图像感测设备和图像摄取系统的制作方法

专利名称：图像感测设备和图像摄取系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像感测设备和图像摄取系统。
背景技术：
通常的图像感测设备包括像素和驱动这些像素的驱动单元，其中
所述像素各自包括光电转换单元；电荷-电压转换器，其将基于光电 转换单元所积累的电荷的信号转换成电压；以及传送MOS晶体管， 其将光电转换单元所积累的电荷传送给电荷-电压转换器。如果传送 MOS晶体管是NMOS晶体管，则通过将地电位提供给其栅极来将其 关断。通过此操作，光电转换单元开始电荷积累操作。
在这种情形下，产生了这样一种需求，即通过增大光电转换单元 的饱和信号量而展宽每个像素的动态范围。为了满足此需求，日本专 利特开笫2002-217397号公开了一种通过将负电压VTXL提供给传送 MOS晶体管的栅极来关断该传送MOS晶体管的技术。
在曰本专利特开第2002-217397号中公开的技术中，驱动单元包 括緩沖电路30，该緩冲电路30用于将控制信号提供给传送MOS晶 体管的栅极(见图2)。緩冲电路30具有反向器配置，其中NMOS 晶体管32和PMOS晶体管31具有公共的栅极和漏极。NMOS晶体 管32和PMOS晶体管31的公共栅极连接到输入端子33，其公共漏 极连接到输出端子34。负电压(例如-1.2V)被提供给NMOS晶体管 32的源极。
在关断传送MOS晶体管时(在积累时)，电源电压(例如5V) 被提供给输入端子33。通过此操作，NMOS晶体管32的栅极与源极 之间的电压变为等于电源电压与负电压之间的差(例如6.2V)。对应 于电源电压和负电压之间的差的电场也被提供给NMOS晶体管32的
栅绝缘膜。
假设NMOS晶体管32的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于电源 电压和地电压之间的差(例如5V)。在这种情况下，在关断传送MOS 晶体管时(在积累时)，NMOS晶体管32的栅绝缘膜被施加有大于其耐 压的电场。这会导致对NMOS晶体管32的栅绝缘膜的毁坏。

发明内容
本发明提供一种图像感测设备和图像摄取系统，即使在每个像素的 动态范围被展宽时，所述图像感测设备和图傳4聂取系统也可以防止对緩 冲电路中的晶体管的栅绝缘膜的任何毁坏。
根据本发明的第一方面，提供一种图像感测设备，所述图像感测设 备包括像素和驱动该像素的驱动单元，所述像素包括光电转换单元； 电荷-电压转换器，其将基于所述光电转换单元所积累的电荷的信号转换 成电压；以及传送MOS晶体管，其将所述光电转换单元所积累的电荷 传送给所述电荷-电压转换器，其中，所述驱动单元包括緩冲电路，所述 緩冲电路被配置为将传送信号提供给与传送MOS晶体管的栅极相连的 传送控制线，所述緩沖电路包括第一 PMOS晶体管和第一 NMOS晶体 管，所述第一PMOS晶体管具有与传送控制线相连的漏极以及被提供有 电源电压VI的源极，所述第一 NMOS晶体管具有与传送控制线和所述 第一PMOS晶体管的漏极相连的漏极以及被提供有参考电压V2的源极， 所述参考电压V2的符号与电源电压VI的符号相反，令v:3是被提供给 第一NMOS晶体管的栅极以将用于关断传送MOS晶体管的传送信号提 供给传送控制线的电压，令V4是被提供给第一 PMOS晶体管的栅极以 将用于导通传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令 Vthpl是第一PMOS晶体管的阈值电压，Vthnl是第一NMOS晶体管的 阈值电压，则满足(V2+Vthnl) <V3<V1以及V2〈V4〈 (Vl+Vthpl)。
根据本发明的第二方面，提供一种图傳4聂取系统，所述图傳4聂取系 统包括根据本发明的第一方面的图像感测设备；被配置为在图像感测
设备的图像感测平面上形成图像的光学系统；以及信号处理单元，其被
配置为处理从图像感测设备输出的信号以生成图像数据。
根据本发明，即使当每个像素的动态范围^u^宽时，也能够防止对
緩冲电路中的晶体管的栅绝缘膜的任何毁坏。
通过参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其他特征将变 得清晰。


图1是示出图像感测设备1的布置以说明要由本发明解决的问题的
电路图2是示出緩沖电路30的布置以说明要由本发明解决的问题的电路
图3是示出根据本发明第一实施例的图像感测设备100的布置的电
路图4是示出緩沖电路的布置的电路图5是示出应用了根据第一实施例的图像感测设备的图^4聂取系统 的配置的框图6是示出根据本发明第二实施例的图像感测设备200的布置的电
路图7是示出緩沖电路的布置的电路图8是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备300的布置的电
路图9是示出緩冲电路的布置的电路图10是示出根据本发明第四实施例的图像感测设备400的布置的电
路图ii是示出緩沖电路的布置的电路图。
具体实施例方式
将参照图i详细描述本发明所要解决的问题。图i是示出图像感测 设备i的布置以说明要由本发明解决的问题的电路图。
首先将说明图像感测设备1的示意性布置。
