图像传感器的制造方法

图像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种图像传感器。作为用于使光电二极管重置的控制信号，使用用于选择相邻的像素行的控制信号。由此，所使用的控制信号的种类的数量减少，并防止光电二极管的面积的下降。另外，通过将选择像素行的控制信号的激活时段设定为比读出一个像素行的信号的时间长的时段，设置选择相邻的像素行的多个控制信号均激活的时段。因此实现CDS操作。
【专利说明】
图像传感器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2015年4月24日在日本提交的专利申请No.2015-089401的优先权，该 专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种图像传感器，更具体地涉及一种具有设置在各像素中的放大器电 路的图像传感器。
【背景技术】
[0004] 基于X射线投影图像以非破坏性方式对检查对象的内部进行检查的技术是在医 疗、工业用非破坏性检查领域中必要的技术。特别地，将X射线投影图像作为电子数据直接 获取的X射线图像传感器由于快速成像过程、使用图像处理的图像读取支持、以及适用于移 动画面等，而被广泛地采用。作为这种X射线图像传感器，主要使用称作平板检测器(Flat Panel Detector，FPD)的设备。这是金属氧化物半导体(MOS)型图像传感器的一种。在FPD 中，在以二维方式配置的各像素中，配置有将X射线转换成电荷的光电转换部、以及将蓄积 在光电转换部中的信号电荷取出到外部的切换设备。FPD通过使用薄膜半导体技术在由具 有大面积的玻璃等形成的基板上制备。这是因为不能容易地制作能够响应X射线的缩小光 学系统，因此FH)的大小需要等于或大于检查对象的大小。因此，作为配置在各像素中的切 换设备，使用薄膜晶体管(TFT)。
[0005] 关于FPD，作为将X射线转换成电荷的方式，大致分成两种方式。一种是将X射线转 换成可见光并将转换成的可见光转换成电荷的间接转换方式。另一种是将X射线直接转换 成电荷的直接转换方式。间接转换方式的FH)的常规示例公开于日本专利申请特开平No.4-206573的图5中。该FH)具有在光电二极管和晶体管的形成部上隔着绝缘膜层叠荧光体层的 结构。根据X射线的辐射，荧光体层发出可见光，并使用光电二极管将发出的可见光转换成 电荷。在日本专利申请特开平No.4-206573中，公开了使用非晶硅(a-Si)形成光电二极管及 晶体管的示例。另一方面，直接转换方式的FPD的常规示例公开于日本专利申请特开平 No. 11-211832的图1中。该FH)具有光导层连接至晶体管的各像素形成在基板上的结构。X射 线被光导层吸收并直接转换成电荷。日本专利申请特开平No. 11-211832公开了使用ZnO、 CdSXdSe等作为光导层的方法。在如上所述的两个方式的FPD中，信号作为电荷被输出，并 通过设于外部的积分器等信号检测电路被转换成电压，并形成为数字信号。在此表示的FPD 输出由各像素获得的信号电荷，并且信号电荷在像素内不被放大。因此，FH)可被分类成无 源像素传感器(Passive-Pixel Sensor，PPS) 〇
[0006] 近来，在医疗领域中，强烈要求X射线诊断装置具有低辐射曝光和高清晰度。在为 了低辐射曝光而减小X射线辐射量的情况下，由FPD检测的信号电荷减少，由此S/N比劣化。 另外，在为了高清晰度而减小FPD的像素尺寸的情况下，根据像素尺寸的缩小，信号电荷减 少，由此S/N比劣化。换言之，为了实现低辐射曝光和高清晰度这两者，必须提高FPD的S/N 比。
[0007] 作为用于在图像传感器中实现高S/N比的技术，存在应用于CMOS图像传感器的称 为有源像素传感器(Active-Pixel Sensor，APS)的技术。在这种技术中，在图像传感器的各 像素中，除了光电二极管等光电转换元件外，还设置放大器电路，放大光电转换元件的信 号，并输出放大后的信号。根据该技术，能够在不降低信号的S/N比的情况下实现图像传感 器的高清晰度。通常，虽然CMOS图像传感器集成在单晶硅基板上并主要用于光学摄像机等， 但尝试将这种APS技术应用于薄膜半导体。例如，具有在日本专利申请特开平No. 1-184954 中公开的方法。
[0008] 然而，为了将APS应用于薄膜半导体，校正TFT的阈值电压变化的手段是必不可少 的。例如，在使用多晶硅TFT作为薄膜半导体的情况下，存在阈值电压的面内变化非常大的 问题。这些变化是由于多晶硅的粒度的变化等引起的本质上的问题。另一方面，在将a-Si TFT用于信号放大的情况下，由于无定形结构，不会发生由多晶硅TFT等的结晶结构引起的 阈值电压变化的问题。然而，产生与可靠性有关的问题。该问题是在电压持续施加于a-Si TFT的栅极和源极之间的情况下阈值电压大幅变化。在用于放大器电路的TFT中，使TFT始终 处于导通状态的电压持续施加于栅极和源极之间。因此，放大器电路用TFT的阈值电压变 化，根据该阈值电压的变化，输出电压也变化。这种与可靠性有关的问题同样也发生在使用 非晶氧化物半导体的TFT中。
