固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法及电子设备的制作方法

固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法及电子设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法及电子设备。提供了一种包括像素阵列单元和驱动控制单元的固态图像传感器。在像素阵列单元内，每个像素包括：用于蓄积与接收的光量对应的光电荷的电荷蓄积单元、用于将光电荷转换成电信号的信号转换单元和用于通过驱动信号在导通状态和非导通状态之间进行切换的电荷传送单元，电荷传送单元被设置于电荷蓄积单元和信号转换单元之间。驱动控制单元通过驱动信号控制电荷传送单元的状态，并进行第一驱动控制，在第一驱动控制中，电荷传送单元在光电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元直到读出与传送的光电荷对应的第一信号时保持导通状态。
【专利说明】固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法及电子设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 该申请要求于2013年5月13日提交的日本在先专利申请第JP2013-100935号的 权益，其全部内容通过引用结合在本申请中。

【技术领域】
[0003] 本技术涉及固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法和电子设备，具体地涉 及是适合在转换效率改变时使用的固态图像传感器、驱动固态图像传感器的方法和电子设 备。
[0004] 在相关技术中，提出了通过控制CCD图像传感器中设置于浮动扩散和输出栅极之 间的控制栅极并改变浮动扩散的电容，来改变像素内累积的电荷转换成电压的效率（电 荷-电压转换效率）（例如：参见JP H5-95008A)。
[0005] 在相关技术中，还提出了通过预充电栅极将浮动扩散和扩散区域结合并改变浮动 扩散的电容来改变转换效率，扩散区域和预充电栅极设置在CCD图像传感器内的浮动扩散 和预充电漏极区域之间（例如：参见JP H5-251480A)。

【背景技术】
[0006] 但是，在JP H5-095008A和JP H5-251480A公开的技术中，需要额外添加栅极或扩 散区域，从而可能造成下面的问题：光接收部（光电二极管）的面积减少、制造步骤增多和 制造成本增加。
[0007] 因此，本技术可在不改变像素结构的情况下改变转换效率。
[0008] 根据本技术的第一实施例，提供了一种固态图像传感器，包括：布置有多个像素的 像素阵列单元，每个像素包括被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷的电荷蓄积单元； 被配置为将光电荷转换成电信号的信号转换单元和被配置为通过预定驱动信号能够在光 电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元的导通状态和停止光电荷从电荷蓄积单元传送 到信号转换单元的非导通状态之间进行切换的电荷传送单元，电荷传送单元被设置于电荷 蓄积单元和信号转换单元之间；固态图像传感器还包括被配置为通过驱动信号控制电荷传 送单元的状态并执行第一驱动控制的驱动控制单元，在第一驱动控制中，电荷传送单元在 自光电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元至读出与所传送的光电荷对应的第一信号 时保持导通状态。
[0009] 在光电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元和电荷传送单元然后被设定为非 导通状态之后，驱动控制单元可以通过控制向电荷传送单元提供驱动信号的时间，来在第 一驱动控制和读出第一信号的第二驱动控制之间进行切换。
[0010] 驱动控制单元可以根据接收的光量在第一驱动控制和第二驱动控制之间进行切 换。
[0011] 还可包括信号处理单元，所述信号处理单元被配置为基于第一信号和第二信号之 间的差异生成像素信号，其中在电荷传送单元被设定为非导通状态并且信号转换单元被重 置的状态下读出第二信号。
[0012] 在第一驱动控制时，信号处理单元可以通过从有效像素的像素信号减去像素阵列 单元内的光学黑像素的像素信号，来校正像素阵列单元内的有效像素的像素信号。
[0013] 在第一驱动控制时，信号处理单元以信号值相对于同等量的电信号变为相等的方 式，将第一信号和第二信号乘以不同的增益。
[0014] 根据本技术的第一实施例，提供了一种驱动固态图像传感器的方法，包括：通过固 态图像传感器进行驱动控制，在驱动控制中，电荷传送单元在光电荷从电荷蓄积单元传送 到信号转换单元至读出与所传送的光电荷对应的信号时保持导通状态，其中固态图像传感 器包括：设置有多个像素的像素阵列单元，每个像素包括用于蓄积与接收的光量对应的光 电荷的电荷蓄积单元、用于将光电荷转换成电信号的信号转换单元和用于通过预定驱动信 号能够在光电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元的导通状态和停止光电荷从电荷蓄 积单元传送到信号转换单元的非导通状态之间进行切换的电荷传送单元，电荷传送单元被 设置于电荷蓄积单元和信号转换单元之间。
