專利名稱：光學(xué)傳感器電路和圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器電路和一種圖像傳感器，并且更具體地涉及一種適合于實(shí)現(xiàn)根據(jù)入射光的照度而具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性并且其中動(dòng)態(tài)范圍較寬的MOS圖像傳感器的光學(xué)傳感器電路，以及一種通過(guò)使用該光學(xué)傳感器電路作為一個(gè)像素而產(chǎn)生的圖像傳感器。
背景技術(shù)：
形成MOS圖像傳感器的像素的各種光學(xué)傳感器電路分類成三種電路。第一種光學(xué)傳感器電路是就入射光的照度(強(qiáng)度)變化而言具有線性輸出特性的光學(xué)傳感器電路，第二種光學(xué)傳感器電路是就入射光的照度變化而言具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路，以及第三種光學(xué)傳感器電路是就具有低照度的入射光而言具有線性輸出特性而就具有高照度的入射光而言具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路。下文將簡(jiǎn)略地描述這些光學(xué)傳感器電路，并且將就S/N比、動(dòng)態(tài)范圍、殘留圖像、在低照度的靈敏度等來(lái)評(píng)價(jià)它們的特性。
圖21示出了具有線性輸出特性的光學(xué)傳感器電路的例子。光學(xué)傳感器電路101包括用作光學(xué)傳感器器件的光電二極管PD，其檢測(cè)入射光(光信號(hào))L1并且將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電二極管PD具有作為寄生電容(包括接線的雜散電容)的電容器C1。光學(xué)傳感器電路101還包括對(duì)電容器C1進(jìn)行充電和放電的MOS晶體管Q1、用于放大電容器C1的端子電壓的MOS晶體管Q2和選擇性地輸出放大的端子電壓(Vout)作為像素信號(hào)的MOS晶體管Q3。在下文中，MOS晶體管Q1稱為“第一MOS晶體管Q1”，MOS晶體管Q2稱為“第二MOS晶體管Q2”，而MOS晶體管Q3稱為“第三MOS晶體管Q3”。電阻器R連接到第三MOS晶體管Q3的漏極端子。
所需電壓V1、V2由電壓控制器102施加到第一MOS晶體管Q1的柵極端子G1和漏極端子D1。類似地，所需電壓V3、V4由電壓控制器102等(像素選擇電路等)施加到第三MOS晶體管Q3的柵極端子G3和電阻器R的輸出端子T1。從電壓控制器102輸出的所需電壓V1至V4的生成定時(shí)是由定時(shí)信號(hào)生成部分103來(lái)指令的。
將描述光學(xué)傳感器電路101的操作。在第一MOS晶體管Q1的漏極電壓V2被維持于高電平的狀態(tài)下，第一MOS晶體管Q1的柵極電壓V1在初始化的定時(shí)被設(shè)置到高電平。這消除了電荷保留于到第一MOS晶體管Q1的漏極的光電二極管PD的電容器C1的情況。然后，柵極電壓V1被切換到低電平(0V)以截止第一MOS晶體管Q1。隨后使光電二極管PD的電容器C1累積電荷。電荷的累積所產(chǎn)生的電容器C1的端子電壓被施加到第二MOS晶體管Q2的柵極。然后，當(dāng)在光電二極管PD中經(jīng)過(guò)恒定的曝光時(shí)間之后，光信號(hào)作為電壓Vout從第三MOS晶體管Q3的漏極輸出。
在光學(xué)傳感器電路101中，流過(guò)光電二極管PD的光電流主要是在光電二極管PD的電容器C1中充電的電荷的放電電流。因此，作為光學(xué)傳感器電路101的傳感器輸出的輸出電壓Vout表現(xiàn)了與放電電流成比例的線性輸出特性。光學(xué)傳感器電路101可以基于曝光時(shí)間來(lái)控制傳感器輸出，并且因此成為存儲(chǔ)型圖像傳感器。然而，在光學(xué)傳感器電路101的電路配置中，輸出電壓Vout與入射光L1的強(qiáng)度成比例，而當(dāng)強(qiáng)光入射時(shí)該電路飽和。因此，該電路因無(wú)法很大地加寬動(dòng)態(tài)范圍而存在問(wèn)題。
在專利文獻(xiàn)1的圖7等中示出了具有與光學(xué)傳感器電路101相似的電路配置的光學(xué)傳感器電路。
接著，圖22示出了具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路的例子。在圖22中，與參照?qǐng)D21所示部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示，并且省略對(duì)這些部件的重復(fù)具體描述。在光學(xué)傳感器電路201中，取代了光學(xué)傳感器電路101的第一MOS晶體管Q1而使用MOS晶體管Q21。在MOS晶體管Q21中，柵極電連接到漏極。MOS晶體管Q21對(duì)應(yīng)于第一MOS晶體管Q1以代替它來(lái)使用，因此稱為“第一MOS晶體管Q21”。光電二極管PD、電容器C1、第二MOS晶體管Q2、第三MOS晶體管Q3、電阻器R和其它電路配置與參照?qǐng)D21所示部件相同。在光學(xué)傳感器電路201中，第一MOS晶體管Q21將光電二極管PD的傳感器電流轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)特性的傳感器電壓。
在光學(xué)傳感器電路201中，第一MOS晶體管Q21的柵極連接到晶體管的漏極，漏極和柵極電壓被設(shè)置成同一恒定漏極電壓V2，而第三MOS晶體管Q3被導(dǎo)通以輸出光信號(hào)作為輸出電壓Vout。來(lái)自電壓控制器102的高電平柵極電壓被供應(yīng)到第三MOS晶體管Q3的柵極端子G3。
在光學(xué)傳感器電路201中，可以加寬動(dòng)態(tài)范圍以便使用對(duì)數(shù)輸出特性。然而，光電流流經(jīng)第一MOS晶體管Q21的溝道，因此與存儲(chǔ)型圖像傳感器不同，無(wú)法通過(guò)延長(zhǎng)曝光時(shí)間來(lái)提高S/N比。因此，對(duì)于低照度的靈敏度低于基于光學(xué)傳感器電路101的存儲(chǔ)型圖像傳感器的靈敏度。當(dāng)流過(guò)第一MOS晶體管Q21的電流為小時(shí)，溝道的阻抗為大，因此由于容易出現(xiàn)殘留圖像而發(fā)生問(wèn)題。
在專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路。
圖23示出了就具有低照度的入射光L1而言具有線性輸出特性而就具有高照度的入射光而言具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路的例子。圖23中所示光學(xué)傳感器電路301的電路配置與光學(xué)傳感器電路101的電路配置相同，與圖21中所示部件相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示，并且省略對(duì)它們的描述。柵極電壓Vg被供應(yīng)到第一MOS晶體管Q1的柵極，而漏極電壓Vd被供應(yīng)到晶體管的漏極。圖24示出了供應(yīng)的柵極電壓Vg和漏極電壓Vd的電壓波形。在光學(xué)傳感器電路301中，第一MOS晶體管Q1的漏極電壓Vd被設(shè)置成預(yù)定值(Vd1)，而柵極電壓Vg僅在預(yù)定時(shí)間段(t2-t1)被設(shè)置成充分地高于漏極電壓Vd的電壓(Vg1高電平(H))，由此控制電路以便對(duì)連接到源極的光電二極管PD的電容器C1進(jìn)行充電和放電。該控制是由電壓控制器102和定時(shí)信號(hào)生成部分103執(zhí)行的。執(zhí)行該控制的功能部分被稱為“初始設(shè)置裝置”。其它配置與參照?qǐng)D21所示光學(xué)傳感器電路101相同。
將參照?qǐng)D24中所示定時(shí)圖(電壓波形圖)來(lái)描述光學(xué)傳感器電路301的操作。漏極電壓Vd被設(shè)置成恒定電壓值(Vd1)，按照該恒定電壓值(Vd1)，當(dāng)柵極電壓Vg在低電平(L)時(shí)，流過(guò)第一MOS晶體管Q1的電流被轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)輸出特性的電壓。
