專利名稱：光電轉(zhuǎn)換裝置和成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電轉(zhuǎn)換裝置和成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，具有放大功能的光電轉(zhuǎn)換裝置、特別是CMOS光電轉(zhuǎn)換 裝置已引起關(guān)注。當(dāng)諸如太陽(yáng)光的非常強(qiáng)的光(亮光)進(jìn)入CMOS光 電轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，用強(qiáng)光照射的像素的輸出電壓的灰度級(jí)(gray level) 突然下降，并且，像素的灰度級(jí)可降低到黑電平(blacklevel)。這種 現(xiàn)象將被稱為高亮度暗化(high-brightness darkening )現(xiàn)象。
當(dāng)執(zhí)行相關(guān)雙采樣(CDS)處理時(shí)，出現(xiàn)高亮度暗化現(xiàn)象。這種 現(xiàn)象起因于在輸出噪聲電平信號(hào)的期間中在用強(qiáng)光照射時(shí)電荷(信號(hào) 電荷)從光電轉(zhuǎn)換單元溢出。例如，更具體而言，當(dāng)從像素的檢測(cè)節(jié) 點(diǎn)(浮置擴(kuò)散)讀出噪聲電平信號(hào)時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換單元(光電二極管) 中產(chǎn)生的許多電荷中的一些泄漏到像素的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。如果許多電荷進(jìn) 入檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，那么噪聲電平電壓變得低于(理想)復(fù)位電平電壓并接 近光學(xué)信號(hào)電平電壓。在這種情況下，如果通過計(jì)算噪聲電平電壓和 光學(xué)信號(hào)電平電壓之間的差的CDS處理來獲得圖像信號(hào)，那么圖像信 號(hào)的發(fā)光度(luminance)分量被計(jì)算為小于原始發(fā)光度分量。這是高 亮度暗化現(xiàn)象的機(jī)制。上述的電壓關(guān)系假定電子被用作信號(hào)電荷并且 NMOS晶體管被用作用于將信號(hào)讀出到信號(hào)線的放大MOS晶體管。 當(dāng)空穴被用作信號(hào)電荷或者PMOS晶體管被用作放大MOS晶體管 時(shí)，電壓變化方向相反。高亮度暗化現(xiàn)象產(chǎn)生噪聲電平電壓。
作為考慮高亮度暗化現(xiàn)象的常規(guī)光電轉(zhuǎn)換裝置，在日本專利公開 No. 2005-57612中公開的光電轉(zhuǎn)換裝置是已知的。如圖6所示，在日 本專利公開No. 2005-57612中公開的光電轉(zhuǎn)換裝置包含像素4、檢測(cè)單元2和第二保持部件(means ) 3。
檢測(cè)單元2包含檢測(cè)部件、第一保持部件、反饋部件和用于根據(jù) 反饋電壓來削減(clipping)信號(hào)線SIG的電位的削減部件。檢測(cè)部 件檢測(cè)信號(hào)線SIG的電位。第一保持部件保持基于檢測(cè)部件所檢測(cè)的 電位的電壓。反饋部件將第 一保持部件所保持的電壓反饋到削減部件。 削減部件根據(jù)反饋部件的反饋電壓削減信號(hào)線SIG的電位。
在日本專利公開No. 2005-57612中公開的光電轉(zhuǎn)換裝置中，被檢 測(cè)部件檢測(cè)的信號(hào)線SIG的電位由第一保持部件保持，并然后被反饋 部件反饋到削減部件。出于這個(gè)原因，不能任意地設(shè)定信號(hào)線SIG的 電位和削減部件的輸入電位之間的差。更具體而言，削減部件由 NMOS晶體管形成。被NMOS晶體管削減的電位(削減電位)受到 如下限制削減電位必須比信號(hào)線SIG的電位低NMOS晶體管的閾 值電壓的量。
為了有效抑制高亮度暗化現(xiàn)象的產(chǎn)生，削減電位優(yōu)選盡可能地接 近應(yīng)在像素的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)被復(fù)位時(shí)經(jīng)由信號(hào)線SIG被傳送的復(fù)位電平。 但是，在日本專利公開No. 2005-57612中公開的光電轉(zhuǎn)換裝置中，削 減電位受到如下限制削減電位必須比復(fù)位電平低NMOS晶體管的閾 值電壓的量。結(jié)果，變得難以有效抑制高亮度暗化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，通過將復(fù)位電平和削減電位之間的差設(shè)為比削 減單元中的電壓降的量小，從而有效抑制高亮度暗化現(xiàn)象的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種光電轉(zhuǎn)換裝置，在該光電轉(zhuǎn)換 裝置中，二維地排列光電轉(zhuǎn)換單元、電荷電壓轉(zhuǎn)換器、傳送單元和輸
出單元，電荷電壓轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)換成電壓，傳送單元中 的每一個(gè)將光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷傳送到電荷電壓轉(zhuǎn)換器，輸出
單元中的每一個(gè)向信號(hào)線輸出與電荷電壓轉(zhuǎn)換器所轉(zhuǎn)換的電壓對(duì)應(yīng)的 信號(hào)，并且，在該裝置中，為了 CDS處理，在電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù) 位時(shí)第一信號(hào)被輸出到信號(hào)線，并且在傳送單元已將光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷傳送到電荷電壓轉(zhuǎn)換器時(shí)第二信號(hào)被輸出到信號(hào)線，該裝置包
含包含具有源極和漏極的MOS晶體管的削減單元，源極和漏極中 的一個(gè)與信號(hào)線連接，且源極和漏極中的另一個(gè)與電源連接，并且，