[0009] 作为校正伴随着这种TFT的阈值变化的、像素的输出变化的手段，提出了多种方 法。
[0010] -种方法公开于日本专利申请特开平No. 10-108075中。根据该方法，在图像传感 器开始工作之前，向各像素的放大用TFT供给参考电压。然后，将供给参考电压的情况下的 输出变化保持在存储器等中，在工作时从检测到的信号中去除变化分量。但是，在该方法 中，存在需要将检测图像传感器的信号的检测电路的动态范围设定得非常大的问题。例如， 在使用多晶硅作为薄膜半导体的情况下，TFT的阈值电压变化可以等于或大于IV。在考虑到 图像传感器的输出电压振幅为约IV的情况下，这意味着需要将检测电路的动态范围设定为 等于或大于2倍。在维持检测电路的精度和工作速度的状态下将动态范围设定为等于或大 于2倍使得难以设计检测电路，这导致制造成本提高。
[0011] 在另一种方法中，使用称作相关双采样(Correlated Double Sampling，⑶S)的技 术。根据该技术，通过求包括图像传感器的信号分量的输出电压与将光电二极管重置后的 输出电压之间的差，去除放大器电路的偏置电压误差。将该技术应用于MOS型图像传感器的 示例示于图1中。图1是表示与一个像素相对应的电路200和执行CDS的信号处理电路600的 电路图。像素200是图像传感器的一个像素，并由光电二极管210、放大用晶体管220、选择用 晶体管230、以及重置用晶体管240构成。选择用晶体管230的源极端子与信号线Dm连接。负 载电阻器310与各信号线连接。在选择用晶体管230处于导通状态的情况下，由放大用晶体 管220和负载电阻器310构成源极跟随器电路。信号处理电路600由初级放大器610、开关 620、开关621、电容器630、电容器631以及差分放大器611构成。
[0012]使用图2中所示的时序图说明CDS的操作。在时刻t0,选择信号Gn成为高电平，选择 用晶体管230成为导通状态。由此，放大用晶体管220的源极电位被输出作为设置在信号线 Dm上的负载电阻器310的两端的电位。在时刻tl，控制信号φ?成为高电平，开关620成为导 通状态。在时刻t2,控制信号φ?变成低电平，开关620成为非导通状态。由此，在时刻t2负载 电阻器310的电压Vl被保持在电容器630中。在时刻t3,重置控制信号Rn成为高电平，重置用 晶体管240成为导通状态。由此，光电二极管210的阴极电位被重置为VBP。在时刻t4，控制信 号φ2成为高电平，开关621成为导通状态。在时刻t5,控制信号φ2变为低电平，开关621成为 非导通状态。由此，在时刻t5负载电阻器310的电压Vl被保持在电容器631中。
[0013] 在此，假设初级放大器610和差分放大器611各自的电压放大系数为1。在时刻t2光 电二极管210的阴极电压Vpc为Vsig的情况下，电压Vl成为α · Vsig - Vof，该电压被保持在 电容器630中。在时刻t5,由于光电二极管210的阴极电压被重置为VBP，因此电压Vl成为α · VBP - Vof。由于该电压被保持在电容器631中，因此差分放大器611的输出V4成为a(Vsig - VBP)。在此，α是由放大用晶体管220和负载电阻器310构成的源极跟随器电路的电压放大系 数，Vof是偏置电压。偏置电压Vof是依赖于放大用晶体管220的阈值电压的值。在像素的放 大用晶体管220的阈值电压变化的情况下，偏置电压Vof也变化。但是，在执行CDS操作的情 况下，差分放大器611的输出电压中不包含偏置电压，因此能够消除放大用晶体管220的阈 值电压的变化的影响。
[0014] 然而，在图1中所示的图像传感器中，产生光敏度下降的问题。在执行CDS的情况 下，需要与光信号相对应的输出和与光电二极管的重置电压相对应的输出。因此，需要用于 选择像素的选择信号和用于重置光电二极管的重置控制信号。这些信号线需要针对每个像 素行进行设置，并且需要用于铺设这些信号线的空间。在铺设这些信号线的情况下，作为光 电二极管的面积与像素的面积的比例的填充因子减小。其结果，光敏度下降。另外，针对每 个像素行，需要用于供给选择信号和重置控制信号的驱动电路，且图像传感器的制造成本 尚。
[0015] 在包括APS像素的图像传感器中，不使用重置控制用专用信号而进行重置操作的 方法公开于日本专利申请特开平No . 10-108074的图2中。在此公开的方法是使用下一个选 择信号用于传感器的重置。在该方法中，不需要铺设专用的重置配线，且填充因子不降低。
