專利名稱：固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器件、驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
近些年來，在適用于視頻攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)等的被稱為固態(tài)成像器件的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器和放大型圖像傳感器中，通過在高靈敏度或者減小圖像尺寸的情況下增加像素的數(shù)量，進(jìn)行了像素尺寸的小型化。另一方面，一般來說，諸如CCD圖像傳感器或者CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器之類的固態(tài)成像器件往往被用于各種環(huán)境，諸如室內(nèi)和室外，白天和夜晚，因此，電子快門操作等常常是必要的，其中，根據(jù)外部光線的變化等控制光電轉(zhuǎn)換元件中的電荷存儲時間，來調(diào)節(jié)曝光時間，使得靈敏度為最佳值。
作為擴(kuò)展CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍的方法，已知如下幾種方法通過高速打開電子快門調(diào)節(jié)曝光時間的方法；以高速獲取多個幀并且將其疊加的方法；允許光接收區(qū)的光電轉(zhuǎn)換特性為對數(shù)響應(yīng)的方法等。
但是，當(dāng)在具有其中明區(qū)和暗區(qū)相混合的高對比度的圖像攝取景象中使用高速打開電子快門的方法時，難以保證足夠的曝光時間，尤其是在暗區(qū)中，即在低亮度景象中，因此S/N劣化并且圖像質(zhì)量下降。在高速獲取多個幀并且將其疊加的方法中，與簡單地打開電子快門的方法相比，通過疊加圖像可以改善S/N，但是，由于對應(yīng)于多幀的多次讀出而累積讀出導(dǎo)致的噪音，因此，在低亮度景象中S/N也發(fā)生劣化。通過對數(shù)響應(yīng)特性擴(kuò)散動態(tài)范圍是有效的，但是，由在亞閾值區(qū)工作的晶體管的閾值變化導(dǎo)致的固定模式噪音變得明顯，尤其在低亮度區(qū)域。例如，當(dāng)從房間對窗戶旁邊的人進(jìn)行攝影時，如果針對人調(diào)節(jié)靈敏度，則窗戶的景象是飽和白色的并且難以被再現(xiàn)。如果針對窗戶的景象調(diào)節(jié)靈敏度，則攝取的人較黑暗，因?yàn)榧词雇ㄟ^攝影之后的放大也難以充分保證信號電平并且難以獲得高質(zhì)量的圖像，所以S/N降低。
在攝影場景中，必要的是，在圖像傳感器上用少量的入射光在像素中通過長時間曝光來實(shí)現(xiàn)的高S/N，以及通過避免大量入射光造成的像素中的飽和而擴(kuò)展動態(tài)范圍。
在相關(guān)技術(shù)中，作為實(shí)現(xiàn)高S/N的方法(其幾乎等價于在低亮度下的像素中的常規(guī)操作和在高亮度下的像素中擴(kuò)展動態(tài)范圍)，已知一種記載于IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)2005，pp.354，2005年2月(非專利文件1)中的技術(shù)。具體地，如圖40所示，在放大型圖像傳感器(其中像素100被布置成矩陣形式，其包括光電二極管101、轉(zhuǎn)移晶體管102、復(fù)位晶體管103、放大晶體管1104和選擇晶體管105)中，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管102被關(guān)斷時，如果存儲的電子超過某一電平，則被施加到控制電極的電壓被設(shè)置到電平Vtrg，而不是通常使得晶體管完全關(guān)斷的電平，其中多余的電子被允許溢流到FD區(qū)106。
當(dāng)電子被存儲在光電二極管101中并且超過電平Vtrg時，則在亞閾值區(qū)域啟動到FD區(qū)106的漏流。因?yàn)槁┝髟趤嗛撝祬^(qū)域運(yùn)行，所以保留在光電二極管101中的電子的數(shù)量是對數(shù)響應(yīng)。
如圖41所示，在時段t0處的復(fù)位操作之后，執(zhí)行存儲，同時電壓Vtrg被施加到轉(zhuǎn)移晶體管102的控制電極。在其中被存儲的電子的數(shù)量較少的時段t1的狀態(tài)中，所有電子都被存儲在光電二極管101中，但是，當(dāng)被存儲的電子的數(shù)量超過電平Vtrg時，電子開始泄漏到FD區(qū)106，如時段t2處所示的。
因?yàn)閬嗛撝祬^(qū)域中的電子漏流，即使當(dāng)存儲繼續(xù)進(jìn)行時(t3)，電子也以相對于入射光強(qiáng)度的對數(shù)特性被存儲。在時段t4，F(xiàn)D區(qū)106中溢流的電子被復(fù)位，并且存儲在光電二極管101中的所有電子通過完全轉(zhuǎn)移被讀出。入射光強(qiáng)度和輸出電子的數(shù)量之間的關(guān)系被示于圖42中。在入射光強(qiáng)度超過由電壓Vtrg設(shè)定的線性區(qū)域的上限Qlinear的情況下，輸出電子的數(shù)量由對數(shù)響應(yīng)確定。
然而，雖然據(jù)報道在非專利文件1中所記載的相關(guān)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了124dB的動態(tài)范圍，但是其中實(shí)現(xiàn)高S/N的線性區(qū)域的飽和水平小于常規(guī)飽和水平Qs的一半。此外，雖然利用對數(shù)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了極寬的動態(tài)范圍，但是對數(shù)響應(yīng)電路往往受到閾值變化等的影響，因此，在寬的動態(tài)范圍區(qū)中仍存在大的固定模式噪音，其中，即使在執(zhí)行了對于閾值變化的消除操作之后，當(dāng)線性區(qū)域中的固定模式噪音為0.8mV時，在對數(shù)區(qū)域中所述固定模式噪音為5mV。
因此，理想的是，提供一種固態(tài)成像器件、一種驅(qū)動該固體成像器件的方法和一種成像設(shè)備，其中，在低亮度下在不縮窄常規(guī)飽和水平的情況下可以實(shí)現(xiàn)具有線性和高S/N的信號獲取，同時，相對于大于常規(guī)飽和水平的入射光可以擴(kuò)展動態(tài)范圍，同時也在線性區(qū)域中實(shí)現(xiàn)良好的S/N。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像器件，包括成像區(qū)域，其中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)移柵和存儲部分，所述光電轉(zhuǎn)換部分被配置用于接收入射光并產(chǎn)生信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵被配置用于從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉(zhuǎn)移柵讀出的信號，其中所述轉(zhuǎn)移柵通過不完全轉(zhuǎn)移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中所述第一信號電荷被從所述存儲部分發(fā)送出，其中將在所述不完全轉(zhuǎn)移時保留在所述光電轉(zhuǎn)換部分的第二電荷加到在所述光電轉(zhuǎn)換部分中通過在所述不完全轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入的光所產(chǎn)生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉(zhuǎn)移柵讀出到所述存儲部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，提供了一種成像設(shè)備，包括固態(tài)成像器件，所述固態(tài)成像器件具有成像區(qū)域，所述成像區(qū)域中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)移柵和存儲部分，所述光電轉(zhuǎn)換部分被配置用于接收入射光并產(chǎn)生信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵被配置用于從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉(zhuǎn)移柵讀出的信號；以及控制元件，用于控制所述固態(tài)成像器件，其中所述控制元件向所述固態(tài)成像器件供應(yīng)控制信號，其中所述轉(zhuǎn)移柵由基于所述控制信號產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動，其中所述轉(zhuǎn)移柵通過不完全轉(zhuǎn)移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中所述第一信號電荷被從所述存儲部分發(fā)送出，其中將在所述不完全轉(zhuǎn)移時保留在所述光電轉(zhuǎn)換部分的第二電荷加到在所述光電轉(zhuǎn)換部分中通過在所述不完全轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入的光所產(chǎn)生的第三電荷，其中通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉(zhuǎn)移柵讀出到所述存儲部分。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的配置的系統(tǒng)配置圖；圖2是示出了供應(yīng)電壓控制電路的電路配置的實(shí)例的電路圖；圖3是示出了供應(yīng)電壓控制電路中的輸入和輸出的時序關(guān)系的時序圖；圖4A和4B是用于解釋各個操作的時序圖，其中圖4A是常規(guī)讀出的情形，圖4B是以高S/N和寬動態(tài)范圍為目標(biāo)的情形；圖5是示出了當(dāng)多個電壓被選擇性供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極時在像素中的電勢的實(shí)例的電勢圖；圖6是示出了當(dāng)入射光弱時電勢的變化的電勢圖；圖7是示出了當(dāng)入射光強(qiáng)時電勢的變化的電勢圖；圖8是在第二次轉(zhuǎn)移之后消除閾值變化的原因的解釋圖；圖9是示出了曝光時間和在光接收區(qū)中的存儲電子的數(shù)量之間的關(guān)系的圖線；圖10是示出了加到其飽和電子數(shù)量Qe為8800e的光電二極管的轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極的供應(yīng)電壓Vtrg-當(dāng)供應(yīng)電壓Vtrg時在光電二極管中保持的電子的數(shù)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖線；圖11是示出了被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極的電壓的供應(yīng)時序的另一個實(shí)例的時序圖；圖12是示出了被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極的電壓的供應(yīng)時序的另一個實(shí)例的時序圖；
圖13是對于使得S/N變高和使得動態(tài)范圍變寬的解釋圖；圖14是示出了預(yù)定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖線；圖15是示出了在上面的實(shí)驗(yàn)中指明入射光強(qiáng)度的所產(chǎn)生的電子的總數(shù)和通過各個中間轉(zhuǎn)移和最后的完全轉(zhuǎn)移作為輸出所轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量之間的關(guān)系的圖線；圖16A和圖16B是示出了單元像素的其它電路實(shí)例的電路圖；圖17是示出了當(dāng)使用包括三個晶體管的像素電路時的操作實(shí)例的時序圖；圖18是示出了在完全轉(zhuǎn)移時段和電子快門時段中的電勢關(guān)系和具體的時序關(guān)系的時序圖；圖19是示出了在中間轉(zhuǎn)移時段中的電勢關(guān)系和具體的時序關(guān)系的時序圖；圖20A到圖20F是示出了在各個時序時的電勢關(guān)系的電勢圖；圖21A到圖21D是中間轉(zhuǎn)移中的電勢圖；圖22是示出了在中間轉(zhuǎn)移中入射光強(qiáng)度和信號電荷之間的對應(yīng)關(guān)系的圖線；圖23是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個應(yīng)用的操作實(shí)例1的時序圖；圖24是示出了在操作實(shí)例1的情形中在中間轉(zhuǎn)移時段中的電勢關(guān)系和具體的時序關(guān)系的時序圖；圖25是示出了在操作實(shí)例1的情形中在完全轉(zhuǎn)移時段和電子快門時段中的電勢關(guān)系和具體的時序關(guān)系的時序圖；圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例2的時序圖；圖27是出了在操作實(shí)例2的情形中在中間轉(zhuǎn)移時段和電子快門時段中的電勢關(guān)系和具體的時序關(guān)系的時序圖；圖28是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例3的時序圖；圖29是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例4的時序圖；圖30是強(qiáng)迫飽和操作的時序圖；圖31A到圖31D是在利用中間轉(zhuǎn)移的讀出中的電勢圖；圖32A到圖32E是在強(qiáng)迫飽和操作和中間轉(zhuǎn)移中的電勢圖；
