表示上電極211和 下電極213之間的距離，Ed表示上電極211和下電極213之間的絕緣層的介電常數(shù)。
[0123] 在本示例性實(shí)施例中，使用第一電壓Vsl和第二電壓Vs2來控制第一電極201 (節(jié) 點(diǎn)A)上的電壓Vs，以積聚信號電荷并排出由于光電轉(zhuǎn)換層205的耗盡導(dǎo)致的信號電荷。第 一電容器103的電容值C1和第二電容器111的電容值C2滿足以下關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)上述在 排出信號電荷期間殘留在光電轉(zhuǎn)換層205中的電荷的減少。首先將描述其中信號電荷為空 穴的示例性實(shí)施例。
[0124] 下面為簡明起見，第一電容器103的電容值C1是第二電容器111的電容值C2的 k倍。即，電容值C1和電容值C2具有以下表達(dá)式（5)的關(guān)系：
[0125]Cl=kXC2 · · · (5)
[0126] 如之前所述，第一電極201上的電壓的變化量dVs和第二電極209(節(jié)點(diǎn)B)上的 電壓的變化量dVB具有由以下表達(dá)式（6)給出的關(guān)系：
[0127] dVB = dVsXC2/(Cl+C2) · · · (6)
[0128] 表達(dá)式（5)和表達(dá)式（6)推出以下表達(dá)式（7):
[0129] dVB = dVs/(l+k) · · · (7)
[0130] 為積聚作為信號電荷的空穴，希望第一電壓Vsl和復(fù)位電壓Vres滿足以下表達(dá)式 (8)的關(guān)系：
[0131] Vsl>Vres · · · (8)
[0132]為轉(zhuǎn)移信號電荷的空穴，希望第一電壓Vs1、復(fù)位電壓Vres、第一電極201上的電 壓的變化量dVs和第二電極209上的電壓的變化量dVB滿足以下表達(dá)式（9)的關(guān)系：
[0133] Vsl+dVs<Vres+dVB · · · (9)
[0134] 如果滿足表達(dá)式（8)的關(guān)系，則可以在光電轉(zhuǎn)換層205中形成允許空穴向絕緣層 207漂移的電位梯度。如果滿足表達(dá)式（9)的關(guān)系，則容易反轉(zhuǎn)光電轉(zhuǎn)換層205的電位梯 度。
[0135] 表達(dá)式（7)和表達(dá)式（9)推出表達(dá)式（10)。
[0136]Vsl-Vres+dVs<dVs/(1+k)· · ·(10)
[0137] 在這里，k>0。因此，通過在表達(dá)式（10)兩邊乘以（1+k)將表達(dá)式（10)修改為下 面的表達(dá)式（11)。
[0138] (1+k)X(Vsl-Vres+dVs)<dVs· · · (11)
[0139] 第一電極201上的電壓的變化量dVs由dVs=Vs2_Vsl給出。因此，獲得了 Vsl-Vres+dVs=Vs2_Vres。在其中信號電荷為空穴的示例性實(shí)施例中，復(fù)位電壓Vres大 于第二電壓Vs2。即，獲得了Vs2-Vres〈0。因此，滿足下面的表達(dá)式（12)的關(guān)系。
[0140] Vsl_Vres+dVs〈0 · · · (12)
[0141] 因此，在表達(dá)式（11)兩邊除以（Vsl-Vres+dVs)改變不等號的方向，推出如下表達(dá) 式（13)的關(guān)系：
[0142]l+k>dVs/(Vsl-Vres+dVs) ··· (13)
[0143] 表達(dá)式（13)推出以下表達(dá)式（14)給出的用于電容值Cl與電容值C2的電容比k 的表達(dá)式。
[0144]
[0145] 如果滿足表達(dá)式（14)的關(guān)系，則可以減少未排出的電荷量。因此，可以實(shí)現(xiàn)降噪。
