專利名稱：固態(tài)圖像拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)圖像拾取裝置，更具體地涉及擴展其動態(tài)范圍的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在諸如公知為CMOS圖像傳感器的放大型(amplification-type)圖像拾取裝置 中，存在多種已知電子快門技術(shù)來在不使用機械阻擋光的方法的情況下而控制對整個平面 上的所有像素的累積的開始與結(jié)束。 在與日本專利公開No. 2006-246450中所公開的電子快門關(guān)聯(lián)的技術(shù)中，在信號
電荷生成周期中在光電轉(zhuǎn)換部分中生成的電荷傳送到電荷存儲部分，并且在曝光結(jié)束后，
光電轉(zhuǎn)換部分復(fù)位以除去光電轉(zhuǎn)換部分中剩余的電荷，由此實現(xiàn)電子快門的功能。 這種技術(shù)的特征在于，功能是由專用部分獨立地實現(xiàn)的，從而光電轉(zhuǎn)換部分基本
上只執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，而曝光期間的電荷累積是由與光電轉(zhuǎn)換部分相鄰布置的電荷存儲部分
執(zhí)行的。應(yīng)當(dāng)指出，電荷存儲部分是與FD區(qū)域分開布置的。因為光電轉(zhuǎn)換部分中電荷的飽
和數(shù)小，所以可以利用低電壓來執(zhí)行電荷從光電轉(zhuǎn)換部分到電荷存儲部分的傳送。這種器
件可以容易地通過基于普通CMOS生產(chǎn)工藝的簡單工藝生產(chǎn)，即，其生產(chǎn)比CCD或其它類似
器件更簡單。應(yīng)當(dāng)指出，在此處和本說明書中的其它地方，假設(shè)電荷是由電子提供的。因此，
在使用電子的情況下，表述"電荷數(shù)"應(yīng)當(dāng)理解為"電子數(shù)"。 在日本專利公開No. 2006-246450所公開的技術(shù)中，每個像素中電荷存儲部分的 提供導(dǎo)致電荷飽和量的增加。但是，電荷飽和量的增加會導(dǎo)致信號的范圍根據(jù)布置在光電 轉(zhuǎn)換部分和電荷存儲部分的后面階段的讀取電路的動態(tài)范圍而受限的情況。這種情況是由 以上所述的配置造成的，其中光電轉(zhuǎn)換的功能和累積信號電荷的功能是分開實現(xiàn)的，而且 這兩個功能中的每一個都是單獨優(yōu)化的。 鑒于以上所述，本發(fā)明提供了一種通過完全利用信號電荷來產(chǎn)生圖像信號的技 術(shù)，其中信號電荷的量是通過獨立布置的電荷存儲部分增加的，而不受在后面階段布置的 讀取電路的動態(tài)范圍的限制。

發(fā)明內(nèi)容
—種裝置，包括多個像素，每個像素都包括光電轉(zhuǎn)換部分、配置成存儲由第一傳 送部分從光電轉(zhuǎn)換部分傳送的信號電荷的電荷存儲部分、配置成放大基于由第二傳送部分 傳送的信號電荷的信號的放大器、以及復(fù)位部分；和配置成提供驅(qū)動脈沖的控制單元，其中 當(dāng)一個時段中生成的信號電荷傳送到放大器時，控制單元提供脈沖，使得將導(dǎo)通脈沖提供 給第二傳送部分，同時將截止脈沖提供給第一傳送部分，由此將所存儲的信號電荷傳送到 放大器，然后向復(fù)位部分提供導(dǎo)通脈沖，以便復(fù)位傳送到放大器的信號電荷，隨后向第一傳 送部分和第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖，以便將存儲在光電轉(zhuǎn)換部分中的信號電荷傳送到放 大器。 從以下結(jié)合附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的更多特征將變得顯而易見。


圖1是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)圖像拾取裝置的框圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)圖像拾取裝置的像素區(qū)域中布置的像素的等效 電路。 圖3是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動脈沖的圖。 圖4A至4H是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的電勢分布(potentialprofile)的圖。 圖5是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動脈沖的圖。 圖6是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動脈沖的圖。 圖7A至7D是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的像素信號分布的圖。 圖8A至8C是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的信號處理的概念的圖。 圖9是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的噪聲與信號之比的圖。 圖10是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動脈沖的圖。 圖11A至11G是例示根據(jù)本發(fā)明實施例的電勢分布的圖。 圖12是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像拾取裝置的示意圖。 圖13是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像拾取裝置的示意圖。 圖14A至14H是各自示出亮度與輸出之間關(guān)系的圖。
具體實施例方式以下參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。 首先，參照圖1和2來說明固態(tài)圖像拾取裝置的配置與像素的等效電路，這對以下 所述的所有實施例都是通用的。 在圖1中，標號101指示像素區(qū)域，其中多個像素以矩陣的形式布置。標號102指 示配置成以一個或多個像素行為單位掃描像素區(qū)域中的像素的垂直掃描單元。垂直掃描單 元102可以利用移位寄存器或解碼器來構(gòu)造。 標號103指示配置成處理由垂直掃描單元從像素區(qū)域101掃描并讀取的信號的列 電路。列電路可以包括例如配置成減小像素噪聲的CDS電路、配置成放大從每個像素輸出 的信號的放大器、配置成將從每個像素接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，
