专利名称：固态图像拾取装置及其驱动方法
技术领域：
本发 明涉及固态图像拾取装置，更具体地说，涉及放大固态图像拾取装置及其驱动方法。
背景技术：
近来，作为固态图像拾取装置，具有针对像素的信号放大功能的放大固态图像拾取装置(下文中称为“有源像素传感器，APS”)正吸引人们的关注。PTL I公开了 APS的以下配置。行方向上设置的像素中包含的多个放大双极晶体管的控制电极通过重置金属氧化物半导体(MOS)晶体管串联连接。在这种配置中，重置电源线被设置在端部处布置的重置MOS晶体管处。在最近的固态图像拾取装置中，千万或更多的像素被布置为矩阵。为了改进读出速度，基本上同时重置行方向上设置的多个像素，并且并行读取信号。在其中多个放大双极晶体管的控制电极通过重置MOS晶体管在行方向上串联连接的配置中，控制电极的寄生电容和重置MOS晶体管的ON电阻(导通电阻)增加行方向上的像素数量的若干倍那样大的量。相应地，重置控制电极所需的时间变得更长。因此，如果这样的固态图像拾取装置被应用于在一行中具有大量像素的图像传感器，则难以解决驱动时间的限制。[引文列表][专利文献][PTL1]日本专利公开 No. 63-18646
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种固态图像拾取装置，包括布置为矩阵的多个像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极；多个输出线，来自多个像素中的至少两个像素的信号被并行输出到所述多个输出线；被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元；以及第一重置晶体管、第二重置晶体管和第三重置晶体管。多个像素包括第一像素和第二像素，来自第一像素和第二像素的信号不被并行输出。第一重置晶体管控制在第一重置电源单元与第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接。第二重置晶体管控制在第一像素的放大晶体管的控制电极与第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接。第三重置晶体管控制第二像素的放大晶体管的控制电极与第二重置电源单元之间的电连接。根据本发明的另一方面，提供一种固态图像拾取装置，包括第一像素和第二像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极；来自第一像素的信号和来自第二像素的信号被输出到的输出线；被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元；第一重置晶体管，被配置为控制在第一重置电源单元与第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；第二重置晶体管，被配置为控制在第一像素的放大晶体管的控制电极与第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及第三重置晶体管，被配置为控制在第二像素的放大晶体管的控制电极与第二重置电源单元之间的电连接。根据本发明的又一方面，提供一种用于固态图像拾取装置的驱动方法，所述固态图像拾取装置包括第一像素和第二像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极；来自第一像素的信号和来自第二像素的信号被输出到的输出线；被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元；第一重置晶体管，被配置为控制在第一重置电源单元与第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；第二重置晶体管，被配置为控制在第一像素的放大晶体管的控制电极与第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及第三重置晶体管，被配置为控制在第二像素的放大晶体管的控制电极与第二重置电源单元之间的电连接。放大晶体管是第一导电类型，第一重置晶体管和第二重置晶体管是与第一导电类型相反的第二导电类型，以及第一像素 的放大晶体管的控制电极连接到第一重置晶体管的主电极和第二重置晶体管的主电极。所述驱动方法包括当向第一像素的放大晶体管的控制电极转移电荷时，通过把第一重置晶体管和第二重置晶体管设置为处于非导电状态来把第一像素的放大晶体管的控制电极设置在电浮置状态；以及通过把第三重置晶体管设置为处于导电状态来把重置电压施加到第二像素的放大晶体管的控制电极。本发明提供可以实现快速重置操作的固态图像拾取装置。从参照附图的示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
[图I]图I是示出根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置的像素的等效电路图。[图2]图2是示出根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置的像素的结构的截面图。[图3]图3是示出根据本发明的第二实施例的固态图像拾取装置的像素的等效电路图。[图4]图4是示出根据本发明的第三实施例的固态图像拾取装置的像素的结构的截面图。[图5]图5是示出根据本发明的第四实施例的固态图像拾取装置的像素的结构的截面图。[图6A]图6A是示出根据本发明的固态图像拾取装置的像素的布置的示意图。[图6B]图6B是示出根据本发明的固态图像拾取装置的像素的另一布置的示意图。[图6C]图6C是示出根据本发明的固态图像拾取装置的像素的又一布置的示意图。[图7]图7是示出根据本发明的固态图像拾取装置的像素的再一布置的示意图。[图8]图8是示出用于驱动根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置的脉冲的时序图。
