CN110875337B - 光电转换设备、摄像系统、移动体以及可堆叠半导体设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供光电转换设备、摄像系统、移动体以及可堆叠半导体设备。单位电路包括：光电转换元件；输出晶体管，其包括输入节点并被构造为输出基于来自光电转换元件的电荷的信号；复位晶体管；以及第一晶体管，其连接到输入节点并被构造为改变输入节点的电容。向第一晶体管的栅电极提供的第一控制信号至少具有三种类型的电压。

Description

光电转换设备、摄像系统、移动体以及可堆叠半导体设备

技术领域

实施例的一个公开方面涉及光电转换设备、摄像系统、移动体以及可堆叠半导体基板。

背景技术

日本特开2010-124418号公报公开了一种摄像设备，其被构造为包括附加电容晶体管以扩展动态范围，该附加电容晶体管的一端连接到浮置扩散(FD)部分，另一端连接到复位晶体管。

发明内容

根据实施例的一方面，一种光电转换设备包括多个单位电路，所述多个单位电路中的各个包括：光电转换元件、输出晶体管、复位晶体管和第一晶体管。输出晶体管包括输入节点并被构造为输出基于在光电转换元件中出现的电荷的信号。复位晶体管被构造为将输入节点的电位设置为预定电位。第一晶体管连接到输入节点并被构造为切换输入节点的电容。向第一晶体管的栅电极提供的第一控制信号至少具有第一晶体管导通的第一电压、第一晶体管截止的第二电压、以及具有在第一电压的值与第二电压的值之间的值的第三电压。

根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是用于描述根据第一示例性实施例的光电转换设备的框图。

图2是用于描述根据第一示例性实施例的像素电路的示意图。

图3A和图3B是用于描述第一示例性实施例的时序图。

图4A是用于描述第一示例性实施例的时序图。图4B是用于描述第一示例性实施例的表。

图5A是用于描述第二示例性实施例的时序图。图5B是用于描述第二示例性实施例的表。

图6A是用于描述第三示例性实施例的时序图。图6B和图6C是用于描述第三示例性实施例的示意图。

图7A和图7B是用于描述第三示例性实施例的示意图。

图8是用于描述根据第四示例性实施例的像素电路的示意图。

图9A是用于描述第四示例性实施例的时序图。图9B是用于描述第四示例性实施例的表。

图10是用于描述第五示例性实施例的电路图。

图11A和图11B是用于描述第六示例性实施例的时序图。图11C是用于描述第六示例性实施例的表。

图12A、图12B和图12C是用于描述第七示例性实施例的时序图。

图13A和图13B是用于描述第八示例性实施例的时序图。

图14是用于描述根据第九示例性实施例的光电转换设备的示意图。

图15是例示摄像系统的构造的图。

图16A和图16B是例示移动体的构造的图。

图17是例示移动体的操作流程的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图描述示例性实施例。在各示例性实施例的描述中，可以省略对与其他示例性实施例的组件类似的组件的描述。在以下描述中，除非另有说明，否则开关是N型金属氧化物半导体(MOS)晶体管。开关接通(ON)的状态是指将高电平(H电平)的控制信号输入到N型MOS晶体管并且N型MOS晶体管导通的状态。开关断开(OFF)的状态是指将低电平(L电平)的控制信号输入到N型MOS晶体管并且N型MOS晶体管未导通的状态。

可以使用P型MOS晶体管代替N型MOS晶体管。在这种情况下，针对应用可以进行适当的修改。示例包括从提供给N型MOS晶体管的电位反转到提供给P型MOS晶体管的电位(例如控制信号)。可以通过适当的修改来使用包括组合的N型MOS晶体管和P型MOS晶体管的互补MOS(CMOS)开关。虽然在示例性实施例的描述中描述了电路元件之间的连接，但是可以适当地进行修改，诸如插入其他元件(开关和缓冲器)。

图1是用于描述第一示例性实施例的光电转换设备的框图。光电转换设备包括检测光并输出信号的单位电路。根据本示例性实施例的光电转换设备是能够摄像的光电转换设备，并且包括作为单位电路的像素。

图1中的像素区域100包括多个像素PIX。多个像素PIX布置在从R1到Rn的n行和从C1到Cm的m列中。在图1中，第一方向D1表示列方向，第二方向D2表示行方向。除了检测摄像信号的像素PIX之外，像素区域100还可以包括其他像素(未示出)，诸如被屏蔽的光学黑色像素、不输出信号的伪像素、以及焦点检测像素。垂直信号线101布置在各个像素列上。多个像素PIX连接到垂直信号线101。来自像素PIX的信号被输出到垂直信号线101。控制信号线102布置在各个像素行上。用于控制像素PIX中的元件的操作的控制信号被提供给控制信号线102。在图1中，针对各像素行设置控制信号线102。实际上，针对各像素行设置多个控制信号线102。垂直扫描电路单元103是用于经由控制信号线102将用于驱动像素PIX中的元件的控制信号提供给像素PIX的电路。垂直扫描电路单元103与控制信号线102连接。垂直扫描电路单元103接收来自控制电路单元104的信号，并将控制信号提供给像素行。垂直信号线101在一端被输入到列读取电路单元105。列读取电路单元105是对从像素PIX读取的像素信号应用信号处理(例如放大处理和模-数(AD)转换处理)的电路。列读取电路单元105可以包括：放大单元(其包括缓冲器和差分放大电路)、采样保持电路和AD转换电路。水平扫描电路单元106是将控制信号提供给列读取电路单元105的电路单元。基于来自水平扫描电路单元106的控制信号，由列读取电路单元105处理的像素信号被传输到输出电路单元107。输出电路单元107是用于将信号输出到光电转换设备外部的信号处理单元的电路。控制电路单元104是用于控制各种电路的电路。控制电路单元104的示例包括定时发生器。控制电路单元104提供用于控制垂直扫描电路单元103、列读取电路单元105、水平扫描电路单元106和输出电路单元107的操作和定时的控制信号。在一个实施例中，可以从光电转换设备的外部而不是从控制电路单元104提供给垂直扫描电路单元103、列读取电路单元105、水平扫描电路单元106和输出电路单元107的一些控制信号。

图2是与根据本示例性实施例的光电转换设备的像素PIX相关的示意电路图。图2例示了图1中所示的并且由信号线101表示的列C1和C2。在各列中仅例示了一个像素PIX，并且省略了其他像素PIX。列C1和C2中的类似组件由相同的附图标记表示。将省略类似组件的描述。

在图2中，像素PIX包括光电转换元件201、传输晶体管202、复位晶体管203、放大晶体管204、选择晶体管205和附加电容晶体管206。

光电转换元件201的示例是光电二极管。可以应用各种构造，例如有机材料的光电转换膜和光栅。传输晶体管202以选择性方式连接光电转换元件201和浮置扩散(FD)部分207。传输晶体管202将在光电转换元件201中出现的电荷传输到FD部分207。FD部分207是放大晶体管204的输入节点。放大晶体管204将基于FD部分207的电位的信号输出到选择晶体管205。例如，放大晶体管204的一端209连接到电源电压。放大晶体管204是以放大晶体管204的栅电极作为输入节点的源极跟随器电路的一部分。选择晶体管205以选择性方式连接放大晶体管204和垂直信号线101。选择晶体管205与来自垂直扫描电路单元103的控制信号Φ205的定时同步地将来自放大晶体管204的信号输出到垂直信号线101。

附加电容晶体管206的一端连接到FD部分207。附加电容晶体管206的另一端连接到复位晶体管203的一端。例如，复位晶体管203的另一端连接到电源电压208。换句话说，附加电容晶体管206以选择性方式连接复位晶体管203和FD部分207。可以说附加电容晶体管206和复位晶体管203串联连接到FD部分207。复位晶体管203可以将FD部分207设置(复位)到复位电位。附加电容晶体管206可以通过使自身导通和截止来切换、修改或改变FD部分207的电容。