图像感测设备1包括像素阵列PA和驱动单元20。在像素阵列PA 中，多个像素10排列在行和列方向上。驱动单元20经由传送控制线CL1、 复位控制线CL2、选择控制线CL3来驱动每个像素10。
接下来将参照图1说明每个像素10的布置。
每个像素10包括光电转换单元11、电荷-电压转换器15、传送MOS 晶体管14、放大晶体管16、选择晶体管18、以及复位晶体管19。光电 转换单元11、电荷-电压转换器15、传送MOS晶体管14、放大晶体管 16、选择晶体管18、以及复位晶体管19形成在半导体基板上的每个阱 (well)中。阱势(well potential) Vwd固定为地电位Vss。
光电转换单元11例如由埋入(buried)光电二极管形成。也就是说， 光电转换单元11包括形成在阱中的P型埋入层和N型埋入层。光电转 换单元11的阳极端子被固定为阱势Vwel，其阴极端子被连接到传送 MOS晶体管14的源极。
电荷-电压转换器15将基于光电转换单元ll所积累的电荷的信号转 换成电压。电荷-电压转换器15例如是浮动扩散(FD)区。
传送MOS晶体管14是这样的NMOS晶体管，即当电源电压Vl(电 源电压VDD)被提供给其栅极时导通，并且当参考电压V2 (负电压 VTXL)被提供给其栅极时关断。电源电压V1例如为5V。参考电压V2 具有与电源电压VI的符号相反的符号。参考电压V2例如为-1.:2V。当传 送MOS晶体管14导通时，它将光电转换单元11所积累的电荷传送到电 荷-电压转换器15。注意，当传送MOS晶体管14导通时，对应于电源 电压Vl和阱势VweI (地电压)之间的差的电场被提供给其栅绝缘膜。
放大晶体管16的漏极被提供有电源电压VDD。放大晶体管16的栅 极从电荷-电压转换器15接收转换成电压的信号。放大晶体管16与连接 到列信号线RL的恒定电流源(未示出)协作，作为源极跟随器工作， 所a大晶体管16输出与列信号线RL的输入信号(电压)相对应的信 号。
选择晶体管18根据从驱动单元20提供的信号，对像素IO进行选择。
在选择晶体管18选择了像素10时，其将M大晶体管16输出的信号传 输到列信号线RL。
复位晶体管19的漏极被提供有电源电压VDD。复位晶体管19根据 从驱动单元20提供的信号将电荷-电压转换器15复位成对应于电源电压 VDD的电位。
将参照图1说明驱动单元20的布置。
驱动单元20包括垂直扫描电路21和緩冲块22。垂直扫描电路21 经由緩沖块22和传送控制线CL1、复位控制线CL2、选择控制线CL3 来驱动每个像素10。緩冲块22包括緩沖电路30、 23和24。緩冲电路30、 23和24驱动从垂直扫描电路21输出的信号，并且分别将它们输出到传 送控制线CL1、复位控制线CL2、以及选择控制线CL3。
将参照图2说明緩冲电路30的布置。图2是示出緩沖电路30的布 置以说明要由本发明解决的问题的电路图。
緩冲电路30包括第一PMOS晶体管31和第一NMOS晶体管32。 第一 PMOS晶体管31的漏极经由输出端子34和传送控制线CL1连接 到传送MOS晶体管14的栅极，其源极被提供有电源电压VI。电源电压 VI例如是5V。第一 NMOS晶体管32的漏极经由输出端子34和传送控 制线CL1连接到传送MOS晶体管14的栅极，其源极被提供有参考电压 V2。参考电压V2的符号与电源电压VI的符号相反。参考电压V2例如 是-1.2V。第一 PMOS晶体管31的漏极连接到第一 NMOS晶体管32的 漏极。第一 PMOS晶体管31和第一 NMOS晶体管32 二者的栅极连接 到输入端子33。
接下来将说明驱动单元20的操作。
在将用于导通传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在传送时)，垂直扫描电路21将参考电压V2提供给緩沖块22 的緩冲电路30。
也就是说，参考电压V2从图2中所示的输入端子33 ,皮提供给第一 PMOS晶体管31的栅极和笫一 NMOS晶体管32的栅极。第一 PMOS 晶体管31被导通，而第一NMOS晶体管32被关断。通过此操作，从第
一PMOS晶体管31的源极经由第一PMOS晶体管31的漏极向输出端子 34提供电源电压VI，作为用于导通传送MOS晶体管14的传送信号。 电源电压VI从输出端子34经由传送控制线CL1被提供^H^送MOS晶 体管14的栅极。因此，传送MOS晶体管14被导通。
此时，在第一 PMOS晶体管31的栅极和源极之间生成对应于电源 电压VI和参考电压V2之间的差的电压Vgs31。例如当电源电压VI为 5V，并且参考电压V2为-1,2V时，生成以下电压
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假设第一 PMOS晶体管31的栅绝缘膜的厚度被增大，以将其耐压 设定为几乎等于由式(1)表示的值。在这种情况下，緩冲电路30的驱 动能力(driving capability)在关断传送MOS晶体管14时(在积累时) 可能降低。在緩冲电路30的驱动能力降低时，传送MOS晶体管14的 传送特性和放大晶体管16的1/f噪声特性会恶化。更糟的是，当笫一 PMOS晶体管31的栅绝缘膜的厚度不同于其他晶体管的时，处理步骤的 数目增大。这会导致制造成本的增加。
