專(zhuān)利名稱(chēng)：固態(tài)圖像攝取裝置的驅(qū)動(dòng)方法以及固態(tài)圖像攝取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法，還涉及固態(tài)成像裝置。尤其是，本發(fā)明涉及一種抑制尺寸減小和像素密度增加的MOS (金屬氧化物半 導(dǎo)體)固態(tài)成像裝置的動(dòng)態(tài)范圍的減小的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，CCD和MOS是已經(jīng)日益發(fā)展的兩類(lèi)固態(tài)成像裝置。尤其是， MOS固態(tài)成像裝置由于具有高靈敏度和低能耗的大量?jī)?yōu)點(diǎn)看來(lái)更有前途。以下是MOS固態(tài)成像裝置的簡(jiǎn)要說(shuō)明(例如，參照專(zhuān)利文件l)。圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平的MOS固態(tài)成像裝置的主要結(jié)構(gòu)的電路 圖。如圖1所示，固態(tài)成像裝置1包括成像單元、負(fù)載電路、行掃描電路、信 號(hào)處理單元、和列掃描電路。成像單元包括多個(gè)像素單元10并且各像素單元 依次包括光電轉(zhuǎn)換器101、讀晶體管102、復(fù)位晶體管103、和放大晶體管104、 充電保持單元105、和輸出單元106。讀晶體管102、復(fù)位晶體管103、和放大晶體管104組成MOS-FET (MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。充電保持單元105作為電路圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單示出。然而， 在集成電路中，電荷保持單元105是PN結(jié)并且能夠保持一定量的電荷。通過(guò)從行掃描電路被施加讀脈沖和復(fù)位脈沖，在逐行的基礎(chǔ)上選擇像素單 元。作為響應(yīng)，選擇的各像素單元經(jīng)由輸出信號(hào)線(xiàn)向信號(hào)處理單元輸出像素信 號(hào)。信號(hào)處理單元響應(yīng)從列掃描電路施加給信號(hào)的掃描脈沖，在逐列的基礎(chǔ)上 處理并且輸出像素信號(hào)。下面，說(shuō)明固態(tài)成像裝置1的操作。圖2示出了固態(tài)成像裝置1的工作的 時(shí)序圖。如圖2所示，最初選擇在第n行中的像素單元10。這樣，首先，復(fù) 位脈沖n被轉(zhuǎn)換到高電勢(shì)電平Hi，這樣復(fù)位晶體管103導(dǎo)通。因此，電荷保 持單元105的電勢(shì)等于VDDCELL的Hi并且這樣放大晶體管104從輸出單元 106輸出電勢(shì)的響應(yīng)電平。這樣，輸出信號(hào)線(xiàn)的電勢(shì)升高(圖2，點(diǎn)a)。
下面，復(fù)位脈沖n轉(zhuǎn)換到低電勢(shì)電平Lo并且這樣復(fù)位晶體管103截止。 然而，電荷保持單元105的電勢(shì)暫時(shí)保持Hi (圖2，點(diǎn)b)。下面，施加給在第n行中的各像素單元10的讀脈沖n轉(zhuǎn)換到Hi，并且這 樣讀晶體管102導(dǎo)通。因此，使得已經(jīng)積聚在對(duì)光信息響應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器IOI 中的電荷被讀入電荷保持單元105。這樣，電荷保持單元105的電勢(shì)下降。響 應(yīng)電勢(shì)下降，放大晶體管104的電勢(shì)在輸出單元106和輸出信號(hào)線(xiàn)的電勢(shì)一起 下降(圖2，點(diǎn)c)。下面，讀脈沖n被轉(zhuǎn)換到Lo并且這樣讀晶體管102截止(圖2，點(diǎn)d)。 信號(hào)處理單元檢查輸出信號(hào)線(xiàn)在時(shí)間點(diǎn)b和d的電勢(shì)來(lái)測(cè)量電勢(shì)差作為像素信 號(hào)。然后，VDDCELL的電勢(shì)轉(zhuǎn)換到Lo (圖2，點(diǎn)d')。下面，復(fù)位脈沖n再次轉(zhuǎn)換到Hi并且這樣復(fù)位晶體管103導(dǎo)通。因此， 電荷保持單元105的電勢(shì)等于VDDCELL的Lo并且放大晶體管104截止。通 過(guò)以上操作步驟，選擇的行中的各像素單元10完成像素信號(hào)的輸出(圖2， 點(diǎn)e)。然后，不再選擇第n行中的像素單元并且重新選擇第(n+l)行中的 像素單元(圖2，點(diǎn)f)。如上所述，固態(tài)成像裝置1只在圖2所示的時(shí)間點(diǎn)向選擇的行中的像素單 元10施加復(fù)位脈沖。