專利名稱：物理量檢測(cè)裝置和成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)的物理量檢測(cè)裝置，以及使用把從外部入射的光作為物理量來檢測(cè)的固態(tài)成像裝置的成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
用于把經(jīng)由對(duì)象入射的光的強(qiáng)度作為物理量來檢測(cè)的固態(tài)成像裝置或用于對(duì)在檢測(cè)電極與手指表面之間對(duì)應(yīng)于指紋而形成的電容進(jìn)行檢測(cè)的指紋檢測(cè)裝置(電容檢測(cè)裝置)是公知的用于對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)的物理量檢測(cè)裝置。
圖1是圖示了固態(tài)成像裝置的像素的示圖。如圖1所示，像素100包括充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管101，以及被連接到一垂直信號(hào)線110的四個(gè)晶體管，即傳送晶體管102、 復(fù)位晶體管103、放大晶體管104和選擇晶體管105。在該結(jié)構(gòu)中，N溝道MOS晶體管被用作這四個(gè)晶體管102到105。
下面描述選擇晶體管105。選擇晶體管105充當(dāng)執(zhí)行像素100的選擇/不選擇的開關(guān)元件。理想狀態(tài)下，當(dāng)選擇晶體管105被接通時(shí)，電阻為零而不管源漏電壓如何，并且當(dāng)選擇晶體管105被關(guān)斷時(shí)，電阻具有無窮大的值而不管源漏電壓如何。
然而實(shí)際上，能夠接通選擇晶體管105的源漏電壓是有限的，并且導(dǎo)通電阻是有限值。此外，因?yàn)檫x擇晶體管105被串聯(lián)連接到放大晶體管104，所以具有上述結(jié)構(gòu)的像素 100具有下面兩個(gè)問題。
(1)因?yàn)殡妷河捎谶x擇晶體管105的閾值下降而降落，所以難于減小電源電壓 Vdd。
(2)由選擇晶體管105引起的噪聲(例如，Ι/f噪聲和突發(fā)(burst)噪聲)在垂直信號(hào)線110中發(fā)生。
特別地，Ι/f噪聲和突發(fā)噪聲在很小的像素中造成問題。如圖2所示，突發(fā)噪聲在成行排列的像素中的極少量的像素中增大，或者在每個(gè)象素中的二進(jìn)制值與三進(jìn)制值之間隨機(jī)地移動(dòng)。突發(fā)噪聲和Ι/f噪聲更可能由晶體管的溝道與柵極氧化膜之間的交互作用而產(chǎn)生。
Ι/f噪聲是發(fā)生在所有像素里的大量像素中的隨機(jī)噪聲。突發(fā)噪聲使極少量像素看起來閃爍。如上所述，實(shí)際上，選擇晶體管105不是理想的開關(guān)，而是具有有限的導(dǎo)通電阻。因此，由選擇晶體管105引起的噪聲和放大晶體管104的噪聲在輸出中發(fā)生。
在相關(guān)技術(shù)中，為了解決上述的問題(1)，已經(jīng)提出了下面的結(jié)構(gòu)用于提高電源電壓Vdd的升壓電路被設(shè)置在其中形成了像素100的同一芯片上，并且經(jīng)所述升壓電路提高后的高于電源電壓Vdd的電壓作為柵極電壓被施加到選擇晶體管105(例如，見日本專利 No. 3369911)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，雖然上述相關(guān)技術(shù)是問題(1)的解決方案，但是沒有解決由選擇晶體管105 而產(chǎn)生的噪聲的問題O)。其原因如下。當(dāng)選擇晶體管105的柵極電壓被提高時(shí)，大量電流流經(jīng)氧化膜的界面而非體側(cè)(bulk side)，這使大量噪聲在恒定像素電流的情況下發(fā)生。 就是說，相關(guān)技術(shù)增加了由選擇晶體管105引起的噪聲。
把升壓電路安裝在其中形成了像素100的同一芯片上造成了制造成本的增加、制造的缺陷，以及由額外外部容量引起的模塊尺寸的增加。
因?yàn)樵谙嚓P(guān)技術(shù)中，像素100中的四個(gè)晶體管102到105中的選擇晶體管105僅起到開關(guān)的作用，所以相關(guān)技術(shù)沒有考慮到用于由選擇晶體管105的有限導(dǎo)通電阻引起的突發(fā)噪聲或Ι/f噪聲的措施，也沒有設(shè)計(jì)上的特殊注意。
這里，上面已經(jīng)描述了當(dāng)固態(tài)成像裝置被用作物理量檢測(cè)裝置時(shí)的問題。然而，這些問題可能發(fā)生在包括用于選擇像素的選擇晶體管在內(nèi)的其他物理量檢測(cè)裝置中。
期望提供一種物理量檢測(cè)裝置和一種成像設(shè)備，其能夠減小由像素中的選擇晶體管的有限導(dǎo)通電阻引起的突發(fā)噪聲或1/f噪聲。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，物理量檢測(cè)裝置包括檢測(cè)單元，對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)；以及像素，其被二維排列并且每個(gè)像素都具有用于將來自所述檢測(cè)單元的信號(hào)輸出到信號(hào)線的選擇晶體管。在所述物理量檢測(cè)裝置中，所述選擇晶體管是耗盡型晶體管。
