电源设备及其操作方法、电子装置及其操作方法

专利名称：电源设备及其操作方法、电子装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及电源设备及其操作方法，并且尤其涉及电源设备、电源设备 的操作方法、电子装置及电子装置的操作方法，其能够有效地减少具有不同 电压的多个电源的功耗，并且能够自由地设置起始序列。
背景技术：
通常，使用配置为包括光电二极管和MOS (金属氧化物半导体)晶体管 的CMOS (互补金属氧化物半导体)传感器的成像装置是普遍的。CMOS传感器包括光电二极管、MOS晶体管、以及用于为每个像素放大 来自光电二极管的信号的放大电路，并且具有许多优点，例如，"XY寻址" 或"在一个芯片中封装传感器和信号处理电路"是可能的。然而，因为在一 个像素内的元件数目是大的，所以目前已经难以减小芯片的尺寸，该尺寸确 定光学系统的尺寸。然而，近年来随着使MOS晶体管变小的技术被改进，并 且"在一个芯片中封装传感器和信号处理电路，，或"减小功耗"的要求增加， CMOS传感器已经引起注意。CMOS传感器的操作原理是通过光电地转换由光电二极管接收的光而 生成的电荷，以每个像素为单元通过传输晶体管传输，并且在根据像素位置 指定的定时被顺序地输出。此外，生成对应于以像素单元输出的电荷的图像。这里，当光电二极管中由传输晶体管光电转换的电荷^皮传输时，电荷的 传输通过施加到传输晶体管的栅极的电压控制。然而，如果施加到栅极的电 压以两个值#1简单地控制，则生成势阱(pocket)或势垒(barrier),因此， 因为电势坑的电势不平坦，所以传输变得不完全，并且生成剩余的电荷。结 果，已经存在这样的可能将生成由到光电二极管的回流产生的随机噪声或 余像。因此，已经提出通过减少剩余电荷来抑制余像或随机噪声的技术，该技 术通过在预定时间段或更多时间段生成中间电势(electric potential),以便用 至少具有三个值的电压进行控制。相关技术的示例包括日本专利NO. 3667214。 发明内容作为输出施加到上述传输晶体管的栅极的、具有三个值的电压的输出驱 动器，例如考虑具有如图1中所示配置的输出驱动器。在图1中示出的三值输出驱动器l中，p沟道MOS晶体管(下文中简称 为p型晶体管)Trl的源极连接到高电压电源VH。当栅极的输入电压改变为 低信号时，p型晶体管Trl被导通，以便输出来自漏极的信号到输出端子Vout。 此外，当高电压功率VH被施加到背栅极(back gate )，并且施加到栅极的电 压是电压VH时，p型晶体管Trl识别电压为高信号。当施加到栅极的电压为 0时，p型晶体管Trl识别电压为低信号。也就是说，p型晶体管Trl用作高 电压电源VH的输出开关。此外，p型晶体管Tr2的源极连接到中间电压电源VM,该中间电压电源VM具有低电压功率VL和高电压功率VH之间的中间电势。当栅极的输入电压改变为低信号时，p型晶体管Tr2导通，以便将信号从漏极输出到输出端子 Vout。此外，当高电压功率VH施加到背栅极时，并且当施加到栅极的电压是 电压VH时，p型晶体管Tr2识別电压为高信号。当施加到栅极的电压是0时， p型晶体管Tr2识别电压为低信号。也即是说，p型晶体管Tr2用作中间电压电源VM的输出开关。此外，n沟道MOS晶体管(下文中简称为n型晶体管)Tr3的源极连接 到低电压电源Vi。当栅极的输入电压改变为高信号时，n型晶体管Tr3导通， 使得信号从漏极输出到输出端子Vout。此外，当低电压功率Vl施加到背柵板 并且施加到栅极的电压是0时，n型晶体管Tr3识别电压为高信号。当施加到 栅极的电压是电压VH时，n型晶体管Tr3识别电压为低信号。也即是说，n 型晶体管Tr3用作低电压电源Vi的输出开关。如上所述，进行p型晶体管Trl和Tr2以及n型晶体管Tr3的导通/截止 控制。因此，当积聚在光电二极管中光电转换的电荷时，输出高电压功率VH， 并且仅在预定的时间段输出中间电压功率VM,以及当传输在光电二极管中光 电转换的电荷时，输出低电压功率Vi。通常，高电压电源VH与光电二极管的操作电源共用，并且中间电压功 率Vm与包括例如信号处理单元的辅助设备的操作电源共用。近年来，在当CMOS传感器安装到便携式设备的情况下，为了减小功耗， 作为光电二极管的电源的高电压功率VH在成像操作之间不执行成像的定时、 甚至在短时间段期间被控制停止，所述光电二极管的功耗大。然而，即使在 此状态中，为了操作信号处理单元等，也可能需要接收中间电压电源Vm的功率。在此情况下，如果来自高电压电源VH的功率供应被停止，并且来自中 间电压电源VM的功率供应继续，则即使施加到背栅极的电压变为0，中间电圧功率Vm也被施加到困1中示出的p型晶体管Tr2的源极。因此，已经存在 这样的可能性将产生从源极到背栅极的方向上的漏电流。此外，为了通过考虑这种漏电流使用中间电压电源VM,需要必须运行不 必提供有功率的高电压功率VH。结果，因为出现不必要的功耗，或出现对具 有三个值的电源的起始序列的限制，所以已经难以自由地设置起始序列。因此，鉴于以上，期望有效地减小具有不同电压的多个电源的功耗，并 且使得可能自由地设置起始序列。本发明的实施例提供一种电源设备和电子装置，其切换第一电源、具有 高于第一电源的电势的第二电源、以及具有低于第一电源的电压的第三电源 之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功 率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极。