[0015] 根据本技术的第二实施例，提供了一种包括固态图像传感器和用于对从像素输出 的像素信号进行信号处理的信号处理单元的电子设备，固态图像传感器包括：设置有多个 像素的像素阵列单元，每个像素包括用于蓄积与接收的光量对应的光电荷的电荷蓄积单 元，用于将光电荷转换成电信号的信号转换单元和用于能够通过预定驱动信号在光电荷从 电荷蓄积单元传送到信号转换单元的导通状态和停止光电荷从电荷蓄积单元传送到信号 转换单元的非导通状态之间进行切换的电荷传送单元，电荷传送单元被设置于电荷蓄积单 元和信号转换单元之间；固态图像传感器还包括用于通过驱动信号控制电荷传送单元的状 态并进行第一驱动控制的驱动控制单元，在第一驱动控制中，电荷传送单元在光电荷从电 荷蓄积单元传送到信号转换单元至读出与所传送的光电荷对应的第一信号时保持导通状 态。
[0016] 根据本技术的第一实施例，电荷传送单兀在光电荷从电荷蓄积单兀传送到信号转 换单元直到与传送的光电荷对应的信号被读出时保持导通状态。
[0017] 根据本技术的第二实施例，在光电荷从电荷蓄积单元传送到信号转换单元直到根 据与传送的光电荷对应的信号被读出时，电荷传送单元保持导通状态，并对从像素输出的 像素信号进行信号处理。
[0018] 根据本技术的第一和第二实施例中的任一个，可在不改变像素结构的情况下改变 转换效率。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1为示出了采用本技术的CMOS图像传感器的实施例的框图；
[0020] 图2为示出了单位像素的电路配置示例的电路图；
[0021] 图3为示出了单位像素的像素结构的示意图；
[0022] 图4为示出了高转换效率驱动时的时序图；
[0023] 图5为高转换效率驱动时的电势图；
[0024] 图6为低转换效率驱动时的时序图；
[0025] 图7为低转换效率驱动时的电势图；
[0026] 图8为描述了由D相和P相之间的转换效率差异产生的现象的示意图；
[0027] 图9为描述了减少D相和P相之间的转换效率差异的影响的方法的示意图；以及
[0028] 图10为摄影系统的配置示例的示图。

【具体实施方式】
[0029] 下文中，将参照附图对本技术的优选实施例进行详细描述。注意，在本说明书和附 图中，具有基本相同功能和结构的结构元件用相同的参考数字表示，省去了对这些结构元 件的重复说明。注意：以下面的顺序进行描述。
[0030] 1.实施例
[0031] 2.摄影系统的应用示例
[0032] 3.修改示例
[0033] 〈1.实施例〉
[0034] [1-1.基本系统配置]
[0035] 图1为示出了采用本技术的固态图像传感器的常规配置的系统配置示意图，例 如：CMOS图像传感器，其为X-Y地址类型的固态图像传感器的类型。这里，CMOS图像传感器 表示通过应用或部分使用CMOS工艺的图像传感器。
[0036] 根据该实施例的CMOS图像传感器10包括：像素阵列单元11，其形成在未示出的 半导体基板（芯片）上；以及外围电路单元，与像素阵列单元11集成在同一半导体基板上。 外围电路单元例如包括：垂直驱动单元12、列处理单元13、水平驱动单元14和系统控制器 15。
[0037] CMOS图像传感器10还包括：信号处理单元18和数据存储器19。信号处理单元18 和数据存储器19可与CMOS图像传感器10安装在同一基板上或可被设置于与上面形成有 CMOS图像传感器10的基板不同的另一基板上。此外，信号处理单元18和数据存储器19的 每次处理可通过设置在与上面形成有CMOS图像传感器10的基板不同的另一基板上的外部 信号处理单元（例如：数字信号处理器（DSP)电路或软件）进行。
[0038] 在像素阵列单元11内，单位像素（下文中，还简称为"像素"）以二维方式在行方 向和列方向上布置（换言之）为矩阵，每个单位像素包括光电转换单元，在光电转换单元中 生成并蓄积了与接收的光量对应的光电荷。这里，行方向是指像素行内的像素被设置的方 向（即，水平方向），列方向是指像素列内的像素被设置的方向（即，垂直方向）。此外，设置 在像素阵列单元11内的像素被分为有效像素和光学黑像素，有效像素位于外部光入射的 区域内，光学黑像素被设置于有效像素的区域之外，在光学黑像素中，没有外部光入射。注 意：稍后将对单位像素内的像素结构的特定电路配置和细节进行描述。
[0039] 在像素阵列单元11内，对于作为矩阵的像素布置，像素驱动线16沿着每个像素行 的行方向布线，垂直信号线17沿着每个像素列的列方向布线。当从像素读取信号时，每个 像素驱动线16传输用于驱动的驱动信号。尽管图1示出了一条布线作为像素驱动线16,但 是线的数量不限于一条。像素驱动线16的一端连接至与垂直驱动单元12的每行对应的输 出端。
[0040] 垂直驱动单元12包括：移位寄存器、地址解码器等，并同时或以行单元等驱动像 素阵列单元11内的所有像素。即，垂直驱动单元12形成驱动控制器，该驱动控制器与控制 垂直驱动单元12的系统控制器15 -起驱动像素阵列单元11内的每个像素。尽管这里省 略了垂直驱动单元12的具体配置的示意图，但是，通常来说，垂直驱动单元12包括两个扫 描系统：读取扫描系统和扫查扫描系统。