在根據(jù)上述實(shí)施例的物理量檢測(cè)裝置中，因?yàn)檫x擇晶體管是耗盡型晶體管，所以雖然選擇晶體管的柵極電壓未被設(shè)為電源電壓，選擇晶體管的導(dǎo)通電阻仍被減小。在選擇晶體管中，大量電流流經(jīng)體側(cè)，而非氧化膜的界面。


圖1是圖示了具有四個(gè)晶體管的像素的電路結(jié)構(gòu)的電路圖； 圖2是圖示了突發(fā)噪聲的示圖； 圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的示圖； 圖4是圖示了根據(jù)第一電路示例的像素的電路結(jié)構(gòu)的電路圖； 圖5是圖示了根據(jù)第二電路示例的像素的電路結(jié)構(gòu)的電路圖； 圖6是圖示了垂直驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的框圖； 圖7是圖示了當(dāng)根據(jù)第二實(shí)施例的方法被應(yīng)用時(shí)的操作的時(shí)序圖； 圖8是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的成像裝置的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的框圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在本發(fā)明中，用于對(duì)經(jīng)由對(duì)象入射的光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)的固態(tài)成像裝置被給出， 作為用于對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)的物理量檢測(cè)裝置的一個(gè)示例。
圖3是示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的示圖。 在該實(shí)施例中，CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器被給出作為固態(tài)成像裝置的一個(gè)示例。
如圖3所示，根據(jù)該實(shí)施例的固態(tài)成像裝置10包括半導(dǎo)體襯底(芯片)11上的像素陣列12、垂直驅(qū)動(dòng)電路13、列電路組14、水平驅(qū)動(dòng)電路15、垂直信號(hào)線16、輸出電路17、 控制單元18，以及負(fù)電壓發(fā)生電路19。
在像素陣列12中，多個(gè)像素20是二維排列的，其中每個(gè)像素具有用于把入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，所述電信號(hào)具有與所述入射光的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電荷。像素20的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)稍后將被描述。在像素陣列12中，為排列的像素中的每行像素形成一像素驅(qū)動(dòng)配線121，并且為每列像素形成一垂直信號(hào)線122。
垂直驅(qū)動(dòng)電路13順序并選擇性地掃描像素陣列12中的像素20的行，并且通過像素驅(qū)動(dòng)配線121向選定行的像素提供必要的驅(qū)動(dòng)脈沖(控制脈沖)。在本實(shí)施例中，雖然在圖中未示出，但是垂直驅(qū)動(dòng)電路13包括讀掃描系統(tǒng)和快門掃描系統(tǒng)，所述讀掃描系統(tǒng)用于執(zhí)行順序地選擇像素20的行并讀取所選行的像素的信號(hào)的讀操作，所述快門掃描系統(tǒng)用于在讀掃描系統(tǒng)執(zhí)行讀掃描之前的與快門速度相對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行使像素20的同一行的光電轉(zhuǎn)換器中存儲(chǔ)的電荷除去(復(fù)位)的快門操作。
因此，從光電轉(zhuǎn)換器的非必需的電荷被快門掃描系統(tǒng)通過快門掃描的快門操作而復(fù)位的時(shí)刻開始到像素20的信號(hào)被讀掃描系統(tǒng)通過讀掃描而讀取的時(shí)刻為止的時(shí)段是像素20的信號(hào)電荷存儲(chǔ)時(shí)間(曝光時(shí)間)。就是說，電子快門操作意味著對(duì)光電轉(zhuǎn)換器中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷進(jìn)行復(fù)位然后開始存儲(chǔ)新信號(hào)電荷的操作。
從選定行的像素20輸出的信號(hào)通過垂直信號(hào)配線122被提供到列電路組14。列電路組14包括列電路，所述列電路被設(shè)置為與像素陣列12中的像素的列一一對(duì)應(yīng)。列電路組14通過垂直信號(hào)線接收從每行像素20輸出的信號(hào)，然后對(duì)接收到的信號(hào)執(zhí)行放大或相關(guān)雙取樣(⑶S)來除去為像素所特有的固定模式噪聲(fixed pattern noise)。列電路組14中的每個(gè)列電路可具有A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換功能。
