ES2218571T3 - Captador de imagenes en estado solido. - Google Patents

Captador de imagenes en estado solido.

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ES2218571T3 ES96305660T ES96305660T ES2218571T3 ES 2218571 T3 ES2218571 T3 ES 2218571T3 ES 96305660 T ES96305660 T ES 96305660T ES 96305660 T ES96305660 T ES 96305660T ES 2218571 T3 ES2218571 T3 ES 2218571T3
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Abstract

PARA REALIZAR UN SENSOR MULTIFUNCION EN EL CUAL EN UNA PARTE DE PIXEL UNA ADICION Y UNA NO ADICION, PUEDEN SER ARBITRARIAMENTE EJECUTADAS, HAY SUMINISTRADO UN APARATO CAPTADOR DE IMAGEN DE ESTADO SOLIDO, EN EL CUAL LAS CARGAS GENERADAS POR UN DISPOSITIVO CONVERSOR FOTOELECTRICO SON TRANSFERIDAS A UNA PARTE DIFUSORA FLOTANTE A TRAVES DE UN CONMUTADOR DE TRANSFERENCIA Y UNA CARGA EN EL POTENCIAL ELECTRICO DE LA PARTE DE DIFUSION FLOTANTE ES EXTRAIDA POR UN SEGUIDOR FUENTE. ALGUNOS DISPOSITIVOS COVERTIDORES FOTOELECTRICOS SON CONECTADOS A UNA PARTE DE DIFUSION FLOTANTE A TRAVES DE UN CONMUTADOR DE TRANSFERENCIA. UN CONJUNTO DE SEGUIDOR-FUENTE ES FORMADO PARA UNOS POCOS PIXELS. EL DISPOSITIVO CONVERSOR FOTOELECTRICO ESTA CONSTRUIDO POR UNA PUERTA TRANSISTOR MOS Y UNA CAPA DE DEPLEXION BAJO LA PUERTA.