还假设第一 PMOS晶体管31的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压与地电压之间的差(例如5V )。在这种情况下，在导通传送MOS 晶体管14时(传送时)，第一 PMOS晶体管31的栅绝缘膜被施加有比 其耐压更大的电场。这会导致第一 PMOS晶体管31的栅绝缘膜的毁坏。
在将用于关断传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在积累时)，垂直扫描电路21将电源电压Vl提供给緩冲块22 的緩冲电路30。
也就是说，电源电压VI从图2所示的输入端子33被提供给第一 PMOS晶体管31的栅极和第一 NMOS晶体管32的栅极。第一 PMOS 晶体管31被关断，而第一NMOS晶体管32被导通。通过此操作，参考 电压V2作为用于关断传送MOS晶体管14的传送信号而从第一 NMOS 晶体管32的源极经由笫一 NMOS晶体管32的漏极被提供给输出端子 34。参考电压V2从输出端子34经由传送控制线CL1被提供给传送MOS 晶体管14的栅极。因此，传送MOS晶体管14被确实地关断，使得抑
制光电转换单元11的暗电流。这使得能够展宽每个像素10的动态范围。 此时，在第一 NMOS晶体管32的栅极和源极之间生成对应于电源 电压VI和参考电压V2之间的差的电压Vgs32。例如当电源电压VI是 5V，并且参考电压V2是-1.2V时，生成如下的电压
Vgs32 = 5V - (- 1.2V) = 6.2V …(2) 假设第一 NMOS晶体管32的栅绝缘膜的厚度被增大，以将其耐压 设定为几乎等于由式(2)表示的值。在这种情况下，緩沖电路30的驱 动能力(driving capability)在关断传送MOS晶体管14时(在积累时) 可能降低。在緩沖电路30的驱动能力降低时，传送MOS晶体管14的 传送特性和放大晶体管16的1/f噪声特性会恶化。更糟的是，当第一 NMOS晶体管32的栅绝缘膜的厚度不同于其他晶体管的时，处理步骤的 数目增大。这会导致制造成本的增加。
例如当第一NMOS晶体管32的栅绝缘膜的电场强度是5MV/cm时， 将其耐压设定为5V所需要的栅绝缘膜的厚度是
5 (V)+5 (MV/cm) = 10nm …(3) 将其耐压设定为6V所需要的栅绝缘膜的厚度是
6 (V)+5 (MV/cm) = 12誰 …(4) 当栅绝缘膜的厚度为12nm时的第一 NMOS晶体管32的驱动能力低于 当栅绝缘膜的厚度为lOrnn时的其驱动能力。
还假设第一 NMOS晶体管32的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压与地电压之间的差(例如5V)。在这种情况下，第一NMOS晶 体管32的栅绝缘膜被施加有比其耐压更大的电场。这会导致第一 NMOS 晶体管32的栅绝缘膜的毁坏。
接下来将参照图3来说明根据本发明第一实施例的图像感测设备 100。图3是示出根据本发明第一实施例的图像感测设备100的布置的电 路图。此后将主要描述与用于说明本发明所要解决的问题的图像感测设 备l中不同的部分，并且将不再给出相同部分的描述。
图像感测设备100包括驱动单元120。驱动单元120包括垂直扫描电 路121和緩冲块122。緩冲块122包括緩冲电路130。緩沖电路130包括
第一 PMOS晶体管131和第一 NMOS晶体管132，如图4所示。图4是 示出緩冲电路的布置的电路图。
驱动单元120的操作与驱动单元20之间的不同在于以下方面。
在将用于导通传送MOS晶体管14的传送信号提供g送控制线 CL1时(在传送时)，垂直扫描电路121将电压V4提供给緩沖块122的 緩冲电路130。电压V4满足下式
V2 < V4 < (Vl+Vthpl) …(5) 其中Vthpl是第一 PMOS晶体管131的阈值电压。
也就是说，电压V4从图4所示的输入端子133被提供给第一 PMOS 晶体管131的栅极的和第一 NMOS晶体管132的栅极。第一 PMOS晶 体管131被导通，而第一NMOS晶体管132被关断。电源电压V1作为 用于导通传送MOS晶体管14的传送信号而从第一 PMOS晶体管131 的源极经由第一 PMOS晶体管131的漏极被提供给输出端子134，如同 图像感测设备l中一样。
此时，在第一PMOS晶体管131的栅极和源极之间生成对应于电源 电压VI和电压V4之间的差的电压Vgsl31。例如当电源电压VI为5V， 并且电压V4为0V时，生成以下电压
Vgsl31=5V-0V = 5V …(6)
电压Vgsl31等于或小于第一 PMOS晶体管131的栅绝缘膜的耐压 (例如5V)。为此，不需要增大第一PMOS晶体管131的栅绝缘膜的厚 度。这使得能够确保在关断传送MOS晶体管14时(在积累时)的緩沖 电路130的驱动能力。
即使当第一PMOS晶体管131的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压与地电压之间的差(例如5V)时，也可以抑制第一 PMOS晶 体管131的栅绝缘膜被施加大于其耐压的电场。这使得能够防止对笫一 PMOS晶体管131的栅绝缘膜的任何毁坏。