在上述狀態(tài)下，柵極電壓Vg在t1到t2期間被設(shè)置成高電壓(Vg1高電平)。作為結(jié)果，第一MOS晶體管Q1被設(shè)置成導(dǎo)通狀態(tài)，第一MOS晶體管Q1的溝道阻抗是低電阻，而源極端子的電壓，即電容器C1的端子電壓VC1被充電到與漏極電壓Vd相似的值。下文將這一操作稱為“重置操作”。
接著在定時(shí)t2，柵極電壓Vg被切換到低電平。在t2至t3期間，流過(guò)光電二極管PD的光電流主要是在光電二極管PD的電容器C1中充電的電荷的放電電流。因此，電容器C1的端子電壓VC1因電荷的放電而在t2到t3的時(shí)間間隔期間降低，而傳感器輸出表現(xiàn)了與放電電流成比例的線性輸出。在t2到t3的時(shí)間間隔期間，該輸出是線性輸出區(qū)302。當(dāng)電容器C1的端子電壓VC1因電荷的放電而進(jìn)一步降低時(shí)，在定時(shí)t3之后，流過(guò)光電二極管PD的光電流主要是從第一MOS晶體管Q1供應(yīng)的電流，而傳感器輸出被轉(zhuǎn)換成具有對(duì)數(shù)特性的電壓并且表現(xiàn)為對(duì)數(shù)輸出。在t3到t4的時(shí)間間隔期間，該輸出是對(duì)數(shù)輸出區(qū)303。
光學(xué)傳感器電路301包括線性輸出區(qū)302，其中在光電二極管PD的光電流為弱的情況下，檢測(cè)到與電容器C1的放電電流成比例的電壓；以及對(duì)數(shù)輸出區(qū)303，其中在光電二極管PD的光電流為大的情況下，檢測(cè)到具有對(duì)數(shù)特性的電壓。因此，光學(xué)傳感器電路301可以準(zhǔn)確地檢測(cè)弱光并且可以加寬動(dòng)態(tài)范圍。
另外，光學(xué)傳感器電路301可以借助電容器C1的積分運(yùn)算來(lái)平均噪聲，因此可以提高S/N比，從而進(jìn)一步降低光照度的可檢測(cè)范圍的下限，由此能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度。因而，有可能實(shí)現(xiàn)其中S/N比高、靈敏度高和動(dòng)態(tài)范圍寬的光學(xué)傳感器電路。
然而，光學(xué)傳感器電路301因如下原因而存在問(wèn)題在電路被配置為一個(gè)像素而這樣的像素以二維矩陣模式來(lái)連接以形成成像區(qū)并且構(gòu)成二維圖像傳感器的情況下，在具有線性輸出特性的區(qū)域與具有對(duì)數(shù)輸出特性的區(qū)域之間的改變點(diǎn)分散于像素之間。
圖25是示出了入射光強(qiáng)度(橫坐標(biāo))和傳感器輸出(縱坐標(biāo))分散于二維圖像傳感器的像素之間的特性圖。例如在圖中，針對(duì)六個(gè)像素繪出了在各入射光強(qiáng)度的傳感器輸出電壓與在暗狀態(tài)下的輸出電壓之差。傳感器輸出的分散是由第一MOS晶體管Q1的閾值的分散造成的。
將參照?qǐng)D26來(lái)描述該分散的成因。在圖26中，在橫坐標(biāo)的方向上示出了光學(xué)傳感器電路301所產(chǎn)生的兩個(gè)像素A、B，而在縱坐標(biāo)的方向上示出了電容器(寄生電容)C1的端子電壓VC1的電勢(shì)狀態(tài)。在示出了端子電壓VC1的縱坐標(biāo)中，上側(cè)對(duì)應(yīng)于“暗”而下側(cè)對(duì)應(yīng)于“亮”。緊接在上述重置操作之后，光電二極管PD的電容器C1的端子電壓VC1是與像素A、B中的漏極電壓Vd相等的電勢(shì)(狀態(tài)310)。隨后，流過(guò)光電二極管PD的光電流主要是在光電二極管PD的電容器C1中充電的電荷的放電電流。因此，端子電壓VC1因放電而降低，而傳感器輸出表現(xiàn)了與放電電流成比例的線性輸出特性(302A、302B)。當(dāng)端子電壓VC1進(jìn)一步因電荷的放電而降低時(shí)，從第一MOS晶體管Q1供應(yīng)的電流是主導(dǎo)性的，使得傳感器輸出表現(xiàn)了對(duì)數(shù)輸出特性(303A、303B)。
在表現(xiàn)了線性輸出的區(qū)域(302A、302B)與表現(xiàn)了對(duì)數(shù)輸出的區(qū)域(303A、303B)之間的改變點(diǎn)與第一MOS晶體管Q1的閾值(Vth)有關(guān)。因此，當(dāng)閾值分散為VthA、VthB時(shí)，該改變點(diǎn)的電勢(shì)因像素而不同。然而，在所有像素中，緊接在重置之后的端子電勢(shì)是漏極電壓Vd并且是共同的(狀態(tài)310)。因而，在緊接在重置之后的端子電勢(shì)與上述改變點(diǎn)(304A、304B)之間的電勢(shì)差在像素A、B之間是不同的。以這一方式，由于在緊接在重置之后的端子電勢(shì)與上述改變點(diǎn)之間的電勢(shì)差在像素A、B之間不同這一現(xiàn)象，所以具有線性特性的區(qū)域分散于像素之間。
專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了一種解決光學(xué)傳感器電路301中該問(wèn)題的光學(xué)傳感器信號(hào)處理裝置。在光學(xué)傳感器信號(hào)處理裝置中，抑制了由于MOS圖像傳感器中像素特性的分散所造成的固定模式噪聲，并且校正了在各像素的輸出從線性特性區(qū)切換到對(duì)數(shù)特性區(qū)的拐點(diǎn)(inflection point)處輸出特性的分散。因此，為各像素(光學(xué)傳感器電路)設(shè)置用于校正輸出值的表，以便校正各像素的輸出值。
專利文獻(xiàn)1JP-A-2000-329616專利文獻(xiàn)2JP-A-11-298799發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問(wèn)題如上所述，在一種就具有低照度的入射光而言具有線性輸出特性而就具有高照度的入射光而言具有對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路中，在線性特性區(qū)與對(duì)數(shù)特性區(qū)之間的改變點(diǎn)的電勢(shì)依賴于各光學(xué)傳感器電路的第一MOS晶體管Q1的閾值(Vth)，而在光學(xué)傳感器電路中緊接在重置之后的端子電勢(shì)是漏極電壓Vd并且是共同的。因此，在光學(xué)傳感器電路即像素之間出現(xiàn)分散。因而，專利文獻(xiàn)2提出一種解決方案。
然而，在專利文獻(xiàn)2提出的解決方案中，各像素必須具有用于校正輸出值的表。根據(jù)工作溫度，在MOS晶體管中造成特性變化或長(zhǎng)期變化。作為結(jié)果，在裝運(yùn)之前設(shè)置的表內(nèi)容隨著時(shí)間的流逝而逐漸偏離于像素的實(shí)際特性，并且因再次出現(xiàn)在像素之中的分散而發(fā)生問(wèn)題。因此，專利文獻(xiàn)2所提出的解決方案從實(shí)用性的觀點(diǎn)耐看有待提高。
鑒于上文討論的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)入射光的照度具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路以及一種圖像傳感器，并且在該光學(xué)傳感器電路中，可以控制在線性特性區(qū)與對(duì)數(shù)特性區(qū)之間的改變點(diǎn)，穩(wěn)定地消除改變點(diǎn)的電勢(shì)在光學(xué)傳感器電路之中的分散，在低照度等的S/N比為高，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，而殘留圖像的電平低。
用于解決問(wèn)題的手段為了達(dá)到目的，以如下方式配置本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路和圖像傳感器。
