專利名稱：固態(tài)成像設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)方法、信號(hào)處理方法和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像設(shè)備、驅(qū)動(dòng)該固態(tài)成像設(shè)備的方法、用于該固態(tài)成 像設(shè)備的信號(hào)處理方法和成像裝置。
背景技術(shù)：
圖27示出了固態(tài)成像設(shè)備的單位像素100的配置的例子。如該例子，在 具有用于轉(zhuǎn)移通過光電轉(zhuǎn)換元件101中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移 晶體管的單位像素100中，將可以被轉(zhuǎn)移到單位像素的浮動(dòng)擴(kuò)散電容器 (floating diffusion capacitor; FD ) 106的累積電荷的最大量Qfd.max做得比 作為光接收單元的光電轉(zhuǎn)換元件101中的累積電荷的最大量Qpd.max大得多。 結(jié)果，通過移除光電轉(zhuǎn)換元件101中的剩余電荷，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)電荷從光電轉(zhuǎn) 換元件101到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106的完美轉(zhuǎn)移。
以如上所述的方式對(duì)通過光電轉(zhuǎn)換元件101中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào) 電荷實(shí)現(xiàn)了完美轉(zhuǎn)移，這使得可以防止拍攝圖像階段中的剩余圖像，并且可 以實(shí)現(xiàn)入射光亮度和傳感器輸出信號(hào)之間的滿意的線性。這樣，除轉(zhuǎn)移晶體 管102以外，此實(shí)施例的像素IOO還包括復(fù)位晶體管103、；改大晶體管104 和像素選擇晶體管105。
然而，圖27所示的單位像素IOO存在下列問題。
(1 )由于累積電荷的最大量Qfd.max必須比光電轉(zhuǎn)換元件中的累積電荷 的最大量Qpd.max大，因此存在為了提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率而降低浮動(dòng)擴(kuò)散 電容器106的電容的限制。
(2)與以上原因相同，用作浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106的復(fù)位電壓的電源電壓 Vdd的下降導(dǎo)致浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106中的累積電荷的最大量Qfd.max降低， 因此存在對(duì)于降低電源電壓Vdd的限制。
然后，目前以下列方式解決上述問題(1 )和(2)。也就是說，當(dāng)由于降 低浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106的電容以提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率、從而引起累積電荷 的最大量Qfd.max變少時(shí)，或者當(dāng)由于降低了復(fù)位電壓(電源電壓)Vdd而引起累積電荷的最大量Qfd.max變少時(shí)，在電荷轉(zhuǎn)移之后，執(zhí)行信號(hào)讀取和 浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106的復(fù)位，由于多于轉(zhuǎn)移晶體管102能轉(zhuǎn)移的電荷而剩余 在光電轉(zhuǎn)換元件101中的電荷可以被再次轉(zhuǎn)移，以讀取信號(hào)。結(jié)果，以多批 (batch)讀出光電轉(zhuǎn)換元件101中的所有累積電荷。例如在日本專利特開No. 2001-177775中描述了這種技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
在上述現(xiàn)有技術(shù)中，浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106中累積的電荷的最大量Qfd.max 小于光電轉(zhuǎn)換元件101中累積的電荷的最大量Qpd.max。而且，如圖28所示， 轉(zhuǎn)移了能夠被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器106的所有電荷。因此，不能以浮動(dòng)擴(kuò) 散電容器106中累積的電荷的最大量Qfd.max為單位來分割光電轉(zhuǎn)換元件101 中累積的電荷的最大量Qpd.max (A)。由于此原因，不能以任意電荷量為單 位來多批轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件101中累積的電荷的最大量Qpd.max ( B )。
另外，如圖29所示，在采用在多個(gè)像素之間共享浮動(dòng)擴(kuò)散電容器FD和 讀出電路200的配置的固態(tài)成像設(shè)備中，在某些情況下不能降低浮動(dòng)擴(kuò)散電 容器FD的電容。在這些情況下，由于不能以多批轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷，因此不能 將用于將以多批轉(zhuǎn)移的信號(hào)分別與權(quán)重因子相加的處理應(yīng)用于固態(tài)成像設(shè) 備。結(jié)果，不能獲得由于例如對(duì)應(yīng)于光量的范圍而改變靈敏度的這些處理帶 來的效果。
根據(jù)前述，因此希望提供一種固態(tài)成像設(shè)備，當(dāng)轉(zhuǎn)移電荷時(shí)，其能夠以 任意電荷量作為單位來多批轉(zhuǎn)移通過光電轉(zhuǎn)換元件中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信 號(hào)電荷，以及驅(qū)動(dòng)該固態(tài)成像設(shè)備的方法、其信息處理方法和成像裝置。
為了達(dá)到上述期望，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種固態(tài)成像設(shè)備， 包括
像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素形成，每個(gè)所述單位像素包括 被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過 所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被 配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；
第 一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第 一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號(hào)電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保 持的所有信號(hào)電荷；以及
第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)施例，提供了驅(qū)動(dòng)通過排列單位像素而形成的固態(tài) 成像設(shè)備的方法，其中每個(gè)單位像素包括被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電 荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而 獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所
轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件，所述方法包括步驟
通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個(gè)單位的累積時(shí) 間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號(hào)電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn) 換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持 的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；
通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所 述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號(hào)電荷；以及
讀出通過連續(xù)進(jìn)行使用所述第 一控制電壓的驅(qū)動(dòng)和使用所述第二控制電 壓的驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)施例，提供了用于一種固態(tài)成像設(shè)備的信息處理方 法，該固態(tài)成像設(shè)備包括
像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素形成，每個(gè)所述單位像素包括 被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過 所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及#皮 配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；
第一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號(hào)電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號(hào)電荷；以及
第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷，
所述信號(hào)處理方法包括步驟
在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下，將通過所述第 三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個(gè)輸出信號(hào)相加。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種成像裝置，包括
通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備，每個(gè)所述單位像素包括被配 置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述 光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置 用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；以及
光學(xué)系統(tǒng)，用于將入射光聚焦到所述固態(tài)成像設(shè)備的成像區(qū)域上；
其中，所述固態(tài)成像設(shè)備包括
第 一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號(hào)電荷的一 部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；
第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，
其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保 持的所有信號(hào)電荷；
第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū) 動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷；以及
