專利名稱：固態(tài)成像器件及其驅(qū)動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像器件及其驅(qū)動方法，并特別涉及一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)或金屬氧化物半導體(MOS)固態(tài)成像器件及其驅(qū)動方法。
背景技術：
能以與CMOS集成電路類似的工藝生產(chǎn)的CMOS固態(tài)成像器件(以下稱為“CMOS圖像傳感器”)被認為是固態(tài)成像器件(例如，參見日本專利說明書No.3000782)。關于CMOS圖像傳感器，通過利用與CMOS工藝相關的小型化技術，可以容易地生產(chǎn)對于每個像素具有放大功能的有源結(jié)構(gòu)。另外，CMOS圖像傳感器具有如下特征，即例如用于驅(qū)動像素陣列的驅(qū)動電路和用于處理從像素陣列輸出的信號的信號處理電路的外圍電路被集成在用于像素陣列的同一芯片(基板)上。因此，近年來，CMOS圖像傳感器已引起注意，并且已進行了關于CMOS圖像傳感器的許多研究和開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
由本發(fā)明的發(fā)明人進行的分析表明在固態(tài)成像器件如CMOS圖像傳感器中，圖像惡化的原因之一基于以下機理。具體地，當信號從每個像素輸出到垂直信號線時，垂直信號線的電勢改變。此時，即使讀取來自每行中像素的信號，在整個像素陣列中的垂直信號線的電勢也會改變。因此，整個像素陣列中的電容耦合使得像素陣列中的勢阱發(fā)生波動。當在讀取來自像素的信號的同時像素陣列中一個阱的電勢波動時，該電勢波動被疊加在來自像素的信號上。疊加的波動引起了雜波(noise)和寄生信號(shading)(在屏幕上捕獲的圖像的寬的不均勻性(unevenness))。
鑒于上述情況而作出了本發(fā)明。因此，需要提供一種固態(tài)成像器件及其驅(qū)動方法，通過在讀取來自像素的信號的同時抑制像素陣列的勢阱的波動，來防止由勢阱波動引起的雜波和寄生信號的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列，該像素陣列包括二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件；以及固定單元，用于將在像素具有工作周期之前獲得的信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢。
在以上固態(tài)成像器件中，在像素具有工作周期之前，如果復位電平從像素輸出到信號線，則通過將信號線的電勢固定到中間電勢，使信號線的電勢從中間電勢改變到復位電平。因此，信號線的電勢具有小的改變。當輸出復位電平時，這使得信號線的電勢波動(改變)最小化。因此，抑制了由于信號線的電勢波動而引起的像素陣列的勢阱波動。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種固態(tài)成像器件的驅(qū)動方法，該固態(tài)成像器件包括以矩陣形式二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件，其中，在像素具有工作周期之前，將信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過抑制由信號線的電勢波動引起的像素陣列中的勢阱波動，確保了防止勢阱波動影響復位電平和信號電平。因此，這防止了由勢阱波動引起的雜波和寄生信號的產(chǎn)生。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的整個CMOS圖像傳感器的方框圖；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS圖像傳感器的基本部分的電路圖；圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS圖像傳感器的操作的時序圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS圖像傳感器的基本部分的電路圖；圖5是圖示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS圖像傳感器的操作的時序圖；
