CN1812507A - 固态图像拾取器件及其控制方法，以及照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个目的是使从光电转换单元涌出的电荷的一部分流入电荷保持单元，从而扩展动态范围，同时改进图像质量。本发明提供了一种具有像素的固态图像拾取器件，该像素包含：光电转换单元(101)，用于通过光电转换产生并且积累电荷；遮光的第一电荷保持单元(102)，用于在光电转换单元产生和积累电荷期间，积累从光电转换单元涌出的电荷的一部分；放大单元(SF－MOS)，用于放大电荷；第一转移单元(Tx－MOS)，用于将积累在光电转换单元中的电荷转移到放大单元；以及第二转移单元(Ty－MOS)，用于将积累在第一电荷保持单元中的电荷转移到放大单元。
Description
技术领域
本发明涉及固态图像拾取器件及其控制方法、以及照相机。
背景技术
在美国专利No.6307195中，描述了一种固态图像拾取器件，其中在光感生电荷的积累过程中从光电二极管涌出的电荷通过转移栅极(TG)流入浮动扩散(FD)。通过读出流入FD的电荷，扩展了动态范围。
对放大单元的放大因子有贡献的FD的电容不能具有大的值。因此，只能积累从作为光电转换单元的光电二极管(PD)单元涌出的少量电荷。并且，PD还连接到像素内的放大单元的输入单元，因此FD不能具有完美的埋入式结构。在此，“埋入式结构”意味着具有在用于形成FD的杂质扩散区域的表面上形成反向导电类型的杂质扩散区域的结构。利用这种结构，降低了在用于形成FD的杂质扩散区域的表面上的暗电流的产生。因此，用于形成FD的杂质区域中的暗电流大于光电转换单元中的暗电流。因此，FD不适合于保持数据的节点。随着时间流逝，涌入FD的电荷损失，因此对于来自高亮度部分的信号，不能期望高S/N比。
在日本专利申请公开No.2004-335803中，描述了一种MOS固态图像拾取器件，其中多个光接收单元在半导体衬底的表面上以阵列布置，并且每个光接收单元处的信号在每光接收单元的基础上被读出，每个所述光接收单元设置有：第一信号电荷检测单元，用于检测依赖于入射光的量的信号；以及第二信号电荷检测单元，用于当第一信号检测单元处的检测信号饱和时捕获第一信号电荷检测单元的过剩载流子的一部分，从而检测依赖于所捕获的电荷的量的信号。
根据日本专利申请公开No.2004-335803，如附图2所示，设置了第二信号电荷检测单元38，当在第一信号电荷检测单元31中产生的电子发生饱和时，该第二信号电荷检测单元38检测饱和电子的一部分。部分过剩载流子被捕获，并且其余的排出到垂直类型的溢出道(OFD)。第一和第二信号检测单元是分离地设置的。
然而，为了将一部分排卸到垂直类型OFD，并且将其余收集到第二信号电荷检测单元38中，需要以相当高的精确度构造势垒单元33和垂直类型OFD的电势的技术。当此精确度不足够时，垂直类型OFD和检测单元之间的流入量发生变化。因此，流入比根据样本变化，因而大大降低批量生产能力。
并且，电荷排卸侧具有垂直类型OFD的结构，并且电荷捕获侧具有水平类型OFD的结构。因而，每一侧必须超过具有不同结构的势垒。更具体地，基于由不同半导体工艺确定的密度分布的势垒控制涌出比率。此外，涌出电流的量典型地关于电势控制电压而指数地变化。因此，可能很难精细且高精确度地控制涌出比率。基于上述原因，还存在垂直类型OFD和水平类型OFD间的流出比率具有温度依赖性的缺点。
进一步地，垂直类型OFD确定PD的饱和电荷。因此，电势可以被控制的范围很有限。在实际中，为了补偿这一点，需要使水平类型OFD结构具有电势控制机构。这导致了在黑暗状态下伪信号(暗电流)增加、与控制线路数目增长相关联的产量降低等问题。
本发明的一个目的是使从光电转换单元涌出的电荷的一部分流入电荷保持单元中，从而扩展动态范围同时改进图像质量。
发明内容
根据本发明的固态图像拾取器件具有像素，该像素包括：光电转换单元，用于通过光电转换产生并积累电荷；遮光的第一电荷保持单元，并且可适用于在光电转换单元产生和积累电荷期间，积累从光电转换单元涌出的电荷的一部分；放大单元，用于放大电荷；第一转移单元，用于将积累在光电转换单元中的电荷转移到放大单元；以及第二转移单元，用于将积累在第一电荷保持单元中的电荷转移到放大单元。
根据本发明的固态图像拾取器件控制方法是一种用于控制具有像素的固态图像拾取器件的方法，其中该像素包括：光电转换单元，用于通过光电转换产生并且适应于积累电荷；遮光的第一电荷保持单元，用于在光电转换单元产生和积累电荷期间，积累从光电转换涌出的电荷的一部分；以及放大单元，用于放大电荷，其中电荷以这种方式转移：用于将积累在光电转换单元中的电荷转移到放大单元的路径与用于将积累在第一电荷保持单元中的电荷转移到放大单元的路径不同。
