CN1585460A - 固体摄像器件、摄像机、电源供给装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体摄像器件，是MOS型的固体摄像器件，通过延长VDD电源的电压从低电平到高电平所需要的期间，将不会出现因VDD电源侧和复位单元的栅极之间的耦合电容、造成以前那样的复位单元的栅极电压同时向正方向振动的情形。因此，用于使存储单元不被选择的电子不会从存储单元向VDD电源侧溢出，阻止了非选择行的存储单元的电位电平变为正电位，检测单元不会导通，可防止非选择行被选择的误动作。
Description
技术领域
本发明涉及在数码摄像机等中使用的MOS型固体摄像器件。
背景技术
以前，提出了各种各样的MOS型固体摄像器件(例如，参照日本专利特开2003-46846号公报)。
图1是表示由MOS晶体管构成的现有固体摄像器件的构成例子的图。该固体摄像器件22具有在半导体基板上将放大型单位像素进行二维排列的摄像区8(图1中虚线所示的区)，该摄像区8具有对入射光进行光电变换的光电二极管(以下简称为“PD部”)1、读出由PD部1获得的信号电荷的读取晶体管2、存储由读取晶体管2读取的信号电荷的浮动扩散部(以下简称为“FD部”)7、检测在FD部7存储的信号电荷的检测晶体管4、对在FD部7存储的信号电荷进行复位的复位晶体管3、以及垂直信号线5和VDD电源6。在此，图1中用双点划线所示的部分为构成1个像素单元的电路的“像素部(也称为单位像素)”14。
固体摄像器件22还具有利用垂直信号线5选择像素列的水平移位寄存器9、选择像素行的垂直移位寄存器10、提供驱动时所需的脉冲的定时信号发生电路11和输出放大器12。
图2是包含上述图1中像素部14的截面的模式图。在图2中，PD部1、VDD电源6和FD部7由N型半导体构成，形成于P型半导体的阱(well)层13上。读取晶体管2和复位晶体管3的栅极是多晶硅电极。虽然图2中未示出检测晶体管4的截面，但检测晶体管4的源极和漏极由N型半导体构成，栅极是多晶硅电极。VDD电源6与检测晶体管4的漏极及复位晶体管3的漏极相连接。
图3是示出了上述图2中的各个要素的电路图。在PD部1进行了光电变换的信号电荷被存储在PD部1的P-N结电容1a中，此后由读取晶体管2读取到FD部7的P-N结电容7a中。该FD部7以P-N结电容为主，因此由读取的电荷量决定FD部7的电位，这样，当检测晶体管4的栅极电压变化时，读取出作为垂直信号线5的电位变化的信号。
图4是表示现有技术的像素部14中的驱动定时的图。在图4中示出，在第N行和第N+1行的动作过程中，VDD电源6的电压脉冲(以下简称为“VDD脉冲”)、第N行复位晶体管3的复位脉冲(以下简称为“第N行复位脉冲”)、第N行读取晶体管2的读取脉冲(以下简称为“第N行读取脉冲”)、第N+1行复位晶体管的复位脉冲(以下简称为“第N+1行复位脉冲”)及第N+1行读取晶体管的读取脉冲(以下简称为“第N+1行读取脉冲”)分别随时间而变化的情况。
图5A至图5G是表示与图4相对应的像素部14的各个部分在时刻T1-T7的电位的图。在图5A至图5G的纵轴方向上，上水平线表示“低电平”，下水平线表示“高电平”。首先在图5A的T1时刻，PD部1中存在信号电荷，读取晶体管2的栅极处于低电平状态、复位晶体管3的栅极处于低电平、VDD电源6处于高电平。到了在图5B的T2时刻，由于复位晶体管3的栅极处于高电平，因此FD部7被设定为VDD电源6的电压的高电平。在图5C的T3时刻，由于读取脉冲结束(即变为低电平)，因此PD部1中存在的电荷被读取到FD部7。此时，由FD部7的电位变化使检测晶体管4的栅极电压发生改变，因此读取作为垂直信号线5的电位变化的信号。在图5D的T4时刻，VDD电源6处于低电平，此后在图5E的T5时刻，复位晶体管3的栅极再次处于高电平，因此FD部7被设定为低电平。在图5F的T6时刻，复位晶体管3的栅极变为低电平。在图5G的T7时刻，为了检测出第N+1行信号，VDD电源6再次处于高电平。同样地，从时刻T8到T14，对第N+1行重复第N行像素的T1到T7时刻的动作。
