固體攝像器件、攝像機、電源供給裝置及其方法
2024-03-07 00:08:15
專利名稱：固體攝像器件、攝像機、電源供給裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及在數碼攝像機等中使用的MOS型固體攝像器件。
背景技術：
以前，提出了各種各樣的MOS型固體攝像器件(例如，參照日本專利特開2003-46846號公報)。
圖1是表示由MOS電晶體構成的現有固體攝像器件的構成例子的圖。該固體攝像器件22具有在半導體基板上將放大型單位像素進行二維排列的攝像區8(圖1中虛線所示的區)，該攝像區8具有對入射光進行光電變換的光電二極體(以下簡稱為「PD部」)1、讀出由PD部1獲得的信號電荷的讀取電晶體2、存儲由讀取電晶體2讀取的信號電荷的浮動擴散部(以下簡稱為「FD部」)7、檢測在FD部7存儲的信號電荷的檢測電晶體4、對在FD部7存儲的信號電荷進行復位的復位電晶體3、以及垂直信號線5和VDD電源6。在此，圖1中用雙點劃線所示的部分為構成1個像素單元的電路的「像素部(也稱為單位像素)」14。
固體攝像器件22還具有利用垂直信號線5選擇像素列的水平移位寄存器9、選擇像素行的垂直移位寄存器10、提供驅動時所需的脈衝的定時信號發生電路11和輸出放大器12。
圖2是包含上述圖1中像素部14的截面的模式圖。在圖2中，PD部1、VDD電源6和FD部7由N型半導體構成，形成於P型半導體的阱(well)層13上。讀取電晶體2和復位電晶體3的柵極是多晶矽電極。雖然圖2中未示出檢測電晶體4的截面，但檢測電晶體4的源極和漏極由N型半導體構成，柵極是多晶矽電極。VDD電源6與檢測電晶體4的漏極及復位電晶體3的漏極相連接。
圖3是示出了上述圖2中的各個要素的電路圖。在PD部1進行了光電變換的信號電荷被存儲在PD部1的P-N結電容1a中，此後由讀取電晶體2讀取到FD部7的P-N結電容7a中。該FD部7以P-N結電容為主，因此由讀取的電荷量決定FD部7的電位，這樣，當檢測電晶體4的柵極電壓變化時，讀取出作為垂直信號線5的電位變化的信號。
圖4是表示現有技術的像素部14中的驅動定時的圖。在圖4中示出，在第N行和第N+1行的動作過程中，VDD電源6的電壓脈衝(以下簡稱為「VDD脈衝」)、第N行復位電晶體3的復位脈衝(以下簡稱為「第N行復位脈衝」)、第N行讀取電晶體2的讀取脈衝(以下簡稱為「第N行讀取脈衝」)、第N+1行復位電晶體的復位脈衝(以下簡稱為「第N+1行復位脈衝」)及第N+1行讀取電晶體的讀取脈衝(以下簡稱為「第N+1行讀取脈衝」)分別隨時間而變化的情況。
圖5A至圖5G是表示與圖4相對應的像素部14的各個部分在時刻T1-T7的電位的圖。在圖5A至圖5G的縱軸方向上，上水平線表示「低電平」，下水平線表示「高電平」。首先在圖5A的T1時刻，PD部1中存在信號電荷，讀取電晶體2的柵極處於低電平狀態、復位電晶體3的柵極處於低電平、VDD電源6處於高電平。到了在圖5B的T2時刻，由於復位電晶體3的柵極處於高電平，因此FD部7被設定為VDD電源6的電壓的高電平。在圖5C的T3時刻，由於讀取脈衝結束(即變為低電平)，因此PD部1中存在的電荷被讀取到FD部7。此時，由FD部7的電位變化使檢測電晶體4的柵極電壓發生改變，因此讀取作為垂直信號線5的電位變化的信號。在圖5D的T4時刻，VDD電源6處於低電平，此後在圖5E的T5時刻，復位電晶體3的柵極再次處於高電平，因此FD部7被設定為低電平。在圖5F的T6時刻，復位電晶體3的柵極變為低電平。在圖5G的T7時刻，為了檢測出第N+1行信號，VDD電源6再次處於高電平。同樣地，從時刻T8到T14，對第N+1行重複第N行像素的T1到T7時刻的動作。
但是，在現有技術中存在有可能發生以下所述誤操作的問題。
