CN102387318A - 固态图像拾取装置和图像拾取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态图像拾取装置和图像拾取系统、图像拾取系统、驱动固态图像拾取装置的方法和驱动固态图像拾取装置的方法。在第一重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到共用的浮置节点之前，通过重置电压序列重置转换元件所共享的浮置节点上的电子。在第二重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到浮置节点之后、第二光电转换元件中的电子被传输到浮置节点之前，通过第一重置电压重置浮置节点上的电子。第一重置时间段和第二重置时间段长度不同。第一重置时间段包括通过多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段，第二重置时间段包括通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

Description

固态图像拾取装置和图像拾取系统

技术领域

本发明涉及固态图像拾取装置和图像拾取系统。

背景技术

近年，在与CMOS型固态图像拾取装置相关联的技术中取得了具大的进展。在CMOS型固态图像拾取装置中，其每个像素包括光电二极管、浮置扩散(以下称为FD)区域、放大器和重置晶体管，浮置扩散区域将通过传输晶体管传输的电荷转换为电压信号，重置晶体管对FD区域进行重置。CMOS型固态图像拾取装置趋向于每一年都增加像素数量和减小像素尺寸。为了满足这种趋势，日本专利公开No.9-46596公开了这样一种技术，在该技术中，为各个光电二极管提供传输晶体管，并且由光电二极管生成的电荷被传输到一个FD区域。这种技术使得可减少每个像素的放大晶体管的数量和重置晶体管的数量，从而使得可增大光电二极管的面积大小。

以下给出关于日本专利公开No.9-46596中所公开的技术的进一步描述，在该技术中，多个光电二极管中生成的电荷被传输到共享的FD区域。在一个FD区域被两个光电二极管共享的情况下，当重置晶体管导通时，首先重置FD区域。注意，只要重置晶体管处于导通状态，重置就继续。在将从第一光电二极管读出信号的时刻，使重置晶体管截止，并使连接至第一光电二极管的传输晶体管导通，以将信号电荷传输到FD区域。其后，再次使重置晶体管导通，以重置FD区域。在该重置之后，重置晶体管截止。然后使连接至第二光电二极管的传输晶体管导通，以将信号电荷传输到FD区域。重复执行上述过程，以从所有像素读取信号。

在日本专利公开No.9-46596中所公开的技术中，在第一光电二极管的电荷被传输之前紧挨着的时刻，FD区域的电势等于在重置晶体管在长时间段内保持在导通状态之后获得的FD电势。另一方面，在第二光电二极管的电荷被传输之前紧挨着的时刻给定的FD区域的电势等于在重置晶体管于第一光电二极管的电荷传输完成之后的短时间段内保持在导通状态之后获得的FD电势。

因此，由于下述原因而出现两个FD电势之间的差。在固态图像拾取装置中，随着信号读取速率提高，每个像素的读取时间缩短。更具体地讲，例如，从第二光电二极管传输信号电荷之前紧挨着的重置时间为几微秒那么短或者更短。结果，从第二光电二极管读取信号之前的重置时间比从第一光电二极管读取信号之前的重置时间短。因此，重置操作在实现完整的重置之前结束。因此，在紧挨在执行读取之前的状态下，就重置电势而言，两个二极管之间出现差异。该差导致图像输出的差异，这导致出现图像质量降低的问题。

发明内容

应对以上问题的一种可行的方法是在执行从第一光电二极管的读取之前的时间段期间保持重置晶体管处于截止状态，并紧挨在重置结束之前导通重置晶体管。然而，在这种方法中，如果FD区域具有结漏，则在电荷在光电二极管中累积的时间段期间出现FD区域的电势的大的变化，这可产生与紧挨在执行第二光电二极管的读取之前的FD电势相比的FD电势的变化。此外，当具有高强度的光入射在像素上时，也可在FD区域的电势中出现变化，这可产生与紧挨在执行第二光电二极管的读取之前的FD电势相比的FD电势的变化。因此，这种方法没有对所述问题提供好的解决方案。

鉴于以上，本发明提供一种固态图像拾取装置和图像拾取系统，其被配置为减小共享一个浮置节点的光电转换元件之间的输出差异，从而使得可拍摄高质量图像。

在一方面，本发明提供一种固态图像拾取装置，包括：第一光电转换元件，第一光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子；第二光电转换元件，第二光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子；共用的浮置节点；第一传输晶体管，第一传输晶体管被配置为将由第一光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点；第二传输晶体管，第二传输晶体管被配置为将由第二光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点；以及，重置晶体管，所述重置晶体管被配置为重置所述共用的浮置节点上的电子。所述固态图像拾取装置具有：第一重置时间段，在所述第一重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过多个重置电压顺序地重置所述共用的浮置节点上的电子；以及，第二重置时间段，在所述第二重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之后并且在第二光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过第一重置电压重置所述共用的浮置节点上的电子。所述第一重置时间段和第二重置时间段的长度不同。所述第一重置时间段包括在其中通过所述多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段，以及所述第二重置时间段包括在其中通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

