CN1211080A - 驱动固态图像传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

为了降低在垂直电荷转移记录器的两端分别连有一水平电荷转移记录器的固态图像传感器的功率消耗,将一预定的直流电压加到没有从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器的电荷转移电极和一与该水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上。

Description

驱动固态图像传感器的方法
本发明涉及一种驱动固态图像传感器的方法，这种固态图像传感器具有分别连接在垂直电荷转移记录器的两端的水平电荷转移记录器
附图的图1显示了一种常规的固态图像传感器。图1所示的固态图像传感器指的是一种在垂直电荷转移记录器的两端分别具有一水平电荷转移记录器的行间转移的固态图像传感器。例如，这种行间转移的固态图像传感器的细节公开在日本特开昭58-195371号上。
如图1所示，这种常规的固态图像传感器包含多个用以存储取决于外加光量的信号电荷的光电转换器303，多个用以读取存储在光电转换器303中的信号电荷并垂直转移该信号电荷的垂直电荷转移记录器302，分别耦合于垂直电荷转移记录器302的两端的、用以水平转移从垂直电荷转移记录器302转移来的信号电荷的第一及第二水平电荷转移记录器304a、304b，用于检测取决于从第一水平电荷转移记录器304a转移来的信号电荷的电压(图像信号)的第一和第二电荷检测器305a、3051b，以及，用于检测取决于从第二水平电荷转移记录器304b转移来的信号电荷的电压(图像信号)的第三和第四电荷检测器305c、306d。光电转换器303、电荷转移记录器302、304a、304b和电荷检测器305a-305d布置在半导体基片301上。
第一及第二电荷检测器305a、305b各自与第一水平电荷转移记录器304a的两端之一相连。由第一及第二电荷检测器305a、305b检测到的图像信号分别从第一及第二输出端306a、306b输出。
同样地，第三及第四电荷检测器305c、305d各自与第二水平电荷转移记录器304b的两端之一相连。由第三及第四电荷检测器305c、305d检测到的图像信号分别从第三及第四输出端306c、306d输出。
垂直电荷转移记录器302、第一水平电荷转移记录器304a和第二水平电荷转移记录器304b各自具有能够双向转移信号电荷的电荷转移元件。
加在电荷转移元件上的电荷转移脉冲定时可由一外部电路(未示出)来改变，以改变在固态图像传感器的图像屏幕上扫描的方向。
例如，如果垂直电荷转移记录器302的电荷转移方向选择的是图1中向下的方向，而第一水平电荷转移记录器304a的电荷转移方向选择的是图1中向左的方向，那么，由光电转换器303存储的信号电荷被相应的垂直电荷转移记录器302陆续读取并沿向下的方向转移到第一水平电荷转移记录器304a。然后，转移到第一水平电荷转移记录器304a的信号电荷又被沿向左的方向陆续转移到第一电荷检测器305a，该第一电荷检测器305a经第一输出端306a输出图像信号。此时在屏幕上的扫描模式是，在各自的扫描周期内，自下而上地逐行重复图1中从左向右的水平扫描循环。这种屏幕扫描模式被称为模式A。
如果垂直电荷转移记录器302的电荷转移方向选择的是图1中向下的方向，而第一水平电荷转移记录器304a的电荷转移方向选择的是图1中向右的方向，那么，图像信号从第二电荷检测器305b经第二输出端306b输出。此时在屏幕上扫描模式是，在各自的扫描周期内，自下而上地逐行重复图1中从右向左的水平扫描循环。这种屏幕扫描模式被称为模式B。
如果垂直电荷转移记录器302的电荷转移方向选择的是图1中向上的方向，而第一水平电荷转移记录器304a的电荷转移方向选择的是图1中向左的方向，那么，图像信号从第三电荷检测器305c经第三输出端306c输出，此时在屏幕上的扫描模式是，在各自的扫描周期内，自上而下地逐行重复图1中从左向右的水平扫描循环。这种屏幕扫描模式被称为模式C。
如果垂直电荷转移记录器302的电荷转移方向选择的是图1中向上的方向，而第一水平电荷转移记录器304a的电荷转移方向选择的是图1中向右的方向，那么，图像信号从第四电荷检测器305d经第四输出端306d输出。此时在屏幕上的扫描模式是，在各自的扫描周期内，自上而下地逐行重复图1中从右向左的水平扫描循环。这种屏幕扫描模式被称为模式D。
例如，将图1所示的固态图像传感器安装在摄像机中。首先，例如，将屏幕扫描模式设置为模式A，调节摄像机和由固态图像传感器成像的物体之间的位置关系，以使从第一输出端306a输出的视频信号产生的图像在水平和垂直方向上都是一正像。当屏幕扫描模式由模式A变为模式B时，从第二输出端306b输出的视频信号产生的图像在垂直方向上是一正像而在水平方向上是一倒像。当屏幕扫描模式由模式A变为模式B时，从第三输出端306c输出的视频信号产生的图像在水平方向上是一正像而在垂直方向上是一倒像。当屏幕扫描模式由模式A变为模式D时，从第四输出端306d输出的视频信号产生的图像在水平方向和垂直方向上均是一倒像。
