CN104917942B - 图像捕获装置和图像捕获系统 - Google Patents

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Abstract

一种图像捕获装置和图像捕获系统。该图像捕获装置执行多个像素在同一曝光时间段期间曝光的全局电子快门操作。在第一时间段中，光电转换单元累积电荷。在第二时间段中，多个像素的累积单元累积电荷。光电转换单元的饱和电荷量与累积单元的饱和电荷量的比率同第一时间段的长度与第一时间段的长度和第二时间段的长度之和的比率具有某一关系。

Description

图像捕获装置和图像捕获系统
技术领域
本公开涉及一种图像捕获装置和图像捕获系统。
背景技术
最近提议在CMOS图像传感器中使用全局电子快门。日本专利公开No.2004-111590中所描述的图像捕获装置具有即使当捕获快速移动的物体的图像时物体图像也不失真的效果。
发明内容
根据本公开的实施例提供一种图像捕获装置。该图像捕获装置包括多个像素。所述多个像素中的每个均包括：光电转换单元，其被构造为响应于入射光产生并且累积电荷；累积单元，其被构造为累积电荷；放大器单元，其被构造为输出基于电荷的信号；第一传送开关，其被构造为将电荷从光电转换单元传送到累积单元；以及第二传送开关，其被构造为将电荷从累积单元传送到放大器单元。图像捕获装置包括输出线，来自所述多个像素的放大器单元的信号被输出到该输出线。在第一时间点，所述多个像素的光电转换单元开始累积电荷。所述多个像素的第一传送开关从第一时间点到第二时间点保持断开，并且所述多个像素的光电转换单元累积在从第一时间点到第二时间点的第一时间段中产生的电荷。在从第二时间点到第三时间的第二时间段中，所述多个像素的累积单元累积光电转换单元在从第一时间点到第二时间点的第一时间段中产生的电荷、及光电转换单元在第二时间段中产生的电荷。在第三时间，所述多个像素的第一传送开关被控制为从导通变为断开。光电转换单元的饱和电荷量A1(“A”之后为后缀“1”)、累积单元的饱和电荷量A2(“A”之后为后缀“2”)、第一时间段P1(“P”之后为后缀“1”)及第二时间段P2(“P”之后为后缀“2”)满足某一关系。
从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的更多的特征将变得清楚。
附图说明
图1例示图像捕获装置的像素的等效电路。
图2是示意性地例示图像捕获装置的截面结构的示图。
图3是例示图像捕获装置的驱动脉冲的示图。
图4是例示图像捕获装置的驱动脉冲的示图。
图5是示意性地例示图像捕获装置的操作的示图。
图6是示意性地例示图像捕获装置的截面结构的示图。
图7是例示图像捕获装置的等效电路的示图。
图8是示意性地例示图像捕获装置的截面结构的示图。
图9A和9B是例示图像捕获装置的驱动脉冲的示图。
图10是示意性地例示图像捕获装置的截面结构的示图。
图11是示意性地例示图像捕获装置的截面结构的示图。
图12是例示图像捕获装置的驱动脉冲的示图。
图13是示意性地例示图像捕获装置的操作的示图。
图14是例示图像捕获系统的构造的框图。
具体实施方式
根据一些实施例，可以在增大饱和电荷量的同时缩小像素尺寸。
在日本专利公开No.2004-111590中所描述的图像捕获装置中，通过用于获得一个图像或一个帧的光电转换而产生的所有电荷都累积在光电转换单元中。然后，电荷与所有像素同时地从光电转换单元传送到累积单元，并且用于获得下一图像或下一帧的另一光电转换开始。因此，为了增大像素的饱和电荷量，光电转换单元的饱和电荷量和累积单元的饱和电荷量需要基本上相同。如果光电转换单元的饱和电荷量增大，则光电转换单元的面积也增大。因此，像素尺寸可能变大。
发明人发现，在一些图像捕获装置中，增大像素的饱和电荷量是困难的。根据一些实施例，在能够执行全局电子快门的图像捕获装置中，可以在增大饱和电荷量的同时缩小像素尺寸。
实施例提供一种图像捕获装置，该图像捕获装置包括多个像素以及来自所述多个像素的信号被输出到的输出线。所述多个像素中的每个包括光电转换单元、累积单元和放大器单元，累积单元被构造为累积电荷，放大器单元被构造为输出基于光电转换单元产生的电荷的信号。每个像素进一步设有第一传送开关和第二传送开关，第一传送开关被构造为将电荷从光电转换单元传送到累积单元，第二传送开关被构造为将电荷从累积单元传送到放大器单元。使用该构造，可以执行光电转换时间段在多个像素之间一致的图像拾取操作，即，全局电子快门。电子快门例如被定义为电控制响应于入射光而产生的电荷的累积。
在根据本公开的一些实施例中，在第一时间点，所述多个像素的光电转换单元同时开始累积电荷。从第一时间点到第二时间点或者直到第二时间点，所述多个像素的第一传送开关保持断开。在该时间段中产生的电荷累积在光电转换单元中。从第一时间点到第二时间点的时间段对应于第一时间段。换句话说，第一时间段可以被定义为在第一时间点开始并且在第二时间点结束。
