固態成像器件、驅動固態成像器件的方法和成像設備的製作方法

2023-05-21 20:33:16

專利名稱：固態成像器件、驅動固態成像器件的方法和成像設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及固態成像器件、驅動固態成像器件的方法和成像設備。
背景技術：
近些年來，在適用於視頻攝像機、數字靜態攝像機等的被稱為固態成像器件的 CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器和放大型圖像傳感器中，通過在高靈敏度或者減小圖像尺寸的情況下增加像素的數量，進行了像素尺寸的小型化。另一方面，一般來說，諸如CCD圖像傳感器或者CMOS (互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器之類的固態成像器件往往被用於各種環境，諸如室內和室外，白天和夜晚，因此，電子快門操作等常常是必要的，其中，根據外部光線的變化等控制光電轉換元件中的電荷存儲時間，來調節曝光時間，使得靈敏度為最佳值。作為擴展CMOS圖像傳感器的動態範圍的方法，已知如下幾種方法通過高速打開電子快門調節曝光時間的方法；以高速獲取多個幀並且將其疊加的方法；允許光接收區的光電轉換特性為對數響應的方法等。但是，當在具有其中明區和暗區相混合的高對比度的圖像攝取景象中使用高速打開電子快門的方法時，難以保證足夠的曝光時間，尤其是在暗區中，即在低亮度景象中，因此S/N劣化並且圖像質量下降。在高速獲取多個幀並且將其疊加的方法中，與簡單地打開電子快門的方法相比，通過疊加圖像可以改善S/N，但是，由於對應於多幀的多次讀出而累積讀出導致的噪音，因此，在低亮度景象中S/N也發生劣化。通過對數響應特性擴散動態範圍是有效的，但是，由在亞閾值區工作的電晶體的閾值變化導致的固定模式噪音變得明顯， 尤其在低亮度區域。例如，當從房間對窗戶旁邊的人進行攝影時，如果針對人調節靈敏度， 則窗戶的景象是飽和白色的並且難以被再現。如果針對窗戶的景象調節靈敏度，則攝取的人較黑暗，因為即使通過攝影之後的放大也難以充分保證信號電平並且難以獲得高質量的圖像，所以S/N降低。在攝影場景中，必要的是，在圖像傳感器上用少量的入射光在像素中通過長時間曝光來實現的高S/N,以及通過避免大量入射光造成的像素中的飽和而擴展動態範圍。在相關技術中，作為實現高S/N的方法(其幾乎等價於在低亮度下的像素中的常規操作和在高亮度下的像素中擴展動態範圍)，已知一種記載於IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2005，pp. 354，2005 年 2 月(非專利文件 1)中的技術。具體地，如圖40所示，在放大型圖像傳感器(其中像素100被布置成矩陣形式， 其包括光電二極體101、轉移電晶體102、復位電晶體103、放大電晶體1104和選擇電晶體 105)中，當轉移電晶體102被關斷時，如果存儲的電子超過某一電平，則被施加到控制電極的電壓被設置到電平Vtrg，而不是通常使得電晶體完全關斷的電平，其中多餘的電子被允許溢流到FD區106。當電子被存儲在光電二極體101中並且超過電平Vtrg時，則在亞閾值區域啟動到 FD區106的漏流。因為漏流在亞閾值區域運行，所以保留在光電二極體101中的電子的數量是對數響應。如圖41所示，在時段t0處的復位操作之後，執行存儲，同時電壓Vtrg被施加到轉移電晶體102的控制電極。在其中被存儲的電子的數量較少的時段tl的狀態中，所有電子都被存儲在光電二極體101中，但是，當被存儲的電子的數量超過電平Vtrg時，電子開始洩漏到FD區106，如時段t2處所示的。因為亞閾值區域中的電子漏流，即使當存儲繼續進行時(t3)，電子也以相對於入射光強度的對數特性被存儲。在時段t4，FD區106中溢流的電子被復位，並且存儲在光電二極體101中的所有電子通過完全轉移被讀出。入射光強度和輸出電子的數量之間的關係被示於圖42中。在入射光強度超過由電壓Vtrg設定的線性區域的上限Qlinear的情況下， 輸出電子的數量由對數響應確定。然而，雖然據報導在非專利文件1中所記載的相關技術中實現了 IMdB的動態範圍，但是其中實現高S/N的線性區域的飽和水平小於常規飽和水平Qs的一半。此外，雖然利用對數響應實現了極寬的動態範圍，但是對數響應電路往往受到閾值變化等的影響，因此，在寬的動態範圍區中仍存在大的固定模式噪音，其中，即使在執行了對於閾值變化的消除操作之後，當線性區域中的固定模式噪音為0. SmV時，在對數區域中所述固定模式噪音為 5mV。因此，理想的是，提供一種固態成像器件、一種驅動該固體成像器件的方法和一種成像設備，其中，在低亮度下在不縮窄常規飽和水平的情況下可以實現具有線性和高S/N 的信號獲取，同時，相對於大於常規飽和水平的入射光可以擴展動態範圍，同時也在線性區域中實現良好的S/N。

發明內容
根據本發明的一個實施例，提供了一種固態成像器件，包括成像區域，其中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉換部分，轉移柵和存儲部分，所述光電轉換部分被配置用於接收入射光並產生信號電荷，所述轉移柵被配置用於從所述光電轉換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉移柵讀出的信號，其中所述轉移柵通過不完全轉移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中所述第一信號電荷被從所述存儲部分發送出，其中將在所述不完全轉移時保留在所述光電轉換部分的第二電荷加到在所述光電轉換部分中通過在所述不完全轉換之後進入的光所產生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉移柵讀出到所述存儲部分。根據本發明的另一個實施例，提供了一種成像設備，包括固態成像器件，所述固態成像器件具有成像區域，所述成像區域中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉換部分，轉移柵和存儲部分，所述光電轉換部分被配置用於接收入射光並產生信號電荷，所述轉移柵被配置用於從所述光電轉換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉移柵讀出的信號；以及控制元件，用於控制所述固態成像器件，其中所述控制元件向所述固態成像器件供應控制信號，其中所述轉移柵由基於所述控制信號產生的脈衝驅動，其中所述轉移柵通過不完全轉移讀出第一信號電荷到所述存儲部分，其中所述第一信號電荷被從所述存儲部分發送出，其中將在所述不完全轉移時保留在所述光電轉換部分的第二電荷加到在所述光電轉換部分中通過在所述不完全轉換之後進入的光所產生的第三電荷，其中通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉移柵讀出到所述存儲部分。


圖1是示出了根據本發明的一個實施例的CMOS圖像傳感器的配置的系統配置圖；圖2是示出了供應電壓控制電路的電路配置的實例的電路圖；圖3是示出了供應電壓控制電路中的輸入和輸出的時序關係的時序圖；圖4A和4B是用於解釋各個操作的時序圖，其中圖4A是常規讀出的情形，圖4B是以高S/N和寬動態範圍為目標的情形；圖5是示出了當多個電壓被選擇性供應到轉移電晶體的控制電極時在像素中的電勢的實例的電勢圖；圖6是示出了當入射光弱時電勢的變化的電勢圖；圖7是示出了當入射光強時電勢的變化的電勢圖；圖8是在第二次轉移之後消除閾值變化的原因的解釋圖；圖9是示出了曝光時間和在光接收區中的存儲電子的數量之間的關係的圖線；圖10是示出了加到其飽和電子數量Qe為8800e的光電二極體的轉移電晶體的控制電極的供應電壓Vtrg-當供應電壓Vtrg時在光電二極體中保持的電子的數量的實驗結果的圖線；圖11是示出了被供應到轉移電晶體的控制電極的電壓的供應時序的另一個實例的時序圖；圖12是示出了被供應到轉移電晶體的控制電極的電壓的供應時序的另一個實例的時序圖；圖13是對於使得S/N變高和使得動態範圍變寬的解釋圖；圖14是示出了預定條件下的實驗結果的圖線；圖15是示出了在上面的實驗中指明入射光強度的所產生的電子的總數和通過各個中間轉移和最後的完全轉移作為輸出所轉移的電子的數量之間的關係的圖線；圖16A和圖16B是示出了單元像素的其它電路實例的電路圖；圖17是示出了當使用包括三個電晶體的像素電路時的操作實例的時序圖；圖18是示出了在完全轉移時段和電子快門時段中的電勢關係和具體