但是，在现有技术中存在有可能发生以下所述误操作的问题。
在背景技术中说明的图5G的T7时刻，VDD电源6再次处于高电平时，发生急剧的电压变化。此时，由于VDD电源6和复位晶体管3的栅极之间的耦合电容41，使复位晶体管3的栅极电压也同时偏向正方向。因此，复位晶体管3的栅极打开，位于FD部7中的一部分电子被抽取到VDD电源6侧，FD部7的电位变为正电位。由于该FD部7的电位变化，检测晶体管4的栅极电压变为正电位，使本来应当截止的检测晶体管4导通。其结果，会发生在本来选择行中检测出的电荷上施加本来未选择行所选择的行的影响的误动作，从而会出现不能得到本来的正确电荷信号、例如可能会产生不能检测出明亮的光的误动作。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种MOS型固体摄像器件，其具有由VDD电源确定行的选择或非选择的电路，可防止选择非选择行的误动作。
为达到上述目的，本发明的固体摄像器件，是在半导体基板上构成的MOS型固体摄像器件，此外，包括多个单位像素和电源供给单元，所述单位像素具有：存储单元，对入射光进行光电变换，并存储通过该光电变换获得的信号电荷；以及复位单元，根据复位信号将存储在所述存储单元中的所述信号电荷复位，并包含MOS晶体管；所述电源供给单元向所述复位单元供给成为复位电压的电源电压；所述电源供给单元，通过对所述电源电压从非检测电位变化到检测电位所需要的期间附加规定时间的倾斜，可抑制因结电容而产生的、存储在所述存储单元中的信号电荷的充放电。
由此，通过延长所述VDD电源的电压从非检测电位(低电平)变化到检测电位(高电平)所需要的时间，可防止由VDD电源侧和复位单元的栅极之间的耦合电容所造成的复位单元的栅极电压同时向正方向振动，最终可防止非选择行被选择的误动作。
此外，本发明不仅实现这种固体摄像器件，而且可以实现固体摄像器件的电源供给方法。
根据本发明，在MOS型的固体摄像器件中，通过延长VDD电源的电压从低电平变化到高电平所需要的时间，将不会出现VDD电源侧和复位单元的栅极之间的耦合电容造成以前那样的复位单元的栅极电压同时向正方向振动的情形。因此，用于将存储单元设成非选择的电子不会从存储单元向VDD电源侧溢出，阻止了非选择行的存储单元的电位电平变为正电位，检测单元不会导通，可防止非选择行被选择的误动作。
此外，本发明描述的是在复位单元、读取单元和检测单元中分别利用N型MOS晶体管的情形，但是当这些单元是P型MOS晶体管的情况下也是有效的。
由于本发明的固体摄像器件用于摄像机等中，可实现不发生误操作的优良摄像机等，因此其实用价值极高。
附图说明
根据与表示本发明的具体实施方式的附图相结合而进行的下述说明，可以看出本发明的目的、优点和特征。
图1是表示由MOS晶体管构成的现有的固体摄像器件的构成例子的图。
图2是包含现有的固体摄像器件中的像素部截面的模式图。
图3示表示出现有的固体摄像器件中的各要素的电路图。
图4是表示现有的固体摄像器件中的像素部的驱动定时的图。
图5A至图5G是表示现有的固体摄像器件中的像素部的各个部分在T1-T7时刻的电位的图。
图6是本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件中的VDD电源供给电路的输出部的电路图。
图7是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件中的像素部的驱动定时的图。
图8是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件中的、与VDD电源的上升期间对应的FD部电位的图。
图9是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件中的、与VDD电源的上升期间中的倾斜度最大值相对应的FD部电位的图。