在从第二时间点到第三时间的与第二时间段相应的时间段中，所述多个像素的累积单元累积电荷。此时，累积单元既累积在第一时间段中产生的电荷，又累积在第二时间段中产生的电荷。在第三时间，所述多个像素的第一传送开关同时被控制为从导通变为断开。
在根据本公开的一些实施例中，光电转换单元的饱和电荷量与累积单元的饱和电荷量的比率基本上等于第一时间段的长度与第一时间段的长度同第二时间段的长度之和的比率。
光电转换单元的尺寸和累积单元的尺寸可以通过根据这些单元的饱和电荷量关系驱动这些单元来缩小。使用该构造，可以在缩小像素尺寸并且增大饱和电荷量的同时执行全局电子快门。
在下文中，将参照附图描述本公开的实施例。根据本公开的实施例不限于下述那些实施例。例如，本公开的实施例还包括：下列实施例中的任何一个的构造被部分地添加到另一实施例的例子；或者下列实施例中的任何一个的构造被另一实施例的构造取代的例子。在下列实施例中，第一导电类型是n型，第二导电类型是p型。然而，第一导电类型可以是p型，第二导电类型可以是n型。
第一实施例
描述第一实施例。图1例示了图像捕获装置的像素的等效电路。图1中仅例示了四个像素20，但是图像捕获装置实际上包括更多像素。
每个像素20设有光电转换单元1、累积单元2、放大器单元10、第一传送开关4和第二传送开关5。像素20进一步设有重置晶体管9和选择晶体管7。
在光电转换单元1中，响应于入射光产生电荷。光电转换单元1累积响应于入射光而产生的电荷。第一传送开关4将光电转换单元1中的电荷传送到累积单元2。累积单元2累积在除了光电转换单元1之外的地方通过入射光产生的电荷。第二传送开关5将累积单元2中的电荷传送到放大器单元10的输入节点3。重置晶体管9重置放大器单元10的输入节点3的电压。选择晶体管7选择将信号输出到输出线8的像素20。放大器单元10将基于通过入射光产生的电荷的信号输出到输出线8。放大器单元10例如是源级跟随器。第一传送开关4和第二传送开关5是MOS晶体管。
控制线Tx1连接到第一传送开关4。控制线Tx2连接到第二传送开关5。在本实施例中，多个像素布置成矩阵模式。公共控制线连接到包括在一行中的像素。这里，例如，第n行上的像素被描述为控制线Tx1(n)。
使用该构造，光电转换单元1可以累积在累积单元2累积电荷时产生的电荷。因此，可以执行光电转换时间段在多个像素之间一致的图像拾取操作，即，全局电子快门。
图2示意性地例示了图像捕获装置的截面结构。图2例示了像素的截面。具有与图1的功能相同的功能的组件用相同的标号表示。图2例示了前侧照射图像捕获装置，但是还可以使用背侧照射图像捕获装置。
光电转换单元1具有嵌入式光电二极管结构。光电转换单元1包括n型半导体区域11和p型半导体区域12。n型半导体区域11和p型半导体区域12构成p-n结。p型半导体区域12可以降低界面中的噪声。
p型半导体区域14是阱。n型半导体区域13设置在n型半导体区域11的下面。n型半导体区域13的杂质浓度低于n型半导体区域11的杂质浓度。因此，在深的位置处产生的电荷收集在n型半导体区域中。这里，n型半导体区域13可以是p型半导体区域。对于电荷变为势垒的p型半导体区域17被设置在n型半导体区域13的下面。
累积单元2包括n型半导体区域201。变为信号的电荷累积在n型半导体区域201中。n型半导体区域201的杂质浓度高于n型半导体区域11的杂质浓度。
栅极电极40形成第一传送开关4的栅极。栅极电极50形成第二传送开关5的栅极。栅极电极40的一部分经由栅极电介质膜设置在n型半导体区域201上面。通过将负电压施加于栅极电极40，可以在n型半导体区域201的表面上诱导空穴。因此，可以降低在界面中产生的噪声。
累积单元2被遮蔽单元203屏蔽。遮蔽单元203由不易于透射可见光的金属(诸如钨和铝)制成。滤色器100和微透镜101设置在遮蔽单元203的开口上。
光电转换单元1和累积单元2设置在半导体基板上。在本实施例中，光电转换单元1到与半导体基板的表面平行的表面的正交投影的面积小于累积单元2到该表面的正交投影的面积。使用该构造，获得可以在降低噪声的同时增大像素的饱和电荷量的效果。
为了增大像素的饱和电荷量，希望的是累积单元2具有很大的饱和电荷量。累积单元2的饱和电荷量可以通过增大累积单元2的n型半导体区域201的杂质浓度来增大，或者通过扩大n型半导体区域201在平面图中的面积来增大。然而，如果n型半导体区域201的杂质浓度高，则泄漏电流等变大，这可能引起更大的噪声。因此，通过扩大n型半导体区域201在平面图中的面积，可以在减小n型半导体区域201的杂质浓度的同时增大饱和电荷量。
因此，通过扩大累积单元2在平面图中的面积，即，累积单元2的正交投影的面积，可以在减小噪声的同时增大像素的饱和电荷量。然后，光电转换单元1在平面图中的面积相对容易很小，并且难以增大光电转换单元1的饱和电荷量。因此，即使光电转换单元1的饱和电荷量很小，可以保持像素的饱和电荷量的效果也变得更显著。