第一光學(xué)傳感器電路(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求1)包括光電轉(zhuǎn)換器件(光電二極管等)，其包括存儲(chǔ)電荷的靜電電容單元(電容器C1)，并且其將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)，用于將從光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)特性的電壓信號(hào)；以及控制裝置(電壓控制器13和定時(shí)信號(hào)生成部分14)，用于將柵極電壓供應(yīng)到MOS晶體管(Q1)的柵極以及將漏極電壓供應(yīng)到漏極，而控制裝置包括如下初始設(shè)置裝置(15)。初始設(shè)置裝置(15)具有如下功能在僅在第一預(yù)定時(shí)間段將轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的柵極電壓設(shè)置成高柵極電壓值(VgH)而僅在第二預(yù)定時(shí)間段將漏極電壓設(shè)置成低漏極電壓值(VdL)的同時(shí)，對(duì)光電轉(zhuǎn)換器件的靜電電容單元進(jìn)行充電/放電；隨后將漏極電壓設(shè)置成高漏極電壓值(VdH)；而在經(jīng)過(guò)第三預(yù)定時(shí)間段之后，將柵極電壓設(shè)置成低柵極電壓值(VgL)。在上文中，對(duì)初始設(shè)置裝置(15)進(jìn)行設(shè)置使得高柵極電壓值(VgH)、高漏極電壓值(VdH)和低漏極電壓值(VdL)被設(shè)置成滿足關(guān)系表達(dá)式“VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth，其中Vth轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的閾值電壓”。
具有上述配置的光學(xué)傳感器電路工作如下。在亞閾值電流流過(guò)轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)而晶體管具有瞬態(tài)特性的初始狀態(tài)下，當(dāng)基于滿足關(guān)系表達(dá)式的高柵極電壓值(VgH)和低柵極電壓(VgL)將轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的高柵極電壓值(VgH)切換地設(shè)置成低柵極電壓值(VgL)時(shí)，在多個(gè)光學(xué)傳感器電路的各電路中，電勢(shì)差ΔW(其中ΔW＝W(低)-W(高)，W(低)和W(高)是基于隨后將要描述的涉及W的表達(dá)式(2)參照?qǐng)D4來(lái)定義的，而電勢(shì)差ΔW是與這一點(diǎn)相關(guān)聯(lián)地類似定義的)按照轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的高柵極電壓值(VgH)與低柵極電壓(VgL)之差來(lái)設(shè)置的。因此，可以如下設(shè)置電勢(shì)差，該電勢(shì)差不依賴于構(gòu)成圖像傳感器的光學(xué)傳感器電路的轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的閾值電壓的分散。因而，在圖像傳感器中的不同光學(xué)傳感器電路之中的電勢(shì)差ΔW可以變得彼此相等。如上所述，可以任意地設(shè)置電勢(shì)差ΔW，因此可以關(guān)于作為各光學(xué)傳感器電路(像素)的暗狀態(tài)的傳感器檢測(cè)電勢(shì)的光電轉(zhuǎn)換器件的端子電壓(VC1)來(lái)任意地控制表現(xiàn)了線性輸出特性區(qū)的范圍和表現(xiàn)了對(duì)數(shù)輸出特性區(qū)的范圍。根據(jù)該配置，可以消除在光學(xué)傳感器電路(像素)之中的輸出分散。
第二光學(xué)傳感器電路(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求2)的特征在于，在上述配置中，控制裝置優(yōu)選地具有用于將轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的高柵極電壓值(VgH)切換地設(shè)置成任意電壓值的切換裝置(31)。
第三光學(xué)傳感器電路(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求3)的特征在于，在上述配置中，電路優(yōu)選地包括用于放大從轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)輸出的電壓信號(hào)的放大MOS晶體管(Q2)。
第四光學(xué)傳感器電路(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求4)的特征在于，在上述配置中，電路優(yōu)選地包括用于選擇性地輸出從放大MOS晶體管(Q2)輸出的電壓信號(hào)的輸出-選擇MOS晶體管(Q3)。
第五光學(xué)傳感器電路(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求5)的特征在于，在上述配置中，電路優(yōu)選地包括另一靜電電容單元(電容器C2)，基于光電轉(zhuǎn)換器件的端子電壓來(lái)累積電荷；以及電荷-移動(dòng)MOS晶體管(Q4)，用于在靜電電容單元與其他靜電電容單元之間選擇性地移動(dòng)電荷。初始設(shè)置裝置(15)導(dǎo)通電荷-移動(dòng)MOS晶體管(Q4)，僅在第一預(yù)定時(shí)間段將轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的柵極電壓設(shè)置成高柵極電壓值(VgH)，僅在第二預(yù)定時(shí)間段將漏極電壓設(shè)置成低漏極電壓值(VdL)，對(duì)光電轉(zhuǎn)換器件的靜電電容單元和其他靜電電容單元進(jìn)行充電/放電，隨后將漏極電壓設(shè)置成高漏極電壓值(VdH)，而在經(jīng)過(guò)第三預(yù)定時(shí)間段之后，將柵極電壓設(shè)置成低柵極電壓值(VgL)，并且設(shè)置高柵極電壓值(VgH)、高漏極電壓值(VdH)和低漏極電壓值(VdL)以便滿足關(guān)系表達(dá)式。隨后，在經(jīng)過(guò)恒定曝光時(shí)間之后，電荷-移動(dòng)MOS晶體管(Q4)被截止以將其他靜電電容單元設(shè)置成開(kāi)路狀態(tài)，然后輸出-選擇MOS晶體管(Q3)被導(dǎo)通，從而輸出傳感器信號(hào)。
本發(fā)明的一種圖像傳感器(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求6)的特征在于一維或者二維成像區(qū)域是通過(guò)使用第一至第五光學(xué)傳感器電路作為一個(gè)像素來(lái)形成的。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，在亞閾值電流流過(guò)轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)而晶體管具有瞬態(tài)特性的初始狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的高柵極電壓值(VgH)被切換地設(shè)置成低柵極電壓值(VgL)，在多個(gè)光學(xué)傳感器電路的各電路中的電勢(shì)差ΔW(＝W(低)-W(高))是按照轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的高柵極電壓值(VgH)與低柵極電壓值(VgL)之差來(lái)設(shè)置的。因此，可以設(shè)置如下電勢(shì)差，該電勢(shì)差不依賴于構(gòu)成光學(xué)傳感器電路的轉(zhuǎn)換MOS晶體管(Q1)的閾值電壓的分散。因而，在圖像傳感器中的不同光學(xué)傳感器電路之中的電勢(shì)差ΔW可以變得彼此相等。由于可以任意地設(shè)置電勢(shì)差ΔW，所以可以關(guān)于生成各光學(xué)傳感器電路(像素)的暗狀態(tài)的傳感器檢測(cè)電勢(shì)的光電轉(zhuǎn)換器件的端子電壓(VC1)來(lái)任意地控制表現(xiàn)了線性輸出區(qū)的范圍和表現(xiàn)了對(duì)數(shù)輸出區(qū)的范圍。根據(jù)該配置，可以消除在光學(xué)傳感器電路(像素)之中的輸出分散。
