УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE AND IMAGING SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее раскрытие сущности относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе формирования изображений.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Устройства фотоэлектрического преобразования со структурой "металл-диэлектрик-полупроводник" (MIS) предложены в качестве устройств фотоэлектрического преобразования, используемых для датчиков изображений камер. В устройстве фотоэлектрического преобразования, проиллюстрированном на фиг. 1 в WO2012/004923 (в дальнейшем называемом "патентным документом 1"), прозрачный электрод располагается поверх пленки для фотоэлектрического преобразования, и пиксельный электрод располагается ниже пленки для фотоэлектрического преобразования. Изолирующая пленка располагается между пленкой для фотоэлектрического преобразования и пиксельным электродом. Патентный документ 1 описывает предоставление возможности двойной коррелированной дискретизации с конфигурацией, описанной выше, обеспечивающей достижение уменьшения шума.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Устройство фотоэлектрического преобразования согласно примерному варианту осуществления включает в себя блок фотоэлектрического преобразования, который включает в себя первый электрод, второй электрод, слой фотоэлектрического преобразования, расположенный между первым электродом и вторым электродом, и изолирующий слой, расположенный между слоем фотоэлектрического преобразования и вторым электродом. Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя блок усиления, электрически подключенный ко второму электроду и выполненный с возможностью выводить сигнал, сформированный посредством блока фотоэлектрического преобразования, и блок сброса, выполненный с возможностью сбрасывать напряжение на втором электроде. Устройство фотоэлектрического преобразования попеременно выполняет операцию накопления для накопления сигнального заряда в блоке фотоэлектрического преобразования и операцию разряда для разряда сигнального заряда, накопленного при операции накопления, из блока фотоэлектрического преобразования, в соответствии с напряжением между первым электродом и вторым электродом. В период от первой операции разряда до второй операции разряда после первой операции разряда из множества операций разряда, полученных в результате многократного выполнения операции разряда, блок сброса выполняет первую операцию сброса для сброса напряжения на втором электроде и вторую операцию сброса для сброса напряжения на втором электроде после первой операции сброса.
[0004] Дополнительные признаки настоящего изобретения должны становиться очевидными из нижеприведенного описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] Фиг. 1A является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно первому примерному варианту осуществления, а фиг. 1B и 1C являются схемами, иллюстрирующими эквивалентные схемы блока фотоэлектрического преобразования устройства фотоэлектрического преобразования.
[0006] Фиг. 2 является принципиальной схемой общей конфигурации устройства фотоэлектрического преобразования.
[0007] Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей эквивалентную схему для схемы столбцов устройства фотоэлектрического преобразования.
[0008] Фиг. 4 является принципиальной схемой планарной структуры устройства фотоэлектрического преобразования.
[0009] Фиг. 5A и 5B являются принципиальными схемами структуры в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования.
[0010] Фиг. 6A-6F являются принципиальными схемами потенциала блока фотоэлектрического преобразования устройства фотоэлектрического преобразования.
[0011] Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования.
[0012] Фиг. 8 является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно второму примерному варианту осуществления.
[0013] Фиг. 9 является принципиальной схемой общей конфигурации устройства фотоэлектрического преобразования.
[0014] Фиг. 10 является принципиальной схемой планарной структуры устройства фотоэлектрического преобразования.
[0015] Фиг. 11 является принципиальной схемой структуры в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования.
[0016] Фиг. 12A-12F являются принципиальными схемами потенциала блока фотоэлектрического преобразования устройства фотоэлектрического преобразования.
[0017] Фиг. 13 является схемой, иллюстрирующей временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования.
[0018] Фиг. 14 является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно третьему примерному варианту осуществления.
[0019] Фиг. 15 является схемой, иллюстрирующей временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования.
[0020] Фиг. 16 является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно четвертому примерному варианту осуществления.
[0021] Фиг. 17 является схемой, иллюстрирующей временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования.
[0022] Фиг. 18 является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно пятому примерному варианту осуществления.
[0023] Фиг. 19 является схемой, иллюстрирующей временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования.
[0024] Фиг. 20 является принципиальной схемой конфигурации пиксела устройства фотоэлектрического преобразования согласно шестому примерному варианту осуществления.
[0025] Фиг. 21 является блок-схемой системы формирования изображений согласно седьмому примерному варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0026] Некоторые примерные варианты осуществления предоставляют уменьшение эффекта компонента сигнала в предшествующем кадре.
[0027] Например, динамический диапазон может уменьшаться вследствие эффекта компонента сигнала в предшествующем кадре. Согласно патентному документу 1, до того как начинается накопление сигнального заряда, высокое напряжение прикладывается к прозрачному электроду, чтобы разряжать сигнальный заряд в пленке для фотоэлектрического преобразования. В это время, транзистор сброса поддерживается в отключенном состоянии. Таким образом, когда накопление сигнального заряда начинается, компонент сигнала в предшествующем кадре по-прежнему остается на входном узле блока усиления, включающего в себя пиксельный электрод. Это затрудняет приложение достаточного напряжения к пленке для фотоэлектрического преобразования, что может приводить к уменьшению величины сигнального заряда, который может накапливаться в пленке для фотоэлектрического преобразования, т.е. величины насыщения электрического заряда. Также имеется вероятность того, что напряжение на входном узле блока усиления может выходить за рамки диапазона, в котором входные-выходные характеристики блока усиления могут поддерживаться надлежащим образом. В любом случае, как следствие, может уменьшаться динамический диапазон.
[0028] Соответственно, некоторые примерные варианты осуществления предоставляют устройство фотоэлектрического преобразования, которое обеспечивает улучшение динамического диапазона.
[0029] Вариант осуществления настоящего изобретения предоставляет устройство фотоэлектрического преобразования. Пиксел, включенный в устройство фотоэлектрического преобразования, включает в себя блок фотоэлектрического преобразования и блок усиления, который усиливает сигнал, сформированный посредством блока фотоэлектрического преобразования. Устройство фотоэлектрического преобразования может включать в себя множество пикселов. В этом случае, устройство фотоэлектрического преобразования представляет собой, например, датчик изображений. Альтернативно, устройство фотоэлектрического преобразования может включать в себя только один пиксел. В этом случае, устройство фотоэлектрического преобразования представляет собой, например, оптический датчик. На фиг. 1A, пиксел 100, блок 101 фотоэлектрического преобразования и усилительный транзистор 104 проиллюстрированы в качестве примера.
[0030] Блок фотоэлектрического преобразования включает в себя первый электрод, второй электрод, слой фотоэлектрического преобразования, расположенный между первым электродом и вторым электродом, и изолирующий слой, расположенный между слоем фотоэлектрического преобразования и вторым электродом. На фиг. 1A, первый электрод 201, слой 205 фотоэлектрического преобразования, изолирующий слой 207 и второй электрод 209 проиллюстрированы в качестве примера.
[0031] Второй электрод электрически подключен к блоку усиления. Эта конфигурация предоставляет возможность блоку усиления выводить сигнал, сформированный посредством блока фотоэлектрического преобразования. Второй электрод и блок усиления могут замыкаться накоротко. Альтернативно, переключатель может располагаться в электрическом пути между вторым электродом и блоком усиления. На фиг. 1A, узел B, указывающий электрическое соединение между вторым электродом и блоком усиления, проиллюстрирован в качестве примера. Узел B выполнен с возможностью допускать перевод или задание в электрически высокоимпедансное состояние. Вследствие перевода узла B в электрически высокоимпедансное состояние, напряжение на узле B может изменяться в соответствии с электрическим зарядом, сформированным в блоке фотоэлектрического преобразования. Соответственно, сигнал, соответствующий электрическому заряду, сформированному в блоке фотоэлектрического преобразования, может вводиться в блок усиления.
[0032] Устройство фотоэлектрического преобразования дополнительно включает в себя блок сброса, который сбрасывает напряжение на втором электроде. Блок сброса представляет собой, например, транзистор сброса, электрически подключенный ко второму электроду. На фиг. 1A, транзистор 102 сброса проиллюстрирован в качестве примера. Блок сброса управляется таким образом, что переключаются включенное состояние и отключенное состояние блока сброса. Включение блока сброса дает возможность сброса напряжения на втором электроде до предварительно определенного напряжения (в дальнейшем называемого "напряжением сброса"). Переключатель может располагаться в электрическом пути между блоком сброса и вторым электродом.
[0033] Устройство фотоэлектрического преобразования выполняет операцию накопления для накопления сигнального заряда, сформированного посредством падающего света в блоке фотоэлектрического преобразования, и операцию разряда для разряда сигнального заряда, накопленного при операции накопления, из блока фотоэлектрического преобразования. Настройка второго электрода в электрически высокоимпедансное состояние, когда выполняется операция разряда, приводит к изменению напряжения на втором электроде в соответствии с величиной сигнального заряда, разряженного при операции разряда. Соответственно, посредством сброса напряжения на втором электроде и затем выполнения операции разряда, может получаться сигнал, соответствующий величине разряженного сигнального заряда.
[0034] В этом варианте осуществления, блок фотоэлектрического преобразования выполняет операцию накопления, описанную выше, и операцию разряда, описанную выше, в соответствии с напряжением между первым электродом и вторым электродом (в дальнейшем называемым "межэлектродным напряжением"). Напряжение (межэлектродное напряжение) между первым электродом и вторым электродом означает разность между электрическим потенциалом первого электрода и электрическим потенциалом второго электрода. В этом подробном описании, напряжения, за исключением межэлектродного напряжения, означают напряжения относительно напряжения на заземленном узле в качестве опорного напряжения (0 В), если не указано иное.
[0035] Чтобы избирательно выполнять операцию накопления и операцию разряда, межэлектродное напряжение управляется таким образом, что межэлектродное напряжение имеет противоположные полярности. Например, устройство фотоэлектрического преобразования, которое накапливает дырки в качестве сигнального заряда, выполняет операцию накопления посредством управления межэлектродным напряжением таким образом, что напряжение на первом электроде выше напряжения на втором электроде. Устройство фотоэлектрического преобразования затем выполняет операцию разряда посредством управления межэлектродным напряжением таким образом, что напряжение на первом электроде ниже напряжения на втором электроде. Устройство фотоэлектрического преобразования, которое накапливает электроны в качестве сигнального заряда, выполняет операцию накопления посредством управления межэлектродным напряжением таким образом, что напряжение на первом электроде ниже напряжения на втором электроде. Устройство фотоэлектрического преобразования затем выполняет операцию разряда посредством управления межэлектродным напряжением таким образом, что напряжение на первом электроде выше напряжения на втором электроде.
[0036] В некоторых вариантах осуществления, межэлектродное напряжение может управляться посредством управления напряжением на первом электроде. В некоторых других вариантах осуществления, межэлектродное напряжение может управляться посредством управления напряжением на втором узле, имеющем емкостную связь через первый конденсатор с первым узлом. Первый узел выполнен с возможностью включать в себя второй электрод или соединяться со вторым электродом через переключатель.
[0037] Блок фотоэлектрического преобразования попеременно выполняет операцию накопления и операцию разряда, описанные выше. Операция разряда выполняется многократно, и операция накопления выполняется многократно. Из операций разряда, выполняемых многократно, две последовательных операции разряда с одной операцией накопления между ними упоминаются в качестве первой операции разряда и второй операции разряда после первой операции разряда (называется просто в качестве "второй операции разряда") для удобства. В период от первой операции разряда до второй операции разряда блок сброса выполняет первую операцию сброса и вторую операцию сброса, которая выполняется после первой операции сброса. В каждой из первой и второй операций сброса напряжение на втором электроде сбрасывается до напряжения сброса. Первая операция сброса выполняется до того, как начинается одна операция накопления между первой и второй операциями разряда, либо выполняется в течение одной операции накопления. Помимо этого, по меньшей мере, вторая операция сброса выполняется в пределах периода, в течение которого выполняется одна операция накопления.
[0038] Эта конфигурация обеспечивает улучшение динамического диапазона. Через первую операцию сброса, компонент сигнала на основе сигнального заряда, накопленного в предыдущий период накопления, удаляется из узла, включающего в себя второй электрод. Это предоставляет возможность приложения достаточного межэлектродного напряжения к блоку фотоэлектрического преобразования, что приводит к увеличению величины насыщения электрического заряда в блоке фотоэлектрического преобразования. Следовательно, может улучшаться динамический диапазон.
[0039] Далее подробно описываются примерные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Изобретение не ограничено нижеприведенными примерными вариантами осуществления. Модификация, в которой конфигурация нижеприведенных примерных вариантов осуществления частично модифицирована без отступления от объема настоящего изобретения, также составляет примерный вариант осуществления настоящего изобретения. Дополнительно, пример, в котором часть конфигурации любого из нижеприведенных примерных вариантов осуществления добавляется в другой примерный вариант осуществления, или пример, в котором часть конфигурации любого из нижеприведенных примерных вариантов осуществления заменена частью конфигурации другого примерного варианта осуществления, также составляет примерный вариант осуществления настоящего изобретения.
ПЕРВЫЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0040] Фиг. 1A схематично иллюстрирует конфигурацию пиксела 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Пиксел 100 включает в себя блок 101 фотоэлектрического преобразования, транзистор 102 сброса, первый конденсатор 103, усилительный транзистор 104 и транзистор 105 выбора. Хотя только один пиксел 100 проиллюстрирован на фиг. 1A, устройство фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления включает в себя множество пикселов 100. Кроме того, на фиг. 1A схематично иллюстрируется структура в поперечном сечении блока 101 фотоэлектрического преобразования.
[0041] Блок 101 фотоэлектрического преобразования включает в себя первый электрод 201, блокирующий слой 203, слой 205 фотоэлектрического преобразования, изолирующий слой 207 и второй электрод 209. Первый электрод 201 включен в узел A, проиллюстрированный на фиг. 1A. Второй электрод 209 включен в узел B, проиллюстрированный на фиг. 1A. Первый электрод 201 соединен с блоком 110 подачи напряжения. Блок 110 подачи напряжения подает множество напряжений Vs на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Эта конфигурация обеспечивает накопление сигнального заряда в блоке 101 фотоэлектрического преобразования и разряд сигнального заряда из блока 101 фотоэлектрического преобразования. Разряд сигнального заряда выполняется для того, чтобы считывать сигнал, сформированный посредством блока 101 фотоэлектрического преобразования.
[0042] Блок 110 подачи напряжения подает, по меньшей мере, первое напряжение Vs1 и второе напряжение Vs2, отличающееся от первого напряжения Vs1, на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Если сигнальные заряды представляют собой дырки, второе напряжение Vs2 является напряжением ниже первого напряжения Vs1. Если сигнальные заряды представляют собой дырки, например, первое напряжение Vs1 равно 5 В, а второе напряжение Vs2 равно 0 В. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, второе напряжение Vs2 является напряжением выше первого напряжения Vs1. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, например, первое напряжение Vs1 равно 0 В, а второе напряжение Vs2 равно 5 В. В этом подробном описании, напряжение на заземленном узле равно 0 В в качестве опорного напряжения, если не указано иное.