描述用于驱动本实施例的图像捕获装置的方法。图3示意性地例示了本实施例中所使用的驱动脉冲。图3例示了供给第n行至第(n+2)行上的像素的第一传送开关4的控制线Tx1和第二传送开关5的控制线Tx2的驱动脉冲。当驱动脉冲为高电平时，相应的晶体管导通，或者相应的开关导通。当驱动脉冲为低电平时，相应的晶体管截止，或者相应的开关断开。图像捕获装置中所提供的控制单元供给这些驱动脉冲。诸如移位寄存器和地址解码器之类的逻辑电路用作控制单元。
前一帧在时间T1之前曝光。“曝光”意指在光电转换期间产生的电荷被累积或者保持为信号。在时间T1之前产生的电荷累积在累积单元2中。当从光电转换单元1到累积单元2的电荷的第一传送开关4同时在所有像素中都被控制为从导通变为断开时(图1的时间T1)，前一帧的曝光结束。
在时间T1，光电转换单元1的所有电荷都传送到累积单元。这意味着光电转换单元1变为初始状态。因此，在时间T1，三行像素的光电转换单元1同时开始累积电荷。因此，在本实施例中，当第一传送开关4断开时，光电转换单元1开始累积电荷。
在从时间T1到时间T2的其中逝去第一时间段的时间段中，第一传送开关4保持断开。在本实施例中，所有像素的第一传送开关4都保持断开。然而，只必须第一传送开关4在从时间T1到时间T2的时间段中在至少一个像素处保持断开。
自从时间T1以后过去第一时间段时的时间对应于时间T2。也就是说，从时间T1到时间T2的时间段对应于第一时间段。在第一时间段中，在第一时间段中产生的电荷累积在光电转换单元1中。在第一时间段中，累积单元2累积在前一帧中产生的电荷。
在第一时间段中，累积单元2中的电荷顺序地被读取到放大器单元10的输入节点3。具体地讲，当第n行的第二传送开关5导通时，第n行像素的累积单元2中的电荷传送到输入节点3。输入节点3的电压根据输入节点3的容量和传送的电荷的量而改变。基于输入节点的电压的信号通过放大器单元10输出到输出线8。接着，对于第(n+1)行像素执行相同的操作。对于从第一行至最后一行上的每个像素执行该操作。在执行了最后一个像素上的读取之后，所有像素的第一传送开关4和第二传送开关5都断开。
第一传送开关4在时间T2导通。然后，光电转换单元1中的电荷传送到累积单元2。也就是说，在第一时间段中产生的电荷在时间T2之后累积在累积单元2中。在本实施例中，所有像素的第一传送开关4都同时从断开变为导通。然而，只必须多个像素的第一传送开关4到时间T2时导通，像素开启的时序可以彼此不同。例如，从上述读取操作完成的像素的第一传送开关4开始，第一传送开关4可以导通。
然后，在从时间T2到时间T3的其中逝去第二时间段的时间段中，累积单元既累积在第一时间段中产生的电荷，又累积在第二时间段中产生的电荷。在本实施例中，第一传送开关4在第二时间段中保持导通。因此，在第二时间段中产生的电荷立即传送到累积单元2。电荷从光电转换单元1传送到累积单元2的时间段可以任意确定。第一传送开关4可以在第二时间段的一部分断开。
在时间T3，所有行的像素的第一传送开关4都同时被控制为从导通变为断开。然后，一个帧的曝光时间段结束。因此，所有像素的曝光时间段都是相同的。也就是说，在所有像素中，曝光在时间T1开始，并且在时间T3结束。后一帧的曝光在时间T3开始，然后其后重复从时间T1到时间T3的时间段中的操作。
接着，简要地描述从单个像素读取信号的读取操作。图4示意性地例示了图像捕获装置中所使用的驱动脉冲。图4例示了供给选择晶体管7的驱动脉冲SEL、供给重置晶体管9的驱动脉冲RES、以及供给第二传送开关5的驱动脉冲Tx2。当驱动脉冲为高电平时，相应的晶体管导通，或者相应的开关导通。当驱动脉冲为低电平时，相应的晶体管截止，或者相应的开关断开。
响应于图4中所示的驱动脉冲，执行像素的选择、重置、噪声信号的读取(N读取)、电荷的传送、以及光学信号的读取(S读取)。输出信号可以在图像捕获装置的外部进行AD转换。可替代地，输出信号可以在图像捕获装置的内部进行AD转换。
图5示意性地例示了图像捕获装置的操作。图5例示了从第n帧到第(n+1)帧的图像拾取操作。关于第n帧的操作用实线例示，关于第(n+1)帧的操作用虚线例示。
图5例示了每个帧中的曝光时间段、光电转换单元1累积电荷的时间段、以及累积单元2累积电荷的时间段。图5例示了在第一时间段中执行多个像素的读取操作。图5中的读取操作是包括第二传送开关5传送电荷以及放大器单元10输出信号的操作，这些操作参照图3和4进行了描述。
如图5中所示，紧接在一个帧的曝光结束之后，就可以立即开始下一次曝光。因此，因为基本上不存在信息丢失的时间段，所以可以改进图像质量。
如图5中所示，在光电转换单元1累积电荷的第一时间段中，对于多个像素中的每个像素执行读取操作。由于这个原因，即使光电转换单元1的饱和电荷量很小，也可以增大像素的饱和电荷量。像素的饱和电荷量例如被定义为在一个曝光事件或者单个帧中产生的电荷之中的被看作为信号的电荷的量的最大值。光电转换单元1的饱和电荷量例如被定义为光电转换单元1累积的电荷量的最大值，累积单元2的饱和电荷量例如被定义为由累积单元2累积的电荷量的最大值。
一个曝光事件的曝光时间段是第一时间段和第二时间段之和。这里，在第一时间段中读取累积在累积单元2中的前一帧的电荷。因此，当第一时间段结束时，累积单元2可以累积电荷。因此，只必须光电转换单元1可以至少累积在第一时间段中产生的电荷。因为在第一时间段中产生的电荷量通常小于在一个曝光时间段中产生的电荷量，所以可以使光电转换单元1的饱和电荷量很小。