因此，在各選擇的像素單元中的電荷保持單元105的電 勢(shì)升高到Hi并且這樣放大晶體管104導(dǎo)通。因此，輸出像素信號(hào)。另一方面， 在沒(méi)有選擇的行中各像素單元10的電荷保持單元105的電勢(shì)保持在Lo電平 并且這樣放大晶體管104保持關(guān)閉。因此，沒(méi)有輸出像素信號(hào)。專(zhuān)利文件1公開(kāi)號(hào)為No.2003—046864的日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)。發(fā)明內(nèi)容試圖解決的技術(shù)問(wèn)題強(qiáng)烈的需要固態(tài)成像裝置具有增加數(shù)目的像素單元并且需要更低的能耗。 這樣，必須減小固態(tài)成像裝置的大小。此外，具有更大量像素單元的固態(tài)成像 裝置需要在更高驅(qū)動(dòng)頻率下操作以保持相同的幀速率。例如，為了實(shí)現(xiàn)5幀/ 秒的幀速率，具有1.3M像素單元的固態(tài)成像裝置需要在18MHz的頻率操作 而具有3M像素單元的固態(tài)成像裝置需要在25MHz的頻率操作。 然而，遺憾的是，根據(jù)上述的技術(shù)水平悉固態(tài)成像裝置出現(xiàn)以下問(wèn)題，為 了增加像素單元的數(shù)目，需要減小像素尺寸或增加驅(qū)動(dòng)頻率。通過(guò)這樣的固態(tài) 成像裝置，動(dòng)態(tài)范圍的增加必然引起增加輸出信號(hào)線(xiàn)的噪音。因此，然抑制像 素信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)并且從而減小了動(dòng)態(tài)范圍。考慮到以上提出的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種即使固態(tài)成像裝置具 有大量的像素單元并且在高頻率驅(qū)動(dòng)能夠保證寬動(dòng)態(tài)范圍的用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成 像裝置的方法以及固態(tài)成像裝置。 技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于MOS固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法。該裝置的多個(gè)像素單元的每個(gè)包括光電轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)接收的光的量而產(chǎn) 生信號(hào)電荷；電荷保持單元，用于保持由所述光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)電荷；讀 晶體管，連接在所述光電轉(zhuǎn)換器和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi)和關(guān) 閉；參考電壓源，用于提供參考電壓和地電壓；復(fù)位晶體管，連接在所述參考 電壓源和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi)和關(guān)閉；以及放大晶體管，連接 到所述參考電壓源并且用于響應(yīng)所述電荷保持單元的電勢(shì)輸出電壓。所述驅(qū)動(dòng) 方法包括以下按照規(guī)定的順序執(zhí)行的步驟第一步，關(guān)閉復(fù)位晶體管，以使得 向電荷保持單元提供參考電壓；第二步，打開(kāi)復(fù)位晶體管，以測(cè)量放大晶體管 的輸出電壓；第三步，關(guān)閉讀晶體管，以使得電荷保持單元保持信號(hào)電荷，然 后測(cè)量放大晶體管的輸出電壓；第四步，關(guān)閉復(fù)位晶體管，以使得向電荷保持 單元提供參考電壓；以及第五步，打開(kāi)復(fù)位晶體管同時(shí)參考電壓源向電荷保持 單元提供地電壓。在第五步中，在復(fù)位晶體管經(jīng)歷從關(guān)閉狀態(tài)臨時(shí)向打開(kāi)狀態(tài) 轉(zhuǎn)變并且回到關(guān)閉狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變之后，打開(kāi)復(fù)位晶體管，狀態(tài)轉(zhuǎn)變是響應(yīng)從 參考電壓源向電荷保持單元提供地電壓而產(chǎn)生。本發(fā)明的效果通過(guò)上述配置，保證電荷保持單元的電勢(shì)可靠地下降到Lo。這樣，即使 參考電壓源轉(zhuǎn)換回參考電壓之后，輸出信號(hào)線(xiàn)仍舊保持在參考電壓。這有助于 防止由隨著像素單元的數(shù)目而增加的耦合電容可能引起的動(dòng)態(tài)范圍的減小。在第五步中，優(yōu)選的，在由參考電壓源提供的電壓從參考電壓轉(zhuǎn)換到地電 壓之后，復(fù)位晶體管打開(kāi)預(yù)定的時(shí)間周期。預(yù)定時(shí)間周期的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)耦合電容
