專利名稱：半導(dǎo)體器件及驅(qū)動其單元組件的控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其中設(shè)置有多個單元組件的半導(dǎo)體器件以及一種用于驅(qū)動所述單元組件的控制方法和裝置。具體地，本發(fā)明涉及一種降低功耗并提高物理量分布傳感半導(dǎo)體器件例如固態(tài)成像器件的動態(tài)范圍的技術(shù)。例如，在物理量分布傳感半導(dǎo)體器件中，以矩陣方式排列對外界輸入的電磁波例如光和射線敏感的單元組件，例如單元像素，并將物理量分布轉(zhuǎn)換為電信號以便讀出。
背景技術(shù)：
在各種領(lǐng)域中，正廣泛采用物理量分布傳感半導(dǎo)體器件，其中以行的方式或以矩陣方式排列對外界輸入的電磁波例如光和射線敏感的單元組件例如單元像素。例如，在成像器件領(lǐng)域中，采用具有電荷耦合器件(CCD)、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的固態(tài)成像器件，所有這些器件感測作為物理量之一的光。在這種半導(dǎo)體器件中，單元組件(在固態(tài)成像器件情況下的單元像素)讀出從物理量分布中轉(zhuǎn)換的電信號。
此外，所述固態(tài)成像器件包括具有有源像素傳感器(APS，也稱為增益單元)結(jié)構(gòu)的像素的有源像素傳感器固態(tài)成像器件。在每個APS像素中，像素信號產(chǎn)生單元包括放大用于根據(jù)電容產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷而產(chǎn)生像素信號的驅(qū)動晶體管。例如，大多數(shù)CMOS固態(tài)成像器件就具有這種結(jié)構(gòu)。在這些有源像素傳感器固態(tài)成像器件中，為了讀出像素信號，就通過地址來控制具有多個單元像素的像素單元，以致可以選擇任何一個單元像素以便從其中讀出信號。就是說，有源像素傳感器固態(tài)成像器件是地址控制固態(tài)成像器件的一個實(shí)例。
例如，在有源像素傳感器中，所述有源像素傳感器是具有矩陣形式的單元像素的X-Y地址型固態(tài)成像傳感器的一種類型，像素是由具有MOS結(jié)構(gòu)(MOS晶體管)的有源元件組成，以便提供自身具有放大功能的像素。就是說，此有源像素傳感器讀出在光電二極管(光電轉(zhuǎn)換器)中累積并由有源元件作為圖像信息放大的信號電荷(光電子)。
例如，在這種X-Y地址型固態(tài)成像傳感器中，以二維矩陣方式排列多個像素晶體管，以形成一個像素單元。根據(jù)入射光的信號電荷、以逐行或以逐像素的方式進(jìn)行累積。通過指定地址，從每個像素中依次讀出基于累積的信號電荷的電流或電壓信號。
單元像素結(jié)構(gòu)4-TR型通常，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器中，為了降低噪聲，單元像素的結(jié)構(gòu)比電荷耦合器件(CCD)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。例如，如圖1A中所示，常規(guī)目的的CMOS傳感器包括具有寄生電容的擴(kuò)散層的浮點(diǎn)擴(kuò)散(floatingdiffusion)放大器(FDA)，以及在單元像素3中的四個晶體管。這種結(jié)構(gòu)眾所周知并被稱為4-晶體管像素結(jié)構(gòu)(此后，還稱為4TR-結(jié)構(gòu))。
在這種4TR-結(jié)構(gòu)中，作為電荷累積單元的一個實(shí)例的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38連接到作為信號產(chǎn)生單元的一個實(shí)例的放大晶體管42的柵極。因此，放大晶體管42就根據(jù)浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位(此后，稱為FD電位)、通過像素線51將信號輸出到作為輸出信號線的一個實(shí)例的垂直信號線53。復(fù)位晶體管36使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38復(fù)位。
用作電荷轉(zhuǎn)移單元的轉(zhuǎn)移柵極晶體管(讀出選擇晶體管)34將由電荷產(chǎn)生單元32產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38。多個像素連接到垂直信號線53。為了選擇出像素，接通待選擇的像素中的垂直選擇晶體管40。這僅使選擇出的像素連接到垂直信號線53，由此，選擇出的像素的信號就被輸出到垂直信號線53。
因此，單元像素3通常包括光電轉(zhuǎn)換器例如光電二極管(PD)和四個晶體管，四個晶體管之一是用于選擇像素的垂直選擇晶體管40。大多數(shù)電流CMOS傳感器的單元像素3具有選擇晶體管。因此，在提高分辨率方面，與CCD傳感器相比，CMOS傳感器就存在缺點(diǎn)。
單元像素結(jié)構(gòu)3-TR型另一方面，提出了一種3個晶體管的像素結(jié)構(gòu)(此后，還稱為3TR結(jié)構(gòu))，以便在保持性能的同時能減少元件的數(shù)量。如圖1B中所示，為了通過減少單元像素3中的晶體管占用的空間來降低像素尺寸，單元像素3包括光電轉(zhuǎn)換器例如光電二極管(PD)和三個晶體管(例如，參照日本專利No.2708455)。此后，將所述專利文獻(xiàn)稱為專利文獻(xiàn)1。
3TR結(jié)構(gòu)的每個單元像素3包括電荷產(chǎn)生單元32，例如光電二極管，其接收光并使光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換以至產(chǎn)生信號電荷；放大晶體管42，其連接到垂直漏極線(DRN)57并放大相應(yīng)于由電荷產(chǎn)生單元32產(chǎn)生的信號電荷的信號電壓；以及復(fù)位晶體管36，用于使電荷產(chǎn)生單元32復(fù)位。此外，在電荷產(chǎn)生單元32和放大晶體管42的柵極之間設(shè)置讀出選擇晶體管(傳送柵單元)34。通過轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55，由垂直掃描電路(未示出)中的垂直移位寄存器掃描讀出選擇晶體管34。就是說，3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3除了包括電荷產(chǎn)生單元32之外，還包括用于轉(zhuǎn)移、復(fù)位和放大的三個晶體管。
放大晶體管42的柵極和復(fù)位晶體管36的源極通過轉(zhuǎn)移柵極晶體管(讀出選擇晶體管)34連接到電荷產(chǎn)生單元32。復(fù)位晶體管36的漏極和放大晶體管的漏極連接到漏極線。放大晶體管42的源極連接到垂直信號線53。通過轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55，由轉(zhuǎn)移驅(qū)動緩沖器150驅(qū)動轉(zhuǎn)移柵極晶體管34。通過復(fù)位柵極線(RST)56，由復(fù)位驅(qū)動緩沖器152驅(qū)動復(fù)位晶體管36。
轉(zhuǎn)移驅(qū)動緩沖器150和復(fù)位驅(qū)動緩沖器152通過兩個值即參考電壓0V和電源電壓來工作。具體地，在公知的這種類型的單元像素中，提供到轉(zhuǎn)移柵極晶體管34的柵極的低壓電平為0V。
在同一水平行中的像素連接到三個信號線，即轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55、復(fù)位柵極線(RST)56和垂直漏極線(DRN)57。在同一垂直列中的像素連接到公共的垂直信號線(讀出信號線)53。放大晶體管42連接到每個垂直信號線53，其連接到對應(yīng)的負(fù)載晶體管單元(未示出)。當(dāng)讀出信號時，連接到每個放大晶體管42的MOS負(fù)載晶體管就連續(xù)地將預(yù)定的恒定電流提供到垂直信號線53。
每個垂直信號線53連接到列電路(未示出)，其通過使用關(guān)聯(lián)雙工取樣(correlated double sampling，CDS)來去除噪聲。從處于水平掃描電路(未示出)控制之下的列電路中讀取已處理的像素信號。然后，將此像素信號輸送到放大器電路(輸出放大器)并向外輸出。
垂直掃描電路(未示出)以合適的時鐘來驅(qū)動轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55、復(fù)位柵極線(RST)56和垂直漏極線(DRN)57，以控制同一水平行中的像素。在讀出時間期間，水平掃描電路依序?qū)⑿盘栞斎氲紺DS處理單元，使它們導(dǎo)通。因此，從各個垂直信號線53讀出的信號依序被輸送到輸出放大器。
與在4TR結(jié)構(gòu)中一樣，在3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38連接到放大晶體管42的柵極。因此，放大晶體管42就根據(jù)浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位將信號輸出到垂直信號線53。