图10A至图10G是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件中的像素部的各个部分在T1-T7时刻的电位的图。
图11是表示本发明第二实施方式涉及的固体摄像器件中的像素部的驱动定时的图。
图12是本发明第三实施方式涉及的固体摄像器件中的VDD电源供给电路的输出部电路图。
图13是表示本发明第三实施方式涉及的固体摄像器件中的像素部的驱动定时的图。
图14是本发明第四实施方式涉及的摄像机的方框图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
在本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122(图中未示出)的结构中，上述图1、图2和图3所示的作为VDD电源6提供电源的位置，在现有技术中(在后述的图6中)是VDD电源输出部60，但是在本发明中用位置60a代替，而其它结构相同。以下利用图6对供给VDD电源的位置60a进行详细描述。
图6是本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122中的VDD电源供给电路65的输出部电路图。如果在VDD电源输出部60的后面串联连接电阻30，则由于在位置60a处连接的电容器35，因此在经过电阻30的位置60a处，可使电源脉冲的上升期间和下降期间的变化分别变缓慢。将经过该电阻30后的位置60a作为图1所示固体摄像器件122中的电源供给位置。
图7是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122中的像素部14的驱动定时的图。与现有技术的不同点是，VDD脉冲的上升期间和下降期间分别延长(即VDD脉冲缓慢上升、缓慢下降)。如图6所示，通过将位置60a设定为提供VDD电源的位置，使得与上述图4所示现有技术的固体摄像器件22的波形的倾斜相比，从T3时刻到T4时刻、从T7时刻到T8时刻、从T10时刻到T11时刻等的VDD脉冲上升期间和下降期间的波形倾斜更缓和(即，附加了时间上的倾斜)。
图8是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122中的、“FD部的电位”与“VDD电源的上升期间”之间关系的图。如果VDD电源的上升时间为5纳秒，则FD部7的电位为VDD电源振幅的10％，在检测晶体管4的阈值以下，因此可知是稳定的。进一步地，如果VDD电源的上升时间为10纳秒，则FD部7的电位为VDD电源振幅的5％，可取相对检测晶体管4的阈值的边缘值。再者，如果VDD电源的上升时间为25纳秒，则可使FD部7的电位为VDD电源的低电平，连接在FD部7上的检测晶体管4是完全稳定的。因此，优选VDD电源的上升时间为5纳秒以上。
图9是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122中的、“T8时刻的第N行的FD部电位”与“VDD电源上升期间的倾斜度最大值”之间关系的图。如果VDD电源的上升期间的倾斜度最大值为0.15伏/纳秒的话，则T8时刻的第N行的FD部7电位为VDD电源振幅的10％，在检测晶体管4的阈值以下，因此是稳定的。进一步地，如果VDD电源的上升期间的倾斜度最大值为0.1伏/纳秒的话，则FD部7的电位为VDD电源振幅的5％，可取相对检测晶体管4的阈值的边缘值。进一步地，如果VDD电源的上升期间的倾斜度最大值为0.02伏/纳秒的话，则可使FD部7的电位为VDD电源的低电平，连接在FD部7上的检测晶体管4是完全稳定的。因此，优选VDD电源的上升期间的倾斜度最大值为0.15伏/纳秒以下。
如果调整上述图6中电阻30的值，可将图8所示的“VDD电源的上升时间”以及图9所示的“VDD电源的上升期间的倾斜度最大值”设定为期望值。
