專(zhuān)利名稱(chēng)：固態(tài)圖像拾取器件、照相機(jī)及固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)圖像拾取器件、照相機(jī)以及該固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法，更具體地，本發(fā)明適合用于CMOS區(qū)域傳感器中。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，其中作為光電轉(zhuǎn)換元件的光電二極管和作為開(kāi)關(guān)元件的MOS晶體管形成為一個(gè)芯片的CMOS區(qū)域傳感器被用作為固態(tài)圖像拾取器件。與CCD相比，CMOS區(qū)域傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)電功率消耗更小，驅(qū)動(dòng)功率更小，可以執(zhí)行更高速度的運(yùn)轉(zhuǎn)等。因此認(rèn)為在將來(lái)，對(duì)CMOS區(qū)域傳感器的需求將增加。
已經(jīng)提出了通過(guò)使用這種CMOS區(qū)域傳感器用于擴(kuò)展固態(tài)圖像拾取器件的動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)(參考日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2001-186414(對(duì)應(yīng)美國(guó)專(zhuān)利No.6307195))。
所提出的CMOS區(qū)域傳感器通過(guò)將多個(gè)像素形成為矩陣形狀而構(gòu)建，其中每一個(gè)像素具有光電二極管；浮動(dòng)擴(kuò)散(此后根據(jù)需要簡(jiǎn)稱(chēng)為“FD”)區(qū)域；用于將載流子從光電二極管轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域的轉(zhuǎn)移晶體管；以及用于將FD區(qū)域復(fù)位成預(yù)定電勢(shì)的復(fù)位晶體管。
在CMOS區(qū)域傳感器中，首先，基于積累在光電二極管中的載流子的信號(hào)被讀出，之后，基于已經(jīng)從光電二極管溢出并且已經(jīng)積累在FD區(qū)域中的載流子的信號(hào)被讀出。讀出的信號(hào)通過(guò)模擬放大器輸出。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2004-335802中，公開(kāi)了一種MOS型固態(tài)圖像拾取器件，其中多個(gè)感光單元以陣列形狀布置在半導(dǎo)體襯底的表面上，并且對(duì)于感光單元而言逐一地讀出每個(gè)感光單元的信號(hào)，其中，每個(gè)感光單元包括第一信號(hào)載流子檢測(cè)單元，用于檢測(cè)對(duì)應(yīng)入射光量的信號(hào)；以及第二信號(hào)載流子檢測(cè)單元，用于當(dāng)由第一信號(hào)載流子檢測(cè)單元檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)飽和時(shí)，捕獲第一信號(hào)載流子檢測(cè)單元中的過(guò)剩載流子的一部分，并且檢測(cè)對(duì)應(yīng)所捕獲的載流子量的信號(hào)。
根據(jù)日本專(zhuān)利公開(kāi)No.2004-335802，如該官方公報(bào)的圖2所示，其特征在于包含第二信號(hào)載流子檢測(cè)單元(38)，用于當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)載流子檢測(cè)單元(31)中產(chǎn)生的電子飽和時(shí)，檢測(cè)第一信號(hào)載流子檢測(cè)單元(31)中產(chǎn)生的電子的一部分。它具有其中捕獲過(guò)剩載流子的一部分且剩余的過(guò)剩載流子被丟棄到垂直溢出道中的結(jié)構(gòu)。它獨(dú)立地具有第一和第二信號(hào)載流子檢測(cè)單元。
然而，根據(jù)前述常規(guī)技術(shù)，無(wú)法控制積累在FD區(qū)域中的載流子的量。因此，存在很難適當(dāng)擴(kuò)展CMOS區(qū)域傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題。
考慮了這種問(wèn)題而提出了本發(fā)明，且本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠適當(dāng)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的固態(tài)圖像拾取器件、其驅(qū)動(dòng)方法以及使用該固態(tài)圖像拾取器件的照相機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括多個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；第一轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)移積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子；浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子經(jīng)過(guò)第一轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)而流入該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；橫向溢出道區(qū)域，已經(jīng)從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的至少一部分可以流入該橫向溢出道區(qū)域；以及第二轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，用于將已經(jīng)流入橫向溢出道區(qū)域的載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，其中光電轉(zhuǎn)換單元和橫向溢出道區(qū)域之間的勢(shì)壘低于光電轉(zhuǎn)換單元和與該光電轉(zhuǎn)換單元相鄰的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種包括多個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；第一轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)移積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子；以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子可以經(jīng)過(guò)第一轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)流入該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，其中光電轉(zhuǎn)換單元和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域之間的勢(shì)壘低于該光電轉(zhuǎn)換單元和與該光電轉(zhuǎn)換單元相鄰的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種照相機(jī)，包括以上固態(tài)圖像拾取器件中的任意一種；用于在固態(tài)圖像拾取器件上形成光學(xué)圖像的透鏡；以及用于使通過(guò)透鏡的光量可變的光圈。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于包括多個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；橫向溢出道區(qū)域，已經(jīng)從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的至少一部分可以流入該橫向溢出道區(qū)域中；以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和來(lái)自橫向溢出道區(qū)域的載流子流入該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中，其中光電轉(zhuǎn)換單元和橫向溢出道區(qū)域之間的勢(shì)壘低于該光電轉(zhuǎn)換單元和與該光電轉(zhuǎn)換單元相鄰的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘，該方法包括復(fù)位步驟，用于復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)；復(fù)位電平保持步驟，用于保持基于復(fù)位步驟中復(fù)位的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)的信號(hào)；第一轉(zhuǎn)移步驟，用于將積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；第二轉(zhuǎn)移步驟，用于將已經(jīng)流入橫向溢出道區(qū)域中的載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；以及信號(hào)電平保持步驟，用于保持在第一轉(zhuǎn)移步驟和第二轉(zhuǎn)移步驟中轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中的載流子。