專利名稱：圖像傳感設(shè)備,信號(hào)檢測(cè)設(shè)備,和信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感設(shè)備，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備和信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備，并且尤其涉及信號(hào)從象素或單元中的讀取控制。


圖1A和1B分別為表示傳統(tǒng)二維固態(tài)圖像傳感設(shè)備的象素部分的等效電路圖。在圖1A和1B中，電路分別包括電源線1、復(fù)位開關(guān)線2、選擇開關(guān)線3、信號(hào)輸出線4和光電二極管5。圖1A中電路還包括轉(zhuǎn)換開關(guān)線6。圖1A表示的固體圖像傳感設(shè)備電路是由Eric R.Fossum等，IEDM,1993報(bào)道的。(技術(shù)參考1IEDM93,pp.583～586)。圖1B表示在“ISSCC96/Session 1/Plenary Session/Paper TA1.2”中報(bào)道的固體像傳感設(shè)備電路。圖2是表示圖1B中電路的一個(gè)例子，其中象素二維布置，并且增加了用于讀出圖像信號(hào)的讀取電路。
這種在每個(gè)象素中包含信號(hào)放大器的二維固體圖像傳感器要求多個(gè)開關(guān)元件和多個(gè)組成除光電二極管外的信號(hào)放大器的元件。在圖1A中，一個(gè)象素要求一個(gè)光電二極管和四個(gè)MOS晶體管，必然增大一個(gè)象素的尺寸。
以下將敘述圖1A和圖2中電路的基本操作。
(1)通過復(fù)位開關(guān)Q2執(zhí)行在源極跟隨器Q3的輸入節(jié)點(diǎn)輸入復(fù)位電壓的復(fù)位操作，并且通過選擇開關(guān)Q4選擇一行。
(2)浮置源極跟隨器Q3的輸入節(jié)點(diǎn)。讀取由復(fù)位噪聲和例如MOS源極跟隨器Q3的閾值電壓變化的這些固定的圖形雜波組成的噪聲分量，并且在信號(hào)存儲(chǔ)器15中暫時(shí)保持讀取出的信息。
(3)轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1開/關(guān)以把光信號(hào)產(chǎn)生的存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)換到源極跟隨器Q3的輸入節(jié)點(diǎn)。讀出噪聲分量和光信號(hào)分量的總和，并保持在信號(hào)存器15中。
(4)通過公用信號(hào)線轉(zhuǎn)換開關(guān)18和18’，分別把噪聲分量信號(hào)和噪聲與光信號(hào)分量信號(hào)讀出到公用信號(hào)線19和19’。通過緩沖放大器，從公用信號(hào)線19和19’的輸出分別產(chǎn)生輸出13和輸出14。在下一階段，通過計(jì)算輸出13和14間的差，可以去掉復(fù)位噪聲和固定圖形雜波。值得注意的是垂直移位寄存器12和水平移位寄存器16在連續(xù)地掃描象素。
相反，在圖1B中，一個(gè)象素要求一個(gè)光電二極管和三個(gè)MOS晶體管，比圖1A中少了一個(gè)晶體管，并且可以省去轉(zhuǎn)換開關(guān)線，這大大減小了象素尺寸。
但是，由于缺少轉(zhuǎn)換開關(guān)，圖1B的象素不包含在存儲(chǔ)期間保持每個(gè)象素噪聲分量的機(jī)理。因此，無法去掉噪聲，并且圖像傳感設(shè)備的信號(hào)分量與噪聲分量的比，即S/N，比圖1A中的低。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，很難實(shí)現(xiàn)高S/N比并減小象素尺寸。此外，隨著選擇開關(guān)Q4電壓下降動(dòng)態(tài)范圍變窄。
本發(fā)明的目的是減小象素或單元的尺寸。
本發(fā)明的另一目的是防止象素動(dòng)態(tài)范圍的壓縮。
為了完成上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一圖像傳感設(shè)備，包括多個(gè)象素，每個(gè)象素包含光電轉(zhuǎn)換裝置、用于放大從光電轉(zhuǎn)換裝置中來的信號(hào)的放大裝置、把來自光電轉(zhuǎn)換裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換到放大裝置的轉(zhuǎn)換裝置和在放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，用來控制從放大裝置中讀取信號(hào)的讀取控制裝置。
根據(jù)另一實(shí)施例，提供包括多個(gè)單元的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，每個(gè)單元包含檢測(cè)裝置、用于放大從檢測(cè)裝置中來的信號(hào)的放大裝置、把信號(hào)從檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)換到放大裝置的轉(zhuǎn)換裝置和在放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，用來控制信號(hào)從放大裝置中讀取的讀取控制裝置。
根據(jù)另一實(shí)施例，提供包括多個(gè)單元的信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備，每個(gè)單元包含存儲(chǔ)裝置、用來放大從存儲(chǔ)裝置中來的信號(hào)的放大裝置、把信號(hào)從檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)換到存儲(chǔ)裝置的轉(zhuǎn)換裝置和在放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，用來控制從放大裝置中讀取信號(hào)的讀取控制裝置。