從上文看出，根據(jù)本發(fā)明，在一種根據(jù)入射光的照度具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的光學(xué)傳感器電路中，可以控制在線性特性區(qū)與對(duì)數(shù)特性區(qū)之間的改變點(diǎn)，穩(wěn)定地消除在光學(xué)傳感器電路之中的改變點(diǎn)的電勢(shì)的分散，在低照度等的S/N比為高，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，而殘留圖像的電平可以變低。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第一實(shí)施例的電子電路圖。
圖2是示出了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的各種部分的信號(hào)狀態(tài)的定時(shí)波形圖。
圖3是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的MOS晶體管Q1的VgH、Vth和VC1之間的關(guān)系的圖。
圖4是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的MOS晶體管Q1的Vg、Vth和VC1之間的關(guān)系的圖。
圖5是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的MOS晶體管Q1的VgL、Vth、VC1和線性輸出范圍之間的關(guān)系的圖。
圖6是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路A、B的MOS晶體管Q1的VgH、Vth和VC1之間的關(guān)系的圖。
圖7是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路A、B的MOS晶體管Q1的VgH、Vth和VC1之間的關(guān)系的圖。
圖8是圖示了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路A、B的MOS晶體管Q1的VgH、Vth和VC1之間的關(guān)系(在柵極電壓降低ΔVg之后)的圖。
圖9是示出了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路所配置的圖像傳感器的光學(xué)傳感器電路的傳感器輸出特性的曲線圖。
圖10是本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第二實(shí)施例的電子電路圖。
圖11是示出了第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的變化特性的曲線圖。
圖12是本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第三實(shí)施例的電子電路圖。
圖13是本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第四實(shí)施例的電子電路圖。
圖14是示出了第三或者第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的各種部分的信號(hào)狀態(tài)的定時(shí)波形圖。
圖15是本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第五實(shí)施例的電子電路圖。
圖16是示出了第五實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的各種部分的信號(hào)狀態(tài)的定時(shí)波形圖。
圖17是示出了通過(guò)使用本發(fā)明第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路而配置的圖像傳感器的電子電路圖。
圖18是通過(guò)使用本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路而配置的圖像傳感器的電子電路圖。
圖19是僅示出了電壓V1、V2的定時(shí)波形圖。
圖20是關(guān)于電壓V1的上升和電壓V2的下降的定時(shí)例子示出了三個(gè)實(shí)施例1至3的定時(shí)波形圖。
圖21是具有線性輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路的電子電路圖。
圖22是具有對(duì)數(shù)輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路的電子電路圖。
圖23是具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路的電子電路圖。
圖24是示出了具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路的各種部分的信號(hào)狀態(tài)的定時(shí)波形圖。
圖25是示出了具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路所形成的圖像傳感器的光學(xué)傳感器電路的傳感器輸出特性的曲線圖。
圖26是圖示了具有線性和對(duì)數(shù)輸出特性的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路所形成的圖像傳感器的問(wèn)題的圖。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明10 光學(xué)傳感器電路13 電壓控制器14 定時(shí)信號(hào)生成
15 初始設(shè)置裝置30 光學(xué)傳感器電路31 切換裝置40 光學(xué)傳感器電路50 光學(xué)傳感器電路60 光學(xué)傳感器電路PD 光電二極管C1 電容C2 電容Q1 轉(zhuǎn)換MOS晶體管Q2 放大MOS晶體管Q3 輸出-選擇MOS晶體管Q4 電荷-移動(dòng)MOS晶體管具體實(shí)施方式
下文將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例(例子)。
將參照?qǐng)D1至圖9來(lái)描述本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第一實(shí)施例。圖1示出了第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的電路配置。在圖1至圖9中，與在“背景技術(shù)”段落的以上描述中使用的圖21至圖26中所示部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。
光學(xué)傳感器電路10包括光電二極管PD，用作檢測(cè)光L1并且將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光學(xué)傳感器器件；以及電容器C1，它是光電二極管PD的寄生電容(包括接線等的雜散電容)。電容器C1并聯(lián)地連接于光電二極管PD的正極與負(fù)極之間。光電二極管PD是光學(xué)傳感器器件的一個(gè)例子，而光學(xué)傳感器器件不限于此。
就光學(xué)傳感器PD而言，設(shè)置了將光電二極管的傳感器電流轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)特性的傳感器電壓的轉(zhuǎn)換MOS晶體管Q1。MOS晶體管Q1具有漏極11d、源極11s和柵極11g。光電二極管PD的負(fù)極連接到MOS晶體管Q1的源極11s。另一方面，光電二極管的正極連接到接地端子。