在本实施例中，如图5中所示，累积单元2累积电荷的第二时间段长于第一时间段。因此，可以使光电转换单元1的饱和电荷量更小。然而，第一时间段可以等于或长于第二时间段。
图5例示了从第一行开始顺序地执行读取操作的例子。然而，执行读取操作的次序不限于这个例子。只必须在第一时间段中对于构成一个帧的每个像素执行至少一次读取操作。在像素中的至少一些中，在累积单元2开始累积某一帧中的电荷之后、直到同一累积单元2开始累积后一帧中的电荷为止的时间段等于曝光时间段。
希望的是，第一时间段与第一时间段和第二时间段之和的比率以及光电转换单元1的饱和电荷量与累积单元2的饱和电荷量的比率基本上相等。具体地讲，如果光电转换单元1的饱和电荷量用A1表示、累积单元2的饱和电荷量用A2表示、第一时间段用P1表示、第二时间段用P2表示，则A1、A2、P1和P2满足下列表达式(1)的关系。这里，第一时间段P1和第二时间段P2之和对应于一个曝光时间段P1+P2。
更希望的是，第一时间段与第一时间段和第二时间段之和的比率等于光电转换单元1的饱和电荷量与累积单元2的饱和电荷量的比率。也就是说，A1、A2、P1和P2满足下列表达式(2)的关系：
在本实施例中，一个曝光时间段与第一时间段的比率为4。也就是说，第一时间段是一个曝光时间段的长度的1/4。例如，在以每秒60帧捕获移动图像的情况下，曝光时间段为1/60秒，第一时间段为1/240秒。
因此，希望的是，光电转换单元1的饱和电荷量与累积单元2的饱和电荷量的比率接近1/4。这是因为累积单元2累积在一个曝光时间段中产生的所有电荷，而光电转换单元1仅需要累积该电荷的量的1/4。具体地讲，在累积单元2的饱和电荷量为40000个电子的情况下，希望的是，光电转换单元1的饱和电荷量等于或大于5000个电子，并且等于或少于25000个电子。优选地，光电转换单元1的饱和电荷量为10000个电子。
通过设置如表达式(1)所表达的饱和电荷量的比率，可以确定光电转换单元1和累积单元2的最佳尺寸。
在从光电转换单元1溢出的电荷将被累积单元2累积的情况下，希望的是A1、A2、P1和P2满足下列表达式(3)：
具体地讲，在累积单元2的饱和电荷量为40000个电子的情况下，光电转换单元1的饱和电荷量等于或大于5000个电子，并且等于或少于10000个电子。使用该构造，因为从光电转换单元1溢出的电荷可以被累积单元2累积，所以可以减少电荷混合。
如果A1、A2、P1和P2满足下列表达式(4)，则光电转换单元1可以具有更大量的饱和电荷量。因此，可以减少电荷溢出。
本实施例的图像捕获装置可以具有用于执行滚动快门的操作模式。在滚动快门的操作模式下，多个像素的光电转换单元1顺序地开始累积电荷。然后，多个像素的第一传送开关4顺序地导通。可替代地，图像捕获装置可以具有用于执行另一方案的全局电子快门的操作模式。在另一方案的全局电子快门中，光电转换单元1累积电荷的时间段等于曝光时间段。
如上所述，根据本实施例的图像捕获装置，可以在增大饱和电荷量的同时执行全局电子快门。
第二实施例
描述另一实施例。本实施例与第一实施例的不同之处在于累积单元的构造。因此，仅描述与第一实施例的不同之处，并且略去与第一实施例的构造相同的构造的描述。
本实施例的等效电路与第一实施例的等效电路相同。图1例示了本实施例的图像捕获装置的像素的等效电路。关于图1的描述与第一实施例的描述相同，因此略去。
本实施例的驱动方法与第一实施例的驱动方法相同。也就是说，图3和4示意性地例示了本实施例中所使用的驱动脉冲。图5示意性地例示了本实施例的图像捕获装置的操作。关于图3至5的描述与第一实施例的描述相同，因此略去。
图6示意性地例示了图像捕获装置的截面结构。图6例示了像素的截面。具有与图1至5的功能相同的功能的组件用相同的标号表示。
累积单元2包括n型半导体区域201和p型半导体区域202。p型半导体区域202设置在n型半导体区域201的上面。p型半导体区域202可以降低界面中的噪声。
第一传送开关4的栅极电极40不延伸到n型半导体区域201上。因此，对于布局的限制减少，并且可以增加设计的自由度。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例的效果之外，还可以降低噪声。
第三实施例
描述又一实施例。本实施例与第一实施例和第二实施例的不同之处在于像素设有排出开关。因此，仅描述与第一实施例和第二实施例的不同之处，并且略去与第一实施例或第二实施例的构造相同的构造的描述。
图7例示了图像捕获装置的像素的等效电路。与图1的组件相同的组件用相同的标号表示。为了使附图简单，略去控制线Tx1的标号和控制线Tx2的标号。
控制线Tx1和控制线Tx2在构造上与第一实施例的构造相同。每个像素设有排出开关18。排出开关18将光电转换单元1中的电荷排出到功率节点，诸如溢出漏极。控制线OFG连接到排出开关18。排出开关18例如是MOS晶体管。