以上述方式配置的固态图像拾取装置因此能够抑制紧挨在从每个光电转换元件传输电荷之前的状态下浮置节点的重置电压的差异，从而减小共享浮置节点的光电转换元件之间的输出差异，由此变为可拍摄高质量图像。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的像素电路。

图2是示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的总体配置的框图。

图3是与根据本发明实施例的固态图像拾取装置相关联的驱动定时图。

图4示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的像素电路。

图5是与根据本发明实施例的固态图像拾取装置相关联的驱动定时图。

图6示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的像素电路。

图7示出根据本发明实施例的固态图像拾取装置的像素电路。

图8是与根据本发明实施例的固态图像拾取装置相关联的系统图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施例进行描述。在下述实施例中，作为示例，假设电子被用于提供信号电荷。注意，本发明还可应用于空穴被用于提供信号电荷的情况。在这种情况下，可将PMOS晶体管用作传输晶体管，并将电压极性反转。

第一实施例

图1示出根据本发明的第一实施例的固态图像拾取装置的像素电路。像素单元100包括两个光电二极管101a和101b、传输晶体管102a和102b、共用的浮置节点103、放大MOS晶体管104、重置晶体管105和选择晶体管106。共用的浮置节点103可用一个浮置扩散区域(FD区域)或者通过导电材料彼此连接的两个浮置扩散区域来配置。以下，假设共用的浮置节点103用FD区域来实现，共用的浮置节点103将被称为FD区域103。

传输晶体管102a和102b分别传输来自光电二极管101a和101b的电荷。光电二极管101a和101b用作光电转换元件。光电转换元件不限于光电二极管，而是可使用其它类型的光电转换元件，只要它们能够通过光电转换生成与入射光对应的电荷(电子)即可。第一光电二极管101a用作第一光电转换元件，同时第二光电二极管101b用作第二光电转换元件。FD区域103是被光电二极管101a和101b共享的FD区域，该FD区域可连接至光电二极管101a和101b，以保存由光电二极管101a和101b生成的电荷。第一传输晶体管102a连接至第一光电二极管101a，以使得由第一光电二极管101a生成的电荷可被传输到FD区域103。第二传输晶体管102b连接至第二光电二极管101b，以使得由第二光电二极管101b生成的电荷可被传输到FD区域103。重置晶体管105对FD区域103中的电荷进行重置。FD区域103电连接至放大MOS晶体管104的栅极。放大MOS晶体管104形成用于输出与被传输到FD区域103的信号电荷量对应的信号的源极跟随器放大器的一部分。放大MOS晶体管104的栅极用作源极跟随器放大器的输入节点。可使放大MOS晶体管104在栅极电压＜漏极电压的条件下(即，在五极管模式下)工作。电源电压SVDD通过重置晶体管105对FD区域103进行重置。

在本实施例中，放大MOS晶体管104的漏极和重置晶体管105的漏极均供给有相同的电源电压SVDD。选择晶体管106选择将输出的行。放大MOS晶体管104的输出节点通过选择晶体管106连接至垂直读取线107。垂直读取线107连接至恒流源108。放大MOS晶体管104和恒流源108形成源极跟随器放大器。传输晶体管102a和102b、重置晶体管105及选择晶体管106的栅极分别连接至传输晶体管驱动线109a和109b、重置晶体管驱动线110和选择晶体管驱动线111。

重置晶体管驱动线110由来自重置电压供给电路112的输出驱动。重置电压供给电路112被配置为供给两个不同的高电平用于重置。例如，重置电压供给电路112可使用图1中所示的电路来实现。重置电压供给电路112包括NMOS晶体管113、PMOS晶体管114、115和116、以及反相器117和118。当反相器117的输入ΦresH处于低电平电势、反相器118的输入Φres处于高电平电势时，PMOS晶体管114和115导通，因此，VRESH1的电势被供给到重置晶体管驱动线110。当反相器117的输入ΦresH处于低电平电势、反相器118的输入Φres处于高电平电势时，PMOS晶体管114和116导通，因此，VRESH2的电势被供给到重置晶体管驱动线110。

设置电势电平，以使得0＜VRESH1＜VRESH2。选择电势VRESH1，以使得当电势VRESH1被供给到重置晶体管105时，电势VRESH1可使重置晶体管105导通。当反相器118的输入Φres处于低电平时，NMOS晶体管113导通，因此，地电势被供给到重置晶体管驱动线110。在这个定时，驱动脉冲从脉冲选择器120供给到像素单元100和重置电压供给电路112。在脉冲选择器120中，在从移位寄存器供给的信号PV(2i+1)和PV(2i+2)与从外部给定的驱动信号Psel、Ptx、Pres和PresH之间执行逻辑运算，并且基于所述逻辑运算的结果而确定的必要脉冲被供给到各个端子。例如，脉冲选择器120包括AND电路(与电路)121、123、124和125、OR电路(或电路)126、以及NOR电路(或非电路)122。

