CN1627802A - 放大固态图像拾取设备及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种放大固态图像拾取设备，包括：分别由光电二极管和转移晶体管组成的光电转换转移部分和为每k个(k：自然数)光电转换转移部分设置的切换电容放大部分。切换电容放大部分包括：由晶体管组成的反相放大器、在该反相放大器的输入和输出之间分别插入的复位晶体管和电容器；以及在该反相放大器的输出侧和垂直信号线之间插入的选择晶体管。切换电容放大部分的反相放大器的输入侧作为对k个光电转换转移部分公用的信号电荷存储部分。切换电容放大部分的反相放大器的输出侧通过选择晶体管连接到垂直信号线。
Description
技术领域
本发明涉及一种放大固态图像拾取设备(amplifying solid-state image pickup device)及其驱动方法。
背景技术
通常，已经提出了一种其包括具有放大功能的像素部分和在该像素部分四周设置的扫描电路的放大固态图像拾取设备，其中通过该扫描电路从该像素部分中读取像素数据。具体地，已经公知了一种由CMOS(互补金属氧化物半导体)形成的APS(有源像素传感器)型的图像传感器，CMOS有利于像素部分与外围驱动电路和信号处理电路的。
对于APS型图像传感器，需要形成光电转换部分、放大部分以及通常处于一个像素之中的像素选择部分和复位(reset)部分。因此，通常在APS型图像传感器中，除了由光电二极管(PD)形成的光电转换部分之外，采用三至四个MOS晶体管(Tr)。
图8示出了一种APS型图像传感器的结构，其采用一个光电二极管(PD)和四个MOS晶体管(Tr)来组成PD+4Tr系统。例如，在参考文献“I.Inoue等人，IEDM Tech.Digest，pp.883-886(1999)”中就公开了这种PD+4Tr系统的APS型图像传感器。
图8中所示的PD+4Tr系统的APS型图像传感器由作为“PD”的光电二极管201和作为“4Tr”的转移晶体管202、复位晶体管231、放大晶体管232和像素选择晶体管233组成，转移晶体管202用于转移在光电二极管201中存储的信号电荷。在此情况下，假定光电二极管201给定为掩埋型光电二极管并且从光电二极管201中转移信号电荷是理想的，众所周知，就能够实现显著的噪声减少并获得高质量的图像。
用于转移晶体管202的驱动脉冲表示为φT，用于复位晶体管231的驱动脉冲表示为φR，并且用于像素选择晶体管233的驱动脉冲表示为φS。同样，垂直信号线通过恒流负载晶体管234接地，驱动脉冲φL提供到恒流负载晶体管23，从而获得输出信号VS。此外，VDD表示电源电压(恒定电压)。
图9A、9B、9C、...、9G是用于解释图8中所示的PD+4Tr系统的APS型图像传感器的电路操作的时序图。
对于第m行(这里m是自然数)的驱动脉冲φR(m)、φS(m)和φT(m)以及对于第(m+1)行的φR(m+1)、φS(m+1)和φT(m+1)是基于一个水平扫描周期(1H)的相似驱动脉冲电压波形的重复。因此，以下给出关于第m行的一个水平扫描周期的说明。
首先，在周期T1中，提供到复位晶体管231的栅极的驱动脉冲φR(m)变为高(High)电平，从而该栅极的电位电平上升，导致复位晶体管231为导通(ON)状态。结果，电荷就会从信号电荷存储部分208中移动到复位晶体管231的漏极，导致待复位的信号电荷存储部分208的电压到达电源电压VDD。在此状态下，提供到恒流负载晶体管234的栅极的驱动脉冲φL变为高电平，导致恒流负载晶体管234处于导通状态，同时提供到像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)变为高电平，导致像素选择晶体管233处于导通状态。
在下一个周期T2中，提供到复位晶体管231的栅极的驱动脉冲φR(m)变为低(Low)电平，导致复位晶体管231为截止(Off)状态。然而，由于提供到像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)为高电平且像素选择晶体管233处于导通状态，因此信号电荷存储部分208的复位电平通过放大晶体管232和像素选择晶体管233读到垂直信号线235。
