CN105991943B - 固态成像设备、驱动固态成像设备的方法以及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态成像设备、驱动固态成像设备的方法以及成像系统。一种固态成像设备包括像素，像素包括光电转换元件、浮置扩散层、传送晶体管、重置晶体管和放大器晶体管、以及控制单元，控制单元被配置为：当电荷在光电转换元件中累积时向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压；随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及随后当放大器晶体管输出基于浮置扩散层的电势的信号时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。

Description

固态成像设备、驱动固态成像设备的方法以及成像系统
技术领域
本发明涉及固态成像设备、驱动固态成像设备的方法以及成像系统。
背景技术
已经提出了这样一种固态成像设备：该固态成像设备被配置为缓和在光电转换单元中的电荷累积时段中在浮置扩散层与传送晶体管的栅极之间生成的电场，由此维持传送晶体管的栅极绝缘膜的可靠性。在日本专利申请公开No.2008-199101中公开了：浮置扩散层在累积时段中的电压和浮置扩散层在读出时段中的电压被设为不同的值，由此缩短向栅极绝缘膜施加高电场的时段。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种固态成像设备，该固态成像设备包括像素和控制单元，像素包括光电转换元件、浮置扩散层、被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层的传送晶体管、被配置为重置浮置扩散层的电势的重置晶体管、以及被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号的放大器晶体管；控制单元被配置为：当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压；随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；并且随后当放大器晶体管输出基于浮置扩散层的电势的信号时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种固态成像设备，该固态成像设备包括像素和控制单元，像素包括光电转换元件、浮置扩散层、被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层的传送晶体管、被配置为重置浮置扩散层的电势的重置晶体管、以及被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号的放大器晶体管；控制单元被配置为：当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压；随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及随后当传送晶体管正在传送电荷时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种驱动固态成像设备的方法，该固态成像设备包括像素和控制单元，像素包括光电转换元件、浮置扩散层、被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层的传送晶体管、被配置为重置浮置扩散层的电势的重置晶体管、以及被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号的放大器晶体管；所述方法包括：当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压；随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；并且随后当放大器晶体管输出基于浮置扩散层的电势的信号时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种驱动固态成像设备的方法，该固态成像设备包括像素和控制单元，像素包括光电转换元件、浮置扩散层、被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层的传送晶体管、被配置为重置浮置扩散层的电势的重置晶体管、以及被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号的放大器晶体管；所述方法包括：当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压；随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及随后当传送晶体管正在传送电荷时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
参照附图阅读对示例性实施例的以下描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是用于例示根据本发明的第一实施例的固态成像设备的像素单元的配置示例的图。
图2是用于例示根据本发明的第一实施例的固态成像设备的重置控制电路的示例的图。
图3是用于例示根据本发明的第一实施例的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图4是用于例示根据本发明的第二实施例的固态成像设备的重置控制电路的示例的图。
图5是用于例示根据本发明的第二实施例的固态成像设备的驱动方法的时序图。
图6是用于例示根据本发明的第三实施例的成像系统的配置示例的框图。
