CN1255015A - 固态图像传感器件及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种固态图像传感器件,具有:以矩阵形式排列的多个传感装置;连接到传感装置并累积在传感装置产生的电荷的电荷累积装置;调节电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置;和控制可累积电荷调节装置的控制装置。控制装置控制可累积的电荷量,以便在一个成像周期内按时序和控制装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。

Description

固态图像传感器件及其驱动方法
本发明涉及固态图像传感器件和驱动固态图像传感器件的方法。
当作为图像拾取器件的固态图像传感器件应用于电子相机时，需要确保足够大的动态范围。这是由于固态图像传感器件的动态范围比银盐胶片的动态范围要窄得多。
因此，日本专利申请特开No.8-9260(1996)公开了一种通过在一个成像周期内改变衬底电压以切换光电二极管可累积的电荷量来扩大动态范围的技术。下面说明该常规技术。
图1是表明例如CCD型固态图像传感器件中单元部分的平面图。单元部分由光电转换部分101、垂直电荷转移电极102、第一电荷转移电极105和第二电荷转移电极106组成。
图2是沿图1中I-I′线剖开的截面图。如图所示，单元部分由N-型半导体衬底107、P-型半导体衬底108、N型半导体衬底109、P+型半导体衬底110、由第一层多晶硅111形成的第一电荷转移电极105、由第二层多晶硅112形成的第二电荷转移电极106、作为阴影膜的铝膜113、绝缘膜114和覆盖绝缘膜115组成。
图3是表明光电转换部分的电子势能的特征示意图。
为了在将电荷累积到光电二极管中之前清除不需要的电荷，首先把衬底电压VHsub施加到N-型半导体衬底107，用仅在其下形成的低浓度完全排除由光电转换部分101和P-型半导体衬底108组成的N型半导体利底，把所有不需要的电荷移到N-型半导体衬底107。
这种结构通常被称为＂垂直溢出排放结构(垂直OFD)＂(参见日本电视工程师学会期刊，Vol.37，No.10(1983)，PP.782-787)。
此后，把衬底电压Vbsub(下文称之为＂衬底电压＂)施加到N-型半导体衬底107，光电转换部分101开始根据入射光量累积信号电荷。于是，通过任意调节衬底电压，利用垂直OFD结构把不能累积在光电转换部分101中的过量电荷移入N-型半导体衬底107，从而对可累积的电荷量进行控制。
利用该技术，控制固态图像传感器件以便在一个成像周期内把固态图像传感器件中可累积的电荷量依次从第一种可累积的电荷量(Qsat(1)≠0)切换到第二种可累积的电荷量(Qsat(2)≠0，Qsat(1)＜Qsat(2))。
通过在成像周期内的时间t(1)改变施加到固态图像传感器件的OFD(溢出排放)的衬底电压执行该操作来控制衬底电压，以使固态图像传感器件中可累积的电荷量在一个成像周期内从开始到时间t(1)保持Qsat(1)，并在时间t(1)后切换到Qsat(2)。
图4示出具有该功能的固态图像传感器件中在一个成像周期内可累积的电荷量与电荷累积时间之间的关系(实线)。图5示出一个成像周期内可累积的电荷量与光量之间的关系(实线)。
图4和5中的虚线表示可累积的电荷量在一个成像周期内不改变的情况下的特征。
如图4和5所示，与可累积的电荷量不改变的情况相比，增大了动态范围。
就是说，通过提供一种在一个成像周期内用于把固态图像传感器件中可累积的电荷量顺序地第一种可累积的电荷量(Qsat(1)≠0)切换到第二种可累积的电荷量(Qsat(2)≠0，Qsat(1)＜Qsat(2))的装置，可增大动态范围。
然而，在常规固态图像传感器件中，当在一个成像周期内设定t(1)和仅在Qsat(1)＜Qsat(2)的条件下设定Qsat(1)和Qsat(2)时，不能明显改善动态范围。另外，可能出现一种动态范围的改善与可累积的电荷量不改变的情况相比几乎每什么差别的情况。
图6A至6C示出t(1)在t(1a)、t(1b)和t(1c)中改变的电荷累积时间与可累积的电荷量之间的关系。图7A至7C示出入射光量与可累积的电荷量之间的关系。同时，满足t(1a)＜t(1b)＜t(1c)，t(1b)是一个成像周期的中点，并满足2Qsat(1)＝Qsat(2)。虚线表示可累积电荷的最大量为常量情况下的特征。
如图从6A至6C和7A至7C所看到的，在t(1c)的情况下，与可累积电荷的最大量为常量的情况相比增大了动态范围。然而，在t(1a)和t(1b)的情况下，与可累积电荷的最大量为常量的情况相比未增大动态范围。
这是由于仅在Qsat(1)＜Qsat(2)的条件下确定t(1)、Qsat(1)和Qsat(2)。在该条件下，与可累积的电荷量为常量的情况相比确实不能改善动态范围。另外，与可累积的电荷量为常量的情况相比，该电路较复杂。
日本专利申请特开No.1-253960(1989)公开了一种固态图像传感器件，其中使信号转移的饱和量大于光接收元件在饱和状态中的信号电荷量。然而，它没有描述一个成像周期内以多级形式改变可累积的电荷量。
