專利名稱：圖像拾取裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像拾取裝置，更具體地，本發(fā)明涉及擴展動態(tài)范圍的技術。
背景技術：
存在在圖像拾取裝置中擴展動態(tài)范圍的多種技術。日本專利申請公開 No. 2006-197382(此后稱為專利文檔1)公開了一種目的在于擴展動態(tài)范圍而不降低圖像質(zhì)量的圖像拾取裝置。具體來說，該圖像拾取裝置包括轉移柵極控制部分和圖像信號產(chǎn)生部分，轉移柵極控制部分控制轉移柵極的電位以便將從光電轉換單元流出的一部分電荷引入浮動擴散部分，并且圖像信號產(chǎn)生部分基于存儲在光電轉換部分中的電荷和流入浮動擴散部分中的電荷產(chǎn)生圖像信號。日本專利申請公開No. 2008-099158(此后稱為專利文檔2)公開了一種結構，其中，具有相同電壓值的中間電壓被作為控制電壓與列選擇同步地從驅(qū)動電路多次提供給轉移晶體管的柵電極，并且在那時候，由轉移晶體管轉移的信號電荷被至少讀出兩次。提供給轉移晶體管的每一個中間電壓均被轉移到浮動擴散(FD)區(qū)域，并且在FD區(qū)域中的電位被作為信號電平讀出。在不同的實施例中，公開了使用機械快門的結構。在該種結構中，在機械快門打開期間，執(zhí)行偽轉移(dummy transfer)，并且在機械快門關閉期間，中間電壓被轉移并讀出。一種用于在圖像拾取裝置中擴展動態(tài)范圍的可能的方法是提高光電轉換部分的飽和電荷量。但是，如果簡單地增加光電轉換部分的飽和電荷量，則并非所有電荷都在置于光電轉換部分的下游的讀出電路中讀出，或者，基于讀出的電荷的信號可能不能用于圖像形成。在專利文檔1中，光入射在光電轉換部分上，在光電轉換部分中產(chǎn)生用于圖像形成的信號電荷的時段(曝光時段)期間從光電轉換部分流出的電荷被轉移到FD區(qū)域。艮口， 假設在曝光時段期間電荷的產(chǎn)生超過了光電轉換部分的飽和電荷量，則在曝光時段期間電荷被轉移。因此，如果在曝光時段期間最后一次讀出操作之后給出強光，并且電荷被存儲接近光電轉換部分的飽和電荷量，則取決于下游讀出電路的動態(tài)范圍，并非所有電荷可在圖像形成時使用。在專利文檔2中，如果輸入強光，則執(zhí)行偽轉移，并且一部分產(chǎn)生的電荷通過復位開關被排出。因此，在信號連續(xù)性方面可能存在問題。此外，未對依賴于外部的溫度條件和置于光電轉換部分下游的讀出電路的增益從光電轉換部分的轉移效率上的變化進行討論。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種裝置包括多個像素、放大單元、掃描單元、產(chǎn)生單
4元、檢測單元和控制單元。所述多個像素中的每一個均具有光電轉換單元和轉移光電轉換單元的電荷的轉移晶體管。放大單元被配置成接收轉移的電荷。掃描單元被配置成把導通脈沖、非導通脈沖和具有導通脈沖和非導通脈沖之間的峰值的中間電平脈沖提供到轉移晶體管的柵極。產(chǎn)生單元被配置成使用基于響應于導通脈沖和中間電平脈沖轉移的電荷的信號產(chǎn)生圖像信號。檢測單元被配置成檢測溫度。控制單元被配置成根據(jù)關于所檢測的溫度的信息改變中間電平脈沖的脈沖寬度和峰值其中至少一個。導通脈沖和中間電平脈沖在光電轉換單元的光屏蔽時段期間被提供到轉移晶體管。從下面參考附圖對示范性實施例的描述，本發(fā)明的進一步的特征將變得清楚，其中，貫穿這些附圖，相似的附圖標記指示相同或者類似的部件。


圖1是固態(tài)圖像拾取裝置的框圖。圖2是固態(tài)圖像拾取裝置的像素的等效電路圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖像拾取裝置的框圖。圖4示出了根據(jù)第一實施例的驅(qū)動脈沖。圖5A到圖5C示出了根據(jù)第一實施例的電位。圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖像拾取裝置的框圖。圖7A到圖7H示出了根據(jù)第二實施例的表面照度和輸出之間的關系。圖8A到圖8E示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的像素信號的分布。圖9示出了根據(jù)第三實施例的像素信號和噪聲之間的關系。圖IOA到圖IOD根據(jù)本發(fā)明的第四實施例示出了如何執(zhí)行信號處理。圖11是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的固態(tài)圖像拾取裝置的等效電路圖。圖12示出了根據(jù)第五實施例的驅(qū)動脈沖。圖13A到圖13E示出了根據(jù)第五實施例的電位。包含在說明書中并組成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且和描述一起用來說明本發(fā)明的原理。