連接到復(fù)位晶體管36的柵極的復(fù)位柵極線(RST)56在行方向上延伸，并且連接到復(fù)位晶體管36的漏極的垂直漏極線(DRN)57共用于所有像素。通過漏極驅(qū)動緩沖器140(此后稱為DRN驅(qū)動緩沖器)驅(qū)動垂直漏極線(DRN)57。通過復(fù)位驅(qū)動緩沖器152驅(qū)動復(fù)位晶體管6，以便控制浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位。
在專利文獻(xiàn)1中，用于一行的垂直漏極線(DRN)57與用于另一行的垂直漏極線(DRN)57分離。然而，由于垂直漏極線(DRN)57必須使一列中的像素的電流信號在其中流動，實(shí)際上，垂直漏極線(DRN)57共用于所有行。
通過轉(zhuǎn)移柵極晶體管34，由電荷產(chǎn)生單元(光電轉(zhuǎn)換器)32產(chǎn)生的信號電荷被轉(zhuǎn)移到浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38。
與4TR結(jié)構(gòu)不同，3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3沒有被串聯(lián)連接到放大晶體管42的垂直選擇晶體管40。在連接到垂直信號線53的多個像素之中，不通過垂直選擇晶體管40、但通過控制FD電位來選擇像素。
因此，垂直漏極線(DRN)57的電平控制就用作選擇像素。有效地采用垂直漏極線(DRN)57來作為像素選擇線(SEL)，其具有與第一實(shí)施例中的垂直選擇線(SEL)52相同的作用。此外，垂直漏極線(DRN)57上的脈沖信號具有與第一實(shí)施例中的選擇脈沖SEL相同的作用，所述脈沖信號控制復(fù)位晶體管36和放大晶體管42兩者的漏極。此后，將垂直漏極線(DRN)57上的脈沖信號稱為DRN控制脈沖SEL。
例如，通常通過將垂直漏極線(DRN)57切換為低電平，而強(qiáng)迫FD電位為低電平(Low)。為了將已選擇像素的信號輸出到垂直信號線53，通過將垂直漏極線(DRN)57切換為高電平并切換已選擇行中的復(fù)位晶體管36，迫使已選擇像素的FD電位為高電平(High)，以選出一個像素。此后，通過將垂直漏極線(DRN)57切換為低電平，使已選擇像素的FD電位返回到低電平。對已選擇行中的所有像素同時進(jìn)行這種操作。
因此，為了控制FD電位，就必須進(jìn)行以下操作1)為了將已選擇行的FD電位變成高電平，將垂直漏極線(DRN)57切換為高電平，并通過已選擇行中的復(fù)位晶體管36使FD電位變成高電平。
2)為了使已選擇行的FD電位返回到低電平，將垂直漏極線(DRN)57切換為低電平，并通過已選擇行中的復(fù)位晶體管36使FD電位變成低電平。
圖2是用于驅(qū)動3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3的驅(qū)動脈沖的時序圖的一個實(shí)例。通過控制轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55、復(fù)位柵極線(RST)56、對像素共用的垂直漏極線(DRN)57，使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓改變，由此同樣使垂直信號線53的電壓改變。
例如，DRN驅(qū)動緩沖器140將漏極驅(qū)動脈沖DRN(高電平)提供到垂直漏極線(DRN)57，以便將垂直漏極線(DRN)57切換為高電平。當(dāng)垂直漏極線(DRN)57處于電源電壓(高)電平時，復(fù)位脈沖RST(高電平)就被提供到復(fù)位晶體管36，以便將復(fù)位柵極線(RST)56提升到高電平(t1)。因此，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38連接到電源電壓。此后，當(dāng)復(fù)位柵極線(RST)56下降到低電平(t2)時，由于復(fù)位晶體管36的柵極(復(fù)位柵極)和浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38之間的耦合電容C1，那么浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓就會下降。
通過放大晶體管42就會在垂直信號線53上出現(xiàn)這種變化。因此，垂直信號線53的電壓就會下降。由于垂直信號線53和放大晶體管42的柵極之間的耦合電容C2，所以浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓會進(jìn)一步下降。
由于這些影響，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓(FD電壓)就會減少得比電源電壓更低(從t2-t3)。連接到垂直信號線53的下游電路接收對應(yīng)于此FD電壓的垂直信號線53的電壓(復(fù)位電平)。
隨后，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極脈沖TRG(高電平)提供到轉(zhuǎn)移柵極晶體管34時(從t3到t4)，電荷產(chǎn)生單元32將信號電荷(光電子)傳送到浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38，以便降低浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓，因此，垂直信號線53的電壓也會隨著浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38電壓的降低而降低(從t4到t5)。下游電路還接收垂直信號線53的此電壓(信號電平)。
此后，當(dāng)將垂直漏極線57切換為低電平且將復(fù)位脈沖RST提供到復(fù)位晶體管36時(從t5到t6)，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38就返回到低電平(t5之后)。下游電路計算出復(fù)位電平和信號電平之間的差值，將所述差值作為像素信號輸出。
然而，由于耦合電容C1和C2(從t2到t3)，因此在復(fù)位之后，這種類型的驅(qū)動就會降低浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。因此，需要高電源電壓來補(bǔ)償此下降，就是說，不能使用較低的電壓電平，因此，不能提供低功耗和寬的動態(tài)范圍，這些都是問題。
例如，與日本未審專利申請公開No.2003-87662所公開的一樣，4TR結(jié)構(gòu)的像素單元3可以提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓，以便使用較低的電壓電平，所述像素單元3具有串聯(lián)連接到放大晶體管42的垂直選擇晶體管40。
然而，沒有這種選擇晶體管的3TR結(jié)構(gòu)的像素單元3就不能采用這種技術(shù)。
比較優(yōu)選的是，即使具有選擇晶體管的4TR結(jié)構(gòu)的像素單元3也能進(jìn)一步降低功耗并提高動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于降低功耗并提高動態(tài)范圍的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方法，而不管是3TR結(jié)構(gòu)的單元像素還是4TR結(jié)構(gòu)的單元像素，即不管選擇晶體管的存在與否。
根據(jù)本發(fā)明，一種半導(dǎo)體器件，包括信號采集單元和驅(qū)動控制單元。所述信號采集單元包括具有用于響應(yīng)入射的電磁波而產(chǎn)生信號電荷的電荷產(chǎn)生單元、用于累積由電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷的電荷累積單元、用于根據(jù)在電荷累積單元中累積的信號電荷來產(chǎn)生信號的信號產(chǎn)生單元、以及用于使電荷累積單元復(fù)位的復(fù)位單元的單元組件。驅(qū)動控制單元采用控制脈沖，以便使電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以至增加將在電荷累積單元中累積的電荷量。
根據(jù)本發(fā)明，一種驅(qū)動控制方法驅(qū)動半導(dǎo)體器件的單元組件。所述單元組件包括用于響應(yīng)入射的電磁波而產(chǎn)生信號電荷的電荷產(chǎn)生單元，用于累積由電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷的電荷累積單元，用于根據(jù)在電荷累積單元中累積的信號電荷而產(chǎn)生信號的信號產(chǎn)生單元，以及用于使電荷累積單元復(fù)位的復(fù)位單元。所述方法包括采用控制脈沖以便使電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平以至增加將在電荷累積單元中累積的電荷量的步驟。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于驅(qū)動半導(dǎo)體器件的單元組件的驅(qū)動控制器件，包括驅(qū)動控制單元。所述單元組件包括用于響應(yīng)入射的電磁波而產(chǎn)生信號電荷的電荷產(chǎn)生單元，用于累積由電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷的電荷累積單元，用于根據(jù)在電荷累積單元中累積的信號電荷而產(chǎn)生信號的信號產(chǎn)生單元，以及用于使電荷累積單元復(fù)位的復(fù)位單元。所述驅(qū)動控制單元采用控制脈沖，以便使電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以至增加將在電荷累積單元中累積的電荷量。