水平驅(qū)動(dòng)電路15包括水平掃描電路151和水平選擇開關(guān)組152。水平掃描電路 151是由移位寄存器組成的。水平掃描電路151順序地掃描水平選擇開關(guān)組152的開關(guān)，并且順序地把與被列電路組14的列電路處理過的一行像素相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出到水平信號(hào)線 16。
輸出電路17對(duì)通過水平選擇開關(guān)組152和水平信號(hào)線16從列電路組14的列電路順序地提供的信號(hào)執(zhí)行各種信號(hào)處理，然后將處理過的信號(hào)輸出作為輸出信號(hào)OUT。輸出電路17可僅執(zhí)行緩沖處理，或者它在緩沖處理之前可執(zhí)行例如調(diào)節(jié)黑色電平的處理、校正多列像素之間的偏差的處理、放大信號(hào)的處理，以及與顏色有關(guān)的處理。
控制電路18通過接口(未示出)接收控制固態(tài)成像裝置10的操作模式的數(shù)據(jù)， 或者它將包括固態(tài)成像裝置10的信息的數(shù)據(jù)輸出到外部，基于垂直同步信號(hào)Vsync、水平同步信號(hào)Hsync和主時(shí)鐘信號(hào)MCK生成時(shí)鐘信號(hào)或用于控制垂直驅(qū)動(dòng)電路13、列電路組14 和水平驅(qū)動(dòng)電路15的操作的控制信號(hào)，然后將該信號(hào)提供給每個(gè)電路。
負(fù)電壓發(fā)生電路19是由例如電荷泵電路形成的。負(fù)電壓發(fā)生電路19基于電源電壓Vdd生成負(fù)電壓，然后將生成的負(fù)電壓提供給垂直驅(qū)動(dòng)電路13。為了減小暗電流，CMOS圖像傳感器設(shè)有負(fù)電壓發(fā)生電路，該負(fù)電壓發(fā)生電路將像素20的傳送晶體管被關(guān)斷時(shí)的柵極電壓改變?yōu)橐浑妷涸撾妷壕嚓P(guān)斷側(cè)(off side)比距其中形成了傳送晶體管的阱(well)
5的電壓更近，該電壓例如是本實(shí)施例中的負(fù)電壓(見JP-A-2002-217397)。所述負(fù)電壓發(fā)生電路可被用作負(fù)電壓發(fā)生電路19。
像素電路 圖4是圖示了根據(jù)第一電路示例的像素20A的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖4所示， 根據(jù)第一電路示例的像素20A包括充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管21，以及四個(gè)晶體管，如傳送晶體管22、復(fù)位晶體管23、放大晶體管M和選擇晶體管25。在本實(shí)施例中，用N溝道 MOS晶體管作為這四個(gè)晶體管22到25。
為每行像素20A形成像素驅(qū)動(dòng)配線121，其包括傳輸配線121A、復(fù)位配線121B和選擇配線121C。
在圖4中，光電二極管21將入射光轉(zhuǎn)換為與入射光的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電荷(在本實(shí)施例中為電子)。光電二極管21的陰極通過傳送晶體管22被電連接到放大晶體管M的柵極。被電連接到放大晶體管M的柵極的節(jié)點(diǎn)被稱為FD(floating diffusion，浮動(dòng)擴(kuò)散) 部件26。FD部件沈保持從光電二極管21發(fā)出的信號(hào)電荷并將該信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電壓。
傳送晶體管22被連接在光電二極管21的陰極與FD部件沈之間，并且當(dāng)傳輸脈沖TRF通過傳輸配線121A被提供到其柵極時(shí)被接通，這使已通過光電二極管21進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換并隨后存儲(chǔ)在光電二極管21中的光電荷被傳輸?shù)紽D部件26。
復(fù)位晶體管23的漏極連接到電源電壓Vdd的電源線，其源極連接到FD部件26，并且其柵極連接到復(fù)位配線121B。當(dāng)復(fù)位脈沖RST被提供給復(fù)位晶體管23的柵極時(shí)，復(fù)位晶體管23被接通，這使得在信號(hào)電荷被從光電二極管21傳輸?shù)紽D部件26之前，F(xiàn)D部件沈的電荷被傳輸?shù)诫娫?Vdd)線，從而使FD部件沈復(fù)位。
放大晶體管M的柵極連接到FD部件26，并且其漏極連接到電源電壓Vdd的電源線。放大晶體管M把被復(fù)位晶體管復(fù)位的FD部件沈的電位輸出作為復(fù)位電平，并且還把通過傳送晶體管22從光電二極管21傳輸了信號(hào)電荷之后的FD部件沈的電位輸出作為信號(hào)電平。