图2是示出使用图1中所示的像素电路的固态图像拾取装置的总体配置的框图。在图2中，像素单元100a至100i每个的配置与图1中所示的像素单元100类似。在图2所示的示例中，固态图像拾取装置包括按3行3列阵列布置的像素单元。然而，可按不同的方式配置固态图像拾取装置，只要按一维或两维阵列的形式布置多个像素单元即可。在图2中，通过垂直读取线107a、107b和107c读出像素单元100a至100i的像素信号。像素单元由水平驱动线201a、201b和201c驱动，以使得逐行读出像素信号。注意，水平驱动线201a、201b和201c均包括与图1中所示的驱动线109a、109b、110和111对应的四根线，但是，为简化图示，在图2中用一根线表示这四根驱动线。垂直移位寄存器(VSR)202和脉冲选择器120a、120b、120c是顺序地选择水平驱动线201a至201c并驱动所选择的线的块，脉冲选择器120a、120b、120c均与图1中所示的脉冲选择器120类似。列信号读取单元203a、203b和203c处理来自像素单元100a至100i的信号。水平移位寄存器(HSR)204生成用于顺序地读取保存在列信号读取单元203a、203b和203c中的像素信号的控制信号。当开关205a、205b和205c顺序地导通时，像素信号被顺序地传输到放大器206。像素信号被放大器206放大，并从输出端207输出。

图3是与图1和图2中所示的电路的驱动操作相关联的定时图。在图3中，还显示了图1中的主要的互连线路的电势状态。在图3中，PV(2i+1)和PV(2i+2)分别表示从垂直移位寄存器202供给的、用以读出奇数行中的光电二极管101a的电荷和偶数行中的光电二极管101b的电荷的选择脉冲。注意，图3中所示的定时图示出在特定的帧时间段和下一帧时间段的开始部分中从相邻的奇数行和偶数行中的光电二极管读出信号的定时。注意，图3还示出重置晶体管105的栅极电势(Vres-gate)的变化和由Vres-gate的变化引起的FD区域103的电势Vfd的变化。在时刻t0，第(2i+1)行和第(2i+2)行还没有被选择，驱动线和电路处于以下状态。Φsel(驱动线111)处于低电平，像素单元100的选择晶体管106处于截止状态。Φres处于高电平，ΦresH处于低电平。电势VRESH1(通过驱动线110)被供给到重置晶体管105的栅极，由此重置晶体管105的栅极电势Vres-gate被设置为等于VRESH1。结果，FD区域103的电势Vfd被重置为近似等于VRESH1。

在时刻t1，来自垂直移位寄存器202的信号PV(2i+1)切换到高电平，因此，启用驱动脉冲信号。

当Psel和Φsel都在时刻t2切换到高电平时，选择晶体管106导通，它使得能够从像素单元100输出信号。

当PresH在时刻t3切换到高电平时，ΦresH切换到高电平，因此，电势VRESH2(通过驱动线110)被供给到重置晶体管105的栅极，由此重置晶体管105的栅极电势Vres-gate被设置为等于VRESH2。由于VRESH1＜VRESH2，所以FD区域103的电势Vfd达到更高的值。

在时刻t4，Pres切换到高电平，PresH切换到低电平，因此，Φres切换到低电平。结果，FD区域103的重置结束，这使得FD区域103被带入下述状态，在所述状态下，当重置晶体管105的栅极电势从VRESH2变为地电势时，电势Vfd通过电容耦合下跌(swungdown)。在这个定时，ΦresH切换到低电平，与电势Vfd对应的电势输出到垂直读取线107。

在从t5至t6的时间段中，供给到列信号读取单元203的PTN在t5切换到高电平，并在t6返回到低电平，并且在从t5到t6的这个时间段中，暗电平信号被列信号读取单元203采样。

在从t7到t8的时间段中，Ptx在t7切换到高电平，并在t8返回到低电平，并且作为响应，传输晶体管102a(Φtx_a)在t7导通，并在t8截止。结果，在这个时间段中，奇数行中的光学信号被传输到FD区域103，因此，电势Vfd下降。

在从t9到t10的时间段中，供给到列信号读取单元203的PTS在t9切换到高电平，并在t10返回到低电平，因此，在这个时间段中，光信号被列信号读取单元203采样。

在时刻t11，Pres切换到低电平，因此，Φres切换到高电平。作为响应，重置晶体管105的栅极电势Vres-gate从地电势切换到VRESH1，并且电势Vfd被重置。

在时刻t11+Δt，即，在时刻t11紧后，电势Vfd用以下方程给出：

Vfd(t11+Δt)＝VRESH1-Vth

其中，Vth为重置晶体管105的阈值电压。

其后，重置晶体管105的亚阈值电流使电势Vfd逐渐增大。亚阈值电流以下述方式取决于重置晶体管105的栅极-源极电压差Vgs，即，亚阈值电流随Vgs以指数方式增大。由于栅极电势由Vg＝VRESH1给出，并且，源极电势Vs由Vs＝Vfd给出，因此：

Vgs＝VRESH1-Vfd

I∞EXP(VRESH1-Vfd)

因此，当Vfd与VRESH1之间的电势差大时，出现大的亚阈值电流。其后，当Vfd接近VRESH1时，电流以指数方式减小。然而，在非常长的时间中，电流逐渐流到FD区域103中，Vfd的电势逐渐增大。