在将用于关断传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在积累时)，垂直扫描电路121将电压V3提供给緩沖块I"的 緩冲电路130。电压V3满足下式 (V2+Vthnl) < V3 < VI …(7) 其中，Vthnl是第一PMOS晶体管131的阈值电压。
也就是说，电压V3从图4所示的输入端子133被提供给第一 PMOS 晶体管131的栅极和第一 NMOS晶体管132的栅极。第一 PMOS晶体 管131被关断，而第一NMOS晶体管132被导通。参考电压V2作为用 于关断传送MOS晶体管14的传送信号而从第一NMOS晶体管132的源 极经由第一NMOS晶体管132的漏极被提供给输出端子134,如同图像 感测设备l中一样。
此时，在第一NMOS晶体管132的栅极和源极之间生成对应于电压 V3和参考电压V2之间的差的电压Vgsl32。例如当电压V3为3V，并且 参考电压V2为-1.2V时，生成以下电压
Vgsl32=3V- (-1.2 V) = 4.2V …(8)
电压Vgsl32等于或小于第一 NMOS晶体管132的栅绝缘膜的耐压 (例如5V)。为此，不需要增大第一NMOS晶体管132的栅绝缘膜的厚 度。这使得能够确保在关断传送MOS晶体管14时(在积累时)的緩冲 电路130的驱动能力。
可以通过将第一NMOS晶体管132的栅绝缘膜的耐压设定为几乎等 于式(8)所表示的值来减小所述栅绝缘膜的厚度。
例如当第一 NMOS晶体管132的栅绝缘膜的电场强度为5MV/cm 时，将其耐压设定为4.2V所需要的栅绝缘膜的厚度是
4.2 (V)+5 (MV/cm) = 8.4讓 …(9) 也就是说，在这种情况下，第一NMOS晶体管132的栅绝缘膜的厚度可 以小于将其耐压设定为5V时所需的厚度(见式(3))。这使得能够改善 在关断传送MOS晶体管14时(在积累时)的緩冲电路130的驱动能力。
即使当第一NMOS晶体管132的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压与地电压之间的差(例如5V)时，也可以抑制第一NMOS晶 体管132的栅绝缘膜被施加大于其耐压的电场。这使得能够防止对第一 NMOS晶体管132的栅绝缘膜的任何毁坏。
以这种方式，即使当通过借助将参考电压V2 (其符号与电源电压
VI的符号相反)提供给传送MOS晶体管14来关断该传送MOS晶体管 14而展宽每个像素10的动态范围时，也可以确保驱动像素10的緩冲电 路130的驱动能力。这使得能够防止对緩冲电路130中的晶体管的栅绝 缘膜的任何毁坏。
由于可以防止布置得临近所述多个像素10的緩沖电路130中的晶体 管的栅绝缘膜被毁坏，因此能够抑制当泄漏电流流经栅绝缘膜时引起的 任何发热和发光。
如果在緩沖电路130中的晶体管的栅绝缘膜中发生发热或发光，则 緩沖电路130附近的像素10中的光电转换单元11的暗电流值会增大。 在这种情况下，尤其在长时间积累后，发生在感测暗对象(摄取暗图像) 时通过仅增大从緩冲电路136附近的像素输出的输出信号电平而引起的 亮度递增，这导致图像质量的显著恶化。
相反，根据本发明，还能够抑制由于暗电流导致的这种亮度递增。
应该注意，驱动单元120可以执行以下驱动。令V3n是在将用于关 断传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线CL1时提供给第一 NMOS晶体管132的栅极的电压。则驱动单元l加可以执行驱动以进一 步满足下式
Vthnl^(V3n-V2) …(10) 也就是说，当在关系式(10)中用V4替换V3n时，根据关系式(5)， 在关断传送MOS晶体管14时，驱动单元l加执行驱动以满足下式
V2〈V2+Vthnl^V4 < (Vl+Vthpl) …(U)
令V4p是在通过将参考电压V2提供给传送MOS晶体管"来导通 传送MOS晶体管14时提供给第一 PMOS晶体管1M的栅极的电压。则 驱动单元120可以执行驱动以进一步满足下式
(V4p-Vl) ^Vthpl …(12) 也就是说，当在关系式(12)中用V3替换V邮时，根据关系式(7)， 在导通传送MOS晶体管14时，驱动单元l加执行驱动以满足下式
(V2+Vthnl) <V3^V1 +Vthpl<Vl …(13)
驱动单元120可以执行驱动以满足下式
(V3-V2) =-(V4-V1) …(14) 第一 PMOS晶体管131的栅极和源极之间的电压Vgsl31可以被设定为 等于由式(8)表示的值。这使得也能够降低第一 PMOS晶体管131的 栅绝缘膜的厚度，
驱动单元120可以执行驱动以满足下式
(V3-V2) <=(Vl-Vwel) …(15)
以及
-(V4-V1) <= (Vl-Vwel) …(16) 也就是说，可以通过在传送时施加给传送MOS晶体管14的最大电场 (Vl-Vwel)来限制传送MOS晶体管14的栅绝缘膜的厚度。
换言之，驱动单元120执行以下驱动。令TWV是施加到传送MOS 晶体管的栅绝缘膜的最大电场，并且令BWV1是施加到第一 PMOS晶 体管131和第一NMOS晶体管132的栅绝缘膜的最大电场中较大的值。 则驱动单元120执行驱动以满足下式
BWV1<=TWV …(17)
特别是当驱动单元120执行驱动以满足下式时，