具体实施方式
现在将根据附图来详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的一些实施例，提供了能够在维持栅极绝缘膜的可靠性的同时抑制因敷霜(blooming)引起的图像质量下降的固态成像设备及其驱动方法。
利用在日本专利申请公开No.2008-199101中公开的技术，图像质量可能由于敷霜而下降。在日本专利申请公开No.2008-199101中公开的驱动固态成像设备的方法中，如在其图3中所示的，在电荷累积时段的早期，用处于大约0.5V的低电平的电压来对浮置扩散层进行重置。之后，重置晶体管在电荷累积时段的大部分时间中保持在截止状态。因此，浮置扩散层的电势可能由于来自浮置扩散层的泄露电流而降低。然后，浮置扩散层作为用于捕获从光电转换单元溢出的电荷的溢出漏极(overflow drain)的功能劣化。结果，溢出的电荷可能流到相邻像素的光电转换单元中，从而因敷霜引起的噪声分量可能叠加在像素信号上。
下面参照附图来描述根据本发明的实施例的固态成像设备及其驱动方法、以及成像系统。在下面的描述中，例示了使用n沟道MOS晶体管作为像素中所包含的晶体管的情况，但是本发明也可适用于像素中的晶体管由p沟道MOS晶体管形成的情况。在这种情况下，向MOS晶体管的源极、漏极和栅极施加的电压可以从下面描述的实施例中的电压适当地改变。
[第一实施例]
将参照图1至图3来描述根据本发明的第一实施例的固态成像设备及其驱动方法。图1是用于例示根据本实施例的固态成像设备的像素单元的配置示例的图。图2是用于例示根据本实施例的固态成像设备的重置控制电路的示例的图。图3是用于例示根据本实施例的固态成像设备的驱动方法的时序图。
首先，参照图1和图2来描述根据本实施例的固态成像设备的结构。
如图1中所示，根据本实施例的固态成像设备包括成像区域100，在成像区域100中，多个像素101被二维地布置在行方向和列方向上。在图1中，只例示了形成成像区域100的多个像素101中位于第m列和第(m+1)列以及第n行和第(n+1)行的四个像素101。在图1中，像素101(m，n)表示属于第m列第n行的像素101。类似地，像素101(m+1，n)表示属于第(m+1)列第n行的像素101。像素101(m，n+1)表示属于第m列第(n+1)行的像素101。像素101(m+1，n+1)表示属于第(m+1)列第(n+1)行的像素101。
每个像素101包括光电转换元件102、传送晶体管103、重置晶体管105、放大器晶体管106和选择晶体管107。充当光电二极管的光电转换元件102的阳极连接到接地电压线，而光电转换元件102的阴极连接到传送晶体管103的源极。传送晶体管103的漏极连接到重置晶体管105的源极和放大器晶体管106的栅极。传送晶体管103的漏极、重置晶体管105的源极和放大器晶体管106的栅极的连接节点形成浮置扩散层104。重置晶体管105和放大器晶体管106的漏极连接到电源电压线113。放大器晶体管106的源极连接到选择晶体管107的漏极。
在布置在成像区域100中的每行像素101中，形成有在行方向上延伸的传送栅极控制线108、重置栅极控制线109和行选择控制线110。在图1中，为了方便下面的描述，每个控制线的附图标记带有与成像区域100中的行号(即，(n)或(n+1))对应的后缀。传送栅极控制线108、重置栅极控制线109和行选择控制线110中的每个都是用于布置在行方向上的像素101的公共信号线。传送栅极控制线108连接到属于相应行的多个像素101的传送晶体管103的栅极。传送栅极控制线108经由缓冲器118连接到垂直扫描电路114。重置栅极控制线109连接到属于相应行的多个像素101的重置晶体管105的栅极。重置栅极控制线109经由重置控制电路115以及多个控制线116和117连接到垂直扫描电路114。行选择控制线110连接到属于相应行的多个像素101的选择晶体管107的栅极。行选择控制线110经由缓冲器119连接到垂直扫描电路114。
在布置在成像区域100中的每列像素101中，形成在列方向上延伸的垂直输出线111。在图1中，为了方便下面的描述，垂直输出线111的附图标记带有与成像区域100中的列号(即，(m)或(m+1))对应的后缀。垂直输出线111连接到布置在列方向上的像素101的选择晶体管107的源极，并且是用于这些像素101的公共信号线。恒定电流源112和列读出电路(未示出)连接到垂直输出线111。
光电转换元件102被配置为生成与入射光的量对应的信号电荷。传送晶体管103被配置为将在光电转换元件102中生成并且累积的电荷传送到浮置扩散层104。浮置扩散层104形成包括与阱之间的p-n结电容器、与传送晶体管103等的栅电极之间的绝缘膜电容器的寄生电容器，并且被配置为将经由传送晶体管103传送的电荷转换成与所传送的电荷的量对应的电压。重置晶体管105是当浮置扩散层104被设为预定电势时所使用的开关，该预定电势充当用于获得信号电压电平的基准。通常，电源电压被用作预定电势，以加宽浮置扩散层104用于信号输出的操作电压范围，由此确保足够的动态范围。注意，用于对浮置扩散层104进行重置的电源电压在本文有时称作重置电源电压。放大器晶体管106被配置为将与在浮置扩散层104中累积的电荷的量对应的信号输出到垂直输出线111。选择晶体管107被配置为选择要读出的像素101，即控制放大器晶体管106与垂直输出线111之间的连接。垂直扫描电路114是被配置为在从成像区域100中的每个像素101读出像素信号时向每个像素101的传送晶体管103、重置晶体管105和选择晶体管107提供操作每行的晶体管所需的期望控制信号的控制单元。