[0016] 然而，在该方法中，由于像素的放大用晶体管的阈值电压的变化产生的输出信号 的变化不能校正。为了通过CDS校正放大用晶体管的阈值电压的变化，需要以下的两个输出 之间的差。一个是在向放大用晶体管输入信号时的输出，另一个是在向放大用晶体管输入 光电二极管的重置电压、或参考电压时的输出。然而，在此处公开的方法中，某一像素在输 出另一像素的信号的时段期间被重置。因此，向放大用晶体管输入光电二极管的重置电压 时的输出不能被取出。因此，不能执行对像素的放大用晶体管的偏差变化进行校正的CDS。 另外，针对积分器执行日本专利申请特开平No. 10-108074中提及的⑶S，而不是针对像素的 放大用晶体管执行该CDS。

【发明内容】

[0017] 鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种在各像素中设置有放大用晶体管的图 像传感器，在不降低光敏度的情况下，能够对放大用晶体管的初始特性所引起的阈值电压 的变化以及经时变化所引起的阈值电压的变化进行补偿。
[0018] 根据本发明的第一方面的图像传感器包括:布置在被多个信号线和多个行选择线 划分的各像素中的光电转换元件、第一晶体管、第二晶体管以及第三晶体管，所述信号线被 竖直布置且所述行选择线被水平布置。所述光电转换元件的第一端子连接至所述第一晶体 管的栅极端子，所述光电转换元件的第二端子连接至第一电源线。所述第一晶体管的漏极 端子连接至第二电源线，所述第一晶体管的源极端子连接至所述第二晶体管的漏极端子。 所述第二晶体管的栅极端子连接至所述行选择线，所述第二晶体管的源极端子连接至所述 信号线。所述第三晶体管的栅极端子连接至相邻的像素行的行选择线，所述第三晶体管的 漏极端子连接至第三电源线，所述第三晶体管的源极端子连接至所述光电转换元件的所述 第一端子。在比从所述信号线读出与一个像素行相对应的信号的时段长的激活时段中将信 号施加于所述行选择线。所述激活时段与将信号施加于相邻的行选择线的时段在时间上部 分重叠。
[0019] 根据本发明的第二方面的图像传感器还包括电容器，所述电容器的一端连接至所 述光电转换元件的所述第一端子，所述电容器的另一端连接至所述第三晶体管的所述栅极 端子。
[0020] 在根据本发明的第三方面的图像传感器中，在所述图像传感器的所有的像素的信 号被读出的时段中，信号施加于所述行选择线的时段数是一个。
[0021] 根据本发明的第四方面的图像传感器还包括连接到所述信号线的一端的信号处 理电路。所述信号处理电路输出在与所述激活时段在时间上具有重叠的时段期间施加于所 述信号线的电压和在与所述激活时段在时间上没有重叠的时段期间施加于所述信号线的 电压之间的差。
[0022] 在根据本发明的第五方面的图像传感器中，所述第一晶体管、所述第二晶体管以 及所述第三晶体管分别是η型晶体管。所述光电转换元件是光电二极管。所述第一端子是所 述光电二极管的阴极端子。所述第二端子是所述光电二极管的阳极端子。
[0023] 在根据本发明的第六方面的图像传感器中，施加于所述第一电源线的电压比施加 于所述第二电源线的电压小。
[0024] 根据本发明，能够在不降低图像传感器的光敏度并且不提高制造成本的情况下， 补偿由于放大用晶体管的初始特性引起的阈值电压的变化以及由于随时间的劣化引起的 阈值电压的变化。
[0025] 应该理解的是，前面的概述和下面的详述是示例性和说明性的，而不旨在限制本 发明。
[0026] 应该注意的是，如在本文和所附的权利要求中所使用的，单数形式的"一"、"一个" 以及"所述"包括复数指代，除非文中另有明确规定。
【附图说明】
[0027] 上述的和其它的目的和特征通过下面参照附图的详细说明将更加明显。
[0028] 图1是表示常规的图像传感器的结构的电路图；
[0029] 图2是表示常规的图像传感器的操作的时序图；
[0030] 图3是表示根据实施方式1的图像传感器的结构的框图；
[0031] 图4是表示根据实施方式1的图像传感器的像素的结构的电路图；
[0032] 图5是可应用于根据实施方式1的图像传感器的检测电路的电路图；
[0033] 图6是可应用于根据实施方式1的图像传感器的驱动电路的电路图；
[0034] 图7是表示根据实施方式1的图像传感器的驱动方法的时序图；
[0035] 图8是可应用于根据实施方式1的图像传感器的信号处理电路的电路图；
[0036] 图9是表示根据实施方式1的图像传感器的驱动方法的时序图；
[0037] 图10是可应用于根据实施方式1的图像传感器的检测电路的电路图；
[0038] 图11是可应用于根据实施方式1的图像传感器的检测电路的电路图；
[0039] 图12是表示可应用于根据实施方式1的图像传感器的驱动电路的操作的时序图；
[0040] 图13是表示根据实施方式2的图像传感器的像素的结构的电路图；以及 [0041]图14是表示根据实施方式1和实施方式2的图像传感器的像素的结构的电路图。