另外，日本专利申请特开No.5-22728(1993)公开了一种根据与固态图像传感器件对应的放大电路的增益和白平衡调节电路的增益改变可累积的电荷量的技术。然而，它没有描述关于在一个成像周期内以多级的形式改变可累积的电荷量。
另外，日本专利申请特开No.10-150183(1998)公开了一种装配有驱动系统的固态图像传感器件，该驱动系统在读取电荷量时减少了对固态图像传感器件的OFD偏置。然而，它没有描述关于在一个成像周期内以多级的形式改变可累积的电荷量。
因此，本发明的一个目的是提供一种有效地改善动态范围的固态图像传感器件和驱动固态图像传感器件的方法。
本发明的一个目的是提供固态图像传感器件和驱动固态图像传感器件的方法，即使光电转换效率随光量改变，可产生不对眼睛造成不舒服感觉的图像。
根据本发明，一种固态图像传感器件包括：
以矩阵形式排列的多个传感装置；
连接到传感装置并累积在传感装置产生的电荷的电荷累积装置；
调节电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置；和
控制可累积电荷调节装置的控制装置；
其中控制装置控制可累积的电荷量，以便在一个成像周期内按时序和控制装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
根据本发明的另一方面，一种驱动固态图像传感器件的方法，该固态图像传感器件包括下列装置：以矩阵形式排列的多个传感装置。
连接到传感装置并累积在传感装置产生的电荷的电荷累积装置，调节电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置，和控制可累积电荷调节装置的控制装置，该方法包括步骤：
由控制装置控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时序和传感装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
根据本发明的另一方面，一种存储使计算机执行驱动固态图像传感器件的方法的程序的记录介质，该固态图像传感器件包括以矩阵形式排列的多个传感装置，连接到传感装置并累积在传感装置产生的电荷的电荷累积装置，调节电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置，和控制可累积电荷调节装置的控制装置，该方法包括步骤：
由控制装置控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时序和传感装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
结合附图更详细地说明本发明，其中：
图1是表明常规固态图像传感器件的光电转换部分的平面图，
图2是沿图1中I-I′线剖开的截面图，
图3是具有垂直OFD结构的常规光电转换部分的电位示意图，
图4是表明常规器件中可累积的电荷量与电荷累积时间之间关系的特征示意图，
图5是表明常规器件中可累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图6A至6C是表明t(1)改变时常规器件中可累积的电荷量与电荷累积时间之间关系的特征示意图，
图7A至7C是表明t(1)改变时常规器件中可累积的电荷量与电荷累积时间之间关系的特征示意图，
图8是表明根据本发明的固态图像传感器件的组成实例的方框图，
图9是表明根据本发明的第一优选实施例中，在驱动固态图像传感器件的方法中衬底电压、累积时间、可累积的电荷量和实际累积的电荷之间关系的特征示意图，
图10是表明第一实施例中实际累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图11是表明根据本发明的第二优选实施例中，在驱动固态图像传感器件的方法中衬底电压、累积时间、可累积的电荷量和实际累积的电荷之间关系的特征示意图，
图12是表明第二实施例中实际累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图13是表明根据本发明的第三优选实施例中，在驱动固态图像传感器件的方法中衬底电压、累积时间、可累积的电荷量和实际累积的电荷之间关系的特征示意图，
图14是表明第三实施例中实际累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图15是表明根据本发明的第四优选实施例中，在驱动固态图像传感器件的方法中衬底电压、累积时间、可累积的电荷量和实际累积的电荷之间关系的特征示意图，
图16是表明第四实施例中实际累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图17是表明根据本发明的第五优选实施例中，在驱动固态图像传感器件的方法中衬底电压、累积时间、可累积的电荷量和实际累积的电荷之间关系的特征示意图，
图18是表明第五实施例中实际累积的电荷量与光量之间关系的特征示意图，