從電壓控制器13供應(yīng)漏極電壓Vd到MOS晶體管Q1的漏極端子12d，而從電壓控制器13供應(yīng)柵極電壓Vg到晶體管的柵極端子12g。電壓控制器13所供應(yīng)的電壓Vd、Vg的供應(yīng)時(shí)序是由定時(shí)信號(hào)生成部分14指令的。圖2示出了電壓控制器13所供應(yīng)的電壓Vd的電壓波形圖和電壓控制器13所供應(yīng)的電壓Vg的電壓波形圖。
來(lái)自光學(xué)傳感器電路10的輸出電壓Vout取出為光電二極管PD或者電容器C1的端子電壓VC1。在光電二極管PD中，根據(jù)光L1的照度(或者強(qiáng)度)而流動(dòng)的傳感器電流被轉(zhuǎn)換成將要檢測(cè)為輸出電壓Vout的傳感器電壓。輸出電壓Vout與光電二極管PD(或者電容器C1)的端子電壓VC1重合。
在光學(xué)傳感器電路10中，供應(yīng)具有圖2中所示電壓波形的漏極電壓Vd和柵極電壓Vg以獲得與光L1相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。也就是說(shuō)，在定時(shí)t1到t2的時(shí)間間隔中，MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg被設(shè)置成高柵極電壓值(VgH)，而漏極電壓Vd被設(shè)置成低漏極電壓值(VdL)。因此，控制了光電二極管PD的電容器C1的充電和放電，并且對(duì)在光電二極管PD的電容器C1中累積的電荷進(jìn)行放電，由此抑制殘留圖像。抑制殘留圖像的操作被稱為“重置操作”。
如圖2中所示，在定時(shí)t2，MOS晶體管Q1的漏極電壓Vd被設(shè)置成高漏極電壓值VdH。這時(shí)，柵極電壓Vg的值保持于VgH或者不變。在定時(shí)t3，柵極電壓Vg具有低柵極電壓值(VgL)。
MOS晶體管Q1在定時(shí)t1到t3的時(shí)間間隔中的高柵極電壓值VgH、在t1和t2期間設(shè)置的MOS晶體管Q1的低漏極電壓值(VdL)、以及在定時(shí)t2之后設(shè)置的MOS晶體管Q1的高漏極電壓值VdH被設(shè)置為使得在這些值之間的電勢(shì)差滿足如下關(guān)系表達(dá)式(1)。
VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth...(1)其中VthMOS晶體管Q1的閾值電壓。
也就是說(shuō)，柵極電壓值VgH與漏極電壓值VdH之差被設(shè)置成小于MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth，而柵極電壓值VgH與漏極電壓值VdL之差被設(shè)置為大于MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth。
基于電壓控制器13和定時(shí)信號(hào)生成部分14的操作來(lái)執(zhí)行如下操作，在該操作中基于關(guān)于初始狀態(tài)如上文所述在圖2中示出的電壓波形模式來(lái)控制和設(shè)置MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg和漏極電壓Vd的電壓值。電壓控制器13和定時(shí)信號(hào)生成部分14形成光學(xué)傳感器電路10的控制裝置。電壓控制器13和定時(shí)信號(hào)生成部分14所實(shí)現(xiàn)的控制功能的一部分被稱為“初始設(shè)置裝置15”。
接著參照?qǐng)D3至圖5將描述光學(xué)傳感器電路10在定時(shí)t2之后即在重置操作之后的傳感器輸出。
圖3示出了MOS晶體管Q1的柵極電壓值VgH和閾值電壓值Vth以及光電二極管PD的端子電壓VC1之間的關(guān)系。
如圖3的左側(cè)方框21這一部分中所示，緊接在定時(shí)t2之后，光電二極管PD的端子電壓VC1以納秒級(jí)或者更小的速率快速地上升到如下電壓，該電壓比MOS晶體管Q1的高柵極電壓值VgH要低與MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth相對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差。
隨后，當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步流逝時(shí)，如圖3的右側(cè)方框22這一部分所示，光電二極管PD的端子電壓VC1上升，而MOS晶體管Q1的高柵極電壓值VgH與光電二極管PD的端子電壓VC1之間的電壓差小于MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth。光電二極管PD的端子電壓VC1上升的原因在于MOS晶體管Q1的溝道阻抗增加而亞閾值電流流動(dòng)。
在定時(shí)t3，當(dāng)如上所述獲得亞閾值電流流動(dòng)而晶體管具有瞬態(tài)特性的狀態(tài)時(shí)，MOS晶體管Q1的高柵極電壓值VgH被切換到低柵極電壓值VgL。
在定時(shí)t2與t3之間的間隔優(yōu)選地被設(shè)置成約微秒級(jí)。當(dāng)以這一方式設(shè)置時(shí)間間隔時(shí)，光電二極管PD的端子電壓VC1達(dá)到亞閾值電流流動(dòng)的狀態(tài)。高柵極電壓值VgH與高漏極電壓VdH之差被設(shè)置成小于MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth的目的是為了將光電二極管PD的端子電壓VC1設(shè)置成亞閾值電流流動(dòng)的狀態(tài)。
在定時(shí)t3，檢測(cè)光電二極管PD的端子電壓VC1，使得可以如圖2的(C)中所示獲得與光L1的入射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。將MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg從高柵極電壓值VgH變成低柵極電壓值VgL這一操作的目的是為了將如下表達(dá)式(2)所示的電壓(電勢(shì)差)W設(shè)置成高。電壓(電勢(shì)差)W作為電壓VC1與電壓(Vg-Vth)之差而獲得。
W＝VC1-(Vg-Vth)其中VC1光電二極管PD的端子電壓VgMOS晶體管Q1的柵極電壓VthMOS晶體管Q1的閾值電壓表達(dá)式(2)是為了將光電二極管PD的端子電壓VC1設(shè)置成比柵極電壓Vg要小閾值電壓Vth的電勢(shì)(Vg-Vth)而獲得的表達(dá)式。當(dāng)端子電壓VC1以這一方式設(shè)置成高時(shí)，可以增加線性輸出特性的區(qū)域。將參照?qǐng)D4來(lái)具體描述這一點(diǎn)的原因。
圖4示出了MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg和閾值電壓Vth以及光電二極管PD的端子電壓VC1之間的關(guān)系。當(dāng)柵極電壓Vg降低時(shí)，可以在保持光電二極管PD的端子電壓VC1的同時(shí)改變柵極電壓Vg和閾值電壓Vth的關(guān)系。也就是說(shuō)，可以改變?nèi)鐖D4中具體范圍所示的上述W，即電勢(shì)差W。
圖4示出了圖的左側(cè)中所示電勢(shì)關(guān)系到圖的右側(cè)中所示電勢(shì)關(guān)系的變化，其中柵極電壓Vg從高柵極電壓值VgH到低柵極電壓值VgL被降低了ΔVg。因此，基于左側(cè)電勢(shì)關(guān)系的W(高)(＝VC1-(VgH-Vth))的范圍變成基于左側(cè)電勢(shì)關(guān)系的W(低)(＝VC1-(VgL-Vth))的范圍。這里，關(guān)于柵極電壓Vg存在關(guān)系VgL＝VgH-ΔVg。因此，獲得W(低)＞W(wǎng)(高)的關(guān)系。以這一方式，柵極電壓Vg從高柵極電壓值VgH到低柵極電壓值VgL僅改變了ΔVg，由此可以增加范圍(電勢(shì)差)W。
這里，電勢(shì)差ΔW定義成ΔW＝W(低)-W(高)。當(dāng)以這一方式定義電勢(shì)差ΔW時(shí)，可以通過(guò)充分地改變光學(xué)傳感器電路10的MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg將電勢(shì)差ΔW變成ΔW＞0的狀態(tài)下的任意值。