和復(fù)位晶體管的柵輸入阻抗的乘積。耦合電容在(i)連接復(fù)位和放大晶體管 到參考電壓源的信號(hào)線(xiàn)和(ii)復(fù)位晶體管的柵輸入線(xiàn)之間產(chǎn)生。在另一方面，本發(fā)明提供一種具有以矩陣排列的多個(gè)像素單元的MOS固 態(tài)成像裝置。該成像裝置各像素單元包括光電轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)接收的光的 量而產(chǎn)生信號(hào)電荷；電荷保持單元，用于保持由所述光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)電
荷；讀晶體管，連接在所述光電轉(zhuǎn)換器和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi) 和關(guān)閉；參考電壓源，用于提供參考電壓和地電壓；復(fù)位晶體管，連接在所述 參考電壓源和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi)和關(guān)閉；以及放大晶體管， 連接到所述參考電壓源并且用于響應(yīng)所述電荷保持單元的電勢(shì)輸出電壓。關(guān)閉 復(fù)位晶體管，以使得向電荷保持單元提供參考電壓。接著，復(fù)位晶體管打開(kāi)并 且測(cè)量放大晶體管的輸出電壓。接著，讀晶體管關(guān)閉，以使得電荷保持單元保 持信號(hào)電荷并且測(cè)量放大晶體管的輸出電壓。接著，復(fù)位晶體管關(guān)閉，以使得 向電荷保持單元提供參考電壓。接著，在復(fù)位晶體管經(jīng)歷從關(guān)閉狀態(tài)臨時(shí)向打 開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)變并且回到關(guān)閉狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變之后，復(fù)位晶體管打開(kāi)。狀態(tài)轉(zhuǎn)變是 在參考電壓源開(kāi)始向電荷保持單元提供地電壓之后產(chǎn)生。
上述結(jié)構(gòu)提供一種尺寸小而像素單元數(shù)目大的固態(tài)成像裝置，并且仍然具 有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。該固態(tài)成像裝置還包括行掃描電路，用于產(chǎn)生提供給所述讀晶體管的讀脈 沖信號(hào)和提供給所述復(fù)位晶體管的復(fù)位脈沖信號(hào)。行掃描電路包括脈沖產(chǎn)生 單元，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、和讀信號(hào)，其中各個(gè)信號(hào)都是脈沖信號(hào); 移位寄存器，用于在像素單元逐行的基礎(chǔ)上順序輸出時(shí)鐘信號(hào)的脈沖；以及與 電路，用于向復(fù)位晶體管的柵極提供移位寄存器的輸出信號(hào)和復(fù)位信號(hào)之間的 邏輯與操作的結(jié)果，以及向讀晶體管的柵極提供移位寄存器的輸出信號(hào)和讀信 號(hào)之間的邏輯與操作的結(jié)果。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的MOS固態(tài)成像裝置的主要結(jié)構(gòu)的電路圖； 圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MOS固態(tài)成像裝置的操作的時(shí)序圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的固態(tài)成像裝置的主要結(jié)構(gòu)的電路圖； 圖4示出了根據(jù)實(shí)施方式的行掃描電路的結(jié)構(gòu)的方框圖5是根據(jù)實(shí)施方式的行掃描電路的操作的時(shí)序圖；圖6是根據(jù)實(shí)施方式的固態(tài)成像裝置的操作的流程圖；圖7是在復(fù)位脈沖n沒(méi)有在Hi保持足夠時(shí)間周期的情況下，固態(tài)成像裝 置的操作的流程圖；圖8A示出了 VDDCELL和復(fù)位脈沖n的時(shí)序圖，而圖8B示出了保持時(shí) 間t (即，當(dāng)VDDCELL的電勢(shì)在Lo ，復(fù)位脈沖n保持在Hi的時(shí)間周期)和 像素單元的飽和輸出之間的關(guān)系圖。 附圖標(biāo)記1， 3固態(tài)成像裝置10， 30像素單元101， 301光電轉(zhuǎn)換器102， 302讀晶體管103， 303復(fù)位晶體管104， 304放大晶體管105， 305電荷保持單元106， 306輸出單元111， 311晶體管具體實(shí)施方式