【具体实施方式】 [0042](实施方式1)
[0043] 参照附图详细说明根据实施方式1的图像传感器。在图中，构成要素的大小和缩放 比例为了确保图的可视性而被适当变更。在图中，阴影用于区分各构成要素，而不一定表示 剖面。
[0044] 图3表示根据实施方式1的图像传感器100的结构。图像传感器100包括:沿竖直方 向和水平方向以矩阵形式布置的像素200;针对每个像素列分别设置的信号线Dl到信号线 D4;以及连接到信号线Dl到信号线D4的检测电路300。另外，图像传感器100由针对每个像素 行分别设置的行选择线Gl到行选择线G5、驱动行选择线Gl到行选择线G5的驱动电路400、以 及向各像素200供给电压的电源电路500构成。电源线VDD(第二电源线）、电源线VBP(第三电 源线）、以及电源线VBM(第一电源线)连接到电源电路500,各电源线VDD、电源线VBP、电源线 VBM向像素200输出电压。在下文中，将电源线VDD、电源线VBP、和电源线VBM的电压也称作 VDD、VBP、和VBM。
[0045] 图4表示根据实施方式1的图像传感器100的一个像素200的等效电路。由于像素 200的结构彼此相同，因此，除非另外说明，否则在下面作为像素200的代表对第m列的信号 线Dm和第η行的行选择线Gn划分的像素200进行说明。像素200由光电二极管(光电转换元 件)210、放大用晶体管(第一晶体管)220、选择用晶体管(第二晶体管)230、以及重置用晶体 管(第三晶体管)240构成。放大用晶体管220、选择用晶体管230、以及重置用晶体管240例如 是η型TFT。光电二极管210的阳极连接到电源线VBM，光电二极管210的阴极连接到放大用晶 体管220的栅极端子和重置用晶体管240的源极端子。放大用晶体管220的漏极端子连接到 电源线VDD，放大用晶体管220的源极端子连接到选择用晶体管230的漏极端子。选择用晶体 管230的栅极端子连接到行选择线Gn，选择用晶体管230的源极端子连接到信号线Dm。重置 用晶体管240的漏极端子连接到电源线VBP，重置用晶体管240的栅极端子连接到行选择线 Gn+1。在此，电压VBP被设定为比电压VBM高的电压，"VBP - VBM"的值为光电二极管210的反 向偏置电压。电压VDD被设定为与电压VBP相等或者比电压VBP大的电压。因此，电压VBM比电 压VDD低。
[0046] 根据实施方式1的图像传感器100的检测电路300通过以阵列形式布置连接到信号 线Dl到信号线D4的检测部而进行配置，并且可使用图5的电路图中所示的电路等作为检测 部。图5中所示的检测部连接到信号线Dm，并由负载电阻器310和放电用晶体管320构成。负 载电阻器310的一端连接到信号线Dm，负载电阻器310的另一端连接到电源线VSS。放电用晶 体管320的漏极端子连接到信号线Dm，放电用晶体管320的源极端子连接到电源线VSS，以及 放电用晶体管320的栅极端子连接到控制线LRST。在下面，将电源线VSS的电压也称作VSS， 将施加于控制线LRST的信号也称作LRST。在此，负载电阻器310的电阻值被设定为尽可能大 的值，更具体地，实现时间常数的值是像素200的选择用晶体管230为导通状态的时段的至 少100倍或更大。上述的时间常数被定义为信号线Dm的寄生电容和负载电阻器310的电阻值 之积。另外，电压VSS被设定为比电压VDD小的电压。
[0047]根据实施方式1的图像传感器100的驱动电路400是具有向行选择线Gl到行选择线 G5依次输出脉冲的功能的电路。在驱动电路400中，例如，如图6所示，可使用通过将D触发器 (D-FF) 410连接成列并将与门（AND GATE) 420分别连接到D-FF410的输出端所得到的电路。 各D-FF410的输出被输入到与其相对应的与门420并被输入到与其连接的另一 D-FFWO13S 外，与门420分别连接到行选择线Gl到行选择线G5,各与门420将脉冲输出到与其相对应的 行选择线。与各奇数行选择线G1、G3及G5相对应的与门420被输入与其相对应的D-FF410的 输出以及从控制线DECl输出的解码信号DEC1。与各偶数行选择线G2及行选择线G4相对应的 与门420被输入与其相对应的D-FF410的输出以及从控制线DEC2输出的解码信号DEC2。以这 种方式构成的驱动电路400以向行选择线Gl至行选择线G5依次输出脉冲的方式进行操作。 下面对驱动电路400的操作进行说明。