根据本发明的照相机包括：固态图像拾取器件；将光学图像聚焦在固态图形拾取装置上的透镜；以及改变通过透镜的量的光圈。
从结合附图的以下描述中，本发明的其他特征和优势将变得明显，在图中，相同参考标号指示相同或相似的部分。
附图说明
图1是示出了根据本发明的第一实施例的固态图像拾取器件的示例性结构的视图；
图2A是示出了光电转换单元的光量和信号电荷之间的关系的图；
图2B是示出了电荷保持单元的光量和信号电荷之间的关系的图；
图3是图1的固态图像拾取器件的等效电路图；
图4是示出了图3的电路的操作例子的定时图表；
图5是示出了根据本发明的第二实施例的固态图像拾取器件的示例性结构的视图；
图6A是示出了根据第二实施例的固态图像拾取器件的光量和信号电荷之间的关系的图；
图6B是示出了根据第二实施例的固态图像拾取器件的光量和像素信号之间的关系的图；
图7是示出了根据本发明的第三实施例的静物摄像机的示例性结构的框图；
图8是示出了根据本发明的第四实施例的摄像机的示例性结构的框图；以及
图9是示出了固态图像拾取器件的另一操作例子的定时图表。
合并到说明书并且组成说明书的一部分的附图阐释了本发明的实施例，并且结合描述用来说明本发明的原理。
具体实施方式
(第一实施例)
图1是示出了根据本发明的第一实施例的固态图像拾取器件的示例性结构的视图。该固态图形拾取装置具有以二位阵列布置的多个像素。此后，n沟道MOS场效应晶体管被简单地称为MOS晶体管。一个像素包括转移MOS晶体管Tx-MOS和Ty-MOS、复位MOS晶体管RES-MOS、源极跟随器MOS晶体管SF-MOS以及选择MOS晶体管SEL-MOS。转移MOS晶体管Tx-MOS的源极和漏极对应于作为光电转换单元的光电二极管PD 101和浮动扩散FD。转移MOS晶体管Ty-MOS的源极和漏极对应于电荷保持单元102和FD。
光电转换单元101和电荷保持单元102具有在积累和保持电荷的杂质区域的表面上形成反向导电类型杂质区域的结构。光电转换单元101是开放的，且电荷保持单元102是被遮蔽得不被光照的(遮光的)。光电转换单元101的周围由元件分离部分103围绕。相对于积累在光电转换单元101中的电荷，元件分离部分103具有比光电转换单元101的势垒更高的势垒，因此光电转换单元101能够积累预定量的电荷。参考图1，光电转换单元101具有通过元件分离部分103而设置在其上方的溢出道104a、设置在其左边的溢出道104b、以及设置在其下方的电荷保持单元102。电荷保持单元102具有设置在其左边的溢出道104b、以及设置在其下方的溢出道104c。此后，溢出道104a、104b以及104c被分离地或集合地称为溢出道104。溢出道104连接到固定的电源电势VDD。溢出道104a例如是复位MOS晶体管RES-MOS的漏极。溢出道104的周围由元件分离部分105围绕。元件分离部分105防止电荷从自身像素泄露到相邻像素。光电转换单元101具有矩形平面形状，并且具有设置成与矩形形状的两边相对的溢出道104a和104b，并且电荷保持单元102设置成与另一边相对。
在广泛意义上，元件分离部分105包括溢出道104。依靠溢出道，可以进一步抑制向相邻像素的泄漏。溢出道可以加倍，作为杂质扩散区域，诸如用作放大单元等的MOS晶体管的漏极和源极。这表示，本发明的结构即横向溢出机构的使用适合于像素内具有MOS晶体管的放大类型的固态图像拾取器件。
光电转换单元101例如是通过光电转换产生并积累电荷的光电二极管。浮动扩散FD是积累电荷并且将其转换为电压的扩散区域。转移MOS晶体管Tx-MOS的栅极用于将光电转换单元101产生的电荷转移到浮动扩散FD。通过关断转移栅极，光电转换单元101可以通过光电转换产生并积累电荷。完成积累时间之后，通过导通转移栅极，累积在光电转换单元101中的电荷可以被转移(读出)到浮动扩散FD。
图2A是示出了光电转换单元101的光量和信号电荷之间的关系的图。在光电转换单元101中，固定了信号电荷的可积累量A1。因此，当强光照射在光电转换单元101上时，电荷从光电转换单元101涌出，并且光电转换单元101在光量t1时饱和。从光电转换单元101涌出的电荷的一部分流入电荷保持单元102中，并且其余电荷排出到溢出道104。
图2B是示出了电荷保持单元102的光量和信号电荷之间的关系的图。在电荷保持单元102中，也固定了信号电荷的可累积量A2，因此涌出的电荷排出到溢出道104。
特征线201指示从光电转换单元101涌出的电荷全部流入电荷保持单元102中的情况。电荷保持单元102的特征线201的倾斜度与图2A的光电转换单元101的特征线的倾斜度相同。然而在这种情况下，电荷保持单元102在相对小的光量时饱和。