电源设备和电子装置包括 第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极；第二 晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体 管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二 晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第 二晶体管的源极。当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管停止输出第一 电源的功率到第二晶体管的源极。还可以包括信号生成部分，当第二电源的功率供应停止时生成预定信号， 并且当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管可以基于预定信号停止输出 第 一 电源的功率到第二晶体管的源极。本发明的另 一个实施例提供一种电源设备的操作方法，其切换第一电源、 具有高于第一电源的电势的第二电源、以及具有低于第一电源的电压的第三 电源之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提 供功率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极。所述操作方法包括第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极；第二 晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体 管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二 晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第 二晶体管的源极，并且包括当第二电源的功率供应停止时、使得第四晶体管 停止输出第 一 电源的功率到第二晶体管的源极的步骤。根据本发明的各实施例，变得可能有效地减小具有不同电压的多个电源 的功耗，并且自由地设置起始序列。


图1是图示相关技术中的三值输出驱动器的配置的示例的方块图；图2是图示应用本发明的成像装置的配置的示例的方块图；图3是图示图2中示出的三值输出驱动器的配置的示例的方块图；图4是图示图2中示出的成像元件的配置的示例的侧截面图；图5是图示图4中示出的侧截面图中每个区域中的电势分布的视图;图6是解释漏电流防止(blocking)处理的流程图；以及图7是图示根据本发明实施例的相机的方块图。
具体实施方式
下文中，将描述本发明的各实施例。本发明的配置要求和在此说明书或 附图中描述的各实施例之间的对应关系如下。进行本描述以确定支持本发明 的各实施例在此说明书或附图中描述。因此，即使存在在本说明书或附图中 描述、但没有在此描述为与本发明的配置要求对应的实施例，该实施例也不 应解释为不对应于配置要求的实施例。相反地，即使实施例在此描述为对应于配置要求，该实施例也不应解释为不对应于不同于该配置要求的配置要求。 此外，本描述不意味着在本说明书中描述的所有发明。换句话说，本描述不否定存在在本说明书中描述但没有在本申请中要求保护的发明，也就是说，该发明的存在将通过分案申请或未来的校正而出现和被添加。也就是说，根据本发明实施例的电源设备或电子装置是这样的电源设备 (例如，图2中示出的三值输出驱动器39)和电子装置，其切换第一电源(例如，图2中示出的中间电压功率输出部分33)、具有高于第一电源的电势的第二电源(例如，图2中示出的高电压功率输出部分32)、以及具有低于第 一电源的电压的第三电源(例如，图2中示出的低电压功率输出部分34)中 的一个给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极(例如，图2中 示出的晶体管Trll的栅极端子)，所有电源提供功率给辅助设备，并且输出 相应的功率给传输栅极。根据本发明实施例的电源设备和电子装置包括第 一晶体管(例如，图3中示出的p型晶体管Tr22),其由第二电源驱动并且输 出第二电源的功率到传输栅极；第二晶体管(例如，图3中示出的p型晶体 管Tr21),其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体 管(例如，图3中示出的n型晶体管Tr23),其由第三电源驱动并且输出第三 电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶体管(例如，图 3中示出的p型晶体管Tr31 )，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到 第二晶体管的源极。当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管停止输出第 一电源的功率到第二晶体管的源极。还可以提供信号生成部分(例如，图3中示出的硬清除信号生成部分)， 当第二电源的功率供应停止时该信号生成部分生成预定信号。此外，当第二 电源的功率供应停止时，可以导致第四晶体管基于预定信号停止输出第一电 源的功率到第二晶体管的源极。