下面將參照

根據(jù)本發(fā)明用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像裝置的方法的實(shí)施方式。[l]固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)首先，以下根據(jù)該實(shí)施方式說(shuō)明MOS固態(tài)程序裝置的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該實(shí)施 方式的固態(tài)成像裝置在結(jié)構(gòu)上與以上說(shuō)明的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)成像裝置基 本上相同。圖3是根據(jù)實(shí)施方式的固態(tài)成像裝置的主要結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖3所示， 固態(tài)成像裝置3由行掃描電路、負(fù)載電路、成像單元、信號(hào)處理單元、和列掃 描電路構(gòu)成。
位脈沖以使得像素信號(hào)在逐行基礎(chǔ)上輸出。在該實(shí)施方式中，像素信號(hào)指代表示參考電勢(shì)和信號(hào)電勢(shì)之間的電勢(shì)差的信號(hào)。參考電勢(shì)指代響應(yīng)從電源單元(VDDCELL)提供的Hi電勢(shì)，從各 像素單元30的電荷保持單元305經(jīng)由放大晶體管304向輸出單元306輸出的 電勢(shì)。此外，信號(hào)電勢(shì)指代響應(yīng)從光電轉(zhuǎn)換器301發(fā)射的電子，從電荷保持單 元305經(jīng)由放大晶體管304向輸出單元306輸出的電勢(shì)。發(fā)射的電子的量對(duì)應(yīng) 接收的光的量。注意到行掃描電路向讀晶體管302輸入讀脈沖以使得輸出參考電勢(shì)。此 外，行掃描電路向復(fù)位晶體管303輸入復(fù)位脈沖以使得輸出信號(hào)電勢(shì)。信號(hào)處理單元在不同的時(shí)間點(diǎn)讀取參考電勢(shì)和信號(hào)電勢(shì)并且得到表示 輸出信號(hào)線(xiàn)在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出信號(hào)電勢(shì)差的像素信號(hào)。信號(hào)處理單元在逐行 的基礎(chǔ)上接收像素信號(hào)并且處理接收到的信號(hào)并且輸出最終的信號(hào)。列掃描電 路向信號(hào)處理單元輸入運(yùn)行脈沖并且使得處理的像素信號(hào)在逐列的基礎(chǔ)上輸 出。圖4示出了根據(jù)實(shí)施方式的行掃描電路的結(jié)構(gòu)的方框圖。如圖4所示， 行掃描電路4由脈沖產(chǎn)生器、移位寄存器、和與電路構(gòu)成，并且向成像單元提 供驅(qū)動(dòng)脈沖。脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生并且向移位寄存器提供循環(huán)脈沖信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)Clk。脈 沖產(chǎn)生器產(chǎn)生并且向與電路提供讀信號(hào)Read和復(fù)位信號(hào)Reset。根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)Clk，移位寄存器為各自單元順序產(chǎn)生輸出信號(hào)Outl、 Out2、...并且向與電路的相應(yīng)單元提供最終輸出信號(hào)。與電路為各自的單元對(duì)輸出信號(hào)Outl、 Out2、...和讀信號(hào)Read順序執(zhí)行 邏輯與操作。類(lèi)似的，與電路為各自的單元對(duì)輸出信號(hào)Outl、 Out2、...和復(fù) 位信號(hào)Reset順序執(zhí)行邏輯與操作。然后與電路向成像單元的各自行上的讀信 號(hào)線(xiàn)輸出讀脈沖Readl、 Read2、...，并且向向成像單元的各自行上的復(fù)位信 號(hào)線(xiàn)輸出復(fù)位脈沖Reset 1、 Reset2、…。由行掃描電路通過(guò)應(yīng)用讀脈沖Readl、 Read2、...和復(fù)位脈沖Resetl、 Reset2、...順序選擇成像單元的像素單元30。當(dāng)選中時(shí)，各像素單元30向信 號(hào)處理單元輸出像素信號(hào)。圖5是行掃描電路的操作的時(shí)序圖。如圖5所示，脈沖產(chǎn)生電路在時(shí)鐘