图19A是表明在本发明的固态图像传感器件中使用的具有水平OFD结构的光电转换部分的截面图，和
图19B和19C是图19A中光电转换部分的电位图。
下面参考附图说明优选实施例中的固态图像传感器件和驱动固态图像传感器件的方法。
图8是表明根据本发明优选实施例中的固态图像传感器件1的组成实例的方框图。如图所示，固态图像传感器件1包括以矩阵形式排列的多个传感装置(传感器元件)2，连接到传感装置2并累积在传感装置2产生的电荷的电荷累积装置3，调节电荷累积装置3可累积的电荷量的可累积电荷调节装置4，和控制可累积电荷调节装置4的控制装置5。构成控制装置5以便其在一个成像周期内按时序和给定的可累积电荷量内连续或不连续地改变。
对于根据本发明的固态图像传感器件1，希望传感装置2是从CMOS传感装置和垂直溢出排放型传感装置中选择的传感装置。
另外，在本发明中，希望能够控制固态图像传感器件可累积的电荷量以便按时间顺序逐渐增加。
此外，在本发明中，希望构成控制装置5，以便其控制例如传感装置2的衬底电压或构成传感装置2的电荷提取装置的晶体管的选通电压，以便在改变可累积的电荷量时改变。
对于根据本发明的固态图像传感器件，如图8所示，希望控制装置5连接到存储后面描述的某些控制应用的程序存储装置6，从程序存储装置6任意选择的控制程序控制该控制装置5。
另外，在根据本发明的固态图像传感器件中，在适当的定时通过分开设置的输出装置7从与传感装置2对应的相应电荷累积装置3输出在电荷累积装置3累积的电荷。
在图8中，8是对固态图像传感器件1的各个部件进行总控制的中央处理单元(CPU)。
接下来，参考附图说明驱动优选实施例中构成的固态图像传感器件1的方法。
本质上，一种驱动固态图像传感器件1的方法，该固态图像传感器件包括以矩阵形式排列的多个传感装置(传感器元件)2，连接到传感装置2并累积在传感装置2产生的电荷的电荷累积装置3，调节电荷累积装置3可累积的电荷量的可累积电荷调节装置4，和控制可累积电荷调节装置4的控制装置5，该方法包括步骤：由控制装置5控制可累积的电荷量，以便在一个成像周期内按时序和给定的可累积电荷量内连续或不连续地改变。
在本发明的优选实施例中，控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时间顺序逐渐增加。
虽然改变可累积的电荷量的方式不在本发明中具体限定，希望控制用于改变可累积的电荷量的定时和改变一个成像周期内将改变的可累积的电荷量的程度中的一个或二者。
下面说明在电荷累积装置3中改变可累积的电荷量的具体方式。
在根据本发明的第一优选实施例中驱动固态图像传感器件的方法包括步骤：在可控制可累积的电荷量的固态图像传感器件1中，在一个成像周期内按Qsat(1)和Qsat(2)的顺序进行可累积电荷量Qsat(n)的切换操作，同时控制Qsat(1)和Qsat(2)的累积模式以满足：
    Qsat(1)/t(1)＜(Qsat(1)-Qsat(2))/(t(2)-t(1))其中Qsat(1)的累积模式的结束时间是t(1)，与一个成像周期T1的结束对应的Qsat(2)的累积模式的结束时间是t(2)。
具体地说，在本实施例中，如图9所示，控制可累积的电荷量Qsat(n)以一个成像周其T1内两级的形式改变。在图9中，示出衬底电压、可累积的电荷量和实际累积在光电二极管中的电荷量Qsat(n)。
图9(a)示出一个成像周期T1内的衬底电压。
就是说，在累积时间之外的周期T0，施加光闸电压作为稳态或脉冲信号，从而把光电二极管光电转换的电荷清除到衬底中。
在累积时间t(0)，施加比光闸电压低并比散焦抑制电压高的衬底电压，由此确定Qsat(1)。
然后，在累积时间t(1)，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(1)更大的可累积电荷量的Qsat(2)。
同时，在该实施例中，t(1)是一个成像周期的中点，并在作为Qsat(2)的累积模式的结束时间和一个成像周期结束的t(2)满足2xt(1)＝t(2)的关系。
另外，设定衬底电压以满足2xQsat(1)＜Qsat(2)的关系。
从而满足Qsat(1)/t(1)＜(Qsat(2)-Qsat(1))/t(2)-t(1))的条件。
图9示出一个成像周期T1内可累积的电荷量。
由于如图9(a)所示定义衬底电压，Qsat(2)是比Qsat(1)大两倍的可累积电荷量。
图9(c)和(d)示出提供大光量和小光量时累积到光电二极管的电荷量。图9(c)示出提供小光量的情况，并示出在一个成像周期内电荷累积到光电二极管而不溢出的条件。
另一方面，图9(d)示出提供大光量的情况。在Qsat(1)模式的时域中，暂时出现饱和周期。但是，在Qsat(2)模式的时域中，直到在Qsat(2)模式结束时的时间t(2)，把光电转换的电荷累积到光电二极管中而不饱和。
与常规器件一个很大的区别在于：即使是对于在Qsat(1)模式的时域中导致饱和的光量，Qsat(2)模式中肯定存在具有不饱和光量的区域。