图10是表示本发明第一实施方式涉及的固体摄像器件122中的像素部14的各个部分的各个时刻的电位的图。图10A至图10F与现有技术的上述图5A至图5F相同。但如图10G所示，在作为VDD脉冲上升期间的T7时刻至T8时刻期间，VDD脉冲缓慢地从低电平(也称为“非检测电位”)升至高电平(也称为“检测电位”)，由此，即使在VDD电源6和复位晶体管3的栅极之间存在耦合电容41的情况下，位置60a的电压从低电平变为高电平时，复位晶体管3的栅极电压不会发生向正方向的较大的振动。因此可避免FD部7中存在的一部分电子被抽取到VDD电源一侧的现有技术中存在的不良情况。由此，可将位置60a的电压设定为低电平，使FD部7稳定，因此检测晶体管4的栅极电压变为正电位，可防止非选择的FD部7的电位变高而成为选择行的误操作。
如上所述，根据本发明实施方式中的固体摄像器件，可防止错误地选择非选择行的误操作。
(第二实施方式)
图11是表示本发明第二实施方式的固体摄像器件222(图中未示出)中的像素部14的驱动定时的图。与上述第一实施方式的图7不同的是，在VDD脉冲上升期间和下降期间采用的是斜波形。在该情况下，斜波形可容易地由通常公知的斜波形发生电路实现。在图11的从T7时刻到T8时刻的期间，VDD脉冲上升时的倾斜度对FD部7电位的电位变动产生较大的影响。通过提供从低电平向高电平变化的期间比5纳秒长的斜波形、或者从低电平向高电平变化的期间的时间微分比0.15伏/纳秒小的斜波形，可使与FD部7连接的检测晶体管4的栅极电位完全稳定在非检测电位。此外，不仅在上升期间、在下降期间也采用斜波形的情况下，由于该两个期间可采用相同的斜波形发生电路，因此可实现电路的有效化。
(第三实施方式)
本发明的实施方式涉及的固体摄像器件322(图中未示出)，与上述第一实施方式涉及的固体摄像器件122的不同之处在于，VDD电压供给电路65的输出部的电路。
图12是本发明实施方式涉及的固体摄像器件322中的VDD电源供给电路65的输出部的电路图。如图12所示，在VDD电源输出部60上串联连接电阻31，在经过该电阻31之后的位置60b处连接电容器32和电源脉冲复位用晶体管33。在电源脉冲上升时，如果与电源脉冲复位用晶体管33的栅极相连接的电源脉冲复位用输入部34断开，则由于存在与位置60b连接的电容器32，因此在经过电阻31后的位置60b处，可使VDD脉冲缓慢变化。此外，在下降时，通过使电源脉冲复位用输入部34导通，可使电容器32中存储的电荷急剧地形成低电平，因此可实现急剧的下降。将经过该电阻31后的位置60b作为电源供给位置，来代替上述图1中固体摄像器件22的VDD电源输出部60。
图13是表示本发明第三实施方式涉及的固体摄像器件中的像素部14的驱动定时的图。如图13所示，在本固体摄像器件322中，仅在从T7时刻到T8时刻的VDD脉冲上升期间采用斜波形。即使下降是急速的电压变化，固体摄像器件322也不会发生任何误操作，因此，通过使T10时刻到T11时刻的下降期间加快，可缩短整个驱动时间。此外，在T7时刻到T8时刻的上升期间，可使斜波形上升的倾斜度变小，因此使得FD部7的电压稳定。由此，与FD部7连接的检测晶体管4的栅极电压完全稳定在非检测电位。
(第四实施方式)
图14是在摄像机中使用上述的本发明实施方式涉及的固体摄像器件122、222或322(为了简便，统称为22a)中任一个时的方框图。摄像机20具有透镜21、固体摄像器件22a、驱动电路23、信号处理部25和外部接口部26。通过透镜21的光进入到固体摄像器件22a。信号处理部25通过驱动电路23驱动固体摄像器件22a，并读取来自固体摄像器件22a的输出信号。由信号处理部25处理的信号通过外部接口部26输出到外部。通过采用本发明第一～第三实施方式的固体摄像器件122、222或322，可实现不会发生错误选择非选择行的误动作的摄像机。