根據(jù)本發(fā)明，一種照相機(jī)，包括信號采集單元、驅(qū)動控制單元和光學(xué)系統(tǒng)。所述信號采集單元包括具有用于響應(yīng)入射的電磁波而產(chǎn)生信號電荷的電荷產(chǎn)生單元、用于累積由電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷的電荷累積單元、用于根據(jù)在電荷累積單元中累積的信號電荷而產(chǎn)生信號的信號產(chǎn)生單元、以及用于使電荷累積單元復(fù)位的復(fù)位單元的單元組件。所述驅(qū)動控制單元采用控制脈沖，以便使電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以至增加在電荷累積單元中的將累積的電荷量。所述光學(xué)系統(tǒng)將電磁波引導(dǎo)到所述信號采集單元。


圖1A和1B示出了CMOS傳感器的單元像素的結(jié)構(gòu)；圖2是用于驅(qū)動3TR結(jié)構(gòu)的像素單元的驅(qū)動脈沖的時序圖的一個實(shí)例；圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像器件的示意性方框圖；圖4是根據(jù)第一實(shí)施例的讀出信號電荷期間的驅(qū)動方法的第一實(shí)例的時序圖；圖5示出了當(dāng)將驅(qū)動方法的第一實(shí)例應(yīng)用于3TR結(jié)構(gòu)的器件時的模擬結(jié)果；圖6是用于解釋根據(jù)第一實(shí)施例的讀出信號電荷期間的驅(qū)動方法的第二實(shí)例的附圖；圖7示出了當(dāng)將驅(qū)動方法的第二實(shí)例應(yīng)用于3TR結(jié)構(gòu)的器件時采用實(shí)際像素的測量；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件的單元像素結(jié)構(gòu)的一個實(shí)例；圖9是根據(jù)第二實(shí)施例的讀出信號電荷期間的驅(qū)動方法的第二實(shí)例的時序圖；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件的一個實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
下面，將參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。此后，將描述采用CMOS成像傳感器的器件的實(shí)施例，CMOS成像傳感器是X-Y地址型固態(tài)成像器件的一個實(shí)例。并且，CMOS成像傳感器的所有像素均由NMOS組成。然而，這僅僅是一個實(shí)例。所述器件并不限于MOS型成像器件。以下描述的所有實(shí)施例應(yīng)用于所有的物理量分布傳感半導(dǎo)體器件，其中多個單元組件對外部輸入的電磁波例如光和射線敏感并且以一行的方式或一個矩陣方式排列。并且，應(yīng)當(dāng)注意，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，用于像素排列和線的方向而采用的詞“行”和“列”分別表示矩陣的水平方向和垂直方向。然而，本發(fā)明不限于組件的這些排列。從一個像素傳送到成像區(qū)外部的信號可以通過在水平方向上設(shè)置的信號線進(jìn)行讀出。通常地，“行”和“列”的方向取決于它的定義。例如，如果“行”表示垂直方向，在本發(fā)明中采用的詞“行”和“列”應(yīng)當(dāng)可以彼此進(jìn)行互換。
固態(tài)成像器件的結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的CMOS固態(tài)成像器件的示意性方框圖。所述固態(tài)成像器件1具有一個像素單元，其中以行和列的方式即以二維矩陣方式排列多個像素，每個像素具有光接收器(電荷產(chǎn)生單元的一個實(shí)例)。光接收器輸出與入射光的強(qiáng)度相應(yīng)的信號。從每個像素輸出的信號是電壓信號，并且對于每一列，設(shè)置有關(guān)聯(lián)雙工取樣(CDS)處理功能單元和數(shù)字轉(zhuǎn)換器。就是說，所述器件是列型器件。
就是說，如圖3A中所示，所述固態(tài)成像器件1包括像素單元(成像單元)10，其中以行和列的方式排列多個單元像素3；驅(qū)動控制單元7和列處理單元26，它們都設(shè)置在在像素單元10的外圍。例如，驅(qū)動控制單元7包括水平掃描電路12和垂直掃描電路14。
雖然為了簡化在圖3A和3B中來示出所有的行和列，但實(shí)際上每一行和每一列中排列有幾十至幾千個像素。如圖3B中所示，單元像素3的結(jié)構(gòu)與圖1B中所示并在本說明書的“背景技術(shù)”部分中描述的三晶體管結(jié)構(gòu)的單元像素結(jié)構(gòu)相同。垂直漏極線57幾乎共用于像素單元10中的所有像素。垂直漏極線57的支線在列方向上延伸并在像素單元10的端部連接在一起，或者垂直漏極線57的支線延伸直至形成一個在每個電荷產(chǎn)生單元32之上展開的網(wǎng)格。
固態(tài)成像器件1的驅(qū)動控制單元7還包括水平掃描電路12、垂直掃描電路14和通訊及定時控制單元20。利用與在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)中相同的技術(shù)，將驅(qū)動控制單元7的這些組件與像素單元10集成地形成在半導(dǎo)體區(qū)例如單晶硅中。集成組件用作固態(tài)成像器件(成像器件)，所述集成組件是半導(dǎo)體系統(tǒng)的一個實(shí)例。
通過垂直控制線15，將單元像素3連接到選擇像素的垂直列的垂直掃描電路14。同樣地，通過垂直信號線19，將單元像素3連接到列處理單元26，其中對于每一列設(shè)置有列AD電路。這里，垂直控制線15指從垂直掃描電路14至所述像素的所有類型的線。
如下所述，水平掃描電路12和垂直掃描電路14的每一個都包括解碼器，并響應(yīng)于從通訊及定時控制單元20傳送的驅(qū)動脈沖來啟動移位操作(掃描)。為了此目的，垂直控制線15包括各種類型的脈沖信號，例如，復(fù)位脈沖RST、轉(zhuǎn)移脈沖TRG和控制脈沖DRN。
盡管未示出，通訊及定時控制單元20包括用于產(chǎn)生每個組件所需的時鐘脈沖和預(yù)定定時下的脈沖信號的脈沖信號產(chǎn)生單元。例如，脈沖信號產(chǎn)生單元包括用于在預(yù)定定時下將脈沖信號提供到水平掃描電路12、垂直掃描電路14和列處理單元26的功能塊(驅(qū)動控制器件的一個實(shí)例)；以及用于接收提供指令以便確定時鐘脈沖信號和操作模式的數(shù)據(jù)并用于輸出含有固態(tài)成像器件1的信息的數(shù)據(jù)的通訊接口功能塊。例如，通訊及定時控制單元20將水平地址信號輸出到水平解碼器12a，并且將垂直地址信號輸出到垂直解碼器14a。一旦接收到所述信號，水平解碼器12a和垂直解碼器14a就分別選擇出相應(yīng)的列和相應(yīng)的行。
根據(jù)本實(shí)施例，通訊及定時控制單元20將時鐘脈沖CLK1、主時鐘脈沖的二分頻時鐘脈沖或?qū)ζ骷薪M件的進(jìn)一步分頻的低速時鐘脈沖提供到水平掃描電路12、垂直掃描電路14、列處理單元26和輸出電路28，所述時鐘脈沖CLK1具有與從端子5a輸入的輸入時鐘脈沖CLK0(主時鐘脈沖)相同的頻率。此后，二分頻時鐘脈沖和具有比二分頻時鐘脈沖更低頻率的時鐘脈沖統(tǒng)稱為低速時鐘脈沖CLK2。
例如，在VGA類尺寸(大約300,000個像素)中的固態(tài)成像器件接收24MHz的輸入時鐘脈沖，使內(nèi)部電路在24MHz的時鐘脈沖CLK1下或在12MHz的低速時鐘脈沖CLK2下工作，并以30幀/秒(fps)的速度輸出幀。在本文中，所采用的“VGA”是“視頻圖形陣列”的縮寫，其定義了圖形模式和顯示分辨率。
垂直掃描電路14選擇像素單元10的行，并且提供所述行所需的脈沖。例如，垂直掃描電路14包括垂直解碼器14a，所述垂直解碼器14a確定垂直方向上的讀出行(像素單元10的行)；以及垂直驅(qū)動電路14b，所述垂直驅(qū)動電路14b通過將脈沖提供到對應(yīng)于單元像素3的控制線、沿由垂直解碼器14a確定的讀出地址(行方向上)來驅(qū)動單元像素3。并且，垂直解碼器14a除選擇信號讀出的行外，還選擇電子快門的行。
水平掃描電路12與低速時鐘脈沖同步地依次選擇列處理單元26中的列AD電路，并將來自列AD電路的信號引導(dǎo)到水平信號線18。例如，水平掃描電路12包括水平解碼器12a，其確定水平方向上的讀出列，即，其選擇列處理單元26中的一個列電路；以及水平驅(qū)動電路12b，其根據(jù)由水平解碼器12a確定的讀出地址將列處理單元26的每個信號引導(dǎo)到水平信號線18。水平信號線18的數(shù)量由列AD電路處理的n位(這里，n為正整數(shù))的數(shù)量確定。例如，如果n為10，那么就設(shè)置10條水平信號線18。
