СХЕМА ПИКСЕЛА, ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СИСТЕМА КАМЕРЫ
PIXEL CIRCUIT, SOLID-STATE IMAGING DEVICE AND CAMERA SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается схемы пикселя, представленной в виде КМОП датчика изображения, полупроводникового устройства формирования изображения и системы камеры.
Уровень техники
В последнее время КМОП устройства формирования изображения для фотокамер, видеокамер, камер видеонаблюдения и подобных устройств стали широко распространены и также расширились рынки их применения.
КМОП устройство формирования изображения преобразует свет, падающий на каждый пиксел в электроны с помощью фотодиода, который осуществляет фотоэлектрическое преобразование, накапливает электроны в течение фиксированного периода времени, оцифровывает сигнал, отражающий накопленный электрический заряд, и выводит оцифрованный сигнал.
На фиг.1 показан вид, иллюстрирующий схему пиксела, содержащую четыре транзистора в одном единичном пикселе.
Схема РХ1 единичного пиксела содержит фотодиод 1, транзистор 2 передачи, транзистор 3 возврата в исходное положение, транзистор 4 усиления, транзистор 5 выбора строк, узел 6 накопления и плавающую диффузионную область 7 (ПД, плавающий диффузионный слой).
Электрод затвора транзистора 2 передачи соединен с линией 8 передачи, а электрод затвора транзистора 3 возврата в исходное положение соединен с линией 9 возврата в исходное положение. Электрод затвора транзистора 4 усиления соединен с ПД 7, а электрод затвора транзистора 5 выбора строк соединен с вертикальной сигнальной линией 11.
Схема 12 постоянного тока и датчик 13 соединены с вертикальной сигнальной линией 11.
В схеме РХ1 пиксела свет, падающий на кремниевую подложку пиксела, генерирует пары из электронов и дырок и электроны пар фокусируются и накапливаются в узле 6 с помощью фотодиода 1. В конечном счете, электроны считываются в виде сигнала, направляемого в вертикальную сигнальную линию 11.
Далее со ссылкой на фиг.2 будут описаны конкретные операции накопления электрического заряда и его считывания.
На фиг.2(А)-2(D) показаны временные диаграммы для схемы пиксела с фиг.1.
Сначала, перед накоплением электрического заряда пиксел возвращается в исходное положение. Тем самым устанавливается высокий уровень в линии 9 возврата в исходное положение и линии 8 передачи, так что транзистор 3 возврата в исходное положение и транзистор 2 передачи находятся в открытом положении. Например, эта операция представляет собой операцию передачи напряжение питания 3 В на узел 6 накопления фотодиода.
Таким образом, увеличивается потенциал узла 6 накопления и извлекаются накопленные там электроны.
В диоде с накоплением дырок (ДНД), который в последнее время стал широко распространен, узел 6 накопления сформирован в углубленном диффузионном слое n-типа, расположенном между слоями p-типа, и все электроны перемещены, так что узел находится в состоянии полного обеднения. Увеличение потенциала узла 6 также останавливается в момент времени, когда все электроны перемещены и его уровень становится равным заданном уровню, который ниже напряжения питания 3 В.
После этого линия 8 передачи имеет низкий уровень, а транзистор 2 передачи закрыт, так что узел 6 накопления находится в плавающем состоянии и начинается накопление нового электрического заряда. Во время накопления электрического заряда, обычно транзистор 3 возврата в исходное положение обычно закрыт.
В общем, описанная выше операция возврата пиксела в исходное положение используется в качестве операции электронного фотозатвора КМОП датчика изображения.
Далее будет описана работа считывания накопленного электрического заряда.
Сначала линия 10 выбора строк имеет высокий уровень, а транзистор 5 выбора строк открыт, так что транзистор 4 усиления для пиксела соединен с вертикальной сигнальной линией 11.
Здесь вертикальная сигнальная линия 11 соединена с транзистором 4 усиления, а схема 12 постоянного тока образует схему истокового повторителя, и потенциал Vf ПД 7, которая является входом, и потенциал Vsl вертикальной сигнальной линии 11, которая является выходом, связаны линейно, при этом отношение изменения близко к 1.
То есть если значение тока схемы 12 стабилизированного тока равно i, то теоретически справедлива следующая формула.
[Формула 1]
i=(1/2)*β*(Vf-Vth-Vsl)2, где β является константой.
Здесь величина (Vf-Vth-Vsl) становится постоянной, и изменение Vf линейно отражается на Vsl.
То есть схема истокового повторителя работает как схема усиления, в которой коэффициент усиления примерно равен 1, и управляет вертикальной сигнальной линией 11 в соответствии с величиной сигнала ПД 7, которая является входным узлом.
Здесь напряжение питания 3 В передается на ПД 7 путем переключения линии 9 возврата в исходное положение на высокий уровень и открытия транзистора 3 возврата в исходное положение.
Далее, после закрытия транзистора 3 возврата в исходное положение, первое измерение потенциала Vsl вертикальной сигнальной линии 11 осуществляется с помощью датчика 13, который содержит устройство сравнения, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) или подобные устройства. Это представляет собой считывание сигнала возврата в исходное положение.
Далее электроны, накопленные в узле 6 накопления, текут в ПД 7 благодаря переключению линии 8 передачи на высокий уровень и открытию транзистора 2 передачи.
В этом случае, если потенциал ПД 7 достаточно сильный, то есть высокий потенциал, все электроны, накопленные в узле 6 накопления, перемещаются в ПД 7 и узел 6 накопления находится в полностью обедненном состоянии.
Здесь транзистор 2 передачи закрывается и осуществляется второе измерение потенциала вертикальной сигнальной линии 11. Это представляет собой считывание накопленного сигнала.
Разница между первым измерением и вторым измерением описанного выше значения Vsl точно отражает количество электрического заряда, накопленного в узле 6 накопления благодаря экспонированию фотодиода 1.
КМОП устройство формирования изображения оцифровывает разницу и подает на выход оцифрованный результат в виде значения сигнала пиксела. Время накопления электронов для каждого пиксела представляет собой период времени между описанными выше операцией возврата в исходное положение и операцией считывания и, более точно, представляет собой период Т1 до выключения транзистора 2 передачи при считывании после возврата транзистора 2 передачи в исходное положение и дальнейшего выключения.
В общем, в устройстве формирования изображения КМОП типа накопленные для каждого пиксела электроны, сгенерированные осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, преобразуются в аналоговый сигнал вертикальной сигнальной линии 11 с помощью схемы усиления и аналоговый сигнал передается в датчик 13.
Далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП и цифровой сигнал подается на выход микросхемы.
Этот процесс существенно отличается от процесса в устройстве формирования изображения с зарядовой связью, в котором сами накопленные электроны вертикально/горизонтально передаются с помощью устройства передачи с зарядовой связью непосредственно до схемы усиления, являющейся выходом микросхемы.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
В этом случае, так как полученные после фотоэлектрического преобразования электроны полностью передаются во время операции считывания, выполняемой в описанной выше схеме пиксела, необходимо поддерживать потенциал после передачи из ПД 7, которая является входным узлом схемы 118 усиления, более высоким по сравнению с потенциалом фотодиода 1 при полном обеднении.
Тем не менее, динамический диапазон потенциала ПД 7 ограничен, так что существует недостаток, заключающийся в том, что невозможно в достаточной мере увеличивать величину ΔVf изменения потенциала и увеличивать отношение сигнал/шум.
Кроме того, так как количество Qs накопленного электрического заряда насыщения фотодиода соответствует количеству доноров в диффузионном слое, потенциал во время полного обеднения обычно становится сильным (высокий потенциал), если увеличивается количество Qs накопленного электрического заряда насыщения. Таким образом, диапазон величины ΔVf изменения потенциала изменяется в сторону уменьшения.
Проблема этого предела передачи является большим ограничением при проектировании устройств.
Настоящее изобретение выполнено с учетом упомянутого выше вопроса и предназначено для того, чтобы предложить схему пиксела, полупроводниковое устройство формирования изображения и систему камеры, которые могут облегчить передачу электрического заряда в рамках пиксела, увеличить количество накопленного электрического заряда или чувствительность и улучшить возможности формирования изображения.
Решение задачи
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложена схема пиксела, содержащая: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена схема пиксела, содержащая: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, так как при этом по мере подэтапного возбуждения электродов затворов заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии, для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложено полупроводниковое устройство формирования изображения, содержащее: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов, для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере подэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов, электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложено полупроводниковое устройство формирования изображения, содержащее: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению транзисторами, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накопленного электрического заряда.
Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложена система камеры, содержащая полупроводниковое устройство формирования изображения; оптическую систему для формирования изображения объекта на устройстве формирования изображения; и схему обработки сигналов для обработки выходного сигнала изображения устройства формирования изображения, при этом полупроводниковое устройство формирования изображения содержит: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.
Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложена система камеры, содержащая полупроводниковое устройство формирования изображения; оптическую систему для формирования изображения объекта на устройстве формирования изображения; и схему обработки сигналов для обработки выходного сигнала изображения устройства формирования изображения, при этом полупроводниковое устройство формирования изображения содержит: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между - осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, и по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов, заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линией для обеспечения считывания накопленного электрического заряда.
Полезные эффекты изобретения
В соответствии с настоящим изобретением может быть облегчена передача электрического заряда в пикселе, может быть увеличена величина накопленного электрического заряда или чувствительность и может быть улучшена способность по формированию изображения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид, показывающий пример схемы пиксела;
фиг.2 - вид, показывающий временную диаграмму схемы пиксела с фиг.1;
фиг.3 - вид, показывающий пример конфигурации КМОП датчика изображений (полупроводникового устройства формирования изображения), использующего схему пиксела, которая соответствует варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, которая содержит транзистор передачи схемы пиксела, соответствующей первому варианту осуществления изобретения;
фиг.6 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи с фиг.5;
фиг.7 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи схемы пиксела, соответствующей первому варианту осуществления изобретения;
фиг.8 - вид, показывающий временную диаграмму схемы пиксела с фиг.4 при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания;
фиг.9 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы пиксела с фиг.1;
фиг.10 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы пиксела, как показано на фиг.1 и 3;
фиг.11 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.12 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.13 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы пиксела, соответствующей третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.14 - вид, показывающий временную диаграмму для схемы пиксела с фиг.12 при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания;
фиг.15 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.16 - вид, показывающий временную диаграмму работы пятого варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.17 - вид, показывающий временную диаграмму работы шестого варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.18 - вид, показывающий временную диаграмму работы пиксела, в котором в седьмом варианте осуществления настоящего изобретения используется режим промежуточного удержания и улучшенная операция накопления большой емкости, соответствующая пятому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.19 - вид, показывающий временную диаграмму работы пиксела, в котором в восьмом варианте осуществления настоящего изобретения используется режим промежуточного удержания и улучшенная операция накопления большой емкости, соответствующая шестому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.20 - вид, показывающий временную диаграмму работы девятого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором функция общего фотозатвора применена в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
фиг.21 - вид, показывающий временную диаграмму работы десятого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором функция общего фотозатвора применена в третьем варианте осуществления настоящего изобретения;
фиг.22 - вид, содержащий первую диаграмму изменения потенциала, показывающую пример работы с широким временным динамическим диапазоном одиннадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения;
фиг.23 - вид, содержащий вторую диаграмму изменения потенциала, показывающую пример работы с широким временным динамическим диапазоном одиннадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения;
фиг.24 - вид, показывающий временную диаграмму работы с широким динамическим диапазоном в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.25 - вид, показывающий временную диаграмму работы с широким динамическим диапазоном двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации третьего варианта осуществления изобретения;
фиг.26 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.27 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы пиксела в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления изобретения;
фиг.28 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи с фиг.27;
фиг.29 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи из схемы пиксела в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления изобретения;
фиг.30 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с четырнадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.31 - вид, показывающий пример конфигурации схемы передачи в соответствии с пятнадцатым вариантом осуществления изобретения, в котором фотодиод заменен МОП-конденсатором по сравнению с фиг.6, на которой показан пример поперечного сечения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг.32 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи в соответствии с шестнадцатым вариантом осуществления изобретения, в котором структура поперечного сечения отличается от структуры поперечного сечения для схемы передачи первого варианта осуществления изобретения;
фиг.33 - вид, показывающий пример конфигурации системы камеры, в которой использовано полупроводниковое устройство формирования изображения, соответствующее варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления настоящего изобретения
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Заметим, что в этом описании и на чертежах элементы, имеющие практически одинаковые функции и структуру, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и их повторное описание опущено.