以上根据实施方式说明了本发明的固体摄像器件和摄像机，但本发明不限于这些实施方式。例如，本发明中将N型MOS晶体管分别用于复位晶体管、读取晶体管和检测晶体管，但是也可以在各个晶体管中使用P型MOS晶体管。但是，在这种情况下，各个信号的极性发生反转，因此需要将此前第一至第三实施方式中所述的“从低电平变为高电平的期间”替换成“从高电平变为低电平的期间”等，并需要对各电平的变化加以注意。
此外，作为实现VDD脉冲的缓慢的上升和下降的电路，也可以是本实施方式所示的以外的电路。
本发明涉及的固体摄像器件，具有在由VDD电源确定行选择和非选择时可防止错误选择非选择行的误动作的效果，可作为携带电话或数码摄像机等中使用的MOS型固体摄像器件而使用。
Claims (10)
1.一种固体摄像器件，是在半导体基板上构成的MOS型固体摄像器件，其特征在于，
包括多个单位像素和电源供给单元，
所述单位像素具有：存储单元，对入射光进行光电变换，并存储通过该光电变换获得的信号电荷；以及复位单元，根据复位信号将存储在所述存储单元中的所述信号电荷复位，并包含MOS晶体管；
所述电源供给单元向所述复位单元供给成为复位电压的电源电压；
所述电源供给单元，通过对所述电源电压从非检测电位变化到检测电位所需要的期间附加规定时间的倾斜，可抑制因结电容而产生的、存储在所述存储单元中的信号电荷的充放电。
2.如权利要求1所述的固体摄像器件，其特征在于，
所述结电容是所述复位单元中的MOS晶体管的栅极和所述电源电压之间的结电容。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像器件，其特征在于，
在所述期间的倾斜包含斜波形的一部分。
4.如权利要求1或2所述的固体摄像器件，其特征在于，
所述期间的倾斜的、从非检测电位变化至检测电位所需要的时间，比从所述电源电压的检测电位变化到非检测电位的所需要时间长。
5.如权利要求1或2所述的固体摄像器件，其特征在于，
在所述期间的倾斜的、从非检测电位变化至检测电位所需要的时间大于5纳秒。
6.如权利要求1或2所述的固体摄像器件，其特征在于，
所述期间的倾斜度小于0.15V/纳秒。
7.如权利要求1或2所述的固体摄像器件，其特征在于，
所述电源供给单元向所有的所述单位像素供给所述电源电压。
8.一种摄像机，包含在半导体基板上构成的MOS型固体摄像器件，其特征在于，
所述固体摄像器件包括多个单位像素和电源供给单元，
所述单位像素具有：存储单元，对入射光进行光电变换，并存储通过该光电变换获得的信号电荷；以及复位单元，根据复位信号将存储在所述存储单元中的所述信号电荷复位，并包含MOS晶体管；
所述电源供给单元向所述复位单元供给成为复位电压的电源电压；
所述电源供给单元，通过对所述电源电压从非检测电位变化到检测电位所需要的期间附加规定时间的倾斜，可抑制因结电容而产生的、存储在所述存储单元中的信号电荷的充放电。
9.一种电源供给装置，向在半导体基板上构成的MOS型单位像素供给电源电压，其特征在于，
所述单位像素具有：存储单元，对入射光进行光电变换，并存储通过该光电变换获得的信号电荷；以及复位单元，根据复位信号将存储在所述存储单元中的所述信号电荷复位，并包含MOS晶体管；
所述电源供给装置，通过对所述电源电压从非检测电位变化到检测电位所需要的期间附加规定时间的倾斜，可抑制因结电容而产生的、存储在所述存储单元中的信号电荷的充放电。
10.一种电源供给方法，向在半导体基板上构成的MOS型单位像素供给电源电压，其特征在于，
所述单位像素具有：存储单元，对入射光进行光电变换，并存储通过该光电变换获得的信号电荷；以及复位单元，根据复位信号将存储在所述存储单元中的所述信号电荷复位，并包含MOS晶体管；
所述电源供给方法，通过对所述电源电压从非检测电位变化到检测电位所需要的期间附加规定时间的倾斜，可抑制因结电容而产生的、存储在所述存储单元中的信号电荷的充放电。
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