專利名稱：固體攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體攝像裝置，尤其涉及單位像素的電路結(jié)構(gòu)，例如可用于CMOS圖像 傳感器。
背景技術(shù)：
在CMOS圖像傳感器的攝像區(qū)域排列有多個(gè)單位像素。各單位像素包含光電二極 管、浮動(dòng)擴(kuò)散(floating diffusion)、讀出晶體管、放大晶體管、復(fù)位晶體管以及選擇晶體 管。光電二極管對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。讀出晶體管將光電二極管的累積電荷讀出到浮動(dòng) 擴(kuò)散層并進(jìn)行控制。放大晶體管將浮動(dòng)擴(kuò)散的信號(hào)進(jìn)行放大并輸出給垂直信號(hào)線。復(fù)位晶 體管復(fù)位放大晶體管的柵極電位(浮動(dòng)擴(kuò)散的電位)。選擇晶體管選擇單位像素，并控制放 大晶體管的動(dòng)作。已知，通常在CMOS傳感器中，存在放大晶體管的熱噪聲及Ι/f噪聲，這些被稱為暗 流隨機(jī)噪聲(暗時(shí)，、巧H八 <)。為改善暗流隨機(jī)噪聲，有效的是在產(chǎn)生噪聲的前期增 大浮動(dòng)擴(kuò)散的信號(hào)電平。浮動(dòng)擴(kuò)散的電壓振幅OUT(V)由OUT(V) = (e/CFD)Xinput(q)給 出。此處，e是元電荷量，CFD是浮動(dòng)擴(kuò)散的電容，input (q)是信號(hào)電荷量。為了使浮動(dòng)擴(kuò) 散的電壓振幅增大，減小暗流隨機(jī)噪聲，有效的是減小浮動(dòng)擴(kuò)散的電容CFD。并且單位像素 的變換增益 Gain 由 Gain = OUT (V)/input (q)給出。圖1為示出普通CMOS傳感器中累積在光電二極管PD的信號(hào)電荷量較少的情況下 的復(fù)位動(dòng)作和讀出動(dòng)作的圖。即，通過使復(fù)位晶體管RST開啟而進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，從而將進(jìn)行 復(fù)位動(dòng)作之后的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電位設(shè)定為和漏極電位相同的電位電平。接著，在開啟了讀 出晶體管RD時(shí)，因?yàn)槟壳袄鄯e于光電二極管PD的信號(hào)電荷量少，所以，即使為了降低暗流 隨機(jī)噪聲而將浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容CFD設(shè)計(jì)成較小，也能夠?qū)⑿盘?hào)電荷傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散FD。另一方面，圖2為示出普通CMOS傳感器中累積在光電二極管PD的信號(hào)電荷量較 多的情況下的復(fù)位動(dòng)作和讀出動(dòng)作的圖。即，通過使復(fù)位晶體管RST開啟而進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作， 從而將進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作之后的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電位設(shè)定為和漏極電位相同的電位電平。接著， 在開啟了讀出晶體管RD時(shí)，將目前累積于光電二極管PD的信號(hào)電荷不能完全傳送到浮動(dòng) 擴(kuò)散FD，在光電二極管PD上產(chǎn)生信號(hào)電荷的殘留Lag。在日本特開2000-165754號(hào)公報(bào)中，公開了一種這樣的技術(shù)，對(duì)單位像素內(nèi)的浮 動(dòng)擴(kuò)散附加?xùn)烹娙?，使浮?dòng)擴(kuò)散電容可變。但是，在該技術(shù)中，在使作為高靈敏度用而附加 的柵電容截止(OFF)時(shí)，也不能將該柵極和浮動(dòng)擴(kuò)散之間的寄生電容完全歸零。因此，與浮 動(dòng)擴(kuò)散電容不可變的情況相比，浮動(dòng)擴(kuò)散的電容增加，轉(zhuǎn)換增益降低。結(jié)果，暗流隨機(jī)噪聲 特性變差。另一方面，在日本特開2002-77737號(hào)公報(bào)中，公開了這樣的技術(shù)，通過在單位像素內(nèi)經(jīng)由MOS晶體管對(duì)光電二極管附加電容，從而增加信號(hào)電荷處理量。但是，在該技術(shù) 中，沒有讀出晶體管，光電二極管和新附加的電容與放大晶體管的柵極相連接。由此，轉(zhuǎn)換 增益降低。結(jié)果，暗流隨機(jī)噪聲特性變差。另外，在日本特開2006-245522號(hào)公報(bào)中，公開了這樣的技術(shù)，通過在單位像素內(nèi) 經(jīng)由MOS晶體管對(duì)光電二極管附加電容，從而增加信號(hào)電荷處理量。