CN101729805A - 固态图像传感器及其驱动方法、成像设备和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态图像传感器及其驱动方法、成像设备和电子装置。该固态图像传感器包括像素阵列和由该阵列中的多个像素共用的电荷到电压转换器、复位栅极和放大器。复位栅极电源的电压水平被设为高于放大器电源的电压水平。此外，可以将从像素中的光电检测器溢流的电荷丢弃到电荷到电压转换器中。该图像传感器还包括行扫描器，该行扫描器被配置为在对像素阵列中的行进行扫描以从中读出信号时，该行扫描器对与读出行上的像素共用一个电荷到电压转换器的像素的光电检测器中的电荷进行复位。在从读出行上的像素读出信号的同时或者在此之前进行电荷复位。

Description

固态图像传感器及其驱动方法、成像设备和电子装置
技术领域
本发明涉及固态图像传感器、用于驱动固态图像传感器的方法、成像设备以及电子装置。
背景技术
放大固态图像传感器是一种使用X-Y寻址方案的固态图像传感器。放大固态图像传感器例如包括CMOS(互补金属氧化物半导体)固态图像传感器(其也包括MOS器件)。以下，将这种固态图像传感器称为CMOS图像传感器。
在CMOS图像传感器中，在二维阵列中排列包含光电检测器的多个像素。除了光电检测器以外，每个个体像素还在其像素边界内包括许多构成诸如读栅极、复位栅极以及放大器之类的部件的组成元件(例如晶体管)。因此，当试图对像素进行小型化时，存在限制。
不过，最近，已经提出了多像素共用构造，其中在多个像素之间共用本来通常逐像素地设置的一部分组成元件。这样，抑制了每像素的(除光电检测器以外的)占用面积。在CMOS成像器的小型化像素的设计中，这种多像素共用构造成为了至关重要的技术。
一种这样的多像素功能共用构造涉及在两个光电检测器之间布置供给这两个光电检测器的电荷到电压转换器以及其他组成元件组(即，构成复位栅极和其他部件的晶体管组)(例如，参见美国专利No.6,423,994)。另一构造涉及在两个光电检测器之间共用电荷到电压转换器和其他组成元件组，同时还对共用的组成元件组进行布置以使其与各光电检测器相协调(例如，参见日本待审专利申请公报No.2001-298177)。
在这样的CMOS图像传感器中，通常对像素构造进行正面照射，从而在正面捕获入射光，其中正面取为光电检测器的金属层所设在的一面。不过，与此相对的是，也存在背面照射像素构造，使得在背面(或者换句话说，与金属层相反的一面)捕获入射光(例如，参见日本待审专利申请公报No.2003-031785)。
同时，为了防止从光电检测器溢流的电荷流到相邻像素中，正面照射像素构造通常采用图1所示的垂直溢流漏极构造。该垂直溢流漏极构造涉及将光电检测器(PD)51的底部(floor)的势垒设定为低于转移栅极53下方的势垒，并将从光电检测器51溢流的电荷丢弃到基板52中。
同时，由于在背面照射像素构造中没有基板，因此并不如上所述地丢弃从光电检测器溢流的电荷。因此，背面照射像素架构采用水平溢流漏极构造，其中从光电检测器51溢流的电荷流过转移栅极53的下方，并被丢弃到浮动扩散部分(floating diffusion)(以下称为FD)中。顺便指出，防止从光电检测器51溢流的电荷流到相邻像素中也会抑制晕光(blooming)(未接收到入射光的部分也看起来亮的现象)。
另一抗晕光技术涉及与调节曝光时间(即，电荷累积时间)的电子快门同时地触发电子抗晕光快门。甚至对于在单帧期间根本未被读取电荷的像素行也触发电子抗晕光快门(例如，参见日本待审专利申请公报No.2008-288904)。该另一抗晕光技术主要是为正面照射固态图像传感器而设计的，并且被构造成将光电检测器51的电荷经由FD54丢弃到电源中。
此外，近年来，诸如数字静态照相机和数字摄像机(camcorder)之类的使用固态图像传感器的设备变得更广泛使用。而且，在移动电话和类似的移动手持装置的领域中，包括摄像机功能的产品变得很普通。在这种应用中存在使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器(CIS)而不是使用CCD(电荷耦合器件)的趋势。
在CIS中，每个像素都包括光电检测器(PD)和转移晶体管(TRF)。通常，每个像素还包括浮动扩散部分(FD)、放大晶体管(AMP)、复位晶体管(RST)和选择晶体管(SEL)。
尽管正在将这种CIS传感器应用于移动电话，但是最近存在对更精细的图像的需求。为了满足这一需求，在这些年以来已经将像素尺寸从2.5μm缩小到2.0μm、到1.75μm，从而实现像素数量的增加。同时，还存在减小摄像机模块的尺寸的需求，以使得移动电话本身的尺寸更小。为了满足这一需求，已经减小了像素尺寸和光学系统尺寸，从而实现摄像机模块的尺寸的减小。对减小像素尺寸的需求仍然存在。
另一方面，如果使像素尺寸较小，那么将入射光转换成电信号的光电二极管的表面积也变小。这会导致诸如灵敏度和饱和信号强度之类的因素减小，这会使成像性能下降。为了防止这种性能下降，已经提出在多个像素之间共用浮动扩散部分、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管。已经提出，通过共用，可以减小每像素的晶体管数量，并且可以增大光电二极管的表面积。
例如，在日本待审专利申请公报No.2007-201863中提出的结构中，在水平和垂直方向上的2×2布局中排列的4个像素之间共用浮动扩散部分，因此增大了光电二极管的表面积。此外，在日本待审专利申请公报No.2005-268537中提出的结构中，复位晶体管的漏极电势和放大晶体管的漏极电势被分别设置。
图25图解说明了JP-A-2005-268537中描述的成像设备的示例性结构。图25所示的成像设备由两个像素单元PD1和PD2形成。像素单元PD1包括：具有光电转换功能的光电二极管301；将光电二极管1中累积的光载流子传送到浮动扩散部分的转移晶体管302；以及用于对浮动扩散部分的电势进行复位的复位晶体管303。
像素单元PD2包括：具有光电转换功能的光电二极管304；将光电二极管304中累积的光载流子传送到浮动扩散部分的转移晶体管305；以及对传送到浮动扩散部分的信号进行放大和输出的放大晶体管306。
像素单元PD1和PD2通过浮动扩散部分彼此电连接。光电二极管301和转移晶体管302串联连接在固定电势GND与浮动扩散部分之间。转移晶体管302的栅极电连接到接受控制信号TX1作为输入的控制端307。复位晶体管303被设在浮动扩散部分FD与被施加控制电势Vref1的控制端309之间。复位晶体管303的栅极电连接到接受复位控制信号RST作为输入的控制端308。
光电二极管304和转移晶体管305串联连接在固定电势GND与浮动扩散部分之间。转移晶体管305的栅极电连接到接受控制信号TX2作为输入的控制端310。放大晶体管306被设在被施加控制电势Vref2的控制端311与输出放大信号的输出端312之间。放大晶体管306的栅极电连接到浮动扩散部分FD。
发明内容
在已经采用多像素共用构造实现像素小型化的情况下，如果要考虑由于像素分辨率增大而需要使像素进一步小型化以满足对更精细的图像的需求，那么期望减小光电检测器的占用面积以匹配像素占用面积的尺寸减小。然而，如果光电检测器的占用面积减小，则变得难以获得足够的饱和特性，因为作为结果，每个光电检测器处理的电荷的量(即，可以累积的电荷的量)会减小。
因此，期望提供一种固态图像传感器，其能够在采用多像素共用构造而使其中的像素小型化之后获得足够的饱和特性。还期望提供用于驱动这样的固态图像传感器的方法，以及使用这种固态图像传感器的成像设备。
当在背面照射像素构造中采用多像素共用构造时，对于读出的行预先丢弃共用一个FD的多个像素的光电检测器内的电荷。如果不丢弃电荷，会出现如下问题。如果电荷留在共用一个FD的多个像素的光电检测器内，那么电荷会流过低势垒转移栅极下方并流到读出行上的像素的FD中。因此，不再保持信号输出的线性，因为该信号输出依赖于由电子快门调节的电荷累积时间。(稍后将给出进一步的详情。)
尽管以上描述了与采用多像素共用构造的背面照射像素构造有关的问题，但是对于采用水平溢流漏极构造的正面照射像素构造来说，可以说存在类似的问题。更具体来说，对于具有水平溢流漏极构造而且采用多像素共用构造的所有固态图像传感器来说，可以说通常都存在依赖于电荷累积时间的信号输出不保持线性的问题。
因此期望提供一种具有水平溢流漏极构造的固态图像传感器，其能够在采用多像素共用构造时保持依赖于电荷累积时间的信号输出的线性。还期望提供用于驱动这种固态图像传感器的方法和包括这种固态图像传感器的电子装置。
在JP-A-2007-201863中，提出在4个像素之间共用浮动扩散部分。然而，即使通过布置多组4个像素来构造成像设备，也存在布局将变大的可能性。此外，即使可以实现尺寸的减小，也存在成像性能下降的可能性。换句话说，难以令人满意地在图像性能不下降的情况下实现尺寸的减小。
在JP-A-2005-268537中，在两个像素的各像素区中分开地设置复位晶体管和放大晶体管。换句话说，在JP-A-2005-268537中，在多个像素之间共用复位晶体管和放大晶体管，但是仍然通过导线电连接复位晶体管和放大晶体管。因此，导线的数量会增加，结果，在小型化方面存在潜在的困难。
鉴于上述情况，期望即使在减小像素尺寸的情况下也抑制成像性能的下降。
根据本发明的一个实施例的固态图像传感器包括：多个电荷到电压转换器；像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；多个复位栅极，被配置为对光电检测器进行复位；以及多个放大器，被配置为输出与光电检测器的电势相对应的信号。这里，在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器。此外，复位栅极电源的电压水平被设为高于放大器电源的电压水平。
复位栅极将电荷到电压转换器复位到复位电压，该复位电压被设为比放大器电源的电压水平高的电压水平。这样，电荷到电压转换器的电势变得比当将复位电压设为放大器电源的电压水平时的情况的电势要深(即，在幅值上更大)。如果可以使电荷到电压转换器在复位时的电势变深，那么可以将光电检测器的电势设计成深达相同的程度。结果，可以将由光电检测器处理的电荷量增大到超过在将复位电压设为放大器电源的电压水平时的情况的电荷量。
根据本发明另一实施例的固态图像传感器包括：多个电荷到电压转换器；像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；多个复位栅极，被配置为对光电检测器进行复位；以及多个放大器，被配置为输出与光电检测器的电势相对应的信号。在此，在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极以及放大器。该多个像素被限定为属于同一像素列的4个连续的像素，而且，这4个像素中的相邻像素被配对成两组。在一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和复位栅极，该复位栅极被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间。在另一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和放大器，该放大器被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间。
在每个组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器，并且在这两个像素之间设置复位栅极或放大器。所得到的布局对于确保光电检测器占用的面积来说是高效的。因此，即使试图通过采用多像素共用构造来进一步使像素小型化以满足对更精细的图像的需求，也可以在有限的像素边界内获得用于光电检测器的大占用面积。
根据本发明另一实施例的固态图像传感器包括：多个电荷到电压转换器；和像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极。所述像素阵列被配置为使得从一个光电检测器溢流的电荷经过一个转移栅极并被丢弃到一个电荷到电压转换器中。所述像素阵列还被配置为在多个像素之间共用至少每个电荷到电压转换器。在对行进行扫描以从所述像素阵列中的各像素读出信号时，在与读出的行上的像素共用电荷到电压转换器的像素(即，共用像素)的光电检测器中电荷被复位。在从读出的行上的像素读出信号的同时或者在此之前进行电荷复位。
其中从光电检测器溢流的电荷经过转移栅极并被丢弃到电荷到电压转换器中的构造是水平溢流漏极构造。在具有这种水平溢流漏极构造并被配置为在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器的固态图像传感器中，在从读出的行上的像素读出信号的同时或者在此之前，将共用像素的光电检测器中的电荷复位。作为该复位操作的结果，丢弃了留在共用像素的光电检测器中的任何电荷。因此，在从读出行上的像素读出信号之前，从共用像素的光电检测器溢流的电荷不会流到电荷到电压转换器中。
