CN100527791C - 固态成像装置以及照相机系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种固态成像装置,所述固态成像装置在不要求经由复位晶体管对浮动节点电容充电的情况下,能够使未被选择的行的噪声变小;能够在明亮的场景中抑制垂直条的出现,能够防止漏极线路的驱动器尺寸的增加;以及能够确保高速操作。还提供了和一种使用所述固态成像装置作为成像装置的照相机系统。MOS类型固态成像装置包括以矩阵排列的单元像素(10),并且每个单元像素具有:光电二极管(11);传送晶体管(12),用于将所述光电二极管(11)的信号传送到浮动节点(N11);放大器晶体管(13),用于将所述浮动节点(N11)的信号输出到垂直信号线(22);以及复位晶体管(14),用于复位所述浮动节点(N11)。所述复位晶体管(14)具有由以下三个值控制的栅极电压:电源电位(例如3伏)、地电位(0V)、以及负电源电位(例如-1V)的三个值来控制所述复位晶体管14的栅极电压。

Description

固态成像装置以及照相机系统
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置以及一种照相机系统,更特别地,本发明涉及一种诸如MOS类型的固态成像装置的X-Y地址类型的固态成像装置,以及一种使用其作为成像装置的照相机系统。
背景技术
作为一种X-Y地址类型的固态成像装置,例如一种MOS类型的固态成像装置,众所周知其是由三个晶体管组成的单元像素并且具有很多以矩阵形式排列的此类单元像素配置的。
在图1中说明了在这种情况中单元像素的配置。从图中显而易见,单元像素100具有:光电二极管(PD)101;传送晶体管102;放大器晶体管103;以及复位晶体管104。
在采用了上述像素配置的MOS类型固态成像装置中,在行未被选择期间,经由复位晶体管104来自于漏极线105的浮动节点N101的电位将被减小到低电平(在下文中描述为“L电平”)。当行被选择时,将执行将浮动节点N101的电位升高到高电平(在下文中描述为“H电平”)的操作。
在这样一个MOS类型固态成像装置中,作为复位晶体管104,使用凹陷类型晶体管(depression type transistor)。采用这种晶体管是为了当复位晶体管104开启(ON)时,使作为像素部件的电源供应的漏极电压与浮动节点N101的电位没有变化地相匹配。
因此,当复位晶体管104开启时浮动节点电位与漏极线的电位相匹配。特别地,作为漏极线的电位电平,例如在专利文件1中所描述的,H电平是电源电位VDD,以及L电平成为0.4V到0.7V(L电平也可能是0V)。
这里,考虑已选择的行和未被选择的行的浮动节点电位。
首先,考虑已选择的行的操作。
在将漏极线设定在H电平后,复位晶体管以及传送晶体管将顺序关闭(OFF)→开启(ON)→关闭并且输出复位节拍电位和数据节拍电位。经由相关的二次采样(CDS)电路作为光信号而输出这些信号的差值。
在获取数据节拍电位的时候,当将光电二极管的电荷传送到浮动节点时,浮动节点电位将被降低。
接下来,考虑未被选择的行。
复位晶体管和传送晶体管都将维持在原来的关闭状态。漏极线仅重复高电平和低电平的值。
专利文件1:日本专利刊物NO.2002-51263
发明内容
本发明所解决的问题
然而,在过去的MOS类型固态成像装置中,由于所述复位晶体管采用了凹陷结构,即使当复位晶体管是在关闭状态(未被选择的行)时,漏电流也可以造成所述浮动节点电位的上升(当门限电压Vth是-1V时,所述浮动节点电位大约是1V)。
另外一方面,在已选择的行中,所述数据节拍的浮动节点电位与所述复位节拍的浮动节点电位的电位相比而变低。当光量特别大时,所述电压剧烈的变化(下降),以及来自于在未被选择的行中的电位差变小。
结果,相对于未被选择的行,将读取所述来自于已选择行的被设定在高电位的电位信号,但是这个电位差变得不清楚。因此,存在以下问题:来自未被选择行的噪声变大,并且因此在明亮的场景中出现垂直竖条。
此外,类似地,由于所述复位晶体管采用了凹陷结构,来自于经由所述复位晶体管的漏极互连的驱动电路的所述浮动节点的电容元件的影响将可见。当将所述漏极互连共同接到所有像素时,不仅所有像素的所述漏极互连的电容必须充电,而且经由所述复位晶体管的所述浮动节点电容也必须充电,因此由所述漏极线的驱动器尺寸的观点以及由所述高速特性的观点会产生问题。
本发明的目标是提供一种固态成像装置和一种使用所述成像装置的照相机系统。其中所述固态成像装置能够:使未被选择的行的噪声变小;能够在明亮的场景中抑制垂直条的出现,而不要求经由复位晶体管对包括浮动节点电容的充电;能够防止漏极线路的驱动器尺寸的增加;以及能够确保高速操作。
实现目标的手段