削減單元將信號(hào)線的電位削減到與所述一個(gè)的電位對(duì)應(yīng)的電位；具有 第一電極和第二電極的保持電容，第一電極與MOS晶體管的柵極連 接，且保持電容至少保持在電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)被傳送到信號(hào) 線的電壓；以及偏移(shift)單元，該偏移單元沿著使得第二電極的 電位接近當(dāng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)要被傳送到信號(hào)線的電平的方 向，使第二電極的電位偏移。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)包括 根據(jù)本發(fā)明的第一方面的光電轉(zhuǎn)換裝置；在光電轉(zhuǎn)換裝置的圖像感測(cè) 面上形成圖像的光學(xué)系統(tǒng)；以及處理從光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號(hào)以產(chǎn) 生圖像數(shù)據(jù)的信號(hào)處理單元。
通過將復(fù)位電平和削減電位之間的差設(shè)為比削減單元中的電壓降 的量小，本發(fā)明能有效抑制高亮度暗化現(xiàn)象的產(chǎn)生。
從參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征 將變得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的笫 一 實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置100的電路圖； 圖2是表示光電轉(zhuǎn)換裝置100的操作的時(shí)序圖； 圖3是偏移單元30的電路圖4是應(yīng)用根據(jù)第一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的成像系統(tǒng)的框圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置400的電路圖;
以及
圖6是用于解釋現(xiàn)有技術(shù)的示圖。
具體實(shí)施例方式
將參照?qǐng)D1解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置100。圖l是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置100的電路圖。
光電轉(zhuǎn)換裝置100包含像素10、開關(guān)60、保持電容40、偏移單 元30、削減單元20和CDS電路(差分電路)50。 CDS電路也可被布 置在光電轉(zhuǎn)換裝置外面，以在其外面執(zhí)行CDS處理。
在光電轉(zhuǎn)換裝置100的圖像感測(cè)區(qū)域中二維地(沿行方向和列方 向)排列多個(gè)像素IO。同一列上的像素IO與垂直信號(hào)線LI連接。
各像素10包含光電轉(zhuǎn)換單元PD、傳送單元101、電荷電壓轉(zhuǎn)換 器FD、放大晶體管(輸出單元)103和復(fù)位晶體管102。
光電轉(zhuǎn)換單元PD產(chǎn)生與所接收的光對(duì)應(yīng)的電荷。光電轉(zhuǎn)換單元 PD例如是光電二極管。光電轉(zhuǎn)換單元PD具有接地的陽(yáng)極(anode) 和與傳送單元101連接的陰極(cathode)。
傳送單元101將光電轉(zhuǎn)換單元PD中產(chǎn)生的電荷傳送到電荷電壓 轉(zhuǎn)換器FD。傳送單元101例如是傳送晶體管。
電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD將從傳送單元101傳送的電荷轉(zhuǎn)換成電壓。 電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD例如是浮置擴(kuò)散(floating diffusion )。
放大晶體管103放大基于傳送到電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD的電荷的信 號(hào)，并輸出放大的信號(hào)。放大晶體管103的柵極與電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD 電連接。放大晶體管103與經(jīng)由垂直信號(hào)線Ll連接的恒流源112聯(lián) 合起來執(zhí)行源極跟隨器操作。放大晶體管103放大基于電荷電壓轉(zhuǎn)換 器FD的電壓的信號(hào)，并將放大的信號(hào)輸出到垂直信號(hào)線L1。
復(fù)位晶體管102在預(yù)定的期間中將電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD復(fù)位。復(fù) 位晶體管102具有與電源VRES連接的漏極和與電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD 連接的源極。當(dāng)向復(fù)位晶體管102的柵極供給激活電平(active-level) 驅(qū)動(dòng)脈沖pRES時(shí)，復(fù)位晶體管102被接通以將電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD 復(fù)位到與電源VRES對(duì)應(yīng)的電位。
電源VRES為兩種電位中的任一種讀出像素(要從其讀出信號(hào) 的像素)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD被復(fù)位到的電位VRESH、和非讀出像 素(不從其讀出信號(hào)的像素)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD被復(fù)位到的電位 VRESL。通過設(shè)定VRESH>VRESL，只有讀出像素的放大晶體管103被接通以供給由恒流源112限定的電流。
