CN102037722B - 固态成像器件、成像装置和像素驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是CMOS固态成像器件，其中使得泄漏现象所引起的暗电流的抑制与确保元件的可靠性之间的兼容性成为可能。当驱动以电子作为信号电荷的像素时，调整用于脉冲驱动像素的每一晶体管的控制信号的负电压电平，以便电荷累积时间越长，电压就变得越大。优选地，当未累积信号电荷时，使得负电压电平接地(GND)。仅当电荷累积时间长时(其中由于泄漏现象引起的暗电流成为问题)使得负电压电平很大，以便即使当抑制暗电流时，也可以抑制对于像素或其栅极氧化膜的压力或者晶体管的特性恶化。

Description

固态成像器件、成像装置和像素驱动方法

技术领域

本发明涉及固态成像器件、成像装置和固态成像器件的驱动方法。更具体地说，本发明涉及像素驱动技术，该像素驱动技术适用于检测物理量分布的诸如固态成像器件之类的半导体器件和其他电子设备，该其他电子设备包括敏感于外部馈入的电磁波(如光和辐射)的多个单元像素的布置，且可以经由通过地址控制(address control)的任意选择以电信号的形式从中读出由单元组件转换为电信号的物理量分布。

背景技术

已经在各种领域中发现了检测物理量分布的半导体器件的广泛应用。这种器件具有多个单元组件(如，像素)，其敏感于外部馈入的电磁波(如，光和辐射)，以行排列或以矩阵形式排列。

在视频设备的领域中，例如，使用CCD(电荷耦合器件)或MOS(金属氧化物半导体)和CMOS(互补金属氧化物半导体)固态成像器件。设计这些器件以在其他物理量之中检测光(电磁波的示例)。这种器件允许以电信号的形式从其中读出由单元组件(固态成像器件中的像素)转换为电信号的物理量分布。

一些固态成像器件是放大器件。在像素信号产生部件中，这些器件包括被配置为固态成像元件(APS：有源像素传感器，也被称为增益单元)的像素，每一个像素具有放大驱动晶体管。像素信号产生部件产生与电荷产生部件产生的信号电荷相称(commensurate)的像素信号。例如，许多CMOS固态成像器件以这种方式配置。

为了从这种放大固态成像器件外部地读出像素信号，具有多个单元像素的布置的像素部件被地址控制，以便可以任意地选择和读出来自单元像素的信号。也就是说，放大固态成像器件是地址控制的固态成像器件的示例。

单元像素包括电荷产生部件和信号输出部件。电荷产生部件产生信号电荷。信号输出部件具有晶体管，适于产生并输出与电荷产生部件产生的信号电荷相称的目标信号。例如，电荷产生部件具有执行光电转换的光电二极管。信号输出部件具有读出选择晶体管、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管。读出选择晶体管读出由光电二极管产生的信号电荷。放大晶体管将读取的信号电荷转换为像素信号。复位晶体管复位信号电荷。选择晶体管选择要读出的像素。

这里，MOS固态成像器件具有由泄漏现象所引起的暗电流问题，在所述泄漏现象中，由电荷产生单元产生的信号电荷泄漏到信号输出侧中。如果特别地，电荷长时间累积，则暗电流分量累积地增大，因此是大比例信号电荷的原因。在读出期间，暗电流分量不能从信号电荷中分离。其中的变化导致噪声，显著地恶化图像质量。例如，从一个像素到另一个像素的暗电流分量中的变化导致固定的模式噪声(pattern noise)，使得在图像中出现白点。结果，图像看起来好像通过毛玻璃(ground glass)捕获的一样。进一步，时间上暗电流分量中的变化导致随机噪声。因此，在MOS固态成像器件的情况下，如何减小暗电流分量是关心的问题。

作为解决该问题的对策，例如，再版的专利申请No.WO2003/085964提出了减小暗电流的布置。该布置使得施加到读出选择晶体管的栅极(称为传输栅极)的电压为地电势或更低，即，向传输栅极施加负电压，因此在传输栅极沟道中累积空穴，并且提供减小的暗电流。

然而，如果如上所述使用负电压，则过度地降低传输栅极的负电压，即，负向地增大传输栅极的电压，导致对于像素及其驱动电路的栅极氧化膜的更大的应力。进一步，例如，由于热载流子所以使得晶体管特性恶化，显著地影响可靠性(产品寿命)。另一方面，考虑到可靠性而增大负电压(负向地减小电压)导致不能防止泄漏，在长时间累积的情况下加剧了暗电流所引起的噪声。因此，目前，可靠性和泄漏现象二者不能充分满足。因此，难以以恒定电平优化负电压。

使用恒定负电压电平的可能的解决方案将增大晶体管(向其施加负电压)的栅极氧化膜的厚度并提高可靠性(持久性)。然而，这导致更大数量的制造步骤，从而导致成本增加。

已经考虑到前述问题而做出了本发明，并且本发明的目标是通过使用简单的布置来减小泄漏所引起的暗电流，同时保证元件可靠性。

发明内容

在本发明的实施例中，当驱动单元像素时，对于适于脉冲驱动信号输出单元的每一晶体管的控制信号的低和高电平侧，调整与信号电荷或晶体管极性相称的、待调整侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，则电压电平越高。如果未累积信号电荷，则累积时间为零。因此，将待调整侧的电压电平调整到低电压。

对于泄漏现象(其中，电荷产生单元产生的信号电荷泄漏到信号输出侧中)所引起的暗电流，电荷累积时间越长，则暗电流越大。结果，噪声也成为问题。另一方面，通过增大待调整侧的电压电平，减小了泄漏现象所引起的该暗电流。

因此，在本发明的实施例中，调整待调整侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，则电压电平越高。仅当电荷累积时间长时(这是泄漏现象所引起的暗电流成为问题的情况)，将待调整侧设置为高电压电平。当电荷累积时间短或者当未捕获图像时(这是泄漏现象所引起的暗电流未成为问题的情况)，将待调整侧设置为低电压电平。

由于仅当电荷累积时间长时(这是泄漏现象所引起的暗电流成为问题的情况)将待调整侧设置为高电压电平，因此可以抑制对于像素及其驱动电路的栅极氧化膜的应力，且抑制了即使存在暗电流的晶体管特性的恶化。

应用了以上布置的固态成像器件可以以单芯片的形式，或者可以以使得像素阵列部件(成像部件)和信号处理部件或光学系统封装在一起的模块的形式。进一步，以上布置也可不仅应用于固态成像器件，而且可应用于成像装置。在这种情况下，成像装置提供与固态成像器件相同的有利效果。这里，例如，成像装置是指相机(或相机系统)或具有成像功能的便携式装置。另一方面，术语“成像”不仅包括在正常相机拍摄期间的图像捕获，而且在广义上还包括指纹检测和其他。

在本发明的实施例中，调整待调整侧的电压电平以便信号电荷累积时间越长，则电压电平越高。这使得可以以抑制泄漏现象所引起的暗电流同时满足元件可靠性的方式，来优化地设置待调整侧的电压电平。可以实现抑制暗电流和保证元件可靠性之间的兼容性。需要的是适于根据电荷累积时间来调整控制信号的电压电平的简单布置。可以实施这种布置，而不增大栅极氧化膜的厚度或者以其他方式不利地影响晶体管制造步骤，从而消除了增加制造步骤数量的需要。

附图说明

[图1]

图1是固态成像器件的基本配置图。

[图2]

图2是图示根据关注于垂直扫描单元和像素阵列单元之间的接口的第一实施例的固态成像器件的图。

[图2A]

图2A是描述垂直地址设置单元和垂直驱动单元之间的接口部分的电路示例的图。

[图3]

图3是图示负电源的配置示例的图。

[图4]

图4是描述从负电源输出的负输出电压Vout(与数字负电压DVSSw相称)的调整示例的图。

[图5]

图5是图示适于允许负电压调整的根据第一示例的电路配置的图。

[图5A]

图5A是图示根据适于允许负电压调整的第二示例的电路配置的图。

[图5B]

图5B是图示根据适于允许负电压调整的第三示例的电路配置的图。

[图6]

图6是图示适于驱动单元像素的控制脉冲的操作定时的示例的时序图。

[图7]

图7是图示根据关注于垂直扫描单元和像素阵列单元之间的接口的第二实施例的固态成像器件的图。

[图8]

图8是图示根据关注于垂直扫描单元和像素阵列单元之间的接口的第三实施例的固态成像器件的图。

[图9]

图9是图示根据关注于垂直扫描单元和像素阵列单元之间的接口的第四实施例的固态成像器件的图。

[图10]

图10是描述从根据第四实施例的负电源输出的负输出电压Vout(与数字负电压DVSSw相称)的调整示例的图。

[图11]

图11是成像装置(第五实施例)的示意性配置图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。在不同实施例的功能元件之间进行区分的情况下，这种元件将由诸如大写字母A、B、C之类的附图标记表示。在为了描述不在其之间进行特别区分的情况下，省略这种附图标记。对于附图同样如此。