[0041] 读取扫描系统以行单元按照顺序选择性地扫描像素阵列单元11内的单位像素， 从而从单位像素读出信号。从单位像素读出的信号为模拟信号。扫查扫描系统对由读取扫 描系统读取扫描的要读取的行进行扫查扫描，从而比读取扫描先行快门速度的时间。
[0042] 通过扫查扫描系统的扫查扫描对要读取的行内的单位像素内的、光电转换单元不 需要的电荷进行扫查，以使得重置光电转换单元。此外，通过扫查扫描系统对不需要的电荷 进行扫查（通过重置），进行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作是指放弃光电荷转 换单元内的光电荷从而开始新的曝光（开始蓄积光电荷）的操作。
[0043] 在先前的读取操作或电子快门操作后，读取扫描系统通过读取操作所读出的信号 与接收的光量对应。此外，先前的读取操作的读取时间或电子快门操作的扫查时间到这次 读取操作的读取时间的时段为单位像素内的光电荷的曝光时段。
[0044] 自垂直驱动单元12选择性扫描的像素行内的每个单位像素输出的信号通过每个 像素列的每个垂直信号线17输入到列处理单元13。列处理单元13通过用于像素阵列单元 11内的每个像素列的垂直信号线17,对自所选行内的每个像素输出的信号进行信号处理， 并在信号处理后临时保存像素信号。
[0045] 具体来说，列处理单元13至少进行噪音去除处理（例如：相关双采样（⑶S)处理） 作为信号处理。通过列处理单元13进行的⑶S处理去除像素唯一的重置噪音或固定模式 噪音，例如：像素内的放大晶体管的阈值变化。代替噪音去除处理，列处理单元13例如可具 有模数（AD)转换功能，以将模拟像素信号转换成数字信号并输出数字信号。
[0046] 水平驱动单元14包括：移位寄存器、地址解码器等，并按照顺序选择列处理单元 13内与像素列对应的单位电路。通过水平驱动单元14进行选择性的扫描，按照顺序输出在 列处理单元13内的每个单位电路进行信号处理的像素信号。
[0047] 系统控制器15包括：时序生成器，其生成各种时序信号等，并基于时序生成器生 成的各种时序控制垂直驱动单元12、列处理单元13、水平驱动单元14等的驱动。
[0048] 信号处理单元18至少具有算术处理功能，并对自列处理单元13输出的像素信号 进行任何类型的信号处理，例如：算术处理。此外，列处理单元13和信号处理单元18整体 形成一个信号处理单元，其进行CMOS图像传感器的信号处理。
[0049] 在信号处理单元18进行信号处理之前，数据存储器19临时存储处理所需要的数 据。
[0050] [单位像素的配置示例]
[0051] 图2示出了被设置于图1的CMOS图像传感器10内的像素阵列单元11内的单位 像素100的电路配置的示例。
[0052] 单位像素100包括：例如作为光电转换元件的光电二极管111。此外，相对于一个 光电二极管111，单位像素100包括下面四个晶体管作为有源元件：传送晶体管112作为传 送元件（电荷传送单元）；重置晶体管113作为重置元件；放大晶体管114和选择晶体管 115。
[0053] 光电二极管111进行光电转换，在该光电转换中，入射光被转换成光电荷（这里为 电子），光电荷的量与接收的光量对应。
[0054] 传送晶体管112连接在光电二极管111和用作输出节点的浮动扩散FD之间。传 送晶体管112可利用通过传送控制线LTx施加给传送晶体管112的栅极（传送栅极）的驱 动信号TG，来在导通状态和非导通状态之间进行切换。导通状态是指通过光电二极管111 的光电转换获得的电子被传送到浮动扩散FD的状态，非导通状态是指停止电子从光电二 极管111传送到浮动扩散FD的状态。
[0055] 重置晶体管113连接在电源线LVDD和浮动扩散FD之间。重置晶体管113可利用 通过重置控制线LRST而提供给重置晶体管113的栅极的重置信号RST，来将浮动扩散FD的 电势重置为电源线LVDD的电势。
[0056] 浮动扩散FD与放大晶体管114的栅极连接。放大晶体管114通过选择晶体管115 与垂直信号线17连接，并在像素单元和源极跟随器外形成恒定电流源。
[0057] 此外，浮动扩散FD将通过传送晶体管112自光电二极管111传送的电子转换成电 信号。即，当控制信号（地址信号或选择信号）SEL通过选择控制线LSEL被提供给选择晶 体管115的栅极时，选择晶体管115被接通。当选择晶体管115被接通时，放大晶体管114 放大浮动扩散FD的电势，并将与该电势对应的电压输出到垂直信号线17。通过垂直信号线 17自每个像素输出的电压被输出到列处理单元13。
[0058] 对于一行的每个像素同时并行进行这些操作，这是因为传送晶体管112、重置晶体 管113和选择晶体管115的栅极例如连接成行单元。
[0059] 被布线至单位像素100的传送控制线LTx、重置控制线LRST和选择控制线LSET在 像素布置的行单元内被布线成一组。传送晶体管112、重置晶体管113和选择晶体管115通 过传送控制线LTx、重置控制线LRST和选择控制线LSET由用作像素驱动单元（图1)的垂 直驱动单元12驱动。
[0060] 图3为示出了单位像素100的像素结构的示意图。更具体来说，图3为示出了单 位像素100的四个像素的像素布局的平面样式示意图。此外，与图2的单元相同的这些单 元由相同的参考数字表示。