根据本发明另一实施例的成像设备包括：像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括转移晶体管；多个浮动扩散区，每个浮动扩散区都被设在以水平和垂直方向的2×2布局排列的4个像素的中央；多个放大晶体管；以及多个复位晶体管。构成所述4个像素的转移晶体管被设在围绕所述浮动扩散部分的4个方向上，使得所述浮动扩散部分被这些转移晶体管包围。在所述4个像素之间共用每个浮动扩散部分、放大晶体管以及复位晶体管。通过垂直设置两组的所述4个像素而形成的8个像素的一组被用作像素阵列的基本组成单位。
每个复位晶体管的漏电极和每个放大晶体管的漏电极可以被分开地设置。
可以对每个复位晶体管的漏电极施加脉冲，且可以对每个放大晶体管的漏电极施加恒定电势。
可以将复位晶体管的漏电极处的高电势设为高于放大晶体管的漏极电势。
可以每两列接合来自多个像素的信号输出线。
在根据本发明另一实施例的成像设备中，每个浮动扩散部分都可以被设置在以水平和垂直方向的2×2布局排列的4个像素的中央，使得每个浮动扩散部分被多个转移晶体管包围。此外，可以在4个像素之间共用每个浮动扩散部分、放大晶体管以及复位晶体管。
根据本发明一个实施例，即使减小光电检测器占用面积以匹配像素面积的尺寸减小，也可以增大光电检测器处理的电荷的量。因此，可以获得比复位电压被设为放大器电源的电压水平的情况下更高的饱和特性。
此外，即使为了像素小型化而减小像素面积，也可以在有限的像素边界内获得光电检测器的大占用面积并且可以增大光电检测器处理的电荷量。因此，可以获得比不采用根据本发明实施例的布局的构造更高的饱和特性。
根据本发明的另一实施例，在具有水平溢流漏极构造的固态图像传感器中从共用像素的光电检测器溢流的电荷不会流入电荷到电压转换器中。因此，保持了依赖于读出行上的像素中的电荷累积时间的信号输出的线性。
根据本发明的另一实施例，即使像素尺寸减小，也会抑制成像性能的劣化。
附图说明
图1是图解说明正面照射像素构造的剖面图；
图2是图解说明背面照射像素构造的剖面图；
图3是概述应用了本发明一个实施例的CMOS图像传感器的结构的系统图；
图4A是概述正面照射像素构造的剖面图；
图4B是概述背面照射像素构造的剖面图；
图5是图解说明不采用多像素共用构造的示例性像素电路的电路图；
图6是图解说明采用了根据本发明一个实施例的多像素共用构造的示例性像素电路的电路图；
图7是解释根据本发明一个实施例的像素电路中的电路操作的时序图；
图8是图解说明根据本发明一个实施例的像素电路的示例性布局的平面图；
图9是图解说明根据本发明一个实施例的成像设备的示例性结构的框图；
图10是概述应用了本发明一个实施例的CMOS图像传感器的系统结构的系统图；
图11是图解说明背面照射像素构造的示例性构成的剖面；
图12是用于说明具有4像素共用构造的像素电路中的电路操作的时序图；
图13是用于说明在与具有4像素共用构造的像素电路有关的现有技术中的问题的时序图；
图14说明了依赖于电荷累积时间的信号输出的线性；
图15是用于说明在与具有2像素共用构造的像素电路有关的现有技术中的问题的时序图；
图16是用于解释在4像素共用构造的情况下，在根据本发明一个实施例的CMOS图像传感器中的像素驱动的时序图；
图17说明了在串行读出的情况下的抗晕光快门操作；
图18说明了在1/3采样的读出的情况下的抗晕光快门操作；
图19说明了在2/8采样的读出的情况下的抗晕光快门操作；
图20说明了在2/15采样的读出的情况下的抗晕光快门操作；
图21说明了在1/5采样的读出的情况下的抗晕光快门操作；
图22图解说明了应用了本发明一个实施例的成像设备；
图23图解说明了成像设备的结构；
图24图解说明了成像设备中的电势的变化；以及
图25图解说明了现有技术的成像设备的示例性结构。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述本发明的实施例。
[系统构造]
图3是概述应用了本发明一个实施例的诸如CMOS图像传感器的固态图像传感器的构造的系统图。
以下，由以下标号表示各部件：CMOS图像传感器10、像素阵列11、垂直驱动器12、列处理器13、水平驱动器14、系统控制器15、像素驱动线16、垂直信号线17、升压电路18、像素20(20-1到20-4)、光电二极管21(21-1到21-4)、转移晶体管22(22-1到22-4)、复位晶体管23、放大晶体管24以及浮动扩散部分(FD)25。
如图3所示，例如，根据本实施例的CMOS图像传感器10被构造成具有形成在半导体基板(即，芯片；未示出)上的像素阵列11以及集成在与像素阵列11的同一半导体基板上的外围电路。所配备的外围电路可以例如包括垂直驱动器12、列处理器13、水平驱动器14、系统控制器15以及升压电路18。
在像素阵列11中，在二维阵列中排列多个单位像素(以下也简称为像素；未示出)。每个单位像素都包括将入射的可见光光电转换成与光强度相对应的电荷的光电检测器。稍后将给出这些像素的更具体的构造。
此外，对于各像素行在像素阵列11中形成像素驱动线16，像素驱动线16如图3所示从左向右(即，像素被排列成行的方向)延伸。对于各列类似地形成垂直信号线17，垂直信号线17如图3所示从下向上(即，像素被排列成列的方向)延伸。尽管在图3中仅示出了一行，但是像素驱动线16的数量并不限于一条。各像素驱动线16的一端连接到垂直驱动器12中的每行输出端。
可以借助于诸如移位寄存器或地址解码器之类的部件来实现垂直驱动器12。尽管此处从图示中略去了具体构造，但是垂直驱动器12被构造成包括读出扫描子系统和复位扫描子系统。读出扫描子系统按行的顺序选择性地扫描单位像素，以从其读出信号。
同时，复位扫描子系统进行复位扫描，该复位扫描对来自要由读出扫描子系统扫描的读出行上的单位像素的光检测器中的不想要的电荷进行复位(即，放电)。该复位扫描比读出扫描提前等于快门速度的时间量。通过借助于复位扫描子系统对不想要的电荷进行复位(即，放电)，进行电子快门操作。此处，电子快门操作是指丢弃光电检测器中的光电电荷并开始新的曝光(即，开始光电电荷的累积)的操作。
通过读出扫描子系统的读出操作所读出的信号对应于自从最后一次读出操作或电子快门操作起的入射光的强度。在最后一次读出操作的读出定时或最后一次电子快门操作的复位定时开始并且在当前读出操作的读出定时结束的时间段成为单位像素的光电电荷累积时间(即，曝光时间)。
从由垂直驱动器12选择性地扫描的像素行上的各单位像素输出的信号经由各垂直信号线17被送至列处理器13。对于像素阵列11的每个像素列，列处理器13对于从所选行上的各个像素20输出的模拟像素信号执行各种信号处理。
由列处理器13执行的信号处理例如可以包括用于去除像素特有的固定模式噪声的相关双采样(CDS)。还可以将用于把模拟像素信号转换成数字像素信号的AD转换功能并入列处理器13中。
水平驱动器14可以借助于诸如移位寄存器或地址解码器之类的部件来实现，并且顺序地选择与列处理器13中的像素列相对应的电路部分。作为水平驱动器14执行的选择扫描的结果，依次输出由列处理器13处理后的像素信号。
系统控制器15可以借助于产生各种时序信号的时序发生器来实现。系统控制器15基于由时序发生器产生的各种时序信号对垂直驱动器12、列处理器13以及水平驱动器14的驱动进行控制。
升压电路18获取由诸如垂直驱动器12的部件使用的电源电压的电压水平Vdd，并将该电压水平升压到高于电压水平Vdd的水平Vdd+α。例如，可以使用常见的电荷泵电路作为升压电路18。使用已经由升压电路18升压后的电压水平Vdd+α作为进行像素选择的选择电源SELVdd的高电压水平。稍后将给出进一步的详情。
(照射构造)
存在两种借以对像素中的光电检测器进行光照射的构造：正面照射构造，其中光照在半导体基板的正面上，在所述正面上形成有光电检测器；和背面照射构造，其中光照在半导体基板的背面上。如以上构成的CMOS图像传感器10与正面照射和背面照射构造均兼容。现在将在以下概述这些照射构造的构成。
图4A和4B分别是用于照射像素的光电检测器的构造。图4A是概述正面照射像素构造的剖面。图4B是概述背面照射像素构造的剖面。
<正面构造>
如图4A所示，在正面构造中，通过在半导体基板101的一个表面(即，正面)上形成光电二极管(PD)102来实现光电检测器。在光电二极管102的顶上设置金属层103。在金属层103的顶上，设置滤色器104和微透镜105(按该顺序)。
如前所述，由于在正面照射构造中金属层103位于光被CMOS图像传感器10捕获的一侧，因此将金属层103中的导线布局设计成避开入射光的路径。然而，对于可以多么好地将金属层103中的导线布局设计成避开光路径，存在限制。结果，使得入射光在这些导线之间经过并由微透镜105聚焦在光电二极管102上。可以将本发明的所有实施例应用于正面照射固态图像传感器，每个实施例都会在其中表现出该实施例的特定优点。
<背面照射构造>
如图4B所示，在背面照射构造中，通过在元件层201上形成光电二极管(PD)202来实现光电检测器，元件层201是通过将半导体基板抛光到预定厚度来形成的。在元件层201的一个表面(即，背面)上，设置滤色器204和微透镜205(按该顺序)。在器件层201的另一表面(即，正面)上，设置金属层203。
如前所述，由于将背面照射构造设计成捕获照在与金属层203的表面相反的表面(即，背面)上的入射光，因此可以在不考虑光电二极管202的光敏表面的情况下设计金属层203中的导线布局。由于在导线布局设计中存在更大的自由度，因此与正面照射构造相比，背面照射构造具有使像素小型化更容易的优点。此外，光电二极管202与滤色器204之间的距离与正面照射构造的相比极其短，因此对入射光的聚焦变得不那么重要。在极端情况下，甚至可以略去微透镜205。
可以将本发明的所有实施例应用于背面照射固态图像传感器，每个实施例都会在其中表现出该实施例的特定优点。
(多像素共用构造)
在本实施例中，如上构成的CMOS图像传感器10采用一种特有的多像素共用构造，其中在像素阵列11中的多个像素之间共用通常逐像素地设置的组成元件的一部分。在描述本实施例之前，将描述不采用多像素共用构造的像素结构。
<不采用多像素共用构造的像素电路>
图5是图解说明不采用多像素共用构造的示例性像素电路的电路图。如图5所示，根据该示例性电路的像素20包括光电检测器(如光电二极管21)和3个晶体管：转移晶体管22、复位晶体管23以及放大晶体管24。在此，作为例子，使用N沟道MOS晶体管来例示晶体管22到24。
在此，转移晶体管22形成将已由光电二极管21光电转换的电荷转移到充当电荷到电压转换器的浮动扩散部分(FD)25的转移选通门(gate)。复位晶体管23形成对FD 25的电势进行复位的复位选通门。放大晶体管24形成将与FD 25的电势相对应的信号输出到垂直信号线17的放大器。
在图5中，将光电二极管21的阳极接地。转移晶体管22连接在光电二极管21的阴极与FD 25之间，转移脉冲TRG被从垂直驱动器12选择性地施加到转移晶体管22的栅极。当转移脉冲TRG被施加时，转移晶体管22导通，并且已经由光电二极管21光电转换并累积的信号电荷(在此是光电子)被转移到FD 25。
复位晶体管23分别在其漏极处连接到选择电源SELVdd并在其源极连接到FD 25，从垂直驱动器12向其栅极选择性地施加复位脉冲RST。复位脉冲RST的施加发生在从光电二极管21进行电荷转移之前。当施加复位脉冲RST时，复位晶体管23导通，并通过将FD 25的电荷丢弃到选择电源SELVdd中来将FD 25复位。在此，选择电源SELVdd选择性地取以下两个电源电压中的一个：例如，Vdd电平和GND电平。
将放大晶体管24构造成源极跟随器，分别在其栅极处连接到FD25，在其漏极处连接到选择电源SELVdd，并在其源极处连接到垂直信号线17。放大晶体管24作为选择电源SELVdd切换到Vdd电平的结果而开始工作，此时放大晶体管24向垂直信号线17输出在由复位晶体管23复位后的FD 25的电势的形式的复位电平。此外，放大晶体管24也向垂直信号线17输出在接收了转移晶体管22的电荷转移之后的FD 25的电势的形式的信号电平。
在此，选择电源SELVdd选择性地取以下两个电源电压水平中的一个：GND电平(0V)或附近的第一电压水平(如0.6V)；和Vdd电平。通过从GND电平或第一电压水平切换到Vdd电平，选择电源SELVdd进行像素选择。
可以将本发明的所有实施例应用于具有未采用多像素共用构造的像素电路的固态图像传感器，每个实施例都会在其中表现出该实施例的特定优点。
<根据本实施例的采用多像素共用构造的像素电路>
图6是图解说明采用了根据本发明一个实施例的多像素共用构造的示例性像素电路的电路图。在图6中，对与图5所示的部分类似的部分使用相同的标号。
在根据本实施例的像素电路中，将属于同一像素列的多个相邻像素(如4个垂直相邻的像素20-1、20-2、20-3以及20-4)视为一个单位。将该单位构造成在其中的4个像素之间共用单个FD 25。当在4个相邻像素之间共用部件时，在同一像素列上进行共用会允许对从各像素读出信号的操作容易地进行时序控制。
形成以上单位的4个像素20-1、20-2、20-3以及20-4包括充当光电检测器的光电二极管21-1、21-2、21-3以及21-4。这4个像素20-1、20-2、20-3以及20-4还被分组成两对(即，被配对)。在构成一组的两个像素20-1和20-2的像素区中设置放大晶体管24，而在构成另一组的两个像素20-3和20-4的像素区中设置复位晶体管23。