具體實施例方式下面參考附圖描述本發(fā)明的實施例。首先，參考圖1和圖2描述可被下面描述的實施例共享的固態(tài)圖像拾取裝置的框圖以及像素的等效電路圖。參考圖1，像素區(qū)域101具有以矩陣形式排列的多個像素。垂直掃描單元102是用于逐行地或幾行幾行地掃描像素區(qū)域中的像素的電路。可以使用移位寄存器或者解碼器構建垂直掃描單元102。列電路103也可以用作讀出電路。列電路103對通過由垂直掃描單元102執(zhí)行的掃描從像素區(qū)域101讀出的信號執(zhí)行預定處理。列電路103可以包括例如抑制像素的噪聲的CDS電路、放大來自像素的信號的放大單元，以及把來自像素的模擬信號轉換為數(shù)字信號的模數(shù)(A/D)轉換器。水平掃描電路104逐列地或者幾列幾列地順序掃描像素以讀出經(jīng)受過列電路103 的預定處理的信號。和垂直掃描單元102類似，可以使用移位寄存器或者解碼器構建水平掃描電路104。信號處理單元105對從固態(tài)圖像拾取裝置輸出的信號執(zhí)行預定處理。盡管在圖1中省略了，但是在元件之間存在用于傳送光信號或驅(qū)動信號的連線。圖2是排列在像素區(qū)域中的像素的等效電路圖。為了清晰的目的，在像素區(qū)域101 中包含的像素的數(shù)量是9個，由3行乘3列構成。但是，像素的數(shù)量不限于9，所以可以排列多于9個像素。光電二極管201起到光電轉換單元的作用，并對進入光進行光電轉換以產(chǎn)生信號電荷。轉移晶體管202起到轉移單元的作用，并把光電轉換單元產(chǎn)生的電荷轉移到將在下面描述的放大單元。浮動擴散(FD)區(qū)域203起到放大單元的輸入部分的一部分的作用，并且光電轉換單元所產(chǎn)生的電荷被轉移到FD區(qū)域203。構成放大單元的輸入部分的其他元件可以是將在下面被描述的放大晶體管的柵極，以及電氣連接FD區(qū)域和放大晶體管的柵極的導體。放大晶體管204起到放大單元的作用。放大晶體管204和恒流電源(未示出)構成源極跟隨器電路。放大晶體管的柵極在電氣上連接到FD區(qū)域。復位晶體管205起到復位單元的作用。復位晶體管包括連接到FD區(qū)域和放大晶體管的柵極的源極，以及被供以復位電壓的漏極。選擇晶體管206起到選擇單元的作用。選擇晶體管控制放大單元的操作以選擇像素。選擇單元也可以被用作復位單元，并且能夠使用提供到放大晶體管的柵極的電壓來控制選擇和不選擇像素。在提供用于控制轉移晶體管的導通或者不導通的脈沖時，使用轉移驅(qū)動線PTX。在提供用于控制復位晶體管的導通或者不導通的脈沖時，使用復位驅(qū)動線PRES。在提供用于控制選擇晶體管的導通或者不導通的脈沖時，使用選擇驅(qū)動線PSEL。驅(qū)動脈沖被從垂直掃描單元提供到這些驅(qū)動線。即，垂直掃描單元能夠起到轉移晶體管的掃描單元的作用，并且能夠向轉移晶體管的柵極提供脈沖。在圖2中，復位單元、放大單元和選擇單元被置于每一個像素中。但是，它們可以被多個光電轉換單元共享。電荷存儲單元可以被置于每一個光電轉換單元和FD區(qū)域之間。 在這種情況下，該結構包括把電荷從光電轉換單元轉移到電荷存儲單元的第一轉移單元， 和把電荷從電荷存儲單元轉移到FD區(qū)域的第二轉移單元。在這種情況下，可以把下面將描述的中間電平脈沖提供到第一轉移單元或者第二轉移單元。下面描述具體結構和驅(qū)動方法。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖像拾取裝置的框圖。溫度檢測單元302測量固態(tài)圖像拾取裝置301中或附近的溫度。例如，二極管可被用在溫度檢測單元302中。置于固態(tài)圖像拾取裝置內(nèi)的溫度檢測單元302也可以被安排在能夠測量靠近固態(tài)圖像拾取裝置的溫度的外部位置。控制單元304響應于來自溫度檢測單元302的關于溫度的信息和來自中央處理單元(CPU) 303的控制信號控制固態(tài)圖像拾取裝置。可變電壓電源305響應于來自控制單元304的控制信號把對應于所述溫度的電壓提供到固態(tài)圖像拾取裝置。把這個電壓提供給如圖1中所示的垂直掃描單元能夠根據(jù)溫度改變中間電平脈沖的峰值。或者，中間電平脈沖的脈沖寬度可以被改變。下面描述根據(jù)本實施例的操作流程。首先，在光電轉換單元中累積信號電荷。在完成預定的曝光時段后，累積完成。此后，由溫度檢測單元獲取固態(tài)圖像拾取裝置自身或固態(tài)圖像拾取裝置附近的溫度。訪問記錄對應于所獲取的溫度信息的電壓信息的查找表，并執(zhí)行控制以便從可變電壓電源提供對應于所述溫度的電壓。此后，如下面所描述的那樣，執(zhí)行讀出操作。信號電荷具有的能量取決于溫度而變化。如果在光電轉換單元和FD區(qū)域之間的電荷路徑中的勢壘即使在溫度變化時也不變化，則轉移到FD區(qū)域的電荷的數(shù)量是不同的。 相反，在本實施例中，提供了溫度檢測單元，并且響應于來自溫度檢測單元的信號，提供給轉移晶體管的脈沖的峰值和其脈沖寬度中的至少一個被改變或者切換。具體來說，如果溫度上升，則即使以相同的脈沖峰值，電荷的數(shù)量也增加。因此，為了無論溫度是多少都獲得恒定的轉移電荷量，對于高溫，使脈沖峰值較小或者脈沖寬帶較窄，而對于低溫，使脈沖峰值較大或者脈沖寬帶較寬是有用的。圖4中示出了本實施例中的驅(qū)動脈沖。圖5中示出了元件中的電位狀態(tài)。