[0061] 注意：与图2的示例不同的是，图3示出了其中垂直方向上的两个光电二极管111 共用重置晶体管113、放大晶体管114、选择晶体管115和浮动扩散FD的示例。换言之，在 所示的示例中，在垂直方向上彼此相邻的两个单位像素共用浮动扩散FD、重置晶体管113、 放大晶体管114和选择晶体管115。
[0062] 注意：共用像素的技术不限于该示例，还可采用给出的技术。此外，不是必须共用 像素。
[0063] 为了便于理解，在图3中，省略了诸如电源、接地、信号线等的布线。
[0064] 光电二极管111a?llld被设置为格子状。具体来说，光电二极管111a和111b 以由元件分离单元形成的预定间隔设置在垂直方向上。同样，光电二极管111c和llld以 由元件分离单元形成的预定间隔设置在垂直方向上。此外，光电二极管111a和111c在水 平方向被布置为彼此相邻。同样，光电二极管111b和llld在水平方向上被布置为彼此相 邻。
[0065] 此外，根据拜耳阵列，相对于光电二极管111设置未不出的滤光片。例如：为光电 二极管111b和光电二极管llld设置绿色滤光片，为光电二极管111b设置红色滤光片，为 光电二极管111c设置蓝色滤光片。
[0066] 浮动扩散FDa被设置于光电二极管111a和光电二极管111b之间。此外，传送晶 体管112a和传送晶体管112b分别被设置于光电晶体管111a和浮动扩散Fda之间（被设 置于交界的部分）以及光电晶体管111b和浮动扩散FDa之间（被设置于交界的部分）。
[0067] 浮动扩散FDb被设置于光电二极管111c和光电二极管llld之间。此外，传送晶 体管112c和112d分别被设置于光电晶体管111c和浮动扩散FDb之间（被设置于交界的 部分）以及光电晶体管llld和浮动扩散FDb之间（被设置于交界的部分）。
[0068] 接触部116被设置于浮动扩散FDa和浮动扩散FDb之间。光电二极管111a?llld、 浮动扩散FDa和FDb以及接触部116以由元件分离单元形成的预定间隔设置。接触部116 例如接地，并向像素内的阱区提供地电势。
[0069] 在光电二极管111b的与设置有传送晶体管112b的侧相对的一侧，重置晶体管 113a、放大晶体管114a和选择晶体管115a以由元件分离单元形成的预定间隔设置在水平 方向上。同样，在光电二极管llld的与设置有传送晶体管112d的侧相对的一侧，重置晶体 管113b、放大晶体管114b和选择晶体管115b以由元件分离单元形成的预定间隔设置在水 平方向上。
[0070] 下文中，在无需单独区分光电二极管111a?llld的情况下，光电二极管111a? llld中的每个被简称为光电二极管111。在无需单独区分传送晶体管112a和112b的情况 下，传送晶体管112a和112b中的每个被简称为传送晶体管112。在无需单独区分重置晶 体管113a和113b的情况下，重置晶体管113a和113b中的每个被简称为重置晶体管113。 在无需单独区分放大晶体管114a和114b的情况下，放大晶体管114a和114b中的每个被 简称为放大晶体管114。在无需单独区分选择晶体管115a和115b的情况下，选择晶体管 115a和115b中的每个被简称为选择晶体管115。在无需单独区分浮动扩散FDa和FDb的 情况下，浮动扩散FDa和FDb中的每个被简称为浮动扩散FD。
[0071] [读出单位像素100内的信号时的驱动方法]
[0072] 接下来，将参照图4到图7对读出单位像素100内的信号时的驱动方法进行描述。
[0073] 在CMOS图像传感器10内，通过包括高转换效率驱动和低转换效率驱动的两种驱 动方法，可通过切换转换效率读出单位像素100内的像素信号。
[0074] 这里，转换效率（电荷-电压转换效率）是指电势相对于浮动扩散FD内蓄积的电 荷的变化度（实际上是垂直信号线17上的电压的变化度，其为源极跟随器的输出）。
[0075] 由于转换效率与浮动扩散FD的容量成反比，所以可通过控制浮动扩散FD的容量 来控制转换效率。浮动扩散FD的容量包括浮动扩散FD内扩散层的容量（扩散容量）、浮动 扩散FD的布线和另一布线之间的布线容量、浮动扩散FD的布线和基板之间的容量以及放 大晶体管114的栅极端或栅极下方的容量。注意：在CMOS图像传感器10内，通过控制浮动 扩散FD的扩散容量来控制转换效率。
[0076] 首先，将参照图4和图5对CMOS图像传感器的高转换效率驱动时的驱动方法进行 描述。具体来说，在高转换效率驱动时，将对在将图3的光电二极管111c内蓄积的电子（光 电荷）传送到浮动扩散FDb以读出像素信号的情况下的过程进行描述。
[0077] 注意：图4示出了垂直信号线17内的电压VSL、重置信号RST和驱动信号TG的时 序图。图5为在图4的时间td时图3的A-A'部分之间在垂直方向上的一维电势图。注意： 图5的横轴表示A-A'部分内的位置，图5的纵轴表示垂直方向上的电势。此外，在图5中， 光电二极管111c、传送晶体管112c和浮动扩散FDb分别被示出为H)、TG和FD。
[0078] 在图4的过程开始前，将控制信号SEL提供给选择晶体管115b的栅极（接通控制 信号SEL)，然后选择晶体管115b被接通。即，放大晶体管114b放大浮动扩散FDb的电势， 并且与电势对应的电压被输出到垂直信号线17。