例如，選擇晶體管25的漏極連接到放大晶體管M的源極，并且其源極連接到垂直信號(hào)線122。就是說，選擇晶體管25被與放大晶體管M串聯(lián)地連接在放大晶體管M與垂直信號(hào)線122之間。選擇晶體管25在選擇脈沖SEL通過選擇配線121C被提供到其柵極時(shí)被接通，這使得像素20A處于被選擇狀態(tài)。結(jié)果，經(jīng)放大晶體管M放大的信號(hào)被輸出給垂直信號(hào)線122。
圖5是圖示了根據(jù)第二電路示例的像素20B的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。在第二電路示例中，與圖4所示那些相同的組件具有相同的標(biāo)號(hào)。
如圖5所示，與根據(jù)第一電路示例的像素20A相似，根據(jù)第二電路示例的像素20B 包括充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管21，以及四個(gè)晶體管，如傳送晶體管22、復(fù)位晶體管23、 放大晶體管M和選擇晶體管25。
根據(jù)第二電路示例的像素20B與根據(jù)第一電路示例的像素20A的不同之處在于選擇晶體管25被與放大晶體管M串聯(lián)地連接在電源(Vdd)線與放大晶體管M之間。就是說，選擇晶體管25的漏極連接到電源(Vdd)線，其源極連接到放大晶體管M的漏極，并且其柵極連接到選擇配線121C。當(dāng)選擇脈沖SEL通過選擇配線121C被提供給選擇晶體管25 的柵極時(shí)，選擇晶體管25被接通，這使電源電壓Vdd被提供給放大晶體管M的漏極，使得像素20B被選擇。
垂直驅(qū)動(dòng)電路 圖6是圖示了垂直驅(qū)動(dòng)電路13的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的框圖。如圖6所示，垂直驅(qū)動(dòng)電路13包括行選擇電路131、復(fù)用器132、電平轉(zhuǎn)換器133，以及緩沖器134。在圖6中，例如，地或者電源輸入系統(tǒng)未被示出。
行選擇電路131是由移位寄存器或者譯碼器形成的，并且基于從控制電路18提供的掃描信號(hào)或者地址信號(hào)選擇性地掃描像素陣列12中的像素行。復(fù)用器132把從控制電路18提供的像素驅(qū)動(dòng)脈沖作為傳輸脈沖TRF、復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖SEL輸出給由行選擇電路131選擇性地掃描的像素行。
電平轉(zhuǎn)換器133把從復(fù)用器132提供的像素驅(qū)動(dòng)脈沖的高電平和低電平轉(zhuǎn)換為預(yù)定電平(電平變換)。將負(fù)電壓發(fā)生電路19所生成的負(fù)電壓提供給電平轉(zhuǎn)換器133。經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器133轉(zhuǎn)換了電平的像素驅(qū)動(dòng)脈沖(即傳輸脈沖TRF、復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖 SEL)通過具有低阻抗的緩沖器134被提供給像素驅(qū)動(dòng)配線121(即傳輸配線121A、復(fù)位配線121B和選擇配線121C)。
具有上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像裝置10的特征在于耗盡型晶體管被用作像素20中的選擇晶體管25。和相關(guān)技術(shù)不同，耗盡型的選擇晶體管25的使用使得可以防止閾值降低而不提高選擇晶體管25的柵極電壓，因此選擇晶體管可以在低電壓工作。此外，可以減小選擇晶體管25的導(dǎo)通電阻。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，Ι/f噪聲或突發(fā)噪聲被減小，這和提高柵極電壓的相關(guān)技術(shù)不同。這是因?yàn)樵谶x擇晶體管25中，耗盡使大量電流流經(jīng)體側(cè)而非氧化膜的界面。
然而，因?yàn)楹谋M型晶體管具有不被關(guān)斷的特性，就是說相對(duì)于地電壓的電流不中斷，所以耗盡型晶體管通常不被用作開關(guān)元件，所述地電壓等于在其中形成晶體管的阱的電壓。選擇晶體管25具有開關(guān)的功能，并且如圖4所示，通過連接到垂直信號(hào)線122的恒流源30的負(fù)載晶體管31，選擇晶體管25源極的電壓和地電壓相等。因此，選擇晶體管不屬于上述示例。
然而，本發(fā)明的實(shí)施例使用耗盡型晶體管作為選擇晶體管25。在這種情況下，還可以向耗盡型晶體管提供基于選擇晶體管25的導(dǎo)通狀態(tài)與關(guān)斷狀態(tài)之間的電位差來選擇像素行的功能。在該結(jié)構(gòu)下，因?yàn)楹懔髟吹碾娏髦凳敲織l垂直信號(hào)線幾個(gè)微安，故大量電流不流經(jīng)選擇晶體管25，因此優(yōu)選地，選擇晶體管25中斷電流的流動(dòng)。這是因?yàn)楣β氏脑黾樱娏髁鹘?jīng)特定像素以改變?cè)撓袼氐奶匦?，或者熱電子白點(diǎn)發(fā)生。