但是，在該技術(shù)中，和 現(xiàn)有技術(shù)的單位像素比較，因?yàn)樾枰砑?個(gè)晶體管，2個(gè)電容器，合計(jì)4個(gè)電路元件，所以 像素尺寸的縮小變困難。如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的固體攝像裝置中，暗流隨機(jī)噪聲和信號(hào)電荷處理量之間 為折衷關(guān)系(二律背反trade off)，難以在維持暗流的低噪聲的狀態(tài)下增大信號(hào)電荷處理 量，因此期待改善這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第1方面，提供一種固體攝像裝置，具備光電二極管，對(duì)入射光進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換；第1晶體管，與上述光電二極管連接，從光電二極管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，與 上述第1晶體管連接，累積由第1晶體管讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連 接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及第3晶體管，與上述第2晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò) 散的電位進(jìn)行復(fù)位。上述第2晶體管在由上述第1晶體管讀出的信號(hào)電荷量大于等于上述浮動(dòng)擴(kuò)散的 飽和電平的情況下，基于控制信號(hào)被導(dǎo)通，由此，對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加電容，在小于飽和電 平的情況下，基于上述控制信號(hào)而不被導(dǎo)通。根據(jù)本發(fā)明第2方面，提供一種固體攝像裝置，具備多個(gè)光電二極管，分別對(duì)入 射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；多個(gè)第1晶體管，與上述多個(gè)光電二極管連接，從各自對(duì)應(yīng)的光電二極 管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，與上述多個(gè)第1晶體管共同連接，累積由上述多個(gè)第1晶體管 讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及 復(fù)位晶體管，與上述第2晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位。上述多個(gè)光電二極管具有第1光電二極管和第2光電二極管，并且，上述多個(gè)第1 晶體管具有對(duì)應(yīng)于第ι光電二極管和第2光電二極管的兩個(gè)晶體管。上述第1光電二極管和第2光電二極管為感光度彼此不同的光電二極管。上述第2晶體管基于控制信號(hào)而被導(dǎo)通，由此對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加電容。上述第2晶體管對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加比上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電容值大的電容。上述固體攝像裝置還包括第4晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，放大浮動(dòng)擴(kuò)散的信 號(hào)；以及第5晶體管，與上述第4晶體管連接，基于地址信號(hào)被導(dǎo)通控制。根據(jù)本發(fā)明第3方面，提供一種固體攝像裝置，具備像素區(qū)，具有多個(gè)像素并且 輸出各像素信號(hào)，上述多個(gè)像素分別包含光電二極管，對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第1晶體 管，與上述光電二極管連接，從光電二極管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，與上述第1晶體管連 接，累積由第1晶體管讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選 擇地附加電容；以及第3晶體管，與上述第2晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位， 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將從上述像素區(qū)輸出的像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；信號(hào)電平判斷電路，接收 由上述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，判斷從上述像素區(qū)輸出的像素信號(hào)的電平；以及控制信號(hào)發(fā)生電路，接收上述信號(hào)電平判斷電路的判斷輸出，并基于該判斷輸出，輸出對(duì)上述 第2晶體管進(jìn)行控制的控制信號(hào)。