坐坐 寸寸。 標號104指示配置成以一個或多個列為單位順序掃描像素區(qū)域中的像素從而讀 取由列電路處理的信號的水平掃描單元。就象對于垂直掃描單元一樣，水平掃描單元可以 利用移位寄存器或解碼器來構(gòu)造。 標號105指示配置成對從固態(tài)圖像拾取裝置輸出的信號執(zhí)行特定處理的信號處 理單元。 盡管在圖1中沒有示出互連，但在以上所述的組成部分之間存在互連，通過這些 互連來傳輸光信號、驅(qū)動信號及其它信號。 圖2例示了布置在像素區(qū)域中的像素的等效電路。盡管為了簡化起見圖2僅示出 了像素區(qū)域101中包括的以3X3陣列形式布置的9個像素，但像素的個數(shù)并不限于這個 例子。標號2指示充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換部分的光電二極管(PD)。光電二極管的陽極連接到固定電壓電平(例如，地電平)。光電二極管的陰極通過充當(dāng)?shù)谝粋魉筒糠值牡谝粋魉途w管 (transfer transistor) 8連接到電荷存儲部分3的一端。電荷存儲部分3的另一端連接到 固定電壓電平(例如，地電平)。前面所述的電荷存儲部分3的一端還通過充當(dāng)?shù)诙魉筒?分的第二傳送晶體管9連接到FD區(qū)域4。 FD區(qū)域4還連接到充當(dāng)放大器一部分的放大晶 體管12的柵電極。放大晶體管12的柵極充當(dāng)放大器的輸入部分。放大晶體管12的柵極 還通過充當(dāng)復(fù)位部分的復(fù)位晶體管10連接到像素電源線?？梢圆捎肕0S晶體管作為每個 傳送晶體管。 充當(dāng)選擇部分的選擇晶體管11連接成使得，充當(dāng)一個主電極的漏電極連接到像 素電源線，而充當(dāng)另一個主電極的源電極連接到放大晶體管12的充當(dāng)一個主電極的漏極。 如果輸入有效信號SEL，則選擇晶體管導(dǎo)通，由此選擇晶體管的兩個主電極將彼此電連接。 結(jié)果，放大晶體管12與連接到垂直信號線0UT的恒定電流源(未示出)結(jié)合形成源跟隨器 電路，且對應(yīng)于充當(dāng)放大晶體管12的控制電極的柵電極的電壓的信號出現(xiàn)在垂直信號線 0UT上。根據(jù)出現(xiàn)在垂直信號線OUT上的信號，從固態(tài)圖像拾取裝置輸出一個信號。該信號 穿過信號處理電路和其它電路元件，由此形成圖像信號。 在圖2所示的例子中，每個像素都包括一個復(fù)位部分、一個放大器和一個選擇部 分?？蛇x地，多個像素可以共享一個復(fù)位部分、一個放大器和一個選擇部分。如果沒有提供 選擇部分，則可以通過控制放大器的輸入部分的電壓來選擇每個像素。 以上已經(jīng)描述了在本發(fā)明實施例中通用的固態(tài)圖像拾取裝置的配置的例子，其中 電荷存儲部分布置在光電轉(zhuǎn)換部分與FD區(qū)域之間。 在特定的實施例中，固態(tài)圖像拾取裝置可以配置成使得在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存 儲部分之間的電荷路徑中提供一種機制，以允許在低電平脈沖被提供給第一傳送部分從而 將第一傳送部分保持在截止(off)狀態(tài)的情況下電荷從光電轉(zhuǎn)換部分被傳送到電荷存儲 部分。 更具體而言，例如，當(dāng)?shù)谝粋魉筒糠质抢肕0S晶體管實現(xiàn)的時候，以上所述的機 制是通過如下來實現(xiàn)的構(gòu)造掩埋溝道結(jié)構(gòu)形式的M0S晶體管，使得當(dāng)M0S晶體管處于截止 狀態(tài)時，在表面下某個深度處形成的勢壘中存在局部降低的部分。在這種情況下，在累積信 號電荷的時段期間，電荷傳送部分可能不執(zhí)行有意的控制操作，且電荷傳送部分可以保持 在固定的電壓下。即，代替提供傳送部分的功能，而是可以形成固定的勢壘。就在累積結(jié)束 之前，勢壘的高度可以被降低，使得光電轉(zhuǎn)換部分中剩余的信號電荷被傳送到電荷存儲部 分。 在這種配置中，當(dāng)光入射到光電轉(zhuǎn)換部分時，對應(yīng)于入射光的信號電荷通過光電 轉(zhuǎn)換生成，且?guī)缀跛猩傻男盘栯姾啥急粋魉偷诫姾纱鎯Σ糠?，而不存儲在光電轉(zhuǎn)換部 分中。因此，有可能對各像素的所有光電轉(zhuǎn)換部分實現(xiàn)相同的電荷累積時段。當(dāng)M0S晶體 管處于截止?fàn)顟B(tài)時，空穴累積在M0S晶體管的溝道表面中，其中電荷通過其傳送的溝道處 于表面下的特定深度處。這使得能夠減少絕緣膜界面處暗電流的影響。
換句話說，當(dāng)在光電轉(zhuǎn)換部分和電荷存儲部分中累積信號電荷的時段期間，電荷 路徑中光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的勢壘低于該電荷路徑中光電轉(zhuǎn)換部分與其它 區(qū)域之間的勢壘。應(yīng)當(dāng)指出，本文中的電勢是關(guān)于信號電荷而定義的。例如，當(dāng)提供0FD區(qū) 域時，光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的勢壘被設(shè)置成低于光電轉(zhuǎn)換部分與0FD區(qū)域之間的勢壘。 在一特定實現(xiàn)中，電荷存儲部分可以利用電荷耦合器件來配置，使得在電荷存儲 部分中累積信號電荷的時段期間，電壓被施加到通過絕緣膜布置的相對電極，以累積極性 與電荷存儲部分的表面處的信號電荷的極性相反的電荷。這可以使得減少在布置電荷存儲 部分的區(qū)域中半導(dǎo)體表面處暗電荷的生成。 因此，以上所述的配置使得能夠進一步減少與電荷存儲部分關(guān)聯(lián)的暗電流。此外， 在以上所述的配置中，沒有必要為了減少暗電流而在電荷存儲部分的表面中注入相反傳導(dǎo) 類型的雜質(zhì)，從而與利用光電二極管的配置相比，允許形成負責(zé)將電荷保持在表面下面的 更淺深度處的部分。這使得能夠增加每單位面積存儲電荷的能力。例如，存儲電荷的能力 可以是其中光電二極管還充當(dāng)電荷存儲部分的傳統(tǒng)配置的幾倍。 執(zhí)行驅(qū)動操作使得，在一個信號電荷生成時段期間從光電轉(zhuǎn)換部分傳送到電荷存 儲部分的信號電荷存儲在電荷存儲部分中并用作圖像信號。換句話說，在光電轉(zhuǎn)換部分中 開始一個信號電荷生成時段以后，在不復(fù)位電荷存儲部分的情況下，信號被讀取到像素外 部。應(yīng)當(dāng)指出， 一個信號電荷生成時段在形成一幀圖像的時段中被確定，使得該時段對像素 的所有光電轉(zhuǎn)換部分都是公共的。 以下描述根據(jù)本發(fā)明的關(guān)于配置和驅(qū)動方法的特定實施例。在以下所述的這些特 定實施例中，假定每個像素都配置成使得第一傳送部分利用掩埋溝道M0S晶體管構(gòu)造，而 電荷存儲部分由電荷耦合器件來實現(xiàn)。第一和第二傳送部分是利用晶體管實現(xiàn)的。