在圖 4中，PTX指示提供到轉移晶體管柵極的脈沖；PRES指示提供到復位晶體管的柵極的脈沖； PSEL指示提供到選擇晶體管的柵極的脈沖。在括號中的數(shù)字指示像素行號。根據(jù)本實施例的固態(tài)圖像拾取裝置具有機械快門。當機械快門處于打開狀態(tài)中時，光進入光電轉換單元； 當機械快門處于關閉狀態(tài)中時，沒有光進入光電轉換單元。機械快門可以規(guī)定曝光時段。在圖4中，對于機械快門，陰影線部分指示關閉狀態(tài)，空白部分指示打開狀態(tài)。PTS指示在把信號捕獲到列電路中所包含的光學信號存儲單元中時使用的采樣脈沖；PTN指示在把信號捕獲到列電路中所包含的噪聲信號存儲單元中時使用的采樣脈沖。 噪聲信號可以是復位晶體管和放大晶體管的像素偏移、隨機噪聲，或者，如果列電路包括放大單元，可以是這個列放大單元的偏移。響應于高電平脈沖，晶體管變成導通或者執(zhí)行采樣。因此，高電平脈沖也可以被稱作導通脈沖。相反，低電平脈沖也可以被稱作非導通脈沖。首先，在Tl，處于導通狀態(tài)的復位晶體管把高電平脈沖提供給PTX，并且光電轉換單元中的電荷被復位。此時，機械快門處于關閉狀態(tài)。在T2，機械快門被帶入打開狀態(tài)，因此導致光進入光電轉換單元。此時，提供給每一個轉移晶體管的脈沖是使轉移晶體管非導通的低電平脈沖。在T3，機械快門被帶入關閉狀態(tài)。這結束了光電轉換單元產(chǎn)生信號電荷的時段。在T4，在第一像素行中低電平脈沖被提供到PRES，并且高電平脈沖被提供到 PSEL。這里，脈沖被同時提供。但是，它們可以在不同的時間被提供。為了抑制復位單元中的KTC噪聲，至少在高電平脈沖被提供到采樣噪聲信號的PTN的時段中，低電平脈沖被提供至Ij PRES。在T5，高電平脈沖被提供到PTN，并且第一像素行中的噪聲信號被存儲在列電路中。在T6a，在第一像素行中，高電平脈沖和低電平脈沖之間的中間電平脈沖被提供到 PTxo在光電轉換單元中只有超過由提供中間電平脈沖所產(chǎn)生的勢壘的電荷被轉移到FD區(qū)域(第一步驟)。從圖中很清楚，第一步驟在光屏蔽時段期間執(zhí)行，其中，機械快門屏蔽光電轉換單元不見光。在T6b，在第一像素行中低電平脈沖被提供到PTX。在T7，高電平脈沖被提供到PTS，并且基于響應于把中間電平脈沖提供給第一像素行中的轉移晶體管而轉移的電荷的信號被存儲在列電路中。在T8，在第一像素行中低電平脈沖被提供到PSEL，并且在第一像素行中高電平脈沖被提供給PRES。這個操作復位了在第一步驟中轉移到FD區(qū)域的電荷。在T9，高電平脈沖被提供到PTN，并且第一像素行中的噪聲信號被存儲在列電路中。在TlOa，在第一像素行中高電平脈沖被提供給PTX (第二步驟)。提供具有足以把光電轉換單元中的電荷完全地轉移到FD區(qū)域的峰值的脈沖是有用的。從圖中很清楚，第二步驟在光屏蔽時段期間被執(zhí)行，其中，機械快門屏蔽光電轉換單元不見光。在TlOb，在第一像素行中低電平脈沖被提供到PTX。在T11，高電平脈沖被提供到PTS，并且基于在第二步驟中在第一像素行中轉移的電荷的信號被存儲在列電路中。在T12，在第一像素行中低電平脈沖被提供到PSEL，并且高電平脈沖被提供到 PRES0通過把高電平脈沖提供到轉移晶體管(第二步驟)獲得的信號和通過把中間電平脈沖提供到轉移晶體管(第一步驟)獲得的信號被在信號處理單元105中相加，信號處理單元105起到圖像信號產(chǎn)生單元的作用。這使得由光電轉換單元導致的大多數(shù)電荷能夠被處理為用于圖像形成的信號，而與置于光電轉換單元下游的讀出電路的動態(tài)范圍無關。從T4到T12的操作被針對每個像素行重復，因此讀出一幀的信號。在本實施例中，在T6a和T6b (第一步驟)使用中間電平脈沖的轉移只被執(zhí)行一次。但是，其可以被執(zhí)行多次。接著，參考圖5A到圖5C描述在圖4中所示時間的電位狀態(tài)。在所示的電位狀態(tài)中，陰影線部分指示其中機械快門屏蔽光電轉換單元不見光的狀態(tài)。圖5A示出了當導致非導通狀態(tài)的低電平脈沖被提供到轉移晶體管時的電位狀態(tài)。在這個狀態(tài)中，機械快門處于打開狀態(tài)，曝光時段已經(jīng)完成，并且信號電荷被存儲在光電轉換單元中。在圖4中的第一像素行中，該電位狀態(tài)存在于時段T3到T6a、T6b到TlOa， 以及TlOb到T12中。在其他的像素行中，圖5A中所示的電位狀態(tài)存在于時段T3到T12中。 在該狀態(tài)中，足以阻擋存儲在光電轉換單元中的信號電荷流動到FD區(qū)域中的勢壘存在于光電轉換單元和FD區(qū)域之間的電荷路徑中。圖5B示出了中間電平脈沖被提供給轉移晶體管的狀態(tài)。該狀態(tài)對應于圖4中的時段T6a到T6b。在這個時段中，光電轉換單元和FD區(qū)域之間的電荷路徑中的勢壘也處于導通狀態(tài)和非導通狀態(tài)之間的中間電位狀態(tài)。在該電位狀態(tài)中，只有超過存儲在光電轉換單元中的信號電荷的中間勢壘的信號電荷被轉移到FD區(qū)域。放大單元的飽和電平指示了當下游讀出電路或者像素的源極跟隨器不飽和時的最大電荷數(shù)量。