在背景技術中說明的圖5G的T7時刻，VDD電源6再次處於高電平時，發生急劇的電壓變化。此時，由於VDD電源6和復位電晶體3的柵極之間的耦合電容41，使復位電晶體3的柵極電壓也同時偏向正方向。因此，復位電晶體3的柵極打開，位於FD部7中的一部分電子被抽取到VDD電源6側，FD部7的電位變為正電位。由於該FD部7的電位變化，檢測電晶體4的柵極電壓變為正電位，使本來應當截止的檢測電晶體4導通。其結果，會發生在本來選擇行中檢測出的電荷上施加本來未選擇行所選擇的行的影響的誤動作，從而會出現不能得到本來的正確電荷信號、例如可能會產生不能檢測出明亮的光的誤動作。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種MOS型固體攝像器件，其具有由VDD電源確定行的選擇或非選擇的電路，可防止選擇非選擇行的誤動作。
為達到上述目的，本發明的固體攝像器件，是在半導體基板上構成的MOS型固體攝像器件，此外，包括多個單位像素和電源供給單元，所述單位像素具有存儲單元，對入射光進行光電變換，並存儲通過該光電變換獲得的信號電荷；以及復位單元，根據復位信號將存儲在所述存儲單元中的所述信號電荷復位，並包含MOS電晶體；所述電源供給單元向所述復位單元供給成為復位電壓的電源電壓；所述電源供給單元，通過對所述電源電壓從非檢測電位變化到檢測電位所需要的期間附加規定時間的傾斜，可抑制因結電容而產生的、存儲在所述存儲單元中的信號電荷的充放電。
由此，通過延長所述VDD電源的電壓從非檢測電位(低電平)變化到檢測電位(高電平)所需要的時間，可防止由VDD電源側和復位單元的柵極之間的耦合電容所造成的復位單元的柵極電壓同時向正方向振動，最終可防止非選擇行被選擇的誤動作。
此外，本發明不僅實現這種固體攝像器件，而且可以實現固體攝像器件的電源供給方法。
根據本發明，在MOS型的固體攝像器件中，通過延長VDD電源的電壓從低電平變化到高電平所需要的時間，將不會出現VDD電源側和復位單元的柵極之間的耦合電容造成以前那樣的復位單元的柵極電壓同時向正方向振動的情形。因此，用於將存儲單元設成非選擇的電子不會從存儲單元向VDD電源側溢出，阻止了非選擇行的存儲單元的電位電平變為正電位，檢測單元不會導通，可防止非選擇行被選擇的誤動作。
此外，本發明描述的是在復位單元、讀取單元和檢測單元中分別利用N型MOS電晶體的情形，但是當這些單元是P型MOS電晶體的情況下也是有效的。
由於本發明的固體攝像器件用於攝像機等中，可實現不發生誤操作的優良攝像機等，因此其實用價值極高。
根據與表示本發明的具體實施方式
的附圖相結合而進行的下述說明，可以看出本發明的目的、優點和特徵。
圖1是表示由MOS電晶體構成的現有的固體攝像器件的構成例子的圖。
圖2是包含現有的固體攝像器件中的像素部截面的模式圖。
圖3示表示出現有的固體攝像器件中的各要素的電路圖。
圖4是表示現有的固體攝像器件中的像素部的驅動定時的圖。
圖5A至圖5G是表示現有的固體攝像器件中的像素部的各個部分在T1-T7時刻的電位的圖。
圖6是本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件中的VDD電源供給電路的輸出部的電路圖。
圖7是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件中的像素部的驅動定時的圖。
圖8是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件中的、與VDD電源的上升期間對應的FD部電位的圖。
圖9是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件中的、與VDD電源的上升期間中的傾斜度最大值相對應的FD部電位的圖。
圖10A至圖10G是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件中的像素部的各個部分在T1-T7時刻的電位的圖。
圖11是表示本發明第二實施方式涉及的固體攝像器件中的像素部的驅動定時的圖。