图2是用于例示重置控制电路115的示例的电路图。如图2中所示，重置控制电路115包括逆变器120、p沟道MOS晶体管121、122、123和124、以及n沟道MOS晶体管125和126。p沟道MOS晶体管123和n沟道MOS晶体管125形成缓冲电路的输入级的逆变器电路。另外，p沟道MOS晶体管124和n沟道MOS晶体管126形成缓冲电路的输出级的逆变器电路。逆变器120与p沟道MOS晶体管121、122形成电源切换电路，该电源切换电路被配置为切换要供应到缓冲电路的输出级的逆变器电路的处于高电平的电压。另外，重置控制电路115具有两个输入端子116和117、一个输出端子109以及被输入电压V1、V2和V3的电压供应端子V1、V2和V3。注意，输入端子116和117是与连接垂直扫描电路114和重置控制电路115的控制线116和117连接的端子，并且输入端子在本文由与控制线116和117相同的附图标记表示。类似地，输出端子109是连接到重置栅极控制线109的端子，并且在本文由与重置栅极控制线109相同的附图标记表示。
输入端子116连接到p沟道MOS晶体管123的栅极和n沟道MOS晶体管125的栅极。p沟道MOS晶体管123具有连接到电源电压线VDD的源极和连接到n沟道MOS晶体管125的漏极的漏极。n沟道MOS晶体管125的源极连接到接地电压线。由此，p沟道MOS晶体管123和n沟道MOS晶体管125形成缓冲电路的输入级的逆变器电路。
输入级的逆变器电路的输出端子连接到p沟道MOS晶体管124的栅极和n沟道MOS晶体管126的栅极，p沟道MOS晶体管124的栅极和n沟道MOS晶体管126的栅极充当缓冲电路的输出级的逆变器电路的输入端子。p沟道MOS晶体管124具有连接到p沟道MOS晶体管121和122的漏极的源极、以及连接到n沟道MOS晶体管126的漏极的漏极。n沟道MOS晶体管126的源极连接到电压供应端子V3。p沟道MOS晶体管124的漏极和n沟道MOS晶体管126的漏极的连接节点形成输出端子109。
输入端子117连接到p沟道MOS晶体管122的栅极。另外，输入端子117经由逆变器120连接到p沟道MOS晶体管121的栅极。p沟道MOS晶体管121的源极连接到电压供应端子V1。p沟道MOS晶体管122的源极连接到电压供应端子V2。
如上所述，重置控制电路115包括缓冲电路和电源切换电路，缓冲电路被配置为将原始的逻辑值输入传送到输入端子116，电源切换电路被配置为切换要供应到缓冲电路的输出级的逆变器电路的处于高电平的电压。重置控制电路115被配置为基于从垂直扫描电路114到输入端子116和输入端子117的两个输入，从输出端子109输出电压V1、电压V2和电压V3中的任何一个。
在这种情况下，电压V2是用于将重置晶体管105设为导通状态的电势。换言之，电压V2是这样的电势：利用该电势，重置晶体管105的导通电阻足够小，使得在预定时段中，重置晶体管105的源极的电势可以变得与其被供应电源电压的漏极的电势近似相同。导通电阻是例如处于导通状态的晶体管的源极与漏极之间的电阻。当关于固态成像设备的操作进行描述时，电压V2是当重置晶体管105导通以便对浮置扩散层104的电势进行重置时被供应到重置晶体管105的栅极的电压。当重置晶体管105是耗尽型MOS晶体管时，即使电压V2与重置晶体管105的漏极电压近似相同，仍可以获得类似的导通电阻。在关于电压V2的前一种情况和后一种情况这二者中，通过控制处于导通状态的重置晶体管105的电阻(或者，重置晶体管105的导通电阻)，在所有像素中浮置扩散层104被设为相同的电源电压，这意味着共模抑制比(common-mode rejection ratio)的残留分量得到抑制。
电压V3是用于使重置晶体管105变成截止状态的电势，并且同时被设为足够低的电势，使得截止状态在信号输出期间可以保持在浮置扩散层104的操作电压范围内。当关于固态成像设备的操作进行描述时，电压V3是当放大器晶体管106输出基于浮置扩散层104的电势的信号时要供应到重置晶体管105的栅极的电压。可替代地，电压V3是当传送晶体管103正在传送电荷时要供应到重置晶体管105的栅极的电压。当像素信号被读出时，如上所述的电压V3被供应到重置晶体管105的栅极，由此能够确保足够的动态范围。
电压V1是低于电压V2的电势，并且被设为高导通电阻状态，使得重置晶体管105可以在亚阈值区(subthreshold region)中操作。也就是说，电压V1、电压V2和电压V3被设为满足V3＜V1＜V2的关系。当关于固态成像设备的操作进行描述时，电压V1是当电荷在光电转换元件102中累积时(电荷累积时段)要供应到重置晶体管105的栅极的电压。现在，下面通过对MOS晶体管在亚阈值区中的特性的描述来描述将电压V1设为这种值的原因。
通常，在亚阈值区中MOS晶体管的漏极-源极电流Ids与其栅极-源极电压Vgs成对数比例。当Ids-Vgs特性被表示为半对数图时，亚阈值区中的直线的斜率被称作S因子，其有时被用作表示晶体管的特性的指标。S因子通常为大约100[mV/十]([mV/decade])。S因子的粗略值取决于晶体管的结构来确定。另外，在典型的MOS晶体管中，在亚阈值区中每单位栅极宽度的漏极-源极电流Ids在阈值电压附近为大约1×10-7[A/μm]，并且在阈值电压或更低的情况下根据S因子而减小。
现在，作为示例，假设电压V2和电源电压为5[V]并且电压V1是4[V]的情况。考虑当向重置晶体管105的栅极施加电压V2时并且当充当重置晶体管105的源极的浮置扩散层104的电势达到5[V]时，漏极-源极电流Ids是用阈值电压Vth附近的电压获得的1×10-7[A]的情况。简而言之，假设在重置晶体管105中，当满足Vgs＝0[V]≈Vth时，满足Ids＝1×10-7[A]。注意，在本文省略因基底偏压效应(体效应)引起的阈值电压的变化的影响，以便简化描述。
当重置晶体管105的栅极的电势从与电压V2对应的5[V]转变到与电压V1对应的4[V]时，栅极-源极电压Vgs的变化量ΔVgs为-1000[mV]。当S因子为100[mV/十]时，在这种状态下重置晶体管105可以获得的漏极-源极电流Ids如下表示。
假设如下情况：在这种状态下，从饱和的光电二极管中溢出的栅极泄露电流或敷霜电流流到浮置扩散层104中。当这些电流为1×10-12[A]时，1×10-12[A]的电流流过重置晶体管105，并且满足下面的表达示。
