CN105280658B

CN105280658B - 光电转换装置和成像系统

Info

Publication number: CN105280658B
Application number: CN201510393625.3A
Authority: CN
Inventors: 田代和昭; 海部纪之; 高桥秀和
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: JP2016021445A; US9722107B2; US20160013328A1; EP2991113A1; CN105280658A

Abstract

本发明涉及光电转换装置和成像系统。根据示例性实施例的光电转换装置包括：包括光电转换单元的像素、输出来自光电转换单元的信号的放大器晶体管以及向放大器晶体管供应复位电压的复位晶体管。光电转换单元包括第一电极、与放大器晶体管电连接的第二电极、光电转换层以及被设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。像素包括与第二电极电连接的第一电容器。第一电容器的电容值、在第一电极和第二电极之间的第二电容器的电容值以及向像素供应的电压满足某种关系。

Description

光电转换装置和成像系统

技术领域

本公开涉及光电转换装置和成像系统。

背景技术

层叠型光电转换装置已被提议作为用于照相机的图像传感器的光电转换装置。在WO2012/004923(下文称为“专利文献1”)的图1中所示的光电转换装置中，光电转换膜层叠在半导体衬底上方。透明电极被设置在光电转换膜之上，并且像素电极被设置在光电转换膜下面。绝缘膜被设置在光电转换膜和像素电极之间。专利文献1描述了采用上述配置能够进行相关双采样，并实现了噪声的降低。

发明内容

根据某示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出由光电转换单元产生的信号；复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；第一电容器，包括与第二电极电连接的第一端子、和第二端子；以及电压供应单元，被配置为向第二端子至少供应第一电压和与第一电压不同的第二电压。满足以下关系：

其中，Vs表示供应给第一电极的电压，Vd1表示第一电压，Vd2表示第二电压，Vres表示复位电压，C1表示第一电容器的电容值，C2表示由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值。

根据另一示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出由光电转换单元产生的信号；复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；第一电容器，与第二电极电连接；以及电压供应单元，被配置为向第一电极至少供应第一电压和与第一电压不同的第二电压。满足以下关系：

其中，Vs1表示第一电压，Vs2表示第二电压，Vres表示复位电压，C1表示第一电容器的电容值，C2表示由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值。

根据另一示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出由光电转换单元产生的信号；以及第一电容器，与第二电极电连接，并包括彼此相对的两个电极。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1A是根据第一示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图，图1B和图1C是示出了光电转换装置的光电转换单元的等效电路的示图。

图2是示出了光电转换装置的整体配置的示意图。

图3是示出了光电转换装置的列电路的等效电路的示意图。

图4是示出了光电转换装置的平面结构的示意图。

图5A和图5B是示出了光电转换装置的截面结构的示意图。

图6A至6F是示出了光电转换装置的光电转换单元的电位的示意图。

图7是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。

图8是根据第二示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。

图9是示出了光电转换装置的整体结构的示意图。

图10是示出了光电转换装置的平面结构的示意图。

图11是示出了光电转换装置的截面结构的示意图。

图12A至12F是示出了光电转换装置的光电转换单元的电位的示意图。

图13是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。

图14是根据第三示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图；

图15是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。

图16是根据第四示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。

图17是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。

图18是根据第五示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。

图19是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。

图20是根据第六示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。

图21是根据第七实施例的成像系统的框图。

具体实施方式

某些示例性实施例可以降低噪声。

在光电转换装置中，当从光电转换膜读出信号时，光电转换膜可能未充分耗尽。结果，未从光电转换膜排出的电荷可能残留在光电转换膜中。在从光电转换膜读出信号时残留在光电转换膜中的电荷可能导致输出信号中的噪声。

根据专利文献1，通过向透明电极施加高电压来使光电转换膜耗尽。然而，由于电容耦合，改变透明电极上的电压也可能改变像素电极上的电压。这可能阻止光电转换膜的两端被施加上足够使光电转换膜耗尽的电压。结果，可能产生噪声。

另外，在专利文献1中，包括像素电极的节点上的电压由复位晶体管来复位。由复位晶体管供应的复位电压等于电源电压(VDD)。这可能使得难以在透明电极和像素电极之间施加足够的电压，而导致难以耗尽光电转换膜。结果，可以产生噪声。

特别是在以小于或等于5V的低电源电压驱动的光电转换装置中，由上述残留在光电转换膜中的电荷导致的噪声由于以下原因将变得显著。因为高电压不可用，所以光电转换膜更加难以耗尽。

在某些示例性实施例中，光电转换装置可以降低噪声。

本发明的实施例提供了光电转换装置。光电转换装置中所包括的像素包括光电转换单元、用于放大由光电转换单元产生的信号的放大单元、以及向放大单元供应复位电压的复位单元。光电转换装置可以包括多个像素。在这种情况中，光电转换装置例如是图像传感器。作为替代，光电转换装置可以包括单个像素。在这种情况中，光电转换装置例如是光学传感器。在图1A中，以举例的方式示出了像素100、光电转换单元101、复位晶体管102和放大器晶体管104。

光电转换单元包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。这种配置使得光电转换单元能够积聚由入射光产生的电荷作为信号电荷。另外，可以通过控制要向包括光电转换单元的像素电路供应的电压来读出来自光电转换单元的信号。在图1A中以举例的方式示出了第一电极201、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209。

第二电极与放大单元电连接。这种配置使得放大单元能够输出由光电转换单元产生的信号。第二电极和放大单元可以短路。作为替代，可以在第二电极和放大单元之间的电通路上设置开关。在图1A中，以举例的方式示出了指示第二电极和放大单元之间的电连接的节点B。节点B被配置为能够进入或设置为电浮动状态。由于节点B进入电浮动状态，节点B上的电压可以根据在光电转换单元中产生的电荷而改变。因此，与在光电转换单元中产生的电荷对应的信号可以被输入到放大单元。

复位单元使第二电极上的电压复位。复位单元向第二电极供应复位电压。复位单元例如是与第二电极电连接的复位晶体管。在图1A中以举例的方式示出了复位晶体管102。对复位单元进行控制使得复位单元的接通状态和断开状态被切换。接通复位单元则向第二电极供应复位电压。可以在复位单元和第二电极之间的电通路上设置开关。另外，复位单元和第二电极可以短路。

第一电容器与第二电极电连接。图1A以举例的方式示出了第一电容器103。第二电极和第一电容器可以短路，或者可以在第二电极和第一电容器之间的电通路上设置开关。

第一电容器例如包括其之间插有绝缘体的彼此相对的两个电极。两个电极由诸如多晶硅或金属之类的导电材料组成。作为替代，第一电容器被配置为包括半导体区和设置在半导体区上方的栅电极，在半导体区和栅电极之间具有栅极绝缘膜。第一电容器中所包括的半导体区优选地具有比晶体管的源区或漏区更高的杂质浓度。栅电极由诸如多晶硅或金属之类的导电材料组成。

第一电容器包括与第二电极电连接的第一端子、以及不同于第一端子的第二端子。第一端子和第二端子中的每一个可以由诸如多晶硅或金属之类的导电材料组成，或可以由半导体区形成。预定电压被供应到第二端子。例如，第二端子可以接地。作为替代，第二端子可以与电压供应单元连接，并且可以从电压供应单元向第二端子供应多个电压。在图1A中，节点B包括第一端子，节点C包括第二端子。

在本实施例中，当读出信号时，光电转换层耗尽。为了实现耗尽，对光电转换单元的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上的电压进行控制。具体地，提供了供应第一电压和不同于第一电压的第二电压的电压供应单元。

在某些实施例中，电压供应单元向光电转换单元的第一电极供应第一电压和不同于第一电压的第二电压。图1A以举例的方式示出了电压供应单元110。在某些实施例中，电压供应单元向第一电容器的第二端子供应第一电压和不同于第一电压的第二电压。在图8中以举例的方式示出了电压供应单元410。

现在将根据本实施例来描述降噪效果。

由于以下原因，当光电转换单元的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上的电压改变时，光电转换单元的第二电极上的电压根据第一电容器的电容值与由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值的比率而改变。在像素的等效电路中，第一电容器和第二电容器被表示为串联的两个电容器，第二电极被表示为两个电容器之间的节点或被包括在两个电容器之间的节点中。

在本实施例中，光电转换单元的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上的电压、由复位单元供应的电压、第一电容器的电容值和第二电容器的电容值具有预定的关系。通过满足这种关系，即使第二电极上的电压改变，也可以在光电转换单元的第一电极和第二电极之间施加使光电转换层耗尽的电压。因此，可以减少未从光电转换层排出的电荷量。因此，可以实现降噪。

在本实施例的不同方面中，第一电容器被配置为包括彼此相对的两个电极。这种配置提高了电容比的设计灵活性。因此，上述关系可以容易地满足。因此，可以改善具有降低的噪声的光电转换装置的设计灵活性。

下面，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。本发明不限于以下示例性实施例。其中在不脱离本发明的范围的情况下对以下示例性实施例的配置进行部分修改的变型也构成本发明的示例性实施例。另外，其中以下示例性实施例中的任一个示例性实施例的部分配置被添加到另一个示例性实施例的示例，或者其中以下示例性实施例中的任一个示例性实施例的部分配置由另一个示例性实施例的部分配置所替代的示例也构成了本发明的示例性实施例。

第一示例性实施例

图1A示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。像素100包括光电转换单元101、复位晶体管102、第一电容器103、放大器晶体管104和选择晶体管105。尽管图1A中仅示出了一个像素100，但是根据本示例性实施例的光电转换装置包括多个像素100。另外，在图1A中示意性地示出了光电转换单元101的截面结构。

光电转换单元101包括第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209。第一电极201被包括在图1A中所示的节点A中。第二电极209被包括在图1A中所示的节点B中。第一电极201连接到电压供应单元110。电压供应单元110向光电转换单元101的第一电极201供应多个电压Vs。这种配置使得信号电荷能够积聚光电转换单元101中并且使得信号电荷能够从光电转换单元101排出。执行信号电荷的排出以读出由光电转换单元101产生的信号。

电压供应单元110向光电转换单元101的第一电极201至少供应第一电压Vs1和不同于第一电压Vs1的第二电压Vs2。如果信号电荷为空穴，则第二电压Vs2是低于第一电压Vs1的电压。例如，如果信号电荷为空穴，则第一电压Vs1等于5V，第二电压Vs2等于0V。如果信号电荷为电子，则第二电压Vs2为高于第一电压Vs1的电压。例如，如果信号电荷为电子，则第一电压Vs1等于0V，第二电压Vs2等于5V。在本说明书中，除非另有说明，否则接地节点上的电压是作为基准的0V。