特征线202指示了这样一种情况：在从光电转换单元101涌出的电荷中，一部分流入电荷保持单元102中，其余排出到溢出道104。电荷保持单元102的特征线202的倾斜度比图2A的光电转换单元101的特征曲线小。因此，即使当强光照射到光电转换单元101上时，电荷保持单元102几乎不饱和。因而可以扩展像素信号的动态范围。
更具体地，如果可以降低涌入到电荷保持单元102的电荷的比率，可以进一步扩展动态范围。此外，根据本发明，保持单元可以具有和光电转换单元相同的结构。因而，即使当降低涌出比率时，噪声影响小且灵敏度高的检测是可能的。
当光照射在光电转换单元101上时，电荷在光电转换单元101中积累，直到达到光量t1为止，并且不在电荷保持单元102中积累电荷。当达到光量t1时，光电转换单元101饱和，电荷从光电转换单元101流入电荷保持单元102，并且电荷保持单元102开始积累电荷。
电荷保持单元102具有横向(水平类型)溢出道结构，借此从光电转换单元101涌出的电荷的一部分流入电荷保持单元102。溢出道104也具有水平类型的溢出道结构，借此从光电转换单元101涌出的电荷的另一部分排出到溢出道104。更具体地，电荷保持单元102和溢出道104设置在距离半导体衬底的主表面相同深度处。
参考图1，长度L1表示与溢出道104a相对的光电转换单元101的边长。长度L2表示与电荷保持单元102相对的光电转换单元101的边长。长度L3表示与溢出道104b相对的光电转换单元101的边长。如果当光电转换单元101饱和时从光电转换单元101涌出的过剩载流子的量为Q0，则从光电转换单元101流入电荷保持单元102的过剩载流子的量Q1由下式表示。
Q1＝Q0×L2/(L1+L2+L3)
当光电转换单元101和电荷保持单元102之间的杂质分布与光电转换单元101和溢出道104之间的杂质分布基本上相等时，对于每一边，认为每单元边的流入量相等，因此获得以上比率。工艺的变化引起势垒的小的变化。然而，如上所述，每单元边的流入量相等。因而，即使当在工艺中存在变化，如果并不是故意设计成使得获得不同的杂质分布，则则获得以上比率。
对于溢出道104，使用连接到电源端子的诸如MOS晶体管的杂质区域，因此并不特别需要任何附加区域。当使用垂直(垂直类型)溢出道时，电荷积累区域的较低部分的杂质密度必须低；因而光电转换单元101的饱和电荷A1降低。根据本实施例，使用水平类型溢出道，因此光电转换单元101的饱和电荷A1不降低。即使当通过电荷保持单元102扩展了动态范围，作为主单元的光电转换单元101的饱和电荷A1也可以保持在高水平是重要的。
根据本实施例，通过水平类型溢出道结构，提供了一种用于把从光电转换单元101涌出的电荷排出到溢出道104的固定电势的路径，以及用于将其排出到电荷保持单元102的路径。
通过并行布置水平类型溢出道，通过二维布置调整流入到电荷保持单元102的电荷的量是可能的。例如，可以通过至少以下其中之一来进行调整：(1)与溢出道104相邻的光电转换单元101的宽度L1和L3，(2)溢出道104的长度W1，(3)电荷保持单元102的宽度L2，(4)电荷保持单元的长度W2等。也可能使每个区域之间具有不同杂质分布，以发送所需百分比的涌出电荷到电荷保持单元102。
光电转换单元101和电荷保持单元102具有在积累和保持电荷的杂质区域的表面上形成反向导电类型的杂质区域的结构。光电转换单元101是开放的，且电荷保持单元102是遮光的。光电转换单元101和电荷保持单元102具有相同结构，并且在其表面上形成反向导电类型的杂质区域，因此即使当光电转换单元101的信号加到电荷保持单元102的信号上时，也几乎不发生噪声。并且，从光电转换单元101涌出并流入电荷保持单元102的电荷的百分比由光电转换单元101、电荷保持单元102以及溢出道104的面积和周长控制，因此工艺变化引起的影响几乎不存在。
由光电转换单元101光电转换的负电荷(电子)积累在光电转换单元101的第一导电类型(n型)的电荷积累区域中。电荷保持单元102是与光电转换单元101分离的遮光区域。设置有第一路径和第二路径，其中该第一路径用于当超过光电转换单元101的饱和电荷时，将过剩载流子的一部分排出到像素中的第一导电类型的溢出道104，该第二路径用于将过剩载流子的另一部分排出到电荷保持单元102。光电转换单元101通过第一转移单元(MOS晶体管Tx-MOS的栅极)连接到组成源极跟随器放大器的源极跟随器MOS晶体管SF-MOS。电荷保持单元102通过第二转移单元(MOS晶体管Ty-MOS的栅极)连接到组成源极跟随器放大器的源极跟随器MOS晶体管SF-MOS。源极跟随器放大器放大光电转换单元101和电荷保持单元102的信号电荷。