因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，因?yàn)楹谋M型晶體管被用作選擇晶體管25并且選擇晶體管25中斷電流的流動(dòng)，所以使用下面兩種方法中的至少一種是有效的第一，當(dāng)被連接到一垂直信號(hào)線122的所有像素20的選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，恒流源30也被關(guān)斷；第二， 當(dāng)選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，負(fù)電壓被施加到柵極。
即使當(dāng)耗盡型晶體管被用作選擇晶體管25時(shí)，使用這兩種方法中的一種或兩種也使得可以用選擇晶體管25中斷電流。因此，可以防止功率消耗的增加、特性的變化或者熱電子白點(diǎn)，并因此通過耗盡型晶體管得到多種效果，就是說，降低由選擇晶體管25的有限導(dǎo)通電阻引起的Ι/f噪聲或突發(fā)噪聲的效果。
接著，下面將詳細(xì)描述后一種方法即當(dāng)選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)將負(fù)電壓施加到柵極的實(shí)施例。
第一實(shí)施例 第一實(shí)施例的特征在于，當(dāng)像素20的選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，其柵極電壓被設(shè)為一電壓也就是負(fù)電壓，該電壓距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了選擇晶體管25的阱的電壓更近。
更具體地說，現(xiàn)有的負(fù)電壓發(fā)生電路19(見圖3)所生成的負(fù)電壓被使用，并且圖 6所示的電平轉(zhuǎn)換器133對(duì)選擇脈沖SEL的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換(電平變換)，使得像素驅(qū)動(dòng)脈沖中的選擇脈沖SEL的低電平被設(shè)為負(fù)電壓發(fā)生電路19的負(fù)電壓。因此，當(dāng)選擇晶體管25 被關(guān)斷時(shí)，負(fù)電壓被施加到選擇晶體管25的柵極。
在恒流源30中，略高于閾值電壓的電壓被施加到負(fù)載晶體管31的柵極，這使得大約幾個(gè)微安的小恒定電流通過垂直信號(hào)線122流向選擇晶體管25。
選擇晶體管25的基準(zhǔn)電壓是反向偏置的P阱的電壓。P阱的電壓是地電壓。當(dāng)相對(duì)于基準(zhǔn)電壓即地電壓的負(fù)電壓被施加到柵極時(shí)，作為耗盡型晶體管的選擇晶體管25可中斷電流。
如上所述，當(dāng)耗盡型晶體管被用作選擇晶體管25并且像素20的選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，其柵極電壓被設(shè)為一電壓也就是負(fù)電壓，該電壓距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了選擇晶體管25的阱的電壓更近，這使得選擇晶體管25可以在關(guān)斷狀態(tài)下可靠地中斷電流，從而得到耗盡型晶體管的效果，即降低由選擇晶體管25的有限導(dǎo)通電阻引起的Ι/f噪聲或突發(fā)噪聲的效果。
現(xiàn)有的負(fù)電壓發(fā)生電路19被使用，并且由負(fù)電壓發(fā)生電路19生成并在傳送晶體管22被關(guān)斷時(shí)被施加到傳送晶體管22的柵極的負(fù)電壓還被用作選擇晶體管25的低電平柵極電壓。因此，本實(shí)施例使得不需要安排負(fù)電壓發(fā)生電路19。因此，本實(shí)施例防止了制造成本的增加、制造缺陷和額外的外部容量，這使得可以防止模塊尺寸的增加。
當(dāng)其中在選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)負(fù)電壓被施加到選擇晶體管的柵極的實(shí)施例被使用時(shí)，優(yōu)選地使用如下像素結(jié)構(gòu)，其中像素20是根據(jù)第一電路示例的像素20A，也就是選擇晶體管25被串聯(lián)連接在放大晶體管M與垂直信號(hào)線122之間。
原因如下。在根據(jù)第二電路示例的像素20B的情況下，被施加到選擇晶體管25的柵極的負(fù)電壓和被施加到其漏極的電源電壓Vdd增加了柵極與漏極之間的電位差，這使得難于提高選擇晶體管25的可靠性。因此，在根據(jù)第一電路示例的像素20A的情況下，即使當(dāng)負(fù)電壓被施加到選擇晶體管的柵極時(shí)，也可以保持柵極和漏極的電位之間的較小差異。
在圖6中，在電平轉(zhuǎn)換器133中，對(duì)應(yīng)于傳輸脈沖TRF、復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖 SEL中的每一個(gè)，為每行像素提供了具有電平轉(zhuǎn)換功能的單元電路。
由負(fù)電壓發(fā)生電路19生成的負(fù)電壓作為負(fù)電源電壓被施加到用于傳輸脈沖TRF 的單元電路，以減小暗電流。此外，負(fù)電壓作為負(fù)電源電壓(相關(guān)技術(shù)中的地電壓)被施加到用于選擇脈沖SEL的單元電路，以減小Ι/f噪聲或突發(fā)噪聲?？商鎿Q地，負(fù)電壓可作為負(fù)電源電壓被施加到用于復(fù)位脈沖RST的單元電路。這樣，公共負(fù)電壓可被施加到用于傳輸脈沖TRF的單元電路、用于選擇脈沖SEL的單元電路和用于復(fù)位脈沖RST的單元電路，這使得可以簡(jiǎn)化電平轉(zhuǎn)換器133的結(jié)構(gòu)。