在以下的描述中，"復(fù)位電平"意味著在復(fù)位晶體管102復(fù)位電 荷電壓轉(zhuǎn)換器FD時(shí)應(yīng)被輸出到垂直信號(hào)線L1的電位。相反，"噪聲 電平"(后面將描述)意味著在復(fù)位晶體管102復(fù)位電荷電壓轉(zhuǎn)換器 FD時(shí)實(shí)際被輸出到垂直信號(hào)線L1的電位。例如，噪聲電平是當(dāng)強(qiáng)光 進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換單元時(shí)被輸出的信號(hào)，并且是當(dāng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已 被復(fù)位時(shí)其電平根據(jù)電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD的電位變化而(從復(fù)位電平) 變化、并且被輸出到信號(hào)線的變化的第一信號(hào)。
異^ 60在由.薪由.壓接掩塞PTl P,赫耷傳時(shí)駱^畝信尋線.T,1的電
壓施加到保持電容40，并且在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已將從傳送單元IOI 傳送的電荷轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)將預(yù)定的電位VCLIPL傳送到保持電容40。 只要恒流源112不被切斷，則VCLIPL被設(shè)為低。開關(guān)60包含開關(guān) 晶體管108和109。在這種情況下，開關(guān)晶體管108由PMOS晶體管 形成，且開關(guān)晶體管109由NMOS晶體管形成。
當(dāng)激活電平驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIP在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位時(shí)被 供給到開關(guān)晶體管108的柵極時(shí)，開關(guān)晶體管108被接通。當(dāng)非激活 (inactive-level)電平驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIP在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已將從 傳送單元IOI傳送的電荷轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)被供給到開關(guān)晶體管108的柵 極時(shí)，開關(guān)晶體管108被斷開。
當(dāng)非激活電平驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIPL在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位 時(shí)被供給到開關(guān)晶體管109的柵極時(shí)，開關(guān)晶體管109被斷開。當(dāng)激 活電平驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIP在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已將從傳送單元101傳 送的電荷轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)被供給到開關(guān)晶體管108的柵極時(shí)，開關(guān)晶體 管108被接通。
保持電容40保持在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位時(shí)經(jīng)由垂直信號(hào) 線L1傳送的電壓。保持電容40包含第一電極41和第二電極42。第 一電極41與開關(guān)60連接。第一電極41接收在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已 被復(fù)位時(shí)經(jīng)由垂直信號(hào)線Ll傳送的電壓，并且在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD 已將從傳送單元101傳送的電荷轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)傳送預(yù)定的電位VCLIPL。第二電極42.與第一電極41 一起形成電容，并且例如是面 對(duì)第一電極41的電極。第二電極42與偏移單元30連接。
偏移單元30使保持電容40中的笫二電極42的電位偏移，以使得 第二電極42的電位接近復(fù)位電平。電位接近復(fù)位電平的方向是當(dāng)電位 上升以接近復(fù)位電平時(shí)增加第二電極42的電位的操作的方向、或當(dāng)電 位下降以接近復(fù)位電平時(shí)降低電位的操作的方向。在垂直信號(hào)線Ll 的電壓經(jīng)由開關(guān)108被傳送到第一電極41之后，偏移單元30沿第二 電極42的電位接近復(fù)位電平的方向使保持電容40的第二電極42的電 位偏移。結(jié)果，偏移單元30可使保持電容40的第一電極41的電位偏 移，以使得第一電極41的電位接近復(fù)位電平。由偏移單元30導(dǎo)致的 偏移量等于或大于削減單元20中的電壓降的量，并且等于或小于噪聲 電平電壓和復(fù)位電平電壓之間的差。更具體而言，假定第一信號(hào)是當(dāng) 電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)被輸出到垂直信號(hào)線的信號(hào)。那么，偏移 量的上限等于或小于電荷電壓轉(zhuǎn)換器的電位變化之后(時(shí))的變化的 第一信號(hào)和電荷電壓轉(zhuǎn)換器的電位變化之前的未變化的第一信號(hào)之間的差。
削減單元削減比供給到NMOS晶體管104的柵極的電位低的電 位，后面將對(duì)此進(jìn)行描述。還可設(shè)置偏移量來降低電壓降的量。偏移 量?jī)?yōu)選被設(shè)為等于削減單元中的電壓降的量。