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于包括多個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子流入該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中，其中光電轉(zhuǎn)換單元和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域之間的勢(shì)壘低于該光電轉(zhuǎn)換單元和與該光電轉(zhuǎn)換單元相鄰的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘，該方法包括轉(zhuǎn)移步驟，用于將由光電轉(zhuǎn)換單元光電轉(zhuǎn)換的載流子的至少一部分轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；信號(hào)電平保持步驟，用于保持在轉(zhuǎn)移步驟中轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的載流子；復(fù)位步驟，用于復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)；以及復(fù)位電平保持步驟，用于保持基于在復(fù)位步驟中復(fù)位的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于包括多個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；橫向溢出道區(qū)域，已經(jīng)從光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的至少一部分可以流入該橫向溢出道區(qū)域中；以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和來(lái)自橫向溢出道區(qū)域的載流子流入該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中，其中光電轉(zhuǎn)換單元和橫向溢出道區(qū)域之間的勢(shì)壘低于該光電轉(zhuǎn)換單元和與該光電轉(zhuǎn)換單元相鄰的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘，該方法包括第一轉(zhuǎn)移步驟，用于將已經(jīng)流入橫向溢出道區(qū)域中的載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；第一信號(hào)電平保持步驟，用于保持在第一轉(zhuǎn)移步驟中轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的載流子；復(fù)位步驟，用于復(fù)位浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)；復(fù)位電平保持步驟，用于保持基于在復(fù)位步驟中復(fù)位的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的電勢(shì)的信號(hào)；第二轉(zhuǎn)移步驟，用于將積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域；以及第二信號(hào)電平保持步驟，用于保持在第二轉(zhuǎn)移步驟中轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域的載流子。
從以下結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明的其他特征和益處將變得明顯，在圖中，相同參考標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部分。


圖1示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖1是示出了固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖。
圖2示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖2是用于說(shuō)明固態(tài)圖像拾取器件的操作例子的定時(shí)圖表；圖3A和3B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖3A和3B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的第一例子的圖；圖4A和4B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖4A和4B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的像素的構(gòu)造的第二例子的圖；圖5A和5B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖5A和5B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的像素的構(gòu)造的第三例子的圖；
圖6A和6B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖6A和6B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的像素的構(gòu)造的第四例子的圖；圖7A和7B示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，并且圖7A和7B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的像素的構(gòu)造的第五例子的圖；圖8示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，并且圖8是示出了固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖；圖9示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，并且圖9是用于說(shuō)明固態(tài)圖像拾取器件的操作例子的定時(shí)圖表；圖10A和10B示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，并且圖10A和10B是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的一個(gè)例子的圖；圖11示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例，并且圖11是示出了固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖；圖12示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例，并且圖12是用于說(shuō)明固態(tài)圖像拾取器件的操作例子的定時(shí)圖表；圖13是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，并且圖13是示出了靜物攝像機(jī)的構(gòu)造的例子的框圖；以及圖14示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，并且圖14是示出了攝像機(jī)的構(gòu)造的一個(gè)例子的框圖。
并入本說(shuō)明書(shū)并且組成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖闡釋了本發(fā)明的實(shí)施例，并且附圖與描述一起用于說(shuō)明本發(fā)明的原理。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施例)現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。
圖1是示出了本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖。
在圖1中，本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件通過(guò)將三個(gè)像素布置為(1行×3列)的一維矩陣形狀而構(gòu)造，其中每個(gè)像素包含光電二極管1003；第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006；復(fù)位MOS晶體管1007；第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008；選擇MOS晶體管1012；以及源極跟隨器MOS晶體管1013。
雖然在圖1中，多個(gè)像素布置為(1行×3列)的一維矩陣形狀，所布置的像素?cái)?shù)目不限于這種值。例如，也可能將多個(gè)像素布置為(1080行×1960列)的二維矩陣形狀，并且改善分辨率。
來(lái)自光電二極管1003的(作為載流子的)電荷通過(guò)第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005。FD區(qū)域1005連接到源極跟隨器MOS晶體管1013。形成橫向溢出區(qū)域1010，以便與第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008相鄰。源極跟隨器MOS晶體管1013連接到選擇MOS晶體管1012，并且放大基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005的載流子的信號(hào)。
第一轉(zhuǎn)移晶體管1006、復(fù)位MOS晶體管1007、第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008以及選擇MOS晶體管1012的每一個(gè)由提供給每個(gè)柵極的控制信號(hào)(柵極信號(hào))進(jìn)行導(dǎo)通/關(guān)斷控制。假設(shè)當(dāng)高電平柵極信號(hào)提供給柵極時(shí)，第一轉(zhuǎn)移晶體管1006、復(fù)位MOS晶體管1007、第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008以及選擇MOS晶體管1012的每一個(gè)導(dǎo)通(使得導(dǎo)通)，并且當(dāng)?shù)碗娖綎艠O信號(hào)提供給柵極時(shí)，這些晶體管的每一個(gè)關(guān)斷(斷開(kāi))。
具體來(lái)說(shuō)，控制信號(hào)TX1提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006的柵極?？刂菩盘?hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008的柵極?？刂菩盘?hào)SEL提供給選擇MOS晶體管1012的柵極?？刂菩盘?hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007的柵極。
