專利名稱：固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法和電子裝置。
背景技術(shù)：
在利用單元像素配置的固態(tài)成像器件中，該單元像素每個包括光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、以及用于將由光電轉(zhuǎn)換器累積的電荷傳送到電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的傳輸柵極部分，通常執(zhí)行通過相關(guān)雙采樣的降噪處理以便移除重置操作中的噪聲。以下，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器將表示為FD(浮置擴散)部分。降噪處理的系統(tǒng)包括其中通過數(shù)字信號處理執(zhí)行降噪的系統(tǒng)和其中通過模擬信號處理執(zhí)行降噪的系統(tǒng)。
作為通過例如數(shù)字信號處理執(zhí)行降噪處理的固態(tài)成像器件，已知配備有列并行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC:AD轉(zhuǎn)換電路)的固態(tài)成像器件(例如參考日本專利申請公開 No. 2006-340044(以下稱為專利文獻1))。在該固態(tài)成像器件中，逐列布置ADC用于單元像素的矩陣排列。
在配備有列并行ADC的固態(tài)成像器件中，設(shè)置首先讀出的重置電平V t作為AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓Vy并且重置電平Vret和信號電平Vsig通過使用該參考電壓L來進行 AD轉(zhuǎn)換。具體地，通過使得參考電壓Vzf與重置電平V t相等，即使重置電平V t由于噪聲而變化，也可以允許基于信號電荷的像素輸出的擺幅(swing) IVsig-Vrst穩(wěn)定地落入AD轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍內(nèi)。
通常，只能在遠遠窄于AD轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍的范圍內(nèi)調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓V"。因此，作為AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓VCT，其變化寬度被穩(wěn)定限制的信號(如重置電平U是優(yōu)選的。相反，其電壓取決于入射光量而大大地擺動的信號(如信號電平 Vsig)不適合作為AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓VCT。
現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)成像器件(如上述配備有列并行ADC的固態(tài)成像器件)中的降噪處理基于這樣的前提，即首先讀出重置電平Vret，并且緊接在該重置電平v t之后讀出信號電平Vsig。相反，在其中不能緊接在信號電平Vsig之前讀出重置電平v t的固態(tài)成像器件中， 在特定單元像素的信號電平Vsig的AD轉(zhuǎn)換之前，不能從相同像素獲取參考電壓VZr。
其中不能緊接在信號電平Vsig之前讀出重置電平V t的固態(tài)成像器件的示例包括互補金屬氧化物半導(dǎo)體，即，具有全局曝光功能的CMOS圖像傳感器(例如參考日本專利公開No. 2001-238132)。在該CMOS圖像傳感器中，為了實現(xiàn)所有像素的統(tǒng)一曝光，在所有像素中同時將在光電轉(zhuǎn)換器中生成的電荷傳送到FD部分，并且從信號電荷保持在該FD部分中的狀態(tài)順序執(zhí)行讀出操作。
此外，其中不能緊接在信號電平Vsig之前讀出重置電平Vret的固態(tài)成像器件的示例包括這樣的CMOS圖像傳感器，其具有用于保持與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器分開的、從光電轉(zhuǎn)換器傳送的光電荷的存儲器部分(例如參考日本專利公開No. 2009-020172)。此外，示例包括其中在PN節(jié)處生成的光電荷通過放大晶體管直接讀出的CMOS圖像傳感器(例如，參考 “128 X128CM0SPH0T0DIODE-TYPE ACTIVE PIXEL, SENSOR WITH ON-CHIP TIMING, CONTROL
4AND SIGNAL CHAINELECTRONICS" SPIE, vol.2415, Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors V，paper no. ；34(199 )，以及使用有機光電轉(zhuǎn)換膜的圖像傳感器 (例如，參考日本專利公開No. 2008-228265)。
在固態(tài)成像器件中，例如在所有像素的統(tǒng)一傳送時或在曝光開始時，F(xiàn)D部分重置一次，使得在信號讀出的定時信號電荷已經(jīng)累積或保持在FD部分中。因此，需要下面的操作來移除由于例如放大晶體管的閾值變化的固定模式噪聲。具體地，如圖M所示，在讀出信號電平Vsig后，F(xiàn)D部分設(shè)為預(yù)定電勢，并且讀出該預(yù)定電勢作為重置電平\st。
然而，在其中利用FD部分中保持的信號電荷執(zhí)行信號讀出用于所有像素的統(tǒng)一曝光的固態(tài)成像器件、以及其中信號電荷直接累積在FD部分中并且執(zhí)行信號讀出的固態(tài)成像器件中，F(xiàn)D部分不能緊接在信號電平Vsig的讀出之前重置為預(yù)定電勢。在該情況下， 不能獲取用于信號電平的AD轉(zhuǎn)換的參考電壓。因此，通過例如外部應(yīng)用或電阻器陣列生成預(yù)定電壓，并且將該預(yù)定電壓提供到AD轉(zhuǎn)換電路作為參考電壓(例如，參考日本專利公開 No.2006-020172)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，因為放大晶體管的閾值變化等，重置電平不僅涉及單元像素之間的變化，而且涉及由于單元像素的二維排列的平面中的空間上大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差、以及由于操作的溫度改變導(dǎo)致的隨著時間的改變。因此，對于重置電平需要確保足夠的余量。因此，對于基于應(yīng)當實際獲取的信號電荷的像素輸出的擺幅，可以通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍需要加寬到額外考慮這些變化而設(shè)置的電壓范圍。
圖25圖示垂直方向(列方向)上重置電平的平面內(nèi)分布的一個示例。除了相鄰像素之間的重置電平的差之外，存在平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)。如圖沈所示， 如果施加恒定電壓作為參考電壓，則AD轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍需要加寬，因為取決于像素出現(xiàn)大的誤差。
例如，圖27示出當最大信號擺幅為-IV時對應(yīng)于關(guān)于參考電壓的最大擺幅的重置電平和信號電平。在該情況下，對于從重置電平到信號電平作為峰峰信號擺幅的IV，需要大約2V作為可以進行AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍。此外，如果重置電平由于溫度改變而波動， 則因為參考電壓取恒定值，所以輸入電壓范圍需要進一步加寬，如圖觀所示。
在上述現(xiàn)有技術(shù)中，其中通過例如外部應(yīng)用或電阻器陣列生成預(yù)定電壓并將該預(yù)定電壓提供到AD轉(zhuǎn)換電路作為參考電壓，存在這樣的問題，因為參考電壓和重置電平之間的相關(guān)性低，所以縮窄了可以進行AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍。此外，該現(xiàn)有技術(shù)具有這樣的問題，即還由于平面內(nèi)分布和重置電平的像素變化的溫度依賴性等，可以進行AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍縮窄。