在时刻t12，来自垂直移位寄存器202的信号PV(2i+1)切换到低电平，信号PV(2i+2)切换到高电平。结果，奇数行中的传输晶体管的驱动脉冲109a被禁用，替代地，偶数行中的传输晶体管的驱动脉冲109b被启用。

以与在从t2到t11的时间段中执行的操作类似的方式执行以下操作，因此，以下描述将集中于差别。时刻t13对应于用于奇数行的时刻t3。在时刻t13的操作与在时刻t3的操作的类似之处在于使用类似的驱动脉冲，但是操作的不同之处在于电势Vfd具有不同的值。这是因为，如上所述，在偶数行中，Vfd在几微秒到几十微秒的短时间段中被重置，所述短时间段的长度与从t11到t13的、用于读出一行的时间段类似，而在奇数行中，相反，在从几十毫秒到几百毫秒的长时间段上执行FD区域103的重置，所述长时间段的长度与一帧时间段类似。

在本实施例中，除了VRESH1之外，还提供比VRESH1高的VRESH2作为用于重置FD区域103的电势。虽然VRESH1施加于重置晶体管105的时间段在奇数行与偶数行之间不同，但是在VRESH2施加于重置晶体管105的时间段对于奇数行和偶数行基本上相等。因此，在重置结束的时刻(t4或t14)，对于奇数行和偶数行，可获得相同的FD区域103的电势。

通过在重置中使用比VRESH1高的电势VRESH2，变得可通过在偶数行中通过大的亚阈值电流来抑制FD区域103的电势差，在偶数行中，重置晶体管105的源极电势Vfd比在奇数行中重置晶体管105的源极电势Vfd低。施加VRESH2的时间段t3到t4和时间段t13到t14的长度可优选地被设置为10ns到10μs，更优选地，被设置为100ns至2μs。从t13到t14的时间段的长度可被设置为基本上等于从t3到t4的时间段的长度，或者从t13到t14的时间段的长度可被设置为比从t3到t4的时间段的长度大。通过将重置时间段设置为对于偶数行比对于奇数行稍微长，变得可确保：对于偶数行和奇数行，FD区域103的电势更可能相等。也就是说，可通过VRESH2的重置时间的小的差值来补偿由VRESH1的重置时间的大的差值导致的FD电势的大的差值。重置时间的差值优选地可被设置为等于或小于100ns，更优选地，可被设置为等于或小于10ns。

VRESH1与VRESH2之间的电势差优选地可被设置为等于或大于100mV。更优选地，由于更大的重置电压导致更大的亚阈值电流，所以该电势差可被设置为等于或大于1V。注意，由VRESH1确定的Vfd的初始值确定源极电势，同时VRESH2确定栅极电势，因此，VRESH1与VRESH2之间的更大的差值导致栅极电势与源极电势之间的更大的差值。由于更高的重置电势可导致更大的亚阈值电流，所以施加的电势可比重置晶体管105的漏极电势高。

再次参照图3，在从t15到t16的时间段中，Ptx在t15切换到高电平，并在t16返回到低电平。作为响应，传输晶体管102b(Φtx_b)在t15导通，并在t16截止。结果，在这个时间段中，偶数行的光学信号被传输到FD区域103，因此，电势Vfd降低。在后面的时间段中，如在奇数行中那样，供给到列信号读取单元203的PTS切换到高电平，然后返回到低电平，因此，光信号被列信号读取单元203采样。

在时刻t17，Pres切换到低电平，因此，Φres切换到高电平。作为响应，重置晶体管105的栅极电势Vres-gate从地电势切换到VRESH1，并且电势Vfd被重置。其后，在时刻t18，来自垂直移位寄存器202的信号PV(2i+2)切换到低电平，因此，驱动脉冲信号被禁用。然而，由于信号Φres为高电平，所以FD区域103进一步保持在重置状态。这个像素单元100不被选择，因此，不被从重置状态释放，直到时刻t19为止，在时刻t19，对图像的下一帧进行处理。因此，在大约几十毫秒到几百毫米的时间段期间，奇数行中的FD区域103持续保持在重置状态。在这个非常长的时间段中，FD区域103的电势逐渐增大。直到时刻t19或t3为止，仅VRESH1被持续施加，在时刻t19或t3，在偶数行中，FD电势比在类似的时刻(t13)的FD电势高。

如上所述，重置晶体管105在第一重置时间段(其在时刻t4结束)中通过多个重置电压顺序地重置FD区域103中的电荷。其后，在从t7到t8的时间段中，第一传输晶体管102a将由第一光电二极管101a生成的电荷传输到FD区域103。其后，在与第一重置时间段不同的第二重置时间段(从时刻t11到时刻t14)中，重置晶体管105通过多个重置电压(包括第一重置电压)顺序地重置FD区域103中的电荷。其后，在从t15到t16的时间段中，第二传输晶体管102b将由第二光电二极管101b生成的电荷传输到FD区域103。注意，第一重置时间段和第二重置时间段的长度不同。

更具体地讲，重置晶体管105顺序地提供多个栅极电势(在本示例中，VRESH1和VRESH2)，以使得通过多个重置电压顺序地执行重置。优选地，在供给到重置晶体管105的多个栅极电势(VRESH1和VRESH2)中的最高电势和与次高电势之间，差值被设置为大于或等于100mV。