圖6是示出了本發(fā)明第一和第二實施例的變型的電路圖；以及圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的模塊類型的CMOS成像器件的方框圖。
具體實施例方式
下面參考附圖全面地描述本發(fā)明的實施例。
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的例如CMOS圖像傳感器的整個固態(tài)成像器件的方框圖。以下描述針對本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明不限于該實施例?？蓪⒈景l(fā)明的實施例應用到MOS固態(tài)成像器件上。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器10不僅包括以下像素陣列12，而且還包括垂直驅(qū)動電路13、列處理器14、水平驅(qū)動電路15、水平信號線16、輸出電路17、和定時控制電路18，其中該像素陣列12包括以矩陣形式二維排列的多個像素11，每個像素都包括光電變換元件。
在該系統(tǒng)配置中，基于垂直同步信號Vsync、水平同步信號Hsync、和主時鐘MCK，定時控制電路18產(chǎn)生用作垂直驅(qū)動電路13、列處理器14、和水平驅(qū)動電路15的工作基準的例如時鐘信號和控制信號的信號。定時控制電路18將產(chǎn)生的信號提供給垂直驅(qū)動電路13、列處理器14、水平驅(qū)動電路15等。另外，用于控制像素陣列12中的像素11的驅(qū)動的外圍驅(qū)動電路和信號處理電路部分，即垂直驅(qū)動電路13、列處理器14、水平驅(qū)動電路15、水平信號線16、輸出電路17、定時控制電路18等集成在與形成像素陣列12的基板相同的半導體基板(芯片)19上。
在像素陣列12中，像素11以m行×n列的形式二維地排列。在圖1中，為了簡要說明起見，僅示出了10行×12列的像素結(jié)構(gòu)。在該m行×n列的像素結(jié)構(gòu)中，以行為單位提供了行控制線(未示出)，并以列為單位提供了垂直信號線121(121-1至121-n)。垂直驅(qū)動電路13包括移位寄存器。垂直驅(qū)動電路13以行為單位順序地選擇像素陣列12中的像素11，并經(jīng)由一個行控制線將必要的脈沖提供給所選擇行中的像素11。
從所選擇行中的像素11輸出的信號經(jīng)由垂直信號線121而提供給列處理器14。列處理器14包括與像素陣列12中的各列像素11對應的列信號處理電路141。對于每列像素11，在接收到對于每行像素而從像素11輸出的信號之后，列信號處理電路141對上述信號進行處理。該處理包括用于消除只有像素11才有的固定圖形雜波的相關二次抽樣(CDS)、信號放大，并且如果有必要還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換。
水平驅(qū)動電路15包括移位寄存器。水平驅(qū)動電路15順序地選擇列處理器14中的每個列信號處理電路141，并將從列信號處理電路141輸出的信號提供給水平信號線16。輸出電路17對經(jīng)由水平信號線16從列信號處理電路141順序供給的信號進行各種類型的信號處理，并輸出處理了的信號。關于輸出電路17的具體信號處理，例如，可僅進行緩沖，或可進行緩沖之前的黑色電平調(diào)節(jié)、每列的偏差校正、信號放大、和顏色相關處理(color-relatedprocessing)。
第一實施例圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS圖像傳感器的基本部分的電路圖。換句話說，圖2示出了一個像素和列信號處理電路141的一部分。具體地，圖2是僅示出像素11A中之一和一個列信號處理電路141一部分的電路圖，該列信號處理電路141與像素11A所屬列中的一個垂直信號線121連接。
如圖2所示，像素11A包括光電變換元件，例如光電二極管21，和四個晶體管，即傳輸晶體管(transfer transistor)22、復位晶體管23、放大晶體管24、和選擇晶體管25。圖2示出了其中N溝道MOS晶體管用作傳輸晶體管22、復位晶體管23、放大晶體管24、和選擇晶體管25的情況。然而，可使用P溝道晶體管。