当信号电荷能够被第一水平电荷转移记录器304a和第二水平电荷转移记录器304b双向转移时，上述每个模式均能够被确立。当信号电荷被第一水平电荷转移记录器304a和第二水平电荷转移记录器304b单向转移时，只有模式A、模式C或模式B、模式D能够被确立。
下面参考附图的图2-5介绍一种驱动图1所示的固态图像传感器的常规方法。
图2所示的是沿每个垂直电荷转移记录器的电荷转移方向的固态图像传感器结构的局部剖面图，图3所示的是沿每个水平电荷转移记录器的电荷转移方向的固态图像传感器结构的局部剖面图。在图2和图3中，以四相-即四种类型的定时脉冲驱动垂直电荷转移记录器，以两相-即两种类型的定时脉冲驱动水平电荷转移记录器。假定由第一水平电荷转移记录器304a和第二水平电荷记录器304b单向转移信号电荷。
图2中，作为垂直电荷转移记录器的一个电荷转移区域的N型扩散层402布置在P型半导体基片401的主表面上。垂直电荷转移记录器的多个电荷转移电极404布置在位于N型扩散层402表面上的第一绝缘膜403a上。遮光膜405覆盖住每个电荷转移电极404，第二绝缘膜403b位于遮光膜405和电荷转移电极之间。用作垂直电荷转移记录器的电荷转移脉冲的垂直驱动脉冲φV1-φV4依次加在电荷转移电极404上。
图3中，作为水平电荷转移记录器的电荷转移区域的N型扩散层502布置在P型半导体基片401的主表面上。作为电荷转移区内的势垒的N-型区域503沿电荷转移的方向等间隔布置。水平电荷转移记录器的多个电荷转移电极504布置在位于N型扩散层502表面上的第一绝缘膜403a上。用遮光膜405覆盖每个电荷转移电极504，第二绝缘膜403b位于遮光膜405和电荷转移电极504之间。每个电荷转移电极504布置在N型扩散层502和N-型区域503内。用于水平电荷转移记录器的水平驱动脉冲φH1-φH2依次加在成对电极上，每对电极包括位于N型扩散层502上的电荷转移电极504和位于N-型区域503的电荷转移电极504。
一输出栅电极505(其上经第一绝缘膜403a施加有一预定的DC(直流)电压)和一复位栅电极506(其上经第一绝缘膜403a施加驱动脉冲)作为电荷检测器布置在水平电荷转移记录器的一端。一具有浮动扩散电容的第一N+型扩散层507布置在在输出栅电极505和复位电极506之间的P型半导体基片401上。一用作复位漏极的第二N+型扩散层508布置在复位栅电极506的远离第一N+型扩散层507的一侧。
第一N+型扩散层507与一输出单元509相连，第二N+型扩散层508保持一预定的DC电势。
由水平电荷转移记录器转移的信号电荷存储在第一N+型扩散层507，其电压由输出单元509检测。测得电压之后，驱动脉冲加在复位栅电极506上。第一N+型扩散层507内的电荷被拉进第二N+型扩散层508。结果是，使第一N+型扩散层507复位，以便存储下一次转移的信号电荷。输出单元509具有一放大器，用以放大经第一N+型扩散层507测得的电压(图像信号)。
图4和图5图示了驱动固态图像传感器的常规方法。图4显示的是加在图2和图3所示的电极上的脉冲波形，以便读取来自图1所示的第一输出端306a的输出信号。图5显示的是加在图2和图3所示的电极上的脉冲波形，以便读取来自图1所示的第三输出端306c的输出信号。
在图4和图5中，驱动脉冲(电荷转移脉冲)φV1-φV4加在垂直电荷记录器302上。驱动脉冲(电荷转移脉冲)φH1A、φH2A加在第一水平电荷转移记录器304a上，驱动脉冲(电荷转移脉冲)φH1B、φH2B加在第二水平电荷转移记录器304b上。驱动脉冲φRA加在第一水平电荷转移记录器304a的复位栅电极(第-复位栅电极)上，驱动脉冲φRB加在第二水平电荷转移记录器304b的复位栅电极(第二复位栅电极)上。
如图4和图5所示，在水平消隐周期tb中，驱动脉冲加在垂直电荷转移记录器302的电荷转移电极404上，以使垂直电荷转移记录器302能够转移信号电荷。在水平转移周期tr中，脉冲分别加在水平电荷转移记录器的电荷转移电极504和复位栅电极506上，以使水平电荷转移记录器能够转移信号电荷。
如图4和图5所示，图像信号驱动脉冲φV1-φV4在不同的时期加在电荷转移电极404上，以便读取来自第一水平电荷转移记录器304a的图像信号和读取来自第二水平电荷转移记录器304b的图像信号。
为了读取来自固态图像传感器(如图1所示，该固态图像传感器具有位于垂直电荷转移记录器两端的水平电荷转移记录器)的图像信号，每个电荷转移记录器的功率消耗由每个电荷转移电极的静电容、驱动频率和驱动脉冲振幅的平方的乘积来决定。