圖33是示出了包括像素固定模式噪音的補(bǔ)償功能的系統(tǒng)配置的方框圖；圖34A和圖34B是示出了當(dāng)應(yīng)用于CCD圖像傳感器時的實(shí)例的電勢圖；圖35是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例1的示意圖；圖36是示出了白熾燈光譜的實(shí)例的圖線；圖37是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例2的示意圖；圖38是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例3的示意圖；圖39是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的成像設(shè)備的配置實(shí)例的方框圖；圖40是像素的電路配置的實(shí)例的電路圖；圖41是在非專利文件1中記載的相關(guān)技術(shù)中的電勢圖；和圖42是示出了在非專利文件1中記載的相關(guān)技術(shù)中的入射光強(qiáng)度和輸出電子的數(shù)量之間的關(guān)系的圖線。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的固態(tài)成像器件(例如，CMOS圖像傳感器)的配置的系統(tǒng)配置圖。
如圖1所示，根據(jù)此實(shí)施例的CMOS圖像傳感器包括像素陣列區(qū)域11，其中，包括光電轉(zhuǎn)換元件的單元像素(此后，有時簡稱為“像素”)20以矩陣形式二維地排列在該像素陣列區(qū)域11中；CMOS圖像傳感器作為其外圍電路還包括垂直掃描電路12、供應(yīng)電壓控制電路13、電壓供應(yīng)電路14、時序發(fā)生器電路(TG)15、多個列電路16、水平掃描電路17和列信號選擇電路18。
在像素陣列區(qū)域11中的像素20的矩陣排列中，在每一列布置垂直信號線111，在每一行布置驅(qū)動控制線，例如轉(zhuǎn)移控制線112、復(fù)位控制線113、選擇控制線114。此外，每一個單元像素20布置供應(yīng)復(fù)位電壓Vrst的復(fù)位線115。
(單元像素)在圖1中示出了單元像素20的電路配置的實(shí)例。根據(jù)電路實(shí)例的單元像素20具有像素電路，該像素電路包括例如光電二極管21的光電轉(zhuǎn)換元件，此外還包括轉(zhuǎn)移晶體管22、復(fù)位晶體管23、放大晶體管24和選擇晶體管25四個晶體管。在此情況下，例如N-溝道MOS晶體管被用作這樣的晶體管22-25。
轉(zhuǎn)移晶體管22等同于權(quán)利要求中的轉(zhuǎn)移柵，其被連接在光電二極管21的陰極電極和作為電荷/電壓轉(zhuǎn)換器的FD區(qū)(浮動擴(kuò)散區(qū))26之間。由光電二極管21光電轉(zhuǎn)換的并且存儲在轉(zhuǎn)移晶體管22的信號電荷(在此情況下，電子)通過提供給柵電極(控制電極)的轉(zhuǎn)移脈沖TRG轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。
在信號電荷從光電二極管21到FD區(qū)26的轉(zhuǎn)移之前，復(fù)位晶體管23通過提供給柵電極的復(fù)位脈沖RST將FD區(qū)26的電勢復(fù)位到復(fù)位電壓Vrest，其中在復(fù)位晶體管23中，漏電極被連接到復(fù)位線115，源電極被連接到FD區(qū)26。
放大晶體管24輸出在由復(fù)位晶體管23復(fù)位之后的FD區(qū)26的電勢作為復(fù)位電平，并且還輸出在信號電荷由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移之后的FD區(qū)26的電勢作為信號電平，其中在放大晶體管24中，柵電極被連接到FD區(qū)26，漏電極被連接到像素電源Vdd。
選擇晶體管25通過將選擇脈沖SEL提供到柵電極而變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，并且使得像素20成為選定狀態(tài)，將從放大晶體管24輸出的信號輸出到垂直信號線111，其中在選擇晶體管25中，漏電極被連接到放大晶體管24的源電極，源電極被連接到垂直信號線111。
還優(yōu)選的是，選擇晶體管25應(yīng)用如下的配置，其中該晶體管被連接在像素電源Vdd和放大晶體管24的漏電極之間。
垂直掃描電路12包括移位寄存器、地址解碼器等，其通過適當(dāng)?shù)厣蓮?fù)位脈沖RST、轉(zhuǎn)移脈沖TRG、和選擇脈沖SEL等，針對各個電子快門行和讀出行沿垂直方向逐行地掃描像素陣列區(qū)域11中的各個像素。對于電子快門行，執(zhí)行用于清除該行的像素20中的信號的電子快門操作，對于讀出行，執(zhí)行用于讀出該行的像素20中的信號的讀出操作。
雖然沒有在此示出，但是垂直掃描電路12在依次選擇以行為單位的像素20的同時，具有讀出掃描系統(tǒng)，用于執(zhí)行讀出行的各個像素20中的信號的讀出操作，并且具有電子快門掃描系統(tǒng)，用于比由讀出掃描系統(tǒng)進(jìn)行的讀出掃描早對應(yīng)于快門速度的時間對于同一行(電子快門行)執(zhí)行電子快門操作。
然后，從當(dāng)由電子快門掃描系統(tǒng)通過快門掃描復(fù)位光電二極管21處的多余電荷的時刻到當(dāng)由讀出掃描系統(tǒng)通過讀出掃描讀出像素20中的信號的時刻的時段，成為像素20中的信號電荷的存儲時段(曝光時段)。就是說，電子快門操作表示如下操作，該操作復(fù)位(清除)存儲在光電二極管21的信號電荷并且開始在積累復(fù)位后的新的信號電荷。
供應(yīng)電壓控制電路13控制供應(yīng)(施加)到單元像素20中的轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極(控制電極)的控制電壓。供應(yīng)電壓控制電路13的具體配置將在后面描述。
電壓供應(yīng)電路14向供應(yīng)電壓控制電路13供應(yīng)處于多個電壓(控制電壓)的中間位置的電壓(此后，有時稱為“中間電壓”)，所述多個電壓(控制電壓)具有不同的電壓值，具體是，處于高電平的電壓(此后稱為“H”電平)，其為像素電源的電壓電平Vdd，以及低電平電壓(此后稱為“L”電平)，其為地電平。處于中間位置的電壓(中間電壓)是其中存儲在光電二極管21中的電荷的一部分被保持以及存儲電荷的剩余部分被部分地轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的電壓。
時序發(fā)生器(TG)15生成時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3(參考圖2)，用于確定供應(yīng)電壓控制電路13向轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極供應(yīng)控制電壓的定時。
在像素陣列區(qū)域11中的每一像素行，即相對于像素行一一對應(yīng)地布置列電路16，對從由垂直掃描電路12通過垂直掃描選定的讀出行中的各個像素20經(jīng)過垂直信號線11輸出的信號執(zhí)行規(guī)定的信號處理，并且在信號處理之后臨時地保持像素信號。
作為列電路16，存在包括采樣-保持電路的電路配置，其中所述采樣-保持電路采樣和保持通過垂直信號線111輸出的信號，以及存在包括采樣-保持電路和噪音消除電路的電路配置，其中所述噪音消除電路通過相關(guān)雙采樣(CDS)處理消除像素特有的諸如放大晶體管24的閾值變化之類的固定模式噪音或者復(fù)位噪音。注意，這些僅僅是實(shí)例，并且所述電路不限于這些。例如，還優(yōu)選的是，列電路16具有A/D(模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換功能，以采用通過數(shù)字信號輸出信號電平的配置。
水平掃描電路17包括移位寄存器、地址解碼器等，水平地順序掃描布置在像素陣列區(qū)域11中的各個像素列的列電路16。列信號選擇電路18包括水平選擇開關(guān)、水平信號線等，順序地輸出臨時存儲在列電路16中的像素信號，并且使其與水平掃描電路17的水平掃描同步。
恒流源19被連接到垂直信號線111的每一端。例如，可以使用加偏壓的晶體管代替恒流源19。將作為垂直掃描電路12、時序發(fā)生器電路15、列電路16、水平掃描電路17等的操作標(biāo)準(zhǔn)的時序信號和控制信號在沒有示出的時序控制電路中產(chǎn)生。
(供應(yīng)電壓控制電路)供應(yīng)電壓控制電路13利用地址信號ADR作為輸入，其驅(qū)動由垂直掃描電路12選定和掃描的行，并且通過基于從時序發(fā)生器電路15供應(yīng)的時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3選定電壓，向單元像素20中的轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極供應(yīng)從電壓供應(yīng)電路14供應(yīng)的多個第一控制電壓中的一個電壓，所述多個第一控制電壓例如為四個電壓Vtrg1、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4(Vtrg1＞Vtrg2＞Vtrg3＞Vtrg4)。
圖2是示出了供應(yīng)電壓控制電路13的配置實(shí)例的電路圖。如圖2所示，根據(jù)此實(shí)施例的供應(yīng)電壓控制電路13包括四個電路塊131-134，其對應(yīng)于四個電壓(中間電壓)Vtrg1、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4，并且還包括具有三個輸入的NOR電路135。地址信號ADR被從垂直掃描電路12一同提供到電路塊131-134。時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3被提供給NOR電路135，作為來自電壓供應(yīng)電路14的三個輸入。
電路塊131包括采用地址信號ADR和時序信號PTRG1作為兩個輸入的NAND電路1311，電平相移器1312以及P-溝道驅(qū)動晶體管1313，其選定電壓Vtrg1(所述電壓Vtrg1比邏輯電路的電源電壓高)并且將其供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊132包括采用地址信號ADR和時序信號PTRG2作為兩個輸入的AND電路1321以及P-溝道驅(qū)動晶體管1322，其選定電壓Vtrg2(所述電壓Vtrg2與邏輯電路的電源電壓相同或者更低，并且比地電壓至少高出PMOS晶體管的閾值)并且將其供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊133包括采用地址信號ADR和時序信號PTRG3作為兩個輸入的NAND電路1331以及N-溝道驅(qū)動晶體管1332，其選定電壓Vtrg3(所述電壓Vtrg3與邏輯電路的地電壓相同或者更高，并且比電源電壓至少低出NMOS晶體管的閾值)并且將其供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊134包括采用地址信號ADR和NOR電路135的輸出作為兩個輸入的AND電路1341，采用地址信號ADR作為一個(負(fù))輸入并且采用AND電路的輸出信號作為另一個輸入的OR電路1342，電平相移器1343以及N-溝道驅(qū)動晶體管1344，其選定電壓Vtrg4(所述電壓Vtrg4低地電壓)并且將其供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊134具有通過NOR電路135的操作而獨(dú)立于其它電路塊131、132和133操作的電路配置，以便供應(yīng)低于地電壓的電壓(例如-0.1V)，作為用于關(guān)斷轉(zhuǎn)移晶體管22的電壓。
在圖3中示出了供應(yīng)電壓控制電路13中的輸入和輸出之間的時序關(guān)系。在將被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的電壓為Vtrg1、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4的情形中，當(dāng)通過地址信號ADR選定行時，根據(jù)時序信號PTRG1、PTRG2和PTRG3，對應(yīng)于各個時序信號的電壓Vtrg1、Vtrg2和Vtrg3被供應(yīng)，而電壓Vtrg4被供應(yīng)到其它行。
隨后，將使用圖4A和4B的時序圖解釋根據(jù)上面的配置的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10的操作。圖4A和4B示出了各個操作中的時序關(guān)系，其中圖4A中是常規(guī)讀出的情形，圖4B中是以高S/N和寬動態(tài)范圍為目標(biāo)的情形。
