固态成像设备的制作方法

专利名称：固态成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态成像设备，驱动固态成像设备的方法及一种照相机 装置。尤其是，本发明涉及一种X-Y寻址型固态成像设备，以M0S型固态成 像设备为代表，以及一种照相机装置(图像获取装置)，其使用该固态成像 设备作为图像获取设备。
背景技术：
在X-Y寻址型固态成像设备中，例如，MOS型固态成像设备，为了微制 造单位象素，省略了用于选择象素的选择晶体管，象素通过控制浮动扩散部 分(以下称为"FD部分")的电压进行选择，该控制过程通过复位FD部分的 复位晶体管实现，这样使得单位象素通过三个晶体管实现(例如，参见曰本 未审专利申请公开No. 2002-51263，特别是，第0010到0012段及附图1 )。三个晶体管的泉素电路的结构示于图15中。如图15所示，单位象素100 包括一个光电转换器(这里为光电二极管)101， 一转移晶体管102， 一放大 晶体管103以及一复位晶体管104。多个单位象素IOO在半导体基底上的矩 阵中二维地排列。从上述结构清楚可清楚的看到，在三个晶体管的象素电路中，不存在选 择晶体管，象素由复位晶体管104通过控制FD部分105的电平来进行选择。 也就是说，对非选择象素，FD部分105的电平为低电平(以下称为"L，，电 平)，对选择象素，FD部分105的电平为高电平(以下称为"H"电平)，由 此输出选择象素的信号给垂直信号线107。此后，通过将选择象素的FD部分 105的电平返回到"L"电平，象素返回到非选择状态。该操作对在一条线上的所有象素上同时执行。在上述结构的三个晶体管的象素电路中，放大晶体管103的漏极完全连 接到电源线上，复位晶体管104的漏极连接到漏极线108上，该漏极线在行 方向(水平方向)上延伸。如图16所示，比较发现釆用放大晶体管103的 漏极和复位晶体管104的漏极都连接到漏极线上的结构，其结果是象素100 的触点，扩散层，及线路都减少了。从而，对更好的形成象素ioo是有利的。虽然漏极线未示于图16中，但行方向延伸漏极线的情况与图15的情况 相同，在行方向上延伸的线路数目是三个，在列方向(垂直方向)上延伸的 线路数目为一个。结果是，很难使一个用来接收将光入射到象素的孔成为接 近于正方形的形状。此外，由于所有垂直信号线107的电流是从一条漏极线 中供给，并且大电流流过该漏极线，所以出现了线路阻抗和线路可靠性的问 题。这些问题可以通过在垂直方向上形成的线作为漏极线或以点阵形式的线 作为漏极线而避免。现在描述驱动图16的象素结构的固态成像设备的情况。在象素读取以 外的周期(非读取周期)，具有漏极线为"H"电平和"L"电平的情况。当 漏极线为"L"电平时，存在有电子通过复位晶体管104和转移晶体管102 从漏极线泄漏到光电转换器101的问题。因此，在象素读取以外的周期，常 常采用漏极线为"H"电平的驱动方法。如上所述，在象素读取以外的周期采用漏极线为"H，，电平的驱动方法 的情况下，驱动脉冲之间的时序关系，即象素读取周期内选择行的漏极电压 DRN,复位脉冲RST，转移脉冲TRF示于图17。在图17的时序图中，时间t101 表示接收复位电平时的时序，时间tl02表示接收信号电平时的时序。在非选择行中，漏极电压DRN共同被提供，但不提供复位脉冲RST和转 移脉冲TRF。漏极电压DRN通常设置在"H，，电平(电源电压)。对所有行来 说FD部分105的电平为低电平。当复位脉冲RST提供给选择行时，复位晶 体管104导通，使得选择行的FD部分105的电平设置为"H"电平。随后， 当选择行被复位时的电平，即复位电平，通过放大晶体管103输出到垂直信 号线107上。该复位电平在下一级电路上4皮接收。接着，当提供转移脉冲TRF时，转移晶体管102导通，使得光电子从光 电转换器101转移到选择行的FD部分105上。然后，与光电子对应的FD部 分105电平，即信号电平，通过放大晶体管103输出到垂直信号线107上。该信号电平在下一级的电路上被接收。此后，漏极线电压被置为0V，在选择行的FD部分105通过提供的复位 脉冲RST返回到"L"电平之后，漏极线返回"H"电平(此后称为"回充操 作")。使象素以这种方式操作的一系列周期以下称为读取周期。在该读取周 期内，通过计算下级电路的复位电平和信号电平之差，得到了与由光电转换 器101接收的光子的数量相对应的信号(象素信号)。