图1A中所示的节点B包括放大器晶体管104的栅极。放大器晶体管104为放大单元，放大器晶体管104的栅极是该放大单元的输入节点。即，光电转换单元101的第二电极209与该放大单元电连接。这种配置使得放大单元能够放大并输出由光电转换单元101产生的信号。

第二电极209与第一电容器103的第一端子电连接。在本示例性实施例中，第一电容器103的第一端子被包括在节点B中。即，第二电极209和第一电容器103的第一端子短路。第一电容器103的第二端子被包括在节点C中。第二端子与第一端子电容耦合。换句话说，节点C经由第一电容器103与节点B电容耦合。预定电压被供应到第一电容器103的第二端子(节点C)。在本示例性实施例中，第一电容器103的第二端子(节点C)接地。即，向第一电容器103的第二端子供应0V的电压。

复位晶体管102的漏极与被供应复位电压Vres的节点连接。复位晶体管102的源极与光电转换单元101的第二电极209和放大器晶体管104的栅极连接。这种配置使得复位晶体管102能够将节点B上的电压复位到复位电压Vres。即，复位晶体管102是向第二电极209供应复位电压Vres的复位单元。断开复位晶体管102使被配置为包括光电转换单元101的第二电极209的节点B进入电浮动状态。

在本示例性实施例中，对供应给光电转换单元101的第一电极201的电压Vs与复位电压Vres之间的大小关系进行控制，以在光电转换单元101中积聚信号电荷并从光电转换单元101排出信号电荷。复位电压Vres是第一电压Vs1和第二电压Vs2之间的中间值。例如，如果信号电荷为空穴，则复位电压Vres是比第一电压Vs1低且比第二电压Vs2高的电压。如果信号电荷为电子，则复位电压Vres为比第一电压Vs1高且比第二电压Vs2低的电压。在本示例性实施例中，复位电压Vres等于3.3V。复位电压Vres低于电源电压，并高于要供应到接地节点的电压。

放大器晶体管104的漏极与被供应电源电压的节点连接。放大器晶体管104的源极经由选择晶体管105与输出线130连接。电流源160连接到输出线130。放大器晶体管104和电流源160形成源极跟随器电路，并且由光电转换单元101产生的信号被输出到输出线130。列电路140也连接到输出线130。被输出到输出线130的来自像素100的信号被输入到列电路140。

图1B和1C示出了光电转换单元101的示例等效电路图。在本示例性实施例中，光电转换单元101包括被配置为积聚信号电荷的光电转换层以及绝缘层。因此，光电转换单元101包括第一电极201和第二电极209之间的电容分量。在图1B和图1C所示出的等效电路中，该电容分量被表示为设置在光电转换单元101的第一电极201和第二电极209之间的第二电容器111。图1B示出了其中光电转换单元101包括阻挡层的示例性实施例。因此，使用二极管112的电路符号来示出阻挡层和光电转换层。图1C示出了其中光电转换层不包括阻挡层的示例性实施例。因此，使用电阻器113的电路符号来示出光电转换层。以下描述光电转换单元101的结构。

图2是示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的整体电路配置的示意图。具有与图1A中的部分基本上相同的功能的部分被分配相同的附图标记。

图2示出了以四行四列的矩阵布置的16个像素100。每列中所包括的多个像素100连接到一条输出线130。行驱动器电路120向像素100供应驱动信号pRES和驱动信号pSEL。驱动信号pRES供应到复位晶体管102的栅极。驱动信号pSEL供应到选择晶体管105的栅极。复位晶体管102和选择晶体管105由上述驱动信号控制。每行中所包括的多个像素100连接到共用驱动信号线。该驱动信号线是传输驱动信号pRES、驱动信号pSEL等的布线。在图2中，分配诸如(n)和(n+1)之类的指示行的符号以区分要供应到不同行的驱动信号。这同样适用于其它附图。

图2示意性地示出了光电转换单元101的第一电极201的平面结构。如图2中所示，每行中所包括的多个像素100的光电转换单元101被配置为包括共用的第一电极201。如上所述，电压供应单元110向第一电极201供应电压Vs。在本示例性实施例中，针对每行设置第一电极201。因此，行驱动器电路120选择从电压供应单元110向其提供电压Vs的行。分配诸如(n)和(n+1)之类的指示行的符号以区分要供应到不同行的电压Vs。

在本示例性实施例中，上述配置使得多个像素100能够被逐行地驱动。

输出线130分别与列电路140连接。列驱动器电路150逐列地驱动列电路140。具体地，列驱动器电路150向多个列电路140供应驱动信号CSEL。分配诸如(m)和(m+1)之类的指示列的符号以区分要供应到不同列的驱动信号。这同样适用于其它附图。这种配置使得针对各行并行地读出的信号能够顺序地输出到输出单元170。

现在将详细描述列电路140。图3示出了第m列和第m+1列中的列电路140的等效电路。其余列中的列电路140未示出。

每条输出线130上的信号由列放大器301放大。列放大器301的输出节点经由S/H开关303与电容器CTS连接。列放大器301的输出节点还经由S/H开关305与电容器CTN连接。S/H开关303和S/H开关305分别由驱动信号pTS和驱动信号pTN控制。这种配置使得能够保持来自每个像素100的包括复位噪声的噪声信号和光信号。因此，根据本示例性实施例的光电转换装置使得能够进行相关双采样。

电容器CTS经由水平传送开关307连接到水平输出线311。电容器CTN经由水平传送开关309连接到水平输出线313。水平传送开关307和309由来自列驱动器电路150的驱动信号CSEL控制。

水平输出线311和水平输出线313这两者都与输出单元170连接。输出单元170将水平输出线311上的信号与水平输出线313上的信号之间的差异输出到模数转换单元180。模数转换单元180将输入的模拟信号转换为数字信号。

每个列电路140可以是模数转换电路。在这种情况中，模数转换电路包括保持数字信号的保持单元，诸如存储器或计数器。保持单元保持由噪声信号和光信号转换成的数字信号。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的平面结构和截面结构。图4示意性地示出了光电转换装置的平面结构。图5A和图5B示意性地示出了光电转换装置的截面结构。图4示出了以二行二列的矩阵布置的四个像素100。图5A中所示的截面对应于沿着图4中VA-VA线截取的截面。图5B中所示的截面对应于沿着图4中VB-VB线截取的截面。具有与图1A中的部分基本上相同的功能的部分被分配相同的附图标记。注意，为了指示晶体管，对其栅极分配附图标记。另外，将与供应到驱动信号线的驱动信号相同的附图标记分配给形成驱动信号线的导电部件。例如，被分配附图标记pRES的导电部件形成用于供应驱动信号pRES的驱动信号线。

光电转换装置包括半导体衬底200。在半导体衬底200上设置各种半导体区，诸如像素晶体管的源区和漏区。像素晶体管的示例包括复位晶体管102、放大器晶体管104和选择晶体管105。在半导体衬底200上设置像素晶体管的栅极和包括形成布线的导电部件的多个布线层202。在布线层202上方设置光电转换单元101。

如图5A和图5B中所示，每个像素100的光电转换单元101包括第一电极201(共用电极)、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209(像素电极)。光电转换层205被设置在第一电极201和第二电极209之间。阻挡层203被设置在第一电极201和光电转换层205之间。设有阻挡层203以防止与积聚在光电转换层205中的信号电荷的导电类型相同的电荷从第一电极201注入到光电转换层205中。绝缘层207被设置在光电转换层205和第二电极209之间。

如图2中所示，第一电极201被逐行电隔离。另一方面，如图5A中所示，每行中所包括的多个像素100的第一电极201由共用的导电部件组成。因此，第一电极201也称为共用电极。在图2中示出了第一电极201的平面结构，而在图4中未示出第一电极201。

如图4和图5A中所示，每个像素100的第二电极209与其他像素100的第二电极209电隔离。由于这个原因，第二电极209也称为个体电极(individual electrode)。跨多个像素100地连续设置阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207。因此，在图4中未示出阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207。

如图4、图5A和图5B中所示，每个第一电容器103包括上电极211和下电极213。上电极211和下电极213彼此相对，二者之间插有绝缘体。由于以下原因，这种配置在第一电容器103的电容值上提供了高度的设计灵活性。诸如光刻之类的半导体工艺有助于确定上电极211和下电极213的平面形状。第一电容器103可以具有任何其它结构。在另一个实例中，第一电容器103可以为具有大于预定值的电容值的PN结型电容器。

另外，第一电容器103的上电极211和下电极213被设置在比光电转换单元101的第二电极209低的布线层中。在平面视图上，上电极211、下电极213与第一电极201或第二电极209至少部分重叠。这种配置可以减小像素100的尺寸。另外，上电极211和下电极213中的每一个都包括不与复位晶体管102或放大器晶体管104重叠的部分。

在本示例性实施例中，每个第一电容器103是例如金属/绝缘体/金属(MIM)型电容器。具体地，上电极211和下电极213各自由诸如金属之类的导电部件组成。作为替代，每个第一电容器103可以是多晶硅/绝缘体/多晶硅(PIP)型电容器。具体地，上电极211和下电极213各自由多晶硅组成。作为替代，每个第一电容器103可以是金属氧化物半导体(MOS)型电容器。具体地，上电极由诸如金属或多晶硅之类的导电部件组成，下电极213由半导体区组成。

如图5A和图5B中所示，每个光电转换单元101的第二电极209经由导电部件219与放大器晶体管104的栅极连接。光电转换单元101的第二电极209也经由导电部件219和导电部件220与复位晶体管的源区连接。另外，第二电极209经由导电部件219与第一电容器103的上电极211连接。第一电容器103的下电极213经由接触插塞215与半导体区217连接。半导体区217接地。

图5B示出了复位晶体管102以及放大器晶体管104的栅极。栅极绝缘膜230被设置在栅电极和半导体衬底200之间。像素晶体管的源区和漏区被设置在半导体衬底200上。因为半导体区217接地，所以半导体区217可以与其中形成有上述晶体管的源区和漏区的阱240电连接。

将详细描述光电转换单元101的配置。光电转换单元101的第一电极201由具有高透光率的导电部件形成。例如，诸如铟锡氧化物(ITO)之类的含铟和/或锡的化合物、或诸如ZnO之类的化合物用作第一电极201的材料。这种配置使得大量的光能够进入光电转换层205。因此，可以提高灵敏度。在另一个示例中，具有足以允许一定量的光穿过的厚度的多晶硅或金属可以用于第一电极201。金属具有低电阻。因此，其中金属用作第一电极201的材料的示例性实施例可以有利于降低功耗或增大驱动速度。