根据本发明的另一个实施例，提供一种电源设备的操作方法，该电源设 备切换第一电源、具有高于第一电源的电势的第二电源、以及具有低于第一 电源的电压的第三电源之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输 栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极，并 且该电源设备包括第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功 率到传输栅极；第二晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到 传输栅极；第三晶体管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输 栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出 第一电源的功率到第二晶体管的源极。该操作方法包括当第二电源的功率供 应停止时，使得第四晶体管停止输出第一电源的功率到第二晶体管的源极的 步骤(例如，图6中的步骤S7 )。图2是图示根据本发明实施例的成像装置的配置的视图。图2中图示的成像装置包括成像单元11和图像处理单元12。配置为包 括CMOS (互补金属氧化物半导体)传感器的成像单元11由图像处理单元12控制，并且图像处理单元12基于由成像单元11成像的图像信号显示图像。成像单元11配置为包括以像素为单元成像图像的多个成像元件21,其 由图像处理单元12以像素为单元控制，并且以像素为单元输出成像的图像信 号到图像处理单元12。此外，尽管在图2中仅显示一个成像元件21的配置， 但是不必说，在成像单元11中提供多个成像元件21。参照图2，晶体管Trll的源极连接到光电二极管PD的阴极，晶体管Trll 的漏极连接到晶体管Trl2的源极和晶体管Trl3的栅极，并且晶体管Trll的 栅极连接到传输信号线L3,通过该传输信号线L3从三值输出驱动器39提供 信号。晶体管Trll基于通过传输信号线L3从三值输出驱动器39提供的电压， 传输电荷到偏移扩散区域P1 (在晶体管Trll的漏极和晶体管Trl2的源极之 间的连接位置，以及在晶体管Trll的漏极和晶体管Trl3的栅极之间的连接 位置)，该电荷通过对应于由光电二极管PD接收的光强的光电转换而生成。 也就是说，晶体管Trll用作所谓的传输开关。晶体管Trl2的源极连接到漂移扩散区域Pl,晶体管Trl2的漏极连接到 从高电压功率输出部分32输出的高电压功率VH的功率输出线，并且晶体管 Trl2的栅极连接到重置信号线L2，通过该重置信号线L2从重置信号输出部 分38提供重置信号。晶体管Trl2基于通过重置信号线L2从重置信号输出部 分38提供的重置信号，重置在偏移扩散区域P1中积聚的电荷。也就是说， 晶体管Trl2用作所谓的重置开关。晶体管Trl3的源极连接到从高电压功率输出部分32输出的高电压功率 VH的功率输出线Ll,晶体管Trl3的漏极连接到晶体管Trl4的源极，并且晶 体管Trl3的栅极连接到漂移扩散区域Pl。晶体管Trl3是源极跟踪器输入 MOS晶体管，并且通过晶体管Trl4输出在漂移扩散区域Pl中积聚的电荷。晶体管Trl4的源极连接到晶体管Trl3的漏极，晶体管Trl4的漏极连接 到信号输出线L5，并且晶体管Trl4的栅极连接到从图像处理单元12的选择 部分45提供的选择信号线L4。当晶体管Trl4基于通过选择信号线L4从选 择部分45提供的选择信号被选择导通时，晶体管Trl4导通，并且将从晶体 管Trl3提供的信号从漂移扩散区域Pl输出到信号输出线L5。图像处理单元12的功率管理部分31分别对在高压功率输出部分32、中 间电压功率输出部分33、以及低电压功率输出部分34中提供的开关35到37 进行开/关控制，从而管理从高压功率输出部分32输出的高电压功率VH、从中间电压功率输出部分33输出的中间电压功率VM、以及从低电压功率输出 部分34输出的低电压功率Vi^的输出。
在开始成像之前的状态中，重置信号输出部分38在当成像元件21的每 个漂移扩散区域P1中累积的电子被放电的定时，通过重置信号线L2输出重 置信号。
三值输出驱动器39由驱动器控制部分41和硬清除信号生成部分40控 制。三值输出驱动器39根据操作状态，在来自高压功率输出部分32的高电 圧功率Vh、来自中间电压功率输出部分33的中间电压功率VM、以及来自低 电压功率输出部分34的低电压功率Vi之间执行切换，并且输出对应的功率 到传输信号线L3,该各个电压功率分别通过开关35到37提供。
硬清除信号生成部分40检测用作成像单元11的每个成像元件21的电源 的、高电压功率输出部分32的高电压功率VH。当高电压功率输出部分32处 于所谓的非运行状态而没有被提升到规定的电压VH时，硬清除信号生成部分 40生成为低信号的硬清除信号，并且将硬清除信号提供到三值输出驱动器 39。此外，当高电压功率输出部分32已经开始时，输出指示硬清除信号已经 开始的高信号。
基于来自选择部分45的选择信号，信号处理部分42由从中间电压功率 输出部分33提供的中间电压功率VM驱动，并且采集从每个成像元件21提供 的图像信号，该图像信号通过信号输出线L5提供。然后，信号处理部分42 生成一个(例如， 一帧)图像信号并且输出该图像信号到图像生成部分43。 图像生成部分43基于从信号处理部分42提供的一个图像信号生成图像，并 且在显示部分44 (如LCD (液晶显示器))上显示该图像。
此外，在高电压功率VH、中间电压功率VM、以及低电压功率Vt的情况 下，高电压功率Vh可以是2.7V,例如作为成像元件21的电源电压，中间电 压功率Vm可以是1.8V,例如作为辅助设备的电源电压，以及低电压功率VL 可以是-lV，例如作为开路电压。然而，高电压功率VH、中间电压功率VM、 以及低电压功率VL满足高电压功率VH>中间电压功率VM〉低电压功率VL
的关系，并且可以不必设置上述各电压，而其它电压组合也可以被应用，只 要满足"晶体管Trll的中间电压功率VM<阈值电压Vth (允许晶体管Trll 的源极和漏极被电传导的电压)"。