削減單元20將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到通過從第一電極41 的電位減去削減單元20中的電壓降的量而獲得的削減電位。削減單元 20包含NMOS晶體管104。 NMOS晶體管104具有與保持電容40的 第一電極41連接的柵極、與電源(側(cè))連接的漏極、以及與垂直信號(hào) 線Ll (側(cè))連接的源極。NMOS晶體管104在柵極處接收第一電極 41的電位，并將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到通過從第一電極41的電 位減去電壓降(至少包含閾值電壓的柵極-源極電壓降)的量而獲得的 削減電位。即，NMOS晶體管104將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到與 源極的電位對(duì)應(yīng)的電位。
因此，偏移單元30優(yōu)選使第二電極42的電位偏移，使得被削減單元20削減的垂直信號(hào)線L1的電位接近理想的復(fù)位電平，即，第一 電極41的電位變得大于如下的值所述值比理想的復(fù)位電平小閾值電 壓的量。
作為具體操作，當(dāng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位并且變化的信號(hào) (第一信號(hào))被輸出到垂直信號(hào)線Ll時(shí)，第一信號(hào)的電平可在電荷 電壓轉(zhuǎn)換器FD的電位變化時(shí)變化。當(dāng)變化的第一信號(hào)(即，垂直信 號(hào)線Ll的電位)和MOS晶體管104的柵極的電位之間的差超過該 MOS晶體管的閾值時(shí)，NMOS晶體管104接通，以將垂直信號(hào)線L1 的電位削減在接近復(fù)位電平的值(大于比復(fù)位電平低閾值電壓的量的 電平的值，且小于復(fù)位電平的值)。
應(yīng)當(dāng)注意，代替NMOS晶體管104，削減單元20還可包含PMOS 晶體管(未示出)。在這種情況下，PMOS晶體管具有與保持電容40 的第一電極41連接的柵極、與電源(側(cè))連接的源極、以及與垂直信 號(hào)線Ll (側(cè))連接的漏極。PMOS晶體管在柵極處接收第一電極41 的電位，并將垂直信號(hào)線L1的電位削減到通過從第一電極41的電位 減去(柵極和源極之間的)電壓降的量而獲得的削減電位。即，PMOS 晶體管將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到與漏極的電位對(duì)應(yīng)的電位。
CDS電路50執(zhí)行相關(guān)雙采樣(CDS)處理以計(jì)算單個(gè)光電轉(zhuǎn)換 單元的噪聲電平電壓和光學(xué)信號(hào)電平電壓之間的差，從而獲得沒有噪 聲分量的圖像信號(hào)。更具體而言，CDS電路50在電荷電壓轉(zhuǎn)換器已 被復(fù)位時(shí)向信號(hào)線輸出第一信號(hào)，并且，在傳送單元已將光電轉(zhuǎn)換單 元的電荷傳送到電荷電壓轉(zhuǎn)換器時(shí)向信號(hào)線輸出第二信號(hào)。然后，CDS 電路50計(jì)算兩個(gè)信號(hào)之間的差。這是CDS處理。CDS電路50將獲 得的圖像信號(hào)輸出到輸出級(jí)(例如，圖4中所示的感測(cè)圖像信號(hào)處理 電路95)。
將參照?qǐng)D3解釋偏移單元30的布置。圖3是偏移單元30的電路圖。
偏移單元30包含開關(guān)晶體管301、開關(guān)晶體管302、源極跟隨器 (SF)晶體管303、恒流源305和開關(guān)晶體管304。開關(guān)晶體管301、開關(guān)晶體管302、 SF晶體管303和開關(guān)晶體管304均為NMOS晶體管。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖pVl為高時(shí)，開關(guān)晶體管301向SF晶體管303的柵 極施加"電位V1 + SF晶體管303的閾值電壓，，。SF晶體管303與恒 流源305聯(lián)合起來執(zhí)行源極跟隨器操作，并向節(jié)點(diǎn)N2施加電位VI的 電壓。此時(shí)，開關(guān)晶體管302和304兩者均為斷開(OFF)。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖pV2為高時(shí)，開關(guān)晶體管302向SF晶體管303的柵 極施加"電位V2 + SF晶體管303的閾值電壓"。SF晶體管303與恒 流源305聯(lián)合起來執(zhí)行源極跟隨器操作，并向節(jié)點(diǎn)N2施加電位V2 (〉V1)的電壓。此時(shí)，開關(guān)晶體管301和304兩者均為斷開。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIPL為高時(shí)，開關(guān)晶體管304^皮接通以向節(jié)點(diǎn)N2 施加GND電位的電壓。此時(shí)，開關(guān)晶體管301和302以及SF晶體管 303均為斷開。
將參照?qǐng)D2解釋光電轉(zhuǎn)換裝置100的操作。圖2是表示光電轉(zhuǎn)換 裝置100的操作的時(shí)序圖。在圖2中，"FD"至"N2"代表各節(jié)點(diǎn)的 電位。"pRES"至"pV2"代表驅(qū)動(dòng)脈沖。
將解釋正常的操作。
在期間Tl中，向復(fù)位晶體管102施加驅(qū)動(dòng)脈沖pRES,以將讀出 像素的電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD復(fù)位到復(fù)位電位VRESH。向開關(guān)晶體管 108施加驅(qū)動(dòng)脈沖pCLIP，以將其接通。
應(yīng)在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位時(shí)經(jīng)由垂直信號(hào)線L1被傳送的 復(fù)位電平電壓由下式給出
VLlres = VRESH - VthO (復(fù)位晶體管102的閾值電壓)-Vthl (放大晶體管103的閾值電壓)-Aovl (放大晶體管103的過驅(qū)動(dòng)電 壓) ...(l)
這里，Aovl是由放大晶體管103的特性和恒流源112的電流值確定的 電壓。
保持電容40保持在電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD已被復(fù)位時(shí)經(jīng)由垂直信號(hào) 線L1被傳送的噪聲電平電壓。于是，節(jié)點(diǎn)Nl的電位變得等于經(jīng)由垂直信號(hào)線L1傳送的噪聲電平。當(dāng)噪聲電平等于復(fù)位電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)N1 的電位變得等于復(fù)位電平。