圖5示出了MOS晶體管Q1的低柵極電壓值VgL和閾值電壓Vth、光電二極管PD的端子電壓VC1、線性輸出特性的范圍等之間的關(guān)系。在圖5中，范圍23示出了線性輸出特性的區(qū)域，而范圍24示出了對(duì)數(shù)輸出特性的區(qū)域。在線性輸出特性區(qū)23與對(duì)數(shù)輸出特性區(qū)24之間的邊界25是改變點(diǎn)。
如圖5中所示，光電二極管PD的端子電壓VC1可以設(shè)置成線性輸出特性區(qū)23中的任意電勢(shì)。因此，將該實(shí)施例應(yīng)用于多個(gè)像素所配置的圖像傳感器(成像區(qū))如二維MOS圖像傳感器這一情況在將要抑制由于MOS晶體管的像素的閾值電壓的分散所造成的光學(xué)傳感器電路的輸出分散這一情況下是有效的。
接著將參照?qǐng)D6至圖9來(lái)描述抑制例如兩個(gè)光學(xué)傳感器電路(像素)A、B的輸出分散的方式。
如圖6中所示，在各光學(xué)傳感器電路A、B中在定時(shí)t2的重置操作之后，光電二極管PD的上述端子電壓VC1以納秒級(jí)或者更小的速率快速地上升到如下電壓，該電壓比MOS晶體管Q1的設(shè)置柵極電壓要低與MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth相對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差。此時(shí)，由于MOS晶體管Q1的閾值電壓Vth分散于光學(xué)傳感器電路A、B之間，所以光學(xué)傳感器電路A、B的端子電壓VC1互不相同。也就是說(shuō)，如圖6的方框26、27所示，光學(xué)傳感器電路A的端子電壓是VC1A，而光學(xué)傳感器電路B的端子電壓是VC1B。
當(dāng)時(shí)間隨后進(jìn)一步流逝時(shí)，獲得圖7中所示的狀態(tài)。也就是說(shuō)，在圖7的相同方框26、27的各光學(xué)傳感器電路A、B中，根據(jù)光電二極管PD的端子電壓的電勢(shì)(VC1A、VC1B)的上升，在MOS晶體管的高柵極電壓值VgH與光電二極管PD的端子電壓之間的電勢(shì)差等于或者低于MOS晶體管Q1的閾值電壓(VthA、VthB)。MOS晶體管Q1的溝道阻抗增加，因此亞閾值電流流動(dòng)。這造成光電二極管PD的端子電壓的電勢(shì)(VC1A、VC1B)上升。
在亞閾值電流流動(dòng)而晶體管具有瞬態(tài)特性的狀態(tài)下，當(dāng)MOS晶體管Q1的高柵極電壓值VgH被切換地設(shè)置成低柵極電壓值VgL時(shí)，獲得圖8中所示的狀態(tài)。在兩個(gè)光學(xué)傳感器電路A、B中，在上述W(低)與W(高)之間的電勢(shì)差ΔW(＝W(低)-W(高))被設(shè)置成MOS晶體管Q1的高柵極電壓值VgH與低柵極電壓值VgL之差(ΔVg)。因此，該電勢(shì)差不依賴于構(gòu)成光學(xué)傳感器電路A、B的MOS晶體管Q1的閾值電壓的分散。因而，在不同光學(xué)傳感器電路A、B中的電勢(shì)差ΔW(＝W(低)-W(高))可以變得彼此相等。
如上所述，可以任意地設(shè)置電勢(shì)差ΔW。因此，可以關(guān)于生成各光學(xué)傳感器電路(像素)暗狀態(tài)傳感器檢測(cè)電勢(shì)的光電二極管PD的端子電壓VC1來(lái)任意地控制表現(xiàn)了線性輸出區(qū)的范圍和表現(xiàn)了對(duì)數(shù)輸出區(qū)的范圍。根據(jù)該配置，可以消除在光學(xué)傳感器電路(像素)之中的輸出分散。
圖9示出了在該實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路10以及驅(qū)動(dòng)方法被應(yīng)用于多個(gè)(例如六個(gè))光學(xué)傳感器電路的情況下的傳感器輸出特性。如從圖9的傳感器輸出特性中可見(jiàn)，基本上沒(méi)有產(chǎn)生傳感器輸出值在六個(gè)像素之中的分散。當(dāng)使用該實(shí)施例的光學(xué)傳感器以及驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，可以解決現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)傳感器電路的問(wèn)題，即如下問(wèn)題在緊接在重置之后的端子電壓與線性和對(duì)數(shù)特性區(qū)的改變點(diǎn)之間的電勢(shì)差在像素之中不同。
接著將參照?qǐng)D10來(lái)描述本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的第二實(shí)施例。在圖10中，與參照?qǐng)D1描述的部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。
圖10中所示光學(xué)傳感器電路30被配置為使得初始設(shè)置裝置15包括如下切換裝置31，當(dāng)將要基于電壓控制器13和定時(shí)信號(hào)生成部分14所配置的初始設(shè)置裝置15把MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg設(shè)置成高柵極電壓值VgH時(shí)，該切換裝置31允許任意地設(shè)置與高柵極電壓值VgH有關(guān)的電壓值。根據(jù)光學(xué)傳感器電路30，當(dāng)如圖2中所示給出用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)傳感器電路10的各種部分的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)Vg、Vd時(shí)，獲得與光L1相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
如上所述，當(dāng)將要把MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg設(shè)置成高柵極電壓值VgH時(shí)，可以由切換裝置31任意地切換地設(shè)置電壓值。因此，可以任意地設(shè)置已經(jīng)在第一實(shí)施例中描述的電勢(shì)差ΔW。因此，根據(jù)第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路30，可以如上所述設(shè)置MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg的高柵極電壓值VgH。根據(jù)該配置，可以在傳感器輸出特性中任意地設(shè)置線性和對(duì)數(shù)輸出特性。
圖11示出了第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路30所獲得的傳感器輸出特性的特性模式。在對(duì)數(shù)標(biāo)度(log)上指示了圖11的橫坐標(biāo)。任意地切換MOS晶體管Q1的柵極電壓Vg的高柵極電壓值Vgh，使得可以在與成像條件相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)狀態(tài)下輸出傳感器信號(hào)。當(dāng)ΔVg關(guān)于柵極電壓Vg的高柵極電壓值VgH從“小”變“大”時(shí)，傳感器輸出特性如箭頭32所示發(fā)生改變。
圖12和圖13示出了本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路的改型。圖12示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路，而圖13示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路。