第二實(shí)施例 在第一實(shí)施例中，負(fù)載晶體管31被用作用于提供幾個(gè)微安的電流的恒流源30。然而，在第二實(shí)施例中，負(fù)載晶體管31作為開關(guān)元件而工作，而非作為恒流源。更具體地說， 在圖4中，圖7所示的開關(guān)脈沖LOAD被提供到負(fù)載晶體管31的柵極，這使負(fù)載晶體管31 充當(dāng)開關(guān)元件。
在本實(shí)施例中，負(fù)載晶體管31僅作為開關(guān)而工作。因此，當(dāng)負(fù)載晶體管31被接通時(shí)，幾十微安的大量電流流動(dòng)。更具體地說，例如，當(dāng)負(fù)載晶體管31被接通時(shí)的柵極電壓的高電平也就是開關(guān)脈沖LOAD的高電平被設(shè)為電源電壓Vdd。在本實(shí)施例中，與第一實(shí)施例相似，選擇晶體管25是耗盡型晶體管。此外，當(dāng)選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，負(fù)電壓被施加到選擇晶體管25的柵極。
接著，將參照?qǐng)D7所示的時(shí)序圖來描述當(dāng)應(yīng)用根據(jù)第二實(shí)施例的方法時(shí)像素20和負(fù)載晶體管31的操作。
當(dāng)被連接到垂直信號(hào)線的全部像素的選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)(當(dāng)選擇晶體管處于低電平時(shí))，用于對(duì)開關(guān)負(fù)載晶體管31進(jìn)行開關(guān)的開關(guān)脈沖LOAD被激活(例如，電源電壓Vdd)。然后，負(fù)載晶體管31被接通，這使垂直信號(hào)線122的電位變?yōu)轭A(yù)定電壓，例如在本實(shí)施例中為地電壓。在垂直信號(hào)線122的電位處于低電平期間復(fù)位脈沖RST被激活(高電平)，然后復(fù)位晶體管23被接通，這使得像素20的選定行的FD部件沈被復(fù)位。
然后，像素的選定行的選擇脈沖SEL被激活(高電平)以接通選擇晶體管25。這使垂直信號(hào)線122的電位接近與FD部件沈的電位相對(duì)應(yīng)的電壓，這反映了 FD部件沈通過復(fù)位晶體管23被復(fù)位。
在垂直信號(hào)線122的電位接近與FD部件沈的電位相對(duì)應(yīng)的電壓的階段，列電路組14(見圖幻的相應(yīng)列電路把垂直信號(hào)線122的電位作為復(fù)位電平來采樣。然后，選擇脈沖SEL被禁止(inactivate)(例如，-IV的負(fù)電壓)，以關(guān)斷選擇晶體管25。
接著，通過開關(guān)脈沖LOAD接通負(fù)載電容器31以將垂直信號(hào)線122的電位改變?yōu)榈碗娖?，并且在垂直信?hào)線122的電位處于低電平期間傳輸脈沖TRF被激活(高電平)以接通傳輸晶體管22，這使由光電二極管21的光電轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)電荷被傳輸?shù)紽D部件26。
然后，選定的像素行的選擇脈沖SEL被激活，以接通選擇晶體管25。這使垂直信號(hào)線122的電位接近與FD部件沈的電位相對(duì)應(yīng)的電壓。這指示出信號(hào)電荷被從光電二極管 21傳輸并隨后被存儲(chǔ)在FD部件沈中。
在垂直信號(hào)線122的電位某種程度上接近與FD部件沈的電位相對(duì)應(yīng)的電壓的階段，列電路把垂直信號(hào)線122的電位作為信號(hào)電平來采樣。然后，選擇脈沖SEL被禁止以關(guān)斷選擇晶體管25。
列電路組14的相應(yīng)列電路使用由第一采樣得到的復(fù)位電平與由第二采樣得到的信號(hào)電平之間的差來除去為像素所特有的固定模式噪聲，從而得到不包括固定模式噪聲的信號(hào)。
如上所述，負(fù)載晶體管31作為開關(guān)而工作，而非作為恒流源，并且垂直信號(hào)線122 的電位通過短脈沖變?yōu)榈碗娖?。然后，從沒有恒定電流流經(jīng)的像素20中讀取信號(hào)。結(jié)果， 可以防止負(fù)載晶體管31的電壓損失并從而減小功率消耗。此外，因?yàn)橹挥谐潆?放電電流流經(jīng)垂直信號(hào)線122，所以可以減小功率消耗。
另外，因?yàn)榇怪毙盘?hào)線122的電位通過短脈沖被改變?yōu)榈碗娖?，所以?fù)載晶體管 31被用作具有低阻抗的開關(guān)，而不是作為恒流源。在這種情況下，當(dāng)耗盡型晶體管被用作選擇晶體管25時(shí)，在開關(guān)脈沖LOAD被施加到負(fù)載晶體管31的激活時(shí)段中無法關(guān)斷選擇晶體管25，這使得所流動(dòng)的電流比第一實(shí)施例中的電流大十到百倍。在這種情況下，發(fā)生了與其中耗盡型晶體管僅被用作選擇晶體管25的第一實(shí)施例中相同的嚴(yán)重問題，并且還發(fā)生了地線或電源線中的電壓降落的問題。因此，柵極電壓在選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)被設(shè)為負(fù)和選擇晶體管25被進(jìn)行開關(guān)以中斷電流是有效的。
