固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备的制作方法

专利名称：固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备。
背景技术：
近些年来，在适用于视频摄像机、数字静态摄像机等的被称为固态成像器件的 CCD(电荷耦合器件)图像传感器和放大型图像传感器中，通过在高灵敏度或者减小图像尺 寸的情况下增加像素的数量，进行了像素尺寸的小型化。另一方面，一般来说，诸如CCD图 像传感器或者CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感器之类的固态成像器件往往被用于 各种环境，诸如室内和室外，白天和夜晚，因此，电子快门操作等常常是必要的，其中，根据 外部光线的变化等控制光电转换元件中的电荷存储时间，来调节曝光时间，使得灵敏度为 最佳值。作为扩展CMOS图像传感器的动态范围的方法，已知如下几种方法通过高速打开 电子快门调节曝光时间的方法；以高速获取多个帧并且将其叠加的方法；允许光接收区的 光电转换特性为对数响应的方法等。但是，当在具有其中明区和暗区相混合的高对比度的图像摄取景象中使用高速打 开电子快门的方法时，难以保证足够的曝光时间，尤其是在暗区中，即在低亮度景象中，因 此S/N劣化并且图像质量下降。在高速获取多个帧并且将其叠加的方法中，与简单地打开 电子快门的方法相比，通过叠加图像可以改善S/N，但是，由于对应于多帧的多次读出而累 积读出导致的噪音，因此，在低亮度景象中S/N也发生劣化。通过对数响应特性扩散动态范 围是有效的，但是，由在亚阈值区工作的晶体管的阈值变化导致的固定模式噪音变得明显， 尤其在低亮度区域。例如，当从房间对窗户旁边的人进行摄影时，如果针对人调节灵敏度， 这窗户的景象是饱和白色的并且难以被复制。如果针对窗户的景象调节灵敏度，则摄取的 人较黑暗，因为即使通过摄影之后的放大也难以充分保证信号电平并且难以获得高质量的 图像，所以S/N降低。在摄影场景中，必要的是，在传感器上用少量的入射光在像素中通过长时间曝光 来实现的高S/N,以及通过避免大量入射光造成的像素中的饱和而扩展动态范围。在相关技术中，作为实现高S/N的方法(其几乎等价于在低亮度下的像素中的 常规操作和在高亮度下在像素中扩展动态范围)，已知一种记载于IEEE International Solid-State Circuits Conference (IS SCC) 2005，pp. 354，2005 年 2 月(非专利文件 1) 中的技术。具体地，如图40所示，在放大型图像传感器(其中像素100被布置成矩阵形式， 其包括光电二极管101、转移晶体管102、复位晶体管103、放大晶体管1104和选自晶体管 105)中，当转移晶体管102被关断时，如果存储的电子超过某一电平，则被施加到控制电极 的电压被设置到电平Vtrg，而不是通常使得晶体管完全关断的电平，其中多余的电子被允许溢流到FD区106。当电子被存储在光电二极管101中并且超过电平Vtrg，则在亚阈值区域启动到FD 区106的漏流。因为漏流在亚阈值区域运行，所以保留在光电二极管101中的电子的数量 是对数响应。如图41所示，在时段t0处的复位操作之后，执行存储，同时电压Vtrg被施加到转 移晶体管102的控制电极。在其中被存储的电子的数量较少的时段tl的状态中，所有电子 都被存储在光电二极管101中，但是，当被存储的电子的数量超过电平Vtrg时，电子开始泄 漏到FD区106，如时段t2处所示的。因为亚阈值区域中的电子漏流，即使当存储继续进行时(t3)，电子也以相对于入 射光强度的对数特性被存储。在时段t4，FD区中溢流的电子被复位，并且存储在光电二极 管101中的所有电子通过完全转移被读出。入射光强度和输出电子的数量之间的关系被示 于图42中。在入射光明显超过由电压Vtrg设定的线性区域的上限Qlinear的情况下，输 出电子的数量由对数响应确定。然而，虽然据报道在非专利文件1中所记载的相关技术中实现了 IMdB的动态范 围，但是其中实现高S/N的线性区域的饱和水平小于常规饱和水平Qs的一半。此外，虽然 利用对数响应实现了极宽的动态范围，但是对数响应电路往往受到阈值变化等的影响，因 此，在宽的动态范围区中仍存在大的固定模式噪音，其中，即使在执行了对于阈值变化的消 除操作之后，当线性区域中的固定模式噪音为0. SmV时，在对数区域中所述固定模式噪音 为 5mV。因此，理想的是，提供一种固体成像器件、一种驱动该固体成像器件的方法和一种 成像设备，其中，在低亮度下在不缩窄常规饱和水平的情况下可以实现具有线性和高S/N 的信号获取，同时，相对于大于常规饱和水平的入射光可以扩展动态范围，同时也在线性区 域中实现良好的S/N。

发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种固态成像器件，包括成像区域，其中布置 有多个像素，每一个像素包括光电转换部分，转移栅和存储部分，所述光电转换部分被配置 用于接收入射光并产生信号电荷，所述转移栅被配置用于从所述光电转换部分读出信号电 荷，所述存储部分存储从所述转移栅读出的信号，其中所述转移栅通过不完全转移读出第 一信号电荷到所述存储部分，其中所述第一信号电荷被从所述存储部分发送出，其中将在 所述不完全转移时保留在所述光电转换部分的第二电荷加到在所述光电转换部分中通过 在所述不完全转换之后进入的光所产生的第三电荷，其中，通过将所述第二电荷与第三电 荷相加获得的电荷被所述转移栅读出到所述存储部分。根据本发明的另一个实施例，提供了一种成像设备，包括固态成像器件，所述固 态成像器件具有成像区域，所述成像区域中布置有多个像素，每一个像素包括光电转换部 分，转移栅和存储部分，所述光电转换部分被配置用于接收入射光并产生信号电荷，所述转 移栅被配置用于从所述光电转换部分读出信号电荷，所述存储部分存储从所述转移栅读出 的信号；以及控制元件，用于控制所述固态成像器件，其中所述控制元件向所述固态成像器 件供应控制信号，其中所述转移栅由基于所述控制信号产生的脉冲驱动，其中所述转移栅通过不完全转移读出第一信号电荷到所述存储部分，其中所述第一信号电荷被从所述存储 部分发送出，其中将在所述不完全转移时保留在所述光电转换部分的第二电荷加到在所述 光电转换部分中通过在所述不完全转换之后进入的光所产生的第三电荷，其中通过将所述 第二电荷与第三电荷相加获得的电荷被所述转移栅读出到所述存储部分。


图1是示出了根据本发明的一个实施例的CMOS图像传感器的配置的系统配置 图；图2是示出了供应电压控制电路的电路配置的实例的电路图；图3是示出了供应电压控制电路中的输入和输出的时序关系的时序图；图4A和4B是用于解释各个操作的时序图，其中图4A是常规读出的情形，图4B是 以高S/N和宽动态范围为目标的情形；图5是示出了当多个电压被选择性供应到转移晶体管的控制电极时在像素中的 电势的实例的电势图；图6是示出了当入射光弱时电势的变化的电势图；图7是示出了当入射光强时电势的变化的电势图；图8是在第二次转移之后消除阈值变化的原因的解释图；图9是示出了曝光时间和在光接收区中的存储电子的数量之间的关系的图线；图10是示出了加到其饱和电子数量Qe为8800e的光电二极管的转移晶体管的控 制电极的供应电压Vtrg-当供应电压Vtrg时在光电二极管中保持的电子的数量的实验结 果的图线；图11是示出了被供应到转移晶体管的控制电极的电压的供应时序的另一个实例 的时序图；图12是示出了被供应到转移晶体管的控制电极的电压的供应时序的另一个实例 的时序图；图13是对于使得S/N变高和使得动态范围变宽的解释图；图14是示出了预定条件下的实验结果的图线；图15是示出了在上面的实验中指明入射光强度的所产生的电子的总数和通过各 个中间转移和最后的完全转移作为输出所转移的电子的数量之间的关系的图线；图16A和图16B是示出了单元像素的其它电路实例的电路图；图17是示出了当使用包括三个晶体管的像素电路时的操作实例的时序图；图18是示出了在完全转移时段和电子快门时段中的电势关系和具体的时序关系 