注意，从t3到t4的时间段是第一重置时间段的子时间段，在从t3到t4的这个子时间段中，重置晶体管105使用多个重置电压中的最高重置电压执行重置操作。从t13到t14的时间段是第二重置时间段的子时间段，在从t13到t14的这个子时间段中，使用多个重置电压(包括第一重置电压)中的最高重置电压执行重置操作。从t3到t4的时间段和从t13到t14的时间段的长度基本上相等。在本发明中，术语“基本上相等”用于表达两个时间段彼此相等或者它们之间的差值小于或等于100ns。从t3到t4的时间段和从t13到t14的时间段优选被设置在从10ns到10μs的范围内。第二重置时间段包括在其中通过比第一重置电压低的第二重置电压重置FD区域103的子时间段。

如上所述，在包括被多个光电二极管共享的FD区域103的像素单元100中，提供两个重置电压，即，VRESH1和比VRESH1高的VRESH2，并且通过VRESH2进行重置的重置时间被设置为对于偶数行和奇数行基本上相等，以使得重置之后的FD区域103的电势变为对于偶数行和奇数行相等，从而使得可实现在偶数行与奇数行之间没有输出差异的高质量图像。如果第一栅极电势VRESH1比第二栅极电势VRESH2低，则为了实现本实施例的优点，重要的是按第一栅极电势VRESH1和第二栅极电势VRESH2的顺序施加电压。在上述示例中，提供两个重置电压值。然而，可提供三个或更多个值，并且在其中使用最高值执行重置的时间段可被设置为对于多个光电二极管相等。

第二实施例

图4示出根据本发明的第二实施例的固态图像拾取装置的像素电路。在第二实施例的以下描述中，省略与根据第一实施例的部分类似的部分的解释，并且以下描述将集中于差别。在本实施例中，像素单元100中的漏极连接至像素电源开关电路400，像素电源在SVDD1与SVDD2之间切换。注意，在本实施例中，提供像素电源开关电路400，代替前一实施例中的重置电压供给电路112。在这种配置中，脉冲PresH不是必要的，替代地，使用驱动脉冲PSVDD。如图4所示，像素电源开关电路400包括PMOS晶体管401和402及反相器403。

图5是与图4中所示的电路相关联的驱动定时图。在图5中，在时刻t0，Φsel(驱动线111)处于低电平，像素单元100的选择晶体管106处于截止状态。PSVDD处于低电平，因此，电势SVDD1被作为漏极电势Vsvdd供给到重置晶体管105。因此，FD区域103的电势Vfd被重置为与SVDD1近似相等的电势。

在时刻t1，来自垂直移位寄存器202的信号PV(2i+1)切换到高电平，因此，驱动脉冲信号被启用。

当Psel和Φsel都在时刻t2切换到高电平时，选择晶体管106导通，它使得能够从像素单元100输出信号。

当PSVDD在时刻t3切换到高电平时，电势SVDD2被作为漏极电势Vsvdd供给到重置晶体管105。由于SVDD1＜SVDD2，所以FD区域103的电势Vfd朝向更高的值变化。

在时刻t4，Pres切换到高电平，PSVDDs切换到低电平，因此，Φres切换到低电平。结果，FD区域103的重置结束，这使得FD区域103进入下述状态，在所述状态下，当重置晶体管105的栅极电势从VDD变为地电势时，电势Vfd通过电容耦合下跌。在这个定时，PSVDD切换到低电平，与电势Vfd对应的电势输出到垂直读取线107。

在从t5到t6的时间段中，供给到列信号读取单元203的PTN在t5切换到高电平，并在t6返回到低电平，并且在从t5到t6的这个时间段中，暗电平信号被列信号读取单元203采样。

在从t7到t8的时间段中，Ptx在t7切换到高电平，并在t8返回到低电平，并且，作为响应，传输晶体管102a(Φtx_a)在t7导通，并在t8截止。结果，在这个时间段中，奇数行中的光学信号被传输到FD区域103，因此，电势Vfd下降。

在从t9到t10的时间段中，供给到列信号读取单元203的PTS在t9切换到高电平，并在t10返回到低电平，因此，在该时间段中，光信号被列信号读取单元203采样。

在时刻t11，Pres切换到低电平，因此，Φres切换到高电平。结果，SVDD1被从重置晶体管105的漏极供给，并且电势Vfd被重置为SVDD1。在时刻t11+Δt，即，在时刻t11紧后，电势Vfd由以下方程给出：

当SVDD1＞DVDD-Vth时，Vfd(t11+Δt)＝DVDD-Vth  (1)

当DVDD-Vth＞SVDD1时，Vfd(t11+Δt)＝SVDD1(2)

其中，Vth为重置晶体管105的阈值电压。在(1)的情况下，重置晶体管105的亚阈值电流使电势Vfd逐渐增大。亚阈值电流以下述方式依赖于重置晶体管105的栅极-源极电压差Vgs，即，如在第一实施例中那样，亚阈值电流随Vgs以指数方式增大。另一方面，在(2)的情况下，SVDD1被直接供给到Vfd，因此，在这个时刻，在偶数行与奇数行之间，FD区域103的电压差被抑制。