为了实现以上目标,本发明的第一个方面是一种具有在成像区域内形成的多个单元像素的固态成像装置,其中,每一个单元像素具有:光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;以及复位晶体管,用于复位所述浮动节点,提供到所述复位晶体管的栅极的多个电位中的至少一个为负电位。
本发明的第二个方面是一种具有在成像区域内形成的多个单元像素的固态成像装置,其中,所述单元像素具有:光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;复位晶体管,用于复位所述浮动节点;以及能够向所述复位晶体管的栅极提供三种或更多的电位类型的部件。
优选地,在所述向复位晶体管的栅极提供的至少三种或更多的电位类型中的至少一种电位类型的电压是负电位。
优选地,允许由所述装置具有在从正的高电平电源电位而通过地电平电源电位后,能够设定当所述复位晶体管从开启状态变为关闭状态时栅极电位为负的电源电位的部件。
此外,优选地,在采样和保持预充电节拍和数据节拍的时序中,将所述复位晶体管的栅极电位设定为地电位。
此外,优选地,在所述已选择像素的复位晶体管的栅极电位设定在地电位期间,所述未选择像素的复位晶体管的栅极电位是负电位。
优选地,允许用于处理经由所述信号线输出的信号的芯片。
根据本发明的第三个方面是一种有一个具有单元像素的固态成像装置的照相机系统,所述单元像素具有:光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;以及复位晶体管,用于复位所述浮动节点,提供到所述复位晶体管的栅极的多个电位中的至少一个为负电位;光学系统,用于将入射光引导到所述固态成像装置的成像部件;以及信号处理电路,用于处理所述固态成像装置的输出信号。
根据本发明的第四个方面是一种具有单元像素的固态成像装置的照相机系统,具有:光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;复位晶体管,用于复位所述浮动节点;以及能够向所述复位晶体管的栅极提供三种或更多的电位类型的部件;光学系统,用于将入射光引导到所述固态成像装置的成像部件;以及信号处理电路,用于处理所述固态成像装置的输出信号。
根据本发明,在未选择的时候将负电位施加到所述复位晶体管的栅极。由于这个原因,所述公共漏极的电源供应的增加时间不再受经由所述凹陷类型复位晶体管的所述浮动节点电容的影响。
此外,根据本发明,通过电源电位、地电位以及负电源电位的三个值来控制所述复位晶体管的栅极电压。
例如,当所述复位晶体管开启→关闭时,将所述栅极的电压从所述电源电位保持在所述地电位一次,所述地电位被充电/放电一次,然后将所述电位设定在所述负电原电位,而不是直接将所述栅极电位由所述电源电位变换为所述负电源电位。
本发明的效果
根据本发明,能够使未被选择的行的噪声变小,以及在明亮场景中抑制垂直条的出现。
此外,本发明的优点是不再需要经由所述复位晶体管也包括所述浮动节点电容的充电;能防止所述漏极线的驱动器尺寸的增加;以及确保高速操作。
附图说明
图1是说明现有技术问题的单元像素的配置的视图。
图2是说明根据本发明实施例的例如MOS类型固态成像装置的配置例子的电路图。
图3是说明在由VRST+(正侧)的复位晶体管的栅极电压操作情况下的、在已选择的行以及未被选择的行中复位晶体管的栅极电位和传送晶体管的栅极电位;公共漏极电源电位;以及浮动节点电位的图。
图4是说明在由VRST+(正侧)以及VRST-(负侧)的两个值的复位晶体管的栅极电压操作情况下的、在已选择的行以及未被选择的行中复位晶体管的栅极电位和传送晶体管的栅极电位;公共漏极电源电位;以及浮动节点电位的图。
图5是说明由三个值驱动复位晶体管的栅极电压的方法的图。
图6是说明由三个值驱动复位晶体管的栅极电压的方法以及当利用负电位将预充电节拍和数据节拍的采样和保持设定在地电位的方法的图。
图7是说明组合当关闭复位晶体管时经过地电平将复位晶体管的电位设定在负电位的方法和将采样和保持的时序设定在地电平的方法的方法的图。
图8是说明根据本发明的照相机系统配置的例子的方框图。
附图标记说明
10  单元像素             11  光电二极管            12  传送晶体管
13   放大器晶体管        14  复位晶体管            22  垂直信号线
23  漏极线               24  复位线                25  V移位寄存器
26  P类型MOS晶体管      31  取样以及保持/CDS电路
32  水平信号线           34  H移位寄存器
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述本发明实施例。
图2是显示根据本发明实施例的例如MOS类型固态成像装置的配置的例子的电路图。需要指出的是,在MOS类型固态成像装置中,以矩阵排列大量单元像素,但是这里为了简化附图,画出了由两行和两列构成的像素排列。