图3是图1的固态图像拾取器件的等效电路图。图4是示出了图3的电路的操作例子的定时图表。电势φres表示复位MOS晶体管RES-MOS的栅极电势，电势φtx表示转移MOS晶体管Tx-MOS的栅极电势，电势φty表示转移MOS晶体管Ty-MOS的栅极电势，电势φsel表示选择MOS晶体管SEL-MOS的栅极电势，电势φCtsFD表示转移MOS晶体管411的栅极电势，电势φCtn表示转移MOS晶体管413的栅极电势，且电势φCtsPD表示转移MOS晶体管412的栅极电势。
在定时T1之前，电势φres是正的(导通)，且电势φtx、φty、φsel、φCtsFD、φCtn和φCtsPD是0V(关断)。当复位MOS晶体管RES-MOS导通时，电源电势VDD提供给浮动扩散FD。
随后，在定时T1，施加作为电势φtx和φty的正脉冲。晶体管Tx-MOS和Ty-MOS导通，以将电源电势VDD施加给浮动扩散FD、光电转换单元101和电荷保持单元102，以使它们复位。复位之后，电势φres降低为0V，且复位MOS晶体管RES-MOS关断。接着，电势φtx和φty降低到例如-1.3V，以将光电转换单元101、电荷保持单元102和浮动扩散FD改变为浮动状态。此时，外部机械开闭器仍不打开，且仍未在光电转换单元101中开始光感生电荷的积累。
随后，在定时T2，机械开闭器53(参考图7)打开，并且光照射到光电转换单元101上，并且光电转换单元101开始产生并积累光感生电荷。当微弱的光照射在光电转换单元101上时，光电转换单元101不饱和，并且电荷不从光电转换单元101流入电荷保持单元102中。相反，当强光照射在光电转换单元101上时，光电转换单元101饱和，并且电荷的一部分从光电转换单元101流入电荷保持单元102。
随后，在定时T3，开闭器53关闭，且光电转换单元101变为被遮蔽得不被光照的状态，并且终止在光电转换单元101中产生光感生电荷。
随后，在定时T4，施加作为电势φty的正脉冲。转移MOS晶体管Ty-MOS导通，以将积累在电荷保持单元102中的负电荷读出到浮动扩散FD中。浮动扩散FD的电势中绘制的实线指示照射了弱光且没有电荷从光电转换单元101涌出到电荷保持单元102中的情况。浮动扩散FD的电势中绘制的虚线指示照射了强光并且电荷从光电转换单元101涌出到电荷保持单元102的情况。当从电荷保持单元102向浮动扩散FD读出负电荷时，浮动扩散FD的电势降低。
随后，在定时T5，电势φsel从0V变化为正值。选择MOS晶体管SEL-MOS导通，以将信号输出线401改变为工作状态。组成源极跟随器放大器的源极跟随器MOS晶体管SF-MOS根据浮动扩散FD的电势，将输出电压输出到信号输出线401。
随后，在定时T6，施加作为电势φCtsFD的正脉冲。晶体管411导通，以使依赖于浮动扩散FD电势的信号输出线401的电势积累在电容CtsFD中。在光电转换单元101不处于饱和状态的像素中，电荷不涌出到电荷保持单元102，因此依赖于浮动扩散FD的复位电压VDD的输出积累在电容CtsFD中。当强光照射在光电转换单元101上，且光电转换单元101饱和时，低于浮动扩散FD的复位电压VDD的较低输出积累在电容CtsFD中。
随后，在定时T7，施加作为电势φres的正脉冲。复位MOS晶体管RES-MOS导通，以将浮动扩散FD再次复位为复位电压VDD。
随后，在定时T8，施加作为电势φCtn的正脉冲。MOS晶体管413导通，以使当浮动扩散FD复位时获得的信号输出线401的复位噪声电压积累在电容Ctn中。
随后，在定时T9，施加作为电势φtx的正脉冲。转移MOS晶体管Tx-MOS导通，以将积累在光电转换单元101中的电荷读出到浮动扩散FD中。
随后，在定时T10，施加作为电势φCtsPD的正脉冲。MOS晶体管412导通，以使依赖于从光电转换单元101读出到浮动扩散FD的电荷的信号输出线401的电压积累在电容CtsFD中。
随后，在定时T11，电势φsel变为0V。选择MOS晶体管SEL-MOS关断，以将信号输出线401变为非工作状态。
随后，在定时T12，电势φres变为正的。复位MOS晶体管RES-MOS导通，以将浮动扩散FD的电势钳位在电源电势VDD。
在上述处理中，对应于偏移噪声的电压积累在电容Ctn中；对应于从光电转换单元101涌出到电荷保持单元102的电荷的电压积累在电容CtsFD中；以及对应于光电转换单元101中所积累的电荷的电压积累在电容CtsPD中。