具体实施例方式以下将参照附图详细描述本发明的实施例。图I是示出根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置的等效电路图。在图I中，虚线包围的元件包含在一个像素IOa中。图I中的等效电路图示出其中在三行和两列中设置六个像素的配置。每个像素10中具有相似功能的元件由相似参考数字表示，并且通过把不同字母字符添加到用于各个像素10的元件的对应数字而被区分。本发明不限于上述像素数量，多个像素被设置为矩阵就足够了。以下描述形成图I所示的固态图像拾取装置的每个像素10的元件。光电转换单元I (例如光电二极管)生成电荷。转移MOS晶体管2转移在光电转换单元I中生成的电荷。放大晶体管6的控制电极3接收光电转换单元I中生成的电荷。重置MOS晶体管4用于将重置电压施加到控制电极3。转移MOS晶体管2和重置MOS晶体管4是N导电类型的。放大晶体管6 (例如P型结型场效应晶体管(下文中被称为“JFET”))放大光电转换单元I中 生成的信号电荷。耦合电容器8被设置在重置MOS晶体管4的栅极与控制电极3之间。输出信号线7连接到恒流源I，并且连同作为P型JFET的放大晶体管6 —起形成源跟随器。在转移脉冲Tx输入到转移MOS晶体管2的栅极的同时，重置脉冲Res被输入到重置MOS晶体管4的栅极。重置MOS晶体管4和转移MOS晶体管2可以分别通过重置脉冲Res和转移脉冲Tx而受控为导电状态或非导电状态之一。对于在列方向上在矩阵的端部设置的像素10提供重置电源线VRESl和VRES2，以便供给用于重置控制电极3的重置电压。重置电源线VRESl和VRES2也可以用于重置光电转换单元I。从每个像素10的放大晶体管6输出的信号被读出到输出信号线7。在该实施例中，为了实现快速信号处理，来自设置在行方向上的像素IOa和IOb的信号被并行地分别读出到输出信号线7x和7y。相似地，来自像素IOc和IOd的信号被并行地分别读出到输出信号线7x和7y，然后，来自像素IOe和IOf的信号被并行地分别读出到输出信号线7x和7y。来自设置在列方向上的像素IOaUOc和IOe的信号并不被并行读出。在该实施例中，重置MOS晶体管4a被设置在设置在列方向上的两个像素IOa和IOc各自的放大晶体管6a和6c的控制电极3a和3c之间的电路径中。重置MOS晶体管4a控制放大晶体管6a的控制电极3a与放大晶体管6c的控制电极3c之间的电连接。重置MOS晶体管4x设置在放大晶体管6a的控制电极3a与重置电源线VRESl之间的电路径中。重置MOS晶体管4x控制放大晶体管6a的控制端子3a与重置电源线VRESl之间的电连接。重置MOS晶体管4c被设置在放大晶体管6c的控制电极3c与重置电源线VRES2之间的电路径中。重置MOS晶体管4c控制放大晶体管6c的控制电极3c与重置电源线VRES2之间的电连接。相似地，重置MOS晶体管被设置在相邻像素中包含的放大晶体管的控制电极之间或在控制电极与对应的重置电源线之间，以便电连接相邻像素的控制电极或控制电极和重置电源线。以此方式，在从其并不并行读出信号的多个像素中包含的放大晶体管6的控制电极3通过重置MOS晶体管4在列方向上串联连接。在串联连接的多个控制电极3当中，在列方向上在端部处设置的控制电极3通过不同的重置MOS晶体管4而连接到重置电源线VRESl和VRES2。因此，在该实施例中，每个像素10的控制电极3可以经由一个或更多个重置MOS晶体管4而电连接到第一重置电源单元(重置电源线VRESl)和第二重置电源单元(重置电源线VRES2)。重置MOS晶体管4的数量比每个列中包含的像素的数量大I。在控制电极3c与重置电源线VRES2之间的电路径中，除了重置MOS晶体管4c之夕卜，如图I所示,还设置控制电极3e和重置MOS晶体管4e。以此方式,在重置MOS晶体管4c控制电连接的电路径中，可以设置其它元件。例如，在其中千万或更多像素被设置为矩阵的固态图像拾取装置中，在特定像素的控制电极与重置电源单元之 间，可以设置几千像素中包含的放大晶体管的控制电极和重置晶体管。使用具有图I所示的控制电极3和重置MOS晶体管4的配置，当执行重置操作时，仅重置每个列中的一个控制电极就足够了。因此，寄生电容和杂散电阻很小。稍后将详细讨论该情况。图2是示意性示出根据该实施例的固态图像拾取装置中的像素区域的截面图。与图I所示的元件对应的元件由相似标号表示。像素区域是半导体基板上的其中把像素设置成矩阵的区域。像素区域可以是半导体基板的一部分或整个半导体基板。在图2中，示出P型半导体区域9、由绝缘体形成的器件绝缘部分10、在光入射表面上设置的P型半导体区域11以及在其中存储信号电荷的N型半导体区域12。P型半导体区域9和11每个都与N型半导体区域12形成PN结，P型半导体区域9和11以及N型半导体区域12形成光电转换单元I。在图2中，还示出转移MOS晶体管2的栅极电极13。图I所示的控制电极3由N型半导体区域形成，与控制电极3对应的N型半导体区域在图2中由相同标号表示。此后，在该说明书中，当控制电极是指电路节点时，其被称为“控制电极”，当控制电极是指横截面中的像素的半导体区域时，其被称为“控制电极区域”。P型半导体区域14被在与基板表面相同水平上的平面中的控制电极区域3包围。作为P型JFET的放大晶体管6由作为源级区域的P型半导体区域14、控制电极区域3以及作为漏极区域的P型半导体区域9形成。