信號(hào)處理部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元 件的驅(qū)動(dòng)下，將通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出的 多個(gè)輸出信號(hào)相加。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，連續(xù)執(zhí)行(其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所 述光電轉(zhuǎn)換元件中累積的信號(hào)電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換元件中) 通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件的操作和通過使用第二控制電壓 來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件的操作，其中所述轉(zhuǎn)移元件^f艮據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn) 移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷，所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第 二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的所有信號(hào)電荷。而且，適當(dāng)設(shè)置第一控制電壓的電壓值。結(jié)果，可以以任意電荷量為單位來多批轉(zhuǎn)移 通過光電轉(zhuǎn)換元件中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的系統(tǒng)配置圖； 圖2是示出了圖1所示的單位像素的電路配置的電路圖； 圖3是示出了圖1所示的單位像素的電路配置的另一例子的電路圖； 圖4是示出了圖1所示的供應(yīng)電壓控制電路的電路配置的例子的電路圖； 圖5是示出了供應(yīng)電壓控制電路中的輸入操作和輸出操作之間的時(shí)序關(guān) 系的時(shí)序圖6是示出了在三分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動(dòng)時(shí)序例子的時(shí)序圖7是說明三分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的能量圖8是示出了作為TRG驅(qū)動(dòng)電壓和光電轉(zhuǎn)換元件中所保持的電荷數(shù)之間 的關(guān)系的例子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖9是示出了兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的例子的時(shí)序圖IO是說明兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的圖ll是示出了 n分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動(dòng)時(shí)序例子的時(shí)序圖12是示出了例子1的列電路的配置例子的方框圖13是示出了輸出信號(hào)選擇電路、輸出信號(hào)保持電路和輸出信號(hào)加法電 路的具體電路例子的電路圖14是示出了復(fù)位脈沖ADDRDT和選擇脈沖Sl 、 S2和S3之間的關(guān)系 的時(shí)序圖15是示出了例子2的列電路的配置例子的方框圖16是示出了例子3的列電路的配置例子的方框圖17是例子3的列電路中的ADC電路的具體配置例子的方框圖18是示出了參考信號(hào)Vref、從電壓比較器獲得的比較結(jié)果Vco和計(jì)數(shù)
器的計(jì)凄t值的波形的時(shí)序波形圖19是說明當(dāng)在三分割轉(zhuǎn)移期間以不同轉(zhuǎn)換精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的處
理的圖20是示出了每個(gè)都與入射光的亮度成比例的信號(hào)電平和噪聲電平之 間的關(guān)系的特性圖；圖21是示出了設(shè)置不同的A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子的示意圖； .圖22是示出了入射光強(qiáng)度(累積電荷)和讀出的信號(hào)的噪聲電平之間的 關(guān)系的特性圖23是示出了變型1的單位像素的像素電路的電路圖24是示出了變型2的單位像素的像素電路的電路圖25是示出了變型3的單位像素的像素電路的電路圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像裝置的配置的方框圖27是示出了現(xiàn)有技術(shù)中的單位像素的配置例子的電路圖28A和28B是分別說明現(xiàn)有技術(shù)中的問題的圖(部分1 );以及
圖29是說明現(xiàn)有技術(shù)中的問題的圖(部分1 )。
具體實(shí)施例方式
下文中將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的例如CMOS圖像傳感器的固態(tài)成 像設(shè)備的配置的系統(tǒng)配置圖。
如圖1所示，該實(shí)施例的CMOS圖像傳感器10包括像素陣列單元11及 其外圍電路。在該情況下，配置像素陣列單元11使得以矩陣二維地排列每個(gè) 包括光電轉(zhuǎn)換元件(下文中，在某些情況下簡(jiǎn)稱為"像素")20的單位像素。
例如，提供垂直掃描電路12、供應(yīng)電壓控制電路13、電壓供應(yīng)電路14、 定時(shí)生成電路(TG) 15、多個(gè)列電路16、水平掃描電路17、列信號(hào)選擇電 路18等作為像素陣列單元11的外圍電路。
對(duì)于像素陣列單元11中的像素20的矩陣排列，對(duì)每個(gè)像素列，布置垂 直信號(hào)線lll，并對(duì)每個(gè)像素行，布置驅(qū)動(dòng)控制線，例如轉(zhuǎn)移控制線112、復(fù) 位控制線113和選擇控制線114。
恒定電流源19分別連接到垂直信號(hào)線111的一端。代替使用恒定電流源 16,可以使用用于電流偏置的晶體管，其中例如由偏置電壓Vbias偏置該晶 體管的柵電極。在該情況下，用于電流偏置的晶體管與稍后將描述的放大晶 體管24 —起配置源跟隨器(follower)電路(參見圖2 )。
垂直掃描電路12由移位寄存器、地址解碼器等構(gòu)成。另外，當(dāng)以關(guān)于電 子快門(shutter)行和讀出行的行為單位來垂直掃描像素陣列單元11的像素20 時(shí)，垂直掃描電路12執(zhí)行用于從屬于電子快門行的像素20的相應(yīng)像素中除去信號(hào)的電子快門操作，并執(zhí)行用于從屬于讀出行的像素的相應(yīng)像素讀出信 號(hào)的讀出操作。
盡管在此省略了圖示，但是垂直掃描電路12包括讀出掃描系統(tǒng)和電子快
門掃描系統(tǒng)。在該情況下，在以行為單位連續(xù)選才奪像素20的同時(shí)，讀出掃描 系統(tǒng)執(zhí)行從屬于讀出行的像素20讀出信號(hào)的讀出操作。而且，在期間，對(duì)于 比讀出掃描系統(tǒng)的讀出掃描提前對(duì)應(yīng)于快門速度的時(shí)間段的相同的行(電子 快門行)，電子快門掃描系統(tǒng)執(zhí)行電子快門操作。
而且，從第一定時(shí)到第二定時(shí)的時(shí)間段成為每個(gè)像素20中的信號(hào)電荷的 一個(gè)單位的累積時(shí)間段(曝光時(shí)間段)。在此，在第一定時(shí)，由電子快門掃描 系統(tǒng)通過快門掃描，復(fù)位光電轉(zhuǎn)換單元中的不需要的電荷。而且，在第二定 時(shí)，由讀出掃描系統(tǒng)通過讀出掃描，分別從像素讀出信號(hào)。也就是說，電子 快門操作意味著復(fù)位(除去)光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷并在信號(hào)電荷 的復(fù)位完成后開始重新累積信號(hào)電荷的操作。
供應(yīng)電壓控制電路13控制供應(yīng)(施加)至像素單元20中的轉(zhuǎn)移晶體管 22 (轉(zhuǎn)移元件)的柵電極(控制電極)的轉(zhuǎn)移脈沖TRG的電壓值(峰值)。 將稍后描述供應(yīng)電壓控制電路13的具體配置。
電壓供應(yīng)電路14將具有不同電壓值的多個(gè)控制電壓供應(yīng)至供應(yīng)電壓控 制電路13。將多個(gè)控制電壓作為具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖而連續(xù)供應(yīng)至轉(zhuǎn) 移晶體管22的柵電極。將稍后描述具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖TRG的細(xì)節(jié)。
定時(shí)生成電路(TG) 15生成定時(shí)信號(hào)PTRG,根據(jù)該定時(shí)信號(hào)PTRG， 確定供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)地將具有不同電壓值的轉(zhuǎn)移脈沖TRG供應(yīng)至 轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的定時(shí)。
例如，列電路16被布置為分別對(duì)應(yīng)于像素陣列單元11的像素列，即具 有與像素列的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。列電路16對(duì)通過各個(gè)垂直信號(hào)線111從屬于通 過垂直掃描電路12的垂直掃描操作所選擇的讀出行的像素20連續(xù)輸出的信 號(hào)執(zhí)行預(yù)定處理，并在預(yù)定信號(hào)處理完成后將像素信號(hào)臨時(shí)保持在其中。
具有用于采樣和保持通過垂直信號(hào)線111輸出的像素信號(hào)的采樣和保持 電路的電路配置，具有包括采樣和保持電路的、用于通過執(zhí)行相關(guān)雙采樣 (CDS )處理而移除復(fù)位噪聲或由于放大晶體管24的閾值漂移而引起的像素 中固有的固定模式噪聲的噪聲移除電路的電路配置等用于列電路16。
然而，上述電路配置僅是示例，因此本發(fā)明的實(shí)施例絕不限于此。例如，也能夠采用向列電路16給出模擬-數(shù)字(A/D )轉(zhuǎn)換功能使得以數(shù)字信號(hào)形式
輸出具有預(yù)定信號(hào)電平的像素信號(hào)的電路配置。
水平掃描電路17包括移位寄存器、地址解碼器等。水平掃描電路17以 被布置為分別對(duì)應(yīng)于像素陣列單元11的像素列的順序來水平掃描列電路17。 列信號(hào)選擇電路18包括水平選擇開關(guān)、水平信號(hào)線等。列信號(hào)選擇電路18 與水平掃描電路17的水平掃描操作同步地連續(xù)輸出分別被臨時(shí)保持在列電 路16中的像素信號(hào)。
注意，從定時(shí)控制電路(未示出)生成定時(shí)信號(hào)和控制信號(hào)，該定時(shí)信 號(hào)和控制信號(hào)的每個(gè)成為垂直掃描電路12、列電路16、水平掃描電路17等 的操作的參考。 (像素電路)
圖2是示出單位像素20的電路配置的例子的電路圖。該例子的單位像素 20被配置為以下像素電路除了諸如埋入光電二極管的光電轉(zhuǎn)換元件(光電 轉(zhuǎn)換單元)21之外，還包括四個(gè)晶體管，例如轉(zhuǎn)移晶體管(轉(zhuǎn)移元件)22、 復(fù)位晶體管23、放大晶體管24和選擇晶體管25。在該情況下，盡管將例如 N溝道MOS晶體管用作四個(gè)晶體管22到25,但是本發(fā)明絕不限于此配置。
26之間。通過向轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極(控制電極)供應(yīng)轉(zhuǎn)移脈沖TRG，