的時序關係的時序圖；圖19是示出了在中間轉移時段中的電勢關係和具體的時序關係的時序圖；圖20A到圖20F是示出了在各個時序時的電勢關係的電勢圖；圖21A到圖21D是中間轉移中的電勢圖；圖22是示出了在中間轉移中入射光強度和信號電荷之間的對應關係的圖線；圖23是示出了根據本發明的一個應用的操作實例1的時序圖；圖M是示出了在操作實例1的情形中在中間轉移時段中的電勢關係和具體的時序關係的時序圖；圖25是示出了在操作實例1的情形中在完全轉移時段和電子快門時段中的電勢關係和具體的時序關係的時序圖；圖沈是示出了根據本發明的應用的操作實例2的時序圖；圖27是出了在操作實例2的情形中在中間轉移時段和電子快門時段中的電勢關係和具體的時序關係的時序圖；圖觀是示出了根據本發明的應用的操作實例3的時序圖；圖四是示出了根據本發明的應用的操作實例4的時序圖；圖30是強迫飽和操作的時序圖；圖31A到圖31D是在利用中間轉移的讀出中的電勢圖；圖32A到圖32E是在強迫飽和操作和中間轉移中的電勢圖；圖33是示出了包括像素固定模式噪音的補償功能的系統配置的方框圖；圖34A和圖34B是示出了當應用於CXD圖像傳感器時的實例的電勢圖；圖35是本發明的改進實例1的示意圖；圖36是示出了白熾燈光譜的實例的圖線；圖37是本發明的改進實例2的示意圖；圖38是本發明的改進實例3的示意圖；圖39是示出了根據本發明的一個實施例的成像設備的配置實例的方框圖；圖40是像素的電路配置的實例的電路圖；圖41是在非專利文件1中記載的相關技術中的電勢圖；和圖42是示出了在非專利文件1中記載的相關技術中的入射光強度和輸出電子的數量之間的關係的圖線。
具體實施例方式下面將參考附圖詳細解釋本發明的實施例。圖1是示出了根據本發明的一個實施例的固態成像器件(例如，CMOS圖像傳感器)的配置的系統配置圖。如圖1所示，根據此實施例的CMOS圖像傳感器包括像素陣列區域11，其中，包括光電轉換元件的單元像素(此後，有時簡稱為「像素」)20以矩陣形式二維地排列在該像素陣列區域11中；CMOS圖像傳感器作為其外圍電路還包括垂直掃描電路12、供應電壓控制電路13、電壓供應電路14、時序發生器電路(TG) 15、多個列電路16、水平掃描電路17和列信號選擇電路18。在像素陣列區域11中的像素20的矩陣排列中，在每一列布置垂直信號線111，在每一行布置驅動控制線，例如轉移控制線112、復位控制線113、選擇控制線114。此外，每一個單元像素20布置供應復位電壓Vrst的復位線115。(單元像素)在圖1中示出了單元像素20的電路配置的實例。根據電路實例的單元像素20具有像素電路，該像素電路包括例如光電二極體21的光電轉換元件，此外還包括轉移電晶體 22、復位電晶體23、放大電晶體M和選擇電晶體25四個電晶體。在此情況下，例如N-溝道MOS電晶體被用作這樣的電晶體22-25。轉移電晶體22等同於權利要求中的轉移柵，其被連接在光電二極體21的陰極電極和作為電荷/電壓轉換器的FD區(浮動擴散區) 之間。由光電二極體21光電轉換的並且存儲在轉移電晶體22的信號電荷(在此情況下，電子)通過提供給柵電極(控制電極)的轉移脈衝TRG轉移到FD區沈。在信號電荷從光電二極體21到FD區沈的轉移之前，復位電晶體23通過提供給柵電極的復位脈衝RST將FD區沈的電勢復位到復位電壓Vrest，其中在復位電晶體23中， 漏電極被連接到復位線115，源電極被連接到FD區26。放大電晶體M輸出在由復位電晶體23復位之後的FDg^W電勢作為復位電平， 並且還輸出在信號電荷由轉移電晶體22轉移之後的FDg^W電勢作為信號電平，其中在放大電晶體M中，柵電極被連接到FD區沈，漏電極被連接到像素電源Vdd。選擇電晶體25通過將選擇脈衝SEL提供到柵電極而變為導通狀態，並且使得像素 20成為選定狀態，將從放大電晶體M輸出的信號輸出到垂直信號線111，其中在選擇電晶體25中，漏電極被連接到放大電晶體M的源電極，源電極被連接到垂直信號線111。還優選的是，選擇電晶體25應用如下的配置，其中該電晶體被連接在像素電源 Vdd和放大電晶體M的漏電極之間。垂直掃描電路12包括移位寄存器、地址解碼器等，其通過適當地生成復位脈衝 RST、轉移脈衝TRG、和選擇脈衝SEL等，針對各個電子快門行和讀出行沿垂直方向逐行地掃描像素陣列區域11中的各個像素。對於電子快門行，執行用於清除該行的像素20中的信號的電子快門操作，對於讀出行，執行用於讀出該行的像素20中的信號的讀出操作。雖然沒有在此示出，但是垂直掃描電路12在依次選擇以行為單位的像素20的同時，具有讀出掃描系統，用於執行讀出行的各個像素20中的信號的讀出操作，並且具有電子快門掃描系統，用於比由讀出掃描系統進行的讀出掃描早對應於快門速度的時間對於同一行(電子快門行)執行電子快門操作。然後，從當由電子快門掃描系統通過快門掃描復位光電二極體21處的多餘電荷的時刻到當由讀出掃描系統通過讀出掃描讀出像素20中的信號的時刻的時段，成為像素 20中的信號電荷的存儲時段(曝光時段)。就是說，電子快門操作表示如下操作，該操作復位(清除)存儲在光電二極體21的信號電荷並且開始在積累復位後的新的信號電荷。供應電壓控制電路13控制供應(施加)到單元像素20中的轉移電晶體22的柵電極(控制電極)的控制電壓。供應電壓控制電路13的具體配置將在後面描述。電壓供應電路14向供應電壓控制電路13供應處於多個電壓(控制電壓)的中間位置的電壓(此後，有時稱為「中間電壓」)，所述多個電壓(控制電壓)具有不同的電壓值， 具體是，處於高電平的電壓(此後稱為「H」電平)，其為像素電源的電壓電平Vdd，以及低電平電壓(此後稱為「L」電平)，其為地電平。處於中間位置的電壓(中間電壓)是其中存儲在光電二極體21中的電荷的一部分被保持以及存儲電荷的剩餘部分被部分地轉移到FD區 26的電壓。時序發生器(TG) 15生成時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3(參考圖2)，用於確定供應電壓控制電路13向轉移電晶體22的柵電極供應控制電壓的定時。在像素陣列區域11中的每一像素行，即相對於像素行一一對應地布置列電路16，對從由垂直掃描電路12通過垂直掃描選定的讀出行中的各個像素20經過垂直信號線11 輸出的信號執行規定的信號處理，並且在信號處理之後臨時地保持像素信號。作為列電路16，存在包括採樣-保持電路的電路配置，其中所述採樣-保持電路採樣和保持通過垂直信號線111輸出的信號，以及存在包括採樣-保持電路和噪音消除電路的電路配置，其中所述噪音消除電路通過相關雙採樣(⑶幻處理消除像素特有的諸如放大電晶體M的閾值變化之類的固定模式噪音或者復位噪音。注意，這些僅僅是實例，並且所述電路不限於這些。例如，還優選的是，列電路16具有A/D (模擬-數字)轉換功能，以採用通過數位訊號輸出信號電平的配置。水平掃描電路17包括移位寄存器、地址解碼器等，水平地順序掃描布置在像素陣列區域11中的各個像素列的列電路16。列信號選擇電路18包括水平選擇開關、水平信號線等，順序地輸出臨時存儲在列電路16中的像素信號，並且使其與水平掃描電路17的水平掃描同步。恆流源19被連接到垂直信號線111的每一端。例如，可以使用加偏壓的電晶體代替恆流源19。將作為垂直掃描電路12、時序發生器電路15、列電路16、水平掃描電路17等的操作標準的時序信號和控制信號在沒有示出的時序控制電路中產生。(供應電壓控制電路)供應電壓控制電路13利用地址信號ADR作為輸入，其驅動由垂直掃描電路12選定和掃描的行，並且通過基於從時序發生器電路15供應的時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3選定電壓，向單元像素20中的轉移電晶體22的柵電極供應從電壓供應電路14供應的多個第一控制電壓中的一個電壓，所述多個第一控制電壓例如為四個電壓Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和 Vtrg4 (Vtrgl > Vtrg2 > Vtrg3 > Vtrg4)。圖2是示出了供應電壓控制電路13的配置實例的電路圖。如圖2所示，根據此實施例的供應電壓控制電路13包括四個電路塊131-134，其對應於四個電壓(中間電壓) Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4，並且還包括具有三個輸入的NOR電路135。地址信號ADR被從垂直掃描電路12 —同提供到電路塊131-134。時序信號PTRG1、PTRG2、PTRG3被提供給 NOR電路135，作為來自電壓供應電路14的三個輸入。