阻挡层203防止与信号电荷的导电类型相同的电荷从第一电极201注入到光电转换层205中。通过向第一电极201施加的电压Vs来耗尽光电转换层205。另外，根据向第一电极201施加的电压Vs与第二电极209(节点B)上的电压之间的关系，使光电转换层205的电位梯度反转。这种配置使得能够积聚信号电荷和排出所积聚的信号电荷。下面将详细描述光电转换单元101的操作。

具体地，光电转换层205由本征非晶硅(下文称为a-Si)、低浓度p型a-Si、低浓度n型a-Si等形成。光电转换层205还可以由化合物半导体形成。化合物半导体的示例包括诸如BN、GaAS、GaP、AlSb和GaAlAsP之类的III-V族化合物半导体、诸如CdSe、ZnS和HdTe之类的II-VI族化合物半导体、以及诸如PbS、PbTe和CuO之类的IV-VI族化合物半导体。作为替代，光电转换层205可以由有机材料形成。例如，可以使用富勒烯、香豆素6(coumarin6，C6)、罗丹明6G(rhodamine 6G，R6G)、锌酞菁(ZnPc)、喹吖啶酮(quinacridone)、基于酞菁(phthalocyanine-based)的化合物、基于萘菁(naphthalocyanine-based)的化合物等。另外，由上述化合物半导体形成的量子点膜可以用于光电转换层205。

在光电转换层205由半导体形成的情况下，希望半导体具有低杂质浓度或者半导体是本征的。这种配置使得耗尽层能够充分延伸到光电转换层205，以实现诸如高灵敏度和降噪之类的效果。

阻挡层203可以由种类与用于光电转换层205的半导体相同且杂质浓度比用于光电转换层205的半导体高的n型或p型半导体形成。例如，在a-Si用于光电转换层205的情况下，阻挡层203由高杂质浓度的n型a-Si或高杂质浓度的p型a-Si形成。由于杂质浓度不同，所以费米能级的位置不同。因此，可以形成仅针对电子或者空穴的势垒。阻挡层203是其中绝大多数载流子是导电类型与信号电荷的载流子的导电类型相反的电荷载流子的导电型。

作为替代，阻挡层203可以由与光电转换层205的材料不同的材料形成。这种配置使得能够形成异质结。由于材料不同，所以带隙不同。因此，可以形成仅针对电子或者空穴的势垒。

绝缘层207被设置在光电转换层205和第二电极209之间。绝缘层207由绝缘材料形成。例如，诸如硅氧化物、非晶硅氧化物(下文称为“a-SiO”)、硅氮化物、或非晶硅氮化物(a-SiN)之类的无机材料或有机材料可以用作绝缘层207的材料。希望绝缘层207具有足以防止电荷的隧穿的厚度。这种配置可以减少漏电流，从而可以降低噪声。具体地，希望绝缘层207具有大于或等于50nm的厚度。

在a-SiO、a-SiO或a-SiN用于阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207的情况下，可以执行氢化，从而通过氢终结悬空键(dangling bond)。这种配置可以降低噪声。

第二电极209由诸如金属之类的导电部件组成。第二电极209由与形成布线的导电部件或形成用于外部连接的焊盘电极的导电部件相同的材料形成。这种配置使得能够同时形成第二电极209和布线或焊盘电极。因此，可以简化制造工艺。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换单元101的操作。图6A到6F示意性地示出了光电转换单元101的能带。在图6A到6F中，示出了第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209的能带。图6A到6F中的纵轴表示电子的电位。在图6A到6F中，电子的电位在向上的方向上沿纵轴增大。相应地，在图6A到6F中，电压在向上的方向上沿纵轴减小。对于第一电极201和第二电极209，示出了自由电子的能级。对于阻挡层203和光电转换层205，示出了传导带的能级和价带的能级之间的带隙。光电转换层205在光电转换层205和绝缘层207之间的交界面处的电位被称为“光电转换层205的表面电位”，或为方便起见简称为“表面电位”。

在光电转换层101的操作中，重复执行以下步骤(1)到(6)：(1)复位放大单元的输入节点，(2)读出噪声信号，(3)排出来自光电转换单元的信号电荷，(4)读出光信号，(5)在开始信号电荷的积聚之前复位，以及(6)积聚信号电荷。在下文中，将描述各个步骤。

图6A示出了光电转换单元101在步骤(1)到步骤(2)中的状态。将第一电压Vs1从电压供应单元110供应到第一电极201。例如，第一电极Vs1等于5V。在光电转换层205中，用空心圆圈绘出的空穴被积聚作为在曝光时段期间产生的信号电荷。根据所积聚的空穴的数量，光电转换层205的表面电位在表面电位降低的方向(即电压升高的方向)上变化。在电子积聚的情况下，根据所积聚的电子的数量，表面电位在表面电位升高的方向(即电压降低的方向)上变化。

在这种状态下，复位晶体管102接通。因此，包括第二电极209的节点上的电压，即图1A中所示的节点B上的电压，被复位到复位电压Vres。在本示例性实施例中，节点B包括放大器晶体管104的栅极。因此，放大器晶体管104的栅极处的电压被复位。例如，复位电压Vres等于3.3V。

之后，复位晶体管102断开。因此，节点B进入电浮动状态。在该情况中，可能由复位晶体管102产生复位噪声(图6A中所示的噪声kTC1)。

光电转换层205的表面电位可以根据第二电极209上的电压在复位操作期间的变化而变化。在这种情况中，第二电极209上的电压变化的方向与第二电极209上的电压由于信号电荷的积聚而变化的方向相反。由于这个原因，信号电荷的空穴依然积聚在光电转换层205中。此外，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入。因此，积聚在光电转换层205中的信号电荷的量不变。

如果选择晶体管105处于接通状态，则放大器晶体管104输出来自像素100的包括复位噪声的噪声信号(Vres+kTC1)。噪声信号被保持在列电路140的电容器CTN中。

图6B和图6C示出了光电转换单元101在步骤(3)中的状态。首先，将第二电压Vs2供应到第一电极201。因为空穴用作信号电荷，所以第二电压Vs2是低于第一电压Vs1的电压。例如，第二电压Vs2等于0V。

在这种情况中，第二电极209(节点B)上的电压在与第一电极201上的电压变化的方向相同的方向上变化。根据与第二电极209连接的第一电容器103的电容值C1和光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2的比率来确定第二电极209上的电压的变化量dVB。相对于第一电极201上的电压的变化量dVs，第二电极209上的电压的变化量dVB由dVB＝dVs×C2/(C1+C2)给出。包括第二电极209的节点B还可以包括其它电容分量。其它电容分量具有比第一电容器103的电容值C1小得多的电容值。因此，节点B的电容值可以视为等于第一电容器103的电容值C1。

在本示例性实施例中，第一电极201上的电压的变化量dVs比第二电极209上的电压的变化量dVB大得多。因此，第二电极209的电位低于第一电极201的电位，并且光电转换层205的电位梯度被反转。因此，用实心圆圈绘出的电子从第一电极201注入到光电转换层205中。此外，作为信号电荷积聚在光电转换层205中的空穴中的一些或全部移动到阻挡层203。已经移动的空穴与阻挡层203中的绝大多数载流子再结合并消失。结果，光电转换层205中的空穴被从光电转换层205排出。由于整个光电转换层205的耗尽，所以所有作为信号电荷积聚的空穴被排出。

然后，在图6C中所示的状态下，将第一电压Vs1供应到第一电极201。因此，光电转换层205的电位梯度再次反转。因此，在图6B中所示的状态下注入到光电转换层205的电子被从光电转换层205排出。另一方面，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入到光电转换层205中。因此，光电转换层205的表面电位根据已积聚的空穴的数量而变化。根据表面电位的变化，第二电极209上的电压从复位状态改变与已消失的空穴的数量对应的电压Vp。即，在节点B处出现与作为信号电荷积聚的空穴的数量对应的电压Vp。与积聚的空穴的数量对应的电压Vp称为“光信号分量”。

在图6C中所示的状态下，选择晶体管105接通。因此，放大器晶体管104输出来自像素100的光信号(Vp+Vres+kTC1)。将光信号保持在列电路140的电容器CTS中。在步骤(2)中读出的噪声信号(Vres+kTC1)和在步骤(4)中读出的光信号(Vp+Vres+kTC1)之差是基于与积聚的信号电荷对应的电压Vp的信号。

图6D示出了光电转换单元101在步骤(5)中的状态。复位晶体管102接通，并且节点B上的电压复位到复位电压Vres。之后，复位晶体管102断开。以上述方式，节点B在信号电荷的积聚开始之前复位，使得能够去除已在节点B中积聚的前一帧的光信号分量。因此，可以防止动态范围根据节点B中的光信号的积聚而变窄。注意，可能不一定执行步骤(5)中的在信号电荷的积聚开始之前的复位。

另外在这种情况中，复位噪声(图6D中所示的噪声kTC2)可能由复位晶体管102产生。可以在积聚时段完成之后通过步骤(1)中的复位操作来去除所产生的复位噪声。

图6E和图6F示出了光电转换单元101在步骤(6)中的状态。将第一电压Vs1供应到第一电极201，并将复位电压Vres供应到节点B。由于复位电压Vres低于第一电压Vs1，所以光电转换层205中的电子被排出到第一电极201。相反，光电转换层205中的空穴移动到光电转换层205和绝缘层207之间的交界面。然而，空穴不能移动到绝缘层207，从而在光电转换层205中积聚。另外，如之前所述，阻挡层203防止空穴注入到光电转换层205中。在这种状态下，当光进入光电转换层205时，只有通过光电转换产生的电子-空穴对中的空穴才作为信号电荷积聚在光电转换层205中。在已执行一定时段的积聚操作之后，重复执行步骤(1)到(6)中的操作。

积聚的空穴导致光电转换层205的表面电位发生变化。根据表面电位的变化，第二电极209上的电压增大。这种增大在图6F中以Vp0表示。如上所述，在图6A中的复位操作中，第二电极209上的电压变化以抵消电压Vp0的变化。即，第二电极209上的电压减小。因此，光电转换层205的表面电位在表面电位升高的方向上变化。