在前面已经描述的不采用多像素共用构造的像素电路中，复位晶体管23和放大晶体管24都在其各自的漏极处连接到选择电源SELVdd。换句话说，为复位晶体管23和放大晶体管24准备公共的选择电源SELVdd作为漏极电源。
与此相对的是，在根据本实施例的像素电路中，为复位晶体管23和放大晶体管24准备独立的电源作为各自的漏极电源。所述独立的电源是电源电压(即，电压水平)恒定的固定电源Vdd以及电源电压可变的选择电源SELVDD。选择电源SELVDD选择性地取以下两个电源电压水平中的一个：例如，GND电平(0V)或附近的第一电压水平；和比所述固定电源Vdd的电压水平Vdd高的第二电压水平VDD。通过从第一电压水平切换到第二电压水平VDD，选择电源SELVDD进行像素选择。使用由如前所述的升压电路18升压后的升压电压水平Vdd+α作为第二电压水平VDD。
此外，将复位晶体管23的漏极连接到选择电源SELVDD，同时将放大晶体管24的漏极连接到固定电源Vdd。将复位晶体管23的源极连接到在4个垂直像素20-1、20-2、20-3以及20-4之间共用的FD 25。向复位晶体管23的栅极选择性地施加复位脉冲RST。将放大晶体管24的栅极连接到FD 25，同时将源极连接到垂直信号线17。
<根据本实施例的像素电路中的电路操作>
现在利用图7所示的时序图来描述如上构成的根据本发明实施例的像素电路中的电路操作。
在时刻t11，选择电源SELVDD从第一电压水平(例如GND)切换到第二电压水平VDD。结果，第一到第四行中的像素变成被选中。同时，复位脉冲RST变成有效的(在本示例中变成H电平)，这使得所述4个像素(即，第一到第四行中的像素)共用的复位晶体管23导通。这样，由所述4个像素共用的FD 25中的电荷流过复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中。结果，将FD 25的电势复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。此外，放大晶体管24将此时的FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第一行像素20-1的复位电平。
接着，在复位脉冲RST已经变成无效状态(在本示例中为L电平)之后，在时刻t12，第一行转移脉冲TR1变成有效(在本示例中为H电平)，这使得像素20-1的转移晶体管22-1导通。这样，由转移晶体管22-1将经过光电二极管21-1光电转换的信号电荷(即，光电子)转移到FD 25。此时，FD 25的电势变成与从光电二极管21-1转移的信号电荷的电荷量相对应的电势。随后，由放大晶体管24将FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第一行像素20-1的信号电平。
然后，在时刻t13，复位脉冲RST变成有效，在随后的时刻t14，选择电源SELVDD从第二电压水平VDD切换到第一电压水平GND。结果，第一到第四行中的像素变成不被选中。
在时刻t21，选择电源SELVDD从第一电压水平GND切换到第二电压水平VDD。结果，第一到第四行中的像素再次变成被选中。同时，复位脉冲RST变成有效，这使得由所述4个像素共用的复位晶体管23导通。这样，将FD 25的电势复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。此外，由放大晶体管24将此时FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第二行像素20-2的复位电平。
接着，在复位脉冲RST已经变为无效状态之后，在时刻t22第二行转移脉冲TR2变成有效，这使得像素20-2的转移晶体管22-2导通。这样，由转移晶体管22-2将经过光电二极管21-2光电转换的信号电荷转移到FD 25。此时，放大晶体管24也将FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第二行像素20-2的信号电平。
然后，在时刻t23，复位脉冲RST变成有效，在随后的时刻t24，选择电源SELVDD从第二电压水平VDD切换到第一电压水平GND。结果，第一到第四行中的像素变成不被选中。
在时刻t31，选择电源SELVDD从第一电压水平GND切换到第二电压水平VDD。结果，第一到第四行中的像素再次变成被选中。同时，复位脉冲RST变成有效，这使得由所述4个像素共用的复位晶体管23导通。这样，将FD 25的电势复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。此外，放大晶体管24将此时FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第三行像素20-3的复位电平。
接着，在复位脉冲RST已经变为无效状态之后，在时刻t32第三行转移脉冲TR2变成有效，这使得像素20-3的转移晶体管22-3导通。这样，由转移晶体管22-3将经过光电二极管21-3光电转换的信号电荷转移到FD 25。此时，放大晶体管24也将FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第三行像素20-3的信号电平。
然后，在时刻t33，复位脉冲RST变成有效，在随后的时刻t34，选择电源SELVDD从第二电压水平VDD切换到第一电压水平GND。结果，第一到第四行中的像素变成不被选中。
在时刻t41，选择电源SELVDD从第一电压水平GND切换到第二电压水平VDD。结果，第一到第四行中的像素再次变成被选中。同时，复位脉冲RST变成有效，这使得由所述4个像素共用的复位晶体管23导通。这样，将FD 25的电势复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。此外，放大晶体管24将此时FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第四行像素20-4的复位电平。
接着，在复位脉冲RST已经变为无效状态之后，在时刻t42第四行转移脉冲TR4变成有效，这使得像素20-4的转移晶体管22-4导通。这样，由转移晶体管22-4将经过光电二极管21-4光电转换的信号电荷转移到FD 25。此时，放大晶体管24也将FD 25的电势输出到垂直信号线17作为第四行像素20-4的信号电平。
然后，在时刻t43，复位脉冲RST变成有效，在随后的时刻t44，选择电源SELVDD从第二电压水平VDD切换到第一电压水平GND。结果，第一到第四行中的像素变成不被选中。然后，对于所有像素行，重复以上以4行视为一个单位的电路操作系列。
如上所述，在根据本实施例的像素电路中，使复位晶体管23和放大晶体管24的各自的漏极电源成为独立的电源，将选择电源SELVDD的高(H)电压水平VDD设定为高于固定电源Vdd的电压水平Vdd。更具体来说，将用于对FD 25进行复位的电压水平VDD设定比固定电源Vdd的电压水平Vdd高预定值α(VDD＝Vdd+α)。
这样，使在复位时FD 25的电势比在将FD 25的复位电压设为Vdd的情况下更深，增大与预定值α相对应的量。如果可以使复位时FD 25的电势深，那么可以将光电二极管21的电势设计为深达相等的程度。结果，可以将光电二极管21处理的电荷量(即，可以累积的电荷量)增大为超过在FD 25的复位电平为Vdd电平的情况。
通过采用多像素共用构造使像素20小型化之后，如果为了满足对更精细的图像的需求而需要通过增大像素分辨率来进一步进行像素小型化，那么期望减小光电二极管21的占用面积以匹配像素占用面积的尺寸减小。然而，如果光电二极管21的占用面积减小，由于作为结果由每个光电二极管21处理的电荷量会减小，因此会变得难以获得足够的饱和特性。
与此相反，在根据本实施例的像素电路中，将FD 25的复位电压设定为高于Vdd电平，由此加深了复位时FD 25的电势。这样，增大了光电二极管21处理的电荷量。结果，即使光电二极管21的占用面积由于像素面积的小型化而减小，也可以增大光电二极管21处理的电荷量。因此，可以获得比在复位电压为Vdd电平的情况下更高的饱和特性。
现在将描述在根据本实施例的像素电路中为复位晶体管23和放大晶体管24提供独立的电源作为各自的漏极电源的原因。
当将包括垂直驱动器12在内的外围电路集成到与像素阵列11的同一芯片(即，半导体基板)上时，通常从芯片外部输入这些外围电路所使用的各种电源电压。此时，如果要从芯片外部输入与电压水平Vdd不同的新电压水平VDD，那么需要为此目的添加额外的端子管脚(pin)。然而，如果不希望添加更多端子管脚，那么可以采用在芯片上设置升压电路并通过升压电路将电压水平Vdd升压到电压水平VDD的方法。当形成芯片上的升压电路时，通常使用电荷泵电路作为升压电路。
在此，如果假设为复位晶体管23和放大晶体管24使用同一选择电源SELVDD作为各自的漏极电源，那么流入放大晶体管24的电流会大于在使用图5所示的选择电源SELVdd的情况的流入放大晶体管24的电流。因此大电流也会流入产生选择电源SELVDD的电荷泵电路。然而，通常，大电流流入电荷泵电路是不可行的。因此，当采用在芯片上集成有由电荷泵电路组成的升压电路的系统配置时，为复位晶体管23和放大晶体管24提供独立的电源作为各自的漏极电源，以防止大电流流入电荷泵电路。
在以上示例中，将被视为一个单位的多个像素取为属于同一像素列的4个相邻像素20-1到20-4。此外，将像素20-1到20-4分组成两组。在一组中，在两个像素20-1和20-2之间共用放大晶体管24，而在另一组中，在两个像素20-3和20-4之间共用复位晶体管23。应当明白，以上只是一个示例。不过，在同一像素列上进行共用的确会使对从各像素读出信号进行时序控制变得容易。
以下要描述的本发明的实施例可以应用于执行以上像素电路的电路操作的固态图像传感器，每个实施例都会在其中表现出该实施例的特定优点。
<根据本实施例的像素电路的布局>
现在将描述根据本实施例的采用多像素共用构造的像素电路的布局。
图8是图解说明根据本实施例的像素电路的示例性布局的平面图形。图8图解说明了在将4个垂直像素视为一个单位的情况下两个像素列A和B中的总共8个像素的布局。
首先，将描述像素列A中的4个像素20-1A、20-2A、20-3A以及20-4A的布局。
在第一组中，像素20-1A的光电二极管21-1A和像素20-2A的光电二极管21-2A被形成为相隔预定间隔。在光电二极管21-1A与21-2A之间，例如，在左侧，还形成有FD 25-1A。此外，转移晶体管22-1A的栅极221A被设在光电二极管21-1A与FD 25-1A之间。类似地，转移晶体管22-2A的栅极222A被设在光电二极管21-2A与FD 25-1A之间。
在光电二极管21-1A与21-2A之间的中央部分的右侧形成有放大晶体管24A。放大晶体管24A的源极区经由接触部分31A电连接到垂直信号线17。放大晶体管24A的漏极区经由接触部分32电连接到固定电源Vdd。
在第二组中，像素20-3A的光电二极管21-3A和像素20-4A的光电二极管21-4A被形成为相隔预定间隔。在光电二极管21-3A与21-4A之间，例如，在左侧，还形成有FD 25-2A。此外，转移晶体管22-3A的栅极223A被设在光电二极管21-3A与FD 25-2A之间。类似地，转移晶体管22-4A的栅极224A被设在光电二极管21-4A与FD25-2A之间。
在光电二极管21-3A与21-4A之间形成有复位晶体管23A。复位晶体管23A的源极区与FD25-2A形成为一体。复位晶体管23A的漏极区经由接触部分33电连接到选择电源SELVDD。
在第一组的像素20-1A和20-2A中，FD 25-1A通过接触部分34A电连接到一个分开的层中的引线(未示出)。类似地，在第二组的像素20-3A和20-4A中，FD25-2A通过接触部分35A电连接到同一引线。换句话说，FD25-1A与FD25-2A经由上述引线相互电连接。
接下来，将描述与像素列A相邻的像素列B中的4个像素20-1B、20-2B、20-3B以及20-4B的布局。
在第一组中，像素20-1B的光电二极管21-1B和像素20-2B的光电二极管21-2B被形成为相隔预定间隔。在光电二极管21-1B与21-2B之间，例如，在右侧，还形成有FD25-1B。此外，转移晶体管22-1B的栅极221B被设在光电二极管21-1B与FD25-1B之间。类似地，转移晶体管22-2B的栅极222B被设在光电二极管21-2B与FD 25-1B之间。
在光电二极管21-1B与21-2B之间的中央部分的左侧形成有放大晶体管24B。放大晶体管24B的源极区经由接触部分31B电连接到垂直信号线17。放大晶体管24B的漏极区与放大晶体管24A的漏极区形成为一体。因此，放大晶体管24B的漏极区也经由接触部分32电连接到固定电源Vdd。
在第二组中，像素20-3B的光电二极管21-3B和像素20-4B的光电二极管21-4B被形成为相隔预定间隔。在光电二极管21-3B与21-4B之间，例如，在右侧，还形成有FD 25-2B。此外，转移晶体管22-3B的栅极223B被设在光电二极管21-3B与FD 25-2B之间。类似地，转移晶体管22-4B的栅极224B被设在光电二极管21-4B与FD 25-2B之间。