信號(hào)Clk的每個(gè)周期輸出讀信號(hào)Read的一個(gè)脈沖和復(fù)位信號(hào)Reset的三個(gè)脈 沖。作為響應(yīng)，移位寄存器為各單元順序輸出輸出信號(hào)Outl、 Out2、...。與 電路對(duì)輸出信號(hào)Outl、 Out2、...和讀信號(hào)Read順序執(zhí)行邏輯與操作來(lái)產(chǎn)生讀 脈沖Readl、 Read2、...。類(lèi)似的，與電路對(duì)輸出信號(hào)Outl、 Out2、...和復(fù)位 信號(hào)Reset順序執(zhí)行邏輯與操作來(lái)產(chǎn)生復(fù)位脈沖Resetl、 Reset2、...。也就是說(shuō)，通過(guò)控制由脈沖產(chǎn)生電路向與電路提供的復(fù)位信號(hào)Reset的脈 沖寬度允許行掃描脈沖電路控制復(fù)位脈沖Resetl、 Reset2、…的寬度。 [2]固態(tài)成像裝置的操作接著，以下說(shuō)明固態(tài)圖像裝置3的操作。圖6是固態(tài)圖像裝置3的操作 的流程圖。注意力集中在第n和n+l行的單元。在說(shuō)明書(shū)中，假設(shè)VDDCELL在高電勢(shì)電平Hi，然而，LOADCELL、復(fù) 位脈沖n、讀脈沖n、復(fù)位脈沖n+l和讀脈沖n+l都在低電勢(shì)電平Lo。此夕卜， 電荷保持單元n和n+l在電勢(shì)電平GND，而輸出信號(hào)線(xiàn)在電勢(shì)電平VDD。 首先在第n行選擇像素單元30來(lái)執(zhí)行以下操作步驟。如圖6所示，首先，復(fù)位脈沖n被轉(zhuǎn)換到Hi并且從而復(fù)位晶體管303導(dǎo) 通。因此，電荷保持單元n的電勢(shì)等于VDDCELL的Hi并且這樣放大晶體管 304輸出輸出單元306的電勢(shì)的響應(yīng)電平(圖6，點(diǎn)a)。在這期間，輸出信號(hào)線(xiàn)保持在當(dāng)電荷保持單元在Hi時(shí)的電勢(shì)輸出VDD， 沒(méi)有變化。下面，復(fù)位脈沖n轉(zhuǎn)換到Lo并且這樣復(fù)位晶體管303截止。然而，電荷 保持單元n仍然保持在Hi，并且這樣給定的電荷量積聚在那里(圖6，點(diǎn)b)。下面，讀脈沖n轉(zhuǎn)換到Hi，并且這樣讀晶體管302導(dǎo)通。因此，使得對(duì) 由光電轉(zhuǎn)換器301接收的光的量響應(yīng)而積聚的電荷被讀入電荷保持單元n。因 此，電荷保持單元n的電勢(shì)下降。然后，輸出單元306的電勢(shì)和輸出信號(hào)線(xiàn)的 電勢(shì)一起下降(圖6，點(diǎn)c)。下面，讀脈沖n被轉(zhuǎn)換到Lo并且這樣讀晶體管302截止(圖6，點(diǎn)d)。 信號(hào)處理單元檢查輸出信號(hào)線(xiàn)在時(shí)間點(diǎn)b和d的電勢(shì)來(lái)測(cè)量電勢(shì)差作為像素信 號(hào)。下面，復(fù)位脈沖n轉(zhuǎn)換到Hi并且這樣復(fù)位晶體管303導(dǎo)通。因此，電荷
保持單元n的電勢(shì)等于VDDCELL的Hi并且放大晶體管304從輸出單元306 輸出電勢(shì)的響應(yīng)電平。因此，輸出信號(hào)線(xiàn)的電勢(shì)升高(圖6，點(diǎn)j)。之后， VDDCELL的電勢(shì)從Hi降到Lo。如圖3所示，在VDDCELL和復(fù)位信號(hào)線(xiàn)之間產(chǎn)生耦合電容308。這樣， 當(dāng)VDDCELL下降到Lo，復(fù)位脈沖n暫時(shí)從Hi下降(圖6，點(diǎn)k)。然而，積 聚了達(dá)到對(duì)應(yīng)耦合電容308的量的電荷之后，復(fù)位脈沖n回升到Hi。在復(fù)位脈沖n在Hi期間，復(fù)位晶體管保持導(dǎo)通。這樣，電荷保持單元n 的電勢(shì)等于VDDCELL的Lo。復(fù)位脈沖n在Hi保持足夠電荷保持單元n完全 下降到Lo的時(shí)間周期。該時(shí)間周期期滿(mǎn)之后，復(fù)位脈沖n轉(zhuǎn)換到Lo (圖6， 點(diǎn)m)。通過(guò)上述配置，確保電荷保持單元的電勢(shì)可靠地下降到與VDDCELL相 同的電勢(shì)Lo (圖6，點(diǎn)n)。