轉(zhuǎn)移晶體管22將已經(jīng)通過光電轉(zhuǎn)換元件21中的光電轉(zhuǎn)換而累積的信號(hào)電荷
(此情況下是電子)轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26。因此，浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26 用作將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
復(fù)位晶體管23的漏電極連接到復(fù)位線，并且其源電極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散電 容器26的與接地端相反的一端。在將信號(hào)電荷從光電轉(zhuǎn)換元件21轉(zhuǎn)移到浮 動(dòng)擴(kuò)散電容器26之前，復(fù)位晶體管23供應(yīng)至其柵電極的復(fù)位脈沖RST將浮 動(dòng)擴(kuò)散電容器26的電勢(shì)復(fù)位到復(fù)位電壓Vrst。
放大晶體管24的柵電極連接到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26的一端，并且其漏電 極連接到用于供應(yīng)電源電壓Vdd的像素電源。放大晶體管24在被復(fù)位晶體 管23復(fù)位后，以具有復(fù)位電平的信號(hào)的形式輸出浮動(dòng)擴(kuò)散電容器24的電勢(shì)， 并在信號(hào)電荷被轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26之后，以具有信號(hào) 電平的信號(hào)的形式輸出浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26的電勢(shì)。
例如，選擇晶體管25的漏電極連接到放大晶體管24的源電極，并且其源電極連接到垂直信號(hào)線111。根據(jù)施加到選擇晶體管25的柵電極的選擇脈
沖SEL來導(dǎo)通選擇晶體管25，以將像素20設(shè)置在選擇狀態(tài)，由此將從放大 晶體管24輸出的信號(hào)輸出到垂直信號(hào)線111。選擇晶體管25還可以采用連接 在像素電源(Vdd)和放大晶體管24的漏電極之間的配置。
注意，盡管在此已經(jīng)給出了將本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用于包括單位像素20的 CMOS圖像傳感器的情況作為例子，其中單位像素20具有包括轉(zhuǎn)移晶體管 22、復(fù)位晶體管23、放大晶體管24和選擇晶體管25的四晶體管配置，但本 發(fā)明絕不限于該應(yīng)用例子。
具體地，本發(fā)明還可以應(yīng)用于包括具有如圖3所示的三晶體管配置的單 位像素20'的CMOS圖像傳感器等，在該單位像素20'中省略了圖2所示的選 擇晶體管25,并且使電源電壓SELVdd可變，由此將選擇晶體管25的功能賦 予放大晶體管24， CMOS圖像傳感器具有如圖29所示的配置，其中在多個(gè) 像素之間共享浮動(dòng)擴(kuò)散電容器FD和讀出電路200。
供應(yīng)電壓控制電路13接收地址信號(hào)ADR作為其輸入，其中根據(jù)該地址 信號(hào)ADR驅(qū)動(dòng)屬于通過垂直掃描電路12的垂直掃描操作而選擇的像素行的 單位像素20，以選擇從電壓供應(yīng)電路14供應(yīng)的多個(gè)電壓之一，從而將由此 選擇的電壓作為轉(zhuǎn)移脈沖TRG供應(yīng)至單位像素20中的轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電 極。
供應(yīng)用來導(dǎo)通轉(zhuǎn)移晶體管22的導(dǎo)通電壓Von、用來截止轉(zhuǎn)移晶體管22 的截止電壓Voff、以及介于導(dǎo)通電壓與截止電壓之間的中間電壓Vmid,作為 來自電壓供應(yīng)電路14的多個(gè)電壓。在此，中間電壓Vmid意味著這樣的電壓 在保持光電轉(zhuǎn)換元件21中的累積電荷的一部分的同時(shí)，通過該電壓可以將其 余的累積電荷部分地轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26。
在上述像素電路中，由于轉(zhuǎn)移晶體管是N溝道的，因此將導(dǎo)通電壓設(shè)置 為電源電壓Vdd,并將截止電壓設(shè)置為地電壓，優(yōu)選地，設(shè)置為比地電壓低 的電壓。另外，在該實(shí)施例中，使用具有不同電壓值的兩個(gè)中間電壓，具體 地，每個(gè)都比截止電壓Voff大并且都比導(dǎo)通電壓Von小的兩個(gè)中間電壓 VmidO和Vmidl，作為中間電壓Vmid。這樣，在轉(zhuǎn)移晶體管22是P溝道的
此，中間電壓Vmid變?yōu)槊總€(gè)都比導(dǎo)通電壓Von大并且都比截止電壓Voff小的兩個(gè)中間電壓VmidO和Vmidl 。
結(jié)果，將四個(gè)電壓，即導(dǎo)通電壓Von、中間電壓VmidO和Vmidl以及截 止電壓Voff,從電壓供應(yīng)電路14供應(yīng)至供應(yīng)電壓控制電路13。四個(gè)電壓的 電壓值示出了關(guān)系Voff<VmidO<Vmidl<Von。而且，導(dǎo)通電壓Von、中間電壓 Vmid0和Vmidl以及截止電壓Voff中的每個(gè)都用作轉(zhuǎn)移脈沖TRG。
為了控制分別從電壓供應(yīng)電路13供應(yīng)中間電壓Vmid0和Vmidl和導(dǎo)通 電壓Von的定時(shí)，將三個(gè)定時(shí)信號(hào)0TRF1、 PTRG2和PTRG3從定時(shí)生成電 路15供應(yīng)至供應(yīng)電壓控制電路13。供應(yīng)電壓控制電路13基于定時(shí)信號(hào) 0TRF1 、 PTRG2和PTRG3選擇中間電壓VmidO和Vmidl和導(dǎo)通電壓Von之 一，并將所選擇的一個(gè)作為中間電壓Vmid供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
圖4是示出供應(yīng)電壓控制電路13的電路配置的例子的電路圖。如圖4所 示，供應(yīng)電壓控制電路13包括分別對(duì)應(yīng)于四個(gè)電壓，即中間電壓VmidO和 Vmidl、導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff的四個(gè)電路塊131至134，三輸入NOR (異或)電路135。
將地址信號(hào)ADR從垂直掃描電路12公共地供應(yīng)至每個(gè)電路塊131至 134。將定時(shí)信號(hào)PTRG1、 PTRG2和PTRG3作為三個(gè)輸入從定時(shí)生成電路 15供應(yīng)至NOR電路135。
電路塊131包括用于接收地址信號(hào)ADR和定時(shí)信號(hào)PTRG1作為其兩個(gè) 輸入的NAND(與非)電路1311、電平移位器1312和P溝道驅(qū)動(dòng)晶體管1313。 電路塊131選擇中間電壓Vmid0，并將由此選擇的中間電壓Vmid0供應(yīng)至轉(zhuǎn) 移晶體管22的柵電極。
電路塊132包括用于接收地址信號(hào)ADR和定時(shí)信號(hào)PTRG2作為其兩個(gè) 輸入的NAND電路1321以及P溝道驅(qū)動(dòng)晶體管1322。電路塊132選擇中間 電壓Vmidl,并將由此選擇的中間電壓Vmidl供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電 極。
電路塊133包括用于接收地址信號(hào)ADR和定時(shí)信號(hào)PTRG3作為其兩個(gè) 輸入的NAND電路1331以及N溝道驅(qū)動(dòng)晶體管1332。電路塊133選擇導(dǎo)通 電壓Von，并將由此選擇的導(dǎo)通電壓Von供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。
電路塊134包括用于接收地址信號(hào)ADR和來自NOR電路135的輸出信 號(hào)作為其兩個(gè)輸入的AND(與)電路1341、用于在具有設(shè)置了負(fù)邏輯的一個(gè) 輸入端接收地址信號(hào)ADR并在另一輸入端接收來自AND電路1341的輸出信號(hào)的OR(或)電路、電平移位器1343以及N溝道驅(qū)動(dòng)晶體管1344。電路 塊134選擇截止電壓Voff,并將由此選擇的截止電壓Voff供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管 22的4冊(cè)電才及。
為了供應(yīng)比地電壓低的電壓(例如-1.0V)作為據(jù)此截止轉(zhuǎn)移晶體管22 的截止電壓Voff，電路塊134采用與其他電路塊131、 132和133不同地、基 于NOR電路135的操作而操作的電路配置。
圖5示出了供應(yīng)電壓控制電路13的輸入和輸出之間的時(shí)序關(guān)系。在假設(shè) 要供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的電壓是中間電壓VmidO和Vmidl 、導(dǎo)通 電壓Von和截止電壓Voff的情況下，當(dāng)通過地址信號(hào)ADR選擇像素行時(shí)， 根據(jù)定時(shí)信號(hào)PTRG1、 PTRG2和PTRG3,將分別與之對(duì)應(yīng)的中間電壓VmidO 和Vmidl以及導(dǎo)通電壓Von連續(xù)供應(yīng)至轉(zhuǎn)移晶體管22的4冊(cè)電極，并且在除 了以上情況之外的情況下，供應(yīng)截止電壓Voff。
以如上所述方式，在供應(yīng)電壓控制電路13的控制下，對(duì)每個(gè)像素行，將 中間電壓VmidO和Vmidl和導(dǎo)通電壓Von以此順序、與垂直掃描電3各12的 垂直掃描操作同步地從供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的三分割轉(zhuǎn)移在該三分割轉(zhuǎn)移中，光電轉(zhuǎn)換元 件21中累積的信號(hào)電荷被例如分三批轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26。
c三分割轉(zhuǎn)移]
下文中，將參考圖6的時(shí)序圖和圖7的操作示意圖描述某個(gè)像素行中在 三分割轉(zhuǎn)移情況下的具體操作。在圖7中，操作(1)到(11 )分別對(duì)應(yīng)于圖 6所示的時(shí)間段(1)到(11)。
當(dāng)對(duì)于某個(gè)像素行的 一個(gè)單位的累積時(shí)間段基于三分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移信號(hào) 電荷時(shí)，以給定的間隔將復(fù)位脈沖PTS從垂直掃描電路12施加到復(fù)位晶體 管23的柵電極三次，由此對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26執(zhí)行三次復(fù)位操作。當(dāng)經(jīng)過 每個(gè)復(fù)位操作與該復(fù)位操作同步的某個(gè)時(shí)間段時(shí)，將中間電壓Vmid0和 Vmidl和導(dǎo)通電壓Von以此順序從供應(yīng)電壓控制電路13連續(xù)供應(yīng)到轉(zhuǎn)移晶體 管22的柵電極。