在光电二极管21-3B与21-4B之间形成有复位晶体管23B。复位晶体管23B的源极区与FD 25-2B形成为一体。复位晶体管23B的漏极区与复位晶体管23A的漏极区形成为一体。因此，复位晶体管23B的漏极区经由接触部分33也电连接到选择电源SELVDD。
在第一组的像素20-1B和20-2B中，FD 25-1B通过接触部分34B电连接到一个分开的层中的引线(未示出)。类似地，在第二组的像素20-3B和20-4B中，FD 25-2B通过接触部分35B电连接到同一引线。换句话说，FD 25-1B与FD 25-2B经由上述引线相互电连接。
在如上构成的像素电路的布局中，为具有两个像素的每个组设置一个FD，在这两个像素之间共用该单个FD区(即，FD)。更具体来说，在像素20-1A与20-2A之间共用FD 25-1A，并在像素20-3A与20-4A之间共用FD 25-2A。类似地，在像素20-1B与20-2B之间共用FD 25-1B，在像素20-3B与20-4B之间共用FD 25-2B。
此外，该布局使得在每个组中的两个像素之间设置复位晶体管23或放大晶体管24。换句话说，根据本实施例的像素电路是基于这样一种结构：单个像素包括3个晶体管(Tr)22、23和24(见图5)。然而，尽管图5所示的像素具有3Tr结构，但是根据本实施例的像素电路中的单个像素具有1.5Tr结构。此外，图8特别展示了如何相对于像素列A与B之间的边界线对称地设置像素列A中的四像素单位和像素列B中的四像素单位。换句话说，该布局使得各组被设置成相互面对。
换句话说，将根据本实施例的布局首先设计成在每个组中的两个像素之间共用一个FD区，而且在这两个像素之间设置复位晶体管23或放大晶体管24。该布局对于确保光电二极管21占用的面积来说是高效的。此外，还将根据本实施例的布局设计成每两个像素被设置成跨像素列相互面对。通过采用该布局，在两个像素列A与B之间既可以共用固定电源Vdd的接触部分32，又可以共用选择电源SELVDD的接触部分33。因此，进一步提高了该布局的效率。
如上所述，由于根据本实施例的布局很高效，因此即使为了满足对更精细的图像的需求而采用多像素共用构造并且试图进一步小型化，也可以确保光电二极管21的大占用面积。具体地说，当将本布局应用于前述背面照射构造(见图4B)时，由于在捕获入射光的一侧不存在金属层，因此可以在有限的像素面积中使光电二极管21的光敏面积最大化。因此，与不采用根据本实施例的布局的情况相比，可以增大光电二极管21处理的电荷量，由此可以获得高饱和特性。
以下要描述的本发明的实施例可以应用于具有以上像素电路的布局的固态图像传感器，每个实施例都会在其中表现出该实施例的特定优点。
[修改例]
以上描述了这样的例子：将本发明实施例应用于其中排列有单位像素阵列的CMOS图像传感器，并且由每个单位像素检测到的物理量是与可见光的强度相对应的信号电荷。不过，应当明白，本发明并不限于应用于CMOS图像传感器，也可以应用于通过采用多像素共用构造来试图实现像素小型化的普通固态成像设备。
此外，本发明并不限于对像素阵列中的各像素进行逐行扫描然后从所选择的行上的各像素读取信号的固态成像设备。相反，本发明也可以应用于X-Y寻址固态成像设备，其逐像素地选择任意像素，然后逐像素地从所选择的像素读取信号。
可以将这种固态成像设备形成为单片解决方案，或形成为具有封装的成像功能并且包含成像器以及信号处理器或光学系统的模块。
此外，本发明并不限于应用于固态成像设备，也可以应用于其他类型的成像设备。这种其他类型的成像设备可以指照相机系统(如数字静态照相机和摄像机)和具有成像功能的电子装置(如移动电话)。在一些情况下，可以按模块形式提供成像设备，并将其并入这种电子装置中。换句话说，成像设备可以是照相机模块。
以下描述的本发明的所有实施例都可以应用于根据以上修改例构成的成像设备，每个实施例都会在其中表现出该实施例特有的优点。
[成像设备]
图9是图解说明根据本发明一个实施例的成像设备的示例性结构的框图。如图9所示，根据本发明实施例的成像设备100例如包括：光学系统，包括诸如透镜组101的组件；图像传感器102，充当照相机信号处理电路的DSP电路103；帧存储器104；显示器105；记录单元106；用户接口系统107；以及电源系统108。DSP电路103、帧存储器104、显示器105、记录单元106、用户接口系统107以及电源系统108经由总线109相互连接。
透镜组101捕获来自被摄物的入射光(即，图像光)，并将所捕获的光聚焦在图像传感器102的光电检测器表面上。图像传感器102以像素为单位将由透镜组101聚焦在其光电检测器表面上的入射光的强度转换成电信号，然后输出该结果作为像素信号。可以使用根据以上实施例的CMOS图像传感器作为此处的图像传感器102。
显示器105由板型显示装置构成，如液晶显示器(LCD)或有机电发光(有机EL)显示器。显示器105显示由图像传感器102捕获的视频或静态图像。记录单元106将由图像传感器102捕获的视频或静态图像记录在记录介质(如录像带或DVD(数字多功能盘))上。
基于用户进行的操作，用户接口系统107发出成像设备的各种功能的操作指令。电源系统108适当地向充当DSP电路103、帧存储器104、显示器105、记录单元106以及用户接口系统107的操作电源的各个电源提供电力。
以下要描述的所有本发明的实施例都可以应用于以上成像设备，每个实施例都会在其中表现出该实施例特有的优点。
[第二实施例]
以下，将参照附图详细描述使用以上像素阵列的本发明第二实施例。将如下进行描述。
1.应用了第二实施例的固态图像传感器(CMOS图像传感器示例)
2.背面照射像素构造
3.多像素共用构造(四像素共用示例)
4.当在背面照射像素构造中采用多像素共用构造时的问题
5.本实施例的特性
6.电子装置(成像设备示例)
7.像素单元示例
<1.应用了第二实施例的固态图像传感器>
(系统结构)
图10是概述应用了本发明一个实施例的CMOS图像传感器(一种X-Y寻址固态图像传感器)的系统结构的系统图。在此，CMOS图像传感器是指通过应用或部分使用CMOS工艺而创建的图像传感器。
根据本应用示例的CMOS图像传感器110被构造成将像素阵列112形成在半导体基板(以下也称为芯片)111上，并将外围电路集成在与像素阵列112的同一芯片111上。在本示例中，所提供的外围电路包括行扫描器(即，垂直驱动器)113、列处理器114、列扫描器(即，水平驱动器)115以及系统控制器116。
在该像素阵列112中，单位像素(以下也简称为像素)被排列为二维阵列。每个单位像素都包含光电检测器，该光电检测器产生并在内部累积与入射光强度相对应的量的光电电荷。稍后将给出这些单位像素的更具体的结构。
此外，针对各像素行在像素阵列111中形成像素驱动线117，像素驱动线117沿水平/行方向(即，像素被排列成行的方向)延伸。针对各列类似地形成垂直信号线118，垂直信号线118沿垂直/列方向(即，像素被排列成列的方向)延伸。像素驱动线117发送用于驱动从像素读取信号的驱动信号。尽管在图10中仅示出了一条线，但是像素驱动线117的数量并不限于一条。各像素驱动线117的一端连接到行扫描器113中的每行输出端。
可以借助于诸如移位寄存器或地址解码器之类的部件来实现行扫描器113。扫描器113是对像素阵列112中的所有像素同时或者逐行地进行驱动的像素驱动器。尽管此处从图示中略去了具体结构，但是行扫描器113通常被构造成包括两个扫描子系统：读出扫描子系统和复位扫描子系统。
读出扫描子系统按行的顺序选择性地扫描像素阵列112中的单位像素，以从其读出信号。从单位像素读出的信号是模拟信号。复位扫描子系统对读出扫描子系统要扫描的读出行进行复位扫描。该复位扫描比读出扫描提前等于快门速度的时间量。
通过借助于复位扫描子系统进行的复位扫描，从读出行上的单位像素的光电检测器排掉不想要的电荷，从而对光电检测器进行复位。通过借助于复位扫描子系统对不想要的电荷进行复位(即，放电)，来进行电子快门操作。此处，电子快门操作是指丢弃光电检测器中的光电电荷并开始新的曝光(即，开始光电电荷的累积)的操作。
通过读出扫描子系统的读出操作所读出的信号对应于自从最后一次读出操作或电子快门操作起的入射光的强度。在最后一次读出操作的读出定时或最后一次电子快门操作的复位定时开始并且在当前读出操作的读出定时结束的时间段成为单位像素的光电电荷累积时间(即，曝光时间)。
从行扫描器113选择性地扫描的像素行上的各单位像素输出的信号经由各垂直信号线118被送至列处理器114。对于像素阵列112的每个像素列，列处理器114对于分别从所选行上的各个像素经由垂直信号线118输出的信号执行预定信号处理。此外，列处理器114还暂时存储处理后的像素信号。
更具体来说，由列处理器114应用于接收到的单位像素信号的信号处理例如可以包括借助于相关双采样(CDS)进行的去噪、信号放大以及模数(AD)转换。去噪处理用于去除像素特有的、固定模式的噪声，如放大晶体管中的复位噪声和阈值变化。应当明白，在此作为示例描述的信号处理仅仅是示例，并且信号处理并不限于上述信号处理。
列扫描器115可以借助于诸如移位寄存器或地址解码器之类的部件来实现，并且顺序地选择与列处理器114中的像素列相对应的单位电路。作为列扫描器115执行选择扫描的结果，由列处理器114处理后的像素信号被依次输出到水平总线119，然后经由水平总线119发送到芯片111的外部。
系统控制器116接收从芯片111的外部提供的时钟和规定操作模式的数据，同时还输出CMOS图像传感器110的数据和其他内部信息。系统控制器116还包括生成各种时序信号的时序发生器。基于由时序发生器产生的各种时序信号，系统控制器116对诸如行扫描器113、列处理器114以及列扫描器115之类的外围电路的驱动进行控制。
对于正面照射和背面照射像素构造，上述CMOS图像传感器110的结构基本上相同。不过，假定根据本发明实施例的CMOS图像传感器采用背面照射像素构造。以下，将描述背面照射像素构造的具体结构。
<2.背面照射像素构造>
图11是图解说明背面照射像素构造的示例性结构的剖面图。在图11中，图解说明了两个像素的剖面构造。
在图11中，在硅部分121中形成有充当光电检测器的光电二极管122和对光电二极管122进行驱动的像素晶体管123。换句话说，硅部分121是元件形成部分。
经由层间膜124将滤色器125合并到硅部分121的一个表面上。这样，入射到硅部分121的一个表面上的光穿过滤色器125并到达光电二极管122的光敏表面上。
同时，在硅部分121的另一表面上形成金属层127。金属层127本身是多层的，包含像素晶体管123的栅极和层间绝缘膜内部的其他金属成分。在金属层127与硅部分121侧相反的一侧上，通过粘合剂128粘合支承基板129。
在以上像素构造中，将硅部分121的位于金属层127一侧的表面称为正面，而将硅部分121与金属层127相对一侧的表面称为背面。在这种定义下，本像素构造是背面照射像素构造，因为捕获照在硅部分121的背面上的入射光。
根据背面照射像素构造，在不考虑光电二极管122的光敏表面的情况下设计金属层127中的部件的布局，可以在与金属层127相反的表面(即，背面)上捕获入射光。由于在导线布局设计中存在更大的自由度，因此与正面照射构造相比，背面照射构造具有使像素小型化更容易的优点。
此外，光电二极管122与滤色器125之间的距离与正面照射构造的相比极其短。因此，尽管通常在背面照射像素构造中设置微透镜(即，片上透镜)，但是在可以想到一个实施例中略去微透镜。
<3.多像素共用构造>
CMOS图像传感器110因此采用如上构成的背面照射像素构造。在本实施例中，CMOS图像传感器110还采用多像素共用构造，其中在多个像素之间共用通常本来逐像素地设置的组成元件的一部分。在描述本实施例之前，将描述不采用多像素共用构造的像素结构。
(不采用多像素共用构造的像素电路)
图5是图解说明不采用多像素共用构造的示例性像素电路的电路图。如图5所示，根据该示例性电路的像素20包括光电检测器(如光电二极管21)和3个晶体管：转移晶体管22、复位晶体管23以及放大晶体管24。在此，作为示例，使用N沟道MOS晶体管来例示晶体管22到24。
在此，转移晶体管22构成将已由光电二极管21光电转换得到的电荷转移到充当电荷到电压转换器的浮动扩散部分(FD)25的转移选通门。复位晶体管23构成对FD 25的电势进行复位的复位选通门。放大晶体管24构成将与FD 25的电势相对应的信号输出到垂直信号线118的放大器。
在图5中，将光电二极管21的阳极接地。转移晶体管22连接在光电二极管21的阴极与FD 25之间，转移脉冲TRG被从行扫描器113选择性地施加到转移晶体管22的栅极。当转移脉冲TRG被施加时，转移晶体管22导通，并且已经由光电二极管21光电转换并累积的信号电荷(在此是光电子)被转移到FD 25。
复位晶体管23分别在其漏极处连接到选择电源SELVdd并在其源极处连接到FD 25，从行扫描器113向其栅极选择性地施加复位脉冲RST。复位脉冲RST的施加发生在从光电二极管21进行电荷转移之前。当施加复位脉冲RST时，复位晶体管23导通，并通过将FD 25的电荷丢弃到选择电源SELVdd中来将FD 25复位。在此，选择电源SELVdd选择性地取以下两个电源电压中的一个：例如，Vdd电平和GND电平。