在图2中,单元像素10有一个具有三个N类型MOS晶体管的三晶体管的配置,除了例如形成光电转换器的光电二极管11之外,三个晶体管包括:传送晶体管12;放大器晶体管13;以及复位晶体管14。
在这种像素结构中,光电二极管11将入射光转换为具有根据光量的电荷的信号电荷(例如电子),并且存储电荷。
传送晶体管12将光电二极管11的负极与浮动节点N11之间进行连接,将它的栅极与垂直选择线21相连,以及具有通过传导(ON)将存储在光电二极管11中的信号电荷传送到浮动节点N11的功能。
放大器晶体管13在垂直信号线22和电源供应Vdd之间进行连接,将它的栅极与浮动节点N11相连,以及具有将浮动节点N11的电位输出到垂直信号线22的功能。
复位晶体管14将它的漏极(一个主要电极)连接到漏极线(互联)23,将它的源极(另一个主要电极)连接到浮动节点N11,将它的栅极连接到复位线24,以及具有复位浮动节点N11的电位的功能。
在由以矩阵排列的这些单元像素10构成的像素区域内(成像区域),包括垂直选择线21、漏极线23以及复位线24的三个线对于像素阵列的每一行是在水平(H)方向布置(在图中是左/右方向),以及垂直信号线22对于每一列是在垂直(V)方向布置(在图中是上/下方向)。
此外,通过配置垂直驱动电路(VDRV)的V移位寄存器(VSFR)来驱动垂直选择线21、漏极线23以及复位线24。
对于每一行,为了输出垂直选择脉冲T和复位脉冲R,将垂直选择线21和复位线24直接连接到V移位寄存器25的输出端。对于每一行,通过P类型MOS晶体管26将漏极线23连接到V移位寄存器25的复位电压输出端。将P类型MOS晶体管的栅极接地。
在本实施例中,通过经由漏极线23的三个值(或者四个值或更多)来驱动复位晶体管14,V移位寄存器25提供了已选择的行以及未被选择的行的浮动节点ND11的电位之间的电位差,并且澄清了这两个选择的行以及未被选择的行。
例如,在本实施例中,提供到复位晶体管14的栅极的电位之一至少是负电位。
此外,例如,V移位寄存器25提供在向复位晶体管14的栅极提供至少三种电位类型中的至少一种电位类型的电压作为负电位。
此外,V移位寄存器25能够设定在从正的高电平电源电位而流过地电平电源电位后,当复位晶体管14从开启状态变为关闭状态时栅极电位在负的电源电位。
此外,在本发明的实施例中,在预充电节拍和数据节拍的采样和保持时序中,复位晶体管14的栅极电位将被设定为地电位。
此外,在将已选择的像素中的复位晶体管14的栅极电位设定为地电位期间,V移位寄存器25在未被选择的行中将使复位晶体管14的栅极电位在负电位。
这个复位晶体管14的驱动操作将在以后作进一步详细的说明。
对于每一列,在像素区域的垂直方向(在图中是上/下方向)的一侧,由N类型MOS晶体管配置的负载晶体管27在垂直信号线22的一端和地之间进行连接。这个负载晶体管27的功能是当将它的栅极与负载线28相连时作为恒流源。
在像素区域的垂直方向的另外一侧,将由N类型MOS晶体管配置的采样和保持(SH)开关29的一端(一个主要电极)与垂直信号线22的另外一端相连。这个采样和保持开关29的控制端(栅极)将与SH线30相连。
采样和保持开关29的另外一端(另一个主要电极)有采样和保持(SH)/CDS(相关二次采样)电路31的输入端与它相连。
采样和保持/CDS电路31是用于采样和保持垂直信号线22的电位Vsig并且执行相关二次采样(CDS)的电路。
这里,“相关二次采样”意味着用于采样两个按时间序列输入的电压信号,并且输出其差值的过程。
由N类型MOS晶体管配置的水平选择开关33将在采样和保持/CDS电路31的输出端和水平信号线32之间进行连接。
这个水平选择开关33的控制端(栅极)从配置水平驱动电路(HDRV)的H移位寄存器(HSFR)接收在水平扫描时顺序输出的水平扫描脉冲H(H1,H2,...)。
通过所给的水平扫描脉冲H以及水平选择开关33的开启,将在采样和保持/CDS电路31中相关二次采样后的(CDS)信号经由水平选择开关33而读出到水平信号线32。
这个读取信号Hsig经由与水平信号线35相连的输出放大器35作为输出信号Vout从输出端36导出。
以下,在解释几个设定本发明实施例中复位晶体管14的驱动电位(栅极电位)的方法,并且解释包括与传统电路对比的它们的效果。
(设定方法1)
在这个方法中,通过使之可以在非选择的时候将负电位施加到复位晶体管14的栅极,而解决了传统的问题。
图3(A)到3(G)和图4(A)到4(G)是指示在由VRST+(正侧)和VRST-(负侧)的复位晶体管的栅极电压的两个值来操作的情况下的、在已选择的行和未被选择的行中复位晶体管的栅极电位(RST线)V24以及传送晶体管12的栅极电位(TR线);公共漏极电源电位V23;以及浮动节点电位N11的图。
图3(A)到3(G)说明了由VRST+(正侧)的复位晶体管的栅极电压操作的情况,而图4(A)到4(G)说明了根据本实施例的、由VRST-(负侧)的复位晶体管的栅极电压操作的情况。