注意，只要復(fù)位脈沖n保持在Hi，連接到負(fù)載電 路的信號(hào)線(xiàn)LG的電勢(shì)LOADCELL保持在Lo。因此，晶體管311保持截止并 且輸出信號(hào)線(xiàn)保持在VDD。通過(guò)上述操作步驟，第n行中的各像素單元30完成像素信號(hào)的輸出(圖 6，點(diǎn)n)。下面，選擇第(n+l)行中的像素單元(圖6，點(diǎn)l)。這樣，第n行被取 消選擇，因此復(fù)位脈沖n和電荷保持單元n都保持在Lo。 特征由于上述結(jié)構(gòu)，固態(tài)成像裝置3包含以下特征。 (1)根據(jù)該實(shí)施方式，為了使電荷保持單元n的電勢(shì)完全下降到 VDDCELL的Lo (GND),輸入復(fù)位脈沖n到復(fù)位晶體管303。復(fù)位脈沖n具 有延長(zhǎng)到超過(guò)VDDCELL的電勢(shì)從Hi轉(zhuǎn)換到Lo的點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間。如果在VDDCELL和復(fù)位信號(hào)線(xiàn)之間產(chǎn)生耦合電容并且復(fù)位晶體管103 的柵阻抗可以忽略，復(fù)位脈沖n—旦轉(zhuǎn)換到Hi，電荷保持單元n的電勢(shì)立即 下降到VDDCELL的Lo。然而， 一般來(lái)說(shuō)，固態(tài)成像裝置具有大量的像素單元，并且這樣各像素單 元尺寸就很小，上面提到的耦合電容和柵阻抗超過(guò)可以忽略的水平。在這種情 況下，當(dāng)VDDCELL下降到Lo電勢(shì)，復(fù)位脈沖n不能保持在Hi。同時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)頻率由于像素?cái)?shù)目的增加而增加，復(fù)位脈沖n的脈寬變窄。 因此，在電荷保持單元n的電勢(shì)下降到VDDCELL的Lo之前，復(fù)位脈沖n下 降到Lo電勢(shì)。因此，在電荷保持單元n的電勢(shì)下降到VDDCELL的Lo之前，復(fù)位晶體 管303截止，并且從而沒(méi)有復(fù)位電荷保持單元n的電勢(shì)。為此，通過(guò)固態(tài)成像 裝置3的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方法，像素?cái)?shù)目的增加不可避免地使動(dòng)態(tài)范圍變窄。圖7是在復(fù)位脈沖n在Hi沒(méi)有保持足夠的時(shí)間周期的情況下，固態(tài)成像 裝置的操作的流程圖。如圖7所示，在復(fù)位脈沖n在Hi保持的時(shí)間周期不足 夠長(zhǎng)的情況下，在電荷保持單元n的電勢(shì)完全下降到VDDCELL的Lo之前， VDDCELL轉(zhuǎn)換到Hi。響應(yīng)電荷保持單元n的電勢(shì)，輸出信號(hào)線(xiàn)的電勢(shì)下降。 在這種情況下，不能準(zhǔn)確地檢測(cè)第n+l行中的各像素單元的信號(hào)電荷。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施方式應(yīng)用具有更寬脈寬的復(fù)位脈沖。 由于這樣的脈寬，復(fù)位晶體管303保持在導(dǎo)通，直到復(fù)位脈沖n響應(yīng)VDCELL 的下降而下降到Lo并且返回到Hi。也就是說(shuō)，復(fù)位晶體管303保持在導(dǎo)通， 直到電荷保持單元n的電勢(shì)完全下降到VDDCELL的Lo。圖8示出了 VDDCELL的電勢(shì)和復(fù)位脈沖n的時(shí)序之間的關(guān)系以及各像 素單元30的飽和輸出。具體的，圖8A示出了 VDDCELL和復(fù)位脈沖n的時(shí) 序圖，而圖8B示出了保持時(shí)間t和像素單元的飽和輸出之間的關(guān)系圖。保持 時(shí)間t是當(dāng)VDDCELL的電勢(shì)在Lo，復(fù)位脈沖n保持在Hi的時(shí)間周期。如圖8A所示，VDDCELL從Hi到Lo轉(zhuǎn)變之前和之后，復(fù)位脈沖n都保 持在Hi。然后在VDDCELL轉(zhuǎn)換回Hi之前復(fù)位脈沖n下降到Lo。這是為了 避免當(dāng)復(fù)位晶體管保持導(dǎo)通時(shí)，VDDCELL轉(zhuǎn)換到Hi。這樣，電荷保持單元n 的電勢(shì)必然升高到Hi。如上所述，如果保持時(shí)間t為短，電荷保持單元n的電勢(shì)下降到VDDCELL 的Lo之前，復(fù)位晶體管303截止。因此，像素單元輸出在低電平飽和并且從 而減少動(dòng)態(tài)范圍。另一方面，如果保持時(shí)間t足夠長(zhǎng)，電荷保持單元n的電勢(shì) 下降到VDDCELL的Lo之后，復(fù)位晶體管303截止。