圖3是例示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的驅(qū)動脈沖的圖，而圖4A至4H例示了各種狀 態(tài)下的電勢分布。在本實施例中，在一個信號電荷生成時段中生成的信號電荷被如下傳送 到放大器。首先，導(dǎo)通脈沖只提供給第二傳送部分，以將存儲在電荷存儲部分中的信號電荷 傳送到放大器。其后，向復(fù)位部分提供導(dǎo)通脈沖，以復(fù)位傳送到放大器的信號電荷。接下來， 向第一和第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖，以將存儲在光電轉(zhuǎn)換部分中的信號電荷傳送到放大 器。應(yīng)當(dāng)指出，驅(qū)動脈沖從垂直掃描單元102被提供給相應(yīng)的元件，使得適當(dāng)執(zhí)行以上所述 的操作。因此，垂直掃描單元102或者垂直掃描單元102與用于控制垂直掃描單元102的 定時發(fā)生器的組合可以稱為提供驅(qū)動脈沖的控制單元。 在圖3中，PTX1指示提供給第一傳送晶體管的驅(qū)動脈沖，PTX2指示提供給第二傳 送晶體管的驅(qū)動脈沖，PRES指示提供給復(fù)位晶體管的驅(qū)動脈沖，而PSEL指示提供給選擇晶 體管的驅(qū)動脈沖。括號中的每個數(shù)字指示像素的行號。在本實施例中，圖像拾取裝置具有 機械快門，該機械快門操作使得當(dāng)該機械快門處于打開狀態(tài)時，光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上， 而當(dāng)該機械快門處于閉合狀態(tài)時，沒有光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上。即，該機械快門控制光電 轉(zhuǎn)換部分的曝光條件，由此確定信號電荷生成時段。在圖3中，實心的帶指示機械快門處于 閉合狀態(tài)的時段，而開放的帶指示機械快門處于打開狀態(tài)的時段。 PTS指示將信號捕捉到列電路中的光信號存儲部分中的采樣脈沖。PTN指示將信 號捕捉到列電路中的噪聲信號存儲部分中的采樣脈沖。噪聲信號包括隨機噪聲和像素的復(fù) 位晶體管與放大晶體管的偏移。在列電路包括放大器的情況下，噪聲信號包括列放大器的 偏移。 應(yīng)當(dāng)指出，采用高電平脈沖作為導(dǎo)通每個晶體管的導(dǎo)通脈沖或者作為采樣脈沖。
在本實施例中，在電荷存儲部分中所存儲的信號電荷被傳送到放大器以后，傳送到放大器的信號電荷被復(fù)位。其后，存儲在光電轉(zhuǎn)換部分中的電荷通過電荷存儲部分被傳 送到FD區(qū)域。 首先，在Tl，將高電平脈沖提供給復(fù)位晶體管及第一和第二傳送晶體管，由此導(dǎo)通 它們并由此復(fù)位光電轉(zhuǎn)換部分、電荷存儲部分及FD區(qū)域中的電荷。在這個處理中，機械快 門保持在閉合狀態(tài)。 在T2，機械快門打開，使得光入射到光電轉(zhuǎn)換部分。在這種狀態(tài)中，低電平脈沖被 提供給相應(yīng)的傳送晶體管，使得傳送晶體管截止。
在T3，機械快門閉合。 在T4，將低電平脈沖作為PRES提供給第一行中的像素，且提供高電平脈沖作為 PSEL。盡管在本例中，低電平脈沖PRES和高電平脈沖PSEL是同時提供的，但它們可以在不 同的時間提供。應(yīng)當(dāng)指出，為了抑制復(fù)位部分中的kTC噪聲，應(yīng)當(dāng)至少在如下時段上提供低 電平脈沖作為PRES，在所述時段期間提供高電平作為PTN，以便采樣噪聲信號。
在T5，提供高電平脈沖作為PTN。在過了預(yù)定的時段后，提供低電平脈沖作為PTN， 使得第一行中像素中的噪聲信號保持在列電路中。 在T6a，將高電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管。結(jié)果，只有電荷存 儲部分中的電荷和可以移動過光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的勢壘的電荷被傳送到 放大器(第一步)。 在T6b，將低電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管，以使第二傳送晶體 管截止。 在T7，提供高電平脈沖作為PTS，以在列電路中保持根據(jù)第一步中讀取的信號電 荷的信號。 在T8，將低電平脈沖作為PSEL而高電平脈沖作為PRES提供給第一像素行。因此， 在第一步中傳送到放大器的電荷被復(fù)位。 在T9，為了再次讀取相同的行，將低電平脈沖作為PRES而高電平脈沖作為PSEL提
供給第一像素行。 在T10，提供高電平脈沖作為PTN。在過了預(yù)定的時段后，提供低電平脈沖作為 PTN，由此在列電路中保持第一行中像素中的噪聲信號。 在Tlla，將高電平脈沖提供給第一像素行中的第一傳送晶體管和第二傳送晶體 管，由此導(dǎo)通這些晶體管(第二步)。結(jié)果，累積在光電轉(zhuǎn)換部分中的信號電荷通過電荷存 儲部分而傳送到FD區(qū)域。 在Tllb，將低電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管，由此使第二傳送 晶體管截止。 在T12，提供高電平脈沖作為PTS。在過了預(yù)定的時段后，提供低電平脈沖作為 PTS，以在列電路中保持根據(jù)在第二步中傳送的信號電荷的信號。 在T13，將低電平脈沖作為PSEL而高電平脈沖作為PRES提供給第一像素行。
其后，信號處理單元105將在上述第一和第二步中獲得的信號相加到一起。這使 得可以使用通過利用光電轉(zhuǎn)換部分進行的光電轉(zhuǎn)換生成的幾乎所有電荷來形成圖像信號， 而不管布置在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分的后面階段的讀取電路的動態(tài)范圍如何。
通過對各像素行重復(fù)從T4到T13的處理，有可能讀取一幀信號。
在本實施例中，第一步和第二步是對每一行執(zhí)行的?？蛇x地，第一步可以首先對所 有行執(zhí)行，在第一步對所有行完成以后，可以執(zhí)行第二步。即，在對整個圖像區(qū)域完成電荷 從電荷存儲部分到FD區(qū)域的傳送之后，處理可以回到第一行，且從光電轉(zhuǎn)換部分到FD區(qū)域 的讀取可以從第一行開始執(zhí)行。 圖4A至4H例示了以上關(guān)于圖3所描述的各個時間處的電勢分布。在這些圖頂部
所示的實心帶指示光電轉(zhuǎn)換部分或者其它部分受機械快門保護而不曝光。 圖4A例示了如下狀態(tài)下的電勢分布，在這種狀態(tài)下，光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部
分中的電荷在信號電荷累積到光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分中之前被復(fù)位。應(yīng)當(dāng)指出，盡
管在圖4A中沒有示出，但傳送到FD區(qū)域的電荷被復(fù)位晶體管取走。在這種狀態(tài)下，機械快
門處于閉合狀態(tài)，由此沒有光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上。 圖4B至4D例示了信號電荷生成時段中的電勢分布，在信號電荷生成時段中機械
快門打開，使得光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上且通過光電轉(zhuǎn)換生成信號電荷。 更具體而言，圖4B例示了在機械快門打開之后緊接著的狀態(tài)下的電勢分布。在這