電路塊131包括採用地址信號ADR和時序信號PTRGl作為兩個輸入的NAND電路 1311，電平相移器1312以及P-溝道驅動電晶體1313，其選定電壓Vtrgl (所述電壓Vtrgl 比邏輯電路的電源電壓高)並且將其供應到轉移電晶體22的柵電極。電路塊132包括採用地址信號ADR和時序信號PTRG2作為兩個輸入的AND電路 1321以及P-溝道驅動電晶體1322，其選定電壓Vtrg2 (所述電壓Vtrg2與邏輯電路的電源電壓相同或者更低，並且比地電壓至少高出PMOS電晶體的閾值)並且將其供應到轉移電晶體22的柵電極。電路塊133包括採用地址信號ADR和時序信號PTRG3作為兩個輸入的NAND電路 1331以及N-溝道驅動電晶體1332，其選定電壓Vtrg3 (所述電壓Vtrg3與邏輯電路的地電壓相同或者更高，並且比電源電壓至少低出NMOS電晶體的閾值)並且將其供應到轉移電晶體22的柵電極。電路塊134包括採用地址信號ADR和NOR電路135的輸出作為兩個輸入的AND電路1341，採用地址信號ADR作為一個(負)輸入並且採用AND電路的輸出信號作為另一個輸入的OR電路1342，電平相移器1343以及N-溝道驅動電晶體1344，其選定電壓Vtrg4(所述電壓Vtrg4低地電壓)並且將其供應到轉移電晶體22的柵電極。電路塊134具有通過NOR電路135的操作而獨立於其它電路塊131、132和133操作的電路配置，以便供應低於地電壓的電壓(例如-0. IV)，作為用於關斷轉移電晶體22的電壓。在圖3中示出了供應電壓控制電路13中的輸入和輸出之間的時序關係。在將被供應到轉移電晶體22的柵電極的電壓為Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4的情形中，當通過地址信號ADR選定行時，根據時序信號PTRG1、PTRG2和PTRG3，對應於各個時序信號的電壓 VtrgU Vtrg2和Vtrg3被供應，而電壓Vtrg4被供應到其它行。隨後，將使用圖4A和4B的時序圖解釋根據上面的配置的實施例的CMOS圖像傳感器10的操作。圖4A和4B示出了各個操作中的時序關係，其中圖4A中是常規讀出的情形， 圖4B中是以高S/N和寬動態範圍為目標的情形。在CMOS圖像傳感器10 (其中，包括圖1所示的像素電路配置的單元像素20以矩陣形式排列)中，一般如圖4A所示，在時段「tl」通過使得轉移脈衝TRG和復位脈衝RST都為「H」電平，復位光電二極體21和FD區沈，在時段「t2」所接收的光被光電轉換為存儲在光電二極體21中的電子。然後，在時段「t2」的後一半的時段「t4」通過使得復位脈衝RST 為「H」電平，復位FD區沈。接著，通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出FD區沈的電勢作為復位電平，此後，在時段「t3」通過使得轉移脈衝TRG為「H」電平，存儲在光電二極體 21中的電子被轉移到FD區沈，接著，在時段「t5」通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出 FDg^的電勢，作為信號電平。針對上面的常規讀出操作，在本發明中存在使得S/N較高並且動態範圍較寬的需要。根據本發明的實施例，在存儲時段(曝光時段)，多個控制電壓被順序地供應到轉移電晶體22的控制電極(柵電極)，其中在存儲時段，通過光電轉換存儲電子，並且在此時，通過轉移電晶體22轉移的信號電荷被讀出兩次或者更多次。具體地，如圖4B所示，在時段「tlO」通過使得轉移脈衝TRG和復位脈衝RST都為 「H」電平，復位光電二極體21和FD區沈，在時段「til」所接收的光被光電轉換為存儲在光電二極體21中的電子。接著，在時段「til」的後一半的時段「tl2」通過使得復位脈衝RST 為「H」電平，復位FD區沈，然後，通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出FD區沈的電勢作為復位電平。接著，在時段「tl3」，電壓Vtrgl被供應到轉移電晶體22的控制電極，並且根據光電二極體21中的存儲電子的量(其由入射光強度決定)，電子被部分地轉移到FD區26。在時段tl4，通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，根據被轉移電子的量的FD區沈的電勢被讀出，作為信號電平，並且如果需要的話，使用在時段tl2讀出的復位電平，在例如列電路16 中執行噪音消除處理。在時段tl5，繼續執行存儲操作，並且在時段tl6，通過使得復位脈衝RST為「H」電平，再次復位FD區沈，接著，通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出復位電平。而且，在時段tl7，電壓Vtrg2被供應到轉移電晶體22的控制電極，超出轉移電晶體22的電勢電壓 Vtrg2的電子(在時段tl3沒有被轉移的保留在光電二極體21中的電子和在時段tl5中存儲的電子的總和)被轉移到FD區沈，並且在時段tl8，通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出FD區沈的電勢，作為信號電平。在時段tl9到時段t22期間，在將電壓Vtrg3供應到轉移電晶體22的控制電極的情況下，與上面相同的操作被重複執行。此外，在改變到轉移電晶體22的供應電壓的同時， 從時段til到時段tl4的操作被執行一次或者多次。在時段t23的曝光之後，在時段U4通過使得復位脈衝RST為「H」電平，再次執行復位操作，並且通過使得選擇脈衝SEL為「H」電平，讀出復位電平，接著，在時段t25，通過使得轉移脈衝TRG為「H」電平，轉移電晶體22被完全導通並且執行到FD區沈的完全轉移，然後，在時段t26，通過使得選擇脈衝SEL為「H」 電平，讀出信號電平。圖5示出了當電壓Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3被供應到轉移電晶體22的控制電極時像素中的電勢的實例。在存儲在光電二極體21中的電子數量大並且超出電勢Otrgi電壓 Vtrgl的情況下，存儲在光電二極體21中的電子被部分轉移到FD區26。圖6是示出了當在具有弱的入射光的階段供應電壓Vtrg時的電勢變化的電勢圖。 在存儲在光電二極體21中的電子數量小的情況下，該數量沒有超過轉移電晶體22的電勢 Otrgi，因此，由光電轉換產生的電子被保持在光電二極體21中，在最終的轉移時被轉移到FD區沈，然後作為信號電平被讀出。另一方面，如圖7所示，當入射光很強時，超出電勢Otrgi的電子被轉移到FD區沈，繼而被讀出作為信號電平。因此，在低亮度的情形中通過足夠的曝光時間可以在最終轉移處進行讀出，而不會使信號劣化，並且在高亮度的情形中，通過以多個階段讀出超出的電子，可以最終生成具有寬動態範圍的合成圖像。注意，在圖6和7中的各個操作時段tlO到U6對應於圖4B的時序圖中的各個操作時段110到t26。如上所述，當以多個階段將多個電壓Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3供應到轉移電晶體22 的控制電極，並且超出的電子被多次轉移到FD區沈時，在第二次轉移之後，閾值變化被消除了。其原因如下。如圖8所示，當在第一次轉移時將電壓Vtrgl施加到轉移電晶體22的控制電極時，轉移電晶體22的電勢由6、81表示，在存儲電荷之前的光電二極體21的電勢由Φω(1 表示，保持在光電二極體21中的電子的數量由Qhadi表示，溢流到FD區沈的電子的數量表示為Qfdi，當保持電子數量Qhadi時的光電二極體21的電勢由Φωι表示。當在光電二極體 21中與入射光強度成比例地產生的光電電流為Ipd，到第一次轉移的曝光時間為ΔΤ，光電二極體21的電容為Cpd時，Qhadi和Qfdi由下式表示Qhadi = Cpd · ΦωιQfdi = Ipd · Δ T-QhadiΦΜ(11 = Φ^ ο-Φ^ιφ trgl = Vtrgl-(Vth+ Δ Vth)在上面，Vth為轉移電晶體22的閾值，AVth為轉移電晶體22的閾值變化。在第二次轉移中，當在持續進行ΔΤ的時間段的曝光並且存儲光電電流之後，不同的電壓Vtrg2被施加時，類似地，當轉移電晶體22的電勢為，保持在光電二極體21 中的電子的數量為Qhad2,溢流到FD區沈的電子的數量為Qfd2，當保持電子數量Qhad2時的光電二極體21的電勢為時，可以得到下式。