如果信号电荷为电子，则第二电压Vs2是高于第一电压Vs1的电压。从而，在图6A到6F中所示的电位梯度反转。其它操作基本上相同。

将描述本示例性实施例的优点。在参考图6A到6F描述的操作中，光电转换层205的电位梯度在图6B中所示的状态下反转，从而使得能够排出所积聚的信号电荷。不反转光电转换层205的电位梯度导致出现未排出的电荷。因此，可能出现噪声。在这里，当第一电极201上的电压的变化量dVs大于第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB的量增大时，电位梯度更可能反转。即，当第一电极201上的电压的变化量dVs大于第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB的量增大时，可以实现进一步的降噪。

如上所述，第一电极201上的电压的变化量dVs和节点B上的电压的变化量dVB之间存在由dVB＝dVs×C2/(C1+C2)表示的关系。修改该方程得到针对第一电极201上的电压的变化量dVs的如下方程：dVs＝dVB+(C1/C2)×dVB。即，第一电极201上的电压的变化量dVs比第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB大(C1/C2)×dVB。因此，当节点B的电容值C1增大时，第一电极201上的电压的变化量dVs和第二电极209上的电压的变化量dVB之差增大。

在本示例性实施例中，第一电容器103与第二电极209连接。因此，可以增大节点B的电容值C1。这种配置使得第一电极201上的电压的变化量dVs能够大于第二电极209上的电压的变化量dVB。因此，更可能实现光电转换层205的耗尽，导致减少未排出的电荷。因此，根据本示例性实施例，可以实现降噪。

将描述其中第一电容器103不与节点B连接的比较例。在该配置中，节点B具有可以包括由于半导体区中的PN结导致的电容分量和布线的寄生电容分量的电容。因为上述电容分量比光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2小到可忽略，所以由C1/C2给出的值基本上等于零。因此，当将第二电压Vs2供应到第一电极201时，第一电极201上的电压的变化量dVs基本上等于第二电极209上的电压的变化量dVB。在这种情况下，在图6B中所示的状态中电位梯度可能不反转，导致一些作为信号电荷积聚的空穴可能不会被排出。在本示例性实施例中，与比较例相比，可以减少未排出的信号电荷的量，从而导致噪声降低。

现在将描述第一电容器103的电容值C1、光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2和供应到各单元的电压之间的关系。

在本示例性实施例中，光电转换层101包括阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207。阻挡层203具有比光电转换层205和绝缘层207更高的电导率。因此，光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2是由光电转换层205形成的电容分量Ci和由绝缘层207形成的电容分量Cins的组合电容。具体地，第二电容器111的电容值C2由以下表达式(1)给出：

C2＝Ci×Cins/(Ci+Cins)···(1)

电容分量Ci和电容分量Cins分别由以下表达式(2)和表达式(3)给出：

Ci＝E0×Ei×Ss/di···(2)

Cins＝E0×Eins×Ss/dins,···(3)

其中，Ss表示第二电极209在平面图中的面积，di表示光电转换层205的厚度，dins表示绝缘层207的厚度，Ei表示光电转换层205的相对介电常数，Eins表示绝缘层207的相对介电常数，E0表示真空的介电常数。

第二电极209周围的边缘场(fringing field)基本上可忽略不计。因此，仅考虑第二电极209在平面图中的面积Ss作为用来计算电容的面积就足够了。例如，第二电极209在平面图中的面积Ss为图4中所示的第二电极209的面积。另外，在图5A和5B中示出了光电转换层205的厚度di和绝缘层207的厚度dins。

第一电容器103的电容值C1由以下表达式(4)给出：

C1＝E0×Ed×Sd/dd,···(4)

其中，Sd表示上电极211或下电极213在平面图中的面积，dd表示上电极211和下电极213之间的距离，Ed表示上电极211和下电极213之间的绝缘层的介电常数。

在本示例性实施例中，使用第一电压Vs1和第二电压Vs2来控制第一电极201(节点A)上的电压Vs，以积聚信号电荷并排出由于光电转换层205的耗尽导致的信号电荷。第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足以下关系，由此实现上述在排出信号电荷期间残留在光电转换层205中的电荷的减少。首先将描述其中信号电荷为空穴的示例性实施例。

下面为简明起见，第一电容器103的电容值C1是第二电容器111的电容值C2的k倍。即，电容值C1和电容值C2具有以下表达式(5)的关系：

C1＝k×C2···(5)

如之前所述，第一电极201上的电压的变化量dVs和第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB具有由以下表达式(6)给出的关系：

dVB＝dVs×C2/(C1+C2)···(6)

表达式(5)和表达式(6)推出以下表达式(7)：

dVB＝dVs/(1+k)···(7)

为积聚作为信号电荷的空穴，希望第一电压Vs1和复位电压Vres满足以下表达式(8)的关系：

Vs1>Vres···(8)

为转移信号电荷的空穴，希望第一电压Vs1、复位电压Vres、第一电极201上的电压的变化量dVs和第二电极209上的电压的变化量dVB满足以下表达式(9)的关系：

Vs1+dVs<Vres+dVB···(9)

如果满足表达式(8)的关系，则可以在光电转换层205中形成允许空穴向绝缘层207漂移的电位梯度。如果满足表达式(9)的关系，则容易反转光电转换层205的电位梯度。

表达式(7)和表达式(9)推出表达式(10)。

Vs1-Vres+dVs<dVs/(1+k)···(10)

在这里，k>0。因此，通过在表达式(10)两边乘以(1+k)将表达式(10)修改为下面的表达式(11)。

(1+k)×(Vs1-Vres+dVs)<dVs···(11)

第一电极201上的电压的变化量dVs由dVs＝Vs2-Vs1给出。因此，获得了Vs1-Vres+dVs＝Vs2-Vres。在其中信号电荷为空穴的示例性实施例中，复位电压Vres大于第二电压Vs2。即，获得了Vs2-Vres<0。因此，满足下面的表达式(12)的关系。

Vs1-Vres+dVs<0···(12)

因此，在表达式(11)两边除以(Vs1-Vres+dVs)改变不等号的方向，推出如下表达式(13)的关系：

1+k>dVs/(Vs1-Vres+dVs)···(13)

表达式(13)推出以下表达式(14)给出的用于电容值C1与电容值C2的电容比k的表达式。

如果满足表达式(14)的关系，则可以减少未排出的电荷量。因此，可以实现降噪。

在本示例性实施例中，第一电压Vs1等于5V，复位电压Vres等于3.3V。因为第二电压Vs2等于0V，所以第一电极201上的电压的变化量dVs为-5V。因此，k值被设为大于0.52的值。具体地，在本示例性实施例中，第一电容器103的电容值C1等于4fF，第二电容器111的电容值C2等于1fF。即，获得了k＝4。这种配置可以实现更多的降噪。

在本示例性实施例中，第一电容器103的上电极211或下电极213在平面图中的面积Sd和第二电极209在平面图中的面积Ss满足关系式Sd>0.5×Ss。这种配置可以使得容易获得上述电容比的关系。

此外，当k值增大时，降噪效果提高。因此，在第一电容器103的电容值C1等于或大于第二电容器111的电容值C2的情况下，可以进一步提高降噪效果。

通过使用第一电压Vs1和第二电压Vs2，第一电极上201的电压的变化量dVs由dVs＝Vs2-Vs1给出。因此，将表达式(14)修改为表达式(15)。

特别地，如果第二电压Vs2等于0V，则可以将表达式(15)简化为表达式(16)。

现在描述其中信号电荷为电子的示例性实施例。如果信号电荷为电子，则表达式(8)和表达式(9)的不等号的方向改变。相应地，表达式(10)和表达式(11)的不等号的方向也改变。如果信号电荷为电子，则复位电压Vres低于第二电压Vs2。因此，由表达式(11)中的Vs1-Vres+dVs＝Vs2-Vres给出的值为正值。即，(Vs1-Vres+dVs)>0的关系成立。因此，表达式(11)两边除以(Vs1-Vres+dVs)不改变不等号的方向。因此，就像其中信号电荷为空穴的情况一样，获得了表达式(14)和表达式(15)。

表达式(15)左手边可以使用表达式(5)以C1/C2替换。因为(Vs2-Vres)/(Vs2-Vres)＝1，将表达式(15)的右手边带入公分母，得到如下表达式(17)：

在这里，将描述由表达式(17)给出的关系。复位电压Vres是第一电压Vs1和第二电压Vs2之间的中间值。

当复位电压Vres接近第一电压Vs1时，右手边的值减小。即，即使第一电容器103的电容值C1小，光电转换层205的电位梯度也能反转。如果复位电压Vres与第一电压Vs1之差小，则可以在光电转换层205中积聚的电荷量小。

相比之下，当复位电压Vres接近第二电压Vs2时，右边的值增大。即，针对第一电容器103的电容值C1使用了大的值。在这种情况下，复位电压Vres与第一电压Vs1之差大。因此，可以在光电转换层205中积聚的电荷量可以增加。

就电荷饱和量与第一电容器103的电容值C1之间的平衡而言，优选复位电压Vres在上限和下限(或下限和上限)分别等于第一电压Vs1和第二电压Vs2的范围的20％到80％的范围内。例如，如果第一电压Vs1等于5V且第二电压Vs2等于0V，则希望复位电压Vres在1V到4V的范围内。

在光电转换装置用作照相机的图像传感器等的情况下，使用低电源电压以降低功耗。例如，供应到图像传感器的电源电压典型地小于或等于5V。因此，针对表达式(14)至表达式(17)中的电压也使用小于或等于5V的值。在该情况下，第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足上述关系，使得能够在低电压地驱动光电转换装置的情况下降低噪声。

如上所述，可以使用第一电容器103的电容值C1与光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2之间的关系来实现降噪。

前面给出的数值只是示例，而非意在限制。

在光电转换层205和绝缘层207之间的交界面上可能存在缺陷能级等。在这种情况下，通过使用现有技术考虑平带(flatband)电压可能就足够了。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的驱动方法。图7示出了在根据本示例性实施例的光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图。在图7中，示出了针对第n行和第n+1行或总共两行的信号读出的驱动信号。

向选择晶体管105的栅极供应驱动信号pSEL。向复位晶体管102的栅极供应驱动信号pRES。向光电转换单元101的第一电极201供应电压信号Vs。向S/H开关303供应驱动信号pTS。向S/H开关305供应驱动信号pTN。向列驱动器电路150供应驱动信号CSEL。

当驱动信号pSEL、驱动信号pRES、驱动信号pTN或驱动信号pTS处于高电平时，相应的晶体管或开关接通。当驱动信号pSEL、驱动信号pRES、驱动信号pTN或驱动信号pTS处于低电平时，相应的晶体管或开关断开。电压信号Vs包括第一电压Vs1和第二电压Vs2。