種狀態(tài)下，在光電轉(zhuǎn)換部分中還沒有生成信號電荷。 圖4C例示了如下一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中少量的光入射，且信號電荷保持在光電轉(zhuǎn) 換部分中，而沒有流過在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間形成的勢壘，其中勢壘的高度 是由提供給第一傳送晶體管的脈沖的峰值確定的。應(yīng)當(dāng)指出，在這種狀態(tài)下，低電平脈沖被 提供給第一傳送晶體管，使得勢壘具有相對低的高度，以允許在光電轉(zhuǎn)換部分中生成的電 荷立即移動到電荷存儲部分。這種狀態(tài)可以通過例如由掩埋溝道MOS晶體管實現(xiàn)第一傳送 晶體管來獲得。 圖4D例示了如下一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中在光電轉(zhuǎn)換部分中生成的信號電荷越過 由第一傳送晶體管形成的勢壘而流到電荷存儲部分，由此信號電荷也在電荷存儲部分中 累積。在這里，為了簡化，讓我們假設(shè)圖4D中所示虛線以下區(qū)域中的光電轉(zhuǎn)換部分中所 存在的電荷數(shù)是Q1 = 10000，虛線以下區(qū)域中的電荷存儲部分中所存在的電荷數(shù)是Q2 = 60000，而虛線之上所存在的電荷數(shù)是Q3 = 40000。虛線指示在將低電平脈沖提供給第一傳 送晶體管的狀態(tài)下勢壘的高度。 圖4E例示了從圖3中所示的時間T6a至?xí)r間T6b的時段中的電勢分布。在這種狀 態(tài)下，低電平脈沖被提供給第一傳送晶體管，而高電平脈沖被提供給第二傳送晶體管(第 一步)。在第一步的這種處理中，傳送圖4D中的電荷Q3和Q2。 圖4F例示了從圖3中所示的時間Tlla至?xí)r間Tllb的時段中的電勢分布。在這 種狀態(tài)下，高電平脈沖被提供給第一傳送晶體管和第二傳送晶體管(第二步)。在第二步的 這種處理中，保持在光電轉(zhuǎn)換部分中的信號電荷被傳送到FD區(qū)域。 如果電荷數(shù)Q2和Q3變得大于FD區(qū)域可以保持的個數(shù)，則會出現(xiàn)如圖4G所示的
在從T6a至T6b的時段中不能所有電荷都傳送到FD區(qū)域的可能性。如圖4G中點劃線所示
的，當(dāng)不能所有電荷都傳送到FD區(qū)域時，電荷部分地留在電荷存儲部分中。如圖4H所示，
甚至在這種情況下，所有剩余的電荷都可以在下一個傳送操作中與光電轉(zhuǎn)換部分中的電荷
一起被傳送到FD區(qū)域。當(dāng)滿足以下條件時，這可以實現(xiàn) Q2+Q3-QFDMAX+Q1 < QFDMAX (條件1) 其中QFDMAX指示可以一次完全傳送到FD區(qū)域的最大電荷數(shù)。
如果Ql大于QFDMAX，則當(dāng)像素驅(qū)動結(jié)束時，有些電荷剩余，而沒有被讀出。為了避 免這種情況，要滿足以下條件 QFDMAX > Ql (條件2) 存在這樣一種可能性，即當(dāng)QFDMAX個電荷被讀到FD區(qū)域中時，基于電荷的信號不 能被源跟隨器或者后續(xù)的讀取電路適當(dāng)讀取。如果讀取電路的動態(tài)范圍小于FD區(qū)域的動 態(tài)范圍，就會出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，光信號會部分丟失。 具有以上所述限制的讀取電路的例子包括每個像素的放大器、布置在列電路中的 列放大器、列模數(shù)轉(zhuǎn)換器及布置在每個輸出通道中的最后模擬放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
作為例子，解釋像素放大器的動態(tài)范圍。在這里，假設(shè)放大器包括以源跟隨器形式 配置的放大晶體管和恒定電流源。 當(dāng)大量電荷從光電轉(zhuǎn)換部分和電荷存儲部分傳送到FD區(qū)域時，在FD區(qū)域中出現(xiàn) 電勢的降低。作為FD區(qū)域中電勢降低的結(jié)果，如果FD區(qū)域的電壓(即放大晶體管的柵極 的電壓)與放大晶體管的源極的電壓之差變得小于放大晶體管的閾值電壓(Vth)，則放大 器不用作源跟隨器，由此不能讀取信號。甚至當(dāng)放大器所讀取的電荷數(shù)小于源跟隨器電路 的動態(tài)范圍時，如果列放大器具有高增益，則列放大器的輸入動態(tài)范圍受到限制，且這確定 了讀取電路的飽和度。 鑒于以上所述，QFDMAX的值可以設(shè)置為允許傳送不超過讀取電路的動態(tài)范圍的電 荷數(shù)的值。 為了與本實施例進行比較，例如，讓我們考慮其中電荷從光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存 儲部分同時傳送到FD區(qū)域的配置，和其中電荷首先從光電轉(zhuǎn)換部分傳送到電荷存儲部分、 然后光電轉(zhuǎn)換部分中的電荷與電荷存儲部分中的電荷一起傳送到FD區(qū)域的配置。在這兩 種配置中，通過設(shè)置電荷存儲部分而提高了電荷的飽和數(shù)，這導(dǎo)致電荷數(shù)超過FD區(qū)域或后 續(xù)讀取電路的動態(tài)范圍的可能性增加。即，盡管通過設(shè)置電荷存儲部分而提高了電荷的飽 和數(shù)，但增加的電荷不是必然被有效地使用。相反，在本實施例中，在電荷存儲部分中的電 荷傳送到FD區(qū)域之后，光電轉(zhuǎn)換部分中的電荷通過電荷存儲部分傳送到FD區(qū)域，由此可以 完全使用由電荷存儲部分增加的電荷。 在本實施例中，動態(tài)范圍是通過設(shè)置電荷存儲部分來擴展的，且讀取可以不受布
置在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分的后面階段的讀取電路的動態(tài)范圍的限制。 特別是當(dāng)光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分的整體動態(tài)范圍大于布置在光電轉(zhuǎn)換部
分的后面階段的讀取電路的動態(tài)范圍時，本實施例非常有用。 圖5例示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的驅(qū)動脈沖。在該第二實施例中，如從T14至
T18可以看到的，通過第二傳送晶體管進行的從電荷存儲部分到FD區(qū)域的傳送比前一實施
例中執(zhí)行得多了很多次。在附加的傳送中，導(dǎo)通脈沖只向第二傳送晶體管提供多次。在圖
5所示的特定例子中，附加的導(dǎo)通脈沖在從T16a至T16b的時段中提供。 當(dāng)?shù)谝粚嵤├兴枋龅臈l件(1)不滿足時，在結(jié)束從光電轉(zhuǎn)換部分到FD區(qū)域傳
送電荷的處理之后，特定數(shù)量的電荷剩余在電荷存儲部分中，因此信號電荷沒有被完全使
用。當(dāng)QFDMAX小或者當(dāng)Q1、Q2和Q3之和大于2XQFDMAX時，這種情況會出現(xiàn)。 在這種情況下，在電荷存儲部分中所存儲的信號電荷傳送之后，在光電轉(zhuǎn)換部分
中所保持的信號電荷傳送之前，進一步執(zhí)行從電荷存儲部分的讀取。即，第二實施例包括執(zhí)行再次讀取的附加步驟，以便只傳送電荷存儲部分中剩余的信號電荷。這減少了在傳送處 理結(jié)束時電荷存儲部分中剩余的電荷數(shù)。 尤其是當(dāng)Q2和Q3之和比QFDMAX大得多時，本實施例很有用。 依賴于Q2+Q3的值，導(dǎo)通第二傳送晶體管的附加導(dǎo)通脈沖可以只提供一次或者提