在CMOS圖像傳感器10(其中，包括圖1所示的像素電路配置的單元像素20以矩陣形式排列)中，一般如圖4A所示，在時段“t1”通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG和復(fù)位脈沖RST都為“H”電平，復(fù)位光電二極管21和FD區(qū)26，在時段“t2”所接收的光被光電轉(zhuǎn)換為存儲在光電二極管21中的電子。然后，在時段“t2”的后一半的時段“t4”通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平，復(fù)位FD區(qū)26。接著，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出FD區(qū)26的電勢作為復(fù)位電平，此后，在時段“t3”通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG為“H”電平，存儲在光電二極管21中的電子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，接著，在時段“t5”通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出FD區(qū)26的電勢，作為信號電平。
針對上面的常規(guī)讀出操作，在本發(fā)明中存在使得S/N較高并且動態(tài)范圍較寬的需要。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在存儲時段(曝光時段)，多個控制電壓被順序地供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極(柵電極)，其中在存儲時段，通過光電轉(zhuǎn)換存儲電子，并且在此時，通過轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移的信號電荷被讀出兩次或者更多次。
具體地，如圖4B所示，在時段“t10”通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG和復(fù)位脈沖RST都為“H”電平，復(fù)位光電二極管21和FD區(qū)26，在時段“t11”所接收的光被光電轉(zhuǎn)換為存儲在光電二極管21中的電子。接著，在時段“t11”的后一半的時段“t12”通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平，復(fù)位FD區(qū)26，然后，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出FD區(qū)26的電勢作為復(fù)位電平。
接著，在時段“t13”，電壓Vtrg1被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且根據(jù)光電二極管21中的存儲電子的量(其由入射光強(qiáng)度決定)，電子被部分地轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。在時段t14，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，根據(jù)被轉(zhuǎn)移電子的量的FD區(qū)26的電勢被讀出，作為信號電平，并且如果需要的話，使用在時段t12讀出的復(fù)位電平，在例如列電路16中執(zhí)行噪音消除處理。
在時段t15，繼續(xù)執(zhí)行存儲操作，并且在時段t16，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平，再次復(fù)位FD區(qū)26，接著，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出復(fù)位電平。而且，在時段t17，電壓Vtrg2被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，超出轉(zhuǎn)移晶體管22的電勢電壓Vtrg2的電子(在時段t13沒有被轉(zhuǎn)移的保留在光電二極管21中的電子和在時段t15中存儲的電子的總和)被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，并且在時段t18，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出FD區(qū)26的電勢，作為信號電平。
在時段t19到時段t22期間，在將電壓Vtrg3供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的情況下，與上面相同的操作被重復(fù)執(zhí)行。此外，在改變到轉(zhuǎn)移晶體管22的供應(yīng)電壓的同時，從時段t11到時段t14的操作被執(zhí)行一次或者多次。在時段t23的曝光之后，在時段t24通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平，再次執(zhí)行復(fù)位操作，并且通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出復(fù)位電平，接著，在時段t25，通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG為“H”電平，轉(zhuǎn)移晶體管22被完全導(dǎo)通并且執(zhí)行到FD區(qū)26的完全轉(zhuǎn)移，然后，在時段t26，通過使得選擇脈沖SEL為“H”電平，讀出信號電平。
圖5示出了當(dāng)電壓Vtrg1、Vtrg2和Vtrg3被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極時像素中的電勢的實(shí)例。在存儲在光電二極管21中的電子數(shù)量大并且超出電勢Φtrgi電壓Vtrg1的情況下，存儲在光電二極管21中的電子被部分轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。
圖6是示出了當(dāng)在具有弱的入射光的階段供應(yīng)電壓Vtrg時的電勢變化的電勢圖。在存儲在光電二極管21中的電子數(shù)量小的情況下，該數(shù)量沒有超過轉(zhuǎn)移晶體管22的電勢Φtrgi，因此，由光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子被保持在光電二極管21中，在最終的轉(zhuǎn)移時被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，然后作為信號電平被讀出。
另一方面，如圖7所示，當(dāng)入射光很強(qiáng)時，超出電勢Φtrgi的電子被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，繼而被讀出作為信號電平。因此，在低亮度的情形中通過足夠的曝光時間可以在最終轉(zhuǎn)移處進(jìn)行讀出，而不會使信號劣化，并且在高亮度的情形中，通過以多個階段讀出超出的電子，可以最終生成具有寬動態(tài)范圍的合成圖像。
注意，在圖6和7中的各個操作時段t10到t26對應(yīng)于圖4B的時序圖中的各個操作時段t10到t26。
如上所述，當(dāng)以多個階段將多個電壓Vtrg1、Vtrg2和Vtrg3供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且超出的電子被多次轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26時，在第二次轉(zhuǎn)移之后，閾值變化被消除了。其原因如下。
如圖8所示，當(dāng)在第一次轉(zhuǎn)移時將電壓Vtrg1施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極時，轉(zhuǎn)移晶體管22的電勢由φtrg1表示，在存儲電荷之前的光電二極管21的電勢由φhad0表示，保持在光電二極管21中的電子的數(shù)量由QHAD1表示，溢流到FD區(qū)26的電子的數(shù)量表示為QFD1，當(dāng)保持電子數(shù)量QHAD1時的光電二極管21的電勢由φhad1表示。當(dāng)在光電二極管21中與入射光強(qiáng)度成比例地產(chǎn)生的光電電流為Ipd，到第一次轉(zhuǎn)移的曝光時間為ΔT，光電二極管21的電容為Cpd時，QHAD1和QFD1由下式表示QHAD1＝Cpd·φhad1QFD1＝Ipd·ΔT-QHAD1φhad1＝φhad0-φtrg1φtrg1＝Vtrg1-(Vth+ΔVth)在上面，Vth為轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值，ΔVth為轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值變化。
在第二次轉(zhuǎn)移中，當(dāng)在持續(xù)進(jìn)行ΔT的時間段的曝光并且存儲光電電流之后，不同的電壓Vtrg2被施加時，類似地，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管22的電勢為φtrg2，保持在光電二極管21中的電子的數(shù)量為QHAD2，溢流到FD區(qū)26的電子的數(shù)量為QFD2，當(dāng)保持電子數(shù)量QHAD2時的光電二極管21的電勢為φhad2時，可以得到下式。
QHAD2＝Cpd·φhad2φhad2＝φhad0-φtrg2φtrg2＝Vtrg2-(Vth+ΔVth)QFD2＝(QHAD1+Ipd·ΔT)-QHAD2＝Cpd·φhad1+Ipd·ΔT-Cpd·φhad2＝Cpd·(φhad0-φtrg1)+Ipd·ΔT-Cpd·(φhad0-φtrg2)
＝Cpd·{Vtrg1-(Vth+ΔVth)}+Ipd·ΔT-Cpd·{Vtrg2-(Vth+ΔVth)}＝Ipd·ΔT-Cpd(Vtrg2-Vtrg1)如上所述，在第二次轉(zhuǎn)移之后，中間轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的電子的數(shù)量由入射光強(qiáng)度(即，所產(chǎn)生的光電電流的量)和施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的電壓Vtrg2和就在之前施加的電壓Vtrg1之間的差決定，這可以減小轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值變化ΔVth的影響。此外，因?yàn)樵诟鱾€定時通過轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量具有相關(guān)性，所以根據(jù)超出所述電勢的電子數(shù)量在轉(zhuǎn)移時段沒有被轉(zhuǎn)移的電子的保留數(shù)量也具有相關(guān)性，結(jié)果，在第二次轉(zhuǎn)移之后，由保留電子導(dǎo)致的變化被減小。
供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的電壓Vtrg的電平按如下來確定。
如圖9所示，當(dāng)入射光的量固定時，在光電二極管21中存儲的電子的數(shù)量與曝光時間成比例地增加。例如，當(dāng)入射光強(qiáng)度被假定為在該入射光強(qiáng)度下電子數(shù)量在標(biāo)準(zhǔn)的曝光時間Ts內(nèi)(諸如，當(dāng)30幀/秒時1/30秒，當(dāng)60幀/秒時1/60秒)達(dá)到飽和電子數(shù)量Qs，則當(dāng)電壓Vtrg被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極時，在定時Ti的存儲電子的數(shù)量Nei被估計(jì)。在定時Ti的供應(yīng)電壓Vtrgi被設(shè)為如下的電壓，通過該電壓，存儲電子數(shù)量Nei被存儲在光電二極管21中。
在圖10，示出了到光電二極管21(其飽和電子數(shù)量的為8800e-)中的轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的供應(yīng)電壓和當(dāng)電壓Vtrg被供應(yīng)時光電二極管21中存儲的電子的數(shù)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在此情況下，在定時T1、T2和T3的供應(yīng)電壓將為從圖9中的存儲電子的數(shù)量Ne1、Ne2和Ne3得到的電壓Vtrg1、Vtrg2和Vtrg3。對于實(shí)際應(yīng)用中將被供應(yīng)的電壓，優(yōu)選的是，考慮防止由熱擴(kuò)散等導(dǎo)致的從光電二極管21到FD區(qū)26的漏流的裕量，在轉(zhuǎn)移晶體管22為N-溝道MOS晶體管的情形中施加比上面的低數(shù)百毫伏的電壓，并且在轉(zhuǎn)移晶體管22為P-溝道MOS晶體管的情形中施加比上面的高數(shù)百毫伏的電壓。
在圖11中，示出了被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的供應(yīng)電壓的時序的另一個實(shí)例。
在另一個實(shí)例中，在到完全轉(zhuǎn)移的曝光時間的1/4定時處供應(yīng)電壓Vtrg1，電壓Vtrg3在3/4的定時處被供應(yīng)。確定各個電壓Vtrg1、Vtrg3的方法與上面的實(shí)例相同。
相應(yīng)地，通過控制供應(yīng)電壓Vtrg1、Vtrg3的間隔，可以控制中間轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量和入射光強(qiáng)度之間的關(guān)系，即靈敏度(sensibility)。就是說，通過使得各個中間轉(zhuǎn)移的執(zhí)行間隔可以為多個，可以以多個靈敏度擴(kuò)寬動態(tài)范圍，以及在動態(tài)范圍區(qū)域中在其中光強(qiáng)度較弱的區(qū)域中的S/N可以被設(shè)定為較高。