光電二極管21的陽極與例如地相連以具有第一電源電勢。光電二極管21將入射光光電轉(zhuǎn)換為具有對應于入射光量的數(shù)量的電荷的信號電荷(光電子)，并存儲該信號電荷。傳輸晶體管22具有連接到浮動擴散區(qū)(floatingdiffusion)FD的漏極、連接到光電二極管21的陰極的源極、和連接到傳輸線(transfer wire)26的柵極。當將來自垂直驅(qū)動電路13的傳輸脈沖(transferpulse)TRF經(jīng)由傳輸線26提供給傳輸晶體管22的柵極時，傳輸晶體管22進入導通狀態(tài)(導電態(tài))，并將存儲在光電二極管21中的信號電荷傳送到浮動擴散區(qū)FD。
復位晶體管23具有連接到具有例如電源電勢VDD(例如，2.5V)的第二電源電勢的電源線27的漏極、連接到浮動擴散區(qū)FD的源極、和連接到復位線28的柵極。當將來自垂直驅(qū)動電路13的復位脈沖RST經(jīng)由復位線28提供給復位晶體管23的柵極時，復位晶體管23進入導通狀態(tài)，并通過將浮動擴散區(qū)FD的信號電荷移動到電源線27而復位該浮動擴散區(qū)FD。
放大晶體管24具有連接到電源線27的漏極、和連接到浮動擴散區(qū)FD的柵極。放大晶體管24輸出與浮動擴散區(qū)FD的電勢對應的信號。選擇晶體管25具有連接到放大晶體管24的源極的漏極、連接到垂直信號線121的源極、和連接到選擇線29的柵極。當將來自垂直驅(qū)動電路13的選擇脈沖SEL經(jīng)由選擇線29提供給選擇晶體管25的柵極時，選擇晶體管25進入導通狀態(tài)以選擇像素11A，并將從放大晶體管24輸出的像素11A的信號提供到該垂直信號線121。
為同一行中的像素11A共同地提供了傳輸線26、復位線28、和選擇線29。如果必要，垂直驅(qū)動電路13將傳輸脈沖TRF、復位脈沖RSF、和選擇脈沖SEL分別供給傳輸線26、復位線28、和選擇線29，由此控制從光電二極管21向浮動擴散區(qū)FD傳輸信號電荷的操作、復位浮動擴散區(qū)FD的操作、和選擇像素11A的操作。
在列信號處理電路141的輸入級，例如，提供N溝道MOS晶體管作為負載晶體管31。負載晶體管31具有連接到垂直信號線121的漏極、和接地的源極。通過利用垂直信號線121，負載晶體管31與像素11A中的放大晶體管24合作以用作恒流源，從而形成源跟隨器。當將負載脈沖LOAD提供給負載晶體管31的柵極時，負載晶體管31進入導通狀態(tài)，并允許放大晶體管24將像素11A的信號輸出到垂直信號線121。
例如，列信號處理電路141進一步包括P溝道MOS晶體管32(以下稱為“固定晶體管(fixing transistor)32”)，作為將像素11A進入工作周期之前獲得的垂直信號線121的電勢固定為電源線27的電勢VDD和地電勢之間的預定中間電勢Vmid的器件。固定晶體管32具有連接到垂直信號線121的源極和連接到具有中間電勢Vmid的漏極。當將“L”(低)電平的固定脈沖FIX提供給固定晶體管32的柵極時，固定晶體管32進入導通狀態(tài)。通過將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121，固定晶體管32將垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid。例如，當電源電勢VDD等于2.5伏時，將1.5伏的電壓設置為電源電勢VDD的中間電勢Vmid。
圖3是示出驅(qū)動根據(jù)本發(fā)明第一實施例的CMOS圖像傳感器所用時序的時序圖。圖3不僅示出了負載脈沖LOAD、固定脈沖FIX、選擇脈沖SEL、復位脈沖RST、和傳輸脈沖TRF，而且示出了垂直信號線121的電勢的示意波形。為了說明，用于垂直信號線121的電勢的波形的縱坐標與用于其它脈沖的縱坐標不同。參考圖3，當固定脈沖FIX處于“L”電平時，它處于激活狀態(tài)。當其它脈沖，即負載脈沖LOAD、選擇脈沖SEL、復位脈沖RST、和傳輸脈沖TRF處于“H”電平時，這些脈沖處于激活狀態(tài)。負載脈沖LOAD的“H”(高)電平是負載晶體管31用作恒流源的電壓(大約1V)。
在像素11A工作之前，固定脈沖FIX處于激活狀態(tài)。因此，固定晶體管32進入導通狀態(tài)，以將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121。因此，在像素11A工作之前，將垂直信號線121的電勢固定到電源電勢VDD和地電勢之間的中間電勢Vmid(在該情況下為1.5V)。即使固定脈沖FIX從固定狀態(tài)改變?yōu)榉羌せ顮顟B(tài)，垂直信號線121的電勢也很快被保持在中間電勢Vmid的附近。