利用上述方案能夠減小象素或單元的尺寸。
象素能得到一個(gè)寬的動(dòng)態(tài)范圍。
從以下結(jié)合附圖的說明中將可了解本發(fā)明的其它目的和特征。
圖1A和1B是等效電路圖，每個(gè)表示一傳統(tǒng)象素；圖2是包括傳統(tǒng)讀取系統(tǒng)的等效電路圖；圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一個(gè)象素和一列象素的等效電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一個(gè)象素的等效電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的等效電路圖；圖6是用在本發(fā)明中的一個(gè)光電二極管和一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的剖面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的信號(hào)放大器的特征曲線圖；圖8是用于本發(fā)明第一實(shí)施例的象素晶體管上的脈沖時(shí)序圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的一個(gè)象素的等效電路圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的等效電路圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的等效電路圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的簡(jiǎn)單等效電路圖；圖13是用于本發(fā)明第六實(shí)施例的象素晶體管上的脈沖時(shí)序圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的簡(jiǎn)單等效電路圖；圖15是用于本發(fā)明第七實(shí)施例的象素晶體管和主晶體管上的脈沖時(shí)序圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的一個(gè)象素的等效電路圖；并且圖17是根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的包括讀取系統(tǒng)的簡(jiǎn)單等效電路圖。
首先說明第一到第九實(shí)施例的共同部分。
圖3A是最佳表示本發(fā)明特征的一個(gè)象素等效電路圖。圖3B是用來解釋根據(jù)本發(fā)明的讀取例子的電路圖。參考圖3A和3B將解釋本發(fā)明的原理。
圖3A中光線產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在光電二極管5中。通過晶體管Q2把預(yù)定電壓輸入到信號(hào)放大器3的輸入端。該操作將稱為以下的復(fù)位操作。轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1開/關(guān)以把信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換到信號(hào)放大器3的輸入端。作為轉(zhuǎn)換信號(hào)電荷的一種裝置，光電二極管5與信號(hào)放大器3的輸入端可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1直接電連接。它們可以通過不僅一個(gè)連接晶體管而是多個(gè)晶體管連接。至少一個(gè)電荷耦合移位寄存器構(gòu)成電荷轉(zhuǎn)換裝置。換句話說，就信號(hào)信息能通過任何裝置轉(zhuǎn)換到信號(hào)放大器3輸入端而言，本發(fā)明不局限于電荷轉(zhuǎn)換裝置。
此時(shí)，通過在復(fù)位操作之后立即保持信號(hào)放大器3的輸出信號(hào)，并且在轉(zhuǎn)換信號(hào)電荷之后從信號(hào)放大器3的輸出中減去它以去掉噪聲分量。尤其當(dāng)光電二極管為掩埋光電二極管，通過這樣設(shè)計(jì)光電二極管5使得因信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換光電二極管5的存儲(chǔ)區(qū)充分地耗盡后，殘余電荷數(shù)變?yōu)?，例如約0到10個(gè)電子，來去掉復(fù)位操作產(chǎn)生的各種隨機(jī)噪聲。
圖3B是表示如下狀態(tài)的電路圖，其中信號(hào)放大器31到34連接到公共信號(hào)輸出線7上，放大器31到34用于二維布置的象素內(nèi)給定列上的各象素，其中信號(hào)放大器3基本上包括多輸入信號(hào)放大器裝置的輸入，并且有連接到電源8的負(fù)載36。作為該負(fù)載，一個(gè)以參考電位點(diǎn)為地的恒流電源被用來在源極跟隨器方案中操作信號(hào)放大器31到34。但是，信號(hào)放大器3可以根據(jù)目的由一個(gè)或兩個(gè)或更多個(gè)元件組成。本發(fā)明中，很重要的是由信號(hào)放大器3構(gòu)成的信號(hào)放大器裝置是由比較電路或加法電路表示的多輸入信號(hào)放大器電路3。圖3B中信號(hào)放大器3的負(fù)載36取決于信號(hào)放大器3構(gòu)成的信號(hào)放大器裝置的操作方案。例如，如果信號(hào)放大器裝置是第一實(shí)施例表示的跟隨放大器(將在后面說明)，負(fù)載36就是恒流電源，并且電源8接地。如果信號(hào)放大器裝置是第二實(shí)施例表示的使用電阻負(fù)載的反向放大器(將在后面說明)，信號(hào)放大器31到34的負(fù)載36就是電阻，并且電源8是電源電壓VDD。