例如，如圖11所示，當(dāng)?shù)降谝淮沃虚g轉(zhuǎn)移的曝光時間(t31)為總曝光時間的1/4，并且從第一次中間轉(zhuǎn)移到第二次中間轉(zhuǎn)移的曝光時間(t35)為總曝光時間的1/2時，在第一次轉(zhuǎn)移中將被讀出的電子的數(shù)量相對于入射光強(qiáng)度的靈敏度將為1/4，這對于動態(tài)范圍的擴(kuò)展有貢獻(xiàn)。
在第二次轉(zhuǎn)移中，靈敏度將為1/2，并且動態(tài)范圍比第一次轉(zhuǎn)移窄，但是可以實(shí)現(xiàn)在該區(qū)域中比第一次轉(zhuǎn)移更高的S/N，直到比寬至常規(guī)區(qū)域的大約兩倍的區(qū)域。在最后的完全轉(zhuǎn)移中，實(shí)現(xiàn)一倍的靈敏度和動態(tài)范圍，即，等同于相對于該入射光強(qiáng)度的常規(guī)情況，這避免了在低亮度區(qū)域中由寬的動態(tài)范圍導(dǎo)致的圖像質(zhì)量變劣。
在圖12中，示出了將被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的供應(yīng)電極的時序的另一個實(shí)例。
在此實(shí)例中，以任意的一次或者多次，在多次的電壓Vtrgi的供應(yīng)中，執(zhí)行復(fù)位操作，而不讀出被轉(zhuǎn)移的信號電平。通過將復(fù)位操作移動到緊接轉(zhuǎn)移之后并且不激活選擇信號，可以實(shí)現(xiàn)該操作。根據(jù)該操作，當(dāng)獲得其中由閾值變化導(dǎo)致的被轉(zhuǎn)移電子數(shù)量的變化減小的信號時，可以省略在第一次轉(zhuǎn)移中具有大的變化的讀出操作。
通過不執(zhí)行讀出操作，可以使得轉(zhuǎn)移間隔短于CMOS圖像傳感器10的幀速率，這對于動態(tài)范圍的擴(kuò)展有貢獻(xiàn)。例如，在圖12中，在到完全轉(zhuǎn)移的曝光時間的1/8的定時施加電壓Vtrg1，并且執(zhí)行復(fù)位而不讀出信號電平。在1/4的定時供應(yīng)電壓Vtrg2，并且讀出信號電平。接著，在3/4的定時供應(yīng)電壓Vtrg3，并且讀出信號電平，最后，在完全轉(zhuǎn)移中，讀出信號電平。
在總共執(zhí)行4次的讀出操作中，在通過電壓Vtrg2轉(zhuǎn)移的第一次讀出中，可以獲得對應(yīng)于曝光時間的1/8的輸出，因此，可以最大確保約8倍的動態(tài)范圍，并且通過就在之前的電壓Vtrg1的轉(zhuǎn)移減小了閾值變化。在通過電壓Vtrg3的第二次讀出中，轉(zhuǎn)移間隔為1/2，因此，可以在為飽和電平的兩倍寬的動態(tài)范圍中獲得具有比第一次讀出高的S/N的信號。
在該實(shí)例中，動態(tài)范圍被擴(kuò)展到其普通寬度的大致8倍，但是，足夠的是，讀出速度是其普通速度的4倍。類似地，通過使得電壓Vtrg1的供應(yīng)定時接近電壓Vtrg2的供應(yīng)定時，可以擴(kuò)展動態(tài)范圍。作為圖12中所示的實(shí)例，還可以通過除了圖4A的操作之外就在信號電平的轉(zhuǎn)移或者讀出之后執(zhí)行復(fù)位操作，預(yù)先地復(fù)位FD區(qū)26中的電子。
通過如圖13所示在飽和電平(其被預(yù)先設(shè)定)處進(jìn)行剪切并且進(jìn)行疊加，通過多次的中間轉(zhuǎn)移獲得的信號獲得了連續(xù)的輸入和輸出特性。例如，在圖13中，在作為第“i”次的讀出的常規(guī)曝光中的完全轉(zhuǎn)移之后，信號以高的S/N被輸出，直到常規(guī)的飽和電平。在前面的第“i-1”次轉(zhuǎn)移中，通過在曝光時間的1/2處執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移可以獲得幾乎兩倍的動態(tài)范圍，并且在第“i-2”次轉(zhuǎn)移中，通過在曝光時間的1/8處執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移可以獲得幾乎8倍的動態(tài)范圍。通過在飽和電平附近的點(diǎn)對信號進(jìn)行剪切和疊加信號，可以獲得連續(xù)的特性。
例如在后續(xù)階段提供的CMOS圖像傳感器10的信號處理電路(沒有示出)中，將通過使用幀存儲器，執(zhí)行用于通過剪切和疊加實(shí)現(xiàn)高的S/N和寬的動態(tài)范圍的處理，其中所述幀存儲器存儲多次讀出的圖像。
但是，處理實(shí)例僅僅是實(shí)例，并且如果多次讀出的圖像被存儲的話，可以通過使用個人計(jì)算機(jī)來處理，并且還可以如下的配置，其中，通過在CMOS圖像傳感器10上安裝幀存儲器，處理在CMOS圖像傳感器10中執(zhí)行并且僅僅最后的圖像被輸出。
在圖14中，示出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，0.6V的電壓Vtrg1、1.1V的電壓Vtrg2、1.3V的電壓Vtrg3按圖12的時序圖被供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極。
圖14表示在從光電二極管21的復(fù)位到完全轉(zhuǎn)移的曝光時間為大致16ms的情形中，在通過第一電壓Vtrg1的中間轉(zhuǎn)移比光電二極管21的復(fù)位遲2ms執(zhí)行時，在通過第二電壓Vtrg2的中間轉(zhuǎn)移比光電二極管21的復(fù)位遲4ms執(zhí)行時，在第三次中間轉(zhuǎn)移比光電二極管21的復(fù)位遲12ms執(zhí)行時，分別在光電二極管21中保留的電子的數(shù)量。
在圖14中，t1、t2、t3和t4為曝光時段，t2、t4和t6為轉(zhuǎn)移時段。將電壓Vtrg施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極的時間為100ns。圖線40-51代表如下條件，其中，其強(qiáng)度使得在16ms期間在光電二極管21中產(chǎn)生的電子的總數(shù)量分別為350e-、1200e-、2200e-、4400e-、6600e-、8800e-、11000e-、17500e-、25000e-、35000e-、44000e-、53000e-的光進(jìn)入光電二極管21。優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)移時段將足夠長，使得轉(zhuǎn)移接近平衡狀態(tài)，并且更優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)移時段為100ns或更長。
圖15是示出了在上面的實(shí)驗(yàn)中表明了入射光強(qiáng)度的所產(chǎn)生的電子的總數(shù)量和在各個中間轉(zhuǎn)移和最后的完全轉(zhuǎn)移中作為輸出轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量之間的關(guān)系。在圖15中，圖60表示通過電壓Vtrg1轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量，誤差條是當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值變化±50mV時的值。
在第一次轉(zhuǎn)移中，由閾值變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)移電子的數(shù)量變化大，但是，在由第二電壓Vtrg2完成的轉(zhuǎn)移結(jié)果61中，電子的數(shù)量變化減小。由第三電壓Vtrg3完成的轉(zhuǎn)移結(jié)果62具有高的靈敏度和大的梯度，因?yàn)檗D(zhuǎn)移時段比由電壓Vtrg2完成的轉(zhuǎn)移長。完全轉(zhuǎn)移的結(jié)果63具有與常規(guī)轉(zhuǎn)移相同的S/N，其中常規(guī)轉(zhuǎn)移中，對于低亮度沒有執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移。結(jié)果61、62分別具有結(jié)果63的1/2倍和1/8倍的梯度，這證明通過控制轉(zhuǎn)移時序，控制了靈敏度并且允許寬的動態(tài)范圍。結(jié)果63是通過上面的特性合成方法獲得的寬動態(tài)范圍特性。其實(shí)現(xiàn)了低亮度情況下的高S/N和線性特性的寬動態(tài)范圍。
如上所述，例如，在CMOS圖像傳感器10(其中，單元像素20以矩陣形式二維地布置，所述單元像素20包括光電二極管21和轉(zhuǎn)移晶體管22，所述轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移光電二極管21中光電轉(zhuǎn)換的信號電荷)中，多個第一控制電壓被順序地從供應(yīng)電壓控制電路塊13供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，同時，通過垂直掃描電路12執(zhí)行驅(qū)動操作，在該驅(qū)動操作中，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移的信號電荷被兩次或者更多次地讀出，這可以允許在低亮度下線性和高S/N的信號獲取而不會縮窄常規(guī)的飽和電平，并且還針對大于常規(guī)的飽和水平的入射光可以允許動態(tài)范圍的擴(kuò)展，同時實(shí)現(xiàn)線性區(qū)域中的良好的S/N。
因此，針對在各種環(huán)境中(諸如室內(nèi)和室外，白天和夜晚)的外部光的變化，可以在低亮度場景中獲得高質(zhì)量的具有高S/N的圖像，并且在高亮度場景中通過線性響應(yīng)獲得具有較低飽和度的高質(zhì)量圖像。此外，即使在其中低亮度和高亮度都存在的高對比度場景中，高亮度部分中的飽和可以被避免，同時維持了低亮度部分中的高S/N。
此外，在具有高靈敏度的像素被布置在常規(guī)像素排列中，用于提高靈敏度的情形中，不必降低常規(guī)像素中的S/N來使曝光時間滿足高靈敏度像素，并且通過滿足常規(guī)像素的充分曝光可以獲得高靈敏度像素的高S/N圖像，這對于在后續(xù)階段為了高圖像質(zhì)量的處理將是有利的。
在上面的實(shí)施例中，解釋了其中本發(fā)明應(yīng)用于CMOS圖像傳感器(其中，包括選擇晶體管25的單元像素20(參考圖1)以矩陣形式布置)的情形，但是本發(fā)明不限于該應(yīng)用。
就是說，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10中，可以在下一個曝光時段之前復(fù)位轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的電子，而不管在轉(zhuǎn)移之后是否存在讀出操作；因此，本發(fā)明還可以適用于如下的CMOS圖像傳感器，其中，沒有包含選擇晶體管25的單元像素以矩陣形式被布置。
具體地，如圖16A所示，本發(fā)明還可以適用于具有如下單元像素的CMOS圖像傳感器，其中，所示單元像素的像素電路除了光電二極管21之外還包括三個晶體管，轉(zhuǎn)移晶體管22、復(fù)位晶體管23和放大晶體管24，其通過復(fù)位晶體管23將FD區(qū)26的電勢設(shè)為比放大晶體管24的閾值低的電勢，即選擇電源電勢SELVDD，以使得單元像素處在未選定狀態(tài)。
如圖16B所示，本發(fā)明還可以適用于如下像素電路，該像素電路除了光電二極管21、轉(zhuǎn)移晶體管22、復(fù)位晶體管23和放大晶體管24三個晶體管之外，還包括開關(guān)晶體管27。像素電路具有如下配置，其中，復(fù)位電壓Vrst被選擇性地從垂直信號線111供應(yīng)，因此，復(fù)位晶體管23被連接在FD區(qū)26(放大晶體管24的柵電極)和垂直信號線111之間，并且復(fù)位電壓Vrst通過開關(guān)晶體管27被選擇性地供應(yīng)到垂直信號線111，所示開關(guān)晶體管27通過開關(guān)脈沖SW導(dǎo)通。
此外，本發(fā)明還可以因?yàn)橄嗤脑蜻m用于在多個單元像素之間共用放大晶體管24的像素配置。
利用圖17中的時序圖將解釋具有圖16A中所示的包括三個晶體管的像素電路的單元像素的CMOS圖像傳感器10。
在前一幀的完全轉(zhuǎn)移和讀出的時段T4之后，在時段T1中通過電子快門清空光電二極管21和FD區(qū)26中的信號電子。然后，由曝光和光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷(在此情形中，電子)被存儲在光電二極管21中。在中間轉(zhuǎn)移之前，在時段T2，中間電壓(對應(yīng)于圖4B中的電壓Vtrg1)被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且在具有大量入射光的像素中產(chǎn)生的信號電子被部分地轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。此時，轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的電荷不被讀出和復(fù)位。