(V3-V2) = -(V4-V1)= (Vl-Vwel) …(18) 能够实现图像感测设备100的良好的传送特性，并且能够改善緩沖电路 130的驱动能力。
当垂直扫描电路单元的逻辑部分中的工作电源VDD2等使用例如 3.3V的电压时(该电压低于緩冲部分中的电源电压VDD)，可以同时^吏 用电压V3和工作电源VDD2的电压。这使得能够降低垂直扫描电路Ul 中用于生成电压V3的电路的数目，使得甚至可以降低布局面积。
图5示出应用了根据本发明的图像感测设备的图傳4聂取系统的示例。 图1I4聂取系统卯主要包括光学系统、图像感测设备IOO、以及信号 处理单元，如图5所示。所述光学系统主要包括快门91、拍摄镜头92、 以及光阑93。信号处理单元主要包括感测信号处理电路9S、 A/D转换器 96、图像信号处理单元97、存储器单元87、外部I/F单元89、定时生成 单元98、总体控制/算术处理单元99、记录介质88、以及记录介质控制
1/F单元94。信号处理单元并不总是需要包括记录介质88。
快门91在光路上紧接在拍摄镜头92之前被插入，并且控制啄光。 拍摄镜头92折射入射光以在图像感测设备100的图像感测平面上形
成对象图像。
光阑93被布置在光路上拍摄镜头92和图像感测设备100之间，并 且调整在经过拍摄镜头92传播之后被引导至图像感测设备100的光量。
图像感测设备100将形成为像素阵列的对象图像转换成图像信号。 图像感测设备100从像素阵列读出图像信号，并且将所读出的图像信号 (模拟信号)输出。
感测信号处理电路95连接到图像感测设备100，并且处理从图像感 测设备100输出的图像信号。A/D转换器96连接到感测信号处理电路95，并且将从感测信号处理 电路95输出的处理后的图像信号(模拟信号)转换成图像信号(数字信 号)。
图像信号处理单元97连接到A/D转换器96,并且执行算术处理， 诸如对于从A/D转换器96输出的图像信号(数字信号)的各种类型的校 正，以生成图像数据。此图像数据例如被提供给存储器单元87、外部I/F 单元89、总体控制/算术处理单元99、以及记录介质控制1/F单元94。
存储器单元87连接到图像信号处理单元97，并且存储从图像信号处 理单元97输出的图像数据。
外部I/F单元89连接到图像信号处理单元97。从图像信号处理单元 97输出的图像数据经由外部I/F单元89被传送到外部装置(例如个人计 算机)。
定时生成单元98连接到图像感测设备100、感测信号处理电路95、 A/D转换器96、以及图像信号处理单元97。定时信号被提供给图像感测 设备IOO、感测信号处理电路95、 A/D转换器96、以及图像信号处理单 元97。然后，图像感测设备100、感测信号处理电路95、 A/D转换器96、 以及图像信号处理单元97与定时信号同步地操作。
总体控制/算术处理单元99连接到定时生成单元98、图像信号处理
单元97、以及记录介质控制I/F单元94，并且系统地控制定时生成单元 卵、图像信号处理单元97、以及记录介质控制I/F单元94。
记录介质88可拆卸地连接到记录介质控制I/F单元94。从图像信号 处理单元97输出的图像数据经由记录介质控制I/F单元94被记录到记 录介质88上。
通过上迷布置，只要图像感测设备100获得满意的图像信号，就可 以获得满意的图像(图像数据)。
接下来将参照图6来说明根据本发明的第二实施例的图像感测设备 200。图6是示出根据本发明笫二实施例的图像感测设备200的布置的电 路图。此后将主要描述与第一实施例中的部分不同的部分，并且将不再 给出对相同部分的描述。
图像感测设备200包括驱动单元220。驱动单元220包括垂直扫描电 路221和緩冲块222。緩冲块222包括緩冲电路230。緩冲电路230还包 括第二 PMOS晶体管236和第二 NMOS晶体管235，如图7所示。第二 PMOS晶体管236的漏极连接到第一 PMOS晶体管131的源极，并且第 二 PMOS晶体管236的源极被提供有电源电压VI。第二 NMOS晶体管 235的漏极连接到第一 NMOS晶体管132的源极，并且第二 NMOS晶体 管235的源极被提供有参考电压V2。图7是示出緩冲电路的布置的电路 图。
驱动单元220的操作与驱动单元120的操作不同在于以下方面。
在将用于导通传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在传送时)，垂直扫描电路221还将电压V5和V7提供给緩冲 块222的緩冲电路230。电压V5满足下式
V2 < V5 < (Vl+Vthp2) ".(19) 其中Vthp2是第二 PMOS晶体管236的阈值电压。并且电压V7满足
V7 < (V2+Vthn2) …(20) 其中Vthn2是笫二NMOS晶体管235的阈值电压。
也就是说，电压V7从图7所示的输入端子239被提供给第二 NMOS 晶体管235的栅极。第二NMOS晶体管235被关断。并且，电压V5从
输入端子238被提供给第二 PMOS晶体管236的栅极。第二 PMOS晶体 管236被导通。
注意，第一 NMOS晶体管132和第二 NMOS晶体管235关断。由 于关断第一NMOS晶体管132和第二NMOS晶体管235时部分P2的电 位比第一 NMOS晶体管132的栅极电位V4低阈值电压Vthnl,因此 (V4-Vthnl)被提供给第一 NMOS晶体管132的源极。