在第一实施例中，当第二传送开关5被控制为从导通变为断开时，光电转换单元1开始累积电荷。在本实施例中，如图9A和9B中所示，还可以控制排出开关18以控制曝光的开始。具体地讲，当排出开关18被控制为从导通变为断开时，光电转换单元1开始累积电荷。以这种方式，可以任意地设置曝光时间。
图8示意性地例示了图像捕获装置的截面结构。具有与图1和2的功能相同的功能的组件用相同的标号表示。图8例示了如第二实施例中那样累积单元2包括p型半导体区域202的例子。累积单元2不必如图1中那样包括p型半导体区域202。
排出开关18设有溢出控制电极16和溢出漏极15。光电转换单元1中的电荷根据供给溢出控制电极16的电压排出到溢出漏极15。预定电压供给溢出漏极15。溢出控制电极16和溢出漏极15被遮蔽单元203屏蔽。
描述用于驱动本实施例的图像捕获装置的方法。图9A和9B示意性地例示了本实施例中所使用的驱动脉冲。图9A和9B例示了供给第n行至第(n+2)行上的像素的控制线Tx1、控制线Tx2和控制线OFG的驱动脉冲。供给控制线Tx1和控制线Tx2的驱动脉冲与第一实施例中的驱动脉冲相同。
当驱动脉冲为高电平时，相应的晶体管导通，或者相应的开关导通。当驱动脉冲为低电平时，相应的晶体管截止，或者相应的开关断开。图像捕获装置中所提供的控制单元供给这些驱动脉冲。诸如移位寄存器和地址解码器之类的逻辑电路用作控制单元。
图9A和9B在操作排出开关18的时序上不同。在图9A中，排出开关18在时间T4被控制为从导通变为断开。在排出开关18保持导通时，所产生的电荷被排出。因此，根据图9A的驱动，曝光时间段对应于从时间T4到时间T3的时间段。在图9B中，排出开关18在时间T5被控制为从导通变为断开。因此，根据图9B的驱动，曝光时间段对应于从时间T5到时间T3的时间段。
根据本实施例，可以根据物体的亮度改变驱动方法。例如，在正常时间使用图3中所示的驱动脉冲，当物体明亮时使用图9A中所示的驱动脉冲，当物体更明亮时使用图9B中所示的驱动脉冲。
在图9A中，在时间T4，光电转换单元1开始累积电荷。在从时间T4到时间T3的时间段中，排出开关18保持断开。根据图4中所示的驱动脉冲执行读取操作。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例的效果之外，还可以任意地设置曝光时间。
第四实施例
描述又一实施例。本实施例与第一实施例至第三实施例的不同之处在于提供了将光引导到光电转换单元的波导。因此，仅描述与第一实施例至第三实施例的不同之处，并且略去与第一实施例至第三实施例的构造相同的构造的描述。
本实施例的等效电路与第一实施例至第三实施例的等效电路相同。也就是说，图1和图7例示了本实施例的图像捕获装置的像素的等效电路。因为关于图1的描述与第一实施例的描述相同，关于图7的描述与第三实施例的描述相同，所有略去图1和7的描述。
本实施例的驱动方法与第一实施例或第三实施例的驱动方法相同。也就是说，在像素不设有排出开关的情况下，使用图3和4中所示的驱动脉冲。在像素设有排出开关的情况下，使用图9A、9B和4中所示的驱动脉冲。图5示意性地例示了本实施例的图像捕获装置的操作。因为关于图3至图5的描述与第一实施例的描述相同并且关于图9A和9B的描述与第三实施例的描述相同，所以略去图3至5、9A和9B的描述。
图10示意性地例示了图像捕获装置的截面结构。与图1、2、6、7或8的组件相同的组件用相同的标号表示。图10例示了这样的例子，在该例子中，如第二实施例中那样，累积单元2包括p型半导体区域202，并且如第三实施例中那样，像素设有排出开关18。然而，可以略去p型半导体区域202和排出开关18。
在本实施例中，波导301被设置为对应于光电转换单元1。波导301将入射光引导到光电转换单元1。因此，可以提高灵敏度。尤其是，可以减小对于倾斜入射光的灵敏度的降低。
公知结构用于波导301。在本实施例中，波导301由折射率高于周围绝缘膜的折射率的材料形成。例如，周围绝缘膜可以由由氧化硅膜构成的层间绝缘膜形成，波导301可以由氮化硅膜形成。可替代地，在波导301的周边提供反射层。波导301可以被设置为对应于所有像素的光电转换单元1，或者可以被设置为仅对应于一些像素的光电转换单元1。
层内透镜302可以设置在滤色器100与波导301之间。层内透镜302使通过滤色器100的光会聚到波导301上。层内透镜302可以提高灵敏度。尤其是，可以减小对于倾斜入射光的灵敏度的降低。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例的效果之外，还可以提高灵敏度。尤其是在缩小光电转换单元1在平面图中的面积以增大累积单元2在平面图中的面积的情况下，提高灵敏度的效果显著。
第五实施例
描述又一实施例。本实施例与第一实施例至第四实施例的不同之处在于累积单元的构造。因此，仅描述与第一实施例至第四实施例的不同之处，并且略去与第一实施例至第四实施例的构造中的任何一种构造相同的构造的描述。