图10示出累积到光电二极管中的电荷量与光量的从属关系。实线表示本发明第一实施例中光量与实际累积的电荷量之间的关系，虚线表示在可累积的电荷量是常数的情况下光量和累积的电荷量之间的关系。
就是说，S′(1)表示在可累积的电荷量Qsat(n)为常数的情况下饱和光电二极管的最小光量。
另一方面，对于大于s(1)的光量，虽然光电二极管在Qsat(1)模式的时域中饱和，但对于大于S(1)且小于S(2)的光量，光电二极管在Qsat(2)模式的时域中不饱和。
同时，对于大于S(2)的光量，光电二极管在Qsat(1)和Qsat(2)模式的时域中饱和。
在此，给出S(2)＞S′(1)的关系，并且根据第一实施例证明，与常规器件相比可增大动态范围。
同时，在满足S′(1)＞S(1)的范围内可任意设定S(1)。但是，由满足条件2Qsat(1)＜Qsat(2)的Qsat(1)和Qsat(2)单独设确定S(2)。
下面说明在根据本发明的第二优选实施例中驱动固态图像传感器件的方法。在第二实施例中，象在第一实施例中那样进行控制操作，但控制条件与第一实施例中的那些略有不同。
就是说，在该实施例中，如图11所示，控制可累积的电荷量在一个成像周期T1内以两级的形式改变。在图11中，示出衬底电压，可累积的电荷量和实际累积到光电二极管中的电荷量。
图11(a)示出一个成像周期T1内的衬底电压。在累积时间之外的周期T0，如同图9中的情况，施加光闸电压作为稳态或脉冲信号，从而把光电二极管光电转换的电荷清除到衬底中。
在累积时间t(0)，施加比光闸电压低并比散焦抑制电压高的衬底电压，由此确定Qsat(1)。
然后，在累积时间t(1)，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(1)大的可累积电荷量的Qsat(2)。
同时，在该实施例中，在比一个成像周期的中点靠后的时域设定t(1)，并对于作为Qsat(2)的累积模式的结束时间和一个成像周期的结束的t(2)来说满足2xt(1)＞t(2)的关系。
另外，设定衬底电压满足2xQsat(1)＝Qsat(2)的关系。
从而满足Qsat(1)/t(1)＜(Qsat(2)-Qsat(1))/(t(2)-t(1))的条件。
图11示出一个成像周期T1内可累积的电荷量。
由于如图11(a)所示定义衬底电压，Qsat(2)模式的时域Qsat(1)的短。
图11(c)和(d)示出在提供大光量和光量时累积到光电二极管中的电荷量。如在图9(c)中的情况下，图11(c)示出提供小光量的情况，并示出在一个成像周期内电荷累积到光电二极管而不溢出的条件。
另一方面，在提供大光量时(图11(d))，暂时出现饱和周期。但是，在Qsat(2)模式的时域中，把光电转换的电荷累积到光电二极管中而不饱和。
图12示出累积到光电二极管中的电荷量与光量的从属关系。实线表示本发明第二实施例中光量与实际累积的电荷量之间的关系，虚线表示在可累积的电荷量是常数的情况下光量和累积的电荷量之间的关系。
S′(1)表示在可累积的电荷量为常数的情况下使光电二极管饱和的最小光量。
对于大于s(1)的光量，光电二极管在Qsat(1)模式的时域中饱和，对于大于S(1)且小于S(2)的光量，光电二极管在Qsat(2)模式的时域中不饱和。
同时，对于大于S(2)的光量，光电二极管在Qsat(1)和Qsat(2)模式的两个时域中饱和。
在此，给出S(2)＞S′(1)的关系，并且根据第二实施例证明，与常规器件相比可增大动态范围。
同时，可任意设定S(2)。但是由满足2t(1)＞t(2)条件的t(1)单独确定S(1)。
在根据本发明的第三优选实施例中驱动固态图像传感器件的方法包括步骤：在可控制可累积电荷量的固态图像传感器件中在一个成像周期内按Qsat(1)、Qsat(2)、…、Qsat(n)的顺序进行切换可累积电荷量Qsat(n)的操作，并从第一可累积电荷量(Qsat(1)≠0)到第n个可累积电荷量(Qsat(1)＜Qsat(2)＜…＜Qsat(n))的顺序切换。
具体地说，在本实施例中，如图13所示，控制可累积的电荷量在一个成像周期T1内以三级或更多级的形式改变。图13(a)至(d)示出用于实现该控制的衬底电压、可累积的电荷量和实际累积到光电二极管中的电荷量。
图13(a)示出一个成像周其T1内的衬底电压。在累积时间t(0)，施加比光闸电压低并比散焦抑制电压高的衬底电压，由此确定Qsat(1)。
然后，在累积时间从开始时间t(0)多至t(1)时，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(1)大的可累积电荷量的Qsat(2)。因此，当其达到累积时间t(m-1)(2≤m≤n)时，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(m-1)大的可累积电荷量的Qsat(m)。
在该实施例中，在一个成像周期内，获得t(1)＝t(2)-t(1)＝…＝t(m)-t(m-1)＝…＝t(n)-t(n-1)。确定衬底电压以便对于任何整数m满足Qsat(m)-Qsat(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)的关系。