Описание приведено в следующем порядке.
1. Первый вариант осуществления изобретения (первый пример конфигурации схемы пиксела).
2. Второй вариант осуществления изобретения (второй пример конфигурации схемы пиксела).
3. Третий вариант осуществления изобретения (третий пример конфигурации схемы пиксела).
4. Четвертый вариант осуществления изобретения (четвертый пример конфигурации схемы пиксела).
5. Пятый вариант осуществления изобретения (пример накопления электрического заряда с использованием состояния сильного обеднения).
6. Шестой вариант осуществления изобретения (пример накопления электрического заряда с использованием состояния сильного обеднения).
7. Седьмой вариант осуществления изобретения (режим промежуточного сохранения).
8. Восьмой вариант осуществления изобретения (режим промежуточного сохранения).
9. Девятый вариант осуществления изобретения (функция общего фотозатвора).
10. Десятый вариант осуществления изобретения (функция общего фотозатвора).
11. Одиннадцатый вариант осуществления изобретения (работа с широким динамическим диапазоном).
12. Двенадцатый вариант осуществления изобретения (работа с широким динамическим диапазоном).
13. Тринадцатый вариант осуществления изобретения (пятый пример конфигурации схемы пиксела).
14. Четырнадцатый вариант осуществления изобретения (шестой пример конфигурации схемы пиксела).
15. Пятнадцатый вариант осуществления изобретения (другая структура поперечного сечения).
16. Шестнадцатый вариант осуществления изобретения (другая структура поперечного сечения).
17. Семнадцатый вариант осуществления изобретения (система камеры).
На фиг.3 показан пример конфигурации КМОП датчика изображений (полупроводникового устройства формирования изображения), использующего схему пиксела, которая соответствует варианту осуществления настоящего изобретения.
КМОП датчик 100 изображений содержит модуль 110 матрицы пикселов, схему 120 (Vdec) выбора строк, выполняющую функцию модуля возбуждения пикселов, и схему 130 (AFE) считывания столбцов.
В модуле 110 матрицы пикселов в двумерном виде (в виде матрицы) из М строк и N столбцов расположено множество схем 110А пикселов.
Согласно этому варианту осуществления изобретения, схема 110А пиксела в основном содержит осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент, транзистор передачи, транзистор возврата в исходное положение, транзистор усиления, транзистор выбора строк, узел накопления и ПД (плавающая диффузионная область).
В этой связи транзистор передачи из схемы 110А пиксела сформирован, по меньшей мере, из первого и второго полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов), объединенных и соединенных последовательно, как описано далее. Первый и второй МОП-транзисторы выполнены из транзистора с высоким пороговым напряжением Vth и транзистора с низким пороговым напряжением Vth, которые содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению.
Далее будет описана конкретная конфигурация схемы 110А пиксела.
Линия 140 (ЛП) передачи, линия 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линия 160 (ЛВС) выбора строк, соединенные с участком 110 массива пикселов, соединены с каждой строкой пикселов в качестве одного набора.
Для каждой линии 140 (ЛП) передачи, линии 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линии 160 (ЛВС) выбора строк предусмотрены М управляющих линий.
Линия 140 (ЛП) передачи, линия 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линия 160 (ЛВС) выбора строк возбуждаются схемой 120 выбора строк.
Схема 120 выбора строк управляет работой пиксела, расположенного в любой строке модуля 110 матрицы пикселов. Схема 120 выбора строк управляет схемой пиксела с помощью линии 140 (ЛП) передачи, линии 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линии 160 (ЛВС) выбора строк.
Схема 130 считывания столбцов принимает данные строки пикселов, при этом операция считывания осуществляется под управлением схемы 120 выбора строк, с помощью вертикальной сигнальной линии 170 (ВСЛ), и передает данные схеме обработки сигналов следующего этапа. Схема стабилизированного тока или датчик соединен с вертикальной сигнальной линией 170.
Схема 130 считывания столбцов содержит схему CDS или АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).
Далее будет описан конкретный пример конфигурации схемы пиксела КМОП датчика 100 изображений с описанной выше конфигурацией.
1. Первый вариант осуществления изобретения
На фиг.4 показана схема пиксела КМОП датчика 100 изображений, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Схема 110А (РХ111) пиксела одного блока содержит фотодиод 111, являющийся осуществляющим фотоэлектрическое преобразованием элементом, транзистор 112 передачи, транзистор 113 возврата в исходное положение, транзистор 114 усиления, транзистор 115 выбора строк, узел 116 накопления и ПД 117.
Схема 118 усиления сформирована из транзистора 114 усиления, а входной узел схемы 118 усиления сформирован из ПД 117.
Транзистор 112 передачи первого варианта осуществления изобретения расположен между фотодиодом 111 и ПД 117, который выполняет функцию выходного узла.
Транзистор 112 передачи сформирован по меньшей мере из первого МОП-транзистора 1121, второго МОП-транзистора 1122 и третьего МОП-транзистора 1123, которые объединены и соединены последовательно.
Первый и второй МОП-транзисторы 1121 и 1122 выполнены из транзистора с высоким пороговым напряжением Vth и транзистора с низким пороговым напряжением Vth, которые содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению.
Первый МОП-транзистор 1121 выполнен из транзистора с высоким пороговым напряжением HVth, а второй МОП-транзистор 1122 выполнен из транзистора с низким пороговым напряжением LVth.
Электроды затворов первого и второго МОП-транзисторов 1121 и 1122 обычно соединены с линией 140 передачи, а электрод затвора третьего МОП-транзистора 1123 соединен с опорным потенциалом, например, с землей GND.
В этом варианте осуществления изобретения, первый, второй и третий МОП-транзисторы 1121, 1122 и 1123 выполнены из n-канальных МОП-транзисторов.
Например, высокое пороговое напряжение HVth первого n-канального МОП-транзистора 1121 установлено равным, например, 0 В, а низкое пороговое напряжение LVth второго n-канального МОП-транзистора 1122 установлено равным, например, -1,5 В.
Пороговое напряжение третьего n-канального МОП-транзистора установлено равным - 0,6 В.
Транзистор 113 возврата в исходное положение расположен между линией питания и ПД 117, а его электрод затвора соединен с линией 150 возврата в исходное положение.
Затвор транзистора 114 усиления соединен с ПД 117. Транзистор 114 усиления соединен с вертикальной сигнальной линией 170 с помощью транзистора 115 выбора строк и представляет собой истоковый повторитель со схемой 131 стабилизированного тока, которая расположена вне участка пикселов.
Электрод затвора транзистора 115 выбора строк соединен с линией 160 выбора строк. Исток транзистора 115 выбора строк соединен с вертикальной сигнальной линией 170.
Схема 131 стабилизированного тока и датчик 132 соединены с вертикальной сигнальной линией 170.
На фиг.5 показана схема, эквивалентная схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы 110А пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения.
В схеме 200 передачи с фиг.5 ссылочными позициями 201 и 202 обозначены электроды затворов, ссылочной позицией 203 обозначена паразитная емкость, а ссылочной позицией 118 обозначена схема усиления. Схема 118 усиления сформирована из транзистора 114 усиления.
Электроны, сгенерированные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, полностью передаются через первый, второй и третий n-канальные МОП-транзисторы 1121, 1122 и 1123, объединенные и соединенные последовательно, в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
В объединенных первом, втором и третьем n-канальных МОП-транзисторах 1121, 1122 и 1123 каналы непосредственно соединены друг с другом, а не через диффузионный слой n-типа или подобным образом.
Как описано выше, сигнал управления одновременно и совместно прикладывается к электродам 201 затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122.
Первый n-канальный МОП-транзистор 1121 имеет высокое пороговое напряжение HVth, а второй n-канальный МОП-транзистор 1122 имеет низкое пороговое напряжение LVth.
ПД 117, которая является входным узлом, имеет паразитную емкость 203 и если величина накопленного электрического заряда равна Q, а значение паразитной емкости равно Cf, то величина ΔVf изменения потенциала ПД 117 вычисляется следующим образом.
[Формула 2]
ΔVf=Q/Cf.
Во время операции считывания это изменение возбуждает вертикальной сигнальной линией 170 с фиксированным коэффициентом усиления через схему 118 усиления.
На фиг.6 показан пример структуры поперечного сечения схемы передачи с фиг.5.
В фотодиоде 111 применена структура диода с накоплением дырок, в которой окрестности кремниевой поверхности, контактирующие с оксидной пленкой, имеют p-тип.
Здесь полученные в ходе фотоэлектрического преобразования электроны вначале накапливаются в диффузионном узле 204 n-типа. Диффузионный узел 204 соответствует узлу 116 усиления.
Если сигнал, который открывает первый n-канальный МОП-транзистор 1121, прикладывается к электроду 201 затвора, электроны перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и накапливаются в канальной области.
Например, профиль распределения примеси канальной части отрегулирован так, чтобы порог первого n-канального МОП-транзистора 1121 был установлен высоким, а порог второго n-канального МОП-транзистора 1122 был установлен низким. Таким образом, канальная часть СН2 второго n-канального МОП-транзистора 1122 образует яму накопления электронов, а канальная часть СН1 первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальную стену, предотвращающую обратный поток.
С другой стороны, третий n-канальный МОП-транзистор 1123 возбуждается независимым электродом 202 затвора.
Потенциал канальной области третьего n-канального МОП-транзистора 1123 установлен так, чтобы быть меньше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (высокий потенциал), когда к электроду 201 затвора прикладывается напряжение открывания.
Потенциал этой канальной области устанавливается больше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (малый потенциал), когда к электроду 201 затвора прикладывается напряжение открывания.
Электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123 может иметь фиксированный потенциал, а также может быть соединен с линией питания, линией заземления или подобными линиями, если надлежащим образом отрегулирован профиль распределения примесей канальной области СНЗ третьего n-канального МОП-транзистора 1123 или подобного устройства.
Диффузионный слой 205 соединен с входом схемы 118 усиления, что не показано на поперечном сечении.
Третий n-канальный МОП-транзистор 1123 функционирует в качестве транзистора разделения.
Здесь первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 считаются двумя отдельными транзисторами. Тем не менее, они могут рассматриваться как один n-канальный МОП-транзистор с перепадом в профиле распределения примеси канальной части, если электроды затворов также выполнены объединенными, как показано на фигуре.
В любом случае функционально это равносильно двум отдельным транзисторам, соединенным последовательно. Настоящее изобретение также подразумевает описанный выше вариант.
На фиг.7(А)-7(D) показаны изменения потенциала, сопровождающие операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи из схемы пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения.
С точки зрения потенциала каждого узла с фиг.7(А)-7(D), направление положительного потенциала показано внизу фигуры, а направление отрицательного потенциала показано вверху. Каждый узел служит как яма, где накапливаются электроны, имеющие отрицательный заряд, и потенциал увеличивается вверх, то есть в направлении отрицательного потенциала, с наполнением ямы электронами.
Этап ST11
На этапе ST11, показанном на фиг.7(А), диффузионный узел 204 фотодиода 111 выполнен так, чтобы потенциальная яма была равна примерно 2,0 В при полном обеднении положительного электрического заряда на фиксированное количество доноров. Здесь она наполнена полученными при фотоэлектрическом преобразовании электронами до состояния насыщения (примерно 0 В).
С другой стороны, в канальных областях первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 потенциалы изменяются соответственно в диапазонах R11 и R12, в соответствии с потенциалом, приложенным к электродам затворов этих двух транзисторов и равным, например, от -1,5 В до 3 В.
С другой стороны электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123, являющегося транзистором разделения, соединен с заземлением GND и потенциал канала отрегулирован так, что равняется примерно 0,6 В.
Диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение, чтобы находиться в плавающем состоянии с напряжением 3 В.