在此結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件1中，從每個單元像素3輸出的像素信號(在此情況下，電壓信號)通過垂直信號線19被傳送到對應(yīng)垂直列的列AD電路。在列處理單元26中的每個列AD電路接收來自所述列中的像素的信號并對它們進(jìn)行處理。例如，列AD電路計算信號電平和復(fù)位電平(緊跟像素復(fù)位之后的信號電平)之間的差值，所述兩個電平是基于來自通訊及定時控制單元20的兩個取樣脈沖SHP和SHD、通過垂直信號線19輸入的電壓模式的像素信號電平。這種處理消除了稱作固定模式噪聲(fixed pattern noise，F(xiàn)PN)和復(fù)位噪聲的噪聲信號成分。此外，當(dāng)需要時放大信號的自動增益控制(AGC)電路可以連接在在與列處理單元26相同的半導(dǎo)體區(qū)中的列處理單元26的下游。
每個列AD電路還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，例如，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路通過采用低速時鐘脈沖CLK2，將處理的模擬信號轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。將數(shù)字化的像素數(shù)據(jù)通過由來自水平掃描電路12的水平選擇信號驅(qū)動的水平選擇開關(guān)(未示出)傳送到水平信號線18。然后，將像素數(shù)據(jù)輸入到輸出電路28。10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)僅僅是一個實(shí)例。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的位的數(shù)量可以小于10(例如，8)或大于10(例如，14)。
輸出電路28處理來自水平信號線18的信號并將其作為圖像數(shù)據(jù)通過輸出端子5c進(jìn)行輸出。例如，輸出電路28可以僅僅進(jìn)行緩沖，或者可以進(jìn)行黑電平的調(diào)整、線變化校正、信號放大和在緩沖之前的色彩處理。
在本實(shí)施例中，每個列電路具有AD轉(zhuǎn)換功能并為每個垂直線產(chǎn)生數(shù)字信號。然而，其它組件也可以具有AD轉(zhuǎn)換功能來代替此列電路。例如，像素單元的每個像素都可以具有AD轉(zhuǎn)換功能。就是說，像素單元可以具有更多功能?？商鎿Q地，可以將模擬像素信號輸出到水平信號線18，然后可以AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并可以將該數(shù)字信號傳送到輸出電路28。
在任何一種上述結(jié)構(gòu)中，像素單元10逐行按順序輸出像素信號，其中光接收器用作電荷產(chǎn)生單元。因此，一個圖像即對應(yīng)于像素單元10的幀圖像就通過來自整個像素單元10的一組像素信號來表示。
在此結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像器件1中，驅(qū)動時鐘脈沖直至讀出像素信號與圖2中所示的公知的3TR結(jié)構(gòu)類似。然而，不同之處在于，在本實(shí)施例中，由控制脈沖將作為電荷累積單元的一個實(shí)例的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元(floating diffusion)38切換至復(fù)位電平的驅(qū)動時間顯著地比垂直信號線53用于響應(yīng)控制脈沖的響應(yīng)時間短。
第一實(shí)施例的特征在于，單元像素3具有3TR結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動復(fù)位晶體管36的復(fù)位脈沖RST以相應(yīng)用于將浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38切換至低電平的控制脈沖，并且復(fù)位脈沖RST明顯要短，以提高在浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38中累積的電荷量。
3TR結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方法第一實(shí)例圖4是當(dāng)讀出信號電荷時的根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動方法的第一實(shí)例的時序圖。具體地，圖4示出了在轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55、復(fù)位柵極線(RST)56和垂直漏極線(DRN)57上的驅(qū)動脈沖的波形圖。對于所有的脈沖，低電平“L”使各線禁止(無效)，并且高電平“H”使各線使能(有效)。
在公知的方法中，如圖2中所示，復(fù)位脈沖RST的寬度由垂直信號線53的響應(yīng)時間確定，以致垂直信號線53跟蹤復(fù)位脈沖RST。相反，在第一實(shí)施例中，從圖4中的t1到t2期間所示，確定復(fù)位脈沖RST的寬度，以使復(fù)位脈沖RST的寬度比垂直信號線53的響應(yīng)時間更短。因此，雖然3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3不具有選擇晶體管并通過控制浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位來進(jìn)行選擇，但可以提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位。下面，將參照圖4的時序圖來詳細(xì)說明此原理。
首先，作為公知的方法，當(dāng)復(fù)位脈沖RST上升時(t1)，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓就以足夠快的速度例如在幾納秒(ns)內(nèi)達(dá)到電源電壓。就是說，用作電荷累積單元的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38完全復(fù)位。但是，垂直信號線53的響應(yīng)時間卻很長，例如長于100ns。
隨后，在浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38達(dá)到電源電壓之后，復(fù)位脈沖RST就下降，同時垂直信號線53就跟蹤它(t2)。此時，通過浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38和復(fù)位晶體管36的柵極(復(fù)位柵極)之間的耦合電容(圖3B中的C1)，降低浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。這等同于公知的方法。
然而，由于垂直信號線53的電壓仍然上升，在垂直信號線53和放大晶體管42之間的耦合電容(圖3B中的C2)使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓上升。因此，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓就會上升至比公知方法的電壓更高。因此，對應(yīng)于此電壓的復(fù)位電平也會變得更高。這就會增加在浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38中累積的電荷量。
對于用作驅(qū)動控制脈沖的復(fù)位脈沖RST來說，復(fù)位脈沖RST的寬度可以比垂直信號線53的響應(yīng)時間顯著短。這里，詞“顯著”意味著一個電平，在該電平下，在實(shí)踐環(huán)境中復(fù)位脈沖RST的寬度比垂直信號線53的響應(yīng)時間顯著地短以便增加在浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38中累積的電荷量。此外，由于垂直信號線53的響應(yīng)時間依賴于分布電容(圖3B中所示的耦合電容C1和C2)，因此必須考慮分布電容。
例如，垂直信號線53的響應(yīng)時間可以是90％響應(yīng)時間。在此使用的90％響應(yīng)時間指對于垂直信號線53從施加脈沖開始達(dá)到它的最大電平的90％所占用的時間，而從初始值(絕對低電平)達(dá)到最終值(絕對高電平)的電平為100％。這是與用于常規(guī)脈沖信號的瞬時響應(yīng)使用相同的定義。
條件“在比垂直信號線53的響應(yīng)時間顯著短的時間內(nèi)驅(qū)動復(fù)位晶體管36達(dá)到復(fù)位脈沖RST”可以采用復(fù)位脈沖RST的寬度相對于公知方法中所采用寬度的比率(倍數(shù))-該比率相應(yīng)于像素數(shù)目(更具體講，驅(qū)動頻率和主時鐘脈沖)、與特定器件中的垂直信號線53的響應(yīng)時間相關(guān)的比率、或復(fù)位脈沖RST自身的脈沖寬度，以及其它因素，來進(jìn)行精確定義。
無論如何，可以采用上述定義，只要它能改進(jìn)需要高電源電壓的問題，即不能采用較低的電壓電平由此不能獲得低功耗和寬的動態(tài)范圍的問題。
在此情況下，當(dāng)復(fù)位脈沖RST有效(在本實(shí)施例中的高電平)時，即當(dāng)復(fù)位晶體管36導(dǎo)通，優(yōu)選將浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38復(fù)位至電源電壓電平，即，優(yōu)選充分地重新復(fù)位作為電荷累積單元作用的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38。