這確保像素單元輸出在 高電平飽和。如圖8B所示，輸出值成為飽和并且當(dāng)保持時(shí)間t超過(guò)時(shí)間tl該輸出值一 般恒定。根據(jù)該實(shí)施方式，行掃描電路輸出其保持時(shí)間t近似等于時(shí)間tl的復(fù) 位脈沖n。時(shí)間tl是復(fù)位脈沖n響應(yīng)VDDCELL轉(zhuǎn)換到Lo下降之后回升到 Hi采取的時(shí)間。時(shí)間tl根據(jù)像素單元的數(shù)目和尺寸以及晶體管的大小而不同。用"R"表示復(fù)位晶體管303的柵輸入阻抗而"C"表示耦合電容308的靜電電容，則tl表示如下tl = R X C因此，例如，如果復(fù)位晶體管303的柵輸入阻抗R是1000kQ并且耦合電 容308的靜電電容C是0.2pF，則計(jì)算時(shí)間tl為0.2psec。為了穩(wěn)定固態(tài)成像裝置的操作，優(yōu)選的，保持時(shí)間t比時(shí)間tl長(zhǎng)，從而保 證復(fù)位脈沖n的電勢(shì)穩(wěn)定在Hi。(2)根據(jù)該實(shí)施方式，即使電荷保持單元n的電勢(shì)下降到VDDCELL的 Lo之后，輸出信號(hào)線(xiàn)保持在VDD。這樣，即使如果在時(shí)間點(diǎn)a提供復(fù)位脈沖 n，輸出信號(hào)線(xiàn)的電勢(shì)保持不變。這樣，不考慮放大晶體管304的柵極和輸出 單元306之間產(chǎn)生的耦合電容，保證在非選擇的行中各電荷保持單元305的電 勢(shì)保持在Lo。,根據(jù)專(zhuān)利文件1中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)，如果在放大晶體管104的柵極和輸出單元 106之間產(chǎn)生大耦合電容，在非選擇的行中各電荷保持單元105的電勢(shì)響應(yīng)復(fù) 位脈沖n的輸入(圖2，點(diǎn)a)而改變。由于該改變，可能從非選擇的行中的 放大晶體管304泄漏電流，這種情況下，減小了動(dòng)態(tài)范圍。本實(shí)施方式能夠防止由于耦合電容而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍的減小。這樣，改善 了像素信號(hào)的S/N (信躁)比并且從而獲得高質(zhì)量的圖像。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法是用于抑制其像素單元尺寸減小 數(shù)目增加的MOS固態(tài)成像裝置的動(dòng)態(tài)范圍減小的有用技術(shù)。
權(quán)利要求
1、 一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體固態(tài)成像裝置的驅(qū)動(dòng)方法，該裝置的各多 個(gè)像素單元包括光電轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)接收的光的量而產(chǎn)生信號(hào)電荷； 電荷保持單元，用于保持由所述光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)電荷； 讀晶體管，連接在所述光電轉(zhuǎn)換器和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi) 和關(guān)閉；參考電壓源，用于提供參考電壓和地電壓；復(fù)位晶體管，連接在所述參考電壓源和所述電荷保持單元之間并且能夠打 開(kāi)和關(guān)閉；以及放大晶體管，連接到所述參考電壓源并且用于響應(yīng)所述電荷保持單元的電 勢(shì)輸出電壓；所述驅(qū)動(dòng)方法包括以下按照規(guī)定的順序執(zhí)行的步驟第一步，關(guān)閉復(fù)位晶體管，以使得向電荷保持單元提供參考電壓；第二步，打開(kāi)復(fù)位晶體管，以測(cè)量放大晶體管的輸出電壓；第三步，關(guān)閉讀晶體管，以使得電荷保持單元保持信號(hào)電荷，然后測(cè)量放大晶體管的輸出電壓；第四步，關(guān)閉復(fù)位晶體管，以使得向電荷保持單元提供參考電壓；以及 第五步，打開(kāi)復(fù)位晶體管同時(shí)參考電壓源向電荷保持單元提供地電壓； 其中在第五步中，在復(fù)位晶體管經(jīng)歷從關(guān)閉狀態(tài)臨時(shí)向打開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)變并且回到關(guān)閉狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變之后，打開(kāi)復(fù)位晶體管，狀態(tài)轉(zhuǎn)變是響應(yīng)從參考電壓源向電荷保持單元提供地電壓而產(chǎn)生。