圖5C示出了高電平脈沖被提供到轉移晶體管的狀態(tài)。在這個狀態(tài)中，在光電轉換單元和FD區(qū)域之間的勢壘足夠低，以允許光電轉換單元中的信號電荷被轉移到FD區(qū)域。提供具有允許把光電轉換單元中的信號電荷完全地轉移到FD區(qū)域的峰值的脈沖是有用的。 這可以從轉移期間光電轉換單元中的電位和FD區(qū)域中的電位之間的關系很容易地確定。這里，描述中間電平脈沖的峰值。一般來說，在圖像形成時使用光電轉換單元中產(chǎn)生的所有信號電荷是有用的。但是，如果光電轉換單元的容量較大，并且飽和電荷量也較大，即使當光電轉換單元中產(chǎn)生了很多信號電荷時，動態(tài)范圍可能也受下游讀出電路的飽和限制。具有這種限制的讀出電路的例子包括像素的源極跟隨器電路、置于列電路中的列放大單元，以及A/D轉換單元。這里，作為像素放大單元的源極跟隨器電路的動態(tài)范圍被作為一個例子描述。當放大單元使用放大晶體管和恒流電源形成源極跟隨器電路時，如果很多信號電荷從光電轉換單元被轉移到FD區(qū)域，則FD區(qū)域中電位的下降也較大。因為FD區(qū)域在電氣上連接到放大晶體管的柵極，如果FD區(qū)域中電位的下降使得放大晶體管的柵極電位和源極電位之間的差低于閾值電壓(Vth)，則源極跟隨器工作停止。如果這樣，則不能讀出信號。即使少于源極跟隨器的動態(tài)范圍的電荷被讀出，如果在列放大單元中提供了高增益，則讀出電路的飽和由列放大單元的輸入動態(tài)范圍上的限制確定。因此，中間電平脈沖的峰值可以被設置在不超過讀出電路的動態(tài)范圍的電荷能夠被轉移的值。每次執(zhí)行讀出，當在每一個讀出電路中執(zhí)行預定的處理時，即使光電轉換單元的飽和電荷量如此之大以至于其超過了讀出電路的動態(tài)范圍，也能夠讀出光電轉換單元中產(chǎn)生的所有信號電荷。因為這樣的操作在光電轉換單元中完成了曝光時段之后執(zhí)行，即，在光電轉換單元的光屏蔽時段期間執(zhí)行，在光電轉換單元中累積的電荷不增加，所以在光電轉換單元中累積的所有電荷都可以被轉移。此外，因為中間電平脈沖的峰值隨著溫度變化， 所以能夠在抑制溫度變化的不利影響的同時讀出光電轉換單元中的信號電荷。當光電轉換單元的動態(tài)范圍和電荷存儲單元的動態(tài)范圍的組合大于置于光電轉換單元下游的讀出電路的動態(tài)范圍時，本實施例特別有效。利用本實施例，即使當固態(tài)圖像拾取裝置中或其附近的溫度變化時，也可執(zhí)行讀出而沒有對被置于光電轉換單元下游的讀出電路的動態(tài)范圍施加限制。第二實施例是其中在第一實施例中描述的中間電平脈沖根據(jù)置于光電轉換單元下游的讀出電路的增益而被改變的例子。這里，置于光電轉換單元下游的讀出電路的例子包括置于像素中的放大單元、置于列電路中的列放大電路，以及用來把串行信號輸出到外部的輸出放大單元，來自列電路的并行信號被轉換為所述串行信號。圖6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裝置的框圖。附圖標記601代表固態(tài)圖像拾取裝置。附圖標記602代表控制單元。附圖標記 603代表CPU。附圖標記604代表可變電壓電源。置于光電轉換單元下游的讀出電路中包含的放大電路的增益被控制電路602和CPU 603設置。可以響應于例如靈敏度切換或者讀出速度變化來控制該增益。下面描述根據(jù)本實施例的操作流程。首先，在光電轉換單元中累積信號電荷。在完成預定的曝光時段后，累積完成。此后，訪問記錄對應于置于光電轉換單元下游的讀出電路中包含的放大電路的增益的電壓信息的查找表，并執(zhí)行控制以便從可變電壓電源提供對應于所述增益的電壓。此后，執(zhí)行上述讀出操作。此外，可以提供溫度檢測電路，用于隨著溫度進行校正，如第一實施例中所描述的那樣。即，可以從放大電路的增益和環(huán)境溫度兩者來確定中間電平脈沖的脈沖寬度或者峰值。下面參考圖7A到圖7H描述當讀出電路的增益可變時中間電平脈沖的提供時間或峰值的變化。圖7A示出了當提供第一中間電平脈沖時輸出電壓與入射光量的相關性(光電轉換特性)。圖7B示出了當?shù)诙虚g電平脈沖被提供時的光電轉換特性。圖7C示出了當高電平脈沖被提供時的光電轉換特性。圖7D示出了響應于每一個讀出脈沖將電荷轉移到FD 區(qū)域后的相加后的輸出信號特性。圖7E到圖7G示出了光電轉換特性，并且圖7H示出了當脈沖的峰值根據(jù)讀出電路的增益變化時的輸出信號特性。具體來說，圖7E到圖7H示出了當讀出電路的增益從第一增益改變到高于第一增益的第二增益時，脈沖的峰值從圖7A到圖7C中所示的峰值被減小的例子。當讀出電路的增益可變時，最高達電路飽和的入射光量(飽和光量)隨著讀出電路的增益而不同。光量9(Ma、904b和9(Mc代表當讀出電路的增益較低時出現(xiàn)的光量。光量 906a、906b和906c代表當讀出電路的增益較高時出現(xiàn)的光量。當讀出電路的增益較低時， 飽和光量較高，如在90如、90恥和905c所示。因此，被轉移到FD區(qū)域的所有信號電荷可以被用作用于圖像形成的信號。但是，當讀出電路的增益較高時，飽和光量較低，如在907a、 907b和907c所示。