對(duì)于時(shí)間段(l),在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積電荷Qpd。此時(shí)，截止電壓 Voff被施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。另外，已經(jīng)通過第一次復(fù)位脈沖RST 將浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26復(fù)位。以第一次復(fù)位電平的形式，通過放大晶體管24 和選擇晶體管25將浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26的復(fù)位電平讀出到垂直信號(hào)線111。在完成復(fù)位電平的第一次讀出后，對(duì)于時(shí)間段(2)，將中間電壓VmidO 施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的^f冊(cè)電;f及。中間電壓Vmid0的施加#_得電荷(Qpd -QmidO W皮轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26,同時(shí)累積電荷Qpd中的部分電荷Qmid0 仍然照原樣留在光電轉(zhuǎn)換元件21中。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(3),將截止電壓施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極。 結(jié)果，以具有第一信號(hào)電平的信號(hào)的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26 的電荷(Qpd-Qmid0)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)讀出到垂直信號(hào)線111。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(4)，將第二次復(fù)位脈沖RST施加到轉(zhuǎn)移晶體管22 的柵電極，由此將浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26復(fù)位。接下來，對(duì)于時(shí)間段(5),以具 有第二次復(fù)位電平的信號(hào)的形式，將具有所得到的復(fù)位電平的信號(hào)讀出到垂 直信號(hào)線111。
接下來，對(duì)于時(shí)間-敬(6),將中間電壓Vmidl施加到轉(zhuǎn)移晶體管11的 柵電極。中間電壓Vmidl的施加使得電荷(QpdO-Qmidl )被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散 電容器26,同時(shí)電荷Qmid0的部分電荷Qmidl仍然照原樣留在光電轉(zhuǎn)換元 件21中。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(7),將截止電壓Voff施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，以具有第二次信號(hào)電平的信號(hào)的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散 電容器26的電荷(QpdO-Qmidl )相對(duì)應(yīng)的信號(hào)讀出到垂直信號(hào)線111。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(8 )，將第三次復(fù)位脈沖施加到復(fù)位晶體管23的柵 電極，由此將浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26復(fù)位。接下來，對(duì)于時(shí)間段(9),以具有第 三次復(fù)位電平的信號(hào)的形式，將具有所得到的復(fù)位電平的信號(hào)讀出到垂直信 號(hào)線111。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(IO)，將導(dǎo)通電壓Von施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。導(dǎo)通電壓Von的施加使得光電轉(zhuǎn)換元件21的剩余電荷Qmidl被轉(zhuǎn)移 到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26。
接下來，對(duì)于時(shí)間段(ll),將截止電壓Voff施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵 電極。結(jié)果，以具有第三次信號(hào)電平的信號(hào)的形式，將與被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散 電容器26的電荷Qmidl相對(duì)應(yīng)的信號(hào)讀出到垂直信號(hào)線111。
圖8示出了作為TRG驅(qū)動(dòng)電壓(施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極的轉(zhuǎn)移 脈沖TRG)和光電轉(zhuǎn)換元件21中保持的電荷數(shù)之間的關(guān)系的例子的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果。在此情況下，示出了當(dāng)將在導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff之間的中間電 壓Vmid施加到具有飽和電子數(shù)大約為5,500 ^的光電轉(zhuǎn)換元件21時(shí)光電轉(zhuǎn)換 元件21中所保持的電荷數(shù)，其中分別根據(jù)導(dǎo)通電壓Von和截止電壓Voff導(dǎo) 通和截止轉(zhuǎn)移晶體管22。
圖8還示出了當(dāng)執(zhí)行三分割轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)同時(shí)將中間電壓Vmid設(shè)置為 Vmid0和Vmidl時(shí)所保持的電荷的數(shù)量Qmid0和數(shù)量Qmidl作為例子。以 這種方式設(shè)置中間電壓Vmid的電壓值和中間電壓Vmidl的lt量使得可以以 任意數(shù)量的轉(zhuǎn)移電荷作為單位并以任意多個(gè)分割來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中 累積的電荷，并且可以輸出與基于該分割而轉(zhuǎn)移的電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
在三分割轉(zhuǎn)移的情況下，每個(gè)中間電壓Vmid0和Vmidl成為第一控制信 號(hào)，并且導(dǎo)通電壓Von成為第二控制信號(hào)。 (兩分割轉(zhuǎn)移)
圖9示出了在某個(gè)像素行中的兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的例子， 并且圖IO示出了說明兩分割轉(zhuǎn)移的情況下的操作的圖。在圖IO中，操作(I) 到(7)對(duì)應(yīng)于圖9所示的時(shí)間段(1)到(7)。兩分割轉(zhuǎn)移情況下的轉(zhuǎn)移操 作的數(shù)量?jī)H比三分割轉(zhuǎn)移情況下的數(shù)量少一個(gè)。因此，兩分割轉(zhuǎn)移的情況下 的基本操作與三分割轉(zhuǎn)移的情況一致。
在兩分割轉(zhuǎn)移的情況下，中間電壓Vmid0成為第一控制電壓，并且導(dǎo)通 電壓Von成為第二控制電壓。
<n分割轉(zhuǎn)移>
如從上變得更清楚的，可以任意設(shè)置用于轉(zhuǎn)移操作的分割的數(shù)量。而且， 當(dāng)執(zhí)行n分割轉(zhuǎn)移(n: 2或更大的整數(shù))時(shí)，如圖11所示，需要按順序?qū)?(n-1 )個(gè)中間電壓VmidO、 Vmidl、 ...、 Vmid(n-2)和導(dǎo)通電壓Von從供應(yīng)電 壓控制電路13施加到轉(zhuǎn)移晶體管22的柵電極，由此驅(qū)動(dòng)有關(guān)的轉(zhuǎn)移晶體管 22。
在n分割轉(zhuǎn)移的情況下，(n-1 )個(gè)中間電壓VmidO至Vmid(n-2)的每個(gè)成 為第一控制電壓，并且導(dǎo)通電壓Von成為第二電壓。
在基于包括上述的三分割轉(zhuǎn)移、四分割轉(zhuǎn)移等的n分割轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)下， 對(duì)每個(gè)像素行執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移、復(fù)位和像素選擇。結(jié)果，列并行地(即以像素
列為單位并行地)將具有復(fù)位電平的信號(hào)和具有信號(hào)電平的信號(hào)(即，來自 單位像素20的輸出信號(hào))從單位像素20讀出到垂直信號(hào)線111，以通過有關(guān)垂直信號(hào)線111將其供應(yīng)至列電路16。
在具有上述配置的CMOS圖像傳感器10中，用于驅(qū)動(dòng)單位像素20的組 成元件(轉(zhuǎn)移晶體管22、復(fù)位晶體管23和選擇晶體管25 )的垂直掃描電路 12包括第一驅(qū)動(dòng)部分、第二驅(qū)動(dòng)部分和第三驅(qū)動(dòng)部分。在該情況下，在一個(gè) 單位的累積時(shí)間段內(nèi)在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的信號(hào)電荷的一部分被保持 在光電轉(zhuǎn)換元件21中的情況下，第一驅(qū)動(dòng)部分通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)移晶體管22，其中根據(jù)該第一控制電壓，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移具有超過 所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷。第二驅(qū)動(dòng)部分通過使用第二控制信號(hào) 來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)移晶體管22,其中根據(jù)該第二控制信號(hào)，由轉(zhuǎn)移晶體管22轉(zhuǎn)移光 電轉(zhuǎn)換元件21中所保持的所有信號(hào)電荷。而且，第三驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)輸出部分 (包括復(fù)位晶體管23和選4奪晶體管25 )，以便讀出通過連續(xù)進(jìn)行第一驅(qū)動(dòng)部 分的驅(qū)動(dòng)和第二驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷。
下文中，將通過給出例子1至3作為具體例子來描述列電路16的配置例 子?，F(xiàn)在將通過給出每個(gè)都對(duì)應(yīng)于三分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移(tri-partition basis transfer) 的配置的情況作為例子來描述例子1至3。 (例子1)
圖12是示出例子1的列電路16A的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖l描述的單元相同的單元。在此情況下， 為了附圖的簡(jiǎn)潔，示出了用于兩列的單位像素20和列電路16A。
例子1的列電路16A包括噪聲移除電路161、輸出信號(hào)選擇電路162、 輸出信號(hào)保持電路163和輸出信號(hào)加法電路164。
噪聲移除電路161由CDS電路組成。噪聲移除電路161連續(xù)獲取第一次、 第二次、第三次復(fù)位電平與信號(hào)電平(從單位像素20連續(xù)供應(yīng)各個(gè)信號(hào))之 間的差，由此移除復(fù)位噪聲和由于放大晶體管24的閾值的漂移而引起的每個(gè) 像素中固有的固定模式噪聲等。
在上述情況下，目前已經(jīng)通過給出每個(gè)像素列布置了噪聲移除電路161 的配置的情況作為例子而給出了描述。然而，也可采用提供噪聲移除電路161 作為輸出放大器30的一個(gè)單元的配置，同時(shí)列信號(hào)選擇電路17單獨(dú)選擇復(fù) 位電平和信號(hào)電平，并將具有復(fù)位電平的信號(hào)和具有信號(hào)電平的信號(hào)供應(yīng)至 輸出放大器30的噪聲移除電路161,并且噪聲移除電路161執(zhí)行CDS處理。輸出信號(hào)選擇單元162按對(duì)應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作