Qhad2 = Cpd · Φω2^had2 = Φ HadQ-^trg2φ trg2 = vtrg2- (Vth+ Δ Vth)Qfd2 = (QmD1+Ipd · Δ Τ) -Qhad2= Cpd · Φ^+Ipd · Δ T-Cpd · ΦΜ2=Cpd. (Φ had0" Φ trgl) +Ipd · Δ T-Cpd · ( Φ had0" Φ trg2)= Cpd · IVtrgl-(Vth+ΔVth)}+Ipd · Δ T-Cpd · {Vtrg2- (Vth+Δ Vth)}= Ipd 『 AT-Cpd(Vtrg2-Vtrgl)如上所述，在第二次轉移之後，中間轉移到FD區沈的電子的數量由入射光強度 (即，所產生的光電電流的量)和施加到轉移電晶體22的控制電極的電壓Vtrg2和就在之前施加的電壓Vtrgl之間的差決定，這可以減小轉移電晶體22的閾值變化AVth的影響。 此外，因為在各個定時通過轉移電晶體22轉移的電子的數量具有相關性，所以根據超出所述電勢的電子數量在轉移時段沒有被轉移的電子的保留數量也具有相關性，結果，在第二次轉移之後，由保留電子導致的變化被減小。供應到轉移電晶體22的電壓Vtrg的電平按如下來確定。如圖9所示，當入射光的量固定時，在光電二極體21中存儲的電子的數量與曝光時間成比例地增加。例如，當入射光強度被假定為在該入射光強度下電子數量在標準的曝光時間iTs內(諸如，當30幀/秒時1/30秒，當60幀/秒時1/60秒)達到飽和電子數量 Qs，則當電壓Vtrg被供應到轉移電晶體22的控制電極時，在定時Ti的存儲電子的數量Nei 被估計。在定時Ti的供應電壓Vtrgi被設為如下的電壓，通過該電壓，存儲電子數量Nei 被存儲在光電二極體21中。在圖10，示出了到光電二極體21(其飽和電子數量的為8800e_)中的轉移電晶體 22的控制電極的供應電壓和當電壓Vtrg被供應時光電二極體21中存儲的電子的數量的實
驗結果。在此情況下，在定時T1、T2和T3的供應電壓將為從圖9中的存儲電子的數量Nel、 Ne2和Ne3得到的電壓Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3。對於實際應用中將被供應的電壓，優選的是，考慮防止由熱擴散等導致的從光電二極體21到FD區沈的漏流的裕量，在轉移電晶體 22為N-溝道MOS電晶體的情形中施加比上面的低數百毫伏的電壓，並且在轉移電晶體22 為P-溝道MOS電晶體的情形中施加比上面的高數百毫伏的電壓。在圖11中，示出了被供應到轉移電晶體22的控制電極的供應電壓的時序的另一個實例。在另一個實例中，在到完全轉移的曝光時間的1/4定時處供應電壓Vtrgl，電壓 Vtrg3在3/4的定時處被供應。確定各個電壓Vtrgl、Vtrg3的方法與上面的實例相同。相應地，通過控制供應電壓Vtrgl、Vtrg3的間隔，可以控制中間轉移的電子的數量和入射光強度之間的關係，即靈敏度(sensibility)。就是說，通過使得各個中間轉移的執行間隔可以為多個，可以以多個靈敏度擴寬動態範圍，以及在動態範圍區域中在其中光強度較弱的區域中的S/N可以被設定為較高。例如，如圖11所示，當到第一次中間轉移的曝光時間(t31)為總曝光時間的1/4， 並且從第一次中間轉移到第二次中間轉移的曝光時間(t35)為總曝光時間的1/2時，在第一次轉移中將被讀出的電子的數量相對於入射光強度的靈敏度將為1/4，這對於動態範圍的擴展有貢獻。
在第二次轉移中，靈敏度將為1/2，並且動態範圍比第一次轉移窄，但是可以實現在該區域中比第一次轉移更高的S/N,直到比寬至常規區域的大約兩倍的區域。在最後的完全轉移中，實現一倍的靈敏度和動態範圍，即，等同於相對於該入射光強度的常規情況，這避免了在低亮度區域中由寬的動態範圍導致的圖像質量變劣。在圖12中，示出了將被供應到轉移電晶體22的控制電極的供應電極的時序的另一個實例。在此實例中，以任意的一次或者多次，在多次的電壓Vtrgi的供應中，執行復位操作，而不讀出被轉移的信號電平。通過將復位操作移動到緊接轉移之後並且不激活選擇信號，可以實現該操作。根據該操作，當獲得其中由閾值變化導致的被轉移電子數量的變化減小的信號時，可以省略在第一次轉移中具有大的變化的讀出操作。通過不執行讀出操作，可以使得轉移間隔短於CMOS圖像傳感器10的幀速率，這對於動態範圍的擴展有貢獻。例如，在圖12中，在到完全轉移的曝光時間的1/8的定時施加電壓Vtrgl，並且執行復位而不讀出信號電平。在1/4的定時供應電壓Vtrg2，並且讀出信號電平。接著，在3/4的定時供應電壓Vtrg3，並且讀出信號電平，最後，在完全轉移中，讀出信號電平。在總共執行4次的讀出操作中，在通過電壓Vtrg2轉移的第一次讀出中，可以獲得對應於曝光時間的1/8的輸出，因此，可以最大確保約8倍的動態範圍，並且通過就在之前的電壓Vtrgl的轉移減小了閾值變化。在通過電壓Vtrg3的第二次讀出中，轉移間隔為 1/2，因此，可以在為飽和電平的兩倍寬的動態範圍中獲得具有比第一次讀出高的S/N的信號。在該實例中，動態範圍被擴展到其普通寬度的大致8倍，但是，足夠的是，讀出速度是其普通速度的4倍。類似地，通過使得電壓Vtrgl的供應定時接近電壓Vtrg2的供應定時，可以擴展動態範圍。作為圖12中所示的實例，還可以通過除了圖4A的操作之外就在信號電平的轉移或者讀出之後執行復位操作，預先地復位FD區26中的電子。通過如圖13所示在飽和電平(其被預先設定)處進行剪切並且進行疊加，通過多次的中間轉移獲得的信號獲得了連續的輸入和輸出特性。例如，在圖13中，在作為第「i」 次的讀出的常規曝光中的完全轉移之後，信號以高的S/N被輸出，直到常規的飽和電平。在前面的第「i-1」次轉移中，通過在曝光時間的1/2處執行中間轉移可以獲得幾乎兩倍的動態範圍，並且在第「i-2」次轉移中，通過在曝光時間的1/8處執行中間轉移可以獲得幾乎8 倍的動態範圍。通過在飽和電平附近的點對信號進行剪切和疊加信號，可以獲得連續的特性。例如在後續階段提供的CMOS圖像傳感器10的信號處理電路(沒有示出)中，將通過使用幀存儲器，執行用於通過剪切和疊加實現高的S/N和寬的動態範圍的處理，其中所述幀存儲器存儲多次讀出的圖像。但是，處理實例僅僅是實例，並且如果多次讀出的圖像被存儲的話，可以通過使用個人計算機來處理，並且還可以如下的配置，其中，通過在CMOS圖像傳感器10上安裝幀存儲器，處理在CMOS圖像傳感器10中執行並且僅僅最後的圖像被輸出。
在圖14中，示出了實驗結果。在實驗中，0.6V的電壓VtrglU. IV的電壓Vtrg2、 1. 3V的電壓Vtrg3按圖12的時序圖被供應到轉移電晶體22的控制電極。 圖14表示在從光電二極體21的復位到完全轉移的曝光時間為大致16ms的情形中，在通過第一電壓Vtrgl的中間轉移比光電二極體21的復位遲2ms執行時，在通過第二電壓Vtrg2的中間轉移比光電二極體21的復位遲4ms執行時，在第三次中間轉移比光電二極體21的復位遲12ms執行時，分別在光電二極體21中保留的電子的數量。在圖14中，tl、t2、t3和t4為曝光時段，t2、t4和t6為轉移時段。將電壓Vtrg 施加到轉移電晶體22的控制電極的時間為100ns。圖線40-51代表如下條件，其中，其強度使得在16ms期間在光電二極體21中產生的電子的總數量分別為350e-、1200e-、2200e-、 4400e-、6600e-、8800e-、llOOOe-、17500e-、25000e-、35000e-、44000e_、53000e-的光進入光電二極體21。優選的是，轉移時段將足夠長，使得轉移接近平衡狀態，並且更優選的是，轉移時段為IOOns或更長。圖15是示出了在上面的實驗中表明了入射光強度的所產生的電子的總數量和在各個中間轉移和最後的完全轉移中作為輸出轉移的電子的數量之間的關係。在圖15中，圖 60表示通過電壓Vtrgl轉移的電子的數量，誤差條是當轉移電晶體22的閾值變化士50mV 時的值。在第一次轉移中，由閾值變化導致的轉移電子的數量變化大，但是，在由第二電壓 Vtrg2完成的轉移結果61中，電子的數量變化減小。由第三電壓Vtrg3完成的轉移結果62 具有高的靈敏度和大的梯度，因為轉移時段比由電壓Vtrg2完成的轉移長。完全轉移的結果63具有與常規轉移相同的S/N，其中常規轉移中，對於低亮度沒有執行中間轉移。結果 61、62分別具有結果63的1/2倍和1/8倍的梯度，這證明通過控制轉移時序，控制了靈敏度並且允許寬的動態範圍。結果63是通過上面的特性合成方法獲得的寬動態範圍特性。其實現了低亮度情況下的高S/N和線性特性的寬動態範圍。