因此，对于任何整数m，满足Qsat(m)-Qsat(m-1)/t(m)-t(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)/t(m+1)-t(m)的关系。
图13(b)示出一个成像周期T1内可累积的电荷量。
在该实施例中，由于如图13(a)所示定义衬底电压，对于任意整数m(2≤m≤n)，保持Qsat(m)-Qsat(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)的关系。
图13(c)和(d)示出提供大光量和小光量时累积到光电二极管中的电荷量。图13(c)示出提供小光量的情况，并示出在一个成像周期内将电荷累积到光电二极管而不溢出的条件。
另一方面，图13(d)示出提供大光量的情况。在Qsat(m-1)的时域中或之前，暂时出现饱和周期。但是，在Qsat(m)模式的时域中或之后，即使直到Qsat(n)模式结束时的时间t(n)，光电转换的电荷累积到光电二极管中而不饱和。
图14示出累积到光电二极管中的电荷量与光量的从属关系。实线表示本发明第三实施例中光量与实际累积的电荷量之间的关系，虚线表示在可累积的电荷量是常数的情况下光量和累积的电荷量之间的关系。
S′(1)表示在可累积的电荷量是常数的情况下使光电二极管饱和的最小光量。
在本实施例中，当衬底电压以n级的形式改变时，存在着可累积电荷量的改变速度改变为光量的(n-1)个切换点，和保持S(1)＜S(2)＜……＜S(m)＜……S(n)的关系，其中S(n)表示一个成像周期的结束时间。
对于大于S(m)的光量，虽然光电二极管在Qsat(1)至Qsat(m)模式的任何时域中饱和，对于大于S(m)且小于S(m+1)的光量，光电二极管在Qsat(m+1)至Qsat(n)模式的任何时域中不饱和。
同时，对于大于S(n)的光量，光电二极管在Qsat(1)和Qsat(n)模式的任何时域中饱和。
同时，可在满足S′(1)＞S(1)的范围中任意设定S(1)，但由满足Qsat(m)-Qsat(m-1)＜(Qsat(m+1)-Qsat(m)条件的Qsat(2)至Qsat(n)单独确定S(m)(2≤m≤n)。
图14中，给出S(2)＞S′(1)的关系，它证明根据本发明，与常规器件相比可增大动态范围。
另外，与第一和第二实施例相比，在本实施例中，与可累积的电荷量不改变的情况相比可改善动态范围，即使光电转换效率随着光量改变，其变化较小并可设定为接近于连续变化。因此，可产生不给眼睛造成不舒服感觉的图像。
同时，即使对于特定整数m，不满足如权利要求3中定义的Qsat(m)-Qsat(m-1)/t(m)-t(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)/t(m+1)-t(m)的关系，与不改变可累积电荷量的情况相比，可期望改善动态范围。然而，由于可累积电荷量的变化速度改变成光量的切换点变得小于(n-1)，对于任何整数m，与满足权利要求3中定义的关系的情况不同，可能产生使眼睛感觉不舒服的图像。
在根据本发明的第四优选实施例中驱动固态图像传感器件的方法在于控制第三实施例中可累积电荷量Qsat(n)的切换操作，以便对于特定整数m或等于2或大于和小于n的任何整数m满足Qsat(m)-Qsat(m-1)/t(m)-t(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)/t(m+1)-t(m)的关系，其中t(m)是从累积开始到具有累积电荷量Qsat(m)的第m级(2≤m≤n)累积模式的结束的时间，一个成像周期的结束时间是t(n)。
具体地说，在第四实施例中基本上与第三实施例相同，如图15所示，控制可累积的电荷量，在一个成像周其T1内以三级或更多级的形式改变。依次缩短用于切换可累积的电荷量的定时。
图15(a)至(d)示出实现该控制的衬底电压、可累积的电荷量和实际累积到光电二极管中的电荷量。
图15(a)示出一个成像周其T1内的衬底电压。在累积时t(0)，施加比光闸电压低并比散焦抑制电压高的衬底电压，由此确定Qsat(1)。
然后，当累积时间从开始时间t(0)向t(1)移动时，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(1)大的可累积电荷量的Qsat(2)。
因此，当其达到累积时间t(m-1)(2≤m≤n)时，衬底电压降低，由此确定具有比Qsat(m-1)大的可累积电荷量的Qsat(m)。
在该实施例中，在一个成像周期内，获得t(1)＞t(2)-t(1)＞…＞t(m)-t(m-1)＞…t(n)-t(n-1)。确定衬底电压以便对于任何整数m满足Qsat(m)-Qsat(m-1)＝Qsat(m+1)-Qsat(m)的关系。
因此，对于任何整数m，满足Qsat(m)-Qsat(m-1)/t(m)-t(m-l)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)/t(m+1)-t(m)的关系。