的順序而連續(xù)選擇從噪聲移除電路161輸出的輸出信號(hào)的一些，并命令輸出 保持電路162將由此按順序選擇的輸出信號(hào)分別保持在其保持單元163-1、 163-2和163-3中。輸出信號(hào)加法單元164分別將在保持單元163-1、 163-2和 163-3中保持的第一次、第二次和第三次輸出信號(hào)彼此相加。
在此情況下，列電路16A執(zhí)行將對(duì)應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn) 移操作的輸出信號(hào)相加的處理。然而，也可采用這樣的配置，使得在對(duì)應(yīng)于 第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作的輸出信號(hào)被讀出到CMOS圖像傳感 器IO外之后，外部信號(hào)處理系統(tǒng)執(zhí)行將這些輸出信號(hào)彼此相加的處理。
圖13是示出輸出信號(hào)選擇電路162、輸出信號(hào)保持電路163和輸出信號(hào) 加法電路164的具體電路的例子的電^各圖。
輸出信號(hào)選擇電路162包括MOS晶體管162-1、 162-2和162-3。響應(yīng)于 分別與第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作同步的選擇脈沖Sl、 S2和S3， MOS晶體管162-1、 162-2和162-3按順序?qū)ǎ纱诉x擇第一次、第二次和 第三次輸出信號(hào)。
輸出信號(hào)保持電路163的保持單元163-1、 163-2和163-3例如包括分別 與MOS晶體管162-1、 162-2和162-3串聯(lián)的電容器。保持單元163-1、 163-2 和163-3中保持分別由MOS晶體管162-1、 162-2和162-3選擇的輸出信號(hào)。
輸出信號(hào)加法電路164被連接在復(fù)位電源VRST和輸出信號(hào)保持電路163 的輸出節(jié)點(diǎn)之間。輸出信號(hào)加法電路164包括MOS晶體管164-1、 MOS晶體 管164-2和電流源164-3。在此，響應(yīng)于復(fù)位脈沖ADDRST而導(dǎo)通MOS晶體 管164-1。 MOS晶體管164-2的柵電極與輸出信號(hào)保持電路163的輸出節(jié)點(diǎn) 連接，并且其漏電極與電源Vdd連接。而且，電流源164-3被連接在MOS 晶體管164-2的源電極和地之間。
圖14示出了復(fù)位脈沖ADDRST以及選擇脈沖Sl 、 S2和S3之間的時(shí)序 關(guān)系。
在具有上述配置的列電路16A中，響應(yīng)于復(fù)位脈沖ADDRST， MOS晶 體管164-1導(dǎo)通，使得輸出信號(hào)加法電路164變成初始狀態(tài)。接下來，對(duì)于 在第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)，分別響應(yīng)于選 擇脈沖S1、 S2和S3，連續(xù)導(dǎo)通MOS晶體管162-1、 162-2和162-3。結(jié)果， 這些輸出信號(hào)分別被保持在保持單元163-1、 163-2和163-3中。而且，在分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移上所轉(zhuǎn)移的所有輸出信號(hào)分別被保持在輸出信號(hào)保持電路163的
保持單元163-1、 163-2和163-3中的時(shí)間點(diǎn)上，MOS晶體管164-2從其源電 極輸出通過將這些輸出信號(hào)彼此相加而獲得的輸出信號(hào)。
如目前為止已經(jīng)描述的，在n分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移在一個(gè)單位的累 積時(shí)間段內(nèi)在單位像素20中累積的信號(hào)電荷，并將分別對(duì)應(yīng)于n分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn) 移操作的輸出信號(hào)彼此相加。結(jié)果，由于可以以高轉(zhuǎn)換效率讀出累積的電荷 而不削弱飽和電平，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度圖像傳感器。除此之外，由于防 止輸出率與分割的數(shù)量n成比例地增加，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高幀頻。
順便提及，通過例如降低在浮動(dòng)擴(kuò)散電容器(電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元)26上 寄生的寄生電容而增加轉(zhuǎn)換效率的方法、增加讀出電路的電壓放大因子的方 法等已知為實(shí)現(xiàn)高靈敏度圖像傳感器的方法。然而，采用這樣的方法，限制 了能夠通過電荷轉(zhuǎn)移而從感光轉(zhuǎn)換元件21讀出的電荷的最大量，從而削弱了 々包和電平。
另一方面，根據(jù)例子l，可以使用中間電壓Vmid通過轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)將讀出操 作的數(shù)量分成任意次數(shù)的讀出操作，其中以任意電荷量作為單位。因此，可 以以多批讀出光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的所有電荷，而與浮動(dòng)擴(kuò)散電容器(電 荷-電壓轉(zhuǎn)換單元)26的電容或初始電壓無關(guān)。 (例子2)
圖15是示出了例子2的列電路16B的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記分別指示與之前參考圖12所描述的那些單元相同的單元。
例子2的列電路16B包括被提供在噪聲移除電路161的后一級(jí)中的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)電路165。列電路16B采用以下配置。也就是說，輸出信 號(hào)選擇電路162連續(xù)選擇對(duì)應(yīng)于第一次、第二次和第三次分割轉(zhuǎn)移操作按順 序從噪聲移除電路161輸出的并然后在ADC電路165中數(shù)字化的輸出信號(hào)。 然后將得到的數(shù)字輸出信號(hào)分別保持在輸出信號(hào)保持電路162的保持單元 163-1、 163-2和163-3中。而且，加法電路164將第一次、第二次和第三次 數(shù)字輸出信號(hào)彼此相加。
也就是說，例子1的列電路16A通過對(duì)在第一次、第二次和第三次分割 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)的模擬處理來執(zhí)行相加處理。另一方面，例 子2的列電路16B通過對(duì)在第一次、第二次和第三次分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn) 移的輸出信號(hào)的數(shù)字處理來執(zhí)行相加處理。因此，例子2的列電路16B與例子1的列電路16A的不同之處僅在于此方面，并且因此在基本的電路操作中 與例子1的列電路16A —致。 (例子3)
圖16是示出了例子3的列電路16C的配置例子的方框圖。在圖中，由相 同的參考標(biāo)記分別指示與之前參考圖12描述的那些單元相同的單元。
例子3的列電路16C由具有加法功能的ADC電路166組成。除了加法 功能之外，ADC電路166具有噪聲移除(CDS處理)功能。然而，ADC電 路具有噪聲移除功能并不是必要的。也就是說，如在例子2中的情況，可采 用噪聲移除電路被布置在ADC電路166的前一級(jí)的一側(cè)的配置。
圖17是示出了 A/D轉(zhuǎn)換單元166的具體配置的例子的方框圖。如圖17 所示，該例子的ADC電路166包括電壓比4交器1661和計(jì)數(shù)器1662。
電壓比較器1661在其反相(-)輸入端接收具有斜波形的參考信號(hào)Vref, 并在其非反相(+ )端接收通過垂直信號(hào)線111從單位像素20供應(yīng)的輸出信 號(hào)Vout。當(dāng)輸出信號(hào)Vout的電平高于參考信號(hào)Vref的電平時(shí)，電壓比較器 1661輸出比較結(jié)果Vco。
計(jì)數(shù)器1662包括上/下計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器1662對(duì)于電壓比較器1661的比 較結(jié)果Vco的變化所需的時(shí)間段，在基于上/下控制信號(hào)的控制下，與時(shí)鐘 CK同步地執(zhí)行用于上計(jì)數(shù)/下計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)操作，由此使計(jì)數(shù)值遞增或遞減。
圖18示出了具有斜波形的參考信號(hào)Vref的波形和從電壓比較器1661獲 得的比較結(jié)果Vco以及計(jì)數(shù)器1662中的計(jì)數(shù)值。
在該例子中，對(duì)于基于三分割轉(zhuǎn)移獲得的輸出信號(hào)，在用于讀出具有復(fù) 位電平的信號(hào)的第一次讀出操作中，計(jì)數(shù)器1662中的計(jì)數(shù)值遞減，并且然后 在用于讀出具有信號(hào)電平的信號(hào)的第一次讀出操作中，計(jì)數(shù)器1662中的計(jì)數(shù) 值遞增。結(jié)果，獲得了對(duì)應(yīng)于復(fù)位電平與信號(hào)電平之間的差的計(jì)數(shù)值(噪聲 移除處理)。
以這種方式，與A/D轉(zhuǎn)換處理同時(shí)執(zhí)行噪聲移除處理。另外，在用于讀 出具有復(fù)位電平的信號(hào)的第二次讀出操作中，計(jì)數(shù)器1662中的計(jì)數(shù)值遞減， 并且在用于讀出具有信號(hào)電平的信號(hào)的第二次讀出操作中，計(jì)數(shù)器1662中的 計(jì)數(shù)值遞增，以便遵循第一次A/D轉(zhuǎn)換處理。結(jié)果，可以將第二次噪聲移除 處理完成后的結(jié)果與第一次噪聲移除處理完成后的結(jié)果相加(加法處理)。
也就是說，對(duì)于基于三分割轉(zhuǎn)移而獲得的輸出信號(hào)，重復(fù)執(zhí)行用于獲取與復(fù)位電平和信號(hào)電平之間的差相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的操作，以便重復(fù)遞增或遞
減計(jì)數(shù)器1662中的計(jì)數(shù)值。結(jié)果，能夠獲得通過將基于各個(gè)分割轉(zhuǎn)移的讀出 操作中的復(fù)位電平和信號(hào)電平之間的差相加而獲得的數(shù)字輸出信號(hào)。從以上 很明顯，可以將圖12的噪聲移除電路161、輸出信號(hào)保持電路163和輸出信 號(hào)加法電路164的功能賦予ADC電路166。
列電路16C以上述方式由具有加法功能的ADC電路166組成，使得除 了例子1的操作和效果之外，保持單元163-1、 163-2和163-3變?yōu)椴槐匾模?并且也不需要對(duì)應(yīng)于分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移的分割數(shù)量來增加保持單元163-1、 163-2 和163-3的數(shù)量。結(jié)果，能夠簡(jiǎn)化列電路16C的電路配置。
另外，采用ADC電路166具有噪聲移除功能的配置，還使得噪聲移除電 路161也是不必要的。結(jié)果，能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化列電路16C的電路配置。
<具有不同轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換>
在此，在如圖18所示的基于n分割轉(zhuǎn)移的所有讀出操作中，在每次執(zhí)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，以相同的轉(zhuǎn)換精度對(duì)從單位像素20讀出的輸出信號(hào)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn) 換，并且功耗與分割數(shù)量n成比例地增加。