此外,在图中为了对比,一起显示了过去在二值操作中浮动节点电位(VRST+(正侧)和VRSTO(零电位)的复位晶体管的栅极电压)。
正如图3(A)到3(G)所说明的,在过去的电路中,公共漏极电源供应的上升时间t1受经由凹陷类型复位晶体管14的浮动节点电容的影响并且时间变长。
然而,根据本实施例的方法,正如图4(A)到4(G)所说明的,即使在使用凹陷类型复位晶体管14的情况下,也会将经由复位晶体管14的电气连接保持很小。
由于这个原因,公共漏极电源供应的上升时间t1变短。可替换的是,漏极电源供应的驱动的尺寸减小。由于这个原因,能够实现高速操作和芯片尺寸的减小。
此外,正如图3(A)到3(G)所说明的,在过去的电路中由于经由凹陷类型复位晶体管的泄漏的影响,由于漏极电源供电的影响在数据节拍的采样的时候在未被选择的行中浮动节点电位上升,并且朝着使已选择的行与未被选择的行之间电位差减小的方向作用。
然而,根据本实施例的方法,正如图4(A)到4(G)所说明的,将抑制经由凹陷类型复位晶体管的电耦合,因此在未被选择的行中的浮动节点电位不会随着公共漏极线的电位而波动(上升)。
因此,在数据节拍的采样的时候,能够澄清已选择行的和未被选择的行的浮动节点电位的差值。
作为这个的结果,即使当光量很大时也能够抑制已饱和垂直条的出现。
(设定方法2)
在这个方法中,通过安装由电源电位(例如3伏)、地电位(0V)以及负电源电位(例如-1V)的三个值来控制复位晶体管14的栅极电压的功能,也能解决传统的问题。
正如以前已说明的,在MOS类型固态成像装置中使用凹陷类型晶体管作为复位晶体管。由于这个原因,存在当复位晶体管开启时能够减少复位变化量的优点。
另外一个方面,第一,在未被选择的行中和已选择的行中的浮动节点的电位差不再变得明确;第二,存在以下问题,从公共漏极电源供应的位置,速度增加且芯片尺寸增大。
因此,在本实施例中,将在未被选择的行中的复位晶体管的L电平电位设定为负电位。
为了将负电位供应到MOS类型固态成像装置,可以考虑两种方法类型:一种从外部电源供应负电位的方法和一种在内部电路中生成负电位的方法。
与传统复位晶体管的栅极的幅度相比(电源电位幅度和地电位),当使用根据以上方法的负电位时,其幅度变大,因此电路的充电量和放电量加大,因此会担心将负载施加到每一个电位生成电路(或电源)。
此外,由于这个原因,在由电路内部生成负电位的情况,它必须使电荷供应能力加大一准确的幅度量。由于这个原因而增大了芯片的尺寸。
特别地,在由内部电路生成负电源供应的情况,电路噪声将叠加到已生成的电位上。负电源电位的目的地,即复位晶体管14的栅极,与浮动节点N11电容耦合。因此,负电源电位的波动原样表现为与传感器噪声。
在本实施例中,为了解决以上问题,安装了由包括电源电位(例如3V),地电位(0V),以及负电源电位(例如-1V)的三个值来控制复位晶体管14的栅极电压的功能。
例如,正如图5(A)到5(G)所说明的,对于电荷供应能力的问题,可以通过三个值来驱动复位晶体管14的栅极电位,从而减少了负电源供应生成电路的负载。
至今为止,当复位晶体管由开启→关闭时,栅极电压总是直接将栅极电位由电源电位变换到负电源电位。
根据本实施例,通过利用三值驱动功能,可能安装从电源电位将电压保持在地电位、对地电位充电和放电以及然后将电位设定在负电源电位从而解决以前问题的功能。
简单的说,当电源供应电压为3V,地电位为0V,以及负电源电位为-1V时,将能获得以下的效果。
正如过去的情况,当电压直接由电源电位变化到负电源电位时,如果使电路电容为C[F],充电/放电量成为Q=C(V1-V2)=4C,以及在负电源供应生成电路中产生了一个4C的负载。
另外一方面,当一旦通过地电位时,用于泄放负电源供应生成电路所要求的电位差是1V,因此充电/放电量成为1C,以及将负载减小到过去方法中负载的1/4。
此外,在通过内部电路生成负电供应的情况,电路噪声将被叠加到已生成的电位上。负电源电位的目的地,即复位晶体管14的栅极,与浮动节点N11电容耦合,因此负电源电位的波动原样表现为与传感器噪声。
相对于在内部电路中生成的负电源电位的波动,地电位的电位波动很小。
例如通过利用这个,正如在图6(A)到6(G)中所说明的,在已选择的行中,在已选择的行中在预充电节拍和数据节拍的采样和保持的时序期间,将复位晶体管的栅极电位固定到地电位(在未被选择的行中复位晶体管的栅极电位将一般被固定到负电位)。
由于这个原因,变化到负电位的次数变小,因此,不仅是减少了负电荷供应的负载,而且将抑制由于负电源供应生成电路的电位的波动的浮动节点电位的电容耦合特性的波动的噪声效应。
此外,通过在已选择的行中将复位栅极设定在0V以及在未被选择的行中将复位栅极设定在负电位,将在已选择的行以及未被选择的行中可靠增加一个显著的电位差到浮动节点电位,因此即使在明亮场景中也能防止垂直竖条。