供多次。 圖6以時間圖的形式例示了根據(jù)第三實施例的驅(qū)動脈沖。在該第三實施例中，讀 取電路具有處理從像素輸出的信號的可變增益放大器。如由601在圖7C中所表示的，在第 二步中(其中讀取光電轉(zhuǎn)換部分和電荷存儲部分中的電荷)放大器的增益切換成是第一步 中的增益的G(G〉 1)倍大。S卩，第二步中讀出的信號的增益被設(shè)置成大于第一步中讀出的 信號的增益。 以下參照圖7A至7D來更具體地描述根據(jù)本實施例的操作。 圖7A例示了在光電轉(zhuǎn)換部分中像素上由入射光生成的電荷的分布。光電轉(zhuǎn)換部
分中的飽和度與存儲在電荷存儲部分中的信號電荷的邊界由點線表示。 圖7B例示了對應(yīng)于圖7A中所示分量A的信號，即，基于在第一步中從電荷存儲部
分傳送的信號電荷的信號。這一步中的隨機噪聲可以表示為Nl = V皿(mVrms)。 圖7C例示了對應(yīng)于圖7A中所示分量B的信號，即，基于在第二步中主要從光電轉(zhuǎn)
換部分傳送的信號電荷的信號而提取的信號分量。在這里，假定后續(xù)階段中的讀取電路具
有增益G。在這種情況下，隨機噪聲可以由N2 = VKN2 (mVrms)給出。 其后，圖7B和7C中所示的信號分量合成到一起，以獲得單個圖像。在該合成處理 中，為了實現(xiàn)輸出中關(guān)于光強度的恒定梯度，即，為了實現(xiàn)恒定的信號敏感度，圖7C中所示 的以高增益G讀取的信號被除以增益G。 圖7D例示了作為圖7C中所示的信號除以增益G的結(jié)果而獲得的信號。當(dāng)信號電 平降低時，噪聲電平也降低到1/G。 在這種情況下，隨機噪聲由N3 = VKN2/G (mVrms)給出。
在合成兩個信號之后，隨機噪聲由下式給出
((Vffll)2+(VKN2/G)2)05， 其小于當(dāng)不執(zhí)行增益切換時所獲得的噪聲，即
((V肌)2+(V冊2)2)0.5。 因此，通過以上述方式對第二步中讀取的信號增加放大器的增益，可以提高信噪 比(SN比)。因此，可以對具有低亮度的對象拍攝具有高敏感度的圖像。對于用于以上目的 的放大器，可以使用例如列放大器。 下面描述本發(fā)明本實施例固有的效果。在具有低亮度的對象的情況下，在光電轉(zhuǎn) 換部分中生成的幾乎所有信號電荷都保持在光電轉(zhuǎn)換部分中，而不流過光電轉(zhuǎn)換部分與電 荷存儲部分之間的勢壘。即，對于具有低亮度的對象，光電轉(zhuǎn)換部分中所保持的信號電荷數(shù) 與不保持的信號電荷數(shù)之比很高，因此第二步中讀取的信號與總信號之比很高。因此，通 過針對基于在第二步中傳送的信號電荷的信號增加讀取電路的增益，可以提高信噪比(SN 比)，因此可以對具有低亮度的對象拍攝具有高敏感度的圖像。 但是，讀取電路增益的增加導(dǎo)致輸入動態(tài)范圍減小。即，增益的增加導(dǎo)致QFDMAX 的減小。更具體而言，如果增益以因子G增大，則輸入動態(tài)范圍變成QFDMAX/G。因此，當(dāng)讀取電路的增益增大時，以高精度和小離差(dispersion)讀取少量電荷是很重要的。相反， 在第二步的讀取中，讀取是對光電轉(zhuǎn)換部分中累積的信號電荷執(zhí)行的，而沒有將信號電荷 傳遞通過光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的相對低的勢壘，因此實現(xiàn)讀取中的小離差是 相當(dāng)容易的。 在本實施例中，如上所述，電荷通過多個傳送操作逐部分地從電荷存儲部分與光 電轉(zhuǎn)換部分傳送。這使得可以在第一和第二輸出信號中實現(xiàn)小離差。因此，可以增大一次 傳送的電荷總數(shù)，而且可以將讀取電路設(shè)置成具有大增益。 為了實現(xiàn)高性能，光電轉(zhuǎn)換部分中的飽和電荷量Ql可以設(shè)置成滿足以下條件
Ql < QFD恵/G 下面描述第四實施例。在該第四實施例中，操作在當(dāng)只有電荷存儲部分中所存儲 的信號電荷傳送到FD區(qū)域時所獲得的信號用于形成圖像的模式與不使用該信號的模式之 間切換。即，當(dāng)基于電荷存儲部分所存儲的信號電荷的輸出信號小于預(yù)定的閾值時，該信號 不用于形成圖像。這防止了隨機噪聲的增加。要與閾值比較的信號可以是當(dāng)只有電荷存儲 部分中所存儲的信號電荷傳送到FD區(qū)域時所獲得的信號，或者是當(dāng)主要是光電轉(zhuǎn)換部分 中所保持的信號電荷傳送到FD區(qū)域時所獲得的信號?？蛇x地，與入射光量關(guān)聯(lián)的信息可以 從適當(dāng)布置的AF傳感器獲得，且關(guān)于是否加信號的切換可以基于與入射光量關(guān)聯(lián)的信息 確定。在任何一種情況下，關(guān)于是否加信號的切換都是依賴入射到一組多個像素中的一個 像素上的光量來執(zhí)行的。 下面參照圖8A至8C給出更具體的說明。圖8A例示了當(dāng)只有電荷存儲部分中所 存儲的信號電荷傳送到FD區(qū)域時獲得的信號，而圖8B例示了當(dāng)主要是電荷存儲部分中所 存儲的信號電荷傳送到FD區(qū)域時獲得的信號。圖8C例示了圖8A和圖8B中所示信號的合 成。在圖8A中，由白線所表示的方框中的區(qū)域中的信號以隨機噪聲分量為主。這種信號的 添加導(dǎo)致信噪比的降低。相反，在圖8B中所示由白線所表示的方框中的區(qū)域中的信號的情 況下，信號具有應(yīng)當(dāng)用于形成圖像的足夠高的電平，如圖8B中灰色可以看到的。例如，對于 具有低亮度的對象，沒有信號電荷流過光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間形成的勢壘，且 所有信號電荷都只在光電轉(zhuǎn)換部分中累積。即，在電荷存儲部分中幾乎沒有信號電荷。因 此，如果在這種情況下執(zhí)行從電荷存儲部分的傳送，則結(jié)果只能是增加噪聲。
為了避免以上情況，當(dāng)來自電荷存儲部分的信號低于預(yù)定閾值時，作為只有電荷 存儲部分中所存儲的信號電荷傳送到FD區(qū)域的結(jié)果而獲得的信號不用于形成圖像。另一 方面，當(dāng)來自光電轉(zhuǎn)換部分的信號高于預(yù)定閾值時，確定在電荷存儲部分中也有信號電荷， 因此電荷存儲部分中的信號電荷用于形成圖像。 本發(fā)明還可以應(yīng)用到其它實施例，以除了先前實施例中所獲得的益處之外實現(xiàn)針
對相對少量的入射光的情況形成高質(zhì)量圖像、而不降低信噪比的益處。 更具體而言，如圖9所示，隨機噪聲與總信號之比隨亮度降低而增加。甚至在隨機
噪聲與總信號之比相對大的范圍中，本實施例也使得可以實現(xiàn)低噪聲特征，而不受隨機噪 聲V皿的影響。 圖IO例示了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的驅(qū)動脈沖。該第五實施例與前面實施例的 區(qū)別在于，當(dāng)電荷從電荷存儲部分傳送到FD區(qū)域時，電荷是利用中間電平脈沖通過多個傳 送操作逐部分地傳送的。中間電平脈沖指其峰值在導(dǎo)通脈沖與截止脈沖峰值之間的范圍中的脈沖。中間電平脈沖可以通過修改控制單元102以使其能夠生成中間電平脈沖而獲得 的。 首先，在Tl，將高電平脈沖提供給復(fù)位晶體管及第一和第二傳送晶體管，以導(dǎo)通它 們，由此復(fù)位光電轉(zhuǎn)換部分、電荷存儲部分和FD區(qū)域中的電荷。在這個處理中，機械快門保 持在閉合狀態(tài)下。 在T2，機械快門打開，使得光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上。在這種狀態(tài)下，將低電平脈