圖1為示出普通CMOS傳感器中累積在單位像素內(nèi)的光電二極管的信號(hào)電荷量較 少的情況下的復(fù)位動(dòng)作和讀出動(dòng)作的圖。圖2為示出普通CMOS傳感器中累積在單位像素內(nèi)的光電二極管的信號(hào)電荷量較 多的情況下的復(fù)位動(dòng)作和讀出動(dòng)作的圖。圖3為簡要示出本發(fā)明第1實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的模塊圖。圖4為示出在圖3中的單位像素內(nèi)的光電二極管中累積的信號(hào)電荷量較少的情況 下的動(dòng)作定時(shí)、復(fù)位動(dòng)作時(shí)的半導(dǎo)體基板內(nèi)的電勢(shì)電位和讀出動(dòng)作時(shí)的電勢(shì)電位的一個(gè)例 子的圖。圖5為示出在圖3中的單位像素內(nèi)的光電二極管中累積的信號(hào)電荷量較多的情況 下的動(dòng)作定時(shí)、復(fù)位動(dòng)作時(shí)的半導(dǎo)體基板內(nèi)的電勢(shì)電位和讀出動(dòng)作時(shí)的電勢(shì)電位的一個(gè)例 子的圖。圖6為示出圖3的CMOS圖像傳感器的輸入輸出特性的一個(gè)例子的圖。圖7為將本發(fā)明第2實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的單位像素取出來表示的電路圖。圖8為將本發(fā)明第3實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的單位像素取出來表示的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖通過各種實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。在對(duì)這些實(shí)施例說明時(shí)，所有 圖中共通的部分采用同樣的附圖標(biāo)記。<第1實(shí)施例>圖3為簡要示出本發(fā)明固體攝像裝置的第1實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的模塊圖。 10為包含排列成m行η列的多個(gè)單位像素l(m，η)的像素區(qū)。其中，代表性地示出了多個(gè) 單位像素中的1個(gè)單位像素1 (m，n)和對(duì)應(yīng)像素區(qū)的各欄(column)而形成于列方向的垂直 信號(hào)線中的1條垂直信號(hào)線ll(n)。12為向像素區(qū)的各行提供控制信號(hào)ADRES (m) ,RESET (m) ,READ (m) ,High-SAT的垂 直移位寄存器(Vertical Shift Register)，13為與像素區(qū)的各欄的垂直信號(hào)線11 (η)連 接的 CDS (Correlated Double Samping)&ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換電路)，14 為與 CDS&ADC13 連接的 水平移位寄存器(HorizontalShift Register)，15為信號(hào)電平判斷電路，16為定時(shí)信號(hào)發(fā) 生(TimingGenerator)電路。信號(hào)電平判斷電路15基于CDS&ADC13輸出的信號(hào)電平，判斷單位像素的輸出信號(hào) VSIG(η)比規(guī)定值多還是少，將判斷輸出提供給定時(shí)信號(hào)發(fā)生電路16，并且，作為模擬增益 (Analog Gain)控制信號(hào)提供至 CDS&ADC13。定時(shí)信號(hào)發(fā)生電路16分別以規(guī)定定時(shí)產(chǎn)生用于控制光電二極管PD的累積時(shí)間的 電子快門控制信號(hào)ES、以及對(duì)單位像素中的后述的電容附加用晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉動(dòng) 作進(jìn)行控制的控制信號(hào)High-SAT，并提供給垂直移位寄存器12?？刂菩盘?hào)High-SAT基于 信號(hào)電平判斷電路15的判斷輸出而產(chǎn)生。