控制信號(hào)TX1用于將積累在光電二極管1003中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005?？刂菩盘?hào)TX2用于將已經(jīng)從光電二極管1003溢出并且已經(jīng)積累在橫向溢出區(qū)域1010中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005?？刂菩盘?hào)SEL用于選擇像素?？刂菩盘?hào)PRES用于將FD區(qū)域1005的電勢(shì)復(fù)位成電源電勢(shì)VDD(例如+5V)。
本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件設(shè)置有行存儲(chǔ)電路，該行存儲(chǔ)電路具有信號(hào)電平保持電容器Cs，以保持通過(guò)相加轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005的信號(hào)的信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)而獲得的電平的信號(hào)；以及復(fù)位電平保持電容Cn，以保持復(fù)位電平(N)的信號(hào)。
在此實(shí)施例中，假設(shè)將信號(hào)保持到信號(hào)電平保持電容器Cs的保持操作是基于控制信號(hào)PTS執(zhí)行的，并且將信號(hào)保持到復(fù)位電平保持電容器Cn的保持操作是基于控制信號(hào)PTN執(zhí)行的。
水平掃描電路(HSR)1018是轉(zhuǎn)移保持在行存儲(chǔ)電路中的一行的信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)的電路。
差分放大器1015放大通過(guò)相加信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)獲得的且保持在信號(hào)電平保持電容器Cs中的信號(hào)與保持在復(fù)位電平保持電容器Cn中的復(fù)位電平(N)的信號(hào)之間的差分信號(hào)(信號(hào)電平(S)的信號(hào))，并且產(chǎn)生輸出信號(hào)OUT。
由于對(duì)具有(1行×3列)的三個(gè)像素的固態(tài)圖像拾取器件的情況作為本實(shí)施例的例子進(jìn)行說(shuō)明，因此垂直掃描電路是不必要的。然而，在將像素布置為兩行或更多行的二維矩陣形狀時(shí)，自然地，以行單元為基礎(chǔ)順序地選擇像素的垂直掃描電路是必要的。
現(xiàn)在將參考圖2的定時(shí)圖表描述此實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的操作例子。
首先，在時(shí)間T1，高電平控制信號(hào)SEL提供給選擇MOS晶體管1012a到1012c的柵極。因而，選擇MOS晶體管1012a到1012c導(dǎo)通。即，選擇MOS晶體管1012基于矩陣的行單元被選中。由于描述了像素布置為一維矩陣形狀的情況作為本實(shí)施例的例子，因此所有選擇MOS晶體管1012被選中。
在時(shí)間T2，高電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，使得復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c導(dǎo)通。因而，F(xiàn)D區(qū)域1005a到1005c的電勢(shì)復(fù)位成電源電勢(shì)VDD。在時(shí)間T3，低電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，從而關(guān)斷復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。FD區(qū)域1005a到1005c的復(fù)位操作完成。
在時(shí)間T4，高電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管導(dǎo)通。通過(guò)復(fù)位操作獲得的復(fù)位電平(N)的信號(hào)分別通過(guò)源極跟隨器MOS晶體管1013a到1013c和選擇MOS晶體管1012a到1012c被傳送并且保持在復(fù)位電平保持電容器Cn中。
在時(shí)間T5，低電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管。將復(fù)位電平(N)的信號(hào)保持到復(fù)位電平保持電容器Cn中的操作完成。
在時(shí)間T6，高電平控制信號(hào)TX1提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c。因而，第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c導(dǎo)通。因此，積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。在時(shí)間T7，低電平控制信號(hào)TX1被提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c。因而，第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c關(guān)斷。積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子的轉(zhuǎn)移操作完成。
在時(shí)間T8，高電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c。因而，第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c導(dǎo)通。因此，已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c溢出并且已經(jīng)積累在橫向溢出區(qū)域1010a到1010c中的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。在時(shí)間T9，低電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c，從而關(guān)斷第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c。已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c溢出的載流子的轉(zhuǎn)移操作完成。
在時(shí)間T10，高電平控制信號(hào)PTS提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和信號(hào)電平保持電容器Cs之間的MOS晶體管導(dǎo)通?；谵D(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c的載流子的信號(hào)(通過(guò)相加信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)而獲得的信號(hào))被轉(zhuǎn)移并且保持到信號(hào)電平保持電容器Cs。在時(shí)間T11，低電平控制信號(hào)PTS提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和信號(hào)電平保持電容器Cs之間的MOS晶體管關(guān)斷。將基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域100Sa到1005c的載流子的信號(hào)保持到信號(hào)電平保持電容器Cs中的操作完成。
在時(shí)間T12，高電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，并且高電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c。因而，復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c和第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c導(dǎo)通。因而，F(xiàn)D區(qū)域1005a到1005c的電勢(shì)和橫向溢出區(qū)域1010a到1010c復(fù)位到電源電勢(shì)VDD。
在時(shí)間T13，低電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，且低電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c，從而關(guān)斷復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c和第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c。FD區(qū)域1005a到1005c和橫向溢出區(qū)域1010a到1010c的復(fù)位操作完成。復(fù)位操作是用于適當(dāng)執(zhí)行下一讀出操作的操作。
在時(shí)間T14，低電平控制信號(hào)SEL提供到選擇MOS晶體管1012a到1012c的柵極。因而，選擇MOS晶體管1012a到1012c關(guān)斷。選擇MOS晶體管1012的選擇操作完成。
在時(shí)間T15，高電平控制信號(hào)B1提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在信號(hào)電平保持電容器Cs和差分放大器1015之間的MOS晶體管，以及設(shè)置在復(fù)位電平保持電容器Cn和差分放大器1015之間的MOS晶體管導(dǎo)通。因而，通過(guò)相加信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)獲得的信號(hào)輸入到差分放大器1015的正側(cè)輸入端子(+)。復(fù)位電平(N)的信號(hào)輸入到差分放大器1015的負(fù)側(cè)輸入端子(-)。
在時(shí)間T16，低電平控制信號(hào)B1提供到行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷設(shè)置在信號(hào)電平保持電容器Cs和差分放大器1015之間的MOS晶體管，以及設(shè)置在復(fù)位電平保持電容器Cn和差分放大器1015之間的MOS晶體管。第一列的像素中的讀取操作完成。
在時(shí)間T17，提供了高電平控制信號(hào)PHRES。因而，差分放大器1015在第一列的像素中產(chǎn)生信號(hào)電平(S)的信號(hào)OUT。在時(shí)間T18，提供低電平控制信號(hào)PHRES，并且第一列的像素中的輸出操作完成。