例如，如果一NTSC(国家电视系统委员会National television System Comittee)摄像机采用了如图1所示的固态图像传感器，那么，垂直电荷转移记录器的功率消耗约是6.4mW，水平电荷转移记录器的功率消耗约是37.5mW。垂直驱动频率约是16KHz，水平驱动频率约是15MHz，垂直电荷转移电极的电容约是4000pF，水平电荷转移电极的电容约是100pF，垂直电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是10V，水平电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是5V。除电荷转移记录器的功率消耗以外的其它功率消耗包括用于放大图像信号的放大器的功率消耗。若放大器的电源电压是15V且放大器消耗的电流是2mA，那么放大器的功率消耗是30mW。
因此，这种仅在垂直电荷转移记录器的一端具有一水平电荷转移记录器且配置在NTSC摄像机中的固态图像传感器的功率消耗大约是74mW，而在垂直电荷转移记录器的两端各具有一水平电荷转移记录器且配置在NTSC摄像机中的固态图像传感器的功率消耗大约是111mW。
如果一HDTV(高清晰度电视High-Definition Television)摄像机配装了如图1所示的固态图像传感器，那么，垂直电荷转移记录器的功率消耗约是68mW，水平电荷转移记录器的功率消耗约是370mW。垂直驱动频率约是34KHz，水平驱动频率约是74MHz，垂直电荷转移电极的电容约是20000pF，水平电荷转移电极的电容约是200pF，垂直电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是10V，水平电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是5V。若用以放大图像信号的放大器的电源电压是15V且放大器消耗的电流是10mA，那么放大器的功率消耗是150mW。
因此，这种仅在垂直电荷转移记录器的一端具有一水平电荷转移记录器且配置在HDTV摄像机中的固态图像传感器的功率消耗大约是588mW，而在垂直电荷转移记录器的两端各具有一水平电荷转移记录器且配置在HDTV摄像机中的固态图像传感器的功率消耗大约是958mW。
因此，在垂直电荷转移记录器的两端均具有水平电荷转移记录器的固态图像传感器比仅在垂直电荷转移记录器的一端具有水平电荷转移记录器的固态图像传感器功率消耗大得多。
因此，本发明的目的是提供一种驱动在垂直电荷转移记录器的两端均具有水平电荷转移记录器的固态图像传感器、以减少由此而产生的功率消耗的方法。
为实现上述目的，按照本发明，将一预定的直流电压加在无图像信号输出的那个水平电荷转移记录器的电荷转移电极和与水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上。
当此预定的直流电压作用在电荷转移电极和复位栅电极上时，水平电荷转移记录器停止运行，转移信号电荷。
通过下面参照介绍本发明实施例的附图所做的描述，本发明的上述和其他目的、特点和优点将变得显而易见。
图1是一常规的固态图像传感器的平面图；
图2是沿每个垂直电荷转移记录器的电荷转移方向所取的如图1所示的固态图像传感器结构的局部剖视图；
图3是沿每个水平电荷转移记录器的电荷转移方向所取的如图1所示的固态图像传感器结构的局部剖视图；
图4是用以驱动如图1所示的固态图像传感器、以便读取来自第一水平电荷转移记录器的图像信号的驱动脉冲定时图；
图5是用以驱动如图1所示的固态图像传感器、以便读取来自第二水平电荷转移记录器的图像信号的驱动脉冲定时图；
图6是应用于根据本发明的第一个实施例的驱动固态图像传感器的方法上的驱动脉冲定时图，以读取来自第一水平电荷转移记录器的图像信号；
图7是应用于根据本发明的第一个实施例的驱动固态图像传感器的方法上的驱动脉冲定时图，以读取来自第二水平电荷转移记录器的图像信号；
图8是应用于根据本发明的第二个实施例的驱动固态图像传感器的方法上的驱动脉冲定时图，以读取来自第一水平电荷转移记录器的图像信号；和
图9是应用于根据本发明的第二个实施例的驱动固态图像传感器的方法上的驱动脉冲定时图，以读取来自第二水平电荷转移记录器的图像信号。
实施例1：
下面参照图6和图7描述按照本发明第一实施例的驱动固态图像传感器的方法。此固态图像传感器与图1至图3所示的固态图像传感器构造上相同，以后不再做详细介绍。在下面的描述中，主要从图1所示的固态图像传感器的第一和第二输出端读取信号。
在图6和图7中，驱动脉冲φV1-φV4加在垂直电荷转移记录器上。驱动脉冲φH1A、φH2A加在第一水平电荷转移记录器上，驱动脉冲φH1B、φH2B加在第二水平电荷转移记录器上。驱动脉冲φRA加在第一水平电荷转移记录器的第一复位栅电极上，驱动脉冲φRB加在第二水平电荷转移记录器的第二复位栅电极上。