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在所述第五步中，由參考電壓源提供的電壓從參考電壓轉(zhuǎn)換到地電壓之 后，復(fù)位晶體管打開(kāi)預(yù)定時(shí)間周期，并且其中，預(yù)定時(shí)間周期的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)耦合電容和所述復(fù)位晶體管的柵輸入阻抗 的乘積，耦合電容在(i)連接復(fù)位和放大晶體管到參考電壓源的信號(hào)線(xiàn);和(ii)復(fù) 位晶體管的柵輸入線(xiàn)之間產(chǎn)生。
3、 一種具有以矩陣排列的多個(gè)像素單元的金屬氧化物半導(dǎo)體固態(tài)成像裝 置，所述裝置各像素單元包括光電轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)接收的光的量而產(chǎn)生信號(hào)電荷；電荷保持單元，用于保持由所述光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)電荷；讀晶體管，連接在所述光電轉(zhuǎn)換器和所述電荷保持單元之間并且能夠打開(kāi)和關(guān)閉；參考電壓源，用于提供參考電壓和地電壓；復(fù)位晶體管，連接在所述參考電壓源和所述電荷保持單元之間并且能夠打 開(kāi)和關(guān)閉；以及放大晶體管，連接到所述參考電壓源并且用于響應(yīng)所述電荷保持單元的電 勢(shì)輸出電壓；其中復(fù)位晶體管關(guān)閉，以使得向電荷保持單元提供參考電壓； 下面，復(fù)位晶體管打開(kāi)并且測(cè)量放大晶體管的輸出電壓； 下面，讀晶體管關(guān)閉，以使得電荷保持單元保持信號(hào)電荷并且測(cè)量放大晶 體管的輸出電壓；下面，復(fù)位晶體管關(guān)閉，以使得向電荷保持單元提供參考電壓；以及 下面，在復(fù)位晶體管經(jīng)歷從關(guān)閉狀態(tài)臨時(shí)向打開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)變并且回到關(guān)閉狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變之后，復(fù)位晶體管打開(kāi)，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)變是在參考電壓源開(kāi)始向電荷保持單元提供地電壓之后產(chǎn)生。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其特征在于，還包括 行掃描電路，用于產(chǎn)生提供給所述讀晶體管的讀脈沖信號(hào)和提供給所述復(fù)位晶體管的復(fù)位脈沖信號(hào)， 其中行掃描電路包括脈沖產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、和讀信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào) 都是脈沖信號(hào)；移位寄存器，用于在像素單元逐行的基礎(chǔ)上順序輸出時(shí)鐘信號(hào)的脈沖；以及與電路，用于(i)向復(fù)位晶體管的柵極提供移位寄存器的輸出信號(hào)和復(fù) 位信號(hào)之間的邏輯與操作的結(jié)果，以及(ii)向讀晶體管的柵極提供移位寄存 器的輸出信號(hào)和讀信號(hào)之間的邏輯與操作的結(jié)果。
全文摘要
一種MOS型固態(tài)成像裝置中，在n行像素單元中，允許要輸入到復(fù)位晶體管的復(fù)位脈沖為電勢(shì)(Hi)，以復(fù)位保持在電荷保持單元(305)中的信號(hào)電荷。在這種狀態(tài)下，當(dāng)參考電壓源(VDDCELL)轉(zhuǎn)換到低電勢(shì)電平(Lo)時(shí)，由于耦合電容(308)，復(fù)位脈沖(n)變得接近電勢(shì)(Lo)。然后，當(dāng)復(fù)位脈沖(n)的電勢(shì)回升到電勢(shì)(Hi)之后，允許復(fù)位脈沖(n)為電勢(shì)(Lo)。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101124817SQ200680005410
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月22日
發(fā)明者根崎慎介, 植田敦, 石本久人 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社