在時段T3，與時段T2的相同或者不同的中間電壓被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且在具有大量入射光的像素中產(chǎn)生的信號電荷再次被部分轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。此時，轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的信號電荷被讀出。然后，繼續(xù)進(jìn)行曝光，并且通過在時段T4完全導(dǎo)通轉(zhuǎn)移晶體管22，存儲在光電二極管21中的所有信號電荷被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，并且被從FD區(qū)26讀出。
在時段T4，在其中通過施加中間電壓不發(fā)生中間轉(zhuǎn)移的具有少量入射光的像素中，信號電荷不減少并且在存儲在其中，因此，可以以高的S/N讀出信號。而在具有大量入射光的像素中，信號電荷飽和，但是它們通過施加中間電壓進(jìn)行中間轉(zhuǎn)移而作為信號被讀出。
在圖18中，示出了在完全轉(zhuǎn)移時段T4和電子快門時段T1中，光電二極管(PD)21和FD區(qū)26的電勢關(guān)系，以及選擇電源電勢SELVDD、復(fù)位脈沖RST和轉(zhuǎn)移脈沖TRG的具體時序關(guān)系。
當(dāng)選擇電源電勢SELVDD處于“H”電平的狀態(tài)時，在時段t0，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，復(fù)位FD區(qū)26，然后，在時段t1，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為復(fù)位電平。在時段t2，通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG為“H”電平，光電二極管21的信號電荷被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，并且在時段t3，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為信號電平。
在時段t4，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)(充當(dāng)電子快門)，復(fù)位FD區(qū)26。在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為“L”電平并且使得FD區(qū)26的電勢低于放大晶體管24的閾值，放大晶體管24被關(guān)斷，以使得像素處于未選定狀態(tài)。
在圖19，示出了在中間轉(zhuǎn)移時段T2、T3中，光電二極管(PD)21和FD區(qū)26的電勢關(guān)系，以及選擇電源電勢SELVDD、復(fù)位脈沖RST和轉(zhuǎn)移脈沖TRG的具體時序關(guān)系。
在時段t0，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，復(fù)位FD區(qū)26。在時段T3的情形中，在時段t1，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢，作為復(fù)位電平。在時段T2的情形中，不必執(zhí)行讀出操作。在時段t2，通過施加任意的電壓Vfg到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移。對于任意電壓，在時段T2的情形中施加Vfg0，在時段T3的情形中施加Vfg1。
當(dāng)入射光的量較小時，光電二極管21的電壓高至虛線所示，并且沒有發(fā)生到FD區(qū)26的轉(zhuǎn)移。而當(dāng)入射光的量較大時，光電二極管21的電壓低至實(shí)線所示，超出轉(zhuǎn)移晶體管22的柵極下的電勢的信號電荷被部分轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。在時段T3的情形中，在時段t3，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為信號電平。在時段T2的情形中，不必執(zhí)行讀出操作。
在時段t4，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，僅僅復(fù)位FD區(qū)26，并且在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為“L”電平并且使得FD區(qū)26的電勢低于放大晶體管24的閾值，放大晶體管24被關(guān)斷，以使得像素處于未選定狀態(tài)。
在圖20A到圖20F，示出了各個時序的電勢關(guān)系。圖20A是在作為完全轉(zhuǎn)移和讀出時段的時段T4中在時段t4的電子快門操作時的電勢圖。在電子快門操作中，存儲在光電二極管21和FD區(qū)26中的電荷被清除到選擇電源電勢SELVDD側(cè)。
圖20B是在時段T2、T3和T4中在時段t0的復(fù)位操作之后的電勢圖。在復(fù)位操作之后，根據(jù)入射光的強(qiáng)度，產(chǎn)生通過曝光導(dǎo)致的電荷存儲。
圖20C是在時段T2和T3中在時段t2的中間轉(zhuǎn)移操作時的電勢圖。在中間轉(zhuǎn)移操作中，使得轉(zhuǎn)移晶體管22的柵極下的電勢為轉(zhuǎn)移晶體管22的導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間的中間狀態(tài)的電壓被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，結(jié)果，當(dāng)入射光強(qiáng)度較小時，因?yàn)樗鎯Φ碾姾缮俣话l(fā)生轉(zhuǎn)移，并且僅僅當(dāng)入射光強(qiáng)度大時，因?yàn)楣怆姸O管21的電勢高于轉(zhuǎn)移晶體管22的柵極下的電勢而產(chǎn)生到FD區(qū)26的轉(zhuǎn)移。
圖20D是時段T4中時段t2的電勢圖，這時轉(zhuǎn)移晶體管22處于導(dǎo)通狀態(tài)以執(zhí)行完全轉(zhuǎn)移，在完全轉(zhuǎn)移中，存儲在光電二極管21中的電荷被完全讀出。圖20E是時段T3、T4中時段t3的電勢圖，這時轉(zhuǎn)移晶體管22在完全轉(zhuǎn)移讀出信號之后處于關(guān)斷狀態(tài)。圖20F是時段T1、T2和T3中時段t5的電勢圖，這時其中像素不被選定的操作使得FD區(qū)26的電勢不高于放大晶體管24的閾值。
在像素陣列區(qū)域中，在作為光接收區(qū)的光電二極管21的電勢形狀在各個像素中不是均一的情形中，通過施加中間電壓保持在光電二極管21中的電子的數(shù)量是不同的。因此，存在下面的擔(dān)心，即取決于光電二極管21的電勢形狀的變化，通過由施加中間電壓讀出獲得的在高亮度區(qū)中的輸出信號具有固定模式噪音，這導(dǎo)致圖像質(zhì)量的劣化。
如圖21A到圖21D所示，讓我們考慮例如圖21B的狀態(tài)，其中當(dāng)通過將電壓Vfg0施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，將電荷Qi0的一部分從圖21A的狀態(tài)(其中，電荷Qi0被存儲在光電二極管21中)清除時，僅僅電荷Q0保留在光電二極管21中。
通過將電壓Vfg1施加到圖21C的狀態(tài)(其中電荷Qi1被進(jìn)一步存儲在圖21B的狀態(tài)中)，電荷Qfg1可以被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26并且作為信號被讀出，同時電荷Q0+Q1被保留在光電二極管21中(圖21D的狀態(tài))。
如圖22所示，從圖21B的狀態(tài)到圖21C的狀態(tài)存儲的電荷Qi1與入射光強(qiáng)度成比例。為了由在圖21D的狀態(tài)中轉(zhuǎn)移的信號電荷Qfg1獲得入射光強(qiáng)度，即，亮度，有必要獲得由電壓Vfg0和電壓Vfg1確定的電荷Q1。但是，當(dāng)在每一個像素中光電二極管21的電勢形狀不同時，對于每一個像素，電荷Q1存在變化，因此，由電荷Qfg1得到的圖像包括固定模式噪音。
為了補(bǔ)償上述的依賴于光電二極管21的電勢形狀的變化的固定模式噪音，可以采用下面的應(yīng)用，而下面將對其進(jìn)行解釋。
圖23是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例1的時序圖。操作實(shí)例1是在CMOS晶體管具有圖16A所示的包括三個晶體管的像素電路的單元像素的情況下的實(shí)例。
首先，在前一幀中的讀出之后，在時段S1光電二極管21填充電荷(電子或者空穴)。接著，在時段S2，電壓Vfg1被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移，然后，電荷被復(fù)位。接著，在時段S3，電壓Vfg0被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移并且讀出信號。最后，在時段S4，執(zhí)行完全轉(zhuǎn)移并且讀出信號，然后，在時段S5中執(zhí)行電子快門操作。
在圖24中，示出了在中間轉(zhuǎn)移時段S2、S3，光電二極管21和FD區(qū)26的電勢關(guān)系，以及選擇電源電勢SELVDD、復(fù)位脈沖RST和轉(zhuǎn)移脈沖TRG的具體時序關(guān)系。
在時段t0，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，復(fù)位FD區(qū)26。在時段S3的情形中，在時段t1，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢，作為復(fù)位電平。在時段S2的情形中，不必執(zhí)行讀出操作。在時段t2，通過施加任意的電壓Vfg到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，執(zhí)行中間轉(zhuǎn)移。對于任意電壓Vfg，在時段S2的情形中施加Vfg1，在時段S3的情形中施加Vfg0。在此情形中，Vfg0和Vfg1可以是相同的電壓值。
當(dāng)入射光的量較小時，光電二極管21的電壓高至虛線所示，并且沒有發(fā)生到FD區(qū)26的轉(zhuǎn)移。而當(dāng)入射光的量較大時，光電二極管21的電壓低至實(shí)線所示，超出轉(zhuǎn)移晶體管22的柵極下的電勢的信號電荷被部分轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。在時段S3的情形中，在時段t3，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為信號電平。在時段T2的情形中，不必執(zhí)行讀出操作。
在時段t4，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，僅僅復(fù)位FD區(qū)26，并且在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為“L”電平并且使得FD區(qū)26的電勢低于放大晶體管24的閾值，放大晶體管24被關(guān)斷，以使得像素處于未選定狀態(tài)。
在圖25中，示出了在完全轉(zhuǎn)移時段S4和電子快門時段S5中，光電二極管21和FD區(qū)26的電勢關(guān)系，以及選擇電源電勢SELVDD、復(fù)位脈沖RST和轉(zhuǎn)移脈沖TRG的具體時序關(guān)系。
當(dāng)選擇電源電勢SELVDD處于“H”電平的狀態(tài)時，在時段t0，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)，復(fù)位FD區(qū)26，然后，在時段t1，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為復(fù)位電平。在時段t2，通過使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG為“H”電平，光電二極管21的信號電荷被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，并且在時段t3，通過放大晶體管24讀出FD區(qū)26的電勢作為信號電平。
在時段t4，通過使得復(fù)位脈沖RST為“H”電平并且使得復(fù)位晶體管23處于導(dǎo)通狀態(tài)(充當(dāng)電子快門)，復(fù)位FD區(qū)26。在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為“L”電平并且使得FD區(qū)26的電勢低于放大晶體管24的閾值，放大晶體管24被關(guān)斷，以使得像素處于未選定狀態(tài)。
圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例2的時序圖。操作實(shí)例2也是在CMOS晶體管具有包括三個晶體管的像素電路的單元像素的情況下的實(shí)例。
操作實(shí)例2是其中操作實(shí)例1中的最后完全轉(zhuǎn)移的讀出被省略的實(shí)例。通過省略最后完全轉(zhuǎn)移的讀出，與操作實(shí)例1的情形相比，用于獲得補(bǔ)償信號的一系列過程所必須的時間被縮短，其中，所示補(bǔ)償信號補(bǔ)償依賴于光電二極管21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。通過將多個電壓中的一個或全部設(shè)為不同于使得轉(zhuǎn)移晶體管22被完全關(guān)斷的電壓的電壓，可以省略完全轉(zhuǎn)移的讀出。