[0043] Узел B, проиллюстрированный на фиг. 1A, включает в себя затвор усилительного транзистора 104. Усилительный транзистор 104 представляет собой блок усиления, и затвор усилительного транзистора 104 представляет собой входной узел блока усиления. Иными словами, второй электрод 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования электрически подключен к блоку усиления. Эта конфигурация предоставляет возможность блоку усиления усиливать и выводить сигнал, сформированный посредством блока 101 фотоэлектрического преобразования.
[0044] Второй электрод 209 электрически подключен к первому контактному выводу первого конденсатора 103. В этом примерном варианте осуществления, первый контактный вывод первого конденсатора 103 включен в узел B. Иными словами, второй электрод 209 и первый контактный вывод первого конденсатора 103 замыкаются накоротко. Второй контактный вывод первого конденсатора 103 включен в узел C. Второй контактный вывод имеет емкостную связь с первым контактным выводом. Другими словами, узел C имеет емкостную связь с узлом B через первый конденсатор 103. Предварительно определенное напряжение подается на второй контактный вывод (узел C) первого конденсатора 103. В этом примерном варианте осуществления, второй контактный вывод (узел C) первого конденсатора 103 заземлен. Иными словами, напряжение в 0 В подается на второй контактный вывод первого конденсатора 103.
[0045] Сток транзистора 102 сброса соединен с узлом, на который подается напряжение Vres сброса. Исток транзистора 102 сброса соединен со вторым электродом 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования и затвором усилительного транзистора 104. Эта конфигурация предоставляет возможность транзистору 102 сброса сбрасывать напряжение на узле B до напряжения Vres сброса. Иными словами, транзистор 102 сброса представляет собой блок сброса, который сбрасывает напряжение на втором электроде 209. Выключение транзистора 102 сброса переводит узел B, выполненный с возможностью включать в себя второй электрод 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования, в электрически высокоимпедансное состояние.
[0046] В этом примерном варианте осуществления, соотношение абсолютных величин между напряжением Vs, подаваемым на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования, и напряжением Vres сброса управляется таким образом, чтобы накапливать сигнальный заряд в блоке 101 фотоэлектрического преобразования и разряжать сигнальный заряд из блока 101 фотоэлектрического преобразования. Напряжение Vres сброса является промежуточным значением между первым напряжением Vs1 и вторым напряжением Vs2. Например, если сигнальные заряды представляют собой дырки, напряжение Vres сброса является напряжением ниже первого напряжения Vs1 и выше второго напряжения Vs2. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, напряжение Vres сброса является напряжением выше первого напряжения Vs1 и ниже второго напряжения Vs2. В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vres сброса равно 3,3 В. Напряжение Vres сброса ниже напряжения питания и выше напряжения, которое должно подаваться на заземленный узел.
[0047] Сток усилительного транзистора 104 соединен с узлом, на который подается напряжение питания. Исток усилительного транзистора 104 соединен с выходной линией 130 через транзистор 105 выбора. Источник 160 тока соединен с выходной линией 130. Усилительный транзистор 104 и источник 160 тока формируют схему истокового повторителя, и сигнал, сформированный посредством блока 101 фотоэлектрического преобразования, выводится в выходную линию 130. Схема 140 столбцов также соединена с выходной линией 130. Сигнал из пиксела 100, который выводится в выходную линию 130, вводится в схему 140 столбцов.
[0048] Фиг. 1B и 1C иллюстрируют примерные эквивалентные принципиальные схемы блока 101 фотоэлектрического преобразования. В этом примерном варианте осуществления, блок 101 фотоэлектрического преобразования включает в себя слой фотоэлектрического преобразования, выполненный с возможностью накапливать сигнальный заряд, и изолирующий слой. Соответственно, блок 101 фотоэлектрического преобразования включает в себя компонент емкости между первым электродом 201 и вторым электродом 209. В эквивалентных схемах, проиллюстрированных на фиг. 1B и 1C, компонент емкости представляется как второй конденсатор 111, расположенный между первым электродом 201 и вторым электродом 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Фиг. 1B иллюстрирует примерный вариант осуществления, в котором блок 101 фотоэлектрического преобразования включает в себя блокирующий слой. Таким образом, блокирующий слой и слой фотоэлектрического преобразования проиллюстрированы с использованием схемного обозначения диода 112. Фиг. 1C иллюстрирует примерный вариант осуществления, в котором слой фотоэлектрического преобразования не включает в себя блокирующий слой. Таким образом, слой фотоэлектрического преобразования проиллюстрирован с использованием схемного обозначения резистора 113. Структура блока 101 фотоэлектрического преобразования описывается ниже.
[0049] Фиг. 2 является принципиальной схемой общей схемной конфигурации устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A, назначаются идентичные ссылочные позиции.
[0050] Фиг. 2 иллюстрирует 16 пикселов 100, размещенных в матрице из четырех строк и четырех столбцов. Множество пикселов 100, включенных в каждый столбец, соединено с одной выходной линией 130. Схема 120 формирователя сигналов управления строками подает возбуждающий сигнал pRES и возбуждающий сигнал pSEL на пикселы 100. Возбуждающий сигнал pRES подается на затворы транзисторов 102 сброса. Возбуждающий сигнал pSEL подается на затворы транзисторов 105 выбора. Транзисторы 102 сброса и транзисторы 105 выбора управляются посредством возбуждающих сигналов, описанных выше. Множество пикселов 100, включенных в каждую строку, соединено с общей линией возбуждающих сигналов. Линия возбуждающих сигналов представляет собой линию межсоединений, которая передает возбуждающий сигнал pRES, возбуждающий сигнал pSEL и т.п. На фиг. 2, знаки, указывающие строки, к примеру, (n) и (n+1), назначаются для того, чтобы отличать возбуждающие сигналы, которые должны подаваться в разные строки. То же применимо к другим чертежам.
[0051] Фиг. 2 схематично иллюстрирует планарную структуру первых электродов 201 блоков 101 фотоэлектрического преобразования. Как проиллюстрировано на фиг. 2, блоки 101 фотоэлектрического преобразования множества пикселов 100, включенных в каждую строку, выполнены с возможностью включать в себя общий первый электрод 201. Как описано выше, блок 110 подачи напряжения подает напряжение Vs на первые электроды 201. В этом примерном варианте осуществления, первый электрод 201 располагается для каждой строки. Таким образом, схема 120 формирователя сигналов управления строками выбирает строку, на которую напряжение Vs подается из блока 110 подачи напряжения. Знаки, указывающие строки, к примеру, (n) и (n+1), назначаются для того, чтобы отличать напряжения Vs, которые должны подаваться на разные строки.
[0052] В этом примерном варианте осуществления, конфигурация, описанная выше, предоставляет возможность возбуждения множества пикселов 100 по строкам.
[0053] Выходные линии 130, соответственно, соединены со схемами 140 столбцов. Схема 150 формирователя сигналов управления столбцами возбуждает схемы 140 столбцов постолбцово. В частности, схема 150 формирователя сигналов управления столбцами подает возбуждающий сигнал CSEL во множество схем 140 столбцов. Знаки, указывающие столбцы, к примеру, (m) и (m+1), назначаются для того, чтобы отличать возбуждающие сигналы, которые должны подаваться на разные столбцы. То же применимо к другим чертежам. Эта конфигурация предоставляет возможность сигналам, считываемым параллельно для соответствующих строк, последовательно выводиться в блок 170 вывода.
[0054] Ниже подробно описываются схемы 140 столбцов. Фиг. 3 иллюстрирует эквивалентную схему для схем 140 столбцов в m-м столбце и (m+1)-м столбце. Схемы 140 столбцов в остальных столбцах не проиллюстрированы.
[0055] Сигнал на каждой из выходных линий 130 усиливается посредством столбцового усилителя 301. Выходной узел столбцового усилителя 301 соединен с конденсатором CTS через S/H-переключатель 303. Выходной узел столбцового усилителя 301 также соединен с конденсатором CTN через S/H-переключатель 305. S/H-переключатель 303 и S/H-переключатель 305 управляются посредством возбуждающего сигнала pTS и возбуждающего сигнала pTN, соответственно. Эта конфигурация обеспечивает возможность хранения шумового сигнала, включающего в себя шум при сбросе, и оптического сигнала из каждого из пикселов 100. Соответственно, устройство фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления обеспечивает двойную коррелированную дискретизацию.
[0056] Конденсаторы CTS соединены с горизонтальной выходной линией 311 через горизонтальные переключатели 307 переноса. Конденсаторы CTN соединены с горизонтальной выходной линией 313 через горизонтальные переключатели 309 переноса. Горизонтальные переключатели 307 и 309 переноса управляются посредством возбуждающего сигнала CSEL из схемы 150 формирователя сигналов управления столбцами.
[0057] Как горизонтальная выходная линия 311, так и горизонтальная выходная линия 313 соединены с блоком 170 вывода. Блок 170 вывода выводит разность между сигналом на горизонтальной выходной линии 311 и сигналом на горизонтальной выходной линии 313 в блок 180 аналого-цифрового преобразования. Блок 180 аналого-цифрового преобразования преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал.
[0058] Каждая из схем 140 столбцов может представлять собой схему аналого-цифрового преобразования. В этом случае, схема аналого-цифрового преобразования включает в себя блок хранения, который хранит цифровой сигнал, такой как запоминающее устройство или счетчик. Блок хранения хранит цифровые сигналы, в которые преобразуются шумовой сигнал и оптический сигнал.
[0059] Далее описываются планарная структура и структура в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 4 схематично иллюстрирует планарную структуру устройства фотоэлектрического преобразования. Фиг. 5A и 5B схематично иллюстрируют структуру в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования. Фиг. 4 иллюстрирует четыре пиксела 100, размещенные в матрице из двух строк и двух столбцов. Поперечное сечение, проиллюстрированное на фиг. 5A, соответствует поперечному сечению вдоль линии VA-VA на фиг. 4. Поперечное сечение, проиллюстрированное на фиг. 5B, соответствует поперечному сечению вдоль линии VB-VB на фиг. 4. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A, назначаются идентичные ссылочные позиции. Следует отметить, что для того, чтобы указывать транзистор, ссылочная позиция назначается его электроду затвора. Дополнительно, проводящему элементу, формирующему линию возбуждающих сигналов, назначается ссылочная позиция, идентичная ссылочной позиции возбуждающего сигнала, подаваемого в линию возбуждающих сигналов. Например, проводящий элемент с назначенной ссылочной позицией pRES формирует линию возбуждающих сигналов для подачи возбуждающего сигнала pRES.
[0060] Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя полупроводниковую подложку 200. Различные полупроводниковые области, к примеру, области истока и области стока пиксельных транзисторов, располагаются на полупроводниковой подложке 200. Примеры пиксельных транзисторов включают в себя транзистор 102 сброса, усилительный транзистор 104 и транзистор 105 выбора. Электроды затвора пиксельных транзисторов и множество слоев 202 межсоединений, включающих в себя проводящие элементы, которые формируют линии межсоединений, располагаются на полупроводниковой подложке 200. Блоки 101 фотоэлектрического преобразования располагаются поверх слоев 202 межсоединений.
[0061] Как проиллюстрировано на фиг. 5A и фиг. 5B, блок 101 фотоэлектрического преобразования каждого из пикселов 100 включает в себя первый электрод 201 (общий электрод), блокирующий слой 203, слой 205 фотоэлектрического преобразования, изолирующий слой 207 и второй электрод 209 (пиксельный электрод). Слой 205 фотоэлектрического преобразования располагается между первым электродом 201 и вторым электродом 209. Блокирующий слой 203 располагается между первым электродом 201 и слоем 205 фотоэлектрического преобразования. Блокирующий слой 203 предоставляется для того, чтобы предотвращать инжекцию электрического заряда с типом проводимости, идентичным типу проводимости сигнального заряда, накопленного в слое 205 фотоэлектрического преобразования, в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Изолирующий слой 207 располагается между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и вторым электродом 209.
[0062] Как проиллюстрировано на фиг. 2, первые электроды 201 электрически изолированы по строкам. С другой стороны, как проиллюстрировано на фиг. 5A, первые электроды 201 множества пикселов 100, включенных в каждую строку, состоят из общего проводящего элемента. По этой причине, первые электроды 201 также упоминаются как общие электроды. Планарная структура первых электродов 201 проиллюстрирована на фиг. 2, и первые электроды 201 не проиллюстрированы на фиг. 4.
[0063] Как проиллюстрировано на фиг. 4 и фиг. 5A, второй электрод 209 каждого из пикселов 100 электрически изолирован от вторых электродов 209 другого из пикселов 100. По этой причине, вторые электроды 209 также упоминаются как отдельные электроды. Блокирующий слой 203, слой 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующий слой 207 располагаются непрерывно через множество пикселов 100. Таким образом, блокирующий слой 203, слой 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующий слой 207 не проиллюстрированы на фиг. 4.
[0064] Как проиллюстрировано на фиг. 4, фиг. 5A и фиг. 5B, каждый из первых конденсаторов 103 включает в себя верхний электрод 211 и нижний электрод 213. Верхний электрод 211 и нижний электрод 213 обращены друг к другу, при этом диэлектрик размещен между ними. Эта конфигурация предоставляет высокую конструктивную гибкость по значению емкости первого конденсатора 103 по следующим причинам. Технология производства полупроводников, к примеру, литография, упрощает определение плоских форм верхнего электрода 211 и нижнего электрода 213. Первый конденсатор 103 может иметь любую другую структуру. В другом примере, первый конденсатор 103 может представлять собой конденсатор с p-n-переходом, имеющий большее значение емкости, чем предварительно определенное значение.
[0065] Дополнительно, верхний электрод 211 и нижний электрод 213 первого конденсатора 103 располагаются в слое межсоединений ниже второго электрода 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Верхний электрод 211 и нижний электрод 213, по меньшей мере, частично перекрывают первый электрод 201 или второй электрод 209 при виде сверху. Эта конфигурация позволяет уменьшать размер пиксела 100. Кроме того, каждый из верхнего электрода 211 и нижнего электрода 213 включает в себя часть, которая не перекрывает транзистор 102 сброса или усилительный транзистор 104.
[0066] В этом примерном варианте осуществления, каждый из первых конденсаторов 103 представляет собой, например, конденсатор со структурой "металл-диэлектрик-металл" (MIM). В частности, верхний электрод 211 и нижний электрод 213 состоят из проводящего элемента, такого как металл. Альтернативно, каждый из первых конденсаторов 103 может представлять собой конденсатор со структурой "поликремний-диэлектрик-поликремний" (PIP). В частности, верхний электрод 211 и нижний электрод 213 состоят из поликристаллического кремния. Альтернативно, каждый из первых конденсаторов 103 может представлять собой конденсатор со структурой "металл-оксид-полупроводник" (MOS). В частности, верхний электрод 211 состоит из проводящего элемента, такого как металл или поликристаллический кремний, а нижний электрод 213 состоит из полупроводниковой области.