將說明操作原理。例如，在第一實(shí)施例表示的跟隨器型信號(hào)放大器裝置中，沒有行選擇開關(guān)時(shí)從信號(hào)放大器裝置中輸出的是呈現(xiàn)最高電壓輸出的行的輸出。在輸出隨光信號(hào)增加而減小的象素布置中，不能從目標(biāo)行中讀出光信號(hào)，并且不希望地輸出了任意行的暗電平。作為防止該情況的方法，傳統(tǒng)布置使用了選擇開關(guān)。相反，在本發(fā)明中，當(dāng)讀出光信號(hào)時(shí)，把用于截止源極跟隨器晶體管的電壓輸入到不讀取行上的信號(hào)放器的輸入端，把用于導(dǎo)通晶體管的電壓輸入到要讀取行上的信號(hào)放大器的輸入端。這樣，只有讀取行被激活，接受到導(dǎo)通電壓的行上的輸出出現(xiàn)在信號(hào)放大器的輸出端7。下述方法將能讀取出去掉平均隨機(jī)噪聲的信號(hào)。
雖然“用于截止晶體管的電壓”被輸入了，為了只選擇讀取行的目的晶體管不需要完全截止。例如，當(dāng)電源電壓為5.0V，輸入5.0V的導(dǎo)通電壓以選擇讀取行時(shí)，在非選擇行上加2V時(shí)輸入晶體管沒有完全截止。當(dāng)選擇行輸入電壓為2V或更大時(shí)，選擇行上的信號(hào)輸出到信號(hào)放大器的輸出端7。當(dāng)選擇行的輸入電壓為2V或更小時(shí)，與2V輸入電壓對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出到信號(hào)放大器的輸出端7。這種方法也可以限制飽和輸出電壓。
將舉例說明該讀取方法。在下面的例子中能去掉復(fù)位操作產(chǎn)生的平均隨機(jī)噪聲。
(1)讀取信號(hào)時(shí)通過晶體管Q2輸入截止電壓。
(2)為了從選擇行上讀出信號(hào)，通過晶體管Q2把導(dǎo)通電壓輸入到已處于截止電壓的輸入端。
結(jié)果，在選擇行上的信號(hào)放大器被激活。
(3)截止晶體管Q2，由固定圖形雜波和輸入端隨機(jī)噪聲組成的信號(hào)放大器裝置輸出保持在與圖17中信號(hào)存儲(chǔ)器15對(duì)應(yīng)的部分中。
(4)轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1開/關(guān)以把存儲(chǔ)在光電二極管5中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換到信號(hào)放大器3的輸入端。
(5)由信號(hào)電荷加(3)中噪聲信號(hào)得到的信號(hào)放大器裝置輸出保持在對(duì)應(yīng)于圖17中信號(hào)存儲(chǔ)器15的部分。
(6)信號(hào)讀出之后，為了使行上信號(hào)放大器3的失活，通過晶體管Q2把截止電壓輸入到信號(hào)放大器3的輸入端。
(7)從保持在信號(hào)存儲(chǔ)器15中的由噪聲信號(hào)和(5)中的信號(hào)電荷組成的輸出信號(hào)減去由(3)中的噪聲信號(hào)組成的輸出信號(hào)。
用具有運(yùn)算放大器的微分電路和容性鉗位電路執(zhí)行減法。
通過步驟(1)到(7)能去掉噪聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)高S/N比的圖像傳感設(shè)備。
作為另一種讀取方法，例如，可以改變讀出噪聲信號(hào)的順序。也就是，在由噪聲信號(hào)和信號(hào)電荷組成的輸出信號(hào)被讀出之后，執(zhí)行復(fù)位操作。讀出由噪聲信號(hào)組成的輸出信號(hào)并從由噪聲信號(hào)和信號(hào)電荷組成的輸出信號(hào)中減去它。這種情況下，無法去掉復(fù)位操作產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，但可去掉信號(hào)放大器的固定圖形雜波。
如此，為了把象素信號(hào)輸出到信號(hào)輸出線上，本發(fā)明不需要傳統(tǒng)選擇開關(guān)。因此元件數(shù)目減少，這大大減小了象素尺寸。
在圖像傳感設(shè)備中，信號(hào)放大器必須有線性度和動(dòng)態(tài)范圍。但是如果存在選擇開關(guān)，選擇開關(guān)的電阻成分會(huì)降低線性度。例如圖1A所示，當(dāng)插入由MOS晶體管組成的選擇開關(guān)Q4時(shí)，在MOS源極跟隨器Q3的柵極電壓為低的區(qū)域里在選擇開關(guān)Q4上加有足夠的柵源電壓VGS。因此，恒流電源的電流能在低漏源電壓VDS下流動(dòng)，并且可以忽略選擇開關(guān)Q4上的電壓降。相反，在MOS源極跟隨器Q3的柵極電壓為高的區(qū)域，選擇開關(guān)Q4的VGS為低，所以需要高的VDS。選擇開關(guān)Q4上電壓降按平方增加，這大大降低了線性度，同時(shí)輸出電壓也減小，這壓縮了動(dòng)態(tài)范圍。
為防止線性度降低，選擇開關(guān)可以布置在MOS源極跟隨器Q3的VDD端。既使這種情況選擇開關(guān)Q4的VGS也不能得到保證，選擇開關(guān)Q4的電壓降增加，動(dòng)態(tài)范圍被壓縮。電壓降V由式V=(Iconst/β)+Vth]]>定性給出。
Iconst作為源極跟隨器Q3負(fù)載的恒流電源的電流值。
Vth包括襯底偏置效應(yīng)的MOS選擇開關(guān)Q4的閾值電壓。
β表示選擇開關(guān)Q4驅(qū)動(dòng)力的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
這種情況下，對(duì)應(yīng)全部行的MOS Q3的氧化物薄膜電容加到了信號(hào)輸出線4上，負(fù)載電容大，很難執(zhí)行高速操作。
為了執(zhí)行高速操作，必須設(shè)置大Iconst。如上述等式所表示的，大的Iconst使選擇開關(guān)Q4上電壓降不希望地變大。
但是，如果截止電壓輸入到在非選擇行上構(gòu)成MOS源極跟隨器Q3的MOS晶體管上，沒有加上氧化物薄膜電容。因此，可以提供由于無選擇開關(guān)Q4而具有寬動(dòng)態(tài)范圍的圖象傳感設(shè)備。