在时刻t12，来自垂直移位寄存器202的信号PV(2i+1)切换到低电平，并且信号PV(2i+2)切换到高电平。结果，奇数行中的传输晶体管的驱动脉冲109a被禁用，替代地，偶数行中的传输晶体管的驱动脉冲109b被启用。

以与从t2到t11的时间段中执行的操作类似的方式执行以下操作，因此，以下描述将集中于差别。时刻t13对应于用于奇数行的时刻t3。如第一实施例中那样，在时刻t13的操作与在时刻t3的操作的类似之处在于使用类似的驱动脉冲，而操作的不同之处在于电势Vfd在(1)的情况下具有不同的值。

在本实施例中，除了SVDD1之外，还提供比SVDD1高的SVDD2作为用于重置FD区域103的漏极电势。虽然在其中SVDD1施加于重置晶体管105的漏极的时间段在奇数行与偶数行之间不同，但是在其中SVDD2施加于重置晶体管105的漏极的时间段对于奇数行和偶数行基本上相等。因此，在重置结束的时间点(t4或t14)，对于奇数行和偶数行，可获得相同的FD区域103的电势。在上述示例中，提供用于SVDD的两个值。注意，作为备选的方案，可提供三个或更多个值，并且在其中使用最高值执行重置的时间段可被设置为对于多个光电二极管相等。

如上所述，重置晶体管105顺序地供给多个漏极电势，在本示例中，即，SVDD1和SVDD2，从而通过顺序地使用多个重置电压来执行重置操作。优选地，供给到重置晶体管105的多个漏极电势(SVDD1和SVDD2)中的最高电势与次高电势之间的差值被设置为大于或等于100mV。

如上所述，在包括被多个光电二极管共享的FD区域103的像素单元100中，提供两个值SVDD1和SVDD2作为重置晶体管105的漏极电势。此外，将在其中施加SVDD2以重置FD区域103的时间段设置为对于像素单元100中的多个光电二极管基本上相等，以使得当重置完成时，FD区域103的电势变为对多个光电二极管相等，从而可实现高质量图像，并且在像素单元100中的多个光电二极管之间不存在输出差异。

第三实施例

图6示出根据本发明的第三实施例的固态图像拾取装置的像素电路。第三实施例与第一实施例的不同之处在于共享一个FD区域的光电二极管的数量。也就是说，在上述第一实施例中，两个光电二极管101a和101b共享FD区域103。相比之下，在本实施例中，四个光电二极管601a至601d共享一个FD区域603。在像素单元600中，光电二极管601a、601b、601c和601d用作光电转换元件。光电转换元件不限于光电二极管，而是可使用其它类型的光电转换元件，只要它们能够将入射光转换为电信号即可。传输晶体管602a、602b、602c和602d将通过由光电二极管601a至601d执行的光电转换而生成的电荷传输到FD区域603中。传输晶体管602a至602d分别由连接至脉冲选择器620的驱动线609a、609b、609c和609d驱动，脉冲选择器620包括4输入OR电路以及AND电路623、624、625和626。在以下描述中，假设FD区域603被四个光电二极管601a至610d共享，但是共享一个FD区域的光电二极管的数量不限于4个。在传统方法中，在从像素单元600中的第一行中的像素读出像素信号之前重置FD区域603所需的重置时间可以不同于在从另一个像素读出像素信号之前重置FD区域603所需的重置时间。在本实施例中，如在第一实施例中那样，在每个光电二极管被读出之前，将比VRESH1高的VRESH2施加于重置晶体管105的栅极，以使得从光电二极管601a输出的信号与从另一个光电二极管输出的信号之间的差被抑制。

在跳读中，仅特定的光电二极管(例如，光电二极管601a和601c)被读出，而其它光电二极管(例如，光电二极管601b和601d)不被读出。如果使用传统的方法执行跳读，则像素单元600中的光电二极管之间的重置时间差可以与根据上述本实施例的重置时间差不同。也就是说，在传统方法中，对于像素单元600中的第一行中的光电二极管601a，在当前帧开始之前的时刻开始，持续执行FD区域603的重置。对于第二行中的光电二极管601b，传输晶体管602b保持在截止状态，以使得像素信号不被读出，因此，在一帧前开始，使FD区域603保持在重置状态。对于第三行中的光电二极管601c，在从光电二极管601a读出像素信号完成之后，重置FD区域603，并从光电二极管601c读出像素信号，因此，在相对短的重置时间中执行FD区域603的重置。对于光电二极管601d，与光电二极管601b一样，在一帧前开始，使FD区域603保持在重置状态。因此，当使用传统方法执行跳读时，在第三行中的光电二极管601c的输出与其它光电二极管的输出之间出现差异。