[0079] 首先，在时间tl到t2的时段，将重置信号RST提供给重置晶体管113b的栅极（接 通重置信号RST)。这样，浮动扩散FDb的电势被重置为电源线LVDD的电势，电压VSL变成 重置水平。
[0080] 然后，在时间t2和t3之间的时间tp，重置水平（P相）的电压VLS被箝位并被读 出作为P相的信号（下文简称重置水平信号）。
[0081] 接着，在时间t3,将驱动信号TG提供给传送晶体管112c的栅极（驱动信号TS被 设置为高水平（接通）），传送晶体管112c被接通。这样，光电二极管111c内蓄积的电子通 过传送晶体管112c被传送到浮动扩散FDb。因此，浮动扩散FDb的电势变成与所传送的电 子量对应的电势，与电势对应的电压VSL被输出到垂直信号线17。
[0082] 在时间t4,停止提供驱动信号TG (驱动信号TG被设置为低水平（断开）），传送晶 体管112c被断开而处于非导通状态。
[0083] 随后，在时间td，在传送晶体管112c被断开的状态下，数据水平（D相）的电压VSL 被箝位，并被读出作为D相的信号（下文简称数据信号）。
[0084] 这里，由于传送晶体管112c为断开状态，如图5所示，在传送晶体管112c的区域 内形成势垒，在浮动扩散FDb和光电二极管111c之间形成非导通状态。
[0085] 此外，列处理单元13基于数据信号和重置水平信号之间的差异通过⑶S处理生成 像素信号，并将像素信号输出到信号处理单元18。
[0086] 接下来，将参照图6和图7对CMOS图像传感器10的低转换效率驱动时的驱动方 法进行描述。注意：图6示出了与图4类似的时序图，与图4中时间对应的时间用相同的参 考数字表示。此外，与图5 -样，图7示出了在图6的时间td时图3的A-A'部分在垂直方 向上的一维电势图。
[0087] 在时间tl到t3的时段，进行与高转换效率驱动时的操作类似的操作。
[0088] 此外，继续提供驱动信号TG，传送晶体管112c被接通。在保持导通状态时，在时间 td箝位数据水平（D相）的电压VSL，并读出数据信号。
[0089] 此时，由于传送晶体管112c处于接通状态，如图7所示，在浮动扩散FDb和光电二 极管111c之间形成导通状态。这样，浮动扩散FDb的区域被增加到传送晶体管112c的区 域。因此，与高转换效率驱动时相比，浮动扩散FDb的体积和扩散容量增加。由于浮动扩散 FDb的扩散容量增加，转换效率变得比高转换效率驱动的情况低。
[0090] 之后，在时间t4'，停止提供驱动信号TG (驱动信号TG被设置为低水平（断开））， 并且传送晶体管112c被断开。
[0091] 列处理单元13基于数据信号和重置水平信号之间的差异通过⑶S处理生成像素 信号，并将像素信号输出到信号处理单元18。
[0092] 以这种方式，在不改变CMOS图像传感器10的像素结构的情况下，通过控制向传送 晶体管112c提供驱动信号TG的定时，可改变转换效率。这样，例如根据拍摄物体或拍摄条 件可切换转换效率，这样可以进行适合拍摄物体或拍摄条件的摄影。
[0093] 例如：首先，在操作被设置成以高转换效率驱动正常进行的情况下，并且当亮度高 (接收的光量大）时，可将驱动切换到低转换效率驱动，并增加动态范围，从而通过低ISO感 光度进行高质量摄影。其次，在操作被设置成通过低转换效率驱动正常进行的情况下，并且 当亮度低（接收的光量小）时，通过将驱动切换到高转换效率驱动，可增加 S/N比，并通过 高ISO感光度进行高质量摄影。
[0094] [应对D相和P相之间的转换效率差异的措施]
[0095] 在低转换效率驱动时，传送晶体管112被接通以读出D相的数据信号，而传送晶体 管112被断开以读出P相的重置水平信号。因此，P相的转换效率高于D相的转换效率，并 产生下列现象。
[0096] 图8示出了在低转换效率驱动时垂直信号线17的电压VSL的理想变化和实际变 化。图8的实线表示电压VSL的理想变化，即在假设D相的转换效率与P相的转换效率相 同的情况下的变化。相反，图8的虚线表示电压VSL的实际变化，即在P相的转换效率高于 D相的转换效率的情况下的变化。注意：为了便于理解，在图8中放大了理想电压VSL和实 际电压VSL之间的差异。
[0097] 如上所述，通过⑶S处理，基于数据信号和重置信号之间的差异生成像素信号，这 里，像素信号的理想值为图8的值Sa。但是，由于P相的转换效率高于D相的转换效率，箝 位时P相的电压变得高于理想值。因此，像素信号的实际值变成图8中的值Sb，并且信号值 比理想值低AS。
[0098] 注意：例如假设在增益被设定成低以对明亮物体进行拍摄的状态下使用低转换效 率驱动。因此，减少的值AS变成甚至比信号值Sb还低的值，而且图像质量可能不会受到 太大影响。
[0099] 此外，例如可采用下面两种措施来减少D相和P相之间的转换效率差异对图像质 量的影响。
[0100] 第一种措施是通过使用光学黑（0ΡΒ)像素进行黑度校正。在低转换效率驱动时， 在0ΡΒ像素内，与有效像素一样，D相和P相之间的转换效率不同。因此，如图9所示，尽管 D相和P相的浮动扩散FD的电势基本相同，但由于转换效率的变化，电压VSL不同。此外， 通过从D相的数据信号减去P相的重置水平信号获得的像素信号Sc的值变成负值，绝对值 变为基本上等于有效像素的像素信号的上述减少的值AS。