接下来，将参照图3描述三值输出驱动器39的配置的示例。p型晶体管Tr21的源极通过开关35连接到高电压功率输出部分32, p 型晶体管Tr21的漏极连接到输出端子Vout，并且p型晶体管Tr21的背栅极 连接到高电压功率输出部分32。输入到栅极的信号通过驱动器控制部分41 被切换到高电压功率VH或电压0。也就是说，p型晶体管Tr21用作高电压电 源VH的开关。此外，当为低信号的电压O被施加到栅极时，p型晶体管Tr21 被导通，而当为高信号的电压VH被施加到栅极时，p型晶体管Tr21被截止。
p型晶体管Tr22的源极连接到p型晶体管Tr31的漏极，p型晶体管Tr22 的漏极连接到输出端子Vout,并且p型晶体管Tr22的背栅极连接到高电压功 率输出部分32。输入到栅极的信号通过驱动器控制部分41被切换到高电压
功率VH或电压O。
晶体管Tr31对中间电压电源VM进行开/关控制。当晶体管Tr31处于导 通状态时，p型晶体管Tr22用作中间电压电源VM的开关。此外，当为4氐信 号的电压0被施加到栅极时，p型晶体管Tr22被导通，而当为高信号的电压 VH被施加到栅极时，p型晶体管Tr22被截止。
n型晶体管T23的源极通过开关37连接到低电压功率输出部分34, n型 晶体管T23的漏极连接到输出端子Vout,并且n型晶体管T23的背栅极连接 到低电压功率输出部分34。输入到栅极的信号通过驱动器控制部分41被切 换到低电压功率V^或电压0。也就是说，n型晶体管Tr23用作低电压电源 V^的开关。此外，当为高信号的电压VH被施加到栅极时，n型晶体管Tr23 被导通，而当为低信号的电压O被施加到栅极时，n型晶体管Tr23被截止。
p型晶体管Tr31的源极通过开关36连接到中间电压功率输出部分33, p 型晶体管Tr31的漏极连接到p型晶体管Tr22的源极，并且p型晶体管Tr31 的背栅极连接到中间电压功率输出部分33。从硬清除信号生成部分40提供 的硬清除信号XCLR的反相信号被输入到栅极，该反相信号通过反相器Invl 反相。当高电压功率输出部分32没有正运行时，该硬清除信号为低信号。因 此，该硬清除信号通过反相器Invl反相，从而生成高信号。相反地，当高电 压功率输出部分32正运行时，该硬清除信号为高信号。因此，该硬清除信号 通过反相器Invl反相，从而生成低信号。
p型晶体管Tr31使用从反相器Invl提供的硬清除信号的反相信号，对中 间电压电源VM进行开/关控制。在当开关35关闭使得高电压功率输出部分 32没有正运行、并且硬清除信号为低信号时的情况下，p型晶体管Tr31控制中间电压电源VM从反相信号改变为高信号后关闭。在当高电压功率输出部分
32正运行、并且硬清除信号为高信号时的情况下，p型晶体管Tr31控制中间 电压电源VM从反相信号改变为低信号后开启。因此，因为p型晶体管Tr31 是对中间电压电源VM进行开/关控制的晶体管，所以p型晶体管Tr31也被称 为功率选通晶体管Tr31。
接下来，将描述在图2中示出的成像装置的操作。
首先，功率管理部分31控制开关35到37为开启。此外，在开始光电二 极管PD的累积操作之前，重置信号输出部分38生成为高信号的重置信号， 并且通过重置信号线L2提供该重置信号，以便通过晶体管Trl2打开漂移扩 散区域P1。通过此操作，硬清除信号生成部分40输出硬清除信号作为高信 号，然后从反相器Invl输出低信号，使得晶体管Tr31被导通。
此外，驱动器控制部分41分别提供低、高和低信号到三值输出驱动器 39中p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23的栅极，以便只控制p型 晶体管Tr21被导通。因此，通过将来自高电压功率输出部分32的高电压功 率VH施加到用作传输开关的晶体管Trll的栅极，驱动器控制部分41导通晶 体管Trll并且重置光电二极管PD。
然后，驱动器控制部分41分别提供高、高和高信号到三值输出驱动器 39中的p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23的栅极，以便只控制n 型晶体管Tr23被导通。因此，通过将来自低电压功率输出部分34的低电压 功率VL施加到用作传输开关的晶体管Trll的栅极，驱动器控制部分41截止 晶体管Trll并且累积通过光电二极管PD的光电效应生成的电荷。
在此状态中，指示在成像元件21的位置处读取的选择信号从选择部分 45提供，从而导通晶体管Tr14。然后，对应于漂移扩散区域P1的电压的电 压通过源极跟踪器被输出到信号输出线L5，该源极跟踪器通过连接到晶体管 Trl3和选择信号线L4的负载获得。信号处理部分42采样对应于该读取位置 的存储器(未示出)中的输出。也就是说，信号处理部分42采样重置噪声。
此后，驱动器控制部分41分别提供低、高和低信号到三值输出驱动器 39中的p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23的栅极，以便控制p型 晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23被导通、截止和截止。因此，通过 将来自高电压功率输出部分32的高电压功率VH输出到用作传输开关的晶体 管Trll的栅极，驱动器控制部分41导通晶体管Trll。此外，在已经过去预定时间后，驱动器控制部分41分别提供高、低和低
信号到三值输出驱动器39中的p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23 的栅极，以便控制p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23被截止、导 通和截止。因此，通过将来自中间电压功率输出部分33的中间电压功率VM 输出到用作传输开关的晶体管Trll的栅极，驱动器控制部分41导通晶体管 Trll。