在上述實(shí)施例中，N溝道MOS晶體管被用作根據(jù)第一和第二電路示例的像素20A 和20B中每個(gè)像素的四個(gè)晶體管22到25，但是本發(fā)明不限于此。例如，P溝道MOS晶體管可被用作四個(gè)晶體管22到25。在這種情況下，可提供升壓電路來代替負(fù)電壓發(fā)生電路19， 并且當(dāng)選擇晶體管25被關(guān)斷時(shí)，高于電源電壓Vdd的電壓可被設(shè)為柵極電壓。
在上述實(shí)施例中，用于對(duì)通過對(duì)象入射的光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)的固態(tài)成像裝置被用作用于對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)的物理量檢測(cè)裝置，但是本發(fā)明不限于此。例如，物理量檢測(cè)裝置可能是用于對(duì)在檢測(cè)電極與手指表面之間對(duì)應(yīng)于指紋而形成的電容進(jìn)行檢測(cè)的指紋檢測(cè)裝置(電容檢測(cè)裝置)，或用于對(duì)壓力或化學(xué)材料的分布作為從外部提供的物理量來檢測(cè)的檢測(cè)裝置。此外，本發(fā)明還可應(yīng)用于所有的物理量檢測(cè)裝置，所述物理量檢測(cè)裝置包括用于對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)單元和二維排列的像素，其中每個(gè)像素具有用于選擇性地將來自檢測(cè)單元的信號(hào)輸出到信號(hào)線的選擇晶體管。
應(yīng)用 根據(jù)上述實(shí)施例的固態(tài)成像裝置10優(yōu)選地被用作諸如數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)這樣的成像設(shè)備的成像裝置(圖像輸入裝置)。
成像設(shè)備意味著包括充當(dāng)成像裝置的固態(tài)成像裝置、用于將對(duì)象的光學(xué)圖像形成在固態(tài)成像裝置的成像表面(光接收表面)上的光學(xué)系統(tǒng)和用于對(duì)固態(tài)成像裝置的信號(hào)進(jìn)行處理的電路的照相機(jī)模塊(例如，被安裝在諸如蜂窩式電話這樣的電子設(shè)備上的照相機(jī)模塊)，以及諸如數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)這樣的包括照相機(jī)模塊的照相機(jī)系統(tǒng)。
圖8是圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的框圖。如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備包括具有透鏡41、成像裝置42，以及照相機(jī)信號(hào)處理電路43的光學(xué)系統(tǒng)。
透鏡41將來自對(duì)象的光學(xué)圖像聚焦在成像裝置42的成像表面上。成像裝置42 輸出將通過透鏡41形成在成像表面上的光學(xué)圖像以像素為單位轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而得到的圖像信號(hào)。根據(jù)上述實(shí)施例的固態(tài)成像裝置10被用作成像裝置42。照相機(jī)信號(hào)處理單元43 對(duì)從成像裝置42輸出的圖像信號(hào)執(zhí)行各種信號(hào)處理。
如上所述，在諸如攝像機(jī)、電子照相機(jī)和設(shè)在諸如蜂窩式電話這樣的移動(dòng)設(shè)備中的照相機(jī)模塊這樣的成像設(shè)備中，根據(jù)上述實(shí)施例的固態(tài)成像裝置10被用作成像裝置42， 這使得可以減小由固態(tài)成像裝置10中的像素的選擇晶體管的有限導(dǎo)通電阻引起的Ι/f噪聲或突發(fā)噪聲，從而得到具有極小噪聲的成像設(shè)備。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，只要當(dāng)處于所附權(quán)利要求書或其等同物的范圍之內(nèi)時(shí)，各種修改、組合、子組合和變化可取決于設(shè)計(jì)要求和其他因素而發(fā)生。