将放大晶体管24构造成源极跟随器，分别在其栅极处连接到FD
25，在其漏极处连接到选择电源SELVdd，并在其源极处连接到垂直信号线118。放大晶体管24作为选择电源SELVdd切换到Vdd电平的结果而开始工作，此时放大晶体管24以复位晶体管23复位后的FD 25的电势的形式向垂直信号线118输出复位电平。此外，放大晶体管24也以接收了转移晶体管22的电荷转移后的FD 25的电势的形式向垂直信号线118输出信号电平。
在此，选择电源SELVdd选择性地取以下两个电源电压水平中的一个：GND电平(0V)或附近的第一电压水平(如0.6V)；和Vdd电平。通过从GND电平或第一电压水平切换到Vdd电平，选择电源SELVdd进行像素选择。
<根据本实施例的采用多像素共用构造的像素电路>
图6是图解说明采用了根据本发明一个实施例的多像素共用构造的示例性像素电路的电路图。在图6中，对与图5所示的部分类似的部分使用相同的标号。在此，作为示例描述四像素共用构造，其中，在多个邻近的像素之间共用通常每像素地设置的组成元件中的至少FD 25(即，电荷到电压转换器)。例如，可以在属于同一像素列的4个垂直相邻像素之间共用FD 25。
在采用四像素共用构造的像素电路中，将属于同一像素列的多个相邻像素(如4个垂直相邻的像素20-1、20-2、20-3以及20-4)视为一个单位。将该单位构造成在其中的4个像素之间共用单个FD 25。当在多个相邻像素之间共用部件时，在同一像素列上进行共用会允许容易对从各像素读出信号的操作进行时序控制。
形成以上单位的4个像素20-1、20-2、20-3以及20-4分别包括充当光电检测器的光电二极管21-1、21-2、21-3以及21-4。这4个像素20-1、20-2、20-3以及20-4还被分组成两对(即，被配对)。在构成一组的两个像素20-1和20-2的像素区中设置放大晶体管24，而在构成另一组的两个像素20-3和20-4的像素区中设置复位晶体管23。
在前面已经描述的不采用多像素共用构造的像素电路中，复位晶体管23和放大晶体管24都在其各自的漏极处连接到选择电源SELVdd。换句话说，为复位晶体管23和放大晶体管24准备公共的选择电源SELVdd作为漏极电源。
与此相反，在根据本实施例的像素电路中，为复位晶体管23和放大晶体管24准备独立的电源作为各自的漏极电源。所述独立的电源是电源电压(即，电压水平)恒定的固定电源Vdd以及电源电压可变的选择电源SELVDD。选择电源SELVDD选择性地取以下两个电源电压水平中的一个：例如，GND电平(0V)或附近的第一电压水平；和比所述固定电源Vdd的电压水平Vdd高的第二电压水平VDD。通过从第一电压水平切换到第二电压水平VDD，选择电源SELVDD进行像素选择。
此外，将复位晶体管23的漏极连接到选择电源SELVDD，同时将放大晶体管24的漏极连接到固定电源Vdd。将复位晶体管23的源极连接到在4个垂直像素20-1、20-2、20-3以及20-4之间共用的FD 25。向复位晶体管23的栅极选择性地施加复位脉冲RST。将放大晶体管24的栅极连接到FD 25，同时将源极连接到垂直信号线118。
(根据本实施例的像素电路中的电路操作)
现在利用图12所示的时序图来描述如上构成的四像素共用像素电路中的电路操作，并取当电荷累积时间为1H(其中H为水平扫描周期)的情况的例子。
在时刻t10，选择电源SELVDD从第一电压水平(例如GND)切换到第二电压水平VDD。结果，第一到第四行中的像素变成被选中。在时刻t11，第一行转移脉冲TRG1和复位脉冲RST都变成有效，这使得像素20-1的转移晶体管22-1和所述4个像素共用的复位晶体管23都导通。结果，光电二极管21-1内的电荷(即，不想要的电荷)流经FD 25并被丢弃到选择电源SELVDD中。
在时刻t12，选择电源SELVDD从第二电压水平VDD切换到第一电压水平，这使得复位晶体管23被切断(截止)。这样会完成复位操作，从而电荷从光电二极管21-1经过FD 25和复位晶体管23并进入选择电源SELVDD。该复位操作通过丢弃光电二极管21-1内的电荷来复位光电二极管21-1，因此是调节电荷累积时间的电子快门操作。
在时刻t13，第一行转移脉冲TRG1和复位脉冲RST都变成无效(在本示例中为L电平)。这样，像素20-1的转移晶体管22-1和复位晶体管23都被切断。通过切断转移晶体管22-1，光电转换得到的信号电荷(即，光电子)开始在第一行光电二极管21-1中累积。
在随后的时刻t14，复位脉冲RST再次变成有效，在时刻t15，选择电源SELVDD切换到第二电压水平VDD。结果，所述4个像素共用的复位晶体管23导通，这使得所述4个像素共用的FD 25内的电荷流过复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中。结果，FD 25的电势被复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。
在时刻t16，复位脉冲RST变成无效，从而结束FD 25复位操作。此时FD 25的电势变成第一行像素20-1的复位电平。然后由放大晶体管24将该复位电平(称为P阶段电平)输出到垂直信号线118。
在时刻t17，第一行转移脉冲TRG1变成有效，这使得像素20-1的转移晶体管22-1导通。结果，由转移晶体管22-1将在光电二极管21-1中光电转换得到的信号电荷转移到FD 25。换句话说，时刻t13与时刻t17之间的时间段是第一行像素20-1中的信号电荷的累积时段。
在时刻t18，第一行转移脉冲TRG1变成无效，从而结束第一行的信号电荷的转移。此时，FD 25的电势变成与从光电二极管21-1转移的信号电荷的电荷量相对应的电势。FD 25的该电势变成第一行像素20-1的信号电平。然后由放大晶体管24将该信号电平(称为D阶段电平)输出到垂直信号线118。
在时刻t19，第二行转移脉冲TRG2和复位脉冲RST都变成有效，这使得像素20-2的转移晶体管22-2和复位晶体管23都导通。结果，光电二极管21-2内的电荷经过FD 25并被丢弃到选择电源SELVDD中。
在时刻t20，选择电源SELVDD切换到第一电压水平GND，这使得复位晶体管23被切断。这样会完成复位操作，从而电荷从光电二极管21-2流过FD 25和复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中(即，对光电二极管21-2进行复位的操作)。
在时刻t21，第二行转移脉冲TRG2变成无效。结果，像素20-2的转移晶体管22-2被切断，并且光电转换得到的信号电荷开始在第二行光电二极管21-2中累积。
在随后的时刻t22，复位脉冲RST变成有效，在时刻t23，选择电源SELVDD切换到第二电压水平VDD。结果，复位晶体管23导通，这使得FD 25内的电荷流过复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中。结果，FD 25的电势被复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。
在时刻t24，复位脉冲RST变成无效，从而结束FD 25复位操作。然后由放大晶体管24将此时FD 25的电势输出到垂直信号线118作为第二行像素20-2的复位(P阶段)电平。
在时刻t25，第二行转移脉冲TRG2变成有效，这使得像素20-2的转移晶体管22-2导通。结果，由转移晶体管22-2将在光电二极管21-2中光电转换得到的信号电荷转移到FD 25。换句话说，时刻t21与时刻t25之间的时间段是第二行像素20-2中的信号电荷的累积时段。
在时刻t26，第二行转移脉冲TRG2变成无效，从而结束第二行的信号电荷的转移。此时，FD 25的电势变成与从光电二极管21-2转移的信号电荷的电荷量相对应的电势。然后由放大晶体管24将FD 25的该电势输出到垂直信号线118作为第二行像素20-2的信号(D阶段)电平。
在时刻t27，第三行转移脉冲TRG3和复位脉冲RST都变成有效，这使得像素20-3的转移晶体管22-3和复位晶体管23都导通。结果，光电二极管21-3内的电荷流过FD 25并被丢弃到选择电源SELVDD中。
在时刻t28，选择电源SELVDD切换到第一电压水平GND，这使得复位晶体管23被切断。这样会完成复位操作，从而电荷从光电二极管21-3流过FD 25和复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中(即，对光电二极管21-3进行复位的操作)。
在时刻t29，第三行转移脉冲TRG3变成无效。结果，像素20-3的转移晶体管22-3被切断，并且光电转换得到的信号电荷开始在第三行光电二极管21-3中累积。
在随后的时刻t30，复位脉冲RST变成有效，在时刻t31，选择电源SELVDD切换到第二电压水平VDD。结果，复位晶体管23导通，这使得FD 25内的电荷流过复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中。结果，FD 25的电势被复位到选择电源SELVDD的第二电压水平VDD。
在时刻t32，复位脉冲RST变成无效，从而结束FD 25复位操作。然后由放大晶体管24将此时FD 25的电势输出到垂直信号线118作为第三行像素20-3的复位(P阶段)电平。
在时刻t33，第三行转移脉冲TRG3变成有效，这使得像素20-3的转移晶体管22-3导通。结果，由转移晶体管22-3将在光电二极管21-3中光电转换得到的信号电荷转移到FD 25。换句话说，时刻t29与时刻t33之间的时间段是第三行像素20-3中的信号电荷的累积时段。
在时刻t34，第三行转移脉冲TRG3变成无效，从而结束第三行的信号电荷的转移。此时，FD 25的电势变成与从光电二极管21-3转移的信号电荷的电荷量相对应的电势。然后由放大晶体管24将FD 25的该电势输出到垂直信号线118作为第三行像素20-3的信号(D阶段)电平。
在时刻t35，第四行转移脉冲TRG4和复位脉冲RST都变成有效，这使得像素20-4的转移晶体管22-4和复位晶体管23都导通。结果，光电二极管21-4内的电荷流过FD 25并被丢弃到选择电源SELVDD中。
随后，第四行像素20-4的复位(P阶段)电平和信号(D阶段)电平被类似地读取并由放大晶体管24输出到垂直信号线118。然后，对于所有像素行重复以上将四行视为一个单位的电路操作系列。
<4.当在背面照射像素构造中采用多像素共用构造时的问题>
如前所述，除了背面照射像素构造以外还采用多像素共用构造是有问题的，因为这包括对于读出行提前丢弃共用FD 25的多个像素的光电二极管21内的电荷。现在将描述这一问题。
上述问题是因为背面照射像素构造采用水平溢流漏极构造而引起的，在水平溢流漏极构造中，从光电二极管21溢流的电荷在转移晶体管22的栅极的下方经过并被丢弃到FD 25中。换句话说，如果电荷留在共用FD 25的多个像素中的一个的光电二极管21内，那么该电荷会在转移晶体管22的低势垒转移栅极的下方经过，并流到读出行上的像素的FD 25中。由于这个原因，不再保持信号输出的线性，因为该信号输出依赖于由电子快门调节的电荷累积时间。
以前述四像素共用像素电路为例，现在将参照图13所示的时序图更具体地描述上述问题。
在四像素共用像素电路的情况下，如果电荷累积时间是3H或更短的短时段，那么不是所有的行都会经受快门操作。由于在一些行上不进行用于从共用像素的光电二极管21丢弃电子(即，电荷)的快门操作，因此电子会流到FD 25中。更具体地说，如果电荷累积时间是1H，由于对于第二、第三以及第四行上的光电二极管21-2、21-3以及21-4没有快门，因此电子会溢流。如果电荷累积时间是2H，由于对于第三和第四行上的光电二极管21-3及21-4没有快门，因此电子会溢流。如果电荷累积时间是3H，由于对于第四行上的光电二极管21-4没有快门，因此电子会溢流。分别由图13中的虚线圆表示以上3种情况。
如果电子以此方式流到FD 25中，那么不再保持信号输出的线性，因为该信号输出依赖于由电子快门调节的电荷累积时间，如图14所示。在四像素共用像素电路的情况下，对于不短于4H的电荷累积时间，会保持信号输出的线性。然而，对于3H或更短的电荷累积时间，会丧失信号输出的线性。
以上作为示例描述了四像素共用像素电路的情况，但是在不由四像素单位构成的其他像素共用电路中也会出现类似的问题。例如，在两像素共用像素电路的情况下，如果电荷累积时间是1H的短时段，如图15所示，那么不会对共用像素的光电二极管21执行快门操作。因此，当电荷累积时间是1H时，会丧失信号输出对电荷累积时间的依赖性。
换句话说，在n个像素(n为等于或大于2的整数)之间共用FD25的像素电路的情况下，当电荷累积时间是(n-1)H或更短的短时段时，依赖于电荷累积时间的信号输出的线性不再保持。
尽管作为示例取背面照射像素构造对信号输出相对于电荷累积时间的非线性的问题进行了描述，但是该问题并不限于背面照射像素构造。换句话说，即使在正面照射像素构造中，也可以想到采用用于将从光电检测器51溢流的电荷丢弃到FD 54中的水平溢流漏极构造。