如图6和图7所示，在水平消隐周期tb中，驱动脉冲分别加在垂直电荷转移记录器的电荷转移电极上，以使垂直电荷转移记录器能够转移信号电荷。在水平转移周期tr中，驱动脉冲分别加在水平电荷转移记录器的电荷转移电极和复位栅电极上，以使水平电荷转移记录器能够转移信号电荷。
为了读取来自第一水平电荷转移记录器的图像信号，第二水平电荷转移记录器的电荷转移电极和第二复位栅电极均保持在地电位。
为了读取来自第二水平电荷转移记录器的图像信号，第一水平电荷转移记录器的电荷转移电极和第一复位栅电极均保持在地电位。
由于不从其读取图像信号的水平电荷转移记录器的信号电荷转移运行停止，所以，固态图像传感器的功率消耗就能降低。
例如，如果NTSC摄像机采用了在垂直电荷转移记录器的两端均具有水平电荷转移记录器的固态图像传感器，那么，当按照实施例1的方法驱动固态图像传感器时，垂直电荷转移记录器的功率消耗约是6.4mW，水平电荷转移记录器的功率消耗约是38mW。用以放大图像信号的放大器的功率消耗约为30mW。垂直驱动频率约是16KHz，水平驱动频率约是15MHz，垂直电荷转移电极的电容约是4000pF，水平电荷转移电极的电容约是100pF，垂直电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是10V，水平电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是5V，用以放大图像信号的放大器的电源电压是15V且消耗的电流是2mA。
结果是，该固态图像传感器整个功率消耗约是74mW，大约是用常规方法驱动的固态图像传感器的2/3。
如果HDTV摄像机采用了在垂直电荷转移记录器的两端均具有水平电荷转移记录器的固态图像传感器，那么，由垂直电荷转移记录器产生的功率消耗约是68mW，由水平电荷转移记录器产生的功率消耗约是370mW。用于放大图像信号的放大器的功率消耗是150mW。垂直驱动频率约是34KHz，水平驱动频率约是74MHz，垂直电荷转移电极的电容约是20000pF，水平电荷转移电极的电容约是200pF，垂直电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是10V，水平电荷转移记录器的驱动脉冲的振幅约是5V。用以放大图像信号的放大器的电源电压是15V且放大器消耗的电流是10mA。
结果是，该固态图像传感器的整个功率消耗是590mW，大约是用常规方法驱动的固态图像传感器的60％。
由于降低了功率消耗，抑制了固态图像传感器的温升，导致了暗电流减少，信噪比(S/N)提高。实施例2：
下面参照图8和9描述按照本发明第二实施例的驱动固态图像传感器的方法。此固态图像传感器与图1至图3所示的固态图像传感器装置构造上一致，以后不再做详细介绍。在图8和9中，用与图6和图7中所示相同的参考字符表示各种脉冲。
第二实施例的驱动固态图像传感器的方法与第一实施例的驱动固态图像传感器的方法不同之处是把DC电压，而不是把地电位，加在不从其读取图像信号的水平电荷转移记录器的电荷转移电极和复位栅电极上。
特别是，为了读取来自于第一水平电荷转移记录器的图像信号，将具有与加在第一水平电荷转移记录器上的水平驱动脉冲φH1A、φH2A的高电平基本一样的电势的DC电压加在第二水平电荷转移记录器的电荷转移电极上。将具有与加在第一复位栅上的驱动脉冲φRA的高电平基本上一样的电势的DC电压加在第二水平电荷转移记录器的第二复位栅上。
水平驱动脉冲φH1A、φH2A加在第一水平电荷转移记录器的电荷转移电极上，驱动脉冲φRA加在其第一复位栅上。
为了读取来自于第二水平电荷转移记录器的图像信号，将具有与加在第二水平电荷转移记录器上的水平驱动脉冲φH1B、φH2B的高电平基本一样的电势的DC电压加在第一水平电荷转移记录器的电荷转移电极上。将具有与加在第二复位栅上的驱动脉冲φRB的高电平基本一样的电势的DC电压加在第一水平电荷转移记录器的第一复位栅上。
由于与实施例1一样停止未从其读取图像信号的水平电荷转移记录器的信号转移运行，所以，固态图像传感器的功率消耗就能减少。此外，按照实施例2，由于第一水平电荷转移记录器上产生的暗电流经复位栅电极放电到复位漏极，可更多的减少噪声。
在实施例1和实施例2中，是将一定的DC电压加在不从其读取图像信号的水平电荷转移记录器的电荷检测器的复位栅电极上。然而，驱动脉冲也可加在复位栅电极上。这是因为复位栅电极的电容约是30fF，驱动脉冲的振幅约5V，驱动频率基本与水平电荷转移记录器的驱动频率一样，因此，即使把固态图像传感器装在HDTV摄像机中，其功率消耗也仅大约是56μm。换句话说，驱动脉冲功加在复位电极上时的功率消耗几乎可以忽略。