如上所述，例如，在CMOS圖像傳感器10 (其中，單元像素20以矩陣形式二維地布置，所述單元像素20包括光電二極體21和轉移電晶體22，所述轉移電晶體22轉移光電二極體21中光電轉換的信號電荷)中，多個第一控制電壓被順序地從供應電壓控制電路塊13 供應到轉移電晶體22的控制電極，同時，通過垂直掃描電路12執行驅動操作，在該驅動操作中，由轉移電晶體22轉移的信號電荷被兩次或者更多次地讀出，這可以允許在低亮度下線性和高S/N的信號獲取而不會縮窄常規的飽和電平，並且還針對大於常規的飽和水平的入射光可以允許動態範圍的擴展，同時實現線性區域中的良好的S/N。因此，針對在各種環境中(諸如室內和室外，白天和夜晚)的外部光的變化，可以在低亮度場景中獲得高質量的具有高S/N的圖像，並且在高亮度場景中通過線性響應獲得具有較低飽和度的高質量圖像。此外，即使在其中低亮度和高亮度都存在的高對比度場景中，高亮度部分中的飽和可以被避免，同時維持了低亮度部分中的高S/N。此外，在具有高靈敏度的像素被布置在常規像素排列中，用於提高靈敏度的情形中，不必降低常規像素中的S/N來使曝光時間滿足高靈敏度像素，並且通過滿足常規像素的充分曝光可以獲得高靈敏度像素的高S/N圖像，這對於在後續階段為了高圖像質量的處理將是有利的。在上面的實施例中，解釋了其中本發明應用於CMOS圖像傳感器(其中，包括選擇電晶體25的單元像素20 (參考圖1)以矩陣形式布置)的情形，但是本發明不限於該應用。就是說，在根據本發明的實施例的CMOS圖像傳感器10中，可以在下一個曝光時段之前復位轉移到FD區沈的電子，而不管在轉移之後是否存在讀出操作；因此，本發明還可以適用於如下的CMOS圖像傳感器，其中，沒有包含選擇電晶體25的單元像素以矩陣形式被布置。具體地，如圖16A所示，本發明還可以適用於具有如下單元像素的CMOS圖像傳感器，其中，所示單元像素的像素電路除了光電二極體21之外還包括三個電晶體，轉移電晶體22、復位電晶體23和放大電晶體M，其通過復位電晶體23將FD區沈的電勢設為比放大電晶體M的閾值低的電勢，即選擇電源電勢SELVDD，以使得單元像素處在未選定狀態。如圖16B所示，本發明還可以適用於如下像素電路，該像素電路除了光電二極體 21、轉移電晶體22、復位電晶體23和放大電晶體M三個電晶體之外，還包括開關電晶體 27。像素電路具有如下配置，其中，復位電壓Vrst被選擇性地從垂直信號線111供應，因此， 復位電晶體23被連接在FD區沈(放大電晶體M的柵電極)和垂直信號線111之間，並且復位電壓Vrst通過開關電晶體27被選擇性地供應到垂直信號線111，所示開關電晶體27 通過開關脈衝SW導通。此外，本發明還可以因為相同的原因適用於在多個單元像素之間共用放大電晶體 24的像素配置。利用圖17中的時序圖將解釋具有圖16A中所示的包括三個電晶體的像素電路的單元像素的CMOS圖像傳感器10。在前一幀的完全轉移和讀出的時段T4之後，在時段Tl中通過電子快門清空光電二極體21和FDg^中的信號電子。然後，由曝光和光電轉換產生的電荷(在此情形中， 電子)被存儲在光電二極體21中。在中間轉移之前，在時段T2，中間電壓(對應於圖4B中的電壓Vtrgl)被施加到轉移電晶體22的控制電極，並且在具有大量入射光的像素中產生的信號電子被部分地轉移到FD區26。此時，轉移到FD區沈的電荷不被讀出和復位。在時段T3，與時段T2的相同或者不同的中間電壓被施加到轉移電晶體22的控制電極，並且在具有大量入射光的像素中產生的信號電荷再次被部分轉移到FD區26。此時， 轉移到FD區沈的信號電荷被讀出。然後，繼續進行曝光，並且通過在時段T4完全導通轉移電晶體22，存儲在光電二極體21中的所有信號電荷被轉移到FD區沈，並且被從FD區沈讀出。在時段T4，在其中通過施加中間電壓不發生中間轉移的具有少量入射光的像素中，信號電荷不減少並且在存儲在其中，因此，可以以高的S/N讀出信號。而在具有大量入射光的像素中，信號電荷飽和，但是它們通過施加中間電壓進行中間轉移而作為信號被讀
出ο在圖18中，示出了在完全轉移時段T4和電子快門時段Tl中，光電二極體(PD)21 和FD區沈的電勢關係，以及選擇電源電勢SELVDD、復位脈衝RST和轉移脈衝TRG的具體時
序關係。當選擇電源電勢SELVDD處於「H」電平的狀態時，在時段t0，通過使得復位脈衝RST 為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，復位FD區沈，然後，在時段tl，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢作為復位電平。在時段t2，通過使得轉移脈衝TRG為「H」電平，光電二極體21的信號電荷被轉移到FD區26，並且在時段t3，通過放大電晶體M讀出FDg^的電勢作為信號電平。在時段t4，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態(充當電子快門)，復位FDg^L在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為「L」電平並且使得FD區沈的電勢低於放大電晶體M的閾值，放大電晶體M被關斷，以使得像素處於未選定狀態。在圖19，示出了在中間轉移時段T2、T3中，光電二極體(PD) 21和FD區沈的電勢關係，以及選擇電源電勢SELVDD、復位脈衝RST和轉移脈衝TRG的具體時序關係。在時段t0，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，復位FD區26。在時段T3的情形中，在時段tl，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢，作為復位電平。在時段T2的情形中，不必執行讀出操作。在時段t2，通過施加任意的電壓Vfg到轉移電晶體22的控制電極，執行中間轉移。對於任意電壓，在時段T2的情形中施加VfgO，在時段T3的情形中施加Vfgl。當入射光的量較小時，光電二極體21的電壓高至虛線所示，並且沒有發生到FD區 26的轉移。而當入射光的量較大時，光電二極體21的電壓低至實線所示，超出轉移電晶體 22的柵極下的電勢的信號電荷被部分轉移到FDg^L在時段T3的情形中，在時段t3，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢作為信號電平。在時段T2的情形中，不必執行讀出操作。在時段t4，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，僅僅復位FD區沈，並且在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為「L」電平並且使得 FD區沈的電勢低於放大電晶體M的閾值，放大電晶體M被關斷，以使得像素處於未選定狀態。在圖20A到圖20F，示出了各個時序的電勢關係。圖20A是在作為完全轉移和讀出時段的時段T4中在時段t4的電子快門操作時的電勢圖。在電子快門操作中，存儲在光電二極體21和FD區沈中的電荷被清除到選擇電源電勢SELVDD側。圖20B是在時段T2、T3和Τ4中在時段t0的復位操作之後的電勢圖。在復位操作之後，根據入射光的強度，產生通過曝光導致的電荷存儲。圖20C是在時段T2和T3中在時段t2的中間轉移操作時的電勢圖。在中間轉移操作中，使得轉移電晶體22的柵極下的電勢為轉移電晶體22的導通狀態和關斷狀態之間的中間狀態的電壓被施加到轉移電晶體22的控制電極，結果，當入射光強度較小時，因為所存儲的電荷少而不發生轉移，並且僅僅當入射光強度大時，因為光電二極體21的電勢高於轉移電晶體22的柵極下的電勢而產生到FD區沈的轉移。圖20D是時段T4中時段t2的電勢圖，這時轉移電晶體22處於導通狀態以執行完全轉移，在完全轉移中，存儲在光電二極體21中的電荷被完全讀出。圖20E是時段T3、T4 中時段t3的電勢圖，這時轉移電晶體22在完全轉移讀出信號之後處於關斷狀態。圖20F 是時段Tl、T2和T3中時段t5的電勢圖，這時其中像素不被選定的操作使得FD區沈的電勢不高於放大電晶體M的閾值。在像素陣列區域中，在作為光接收區的光電二極體21的電勢形狀在各個像素中不是均一的情形中，通過施加中間電壓保持在光電二極體21中的電子的數量是不同的。因此，存在下面的擔心，即取決於光電二極體21的電勢形狀的變化，通過由施加中間電壓讀出獲得的在高亮度區中的輸出信號具有固定模式噪音，這導致圖像質量的劣化。如圖2IA到圖2ID所示，讓我們考慮例如圖2IB的狀態，其中當通過將電壓VfgO施加到轉移電晶體22的控制電極，將電荷QiO的一部分從圖21A的狀態(其中，電荷QiO被存儲在光電二極體21中)清除時，僅僅電荷QO保留在光電二極體21中。