本發(fā)明不局限于用于讀取出光信號(hào)的圖像傳感設(shè)備，可用于磁性檢測(cè)設(shè)備，其中單元由作為信號(hào)檢測(cè)元件的磁傳感器構(gòu)成，而不是上述象素中的光電二極管，并且單元二維布置。
本發(fā)明也可以用于模擬存儲(chǔ)器，其中單元由保持電容器構(gòu)成，而不是圖3A中的光電二極管。該模擬存儲(chǔ)器中，例如，模擬數(shù)據(jù)提供到復(fù)位電源線上，并通過Q2和Q1寫入保持電容器中。通過與讀取光信號(hào)相同的過程讀取出寫在保持電容器中的模擬數(shù)據(jù)。例如，設(shè)計(jì)模擬存儲(chǔ)器寫入256個(gè)灰度級(jí)，也即，一個(gè)單元中8-位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為一模擬數(shù)據(jù)，并且由1,000,000個(gè)單元構(gòu)成。結(jié)果可以提供8-兆位模擬存儲(chǔ)器。
在上述說明的布置中，具有在半導(dǎo)體工藝控制下的小面積和簡(jiǎn)單布置的信號(hào)放大器由在源極跟隨器方案中操作的MOS晶體管和反向放大電阻器負(fù)載的MOS晶體管構(gòu)成。
根據(jù)上述說明仔細(xì)解釋第一到第九個(gè)實(shí)施例。
圖4是第一實(shí)施例的象素部分等效電路圖。圖5是為了解釋第一實(shí)施例，還包括一讀取系統(tǒng)的電路圖。第一實(shí)施例中的光電二極管是如圖6所示的掩埋光電二極管。作為光接收部分的掩埋光電二極管是由在n型硅襯底601上的P型阱區(qū)602中形成的n型層603構(gòu)成的。在n型層603上形成的P型表面層604是暗電流阻止表面層。在P型阱區(qū)602和柵極電極606之間形成絕緣層607。圖6中柵電極606作為圖4中轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1的柵電極，并且n+型區(qū)605與圖4中源極跟隨器Q3的柵電極相連。圖4中源極跟隨器Q3的一端與圖5中信號(hào)輸出線503相連。源極跟隨器Q3通過信號(hào)輸出線503與恒流電源514相連以形成源極跟隨器并放大信號(hào)。圖4中，轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1是把存儲(chǔ)在光電二極管405中的電荷轉(zhuǎn)換到作為信號(hào)放大器輸入端的源極跟隨器Q3的柵極的開關(guān)。圖4中，復(fù)位開關(guān)Q2是把復(fù)位電源402中設(shè)置的電壓輸入到輸入端的開關(guān)。圖5中，在行單元中讀出信號(hào)。如上述，先讀出噪聲信號(hào)并且保持在由布置在每個(gè)元件中的噪聲和信號(hào)電容器組成的信號(hào)存儲(chǔ)器506中。讀出光信號(hào)并保持在信號(hào)存儲(chǔ)器506中。噪聲信號(hào)和光信號(hào)讀取到信號(hào)存儲(chǔ)器506后，保持在信號(hào)存儲(chǔ)器506中的噪聲和光信號(hào)，利用水平移位寄存器，通過開關(guān)QHnk和QHsk的開/關(guān)以時(shí)間序列方式被讀取到公共信號(hào)線1(509)和公共信號(hào)線2(510)，并且作為噪聲信號(hào)511和光信號(hào)512通過輸出放大器513向外輸出。利用兩種電路，即鉗位電路和微分電路，從光信號(hào)(=光分量+噪聲分量)中減去噪聲信號(hào)(=噪聲分量)。結(jié)果，不需在象素中布置任何行選擇象素開關(guān)就能讀出信號(hào)，并且不用形成任何選擇開關(guān)開孔，使象素尺寸減小了。此外，能得到與傳統(tǒng)設(shè)備相等的S/N比。
圖8表示了用于第一實(shí)施例的每個(gè)象素晶體管上的脈沖時(shí)序，即從象素到信號(hào)存儲(chǔ)器506的噪聲和光信號(hào)讀取之間的周期。
圖8中Qn和Qs是到信號(hào)存儲(chǔ)器506中的寫開關(guān)時(shí)序。
圖7表示作為信號(hào)放大器使用的源極跟隨器的輸入/輸出特性。曲線a代表第一實(shí)施例中的輸入/輸出特性，輸入電壓A是最高輸入電壓。源極跟隨器的輸入電壓c是最低輸入電壓，此處保證為線性區(qū)域，并被設(shè)置為讀出最高信號(hào)電荷的電壓。曲線b代表當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍因在輸入電壓B處飽和而變窄時(shí)的特性。曲線c代表當(dāng)源極跟隨器有大損耗和絕對(duì)小增益時(shí)的特性。
圖8中的周期D是象素選擇周期。通過復(fù)位操作在選擇行上的源極跟隨器Q3輸入端輸入等于或大于輸入電壓C的電壓以確定行是選擇還是非選擇，并且在非選行上輸入小于輸入電壓C的電壓。
參考圖8將說明該操作。復(fù)位電源變?yōu)楦唠娖胶螅x擇行上的復(fù)位開關(guān)Q2導(dǎo)通以把源極跟隨器Q3的柵極電壓變?yōu)楦唠娖?。如果?fù)位開關(guān)Q2的柵極電壓比復(fù)位電源高很多，柵極電壓就等于復(fù)位電源，如果復(fù)位開關(guān)Q2的柵極電壓等于或低于復(fù)位電源，則柵極電壓低于復(fù)位開關(guān)Q2柵極電壓一個(gè)閾值電壓。
復(fù)位開關(guān)Q2截止并且源極跟隨器Q3的柵極浮置之后，接到公共信號(hào)線509的轉(zhuǎn)換開關(guān)QHn的Qn導(dǎo)通，并且復(fù)位操作之后噪聲分量立即保持在信號(hào)存儲(chǔ)器506中(圖8中的間隔A)。
因?yàn)橹挥羞x擇行上的源極跟隨器Q3的柵極電壓比非選擇行上的源極跟隨器的柵極電壓高很多，布置于每列上的信號(hào)輸出線上的恒流電源中的電流只流過選擇行上源極跟隨器Q3，并且與選擇行上源極跟隨器Q3柵極電壓對(duì)應(yīng)的電壓從源極跟隨器輸出。