的时序图；图19是示出了在中间转移时段中的电势关系和具体的时序关系的时序图；图20A到图20F是示出了在各个时序时的电势关系的电势图；图21A到图21D是中间转移中的电势图；图22是示出了在中间转移中入射光强度和信号电荷之间的对应关系的图线；图23是示出了根据本发明的一个应用的操作实例1的时序图；图M是示出了在操作实例1的情形中在中间转移时段中的电势关系和具体的时序关系的时序图；图25是示出了在操作实例1的情形中在完全转移时段和电子快门时段中的电势 关系和具体的时序关系的时序图；图沈是示出了根据本发明的应用的操作实例2的时序图；图27是出了在操作实例2的情形中在中间转移时段和电子快门时段中的电势关 系和具体的时序关系的时序图；图观是示出了根据本发明的应用的操作实例3的时序图；图四是示出了根据本发明的应用的操作实例4的时序图；图30是强迫饱和操作的时序图；图31A到图31D是在利用中间转移的读出中的电势图；图32A到图32E是在强迫操作和中间转移中的电势图；图33是示出了包括像素固定模式噪音的补充功能的系统配置的方框图；图34A和图34B是示出了当应用于CXD图像传感器时的实例的电势图；图35是本发明的改进实例1的示意图；图36是示出了白炽灯光谱的实例的图线；图37是本发明的改进实例2的示意图；图38是本发明的改进实例3的示意图；图39是示出了根据本发明的一个实施例的成像设备的配置实例的方框图；图40是像素的电路配置的实例的电路图；图41是在非专利文件1中记载的相关技术中的电势图；和图42是示出了在非专利文件1中记载的相关技术中的入射光强度和输出电子的 数量之间的关系的图线。
具体实施例方式下面将参考附图详细解释本发明的实施例。图1是示出了根据本发明的一个实施例的固态成像器件(例如，CMOS图像传感 器)的配置的系统配置图。如图1所示，根据此实施例的CMOS图像传感器包括像素阵列区域11，其中，包括 光电转换元件的单元像素(此后，有时简称为“像素”)20以矩阵形式二维地排列在该像素 阵列区域11中；CMOS图像传感器作为其外围电路还包括垂直扫描电路12、供应电压控制电 路13、电压供应电路14、时序发生器电路(TG) 15、多个列电路16、水平扫描电路17和列信 号选择电路18。在像素阵列区域11中的像素20的矩阵排列中，在每一列布置垂直信号线111，在 每一行布置驱动控制线，例如转移控制线112、复位控制线113、选择控制线114。此外，每一 个单元像素20布置供应复位电压Vrst的复位线115。(单元像素)在图1中示出了单元像素20的电路配置的实例。根据电路实例的单元像素20具 有像素电路，该像素电路包括例如光电二极管21的光电转换元件，此外还包括转移晶体管 22、复位晶体管23、放大晶体管M和选择晶体管25四个晶体管。在此情况下，例如N-沟道MOS晶体管被用作这样的晶体管22-25。转移晶体管22等同于权利要求中的转移栅，其被连接在光电二极管21的阴极电 极和作为电荷/电压转换器的FD区(浮动扩散区) 之间。由光电二极管21光电转换的 并且存储在转移晶体管22的信号电荷(在此情况下，电子)通过提供给栅电极(控制电 极)的转移脉冲TRG转移到FD区沈。在信号电荷从光电二极管21到FD区沈的转移之前，复位晶体管23通过提供给 栅电极的复位脉冲RST将FD区沈的电势复位到复位电压Vrest，其中在复位晶体管23中， 漏电极被连接到复位线115，源电极被连接到FD区26。放大晶体管M输出在由复位晶体管23复位之后的FDg^W电势作为复位电平， 并且还输出在信号电荷由转移晶体管22转移之后的FDg^W电势作为信号电平，其中在 放大晶体管M中，栅电极被连接到FD区沈，漏电极被连接到像素电源Vdd。选择晶体管25通过将选择脉冲SEL提供到栅电极而变为导通状态，并且使得像素 20成为选定状态，将从放大晶体管M输出的信号输出到垂直信号线111，其中在选择晶体 管25中，漏电极被连接到放大晶体管M的源电极，源电极被连接到垂直信号线111。还优选的是，选择晶体管25应用如下的配置，其中该晶体管被连接在像素电源 Vdd和放大晶体管M的漏电极之间。垂直扫描电路12包括移位寄存器、地址解码器等，其通过适当地生成复位脉冲 RST、转移脉冲TRG、和选择脉冲SEL等，针对各个电子快门行和读出行沿垂直方向逐行地扫 描像素阵列区域11中的各个像素。对于电子快门行，执行用于清除该行的像素20中的信 号的电子快门操作，对于读出行，执行用于读出该行的像素20中的信号的读出操作。虽然没有在此示出，但是垂直扫描电路12在依次选择多个单元行中的像素20的 同时，具有读出扫描系统，用于执行读出行的各个像素20中的信号的读出扫描系统，并且 具有电子快门扫面系统，用于比由读出扫描系统进行的读出扫描早对应于快门速度的时间 对于同一行(电子快门行)执行电子快门操作。然后，从当由电子快门扫描系统通过快门扫描复位光电二极管21处的多余电荷 的时刻到当由读出扫描系统通过读出扫描读出像素20中的信号的时刻的时段，成为像素 20中的信号电荷的存储时段(曝光时段)。就是说，电子快门操作表示如下操作，该操作复 位(清除)存储在光电二极管21的信号电荷并且开始在积累复位后的新的信号电荷。供应电压控制电路13控制供应(施加)到单元像素20中的转移晶体管22的栅 电极(控制电极)的控制电压。供应电压控制电路13的具体配置将在后面描述。电压供应电路14向供应电压控制电路13供应处于多个电压(控制电压)的中间 位置的电压(此后，有时称为“中间电压”)，所述多个电压(控制电压)具有不同的电压值， 具体是，处于高电平的电压(此后称为“H”电平)，其为像素电源的电压电平Vdd，以及低电 平电压(此后称为“L”电平)，其为地电平。处于中间位置的电压(中间电压)是其中存储 在光电二极管21中的电荷的一部分被保持以及存储电荷的剩余部分被部分地转移到FD区 26的电压。时序发生器(TG) 15生成时序信号PTRG1、PTRG2、PTRG3(参考图2)，用于确定供应 电压控制电路13向转移晶体管22的栅电极供应控制电压的定时。在像素阵列区域11中的每一像素行，即相对于像素行一一对应地布置列电路16，对从由垂直扫描电路12通过垂直扫描选定的读出行中的各个像素20经过垂直信号线11 输出的信号执行规定的信号处理，并且在信号处理之后临时地保持像素信号。作为列电路16，存在包括采样-保持电路的电路配置，其中所述采样-保持电路采 样和保持通过垂直信号线111输出的信号，以及存在包括采样-保持电路和噪音消除电路 的电路配置，其中所述噪音消除电路通过相关双采样(⑶幻处理消除像素特有的诸如放大 晶体管M的阈值变化之类的固定模式噪音或者复位噪音。注意，这些仅仅是实例，并且所 述电路不限于这些。例如，还优选的是，列电路16具有A/D (模拟-数字)转换功能，以采 用通过数字信号输出信号电平的配置。水平扫描电路17包括移位寄存器、地址解码器等，水平地顺序扫描布置在像素阵 列区域11中的各个像素列的列电路16。列信号选择电路18包括水平选择开关、水平信号 线等，顺序地输出临时存储在列电路16中的像素信号，并且通过水平扫描电路17使其与水 平扫描同步。恒流源19被连接到垂直信号线111的每一端。例如，可以使用加偏压的晶体管代 替恒流源19。将作为垂直扫描电路12、时序发生器电路15、列电路16、水平扫描电路17等 的操作标准的时序信号和控制信号在没有示出的时序控制电路中产生。(供应电压控制电路)供应电压控制电路13利用地址信号ADR作为输入，其驱动由垂直扫描电路12选 定和扫描的行，并且通过基于从时序发生器电路15供应的时序信号PTRG1、PTRG2、PTRG3选 定电压，向单元像素20中的转移晶体管22的栅电极供应从电压供应电路14供应的多个第 一控制电压中的一个电压，所述多个第一控制电压例如为四个电压Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和 Vtrg4 (Vtrgl > Vtrg2 > Vtrg3 > Vtrg4)。图2是示出了供应电压控制电路13的配置实例的电路图。如图2所示，根据此 实施例的供应电压控制电路13包括四个电路块131-134，其对应于四个电压(中间电压) Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4，并且还包括具有三个输入的NOR电路135。地址信号ADR被 从垂直扫描电路12 —同提供到电路块131-134。时序信号PTRG1、PTRG2、PTRG3被提供给 NOR电路135，作为来自电压供应电路14的三个输入。