本发明的发明人通过试验制成了图2所示的象素结构的固态成像设备。 发明人发现，在这种固态成像设备中，在所获取的图像上出现了许多具有暗 电流的象素。此外，通过分析这种现象，发明人阐明上述现象的大部分如下 所述。在象素读取周期以外的一个特定周期内一个偏置电流流过垂直信号线 107。图4为其实例。在图4中，水平无效周期主要是对象素进行操作使得 该信号在下级电路上接收的周期。水平有效周期主要是象素信号依次从下级 电路输出的周期。为了读取一特定行的象素，需要使得偏置电流流动。在图4中，第n行 读取期间为上面描述的第n行的读取周期。周期A和B为在读取周期之前和 之后不读取任何行时偏置电流流过的时间。在第n行的象素信号读取到下级 电路中时，该偏置电流被切断。此外，在经过一个线路的信号依次从下级电 路输出的水平有效周期后，下一行的读取同样执行。这里，在周期A和B中，任何行都不在读取状态。此时，由于放大晶体 管103和复位晶体管104的阈值的变化关系，在与垂直信号线107连接的大 量的象素中偏置电流流到具有放大晶体管103的最低通道电压的象素中(以 下称为低通道象素)。以这种连接，在放大晶体管103和复位晶体管104中， 由于阈值被降低以确保操作裕度，因此相对于至少 一种变化存在电流不能完 全切断的象素。图18示出了在象素部分中每列的低通道象素的分布的例子。在周期A 和B中，电流流过这些低通道象素。象素的》文大晶体管103的电平示于图19 中。放大晶体管103的栅极电平为"L"电平。此时，电子从垂直信号线107 流进漏极线中，并且由于放大晶体管103的栅极电平为"L"电平，所以漏 极端的电压差很大，从而提供了高电场。当在该大电压差上流过电子时，电子获得很大的能量(这些电子一般称为"热载流子")，其部分发散到P阱中，产生光电子。电子和光电子一起跃入附近的光电转换器101中，形成暗电流。也就是说，与图18对应的象素 的暗电流大，并且该暗电流在图像获取平面作为白点显示。实际中，依据变 化的分布和界面的状态存在多个白点出现的列和没有明显白点出现的列。在所有行上进行象素的读取，同时对每一行依次扫描。在周期A和B中， 前述现象出现在与每行相对的每列的低通道象素中。因此，低通道的暗电流 变得特别大。也就是说，对于低通道象素，因为当象素本身不是一个选择行 时就会产生这种现象，从而暗电流变得很大。由于上述原因出现的白点在此 称作"非选择热载流子白点"。在选择晶体管与放大晶体管103串联连接的这种象素中，由于电流的供 给被选择晶体管在周期A和B内完全切断，因此非选择热载流子白点的问题 不会出现。换句话说，非选择热载流子白点的问题是针对没有选择晶体管的 三晶体管型象素结构的固态成像设备的。发明内容因此，本发明的一个目的是提供一种固态成像设备， 一种驱动该固态成 像设备的方法，以及一种照相机装置，其中当固态成像设备采用没有非选择 晶体管的三晶体管型象素结构时，可使非选择热载流子白点消失。在第一方面，本发明提供一种固态成像设备，其包括以如下方式形成的一个象素部分，在该方式中，排列一种单位象素，其具有三个晶体管，一 个转移晶体管用于转移光电转换器的信号到浮动扩散部分，一个放大晶体管用于输出浮动扩散部分的信号到信号线， 一个复位晶体管用于复位该放大晶 体管和该浮动扩散部分；以及驱动装置，用于通过控制复位晶体管的漏极和 栅极的电压选择象素部分的每个象素，并用于在象素的非读取周期使得提供 给信号线的偏置电流立即流到与前一个选择象素相关的象素上。在第二方面，本发明提供了一种固态成像设备，包括 一个象素部分以 如下方式形成，其中一个单位象素具有三个晶体管， 一个转移晶体管用于转 移光电转换器的信号到浮动扩散部分， 一个放大晶体管用于输出该浮动扩散 部分信号到信号线上， 一个复位晶体管用于复位该放大晶体管和该浮动扩散 部分；用于通过控制复位晶体管的漏极和栅极的电压来选择象素部分的每个 象素的驱动装置；和用于在象素的非读取周期使得提供给信号线的偏置电流流到象素部分的其他每个象素中的装置。在第三方面，本发明提供了一种固态成像设备，其包括以如下方式形 成的一个象素部分，其中一个单位象素具有三个晶体管， 一个转移晶体管用 于转移光电转换器的信号到浮动扩散部分， 一个放大晶体管用于输出该浮动 扩散部分的信号到信号线上， 一个复位晶体管用于将放大晶体管和浮动扩散 部分进行复位；用于通过控制复位晶体管的漏极和栅极的电压来选择象素部 分的每个象素的驱动装置；用于在象素的非读取周期切断信号线的偏置电流 供给的装置。