Этап ST12
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 открыты на этапе ST12, показанном на фиг.7(В), электроны движутся следующим образом.
Все электроны, накопленные в диффузионном узле 204 фотодиода 111, движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
То есть электроны движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, находящегося в сильно обедненном состоянии, и накапливаются в аналоговом состоянии.
В это время потенциал канальной области третьего n-канального МОП-транзистора 1123 меньше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (низкий потенциал), в результате чего образуется барьер между вторым n-канальным МОП-транзистором 1122 и диффузионным слоем 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Этап ST13
Электроды затворов возбуждаются для закрытия первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 на этапе ST13, показанном на фиг.7(С), так что потенциалы этих канальных областей изменяются в направлении отрицательного потенциала.
Здесь канал первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальный барьер и предотвращает течение накопленных электронов назад к диффузионному узлу 204 фотодиода 111.
Высота барьера соответствует разности между порогами двух транзисторов (первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122), которая равна, например, 1,5 В.
На этапе, на котором электроды 201 затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 достигли соответствующего промежуточного напряжения, возможно состояние, в котором накопленные электроны отделены как от диффузионного узла 204 фотодиода 111, так и от ПД 117, которая является входом усилителя.
Затворы могут возбуждаться непосредственно в одно и то же время до следующего этапа, но также возможно добавить новую функцию путем временного сохранения этого промежуточного состояния, что будет описано ниже.
Далее, если потенциал канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 изменяется в направлении отрицательного потенциала путем непрерывного возбуждения затвора, электроны, накопленные в указанной канальной области, начнут двигаться к диффузионному слою 205 (ПД 117), который является входом схемы 118 усиления.
Этап ST14
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 полностью закрыты на этапе ST14, показанном на фиг.7(D), то потенциал канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122, откуда перемещены все накопленные электроны, будет следующим.
А именно, потенциал канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 превосходит потенциал канала третьего n-канального МОП-транзистора 1123.
На этапе ST14 достигается состояние, в котором все электроны, накопленные в фотодиоде 111, переместились в диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Таким образом, схема 118 усиления возбуждает вертикальную сигнальную линию 170 и считывается накопленный сигнал,
Если используется описанная выше поэтапная передача, не нужно обеспечивать разность потенциалов между диффузионным узлом 204 фотодиода 111, находящегося в состоянии полного обеднения, и ПД 117, которая является входом схемы 118 усиления.
То есть, в этом примере, полная передача осуществляется даже в состоянии, когда потенциал ПД 117, наполненной электронами, меньше потенциала диффузионного узла 204.
Работа схемы передачи схемы 110А пиксела, соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения, в целом описана.
Далее будет описаны операции накопления электрического заряда и считывания для схемы 110А пиксела, соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8(А)-8(D) показаны временные диаграммы при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания в схеме пиксела с фиг.4.
На фиг.8(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.8(В) показан потенциал сигнала для линии 140 передачи, на фиг.8(С) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.8(D) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В качестве типичной операции схемы 110А пиксела, соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения, передача накопленных электронов фотодиода 111 в ПД 117 осуществляется в два этапа в соответствии с возбуждением линией 140 передачи.
А именно, если уровень линии 140 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, накопленные электроны передаются от диффузионного узла 204 фотодиода 111 в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, что показано на этапе ST12 с фиг.7(В).
Далее, когда уровень линии 140 передачи возвращается от высокого уровня к низкому уровню, электроны канальной области передаются к ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, что показано на этапе ST14 с фиг.7(D).
Например, во время возврата в исходное положение линия 150 возврата в исходное положение имеет высокий уровень, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединена с потенциалом уровня возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны, в момент времени, когда уровень линии 140 передачи поднялся от низкого уровня до высокого уровня и далее упал от высокого уровня до низкого уровня, электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в диффузионный слой 205 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени начинается новый период Т2 накопления электронов.
Импульс возврата в исходное положение линии 150 возврата в исходное положение падает до низкого уровня после ожидания падения уровня линии 140 передачи до низкого уровня.
Аналогично, также во время операции считывания, электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в диффузионный слой 205 в момент времени, когда уровень линии 140 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня и далее падает от высокого уровня до низкого уровня.
Следовательно, вертикальная сигнальная линия 170 возбуждается накопленным сигналом через схему 118 усиления в момент времени, когда уровень линии 140 передачи возвращается от высокого уровня к низкому уровню. В этот момент времени также заканчивается период Т2 накопления.
Схема 110А пиксела, соответствующая описанному выше первому варианту осуществления настоящего изобретения, может облегчить передачу электрического заряда в пикселе КМОП датчика изображения, увеличить величину накопленного электрического заряда или чувствительность и улучшить способность к формированию изображения.
Здесь для сравнения со схемой 110А пиксела, соответствующей описанному выше первому варианту осуществления изобретения, будет описана работа системы схемы передачи из схемы пиксела с фиг.1.
На фиг.9 показана схема, эквивалентная схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы РХ1 пиксела с фиг.1.
В схеме ТХ1 передачи с фиг.9 ссылочной позицией GT1 обозначен электрод затвора, ссылочной позицией С1 обозначена паразитная емкость и ссылочной позицией 14 обозначена схема усиления. Схема 14 усиления сформирована из транзистора 4 усиления.
В схеме ТХ1 передачи электроны, сгенерированные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 1, накапливаются в узле 6 накопления, который является узлом диффузионного слоя фотодиода 1.
Во время операции считывания электроны полностью передаются через транзистор 2 передачи в ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления.
Если ПД 7, которая является входным узлом, имеет паразитную емкость С1, величина накопленного электрического заряда равна Q и величина паразитной емкости равна Cf, то величина ΔVf изменения потенциала находится по формуле {ΔVf=Q/Cf}, как описано выше.
Схема 14 усиления использует n-канальный МОП-транзистор, аналогичный обычному транзистору 4 усиления, но генерирует собственный случайный шум Nr.
Следовательно, если коэффициент усиления равен G, то отношение сигнал/шум для накопленного сигнала, присутствующего в вертикальной сигнальной линии в качестве выхода, равно {G·ΔVf/Nr}.
Так как коэффициент усиления G или случайный шум Nr по существу фиксированы, если определена конфигурация схемы 14 усиления, то величина ΔVf изменения потенциала непосредственно влияет на качество формирования изображения.
На фиг.10(А)-10(D) показаны диаграммы, иллюстрирующие изменения потенциала, сопровождающие операцию передачи и считывания с использованием схемы пиксела, показанной на фиг.1 и 3.
Аналогично фиг.7(А)-7(D), в этом случае также, с точки зрения потенциала каждого узла, направление положительного потенциала показано внизу фигуры, а направление отрицательного потенциала показано вверху.
Каждый узел служит как яма, где накапливаются электроны, имеющие отрицательный заряд, и с наполнением ямы электронами потенциал увеличивается вверх, то есть в направлении отрицательного потенциала.
Этап ST1
На этапе ST1 с фиг.10(А) узел 6 накопления, который является диффузионным узлом фотодиода 1, выполнен так, чтобы потенциальная яма была равна примерно 1,5 В при полном обеднении положительного электрического заряда на фиксированное количество доноров. Здесь указанный узел наполнен полученными при фотоэлектрическом преобразовании электронами до состояния насыщения (примерно 0 В).
С другой стороны потенциал канальной области транзистора 2 передачи изменяется в диапазоне R1 в соответствии с потенциалом, приложенным к электроду затвора и равным, например, от 1 В до 3 В.
ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления, возвращается в исходное положение, чтобы находиться в плавающем состоянии с напряжением 3 В.
Этап ST2
Если транзистор 2 передачи открывается на этапе ST2, показанном на фиг.10(В), электроны движутся следующим образом.
А именно, если транзистор 2 передачи открыт, электроны движутся в состояние, в котором все электроны, накопленные в узле 6 накопления, который является диффузионным узлом фотодиода 1, распределены по канальной области транзистора 2 передачи и ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления.
Этап ST3
Если потенциал канальной области увеличивается с увеличением потенциала электрода затвора с целью закрытия транзистора 2 передачи на этапе ST3, показанном на фиг.10(С), накопленные там электроны перемещаются в ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления.
Этап ST4
На этапе ST4 с фиг.10(D) достигается состояние, в котором все электроны, накопленные в фотодиоде 1 на этапе ST1, переместились в ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления, в состоянии, в котором выключен транзистор 2 передачи. Таким образом, схема 14 усиления возбуждает вертикальную сигнальную линию 11, и считывается накопленный сигнал.
Как описано выше, для схемы РХ1 пиксела с фиг.1 нужно обеспечить разность M1 потенциалов между узлом 6 накопления фотодиода 1, находящегося в состоянии полного обеднения, и ПД 7, которая является входом схемы 14 усиления, с целью осуществления полного перемещения электронов.
С другой стороны, если не обеспечена разница потенциалов, электроны, накопленные в канальной области транзистора 2 передачи, текут назад в фотодиод 1 и накопленное в фотодиоде 1 количество электронов нелинейно отражается на считываемом сигнале.
Для полной передачи полученных при фотоэлектрическом преобразовании электронов во время операции считывания, что описано выше, необходимо поддерживать потенциал после передачи в ПД 7, которая является входным узлом схемы 14 усиления, большим, чем потенциал фотодиода 1 при полном обеднении.
Тем не менее, схема РХ1 пиксела с фиг.1, имеет недостаток, заключающийся в том, что динамический диапазон потенциала ПД 7 ограничен, величина ΔVf не может быть увеличена в достаточной степени и не может быть увеличено отношение сигнал/шум.
Например, на фиг.10, величина ΔVf ограничена диапазоном (3.0 V - 1.5 V) и дополнительно уменьшена разностью потенциалов интервалом для передачи.
Далее, так как величина Qs насыщения накопленного электрического заряда фотодиода 1 соответствует количеству доноров в его диффузионном слое, то если Qs увеличивается обычно, потенциал при полном обеднении становится большим (высокий потенциал). Таким образом, диапазон величины ΔVf сужается.
Проблема указанного интервала передачи сильно ограничивает возможности проектирования устройств.
С другой стороны в схеме 110А пиксела первого варианта осуществления изобретения используется передача с помощью объединенного набора транзисторов, предназначенных для передачи электронов от фотодиода в рамках пиксела до схемы усиления. Более конкретно, в схеме 110А пиксела в канальной области МОП-транзистора выполнен промежуточный узел передачи, в котором возможно изменение потенциала, и накопленные электроны передаются поэтапно от фотодиода 111 до схемы 118 усиления через промежуточный узел.
Следовательно, схема 110А пиксела, соответствующая первому варианту осуществления изобретения, может облегчить описанное выше ограничение для передачи и, следовательно, увеличить динамический диапазон сигнала путем увеличения величины Qs насыщения накопленного электрического заряда или путем уменьшения паразитной емкости входной части усилителя.
Далее, например, схема 110А пиксела может накапливать электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании вследствие воздействия света, в канальной области МОП-транзистора, выполненного отдельно, а не в фотодиоде, и может полностью передавать накопленные электроны из канальной области в схему усиления при операции считывания.
Следовательно, схема 110А пиксела может улучшить экспозиционную чувствительность и также значительно увеличить величину Qs насыщения накопленного электрического заряда насыщения.
В схеме 110А пиксела передача электрона (электрического заряда) осуществляется только внутри пиксела и аналоговый сигнал малого импеданса или цифровой сигнал передается после возбуждения вертикальной сигнальной линии с помощью схемы усиления.
Следовательно, возможно реализовать потребляющее малое количество энергии высокоскоростное устройство формирования изображения, в котором отсутствует проблема, связанная с М нерезкостью или утечкой при передачи.
2. Второй вариант осуществления изобретения
На фиг.11 показана схема пиксела КМОП датчика изображения, которая соответствует второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Разница между схемой 110В пиксела, которая соответствует второму варианту осуществления изобретения, и схемой 110А пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения, заключается в следующем.
В схеме 110В пиксела, которая соответствует второму варианту осуществления изобретения, множество пикселов, например, два пиксела PXL110a и PXL110b, содержащие соответственно собственный фотодиод 111 и собственную схему 112 передачи, совместно используют ПД 117 и транзистор 114 усиления, образующий схему усиления.