现在将描述附加电容晶体管206。附加电容晶体管206仅需要至少在一端连接到FD部分207。如果附加电容晶体管206导通，则由附加电容晶体管206的沟道形成而产生的电容(MOS电容)被添加到FD部分207的电容。与附加电容晶体管206的另一端相关的电容(例如栅电极和另一端之间的电容、构成另一端的半导体区域的PN结电容、以及另一端和周围布线之间的电容)被进一步添加到FD部分207的电容。随着FD部分207的电容增加，由FD部分207保持的电荷增加，从而可以扩展动态范围。如果附加电容晶体管206截止，则与附加电容晶体管206相关的前述电容不被添加到FD部分207，并且FD部分207的电容不变。在这种情况下，可以增加FD部分207的电压相对于单个电荷的变化量(电荷-电压转换效率)。高电荷-电压转换效率转化为高灵敏度。因此，可以通过附加电容晶体管206切换FD部分207的电容(输入节点的电容)，即灵敏度。当附加电容晶体管206导通时要添加的电容可以通过晶体管设计以及与其他布线的布局来适当地确定。

控制信号被提供给像素PIX中的晶体管的栅电极。在图2中，控制信号Φ202被提供给传输晶体管202的栅电极。控制信号Φ203被提供给复位晶体管203的栅电极。控制信号Φ206被提供给附加电容晶体管的栅电极。控制信号Φ202、Φ203和Φ206经由控制信号线102从图1的垂直扫描电路单元103提供给各个晶体管202、203和206。在图2中，控制信号线102铺设在多个列上，并且公共控制信号被提供给布置在同一行中的多个像素PIX。

削波电路210连接到各垂直信号线101。削波电路210可以限制垂直信号线101上的信号(电位)的振幅。削波电路210包括至少一个晶体管211。晶体管211的一端连接到垂直信号线101。控制信号被提供给晶体管211的栅电极。如果垂直信号线101的电位超过预定值或降到预定值以下，则削波电路210进行操作以将垂直信号线101的电位维持在基于控制信号的电位。

恒流源212连接到垂直信号线101。恒流源212包括串联连接到各垂直信号线101的两个晶体管213和214。晶体管213的一端连接到垂直信号线101。晶体管213的另一端连接到晶体管214的一端。晶体管214的另一端接地(连接到地电位)。各列中的晶体管213的栅电极共同连接。各列中的晶体管214的栅电极共同连接。恒流源212可以具有不同的构造，例如没有晶体管213。

图3A和图3B是例示图2中像素PIX中的晶体管的控制信号的时序图。时序图的水平轴表示时间。图3A和图3B例示了图2中所示的控制信号Φ205、Φ203、Φ206和Φ202的电位的状态。控制信号Φ105表示用于将来自像素PIX的信号存储在图1的列读取电路单元105中的控制信号的电位的状态。控制信号各自具有晶体管导通的H电平电压VH和晶体管截止的L电平电压VL。电压VH和VL具有VH>VL的大小关系。图3A例示了附加电容晶体管206导通的情况。图3B例示了附加电容晶体管206截止的情况。

首先将描述图3A的情况。在时间t1，控制信号Φ205变为H电平。像素PIX的选择晶体管205导通，像素PIX进入信号输出状态(选择状态)。控制信号Φ203和Φ206处于H电平。控制信号Φ206从时间t1到时间t10保持在H电平。附加电容晶体管206导通，复位晶体管203导通。通过复位晶体管203将FD部分207和连接到FD部分207的附加电容晶体管206(FD部分207和附加电容晶体管206二者都处于导通状态)设置(复位)到预定电位。

在时间t2，控制信号Φ203变为L电平。复位晶体管203截止以完成FD部分207的复位。同时，由于控制信号Φ206维持在H电平，所以附加电容晶体管206处于导通状态。这里，可以说复位操作由控制信号Φ203控制。由于导通的附加电容晶体管206连接到FD部分207，因此与附加电容晶体管206处于截止状态时相比，FD部分207的电容增加。在时间t3到t4，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号经由垂直信号线101存储到列读取电路单元105中。这里来自像素PIX的信号是基于当FD部分207被复位时FD部分207的电位的信号(复位信号)。

在时间t5到t6，控制信号Φ202变为H电平，由此光电转换元件201的电荷被传输到FD部分207。基于传输到FD部分207的电荷的信号(检测信号)从像素PIX输出。在时间t7到t8，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号被存储到列读取电路单元105中。在时间t9，控制信号Φ203变为H电平，由此附加电容晶体管206和FD部分207被复位。在时间t10，控制信号Φ205变为L电平。这使像素PIX进入非选择状态，并完成对像素PIX的一系列读取操作。检测信号是基于光的信号。例如，在摄像的情况下，检测信号可以被称为摄像信号。

在读取操作期间，控制信号Φ206维持在H电平。包括在附加电容晶体管206的栅电极下方形成的沟道的区域的电容也被添加到FD部分207的电容。这可以增加FD部分207保持的电荷量，从而可以扩展FD部分207的动态范围。

接下来，将描述图3B的情况。控制信号Φ206具有电压VH和VL，控制信号Φ203具有电压VH和VL。在时间t1，控制信号Φ205变为H电平。像素PIX的选择晶体管205导通，像素PIX进入信号读取状态(选择状态)。控制信号Φ203和Φ206处于H电平。控制信号Φ203从时间t1到时间t10维持在H电平。附加电容晶体管206导通，复位晶体管203导通。通过复位晶体管203将FD部分207和连接到FD部分207的附加电容晶体管206(FD部分207和附加电容晶体管206二者都处于导通状态)设置(复位)到预定电位。

在时间t2，控制信号Φ206变为L电平，由此附加电容晶体管206截止。复位晶体管203和FD部分207截止，从而完成FD部分207的复位。由于控制信号Φ203维持在H电平，因此复位晶体管203保持导通。也就是说，可以说复位操作由控制信号Φ206控制。由于截止的附加电容晶体管206连接到FD部分207，所以没有电容被添加到FD部分207的电容。换句话说，与图3A中的FD部分207的电容相比，FD部分207的电容减小。

在时间t3到t4，控制信号Φ105变为H电平。由此，来自像素PIX的信号经由垂直信号线101存储到列读取电路单元105中。与图3A所示的一样，这里基于FD部分207被复位时的FD部分207的电位来输出来自像素PIX的信号(复位信号)。在时间t5到t6，控制信号Φ202变为H电平，由此光电转换元件201的电荷被传输到FD部分207。基于传输到FD部分207的电荷的信号从像素PIX输出。在时间t7到t8，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号被存储到列读取电路单元105中。在时间t9，控制信号Φ206变为H电平。附加电容晶体管206导通，FD部分207复位。在时间t10，控制信号Φ205变为L电平。这使像素PIX进入非选择状态，并完成对像素PIX的一系列读取操作。

在读取操作期间，控制信号Φ203维持在H电平，因此复位晶体管203一直导通。附加电容晶体管206在复位操作的定时导通，从而FD部分207被复位。在时间t2到t9，附加电容晶体管206截止。因此，FD部分207的电容小于图3A中的电容，并且可以以FD部分207的高电荷-电压转换效率进行读取操作。换句话说，由传输晶体管202传输的电荷引起的FD部分207的电位的变化(振幅)变大。这可以在信号电荷小时(例如在拍摄亮度低的暗被摄体的图像时)提高灵敏度。

图3B的读取操作可以在拍摄亮度低的被摄体的图像时引起以下现象。假设在摄像区域的一部分中存在高亮度的被摄体。当读取对应于高亮度被摄体的信号时，由于FD部分207的电荷-电压转换效率高，因此FD部分207可以产生意外的大的电位变化。大的电位变化可以超过FD部分207之后的信号的读取路径的操作范围。读取路径具体指的是垂直信号线101和列读取电路单元105。例如，读取对应于高亮度被摄体的信号的垂直信号线101可以经由恒流源212影响其他垂直信号线101的信号。在拍摄亮度低的被摄体的图像时，通常由列读取电路单元105放大信号。由于信号放大，因此效果(噪声)也会被放大，导致图像质量劣化。如图2所示，各列上的垂直信号线101设置有削波电路210，削波电路210用作用于限制电位变化的限幅电路。然而，削波电路210不足以获得更高质量的图像。原因在于，根据与削波电路210的距离，垂直信号线101的电阻还可以影响图像质量。