在第四方面，本发明提供了一种固态成像设备，其包括 一个以如下方 式形成的象素部分，其中一个单位象素具有三个晶体管， 一个转移晶体管用 于转移光电转换器的信号到浮动扩散部分， 一个放大晶体管用于输出该浮动 扩散部分的信号到信号线上， 一个复位晶体管用于将放大晶体管和浮动扩散 部分进行复位；和用于通过控制复位晶体管的漏极和栅极的电压来选择象素 部分的每个象素的驱动装置，该驱动装置还用于使复位晶体管的漏极电压在 象素的非读取周期内处于电源电压电平和地电平之间的 一 中间电压。在第五方面，本发明提供了一种固态成像设备，其包括 一个以如下方 式形成的象素部分，其中一个单位象素具有三个晶体管， 一个转移晶体管用 于转移光电转换器的信号到浮动扩散部分， 一个放大晶体管用于输出该浮动 扩散部分的信号到信号线上， 一个复位晶体管用于将放大晶体管和浮动扩散 部分进行复位；用于通过控制复位晶体管的漏极和栅极的电压来选择象素部 分的每个象素的驱动装置，该驱动装置还用于提供一个复位脉沖给复位晶体 管的栅极，该复位脉冲的高电平侧的电压值比电源电压的电压值高。在第六方面，本发明提供了一种固态成像设备，其包括在成像区域内 排列的多个象素，其中象素包括一个光电转换器， 一个放大晶体管，在放大 晶体管栅极上施加一个来自光电转换器的充电信号， 一个复位晶体管用于对 光电转换器的充电进行复位，在读取周期内，当放大晶体管的栅极电压改变 到一个预定电平之后，放大晶体管放大并输出来自光电转换器的充电信号， 在紧接此后的读取周期和非读取周期内，放大晶体管的栅极不再受电压调节 的影响。在第七方面，本发明提供了一种固态成像设备，其包括在成像区域内 排列的多个象素；用于引导来自象素的信号到成像区域以外的信号线；用于为该信号线提供偏置电流的电流源；以及用于改变偏置电流流动的开关装置。按照本发明的每一方面该固态成像设备用作照相机装置(图像获取装置) 中的图像获取设备。


图1是X-Y寻址型固态成像设备的结构的概述的框图；图2是单位象素的象素电路的一个实施例的电路图；图3是根据本发明的第一实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图；图4是固态成像设备操作的例图；图5是根据第一实施例的当采用该驱动固态成像设备的方法时放大晶体 管的电位图；图6是当耗尽型晶体管不用作复位晶体管时的时序图；图7是在一个水平无效周期内读取两行时执行的操作的例图；图8是根据本发明的第二实施例的固态成像设备的主要部分的框图；图9是根据本发明第二实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图；图IO是根据本发明第三实施例的固态成像设备的主要部分的结构框图；图11示出了根据本发明第三实施例的驱动固态成像设备方法的时序图；图12是根据本发明第四实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图；图13示出了根据本发明第五实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图； t图14是根据本发明的一个照相机装置结构的概述的框图； 图15是三晶体管结构的象素电路的第 一实施例的电路图； 图16是三晶体管结构的象素电路的第二实施例的电路图； 图17是根据传统实施例的驱动脉冲的时序图； 图18示出了低沟道象素分布的一个实施例；图19是根据传统实施例的当采用驱动固态成像设备的方法时放大晶体 管的电位图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。图1是以M0S型固态成像设备为代表的X-Y寻址型固态成像设备的结构概述的框图。如图l所示，X-Y寻址型固态成像设备用这样方式进行设置， 在象素部分12周围，设置一个垂直解码器13, —个垂直驱动电路14, 一个 列电路15, —个水平解码器16, —个水平驱动电3各17, —个输出电路18, 以及一个定时产生电路(TG) 19。在该象素部分12中，在一个矩阵平面上 二维地设置有大量的单位象素11。