另一方面，對(duì)于n分割轉(zhuǎn)移操作中轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)，以不同的轉(zhuǎn)換精度 執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，并且將得到的數(shù)字輸出信號(hào)彼此相加，這樣得到的是，可以 獲得諸如A/D轉(zhuǎn)換所需的執(zhí)行時(shí)間(轉(zhuǎn)換速度)的改進(jìn)、功耗的降低等的效 果，而不削弱圖像質(zhì)量。.下面具體描述這個(gè)方面。
圖19是說明當(dāng)在三分割轉(zhuǎn)移期間以不同轉(zhuǎn)換精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的處 理的圖。該處理是這樣的例子，其中在第一次讀出操作中，以相對(duì)低的轉(zhuǎn)換 精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，并且還對(duì)第二次和第三次讀出操作連續(xù)增加轉(zhuǎn)換精度。 以這種方式，基于分割轉(zhuǎn)移的n個(gè)讀出操作的輸出信號(hào)經(jīng)歷了不同轉(zhuǎn)換精度 的A/D轉(zhuǎn)換，以彼此相加，由此使得能夠獲得這樣的A/D轉(zhuǎn)換特性，其中轉(zhuǎn) 換精度與入射光的亮度相對(duì)應(yīng)地逐個(gè)變化。
其原因在于，由于當(dāng)入射光的亮度低時(shí)，光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的電荷 數(shù)較少，因此在第一分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移中不生成輸出，并且僅在用以生成具有超 過取決于中間電壓的閾值的量的累積電荷的亮度情況下，電荷才被轉(zhuǎn)移。
在如圖8所示的例子中的基于三分割轉(zhuǎn)移電荷的情況下，當(dāng)生成數(shù)量小 于所保持的電荷的數(shù)量Qmidl的累積電荷時(shí)，即，當(dāng)入射光的亮度較低時(shí)， 僅在第三次轉(zhuǎn)移操作中獲得輸出信號(hào)。另一方面，當(dāng)存在數(shù)量超過所保持的電荷的數(shù)量QmidO的累積電荷時(shí)，即，當(dāng)入射光的亮度較高時(shí)，由于從第一 次轉(zhuǎn)移操作開始轉(zhuǎn)移電荷，因此獲得輸出信號(hào)。
結(jié)果，如圖19所示，能夠獲得這樣的特性，其中當(dāng)亮度較低時(shí)，應(yīng)用高 A/D轉(zhuǎn)換精度，而當(dāng)亮度較高時(shí)，應(yīng)用與低A/D轉(zhuǎn)換精度連續(xù)混合的A/D轉(zhuǎn) 換精度。
在此，粗略地將輸出信號(hào)的噪聲電平分類成當(dāng)沒有入射光的亮度時(shí)在電 路等中生成的暗階段噪聲以及由取決于入射光的亮度的、以入射光亮度的平 方根的形式獲得的能量所生成的光射噪聲(optical shot noise )。由于此原因， 如圖20所示，噪聲電平具有這樣的特性，其中對(duì)于與入射光的亮度成比例的 信號(hào)電平，將具有信號(hào)電平的平方根特性的光射噪聲與暗階段噪聲相加。
由于優(yōu)選A/D轉(zhuǎn)換精度(即A/D轉(zhuǎn)換中的最小檢測(cè)單位)比噪聲電平低， 在低亮度情況下，需要以高精度執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。然而，在高亮度的情況下， 光射噪聲是主要的。因此，即使當(dāng)以低精度對(duì)輸出信號(hào)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換而增加 A/D轉(zhuǎn)換中的量化誤差時(shí)，也很難削弱圖像質(zhì)量。
<設(shè)置不同A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子〉
隨后，將參考圖21給出關(guān)于以圖17所示的ADC電路166的配置設(shè)置不 同的A/D轉(zhuǎn)換精度的具體例子的描述。
使得參考信號(hào)Vref的傾斜是N形的(N-fold)，由此使得能夠?qū)⒚恳挥?jì)數(shù) 的電壓值(即A/D轉(zhuǎn)換中的最小檢測(cè)量)變得粗糙。例如，如圖21所示， 在第一次讀出操作中，使得參考信號(hào)Vref的傾斜程度(ramp)是第二次讀出 操作中的參考信號(hào)Vref的傾斜程度的兩倍，由此將具有設(shè)置了低轉(zhuǎn)換精度的 A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用于第 一次讀出操作。
另一方面，當(dāng)將基于三分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)彼此相加時(shí)，在時(shí)鐘 CK的一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)計(jì)數(shù)值增加了 N,這使得可以用相同的權(quán)重因子將基于三分 割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)彼此相力口，其中與時(shí)鐘CK同步地操作計(jì)數(shù)器1662。
例如，當(dāng)如圖21所示參考信號(hào)Vref的傾斜程度是兩倍時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘計(jì) 數(shù)值增加2或減少2,這使得執(zhí)行具有相同權(quán)重因子的加法，同時(shí)降低了轉(zhuǎn) 換精度。
另外，改變參考信號(hào)Vref的傾斜程度而使得計(jì)數(shù)值不是N形的，或者使 得計(jì)數(shù)值是N形的而不改變參考信號(hào)Vref的傾斜程度，這使得也可以將基于 分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的輸出信號(hào)彼此相加，同時(shí)分別乘以任意的權(quán)重因子。圖22是示出了當(dāng)將光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的電荷的最大量設(shè)置為10, 000個(gè)電子時(shí)入射光強(qiáng)度(累積電荷)與讀出的信號(hào)的噪聲電平之間的關(guān)系 的特性圖。在此情況下，讀出操作中的固定模式噪聲對(duì)應(yīng)于2e'，讀出操作中 的隨機(jī)噪聲對(duì)應(yīng)于7e、并且包含對(duì)應(yīng)于累積電荷的光射噪聲作為噪聲分量。
如圖22所示，在具有較少的累積電荷的低亮度區(qū)域中，暗階段噪聲電平 是主要的。然而，當(dāng)入射光的強(qiáng)度增加并且累積的電荷量因此增加時(shí)，光射 噪聲變成主要的。由于此原因，將設(shè)置了高轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用到低亮 度，導(dǎo)致即使在例如如圖22所示，將設(shè)置了低轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用于 高亮度的情況下，由于在A/D轉(zhuǎn)換中量化誤差沒有變?yōu)橹饕?，因此很難惡 化圖像質(zhì)量。
在此例子中，在12位、10位和8位的A/D轉(zhuǎn)換中，每1LSB的轉(zhuǎn)換精 度分別是2.4 e\ 9.8 e-和39.1 e\因此，當(dāng)如圖22所示基于四分割而轉(zhuǎn)移累 積電荷時(shí)，將如圖13所示的轉(zhuǎn)換精度應(yīng)用于相應(yīng)的四個(gè)分割，使得取決于與 1LSB相對(duì)應(yīng)的電子數(shù)的量化誤差比諸如光射噪聲的噪聲分量小得多。結(jié)果， 這很難對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
另外，盡管在第一到第三實(shí)施例的每個(gè)中，目前為止已經(jīng)通過給出將本 發(fā)明應(yīng)用于CMOS圖像傳感器(其包括具有通過一個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管22基于分 割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷轉(zhuǎn)移到公共浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26、并將其 連續(xù)讀出到公共垂直信號(hào)線111的配置的單位像素20)的情況作為例子而給 出了描述，但是本發(fā)明絕不限于此，并且可以做出各種改變。 (變型1)
圖23是示出了變型1的單位像素20A的像素電路的電路圖。在圖中， 分別由相同的參考標(biāo)記指示與先前參考圖2所描述的那些單元相同的單元。
如圖23所示，變型1的單位像素20A包括用于單個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件21的 轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n、復(fù)位晶體管23-1至23-n、放大晶體管24-1至24-n、 選擇晶體管25-1至25-n和浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26-1至26-n，以便對(duì)應(yīng)于分割基 礎(chǔ)轉(zhuǎn)移中的分割的數(shù)量n。
在單位像素20A中，由轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n基于分割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn) 換元件21中的電荷分別轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26-1至26-n，以分別 通過分離的輸出電路(包括復(fù)位晶體管23-1至23-n、放大晶體管24-1至24-n 和選擇晶體管25-1至25-n)獲得以n個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)Vout-l至Vout-n的形式的電荷。
如目前為止已經(jīng)描述的，還可以將本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用于包括單位像素
20A的CMOS圖像傳感器，該單位像素20A具有通過轉(zhuǎn)移晶體管22-1至22-n 基于分割轉(zhuǎn)移將光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷分別轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的浮動(dòng)擴(kuò)散電容 器26-l至26-n以分別通過分離的輸出電路而讀出的配置。另外，將分別通過 分離的輸出電路而讀出的n個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)Vout-l至Vout-n彼此相加，由 此使得能夠獲得與上述實(shí)施例的情況相同的4喿作和效果。 (變型2)
圖24是示出了變型2的單位像素20B的像素電路的電路圖。在圖中，分 別由相同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖2所述的那些單元相同的單元。
如圖24所示，配置變型2的單位像素20B，使得電流源31被連接在與 放大晶體管24串聯(lián)的選擇晶體管25的漏電極與電源之間，并且從選擇晶體 管25的漏節(jié)點(diǎn)得到輸出信號(hào)Vout。