图9示出了另一个例子。图9是示出了以下结构中的操作例子的定时图表：该结构中，如同图3所示的积累对应于偏移噪声的电压的电容Ctn，还进一步设置了两个电容，即用于光电转换单元101的电容CtnPD，以及用于电荷保持单元102的电容CtnFD。类似地，还有两个MOS晶体管413；其中一个由栅极电势φCtnPD控制，另一个由栅极电势φCtnFD控制。
定时T1是光电转换单元101和电荷保持单元102的复位周期。定时T2到T3是光照射周期。定时T4是读初始化(复位释放)周期。定时T5是用于从电荷保持单元102读出的噪声电压写周期。定时T6是用于将信号从电荷保持单元102转移到浮动扩散FD的周期。定时T7是用于从电荷保持单元102读出的信号电压写周期。定时T8是用于复位浮动扩散FD的周期。定时T9是用于从光电转换单元101读出的电压噪声写周期。定时T10是用于将信号从光电转换单元101转移到浮动扩散FD的周期。定时T11是用于从光电转换单元101读出的信号电压写周期。定时T12是写完成(复位“导通”)周期。以下将给出更加详细的描述。
首先，在定时T1，为了复位光电转换单元101和电荷保持单元102，电势φres变为正的，并施加作为电势φtx和φty的正脉冲。
随后，在定时T2到T3，机械开闭器53打开以曝光光电转换单元101。在定时T4，电势φres变为0V，以初始化读取。
首先，在定时T5，施加作为电势φCtnFD的正脉冲，以使电荷保持单元102的N信号(偏移噪声)积累。在定时T6，施加作为电势φty的正脉冲，以转移积累在电荷保持单元102中的信号电荷。在定时T7，施加作为电势φCtsFD的正脉冲，以使S信号(正确信号)积累在电容CtsFD中。
随后，在定时T8，为了复位浮动扩散FD，电势φres变为正的。在定时T9到T11，积累在光电转换单元101中的电荷被读出。这是与在定时T5到T7从电荷保持单元102读出N信号和S信号的序列相似、并且通过将脉冲施加到电势φCtsFD、φCtnPD以及φtx来实施的序列。图9所示的浮动扩散FD的电势表示涌入到浮动扩散FD中的电荷的量。
参考图3，差分放大器421输出通过从电容CtsFD的信号电压中减去电容Ctn的噪声电压而获得的电压。差分放大器422输出通过从电容CtsPD的信号电压中减去电容Ctn的噪声电压而获得的电压。放大器423放大差分放大器421的输出。放大器424放大差分放大器422的输出。
放大器423和424的增益由从光电转换单元101涌出的电荷中的流入电荷保持单元102的电荷量与排出到溢出道104的量之间的比率所确定。例如，将给出从光电转换单元101涌出的电荷的1/3流入电荷保持单元102，且该电荷的2/3排出到溢出道104的例子。在这种情况下，放大器423的输入信号变为三倍后输出，且放大器424的输入信号直接输出。更具体地，这意味着涌出到电荷保持单元102的电荷量的三倍等于从光电转换单元101涌出的电荷量。
当共享像素内的放大器电路以从电荷保持单元102读出信号，并且从光电转换单元101读出信号时，即，读出路径彼此相似时，则可以抑制路径中的变化引起的小的灵敏度差异或偏移差异。因此，在后级放大器执行放大是可能的。特别地，为了扩展动态范围，后级放大器的此放大倍率必须是大的；通过使路径彼此相似的路径，该放大倍率成为可能。
加法器425相加放大器423和424的输出，并且输出所得的像素信号。基于积累在光电转换单元101中的电荷和涌入到电荷保持单元102中的电荷，产生像素信号。因而，与仅使用积累在光电转换单元101中的电荷的情况相比，可以扩展像素信号的动态范围。
放大器426根据ISO灵敏度放大加法器425的输出，并且输出所得的信号。当ISO灵敏度的值小时，增益小；当ISO灵敏度的值大时，增益大。
以上各元件组成像素信号产生单元。像素信号产生单元根据积累在光电转换单元101中的电荷和积累在电荷保持单元102中的电荷，产生像素信号。根据本实施例，可以以高精确度控制从光电转换单元101涌出并且流入电荷保持单元102的电荷的比率，从而扩展动态范围，同时改进图像质量。并且，用于从光电转换单元101溢出到电荷保持单元102的结构和用于从光电转换单元101溢出到溢出道104的结构都是水平类型溢出道的。因此，可以容易地控制这两种结构之间的涌出电荷量的比率。
(第二实施例)
图5是示出了根据本发明的第二实施例的固态图像拾取器件的实例性结构的视图。现在将描述图5和图1之间的差异。根据本实施例，设置了第一电荷保持单元102a和第二电荷保持单元102b，而不是图1中的电荷保持单元102。此后，将电荷保持单元102a和102b分离地或集合地称为电荷保持单元102。
转移MOS晶体管Ty-MOS的源极和漏极对应于第一电荷保持单元102a和浮动扩散FD。通过控制MOS晶体管Ty-MOS的栅极，积累在第一电荷保持单元102a中的电荷可以从浮动扩散FD读出。