[0101] 因此，例如，在列处理单元13或信号处理单元18内，通过从⑶S处理后的有效像 素的像素信号减去CDS处理后的0ΡΒ像素的像素信号的值，可抵消D相和P相之间的转换 效率的差异，并可校正减少的值AS。
[0102] 注意：例如可使用在超高速闪光时的有效像素的像素信号或完全遮光状态下的有 效像素的像素信号，来代替0ΡΒ像素的像素信号。
[0103] 第二种措施是通过根据转换效率的变化度将D相的数据信号和P相的重置信号乘 以不同模拟增益，来在转换成数字信号时使D相的转换效率基本上等于P相的转换效率。 艮P，使关于重置水平信号的模拟增益低于关于数据水平信号的模拟增益，以使得在乘以模 拟增益后获得的数据信号和重置水平信号的信号值相对于相同的电荷量变成基本上相等。
[0104] 注意：在转换成数字信号后进行CDS处理的情况下，转换成数字信号的数据信号 和重置水平信号可乘以不同的增益。
[0105] 可替换地，数据信号或重置水平信号可乘以增益，以使得D相的转换效率基本上 等于P相的转换效率。
[0106] 〈2.摄影系统的应用示例〉
[0107] 图10示出了根据本技术的实施例的固态图像传感器所应用于的摄影系统的配置 示例。
[0108] 如图10所示，摄影系统300包括：应用了 CMOS图像传感器10的成像设备311。
[0109] 摄影系统300包括：例如通过吸收入射光（图像光）在成像面上形成图像的镜头 312作为光学系统，其中光学系统将入射光导向至成像设备311的像素区域上（形成拍摄物 体的图像）。
[0110] 此外，摄影系统300包括驱动成像设备311驱动电路（DRV)313以及信号处理电路 (PRC)314,信号处理电路处理成像设备311的输出信号。
[0111] 驱动电路313包括：时序生成器（未示出），用于生成包括开始脉冲和时钟脉冲的 各种时序信号，各种时序信号驱动成像设备311内的电路，驱动电路313通过预定时序信号 驱动成像设备311。
[0112] 信号处理电路314对来自成像设备311的输出信号进行预定信号处理。
[0113] 被信号处理电路314进行处理的图像信号记录在记录介质（例如：存储器）上。记 录在记录介质上的图像信息通过打印机等被打印成复印件。此外，被信号处理电路314进 行处理的图像信号作为移动图像显示在包括液晶显示器等的显示器上。
[0114] 如上所述，与成像设备311 -样，通过在成像设备（例如：数码静态摄像机）上包 含上述CMOS图像传感器10,能够实现高精度摄影机。
[0115] 〈3.修改例〉
[0116] 本技术可应用于具有与其中蓄积在上述光电二极管内的光电荷被直接传送至浮 动扩散的构造不同的构造的固态图像传感器。例如：本技术还可应用于具有以下构造的固 态图像传感器，即，在光电二极管和浮动扩散之间设置给定数量（1个或多个）的电荷蓄积 单元，并且在蓄积在光电二极管内的光电荷传送给电荷蓄积单元后，光电荷通过传送晶体 管从电荷蓄积单元传送到浮动扩散。即，在这种情况下，通过利用上述任意方法驱动电荷蓄 积单元和浮动扩散之间的传送晶体管，能够在高转换效率驱动和低转换效率驱动之间进行 切换。
[0117] 可基于接收的光量通过设置或自动地进行高转换效率驱动和低转换效率驱动之 间的切换。在自动切换的情况下，例如当接收的光量大于预定阈值时，设定低转换效率驱 动；当接收的光量小于预定阈值时，设定高转换效率驱动。此外，在自动切换的情况下，固态 图像传感器可以基于固态图像传感器内部检测到的接收的光量或基于在固态图像传感器 外部检测到的接收光量所提供的控制信号等，来进行切换。
[0118] 尽管在上述描述中，将本技术应用于CMOS图像传感器的情况作为示例，但是本技 术并不限于应用于CMOS图像传感器。即，本技术可应用于具有光电荷通过包括传送晶体管 等的电荷传送单元从电荷蓄积单元传送到浮动扩散并且读出与浮动扩散内蓄积的光电荷 对应的信号的构造的常规固态图像传感器。
[0119] 此外，本技术可应用于不进行⑶S处理的固态图像传感器。本技术可应用于采用 数据信号和重置信号之间差异的方案的固态图像传感器，该方案不同于CDS，例如双数据采 样（DDS)方案。
[0120] 本技术例如还可应用于只进行低转换效率驱动的固态图像传感器。
[0121] 本技术还可应用于对红外线、X射线、粒子等的入射量的分布图像进行成像的常规 固态图像传感器，而并不限于应用于通过检测可见光的入射光量分布对图像进行成像的固 态图像传感器。
[0122] 注意：固态图像传感器可被形成为一个芯片或可以是具有通过将成像单元和信号 处理单元或光学系统封装一起所获得的成像功能的模块形式。
[0123] 此外，上述电路的每个开关通过多种晶体管的任意一种形成，例如：M0SFET。
[0124] 本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组 合、子组合以及替换，只要在附属权利要求或其等同物的范围内即可。
[0125] 另外，本技术还可被构造为如下：
[0126] (1) 一种固态图像传感器，包括：
[0127] -种固态图像传感器，包括：
[0128] 像素阵列单元，所述像素阵列单元中设置有多个像素，每个所述像素包括：
[0129] 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷，