电路块131包括采用地址信号ADR和时序信号PTRGl作为两个输入的NAND电路 1311，电平相移器1312以及P-沟道驱动晶体管1313，其选定电压Vtrgl (所述电压Vtrgl 比逻辑电路的电源电压高)并且将其供应到转移晶体管22的栅电极。电路块132包括采用地址信号ADR和时序信号PTRG2作为两个输入的AND电路 1321以及P-沟道驱动晶体管1322，其选定电压Vtrg2 (所述电压Vtrg2与逻辑电路的电源 电压相同或者更低，并且比地电压至少高出PMOS晶体管的阈值)并且将其供应到转移晶体 管22的栅电极。电路块133包括采用地址信号NADR和时序信号PTRG3作为两个输入的NAND电路 1331以及N-沟道驱动晶体管1332，其选定电压Vtrg3 (所述电压Vtrg3与逻辑电路的地电 压相同或者更高，并且比电源电压至少低出NMOS晶体管的阈值)并且将其供应到转移晶体 管22的栅电极。电路块134包括采用地址信号ADR和NOR电路135的输出作为两个输入的AND电 路1341，采用地址信号ADR作为一个(负)输入并且采用AND电路的输出信号作为另一个输入的OR电路1342，电平相移器1343以及N-沟道驱动晶体管1344，其选定电压Vtrg4(所 述电压Vtrg4低地电压)并且将其供应到转移晶体管22的栅电极。电路块134具有通过NOR电路135的操作而独立于其它电路块131、132和133操 作的电路配置，以便供应低于地电压的电压(例如-0. IV)，作为用于关断转移晶体管22的 电压。在图3中示出了供应电压控制电路13中的输入和输出之间的时序关系。在将被 供应到转移晶体管22的栅电极的电压为Vtrgl、Vtrg2、Vtrg3和Vtrg4的情形中，当通过 地址信号ADR选定行时，根据时序信号PTRG1、PTRG2和PTRG3，对应于各个时序信号的电压 VtrgU Vtrg2和Vtrg3被供应，而电压Vtrg4被供应到其它行。随后，将使用图4A和4B的时序图解释根据上面的配置的实施例的CMOS图像传感 器10的操作。图4A和4B示出了各个操作中的时序关系，其中图4A中是常规读出的情形， 图4B中是以高S/N和宽动态范围为目标的情形。在CMOS图像传感器10 (其中，包括图1所示的像素电路配置的单元像素20以矩 阵形式排列)中，一般如图4A所示，在时段“tl”通过使得转移脉冲TRG和复位脉冲RST都 为“H”电平，复位光电二极管21和FD区沈，在时段“t2”所接收的光被光电转换为存储在 光电二极管21中的电子。然后，在时段“t2”的后一半的时段“t4”通过使得复位脉冲RST 为“H”电平，复位FD区沈。接着，通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，读出FD区沈的电 势作为复位电平，此后，在时段“t3”通过使得转移脉冲TRG为“H”电平，存储在光电二极管 21中的电子被转移到FD区沈，接着，在时段“t5”通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，读出 FDg^的电势，作为信号电平。针对上面的常规读出操作，在本发明中存在使得S/N较高并且动态范围较宽的需 要。根据本发明的实施例，在存储时段(曝光时段)，多个控制电压被顺序地供应到转移晶 体管22的控制电极(栅电极)，其中在存储时段，通过光电转换存储电子，并且在此时，通过 转移晶体管22转移的信号电荷被读出两次或者更多次。具体地，如图4B所示，在时段“tlO”通过使得转移脉冲TRG和复位脉冲RST都为 “H”电平，复位光电二极管21和FD区沈，在时段“til”所接收的光被光电转换为存储在光 电二极管21中的电子。接着，在时段“til”的后一半的时段“tl2”通过使得复位脉冲RST 为“H”电平，复位FD区沈，然后，通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，读出FD区沈的电势 作为复位电平。接着，在时段“tl3”，电压Vtrgl被供应到转移晶体管22的控制电极，并且根据光 电二极管21中的存储电子的量(其由入射光强度决定)，电子被部分地转移到FD区26。在 时段tl4，通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，根据被转移电子的量的FD区沈的电势被读 出，作为信号电平，并且如果需要的话，使用在时段tl2读出的复位电平，在例如列电路16 中执行噪音消除处理。在时段tl5，继续执行存储操作，并且在时段tl6，通过使得复位脉冲RST为“H”电 平，再次复位FD区沈，接着，通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，读出复位电平。而且，在 时段tl7，电压Vtrg2被供应到转移晶体管22的控制电极，超出转移晶体管22的电势电压 Vtrg2的电子(在时段tl3没有被转移的保留在光电二极管21中的电子和在时段tl5中存 储的电子的总和)被转移到FD区沈，并且在时段tl8，通过使得选择脉冲SEL为“H”电平，读出FD区沈的电势，作为信号电平。在时段tl9到时段t22期间，在将电压Vtrg3供应到转移晶体管22的控制电极的 情况下，与上面相同的操作被重复执行。此外，在改变到转移晶体管22的供应电压的同时， 从时段til到时段tl4的操作被执行一次或者多次。在时段t23的曝光之后，在时段U4通 过使得复位脉冲RST为“H”电平，再次执行复位操作，并且通过使得选择脉冲SEL为“H”电 平，读出复位电平，接着，在时段t25，通过使得转移脉冲TRG为“H”电平，转移晶体管22被 完全导通并且执行到FD区沈的完全转移，然后，在时段t26，通过使得选择脉冲SEL为“H” 电平，读出信号电平。图5示出了当电压Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3被供应到转移晶体管22的控制电极时 像素中的电势的实例。在存储在光电二极管21中的电子数量大并且超出电势Otrgi电压 Vtrgl的情况下，存储在光电二极管21中的电子被部分转移到FD区26。图6是示出了当在具有弱的入射光的阶段供应电压Vtrg时的电势变化的电势图。 在存储在光电二极管21中的电子数量小的情况下，该数量没有超过转移晶体管22的电势 Otrgi，因此，由光电转换产生的电子被保持在光电二极管21中，在最终的转移时被转移 到FD区沈，然后作为信号电平被读出。另一方面，如图7所示，当入射光很强时，超出电势Otrgi的电子被转移到FD区 沈，继而被读出作为信号电平。因此，在低亮度的情形中通过足够的曝光时间可以在最终转 移处进行读出，而不会使信号劣化，并且在高亮度的情形中，通过以多个阶段读出超出的电 子，可以最终生成具有宽动态范围的合成图像。注意，在图6和7中的各个操作时段tlO到U6对应于图4B的时序图中的各个操 作时段110到t26。如上所述，当以多个阶段将多个电压Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3供应到转移晶体管22 的控制电极，并且超出的电子被多次转移到FD区沈时，在第二次转移之后，阈值变化被消 除了。其原因如下。如图8所示，当在第一次转移时将电压Vtrgl施加到转移晶体管22的控制电极 时，转移晶体管22的电势由表示，在存储电荷之前的光电二极管21的电势由Φω(ι表 示，保持在光电二极管21中的电子的数量由Qhadi表示，溢流到FD区沈的电子的数量表示 为Qfdi，当保持电子数量Qhadi时的光电二极管21的电势由Φωι表示。当在光电二极管21 中与入射光强度成比例地产生的光电电流为Ipd，到第一次转移的曝光时间为ΔΤ，光电二 极管21的电容为Cpd时，Qhadi和Qfdi由下式表示Qhadi = Cpd · ΦωιQfdi = Ipd · Δ T-QhadiΦΜ(11 = Φ^ ο-Φ^ιφ trgl = Vtrgl-(Vth+ Δ Vth)在上面，Vth为转移晶体管22的阈值，AVth为转移晶体管22的阈值变化。在第二次转移中，当在持续进行ΔΤ的时间段的曝光并且存储光电电流之后，不 同的电压Vtrg2被施加时，类似地，当转移晶体管22的电势为，保持在光电二极管21 中的电子的数量为Qhad2,溢流到FD区沈的电子的数量为Qfd2，当保持电子数量Qhad2时的光 电二极管21的电势为时，可以得到下式。