P型半导体区域9可以是半导体基板自身或在半导体基板中形成的阱区域。在图2中，还示出重置MOS晶体管4的栅极电极15和在列方向上的相邻像素的控制电极区域16。在该实施例中，在连接相邻像素的控制电极3的重置MOS晶体管4中，一个像素的控制电极区域3充当MOS晶体管4的源级区域，另一像素的控制电极区域16充当MOS晶体管4的漏极区域。耦合电容器8生成在重置MOS晶体管4的栅极电极15与控制电极区域3之间的交叠部分中，并且包含重置MOS晶体管4的栅极氧化物膜。用于对转移脉冲Tx进行传送的控制线17连接到栅极电极13。用于传送重置脉冲Res的控制线18连接到栅极电极15。信号线19连接到作为放大晶体管6的源级区域的P型半导体区域14。信号线19形成输出信号线，来自放大晶体管6的信号被读出至该输出信号线。控制线17和18被设置在行方向上。在该实施例中，如图I所示，对于在列方向上的矩阵端部处设置的像素提供重置电源线VRESl和VRES2。如在该实施例中那样，通过其中在像素区域外部设置重置电源单元的配置，不必需布置用于对像素区域提供重置电源的布线。随后，以下描述根据该实施例的固态图像拾取装置的操作。在该实施例中，假设在初始状态下对所有像素10进行重置。也就是说，在该状态下，所有的重置MOS晶体管4处于导电状态下，并且重置电压被施加到所有像素10的控制电极3。然后，选择从其读出信号的行，从在选择的行中包含的像素10输出的信号被读出到对应的输出信号线7。以下参照图8描述具体操作。图8示出输入到重置MOS晶体管4的栅极的重置脉冲ResO、ResU Res2和Res3以及输入到转移MOS晶体管2的栅极的转移脉冲Txl、Tx2和Τχ3。每个脉冲输入到图I所示的对应晶体管的栅极。用于使重置MOS晶体管4和转移MOS晶体管2处于导电状态的电压被称为“高电平”，用于使重置MOS晶体管4和转移MOS晶体管2处于非导电状态的电压被称为“低电平”。高电平被设置为例如电源电势VDD。低电平被设置为例如GND电势或负电势。在图8中，分别示意性示出控制电极3a、3c和3e的电势改变V1、V2和V3。以下首先描述用于选择像素10的从中输出信号的行的操作。在选择的行中的像素10中包含的放大晶体管6的控制电极3的电势处于浮置状态是必需的。此外，在该实施例中，由于放大晶体管6是P型的，所以必需使得在连接到公共输出信号线7的多个像素10的放大晶体管6的控制电极3当中，在选择的行中的像素10的放大晶体管6的控制电极3 的电势是最低的。在该状态下，从输出信号线7提供的恒定电流仅在选择的像素10的放大晶体管6中流动，与选择的像素10的放大晶体管6的控制电极3的电势对应的电势通过放大晶体管6和输出信号线7的源级跟随器操作而被输出到输出信号线7。如果放大晶体管6是N型的，则必需使得在连接到公共输出信号线7的多个像素10的放大晶体管6的控制电极3当中，选择的行中的像素10的放大晶体管6的控制电极3的电势是最高的。在该实施例中，重置电势VRES是GND电势与电源电势VDD之间的电势。在选择行之前，所有重置脉冲处于高电平，所有重置MOS晶体管4处于导电状态。相应地，所有像素10的控制电极3的电势被设置为重置电势VRES。当选择像素10的特定行时，输入到把选择的行中的像素10的控制电极3夹在中间的一对重置MOS晶体管4的重置脉冲被设置在低电平。例如，当选择第二行中的像素IOc和IOd时，重置脉冲Resl和Res2从高电平改变为低电平，重置脉冲ResO和Res3保持在高电平，如图8中的时间Tl指示的那样。使得重置脉冲Resl输入到的重置MOS晶体管4a和4b处于非导电状态，还使得重置脉冲Res2输入到的重置MOS晶体管4c和4d处于非导电状态。因此，使得第二行中的像素10的控制电极3的电势处于浮置状态。在该实施例中，重置MOS晶体管4是N型的，低电平的电势低于高电平的电势。当重置脉冲Resl和Res2改变为低电平时，第二行中包含的像素10的控制电极3的电势经由耦合电容器8而下降(图8中的V2)。与第二行相邻的第一行和第三行中包含的像素10的控制电极3的电势也受由于重置脉冲Resl和Res2导致的电势改变的影响而短暂地下降(图8中的Vl和V3)。然而，由于重置脉冲ResO和Res3保持在高电平，所以与选择的像素10相邻的像素10的控制电极3的电势返回到重置电势VRES。在连接到公共输出信号线7的像素10的电势当中，第二行中包含的像素10的放大晶体管6的控制电极3的电势变为最低。通过执行上述操作，选择了第二行。在该实施例中，使得与选择的像素的控制电极3直接相连的两个重置MOS晶体管4处于非导电状态，以及使得其它重置MOS晶体管4处于导电状态，由此可以经由耦合电容器8来控制选择的像素10的控制电极3的电势。在选择第二行中的像素10之后，在图8中的时间T2将高电平脉冲提供给转移脉冲Tx2，光电转换单元I中的电荷被转移到控制电极3。控制电极3的电势下降的量是通过光电转换单元I中生成的电荷的量确定的。按从图I中的底部的顺序，提供给转移MOS晶体管2的转移脉冲是Txl、Τχ2和Τχ3。在电荷转移到控制电极3之后，根据控制电极3的电势而得到的输出被读出到输出信号线7。随后，以下描述用于每个像素的重置操作。重置电源线的电势是高电平与低电平之间的电势VRES。如上所述，高电平脉冲施加到除了与选择的像素10相邻设置的重置MOS晶体管4之外的重置MOS晶体管4的栅极。更具体地说，在图8中的Tl与Τ3之间的时段期间，重置脉冲ResO和Res3处于高电平，而施加到与选择的像素10相邻的重置MOS晶体管4的重置脉冲Resl和Res2处于低电平。