CN1856043A - 摄像装置和数码相机 - Google Patents

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CN1856043A CNA2006100820881A CN200610082088A CN1856043A CN 1856043 A CN1856043 A CN 1856043A CN A2006100820881 A CNA2006100820881 A CN A2006100820881A CN 200610082088 A CN200610082088 A CN 200610082088A CN 1856043 A CN1856043 A CN 1856043A
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Abstract

在多像素1单元的MOS型摄像元件中，能够防止强光入射到一部分光电二极管上并饱和，溢出到检测部的电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管的情形的摄像装置。排列有多个存储与光接收量对应的亮度信息的单位单元的摄像装置，包含：各单位单元包含N个(N为2以上)光接收元件(111、112)(光电二极管)；1个检测部(113)；将N个光电二极管中的各个和检测部之间切换为导通或者非导通状态，在非导通状态时将亮度信息读取到检测部中的N个读取晶体管(115、116)；将电源端子和检测部之间切换为导通或者非导通状态的1个复位晶体管(114)；将读取到检测部中的亮度信息放大的1个放大晶体管，N个读取晶体管是增强型晶体管，复位晶体管是耗尽型晶体管。

Description

摄像装置和数码相机
技术领域
本发明涉及使光入射并进行光电变换的单位单元在半导体基板上1维或者2维配置的摄像装置和具有该摄像装置的数码相机，特别是涉及用于解决多像素1单元的MOS型摄像元件特有的问题即像素间的电荷泄漏的技术。
背景技术
近年来，带数码相机的移动电话等摄像设备总地来说正在普及。
这些摄像设备为了减轻重量和延长连续使用时间而必须抑制电力消耗，所以大多安装电力消耗明显低于CCD型摄像元件的MOS型摄像元件。
在MOS型摄像元件中，存在通过各自对应的读取晶体管将信号从2个以上的光电二极管读取到1个检测部中的多像素1单元的类型。
另外，在MOS型摄像元件中，存在不具备行选择晶体管，而利用赋予复位晶体管、读取晶体管和电源端子的脉冲的定时控制进行行选择，减少晶体管数量，提高像素密度的类型(专利文献1：日本特开2003-46864号公报，专利文献2：日本特开2004-312472号公报)。
另外，在非专利文献1：IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.39 No.12.December 2004 P.2417～2425“A 3.9-μm Pixel Pitch VGA Format 10-b DigitalOutput CMOS Image Sensor With 1.5 Transistor/Pixel”中，公开了在4像素1单元中，按每个单元由1个复位晶体管(M5)承担行选择功能和复位功能的MOS型摄像元件(参考非专利文献1的图3、4)，记载了能够通过一边控制输出信号线的电位一边使想选择的行的复位晶体管(M5)导通来选择该行(参照非专利文献1的图4)，能够减少晶体管的数量，提高像素密度。
但是，如下所述，存在仅仅在多像素1单元的MOS型摄像元件中产生的问题。
而且，在本说明书中，为了使说明变得简单，主要对2像素1单元的MOS型摄像元件进行说明。
在2像素1单元的MOS型摄像元件中，强光入射到一个光电二极管上，在该光电二极管饱和的情况下，电荷从读取晶体管溢出到检测部中，而且溢出到检测部中的电荷泄漏到没有饱和的另一个光电二极管中，产生读取不到正确的亮度信号的问题。
为了解决上述问题，如果是具有行选择晶体管的类型，在行选择晶体管的的源漏极之间非导通，成为非选择状态时，考虑使复位晶体管的源漏极间导通，使检测部复位的解决方法。
但是，在不具有行选择晶体管的类型时，在从选择的单元的检测部读取电荷时，如果使未选择的单元的检测部复位，因为其已被选择，所以上述解决方法不能适用。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供能够防止在多像素1单元的MOS型摄像元件中，强光入射到一部分光电二极管上并饱和，溢出到检测部中的电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形的摄像装置和具有该摄像装置的数码相机。