应该注意，下面将描述CMOS固态成像器件(X-Y地址固态成像器件的示例)用作装置的情况。进一步，除非特别指定，否则将在假设CMOS固态成像器件的所有单元像素包括NMOS(n沟道MOS)晶体管且信号电荷为负(电子)的情况来给出下面的描述。然而，这仅为示例，并且目标装置不限于MOS固态成像器件。单元像素可以包括PMOS(p沟道MOS)晶体管。信号电荷可以为正(空穴)。稍后描述的所有实施例均可类似地应用于检测物理量分布的所有半导体器件和其他电子设备，该其他电子设备包括敏感于外部馈入的电磁波(如光和辐射)的多个单元像素的线性或矩阵布置，且可以经由通过地址控制的任意选择以电信号的形式从中读出由单元组件转换为电信号的物理量分布。

<固态成像器件：基本配置>

图1是作为根据本发明的固态成像器件的实施例的CMOS固态成像器件(CMOS图像传感器)的基本配置图。

固态成像器件1具有像素阵列部件10，其包括以矩阵形式二维排列的多个单元像素3。器件1可以使得像素阵列部件10能够通过使用例如具有以拜耳模式(Bayer pattern)排列的R、G和B滤色片的彩色分离滤波器来进行彩色成像。

尽管在图1中，为了简化起见省略了一些行和列，但是对于每一行和列实际上提供几十至几千个单元像素3。如后所述，例如，除了作为检测部件的示例的、用作感光元件的光电二极管(电荷产生部件)之外，每一个单元像素3还具有像素中放大器，其包括用于电荷转移、复位和放大目的的三个到四个晶体管。单元像素3在逐列的基础上经由垂直信号线19输出像素信号电压Vx。像素信号电压Vx包含复位电平Srst(P相分量)和信号电平Ssig(D相分量)。

固态成像器件1进一步具有列AD转换部件26。部件26具有以列平行方式排列的AD转换部件250。AD转换部件250处理CDS(相关二重采样)处理和数字转换。术语“列平行”是指如下的事实：在垂直列中，对于每一垂直信号线19(列信号线的示例)，平行地提供多个CDS处理功能部件、数字转换功能部件(AD转换部件)和其他部件。将这种读出机构(scheme)称为列读出机构。

固态成像器件1仍进一步包括驱动控制部件7、读出电流控制部件24、基准信号产生部件27和输出部件28。读出电流控制部件24将用于读出像素信号的操作电流(读出电流)提供到单元像素3。基准信号产生部件27将用于AD转换的基准信号SLP_ADC提供到列AD转换部件26。

驱动控制部件7包括水平扫描部件12(列扫描电路)、垂直扫描部件14(行扫描电路)和通信/定时控制部件20，以提供用于从像素阵列部件10顺序读出信号的控制电路功能。

水平扫描部件12具有水平地址设置单元12a、水平驱动单元12b和其他部件。水平地址设置单元12a控制列地址和列扫描。垂直扫描部件14具有垂直地址设置单元14a、垂直驱动单元14b和其他部件。垂直地址设置单元14a控制行地址和行扫描。水平和垂直扫描部件12和14响应于从通信/定时控制部件20提供的控制信号CN1和CN2来开始其行和列选择(扫描)。

部件20包括定时发生器(读出地址控制装置的示例)功能块。该功能块将与经由端子5a馈入的主时钟CLK0同步的时钟提供到器件的各个部件(如，水平扫描部件12、垂直扫描部件14和列AD转换部件26)。所述部件20进一步包括通信接口功能块。该功能块经由端子5a从外部主控制部件接收主时钟CLK0。所述功能块进一步经由端子5b从外部主控制部件接收适于指定例如待使用的操作模式的数据。该功能块还将包含关于固态成像器件1的信息的数据输出到外部主控制部件。

例如，通信/定时控制部件20具有时钟转换单元20a和系统控制单元20b以及其他单元。时钟转换单元20a具有时钟转换功能，其适于产生内部时钟。系统控制单元20b不仅控制通信功能，而且控制各个部件。时钟转换单元20a并入了频率乘法器，适于基于经由端子5a馈入的主时钟CLK0产生比该时钟更高频率的脉冲，产生诸如计数时钟CKcnt1和CKdac1之类的内部时钟。

输出部件28具有感测放大器28a(S·A)和接口部件28b(IF部件)。感测放大器28a检测水平信号线18上的信号(尽管是数字的，但幅度很小)。接口部件28b处理固态成像器件1与外部设备之间的接口连接。接口部件28的输出连接到输出端子5c，以便将视频数据输出到下一级的电路。输出部件28可以具有感测放大器28a与接口部件28b之间的数字操作部件，以处理各种类型的数字操作。

每一单元像素3经由行控制线15(适于选择行)连接到垂直扫描部件14，并经由垂直信号线19连接到对于列AD转换部件26的每一垂直列提供一个的各AD转换部件250之一。这里，行控制线15是指通常来自垂直扫描部件14并进入像素中的布线。

从电路规模、处理速度(速度提高)、分辨率和其他因素的视角来看，各种AD转换机构都可能用在AD转换部件250中。作为示例，使用称为基准信号比较、斜率积分(slope integrating)或斜坡信号比较AD转换机构的AD转换机构。在基准信号比较AD转换中，基于从比较的开始(比较开始)到结束(比较结束)的时间来确定计数操作的有效时间段。基于指示有效时间段的计数使能信号EN将模拟目标信号转换为数字数据。

因此，基准信号产生部件27具有DA转换部件270(DAC：数字模拟转换器)，产生由来自通信/定时控制部件20的控制数据CN4指示的斜率(变化率)的基准信号SLP_ADC。该部件270与计数时钟CKdac1同步地，根据由来自通信/定时控制部件20的控制数据CN4指示的初始值来产生基准信号。计数时钟CKdac1可以与计数器部件254的计数时钟CKcnt1相同。

每一AD转换部件250包括比较部件252(COMP)和计数器部件254(其可以在向上计数和向下计数模式之间切换)。在该示例中，每一部件250进一步包括处于计数器部件254的下一级的开关部件258和数据存储部件256。比较部件252将由基准信号产生部件27产生的基准信号SLP_ADC与经由垂直信号线19(H1、H2、......、Hh)从所选行中的单元像素3获得的模拟像素信号电压Vx进行比较。计数器部件254以计数时钟CKcnt1对计数使能信号EN的有效持续时间进行计数，并保存计数结果。计数使能信号EN与比较部件252的比较输出Co具有恒定的关系。

通信/定时控制部件20将控制信号CN5提供到每一AD转换部件250的计数器部件254。控制信号指定控制信息。这种控制信息包括计数器部件254以下计数还是上计数模式来计数P相和D相。这种控制信息还包括用于计数P相的初始值Dini的设置和复位以及其他信息。

与其他的输入端子(+)一起，向每一比较部件252的两个端子之一的输入端子(+)提供由基准信号产生部件27产生的基准信号SLP_ADC。其两个端子中的另一个输入端子(-)连接到以垂直列排列的垂直信号线19中相关联的一个，并向输入端子(-)提供来自像素阵列部件10的像素信号电压Vx。

与其他时钟端子CK一起，向计数器部件254的时钟端子CK提供来自通信/定时控制部件20的计数时钟CKcnt1。如果未提供数据存储部件256，则与其他计数器部件254一起，经由控制线12c向计数器部件254提供来自水平扫描部件12的控制脉冲。每一计数器部件254具有锁存功能，以保存计数结果并保存计数输出值，直到由经由控制线12c提供的控制脉冲指示为止。

在本实施例中，由AD转换部件250完成CDS处理。然而，处于复位电平Srst的P相数据和处于信号电平Ssig的D相数据可以被分别传送到输出部件28，以便由在AD转换部件250的下一级处提供的数字操作部件进行CDS处理。本申请人已经提出了使用AD转换部件250的适于执行AD转换和CDS处理的各种基准信号比较AD转换机构，并且这些机构基本上可以用在所有实施例中。

根据本实施例的固态成像器件1以单芯片器件(提供在同一半导体衬底上)的形式构成，其中在单晶硅或其他半导体区域中使用与半导体集成电路制造技术相同的技术而集成地形成驱动控制部件7的各个组件(如水平和垂直扫描部件12和14)与像素阵列部件10。

固态成像器件1可以为单芯片的形式，其中如上所述地在半导体区域中集成地形成其组件。然而，可替代地，器件1可以为能够成像的模块的形式，所述能够成像的模块除了像素阵列部件10、驱动控制部件7、列AD转换部件26和其他信号处理部件之外，还具有封装在一起的光学系统(如，成像镜头、光学低通滤波器或红外截止滤波器)，尽管省略了其图示。

作为每一AD转换部件250的输出侧，例如，计数器254的输出可以连接到水平信号线18。可替代地，用作存储器的数据存储部件256和开关部件258可以提供在计数器部件254的下一级，如图中所示。计数器部件254具有锁存功能以保存计数器部件254的计数结果。开关部件258提供在计数器部件254和数据存储部件256之间。开关部件258对于每一垂直列具有一个开关SW。