沖提供給各傳送晶體管，使得傳送晶體管截止。
在T3，機械快門閉合。 在T4，將低電平脈沖作為PRES提供給第一行中的像素，且提供高電平脈沖作為 PSEL。盡管在本例中，低電平脈沖PRES和高電平脈沖PSEL是同時提供的，但它們可以在不 同的時間提供。但是，為了抑制復(fù)位部分中的kTC噪聲，應(yīng)當(dāng)至少在如下時段上提供低電平 脈沖作為PRES，在該時段期間提供高電平作為PTN，以采樣噪聲信號。 在T5，提供高電平脈沖作為PTN，以使得在列電路中保持第一行中像素中的噪聲信號。 在T6a，將中間電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管。結(jié)果，在光電轉(zhuǎn) 換部分與電荷存儲部分中所保持的信號電荷中，只有可以移動過由中間電平脈沖形成的勢 壘的信號電荷部分被傳送到FD區(qū)域(第一步)。 在T6b，將低電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管，以使第二傳送晶體 管截止。 在T7，提供高電平脈沖作為PTS，以在列電路中保持根據(jù)第一步中讀取的信號電 荷的信號。 在T8，將低電平脈沖作為PSEL而高電平脈沖作為PRES提供給第一像素行。因此， 在第一步中傳送到FD區(qū)域的電荷被復(fù)位。 在T9，提供高電平脈沖作為PTN，使得在列電路中保持第一行中像素中的噪聲信 號。 在T10a，將高電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管，由此導(dǎo)通第二晶 體管(第二步)。這個脈沖的峰值可以設(shè)置成使得電荷存儲部分中所存儲的電荷完全被傳 送到FD區(qū)域。應(yīng)當(dāng)指出，在這種狀態(tài)下，提供給第一像素行中的第一傳送晶體管的脈沖保 持在低電平下。 在T10b，將低電平脈沖提供給第一像素行中的第二傳送晶體管，以使第二傳送晶 體管截止。 在T11，提供高電平脈沖作為PTS，以在列電路中保持根據(jù)在第二步中傳送的信號 電荷的信號。 在T12，將低電平脈沖作為PSEL而高電平脈沖作為PRES提供給第一像素行。
在T13，提供高電平脈沖作為PTN，以使得在列電路中保持第一行中像素中的噪聲信號。 在T14a，將高電平脈沖提供給第一像素行中的第一傳送晶體管和第二傳送晶體 管，由此導(dǎo)通這些晶體管(第三步)。在第三步的該處理中，光電轉(zhuǎn)換部分中所保持的信號 電荷被傳送到FD區(qū)域。
在T14b，將低電平脈沖提供給第一像素行中的第一傳送晶體管和第二傳送晶體 管，由此使這些晶體管截止。 在T15，在列電路中保持基于在第三步中傳送的信號電荷的信號。 其后，在以上所述第一至第三步中獲得的信號由信號處理單元105相加到一起。
因此，可以將通過由光電轉(zhuǎn)換部分的光電轉(zhuǎn)換生成的幾乎所有電荷作為形成圖像的電荷，
而不管在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分的后面階段布置的讀取電路的動態(tài)范圍如何。 通過對各像素行重復(fù)從T4至T15的處理，可以讀取一幀信號。 盡管在以上例子中在從T6a至T6b的時段中利用中間電平脈沖的傳送操作(第二
步)只執(zhí)行了一次，但是該傳送操作可以重復(fù)多次。 圖IIA至IIG例示了以上關(guān)于圖IO所描述的各個時間處的電勢分布。在這些圖
頂部所示的實心帶指示光電轉(zhuǎn)換部分或其它部分受機械快門的保護而不曝光。 圖IIA例示了在復(fù)位光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分中電荷的操作在信號電荷生
成時段之前執(zhí)行的狀態(tài)下的電勢分布。這種操作在圖10所示的從T1至T2的時段中執(zhí)行。
應(yīng)當(dāng)指出，盡管圖IIA中未示出，但傳送到FD區(qū)域的電荷被復(fù)位晶體管取走。在這種狀態(tài)
下，機械快門處于閉合狀態(tài)，由此沒有光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上。 圖IIB至IID例示了在信號電荷生成時段中的電勢分布，在該信號電荷生成時段
中機械快門打開，使得光入射到光電轉(zhuǎn)換部分上且通過光電轉(zhuǎn)換生成信號電荷。 圖IIB例示了在機械快門打開之后緊接著的狀態(tài)下的電勢分布。在這種狀態(tài)下，
在光電轉(zhuǎn)換部分中還沒有生成信號電荷。 圖IIC例示了在少量光入射且信號電荷保持在光電轉(zhuǎn)換部分中而沒有流過光電 轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間形成的勢壘的狀態(tài)下的電勢分布，其中勢壘的高度是由提供 給第一傳送晶體管的脈沖的峰值確定的。應(yīng)當(dāng)指出，在這種狀態(tài)下，低電平脈沖被提供給第 一傳送晶體管，使得勢壘具有允許光電轉(zhuǎn)換部分中所生成的電荷立即移動到電荷存儲部分 的相對低的高度。這種狀態(tài)可以通過利用例如掩埋溝道MOS晶體管實現(xiàn)第一傳送晶體管來 獲得。 圖IID例示了在如下狀態(tài)下的電勢分布，在該狀態(tài)中，光電轉(zhuǎn)換部分中所生成的 信號電荷越過由第一傳送晶體管形成的勢壘而流到電荷存儲部分，由此信號電荷也累積在 電荷存儲部分中。在這里，為了簡化起見，讓我們假設(shè)圖IID中所示虛線以下區(qū)域中的光電 轉(zhuǎn)換部分中所存在的電荷數(shù)是Q1 = 10000，虛線以下區(qū)域中的電荷存儲部分中所存在的電 荷數(shù)是Q2 = 60000，而虛線之上所存在的電荷數(shù)是Q3 = 40000。 圖IIE例示了圖10所示從時間T6a至?xí)r間T6b的時段中的電勢分布。在這種狀態(tài) 下，低電平脈沖被提供給第一傳送晶體管，而中間電平脈沖被提供給第二傳送晶體管(第 二步)。在第二步的該處理中，圖11D中所示電荷Q3的全部和Q2的部分被傳送到FD區(qū)域。 傳送到FD區(qū)域的電荷量可以通過調(diào)節(jié)提供給第二傳送晶體管的中間電平脈沖的峰值來任 意控制。圖IIF例示了圖10所示從時間T10a至?xí)r間T10b的時段中的電勢分布。在這種狀 態(tài)下，低電平脈沖被提供給第一傳送晶體管，而高電平脈沖被提供給第二傳送晶體管(第 三步)。在第三步的該處理中，在第二步中沒有傳送的、在電荷存儲部分中剩余的電荷被傳 送到FD區(qū)域。例如，傳送了 50000個信號電荷。 圖IIG例示了圖IO所示從時間T14a至?xí)r間T14b的時段中的電勢分布。在這種狀態(tài)下，高電平脈沖被提供給第一傳送晶體管和第二傳送晶體管(第四步)。在第四步的該 處理中，光電轉(zhuǎn)換部分中所保持的信號電荷被傳送到FD區(qū)域。例如，在這個步驟中傳送了 2000個電荷。 下面描述本發(fā)明本實施例固有的效果。在以上所述的第一實施例中，假設(shè)所有 QFDMAX個信號電荷都可以被位于FD區(qū)域之后階段的源跟隨器和讀取電路適當(dāng)處理。即，假 設(shè)當(dāng)QFDMAX個信號電荷被傳送到FD區(qū)域時，對應(yīng)于信號的值適當(dāng)輸出到外面，而不會在電 路中飽和。 但是，在實踐中，存在如下可能性，即依賴于放大器的電源電壓或其它因素，可以 被電路適當(dāng)處理的電荷量低于QFDMAX (以下，可以被電路適當(dāng)處理的最大電荷量將稱為 QFDMAX2)。在這種情況下，執(zhí)行限制傳送到FD區(qū)域的電荷量。 在這種情況下，通過利用中間電平脈沖來控制傳送，使得傳送到FD區(qū)域的電荷量 限制到QFDMAX2或者更少，從而所有電荷都被適當(dāng)讀取。更具體而言，調(diào)節(jié)中間電平脈沖的 峰值以使得響應(yīng)于該中間電平脈沖而傳送的信號電荷的數(shù)量小于允許被讀取電路適當(dāng)讀 取的電荷的最大數(shù)量。 為了適應(yīng)這種狀況，光電二極管的電荷飽和量Ql可以設(shè)置成使得滿足以下條件
