像素电路、固态图像感测器件和相机系统的制作方法

专利名称：像素电路、固态图像感测器件和相机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及像素电路、固态图像感测器件和以CMOS图像传感器为代表的相机系统。
背景技术：
近来，CMOS成像器已经广泛地用于数码相机、可携式摄像机、监控相机等的应用， 并且市场还在增长。CMOS成像器通过使用光电二极管作为光电转换器件，将进入每一个像素的光转换 为电子，并在固时序段中累积它们，然后数字化和输出反映累积电荷量的信号到外部。图1示出了每个单元像素包含四个晶体管的像素电路的示例。单元像素电路PXl具有光电二极管1、传输晶体管2、复位晶体管3、放大晶体管4、 选择晶体管5、累积节点6和浮空扩散(floating diffusion, FD)节点7。传输晶体管2的栅极电极连接到传输线8，并且复位晶体管3的栅极电极连接到复 位线9。放大晶体管4的栅极电极连接到FD节点7，并且选择晶体管5的栅极电极连接到 行选择线10。进一步，选择晶体管5的源极连接到垂直信号线11。恒流电路12和感测电路13连接到垂直信号线11。在像素电路PX中，进入像素的硅衬底的光产生电子和空穴的配对，并且通过光电 二极管1在节点6中采集和累积它们之中的电子。最终将电子读出，作为到垂直信号线11 的信号。通常，在CMOS成像器中以矩阵方式排列这些像素，并在列方向上的多个像素之间 共享垂直信号线11，并且在行方向上的多个像素之间共享作为用于导通/截止相应晶体管 的栅极控制线的传输线8、复位线9和行选择线10。通过作为栅极控制线的传输线8、复位线9和行选择线10的驱动，以行为单元统一 地提供像素访问。读出到每一条垂直信号线11的模拟信号被感测电路13感测、经AD转换并被输
出ο如下，将参照图2A到2E说明电荷累积和读出的特定操作。图2A到2E示出了图1中的像素电路的时序图。在电荷累积之前，首先执行复位。这使得复位线9和传输线8变成高电平，并且导 通复位晶体管3和传输晶体管2。这是将(例如)3V的电源电压发送到光电二极管1的累 积节点6的操作。由此，累积节点6的电位升高，并且其中累积的电子撤离。在当前占主导地位的HAD(空穴-累积二极管)结构中，累积节点6由夹在ρ型层 之间的、并且所有的其电子都被排出的完全耗尽的η型嵌入扩散层形成。然后，使传输线8变成低电平，并且截止传输晶体管2，由此，使累积节点6浮空， 并且开始新的电荷累积。在电荷累积期间，通常，复位晶体管3也截止，然而，它可以保持导
4ο一般而言，像素的复位操作用作CMOS图像传感器的电子快门操作。接下来，将说明累积电荷的读出操作。首先，使行选择线10变成高电平，并且导通选择晶体管5，并且像素的放大晶体管 4连接到垂直信号线11。这里，连接到放大晶体管4的垂直信号线11和恒流电路12形成源极跟随器电路， 并且作为其输入的FD节点7的电位Vf和作为其输出的垂直信号线11的电位Vsl具有变 化率几乎为1的线性关系。S卩，假定恒流电路12的电流值为i，则理论上如下等式成立。i = (1/2) X β X (Vf-Vth-Vsl)2//β 是常数这里，(Vf-Vth-Vsl)是常数，并且Vf的变化线性地反映在Vsl上。即，源极跟随器电路作为增益几乎为1的放大电路而工作，并且调制垂直信号线 11的电位Vsl以跟随作为输入节点的FD节点7的电位Vf的变化。这里，使复位线9变成高电平，并且导通复位晶体管3，由此，将3V的电源电压发送 到FD节点7。进一步，使复位线9变成低电平，并且截止复位晶体管3，由此，使FD节点7浮空。在所述条件之下，使用感测电路13来执行垂直信号线11的电位Vsl的第一感测。 这是复位信号的读出。然后，使传输线8变成高电平，并且导通传输晶体管2，由此，在累积节点6中累积 的电子流入作为源极跟随器的输入节点的FD节点7。在这一点上，当FD节点7的电位足够陡(S卩，高电位)时，累积节点6中累积的所 有电子流入FD节点7，并且累积节点6完全耗尽。这里，使传输线8变成低电平，并且截止传输晶体管2，并且使用感测电路13执行 垂直信号线11的电位的第二感测。这是累积信号的读出。Vsl的第一感测与第二感测之间的差异精确地反映通过光电二极管1的曝光而在 累积节点6中累积的电荷量。CMOS成像器对该差异进行数字化，并将其输出到外部作为像素的信号值。每一个 像素的电子累积时间是复位操作与读出操作之间的时段，并且正好是从复位之后传输晶体 管2的截止到用于读出的截止的时段Tl。各信号线的动作的更详细说明为当复位线9下降到低电平并且传输线8的电平 升高和降低时，由于耦合的干扰而使得FD节点7的电位略微变化。进一步，以相同的方式 影响其后的垂直信号线11。在上升和下降之间抵消来自传输线8的耦合的干扰，并且通过第一感测和第二感 测之间的差异来抵消来自复位线9的耦合的干扰。以这种方式，一般而言，在CMOS型成像器中，光电转换器件产生的累积电子经由 关于每一个像素的放大电路而转换为垂直信号线11的模拟信号，并将其发送到感测器电 路13。进一步，通过AD转换器将模拟信号转换为数字信号，并输出到芯片的外部。这与CXD型成像器对比鲜明，在CXD型成像器中，紧接在用于芯片输出的放大电路