盡管上面的描述涉及通過數(shù)字信號處理執(zhí)行降噪處理的固態(tài)成像器件中的AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓的設(shè)置，但是上述問題不限于數(shù)字信號處理的情況。具體地，關(guān)于數(shù)字信號處理的問題的相同方面也應(yīng)用于通過使用參考電壓對來自單元像素的模擬信號執(zhí)行信號處理的固態(tài)成像器件(稍后將描述其細節(jié))。
需要本發(fā)明提供一種固態(tài)成像器件、用于驅(qū)動該固態(tài)成像器件的方法和具有該固態(tài)成像器件的電子裝置，該固態(tài)成像器件能夠有效移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差、以及取決于寄生電容的大小的偏移分量。
根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了一種固態(tài)成像器件，包括通過二維安排單元像素來形成的像素陣列單元，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管；信號處理器，用于通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號。在該固態(tài)成像器件中，在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓。
通過在從第一單元像素讀出信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓，即使在其中參考電平不能在信號電平之前讀出的固態(tài)成像器件中，也可以設(shè)置參考電平。與采用外部生成的預(yù)定電壓作為參考電壓的情況相比，該參考電平與重置電平具有更高相關(guān)性。因此，可以有效地移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差、以及取決于寄生電容的大小的偏移分量。
本發(fā)明的實施例可以有效地移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差、以及取決于寄生電容的大小的偏移分量，因此使得可能減少可以通過信號處理器處理的輸入電壓的范圍相對于像素輸出的擺幅所需的余量。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS圖像傳感器的配置的概況的系統(tǒng)配置圖； 圖2是示出單元像素的一個配置示例的電路圖； 圖3是用于說明在按照重置電平然后信號電平的順序讀出的情況下的相關(guān)雙采樣操作的時序波形圖； 圖4是用于說明當首先讀出的重置電平設(shè)置到AD轉(zhuǎn)換電路的參考電壓時的操作的時序波形圖； 圖5是示出在雙像素共享的情況下的電路配置的一個示例的電路圖； 圖6是示出在雙像素共享的情況下的布局的一個示例的平面模式圖； 圖7是示出在AD轉(zhuǎn)換電路中使用的比較器的配置示例的電路圖； 圖8是示出比較器的各個部分的波形的時序波形圖； 圖9是示出重置電平的平面內(nèi)分布和通過使用緊接在前行的重置電平設(shè)置的參考電壓的圖； 圖10是用于說明允許AD轉(zhuǎn)換電路的必要輸入電壓范圍的縮窄的圖； 圖11是用于說明當具有多個布局形狀的像素以混合方式存在時的重置電平的圖； 圖12是用于說明當采用其中在偶數(shù)編號行和奇數(shù)編號行之間布局形狀不同的像素模式時的重置電平和平面內(nèi)分布的圖； 圖13是用于說明從以下像素讀出重置電平的情況的圖，其中緊接在前已經(jīng)完成從該像素讀出并且該像素具有不同布局形狀； 圖14是用于說明選擇以下像素并將其重置電平設(shè)為參考電平的情況的圖，其中緊接在前已經(jīng)完成從該像素讀出并且該像素具有相同布局形狀； 圖15是用于說明根據(jù)工作示例1的驅(qū)動方法的時序波形圖； 圖16是用于說明根據(jù)工作示例2的驅(qū)動方法的時序波形圖； 圖17是用于說明根據(jù)工作示例3的驅(qū)動方法的時序波形圖； 圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS圖像傳感器的配置的概況的系統(tǒng)配置圖； 圖19是示出列放大器電路的具體電路示例的電路圖； 圖20是示出列放大器電路的操作示例的時序波形圖； 圖21是示出根據(jù)另一像素示例1的單元像素的一個示例的圖，該單元像素具有用于保持與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器分開的、從光電轉(zhuǎn)換器傳送的光電荷的存儲器部分； 圖22是示出根據(jù)另一像素示例2的單元像素的一個示例的配置圖，該單元像素使用有機光電轉(zhuǎn)換膜； 圖23是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的電子裝置(例如成像裝置)的一個配置示例的框圖； 圖M是用于說明在讀出信號電平后需要讀出重置電平以移除固定模式噪聲的圖； 圖25是示出垂直方向上的重置電平的平面內(nèi)分布的一個示例的圖； 圖沈是用于說明如果施加恒定電壓作為參考電壓則需要加寬AD轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍的圖； 圖27是當最大信號擺幅為-IV時對應(yīng)于相對于參考電壓的最大擺幅的重置電平和信號電平的圖；以及 圖觀是用于說明如果重置電平由于溫度改變而波動則需要加寬輸入電壓范圍的圖。
具體實施例方式將使用附圖詳細描述用于執(zhí)行本發(fā)明的模式(以下表示為“實施例”)。描述的順序如下。
1.第一實施例(列AD轉(zhuǎn)換電路的示例) 1-1.系統(tǒng)配置 1-2.像素配置 1-3.通過相關(guān)雙采樣的降噪處理 1-4.現(xiàn)有技術(shù)的描述 1-5.第一實施例的特性方面 2.第二實施例(列放大器電路的示例) 2-1.系統(tǒng)配置 2-2.第二實施例的特性方面 3.其它像素配置 4.修改示例 5.電子裝置(成像設(shè)備的示例)
7 <1.第一實施例〉 [1-1.系統(tǒng)配置] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像器件的配置的概況的系統(tǒng)配置圖， 例如作為X-Y地址系統(tǒng)的固態(tài)成像器件的一種的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器指通過應(yīng)用或部分使用CMOS工藝構(gòu)造的圖像傳感器。
如圖1所示，根據(jù)本實施例的CMOS圖像傳感器IOa具有通過布置大量單元像素11 形成的像素陣列單元12、用于驅(qū)動該像素陣列單元12的各個像素11的外圍驅(qū)動系統(tǒng)、以及信號處理系統(tǒng)。在本示例中，作為外圍驅(qū)動系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，例如提供行掃描器13、列處理器14A、參考信號生成器15、列掃描器16、水平輸出線17和定時控制器18。這些驅(qū)動系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)集成在與像素陣列單元12相同的半導(dǎo)體基底(芯片)19上。
在該系統(tǒng)配置中，定時控制器18基于主時鐘MCK生成時鐘信號、控制信號等，其用作行掃描器13、列處理器14A、參考信號生成器15、列掃描器16等的操作的基礎(chǔ)。由定時控制器18生成的時鐘信號、控制信號等給到行掃描器13、列處理器14A、參考信號生成器15、 列掃描器16等作為它們的驅(qū)動信號。
像素陣列單元12具有這樣的配置，其中沿著行方向和列方向(即，按照矩陣)二維地排列單元像素(以下通常簡稱為“像素”)11，其每個具有光電轉(zhuǎn)換器，用于生成并累積取決于接收的光量的光電荷。行方向指在像素行上的像素的排列方向(即，水平方向)，并且列方向指在像素列上的像素的排列方向(即，垂直方向)。
在該像素陣列單元12中，對于矩陣像素排列，基于每個像素行，沿著行方向布線行控制線21 (21^到21_n)，并且基于每個像素列，沿著列方向布線列信號線22 (22^到22_m)。 控制線21發(fā)送控制信號，用于在從單元像素11讀出時執(zhí)行控制。盡管在圖1中行控制線 21顯示為每一行一條線，但是每一行的行控制線21的數(shù)量不限于一。行控制線2U到21_n 的每一端連接到用于對應(yīng)的行的行掃描器13的輸出端的各自的一個。
行掃描器13配置有移位寄存器、地址解碼器等，并且例如對于所有像素同時地或逐行地驅(qū)動像素陣列單元12的各個像素11。即，行掃描器13用作用于驅(qū)動像素陣列單元 12的各個像素11的驅(qū)動器，并且定時控制器18用于控制該行掃描器13。該行掃描器13通常具有兩個掃描系統(tǒng)，讀取掃描系統(tǒng)和清除掃描系統(tǒng)，盡管省略了其具體配置的圖形表示。