满足该表达式的栅极-漏极电压Vgs的变化量ΔVgs为-500[mV]。也就是说，当诸如栅极泄露电流或敷霜电流之类的电流流到浮置扩散层104中时，浮置扩散层104的电势下降，使得流到浮置扩散层104中的电流和重置晶体管105的漏极-源极电流Ids可以平衡，由此获得预定电压。换而言之，浮置扩散层104的电势由重置晶体管105的栅极修剪，并且浮置扩散层104的电势不会落在(栅极电压-阈值电压Vth)的值以下。在上述示例中，1×10-12[A]的电流流到当浮置扩散层104的电势为5[V]时允许1×10-17[A]的电流流过的重置晶体管105中，由此将浮置扩散层104的电势设置成4.5[V]。
如上所述，通过向重置晶体管105的栅极施加上述电压V1，浮置扩散层104的电势被设为与流到浮置扩散层104中的电流量对应的电势。另外，由于浮置扩散层104的电势变得更高，从饱和的光电二极管溢出的敷霜电流流到浮置扩散层104中的比率变得更高，因此优选的是：除了具有特别大的电流量的像素101之外，浮置扩散层104的电势保持为高。
例如，在电荷在光电转换元件102中累积的时段中，有时建立起在处于截止状态的传送晶体管103与浮置扩散层104之间施加强电场的状态。在这种情况下，在包含具有因栅极绝缘膜的制造的变化引起的比较大的栅极泄露电流的传送晶体管103的像素101中，流到浮置扩散层104中的栅极泄露电流降低浮置扩散层104的电势。结果，传送晶体管103的栅极与浮置扩散层104之间的电场得到缓和。也就是说，传送晶体管103的栅极与浮置扩散层104之间的电场基于栅极泄露电流的量级可以以自调整的方式来缓和，由此能够有助于提高栅极绝缘膜在电场下的耐久可靠性。浮置扩散层104具有保持为高的电势，并且因此起到也针对敷霜现象的溢出漏极的功能，在所述敷霜现象中，从已经达到饱和电荷量的光电二极管中溢出的电荷作为错误信号被泄露到其他像素101。因此，也可以抑制因敷霜引起的图像质量劣化。注意，在放大器晶体管106在传送晶体管103导通的时段中不输出信号的驱动方法的情况下，在传送晶体管103导通的时段的至少部分中向重置晶体管105的栅极施加上述电压V3。在该情况下，在累积时段中向重置晶体管105的栅极施加电压V1，由此能够获得抑制因敷霜引起的图像质量劣化的效果。
注意，当向重置晶体管105的栅极施加上述电压V3时，重置晶体管105变为完全处于截止状态，因此栅极泄露电流或敷霜电流流到浮置扩散层104中，以持续地降低浮置扩散层104的电势。另外，当向重置晶体管105的栅极施加上述电压V2时，重置晶体管105变为完全处于导通状态，因此浮置扩散层104的电势不变化。这样，当向重置晶体管105的栅极施加电压V2或电压V3时，不能实现当向重置晶体管105的栅极施加电压V1时获得的上述效果。
接下来，参照图1至图3来描述根据本实施例的固态成像设备的驱动方法。图3是用于例示根据本实施例的固态成像设备的2行中的像素的读出操作的时序图。在图3中，从时间t1至时间t6的时段是第n行中的像素的读出时段，而从时间t6至时间t11的时段是第(n+1)行中的像素的读出时段。注意，从时间t0至时间t1的时段是第(n-1)行中的像素的读出时段的最后部分。另外，在图3中，信号PSEL(n)表示第n行中的行选择控制线110(n)的信号电平，而信号PSEL(n+1)表示第(n+1)行中的行选择控制线110(n+1)的信号电平。信号PRES(n)表示第n行中的重置栅极控制线109(n)的信号电平，而信号PRES(n+1)表示第(n+1)行中的重置栅极控制线109(n+1)的信号电平。信号PTX(n)表示第n行中的传送栅极控制线108(n)的信号电平，而信号PTX(n+1)表示第(n+1)行中的传送栅极控制线108(n+1)的信号电平。
在从时间t0至时间t1的时段中，行选择控制线110(n)和110(n+1)以及传送栅极控制线108(n)和108(n+1)由垂直扫描电路114设为低电平的电势。另外，重置栅极控制线109(n)和109(n+1)由垂直扫描电路114经由重置控制电路115设为电压V1的电势。
接下来，在时间t1，垂直扫描电路114将行选择控制线110(n)的信号PSEL(n)从低电平的电势改变为高电平的电势，由此使第n行中的像素101的选择晶体管107变为导通状态。由此，第n行中的像素101变为被选择的状态。
同时，在时间t1，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)从电压V1的电势变成电压V2的电势，由此使第n行中的像素101的重置晶体管105变为导通状态。由此，正被供应到重置晶体管105的漏极的电源电压(重置电源电压)被供应到浮置扩散层104。
接下来，在时间t2，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)从电压V2的电势改变为电压V3的电势，由此使第n行中的像素101的重置晶体管105变成截止状态。由此，浮置扩散层104与电源分离，并且因此完成浮置扩散层104的重置操作。
接下来，在从时间t2至时间t3的时段中，处于与浮置扩散层104的重置电势对应的电平的像素信号(在下文称作“N信号”)被读出。在从时间t2至时间t3的时段中，选择晶体管107处于导通状态，因此放大器晶体管106的源极经由选择晶体管107连接到垂直输出线111。也就是说，放大器晶体管106具有经由垂直输出线111和选择晶体管107被供应来自恒定电流源112的偏置电流的源极，并且形成源极跟随器电路。由此，处于与浮置扩散层104的重置电压对应的电平的信号(N信号)由放大器晶体管106放大，并且经放大的信号经由选择晶体管107输出到垂直输出线111。输出到垂直输出线111的N信号经由连接到垂直输出线111的列读出电路(未示出)被读出。