在本示例性实施例中，用于驱动附加电容晶体管206的控制信号Φ206具有至少三种类型的电压。这三种类型的电压包括：附加电容晶体管206导通的H电平电压VH、附加电容晶体管206截止的L电平电压VL、以及作为在电压VH和电压VL之间的电压的M1电平电压VM1。电压VM1是为了使附加电容晶体管206作为FD部分207的限幅电路操作而设的电压。电压VH、VL和VM1具有VH>VM1>VL的大小关系。

将参照图4A描述附加电容晶体管206作为限幅电路操作的情况。图4A是类似于图3A和图3B的时序图。除了在时间t2到t9附加电容晶体管206的操作之外，图4A与图3B相同。

在时间t1，控制信号Φ205变为H电平。像素PIX的选择晶体管205导通，像素PIX进入信号读取状态(选择状态)。控制信号Φ203和Φ206处于H电平。控制信号Φ203从时间t1到时间t10维持在H电平。附加电容晶体管206导通，复位晶体管203导通。通过复位晶体管203将FD部分207和连接到FD部分207的附加电容晶体管206(FD部分207和附加电容晶体管206二者都处于导通状态)设置(复位)到预定电位。

在时间t2，控制信号Φ206变为M1电平。由此，附加电容晶体管206截止，并且同时开始用作限幅电路。复位晶体管203和FD部分207截止，从而完成FD部分207的复位。由于控制信号Φ203维持在H电平，因此复位晶体管203保持导通。也就是说，可以说在时间t2，复位操作由控制信号Φ206控制。由于附加电容晶体管206截止，所以没有电容被添加到FD部分207的电容。严格来说，与控制信号Φ206处于L电平时相比，可能发生微小的电容变化。在信号被读取两次的时段期间，期望控制信号Φ206维持在相同的状态。

在时间t3到t4，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号经由垂直信号线101存储到列读取电路单元105中。基于当FD部分207被复位时FD部分207的电位来输出该信号(复位信号)。在时间t5到t6，控制信号Φ202变为H电平，由此光电转换元件201的电荷被传输到FD部分207。然后，从像素PIX输出基于传输到FD部分207的电荷的信号。在时间t7到t8，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号被存储到列读取电路单元105中。在时间t9，控制信号Φ206变为H电平。附加电容晶体管206导通，FD部分207复位。在时间t10，控制信号Φ205变为L电平。这使像素PIX进入非选择状态，并完成对像素PIX的一系列读取操作。

在时间t5到t6，光电转换元件201的电荷被传输到FD部分207，并且FD部分207的电压改变。与图3B的操作一样，这里FD部分207被设置为具有高电荷-电压转换效率。如果对应于高亮度被摄体的大量电荷被传输到FD部分207，则FD部分207的电压可能下降对应于电荷的量。相反，正作为限幅电路操作的附加电容晶体管206将FD部分207的电压调节到预定值(设置电压)。例如，由于来自光电转换元件201的电荷(电子)，在复位状态下为高的FD部分207的电压可以降低到附加电容晶体管206的设置电压以下。换句话说，FD部分207的电位可以大幅变化(具有大振幅)。在这种情况下，附加电容晶体管206从OFF切换到ON，并且操作以将FD部分207的电压维持在设置电压。如果当从光电转换元件201传输电荷时FD部分207的电压没有降到设置电压以下，则附加电容晶体管206不进行操作。换句话说，如果FD部分207的电压下降到或低于某个值，则附加电容晶体管206导通以将电荷放电到复位电位的供给布线。由于FD部分207的振幅受到这种操作的限制，因此可以抑制FD部分207的电压的过度下降。因此，可以获得更高质量的图像信息。

在图4A的读取操作中，控制信号Φ206和Φ203各自具有两个电压。控制信号Φ206具有电压VH和VM1，控制信号Φ203具有电压VH和VL。电压VH是附加电容晶体管206和复位晶体管203导通的电压。电压VL是复位晶体管203截止的电压。电压VM1是附加电容晶体管206截止并且可以作为限幅电路操作的电压。换句话说，两个晶体管在不同电压下截止。

图4B是总结图3A、图3B和图4A的操作的表。图4B例示了信号读取时段中控制信号Φ206和Φ203之间的关系。信号读取时段是指图3A、图3B和图4A中的时间t2与t9之间的时段，在信号读取时段中，复位操作结束并且信号存储在像素PIX外部的电路中。图4B中所示的关系仅需要特别在图3A、图3B和图4A的时间t5和t8之间得到满足，即，当电荷被传输到FD部分207并且读取基于电荷的信号时得到满足。期望在图3A、图3B和图4A的时间t2和t4之间(其中，读取复位信号)进行与时间t5和t8之间的操作相同的操作。原因在于，期望复位信号是在与尽可能读取基于电荷的信号类似的条件下的信号。

操作A对应于图3A，并且表示在FD部分207的电容增加的情况下进行信号读取操作的情况。控制信号Φ206处于电压VH，控制信号Φ203处于电压VL。操作B对应于图3B，并且表示在不增加FD部分207的电容的情况下进行信号读取操作的情况。控制信号Φ206处于电压VL。在图3B中，控制信号Φ203处于电压VH，而可以利用电压VL进行类似的操作。操作C对应于图4A，并且表示如下情况：在附加电容晶体管206截止并作为限幅电路操作、并且不增加FD部分207的电容的情况下进行信号读取操作。控制信号Φ206处于电压VM1，控制信号Φ203处于电压VH。

将描述图4B中所示的操作与信号处理之间的关系。例如，可以如下定义图4B所示的操作与列读取电路单元105中的放大单元的增益之间的关系：如果放大单元以高增益进行放大处理，则通过使用如操作C所示的控制信号Φ206和Φ203进行读取操作。如果放大单元以低增益进行放大处理，则通过使用如操作A或B所示的控制信号Φ206和Φ203来进行读取操作。利用这样的关系进行信号处理可以在不脱离读取路径的操作范围的情况下提供高质量的图像信息。

例如，可以如下定义图4B的操作与被摄体的亮度之间的关系：如果被摄体的亮度高，则通过使用如操作A所示的控制信号Φ206和Φ203来进行读取操作。如果被摄体的亮度低，则通过使用如操作B或C所示的控制信号Φ206和Φ203来进行读取操作。利用这种关系进行信号处理使得即使被摄体的亮度低也能够以高灵敏度获取信号。通过操作C，即使在后续信号处理中进行高增益放大处理，也可以获得不脱离读取路径的操作范围的高质量图像信息。

根据本示例性实施例的光电转换设备可以通过使用来自控制电路单元104(图1)的信号来切换操作A至C。例如，控制电路单元104监视被摄体的亮度，并响应于基于监视结果的信号提供切换信号。下面要描述的摄像系统的示例包括数字静态相机。可以基于数字静态相机的国际标准化组织(ISO)感光度的设置来设置增益。在这种情况下，例如，控制电路单元104可以提供与设置的ISO感光度对应的增益设置信号和用于选择操作的控制信号。可以任意进行ISO感光度的设置。可以通过如上所述反馈亮度信息来进行ISO感光度的设置。

根据控制信号Φ203和Φ206具有不同的截止(OFF)电压的本示例性实施例的构造可以抑制FD部分207的电位的过度下降。由于根据本示例性实施例的控制信号Φ206至少具有三个电压，因此可以适当地切换与FD部分207(即输入节点)相关的电容，同时抑制输入节点的电位的过度下降。

控制信号Φ206可以具有四个电平，即，还可以具有与其他三个电平不同的M2电平。M2电平具有在H电平的值和L电平的值之间的值。M2电平电压VM2满足VH>VM2>VL。例如，如果VM1<VM2，则控制信号Φ206可以根据放大单元的增益设置从M1电平切换到M2电平。附加电容晶体管206在M2电平下操作的情况的示例包括：增益高于使用M1电平的情况。

要由削波电路210限制的垂直信号线101的振幅可以被设置为大于要由附加电容晶体管206限制的输入节点的振幅。

除了第一示例性实施例的构造之外，第二示例性实施例还以如下方式构造：复位晶体管203的控制信号Φ203具有在H电平和L电平之间的M2电平。将参照图5A描述当控制信号Φ203具有M2电平时的操作。图5A是类似于图3A、图3B和图4A的时序图。除控制信号Φ203之外，图5A与图3A相同。具体地，在时间t2到t9，控制信号Φ203被设置在M2电平而不是L电平。M2电平指的是电压VM2，即，复位晶体管203截止并且可以作为FD部分207的电位的限幅电路操作的电压。通过图5A所示的操作，附加电容晶体管206导通以增加FD部分207的电容，从而抑制FD部分207的电位的过度下降。