5之前，通过CCD传输垂直地和水平地传输累积电子本身。图3示出了通过提取从图1中的光电二极管1到作为源极跟随器输入节点的FD 节点7的电荷传输的电路配置。在电荷累积时，在光电二极管1的累积节点6中累积由光电二极管1中的光电转 换产生的电子。在读出时，经由传输晶体管2将它们完全地传输到作为源极跟随器电路的放大晶 体管4的输入的FD节点7。在传输时，使FD节点7浮空，并且FD节点7具有对于地衬底的寄生电容14以及 处于固定电位的其它布线。假定累积电荷量是Q且寄生电容值是Cf，则电位变化量AVf如下AVf = Q/CNMOS晶体管通常用于作为放大晶体管4的源极跟随器电路，并且其产生固有随机 噪声Nr。因此，假定其增益为G，则在源极跟随器电路的输出节点15中产生的累积信号的 S/N 比是{G · Δ Vf/Nr}。由于G和Nr在确定了放大晶体管4的参数的情况下几乎恒定，因此AVf的量值 直接影响成像性能。图4A到4D示出了使用如图1和图3所示的像素电路的读出和传输操作的电位转换。在图中以正电位方向向下且负电位方向向上示出了每一个节点的电位。每一个节 点用作用于累积具有负电荷的电子的井，并且当井充满电子时，电位向上(即，在负电位方 向上)升高。[步骤 STl]在图4A的步骤ST1，设计作为光电二极管1的扩散节点的累积节点6，以便通过固 定数量的施主的正电荷，电位底部在其完全耗尽处可以是大约1.5V。这里充满了到饱和条 件(大约0V)的光电转换的电子。另一方面，在传输晶体管2的沟道区域中，根据向栅极电极提供的电位在Rl的范 围(例如，IV到3V)中调制其电位。进一步，复位FD节点7，并将其浮空在2. 7V。将节点复位在3V然后将其在复位晶 体管变回低电平时耦合0. 3V之后产生该状态。[步骤 ST2] 在图4B中的步骤ST2，当导通传输晶体管2时，作为光电二极管1的扩散节点的累 积节点6中累积的每一个电子以分布的方式移动到传输晶体管2的沟道区域和FD节点7。[步骤 ST3]在图4C中的步骤ST3，当截止传输晶体管2时，因此，沟道区域的电位随着栅极电 极的升高而升高，并且其中累积的电子移动到FD节点7。[步骤 ST4]在图4D中的步骤ST4，当截止传输晶体管2时，在步 STl在光电二极管1中累积 的所有电子移动到FD节点7。
由此，源极跟随器驱动垂直信号线11，并执行累积信号的读出。如上所述，为了实现电子的完全迁移，必须确保光电二极管1的完全耗尽的累积 节点6与FD节点7之间的电位差Ml。相反，如果未充分确保电位差MlJUFDfA 7中累积的电子反向流入光电二极管 1，并且光电二极管1的累积电荷量并不线性地反映在读出信号上。

发明内容
如上所述，对于已经在读出时光电转换的电子的完全传输，必须将传输之后FD节 点7的电位保持在比完全耗尽的光电二极管1的电位更高的电位。然而，对于所述必要性，存在FD节点7的电位的动态范围受到限制这一缺点，并且 可能不能充分地升高AVf或升高S/N比。例如，在图4A到4D中，AVf的限制是(3. 0V-1. 5V)，并且进一步分散(distract) 了与传输裕量对应的电位差。另外，由于光电二极管1的饱和累积电荷量Qs响应于其扩散层内的施主数量，因 此，通常随着Qs升高，完全耗尽时的电位变得更陡(更高电位)。这导致了更窄的AVf范 围。传输裕量的问题极大地限制了设计。已经在HONG，Sungkwon等人的JP-T-2007-535199中提出了用于解决所述问题的
一种办法。HONG, Sungkwon等人已经提出了这样的配置在像素内连接初级(preliminary) MOS晶体管，并且在其中形成沟道，由此，在电荷传输时，作为输入节点的FD节点7的寄生电 容14暂时增大。然而，为了所述目的，必须在每一个像素中提供额外的器件和额外的信号线，并且 存在像素的孔径比减小这一缺点。因此，期望提供能够便利像素内的电荷传输、提高累积电荷量和灵敏度并在不减 小像素孔径比的情况下提高成像性能的像素电路、固态图像感测器件和相机系统。根据本发明的一个实施方式的像素电路具有光电转换器件；源极跟随器电路； 传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电路的输入节点；以及读出 系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，其中，所述读出系统将源极跟随 器电路的输入节点浮空并导通传输晶体管以将信号电荷传输到输入节点；所述读出系统包 括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位以及读出输出信号； 并且所述读出系统进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地 减小源极跟随器电路的输出调制度。根据本发明的另一个实施方式的固态图像感测器件具有像素单元，其中排列多 个像素电路；以及像素驱动单元，驱动像素单元的各像素电路，并读出像素信号，其中，每一 个像素电路包括光电转换器件；源极跟随器电路；传输晶体管，将光电转换器件中产生的 电荷传输到源极跟随器电路的输入节点；以及读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生 的电荷读出信号，并且其中所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空并导通传输晶 体管以将信号电荷传输到输入节点；所述读出系统包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位和读出输出信号；并且所述读出系统进一步包括输出调制 度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随器电路的输出调制度。