Qn截止之后，轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1導(dǎo)通以把光電二極管405中光信號(hào)分量轉(zhuǎn)換到源極跟隨器Q3的柵極(圖8中間隔B)。產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)換電荷Qsig和源極跟隨器Q3柵極端的電容器CQ3的電壓降Qsig/CQ3。當(dāng)復(fù)位開關(guān)Q2截止后，通過疊加光信號(hào)分量到噪聲分量上得到的電壓保持在源極跟隨器Q3的柵極。對(duì)應(yīng)于源極跟隨器Q3柵極的電壓的源極跟隨器輸出。
讀飽和電荷時(shí)，源極跟隨器Q3柵極處電壓變?yōu)樽畹?。在利用源極跟隨器Q3的柵極操作點(diǎn)的本發(fā)明的選擇讀取方法中，重要的是電壓比非選擇行上源極跟隨器Q3的柵極電壓高很多。
到公共信號(hào)線510的轉(zhuǎn)換開關(guān)QHs的Qs被導(dǎo)通/截止，并且通過讀出光信號(hào)分量到噪聲分量上得到的信號(hào)保持在信號(hào)存儲(chǔ)器506中(圖8中間隔C)。
復(fù)位電源電壓變?yōu)榈碗娖胶?，?fù)位開關(guān)Q2導(dǎo)通/截止以減小源極跟隨器Q3的柵極電壓，并且撤消源極跟隨器Q3的選擇。
參考圖7將解釋動(dòng)態(tài)范圍。為了證明本發(fā)明的效果，通過傳統(tǒng)選擇開關(guān)Q4的行選擇的結(jié)果也示于圖7。曲線a,b,c分別表示本發(fā)明的象素特征，即當(dāng)選擇開關(guān)Q4插入輸入MOS晶體管Q3和電源之間時(shí)的象素和圖1中表示的傳統(tǒng)象素。在第一實(shí)施例中，在暗邊加源極跟隨器高輸入電壓，并且通過復(fù)位開關(guān)Q2在電源邊加輸入端復(fù)位電壓。隨光電荷增加，到源極跟隨器的輸入電壓下降。一般暗邊的線性特性很重要，所以必須保證高輸入電壓區(qū)域的線性。在本發(fā)明的象素中可保證線性高達(dá)圖7中的電壓A，但在傳統(tǒng)象素中只保證到圖7中的電壓B。從這些結(jié)果看，證實(shí)本發(fā)明的象素有寬的動(dòng)態(tài)范圍。尤其是在電源為低的區(qū)域，這種效應(yīng)變得更為顯著，并且最低可操作電源電壓比圖1A傳統(tǒng)象素中的低1V。
圖9是第二實(shí)施例象素部分的等效電路圖。圖10是解釋也包括讀取系統(tǒng)的第二實(shí)施例電路圖。第二實(shí)施例中的光電二極管905是掩埋光電二極管，與第一實(shí)施例中的相似。
由MOS晶體管Q3和負(fù)載電阻器1014組成的反向放大器構(gòu)成了信號(hào)放大器，并且讀過程和每個(gè)象素晶體管上脈沖時(shí)序與第一實(shí)施例中一樣。
更確切地說，在非選擇行上的MOS晶體管Q3的柵極端輸入等于或小于MOS晶體管Q3閩值電壓的電壓，以使MOS晶體管Q3截止。選擇行上的MOS晶體管Q3的柵極端暫時(shí)復(fù)位到高電平，光信號(hào)讀出到MOS晶體管Q3的柵極端以使對(duì)應(yīng)于選擇行上MOS晶體管Q3柵極端電壓的電流流過負(fù)載電阻器1014，并且有選擇地讀出光信號(hào)。光信號(hào)和噪聲信號(hào)的讀取時(shí)序與第一實(shí)施例中相同。從復(fù)位開關(guān)Q2施加的復(fù)位電源電壓與第一實(shí)施例中相同以保證寬的動(dòng)態(tài)范圍。
因?yàn)樾盘?hào)放大器是反向放大器，在線路中可以設(shè)計(jì)信號(hào)放大器的增益，并且能提供具有高于第一實(shí)施例中源極跟隨器的S/N比的傳感器。
第三實(shí)施例提供由反向放大器構(gòu)成的光傳感器，該反向放大器由用作構(gòu)成信號(hào)放大器的晶體管Q3的P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和負(fù)功電阻器組成。
因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3的柵電極是從雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)形成的，作為轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1源極/漏極區(qū)的擴(kuò)散區(qū)直接用作柵電極。結(jié)果，象素尺寸減小了，這是由于缺少第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中用于連接作為轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1源極/漏極區(qū)的擴(kuò)散區(qū)和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3多晶硅柵極電極的區(qū)域，即缺少用于連接擴(kuò)散區(qū)和金屬鋁互連的接觸部分，用于連接多晶硅和金屬互連的接觸部分，和用于連接金屬互連之間的互連部分。
第三實(shí)施例采用了P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3。對(duì)于非選擇行，輸入高電平截止電壓。對(duì)選擇行，電壓暫時(shí)復(fù)位到約(1/2)*VDD的導(dǎo)通電壓，然后光信號(hào)轉(zhuǎn)換到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的控制電極。光信號(hào)轉(zhuǎn)換到控制電極之后，控制電極上電壓下降。因?yàn)榭刂齐姌O電壓和電源電壓都可以減小，光傳感器可以在低電源電壓下操作而不壓縮動(dòng)態(tài)范圍。
圖11是第四實(shí)施例的等效電路圖。在第四實(shí)施例中MOS晶體管1114代替了第二實(shí)施例中信號(hào)放大器的負(fù)載電阻器1014。
第二實(shí)施例中設(shè)Vin為信號(hào)放大器的輸入電壓，Vout為到信號(hào)輸出線1003的輸出電壓，則有Vout=R*A*(Vin-B)2其中R為負(fù)載電阻器1014的電阻值，A和B是只有MOS晶體管Q3才有的參數(shù)。