圖3的CMOS圖像傳感器通過適當(dāng)設(shè)定如下三個(gè)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)曝光控制，該 三個(gè)控制分別為，基于電子快門控制信號(hào)ES的累積時(shí)間控制、基于信號(hào)電平判斷電路15的 判斷輸出的CDS&ADC13的模擬增益控制、電容附加用晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉控制。圖3中的單位像素1 (m，n)具有，將入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行累積的光電二極管 PD、將光電二極管PD的累積電荷讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散FD并進(jìn)行控制的讀出晶體管RD、對(duì)浮動(dòng)擴(kuò) 散FD的信號(hào)進(jìn)行放大并向垂直信號(hào)線輸出的放大晶體管AMP、將浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電位(放大 晶體管AMP的柵極電位)復(fù)位的復(fù)位晶體管RST、以及選擇晶體管ADR，該選擇晶體管ADR 選擇控制垂直方向的所希望的水平位置的單位像素并控制向放大晶體管AMP的電源供給。 放大晶體管AMP的柵極電極與浮動(dòng)擴(kuò)散FD連接。另外，為降低暗流隨機(jī)噪聲，優(yōu)選將浮動(dòng) 擴(kuò)散電容CFD設(shè)計(jì)得小些。進(jìn)一步，在本實(shí)施例中，單位像素l(m，n)內(nèi)追加了電容附加用晶體管HSAT。電容 附加用晶體管HSAT的源極與浮動(dòng)擴(kuò)散FD連接，漏極與復(fù)位晶體管RST的漏極連接。S卩，晶 體管HSAT連接于復(fù)位晶體管RST和浮動(dòng)擴(kuò)散FD之間。上述各晶體管在本例中全部是η型 MOSFET(MetalOxideSemicoductor Field Effect Transistor 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)。本實(shí)施例中的單位像素l(m，η)與普通的單位像素比較，不同點(diǎn)在于，增加了一個(gè) 電容附加用晶體管HSAT，每1個(gè)光電二極管的追加電路元件數(shù)只是1個(gè)。下面對(duì)圖3的CMOS圖像傳感器的動(dòng)作概要進(jìn)行說明。為驅(qū)動(dòng)像素區(qū)10的單位 像素l(m，η)，從垂直移位寄存器12輸出各種控制信號(hào)ADRES (m)、RESET (m)、High-SAT、 READ(m)。單位像素的輸出信號(hào)VSIG(n)通過對(duì)應(yīng)連接的垂直信號(hào)線ll(n)輸入到 ⑶S&ADC13，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。信號(hào)電平判斷電路15基于⑶S&ADC13輸出的信號(hào)電平，判斷輸 出信號(hào)VSIG(n)比規(guī)定值多還是少，將判斷輸出提供給⑶S&ADC13及定時(shí)信號(hào)發(fā)生電路16。 定時(shí)信號(hào)發(fā)生電路16分別以規(guī)定定時(shí)產(chǎn)生用于控制光電二極管PD的累積時(shí)間的電子快門 控制信號(hào)ES、以及控制電容附加用晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉動(dòng)作的控制信號(hào)High-SAT，并 提供給垂直移位寄存器12。通過適當(dāng)設(shè)定如下三個(gè)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)曝光控制，該三個(gè)控制分別為，基于電 子快門控制信號(hào)ES的累積時(shí)間控制、基于信號(hào)電平判斷電路15的判斷輸出的CDS&ADC13 的模擬增益控制、電容附加用晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉控制。根據(jù)控制信號(hào)High-SAT的電容附加用晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉控制如下進(jìn)行。 在設(shè)計(jì)了一次單位像素l(m，η)時(shí)，若光電二極管PD的信號(hào)電荷量為某種程度，則能夠預(yù)知 浮動(dòng)擴(kuò)散FD是否飽和。因此，信號(hào)電平判斷電路15基于取決于單位像素輸出信號(hào)VSIG(n) 的CDS&ADC13的輸出信號(hào)的電平，在大于等于浮動(dòng)擴(kuò)散FD飽和的電平時(shí)，使電容附加用晶 體管HSAT開啟，在小于浮動(dòng)擴(kuò)散FD飽和的電平時(shí)，使電容附加用晶體管HSAT關(guān)閉，以降低 暗流隨機(jī)噪聲。即，晶體管HSAT基于控制信號(hào)High-SAT被導(dǎo)通，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散FD選擇性地 附加電容。即，晶體管HSAT在控制信號(hào)High-SAT為高電平(第1狀態(tài))時(shí)導(dǎo)通，由此對(duì)浮 動(dòng)擴(kuò)散FD附加電容，在控制信號(hào)為低電平(第2狀態(tài))時(shí)不導(dǎo)通。對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散FD附加的 電容為晶體管HSAT的通道電容、柵極源極間電容等，以下將其統(tǒng)稱為晶體管HSAT的柵電容 CHSAT。