根据本示例性实施例的光电转换装置执行“卷帘快门”操作。在时刻t1之前，第n行中的像素100的光电转换单元101和第n+1行中的像素100的光电转换单元101积聚信号电荷。另外，在时刻t1之前，用于第n行的电压信号Vs(n)和用于第n+1行的电压信号Vs(n+1)均等于第一电压Vs1。

在时刻t1，驱动信号pSEL(n)上升到高电平，第n行中的像素100的选择晶体管105接通。因此，第n行中的像素100的放大器晶体管104输出信号。

在时刻t1，驱动信号pSES(n)上升到高电平，第n行中的像素100的复位晶体管102接通。因此，第n行中的像素100的节点B上的电压被复位为复位电压Vres。之后，在时刻t2，驱动信号pRES(n)下降到低电平，复位晶体管102断开。在图6A中示出了每个光电转换单元101在此时的能带状态。

然后，驱动信号pTN(n)在时刻t3上升到高电平，并在时刻t4下降到低电平。因此，在列电路140的电容器CTN中保持包括复位噪声(图6A中所示的kTC1)的噪声信号。

在时刻t5，电压信号Vs(n)从第一电压Vs1转变到第二电压Vs2。在图6B中示出了每个光电转换单元101在此时的能带状态。随后，在时刻t6，电压信号Vs(n)从第二电压Vs2转变到第一电压Vs1。在图6C中示出了每个光电转换单元101在此时的能带状态。通过从时刻t5到时刻t6的操作，信号电荷以上述方式转移。因此，在节点B中产生与所积聚的信号电荷的量对应的电压Vp。

驱动信号pTS(n)在时刻t7上升到高电平，并在时刻t8下降到低电平。因此，在列电路140的电容器CTS中保持包括电压Vp和复位噪声(图6C中所示的kTC1)的光信号。

随后，驱动信号pRES(n)在时刻t9上升到高电平，并在时刻t10下降到低电平。因此，第n行中的像素100的节点B上的电压再次被复位为复位电压Vres。在图6D中示出了每个光电转换单元101在此时的能带状态。

之后，第n行中的像素100开始积聚后一帧的信号电荷。在图6E和6F中示出了每个光电转换单元101在信号电荷的积聚期间的能带状态。

在时刻t11，驱动信号pSEL(n)下降到低电平，并且信号从第n行上的像素100到列电路140的读出完成。

根据驱动信号CSEL，被读出到列电路140的噪声信号和光信号逐列地输出到输出单元170。输出单元170将光信号和噪声信号之差输出到模数转换单元180。

在时刻t12，驱动信号pSEL(n+1)上升到高电平，第n+1行中的像素100的选择晶体管105接通。在随后的操作中，信号被从第n+1行中的像素100读出。该操作与从时刻t1到时刻t11的操作类似，在此不再描述。

如上所述，根据本示例性实施例的光电转换装置包括与光电转换单元101的第二电极209电连接并被配置为进入电浮动状态的节点B。第一电容器103与节点B连接。这种配置有助于光电转换单元101的光电转换层205的耗尽。因此，可以实现降噪。

第二示例性实施例

将描述另一个示例性实施例。本示例性实施例与第一示例性实施例的不同之处在于由电压供应单元供应电压的节点。因此，仅描述与第一示例性实施例不同的部分。与第一示例性实施例基本相同的部分将不再描述。

图8示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。与图1A中的部分具有基本相同的功能的部分被分配相同的附图标记。根据本示例性实施例的光电转换单元101的等效电路与第一示例性实施例中的等效电路相同。即，图1B和1C示出了根据本示例性实施例的光电转换单元101的示例等效电路。

在本示例性实施例中，向第一电容器103的第二端子供应来自电压供应单元410的电压Vd。电压供应单元410向第一电容器103的第二端子至少供应第一电压Vd1和不同于第一电压Vd1的第二电压Vd2。

如果信号电荷为空穴，则第二电压Vd2是高于第一电压Vd1的电压。例如，如果信号电荷为空穴，则第一电压Vd1等于0V，第二电压Vd2等于5V。如果信号电荷为电子，则第二电压Vd2是低于第一电压Vd1的电压。例如，如果信号电荷为电子，则第一电压Vd1等于5V，第二电压Vd2等于0V。

另一方面，向光电转换单元101的第一电极201供应预定电压Vs。在本示例性实施例中，向光电转换单元101的第一电极201供应3V的电压。在图8中，第一电极201被包括在节点A中。

接下来，将描述由复位晶体管102供应的复位电压Vres。如果信号电荷为空穴，则复位电压Vres是低于供应到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs的电压。如果信号电荷为电子，则复位电压Vres是高于供应到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs的电压。

在本示例性实施例中，对节点C上的电压Vd进行控制，以控制经由第一电容器103耦接到节点C的节点B上的电压。因此，在供应到节点C的电压Vd与复位电压Vres或供应到节点A的电压Vs之间的直流的大小关系不受特别限制。

图9是示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的整体电路配置的示意图。与图2中的部分具有基本相同的功能的部分被分配相同的附图标记。

图9示意性地示出了光电转换单元101的第一电极201的平面结构。第一电极201被包括在图8中所示的节点A中。如图9中所示，多列多行中的多个像素100的光电转换单元101被配置为包括共用的第一电极201。向第一电极201供应电压Vs。

在本示例性实施例中，逐行地、独立地控制要供应到第一电容器103的第二端子(节点C)的电压Vd。因此，行驱动器电路120选择由电压供应单元410供应电压Vd的行。分配诸如(n)和(n+1)之类的指示行的符号以区分要供应到不同行的电压Vd。在本示例性实施例中，上述配置使得能够逐行地驱动多个像素100。

根据本示例性实施例的列电路140具有与第一示例性实施例的列电路基本相同的配置。即，图3示出了根据本示例性实施例的列电路140的等效电路。另外，与第一示例性实施例类似，每个列电路140可以是模数转换电路。在这种情况下，模数转换电路包括用于保持数字信号的保持单元，诸如存储器或计数器。保持单元保持由噪声信号和光信号转换成的数字信号。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的平面结构和截面结构。图10示意地示出了光电转换装置的平面结构。图11示意性地示出了光电转换装置的截面结构。图11中所示的截面对应于沿着图10中的XI-XI线截取的截面。在图10和11中，与图4、5A和5B中的部分基本相同的部分被分配相同的附图标记。

如图10和图11中所示，第一电容器103的下电极213与导电部件420连接。导电部件420形成通过其供应来自电压供应单元410的电压Vd的布线。在本示例性实施例中，针对各行设置导电部件420，某行的导电部件420与其它行的导电部件电隔离。这种配置使得能够逐行地、独立地控制第一电容器103的第二端子(节点C)上的电压Vd。

除了上述结构之外的结构与第一示例性实施例的结构类似，在此不再描述。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换单元101中的每一个的操作。图12A到12F示意性地示出了每个光电转换单元101中的能带。在图12A到12F中，示出了第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209的能带。图12A到12F中的纵轴表示电子的电位。在图12A到12F中，电子的电位沿着纵轴在向上方向上增加。相应地，在图12A至12F中，电压沿着纵轴在向上方向上降低。对于第一电极201和第二电极209，示出了自由电子的能级。对于阻挡层203和光电转换层205，示出了导带能级和价带能级之间的带隙。光电转换层205的在光电转换层205和绝缘层207之间的交界面处的电位被称为“光电转换层205的表面电位”，或为方便起见简称为“表面电位”。

在光电转换层101的操作中，重复执行以下步骤(1)到(6)：(1)复位放大单元的输入节点，(2)读出噪声信号，(3)排出来自光电转换单元的信号电荷，(4)读出光信号，(5)在信号电荷的积聚开始之前复位，以及(6)积聚信号电荷。在下文中，将描述各个步骤。

图12A示出了光电转换单元101在步骤(1)到步骤(2)中的状态。向第一电极201供应电压Vs。例如，第一电压Vs等于3V。在光电转换层205中，用空心圆圈绘出的空穴作为在曝光时段期间产生的信号电荷积聚。光电转换层205的表面电位根据所积聚的空穴的数量在表面电位降低的方向(即电压升高的方向)上变化。在积聚电子的情况下，表面电位根据所积聚的电子的数量在表面电位升高的方向(即电压降低的方向)上变化。此外，向节点C供应第一电压Vd1。例如，第一电压Vd1等于0V。

在这种状态下，复位晶体管102接通。因此，包括第二电极209的节点上的电压，即图8中所示的节点B上的电压，被复位为复位电压Vres。在本示例性实施例中，节点B包括放大器晶体管104的栅极。因此，放大器晶体管104的栅极上的电压被复位。例如，复位电压Vres等于1V。

之后，复位晶体管102断开。因此，节点B进入电浮动状态。在该情况中，可能由复位晶体管102产生复位噪声(图12A中所示的噪声kTC1)。

光电转换层205的表面电位可以根据第二电极209上的电压在复位操作期间的变化而变化。在这种情况中，第二电极209上的电压变化的方向与第二电极209上的电压由于信号电荷的积聚而变化的方向相反。由于该原因，信号电荷的空穴仍然积聚在光电转换层205中。此外，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入。因此，积聚在光电转换层205中的信号电荷的量不变。

如果选择晶体管105处于接通状态，则放大器晶体管104输出包括来自像素100的复位噪声的噪声信号(Vres+kTC1)。该噪声信号被保持在列电路140的电容器CTN中。

图12B和图12C示出了光电转换单元101在步骤(3)中的状态。首先，向节点C供应第二电压Vd2。因为空穴用作信号电荷，所以第二电压Vd2是高于第一电压Vs1的电压。例如，第二电压Vd2等于5V。

在这种情况中，第二电极209(节点B)上的电压在与节点C上的电压变化的方向相同的方向上变化。根据连接到第二电极209的第一电容器103的电容值C1与光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2的比率来确定第二电极209上的电压的变化量dVB。相对于节点C上的电压的变化量dVd，第二电极209上的电压的变化量dVB由dVB＝dVd×C1/(C1+C2)给出。包括第二电极209的节点B也可以包括其它电容分量。其它的电容分量具有比第一电容器103的电容值C1小得多的电容值。因此，节点B的电容值可以视为等于第一电容器103的电容值C1。

在本示例性实施例中，第二电极209上的电压的变化量dVB比第一电极201上的电压Vs与复位电压Vres之差(Vs-Vres)大得多。因此，第二电极209的电位低于第一电极201的电位，并且光电转换层205的电位梯度反转。因此，用实心圆圈绘出的电子从第一电极201注入到光电转换层205中。此外，作为信号电荷积聚在光电转换层205中的空穴中的一些或全部移动到阻挡层203。已经移动的空穴与阻挡层203中的绝大多数载流子再结合并消失。结果，光电转换层205中的空穴被从光电转换层205中排出。由于整个光电转换层205的耗尽，所有作为信号电荷积聚的空穴被排出。