相应地，图I中的重置MOS晶体管4x、4y、4e和4f处于导电状态，同时未选择的像素10的控制电极3的电势(VI和V3)保持在重置电势VRES。·在完成选择的行的读出操作时，在图8中的时间T3，使得把已经完成读出操作的行中的像素10夹在中间的一对重置MOS晶体管4处于导电状态。这使得可以把已经被读取信号的像素10的控制电极3的电势重置为重置电势VRES。在图8中的时间T4，把后续行中的像素10夹在中间的一对重置MOS晶体管4的栅极电势改变为低电平。在该实施例中，为了选择第三行，重置脉冲Res2和Res3改变为低电平，其它重置脉冲ResO和Resl保持在高电平。此后，在图8中的时间T5，从光电转换单元I转移信号电荷，并且并行读出来自在第三行中包含的像素10的信号。然后，在图8中的时间T6，重置脉冲Res2和Res3改变为高电平，由此重置在第三行中包含的像素10的控制电极3。以此方式，并行对每一行执行重置操作。然而，对于每一列，一次仅将一个控制电极3重置为重置电势VRES就足够了。因此,每像素的重置MOS晶体管4的寄生电容和ON电阻很小，由此实现快速重置操作。 可以通过使用已知技术来执行通过转移MOS晶体管2将信号电荷从光电转换单元I转移到控制电极3并且消除由各个像素中的偏移变化产生或由重置操作产生的噪声，因此省略其说明。如上所述，在该实施例中，重置MOS晶体管4被设置在并非同时经受读出操作的两个像素10的控制电极3之间的电路径中。然后，在第一像素的控制电极3与第一重置电源单元之间的电路径中设置重置MOS晶体管4，以及在第二像素的控制电极3与第二重置电源单元之间的电路径中设置重置MOS晶体管4。通过该配置，当重置放大晶体管6的控制电极3时生成的寄生电容和杂散电阻可以很小，由此实现快速重置操作。在该实施例中，不在像素区域中设置重置电源线。相应地，可以使得光电转换单元(如光电二极管)的面积较大。附加地，通过较少数量的布线，可以使得光电转换单元的孔径较大。通过该配置，可以增强像素的灵敏度。在该实施例中，如图2所示，P型半导体区域9充当作为P型JFET的放大晶体管6的漏极区域。从半导体基板提供GND电势(即放大晶体管6的漏极电势)。通过该配置，不必需对于像素区域的表面提供用于将电压提供给放大晶体管6的漏极的漏极电源线，由此进一步增强像素的灵敏度。在该实施例中，JFET用作放大晶体管6。通常，JFET的Ι/f噪声小于MOS晶体管的1/f噪声。通过该配置，可以捕获具有较低噪声的图像。根据本发明的第一实施例，可以提供快速、高灵敏度、低噪声的放大固态图像拾取
>J-U ρ α装直。以下描述对第一实施例进行的修改。根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置包括像素。每个像素包括光电转换单元(如光电二极管)和用于放大光电转换单元中生成的信号的放大晶体管。每个像素可以还包括用于转移在光电二极管中存储的信号电荷的转移晶体管，如在第一实施例中举例描述的那样。每个像素可以还包括用于有选择地输出来自放大晶体管的信号的选择晶体管。
在第一实施例中，用于提供重置电压的重置电源线VRESl和VRES2用作重置电压提供单元。然而，重置电压提供单元可以由衬垫电极形成，并且可以从外部提供电源。作为放大晶体管6，可以选择MOS晶体管、双极晶体管、JFET和静电感应晶体管(下文中称为“SIT”)中的至少一个。放大晶体管6可以期望地是这样的晶体管其控制电极区域是可以直接用作控制电极的半导体区域，更具体地说，放大晶体管6可以期望地是JFET或 SIT。在第一实施例中，如图2所示，放大晶体管6的控制电极3是形成控制电极3的半导体区域自身。放大晶体管6的控制电极3可以被配置使得由导电材料(如金属或多晶硅)制成的导电材料电极被电连接到由半导体区域形成的浮置扩散区(下文中被称为“FD”)。例如，如果放大晶体管6由MOS晶体管形成，则控制电极3通过连接FD和栅极电极形成。如果JFET或SIT用作放大晶体管6，则光电转换单元I中存储的信号电荷可以期望地与放大晶体管6的控制电极区域的多数载流子相同。如果转移晶体管2的主电极中的一个的导电类型与另一个的导电类型不同，则难以形成转移晶体管2。相应地，转移晶体管2的导电类型与放大晶体管6的导电类型相反。如果MOS晶体管被用作放大晶体管6，则为了使放大晶体管6的导电类型与重置晶体管4的导电类型相反，在每个像素中形成不同导电类型阱，并且在阱中设置不同导电类型MOS晶体管。由于空间的限制，可能难以在小像素中形成这种结构。如果像素的尺寸很大，则放大晶体管6可以是具有与重置晶体管4的导电类型相反的导电类型的MOS晶体管。在本发明中，放大晶体管6的导电类型并不特别地受限。如果使用N型放大晶体管，则读出速度比P型放大晶体管的读出速度更快。根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置包括多个用于重置每个像素的放大晶体管6的控制电极3的重置晶体管4。虽然在第一实施例中重置晶体管4是MOS晶体管，但可以使用另一类型的晶体管。以下描述对重置晶体管4的布置进行的修改。重置晶体管4可以期望地被设置为使得它们串联连接从中把信号读出到一个输出信号线7的多个放大晶体管6的控制电极3。在设置为矩阵的多个像素当中，如果一个列中包含的多个像素被连接到两个或更多个输出信号线，则重置晶体管4被设置为使得它们串联连接从中不并行读出信号的多个像素的放大晶体管6的控制电极3。图6A、图6B和图6C是示出像素的布置和各个像素与输出信号线之间的连接的示意图。像素101对应于例如图I所示的像素10a。在图6A、图6B和图6C中，举例示出其中多个像素被布置为矩阵的配置。多个输出信号线102被设置为使得可以并行从一个行中包含的多个像素读出信号。