为了实现上述目的，本发明的摄像装置是排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元的摄像装置，各单位单元包含：N个(N为2以上)光电二极管；1个检测部；N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，在非导通状态时将亮度信息读取到上述检测部中；1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态；1个放大晶体管，将读取到上述检测部中的亮度信息放大，其中，上述N个读取晶体管是增强型晶体管，上述复位晶体管是耗尽型晶体管。
为了实现上述目的，本发明的数码相机的特征在于：具有上面记载的摄像装置。
因为读取晶体管是增强型晶体管，复位晶体管是耗尽型晶体管，在强光入射到一部分光电二极管上并饱和，电荷溢出到检测部中的情况下，在检测部的电位成为0V之前，溢出到检测部中的电荷排出到漏极，能够防止电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形。
而且，在具有行选择晶体管的类型中，也无需利用复位晶体管使未选择的单元的检测部复位这样的特别控制。
而且，在摄像装置中，还具有下述特征：多个单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该多个单位单元各自的被放大的亮度信息输出到1根公共输出线中。
而且，在数码相机中，特征还在于，具有上面记载的摄像装置。
这样，因为摄像装置是不具备行选择晶体管的类型，所以在这一类型中，在从选择的单元的检测部中读取电荷时，尽管不能使未选择的单元的检测部复位，还是能够防止上述情形。
本发明的摄像装置是排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元的摄像装置，各单位单元包含：N个(N为2以上)光电二极管；1个检测部；N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，在非导通状态时将亮度信息读取到上述检测部中；和1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，其中，上述N个读取晶体管和上述复位晶体管是增强型晶体管，该摄像装置具有将低偏压施加给上述复位晶体管的栅极的偏压电路。
为了实现上述目的，本发明的数码相机的特征在于：具有上面记载的摄像装置。
这样，因为将低偏压施加给复位晶体管的栅极，所以在强光入射到一部分光电二极管上并饱和，电荷溢出到检测部中的情况下，在检测部的电位成为OV之前，溢出到检测部中的电荷排出到漏极，能够防止电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形。
而且，在具有行选择晶体管的类型中，也无需利用复位晶体管使未选择的单元的检测部复位这样的特别控制。
而且，在摄像装置中，还具有下述特征：多个单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该多个单位单元各自的被放大的亮度信息输出到1根公共输出线中。
而且，在数码相机中，特征还在于，具有上面记载的摄像装置。
由此，因为摄像装置是不具备行选择晶体管的类型，所以在这一类型中，在从选择的单元的检测部中读取电荷时，尽管不能使未选择的单元的检测部复位，还是能够防止上述情形。
附图说明
从下面的结合解释本发明的具体实施例的附图的说明中，本发明的这些和其它的目的、优点和特征将变得显而易见。在附图中：
图1是表示本发明的实施方式1的数码相机10的概略的附图。
图2是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置11的概略结构的附图。
图3是表示实施方式1的摄像装置的电路概略的附图。
图4是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图5是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图6是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图7是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图8是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图9是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图10是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度的强光时各时刻的像素电路110中的各区域的电位状态的附图。
图11是表示一个光接收元件111入射饱和程度的强光时和图4相同的时刻的像素电路110中各区域的电位状态的附图。