图5B是类似于图4B的表。操作D对应于图5A，并且表示在FD部分207的电容增加的同时进行信号读取操作的情况。控制信号Φ206处于电压VH，控制信号Φ203处于电压VM2。复位晶体管203的电压VM2与电压VH和VL满足VH>VM2>VL的关系。在本示例性实施例中，图4B的操作B可以表示为图5B的操作B'。具体地，控制信号Φ203可以具有值VH、VL和VM2中的任何一个。

在第三示例性实施例中，将参照图6A至图6C描述光电转换元件201具有不同累积时段的情况。首先将描述通过组合两个图像来获得具有扩展的动态范围的图像的操作，所述两个图像包括将光电转换元件201的累积时段设置得长的一个图像和将累积时段设置得短的一个图像。图6A是示意性地例示信号累积操作和读取操作的时序图。横轴表示时间。纵轴表示像素行的位置。

如图6A所示，具有长累积时段的像素(下文中的长累积像素)的累积操作和读取操作以及具有短累积时段的像素(下文中的短累积像素)的累积操作和读取操作是在一个帧时段中进行的。标有“快门”的虚线表示累积的开始。逐个像素行依次开始累积。实线表示读取操作的开始。依次结束累积，并且逐个像素行依次进行读取操作。当读取短累积像素的信号时，列读取电路单元105以低增益放大信号。当读取长累积像素的信号时，列读取电路单元105以高增益放大信号。在本示例性实施例中，在读取短累积像素的信号时，在附加电容晶体管206导通的同时进行读取操作。换句话说，进行图4B中所示的操作A或图5B中所示的操作D。在读取长累积像素的信号时，附加电容晶体管206截止。换句话说，进行图4B中所示的操作C或图5B中所示的操作B'。通过进行这两种类型的读取操作，可以减少基于具有长累积时段的像素的信号而形成的图像的质量的劣化，以使得能够利用短累积图像进行有利的图像组合。

图6B和图6C是例示在通过图6A所示的两种类型的读取操作进行读取期间的像素区域100的概念图。图6B例示了长累积时段中的像素区域100。图6C例示了短累积时段中的像素区域100。图6B例示了在预定累积时段中累积电荷的像素PIX1(倾斜条纹图案)。如果开始图6A所示的长累积像素的读取操作，则从像素PIX1读取基于电荷的信号。图6C例示了在比预定累积时段更短的累积时段中累积电荷的像素PIX2(棋盘图案)。如果开始图6A所示的短累积像素的读取操作，则从像素PIX2读取基于电荷的信号。换句话说，像素PIX经历用于在短累积时段中读取在光电转换元件201中累积的电荷的读取操作和用于在比短累积时段更长的长累积时段中读取在光电转换元件201中累积的电荷的读取操作。在用于读取短累积像素的操作中，控制信号Φ206被设置为L或H电平。在用于读取长累积像素的操作中，控制信号Φ206被设置为L或M1电平。基于以这种方式读取的像素的信号的两个图像由光电转换设备外部的信号处理单元组合，从而可以获得扩展动态范围的图像。

虽然已经参照图6A至图6C描述了用于读取两个图像的方法，但该方法不是限制性的。例如，如图7A所示，具有长累积时段的像素PIX1的行和具有短累积时段的像素PIX2的行可以交替地布置在像素区域100中。即，长累积像素PIX1和短累积像素PIX2同时存在。如果以交叠的方式进行图6A所示的长累积时段的读取和短累积时段的读取，则在特定的时间像素区域100的一半用作长累积像素PIX1而另一半用作短累积像素PIX2。如图7B所示，累积时段的持续时间可以不必逐行改变而是按照区域701、702和703中的各个区域而改变。区域701包括长累积像素PIX1，区域702包括短累积像素PIX2，区域703包括累积时段长于长累积像素PIX1的累积时段的长累积像素PIX3。即使在这种情况下，也可以基于累积时段的持续时间和放大处理的增益来选择附加电容晶体管206和复位晶体管203的操作。例如，通过操作B或C进行对长累积像素PIX1的读取操作。通过操作A或D进行对短累积像素PIX2的读取操作。通过操作B或C进行对长累积像素PIX3的读取操作。如果通过操作C读取长累积像素PIX1和PIX3两者，则可以例如通过将长累积像素PIX1的控制信号Φ206设置为M1电平并将长累积像素PIX3的控制信号Φ206设置为M2电平，来进行适当的设置。如果如图7B中那样逐个区域地改变操作，则光电转换设备可以被构造为，例如使得不仅从图1的垂直扫描电路单元103而且从水平扫描电路单元106提供控制信号。

在本示例性实施例中，已经描述了基于累积时段的持续时间来改变操作的示例。可以适当地进行修改，例如，使用监视关于被摄体的亮度信息并且逐个区域地改变操作的方法，或者监视关于被摄体的亮度信息，确定ISO感光度并因此改变操作的方法。

在第四示例性实施例中，将参照图8描述进一步包括附加电容晶体管的情况。图8是与根据本示例性实施例的光电转换设备的像素相关的示意电路图。除了添加附加电容晶体管800之外，图8等效于图2。

在图8中，在附加电容晶体管206和复位晶体管203之间设置附加电容晶体管800。附加电容晶体管800的一端连接到附加电容晶体管206的一端。附加电容晶体管800的另一端连接到复位晶体管203的一端。附加电容晶体管800控制附加电容晶体管206和复位晶体管203之间的接通。如果附加电容晶体管206和800以及复位晶体管203导通，则电源电压208连接到FD部分207，从而复位FD部分207。

附加电容晶体管800以如下方式将电容添加到FD部分207。如果两个附加电容晶体管206和800导通，则与附加电容晶体管800相关的电容以及与附加电容晶体管206相关的电容被添加到FD部分207的电容。与附加电容晶体管800相关的电容的示例包括：附加电容晶体管800的栅电极与前述另一端之间的寄生电容、以及构成另一端的半导体区域的PN结电容。甚至可以使FD部分207的电容比当仅附加电容晶体管206导通时更大。因此可以进一步扩展动态范围。如果附加电容晶体管206截止，则与两个附加电容晶体管206和800相关的电容不被添加到FD部分207，并且FD部分207的电容不变。

提供给附加电容晶体管800的栅电极的控制信号Φ800至少具有三种类型的电压。这三种类型的电压包括：附加电容晶体管800导通的H电平电压VH、附加电容晶体管800截止的L电平电压VL、以及作为电压VH和VL之间的电压的M4电平电压VM4。电压VM4是附加电容晶体管800作为FD部分207的限幅电路操作的电压。电压VH、VL和VM4具有VH>VM4>VL的大小关系。

将参照图9A描述使用控制信号Φ800的读取操作。图9A例示了附加电容晶体管800作为电压限制电路操作的情况。图9A是类似于图4A的时序图。

在时间t1，控制信号Φ205变为H电平。像素PIX的选择晶体管205导通，像素PIX进入信号读取状态(选择状态)。控制信号Φ203、Φ206和Φ800处于H电平。两个附加电容晶体管206和800导通，并且复位晶体管203导通。通过复位晶体管203将FD部分207和连接到FD部分207且处于导通状态的附加电容晶体管206和800设置(复位)到预定电位。

在时间t2，控制信号Φ800变为M4电平。由此，附加电容晶体管800截止，并开始用作限幅电路。复位晶体管203与FD部分207被断开，从而完成FD部分207的复位。由于控制信号Φ203和Φ206维持在高电平，因此复位晶体管203和附加电容晶体管206维持其导通状态。可以说复位操作由控制信号Φ800控制。由于附加电容晶体管206导通，因此将电容添加到FD部分207。

在时间t3到t4，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号经由垂直信号线101存储到列读取电路单元105中。基于FD部分207被复位时的FD部分207的电位来输出信号(复位信号)。在时间t5到t6，控制信号Φ202变为H电平，由此光电转换元件201的电荷被传输到FD部分207。然后，从像素PIX输出基于传输到FD部分207的电荷的信号。在时间t7到t8，控制信号Φ105变为H电平，从而来自像素PIX的信号被存储到列读取电路单元105中。在时间t9，控制信号Φ800变为H电平。由此，附加电容晶体管800导通，FD部分207复位。在时间t10，控制信号Φ205变为L电平。这使像素PIX进入非选择状态，并完成对像素PIX的一系列读取操作。