[0048] 接下来，使用图7中所示的时序图对根据实施方式1的图像传感器100的操作进行 说明。根据实施方式1的图像传感器100以水平方向的像素行为单位执行读取像素200的信 号的操作。在图7中，时段Tn是第η行的像素行的信号被读取的时段。在第η行的像素行中设 置的像素200中包括的选择用晶体管230的栅极端子与行选择线Gn连接。在时段Tn期间，由 于行选择线Gn为高电平，因此选择用晶体管230处于导通状态。在时刻Τ0,检测部的控制信 号LRST成为高电平，各信号线D1-D4的电位被重置到VSS。在时段TAn期间控制信号LRST变化 到低电平之后，在第η行中设置的各像素200的光电二极管210上保持的信号电压经由放大 用晶体管220被输出到信号线Dl到信号线D4中的对应的信号线。将此时的信号线Dm的电压 设为电压Va。在作为时段TBn的起始的时刻Tl，控制信号LRST成为高电平，各信号线Dl到D4 的电位被重置到VSS。另外，在第n+1行中设置的行选择线Gn+Ι也成为高电平。由于在第η行 中设置的各像素200的重置用晶体管240的栅极与行选择线Gn+Ι连接，因此在第η行中设置 的各像素200的光电二极管210的阴极电压被重置到电压VBP。然后，在控制信号LRST变化到 低电平之后，将电压VBP输入到在第η行中设置的像素200的放大用晶体管220的栅极时的电 压分别输出到信号线Dl到信号线D4。将此时的信号线Dm的电压设为Vb。
[0049] 在时段TBn中，行选择线Gn和行选择线Gn+Ι均为高电平。因此，在第η行和第n+1行 的像素行中设置的选择用晶体管230成为导通状态。但是，与作为设置在第η行中的光电二 极管210的阴极电压的VBP相对应的电压被输出到信号线Dm。其理由在下面进行说明。
[0050] 在光射到光电二极管210的情况下，与所发射的光量相对应的光电二极管210的阴 极电压比VBP小。而且，在未发射光的情况下，光电二极管210的阴极和阳极之间流经漏电 流，因此，阴极电压比VBP小。另外，使用η型晶体管作为重置用晶体管240。因此，随着重置操 作结束并且栅极电压下降，通过重置用晶体管240的源极和栅极之间的寄生电容产生馈通， 并且光电二极管210的阴极电压减小。因此，在时段TBn期间，在第η行中设置的像素200的光 电二极管210的阴极电压比在第η+1行中设置的像素200的光电二极管210的阴极电压高。
[0051] 另一方面，在像素200的放大用晶体管220是η型晶体管的情况下，放大用晶体管 220能够提高所连接的信号线Dm的电位，但不能降低所连接的信号线Dm的电位。另外，将基 于连接到信号线Dm的负载电阻器310的电阻值和信号线Dm的寄生电容所确定的时间常数的 值设定为等于或大于时段Tn的100倍。因此，在时段Tn期间，信号线Dm的电位几乎不会下降。 假设基于信号线Dm的寄生电容和负载电阻器310的电阻值确定的时间常数为Tn的100倍、且 放大用晶体管220的源极端子的电位达到与输入相对应的输出电压使得放大用晶体管220 处于视作断开状态的状态。该情况下，在时段Tn期间，根据流经负载电阻器310的电流变化 的信号线Dm的电压变化率为等于或小于1%。因此，在时段TBn期间，在第η行中设置的像素 200的光电二极管210的阴极电压和在第η+1行中设置的像素200的光电二极管210的阴极电 压内，依赖于电压较高的在第η行中设置的像素200的阴极电压的电压经由在第η行中设置 的像素200的放大用晶体管220输出到信号线Dm。
[0052] 在像素200内设置的放大用晶体管220和选择用晶体管230、以及连接到信号线Dm 的负载电阻器310形成源极跟随器电路。在选择用晶体管230的接通电阻充分小、且负载电 阻器310的值充分大的情况下，当电压VG施加于放大用晶体管220的栅极时，信号线Dm的电 压表示为下式(1)。
[0053] aXVG-Vof---(l)
[0054] 在此，a是源极跟随器电路的电压放大系数且具有等于或小于1的值。另外，Vof是 偏置电压且为依赖于放大用晶体管220的阈值电压的值。在时段TAn期间，在第η行中设置的 像素200的光电二极管210的阴极电压表示为Vs的情况下，上述的电压Va表示为下式(2)。
[0055] Va = a X Vs-Vof …⑵
[0056] 同样地，电压Vb表示为下式(3)。
[0057] Vb = aXVBP-Vof---(3)
[0058] 因此，通过由⑶S操作求电压Va和Vb之间的差，能够去除依赖于放大用晶体管220 的阈值电压的偏置电压V 〇 f。
[0059] 实现CDS操作的信号处理电路600的示例示于图8。该信号处理电路600由初级放大 器610、差分放大器611、两个开关620、621以及两个电容器630、631构成。开关620使用控制 信号φ?进行控制，开关621使用控制信号φ2进行控制。初级放大器610的输入端子与信号线 Dm连接。优选将初级放大器610的输入阻抗设定为高。图9是表示操作的时序图。以下，为了 便于说明，对初级放大器610和差分放大器611的电压放大增益是1的情况进行说明。这种电 压放大增益可以是1以外的值。通过输出控制信号φ?使得在时刻Tfl开关620处于断开状 态，在电容器630上保持电压Va。另外，通过输出控制信号φ2使得在时刻Tf 2开关621处于断 开状态，在电容器631上保持电压Vb。作为电容器630上保持的电压和电容器631上保持的电 压之间的差的"Va-Vb"从差分放大器611输出。