之后，當負載脈沖LOAD和選擇脈沖SEL變?yōu)榧せ钋彝瑫r供給復位脈沖RST時，通過復位晶體管23使像素11A中的浮動擴散區(qū)FD復位。復位后，通過放大晶體管24將浮動擴散區(qū)FD的電勢作為復位電平輸出給垂直信號線121。
輸出復位電平之后，提供傳輸脈沖TRF，由此通過傳輸晶體管22將光電二極管21的信號電荷(光電子)傳輸?shù)礁訑U散區(qū)FD，并通過放大晶體管24將在傳輸光電二極管21的信號電荷之后獲得的浮動擴散區(qū)FD的電勢作為信號電平輸出給垂直信號線121。上述復位電平和信號電平通過垂直信號線121而順序地發(fā)送到列信號處理電路141。
例如，通過檢測復位電平和信號電平之間的差值，列信號處理電路141進行各種類型的信號處理，如用于消除只有像素11A才有的固定圖形雜波的CDS處理、CDS處理后的信號維持、和放大。
之后，當負載脈沖LOAD和選擇脈沖SEL變?yōu)榉羌せ畹那夜潭}沖FIX變?yōu)榧せ顣r，固定晶體管32進入導通狀態(tài)以將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121，從而將垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid。在該狀態(tài)之后的周期(有效周期)中，通過列信號處理電路141輸出信號。
在上述情況下，當信號從像素11A輸出到垂直信號線121且垂直信號線121的電勢改變時，電容耦合使像素陣列12的勢阱波動。如上所述，當像素陣列12的勢阱在從像素11A輸出復位電平和信號電平的周期中波動時，勢阱的波動影響了復位電平和信號電平，由此引起雜波和寄生信號。因此，在根據(jù)第一實施例的CMOS圖像傳感器中，正好在像素11A具有工作周期之前，固定晶體管32的操作將垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid，以便防止像素陣列12的勢阱波動。
此時最重要的一點是，在像素11開始工作之前的垂直信號線121的電勢的大小(以電壓計)。例如，當垂直信號線121的電勢為0伏或VDD電平且復位電平從這些電平快速改變時，垂直信號線121的電勢顯著改變，由此引起像素陣列12的勢阱波動。因此，勢阱的波動影響了復位電平和信號電平，由此產(chǎn)生了雜波和寄生信號。
在相關技術的CMOS圖像傳感器中，在像素11A開始工作之前獲得的垂直信號線121的電勢為0伏和電源電勢VDD中的一個或處于浮置狀態(tài)。該浮置狀態(tài)不是優(yōu)選的，因為由于從光電二極管21流入垂直信號線121的擴散層的光電子，所以當光的量大時，垂直信號線121的電勢降低到0伏附近。
因此，在根據(jù)第一實施例的CMOS圖像傳感器中，通過將在像素11A進入工作狀態(tài)之前獲得的垂直信號線121的電勢固定到電源電勢VDD和地電勢(0V)之間的中間電勢Vmid，具體地，當電源電勢VDD等于2.5伏時例如固定到1.5伏的電勢，使得當垂直信號線121改變?yōu)閺臀浑娖綍r出現(xiàn)的垂直信號線121的電勢的波動(變化)最小化。這能夠使得由于垂直信號線121的電勢波動引起的像素陣列12的勢阱波動對復位電平和信號電平的負面影響減到最小。因此，可以使由勢阱波動引起的雜波和寄生信號的產(chǎn)生減到最小。
為了使垂直信號線121的電勢波動減到最小，最好將中間電勢Vmid設置在復位電平的附近。例如，復位晶體管23和浮動擴散區(qū)FD之間的耦合使垂直信號線121的電勢改變了大約0.3伏。在圖3示出的情況下，由于復位脈沖RST處于激活狀態(tài)時獲得的垂直信號線121的電勢為1.6伏，且其后的復位電平為1.3伏，所以中間電勢Vmid被設置為1.6伏和1.3伏之間的中間值，即1.5伏。
如上所述，最好將中間電勢Vmid設置在1.6伏和1.3伏之間。然而，顯然，如果中間電勢Vmid不在它們之間而是在電源電勢VDD和地電勢(0V)之間的值，則獲得以下優(yōu)點，即在改變到復位電平的情況下，通過抑制像素陣列12的電勢波動來防止像素陣列12的勢阱波動。