因此，一部分轉移到FD區(qū)域的信號電荷超過了讀出電路的輸入動態(tài)范圍，并且這意味著一部分信息缺失。結果，如圖7D中所示，在圖7A到圖7C中示出的區(qū)域A、 B和C中的信號被組合后獲得的光電轉換特性有臺階，如在909所示。即，所獲得的光電轉換特性不期望地具有死區(qū)。作為參考，當沒有缺失時，可獲得線性的特性，如在908所示。在這種情況下，如圖7E到圖7G中所示，中間電平脈沖的峰值可以被限于低于圖7A 到圖7C中所示的電平。或者，可以縮短脈沖提供時間以限制電荷的瞬態(tài)運動，并減小使用中間電平脈沖時被轉移的電荷數(shù)量。因此，即使當脈沖被提供并讀出三次時，類似于圖7A 到圖7C中示出的情況，可獲得圖7E到圖7G中示出的光電轉換特性。圖7H中示出了把這些信號組合后獲得的光電轉換特性。在圖7H中，不存在信息缺失，和圖7D不同，所以在區(qū)域A、B和C中的信號被組合后不存在不期望的死區(qū)。因為可以一次讀出的電荷的數(shù)量受到限制，所以組合后的飽和光量被減少。在需要時，可以通過響應于中間電平脈沖和所提供的中間電平脈沖的峰值增加次數(shù)來抑制飽和光量的減少。利用本實施例，即使置于光電轉換單元下游的讀出電路的增益變化了，也可獲得具有即使在組合之后也連續(xù)的光電轉換特性的信號而不出現(xiàn)死區(qū)。第三實施例的特征是，讀出電路中包含的放大電路的增益針對響應于導致轉移晶體管導通的高電平脈沖和中間電平脈沖(可以是多個脈沖)中的每一個讀出的每一個信號而被切換。讀出電路的增益的增加升高了信噪比(S/N)，結果，實現(xiàn)了在低光狀況下對對象的高靈敏度圖像捕獲。如果當響應于中間電平脈沖讀出信號時放大電路的增益被設置得高，則一次可讀出的信號電荷的數(shù)量被減少。為了盡可能多地讀出光電轉換單元中的電荷， 中間電平脈沖被提供更多次。此外，當放大電路具有高增益時，讀出速度經(jīng)常被減小。為了解決這個問題，針對響應于提供導致轉移晶體管導通的高電平脈沖而讀出的信號的增益被設置得高于針對響應于提供中間電平脈沖而讀出的信號的增益。圖8A到圖8E示出了根據(jù)本實施例的像素的像素信號和噪聲之間的關系。圖8A 示出了響應于入射光在每一個像素的光電轉換單元中出現(xiàn)的電荷的分布。在圖8A中，光電轉換單元中的飽和和響應于中間電平脈沖而轉移的電荷與響應于高電平脈沖而轉移的電荷之間的邊界由虛線指示。光電轉換單元中的飽和電荷數(shù)量可以是例如100，000e_。響應于中間電平脈沖而轉移的電荷量可以是例如90，000e_。響應于高電平脈沖而轉移的電荷量可以是例如10，OOOe-。
圖8B示出了從圖8A提取的部分A。提取的部分涉及響應于中間電平脈沖而轉移的信號電荷。在響應于中間電平脈沖而轉移電荷的步驟中的隨機噪聲可以被表示為 Vffll (mVrms)。圖8C示出了從圖8A提取的部分B。提取的部分涉及響應于高電平脈沖而轉移的信號電荷。這里，在下游部分的增益是G。在這種情況下，隨機噪聲可以被表示為VKN2(mVrms)。圖8D示出了從圖8A提取的部分B。提取的部分涉及響應于高電平脈沖而轉移的信號電荷。這里，在下游讀出電路的增益是1/G。即，該增益低于圖8C中的增益。在這種情況下，隨機噪聲被表示為VKN2/G (mVrms)。圖8E示出了組合的狀況。隨機噪聲可以是((Veni)2+(VKN2/G)2)°_5，并且可以以低噪聲讀出。圖9示出了入射光量和來自固態(tài)圖像拾取裝置的輸出(即傳感器輸出)之間的關系。如上所述，除了在其他實施例中獲得的特征以外，可獲得傳感器的改善的S/N而不犧牲讀出速度。第四實施例和其他實施例的差別在于，可以在把在提供導致轉移晶體管導通的高電平脈的狀態(tài)下獲得的信號添加或不添加到響應于中間電平脈沖而獲得的信號之間切換。在未超過閾值的情況下不執(zhí)行添加上述響應于提供高電平脈沖而獲得的信號能夠防止添加隨機噪聲。下面參考圖IOA到圖IOD描述細節(jié)。圖IOA示出了當信號電荷響應于第一中間電平脈沖而被轉移到FD區(qū)域時獲得的信號。圖IOB示出了當信號電荷響應于第二中間電平脈沖而被轉移到FD區(qū)域時獲得的信號。圖IOC示出了當信號電荷響應于導通脈沖而被轉移到FD區(qū)域時獲得的信號。圖IOD示出了在信號被組合后獲得的圖像。在圖IOA和圖IOB中，陰影線區(qū)域中大多數(shù)由正方形指示的信號具有隨機噪聲。如果執(zhí)行添加，則S/N降低。相反，在圖IOC中，如陰影區(qū)域中所指示的那樣，信號處于其要被用作用于圖像形成的信號的電平。例如，對于低光狀況中的對象，信號電荷僅在光電轉換單元中被累積(例如在累積單元中)而不超過中間電平脈沖所產(chǎn)生的勢壘。因此，如果在這種狀態(tài)下執(zhí)行使用中間電平脈沖的轉移操作，則噪聲被簡單地增加。為了解決這個問題，如果基于響應于中間電平脈沖而轉移的電荷的信號不超過預定的閾值，則當使用中間電平脈沖執(zhí)行轉移時獲得的信號可以不被用作用于圖像形成的信號。或者，如果當使用導通脈沖執(zhí)行轉移時獲得的信號不小于預定的閾值，則可以確定有來自電荷存儲單元的信號，并且該信號可以被用作用于圖像形成的信號。