這是因?yàn)椋绻麖?fù)位脈沖RST的寬度非常小，那么浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38就會在有效期間不能完全復(fù)位，當(dāng)浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38跟蹤復(fù)位脈沖RST時，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38有時就會將大的復(fù)位偏差輸出到輸出信號。為了完全復(fù)位浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38，優(yōu)選方式為提高復(fù)位晶體管36的柵極電壓，或者優(yōu)選方式為采用深耗盡型晶體管作為復(fù)位晶體管36。
例如，在其中垂直信號線53需要大約100ns的響應(yīng)時間的器件結(jié)構(gòu)中，作為一半(50％)響應(yīng)時間即50ns的復(fù)位脈沖RST的寬度就能提供上述優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，所述寬度可以小于所述數(shù)值。例如，如果主時鐘脈沖CLK0是25MHz，那么一個時鐘脈沖的寬度就是40ns并且一半時鐘脈沖的寬度就是20ns。不用修正就可以采用這些時鐘脈沖來作為脈沖信號。如果脈沖寬度小于所需的那些脈沖寬度，那么例如延遲電路就可以產(chǎn)生它。
圖5示出了當(dāng)應(yīng)用所述驅(qū)動方法的第一實(shí)例時3TR結(jié)構(gòu)的實(shí)際器件的模擬結(jié)果。在此附圖中，緊跟在標(biāo)記“◆”之后的數(shù)字表示脈沖寬度。采用VGA標(biāo)準(zhǔn)(640×480，大約300,000個像素)的CMOS傳感器來作為所述器件。單元像素3是3TR結(jié)構(gòu)型，并且它的像素間距為4.1μm。輸入的時鐘頻率為24MHz。器件的電源電壓為2.6V。垂直信號線53的90％響應(yīng)時間為大約130ns。
如圖5中所見，如果復(fù)位脈沖RST的寬度小于或等于130ns，其是垂直信號線53的響應(yīng)時間，那么就提高復(fù)位電平。如果復(fù)位脈沖RST的寬度小于大約65ns，其是垂直信號線53的一半(1/2)響應(yīng)時間，那么就顯著地提高復(fù)位電平。而且，如果復(fù)位脈沖RST的寬度小于或等于26ns，其是垂直信號線53的響應(yīng)時間的1/5，那么就極大地提高復(fù)位電平。例如，20ns的脈沖寬度將復(fù)位電平提高大約200mV，而10ns的脈沖寬度將復(fù)位電平提高大約300mV。此外，即使復(fù)位脈沖RST的寬度為10ns，在脈沖寬度周期內(nèi)，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38也能達(dá)到電源電壓。
在用于模擬的器件中，主時鐘脈沖CLK0是24MHz，且一半時鐘脈沖的寬度是20ns。因此，考慮到復(fù)位脈沖RST的寬度，小于一個時鐘脈沖(40ns)就提供顯著的增加量，而小于一半時鐘脈沖(20ns)就提供極大的增加量。
從上述說明可知，在3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，所述單元像素3不具有選擇晶體管并且通過控制浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位來選擇所述單元像素3，通過采用第一實(shí)施例的第一實(shí)例，由于以上描述的電壓提高效應(yīng)，因此可以提高在浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38中累積的電荷量。因此，就能夠提高電源電壓，就是說，可以采用較低的電壓電平，并且就能夠提供寬的可操作余量。
因此，就能夠降低功耗。此外，如果采用與公知方法相同電平下的電源電壓，就能夠提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的動態(tài)范圍。盡管例如為了增加像素量或?yàn)榱私档托酒叽?此后，稱為“像素尺寸縮小”)、必須減少像素尺寸，但寬動態(tài)范圍就能夠提供足夠信號電平下的成像信號。為了獲得較低的電壓電平和像素尺寸縮小，這是一種用于維持浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的動態(tài)范圍的優(yōu)良技術(shù)。
3TR結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方法第二實(shí)例圖6是用于解釋當(dāng)讀出信號電荷時的根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例的附圖。圖6示出了所述驅(qū)動方法的第二實(shí)例中的電壓電位。
所述驅(qū)動方法的第二實(shí)例的特征在于，當(dāng)復(fù)位晶體管36處于“閾值(Vth)電壓降”時進(jìn)行浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的復(fù)位處理，即使復(fù)位脈沖RST的寬度較長，也能使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓升高。在此采用的“閾值電壓降”指一種狀態(tài)，其中甚至當(dāng)高電平電壓提供到晶體管的柵極時，柵極的電位也小于晶體管的漏極的電位。下面，將詳細(xì)地描述此方法。
例如，假設(shè)驅(qū)動脈沖等于圖2中所示的公知實(shí)例的驅(qū)動脈沖。在驅(qū)動方法的第一實(shí)例中，將浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38連接到電源電壓，在第一復(fù)位高電平周期內(nèi)(從t1到t2)所述電源電壓作用于放大晶體管42的漏極。但是，在驅(qū)動方法的所述第二實(shí)例中，確定驅(qū)動條件以致當(dāng)復(fù)位晶體管36導(dǎo)通時、復(fù)位晶體管36處于閾值電壓降。
例如，如圖6中所示，當(dāng)RST變高時，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38就快速地跟蹤此變化，同時垂直信號線53緩慢地跟蹤此變化。因此，浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓就在RST變高之后立即變成閾值電壓降的電壓。此后，當(dāng)垂直信號線53跟蹤此變化時，就通過放大晶體管42和垂直信號線53之間的耦合電容C2來提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。提高的FD電壓可以小于或高于電源電壓。
這里，條件“當(dāng)復(fù)位脈沖RST為高電平時，即當(dāng)復(fù)位晶體管36導(dǎo)通時復(fù)位晶體管36處于閾值電壓降”優(yōu)選在一個范圍，其中浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電荷量可以大于復(fù)位晶體管36的閾值電壓降情況下的電荷量。此時，復(fù)位晶體管36的溝道電壓就處于從用于復(fù)位晶體管36的漏極的電源電壓至小于電源電壓的第二電壓的范圍。這里，例如，“第二電壓”稍微低于電源電壓。例如，第二電壓低于電源電壓0.3-0.7V，并且更優(yōu)選為大約0.5V。當(dāng)然，如果復(fù)位晶體管36處于閾值電壓降，那么其它第二電壓的值就提供有效的提高了的電壓。
只有當(dāng)在連接到垂直信號線53的所有像素中的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38處于預(yù)置的低電平并且垂直信號線53也處于低電平直到復(fù)位選擇的行時，對于不具有垂直選擇晶體管的像素才能提供這種效果。
隨后，當(dāng)RST返回到低電平(t2)，就通過復(fù)位晶體管36的柵極(復(fù)位柵極)和浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38之間的耦合電容C1來提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。這與公知方法相同。
在不用閾值電壓降的驅(qū)動方法的第一實(shí)例的復(fù)位處理中，雖然耦合電容C1力圖提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓，但是由于浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38連接到具有電源電壓的放大晶體管42的漏極，因此浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓就不會上升。
圖7示出了采用3TR結(jié)構(gòu)的器件的驅(qū)動方法的第二實(shí)例的測量值。與圖5中所示的模擬一樣，采用VGA標(biāo)準(zhǔn)(640×480，大約300,000個像素)的CMOS傳感器來作為目標(biāo)器件。單元像素3是3TR結(jié)構(gòu)型，并且它的像素間距為4.1μm。輸入的時鐘頻率為24MHz。器件的電源電壓為2.6V。