讀取掃描系統(tǒng)基于逐行地依次選擇性地掃描像素陣列單元12的單元像素11，以便從單元像素11讀出信號。從單元像素11讀出的信號是模擬信號。清除掃描系統(tǒng)比讀取掃描早對應(yīng)于快門速度的時間、對于要由讀取掃描系統(tǒng)執(zhí)行讀取掃描的讀出行執(zhí)行清除掃描。
通過該清除掃描系統(tǒng)的清除掃描，從讀出行上的單元像素11的光電轉(zhuǎn)換器清除不必要的電荷，從而重置光電轉(zhuǎn)換器。此外，通過該清除掃描系統(tǒng)的不必要電荷的清除(重置)，執(zhí)行所謂的電子快門操作。電子快門操作指丟棄光電轉(zhuǎn)換器中的光電荷并且重新開始曝光(開始光電荷的累積)的操作。
通過讀取掃描系統(tǒng)的讀出操作讀出的信號取決于緊接在前的讀出操作或電子快門操作之后接收的光量。從緊接在前的讀出操作的讀出定時或電子快門操作的清除定時到當前讀出操作的讀出定時的時段對應(yīng)于單元像素11中的光電荷的曝光時段。
列處理器14A具有為像素陣列單元12的每個像素列(即，為每個列信號線
8到22_m))提供的模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換電路到23_m)，例如具有一對一的對應(yīng)關(guān)系。AD 轉(zhuǎn)換電路23 (23^到23_m)基于逐列地將從像素陣列單元12的每個單元像素11輸出的模擬信號(像素信號)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
參考信號生成器15生成具有所謂的斜坡波形的參考信號Vref，其電壓值隨著時間經(jīng)過以階梯方式改變。參考信號生成器15可以通過使用例如數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換(DAC)電路來配置。然而，參考信號生成器15不限于使用DAC電路的配置。
參考信號生成器15在從定時控制器18給出的控制信號CS1的控制下，基于從定時控制器18給出的時鐘CK生成斜坡波形的參考信號V&。此外，參考信號發(fā)生器15將生成的參考信號V,ef提供給列處理器14a的AD轉(zhuǎn)換電路23_i到23_m。
所有的AD轉(zhuǎn)換電路23_i到23_m具有相同配置。將通過以AD轉(zhuǎn)換電路23_m為示例進行下面的描述。AD轉(zhuǎn)換電路23_m具有比較器、例如作為計數(shù)單元的上/下計數(shù)器(在圖中表示為“U/DCNT” ) 32、傳送開關(guān)33和存儲器設(shè)備34。
比較器31比較列信號線22_m的信號電壓V。ut和從參考信號生成器15提供的斜坡波形的參考信號Vref，該信號電壓ν-取決于從像素陣列單元12的第m列上的單元像素輸出的像素信號。在比較器31中，例如其輸出V。。在參考電壓Vref高于信號電壓V。ut時為“H” 電平，并且輸出V。。在參考電壓Vref等于或低于信號電壓V。ut時為“L”電平。
上/下計數(shù)器32是異步計算器，并且在從定時控制器18給出的控制信號的控制下，與參考信號生成器15同步地被給出來自定時控制器18的時鐘CK。此外，上/下計數(shù)器32與時鐘CK同步地執(zhí)行下計數(shù)或上計數(shù)，從而測量從比較器31中的比較操作的開始到比較操作的結(jié)束的比較時段。
傳送開關(guān)33在從定時控制器18給出的控制信號CS3的控制下，在關(guān)于特定行上的單元像素11的上/下計數(shù)器32的計數(shù)操作完成的定時變?yōu)殚_(閉合)狀態(tài)。此外，傳送開關(guān)33將上/下計數(shù)器32的計數(shù)結(jié)果傳送到存儲器設(shè)備34。
以此方式，關(guān)于經(jīng)由列信號線22_i到22__ 從像素陣列單元12的各個單元像素11 基于每個像素列提供的模擬信號，首先在AD轉(zhuǎn)換電路23 ^L1到23_m)中的比較器31中執(zhí)行比較操作。此外，在上/下計數(shù)器32中，從比較器31中的比較操作的開始到比較操作的結(jié)束執(zhí)行計數(shù)操作。從而，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在存儲器設(shè)備34(3心到34_m) 中。
列掃描器16配置有移位寄存器、地址解碼器等，并且控制列處理器14a中的AD轉(zhuǎn)換電路23_i到23_m的列地址和列掃描。在該列掃描器16的控制下，從通過各個AD轉(zhuǎn)換電路2L到23_m的AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號依次讀出到水平輸出線17，并且經(jīng)由水平輸出線 17輸出為成像數(shù)據(jù)。
除了上述構(gòu)成元件外，還可以提供用于對經(jīng)由水平輸出線17輸出的成像數(shù)據(jù)執(zhí)行各種信號處理的電路等，盡管該電路沒有在圖中具體示出，因為其與本發(fā)明沒有直接關(guān)系。
具有上述配置的配備有列并行ADC的CMOS圖像傳感器IOa采用全局曝光。具體地，在該CMOS圖像傳感器IOa中，對像素陣列單元12中的所有像素11在相同定時執(zhí)行曝光開始和曝光結(jié)束。在通過由行掃描器13和定時控制器18構(gòu)成的驅(qū)動器的驅(qū)動下，執(zhí)行該全局曝光。用于實現(xiàn)全局曝光的全局快門功能是適用于高速運動的被攝體的成像以及要求捕獲圖像的同步性的感測目的的快門操作。
在本示例中，關(guān)于列處理器14A，將這樣的配置作為示例，其中以一對一的對應(yīng)關(guān)系為每個列信號線22提供AD轉(zhuǎn)換電路23。然而，AD轉(zhuǎn)換電路23的安排不限于基于一對一的對應(yīng)關(guān)系的安排。例如，還可以采用這樣的配置，其中一個AD轉(zhuǎn)換電路23由多個像素列共享，并且以時分方式在多個像素列之間使用。
[1-2.像素配置] 圖2是示出單元像素11的配置的一個示例的圖。如圖2所示，根據(jù)本配置示例的單元像素11具有例如光電二極管41作為光電轉(zhuǎn)換器。除了光電二極管41外，單元像素11 具有例如電荷-電壓轉(zhuǎn)換器42、傳送晶體管(傳送柵極部分)43、重置晶體管44、放大晶體管45和選擇晶體管46。
在該示例中，例如N溝道MOS (金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管用作傳送晶體管43、重置晶體管44、放大晶體管45和選擇晶體管46。然而，在此例示的傳送晶體管43、重置晶體管44、放大晶體管45和選擇晶體管46的傳導(dǎo)類型的組合僅僅是一個示例，并且不限于該組合。
對于該單元像素11，多條控制線共同布線到相同像素行上的各個像素作為上述行控制線？丨^“到〗^》。在圖2中，為了附圖的簡化省略了多條控制線的圖形表示。多條控制線基于每個像素行連接到對應(yīng)于各自的像素行之一的行掃描器13的輸出端。行掃描器13適當?shù)剌敵鰝魉托盘朤RG、重置信號RST和選擇信號SEL到多條控制線。
光電二極管41的陽極電極連接到負電源(例如，地)。光電二極管41將接收的光光電轉(zhuǎn)換為光電荷(在該示例中為光電子)，其電荷量取決于接收光的量，并且累積光電荷。光電二極管41的陰極電極經(jīng)由傳送晶體管43電連接到放大晶體管45的柵極電極。
電連接到放大晶體管45的柵極電極的區(qū)域是用于將電荷轉(zhuǎn)換為電壓的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器42。此后，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器42將被稱為FD (浮置擴散/浮置擴散區(qū)域/雜質(zhì)擴散區(qū)域)部分42。
傳送晶體管43連接在光電二極管41的陰極電極和FD部分42之間。從行掃描器 13給出傳送信號TRG到傳送晶體管43的柵極電極，該傳送信號RTG的高電平(例如，Vdd電平)對應(yīng)于有效狀態(tài)(以下，這樣的信號將表示為“高有效”)。傳送晶體管43響應(yīng)于傳送信號TRG變?yōu)閭鲗?dǎo)狀態(tài)，從而將通過光電二極管41光電轉(zhuǎn)換并累積的光電荷傳送到FD部分42。
重置晶體管44的漏極電極和源極電極分別連接到重置電源\和FD部分42。從行掃描器13給出高有效重置信號RST到重置晶體管44的柵極電極。重置晶體管44響應(yīng)于重置信號RST變?yōu)閭鲗?dǎo)狀態(tài)，從而將FD部分42中的電荷丟棄到重置電源\，從而重置FD 部分42。