Qhad2 = Cpd · Φω2^had2 = Φ HadQ-^trg2φ trg2 = vtrg2- (Vth+ Δ Vth)Qfd2 = (QmD1+Ipd · Δ Τ) -Qhad2= Cpd · Φ^+Ipd · Δ T-Cpd · ΦΜ2=Cpd. (Φ had0- Φ trgl) +Ipd · Δ T-Cpd · ( Φ had0- Φ trg2)= Cpd · IVtrgl- (Vth+ΔVth)}+Ipd · Δ T-Cpd · {Vtrg2- (Vth+Δ Vth)}= Ipd ‘ AT-Cpd(Vtrg2-Vtrgl)如上所述，在第二次转移之后，中间转移到FD区沈的电子的数量由入射光强度 (即，所产生的光电电流的量)和施加到转移晶体管22的控制电极的电压Vtrg2和就在之 前施加的电压Vtrgl之间的差决定，这可以减小转移晶体管22的阈值变化AVth的影响。 此外，因为在各个定时通过转移晶体管22转移的电子的数量具有相关性，所以根据超出所 述电势的电子数量在转移时段没有被转移的电子的保留数量也具有相关性，结果，在第二 次转移之后，由保留电子导致的变化被减小。供应到转移晶体管22的电压Vtrg的电平按如下来确定。如图9所示，当入射光的量固定时，在光电二极管21中存储的电子的数量与曝光 时间成比例地增加。例如，当入射光强度被假定为在该入射光强度下电子数量在标准的曝 光时间iTs内(诸如，当30帧/秒时1/30秒，当60帧/秒时1/60秒)达到饱和电子数量 Qs，则当电压Vtrg被供应到转移晶体管22的控制电极时的定时Ti的存储电子的数量Nei 被估计。在定时Ti的供应电压Vtrgi被设为如下的电压，通过该电压，存储电子数量Nei 被存储在光电二极管21中。在图10，示出了到光电二极管21(其饱和电子数量的为8800e_)中的转移晶体管 22的控制电极的供应电压和当电压Vtrg被供应时光电二极管21中存储的电子的数量的实
验结果。在此情况下，在定时T1、T2和T3的供应电压将为从图9中的存储电子的数量Nel、 Ne2和Ne3得到的电压Vtrgl、Vtrg2和Vtrg3。对于实际应用中将被供应的电压，优选的 是，考虑防止由热扩散等导致的从光电二极管21到FD区沈的漏流的裕量，在转移晶体管 22为N-沟道MOS晶体管的情形中施加比上面的低数百毫伏的电压，并且在转移晶体管22 为P-沟道MOS晶体管的情形中施加比上面的高数百毫伏的电压。在图11中，示出了被供应到转移晶体管22的控制电极的供应电压的时序的另一 个实例。在另一个实例中，在到完全转移的曝光时间的1/4定时处供应电压Vtrgl，电压 Vtrg3在3/4的定时处被供应。确定各个电压Vtrgl、Vtrg3的方法与上面的实例相同。相应地，通过控制供应电压Vtrgl、Vtrg3的间隔，可以控制中间转移的电子的数 量和入射光强度之间的关系，即灵敏度。就是说，通过使得各个中间转移的执行间隔可以为 多个，可以以多个灵敏度扩宽动态范围，以及在动态范围区域中在其中光强度较弱的区域 中的S/N可以被设定为较高。例如，如图11所示，当到第一次中间转移的曝光时间(t31)为总曝光时间的1/4， 并且从第一次中间转移到第二次中间转移的曝光时间(t35)为总曝光时间的1/2时，在第一次转移中将被读出的电子的数量相对于入射光强度的灵敏度将为1/4，这对于动态范围 的扩展有贡献。在第二次转移中，灵敏度将为1/2，并且动态范围比第一次转移窄，但是可以实现 在该区域中比第一次转移更高的S/N,直到比宽至常规区域的大约两倍的区域。在最后的完 全转移中，实现一倍的灵敏度和动态范围，即，等同于相对于该入射光强度的常规情况，这 避免了在低亮度区域中由宽的动态范围导致的图像质量变劣。在图12中，示出了将被供应到转移晶体管22的控制电极的供应电极的时序的另 一个实例。在此实例中，以任意的一次或者多次，在多次的电压Vtrgi的供应中，执行复位操 作，而不读出被转移的信号电平。通过将复位操作移动到紧接转移之后并且不激活选择信 号，可以实现该操作。根据该操作，当获得其中由阈值变化导致的被转移电子数量的变化减 小的信号时，可以省略在第一次转移中具有大的变化的读出操作。通过不执行读出操作，可以使得转移间隔短于CMOS图像传感器10的帧速率，这对 于动态范围的扩展有贡献。例如，在图12中，在到完全转移的曝光时间的1/8的定时施加 电压Vtrgl，并且执行复位而不读出信号电平。在1/4的定时供应电压Vtrg2，并且读出信 号电平。接着，在3/4的定时供应电压Vtrg3，并且读出信号电平，最后，在完全转移中，读出 信号电平。在总共执行4次的读出操作中，在通过电压Vtrg2转移的第一次读出中，可以获 得对应于曝光时间的1/8的输出，因此，可以最大确保约8倍的动态范围，并且通过就在之 前的电压Vtrgl的转移减小了阈值变化。在通过电压Vtrg3的第二次读出中，转移间隔为 1/2，因此，可以在为饱和电平的两倍宽的动态范围中获得具有比第一次读出高的S/N的信号。在该实例中，动态范围被扩展到其普通宽度的大致8倍，但是，足够的是，读出速 度是其普通速度的4倍。类似地，通过使得电压Vtrgl的供应定时接近电压Vtrg2的供应 定时，可以扩展动态范围。作为图12中所示的实例，还可以通过除了图4A的操作之外就在 信号电平的转移或者读出之后执行复位操作，预先地复位FD区沈中的电子。通过如图13所示在饱和电平(其被预先设定)处进行剪切并且进行叠加，通过多 次的中间转移获得的信号获得了连续的输入和输出特性。例如，在图13中，在作为第“i” 次的读出的常规曝光中的完全转移之后，信号以高的S/N被输出，直到常规的饱和电平。在 前面的第“i-1”次转移中，通过在曝光时间的1/2处执行中间转移可以获得几乎两倍的动 态范围，并且在第“i-2”次转移中，通过在曝光时间的1/8处执行中间转移可以获得几乎8 倍的动态范围。通过在饱和电平附近的点对信号进行剪切和叠加信号，可以获得连续的特 性。例如在后续阶段提供的CMOS图像传感器10的信号处理电路(没有示出)中，将 通过使用帧存储器，执行用于通过剪切和叠加实现高的S/N和宽的动态范围的处理，其中 所述帧存储器存储多次读出的图像。但是，处理实例仅仅是实例，并且如果多次读出的图像被存储的话，可以通过使用 个人计算机来处理，并且还可以如下的配置，其中，通过在CMOS图像传感器10上安装帧存 储器，处理在CMOS图像传感器10中执行并且仅仅最后的图像被输出。
在图14中，示出了实验结果。在实验中，0.6V的电压VtrglU. IV的电压Vtrg2、 1. 3V的电压Vtrg3按图12的时序图被供应到转移晶体管22的控制电极。图14表示在从光电二极管21的复位到完全转移的曝光时间为大致16ms的情形 中，在通过第一电压Vtrgl的中间转移比光电二极管21的复位迟2ms执行时，在通过第二 电压Vtrg2的中间转移比光电二极管21的复位迟^is执行时，在第三次中间转移比光电二 极管21的复位迟12ms执行时，分别在光电二极管21中保留的电子的数量。在图14中，tl、t2、t3和t4为曝光时段，t2、t4和t6为转移时段。将电压Vtrg 施加到转移晶体管22的控制电极的时间为100ns。图线40-51代表如下条件，其中，其强度 使得在16ms期间在光电二极管21中产生的电子的总数量分别为350e-、1200e-、2200e-、 4400e-、6600e-、8800e-、llOOOe-、17500e-、25000e-、35000e-、44000e_、53000e-的光进入 光电二极管21。优选的是，转移时段将足够长，使得转移接近平衡状态，并且更优选的是，转 移时段为IOOns或更长。图15是示出了在上面的实验中表明了入射光强度的所产生的电子的总数量和在 各个中间转移和最后的完全转移中作为输出转移的电子的数量之间的关系。在图15中， 图像60表示通过电压Vtrgl转移的电子的数量，误差条是当转移晶体管22的阈值变为为 士 50mV时的值。在第一次转移中，有阈值变化导致的转移电子的数量变化大，但是，在由第二电压 Vtrg2完成的转移结果61中，电子的数量变化减小。由第三电压Vtrg3完成的转移结果62 具有高的灵敏度和大的梯度，因为转移时段比由电压Vtrg2完成的转移长。完全转移的结 果63具有与常规转移相同的S/N，其中常规转移中，对于低亮度没有执行中间转移。结果 61,62分别具有结果63的1/2倍和1/8倍的梯度，这证明通过控制转移时序，控制了灵敏度 并且允许宽的动态范围。