本实施例的等效电路与第一实施例或第三实施例的等效电路相同。也就是说，图1和图7例示了本实施例的图像捕获装置的像素的等效电路。因为关于图1的描述与第一实施例的描述相同并且关于图7的描述与第三实施例的描述相同，所以略去图1和7的描述。
本实施例的驱动方法与第一实施例或第三实施例的驱动方法相同。也就是说，在像素不设有排出开关的情况下，使用图3和4中所示的驱动脉冲。在像素设有排出开关的情况下，使用图9A、9B和4中所示的驱动脉冲。图5示意性地例示了本实施例的图像捕获装置的操作。因为关于图3至5的描述与第一实施例的描述相同并且关于图9A和9B的描述与第三实施例的描述相同，所以略去图3至5、9A和的描述。
图11示意性地例示了图像捕获装置的截面结构。与图1、2、6、7、8或10的组件相同的组件用相同的标号表示。图11例示了这样的例子，在该例子中，如第二实施例中那样，累积单元2包括p型半导体区域202，并且如第三实施例中那样，像素设有排出开关18。然而，可以略去p型半导体区域202和排出开关18。图11例示了提供波导301和层内透镜302的例子。然而，可以略去波导301和层内透镜302。
在本实施例中，在包括在累积电荷的累积单元2中的n型半导体201的下面，设置p型半导体区域303和p型半导体区域304。p型半导体区域304设置在p型半导体区域303的下面。p型半导体区域303的杂质浓度高于p型半导体区域304的杂质浓度。使用该构造，可以阻止位于基板的深部的电荷进入到n型半导体区域201中。因此，可以降低噪声。
在本实施例中，p型半导体区域304延伸到达p型半导体区域17。使用该构造，可以减少像素之间的电荷的颜色的混合。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例的效果之外，还可以降低噪声。
第六实施例
描述又一实施例。本实施例与第一实施例至第五实施例的不同之处在于驱动方法。因此，仅描述与第一实施例至第五实施例的不同之处，并且略去与第一实施例至第五实施例的构造中的任何一种构造相同的构造的描述。
本实施例的等效电路与第一实施例或第三实施例的等效电路相同。也就是说，图1和图7例示了本实施例的图像捕获装置的像素的等效电路。因为关于图1的描述与第一实施例的描述相同并且关于图7的描述与第三实施例的描述相同，所以略去图1和7的描述。
本实施例的像素的截面结构与第一实施例至第五实施例的截面结构相同。也就是说，图2、6、8、10和11示意性地例示了本实施例的像素的截面结构。
描述用于驱动本实施例的图像捕获装置的方法。图12示意性地例示了本实施例中所使用的驱动脉冲。图12例示了供给第n行至第(n+2)行上的像素的控制线Tx1、控制线Tx2和控制线OFG的驱动脉冲。供给控制线Tx1、控制线Tx2和控制线OFG的驱动脉冲与第一实施例中的或第三实施例中的驱动脉冲相同。在像素不设有排出开关18的情况下，供给控制线OFG的驱动脉冲不是必要的。
当驱动脉冲为高电平时，相应的晶体管导通，或者相应的开关导通。当驱动脉冲为低电平时，相应的晶体管截止，或者相应的开关断开。图像捕获装置中所提供的控制单元供给这些驱动脉冲。诸如移位寄存器和地址解码器之类的逻辑电路用作控制单元。
在本实施例中，第一传送开关4在第二时间段的一部分断开。具体地讲，在时间T6，第一传送开关4被控制为从导通变为断开。然后，在时间T7，第一传送开关4被控制为从断开变为导通。使用该构造，可以缩短第一传送开关4导通的时间段。因此，可以降低第一传送开关4中所产生的噪声。
在本实施例中，第一传送开关4在时间T8再次被控制为从断开变为导通。因此，在第二时间段中多次执行第一传送开关4从断开到导通的控制。使用该构造，可以进一步降低噪声。
希望的是，第一传送开关4从断开到导通的控制的次数等于或多于累积单元2的饱和电荷量与光电转换单元1的饱和电荷量的比率。在本实施例中，累积单元2的饱和电荷量与光电转换单元1的饱和电荷量的比率为4。因此，在第二时间段中四次执行第一传送开关4从断开到导通的控制。
如上所述，根据本实施例，除了第一实施例的效果之外，还可以降低噪声。
第七实施例
描述又一实施例。本实施例与第一实施例的不同之处在于驱动方法。因此，仅描述与第一实施例的不同之处，并且略去与第一实施例的构造相同的构造的描述。
本实施例的等效电路与第一实施例的等效电路相同。图1例示了本实施例的图像捕获装置的像素的等效电路。关于图1的描述与第一实施例的描述相同，因此略去。
本实施例的像素的截面结构与第一实施例的截面结构相同。也就是说，图2示意性地例示了本实施例的像素的截面结构。关于图2的描述与第一实施例的描述相同，因此略去。
图13示意性地例示了本实施例的图像捕获装置的操作。图13例示了从第n帧到第(n+1)帧的图像拾取操作。关于第n帧的操作用实线例示，关于第(n+1)帧的操作用虚线例示。图13例示了每个帧中的曝光时间段、光电转换单元1累积电荷的时间段、以及累积单元2累积电荷的时间段。图13进一步例示了读取操作。图13中的读取操作是包括第二传送开关5传送电荷以及放大器单元10输出信号的操作，这些参照图3和4进行了描述。在图13中，第一时间段和第二时间段在长度上是相等的。