图15(b)示出一个成像周期T1内可累积的电荷量。
在该实施例中，由于如图15(a)所示定义衬底电压，对于任意整数m(2≤m≤n)，保持Qsat(m)-Qsat(m-1)＝Qsat(m+1)-Qsat(m)的关系。
图15(c)和(d)示出提供大光量和小光量时累积到光电二极管中的电荷量。图15(c)表出提供小光量的情况，并给出在一个成像周期内将电荷累积到光电二极管而不溢出的条件。
另一方面，图15(d)示出提供大光量的情况。在Qsat(m-1)模式的时域中或之前，暂时出现饱和周期。但是，在Qsat(m)模式的时域中或之后，即使直到Qsat(n)模式结束时的时间t(n)，光电转换的电荷累积到光电二极管中而不饱和。
图16示出累积到光电二极管中的电荷量与光量的从属关系。实线表示光量与本发明第三实施例中的实际累积的电荷量之间的关系，虚线表示在可累积的电荷量是常数的情况下光量和累积的电荷量之间的关系。
S′(1)表示在可累积的电荷量是常数的情况下使光电二极管饱和的最小光量。
在本实施例中，当衬底电压以n级的形式改变时，存在着可累积电荷量的改变速度改变为光量的(n-1)个切换点，和保持S(1)＜S(2)＜……＜S(m)＜……S(n)的关系，其中S(n)表示一个成像周期的结束时间。
对于大于S(m)的光量，虽然光电二极管在Qsat(1)至Qsat(m)模式的任何时域中饱和，对于大于S(m)且小于S(m+1)的光量，光电二极管在Qsat(m+1)至Qsat(n)模式的任何时域中不饱和。
同时，对于大于S(n)的光量，光电二极管在Qsat(1)和Qsat(n)模式的任何时域中饱和。
同时，使图16中的S(1)至S(n)等于图9中的S(1)至S(n)。但实际上，可任意设定S(n)，但对于2≤m≤n-1的任何m，由满足t(m+1)-t(m)＜t(m)-t(m-1)条件的t(1)至t(n-1)单独确定S(m)(1≤m≤n-1)。
它证实，与常规器件相比，根据本发明的第四实施例可增大动态范围。
另外，与第一和第二实施例相比，在本实施例中，与不改变可累积电荷量的情况相比可改善动态范围，并且即使光电转换效率随着光量变化，其变化较小并可设定为接近于连续变化。因此，可产生不使眼睛感觉不舒服的图像。
下面在说明根据本发明的第五优选实施例中驱动固态图像传感器件的方法。在第五实施例中，控制可控制可累积电荷量的固态图像传感器件中可累积的电荷量，以便在一个成像周期内连续改变，并控制一个成像周期内可累积电荷量的改变速度，以满足d(Qsat)/dt＞0。
具体地说，在第五实施例中，控制可累积的电荷量在一个成像周期内连续改变。
图17(a)至(d)示出实现该控制的衬底电压、可累积的电荷量和实际累积到光电二极管中的电荷量。
图17(a)示出一个成像周期T1内的衬底电压。在累积时间，施加比光闸电压低并比散焦抑制电压高的衬底电压，由此逐渐降低衬底电压。
于是，确定从累积开始在一个成像周期T1内在累积时间T1的可累积电荷量Qsat(t)。
另外，从累积开始到一个成像周期T1的结束时间(表示为tp)，对于任意t，设定衬底电压满足d(Qsat(t))/dt＞0和d2(Qsat(t))/dt2＞0。
图17(b)示出一个成像周期T1内可累积的电荷量。
在该实施例中，由于如图17(a)所示定义衬底电压，可累积的电荷量描绘了一条以向下凸出的形式增加的连续曲线。
图17(c)和(d)示出提供大光量和小光量时累积到光电二极管中的电荷量。如图所示，对于小和大两种光量，电荷直到某个累积时间为止饱和。然而，在小光量的累积时间t1后和在大光量的t1后的累积时间t2后，光电转换的电荷累积到光电二极管中，直到一个成像周期的结束时间不出现饱和情况。
图18示出累积到光电二极管中的电荷量与光量的从属关系。实曲线表示本发明第五实施例中的光量与实际累积的电荷量之间的关系，虚线表示在可累积电荷量是常数的情况下光量和累积的电荷量之间的关系。
在本实施例中，当衬底电压连续改变以满足d(Qsat(t))/dt＞0和d2(Qsat(t))/dt2＞0时，可累积的电荷量对光量的变化描绘了以向上凸出的形式增加的连续曲线。
对于大于S(m)的光量，虽然光电二极管在直到与该m一对一对应的某个累积时间tm(当S(m)＜S(n)时tm＜tn)的时域中饱和，对于大于S(m)且小于S(tp)的光量，光电二极管不饱和。
同时，对于大于S(tp)的光量，光电二极管在一个成像周期内一直饱和。
同时，可任意设定S(tp)，但对满足0≤t＜tp的任何t，由满足d(Qsat(t))/dt＞0和d2(Qsat(t))/dt2＞0的Qsat(t)(0≤t≤tp)单独确定表示与光量的实际变化对应的可累积电荷量的曲线。
它表明，根据第五实施例，与常规器件相比，可增大动态范围。
另外，与可累积的电荷量不连续变化的第四实施例相比，在本实施例中，即使光电转换效率随光量变化，其变化连续发生。因此，可产生不对眼睛造成不舒服感觉的图像。
作为第五实施例的改进，希望在一个成像周期的全部或其中的一部分，控制可累积的电荷量，以使二次变化速度满足d2(Qsat(t))/dt2＞0。