结果63是通过上面的特性合成方法获得的宽动态范围特性。其 实现了低亮度情况下的高S/N和线性特性的宽动态范围。如上所述，例如，在CMOS图像传感器10 (其中，单元像素20以矩阵形式二维地布 置，所述单元像素20包括光电二极管21和转移晶体管22，所述转移晶体管22转移光电二 极管21中光电转换的信号电荷)中，多个第一控制电压被顺序地从供应电压控制电路块13 供应到转移晶体管22的控制电极，同时，通过垂直扫描电路12执行驱动操作，在该驱动操 作中，由转移晶体管22转移的信号电荷被两次或者更多次地读出，这可以允许在低亮度下 线性和高S/N的信号获取而不会缩窄常规的饱和电平，并且还针对大于常规的饱和水平的 入射光可以允许动态范围的扩展，同时实现线性区域中的良好的S/N。因此，针对在各种环境中(诸如室内和室外，白天和夜晚)的外部光的变化，可以 在低亮度场景中获得高质量的具有高S/N的图像，并且在高亮度场景中通过线性响应获得 具有较低饱和度的高质量图像。此外，即使在其中低亮度和高亮度都存在的高对比度场景 中，高亮度部分中的饱和可以被避免，同时维持了低亮度部分中的高S/N。此外，在具有高灵敏度的像素被布置在常规像素排列中，用于提高灵敏度的情形 中，不必降低常规像素中的S/N来使曝光时间满足高灵敏度像素，并且通过满足常规像素 的充分曝光可以获得高灵敏度像素的高S/N图像，这对于在后续阶段为了高图像质量的处 理将是有利的。在上面的实施例中，解释了其中本发明应用于CMOS图像传感器(其中，包括选择晶体管25的单元像素20 (参考图1)以矩阵形式布置)的情形，但是本发明不限于该应用。就是说，在根据本发明的实施例的CMOS图像传感器10中，可以在下一个曝光时段 之前复位转移到FD区沈的电子，而不管在转移之后是否存在读出操作；因此，本发明还可 以适用于如下的CMOS图像传感器，其中，没有包含选择晶体管25的单元像素以矩阵形式被布置。具体地，如图16A所示，本发明还可以适用于具有如下单元像素的CMOS图像传感 器，其中，所示单元像素的像素电路除了光电二极管21之外还包括三个晶体管，转移晶体 管22、复位晶体管23和放大晶体管M，其通过复位晶体管23将FD区沈的电势设为比放 大晶体管M的阈值低的电势，即选择电源电势SELVDD，以使得单元像素处在未选定状态。如图16B所示，本发明还可以适用于如下像素电路，该像素电路除了光电二极管 21、转移晶体管22、复位晶体管23和放大晶体管M三个晶体管之外，还包括开关晶体管 27。像素电路具有如下配置，其中，复位电压Vrst被选择性地从垂直信号线111供应，因此， 复位晶体管23被连接在FD区沈(放大晶体管M的栅电极)和垂直信号线111之间，并且 复位电压Vrst通过开关晶体管27被选择性地供应到垂直信号线111，所示开关晶体管27 通过开关脉冲SW导通。此外，本发明还可以因为相同的原因适用于在多个单元像素之间共用放大晶体管 24的像素配置。利用图17中的时序图将解释具有图16A中所示的包括三个晶体管的像素电路的 单元像素的CMOS图像传感器10。在前一帧的完全转移和读出的时段T4之后，在时段Tl中通过电子快门清空光电 二极管21和FDg^中的信号电子。然后，由曝光和光电转换产生的电荷(在此情形中， 电子)被存储在光电二极管21中。在中间转移之前，在时段T2，中间电压(对应于图4B中 的电压Vtrgl)被施加到转移晶体管22的控制电极，并且在具有大量入射光的像素中产生 的信号电子被部分地转移到FD区26。此时，转移到FD区沈的电荷不被读出和复位。在时段T3，与时段T2的相同或者不同的中间电压被施加到转移晶体管22的控制 电极，并且在具有大量入射光的像素中产生的信号电荷再次被部分转移到FD区26。此时， 转移到FD区沈的信号电荷被读出。然后，继续进行曝光，并且通过在时段T4完全导通转 移晶体管22，存储在光电二极管21中的所有信号电荷被转移到FD区沈，并且被从FD区沈 读出。在时段T4，在其中通过施加中间电压不发生中间转移的具有少量入射光的像素 中，信号电荷不减少并且在存储在其中，因此，可以以高的S/N读出信号。而在具有大量入 射光的像素中，信号电荷饱和，但是它们通过施加中间电压进行中间转移而作为信号被读
出ο在图18中，示出了在完全转移时段T4和电子快门时段Tl中，光电二极管(PD)21 和FD区沈的电势关系，以及选择电源电势SELVDD、复位脉冲RST和转移脉冲TRG的具体时
序关系。当选择电源电势SELVDD处于“H”电平的状态时，在时段t0，通过使得复位脉冲RST 为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状态，复位FD区沈，然后，在时段tl，通过放 大晶体管M读出FD区沈的电势作为复位电平。在时段t2，通过使得转移脉冲TRG为“H”电平，光电二极管21的信号电荷被转移到FD区26，并且在时段t3，通过放大晶体管M读 出FDg^的电势作为信号电平。在时段t4，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态(充当电子快门)，复位FDg^L在时段t5，通过使得选择电源电势SELVDD为“L”电平 并且使得FD区沈的电势低于放大晶体管M的阈值，放大晶体管M被关断，以使得像素处 于未选定状态。在图19，示出了在中间转移时段T2、T3中，光电二极管(PD) 21和FD区沈的电势 关系，以及选择电源电势SELVDD、复位脉冲RST和转移脉冲TRG的具体时序关系。在时段t0，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态，复位FD区26。在时段T3的情形中，在时段tl，通过放大晶体管M读出FD区沈的电 势，作为复位电平。在时段T2的情形中，不必执行读出操作。在时段t2，通过施加任意的电 压Vfg到转移晶体管22的控制电极，执行中间转移。对于任意电压，在时段T2的情形中施 加VfgO，在时段T3的情形中施加Vfgl。当入射光的量较小时，光电二极管21的电压高至虚线所示，并且没有发生到FD区 26的转移。而当入射光的量较大时，光电二极管21的电压低至实线所示，超出转移晶体管 22的栅极下的电势的信号电荷被部分转移到FDg^L在时段T3的情形中，在时段t3，通 过放大晶体管M读出FD区沈的电势作为信号电平。在时段T2的情形中，不必执行读出 操作。在时段t4，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态，仅仅复位FD区沈，并且在时段t5，通过使得选择电源电势SELVDD为“L”电平并且使得 FD区沈的电势低于放大晶体管M的阈值，放大晶体管M被关断，以使得像素处于未选定 状态。在图20A到图20F，示出了各个时序的电势关系。图20A是在作为完全转移和读出 时段的时段T4中在时段t4的电子快门操作时的电势图。在电子快门操作中，存储在光电 二极管21和FD区沈中的电荷被清除到选择电源电势SELVDD侧。图20B是在时段T2、T3和Τ4中在时段t0的复位操作之后的电势图。在复位操作 之后，根据入射光的强度，产生通过曝光导致的电荷存储。图2C是在时段T2和T3中在时段t2的中间转移操作时的电势图。在中间转移操 作中，使得转移晶体管22的栅极下的电势为转移晶体管22的导通状态和关断状态之间的 中间状态的电压被施加到转移晶体管22的控制电极，结果，当入射光强度较小时，因为所 存储的电荷少而不发生转移，并且仅仅当入射光强度大时，因为光电二极管21的电势高于 转移晶体管22的栅极下的电势而产生到FD区沈的转移。图2D是时段T4中时段t2的电势图，这时转移晶体管22处于导通状态以执行完 全转移，在完全转移中，存储在光电二极管21中的电荷被完全读出。图20E是时段T3、T4 中时段t3的电势图，这时转移晶体管22在完全转移读出信号之后处于关断状态。图20F 是时段Tl、T2和T3中时段t5的电势图，这时其中像素不被选定的操作使得FD区沈的电 势不高于放大晶体管M的阈值。在像素阵列区域中，在作为光接收区的光电二极管21的电势形状在各个像素中 不是均一的情形中，通过施加中间电压保持在光电二极管21中的电子的数量是不同的。因此，存在下面的担心，即取决于光电二极管21的电势形状的变化，通过由施加中间电压读 出获得的在高亮度区中的输出信号具有固定模式噪音，这导致图像质量的劣化。