然后，在图12C中示出的状态下，向节点C供应第一电压Vd1。因此，光电转换层205的电位梯度再次反转。于是，在图12B中所示的状态下注入到光电转换层205的电子被从光电转换层205中排出。另一方面，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入到光电转换层205中。因此，光电转换层205的表面电位根据已积聚的空穴的数量而变化。根据表面电位的变化，第二电极209上的电压从复位状态改变与已消失的空穴的数量对应的电压Vp。即，在节点B处出现与作为信号电荷积聚的空穴的数量对应的电压Vp。与所积聚的空穴的数量对应的电压Vp被称为“光信号分量”。

在图12C中所示的状态下，选择晶体管105接通。因此，放大器晶体管104输出来自像素100的光信号(Vp+Vres+kTC1)。光信号被保持在列电路140的电容器CTS中。在步骤(2)中读出的噪声信号(Vres+kTC1)和在步骤(4)中读出的光信号(Vp+Vres+kTC1)之差是基于与所积聚的信号电荷对应的电压Vp的信号。

图12D示出了光电转换单元101在步骤(5)中的状态。复位晶体管102接通，并且节点B上的电压被复位为复位电压Vres。之后，复位晶体管102断开。以上述方式，节点B在信号电荷的积聚开始之前被复位，使得能够去除已在节点B中积聚的针对前一帧的光信号分量。因此，根据节点B中的光信号的积聚，可以防止动态范围变窄。注意，不一定需要执行步骤(5)中的在信号电荷的积聚开始之前的复位。

另外在该情况中，可能由复位晶体管102产生复位噪声(图12D中所示的噪声kTC2)。可以在积聚时段完成之后通过步骤(1)中的操作来去除所产生的复位噪声。

图12E和图12F示出了光电转换单元101在步骤(6)中的状态。向第一电极201供应电压Vs1，并向节点B供应复位电压Vres。复位电压Vres低于第一电极201上的电压Vs。于是，光电转换层205中的电子被排出到第一电极201。相反，光电转换层205中的空穴移动到光电转换层205和绝缘层207之间的交界面上。然而，空穴不能移动到绝缘层207，因此在光电转换层205中积聚。另外，如之前所述，阻挡层203防止空穴注入到光电转换层205中。在这种状态下，当光进入光电转换层205时，只有通过光电转换产生的电子-空穴对中的空穴才作为信号电荷积聚在光电转换层205中。在已执行一定时段的积聚操作之后，重复执行步骤(1)到(6)中的操作。

所积聚的空穴引起光电转换层205的表面电位的变化。根据表面电位的变化，第二电极209上的电压增大。这种增大在图12F中由Vp0表示。如上所述，在图12A中的复位操作中，第二电极209上的电压发生变化以抵消电压Vp0的变化。即，第二电极209上的电压减小。因此，光电转换层205的表面电位在表面电位升高的方向上变化。

如果信号电荷是电子，则第二电压Vd2是低于第一电压Vd1的电压。于是，在图12A到12F中所示的电位梯度反转。其它操作基本上相同。

将描述本示例性实施例的优点。在参考图12A到12F描述的操作中，光电转换层205的电位梯度在图12B中所示的状态下反转，使得能够排出所积聚的空穴。光电转换层205的电位梯度的不反转导致出现未排出的电荷。于是，可能出现噪声。在这里，当第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB大于在第一电极201上的电压Vs与复位电压Vres之差(Vs-Vres)的量增大时，电位梯度更可能反转。即，当第二电极209上的电压的变化量dVB大于在第一电极201上的电压Vs与复位电压Vres之差(Vs-Vres)的量增大时，可进一步实现降噪。

如上所述，节点C上的电压的变化量dVd和节点B上的电压的变化量dVB之间存在可由dVB＝dVd×C1/(C1+C2)表示的关系。即，当节点B的电容值C1增大时，节点B上的电压的变化量dVB增大。

在本示例性实施例中，第一电容器103与第二电极209连接。因此，可以增大节点B的电容值C1。这种配置使得节点B上的电压的变化量dVB能够增大。结果，更可能实现光电转换层205的耗尽，导致未排出的电荷减少。因此，根据本示例性实施例，可以实现降噪。

将描述第一电容器103不与节点B连接的比较例。在这种配置中，节点B具有可以包括由于半导体区中的PN结导致的电容分量和布线的寄生电容分量的电容。因为上述电容分量比光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2小到可忽略不计，所以由C1/(C1+C2)给出的值基本上等于零。于是，即使节点C上的电压Vd改变，节点B上的电压也基本不变。在这种情况下，在图12B中所示的状态下，电位梯度可能不反转，导致有可能作为信号电荷而积聚的空穴中的一些未被排出。在本示例性实施例中，与比较例相比，可以减少未排出的信号电荷的量，导致噪声降低。

现在将描述第一电容器103的电容值C1、光电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2与供应到各单元的电压之间的关系。在本示例性实施例中，电容值C1和电容值C2分别由第一示例性实施例中的表达式(4)和表达式(1)表示。这里不再给出详细的描述。

在本示例性实施例中，使用第一电压Vd1和第二电压Vd2来控制节点C上的电压Vd，以积聚信号电荷以及排出由于光电转换层205的耗尽导致的信号电荷。第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足以下关系，因此实现在上述排出信号电荷期间残留在光电转换层205中的电荷的减少。首先将描述其中信号电荷是空穴的示例性实施例。

下面为简明起见，第一电容器103的电容值C1是第二电容器111的电容值C2的k倍。即，电容值C1和电容值C2具有以下表达式(18)的关系：

C1＝k×C2···(18)

如之前所述，节点C上的电压的变化量dVd和第二电极209(节点B)上的电压的变化量dVB具有由如下表达式(19)给出的关系：

dVB＝dVd×C1/(C1+C2)···(19)

表达式(18)和表达式(19)推出如下表达式(20)：

dVB＝dVd×k/(1+k)···(20)

为积聚作为信号电荷的空穴，希望向第一电极201(节点A)供应的电压Vs和复位电压Vres满足如下表达式(21)的关系：

Vs>Vres···(21)

为转移信号电荷的空穴，希望第一电极201(节点A)上的电压Vs、复位电压Vres和第二电极209上的电压的变化量dVB满足如下表达式(22)的关系：

Vs<Vres+dVB···(22)

如果满足表达式(21)的关系，则可以在光电转换层205中形成允许空穴向绝缘层207漂移的电位梯度。如果满足表达式(22)的关系，则容易使光电转换层205的电位梯度反转。

表达式(20)和表达式(22)推出表达式(23)。

Vs-Vres<dVd×k/(1+k)···(23)

在信号电荷是空穴的示例性实施例中，第二电压Vd2高于第一电压Vd1。即，节点C上的电压的变化量dVd(＝Vd2-Vd1)具有正值。因此，表达式(23)的两边除以dVd不改变不等号的方向。

因此，表达式(23)推出由下面的表达式(24)给出的关于电容值C1与电容值C2的电容比k的表达式。

如果满足表达式(24)的关系，则可以减少未排出的电荷量。因此，可以实现降噪。

在本示例性实施例中，第一电极201上的电压Vs等于3V，复位电压Vres等于1V。因为第一电压Vd1等于0V且第二电压Vs2等于5V，所以节点C上的电压的变化量dVd等于5V。于是，设置k>2/3。具体地，在本示例性实施例中，第一电容器103的电容值C1等于4fF，第二电容器111的电容值C2等于1fF。即，获得k＝4。这种配置可以实现更多的降噪。

在本示例性实施例中，第一电容器103的上电极211或下电极213在平面图中的面积Sd和第二电极209在平面图中的面积Ss满足Sd>0.5×Ss的关系。这种配置使得容易获得上述电容比的关系。

此外，当k值增加时，降噪效果提高。因此，在第一电容器103的电容值C1等于或大于第二电容器111的电容值C2的情况下，可以进一步提高降噪效果。

通过使用第一电压Vd1和第二电压Vd2，节点C上的电压的变化量dVd由dVd＝Vd2-Vd1给出。另外，可以使用表达式(18)将表达式(24)的左手边重写为C1/(C1+C2)。因此，将表达式(24)修改为表达式(25)。

现在描述信号电荷是电子的示例性实施例。如果信号电荷是电子，则表达式(21)和表达式(22)中的不等号的方向改变。因此，表达式(23)中的不等号的方向也改变。即，如果信号电荷是电子，则获得下面的表达式(26)。

Vs-Vres>dVd×k/(1+k)···(26)

注意，在信号电荷是电子的示例性实施例中，第二电压Vd2低于第一电压Vd1。即，节点C上的电压的变化量dVd(＝Vd2-Vd1)具有负值。因此，表达式(26)的两边除以dVd改变不等号的方向。结果，就像在信号电荷是空穴的情况中那样获得表达式(24)和表达式(25)。

在这里，将描述由表达式(25)给出的关系。当复位电压Vres接近向光电转换单元101的第一电极201供应的电压Vs时，右手边的值减小。即，即使第一电容器103的电容值C1小，光电转换层205的电位梯度也可以反转。如果复位电压Vres与向第一电极201供应的电压Vs之差小，则可以积聚在光电转换层205中的电荷量小。

相反，当复位电压Vres与电压Vs之差增大时，右手边的值增大。即，针对第一电容器103的电容值C1使用大的值。在该情况下，复位电压Vres与第一电压Vs1之差大。于是，可以积聚在光电转换层205中的电荷的量可以增大。

就电荷饱和量与第一电容器103的电容值C1之间的平衡而言，优选的是复位电压Vres与电压Vs之差在第一电压Vs1与第二电压Vs2之差的20％至80％的范围内。例如，如果第一电压Vs1等于0V且第二电压Vs2等于5V，则希望与复位电压Vres之差在1V至4V的范围内。

特别地，即使复位电压Vres与电压Vs之差大，增大第一电压Vd1与第二电压Vd2之差也可以减小第一电容器103的电容值C1。然而，在光电转换装置用作照相机的图像传感器等的情况下，使用低电源电压以降低功耗。例如，向图像传感器供应的电源电压典型地小于或等于5V。因此，小于或等于5V的值也用于表达式(24)至表达式(25)中的电压。因此，难以增大第一电压Vd1和第二电压Vd2之差。在这种情况下，第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足上述关系，使得能够在低电压地驱动光电转换装置的情况下降低噪声。