對(duì)于時(shí)間間隔T19到T22，以及對(duì)于時(shí)間間隔T23到T26，執(zhí)行第二和第三列的像素中的信號(hào)的輸出操作。因而，在所有像素中執(zhí)行讀出信號(hào)和輸出信號(hào)的操作。
根據(jù)上述實(shí)施例，已經(jīng)溢出到橫向溢出區(qū)域1010a到1010c的載流子和積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。基于這些載流子的信號(hào)被相加，保持在信號(hào)電平保持電容器Cs中，并且從中讀出，從而擴(kuò)展固態(tài)圖像拾取器件的動(dòng)態(tài)范圍。
現(xiàn)在將描述上述的用于擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的像素結(jié)構(gòu)的具體例子。
(第一例子)圖3A示出了該實(shí)施例的第一例子，并且圖3A是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的平面圖。圖3B是在圖3A中沿線(xiàn)3B-3B所取的橫斷面視圖。雖然在圖3A和3B中僅示出了用于說(shuō)明該實(shí)施例所必要的組成元件，也可以設(shè)置除了圖3A和3B中示出的以外的其他組成元件。雖然在圖3A和3B中僅示出了第一列和第二列的像素，自然地，與第二列的像素相鄰地設(shè)置第三列的像素。
如圖3B所示，p型阱(p阱)1004形成在n型半導(dǎo)體襯底1009上。構(gòu)建光電二極管1003a和1003b的n型區(qū)域1011形成在p阱1004的正面?zhèn)?。?shí)現(xiàn)嵌入光電二極管結(jié)構(gòu)的p型區(qū)域1014形成在n型區(qū)域1011的表面上。
第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b如上所述形成在與光電二極管1003a和1003b相鄰的位置。諸如選擇性氧化物薄膜(SiO2膜)的由例如LOCOS(硅的局部氧化)方法形成的絕緣膜1001形成為圍繞光電二極管1003a和1003b且不包括由第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b的柵極形成的部分。
FD區(qū)域1005a和1005b形成為與光電二極管1003a和1003b相對(duì)，以便夾著第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b的柵極和與這些柵極相鄰的絕緣膜1001。其中每一個(gè)都包含形成在p阱1004的表面上的n型區(qū)域1016和p阱1004的結(jié)電容等的電容器形成在FD區(qū)域1005a和1005b中。如上所述，當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b的柵極導(dǎo)通時(shí)，積累在光電二極管1003a和1003b中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a和1005b。
復(fù)位MOS晶體管1007a和1007b以及第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a和1008b分別形成在FD區(qū)域1005a和1005b的側(cè)邊沿部分中。橫向溢出區(qū)域1010a和1010b形成為與FD區(qū)域1005a和1005b相對(duì)，以便夾著第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a和1008b的柵極。其中每一個(gè)都包含形成在p阱1004的表面上的n型區(qū)域1016和p阱1004的結(jié)電容等的電容器形成在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b中。
如上所述，當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)移MOS晶體管1008a和1008b的柵極導(dǎo)通時(shí)，積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b中的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a和1005b。在此例中，F(xiàn)D區(qū)域1005a和1005b及橫向溢出區(qū)域1010a和1010b在同一步驟中形成。
作為濃度高于p阱1004的p型區(qū)域的溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002形成在絕緣膜1001的下邊沿中，其中該絕緣膜1001形成在這樣的區(qū)域，該區(qū)域不包括夾在光電二極管1003a和1003b與橫向溢出區(qū)域1010a和1010b之間的區(qū)域，以及夾在這些區(qū)域與第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b之間的區(qū)域(其斜線(xiàn)方向與其他區(qū)域的斜線(xiàn)方向不同的區(qū)域此后稱(chēng)為“電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域”)。
通過(guò)溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002，可能防止積累在光電二極管1003a和1003b中的載流子流入其他像素。
如上所述，根據(jù)此例子，由于在電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中形成的絕緣膜1001的下邊沿中不形成溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002，已經(jīng)在光電二極管1003a和1003b中溢出的載流子可以積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中。
(第二例子)圖4A示出了本實(shí)施例的第二例子，并且圖4A是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的平面圖。圖4B是在圖4A中沿線(xiàn)4B-4B所取的橫斷面剖視圖。在圖4A和4B中僅以與圖3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要組成元件。與第一例子中相同或相似的部分由與圖3A和3B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
在第一例子中，在形成于電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中的絕緣膜1001的下邊沿區(qū)域中不形成溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002。然而，在第二例子中，如圖4A和4B所示，在形成在電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中的絕緣膜1001的下邊沿中形成濃度高于p阱1004且低于溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002的p型區(qū)域2001。
通過(guò)如上所述地構(gòu)造，已經(jīng)從光電二極管1003a和1003b溢出并且積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以通過(guò)簡(jiǎn)單地構(gòu)造由p型區(qū)域2001的濃度來(lái)盡可能地控制。
(第三例子)圖5A示出了該實(shí)施例的第三例子，并且圖5A是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的平面圖。圖5B是在圖5A中沿線(xiàn)5B-5B所取的橫斷面剖視圖。在圖5A和5B中僅以與圖3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要組成元件。與第一和第二例子中相同或相似的部分由與圖3A到4B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
在第三例子中，如圖5A和5B所示，p型區(qū)域3001形成在p阱1004中并低于溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002的區(qū)域(光電二極管1003a和1003b之間的每個(gè)區(qū)域)。如上所述，第三例子中的每個(gè)像素具有通過(guò)將p型區(qū)域3001加到第二例子的構(gòu)造而獲得的構(gòu)造。P型區(qū)域3001和溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002之間的濃度差可以設(shè)定為任意值。
通過(guò)如上所述地構(gòu)造，由于積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以通過(guò)兩種p型區(qū)域2001和3001的濃度來(lái)控制，所以可以以比第二例子中更高的準(zhǔn)確度控制它。
(第四例子)圖6A示出了本實(shí)施例的第四例子，并且圖6A是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的平面圖。圖6B是在圖6A中沿線(xiàn)6B-6B所取的橫斷面視圖。在圖6A和6B中僅以與圖3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要組成元件。與第一到第三例子中相同或相似的部分由與圖3A到5B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
在第四例子中，如圖6A和6B所示，也在形成于電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中的絕緣膜1001的下邊沿區(qū)域中形成溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域3002。如上所述，第四例子的每個(gè)像素具有用溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域3002代替第三例子的每個(gè)像素的構(gòu)造中的p型區(qū)域2001的構(gòu)造。
通過(guò)如上所述地構(gòu)造，積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以由溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域3002來(lái)控制。與第三例子相比較，不需要新形成p型區(qū)域2001。在此例子中同樣地，積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以通過(guò)簡(jiǎn)單構(gòu)造盡可能地控制。