Ql < QFD恵2 通過將Ql設(shè)置成充分小于QFDMAX2，可以只對來自光電轉(zhuǎn)換部分的信號執(zhí)行高增 益放大，由此減少圖像的暗部分中的噪聲。 尤其當(dāng)FD區(qū)域的動態(tài)范圍大于位于光電轉(zhuǎn)換部分的后面階段的讀取電路的動態(tài) 范圍時，本實施例是非常有用的。 在本實施例中，如上所述，通過設(shè)置電荷存儲部分，擴展了動態(tài)范圍，且可以在不 受位于光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分的后面階段的讀取電路的動態(tài)范圍的限制的情況下 進行讀取。 下面描述本發(fā)明的第六實施例。該第六實施例與第五實施例的區(qū)別在于，中間電 平脈沖被提供給每個像素行不止一次，而是多次。 除在中間電平脈沖與充當(dāng)導(dǎo)通脈沖的高電平脈沖之間附加地提供第二中間電平 脈沖之外，驅(qū)動脈沖以類似于圖10中所例示的方式提供。對應(yīng)地，還附加地提供用于復(fù)位 FD區(qū)域的脈沖與用于采樣列電路中的噪聲信號和光信號的采樣脈沖。中間電平脈沖的峰值 可以設(shè)置成在用于導(dǎo)通傳送晶體管的高電平脈沖的峰值與用于使傳送晶體管截止的低電 平脈沖的峰值之間范圍內(nèi)的任意值。對于多個中間電平脈沖，峰值可以相等或者不同。
本實施例可以應(yīng)用到其它實施例，使得可以進一步精確地設(shè)置與從光電轉(zhuǎn)換部分 到FD區(qū)域傳送電荷關(guān)聯(lián)的條件，以便適合位于光電轉(zhuǎn)換部分的后面階段的讀取電路的動 態(tài)范圍。 在本發(fā)明的第七實施例中，第五或第六實施例中所使用的中間電平脈沖根據(jù)溫度 而改變。圖12是包括根據(jù)本實施例的固態(tài)圖像拾取裝置的圖像拾取系統(tǒng)的框圖。
標號1201指示固態(tài)圖像拾取裝置。標號1202指示溫度檢測器。盡管在這個例子 中溫度檢測器位于固態(tài)圖像拾取裝置的內(nèi)部，但溫度檢測器也可以位于外部靠近該固態(tài)圖 像拾取裝置的位置處。標號1203指示CPU。標號1204指示依賴從溫度檢測器1202提供的 溫度信息并根據(jù)從CPU 1203提供的控制信號來控制固態(tài)圖像拾取裝置的控制單元。標號1205指示配置成根據(jù)從控制單元1204提供的控制信號而向固態(tài)圖像拾取裝置提供依賴于 溫度的電壓的可變電壓源。更具體而言，這個電壓被提供到圖l所示的垂直掃描電路，以依 賴溫度而改變中間電平脈沖的峰值或者提供該中間電平脈沖的定時。 接下來，描述根據(jù)本實施例的操作流程。首先，在信號電荷生成時段，信號電荷在 光電轉(zhuǎn)換部分中累積。如果過了預(yù)定的時段，則信號電荷生成時段結(jié)束。如果信號電荷生成 時段結(jié)束，則由溫度檢測器獲取與固態(tài)圖像拾取裝置或者其相鄰裝置關(guān)聯(lián)的溫度信息。然 后，訪問查找表來檢索對應(yīng)于所獲得溫度信息的電壓值，且具有對應(yīng)于溫度的所檢索出的 值的電壓從可變電壓源提供。其后，執(zhí)行以上所述的讀取操作。 信號電荷的能量隨溫度而變。因此，當(dāng)溫度變化時，如果由中間電平脈沖形成的勢 壘保持不變，則傳送到FD區(qū)域的電荷數(shù)發(fā)生變化。在本實施例中，鑒于以上所述，提供了溫 度檢測器，由此依賴于從溫度檢測器提供的信號，改變或切換中間電平脈沖的峰值或者提 供該中間電平脈沖的定時。 通過將本實施例應(yīng)用到以上所述的第五或第六實施例，除了在第五或第六實施例 中獲得的益處之外，還可以實現(xiàn)如下進一步的益處，即當(dāng)固態(tài)圖像拾取裝置的溫度或周圍 環(huán)境的溫度發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)中間電平脈沖，可以使所傳送的電荷數(shù)的變化最小。
接下來，下面將描述第八實施例。在第八實施例中，依賴布置在光電轉(zhuǎn)換部分的后 面階段的讀取電路的增益，用在先前實施例中的中間電平脈沖變化。布置在光電轉(zhuǎn)換部分 的后面階段的讀取電路可以包括布置在每個像素中的放大器、布置在列電路中的列放大器 及配置成將從列電路接收到的并行信號轉(zhuǎn)換成串行信號并輸出結(jié)果信號的輸出放大器。
圖13是包括根據(jù)本發(fā)明本實施例的固態(tài)圖像拾取裝置的圖像拾取系統(tǒng)的框圖。
標號1301指示固態(tài)圖像拾取裝置。標號1302指示控制單元。標號1303指示CPU。 標號1304指示可變電壓源。對布置在光電轉(zhuǎn)換部分的后面階段的讀取電路增益的切換是 由控制單元1302和CPU 1303執(zhí)行的，使得依賴于敏感度、讀取速度和/或其它因素的變 化，增益被適當(dāng)?shù)乜刂啤?接下來，描述根據(jù)本實施例的操作流程。首先，在信號電荷生成時段，信號電荷在
光電轉(zhuǎn)換部分中累積。如果過了預(yù)定的時段，則累積結(jié)束。訪問表示增益-電壓對應(yīng)關(guān)系
的查找表，來檢索對應(yīng)于布置在光電轉(zhuǎn)換部分的后面階段的讀取電路的增益的電壓。根據(jù)
檢索的結(jié)果，從可變電壓源提供對應(yīng)于該增益的電壓。其后，執(zhí)行以上所述的讀取操作。此
外，可以提供溫度檢測器，由此也可以以類似于第四實施例的方式執(zhí)行溫度補償。 接下來，參照圖14A至14H，以下給出關(guān)于當(dāng)讀取電路的增益可變時通過改變中間
電平脈沖的峰值或者通過改變提供該中間電平脈沖的定時所獲得的效果的解釋。 圖14A例示了當(dāng)提供第一中間電平脈沖時輸出電壓對入射光量的依賴性(光電轉(zhuǎn)
換特性)。圖14B例示了當(dāng)提供第二中間電平脈沖時所獲得的光電轉(zhuǎn)換特性。圖14C例示
了當(dāng)提供高電平脈沖時所獲得的光電轉(zhuǎn)換特性。圖14D例示了在電荷由讀取脈沖傳送到FD
區(qū)域且執(zhí)行了相加之后所獲得的輸出信號特性。圖14E至14H例示了當(dāng)脈沖峰值依賴于讀
取電路的增益而變化時所獲得的光電轉(zhuǎn)換特性與輸出信號特性。更具體而言，當(dāng)讀取電路
的增益從第一增益變?yōu)榇笥谠摰谝辉鲆娴牡诙鲆鏁r，例示了針對施加大于圖14A至14C