在下一个周期T3中，提供到像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)变为低(Low)电平，导致像素选择晶体管233处于截止(Off)状态，并且提供到转移晶体管202的栅极的驱动脉冲φT(m)变为高(High)电平，从而使该栅极的电位电平上升，导致转移晶体管202处于导通(On)状态。结果，在光电二极管201中存储的信号电荷就转移到信号电荷存储部分208。
在下一个周期T4中，提供到转移晶体管202的栅极的驱动脉冲φT(m)变为低(Low)电平，导致转移晶体管202处于截止(Off)状态，同时信号电荷存储部分208就保持在转移的信号电荷的电压下。然后，因为提供到像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)处于高(High)电平且像素选择晶体管233处于导通(On)状态，所以经过放大晶体管232和像素选择晶体管233，信号电平被读取到垂直信号线235。当这种情况发生时，提供到恒流负载晶体管234的栅极的驱动脉冲φL变为高电平，导致恒流负载晶体管234处于导通状态。
对于图8的电路结构和以上描述的图9A、9B、9C、...、9G的电路操作，对于每一个像素，需要四个晶体管和一个光电二极管，这就限制了像素尺寸的小型化。由于这个原因，减少每个像素的晶体管数目就已经变成了目的。
图10示出了一种放大固态图像拾取设备，其中与多个光电二极管201和转移晶体管202共用地设置有信号电荷存储部分208、复位晶体管231、放大晶体管232和像素选择晶体管233(例如，参见，JP09-46596A)。
在图11A、11B、11C、11D和11E的时序图中示出了图10的放大固态图像传感器的操作。
如图11A、11B、11C、11D和11E中所示，在周期T1中，提供到复位晶体管231的共用栅极的驱动脉冲φR(m)变成导通状态，从而使该栅极的电位电平上升。结果，电荷就会从共用信号电荷存储部分208移动到共用复位晶体管231的漏极，导致待复位的信号电荷存储部分208的电压达到电源电压VDD。在此状态下，提供到恒流负载晶体管234的栅极的驱动脉冲φL变为高电平，导致恒流负载晶体管234处于导通状态，同时提供到像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)变为高电平，导致像素选择晶体管233处于导通状态。
在下一个周期T2中，提供到共用复位晶体管231的栅极的驱动脉冲φR(m)变为低电平，导致共用复位晶体管231为截止状态。然而，因为提供到共用像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)为高电平且共用像素选择晶体管233处于导通状态，因此通过共用的放大晶体管232和像素选择晶体管233复位电平被读取到垂直信号线235。
在下一个周期T3中，提供到共用像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)变为低电平，导致共用像素选择晶体管233处于截止状态，并且提供到第m行的转移晶体管202的栅极的驱动脉冲φT(m)变为高电平，从而使该栅极的电位电平上升，导致转移晶体管202处于导通状态。结果，在第m行的光电二极管201中存储的信号电荷就转移到信号电荷存储部分208。
在下一个周期T4中，提供到第m行的转移晶体管202的栅极的驱动脉冲φT(m)变为低电平，导致转移晶体管202处于截止状态，同时共用信号电荷存储部分208保持在转移的信号电荷的电压下。因此，因为提供到共用像素选择晶体管233的栅极的驱动脉冲φS(m)处于高电平且共用像素选择晶体管233处于导通状态，所以通过共用放大晶体管232和像素选择晶体管233，将第m行的信号电平提取到垂直信号线235。当这种情况发生时，提供到恒流负载晶体管234的栅极的驱动脉冲φL变为高电平，导致恒流负载晶体管234处于导通状态。
然后，在一个水平扫描周期(1H)之后，对于第(m+1)行的像素，经过第(m+1)行的转移晶体管202，从第(m+1)行的光电二极管201中导出信号电荷，而通过共用复位晶体管231、放大晶体管232和像素选择晶体管233执行与在周期T1-T4中相同的操作。