例如当参考电压V2为-1.2V，并且阈值电压Vthnl为0.7V时，第一 NMOS晶体管132的源极被提供有以下电压
0V-0.7V--0.7V ...(21) 这使得能够进一步降低第一NMOS晶体管132的栅极和源极之间的电位 差。
此时，在第二 PMOS晶体管236的栅极和源极之间生成与电源电压 VI和电压V5之间的差相对应的电压Vgs236。例如当电源电压VI是5V， 且电压V5是0V时，生成以下电压
Vgs236 = 5V - 0V = 5V …(22)
电压Vgs236等于或小于第二 PMOS晶体管236的栅绝缘膜的耐压 (例如5V)。为此，不需要增大第二PMOS晶体管236的栅绝缘膜的厚 度。这使得能够确保在关断传送MOS晶体管14时(在积累时)緩冲电 路230的驱动能力。
甚至当笫二PMOS晶体管236的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压和地电压之间的差(例如5V)时，也可以抑制第二 PMOS晶 体管236的栅绝缘膜被施加有大于其耐压的电场。这使得能够防止对第 二 PMOS晶体管236的栅绝缘膜的任何毁坏。
在将用于关断传送MOS晶体管14的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在积累时)，垂直扫描电路221还将电压V6和电压V8提供给 緩冲块222的緩冲电路230。电压V6满足下式
(Vl+Vthp2) < V6 …(23) 并且，电压V8满足下式
(V2+Vthn2) < V8<V1 …(24)
也就是说，电压V6从图7所示的输入端子238被提供给第二 PMOS 晶体管"6的栅极。第二PMOS晶体管236被关断。并且，电压V8从 输入端子239被提供给第二 NMOS晶体管235的栅极。第二 NMOS晶 体管235被导通。
注意，第一 PMOS晶体管131和第二 PMOS晶体管236被关断。由 于关断第一PMOS晶体管131和第二PMOS晶体管236时部分P1的电 位比第一 PMOS晶体管131的栅极电位V3低阈值电压Vthpl，因此 (V3-Vthpl)被提供给第一PMOS晶体管131的源极。
例如当电源电压VI为5V，并且阈值电压Vthpl为-lV时，第一 PMOS晶体管131的源极被提供有以下电压
3V画(-1V)-4V ."(25) 这使得能够进一步降低第一PMOS晶体管131的栅极和源极之间的电位 差。
此时，在第二 NMOS晶体管235的栅极和源极之间生成与电压V8 和参考电压V2之间的差相对应的电压Vgs239。例如当电压V8是3V， 且参考电压V2是-1.2V时，生成以下电压
Vgs239 = 3V -(國1.2V) = 4.2V …(26)
电压Vgs239等于或小于第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的耐压 (例如5V )。为此，不需要增大第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的厚 度。这使得能够确保在关断传送MOS晶体管14时(在积累时)緩冲电 路230的驱动能力。
可以通过将第二NMOS晶体管235的栅绝缘膜的耐压设定为几乎等 于式(26 )所表示的值来降低第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的厚度。
例如当第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的电场强度是5MV/cm 时，将其耐压设定为4.2V所需的栅绝缘膜的厚度是
4.2(V)+5 (MV/cm) =8.4應 ...(27)
也就是说，这种情况下第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的厚度可以小 于将其耐压设定为5V所需的厚度(见式(3))。这使得能够改善关断传 送MOS晶体管14时(在积累时)緩冲电路230的驱动能力。
甚至当第二NMOS晶体管235的栅绝缘膜的耐压被设定为几乎等于 电源电压和地电压之间的差(例如5V)时，也可以抑制第二NMOS晶 体管235的栅绝缘膜被施加有大于其耐压的电场。这使得能够防止对第 二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的任何毁坏。
更佳的是，由于此布置可以关断第二 NMOS晶体管和第二 PMOS 晶体管，能够提供作为整体抑制漏电流的緩沖电路230。
应该注意，驱动单元220可以执行以下驱动。令TWV是施加到传 送MOS晶体管的栅绝缘膜的最大电场，令BWV2是施加到第二PMOS 晶体管236、第一 PMOS晶体管131、第一 NMOS晶体管132、和第二 NMOS晶体管235的栅绝缘膜的最大电场的最大值。则驱动单元220执 行驱动以满足下式
BWV2STWV …(28)
驱动单元220可以执行驱动以满足下式
(V8-V2) ^(Vdd-Vss)
即，
V8^(Vdd画Vss+VTXL)
并且
(V3國V2) 5(Vdd-Vss)