在图6A、图6B和图6C中，还不出第一重置电源线103a和第二重置电源线103b。通过阴影部分示出其放大晶体管的控制电极经由多个重置晶体管(未示出)而串联连接的多个像素，以使得它们可以与其它像素区分。虚线指示某些像素的放大晶体管的控制电极经由多个重置晶体管连接。从中把信号读出到一个输出信号线的多个像素的放大晶体管的控制电极经由多个重置晶体管串联连接，如图6A所示。作为这种布置的示例，在图6A中，每个列中包含的多个像素的放大晶体管的控制电极经由多个对应的重置晶体管而被串联连接。或者，如图6B和图6C所示，未连接到相同输出信号线的像素的放大晶体管的控制电极区域可以串联连接。也就是说，在多个像素当中，从中不并行读出信号的像素的放大晶体管的控制电极彼此串联连接。换句话说，多个重置晶体管被设置为使得它们串联连接预定数量的像素的放大晶体管的控制电极。在串联连接的多个像素当中，设置在端部处的两个像素的放大晶体管的控制电极经由不同的重置晶体管而连接到第一重置电源线和第二重置电源线。用于重置像素的放大晶体管的控制电极的电压被提供给第一重置电源线和第二重置电源线。此外，如图7所示，设置三个重置电源线103a、103b和103c，设置在重置电源线之间的像素的放大晶体管的控制电极可以经由重置晶体管串联连接。在这种配置中，重置电源线被设置在像素区域中。在图7所示的配置中，在一个列中包含的像素当中，一个列中的一些像素的信号被读出到的输出信号线102a与相同列中的其它像素的信号被读出到的另一输出信号线102b不同。相应地，可以并行读出一个列中包含的一些像素。例如，在图7中，可以连同来自从顶部起第三至第五行中的一行中的像素的信号一起并行地读出来自从顶部起第二行中的像素的信号。或者，可以对于一个列设置多个输出信号线。例如，对于第一列设置第一输出信号线和第二输出信号线。在第一列中包含的多个像素当中，来自奇数行中的像素的信号被读出到第一输出信号线，而来自偶数行中的像素的信号被读出到第二输出信号线。通过这种配置，可以并行读出来自在多个行中包含的像素的信号。因此，可以实现甚至更快的读出操作。在其中对于一个列提供多个输出信号线的配置中，可以存在包含于不同行中但并行读出的两个像素。相应地，可以存在这样的情况从其并行读出信号的像素的放大晶体管的控制电极经由重置晶体管连接。即使在此情况下，如果在其放大晶体管的控制电极经由重置晶体管而被串联连接的多个像素当中，存在从中不并行读出信号的两个像素，则可以仍然获得本发明的优点。这是因为，寄生电容和杂散电阻可以比当同时重置所有像素的放大晶体管的控制电极时的寄生电容和杂散电阻更小。因此，可以实现快速重置操作。重置晶体管被设置为串联连接放大晶体管的控制电极。为了实现该布置，可以采取下面的配置。可以通过一个重置晶体管连接两个像素的放大晶体管的控制电极。附加地，两个像素中的每一个的放大晶体管的控制电极经由不同的重置晶体管而被连接到另一 像素的放大晶体管的控制电极或重置电源线。期望地，多个重置晶体管和各个像素的放大晶体管的控制电极可以交替地连接，并且在端部处设置的像素的放大晶体管的控制电极经由对应的重置晶体管而被连接到重置电源线。
如图2所示，可以在与放大晶体管6的控制电极区域相同的半导体区域中形成重置MOS晶体管4的源级区域和漏极区域。或者，放大晶体管6的控制电极区域可以通过布线而被连接到重置MOS晶体管4的源级区域或漏极区域。随后，以下描述对于像素的选择模式的修改示例。在第一实施例中，重置MOS晶体管4的导电类型与放大晶体管6的导电类型相反。耦合电容器8被设置在重置MOS晶体管4的栅极电极与控制电极3之间。重置MOS晶体管4的栅极电极的电势改变经由耦合电容器8改变放大晶体管6的控制电极3的电势。注意，晶体管的导电类型是指主电极的导电类型。对于具有相同导电类型的晶体管，承载主电极电流的载流子的类型也是相同的。或者，重置MOS晶体管4和放大晶体管6可以是相同导电类型的，像素的选择可以通过选择晶体管来执行。然后，以下描述对驱动方法的修改示例。在第一实施例中，在从选择的像素读出信号之后，直接连接到选择的像素的控制电极3c的重置MOS晶体管4a和4c在图8中的时间T3被设置为导电状态。然而，可仅把将选择的像素的控制电极3夹在中间的一对重置MOS 晶体管4中的一个设置为导电状态。在例如逐行地从像素依次读取信号的情况下，该类型的操作是期望的。更具体地，在图8中的T3与T4之间的时段期间，把重置脉冲Res2保持在低电平。在根据图8所示的脉冲的驱动操作中，逐行地依次选择像素。然而，可以随机地选择像素行。图3是示出根据本发明的第二实施例的固态图像拾取装置中的像素的等效电路图。在图3中，示出光电二极管20和转移MOS晶体管21。具有与图I中所示元件相同功能的元件由相似附图标记表示，因此省略其详细解释。在该实施例中，两个光电二极管I和20分别经由转移MOS晶体管2和21连接到控制电极3。也就是说,在该实施例中,两个像素(每个像素都具有一个光电二极管)共享一个放大晶体管。在该实施例中的像素的布置中，图I中的由虚线包围的电路被图3所示的电路代替。可以通过与第一实施例相似的方式来执行待经受读出操作的像素的选择。也就是说，把要被选择的像素的控制电极3夹在中间的重置MOS晶体管4设置为非导电状态，以使得控制电极3的电势处于浮置状态，由此选择一行像素。在该状态下，转移MOS晶体管2和21中的一个被设置为导电状态，由此可以从两个光电二极管I和20中的任一个输出信号,在此情况下,光电二极管I和20被看作两个不同的像素。或者，转移MOS晶体管2和21都被设置为导电状态，由此可以从两个光电二极管I和20输出信号，在此情况下，光电二极管I和20被看作一个像素。可以通过与第一实施例中的方式相似的方式来执行像素的控制电极3的重置。