在圖27中，示出了操作實(shí)例2的情形中，在中間轉(zhuǎn)移時段S3’和電子快門時段S5中，光電二極管21和FD區(qū)26的電勢關(guān)系，以及選擇電源電勢SELVDD、復(fù)位脈沖RST和轉(zhuǎn)移脈沖TRG的具體時序關(guān)系。在操作實(shí)例2中，如圖27中的時序圖所示，在中間讀出之后，在電子快門時段S5中快門操作和用于未選定狀態(tài)的操作被執(zhí)行。
圖28是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例3的時序圖。操作實(shí)例3也是在CMOS晶體管具有包括三個晶體管的像素電路的單元像素的情況下的實(shí)例。
操作實(shí)例3是如下的實(shí)例，其中，在時段S1的強(qiáng)迫飽和操作、在時段S2的中間轉(zhuǎn)移操作和在時段S3的中間轉(zhuǎn)移和讀出操作之間的各個間隔可以被縮短。通過縮短時段S1、時段S2和時段S3之間的各個間隔，與操作實(shí)例1的情形相比，可以減小入射光或者暗電流導(dǎo)致的影響。
圖29是示出了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的操作實(shí)例4的時序圖。操作實(shí)例4也是在CMOS圖像傳感器具有包括三個晶體管的像素電路的像素的情況下的實(shí)例。
操作實(shí)例4是其中順序地多次執(zhí)行通過中間轉(zhuǎn)移完成的信號讀出的實(shí)例，并且通過從低級開始施加多個電壓到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，可以獲得對應(yīng)于各個電壓的補(bǔ)償量的補(bǔ)償信號。
圖30示出了在如上面所解釋的操作實(shí)例1-4中的光電二極管21的強(qiáng)迫飽和操作的時序關(guān)系。在圖30中，時段S1示出了強(qiáng)迫飽和操作的時序關(guān)系。
通過使得作為FD區(qū)26的初始電壓的復(fù)位電壓(在此情形中，選擇電源電勢SELVDD)等于在飽和時光電二極管21的電壓，并且使得轉(zhuǎn)移脈沖TRG和復(fù)位脈沖RST為“H”電平，轉(zhuǎn)移晶體管22和復(fù)位晶體管23被導(dǎo)通。因此，光電二極管21處在其中電荷以與飽和狀態(tài)相同的方式被保持的狀態(tài)。就是說，通過使得FD區(qū)(轉(zhuǎn)移電容)26的電勢等于飽和狀態(tài)中光電二極管21的電勢，轉(zhuǎn)移晶體管22被導(dǎo)通，結(jié)果，光電二極管21充滿電子或空穴。
如上所述，在光電二極管21被充滿電荷(電子或者空穴)之后，多個中間電壓(第二控制電壓)被順序地施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，以執(zhí)行部分轉(zhuǎn)移，就是說，在存儲在光電二極管21中的電荷的一部分被保持的同時，保留的存儲電荷被部分地轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，結(jié)果，可以獲取通過一個或全部中間電壓所轉(zhuǎn)移的信號電荷作為電壓信號。電壓信號包括光電二極管21的電勢形狀的變化分量，因此，其成為用于補(bǔ)償依賴于電勢形狀的變化的固定模式噪音的補(bǔ)償信號。
從上面的操作實(shí)例4的解釋來看清楚的是，施加多個中間電壓(第二控制電壓)的次序與在獲取圖像時施加多個控制電壓(第二控制電壓)的次序相反。就是說，在獲取圖像的情形中，當(dāng)以高電壓的次序施加多個控制電壓時，通過以低電壓的次序順序地施加多個中間電壓，以獲取補(bǔ)償信號，該補(bǔ)償信號用于補(bǔ)償依賴于光電二極管21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。
接著，解釋獲得補(bǔ)償信號的原理，該補(bǔ)償信號用于補(bǔ)償依賴于光電二極管21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。
圖31A到圖31D分別是利用中間轉(zhuǎn)移的讀出中的電勢圖。在圖31A到31D中，圖31A示出了中間轉(zhuǎn)移時段S2的時段t1的電勢，圖31B示出了中間轉(zhuǎn)移時段S2的時段t2的電勢，圖31C示出了中間轉(zhuǎn)移時段S3的時段t1的電勢，并且圖31D示出了中間轉(zhuǎn)移時段S3的時段t2的電勢。
通過在時段S2-t2中向轉(zhuǎn)移晶體管22施加電壓Vfg0(圖31B)，在時段S2-t1中存儲在光電二極管21中的電荷Qi0(圖31A)被部分轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，并且電荷Q0保留在光電二極管21中。轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的Qfd0被復(fù)位。
通過所施加的電壓Vfg0控制電荷Q0，但是，電荷Q0包括由轉(zhuǎn)移晶體管22的特性變化(閾值變化)導(dǎo)致的電荷量變化ΔQvth和由電勢形狀的變化導(dǎo)致的電荷量變化ΔQpot0，作為各個像素中的固定模式噪音。當(dāng)電荷Q0的平均值為Qhad0時，電荷Q0由下式表示Q0＝Qhad0+ΔQvth+ΔQpot0 (1)在時段S3的讀出中，在從時段S2開始的曝光時段期間通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷Qi1被加入，并且電荷(Qi1+Q0)被保持在光電二極管21中。在此狀態(tài)中，通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極施加中間電壓Vfg1，電荷Qi1的一部分被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26。此時，當(dāng)電荷Qi1中的保留電荷為Q1時，電荷(Q0+Q1)被保持在光電二極管21中。
電荷(Q0+Q1)也包括由轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值變化導(dǎo)致的電子數(shù)量變化ΔQvth，并且電荷Q1包括由電勢形狀的變化導(dǎo)致的電子數(shù)量的變化ΔQpot1。當(dāng)電荷Q1的平均值為Qhad1時，電荷(Q0+Q1)由下式表示Q0+Q1＝(Qhad0+ΔQpot0)+(Qhad1+ΔQpot1)+ΔQvth(2)在此情形中，電荷Q1由下式表示Q1＝Qhad1+ΔQpot1(3)將被讀出的信號，即轉(zhuǎn)移到FD區(qū)的電荷Qfg1由下式表示Qfg1＝Qi1-Q1＝Qi1-(Qhad1+ΔQpot1) (4)
如從式(4)可以看出的，有必要消除由作為像素的特性變化的電勢形狀變化導(dǎo)致的電荷量變化Qpot1。
圖32A到32E是強(qiáng)迫飽和操作和中間轉(zhuǎn)移中的電勢圖。在圖32A到32E中，圖32A示出了強(qiáng)迫飽和時段S1的時段t4的電勢，圖32B示出了強(qiáng)迫飽和時段S1的時段t5的的電勢，圖32C示出了中間轉(zhuǎn)移時段S2的時段t2的電勢，圖32D示出了中間轉(zhuǎn)移時段S3的時段t2的電勢，并且圖32E示出了中間轉(zhuǎn)移時段S4的時段t2的電勢。
在S1-t4時段(圖32A)，強(qiáng)迫光電二極管21處于飽和狀態(tài)，并且在S1-t5時段(圖32B)，飽和電子數(shù)量Qs0被保持在光電二極管21中。在S2-t2時段(圖32C)，通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極施加電壓Vfg1，由式(2)表示的電荷(Q0+Q1)可以被保持在光電二極管21中。轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26的電荷被復(fù)位。
在S3-t3時段，當(dāng)電壓Vfg0被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，由式(1)表示的電荷Q0被保持在光電二極管21中，并且保留電荷Q1被轉(zhuǎn)移到FD區(qū)26，其作為信號被讀出。因此，電荷Q1由式(3)表示，可以獲得由項(xiàng)ΔQpot1(其為作為像素的特性變化的固定模式噪音，并且其劣化圖像質(zhì)量)表示的偏移值。
在S4-t2時段中順序地執(zhí)行完全轉(zhuǎn)移的情形中，式(1)的電荷Q0被讀出作為信號，還可以獲得偏移值(ΔQvth+ΔQpot0)。通過讀出該信號，可以消除由轉(zhuǎn)移晶體管22的閾值變化導(dǎo)致的固定模式噪音。
(固定模式噪音的補(bǔ)償)從圖1所示的CMOS圖像傳感器10，作為信號讀出電荷Qfg1(包括依賴于入射光量的電荷(電荷量)Qi1)。由中間轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的保留電荷Q1的平均值Qhad1是可以由中間電壓Vfg1控制的值，但是，由電勢形狀變化導(dǎo)致的電荷量的變化ΔQpot1作為像素的固定模式噪音，劣化了圖像質(zhì)量。
因此，通過獲取補(bǔ)償信號(補(bǔ)償值)的方法獲得式(3)中的電荷Q1。當(dāng)執(zhí)行式(5)的將電荷Q1和電荷Qfg1加和的計(jì)算處理時，可以獲得計(jì)算結(jié)果。
Qfg1+Q1＝Qi1-(Qhad1+ΔQpot1)+Qhad1+ΔQpot1＝Qi1 (5)由電勢形狀的變化導(dǎo)致的電荷量的變化ΔQpot1被消除，并且可以只獲得依賴于入射光量的電荷Qi1。
就是說，通過執(zhí)行式(5)的加法處理，通過利用由上面的獲取方法獲得的補(bǔ)償信號，由光電二極管21的電勢形狀的變化導(dǎo)致的電荷量的變化ΔQpot1被消除，并且可以獲得指示入射光量的電荷Qi1，結(jié)果，通過減小固定模式噪音可以改善成像畫面的圖像質(zhì)量。
如圖33所示，式(5)的加法處理在提供于CMOS圖像傳感器10的后續(xù)階段的數(shù)字處理電路50中執(zhí)行。在此情形中，成像信號從CMOS圖像傳感器10以數(shù)字信號形式輸出。數(shù)字信號處理電路50例如包括幀存儲器、通過上面的獲取方法針對每一個像素獲取的補(bǔ)償信號被按每一個像素存儲在幀存儲器中，并且通過使用存儲在幀存儲器中的補(bǔ)償信號，在常規(guī)成像時對于每一個像素執(zhí)行式(5)的加法處理，來補(bǔ)償光接收區(qū)域(光電二極管)的電勢形狀的變化導(dǎo)致的固定模式噪音。
對于補(bǔ)償信號的獲取，可以考慮如下的方法在制造階段執(zhí)行一次獲取處理，并且各個像素的補(bǔ)償信號作為固定值存儲在非易失性存儲器中；當(dāng)對系統(tǒng)加電時執(zhí)行一次獲取處理，并且各個像素的補(bǔ)償信號作為固定值存儲在幀存儲器中；每固定的時段(例如，數(shù)幀或數(shù)十幀的時段)重復(fù)執(zhí)行獲取處理，并且在每一個時段，存儲在幀存儲器中的補(bǔ)償信號被更新；按每一幀重復(fù)執(zhí)行獲取處理，并且存儲在幀存儲器中的補(bǔ)償信號被更新；以及一些其它的方法。隨著補(bǔ)償信號的獲取增加，可以獲得如下優(yōu)點(diǎn)由隨時間的變化導(dǎo)致的固定模式噪音可以被可靠地補(bǔ)償。
如上所述，在光電二極管21被充滿電荷之后，多個中間電壓(第二控制電壓)被順序地施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極，并且部分轉(zhuǎn)移被執(zhí)行，由通過中間電壓完成的轉(zhuǎn)移之一或者全部轉(zhuǎn)移獲得的信號電荷被讀出，并且信號電荷被用作補(bǔ)償項(xiàng)，用于消除(在常規(guī)成像時通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極順序地施加多個控制電壓所獲得的)圖像的固定模式噪音，結(jié)果，可以獲得下面的操作和效果。即，在動態(tài)范圍被擴(kuò)寬時的高亮度下的輸出信號中，通過光電二極管21的電勢形狀的變化和光電二極管21的閾值變化中之一或兩者導(dǎo)致的圖像的固定模式噪音可以被消除，因此，可以使得成像畫面具有高的質(zhì)量。
在此實(shí)施例中，作為實(shí)例解釋了如下的情形，其中，由上面的獲取方法獲得的補(bǔ)償信號被應(yīng)用于成像信號，該成像信號通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極順序地施加多個控制電壓而獲得，但是，其不限于此應(yīng)用。
在上面解釋的實(shí)施例和應(yīng)用中，作為實(shí)例解釋了其中本發(fā)明應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的情形，但是，本發(fā)明不限于應(yīng)用于CMOS圖像傳感器，并且涉及全體放大型固態(tài)成像器件，此外，涉及來自光電元件的信號電荷的讀出部件，因此，本發(fā)明還可以應(yīng)用于由CCD圖像傳感器代表的電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)成像器件。
在圖34A和34B中示出了其中本發(fā)明應(yīng)用于CCD圖像傳感器的實(shí)例。在CCD圖像傳感器中，在光電二極管(光接收區(qū))31執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，并且存儲在其中的信號電荷通過轉(zhuǎn)移柵(讀出柵)32轉(zhuǎn)移到垂直CCD(垂直轉(zhuǎn)移區(qū))33，按照垂直轉(zhuǎn)移被垂直CCD 33讀出。在CCD圖像傳感器中，通過向轉(zhuǎn)移柵32施加上述的控制電壓Vtrg，可以控制將被轉(zhuǎn)移到垂直CCD 33的電子的數(shù)量。