[0060]到此为止，作为根据实施方式1的图像传感器100的示例，示出了像素200在竖向方 向和水平方向上配置成四列和四行的矩阵形式的图像传感器。当然，可根据目的自由地改 变像素列的数、像素行的数、以及像素总数。作为可应用于根据实施方式1的图像传感器100 的检测电路的负载电阻器310,可使用图10中所示的有源负载。在图10中，示出了有源负载 用的晶体管311，晶体管330向有源负载用的晶体管供给偏置电压，并且示出了基准电流源 340。另外，有源负载可如图11所示，仅由放电用晶体管320构成。
[0061] 在此，作为可应用于根据实施方式1的图像传感器100的驱动电路，可使用图6中所 示的驱动电路400。可根据图12中所示的时序图操作驱动电路400。0-FF410使用具有与检 测图像传感器100的一行的信号的时段Tn相同的周期的时钟进行驱动。向连接到奇数级的 D - FF410的输出端的与门420输入的解码信号DEC 1、和向连接到偶数级的D - FF410的输出 端的与门420输入的解码信号DEC2具有Tn的3/2倍的长度的高电平时段，解码信号DECl的脉 冲的相位与解码信号DEC2的脉冲的相位不同。在使用这种控制信号操作驱动电路400的情 况下，获得图7所示的行选择线Gn -l、Gn、以及Gn+Ι的信号。
[0062] 根据实施方式1的图像传感器100,能够补偿放大用晶体管220的初始特性的变化、 以及其特性的根据随时间的劣化的变化，而不降低光敏度且不提高制造成本。下面对其理 由进行说明。
[0063] 在根据实施方式1的图像传感器100中，由于在不使用专用于光电二极管210的重 置控制的控制信号的情况下使用相邻的像素行的选择信号执行重置控制，因此能够减少对 每个像素行设置的配线数。因此，设置在像素200的分区内的光电二极管210的面积不会减 少。因此，光敏度不会下降。
[0064] 在根据实施方式1的图像传感器100中，虽然相邻的像素行的选择信号用作光电二 极管210的重置控制，但是可以将对光电二极管210进行重置后的电压经由像素200的放大 用晶体管220读出。因此，能够进行检测包括信号的电压与重置后的电压之间的差的所谓的 CDS操作，并且能够补偿由于放大用晶体管220的初始特性和随时间的劣化引起的阈值电压 的变化。
[0065] 在根据实施方式1的图像传感器100中，可使用简单的脉冲波形作为选择信号。在 此所说的简单的脉冲波形不是在时段Tn的约多倍的时段内多次进行向高电平或低电平的 变化的复杂的脉冲波形，而是在图像传感器100的所有的像素200的信号被读出的一帧时段 内仅进行一次向高电平的变化的简单的脉冲波形。因此，简化的电路可以用作驱动电路，使 得制造成本不高。另外，由于需要仅仅选择信号作为控制信号，因此不需要如常规情况那样 另外供给重置信号的驱动电路，因此能够降低制造成本。
[0066](实施方式2)
[0067]图13是表示根据实施方式2的图像传感器100的像素200的结构的电路图。根据实 施方式2的图像传感器100的整体结构与图3中所示的根据实施方式1的图像传感器100的整 体结构相同，仅像素200的结构与根据实施方式1的图像传感器100的结构不同。
[0068]根据实施方式2的图像传感器100的像素200由光电二极管210、放大用晶体管220、 选择用晶体管230、重置用晶体管240、以及校正用电容器250构成。光电二极管210的阳极连 接到电源线VBM，光电二极管210的阴极连接到放大用晶体管220的栅极端子及重置用晶体 管240的源极端子。放大用晶体管220的漏极端子连接到电源线VDD，放大用晶体管220的源 极端子连接到选择用晶体管230的漏极端子。选择用晶体管230的栅极端子连接到行选择线 Gn，选择用晶体管230的源极端子连接到信号线Dm。重置用晶体管240的漏极端子连接到电 源线VBP，重置用晶体管240的栅极端子连接到行选择线Gn+Ι。校正用电容器250的一端连接 到光电二极管210的阴极，另一端连接到行选择线Gn+Ι。电压VBP和电压VBM的设定与实施方 式1同样地进行。另外，作为根据实施方式2的图像传感器100的检测电路300、驱动电路400 以及电源电路500,可使用与实施方式1相同结构的电路。作为用于执行CDS操作的信号处理 电路，可使用与实施方式1相同结构的电路。
[0069] 根据实施方式2的图像传感器100的操作可使用与实施方式1中所示的操作方法相 同的方法进行。
[0070] 根据实施方式2的图像传感器100,与根据实施方式1的图像传感器100同样地，能 够在不降低光敏度且不提高制造成本的情况下补偿由于放大用晶体管220的初始特性引起 的阈值电压的变化、以及由随时间的劣化引起的阈值电压的变化。另外，根据实施方式2的 图像传感器100能够实现使能够被补偿的放大用晶体管220的阈值电压的变化的大小比根 据实施方式1的图像传感器1 〇〇大。下面对其理由进行说明。