在期間T1中，節(jié)點(diǎn)N2的電位被固定為任意的電位VI。節(jié)點(diǎn)N1 與NMOS晶體管104的柵極連接，并且，由保持電容40保持的電壓 被反饋到NMOS晶體管104的柵極。
在期間T2中，節(jié)點(diǎn)N2的電位從VI上升到任意的電位V2。節(jié)點(diǎn) N2的電位的上升為
AVN2-V2-VI …(2)
隨著節(jié)點(diǎn)N2的電位上升，節(jié)點(diǎn)N1的電位也上升。節(jié)點(diǎn)N1的電位的 上升為
AVN1 -KxAVN2 …(3)
這里，K為比例常數(shù)。結(jié)果，節(jié)點(diǎn)N1的電位VN1變?yōu)?br> VN1 = VRESH - Vth0 - Vthl - Aovl + VN1 …(4 )
在期間T2中，CDS電路50接收激活驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTN，以保持經(jīng)由 垂直信號(hào)線Ll傳送的噪聲電平電壓并對(duì)像素的噪聲電平進(jìn)行釆樣。
在期間T3中，為了對(duì)像素的光學(xué)信號(hào)電平進(jìn)行采樣，對(duì)開關(guān)晶 體管109施加脈沖pCLIPL以將其接通，并將節(jié)點(diǎn)Nl的電位重寫為 電位VCLIPL。只要恒流源112不被切斷，則VCLIPL被設(shè)為低。此 時(shí)，垂直信號(hào)線的電位被削減為不變得比VCLIPL - Vth2 - Aov2低。 為了讀出在對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行釆樣結(jié)束之后輸出的下一像素，節(jié)點(diǎn)N2 的電位被復(fù)位為GND電位。
將解釋當(dāng)象太陽(yáng)光的強(qiáng)光進(jìn)入像素10時(shí)的期間T2中的操作。
當(dāng)諸如太陽(yáng)光的強(qiáng)光進(jìn)入像素10時(shí)，電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD的電位 由于從光電轉(zhuǎn)換單元PD溢出的電荷而降低。響應(yīng)于這一點(diǎn)，經(jīng)由垂 直信號(hào)線Ll傳送的噪聲電平也從復(fù)位電平下降。
假定偏移單元30不對(duì)保持電容40的第二電極42的電位進(jìn)行偏 移。在這種情況下，NMOS晶體管104直接在柵極處接收從開關(guān)60輸入的垂直信號(hào)線Ll的電位，并且將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到削 減電位Vclip:
Vclip = VRESH - VthO - Vthl - Aovl - Vth2 (匪OS晶體管104 的閾值電壓)-Aov2 (NMOS晶體管104的過驅(qū)動(dòng)電壓)
...(5)
即，削減電位Vclip的電平變得比復(fù)位電平低如下的值
VLlres - VclipH = Vth2 + Aov2 …(6 )
如式(6)所示，復(fù)位電平和削減電位之間的差等于或大于削減單元中 的電壓降的量Vth2。難以使得復(fù)位電平和削減電位之間的差比削減單 元中的電壓降的量小。
相反，在第一實(shí)施例中，偏移單元30將保持電容40的第二電極 42的電位偏移AVN2 (參見式(2))。在這種情況下，NMOS晶體管 104在柵極處接收從垂直信號(hào)線Ll的電位偏移AVN1 (參見式(3 )) 的電位。NMOS晶體管104將垂直信號(hào)線Ll的電位削減到削減電位 VclipH:
VclipH = VRESH - VthO - Vthl - Aovl + AVN1 - Vth2 (匪OS 晶體管104的閾值電壓)-Aov2 (NMOS晶體管104的過驅(qū)動(dòng)電壓)
(7)
即，削減電位VclipH的電平變得比復(fù)位電平低如下的值
VLlres-VclipH = ( Vth2 + Aov2 ) - AVN1 …(8)
如式(8)所示，如果向NMOS晶體管104的柵極輸入被偏移AVN1 的電位，所述AVN1滿足下式
0《(Vth2 + Aov2 ) - AVNKVth2 …(9 )
即
Aov2 < AVNl《Vth2 + Aov2 …(10 )那么可使得復(fù)位電平和削減電位之間的差比削減單元中的電壓降的量 小。
換句話說，從式(3)和式(10),如果偏移單元30將保持電容 40的第二電極42的電位偏移AVN2，所述AVN2滿足下式
Aov2/K< AVN2《(Vth2 + Aov2 ) /K …(11)
那么可使得復(fù)位電平和削減電位之間的差比削減單元中的電壓降的量小。
如上所述，根據(jù)第一實(shí)施例，通過將復(fù)位電平和削減電位之間的 差設(shè)為比削減單元中的電壓降的量小，能有效抑制高亮度暗化現(xiàn)象的 產(chǎn)生。
根據(jù)第一實(shí)施例，由于垂直信號(hào)線Ll的電位被(偏移并且)反 饋到NMOS晶體管104的柵極，因此能抑制像素特性的變動(dòng)(閾值電 壓的波動(dòng))對(duì)于削減電位的影響。
圖4顯示應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置的成像系統(tǒng)的例子。 如圖4中所示，成像系統(tǒng)90主要包括光學(xué)系統(tǒng)、圖像感測(cè)設(shè)備 86和信號(hào)處理單元。光學(xué)系統(tǒng)主要包含快門91、鏡頭(lens) 92和光 闌(stop) 93。圖像感測(cè)設(shè)備86包含光電轉(zhuǎn)換裝置100。信號(hào)處理單 元主要包含感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95、 A/D轉(zhuǎn)換器96、圖像信號(hào)處理 器97、存儲(chǔ)器87、外部I/F 89、定時(shí)發(fā)生器98、總體控制/運(yùn)算單元 99、記錄介質(zhì)88和記錄介質(zhì)控制I/F 94。信號(hào)處理單元可不包含記錄 介質(zhì)88。