同时，即使二次改变速度不满足本实施例中的控制条件d2(Qsat(t))/dt2＞0，和从某个累积时间t(m)至t(n)满足d2(Qsat(t))/dt2＝0，与可累积的电荷量不改变的情况相比，可预期增大动态范围。另外，即使光电转换效率随光量变化，其变化连续发生。因此，可产生不对眼睛造成不舒服感觉的图像。
然而，在从t(m)到t(n)的周期中，对于大于与t(m)一对一对应的S(m)的某个光量，光电二极管一直饱和。
另外，当在从t(m)到t(n)的周期中d2(Qsat(t))/dt2＜0时，对于光量S(m)，光电转换效率变得不连续，并产生对眼睛造成不舒服感觉得的图像。
另外，在本实施例中，希望将刚好在有关的一个成像周期开始前使累积到电荷累积装置中的电荷量基本为零。在如图17(a)和(b)中的虚线所示的某些情况下，最好有意地增加预定的电荷量，而不是刚好在有关的一个成像周期开始前将累积到电荷累积装置的电荷量设定为零。
就是说，在上面的实施例中，当在有关的一个成像周期的开始时刻t(0)未将电荷累积到电荷累积装置时，累积的电荷量很可能分散。由于此刻累积电荷量的分散强烈影响人的视觉，可能对眼睛造成不舒服的感觉。因此，为解决该问题，希望将预定的电荷给予电荷累积装置。
例如，适用于向电荷累积装置施加预定电压和保留预定量的电荷。
因此，在本实施例中，在一个成像周期的开始时刻，如图17(a)中的虚线所示，衬底电压突然下降一级。
在根据本发明的第一至第五实施例中，由具有通常在CCD型固态图像传感器件中使用的垂直OFD结构的光电转换部分中的衬底电压的变化来改变可累积的电荷量。然而，第一至第五实施例的方法也可同样用于具有水平OFD结构的光电转换部分。这将在下面说明。
图19(a)是表明通常在CMOS型固态图像传感器件中使用的光电转换部分的截面图。它由一个P型半导体衬底221，一个P型半导体区222，一个P+型半导体区223，一个n型半导体区224，一个n+型半导体区225，一个复位晶体管211，和用于源极输出电路的驱动晶体管212和选择晶体管213组成。
首先，为在一个成像周期前复位不必要的电荷，通过向复位晶体管211施加如图19B所示的电压VHg，加深复位晶体管211下的电位，并将n型半导体区224的电位设定为电源电压VDD。
然后，通过向复位晶体管211施加如图19C所示的电压VBg，光电转换部分201开始根据入射光量累积信号电荷，并进行散焦控制，以便将不能累积在光电转换部分201中的过量电荷移入用垂直OFD结构施加电源电压VDD的n+型半导体衬底205。
于是，由电压VBg确定可累积的电荷量。因此，通过在一个成像周期内改变VBg，可任意控制可累积的电荷量。
如上所述，固态图像传感器件1可包括根据预定时间的入射光量累积信号电荷，并设置有通过由衬底电压控制势垒将过量电荷移入衬底和控制可累积的电荷量的垂直OFD结构的多个光电转换部分。另外，固态图像传感器件1可包括根据预定时间的入射光量累积信号电荷，并设置有通过由选通电压控制势垒将过量电荷移入相邻的扩散层和控制可累积的电荷量的水平OFD结构的多个光电转换部分。
另外，本发明的另一方面是一种存储使用计算机执行驱动固态图像传感器件的方法的程序的记录介质。本发明的优点
如上所述，根据本发明，当可累积的电荷量在一个成像周期内以两级的形式改变时，与可累积的电荷量在整个一个成像周期不改变的情况相比可明显改善动态范围。
另外，当可累积的电荷量以大于两级的形式间断地改变时，与可累积的电荷量不改变的情况相比，可明显改善动态范围。此外，与可累积的电荷量以两级的形式改变的情况相比，即使光电转换效率随光量而改变，其变化较小并可设定为接近于连续变化。因此，可产生不对眼睛造成不舒服感觉的图像。
此外，当可累积的电荷量连续变化时，与可累积的电荷量不改变的情况相比，可明显改善动态范围。此外，与可累积的电荷量间断变化的情况相比，即使光电转换效率随光量变化，其变化是连续出现的。因此，可产生不对眼睛造成不舒服感觉的图像。
虽然已根据完整和清楚公开的具体实施例描述了本发明，所附权利要求不限于此，而是由所述基本技术所属领域的技术人员可实施的所有改进和替换结构构成。

Claims (16)

1.一种固态图像传感器件，包括：
以矩阵形式排列的多个传感装置；
连接到所述传感装置并累积在所述传感装置产生的电荷的电荷累积装置；
调节所述电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置；和
控制所述可累积电荷调节装置的控制装置；
其中所述控制装置控制可累积的电荷量，以便在一个成像周期内按时序和所述控制装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中：
所述传感装置是从CMOS传感装置和垂直溢出排放型传感装置中选择的传感装置。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中：
控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时序逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中：