垂直解码器13通过在垂直方向(列方向)上扫描而选择各行单元中的 象素部分12的每个象素11，并选择电子快门的行。垂直驱动电路14驱动由 垂直解码器13选择的行上的每个象素11。列电路15,其由对应于象素部分 12的每个垂直象素列的方式进行设置，用来接收由垂直解码器13所选择的 行的每个象素11的复位电平和信号电平，并计算这些电平之间的差，从而 得到一个线路的象素信号，并执行各种信号处理，如用于消除象素11的固 定图形噪声的处理，以及AD转换。
水平解码器16通过在水平方向(行方向)上扫描依次选择每个列电路 15。水平驱动电路17读取一条线的象素信号，该象素信号在每个列电路15 上得到，并从由水平解码器16依次选择的列电路15进入到水平信号线20 中。输出电路18依次输出一条线的象素信号，其中读取这些象素信号到水 平信号线20上。在该输出电路18中，也执行AD转换，另外，也要进行各 种信号处理，如信号放大处理，彩色信号相关处理，以及信号压缩处理。
定时产生电路19产生对每部分，例如垂直解码器13、垂直驱动电路14、 列电路15、水平解码器16、以及水平驱动电路17操作所需的驱动脉沖，并 产生驱动象素部分12的每一象素11所用的各种驱动脉沖(漏极电压DRN, 复位脉沖RST，转移脉冲TRF等)(以下将描述)。即，定时产生电路19作用 是作为驱动象素部分12的每一象素11的驱动装置。
图2是单位象素11的象素电路的一个实施例的电路图。如图2所示， 根据该实施例，单位象素11具有三晶体管的象素结构，该结构具有一光电 转换器(此处，为光电二极管)21, —转移晶体管22, —放大晶体管23, 以及一复位晶体管24。该转移晶体管22，放大晶体管23，复位晶体管24 中的每一个由MOS晶体管形成。作为复位晶体管24,使用耗尽型晶体管。
在该象素电路中，转移晶体管22的源极连接到光电转换器21的阴极上， 其漏极连接到FD部分25,其栅极连接到转移线26上。转移晶体管22转移 光电子给FD部分25,这些光电子由光电转换器21执行光电转换得到。这里，FD部分25为一具有寄生电容的扩散层。放大晶体管23的栅极连接到FD部 分25上，其漏极连接到漏极线(未示出)上，并且其源极连接到垂直信号 线27上，这样与FD部分25的电压(复位电平/信号电平)对应的信号可 以输出到垂直信号线27上。复位晶体管24的源极连接到FD部分25上，其 漏极与放大晶体管23的漏极一起连接到漏极线上，其栅极连接到复位线28, 这样就控制了 FD部分25的电压。放大晶体管23的漏极和复位晶体管24的漏极共同连接的漏极线一般与 象素部分12的大多数象素11连接。那么，漏极线在列方向(垂直方向)上 延伸并在象素部分12的末端共用，或者漏极线以点阵的形式布线，其中在 光电转换器21中开有一个孔。也许有一些象素，诸如虛拟象素，其漏极线 与有效象素(用于获取图像的象素)的漏极线分开。漏极电压DRN施加到漏 极线上，转移脉冲TRF施加到转移线26上，并且复位脉冲RST施加到复位 线28上。在M0S型固态成像设备中，上述三晶体管结构的象素11在矩阵中二维 排列并且每一象素11由控制复位晶体管24的漏极和栅极电压进行选择，为 了解决针对三晶体管型所具有的非选择热载流子白点问题，采用下面描述的 根据每一 实施例的驱动方法。根据每一 实施例的驱动方法由定时产生电路19 在定时控制下实现，该定时产生电路19用作驱动象素部分12的每个象素11 的驱动装置。下面将专门描述根据每一 实施例的驱动方法。 [第一实施例]本发明的第一实施例的特征是驱动图1结构的固态成像设备的方法。图 3的时序图示出了根据本发明第一实施例的驱动固态成像设备的方法。同时 图3也示出了一个象素读取周期内选择行(假定为第n行)的驱动脉冲即漏 极电压DRN,复位脉冲RST和转移脉冲TRF之间的脉冲波形关系。在图3的 时序图中，时间tll表示接收到复位电平的时刻，时间U2表示接收到信号 电平的时刻。在非选择行中，漏极电压DRN —起被提供，然而不提供复位脉冲RST和 转移脉冲TRF。通常，如果负极性脉冲("L"电平)施加到"H"电平的漏极 线上，则所有行的FD部分25复位成"L"电平。即，所有行的FD部分25 回充。这里，FD部分25的"L"电平由复位晶体管24的阈值确定，不一定 为0V。当复位晶体管24为耗尽型晶体管时，"L"电平可为0.5V等。接着，当复位脉冲RST施加到选择行时，复位晶体管24导通，使得选 择行的FD部分25设置为"H"电平。结果是，当选择行进行复位时，其电 平，即复位电平，通过放大晶体管23输出到垂直信号线27上。这里，FD 部分25的"H"电平不是电源电压，由于诸如阈值偏移的影响变成低于电源 电压的电压，例如-0. 