虽然使用规定术语描述了本发明的优选实施例，但这些描述仅仅是为例证性的目的，应当理解的是，在没有偏离下述权利要求的精神或范围的情况下，可以做出各种改进和变化。

Claims (12)

1．一种驱动固态图像传感器以便从固态图像传感器读取图像信号的方法，所述的固态图像传感器具有多个用于存储取决于外加光总量的信号电荷的光电转换器，多个具有用于从所述光电转换器读取信号电荷并沿预定方向转移此信号电荷的电荷转移电极的垂直电荷转移记录器，两个分别耦合在所述的垂直电荷转移记录器两端的、用于沿垂直于所述的预定方向的方向转移从所述的垂直电荷转移记录器转移来的信号电荷的水平电荷转移记录器，两个具有与所述的两个水平电荷转移记录器的至少一端相连的复位栅电极的、用于存储从所述的第一水平电荷转移记录器转移来的信号电荷、通过存储的信号电荷检测图像信号的电压样本并读取存储的信号电荷的电荷检测器，所述的方法包括下述步骤：
将驱动脉冲加到所述两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器的电荷转移电极上，以使所述的电荷转移电极能够转移信号电荷；和
将第一直流电压加到所述两个水平电荷转移记录器当中不从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器的电荷转移电极上。
2．按照权利要求1的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述第一直流电压与加到所述两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器的电荷转移电极上的驱动脉冲的高电平电势一样。
3．按照权利要求1的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第一直流电压具有一地电位。
4．按照权利要求1的驱动固态图像传感器的方法，所述的方法还包括以下步骤：
将驱动脉冲加到与所述两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上；和
将第二直流电压加到与所述两个水平电荷转移记录器当中不从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上。
5．按照权利要求2的驱动固态图像传感器的方法，所述的方法还包括以下步骤：
将驱动脉冲加到与所述两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上；和
将第二直流电压加到与所述两个水平电荷转移记录器当中不从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上。
6．按照权利要求3的驱动固态图像传感器的方法，所述的方法还包括以下步骤：
将驱动脉冲加到与所述两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上；和
将第二直流电压加到与所述两个水平电荷转移记录器当中不从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上。
7．按照权利要求4的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第二直流电压同加到与所述的两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上的驱动脉冲的高电平电势一样。
8．按照权利要求5的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第二直流电压同加到与所述的两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上的驱动脉冲的高电平电势一样。
9．按照权利要求6的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第二直流电压同加到与所述的两个水平电荷转移记录器当中要从其读取图像信号的那个水平电荷转移记录器相连的电荷检测器的复位栅电极上的驱动脉冲的高电平电势一样。
10．按照权利要求4的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第一直流电压具有一地电位。
11．按照权利要求5的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第一直流电压具有一地电位。
12．按照权利要求6的驱动固态图像传感器的方法，其特征是，所述的第一直流电压具有一地电位。
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