相比之下，在本实施例中，通过在对于每个光电二极管的重置操作中将高电势VRESH2施加于重置晶体管105来抑制光电二极管之间的输出差异。

第四实施例

图7示出根据本发明的第四实施例的固态图像拾取装置的像素电路。在上述第二实施例中，FD区域103被两个光电二极管101a和101b共享。以下所述的第四实施例与第二实施例的不同之处在于FD区域603被四个光电二极管601a至601d共享。在FD区域603被四个光电二极管601a至601d共享的本实施例中，如在第二实施例中那样，在对于每个光电二极管执行信号读取之前，将比SVDD1高的漏极电势SVDD2施加于重置晶体管105的漏极，以抑制四个光电二极管601a至601d之间的信号输出差异。

第五实施例

根据以上所述的实施例之一的固态图像拾取装置可被用在例如数字静态照相机、数字摄像机等的图像拾取系统中。图8是示出包括固态图像拾取装置的数字静态照相机的框图，该数字静态照相机是根据本发明的第五实施例的图像拾取系统的示例。在图8中，挡板1用于保护透镜2。透镜2在固态图像拾取装置4上形成被摄体的光学图像。光圈3用于调整光穿过透镜2之后的光量。可根据上述实施例之一来配置固态图像拾取装置4，以使得固态图像拾取装置4将由透镜2形成的光学图像转换为图像数据。注意，假设固态图像拾取装置4包括A/D转换器，所述A/D转换器形成在其上形成固态图像拾取装置4的相同衬底上。信号处理单元7对从固态图像拾取装置4输出的图像数据执行各种类型的校正和/或数据压缩。定时生成器8将各种定时信号输出到固态图像拾取装置4和信号处理单元7。总体控制/操作单元9执行各种计算，并控制整个数字静态照相机。存储器10临时存储图像数据。通过接口单元11从可移动存储介质12读取数据或者将数据存储到可移动存储器介质12中，可移动存储介质12例如半导体存储器。外部设备接口单元13是与例如计算机的外部设备的接口。可从图像拾取系统的外部供给定时信号。图像拾取系统至少可包括固态图像拾取装置4和信号处理单元7，信号处理单元7对从固态图像拾取装置4输出的图像信号进行处理。在本实施例中，作为示例，假设如上所述，固态图像拾取装置4和A/D转换器形成在单个衬底上。作为备选的方案，固态图像拾取装置4和A/D转换器可分离地设在不同的衬底上。在可替换的实施例中，固态图像拾取装置4和信号处理单元7可形成在单个衬底上。

如上所述，根据上述实施例之一的固态图像拾取装置可应用于图像拾取系统。将根据实施例之一的固态图像拾取装置应用于图像拾取系统使得可拍摄线性度良好并且噪声低的高质量图像。

在上述实施例中，作为示例，假设形成每个像素单元的晶体管是NMOS型的。作为备选的方案，可将PMOS晶体管用于每个像素单元中的所有晶体管或部分晶体管。在这种情况下，信号电荷可以是空穴或电子。在空穴被用作信号电荷的情况下，每个像素单元中的所有晶体管可以是PMOS晶体管，这些PMOS晶体管可以全部形成在N型阱中。这使得可减小元件尺寸。另一方面，在电子被用作信号电荷的情况下，可通过使用形成在N型阱中的PMOS晶体管来实现放大MOS晶体管。在这种情况下，传输晶体管可形成在P型阱中。为了减小像素单元尺寸，可使用背照式结构，以使得浮置扩散后的级处的电路形成在与其上形成光电转换元件的衬底不同的衬底上。

在上述实施例中，在第一重置时间段和第二重置时间段中都使用多个重置电压来执行重置。作为备选的方案，可以至少在第一重置时间段中使用多个重置电压，同时可以通过至少使用所述多个重置电压中的最高重置电压来执行第二重置时间段中的重置。注意，也是在这种情况下，在第一重置时间段与第二重置时间段之间，总长度有必要不同。

注意，以示例的方式描述了实施例，不构成限定。可进行各种修改、改变、替换等而不脱离本发明的精神和范围。例如，可修改使用电子作为信号电荷的实施例，以使得空穴被用作信号电荷。在这种情况下，就电压电平而言，可反转设置重置电压。也就是说，在其中使用最低重置电压的重置时间段的长度可被设置为相等。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改与等同的结构和功能。

Claims (14)

1.一种固态图像拾取装置，包括：

第一光电转换元件，第一光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子；

第二光电转换元件，第二光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子；

共用的浮置节点；

第一传输晶体管，第一传输晶体管被配置为将由第一光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点；

第二传输晶体管，第二传输晶体管被配置为将由第二光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点；和

重置晶体管，所述重置晶体管被配置为重置所述共用的浮置节点上的电子，

所述固态图像拾取装置具有：

第一重置时间段，在所述第一重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过多个重置电压顺序地重置所述共用的浮置节点上的电子；和

第二重置时间段，在所述第二重置时间段中，在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之后并且在第二光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过第一重置电压重置所述共用的浮置节点上的电子，

其中，所述第一重置时间段和第二重置时间段的长度不同，

并且其中，所述第一重置时间段包括在其中通过所述多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段，以及所述第二重置时间段包括在其中通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

2.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，所述第二重置时间段还包括在其中通过比第一重置电压低的第二重置电压重置所述共用的浮置节点的子时间段。

3.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，多个栅极电压被顺序地施加于所述重置晶体管的栅极，从而通过多个重置电压的序列重置所述共用的浮置节点。