接下来，在从时间t3至时间t4的时段中，垂直扫描电路114将传送栅极控制线108(n)的信号PTX(n)从低电平的电势变成高电平的电势，由此使第n行中的像素101的传送晶体管103变为导通状态。由此，光电转换元件102和浮置扩散层104经由传送晶体管103相互连接，并且在光电转换元件102中累积的信号电荷经由传送晶体管103传送到浮置扩散层104。当传送栅极控制线108(n)的信号PTX(n)在时间t4被改变为低电平的电势时，浮置扩散层104与光电转换元件102分离，并且因此完成将信号电荷传送到浮置扩散层104的操作。通过将信号电荷传送到浮置扩散层104，在浮置扩散层104中电压取决于浮置扩散层104的电容和被传送的信号电荷量而改变。注意，在时间t4及之后，在光电转换元件102中开始下一个帧的信号电荷累积时段。
接下来，在从时间t4至时间t5的时段中，处于与信号电荷已传送到的浮置扩散层104的电势对应的电平的像素信号(在下文称作“S信号”)被读出。在从时间t4至时间t5的时段中，选择晶体管107处于导通状态，因此放大器晶体管106的源极经由选择晶体管107连接到垂直输出线111。也就是说，放大器晶体管106具有经由垂直输出线111和选择晶体管107被供应来自恒定电流源112的偏置电流的源极，并且形成源极跟随器电路。由此，处于与信号电荷已传送到的浮置扩散层104的电势对应的电平的信号(S信号)由放大器晶体管106放大，并且经放大的信号经由选择晶体管107输出到垂直输出线111。输出到垂直输出线111的S信号经由连接到垂直输出线111的列读出电路(未示出)被读出。
接下来，在从时间t5至时间t6的时段中，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)从电压V3改变为电压V2，由此使第n行中的像素101的重置晶体管105变为导通状态。由此，正被供应到重置晶体管105的漏极的电源电压被供应到浮置扩散层104。
接下来，在时间t6，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)从电压V2变为电压V1。由此，浮置扩散层104可以具有保持在与流到其中的电流量对应的值的电势，因此可以防止因敷霜引起的图像质量劣化。另外，浮置扩散层104起作用，使得传送晶体管103的栅极与浮置扩散层104之间的电场可以被缓和，由此能够抑制栅极绝缘膜的劣化。
另外，同时，在时间t6，垂直扫描电路114将行选择控制线110(n)的信号PSEL(n)从高电平的电势变为低电平的电势，由此使第n行中的像素101的选择晶体管107变为截止状态。由此，第n行中的像素101变为未被选择的状态，并且第n行的读出操作结束。
另外，同时，在时间t6，垂直扫描电路114将行选择控制线110(n+1)的信号PSEL(n+1)从低电平的电势变成高电平的电势，由此使第n+1行中的像素101的选择晶体管107变为导通状态。由此，第n+1行中的像素101变为被选择的状态。
此后，在从时间t6至时间t11的时段中，与在从时间t1至时间t6的时段中第n行中的像素101的读出操作类似地，执行第(n+1)行中的像素101的读出操作。同样对于第(n+2)行或之后的行中的像素101，以类似的过程顺序地执行读出操作。
如上所述，在根据本实施例的固态成像设备的驱动方法中，在除了执行读出操作的时段之外的信号电荷累积时段中，重置晶体管105的栅极的电势被设为电压V1。例如，在图3的第n行的情况下，在信号电荷累积时段中，重置晶体管105的栅极的电势在时间t1之前的时段以及从时间t6及之后的时段中被设为电压V1。因此，可以缩短在传送晶体管103的栅极与浮置扩散层104之间施加强电场的时段。
注意，当在N信号的读出时段中出现在浮置扩散层104中的电压由Vfd1表示，并且在S信号的读出时段中出现在浮置扩散层104中的电压由Vfd2表示时，它们之间的电压差(Vfd1-Vfd2)可以如下表示。在该情况下，传送到浮置扩散层104的信号电荷量由Q表示，并且浮置扩散层104的电容由Cfd表示。
Vfd1-Vfd2＝Q/Cfd
也就是说，当要获得与浮置扩散层104的电势对应的放大器晶体管106的输出时，可以通过对具有基于Vfd1的电压的信号和具有基于Vfd2的电压的信号进行采样并且提取它们之间的差值，来获得准确的信号电荷。特别地，当使用能够将所生成的所有信号电荷都传送到浮置扩散层104的光电转换元件102(诸如全耗尽光电二极管)时，在传送晶体管103的栅极关断时不出现kTC噪声。因此，可以获得优质的信号电荷。
如上所述，根据本实施例，可以实现能够在抑制因敷霜引起的图像质量劣化的同时维持对于栅电极附近的电场的耐久可靠性的固态成像设备。
[第二实施例]
将参照图4和图5来描述根据本发明的第二实施例的固态成像设备及其驱动方法。与在图1至图3中例示的根据第一实施例的固态成像设备及其驱动方法中的组件相似的要素由相同的附图标记表示，并且省略或简化其描述。
图4是用于例示根据本实施例的固态成像设备的重置控制电路的示例的图。图5是用于例示根据本实施例的固态成像设备的驱动方法的时序图。
首先，参照图4来描述根据本实施例的固态成像设备的结构。
除了重置控制电路115具有不同的结构之外，根据本实施例的固态成像设备与根据第一实施例的固态成像设备相似。除了第一实施例的重置控制电路115的部件，本实施例的重置控制电路115还包括电源切换电路，该电源切换电路被配置为切换要向缓冲电路的输出级的逆变器电路供应的低电平的电压。也就是说，如图4中所示，除了该电源切换电路连接到n沟道MOS晶体管126的源极而非电压供应端子V3之外，本实施例的重置控制电路115与第一实施例的重置控制电路115相似。
被配置为切换要向缓冲电路的输出级的逆变器电路供应的低电平的电压的电源切换电路包括逆变器127、n沟道MOS晶体管128和129、输入端子130以及电压供应端子V4和V5。预定控制信号从垂直扫描电路114输出到输入端子130。输入端子130连接到n沟道MOS晶体管129的栅极。另外，输入端子130经由逆变器127连接到n沟道MOS晶体管128的栅极。n沟道MOS晶体管128和129的漏极连接到n沟道MOS晶体管126的源极。n沟道MOS晶体管128的源极连接到电压供应端子V4。n沟道MOS晶体管129的源极连接到电压供应端子V5。