在图10、11A、11B、11C、11D和11E中所示的放大固态图像拾取设备的结构和操作中，对于两个像素给出一个共用部分的假设等同于每个像素2.5个晶体管，并且对于4个像素给出一个共用部分的假设等同于每个像素1.75个晶体管。即，在这些实例中，就能够实现将每个像素的晶体管数目减少1.5至2.25个。
然而，在图10、11A、11B、11C、11D和11E中所示的放大固态图像拾取设备的结构和操作中，出现了如下展示的问题。即，如果共用信号电荷存储部分208的电容为CFD，在从光电二极管201中导出的信号电荷Qsig转换为电压信号Vsig下的电荷-电压转换效率η为：
η＝G·Vsig/Qsig＝G/CFD...........(等式1)
其中G是由放大晶体管232和恒流负载晶体管234组成的源极输出电路的增益，其小于1。
从等式1中明显地看出，为了放大电荷-电压转换效率η，就需要减少电容CFD。共用信号电荷存储部分208的电容CFD是转移晶体管202的漏极侧结电容和放大晶体管232的栅极电容之和，两个晶体管都连接到信号电荷存储部分208。因此，转移晶体管的漏极结电容随着光电二极管和连接到共用信号电荷存储部分的转移晶体管的数量增加而增加，这就产生了电荷-电压转换效率η下降的问题。
发明内容
本发明希望解决这些问题，本发明具有提供一种放大固态图像拾取设备及其驱动方法的目的，该放大固态图像拾取设备能够获得噪声降低的高质量的图像并在很大程度上减少每个像素的晶体管数量以便小型化像素尺寸。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种放大固态图像拾取设备，包括：
多个光电转换转移部分，其分别对于各个像素进行设置，每个光电转换转移部分具有光电转换元件和用于转移光电转换元件的信号电荷的转移晶体管，其中
将多个光电转换转移部分分别划分为多个光电转换转移部分组，每个光电转换转移部分组由特定数量的光电转换转移部分组成；并且其中
以矩阵形状排列光电转换转移部分组，并且还包括：
多个切换电容放大部分(switched capacitor amplificationparts)，其分别提供用于各个光电转换转移部分组，它的输入侧连接到光电转换转移部分的每个转移晶体管的输出侧并且它的输出侧连接到信号线；以及
控制部分，在每个光电转换转移部分组中，用于控制转移晶体管和切换电容放大部分，以便通过切换电容放大部分重复从光电转换元件分别经过各个光电转换转移部分的转移晶体管读取信号的操作。
在这种具有上述结构的放大固态图像拾取设备中，控制部分在每个光电转换转移部分组中控制转移晶体管和切换电容放大部分，以便通过切换电容放大部分，重复从光电转换元件分别经过各个光电转换转移部分的转移晶体管读取信号的操作。通过对于每个光电转换转移部分组的多个像素包含共用放大电路(切换电容放大部分)，就有可能减少每个像素的晶体管数量。同样，通过包含切换电容器类型的放大电路，就有可能有效地减少信号电荷存储部分的电容，以致就能够提高电荷-电压转换增益。因此，就能够获得更少噪声和高质量的图像，而且在很大程度上可以减少每个像素的晶体管数量，允许小型化像素尺寸。
在一个实施例中，切换电容放大部分包括：
信号电荷存储部分，光电转换转移部分组的相应转移晶体管的输出侧连接到该信号电荷存储部分；
反相放大器，信号电荷存储部分连接到该反相放大器的输入侧；
复位晶体管，其连接在反相放大器的输入和输出之间；
电容元件，其连接在反相放大器的输入和输出之间；以及
选择晶体管，其连接在反相放大器的输出侧和信号线之间。
在本实施例中，用简单的结构就能够实现切换电容放大部分，该电容放大部分用于转换为电压并放大从光电转换转移部分组的光电转换元件组通过转移晶体管转移的信号电荷。
在一个实施例中，光电转换元件是掩埋型光电二极管。
在一个实施例中，为了从光电转换元件中通过转移晶体管将信号电荷转移到切换电容放大部分的信号电荷存储部分，控制部分控制反相放大器的接地侧端子的电压，以致切换电容放大部分的反相放大器的输入侧电位变得更深。
在本实施例中，当从光电转换元件中通过转移晶体管将电荷转移到信号电荷存储部分时，控制部分控制反相放大器的接地侧端子的电压，以致使反相放大器的输入侧(信号电荷存储部分)的电位变得更深，以便更易于转移电荷。结果，特别对于为掩埋型光电二极管的光电转换元件，可以使从光电二极管到信号电荷存储部分的电荷转移进行得完美，因此就能够实现在很大程度上降低读取噪声。
在一个实施例中，构成切换电容放大部分的反相放大器的晶体管中的电源侧晶体管是耗尽型(depression type)晶体管。