在第四實(shí)施例中設(shè)Vin為信號(hào)放大器輸入電壓，Vout為到信號(hào)輸出線1103的輸出電壓，則有Vout=A*(Vin-B)其中A和B為只有MOS晶體管Q3和MOS負(fù)載1114才有的參數(shù)。
在上述方式中，輸出電壓Vout可以給定為輸入電壓Vin的線性函數(shù)，并且滿足A＞1。這種情況下，信號(hào)放大器的源極跟隨器Q3的線性區(qū)域可以加寬。
圖12表示第五實(shí)施例的讀取電路。與上述實(shí)施例相似，多個(gè)象素MOS晶體管Q3的源極端接到信號(hào)輸出線1206上。讀取過程和每個(gè)象素晶體管上脈沖時(shí)序與第一實(shí)施例中相同。
根據(jù)操作原理，當(dāng)VA端1207施加恒電壓VA時(shí)，雙極晶體管的發(fā)射極電壓，即信號(hào)輸出線1206的電壓因雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓VBE而被固定在[VA-VBE]。
當(dāng)復(fù)位電壓Vres加到MOS晶體管Q3的柵極端時(shí)，流過MOS晶體管Q3的電流I1I1={(Vres-Vth)-(VA-VBE)}/r1因電流I2流經(jīng)電阻器r2I2=(VA-VBE)/r2電流I3(=I2-I1)流經(jīng)連接在電源和雙極晶體管之間的電阻器r3。-{(Vres-Vth)-(VA-VBE)}/r1和VB1208端接收電壓VB
VDD-[[(VA-VBE)*r3/r2]-[{(Vres-Vth)-(VA-VBE)}*r3/r1]]當(dāng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換到MOS晶體管Q3的柵極端，并且MOS晶體管Q3的柵極電壓變?yōu)閂res-ΔV時(shí)，VB1028端的電壓VB變?yōu)閂DD-[[(VA-VBE)*r3/r2]-[{Vres-ΔV-Vth}-(VA-VBE)}*r3/r1]]通過計(jì)算復(fù)位操瞬間后VB1208端電壓VB與光信號(hào)轉(zhuǎn)換到MOS晶體管Q3柵極端后VB1028端電壓VB之間的差可得到光信號(hào)分量ΔV*r3/r1。
在第五實(shí)施例中，圖8中脈沖同時(shí)加到多行上以同時(shí)選擇它們。執(zhí)行上述減法獲得VB端象素信號(hào)的總和。在第三第四實(shí)施例中，也可以獲得這個(gè)總和，但無法得到線性總和。更確切地說，相同行和兩行的相同顏色中象素信號(hào)總和輸出到VB端。當(dāng)象在傳統(tǒng)的布置中一樣存在選擇開關(guān)時(shí)，由于存在非線性開關(guān)電阻無法高精度地執(zhí)行加法。但是，因?yàn)楸景l(fā)明不要求任何選擇開關(guān)，可容易地高精度地執(zhí)行加法。
在第一實(shí)施例的電路布置中，對(duì)應(yīng)圖13中所示時(shí)序的脈沖加于每個(gè)象素晶體管上。在第六實(shí)施例中，在非選擇周期內(nèi)，復(fù)位開關(guān)保持導(dǎo)通，并且通過復(fù)位開關(guān)Q2連續(xù)施加復(fù)位電源電壓。設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1于高和低電平之間，從而，轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1包含通過晶體管Q1柵極電壓確定溢出電平的橫向溢流漏極(lateral overflow drain)功能，并且減少了對(duì)鄰近象素的串?dāng)_。由于溢出電平也依賴于晶體管Q1的閾值電壓，既使當(dāng)晶體管Q1的柵極電壓是OV時(shí)，晶體管Q1可作為依賴于晶體管Q1閾值電壓的橫向溢流漏極。
為了使晶體管開關(guān)Q1起橫向溢流漏極作用，漏邊電壓通?；蚩偸窃O(shè)置到高電平。這種情況下，如圖1A和1B所示，必須布置選擇開關(guān)Q4。本發(fā)明進(jìn)行了廣泛研究以發(fā)現(xiàn)如果當(dāng)MOS晶體管Q3的柵極端滿足五極管操作偏置條件時(shí)晶體管Q1有在光電二極管一邊的源極和漏極，則晶體管開關(guān)Q1起橫向溢流漏極作用。在第六實(shí)施例中，Q1的柵極電壓設(shè)置低于傳統(tǒng)布置中的電壓，并且復(fù)位電源的低電平設(shè)置在1.5V。而且，該低電平電壓限制飽和電壓。第六實(shí)施例中每個(gè)象素晶體管上所加的脈沖時(shí)序不僅可應(yīng)用于第一實(shí)施例的電路布置，而且可應(yīng)用于其余的實(shí)施例中的電路布置。
圖14表示第七實(shí)施例中每個(gè)象素的電路布置。圖15是表示每個(gè)象素晶體管和另外主晶體管上脈沖時(shí)序和信號(hào)輸出線1406上輸出電壓的時(shí)序圖。根據(jù)第七實(shí)施例，讀取電路也由圖5所示的信號(hào)存儲(chǔ)器506和水平移位寄存器507構(gòu)成。第七實(shí)施例不同于第一和第六實(shí)施例的是其復(fù)位電壓是通過信號(hào)輸出線1406施加的，而沒有任何復(fù)位電源線。也就是說信號(hào)輸出線按對(duì)應(yīng)于晶體管Q4開/關(guān)狀態(tài)的時(shí)間序列方式起輸出信號(hào)線和第一第六實(shí)施例中復(fù)位電源線的作用。