5V的电源电压。该复位电平在时间tll的时刻在列电 路15被接收。接着，当转移脉沖TRF施加到选择行时，转移晶体管22导通，使得光 电子从光电转换器21转移到选择行的FD部分25。然后，与光电子对应的 FD部分25的电平即信号电平通过放大晶体管23输出到垂直信号线27上。 该信号电平在时间t12的时刻在列电路15被接收。列电路15计算复位电平和信号电平之间的差值，该复位电平和信号电 平在时间tll和t12的时刻被接收，对于每一线路的象素，该差值作为去掉 噪声成分的实际信号电平，即，输入信号电平。此后，如图4所示，下一行 的驱动在经过周期B和水平有效周期后执行，其中保持在每一列的垂直驱动 电路14中的信号依次通过水平信号线20输出。这里，第 一 实施例与上述常规技术的区别在于回充操作仅在读取前执 行。因此，在读取象素后，第n行的FD部分25不在周期B、水平有效周期、 和下一行的周期A中进行回充。因此，在周期A和B中，偏置电流流过第n 行。根据传统实施例，在驱动三晶体管象素的方法中，由于偏置电流经常流 到每一列确定的低沟道象素中，例如当在象素部分12中存在IOOO行时，IOOO个象素的暗电流在每列的低沟道象素上产生。比较起来，在根据该实施例的驱动固态成像设备的方法中，当象素本身 被选择时，对于每一象素就会引起一条线一个象素(实际上，之所以是一个 象素是因为在列单元中)的暗电流。图5示出了在采用根据该实施例的驱动 固态成像设备的方法的情况下的第n行的放大晶体管23的电压。如图5所 示，由于FD部分25不进行回充，因此放大晶体管23的栅极电压不是"L，， 电平。因此，当偏置电流的电子流到漏极线时的电压差比常规技术情况下的 电压差更小。因此，不可能发生热载流子。由于发生热载流子的可能性随着 该电压差的指数函数增加，从而产生热载流子的暗电流由于该电压差小而显 著减小。如上所述，在根据第一实施例的固态成像设备中，当象素本身被选择时，对于每一象素就会引起一条线(一个象素)的暗电流，从而导致施加给垂直信号线27的偏置电流在象素的非读取周期内流到与前一个选才,象素相关的 象素中，如前一个选择象素本身。并且导致对于一条线本身的暗电流能显著 减少。因此，由于非选择热载流子白点，所以能实际消除损坏象素。在该实施例中，作为一个优选实例，采用耗尽型晶体管作为复位晶体管 24。然而，当不采用耗尽型晶体管时，如图6所示，本领域的技术人员很容 易知道在漏极电压DRN为"L"电平周期内，仅需要将复位脉冲RST施加到 至少前一行。此外，如果在信号电平读取后立即再次将复位脉冲RST施加到选择行， 该选择行的FD部分25的电平不管入射光的多少通常总是变为"H"电平并 且也不管该象素而变成常数，这是令人满意的。此外，很明显，在信号电平 接收后，即使选择行进行回充，FD部分25也通过向与选择行相关的另 一行 (如，下一行)提供复位脉沖RST而被置成"H"电平，从而使得偏置电流 流到其他行。此外，存在多个行读取结构，在这种结构里，多个行的信号进行集中读 取。在这种情况下，例如，如图7所示，读取按照第n行和第(n+l)行的 顺序执行。这里，第n行的读取顺序为"回充—读取"，同样，第(n+l)行 的读取顺序为"回充—读取"。因此，在第(n+2)行读取之前的周期B和A内， 电流流到第(n+l)行，并且与前述相同，导致热载流子出现的暗电流不再 是个问题。在上述的方式中，本领域的技术人员很容易从至此所描述的内容中知道 应用于读取多行结构。同样用于电子快门操作。对于包括电子快门在内的该 方法的执行存在多种变化，这些对于本领域的技术人员也是很明显的。 [第二实施例]图8是根据本发明第二实施例的固态成像设备的主体部分结构的框图。 在该实施例的固态成像设备中，在象素部分12的有效象素(用于拾取图像 的象素)区域以外的区域中，设置一个装置，该装置用来使施加在垂直信号 线27的偏置电流在象素的非读取周期内流到象素部分12的每个象素11以 外的象素中，例如，叠加到每个垂直信号线27的虚拟象素31 (—条线的虚 拟行)中。在图8中，虚拟象素31由单M0S晶体管32形成。M0S晶体管32的源极连接到垂直信号线27上，其栅极连接到虚拟线33上，其漏极连接到电源Vdd 上。在根据第二实施例的固态成像设备中，其虚拟象素31以该方式连接到 每一条垂直信号线27上，并以下列方式进行驱动。图9是根据本发明第二实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图。