在本实施例中，将构成反相放大器的晶体管中的电源侧晶体管设定为阈值电压更小的耗尽型晶体管，就可以将反相放大器的增益提高得更大。而且，当反相放大器的接地侧端子设置为高电平时，就可以增大用于加深反相放大器的输入侧的电位的效果。
而且，在一个实施例中，处于截止状态下的转移晶体管的沟道区的电位和处于截止状态下的复位晶体管的沟道区的电位比衬底电压更深，并且处于截止状态下的复位晶体管的沟道区的电位比处于截止状态下的转移晶体管的沟道区的电位更深。
在本实施例中，可以通过转移晶体管和复位晶体管将特定光电二极管上入射的过量光而额外产生的信号电荷释放到反相放大器的输出和反相放大器。因此，就能够抑制因额外产生的溢出到邻近的光电二极管的信号电荷而产生散焦(blooming)效应。
同样地，根据本发明，提供一种用于上述放大固态图像拾取设备的驱动方法，该驱动方法包括：
第一步骤，接通切换电容放大部分的复位晶体管，以进行复位操作；
第二步骤，在第一步骤之后，关断复位晶体管，利用处于导通状态下的切换电容放大部分的选择晶体管，进行从切换电容放大部分的反相放大器中输出的复位电平的读取操作；
第三步骤，在第二步骤之后，接通光电转换转移部分的转移晶体管，进行从光电转换转移部分到切换电容放大部分的电荷转移；以及
第四步骤，在第三步骤之后，接通选择晶体管，进行从切换电容放大部分的反相放大器中输出的信号电平的读取操作，其中
在每个光电转换转移部分组中，分别对连接到切换电容放大部分的信号电荷存储部分的各个光电转换转移部分重复第一步骤到第四步骤的操作，由此从光电转换转移部分组的光电转换元件中读取信号。
在这种用于放大固态图像拾取设备的驱动方法中，可以以可靠的判定实现放大固态图像拾取设备的像素主要部分上的信号电荷的转移。此外，可以以简单方式构成像素的光电转换转移部分的互连和用于产生定时的电路。
在一个实施例中，在第三步骤中，控制反相放大器的接地侧端子的电压，以致切换电容放大部分的反相放大器的输入侧电位变得更深(deeper)。
在本实施例中，通过将反相放大器的接地侧端子设置为高电平，就能够加深信号电荷存储部分的电压，使获得完美的电荷转移成为可能。
从上述说明中明显看出，根据本发明的放大固态图像拾取设备及其驱动方法，采用对多个像素公用的切换电容器类型的放大器，就能够在很大程度上减少每个像素的晶体管数量。例如，当切换电容器类型的放大器对8个像素共用时，每个像素的晶体管数量就从4减少至1.5个。这就产生了降低像素尺寸的巨大优点。此外，采用掩埋型光电二极管，就能够进行提高从光电二极管中的信号电荷转移的操作，利用完美的电荷转移，因此就使获得非常低的噪声的图像成为可能。
因此，本发明的放大固态图像拾取设备显著有利于形成小尺寸、高性能的图像传感器。
附图说明
从以下给出的详细说明和仅仅用于说明并且不希望限制本发明而给出的的附图中将更加全面地理解本发明，其中：
图1是示出了根据本发明的一个实施例的二维放大固态图像拾取设备的主要部分的电路结构的电路图；
图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G是在二维放大固态图像拾取设备中的驱动脉冲的时序图；
图3是示出了在二维放大固态图像拾取设备中的像素和切换电容放大部分的剖面图的示图；
图4A和4B是在二维放大固态图像拾取设备中的反相放大器的操作说明图；
图5A和5B是用于解释在二维放大固态图像拾取设备中的反相放大器的补充操作的图；
图6A示出了在图1中所示的放大固态图像拾取设备中的像素的另一个实例的剖面图，图6B示出了它的电位分布图，以及图6C示出了在反相放大器的输入电压和输出电压之间的关系；
图7是示出了根据本发明的另一个实施例的二维放大固态图像拾取设备的主要部分的电路图；
图8是根据现有技术的放大固态图像拾取设备中的多个像素的电路图；
图9A、9B、9C、9D、9E、9F和9G是在放大固态图像拾取设备中的驱动脉冲的时序图；
图10是根据现有技术的另一种放大固态图像拾取设备中的多个像素的电路图；
图11A、11B、11C、11D和11E是在放大固态图像拾取设备中的驱动脉冲的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图中示出的实施例来说明本发明的放大固态图像拾取设备及其驱动方法。