快門91在光路上被布置在鏡頭92的前面，以控制曝光。
鏡頭92使入射光折射，以在圖像感測(cè)設(shè)備86中的光電轉(zhuǎn)換裝置 100的圖像感測(cè)面上形成對(duì)象(object)圖像。
光闌93在光路上被插入在鏡頭92和光電轉(zhuǎn)換裝置100之間 光 闌93調(diào)整在穿過鏡頭92之后被引導(dǎo)到光電轉(zhuǎn)換裝置100的光的量。
圖像感測(cè)設(shè)備86的光電轉(zhuǎn)換裝置100將形成在圖像感測(cè)面(像素 陣列)上的對(duì)象圖像轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)。圖像感測(cè)設(shè)備86從光電轉(zhuǎn)換裝 置100讀出圖像信號(hào)并將其輸出。感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95與圖像感測(cè)設(shè)備86連接，并處理從圖 像感測(cè)設(shè)備86輸出的圖像信號(hào)。
A/D轉(zhuǎn)換器96與感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95連接。A/D轉(zhuǎn)換器96 將從感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95輸出的經(jīng)處理的圖像信號(hào)(模擬信號(hào)) 轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)(數(shù)字信號(hào))。
圖像信號(hào)處理器97與A/D轉(zhuǎn)換器96連接。圖像信號(hào)處理器97 執(zhí)行諸如校正從A/D轉(zhuǎn)換器96輸出的圖像信號(hào)(數(shù)字信號(hào))的各種 運(yùn)算處理，從而產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。圖像信號(hào)處理器97將圖像數(shù)據(jù)供給到 存儲(chǔ)器87、外部I/F 89、總體控制/運(yùn)算單元99和記錄介質(zhì)控制I/F 94 等。
存儲(chǔ)器87與圖像信號(hào)處理器97連接，并存儲(chǔ)從圖像信號(hào)處理器 97輸出的圖像數(shù)據(jù)。
外部I/F 89與圖像信號(hào)處理器97連接。從圖像信號(hào)處理器97輸 出的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由外部I/F 89被傳送到外部裝置(例如，個(gè)人計(jì)算機(jī))。
定時(shí)發(fā)生器98與圖像感測(cè)設(shè)備86、感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95、 A/D轉(zhuǎn)換器96和圖像信號(hào)處理器97連接。定時(shí)發(fā)生器98向圖像感測(cè) 設(shè)備86、感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95、 A/D轉(zhuǎn)換器96和圖像信號(hào)處理 器97供給定時(shí)信號(hào)。圖像感測(cè)設(shè)備86、感測(cè)圖像信號(hào)處理電路95、 A/D轉(zhuǎn)換器96和圖《象信號(hào)處理器97同步于定時(shí)信號(hào)而操作。
總體控制/運(yùn)算單元99與定時(shí)發(fā)生器98、圖像信號(hào)處理器97和記 錄介質(zhì)控制I/F 94連接，并對(duì)它們?nèi)w進(jìn)行控制。
記錄介質(zhì)88可拆卸地與記錄介質(zhì)控制I/F 94連接。從圖像信號(hào)處 理器97輸出的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由記錄介質(zhì)控制I/F 94被記錄在記錄介質(zhì) 88上。
通過該布置，只要光電轉(zhuǎn)換裝置100能獲得高質(zhì)量的圖像信號(hào)， 它就能提供高質(zhì)量的圖像(圖像數(shù)據(jù))。
將參照?qǐng)D5解釋根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置400。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置400的電路圖。將主 要解釋與第一實(shí)施例的差異。光電轉(zhuǎn)換裝置400包含削減單元420。削減單元420包含共柵極 放大電路405、以及形成共源極放大電路的一部分的削減晶體管406 (即，恒流源112形成共源極放大電路的另一部分)。
例如，共柵極方欠大電路405和削減晶體管406可采取如圖5所示 的布置。
共柵極放大電路405包含恒流源411和NMOS晶體管404。削減 晶體管406包含具有共用源極(與固定的電位連接的源極)的PMOS 晶體管410。削減晶體管406與垂直信號(hào)線Ll上的恒流源112 —起形 成共源極放大電路。
恒流源411由PMOS晶體管形成，所述PMOS晶體管具有共用 柵極(與固定的電位(例如，GND)連接的柵極)、與電源連接的源 極、以及與NMOS晶體管404和共源極i文大電路中的PMOS晶體管 410連接的漏極。恒流源411用作用于向NMOS晶體管404供給恒定 電流的電流源負(fù)載。
NMOS晶體管404具有與保持電容40的第一電極41連接的柵極、 以及與垂直信號(hào)線Ll連接的源極。NMOS晶體管404具有與恒流源 411和削減晶體管406( PMOS晶體管410)的柵極連接的漏極。NMOS 晶體管404放大垂直信號(hào)線Ll(源極)的電位自供給到柵極的電壓(削 減電位)的下降。NMOS晶體管404從漏極輸出放大的電壓。
削減MOS晶體管406 ( PMOS晶體管410 )的柵極從共柵極放大 電路405接收輸出，并且與NMOS晶體管404的漏極連接。削減MOS 晶體管406 ( PMOS晶體管410 )由PMOS晶體管形成，所述PMOS 晶體管具有與電源連接的源極、以及與NMOS晶體管404的源極和垂 直信號(hào)線Ll連接的漏極。共源極放大電路中的PMOS晶體管410接 收NMOS晶體管404的漏極的輸出電壓。當(dāng)垂直信號(hào)線Ll的電位自 削減電位VclipH的下降大時(shí)，削減MOS晶體管406向NMOS晶體 管404的源極反饋比當(dāng)該下降小時(shí)高的電壓。該反饋是負(fù)反饋。