进一步,例如正如在图7(A)到7(G)中所说明的,根据合并了与图5(A)到5(G)中相关的方法以及与图6(A)到6(G)中相关的方法的驱动操作,即,当关闭复位晶体管14时,通过地电平(0)将电压减小到负电位的方法以及将采样和保持时序设定到地电平的方法,将同时获得两个进一步的效果。
接下来,将说明根据本实施例的、具有上述配置的MOS类型固态成像装置的操作的例子。这里,将专注于在图2中的左下像素而给出说明。将以采用由电源电位(例如3V)、地电位(0V)以及负电源电位(例如-1V)的三个值来控制复位晶体管14的栅极电压的方法的情况作为例子来说明。
第一,在非选择的时间,浮动节点N1的电位成为0.5V。在这个时候,电源供应电压dd,例如3.0V,将作为复位电压B1而从V移位寄存器25输出。漏极线23的电位也将成为电源供应电压Vdd。
将给到负载线28的负载信号设定在例如1.0V,然后将从V移位寄存器25输出H电平的复位信号R1。然后,复位晶体管14变为导通,因此浮动节点N11将通过复位晶体管14而与漏极线23相连,以及将其电位设定到由复位晶体管14的通道电压所决定的H电平,例如2.5V。由于这个原因,放大器晶体管13的栅极电位成为2.5V。
将由与垂直信号线22相连接的多个像素的放大器晶体管栅极电压之中的最高栅极电压来决定垂直信号线22的电位Vsig1。作为结果,将根据浮动节点N11的电位来决定垂直信号线22的电位Vsig1。特别地,放大器晶体管13将与负载晶体管27一起形成源跟随器,以及其输出电压作为像素电位Vsig1出现在垂直信号线22上。在这时,电位Vsig1成为复位电平的电压。这个复位电平的电压经由采样和保持开关29而输入到采样和保持/CDS电路31。
接下来,将从V移位寄存器25输出的垂直选择脉冲T1升高到H电平。然后,传送晶体管12变为导通,以及将已转换和存储在光电二极管11中的信号电荷(在本例子中是电子)传送(读出)到浮动节点N11。由于这个原因,根据从光电二极管11读出到浮动节点N11的信号电荷的量,将放大器晶体管13的栅极电位变换到负的方向。将根据上述而变化垂直信号线22的电位Vsig1。
在这个时候,电位Vsig1成为最初信号电平的电压。这个信号电平的电压经由采样和保持开关29而输入到采样和保持/CDS电路31。然后,采样和保持/CDS电路31执行处理,以获得先前复位电平的电压和这个时间信号电平的电压之间的差值,并且保持这个差值电压。
接下来,将从V移位寄存器25输出的复位电压B1设定为0V。在这个时候,经由漏极线23而给到像素10的复位电压B1’不是0V,而是由P类型MOS晶体管的通道电压来决定并且,变为例如0.5V。
在该状态下,当从V移位寄存器25输出H电平的复位信号R1时,复位晶体管14变为导通,因此浮动节点N11经由复位晶体管14而与漏极线23相连接,以及其电位成为漏极线23的电位,即0.5V,以及像素10返回到未被选择的状态。
在这个时候,对于复位晶体管14的栅极,当复位晶体管14经由复位线24而由开启→关闭时,栅极电位不是直接从电源电位3V变化到负电源电位,而是从电源电位而保持在地电位0V一次,将对地电位充电/放电,然后设定在负电源电位,即电位-1V。由于这个原因,用于泄放负电源生成电路所要求的电位差成为1V,充电和放电量变小,以及减少了电路的负载。
在这个未被选择的状态下,浮动节点N11的电位不是0V,而是0.5V,因此防止了经由传送晶体管12的电子泄漏到光电二极管11。这里,由于连接到V移位寄存器25的复位电压输出端和漏极线23之间的P类型MOS晶体管26的动作,而使浮动节点N1的电位成为0.5V。
在第一行中的所有像素将通过上述操作序列同时驱动,并且一行的信号值将在采样和保持/CDS电路31中同时保持(存储)。此后,进入在光电二极管11上的光电转换操作(曝光)和光子存储的期间。
然后,在这个光子存储期间H移位寄存器34开始水平扫描操作,以及顺序输出水平扫描脉冲H1,H2,...。由于这个原因,水平选择开关33开始顺序导通并且将在采样和保持/CDS电路31中保持的信号顺序引导到水平信号线32。
当在接下来的第二行中对像素执行同样的操作时,将在第二行中读取像素的像素信号。通过V移位寄存器25顺序垂直的扫描接下来的像素,将读取所有行的像素信号。对于每一行,通过H移位寄存器34的顺序水平扫描它们,将读出所有像素的信号。
正如以上所说明的,在具有三晶体管的配置的MOS类型固态成像装置中,通过电源电位(例如3伏)、地电位(0V)以及负电源电位(例如-1V)的三个值来控制复位晶体管14的栅极电压,在三晶体管配置中,每一个单元像素10具有:传送晶体管12;放大器晶体管13;以及复位晶体管14。因此,能够减小来自于未被选择行的噪声,以及在明亮的场景中抑制垂直竖条的出现。
此外,还有以下优点:不再有经由复位晶体管包括浮动节点电容充电的需要;防止了漏极线的驱动器尺寸的增加;以及确保高速操作。