在包括数据存储部件256、开关SW的配置中，与沿垂直列的其他开关SW一起，在预定定时从通信/定时控制部件20向开关SW提供存储器传输指令脉冲CN8作为控制脉冲。当提供存储器传输指令脉冲CN8时，开关部件258的开关SW将相关联的计数器部件254的计数器值传送到数据存储部件256。数据存储部件256保存并存储所传送的计数值。经由控制线12c从水平扫描部件12向该部件256提供控制脉冲。所述部件256保存来自计数器部件254的计数器值，直到由经由控制线12c提供的控制脉冲指示为止。

水平扫描部件12能够用作读出扫描部件，与列AD转换部件26的比较部件252和计数器部件254进行的处理并行地，从数据存储部件256读出计数值。数据存储部件256的输出连接到水平信号线18。每一水平信号线18与AD转换部件250的位宽同样宽或者是其两倍宽(例如，对于互补输出)。所述线18连接到具有与输出线相关联的感测放大器28a的输出部件28。应该注意，计数器部件254、数据存储部件256、开关部件258和水平信号线18均被配置为处理n位。

这里，根据本实施例的固态成像器件1由两个电源(一个数字的，另一个模拟的)驱动。四个电源端子(未示出)(即，数字正电压DVDD的电源端子、数字地电压DVSS的另一电源端子、模拟正电压AVDD的再一电源端子、以及模拟地电压AVSS的又一电源电子)提供在半导体芯片中，在所述半导体芯片中形成固态成像器件1。

固态成像器件1包括电源单元300，其适于基于从通信/定时控制单元20作为指令提供的累计时间设置TS和用于手动调整的电压设置信息TS-Vout，来产生电源电压。将电源电压提供到不同的单元。电源单元300包括正电源302和负电源304。正电源302通过增大数字正电压DVDD或模拟正电压AVDD，来产生数字正电压DVDDw或模拟正电压AVDDw。负电源304基于数字正电压DVDD产生数字负电压DVSSw或模拟负电压AVSSw。即，固态成像器件1以所谓的单芯片器件的形式配置，通过使用与制造半导体集成电路的技术相同的技术，在由例如单晶硅构成的半导体区域中集成地形成所述单芯片器件。所述器件1包括电源单元300和其他组件(如，与像素阵列单元10一起的驱动控制单元7和输出单元28)。

在本实施例中，由正电源302增大数字正电压DVDD或模拟正电压AVDD，并且进一步，由负电源304产生数字负电压DVSSw或模拟负电压AVSSw，由此在固态成像器件1(半导体芯片)中产生不同的电源电压电平。该布置使得即使仅从半导体芯片外部提供一个电源电压，也可以在芯片中产生多个电源电压。使用数字负电压DVSS减小了引起暗电流的噪声。

应该注意，这里作为示例，在固态成像器件1中并入正电源302和负电源304二者。然而，正电源302和负电源304可以提供在与半导体区域(形成像素阵列单元10、驱动控制单元7和其他组件(称为成像装置8，将在稍后描述))分离的区域中。

<像素阵列单元和垂直扫描单元之间的接口：第一实施例>

图2是图示根据关注于垂直扫描单元14和像素阵列单元10之间的接口的第一实施例的固态成像器件1A的图。图2A是描述垂直地址设置单元14a和垂直驱动单元14b之间的接口部分的电路示例的图。

除了电荷产生部件32之外，单元像素3包括四个晶体管(读出选择晶体管34、复位晶体管36、垂直选择晶体管40和放大晶体管42)作为其基本元件，每一晶体管具有不同的功能。读出选择晶体管34、复位晶体管36和放大晶体管42与浮动扩散38一起组成像素信号产生部件5(信号输出部件)。然后，像素信号产生部件5和垂直选择晶体管40组成信号输出部件6。所述部件6产生并输出电荷产生部件32产生的信号电荷的像素信号电压Vx。晶体管34、36、40和42也可以被统称为像素晶体管。

组成传输部件的读出选择晶体管34(传输晶体管/读出晶体管)的栅极与同一行中的相同晶体管34的栅极一起连接到传输布线54。由传输信号TRG驱动栅极。组成初始化部件的复位晶体管36的栅极与同一行中的相同晶体管34的栅极一起连接到复位布线56。由复位信号RST驱动栅极。垂直选择晶体管40(选择晶体管)的栅极与同一行中的相同晶体管40的栅极一起连接到垂直选择线58。由垂直选择信号VSEL驱动栅极。传输布线54、复位布线56和垂直选择线58是图1中所示的行控制线15。

一般而言，二进制脉冲(在高电平(电源电压电平)处有效，而在低电平(基准电平)处无效)用于所有信号，即，传输信号TRG、复位信号RST和垂直选择信号VSEL。例如，电源电压电大约为3V。例如，基准电平为0.4到0.7V或地电平，即0V。然而，视情况而定，一些或全部脉冲可以是大约-1V的负电势。

包括光电二极管PD或其他感光元件DET的每一电荷产生部件32(检测部件的示例)使得感光元件DET的一端(阳极侧)连接到低电势侧上(负电势，例如，在大约-1V)的基准电势VSS。每一部件32使得感光元件DET的另一端(阴极侧)连接到读出选择晶体管34的输入端子(一般为源极)。应该注意，基准电势Vss可以是地电势GND。读出选择晶体管34使其输出端子(一般为漏极)连接到与复位晶体管36、浮动扩散38和放大晶体管42连接的连接节点。复位晶体管36使其源极连接到浮动扩散38，且使其漏极连接到复位电源Vrd(通常也用作模拟电源Vdd＝AVDD)。

例如，垂直选择晶体管40使其漏极连接到放大晶体管42的源极，使其源极连接到像素线51，且使其栅极(具体地，称为垂直选择栅极SELV)连接到垂直选择线58。像素线51与同一列中的其他像素线51一起连接到垂直信号线19。放大晶体管42使其栅极连接到浮动扩散38，使其漏极连接到电源Vdd，且使其源极经由垂直选择晶体管40连接到像素线51，并进一步连接到垂直信号线19。应该注意，本实施例不限于该配置。可替代地，垂直选择晶体管40和放大晶体管42的位置可以颠倒，以便垂直选择晶体管40使其漏极连接到电源Vdd且使其源极连接到放大晶体管42的漏极，并且放大晶体管42使其源极连接到像素线51。

垂直信号线19的一端向着列AD转换部件26延伸。所述线19还沿其路径连接到读出电流控制部件24。尽管省略了其详细说明，但是读出电流控制部件24具有沿每一垂直列的加载MOS晶体管，并且与基准电流源部件一起组成电流镜电路(加载MOS晶体管的栅极连接在一起)。该电流镜电路用作垂直信号线19的电流源。该部件24还与放大晶体管42一起组成提供近似恒定的操作电流(读出电流)的源极跟随器。

垂直扫描单元14在其正电源端子处从正电源302提供有数字正电压DVDDw或模拟正电压AVDDw作为电源电压。所述单元14在其负电源端子处从负电源304(x：1到3中的任意一个)提供有数字负电压DVSSw或模拟负电压AVSSw作为电源电压。另一方面，其标准端子连接到标准电势(接地)。例如，垂直地址设置单元14a被配置为例如使用解码器。从正电源302向所述单元14a在其正电源端子处提供数字正电压DVDD1或模拟正电压AVDD1，其中其标准端子连接到标准电势(接地)。

垂直驱动单元14b包括对于每一行中的行控制线(传输布线54、复位布线56和垂直选择线58)的电平移位器146(L/S)和驱动器148。电平移位器146和驱动器148使其正电源端子连接到未示出的正电源302，且使其负电源端子连接到负电源304(稍后将给出详细描述)。

例如，垂直地址设置单元14a在其输出级包括CMOS反相器，如图2A所示。CMOS反相器由串联连接的两个MOS晶体管(即，在接地侧提供的n沟道MOS晶体管(nMOS172)和在正电源侧提供的p沟道MOS晶体管(pMOS173))构成，以产生互补输出脉冲。CMOS反相器的输入侧用作电平移位器146的非反相输入IN，并且CMOS反相器的输出用作电平移位器146的反相输入xIN。

每一电平移位器146都是上升(step-up)电平移位器，其包括第一电路块180_1和第二电路块180_2以及CMOS反相器。第一电路块180_1和第二电路块180_2是差分对。每一电路块180_1和180_2在其正电源端处从正电源302提供有模拟正电压AVDDw，并且每一电路块180_1和180_2在其负电源端处从负电源304提供有模拟负电压AVSSw。模拟正电压AVDDw高于提供到垂直地址设置单元14a的数字正电压DVDD1或模拟正电压AVDD1。

第一电路块180_1由串联连接的负电源侧上的nMOS182和正电源侧上的pMOS183构成。第二电路块180_2由串联连接的负电源侧上的nMOS184和正电源侧上的pMOS185构成。第一电路块180_1和第二电路块180_2交叉耦合，其中第一电路块180_1的nMOS182的漏极连接到第二电路块180_2的pMOS185的栅极，并且第二电路块180_2的nMOS184的漏极连接到第一电路块180_1的pMOS183的栅极。CMOS反相器由串联连接的负电源侧上的nMOS186和正电源侧上的pMOS187构成。第二电路块180_2的输出(nMOS184与pMOS185之间的连接点)连接到nMOS186和pMOS187的栅极。