图12是表示输出低偏压的低偏压电路的概略的附图。
具体实施方式
尽管通过参考附图的实施例对本发明进行了充分的说明，但要注意的是各种变化和修改对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。因此，只要这些变化和修改未脱离本发明的范围，它们都应推断为包含于此文。
(实施方式1)
<概略>
本发明的实施方式1是在多像素1单元的MOS型摄像元件中，通过将读取晶体管做成增强型晶体管，将复位晶体管做成耗尽型晶体管，从而在强光入射到一部分光电二极管上并饱和，电荷溢出到检测部中的情况下，在检测部的电位成为0V之前，溢出到检测部中的电荷排出到漏极，能够防止电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形的摄像装置和具有该摄像装置的数码相机。
<结构>
图1是表示本发明的实施方式1的数码相机10的概略的附图。
如图1所示，本发明的实施方式1的数码相机10是能够拍摄静止画面的摄像装置，具有固体摄像装置11和驱动控制装置12。
固体摄像装置11配置在通过遮光装置的光成像的位置上，是排列有多个输出和光接收量对应的亮度信息的单位单元的半导体元件及其外围电路。
图2是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置11的基本结构的附图。
如图2所示，本发明的实施方式1的固体摄像装置11由摄像部1、负载电路2、行选择编码器3、列选择编码器4、信号处理部5、输出电路6构成。
摄像部1是1维或者2维排列单位单元的成像区域。这里，仅仅记载了3×3的2维配置的9个单位单元构成的18像素的量，但实际的像素数量是1维时为数千个，2维时为数十万～数百万个左右。
负载电路2是按每一纵列连接有1个同一电路，为了读取输出电压，在列单位中将负载施加给摄像部1的像素的电路。
行选择编码器3按每一横行具有“RESET”、“READ1”、“READ2”3根控制线，对于摄像部1的像素，按行单位控制复位(初始化)、读取1(读取1)、读取2(读取2)。
列选择编码器4具有控制线，依次选择列。
信号处理部5是按每一纵列连接有1个相同电路，处理来自摄像部1的列单位的输出，并依次输出。
输出电路6对信号处理部5的输出实施输出到外部所必要的变换，并输出。
图3是表示实施方式1的摄像装置的电路概略的附图。
如图3所示，实施方式1的摄像装置具有负载电路100、像素电路110、信号处理电路120。
负载电路100记载了图2的负载电路2中的1个电路，包含连接在第1信号输出线和GND之间的负载用晶体管101，被供给负载电压(LG)。
像素电路110记载了图2的摄像部1中的1个单位单元，特征在于将放大初始化时的电压后的复位电压和放大读取时的电压后的读取电压输出到第1信号输出线中，包含对入射光进行光电变换，产生电荷(亮度信息)并积蓄，将积蓄的电荷作为电压信号输出的光电二极管等光接收元件111、112，积蓄由光接收元件111或者112产生的电荷的检测部113，以检测部113的显示电压成为初始电压(这里是VDD)这样的方式复位的复位晶体管114，将由光接收元件111输出的电荷提供给检测部113的读取晶体管115，将由光接收元件112输出的电荷提供给检测部113的读取晶体管116，和输出根据检测部113的显示电压变化的电压的放大晶体管117。
VDDCELL是周期性地重复Hi电位(VDD)和Lo电位(GND)的电源输入。
这里，读取晶体管115、116是增强型晶体管，复位晶体管114是耗尽型晶体管。
信号处理电路120的特征在于，记载了图2的信号处理部5中的1个纵列用的1个电路，输出表示由该单位单元输出的复位电压和该读取电压的差的亮度信息，包含在第1信号输出线和第2信号输出线之间串联的采样晶体管121和钳位电容122、在第2信号输出线和GND之间串联的采样电容123、第2信号输出线和基准电压端子(这里是VDD)之间串联的钳位晶体管124。
驱动控制装置12是将控制信号提供给固体摄像装置11、驱动并且控制的半导体元件及其外围电路，等待从外部输入摄像指示，一旦摄像指示被输入，则在经过合适的曝光时间之后，从所有的单位单元中依次读取亮度信息。
这里，在像素电路110中，在信号处理电路120中，确定了采样脉冲(SP)、和钳位脉冲(CP)的时刻，从驱动控制装置12提供复位脉冲(初始化信号：RESET)、读取脉冲1(读取脉冲1：READ1)、以及读取脉冲2(读取脉冲2：READ2)，且分别和这些控制脉冲对应的晶体管被开闭(截止/导通)。
<动作>
本发明的固体摄像装置是2像素1单元的固体摄像装置，所以在同一单元中，在各像素中重复相同的动作，各像素的详细的动作和专利文献2中公开的现有的固体摄像装置相同。