如图2IA到图2ID所示，让我们考虑例如图2IB的状态，其中当通过将电压VfgO施 加到转移晶体管22的控制电极，将电荷QiO的一部分从图21A的状态(其中，电荷QiO被 存储在光电二极管21中)清除时，仅仅电荷QO保留在光电二极管21中。通过将电压Vfgl施加到图21C的状态(其中电荷Qil被进一步存储在图21B的 状态中)，电荷Qfgl可以被转移到FD区沈并且作为信号被读出，同时电荷Q0+Q1被保留在 光电二极管21中(图21D的状态)。如图22所示，从图2IB的状态到图2IC的状态存储的电荷Qil与入射光强度成比 例。为了由在图21D的状态中转移的信号电荷Qfgl获得入射光强度，S卩，亮度，有必要获得 由电压VfgO和电压Vfgl确定的电荷Ql。但是，当在每一个像素中光电二极管21的电势形 状不同时，对于每一个像素，电荷Ql存在变化，因此，由电荷Qfgl得到的图像包括固定模式噪音。[应用]为了补充上述的依赖于光电二极管21的电势形状的变化的固定模式噪音，可以 采用下面的应用，而下面将对其进行解释。[操作实例1]图23是示出了根据本发明的应用的操作实例1的时序图。操作实例1是在CMOS 晶体管具有图16A所示的包括三个晶体管的像素电路的单元像素的情况下的实例。首先，在前一帧中的读出之后，在时段Sl光电二极管21填充电荷(电子或者空 穴)。接着，在时段S2，电压Vfgl被施加到转移晶体管22的控制电极，并且执行中间转移， 然后，电荷被复位。接着，在时段S3，电压VfgO被施加到转移晶体管22的控制电极，执行中 间转移并且读出信号。最后，在时段S4，执行完全转移并且读出信号，然后，在时段S5中执 行电子快门操作。在图M中，示出了在中间转移时段S2、S3，光电二极管21和FD区沈的电势关系， 以及选择电源电势SELVDD、复位脉冲RST和转移脉冲TRG的具体时序关系。在时段t0，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态，复位FD区沈。在时段S3的情形中，在时段tl，通过放大晶体管M读出FD区沈的电 势，作为复位电平。在时段S2的情形中，不必执行读出操作。在时段t2，通过施加任意的电 压Vfg到转移晶体管22的控制电极，执行中间转移。对于任意电压Vfg，在时段S2的情形 中施加Vfgl，在时段S3的情形中施加VfgO。在此情形中，VfgO和Vfgl可以是相同的电压 值。当入射光的量较小时，光电二极管21的电压高至虚线所示，并且没有发生到FD区 26的转移。而当入射光的量较大时，光电二极管21的电压低至实线所示，超出转移晶体管 22的栅极下的电势的信号电荷被部分转移到FDg^L在时段S3的情形中，在时段t3，通 过放大晶体管M读出FD区沈的电势作为信号电平。在时段T2的情形中，不必执行读出 操作。在时段t4，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态，仅仅复位FD区沈，并且在时段t5，通过使得选择电源电势SELVDD为“L”电平并且使得FD区沈的电势低于放大晶体管M的阈值，放大晶体管M被关断，以使得像素处于未选定 状态。在图25中，示出了在完全转移时段S4和电子快门时段S5中，光电二极管21和FD 区沈的电势关系，以及选择电源电势SELVDD、复位脉冲RST和转移脉冲TRG的具体时序关系。当选择电源电势SELVDD处于“H”电平的状态时，在时段t0，通过使得复位脉冲RST 为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状态，复位FD区沈，然后，在时段tl，通过放 大晶体管M读出FD区沈的电势作为复位电平。在时段t2，通过使得转移脉冲TRG为“H” 电平，光电二极管21的信号电荷被转移到FD区沈，并且在时段t3，通过放大晶体管M读 出FDg^的电势作为信号电平。在时段t4，通过使得复位脉冲RST为“H”电平并且使得复位晶体管23处于导通状 态(充当电子快门)，复位FDg^L在时段t5，通过使得选择电源电势SELVDD为“L”电平 并且使得FD区沈的电势低于放大晶体管M的阈值，放大晶体管M被关断，以使得像素处 于未选定状态。[操作实例2]图沈是示出了根据本发明的应用的操作实例2的时序图。操作实例2也是在CMOS 晶体管具有包括三个晶体管的像素电路的单元像素的情况下的实例。操作实例2是其中操作实例1中的最后完全转移的读出被省略的实例。通过省略 最后完全转移的读出，与操作实例1的情形相比，用于获得补偿信号的一系列过程所必须 的时间被缩短，其中，所示补充信号补偿依赖于光电二极管21的电势形状的变化的固定模 式噪音。通过将多个电压中的一个或全部设为不同于使得转移晶体管22被完全关断的电 压的电压，可以省略完全转移的读出。在图27中，示出了操作实例2的情形中，在中间转移时段S3’和电子快门时段S5 中，光电二极管21和FD区沈的电势关系，以及选择电源电势SELVDD、复位脉冲RST和转移 脉冲TRG的具体时序关系。在操作实例2中，如图27中的时序图所示，在中间读出之后，在 电子快门时段S5中快门操作和用于未选定状态的操作被执行。[操作实例3]图观是示出了根据本发明的应用的操作实例3的时序图。操作实例3也是在CMOS 晶体管具有包括三个晶体管的像素电路的单元像素的情况下的实例。操作实例3是如下的实例，其中，在时段Sl的强迫饱和操作、在时段S2的中间转 移操作和在时段S3的中间转移和读出操作之间的各个间隔可以被缩短。通过缩短时段Si、 时段S2和时段S3之间的各个间隔，与操作实例1的情形相比，可以减小入射光或者暗电流 导致的影响。[操作实例4]图四是示出了根据本发明的应用的操作实例4的时序图。操作实例4也是在CMOS 图像传感器具有包括三个晶体管的像素电路的像素的情况下的实例。操作实例4是其中顺序地多次执行通过中间转移完成的信号读出的实例，并且通 过从低级开始施加多个电压到转移晶体管22的控制电极，可以获得对应于各个电压的补 偿量的补充信号。
图30示出了在如上面所解释的操作实例1-4中的光电二极管21的强迫饱和操作 的时序关系。在图30中，时段S 1示出了强迫饱和操作的时序关系。通过使得作为FDg^的初始电压的复位电压(在此情形中，选择电源电势 SELVDD)等于在饱和时光电二极管21的电压，并且使得转移脉冲TRG和复位脉冲RST为“H” 电平，转移晶体管22和复位晶体管23被导通。因此，光电二极管21处在其中电荷以与饱和 状态相同的方式被保持的状态。就是说，通过使得FD区(转移电容)26的电势等于饱和状 态中光电二极管21的电势，转移晶体管22被导通，结果，光电二极管21充满电子或空穴。如上所述，在光电二极管21被充满电荷(电子或者空穴)之后，多个中间电压(第 二控制电压)被顺序地施加到转移晶体管22的控制电极，以执行部分转移，就是说，在存储 在光电二极管21中的电荷的一部分被保持的同时，保留的存储电荷被部分地转移到FD区 沈，结果，可以获取通过一个或全部中间电压所转移的信号电荷作为电压信号。电压信号包 括光电二极管21的电势形状的变化分量，因此，其成为用于补偿依赖于电势形状的变化的 固定模式噪音的补偿信号。从上面的操作实例4的解释来看清楚的是，施加多个中间电压(第二控制电压) 的次序与在获取图像时施加多个控制电压(第二控制电压)的次序相反。就是说，在获取 图像的情形中，当以高电压的次序施加多个控制电压时，通过以低电压的次序顺序地施加 多个中间电压，以获取补偿信号，该补偿信号用于补偿依赖于光电二极管21的电势形状的 变化的固定模式噪音。[获得补偿信号的原理]接着，解释获得补偿信号的原理，该补偿信号用于补偿依赖于光电二极管21的电 势形状的变化的固定模式噪音。图31A到图31D分别是利用中间转移的读出中的电势图。在图31A到31D中，图 31A示出了中间转移时段S2的时段tl的电势，图31B示出了中间转移时段S2的时段t2的 电势，图31C示出了中间转移时段S3的时段tl的电势，并且图31D示出了中间转移时段S3 的时段t2的电势。通过在时段S2_t2中向转移晶体管22施加电压VfgO (图31B)，在时段S2_tl中存 储在光电二极管21中的电荷QiO (图31A)被部分转移到FD区沈，并且电荷QO保留在光电 二极管21中。转移到FD区沈的QfdO被复位。通过所施加的电压VfgO控制电荷Q0，但是，电荷QO包括由转移晶体管22的特 性变化(阈值变化)导致的电荷量变化AQvth和由电势形状的变化导致的电荷量变化 Δ QpotO，作为各个像素中的固定模式噪音。