[0067] Как проиллюстрировано на фиг. 5A и фиг. 5B, второй электрод 209 каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования соединен с затвором усилительного транзистора 104 через проводящий элемент 219. Второй электрод 209 блока 101 фотоэлектрического преобразования также соединен с областью истока транзистора 102 сброса через проводящий элемент 219 и проводящий элемент 220. Дополнительно, второй электрод 209 соединен с верхним электродом 211 первого конденсатора 103 через проводящий элемент 219. Нижний электрод 213 первого конденсатора 103 соединен с полупроводниковой областью 217 через контактный штекер 215. Полупроводниковая область 217 заземлена.
[0068] Фиг. 5B иллюстрирует транзистор 102 сброса и электрод затвора усилительного транзистора 104. Изолирующая пленка 230 затвора располагается между электродом затвора и полупроводниковой подложкой 200. Области истока и области стока пиксельных транзисторов располагаются на полупроводниковой подложке 200. Поскольку полупроводниковая область 217 заземлена, полупроводниковая область 217 может быть электрически подключена к карману 240, в котором формируются области истока и области стока транзисторов, описанных выше.
[0069] Ниже подробно описывается конфигурация блока 101 фотоэлектрического преобразования. Первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования формируется из проводящего элемента с высоким оптическим коэффициентом пропускания. Например, соединение, содержащее индий и/или олово, к примеру, оксид индия и олова (ITO), либо такое соединение, как ZnO, используется в качестве материала первого электрода 201. Эта конфигурация предоставляет возможность большому количеству света входить в слой 205 фотоэлектрического преобразования. Таким образом, может улучшаться чувствительность. В другом примере, поликристаллический кремний или металл с толщиной, достаточной для того, чтобы давать возможность определенному количеству света проходить через него, может использоваться для первого электрода 201. Металл имеет низкое сопротивление. Следовательно, примерный вариант осуществления, в котором металл используется в качестве материала первого электрода 201, может быть преимущественным для того, чтобы уменьшать потребление мощности или увеличивать скорость возбуждения.
[0070] Блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию электрического заряда с типом проводимости, идентичным типу проводимости сигнального заряда, в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Слой 205 фотоэлектрического преобразования обедняется посредством напряжения Vs, приложенного к первому электроду 201. Дополнительно, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется в соответствии с соотношением между напряжением Vs, приложенным к первому электроду 201, и напряжением на втором электроде 209 (узле B). Эта конфигурация обеспечивает накопление сигнального заряда и разряд накопленного сигнального заряда. Ниже описывается работа блока 101 фотоэлектрического преобразования.
[0071] В частности, слой 205 фотоэлектрического преобразования формируется из аморфного кремния с собственной электропроводностью (в дальнейшем называемого "a-Si"), a-Si с каналом p-типа с низкой концентрацией, a-Si с каналом n-типа с низкой концентрацией и т.п. Слой 205 фотоэлектрического преобразования также может формироваться из полупроводникового соединения. Примеры полупроводникового соединения включают в себя полупроводниковые соединения группы III-V, такие как BN, GaAs, GaP, AlSb и GaAlAsP, полупроводниковые соединения группы II-VI, такие как CdSe, ZnS и HdTe, и полупроводниковые соединения группы IV-VI, такие как PbS, PbTe и CuO. Альтернативно, слой 205 фотоэлектрического преобразования может формироваться из органического материала. Например, могут использоваться фуллерен, кумарин 6 6 (C6), родамин 6G (R6G), фталоцианин цинка (ZnPc), хинакридон, соединения на основе фталоцианина, соединения на основе нафталоцианина и т.п. Дополнительно, пленка с квантовыми точками, сформированная из полупроводникового соединения, описанного выше, может использоваться для слоя 205 фотоэлектрического преобразования.
[0072] В случае если слой 205 фотоэлектрического преобразования формируется из полупроводника, предпочтительно, полупроводник имеет низкую концентрацию примеси, или полупроводник имеет собственную электропроводность. Эта конфигурация предоставляет возможность существенного расширения обедненного слоя до слоя 205 фотоэлектрического преобразования, что обеспечивает достижение таких преимуществ, как высокая чувствительность и уменьшение уровня шума.
[0073] Блокирующий слой 203 может формироваться из полупроводника с каналом n-типа или с каналом p-типа вида, идентичного виду полупроводника, используемого для слоя 205 фотоэлектрического преобразования, и имеющего более высокую концентрацию примеси по сравнению с концентрацией примеси полупроводника, используемого для слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Например, в случае если a-Si используется для слоя 205 фотоэлектрического преобразования, блокирующий слой 203 формируется из a-Si с каналом n-типа с высокой концентрацией примеси или a-Si с каналом p-типа с высокой концентрацией примеси. Позиции уровня Ферми отличаются вследствие разных концентраций примеси. Таким образом, потенциальный барьер может формироваться только для электронов либо только для дырок. Блокирующий слой 203 имеет тип проводимости, в котором основные носители представляют собой носители электрического заряда с типом проводимости, противоположным типу проводимости носителей сигнального заряда.
[0074] Альтернативно, блокирующий слой 203 может формироваться из материала, отличающегося от материала слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Эта конфигурация обеспечивает формирование гетероперехода. Запрещенные зоны отличаются вследствие отличия в материале. Таким образом, потенциальный барьер может формироваться только для электронов либо только для дырок.
[0075] Изолирующий слой 207 располагается между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и вторым электродом 209. Изолирующий слой 207 формируется из изоляционного материала. Например, неорганический материал, такой как оксид кремния, оксид аморфного кремния (в дальнейшем называемый "a-SiO"), нитрид кремния или нитрид аморфного кремния (a-SiN) или органический материал, используется в качестве материала изолирующего слоя 207. Изолирующий слой 207 предпочтительно имеет толщину, достаточную для того, чтобы предотвращать туннелирование электрического заряда. Эта конфигурация позволяет уменьшать ток утечки и в силу этого позволяет уменьшать шум. В частности, желательно, чтобы изолирующий слой 207 имел толщину, большую или равную 50 нм.
[0076] В случае если a-Si, a-SiO или a-SiN используются для блокирующего слоя 203, слоя 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующего слоя 207, гидрогенизация может выполняться, и ненасыщенные связи могут завершаться посредством водорода. Эта конфигурация позволяет уменьшать шум.
[0077] Второй электрод 209 состоит из проводящего элемента, такого как металл. Второй электрод 209 изготовлен из материала, идентичного материалу проводящего элемента, формирующего линию межсоединений, или проводящего элемента, формирующего электрод с плоской площадкой для внешнего соединения. Эта конфигурация обеспечивает одновременное формирование второго электрода 209 и линии межсоединений или электрода с плоской площадкой. Соответственно, может упрощаться процесс изготовления.
[0078] Далее описывается работа блока 101 фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 6A-6F схематично иллюстрируют энергетические зоны в блоке 101 фотоэлектрического преобразования. На фиг. 6A-6F, проиллюстрированы энергетические зоны первого электрода 201, блокирующего слоя 203, слоя 205 фотоэлектрического преобразования, изолирующего слоя 207 и второго электрода 209. Вертикальная ось на фиг. 6A-6F представляет потенциал электронов. Потенциал электронов увеличивается вдоль вертикальной оси в направлении вверх на фиг. 6A-6F. Соответственно, напряжение снижается вдоль вертикальной оси в направлении вверх на фиг. 6A-6F. Для первого электрода 201 и второго электрода 209, проиллюстрирован энергетический уровень свободных электронов. Для блокирующего слоя 203 и слоя 205 фотоэлектрического преобразования, проиллюстрирована запрещенная зона между энергетическим уровнем зоны проводимости и энергетическим уровнем валентной зоны. Потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования на поверхности раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207 упоминается в качестве "поверхностного потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования" или просто в качестве "поверхностного потенциала" для удобства.
[0079] При работе блока 101 фотоэлектрического преобразования многократно выполняются следующие этапы (1)-(6): (1) сброс входного узла блока усиления, (2) считывание шумового сигнала, (3) разряд сигнального заряда из блока фотоэлектрического преобразования, (4) считывание оптического сигнала, (5) сброс до того, как начинается накопление сигнального заряда, и (6) накопление сигнального заряда. Далее описываются соответствующие этапы.
[0080] Фиг. 6A иллюстрирует состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапах (1)-(2). Первое напряжение Vs1 подается на первый электрод 201 из блока 110 подачи напряжения. Первое напряжение Vs1 равно, например, 5 В. В слое 205 фотоэлектрического преобразования дырки, проиллюстрированные с использованием не заштрихованных кружков, накапливаются в качестве сигнальных зарядов, сформированных в течение периода экспозиции. Иными словами, устройство фотоэлектрического преобразования выполняет операцию накопления. Поскольку операция накопления и операция разряда выполняются попеременно, операция разряда выполняется до того, как начинается операция накопления. Поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал снижается (т.е. в направлении, в котором напряжение увеличивается) в соответствии с числом накопленных дырок. В случае накопления электронов поверхностный потенциал изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал увеличивается (т.е. в направлении, в котором напряжение снижается) в соответствии с числом накопленных электронов.
[0081] В этом состоянии, транзистор 102 сброса включается. Иными словами, выполняется операция сброса. Эта операция сброса представляет собой операцию сброса, выполняемую позже из двух операций сброса, выполняемых между первой операцией разряда и второй операцией разряда после первой операции разряда. Соответственно, напряжение на узле, включающем в себя второй электрод 209, т.е. напряжение на узле B, проиллюстрированном на фиг. 1A, сбрасывается до напряжения Vres сброса. В этом примерном варианте осуществления, узел B включает в себя затвор усилительного транзистора 104. Таким образом, напряжение в затворе усилительного транзистора 104 сбрасывается. Напряжение Vres сброса равно, например, 3,3 В.
[0082] После этого, транзистор 102 сброса выключается. Соответственно, узел B переводится в электрически высокоимпедансное состояние. В этом случае, шум при сбросе (шум kTC1, проиллюстрированный на фиг. 6A) может формироваться посредством транзистора 102 сброса.
[0083] Поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования может изменяться в соответствии с изменением напряжения на втором электроде 209 во время операции сброса. В этом случае, направление, в котором изменяется напряжение на втором электроде 209, является противоположным направлению, в котором напряжение на втором электроде 209 изменено вследствие накопления сигнального заряда. По этой причине, дырки сигнального заряда остаются накопленными в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Помимо этого, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок из первого электрода 201. Таким образом, величина сигнального заряда, накопленного в слое 205 фотоэлектрического преобразования, не изменяется.
[0084] Если транзистор 105 выбора находится во включенном состоянии, усилительный транзистор 104 выводит шумовой сигнал (Vres+kTC1), включающий в себя шум при сбросе, из пиксела 100. Шумовой сигнал хранится в конденсаторе CTN схемы 140 столбцов.
[0085] Фиг. 6B и 6C иллюстрируют состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (3). Во-первых, второе напряжение Vs2 подается на первый электрод 201. Поскольку дырки используются в качестве сигнальных зарядов, второе напряжение Vs2 является напряжением ниже первого напряжения Vs1. Второе напряжение Vs2 равно, например, 0 В.
[0086] В этом случае, напряжение на втором электроде 209 (узле B) изменяется в направлении, идентичном направлению, в котором изменяется напряжение на первом электроде 201. Величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 определяется в соответствии с отношением значения C1 емкости первого конденсатора 103, соединенного со вторым электродом 209, к значению C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования. Величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 относительно величины dVs изменения напряжения на первом электроде 201 задается посредством dVB=dVs*C2/(C1+C2). Узел B, включающий в себя второй электрод 209, также может включать в себя другие компоненты емкости. Другие компоненты емкости имеют намного меньшее значение емкости, чем значение C1 емкости первого конденсатора 103. Таким образом, значение емкости узла B может рассматриваться как равное значению C1 емкости первого конденсатора 103.
[0087] В этом примерном варианте осуществления, величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 существенно превышает величину dVB изменения напряжения на втором электроде 209. Таким образом, потенциал второго электрода 209 ниже потенциала первого электрода 201, и градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется. Соответственно, электрон, проиллюстрированный с использованием заштрихованного кружка, инжектируется в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Помимо этого, некоторые или все дырки, накопленные в слое 205 фотоэлектрического преобразования в качестве сигнальных зарядов, перемещаются в блокирующий слой 203. Дырки, которые перемещены, рекомбинируются с основными носителями в блокирующем слое 203 и исчезают. Следовательно, дырки в слое 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются из слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Для обеднения всего слоя 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются все дырки, накопленные в качестве сигнальных зарядов.
[0088] Затем в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 6C, первое напряжение Vs1 подается на первый электрод 201. Соответственно, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется снова. Таким образом, электроны, инжектируемые в слой 205 фотоэлектрического преобразования в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 6B, разряжаются из слоя 205 фотоэлектрического преобразования. С другой стороны, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Соответственно, поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в соответствии с числом дырок, которые накоплены. В соответствии с изменением поверхностного потенциала, напряжение на втором электроде 209 изменяется из состояния сброса посредством напряжения Vp, соответствующего числу дырок, которые исчезают. Иными словами, напряжение Vp, соответствующее числу дырок, накопленных в качестве сигнальных зарядов, появляется в узле B. Напряжение Vp, соответствующее числу накопленных дырок, упоминается в качестве "компонента оптического сигнала".
[0089] В состоянии, проиллюстрированном на фиг. 6C, транзистор 105 выбора включается. Соответственно, усилительный транзистор 104 выводит оптический сигнал (Vp+Vres+kTC1) из пиксела 100. Оптический сигнал хранится в конденсаторе CTS схемы 140 столбцов. Разность между шумовым сигналом (Vres+kTC1), считываемым на этапе (2), и оптическим сигналом (Vp+Vres+kTC1), считываемым на этапе (4), представляет собой сигнал на основе напряжения Vp, соответствующего накопленному сигнальному заряду.
[0090] Фиг. 6D иллюстрирует состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (5). Транзистор 102 сброса включается, и напряжение на узле B сбрасывается до напряжения Vres сброса. Иными словами, выполняется операция сброса. Эта операция сброса представляет собой операцию сброса, выполняемую раньше из двух операций сброса, выполняемых между первой операцией разряда и второй операцией разряда после первой операции разряда. После этого, транзистор 102 сброса выключается. Вышеописанным способом, узел B сбрасывается до того, как начинается накопление сигнального заряда, либо после того, как начато накопление сигнального заряда, обеспечивая возможность удаления компонента оптического сигнала для предшествующего кадра, который накоплен в узле B. Это позволяет предотвращать уменьшение межэлектродного напряжения, которое должно прикладываться к блоку 101 фотоэлектрического преобразования вследствие компонента оптического сигнала, остающегося на узле B.
[0091] Также в этом случае, шум при сбросе (шум kTC2, проиллюстрированный на фиг. 6D) может формироваться посредством транзистора 102 сброса. Сформированный шум при сбросе может удаляться через операцию сброса на этапе (1), т.е. вторую операцию сброса, в конце периода накопления.