根据本发明的又一实施方式的相机系统具有固态图像感测器件；光学系统，在 固态图像感测器件上形成被摄体图像；以及信号处理电路，处理固态图像感测器件的输出 图像信号，其中所述固态图像感测器件包括像素单元，其中排列多个像素电路；以及像素驱 动单元，驱动像素单元的各像素电路并读出像素信号，其中每一个像素电路包括光电转换 器件；源极跟随器电路；传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电 路的输入节点；以及读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，并且其 中所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空并导通传输晶体管以将信号电荷传输 到输入节点，所述读出系统包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节 点电位和读出输出信号，并且所述读出系统进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传 输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随器电路的输出调制度。根据本发明的实施方式，可以便利像素内的电荷传输，可以提高累积电荷量和灵 敏度，并且可以在不减小像素的孔径比的情况下提高成像性能。


图1示出了像素电路的示例。图2A到2E示出了图1中的像素电路的时序图。图3示出了通过提取从图1中的光电二极管1到作为源极跟随器输入节点的FD 节点的电荷传输的电路配置。图4A到4D示出了使用如图1和图3所示的像素电路的读出和传输操作的电位转换。图5示出了采用根据本发明实施方式的像素电路的CMOS图像传感器(固态图像 感测器件)的配置示例。图6示出了根据本发明第一实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。图7是用于说明提供根据实施方式的输出调制度控制功能单元的基本构思的图。图8A到8F是用于说明图6中的电路操作的时序图。图9A到9D是示出了使用根据第一实施方式的像素电路的传输电路的读出和传输 操作的电位转换的第一图。图10是示出了使用根据第一实施方式的像素电路的传输电路的读出和传输操作 的电位转换的第二图。图11是示出了根据实施方式的像素电路的另一配置示例(共享像素配置)的电 路示意图。图12是示出了根据实施方式的像素电路的另一配置示例(3Tr型像素)的电路示 意图。图13示出了根据本发明第二实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。图14示出了根据本发明第三实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。图15示出了根据本发明第四实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。图16示出了根据本发明第五实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。
图17示出了应用了根据本发明实施方式的固态图像感测器件的相机系统的配置 示例。
具体实施例方式在下文中，将参照附图详细说明本发明的实施方式。将以如下顺序进行说明。1.第一实施方式(像素电路的第一配置示例)2.第二实施方式(像素电路的第二配置示例)3.第三实施方式(像素电路的第三配置示例)4.第四实施方式(像素电路的第四配置示例)5.第五实施方式(像素电路的第五配置示例)6.第六实施方式(相机系统)图5示出了采用根据本发明实施方式的像素电路的CMOS图像传感器(固态图像 感测器件)的配置示例。CMOS图像传感器100具有像素阵列单元110、作为像素驱动单元的行选择电路 (Vdec) 120和列读出电路(AFE) 130。在像素阵列单元110中，以M行XN列的二维方式(矩阵)排列多个像素电路。根据实施方式的像素电路IlOA通常包括光电转换器件、传输晶体管、复位晶体 管、放大晶体管、选择晶体管、累积节点和FD (浮空扩散)节点。稍后将详细描述像素电路IlOA的具体配置。在像素排列中，针对每一行布线在像素阵列110中布线的一组传输线HO(LTRG)、 复位线150 (LRST)和行选择线160 (LSEL)。提供各个传输线HO(LTRG)、复位线150 (LRST)和行选择线160 (LSEL)的M条控制 线。这些传输线HO(LTRG)、复位线150 (LRST)和行选择线160 (LSEL)由行选择电路 120驱动。行选择电路120控制在像素阵列单元110中任意行中排列的像素的操作。行选择 电路120通过传输线HO(LTRG)、复位线150 (LRST)和行选择线160 (LSEL)控制像素电路。列读出电路130经由垂直信号线(LSGN) 170接收由行选择电路120控制读出的像 素行的数据，并将其传输到下游信号处理电路。恒流电路、感测电路和箝位电路连接到垂直 信号线170。读出电路130包括⑶S电路和ADC (模数转换器)。如下，将说明具有上述配置的CMOS图像传感器100中的像素电路的特定配置示 例。<1.第一实施方式〉图6示出了根据本发明第一实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。在图6中的像素电路IlOA中，由虚线示出的配置单元是单元像素电路PXlll。单元像素电路PXlll具有作为光电转换器件的光电二极管111、传输晶体管112、 复位晶体管113、放大晶体管114、选择晶体管115、累积节点116和FD节点117。