图1是示出了二维放大固态图像拾取设备的主要部分的电路结构的电路图，作为根据本发明的放大固态图像拾取设备的一个实例，其中在二维放大固态图像拾取设备中二维地排列多个像素。在图1中，参考数字10表示位于每个像素中的光电转换转移部分，参考数字20表示用于将从光电转换转移部分10中导出的信号电荷转换为电压以便放大该电压的切换电容放大部分，以及参考数字25表示作为控制部分的一个实例的垂直扫描电路。在图1中，仅仅示出了两列，即多行和多列的光电转换转移部分10中的第i列和(i+1)列，其中切换电容放大部分20连接到作为在每一列中的光电转换转移部分组的每个k光电转换转移部分10。应当注意，k和i每个都是不小于2的整数。
光电转换转移部分10由作为光电转换元件的一个实例的光电二极管1和转移晶体管2组成，光电二极管1的正极接地，转移晶体管2的漏极连接到光电二极管1的负极。同样，切换电容放大部分20由反相放大器9和选择晶体管5组成，反相放大器9由晶体管3和晶体管4、都插入在反相放大器9的输入和输出之间的复位晶体管6和作为电容元件的一个实例的电容器7组成，选择晶体管5插入在反相放大器9的输出侧和垂直信号线11之间。信号电荷存储部分8位于反相放大器9的输入侧，在它们的输出侧(转移晶体管2的源极)处k光电转换转移部分通常连接到信号电荷存储部分8。应当注意，信号电荷存储部分8的电容表示为CFD，且电容器7的电容为C1n。此外，在图1中，信号电荷存储部分8从切换电容放大部分20的输入端延伸到每个转移晶体管2的输出侧。
继续参照图1，参考数字21表示转移晶体管驱动信号线，参考数字22表示选择晶体管驱动信号线，参考数字23表示复位晶体管驱动信号线，以及参考数字24表示切换电容器放大器接地侧信号线。转移晶体管驱动信号线21连接到沿行方向排列的每个光电转换转移部分10的转移晶体管2的栅极。选择晶体管驱动信号线22连接到切换电容放大部分20的选择晶体管5的栅极。复位晶体管驱动信号线23连接到切换电容放大部分20的复位晶体管6的栅极。此外，切换电容器放大器接地侧信号线24连接到切换电容放大部分20的反相放大器9的接地侧端子。
参照图1，第n个(其中n是整数)光电转换转移部分组和切换电容放大部分20位于上侧，同时第(n+1)个光电转换转移部分组和切换电容放大部分20位于下半侧。连接到第n个切换电容放大部分20的第一行的像素表示为(n，1)，并且第二行的像素表示为(n，2)，...，第k行的像素表示为(n，k)。因此，在二维放大固态图像拾取设备由p个沿着垂直方向的切换电容放大部分20构成的情况下，其中p是不小于2的整数，在沿着垂直方向上，该装置就总共具有k×p个像素。通过每个转移晶体管驱动信号线21，就将从垂直扫描电路25中输出的驱动脉冲φT(n，1)、φT(n，2)、...、φT(n，k)施加到像素(n，1)、像素(n，2)、...、像素(n，k)中的每个像素的转移晶体管2的栅极。
通过复位晶体管驱动信号线23，将驱动脉冲φR(n)施加到第n个切换电容放大部分20的复位晶体管6的栅极，并且通过选择晶体管驱动信号线22为选择晶体管5施加驱动脉冲φS(n)。
此外，电源VDD的恒定电压施加到反相放大器9的高侧晶体管4的栅极和漏极，并且通过切换电容器放大器接地侧信号线24，将驱动脉冲φSS(n)施加到反相放大器9的下侧的晶体管3的源极。
因此，从第i列的输出信号线11中就获得了输出信号Vs，i，并且从第(i+1)列的输出信号线11中就获得了输出信号Vs，i+1，其中i为整数。
图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G是用于解释图1中所示的二维放大固态图像拾取设备的操作的时序图。
在周期T1中，提供到第n个切换电容放大部分20的复位晶体管6的驱动脉冲φR(n)变为高电平，导致复位晶体管6转变为导通状态。结果，由于此后将说明的原因(参见对于图4A和4B的解释)，反相放大器9的输入和输出就短路，而信号电荷存储部分8的电压就复位至恒定电压V0。
在下一个周期T2中，驱动脉冲φR(n)变为低电平，导致复位晶体管6转变为截止状态。然而，由于驱动脉冲φS(n)为高电平，所以选择晶体管5就处于导通状态。同时，反相放大器9的高侧的晶体管4的栅极变成高电平，并且低侧的晶体管3的源极处于地电压。因此，反相放大器9就转换并放大信号电荷存储部分8的电压，并且就通过选择晶体管5将复位电平读出到垂直信号线11。