图4～图10是表示光接收元件111、112没有入射饱和程度强的光线时(以下，记为“通常情况下”)各时刻的像素电路110中各区域的电位状态的附图。
这里，图4～图10中各图的上半部分表示电路的概略，下半部分是表示和上半部分的电路的各位置对应的各区域的电位状态。
如图4所示，读取晶体管115、116、复位晶体管114为截止状态，在光接收元件111、112中产生电荷，通常情况下这些电荷不移动到检测部113中。
如图5所示，紧接着图4的状态，读取晶体管115、116继续保持截止，一旦复位晶体管114成为导通状态，则由光接收元件111、112产生的电荷仍没有移动到检测部113中，检测部113的电荷移动到VDDCELL端子中。
如图6所示，在图5的状态之后，一旦VDDCELL端子的电位为VDD时复位晶体管114从导通变成截止，则因为读取晶体管115、116、复位晶体管114截止，所以检测部113的电压复位到VDD，而且此时钳位晶体管124导通，第2信号输出线的电压复位到VDD。
接下来，钳位晶体管124从导通变成截止，复位电压和VDD的差的相当量保持在钳位电容122中。
如图7所示，在图6的状态之后，复位晶体管114保持截止，一旦读取晶体管115变为导通，在光接收元件111中产生的电荷就移动到检测部113中。
如图8所示，在图7的状态之后，复位晶体管114保持截止，一旦读取晶体管115变为截止，在光接收元件111中产生的电荷就被读取到检测部113中。
这里，检测部113的电压发生变化，该变化之后的电压由放大晶体管117放大，所以第1信号输出线的电压变为读取电压，而且复位电压和VDD的差的相当量保持在钳位电容122中，所以第2信号输出线的电压变成相当于VDD-第1信号输出线的电压的变化量的相当量，该电压作为亮度信息被输出(第1信号输出线的电压变化量为SIG，钳位电容122为Ccp，采样电容123为Csp：第2信号输出线的电压为VDD-SIG×Ccp/(Ccp+Csp))。
接下来，经过图5、图6的状态，如图9所示，在图6的状态之后，复位晶体管114保持截止，读取晶体管116变为导通，由光接收元件112产生的电荷移动到检测部113中。
如图10所示，在图9的状态之后，复位晶体管114保持截止，读取晶体管116变为截止，在光接收元件112中产生的电荷被读取到检测部113中。
以下的动作和上面相同。
图11是表示一个光接收元件111入射饱和程度强的光线时(以下，记为“异常情况下”)和图4相同的时刻的像素电路110中各区域的电位状态的附图。
这里，和图4～图10相同，图11的上半部分表示电路的概略，下半部分表示和上半部分的电路的各位置对应的各区域的电位状态。
如图11所示，在和图4相同的时刻，在异常情况下，在光接收元件111中产生的电荷超过读取晶体管115的阈值，溢出到检测部113中，但因为复位晶体管114的阈值比读取晶体管116低，该电荷与超过读取晶体管116的栅极相比先超过复位晶体管114的的栅极，所以没有泄漏到光接收元件112中。
<总结>
如上所述，利用本发明的实施方式1，由增强型晶体管构成读取晶体管，由耗尽型晶体管构成复位晶体管，所以在强光入射到一部分光电二极管上并饱和，电荷溢出到检测部中的情况下，在检测部的电位成为0V之前，溢出到检测部中的电荷排出到漏极，能够防止电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形。
在不具备行选择晶体管的类型中，在从选择的单元的检测部中读取电荷时，尽管不能使未选择的单元的检测部复位，还是能够防止上述情形，所以特别有用。
而且，在具有行选择晶体管的类型中，也无需利用复位晶体管使未选择的单元的检测部复位这样的特别控制，所有是有用的。
(变形例1)
<概略>
本发明的变形例1是在多像素1单元的MOS型摄像元件中，通过使读取晶体管和复位晶体管为增强型晶体管，将低偏压施加给上述复位晶体管的栅极，从而在强光入射到一部分光电二极管上并饱和，电荷溢出到检测部中的情况下，在检测部的电位成为0V之前，溢出到检测部中的电荷排出到漏极，能够防止电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形的摄像装置和具有该摄像装置的数码相机。
<结构>
和实施方式1相比，不同的是，本发明的变形例1的复位晶体管不是象实施方式1那样为耗尽型晶体管，而是增强型晶体管，将低偏压施加给该复位晶体管的栅极。
图12是表示输出低偏压的低偏压电路的概略的附图。
Tr200是开关晶体管，驱动控制装置12输出Hi电压(VDD)时导通，输出Lo电压(GND)时不导通。
D201和D202是防止电流逆流的二极管，分别连接到Hi电压端子和低偏压端子上，C203是用于仅仅输出脉冲成分的电容器，R204是接地电阻。
<动作>