将反相输入xIN提供到nMOS182的栅极，并且将非反相输入IN提供到nMOS184的栅极。从nMOS182的漏极获得在逻辑上与反相输入xIN相反的输出脉冲(具有范围从大约AVSSw到AVDDw的幅度)。将该输出脉冲提供到pMOS185的栅极。从nMOS184的漏极获得在逻辑上与非反相输入IN相反的输出脉冲(具有范围从大约AVSSw到AVDDw的幅度)。将该输出脉冲提供到pMOS183的栅极。即，由于提供到nMOS182和nMOS184的栅极的互补输入脉冲，因此每一电平移位器146在其输入级具有互补(差分)输入接口，并且被配置为在其输出级具有交叉耦合的正反馈回路。

将非反相输入IN馈入第二电路块180_2，并且在逻辑上反相，并且由CMOS反相器(nMOS186和nMOS187)进一步在逻辑上反相。这提供了在逻辑上与输入相同但在电压电平上反转的输出脉冲。在本示例中，从垂直地址设置单元14a向每一电平移位器146提供数字正电压DVDD1(或模拟正电压AVDD1)作为高电平并提供GND输入脉冲(传输脉冲TRG、复位脉冲RST和垂直选择脉冲VSEL)作为低电平。然后，每一电平移位器146反转输入脉冲，将其高电平改变为模拟正电压AVDDw并将其低电平改变为模拟负电压AVSSw，并输出经反转的脉冲。将由电平移位器146在电压电平上反转的脉冲经由驱动器148提供到单元像素3的相关联的晶体管34、36和42。

在根据第一实施例的固态成像器件1A的垂直驱动单元14b中，将如下电压提供到电平移位器146和驱动器148的电源端子。首先，将模拟正电压AVDD2_1从正电源302提供到用于复位脉冲RST的电平移位器146_1的正电源端子。将模拟正电压AVDD2_2从正电源302提供到用于传输脉冲TRG的电平移位器146_2的正电源端子。将模拟正电压AVDD2_3从正电源302提供到用于垂直选择脉冲VSEL的电平移位器146_3的正电源端子。

将模拟正电压AVDD3_1从正电源302提供到用于复位脉冲RST的驱动器148_1的正电源端子。将模拟正电压AVDD3_2从正电源302提供到用于传输脉冲TRG的驱动器148_2的正电源端子。将模拟正电压AVDD3_3从正电源302提供到用于垂直选择脉冲VSEL的驱动器148_3的正电源端子。

用于垂直地址设置单元14a的数字正电压DVDD1(或模拟正电压AVDD1)、用于电平移位器146的模拟正电压AVDD2_1、AVDD2_2和AVDD2_3以及用于驱动器148的模拟正电压AVDD3_1、AVDD3_2和AVDD3_3例如被处理如下。首先，用于垂直地址设置单元14a的正电源可以是数字的或模拟的。另一方面，在垂直驱动单元14b中，AVDD2_1、AVDD2_2、AVDD2_3、AVDD3_1、AVDD3_2和AVDD3_3都是公用电压。自然，这仅为示例，并且如在再版专利申请No.WO2003/085964中描述的那样，可以适当地修改。

进一步，在根据第一实施例的垂直驱动单元14b中，电平移位器146和驱动器148的负电源端子全部一起连接到负电源304A，而无论电平移位器146和驱动器148用于复位脉冲RST、传输脉冲TRG和垂直选择脉冲VSEL中的哪一个，以便提供相同的模拟负电压AVSS2。根据第一实施例的负电源304A从外部主控制单元接收累积时间设置信息(累积时间设置TS)，基于该信息产生(调整)输出电压Vout。因此，将模拟负电压AVSS2调整到与累积时间设置TS相称的负电压电平。

<负电源的配置示例>

图3是图示负电源304的配置示例的图。负电源304使用电荷泵电路。更具体地说，负电源304包括误差放大单元310、电源电压产生单元320、平滑电容器330、反馈单元340和输出电压控制单元350。与输出电压Vout相称的模拟负电压AVSSw的最大负电平应该被设置为器件(特别地，像素阵列单元10的单元像素3的晶体管)不会击穿的电平。

电源电压产生单元320基于误差放大单元310的输出产生输出电压Vout。输出电压控制单元350基于累积时间设置TS来控制误差放大单元310和反馈单元340，调整由电源电压产生单元320产生的输出电压Vout。

误差放大单元310包括误差放大器312和基准信号产生单元316。例如，误差放大器312包括运算放大器。基准信号产生单元316产生基准电压Vref1(基准信号)。误差放大器312在其非反相输入端(+)处从基准信号产生单元316提供有基准信号Vref1，并且误差放大器312在其反相输入端(-)处从反馈单元340提供有反馈电压Vfb(反馈信号)。

电源电压产生单元320包括开关3221到3224以及电容Cp的泵电容器(pump capacitor)324。开关322_1使其一端接地，且另一端连接到泵电容器324的一端324a和开关322_2的一端。开关322_2使其另一端连接到负电源304的输出端子304out(其为平滑电容器330的一端和反馈单元340之间的连接点)。平滑电容器330的另一端接地。

开关322_3使得向其一端提供数字正电压DVDD，而另一端连接到泵电容器324的另一端324b和开关322_4的一端。开关322_4的另一端连接到误差放大器312的输出端。

反馈单元340包括第一电阻元件342和第二电阻元件344以及标准信号产生单元346。所述单元346产生标准电压Vref0(标准信号)。第一电阻元件342使其一端连接到输出端子304out，而另一端连接到第二电阻元件344的一端。将标准电压Vref0从标准信号产生单元346提供到第二电阻元件344的另一端。反馈单元340以电阻元件342和344电阻地分压在标准电压Vref0和输出端子304out的输出电压Vout(负电压)之间的电压，产生反馈电压Vfb。误差放大单元310的误差放大器312放大反馈电压Vfb和基准电压Vref1之间的差，产生控制电压Vo(在从0V到数字正电压DVDD的范围内下降)，并将所述电压Vo提供到开关322_4。整体地形成负反馈电路。

这里，首先导通开关322_1和322_3，并且断开开关322_2和322_4。这将数字正电压DVDD和地(GND)经由泵电容器324而连接，充电所述电容器324。然后断开开关322_1和322_3并导通开关322_4。这将泵电容器324的另一端324b连接到误差放大器312的输出端。由于控制电压Vo大于0但小于数字正电压DVDD，因此泵电容器324的一端324a呈现(assume)相对于地的负电压。如果此时导通开关322_2，则在泵电容器324和平滑电容器330之间电容地划分泵电容器324中累积的电荷，使得在平滑电容器330中存储负电荷。结果，在输出端子304out处产生负输出电压Vout。负输出电压Vout与模拟负电压AVSSw相称。

该输出电压Vout依赖于控制电压Vo。另一方面，由基准电压Vref1和反馈电压Vfb来限定控制电压Vo。由输出电压Vout、电阻元件342和344之间的电阻比率和标准电压Vref0来限定反馈电压Vfb。负电源304整体地形成负反馈电路。结果，通过电阻元件342和344之间的电阻比率、标准电压Vref0和基准电压Vref1，将输出电压Vout控制在恒定电平。换言之，可以通过调整电阻元件342和344之间的电阻比率、标准电压Vref0或基准电压Vref1(或其两个或更多)来调整输出电压Vout。

<调整负电压的基础>

图4是描述从负电源304输出的负输出电压Vout(与模拟负电压AVSSw相称)的调整示例的图。在本实施例中，配置负电源304以便输出端子304out的输出电压Vout是可调整的。然而，根据图像捕获期间的累积时间设置来进行其调整。基本原则是确保在适于脉冲驱动信号输出单元6的晶体管34、36和42之一的每一控制信号(传输脉冲TRG、复位脉冲RST和垂直选择脉冲VSEL)的低和高电平侧中，调整与信号电荷极性相称的那侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，电压电平就越高。

在本实施例中，信号输出单元6的每一晶体管包括NMOS晶体管，并且信号电荷为负(电子)。因此，累积时间越长，将与负电荷极性相称的负电源304的输出电压Vout(模拟负电压AVSSw)的负电平调整得越高。结合电荷累积时间设置来设置适于驱动像素晶体管的控制信号电压的电平。

这是基于如下事实：尽管例如在低亮度下的图像捕获的情况下，暗电流所引起的噪声随着更长的累积时间而增大，但是通过增大数字负电压DVSSw(特别地，对于读出选择晶体管34的数字负电压DVSSw)的负电平可以减小暗电流。

电荷累积时间越长，暗电流就可能变得越有问题。然而，以更长的电荷累积时间来增大负电压电平可以减小暗电流，提供提高的S/N比，且由此提高图像质量。当关注读出选择晶体管34时，使用负电压使得可以确保大的传输栅极幅度，允许增大电荷产生单元32(光电二极管)的饱和信号量并扩展动态范围。暗电流本身的减小有助于改善动态范围。

如图4(1)中所示，例如，相对于累积时间设置TS的输出端子304out的输出电压Vout(负电压电平)在0秒≤TS＜0.5秒时为-1.0V，在0.5秒≤TS＜1.0秒时为-1.1V，在1.0秒≤TS＜1.5秒时为-1.2V，在1.5秒≤TS＜2秒时为-1.3V，而在2.0秒≤TS时为-1.4V。因此，累积时间越长，负电压就越高。