然后，最后驱动器控制部分41分别提供高、高和高信号到三值输出驱动 器39中的p型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23的栅极，以便控制p 型晶体管Tr21和Tr22以及n型晶体管Tr23被截止、截止和导通。因此，通 过将来自低电压功率输出部分34的低电压功率Vt施加到用作传输开关的晶 体管Trll的栅极，驱动器控制部分41截止晶体管Trll。
在此状态中，指示在成像元件21的位置处读取的选择信号从选择部分 45提供，从而导通晶体管Trl3和Tr14。然后，对应于漂移扩散区域Pl的电 压的电压被输出到信号输出线L5。信号处理部分42采样对应于该读取位置 的存储器(未示出)中的输出。也就是说，信号处理部分42采样"由通过光 电效应生成的电荷生成的重置噪声+信号"。
总之，通过用高电压功率VH导通晶体管Trll、和用重置信号导通晶体 管Trl2来重置光电二极管PD,然后通过用低电压功率Vl截止晶体管Trll, 开始由光电二极管PD执行的电荷的累积。在此定时，通过导通晶体管Trl3 和Trl4，只有漂移扩散区域P1的"重置噪声"被存储在信号处理部分42中。
然后，在截止晶体管Trl2后，晶体管Trll通过高电压功率VH被导通， 并且通过将施加到晶体管Trll的栅极的电压切换到中间电压功率Vm被迸一 步导通，并且最终晶体管Trll通过低电压功率Vl截止，从而将光电二极管 PD的电荷传输到漂移扩散区域P1。然后，通过导通晶体管Trl3和Tr14，漂 移扩散区域P1的"由通过光电效应生成的电荷生成的重置噪声+信号"被存 储在信号处理部分42中。
更具体地，漂移扩散区域P1的电压改变为电压VP1 (=Vres-Q/CPl)，该 电压在紧接着重置后已经从电压Vres减小Q/CP1 (传输的电荷Q，并且CP1 是漂移扩散区域P1的电容)。也就是说，Q/CP1重叠在包括对每个重置不同 的重置噪声的重置电压上。因为对应于电压的信号输出到信号输出线L5，所 以信号处理部分42顺序采样信号。最终，信号处理部分42通过计算"重置噪声"和"由通过光电效应生成 的电荷生成的重置噪声+信号"之间的差消除重置噪声，该重置噪声被重置为 对每个重置不同的电压。结果，可能获取不包括噪声的"由通过光电效应生 成的电荷生成的信号"。
特别地通过采用嵌入为光电二极管PD的光电二极管，能够完全消除重 置噪声。结果，能够实现高S/N比。
这里，将描述为何施加到晶体管Trll的栅极的电压被设置为上述操作中
的高电压功率VH、中间电压功率VM、以及低电压功率Vl的三个佳。
近年来，通过在成像元件21中使用精细的MOS晶体管实现了小的像素 尺寸。因此，余像和随机噪声已经由于源自精细MOS晶体管的新原因而经常 出现。
例如，如由图4所示，用作表面p区域的区域Zl提供在用作光电二极 管(具有这种结构的光电二极管具体称为嵌入式(embedded)光电二极管) 的n区域的区域Z2上，并且电荷通过晶体管Trll传输到漂移扩散区域Pl, 该电荷通过从用作表面p区域的区域Z1和用作PWL (P井)的区域Zll延 伸的耗尽(depletion)层，在用作n区域的区域Z2中累积。漂移扩散区域P1 通过晶体管Trl2连接，以便被设为预定的重置电势。
在使用精细MOS晶体管的成像元件21中，例如势阱Rl或势垒R2在晶 体管Trll的栅极的范围Z22中生成，其由图5中的波形W2或W3所示。结 果，在晶体管Trll的区域中存在的一些电荷返回到光电二极管PD，其经常 生成余像或随机噪声。另外，在图5中，在每个操作状态中对应于与图4中 示出的光电二极管PD的区域Z1相对应的范围Z21、对应于图4中示出的晶 体管Trll的栅极的区域Trll的范围Z22、以及对应于图4中示出的漂移扩散 区域P1的范围Z23的每个的电势由在附图中垂直方向的高度表示，并且由斜 线表示的部分指示由传输的电荷导致的电势。
也就是说，在制造精细MOS晶体管时，确定传导类型的杂质(例如， 硼或磷)的扩散不是由简单的加热导致的，而是主要地受由于制造工艺中在 低温和短时间段的热处理导致的瞬时加速扩散现象(例如，具有缺陷的扩散) 影响。结果，确定p型井区域的硼隔离在对应于附图中范围Z22的右端部分 ' 的范围，使得由波形W2和W3显示的势垒R2形成。这种现象已知为精细 MOS晶体管中的反向短沟道效应。另一方面，对应于附图中范围Z22的左端部分的区域，也就是说，连接 到来自用作光电二极管的n区域的区域Z2的晶体管Trll的栅极的位置(范 围Z21和Z22连接的部分)，是确定信号电荷的传输特性的位置。这里，光 电二极管的表面p区域的区域Z1和用作n区域的区域Z2之间的位置关系是 非常重要的。特别地在使用精细MOS晶体管的情况下，施加到晶体管Trll 的栅极的电压应该被设为低。结果，因为当导通传输开关时电势不能被充分 地抑制，所以变得难以传输电荷。取决于情况，作为N型的旁路区域的区域 Z3可以正向地提供，以便促进电荷的传输，如图4中所示。
例如，旁路区域Z3的宽度为大约0到0.5 pm。当宽度太小时，传输变 得困难。另外，当宽度太大时，生成例如波形W2到W4中的电势阱R1。在 当施加到晶体管Trll的栅极的电压高时的情况下，传输能够用电压补偿。因 此，可以设置设计值使得不能生成电势阱R1。然而，在使用精细MOS晶体 管的情况下，传输不能由电压补偿。因此，因为宽度只由0.05 pm或更小控 制，所以要求比精细MOS晶体管的栅极长度的可控性更严格的条件。结果， 电势阱R1容易地生成。