4.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，多个漏极电压被顺序地施加于所述重置晶体管的漏极，从而通过多个重置电压的序列重置所述共用的浮置节点。

5.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，第一重置时间段中的通过所述多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段与第二重置时间段中的通过最高重置电压执行重置的子时间段之间的长度差小于或等于100ns。

6.根据权利要求1所述的固态图像拾取装置，其中，第一重置时间段中的通过所述多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段与第二重置时间段中的通过最高重置电压执行重置的子时间段之间的长度差在10ns至10μs的范围内。

7.根据权利要求3所述的固态图像拾取装置，其中，供给到所述重置晶体管的多个栅极电压中的最高电压与次高电压相差100mV或更多。

8.根据权利要求4所述的固态图像拾取装置，其中，供给到所述重置晶体管的多个漏极电势的最高电压与次高电势相差100mV或更多。

9.一种固态图像拾取装置，包括：

第一光电转换元件，第一光电转换元件被配置为通过光电转换生成空穴；

第二光电转换元件，第二光电转换元件被配置为通过光电转换生成空穴；

共用的浮置节点；

第一传输晶体管，第一传输晶体管被配置为将由第一光电转换元件生成的空穴传输到所述共用的浮置节点；

第二传输晶体管，第二传输晶体管被配置为将由第二光电转换元件生成的空穴传输到所述共用的浮置节点；

重置晶体管，所述重置晶体管被配置为重置所述共用的浮置节点上的空穴；

所述固态图像拾取装置具有：

第一重置时间段，在所述第一重置时间段中，在第一光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之前，通过多个重置电压顺序地重置所述共用的浮置节点上的空穴；和

第二重置时间段，在所述第二重置时间段中，在第一光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之后并且在第二光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之前，通过第一重置电压重置所述共用的浮置节点上的空穴，

其中，所述第一重置时间段和第二重置时间段的长度不同，

并且其中，所述第一重置时间段包括在其中通过所述多个重置电压中的最低重置电压执行重置的子时间段，以及所述第二重置时间段包括在其中通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

10.根据权利要求9所述的固态图像拾取装置，其中，所述第二重置时间段还包括在其中通过比第一重置电压高的第二重置电压重置所述共用的浮置节点的子时间段。

11.一种图像拾取系统，包括：

根据权利要求1所述的固态图像拾取装置；和

透镜，所述透镜在所述固态图像拾取装置上形成光学图像。

12.一种图像拾取系统，包括：

根据权利要求9所述的固态图像拾取装置；和

透镜，所述透镜在所述固态图像拾取装置上形成光学图像。

13.一种驱动固态图像拾取装置的方法，所述固态图像拾取装置包括第一光电转换元件、第二光电转换元件、共用的浮置节点、第一传输晶体管、第二传输晶体管和重置晶体管，所述第一光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子，所述第二光电转换元件被配置为通过光电转换生成电子，所述第一传输晶体管被配置为将由第一光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点，所述第二传输晶体管被配置为将由第二光电转换元件生成的电子传输到所述共用的浮置节点，所述重置晶体管被配置为重置所述共用的浮置节点上的电子，所述方法包括：

执行第一重置操作，以使得在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过多个重置电压顺序地重置所述共用的浮置节点上的电子；和

执行第二重置操作，以使得在第一光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之后并且在第二光电转换元件中的电子被传输到所述共用的浮置节点之前，通过第一重置电压重置所述共用的浮置节点上的电子，

其中，在其中执行第一重置操作的时间段与在其中执行第二重置操作的时间段的长度不同，

并且其中，在其中执行第一重置操作的时间段包括在其中通过所述多个重置电压中的最高重置电压执行重置的子时间段，并且在其中执行第二重置操作的时间段包括在其中通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

14.一种驱动固态图像拾取装置的方法，所述固态图像拾取装置包括第一光电转换元件、第二光电转换元件、共用的浮置节点、第一传输晶体管、第二传输晶体管和重置晶体管，所述第一光电转换元件被配置为通过光电转换生成空穴，所述第二光电转换元件被配置为通过光电转换生成空穴，所述第一传输晶体管被配置为将由第一光电转换元件生成的空穴传输到所述共用的浮置节点，所述第二传输晶体管被配置为将由第二光电转换元件生成的空穴传输到所述共用的浮置节点，所述重置晶体管被配置为重置所述共用的浮置节点上的空穴，所述方法包括：

执行第一重置操作，以使得在第一光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之前，通过多个重置电压顺序地重置所述共用的浮置节点上的空穴；和

执行第二重置操作，以使得在第一光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之后并且在第二光电转换元件中的空穴被传输到所述共用的浮置节点之前，通过第一重置电压重置所述共用的浮置节点上的空穴，

其中，在其中执行第一重置操作的时间段与在其中执行第二重置操作的时间段的长度不同，

并且其中，在其中执行第一重置操作的时间段包括在其中通过所述多个重置电压中的最低重置电压执行重置的子时间段，以及在其中执行第二重置操作的时间段包括在其中通过第一重置电压执行重置的子时间段，其中，这两个子时间段的长度基本上相等。

Images