转移MOS晶体管Tz-MOS的源极和漏极对应于第二电荷保持单元102b和浮动扩散FD。通过控制MOS晶体管Tz-MOS的栅极，积累在第二电荷保持单元102b中的电荷可以从浮动扩散FD读出。
设置在光电转换单元101和第一电荷保持单元102a之间的溢出道104d排出从光电转换单元101涌出的电荷的一部分。设置在第一电荷保持单元102a和第二电荷保持单元102b之间的溢出道104e排出从第一电荷保持单元102a涌出的电荷的一部分。此后，将溢出道104a到104e分离地或集合地称为溢出道104。
从光电转换单元101涌出的电荷的一部分流入第一电荷保持单元102a，其另一部分流入第二电荷保持单元102b，且其余的排出到溢出道104。当第一电荷保持单元102a饱和时，从第一电荷保持单元102a涌出的电荷的一部分流入第二电荷保持单元102b，并且其余的排出到溢出道104。
并不总是需要从光电转换单元101到第二电荷保持单元102b的直接流路径。例如，可能使从光电转换单元101涌出的电荷量的1/2流入第一电荷保持单元102a，且进一步地使从第一电荷保持单元102a涌出的电荷量的1/2流入第二电荷保持单元102b。
根据本实施例，可以二维地布置第二电荷保持单元102b。因而，进一步可能将从第一电荷保持单元102a涌出的电荷捕获到第二电荷保持单元102b，从而可以进一步扩展动态范围。
图6A示出了根据本实施例的固态图像拾取器件的光量和信号电荷之间的关系。信号电荷表示积累在光电转换单元101和电荷保持单元102a和102b中的总电荷量。当光量增加时，信号电荷从区域601移动到区域603。区域601指示光电转换单元101饱和之前积累在光电转换单元101中的信号电荷。区域602指示其中在光电转换单元101饱和之后，积累在光电转换单元101中的电荷的一部分流入第一电荷保持单元102a的区域。区域603指示其中在第一电荷保持单元102a饱和之后，积累在第一电荷保持单元102a中的电荷的一部分流入电荷保持单元102b的区域。从区域601到区域603，特征线的倾斜度变得逐渐缓和。对于人类视觉灵敏度特征，当光量大(亮)时，光亮的变化相对难以识别。从而，可以认为保持原样的信号电荷是像素信号。更具体地，不总是需要图3的放大器423和424。
图6B是示出了根据本实施例的固态图像拾取器件的光量和像素信号之间的关系的图。通过利用放大器423和424等对图6A的每个区域601到603中的信号电荷施加增益校正，获得像素信号。在整个区域601到603中，像素信号可以保持相对于光量的线性特征。
根据本实施例，可以容易地逐步布置第一电荷保持单元102a和第二电荷保持单元102b，从而图6A的线性特征能够具有连续性。
通过控制转移MOS晶体管Tx-MOS的栅极的低电平电势，还可能使电荷的一部分从光电转换单元101流入浮动扩散FD，从而控制流入第一电荷保持单元102a的电荷的比率。然而，虽然不少于50％的过剩载流子的溢出控制是可能的，很难控制由于变化引起的更少的量。因而，通过同时使用本实施例，高精确度控制成为可能。
当控制转移MOS晶体管Tx-MOS的栅极的低电平电势时，如果涌入到第一电荷保持单元102a的电荷量被抑制，即，如果从光电转换单元101涌入到浮动扩散FD的电荷量增加，产生在转移MOS晶体管Tx-MOS中发生暗电流的问题。因而，很难显著扩展动态范围。
积累在光电转换单元101中的电荷比积累在电荷保持单元102a和102b中的电荷更重要。因此，通过充分关断光电转换单元101的转移栅极(晶体管Tx-MOS的栅极)并控制第一电荷保持单元102a的转移栅极(晶体管Ty-MOS的栅极)的低电平电势，来控制流入第二电荷保持单元102b的电荷量的比率是优选的。
在第一和第二实施例中，描述了通过根据流入电荷保持单元的电荷的比率而利用放大器423和424放大和校正信号电荷来产生像素信号的例子。然而，也可以通过调整电容CtsFD和CtsPD的电容值(尺寸)等来执行电压放大，而不使用放大器423和424。
(第三实施例)
图7是示出了根据本发明的第三实施例的静物摄像机的示例性结构的框图。将参考图7详细描述其中将根据第一实施例和第二实施例的固态图像拾取器件应用于静物摄像机的例子。固态图像拾取器件54和处理图像拾取信号的单元55对应于以上的固态图像拾取器件。