[0092] Фиг. 6E и 6F иллюстрируют состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (6). Первое напряжение Vs1 подается на первый электрод 201, и напряжение Vres сброса подается на узел B. Поскольку напряжение Vres сброса ниже первого напряжения Vs1, электроны в слое 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются в первый электрод 201. Напротив, дырки в слое 205 фотоэлектрического преобразования перемещаются на поверхность раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207. Тем не менее, дырки не могут перемещаться в изолирующий слой 207 и в силу этого накапливаются в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Помимо этого, как описано выше, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок в слой 205 фотоэлектрического преобразования. В этом состоянии, когда свет входит в слой 205 фотоэлектрического преобразования, только дырки в электронно-дырочных парах, сформированных посредством фотоэлектрического преобразования, накапливаются в слое 205 фотоэлектрического преобразования в качестве сигнальных зарядов. После того, как операция накопления выполняется в течение определенного периода, многократно выполняются операции на этапах (1)-(6).
[0093] Накопленные дырки вызывают изменение поверхностного потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования. В соответствии с изменением поверхностного потенциала, увеличивается напряжение на втором электроде 209. Это увеличение представлено посредством Vp0 на фиг. 6F. В операции сброса на фиг. 6A, как описано выше, напряжение на втором электроде 209 изменяется таким образом, чтобы уравновешивать изменение напряжения Vp0. Иными словами, снижается напряжение на втором электроде 209. Соответственно, поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал увеличивается.
[0094] Если сигнальные заряды представляют собой электроны, второе напряжение Vs2 является напряжением выше первого напряжения Vs1. Таким образом, градиент потенциала, проиллюстрированного на фиг. 6A-6F, инвертируется. Другие операции являются практически идентичными.
[0095] В операции, описанной со ссылкой на фиг. 6A-6F, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 6B, обеспечивая разряд накопленного сигнального заряда. Неинверсия градиента потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования приводит к возникновению электрического заряда, который не разряжается. Таким образом, может возникать шум. Здесь, мере того, как возрастает величина, на которую величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 превышает величину dVB изменения напряжения на втором электроде 209 (узле B), градиент потенциала с большей вероятностью инвертируется. Иными словами, по мере того, как возрастает величина, на которую величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 превышает величину dVB изменения напряжения на втором электроде 209, дополнительное уменьшение уровня шума является достижимым.
[0096] Как описано выше, имеется соотношение, представленное посредством dVB=dVs*C2/(C1+C2), между величиной dVs изменения напряжения на первом электроде 201 и величиной dVB изменения напряжения на узле B. Модификация этого уравнения дает в результате следующее уравнение для величины dVs изменения напряжения на первом электроде 201: dVs=dVB+(C1/C2)*dVB. Иными словами, величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 превышает величину dVB изменения напряжения на втором электроде 209 на (C1/C2)*dVB. Соответственно, по мере того, как возрастает значение C1 емкости узла B, увеличивается разность между величиной dVs изменения напряжения на первом электроде 201 и величиной dVB изменения напряжения на втором электроде 209.
[0097] В этом примерном варианте осуществления, первый конденсатор 103 соединен со вторым электродом 209. Таким образом, может увеличиваться значение C1 емкости узла B. Эта конфигурация предоставляет возможность величине dVs изменения напряжения на первом электроде 201 превышать величину dVB изменения напряжения на втором электроде 209. Следовательно, обеднение слоя 205 фотоэлектрического преобразования с большей вероятностью достигается, что приводит к уменьшению электрического заряда, который не разряжается. Следовательно, согласно этому примерному варианту осуществления, может достигаться уменьшение уровня шума.
[0098] Ниже приводится описание соотношения между значением C1 емкости первого конденсатора 103, значением C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования, и напряжением, подаваемым на каждый блок.
[0099] В этом примерном варианте осуществления, блок 101 фотоэлектрического преобразования включает в себя блокирующий слой 203, слой 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующий слой 207. Блокирующий слой 203 имеет более высокую проводимость, чем слой 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующий слой 207. Таким образом, значение C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования, является комбинированной емкостью компонента Ci емкости, сформированного посредством слоя 205 фотоэлектрического преобразования, и компонента Cins емкости, сформированного посредством изолирующего слоя 207. В частности, значение C2 емкости второго конденсатора 111 задается посредством выражения (1) следующим образом:
C2=Ci*Cins/(Ci+Cins) (1)
[00100] Компонент Ci емкости и компонент Cins емкости, соответственно, задаются посредством выражения (2) и выражения (3) следующим образом:
Ci=E0*Ei*Ss/di (2)
Cins=E0*Eins*Ss/dins, (3)
где Ss обозначает площадь второго электрода 209 при виде сверху, di обозначает толщину слоя 205 фотоэлектрического преобразования, dins обозначает толщину изолирующего слоя 207, Ei обозначает относительную диэлектрическую постоянную слоя 205 фотоэлектрического преобразования, Eins обозначает относительную диэлектрическую постоянную изолирующего слоя 207, и E0 обозначает диэлектрическую постоянную вакуума.
[00101] Краевое поле вокруг второго электрода 209 пренебрежимо мало. Таким образом, достаточно учитывать только площадь Ss второго электрода 209 при виде сверху в качестве площади, используемой для вычисления емкости. Площадь Ss второго электрода 209 при виде сверху является, например, площадью второго электрода 209, проиллюстрированного на фиг. 4. Дополнительно, на фиг. 5A и 5B, проиллюстрированы толщина di слоя 205 фотоэлектрического преобразования и толщина dins изолирующего слоя 207.
[00102] Значение C1 емкости первого конденсатора 103 задается посредством выражения (4) следующим образом:
C1=E0*Ed*Sd/dd, (4)
где Sd обозначает площадь верхнего электрода 211 или нижнего электрода 213 при виде сверху, dd обозначает расстояние между верхним электродом 211 и нижним электродом 213, и Ed обозначает диэлектрическую постоянную изолирующего слоя между верхним электродом 211 и нижним электродом 213.
[00103] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vs на первом электроде 201 (узле A) управляется с использованием первого напряжения Vs1 и второго напряжения Vs2 таким образом, чтобы накапливать сигнальный заряд и разряжать сигнальный заряд вследствие обеднения слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Значение C1 емкости первого конденсатора 103 и значение C2 емкости второго конденсатора 111 удовлетворяют следующему соотношению, за счет этого достигая уменьшения электрического заряда, остающегося в слое 205 фотоэлектрического преобразования в ходе разряда сигнального заряда, описанного выше. Сначала описывается примерный вариант осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой дырки.
[00104] Далее, для простоты, значение C1 емкости первого конденсатора 103 в k раз превышает значение C2 емкости второго конденсатора 111. Иными словами, значение C1 емкости и значение C2 емкости имеют соотношение выражения (5) следующим образом:
C1=k*C2 (5)
[00105] Как описано выше, величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 и величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 (узле B) имеют соотношение, заданное посредством выражения (6) следующим образом:
dVB=dVs*C2/(C1+C2) (6)
[00106] Выражение (5) и выражение (6) дают в результате выражение (7) следующим образом:
dVB=dVs/(1+k) (7)
[00107] Чтобы накапливать дырки в качестве сигнальных зарядов, желательно, чтобы первое напряжение Vs1 и напряжение Vres сброса удовлетворяли соотношению выражения (8) следующим образом:
Vs1>Vres (8)
[00108] Чтобы переносить дырки сигнального заряда, желательно, чтобы первое напряжение Vs1, напряжение Vres сброса, величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 и величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 удовлетворяли соотношению выражения (9) следующим образом:
Vs1+dVs<Vres+dVB (9)
[00109] Если соотношение выражения (8) удовлетворяется, градиент потенциала, который дает возможность дырке уходить к изолирующему слою 207, может формироваться в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Если соотношение выражения (9) удовлетворяется, нетрудно изменять на противоположное направление градиента потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования.
[00110] Выражение (7) и выражение (9) дают в результате выражение (10).
Vs1-Vres+dVs<dVs/(1+k) (10)
[00111] Здесь, k>0. Таким образом, выражение (10) модифицируется на нижеприведенное выражение (11) посредством умножения обеих сторон выражения (10) на (1+k).
(1+k)*(Vs1-Vres+dVs)<dVs (11)
[00112] Величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 задается посредством dVs=Vs2-Vs1. Таким образом, получается Vs1-Vres+dVs=Vs2-Vres. В примерном варианте осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой дырки, напряжение Vres сброса выше второго напряжения Vs2. Иными словами, получается Vs2-Vres<0. Соответственно, удовлетворяется соотношение нижеприведенного выражения (12).
Vs1-Vres+dVs<0 (12)
[00113] Соответственно, деление обеих сторон выражения (11) на (Vs1-Vres+dVs) изменяет ориентацию знака неравенства, давая в результате соотношение выражения (13) следующим образом:
1+k>dVs/(Vs1-Vres+dVs) (13)
[00114] Выражение (13) дает в результате выражение отношения, заданное посредством нижеприведенного выражения (14) для отношения k емкости значения C1 емкости и значения C2 емкости.
[00115] Если соотношение выражения (14) удовлетворяется, может уменьшаться величина электрического заряда, который не разряжается. Соответственно, может достигаться уменьшение уровня шума.
[00116] В этом примерном варианте осуществления, первое напряжение Vs1 равно 5 В, а напряжение Vres сброса равно 3,3 В. Поскольку второе напряжение Vs2 равно 0 В, величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 составляет -5 В. Таким образом, значение k задается равным значению, большему 0,52. В частности, в этом примерном варианте осуществления, значение C1 емкости первого конденсатора 103 равно 4 фФ, а значение C2 емкости второго конденсатора 111 равно 1 фФ. Иными словами, получается k=4. Эта конфигурация позволяет достигать большего уменьшения уровня шума.
[00117] В этом примерном варианте осуществления, площадь Sd либо верхнего электрода 211, либо нижнего электрода 213 первого конденсатора 103 при виде сверху и площадь Ss второго электрода 209 при виде сверху удовлетворяют соотношению Sd>0,5*Ss. Эта конфигурация позволяет упрощать получение соотношения отношения емкости, описанного выше.
[00118] Дополнительно, по мере того, как возрастает значение k, повышается эффект уменьшения уровня шума. Соответственно, в случае если значение C1 емкости первого конденсатора 103 равно или выше значения C2 емкости второго конденсатора 111, дополнительно может повышаться эффект уменьшения уровня шума.
[00119] Величина dVs изменения напряжения на первом электроде 201 задается посредством dVs=Vs2-Vs1 с использованием первого напряжения Vs1 и второго напряжения Vs2. Соответственно, выражение (14) модифицируется на выражение (15).
[00120] В частности, если второе напряжение Vs2 равно 0 В, выражение (15) может быть упрощено до выражения (16).
[00121] Ниже описывается примерный вариант осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой электроны. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, ориентации знаков неравенства в выражении (8) и выражении (9) изменяются. Соответственно, ориентации знаков неравенства в выражениях (10)-(11) также изменяются. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, напряжение Vres сброса ниже второго напряжения Vs2. Таким образом, значение, заданное посредством Vs1-Vres+dVs=Vs2-Vres в выражении (11), является положительным значением. Иными словами, соотношение (Vs1-Vres+dVs)>0 справедливо. Таким образом, деление обеих сторон выражения (11) на (Vs1-Vres+dVs) не изменяет ориентацию знака неравенства. Следовательно, как в случае, когда сигнальные заряды представляют собой дырки, получаются выражение (14) и выражение (15).
[00122] Левая сторона выражения (15) может быть заменена на C1/C2 с использованием выражения (5). Поскольку (Vs2-Vres)/(Vs2-Vres)=1, перенос правой стороны выражения (15) в общий знаменатель дает в результате выражение (17) следующим образом:
[00123] Здесь описывается соотношение, заданное посредством выражения (17). Напряжение Vres сброса является промежуточным значением между первым напряжением Vs1 и вторым напряжением Vs2.
[00124] По мере того, как напряжение Vres сброса приближается к первому напряжению Vs1, значение справа снижается. Иными словами, даже если значение C1 емкости первого конденсатора 103 является небольшим, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования может инвертироваться. Если разность между напряжением Vres сброса и первым напряжением Vs1 является небольшой, величина электрического заряда, который может накапливаться в слое 205 фотоэлектрического преобразования, является небольшой.
[00125] Напротив, по мере того, как напряжение Vres сброса приближается ко второму напряжению Vs2, значение справа увеличивается. Иными словами, большое значение используется для значения C1 емкости первого конденсатора 103. В этом случае, разность между напряжением Vres сброса и первым напряжением Vs1 является большой. Таким образом, может увеличиваться величина электрического заряда, который может накапливаться в слое 205 фотоэлектрического преобразования.
[00126] С точки зрения баланса между величиной насыщения электрического заряда и значением C1 емкости первого конденсатора 103, предпочтительно, чтобы напряжение Vres сброса было в диапазоне 20-80% от диапазона с верхним пределом и нижним пределом (или с нижним пределом и верхним пределом), равным первому напряжению Vs1 и второму напряжению Vs2, соответственно. Например, если первое напряжение Vs1 равно 5 В, а второе напряжение Vs2 равно 0 В, желательно, чтобы напряжение Vres сброса было в диапазоне 1-4 В.
[00127] В случае если устройство фотоэлектрического преобразования используется в качестве датчика изображений камеры и т.п., низкое напряжение питания используется для уменьшения потребления мощности. Например, напряжение питания, подаваемое на датчик изображений, типично меньше или равно 5 В. Соответственно, значения, меньшие или равные 5 В, также используются для напряжений в выражениях (14)-(17). В этом случае, значение C1 емкости первого конденсатора 103 и значение C2 емкости второго конденсатора 111 удовлетворяют соотношению, описанному выше, обеспечивая уменьшение уровня шума с возбуждением низким напряжением устройства фотоэлектрического преобразования.
[00128] Как описано выше, уменьшение уровня шума может достигаться с использованием соотношения между значением C1 емкости первого конденсатора 103 и значением C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования. Следует понимать, что эффект уменьшения уровня шума должен достигаться, даже если отношение значения C1 емкости и значения C2 емкости не удовлетворяет соотношениям выражений (14)-(17). Числовые значения, приведенные выше, являются просто примерами и не имеют намерение быть ограничивающими.
[00129] Энергетические уровни дефектов и т.п. могут присутствовать на поверхности раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207. В этом случае, может быть достаточным учитывать напряжение плоских зон посредством использования известной технологии.
[00130] Далее описывается способ для возбуждения устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 7 иллюстрирует временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 7, проиллюстрированы возбуждающие сигналы для считывания сигналов для n-й строки и (n+1)-й строки, или для двух строк всего.
[00131] Возбуждающий сигнал pSEL подается на затвор транзистора 105 выбора. Возбуждающий сигнал pRES подается на затвор транзистора 102 сброса. Сигнал Vs напряжения подается в первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Возбуждающий сигнал pTS подается на S/H-переключатель 303. Возбуждающий сигнал pTN подается на S/H-переключатель 305. Возбуждающий сигнал CSEL подается в схему 150 формирователя сигналов управления столбцами.