当电荷QO的平均值为QhadO时，电荷QO由下 式表不QO = QhadO+ Δ Qvth+ Δ QpotO (1)在时段S3的读出中，在从时段S2开始的曝光时段期间通过光电转换产生的电荷 Qil被加入，并且电荷Oiil+QO)被保持在光电二极管21中。在此状态中，通过向转移晶体 管22的控制电极施加中间电压Vfgl，电荷Qil的一部分被转移到FD区26。此时，当电荷 Qil中的保留电荷为Ql时，电荷Ο Ο+Ql)被保持在光电二极管21中。电荷(Q0+Q1)也包括由转移晶体管22的阈值变化导致的电子数量变化Δ Qvth，并 且电荷Ql包括由电势形状的变化导致的电子数量的变化AQpotO。当电荷Ql的平均值为Qhadl时，电荷(Q0+Q1)由下式表示Q0+Q1 = (QhadO+Δ QpotO)+ (Qhadl+Δ Qpotl)+ AQvth (2)在此情形中，电荷Ql由下式表示Ql = Qhadl+ Δ Qpotl (3)将被读出的信号，即转移到FD区的电荷Qfgl由下式表示Qfgl = Qil-Ql= Qil-(Qhadl+Δ Qpotl) (4)如从式(4)可以看出的，有必要消除由作为像素的特性变化的电势形状变化导致 的电荷量变化Qpotl。图32Α到32Ε是强迫饱和操作和中间转移中的电势图。在图32Α到32Ε中，图32Α 示出了强迫饱和时段Sl的时段t4的电势，图32B示出了强迫饱和时段Sl的时段t5的的 电势，图32C示出了中间转移时段S2的时段t2的电势，图32D示出了中间转移时段S3的 时段t2的电势，并且图32E示出了中间转移时段S4的时段t2的电势。在Sl_t4时段(图32A)，强迫光电二极管21处于饱和状态，并且在Sl_t5时段(图 32B)，饱和电子数量QsO被保持在光电二极管21中。在S2-t2时段(图32C)，通过向转移 晶体管22的控制电极施加电压Vfgl，由式(2)表示的电荷(Q0+Q1)可以被保持在光电二极 管21中。转移到FDg^W电荷被复位。在S3_t3时段，当电压VfgO被施加到转移晶体管22的控制电极，由式(1)表示的 电荷QO被保持在光电二极管21中，并且保留电荷Ql被转移到FD区沈，其作为信号被读 出。因此，电荷Ql由式(3)表示，因此，可以获得由项Δ Qpotl (其为作为像素的特性变化 的固定模式噪音，并且其劣化图像质量)表示的偏移值。在S4_t2时段中顺序地执行完全转移的情形中，式(1)的电荷QO被读出作为信 号，还可以获得偏移值(Δ Qvth+Δ QpotO)。通过读出该信号，可以消除由转移晶体管22的 阈值变化导致的固定模式噪音。(固定模式噪音的补偿)从图1所示的CMOS图像传感器10，作为信号读出电荷Qfgl (包括依赖于入射光量 的电荷(电荷量)Qil)。由中间转移导致的保留电荷Ql的平均值Qhadl是可以由中间电 压Vfgl控制的值，但是，由电势形状变化导致的电荷量的变化AQpotl作为像素的固定模 式噪音，劣化了图像质量。因此，通过获取补偿信号(补偿值)的方法获得式(3)中的电荷Ql。当执行式(5) 的将电荷Ql和电荷Qfgl加和的计算处理时，可以获得计算结果。Qfgl+Ql = Qil- (Qhadl+ Δ Qpotl)+Qhadl+ Δ Qpotl=Qi 1(5)由电势形状的变化导致的电荷量的变化AQpotl被消除，并且可以只获得依赖于 入射光量的电荷Qil。就是说，通过执行式(5)的加法处理，通过利用由上面的获取方法获得的补偿信 号，由光电二极管21的电势形状的变化导致的电荷量的变化AQpotl被消除，并且可以获 得指示入射光量的电荷Qil，结果，通过减小固定模式噪音可以改善成像画面的图像质量。如图33所示，式(5)的加法处理在提供于CMOS图像传感器10的后续阶段的数字处理电路50中执行。在此情形中，成像信号从CMOS图像传感器10以数字信号形式输出。 数字信号处理电路50例如包括帧存储器、通过上面的获取方法针对每一个像素获取的补 偿信号被按每一个像素存储在帧存储器中，并且通过使用存储在帧存储器中的补偿信号， 在常规成像时对于每一个像素执行式(5)的加法处理，来补偿光接收区域(光电二极管) 的电势形状的变化导致的固定模式噪音。对于补偿信号的获取，可以考虑如下的方法在制造阶段执行一次获取处理，并且 各个像素的补偿信号作为固定值存储在非易失性存储器中；当对系统加电时执行一次获取 处理，并且各个像素的补偿信号作为固定值存储在帧存储器中；每固定的时段(例如，数帧 或数十帧的时段)重复执行获取处理，并且在每一个时段，存储在帧存储器中补偿信号被 更新；按每一帧重复重复执行获取处理，并且存储在帧存储器中补偿信号被更新；以及一 些其它的方法。随着补偿信号的获取增加，可以获得如下优点由随时间的变化导致的固定 模式噪音可以被可靠地补偿。如上所述，在光电二极管21被充满电荷之后，多个中间电压(第二控制电压)被 顺序地施加到转移晶体管22的控制电极，并且部分转移被执行，由通过中间电压完成的转 移之一或者全部转移获得的信号电荷被读出，并且信号电荷被用作补偿项，用于消除(在 常规成像时通过向转移晶体管22的控制电极顺序地施加多个控制电压所获得的)图像的 固定模式噪音，结果，可以获得下面的操作和效果。即，在动态范围被扩宽时的高亮度下的 输出信号中，通过光电二极管21的电势形状的变化和光电二极管21的阈值变化中之一或 两者导致的图像的固定模式噪音可以被消除，因此，可以使得成像画面具有高的质量。在此实施例中，作为实例解释了如下的情形，其中，由上面的获取方法获得的补偿 信号被应用于成像信号，该成像信号通过向转移晶体管22的控制电极顺序地施加多个控 制电压而获得，但是，其不限于此应用。在上面解释的实施例和应用中，作为实例解释了其中本发明应用于CMOS图像传 感器的情形，但是，本发明不限于应用于CMOS图像传感器，并且涉及全体放大型固态成像 器件，此外，涉及来自光电元件的信号电荷的读出部件，因此，本发明还可以应用于由CCD 图像传感器代表的电荷转移型固态成像器件。在图34A和34B中示出了其中本发明应用于CXD图像传感器的实例。在C⑶图像 传感器中，在光电二极管(光接收区)31执行光电转换，并且存储在其中的信号电荷通过转 移栅(读出栅)32转移到垂直CCD (垂直转移区)33，按照由垂直CCD 33执行的垂直转移被 读出。在CXD图像传感器中，通过向转移栅32施加上述的控制电压Vtrg，可以控制将被转 移到垂直CCD 33的电子的数量。当入射光弱时(图34A)，因为已经被光电转换的电子的量小，所以即使在控制电 压Vtrg被施加到转移栅32时，光电二极管31中的存储电子难以超出转移栅32下的电势， 并且存储电子被保持在光电二极管31中。而当入射光强时(图34B)，因为已经被光电转换 的电子的量大，所以通过向转移栅32施加控制电压Vtrg，光电二极管31中的存储电子超出 转移栅32下的电势，并且被部分转移到垂直CXD 33。然后，通过以与CMOS图像传感器的情形中相同的控制时序施加控制电压Vtrg，以 与CMOS图像传感器相同的方式，可以在高亮度下按照中间转移执行信号获取，而在低亮度 下保持信号电荷。