应该注意，尽管这里以五级调整负电压电平，但是可以以四级或更少级或者六级或更多级来调整负电压电平。不必说，组件(如开关318和348、基准信号产生单元316和标准信号产生单元346)的数量以及适于控制开关318和348的控制线的数量随着级数的变化而增大或减小。自然，可以采用无级地调整负电压电平的配置。

进一步，在未累积信号电荷时没有图像捕获期间，累积时间为零。因此，负电压电平可能很小。结果，无需具有负电压电平。因此，如图4(2)中所示，电压电平可以等于标准电压(在本示例中，地＝0V)。如果没有图像捕获期间的电压用作标准电势，则可以积极地抑制对于像素及其驱动电路的晶体管的应力和特性恶化。

应该注意，可以设置如图4所示的累积时间设置TS和输出电压Vout之间的关系，并且预先登记以用作固定关系。可替代地，基于从外部主控制单元提供的电压设置信息TS-Vout，可以适当地改变所述关系。如果温度环境变化，则暗电流在不同的情况下出现。然而，如果采取了如上所述的对策，即使当电源单元300不具有根据环境条件自动地调整输出电压Vout的功能时，也可以根据事件的状态从成像装置8的未示出的控制面板适当地改变(手动调整)相对于累积时间的输出电压Vout。

<负电压调整：第一示例>

图5是图示根据适于允许图4中所示的负电压调整的第一示例的负电源304的电路配置的图。设计第一示例以通过调整电阻元件342和344之间的电阻比率同时维持标准电压Vref0和基准电压Vref1恒定来调整反馈电压Vfb，由此调整输出电压Vout。

更具体地说，第二电阻元件344包括电阻元件和开关的组合。通过控制开关的导通/断开操作来调整第二电阻元件344的电阻R_344，由此调整反馈电压Vfb和输出电压Vout。多个电阻元件可以以多种方式排列，包括串联电路、并联电路和串联/并联电路。排列开关以便对于多种电阻器电路配置而适当地改变复合电阻(composite resistance)。为了简化描述，下面将给出第二电阻元件344包括级联的多个电阻元件的示例的描述。

首先，在根据第一示例的负电源304_1中，第二电阻元件344包括级联的多个第二电阻元件344_1到344_x(其中图中，x＝1到5)。开关348_x在标准信号产生单元346侧上与除第二电阻元件344_1以外的每一第二电阻元件344_x并联连接。输出电压控制单元350包括控制逻辑354，其适于控制开关348_x。从控制逻辑354向每一开关348_x在其控制输入端处提供开关控制信号SW_x。

控制逻辑354根据从外部提供的累积时间(电子快门)设置来控制导通哪一个开关348_x。这允许根据累积时间设置来调整第二电阻元件344的电阻R_344，由此根据累积时间设置来调整输出电压Vout。

即，输出电压控制单元350使用第二电阻元件344中提供的开关348_x，而根据累积时间设置来变化电阻R_344，由此改变电阻元件342和344之间的电阻比率，并由此根据如图4中所示的累积时间设置来设置负电压。如上所述，通过使用适于通过调整反馈电压Vfb(其通过调整反馈单元340的电阻元件342和344之间的电阻比率来完成)来确定负电压的电路，可以根据累积时间设置以小规模电路容易地调整负电压电平，而不会不利地影响功耗。

本示例通过调整电阻元件342和344之间的电阻比率来调整反馈电压Vfb。然而，可替代地，可以采用通过使用电阻可无级地调整的可变电阻元件(如，使用半导体元件的操作电阻)来无级地调整反馈电压Vfb(负电压电平)的配置。然而，应该注意，这种可变电阻元件的电阻通常受环境条件(如，温度)影响，由此在控制反馈电压Vfb(即，输出电压Vout)时导致更差的精度。在这一方面，如果第二电阻元件344等效地包括多个第二电阻元件344_x和多个开关SW_x，并且如果由输出电压控制单元350控制开关SW_x的导通/断开操作，则该配置的有利性在于：在控制反馈电压Vfb和输出电压Vout时它提供了更高的精度。

<负电压调整：第二示例>

图5A是图示适于允许图4中所示的负电压调整的根据第二示例的负电源304的电路配置的图。设计第二示例以通过调整标准电压Vref0同时维持基准电压Vref1以及电阻元件342与344之间的电阻比率恒定来调整反馈电压Vfb和输出电压Vout。

更具体地说，根据第二示例的负电源304_2的标准信号产生单元346包括适于产生彼此不同的标准电压Vref0_x的标准信号产生单元346_x和开关348_x(其中在图中，x＝1到5)的组合。标准信号产生单元346_x和开关348_x串联连接。输出电压控制单元350包括适于控制开关348_x的控制逻辑354。每一开关348_x在其控制输入端处从控制逻辑354提供有开关控制信号SW_x。

控制逻辑354根据从外部提供的累积时间(电子快门)设置来控制导通哪一个开关348_x。这允许根据累积时间设置来调整标准信号产生单元346的标准电压Vref0，由此根据累积时间设置来调整输出电压Vout。

即，输出电压控制单元350使用适于产生彼此不同的标准电压的标准信号产生单元346_x和开关348_x，而根据累积时间设置来变化标准电压Vref0，由此根据如图4中所示的累积时间设置来设置负电压。如上所述，通过使用适于通过调整反馈单元340的标准电压Vref0来确定负电压的电路，可以以小规模电路根据累积时间设置来容易地调整负电压电平，而不会不利地影响功耗。进一步，不论使用的像素结构如何，该示例都是可应用的。

<负电压调整：第三示例>

图5B是图示适于允许图4中所示的负电压调整的根据第三示例的负电源304的电路配置的图。设计第三示例以通过调整基准电压Vref1同时维持标准电压Vref0以及电阻元件342与344之间的电阻比率恒定，来调整控制电压Vo，由此调整输出电压Vout。

更具体地说，根据第三示例的负电源3043的误差放大单元310包括适于产生彼此不同的基准电压Vref1_x的基准信号产生单元316_x和开关318_x(其中在图中，x＝1到5)的组合。基准信号产生单元316_x和开关318_x串联连接。输出电压控制单元350包括适于控制开关318_x的控制逻辑354。从控制逻辑354向每一开关318_x在其控制输入端处提供开关控制信号SW_x。

控制逻辑354根据从外部提供的累积时间(电子快门)设置来控制导通哪一个开关318_x。这允许根据累积时间设置来调整基准信号产生单元316的基准电压Vref1，由此根据累积时间设置来调整输出电压Vout。

即，输出电压控制单元350使用适于产生彼此不同的基准电压Vref1_x的基准信号产生单元316_x和开关318_x，而根据累积时间设置来变化基准电压Vref1，由此根据如图4中所示的累积时间设置来设置负电压。如上所述，通过使用适于通过调整误差放大单元310的基准电压Vref1来确定负电压的电路，可以根据累积时间设置以小规模电路容易地调整负电压电平，而不会不利地影响功耗。进一步，不论使用的像素结构如何，该示例都是可应用的。

应该注意，尽管未图示，但图5到图5B中所示的配置示例(第一到第三示例)可以如期望的那样组合。

<驱动定时的示例>

图6是图示适于驱动单元像素3的控制脉冲的操作定时的示例的时序图。垂直地址设置单元14a将所选行的垂直选择脉冲VSEL改变为有效高电平，由此导通垂直选择晶体管40(t10)。在该条件下，所述单元14a对于给定时间段将复位脉冲RST改变为有效高电平，由此导通复位晶体管36(t12到t14)。然后，所述单元14a对于给定时间段将传输脉冲TRG改变为有效高电平，由此导通读出选择晶体管34。这使得电荷产生单元32中累积的信号电荷转移到浮动扩散38(t16到t18)。

当完成该信号电荷的转移时，垂直地址设置单元14a几乎同时将传输脉冲TRG和复位脉冲RST改变为有效高电平，由此导通读出选择晶体管34和复位晶体管36。这使得从电荷产生单元32放电无用电荷(t20到t22)。然后，所述单元14a将所选行的垂直选择脉冲VSEL改变为无效低电平，并进行到下一行。结果，在从t14到t16的时间段内，将垂直信号线19的像素信号电压Vx设置为复位电平Srst。在从t18到t20的时间段内，将垂直信号线19的像素信号电压Vx设置为信号电平Ssig。

将这些控制脉冲TRG、RST和VSEL馈入电平移位器146。从正电源302向电平移位器146提供数字正电压DVDDw，并从负电源304向电平移位器146提供模拟负电压AVSSw作为电源电压。分别将每一控制脉冲TRG、RST和VSEL的高和低电平移位到模拟正电压AVDDw和模拟负电压AVSSw，从而经由驱动器148驱动单元像素3。

这里，输出电压控制单元350集合从外部提供的累积时间(电子快门)设置来调整负电源304的负输出电压Vout。结果，模拟负电压AVSSw根据如图4中所示的累积时间设置而改变。