更具体来说，在图1中，通过将施加给转移栅极53的栅极电压的电压值设定为使得在转移栅极53下方的势垒低于光电检测器51的底部处的势垒，来实现水平溢流漏极构造。当以此方式采用水平溢流漏极构造时，即使在正面照射像素构造中，依赖于电荷累积时间的信号输出的线性也不会保持。
<5.本实施例的特性>
如上所述，在根据本实施例的具有水平溢流漏极构造的固态图像传感器中，当采用在多个像素之间共用至少FD 25的多像素共用构造时，解决了依赖于电荷累积时间的信号输出的非线性问题。此外，当采用多像素共用构造时，将本实施例构造成执行以下操作。在从读出行上的像素20读出信号时，在共用FD 25的多个像素(即，共用像素)的光电二极管21中对电荷进行复位。在从读出行上的像素20读出像素的同时或者在此之前(即，在从读出行上的像素20读出像素之前)进行电荷复位操作。
以下，将更详细地描述本实施例的特征。在此，将以图6所示的四像素共用构造(其中在属于同一像素列的4个邻近像素之间共用FD25)为例来描述多像素共用构造。然而，应当明白，以下内容并不限于应用于四像素共用构造。
作为示例，可以通过基于图12所示的时序图的电路操作和前述电路操作来驱动采用四像素共用构造的固态图像传感器。当以此方式来驱动图像传感器时，对于共用FD 25的四个像素20-1到20-4中的每一个执行丢弃光电二极管21-1到21-4内的电荷的复位操作(即，电子快门操作)，但是仅当作为行扫描器113的扫描结果而选择了特定像素作为读出行的一部分时才执行该复位操作。
更具体来说，在图12所示的时序图中，在从t11到t12的时段期间对第一行像素20-1执行电子快门操作，在时段t19到t20期间对第二行像素20-2执行电子快门操作，在时段t27到t28期间对第三行像素20-3执行电子快门操作，依此类推。换句话说，在由行扫描器113选择的每个读出行上，分别对光电二极管21-1到21-4执行一次用于调节电荷累积时间的电子快门操作作为复位操作。
在按此方式对图像传感器进行驱动，使得用于丢弃光电二极管21内的电荷的复位操作仅当包含该光电二极管21的像素被选择为读出行的一部分时才被执行的情况下，在从读出行上的像素20读出信号之前电荷会留在其他共用像素的光电二极管21内。此外，在具有水平溢流漏极构造的固态图像传感器中，存在信号输出相对于信号累积时间的非线性的问题，如前所述，该问题是在共用像素的光电二极管21内的逗留电荷在转移晶体管22的栅极下方经过并流到读出行上的像素中时出现的。
因此，在根据本实施例的具有水平溢流漏极构造并且还采用多像素共用构造的固态图像传感器中，在从读出行上的像素20读出信号的同时或者在此之前对共用像素的光电二极管21内的电荷进行复位。现在将参照图16所示的时序图对图像传感器驱动过程的细节进行描述。图16图解说明了在电荷累积时间为1H的情况下第一到第四行的驱动时序之间的关系。
在此，作为示例，对行扫描器113选择第一行作为读出行的情况进行描述。当选择第一行作为读出行时，在从第一行上的各像素读出信号之前，执行电子快门操作。如在参照图12对电路操作进行的描述中说明的那样，该电子快门操作决定光电二极管21-1中的信号电荷的电荷累积时间。更具体来说，在图12所示的时序图中，当复位脉冲RST和转移脉冲TRG1都变成无效时，信号电荷累积在时刻t13开始。
在本示例中，与第一行电子快门的定时相一致地针对共用像素(即，分别针对第二到第四行上的像素20-2到20-4中的光电二极管21-2到21-4)执行复位操作。由行扫描器113在系统控制器116的控制下执行这些复位操作。
更具体来说，当第一阶段转移脉冲TRG1和复位脉冲RST变成有效时，第二到第四行的转移脉冲TRG2到TRG4也变成有效，这使得第二到第四行中的转移晶体管22-2到22-4导通。因此，第二到第四行上的各光电二极管21-2到21-4内的电荷会经过FD 25和复位晶体管23并被丢弃到选择电源SELVDD中。
这些复位操作是对共用像素执行的，不同于对读出行上的像素执行的电子快门操作。这些复位操作类似于在日本待审专利申请公报No.2008-288904中公开的技术中执行的抗晕光快门操作，因此在本说明书中也被称为抗晕光快门操作。
在四像素共用的情况下，如图17所示，对3个共用像素的抗晕光快门操作与对读出行上的第四个像素的电子快门操作相同步。在图17中，圆圈表示用于从读出行上的像素读出信号的读出定时，正方形表示针对读出行的电子快门定时，叉号表示对共用像素的抗晕光快门定时。
此外，在图17中，在同一像素行上的圆圈与正方形之间的时间表示信号电荷的电荷累积时间(在本示例中为1H)。而且，在图17中，在相邻像素行上的圆圈与正方形之间的时间t表示相邻像素行上的信号读出与电子快门之间的定时差(见图12)。
在图17所示的示例中，如果取电荷累积时间为1H并且取读出行为第0行，那么在第0行读出操作之前1H执行第0行电子快门操作。在与第0行电子快门操作的定时相同的定时对共用像素(即，第一到第三行上的相应像素)执行抗晕光快门操作。然后逐行地按顺序重复这些电子快门、抗晕光以及读出操作。
借助于以上抗晕光快门操作，可以在执行用于从读出行上的像素读出信号的读出操作之前丢弃所有共用像素的光电二极管21内的电荷。这样，可以防止在从读出行上的像素读出信号之前电荷从所有共用像素的光电二极管21溢流并流入由所述四个像素共用的FD 25中。因此，可以保持信号输出相对于读出行上的像素的电荷累积时间的线性。
当应用于采用背面照射像素构造的固态图像传感器时，这种用于保持信号输出相对于电荷累积时间的线性的技术尤其有用。这是因为背面照射像素构造缺少将从光电二极管21溢流的电荷丢弃到其中的基板，结果，大多数背面照射像素构造都采用水平溢流漏极构造，在该水平溢流漏极构造中，电荷在转移晶体管22的栅极的下方经过，并被丢弃在FD 25中。
在本示例中，针对共用像素的抗晕光快门操作与针对读出行的电子快门操作的定时相吻合，或者换句话说，在从读出行上的像素读出信号之前。不过，也可以在从读出行上的像素读出信号的同时执行抗晕光快门操作。
在此，如图12中的时序图所示，从读出行上的像素读出信号的操作以读出复位(P阶段)电平的操作开始。因此，与从读出行上的像素读出信号的操作同时发生的点是指时刻t16(在第一行为读出行的情况下)，在此时间点，选择电源SELVDD处于第二电压水平VDD，并且复位脉冲RST从有效状态转变到无效状态。
(采样读出)
因此上述内容描述了应用于顺序读出的、用于保持信号输出相对于电荷累积时间的线性的技术的实施例，在顺序读出中，由行扫描器113逐行地顺序扫描并读取像素阵列12中的各个像素20。然而，上述内容也可以应用于采样读出。在此，采样读出是指按固定行间隔跳过像素行并从其余像素行上的像素读出信号的技术。可以使用这种采样读出来实现快速成像，因为可以减少垂直读出行的数量(即，行或线的数量)。
当将上述实施例应用于采样读出时，可以在从被选择为读出行的像素行上的像素读出信号的同时(或者在此之前)，对所有共用像素的光电二极管21类似地执行抗晕光快门操作。
例如，考虑1/3采样读出的情况，其中将行分成3个一组，跳过两个行并从其余行读出信号。在此情况下，电子快门、抗晕光以及读出操作之间的时序关系如图18所示。
在图18中，同一像素行上的圆圈与正方形之间的时间表示信号电荷的电荷累积时间(在本示例中为1H)。而且，在相邻像素行上的圆圈与正方形之间的时间表示相邻像素行上的信号读出与电子快门之间的定时差。
在1/3采样读出的情况下，依次选择第零、第三、第六、第九、第十二...像素行作为读出行。在此，如果例如要选择第十二行作为读出行，那么在第十二行读出操作之前1H执行第十二行电子快门操作。
此外，在与第十二行电子快门操作的定时相同的定时，对共用像素中的一个(具体来说，第十四行上的像素)执行抗晕光快门操作。还在第十二行电子快门操作之前的电子快门操作对其他共用像素(具体来说，第十三和第十五行上的像素)执行抗晕光快门操作。
这样，当从共用FD 25的四个像素中的单个像素读出信号时，在从该像素读出信号之前对所有共用像素的光电二极管21执行抗晕光快门操作。在本示例中，当从第十二行像素读出信号时，在被读出的像素的电子快门定时对第十四行像素执行抗晕光快门操作，而在之前的电子快门定时对第十三行和第十五行像素执行抗晕光快门操作，如图18中的虚线圆圈包围的符号所示。
图19、20以及21图解说明了其他采样读出模式的电子快门、抗晕光快门以及读出操作之间的时序关系。在图19、20以及21中，同一像素行上的圆圈与正方形之间的时间表示信号电荷的电荷累积时间(在本示例中为1H)。而且，在相邻像素行上的圆圈与正方形之间的时间表示相邻像素行上的信号读出与电子快门之间的定时差。
图19说明了在2/8采样读出的情况下的抗晕光快门操作。图20说明了在2/15采样读出的情况下的抗晕光快门操作。图21说明了在1/5采样读出的情况下的抗晕光快门操作。
如图18到21展示的，在各采样操作之间抗晕光快门操作的快门计数不同。不过，无论使用哪种采样读出模式，都将共用FD 25的多个像素视为一个单位，并在从读出行上的像素读出信号之前(或者与此同时)对所有共用像素的光电二极管21执行抗晕光快门操作。
按此方式，通过将根据本实施例的技术应用于采样读出，可以实现快速成像，同时也保持信号输出相对于电荷累积时间的线性。在此，当将根据本实施例的技术应用于采样读出时，优选的是，将抗晕光快门操作的快门计数(即，对光电二极管21进行复位的次数)设计成在各读出行的各电子快门定时处是相同的(见图18到21)。
通过将抗晕光快门操作的快门计数设计成在各读出行的各电子快门定时处是相同的，可以抑制被称为快门条带(shutter banding)的现象，从而能够获得良好的图像。此处的快门条带是指由于快门操作在垂直成像时段期间停止而在获得的图像中出现水平条带的现象。这些条带然后根据快门速度而上下移动。
尽管通过应用于CMOS图像传感器的示例进行了描述，但是上述实施例并不限于应用于CMOS图像传感器。换句话说，也可以应用于普通的X-Y寻址固态图像传感器，其中按阵列排列单位像素，每个单位像素以与可见光的强度相对应的电荷的形式来检测物理量，然后输出检测到的结果作为电信号。
应当明白，可以将该固态图像传感器形成为单片解决方案，或形成为具有封装的成像功能并且包含成像器以及信号处理器或光学系统的模块。
<6.电子装置>
也可以将根据本发明实施例的固态图像传感器包括在使用固态图像传感器作为成像器(即，光电检测单元)的一部分的普通电子装置中。这种电子装置可以包括：照相机系统，如数字静态照相机或摄像机；具有成像功能的便携式装置，如移动电话；以及使用固态图像传感器作为扫描器的一部分的复印机。在一些情况下，可以将图像传感器设置为包括在电子装置中的照相机模块。
(成像设备)
图9是图解说明根据本发明一个实施例的成像设备的示例性结构的框图，其为电子装置的一个示例。如图9所示，根据本发明实施例的成像设备100包括：光学系统，包括诸如透镜组101的组件；图像传感器102，充当照相机信号处理器的DSP电路103；帧存储器104；显示器105；记录单元106；用户接口系统107；以及电源系统108。DSP电路103、帧存储器104、显示器105、记录单元106、用户接口系统107以及电源系统108经由总线109相互连接。
透镜组101捕获来自被摄物的入射光(即，图像光)，并将所捕获的光聚焦在图像传感器102的光电检测器表面上。图像传感器102以像素为单位将由透镜组101聚焦在其光电检测器表面上的入射光的强度转换成电信号，然后输出该结果作为像素信号。可以使用根据以上实施例的CMOS图像传感器作为此处的图像传感器102。
显示器105由板型显示装置构成，如液晶显示器(LCD)或有机电发光(有机EL)显示器。显示器105显示由图像传感器102捕获的视频或静态图像。记录单元106将由图像传感器102捕获的视频或静态图像记录在记录介质(如录像带或DVD(数字多媒体盘))上。
基于用户进行的操作，用户接口系统107发出成像设备的各种功能的操作指令。电源系统108适当地向充当DSP电路103、帧存储器104、显示器105、记录单元106以及用户接口系统107的操作电源的各个电源提供电力。
可以将这种成像设备100应用于摄像机或数字静态照相机，还可以应用于诸如移动电话的移动装置的照相机模块。通过应用根据上述实施例的CMOS图像传感器作为成像设备100中的图像传感器102，可以由CMOS图像传感器保持信号输出相对于电荷累积时间的线性，由此可以提供良好的图像。
<7.像素单位的示例>
类似于上述实施例，以下要描述的实施例可以应用于具有图像传感器的设备，如数字摄像机和数字静态照相机。此外，由于可以在仍然防止成像性能下降的同时对以下要描述的成像设备进行小型化，因此也可以将该成像设备应用于移动手机，例如应用于设置在移动电话中的照相机。
因此，根据本实施例的成像设备的一个特征是其能够被小型化的能力。首先，将给出在对成像设备进行小型化时要考虑的几点，并参照图22描述考虑了这些点的具体构成。
以下，使用以下标号：350是图像传感器，351到358是像素，361到368是光电二极管PD，371到378是转移晶体管TRF，381和382是放大晶体管AMP，391和392是浮动扩散部分FD，401是复位晶体管RST，402是复位漏极RDN。