从图12可知，在驱动控制装置12输出Hi电压(VDD)的情况下，Tr200导通，低偏压电路通过D201从Hi电压端子输出Hi电压，在驱动控制装置12输出Lo电压的情况下，Tr200非导通，低偏压电路通过D202从低偏压端子输出低偏压。
而且，读取晶体管和复位晶体管并非一定为增强型晶体管。也可以是例如耗尽型晶体管，即使为不同的晶体管，也可以是通过将低偏压施加给复位晶体管的栅极，在检测部的电位变为0V之前，成为溢出到检测部中的电荷排出到漏极的状态即可。
(工业上的可利用性)
本发明能够用于电视摄影机和数码相机等摄像设备。利用本发明，在多像素1单元的MOS型摄像元件中，能够防止强光入射到一部分光电二极管上并饱和，溢出到检测部中的电荷泄漏到没有饱和的其它光电二极管中的情形，能够读取正确的亮度信号，能够提高摄像设备的图像质量，所以其工业上的利用价值极高。

Claims (8)

1.一种摄像装置，排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元，
各单位单元包含：
N个(N为2以上)光电二极管；
1个检测部；
N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，将亮度信息读取到上述检测部中；
1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态；
1个放大晶体管，将读取到上述检测部中的亮度信息放大，
其中，
上述N个读取晶体管是增强型晶体管，
上述复位晶体管是耗尽型晶体管。
2.如权利要求1的摄像装置，每预定数量的单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该每预定数量的单位单元各自的被放大的亮度信息分别输出到1根公共输出线中。
3.一种摄像装置，排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元，
各单位单元包含：
N个(N为2以上)光电二极管；
1个检测部；
N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，将亮度信息读取到上述检测部中；和
1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态；
1个放大晶体管，将读取到上述检测部中的亮度信息放大，
其中，
上述N个读取晶体管和上述复位晶体管是增强型晶体管，
该摄像装置具有将低偏压施加给上述复位晶体管的栅极的偏压电路。
4.如权利要求3的摄像装置，每预定数量的单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该每预定数量的单位单元各自的被放大的亮度信息分别输出到1根公共输出线中。
5.一种数码相机，具有排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元的摄像装置，
各单位单元包含：
N个(N为2以上)光电二极管；
1个检测部；
N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，将亮度信息读取到上述检测部中；
1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态；
1个放大晶体管，将读取到上述检测部中的亮度信息放大，
其中，
上述N个读取晶体管是增强型晶体管，
上述复位晶体管是耗尽型晶体管。
6.如权利要求5的数码相机，每预定数量的单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该每预定数量的单位单元各自的被放大的亮度信息分别输出到1根公共输出线中。
7.一种数码相机，具有排列有多个积蓄与光接收量对应的亮度信息的单位单元的摄像装置，
各单位单元包含：
N个(N为2以上)光电二极管；
1个检测部；
N个读取晶体管，将上述N个光电二极管中的各个和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态，将亮度信息读取到上述检测部中；和
1个复位晶体管，将电源端子和上述检测部之间切换为导通状态或者非导通状态；
1个放大晶体管，将读取到上述检测部中的亮度信息放大，
其中，
上述N个读取晶体管和上述复位晶体管是增强型晶体管，
该摄像装置具有将低偏压施加给上述复位晶体管的栅极的偏压电路。
8.如权利要求7的数码相机，每预定数量的单位单元各自的上述放大晶体管的输出线相互之间直接连接，该每预定数量的单位单元各自的被放大的亮度信息分别输出到1根公共输出线中。
CNA2006100820881A 2005-03-25 2006-03-24 摄像装置和数码相机 Pending CN1856043A (zh)

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