當(dāng)入射光弱時(圖34A)，因?yàn)橐呀?jīng)被光電轉(zhuǎn)換的電子的量小，所以即使在控制電壓Vtrg被施加到轉(zhuǎn)移柵32時，光電二極管31中的存儲電子難以超出轉(zhuǎn)移柵32下的電勢，并且存儲電子被保持在光電二極管31中。而當(dāng)入射光強(qiáng)時(圖34B)，因?yàn)橐呀?jīng)被光電轉(zhuǎn)換的電子的量大，所以通過向轉(zhuǎn)移柵32施加控制電壓Vtrg，光電二極管31中的存儲電子超出轉(zhuǎn)移柵32下的電勢，并且被部分轉(zhuǎn)移到垂直CCD 33。
然后，通過以與CMOS圖像傳感器的情形中相同的控制時序施加控制電壓Vtrg，以與CMOS圖像傳感器相同的方式，可以在高亮度下按照中間轉(zhuǎn)移執(zhí)行信號獲取，而在低亮度下保持信號電荷。
在如上面所解釋的實(shí)例中，對于像素陣列區(qū)域11中的所有像素20，向轉(zhuǎn)移晶體管22的控制電極順序地供應(yīng)多個控制電壓，同時，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移的信號電荷被讀出兩次或者更多次，然而，本發(fā)明不限于其中對所有像素20都執(zhí)行上述的驅(qū)動操作的應(yīng)用。下面將解釋其它的應(yīng)用，作為改進(jìn)實(shí)例1、2和3。
圖35是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例1的示意圖。在改進(jìn)實(shí)例1中，在固態(tài)成像器件(其中，彩色透射濾光器，諸如R(紅色)、G(綠色)和B(藍(lán)色)的原色濾光器或者Cy(青色)、Mg(品紅色)和Y(黃色)的補(bǔ)色濾光器被布置在像素上，以獲取彩色圖像)中，像素36被局部地布置，所示像素36沒有彩色透射濾光器并且其靈敏度高于具有彩色透射濾光器的像素35，而對于高靈敏度的像素36，多個控制電壓被順序地供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極，并且同時，通過轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移的信號電荷被讀出兩次或者更多次。
圖36是示出了白熾燈光譜的實(shí)例的圖。一般來說，白熾燈包括大量的紅外光和和寬的波長帶，如圖36中的字符“W”所示，并且在透射通過藍(lán)色、綠色和紅色的彩色透射濾光器之后其強(qiáng)度如字符“B”、“G”和“R”所示地衰減。沒有彩色透射濾光器的光敏像素36接收具有寬波長帶的光，因此，它們的靈敏度比包括彩色透射濾光器的像素35高數(shù)倍。
在其中存在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35和不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36兩者的固態(tài)成像器件中，對于高靈敏度像素36，向轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極順序地供應(yīng)多個控制電壓，同時，由轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移的信號電荷被讀出兩次或者更多次，結(jié)果，在包括彩色透射濾光器的像素35中維持高的S/N的同時，可以獲取信號，即使是在高靈敏度像素36中超過常規(guī)水平時。
在不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36中獲取的信號具有清晰的邊緣。因此，作為實(shí)例，在不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36中獲取的信號被反映于在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35中獲取的信號上，結(jié)果，可以獲得具有清晰邊緣的成像畫面。
圖37是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例2的示意圖。在同時存在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素和不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36這一點(diǎn)上，改進(jìn)實(shí)例2類似于改進(jìn)實(shí)例1，但是，它們的不同點(diǎn)在于，在改進(jìn)實(shí)例1中，高靈敏度像素36被局部地設(shè)置，而在改進(jìn)實(shí)例2中，高靈敏度像素36被以行為單位設(shè)置。
在其中高靈敏度像素36被散布的改進(jìn)實(shí)例1中，難以通過以行為單位進(jìn)行選擇掃描來將低靈敏度像素35與高靈敏度像素36區(qū)分。然而，在其中高靈敏度像素36以行為單位存在的改進(jìn)實(shí)例2中，可以將低靈敏度像素35與高靈敏度像素36區(qū)分，以執(zhí)行以行為單位的選擇性驅(qū)動。換句話說，高靈敏度像素36的行可以被單獨(dú)地選擇性驅(qū)動。
為了單獨(dú)地選擇性驅(qū)動高靈敏度像素36的行，在圖1中的垂直掃描電路12中，設(shè)置了用于選擇性掃描包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35的行的掃描系統(tǒng)和用于選擇性掃描不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36的行的掃描系統(tǒng)，并且由各個掃描系統(tǒng)獨(dú)立地執(zhí)行掃描。
因此，在改進(jìn)實(shí)例2中，可以單獨(dú)地選擇性地驅(qū)動高靈敏度像素36的行，因此，可以相對于高靈敏度像素36執(zhí)行驅(qū)動操作，其中，多個控制電壓被順序地供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管的控制電極，同時，由轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移的信號電荷被以快速的操作速度讀出兩次或者更多次。同時，可以以低速對低靈敏度像素35執(zhí)行常規(guī)的讀出操作，結(jié)果，與改進(jìn)實(shí)例1(其中高速操作以與高靈敏度像素36的相同方式同樣對于低靈敏度像素35不可避免)，該實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，因?yàn)榈挽`敏度像素35可以以低速被驅(qū)動，所以可以減小功耗。

圖38是本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)例3的示意圖。在改進(jìn)實(shí)例3中，例如，在改進(jìn)實(shí)例2的像素布置中，紅外光削減濾光器37作為像素單元布置在除不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36以外的像素上，即布置在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35上。
為了在低靈敏度像素35上布置紅外光削減濾光器37作為像素單元，例如，電介質(zhì)多層膜可以被疊放在低靈敏度像素35上。此外，可以從高靈敏度像素36去除一般布置在成像器件的前面階段中的紅外削減濾光器，或者使用消除具有更長波長的紅外光的濾光器，結(jié)果，紅外光削減濾光器37可以被布置在低靈敏度像素35上。
因此，通過在低靈敏度像素35上布置紅外光削減濾光器37，高靈敏度像素36也可以接收紅外光，這使得高靈敏度像素36可以更靈敏，因此，在高靈敏度像素36中可以獲取大于常規(guī)飽和水平的信號，而不會劣化包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35的信號。
優(yōu)選的是，根據(jù)上述實(shí)施例(包括改進(jìn)實(shí)例1-3)的CMOS圖像傳感器被用作諸如數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和視頻攝像機(jī)的成像設(shè)備中的成像器件(圖像輸入器件)。
成像設(shè)備指攝像機(jī)模塊(例如，用于安裝在諸如蜂窩電話的電子設(shè)備上)，和攝像機(jī)模塊被安裝在其上的攝像機(jī)系統(tǒng)(諸如，數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和視頻攝像機(jī))，所示攝像機(jī)模塊包括作為成像器件的固態(tài)成像器件、將物體的圖像光線聚焦在固體成像器件的成像表面(光接收表面)上的光學(xué)系統(tǒng)以及固態(tài)成像器件的信號處理電路。
圖39是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的成像設(shè)備的配置實(shí)例的方框圖。如圖39所示，根據(jù)該實(shí)施例的成像設(shè)備包括包含透鏡41的光學(xué)系統(tǒng)、成像器件42以及攝像機(jī)信號處理電路43等。
透鏡41將來自物體的圖像光線聚焦在成像器件42的成像表面上。成像器件42輸出圖像信號，該圖像信號通過在像素單元中將由透鏡41聚焦在成像表面上的圖像光線轉(zhuǎn)換成電子信號而獲得。根據(jù)實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10用作成像器件42。攝像機(jī)信號處理單元43對從成像器件42輸出的圖像信號執(zhí)行各種信號處理。
如上所述，在成像設(shè)備(諸如視頻攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和用于諸如蜂窩電話的移動設(shè)備的攝像機(jī)模塊)中，通過使用根據(jù)實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10作為成像器件42，CMOS圖像傳感器10可以允許在低亮度下的線性和高S/N的信號獲取而不縮窄常規(guī)的飽和水平，同時，對于大于常規(guī)飽和水平的入射光，可以擴(kuò)展動態(tài)范圍同時也實(shí)現(xiàn)線性區(qū)域中的良好S/N，結(jié)果，可以進(jìn)一步提高成像畫面的圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在低亮度下，可以以線性和高S/N實(shí)現(xiàn)信號獲取而不縮窄常規(guī)的飽和水平，并且對于大于常規(guī)飽和水平的入射光，可以擴(kuò)展動態(tài)范圍同時也實(shí)現(xiàn)線性區(qū)域中的良好S/N，因此，對于各種環(huán)境下外部光的變化，在低亮度場景中可以獲取具有高S/N的高質(zhì)量圖像，并且在高亮度場景中可以獲取按線性響應(yīng)的高質(zhì)量的不及飽和的圖像，此外，即使在其中同時存在低亮度和高亮度的高對比度場景中，也可以在高亮度區(qū)域中避免飽和，同時在低亮度區(qū)域中維持高的S/N。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它因素可以進(jìn)行各種修改、組合、子組合和替換，只要其處于所附權(quán)利要求或者其等同物的范圍。
相關(guān)申請交叉引用本發(fā)明包含涉及2005年10月28日遞交的日本專利申請JP 2005-313755和2006年4月28日遞交的日本專利申請JP 2006-124699的主題，這些日本申請的全部內(nèi)容通過引用被包含在本文中。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列區(qū)域，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述像素陣列區(qū)域中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；供應(yīng)電壓控制裝置，用于將多個第一控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；和驅(qū)動裝置，用于執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述多個第一控制電壓包括至少一個如下的電壓，該電壓能夠在保持存儲在所述光電轉(zhuǎn)換元件的電荷中的一部分的同時，由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移所存儲電荷中的其余部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述單元像素包括放大晶體管，所述放大晶體管放大并輸出由所述轉(zhuǎn)移柵從所述光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)移的信號電荷，作為信號電壓，以及其中，所述驅(qū)動裝置執(zhí)行通過所述放大晶體管讀出由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到所述放大晶體管的信號電荷的驅(qū)動操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，還包括電荷轉(zhuǎn)移區(qū)，由所述轉(zhuǎn)移柵從所述光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)移的信號電荷被轉(zhuǎn)移到所述電荷轉(zhuǎn)移區(qū)中，以及其中，所述驅(qū)動裝置執(zhí)行通過所述電荷轉(zhuǎn)移區(qū)讀出由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到所述電荷轉(zhuǎn)移區(qū)的信號電荷的驅(qū)動操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述驅(qū)動裝置執(zhí)行復(fù)位當(dāng)所述多個第一控制電壓被順序地供應(yīng)時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作，而不進(jìn)行一次或者多次讀出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，在所述單元像素的曝光時段，所述供應(yīng)電壓控制裝置以不同的間隔供應(yīng)所述多個第一控制電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述像素陣列區(qū)域包括不具有彩色透射濾光器的像素，所述像素比具有彩色透射濾光器的像素更靈敏。