與第一實(shí)施例相似，象素信號(hào)暫時(shí)保持在信號(hào)存儲(chǔ)器506中，通過水平移位寄存器507順序地開/關(guān)開關(guān)QHn和QHs以順序地把信號(hào)讀出到公共信號(hào)線1(509)和公共信號(hào)線2(510)，并且通過輸出放大器513作為噪聲信號(hào)511和光信號(hào)512向外輸出。外部讀信號(hào)周期被稱為水平掃描周期。在水平掃描周期內(nèi)，復(fù)位開關(guān)Q6保持導(dǎo)通，復(fù)位電源1402電壓經(jīng)過復(fù)位開關(guān)Q6和晶體管Q4連續(xù)加于信號(hào)輸出線1406上，以與第六實(shí)施例相似。轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1設(shè)置于高電平和低電平間的電壓。從而，轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1包括通過晶體管Q1的柵極電壓決定溢出電平的橫向溢流漏極功能，并且減小了對(duì)鄰近象素的串?dāng)_。
與第六實(shí)施例相似，每當(dāng)選擇行象素中信號(hào)轉(zhuǎn)換到信號(hào)存儲(chǔ)器506，非選擇線象素中的轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1截止以停止溢流漏極功能。根據(jù)第七實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)方法，以NTSC速率讀出圖像信息。也就是，在約10μsec的水平消隱周期中，選擇行的象素中的信號(hào)轉(zhuǎn)換到信號(hào)存儲(chǔ)器506中，并且在約50μsec的水平掃描周期內(nèi)，向外讀出信號(hào)存儲(chǔ)器中的信息。所示溢流漏極功能停止周期約為整個(gè)周期的17％，并且在大部分周期中轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1有效地起溢流漏極功能。
圖15表示的是一對(duì)開關(guān)QHn和QHs，即開關(guān)Qn和Qs的時(shí)序、選擇行上復(fù)位電源時(shí)序、用于在復(fù)位電源之后立即導(dǎo)通/截止(高/低)連接到復(fù)位線的復(fù)位開關(guān)SW的復(fù)位開關(guān)Q2的時(shí)序、用于在讀出噪聲信號(hào)后讀出光信號(hào)前把光電二極管的電荷轉(zhuǎn)換到MOS晶體管Q3的柵極輸入端的轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1的時(shí)序、隨導(dǎo)通轉(zhuǎn)換開關(guān)Q1后與光信號(hào)對(duì)應(yīng)的電荷而變化的MOS晶體管Q3的柵極輸入電壓時(shí)序、用于提供復(fù)位電源的復(fù)位開關(guān)Q4的時(shí)序、與用恒流電源作為MOS晶體管Q3的負(fù)載的復(fù)位開關(guān)Q4的導(dǎo)通/截止相反的負(fù)載開關(guān)Q4的時(shí)序、表示信號(hào)輸出線1406的信號(hào)輸出電壓的信號(hào)輸出線的時(shí)序。
圖16是第八實(shí)施例的象素部分等效電路圖。在第七實(shí)施例的象素布置中加入橫向溢流漏極MOS晶體管Q5。對(duì)于電平由MOS晶體管Q5的柵極電壓決定的情況和調(diào)節(jié)閾值電壓以滿足MOS晶體管Q5的柵極電壓=MOS晶體管Q5的漏極電壓=VDD關(guān)系式的情況下檢查溢出電平。證明有與第七實(shí)施例中幾乎相同的串?dāng)_電阻，并且發(fā)現(xiàn)第七實(shí)施例是有效的方法。在第七實(shí)施例中布置有用MOS晶體管Q5的橫向溢流漏極，但可以布置垂直溢出漏極。
參考圖17將說明第九實(shí)施例。在第九實(shí)施例中，是在第七實(shí)施例的布置中加入Q4″。在水平掃描周期內(nèi)，與第七實(shí)施例相似，Q4導(dǎo)通，Q4′和Q4″截止，用晶體管Q1作為橫向溢流漏極。讀取時(shí)，Q4截止，Q4′和Q4″導(dǎo)通，MOS晶體管Q3導(dǎo)通以使能夠選擇兩種類型讀方案，即源極跟隨器讀方案和反向放大器讀方案。
更確切地說，Q4載止，Q4′導(dǎo)通，Q4″截止，電源1701設(shè)置到VDD以象第一實(shí)施例那樣執(zhí)行源極跟隨器讀取。
另一方面，Q4截止，Q4′截止，Q4″導(dǎo)通，電源1701接地，以象第四實(shí)施例那樣執(zhí)行MOS反向放大器讀取。由于缺少選擇開關(guān)，晶體管Q3與電源和信號(hào)輸出線對(duì)稱，所以可獲得極好的線性，并且通過只加入簡(jiǎn)單電路就可實(shí)現(xiàn)多功能讀取。更確切地說，通過反向放大器讀取執(zhí)行平方相加讀取并且通過源極跟隨器讀取執(zhí)行底部檢測(cè)。
在第九實(shí)施例中，通過讀方案選擇開關(guān)MOS晶體管的數(shù)目似乎大大增加了，讀方案選擇開并是由用于給輸出信號(hào)線提供復(fù)位電源電壓的復(fù)位開關(guān)Q4、作為MOS晶體管Q3的負(fù)載以增加源極跟隨器方案中讀出的恒流源負(fù)載的負(fù)載開關(guān)Q4′和用于提供電源VDD的電源開關(guān)Q4″組成。與數(shù)萬與數(shù)十萬個(gè)象素相比，所占面積的增加非常小。與缺少選擇開關(guān)相比，能保證大象素開口率(opening rate)、而且，根據(jù)從中去除噪聲信號(hào)的光信號(hào)的讀取狀態(tài)能選擇讀取方案。
如上所述，根據(jù)第一到第九實(shí)施例，可以通過改變象素或單元中信號(hào)放大器輸入端的操作點(diǎn)，即輸入端的復(fù)位電壓到預(yù)定電壓，來選擇或不選擇讀取象素。可以撤消傳統(tǒng)讀選擇開關(guān)以獲得下面的結(jié)果。
包括在象素或單元中的晶體管數(shù)目減小以降低象素或單元的尺寸。在寬電壓范圍內(nèi)能保證信號(hào)放大器的線性度，而沒有任何選擇開關(guān)。而且，通過增加簡(jiǎn)單電路，例如用于暫時(shí)復(fù)位信號(hào)輸出線的MOS晶體管和用于設(shè)置源極跟隨器電路和反向放大器的選擇開關(guān)，可以執(zhí)行多功能讀取。
不離開本發(fā)明的精神和范圍，可以構(gòu)成很多差別很大的本發(fā)明實(shí)施例。應(yīng)該明白本發(fā)明不局限于說明書中描述的具體實(shí)施例，除在附加權(quán)利要求中所限定的。