根據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器，進(jìn)行如上所述的晶體管HSAT的開啟/關(guān)閉控制的結(jié)果，能夠克服暗流隨機(jī)噪聲和信號(hào)電荷處理量的折衷關(guān)系，在維持暗流低噪聲的狀 態(tài)下增大信號(hào)電荷處理量。下面對(duì)圖3中的單位像素1 (m，η)的動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)說明。圖4為示出累積于單位像素1 (m，n)內(nèi)的光電二極管PD的信號(hào)電荷量較少的情況 下的動(dòng)作定時(shí)，復(fù)位動(dòng)作(Reset operation)時(shí)的半導(dǎo)體基板內(nèi)的電勢(shì)(potential)電位 和讀出動(dòng)作(Read opertion)時(shí)的電勢(shì)電位的一個(gè)例子的圖。即，使復(fù)位晶體管RST和電 容附加用晶體管HSAT同時(shí)開啟，以進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。剛進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作之后的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的 電位設(shè)定為和漏極相同的電位電平。復(fù)位動(dòng)作結(jié)束后，將復(fù)位晶體管RST和電容附加用晶 體管HSAT —起關(guān)閉。接下來，在開啟了讀出晶體管RD時(shí)，到目前累積在光電二極管PD的信號(hào)電荷量較 少，所以，如上所述，即便為降低暗流隨機(jī)噪聲而減小浮動(dòng)擴(kuò)散電容CFD，也能夠?qū)⑿盘?hào)電荷 轉(zhuǎn)送到浮動(dòng)擴(kuò)散FD。另一方面，圖5為示出在單位像素l(m，η)內(nèi)的光電二極管PD中累積的信號(hào)電荷 量較多的情況下的動(dòng)作定時(shí)、復(fù)位動(dòng)作時(shí)的半導(dǎo)體基板內(nèi)的電勢(shì)電位和讀出動(dòng)作時(shí)的電勢(shì) 電位的一個(gè)例子的圖。即，使復(fù)位晶體管RST和電容附加用晶體管HSAT同時(shí)開啟，以進(jìn)行復(fù) 位動(dòng)作。在剛進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作之后的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電位設(shè)定為和漏極相同的電位電平。復(fù) 位動(dòng)作結(jié)束后，和上述信號(hào)電荷量較少的情況不同，復(fù)位晶體管RST關(guān)閉，而電容附加用晶 體管HSAT繼續(xù)開啟。接著，在開啟了讀出晶體管RD時(shí)，不但在浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容CFD中累積信號(hào)電 荷，而且在電容附加用晶體管HSAT的柵電容CHSAT中也能夠累積信號(hào)電荷。因此，即使在 目前累積于光電二極管PD的信號(hào)電荷量較多的情況下，也能夠?qū)⑿盘?hào)電荷全部傳輸?shù)礁?動(dòng)擴(kuò)散FD和柵電容CHSAT。因此，不在光電二極管PD殘留信號(hào)電荷而進(jìn)行讀出動(dòng)作。在信號(hào)電荷量多的情況下，通常是其他的噪聲，例如散射噪聲或靈敏度不均勻成 為噪聲的支配要因，所以，浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容變大而難以降低暗流隨機(jī)噪聲，這在實(shí)際使 用上并不成為問題。圖6為示出圖3的CMOS圖像傳感器的輸入輸出特性的一個(gè)例子的圖。圖6中，特 性A表示單位像素內(nèi)的晶體管HSAT關(guān)閉時(shí)(HSAT = OFF)的讀出信號(hào)時(shí)的輸出電壓的變化。 在該特性A中，浮動(dòng)擴(kuò)散FD的信號(hào)電子數(shù)(電荷量)隨著增加到晶體管HSAT為關(guān)閉狀態(tài) 時(shí)的飽和信號(hào)電子數(shù)(電荷量)Qsat_HSAT = OFF，輸出電壓急劇上升到飽和值。特性B表示單位像素中的晶體管HSAT開啟(HSAT = 0N)時(shí)的讀出信號(hào)時(shí)的輸出 電壓的變化。其中，假定將晶體管HSAT的柵電容CHAST設(shè)定為浮動(dòng)擴(kuò)散電容CFD的2倍。 該特性B中，浮動(dòng)擴(kuò)散FD的信號(hào)電子數(shù)隨著增加到晶體管HSAT為開啟狀態(tài)時(shí)的飽和信號(hào) 電子數(shù)Qsat_HSAT = 0N，輸出電壓緩慢上升到飽和值。