例如，在帧速为10帧/秒的情况下，对于CMOS图像传感器来说累积一帧花费0.1秒，而在帧速为50帧/秒的情况下，对于CMOS图像传感器来说完成同样的事情花费0.02秒。因此，1或2秒的长累积时间是少有的，且被限制为例如在夜间的暗的地点中的图像捕获。因此，仅在该时间段期间减小负电压(增大负侧的值)对于晶体管特性(如对于栅极氧化膜的应力和由于例如热载流子而引起的晶体管特性的恶化)几乎没有影响，从而提供了暗电流所引起的减小的噪声(白点)。

如上所述，当设置长累积时间时，根据第一实施例的布置结合长累积时间来控制负电压，由此抑制暗电流所引起的噪声。进一步，根据累积时间设置仅控制负电压电平，几乎不会不利地影响电路规模或电流消耗。

<像素阵列单元和垂直扫描单元之间的接口：第二实施例>

图7是图示根据关注于垂直扫描单元14和像素阵列单元10之间的接口的第二实施例的固态成像器件1B的图。

首先，对于根据第二实施例的固态成像器件1B的垂直驱动单元14b，正电压侧与根据第一实施例的相同。相比之下，根据第二实施例的负电源304B对于每一脉冲RST、TRG和VSEL包括根据第一实施例的负电源304A。从外部主控制单元向每一负电源304A提供累积时间设置信息，以便将每一模拟负电压AVSS2_k(其中k是1到3)调整为与累积时间设置相称的负电压电平。

首先，对于负电压侧，用于每一复位脉冲RST、传输脉冲TRG和垂直选择脉冲VSEL的电平移位器146和驱动器148的负电源端子连接在一起，以便提供模拟负电压AVSS2。另一方面，向用于脉冲RST、TRG和VSEL的电平移位器146和驱动器148提供不同的模拟负电压AVSS2_1、AVSS2_2和AVSS2_3。通过将不同的负电压提供到晶体管34、36和42的电压电平的优化确保了减小的应力和最佳的特性。

例如，组成单元像素3的读出选择晶体管34、复位晶体管36和垂直选择晶体管40中的每一个均具有最佳的特性。结果，这些晶体管可能在栅极尺寸(W/L)和阈值电压Vth方面不同。在这种情况下，如第一实施例中那样，不论电平移位器146和驱动器148用于脉冲RST、TRG和VSEL中的哪一个都提供相同的模拟负电压AVSSw不能对于晶体管优化负电压电平。

相比之下，如第二实施例中那样，对于脉冲RST、TRG和VSEL之一提供不同的模拟负电压AVSSw_k(每一个均以负电压电平优化)允许负电压设置的优化，而不论组成单元像素3的晶体管的特性如何。这确保了对于每一晶体管的减小的应力和最佳的特性(如，当晶体管处于断开状态时它们泄漏的电流量)。

<像素阵列单元和垂直扫描单元之间的接口：第三实施例>

图8是图示根据关注于垂直扫描单元14和像素阵列单元10之间的接口的第三实施例的固态成像器件1C的图。在第三实施例中，像素阵列单元10具有以矩阵形式排列的单元像素组2。每一单元像素组2具有像素共享结构，其中单元像素3中的一些组件由多个单元像素3共享。

以与普通CMOS图像传感器相同的方式来配置像素阵列部件10中组成单元像素组2的单元像素3。这里，示出两个像素共享结构作为示例，其中由两个单元像素3的组合形成单个单元像素组2。应该注意，单元像素3的配置和通过组合单元像素3而形成的单元像素组2的配置仅为示例。本实施例不限于此。例如，在图8所示的配置中，本实施例不限于由两个单元像素3组成的单元像素组2。相反，所述组2可以由三个、四个或八个单元像素3组成。

从电路配置的视角来看，单元像素组2具有两个电荷产生部件32a、32b。除了读出选择晶体管34之外，所述部件32共享复位晶体管36、浮动扩散38和放大晶体管42。应该注意，我们假设共享组件的像素彼此相邻。当以方格网的形式排列单元像素3时，像素可以在屏幕上垂直地、水平地或垂直且水平地(即，对角地)相邻。在本实施例中，我们假设单个单元像素组2由行方向(垂直方向)上排列的两个单元像素3组成。

为了用作将分别在两个电荷产生部件32a和32b中累积的信号电荷Qa和Qb传输到公共像素信号产生部件5的装置，单元像素组2具有彼此独立的读出选择晶体管34a和34b以及传输布线54a和54b。相比之下，垂直驱动单元14b具有彼此独立的电平移位器146a和146b以及驱动器148a和148b。从垂直地址设置单元14a分别向电平移位器146a和146b提供传输脉冲TRGa和TRGb。

第一单元像素3a可以看作包括电荷产生部件32a、读出选择晶体管34a和像素信号产生部件5，而第二单元像素3b可以看作包括电荷产生部件32b、读出选择晶体管34b和像素信号产生部件5。

因此，在这种配置中，单元像素组2整体上包括五个晶体管。当在电荷产生部件32a和32b方面观察时，这些部件中每一个均具有四晶体管配置(其中单元像素3包括四个晶体管)。

应该注意，当用于彩色成像时，共享组件的单元像素3不限于相同颜色的像素。相反，多种颜色的单元像素可以共享具有FDA配置的电荷/电压转换单元(像素信号产生单元5)。可替代地，相同颜色的单元像素可以共享电荷/电压转换单元(像素信号产生单元5)。

首先，对于根据第三实施例的固态成像器件1C的垂直驱动单元14b，正电压侧与根据第一实施例的相同。相比之下，根据第三实施例的负电源304C包括根据第一实施例的三个负电源304A，一个用于复位脉冲RST和垂直选择脉冲VSEL，一个用于传输脉冲TRGa，且一个用于传输脉冲TRGb。从外部主控制单元向每一负电源304A提供累积时间设置信息，以便将每一模拟负电压AVSS2_k^*(其中k是1到3，且当k＝2时^*是“a”或“b”)调整为与累积时间设置相称的负电压电平。

首先，对于负电压侧，用于复位脉冲RST、传输脉冲TRGa、传输脉冲TRGb和垂直选择脉冲VSEL中的每一个的电平移位器146和驱动器148的负电源端子连接在一起，以便提供模拟负电压AVSS2。进一步，向用于复位脉冲RST和垂直选择脉冲VSEL的电平移位器146和驱动器148提供相同的模拟负电压AVSS2_1。另一方面，向用于传输脉冲TRGa和传输脉冲TRGb的电平移位器146和驱动器148提供不同的模拟负电压AVSS2_2a和AVSS2_2b。至少向晶体管34a和34b提供不同的负电压，由此确保最佳的电压电平。

如果如图8所示，由单元像素组2中的多个电荷产生单元32共享浮动扩散38，则在R-Gr行(其中排列红和绿像素)和B-Gb行(其中，排列蓝和绿像素)之间的浮动扩散38的排列方面有所不同。因此，电荷产生单元32和读出选择晶体管34(传输栅极)在不同行之间的形状和排列方面不同。该形状和朝向方面的不同导致暗电流特性的不同。结果，通过在不同行中提供不同负电压的电压电平的优化，确保了在暗电流方面减小的差异。如上所述，如果由多个电荷产生单元32共享浮动扩散38，则在不同行中提供不同的负电压确保了由形状和排列方面的不同而引起的暗电流方面的减小的不同。可以优化负电压设置，而不论组成单元像素组2的晶体管的形状和排列如何。

应该注意，尽管未图示，但是对于脉冲RST、TRGa、TRGb和VSEL可以分别提供不同的模拟负电压AVSS2_1、AVSS2_2a、AVSS2_2b和AVSS2_3。对于脉冲RST、TRGa、TRGb和VSEL之一提供不同的模拟负电压AVSS2_k(每一个均以负电压电平优化)允许负电压设置的优化，而不论组成单元像素组2的晶体管的排列和特性如何。

<像素阵列单元和垂直扫描单元之间的接口：第四实施例>

图9和图10是描述根据第四实施例的固态成像器件1D的图。这里，图9是图示根据关注于垂直扫描单元14和像素阵列单元10之间的接口的第四实施例的固态成像器件1D的图。尽管使出了第一实施例的修改示例，但是第四实施例也可应用于第二和第三实施例。图10是描述从根据第四实施例的负电源304D输出的输出电压Vout(与模拟负电压AVSSw相称)的调整示例的图。

设计第四实施例以根据环境条件(如，温度和湿度)自动地调整模拟负电压AVSSw。因此，根据第四实施例的负电源304D除了根据第一实施例的负电源304A之外，还包括环境条件检测单元306。作为示例，环境条件检测单元306具有适于检测固态成像器件1的周围温度的温度检测单元308。

在本实施例中，温度检测单元308具有未示出的温度传感器，并使用该温度传感器以检测器件中期望位置的温度。作为示例，应当排列温度传感器以检测像素阵列单元10附近的温度，从而检测组成单元像素3的晶体管的周围温度。作为温度传感器，应当优选地使用电子传感器，例如，所述电子传感器包括铂电阻温度计、热敏电阻或热电偶。可替代地，可以使用非接触式温度传感器，其测量从物质发射的红外辐射，并基于红外辐射量来测量物质的温度。