權(quán)利要求
1.圖像傳感設(shè)備，包括多個(gè)象素，每個(gè)包含光電轉(zhuǎn)變裝置，放大裝置，用于放大來自所述的光電轉(zhuǎn)變裝置的信號(hào)，轉(zhuǎn)換裝置，用于把來自所述的光電轉(zhuǎn)變裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換到所述的放大裝置，和讀控制裝置，用于在所述放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，控制對(duì)來自所述放大裝置的信號(hào)的讀取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述放大裝置包括MOS晶體管，并且輸入部分是MOS晶體管的柵極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述放大裝置包括結(jié)型晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述放大裝置是跟隨器類型的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述放大裝置是加法類型的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述轉(zhuǎn)換裝置包括插入在所述光電轉(zhuǎn)變裝置和所述放大裝置輸入部分間的晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述讀取控制裝置包括用于輸入電壓到所述放大裝置輸入部分的開關(guān)元件。
8.圖像傳感設(shè)備，包括多個(gè)象素，每個(gè)包含光電轉(zhuǎn)變單元，放大單元，用于放大來自所述光電轉(zhuǎn)變單元的信號(hào)，轉(zhuǎn)換單元，用于把所述光電轉(zhuǎn)變單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換到所述放大單元，以及電壓輸入單元，用來輸入任意電壓到所述放大單元的輸入端，其中通過改變所述放大單元輸入端的操作點(diǎn)，所述電壓輸入單元控制對(duì)來自所述放大單元的信號(hào)的讀取。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述放大單元包括MOS晶體管，并且輸入端是MOS晶體管的柵極。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述放大單元包括結(jié)型晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述放大單元是跟隨器類型的。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述放大單元是加法類型的。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述轉(zhuǎn)換單元包括插入所述光電轉(zhuǎn)變單元和所述放大單元輸入端間的晶體管，通過改變所述信號(hào)放大單元輸入端的操作點(diǎn)控制對(duì)信號(hào)的讀取，并且在非讀取周期內(nèi)，在與光電二極管相對(duì)的所述晶體端子上加電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于所述讀取單元包括用于輸入電壓到所述放大單元輸入端的開關(guān)元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其特征在于所述開關(guān)元件布置在所述放大單元輸入端和所述放大單元輸出端之間。
16.信號(hào)檢測(cè)設(shè)備包括多個(gè)象素，每個(gè)包含檢測(cè)裝置，放大裝置，用于放大來自所述檢測(cè)裝置的信號(hào)，轉(zhuǎn)換裝置，用于把來自所述檢測(cè)裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換到所述放大裝置，以及讀取控制裝置，用于在所述放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，控制對(duì)來自所述放大裝置的信號(hào)的讀取。
17.信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備，包括多個(gè)單元，每個(gè)包含存儲(chǔ)裝置，放大裝置，用于放大來自所述存儲(chǔ)裝置的信號(hào)，轉(zhuǎn)換裝置，用于把來自所述檢測(cè)裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換到所述放大裝置，以及讀取控制裝置，用于在所述放大裝置輸入部分的電壓電平控制下，控制對(duì)來自所述放大裝置的信號(hào)的讀取。
全文摘要
提供了圖像傳感設(shè)備,其包括多個(gè)象素,每個(gè)象素包含光電轉(zhuǎn)變單元,用于放大來自光電轉(zhuǎn)換單元的信號(hào)的放大單元,用于把來自光電轉(zhuǎn)變單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換到光電轉(zhuǎn)變單元的轉(zhuǎn)換單元,用于在放大單元輸入端電平控制下控制對(duì)來自放大單元的信號(hào)讀取的讀取控制單元。
文檔編號(hào)H04N5/374GK1217618SQ98124680
公開日1999年5月26日 申請(qǐng)日期1998年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月6日
發(fā)明者小泉徹, 光地哲伸 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社