把从其已经读取信号的像素的控制电极3夹在中间的重置MOS晶体管4中的一个或两个被设置为导电状态，以使得重置电势被施加到控制电极3。在图3中，光电二极管I和转移MOS晶体管2的一个集合以及光电二极管20和转移MOS晶体管21的另一集合(即光电二极管和转移MOS晶体管的两个集合)共享同一控制电极3。然而，光电二极管和转移MOS晶体管的三个或更多个集合可以共享一个控制电极。在该实施例中，光电二极管和转移MOS晶体管的两个集合共享一个控制电极。通过该配置，因为对于多个光电转换单元(即光电二极管)仅提供一个放大晶体管就足够了，所以可以使光电转换单元的面积相对较大。相应地，可以增强像素的灵敏度。尤其是在具有较小像素面积的固态图像拾取装置中，灵敏度的增强的优点是显著的，这是因为由于较少数量的布线导致可以使布线的孔径较大。因此可以提供高灵敏度、低噪声的放大固态图像拾取装置。图4是示意性示出根据本发明的第三实施例的固态图像拾取装置中的像素区域的截面图。在该实施例中，在光电转换单元I的顶部提供用于引导入射光的光波导。提供用于将入射光有效率地引导到光电二极管I的表面的光波导22。在光波导22上面还提供用于将施加到像素的入射光汇聚到光波导22的微透镜23。具有与图2所示的元件相似功能的元件由相似附图标记表示。因此省略其详细描述。在一般的固态图像拾取装置中，使用其中在多个层中布置布线的多层布线结构。如图4所示，在与其中布置信号线19的布线层不同的布线层中布置控制线17和18。在这些布线层之间设置层间绝缘膜。 在该实施例中，作为用于把入射光有效率地引导到各个像素的光电二极管I的光波导22，在光电二极管I的顶部设置具有比周围层间绝缘膜更高折射率的构件。为了制造这种结构，在光电二极管I上设置的层间绝缘膜被以阱的形式设置开口之后，具有比层间绝缘膜更高折射率的构件可以掩埋到开口中。在制造这种阱类型光波导22的容易性以及较高光汇聚效率的方面，期望的是相对于阱的直径而言阱的深度较小。当将这种光波导结构应用于APS时，重要的是，减少每像素的布线数量，以减少由于布线层的干扰而导致的光损耗。如果提供很多布线，则由于布线孔径较窄所以阱的直径变得较小，或由于形成很多布线层所以阱的深度变得较大。如上所述，在该实施例中，在光电转换单元I的顶部上设置光波导22。通过该配置，光电转换单元I上入射的光量增加，由此增强灵敏度。如在第一实施例和第二实施例中那样，在第三实施例中，重置电源线不设置在像素区域中。从图4可见，在该实施例中，从半导体基板提供GND电势(即P型JFET 6的漏极电势)。通过该配置，布线的数量可以减少，由此可以使得相对于阱的直径而言阱的深度较小。相应地，可以将入射光有效率地引导到光电二极管1，因此可以提高像素的灵敏度。具体地说，在小尺寸像素中，灵敏度提高的优点是显著的。图5是示意性示出根据本发明的第四实施例的固态图像拾取装置中的像素区域的截面图。具有与图4所示的元件相同功能的元件由相似附图标记表示，因此省略其详细解释。在该实施例的固态图像拾取装置中，光通过半导体基板的第二主表面(后侧)入射到光电转换单元I (即光电二极管)上，该第二主表面与在上面布置布线(如输出信号线)的第一主表面(前侧)相反。也就是说，该类型的传感器是背照射型传感器。更具体地，用于将入射光汇聚到光电二极管I上的微透镜23被形成在半导体基板区域9的第二主表面(后侦D上。像素间隔离布线图案24被设置用于隔离像素，并且还充当用于将GND电势提供给半导体基板区域9的GND电源线。在该实施例中，由于固态图像拾取装置被形成为背照射型传感器，因此可以使孔径较大。通过该配置，除了第一实施例实现的优点之外，还可以进一步提高像素的灵敏度。尤其在具有较小像素面积的固态图像拾取装置中，灵敏度提高的优点是显著的。形成像素的元件的导电类型可以与前述实施例中布置的元件的导电类型相反。也就是说，光电二极管I中存储为信号的载流子是空穴，转移MOS晶体管2是P导电类型的，控制电极3是P导电类型的，重置MOS晶体管4是P导电类型的，以及JFET 6是N导电类型的。具有这样的像素的固态图像拾取装置也形成本发明。附加地，在前述实施例中，转移晶体管2被设置在光电二极管I与控制电极3之间的路径中。然而，光电二极管I和控制电极3可以彼此直接连接。这种配置也可应用于本发明。如上所述，在本发明的固态图像拾取装置中，第一重置晶体管被设置在第一重置电源线与第一像素的控制电极之间的电路径中。第二重置晶体管被设置在第一像素的控制电极与第二像素的控制电极之间的电路径中。第三重置晶体管被设置在第二像素的控制电极与第二重置电源线之间的电路径中。来自第一像素和第二像素的信号不是并行读出的。通过该配置，重置晶体管4被设置为处于导电状态，由此每个像素的控制电极3的电势可以·保持在重置电源的电势。然后，把要选择的一行的像素的控制电极3夹在中间的一对重置晶体管4被设置在非导电状态，由此可以读出来自像素的信号。在读出信号之后的重置操作中，把仅一个像素的放大晶体管6的控制电极区域3重置为重置电势就足够了。相应地，寄生电容和杂散电阻可以很小。因此，可以实现快速重置操作。在本发明的固态图像拾取装置中，不必需对于每个像素提供重置电源线。相应地，可以使得光电转换单元(如光电二极管)的面积较大。此外，通过较少数量的布线，可以使得孔径较大。通过该配置，可以提高像素的灵敏度。在上述实施例中，重置晶体管4的导电类型与放大晶体管6的导电类型相反。被提供给重置晶体管4的栅极电极的电压经由在放大晶体管6的控制电极3与重置晶体管4的栅极电极之间设置的耦合电容器8可以控制放大晶体管6的控制电极3的电势。通过该配置，可以在不增加晶体管数量的情况下选择从其读出信号的像素，由此允许使光电二极管I的面积较大。因此，可以提高像素的灵敏度。