當(dāng)垂直信號(hào)線Ll的電位自削減電位VclipH的下降大時(shí)，NMOS 晶體管404在源極處接收比當(dāng)該下降小時(shí)高的從削減MOS晶體管406反饋的電壓。該布置能實(shí)現(xiàn)以下的削減操作。
當(dāng)垂直信號(hào)線Ll的電位下降以接通NMOS晶體管404時(shí)，節(jié)點(diǎn) N3的電位下降以接通削減MOS晶體管406。削減MOS晶體管406 的柵極接收關(guān)于垂直信號(hào)線Ll的電位變化被正增益因子放大的電位。 然后，隨著垂直信號(hào)線Ll的電位下降，削減MOS晶體管406(PMOS 晶體管410)的漏極電流突然增大。當(dāng)垂直信號(hào)線L1的電位自削減電 位VclipH的下降大時(shí)，削減MOS晶體管406 ( PMOS晶體管410 ) 向NMOS晶體管404的源極反饋比當(dāng)該下降小時(shí)高的電壓。當(dāng)流過電 流源負(fù)栽411和共源極放大電路410的電流的和等于流過垂直信號(hào)線 Ll上的恒流源112的電流的值時(shí)，垂直信號(hào)線Ll的電位穩(wěn)定。
為了有效的削減操作，優(yōu)選將流過用作NMOS晶體管404的電流 源負(fù)載的PMOS晶體管411的電流的值設(shè)為比流過恒流源112的電流 小，并增大共柵極放大電路405的增益。
出于相同的原因，優(yōu)選將包含削減MOS晶體管406的共源極放 大電路的跨導(dǎo)設(shè)為比恒流源411和NMOS晶體管404的大。
假定共柵極放大電路405的電流值為垂直信號(hào)線Ll上的恒流源 112的1/M，并且垂直信號(hào)線Ll上的恒流源112的電流值為II。在這 種情況下，M為1 <M。
垂直信號(hào)線Ll的電位下降，并且NMOS晶體管404的源極的電 位下降以接通NMOS晶體管404并供給漏極電流。此時(shí)，NMOS晶 體管404能僅供給垂直信號(hào)線Ll上的恒流源112的電流的1/M。因 此，隨著Vgs (NMOS晶體管404的柵極和源極之間的電壓)上升， NMOS晶體管404的漏極(節(jié)點(diǎn)N3)的電位突然下降。在節(jié)點(diǎn)N3的 電位的突然下降時(shí)，共源極放大電路(PMOS晶體管)410被接通， 以突然增大共源極力欠大電路中的PMOS晶體管410的漏極電流。
最后，當(dāng)流過NMOS晶體管404的電流的值變?yōu)?1xl/M并且流 過包含削減MOS晶體管406的共源極放大電路的電流變?yōu)镮lx(M-1)/M時(shí)，削減單元(削減電路)420穩(wěn)定。
假定削減MOS晶體管406的跨導(dǎo)比恒流源411和NMOS晶體管404的大得多。而且，假定當(dāng)削減垂直信號(hào)線Ll的電位時(shí)恒流源411 和NMOS晶體管404在飽和區(qū)域中操作。
如上所述，垂直信號(hào)線Ll的削減電位由VRESH - VthO - Vthl -Aovl + AVN2 - Vth4 ( NMOS晶體管404的閾值電壓)-Aov4 (NMOS晶體管404的過驅(qū)動(dòng)電壓)給出。因此，垂直信號(hào)線L1的 削減電位比復(fù)位電平低(-AVN2 + Vth4 + Aov4 )。
如上所述，在第二實(shí)施例中，從NMOS晶體管404供給的電流的 值為從垂直信號(hào)線Ll上的恒流源112供給的電流的值的1/M,因此 能降低過驅(qū)動(dòng)電壓Aov4。當(dāng)垂直信號(hào)線Ll的噪聲電平下降時(shí)，能將 垂直信號(hào)線Ll的削減電位設(shè)為高，以確保垂直信號(hào)線Ll的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例，并且，能對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行適當(dāng)修 改和組合，而不背離本發(fā)明的范圍。
例如，在所述實(shí)施例中，電子^L用作信號(hào)電荷，并且NMOS晶體 管被用作放大晶體管。還能將空穴用作信號(hào)電荷，并將PMOS晶體管 用作放大晶體管。在這種情況下，暗化現(xiàn)象提高垂直信號(hào)線的噪聲電 平電壓，因此執(zhí)行削減操作以防止電壓超過預(yù)定值。在這種情況下， PMOS晶體管可用作削減晶體管。還根據(jù)PMOS晶體管適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電 平偏移量。
'像素布置被例示為對(duì)放大晶體管的柵極電位(電荷電壓轉(zhuǎn)換器FD 的電位)進(jìn)行開關(guān)。選擇MOS晶體管也可被布置在放大MOS晶體管 的源極或漏極側(cè)，以對(duì)像素進(jìn)行選擇/取消選擇和控制流過放大MOS 晶體管的電流。
雖然已參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限 于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋， 以包含所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1. 