在圖7中所示的測量值中，通過改變在足夠長的復(fù)位脈沖周期內(nèi)的脈沖上的復(fù)位電壓來繪制從垂直信號線53輸出的電壓。可以看出，當(dāng)復(fù)位信號的高電平變化時，高于2.68V的電平也不能導(dǎo)致閾值電壓降。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，當(dāng)復(fù)位信號的高電平降低至2.68V以下時，就會發(fā)生閾值電壓降，并且垂直信號線53的電壓也下降。然而，與附圖中的圓圈所示一樣，由于驅(qū)動方法的第二實(shí)例的電壓提高效應(yīng)，因此測量表明復(fù)位電平升高至高于當(dāng)閾值電壓降不發(fā)生在大約2.1V(電源電壓2.6V大約0.5V)和大約2.68V(電源電壓2.6V+0.08V)的范圍內(nèi)時的電平。
因此，在3TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，所述單元像素3沒有選擇晶體管并且通過控制浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電位來選擇所述單元像素3，通過采用設(shè)計時的此電壓范圍，就可以將電源電壓降低至小于復(fù)位信號的高電平高于或等于2.68V情況下的電源電壓。因此，與此驅(qū)動方法的第一實(shí)例相同，就能夠降低功耗。如果采用與公知方法相同電平下的電源電壓，就能夠增加動態(tài)范圍。
單元像素結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例及其驅(qū)動方法；第一實(shí)例圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件1的單元像素3的結(jié)構(gòu)的實(shí)例。固態(tài)成像器件1的整體結(jié)構(gòu)可以與圖3A中所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。根據(jù)第二實(shí)施例，單元像素3至少包括浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38和四個晶體管。
就是說，所述結(jié)構(gòu)的單元像素3包括具有光電轉(zhuǎn)換器(光電二極管)的電荷產(chǎn)生單元32，其將入射光轉(zhuǎn)換為信號電荷并將其累積；浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38；放大晶體管42，它的柵極連接到浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38；復(fù)位晶體管36，它的漏極連接到放大晶體管42的漏極；轉(zhuǎn)移柵極晶體管34，用于將由電荷產(chǎn)生單元32產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38；以及垂直選擇晶體管40，用于選擇垂直列。換句話說，單元像素3具有4TR結(jié)構(gòu)，其包括放大晶體管42和串聯(lián)連接到放大晶體管42以選擇像素的選擇晶體管。
在圖8A所示的單元像素3中，在兩個晶體管之間放大晶體管42和垂直選擇晶體管40，垂直選擇晶體管40連接到垂直信號線53。但是，在圖8B所示的單元像素3中，放大晶體管42連接到垂直信號線53。圖8B中所示的單元像素3與圖1A中所示的單元像素相同。
對于圖8A和8B中所示的兩種結(jié)構(gòu)，如果復(fù)位晶體管36的漏極不連接到固定的電源并以3TR結(jié)構(gòu)的相同方式進(jìn)行驅(qū)動，那么就可以使用第一實(shí)施例的第一實(shí)例或第二實(shí)例中描述的相同驅(qū)動方法。在此情況下，當(dāng)復(fù)位晶體管36的漏極被驅(qū)動至低電平、浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38設(shè)置為低電平并且垂直選擇晶體管40導(dǎo)通時，就可以使用第一實(shí)施例的第一實(shí)例或第二實(shí)例中描述的驅(qū)動方法。
4TR結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方法第二實(shí)例圖9是當(dāng)讀出信號電荷時的根據(jù)第二實(shí)施例的第二實(shí)例的驅(qū)動方法的時序圖。只有對具有此結(jié)構(gòu)的單元像素3才采用所述驅(qū)動方法的第二實(shí)例，如圖8B中所示，在此結(jié)構(gòu)中放大晶體管42連接到垂直信號線53。換句話說，只有對其中垂直選擇晶體管40連接到放大晶體管42的漏極的單元像素3才采用所述第二實(shí)例。
在第二實(shí)施例的第二實(shí)例中，目標(biāo)單元像素3是4TR結(jié)構(gòu)型。使作為電荷累積單元的一個實(shí)例的浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38達(dá)到復(fù)位電平的控制脈沖包括用于驅(qū)動復(fù)位晶體管36的復(fù)位脈沖RST和用于驅(qū)動垂直選擇晶體管40的選擇脈沖SEL。所述第二實(shí)例的特征在于以下的驅(qū)動方法。就是說，接通作為選擇開關(guān)單元的一個實(shí)例的垂直選擇晶體管40，并且同時關(guān)斷復(fù)位晶體管36，以便增加浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電荷量。此外，在接通垂直選擇晶體管40之后，在顯著地比垂直信號線53的響應(yīng)時間更短的時間內(nèi)關(guān)斷復(fù)位晶體管36，以便增加浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電荷量。以下，將詳細(xì)地描述這些方法。
圖9示出了在轉(zhuǎn)移柵極線(TRG)55、復(fù)位柵極線(RST)56和垂直選擇線(SEL)52上的特別是在讀出時間間隔期間的驅(qū)動脈沖的波形圖。對于所有脈沖，低電平“L”使線禁止(無效)，而高電平“H”使線使能(有效)。
如果將垂直選擇晶體管40連接到放大晶體管42的漏極，那么就可以采用與第一實(shí)施例的第一實(shí)例或第二實(shí)例中相同的驅(qū)動方法，而不用驅(qū)動連接到復(fù)位晶體管36的漏極的線。
如果當(dāng)復(fù)位脈沖RST為高電平時不用閾值電壓降就使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38復(fù)位至電源電壓電平，那么就可以進(jìn)行圖7中所示的操作。首先，在接通選擇脈沖SEL之前，導(dǎo)通復(fù)位晶體管36(t0)。然后，導(dǎo)通垂直選擇晶體管40(t1)，并且同時或在足夠短的時間內(nèi)關(guān)斷復(fù)位晶體管36(t2)。
這里，詞“足夠短的時間”意味著與垂直信號線53相比較的非常短的時間。在此采用的詞“非?！敝敢环N程度，即，將與控制脈沖(這里，復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖SEL)相關(guān)的預(yù)定時間周期定義為從當(dāng)選擇脈沖SEL接通垂直選擇晶體管40直到復(fù)位脈沖RST關(guān)斷復(fù)位晶體管36時即兩個脈沖的有效時間的重疊部分的時間周期，并且所述預(yù)定時間周期在實(shí)踐環(huán)境下為足夠短。
此外，這可以是一種程度，即與垂直信號線53的響應(yīng)時間相比足夠早地關(guān)斷復(fù)位脈沖RST。換句話說，復(fù)位脈沖RST首先導(dǎo)通復(fù)位晶體管36，然后，選擇脈沖SEL導(dǎo)通垂直選擇晶體管40。兩個脈沖的有效時間的重疊部分應(yīng)當(dāng)足夠短。如果基本上與關(guān)斷復(fù)位晶體管36的同時導(dǎo)通垂直選擇晶體管40，那么兩個脈沖的有效時間的重疊部分就有效地為0。
根據(jù)第二實(shí)施例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例類似于根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動方法的第一實(shí)例。當(dāng)垂直信號線53跟蹤變化時，就通過垂直信號線53和放大晶體管42之間的耦合電容來提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。
因此，也可以按照與根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動方法的第一實(shí)例相同的方式來精確地定義條件“在顯著地比垂直信號線53的響應(yīng)時間至復(fù)位脈沖RST更短的時間內(nèi)驅(qū)動復(fù)位晶體管36”。
例如，在其中垂直信號線53需要大約100ns的響應(yīng)時間的器件中，小于或等于一半(50％)響應(yīng)時間即50ns的重疊部分就可以提供顯著效果。如果重疊部分小于或等于20ns，也能夠提供最大的效果。
因此，甚至在4TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，其中將垂直選擇晶體管40連接到放大晶體管42的漏極，通過采用根據(jù)第二實(shí)施例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例，就可以降低電源電壓，即，就可以采用較低的電壓電平，并能夠獲得寬的操作余量。因此，與第一實(shí)例的驅(qū)動方法一樣，能夠降低功耗。如果采用與公知方法相同電平下的電源電壓，就能夠增大動態(tài)范圍。