[0130] 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号，
[0131] 以及
[0132] 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单 元传送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所 述信号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单 元和所述信号转换单元之间；和
[0133] 驱动控制单元，被配置为利用所述驱动信号控制所述电荷传送单元的状态并进行 第一驱动控制，在所述第一驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向信 号转换单元传送所述光电荷直至读出与传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所述导 通状态。
[0134] (2)根据（1)的固态图像传感器，其中，在所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到 所述信号转换单元和然后所述电荷传送单元被设定成所述非导通状态之后，所述驱动控制 单元通过控制所述驱动信号被提供给所述电荷传送单元的时间在所述第一驱动控制和读 出所述第一信号的第二驱动控制之间进行切换。
[0135] (3)根据（2)的固态图像传感器，其中，所述驱动控制单元根据接收的光量在所述 第一驱动控制和所述第二驱动控制之间进行切换。
[0136] (4)根据⑴到（3)任一项的固态图像传感器，还包括：
[0137] 信号处理单元，被配置为基于所述第一信号和第二信号之间的差异生成像素信 号，在所述电荷传送单元被设定成所述非导通状态并且所述信号转换单元重置的状态下读 出所述第二信号。
[0138] (5)根据（4)的固态图像传感器，其中，在所述第一驱动控制时，所述信号处理单 元通过从所述像素阵列单元内的有效像素的像素信号减去所述像素阵列单元内的光学黑 像素的像素信号，来校正所述有效像素的像素信号。
[0139] (6)根据（4)的固态图像传感器，其中，在所述第一驱动控制时，所述信号处理单 元以信号值相对于同等量的电荷变得相等的方式将所述第一信号和所述第二信号乘以不 同的增益。
[0140] (7) -种驱动固态图像传感器的方法，包括：
[0141] 通过固态图像传感器进行驱动控制，所述固态图像传感器包括：
[0142] 像素阵列单元，所述像素阵列单元中设置有多个像素，每个所述像素包括：
[0143] 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷，
[0144] 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号，以及
[0145] 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单 元传送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所 述信号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单 元和所述信号转换单元之间；和
[0146] 在所述驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向所述信号转换 单元传送所述光电荷直到读出与所传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所述导通状 态。
[0147] (8) -种电子设备，包括：
[0148] 固态图像传感器，包括：
[0149] 设置有多个像素的像素阵列单元，每个所述像素包括：
[0150] 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷，
[0151] 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号，以及
[0152] 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单 元传送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所 述信号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单 元和所述信号转换单元之间；以及
[0153] 驱动控制单元，被配置为利用所述驱动信号控制所述电荷传送单元的状态并进行 第一驱动控制，在所述第一驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向所 述信号转换单元传送所述光电荷直到读出与传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所 述导通状态；以及
[0154] 信号处理单元，被配置为对从所述像素输出的像素信号进行信号处理。
【权利要求】