在成像设备中，往往使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器(CIS)，因为它们的功耗很低。在CIS中，每个像素都包括光电检测器(即，光电二极管PD)和转移晶体管(TRF)。通常，每个像素还包括浮动扩散部分(FD)、放大晶体管(AMP)、复位晶体管(RST)以及选择晶体管(SEL)。
对在数字照相机和类似装置中使用的成像设备的一个性能量度是信噪比(S/N)。提高成像设备的S/N特性涉及增大信号(S)或减小噪声(N)。
信号(S)由入射光的强度、量化效率(即，入射光被光电转换、引入光电二极管然后被存储为信号电荷的比率)以及转换效率(即，单个电子被转换成电势的比率)来决定。入射光的强度依赖于像素尺寸。量化效率依赖于光电二极管的孔径比(即，每单位像素表面积中光电二极管的孔径表面积)。在这些关系下，如果像素尺寸减小，那么入射在像素上的光的强度会减小，导致信号也会减小。
噪声(N)由诸如1/f噪声、散粒噪声以及热噪声之类的分量组成。由于散粒噪声依赖于入射光的强度，因此其在经受较低强度的入射光的微小像素中的效应会增大。1/f噪声依赖于晶体管的栅极长度(L)和栅极宽度(W)，并且趋于随晶体管尺寸的变小而增大。
如上所述，如果像素尺寸减小，那么每像素的入射光的强度会在物理上减小，从而使信号(S)减小。此外，如果每个单位像素中的晶体管占用面积增大，那么光电二极管PD的孔径比会减小，导致量化率降低并且信号(S)减小。另一方面，如果使晶体管占用面积变小，那么1/f噪声会增大，导致噪声(N)增大。
因此对于S/N比来说，成像设备(更具体来说是构成成像设备的像素)的小型化是不利的。由物理量所决定，入射光强度不会提高。因此，提高S/N比涉及提高量化和转换效率，或者降低噪声。
增大信号(S)的一种方式是提高光电二极管PD的孔径比，从而增大量化效率。提高光电二极管PD的孔径比的一种有效方法是多像素共用，其中在相邻像素之间共用放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、复位晶体管RST以及浮动扩散部分FD。
例如，考虑四晶体管结构的CIS。两个相邻像素共用放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、复位晶体管RST以及浮动扩散部分FD，每个像素都包含光电二极管PD和转移晶体管TRF。按此方式构成CIS会使每像素的晶体管区的数量为(1×2+3)/2＝2.5，这对于提高光电二极管PD的孔径比来说是有利的。
此外，可以在四个相邻像素之间共用放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、复位晶体管RST以及浮动扩散部分FD，每个像素都包含光电二极管PD和转移晶体管TRF。按此方式构成CIS会使每像素的晶体管区的数量为(1×4+3)/4＝1.75，这对于提高光电二极管PD的孔径比来说更是有利的。
现在考虑将CIS像素构造改变成三晶体管型的构造，其中在四个相邻像素之间共用放大晶体管AMP、复位晶体管RST以及浮动扩散区FD，每个像素都包含光电二极管PD和转移晶体管TRF。按此方式构成CIS会使每像素的晶体管区的数量为(1×4+2)/4＝1.5，这对于提高光电二极管PD的孔径比来说还更有利。
考虑到上述内容，由此将图22所示的成像设备构造成三晶体管型CIS，其中在四个相邻像素之间共用放大晶体管AMP、复位晶体管RST以及浮动扩散部分FD，每个像素都包含光电二极管PD和转移晶体管TRF。该结构对于提高光电二极管PD的孔径比和增大信号(S)来说是有利的。
增大信号(S)的另一方式涉及增大转换效率，并且可以通过减小浮动扩散部分FD的扩散电容以及引线电容来实现。以上描述了如何通过在多个像素之间共用晶体管来增大光电二极管PD的孔径比。如果将这种多像素共用构造成使得四个垂直像素共用晶体管，那么浮动扩散部分FD的扩散区会被分割成2到5个位置(site)。这种结构会导致浮动扩散部分FD的扩散电容增大，连接这些浮动扩散部分FD的引线的长度增大，并且有可能增大引线电容。
因此，尽管实施了多像素共用，但是将该构造构成为在水平和垂直方向上的2×2布局中排列的四个像素之间共用晶体管。更具体来说，将浮动扩散FD区形成在四个这种像素的中央，将这四个相邻像素的转移晶体管TRF设置成包围浮动扩散部分FD。以此方式构成CIS会将浮动扩散部分FD的扩散区保留在两个位置：与四个转移晶体管TRF相邻的部分(漏极侧)和复位晶体管RST的源极侧。这样，可以增大扩散电容的结构变得可能。
此外，由于将这两个区布置成相互靠近，因此可以缩短连接这些区的引线的长度。因此，在这种结构中可以减小引线电容。因此将浮动扩散部分FD形成在按水平和垂直方向上的2×2布局排列的四个像素的中央，将这四个相邻像素的转移晶体管TRF设置成包围浮动扩散部分FD。通过以此方式构成CIS，可以同时减小浮动扩散部分FD的扩散电容和引线电容，从而增大转换效率并使得能够增大信号(S)。
进一步保持(或提高)S/N比涉及减小噪声(N)。增大放大晶体管AMP的尺寸是一种减小构成噪声(N)一部分的1/f噪声的有用手段。
CIS传感器的代表性像素构造包括四晶体管型(其由放大晶体管AMP、选择晶体管SEL、复位晶体管RST、转移晶体管TRF以及浮动扩散区FD组成)和三晶体管型(其略去了选择晶体管SEL)。
在四晶体管型中，放大晶体管AMP和选择晶体管SEL串联连接。然而，在三晶体管型中不存在放大晶体管AMP与选择晶体管SEL的晶体管区之间的扩散区。因此，通过采用三晶体管型，三晶体管型中没有的上述区所占据的空间可被用来减小像素间距，或用来增大放大晶体管AMP的晶体管尺寸。因此，可以通过将这种空间用于增大放大晶体管AMP的晶体管尺寸，来减小如上所述的噪声(N)。
图像传感器的另一特性是饱和信号强度(Qs)。尽管图像传感器的灵敏度由以上信号(S)来决定，但是图像传感器的动态范围(DR)是通过增大饱和信号强度(Qs)来改进的。动态范围是来自图形传感器的色调信息。如果动态范围很窄，那么例如明亮部分中的色调会丢失并全部变白，导致称为“白化(whiteout)”的情况和颜色信息的损失。此外，如果饱和信号强度(Qs)太低，那么被光电转换的光子数量会减小，由散粒噪声分量(其由光子数量来决定)所主导的图像比例会增大，并且成像性能会受损。
增大光电二极管PD的孔径比对于增大饱和信号强度(Qs)来说也是有效的。通过如此采用上述多像素共用构造，减少了每像素的晶体管的数量，减少了晶体管区，这使得可以增大光电二极管PD的表面积。稍后将给出本实施例的在考虑这些附加点的情况下采用多像素共用构造的结构。
饱和信号强度(Qs)由光电二极管PD的表面积和耗尽电势(depletionpotential)来决定。如果光电二极管PD的耗尽电势变深，那么可以累积在光电二极管PD中的电子的数量会增加，但是如果作为结果转移晶体管TRF不完全导通，那么深电势也会导致余像(afterimage)形式的像素性能下降。当考虑从光电二极管PD的电荷转移时，对于转移晶体管TRF来说足够的电势梯度是理想的。不足够的电势梯度会导致电荷(即，电子数水平)由于热振动而从转移晶体管TRF回流或下转移(under-transfer)到光电二极管PD。
按此方式，不仅转移晶体管TRF的电势，而且源自光电二极管PD的电势的横向电场，都对实际电荷转移有贡献，并且提高浮动扩散部分FD的复位电势会有助于转移。另一方面，从晶体管可靠性的观点来看，增大连续电势是不利的。因此，在本实施例中，仅在接近转移操作时段期间增大复位晶体管RST的漏极电势，而对于所有其他时段，降低复位晶体管RST的漏极电势。这样，将可靠性受损害的时间量抑制到与当电势连续而不被增大时的情况类似的程度，并保持了可靠性。稍后参照图24来描述该结构。
图22和23图解说明了根据本发明实施例的考虑了上述因素的成像设备。图22和23所示的成像设备350的基本组成单位是按4×2(4垂直，2水平)布局布置的8个像素的组。图22和23图解说明了一个这种基本组成单位的构成。
图22和23所示的成像设备350与图6和8所示的成像设备的类似之处在于提供了单个复位漏极RDN。因此，可以使用与图7和图12到21所示的驱动方法相同的驱动方法来驱动图22和23所示的成像设备350，每个驱动方法都会在其中表现出该驱动方法特有的优点。
相反，图22和23所示的成像设备350与图6和8所示的不同之处在于为每8个像素提供两个复位晶体管RST。
通过将光电二极管PD 361连接到转移晶体管TRF 371来实现像素351。通过将光电二极管PD 362连接到转移晶体管TRF 372来实现像素352。通过将光电二极管PD 363连接到转移晶体管TRF 373来实现像素353。通过将光电二极管PD 364连接到转移晶体管TRF 374来实现像素354。像素351到354构成成像设备350中的按2×2布局布置的四个像素。
类似地，通过将光电二极管PD 365连接到转移晶体管TRF 375来实现像素355。通过将光电二极管PD 366连接到转移晶体管TRF 376来实现像素356。通过将光电二极管PD 367连接到转移晶体管TRF 377来实现像素357。通过将光电二极管PD 368连接到转移晶体管TRF 378来实现像素358。像素355到358构成成像设备350中的按2×2布局布置的四个像素。
从像素351到像素358的8个像素构成成像设备350的基本组成单位，由按4×2(4垂直，2水平)布局布置的像素组成。此外，将成像设备350构造成由每个2×2像素组共用放大晶体管AMP、浮动扩散部分FD以及复位晶体管RST。
换句话说，由例如像素351到354组成的2×2像素组共用放大晶体管AMP 381、浮动扩散部分FD 391以及复位晶体管RST 401。类似地，由像素355到358组成的2×2像素组共用放大晶体管AMP 382、浮动扩散部分FD 392以及复位晶体管RST 402。各个像素分别包括转移晶体管TRF 371到378中的一个。
按此方式，成像设备350是三晶体管型CIS，这三个晶体管是放大晶体管AMP、复位晶体管RST以及转移晶体管TRF。该CIS具有其中在四个相邻像素之间共用以上三个晶体管的多像素共用构造。如前所述，这种CIS有利于提高光电二极管PD的孔径比并增大信号(S)。此外，由于如前所述该三晶体管型使得能够增大放大晶体管AMP的尺寸，因此还可以降低噪声(N)。
图22和23展示了在成像设备350的基本组成单位中如何将浮动扩散部分FD布置在2×2的像素组的中央，在围绕浮动扩散部分FD的四个方向上布置转移晶体管TRF以包围浮动扩散区FD。
作为一个具体示例，如图23所示，将浮动扩散部分FD 391设置在由像素351到354组成的2×2像素组的中央。此外，在围绕浮动扩散部分FD 391的四个方向上分别布置转移晶体管TRF。在图23中，将转移晶体管TRF 371到374分别设置在浮动扩散区FD 391的右上、左上、右下以及左下。
类似的是，如图23所示，将浮动扩散部分FD 392设置在由像素355到358组成的2×2像素组的中央。此外，在围绕浮动扩散部分FD 392的四个方向上布置转移晶体管TRF。在图23中，将转移晶体管TRF 375到378分别设置在浮动扩散部分FD 392的右上、左上、右下以及左下。
通过以此方式将浮动扩散部分FD构造成被转移晶体管TRF在四个方向上包围，减小了有效结表面积和结长度，从而使得可以减小结电容。
如图22和23所示，通过垂直排列两个2×2像素组来实现成像设备350。在此，将由像素351到354组成的四像素共用单位视为上部(以下称为U部)，将由像素355到358组成的四像素共用单位视为下部(以下称为D部)。
通过在同一扩散层中接合U和D复位晶体管RST的漏极来设置U和D部。这样，每两行设有一个放大晶体管AMP行和一个复位晶体管RST行。
换句话说，由于如图23所示在U部的顶部存在放大晶体管AMP381，因此该部分成为放大晶体管AMP行。由于在U部的底部(即，在D部的顶部)存在复位晶体管RST 401，因此该部分成为复位晶体管RST行。由于在D部的底部存在放大晶体管AMP 382，因此该部分成为放大晶体管AMP行。按此方式，所设置的晶体管行交替为放大晶体管AMP行和复位晶体管RST行。
在该基本组成单位的8个像素中，转移晶体管TRF的栅极分别连接到控制线(TRF1、TRF2、TRF3、TRF4、TRF5、TRF6、TRF7以及TRF8)。这样，每像素的晶体管数量变为(1×4+2)/4＝1.5。
由于例如由转移晶体管TRF 371到374在四个方向上如此包围浮动扩散部分FD 391，因此在应用了本发明实施例的成像设备350中可以减小有效结面积和结长度，并且可以减小P-N结电容。结果，提高了转换效率并增大了信号(S)。
此外，由于在空间上靠近地设置浮动扩散部分FD区和复位晶体管RST源极区，因此可以缩短接合这些元件的引线的长度。结果，提高了转换效率并增大了信号(S)。此外，由于如图22所示每隔一行地接合来自各像素351到358的信号输出线(即，垂直信号线)，因此在成像设备350中可以进一步缩短引线的长度。
通过采用类似以上结构的结构，变得可以增大信号(S)。结果，即使成像设备350被小型化，也可以防止成像特性劣化。