放大晶体管114形成放大电路118，并且FD节点117形成放大电路118的输入节
点ο第一实施方式的传输晶体管112连接在光电二极管111和作为输出节点的FD节 点117之间。传输晶体管112的栅极电极公共地连接到传输线140。复位晶体管113连接在电源线LVDD和FD节点117之间，并且栅极电极连接到复 位线150。放大晶体管114的栅极连接到FD节点117。放大晶体管114经由选择晶体管115 连接到垂直信号线170，并且形成单元像素外部的恒流电路131和源极跟随器。选择晶体管115的栅极电极连接到行选择线160。进一步，选择晶体管150的源极 连接到垂直信号线170。恒流电路131、感测电路132和箝位电路180连接到垂直信号线170。读出系统例如包括垂直信号线170、恒流电路131、感测电路132和箝位电路180寸。箝位电路180在传输晶体管112导通时，具有暂时地减小源极跟随器电路的输出 调制度的输出调制度控制功能。在具有上述配置的像素电路1IOA的单元像素电路PXl 11中，进入像素的硅衬底的 光产生电子和空穴的配对，并且通过光电二极管111在节点116采集并累积其中的电子。最终读出电子作为到垂直信号线170的信号。在CMOS成像器中，以矩阵方式排列这些像素，并且在列方向上的多个像素之间共 享垂直信号线170，在行方向上的多个像素之间共享作为用于导通和截止各个晶体管的栅 极控制线的传输线140、复位线150和行选择线160。通过驱动作为栅极控制线的传输线140、复位线150和行选择线160，以行为单元 统一地执行像素访问。每一条垂直信号线170读出的模拟信号由感测电路132感测、经AD转换并被输
出ο另一方面，对于每一列提供一个箝位电路180。箝位电路180包括连接到电源的箝位晶体管181和选择晶体管182。箝位晶体管181的栅极电极连接到偏置电源183，而选择晶体管182的栅极电极连 接到箝位驱动线184。注意，例如，通过行选择线120来驱动箝位驱动线184。可以与行选 择电路120分离地提供箝位驱动线184的驱动系统。当箝位驱动线184处于高电平并且使能箝位电路180时，导通选择晶体管182。将箝位晶体管181的栅极设置到固定电位，以便可以将垂直信号线170箝位在合 适的电平。箝位电路180的功能是箝位垂直信号线170，以使得其电位在箝位驱动线184设置 为高电平时不会下降到所述固定电位以下。采用箝位电路180作为在传输晶体管112导通时暂时地减小源极跟随器电路的输 出调制度的输出调制度控制功能单元的示例。这里，将说明提供根据实施方式的输出调制度控制功能单元的基本构思。图7是用于说明提供根据实施方式的输出调制度控制功能单元的基本构思的图。
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图7示出了通过提取从图6中的光电二极管111到作为源极跟随器输入节点的FD 节点117的电荷传输的电路配置。在本发明的实施方式中，将注意力集中于这样的事实图7中的FD节点117的有 效寄生电容由于源极跟随器电路自身的状态而变化，并且在不对每一个像素添加新器件的 情况下，通过输出调制度控制功能单元来实现最佳电容控制。基本构思如下。S卩，在FD节点117中，存在形成源极跟随器的NMOS放大晶体管114的沟道电容以 及源极跟随器的输出布线与其自身之间的布线电容。由于电容的存在，在源极跟随器的输 出节点119与其自身之间形成显著的耦合电容C110。然而，几乎通过相对于作为其输入的FD节点117的电位变化的相同电位(具有几 乎为“1”的增益)在相同的方向上调制源极跟随器的输出节点119，因此，它们的大多数耦 合电容不会有效地添加到寄生电容C111。通过在FD节点117的电位变化时利用反向现象以抑制源极跟随器的输出节点119 的调制，使能寄生电容C111，并且可以暂时地增大FD节点117的总寄生电容。由此，像素内电荷传输时的FD节点117的电位变化可以暂时地减小，并且可以显
著地提高传输裕量。通过采用该配置，可以显著地改善传输时的备用电位(spare potential)，并且可 以在宽信号波动范围中保持良好的线性度。由此，通过升高Qs或减小FD节点的寄生电容， 可以改善信号的动态范围。经由连接到多个源极跟随器电路的垂直信号线170可以执行源极跟随器电路的 输出节点的调制控制，因此无需针对每一个单元像素添加电路。接下来，将说明具有图6中的箝位电路180的电路的操作。图8A到8F是用于说明图6中的电路操作的时序图。分别地，图8A示出了复位线150的电平，图8B示出了传输线140的电平，图8C示 出了行选择线160的电平。分别地，图8D示出了箝位驱动线184的电平，图8E示出了 FD 节点117的电位Vf，而图8F示出了垂直信号线170的电平。在电荷累积之前，执行像素的复位。该复位使得复位线150和传输线140变成高 电平，并且导通复位晶体管113和传输晶体管。由此，累积节点116的电位升高，并且其中 累积的电子撤离。然后，使传输线140变成低电平，并且截止传输晶体管112，由此，使累积节点116 浮空，并且开始新的电荷累积。接下来，将说明累积电荷的读出操作。首先，使行选择线160变成高电平并且导通选择晶体管115，并且单元像素的放大 晶体管114连接到垂直信号线170。这里，连接到放大晶体管114的垂直信号线170和恒流电路131形成源极跟随器 电路，并且作为其输入的FD节点117的电位Vf和作为其输出的垂直信号线170的电位Vsl 具有变化率几乎为1的线性关系。这里，使复位线150变成高电平并且导通复位晶体管113，由此将电源电压 VDD (即，3V)发送到FD节点117。