通常，用作互补MOS (CMOS)传感器的放大晶体管的N型MOS晶体管具有较大的I/f噪声。通过使用N型MOS晶体管，由使用这样的放大晶体管导致的噪声被添加到从像素读出的信号。在本发明的固态图像拾取装置中，放大晶体管可以是P导电类型的。通过该配置，与使用N型MOS晶体管的配置相比，Ι/f噪声可以较小，因此，可以捕获具有低噪声的图像。如果把JFET、SIT或双极晶体管用作放大晶体管6，则放大晶体管6的控制电极3可以由来自光电转换单元I的电荷被转移到的半导体区域直接形成。相应地，不必需提供连接半导体区域和放大晶体管6的控制电极3的布线，由此允许使得光电二极管的面积较大。因此，可以提闻像素灵敏度。此外，如果放大晶体管6是JFET或SIT，则与使用N型MOS晶体管的情况相比，I/f噪声更小。因此，可以捕获具有低噪声的图像。此外，如果放大晶体管6是JFET或SIT，则与双极晶体管不同，实现了非破坏性读出操作。通过使用执行由于使用基极电流而导致的破坏性读出操作的双极晶体管，因为破坏性信号的波动所以产生噪声。然而，在JFET或SIT的情况下，由信号波动产生的噪声较小。因此，可以捕获具有低噪声的图像。使用其中JFET或SIT用作放大晶体管6的结构，可以提供即使像素尺寸很小也展现高信噪比的放大固态图像拾取装置。如果把双极晶体管、JFET或SIT用作放大晶体管6，则可以在半导体基板区域中形成放大晶体管6的主电极区域中的一个。也可以从半导体基板提供GND电势。相应地，可以使得不必需提供电源布线。通过该配置，形成像素的元件的数量与已知的像素配置相比更小，因此，可以使得光电二极管I和布线孔径的面积更大。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围要被赋予最宽泛的解释，从而包括所有这样的修改以及等效结构和功能。本申请要求于2010年5月10日提交的日本专利申请No. 2010-108786的权益，从 而其全部内容通过引用而合并到此。
权利要求
1.一种固态图像拾取装置，包括 布置成矩阵的多个像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极； 多个输出线，来自所述多个像素中的至少两个像素的信号被并行输出到所述多个输出线. 被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元；以及 第一重置晶体管、第二重置晶体管和第三重置晶体管， 其中 所述多个像素包括第一像素和第二像素，来自所述第一像素和所述第二像素的信号不被并行输出； 所述第一重置晶体管控制在所述第一重置电源单元与所述第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接； 所述第二重置晶体管控制在所述第一像素的放大晶体管的控制电极与所述第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及 所述第三重置晶体管控制在所述第二像素的放大晶体管的控制电极与所述第二重置电源单元之间的电连接。
2.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中 放大晶体管是第一导电类型，所述第一重置晶体管和所述第二重置晶体管是与所述第一导电类型相反的第二导电类型； 所述第一像素的放大晶体管的控制电极连接到所述第一重置晶体管的主电极和所述第二重置晶体管的主电极； 耦合电容器设置在所述第一像素的放大晶体管的控制电极与所述第一重置晶体管或第二重置晶体管的控制电极之间；以及 提供给所述第一重置晶体管或第二重置晶体管的控制电极的电压经由所述耦合电容器来控制所述第一像素的放大晶体管的控制电极的电势。
3.如权利要求2所述的固态图像拾取装置，其中，所述放大晶体管是P沟道型。
4.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中 所述第一重置电源单元包括第一重置电源线； 所述第二重置电源单元包括第二重置电源线；以及 所述第一重置电源线和所述第二重置电源线设置在像素区域外部。
5.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中，所述多个像素中的每一个都包括转移晶体管，所述转移晶体管被配置为把在光电转换单元中生成的电荷转移到放大晶体管的控制电极。
6.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中，所述多个像素中的每一个都包括多个光电转换单元和多个转移晶体管，所述多个转移晶体管被配置为把在所述多个光电转换单元中生成的电荷转移到一个放大晶体管的控制电极。
7.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中，光波导被设置在光电转换单元上，以便把入射光引导到光电转换单元。
8.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，还包括在上面设置有光电转换单元的半导体基板，其中，所述固态图像拾取装置是背照射型，被配置为使得所述多个输出线被设置在半导体基板的第一主表面上并且光通过半导体基板的与第一主表面相反的第二主表面入射到光电转换单元上。
9.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中，所述放大晶体管是结型场效应晶体管、双极晶体管和静电感应晶体管中的一种。
10.如权利要求9所述的固态图像拾取装置，还包括在其中设置有放大晶体管和重置晶体管的半导体区域，其中，经由该半导体区域而把电压提供给放大晶体管的主电极区域中的一个。