В схеме 110В пиксела множество пикселов PXL110a и PXL110b также совместно используют транзистор 113 возврата в исходное положение и транзистор 115 выбора строк.
В транзисторах 112а и 112b передачи соответствующих пикселов PXL110a и PXL110b, совместно используемые электроды затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов соответственно соединены с различными линиями 140а и 140b передачи.
В этом случае соответственно заземлены электроды затворов третьих МОП-транзисторов 1123 из транзисторов 112а и 112b передачи соответствующих пикселов PXL110a и PXL110b.
В схеме 110В пиксела электроны, накопленные в соответствующих фотодиодах 111a и 111b, передаются в ПД 117 (входной узел схемы усиления) в свои моменты времени в соответствии с соответствующими независимыми линиями 140а и 140b передачи.
Совместное использование схемы усиления может уменьшить фактический размер пиксела, но также при увеличении количества пикселов, совместно использующих некоторые устройства, возрастает паразитная емкость ПД 117.
Следовательно, предпочтительно, чтобы количество пикселов, совместно использующих некоторые устройства, было не меньше 2 и не больше 16.
Второй вариант осуществления изобретения может отличаться некоторыми достоинствами по сравнению с описанным выше первым вариантом осуществления изобретения.
3. Третий вариант осуществления изобретения
На фиг.12 показана схема пиксела КМОП датчика изображения, которая соответствует третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Разница между схемой 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления изобретения, и схемой 110А пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения, заключается в следующем.
В схеме 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления, электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123, который имел фиксированный потенциал в первом варианте осуществления изобретения, управляется схемой 120 выбора строк, которая является периферийной схемой.
Более конкретно, совместно используемый электрод 201 затвора первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 соединен с первой линией 141 передачи, а электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123 соединен со второй линией 142 передачи (линией разделения).
Таким образом, так как может быть упрощена передача по третьему n-канальному МОП-транзистору 1123, может быть сужен диапазон возбуждения для электрода 201 затвора.
Хотя имеется недостаток, заключающийся в том, что количество возбуждающих проводов увеличено на 1, присутствует достоинство в сопротивлении напряжению или надежности, когда может быть сужен диапазон возбуждения первой линии 141 передачи.
На фиг.13(А)-13(D) показаны изменения потенциала, сопровождающие операцию передачи и считывания с использованием схемы 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления изобретения.
Этап ST21
На этапе ST21 с фиг.13(А) диффузионный узел 204 фотодиода 111 выполнен так, чтобы потенциальная яма была равна примерно 2,0 В при полном обеднении положительного электрического заряда на фиксированное количества доноров. Здесь он наполнен полученными при фотоэлектрическом преобразовании электронами до состояния насыщения (примерно 0 В).
С другой стороны в канальных областях первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 потенциалы изменяются соответственно в диапазонах R13 и R14 в соответствии с потенциалом, приложенным к электродам затворов двух транзисторов и равным, например, от -0,5 В до 3 В.
С другой стороны, в канальной области третьего n-канального МОП-транзистора 1123, работающего как транзистор разделения, потенциал, приложенный к электроду затвора этого транзистора, изменяется в диапазоне R15 и равен, например, от 0 В до 3 В.
Диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение, чтобы находиться в плавающем состоянии с напряжением 3 В.
Этап ST22
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 открыты на этапе ST22, показанном на фиг.13(В), передача электронов осуществляется следующим образом.
А именно, все электроны, накопленные в диффузионном узле 204 фотодиода 111, движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
То есть электроны движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, находящегося в сильно обедненном состоянии, и накапливаются в аналоговом состоянии.
В это время потенциал канальной области третьего n-канального МОП-транзистора 1123 меньше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (низкий потенциал), в результате чего образуется барьер между вторым n-канальным МОП-транзистором 1122 и диффузионным слоем 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Этап ST23
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 выключены на этапе ST23, показанном на фиг.13(С), то потенциалы канальных областей изменяются в направлении отрицательного потенциала.
Здесь канал первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальный барьер и предотвращает течение накопленных электронов назад к диффузионному узлу 204 фотодиода 111.
Высота барьера соответствует разности между порогами двух транзисторов (первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122), которая равна, например, 1,5 В.
На этом этапе, возможно состояние, в котором накопленные электроны отделены как от диффузионного узла 204 фотодиода 111, так и от диффузионного слоя (ПД 117), который является входом схемы 118 усиления.
Работу можно продолжить на следующем этапе путем непосредственного или одновременного возбуждения затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123, но также возможно добавить новую функцию путем временного сохранения этого промежуточного состояния, что будет описано ниже.
Этап ST24
Если электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123 возбуждается с помощью второй линии 142 передачи, являющейся линией разделения на этапе ST24, показанном на фиг.13(D), и третий n-канальный МОП-транзистор 1123 открыт, накопленные электроны текут в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
Далее, в момент времени, когда n-канальный МОП-транзистор 1123 закрывается, достигается состояние, в котором все накопленные электроны переместились в диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Таким образом, усилитель управляет вертикальной сигнальной линией и считывается накопленный сигнал.
Как описано выше, передача из канала второго n-канального МОП-транзистора 1122 в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, в третьем варианте осуществления изобретения осуществляется следующим образом.
Она реализуется путем сочетания закрывания совместно используемого электрода 201 затвора первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 этапа ST23 с вспомогательным открыванием/закрыванием электрода 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123 на этапе ST24.
Если используется описанная выше поэтапная передача, не нужно обеспечивать разность потенциалов между диффузионным узлом 204 фотодиода 111, находящегося в состоянии полного обеднения, и ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
То есть, в этом примере полная передача осуществляется даже в состоянии, когда потенциал ПД 117, наполненной электронами, ниже потенциала диффузионного узла 204.
Выше в основном описана операция передачи для схемы 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления изобретения.
Далее будут описаны операции накопления электрического заряда и считывания для схемы 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления изобретения.
На фиг.14(А)-14(Е) показаны временные диаграммы при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания в схеме пиксела с фиг.12.
На фиг.14(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.14(В) показан потенциал сигнала для первой линии 141 передачи, на фиг.14(С) показан потенциал сигнала для второй линии 142 передачи. На фиг.14(D) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.14(Е) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
Основное различие в работе третьего варианта осуществления изобретения и первого варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.8, заключается в следующем.
В третьем варианте осуществления изобретения импульс открывания/закрывания второй линии 142 передачи, который возбуждает третий n-канальный МОП-транзистор 1123, добавлен для помощи в передаче накопленных электронов, когда первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 открыты с помощью первой линии 141 передачи.
То есть, если уровень первой линии 141 передачи увеличивается от низкого уровня до высокого уровня, накопленные электроны передаются из диффузионного узла 204 фотодиода 111 в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, как показано на этапе ST22 с фиг.13(В).
Далее, если уровень первой линии 141 передачи возвращается от высокого уровня до низкого уровня и по существу одновременно вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет высокий уровень, электроны перемещаются следующим образом.
Как показано на этапе ST24 с фиг.13(D), третий n-канальный МОП-транзистор 1123, являющийся транзистором разделения, является проводящим, и накопленные электроны текут в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
В конечном счете, если уровень второй линии 142 передачи, являющейся линией разделения, падает до низкого уровня, завершается полная передача электронов в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
Например, во время возврата в исходное положение линия 150 возврата в исходное положение имеет высокий уровень, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы усиления, соединена с потенциалом уровня возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны, уровень первой линии 141 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что дополнительные электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в канальную область СН2 второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
Далее, уровень первой линии 141 передачи падает от высокого уровня до низкого уровня и по существу одновременно вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет высокий уровень, так что третий n-канальный МОП-транзистор 1123, являющийся транзистором разделения, является проводящим.
В конечном счете, если уровень второй линии 142 передачи, являющейся линией разделения, падает до низкого уровня, накопленные электроны полностью перемещаются в ПД 117 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени начинается новый период Т3 накопления электронов. Точнее, Т3 начинается в момент времени, когда уровень первой линии 141 передачи падает от высокого уровня до низкого уровня.
Аналогично, уровень первой линии 141 передачи сначала также увеличивается от низкого уровня до высокого уровня во время операции считывания, так что электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
Далее, если уровень первой линии 141 падает от высокого уровня до низкого уровня и уровень второй линии 142 передачи, являющейся линией разделения, увеличивается до высокого уровня по существу в то же самое время и далее в конечном счета падает до низкого уровня, электроны полностью перемещаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
В этот момент времени кончается период Т3 накопления.
Момент времени, когда вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, включена на высоком уровне, может предшествовать/быть позже момента времени, когда первая линия 141 передачи выключена и находится на низком уровне.
Если транзистор 114 усиления был включен с помощью ПД 117 до того, как первая линия 141 передачи имела уровень выключения, происходит переход на этап ST24 с фиг.13(D) путем пропуска состояний с этапа ST22 с фиг 13(В) до этапа ST23 с фиг.13(С).
Тем не менее, полная передача может быть реализована, если вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет уровень выключения после того, как первая линия 141 имеет уровень выключения.
Третий вариант осуществления изобретения может улучшить стойкость к напряжению или надежность в дополнение к полезным эффектам первого варианта осуществления изобретения.
4. Четвертый вариант осуществления изобретения
На фиг.15 показана схема пиксела КМОП датчика изображения, которая соответствует четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Разница между схемой 110D пиксела, которая соответствует четвертому варианту осуществления изобретения, и схемой 110С пиксела, которая соответствует третьему варианту осуществления изобретения, заключается в следующем.
В схеме 110D пиксела, которая соответствует четвертому варианту осуществления изобретения, несколько пикселов, например, два пиксела PXL110a и PXL110b, содержащие соответственно собственный фотодиод 111 и собственную схему 112 передачи, совместно используют ПД 117 и транзистор 114 усиления, образующий схему усиления.
В схеме 110D пиксела множество пикселов PXL110a и PXL110b также совместно используют транзистор 113 возврата в исходное положение и транзистор 115 выбора строк.
В транзисторах 112а и 112b передачи соответствующих пикселов PXL110a и PXL110b, совместно используемые электроды затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов соответственно соединены с различными линиями 140а и 141b передачи.
Электроды затворов третьих МОП-транзисторов 1123 из транзисторов 112а и 112b передачи соответствующих пикселов PXL110a и PXL110b соответственно соединены со вторыми линиями 142а и 142b передачи, которые являются линиями разделения.
В схеме 110D пиксела электроны, накопленные в соответствующих фотодиодах 111a и 111b, передаются в ПД 117 в свои моменты времени в соответствии с соответствующими независимыми первыми линиями 141а и 141b передачи и вторыми линиями 142а и 142b передачи, которые являются линиями разделения.
Совместное использование схемы усиления может уменьшить фактический размер пиксела, но также при увеличении количества пикселов, совместно использующих некоторые устройства, возрастает паразитная емкость ПД 117.
Следовательно, предпочтительно, чтобы количество пикселов, совместно использующих некоторые устройства, было не меньше 2 и не больше 16.
Четвертый вариант осуществления изобретения может отличаться теми же достоинствами, что и описанный выше третий вариант осуществления изобретения.
Далее будет описана практическая работа, которая делает возможным осуществлять накопление большой емкости благодаря использованию конфигурации схемы пиксела, которая соответствует варианту осуществления настоящего изобретения.
Операция накопления большой емкости применима к любой конфигурации схемы из описанных выше от первого до четвертого вариантов осуществления изобретения и далее она будет описана в виде пятого и шестого вариантов осуществления изобретения.
5. Пятый вариант осуществления изобретения
В пятом варианте осуществления изобретения применяется накопление электрического заряда, использующее конфигурацию схемы пиксела с фиг.4, и состояние сильного обеднения второго n-канального МОП-транзистора 1122, которое используется в первом варианте осуществления изобретения.
Более конкретно, электроны, накопленные в диффузионном узле 204, который является диффузионным слоем фотодиода 111, передаются в канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 и накапливаются в канальной части во время периода накопления.
То есть во время периода накопления в пикселе, электрод 201 затвора поддерживается на уровне состояния включения, так что первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 поддерживаются в состоянии включения.
Электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, непосредственно передаются в канальную часть СН2 второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и накапливаются в канальной части СН2.
В момент времени, когда накопление закончено и осуществлено считывание, электрод 201 затвора управляется так, чтобы закрыть первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122. Тем самым накопленные электроны передаются через третий n-канальный МОП-транзистор 1123 в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
На фиг.16(А)-16(D) показаны временные диаграммы при работе пятого варианта осуществлении настоящего изобретения.
На фиг.16(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.14(В) показан потенциал сигнала для линии 140 передачи, на фиг.14(С) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.14(D) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В пятом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.4 и детали и конфигурация поперечного сечения схемы передачи совпадают с деталями и конфигурацией поперечного сечения схемы передачи, показанной на фиг.5 и 6.
Осуществляется аналогичный возврат в исходное состояние, что и для фиг.8(А)-8(D). После начала нового накопления, линия 140 передачи снова имеет состояние высокого уровня и поддерживается в состоянии высокого уровня во время периода Т4 накопления.
Во время этого периода, электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, не накапливаются в диффузионном слое, а непосредственно перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 и накапливаются в канальной области.
Во время операции считывания, сначала линия 160 выбора строк имеет высокий уровень и выход схемы усиления соединен с вертикальной сигнальной линией 170.
Далее ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение с помощью импульса, направленного в линию 150 возврата в исходное положение, и ПД 117 соединяется с источником напряжения питания, так что считывается уровень возврата в исходное положение.
Далее линия 140 передачи переходит от высокого уровня к низкому уровню.
Таким образом, электроны, накопленные в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122, передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, и считывается накопленный сигнал.
Период Т4 накопления также заканчивается переходом линии 140 передачи.
Изменение потенциала в этом варианте осуществления изобретения основано на фиг.7(А)-7(D), но длительность накопления электронов имеет состояние этапа ST12 с фиг.7(D), а не этапа ST11 с фиг.7(А).
В период накопления, первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 поддерживаются в открытом состоянии. Далее электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111 и накопленные в диффузионном узле 204, непосредственно перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
То есть электроны перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, находящегося в состоянии сильного обеднения, и накапливаются в аналоговом состоянии.
Передача электронов из второго n-канального МОП-транзистора 1122 в диффузионный слой 205 во время операции считывания аналогична процессу этапов ST13 и ST14, показанных на фиг.7(С) и 7(D).
Как описано выше, во время периода накопления все электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании, в состоянии с этапа ST12, показанном на фиг.7(В), накапливаются в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 и до заполнения его потенциальной ямы не наступает насыщения.
Следовательно, возможно накопить большее количество электронов по сравнению с накоплением в обычном фотодиоде, если емкость накопления значительно увеличена в состоянии сильного обеднения второго n-канального МОП-транзистора 1122.
Далее, во время этого периода, фотодиод 111 постоянно поддерживается в том же состоянии полного обеднения. Следовательно, улучшаются чувствительность или линейность времени накопления и улучшается накопленный сигнал.
В общем, с точки зрения пар электрон/дырка, генерируемых при воздействии света, падающего на фотодиод, дырки, образованные внутри слоя обеднения, вытягиваются его внутренним электрическим полем и быстро перемещаются на подложку.
Тем не менее, если электроны накапливаются внутри фотодиода, внутреннее электрическое поле ослабляется, уменьшается способность перемещения дырок и электроны и дырки легко рекомбинируются.
Таким образом, присутствует проблема, заключающаяся в постепенном уменьшении чувствительности.
С другой стороны, эта проблема не возникает в пятом варианте осуществления изобретения.
Так как проблемы не существует даже когда мало само количество накопленного электрического заряда насыщения фотодиода, возможно сдерживать появление темного тока или белой точки путем уменьшения концентрации примесей в диффузионном слое.
В этом случае, потенциал, сформированный в диффузионном узле 204 фотодиода 111, может быть уменьшен при возврате в исходное положение. Следовательно, диапазоны R11 и R12 изменения для канальных областей первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 также могут быть уменьшены и облегчается обеспечение надежности стойкости к напряжению или тому подобного.
Как описано выше, возможно улучшить все основные показатели устройства формирования изображения с точки зрения количества накопленного электрического заряда, чувствительности и белой точки.
6. Шестой вариант осуществления изобретения
Далее будет описан шестой вариант осуществления изобретения, в котором применена та же идея, что и для третьего варианта осуществления изобретения.
На фиг.17(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.17(В) показан потенциал сигнала для первой линии 141 передачи и на фиг.17(С) показан потенциал сигнала для второй линии 142 передачи (линия разделения). На фиг.17(D) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.17(Е) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В шестом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.12 и изменение потенциала при передаче основано на фиг.13(А)-13(D).
Осуществляется аналогичный возврат в исходное состояние, что и для фиг.14(А)-14(Е). После начала нового накопления, первая линия 141 передачи снова имеет состояние высокого уровня и поддерживается в состоянии высокого уровня во время периода Т5 накопления.
Во время этого периода, электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, не накапливаются в диффузионном слое, а непосредственно перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 и накапливаются в канальной области.
То есть, сохраняется состояние диаграмм потенциалов с этапа ST22, показанного на фиг.13(В).
Во время операции считывания, сначала линия 160 выбора строк имеет высокий уровень, а выход схемы 118 усиления соединен с вертикальной сигнальной линией 170.
Далее ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение с помощью импульса, направленного в линию 150 возврата в исходное положение, и ПД 117 соединяется с источником напряжения питания, так что считывается уровень возврата в исходное положение.
Далее первая линия 141 передачи переходит от высокого уровня к низкому уровню и далее импульс также применяется ко второй линии 142 передачи, которая является линией разделения.
Таким образом, электроны, накопленные в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122, передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, и считывается накопленный сигнал.
Период Т5 накопления также заканчивается переходом первой линии 141 передачи.
Как описано выше, во время периода накопления все электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании, в состоянии с этапа ST22, показанном на фиг.13(В), накапливаются в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 и до заполнения его потенциальной ямы не наступает насыщения.
Следовательно, возможно накопить большее количество электронов по сравнению с накоплением в обычном фотодиоде, если емкость накопления увеличена достаточно в состоянии сильного обеднения второго n-канального МОП-транзистора 1122.
В этом случае промежуточное состояние этапа ST13 в изменении потенциала с фиг.7, на котором показан первый вариант осуществления изобретения, будет следующим.
Электроны, накопленные в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122, который является промежуточным узлом накопления, отделены как от ПД 117, которая находится на входе усилителя, так и от диффузионного узла 204 фотодиода 111.
А именно, новые электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в диффузионном узле 204 фотодиода 111, не текут в промежуточный узел накопления, а электроны, накопленные в промежуточном узел накопления, не текут в ПД 117.
В первом варианте осуществления изобретения совместно используемый затвор первого и второго n-канального МОП-транзистора 1121 и 1122 возбуждается тремя значениями и описанное выше состояние реализуется как промежуточное напряжение, так что промежуточное состояние может быть сохранено в течение фиксированного периода.
Аналогично, изменение потенциала с фиг.13, на которой показан третий вариант осуществления изобретения, в промежуточном состоянии с этапа ST23, будет следующим.
Электроны, накопленные в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122, который является промежуточным узлом накопления, отделены от ПД 117, которая является входом усилителя, а также от диффузионного узла 204 фотодиода 111.
В этом случае возможно удержать промежуточное состояние на фиксированный период путем закрывания первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 и третьего n-канального МОП-транзистора 1123 с помощью операции возбуждения электрода затвора.
Могут быть реализованы различные дополнительные функции, если сохранять накопленные электроны, принятые от фотодиода 111, в течение фиксированного периода в промежуточном узле накопления, в котором возможно осуществлять изменение потенциала.
Более конкретно, фиксированный период является, например, периодом, равным или превосходящим минимальный период накопления, или периодом, равным или превосходящим период, нужный для считывания одной строки.
Далее в виде вариантов осуществления изобретения с седьмого по четырнадцатый будут последовательно описаны три функции, заключающиеся в накоплении большой емкости, общем фотозатворе и широком динамическом диапазоне.
Все варианты осуществления изобретения с седьмого по четырнадцатый могут быть в равной степени реализованы с использованием любой конфигурации из описанных выше вариантов осуществления изобретения с первого по четвертый.
7. Седьмой вариант осуществления изобретения
На фиг.18(А)-18(D) показаны временные диаграммы работы пиксела, при этом в седьмом варианте осуществления изобретения применен описанный выше режим промежуточного сохранения и улучшена операция накопления большой емкости из пятого варианта осуществления изобретения.
На фиг.18(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.18(В) показан потенциал сигнала для линии 140 передачи, на фиг.18(С) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.18(D) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В седьмом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.4 и детали и конфигурация поперечного сечения схемы передачи совпадают с деталями и конфигурацией поперечного сечения схемы передачи, показанной на фиг.5 и 6.
Если первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 непрерывно открыты с помощью электрода 201 затвора, то потенциал фотодиода 111 с фиг.6 вокруг затвора стремится увеличиться, а темный ток стремится вырасти.
С точки зрения описанной выше проблемы, в седьмом варианте осуществления изобретения, который является улучшенным примером, сдерживается увеличение темного тока путем возбуждения электрода 201 затвора и путем периодического открывания первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122.
То есть, сначала новое накопление начинается путем осуществления той же операции возврата в исходное положение, что и операция, показанная на фиг.8 или 16. Далее, во время периода Т6 накопления электроны перемещаются от фотодиода 111 в промежуточный узел накопления с разделением по времени благодаря периодическому нахождению первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 на высоком уровне, а не постоянному пребыванию в открытом состоянии, что осуществляется с помощью электрода 201 затвора.
Во время периода накопления, отличного от времени передачи после начальной передачи, потенциал электрода 201 затвора сохраняется на промежуточном уровне и в промежуточном узле накопления поддерживается промежуточное состояние этапа ST13, показанное на фиг.7(С).
Электрод 201 затвора находится на высоком уровне во время операции считывания и электроны, остающиеся в фотодиоде 111, передаются в промежуточный узел накопления. В конечном счете, электрод 201 затвора оказывается на низком уровне и накопленные электроны промежуточного узла накопления вместе передаются в ПД 117, которая является входом усилителя.
Обычно, так как все полученные при фотоэлектрическом преобразовании электроны накапливаются в фотодиоде 111 после операции возврата в исходное положение, количество Qs накопленного электрического заряда насыщения определяет динамический диапазон пиксела.
Тем не менее, если емкость накопления промежуточного узла накопления, который содержит канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122, достаточно велика, возможно накапливать большее по сравнению с обычной количество электрического заряда путем передачи накопленного электрического заряда фотодиода 111 в промежуточный узел накопления множество раз благодаря разделению по времени.
Так как период, в течение которого первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 открыты с помощью электрода 201 затвора, может быть значительно уменьшен по сравнению с периодом накопления, также возможно предотвратить увеличение темного тока.
8. Восьмой вариант осуществления изобретения
На фиг.19(А)-19(Е) показаны временные диаграммы работы пиксела, при этом в восьмом варианте осуществления изобретения применен тот же промежуточный узел накопления, что и в седьмом варианте осуществления изобретения, и улучшена операция накопления большой емкости из шестого варианта осуществления изобретения.
На фиг.19(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.19(В) показан потенциал сигнала для первой линии 141 передачи, на фиг.19(С) показан потенциал сигнала для второй линии 142 передачи. На фиг.19(D) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.19(Е) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В восьмом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.12 и изменение потенциала при передаче основано на фиг.13(А)-13(D).
В восьмом варианте осуществления изобретения, который является улучшенным примером, новое накопление начинается при осуществлении того же возврата в исходное положение, что и возврат в исходное положение, проиллюстрированный на фиг.14 или 17.
Далее, во время периода Т7 накопления, электроны передаются от фотодиода 111 в промежуточный узел накопления с разделением по времени благодаря периодическому применению импульса без постоянного открытия первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122, что осуществляется с помощью управления электродом 201 затвора.