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，所述高靈敏度像素以行為單位布置；以及其中，所述驅(qū)動裝置執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加到所述高靈敏度像素時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，所述包括彩色透射濾光器的像素包括紅外光削減濾光器，以及其中，所述高靈敏度像素接收包括紅外光的光信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，還包括控制裝置，用于執(zhí)行信號電荷的讀出的控制，所述信號電荷在多個第二控制電壓中的之一或者全部被施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移而獲得，其中所述多個第二控制電壓在所述光電轉(zhuǎn)換元件充滿電子或者空穴之后，被順序地施加到所述轉(zhuǎn)移柵的所述控制電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，其中，所述多個第二控制電壓中的之一或者全部是這樣的電壓，所述電壓能夠在保持存儲在所述光電轉(zhuǎn)換元件中的電荷的一部分的同時，由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移所存儲電荷的其余部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固態(tài)成像器件，其中，當(dāng)所述多個第一控制電壓以高電壓的次序被順序地施加時，所述多個第二控制電壓以低電壓的次序被順序地施加。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，其中，使得轉(zhuǎn)移電容的電勢為所述光電轉(zhuǎn)換元件的飽和狀態(tài)下的電勢，以使所述轉(zhuǎn)移柵為導(dǎo)通狀態(tài)，其中，通過所述轉(zhuǎn)移柵從所述光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移電容中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)成像器件，還包括信號處理裝置，用于通過利用基于由所述控制裝置的控制獲得的信號電荷的信號，執(zhí)行對基于由所述驅(qū)動裝置獲得的信號電荷的信號消除圖像的固定模式噪音的處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固態(tài)成像器件，其中，所述信號處理裝置將所述基于由所述控制裝置的控制獲得的信號電荷的信號與所述基于由所述驅(qū)動裝置獲得的信號電荷的信號相加。
16.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列區(qū)域，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述像素陣列區(qū)域中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；控制裝置，用于執(zhí)行信號電荷的讀出的控制，所述信號電荷在多個電壓中的之一或者全部被施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移而獲得，其中所述多個電壓在所述光電轉(zhuǎn)換元件充滿電子或者空穴之后，被順序地施加到所述轉(zhuǎn)移柵的所述控制電極。
17.一種驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，其中在所述固態(tài)成像器件中，單元像素以矩陣形式二維地布置，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷，所述方法包括如下步驟將多個控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；兩次或者更多次讀出在所述多個控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，其中，所述多個控制電壓包括至少一個如下的電壓，該電壓能夠在保持存儲在所述光電轉(zhuǎn)換元件的電荷中的一部分的同時，由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移所存儲電荷中的其余部分。
19.一種驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，其中在所述固態(tài)成像器件中，單元像素以矩陣形式二維地布置，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷，所述方法包括如下步驟將多個第一控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的第一信號電荷；讀出第二信號電荷，所述第二信號電荷在多個第二控制電壓中的之一或者全部被施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移而獲得，其中所述多個第二控制電壓在所述光電轉(zhuǎn)換元件充滿電子或者空穴之后，被順序地施加到所述轉(zhuǎn)移柵的所述控制電極；以及通過利用基于所述第二信號電荷的信號，執(zhí)行對基于所述第一信號電荷的信號消除圖像的固定模式噪音的處理。
20.一種成像設(shè)備，包括固態(tài)成像器件，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述固態(tài)成像器件中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；光學(xué)系統(tǒng)，將光從物體引導(dǎo)到所述固態(tài)成像器件的成像表面；其中，所述固態(tài)成像器件包括供應(yīng)電壓控制裝置，用于將多個控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；和驅(qū)動裝置，用于執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
21.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列區(qū)域，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述像素陣列區(qū)域中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；供應(yīng)電壓控制單元，被配置用于將多個第一控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；和驅(qū)動單元，被配置用于執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
22.一種成像設(shè)備，包括固態(tài)成像器件，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述固態(tài)成像器件中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；光學(xué)系統(tǒng)，將光從物體引導(dǎo)到所述固態(tài)成像器件的成像表面；其中，所述固態(tài)成像器件包括供應(yīng)電壓控制單元，被配置用于將多個控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；和驅(qū)動單元，被配置用于執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
23.一種固態(tài)成像器件，包括成像區(qū)域，其中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)移柵和存儲部分，所述光電轉(zhuǎn)換部分被配置用于接收入射光并產(chǎn)生信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵被配置用于從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉(zhuǎn)移柵讀出的信號，其中，所述轉(zhuǎn)移柵通過不完全轉(zhuǎn)移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中，所述第一信號電荷被從所述存儲部分發(fā)送出，其中，將在所述不完全轉(zhuǎn)移時保留在所述光電轉(zhuǎn)換部分的第二電荷加到在所述光電轉(zhuǎn)換部分中通過在所述不完全轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入的光所產(chǎn)生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉(zhuǎn)移柵讀出到所述存儲部分。
24.一種成像設(shè)備，包括固態(tài)成像器件，所述固態(tài)成像器件具有成像區(qū)域，所述成像區(qū)域中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)移柵和存儲部分，所述光電轉(zhuǎn)換部分被配置用于接收入射光并產(chǎn)生信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵被配置用于從所述光電轉(zhuǎn)換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉(zhuǎn)移柵讀出的信號；以及控制元件，用于控制所述固態(tài)成像器件，其中，所述控制元件向所述固態(tài)成像器件供應(yīng)控制信號，其中，所述轉(zhuǎn)移柵由基于所述控制信號產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動，其中，所述轉(zhuǎn)移柵通過不完全轉(zhuǎn)移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中，所述第一信號電荷被從所述存儲部分發(fā)送出，其中，將在所述不完全轉(zhuǎn)移時保留在所述光電轉(zhuǎn)換部分的第二電荷加到在所述光電轉(zhuǎn)換部分中通過在所述不完全轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入的光所產(chǎn)生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉(zhuǎn)移柵讀出到所述存儲部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列區(qū)域，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述像素陣列區(qū)域中，所述單元像素包括光電轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)移柵，所述光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為信號電荷，所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中已經(jīng)被光電轉(zhuǎn)換的所述信號電荷；供應(yīng)電壓控制裝置，用于將多個第一控制電壓順序地供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)移柵的控制電極；和驅(qū)動裝置，用于執(zhí)行兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加時由所述轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移的信號電荷的驅(qū)動操作。
文檔編號H04N5/3745GK1956490SQ20061015038
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者大池祐輔, 戶田淳 申請人:索尼株式會社