如上所述，本实施例的重置控制电路115还包括电源切换电路，该电源切换电路被配置为切换要向缓冲电路的输出级的逆变器电路供应的低电平的电压。由此，重置控制电路115基于从垂直扫描电路114到输入端子116、输入端子117和输入端子130的三个输入，从输出端子109输出电压V1、电压V2、电压V4和电压V5中的任何一个。电压V1、电压V2、电压V4和电压V5具有V5＜V4＜V1＜V2的关系。
接下来，参照图5来描述根据本实施例的固态成像设备的驱动方法。
在根据本实施例的固态成像设备的驱动方法中，在与第n行中的像素101的N信号的读出时段对应的从时间t2至时间t3的时段中，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)设为电压V4。另外，在包括S信号的读出时段的从时间t3至时间t5的时段中，垂直扫描电路114用重置控制电路115将重置栅极控制线109(n)设为电压V5。对于其他行中的像素同样成立。例如，在与第(n+1)行中的像素101的读出时段对应的从时间t7至时间t10的时段中，执行相同的控制。在其他时段中执行的控制与在根据第一实施例的固态成像设备的驱动方法中的相同。
电压V4等于或者低于在电荷累积时段中所施加的电压V1，并且被设为在N信号的读出时段中向重置晶体管105的栅极施加的电压。由此，当诸如日光之类的强光进入浮置扩散层104时，因在形成浮置扩散层104的p-n结处产生通过光电转换的光电流而引起的电势下降可以得到抑制。这具有抑制诸如由于以具有大强度的光生成的光电流而引起的在图像上的太阳中心出现黑点之类的图像质量劣化的效果。
电压V5具有低于电压V4的电势，并且被设为在S信号的读出时段中向重置晶体管105的栅极施加的电压。电压V5被设为不影响在浮置扩散层104中从信号电荷转换的信号电压的最小必要值。这具有抑制在以下时候造成的在横向上的漏光现象(smear phenomenon)的效果：由于强光而出现等于或大于图像信号的饱和电平的电压幅度，并且电源电势和接地电势偏离，其结果是错误信号叠加在立刻读出的行上。
如上所述，根据本实施例，可以提供能够在抑制因敷霜引起的图像质量劣化的同时维持对于栅电极附近的电场的耐久可靠性的固态成像设备。另外，可以抑制因诸如日光之类的具有大强度的光的入射而引起的图像质量劣化。
[第三实施例]
将参照图6来描述根据本发明的第三实施例的成像系统。图6是用于例示根据本实施例的成像系统的配置示例的框图。
根据本实施例的成像系统500可适用于例如数字静物相机、数字摄像机、相机机头、复印机、传真机、蜂窝电话、车载相机、观测卫星等，但是不限于这些。
如图6中所示，成像系统500包括透镜单元501、透镜驱动设备502、快门503、快门驱动设备504、固态成像设备505、成像信号处理电路506和定时生成单元507。另外，成像系统500包括存储器单元508、总体控制/运算单元509、存储介质控制I/F单元510和外部I/F单元512。
固态成像设备505是根据上面描述的第一或第二实施例的固态成像设备。透镜单元501是被配置为在固态成像设备505上形成被摄体的光学图像的光学系统。透镜驱动设备502被配置为执行透镜单元501的变焦控制、聚焦控制和光阑控制。快门503是机械快门并且由快门驱动设备504控制。由透镜单元501形成的被摄体图像由固态成像设备505获得作为图像信号。成像信号处理单元506被配置为对从固态成像设备505输出的图像信号执行各种校正，并且对图像信号的数据进行压缩。定时生成单元507被配置为向固态成像设备505和成像信号处理单元506输出各种定时信号。总体控制/操作单元509是被配置为执行各种运算并且控制整个成像系统505的控制电路。存储器单元508被配置为临时存储从成像信号处理电路506输出的图像数据。存储介质控制I/F单元510是被配置为将图像数据存储在存储介质511中或者从存储介质511读出图像数据的接口。存储介质511被配置为存储或者读出图像数据，并且是例如可移除的半导体存储器。外部I/F单元512是被配置为与外部计算机等通信的接口单元。
接下来，描述根据本实施例的成像系统的操作。
当接通成像系统的主电源时，控制系统通电，并且诸如成像信号处理电路506之类的成像系统电路也通电。
接下来，当按压释放按钮(未示出)时，基于从固态成像设备505输出的数据来执行距离测量计算，并且由总体控制/运算单元509基于距离测量的结果来计算到被摄体的距离。之后，透镜单元501由透镜驱动设备502驱动并且确定透镜单元501是否焦点对准。当确定透镜单元501焦点未对准时，再次驱动透镜单元501并且执行距离测量。可以使用从专用于距离测量的设备(未示出)输出的数据而非从固态成像设备505输出的数据来执行距离测量计算。
然后，在确认透镜单元501焦点对准之后，开始拍摄操作。当拍摄操作结束时，从固态成像设备505输出的图像信号经历由成像信号处理电路506进行的图像处理，并且由总体控制/运算单元509写入存储器单元508中。在成像信号处理电路506中，执行用于其的排序处理和加法处理、以及选择处理。在存储器单元508中累积的数据通过总体控制/运算单元509的控制经由存储介质控制I/F单元510记录在存储介质511中。已经历由成像信号处理电路506进行的图像处理的图像信号可以直接经由外部I/F单元512输入到计算机等中，以经历图像编辑。
应用了根据第一或第二实施例的固态成像设备的成像系统以此方式形成，由此能够实现能获得高质量图像的高度可靠的成像系统，其中因敷霜等引起的图像质量劣化得到抑制。
[修改实施例]
本发明不限于上述实施例并且可以对其进行各种修改。