Во время периода накопления, третий n-канальный МОП-транзистор 1123 поддерживается в состоянии закрытия с помощью разделяющего электрода 202 затвора, а промежуточный узел накопления поддерживается в промежуточном состоянии из этапа ST23, показанного на фиг.13(С) в течение другого, чем описанное выше время периодической передачи.
Импульс прикладывается к электроду 201 затвора снова во время операции считывания, и первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 открываются и, таким образом, электроны, оставшиеся в фотодиоде 111, передаются в промежуточный узел накопления.
В конечном счете, импульс прикладывается к разделяющему электроду 202 затвора, включается третий n-канальный МОП-транзистор 1123 и накопленные электроны промежуточного узла накопления вместе передаются в ПД 117, которая является входом усилителя.
Аналогично седьмому варианту осуществления изобретения, в восьмом варианте осуществления изобретения можно сдерживать увеличение темного тока при реализации накопления большой емкости.
Функция общего фотозатвора
Далее будет описана функция общего фотозатвора.
Функция общего фотозатвора является функцией устранения искажения фокальной плоскости, порожденной изменением времени срабатывания фотозатвора в массиве пикселов.
При использовании обычной конфигурации схемы, начало операции считывания определяет момент конца накопления, как показано на фиг.2.
Так как считывание обычно осуществляется последовательно для каждой строки, момент конца накопления также следует после считывания. Следовательно, обычно операция возврата в исходное положение, служащая в качестве начала накопления, также разная для каждой строки и осуществляется последовательно и период Т1 накопления берется одинаковым для всех эффективных пикселов.
Этот способ является обычным в КМОП датчиках изображения и называется подъемным фотозатвором и означает, что момент срабатывания фотозатвора разный для каждой строки. Например, искажение на изображении возникает в случае, когда объект перемещается на высокой скорости.
С другой стороны, функция общего фотозатвора реализуется путем одновременного совместного начала накопления электрического заряда для всех эффективных пикселов и дальнейшего одновременного совместного конца накопления.
С другой стороны, в этом случае, так как накопленные данные считываются для каждой строки, необходимо разделять момент конца накопления и момент считывания и необходимо сохранять сигнал для каждого пиксела в промежуток времени от конца накопления до считывания.
Если используется конфигурация схемы передачи, показанная на фиг.5, и используется режим промежуточного удержания, то возможно использовать описанную выше операцию и хорошее сохранение сигнала.
То есть в КМОП датчике 100 изображений, первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 одновременно закрываются с помощью электрода 201 затвора для всех эффективных пикселов. Таким образом, заканчивается накопление путем остановки передачи полученных при фотоэлектрическом преобразовании электронов, а также уже накопленные электроны сохраняются одновременно в канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122.
Далее предпочтительно последовательно открывать третий n-канальный МОП-транзистор 1123 путем приложения импульса к электроду 202 затвора со считыванием в блоках строк, и передать сохраненные электроны в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
9. Девятый вариант осуществления изобретения
На фиг.20(А)-20(D) показаны временные диаграммы работы девятого варианта осуществления изобретения, функция общего фотозатвора применена в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
На фиг.20(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.20(В) показан потенциал сигнала для линии 140 передачи, на фиг.20(С) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.20(D) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В девятом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.4 и изменение потенциала основано на фиг.7.
Во время возврата в исходное положение линия 150 возврата в исходное положение имеет высокий уровень, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединена с уровнем возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны в момент времени, когда уровень линии 140 передачи поднялся от низкого уровня до высокого уровня и далее упал от высокого уровня до низкого уровня, электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в ПД 117 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени начинается новый период Т8 накопления электронов. Импульс линии 150 возврата в исходное положение падает до низкого уровня после ожидания падения до низкого уровня импульса, приложенного к электроду 201 затвора.
Обычно эта операция возврата в исходное положение последовательно осуществляется для каждой выбранной строки, но общий возврат в исходное положение осуществляется для всех эффективных пикселов одновременно.
То есть этот процесс служит в качестве операции открывания общего фотозатвора.
В момент конца накопления, когда завершился заданный период Т8 накопления, сначала уровень линии 140 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в промежуточный узел накопления. В это время состояние потенциала соответствует этапу ST12, показанному на фиг.7(В).
Далее, если линия 140 передачи возвращается от высокого уровня к промежуточному потенциалу, состояние потенциала перемещается в режим промежуточного удержания с этапа ST13, который показан на фиг.7(С), и промежуточный узел накопления и фотодиод 111 разделяются.
Описанное выполняется одновременно для всех эффективных пикселов и это служит операцией закрывания общего фотозатвора.
Считывание последовательно осуществляется для каждой строки в соответствии с адресом строки.
Сначала после приложения сигнала выбора к линии 160 выбора строк и избирательного осуществления выбора строки, импульс прикладывается к линии 150 возврата в исходное положение, ПД 117, которая является входной частью усилителя, соединяется с уровнем возврата в исходное положение и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее, уровень линии 140 передачи падает от промежуточного потенциала до низкого уровня, так что все электроны, сохраненные в промежуточном узле накопления, передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
Каждый пиксел поддерживает режим промежуточного сохранения во время периода Н8 от конца накопления до считывания, но период Н8 промежуточного сохранения различен для каждой строки.
То есть описанное выше промежуточное удержание осуществляется в течение времени до поворота к считыванию строки после одновременного закрытия фотозатвора.
10. Десятый вариант осуществления изобретения
На фиг.21(А)-21(Е) показаны временные диаграммы работы десятого варианта осуществления изобретения, в котором функция общего фотозатвора применена в третьем варианте осуществления настоящего изобретения.
На фиг.21(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.21(В) показан потенциал сигнала для первой линии 141 передачи, на фиг.21(С) показан потенциал сигнала для второй линии 142 передачи. На фиг.21(D) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.21(Е) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
В десятом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.12 и изменение потенциала при передаче основано на фиг.13(А)-13(D).
Во время возврата в исходное положение линия 150 возврата в исходное положение имеет высокий уровень, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединена с уровнем возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны уровень первой линии 141 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что дополнительные электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
Далее уровень первой линии 141 передачи падает от высокого уровня до низкого уровня и вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет высокий уровень по существу в то же самое время, так что третий n-канальный МОП-транзистор 1123, предназначенный для разделения, является проводящим. В конце концов, если уровень второй линии 142 передачи падает до низкого уровня, накопленные электроны полностью передаются в диффузионный слой 205 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени начинается новый период Т9 накопления электронов. Обычно, эта операция возврата в исходное положение последовательно осуществляется для каждой выбранной строки, но общий возврат в исходное положение одновременно осуществляется для всех эффективных пикселей.
То есть, этот процесс служит в качестве операции открытия общего фотозатвора.
В момент конца накопления, когда прошло заданное время Т9 накопления, сначала уровень первой линии 141 передачи увеличивается от низкого уровня до высокого уровня, так что электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в промежуточный узел накопления. В этом время состояние потенциала соответствует этапу ST22, показанному на фиг.13(В).
Далее, если первая линия 141 передачи возвращается от высокого уровня к низкому уровню, состояние потенциала перемещается в режим промежуточного удержания этапа ST23, показанного на фиг.13(В), и промежуточный узел накопления и фотодиод разделяются.
Это осуществляется одновременно для всех эффективных пикселов и служит в качестве операции закрытия общего фотозатвора.
Считывание последовательно осуществляется для каждой строки в соответствии с адресом строки.
Сначала после приложения сигнала выбора к линии 160 выбора строк и осуществления выбора строки, импульс прикладывается к линии 150 возврата в исходное положение, ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединяется с уровнем возврата в исходное положение, и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее, вторая линия 142 передачи, которая является линией разделения, возбуждается так, чтобы ее уровень стал высоким и третий n-канальный МОП-транзистор 1123, который является транзистором разделения, является проводящим. Таким образом, электроны, накопленные в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
В момент времени, когда вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, снова падает до низкого уровня, полностью завершается передача накопленных электронов в диффузионный слой 205.
Каждый пиксел поддерживает режим промежуточного удержания во время периода Н9 от конца накопления до считывания, но период Н9 промежуточного удержания различен для каждой строки.
То есть описанное выше промежуточное сохранение осуществляется до тех пор, пока не наступит очередь считывания строки после одновременного закрытия фотозатвора.
Функция общего фотозатвора также может осуществляться совместно с описанной выше операцией накопления большой емкости.
Например, когда начинается последовательность накопления для общего фотозатвора, показанная на фиг.20(А)-20(D), линии 140 передачи всех эффективных пикселей совместно изменяются до высокого уровня. Предпочтительно закончить накопление путем совместного уменьшения уровня линий до промежуточного потенциала после поддержания их состояния во время периода Т8 накопления и переместить до промежуточного состояния сохранения.
В этом случае, состояние потенциала с этапа ST12, показанного на фиг.7(В), поддерживается в каждом пикселе во время периода накопления, и электроны накапливаются в канале второго n-канального МОП-транзистора 1122, а не в фотодиоде 111, так что возможно накопление большой емкости.
Аналогично, также возможно объединение с операцией накопления большой емкости с разделенной во времени передачей и операция накопления большой емкости и функция общего фотозатвора могут быть объединены и использованы вместе с основной функцией первого варианта осуществления изобретения и основной конфигурацией третьего варианта осуществления изобретения.
Функция широкого динамического диапазона
Далее будет описана функция широкого динамического диапазона.
Эта функция представляет собой функцию одновременного сохранения сигнала с коротким временем накопления и сигнала с длительным временем накопления и формирования изображения со временем экспонирования, одновременно подходящим для двух сигналов, при этом используется сигнал с коротким временем накопления для объекта высокой освещенности и сигнал с длительным временем накопления для объекта низкой освещенности.
Если используется конфигурация первого или третьего вариантов осуществления настоящего изобретения и режим промежуточного удержания, возможно накапливать отдельный сигнал в фотодиоде при одновременном сохранении сигнала, накопленного в течение долгого времени в канальной области транзистора в режиме промежуточного удержания.
Во время операции считывания, сигнал с длительным временем накопления, сохраненный в режиме промежуточного удержания, сначала передается на вход усилителя, а затем передается сигнал с коротким временем накопления, сохраненный в фотодиоде.
11. Одиннадцатый вариант осуществления изобретения
Далее будет описан пример работы с широким динамическим диапазоном с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения и с использованием изменений потенциала, показанных на фиг.22(А)-22(D) и на фиг.23(А)-23(С).
На фиг.22(А)-22(D) показаны первые диаграммы изменения потенциала, иллюстрирующие пример работы с широким динамическим диапазоном, которая соответствует одиннадцатому варианту осуществления изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения.
На фиг.23(А)-23(С) показаны вторые диаграммы изменения потенциала, иллюстрирующие пример работы с широким динамическим диапазоном, которая соответствует одиннадцатому варианту осуществления изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения.
В одиннадцатом варианте осуществления изобретения схема пиксела совпадает со схемой пиксела с фиг.4 и детали и конфигурация поперечного сечения схемы передачи совпадают с деталями и конфигурацией поперечного сечения схемы передачи, показанной на фиг.5 и 6.
Этап ST31
На этапе ST31, показанном на фиг.22(А) и аналогичном этапу ST11 с фиг.7(А), первое накопление электронов осуществляется в диффузионном узле 204 фотодиода 111.
В канальных областях первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 потенциалы изменяются соответственно в диапазонах R11 и R12 в соответствии с потенциалом, приложенным к электроду 201 затвора двух транзисторов и равным, например, от -1,5 В до 3 В.
С другой стороны электрод 202 затвора третьего n-канального МОП-транзистора 1123, работающего на транзистор разделения, соединен с заземлением GND и потенциал канала настроен на значение, равное примерно 0,6 В.
Этап ST32
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 открыты на этапе ST32, показанном на фиг.22(В), электроны перемещаются следующим образом.
Все электроны, накопленные в диффузионном узле 204 фотодиода 111, движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
То есть электроны движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122, находящегося в сильно обедненном состоянии, и накапливаются в аналоговом состоянии.
Step ST33
Электрод 201 затвора управляется так, чтобы выключить первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 на этапе ST33, показанном на фиг.22(С), так что потенциал канальной области изменяется в направлении отрицательного потенциала.