放大晶體管45的柵極電極和漏極電極分別連接到FD部分42和像素電源Vdd。該放大晶體管45用作源極跟隨器的輸入部分，該源極跟隨器是用于讀出通過光電二極管41 中的光電轉(zhuǎn)換獲得的信號的讀出電路。具體地，由于放大晶體管45的源極電極經(jīng)由選擇晶體管46連接到列信號線22，因此放大晶體管45與連接到該列信號線22的一端的電流源 24 一起形成源極跟隨器。
選擇晶體管46的漏極電極和源極電極例如分別連接到放大晶體管45的源極電極和列信號線22。從行掃描器13給出高有效選擇信號SEL到選擇晶體管46的柵極電極。選擇晶體管46響應(yīng)于選擇信號SEL變?yōu)閭鲗?dǎo)狀態(tài)，從而將單元像素11設(shè)為選擇狀態(tài)，并且將從放大晶體管45輸出的信號發(fā)送到列信號線22。
還可以采用這樣的電路配置，其中選擇晶體管46連接在像素電源Vdd和放大晶體管45的漏極電極之間。
[1-3.通過相關(guān)雙采樣的降噪處理] 在配備有具有上述配置的單元像素11的固態(tài)成像器件中，通常，執(zhí)行通過相關(guān)雙采樣的降噪處理以便移除重置操作中的噪聲。如圖3所示，通過選擇信號SEL選擇用于讀出的單元像素11響應(yīng)于重置信號RST將FD部分42重置為重置電勢\，并且讀出該重置電勢Vr作為重置電平Vret。隨后，單元像素11通過傳送信號TRG驅(qū)動傳送晶體管43，以便將光電二極管41中累積的電荷傳送到FD部分42，并且讀出該電荷作為信號電平Vsig。
當FD部分42重置為重置電勢Vr時，每次重置隨機生成的噪聲(隨機噪聲)(如熱噪聲和由于寄生電容的耦合的噪聲)添加到重置電平和信號電平Vsig。作為這些種類的噪聲，添加每一次重置FD部分42時不同的噪聲。
在更早讀出重置電平Vret的讀出系統(tǒng)中，重置時生成的隨機噪聲保持在FD部分42 中。因此，與重置電平V t的噪聲相同量的噪聲保持在通過信號電荷的相加讀出的信號電平Vsig中。因此，通過從信號電平Vsig減去重置電平Vret的相關(guān)雙采樣操作可以獲得從其移除了這些種類的噪聲的信號。
即，在相關(guān)雙采樣操作中，在信號電荷傳送到FD部分42之前重置FD部分42并讀出重置電平是移除這些種類的重置噪聲的條件。此外，還可以移除由于例如用于信號讀出的放大晶體管45的閾值變化而固定添加的噪聲(固定模式噪聲)。
在AD轉(zhuǎn)換電路23中將從單元像素11讀出的重置電平Vret和信號電平Vsig轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通常，對可以通過AD轉(zhuǎn)換電路23轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍存在限制。因此，需要設(shè)計從單元像素11輸出的模擬信號以便落入AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍內(nèi)。
具體地，應(yīng)當獲取的從重置電平V t到信號電平Vsig的電壓范圍需要落入AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍內(nèi)。例如，如果重置電平Vret為3V并且基于信號電荷的輸出的擺幅為-IV，則應(yīng)當獲取的最大信號電平為2V。在該情況下，從2V到3V的范圍足夠作為可以通過AD轉(zhuǎn)換電路23轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍。
然而，實際上，歸因于例如放大晶體管45的閾值變化和由于與列信號線22的寄生電容的偏移，重置電平逐個像素不同。例如，即使二維排列的單元像素11的重置電平 Vrst的平均值為3V，取決于單元像素11，可能輸出3. IV或2. 9V的重置電平Vret。在該情況下，即使基于信號電荷的輸出的擺幅寬度統(tǒng)一為-IV，AD轉(zhuǎn)換電路也必須能夠轉(zhuǎn)換在1.9V 到3. IV范圍內(nèi)的輸入電壓。加寬AD轉(zhuǎn)換電路23能夠轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍正好提高AD 轉(zhuǎn)換電路23的基本性能，因此是增加電源電壓、功耗、面積等的原因。
為此，優(yōu)選使得AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍的寬度接近基于信號電荷的輸出信號的擺幅。因此，采用調(diào)整(偏移)AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓(即，用于設(shè)置可通過AD 轉(zhuǎn)換電路23轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍的參考電壓)的方法。通過基于參考電壓偏移AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍，可以移除像素的輸出信號(即，AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入信號)中的偏移分量，并且可以避免歸因于重置電平的變化的必須的輸入電壓范圍的加寬。
[1-4.現(xiàn)有技術(shù)的描述] 在專利文獻1中描述的現(xiàn)有技術(shù)中，如圖4所示，在控制信號PAZ的控制下，首先讀出的重置電平Vrst被設(shè)為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓Vz,，并且對重置電平Vrst和信號電平Vsig進行AD轉(zhuǎn)換。具體地，通過使得參考電壓Vu等于重置電平V t，可以允許基于信號電荷的單元像素11的輸出的擺幅|Vsig-V t|穩(wěn)定地落入AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍內(nèi)，即使重置電平\st由于噪聲而變化。
同樣如上所述，通常只可以在足夠窄于AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍的范圍內(nèi)調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓Vz,。因此，作為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓Vz,，其變化寬度穩(wěn)定限制的信號(如重置電平Vret)是優(yōu)選的。相反，其電壓取決于入射光量而大大地擺動的信號(如信號電壓Vsig)不適合作為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓Vz,。
如上所述，專利文獻1中描述的現(xiàn)有技術(shù)基于這樣的前提，即在降噪處理中，首先讀出重置電平v t，并緊接在該重置電平Vret后讀出信號電平vsig。
[1-5.第一實施例的特性方面] 相反，根據(jù)第一實施例的CMOS圖像傳感器IOa采用這樣的配置，其中利用FD部分 42中保持的信號電荷執(zhí)行信號讀出，用于所有像素的統(tǒng)一曝光。即，在根據(jù)第一實施例的 CMOS圖像傳感器IOa中，不能緊接在信號電平Vsig之前讀出重置電平V t。因此，在特定單元像素的信號電平Vsig的AD轉(zhuǎn)換之前，不能從相同像素獲取參考電壓Vf 為了處理該問題，在第一實施例中，在特定單元像素(第一單元像素)的信號電平的讀出之前，讀出從其已經(jīng)完成信號電平的讀出的單元像素(第二單元像素)中的FD部分 42的重置電平，并且該重置電平設(shè)為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓。該參考電壓用作可以通過AD轉(zhuǎn)換電路23轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍的基礎(chǔ)。通過調(diào)整(偏移)參考電壓，確定相對于輸入信號的輸入電壓范圍。
具體地，緊接在特定單元像素的信號電平的讀出之前，例如選擇一行之前的像素行，并且重置FD部分42，從而讀出重置電平并將其設(shè)為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓。隨后， 讀出目標像素的信號電平。此外，將FD部分42重置為預(yù)定電勢，并且讀出該重置電平作為噪聲電平。通過從信號電平減去相同像素的重置電平(取差)來執(zhí)行降噪。此時，通過之前行上的像素的重置電平設(shè)置AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓。如果降噪不是必須的，則可以省略最后的重置電平的讀出。