如图13中所示，在相应的曝光时间段结束之后，也就是说，在第一时间段和第二时间段过去之后，执行多次像素的读取操作。在执行读取操作的时间段中不累积电荷。在本实施例中，曝光时间段是第一时间段和第二时间段之和。
在这样的操作中，希望的是，光电转换单元1的饱和电荷量A1与累积单元2的饱和电荷量A2的比率基本上等于第一时间段P1与第一时间段P1和第二时间段P2之和的比率。也就是说，希望的是A1、A2、P1和P2满足表达式(5)：
例如，在本实施例中，光电转换单元1累积电荷的时间段，即，第一时间段，是一个曝光时间段的长度的一半。然后，累积单元2的饱和电荷量可以约为光电转换单元1的饱和电荷量的两倍。这是因为即使累积单元2具有大于这的饱和电荷量，电荷也可以在光电转换单元1中溢出。因此，通过如表达式(5)所表达的那样设置饱和电荷量的比率，可以确定光电转换单元1和累积单元2的最佳尺寸。
第八实施例
描述根据本公开的图像捕获系统的实施例。图像捕获系统的例子可以包括数字静态照相机、数字摄像机、复印机、传真机、移动电话、车载照相机和观察卫星。图像捕获系统的例子还可以包括设有光学系统(诸如透镜)和图像捕获装置的照相机模块。图14是作为图像捕获系统的例子的数字静态照相机的框图。
在图14中，标号1001表示用于保护透镜的屏障，标号1002表示用于在图像捕获装置1004上形成对象的光学图像的透镜，标号1003表示用于改变通过透镜1002的光量的膜片。标号1004表示在以上每个实施例中所描述的把由透镜1002形成的光学图像转换为图像数据的图像捕获装置。这里，AD转换单元被提供在图像捕获装置1004的半导体基板上。标号1007表示对于从图像捕获装置1004输出的所捕获的图像数据执行各种校正和数据压缩的信号处理单元。在图14中，标号1008表示将各种时序信号输出到图像捕获装置1004和信号处理单元1007的时序发生单元，标号1009表示控制整个数字静态照相机的总体控制单元。标号1010表示临时存储图像数据的帧存储器单元，标号1011表示对于记录介质执行记录或读取的接口单元，标号1012表示其中记录所捕获的图像数据或者从其读取成像数据的可移除记录介质，诸如半导体存储器等。标号1013是用于与例如外部计算机进行通信的接口单元。这里，时序信号或其他信号可以从图像捕获系统的外部输入，并且仅必须的是图像捕获系统至少设有图像捕获装置1004和信号处理单元1007，信号处理单元1007对从图像捕获装置1004输出的图像拾取信号进行处理。
在本实施例中，描述图像捕获装置1004和AD转换单元形成在同一半导体基板上的构造。然而，图像捕获装置1004和AD转换单元可以提供在不同的半导体基板上。图像捕获装置1004和信号处理单元1007可以形成在同一半导体基板上。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最广泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (21)

1.一种图像捕获装置，包括：
多个像素，每个像素包括光电转换单元、累积单元、放大器单元、第一传送开关和第二传送开关，所述光电转换单元被构造为响应于入射光产生电荷并且累积所述电荷，所述累积单元被构造为累积所述电荷，所述放大器单元被构造为输出基于所述电荷的信号，所述第一传送开关被构造为将所述电荷从光电转换单元传送到累积单元，所述第二传送开关被构造为将所述电荷从累积单元传送到放大器单元；和
输出线，来自所述多个像素的信号被输出到所述输出线，
其特征在于，
在第一时间点，所述多个像素的光电转换单元开始累积所述电荷，
所述多个像素的第一传送开关从第一时间点到第二时间点保持断开，并且所述多个像素的光电转换单元累积在从第一时间点到第二时间点的第一时间段中产生的电荷，
在从第二时间点到第三时间点的第二时间段中，所述多个像素的累积单元累积由光电转换单元在第一时间段中产生的电荷以及由光电转换单元在第二时间段中产生的电荷，
在第三时间点，所述多个像素的第一传送开关被控制为从导通变为断开，并且
光电转换单元的饱和电荷量A1、累积单元的饱和电荷量A2、第一时间段P1、和第二时间段P2满足下列关系：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，
所述多个像素中的每个均包括被构造为排出光电转换单元中的电荷的排出开关；并且
从第一时间点到第二时间点，所述多个像素中的至少一个的排出开关保持断开。
3.根据权利要求2所述的图像捕获装置，其中，通过控制排出开关从导通变为断开来开始所述电荷的累积。
4.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，通过控制第一传送开关从导通变为断开来开始所述电荷的累积。
5.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中：
所述多个像素的第一传送开关最迟在第二时间点时被导通；并且