Таким образом, фотодиод 111 отделяется от канала второго n-канального МОП-транзистора 1122 и завершается первое накопление.
На этапе, на котором электроды затворов первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 достигли подходящего промежуточного напряжения, достигается состояние, в котором накопленные электроны отделены как от фотодиода 111, так и от ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.
Этап ST34
Так как свет непрерывно падает на фотодиод 111 и происходит фотоэлектрическое преобразование, если на этапе ST34, показанном на фиг.22(D), поддерживается состояние промежуточного удержания с этапа ST33, новые электроны накапливаются в диффузионном слое 204.
Этап ST35
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 полностью выключены на этапе ST35, показанном на фиг.23(А), электроны перемещаются следующим образом.
А именно, все первые накопленные электроны, сохраненные в канале второго n-канального МОП-транзистора 1122, перемещаются в ПД 117, которая являются входным узлом схемы 118 усиления.
Таким образом, схема 118 усиления, содержащая транзистор 114 усиления, возбуждает вертикальную сигнальную линию 170, и считывается первый накопленный сигнал.
Этап ST36
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 снова открываются на этапе ST36, показанном на фиг.23(В), электроны перемещаются следующим образом.
Все вторые накопленные электроны, накопленные в диффузионном узле 204 фотодиода 111, перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121. В это время ПД 117, которая являются входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение с напряжением 3 В.
Этап ST37
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 снова полностью закрыты на этапе ST37, показанном на фиг.23(С), электроны перемещаются следующим образом.
Все вторые накопленные электроны, сохраненные в канале второго n-канального МОП-транзистора 1122, перемещаются в ПД 117, которая являются входным узлом схемы 118 усиления.
Таким образом, схема 118 усиления, содержащая транзистор 114 усиления, управляет вертикальной сигнальной линией 170 и считывается второй накопленный сигнал.
Путем регулировки эффективных моментов времени для описанной выше последовательности операций, первое накопление электронов осуществляется длительное время, а второе накопление электронов осуществляется короткое время.
Если первое накопление электронов не насыщено, его значение используется в накопленных данных пиксела. С другой стороны, если первое накопление электронов насыщено, значение второго накопления электронов используется в накопленных данных пиксела. Если время второго накопления составляет 1/К от времени первого накопления, вторые накопленные данные обрабатываются К раз во время формирования изображения.
Длительное накопление и кратковременное накопление осуществляются непрерывно без считывания в середине. Считывание осуществляется последовательно непрерывно два раза для каждой строки.
Следовательно, синтез кадра возможен, если пользователь устройства формирования изображения, которое соответствует варианту осуществления настоящего изобретения, подготовит только два буфера линий без необходимости подготовки двух буферов кадров, соответствующих различным временам накопления.
Когда время считывания удвоено, частота кадров становится равной ½, но все удвоенное время, взятое для одного кадра, может быть использовано в накоплении.
На фиг.24(А)-24(D) показаны временные диаграммы описанной выше работы с широким динамическим диапазоном.
На фиг.24(А) показан потенциал сигнала для линии 150 возврата в исходное положение, на фиг.24(В) показан потенциал сигнала для линии 140 передачи, на фиг.24(С) показан потенциал сигнала для линии 160 выбора строк и на фиг.24(D) показан потенциал сигнала для вертикальной сигнальной линии 170.
Сначала во время возврата в исходное положение устанавливается высокий уровень в линии 150 возврата в исходное положение, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединена с уровнем возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны, в момент времени, когда уровень линии 140 передачи поднялся от низкого уровня до высокого уровня и далее упал от высокого уровня до низкого уровня, электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в ПД 117 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени начинается период T10L первого накопления электронов. Импульс линии 150 возврата в исходное положение падает до низкого уровня после ожидания падения уровня линии 140 передачи до низкого уровня.
Когда прошло заранее заданное время накопления, уровень линии передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня и накопленные электроны передаются в промежуточный узел, выполненный в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, как показано на этапе ST32 с фиг.22(В).
Далее, если уровень линии 140 передачи падает от высокого уровня до промежуточного потенциала, фотодиод 111 и промежуточный узел разъединяются, как показано на этапе ST33 с фиг.22(С), и кончается период T10L длительного первого накопления электронов.
Одновременно начинается второй период T10S накопления.
После приложения сигнала выбора к линии 160 выбора строк и осуществления выбора строки, следующим образом осуществляется считывание.
Сначала ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение с помощью приложения импульса линии 150 возврата в исходное положение, и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее, если уровень линии 140 передачи падает до низкого уровня от промежуточного узла, первые накопленные электроны передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, как показано на этапе ST35 с фиг.23(А) и осуществляется их измерение.
ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, снова возвращается в исходное положение с помощью приложения импульса линии 150 возврата в исходное положение и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее если к линии 140 передачи приложен импульс, второй накопленный сигнал передается в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, с помощью этапов ST36 и ST37, показанных на фиг.23(В) и 23(С), и осуществляется измерение упомянутого сигнала.
Период T10S накопления также заканчивается считыванием второго накопленного сигнала.
12. Двенадцатый вариант осуществления изобретения
Описанная выше функция широкого динамического диапазона также реализуется с той же самой идеей для конфигурации третьего варианта осуществления изобретения.
На фиг.25(А)-25(Е) показаны временные диаграммы работы с широким динамическим диапазоном в соответствии с двенадцатым вариантом осуществления изобретения с использованием конфигурации третьего варианта осуществления изобретения.
В двенадцатом варианте осуществления изобретения конфигурация пиксела совпадает с конфигурацией с фиг.12.
Во время возврата в исходное положение линия 150 возврата в исходное положение имеет высокий уровень, так что ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединена с уровнем возврата в исходное положение (напряжение питания 3 В).
С другой стороны, уровень первой линии 141 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что дополнительные электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
Далее уровень первой линии 141 передачи падает от высокого уровня до низкого уровня и вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет высокий уровень по существу в тоже время, так что третий n-канальный МОП-транзистор 1123, который является транзистором разделения, является проводящим. В конечном счете, если уровень второй линии 142 передачи падает до низкого уровня, накопленные электроны полностью перемещаются в ПД 117 и вытягиваются на уровень возврата в исходное положение.
В этот момент времени, начинается период T11L первого накопления электронов. Импульс линии 150 возврата в исходное положение падает до низкого уровня после ожидания падения уровня второй линии 142 передачи до низкого уровня.
По прошествии заданного времени накопления уровень первой линии 141 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в промежуточный узел накопления.
Далее, если первая линия 141 передачи возвращается от высокого уровня к низкому уровню, состояние потенциала перемещается в режим промежуточного удержания с этапа ST23, показанного на фиг.13(В), и промежуточный узел накопления и фотодиод разделяются.
Таким образом, кончается период T11L длительного первого накопления электронов. Одновременно начинается второй период T11S накопления.
После приложения сигнала выбора к линии 160 выбора строк и осуществления выбора строки, считывание осуществляется следующим образом.
Сначала к линии 150 возврата в исходное положение прикладывается импульс, ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, соединяется с уровнем возврата в исходное положение и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее, устанавливается высокий уровень во второй линии 142 передачи, которая является линией разделения, и третий n-канальный МОП-транзистор 1123, который является транзистором разделения, является проводящим. Таким образом, первые накопленные электроны, накопленные в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления. В момент времени, когда вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, снова падает до низкого уровня, полностью завершается передача первых накопленных электронов в ПД 117, и измеряется первый накопленный сигнал.
ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, снова возвращается в исходное положение с помощью приложения импульса линии 150 возврата в исходное положение, и измеряется уровень возврата в исходное положение.
Далее уровень первой линии 141 передачи поднимается от низкого уровня до высокого уровня, так что вторые накопленные электроны, накопленные в фотодиоде 111, передаются в канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
Далее, если уровень первой линии 141 передачи падает от высокого уровня до низкого уровня, то вторая линия 142 передачи, являющаяся линией разделения, имеет высокий уровень по существу в то же самое время и, в конечном счете, уровень второй линии 142 передачи падает до низкого уровня, вторые накопленные электроны полностью передаются в ПД 117.
Таким образом, также заканчивается второй период T11S накопления и в дальнейшем измеряется второй накопленный сигнал.
Если первое накопление электронов не насыщено, его значение используется в накапливаемых данных пиксела. С другой стороны, если первое накопление электронов насыщено, значение второго накопления электронов используется в накапливаемых данных пиксела. Если время второго накопления составляет 1/К от времени первого накопления, вторые накопленные данные обрабатываются К раз во время формирования изображения.
13. Тринадцатый вариант осуществления изобретения
Далее будет описан тринадцатый вариант осуществления изобретения, в котором изменена структура схемы передачи пиксела.
На фиг.26 показана схема пиксела КМОП датчика изображений, которая соответствует тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Схема 110Е пиксела, соответствующая тринадцатому варианту осуществления изобретения, имеет конфигурацию, в которой отсутствует третий n-канальный МОП-транзистор 1123, являющийся транзистором разделения транзистора 112 передачи из схемы 110А пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения.
То есть в схеме 110Е пиксела, соответствующей тринадцатому варианту осуществления изобретения, транзистор 112Е передачи выполнен из первого n-канального МОП-транзистора 1121 с высоким пороговым напряжением HVth и второго n-канального МОП-транзистора 1122 с низким пороговым напряжением LVth, которые объединены и соединены последовательно.
На фиг.27 показана схема, эквивалентная схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы 110Е пиксела, которая соответствует тринадцатому варианту осуществления изобретения.
Электроны, полученные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, полностью передаются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, через первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122, объединенные и соединенные последовательно для формирования транзистора 112Е передачи.
В объединенных первом и втором n-канальных МОП-транзисторах 1121 и 1122 каналы соединены непосредственно друг с другом, а не через диффузионный слой n-типа или подобным образом.
Сигнал возбуждения прикладывается совместно и одновременно к электродам 201 затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122.
Первый n-канальный МОП-транзистор 1121 имеет высокое пороговое напряжение HVth, а второй n-канальный МОП-транзистор 1122 имеет низкое пороговое напряжение LVth.
Если ПД 117, которая является входным узлом, имеет паразитную емкость 203, то величина ΔVf изменения потенциала находится по формуле {ΔVf=Q/Cf}, если количество накопленного электрического заряда равна Q и величина паразитной емкости равна Cf.
Во время операции считывания, это изменение возбуждает вертикальную сигнальную линию 170 с фиксированным коэффициентом усиления через схему 118 усиления.
Так как являющийся транзистором разделения третий n-канальный МОП-транзистор 1123 из первого варианта осуществления изобретения отсутствует, то уменьшается площадь, занимаемая пикселом.
С другой стороны, на ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления в плавающем состоянии, легко влиять путем изменения состояния второго n-канального МОП-транзистора 1122, который прилегает к ПД 117.
Например, когда первый и второй n-канальные МОП-транзисторы 1121 и 1122 включены с помощью электродов 201 затворов, потенциал ПД 117 изменяется благодаря соединению с ними. В результате присутствует следующий эффект: некоторые электроны, которые должны накапливаться в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, просачиваются в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, или тому подобное.
ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления, содержит диффузионный слой, в который введено большое количество примесей, контактная часть проводов или подобное и имеет низкую степень кристаллизации по сравнению с канальной частью МОП-транзистора.
Следовательно, отдельные просочившиеся электроны легко теряются из-за рекомбинации или подобных причин во время периода накопления и, в частности, оказывают значительное отрицательное воздействие на функцию накопления третьего варианта осуществления изобретения или функцию общего фотозатвора девятого или десятого вариантов осуществления изобретения.
Тем не менее, если достаточно велика способность накапливать электрический заряд в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, в тринадцатом варианте осуществления изобретения также возможно уменьшить или исключить ограничения для полной передачи в соответствии с принципом, аналогичным принципу из первого варианта осуществления изобретения.
На фиг.28 показана структура поперечного сечения примера схемы передачи с фиг.27.
В фотодиоде 111 применена структура диода с накоплением дырок, в которой окрестности кремниевой поверхности, контактирующие с оксидной пленкой, имеют p-тип.