作為選擇用于讀出重置電平的單元像素(第二單元像素)，與要從其讀出信號的目標像素(第一單元像素)物理上具有高相關(guān)性的像素是優(yōu)選的。物理上具有高相關(guān)性的像素指具有相同布局形狀的像素或二維排列的附近存在的像素。
選擇物理上具有高相關(guān)性的像素使得可能有效地移除二維排列中的空間上的大的特性波動、以及取決于寄生電容的大小的偏移分量。例如，在具有相同布局形狀的像素的二維排列的情況下，優(yōu)選從緊接在前讀出的行(像素)的重置電平獲取參考電壓。
在布局形狀在偶數(shù)編號行與奇數(shù)編號行之間不同的情況下，如像素共享的情況， 優(yōu)選從兩行之前的具有相同形狀的行(像素)的重置電平獲取參考電壓。通過選擇具有較高相關(guān)性的排列和物理形狀的像素用于參考電壓，可以減少要從其讀出信號的像素的重置電平和參考電壓之間的誤差。
(像素共享)
12 圖5是示出在像素共享的情況下的電路配置的一個示例的圖。圖5示出當配置單元像素11的電路元件的部分在相同像素列上的相鄰兩個像素之間共享時的電路作為一個示例。然而，電路配置不限于基于該像素共享的電路配置。
在兩個像素共享的電路示例中，在兩個像素之間可以共享FD部分42、重置晶體管 44、放大晶體管45和選擇晶體管46。具體地，第i像素行上的單元像素Ili的FD部分42” 重置晶體管44i、放大晶體管45i和選擇晶體管46i在該單元像素Ili和第(i+Ι)像素行上的單元像素lli+1之間共享。第(i-幻像素行上的單元像素1‘2的FD部分42i_2、重置晶體管44"、放大晶體管45"和選擇晶體管46"在該單元像素和第(i_l)像素行上的單元像素IIh之間共享。
圖6示出在兩個像素共享的電路示例的情況下的布局(元件排列)的一個示例。 例如，在第i像素行上的單元像素Iii和第(i+Ι)像素行上的單元像素Iiw的組合中，在兩個像素Ili和lli+1之間布局形狀應(yīng)當不同，以便使得傳送晶體管4 和共享的FD部分42i 之間的距離等于傳送晶體管43i+1和相同F(xiàn)D部分4 之間的距離。此外，在該布局中，具有不同布局形狀的兩個像素被當作單元，并且該單元重復(fù)布置。因此，在兩個像素共享的電路示例中，在布局上在偶數(shù)編號的行和奇數(shù)編號的行之間布局形狀不同。
(AD轉(zhuǎn)換電路中使用的比較器) 圖7是示出在AD轉(zhuǎn)換電路23中使用的比較器31的配置示例的電路圖。根據(jù)本示例的比較器31具有其源極電極共同連接的差分對晶體管51和52、以及連接在該源極共同節(jié)點和地之間的電流源晶體管53。N溝道MOS晶體管用作差分對晶體管51和52以及電流源晶體管53。
經(jīng)由電容器M將通過列信號線22_m從單元像素11提供的信號電壓V。ut給到MOS 晶體管51的柵極電極。經(jīng)由電容器55將由參考信號生成器15生成的階梯波的參考信號 Vref給到晶體管52的柵極電極。P溝道MOS晶體管56連接在MOS晶體管51的漏極電極和電源Vdd之間。具有二極管連接配置(即，使柵極電極和漏極電極共同連接)的P溝道MOS 晶體管57連接在MOS晶體管52的漏極電極和電源Vdd之間。MOS晶體管56和57的柵極電極相互共同連接。
P溝道MOS晶體管58連接在MOS晶體管51的柵極電極和漏極電極之間。P溝道 MOS晶體管59連接在MOS晶體管52的柵極電極和漏極電極之間。應(yīng)用用于執(zhí)行用于設(shè)置參考電壓的控制的控制信號PAZ的反相信號到這些MOS晶體管58和59的各個柵極電極。
控制信號PAZ由圖1中的定時控制器18生成。在該情況下，定時控制器18還具有作為用于設(shè)置AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓的設(shè)置器的功能。
圖8示出比較器31的各個部分的波形，即，控制信號PAZ、參考信號VMf、列信號線 22_m的信號電壓V。ut和比較器31的比較輸出V。。的各個波形。
通過施加控制信號PAZ的反相信號到MOS晶體管58和59的各個柵極電極，將AD 轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓保持在電容器M和55中。此外，在比較器31中，將參考信號(參考電壓)與列信號線22_m的信號電壓V。ut比較。與參考信號VMf的改變相關(guān)聯(lián)地，與信號電壓V。ut的比較的結(jié)果\0的轉(zhuǎn)換定時保持為數(shù)字信號。
當參考信號和信號電壓V。ut每個具有與通過控制信號PAZ獲取的參考電壓相同擺幅時，出現(xiàn)比較結(jié)果V。。的轉(zhuǎn)換。對其應(yīng)用本發(fā)明實施例的AD轉(zhuǎn)換電路23不限于本配置，只要它具有用于設(shè)置參考電壓以調(diào)整輸入電壓的范圍的單元。
(第一實施例的操作和效果) 在配備有列并行ADC的CMOS圖像傳感器IOa中，在特定單元像素的信號電平的讀出之前，通過讀出已經(jīng)完成從其讀出信號電平的單元像素的重置電平并且設(shè)置該重置電平作為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓，可以實現(xiàn)下面的操作和效果。具體地，可以有效地移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差和取決于寄生電容的大小的偏移分量。
圖9示出重置電平和通過使用緊接在前行的重置電平設(shè)置的參考電平的平面內(nèi)分布。盡管重置電平和參考電平來自不同像素因此具有誤差，但是可以有效地移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差和取決于寄生電容的大小的偏移分量。因此， 如圖10所示，可以縮窄AD轉(zhuǎn)換電路23的必須的輸入電壓范圍。即使在重置電平響應(yīng)于溫度變化而變化時，AD轉(zhuǎn)換電路23的輸入電壓范圍也不需要加寬，因為參考電壓跟隨重置電平的變化。
如果具有多個布局形狀的像素以混合方式存在，則歸因于布局形狀的趨勢的差出現(xiàn)在重置電平中，如圖11所示。例如，如果采用其中布局形狀在偶數(shù)編號行和奇數(shù)編號行之間不同的像素模式，則各個行具有不同的重置電平和平面內(nèi)分布，如圖12所示。
因此，如果從緊接在前的已經(jīng)完成從其讀出并具有不同布局形狀的像素讀出重置電平，則降低了減少重置電平和參考電壓之間的差的效果，如圖13所示。因此，選擇從緊接在前的已經(jīng)完成從其讀出并具有相同布局形狀的像素，并且將其重置電平設(shè)為參考電壓。 這使得可能提高重置電平和參考電壓之間的相關(guān)性。因此，如圖14所示，可以有效地減少重置電平和參考電壓之間的差。
這使得可能減少可以通過AD轉(zhuǎn)換電路23轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍相對于像素輸出的擺幅所需的余量。因為可以減少輸入電壓范圍所需的余量，所以可以實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換電路23 的電源電壓和功耗的減少。
下面將關(guān)于具體工作示例進行描述，該工作示例用于在特定單元像素的信號電平的讀出之前，讀出已經(jīng)完成從其讀出信號電平的單元像素中的FD部分42的重置電平，并且將該重置電平設(shè)為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓。
(工作示例1) 圖15是用于說明根據(jù)工作示例1的驅(qū)動方法的時序波形圖。如圖15所示，在第 i像素行上的像素的信號讀出時，選擇緊接在前已經(jīng)從其執(zhí)行讀出的第(i_l)像素行，并且將FD部分42重置為重置電勢V,。此外，讀出重置電平V,st H，并將該重置電平V,st Η設(shè)為 AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓VCT。
隨后，選擇第i像素行，并且讀出信號電平Vsig」以執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。此后，將第i像素行上的像素中的FD部分42重置為重置電勢\，并且讀出該重置電平Vret」作為噪聲電平以執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。在該AD轉(zhuǎn)換中，執(zhí)行通過從信號電平Vsig i減去重置電平Vret」的相關(guān)雙采樣的降噪處理。