图8是说明了根据本发明的一种照相机系统的原理配置的方框图。
照相机系统40具有:成像装置41;光学系统,用于将入射光引导到这个成像装置41的像素区域,例如透镜42,用于将入射光(成像光)聚焦到成像表面;驱动电路43,用于驱动成像装置41;信号处理电路44,用于处理成像装置41的输出信号;等等。
在这个照相机系统中,作为成像装置41,使用根据上述实施例的固态成像装置,即具有三晶体管配置的单元像素10的MOS类型固态成像装置,三晶体管配置包括:传送晶体管12;放大器晶体管13;以及除了光电二极管11的复位晶体管14;其中至少一个提供到复位晶体管的栅极的电位至少是负电位,或者三个或更多的电位类型将被提供到复位晶体管的栅极。
驱动电路43具有用于生成包括用于驱动图2中V移位寄存器25和H移位寄存器34的开始脉冲以及时钟脉冲的各种类型的时序信号的时序生成器(未显示),并且为了实现在以前所说明的操作例中所说明的驱动操作而驱动成像装置(MOS类型固态成像装置)41。信号处理电路44对MOS类型固态成像装置41的输出信号Vout进行各种信号处理,并且输出结果作为视频信号。
通过这种方式,根据本照相机系统,通过使用根据以前所说明的实施例的MOS类型固态成像装置作为成像装置41,MOS类型固态成像装置能够使未被选择的行的噪声减小;能够在明亮的场景中抑制垂直条的出现;不会执行经由复位晶体管包括浮动节点电容的充电;能够防止漏极线的驱动器尺寸的增加;因此能够以小电路尺寸以及低功率消耗获得具有低噪声的高质量成像图像。
需要指出的是,本发明的固态成像装置可以是作为一个芯片而形成的固态成像装置,或者也可以是作为一套多个芯片而形成的模块类型的固态成像装置。在作为一套多个芯片形成的固态成像装置的情况下,其由用于成像的传感器芯片、用于数字信号处理的信号处理芯片、以及其它芯片构成,有时还包括光学系统。
工业实用性
本发明能够减小未被选择的行的噪声;能够在明亮的场景中抑制垂直条的出现;不必执行经由复位晶体管包括浮动节点电容的充电;能够防止漏极线的驱动器尺寸的增加;以及能够确保高速操作;因此本发明能够应用到诸如数字照相机和摄像机的电子装置上。

Claims (5)

1.一种具有单元像素的固态成像装置,具有:
光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;
传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;
放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;
复位晶体管,用于复位所述浮动节点;以及
能够向所述复位晶体管的栅极提供三种或更多的电位类型的部件,
其中,在所述向复位晶体管的栅极提供的至少三种或更多的电位类型中的至少一种电位类型的电压是负电位,
其中,所述装置具有在从正的高电平电源电位而通过地电平电源电位后,能够设定当所述复位晶体管从开启状态变为关闭状态时栅极电位在负的电源电位的部件。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置,其中,在采样和保持预充电节拍以及数据节拍的时序,将所述复位晶体管的栅极电位设定在地电位。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置,其中,在所述已选择的像素的复位晶体管的栅极电位设定在地电位期间,所述未被选择的像素的复位晶体管的栅极电位是负电位。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置,其中,所述装置具有用于处理经过信号线输出的信号的芯片。
5.一种照相机系统具有:
具有单元像素的固态成像装置,具有:光电转换器,用于根据入射光量而生成电荷;传送晶体管,用于将所述光电转换器的信号传送到浮动节点;放大器晶体管,用于将所述浮动节点的信号输出到信号线;复位晶体管,用于复位所述浮动节点;以及能够向所述复位晶体管的栅极提供三种或更多的电位类型的部件;
光学系统,用于将入射光引导到所述固态成像装置的成像部件;以及
信号处理电路,用于处理所述固态成像装置的输出信号,
其中,在所述向复位晶体管的栅极提供的至少三种或更多的电位类型中的至少一种电位类型的电压是负电位,
其中,所述装置具有在从正的高电平电源电位而通过地电平电源电位后,能够设定当所述复位晶体管从开启状态变为关闭状态时栅极电位在负的电源电位的部件。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4155996B2 (ja) * 2006-03-03 2008-09-24 シャープ株式会社 増幅型固体撮像装置
JP4242880B2 (ja) * 2006-05-17 2009-03-25 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 固体撮像装置及びその動作方法