参考图7，参考标号51表示作为透镜和主开关两者的保护的挡板，52表示在固态图像拾取器件54上聚焦目标的光学图像的透镜，53表示调整通过透镜52的光量的光圈(以及开闭器)，54表示将通过透镜52聚焦的目标作为图像信号捕获的固态图像拾取器件，55表示处理图像拾取信号的单元，它将模拟信号处理应用于从固态图像拾取器件54输出的图像拾取信号(图像信号)，56表示将从处理图像拾取信号的单元55输出的图像信号从模拟转换为数字形式的A/D转换器，57表示信号处理单元，它对从A/D转换器56输出的图像信号执行各种校正和数据压缩，58表示定时产生器，它把各种定时信号输出到固态图像拾取器件54、处理图像拾取信号的单元55、A/D转换器56以及信号处理单元57，59表示控制整体和算术运算的单元，它控制各种操作和整体静物摄像机，60表示暂时存储图像数据的存储单元，61表示用于向/从记录介质62记录和写数据的I/F单元，62表示可拆卸记录介质，诸如用于记录和读取图像数据的半导体存储器，63表示与外部计算机等通信的外部I/F单元。
现在将描述根据上述配置的静物摄像机在拍摄视频录像时的操作。当挡板51打开时，主电源接通，则控制系统的电源接通，且接着诸如A/D转换器56的图像拾取系统电路的电源接通。随后，为了控制曝光量，控制整体和算术运算的单元59打开光圈53，并且从固态图像拾取器件54输出的信号通过处理图像拾取信号的单元55，且由A/D转换器56转换，接着提供给信号处理单元57。基于所得数据，由控制整体和算术运算的单元59进行曝光计算。基于测光结果确定亮度。根据该确定结果，控制整体和算术运算的单元59控制光圈53。
随后，基于从固态图像拾取器件54输出的信号，控制整体和算术运算的单元59抽取高频分量，并且执行到目标的距离的计算。接着，驱动透镜以确定透镜是否焦点对准。如果没有，再次驱动透镜以确定距离。确认了透镜焦点对准之后，打开开闭器53以初始化实际曝光。当曝光完成后，从固态图像拾取器件54输出的信号通过处理图像拾取信号的单元55，由A/D转换器56进行A/D转换，通过信号处理单元57，并且由控制整体和算术运算的单元59写入到存储单元60。则，在控制整体和算术运算的单元59的控制下，存储在存储单元60中的数据通过控制记录介质的I/F单元61，记录到诸如半导体存储器的可拆卸记录介质62。可供替换地，数据可以通过外部I/F单元63直接提供到计算机等，以接受图像处理。
定时产生器58控制图4中的各信号，包括φres、φtx、φty、φsel、φCtsFD、φCtn和φCtsPD。
(第四实施例)
图8是示出了根据本发明的第四实施例的摄像机的示例性结构的框图。现在将参考图8详细描述其中将根据第一和第二实施例的固态图像拾取器件应用于摄像机的实施例。
参考标号1表示拍摄透镜，它包含调整焦点的聚焦透镜1A、执行变焦操作的变焦透镜1B以及聚焦光学图像的透镜1C，2表示光圈和开闭器，3表示固态图像拾取器件，它将聚焦在图像拾取表面的目标图像光电转换为电图像拾取信号，4表示对从固态图像拾取器件3输出的图像拾取信号进行采样和保持，并且进一步放大电平的S/H电路。S/H电路4输出视频信号。
参考标号5表示处理电路，该处理电路将包括γ校正、彩色分离以及消隐的预定处理应用于从S/H电路4输出的视频信号。处理电路输出亮度信号Y和色度信号C。从处理电路5输出的色度信号C接受彩色信号校正电路21进行的白平衡和彩色平衡校正，并且被输出作为色差信号R-Y和B-Y。
从处理电路5输出的亮度信号Y和从彩色信号校正电路21输出的色差信号R-Y和B-Y接受由编码器电路(ENC电路)24进行的调制，并且输出作为标准电视信号。接着，该信号被提供给视频记录器(未示出)或诸如监视器电取景器(EVF)的电取景器。
参考标号6表示IRIS控制电路，它基于从S/H电路4提供的视频信号控制IRIS驱动电路7；ig测量计8被自动控制成控制光圈2的打开量，以使得视频信号的电平具有预定值(固定值)。
参考标号13和14表示带通滤波器(BPF)，它们具有彼此不同的带通宽度，并且从由输出自S/H电路4的视频信号中提取执行聚焦检测所需的高频分量。从第一带通滤波器13(BPF1)和第二带通滤波器14(BPF2)输出的信号的每一个都由门电路15和聚焦门帧信号(focus gate frame signal)进行选通，且其峰值由峰值检测电路16检测并且保持。所得信号被提供给逻辑控制电路17。此信号被称作聚焦电压。通过此聚焦电压执行聚焦。
参考标号18表示检测聚焦透镜1A的移动位置的聚焦编码器，19表示检测变焦透镜1B的焦距的变焦编码器，且20表示检测光圈2的打开量的IRIS编码器。来自这些编码器的检测值被提供给逻辑控制电路17用于系统控制。
基于对应于所设定的聚焦检测范围的视频信号，逻辑控制电路17执行关于目标的聚焦检测和聚焦调整。更具体地，获取从每个带通滤波器13和14提供的高频分量的峰值信息，接着，控制聚焦电机10的旋转方向和旋转速度或导通/关断该电机的控制信号提供给电机，使得聚焦透镜1A被驱动至高频分量的峰值变得最大的位置。