11.如权利要求I所述的固态图像拾取装置，其中 与布置成矩阵的像素的一列相关联地设置所述多个输出线中的至少两个输出线； 所述多个像素包括在与所述第一像素的行不同的行中包含的第三像素； 来自所述第一像素的信号和来自所述第三像素的信号被并行输出到所述至少两个输出线； 所述第二重置晶体管的主电极中的一个连接到所述第一像素的放大晶体管的控制电极，所述第二重置晶体管的另一主电极连接到所述第三像素的放大晶体管的控制电极；以及 所述固态图像拾取装置还包括第四重置晶体管，所述第四重置晶体管被配置为控制在所述第三像素的放大晶体管的控制电极与所述第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接。
12.一种固态图像拾取装置，包括 第一像素和第二像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极； 来自所述第一像素的信号和来自所述第二像素的信号被输出到的输出线； 被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元； 第一重置晶体管，被配置为控制在所述第一重置电源单元与所述第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接； 第二重置晶体管，被配置为控制在所述第一像素的放大晶体管的控制电极与所述第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及 第三重置晶体管，被配置为控制在所述第二像素的放大晶体管的控制电极与所述第二重置电源单元之间的电连接。
13.如权利要求12所述的固态图像拾取装置，还包括 第三像素和第四像素； 来自所述第三像素的信号和来自所述第四像素的信号被输出到的输出线，该输出线与来自所述第一像素的信号和来自所述第二像素的信号被输出到的输出线不同； 第四重置晶体管，被配置为控制在所述第一重置电源单元与所述第三像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接； 第五重置晶体管，被配置为控制在所述第三像素的放大晶体管的控制电极与所述第四像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及 第六重置晶体管，被配置为控制在所述第四像素的放大晶体管的控制电极与所述第二重置电源单元之间的电连接。
14.如权利要求13所述的固态图像拾取装置，其中 放大晶体管是第一导电类型，所述第一重置晶体管和所述第二重置晶体管是与第一导电类型相反的第二导电类型；以及 所述第一像素的放大晶体管的控制电极连接到所述第一重置晶体管的主电极和所述第二重置晶体管的主电极。
15.如权利要求14所述的固态图像拾取装置，其中 耦合电容器设置在所述第一像素的放大晶体管的控制电极与所述第一重置晶体管或第二重置晶体管的控制电极之间；以及 提供给所述第一重置晶体管或第二重置晶体管的控制电极的电压经由所述耦合电容器来控制所述第一像素的放大晶体管的控制电极的电势。
16.如权利要求15所述的固态图像拾取装置，其中，所述放大晶体管是P沟道型晶体管。
17.如权利要求16所述的固态图像拾取装置，其中，所述放大晶体管是结型场效应晶体管、双极晶体管和静电感应晶体管中的一种。
18.一种用于固态图像拾取装置的驱动方法，所述固态图像拾取装置包括 第一像素和第二像素，每个像素都包括光电转换单元和具有控制电极的放大晶体管，在光电转换单元中生成的电荷被转移到控制电极； 来自所述第一像素的信号和来自所述第二像素的信号被输出到的输出线； 被配置为提供用于重置放大晶体管的控制电极的电压的第一重置电源单元和第二重置电源单元； 第一重置晶体管，被配置为控制在所述第一重置电源单元与所述第一像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接； 第二重置晶体管，被配置为控制在所述第一像素的放大晶体管的控制电极与所述第二像素的放大晶体管的控制电极之间的电连接；以及 第三重置晶体管，被配置为控制在所述第二像素的放大晶体管的控制电极与所述第二重置电源单元之间的电连接， 其中，放大晶体管是第一导电类型，所述第一重置晶体管和所述第二重置晶体管是与第一导电类型相反的第二导电类型，以及所述第一像素的放大晶体管的控制电极连接到所述第一重置晶体管的主电极和所述第二重置晶体管的主电极， 所述驱动方法包括 当向所述第一像素的放大晶体管的控制电极转移电荷时，通过把所述第一重置晶体管和所述第二重置晶体管设置为处于非导电状态来把所述第一像素的放大晶体管的控制电极设置在电浮置状态；以及 通过把所述第三重置晶体管设置为处于导电状态来把重置电压施加到所述第二像素的放大晶体管的控制电极。
全文摘要
本发明的固态图像拾取装置包括布置成矩阵的多个像素。为了方便，在所述多个像素当中，把不被并行读取信号的两个像素设置为第一像素和第二像素。第一重置晶体管设置在第一重置电源线与第一像素中包含的放大晶体管的控制电极之间的电路径中。第二重置晶体管设置在第一像素中包含的放大晶体管的控制电极与第二像素中包含的放大晶体管的控制电极之间的电路径中。第三重置晶体管设置在第二像素中包含的放大晶体管的控制电极与第二重置电源线之间的电路径中。
文档编号H04N5/3745GK102884785SQ201180022660
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月10日
发明者筱原真人 申请人:佳能株式会社