图 9也示出了在象素读取周期内一个选择行(假定为第n行)的驱动脉冲即漏 ^ L电压DRN、复位脉冲RST、转移脉冲TRF、虚拟脉冲DMY之间的时间关系。 这里，虚拟脉冲DMY是一个驱动脉冲，通过虚拟线33提供到虛拟象素31, 即M0S晶体管32的栅极。在图9的时序图中，驱动电压DRN、复位脉沖RST以及转移脉冲TRF之 间的时间关系与常规技术(见图17 )的情况基本相同。时间121表示接收复 位电平的时刻，时间t22表示接收信号电平的时刻。第二实施例与常规技术 的区别在于，在选择行读取周期以外的周期内，虚拟象素31导通，使得偏 置电流流到虚拟象素31中。更详细地说，在选择行的读取周期内，虚拟象素31的M0S晶体管32由 于虚拟脉冲DMY被设置为"L"电平而关断，而在选择行的读取周期以外的 周期(非读取周期)中，M0S晶体管32由于虚拟脉冲DMY被设置为"H"电 平而导通。作为在非读取周期内M0S晶体管32导通的结果是，由偏置电流 源34供给的偏置电流通过虚拟象素31流到电源Vdd。如上所述，在根据第二实施例的固态成像设备中，在象素部分12的有 效象素区域以外的区域中，设置一个装置，该装置用来使得施加给垂直信号 线27的偏置电流在象素的非读取周期内流到象素部分12的每个象素11以 外的象素中，如叠加到每个垂直信号线27的虛拟象素中。其结果是，偏置 电流不流到象素部分12的每个象素11上，特别是低沟道象素上，并且非选 择热载流子白点的出现集中在虚拟象素31上。因此，由有效象素的非选择 热载流子白点所导致的缺损象素能实际消除。在该实施例中，虛拟象素31由单个M0S晶体管32形成。另外，虚拟象 素31可构造成与有效象素区域的象素ll相同的结构，即，形成为三晶体管 象素结构，这样，当在任意一行中都不进行读取时，选择虚拟象素，并且流 过偏置电流。因此，可实际消除由于非选择热载流子白点所致的缺损象素。作为构造虚拟象素31与有效象素区域的象素ll相同结构的结果，其优 点是虚拟象素31可与象素11经过相同的过程而产生。然而，由单个M0S晶体管构成虚拟象素31使得可非常精确地形成虚拟象素31。从而，与将虚拟 象素31构造成与象素ll相同的结构情况相比，其存在的优点是，由于非选 择热载流子白点导致的缺损象素能消除而不扩展到象素部分12的区域。 [第三实施例]图10是根据本发明第三实施例的固态成像设备主体部分的结构框图。 在根据该实施例的固态成像设备中，设置一个与偏置电流源34串联的装置， 例如开关元件35,其用来在象素的非读取周期内关断偏置电流的供给。在图10中，偏置电流源34 (与图8的偏置电流源34相同)由源极接地 和栅极接至负载线36的负载M0S晶体管37形成。负载M0S晶体管37确定 偏置电流的电流值，由于接近IV的电压施加在负载线36上，使得该电流流 到垂直信号线27中。用于关断偏置电流供给的开关元件35由MOS晶体管39形成，例如，其 源极连接到负载MOS晶体管37的漏极，其漏极连接到垂直信号线27上，其 栅极连接到开关线38上，开关元件35与偏置电流源34串联连接。MOS晶体 管39的沟道宽度W以这样的方式设定栅极电压在OV和电源电压之间摆动 时，都令人满意地执行开关操作。图ll是根据第三实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图。图ll也 示出了在象素读取周期内一个选择行(假定为第n行)的驱动脉冲，即漏极 电压DRN、复位脉冲RST、转移脉冲TRF、以及开关脉沖LSW之间的时间关系。 这里，开关脉冲LSW为一个驱动脉沖，通过开关线38提供到开关元件35, 即晶体管39的栅极。在图11的时序图中，驱动电压DRN、复位脉冲RST以及转移脉冲TRF 之间的时间关系与常规技术(见图17)的情况基本相同。时间t31表示接收 复位电平的时刻，时间32表示接收信号电平的时刻。为了使得偏置电'流供 给垂直信号线27，开关元件35仅在选择行的读取周期导通(闭合)，在选择 行的读取周期以外的周期(非读取周期)，开关元件关断(打开)以切断偏 置电流的供给。因此，图4的周期A和B消失或变的足够短。如上所述，在根据第三实施例的固态成像设备中，设置一个装置在读取 前后切断偏置电流，该装置用来在象素的非读取周期内切断对垂直信号线27 的偏置电流供应。结果，由于导致非选择热载流子白点出现的偏置电流不流 过低沟道象素，所以由非选择热载流子白点所导致的缺损象素能实际消除。