將參考圖1的系統(tǒng)配置描述相關(guān)雙采樣的操作順序。
首先，階梯波的參考信號V,ef從參考信號生成器15輸入比較器31，并且同時從定時控制器18給出時鐘CK到上/下計數(shù)器32。從而，在上/下計數(shù)器32中，例如通過上計數(shù)操作測量在第一輪的讀出操作中的比較器31的比較時間。
14 當參考信號和列信號線22_i到22_m的信號電壓V。ut變?yōu)橄嗷ハ嗟葧r，比較器31 的輸出Vco從“H”電平反轉(zhuǎn)到“L”電平。響應(yīng)于比較器31的比較輸出V。。的該極性反轉(zhuǎn)， 上/下計數(shù)器32停止上計數(shù)操作，并且保持取決于比較器31中的第一輪的比較時段的計數(shù)值。在該第一輪的讀出操作中，讀出取決于每個單元像素11的入射光量的信號電平Vsig i，包括單元像素11的重置電平V t」。
在第二輪的讀出操作中，通過類似于對于信號電平Vsig i的第一輪的讀出操作的操作，讀出重置電平V t i作為噪聲電平。具體地，在從選擇行i上的單元像素11到列信號線 22_i到22_m的第二輪讀出已經(jīng)變得穩(wěn)定后，將參考信號V,ef從參考信號生成器15給到AD轉(zhuǎn)換電路23_jj23_m的各個比較器31，從而在比較器31中執(zhí)行比較操作。同時，在上/下計數(shù)器32中，通過與第一輪的方向相反方向上的計數(shù)操作(即，通過下計數(shù)操作)，測量比較器31中的第二輪比較時間。
通過以此方式將上/下計數(shù)器32的計數(shù)操作設(shè)為例如第一輪中的上計數(shù)操作和第二輪中的相反方向上的下計數(shù)操作，在該上/下計數(shù)器32中自動執(zhí)行(第一輪比較時段)_(第二輪比較時段)的減法處理。此外，當參考信號和列信號線22_jj22_m的信號電壓V。ut變?yōu)橄嗷ハ嗟葧r，出現(xiàn)比較器31的比較輸出V。。的極性反轉(zhuǎn)，并且上/下計數(shù)器 32的計數(shù)操作響應(yīng)于該極性反轉(zhuǎn)而停止。結(jié)果，取決于(第一輪比較時段)_(第二輪比較時段)的減法處理的結(jié)果的計數(shù)值保持在上/下計數(shù)器32中。
(第一輪比較時段)_(第二輪比較時段)=(信號電平Vsigi+重置電平Vrst」)-(重置電平Vret i)=信號電平Vsig i的關(guān)系成立。通過上/下計數(shù)器32中的上述兩次讀出操作和減法處理，移除了包括各單元像素11之間的變化的重置電平Vret」，因此可以提取取決于每個單元像素11的入射光量的信號電平Vsig」。上述流程是相關(guān)雙采樣的操作順序。
在本工作示例中，如從圖15的時序波形圖明顯的，在從第(i_l)像素行的讀出操作到第i像素行的參考電壓設(shè)置時段的轉(zhuǎn)換中，選擇信號SEL暫時設(shè)為無效狀態(tài)。然而，如果選擇一行前的像素行并且讀出該像素行的重置電平作為AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓，則將選擇信號SEL連續(xù)保持為有效狀態(tài)是可能的。省略將選擇信號SEL暫時設(shè)為無效狀態(tài)的時段提供這樣的優(yōu)點對應(yīng)于該時段縮短，可以提高操作速度。
(工作示例2) 圖16是用于說明根據(jù)工作示例2的驅(qū)動方法的時序波形圖。基本操作與工作示例1的相同。與工作示例1不同在于在AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓的獲取中省略了將FD 部分42重置為重置電勢V,的操作。
在選擇用于獲取AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓的像素中，F(xiàn)D部分42已經(jīng)重置為重置電勢I，以便在信號電平的讀出后讀出重置電平。因此，在參考電壓的獲取中可以省略重置FD部分42的操作。該AD轉(zhuǎn)換電路23的參考電壓的獲取中省略重置FD部分42的操作可以提高操作速度。
然而，如果由于在FD部分42中的生成的漏電流等導(dǎo)致隨著時間的電壓變化大，則其中在參考電壓的獲取中將FD部分42再次重置為重置電勢\的工作示例1比工作示例2 更優(yōu)選。
(工作示例3) 圖17是用于說明根據(jù)工作示例3的驅(qū)動方法的時序波形圖。如圖17所示，選擇P行之前讀出的第(i_P)像素行，并且通過將FD部分42重置為重置電勢V,讀出的重置電平Lu-P被設(shè)為AD轉(zhuǎn)換電路M的參考電壓Vz,。隨后，選擇第i像素行，并且讀出信號電平VsigJ以執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。此后，將第i像素行上的像素中的FD部分42重置為重置電勢Vp 并且讀出重置電平V t」作為噪聲電平以執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。
例如，在其中以混合方式存在具有多個布局形狀的像素的二維排列中，如果具有相同布局形狀的像素是兩行之前，則優(yōu)選設(shè)置P = 2，并且如果具有相同布局形狀的像素是四行之前，則優(yōu)選設(shè)置P = 4。然而，例如如果分別在偶數(shù)編號行和奇數(shù)編號行上以混合方式存在兩種布局形狀，則P的值不限于2，并且可以選擇具有相同布局形狀的像素，因此即使在P的值為4時，也可以實現(xiàn)有利效果。具體地，例如如果由于互連形狀和驅(qū)動順序的差異導(dǎo)致P = 2的像素易受噪聲影響，則使用ρ = 4的像素用于參考電壓通常提供更有利的效果。
<2.第二實施例〉 [2_1·系統(tǒng)配置] 圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS圖像傳感器的配置的概況的系統(tǒng)配置圖。在圖中，等效于圖1中的部分的部分給予相同符號。
如圖18所示，根據(jù)本實施例的CMOS圖像傳感器IOb具有像素陣列單元12。此外， 其具有例如行掃描器13、列處理器14B、參考信號生成器15、列掃描器16、水平輸出線17和定時控制器18作為像素陣列單元12的外圍電路。在CMOS圖像傳感器IOb中，只有列處理器14b的配置不同于第一實施例中的列處理器14a的配置。行掃描器13、參考信號生成器 15、列掃描器16、水平輸出線17和定時控制器18與第一實施例中的那些基本相同。
列處理器14B具有以例如一對一的對應(yīng)關(guān)系為像素陣列單元12的每個像素列 (即，為每條列信號線22(22^到22J)提供的列放大器電路25(25^到25J。列放大器 25(25^到25_m)基于逐列地對從像素陣列單元12的每個單元像素11輸出的模擬信號執(zhí)行放大處理，并且執(zhí)行獲取信號電平和重置電平之間的差的相關(guān)雙采樣處理。
所有的列放大器電路25_i到25_m具有相同配置。將以放大器電路25_m為示例進行下面的描述。列放大器電路25_m具有反相放大器61、輸入電容器62、反饋電容器63、控制開關(guān)64和水平選擇開關(guān)65。列放大器電路25_m放大經(jīng)由列信號線22_m從單元像素11提供的信號電壓V。ut，并且輸出放大的信號作為模擬信號V_。
在本示例中，關(guān)于列處理器14B，將這樣的配置作為示例，其中以一對一的對應(yīng)關(guān)系為每條列信號線22提供列放大器電路25。然而，列放大器電路25的安排不限于基于一對一的對應(yīng)關(guān)系的安排。例如，還可以采用這樣的配置，其中一個列放大器電路25由多個像素列共享，并且以時分方式在多個像素列之間使用。
圖19是示出列放大器電路25的具體電路示例的電路圖。圖20示出列放大器電路25的操作示例。類似于AD轉(zhuǎn)換電路23，在控制信號PAZ的控制下，反相放大器61的輸入和輸出端通過控制開關(guān)64短路，從而獲取列放大器電路25的參考電壓。
在列放大器電路25中，獲得與獲取的參考電壓的差A(yù)V。ut作為模擬信號Vamp的擺幅。在列放大器電路25中，如果輸入電容器62的電容值定義為Cin并且反饋電容器63的電容值定義為Cg，則模擬信號Vamp乘以Cin/Cg，Cin/Cg其是電容值Cin和電容值Cg的比。
[2-2.第二實施例的特性方面] 根據(jù)第二實施例的CMOS圖像傳感器IOb還采用這樣的配置，其中利用FD部分 42中保持的信號電荷執(zhí)行信號讀出，用于所有像素的統(tǒng)一曝光，類似于根據(jù)第一實施例的 CMOS圖像傳感器10A。此外，同樣在列放大器電路25中，首先需要從重置電平獲取參考電壓，以便處理信號電平和重置電平兩者，類似于AD轉(zhuǎn)換電路23。