[0071] 在根据实施方式2的图像传感器100中，能够在不降低光敏度且不提高制造成本的 情况下补偿由于放大用晶体管220的初始特性和随时间的劣化引起的阈值电压的变化的理 由与在根据实施方式1的图像传感器100中获得同样的效果的理由相同。
[0072] 接下来，对在根据实施方式2的图像传感器100中能够补偿的放大用晶体管220的 阈值电压的变化的大小比根据实施方式1的图像传感器100大的理由进行说明。如在根据实 施方式1的图像传感器100的说明中所述，在图像传感器100的第η行的像素行中设置的光电 二极管210被重置的时段期间，第η+1行的像素行中设置的选择用晶体管230处于导通状态。 换言之，在该时段期间，第η行和第η+1行的像素行中设置的所有选择用晶体管230处于导通 状态。在该时段期间，当与第η行的像素行中设置的光电二极管210的重置电压相对应的信 号被输出到信号线Dm时，能够执行CDS操作，并补偿放大用晶体管220的特性的变化。实现该 操作所需的条件是在上述时段期间满足下式(4)的条件。
[0073] VNa(n) - (Vth+ Δ Vth(n) )>VNa(n+l) - (Vth+ AVth(n+l))---(4)
[0074] 在此，Vth是预先规定的放大用晶体管220的阈值电压。VNa (n)是第n行的像素行中 设置的像素200的光电二极管210的阴极电压。△ Vth(η)是Vth和像素200的放大用晶体管 220的阈值电压之间的差。换言之，AVth(n)表示第η行的像素200中设置的放大用晶体管 220的阈值电压中包括的、与Vth的误差。同样地，VNa(n+l)是第η+1行的像素行中设置的像 素200的光电二极管210的阴极电压。AVtMn+l)是Vth和像素200的放大用晶体管220的阈 值电压之间的差。换言之，A Vth(n+1)表示第η+1行的像素200中设置的放大用晶体管220的 阈值电压中包括的、与Vth的误差。
[0075] 如实施方式1的说明中所述，在将VNa(n)和VNa(n+l)相互比较的情况下，VNa(n+l) 必定小于VNa(n)。但是，△ Vth(n)和△ Vth(n+1)中的哪一个更大是不确定的。由于放大用晶 体管220被制作为在所有的像素200中具有相同的尺寸，因此所有的像素200的阈值电压Vth 应该是相同的。但是，由于制造时的形状的变化、或者膜厚的变化等初始特性，阈值电压变 化，并且由于随时间的劣化，阈值电压也变化。因此，实际上，像素200的放大用晶体管220的 阈值电压相互不同。在此，对于图像传感器100的所有像素200的放大用晶体管220,在与Vth 的差的最大值为A Vth(MAX)、与Vth的差的最小值为Δ Vth(MIN)、并且它们的差Δ Vth (MAX) - Δ Vth(MIN)为Δ Vth(RNG)的情况下，当下式(5)成立时，式(4)始终成立。
[0076] VNa(n) - VNa(n+l)> AVth(RNG)…（5)
[0077] 在现在所讨论的时段中，VNa(n)是光电二极管210的重置电压，VNa(n+l)是光电二 极管210的重置前的电压。'\^^(11+1)在未发射光的情况下最大。在未发射光的情况下，'\^^1(11 + 1)依赖于光电二极管210的漏电流的大小。另外，由于重置用晶体管240的源极和栅极之间 的寄生电容小，因此基于馈通的阴极电压的下降也不大。因此，在A Vth(RNG)大的情况下， 可能不满足式(5)。在根据实施方式2的图像传感器100中，校正用电容器250的一个端子连 接到光电二极管210的阴极，校正用电容器250的另一个端子连接到行选择线Gn+l、即、重置 用晶体管240的栅极。因此，在光电二极管210的阴极电压的重置结束之后，在行选择线Gn+1 的电位变到低电平的情况下，经由校正用电容器250光电二极管210的阴极电压向减小的方 向变化。在行选择线Gn+1的电位从高电平变到低电平的情况下，节点Na的电位的变化量表 示为下式(6)。
[0078]
[0079]在此，Cf是校正用电容器250的电容值，Cpd是光电二极管210的等效电容的值，Cp 是光电二极管210的阴极的节点Na的其他的寄生电容的值。△ Vrst是向行选择线Gn+Ι供给 的脉冲的波峰值、即、Gn+Ι的电位为高电平时的值和Gn+Ι的电位为低电平时的值之间的差 值。因此，在式(5)中，可将VNa(n+l)的值减小AV的绝对值。因此，通过以使由式(6)表示的 阴极电压的变化电压A V的绝对值大于△ Vth(RNG)的方式设定Cf的值，来始终满足式(5)。 由于始终满足式(5)，因此始终满足式(4)。设定Cf的值的具体的方法可使用以下的方法实 现。首先，基于制造时的放大用晶体管220的阈值电压的变化的统计值、以及从图像传感器 100的使用条件估计的放大用晶体管220的阈值变化量，估计AVth(RNG)。接下来，以使式 (6)中表示的△ V的绝对值大于估计出的△ Vth(RNG)的方式设定Cf的值。如上所述，即使放 大用晶体管220的阈值电压的变化很大，通过根据该变化来改变Cf的值，必然能够实现CDS 操作。因此，能够进一步增大能够校正的阈值电压的变化的大小。