即，
V3S(Vdd誦Vss+VTXL)
并且
(V5-V1) ^(Vss画Vdd)
即，
V5 ^Vss
并且
即，
(V4画V1) ^(Vss誦Vdd)
V4 ^Vss
.(29)
" (30)
(31)
…(32)
...(33)
(34)
."(35)
…(36)
在这种情况下，虽然緩冲电路230的输出电压的幅度为 (VDD-VTXL-V1-V2)，仅等于或小于(Vdd-Vss)的电位差被施加到緩冲电 路"0中的晶体管的栅绝缘膜。这使得能够实现图像感测设备200的良 好的传送特性，并且改善緩冲电路230的驱动能力。
接下来将参照图8说明根据本发明的笫三实施例的图像感测设备 300。图8是示出根据本发明第三实施例的图像感测设备300的布置的电 路图。此后将主要描述与第一实施例和第二实施例中的部分不同的部分， 并且将不给出对相同部分的描述。
图像感测设备300包括驱动单元320。驱动单元320包抟垂直扫描电 路121和緩沖块322。緩冲块322包括緩冲电路330。緩沖电路330还包 括输入端子343和电平平移电路341和342，如图9所示。输入端子343 被插入到输入端子238、 133、和239的上游，作为>^共输入端子。图9 是示出緩沖电路的布置的电路图。
电平平移电路341被插入在输入端子343和238之间。电平平移电 路341对从输入端子343输入的信号电平进行平移，并且将所得信号提 供给输入端子238。例如，电平平移电路341在传送时将电压V4 (OV) 的电平平移OV，并且将电压V5 (OV)提供给输入端子238。例如，电 平平移电路341在积累时将电压V3 (3V)的电平平移+2V，并且将电压 V6 (5V)提供给输入端子238。
电平平移电路342被插入在输入端子343和239之间。电平平移电 路342对从输入端子343输入的信号电平进行平移，并且将所得信号提 供给输入端子239。例如，电平平移电路342在传送时将电压V4 (OV) 的电平平移-1.2V，并且将电压V7 (-1.2V)提供给输入端子239。例如， 电平平移电路342在积累时将电压V3 (3V)的电平平移OV，并且将电 压V8 (3V)提供给输入端子239。
接下来将参照图10说明根据本发明第四实施例的图像感测设备 400。图10是示出根据本发明笫四实施例的图像感测设备400的布置的 电路图。此后将主要描述与第一实施例到第三实施例中的部分不同的部 分，并且将不给出对相同部分的描述。
图像感测设备400包括驱动单元420。驱动单元420包括垂直扫描电
路421和緩沖块422。緩冲块422包括緩沖电路430。緩沖电路430还包 括第一 PMOS晶体管431和第一 NMOS晶体管432，如图11所示。第 一 PMOS晶体管431和第一 NMOS晶体管432的栅极连接到不同的输 入端子433p和433n。图11是示出緩沖电路的布置的电路图。
驱动单元420的操作与驱动单元120、 220和320中的操作的不同之 处在于以下方面。
在将用于导通传送MOS晶体管14的传送信号提供g送控制线 CL1时(在传送时)，除了电压V4之外，垂直扫描电路421还将电压 V4p提供给緩沖块422的緩沖电路430。电压V4p满足下式 (V4p-Vl)<Vthpl …(37) 也就是说，电压V4p从图11所示的输入端子433p被提供给第一 PMOS晶体管431的栅极。第一 PMOS晶体管431被导通。电源电压 VI作为用于导通传送MOS晶体管14的传送信号，从第一 PMOS晶体 管431的源极经由第一PMOS晶体管431的漏极被提供给输出端子l34，
如图像感测设备l中一样。
例如当电源电压V1是5V，并且阈值电压Vthpl是-lV时，根据关
系式(37)，电压V4p仅需要满足下式
V4p55V+(-lV) = 4V …(38) 并且例如是2V。
在将用于关断传送MOS晶体管l4的传送信号提供给传送控制线 CL1时(在积累时)，除了电压V3之外，垂直扫描电路"1还将电压 V3n提供给緩沖块422的緩冲电路430。电压V3n满足下式 Vthnl ￡ (V3n画V2) …(39) 也就是说，电压V3n从图11所示的输入端子433n被提供给第一 NMOS晶体管432的栅极。第一 NMOS晶体管432被导通。参考电压 V2作为用于关断传送MOS晶体管14的传送信号，从第一NMOS晶体 管432的源极经由第一NMOS晶体管432的漏极被提供给输出端子l34，
如图像感测设备l中一样。
例如当参考电压V2是-1.2V，并且阈值电压Vthnl是0.5V时，根据
关系式(39)，电压V3n仅需要满足下式
V3论-1.2V+0.5V = -0.7V ."(40) 并且例如是2V。
这种电极划分允许驱动单元420执行驱动，以便在通过将参考电压 V2提供给传送MOS晶体管14来关断该传送MOS晶体管14时(积累 时)满足电压V3-3V以及电压V3n=2V。通过此操作，第一 NMOS晶 体管432可以具有相对高的导通电阻，4吏得传送MOS晶体管H的栅极 緩慢关断。这使得能够降低在读出光电转换单元11的电荷时生成的任何 随机噪声。