如果在时间t5到t6传输大量电荷，则附加电容晶体管800以使得FD部分207的电位不会过度下降的方式操作。这种操作可以在增加FD部分207的电容(输入节点的电容)的同时提供高质量的图像信号。

图9B是如同图4B和图5B的对操作进行总结的表。图9B例示了在信号读取时段中三个控制信号Φ206、Φ800和Φ203之间的关系。信号记录时段类似于图4B的信号记录时段。因此将省略其描述。

如同操作B，操作E表示在不向FD部分207添加电容的情况下进行信号读取操作的情况。由于控制信号Φ206处于电压VL，因此不向FD部分207添加电容。控制信号Φ800和Φ203可以具有任何电压。如同操作C，操作F表示在不向FD部分207添加电容的情况下进行信号读取操作的情况。由于控制信号Φ206处于电压VM1，所以附加电容晶体管206可以作为FD部分207的限幅电路进行操作。控制信号Φ800和Φ203处于电压VH，这使得能够进行限幅电路所需的电源电压208与附加电容晶体管206之间的连接。在操作G中，如同操作A，附加电容晶体管206导通以增加FD部分207的电容。由于控制信号Φ800处于电压VL，所以不添加与附加电容晶体管800相关的电容。控制信号Φ203可以具有任何一个电压。操作H对应于图9A的操作，并且表示如下情况：在附加电容晶体管206导通的情况下进行信号读取操作以增加FD部分207的电容，同时附加电容晶体管800作为限幅电路进行操作。控制信号Φ203处于电压VH，由此连接电源电压208和附加电容晶体管800。操作I表示两个附加电容晶体管206和800导通以最大化FD部分207的电容的情况。控制信号Φ206和Φ800处于电压VH，并且控制信号Φ203处于电压VL。在操作J中，FD部分207的电容最大化，并且复位晶体管203作为FD部分207的限幅电路操作。控制信号Φ206和Φ800处于电压VH，控制信号Φ203处于电压VM3。电压VM3的值在电压VH和VL的值之间。这种操作可以增加FD部分207的电容，同时抑制FD部分207的电位下降。

在操作K中，所有控制信号Φ206、Φ800和Φ203都处于电压VH，并且光电转换元件201的电荷被释放。操作K例如用于未用于像素区域100中的图像形成的像素。未用于图像形成的像素指的是：例如没有从中读取信号的像素和从中读取信号但未使用该信号的像素。这样的像素的示例包括：出于调整信号数量的目的而在信号读取中要跳过的像素(跳过的像素)和布置在用于输出基准信号的像素周围的伪像素(例如光学黑色像素)。例如，为了仅读取图7B的区域702中的像素的信号，可以进行以下驱动。将区域701和703中的像素的控制信号Φ206、Φ800和Φ203设置为由操作K表示的状态。将控制信号Φ205设置为L电平。这种驱动可以提高读取操作的速度，因为区域701和703中的像素用于在不读取信号的情况下对过量电荷进行放电。

如上所述，在各像素PIX中包括多个附加电容晶体管的构造也可以提供高质量图像。

在第五示例性实施例中，将描述垂直扫描电路单元103的构造。图10是用于描述垂直扫描电路单元103的电路图。垂直扫描电路单元103包括扫描电路1000和缓冲电路1005。缓冲电路1005可以从扫描电路1000接收信号并切换要向控制信号线102输出的电压。缓冲电路1005包括两个反相器1001和1004以及两个晶体管1002和1003。晶体管1002的一端连接到电压VL。晶体管1003的一端连接到中间电压VM1、VM3和VM4中的任何一个。设置反相器1001以便以互补的方式将来自扫描电路1000的信号输入到两个晶体管1002和1003中。当晶体管1002导通时，晶体管1003截止并且晶体管1002输出电压VL。当晶体管1003导通时，晶体管1002截止并且晶体管1003输出电压VM1、VM3和VM4中的任何一个(下文中，称为电压VM)。反相器1004包括P型晶体管和N型晶体管。N型晶体管的一端连接到电压VH。反相器1004基于来自扫描电路1000的信号将三个电压VH、VL和VM中的任何一个输出到控制信号线102。图10中所示的控制信号线102旨在发送控制信号Φ206、Φ203和Φ800中的任何一个。提供这种缓冲电路1005使得能够提供具有至少三种类型电压的控制信号。例如，图8例示了五个控制信号线，其中至少三个控制信号线分别设置有图10的缓冲电路1005。可以通过使用这种电路来进行第一至第四示例性实施例中描述的操作。为了提供具有多于三种类型电压的控制信号，可以适当地修改该电路。用于提供具有三种或更多种类型的电压的控制信号的方法不限于本示例性实施例的电路，并且可以适当地实现。

在第六示例性实施例中，将描述在时间上与第一至第四示例性实施例中描述的操作不同的操作。根据本示例性实施例的光电转换设备类似于图1和图2中所示的光电转换设备。图11A和图11B是用于描述本示例性实施例的时序图。图11A对应于第一示例性实施例中描述的图4A。将省略与图4A的操作类似的操作的描述。图11B对应于第二示例性实施例中描述的图5A。将省略与图5A的操作类似的操作的描述。

参照图11A，首先将描述附加电容晶体管206作为限幅电路操作的情况。图11A例示了在时间t0到t12的各种控制信号。在本示例性实施例中，重复时间t0到t12的操作。在图11A中，时间t1和t10之间的控制信号与图4A中的时间t1到t10所示的控制信号相同。因此将省略其描述。换句话说，图11A的在时间t1到t10的操作与图4A的操作相同。在图11A中，如同图4A，控制信号Φ206处于M1电平，并且附加电容晶体管206在时间t2至t9作为限幅电路操作。

在图11A中，时间t6到t12和时间t0到t5是光电转换元件201的累积时段。在累积时段中，图11A的控制信号Φ206变为M1电平。在累积时段中将控制信号Φ206设置为M1电平提供以下效果。如果在累积时段期间用强光照射光电转换元件201，则FD部分207的电位可能由于从光电转换元件201溢出到FD部分207的电荷和FD部分207中出现的电荷而下降。FD部分207的电位下降改变在时间t3读取的基准信号，并且在时间t7读取的信号被读取为比正常情况下更小的信号。例如，当光电转换设备用作摄像设备时并且如果摄像设备拍摄诸如太阳的具有高亮度的被摄体的图像，则用强光照射的部分的信号电平可能下降而导致图像质量劣化，例如太阳中心变暗。相反，在本示例性实施例中，控制信号Φ206在累积时段中被设置为M1电平，从而可以抑制FD部分207的电位下降。即使在使用光电转换设备时存在诸如太阳的强光源，也可以抑制图像质量的下降。通过在累积时段的至少一部分中将控制信号Φ206设置为H和L电平之间的M1电平，可以获得这种效果。

参照图11B，将描述复位晶体管203作为限幅电路操作的情况。图11B例示了在时间t0到t12的各种控制信号。在这种情况下，重复时间t0到t12的操作。在图11B中，时间t1到t10之间的控制信号与图5A中的时间t1到t10所示的控制信号相同。因此将省略其描述。换句话说，图11B的时间t1到t10的操作与图5A的操作相同。在图11B中，如同图5A，控制信号Φ203在时间t2到t9处于M2电平。M2电平指的是电压VM2，其满足VH>VM2>VL的关系。由于控制信号Φ206处于H电平，因此复位晶体管203作为限幅电路操作。在图11B中，如同图11A，时间t6到t12和时间t0到t5是光电转换元件201的累积时段。在累积时段中，图11B的控制信号Φ203变为M2电平。由于控制信号Φ206处于H电平并且控制信号Φ203在累积时段中处于M2电平，所以可以抑制FD部分207的电位下降，如图11A所示。