[0080] 根据这些实施方式，能够在不降低图像传感器的光敏度并且不提高制造成本的情 况下，补偿由于放大用晶体管的初始特性引起的阈值电压的变化以及由于随时间的劣化引 起的阈值电压的变化。
[0081] 到此为止，作为可应用于根据实施方式1和实施方式2的图像传感器100的晶体管， 说明了η型晶体管，但是当然也可以使用p型晶体管。该情况下，通过如图14所示改变光电二 极管210的连接、使各种控制信号的极性反向，并适当地改变向放大用晶体管220的漏极端 子供给的电压，能够实现图像传感器。
[0082] 另外，虽然示出了使用光电二极管210作为图像传感器100的光电转换元件的示 例，但是也可以使用包括ZnOXdS或CdSE等的光导电层作为图像传感器100的光电转换元 件。
[0083] 另外，作为可应用于根据实施方式1和实施方式2的图像传感器100的晶体管，具有 多晶Si-TFT、a - Si TFT、氧化物半导体TFT、或者以并五苯等为代表的有机晶体管。特别地， 氧化物半导体TFT由于制造时的阈值电压变化小、并且迀移率较大而优选使用。
[0084] 由于本说明书能够在不背离本发明的实质特性的精神的情况下以各种形式实施， 因此本实施方式是示例性的而非限制性的，由于本发明的范围由所附的权利要求书限定而 不由说明书限定，由此落在权利要求的边界和界限内的所有变更或这种边界和界限的等效 物旨在被权利要求涵盖。
【主权项】
1. 一种图像传感器，包括： 布置在被多个信号线和多个行选择线划分的各像素中的光电转换元件、第一晶体管、 第二晶体管以及第三晶体管，所述信号线被竖直布置且所述行选择线被水平布置， 其中，所述光电转换元件的第一端子连接至所述第一晶体管的栅极端子，所述光电转 换元件的第二端子连接至第一电源线， 其中，所述第一晶体管的漏极端子连接至第二电源线，所述第一晶体管的源极端子连 接至所述第二晶体管的漏极端子， 其中，所述第二晶体管的栅极端子连接至所述行选择线，所述第二晶体管的源极端子 连接至所述信号线， 其中，所述第三晶体管的栅极端子连接至相邻的像素行的行选择线，所述第三晶体管 的漏极端子连接至第三电源线，所述第三晶体管的源极端子连接至所述光电转换元件的所 述第一端子， 其中，在比从所述信号线读出与一个像素行相对应的信号的时段长的激活时段中将信 号施加于所述行选择线，以及 其中，所述激活时段与将信号施加于相邻的行选择线的时段在时间上部分重叠。2. 根据权利要求1所述的图像传感器，还包括： 电容器，所述电容器的一端连接至所述光电转换元件的所述第一端子，所述电容器的 另一端连接至所述第三晶体管的所述栅极端子。3. 根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中， 在所有的像素的信号被读出的时段中，信号施加于所述行选择线的时段数是一个。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，还包括： 连接到所述信号线的一端的信号处理电路， 其中，所述信号处理电路输出在与所述激活时段在时间上具有重叠的时段期间施加于 所述信号线的电压和在与所述激活时段在时间上没有重叠的时段期间施加于所述信号线 的电压之间的差。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的图像传感器， 其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管分别是η型晶体管， 其中，所述光电转换元件是光电二极管，以及 其中，所述第一端子是所述光电二极管的阴极端子，所述第二端子是所述光电二极管 的阳极端子。6. 根据权利要求5所述的图像传感器，其中， 施加于所述第一电源线的电压比施加于所述第二电源线的电压小。
【文档编号】H04N5/32GK106067951SQ201610248171
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月20日 公开号201610248171.5, CN 106067951 A, CN 106067951A, CN 201610248171, CN-A-106067951, CN106067951 A, CN106067951A, CN201610248171, CN201610248171.5
【发明人】关根裕之
【申请人】Nlt科技股份有限公司