4TR結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方法第三實(shí)例如圖8B中所示，在4TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，其中將垂直選擇晶體管40連接到放大晶體管42的漏極，如果當(dāng)復(fù)位脈沖RST處于高電平時浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓變成閾值電壓降的電壓，那么在復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖SEL之間有效時間的重疊部分就會很長。就是說，出現(xiàn)下面的驅(qū)動定時。如圖9中所示，首先導(dǎo)通復(fù)位晶體管36(t0)。此后，導(dǎo)通垂直選擇晶體管40(t1)，然后關(guān)斷復(fù)位晶體管36(t2)。此時，在復(fù)位脈沖RST和選擇脈沖SEL之間有效時間的重疊部分就長。
這是因?yàn)椋c根據(jù)第一實(shí)例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例一樣，盡管浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38快速地跟蹤復(fù)位晶體管36(復(fù)位柵極)，但垂直信號線53卻緩慢地跟蹤此變化，由此，就會從由復(fù)位溝道確定的值來提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。當(dāng)不發(fā)生閾值電壓降時，即使浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38力圖提高電壓，由于從漏極流入電子，因此就不會提高浮點(diǎn)擴(kuò)散單元38的電壓。
因此，與根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例一樣，確定驅(qū)動條件使得當(dāng)復(fù)位脈沖RST處于高電平時復(fù)位晶體管36處于閾值電壓降。在此情況下，還可以通過采用用于復(fù)位晶體管36的電源電壓和稍微低于電源電壓的第二電壓來定義出優(yōu)選條件。
因此，甚至在在4TR結(jié)構(gòu)的單元像素3中，其中將垂直選擇晶體管40連接到放大晶體管42的漏極，通過采用根據(jù)第二實(shí)施例的驅(qū)動方法的所述第三實(shí)例，就可以降低電源電壓，即與根據(jù)第一實(shí)例的驅(qū)動方法的第二實(shí)例一樣，就可以采用較低的電壓電平，并能夠獲得寬的操作余量。因此，與第一實(shí)施例中的驅(qū)動方法的第一實(shí)例一樣，就能夠降低功耗。如果采用與公知方法相同電平下的電源電壓，就能夠增大動態(tài)范圍。
而且，根據(jù)本發(fā)明，固態(tài)成像器件可以是單芯片型的固態(tài)成像器件，或者可以是由多個芯片形成的模塊型固態(tài)成像器件。例如，如圖10中所示，模塊型固態(tài)成像器件包括用于成像的傳感器芯片和用于處理數(shù)字信號的信號處理芯片。模塊型固態(tài)成像器件還包括光學(xué)系統(tǒng)。
當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于照相機(jī)時，就可以降低照相機(jī)的功耗并能提供寬動態(tài)范圍的成像圖片。
雖然已經(jīng)示出并參照上述實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于上述實(shí)施例中描述的范圍。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，在此可以進(jìn)行各種變化和修改，并且應(yīng)當(dāng)將這些實(shí)施例包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍之中。
附加的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。在上述實(shí)施例中描述的所有特征的組合不必強(qiáng)制地用于解釋本發(fā)明。上述實(shí)施例包括本發(fā)明的各個步驟，并且可以通過適當(dāng)組合多個公開的組件和要素來摘錄各個發(fā)明。盡管從上述實(shí)施例描述的結(jié)構(gòu)中去除了一些組件和要素，但是從其去除了這些組件和要素的結(jié)構(gòu)可以摘取為本發(fā)明，只要此結(jié)構(gòu)能夠提供此效果。
例如，以上詳細(xì)描述的驅(qū)動方法僅僅是與本發(fā)明相關(guān)的特征。實(shí)際上，例如，盡管圖4示出了垂直漏極線57通常處于高電平并在像素讀出之后使用低電平脈沖，但垂直漏極線57也可以通常處于低電平并在像素讀出時間之內(nèi)使用高電平脈沖。總之，這種驅(qū)動操作根本不會改變上述說明。此外，在除了像素讀出之外的步驟中，還進(jìn)行以上未說明的其它操作、例如電子快門的操作，因此，實(shí)際上可以各種各樣地修改各步驟。由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員易于理解修改的具體方法，因此在此不再包含對這些具體修改方法的說明。
此外，例如，盡管已經(jīng)參照FDA結(jié)構(gòu)的像素信號操作單元5描述了上述實(shí)施例，其中采用電荷注入單元的一個實(shí)例的浮點(diǎn)擴(kuò)散作為電荷累積單元，但是像素信號操作單元5不必是FDA型。例如，可以在轉(zhuǎn)移電極之下的襯底上設(shè)置作為電荷注入單元的一個實(shí)例的浮置柵極FG，并且可以采用一種檢測方法，其中采用浮置柵極FG的電位變化，所述電位變化由穿過浮置柵極FG之下的溝道的信號電荷的變化引起。
同樣地，盡管已經(jīng)參照具有傳送電極的結(jié)構(gòu)來描述了上述實(shí)施例，但此結(jié)構(gòu)可以是不具有轉(zhuǎn)移電極的虛擬柵極(VG)結(jié)構(gòu)。
同樣地，盡管已經(jīng)參照具有單元像素的固態(tài)成像器件來描述了上述實(shí)施例，所述單元像素包括電荷產(chǎn)生單元、浮點(diǎn)擴(kuò)散和三個或四個MOS晶體管，但上述結(jié)構(gòu)和方法只需要一個條件，即電荷產(chǎn)生單元例如光電二極管通過電荷轉(zhuǎn)移裝置與電荷累積單元例如浮點(diǎn)擴(kuò)散而分離。例如，可以采用JFET進(jìn)行修改以獲得相同功能。
此外，盡管已經(jīng)參照列型的固態(tài)成像器件來描述了上述實(shí)施例，其中來自以行和列方式排列的像素的輸出信號是電壓信號，并且對每一垂直列設(shè)置CDS處理功能單元，但也可以采用能抑制來自一束成像信號的偏差固定模式噪聲的電路結(jié)構(gòu)來代替此列型電路。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括信號采集單元，包括單元組件，該單元組件包括電荷產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生響應(yīng)于入射電磁波的信號電荷；電荷累積單元，用于累積由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷；信號產(chǎn)生單元，用于根據(jù)在所述電荷累積單元中累積的信號電荷來產(chǎn)生信號；以及復(fù)位單元，用于使所述電荷累積單元復(fù)位；以及驅(qū)動控制單元，用于利用控制脈沖以便使所述電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以增加在所述電荷累積單元中待累積的電荷量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖，并且所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的預(yù)定時間周期顯著地比響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖在所述信號產(chǎn)生單元的輸出信號線上出現(xiàn)的信號的響應(yīng)時間更短。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元在工作的同時將與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期作為所述控制脈沖之一的寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述單元組件還包括選擇開關(guān)單元，用于選擇所述信號采集單元中的所述信號產(chǎn)生單元之一，所述選擇開關(guān)單元在所述信號產(chǎn)生單元的所述輸出信號線的相對側(cè)連接到電源線，所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖和用于驅(qū)動所述選擇開關(guān)單元的選擇脈沖，并且所述驅(qū)動控制單元在工作的同時將與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期作為從當(dāng)所述選擇脈沖接通所述選擇開關(guān)單元直至所述復(fù)位脈沖關(guān)斷所述復(fù)位單元的時間周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元通過所述選擇脈沖來接通所述選擇開關(guān)單元并且同時通過所述復(fù)位脈沖關(guān)斷所述復(fù)位單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖在所述信號產(chǎn)生單元的所述輸出信號線上產(chǎn)生的信號的響應(yīng)時間的1/2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖在所述信號產(chǎn)生單元的所述輸出信號線上出現(xiàn)的所述信號的響應(yīng)時間的1/5。