第一實施例描述了這樣的情況，其中正好在像素11A的工作周期結(jié)束之后，垂直信號線121的電勢被固定到像素陣列12的勢阱波動。然而，沒有必要正好在像素11A的工作周期結(jié)束之后進行該固定。稍微在像素11A具有工作周期之前，尤其是大約直到像素陣列12的勢阱波動的時間常數(shù)，通過將垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid，就可以獲得所希望的功能。
第二實施例圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的CMOS圖像傳感器的基本部分的電路圖。換句話說，圖4示出了像素和列信號處理電路的一部分。具體地，圖4是僅示出了像素11B中之一和連接到像素11B所屬列中的一個垂直信號線121的一個列信號處理電路141的一部分的電路圖。
如圖4所示，像素11B包括光電變換元件，例如光電二極管41，和三個晶體管，即傳輸晶體管42、復位晶體管43、和放大晶體管44。圖4示出了其中使用N溝道MOS晶體管作為傳輸晶體管42、復位晶體管43、和放大晶體管44的情況。代替地，可使用P溝道MOS晶體管。
光電二極管41具有接地的陽極。光電二極管41將入射光轉(zhuǎn)換為具有與入射光量對應的電荷量的信號電荷(光電子)，并存儲該信號電荷。傳輸晶體管42具有連接至浮動擴散區(qū)FD的漏極、連接至光電二極管41的陰極的源極、和連接至傳輸線46的柵極。當將傳輸脈沖TRF通過傳輸線46提供給傳輸晶體管42的柵極時，傳輸晶體管42進入導通狀態(tài)，以將存儲在光電二極管41中的信號電荷傳輸?shù)礁訑U散區(qū)FD。
復位晶體管43具有連接到漏極驅(qū)動線47的漏極、連接到浮動擴散區(qū)FD的源極、和連接到復位線48的柵極。當為復位晶體管43的柵極提供復位脈沖RST時，復位晶體管43進入導通狀態(tài)并通過將浮動擴散區(qū)FD處的信號電荷移動到漏極驅(qū)動線47來復位該浮動擴散區(qū)FD。為漏極驅(qū)動線47提供漏極脈沖DRN。放大晶體管44具有連接到漏極驅(qū)動線47的漏極和連接到浮動擴散區(qū)FD的柵極。放大晶體管44將與浮動擴散區(qū)FD的電勢對應的信號輸出到垂直信號線121。
為同一行中的像素11B共同提供傳輸線46和復位線48。如上所述，如果必要，垂直驅(qū)動電路13分別將傳輸脈沖TRF和復位脈沖RST提供給傳輸線46和復位線48，由此進行從光電二極管41向浮動擴散區(qū)FD傳輸信號電荷的操作和復位浮動擴散區(qū)FD的操作。
第二實施例中具有三個晶體管的像素11B與第一實施例中具有四個晶體管的像素11A相比有兩個區(qū)別。根據(jù)以上描述可明顯看出，一個區(qū)別是像素11B不包括選擇晶體管25。另一個區(qū)別是像素11B使用漏極驅(qū)動線47，代替電源線27。為整個像素陣列12共同提供漏極驅(qū)動線47。
基于以上區(qū)別，第一實施例中的像素11A使用選擇晶體管25以進行像素選擇，而第二實施例中的像素11B通過控制浮動擴散區(qū)FD的電勢來進行像素選擇。具體地，通過一般將浮動擴散區(qū)FD的電勢設置為“L”電平，并且，當選擇像素11B時通過將被選擇的像素的電勢設置為“H”電平，放大晶體管44將被選擇像素的信號輸出到垂直信號線121。
在列信號處理電路141的輸入級，例如，提供N溝道MOS晶體管作為負載晶體管51。負載晶體管51具有連接至垂直信號線121的漏極和接地的源極。通過使用垂直信號線121，負載晶體管51與像素11B中的放大晶體管44合作以用作恒流源，從而形成源跟隨器。當為負載晶體管51的柵極提供負載脈沖LOAD時，負載晶體管51進入導通狀態(tài)，并允許放大晶體管44將像素11B的信號輸出到垂直信號線121。
例如，列信號處理電路141進一步包括P溝道MOS晶體管52(以下稱為“固定晶體管52”)，作為將像素11B具有工作周期之前獲得的垂直信號線121的電勢固定到電勢VDD和地電勢之間的預定中間電勢Vmid的器件。固定晶體管52具有連接至垂直信號線121的源極和連接具有預定中間電勢Vmid的漏極。當固定晶體管52的柵極提供有“L”電平的固定脈沖FIX時，固定晶體管52進入導通狀態(tài)。通過將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121，固定晶體管52將垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid。例如，當電源電勢VDD等于2.5伏時，將1.5伏的電壓設置為電源電勢VDD的中間電勢Vmid。