此外，可以提供被配置成監(jiān)視每一個像素的入射光量的單元，并且取決于像素的入射光量，可以在信號被用于圖像形成的情況和信號不被用于圖像形成的情況之間切換。圖11是根據(jù)第五實施例的在像素區(qū)域中排列的像素的等效電路圖。為了清晰的目的，在像素區(qū)域101中包含的像素數(shù)量是9個，由3行乘3列構成。但是，像素的數(shù)量不限于9。在像素21中，光電二極管(PD)2用作光電轉換單元。PD 2具有連接到固定電位 (例如地)的陽極和通過用作第一轉移單元的第一轉移晶體管8連接到電荷存儲單元3的第一端子的陰極。電荷存儲單元3具有連接到固定電位(例如地)的第二端子。電荷存儲單元3的第一端子通過用作第二轉移單元的第二轉移晶體管9連接到FD區(qū)域4。FD區(qū)域 4連接到用作放大單元的一部分的放大晶體管12的柵極端子。放大晶體管12的柵極用作放大單元的輸入部分。放大晶體管12的柵極通過用作復位單元的復位晶體管10連接到像素電源線。每一個轉移晶體管均可以是金屬氧化物半導體(M0Q晶體管。用作選擇單元的選擇晶體管11具有漏極端子和源極端子，漏極端子是第一主電極，連接到像素電源線，源極端子是第二主電極，連接到放大晶體管12的漏極，漏極是放大晶體管12的第一電極。當輸入激活信號SEL時，選擇晶體管的主電極變?yōu)閷ā＿@導致放大晶體管12和置于垂直信號線OUT中的恒流電源(未示出)一起形成源極跟隨器電路， 并導致對應于作為放大晶體管12的控制電極的柵極端子的電位的信號出現(xiàn)在垂直信號線 OUT中。基于出現(xiàn)在垂直信號線OUT中的信號的信號被從固態(tài)圖像拾取裝置輸出，并且其通過圖像處理電路形成了圖像信號。在圖11中，復位單元、放大單元和選擇單元被在每一個像素中提供。但是，它們也可以被多個像素共享。或者，可以使用不具有選擇單元并且能夠使用放大單元的輸入部分的電位選擇像素的結構。本發(fā)明可應用于在光電轉換單元和FD區(qū)域之間包括電荷存儲單元的結構，上面描述了這種結構的一個例子。光電轉換單元和電荷存儲單元之間的電荷路徑的結構使用具有下列特征的結構， 即其中電荷在導致第一轉移單元不導通的低電平脈沖的狀態(tài)下被從光電轉換單元轉移到電荷存儲單元的結構特別有用。具體的示范性結構是其中第一轉移單元是MOS晶體管，所述MOS晶體管具有掩埋溝道結構的構造。在該構造中，即使在非導通狀態(tài)下，勢壘在低于表面的位置中具有較低部分，所述較低部分僅存在于該位置中。在這種情況下，電荷轉移單元也可以處于在信號電荷的累積期間提供恒定電壓而不執(zhí)行激活控制的狀態(tài)。即，也可以提供固定勢壘而不起到轉移單元的作用。在完成累積之前，執(zhí)行控制以使勢壘的高度減小，剩余在光電轉換單元中的信號電荷被轉移到電荷存儲單元。利用這種結構，可以把當光入射在光電轉換單元上時由光電轉換單元產(chǎn)生的基本上所有信號電荷轉移到電荷存儲單元而不在光電轉換單元中累積。因此，在所有像素中包含的光電轉換單元可以基本上具有相同的電荷累積時間。當MOS晶體管不導通時，空穴在溝道表面中累積，并且電荷被轉移到的溝道存在于比表面低預定深度的部分中。因此，可以減少絕緣薄膜界面上暗電流的不利影響。從另一個觀點，在信號電荷在光電轉換單元和電荷存儲單元中被累積的時段中， 可以說在光電轉換單元和電荷存儲單元之間的電荷路徑中的勢壘低于在光電轉換單元和另一個區(qū)域之間的電荷路徑中的勢壘。這里使用的電位指示針對信號電荷的電位。例如， 當OFD區(qū)域被提供時，該勢壘可以具有比光電轉換單元和OFD區(qū)域之間的電位低的電位。特別有用的是，在信號電荷被累積在由電荷耦合器件制成的電荷存儲單元中的時段中，通過把電位通過絕緣薄膜施加于相反電極，具有與信號電荷相反極性的電荷被累積在電荷存儲單元的表面，以抑制電荷存儲單元位于其上的半導體表面上的暗電流的產(chǎn)生。利用這種結構，由電荷存儲單元導致的暗電流可以被進一步減少。同時，因為無需把用于解決暗電流的相反導電類型的雜質(zhì)注入到電荷存儲單元的表面中，處理電荷存儲的部分可以被形成在鄰近表面的比光電轉換單元(例如光電二極管)更淺的區(qū)域中。因此， 可以提高每單位體積存儲電荷的能力，所以存儲電荷的能力可以比其中光電二極管起存儲電荷作用的傳統(tǒng)結構的能力高幾倍。就驅(qū)動而言，在一個信號電荷產(chǎn)生時段中，從光電轉換單元轉移到電荷存儲單元的信號電荷被存儲在電荷存儲單元中，并被用作圖像信號。即，在開始一個信號電荷產(chǎn)生時段以后，信號被讀出到像素的外部而在電荷存儲單元中無復位操作。一個信號電荷產(chǎn)生時段，被確定以便當捕獲一幀圖像時對于光電轉換單元是公用的。下面描述根據(jù)本發(fā)明的本實施例的具體結構和驅(qū)動方法。在這種情況下像素結構基于其中像素具有第一轉移單元是掩模溝道MOS晶體管并且電荷存儲單元由電荷耦合器件制成的結構的構造。使用其中晶體管被用作第一和第二轉移單元中的每一個的結構作為例子提供描述。圖12示出了根據(jù)本實施例的驅(qū)動脈沖。圖13示出了電位。本實施例不同之處在于如何確定一幀的信號電荷產(chǎn)生時段。