构成所述控制装置，以便其控制所述传感装置的衬底电压或构成所述传感装置的电荷提取装置的晶体管的选通电压，以便在改变可累积的电荷量时改变。
5.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，进一步包括：
根据预定时间的入射光量累积信号电荷，并设置有通过由衬底电压控制势垒将过量电荷移入衬底和控制可累积的电荷量的垂直OFD结构的多个光电转换部分。
6.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，进一步包括：
根据预定时间的入射光量累积信号电荷，并设置有通过由选通电压控制势垒将过量电荷移入相邻的扩散层和控制可累积的电荷量的水平OFD结构的多个光电转换部分。
7.根据权利要求1所述的固态图像传感器件，其中：
所述控制装置控制可累积的电荷量，以便在一个成像周期内按时序和所述传感装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
8.一种驱动固态图像传感器件的方法，该固态图像传感器件包括以矩阵形式排列的多个传感装置，连接到所述传感装置并累积在所述传感装置产生的电荷的电荷累积装置，调节所述电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置，和控制所述可累积电荷调节装置的控制装置，该方法包括步骤：
由所述控制装置控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时序和所述传感装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
9.根据权利要求8所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
在可控制可累积的电荷量的固态图像传感器件中，在一个成像周期内按Qsat(1)和Qsat(2)的顺序进行可累积电荷量Qsat(n)的切换操作，同时控制Qsat(1)和Qsat(2)的累积模式以满足：
Qsat(1)/t(1)＜(Qsat(1)-Qsat(2))/(t(2)-t(1))其中Qsat(1)的累积模式的结束时间是t(1)，与一个成像周期T1的结束对应的Qsat(2)的累积模式的结束时间是t(2)。
10.根据权利要求8所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
在可控制可累积电荷量的固态图像传感器件中在一个成像周期内按Qsat(1)、Qsat(2)、…、Qsat(n)的顺序进行切换可累积电荷量Qsat(n)的操作，并从第一可累积电荷量(Qsat(1)≠0)到第n个可累积电荷量顺序切换，其中满足Qsat(1)＜Qsat(2)＜…＜Qsat(n)。
11.根据权利要求10所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
控制切换可累积电荷量的操作，以便对于特定整数m或等于2或大于和小于n的任何整数m满足Qsat(m)-Qsat(m-1)/t(m)-t(m-1)＜Qsat(m+1)-Qsat(m)/t(m+1)-t(m)的关系，其中t(m)是从累积开始到具有可累积电荷量Qsat(m)的第m级(2≤m≤n)累积模式的结束的时间，一个成像周期的结束时间是t(n)。
12.根据权利要求8所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
控制可控制可累积电荷量的固态图像传感器件中可累积的电荷量，以便在一个成像周期内连续改变，并控制一个成像周期内可累积电荷量的改变速度，以满足d(Qsat)/dt＞0。
13.根据权利要求12所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
在整个一个成像周期或一个成像周期的一部分中，控制可累积的电荷量，以便二次改变速度满足d2(Qsat(t))/dt2＞0。
14.根据权利要求8所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
刚好在有关的一个成像周期开始前使累积到电荷累积装置中的电荷量基本为零。
15.根据权利要求8所述的驱动固态图像传感器件的方法，其中：
刚好在有关的一个成像周期开始前，增加预定的电荷量作为累积到电荷累积装置的电荷量。
16.一种存储使计算机执行驱动固态图像传感器件的方法的程序的记录介质，该固态图像传感器件包括以矩阵形式排列的多个传感装置，连接到所述传感装置并累积在所述传感装置产生的电荷的电荷累积装置，调节所述电荷累积装置可累积的电荷量的可累积电荷调节装置，和控制所述可累积电荷调节装置的控制装置，该方法包括步骤：
由所述控制装置控制可累积的电荷量在一个成像周期内按时序和传感装置的给定可累积的电荷量内连续或不连续地改变。
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