在该实施例中，使用连接在负载晶体管37和垂直信号线27之间的M0S 晶体管39作为用于切断偏置电流供给的装置。另外，负载晶体管37本身也 作为那种装置。也就是说，通过在象素的非读取周期内使得负载MOS晶体管 37的栅极电压变为0V以及使得负载MOS晶体管37关断而切断偏置电流的供 给。由于同时使用负载MOS晶体管37作为切断偏置电流供给的装置，其优 点是与以专用的方式设置该装置的情况相比，可减少元件的数目。然而，当 采用该技术时，需要操作速度以确保当偏置电流启动时所需的用于稳定偏置 电流的时间。[第四实施例]本发明第四实施例的特点是在图2的象素结构中使用的驱动固态成像设 备的方法。图12是根据第四实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图。 图12也示出了在象素读取周期内一个选择行(假定为第n行)的驱动脉冲 即漏极电压DRN,复位脉沖RST以及转移脉冲TRF之间的时间关系。在图12 的时序图中，时间t41表示接收复位电平的时刻，时间t42表示接收信号电 平的时刻。从图12所示的时序图可以看出，在根据该实施例的驱动固态成像设备 方法中，复位晶体管24的漏极电压DRN仅在读取周期设置为"H，，电平(= 电源电压)，对该读取周期以外的周期，漏极电压设置为中间电压(电源电 压电平和地电平之间的电压)，其接近0V。漏极电压DRN设置为中间电压的 原因是为了防止电子从漏极线泄漏到光电转换器21中。此外，优先选择接 近于0. 2到0. 7V的电压作为接近OV的中间电压。此时，在图4的周期A和 B中，由于漏极电压DRN不为"H"电平，或者由于"H"电平的时间太短， 因此抑制了热载流子的产生，并且暗电流变得相当小。如上所述，在根据第四实施例的固态成像设备中，由于在象素的非读取 周期内复位晶体管24的漏极电压被设为中间电压优选为0. 2V到0. 7V,从而 能抑制热载流子的发生，暗电流也能有效的减小。因此，由非选择热载流子 白点所致的缺损象素能实际上消除。 [第五实施例]在本发明的第五实施例中，特点为在图2的象素结构中使用的驱动固态 成像设备的方法。图13是根据第五实施例的驱动固态成像设备的方法的时 序图。图13也示出了在象素读取周期内选择行(假定为第n行)的驱动脉沖即漏极电压DRN、复位^K沖RST、以及转移^c冲TRF之间的时间关系。在图13的时序图中，漏极电压DRN、复位脉沖RST、以及转移脉沖TRF 之间的时间关系与常规技术(见图17 )的情况基本相同。时间151表示接收 复位电平的时刻，时间t52表示接收信号电平的时刻。此外，在根据该实施例的驱动固态成像设备的方法中，由于在复位脉冲 RST的"H"电平侧设置的电压值比在漏极电压DRN的"H"电平侧设置的电 压值(-电源电压的电压)高，从而不用降低放大晶体管23和复位晶体管 24的阈值，就确保了操作裕度，在非选择周期的电流也可靠地切断。在这种 情况下，由于对所有象素的电流被切断，垂直信号线27的电平为如0V的一 电压，在该电压下，偏置电流源34 (见图8 )不会使得偏置电流流动。如果放大晶体管23和复位晶体管24的阈值每一个都大于或等于0. 2V， 最好是接近于0. 4V到0. 5V,就能切断电流。此外，当复位脉冲RST的"H，， 电平侧设定的电压值比漏极电压DRN的"H，，电平侧的电压值高时，在固态 成像设备内部，可通过使用升压电路升高电源电压值或由外部提供电压而产 生该电压。如上所述，在根据第五实施例的固态成像设备中，由于将放大晶体管23 和复位晶体管24的阈值设定为大于或等于0. 2V并且将复位脉冲RST的"H" 电平侧的电压值设定为比漏极电压DRN "H，，电平侧的电压值高，所以在非选 择时间内的电流能被可靠地切断，并且偏置电流不会流到垂直信号线27上。 结果是，由非选^^热载流子白点所致的缺损象素能实际消除。作为一个例子，该实施例已经讨论了一种情况，在这种情况中，驱动方 法用于如图2所示的象素结构，也就是说在这种结构的象素中，放大晶体管 的漏极侧和复位晶体管的漏极测共同地连接到漏极线上。然而，该驱动方法 并不限于该实施例，其也能使用于图15所示的象素结构，也就是说，在这 种结构象素中，放大晶体管的漏极侧连接到电源线上并且复位晶体管的漏极 侧连接到漏极线上。也就是说，在这种类型的象素中，在根据常规技术的驱动方法(基于图 17所示时序图的驱动方法)的驱动中，非选择热载流子白点出现的原因与在 其中放大晶体管和复位晶体管共同连接到漏极线的结构的象素的情况相同。 