(第五例子)圖7A示出了該實(shí)施例的第五例子，并且圖7A是示出了固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的平面圖。圖7B是在圖7A中沿線(xiàn)7B-7B所取的橫斷面視圖。在圖7A和7B中僅以與圖3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要組成元件。與第一到第四例子中相同或相似的部分由與圖3A到6B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
在第五例子中，如圖7A和7B所示，其濃度高于p阱1004的p型區(qū)域5001形成在p阱1004中且低于n型區(qū)域1016的區(qū)域中。如上所述，第五例子中的每個(gè)像素具有通過(guò)將p型區(qū)域5001加到第四例子的像素上的構(gòu)造。在第五例子中，像素構(gòu)造成使得p型區(qū)域5001和存在于最接近p型區(qū)域5001的位置上的溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002之間的間隔大于p型區(qū)域3001和存在于最接近p型區(qū)域3001的位置上的溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002之間的間隔。
通過(guò)如上所述地構(gòu)造，積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以由p型區(qū)域5001的濃度、尺寸以及位置來(lái)控制。因而，積累在橫向溢出區(qū)域1010a和1010b以及FD區(qū)域1005a和1005b中的一定量的載流子可以通過(guò)簡(jiǎn)單構(gòu)造以盡可能高的精確度進(jìn)行控制。P型區(qū)域5001也可以形成在光電二極管1003所屬于的像素中該光電二極管1003和橫向溢出區(qū)域1010之間。
(第二實(shí)施例)現(xiàn)在將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。在第二實(shí)施例的描述中，與前述第一實(shí)施例中相同或相似的部分由與圖1到圖7B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
圖8是示出了本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖。
如圖8所示，在第二實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件中，不設(shè)置第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008，并且不形成橫向溢出區(qū)域1010。其他電路的構(gòu)造基本上與圖1中示出的第一實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件相同。
現(xiàn)在將參考圖9的定時(shí)圖表描述第二實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的操作例子。
首先，在時(shí)間T1，高電平控制信號(hào)SEL提供給選擇MOS晶體管1012a到1012c的柵極，從而導(dǎo)通選擇MOS晶體管1012a到1012c。選擇MOS晶體管1012以矩陣的行單元為基礎(chǔ)而被選擇。
在時(shí)間T32，高電平控制信號(hào)PTX提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c，使得第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c導(dǎo)通。因而，積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。在此時(shí)，在光電二極管1003a和1003b中的載流子的積累期間，已經(jīng)溢出到FD區(qū)域1005a到1005c的載流子也轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。如上所述，在此實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c導(dǎo)通時(shí)，積累在光電二極管1003a和1003b中的載流子以及已經(jīng)從光電二極管1003a和1003b溢出的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。
在時(shí)間T33，低電平控制信號(hào)PTX提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c，從而關(guān)斷第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c。來(lái)自光電二極管1003a到1003c的載流子的轉(zhuǎn)移操作完成。
在時(shí)間T34，高電平控制信號(hào)PTS提供給行存儲(chǔ)器電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和信號(hào)電平保持電容器Cs之間的MOS晶體管導(dǎo)通。基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c的載流子的信號(hào)(通過(guò)相加信號(hào)電平(S)和復(fù)位電平(N)而獲得的信號(hào))被傳送并保持到信號(hào)電平保持電容器Cs中。在時(shí)間T35，低電平控制信號(hào)PTS提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和信號(hào)電平保持電容器Cs之間的MOS晶體管關(guān)斷。將基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c的載流子的信號(hào)保持到信號(hào)電平保持電容器Cs中的操作完成。
在時(shí)間T36，高電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。因而，復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c導(dǎo)通。因而，F(xiàn)D區(qū)域1005a到1005c復(fù)位成電源電勢(shì)VDD。在時(shí)間T37，低電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，從而關(guān)斷復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。FD區(qū)域1005a到1005c的復(fù)位操作完成。
在時(shí)間T38，高電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管導(dǎo)通。通過(guò)復(fù)位操作獲得的復(fù)位電平(N)的信號(hào)分別通過(guò)源極跟隨器MOS晶體管1013a到1013c和選擇MOS晶體管1012a到1012c被傳送并保持到復(fù)位電平保持電容器Cn。在時(shí)間T39，低電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管。將復(fù)位電平(N)的信號(hào)保持到復(fù)位電平保持電容器Cn的操作完成。
在時(shí)間T40，低電平控制信號(hào)SEL提供給選擇MOS晶體管1012a到1012c的柵極，從而關(guān)斷選擇MOS晶體管1012a到1012c。選擇MOS晶體管1012的選擇操作完成。
在此之后，對(duì)于T41到T52的時(shí)間間隔，以與第一實(shí)施例中所述的圖2中的時(shí)間間隔T15到T26的情況相似的方式，對(duì)每個(gè)像素逐一地執(zhí)行第一到第三列中像素中信號(hào)的輸出操作。
將描述本實(shí)施例中的每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)的例子。
圖10A是示出了第二實(shí)施例中的固態(tài)圖像拾取器件中的每個(gè)像素的構(gòu)造的例子的平面視圖。圖10B是在圖10A中沿線(xiàn)10B-10B所取的橫斷面視圖。在圖10A和10B中也以與第一實(shí)施例中描述的圖3A和3B相似的方式示出了第一和第二列的像素中的必要組成元件。
如上所述，在第二實(shí)施例中，在像素中不設(shè)置第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008，且不形成橫向溢出區(qū)域1010(參考圖10A)。
作為其濃度高于p阱1004的p型區(qū)域的溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002形成在如下區(qū)域中的絕緣膜1001的下邊沿其中該區(qū)域不包括夾在光電二極管1003a和1003b與復(fù)位MOS晶體管1007a和1007b之間的區(qū)域，以及夾在那些區(qū)域和第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a和1006b之間的區(qū)域(其斜線(xiàn)方向與其他區(qū)域的斜線(xiàn)方向不同的區(qū)域此后稱(chēng)為“第二電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域”)。
在第二電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中形成的絕緣膜1001的下邊沿中形成其濃度高于p阱1004且低于溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002的p型區(qū)域6001。