圖5是示出驅(qū)動根據(jù)第二實施例的CMOS圖像傳感器所用時序的時序圖。圖5不僅示出了負載脈沖LOAD、固定脈沖FIX、選擇脈沖SEL、復位脈沖RST、和傳輸脈沖TRF，而且示出了垂直信號線121的電勢的示意波形。為了說明，垂直信號線121的電勢波形的縱坐標不同于其它脈沖的縱坐標。參考圖5，當固定脈沖FIX處于“L”電平時，它處于激活狀態(tài)。當其它脈沖，即負載脈沖LOAD、漏極脈沖DRN、復位脈沖RST、和傳輸脈沖TRF處于“H”電平時，這些脈沖處于激活狀態(tài)。負載脈沖LOAD的“H”電平是負載晶體管31用作恒流源的電壓(大約1V)。
在像素11B具有工作周期之前，漏極脈沖DRN和固定脈沖FIX處于激活狀態(tài)。因此，固定晶體管52進入導通狀態(tài)，以將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121。因此，在像素11B具有工作周期之前，將垂直信號線121的電勢固定到電源電勢VDD和地電勢之間的中間電勢Vmid(在該情況下為1.5V)。即使固定脈沖FIX從固定狀態(tài)變化為非激活狀態(tài)，垂直信號線121的電勢也能很快被保持在中間電勢Vmid的附近。
之后，當負載脈沖LOAD變?yōu)榧せ顮顟B(tài)且同時提供復位脈沖RST時，復位晶體管43復位像素11B中的浮動擴散區(qū)FD。復位后，放大晶體管44將浮動擴散區(qū)FD的電勢作為復位電平而輸出到垂直信號線121。
在輸出復位電平并提供傳輸脈沖TRF后，由此通過傳輸晶體管42將光電二極管41的信號電荷(光電子)傳輸?shù)礁訑U散區(qū)FD，并且通過放大晶體管44將傳輸光電二極管41的信號電荷之后獲得的浮動擴散區(qū)FD的電勢作為信號電平輸出給垂直信號線121。以上復位電平和信號電平通過垂直信號線121被順序地發(fā)送到列信號處理電路141。列信號處理電路141對所發(fā)送的信號進行與第一實施例類似的信號處理。
之后，當負載脈沖LOAD和漏極脈沖DRN變?yōu)榉羌せ钋覐臀幻}沖RST同時變?yōu)榧せ顣r，復位晶體管43進入導通態(tài)，使得浮動擴散區(qū)FD的電勢具有“L”電平。之后，漏極脈沖DRN變?yōu)榧せ畹?。隨后，當固定脈沖FIX變?yōu)榧せ顣r，固定晶體管52進入導通態(tài)，以將中間電勢Vmid提供給垂直信號線121。因此，再次將垂直信號線的電勢固定到中間電勢Vmid。之后，在該狀態(tài)后的周期(有效周期)中，通過列信號處理電路141輸出該信號。
通過利用固定晶體管52以將正好在像素11B的工作周期之前獲得的垂直信號線121的電勢固定到中間電勢Vmid并在復位電平附近設置該中間電勢Vmid所獲得的操作和優(yōu)點與第一實施例中的類似，即，當從像素11B輸出信號到垂直信號線121時，防止像素陣列12的勢阱波動。
然而，如上所述，在具有三個晶體管的像素11B中，為整個像素陣列12共同提供的漏極驅(qū)動線47的電勢沒有固定不變，但為了控制浮動擴散區(qū)FD，將漏極脈沖DRN提供給漏極驅(qū)動線47。因此，漏極驅(qū)動線47的電勢改變。因此，同樣當漏極驅(qū)動線47的電勢改變時，通過耦合影響像素陣列12的勢阱波動。
因此，如果使漏極驅(qū)動線47的電勢從非激活電平(“L”電平)返回到激活電平(“H”電平)所用的定時處于像素11B具有工作周期之前，則漏極驅(qū)動線47的電勢變化一直保持到像素11B的工作周期，由此導致由于像素陣列12的勢阱波動而產(chǎn)生的雜波和寄生信號。當考慮到這一點時，在根據(jù)第二實施例的CMOS圖像傳感器中，在像素11B的工作周期結(jié)束之后，尤其在讀取復位電平和信號電平之后完成復位操作后，進行將漏極脈沖DRN從非激活電平返回到激活電平的操作。在該情況下，術語“之后”意味著避免像素工作周期“之前”的時間，并表示如下時間，即在某行中的像素操作完成之后，沒有轉(zhuǎn)到正好在下一行的像素操作之前的時間。優(yōu)選地，術語“之后”表示有效周期開始之前的時間。