将温度检测单元308的温度检测结果提供到负电源304A的输出电压控制单元350。输出电压控制单元350不仅基于累积时间设置TS，而且基于温度检测单元308检测到的温度来调整输出电压Vout，以便周围温度越高，输出电压Vout就越高。

暗电流倾向于随着温度增大而增大。为此，如图9中所示，在负电源304D中提供具有温度检测功能的环境条件检测单元306(温度检测单元308)，由此在高温度处减小负电压电平，并提供相对暗电流所引起的噪声(白点)的改进。向负电源添加温度检测功能确保了在高温度处的减少的白点。

例如，当如图10中所示，电荷累积时间是0.5秒或更多时，与25℃的负电压调整特性(与图4(1)中所示的相同)相比，负电压电平进一步增大了Δy(其中，y是1到4)。此时，累积时间越长，在本示例中就设置越大的Δy。结果，累积时间越长，并且周围温度越高，负电压电平就协同地(synergistically)变得越高。

例如，将Δy设置为0.05×y。在这种情况下，当0秒≤TS＜0.5秒时相对于累计时间设置TS的输出端子304out的输出电压Vout(负电压电平)为-1.0V，当0.5秒≤TS＜1.0秒时为-1.1V-Δ1＝-1.15V，当1.0秒≤TS＜1.5秒时为-1.2V-Δ2＝-1.3V，当1.5秒≤TS＜2秒时为-1.3V-Δ3＝-1.45V，且当2.0秒≤TS时为-1.4V-Δ4＝-1.6V。因此，累积时间越长，或者周围温度越高，负电压就越高。应该注意，在本示例中，必须能够对于在25和60度的电压电平设置，整体地以八级调整负电压电平。

<成像装置：第五实施例>

图11是描述第五实施例的图。第五实施例是上述固态成像器件1的实施例中使用的负电压调整的布置到作为物理信息获取装置的示例的成像装置的应用。图11是成像装置8的示意性配置示例。

即使作为成像装置，如果在适于驱动信号输出单元6的晶体管之一的每一控制信号的低和高电平侧中，调整与信号电荷或晶体管极性相称的那侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，电压电平就越高，则可以实施用于减小暗电流的布置。此时，例如，通过设置通信/定时控制单元20中的控制指令信息，至少可以如期望的那样指定与控制信号的电压电平设置有关的控制(如，电荷累积时间设置信息)。

更具体地说，成像装置8包括成像镜头802、光学低通滤波器804、滤色片组812、像素阵列部件10、驱动控制部件7、列AD转换部件26、基准信号产生部件27和相机信号处理块810。如图中虚线所示，可以与光学低通滤波器804一起提供红外截止滤波器805。设计所述滤波器805来减小红外分量。

进一步，在本实施例中与半导体区域(半导体芯片)(其中形成像素阵列部件10、驱动控制部件7、列AD转换部件26和基准信号产生部件27)分离地提供包括正电源302和负电源304的电源部件300。

成像镜头802通过将携带以荧光或阳光的照明下的被摄体Z的图像的光L引导至成像装置中来形成图像。滤色片组812例如具有以拜耳模式排列的R、G和B滤色片。驱动控制部件7驱动像素阵列部件10。读出电流控制部件24控制来自像素阵列部件10的像素信号操作电流。列AD转换部件26处理来自像素阵列部件10的像素信号的CDS处理和AD转换。基准信号产生部件27将基准信号SLP_ADC提供到列AD转换部件26。相机信号处理块810处理来自列AD转换部件26的成像信号。

在列AD转换部件26的下一级提供的相机信号处理块810包括成像信号处理部件820和相机控制部件900。所述部件900用作适于整体地控制成像装置8的主控制部件。成像信号处理部件820包括信号分离单元822、彩色信号处理单元830、亮度信号处理单元840和编码器单元860。

当非原色滤光片用作滤色片时，信号分离单元822具有适于将来自列AD转换部件26的AD转换功能部件的数字成像信号分离为R(红)、G(绿)和B(蓝)原色信号的原色分离功能。彩色信号处理单元830基于由信号分离单元822分离的原色信号R、G和B来处理彩色信号C。亮度信号处理单元840基于由信号分离单元822分离的原色信号R、G和B来处理亮度信号Y。编码器单元860基于亮度信号Y和彩色信号C来产生视频信号VD。

彩色信号处理单元830例如包括白平衡放大器、伽马校正部件和色差矩阵部件，尽管省略了其图示。亮度信号处理单元840例如包括高频和低频亮度信号产生部件以及亮度信号产生部件，尽管省略了其图示。高频亮度信号产生部件基于来自信号分离单元822的原色分离部件的原色信号来产生亮度信号YH。亮度信号YH包含在频率方面相对高的一些分量。低频亮度信号产生部件基于来自白平衡放大器的经白平衡调整的原色信号来产生亮度信号YL。亮度信号YL仅包含在频率方面相对低的分量。亮度信号产生部件基于两个亮度信号YH和YL来产生亮度信号Y，并将所述信号Y提供到编码器单元860。亮度信号YL也用于曝光控制。

编码器单元860首先以与彩色信号副载波相关联的数字信号数字地调制色差信号R-Y和B-Y，然后将所产生的信号与亮度信号处理单元840产生的亮度信号Y进行合成以用于转换为数字视频信号VD(＝Y+S+C；S是同步信号，而C是色度信号)。将来自编码器单元860的数字视频信号VD提供到相机信号输出部件(其在再下一级提供，省略其图示)，以用于监视器输出和到记录介质的数据记录。此时，如果需要的话，通过DA转换将数字视频信号VD转换为模拟视频信号。

根据本实施例的相机控制部件900包括微处理器902、作为只读存储部件的ROM(只读存储器)904、RAM(随机存取存储器)906和其他外围组件(省略其图示)。微处理器902类似于在计算机中起核心作用的那个，并且一般是通过将计算机处理的算术和控制功能合并到超小型集成电路中而实现的CPU(中央处理单元)。RAM 906是随时可重写和可读的易失性存储部件的示例。微处理器902、ROM 904和RAM 906也统称为微计算机。

相机控制单元900整体地控制系统。特别地在本实施例中，所述单元900能够结合电荷累积时间设置来设置适于驱动像素晶体管的控制信号的电压电平。关于该性能，相机控制单元900向电源单元300提供适于调整从电源单元300(正电源302和负电源304)输出的电源电压电平的累积时间设置TS，以便调整适于驱动像素阵列单元10的控制信号的电压电平。ROM 904存储程序，如用于相机控制单元900的控制程序。特别地在本示例中，ROM 904存储适于结合电荷累积时间设置来对控制信号的电压电平的设置进行控制的程序，所述控制信号适于驱动像素晶体管。RAM 906存储相机控制单元900进行各种类型的处理所需的数据。

进一步，相机控制部件900被配置为允许记录介质924(如存储卡)的连接和拆卸，并允许到通信网络(如，因特网)的连接。例如，相机控制部件900除了微处理器902、ROM 904和RAM 906之外，还包括存储器读出单元907和通信I/F(接口)908。

记录介质924例如用于存储宽范围的数据，包括要由微处理器902以软件处理的程序数据、基于来自亮度信号处理单元840的亮度信号的测光数据(photometric data)DL的收敛范围、以及用于曝光控制处理的各种控制信息的设置(包括电子快门控制)。例如，记录介质924存储指示如图4所示的累积时间设置TS与正电源302和负电源304的输出电压Vout(DVDDw、DVSSw、AVDDw和AVSSw)之间的关系的电压设置信息TS-Vout。

存储器读出单元907将从记录介质924读出的数据存储(安装)到RAM906。通信I/F 908作为与因特网或其他通信网络的通信数据的交换的媒介。

以具有与像素阵列部件10分离的驱动控制部件7和列AD转换部件26的模块形式示出了成像装置8。然而，不必说，如关于所述器件1描述的那样，可以使用具有在相同的半导体衬底上与像素阵列部件10集成地形成的驱动控制部件7和列AD转换部件26的固态成像器件1。进一步，在图11中示出了成像装置8以除了像素阵列部件10、驱动控制部件7、列AD转换部件26、基准信号产生部件27和相机信号处理块810之外，还包括光学系统(如，成像镜头802、光学低通滤波器804或红外截止滤波器805)。当成像装置8用作能够成像的模块(以上组件在其中封装在一起)时，该实施例是优选的。

这里，关于固态成像器件1和模块之间的关系，所述器件1可以以能够成像的模块的形式提供。如图中所示，该模块具有与信号处理部件(除了列AD转换部件26的下一级的相机信号处理块之外)(如与像素阵列部件10密切相关的具有AD转换和差(CDS)处理功能的列AD转换部件26)一起封装的像素阵列部件10(成像部件)。然后，在以模块形式提供的固态成像器件1的下一级提供作为剩余信号处理部件的相机信号处理块810。固态成像器件1和相机信号处理块810一起整体地组成成像装置8。