[00132] Когда возбуждающий сигнал pSEL, возбуждающий сигнал pRES, возбуждающий сигнал pTN или возбуждающий сигнал pTS имеют высокий уровень, соответствующий транзистор или переключатель включается. Когда возбуждающий сигнал pSEL, возбуждающий сигнал pRES, возбуждающий сигнал pTN или возбуждающий сигнал pTS имеют низкий уровень, соответствующий транзистор или переключатель выключается. Сигнал Vs напряжения включает в себя первое напряжение Vs1 и второе напряжение Vs2.
[00133] Устройство фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления выполняет работу в режиме "сдвигаемого затвора". До времени t1, блоки 101 фотоэлектрического преобразования пикселов 100 в n-ой строке и блоки 101 фотоэлектрического преобразования пикселов 100 в (n+1)-ой строке накапливают сигнальный заряд. Кроме того, до времени t1, сигнал Vs(n) напряжения для n-ой строки и сигнал Vs(n+1) напряжения для (n+1)-ой строки равны первому напряжению Vs1.
[00134] Во время t1, возбуждающий сигнал pSEL(n) повышается до высокого уровня, и транзисторы 105 выбора пикселов 100 в n-ой строке включаются. Соответственно, усилительные транзисторы 104 пикселов 100 в n-ой строке выводят сигнал.
[00135] Во время t1, возбуждающий сигнал pRES(n) повышается до высокого уровня, и транзисторы 102 сброса пикселов 100 в n-ой строке включаются. Соответственно, напряжение на узлах B пикселов 100 в n-ой строке сбрасывается до напряжения Vres сброса. После этого, во время t2, возбуждающий сигнал pRES(n) падает до низкого уровня, и транзисторы 102 сброса выключаются. Состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования в это время проиллюстрировано на фиг. 6A.
[00136] Затем возбуждающий сигнал pTN(n) повышается до высокого уровня во время t3 и падает до низкого уровня во время t4. Соответственно, шумовой сигнал, включающий в себя шум при сбросе (kTC1, проиллюстрированный на фиг. 6A), хранится в конденсаторах CTN схем 140 столбцов.
[00137] Во время t5, сигнал Vs(n) напряжения переходит от первого напряжения Vs1 ко второму напряжению Vs2. Состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования в это время проиллюстрировано на фиг. 6B. Затем, во время t6, сигнал Vs(n) напряжения переходит от второго напряжения Vs2 к первому напряжению Vs1. Состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования в это время проиллюстрировано на фиг. 6C. Посредством операции от времени t5 до времени t6 сигнальный заряд переносится вышеописанным способом. Соответственно, напряжение Vp, соответствующее величине накопленного сигнального заряда, формируется в узлах B.
[00138] Возбуждающий сигнал pTS(n) повышается до высокого уровня во время t7 и падает до низкого уровня во время t8. Соответственно, оптический сигнал, включающий в себя напряжение Vp и шум при сбросе (kTC1, проиллюстрированный на фиг. 6C), хранится в конденсаторах CTS схем 140 столбцов.
[00139] Затем, возбуждающий сигнал pRES(n) повышается до высокого уровня во время t9 и падает до низкого уровня во время t10. Соответственно, напряжение на узлах B пикселов 100 в n-ой строке снова сбрасывается до напряжения Vres сброса. Состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования в это время проиллюстрировано на фиг. 6D.
[00140] После этого, пикселы 100 в n-ой строке начинают накопление сигнального заряда для последующего кадра. Состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования во время накопления сигнального заряда проиллюстрировано на фиг. 6E и 6F.
[00141] Во время t11, возбуждающий сигнал pSEL(n) падает до низкого уровня, и считывание сигналов в схемы 140 столбцов из пикселов 100 в n-ой строке завершается.
[00142] Шумовые сигналы и оптические сигналы, считываемые в схемы 140 столбцов, выводятся в блок 170 вывода постолбцово в соответствии с возбуждающим сигналом CSEL. Блок 170 вывода выводит разности между оптическими сигналами и шумовыми сигналами в блок 180 аналого-цифрового преобразования.
[00143] Во время t12, возбуждающий сигнал pSEL(n+1) повышается до высокого уровня, и транзисторы 105 выбора пикселов 100 в (n+1)-ой строке включаются. В последующей операции, сигналы считываются из пикселов 100 в (n+1)-ой строке. Эта операция является аналогичной операции от времени t1 до времени t11 и не описывается в данном документе.
[00144] В устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления, как описано выше, транзистор 102 сброса выполняет первую операцию сброса, проиллюстрированную на фиг. 6D, и вторую операцию сброса, проиллюстрированную на фиг. 6A, в расчете на каждую операцию накопления, выполняемую посредством блока 101 фотоэлектрического преобразования. Эта конфигурация позволяет предотвращать уменьшение межэлектродного напряжения, которое должно прикладываться к блоку 101 фотоэлектрического преобразования. Следовательно, может улучшаться динамический диапазон.
ВТОРОЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00145] Ниже описывается другой примерный вариант осуществления. Этот примерный вариант осуществления отличается от первого примерного варианта осуществления узлом, для которого блок подачи напряжения управляет напряжением. Таким образом, описываются только части, отличающиеся от первого примерного варианта осуществления. Части, которые являются практически идентичными частям в первом примерном варианте осуществления, не описываются.
[00146] Фиг. 8 схематично иллюстрирует конфигурацию пиксела 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A, назначаются идентичные ссылочные позиции. Эквивалентные схемы блока 101 фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления являются идентичными эквивалентным схемам в первом примерном варианте осуществления. Иными словами, фиг. 1B и 1C иллюстрируют примерные эквивалентные схемы блока 101 фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления.
[00147] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vd из блока 410 подачи напряжения подается на второй контактный вывод первого конденсатора 103. Блок 410 подачи напряжения подает, по меньшей мере, первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2, отличающееся от первого напряжения Vd1, на второй контактный вывод первого конденсатора 103.
[00148] Если сигнальные заряды представляют собой дырки, второе напряжение Vd2 является напряжением выше первого напряжения Vd1. Если сигнальные заряды представляют собой дырки, например, первое напряжение Vd1 равно 0 В, а второе напряжение Vd2 равно 5 В. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, второе напряжение Vd2 является напряжением ниже первого напряжения Vd1. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, например, первое напряжение Vd1 равно 5 В, а второе напряжение Vd2 равно 0 В.
[00149] С другой стороны, предварительно определенное напряжение Vs подается на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. В этом примерном варианте осуществления, напряжение 3 В подается на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. На фиг. 8, первый электрод 201 включен в узел A.
[00150] Далее описывается напряжение Vres сброса, подаваемое посредством транзистора 102 сброса. Если сигнальные заряды представляют собой дырки, напряжение Vres сброса является напряжением ниже напряжения Vs, подаваемого на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, напряжение Vres сброса является напряжением выше напряжения Vs, подаваемого на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования.
[00151] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vd на узле C управляется таким образом, чтобы управлять напряжением на узле B, соединенном с узлом C через первый конденсатор 103. Таким образом, соотношение по постоянному току в абсолютной величине между напряжением Vd, подаваемым в узел C, и напряжением Vres сброса или напряжением Vs, подаваемым в узел A, не ограничено конкретным образом.
[00152] Фиг. 9 является принципиальной схемой общей схемной конфигурации устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 2, назначаются идентичные ссылочные позиции.
[00153] Фиг. 9 схематично иллюстрирует планарную структуру первого электрода 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования. Первый электрод 201 включен в узел A, проиллюстрированный на фиг. 8. Как проиллюстрировано на фиг. 9, блоки 101 фотоэлектрического преобразования множества пикселов 100 во множестве строк и множестве столбцов выполнены с возможностью включать в себя общий первый электрод 201. Напряжение Vs подается на первый электрод 201.
[00154] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vd, которое должно подаваться на вторые контактные выводы (узлы C) первых конденсаторов 103, управляется независимо построчно. Таким образом, схема 120 формирователя сигналов управления строками выбирает строку, в которую напряжение Vd подается из блока 410 подачи напряжения. Знаки, указывающие строки, к примеру, (n) и (n+1), назначаются для того, чтобы отличать напряжения Vd, которые должны подаваться на разные строки. В этом примерном варианте осуществления, конфигурация, описанная выше, предоставляет возможность возбуждения множества пикселов 100 по строкам.
[00155] Схемы 140 столбцов согласно этому примерному варианту осуществления имеют конфигурацию, практически идентичную конфигурации схем 140 столбцов первого примерного варианта осуществления. Иными словами, фиг. 3 иллюстрирует эквивалентную схему для схем 140 столбцов согласно этому примерному варианту осуществления. Кроме того, аналогично первому примерному варианту осуществления, каждая из схем 140 столбцов может представлять собой схему аналого-цифрового преобразования. В этом случае, схема аналого-цифрового преобразования включает в себя блок хранения, который хранит цифровой сигнал, такой как запоминающее устройство или счетчик. Блок хранения хранит цифровые сигналы, в которые преобразуются шумовой сигнал и оптический сигнал.
[00156] Далее описываются планарная структура и структура в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 10 схематично иллюстрирует планарную структуру устройства фотоэлектрического преобразования. Фиг. 11 схематично иллюстрирует структуру в поперечном сечении устройства фотоэлектрического преобразования. Поперечное сечение, проиллюстрированное на фиг. 11, соответствует поперечному сечению вдоль линии XI-XI на фиг. 10. На фиг. 10 и 11, частям, которые являются практически идентичными частям на фиг. 4, 5A и 5B, назначаются идентичные ссылочные позиции.
[00157] Как проиллюстрировано на фиг. 10 и фиг. 11, нижние электроды 213 первых конденсаторов 103 соединены с проводящими элементами 420. Проводящие элементы 420 формируют линии межсоединений, через которые подается напряжение Vd из блока 410 подачи напряжения. В этом примерном варианте осуществления, проводящие элементы 420 располагаются для соответствующих строк, и проводящий элемент 420 для определенной строки электрически изолирован от проводящих элементов 420 для других строк. Эта конфигурация предоставляет возможность независимого управления напряжения Vd на вторых контактных выводах (узлах C) первых конденсаторов 103 построчно.
[00158] Структура, за исключением структуры, описанной выше, является аналогичной структуре первого примерного варианта осуществления и не описывается в данном документе.
[00159] Далее описывается работа каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 12A-12F схематично иллюстрируют энергетические зоны в каждом из блоков 101 фотоэлектрического преобразования. На фиг. 12A-12F, проиллюстрированы энергетические зоны первого электрода 201, блокирующего слоя 203, слоя 205 фотоэлектрического преобразования, изолирующего слоя 207 и второго электрода 209. Вертикальная ось на фиг. 12A-12F представляет потенциал электронов. Потенциал электронов увеличивается вдоль вертикальной оси в направлении вверх на фиг. 12A-12F. Соответственно, напряжение снижается вдоль вертикальной оси в направлении вверх на фиг. 12A-12F. Для первого электрода 201 и второго электрода 209, проиллюстрирован энергетический уровень свободных электронов. Для блокирующего слоя 203 и слоя 205 фотоэлектрического преобразования, проиллюстрирована запрещенная зона между энергетическим уровнем зоны проводимости и энергетическим уровнем валентной зоны. Потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования на поверхности раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207 упоминается в качестве "поверхностного потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования" или просто в качестве "поверхностного потенциала" для удобства.
[00160] При работе блока 101 фотоэлектрического преобразования многократно выполняются следующие этапы (1)-(6): (1) сброс входного узла блока усиления, (2) считывание шумового сигнала, (3) разряд сигнального заряда из блока фотоэлектрического преобразования, (4) считывание оптического сигнала, (5) сброс до того, как начинается накопление сигнального заряда, и (6) накопление сигнального заряда. Далее описываются соответствующие этапы.
[00161] Фиг. 12A иллюстрирует состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапах (1)-(2). Напряжение Vs подается на первый электрод 201. Напряжение Vs равно, например, 3 В. В слое 205 фотоэлектрического преобразования дырки, проиллюстрированные с использованием не заштрихованных кружков, накапливаются в качестве сигнальных зарядов, сформированных в течение периода экспозиции. Иными словами, устройство фотоэлектрического преобразования выполняет операцию накопления. Поскольку операция накопления и операция разряда выполняются попеременно, операция разряда выполняется до того, как начинается операция накопления. Поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал снижается (т.е. в направлении, в котором напряжение увеличивается) в соответствии с числом накопленных дырок. В случае накопления электронов поверхностный потенциал изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал увеличивается (т.е. в направлении, в котором напряжение снижается) в соответствии с числом накопленных электронов. Помимо этого, первое напряжение Vd1 подается в узел C. Первое напряжение Vd1 равно, например, 0 В.
[00162] В этом состоянии, транзистор 102 сброса включается. Иными словами, выполняется операция сброса. Эта операция сброса представляет собой операцию сброса, выполняемую позже из двух операций сброса, выполняемых между первой операцией разряда и второй операцией разряда после первой операции разряда. Соответственно, напряжение на узле, включающем в себя второй электрод 209, т.е. напряжение на узле B, проиллюстрированном на фиг. 8, сбрасывается до напряжения Vres сброса. В этом примерном варианте осуществления, узел B включает в себя затвор усилительного транзистора 104. Таким образом, напряжение в затворе усилительного транзистора 104 сбрасывается. Напряжение Vres сброса равно, например, 1 В.
[00163] После этого, транзистор 102 сброса выключается. Соответственно, узел B переводится в электрически высокоимпедансное состояние. В этом случае, шум при сбросе (шум kTC1, проиллюстрированный на фиг. 12A) может формироваться посредством транзистора 102 сброса.
[00164] Поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования может изменяться в соответствии с изменением напряжения на втором электроде 209 во время операции сброса. В этом случае, направление, в котором изменяется напряжение на втором электроде 209, является противоположным направлению, в котором напряжение на втором электроде 209 изменено вследствие накопления сигнального заряда. По этой причине, дырки сигнального заряда остаются накопленными в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Помимо этого, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок из первого электрода 201. Таким образом, величина сигнального заряда, накопленного в слое 205 фотоэлектрического преобразования, не изменяется.
[00165] Если транзистор 105 выбора находится во включенном состоянии, усилительный транзистор 104 выводит шумовой сигнал (Vres+kTC1), включающий в себя шум при сбросе, из пиксела 100. Шумовой сигнал хранится в конденсаторе CTN схемы 140 столбцов.
[00166] Фиг. 12B и 12C иллюстрируют состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (3). Во-первых, второе напряжение Vd2 подается в узел C. Поскольку дырки используются в качестве сигнальных зарядов, второе напряжение Vd2 является напряжением выше первого напряжения Vs1. Второе напряжение Vd2 равно, например, 5 В.
[00167] В этом случае, напряжение на втором электроде 209 (узле B) изменяется в направлении, идентичном направлению, в котором изменяется напряжение на узле C. Величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 определяется в соответствии с отношением значения C1 емкости первого конденсатора 103, соединенного со вторым электродом 209, к значению C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования. Величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 относительно величины dVd изменения напряжения на узле C задается посредством dVB=dVd*C1/(C1+C2). Узел B, включающий в себя второй электрод 209, также может включать в себя другие компоненты емкости. Другие компоненты емкости имеют намного меньшее значение емкости, чем значение C1 емкости первого конденсатора 103. Таким образом, значение емкости узла B может рассматриваться как равное значению C1 емкости первого конденсатора 103.