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于用于所述驅(qū)動控制單元所采用的主時鐘脈沖的一個時鐘脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于用于所述驅(qū)動控制單元所采用的所述主時鐘脈沖的一半時鐘脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于40納秒(ns)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期小于或等于20納秒(ns)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得所述電荷累積單元響應(yīng)于與所述控制脈沖相關(guān)的所述預(yù)定時間周期之內(nèi)的所述復(fù)位脈沖的驅(qū)動而充分復(fù)位。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖，并且所述驅(qū)動控制單元工作，使得當(dāng)所述復(fù)位脈沖變?yōu)橛行r，所述復(fù)位單元就變成預(yù)定電壓范圍之內(nèi)的閾值電壓降。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體器件，其中所述驅(qū)動控制單元工作，使得所述預(yù)定電壓范圍是從電源電壓的最小值0.5V至所述電源電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體器件，其中所述單元組件還包括選擇開關(guān)單元，用于選擇所述信號采集單元中的所述信號產(chǎn)生單元之一，所述選擇開關(guān)單元在所述信號產(chǎn)生單元的所述輸出信號線的相對側(cè)連接到電源線，所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖和用于驅(qū)動所述選擇開關(guān)單元的選擇脈沖，并且所述驅(qū)動控制單元在通過采用所述選擇脈沖來接通所述選擇開關(guān)單元之前、通過采用所述復(fù)位脈沖來接通所述復(fù)位單元，然后同時或在此之后通過采用所述選擇脈沖來接通所述選擇開關(guān)單元并通過采用所述復(fù)位脈沖來關(guān)斷所述復(fù)位單元。
16.一種用于驅(qū)動半導(dǎo)體器件的單元組件的驅(qū)動控制方法，所述單元組件包括電荷產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生響應(yīng)于入射電磁波的信號電荷；電荷累積單元，用于累積由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷；信號產(chǎn)生單元，用于根據(jù)在所述電荷累積單元中累積的信號電荷來產(chǎn)生信號；以及復(fù)位單元，用于使所述電荷累積單元復(fù)位，所述方法包括利用控制脈沖使所述電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平以便增加在所述電荷累積單元中待累積的電荷量的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的驅(qū)動控制方法，其中所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖，并且所述步驟操作使得與所述控制脈沖相關(guān)的預(yù)定時間周期顯著地比響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖在所述信號產(chǎn)生單元的輸出信號線上出現(xiàn)的信號的響應(yīng)時間更短。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的驅(qū)動控制方法，其中所述控制脈沖包括用于驅(qū)動所述復(fù)位單元的復(fù)位脈沖，并且所述步驟操作使得當(dāng)所述復(fù)位脈沖變?yōu)橛行r，所述復(fù)位單元就變成預(yù)定電壓范圍之內(nèi)的閾值電壓降。
19.一種用于驅(qū)動半導(dǎo)體器件的單元組件的驅(qū)動控制器件，所述單元組件包括電荷產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生響應(yīng)于入射電磁波的信號電荷；電荷累積單元，用于累積由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷；信號產(chǎn)生單元，用于根據(jù)在所述電荷累積單元中累積的信號電荷來產(chǎn)生信號；以及復(fù)位單元，用于使所述電荷累積單元復(fù)位，所述器件包括驅(qū)動控制單元，該驅(qū)動控制單元用于利用控制脈沖以便使所述電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以增加在所述電荷累積單元中待累積的電荷量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的驅(qū)動控制器件，其中所述驅(qū)動控制單元包括用于產(chǎn)生復(fù)位脈沖的脈沖信號產(chǎn)生單元，所述脈沖信號作為所述控制脈沖之一、用于驅(qū)動所述復(fù)位單元，并且所述驅(qū)動控制單元工作，使得與所述控制脈沖相關(guān)的預(yù)定時間周期顯著地比響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖在所述信號產(chǎn)生單元的輸出信號線上出現(xiàn)的信號的響應(yīng)時間更短。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的驅(qū)動控制器件，其中所述驅(qū)動控制單元包括用于產(chǎn)生復(fù)位脈沖的脈沖信號產(chǎn)生單元，所述脈沖信號作為所述控制脈沖之一、用于驅(qū)動所述復(fù)位單元，并且所述驅(qū)動控制單元工作，使得當(dāng)所述復(fù)位脈沖變?yōu)橛行r，所述復(fù)位單元就變成預(yù)定電壓范圍之內(nèi)的閾值電壓降。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括用于將所述電磁波引導(dǎo)到所述信號采集單元的光學(xué)系統(tǒng)。
23.一種照相機(jī)，包括信號采集單元，包括單元組件，該單元組件包括電荷產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生響應(yīng)于入射電磁波的信號電荷；電荷累積單元，用于累積由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的信號電荷；信號產(chǎn)生單元，用于根據(jù)在所述電荷累積單元中累積的信號電荷來產(chǎn)生信號；以及復(fù)位單元，用于使所述電荷累積單元復(fù)位；驅(qū)動控制單元，用于利用控制脈沖以便使所述電荷累積單元達(dá)到復(fù)位電平，以增加在所述電荷累積單元中待累積的電荷量；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將所述電磁波引導(dǎo)到所述信號采集單元。
全文摘要
一種固態(tài)成像器件，例如CMOS傳感器，包括具有用于產(chǎn)生電荷信號的電荷產(chǎn)生單元的單元像素；浮點(diǎn)擴(kuò)散單元(floating diffusion)，用于累積由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的所述信號電荷；轉(zhuǎn)移柵極晶體管，用于將所述電荷產(chǎn)生單元中的所述信號電荷轉(zhuǎn)移到所述浮點(diǎn)擴(kuò)散單元；復(fù)位晶體管，用于使所述浮點(diǎn)擴(kuò)散復(fù)位；以及放大晶體管，用于根據(jù)由所述電荷產(chǎn)生單元產(chǎn)生的所述信號電荷產(chǎn)生信號并將所述信號輸出到垂直信號線。將用于驅(qū)動所述復(fù)位晶體管的復(fù)位脈沖的寬度充分地降低到例如小于或等于在響應(yīng)于所述復(fù)位脈沖的所述垂直信號線上產(chǎn)生的信號的響應(yīng)時間的1/2，并且優(yōu)選為小于或等于所述響應(yīng)時間的1/5。
文檔編號H04N5/374GK1601753SQ20041009001
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者馬渕圭司 申請人:索尼株式會社