这里，当使用晶体管Trll的栅极电压的高高电压功率VH、晶体管Trll 的阈值电压-Vth、以及漂移扩散区域P1的电压-VPl时，残余电荷具有残余 电荷oc ( vH-Vth-VPl )的关系。
因为一些或全部残余电荷返回光电二极管PD,所以生成余像。另外，取 决于操作条件，当黑暗(dark)时也生成残余电荷，并且残余电荷返回光电 二极管PD。结果，因为残余电荷热振荡，所以生成随机噪声。
在图4中，区域Zl是光电二极管PD的表面p区域，并且区域Z2是光 电二极管PD的n区域，区域Z3是旁路区域，区域Trll是晶体管Trll的栅 极下面的区域，区域Trl2是晶体管Trl2的栅极下面的区域，区域P1是漂移 扩散区域P1，区域L1是功率输出线L1的区域，以及区域Zll是P井区域。
下面将4艮据电势变化描述这种操作。
也就是说，当重置信号输出部分38生成重置信号以重置漂移扩散区域 Pl时，获得由图5中波形Wl显示的电势分布。此时，对应于晶体管Trll 的栅极的区域Trll的范围Z22的电势，变为在附图中由高电压功率VH显示 的Levl。在图5中显示的波形Wl中，在范围Z22中的电势Levl变为势垒， 使得在光电二极管PD中通过光电效应生成的电荷在对应于光电二极管PD的区域Z2的范围Z21累积。另外，图5的波形Wl中的范围Z23 (漂移扩散区 域P1)的电荷是通过重置噪声累积的电荷。在图5中，由斜线表示的部分指 示电荷的电势。
然后，当在此状态下三值输出驱动器39输出高电压功率VH从而导通用 作传输开关的晶体管Trll时，范围Z22的电势降低，变为如由图5中的波形 W2所示的Lev2。然后，在范围Z21中累积的、通过光电二极管PD的光电 效应生成的电荷被传输，并且电荷流到为漂移扩散区域P1的范围Z23。此时， 取决于传输的电荷量，位于晶体管Trll的栅极下面的范围Z22的电势Lev2, 变为低于漂移扩散区域P1的范围Z23的电势。因此，范围Z22中的电势也 通过电荷增加到电势Lev2'。
例如，在考虑到通过电荷增加的电势、设置低电压功率VL使得该电势变 为高于Lev2'的Lev3、并且控制晶体管Trll的栅极为两个值的情况下，如由 图5中的波形W3所示，当低电压功率Vl施加到晶体管Trll的栅极时，电 荷的运动被停止。然后，因为在对应于晶体管Trll的栅极的区域Trll的范 围Z22中剩余的残余电荷也返回光电二极管PD,所以生成余像或随机噪声。
因此，通过设置施加到晶体管Trll的栅极的电压为中间电压功率Vm(逸 里，中间电压功率Vm小于晶体管Trll的栅极的阈值电压Vth),该中间电压 功率VM是高电压功率VH和低电压功率VL之间的中间电压，晶体管Trll在 源极和漏极之间导通，并且保持高于电势Lev3的电势Lev4 (保持高于载流 子的费米能级的状态)，如由图5中的波形W4所示。然后，获得其中用作附 图中右端部分的势垒R2被移除的状态R3。通过在预定时间保持这种状态来 减少用为传输开关的晶体管Trll的栅极下面的残余电荷，电荷能被放电到漂 移扩散区域P1。
因此，为了通过减少通过光电二极管PD生成的电荷的残余电荷控制噪 声，该残余电荷被保留而没有被传输，三值输出驱动器39通过设置除高电压 功率VH和低电压功率VL之外的中间电压功率VM，控制晶体管Trll的栅极 电压为三^直。
接下来，将描述对从高电压功率输出部分32输出的高电压功率VH、从 中间电压功率输出部分33输出的中间电压功率VM、以及从低电压功率输出 部分34输出的低电压功率VL的功率管理。
高电压功率输出部分32和低电压功率输出部分34,分别用作提供施加到晶体管Trll的栅极的高信号和低信号的高电压电源VH和低电压电源VL， 并且被设为成像元件21的独占电源。因此，当具有成像元件21的成像单元 ll运行时，功率管理部分31控制开关35到37为被开启。另外，当成像单 元11没有使用时，功率管理部分31控制开关35到37为关闭。
中间电压功率输出部分33用作中间电压功率VM，该中间电压功率VM 是施加到如上所述的晶体管Trll的栅极的中间电压，并且同时用作提供功率 到由信号处理部分42代表的各种辅助设备的电源。因此，当辅助设备操作以 及当具有成像元件21的成像单元11运行时，功率管理部分31控制开关36 为开启。另外，当成像单元11和辅助设备的操作停止时，功率管理部分31 控制开关36为关闭。
因此，尽管在成像单元11的成像元件21不操作的状态下，高电压功率 输出部分32和低电压功率输出部分34可以被关闭，^f旦在许多情况下辅助设 备之一连续地操作。因此，认为只有从中间电压功率输出部分33提供的中间 电压功率VM运行。当只有中间电压电源VM运行时，作为低信号的硬清除信 号由硬清除信号生成部分40生成。基于为低信号的硬清除信号，三值输出驱 动器39中的反相器Iiwl生成作为硬清除信号的反向信号的高信号，并且为 高信号的该反向信号被输入到晶体管Tr31的栅极。然后，晶体管Tr31被关 闭，因此由于晶体管Tr31,到晶体管Tr22的源极的中间电压功率Vm的施加 被阻止。
结果，因为在通过上述处理高电压功率Vh没有施加到晶体管Tr22的背 栅极的状态下，处于运行状态的中间电压功率VM没有施加到晶体管Tr22的 源极，所以在晶体管Tr22中没有生成从源极到背栅极的漏电流。
这里，参照图6中示出的流程图，将更详细地描述阻止上述漏电流生成 的三值输出驱动器中的漏电流阻止处理。
在步骤Sl中，硬清除信号生成部分40基于高电压功率输出部分32的开 关35的开启确定是否提供高电压电源Vh的功率。例如，在当因为成像单元 11的操作被停止并且开关35关闭，所以不存在来自高电压功率输出部分32 的高电压功率VH的电源时的情况下，例如在通过功率管理部分31的低功率 模式下，硬清除信号生成部分40生成为低信号的、指示硬清除的硬清除信号 XCLR，并且在步骤S2中将生成的硬清除信号XCLR提供到三值输出驱动器 39的反相器Invl。另一方面，在当因为在步骤S1中使用成像单元11的成像被指示并且通