圖12是本發明第三實施方式涉及的固體攝像器件中的VDD電源供給電路的輸出部電路圖。
圖13是表示本發明第三實施方式涉及的固體攝像器件中的像素部的驅動定時的圖。
圖14是本發明第四實施方式涉及的攝像機的方框圖。
具體實施例方式
以下參照
本發明的實施方式。
(第一實施方式)在本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122(圖中未示出)的結構中，上述圖1、圖2和圖3所示的作為VDD電源6提供電源的位置，在現有技術中(在後述的圖6中)是VDD電源輸出部60，但是在本發明中用位置60a代替，而其它結構相同。以下利用圖6對供給VDD電源的位置60a進行詳細描述。
圖6是本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122中的VDD電源供給電路65的輸出部電路圖。如果在VDD電源輸出部60的後面串聯連接電阻30，則由於在位置60a處連接的電容器35，因此在經過電阻30的位置60a處，可使電源脈衝的上升期間和下降期間的變化分別變緩慢。將經過該電阻30後的位置60a作為圖1所示固體攝像器件122中的電源供給位置。
圖7是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122中的像素部14的驅動定時的圖。與現有技術的不同點是，VDD脈衝的上升期間和下降期間分別延長(即VDD脈衝緩慢上升、緩慢下降)。如圖6所示，通過將位置60a設定為提供VDD電源的位置，使得與上述圖4所示現有技術的固體攝像器件22的波形的傾斜相比，從T3時刻到T4時刻、從T7時刻到T8時刻、從T10時刻到T11時刻等的VDD脈衝上升期間和下降期間的波形傾斜更緩和(即，附加了時間上的傾斜)。
圖8是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122中的、「FD部的電位」與「VDD電源的上升期間」之間關係的圖。如果VDD電源的上升時間為5納秒，則FD部7的電位為VDD電源振幅的10％，在檢測電晶體4的閾值以下，因此可知是穩定的。進一步地，如果VDD電源的上升時間為10納秒，則FD部7的電位為VDD電源振幅的5％，可取相對檢測電晶體4的閾值的邊緣值。再者，如果VDD電源的上升時間為25納秒，則可使FD部7的電位為VDD電源的低電平，連接在FD部7上的檢測電晶體4是完全穩定的。因此，優選VDD電源的上升時間為5納秒以上。
圖9是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122中的、「T8時刻的第N行的FD部電位」與「VDD電源上升期間的傾斜度最大值」之間關係的圖。如果VDD電源的上升期間的傾斜度最大值為0.15伏/納秒的話，則T8時刻的第N行的FD部7電位為VDD電源振幅的10％，在檢測電晶體4的閾值以下，因此是穩定的。進一步地，如果VDD電源的上升期間的傾斜度最大值為0.1伏/納秒的話，則FD部7的電位為VDD電源振幅的5％，可取相對檢測電晶體4的閾值的邊緣值。進一步地，如果VDD電源的上升期間的傾斜度最大值為0.02伏/納秒的話，則可使FD部7的電位為VDD電源的低電平，連接在FD部7上的檢測電晶體4是完全穩定的。因此，優選VDD電源的上升期間的傾斜度最大值為0.15伏/納秒以下。
如果調整上述圖6中電阻30的值，可將圖8所示的「VDD電源的上升時間」以及圖9所示的「VDD電源的上升期間的傾斜度最大值」設定為期望值。
圖10是表示本發明第一實施方式涉及的固體攝像器件122中的像素部14的各個部分的各個時刻的電位的圖。圖10A至圖10F與現有技術的上述圖5A至圖5F相同。但如圖10G所示，在作為VDD脈衝上升期間的T7時刻至T8時刻期間，VDD脈衝緩慢地從低電平(也稱為「非檢測電位」)升至高電平(也稱為「檢測電位」)，由此，即使在VDD電源6和復位電晶體3的柵極之間存在耦合電容41的情況下，位置60a的電壓從低電平變為高電平時，復位電晶體3的柵極電壓不會發生向正方向的較大的振動。因此可避免FD部7中存在的一部分電子被抽取到VDD電源一側的現有技術中存在的不良情況。由此，可將位置60a的電壓設定為低電平，使FD部7穩定，因此檢測電晶體4的柵極電壓變為正電位，可防止非選擇的FD部7的電位變高而成為選擇行的誤操作。