例如，在上面描述的第一实施例中，电压V1、电压V2和电压V3之间的量值关系是V3＜V1＜V2。然而，当重置晶体管105由n沟道MOS晶体管形成时，满足该量值关系。当重置晶体管105由p沟道MOS晶体管形成时，那些电压的量值关系是V3＞V1＞V2。上面的描述可以概括如下：电压V1是介于电压V2和电压V3之间的电压。
另外，在上面描述的第二实施例中，当电压V3包括电压V4和电压V5时，电压V4与电压V5之间的量值关系是V5＜V4。然而，当重置晶体管105由n沟道MOS晶体管形成时，满足该量值关系。当重置晶体管105由p沟道MOS晶体管形成时，那些电压的量值关系是V5＞V4。上面的描述可以概括如下：电压V4是介于电压V1和电压V5之间的电压。
另外，在上述实施例中，向传送晶体管103的栅极施加的电压的电平包括低电平和高电平，但是低电平的电势可以被设为低于接地电势，以减少在电荷累积时段中流到光电转换元件102中的暗电流。当在该情况下向传送晶体管103的栅极施加的电压是电压V6时，电压V6与其他电压之间的量值关系是V6＜V3＜V1。当传送晶体管103由P沟道MOS晶体管形成时，那些电压的量值关系是V6＞V3＞V1。上面的描述可以概括如下：电压V3是介于电压V6和电压V1之间的电压。
另外，图1中所示的像素101的电路配置是示例，并且可适用于本发明的固态成像设备的像素电路不限于此。另外，重置控制电路115的电路配置不限于图2和图4中所示的电路配置，只要可以实现期望的电压切换功能即可。
另外，根据第三实施例的成像系统是可应用本发明的固态成像设备的成像系统的示例，并且可应用本发明的固态成像设备的成像系统不限于图6中所示的配置。
另外，为了描述的方便，例示了在上述实施例中描述的电压和电流的具体示例。电压和电流的值不限于具体的示例，并且应当取决于晶体管的特性等来适当地设置。
本发明的实施例也可以由读出并且执行记录在存储介质(也可以更完整地称作“非临时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机来实现，以及由系统或装置的计算机通过例如从存储介质中读出并且执行计算机可读指令以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或控制一个或多个电路以执行上述实施例的一个或多个实施例的功能而执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))并且可以包括用于读出并执行计算机可读指令的单独计算机或单独处理器的网络。计算机可读指令可以例如从网络或者存储介质提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储器、光学盘(诸如光盘(CD)、数字多功能光盘(DVD)、或蓝光盘(BD)TM)、闪存设备、存储卡等。
其他实施例
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不局限于所公开的示例性实施例。所附权利要求书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的结构和功能。

Claims (23)

1.一种固态成像设备，包括像素和控制单元，
像素包括：
光电转换元件；
浮置扩散层；
传送晶体管，被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层；
重置晶体管，被配置为重置浮置扩散层的电势；以及
放大器晶体管，被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号；并且
控制单元被配置为：
当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压，并且第一电压是使重置晶体管在亚阈值区中操作的电压；
随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；并且
随后当放大器晶体管输出基于浮置扩散层的电势的信号时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
第二电压是用于控制重置晶体管使得重置晶体管具有第一导通电阻的电压，并且
第一电压是用于控制重置晶体管使得重置晶体管具有高于第一导通电阻的第二导通电阻的电压。
3.根据权利要求2所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管被控制为具有第一导通电阻，使得浮置扩散层被重置以具有与连接到重置晶体管的漏极的电源的电压相同的电势。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管是耗尽型晶体管，并且
第二电压是与用于重置浮置扩散层的重置电源电压相同的电压。
5.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
第三电压包括第五电压和第四电压，第四电压介于第一电压和第五电压之间，并且
控制单元进一步被配置为：
当放大器晶体管输出N信号时，向重置晶体管的栅极供应第四电压；以及
当放大器晶体管输出S信号时，向重置晶体管的栅极供应第五电压。
6.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管被配置为当第三电压被供应到所述栅极时变为截止状态。
7.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
控制单元进一步被配置为当传送晶体管被设为截止状态时，向传送晶体管的栅极供应第六电压，并且
第三电压是介于第一电压和第六电压之间的电压。
8.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
像素还包括被配置为选择像素的选择晶体管。
9.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，
控制单元包括：