由圖6可知，在晶體管HSAT開啟時(shí)，可以將浮動(dòng)擴(kuò)散FD的飽和信號(hào)電子數(shù)Qsat_ HSAT = ON設(shè)定為晶體管HSAT為關(guān)閉時(shí)的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的飽和信號(hào)電子數(shù)Qsat_HSAT = OFF 的實(shí)質(zhì)上3倍(Qsat_HSAT = ON = Qsat_HSAT = OFFX 3)，可以使信號(hào)電荷處理量成為3倍。在上述的本實(shí)施例的CMOS傳感器中，對(duì)于具有將入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行累 積的光電二極管PD、從光電二極管PD讀出信號(hào)電荷的讀出晶體管、累積從讀出晶體管讀出
8的信號(hào)電荷的浮動(dòng)擴(kuò)散FD、以及將浮動(dòng)擴(kuò)散FD電位復(fù)位的復(fù)位晶體管RST的單位像素，在 浮動(dòng)擴(kuò)散FD和復(fù)位晶體管RST之間增加電容附加用晶體管HSAT。另外，在浮動(dòng)擴(kuò)散FD的 信號(hào)電荷量少時(shí)，關(guān)閉晶體管HSAT，不增加浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容，而提高轉(zhuǎn)換增益。相對(duì)于 此，在浮動(dòng)擴(kuò)散FD的信號(hào)電荷量多時(shí)，開啟晶體管HSAT，增加浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容，確保信號(hào) 電荷處理量。這樣，通過分開成該2個(gè)動(dòng)作模式，能夠在保持低噪聲的狀態(tài)下增大信號(hào)電荷 處理量。在圖4、圖5所示的動(dòng)作例中，復(fù)位動(dòng)作時(shí)，與電容附加用晶體管HSAT —樣地對(duì)復(fù) 位晶體管RST進(jìn)行開啟/關(guān)閉控制，但是，也可以變更為，使復(fù)位晶體管RST總是開啟，只對(duì) 晶體管HSAT進(jìn)行開啟/關(guān)閉控制。<第2實(shí)施例>圖7為將本發(fā)明第2實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的單位像素取出來表示的電路 圖。該單位像素與上述第1實(shí)施例的單位像素l(m，η)相比，不同點(diǎn)在于，設(shè)有多對(duì)(本例 中為2對(duì))光電二極管PD和讀出晶體管RD的串聯(lián)電路，各讀出晶體管的一端與浮動(dòng)擴(kuò)散 FD共通連接，2個(gè)讀出晶體管RD分別由各控制信號(hào)READ1，READ2讀取并控制。S卩，在2個(gè) 光電二極管PD及2個(gè)讀出晶體管RD中共用構(gòu)成輸出電路的晶體管AMP、RST、HSAT、ADR。 還可以適用于光電二極管PD的感光度不同的情況。第2實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的單位像素中，對(duì)2個(gè)光電二極管PD和2個(gè)讀出 晶體管RD的追加電路元件數(shù)為1個(gè)晶體管HSAT，每個(gè)光電二極管的追加電路元件數(shù)只不過 是0.5個(gè)，追加電路元件數(shù)比第1實(shí)施例更少。第2實(shí)施例中的單位像素動(dòng)作和第1實(shí)施例中的單位像素的動(dòng)作基本一樣，克服 暗流隨機(jī)噪聲和信號(hào)電荷處理量的折衷關(guān)系，在保持暗流的低噪聲的狀態(tài)下，可增大信號(hào) 電荷處理量。<第3實(shí)施例>圖8是示出將本發(fā)明第3實(shí)施例的CMOS圖像傳感器中的單位像素取出來表示的 電路圖。該單位像素與上述第2實(shí)施例的單位像素1 (m，η)相比，不同點(diǎn)在于，在晶體管RST、 HSAT的彼此連接節(jié)點(diǎn)(node)和規(guī)定電位節(jié)點(diǎn)(例如接地電位節(jié)點(diǎn))之間連接有電容Cs。第3實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的單位像素中，對(duì)2個(gè)光電二極管PD和2個(gè)讀出 晶體管RD的追加電路元件數(shù)為1個(gè)晶體管HSAT和1個(gè)附加電容Cs。每一個(gè)光電二極管的 追加電路元件數(shù)只不過是1個(gè)。第3實(shí)施例中的單位像素動(dòng)作和第2實(shí)施例中的單位像素的動(dòng)作基本一樣，克服 暗流隨機(jī)噪聲和信號(hào)電荷處理量的折衷關(guān)系，在保持暗流的低噪聲的狀態(tài)下，可增大信號(hào) 電荷處理量，并且，通過追加電容Cs擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。