在下一个周期T3B中，驱动脉冲φS(n)变为低电平，使选择晶体管5处于截止。同样，在由周期T3B包含的周期T3A中，提供到像素(n，1)的驱动脉冲φT(n，1)变为高电平，从而使转移晶体管2的栅极电位电平上升。结果，在像素(n，1)的光电二极管1中存储的信号电荷就转移到信号电荷存储部分8。此外，在此状态下，源极电位(反相放大器9的下侧的晶体管3的驱动脉冲φSS(n))变成高电平，从而使晶体管3的栅极侧电位上升。即，通过提升信号电荷存储部分8的电位，加深了相对于信号电荷(电子)的信号电荷存储部分8的电位，由此加速了从光电二极管1到信号电荷存储部分8的电荷转移，由此就可获得完美的电荷转移。
在下一个周期T4中，驱动脉冲φT(n，1)变为低电平，导致转移晶体管2处于截止状态，并且反相放大器9的下侧的晶体管3的源极电压(驱动脉冲φSS(n))就返回到地电压。同时，信号电荷存储部分8保持一个通过因信号电荷转移导致的变化而从周期T2中的电压移位的电压并且驱动脉冲φS(n)为高电平，以致选择晶体管5处于导通状态。因此，通过反相放大器9放大该信号电平，并通过选择晶体管5将该信号电平读出到垂直信号线11。
应当注意，在图2A、2B、2C、...、2G中，周期T3B是其中选择晶体管5保持截止的一个周期，并且周期T3A是其中反相放大器9的接地侧端子保持在高电平的一个周期。当反相放大器9的接地侧端子导通为高电平时，选择晶体管5的导通状态就将使垂直信号线11变成负载，以防止输出信号Vout(参见图5A和5B)迅速上升，并且如果输出信号Vout不迅速上升，那么通过电容器7的电容Cn的输入侧的电压FD(n)(即，信号电荷存储部分8的电位)不再迅速提升。即，由于难以加深切换电容放大部分20的信号电荷存储部分8的电位，因此选择晶体管5就需要确保在其中反相放大器9的接地侧端子维持高电平的周期内保持关断。
应当注意，在图2A、2B、2C、...、2G的时序图中的电压FD(n)中，由虚线表示的电平变化示出了在光电转换转移部分10中产生的信号电荷为大的情况。
通过上述操作，获取在垂直信号线11中的周期T2的信号和周期T4的信号之间的差分信号使得由于像素(n，1)上入射的光产生的电子电荷的有效信号被读取。应当注意，这里和此后的术语“有效信号”是指“其中取消偏置电压的净信号”。通常，相对于放大器的输出电压，偏置电压通过一级放大器接一级放大器地变化，以致作为其应当读取的电压导致基于放大器的偏置电压波动表现在最终的图像上，导致产生杂乱的固定图形噪声。在此情况下，由于在周期T2的信号和周期T4的信号中含有类似的偏置电压波动，因此就通过获得在两个信号(相关双取样方法)之间的差分信号(图2G中的ΔVout)来消除该波动。
图3是示出了图1中的一个像素和切换电容放大部分的剖面图。这里虽然只解释了其中信号电荷是电子的情况，然而可以同样地用极性反向来论述空穴的情况。
如图3中所示，在p型半导体衬底100上形成n型层101(此后，称为n层)，并且用重掺杂p+层102来覆盖n层101，其中n层101作为掩埋型光电二极管的信号存储区。同样，重掺杂n+层103作为电荷存储部分。当施加到转移栅电极104的驱动脉冲φT(n，1)变成高电平时，光电二极管的n层101的信号电荷就通过转移晶体管(由101、103、104表示的晶体管)被转移到重掺杂n+层103。通过反相放大器108，放大转移到重掺杂n+层103的信号电荷，电容器107连接在反相放大器108的输入和输出之间，并且通过选择晶体管109，将输出信号输送到垂直信号线(未示出)。同样，当施加到复位栅电极105的驱动脉冲φR(n)变成高电平时，就通过复位晶体管(由103、105、106表示的晶体管)，将重掺杂n+层103的电荷释放到重掺杂n+层106，借此复位重掺杂n+层103的电压。
图4A和4B示出了图1的反相放大器9的操作。图4A是电路结构图，并且图4B是示出了输入和输出之间的关系图。假定图4A中的下侧的晶体管TR1和上侧的晶体管TR2的沟道长度和沟道宽度分别给出为L1、W1、L2和W2，那么增益G由下述等式表示：
其中K＝Co/(Co+Cb)，Co是栅极-沟道电容，并且Cb是沟道-体电容。从等式(2)中，随着(W1/L1)/(W2/L2)不断增加，增益G就不断增大。