和其中使用機械快門的第一實施例相反，在本實施例中，通過使用電子快門規(guī)定信號電荷產(chǎn)生時段。描述了圖12中所示的驅(qū)動脈沖。主要是著眼于和第一實施例不同之處提供描述。首先，在Tl，高電平脈沖被提供到復位晶體管和第一到第三晶體管中的每一個，因而導致晶體管導通。光電轉換單元、電荷存儲單元和FD區(qū)域中的電荷被復位。在T2，低電平脈沖被提供到第三轉移晶體管，并開始信號電荷產(chǎn)生時段。當不使用機械快門時，盡管光入射在光電轉換單元上，但是第三轉移晶體管使OFD區(qū)域和光電轉換單元不導通，并且其中光電轉換單元和電荷存儲單元存儲電荷的狀態(tài)被確定為信號電荷產(chǎn)生時段。此時，提供到第一和第二轉移晶體管中的每一個的脈沖是導致每一個所述晶體管不導通的低電平脈沖。在T3a，高電平脈沖被提供到第三轉移晶體管，并且信號電荷產(chǎn)生時段完成。艮口， 該狀態(tài)是在光電轉換單元中產(chǎn)生的信號電荷被排出到OFD區(qū)域的狀態(tài)。同時，高電平脈沖和低電平脈沖之間的中間電平脈沖被提供到第二轉移晶體管(第一步驟)。光電轉換單元和電荷存儲單元中只有超過響應于提供中間電平脈沖的勢壘的一部分電荷被提供到FD區(qū)域。在T3b，導致非導通狀態(tài)的低電平脈沖被提供到第二轉移晶體管。在T4a，導致導通狀態(tài)的高電平脈沖被提供到第二轉移晶體管(第二步驟)。提供具有能夠把電荷存儲單元中的信號電荷完全地轉移到FD區(qū)域的峰值的脈沖是有用的。此時，第一轉移晶體管處于被供以低電平脈沖的狀態(tài)。在T4b，導致非導通狀態(tài)的低電平脈沖被提供到第二轉移晶體管。在T5a，導致導通狀態(tài)的高電平脈沖被提供到第一和第二轉移晶體管中的每一個 (第三步驟)。在T5b，導致非導通狀態(tài)的低電平脈沖被提供到第一和第二轉移晶體管中的每一個。第三轉移晶體管處于導通狀態(tài)，并且光電轉換單元中的所有信號電荷已經(jīng)被排出到OFD區(qū)域。因此，可以不執(zhí)行在Tfe和T5b的驅(qū)動。此后，在第一到第三步驟中獲得的信號被在信號處理單元105中相加。在光電轉換單元中由光電轉換產(chǎn)生的大多數(shù)信號電荷可以被處理為用于圖像形成的信號，而與置于光電轉換單元和電荷存儲單元下游的讀出電路的動態(tài)范圍無關。
13
針對每一個像素行重復從T3a到T5b的操作使得一幀的信號被讀出。在T3a到Bb響應于中間電平脈沖(第一步驟)的轉移只被執(zhí)行一次。但是，所述轉移可以被執(zhí)行多次。在本實施例中，第三轉移晶體管處于導通狀態(tài)的時段，即光電轉換單元的電荷被排出到OFD區(qū)域的時段可以被看作光屏蔽時段。在這個時段期間，高電平脈沖和中間電平脈沖被提供到轉移晶體管。接著，參考圖13A到圖13E描述在圖12中示出的每一個時間的電位狀態(tài)。圖13A到圖1 示出了在圖12中示出的T2到T3a的電位狀態(tài)。圖13A示出了少量光入射的狀態(tài)。在這種狀態(tài)中，電荷被存儲在光電轉換單元中而不超過光電轉換單元和電荷存儲單元之間的由提供到第一轉移晶體管的脈沖的峰值所確定的勢壘。這里，低電平脈沖被提供到第一轉移晶體管。勢壘受到控制以便具有相對低的電平，以使在光電轉換單元中產(chǎn)生的信號電荷被立刻移動到電荷存儲單元。如上所述，通過使用掩埋溝道MOS晶體管作為第一轉移晶體管可以實現(xiàn)這樣的狀態(tài)。圖1 示出了光電轉換單元中產(chǎn)生的一部分信號電荷超過了由第一轉移晶體管確定的勢壘的狀態(tài)，信號電荷的超過部分被移動到電荷存儲單元，并且被移動的信號電荷也被存儲在電荷存儲單元中。虛線指示了在低電平脈沖被提供到第一轉移晶體管的狀態(tài)下的勢壘高度。圖13C示出了在圖12中示出的T3a到T3b的電位狀態(tài)。在這個電位狀態(tài)中，低電平脈沖被提供到第一轉移晶體管，并且中間電平脈沖被提供到第二轉移晶體管(第一步驟)。由于這個操作，在圖13B中所示的虛線以上的信號電荷以及電荷存儲單元中累積的一部分信號電荷被轉移到FD區(qū)域。因為第三轉移晶體管處于導通狀態(tài)，所以光電轉換單元和OFD區(qū)域之間的勢壘較低，并且在轉移之后在光電轉換單元中產(chǎn)生的信號電荷被轉移到 OFD區(qū)域。即，盡管電荷在光電轉換中產(chǎn)生，其被排出到OFD區(qū)域，所以該時段可以被看作不產(chǎn)生信號電荷的時段。圖13D示出了在圖12中示出的！“如到！“仙的電位狀態(tài)。在這個狀態(tài)中，低電平脈沖被提供到第一轉移晶體管，并且高電平脈沖被提供到第二轉移晶體管(第二步驟)。由于這個操作，在存儲在電荷存儲單元中的信號電荷在第二步驟中被轉移之后剩余的信號電荷被轉移到FD區(qū)域。圖13D示出了在圖12中示出的！^!到！“恥的電位狀態(tài)。在這個狀態(tài)中，高電平脈沖被提供到第一到第三晶體管的每一個中(第三步驟)。如上所述，第三步驟可以被提供， 但它不是必需的。利用本實施例，盡管轉移到FD區(qū)域的電荷略有減少，但是，動態(tài)范圍被擴展，并且該結構可以很簡單而不用提供機械快門。這對于高速操作也是有用的。雖然已參考示范性實施例描述了本發(fā)明，但是要理解，本發(fā)明不限于所公開的示范性實施例。下面的權利要求的范圍要和最寬泛的解釋相符，以便包含所有修改和等同結構和功能。