通過將電壓Vfgl施加到圖21C的狀態(其中電荷Qil被進一步存儲在圖21B的狀態中)，電荷Qfgl可以被轉移到FD區沈並且作為信號被讀出，同時電荷Q0+Q1被保留在光電二極體21中(圖21D的狀態)。如圖22所示，從圖2IB的狀態到圖2IC的狀態存儲的電荷Qil與入射光強度成比例。為了由在圖21D的狀態中轉移的信號電荷Qfgl獲得入射光強度，S卩，亮度，有必要獲得由電壓VfgO和電壓Vfgl確定的電荷Ql。但是，當在每一個像素中光電二極體21的電勢形狀不同時，對於每一個像素，電荷Ql存在變化，因此，由電荷Qfgl得到的圖像包括固定模式噪音。[應用]為了補償上述的依賴於光電二極體21的電勢形狀的變化的固定模式噪音，可以採用下面的應用，而下面將對其進行解釋。[操作實例1]圖23是示出了根據本發明的應用的操作實例1的時序圖。操作實例1是在CMOS 電晶體具有圖16A所示的包括三個電晶體的像素電路的單元像素的情況下的實例。首先，在前一幀中的讀出之後，在時段Sl光電二極體21填充電荷(電子或者空穴)。接著，在時段S2，電壓Vfgl被施加到轉移電晶體22的控制電極，並且執行中間轉移， 然後，電荷被復位。接著，在時段S3，電壓VfgO被施加到轉移電晶體22的控制電極，執行中間轉移並且讀出信號。最後，在時段S4，執行完全轉移並且讀出信號，然後，在時段S5中執行電子快門操作。在圖M中，示出了在中間轉移時段S2、S3，光電二極體21和FD區沈的電勢關係， 以及選擇電源電勢SELVDD、復位脈衝RST和轉移脈衝TRG的具體時序關係。在時段t0，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，復位FD區沈。在時段S3的情形中，在時段tl，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢，作為復位電平。在時段S2的情形中，不必執行讀出操作。在時段t2，通過施加任意的電壓Vfg到轉移電晶體22的控制電極，執行中間轉移。對於任意電壓Vfg，在時段S2的情形中施加Vfgl，在時段S3的情形中施加VfgO。在此情形中，VfgO和Vfgl可以是相同的電壓值。當入射光的量較小時，光電二極體21的電壓高至虛線所示，並且沒有發生到FD區 26的轉移。而當入射光的量較大時，光電二極體21的電壓低至實線所示，超出轉移電晶體 22的柵極下的電勢的信號電荷被部分轉移到FDg^L在時段S3的情形中，在時段t3，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢作為信號電平。在時段T2的情形中，不必執行讀出操作。在時段t4，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，僅僅復位FD區沈，並且在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為「L」電平並且使得FD區沈的電勢低於放大電晶體M的閾值，放大電晶體M被關斷，以使得像素處於未選定狀態。在圖25中，示出了在完全轉移時段S4和電子快門時段S5中，光電二極體21和FD 區沈的電勢關係，以及選擇電源電勢SELVDD、復位脈衝RST和轉移脈衝TRG的具體時序關係。當選擇電源電勢SELVDD處於「H」電平的狀態時，在時段t0，通過使得復位脈衝RST 為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態，復位FD區沈，然後，在時段tl，通過放大電晶體M讀出FD區沈的電勢作為復位電平。在時段t2，通過使得轉移脈衝TRG為「H」 電平，光電二極體21的信號電荷被轉移到FD區沈，並且在時段t3，通過放大電晶體M讀出FDg^的電勢作為信號電平。在時段t4，通過使得復位脈衝RST為「H」電平並且使得復位電晶體23處於導通狀態(充當電子快門)，復位FDg^L在時段t5，通過使得選擇電源電勢SELVDD為「L」電平並且使得FD區沈的電勢低於放大電晶體M的閾值，放大電晶體M被關斷，以使得像素處於未選定狀態。[操作實例2]圖沈是示出了根據本發明的應用的操作實例2的時序圖。操作實例2也是在CMOS 電晶體具有包括三個電晶體的像素電路的單元像素的情況下的實例。操作實例2是其中操作實例1中的最後完全轉移的讀出被省略的實例。通過省略最後完全轉移的讀出，與操作實例1的情形相比，用於獲得補償信號的一系列過程所必須的時間被縮短，其中，所示補償信號補償依賴於光電二極體21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。通過將多個電壓中的一個或全部設為不同於使得轉移電晶體22被完全關斷的電壓的電壓，可以省略完全轉移的讀出。在圖27中，示出了操作實例2的情形中，在中間轉移時段S3』和電子快門時段S5 中，光電二極體21和FD區沈的電勢關係，以及選擇電源電勢SELVDD、復位脈衝RST和轉移脈衝TRG的具體時序關係。在操作實例2中，如圖27中的時序圖所示，在中間讀出之後，在電子快門時段S5中快門操作和用於未選定狀態的操作被執行。[操作實例3]圖觀是示出了根據本發明的應用的操作實例3的時序圖。操作實例3也是在CMOS 電晶體具有包括三個電晶體的像素電路的單元像素的情況下的實例。操作實例3是如下的實例，其中，在時段Sl的強迫飽和操作、在時段S2的中間轉移操作和在時段S3的中間轉移和讀出操作之間的各個間隔可以被縮短。通過縮短時段Si、 時段S2和時段S3之間的各個間隔，與操作實例1的情形相比，可以減小入射光或者暗電流導致的影響。[操作實例4]圖四是示出了根據本發明的應用的操作實例4的時序圖。操作實例4也是在CMOS 圖像傳感器具有包括三個電晶體的像素電路的像素的情況下的實例。操作實例4是其中順序地多次執行通過中間轉移完成的信號讀出的實例，並且通過從低級開始施加多個電壓到轉移電晶體22的控制電極，可以獲得對應於各個電壓的補償量的補償信號。
圖30示出了在如上面所解釋的操作實例1-4中的光電二極體21的強迫飽和操作的時序關係。在圖30中，時段Sl示出了強迫飽和操作的時序關係。通過使得作為FDg^的初始電壓的復位電壓(在此情形中，選擇電源電勢 SELVDD)等於在飽和時光電二極體21的電壓，並且使得轉移脈衝TRG和復位脈衝RST為「H」 電平，轉移電晶體22和復位電晶體23被導通。因此，光電二極體21處在其中電荷以與飽和狀態相同的方式被保持的狀態。就是說，通過使得FD區(轉移電容)26的電勢等於飽和狀態中光電二極體21的電勢，轉移電晶體22被導通，結果，光電二極體21充滿電子或空穴。如上所述，在光電二極體21被充滿電荷(電子或者空穴)之後，多個中間電壓(第二控制電壓)被順序地施加到轉移電晶體22的控制電極，以執行部分轉移，就是說，在存儲在光電二極體21中的電荷的一部分被保持的同時，保留的存儲電荷被部分地轉移到FD區沈，結果，可以獲取通過一個或全部中間電壓所轉移的信號電荷作為電壓信號。電壓信號包括光電二極體21的電勢形狀的變化分量，因此，其成為用於補償依賴於電勢形狀的變化的固定模式噪音的補償信號。從上面的操作實例4的解釋來看清楚的是，施加多個中間電壓(第二控制電壓) 的次序與在獲取圖像時施加多個控制電壓(第二控制電壓)的次序相反。就是說，在獲取圖像的情形中，當以高電壓的次序施加多個控制電壓時，通過以低電壓的次序順序地施加多個中間電壓，以獲取補償信號，該補償信號用於補償依賴於光電二極體21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。[獲得補償信號的原理]接著，解釋獲得補償信號的原理，該補償信號用於補償依賴於光電二極體21的電勢形狀的變化的固定模式噪音。圖31A到圖31D分別是利用中間轉移的讀出中的電勢圖。在圖31A到31D中，圖 31A示出了中間轉移時段S2的時段tl的電勢，圖31B示出了中間轉移時段S2的時段t2的電勢，圖31C示出了中間轉移時段S3的時段tl的電勢，並且圖31D示出了中間轉移時段S3 的時段t2的電勢。通過在時段S2_t2中向轉移電晶體22施加電壓VfgO (圖31B)，在時段S2_tl中存儲在光電二極體21中的電荷QiO (圖31A)被部分轉移到FD區沈，並且電荷QO保留在光電二極體21中。轉移到FD區沈的QfdO被復位。通過所施加的電壓VfgO控制電荷Q0，但是，電荷QO包括由轉移電晶體22的特性變化(閾值變化)導致的電荷量變化AQvth和由電勢形狀的變化導致的電荷量變化 Δ QpotO，作為各個像素中的固定模式噪音。