可替代地，尽管未图示，但是固态成像器件1可以以能够成像的模块的形式提供，所述能够成像的模块具有与光学系统(如，成像镜头802)一起封装的像素阵列部件10。然后，还以模块来提供相机信号处理块810，以便所述部件810和固态成像器件1一起整体地组成成像装置8。仍然可替代地，固态成像器件1的模块可以包括相机信号处理块810。在这种情况下，固态成像器件1可以基本上认为是与成像装置8相同的东西。例如，提供所述装置8作为适于执行“成像”的配备相机的或能够成像的移动设备。应该注意，术语“成像”不仅包括正常相机拍摄期间的图像捕获，而且在广义上还包括指纹检测和其他。

如上所述配置的成像装置8包括固态成像器件1的所有功能，并且可以基本上以与固态成像器件1相同的方式配置和操作。由曝光控制处理确定的快门时间与电荷累积时间相称。因此，相机控制单元900向电源单元300通知设置信息(累积时间设置TS)和电压设置信息TS-Vout。正电源302基于从相机控制单元900提供的累积时间设置TS和电压设置信息TS-Vout来调整数字正电压DVDDw或模拟正电压AVDDw，以便累积时间越长，电压电平就越高，由此确保减小的暗电流。负电源304基于从相机控制单元900提供的累积时间设置TS和电压设置信息TS-Vout来调整数字负电压DVSSw或模拟负电压AVSSw，以便累积时间越长，电压电平就越高，由此确保减小的暗电流。

尽管以上已经描述了优选实施例，但是本发明的技术范围不限于这些实施例中描述的范围。本发明可以以各种方式改变或修改，而不脱离本发明的范围和精神，并且包括这种改变或修改的实施例也被包括在本发明的技术范围中。

进一步，以上实施例不限制所附权利要求中提出的本发明，并且并非实施例中描述的特征的所有组合构成本发明的必要解决方式。以上实施例包括本发明的各阶段，并且通过多个公开的组成元件的适当组合，可以提取出各种发明。即使从所有元素中去除一些组成元素，缺乏这种组成元素的配置仍然可以被提取为一个发明，只要它提供了本发明的有利效果即可。

例如，已经给出了具有含有四个晶体管(34、36、40和42)的信号输出部件6的像素的描述。然而，对于具有缺乏垂直选择晶体管40的三晶体管配置的像素来说，也可以实现与该实施例中描述的相同的功能和有利效果。即使在这种情况下，根据第三实施例的配置可类似地应用于关于相同原理操作的那些像素(每一个均具有一个光电二极管(电荷产生单元32)和一个读出选择晶体管34，并共享单个的复位晶体管36和单个的放大晶体管42)。

进一步，在以上实施例中，已经采用包括单元像素(其每一个由NMOS晶体管构成)的传感器作为示例给出了描述。然而，本发明不限于此。本发明通过根据信号电荷和晶体管极性颠倒控制信号电势中的关系(颠倒正和负电势)，提供了与以上实施例中所述的相同的功能和有利效果。

即，在使用空穴作为信号电荷的MOS固态成像器件中，至少对于读出选择晶体管34来说，采用与以上实施例中使用的NMOS晶体管在传导性类型方面相反的PMOS晶体管。因此，当在电荷产生单元32中累积电荷时，仅需要进行修改，以便施加提高到高于用作p沟道读出选择晶体管34的栅极电压的正电压的正电压(即，在这种情况下，作为标准电压的正电源电压)。即使在这种情况下，响应于累积时间来调整正电压电平，以便累积时间越长，正电压电平越高。另一方面，在当未累积信号电荷时没有图像捕获期间，正电压电平只需要为低。不需要具有正电平。因此，例如，可以将正电压电平设置为标准电压(在本示例中，正电源电压)。

进一步，关于单元像素3的配置，衬底和半导体区域可以全部改变为相反的传导性类型，而实施例中所示的其余条件不变。并且在这种情况下，如果需要的话，只需要进行修改以便信号电荷和控制信号电势(正和负电势)中的关系颠倒。

Claims (16)

1.一种固态成像器件，包括：

单元像素，每一单元像素包括

电荷产生单元，适于产生信号电荷，以及

信号输出单元，具有晶体管，且适于产生并输出与所述电荷产生单元产生的信号电荷相称的目标信号，其中

在适于以脉冲驱动所述信号输出单元的每一晶体管的控制信号的低和高电平侧中，调整与信号电荷或晶体管极性相称的待调整侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，电压电平就越高。

2.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中

所述信号输出单元具有服务不同功能的多个晶体管，以及其中

分别对于每一晶体管，将待调整侧的电压电平设置为与累积时间相称的电平。

3.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中

所述信号输出单元具有服务不同功能的多个晶体管，

所述晶体管中的一些由所述单元像素共享，

关于未由所述单元像素共享的那些晶体管，对于每一单元像素提供晶体管，以及

关于服务相同功能且未由所述单元像素共享的那些晶体管，将待调整侧的电压电平设置为与累积时间相称的电平。

4.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中

周围温度越高，待调整侧的电压电平就越高。

5.根据权利要求1所述的固态成像器件，包括：

电源单元，适于输出电源电压；以及

驱动单元，适于向晶体管提供控制信号，所述控制信号的量值与从所述电源单元提供的电源电压相称，其中

在提供所述电荷产生单元和所述信号输出单元的半导体区域中集成地形成所述驱动单元和所述电源单元，以及

所述电源单元基于信号电荷累积时间来调整待调整侧的电源电压。

6.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

所述信号输出单元具有服务不同功能的多个晶体管，以及

分别对于每一晶体管，所述电源单元将待调整侧的电源电压调整为与累积时间相称的电平。

7.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

所述信号输出单元具有服务不同功能的多个晶体管，

所述晶体管中的一些由所述单元像素共享，

关于未由所述单元像素共享的那些晶体管，对于每一单元像素提供晶体管，以及

所述电源单元将服务相同功能且未由所述单元像素共享的每一晶体管的待调整侧的电源电压调整为与累积时间相称的电平。

8.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

所述电源单元具有温度检测单元，其适于检测晶体管的周围温度，并且基于所述温度检测单元检测到的温度调整待调整侧的电源电压，以便周围温度越高，待调整侧的电压电平就越高。

9.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

所述电源单元能够改变信号电荷累积时间与待调整侧的电源电压之间的关系。

10.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

所述电源单元包括：

误差放大单元，适于放大基准信号与反馈信号之间的差；

电源电压产生单元，适于基于所述误差放大单元的输出，产生待调整侧的电源电压；

反馈单元，适于向所述误差放大单元通知与所述电源电压产生单元产生的输出电压相称的反馈信号；以及

输出电压控制单元，适于控制所述电源电压产生单元产生的电源电压的量值，

所述反馈单元包括

标准信号产生单元，适于产生标准信号，

第一电阻元件，其一端连接到电源电压的输出端，以及

第二电阻元件，其一端连接到第一电阻元件的另一端，且另一端连接到所述标准信号产生单元的标准信号的输出端。

11.根据权利要求10所述的固态成像器件，其中

所述第二电阻元件包括电阻元件和开关的组合，以及

所述输出电压控制单元根据累积时间来控制所述开关的导通/断开操作。

12.根据权利要求10所述的固态成像器件，其中

所述标准信号产生单元包括适于产生不同标准信号的标准信号产生单元和开关的组合，以及

所述输出电压控制单元根据累积时间来控制所述开关的导通/断开操作。

13.根据权利要求10所述的固态成像器件，其中

所述误差放大单元包括适于产生不同基准信号的基准信号产生单元和开关的组合，以及

所述输出电压控制单元根据累积时间来控制所述开关的导通/断开操作。

14.根据权利要求5所述的固态成像器件，其中

在没有图像捕获期间，在控制信号的低和高电平侧中，所述电源单元将与信号电荷或晶体管极性相称的那侧的电源电压电平设置为标准电势。

15.一种成像装置，包括：

像素阵列单元，具有以矩阵形式二维排列的单元像素，每一单元像素包括

电荷产生单元，适于产生信号电荷，以及

信号输出单元，具有晶体管，且适于产生并输出与所述电荷产生单元产生的信号电荷相称的目标信号，所述成像装置进一步包括

电源单元，适于输出电源电压，

驱动单元，适于向晶体管提供控制信号，并适于脉冲驱动所述信号输出单元的晶体管，所述控制信号的量值与从所述电源单元提供的电源电压相称，以及

主控制单元，适于控制所述驱动单元和所述电源单元，其中

所述主控制单元不仅驱动所述驱动单元以调整信号电荷的累积时间，而且还向所述电源单元通知关于累积时间的信息，以及

在控制信号的低和高电平侧中，所述电源单元基于从所述主控制单元提供的关于累积时间的信息，调整与信号电荷或晶体管极性相称的待调整侧的电源电压电平，以便信号电荷累积时间越长，电压电平就越高。

16.一种单元像素的像素驱动方法，每一单元像素包括

电荷产生单元，适于产生信号电荷，以及

信号输出单元，具有晶体管，且适于产生并输出与所述电荷产生单元产生的信号电荷相称的目标信号，所述像素驱动方法包括：

在适于脉冲驱动所述信号输出单元的每一晶体管的控制信号的低和高电平侧中，调整与信号电荷或晶体管极性相称的那侧的电压电平，以便信号电荷累积时间越长，电压电平就越高。

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