即，信號(hào)電荷量與浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電 容實(shí)質(zhì)上成比例，如果存在電容Cs，則在晶體管HSAT開啟的情況下的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的實(shí)質(zhì)上 的電容為CFD+CHSAT+Cs，容易增加信號(hào)電荷處理量。另外，在各實(shí)施例中，在入射光量多的情況下，沒有累積在光電二極管PD的信號(hào) 電荷通過讀出晶體管RD的柵極下，溢出于浮動(dòng)擴(kuò)散FD，因此，晶體管HSAT的閾值電壓最好 比讀出晶體管RD的閾值電壓低。這樣，溢出于浮動(dòng)擴(kuò)散FD的信號(hào)電荷經(jīng)由晶體管HSAT的 柵極下能夠排出到漏極。另外，在各實(shí)施例中，晶體管HSAT的閾值電壓優(yōu)選為小于等于0V。這樣，不用對(duì)晶
9體管HSAT的柵極施加高電壓，就能夠使其動(dòng)作。另外，晶體管HSAT的柵電容CHSAT最好設(shè)定為比浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容CFD大。這 是因?yàn)?，浮?dòng)擴(kuò)散FD的電容在High-SAT模式開啟時(shí)為CFD+CHSAT，在High-SAT模式關(guān)閉時(shí) 為CFD，所以，如果CHSAT比CFD小，則High-SAT模式下的浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容擴(kuò)大效果變 小。在CHSAT = CFD的關(guān)系成立的情況下，使得浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容擴(kuò)大效果成2倍，因此， 如果CHSAT > CFD的關(guān)系成立，則可以使浮動(dòng)擴(kuò)散FD的電容放大效果大于等于2倍。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很容易懂得本發(fā)明其他的優(yōu)點(diǎn)和變更。因此，本發(fā)明更 廣泛的內(nèi)容并不限于說明書的具體細(xì)節(jié)和例示型實(shí)施例。相應(yīng)地，在不脫離本發(fā)明范圍和 宗旨的情況下做出的各種變更應(yīng)該包含在所附權(quán)利要求及其等同內(nèi)容之中。
權(quán)利要求
一種固體攝像裝置，其特征在于，具備光電二極管，對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第1晶體管，與上述光電二極管連接，從光電二極管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，與上述第1晶體管連接，累積由第1晶體管讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及第3晶體管，與上述第2晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位。
2.如權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于， 上述第2晶體管在由上述第1晶體管讀出的信號(hào)電荷量大于等于上述浮動(dòng)擴(kuò)散的飽和 電平的情況下，基于控制信號(hào)被導(dǎo)通，由此，對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加電容，在小于飽和電平的 情況下，基于上述控制信號(hào)而不被導(dǎo)通。
3.—種固體攝像裝置，其特征在于，具備 多個(gè)光電二極管，分別對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；多個(gè)第1晶體管，與上述多個(gè)光電二極管連接，從各自對(duì)應(yīng)的光電二極管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，與上述多個(gè)第1晶體管共同連接，累積由上述多個(gè)第1晶體管讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及 復(fù)位晶體管，與上述第2晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位。
4.如權(quán)利要求3所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述多個(gè)光電二極管具有第1光電二極管和第2光電二極管，并且，上述多個(gè)第1晶體 管具有對(duì)應(yīng)于第1光電二極管和第2光電二極管的兩個(gè)晶體管。
5.如權(quán)利要求4所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第1光電二極管和第2光電二極管為感光度彼此不同的光電二極管。