前面给出的数值仅仅是示例，而非意在限制。在光电转换层205和绝缘层207之间的交界面处可能出现缺陷能级等。在该情况下，通过使用现有技术来考虑平带电压就足够了。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的驱动方法。图13示出了在根据本示例性实施例的光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图。在图13中，示出了用于第n行和第n+1行或总共两行的信号读出的驱动信号。

与根据第一示例性实施例的驱动方法不同的是，向图8中所示的节点C供应电压信号Vd。在图13中，示出了电压信号Vd的时序图。电压信号Vd包括第一电压Vd1和第二电压Vd2。第一示例性实施例中的其间电压信号Vs为第一电压Vs1的时段对应于本示例性实施例中的其间电压信号Vd为第一电压Vd1的时段。第一示例性实施例中的其间电压信号Vs为第二电压Vs2的时段对应于本示例性实施例中的其间电压信号Vd为第二电压Vd2的时段。

其它驱动信号的时序图与图7中的时序图基本上相同。因此，这里不再详细描述。

第三示例性实施例

将描述另一个示例性实施例。本示例性实施例与第一示例性实施例和第二示例性实施例的不同之处在于，开关被设置在放大单元的输入节点与光电转换单元之间。因此，只描述与第一示例性实施例或第二示例性实施例不同的部分。与第一示例性实施例及第二示例性实施例中的任何一个中的部分基本上相同的部分将不再描述。

图14示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。在图14中，示出了以两行两列布置的四个像素100。具有与图1A中的部分基本相同的功能的部分被分配相同的附图标记。每个光电转换单元101均具有与第一示例性实施例中的结构相似的结构。因此，在图14中未示出光电转换单元101的截面结构。

在本示例性实施例中，开关501被设置在光电转换单元101与第一电容器103之间的电通路上。换句话说，第一电容器103经由开关501与光电转换单元101电连接。开关501还被设置在光电转换单元101与放大器晶体管104之间的电通路上。换句话说，放大器晶体管104经由开关501与光电转换单元101电连接。放大器晶体管104的栅极和第一电容器103的第一端子被包括在节点B中。

开关501控制光电转换单元101与节点B之间的导电。断开开关501和复位晶体管102这两者使节点B进入电浮动状态。

向开关501供应驱动信号pGS。分配诸如(n)和(n+1)之类的指示行的符号，以区分要供应到不同行的驱动信号pGS。

除了设置有开关501之外，根据本示例性实施例的每个像素100的配置与第一示例性实施例中的配置基本相同。另外，根据本示例性实施例的光电转换装置的整体配置与第一示例性实施例中的整体配置基本相同。

上述配置使得所有行的曝光时段能够一致。实现了所谓的全局电子快门。因为驱动信号pGS是逐行地、独立地供应的，所以还实现了全局电子快门操作模式与卷帘快门操作模式之间的切换。

在本示例性实施例中，如图14中所示，来自电压供应单元110的电压Vs供应到与光电转换单元101的第一端子连接的节点A。与第一示例性实施例类似，电压供应单元110至少使用第一电压Vs1和第二电压Vs2来控制节点A上的电压。这种该配置使得能够在光电转换单元101中积聚电荷以及从光电转换单元101排出或转移电荷。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的驱动方法。图15示出了在根据本示例性实施例的光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图。在图15中，示出了用于第n行和第n+1行或总共两行的信号读出的驱动信号。

与根据第一示例性实施例的驱动方法不同的是，向开关501供应驱动信号pGS。在图15中，示出了驱动信号pGS的时序图。当驱动信号pGS处于高电平时，开关501接通。当驱动信号pGS处于低电平时，开关501断开。

根据本示例性实施例的光电转换装置被配置为执行全局电子快门操作。在时刻t1之前，第n行中的像素100的光电转换单元101和第n+1行中的像素100的光电转换单元101积聚信号电荷。另外，在时刻t1之前，用于第n行的电压信号Vs(n)和用于第n+1行的电压信号Vs(n+1)均等于第一电压Vs1。

在时刻t1，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)上升到高电平，第n行中的像素100的复位晶体管102接通。因此，第n行中的像素100的节点B上的电压和第n+1行中的像素100的节点B上的电压均被复位为复位电压Vres。之后，在时刻t2，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)下降到低电平，像素100的复位晶体管102断开。

在时刻t3，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)上升到高电平。因此，开关501接通。于是，根据本示例性实施例的像素100中的每一个都具有图1B或1C中所示的等效电路。

在时刻t4，电压信号Vs(n)和电压信号Vs(n+1)从第一电压Vs1转变到第二电压Vs2。随后，在时刻t5，电压信号Vs(n)和电压信号Vs(n+1)从第二电压Vs2转变到第一电压Vs1。通过从时刻t4到时刻t5的操作，信号电荷被转移。因此，在节点B中产生与所积聚的信号电荷的量对应的电压Vp。此时的操作与在第一示例性实施例中参考图6A到6F描述的操作基本相同。即，在图6B和图6C中示出了每个光电转换单元101在此时的能带状态。

在时刻t6，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)下降到低电平。因此，开关501断开。这导致光电转换单元101和节点B之间的电传导断开连接。于是，在节点B保持与前一帧的信号电荷的量对应的电压Vp的同时，光电转换单元101可以积聚下一帧的信号电荷。在本示例性实施例中，多行中的像素100能够并行执行上述操作。即，多行中的像素100的光电转换单元101能够同时开始积聚信号电荷。

在随后的操作中，光信号被逐行读出。在时刻t7，驱动信号pSEL(n)上升到高电平。在时刻t7，驱动信号pTS(n)也上升到高电平。因此，第n行中的像素100的放大器晶体管104输出光信号。从第n行中的像素100输出的光信号被保持在电容器CTS中。在时刻t9之后，被保持在电容器CTS中的光信号逐列地输出到输出单元170。

在时刻t10，开始读出第n+1行的光信号。该操作类似于对第n行的操作，这里不再描述。

通过上述操作，实现了基于全局电子快门操作的信号读出。在图15中，只示出用于第n行和第n+1行的驱动信号。注意，可以对所有行同时执行从时刻t1到时刻t6的操作。

另外，在本示例性实施例中，在驱动信号pGS保持在高电平的同时，可以供应图7中所示的驱动信号。这使得能够以与第一示例性实施例类似的方式基于卷帘快门操作进行信号读出。

另外在本示例性实施例中，第一电容器103与节点B连接。因此，可以实现降噪效果。

第四示例性实施例

将描述另一个示例性实施例。本示例性实施例与第一示例性实施例和第二示例性实施例的不同之处在于，将开关设置在放大单元的输入节点与光电转换单元之间。本示例性实施例与第三示例性实施例之间的区别如下：在第三示例性实施例中，对节点A上的电压进行控制，而在本示例性实施例中，对节点C上的电压进行控制。因此，仅描述与第一示例性实施例到第三示例性实施例不同的部分。与第一示例性实施例到第三示例性实施例中的任一个中的部分基本上相同的部分将不再描述。

图16示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。在图16中，示出了以两行两列布置的四个像素100。与图8中的部分具有基本相同的功能的部分被分配相同的附图标记。每个光电转换单元101均具有与第二示例性实施例中的结构相似的结构。因此，在图16中，未示出光电转换单元101的截面结构。

开关501控制光电转换单元101与节点B之间的导电。断开开关501和复位晶体管102将节点B置于电浮动状态。

驱动信号pGS被提供给开关501。分配指示行的符号，诸如(n)和(n+1)，以区分提供给不同的行的驱动信号pGS。

除了设置有开关501之外，根据本示例性实施例的每个像素100的配置与第二示例性实施例中的配置基本相同。另外，根据本示例性实施例的光电转换装置的整体配置与第二示例性实施例中的光电转换装置的整体配置基本相同。

上述配置使得所有行的曝光时段能够一致。实现了所谓的全局电子快门。因为驱动信号pGS是逐行地、独立地提供的，所以还实现了全局电子快门操作模式与卷帘快门操作模式之间的切换。

在本示例性实施例中，如图16中所示，来自电压供应单元410的电压Vd被供应到经由第一电容器103与节点B耦接的节点C。与第二示例性实施例类似，电压供应单元410至少使用第一电压Vd1和第二电压Vd2来控制节点C上的电压。这种配置使得能够在光电转换单元101中积聚电荷以及从光电转换单元101排出或转移电荷。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的驱动方法。图17示出了在根据本示例性实施例的光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图。在图17中，示出了用于第n行和第n+1行或总共两行的信号读出的驱动信号。

与根据第三示例性实施例的驱动方法不同的是，电压信号Vd被供应到图16中所示的节点C。在图17中，示出了电压信号Vd的时序图。电压信号Vd包括第一电压Vd1和第二电压Vd2。第三示例性实施例中的其间电压信号Vs为第一电压Vs1的时段对应于本示例性实施例中的其间电压信号Vd为第一电压Vd1的时段。第三示例性实施例中的其间电压信号Vs为第二电压Vs2的时段对应于本示例性实施例中的其间电压信号Vd为第二电压Vd2的时段。

其它驱动信号的时序图与图15中的时序图基本上相同。因此，在此将不再详细描述。

在本示例性实施例中，通过上述方式，实现了基于全局电子快门操作的信号读出。另外，在本示例性实施例中，当驱动信号pGS保持在高电平时，可以供应图7中所示的驱动信号。这允许使得能够以与第一示例性实施例中的方式类似的方式基于卷帘快门操作进行信号读出。

第五示例性实施例

将描述另一个示例性实施例。本示例性实施例与第一示例性实施例到第四示例性实施例的不同之处在于，每个像素包括与放大单元的下游连接的钳位电路。因此，仅描述与第一示例性实施例到第四示例性实施例不同的部分。与第一示例性实施例到第四示例性实施例中的任一个中的部分基本上相同的部分将不再描述。

图18示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。在图18中，示出了以两行两列布置的四个像素100。与图1A中的部分具有基本相同的功能的部分被分配相同的附图标记。每个光电转换单元101均具有与第一示例性实施例到第四示例性实施例中的结构相似的结构。因此，在图18中，未示出光电转换单元101的截面结构。

在本示例性实施例中，每个像素100均包括两个放大单元。第一放大单元是包括第一放大器晶体管611和电流源612的源极跟随器电路。第二放大单元包括第二放大器晶体管631。第二放大器晶体管631经由过选择晶体管105与输出线130连接。第二放大器晶体管631和与输出线130连接的电流源160构成源极跟随器电路。