Здесь полученные при фотоэлектрическом преобразовании электроны вначале накапливаются в диффузионном узле 204 n-типа.
Если сигнал, который включает первый n-канальный МОП-транзистор 1121, прикладывается к электроду 201 затвора, много электронов перемещается в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и накапливаются в канальной области.
Например, профиль распределения примеси канальной части отрегулирован так, что порог первого n-канального МОП-транзистора 1121 установлен высоким, а порог второго n-канального МОП-транзистора 1122 установлен низким. Таким образом, канальная часть второго n-канального МОП-транзистора 1122 образует яму накопления электронов, а канальная часть первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальную стену, предотвращающую обратный поток.
Диффузионный слой 205 соединен с входом схемы 118 усиления, которая не показана на поперечном сечении.
Здесь первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 считаются двумя отдельными транзисторами. Тем не менее, они могут рассматриваться как один n-канальный МОП-транзистор с перепадом в профиле распределения примеси канальной части, если электроды затворов также выполнены объединенными, как показано на фигуре.
В любом случае функционально это равносильно двум отдельным транзисторам, соединенным последовательно, и это входит в диапазон возможных реализации настоящего изобретения.
На фиг.29(А)-29(D) показаны изменения потенциала, сопровождающие операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи в схеме пиксела, которая соответствует тринадцатому варианту осуществления изобретения.
Этап SТ41
На этапе ST41, показанном на фиг.29(А), диффузионный узел 204 фотодиода 111 выполнен так, чтобы при полном обеднении нижний уровень потенциала был равен примерно 2,5 В положительного электрического заряда благодаря наличию фиксированного количества доноров. Здесь он наполнен полученными при фотоэлектрическом преобразовании электронами до состояния насыщения (примерно 0 В).
С другой стороны в канальных областях первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 потенциалы изменяются соответственно в диапазонах R17 и R18 в соответствии с потенциалом, приложенным к электродам затворов двух транзисторов и равным, например, от 1,5 В до 3 В.
Диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления, возвращается в исходное положение, чтобы находиться в плавающем состоянии с напряжением 3 В.
Этап ST42
Если первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 открыты на этапе ST42, показанном на фиг.29(В), потенциал изменяется следующим образом.
Все электроны, накопленные в диффузионном узле 204 фотодиода 111, движутся в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121.
В этом случае потенциал диффузионного слоя 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления, поднимается благодаря соединению. Некоторые электроны текут дальше в диффузионный слой 205 (ПД 117) через канальную часть второго n-канального МОП-транзистора 1122.
То есть, большая часть электронов, которые представляют собой считываемый сигнал, накапливаются в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122, находящегося в сильно обедненном состоянии, а некоторые электроны накапливаются в диффузионном слое 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Этап ST43
Электроды 201 затворов возбуждаются так, чтобы закрыть первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 на этапе ST43, показанном на фиг.29(С), чтобы потенциал канальной области изменился в направлении отрицательного потенциала.
Здесь канал первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальный барьер и предотвращает течение накопленных электронов назад к диффузионному узлу 204 фотодиода 111. Высота барьера соответствует разности между порогами двух транзисторов, которая равна, например, 1,5 В.
Когда потенциал канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 растет (потенциал уменьшается), накопленные там электроны перемещаются в диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы 118 усиления.
Этап ST44
В закрытом состоянии первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122 с этапа ST44, показанного на фиг.29(D), достигается состояние, в котором все электроны, накопленные в фотодиоде 111 на этапе ST41, переместились в диффузионный слой 205, который является входом схемы 118 усиления. Таким образом, усилитель возбуждает вертикальную сигнальную линию, и считывается накопленный сигнал.
Если используется описанная выше поэтапная передача, не нужно обеспечивать разность потенциалов между диффузионным узлом 204 фотодиода 111, находящегося в состоянии полного обеднения, и диффузионный слоем 205, который является входом схемы 118 усиления.
То есть, в тринадцатом варианте осуществления изобретения, полная передача осуществляется даже в состоянии, когда потенциал диффузионного слоя 205 (ПД 117), наполненного электронами, ниже потенциала диффузионного узла 204.
Для того чтобы полностью исключить описанное выше ограничение для потенциала при передаче, емкость накопления канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122 значительно увеличивается на этапе ST42. Таким образом, необходимо переместить все электроны на правую сторону от второго n-канального МОП-транзистора 1122, независимо от величины паразитной емкости диффузионного слоя 205, который является входным узлом схемы 118 усиления.
Если величина накопленного электрического заряда насыщения фотодиода равна Qs, канальная емкость второго n-канального МОП-транзистора 1122 (емкость инверсного слоя) равна Cinv, а разница порогов первого n-канального МОП-транзистора 1121 и второго n-канального МОП-транзистора 1122 равна ΔVth, то выполняется следующее условие.
[Формула 3]
|Cinv*ΔVth|>|Qs|
Фактически, присутствует полезный эффект, заключающийся в том, что интервал передачи довольно значительно расширяется, если достигается состояние, в котором половина или более электронов, полученных при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, накоплена в канальной части второго n-канального МОП-транзистора 1122 на этапе ST42.
14. Четырнадцатый вариант осуществления изобретения
На фиг.30 показана схема пиксела КМОП датчика изображений, которая соответствует четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Разница между схемой 110F пиксела, которая соответствует четырнадцатому варианту осуществления изобретения, и схемой 110Е пиксела, которая соответствует тринадцатому варианту осуществления изобретения, заключается в следующем.
В схеме 110F пиксела, которая соответствует четырнадцатому варианту осуществления изобретения, множество пикселов, например, два пиксела PXL110a и PXL110b, содержащие соответственно собственный фотодиод 111 и собственную схему 112 передачи, совместно используют ПД 117 и транзистор 114 усиления, образующий схему усиления.
В схеме 110F пиксела множество пикселов PXL110a и PXL110b также совместно используют транзистор 113 возврата в исходное положение и транзистор 115 выбора строк.
В транзисторах 112а и 112b передачи соответствующих пикселов PXL110a и PXL110b совместно используемые электроды затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов соответственно соединены с различными линиями 140а и 140b передачи.
В схеме 110F пиксела электроны, накопленные в соответствующих фотодиодах 111a и 111b, передаются в ПД 117 (входной узел схемы усиления) в свои моменты времени в соответствии с соответствующими независимыми линиями 140а и 140b передачи.
Совместное использование схемы усиления может уменьшить фактический размер пиксела, но также при увеличении количества пикселов, совместно использующих некоторые устройства, возрастает паразитная емкость ПД 117.
Следовательно, предпочтительно, чтобы количество пикселов, совместно использующих некоторые устройства, было не меньше 2 и не больше 16.
Выше описаны варианты осуществления изобретения, в которых в осуществляющем фотоэлектрическое преобразование элементе полупроводникового устройства формирования изображения используется фотодиод.
С другой стороны, в осуществляющем фотоэлектрическое преобразование элементе может быть использован МОП-конденсатор. Возможно получить тот же эффект, даже при использовании в вариантах осуществления изобретения с первого по четырнадцатый МОП-конденсатора вместо фотодиода.
15. Пятнадцатый вариант осуществления изобретения
На фиг.31 показан пример конфигурации схемы передачи, которая соответствует пятнадцатому варианту осуществления изобретения, при этом фиг.31 соответствует примеру с фиг.6, в которой фотодиод заменен МОП-конденсатором и который является примером структуры поперечного сечения, соответствующей первому варианту осуществления изобретения.
На фиг.31 ссылочной позицией 210 обозначен осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент, использующий МОП-конденсатор.
Например, фиксированное напряжение 2 В прикладывается к электроду 211 и МОП-конденсатор 210 находится в состоянии сильного обеднения.
Если электроны входят в слой обеднения, генерируются пары электрон/дырка. Дырки привлекаются электрическим полем и перемещаются в сторону р-ямы. С другой стороны, электроны накапливаются вблизи оксидной пленки МОП-конденсатора 210, являющейся инверсным слоем.
Если электрод 201 затвора имеет высокий уровень, то накопленные электроны полностью передаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и накапливаются в канальной области.
Далее, если уровень электрода 201 затвора падает до низкого уровня, накопленные электроны передаются в диффузионный слой 205 (ПД 117), который является входным узлом схемы усиления, возбуждают вертикальную сигнальную линию 170 и осуществляют считывание.
16. Шестнадцатый вариант осуществления изобретения
На фиг.32 показан пример структуры поперечного сечения схемы передачи, которая соответствует шестнадцатому варианту осуществления изобретения, при этом указанная структура поперечного сечения отличается от структуры поперечного сечения схемы передачи, соответствующей первому варианту осуществления изобретения.
Основное отличие схемы передачи, соответствующей шестнадцатому варианту осуществления изобретения с фиг.32, от схемы передачи, соответствующей первому варианту осуществления изобретения с фиг.6, заключено в объединенной структуре затвора объединенных первого, второго и третьего n-канальных МОП-транзисторов 1121, 1122 и 1123.
В шестнадцатом варианте осуществления изобретения первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и второй n-канальный МОП-транзистор 1122 выполнены с использование различных электродов 201-1 и 201-2 затворов.
Электроды 201-1 и 201-2 затворов выполнены из различных проводящих слоев или поликремниевых слоев и соединены накоротко в пикселе (не показано) с целью формирования объединенного электрода 201.
В этой структуре возможно отрегулировать профиль распределения примесей подложки второго n-канального МОП-транзистора 1122 по самоустановке. В качестве альтернативы также возможно отрегулировать порог путем изменения функций работы различных слоев электродов затворов.
Полупроводниковое устройство формирования изображения, соответствующее любому варианту осуществления изобретения с первого по шестнадцатый и описанное выше, может быть использовано в качестве устройства формирования изображения цифровой камеры или видеокамеры.
17. Семнадцатый вариант осуществления изобретения
На фиг.33 показан пример конфигурации системы камеры, в которой использовано полупроводниковое устройство формирования изображения, соответствующее любому варианту осуществления изобретения.
Как показано на фиг.33, система 300 камеры содержит устройство 310 формирования изображения, в котором может быть применен КМОП датчик 100 изображений (полупроводниковые устройства формирования изображения).
Система 300 камеры содержит оптическую систему, которая направляет падающий свет в область пикселов устройства 310 формирования изображения (или которое формирует изображение объекта), например, линзу 320, которая формирует изображение падающего света (оптическое изображение) на поверхности формирования изображения.
Далее система 300 камеры содержит схему 330 (DRV) возбуждения, которая возбуждает устройство 310 формирования изображения, схему 340 (PRC) обработки сигнала, которая обрабатывает выходной сигнал устройства 310 формирования изображения.
Схема 330 возбуждения содержит генератор тактовых импульсов (не показан), который генерирует различные тактовые сигналы, в том числе импульс начала или синхронизирующий импульс, предназначенный для управления схемой в устройстве 310 формирования изображения, и возбуждает устройство 310 формирования изображения с помощью заданного тактового сигнала.
Схема 340 обработки сигнала осуществляет заданную обработку выходного сигнала устройства 310 формирования изображения.
Сигнал изображения, обработанный схемой 340 обработки сигнала, записывается, например, на носитель информации, такой как память. С помощью принтера или подобного устройства создается твердая копия информации об изображении, записанной на носитель информации. Сигнал изображения, обработанный схемой 340 обработки сигнала, отображается на мониторе, в том числе на жидкокристаллическом дисплее или подобном устройстве, в виде движущегося изображения.
В устройстве формирования изображения цифровой фотокамеры или подобного устройства, описанного выше, камера высокой точности может быть реализована с учетом требования низкого энергопотребления путем использования описанного выше устройства 100 формирования изображения в качестве устройства 310 формирования изображения.
Список ссылочных позиций
100: КМОП датчик изображения
110: модуль матрицы пикселов
110А-110F: схема пиксела
111: фотодиод
112: транзистор передачи
1121: первый МОП-транзистор
1122: второй МОП-транзистор
1123: третий МОП-транзистор
113: транзистор возврата в исходное положение
114: транзистор усиления
115: транзистор выбора строк
116: узел накопления
117: ПД
118: схема усиления
120: схема выбора строк
130: схема считывания столбцов (AFE)
300: система камеры