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进一步，使复位线150变成低电平，并且截止复位晶体管113，然后，使用包括比较 器、AD转换器等的感测电路132执行垂直信号线170的电位Vsl的第一感测。这是复位信号的读出。在截止复位晶体管113之后，使FD节点117浮空。此外，使箝位驱动线184变成高电平，并且箝位电路180连接到垂直信号线170。这里，将箝位电平设置到略高于垂直信号线170的复位电平的电位，在这一点上， 垂直信号线170和FD节点117的动作与图1的情况下相同。然后，使传输线140变成高电平并且导通传输晶体管112，由此在累积节点116中 累积的电子流入FD节点117。在这一点上，在TCLP(其中，箝位垂直信号线170，并且箝位驱动线184处于高电 平)期间，将其电位箝位到VCLP的电平。由此，将图7中所示的源极跟随器电路的输出节点119的耦合电容CllO添加到FD 节点117的寄生电容C111，并且FD节点117的电位波动范围变得小了所述量。进一步，使传输线140变成低电平并且截止传输晶体管112，然后使箝位驱动线 184变成低电平并且将箝位电路180与垂直信号线170分离。在这一点上，未箝位的箝位驱 动线184的电位变得更低，并且FD节点117的电位也变得更低。最终，使用感测电路132执行垂直信号线170的电位的第二感测。这是累积信号 的读出。Vsl的第一感测与第二感测之间的差异精确地反映通过光电二极管111的曝光而 在累积节点116中累积的电荷量。CMOS成像器对差异进行数字化，并将其输出到外部作为像素的信号值。每一个像 素的电子累积时间是复位操作与读出操作之间的时段，并且正好是从复位之后传输晶体管 的截止到用于读出的截止的时段Tl。图9A到9D和图10是示出了使用根据第一实施方式的像素电路的传输电路的读 出和传输操作的电位转换的图。在图9A到9D和图10中，在图中以正电位方向向下且负电位方向向上示出了每一 个节点的电位。每一个节点用作用于累积具有负电荷的电子的井，并且当井中充满电子时，电位 向上(即，在负电位方向上)升高。[步骤STl 1]在图9A的步骤ST11，设计作为光电二极管111的扩散节点的累积节点116，以便 通过固定数量施主的正电荷，电位底部在其完全耗尽处可以是大约1.5V。这里充满了到饱 和条件(大约0V)的光电转换的电子。另一方面，在传输晶体管112的沟道区域中，根据向栅极电极提供的电位在Rll的 范围(例如，IV到3V)中调制其电位。进一步，复位FD节点117，并将其浮空在2. 7V。将节点复位在3V然后将其在复位线150变回低电平时耦合0. 3V之后产生该状 态。[步骤 ST12]在图9B中的步骤ST12，使箝位驱动线184变成高电平，并且箝位电路180连接到垂直信号线170。然后，在相比于箝位电平VCLP的更浅电位侧(更低电位侧)，FD与源极跟随器电 路的输出节点119之间的耦合电容CllO添加到FD节点117的寄生电容C111。该图概念性地示出了 FD电容的增大。[步骤 ST13]在图9C中的步骤ST13，当导通传输晶体管112时，光电二极管111的累积节点116 中累积的每一个电子以分布的方式移动到传输晶体管112的沟道区域和FD节点117。[步骤 ST14]在图9D中的步骤ST14，当截止传输晶体管112时，在步骤STll和ST12在光电二 极管111中累积的所有电子移动到FD节点117。如上所述，为了实现电子的完全迁移，必须确保光电二极管111的完全耗尽的累 积节点116与FD节点117之间的电位差Ml。[步骤 STl5]在图10中的步骤ST15，使箝位驱动线184变成低电平，并且将箝位电路180与垂 直信号线170分离。然后，FD节点117与源极跟随器电路的输出节点119之间的耦合电容CllO消失， 并且FD节点117的电位转换到更浅(更低电位)状态。在这一点上，传输晶体管112已经关闭，并且FD节点117的最终电位低于光电二 极管111的电位可能不是问题。S卩，在步骤ST15，将电荷传输的裕量提高了 FD节点117的电位波动范围的量。由此，源极跟随器驱动垂直信号线170，并且执行累积信号的读出。当执行上述传输时，在读出时不需要确保光电二极管111的完全耗尽的累积节点 116与FD节点117之间的电位差。如果充满了电子的FD节点117的电位浅于累积节点116 的电位，则已经完成了完全传输，因此，信号在宽范围中获得了良好的线性度。现在，对于工作示例中的箝位电平VCLP的设置，期望进行如下考虑。在没有信号的黑暗中成像时，非常微小的噪声是有问题的。因此，当在黑暗中导通传输晶体管112时，不期望要成为噪声源的强沟道在其栅 极之下形成。对此，期望FD节点117经历从传输线140的耦合，并且其电位向着更深转变。然而，如果在这一点上通过箝位已经出现了 FD节点117的电容增大，则FD节点 117变得难以经历耦合，并且不会移动到足够深的电位。因此，期望源极跟随器电路的输出节点119的箝位电平设置得略低于复位电平 (作为电位更浅)，并且最好在没有累积电荷的黑暗中没有开始箝位来用于读出。另一方面，在作为感测限制的最大输出，自然地，几乎没有点，除非已经执行了箝 位。即，关于箝位电位VCLP与来自源极跟随器的信号输出电平之间的关系，期望箝位 电位VCLP设置在黑暗中的输出电平与最大输出处的输出电平之间，并且略低于黑暗中的 输出电平。现在可以将本发明的实施方式应用于具有如图7所示的信号传输形式的任意图 像传感器。