通过应用每一个上述实施例的驱动方法，能够抑制非选择热载流子白点的出 现。放大晶体管的漏极侧连接到电源线且复位晶体管的漏极侧连接到漏极 线上的这种类型的象素的大小比图2所示结构的象素要大。然而，由于不必 在象素部分的整个表面上驱动线路，所以这样的优点是增加了象素视点的数 目。同样，当驱动方法应用于这种象素时，通过和根据上述实施例的每一实施例的驱动方法相同的驱动方法都能执行驱动。也就是说，与图2所示象素 的漏极电压DRN相同的脉冲电压可以施加到漏极线上，该漏极线仅4又与复位 晶体管相连，并在行方向上延伸。然而，仅对于选择行，漏极电压才提供给 漏极线。图14是根据本发明的照相机装置(图像获取装置)的结构的概述的框 图。如图14所示，照相机装置包括图像获取设备41;用于引导入射光进入 到象素获取设备41的象素区域的光学系统，例如，用于将入射光(图像光) 在图像获取板上形成图像的透镜42;用于控制图像获取设备41和用于处理 来自图像获取设备41的信号的照相机IC43;以及其他。在该照相机装置中，作为图像获取设备41，采用根据第一到第五实施例 的固态成像设备，即三晶体管结构的MOS型固态成像设备，其中单位象素ll 除具有光电转换器21 (如光电二极管)外，还具有转移晶体管22，放大晶 体管23和复位晶体管24。照相机IC4 3与图像获取设备41进行通讯并控制图像获取设备41 。例如， 执行电子快门的控制和读取模式的控制。此外，照相机IC43处理来自图像 获取设备41的信号。例如，执行与色彩有关的处理如白色平衡以及信号的 压缩。在该实施例中，用于图像处理的帧存储器和ROM包含在照相机IC43 中。也可选择其他芯片形成。如上所述，根据该照相机装置，由于使用根据第一到第五实施例的M0S 型固态成像设备作为图像获取设备41并且使用驱动图像获取设备的照相机 IC(驱动电路)43,在MOS型固态图像设备中，由非选择热载流子白点所致 的缺损象素能实际消除。因此，能得到具有高图像质量的获取图像。根据本发明的上述结构的照相机装置可用作与电子设备如便携带式电 话和PCS (个人电脑)合成一体的照相机模块。
权利要求
1.一种固态成像设备，包括多个设置在成像区域内的象素，其中所述象素包括一个光电转换器，一个放大晶体管，将来自所述光电转换器的充电信号供给该放大晶体管的栅极，以及一个复位晶体管，用于将来自所述光电转换器的充电进行复位，在读取周期内，在所述放大晶体管的栅极电压改变到预定电平之后，所述放大晶体管放大并输出来自所述光电转换器的充电信号，以及在此后的读取周期和非读取周期内，所述放大晶体管的栅极不受电压调节的影响。
2. —种固态成像设备，包括多个设置在成像区域内的象素，其中所述象素包括一个光电转换器，一 个放大晶体管，将来自所述光电转换器的充电信号提供给该放大晶体管的栅 极，以及一个复位晶体管，用于将来自所述光电转换器的充电进行复位，在读取周期内，在所述放大晶体管的栅极电压改变到预定电平之后，所述放大晶体管放大并输出来自所述光电转换器的充电信号，以及在此后的读取周期和非读取周期内，所述放大晶体管的栅极返回到所述 预定电压。
3. —种固态成像设备，包括 多个设置在成像区域内的象素；用于引导信号从所述象素到所述成像区域外部的信号线； 一个用于给所述信号线提供偏置电流的电流源；以及 用于改变所述偏置电流的流动的开关装置。
4. 根据权利要求3的固态成像设备，其中所述开关元件为与所述信号线 相关的虚拟象素部分。
5. 根据权利要求3的固态成像设备，其中所述开关元件为用于切断偏置 电流的开关部分，所述开关部分与所述电流源分别形成。
全文摘要
本申请提供一种固态成像设备。具有非选择晶体管的三晶体管象素结构的固态成像设备会出现非选择热载流子白点的问题，该问题专门针对这种装置。在象素的非读取周期内，使得偏置电流流到与前一个选择象素相关的象素，例如前一个选择象素本身。结果是，暗电流仅出现在一条线的每个象素中，并且一条线本身的暗电流也显著减小。因此，实际上能消除由于非选择热载流子白点导致的缺损象素。
文档编号H04N5/335GK101272447SQ20081000377
公开日2008年9月24日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年5月16日
发明者马渕圭司 申请人:索尼株式会社