每个像素100还包括用于实现全局电子快门的钳位电路。钳位电路包括钳位开关621、钳位电容器622和钳位电压供应开关623。钳位开关621被设置在与第一电容器103连接的节点B和像素100的第二放大单元的输入节点之间的电通路上。驱动信号pGS被供应到钳位开关621。驱动信号pCL被供应到钳位电压供应开关623。

钳位电路对从第一放大单元输出的噪声信号进行钳位。之后，第一放大单元输出光信号。因此，钳位电路能够去除诸如光信号中所包括的复位噪声之类的噪声。这种配置使得能够在去除诸如复位噪声之类的随机噪声的同时实现全局电子快门操作。

接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的驱动方法。图19示出了在根据本示例性实施例的光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图。在图19中，示出了用于第n行和第n+1行或总共两行的信号读出的驱动信号。

与根据第一示例性实施例的驱动方法不同的是，向开关501供应驱动信号pGS。在图19中，示出了电压信号Vd的时序图。当驱动信号处于高电平时，相应的开关接通。当驱动信号处于低电平时，相应的开关断开。

在时刻t1，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)上升到高电平。在时刻t2，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)上升到高电平。另外，在时刻t2，驱动信号pCL(n)和驱动信号pCL(n+1)也上升到高电平。之后，在时刻t3，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)下降到低电平。在时刻t4，驱动信号pCL(n)和驱动信号pCL(n+1)下降到低电平。因此，第n行和第n+1行中的像素100的钳位电路对噪声信号进行钳位。

随后，在时刻t5到时刻t6的时段中，电压信号Vd(n)和电压信号Vd(n+1)为第二电压Vd2。于是，所积聚的信号电荷被转移。因为钳位开关621处于接通状态，所以在钳位电容器622中产生与信号电荷的量对应的电压Vp。

之后，在时刻t7，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)下降到低电平。因此，像素100的钳位电路与光电转换单元101电分离。

在随后的操作中，逐行地读出光信号。该操作与第三示例性实施例或第四示例性实施例中的操作基本相同，在此不再描述。

通过上述操作，实现了全局电子快门操作。另外，在本示例性实施例中，每个像素100均包括钳位电路。这种配置使得能够减少诸如复位噪声之类的随机噪声。

第六示例性实施例

将描述另一个示例性实施例。本示例性实施例与第一示例性实施例到第五示例性实施例的不同之处在于，每个像素包括与放大单元的下游连接的采样及保持电路。因此，仅描述与第一示例性实施例到第五示例性实施例不同的部分。与第一示例性实施例到第五示例性实施例中的任一个中的部分基本相同的部分将不再描述。

图20示意性地示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。在图20中，示出了以两行两列布置的四个像素100。与图1A或图18中的部分具有基本相同的功能的部分被分配基本相同的附图标记。每个光电转换单元101均具有与第一示例性实施例到第五示例性实施例中的任一个中的结构相似的结构。因此，在图20中，未示出光电转换单元101的截面结构。

在本示例性实施例中，每个像素100均包括两个放大单元。第一放大单元是包括第一放大器晶体管611和电流源612的源极跟随器电路。第二放大单元包括第二放大器晶体管631。第二放大器晶体管631经由选择晶体管105与输出线130连接。第二放大器晶体管631和与输出线130连接的电流源160构成源极跟随器电路。

每个像素100还包括用于实现全局电子快门的采样及保持电路(下文被称为“S/H电路”)。像素100包括噪声信号S/H电路和光信号S/H电路。噪声信号S/H电路保持从第一放大单元输出的噪声信号。光信号S/H电路保持从第一放大单元输出的光信号。噪声信号S/H电路包括电容器701、第一开关711和第二开关721。光信号S/H电路包括电容器702、第一开关712和第二开关722。

这种配置使得能够在去除诸如复位噪声之类的随机噪声的同时实现全局电子快门操作。

现在将描述根据本示例性实施例的驱动方法。这里将仅描述用于执行全局电子快门操作的S/H电路的驱动。

首先，在第一放大单元的输入节点被复位的状态下，所有行中的像素100中的噪声信号S/H电路的第一开关711接通。因此，噪声信号被保持在电容器701中。然后，执行信号电荷转移操作。该操作类似于第一示例性实施例到第四示例性实施例中的任一个中的操作。然后，所有行中的像素100的光信号S/H电路的第一开关712接通。因此，光信号被保持在电容器702中。之后，第二开关721和722逐行地接通。因此，来自像素100的信号被逐行地读出。从像素100输出的信号以与第一示例性实施例中的方式类似的方式被保持在列电路140中，并受到减法处理以去除噪声。

通过上述操作，实现了全局电子快门操作。另外，在本示例性实施例中，每个像素100均包括采样及保持电路。该配置使得能够减少诸如复位噪声之类的随机噪声。

第七示例性实施例

将描述根据本发明的示例性实施例的成像系统。成像系统的示例包括数字静物照相机、数码摄像机、视频头、复印机、传真机、移动电话、车载摄像头和观测卫星。图21是作为成像系统示例的数字静物照相机的框图。

参考图21，数字静物照相机包括如下构件。挡板1001被配置为保护镜头1002。镜头1002被配置为在光电转换装置(或成像装置)1004上形成被摄体的光学图像。光圈1003能够改变穿过镜头1002的光量。光电转换装置1004是之前示例性实施例中所述的光电转换装置中的任何一个，并配置为把由镜头1002形成的光学图像转换为图像数据。以示例的方式，在光电转换装置1004的半导体衬底上形成有模数(AD)转换单元。信号处理单元1007被配置为对从光电转换装置1004输出的成像数据执行各种校正并压缩该数据。定时产生器1008向光电转换装置1004和信号处理单元1007输出各种定时信号。整体控制单元(或整体控制/运算单元)1009被配置为对整个数字静物照相机进行控制。帧存储器单元1010被配置为临时存储图像数据。记录介质控制接口(I/F)单元1011是用于将数据记录在记录介质1012上或从记录介质1012读取数据的接口单元。记录介质1012是诸如半导体存储器之类的可移除的记录介质，成像数据被记录在所述记录介质上或者被从所述记录介质读取。外部接口(I/F)单元1013是被配置为与外部计算机或类似装置通信的接口单元。可以从成像系统外部的装置输入定时信号等。成像系统至少包括光电转换装置1004和用于对从光电转换装置1004输出的成像信号进行处理的信号处理单元1007，这可能就足够了。

在本示例性实施例中，已经描述了其中光电转换装置1004和AD转换单元被设置在单独的半导体衬底上的配置。作为替代，光电转换装置1004和AD转换单元可以在同一个半导体衬底上形成。光电转换装置1004和信号处理单元1007也可以在同一个半导体衬底上形成。

作为替代，每个像素100均可以被配置为包括第一光电转换单元101A和第二光电转换单元101B。信号处理单元1007可以被配置为对基于由第一光电转换单元101A产生的电荷的信号和基于由第二光电转换单元101B产生的电荷的信号进行处理，并获得关于从光电转换装置1004到被摄体的距离的信息。

在根据示例性实施例的成像系统中，以举例的方式，光电转换装置1004被实现为根据第一示例性实施例的光电转换装置。以上述方式，通过应用本发明的示例性实施例，成像系统可以获得经降噪的图像。

尽管已参考示例性实施例描述了本发明，但应理解，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赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这种修改以及等同结构和功能。

Claims

1.一种光电转换装置，其特征在于，包括：

光电转换单元，包括第一电极、第二电极、被设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层以及被设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层；

放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出由光电转换单元产生的信号；

复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；

第一电容器，包括第一端子和第二端子，所述第一端子与第二电极电连接；以及

电压供应单元，被配置为向第二端子至少供应第一电压和不同于第一电压的第二电压，

其中满足以下关系：

其中Vs表示向第一电极供应的电压，Vd1表示第一电压，Vd2表示第二电压，Vres表示复位电压，C1表示第一电容器的电容值，并且C2表示由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，向第二端子供应第一电压，以在光电转换层中积聚信号电荷，并且

其中，向第二端子供应第二电压，以从光电转换层排出信号电荷。

3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中第一电压高于第二电压，并且

其中复位电压高于所述向第一电极供应的电压。

4.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中第一电压低于第二电压，并且

其中复位电压低于所述向第一电极供应的电压。

5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中所述向第一电极供应的电压与复位电压之差在第一电压与第二电压之差的20％到80％的范围内。

6.一种光电转换装置，其特征在于，包括：

复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；

第一电容器，与第二电极电连接；以及

电压供应单元，被配置为向第一电极至少供应第一电压和不同于第一电压的第二电压，

其中满足以下关系：

其中Vs1表示第一电压，Vs2表示第二电压，Vres表示复位电压，C1表示第一电容器的电容值，并且C2表示由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值，并且

所述复位电压具有介于第一电压和第二电压之间的中间值。

7.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中向第一电极供应第一电压，以在光电转换层中积聚信号电荷，并且

其中向第一电极供应第二电压，以从光电转换层排出信号电荷。

8.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中第一电压低于第二电压。

9.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中第一电压高于第二电压。

10.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中第一电容器包括第一端子和第二端子，

其中第一端子与第二电极电连接，并且

其中第二端子接地。

11.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，其中第一电容器包括彼此相对的两个电极。

12.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中满足Sd＞0.5×Ss的关系，其中Sd表示所述两个电极之一在平面图中的面积，并且Ss表示第二电极在平面图中的面积。

13.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中在平面图中所述两个电极与第一电极至少部分重叠。

14.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中在平面图中所述两个电极与第二电极至少部分重叠。

15.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中所述两个电极具有在平面图中与放大单元和复位单元中的任一个不重叠的部分。

16.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中所述两个电极由金属或多晶硅形成。

17.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，其中放大单元具有包括第二电极的输入节点。

18.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，其中在第二电极与第一电容器之间的电通路上设置有开关。

19.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，其中在第一电容器与放大单元之间的电通路上设置有开关。

20.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，包括多个像素，所述多个像素中的每一个均包括光电转换单元，

其中为所述多个像素所共用地提供第一电极，并且

其中针对所述多个像素中的每一个来单独地提供第二电极。

21.根据权利要求1或6所述的光电转换装置，其中光电转换层包括量子点膜。

22.一种成像系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1或6所述的光电转换装置；以及

信号处理装置，被配置为对来自光电转换装置的信号进行处理。

23.根据权利要求22所述的成像系统，其中针对每个像素提供两个所述光电转换单元，并且

其中信号处理装置对基于由所述两个光电转换单元产生的电荷的信号进行处理，并获得关于从光电转换装置到被摄体的距离的信息。