在第二时间段的一部分中，第一传送开关断开。
6.根据权利要求5所述的图像捕获装置，其中，在第二时间段中，多次控制第一传送开关从断开变为导通。
7.根据权利要求6所述的图像捕获装置，其中，所述多次的数量大于累积单元的饱和电荷量与光电转换单元的饱和电荷量的比率。
8.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，从第二时间点到第三时间点，所述多个像素的第一传送开关保持导通。
9.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，所述累积单元包括在其中累积电荷的第一导电类型的第一半导体区域。
10.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其中，所述累积单元包括设置在第一半导体区域上的第二导电类型的第二半导体区域。
11.根据权利要求9所述的图像捕获装置，其中：
所述累积单元包括设置在第一半导体区域下面的第二导电类型的第三半导体区域、以及设置在第三半导体区域下面的第二导电类型的第四半导体区域；并且
所述第三半导体区域的杂质浓度高于所述第四半导体区域的杂质浓度。
12.根据权利要求1所述的图像捕获装置，还包括被设置为对应于所述多个像素的光电转换单元中的每个光电转换单元的波导。
13.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，在第一时间段中，所述多个像素的第二传送开关依次导通，并且所述多个像素的放大器单元将所述信号输出到输出线。
14.根据权利要求13所述的图像捕获装置，其中，在第一时间段中，从放大器单元输出信号完成的像素开始，依次控制第一传送开关从断开变为导通。
15.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，在第一时间点之前，所述多个像素的第二传送开关依次导通，并且所述多个像素的放大器单元将所述信号输出到输出线。
16.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，所述多个像素的第一传送开关在第二时间点被控制为从断开变为导通。
17.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，所述光电转换单元的饱和电荷量A1、累积单元的饱和电荷量A2、第一时间段P1、和第二时间段P2满足下列关系：
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
18.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，所述光电转换单元的饱和电荷量A1、累积单元的饱和电荷量A2、第一时间段P1、和第二时间段P2满足下列关系：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
19.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，所述光电转换单元的饱和电荷量A1、累积单元的饱和电荷量A2、第一时间段P1、和第二时间段P2满足下列关系：
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>0.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
20.一种图像捕获系统，其特征在于包括：
根据权利要求1所述的图像捕获装置；和
信号处理装置，所述信号处理装置被构造为对来自所述图像捕获装置的信号进行处理。
21.一种图像捕获装置，包括：
多个像素，每个像素包括光电转换单元、累积单元、放大器单元、第一传送开关和第二传送开关，所述光电转换单元被构造为响应于入射光产生电荷并且累积所述电荷，所述累积单元被构造为累积所述电荷，所述放大器单元被构造为输出基于所述电荷的信号，所述第一传送开关被构造为将所述电荷从光电转换单元传送到累积单元，所述第二传送开关被构造为将所述电荷从累积单元传送到放大器单元；和
输出线，来自所述多个像素的信号被输出到所述输出线，
其特征在于，
在第一时间点，所述多个像素的光电转换单元开始累积所述电荷，
所述多个像素的第一传送开关从第一时间点到第二时间点保持断开，并且所述多个像素的光电转换单元累积在从第一时间点到第二时间点的第一时间段中产生的电荷，
在从第二时间点到第三时间点的第二时间段中，所述多个像素的累积单元累积由光电转换单元在第一时间段中产生的电荷以及由光电转换单元在第二时间段中产生的电荷，
在第三时间点，所述多个像素的第一传送开关被控制为从导通变为断开，并且
当在平面图中查看光电转换单元时光电转换单元的面积A1、当在平面图中查看累积单元时累积单元的面积A2、第一时间段P1和第二时间段P2满足下列关系：
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