S卩，将每一个像素中光电转换的电荷信号经由用于输出的传输晶体管112传输到 作为源极跟随器的输入节点的FD节点117。进一步，对于具有待发送到读出电路作为源极跟随器电路的输出节点119的电位 调制的形式的成像器，可以应用本发明的实施方式，而不论像素的组件元素如何。如下，将示出可以应用本发明实施方式的像素配置的一些示例。[像素电路的另一配置示例(共享像素)]图11是示出了根据实施方式的像素电路的另一配置示例(共享像素配置)的电 路示意图。在图11中的像素电路IlOB中，两个像素PX112、PX113共享形成源极跟随器的放 大晶体管114，且进一步共享复位晶体管113和选择晶体管115。像素PXl 12包括光电二极管111-1、传输晶体管112-1和累积节点116-1。像素PX113包括光电二极管111-2、传输晶体管112-2和累积节点116_2。以矩阵方式排列两个像素的共享单元，并且多个单元共享垂直信号线170。当导通与所选择的像素连接的传输晶体管112-1或112-2时，通过暂时地箝位垂 直信号线170，可以放大传输裕量。进一步，共享类型的像素通过同时导通传输晶体管112-1和112-2可以具有这样 的功能同时从像素PX112、PX113 二者读出电荷，并在共享的FD节点117上求和两个信号。在这种情况下，FD节点接收正常电荷两倍那么多的电荷，并且输出信号可能获得 两倍的动态范围。注意，以前由于电位的限制，在不求和的情况下不可能仅确保与其相同的 动态范围。然而，通过采用本发明的实施方式，可以确保比其更大的动态范围而不用求和。[像素电路的另一配置示例(3Tr型像素)]图12是示出了根据实施方式的像素电路的另一配置示例(3Tr型像素)的电路示 意图。在像素电路IlOC的单元像素PX114中，从图6中的配置中去除选择晶体管。进一 步，在非选择行中的像素中，导通复位晶体管113，同时复位电源122下降到0V，由此，作为 源极跟随器的放大晶体管114截止。以矩阵方式排列这些像素，并且多个像素共享垂直信号线170。当选择像素(PX)且导通传输晶体管112时，通过暂时地箝位垂直信号线170可以 放大传输裕量。垂直信号线的箝位是输出调制度控制功能单元的最佳方法之一，所述输出调制度 控制功能单元用于抑制源极跟随器输出的调制量，并且在这种情况下，由于不存在垂直信 号线的电流变化，因此不产生由于电源电压的波动引起的任何噪声。进一步，通过从比复位电平略低的电位开始箝位，在黑暗中未出现产生额外噪声 的负面效果。由于在多个源极跟随器之间共享垂直信号线，因此几乎没有增大电路尺寸。然而，另外，多种方法可以应用于源极跟随器输出的调制抑制。如果大体地分类各方法，则其中之一是将源极跟随器输出连接到另一个固定电压 源。在这一点上，通过固定电压源引出了源极跟随器输出，并且调制量变得更低或者不执行 任何调制。
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到箝位电路的连接是其中的示例，存在一些其它类似的方法，并且将各示例示出 为如下的第二到第五实施方式。<2.第二实施方式>图13示出了根据本发明第二实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。根据第二实施方式的像素电路IlOD与根据第一实施方式的像素电路IlOA的不同 在于如下点。S卩，在像素电路IlOD中，例如，不是将箝位电路，而是将处于复位电平的哑像素 (dummy pixel) 190连接到垂直信号线170。根据第二实施方式，可以获得与上述第一实施方式中的效果类似的效果。在像素电路IlOD中，除了所选像素PXlll的源极跟随器输出之外，还暂时地将哑 像素(DM) 190的源极跟随器输出连接到垂直信号线170。哑像素(DM) 190例如具有如图6所示的单元像素PXlll的配置相同的内部配置， 其中传输晶体管112 —直截止并且复位晶体管113 —直导通。在所选像素PXlll执行内部电荷传输以用于读出的时段之上选择晶体管115暂时 导通，并且将哑像素(DM) 190连接到垂直信号线170。在这一点上，垂直信号线170经由哑像素(DM) 190的放大晶体管114连接到电源。<3.第三实施方式>图14示出了根据本发明第三实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。根据第三实施方式的像素电路IlOE与根据第一实施方式的像素电路IlOA的不同 在于如下点。S卩，在像素电路IlOE中，源极跟随器输出自身可以经由开关器件200固定到电源 电压VDD。在该示例中，开关器件200由PMOS晶体管形成，且其漏极连接到垂直信号线170， 源极连接到电源线LVDD，并且栅极电极连接到电源连接线201。