响应于变焦指令，变焦驱动电路11使变焦电机12旋转。当变焦电机12旋转时，变焦透镜1B移动，从而执行变焦。
如上所述，根据第一至第四实施例，在光电转换单元101产生并积累电荷的期间，电荷保持单元102积累从光电转换单元101涌出的电荷的一部分。晶体管Tx-MOS的栅极是第一转移单元，它将积累在光电转换单元101中的电荷转移到源极跟随器放大器SF-MOS。晶体管Ty-MOS的栅极是第二转移单元，它将积累在电荷保持单元102中的电荷转移到源极跟随器放大器SF-MOS。在光电转换单元101产生并积累电荷的期间，溢出道104用于排出从光电转换单元101涌出的电荷的另一部分。电荷以这种方式转移：用于将积累在光电转换单元101中的电荷转移到源极跟随器放大器SF-MOS的路径与用于将积累在电荷保持单元102中的电荷转移到源极跟随器放大器SF-MOS的路径不同。
根据第二实施例，在光电转换单元101产生并积累电荷期间，第二电荷保持单元102b积累从第一电荷保持单元102a涌出的电荷的一部分。晶体管Tz-MOS的栅极是将积累在第二电荷保持单元102b中的电荷转移到源极跟随器放大器SF-MOS的第三转移单元。
通过调整长度L1、L2、L3等，可以以高精确度控制从光电转换单元101涌出并且流入电荷保持单元102的电荷的比率，从而扩展了动态范围，同时改善图像质量。并且，用于从光电转换单元101溢出到电荷保持单元102的结构和用于从光电转换单元101溢出到溢出道104的结构都是水平类型溢出道的。从而，可以容易地控制这两种结构之间的涌出电荷量的比率。
注意，可以仅基于溢出到存储电容器中的载流子来产生图像。
前面的描述是用于实施本发明的具体例子的，且本发明的技术范围不应该由实施例的描述严格解释。更具体地，对上述实施例的多种修改是可能的，而不偏离本发明的精神和要旨。
Claims (12)
1.一种包含像素的图像拾取器件，该像素包括：
光电转换单元，其通过光电转换来产生载流子，以积累载流子的一部分；
被遮光的第一电容器，其积累从光电转换单元溢出的载流子；
放大单元，其放大基于积累在光电转换单元和第一电容器中的载流子的信号；
第一转移晶体管，用于将积累在光电转换单元中的载流子转移到放大单元；以及
第二转移晶体管，用于将积累在第一电容器中的载流子转移到放大单元。
2.根据权利要求1的图像拾取器件，进一步包括像素信号产生单元，用于产生基于积累在光电转换单元中的载流子和积累在第一电容器中的载流子的像素信号。
3.根据权利要求1的图像拾取器件，其中光电转换单元和第一电容器具有相同结构。
4.根据权利要求3的图像拾取器件，其中，光电转换单元包括用于积累载流子的第一导电类型的第一半导体区域，以及设置在第一半导体区域的表面侧的第二导电类型的第二半导体区域；并且该电容器包括用于积累从光电转换单元溢出的载流子的一部分的第一导电类型的第三半导体区域，以及设置在第三半导体区域的表面侧的第二导电类型的第四半导体区域。
5.根据权利要求1的图像拾取器件，包括对应于第一转移晶体管并且用作为放大单元的输入的第一浮动扩散区域，以及对应于第二转移晶体管并且用作为放大单元的输入的第二浮动扩散区域，其中第一和第二浮动扩散区域通过导体材料连接。
6.根据权利要求1的图像拾取器件，其中该像素还包括溢出道，用于在光电转换单元产生并积累载流子期间，放出从光电转换单元溢出的载流子。
7.根据权利要求6的图像拾取器件，其中所述第一电容器设置成与光电转换单元的一个主边相对，并且所述溢出道设置成与光电转换单元的其他边相对。
8.根据权利要求6的图像拾取器件，其中溢出道还设置在光电转换单元和第一电容器之间。
9.根据权利要求6的图像拾取器件，其中：
光电转换单元和溢出道设置在距离半导体衬底的主表面相同深度处。
10.根据权利要求1的图像拾取器件，其中该像素进一步包含：
第二电容器，用于积累在所述光电转换单元中产生且从第一电容器溢出的载流子；以及
第三转移晶体管，用于将积累在第二电容器中的载流子转移到放大单元。
11.一种用于控制具有像素的图像拾取器件的方法，其中该像素包括：光电转换单元，用于通过光电转换产生并且积累电荷；被遮光的第一电荷保持单元，其适用于在光电转换单元产生和积累电荷期间积累从光电转换单元涌出的电荷的一部分；以及放大单元，用于放大电荷，其中电荷以这种方式转移：使得用于将积累在光电转换单元中的电荷转移到放大单元的路径与用于将积累在第一电荷保持单元中的电荷转移到放大单元的路径不同。
12.一种照相机，包括：
根据权利要求1的固态图像拾取器件；
将光学图像聚焦在固态图像拾取器件上的透镜；以及
改变通过透镜的量的光圈。
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