1. 一种固态图像传感器，包括： 像素阵列单元，所述像素阵列单元中设置有多个像素，每个所述像素包括： 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷， 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号，以及 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单元传 送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所述信 号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单元和 所述信号转换单元之间；和 驱动控制单元，被配置为利用所述驱动信号控制所述电荷传送单元的状态并进行第一 驱动控制，在所述第一驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向所述信 号转换单元传送所述光电荷直至读出与传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所述导 通状态。
2. 根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中，在所述光电荷从所述电荷蓄积单元 传送到所述信号转换单元和然后所述电荷传送单元被设定成所述非导通状态之后，所述驱 动控制单元通过控制所述驱动信号被提供给所述电荷传送单元的时间在所述第一驱动控 制和读出所述第一信号的第二驱动控制之间进行切换。
3. 根据权利要求2所述的固态图像传感器，其中，所述驱动控制单元根据接收的光量 在所述第一驱动控制和所述第二驱动控制之间进行切换。
4. 根据权利要求1所述的固态图像传感器，还包括： 信号处理单元，被配置为基于所述第一信号和第二信号之间的差异生成像素信号，在 所述电荷传送单元被设定成所述非导通状态并且所述信号转换单元重置的状态下读出所 述第二信号。
5. 根据权利要求4所述的固态图像传感器，其中，在所述第一驱动控制时，所述信号处 理单元通过从所述像素阵列单元内的有效像素的像素信号减去所述像素阵列单元内的光 学黑像素的像素信号，来校正所述有效像素的像素信号。
6. 根据权利要求4所述的固态图像传感器，其中，在所述第一驱动控制时，所述信号处 理单元以信号值相对于同等量的电荷变得相等的方式将所述第一信号和所述第二信号乘 以不同的增益。
7. -种驱动固态图像传感器的方法，包括： 通过固态图像传感器进行驱动控制，所述固态图像传感器包括： 像素阵列单元，所述像素阵列单元中设置有多个像素，每个所述像素包括： 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷； 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号；以及 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单元传 送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所述信 号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单元和 所述信号转换单元之间， 在所述驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向所述信号转换单元 传送所述光电荷直到读出与所传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所述导通状态。
8. -种电子设备，包括： 固态图像传感器，包括： 设置有多个像素的像素阵列单元，每个所述像素包括： 电荷蓄积单元，被配置为蓄积与接收的光量对应的光电荷， 信号转换单元，被配置为将所述光电荷转换成电信号，以及 电荷传送单元，被配置为能够利用预定驱动信号在所述光电荷从所述电荷蓄积单元传 送到所述信号转换单元的导通状态和停止所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到所述信 号转换单元的非导通状态之间进行切换，所述电荷传送单元被设置于所述电荷蓄积单元和 所述信号转换单元之间；以及 驱动控制单元，被配置为利用所述驱动信号控制所述电荷传送单元的状态并进行第一 驱动控制，在所述第一驱动控制中，所述电荷传送单元在自从所述电荷蓄积单元向所述信 号转换单元传送所述光电荷直到读出与传送的所述光电荷对应的第一信号时保持所述导 通状态；以及 信号处理单元，被配置为对从所述像素输出的像素信号进行信号处理。
9. 根据权利要求8所述的电子设备，其中，在所述光电荷从所述电荷蓄积单元传送到 所述信号转换单元和然后所述电荷传送单元被设定成所述非导通状态之后，所述驱动控制 单元通过控制所述驱动信号被提供给所述电荷传送单元的时间在所述第一驱动控制和读 出所述第一信号的第二驱动控制之间进行切换。
【文档编号】H04N5/369GK104159050SQ201410189067
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】石井俊辅 申请人:索尼公司