因此，同樣在第二實施例中，在特定單元像素的信號電平的讀出之前，讀出已經(jīng)完成從其讀出信號電平的單元像素中的FD部分42的重置電平，并且將該重置電平設(shè)為列放大器電路25的參考電壓，類似于第一實施例。該參考電壓用作可以由列放大器電路25放大的輸入電壓的范圍的基礎(chǔ)。通過調(diào)整(偏移)參考電壓，確定相對于輸入信號的輸入電壓范圍。
通過以此方式在讀出信號電平之前讀出已經(jīng)完成從其讀出信號電平的單元像素中的FD部分42的重置電平，并且將該重置電平設(shè)為列放大器電路25的參考電壓，可以實現(xiàn)與第一實施例的那些相同的操作和效果。此外，上述工作示例1到工作示例3可用作這樣的工作示例，其用于設(shè)置已經(jīng)完成從其讀出信號電平的單元像素中的FD部分42的重置電平作為列放大器電路25的參考電壓。
<3.其它像素配置〉 在第一和第二實施例中，用具有全局曝光功能的CMOS圖像傳感器IOa* IOb作為其中不能在信號電平之前讀出重置電平的固態(tài)成像器件的示例。具有全局曝光功能的CMOS 圖像傳感器IOa和IOb在所有像素中同時傳送在光電二極管41中生成的電荷到FD部分42， 并且從其中信號電荷保持在該FD部分42中的狀態(tài)順序地執(zhí)行讀出操作，以便實現(xiàn)所有像素的統(tǒng)一曝光。
然而，其中不能在信號電平之前讀出重置電平的固態(tài)成像器件不限于具有全局曝光功能的CMOS圖像傳感器IOa和10B。這種固態(tài)成像器件的其它示例包括配置有具有存儲器部分的單元像素的CMOS圖像傳感器和配置有使用有機光電轉(zhuǎn)換膜的單元像素的圖像傳感器，該存儲器部分用于與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器分開地保持從光電轉(zhuǎn)換器傳送的光電荷。
(另一像素示例1) 圖21是示出根據(jù)另一像素示例1的單元像素的一個示例的配置圖，其具有用于與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器分開地保持從光電轉(zhuǎn)換器傳送的光電荷的存儲器部分。在圖中，等效于圖2的部分的部分給予相同符號。
在根據(jù)另一像素示例1的單元像素IIa中，光電二極管41例如是通過在基底表面部分形成P型雜質(zhì)層63、并在N型基底61上形成的P型阱層62中掩埋N型掩埋層64而形成的掩埋光電二極管。
除了掩埋光電二極管41外，單元像素IIa還具有第一傳送柵極部分47、存儲器部分(MEM)48、第二傳送柵極部分43、和FD部分42。存儲器部分48和FD部分42與光屏蔽。
通過施加傳送信號TRX到柵極電極47a，第一傳送柵極部分47傳送通過掩埋光電二極管41的光電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)并累積在其內(nèi)部的的電荷。存儲器部分48通過在柵極電極47a 下面形成的N型掩埋溝道65形成，并且累積通過第一傳送柵極部分47從光電二極管41傳送的電荷。通過掩埋溝道65形成存儲器部分48可以抑制在Si-SW2界面處生成暗電流， 因此可以有助于圖像質(zhì)量的提高。
通過在存儲器部分48上面布置柵極電極47a并施加傳送信號TRX到該柵極電極47A，可以對存儲器部分48應(yīng)用調(diào)制。具體地，由于施加傳送信號TRX到柵極電極47A，存儲器部分48的電勢變得更深。與沒有應(yīng)用調(diào)制的情況下相比，這可以增加存儲器部分48的飽和電荷量。
在光電二極管41和在柵極電極47a下面的存儲器部分48之間的邊界部分，通過提供N型雜質(zhì)擴散區(qū)域69形成溢流路徑60。該溢流路徑60優(yōu)選用作用于累積在低照度下在光電二極管41中生成的電荷的部分。具體地，在光電二極管41中生成并超過溢流路徑60 的電勢的電荷自動溢流到存儲器部分48，并且累積在該存儲器部分48中。換句話說，等于或低于溢流路徑60的電勢的生成的電荷累積在光電二極管41中。
通過施加傳送信號TRG到柵極電極43A，第二傳送柵極部分43傳送存儲器部分48 中累積的電荷。FD部分42是由N型層形成的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，并且將通過第二傳送柵極部分43從存儲器部分48傳送的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。
同樣在配置有根據(jù)另一像素示例1的單元像素IIa的CMOS圖像傳感器中，如上所述與FD部分42分開地使得存儲器部分48保持從光電二極管41傳送的信號電荷，在信號電平之前不能讀出重置電平。因此，同樣通過應(yīng)用上述第一和第二實施例到配置有根據(jù)另一像素示例1的單元像素11A，可以實現(xiàn)期望的目的。
(另一像素示例2) 圖22是根據(jù)另一像素示例2的單元像素的一個示例的配置圖，其使用有機光電轉(zhuǎn)換膜。在圖中，與圖2中的部分等效的部分給予相同符號。
在根據(jù)另一像素示例2的單元像素1 Ib中，有機光電轉(zhuǎn)換膜71包夾在上電極72和下電極73之間。至少下電極73被基于逐個像素劃分，并且在許多情況下具有高透明度的電極用作下電極73。偏置電壓Vb通過偏置電源74施加到上電極72。
通過有機光電轉(zhuǎn)換膜71中的光電轉(zhuǎn)換生成的電荷累積在FD部分42中。經(jīng)由包括放大晶體管45的讀出電路讀出FD部分42中的電荷作為來自列信號線22的電壓。FD部分42通過重置晶體管44設(shè)為漏極電勢V,。重置晶體管44的漏極電勢V,可以從低于重置晶體管44側(cè)的FD部分42的耗盡部分的電勢的電壓Vri偏移到高于該電勢的電壓\2。
同樣在配置有根據(jù)另一像素示例2的單元像素IIb的圖像傳感器中，如上所述使用有機光電轉(zhuǎn)換膜71，在信號電平之前不能讀出重置電平。因此，同樣通過應(yīng)用上述第一和第二實施例到配置有根據(jù)另一像素示例2的單元像素IIb的圖像傳感器，可以實現(xiàn)期望的目的。
<4.修改示例〉 盡管上述各個實施例涉及應(yīng)用于通過以矩陣安排單元像素獲得的CMOS圖像傳感器的示例，但是本發(fā)明不限于應(yīng)用于CMOS圖像傳感器。即，本發(fā)明可應(yīng)用于通過以矩陣安排單元像素獲得的全部X-Y地址系統(tǒng)的固態(tài)成像器件。
此外，本發(fā)明不限于應(yīng)用于檢測入射可見光量的分布并執(zhí)行分布的成像的固態(tài)成像器件，而且可應(yīng)用于執(zhí)行紅外線、X射線、粒子等的入射量的分布的成像作為圖像的全部固態(tài)成像器件。
固態(tài)成像器件可以是形成為一個芯片的形式，并且可以是具有通過統(tǒng)一封裝成像單元、信號處理器和光學(xué)系統(tǒng)而獲得的成像功能的模塊的形式。
<5.電子裝置〉 本發(fā)明不限于應(yīng)用于固態(tài)成像器件，而且可應(yīng)用于使用固態(tài)成像器件作為其圖像捕獲單元(光電轉(zhuǎn)換器)的全部電子裝置，如以數(shù)字照相機和攝像機為代表的成像裝置以及以蜂窩式電話為代表的具有成像功能的便攜式終端裝置。使用固態(tài)成像器件作為其圖像讀取單元的復(fù)印機也包括在使用固態(tài)成像器件作為其圖像捕獲單元的電子裝置中。上述并入電子裝置的模塊(即，相機模塊)的形式在一些情況下被當作成像裝置。
(成像裝置) 圖23是示出根據(jù)本發(fā)明的電子裝置(例如成像裝置)的配置的一個示例的框圖。
如圖23所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的成像裝置100具有包括鏡頭組101等的光學(xué)系統(tǒng)、成像元件(成像器件)102、DSP電路103、幀存儲器104、顯示設(shè)備105、記錄設(shè)備106、操作系統(tǒng)107和電源系統(tǒng)108。DSP電路103、幀存儲器104、顯示設(shè)備105、記錄設(shè)備106、操作系統(tǒng)107和電源系統(tǒng)108經(jīng)由總線109相互連接。
鏡頭組101捕獲來自被攝體的入射光(圖像光)，并且在成像元件102的成像平面上形成其圖像。成像元件102基于逐個像素將入射光量轉(zhuǎn)換為電信號，通過鏡頭組從該入射光在成像平面上形成圖像，并且輸出電信號作為像素信號。
顯示設(shè)備105由平板顯示設(shè)備(如液晶顯示設(shè)備或有機電致發(fā)光(EL)顯示設(shè)備) 形成，并且顯示通過成像元件102的成像獲得的運動圖像或靜態(tài)圖像。記錄設(shè)備106將通過成像元件102的成像獲得的運動圖像或靜態(tài)圖像記錄在記錄介質(zhì)(如錄影帶和數(shù)字多功能盤(DVD))中。