参照图4B，当输入信号Vin变得超过晶体管TR1的阈值电压Vth1时(考虑到栅电压的阈值电压)，输出信号Vout就开始下降。输出信号Vout的启动电压是电源电压VDD减去晶体管TR2的阈值电压Vth2(考虑到源极电压的阈值电压)的值。
根据上述(等式2)，将增益G设定得尽可能大。在图1中，利用足够大的增益G，由晶体管3和4构成的反相放大器9、复位开关6和电容器7构成切换电容放大器。因此，就将信号电荷存储部分8的信号电荷转移到电容器7(电容Cn)并存储在其中。即，用于将信号电荷转换为电压的电容就从CFD有效地改变为Cn，其中设置CFD＞＞Cn，就能够提高由上述(等式1)表示的电荷-电压转换效率η。
现在，在反相放大器9的输入和输出之间的短路就导致信号电荷存储部分8的电压被固定为V0，这就意味着输入侧电压设置为V0。
参照图4B，假设晶体管TR2是耗尽型并且给出阈值电压Vth2、小于阈值电压Vth2，那么就可以扩大输出侧上的信号放大倍数，而且就可以稍微增大增益。同样，尽管忽略了更细的原因，甚至可以进一步增大由驱动脉冲VSS(n)从图2C中的0V改变为VDD的变化引起的信号电荷存储部分8的电压升高，因此进一步加速从光电二极管1到电荷检测部分8的电荷转移。
图5A和5B是示出了一种通过改变反相放大器(对应于图1的反相放大器9)的接地侧端子的电压来提高输入栅极电压Vin的技术的附图，该反相放大器由地电压和电源电压VDD之间的晶体管TR1和TR2组成。晶体管TR1的输入栅极电压Vin是接近图4B的V0且高于晶体管TR1的阈值电压Vth1的电压。当利用维持在导通状态下的晶体管TR2，使晶体管TR1的源极电压VSS从地电压(0V)上升到电源电压VDD时，晶体管TR1的电流就通过亚阈值区从导通区转变为截止区。其等于晶体管TR1的电流的晶体管TR2的电流也沿着类似的过程运行。结果，输出电压Vout上升到低于电源电压VDD晶体管TR2的阈值电压的电压。由于图1中所示的信号电荷存储部分8通过电容器7(电容Cn)连接到反相放大器9的输出侧，从反相放大器9中输出输出电压Vout，V0的电压升高就导致信号电荷存储部分8的电压升高。即，从光电二极管1到信号电荷存储部分8的电荷转移就会变得更加容易实现。
图6A、6B和6C示出了用于抑制在本实施例的二维放大固态图像拾取设备中的散焦的技术。图6A示出了像素和切换电容放大部分的剖面图，图6B示出了它的电位分布，以及图6C示出了在反相放大器的输入和输出之间的关系。应当注意，除了省略了选择晶体管之外，图6A中所示的像素交叉部分和切换电容放大部分类似于图3中所示的像素交叉部分和切换电容放大部分。
参照图6B，假设处于截止状态下的转移晶体管(由101、103、104表示的晶体管)的沟道区的电位和处于截止状态下的复位晶体管(由103、105、106表示的晶体管)的沟道区的电位表示为VTL和VRL，将它设置为
0＜VTL＜VRL
因此，通过晶体管(由101、103、104表示的晶体管)和复位晶体管(由103、105、106表示的晶体管)，将入射在特定的光电二极管上的过量光而额外产生的信号电荷输出到反相放大器108的输出侧。在此条件下，如图6C中所示，利用高压和低阻抗的结果，反相放大器108的输入侧的电位就变成VRL并且它的输出侧的电位就变成V1。因此，就能够抑制因额外产生的信号电荷溢出到邻近光电二极管而产生的散焦。
在以垂直方向排列多个光电转换转移部分10的情况下，进行了上述说明，其中光电转换转移部分10构成待连接到切换电容放大部分20的光电转换转移部分组。然而，本发明不限于此，排列方向可以是水平方向或二维阵列的水平方向和垂直方向。然而，在这些情况下，包含了电路结构的变化，产生了用于准备对应于这些变化的驱动脉冲的时序图的需要。
例如，图7示出了二维放大固态图像拾取设备的主要部分的电路图，其中垂直k(k：自然数)和水平2光电转换转移部分10连接到一个切换电容放大部分20。应当注意，与图1的二维放大固态图像拾取设备的组成部分相同的组成部分表示为相同的参考数字，并省略它们的说明。
这种二维放大固态图像拾取设备不同于图1的二维放大固态图像拾取设备，其中用于光电转换转移部分10的奇数列的转移晶体管2的驱动脉冲不同于用于光电转换转移部分10的偶数列的转移晶体管2的驱动脉冲，即，φT(n，01)、φT(n，02)、...、φT(n，0k)分别不同于φT(n，E1)、φT(n，E2)、...、φT(n，Ek)。作为其结果，就能够在一个连接到公共的切换电容放大部分20的同一行上可分辨地读取光电转换转移部分10。