如上所述，在本實(shí)施例中，在第二電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中形成的絕緣膜1001的下邊沿中形成其濃度高于p阱1004且低于溝道截?cái)喹h(huán)區(qū)域1002的p型區(qū)域6001，并且在載流子的積累期間積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子和已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c中溢出的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。因此，可以通過(guò)比第一實(shí)施例簡(jiǎn)單的構(gòu)造擴(kuò)展固態(tài)圖像拾取器件的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)應(yīng)用圖9中描述的固態(tài)圖像拾取器件的驅(qū)動(dòng)方法，例如，即使在與上述的日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2001-186414中公開(kāi)的常規(guī)固態(tài)圖像拾取器件相同的電路中，也可以將固態(tài)圖像拾取器件的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展得比常規(guī)固態(tài)圖像拾取器件的動(dòng)態(tài)范圍更寬。
(第三實(shí)施例)現(xiàn)在將描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。在第三實(shí)施例的描述中，與前述第一實(shí)施例相同或相似的部分由與圖1到圖7B中相同的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)明，并且省略其詳細(xì)描述。
圖11是示出了本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的示意性構(gòu)造的例子的圖。
在第一實(shí)施例中，積累在光電二極管1003中的載流子和已經(jīng)從光電二極管1003溢出到橫向溢出區(qū)域1010的載流子已經(jīng)保持在相同信號(hào)電平保持電容器Cs中(圖2中從T5到T11的時(shí)間間隔)。然而，根據(jù)本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件，分別設(shè)置用于保持積累在光電二極管1003中的載流子的電容器和用于保持已經(jīng)從光電二極管1003中溢出到橫向溢出區(qū)域1010的載流子的電容器。
具體來(lái)說(shuō)，如圖11所示，本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件具有第一信號(hào)電平保持電容器Cs1，它保持已經(jīng)從光電二極管1003溢出到橫向溢出區(qū)域1010的載流子；以及第二信號(hào)電平保持電容器Cs2，它保持積累在光電二極管1003中的載流子。
現(xiàn)在將參考圖12的定時(shí)圖表描述本實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件的操作例子。
首先，在時(shí)間T61，高電平控制信號(hào)SEL被提供給選擇MOS晶體管1012a到1012c，從而導(dǎo)通選擇MOS晶體管1012a到1012c。選擇MOS晶體管1012以矩陣的行單元為基礎(chǔ)被選擇。
在時(shí)間T62，高電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c，使得第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c導(dǎo)通。因而，已經(jīng)從光電二極管1003a和1003c溢出并且已經(jīng)積累在橫向溢出區(qū)域1010a到1010c中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。在時(shí)間T63，低電平控制信號(hào)TX2提供給第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c，從而關(guān)斷第二轉(zhuǎn)移MOS晶體管1008a到1008c。已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c溢出的載流子的轉(zhuǎn)移操作完成。
在時(shí)間T64，高電平控制信號(hào)PTS1提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c和第一信號(hào)電平保持電容器Cs1之間的MOS晶體管導(dǎo)通。基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005的載流子的信號(hào)(通過(guò)相加基于已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c溢出的載流子的信號(hào)電平和復(fù)位電平(N)而獲得的信號(hào))被傳送并保持到第一信號(hào)電平保持電容器Cs1中。
在時(shí)間T65，低電平控制信號(hào)PTS1提供到行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷選擇MOS晶體管1012a到1012c與第一信號(hào)電平保持電容器Cs1之間的MOS晶體管。將基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005的載流子的信號(hào)保持到第一信號(hào)電平保持電容器Cs1的操作完成。
在時(shí)間T66，高電平控制信號(hào)PRES提供到復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，使得復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c導(dǎo)通。因而，F(xiàn)D區(qū)域1005a到1005c的電勢(shì)復(fù)位到電源電勢(shì)VDD。在時(shí)間T67，低電平控制信號(hào)PRES被提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，從而關(guān)斷復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。FD區(qū)域1005a到1005c的復(fù)位操作完成。
在時(shí)間T68，高電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c與復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管導(dǎo)通。通過(guò)復(fù)位操作獲得的復(fù)位電平(N)的信號(hào)分別通過(guò)源極跟隨器MOS晶體管1013a到1013c和選擇MOS晶體管1012a到1012c被傳送并保持到復(fù)位電平保持電容器Cn中。
在時(shí)間T69，低電平控制信號(hào)PTN提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c與復(fù)位電平保持電容器Cn之間的MOS晶體管關(guān)斷。將復(fù)位電平(N)的信號(hào)保持到復(fù)位電平保持電容器Cn中的操作完成。
在時(shí)間T70，高電平控制信號(hào)TX1提供到第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c。因而，第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c導(dǎo)通。因此，積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。在時(shí)間T71，低電平控制信號(hào)TX1提供給第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c，從而關(guān)斷第一轉(zhuǎn)移MOS晶體管1006a到1006c。積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子的轉(zhuǎn)移操作完成。
在時(shí)間T72，高電平控制信號(hào)PTS2提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c與第二信號(hào)電平保持電容器Cs2之間的MOS晶體管導(dǎo)通?；谵D(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005的載流子的信號(hào)(通過(guò)相加基于積累在光電二極管1003a到1003c中的載流子的信號(hào)電平與復(fù)位電平(N)而獲得的信號(hào))被傳送并且保持到第二信號(hào)電平保持電容器Cs2中。
在時(shí)間T73，低電平控制信號(hào)PTS2提供給行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷被設(shè)置在選擇MOS晶體管1012a到1012c與第二信號(hào)電平保持電容器Cs2之間的MOS晶體管。將基于轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005中的載流子的信號(hào)保持到第二信號(hào)電平保持電容器Cs的操作完成。
在時(shí)間T74，高電平控制信號(hào)PRES提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，從而導(dǎo)通復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。FD區(qū)域1005a到1005c復(fù)位成電源電勢(shì)VDD。在時(shí)間T75，低電平控制信號(hào)PRES被提供給復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c，從而關(guān)斷復(fù)位MOS晶體管1007a到1007c。FD區(qū)域1005a到1005c的復(fù)位操作完成。
在時(shí)間T76，低電平控制信號(hào)SEL提供給選擇MOS晶體管1012a到1012c的柵極，從而關(guān)斷選擇MOS晶體管1012a到1012c。選擇MOS晶體管1012的選擇操作完成。
在時(shí)間T77，高電平控制信號(hào)B1提供給行存儲(chǔ)電路。因而，設(shè)置在第一信號(hào)電平保持電容器Cs1和差分放大器1015之間的MOS晶體管、設(shè)置在第二信號(hào)電平保持電容器Cs2和差分放大器1015之間的MOS晶體管以及設(shè)置在復(fù)位電平保持電容器Cn和差分放大器1015之間的MOS晶體管被導(dǎo)通。因而，通過(guò)相加基于積累在光電二極管1003a中的載流子和已經(jīng)從光電二極管1003a溢出到橫向溢出區(qū)域1010a中的載流子的信號(hào)電平(S)與復(fù)位電平(N)而獲得的信號(hào)被輸入到差分放大器1015的正側(cè)輸入端子(+)。復(fù)位電平(N)的信號(hào)輸入到差分放大器1015的負(fù)側(cè)輸入端子(-)。