6.如權(quán)利要求3所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第2晶體管基于控制信號(hào)而被導(dǎo)通，由此對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加電容。
7.如權(quán)利要求1或3所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第2晶體管對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加比上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電容值大的電容。
8.如權(quán)利要求1或3所述的固體攝像裝置，其特征在于，還包括 第4晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，放大浮動(dòng)擴(kuò)散的信號(hào)；以及 第5晶體管，與上述第4晶體管連接，基于地址信號(hào)被導(dǎo)通控制。
9.一種固體攝像裝置，其特征在于，具備像素區(qū)，具有多個(gè)像素并且輸出各像素信號(hào)，上述多個(gè)像素分別包含光電二極管，對(duì) 入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第1晶體管，與上述光電二極管連接，從光電二極管讀出信號(hào)電荷； 浮動(dòng)擴(kuò)散，與上述第1晶體管連接，累積由第1晶體管讀出的信號(hào)電荷；第2晶體管，與上述 浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及第3晶體管，與上述第2晶體管連接，將 上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將從上述像素區(qū)輸出的像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 信號(hào)電平判斷電路，接收由上述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，判斷從上述像素區(qū)輸 出的像素信號(hào)的電平；以及控制信號(hào)發(fā)生電路，接收上述信號(hào)電平判斷電路的判斷輸出，并基于該判斷輸出，輸出 對(duì)上述第2晶體管進(jìn)行控制的控制信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第2晶體管在上述控制信號(hào)處于第1狀態(tài)時(shí)導(dǎo)通，由此對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加電容， 在控制信號(hào)處于第2狀態(tài)時(shí)不導(dǎo)通。
11.如權(quán)利要求1、3或9所述的固體攝像裝置，其特征在于， 上述第2晶體管具有比上述第1晶體管的閾值電壓低的閾值電壓。
12.如權(quán)利要求1、3或9所述的固體攝像裝置，其特征在于， 上述第2晶體管的閾值電壓小于等于0V。
13.如權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于，上述第2晶體管在導(dǎo)通時(shí)，對(duì)上述浮動(dòng)擴(kuò)散附加比上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電容值大的電容。
14.如權(quán)利要求9所述的固體攝像裝置，其特征在于， 上述多個(gè)像素分別還包括第4晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，放大浮動(dòng)擴(kuò)散的信號(hào)；以及 第5晶體管，與上述第4晶體管連接，基于地址信號(hào)被導(dǎo)通控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體攝像裝置，CMOS圖象傳感器包含多個(gè)單位像素，各單位像素具備光電二極管，對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并累積；讀出晶體管，從光電二極管讀出信號(hào)電荷；浮動(dòng)擴(kuò)散，暫時(shí)累積由讀出晶體管讀出的信號(hào)電荷；電容附加用晶體管，與上述浮動(dòng)擴(kuò)散連接，對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散有選擇地附加電容；以及復(fù)位晶體管，與電容增加用晶體管連接，將上述浮動(dòng)擴(kuò)散的電位進(jìn)行復(fù)位。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101902585SQ20091025840
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者宇家真司, 田中長孝 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