當電荷QO的平均值為QhadO時，電荷QO由下式表不QO = QhadO+ Δ Qvth+ Δ QpotO(1)在時段S3的讀出中，在從時段S2開始的曝光時段期間通過光電轉換產生的電荷 Qil被加入，並且電荷Oiil+QO)被保持在光電二極體21中。在此狀態中，通過向轉移電晶體22的控制電極施加中間電壓Vfgl，電荷Qil的一部分被轉移到FD區26。此時，當電荷 Qil中的保留電荷為Ql時，電荷Ο Ο+Ql)被保持在光電二極體21中。電荷(Q0+Q1)也包括由轉移電晶體22的閾值變化導致的電子數量變化Δ Qvth，並且電荷Ql包括由電勢形狀的變化導致的電子數量的變化AQpotl。當電荷Ql的平均值為Qhadl時，電荷(Q0+Q1)由下式表示Q0+Q1 = (QhadO+Δ QpotO)+ (Qhadl+Δ Qpotl)+ AQvth (2)在此情形中，電荷Ql由下式表示Ql = Qhadl+Δ Qpotl (3)將被讀出的信號，即轉移到FD區的電荷Qfgl由下式表示Qfgl = Qil-Ql= Qil-(Qhadl+Δ Qpotl) (4)如從式(4)可以看出的，有必要消除由作為像素的特性變化的電勢形狀變化導致的電荷量變化Qpotl。圖32A到32E是強迫飽和操作和中間轉移中的電勢圖。在圖32A到32E中，圖32A 示出了強迫飽和時段Sl的時段t4的電勢，圖32B示出了強迫飽和時段Sl的時段t5的的電勢，圖32C示出了中間轉移時段S2的時段t2的電勢，圖32D示出了中間轉移時段S3的時段t2的電勢，並且圖32E示出了中間轉移時段S4的時段t2的電勢。在Sl_t4時段(圖32A)，強迫光電二極體21處於飽和狀態，並且在Sl_t5時段(圖 32B)，飽和電子數量QsO被保持在光電二極體21中。在S2-t2時段(圖32C)，通過向轉移電晶體22的控制電極施加電壓Vfgl，由式(2)表示的電荷(Q0+Q1)可以被保持在光電二極體21中。轉移到FDg^W電荷被復位。在S3_t3時段，當電壓VfgO被施加到轉移電晶體22的控制電極，由式(1)表示的電荷QO被保持在光電二極體21中，並且保留電荷Ql被轉移到FD區沈，其作為信號被讀出。因此，電荷Ql由式(3)表示，可以獲得由項Δ Qpotl (其為作為像素的特性變化的固定模式噪音，並且其劣化圖像質量)表示的偏移值。在S4_t2時段中順序地執行完全轉移的情形中，式(1)的電荷QO被讀出作為信號，還可以獲得偏移值(Δ Qvth+Δ QpotO)。通過讀出該信號，可以消除由轉移電晶體22的閾值變化導致的固定模式噪音。(固定模式噪音的補償)從圖1所示的CMOS圖像傳感器10，作為信號讀出電荷Qfgl (包括依賴於入射光量的電荷(電荷量)Qil)。由中間轉移導致的保留電荷Ql的平均值Qhadl是可以由中間電壓Vfgl控制的值，但是，由電勢形狀變化導致的電荷量的變化AQpotl作為像素的固定模式噪音，劣化了圖像質量。因此，通過獲取補償信號(補償值)的方法獲得式(3)中的電荷Ql。當執行式(5) 的將電荷Ql和電荷Qfgl加和的計算處理時，可以獲得計算結果。Qfgl+Ql = Qil-(Qhadl+ Δ Qpotl) +Qhadl+ Δ Qpotl = Qil(5)由電勢形狀的變化導致的電荷量的變化AQpotl被消除，並且可以只獲得依賴於入射光量的電荷Qi 1。就是說，通過執行式(5)的加法處理，通過利用由上面的獲取方法獲得的補償信號，由光電二極體21的電勢形狀的變化導致的電荷量的變化AQpotl被消除，並且可以獲得指示入射光量的電荷Qil，結果，通過減小固定模式噪音可以改善成像畫面的圖像質量。如圖33所示，式(5)的加法處理在提供於CMOS圖像傳感器10的後續階段的數字處理電路50中執行。在此情形中，成像信號從CMOS圖像傳感器10以數位訊號形式輸出。 數位訊號處理電路50例如包括幀存儲器、通過上面的獲取方法針對每一個像素獲取的補償信號被按每一個像素存儲在幀存儲器中，並且通過使用存儲在幀存儲器中的補償信號， 在常規成像時對於每一個像素執行式(5)的加法處理，來補償光接收區域(光電二極體) 的電勢形狀的變化導致的固定模式噪音。對於補償信號的獲取，可以考慮如下的方法在製造階段執行一次獲取處理，並且各個像素的補償信號作為固定值存儲在非易失性存儲器中；當對系統加電時執行一次獲取處理，並且各個像素的補償信號作為固定值存儲在幀存儲器中；每固定的時段(例如，數幀或數十幀的時段)重複執行獲取處理，並且在每一個時段，存儲在幀存儲器中的補償信號被更新；按每一幀重複執行獲取處理，並且存儲在幀存儲器中的補償信號被更新；以及一些其它的方法。隨著補償信號的獲取增加，可以獲得如下優點由隨時間的變化導致的固定模式噪音可以被可靠地補償。如上所述，在光電二極體21被充滿電荷之後，多個中間電壓(第二控制電壓)被順序地施加到轉移電晶體22的控制電極，並且部分轉移被執行，由通過中間電壓完成的轉移之一或者全部轉移獲得的信號電荷被讀出，並且信號電荷被用作補償項，用於消除(在常規成像時通過向轉移電晶體22的控制電極順序地施加多個控制電壓所獲得的)圖像的固定模式噪音，結果，可以獲得下面的操作和效果。即，在動態範圍被擴寬時的高亮度下的輸出信號中，通過光電二極體21的電勢形狀的變化和光電二極體21的閾值變化中之一或兩者導致的圖像的固定模式噪音可以被消除，因此，可以使得成像畫面具有高的質量。在此實施例中，作為實例解釋了如下的情形，其中，由上面的獲取方法獲得的補償信號被應用於成像信號，該成像信號通過向轉移電晶體22的控制電極順序地施加多個控制電壓而獲得，但是，其不限於此應用。在上面解釋的實施例和應用中，作為實例解釋了其中本發明應用於CMOS圖像傳感器的情形，但是，本發明不限於應用於CMOS圖像傳感器，並且涉及全體放大型固態成像器件，此外，涉及來自光電元件的信號電荷的讀出部件，因此，本發明還可以應用於由CCD 圖像傳感器代表的電荷轉移型固態成像器件。在圖34A和34B中示出了其中本發明應用於CXD圖像傳感器的實例。在C⑶圖像傳感器中，在光電二極體(光接收區)31執行光電轉換，並且存儲在其中的信號電荷通過轉移柵(讀出柵)32轉移到垂直CCD (垂直轉移區)33，按照垂直轉移被垂直CCD 33讀出。在 CCD圖像傳感器中，通過向轉移柵32施加上述的控制電壓Vtrg，可以控制將被轉移到垂直 CCD 33的電子的數量。當入射光弱時(圖34A)，因為已經被光電轉換的電子的量小，所以即使在控制電壓Vtrg被施加到轉移柵32時，光電二極體31中的存儲電子難以超出轉移柵32下的電勢， 並且存儲電子被保持在光電二極體31中。而當入射光強時(圖34B)，因為已經被光電轉換的電子的量大，所以通過向轉移柵32施加控制電壓Vtrg，光電二極體31中的存儲電子超出轉移柵32下的電勢，並且被部分轉移到垂直CXD 33。然後，通過以與CMOS圖像傳感器的情形中相同的控制時序施加控制電壓Vtrg，以與CMOS圖像傳感器相同的方式，可以在高亮度下按照中間轉移執行信號獲取，而在低亮度下保持信號電荷。
[改進實例]在如上面所解釋的實例中，對於像素陣列區域11中的所有像素20，向轉移電晶體 22的控制電極順序地供應多個控制電壓，同時，由轉移電晶體22轉移的信號電荷被讀出兩次或者更多次，然而，本發明不限於其中對所有像素20都執行上述的驅動操作的應用。下面將解釋其它的應用，作為改進實例1、2和3。[改進實例1]圖35是本發明的改進實例1的示意圖。在改進實例1中，在固態成像器件(其中， 彩色透射濾光器，諸如R (紅色)、G (綠色)和B (藍色)的原色濾光器或者Cy (青色)、Mg (品紅色)和Y (黃色)的補色濾光器被布置在像素上，以獲取彩色圖像)中，像素36被局部地布置，所示像素36沒有彩色透射濾光器並且其靈敏度高於具有彩色透射濾光器的像素35， 而對於高靈敏度的像素36，多個控制電壓被順序地供應到轉移電晶體的控制電極，並且同時，通過轉移電晶體轉移的信號電荷被讀出兩次或者更多次。圖36是示出了白熾燈光譜的實例的圖。一般來說，白熾燈包括大量的紅外光和和寬的波長帶，如圖36中的字符「W」所示，並且在透射通過藍色、綠色和紅色的彩色透射濾光器之後其強度如字符「B」、「G」和「R」所示地衰減。沒有彩色透射濾光器的光敏像素36接收具有寬波長帶的光，因此，它們的靈敏度比包括彩色透射濾光器的像素35高數倍。在其中存在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35和不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36兩者的固態成像器件中，對於高靈敏度像素36，向轉移電晶體的控制電極順序地供應多個控制電壓，同時，由轉移電晶體轉移的信號電荷被讀出兩次或者更多次，結果，在包括彩色透射濾光器的像素35中維持高的S/N的同時，可以獲取信號，即使是在高靈敏度像素36中超過常規水平時。