在圖12所示的第三實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路40中，向第一或者第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路的電路單元添加用于放大傳感器輸出電壓的第二MOS晶體管Q2。與在上述實(shí)施例中所述部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。然而，向MOS晶體管Q1的柵極端子12g供應(yīng)電壓V1，而向漏極端子12d供應(yīng)電壓V2。為方便起見(jiàn)，示出了電壓V1、V2。然而，電壓V1與上述柵極電壓Vg相同，而電壓V2與上述漏極電壓Vd相同。
與第二MOS晶體管Q2相對(duì)照，將光電二極管PD的傳感器電流轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)特性的傳感器電壓的轉(zhuǎn)換MOS晶體管Q1被假設(shè)為第一MOS晶體管。第二MOS晶體管Q2是用于放大從第一MOS晶體管Q1輸出的傳感器電壓的放大MOS晶體管。
在光學(xué)傳感器電路40中，作為傳感器輸出電壓的光電二極管PD的端子電壓VC1被施加到MOS晶體管Q2的柵極41g。漏極電壓V3從電壓控制器等被供應(yīng)到MOS晶體管Q2的漏極端子42d，而源極41s連接到接地端子。從第二MOS晶體管Q2的漏極41d取出在放大狀態(tài)下的傳感器輸出電壓Vout。
在圖13所示第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路50中，向第三實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路40的電路單元添加第三MOS晶體管Q3。在圖13中，與在第三實(shí)施例中所述部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。
第三MOS晶體管Q3是用于選擇性地輸出從放大MOS晶體管Q2輸出的電壓信號(hào)的輸出-選擇MOS晶體管。
在光學(xué)傳感器電路50中，MOS晶體管Q2的漏極41d連接到MOS晶體管Q3的源極51s。柵極電壓V3被供應(yīng)到第三MOS晶體管Q3的柵極端子52g。電阻器R連接到第三MOS晶體管Q3的漏極51d，而漏極電壓V4被供應(yīng)到電阻器R的另一端子52d。從第三MOS晶體管Q3的漏極51d取出傳感器輸出電壓Vout。
在這樣配置的光學(xué)傳感器電路40、50中，如圖14中所示給出用于驅(qū)動(dòng)各種部分的控制信號(hào)(電壓信號(hào)V1、V2、V3、V4)，由此如圖14中的VC1所示獲得與入射光L1相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
圖15示出了本發(fā)明第五實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路。在光學(xué)傳感器電路60中，向第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路50的電路單元添加第四MOS晶體管Q4。與在第四實(shí)施例中所述部件基本上相同的部件以相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。在光學(xué)傳感器電路60中，第四MOS晶體管Q4的源極61s連接到光電二極管PD的負(fù)極，而漏極61d連接到MOS晶體管Q2的柵極41g。電壓V5被供應(yīng)到MOS晶體管Q4的柵極61g的柵極端子62g。
光學(xué)傳感器電路60在第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器電路50的配置中還包括用于累積電荷的電容器C2以及電荷-移動(dòng)第四MOS晶體管Q4。第四MOS晶體管Q4是用于選擇性地在電容器C1與C2之間移動(dòng)電荷的電荷-移動(dòng)MOS晶體管。基于圖16中所示定時(shí)信號(hào)，上述初始設(shè)置裝置15以如下方式控制和設(shè)置MOS晶體管Q1至Q4。
在電荷-移動(dòng)第四MOS晶體管Q4由電壓V5導(dǎo)通的狀態(tài)下，控制和設(shè)置MOS晶體管Q1至Q3。
第一MOS晶體管Q1的柵極電壓V1僅在t1到t3之間的預(yù)定時(shí)間段被設(shè)置成高柵極電壓值VgH，漏極電壓V2僅在t1到t2之間的預(yù)定時(shí)間段被設(shè)置成低柵極電壓值VdL，而光電二極管PD的電容器C1和電容器C2被充電/放電。隨后，漏極電壓V2被設(shè)置成高漏極電壓VdH。在經(jīng)過(guò)上述預(yù)定時(shí)間段之后(定時(shí)t3)，柵極電壓V1被設(shè)置成低柵極電壓值VgL，而高柵極電壓值VgH和高漏極電壓值VdH被設(shè)置成滿足上述關(guān)系表達(dá)式(1)。
隨后，在經(jīng)過(guò)恒定曝光時(shí)間之后(定時(shí)t4)，電荷-移動(dòng)第四MOS晶體管Q4被截止。這造成電容C2處于開(kāi)路狀態(tài)，然后導(dǎo)通輸出-選擇第三MOS晶體管Q3，從而輸出傳感器信號(hào)。
在光學(xué)傳感器電路60中，如上所述，如圖16中所示給出用于驅(qū)動(dòng)各種電路部分的控制信號(hào)(電壓信號(hào)V1、V2、V3、V4、V5)，由此獲得與照射光L1的入射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
在光學(xué)傳感器電路60的電路配置中，當(dāng)MOS晶體管Q4在定時(shí)t4之后被設(shè)置成截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，保持電容器C2的電荷，并且電容器C2的電荷保持恒定，直至MOS晶體管Q4然后被導(dǎo)通為止。也就是說(shuō)，在當(dāng)MOS晶體管Q4被截止時(shí)的時(shí)段期間，即在電容器C2的電荷保持時(shí)段期間，即使改變電容器C1的端子電壓時(shí)，仍然從像素獲得同一輸出信號(hào)作為傳感器輸出信號(hào)。因此，當(dāng)基于圖16中所示定時(shí)信號(hào)來(lái)操作圖15中所示光學(xué)傳感器電路60時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)具有快門功能的像素，該像素具有不受殘留圖像影響的對(duì)數(shù)輸出，并且動(dòng)態(tài)范圍寬。
通過(guò)使用本發(fā)明的光學(xué)傳感器電路10、30、40、50或者60作為一個(gè)像素的構(gòu)成單元并且通過(guò)一維地或者二維地排列電路，可以配置圖像傳感器。
圖17示出了具有矩形成像區(qū)71的圖像傳感器的配置例子，該成像區(qū)是通過(guò)將圖13中所示光學(xué)傳感器電路50作為一個(gè)像素(S)排列在二維矩陣模式下來(lái)形成的。在圖17中，方框13是上述電壓控制器，方框72是設(shè)置為像素S所共有的像素選擇電路，而方框73是用于依次地輸出像素S的像素信號(hào)的信號(hào)選擇電路。從電壓控制器13供應(yīng)電壓V1、V2，從像素選擇電路72供應(yīng)電壓V3，并且供應(yīng)電壓V4到端子52d。
圖18示出了具有矩形成像區(qū)71的圖像傳感器的配置例子，該成像區(qū)是通過(guò)將圖15中所示光學(xué)傳感器電路60作為一個(gè)像素排列在二維矩陣模式下來(lái)形成的。在圖18中，方框13是上述電壓控制器，方框72是設(shè)置為像素S所共有的像素選擇電路，而方框73是用于依次地輸出像素S的像素信號(hào)的信號(hào)選擇電路。從電壓控制器13供應(yīng)電壓V1、V2、V5，從像素選擇電路72供應(yīng)電壓V3，并且供應(yīng)電壓V4到端子52d。
關(guān)于圖14和圖16中所示上述電壓V1、V2的設(shè)置和優(yōu)點(diǎn)，將參照?qǐng)D19和圖20來(lái)添加描述。
圖19是僅示出上述電壓V1、V2的定時(shí)波形圖。在圖19中，要求在電壓V1具有高電壓值時(shí)電壓V2的低電壓值的設(shè)置時(shí)段是為了確保為了在光電二極管PD中充電和放電而需要的時(shí)間段。任意地設(shè)置電壓V1的上升和電壓V2的下降的定時(shí)。在圖20中示出了定時(shí)的例子1至3。