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本發(fā)明包含與2005年11月1日向日本專利局遞交的日本專利申請(qǐng) JP2005-317910有關(guān)的主題，該在先申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種物理量檢測(cè)裝置，包括檢測(cè)單元，對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)；以及像素，其被二維排列并且每個(gè)像素具有用于將來自所述檢測(cè)單元的信號(hào)輸出到信號(hào)線的選擇晶體管，其中，所述選擇晶體管是耗盡型晶體管， 恒流源被連接到所述信號(hào)線，當(dāng)與所述信號(hào)線相對(duì)應(yīng)的所有像素的選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述恒流源被關(guān)斷，并且當(dāng)所述選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述選擇晶體管的柵極電壓被設(shè)為一電壓，該電壓距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了所述選擇晶體管的阱的電壓更近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理量檢測(cè)裝置，其中所述像素包括用于對(duì)來自所述檢測(cè)單元的信號(hào)進(jìn)行放大的放大晶體管，并且所述選擇晶體管被與所述放大晶體管串聯(lián)地連接在所述放大晶體管與所述信號(hào)線之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理量檢測(cè)裝置，其中用于選擇性地將所述信號(hào)線的電位切換為預(yù)定電壓的開關(guān)元件被連接到所述信號(hào)線，并且在所述信號(hào)線的電位被所述開關(guān)元件切換為預(yù)定電壓之后，所述選擇晶體管被接通以將所述像素的信號(hào)輸出到所述信號(hào)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理量檢測(cè)裝置，其中所述像素包括電荷存儲(chǔ)單元和傳送晶體管，所述傳送晶體管用于把與所述檢測(cè)單元所檢測(cè)到的物理量相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷傳輸?shù)剿鲭姾纱鎯?chǔ)單元，并且當(dāng)所述傳送晶體管在關(guān)斷狀態(tài)下的柵極電壓被設(shè)為距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了所述傳送晶體管的阱的電壓更近的電壓時(shí)，所述選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)的柵極電壓也被用作所述傳送晶體管被關(guān)斷時(shí)的柵極電壓。
5.一種成像設(shè)備，包括固態(tài)成像裝置，其包括二維排列的像素，每個(gè)像素具有用于把入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件和用于選擇性地將與所述光電轉(zhuǎn)換元件的信號(hào)電荷相對(duì)應(yīng)的電壓輸出到信號(hào)線的選擇晶體管；以及光學(xué)系統(tǒng)，其把來自對(duì)象的光引導(dǎo)到所述固態(tài)成像裝置的成像表面上， 其中，所述固態(tài)成像裝置包括作為所述選擇晶體管的耗盡型晶體管， 恒流源被連接到所述信號(hào)線，當(dāng)與所述信號(hào)線相對(duì)應(yīng)的所有像素的選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述恒流源被關(guān)斷，并且當(dāng)所述選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述選擇晶體管的柵極電壓被設(shè)為一電壓，該電壓距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了所述選擇晶體管的阱的電壓更近，從而在關(guān)斷狀態(tài)下可靠地中斷電流，由此降低否則將由所述選擇晶體管的有限導(dǎo)通狀態(tài)電阻引起的噪聲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物理量檢測(cè)裝置和成像設(shè)備。所述物理量檢測(cè)裝置包括檢測(cè)單元，對(duì)從外部提供的物理量進(jìn)行檢測(cè)；以及像素，其被二維排列并且每個(gè)像素都具有用于將來自所述檢測(cè)單元的信號(hào)輸出到信號(hào)線的選擇晶體管。在所述物理量檢測(cè)裝置中，所述選擇晶體管是耗盡型晶體管，恒流源被連接到所述信號(hào)線，當(dāng)與所述信號(hào)線相對(duì)應(yīng)的所有像素的選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述恒流源被關(guān)斷，并且當(dāng)所述選擇晶體管被關(guān)斷時(shí)，所述選擇晶體管的柵極電壓被設(shè)為一電壓，該電壓距關(guān)斷側(cè)比距其中形成了所述選擇晶體管的阱的電壓更近。
文檔編號(hào)H04N5/357GK102186024SQ20111012000
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者馬淵圭司 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社