在不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36中獲取的信號具有清晰的邊緣。因此，作為實例，在不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36中獲取的信號被反映於在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35中獲取的信號上，結果，可以獲得具有清晰邊緣的成像畫面。[改進實例2]圖37是本發明的改進實例2的示意圖。在同時存在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素和不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36這一點上，改進實例2類似於改進實例1，但是，它們的不同點在於，在改進實例1中，高靈敏度像素36被局部地設置，而在改進實例2中，高靈敏度像素36被以行為單位設置。在其中高靈敏度像素36被散布的改進實例1中，難以通過以行為單位進行選擇掃描來將低靈敏度像素35與高靈敏度像素36區分。然而，在其中高靈敏度像素36以行為單位存在的改進實例2中，可以將低靈敏度像素35與高靈敏度像素36區分，以執行以行為單位的選擇性驅動。換句話說，高靈敏度像素36的行可以被單獨地選擇性驅動。為了單獨地選擇性驅動高靈敏度像素36的行，在圖1中的垂直掃描電路12中，設置了用於選擇性掃描包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35的行的掃描系統和用於選擇性掃描不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36的行的掃描系統，並且由各個掃描系統獨立地執行掃描。因此，在改進實例2中，可以單獨地選擇性地驅動高靈敏度像素36的行，因此，可以相對於高靈敏度像素36執行驅動操作，其中，多個控制電壓被順序地供應到轉移電晶體的控制電極，同時，由轉移電晶體轉移的信號電荷被以快速的操作速度讀出兩次或者更多次。同時，可以以低速對低靈敏度像素35執行常規的讀出操作，結果，與改進實例1(其中高速操作以與高靈敏度像素36的相同方式同樣對於低靈敏度像素35不可避免)，該實施例具有如下優點，即，因為低靈敏度像素35可以以低速被驅動，所以可以減小功耗。[改進實例3]圖38是本發明的改進實例3的示意圖。在改進實例3中，例如，在改進實例2的像素布置中，紅外光削減濾光器37作為像素單元布置在除不包括彩色透射濾光器的高靈敏度像素36以外的像素上，即布置在包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35上。為了在低靈敏度像素35上布置紅外光削減濾光器37作為像素單元，例如，電介質多層膜可以被疊放在低靈敏度像素35上。此外，可以從高靈敏度像素36去除一般布置在成像器件的前面階段中的紅外削減濾光器，或者使用消除具有更長波長的紅外光的濾光器，結果，紅外光削減濾光器37可以被布置在低靈敏度像素35上。因此，通過在低靈敏度像素35上布置紅外光削減濾光器37，高靈敏度像素36也可以接收紅外光，這使得高靈敏度像素36可以更靈敏，因此，在高靈敏度像素36中可以獲取大於常規飽和水平的信號，而不會劣化包括彩色透射濾光器的低靈敏度像素35的信號。[適用實例]優選的是，根據上述實施例(包括改進實例1-3)的CMOS圖像傳感器被用作諸如數字靜態攝像機和視頻攝像機的成像設備中的成像器件(圖像輸入器件)。成像設備指攝像機模塊(例如，用於安裝在諸如蜂窩電話的電子設備上)，和攝像機模塊被安裝在其上的攝像機系統(諸如，數字靜態攝像機和視頻攝像機)，所示攝像機模塊包括作為成像器件的固態成像器件、將物體的圖像光線聚焦在固體成像器件的成像表面 (光接收表面)上的光學系統以及固態成像器件的信號處理電路。圖39是示出了根據本發明的一個實施例的成像設備的配置實例的方框圖。如圖 39所示，根據該實施例的成像設備包括包含透鏡41的光學系統、成像器件42以及攝像機信號處理電路43等。透鏡41將來自物體的圖像光線聚焦在成像器件42的成像表面上。成像器件42 輸出圖像信號，該圖像信號通過在像素單元中將由透鏡41聚焦在成像表面上的圖像光線轉換成電子信號而獲得。根據實施例的CMOS圖像傳感器10用作成像器件42。攝像機信號處理單元43對從成像器件42輸出的圖像信號執行各種信號處理。如上所述，在成像設備(諸如視頻攝像機、數字靜態攝像機和用於諸如蜂窩電話的行動裝置的攝像機模塊)中，通過使用根據實施例的CMOS圖像傳感器10作為成像器件 42，CMOS圖像傳感器10可以允許在低亮度下的線性和高S/N的信號獲取而不縮窄常規的飽和水平，同時，對於大於常規飽和水平的入射光，可以擴展動態範圍同時也實現線性區域中的良好S/N，結果，可以進一步提高成像畫面的圖像質量。根據本發明的實施例，在低亮度下，可以以線性和高S/N實現信號獲取而不縮窄常規的飽和水平，並且對於大於常規飽和水平的入射光，可以擴展動態範圍同時也實現線性區域中的良好S/N，因此，對於各種環境下外部光的變化，在低亮度場景中可以獲取具有高S/N的高質量圖像，並且在高亮度場景中可以獲取按線性響應的高質量的不及飽和的圖像，此外，即使在其中同時存在低亮度和高亮度的高對比度場景中，也可以在高亮度區域中避免飽和，同時在低亮度區域中維持高的S/N。本領域技術人員應該理解根據設計要求和其它因素可以進行各種修改、組合、子組合和替換，只要其處於所附權利要求或者其等同物的範圍。相關申請交叉引用本發明包含涉及2005年10月28日遞交的日本專利申請JP 2005-313755和2006 年4月觀日遞交的日本專利申請JP 2006-124699的主題，這些日本申請的全部內容通過引用被包含在本文中。
權利要求
1.一種固態成像器件，包括成像區域，其中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉換部分，轉移柵和存儲部分， 所述光電轉換部分被配置用於接收入射光並產生信號電荷，所述轉移柵被配置用於從所述光電轉換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉移柵讀出的信號， 其中，所述轉移柵通過不完全轉移讀出第一信號電荷到所述存儲部分， 其中，所述第一信號電荷被從所述存儲部分發送出，其中，將在所述不完全轉移時保留在所述光電轉換部分的第二電荷加到在所述光電轉換部分中通過在所述不完全轉換之後進入的光所產生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉移柵讀出到所述存儲部分。
2.一種成像設備，包括固態成像器件，所述固態成像器件具有成像區域，所述成像區域中布置有多個像素，每一個像素包括光電轉換部分，轉移柵和存儲部分，所述光電轉換部分被配置用於接收入射光並產生信號電荷，所述轉移柵被配置用於從所述光電轉換部分讀出信號電荷，所述存儲部分存儲從所述轉移柵讀出的信號；以及控制元件，用於控制所述固態成像器件， 其中，所述控制元件向所述固態成像器件供應控制信號， 其中，所述轉移柵由基於所述控制信號產生的脈衝驅動， 其中，所述轉移柵通過不完全轉移讀出第一信號電荷到所述存儲部分， 其中，所述第一信號電荷被從所述存儲部分發送出，其中，將在所述不完全轉移時保留在所述光電轉換部分的第二電荷加到在所述光電轉換部分中通過在所述不完全轉換之後進入的光所產生的第三電荷，其中，通過將所述第二電荷與第三電荷相加獲得的電荷被所述轉移柵讀出到所述存儲部分。
全文摘要
本發明涉及固態成像器件、驅動固態成像器件的方法和成像設備。本發明提供一種固態成像器件，包括像素陣列區域，其中，單元像素以矩陣形式二維地布置在所述像素陣列區域中，所述單元像素包括光電轉換元件和轉移柵，所述光電轉換元件將光信號轉換為信號電荷，所述轉移柵轉移在所述光電轉換元件中已經被光電轉換的所述信號電荷；供應電壓控制裝置，用於將多個第一控制電壓順序地供應到所述轉移柵的控制電極；和驅動裝置，用於執行兩次或者更多次讀出在所述多個第一控制電壓被順序地施加時由所述轉移柵轉移的信號電荷的驅動操作。
文檔編號H04N5/369GK102291545SQ20111024402
公開日2011年12月21日 申請日期2006年10月30日 優先權日2005年10月28日
發明者大池祐輔, 戶田淳 申請人:索尼株式會社