[0146] 在本示例性實(shí)施例中，第一電壓Vsl等于5V，復(fù)位電壓Vres等于3. 3V。因?yàn)榈诙?電壓Vs2等于0V，所以第一電極201上的電壓的變化量dVs為-5V。因此，k值被設(shè)為大于 〇. 52的值。具體地，在本示例性實(shí)施例中，第一電容器103的電容值C1等于4fF，第二電容 器111的電容值C2等于IfF。即，獲得了k= 4。這種配置可以實(shí)現(xiàn)更多的降噪。
[0147] 在本示例性實(shí)施例中，第一電容器103的上電極211或下電極213在平面圖中的 面積Sd和第二電極209在平面圖中的面積Ss滿足關(guān)系式Sd>0. 5XSs。這種配置可以使得 容易獲得上述電容比的關(guān)系。
[0148] 此外，當(dāng)k值增大時，降噪效果提高。因此，在第一電容器103的電容值C1等于或 大于第二電容器111的電容值C2的情況下，可以進(jìn)一步提高降噪效果。
[0149] 通過使用第一電壓Vsl和第二電壓Vs2,第一電極上201的電壓的變化量dVs由 dVs=Vs2-Vsl給出。因此，將表達(dá)式（14)修改為表達(dá)式（15)。
[0150]
[0151] 特別地，如果第二電壓Vs2等于0V，則可以將表達(dá)式（15)簡化為表達(dá)式（16)。
[0152]
[0153] 現(xiàn)在描述其中信號電荷為電子的不例性實(shí)施例。如果信號電荷為電子，貝表達(dá)式 (8)和表達(dá)式（9)的不等號的方向改變。相應(yīng)地，表達(dá)式（10)和表達(dá)式（11)的不等號的方 向也改變。如果信號電荷為電子，則復(fù)位電壓Vres低于第二電壓Vs2。因此，由表達(dá)式（11) 中的Vsl-Vres+dVs=Vs2_Vres給出的值為正值。即，（Vsl_Vres+dVs)>0的關(guān)系成立。因 此，表達(dá)式（11)兩邊除以（Vsl-Vres+dVs)不改變不等號的方向。因此，就像其中信號電荷 為空穴的情況一樣，獲得了表達(dá)式（14)和表達(dá)式（15)。
[0154] 表達(dá)式（15)左手邊可以使用表達(dá)式（5)以C1/C2替換。因?yàn)椋╒s2-Vres)/ (Vs2-Vres) = 1，將表達(dá)式（15)的右手邊帶入公分母，得到如下表達(dá)式（17):
[0155]
[0156] 在這里，將描述由表達(dá)式（17)給出的關(guān)系。復(fù)位電壓Vres是第一電壓Vsl和第 二電壓Vs2之間的中間值。
[0157] 當(dāng)復(fù)位電壓Vres接近第一電壓Vsl時，右手邊的值減小。即，即使第一電容器103 的電容值C1小，光電轉(zhuǎn)換層205的電位梯度也能反轉(zhuǎn)。如果復(fù)位電壓Vres與第一電壓Vs1 之差小，貝可以在光電轉(zhuǎn)換層205中積聚的電荷量小。
[0158] 相比之下，當(dāng)復(fù)位電壓Vres接近第二電壓Vs2時，右邊的值增大。即，針對第一電 容器103的電容值C1使用了大的值。在這種情況下，復(fù)位電壓Vres與第一電壓Vsl之差 大。因此，可以在光電轉(zhuǎn)換層205中積聚的電荷量可以增加。
[0159] 就電荷飽和量與第一電容器103的電容值C1之間的平衡而言，優(yōu)選復(fù)位電壓Vres 在上限和下限（或下限和上限）分別等于第一電壓Vsl和第二電壓Vs2的范圍的20%到 80%的范圍內(nèi)。例如，如果第一電壓Vsl等于5V且第二電壓Vs2等于0V，則希望復(fù)位電壓 Vres在IV到4V的范圍內(nèi)。