图11C是总结图11A和图11B的操作的表。在时间t0到t13和时间t11到t12，控制信号Φ206和Φ203可以采用以下电压。在对应于图11A的操作C”中，控制信号Φ206处于电压VM1，并且控制信号Φ203处于电压VH。在对应于图11B的操作D”中，控制信号Φ206处于电压VH，并且控制信号Φ203处于电压VM2。在其他时间，可以适当地选择图4B和图5B中所示的操作。

在本示例性实施例中，已经描述了用于抑制在累积时段中FD部分207的电位下降的操作。在本示例性实施例中，还进行在第一至第四示例性实施例中描述的用于抑制在信号传输期间FD部分207的电位下降的操作。然而，根据本示例性实施例的操作不需要伴随第一至第四示例性实施例中描述的操作。具体地，在图11A的时间t2到t9，控制信号Φ206可以被设置为L电平。这样的操作还可以抑制FD部分207在累积时段中的电位下降，并且可以抑制图像质量的下降。

在第七示例性实施例中，将描述第四示例性实施例中描述的光电转换设备进行第六示例性实施例中描述的操作的情况。根据本示例性实施例的光电转换设备包括图8中所示的电路。图12A至图12C是用于描述本示例性实施例的时序图。

参照图12A，将描述附加电容晶体管800作为限幅电路操作的情况。图12A对应于图9A。将省略与图9A的操作类似的操作的描述。图12A例示了在时间t0到t12的各种控制信号。在本示例性实施例中，重复时间t0到t12的操作。在图12A中，时间t1到t10之间的控制信号与图9A中的时间t1到t10所示的控制信号相同。图12A的时间t1到t10的操作与图9A的操作相同。在图12A中，如同图9A，控制信号Φ800处于M1电平，并且附加电容晶体管800在时间t2至t9作为限幅电路操作。

在图12A中，与图9A不同，控制信号Φ800在时间t0到t13和时间t11到t12处于M1电平。在图12A中，时间t6到t12和时间t0到t5是光电转换元件201的累积时段。在累积时段中，图12A的控制信号Φ800变为M1电平。由于控制信号Φ800在累积时段中变为M1电平，因此可以抑制FD部分207的电位下降。

图12B是在附加电容晶体管206作为限幅电路操作的情况下的时序图。在图12B中，控制信号Φ800和Φ203维持在H电平。在时间t0到t13和时间t11到t12，控制信号Φ206变为M1电平。在时间t2到t9，控制信号Φ206变为M1电平。这样的操作可以在增加FD部分207的电容的同时抑制FD部分207的电位下降。

图12C是在复位晶体管203作为限幅电路操作的情况下的时序图。在图12C中，控制信号Φ800和Φ206维持在H电平。在时间t0到t13和时间t11到t12，控制信号Φ203变为M1电平。在时间t2到t9，控制信号Φ203变为M1电平。与图12B相比，这样的操作更加可以在增加FD部分207的电容的同时抑制FD部分207的电位下降。

在本示例性实施例中，已经描述了用于抑制在累积时段中FD部分207的电位下降的操作。在本示例性实施例中，还进行在第一至第四示例性实施例中描述的用于抑制在信号传输期间FD部分207的电位下降的操作。然而，不一定需要进行这样的操作。具体地，在图12A的时间t2到t9，控制信号Φ800可以处于L电平。在图12B的时间t2到t9，控制信号Φ206可以处于L电平。在图12C的时间t2到t9，控制信号Φ203可以处于L电平。即使这样的操作也可以抑制累积时段中FD部分207的电位下降。

在第八示例性实施例中，将描述通过与其他示例性实施例不同的定时确定光电转换元件201的累积时段的情况。图13A和图13B是用于描述本示例性实施例的时序图。图13A是对应于图11A的时序图。图13B是对应于图12A的时序图。在图13A和图13B中，提供用于开始与图11A和图12A不同的累积时段的控制信号。

在图13A的时间t14到t15，控制信号Φ202和Φ206变为H电平。在图13B的时间t14到t15，控制信号Φ202和Φ800变为H电平。在任一种情况下，光电转换元件201和FD部分207都被复位。在图13A中，在时间t15，控制信号Φ202变为L电平并且控制信号Φ206变为M1电平。在图13B中，在时间t15，控制信号Φ202变为L电平并且控制信号Φ800变为M1电平。在图13A和图13B二者中，时间t15是光电转换元件201的累积开始时间。光电转换元件201的累积时段可以通过这样的操作来确定。这些操作可以适当地与其他示例性实施例组合。例如，在图12B和图12C的情况下，光电转换元件201的累积开始时间可以通过控制控制信号Φ203或Φ206而不是控制信号Φ800来定义。

在时间t11到t14，图13A的控制信号Φ206和图13B的控制信号Φ800处于M1电平。但是，这不是限制性的。这种控制信号可以处于H电平、M1电平或L电平。

在第九示例性实施例中，将描述光电转换设备的示例。根据本示例性实施例的光电转换设备包括彼此电连接并堆叠的至少两个可堆叠半导体基板。这种光电转换设备可以称为堆叠光电转换设备。如这里所采用的，半导体基板可以称为构件或芯片。

图14是例示根据本示例性实施例的光电转换设备1100的示意图。图14是光电转换设备1100的分解透视图。半导体基板1110包括像素区域1111。另一半导体基板1120包括控制单元1121和信号处理单元1122。控制单元1121和信号处理单元1122在半导体基板1110上的正投影至少部分地与像素区域1111交叠。根据本示例性实施例的光电转换设备1100还可以包括半导体基板(该半导体基板包括另一处理电路)。可以包括三个或更多个可堆叠半导体基板。

控制单元1121可以包括用于向像素电路提供驱动信号的垂直扫描电路以及电源电路。控制单元1121可以包括用于驱动光电转换设备1100的定时发生电路、用于将基准信号提供给转换电路的基准信号提供电路、以及用于从放大电路或转换电路依次读取信号的水平扫描电路。例如，控制单元1121包括图1所示的光电转换设备的垂直扫描电路单元103、水平扫描电路单元106和控制电路单元104。

信号处理单元1122基于在像素区域1111中出现的信号电荷来处理电信号。信号处理单元1122可以包括降噪电路、放大电路、转换电路和图像信号处理电路。降噪电路的示例包括相关双采样(CDS)电路。放大电路的示例包括列放大器电路。转换电路的示例包括模数转换(ADC)电路，该ADC电路包括比较器和计数器。图像信号处理电路包括例如存储器和处理器，并且根据AD转换的数字信号生成图像数据并将图像处理应用于图像数据。例如，信号处理单元1122包括图1所示的列读取电路单元105。

在本示例性实施例中，图10所示的缓冲电路1005布置在半导体基板1120上。如果存在如下半导体基板，则可以进行第一至第五示例性实施例中描述的操作，在该半导体基板上，除了包括像素区域1111的半导体基板之外，还设置了包括用于提供控制信号的缓冲电路1005的扫描电路单元。

图15是例示根据第十示例性实施例的摄像系统1200的构造的框图。根据本示例性实施例的摄像系统1200包括光电转换设备1204。在前述示例性实施例中描述的任何一个光电转换设备可以应用于光电转换设备1204。摄像系统1200的具体示例包括数字静态相机、数字摄像机和监控相机。图15例示了作为摄像系统1200的示例的数字静态相机。

图15所示的摄像系统1200包括光电转换设备1204、透镜1202、光圈1203和挡板1201。透镜1202在光电转换设备1204上形成被摄体的光学图像。光圈1203可以改变通过透镜1202的光量。挡板1201保护透镜1202。在用于将光聚焦在光电转换设备1204上的光学系统中包括透镜1202和光圈1203。

摄像系统1200包括处理从光电转换设备1204输出的输出信号的信号处理单元1205。信号处理单元1205进行如下信号处理操作：根据需要对输入信号进行各种类型的校正和压缩，并输出所得信号。摄像系统1200还包括用于临时存储图像数据的缓冲存储器单元1206、以及用于与外部计算机通信的外部接口(I/F)单元1209。摄像系统1200还包括用于记录或读取摄像数据的记录介质1211(例如半导体存储器)、以及用于在记录介质1211上进行记录或读取的记录介质控制I/F单元1210。记录介质1211可以内置在摄像系统1200中或者可以是可拆除的记录介质。可以无线地进行从记录介质控制I/F单元1210到记录介质1211的通信和从外部I/F单元1209的通信。