當(dāng)電壓V2被設(shè)置成具有低電壓值時(shí)，對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換晶體管的柵極處于開(kāi)路狀態(tài)，并且對(duì)光電二極管PD的電荷進(jìn)行充電和放電。當(dāng)電壓V2被設(shè)置成具有高電壓值時(shí)，光電二極管PD的電勢(shì)快速地上升到依賴于晶體管閾值電壓的電壓。
圖19示出了在電壓V2的上升與電壓V1的下降之間的時(shí)段T。當(dāng)實(shí)現(xiàn)亞閾值電流開(kāi)始流動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，獲得了與各像素中晶體管的閾值相對(duì)應(yīng)的光電二極管電勢(shì)。因此，將時(shí)段T設(shè)置成微秒級(jí)是足夠的。當(dāng)縮短時(shí)段T時(shí)，有可能在重置光電二極管之后快速地轉(zhuǎn)移到線性輸出操作。因此，可以延長(zhǎng)積分時(shí)間，因此在低照度曝光中實(shí)現(xiàn)高靈敏度。
已經(jīng)在假設(shè)MOS晶體管是n溝道型的同時(shí)進(jìn)行了實(shí)施例的以上描述。自然而言，代替該晶體管，也可以使用p溝道MOS晶體管。
在使得可以理解和實(shí)施本發(fā)明的程度上示意性地示出了已經(jīng)在上述實(shí)施例中描述的配置、形狀、大小和布置關(guān)系，而配置的數(shù)值和組成(材料)只是舉例說(shuō)明。因此，本發(fā)明不限于所示實(shí)施例，而可以在不脫離權(quán)利要求書(shū)中所示技術(shù)概念的情況下可以加以各種改型。
本發(fā)明是基于2005年6月10日提交的日本專利申請(qǐng)(第2005-170936號(hào))，并且以援引方式將它的公開(kāi)結(jié)合于此。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明用作一種形成作為成像裝置的MOS圖像傳感器的一維或者二維圖像傳感器的光學(xué)傳感器電路(或者像素)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)傳感器電路，包括光電轉(zhuǎn)換器件，其包括存儲(chǔ)電荷的靜電電容單元，并且其將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；轉(zhuǎn)換MOS晶體管，用于將從所述光電轉(zhuǎn)換器件輸出的所述電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成在弱反相狀態(tài)下具有對(duì)數(shù)特性的電壓信號(hào)；以及控制裝置，用于將柵極電壓供應(yīng)到所述MOS晶體管的柵極以及將漏極電壓供應(yīng)到所述MOS晶體管的漏極，其中所述控制裝置具有用于執(zhí)行初始設(shè)置的初始設(shè)置裝置，在所述初始設(shè)置中，在僅在第一預(yù)定時(shí)間段將所述轉(zhuǎn)換MOS晶體管的所述柵極電壓設(shè)置成高柵極電壓值(VgH)，而僅在第二預(yù)定時(shí)間段將所述漏極電壓設(shè)置成低漏極電壓值(VdL)的同時(shí)，對(duì)所述光電轉(zhuǎn)換器件的所述靜電電容單元進(jìn)行充電/放電，隨后將所述漏極電壓設(shè)置成高漏極電壓值(VdH)，在經(jīng)過(guò)第三預(yù)定時(shí)間段之后，所述柵極電壓被設(shè)置成低柵極電壓值(VgL)，而所述高柵極電壓值(VgH)、所述高漏極電壓值(VdH)和所述低漏極電壓值(VdL)被設(shè)置成滿足如下關(guān)系表達(dá)式“VgH-VdH＜Vth和VgH-VdL＞Vth，其中Vth為所述轉(zhuǎn)換MOS晶體管的閾值電壓”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器電路，其中所述控制裝置具有用于將所述轉(zhuǎn)換MOS晶體管的所述高柵極電壓值(VgH)切換地設(shè)置成任意電壓值的切換裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的光學(xué)傳感器電路，其中所述電路包括用于放大從所述轉(zhuǎn)換MOS晶體管輸出的所述電壓信號(hào)的放大MOS晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)傳感器電路，其中所述電路包括用于選擇性地輸出從所述放大MOS晶體管輸出的電壓信號(hào)的輸出-選擇MOS晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)傳感器電路，其中所述電路包括另一靜電電容單元，基于所述光電轉(zhuǎn)換器件的所述端子電壓來(lái)累積電荷；以及電荷-移動(dòng)MOS晶體管，用于在所述靜電電容單元與所述其他靜電電容單元之間選擇性地移動(dòng)電荷，所述初始設(shè)置裝置導(dǎo)通所述電荷-移動(dòng)MOS晶體管，僅在所述第一預(yù)定時(shí)間段將所述轉(zhuǎn)換MOS晶體管的所述柵極電壓設(shè)置成所述高柵極電壓值(VgH)，僅在所述第二預(yù)定時(shí)間段將所述漏極電壓設(shè)置成所述低漏極電壓值(VdL)，對(duì)所述光電轉(zhuǎn)換單元的所述靜電電容單元和所述其他靜電電容單元進(jìn)行充電/放電，隨后將所述漏極電壓設(shè)置成所述高漏極電壓值(VdH)，而在經(jīng)過(guò)所述第三預(yù)定時(shí)間段之后，將所述柵極電壓設(shè)置成所述低柵極電壓值(VgL)，并且設(shè)置所述高柵極電壓值(VgH)、所述高漏極電壓值(VdH)和所述低漏極電壓值(VdL)以便滿足所述關(guān)系表達(dá)式，隨后在經(jīng)過(guò)恒定曝光時(shí)間之后，所述電荷-移動(dòng)MOS晶體管被截止以將所述其他靜電電容單元設(shè)置成開(kāi)路狀態(tài)，然后所述輸出-選擇MOS晶體管被導(dǎo)通，從而輸出傳感器信號(hào)。
6.一種圖像傳感器，其中成像區(qū)域是通過(guò)使用根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的光學(xué)傳感器電路作為一個(gè)像素來(lái)形成的。
全文摘要
一種光學(xué)傳感器電路包括光電二極管(PD)、MOS晶體管(Q1)、將柵極電壓和漏極電壓供應(yīng)給晶體管的電壓控制器(13)等。電壓控制器包括初始設(shè)置裝置(15)，其在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將晶體管(Q1)的柵極電壓設(shè)置成高柵極電壓值VgH而在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將漏極電壓設(shè)置成低漏極電壓值VdL，由此對(duì)光電二極管的電容單元進(jìn)行充電和放電。隨后，初始設(shè)置裝置(15)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將漏極電壓設(shè)置成VdH，而隨后將柵極電壓設(shè)置成VgL。VgH、VdH和VdL滿足關(guān)系表達(dá)式“VgH－VdH＜Vth和VgH－VdL＞Vth，其中Vth是MOS晶體管(Q1)的閾值電壓”。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101080922SQ20068000140
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月10日
發(fā)明者神山智幸, 筱塚典之, 國(guó)頭正樹(shù), 古川誠(chéng) 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社