在單位像素20B中，浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26中的電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率取決于 浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26和垂直信號(hào)線lll之間的寄生電容的電容值Ci。因此，使 得寄生電容的電容器Ci比浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26的電容值Cfd小，由此使得能 夠提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率。
在此，獲得高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率的效果的條件是Qi.max<Qfd.max的關(guān) 系，其中Qfd.max是浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26中累積的電荷的最大量，而Qi.max 是寄生電容Ci中累積的電荷的最大量。由于此原因，必須以比累積電荷的最 大量Qfd.max更小的累積的電荷最大量Qi.max作為一個(gè)單位，基于分割轉(zhuǎn)移 來轉(zhuǎn)移在光電轉(zhuǎn)換元件21中累積的、具有量Qpd的電荷。
如目前為止已經(jīng)描述的，包括具有高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率或高電壓放大因 子的單位像素20B的CMOS圖像傳感器在S/N比率方面具有優(yōu)勢(shì)，而可能存 在對(duì)于能夠在一個(gè)讀出操作中讀出的電荷量的限制。
將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分割轉(zhuǎn)移應(yīng)用于包括單位像素20B的圖像傳感 器，以便基于分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷，這使得可以根據(jù)讀 出電路的輸出范圍，有效地輸出光電轉(zhuǎn)換元件21中生成的所有電荷。
另夕卜，在圖24所示的變型1的單位像素20B中，必須在讀出電路的操作 點(diǎn)處設(shè)置復(fù)位階段中的電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元(浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26)的電壓。然 而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移的應(yīng)用使得能夠控制基于分割轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移的電荷量，而不依賴于電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元的電勢(shì)。 (變型3)
圖25是示出變型3的單位像素20C的像素電路的電路圖。在圖中，分別 由相同的參考標(biāo)記來指示與先前參考圖2所述的那些單元相同的單元。
如圖25所示，配置變型3的單位像素20C,使得代替放大晶體管24,在 浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26和選擇晶體管25之間連接逆放大電路27,并且復(fù)位晶體 管23與逆放大電路27并聯(lián)。以這種方式在像素內(nèi)部提供逆放大電路27，使 得可以放大信號(hào)電平以提高S/N比率。
在包括單位像素20C (以這種方式在像素內(nèi)部提供逆放大電路27)的 CMOS圖像傳感器中，當(dāng)將逆放大電路27的放大因子設(shè)置為-A時(shí)，在某些 情況下，當(dāng)將具有最大量Qfd.max的累積電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26時(shí)輸 出電壓Vout的幅度-A'Qfd,max/Cfd超出了輸出Vout的可輸出范圍AVoutpp。
在此情況下，為了以輸出信號(hào)的形式輸出所有電荷，必須以如下電荷量 為單位來執(zhí)行分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移其中將小于浮動(dòng)擴(kuò)散電容器26中累積的電荷的 最大量Qfd.max的電荷量Qmid ( <Qfd.max )設(shè)置為最大值。
將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分割基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移應(yīng)用于包括單位像素20C的
CMOS圖像傳感器，并且基于任意分割轉(zhuǎn)移來轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換元件21中的電荷， 這使得可以對(duì)應(yīng)于輸出電壓Vout的可輸出范圍AVout.pp，有效地輸出光電轉(zhuǎn) 換元件21中生成的所有電荷。
注意，在上述第一到第三實(shí)施例的每個(gè)中，目前為止已經(jīng)通過給出將本 發(fā)明應(yīng)用于如下CMOS圖像傳感器的情況作為例子而給出了描述在該 CMOS圖像傳感器中，將每個(gè)用于^r測(cè)以物理量的形式的、對(duì)應(yīng)于可見光量 的信號(hào)電荷的單位像素排列為矩陣。然而，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于CMOS圖 像傳感器。也就是說，本發(fā)明還可以應(yīng)用于每個(gè)都使用列系統(tǒng)(其中，對(duì)像 素陣列單元的每個(gè)像素列排列列電路)的一般固態(tài)成像設(shè)備。
另外，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于用于檢測(cè)入射可見光量的分布而以圖像的 形式捕獲其分布的成像設(shè)備。也就是說，本發(fā)明還可應(yīng)用于用于檢測(cè)入射紅 外線、X射線、粒子等的量的分布而以圖像的形式捕獲其分布的所有固態(tài)成 像設(shè)備，以及諸如指紋檢測(cè)傳感器的、用于廣義地檢測(cè)諸如壓力或靜電電容 的其他物理量的分布而以圖像的形式來捕獲其分布的固態(tài)成像設(shè)備(物理量 分布檢測(cè)設(shè)備)。此外，本發(fā)明絕不限于應(yīng)用于通過連續(xù)掃描以行為單位的像素陣列單元 的單位像素而從各個(gè)單位像素讀出像素信號(hào)的固態(tài)成像設(shè)備。也就是說，本 發(fā)明還可以應(yīng)用于X-Y地址型固態(tài)成像設(shè)備，用于以像素為單位來選擇任意 像素，并從以像素為單位而由此選擇的各個(gè)像素中讀出信號(hào)。
注意，固態(tài)成像設(shè)備可以具有由單芯片形成的形式，或者可以具有其中 集合封裝了成像單元和信號(hào)處理單元或光學(xué)系統(tǒng)的、具有成像功能的模塊形 式。
另外，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于固態(tài)成像設(shè)備，而且可以應(yīng)用于成像裝置。 在此，成像裝置意味著諸如數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)或視頻相機(jī)的相機(jī)系統(tǒng)，或者諸如 移動(dòng)電話的具有成像功能的電子裝置。注意，成像裝置還意味著安裝在電子 裝置上的上述模塊形式，即某些情況下的相機(jī)模塊。
圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像裝置的配置的方框圖。如圖 26所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像裝置50包括具有鏡頭組51的光學(xué)系統(tǒng)、 固態(tài)成像設(shè)備52、作為相機(jī)信號(hào)處理電路的DSP電路53、幀存儲(chǔ)器54、顯 示設(shè)備55、記錄設(shè)備56、操縱系統(tǒng)57、電源系統(tǒng)58等。而且，DSP電路53、 幀存儲(chǔ)器54、顯示設(shè)備55、記錄設(shè)備56、操縱系統(tǒng)57和電源系統(tǒng)58通過 總線59 4皮此連接。
鏡頭組51捕獲來自對(duì)象的入射光(圖像光)，以將入射光聚焦在固態(tài)成 像設(shè)備52的成像區(qū)域上。固態(tài)成像設(shè)備52以像素為單位，將由鏡頭組51聚 焦在成像區(qū)域上的入射光的量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并以像素信號(hào)的形式輸出電信 號(hào)。使用上述第一到第三實(shí)施例的每個(gè)的CMOS圖像傳感器IO作為固態(tài)成 像設(shè)備52。
顯示設(shè)備55由諸如液晶顯示設(shè)備或有機(jī)電致發(fā)光(EL)顯示設(shè)備的平 板型顯示設(shè)備組成。顯示設(shè)備55上顯示由固態(tài)成像設(shè)備52捕獲的運(yùn)動(dòng)圖像 或靜止圖像。記錄設(shè)備56將關(guān)于由固態(tài)成像設(shè)備52捕獲的運(yùn)動(dòng)圖像或靜止 圖像的數(shù)據(jù)記錄在諸如錄像帶或數(shù)字通用盤(DVD)的記錄介質(zhì)中。
操縱系統(tǒng)57在用戶進(jìn)行的操縱下，發(fā)出關(guān)于該實(shí)施例的成像裝置所具有 的各種功能的操縱命令。電源系統(tǒng)58適當(dāng)?shù)貙⒊蔀橛糜贒SP電路53、幀存 儲(chǔ)器54、顯示設(shè)備55、記錄設(shè)備56和操縱系統(tǒng)57的操作電源的各種電源分 別供應(yīng)給供電的這些對(duì)象。如目前為止已經(jīng)描述的，在諸如用于視頻相機(jī)或數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)的相機(jī)模 塊的成像裝置中，或諸如移動(dòng)電話的移動(dòng)裝置中，上述實(shí)施例的CMOS圖像
傳感器10用作其固態(tài)成像設(shè)備52,這使得通過CMOS圖像傳感器10，可以 以高轉(zhuǎn)換效率讀出累積電荷而不削弱飽和電平。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度成
像裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要在所附權(quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)， 視設(shè)計(jì)需要和其他因素，可以進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變更。
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本發(fā)明包含與2007年4月12日在日本專利局提交的日本專利申請(qǐng)JP 2007-104425有關(guān)的主題，通過引用將其全部?jī)?nèi)容合并于此。
權(quán)利要求