[00168] В этом примерном варианте осуществления, величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 существенно превышает разность (Vs-Vres) между напряжением Vs на первом электроде 201 и напряжением Vres сброса. Таким образом, потенциал второго электрода 209 ниже потенциала первого электрода 201, и градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется. Соответственно, электрон, проиллюстрированный с использованием заштрихованного кружка, инжектируется в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Помимо этого, некоторые или все дырки, накопленные в слое 205 фотоэлектрического преобразования в качестве сигнальных зарядов, перемещаются в блокирующий слой 203. Дырки, которые перемещены, рекомбинируются с основными носителями в блокирующем слое 203 и исчезают. Следовательно, дырки в слое 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются из слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Для обеднения всего слоя 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются все дырки, накопленные в качестве сигнальных зарядов.
[00169] Затем в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 12C, первое напряжение Vd1 подается в узел C. Соответственно, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется снова. Таким образом, электроны, инжектируемые в слой 205 фотоэлектрического преобразования в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 12B, разряжаются из слоя 205 фотоэлектрического преобразования. С другой стороны, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок в слой 205 фотоэлектрического преобразования из первого электрода 201. Соответственно, поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в соответствии с числом дырок, которые накоплены. В соответствии с изменением поверхностного потенциала, напряжение на втором электроде 209 изменяется из состояния сброса посредством напряжения Vp, соответствующего числу дырок, которые исчезают. Иными словами, напряжение Vp, соответствующее числу дырок, накопленных в качестве сигнальных зарядов, появляется в узле B. Напряжение Vp, соответствующее числу накопленных дырок, упоминается в качестве "компонента оптического сигнала".
[00170] В состоянии, проиллюстрированном на фиг. 12C, транзистор 105 выбора включается. Соответственно, усилительный транзистор 104 выводит оптический сигнал (Vp+Vres+kTC1) из пиксела 100. Оптический сигнал хранится в конденсаторе CTS схемы 140 столбцов. Разность между шумовым сигналом (Vres+kTC1), считываемым на этапе (2), и оптическим сигналом (Vp+Vres+kTC1), считываемым на этапе (4), представляет собой сигнал на основе напряжения Vp, соответствующего накопленному сигнальному заряду.
[00171] Фиг. 12D иллюстрирует состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (5). Транзистор 102 сброса включается, и напряжение на узле B сбрасывается до напряжения Vres сброса. Иными словами, выполняется операция сброса. Эта операция сброса представляет собой операцию сброса, выполняемую раньше из двух операций сброса, выполняемых между первой операцией разряда и второй операцией разряда после первой операции разряда. После этого, транзистор 102 сброса выключается. Вышеописанным способом, узел B сбрасывается до того, как начинается накопление сигнального заряда, либо после того, как начато накопление сигнального заряда, обеспечивая возможность удаления компонента оптического сигнала для предшествующего кадра, который накоплен в узле B. Это позволяет предотвращать уменьшение межэлектродного напряжения, которое должно прикладываться к блоку 101 фотоэлектрического преобразования вследствие компонента оптического сигнала, остающегося на узле B.
[00172] Также в этом случае, шум при сбросе (шум kTC2, проиллюстрированный на фиг. 12D) может формироваться посредством транзистора 102 сброса. Сформированный шум при сбросе может удаляться через операцию сброса на этапе (1), т.е. вторую операцию сброса, в конце периода накопления.
[00173] Фиг. 12E и 12F иллюстрируют состояние блока 101 фотоэлектрического преобразования на этапе (6). Напряжение Vs подается на первый электрод 201, и напряжение Vres сброса подается в узел B. Напряжение Vres сброса ниже напряжения Vs на первом электроде 201. Таким образом, электроны в слое 205 фотоэлектрического преобразования разряжаются в первый электрод 201. Напротив, дырки в слое 205 фотоэлектрического преобразования перемещаются на поверхность раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207. Тем не менее, дырки не могут перемещаться в изолирующий слой 207 и в силу этого накапливаются в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Помимо этого, как описано выше, блокирующий слой 203 предотвращает инжекцию дырок в слой 205 фотоэлектрического преобразования. В этом состоянии, когда свет входит в слой 205 фотоэлектрического преобразования, только дырки в электронно-дырочных парах, сформированных посредством фотоэлектрического преобразования, накапливаются в слое 205 фотоэлектрического преобразования в качестве сигнальных зарядов. После того, как операция накопления выполняется в течение определенного периода, многократно выполняются операции на этапах (1)-(6).
[00174] Накопленные дырки вызывают изменение поверхностного потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования. В соответствии с изменением поверхностного потенциала, увеличивается напряжение на втором электроде 209. Это увеличение представлено посредством Vp0 на фиг. 12F. В операции сброса на фиг. 12A, как описано выше, напряжение на втором электроде 209 изменяется таким образом, чтобы уравновешивать изменение напряжения Vp0. Иными словами, снижается напряжение на втором электроде 209. Соответственно, поверхностный потенциал слоя 205 фотоэлектрического преобразования изменяется в направлении, в котором поверхностный потенциал увеличивается.
[00175] Если сигнальные заряды представляют собой электроны, второе напряжение Vd2 является напряжением ниже первого напряжения Vd1. Таким образом, градиент потенциала, проиллюстрированного на фиг. 12A-12F, инвертируется. Другие операции являются практически идентичными.
[00176] В операции, описанной со ссылкой на фиг. 12A 12F, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования инвертируется в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 12B, обеспечивая разряд накопленных дырок. Неинверсия градиента потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования приводит к возникновению электрического заряда, который не разряжается. Таким образом, может возникать шум. Здесь, по мере того, как возрастает величина, на которую величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 (узле B) превышает разность (Vs-Vres) между напряжением Vs на первом электроде 201 и напряжением Vres сброса, градиент потенциала с большей вероятностью инвертируется. Иными словами, мере того, как возрастает величина, на которую величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 превышает разность (Vs-Vres) между напряжением Vs на первом электроде 201 и напряжением Vres сброса, дополнительное уменьшение уровня шума является достижимым.
[00177] Как описано выше, имеется соотношение, представленное посредством dVB=dVd*C1/(C1+C2), между величиной dVd изменения напряжения на узле C и величиной dVB изменения напряжения на узле B. Иными словами, по мере того, как возрастает значение C1 емкости узла B, увеличивается величина dVB изменения напряжения на узле B.
[00178] В этом примерном варианте осуществления, первый конденсатор 103 соединен со вторым электродом 209. Таким образом, может увеличиваться значение C1 емкости узла B. Эта конфигурация обеспечивает увеличение величины изменения dVB напряжения на узле B. Следовательно, обеднение слоя 205 фотоэлектрического преобразования с большей вероятностью достигается, что приводит к уменьшению электрического заряда, который не разряжается. Следовательно, согласно этому примерному варианту осуществления, может достигаться уменьшение уровня шума.
[00179] Приводится описание сравнительного примера, в котором первый конденсатор 103 не соединен с узлом B. В этой конфигурации, узел B имеет емкость, которая может включать в себя компонент емкости вследствие p-n-перехода в полупроводниковой области и компонент паразитной емкости линии межсоединений. Поскольку компоненты емкости, описанные выше, пренебрежимо меньше значения C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования, значение, заданное посредством C1/(C1+C2), практически равно нулю. Таким образом, даже если напряжение Vd на узле C изменяется, напряжение на узле B практически не изменяется. В этом случае, градиент потенциала не может инвертироваться в состоянии, проиллюстрированном на фиг. 12B, что приводит к вероятности того, что некоторые дырки, накопленные в качестве сигнальных зарядов, не разряжаются. В этом примерном варианте осуществления, в отличие от сравнительного примера, может уменьшаться величина сигнального заряда, который не разряжается, что приводит к уменьшению уровня шума.
[00180] Ниже приводится описание соотношения между значением C1 емкости первого конденсатора 103, значением C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования, и напряжением, подаваемым в каждый блок. В этом примерном варианте осуществления, значение C1 емкости и значение C2 емкости представлены посредством выражения (4) и выражения (1) в первом примерном варианте осуществления, соответственно. Подробное описание здесь не приводится.
[00181] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vd на узлах C управляется с использованием первого напряжения Vd1 и второго напряжения Vd2 таким образом, чтобы накапливать сигнальный заряд и разряжать сигнальный заряд вследствие обеднения слоя 205 фотоэлектрического преобразования. Значение C1 емкости первого конденсатора 103 и значение C2 емкости второго конденсатора 111 удовлетворяют следующему соотношению, за счет этого достигая уменьшения электрического заряда, остающегося в слое 205 фотоэлектрического преобразования в ходе разряда сигнального заряда, описанного выше. Сначала описывается примерный вариант осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой дырки.
[00182] Далее, для простоты, значение C1 емкости первого конденсатора 103 в k раз превышает значение C2 емкости второго конденсатора 111. Иными словами, значение C1 емкости и значение C2 емкости имеют соотношение выражения (18) следующим образом:
C1=k*C2 (18)
[00183] Как описано выше, величина dVd изменения напряжения на узле C и величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 (узле B) имеют соотношение, заданное посредством выражения (19) следующим образом:
dVB=dVd*C1/(C1+C2) (19)
[00184] Выражение (18) и выражение (19) дают в результате выражение (20) следующим образом:
dVB=dVd*k/(1+k) (20)
[00185] Чтобы накапливать дырки в качестве сигнальных зарядов, желательно, чтобы напряжение Vs, подаваемое на первый электрод 201 (узел A), и напряжение Vres сброса удовлетворяли соотношения выражения (21) следующим образом:
Vs>Vres (21)
[00186] Чтобы переносить дырки сигнального заряда, желательно, чтобы напряжение Vs на первом электроде 201 (узле A), напряжение Vres сброса и величина dVB изменения напряжения на втором электроде 209 удовлетворяли соотношению выражения (22) следующим образом:
Vs<Vres+dVB (22)
[00187] Если соотношение выражения (21) удовлетворяется, градиент потенциала, который дает возможность дырке уходить к изолирующему слою 207, может формироваться в слое 205 фотоэлектрического преобразования. Если соотношение выражения (22) удовлетворяется, нетрудно изменять на противоположное направление градиента потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования.
[00188] Выражение (20) и выражение (22) дают в результате выражение (23).
Vs-Vres<dVd*k/(1+k) (23)
[00189] В примерном варианте осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой дырки, второе напряжение Vd2 выше первого напряжения Vd1. Иными словами, величина изменения dVd(=Vd2-Vd1) напряжения на узле C имеет положительное значение. Соответственно, деление обеих сторон выражения (23) на dVd не изменяет ориентацию знака неравенства.
[00190] Соответственно, выражение (23) дает в результате выражение отношения, заданное посредством нижеприведенного выражения (24) для отношения k емкости значения C1 емкости и значения C2 емкости.
[00191] Если соотношение выражения (24) удовлетворяется, может уменьшаться величина электрического заряда, который не разряжается. Соответственно, может достигаться уменьшение уровня шума.
[00192] В этом примерном варианте осуществления, напряжение Vs на первом электроде 201 равно 3 В, а напряжение Vres сброса равно 1 В. Поскольку первое напряжение Vd1 равно 0 В, а второе напряжение Vs2 равно 5 В, величина dVd изменения напряжения на узле C равна 5 В. Таким образом, задается k>2/3. В частности, в этом примерном варианте осуществления, значение C1 емкости первого конденсатора 103 равно 4 фФ, а значение C2 емкости второго конденсатора 111 равно 1 фФ. Иными словами, получается k=4. Эта конфигурация позволяет достигать большего уменьшения уровня шума.
[00193] В этом примерном варианте осуществления, площадь Sd либо верхнего электрода 211, либо нижнего электрода 213 первого конденсатора 103 при виде сверху и площадь Ss второго электрода 209 при виде сверху удовлетворяют соотношению Sd>0,5*Ss. Эта конфигурация позволяет упрощать получение соотношения отношения емкости, описанного выше.
[00194] Дополнительно, по мере того, как возрастает значение k, повышается эффект уменьшения уровня шума. Соответственно, в случае если значение C1 емкости первого конденсатора 103 равно или выше значения C2 емкости второго конденсатора 111, дополнительно может повышаться эффект уменьшения уровня шума.
[00195] Величина dVd изменения напряжения на узле C задается посредством dVd=Vd2-Vd1 с использованием первого напряжения Vd1 и второго напряжения Vd2. Дополнительно, левая сторона выражения (24) может быть перезаписана в качестве C1/(C1+C2) с использованием выражения (18). Соответственно, выражение (24) модифицируется на выражение (25).
[00196] Ниже описывается примерный вариант осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой электроны. Если сигнальные заряды представляют собой электроны, ориентации знаков неравенства в выражении (21) и выражении (22) изменяются. Соответственно, ориентация знака неравенства в выражениях (23) также изменяется. Иными словами, если сигнальные заряды представляют собой электроны, получается нижеприведенное выражение (26).
Vs-Vres>dVd*k/(1+k) (26)
[00197] Следует отметить, что, в примерном варианте осуществления, в котором сигнальные заряды представляют собой электроны, второе напряжение Vd2 ниже первого напряжения Vd1. Иными словами, величина изменения dVd (=Vd2-Vd1) напряжения на узле C имеет отрицательное значение. Соответственно, деление обеих сторон выражения (26) на dVd изменяет ориентацию знака неравенства. Следовательно, как в случае, когда сигнальные заряды представляют собой дырки, получается выражение отношения, заданное посредством выражений (24) и (25).
[00198] Здесь описывается соотношение, заданное посредством выражения (25). По мере того, как напряжение Vres сброса приближается к напряжению Vs, подаваемому на первый электрод 201 блока 101 фотоэлектрического преобразования, значение справа снижается. Иными словами, даже если значение C1 емкости первого конденсатора 103 является небольшим, градиент потенциала слоя 205 фотоэлектрического преобразования может инвертироваться. Если разность между напряжением Vres сброса и напряжением Vs, подаваемым на первый электрод 201, является небольшой, величина электрического заряда, который может накапливаться в слое 205 фотоэлектрического преобразования, является небольшой.
[00199] Напротив, по мере того, как возрастает разность между напряжением Vres сброса и напряжением Vs, значение справа увеличивается. Иными словами, большое значение используется для значения C1 емкости первого конденсатора 103. В этом случае, разность между напряжением Vres сброса и первым напряжением Vs1 является большой. Таким образом, может увеличиваться величина электрического заряда, который может накапливаться в слое 205 фотоэлектрического преобразования.
[00200] С точки зрения баланса между величиной насыщения электрического заряда и значением C1 емкости первого конденсатора 103, предпочтительно, чтобы разность между напряжением Vres сброса и напряжением Vs была в диапазоне 20-80% от разности между первым напряжением Vs1 и вторым напряжением Vs2. Например, если первое напряжение Vs1 равно 0 В, а второе напряжение Vs2 равно 5 В, желательно, чтобы разность относительно напряжения Vres сброса была в диапазоне 1-4 В.