操作系統(tǒng)107在用戶的操作下發(fā)出關(guān)于由本成像裝置具有的各種功能的操作命令。電源系統(tǒng)108適當?shù)靥峁┯米鱀SP電路103、幀存儲器104、顯示設(shè)備105、記錄設(shè)備106 和操作系統(tǒng)107的操作電源的各種電源到這些提供目標。
具有上述配置的成像裝置可以用作成像裝置，如攝像機、數(shù)字照相機和用于以蜂窩式電話為代表的移動裝置等。此外，通過使用固態(tài)成像器件(如根據(jù)上述各個實施例的 CMOS圖像傳感器IOA和10B)作為該成像裝置中的成像元件102，可以實現(xiàn)下面的操作和效^ ο 具體地，根據(jù)上述各個實施例的CMOS圖像傳感器IOA和IOB可以實現(xiàn)沒有全局曝光的失真的成像。因此，該成像裝置可以實現(xiàn)為適用于高速運動的被攝體的成像以及要求捕獲圖像的同步性的感測目的的成像，在它們每個中圖像失真都是不可接受的。
此外，根據(jù)上述各個實施例的CMOS圖像傳感器IOA和IOB可以有效地移除由于平面中的大的特性波動(平面內(nèi)分布)導(dǎo)致的差、以及取決于寄生電容的大小的偏移分量。這使得可能減少可以通過信號處理器處理的輸入電壓的范圍關(guān)于像素輸出的擺幅所需的余量，因此可以實現(xiàn)信號處理器的電源電壓和功耗的減少。這允許有助于減少各種電子裝置的電壓和功耗的減少。
本申請包含涉及于2010年3月沈日向日本專利局提交的日本優(yōu)先權(quán)專利申請JP 2010-072309公開的主題內(nèi)容，在此通過引用并入其全部內(nèi)容。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，取決于設(shè)計要求和其它因素，可以出現(xiàn)各種修改、組合、子組合和替換，只要它們在權(quán)利要求或其等價物的范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列單元，配置為通過二維安排單元像素來形成，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管；信號處理器，配置為通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號；以及設(shè)置器，配置為在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓。
2.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中在第一單元像素中，在讀出電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷作為信號電平后，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器通過重置晶體管設(shè)為預(yù)定電勢，并且讀出預(yù)定電勢作為重置電平。
3.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中信號處理器執(zhí)行獲取信號電平和重置電平之間的差的信號處理。
4.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中第二單元像素是物理上與第一單元像素具有高度相關(guān)的單元像素。
5.如權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中第二單元像素是在二維排列上靠近第一單元像素放置的單元像素。
6.如權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中第二單元像素具有與第一單元像素的布局形狀相同的布局形狀。
7.如權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中第二單元像素是具有與第一單元像素的布局形狀相同的布局形狀的單元像素，并且物理上最接近第一單元像素布置。
8.如權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中第二單元像素是緊接在第一單元像素之前從其讀出信號電平和重置電平的單元像素。
9.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中設(shè)置器在從第二單元像素讀出設(shè)置到參考電壓的重置電平時，通過重置晶體管將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)為預(yù)定電勢。
10.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中信號處理器是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，其將通過模擬信號從單元像素輸出的信號電平和重置電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以及參考電壓是用作能夠通過所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的輸入電壓的范圍的基礎(chǔ)的電壓。
11.如權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中信號處理器是放大器電路，其放大通過模擬信號從單元像素輸出的信號電平和重置電平，以及參考電壓是用作能夠通過所述放大器電路放大的輸入電壓的范圍的基礎(chǔ)的電壓。
12.一種用于驅(qū)動固態(tài)成像器件的方法，該固態(tài)成像器件包括通過二維安排單元像素來形成的像素陣列單元和用于通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號的信號處理器，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管，所述方法包括以下步驟在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓。
13.一種具有固態(tài)成像器件的電子裝置，包括像素陣列單元，配置為通過二維安排單元像素來形成，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管；信號處理器，配置為通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號；以及設(shè)置器，配置為在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓。
14.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列部件，用于通過二維安排單元像素來形成，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、 電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管；信號處理部件，用于通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號；以及設(shè)置部件，用于在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理部件的參考電壓。
全文摘要
在此公開了一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列單元，配置為通過二維安排單元像素來形成，該單元像素每個具有光電轉(zhuǎn)換器、電荷-電壓轉(zhuǎn)換器、用于將電荷-電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置到預(yù)定電勢的重置晶體管、以及用于讀出由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號的放大晶體管；信號處理器，配置為通過使用參考電壓處理從單元像素輸出的信號；以及設(shè)置器，配置為在從第一單元像素讀出基于在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器中累積或保持的信號電荷的信號電平之前，將從已經(jīng)從其讀出信號電平的第二單元像素獲得的重置電平設(shè)為信號處理器的參考電壓。
文檔編號H04N5/3745GK102202190SQ20111006772
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者大池佑輔, 加藤昭彥, 高塚挙文, 榊原雅樹 申請人:索尼公司