摄像系统1200还包括进行各种计算并控制整个数字静态相机的整体控制和计算单元1208、以及向光电转换设备1204和信号处理单元1205输出各种定时信号的定时发生单元1207。定时信号可以从外部输入。摄像系统1200至少包括光电转换设备1204和处理从光电转换设备1204输出的输出信号的信号处理单元1205。如第九示例性实施例中所述，可以在光电转换设备1204上实现定时发生单元1207。整体控制和计算单元1208和定时发生单元1207可以被构造为进行光电转换设备1204的部分或全部控制功能。

光电转换设备1204将图像信号输出到信号处理单元1205。信号处理单元1205对从光电转换设备1204输出的图像信号应用预定的信号处理，并输出图像数据。信号处理单元1205还通过使用图像信号生成图像。信号处理单元1205和定时发生单元1207可以在光电转换器件1204上实现。换句话说，信号处理单元1205和定时发生单元1207可以布置在包括像素的基板上，或者布置在如第九示例性实施例中所述的另一基板上。通过使用根据前述示例性实施例的光电转换设备中的任何一个来构造摄像系统1200，可以构建能够获得高质量图像的摄像系统。

将参照图16A、图16B和图17描述根据第十一示例性实施例的摄像系统和移动体。图16A和图16B是例示根据本示例性实施例的摄像系统和移动体的构造示例的示意图。图17是例示根据本示例性实施例的摄像系统的操作的流程图。在本示例性实施例中，将车载相机描述为摄像系统的示例。

图16A和图16B例示了车辆系统和安装在其上的摄像系统的示例。摄像系统1301包括摄像设备1302、图像预处理单元1315、集成电路1303和光学系统1314。光学系统1314在摄像设备1302上形成被摄体的光学图像。摄像设备1302将由光学系统1314形成的被摄体的光学图像转换成电信号。摄像设备1302是根据前述任一示例性实施例的光电转换设备。图像预处理单元1315对从摄像设备1302输出的信号进行预定的信号处理。图像预处理单元1315的功能可以内置在摄像设备1302中。摄像系统1301包括至少两组，各组包括光学系统1314、摄像设备1302和图像预处理单元1315。各组中的图像预处理单元1315的输出被输入到集成电路1303。

集成电路1303是用于摄像系统应用的集成电路，并且包括图像处理单元1304(其包括存储器1305)、光学测距单元1306、视差计算单元1307、被摄体识别单元1308和异常检测单元1309。图像处理单元1304对图像预处理单元1315的输出信号进行诸如显影处理和缺陷校正的图像处理。存储器1305主要存储拍摄的图像，并存储缺陷的摄像像素的位置。光学测距单元1306进行对被摄体的聚焦和距离测量。视差计算单元1307根据由多个摄像设备1302获得的多个图像数据来计算视差信息(视差图像之间的相位差)。被摄体识别单元1308识别诸如汽车、道路、交通标志和人物的被摄体。如果异常检测单元1309检测到摄像设备1302的异常，则异常检测单元1309向主控制单元1313警告该异常。

集成电路1303可以由专用设计的硬件、由软件模块或由这些的组合来实现。现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或它们的组合可用于实现。

主控制单元1313管理和控制摄像系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320的操作。摄像系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320可以包括各通信接口，并且各自在没有主控制单元1313的情况下经由通信网络(例如，基于控制器区域网络(CAN)标准)发送和接收控制信号。

集成电路1303具有响应于来自主控制单元1313的控制信号或基于其自身的控制单元将控制信号和设置值发送到摄像设备1302的功能。

摄像系统1301连接到车辆传感器1310，并且可以检测自身车辆的运行状态(包括车辆速度、偏航率和转向角度)、自身车辆外部环境以及其他车辆和障碍物的状态。车辆传感器1310还用作距离信息获取单元，用于从视差图像获得到被摄体的距离信息。摄像系统1301还连接到驾驶辅助控制单元1311，驾驶辅助控制单元1311提供各种驾驶辅助，例如自动转向、自动巡航和防撞功能。具体地，作为碰撞确定功能，驾驶辅助控制单元1311基于摄像系统1301和车辆传感器1310的检测结果估计并确定是否存在与其他车辆或障碍物的碰撞。如果估计到碰撞，则启动避免控制和碰撞安全设备。

摄像系统1301还连接到警报设备1312，警报设备1312基于碰撞确定单元的确定结果向驾驶员发出警报。例如，如果碰撞确定单元的确定结果显示出高碰撞可能性，则主控制单元1313进行车辆控制，以通过制动避免碰撞或减少损坏、释放加速器和/或抑制引擎输出。警报设备1312通过发出声音警报、在汽车导航系统或仪表板的显示单元画面上显示警报信息和/或振动安全带或方向盘，来警告用户。

在本示例性实施例中，摄像系统1301拍摄车辆周围(例如车辆前方或后方)的图像。图16B例示了在摄像系统1301拍摄车辆前方的图像的情况下摄像系统1301的布置示例。

两个摄像设备1302布置在车辆1300的前部。具体地，以车辆1300的前后方向上的中心线或者相对于车辆1300的外形(例如，车辆宽度)的中心线作为对称轴，来对称地布置两个摄像设备1302。这种布置在获得车辆1300与待摄像被摄体之间的距离信息以及确定碰撞的可能性的过程中是期望的。摄像设备1302可以被布置成，不干扰从驾驶员座位观察车辆1300外部的状况的驾驶员的视野。警报设备1321可以被布置成，可能进入驾驶员的视野。

接下来，将参照图17描述摄像系统1301中的各摄像设备1302的故障检测操作。基于图17所示的步骤S1410至S1480进行摄像设备1302的故障检测操作。

在步骤S1410中，进行摄像设备1302启动时的设置。具体地，从摄像系统1301的外部(例如，主控制单元1313)或从摄像系统1301的内部发送摄像设备1302的操作设置。摄像设备1302开始摄像操作和故障检测操作。

在步骤S1420中，从扫描行中的有效像素获得像素信号。在步骤S1430中，获得在扫描行中为故障检测目的而提供的故障检测像素的输出值。如同有效像素，故障检测像素包括光电转换单元。将预定电压写入光电转换单元。故障检测像素输出与写入光电转换单元的电压对应的信号。可以颠倒步骤S1420和S1430。

在步骤S1440中，进行故障检测像素的预期输出值和故障检测像素的实际输出值是否一致的确定。如果确定预期输出值和实际输出值一致(步骤S1440中的“是”)，则处理进入步骤S1450。在步骤S1450中，确定正常进行摄像操作。处理进入步骤S1460。在步骤S1460中，摄像设备1302将扫描行的像素信号发送到用于主存储的存储器1305。然后处理返回到步骤S1420。在步骤S1420中，对下一行继续故障检测操作。如果在步骤S1440中确定预期输出值和实际输出值不一致(步骤S1440中的“否”)，则处理进入步骤S1470。在步骤S1470中，确定摄像操作具有异常，并向主控制单元1313或警报设备1312发出警告。警报设备1312在显示单元上显示检测到异常。在步骤S1480中，停止摄像设备1302的操作，并且结束摄像系统1301的操作。

在本示例性实施例中，流程图被描述为逐行循环。然而，流程图可以以多行为单位循环。可以逐帧进行故障检测操作。可以经由无线网络向车辆1300外部发出步骤S1470的警告。

在本示例性实施例中，已经描述了用于避免与其他车辆碰撞的控制。然而，摄像系统1301还可应用于诸如进行自动驾驶以跟随其他车辆和进行自动驾驶以不离开车道的控制。摄像系统1301不限于诸如汽车的车辆，并且可以应用于诸如船舶、飞机和工业机器人的移动体(移动装置)。摄像系统1301甚至不限于移动体，并且可以广泛应用于使用被摄体识别的装置。示例包括智能交通系统(ITS)。

示例性实施例已经处理了如下状况：如果强光入射在部件上，则像素区域的特定部分中的像素的FD部分207的电位过度下降。FD部分207的电位的过度下降可能导致图像质量的劣化。例如，如果FD部分207的电位过度下降，则来自像素的电位输出可能偏离垂直信号线101的操作电压范围。例如，如果FD部分207的电位过度下降，则从像素输出的基准电位也可能变化。根据示例性实施例的构造，可以抑制FD部分207的电位的过度下降。因此，可以在扩展动态范围的同时抑制图像质量的劣化。