缓冲电路；以及
切换电路，被配置为选择性地向缓冲电路供应第一电压和第二电压。
10.根据权利要求9所述的固态成像设备，其中，
缓冲电路包括逆变器电路，逆变器电路包括n沟道晶体管和p沟道晶体管，
切换电路包括被配置为互斥地操作的两个开关，并且
缓冲电路经由所述两个开关中的一个开关连接到被配置为供应第一电压的第一电压供应端子，并且经由所述两个开关中的另一个开关连接到被配置为供应第二电压的第二电压供应端子。
11.一种固态成像设备，包括像素和控制单元，
像素包括：
光电转换元件；
浮置扩散层；
传送晶体管，被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层；
重置晶体管，被配置为重置浮置扩散层的电势；以及
放大器晶体管，被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号；并且
控制单元被配置为：
当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压，并且第一电压是使重置晶体管在亚阈值区中操作的电压；
随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及
随后当传送晶体管正在传送电荷时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
12.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
第二电压是用于控制重置晶体管使得重置晶体管具有第一导通电阻的电压，并且
第一电压是用于控制重置晶体管使得重置晶体管具有高于第一导通电阻的第二导通电阻的电压。
13.根据权利要求12所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管被控制为具有第一导通电阻，使得浮置扩散层被重置以具有与连接到重置晶体管的漏极的电源的电压相同的电势。
14.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管是耗尽型晶体管，并且
第二电压是与用于重置浮置扩散层的重置电源电压相同的电压。
15.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
第三电压包括第五电压和第四电压，第四电压介于第一电压和第五电压之间，并且
控制单元进一步被配置为：
当放大器晶体管输出N信号时，向重置晶体管的栅极供应第四电压；以及
当放大器晶体管输出S信号时，向重置晶体管的栅极供应第五电压。
16.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
重置晶体管被配置为当第三电压被供应到所述栅极时变为截止状态。
17.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
控制单元进一步被配置为当传送晶体管被设为截止状态时，向传送晶体管的栅极供应第六电压，并且
第三电压是介于第一电压和第六电压之间的电压。
18.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
像素还包括被配置为选择像素的选择晶体管。
19.根据权利要求11所述的固态成像设备，其中，
控制单元包括：
缓冲电路；以及
切换电路，被配置为选择性地向缓冲电路供应第一电压和第二电压。
20.根据权利要求19所述的固态成像设备，其中，
缓冲电路包括逆变器电路，逆变器电路包括n沟道晶体管和p沟道晶体管，
切换电路包括被配置为互斥地操作的两个开关，并且
缓冲电路经由所述两个开关中的一个开关连接到被配置为供应第一电压的第一电压供应端子，并且经由所述两个开关中的另一个开关连接到被配置为供应第二电压的第二电压供应端子。
21.一种驱动固态成像设备的方法，固态成像设备包括像素，
像素包括：
光电转换元件；
浮置扩散层；
传送晶体管，被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层；
重置晶体管，被配置为重置浮置扩散层的电势；以及
放大器晶体管，被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号，所述方法包括：
当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压，并且第一电压是使重置晶体管在亚阈值区中操作的电压；
随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及
随后当放大器晶体管输出基于浮置扩散层的电势的信号时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
22.一种驱动固态成像设备的方法，固态成像设备包括像素，
像素包括：
光电转换元件；
浮置扩散层；
传送晶体管，被配置为将在光电转换元件中生成的电荷传送到浮置扩散层；
重置晶体管，被配置为重置浮置扩散层的电势；以及
放大器晶体管，被配置为输出基于浮置扩散层的电势的信号，所述方法包括：
当电荷在光电转换元件中累积时，向重置晶体管的栅极供应第一电压，第一电压是介于第二电压和第三电压之间的电压，并且第一电压是使重置晶体管在亚阈值区中操作的电压；
随后当重置晶体管导通以便重置浮置扩散层的电势时，向重置晶体管的栅极供应第二电压；以及
随后当传送晶体管正在传送电荷时，向重置晶体管的栅极供应第三电压。
23.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至20中的任何一项所述的固态成像设备；以及
光学系统，被配置为在固态成像设备上形成被摄体的光学图像。
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