在時(shí)間T78，低電平控制信號(hào)B1提供給行存儲(chǔ)電路，從而關(guān)斷設(shè)置在第一信號(hào)電平保持電容器Cs1和差分放大器1015之間的MOS晶體管、設(shè)置在第二信號(hào)電平保持電容器Cs2和差分放大器1015之間的MOS晶體管以及設(shè)置在復(fù)位電平保持電容器Cn和差分放大器1015之間的MOS晶體管。第一列的像素中的讀操作完成。
在時(shí)間T79，提供高電平控制信號(hào)PHRES。因而，差分放大器1015產(chǎn)生第一列的像素中的信號(hào)電平(S)的信號(hào)OUT。在時(shí)間T80，提供低電平控制信號(hào)PHRES并且第一列的像素中的輸出操作完成。
在從T81到T84的時(shí)間間隔和從T85到T88的時(shí)間間隔，執(zhí)行第二和第三列中的像素的輸出操作。因而，已經(jīng)對(duì)所有的像素執(zhí)行了用于讀出信號(hào)并輸出的操作。
現(xiàn)在將描述從差分放大器1015輸出的電壓。
現(xiàn)在假設(shè)第一信號(hào)電平保持電容器Cs1的電容等于C1[F]，復(fù)位電平保持電容器Cn的電容等于C2[F]，第二信號(hào)電平保持電容器Cs2的電容等于C3[F]，第一信號(hào)電平保持電容器Cs1的電壓等于V1[V]，復(fù)位電平保持電容器Cn的電壓等于V2[V]，并且第二信號(hào)電平保持電容器Cs2的電壓等于V3[V]。進(jìn)一步地，假設(shè)連接到差分放大器1015的正側(cè)輸入端子(+)和負(fù)側(cè)輸入端子(-)的每個(gè)水平輸出線(xiàn)路的電容等于Ch[F]。因而，輸入到差分放大器1015的正側(cè)輸入端子(+)的電壓VS[V]和輸入到負(fù)側(cè)輸入端子(-)的電壓VN[V]由下式(1)和(2)表達(dá)。
VS＝(V1×C1+V3×C3)/Ch＝(V1+V3)×C1/Ch ...(1)VN＝V2×C2/Ch＝2×V2×C1/Ch ...(2)其中，假設(shè)第一信號(hào)電平保持電容器Cs1的電容C1等于第二信號(hào)電平保持電容器Cs2的電容C3，并且第一信號(hào)電平保持電容器Cs1的電容C1和第二信號(hào)電平保持電容器Cs2的電容C3的每一個(gè)都等于復(fù)位電平保持電容器Cn的電容C2的一半(C2＝2×C1＝2×C3)。
因此，從差分放大器1015輸出基于式(1)和(2)的電壓值VS和VN之間的差的電壓。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，由于分別設(shè)置用于保持積累在光電二極管1003中的載流子的電容器(第二信號(hào)電平保持電容器Cs2)和用于保持已經(jīng)從光電二極管1003溢出到橫向溢出區(qū)域1010的載流子的電容器(第一信號(hào)電平保持電容器Cs1)，因此，除了在前述第一實(shí)施例中所述的效果之外，獲得了可以進(jìn)一步降低從差分放大器1015輸出的電壓(信號(hào))的噪聲的這種效果。
此實(shí)施例中的每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)基本上與第一實(shí)施例中的相同，且可以使用前述第一到第五例子中所示的任何一種結(jié)構(gòu)(參考圖3A到7B)。
(其他實(shí)施例)現(xiàn)在將參考圖13詳細(xì)描述前述每個(gè)實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件應(yīng)用于靜物照相機(jī)的情況下的實(shí)施例。
圖13是示出了前述每個(gè)實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件應(yīng)用于“靜物攝像機(jī)”的情況的框圖。
在圖13中，參考標(biāo)號(hào)1301表示同時(shí)作為用于透鏡保護(hù)的裝置和主開(kāi)關(guān)的擋板；1302表示將對(duì)象的光學(xué)圖像形成在固態(tài)圖像拾取器件1304上的透鏡；1303表示改變通過(guò)透鏡1302的光量的光圈；1304表示取得由透鏡1302形成的作為圖像信號(hào)的對(duì)象圖像的固態(tài)圖像拾取器件；并且1306表示A/D轉(zhuǎn)換器，它把從固態(tài)圖像拾取器件1304輸出的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
參考標(biāo)號(hào)1307表示對(duì)從A/D轉(zhuǎn)換器1306輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種校正并且壓縮數(shù)據(jù)的信號(hào)處理單元；1308表示對(duì)固態(tài)圖像拾取器件1304、圖像拾取信號(hào)處理電路1035、A/D轉(zhuǎn)換器1306以及信號(hào)處理單元1307產(chǎn)生各種定時(shí)信號(hào)的定時(shí)產(chǎn)生器；1309表示整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元，用于執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算以及控制整體的靜物攝像機(jī)；1310表示暫時(shí)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；1311表示向/從記錄介質(zhì)記錄或讀出圖像數(shù)據(jù)的接口(I/F)單元；1312表示諸如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等可拆卸記錄介質(zhì)，用于記錄或讀出圖像數(shù)據(jù)；以及1313表示與外部計(jì)算機(jī)等通信的接口單元。
現(xiàn)在將描述前述構(gòu)造的靜物攝像機(jī)的拍攝操作。
當(dāng)擋板1301打開(kāi)時(shí)，主電源接通，控制系統(tǒng)的電源隨之接通，且諸如A/D轉(zhuǎn)換器1306等的圖像拾取系統(tǒng)電路的電源接通。
為了控制曝光量，隨后，整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309打開(kāi)光圈1303。從固態(tài)圖像拾取器件1304輸出的信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器1306轉(zhuǎn)換，并且之后，輸入到信號(hào)處理單元1307。
整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309基于所處理的數(shù)據(jù)執(zhí)行曝光的算術(shù)運(yùn)算。
基于光度測(cè)量的結(jié)果識(shí)別亮度。整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309基于所獲得的亮度控制光圈1303。
基于從固態(tài)圖像拾取器件1304輸出的信號(hào)，抽取高頻分量，且離對(duì)象的距離的算術(shù)運(yùn)算由整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309執(zhí)行。在此之后，透鏡被驅(qū)動(dòng)，且識(shí)別對(duì)象圖像是否已經(jīng)在焦點(diǎn)上。如果確定對(duì)象圖像離焦，則透鏡被驅(qū)動(dòng)且再次測(cè)量距離。確認(rèn)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)之后，開(kāi)始主曝光。
曝光之后，從固態(tài)圖像拾取器件1304輸出的圖像信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器1306進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)經(jīng)由信號(hào)處理單元1307傳送，并且由整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309寫(xiě)入存儲(chǔ)單元。
此后，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元1310中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)記錄介質(zhì)控制I/F單元1311，并且由整體控制和算術(shù)運(yùn)算單元1309記錄到可拆卸記錄介質(zhì)1312中。也可能經(jīng)由外部I/F單元1313傳送數(shù)據(jù)，直接將其輸入到計(jì)算機(jī)等，以及修改圖像。
現(xiàn)在將參考圖14詳細(xì)描述每一個(gè)前述實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件應(yīng)用于攝像機(jī)的情況下的實(shí)施例。
圖14是示出了每一個(gè)前述實(shí)施例的固態(tài)圖像拾取器件應(yīng)用于“攝像機(jī)”的情況下的框圖。在圖14中，參考標(biāo)號(hào)1401表示攝影透鏡，其包括調(diào)整焦點(diǎn)的聚焦透鏡1401A；執(zhí)行變焦操作的變焦透鏡1401B；以及圖像拾取透鏡1401C。
參考標(biāo)號(hào)1402表示光圈；1403表示將形成在圖像拾取表面上的對(duì)象圖像光電轉(zhuǎn)換成電圖像拾取信號(hào)的固態(tài)圖像拾取器件；1404表示采樣并保持從固態(tài)圖像拾取器件1403輸出的圖像拾取信號(hào)并進(jìn)一步地放大信號(hào)電平且輸出視頻信號(hào)的采樣和保持(S/H)電路。
參考標(biāo)號(hào)1405表示對(duì)從S/H電路1404輸出的視頻信號(hào)執(zhí)行諸如伽馬校正、彩色分離、消隱處理等的預(yù)定處理，并且輸出亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)C的處理電路。從處理電路1405輸出的色度信號(hào)C接受彩色信號(hào)校正電路1421進(jìn)行的白平衡和彩色平衡的校正，使得輸出色差信號(hào)R-Y和B-Y。