过功率管理部分31开启开关35，所以存在来自高电压功率输出部分32的高 电压功率VH的电源时的情况下，硬清除信号生成部分40生成为高信号的、 不指示硬清除的硬清除信号XCLR，并且在步骤S3中将生成的硬清除信号 XCLR提供到三值输出驱动器39的反相器Invl 。
在步骤S4中，反相器Invl反相从硬清除信号生成部分40提供的硬清除 信号XCLR，并且将硬清除信号XCLR输出到晶体管Tr31的栅极。也就是说， 当硬清除信号XCLR为低信号时，反相器Invl输出高信号。相反，当硬清除 信号XCLR为高信号时，反相器Invl输出低信号。
在步骤S5中，晶体管Tr31确定从反相器Invl提供到其栅极的信号是否 为低信号，也就是说，是否从硬清除信号生成部分40提供不指示硬清除的硬 清除信号XCLR。例如，在当从反相器Irwl提供的信号为低信号、使得高电 压电源VH的功率被提供而没有硬清除的指令时的情况下，晶体管Tr31被控 制为导通。然后，提供到晶体管Tr31的源极的、从中间电压功率输出部分33 提供的中间电压功率VM从漏极输出，以便然后被提供到晶体管Tr22的源极。 然后，处理返回步骤S1。
另一方面，例如，在当从反相器Invl提供到晶体管Tr31的栅极的信号 为高信号、使得硬清除被指示并且在步骤S5中没有提供高电压电源Vh的功 率时的情况下，晶体管Tr31被控制为截止。然后，从中间电压功率输出部分 33提供到栅极的中间电压功率VM没有从漏极提供到晶体管Tr22的源极。然 后，处理返回步骤S1。
如上所述，通过在晶体管Tr22之前提供晶体管(功率选通晶体管)Tr31, 开关35到37关闭以停止成像单元11的操作，并且例如只操作信号处理部分 42。然后，因为在其中来自高电压功率输出部分32的高电压功率Vh的愉出 被停止的状态下开关36被开启，所以中间电压功率VM从中间电压功率输出 部分33输出。在当到信号处理部分42的功率的供应继续时的情况下，晶体 管Tr31被控制为截止。然后，关于晶体管Tr22的背栅极，在施加高电压功 率Vh-O的状悉下，中间电压功率Vm没有施加到源板。结果阻止了晶体管 Tr22的源极和栅极之间的漏电流。另外，因为不需要考虑漏电流，所以变得 不需要运行高电压功率VH,尽管只有中间电压功率VM被用来I^止漏电流。 结果，变得可能减小功耗。另外，因为在首次运行高电压功率vh后变得不需要运行中间电压功率VM,所以在起始序列中可能存在变化。
另夕卜，尽管信号处理部分42在上面的描述中被提及为辅助设备，但不必 说也可以使用其它设备，只要其它设备通过中间电压功率Vm操作。
此外，上面已经描述了以三个值控制成像元件21的传输栅极的示例，但 可以通过使用具有多于三个值的电压值的电源来进行多个电压的状态下的控 制。在此情况下，通过提供与相对于用作每个中间电势的电压的晶体管Tr31 相同的配置，可以实现相同的效果。
根据本发明的实施例，变得可能有效地减小具有不同电压的多个电源的 功耗，并且自由地设置起始序列。
此外，在本说明书中，描述流程图的各步骤不但包括根据描述的次序以 时间顺序的方式执行的处理，还包括甚至不必以时间顺序的方式执行的、平 行或分开地执行的处理。
图7是图示根据本发明的每个实施例的相机的截面视图。根据本发明实 施例的相机是能够拍摄静止图像或运动图像的摄像机的示例。
根据本发明实施例的相机包括图像传感器11、光学系统110、快门设 备lll、图像处理单元12和信号处理电路112。
光学系统110产生来自在图像传感器11的成像表面上成像的主体的图像 光(入射光)。结果，相应的信号电荷在图像传感器ll内累积预定时间。
快门设备111控制对于图像传感器11的光照射时段和光阻挡时段。
图像处理单元12提供用于控制图像传感器11的传输操作和快门设备111 的快门操作的驱动信号。图像传感器11的信号传输通过从图像处理单元12 提供的驱动信号(定时信号)执行。信号处理电路112执行各种信号处理。 经历信号处理的视频信号存储在存储介质(如存储器)中或输出到监视器。
在上述实施例中，本发明应用到图像传感器11的情况已经作为示例被描 述，其中检测作为物理量的、对应于可见光的光量的信号电荷的单元像素以 矩阵排列。然而，本发明不限于被应用于图像传感器11,而还可以应用于所
有种类的列型固态成像设备，其中为像素阵列部分的每个像素列安排列电路。 此外，本发明不限于被应用到检测可见光的入射光量的分布并且将该分 布成像为图像的固态成像设备，而还可以应用于将红外线或X射线或粒子的 入射量的分布等成像为图像的固态成像设备，或在更宽的含义上应用到所有 种类的固态成像设备(物理量分布检测设备)，如指紋检测传感器，其检测另一个物理量(如压强或静电电容)的分布，并且将该分布成像为图像。
此外，本发明不限于被应用到以行为单元顺序地扫描像素阵列部分的各 单元像素、并且从每个单元像素读取像素信号的固态成像设备，而还可以应
用于X-Y地址型固态成像设备，其以像素为单元选择任意像素，并且从选择 的像素中以像素为单元读取信号。
此外，固态成像设备可以以一个芯片的形式形成，或可以在成像部分和 信号处理部分或光学系统按组封装的状态下，以具有成像功能的模块的形式 形成。
另外，本发明不限于被应用于固态成像设备，而还可以应用于各成像装 置。这里，成像装置指相机系统(如数字相机或摄像机)或具有成像功能的 电子装置(如移动电话)。另外，安装在电子装置中的模块(即相机模块)的 形式可以是成像装置。