如上所述，根據本發明實施方式中的固體攝像器件，可防止錯誤地選擇非選擇行的誤操作。
(第二實施方式)圖11是表示本發明第二實施方式的固體攝像器件222(圖中未示出)中的像素部14的驅動定時的圖。與上述第一實施方式的圖7不同的是，在VDD脈衝上升期間和下降期間採用的是斜波形。在該情況下，斜波形可容易地由通常公知的斜波形發生電路實現。在圖11的從T7時刻到T8時刻的期間，VDD脈衝上升時的傾斜度對FD部7電位的電位變動產生較大的影響。通過提供從低電平向高電平變化的期間比5納秒長的斜波形、或者從低電平向高電平變化的期間的時間微分比0.15伏/納秒小的斜波形，可使與FD部7連接的檢測電晶體4的柵極電位完全穩定在非檢測電位。此外，不僅在上升期間、在下降期間也採用斜波形的情況下，由於該兩個期間可採用相同的斜波形發生電路，因此可實現電路的有效化。
(第三實施方式)本發明的實施方式涉及的固體攝像器件322(圖中未示出)，與上述第一實施方式涉及的固體攝像器件122的不同之處在於，VDD電壓供給電路65的輸出部的電路。
圖12是本發明實施方式涉及的固體攝像器件322中的VDD電源供給電路65的輸出部的電路圖。如圖12所示，在VDD電源輸出部60上串聯連接電阻31，在經過該電阻31之後的位置60b處連接電容器32和電源脈衝復位用電晶體33。在電源脈衝上升時，如果與電源脈衝復位用電晶體33的柵極相連接的電源脈衝復位用輸入部34斷開，則由於存在與位置60b連接的電容器32，因此在經過電阻31後的位置60b處，可使VDD脈衝緩慢變化。此外，在下降時，通過使電源脈衝復位用輸入部34導通，可使電容器32中存儲的電荷急劇地形成低電平，因此可實現急劇的下降。將經過該電阻31後的位置60b作為電源供給位置，來代替上述圖1中固體攝像器件22的VDD電源輸出部60。
圖13是表示本發明第三實施方式涉及的固體攝像器件中的像素部14的驅動定時的圖。如圖13所示，在本固體攝像器件322中，僅在從T7時刻到T8時刻的VDD脈衝上升期間採用斜波形。即使下降是急速的電壓變化，固體攝像器件322也不會發生任何誤操作，因此，通過使T10時刻到T11時刻的下降期間加快，可縮短整個驅動時間。此外，在T7時刻到T8時刻的上升期間，可使斜波形上升的傾斜度變小，因此使得FD部7的電壓穩定。由此，與FD部7連接的檢測電晶體4的柵極電壓完全穩定在非檢測電位。
(第四實施方式)圖14是在攝像機中使用上述的本發明實施方式涉及的固體攝像器件122、222或322(為了簡便，統稱為22a)中任一個時的方框圖。攝像機20具有透鏡21、固體攝像器件22a、驅動電路23、信號處理部25和外部接口部26。通過透鏡21的光進入到固體攝像器件22a。信號處理部25通過驅動電路23驅動固體攝像器件22a，並讀取來自固體攝像器件22a的輸出信號。由信號處理部25處理的信號通過外部接口部26輸出到外部。通過採用本發明第一～第三實施方式的固體攝像器件122、222或322，可實現不會發生錯誤選擇非選擇行的誤動作的攝像機。
以上根據實施方式說明了本發明的固體攝像器件和攝像機，但本發明不限於這些實施方式。例如，本發明中將N型MOS電晶體分別用於復位電晶體、讀取電晶體和檢測電晶體，但是也可以在各個電晶體中使用P型MOS電晶體。但是，在這種情況下，各個信號的極性發生反轉，因此需要將此前第一至第三實施方式中所述的「從低電平變為高電平的期間」替換成「從高電平變為低電平的期間」等，並需要對各電平的變化加以注意。
此外，作為實現VDD脈衝的緩慢的上升和下降的電路，也可以是本實施方式所示的以外的電路。