JP4979375B2 (ja) 2006-12-28 2012-07-18 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び撮像システム
JP5080127B2 (ja) * 2007-05-08 2012-11-21 オリンパス株式会社 固体撮像装置、並びにそれを用いたビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ
JP4425950B2 (ja) 2007-06-01 2010-03-03 シャープ株式会社 固体撮像装置および電子情報機器
GB0724983D0 (en) * 2007-12-21 2008-01-30 Cmosis Nv Pixel array with reduced sensitivity to defects
WO2011111490A1 (en) 2010-03-08 2011-09-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and driving method thereof
JP5645553B2 (ja) * 2010-08-30 2014-12-24 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び撮像システム
JP2013062611A (ja) * 2011-09-12 2013-04-04 Sony Corp 固体撮像素子およびカメラシステム
JP5646420B2 (ja) 2011-09-14 2014-12-24 株式会社東芝 固体撮像装置
JP5893329B2 (ja) * 2011-10-14 2016-03-23 オリンパス株式会社 撮像装置および内視鏡装置
JP6037178B2 (ja) * 2011-12-14 2016-12-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 固体撮像装置及び撮像装置
JP6132500B2 (ja) * 2012-09-24 2017-05-24 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像装置の駆動方法、および撮像システム。
CN106464821B (zh) * 2014-06-25 2020-11-17 索尼半导体解决方案公司 摄像元件、摄像元件驱动方法、电子设备和可读存储介质
JP2016178408A (ja) * 2015-03-19 2016-10-06 キヤノン株式会社 固体撮像装置及びその駆動方法、並びに撮像システム
EP3367667A4 (en) * 2015-10-20 2019-05-15 Olympus Corporation IMAGING DEVICE, ENDOSCOPE AND ENDOSCOPE SYSTEM
US10044948B2 (en) * 2015-11-12 2018-08-07 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor global shutter supply circuit with variable bandwidth
JP2018019335A (ja) 2016-07-29 2018-02-01 ソニー株式会社 撮像素子および撮像装置
US20220134202A1 (en) * 2020-10-30 2022-05-05 Christopher J. Weeks Irregular surface playing board and methods of use thereof

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0795829B2 (ja) 1988-07-26 1995-10-11 株式会社東芝 固体撮像装置
US5288988A (en) * 1990-08-07 1994-02-22 Canon Kabushiki Kaisha Photoconversion device having reset control circuitry
JPH0817642B2 (ja) 1993-09-28 1996-02-28 釧石工業株式会社 海底の清掃方法
JP3432051B2 (ja) * 1995-08-02 2003-07-28 キヤノン株式会社 光電変換装置
GB2318473B (en) 1996-10-17 2000-11-29 Sony Corp Solid state imaging device,signal processing method and camera