從處理電路1405輸出的亮度信號(hào)Y和從彩色信號(hào)校正電路1421輸出的色差信號(hào)R-Y和B-Y由編碼器電路(ENC電路)1424調(diào)制，并且作為標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)輸出。該標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)提供給視頻記錄器(未示出)或諸如監(jiān)視器EVF(電取景器)等的電子取景器(未示出)。
參考標(biāo)號(hào)1406表示光闌控制電路，它基于從S/H電路1404提供的視頻信號(hào)控制光闌驅(qū)動(dòng)電路1407，并且自動(dòng)控制ig測(cè)量計(jì)1408，以便控制光圈1402的孔徑量，使得視頻信號(hào)被設(shè)定為預(yù)定電平值。
參考標(biāo)號(hào)1413和1414表示具有不同帶限頻率的帶通濾波器(BPF)，用于從輸出自S/H電路1404的視頻信號(hào)中抽取檢測(cè)焦點(diǎn)所必要的高頻分量。從第一帶通濾波器1413(BPF1)和第二帶通濾波器1414(BPF2)輸出的信號(hào)由門(mén)電路1415和聚焦門(mén)幀信號(hào)(focusinggate frame signal)進(jìn)行選通。每個(gè)信號(hào)的峰值由峰值檢測(cè)電路1416檢測(cè)，被保存，并且輸入到邏輯控制電路1417。
邏輯控制電路1417的輸出信號(hào)稱(chēng)為聚焦電壓。對(duì)象圖像基于該聚焦電壓進(jìn)行焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
參考標(biāo)號(hào)1418表示用于檢測(cè)聚焦透鏡1401A的移動(dòng)位置的聚焦編碼器；1419表示檢測(cè)變焦透鏡1401B的焦距的變焦編碼器；1420表示檢測(cè)光圈1402的孔徑量的光闌編碼器。這些編碼器的檢測(cè)值被提供給邏輯控制電路1417以進(jìn)行系統(tǒng)控制。
邏輯控制電路1417基于對(duì)應(yīng)于所設(shè)定的聚焦檢測(cè)區(qū)域中的一個(gè)范圍的視頻信號(hào)對(duì)對(duì)象執(zhí)行聚焦檢測(cè)。從而進(jìn)行聚焦調(diào)整。即，邏輯控制電路1417接收從BPF 1413和1414提供的高頻分量的峰值信息，并且將關(guān)于聚焦電機(jī)1410的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)/停止等的控制信號(hào)提供給聚焦驅(qū)動(dòng)電路1409，從而控制它，以便將聚焦透鏡1401A驅(qū)動(dòng)到其中高頻分量的峰值變得最大的位置。
應(yīng)該注意，可以?xún)H基于溢出到存儲(chǔ)電容器或浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中的載流子來(lái)產(chǎn)生圖像。
前述實(shí)施例的每一個(gè)已經(jīng)作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體例子而示出，且本發(fā)明的技術(shù)范圍并非限定性地由上述實(shí)施例解釋。
權(quán)利要求
1.一種包括多個(gè)像素的圖像拾取器件，其中每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換單元；第一轉(zhuǎn)移晶體管，用于轉(zhuǎn)移積累在所述光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子；電容器，已經(jīng)從所述光電轉(zhuǎn)換單元溢出的載流子的至少一部分可以流入該電容器中；以及其中所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述電容器之間的勢(shì)壘低于所述光電轉(zhuǎn)換單元和與所述光電轉(zhuǎn)換單元鄰近的相鄰像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間的勢(shì)壘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括像素信號(hào)產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生基于積累在光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子和積累在電容器中的載流子的像素信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，所述第一轉(zhuǎn)移晶體管將積累在所述光電轉(zhuǎn)換單元中的載流子轉(zhuǎn)移到該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中，以及放大單元，用于放大基于轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域中的載流子的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，進(jìn)一步包括第二轉(zhuǎn)移晶體管，用于將積累在所述電容器中的載流子轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域，其中所述電容器設(shè)置成與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)域相對(duì)，以便夾著所述第二轉(zhuǎn)移晶體管，并且設(shè)置成與所述光電轉(zhuǎn)換單元相對(duì)，以便夾著所述低勢(shì)壘的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述光電轉(zhuǎn)換單元包括用于積累載流子的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體區(qū)域，以及與所述第一導(dǎo)電類(lèi)型相對(duì)的第二導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體區(qū)域，以及在所述光電轉(zhuǎn)換單元和與所述光電轉(zhuǎn)換單元鄰近的像素的光電轉(zhuǎn)換單元之間設(shè)置第二導(dǎo)電類(lèi)型的第三半導(dǎo)體區(qū)域，作為用于載流子的勢(shì)壘。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中在所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述電容器之間形成其濃度低于所述第三半導(dǎo)體區(qū)域的第二導(dǎo)電類(lèi)型的第四半導(dǎo)體區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中在所述光電轉(zhuǎn)換單元和與所述光電轉(zhuǎn)換單元鄰近的光電轉(zhuǎn)換單元之間形成與所述第三半導(dǎo)體區(qū)域不同的第二導(dǎo)電類(lèi)型的第五半導(dǎo)體區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述第三半導(dǎo)體區(qū)域設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換單元和與所述光電轉(zhuǎn)換單元鄰近的光電轉(zhuǎn)換單元之間，以及在所述光電轉(zhuǎn)換單元和所述電容器之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中在低于所述電容器的地方形成與所述第三半導(dǎo)體區(qū)域不同的第二導(dǎo)電類(lèi)型的第六半導(dǎo)體區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述像素具有復(fù)位晶體管，用于設(shè)定所述放大單元的所述輸入的電勢(shì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中所述像素進(jìn)一步具有復(fù)位電平保持單元，用于通過(guò)所述放大單元輸入基于由所述復(fù)位單元設(shè)定的所述輸入中的載流子的信號(hào)，并且保持所述信號(hào)；以及信號(hào)電平保持單元，用于通過(guò)所述放大單元輸入基于由第一轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移到所述輸入的載流子的信號(hào)，以及基于由第二轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移到所述輸入的載流子的信號(hào)，并且保持所述信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述信號(hào)電平保持單元分別地保持基于由所述第一轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移到所述輸入的載流子的信號(hào)，和基于由所述第二轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移到所述輸入的載流子的信號(hào)。
13.一種照相機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求1的圖像拾取器件；用于在所述固態(tài)圖像拾取器件上形成光學(xué)圖像的透鏡；以及用于使通過(guò)所述透鏡的光量可變的光圈。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以適當(dāng)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的固態(tài)圖像拾取器件。已經(jīng)從光電二極管1003a到1003c溢出到橫向溢出區(qū)域1010a到1010c的載流子、以及積累在光電二極管1003a和1003b中的載流子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)域1005a到1005c。基于這些載流子的信號(hào)相加并被保持在信號(hào)電平保持電容器Cs中，并且從中讀出，從而擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)H04N5/355GK1805508SQ20061000513
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者上野勇武, 小泉徹, 沖田彰, 櫻井克仁 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社