[00201] В частности, увеличение разности между первым напряжением Vd1 и вторым напряжением Vd2 позволяет уменьшать значение C1 емкости первого конденсатора 103, даже если разность между напряжением Vres сброса и напряжением Vs является большой. Тем не менее, в случае если устройство фотоэлектрического преобразования используется в качестве датчика изображений камеры и т.п., низкое напряжение питания используется для уменьшения потребления мощности. Например, напряжение питания, подаваемое на датчик изображений, типично меньше или равно 5 В. Соответственно, значения, меньшие или равные 5 В, также используются для напряжений в выражениях (24)-(25). В силу этого трудно увеличивать разность между первым напряжением Vd1 и вторым напряжением Vd2. В этом случае, значение C1 емкости первого конденсатора 103 и значение C2 емкости второго конденсатора 111 удовлетворяют соотношению, описанному выше, обеспечивая уменьшение уровня шума с возбуждением низким напряжением устройства фотоэлектрического преобразования.
[00202] Как описано выше, уменьшение уровня шума может достигаться с использованием соотношения между значением C1 емкости первого конденсатора 103 и значением C2 емкости второго конденсатора 111, включенного в блок 101 фотоэлектрического преобразования. Следует понимать, что эффект уменьшения уровня шума должен достигаться, даже если отношение значения C1 емкости и значения C2 емкости не удовлетворяет соотношению выражения (24) или выражения (25). Числовые значения, приведенные выше, являются просто примерами и не имеют намерение быть ограничивающими.
[00203] Энергетические уровни дефектов и т.п. могут присутствовать на поверхности раздела между слоем 205 фотоэлектрического преобразования и изолирующим слоем 207. В этом случае, может быть достаточным учитывать напряжение плоских зон посредством использования известной технологии.
[00204] Далее описывается способ для возбуждения устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 13 иллюстрирует временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 13, проиллюстрированы возбуждающие сигналы для считывания сигналов для n-ой строки и (n+1)-ой строки, или для двух строк всего.
[00205] Отличие от способа возбуждения согласно первому примерному варианту осуществления заключается в том, что сигнал Vd напряжения подается в узлы C, проиллюстрированные на фиг. 8. На фиг. 13, проиллюстрирована временная диаграмма сигнала Vd напряжения. Сигнал Vd напряжения включает в себя первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2. Период, в течение которого сигнал Vs напряжения является первым напряжением Vs1 в первом примерном варианте осуществления, соответствует периоду, в течение которого сигнал Vd напряжения является первым напряжением Vd1 в этом примерном варианте осуществления. Период, в течение которого сигнал Vs напряжения является вторым напряжением Vs2 в первом примерном варианте осуществления, соответствует периоду, в течение которого сигнал Vd напряжения является вторым напряжением Vd2 в этом примерном варианте осуществления.
[00206] Временная диаграмма других возбуждающих сигналов является практически идентичной временной диаграмме на фиг. 7. Таким образом, подробное описание здесь не приводится.
[00207] В устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления, как описано выше, транзистор 102 сброса выполняет первую операцию сброса, проиллюстрированную на фиг. 6D, и вторую операцию сброса, проиллюстрированную на фиг. 6A, в расчете на каждую операцию накопления, выполняемую посредством блока 101 фотоэлектрического преобразования. Эта конфигурация позволяет предотвращать уменьшение межэлектродного напряжения, которое должно прикладываться к блоку 101 фотоэлектрического преобразования. Следовательно, может улучшаться динамический диапазон.
ТРЕТИЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00208] Ниже описывается другой примерный вариант осуществления. Этот примерный вариант осуществления отличается от первого примерного варианта осуществления и второго примерного варианта осуществления тем, что переключатель размещается между блоком фотоэлектрического преобразования и входным узлом блока усиления. Таким образом, описываются только части, отличающиеся от первого примерного варианта осуществления или второго примерного варианта осуществления. Части, которые являются практически идентичными частям в любом из первого примерного варианта осуществления и второго примерного варианта осуществления, не описываются.
[00209] Фиг. 14 схематично иллюстрирует конфигурацию пикселов 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 14, проиллюстрированы четыре пиксела 100, размещенные в двух строках и двух столбцах. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A, назначаются идентичные ссылочные позиции. Каждый из блоков 101 фотоэлектрического преобразования имеет структуру, аналогичную структуре в первом примерном варианте осуществления. Таким образом, структура в поперечном сечении блоков 101 фотоэлектрического преобразования не проиллюстрирована на фиг. 14.
[00210] В этом примерном варианте осуществления, переключатели 501 размещаются в электрических путях между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и первыми конденсаторами 103. Другими словами, первые конденсаторы 103 электрически подключены к блокам 101 фотоэлектрического преобразования через переключатели 501. Переключатели 501 также расположены в электрических путях между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и усилительными транзисторами 104. Другими словами, усилительные транзисторы 104 электрически подключены к блокам 101 фотоэлектрического преобразования через переключатели 501. Затворы усилительных транзисторов 104 и первые контактные выводы первых конденсаторов 103 включены в узлы B.
[00211] Переключатели 501 управляют электропроводностью между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и узлами B. Выключение как переключателей 501 и транзисторов 102 сброса переводит узлы B в электрически высокоимпедансное состояние.
[00212] Возбуждающий сигнал pGS подается на переключатели 501. Знаки, указывающие строки, к примеру, (n) и (n+1), назначаются для того, чтобы отличать возбуждающие сигналы pGS, которые должны подаваться на разные строки.
[00213] Конфигурация каждого из пикселов 100 согласно этому примерному варианту осуществления является практически идентичной конфигурации в первом примерном варианте осуществления, за исключением того, что размещается переключатель 501. Кроме того, общая конфигурация устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления также является практически идентичной общей конфигурации в первом примерном варианте осуществления.
[00214] Конфигурация, описанная выше, позволяет периодам экспозиции для всех строк совпадать. Так называемый глобальный электронный затвор осуществляется. Поскольку возбуждающий сигнал pGS подается независимо построчно, также осуществляется переключение между режимом работы как глобального электронного затвора и режимом работы как сдвигаемого затвора.
[00215] В этом примерном варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 14, напряжение Vs из блока 110 подачи напряжения подается в узлы A, с которыми соединены первые контактные выводы блоков 101 фотоэлектрического преобразования. Аналогично первому примерному варианту осуществления, блок 110 подачи напряжения управляет напряжением на узлах A с использованием, по меньшей мере, первого напряжения Vs1 и второго напряжения Vs2. Эта конфигурация обеспечивает накопление электрического заряда в блоках 101 фотоэлектрического преобразования и разряд или перенос электрического заряда из блоков 101 фотоэлектрического преобразования.
[00216] Далее описывается способ для возбуждения устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 15 иллюстрирует временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 15, проиллюстрированы возбуждающие сигналы для считывания сигналов для n-ой строки и (n+1)-ой строки, или для двух строк всего.
[00217] Отличие от способа возбуждения согласно первому примерному варианту осуществления заключается в том, что возбуждающий сигнал pGS подается на переключатель 501. На фиг. 15, проиллюстрирована временная диаграмма возбуждающего сигнала pGS. Когда возбуждающий сигнал pGS имеет высокий уровень, переключатель 501 включается. Когда возбуждающий сигнал pGS имеет низкий уровень, переключатель 501 выключается.
[00218] Устройство фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления выполнено с возможностью осуществлять работу в режиме глобального электронного затвора. До времени t1, блоки 101 фотоэлектрического преобразования пикселов 100 в n-ой строке и блоки 101 фотоэлектрического преобразования пикселов 100 в (n+1)-ой строке накапливают сигнальный заряд. Кроме того, до времени t1, сигнал Vs(n) напряжения для n-ой строки и сигнал Vs(n+1) напряжения для (n+1)-ой строки равны первому напряжению Vs1.
[00219] Во время t1, возбуждающий сигнал pRES(n) и возбуждающий сигнал pRES(n+1) повышаются до высокого уровня, и транзисторы 102 сброса пикселов 100 в n-ой строке включаются. Соответственно, напряжение на узлах B пикселов 100 в n-ой строке и напряжение на узлах B пикселов 100 в (n+1)-ой строке сбрасываются до напряжения Vres сброса. После этого, во время t2, возбуждающий сигнал pRES(n) и возбуждающий сигнал pRES(n+1) падают до низкого уровня, и транзисторы 102 сброса пикселов 100 выключаются.
[00220] Во время t3, возбуждающий сигнал pGS(n) и возбуждающий сигнал pGS(n+1) повышаются до высокого уровня. Соответственно, переключатели 501 включаются. Таким образом, каждый из пикселов 100 согласно этому примерному варианту осуществления имеет эквивалентную схему, проиллюстрированную на фиг. 1B или 1C.
[00221] Во время t4, сигнал Vs(n) напряжения и сигнал Vs(n+1) напряжения переходят от первого напряжения Vs1 ко второму напряжению Vs2. Затем, во время t5, сигнал Vs(n) напряжения и сигнал Vs(n+1) напряжения переходят от второго напряжения Vs2 к первому напряжению Vs1. Посредством операции от времени t4 до времени t5 сигнальный заряд переносится. Соответственно, напряжение Vp, соответствующее величине накопленного сигнального заряда, формируется в узлах B. Операция в это время является практически идентичной операции, описанной в первом примерном варианте осуществления со ссылкой на фиг. 6A-6F. Иными словами, состояние энергетической зоны каждого из блоков 101 фотоэлектрического преобразования в это время проиллюстрировано на фиг. 6B и фиг. 6C.
[00222] Во время t6 возбуждающий сигнал pGS(n) и возбуждающий сигнал pGS(n+1) падают до низкого уровня. Соответственно, переключатели 501 выключаются. Это приводит к прерыванию электропроводности между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и узлами B. Таким образом, в то время как узлы B поддерживают напряжение Vp, соответствующее величине сигнального заряда для предшествующего кадра, блоки 101 фотоэлектрического преобразования могут накапливать сигнальный заряд для последующего кадра. В этом примерном варианте осуществления, пикселы 100 во множестве строк допускают параллельное выполнение работы, описанной выше. Иными словами, блоки 101 фотоэлектрического преобразования пикселов 100 во множестве строк допускают одновременное начало накопления сигнального заряда.
[00223] В последующей операции, оптические сигналы считываются по строкам. Во время t7, возбуждающий сигнал pSEL(n) повышается до высокого уровня. Во время t7, возбуждающий сигнал pTS(n) также повышается до высокого уровня. Соответственно, усилительные транзисторы 104 пикселов 100 в n-ой строке выводят оптический сигнал. Оптические сигналы, выводимые из пикселов 100, в n-ой строке, хранятся в конденсаторах CTS. Оптические сигналы, хранимые в конденсаторах CTS, выводятся в блок 170 вывода постолбцово после времени t9.
[00224] Во время t10, считывание оптических сигналов для (n+1)-й строки начинается. Эта операция является аналогичной операции для n-й строки и не описывается в данном документе.
[00225] Посредством операции, описанной выше, осуществляется считывание сигналов на основе работы в режиме глобального электронного затвора. На фиг. 15, проиллюстрированы возбуждающие сигналы только для n-й строки и (n+1)-й строки. Следует отметить, что операция от времени t1 до времени t6 может выполняться одновременно для всех строк.
[00226] Кроме того, в этом примерном варианте осуществления, возбуждающие сигналы, проиллюстрированные на фиг. 7, могут подаваться в то время, когда возбуждающий сигнал pGS поддерживается на высоком уровне. Это обеспечивает считывание сигналов на основе работы в режиме сдвигаемого затвора способом, аналогичным способу в первом примерном варианте осуществления.
[00227] Также в этом примерном варианте осуществления, первый конденсатор 103 соединен с узлом B. Таким образом, может достигаться эффект уменьшения уровня шума.
ЧЕТВЕРТЫЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00228] Ниже описывается другой примерный вариант осуществления. Этот примерный вариант осуществления отличается от первого примерного варианта осуществления и второго примерного варианта осуществления тем, что переключатель размещается между блоком фотоэлектрического преобразования и входным узлом блока усиления. Отличие между этим примерным вариантом осуществления и третьим примерным вариантом осуществления заключается в следующем. В третьем примерном варианте осуществления, управляется напряжение на узле A, тогда как в этом примерном варианте осуществления управляется напряжение на узле C. Таким образом, описываются только части, отличающиеся от первого-третьего примерного варианта осуществления. Части, которые являются практически идентичными частям в любом из первого-третьего примерного варианта осуществления, не описываются.
[00229] Фиг. 16 схематично иллюстрирует конфигурацию пикселов 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 16, проиллюстрированы четыре пиксела 100, размещенные в двух строках и двух столбцах. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 8, назначаются идентичные ссылочные позиции. Каждый из блоков 101 фотоэлектрического преобразования имеет структуру, аналогичную структуре во втором примерном варианте осуществления. Таким образом, структура в поперечном сечении блоков 101 фотоэлектрического преобразования не проиллюстрирована на фиг. 16.
[00230] В этом примерном варианте осуществления, переключатели 501 размещаются в электрических путях между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и первыми конденсаторами 103. Другими словами, первые конденсаторы 103 электрически подключены к блокам 101 фотоэлектрического преобразования через переключатели 501. Переключатели 501 также расположены в электрических путях между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и усилительными транзисторами 104. Другими словами, усилительные транзисторы 104 электрически подключены к блокам 101 фотоэлектрического преобразования через переключатели 501. Затворы усилительных транзисторов 104 и первые контактные выводы первых конденсаторов 103 включены в узлы B.
[00231] Переключатели 501 управляют электропроводностью между блоками 101 фотоэлектрического преобразования и узлами B. Выключение как переключателей 501 и транзисторов 102 сброса переводит узлы B в электрически высокоимпедансное состояние.
[00232] Возбуждающий сигнал pGS подается на переключатели 501. Знаки, указывающие строки, к примеру, (n) и (n+1), назначаются для того, чтобы отличать возбуждающие сигналы pGS, которые должны подаваться на разные строки.
[00233] Конфигурация каждого из пикселов 100 согласно этому примерному варианту осуществления является практически идентичной конфигурации во втором примерном варианте осуществления, за исключением того, что размещается переключатель 501. Кроме того, общая конфигурация устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления также является практически идентичной общей конфигурации во втором примерном варианте осуществления.
[00234] Конфигурация, описанная выше, позволяет периодам экспозиции для всех строк совпадать. Так называемый глобальный электронный затвор осуществляется. Поскольку возбуждающий сигнал pGS подается независимо построчно, также осуществляется переключение между режимом работы как глобального электронного затвора и режимом работы как сдвигаемого затвора.
[00235] В этом примерном варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 16, напряжение Vd из блока 410 подачи напряжения подается в узлы C, соединенные с узлами B через первые конденсаторы 103. Аналогично второму примерному варианту осуществления, блок 410 подачи напряжения управляет напряжением на узлах C с использованием, по меньшей мере, первого напряжения Vd1 и второго напряжения Vd2. Эта конфигурация обеспечивает накопление электрического заряда в блоках 101 фотоэлектрического преобразования и разряд или перенос электрического заряда из блоков 101 фотоэлектрического преобразования.