在所选像素PXlll执行内部电荷传输以用于读出的时段之上，电源连接线201从 高电平切换到低电平。由此，作为PMOS晶体管的开关器件200暂时导通，并且垂直信号线170连接到电 源，且其电位升压到电源电压VDD。<4.第四实施方式〉图15示出了根据本发明第四实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。根据第四实施方式的像素电路IlOF与根据第一实施方式的像素电路IlOA的不同 在于如下点。即，在像素电路IlOF中，在相邻的垂直信号线170-1和170-2、170-2和170-3之 间可以短路每一个单元像素PXl 11-1、PXl 11-2、PXl 11-3、...的源极跟随器输出。具体来说，开关器件210-1,210-2, · · ·连接在垂直信号线170-1和170-2之间、 170-2 和 170-3 之间。在该示例中，开关器件210-1、210_2、...由NMOS晶体管形成，并且其漏极和源极 连接到垂直信号线170-1和170-2、170-2和170-3，并且栅极电极连接到互连线211。在该示例中，在所选像素PXl 11-1、PXl 11-2、PXl 11-3均执行内部电荷传输以用
15于读出的时段之上，互连线211从低电平切换到高电平。由此，各条垂直信号线170-1和 170-2、170-2 和 170-3 短路。在这一点上，通过连接到具有小信号的像素的另一垂直信号线170，引出处于大调 制量的连接到具有大信号的像素的垂直信号线170，并且其调制度变得更低。因此，仅对于具有大信号的像素出现FD节点117的电容增大效应。<5.第五实施方式>图16示出了根据本发明第五实施方式的CMOS图像传感器的像素电路。根据第五实施方式的像素电路IlOG与根据第一实施方式的像素电路IlOA的不同 在于如下点。 即，在像素电路1IOG中，同样通过经由进入浮空条件的开关220将垂直信号线170 与恒流电路131分离，可以实现源极跟随器输出的调制抑制。在该示例中，开关器件220由NMOS晶体管形成，其漏极连接到垂直信号线170，源 极连接到恒流电路131，并且栅极电极连接到恒流电路连接线221。在该示例中，在所选像素PXlll执行内部电荷传输以用于读出的时段之上，恒流 电路连接线221从高电平切换到低电平，由此，恒流电路131与垂直信号线170分离。在这一点上，经由所选像素PXlll的放大晶体管114将垂直信号线170从电源拉 起，并且其电位Vsl升高到由如下等式所示的电平。Vsl = Vdd-Vtha其中，Vdd是电源电压，而Vtha是放大晶体管的阈值。在此，断开放大晶体管的沟 道，并且垂直信号线变得浮空。如果将电荷传输到FD节点117，则由于所述线通过其寄生电容而被固定，因此垂 直信号线170几乎不改变。另一方面，在这一点上，在FD节点117与放大晶体管的衬底之间产生寄生电容。进 一步，使能垂直信号线170与其自身之间的布线电容。因此，在这种情况下，出现了 FD节点的电容增大效应，并且增大了传输裕量。注意，已经分别说明了根据第一到第五实施方式的上述像素电路的配置作为各个 配置，然而，显然也可以应用这些配置的组合。例如，可以与其它实施方式组合地应用根据第四实施方式的像素电路。包括根据第一到第五实施方式的上述像素电路的固态图像感测器件可以应用为 数码相机和摄像机的成像器件。<6.第六实施方式>图17示出了应用了根据本发明实施方式的固态图像感测器件的相机系统的配置 示例。如图17所示，相机系统300具有可以应用根据实施方式的CMOS图像传感器(固 态图像感测器件)100的成像器件310。相机系统300具有将入射光引导至成像器件310的像素区域(在成像器件310的 像素区域上形成被摄体图像)的光学系统，例如，在成像表面上形成入射光(图像光)的图 像的镜头320。进一步，相机系统300具有驱动电路(DRV) 330，其驱动成像器件310 ；以及信号处理电路(PRC) 340，其处理成像器件310的输出信号。驱动电路330具有时序发生器(未示出)，其产生各种时序信号，包括用于驱动成 像器件310内的各电路的开始脉冲和时钟脉冲，并以预定时序信号驱动成像器件310。进一步，信号处理电路340对成像器件310的输出信号执行预定信号处理。例如，在记录介质(如，存储器)中记录信号处理电路340中处理的图像信号。使 用打印机等硬拷贝记录介质中记录的图像信息。进一步，将信号处理电路340中处理的图 像信号作为运动图像显示在液晶显示器等的监视器上。如上所述，在成像设备(如数码相机)中，通过安装作为成像器件310的上述固态 图像感测器件100，可以以低功耗实现高精度相机。本发明包含与2009年7月23日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-172388中公开的主题有关的主题，将其全部内容通过引用的方式合并在此。本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其它因素可能出现各种修改、组合、 部分组合和变更，只要它们落在所附权利要求书及其等价物的范围内即可。
权利要求