由此描述了本发明，很明显可以按照许多方式对其进行改变。这种变化将被认为是不脱离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员应当是显而易见的，所有这些修改应在落入随后的权利要求的范围内。
Claims (8)
1.一种放大固态图像拾取设备，包括：
多个光电转换转移部分，其分别提供给各个像素，并且每个光电转换转移部分具有光电转换元件和用于转移光电转换元件的信号电荷的转移晶体管，其中
该多个光电转换转移部分被划分为多个光电转换转移部分组，每个光电转换转移部分组分别由特定数量的光电转换转移部分组成；其中
以矩阵形状排列光电转换转移部分组，并且还包括：
多个切换电容放大部分，其分别提供给各个光电转换转移部分组，其输入侧连接到光电转换转移部分的每个转移晶体管的输出侧并且其输出侧连接到信号线；以及
控制部分，用于在每个光电转换转移部分组中控制该转移晶体管和该切换电容放大部分，以便通过该切换电容放大部分，重复分别经过用于该各个光电转换转移部分的转移晶体管来从光电转换元件中读取信号的操作。
2.根据权利要求1的放大固态图像拾取设备，其中
该切换电容放大部分包括：
信号电荷存储部分，该光电转换转移部分组的相应转移晶体管的输出侧连接到该信号电荷存储部分；
反相放大器，信号电荷存储部分连接到其输入侧；
复位晶体管，其连接在该反相放大器的输入和输出之间；
电容元件，其连接在该反相放大器的输入和输出之间；以及
选择晶体管，其连接在该反相放大器的输出侧和该信号线之间。
3.根据权利要求1的放大固态图像拾取设备，其中
该光电转换元件是掩埋型光电二极管。
4.根据权利要求2的放大固态图像拾取设备，其中
为了经过该转移晶体管将信号电荷从该光电转换元件转移到该切换电容放大部分的该信号电荷存储部分，该控制部分控制该反相放大器的接地侧端子的电压，以使该切换电容放大部分的反相放大器的输入侧的电位变得更深。
5.根据权利要求2的放大固态图像拾取设备，其中
构成该切换电容放大部分的反相放大器的晶体管中的电源侧晶体管是耗尽型晶体管。
6.根据权利要求2的放大固态图像拾取设备，其中
处于截止状态的转移晶体管的沟道区的电位和处于截止状态的复位晶体管的沟道区的电位比衬底电压更深，并且处于截止状态的复位晶体管的沟道区的电位比处于截止状态的转移晶体管的沟道区的电位更深。
7.一种用于放大固态图像拾取设备的驱动方法，包括：
多个光电转换转移部分，其分别提供给各个像素，并且每个光电转换转移部分具有光电转换元件和用于转移光电转换元件的信号电荷的转移晶体管，其中
该多个光电转换转移部分被划分为多个光电转换转移部分组，每个光电转换转移部分组分别由特定数量的光电转换转移部分组成；并且其中
以矩阵形状排列该光电转换转移部分组，并且还包括：
多个切换电容放大部分，其分别提供给各个光电转换转移部分组，其输入侧连接到该光电转换转移部分的每个转移晶体管的输出侧并且其输出侧连接到信号线；以及
控制部分，用于在每个光电转换转移部分组中控制该转移晶体管和该切换电容放大部分，以便通过该切换电容放大部分，分别重复经过用于该各个光电转换转移部分的转移晶体管来从该光电转换元件中读取信号的操作，
该驱动方法包括：
第一步骤，接通该切换电容放大部分的复位晶体管，进行复位操作；
第二步骤，在第一步骤之后，关断该复位晶体管，以便借助处于导通状态下的该切换电容放大部分的选择晶体管来进行从该切换电容放大部分的反相放大器中输出的复位电平的读取操作；
第三步骤，在第二步骤之后，接通该光电转换转移部分的该转移晶体管，以便进行从该光电转换转移部分到该切换电容放大部分的电荷转移；以及
第四步骤，在第三步骤之后，接通该选择晶体管，以便进行从该切换电容放大部分的反相放大器中输出的信号电平的读取操作，其中
在每个光电转换转移部分组中，分别对于连接到该切换电容放大部分的该信号电荷存储部分的各个光电转换转移部分重复该第一步骤到该第四步骤的操作，由此从该光电转换转移部分组的每个光电转换元件中读取信号。
8.根据权利要求7的用于放大固态图像拾取设备的驱动方法，其中
在第三步骤中，控制反相放大器的接地侧端子的电压，以便使该切换电容放大部分的该反相放大器的输入侧电位变得更深。
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