中所使用的脈沖峰值的脈沖峰值的情況的光電轉(zhuǎn)換特性與輸出信號特性。 當(dāng)讀取電路的增益可變時，導(dǎo)致讀取電路飽和的入射光量(光的飽和量)隨讀取電路的增益而變。圖14A至14C中的線904a、904b和904c表示用于讀取電路的低增益的 特性，而線906a、906b和906c表示用于讀取電路的高增益的特性。當(dāng)讀取電路的增益低 時，在入射光量較大(入射光的飽和量)的905a、905b和905c處發(fā)生飽和，且因此所有傳 送到FD區(qū)域的電荷都可以用作圖像信號。但是，當(dāng)讀取電路的增益高時，在更低的值(入 射光的飽和量)907a、907b和907c處發(fā)生飽和。在這種情況下，部分被傳送到FD區(qū)域的電 荷超過了讀取電路的輸入動態(tài)范圍，且圖像信息部分丟失。結(jié)果，通過組合圖14A至14C中 區(qū)域A、B和C中信號所獲得的整體光電轉(zhuǎn)換特性具有由圖14D中909指示的步驟。S卩，結(jié) 果產(chǎn)生的整體光電轉(zhuǎn)換特性具有其中傳感器沒有敏感度的死區(qū)。在圖14D中，為了比較，還 示出了在沒有信息丟失的理想狀態(tài)下獲得的線908。 為了避免以上情況，如圖14E至14G中所示，中間電平脈沖的峰值限制到低于圖 14A至14C所示的電平。可選地，可以以更短的時段提供脈沖，從而限制電荷的過渡運動， 即，減少響應(yīng)于中間電平脈沖的施加而傳送的電荷數(shù)。這使得當(dāng)如關(guān)于圖14A至14C提供 三次脈沖來讀取電荷時，可以獲得圖14E至14G中所示的光電轉(zhuǎn)換特性。如果合成這些信 號，則獲得圖14H中所示的整體光電特性。不象圖14D中所示的情況，在區(qū)域A、B和C組合 之后，沒有信息丟失且沒有出現(xiàn)不期望的死區(qū)。 應(yīng)當(dāng)指出，因為限制了一次可以讀取的電子數(shù)，所以降低了整體特性的光飽和量。 光飽和量的降低可以通過增加施加中間電平脈沖的次數(shù)并通過提高中間電平電壓來抑制。
本實施例可以應(yīng)用到其它實施例，以便除了在其它實施例中所獲得的益處之外， 還實現(xiàn)如下附加益處，即甚至當(dāng)布置在光電轉(zhuǎn)換部分的后面階段的讀取電路的增益發(fā)生變 化時，也可以在信號合成之后獲得沒有死區(qū)的連續(xù)光電轉(zhuǎn)換特性。 盡管已經(jīng)參照示例實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于所公開的示例 實施例。以下權(quán)利要求的范圍要符合最廣泛的解釋，從而包括所有修改及等效的結(jié)構(gòu)與功
權(quán)利要求
一種裝置，包括多個像素，每個像素都包括光電轉(zhuǎn)換部分、配置成存儲由第一傳送部分從光電轉(zhuǎn)換部分傳送的信號電荷的電荷存儲部分、配置成放大基于由第二傳送部分傳送的信號電荷的信號的放大器及復(fù)位部分；及配置成提供驅(qū)動脈沖的控制單元，其中當(dāng)一個時段期間所生成的信號電荷被傳送到放大器時，該控制單元提供脈沖，使得將導(dǎo)通脈沖提供給第二傳送部分，同時將截止脈沖提供給第一傳送部分，由此將所存儲的信號電荷傳送到放大器，然后向復(fù)位部分提供導(dǎo)通脈沖，以復(fù)位被傳送到放大器的信號電荷，隨后向第一傳送部分和第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖，以將光電轉(zhuǎn)換部分中所保持的信號電荷傳送到放大器。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的電荷傳送路徑 是以掩埋溝道結(jié)構(gòu)的形式提供的。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在信號電荷在光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分中累積 期間，光電轉(zhuǎn)換部分與電荷存儲部分之間的電荷傳送路徑中對于信號電荷的勢壘低于光電 轉(zhuǎn)換部分與其它區(qū)域之間的勢壘。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中控制單元配置成在將導(dǎo)通脈沖提供給第一傳送部分 與第二傳送部分之前，向第二傳送部分多次提供導(dǎo)通脈沖。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中控制單元配置成向第二傳送部分提供中間電平脈 沖，該中間電平脈沖的峰值在導(dǎo)通脈沖的峰值與截止脈沖的峰值之間的范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中控制單元配置成從多個值中選擇中間電平脈沖的峰值。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括配置成處理從放大器輸出的信號的讀取電路， 其中控制單元將中間電平脈沖的峰值設(shè)置成使得，由該中間電平脈沖傳送的信號電荷數(shù)小于可以由讀取電路讀取的最大電荷數(shù)。
8. 如權(quán)利要求1至6中任一項所述的裝置，還包括配置成處理從放大器輸出的信號的 可變增益放大器電路，其中用于當(dāng)通過向第一傳送部分和第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖而將光電轉(zhuǎn)換部分中 所保持的信號電荷傳送到放大器時所獲得的信號的增益小于用于當(dāng)通過向第二傳送部分 提供導(dǎo)通脈沖而將電荷存儲部分中所存儲的信號電荷傳送到放大器時所獲得的信號的增.、
9. 如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括溫度檢測器，其中控制單元依賴從溫度檢測器接收到的溫度信息，改變中間電平脈沖的峰值。
10. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中依賴于入射到像素的光量，在將當(dāng)通過向第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖而將所存儲的信號電荷傳送到放大器時所獲得的信號用于形成圖像的 模式與不將該信號用于形成圖像的模式之間執(zhí)行切換。
全文摘要
本發(fā)明提供了固態(tài)圖像拾取裝置，包括多個像素，其中每個像素都包括電荷存儲部分、光電轉(zhuǎn)換部分、第一傳送部分和第二傳送部分，當(dāng)一個時段期間所生成的信號電荷被傳送到放大器時，控制單元提供脈沖，使得將導(dǎo)通脈沖提供給第二傳送部分，而將截止脈沖提供給第一傳送部分，由此將所存儲的信號電荷傳送到放大器，然后向復(fù)位部分提供導(dǎo)通脈沖，以復(fù)位傳送到放大器的信號電荷，隨后向第一傳送部分和第二傳送部分提供導(dǎo)通脈沖，以將光電轉(zhuǎn)換部分中所保持的信號電荷傳送到放大器。
文檔編號H04N5/335GK101719993SQ200910179060
公開日2010年6月2日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者大貫裕介, 山下雄一郎 申請人:佳能株式會社