[00236] Далее описывается способ для возбуждения устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 17 иллюстрирует временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 17, проиллюстрированы возбуждающие сигналы для считывания сигналов для n-ой строки и (n+1)-ой строки, или для двух строк всего.
[00237] Отличие от способа возбуждения согласно третьему примерному варианту осуществления заключается в том, что сигнал Vd напряжения подается в узлы C, проиллюстрированные на фиг. 16. На фиг. 17, проиллюстрирована временная диаграмма сигнала Vd напряжения. Сигнал Vd напряжения включает в себя первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2. Период, в течение которого сигнал Vs напряжения является первым напряжением Vs1 в третьем примерном варианте осуществления, соответствует периоду, в течение которого сигнал Vd напряжения является первым напряжением Vd1 в этом примерном варианте осуществления. Период, в течение которого сигнал Vs напряжения является вторым напряжением Vs2 в третьем примерном варианте осуществления, соответствует периоду, в течение которого сигнал Vd напряжения является вторым напряжением Vd2 в этом примерном варианте осуществления.
[00238] Временная диаграмма других возбуждающих сигналов является практически идентичной временной диаграмме на фиг. 15. Таким образом, подробное описание здесь не приводится.
[00239] В этом примерном варианте осуществления, способом, описанным выше, осуществляется считывание сигналов на основе работы в режиме глобального электронного затвора. Кроме того, в этом примерном варианте осуществления, возбуждающие сигналы, проиллюстрированные на фиг. 7, могут подаваться в то время, когда возбуждающий сигнал pGS поддерживается на высоком уровне. Это обеспечивает считывание сигналов на основе работы в режиме сдвигаемого затвора способом, аналогичным способу в первом примерном варианте осуществления.
[00240] Также в этом примерном варианте осуществления, первый конденсатор 103 соединен с узлом B. Таким образом, может достигаться эффект уменьшения уровня шума.
ПЯТЫЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00241] Ниже описывается другой примерный вариант осуществления. Этот примерный вариант осуществления отличается от первого-четвертого примерного варианта осуществления тем, что каждый пиксел включает в себя фиксирующую схему, соединенную ниже блока усиления. Таким образом, описываются только части, отличающиеся от первого-четвертого примерного варианта осуществления. Части, которые являются практически идентичными частям в любом из первого-четвертого примерного варианта осуществления, не описываются.
[00242] Фиг. 18 схематично иллюстрирует конфигурацию пикселов 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 18, проиллюстрированы четыре пиксела 100, размещенные в двух строках и двух столбцах. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A, назначаются идентичные ссылочные позиции. Каждый из блоков 101 фотоэлектрического преобразования имеет структуру, аналогичную структуре в любом из первого-четвертого примерных вариантов осуществления. Таким образом, структура в поперечном сечении блоков 101 фотоэлектрического преобразования не проиллюстрирована на фиг. 18.
[00243] В этом примерном варианте осуществления, каждый из пикселов 100 включает в себя два блока усиления. Первый блок усиления представляет собой схему истокового повторителя, включающую в себя первый усилительный транзистор 611 и источник 612 тока. Второй блок усиления включает в себя второй усилительный транзистор 631. Второй усилительный транзистор 631 соединен с выходной линией 130 через транзистор 105 выбора. Второй усилительный транзистор 631 и источник 160 тока, соединенный с выходной линией 130, составляют схему истокового повторителя.
[00244] Каждый из пикселов 100 дополнительно включает в себя фиксирующую схему для реализации глобального электронного затвора. Фиксирующая схема включает в себя фиксирующий переключатель 621, фиксирующий конденсатор 622 и фиксирующий переключатель 623 источника напряжения. Фиксирующий переключатель 621 располагается в электрическом пути между узлом B, с которым соединен первый конденсатор 103, и входным узлом для второго блока усиления пиксела 100. Возбуждающий сигнал pGS подается на фиксирующий переключатель 621. Возбуждающий сигнал pCL подается на фиксирующий переключатель 623 источника напряжения.
[00245] Фиксирующая схема фиксирует шумовой сигнал, выводимый из первого блока усиления. После этого, первый блок усиления выводит оптический сигнал. Таким образом, фиксирующая схема допускает удаление шума, к примеру, шума при сбросе, включенного в оптический сигнал. Эта конфигурация обеспечивает реализацию работы в режиме глобального электронного затвора при одновременном удалении случайного шума, такого как шум при сбросе.
[00246] Далее описывается способ для возбуждения устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. Фиг. 19 иллюстрирует временную диаграмму возбуждающих сигналов, используемых в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 19, проиллюстрированы возбуждающие сигналы для считывания сигналов для n-ой строки и (n+1)-ой строки, или для двух строк всего.
[00247] Отличие от способа возбуждения согласно первому примерному варианту осуществления заключается в том, что возбуждающий сигнал pGS подается на переключатель 501. На фиг. 19, проиллюстрирована временная диаграмма сигнала Vd напряжения. Когда возбуждающий сигнал имеет высокий уровень, соответствующий переключатель включается. Когда возбуждающий сигнал имеет низкий уровень, соответствующий переключатель выключается.
[00248] Во время t1, возбуждающий сигнал pGS(n) и возбуждающий сигнал pGS(n+1) повышаются до высокого уровня. Во время t2, возбуждающий сигнал pRES(n) и возбуждающий сигнал pRES(n+1) повышаются до высокого уровня. Кроме того, во время t2, возбуждающий сигнал pCL(n) и возбуждающий сигнал pCL(n+1) также повышаются до высокого уровня. После этого, во время t3, возбуждающий сигнал pRES(n) и возбуждающий сигнал pRES(n+1) падают до низкого уровня. Во время t4, возбуждающий сигнал pCL(n) и возбуждающий сигнал pCL(n+1) падают до низкого уровня. Соответственно, фиксирующие схемы пикселов 100 в n-ой строке и (n+1)-ой строке фиксируют шумовые сигналы.
[00249] Затем, в период от времени t5 до времени t6, сигнал Vd(n) напряжения и сигнал Vd(n+1) напряжения являются вторым напряжением Vd2. Таким образом, накопленный сигнальный заряд переносится. Поскольку фиксирующий переключатель 621 находится во включенном состоянии, напряжение Vp, соответствующее величине сигнального заряда, формируется в фиксирующем конденсаторе 622.
[00250] После этого, во время t7, возбуждающий сигнал pGS(n) и возбуждающий сигнал pGS(n+1) падают до низкого уровня. Соответственно, фиксирующие схемы пикселов 100 электрически отделены от блоков 101 фотоэлектрического преобразования.
[00251] В последующей операции, оптические сигналы считываются по строкам. Эта операция является практически идентичной операции в третьем примерном варианте осуществления или четвертом примерном варианте осуществления и не описывается в данном документе.
[00252] Посредством операции, описанной выше, реализуется работа в режиме глобального электронного затвора. Кроме того, в этом примерном варианте осуществления, каждый из пикселов 100 включает в себя фиксирующую схему. Эта конфигурация обеспечивает уменьшение случайного шума, к примеру, шума при сбросе.
ШЕСТОЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00253] Ниже описывается другой примерный вариант осуществления. Этот примерный вариант осуществления отличается от первого-пятого примерного варианта осуществления тем, что каждый пиксел включает в себя схему дискретизации и запоминания, соединенную ниже блока усиления. Таким образом, описываются только части, отличающиеся от первого-пятого примерного варианта осуществления. Части, которые являются практически идентичными частям в любом из первого-пятого примерного варианта осуществления, не описываются.
[00254] Фиг. 20 схематично иллюстрирует конфигурацию пикселов 100 устройства фотоэлектрического преобразования согласно этому примерному варианту осуществления. На фиг. 20, проиллюстрированы четыре пиксела 100, размещенные в двух строках и двух столбцах. Частям, имеющим функции, практически идентичные функциям частей на фиг. 1A или фиг. 18, назначаются идентичные ссылочные позиции. Каждый из блоков 101 фотоэлектрического преобразования имеет структуру, аналогичную структуре в любом из первого-пятого примерных вариантов осуществления. Таким образом, структура в поперечном сечении блоков 101 фотоэлектрического преобразования не проиллюстрирована на фиг. 20.
[00255] В этом примерном варианте осуществления, каждый из пикселов 100 включает в себя два блока усиления. Первый блок усиления представляет собой схему истокового повторителя, включающую в себя первый усилительный транзистор 611 и источник 612 тока. Второй блок усиления включает в себя второй усилительный транзистор 631. Второй усилительный транзистор 631 соединен с выходной линией 130 через транзистор 105 выбора. Второй усилительный транзистор 631 и источник 160 тока, соединенный с выходной линией 130, составляют схему истокового повторителя.
[00256] Каждый из пикселов 100 дополнительно включает в себя схему дискретизации и запоминания (в дальнейшем называемую "S/H-схемой") для реализации глобального электронного затвора. Пиксел 100 включает в себя S/H-схему шумовых сигналов и S/H-схему оптических сигналов. S/H-схема шумовых сигналов хранит шумовой сигнал, выводимый из первого блока усиления. S/H-схема оптических сигналов хранит оптический сигнал, выводимый из первого блока усиления. S/H-схема шумовых сигналов включает в себя конденсатор 701, первый переключатель 711 и второй переключатель 721. S/H-схема оптических сигналов включает в себя конденсатор 702, первый переключатель 712 и второй переключатель 722.
[00257] Эта конфигурация обеспечивает реализацию работы в режиме глобального электронного затвора при одновременном удалении случайного шума, такого как шум при сбросе.
[00258] Ниже описывается способ возбуждения согласно этому примерному варианту осуществления. Здесь приводится описание только возбуждения S/H-схем для выполнения работы в режиме глобального электронного затвора.
[00259] Во-первых, первые переключатели 711 S/H-схем шумовых сигналов в пикселах 100 во всех строках включаются в состоянии, в котором входные узлы первых блоков усиления сбрасываются. Соответственно, шумовые сигналы хранятся в конденсаторах 701. Затем выполняется операция переноса сигнального заряда. Эта операция является аналогичной операции в любом из первого-четвертого примерного варианта осуществления. Затем первые переключатели 712 S/H-схем оптических сигналов в пикселах 100 во всех строках включаются. Соответственно, оптические сигналы хранятся в конденсаторах 702. После этого, вторые переключатели 721 и 722 включаются по строкам. Соответственно, сигналы из пикселов 100 считываются по строкам. Сигналы, выводимые из пикселов 100, хранятся в схемах 140 столбцов способом, аналогичным способу в первом примерном варианте осуществления, и подвергаются процессу вычитания, чтобы удалять шум.
[00260] Посредством операции, описанной выше, реализуется работа в режиме глобального электронного затвора. Кроме того, в этом примерном варианте осуществления, каждый из пикселов 100 включает в себя схему дискретизации и запоминания. Эта конфигурация обеспечивает уменьшение случайного шума, к примеру, шума при сбросе.
СЕДЬМОЙ ПРИМЕРНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[00261] Ниже описывается система формирования изображений согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Примеры системы формирования изображений включают в себя цифровую фотокамеру, цифровую записывающую видеокамеру, видеоголовку, копировальную машину, факс, мобильный телефон, устанавливаемую в автомобиле камеру и спутник наблюдения. Фиг. 21 является блок-схемой цифровой фотокамеры в качестве примера системы формирования изображений.
[00262] Ссылаясь на фиг. 21, цифровая фотокамера включает в себя следующие компоненты. Перегородка 1001 выполнена с возможностью защищать линзу 1002. Линза 1002 выполнена с возможностью формировать оптическое изображение объекта на устройстве 1004 фотоэлектрического преобразования (или устройстве формирования изображений). Апертура 1003 допускает изменение количества света, передаваемого через линзу 1002. Устройство 1004 фотоэлектрического преобразования представляет собой любое из устройств фотоэлектрического преобразования, описанных выше в вышеприведенных примерных вариантах осуществления, и выполнено с возможностью преобразовывать оптическое изображение, сформированное посредством линзы 1002, в данные изображений. В качестве примера, блок аналого-цифрового (AD) преобразования формируется на полупроводниковой подложке устройства 1004 фотоэлектрического преобразования. Блок 1007 обработки сигналов обработки сигналов выполнен с возможностью осуществлять различные виды коррекции для данных формирования изображений, выводимых из устройства 1004 фотоэлектрического преобразования, и сжимать данные. Генератор 1008 тактовых импульсов выводит различные тактовые сигналы в устройство 1004 фотоэлектрического преобразования и блок 1007 обработки сигналов обработки сигналов. Блок 1009 централизованного управления (или блок централизованного управления/вычислений) выполнен с возможностью управлять полной цифровой фотокамерой. Запоминающее устройство 1010 кадров выполнено с возможностью временно сохранять данные изображений. Интерфейсный блок 1011 управления носителем записи представляет собой интерфейсный блок для записи или считывания данных на/с носителя 1012 записи. Носитель 1012 записи представляет собой съемный носитель записи, такой как полупроводниковое запоминающее устройство, на/с которого записываются либо считываются данные обработки изображений. Внешний интерфейсный блок 1013 представляет собой интерфейсный блок, выполненный с возможностью обмениваться данными с внешним компьютером или аналогичным устройством. Тактовые сигналы и т.п. могут вводиться из устройства за пределами системы формирования изображений. Может быть достаточным, что система формирования изображений включает в себя, по меньшей мере, устройство 1004 фотоэлектрического преобразования и блок 1007 обработки сигналов обработки сигналов, чтобы обрабатывать сигнал формирования изображений, выводимый из устройства 1004 фотоэлектрического преобразования.
[00263] В этом примерном варианте осуществления, описана конфигурация, в которой устройство 1004 фотоэлектрического преобразования и блок аналого-цифрового преобразования располагаются на отдельных полупроводниковых подложках. Альтернативно, устройство 1004 фотоэлектрического преобразования и блок аналого-цифрового преобразования могут формироваться на идентичной полупроводниковой подложке. Устройство 1004 фотоэлектрического преобразования и блок 1007 обработки сигналов обработки сигналов также могут формироваться на идентичной полупроводниковой подложке.
[00264] Альтернативно, каждый из пикселов 100 может быть выполнен с возможностью включать в себя первый блок 101A фотоэлектрического преобразования и второй блок 101B фотоэлектрического преобразования. Блок 1007 обработки сигналов обработки сигналов может быть выполнен с возможностью обрабатывать сигнал на основе электрического заряда, сформированного посредством первого блока 101A фотоэлектрического преобразования, и сигнал на основе электрического заряда, сформированного посредством второго блока 101B фотоэлектрического преобразования, и получать информацию о расстоянии от устройства 1004 фотоэлектрического преобразования до объекта.
[00265] В системе формирования изображений согласно примерному варианту осуществления, устройство 1004 фотоэлектрического преобразования реализовано как устройство фотоэлектрического преобразования согласно первому примерному варианту осуществления в качестве примера. Как описано выше, посредством применения примерного варианта осуществления настоящего изобретения, система формирования изображений может получать изображение с уменьшенным шумом.
[00266] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем прилагаемой формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации, так что он заключает в себе все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.