通过使用根据上述实施例的图像传感器11作为摄像机或数字相机或成 像装置中的固态成像设备(如用于如移动电话的移动装置的相机模块)，可以 在图像传感器11中获得具有简单配置的高质量图像。
本领域的技术人员应该理解，取决于设计要求和其它因素，可以出现各 种修改、组合、子组合和替代，只要它们在权利要求或其等价的范围内。
相关申请的交叉引用
本发明包含涉及于2007年5月17日向日本专利局提交的日本专利申请 JP 2007-132095的主题，在此通过引用并入其全部内容。
权利要求
1.一种电源设备，其切换第一电源、具有高于第一电源的电势的第二电源、以及具有低于第一电源的电压的第三电源之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极，该设备包括第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极；第二晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第二晶体管的源极，其中当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管停止输出第一电源的功率到第二晶体管的源极。
2. 如权利要求1所述的电源设备，还包括 信号生成部分，当第二电源的功率供应停止时其生成预定信号，其中当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管基于预定信号停止输出第 一 电源的功率到第二晶体管的源极。
3. —种电源设备的操作方法，其切换第一电源、具有高于第一电源的电 势的第二电源、以及具有低于第一电源的电压的第三电源之一给具有光电二 极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并 且输出相应的功率给传输栅极，并且该电源设备包括第一晶体管，其由第 二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极；第二晶体管，其由第二电 源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体管，其由第三电源驱 动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶 体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第二晶体管的源极，该 方法包括步骤当第二电源的功率供应停止时，使得第四晶体管停止输出第一电源的功 率到第二晶体管的源极。
4. 一种电子装置，其切换第一电源、具有高于第一电源的电势的第二电 源、以及具有低于第 一 电源的电压的第三电源之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极，该装置包括第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极； 第二晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极； 第三晶体管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出第一电 源的功率到第二晶体管的源极，其中当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管停止输出第一电源的功 率到第二晶体管的源极。
5. 如权利要求4所述的电子装置，还包括 信号生成部分，当第二电源的功率供应停止时其生成预定信号，其中当第二电源的功率供应停止时，第四晶体管基于预定信号停止输出 第 一 电源的功率到第二晶体管的源极。
6. —种电子装置的操作方法，其切换第一电源、具有高于第一电源的电 势的第二电源、以及具有低于第一电源的电压的第三电源之一给具有光电二 极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并 且输出相应的功率给传输栅极，并且该电子装置包括第一晶体管，其由第 二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输^H及；第二晶体管，其由第二电 源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体管，其由第三电源驱 动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶 体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第二晶体管的源极，该 方法包括步骤当第二电源的功率供应停止时，使得第四晶体管停止输出第 一 电源的功 率到第二晶体管的源极。
全文摘要
公开了一种电源设备，其切换第一电源、第二电源、以及第三电源之一给具有光电二极管的CMOS图像传感器中的传输栅极，所有电源提供功率给辅助设备，并且输出相应的功率给传输栅极。该设备包括第一晶体管，其由第二电源驱动并且输出第二电源的功率到传输栅极；第二晶体管，其由第二电源驱动并且输出第一电源的功率到传输栅极；第三晶体管，其由第三电源驱动并且输出第三电源的功率到传输栅极；以及位于第二晶体管之前的第四晶体管，其由第一电源驱动并且输出第一电源的功率到第二晶体管的源极。
文档编号H04N5/374GK101309344SQ20081009715
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年5月17日
发明者崎冈洋司, 松本静德, 牧野荣治 申请人:索尼株式会社