虽然已经参考了示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发 明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最宽的 解释，以便包含所有这样的修改和等同结构及功能。
权利要求
1.一种图像感测设备，所述图像感测设备包括像素和驱动所述像素的驱动单元，所述像素包括光电转换单元；电荷-电压转换器，其将基于所述光电转换单元所积累的电荷的信号转换成电压；以及传送MOS晶体管，其将所述光电转换单元所积累的电荷传送给所述电荷-电压转换器，其中，所述驱动单元包括缓冲电路，所述缓冲电路被配置为将传送信号提供给与传送MOS晶体管的栅极相连的传送控制线，所述缓冲电路包括第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管具有与传送控制线相连的漏极以及被提供有电源电压V1的源极，以及第一NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管具有与传送控制线和所述第一PMOS晶体管的漏极相连的漏极以及被提供有参考电压V2的源极，所述参考电压V2的符号与电源电压V1的符号相反，并且令V3是被提供给第一NMOS晶体管的栅极以将用于关断传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令V4是被提供给第一PMOS晶体管的栅极以将用于导通传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令Vthp1是第一PMOS晶体管的阈值电压，Vthn1是第一NMOS晶体管的阈值电压，则满足(V2+Vthn1)＜V3＜V1以及V2＜V4＜(V1+Vthp1)。
2. 如权利要求l所述的设备，其中 所述緩冲电路还包括第二 PMOS晶体管，所述第二 PMOS晶体管具有与第一 PMOS 晶体管的源极相连的漏极以及被提供有电源电压VI的源极，以及第二 NMOS晶体管，所述第二 NMOS晶体管具有与第一NMOS晶体管的源极相连的漏极以及被提供有参考电压V2的源极，并 且令V6和V8是被提供给第二 PMOS晶体管的栅极和第二 NMOS晶体管的栅极以将用于关断传送MOS晶体管的传送信号提供给 传送控制线的电压，令V5和V7是被提供给第二 PMOS晶体管的栅极 和第二NMOS晶体管的栅极以将用于导通传送MOS晶体管的传送信号 提供给传送控制线的电压，令Vthp2是第二PMOS晶体管的阈值电压， Vthn2是第二NMOS晶体管的阈值电压，则进一步满足V2<V5< (Vl+Vthp2 ) <V6以及V7< (V2+Vthn2) <V8<V1。
3. 如权利要求l所述的设备，其中令V4p是被提供给第一PMOS晶体管的栅极以将用于导通传送 MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令V3n是被提供 给第一NMOS晶体管的栅极以将用于关断传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，则进一步满足 (V4p國Vl) ^Vthpl以及Vthnl5(V3n-V2)。
4. 如权利要求l所述的设备，其中 令Vwel是传送MOS晶体管的阱势，则进一步满足(V3-V2) ^ (Vl-Vwel)以及誦(V4國V1)S(V1-Vwel)。
5. 如权利要求l所述的设备，其中令TWV是施加到传送MOS晶体管的栅极膜的最大电场，令BWV1是施加到第一 PMOS晶体管的栅极膜和第一 NMOS晶体管的 栅极膜的最大电场中的较大的值，则进一步满足 BWV1^TWV。
6. 如权利要求2所述的设备，其中令TWV是施加到传送MOS晶体管的栅极膜的最大电场，令 BWV2是施加到第二 PMOS晶体管的栅极膜、第一 PMOS晶体管的 栅极膜、第一NMOS晶体管的栅极膜、和第二NMOS晶体管的栅极 膜的最大电场中的最大的值，则进一步满足BWV2S TWV。
7. —种图像摄取系统，所述图#4聂取系统包括 权利要求1所限定的图像感测设备；被配置为在图像感测设备的图像感测平面上形成图像的光学系统；以及信号处理单元，其被配置为处理从图像感测设备输出的信号以生成
全文摘要
本发明公开一种图像感测设备，所述图像感测设备包括像素和驱动单元，其中所述驱动单元包括缓冲电路，所述缓冲电路包括第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管，令V3是被提供给第一NMOS晶体管的栅极以将用于关断传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令V4是被提供给第一PMOS晶体管的栅极以将用于导通传送MOS晶体管的传送信号提供给传送控制线的电压，令Vthp1是第一PMOS晶体管的阈值电压，Vthn1是第一NMOS晶体管的阈值电压，则满足(V2+Vthn1)＜V3＜V1以及V2＜V4＜(V1+Vthp1)。
文档编号H04N5/335GK101360194SQ200810145020
公开日2009年2月4日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月2日
发明者沖田彰, 铃木觉 申请人:佳能株式会社