JP3571226B2 (ja) * 1998-09-10 2004-09-29 株式会社東芝 固体撮像装置
JP3031367B1 (ja) 1998-12-02 2000-04-10 日本電気株式会社 イメージセンサ
US6218656B1 (en) 1998-12-30 2001-04-17 Eastman Kodak Company Photodiode active pixel sensor with shared reset signal row select
JP2000209508A (ja) 1999-01-19 2000-07-28 Toshiba Corp 固体撮像装置
JP3621844B2 (ja) * 1999-02-24 2005-02-16 シャープ株式会社 増幅型固体撮像装置
US6783073B2 (en) * 2000-04-18 2004-08-31 Renesas Technology Corp. Image input system
JP3750502B2 (ja) * 2000-08-03 2006-03-01 ソニー株式会社 固体撮像装置およびカメラシステム
US6566697B1 (en) 2000-11-28 2003-05-20 Dalsa, Inc. Pinned photodiode five transistor pixel
JP3724374B2 (ja) 2001-01-15 2005-12-07 ソニー株式会社 固体撮像装置及びその駆動方法
JP3628970B2 (ja) * 2001-02-08 2005-03-16 松下電器産業株式会社 固体撮像装置及びその駆動方法
JP2003143480A (ja) 2001-11-06 2003-05-16 Sony Corp 固体撮像装置およびその駆動方法
JP4164733B2 (ja) 2002-02-05 2008-10-15 ソニー株式会社 固体撮像装置及びその駆動方法
JP4132850B2 (ja) 2002-02-06 2008-08-13 富士通株式会社 Cmosイメージセンサおよびその制御方法
JP3956199B2 (ja) * 2002-02-20 2007-08-08 シャープ株式会社 固体撮像装置の製造方法およびその製造方法において使用するマスク
JP4257064B2 (ja) * 2002-02-21 2009-04-22 エルピーダメモリ株式会社 昇圧電位発生回路及び制御方法
US7443427B2 (en) * 2002-08-23 2008-10-28 Micron Technology, Inc. Wide dynamic range linear-and-log active pixel
JP2004134867A (ja) * 2002-10-08 2004-04-30 Canon Inc 固体撮像装置、その駆動方法、及び撮像システム
US7709777B2 (en) * 2003-06-16 2010-05-04 Micron Technology, Inc. Pumps for CMOS imagers
JP4403387B2 (ja) * 2004-04-26 2010-01-27 ソニー株式会社 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
CN110233978B (zh) * 2014-02-07 2022-03-11 拉姆伯斯公司 馈通补偿图像传感器
JP7095829B2 (ja) * 2017-08-29 2022-07-05 住ベシート防水株式会社 固定部材および防水構造

Also Published As

Publication number Publication date
TW200524412A (en) 2005-07-16
US20100073536A1 (en) 2010-03-25
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US8558932B2 (en) 2013-10-15
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KR101080568B1 (ko) 2011-11-04
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WO2005027511A1 (ja) 2005-03-24
US9129879B2 (en) 2015-09-08
US20120105698A1 (en) 2012-05-03
US20150334270A1 (en) 2015-11-19

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