本發明涉及的固體攝像器件，具有在由VDD電源確定行選擇和非選擇時可防止錯誤選擇非選擇行的誤動作的效果，可作為攜帶電話或數碼攝像機等中使用的MOS型固體攝像器件而使用。
權利要求
1.一種固體攝像器件，是在半導體基板上構成的MOS型固體攝像器件，其特徵在於，包括多個單位像素和電源供給單元，所述單位像素具有存儲單元，對入射光進行光電變換，並存儲通過該光電變換獲得的信號電荷；以及復位單元，根據復位信號將存儲在所述存儲單元中的所述信號電荷復位，並包含MOS電晶體；所述電源供給單元向所述復位單元供給成為復位電壓的電源電壓；所述電源供給單元，通過對所述電源電壓從非檢測電位變化到檢測電位所需要的期間附加規定時間的傾斜，可抑制因結電容而產生的、存儲在所述存儲單元中的信號電荷的充放電。
2.如權利要求1所述的固體攝像器件，其特徵在於，所述結電容是所述復位單元中的MOS電晶體的柵極和所述電源電壓之間的結電容。
3.如權利要求1或2所述的固體攝像器件，其特徵在於，在所述期間的傾斜包含斜波形的一部分。
4.如權利要求1或2所述的固體攝像器件，其特徵在於，所述期間的傾斜的、從非檢測電位變化至檢測電位所需要的時間，比從所述電源電壓的檢測電位變化到非檢測電位的所需要時間長。
5.如權利要求1或2所述的固體攝像器件，其特徵在於，在所述期間的傾斜的、從非檢測電位變化至檢測電位所需要的時間大於5納秒。
6.如權利要求1或2所述的固體攝像器件，其特徵在於，所述期間的傾斜度小於0.15V/納秒。
7.如權利要求1或2所述的固體攝像器件，其特徵在於，所述電源供給單元向所有的所述單位像素供給所述電源電壓。
8.一種攝像機，包含在半導體基板上構成的MOS型固體攝像器件，其特徵在於，所述固體攝像器件包括多個單位像素和電源供給單元，所述單位像素具有存儲單元，對入射光進行光電變換，並存儲通過該光電變換獲得的信號電荷；以及復位單元，根據復位信號將存儲在所述存儲單元中的所述信號電荷復位，並包含MOS電晶體；所述電源供給單元向所述復位單元供給成為復位電壓的電源電壓；所述電源供給單元，通過對所述電源電壓從非檢測電位變化到檢測電位所需要的期間附加規定時間的傾斜，可抑制因結電容而產生的、存儲在所述存儲單元中的信號電荷的充放電。
9.一種電源供給裝置，向在半導體基板上構成的MOS型單位像素供給電源電壓，其特徵在於，所述單位像素具有存儲單元，對入射光進行光電變換，並存儲通過該光電變換獲得的信號電荷；以及復位單元，根據復位信號將存儲在所述存儲單元中的所述信號電荷復位，並包含MOS電晶體；所述電源供給裝置，通過對所述電源電壓從非檢測電位變化到檢測電位所需要的期間附加規定時間的傾斜，可抑制因結電容而產生的、存儲在所述存儲單元中的信號電荷的充放電。
10.一種電源供給方法，向在半導體基板上構成的MOS型單位像素供給電源電壓，其特徵在於，所述單位像素具有存儲單元，對入射光進行光電變換，並存儲通過該光電變換獲得的信號電荷；以及復位單元，根據復位信號將存儲在所述存儲單元中的所述信號電荷復位，並包含MOS電晶體；所述電源供給方法，通過對所述電源電壓從非檢測電位變化到檢測電位所需要的期間附加規定時間的傾斜，可抑制因結電容而產生的、存儲在所述存儲單元中的信號電荷的充放電。
全文摘要
本發明涉及一種固體攝像器件，是MOS型的固體攝像器件，通過延長VDD電源的電壓從低電平到高電平所需要的期間，將不會出現因VDD電源側和復位單元的柵極之間的耦合電容、造成以前那樣的復位單元的柵極電壓同時向正方向振動的情形。因此，用於使存儲單元不被選擇的電子不會從存儲單元向VDD電源側溢出，阻止了非選擇行的存儲單元的電位電平變為正電位，檢測單元不會導通，可防止非選擇行被選擇的誤動作。
文檔編號H04N5/374GK1585460SQ20041007662
公開日2005年2月23日 申請日期2004年7月30日 優先權日2003年7月30日
發明者山口琢己, 村田隆彥, 春日繁孝 申請人:松下電器產業株式會社