现在将描述成像设备350的操作。针对当施加复位漏极电压(RDN)402时的情况，将参照图24来描述操作。在时刻t1，向复位漏电极RDN402施加脉冲，从而使得复位晶体管RST 401变高。当不施加脉冲电势时，例如，复位漏电极RDN 402的电压取为0.6V。当施加脉冲电势时，电压取为Vdd(即，放大晶体管AMP的漏极电势)。
此外，在高电平时，复位晶体管RST 401的电压取为Vdd，在低电平时，取-1V或0V。在向放大晶体管AMP 381(或382)的漏电极施加固定电势的同时，还向复位晶体管RST 401的漏电极施加脉冲。
当将复位晶体管RST 401的阈值电势Vth设定为使得浮动扩散部分FD的电势经受硬复位的电势时，将浮动扩散部分FD的电势设定为以下两者中的一个：复位漏电极RDN 402的电势，或当复位晶体管RST 401截止时复位漏电极RDN 402的电势的耦合电势。图24示出了当电势变成与复位漏电极RDN 402的电势相同时的情况的脉冲状态。
回到图22，放大晶体管AMP 381(或放大晶体管AMP 382)和复位漏电极RDN 402被示出为位于分开的线上。更具体来说，复位晶体管RST 401的复位漏电极RDN 402和放大晶体管AMP 381(或382)的漏电极位于分开的线上。因此，可以分开地控制复位晶体管RST 401和放大晶体管AMP 381(或382)。
因此，可以进行控制，使得在向复位漏电极RDN 402施加脉冲时所得的电势不是Vdd，而是高于Vdd的电势。例如，可以将在施加脉冲时的复位漏电极RDN 402的电势设定为从Vdd升高的电势(Vdd+0.3V)。
类似地，当复位晶体管RST 401处于高电平状态时，可以将其电势设定为从Vdd升高的电势(Vdd+0.3V)。此外，当升高复位漏电极RDN402的电势时，转移晶体管TRF(如转移晶体管TRF 371)的电势和浮动扩散部分FD(如浮动扩散部分FD 391)的电势也变成升高的电势，如从Vdd升高的电势(Vdd+0.3V)。
按此方式，通过向复位晶体管RST 401的漏极电势(即，向复位漏电极RDN 402的电势)施加比Vdd高的电势，变得可以将浮动扩散部分FD的电势提高为高于Vdd。因此，可以实现从光电二极管PD的电荷转移的容限，并且可以增大光电二极管PD的饱和信号强度(Qs)以减轻有关余像的顾虑。
此外，将复位晶体管RST的漏极电势控制成仅在接近转移操作时段期间被升高，而在所有其他时段被降低。如上所述，这样会将可靠性受损的时间量抑制到与在电势持续而不被增大时的情况类似的程度，并且保持了可靠性。
通过如此控制复位晶体管RST 401的漏极电势(即，复位漏极电压402)，变得可以提高图像传感器的饱和信号强度(Qs)并改进动态范围(DR)特性。此外，通过改进动态范围(DR)，变得可以防止称为“白化”的情况和所导致的颜色信息的损失。此外，由于可以提高饱和信号强度(Qs)，因此被光电转换的光子的数量会增大，并且由散粒噪声分量(其由光子数量来决定)主导的图像的比例会减小。结果，变得可以防止成像特性的劣化。
如图22和23所示，将根据本发明实施例的成像设备350构造成可以分开地驱动各个像素中的转移晶体管TRF。因此，变得可以使对每个每像素的晶体管的驱动细化。通过进行这种细化，即使每隔相邻列来接合来自每个像素的输出线，也可以排他地利用输出线。此外，由于这种利用变得可能，因此可以在每隔一列上(而不是在每列上)设置连接到输出信号线(例如列ADC)的电路。由于该布局由此包含更少的部件，因此变得可以减小电路规模，减小芯片晶体表面积。结果，可以期望产量增加并且制造成本降低。
此外，由于变得可以分开地驱动各像素中的转移晶体管TRF，因此可以在每列上设置连接到来自各像素的输出信号线(如列ADC)的电路，并且可以输入允许进行同时读出的脉冲。因此，变得可以使成像设备350适应快速读出(即，高帧率)或对更多数量的像素的读出操作。通过对信号脉冲进行细化，成像设备350可以进一步适应于快速读出。
还可以使用与图4所示的驱动方法相同的驱动方法来驱动图6和8所示的成像设备，该驱动方法会在其中表现出该方法特有的优点。
也可以将以上实施例的像素单元应用于与图9所示的照相机系统等同的照相机系统。
然而，应当明白，本发明的实施例并不限于以上描述的那些实施例，可以作出各种修改例而不会脱离本发明的范围和精神。
本申请包含与于2008年10月22日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-271673、2008年5月29日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2009-129783以及2008年12月12日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-316452中公开的主题相关的主题，通过引用将其全部内容并入于此。
本领域的技术人员应明白，根据设计要求和其他因素，可以作出各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围之内即可。

Claims (15)

1.一种固态图像传感器，包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
多个复位栅极，被配置为对所述光电检测器进行复位；以及
多个放大器，被配置为输出与所述光电检测器的电势相对应的信号；
其中：
在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器；以及
复位栅极电源的电压水平被设为高于放大器电源的电压水平。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中，
所述放大器电源的电压水平被固定，以及
所述复位栅极电源选择性地取第一电压水平或高于所述第一电压水平且还高于所述放大器电源的电压水平的第二电压水平。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器，还包括：
升压电路，被形成在与所述像素阵列的同一基板上；
其中，作为所述升压电路升高所述放大器电源的电压水平的结果而产生所述复位栅极电源的电压水平。
4.一种用于驱动固态图像传感器的方法，所述固态图像传感器包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
多个复位栅极，被配置为对所述光电检测器进行复位；以及
多个放大器，被配置为输出与所述光电检测器的电势相对应的信号；
其中在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器；以及
所述方法包括以下步骤：
将复位栅极电源的电压水平设为高于放大器电源的电压水平；以及
将所述电荷到电压转换器复位到所述复位栅极电源的电压水平。
5.一种成像设备，包括：
固态图像传感器；和
光学系统，被配置为将入射光聚焦在所述固态图像传感器的光电检测器表面上；
其中
所述固态图像传感器包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
多个复位栅极，被配置为对所述光电检测器进行复位；以及
多个放大器，被配置为输出与所述光电检测器的电势相对应的信号；
以及其中
在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器；以及
复位栅极电源的电压水平被设为高于放大器电源的电压水平。
6.一种固态图像传感器，包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
多个复位栅极，被配置为对所述光电检测器进行复位；以及
多个放大器，被配置为输出与所述光电检测器的电势相对应的信号；
其中
在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器；以及
该多个像素被限定为属于同一像素列的4个连续的像素，这4个像素中的相邻像素被配对成两组，
在一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和复位栅极，该复位栅极被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间，以及
在另一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和放大器，该放大器被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间。
7.根据权利要求6所述的固态图像传感器，其中
每个电荷到电压转换器都包括：
第一电荷到电压转换器，被设在一组中的两个像素的各自的光电检测器区之间，和
第二电荷到电压转换器，被设在另一组中的两个像素的各自的光电检测器区之间，
并且其中
所述第一和第二电荷到电压转换器彼此电连接。
8.一种成像设备，包括：
固态图像传感器；和
光学系统，被配置为将入射光聚焦在所述固态图像传感器的光电检测器表面上；
其中
所述固态图像传感器包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
多个复位栅极，被配置为对所述光电检测器进行复位；以及
多个放大器，被配置为输出与所述光电检测器的电势相对应的信号；
并且其中
在多个像素之间共用每个电荷到电压转换器、复位栅极和放大器，
该多个像素被限定为属于同一像素列的4个连续的像素，这4个像素中的相邻像素被配对成两组，
在一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和复位栅极，该复位栅极被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间，以及
在另一组中，两个像素之间共用电荷到电压转换器和放大器，该放大器被设在这两个像素的各自的光电检测器区之间。
9.一种固态图像传感器，包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；和
行扫描器；
其中：
所述像素阵列被配置为使得从一个光电检测器溢流的电荷经过一个转移栅极并被丢弃到一个电荷到电压转换器中，
所述像素阵列还被配置为在多个像素之间共用至少每个电荷到电压转换器；
所述行扫描器被配置为在对行进行扫描以从所述像素阵列中的各像素读出信号时，所述行扫描器将与读出的行上的像素共用电荷到电压转换器的像素的光电检测器中的电荷复位，以及
在从读出的行上的像素读出信号的同时或者在此之前进行电荷复位。
10.根据权利要求9所述的固态图像传感器，其中
所述行扫描器被配置为使得：当共用一个电荷到电压转换器的像素的数量被取为n并且水平扫描周期被取为H时，所述行扫描器在电荷累积时间为(n-1)H或更短的短时段时将所述光电检测器内的电荷复位，其中n为等于或大于2的整数。
11.一种用于驱动固态图像传感器的方法，该固态图像传感器包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
其中所述像素阵列被配置为使得从一个光电检测器溢流的电荷经过一个转移栅极并被丢弃到一个电荷到电压转换器中，
所述像素阵列还被配置为在多个像素之间共用至少每个电荷到电压转换器，以及
所述方法包括以下步骤：
在对行进行扫描以从所述像素阵列中的各像素读出信号时，将与读出的行上的像素共用电荷到电压转换器的像素的光电检测器中的电荷复位；
其中
在从读出的行上的像素读出信号的同时或者在此之前进行电荷复位。
12.一种电子装置，包括：
固态图像传感器；
其中
所述固态图像传感器包括：
多个电荷到电压转换器；
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括光电检测器和被配置为将由所述光电检测器光电转换的电荷转移到一个电荷到电压转换器的转移栅极；
行扫描器；
以及其中
所述像素阵列被配置为使得从一个光电检测器溢流的电荷经过一个转移栅极并被丢弃到一个电荷到电压转换器中，
所述像素阵列还被配置为在多个像素之间共用至少每个电荷到电压转换器，
所述行扫描器被配置为在对行进行扫描以从所述像素阵列中的各像素读出信号时，所述行扫描器将与读出的行上的像素共用电荷到电压转换器的像素的光电检测器中的电荷复位，以及
在从读出的行上的像素读出信号的同时或者在此之前进行电荷复位。
13.一种成像设备，包括：
像素阵列，在该像素阵列中排列有多个像素，其中每个像素都包括转移晶体管；
多个浮动扩散区，每个浮动扩散区都被设在以水平和垂直方向的2×2布局排列的4个像素的中央；
多个放大晶体管；以及
多个复位晶体管；
其中
构成所述4个像素的转移晶体管被设在围绕所述浮动扩散部分的4个方向上，使得所述浮动扩散部分被这些转移晶体管包围，
在所述4个像素之间共用每个浮动扩散部分、放大晶体管和复位晶体管，以及
通过垂直设置两组所述4个像素而形成的8个像素的一组被用作所述像素阵列的基本组成单位。
14.根据权利要求13所述的成像设备，其中每个复位晶体管的漏电极和每个放大晶体管的漏电极被分开设置。
15.根据权利要求13所述的成像设备，其中对每个复位晶体管的漏电极施加脉冲，且对每个放大晶体管的漏电极施加恒定电势。
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