如上所述，在根據(jù)第二實施例的CMOS圖像傳感器中，通過將像素11B具有工作周期之前獲得的垂直信號線121的電勢固定到電源電勢VDD和地電勢(0V)之間的中間電勢Vmid，并采用用于在像素11B的工作周期結(jié)束后進行將漏極驅(qū)動線47的電勢從非激活電平返回到激活電平的操作的結(jié)構(gòu)，能夠盡可能地防止像素陣列12的勢阱波動影響復位電平和信號電平。因此，能夠盡可能地防止由于勢阱波動而產(chǎn)生的雜波和寄生信號。
在復位晶體管43中，當它被復位時，為了使設置的浮動擴散區(qū)FD的電勢最大，一般設置低閾值Vth。因此，如果在讀取來自像素11B的信號之后，執(zhí)行將漏極驅(qū)動線47的電勢設置為“H”電平，那么之后，在其中設置了低閾值Vth的復位晶體管43中生成了泄漏電流，且泄漏電流使浮動擴散區(qū)FD的電勢增加了例如200毫伏。在該情況下，上述增加起到阻礙電源電勢VDD減小的作用。
因此，當復位脈沖RST為非激活時供給復位晶體管43的柵極的復位脈沖RST的電平(“L”電平)最好被設置為負電壓。這確保了復位晶體管43被設置為斷開狀態(tài)，由此防止復位晶體管43的電流泄漏，從而能夠執(zhí)行電源電勢VDD的減小。顯然，當光電二極管為空穴存儲類型且為P溝道MOS晶體管時，當它處于非激活時的復位脈沖RST的電平(“H”電平)必須被設置為等于或大于電源電勢VDD。
另外，優(yōu)選的是，為了確保工作范圍，通過將復位晶體管43的閾值Vth設置為其中可以忽略泄漏的值，具體為，比像素陣列12的外圍電路(如垂直驅(qū)動電路13和列處理器14)中使用的晶體管的值低的值，復位脈沖RST的“H”電平被設置為等于或大于電源電勢VDD。當使用多個電源時，最好將復位脈沖RST的“H”電平設置為等于或大于用作漏極驅(qū)動線47的“H”電平的電源電壓。
變型上述第一和第二實施例描述了這樣的情況，其中在像素11A或11B具有工作周期之前，將提供給垂直信號線121的中間電勢Vmid預先設置為固定值(優(yōu)選地，在復位電平附近)。然而，可以采用其中無論像素11A或11B何時工作，最佳值都被設置為中間電勢Vmid的結(jié)構(gòu)。
具體地，如圖6所示，取樣與保持電路61連接至一個垂直信號線121，最好是，在最外端處的垂直信號線121e。在取樣與保持電路61中，取樣并保持通過垂直信號線121e從像素11A或11B提供的復位電平，并通過緩沖器62將保持值(復位電平)作為中間電勢Vmid而提供給固定晶體管32或52。例如，如果取樣和保持的值接近于復位電平，則該值可以是在復位脈沖RST為激活的同時所獲得的垂直信號線121e的電壓值。
通過采用該結(jié)構(gòu)，無論像素11A或11B何時工作，都可以設置中間電勢Vmid的最佳值，即，復位電平。因此，可以使在改變?yōu)閺臀浑娖降那闆r下出現(xiàn)的垂直信號線121的電勢波動減到最小。因此，確保了防止由于垂直信號線121的電勢波動而引起像素陣列12的勢阱波動和防止由于勢阱的波動而引起雜波和寄生信號的產(chǎn)生。在以上變型中，為在最外端的垂直信號線121e提供了取樣與保持電路61。然而，在一種結(jié)構(gòu)中，可以為每一條垂直信號線121中提供該取樣與保持電路61。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，對于每一條垂直信號線121，可以將最佳值設置為中間電勢Vmid。
除了圖1中示出的結(jié)構(gòu)外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的CMOS圖像傳感器還可具有其它結(jié)構(gòu)。圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的模塊類型的成像器件的方框圖，其包括用于處理來自像素的信號的信號處理單元71和光學系統(tǒng)72。