1. 一種固態(tài)成像設(shè)備，包括像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素而形成，每個(gè)所述單位像素包括被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；第一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保持的所有信號(hào)電荷；以及第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū)動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，所述第一驅(qū)動(dòng)部件將具 有不同電壓值的控制電壓作為第一控制電壓供應(yīng)給所述轉(zhuǎn)移元件兩次或更多 次，并且以兩批或更多批轉(zhuǎn)移所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括加法部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下，將通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個(gè) 輸出信號(hào)相加。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下將通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出 的多個(gè)輸出信號(hào)相加的同時(shí)，執(zhí)行;虔擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于對(duì)在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下、通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀 出的多個(gè)輸出信號(hào)執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，還包括 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下將通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出 的多個(gè)輸出信號(hào)相加的同時(shí)，執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部件 對(duì)應(yīng)于多個(gè)輸出信號(hào)從所述輸出部件的讀出而逐漸增加轉(zhuǎn)換精度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述單位像素包括多個(gè)轉(zhuǎn)移元件，被配置用于以多批轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電 轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷；以及多個(gè)輸出部件，被配置用于輸出由所述多個(gè)轉(zhuǎn)移元件轉(zhuǎn)移到其處的信號(hào) 電荷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中所述單位像素還包括 電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元，由所述轉(zhuǎn)移元件將通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷的 一部分從所述光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)移到該電荷-電壓轉(zhuǎn) 換單元；以及被配置用于以下的部件在由所述輸出部件從所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元中后，以預(yù)定電勢(shì)復(fù)位所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
10. —種驅(qū)動(dòng)通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備的方法，每個(gè)所 述單位像素包括被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn) 移元件、以及被配置用于輸出由所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件， 所述方法包括步驟通過使用第 一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中在一個(gè)單位的累積時(shí) 間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷的 一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn) 換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持 的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所 述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保持的所有信號(hào)電荷；以及讀出通過連續(xù)進(jìn)行使用所述第一控制電壓的驅(qū)動(dòng)和使用所述第二控制電 壓的驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像設(shè)備的方法，其中將具有不同 電壓值的控制電壓作為第一控制電壓供應(yīng)給所述轉(zhuǎn)移元件兩次或更多次，并 且以兩批或更多批轉(zhuǎn)移所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像設(shè)備的方法，其中所述單位像 素還包括電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元，由所述轉(zhuǎn)移元件將通過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電 轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷的一部分從所述光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)移到該電荷-電壓轉(zhuǎn) 換單元，其中在由所述輸出部件從所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元中讀出通過所述光 電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)電荷的所述一部分之后，以預(yù)定電勢(shì) 復(fù)位所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換單元。
13. —種用于固態(tài)成像設(shè)備的信號(hào)處理方法，該固態(tài)成像設(shè)備包括 像素陣列單元，通過以矩陣排列單位像素而形成，每個(gè)所述單位像素包括被配置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通 過所述光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及 被配置用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；第一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一控制電 壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移元件， 其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元中所保 持的所有信號(hào)電荷；以及第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第一驅(qū)動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷， 所述信號(hào)處理方法包括步驟在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn)移元件的驅(qū)動(dòng)下，將通過所述第 三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀出的多個(gè)輸出信號(hào)相加。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號(hào)處理方法，還包括 步驟對(duì)多個(gè)輸出信號(hào)執(zhí)行具有不同轉(zhuǎn)換精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號(hào)處理方法，其中在將多個(gè)輸出信號(hào)彼此相加的同時(shí)，對(duì)所述多個(gè)輸出信號(hào)執(zhí)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于固態(tài)成像設(shè)備的信號(hào)處理方法，其中對(duì) 應(yīng)于多個(gè)輸出信號(hào)從所述輸出部件的讀出而逐漸增加用于所述多個(gè)輸出信號(hào) 的轉(zhuǎn)換精度。
17. —種成像裝置，包括通過排列單位像素而形成的固態(tài)成像設(shè)備，每個(gè)所述單位像素包括被配 置用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元、被配置用于轉(zhuǎn)移通過所述 光電轉(zhuǎn)換單元中的光電轉(zhuǎn)換而獲得的所述信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移元件、以及被配置 用于輸出通過所述轉(zhuǎn)移元件所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷的輸出部件；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將入射光聚焦到所述固態(tài)成像設(shè)備的成像區(qū)域上； 其中，所述固態(tài)成像設(shè)備包括第一驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第一控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移 元件，其中在一個(gè)單位的累積時(shí)間段內(nèi)在所述光電轉(zhuǎn)換單元中累積的信號(hào)電 荷的一部分被保持在所述光電轉(zhuǎn)換單元中，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第一 控制電壓來轉(zhuǎn)移具有超過所保持的信號(hào)電荷量的量的累積電荷；第二驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于通過使用第二控制電壓來驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)移 元件，其中所述轉(zhuǎn)移元件根據(jù)所述第二控制電壓來轉(zhuǎn)移在所述光電轉(zhuǎn)換單元 中所保持的所有信號(hào)電荷；第三驅(qū)動(dòng)部件，被配置用于驅(qū)動(dòng)所述輸出部分以便讀出通過所述第 一驅(qū)動(dòng)部件和所述第二驅(qū)動(dòng)部件連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷；以及信號(hào)處理部件，被配置用于在由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)部件對(duì)所述轉(zhuǎn) 移元件的驅(qū)動(dòng)下，將通過所述第三驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)而從所述輸出部件連續(xù)讀 出的多個(gè)輸出信號(hào)相加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)方法、信號(hào)處理方法和成像裝置。該固態(tài)成像設(shè)備包括像素陣列單元、第一驅(qū)動(dòng)部件、第二驅(qū)動(dòng)部件和第三驅(qū)動(dòng)部件。
文檔編號(hào)H04N5/374GK101287064SQ20081009177
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者大池佑輔 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社