[改进实例]在如上面所解释的实例中，对于像素阵列区域11中的所有像素20，向转移晶体管 22的控制电极顺序地供应多个控制电压，同时，由转移晶体管22转移的信号电荷被读出两 次或者更多次，然后，本发明不限于其中对所有像素20都执行上述的驱动操作的应用。下 面将解释其它的应用，作为改进实例1、2和3。[改进实例1]图35是本发明的改进实例1的示意图。在改进实例1中，在固态成像器件(其 中，彩色透射滤光器，诸如R(红色)、G (绿色)和B (蓝色)的原色滤光器或者Cy (青色)、 Mg(品红色)和Y(黄色)的补色滤光器被布置在像素上，以获取彩色图像)，像素36被局部 地布置，所示像素36没有彩色透射滤光器并且其灵敏度高于具有彩色透射滤光器的像素 35，而对于高灵敏度的像素36，多个控制电压被顺序地供应到转移晶体管的控制电极，并且 同时，通过转移晶体管转移的信号电荷被读出两次或者更多次。图36是示出了白炽灯光谱的实例的图线。一般来说，白炽灯包括大量的红外光和 和宽的波长带，如图36中的字符“W”所示，并且在透射通过蓝色、绿色和红色的彩色透射滤 光器之后其强度如字符“B”、“G”和“R”所示地衰减。没有彩色透射滤光器的光敏像素36 接收具有宽波长带的光，因此，它们的灵敏度比包括彩色透射滤光器的像素35高数倍。在其中存在包括彩色透射滤光器的低灵敏度像素35和不包括彩色透射滤光器的 高灵敏度像素36两者的固态成像器件中，对于高灵敏度像素36，向转移晶体管的控制电极 顺序地供应多个控制电压，同时，由转移晶体管转移的信号电荷被读出两次或者更多次，结 果，在包括彩色透射滤光器的像素35中维持高的S/N的同时，可以获取信号，即使是在高灵 敏度像素36中超过常规水平时。在不包括彩色透射滤光器的高灵敏度像素36中获取的信号具有清晰的边缘。因 此，作为实例，在不包括彩色透射滤光器的高灵敏度像素36中获取的信号被反映于在包括 彩色透射滤光器的低灵敏度像素35中获取的信号上，结果，可以获得具有清晰边缘的成像 画面。[改进实例2]图37是本发明的改进实例2的示意图。在同时存在包括彩色透射滤光器的低灵 敏度像素和不包括彩色透射滤光器的高灵敏度像素36这一点上，改进实例2类似于改进实 例1，但是，它们的不同点在于，在改进实例1中，高灵敏度像素36被局部地设置，而在改进 实例2中，高灵敏度像素36被以行为单位设置。在其中高灵敏度像素36被散布的改进实例1中，难以通过以行为单位进行选择扫 描来将低灵敏度像素35与高灵敏度像素36区分。然而，在其中高灵敏度像素36以行为单 位存在的改进实例2中，可以将低灵敏度像素35与高灵敏度像素36区分，以执行以行为单 位的选择性驱动。换句话说，高灵敏度像素36的行可以被单独地选择性驱动。为了单独地选择性驱动高灵敏度像素36的行，在图1中的垂直扫描电路12中，设 置了用于选择性扫描包括彩色透射滤光器的低灵敏度像素35的行的扫描系统和用于选择 性扫描不包括彩色透射滤光器的高灵敏度像素36的行的扫描系统，并且由各个扫描系统 独立地执行扫描。因此，在改进实例2中，可以单独地选择性地驱动高灵敏度像素36的行，因此，可以相对于高灵敏度像素36执行驱动操作，其中，多个控制电压被顺序地供应到转移晶体管 的控制电极，同时，由转移晶体管转移的信号电荷被以快速的操作速度读出两次或者更多 次。同时，可以以低速对低灵敏度像素35执行常规的读出操作，结果，与改进实例1(其中 高速操作以与高灵敏度像素36的相同方式同样对于低灵敏度像素35不可避免)，该实施例 具有如下优点，即，因为低灵敏度像素35可以以低速被驱动，所以可以减小功耗。[改进实例3]图38是本发明的改进实例3的示意图。在改进实例3中，例如，在改进实例2的 像素布置中，红外光削减滤光器37作为像素单元布置在除不包括彩色透射滤光器的高灵 敏度像素36以外的像素上，即布置在包括彩色透射滤光器的低灵敏度像素35上。为了在低灵敏度像素35上布置红外光削减滤光器37作为像素单元，例如，电介 质多层膜可以被叠放在低灵敏度像素35上。此外，可以从高灵敏度像素36去除一般布置 在成像器件的前面阶段中的红外削减滤光器，或者使用消除具有更长波长的红外光的滤光 器，结果，红外光削减滤光器37可以被布置在低灵敏度像素35上。因此，通过在低灵敏度像素35上布置红外光削减滤光器37，高灵敏度像素36也可 以接收红外光，这使得高灵敏度像素36可以更灵敏，因此，在高灵敏度像素36中可以获取 大于常规饱和水平的信号，而不会劣化包括彩色透射滤光器的低灵敏度像素35的信号。[适用实例]优选的是，根据上述实施例(包括改进实例1-3)的CMOS图像传感器被用作诸如 数字静态摄像机和视频摄像机的成像设备中的成像器件(图像输入器件)。成像设备指摄像机模块(例如，用于安装在诸如蜂窝电话的电子设备上)，和摄像 机模块被安装在其上的摄像机系统(诸如，数字静态摄像机和视频摄像机)，所示摄像机模 块包括作为成像器件的固态成像器件、将物体的图像光线聚焦在固体成像器件的成像表面 (光接收表面)上的光学系统以及固态成像器件的信号处理电路。图39是示出了根据本发明的一个实施例的成像设备的配置实例的方框图。如图 39所示，根据该实施例的成像设备包括包含透镜41的光学系统、成像器件42以及摄像机信 号处理电路43等。透镜41将来自物体的图像光线聚焦在成像器件42的成像表面上。成像器件42 输出图像信号，该图像信号通过在像素单元中将由透镜41聚焦在成像表面上的图像光线 转换成电子信号而获得。根据实施例的CMOS图像传感器10用作成像器件42。摄像机信号 处理单元43对从成像器件42输出的图像信号执行各种信号处理。如上所述，在成像设备(诸如视频摄像机、数字静态摄像机和用于诸如蜂窝电话 的移动设备的摄像机模块)中，通过使用根据实施例的CMOS图像传感器10作为成像器件 42，CMOS图像传感器10可以允许在低亮度下的线性和高S/N的信号获取而不缩窄常规的 饱和水平，同时，对于大于常规饱和水平的入射光，可以扩展动态范围同时也实现线性区域 中的良好S/N，结果，可以进一步提高成像画面的图像质量。根据本发明的实施例，在低亮度下，可以以线性和高S/N实现信号获取而不缩窄 常规的饱和水平，并且对于大于常规饱和水平的入射光，可以扩展动态范围同时也实现线 性区域中的良好S/N，因此，对于各种环境下外部光的变化，在低亮度场景中可以获取具有 高S/N的高质量图像，并且在高亮度场景中可以获取按线性响应的高质量的不及饱和的图CN 102143331 A
说明书
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像，此外，即使在其中同时存在低亮度和高亮度的高对比度场景中，也可以在高亮度区域中 避免饱和，同时在低亮度区域中维持高的S/N。本领域技术人员应该理解根据设计要求和其它因素可以进行各种修改、组合、子 组合和替换，只要其处于所附权利要求或者其等同物的范围。相关申请交叉引用本发明包含涉及2005年10月28日递交的日本专利申请JP 2005-313755和2006 年4月观日递交的日本专利申请JP 2006-124699的主题，这些日本申请的全部内容通过 引用被包含在本文中。
权利要求
1.一种固态成像器件，包括像素阵列区域，其中，单元像素以矩阵形式二维地布置在所述像素阵列区域中，所述单 元像素包括光电转换元件和转移栅，所述光电转换元件将光信号转换为信号电荷，所述转 移栅转移在所述光电转换元件中已经被光电转换的所述信号电荷；控制装置，用于执行信号电荷的读出的控制，所述信号电荷在多个电压中的之一或者 全部被施加时由所述转移栅转移而获得，其中所述多个电压在所述光电转换元件充满电子 或者空穴之后，被顺序地施加到所述转移栅的所述控制电极。
2.一种固态成像器件，包括像素阵列区域，其中，单元像素以矩阵形式二维地布置在所述像素阵列区域中，所述单 元像素包括光电转换元件和转移栅，所述光电转换元件将光信号转换为信号电荷，所述转 移栅转移在所述光电转换元件中已经被光电转换的所述信号电荷；供应电压控制单元，被配置用于将多个第一控制电压顺序地供应到所述转移栅的控制 电极；和驱动单元，被配置用于执行两次或者更多次读出在所述多个第一控制电压被顺序地施 加时由所述转移栅转移的信号电荷的驱动操作。
3.一种成像设备，包括固态成像器件，其中，单元像素以矩阵形式二维地布置在所述固态成像器件中，所述单 元像素包括光电转换元件和转移栅，所述光电转换元件将光信号转换为信号电荷，所述转 移栅转移在所述光电转换元件中已经被光电转换的所述信号电荷；光学系统，将光从物体引导到所述固态成像器件的成像表面；其中，所述固态成像器件包括供应电压控制单元，被配置用于将多个控制电压顺序地供应到所述转移栅的控制电 极；和驱动单元，被配置用于执行两次或者更多次读出在所述多个控制电压被顺序地施加时 由所述转移栅转移的信号电荷的驱动操作。
全文摘要
本发明涉及固态成像器件、驱动固态成像器件的方法和成像设备。提供一种固态成像器件，包括像素阵列区域，其中，单元像素以矩阵形式二维地布置在所述像素阵列区域中，所述单元像素包括光电转换元件和转移栅，所述光电转换元件将光信号转换为信号电荷，所述转移栅转移在所述光电转换元件中已经被光电转换的所述信号电荷；供应电压控制装置，用于将多个第一控制电压顺序地供应到所述转移栅的控制电极；和驱动装置，用于执行两次或者更多次读出在所述多个第一控制电压被顺序地施加时由所述转移栅转移的信号电荷的驱动操作。
文档编号H04N5/369GK102143331SQ201110079129
公开日2011年8月3日 申请日期2006年10月30日 优先权日2005年10月28日
发明者大池祐辅, 户田淳 申请人:索尼株式会社