一种像素电路，包括光电转换器件；源极跟随器电路；传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电路的输入节点；以及读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，其中，所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空，并导通传输晶体管以将信号电荷传输到所述输入节点，包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位，和读出输出信号，以及进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随器电路的输出调制度。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述输出调制度控制功能单元包括箝位电 路，以及在输出调制度的减小控制时，将箝位电路连接到源极跟随器电路的输出节点。
3.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述输出调制度控制功能单元包括开关器 件，以及在输出调制度的减小控制时，至少经由所述开关器件将源极跟随器电路的输出节点连 接到恒压源。
4.根据权利要求1所述的像素电路，其中，在输出调制度的减小控制时，所述输出调制 度控制功能单元将源极跟随器电路的输出节点浮空。
5.根据权利要求1所述的像素电路，其中，在输出调制度的减小控制时，所述输出调制 度控制功能单元将另一个源极跟随器电路的输出节点连接到所述源极跟随器电路的输出 节点。
6.根据权利要求1所述的像素电路，其中，在输出调制度的减小控制时，所述输出调制 度控制功能单元将经由传输晶体管分别连接到不同像素的多个源极跟随器电路的输出节 点彼此短路。
7.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述光电转换器件和所述传输晶体管与各 个像素对应地以阵列排列，并且以阵列排列对应的源极跟随器电路，以及在输出调制度的减小控制时，所述输出调制度控制功能单元控制在列方向上的多个源 极跟随器电路之间共享的输出信号线的调制度。
8.根据权利要求7所述的像素电路，其中，所述输出调制度控制功能单元包括开关器 件，以及在输出调制度的减小控制时，至少经由开关电路将源极跟随器电路的输出信号线连接 到恒压源。
9.根据权利要求7所述的像素电路，其中，在输出调制度的减小控制时，所述输出调制 度控制功能单元将源极跟随器电路的输出信号线浮空。
10.一种固态图像感测器件，包括像素单元，其中排列多个像素电路；以及像素驱动单元，驱动像素单元的各像素电路，并读出像素信号， 其中，每一个像素电路包括 光电转换器件， 源极跟随器电路，传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电路的输入节点，以及 读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，以及 其中，所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空，并导通传输晶体管以将信号电荷传输到输入节占，包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位，和读出输出信 号，以及进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随 器电路的输出调制度。
11. 一种相机系统，包括 固态图像感测器件；光学系统，在固态图像感测器件上形成被摄体图像；以及 信号处理电路，处理固态图像感测器件的输出图像信号， 其中，所述固态图像感测器件包括 像素单元，其中排列多个像素电路，以及 像素驱动单元，驱动像素单元的各像素电路，并读出像素信号， 其中，每一个像素电路包括 光电转换器件， 源极跟随器电路，传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电路的输入节点，以及 读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，以及 其中，所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空，并导通传输晶体管以将信号电荷传输到所述输入 节点，包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位，和读出输出信 号，以及进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随 器电路的输出调制度。
全文摘要
在此公开了像素电路、固态图像感测器件和相机系统。所述像素电路包括光电转换器件；源极跟随器电路；传输晶体管，将光电转换器件中产生的电荷传输到源极跟随器电路的输入节点；以及读出系统，经由源极跟随器电路，响应于产生的电荷读出信号，其中，所述读出系统将源极跟随器电路的输入节点浮空，并导通传输晶体管以将信号电荷传输到输入节点，所述读出系统包括如下功能截止传输晶体管，感测源极跟随器电路的输出节点电位，和读出输出信号，并且所述读出系统进一步包括输出调制度控制功能单元，其在传输晶体管导通时，暂时地减小源极跟随器电路的输出调制度。
文档编号H04N5/225GK101964878SQ20101023217
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月16日 优先权日2009年7月23日
发明者西原利幸 申请人:索尼公司