根据示例性实施例的光电转换设备可以被构造为还包括滤色器和/或微透镜，并且可以被构造为能够获得诸如距离信息的各种类型的信息。例如，光电转换设备可以包括用于各输入节点的多个光电转换元件201。可以为多个光电转换元件201提供公共微透镜。虽然放大晶体管204构成源极跟随器电路的一部分，但是放大晶体管204可以构成AD转换器的一部分。具体地，放大晶体管204可以构成AD转换器中包括的比较器的一部分。可以在其他半导体基板上提供比较器的部分构造。

单位电路可以以这样的方式构造：光电转换元件201在没有传输晶体管202的情况下直接连接到输入节点。可以进一步提供诸如溢出漏极的电荷放电单元。

在示例性实施例中，所有晶体管被描述为具有H电平电压VH和L电平电压VL。然而，晶体管的控制信号可以具有各自不同值的电压VH和VL。换句话说，可以自由地设置晶体管导通和截止的控制信号的电压VH和VL。

本公开不限于前述示例性实施例，并且可以对其进行各种修改。例如，可以将任何一个示例性实施例的构造的一部分添加到另一示例性实施例。可以用另一示例性实施例的构造的一部分替换任何一个示例性实施例的构造的一部分。这些示例也构成本公开的示例性实施例。所有前述示例性实施例仅是用于执行本公开的实施例的示例，并且本公开的技术范围不应被解释为限于这些示例。在不脱离本公开的技术概念或主要特征的情况下，可以以各种模式执行本公开。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (22)

1.一种光电转换设备，其包括多个像素，所述多个像素中的各个包括：

光电转换元件；

输出晶体管，其包括输入节点并被构造为输出基于光电转换元件的电荷的信号；

复位晶体管，其被构造为将输入节点的电位设置为复位电位；以及

第一晶体管，其连接到输入节点并被构造为改变输入节点的电容，

其中，向第一晶体管的栅电极提供的第一控制信号至少具有第一晶体管导通的第一电压、第一晶体管截止的第二电压、以及具有第一电压的值与第二电压的值之间的值的第三电压，所述第三电压使第一晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值。

2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，第一晶体管连接在输入节点与复位晶体管之间。

3.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：

传输晶体管，其被构造为向输入节点传输光电转换元件的电荷。

4.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备进行第一操作、第二操作和第三操作中的至少一者，

在第一操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，并且输入节点具有第一电容，

在第二操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第二电压，并且输入节点具有比第一电容更小的第二电容，并且

在第三操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第三电压，并且第一晶体管限制输入节点的电位的变化。

5.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，第一控制信号具有第四电压，第四电压的值在第三电压的值与第一电压的值之间。

6.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：

放大单元，其被构造为放大从多个像素中的各个输出的信号，

其中，在读取光电转换元件的电荷时，在第一控制信号处于第二电压的情况下的放大单元的增益不同于在第一控制信号处于第三电压的情况下的放大单元的增益。

7.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：

信号线，多个像素中的各个的信号输出到该信号线；以及

削波电路，其被构造为限制信号线上的信号的振幅，所述削波电路包括连接到信号线的一端的晶体管，

其中，要通过削波电路限制的信号线上的信号的振幅大于要通过第一晶体管限制的输入节点的信号的振幅。

8.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，向复位晶体管的栅电极提供的第二控制信号至少具有复位晶体管导通的第五电压、复位晶体管截止的第六电压、以及具有在第五电压的值与第六电压的值之间的值的第七电压。

9.根据权利要求8所述的光电转换设备，所述光电转换设备还进行第四操作，在第四操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，并且第二控制信号处于第七电压。

10.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：

第二晶体管，其被构造为，控制第一晶体管与复位晶体管之间的接通，并切换输入节点的电容，

其中，向第二晶体管的栅电极提供的第三控制信号至少具有第二晶体管导通的第八电压、第二晶体管截止的第九电压、以及具有在第八电压的值与第九电压的值之间的值的第十电压。

11.根据权利要求10所述的光电转换设备，所述光电转换设备选择性地进行第一操作、第二操作、第三操作、第五操作和第六操作，

在第一操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，第三控制信号处于第九电压，并且输入节点具有第一电容，

在第二操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第二电压，并且输入节点具有比第一电容更小的第二电容，

在第三操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第三电压，第三控制信号处于第八电压，并且第一晶体管限制输入节点的电位的变化，

在第五操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，第三控制信号处于第八电压，并且输入节点具有比第一电容更大的第三电容，并且

在第六操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，第三控制信号处于第十电压，并且第二晶体管限制输入节点的电位的变化。

12.根据权利要求11所述的光电转换设备，

其中，向复位晶体管的栅电极提供的第二控制信号至少具有复位晶体管导通的第五电压、复位晶体管截止的第六电压、以及具有在第五电压的值与第六电压的值之间的值的第七电压，并且

其中，所述光电转换设备进行第七操作，在第七操作中，在读取光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第一电压，第二控制信号处于第七电压，并且第三控制信号处于第八电压。

13.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备进行第八操作，在第八操作中，在累积光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第三电压，并且第一晶体管限制输入节点的电位的变化。

14.根据权利要求1所述的光电转换设备，

其中，第一控制信号具有第十一电压，第十一电压的值在第一电压的值与第三电压的值之间，并且

其中，所述光电转换设备进行第九操作，在第九操作中，在累积光电转换元件的电荷时，第一控制信号处于第十一电压，并且第一晶体管限制输入节点的电位的变化。

15.一种光电转换设备，其包括多个像素，所述多个像素中的各个包括：

光电转换元件；

输出晶体管，其包括输入节点并被构造为输出基于光电转换元件的电荷的信号；

复位晶体管，其被构造为将输入节点的电位设置为复位电位；以及

第一晶体管，其连接到输入节点并被构造为改变输入节点的电容，

其中，向复位晶体管的栅电极提供的第一控制信号至少具有复位晶体管导通的第一电压以及复位晶体管截止的第二电压，

其中，向第一晶体管的栅电极提供的第二控制信号至少具有第一晶体管导通的第三电压以及第一晶体管截止的第四电压，并且

其中，所述第二电压使复位晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值，而所述第四电压使第一晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值。

16.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，第一晶体管连接在输入节点与复位晶体管之间。

17.根据权利要求16所述的光电转换设备，其中，

第二电压是使复位晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值的第五电压，并且向复位晶体管的栅电极提供的第一控制信号还具有使复位晶体管截止并且与第五电压不同的值的第六电压。

18.根据权利要求16所述的光电转换设备，其中，

第四电压是使所述第一晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值的第七电压，并且向第一晶体管的栅电极提供的第二控制信号还具有使第一晶体管截止并且与第七电压不同的值的第八电压。

19.根据权利要求18所述的光电转换设备，其中，

第二电压是使复位晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值的第五电压，并且向复位晶体管的栅电极提供的第一控制信号还具有使复位晶体管截止并且与第五电压不同的值的第六电压。

20.一种摄像系统，其包括：

根据权利要求1至19中的任一项所述的光电转换设备；以及

信号处理单元，其被构造为处理从所述光电转换设备输出的信号。

21.一种移动体，其包括：

根据权利要求1至19中的任一项所述的光电转换设备；

距离信息获取单元，其被构造为，使用基于来自所述光电转换设备的信号的视差信息，来获得关于距被摄体的距离的距离信息；以及

控制单元，其被构造为基于所述距离信息控制所述移动体。

22.一种可堆叠半导体设备，其包括被构造为向构件提供控制信号的扫描电路，所述构件包括多个像素，所述多个像素中的各个包括：

光电转换元件；

输出晶体管，其包括输入节点并被构造为输出基于光电转换元件的电荷的信号；

复位晶体管，其被构造为将输入节点的电位设置为复位电位；以及

第一晶体管，其连接到输入节点，

其中，扫描电路输出向第一晶体管的栅电极提供的控制信号，并且

其中，向第一晶体管的栅电极提供的控制信号至少具有第一晶体管接通的第一电压、第一晶体管截止的第二电压、以及具有在第一电压的值与第二电压的值之间的值的第三电压，所述第三电压使第一晶体管操作以将输入节点的电位限制为预定值。