[0160] 在光電轉(zhuǎn)換裝置用作照相機(jī)的圖像傳感器等的情況下，使用低電源電壓以降低功 耗。例如，供應(yīng)到圖像傳感器的電源電壓典型地小于或等于5V。因此，針對表達(dá)式（14)至 表達(dá)式（17)中的電壓也使用小于或等于5V的值。在該情況下，第一電容器103的電容值 C1和第二電容器111的電容值C2滿足上述關(guān)系，使得能夠在低電壓地驅(qū)動光電轉(zhuǎn)換裝置的 情況下降低噪聲。
[0161] 如上所述，可以使用第一電容器103的電容值C1與光電轉(zhuǎn)換單元101中所包括的 第二電容器111的電容值C2之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)降噪。
[0162] 前面給出的數(shù)值只是示例，而非意在限制。
[0163] 在光電轉(zhuǎn)換層205和絕緣層207之間的交界面上可能存在缺陷能級等。在這種情 況下，通過使用現(xiàn)有技術(shù)考慮平帶（flatband)電壓可能就足夠了。
[0164] 接下來，將描述根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的驅(qū)動方法。圖7示出了在 根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動信號的時序圖。在圖7中，示出了針 對第η行和第n+1行或總共兩行的信號讀出的驅(qū)動信號。
[0165] 向選擇晶體管105的柵極供應(yīng)驅(qū)動信號pSEL。向復(fù)位晶體管102的柵極供應(yīng)驅(qū) 動信號PRES。向光電轉(zhuǎn)換單元101的第一電極201供應(yīng)電壓信號Vs。向S/Η開關(guān)303供 應(yīng)驅(qū)動信號pTS。向S/Η開關(guān)305供應(yīng)驅(qū)動信號pTN。向列驅(qū)動器電路150供應(yīng)驅(qū)動信號 CSEL〇
[0166] 當(dāng)驅(qū)動信號pSEL、驅(qū)動信號pRES、驅(qū)動信號pTN或驅(qū)動信號pTS處于高電平時，相 應(yīng)的晶體管或開關(guān)接通。當(dāng)驅(qū)動信號pSEL、驅(qū)動信號pRES、驅(qū)動信號pTN或驅(qū)動信號pTS處于低電平時，相應(yīng)的晶體管或開關(guān)斷開。電壓信號Vs包括第一電壓Vsl和第二電壓Vs2。
[0167] 根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置執(zhí)行"卷簾快門"操作。在時刻tl之前，第 η行中的像素100的光電轉(zhuǎn)換單元101和第n+1行中的像素100的光電轉(zhuǎn)換單元101積聚 信號電荷。另外，在時刻tl之前，用于第η行的電壓信號Vs(n)和用于第n+1行的電壓信 號Vs (n+1)均等于第一電壓Vsl。
[0168] 在時刻tl，驅(qū)動信號pSEL(n)上升到高電平，第η行中的像素100的選擇晶體管 105接通。因此，第η行中的像素100的放大器晶體管104輸出信號。
[0169] 在時刻tl，驅(qū)動信號pSES(n)上升到高電平，第η行中的像素100的復(fù)位晶體管 102接通。因此，第η行中的像素100的節(jié)點(diǎn)Β上的電壓被復(fù)位為復(fù)位電壓Vres。之后，在 時刻t2,驅(qū)動信號pRES(η)下降到低電平，復(fù)位晶體管102斷開。在圖6A中示出了每個光 電轉(zhuǎn)換單元101在此時的能帶狀態(tài)。
[0170] 然后，驅(qū)動信號pTN (η)在時刻t3上升到高電平，并在時刻t4下降到低電平。因 此，在列電路140的電容器CTN中保持包括復(fù)位噪聲（圖6A中所示的kTCl)的噪聲信號。
[0171] 在時刻t5,電壓信號Vs(η)從第一電壓Vsl轉(zhuǎn)變到第二電壓Vs2。在圖6B中示