本領域技術人員應當理解，在所附權(quán)利要求或其等價物的范圍內(nèi)，可根據(jù)設計要求和其它因素，而發(fā)生各種變型、組合、子組合和替換。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列，其包括二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件；以及固定單元，將在像素具有工作周期之前獲得的信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中該中間電勢是通過像素的復位操作從像素輸出的復位電平附近的電勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的固態(tài)成像器件，其中該固定單元取樣并保持從像素輸出的復位電平的值或與所輸出的復位電平的值接近的電壓值，并使用所保持的值作為中間電勢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)成像器件，其中該像素包括傳輸晶體管，將通過光電變換元件中的光電變換獲得的電荷傳輸給浮動擴散區(qū)；復位晶體管，連接在浮動擴散區(qū)和為該像素提供的漏極驅(qū)動線之間，該復位晶體管控制浮動擴散區(qū)的電勢；以及放大晶體管，輸出與浮動擴散區(qū)的電勢對應的信號，以及其中在該像素的工作周期結(jié)束之后，該漏極驅(qū)動線的電勢從非激活電平返回到激活電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中如果復位晶體管為N溝道晶體管，則將提供給復位晶體管柵極的復位脈沖的非激活電平設置為負電壓，以及如果復位晶體管是P溝道晶體管，則將提供給復位晶體管柵極的復位脈沖的非激活電平設置為等于或大于電源電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的固態(tài)成像器件，其中該復位晶體管的閾值電壓被設置為低于像素陣列的外圍電路中使用的晶體管的閾值電壓。
7.一種用于固態(tài)成像器件的驅(qū)動方法，該固態(tài)成像器件包括以矩陣形式二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件，其中，在像素具有工作周期之前，將信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動方法，其中該中間電勢是通過像素的復位操作從像素輸出的復位電平附近的電勢。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的驅(qū)動方法，其中取樣并保持從像素輸出的復位電平的值或與所輸出的復位電平的值接近的電壓值，并使用所保持的值作為中間電勢。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動方法，其中該像素包括傳輸晶體管，將通過光電變換元件中的光電變換獲得的電荷傳輸給浮動擴散區(qū)；復位晶體管，連接在浮動擴散區(qū)和為像素提供的漏極驅(qū)動線之間，該復位晶體管控制浮動擴散區(qū)的電勢；以及放大晶體管，輸出與浮動擴散區(qū)的電勢對應的信號，以及其中在像素的工作周期結(jié)束之后，將漏極驅(qū)動線的電勢從非激活電平返回到激活電平。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的驅(qū)動方法，其中如果復位晶體管為N溝道晶體管，則將提供給復位晶體管柵極的復位脈沖的非激活電平設置為負電壓，以及如果復位晶體管是P溝道晶體管，則將提供給復位晶體管柵極的復位脈沖的非激活電平設置為等于或大于電源電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的驅(qū)動方法，其中將復位晶體管的閾值電壓設置為低于像素陣列的外圍電路中使用的晶體管的閾值電壓。
13.一種模塊類型的固態(tài)成像器件，包括像素陣列，其包括二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件；以及固定單元，將在像素具有工作周期之前獲得的信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢；以及信號處理單元，處理來自在與形成所述像素陣列的基板不同的基板上形成的像素陣列的信號。
全文摘要
一種固態(tài)成像器件，包括像素陣列，其包括以矩陣形式二維排列的像素，在排列的每列像素中提供有信號線，每個像素都包括光電變換元件；以及固定單元，將在像素具有工作周期之前獲得的信號線的電勢固定到第一電源電勢和第二電源電勢之間的中間電勢。
文檔編號H04N5/369GK1691347SQ20051007921
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者馬渕圭司, 若野壽史, 小關賢 申請人:索尼株式會社