一種光電轉(zhuǎn)換裝置，在所述光電轉(zhuǎn)換裝置中，二維地排列光電轉(zhuǎn)換單元、電荷電壓轉(zhuǎn)換器、傳送單元和輸出單元，所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)換成電壓，所述傳送單元中的每一個(gè)將所述光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷傳送到所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器，所述輸出單元中的每一個(gè)向信號(hào)線輸出與被所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電壓對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并且，在所述裝置中，為了CDS處理，在所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)第一信號(hào)被輸出到所述信號(hào)線，且在所述傳送單元已將所述光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷傳送到所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器時(shí)第二信號(hào)被輸出到所述信號(hào)線，所述裝置包含包含具有源極和漏極的MOS晶體管的削減單元，所述源極和漏極中的一個(gè)與所述信號(hào)線連接，且所述源極和漏極中的另一個(gè)與電源連接，并且，所述削減單元將所述信號(hào)線的電位削減到與所述一個(gè)的電位對(duì)應(yīng)的電位；具有第一電極和第二電極的保持電容，所述第一電極與所述MOS晶體管的柵極連接，并且，所述保持電容至少保持在所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)被傳送到所述信號(hào)線的電壓；和偏移單元，所述偏移單元沿著使得所述第二電極的電位接近當(dāng)所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)要被傳送到所述信號(hào)線的電平的方向，使所述第二電極的電位偏移。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，所述MOS晶體管將所述信號(hào)線的電位削減到通過從所述第一電極的電位減去所述削減單元中的電壓降的量而獲得的削減電位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，當(dāng)在輸出所述第一信號(hào)時(shí)所述第一信號(hào)的電平隨所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器的電位的變化而變化時(shí)，如果所述第一信號(hào)的變化的電平和所述MOS晶體管的柵極的電位之間的差超過所述MOS晶體管的閾值，那么所述MOS晶體管削減所述信號(hào)線的電位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，通過所述偏移單元得到的偏移量等于或不小于所述削減單元中的電壓降的量，且等于或不大于在所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器的電位變化時(shí)變化的第一信號(hào)和在所述電荷電壓轉(zhuǎn)換器的電位變化之前未變化的第一信號(hào)之間的差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，還包含向所述保持電容的所述第一電極供給所述信號(hào)線的電壓的開關(guān)，其中，在所述信號(hào)線的電壓經(jīng)由所述開關(guān)被供給到所述第一電極之后，所述偏移單元使所述保持電容的所述第二電極的電位偏移。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，所述削減單元中的電壓降的量至少等于或不小于所述MOS晶體管的閾值電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，所述MOS晶體管包含具有與所述電源連接的漏極和與所述信號(hào)線連接的源極的NMOS晶體管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，所述削減單元還包含具有與所述信號(hào)線連接的源極的NMOS晶體管；被插入在所述NMOS晶體管的漏極和所述電源之間的恒流源；和在柵極處接收所述NMOS晶體管的漏極的電壓的PMOS晶體管，所述PMOS晶體管具有被布置在所述NMOS晶體管的源極側(cè)的漏極，并具有被布置在所述電源的一側(cè)的源極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中，所述PMOS晶體管具有與所述NMOS晶體管的漏極連接的柵極、與所述電源連接的源極、以及與所述NMOS晶體管的源極連接的漏極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中，所述MOS晶體管包含具有與所述電源連接的源極和與所述信號(hào)線連接的漏極的PMOS晶體管。
11. 一種成^f象系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換裝置；在所述光電轉(zhuǎn)換裝置的圖像感測(cè)面上形成圖像的光學(xué)系統(tǒng)；和處理從所述光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號(hào)以產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的信號(hào)處理單元。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光電轉(zhuǎn)換裝置和成像系統(tǒng)。所述光電轉(zhuǎn)換裝置包含包含具有與信號(hào)線連接的源極和與電源連接的漏極的MOS晶體管的削減單元，且所述削減單元將信號(hào)線的電位削減到與源極的電位對(duì)應(yīng)的電位；具有第一電極和第二電極的保持電容，第一電極與MOS晶體管的柵極連接，且所述保持電容至少保持在電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)被傳送到信號(hào)線的電壓；和偏移單元，所述偏移單元沿著使得第二電極的電位接近當(dāng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器已被復(fù)位時(shí)要被傳送到信號(hào)線的電平的方向，使第二電極的電位偏移。
文檔編號(hào)H04N5/359GK101510963SQ20091000743
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月13日
發(fā)明者加藤智, 巖田公一郎, 板野哲也, 櫻井克仁, 篠原真人, 高橋秀和 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社