權利要求
1.一種圖像拾取裝置，包含多個像素，每一個均具有光電轉換單元、電荷存儲單元、將光電轉換單元的電荷轉移到電荷存儲單元的第一轉移晶體管、浮動擴散區(qū)域、將電荷存儲單元的電荷轉移到浮動擴散區(qū)域的第二轉移晶體管、以及與浮動擴散區(qū)域電連接的放大晶體管；掃描單元，被配置成將使得第二轉移晶體管導通的導通脈沖、使得第二轉移晶體管不導通的非導通脈沖、以及具有導通脈沖和非導通脈沖之間的峰值的中間電平脈沖提供到第二轉移晶體管的柵極；產(chǎn)生單元，被配置成使用基于響應于導通脈沖和中間電平脈沖而轉移的電荷的信號來產(chǎn)生圖像信號；檢測單元，被配置成檢測溫度；以及控制單元，被配置成根據(jù)來自檢測單元的關于所檢測的溫度的信息來改變中間電平脈沖的峰值和脈沖寬度中的至少一個。
2.如權利要求1所述的圖像拾取裝置，其中，使用基于響應于提供到第二轉移晶體管多次的中間電平脈沖而轉移的電荷的信號來產(chǎn)生一幀的圖像信號。
3.如權利要求1所述的圖像拾取裝置，其中，入射在光電轉換單元上的光量受機械快門控制。
4.如權利要求1所述的圖像拾取裝置，還包含置于放大晶體管下游的讀出電路，所述讀出電路包括具有可變增益的放大器電路，其中，基于來自檢測單元的關于所檢測的溫度的信息和放大器電路的增益兩者來確定中間電平脈沖的峰值和脈沖寬度中的至少一個。
5.如權利要求1所述的圖像拾取裝置，還包含置于放大晶體管下游的讀出電路，所述讀出電路包括具有可變增益的放大器電路，其中，放大器電路的針對響應于導通脈沖而讀出的信號的增益高于放大器電路的針對響應于中間電平脈沖而讀出的信號的增益。
6.如權利要求1所述的圖像拾取裝置，其中，在圖像形成中使用和不使用響應于中間電平脈沖而讀出的信號能根據(jù)入射在像素上的光量而切換。
7.一種圖像拾取裝置，包含多個像素，每一個均具有光電轉換單元、電荷存儲單元、將光電轉換單元的電荷轉移到電荷存儲單元的第一轉移晶體管、浮動擴散區(qū)域、將電荷存儲單元的電荷轉移到浮動擴散區(qū)域的第二轉移晶體管、以及與浮動擴散區(qū)域電連接的放大晶體管；掃描單元，被配置成將使得第二轉移晶體管導通的導通脈沖、使得第二轉移晶體管不導通的非導通脈沖、以及具有導通脈沖和非導通脈沖之間的峰值的中間電平脈沖提供到第二轉移晶體管的柵極；讀出電路，被置于放大晶體管下游，所述讀出電路包括具有可變增益的放大器電路；產(chǎn)生單元，被配置成使用基于響應于導通脈沖和中間電平脈沖而轉移的電荷的信號來產(chǎn)生圖像信號；以及控制單元，被配置成根據(jù)放大器電路的增益來改變中間電平脈沖的峰值和脈沖寬度中的至少一個。
8.如權利要求7所述的圖像拾取裝置，其中，使用基于響應于提供到第二轉移晶體管多次的中間電平脈沖而轉移的電荷的信號來產(chǎn)生一幀的圖像信號。
9.如權利要求7所述的圖像拾取裝置，其中，入射在光電轉換單元上的光量受機械快門控制。
10.如權利要求7所述的圖像拾取裝置，其中，放大器電路的針對響應于導通脈沖而讀出的信號的增益高于放大器電路的針對響應于中間電平脈沖而讀出的信號的增益。
11.如權利要求7所述的圖像拾取裝置，其中，在圖像形成中使用和不使用響應于中間電平脈沖而讀出的信號能根據(jù)入射在像素上的光量而切換。
12.如權利要求1至11中任一項所述的圖像拾取裝置，其中，在提供使得第一轉移晶體管不導通的非導通脈沖的狀態(tài)中，電荷能從光電轉換單元轉移到電荷存儲單元。
13.如權利要求1至11中任一項所述的圖像拾取裝置，其中，第一轉移晶體管具有掩埋溝道結構。
14.如權利要求1至11中任一項所述的圖像拾取裝置，其中，光電轉換單元和電荷存儲單元之間的電荷路徑中的勢壘低于光電轉換單元和另一區(qū)域之間的電荷路徑中的勢壘。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像拾取裝置，包含多個像素，每一個具有光電轉換單元、電荷存儲單元、將光電轉換單元的電荷轉移到電荷存儲單元的第一轉移晶體管、浮動擴散區(qū)域、將電荷存儲單元的電荷轉移到浮動擴散區(qū)域的第二轉移晶體管、和與浮動擴散區(qū)域電連接的放大晶體管；掃描單元，將使第二轉移晶體管導通的導通脈沖、使第二轉移晶體管不導通的非導通脈沖、和具有導通脈沖和非導通脈沖之間的峰值的中間電平脈沖提供到第二轉移晶體管的柵極；產(chǎn)生單元，使用基于響應于導通脈沖和中間電平脈沖而轉移的電荷的信號來產(chǎn)生圖像信號；檢測單元，檢測溫度；和控制單元，根據(jù)來自檢測單元的關于所檢測的溫度的信息來改變中間電平脈沖的峰值和脈沖寬度中的至少一個。
文檔編號H04N5/369GK102572324SQ20121000786
公開日2012年7月11日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權日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