Description

Captador de imágenes en estado sólido.
La invención hace referencia a un aparato de captación de imágenes para obtener una señal de imagen y, más concretamente, a un aparato de captación de imágenes de estado sólido de tipo de amplificación con un tipo de direccionamiento XY compatible con el proceso CMOS.
Técnica anterior relacionada
Hasta ahora, un dispositivo de captación de imágenes de estado sólido tiene una estructura MOS capaz de ejecutar una conversión fotoeléctrica, constando de un metal, un óxido y un semiconductor, y se clasifica principalmente en un tipo FET y un tipo CCD según el sistema de desplazamiento del portador de luz. El dispositivo de captación de imágenes de estado sólido se usa en campos diversos como el de las células solares, cámaras de fotografía, máquinas copiadoras, fax y similares, y se han dado mejoras en propiedades como la eficiencia de la conversión y la densidad de integración. Dentro de estos aparatos de captación de imágenes de estado sólido de tipo de amplificación, existe un sensor compatible con el proceso CMOS (de aquí en adelante denominado simplemente "sensor CMOS"). Este tipo de sensor ha aparecido publicado en la literatura, como por ejemplo en "IEEE Transactions on Electron Device", Vol. 41, pp 452-453, 1994, o similares. La figura 11B muestra un diagrama de construcción de circuito de un sensor CMOS. La figura 11A muestra una vista de una sección transversal del mismo. La figura 11C muestra un diagrama de estado de las cargas durante la acumulación de energía h\nu de fotones en una unidad de conversión fotoeléctrica. La figura 11D muestra un diagrama de estado de las cargas después de la acumulación de energía h\nu de fotones.
En las figuras 11A y 11B, el número de referencia (1) indica una unidad de conversión fotoeléctrica; el (2) una fotopuerta MOS; el (3) un transistor MOS conmutador de transferencia; el (4) un transistor MOS para el reajuste; el (5) un transistor MOS amplificador seguidor de fuente; el (6) un transistor MOS conmutador de selección horizontal; el (7) un transistor MOS de carga seguidor de fuente; el (8) un transistor MOS de transferencia para salida sin luz; el (9) un transistor MOS de transferencia para salida con luz; el (10) un condensador de acumulación para salida sin luz; el (11) un condensador de acumulación para salida con luz.
El número de referencia (17) indica un pocillo tipo p; el (18) una capa de óxido de puerta; el (19) la primera capa de polisilicio; el (20) la segunda capa de polisilicio; y el (21) una región de difusión flotante n^{+} (FD). Una de las características del presente sensor consiste en que el sensor es totalmente compatible con el proceso de transistor CMOS y en que se pueden formar en el mismo paso del proceso un transistor MOS de una parte de píxel y un transistor MOS de un circuito periférico, de manera que pueden reducirse notablemente el número de máscaras y de pasos del proceso en comparación con los de un CCD.
A continuación se explicará simplemente un modelo de operación. En primer lugar, se aplica un pulso de control de tensión positiva \phiPG a fin de extender la capa de agotamiento bajo la fotopuerta (2). La región de la FD (21) se ajusta mediante un pulso \phiR al nivel H y se fija a una fuente de alimentación V_{DD} a fin de impedir un deslumbramiento durante la acumulación. Cuando se irradia la energía h\nu de fotones y aparecen portadores bajo la fotopuerta (2), los electrones se acumulan en la capa de agotamiento bajo la fotopuerta (2) y los huecos se expulsan a través del pocillo tipo p (17).
Puesto que el transistor MOS de transferencia (3) forma una barrera de energía entre la unidad de conversión fotoeléctrica (1), el pocillo tipo p (17) y la región de la FD (21), los electrones existen bajo la fotopuerta (2) durante la acumulación de las cargas fotoeléctricas (figura 11C). Cuando el aparato entra en modo de lectura, se establecen los pulsos de control \phiPG y \phiTX para eliminar la barrera bajo el transistor MOS de transferencia (3) y a fin de transmitir completamente los electrones bajo la fotopuerta (2) a la región de la FD (21) (figura 11D). Dado que se ejecuta la transferencia completa, no se genera una imagen posterior ni ruidos en la unidad de conversión fotoeléctrica (1). Cuando se transmiten los electrones a la región de la FD (21), el potencial eléctrico de la región de la FD (21) cambia de acuerdo con el número de electrones. Pueden obtenerse características de conversión fotoeléctrica de buena linealidad enviando un cambio de potencial al interruptor MOS externo de selección horizontal (6) a través de la fuente de un transistor amplificador MOS seguidor de fuente (5) mediante la operación seguidor de fuente. Aunque se generan ruidos kTC por el reajuste en la región de la FD (21), pueden eliminarse muestreando y acumulando una salida sin luz antes de la transferencia de portadores de luz y obteniendo una diferencia entre la salida sin luz y con luz. El sensor CMOS, por tanto, se caracteriza por un bajo nivel de ruido y una elevada relación S/N. Dado que se lleva a cabo una lectura completa y no destructiva, pueden realizarse múltiples funciones. Además, se obtienen ventajas como la de un elevado rendimiento debido al sistema de direccionamiento XY y un bajo consumo de energía eléctrica.
No obstante, el anterior aparato convencional tiene desventajas como la de que, al existir para cada píxel una fotopuerta, cuatro transistores MOS y cuatro líneas de excitación horizontal, en comparación con el sensor del tipo CCD, es difícil incrementar la densidad de píxeles, y la apertura numérica también disminuye.
También se da la desventaja de que, dado que la suma de las señales de conversión fotoeléctrica para ejecutar un escaneado de TV la lleva a cabo un circuito periférico, la velocidad operativa se ralentiza.
Es conocido el uso de un modo común de amplificación entre un grupo de elementos de conversión fotoeléctrica. El documento US-A-5.220.170 presenta un aparato de captación de imágenes en el que los grupos de cuatro sensores MOS se hallan conectados a un amplificador operacional común a través de los respectivos transistores conmutadores de transferencia.
Características de la invención
Las realizaciones de la invención incorporan una reducción en el tamaño del sensor CMOS.
Las realizaciones de la invención desarrollan una ejecución de la suma de señales de píxel por parte de una unidad de píxel y, a continuación, desarrollan un sensor multifunción que puede ejecutar arbitrariamente una suma y una no-suma.
La presente invención se describe en la reivindicación 1, y se caracteriza porque un área del electrodo principal del primer transistor de transferencia, dispuesta en el lado del amplificador del mismo, y un área del electrodo principal del segundo transistor de transferencia, dispuesta en el lado del amplificador del mismo, forman en común la una con la otra una difusión flotante, y porque el amplificador se constituye mediante un transistor amplificador que se halla dispuesto para leer un cambio en el nivel de la señal de la difusión flotante formada en común.
Con tal construcción, puesto que resulta suficiente proporcionar en periodos de tiempo de pocos píxeles, un transistor MOS amplificador seguidor de fuente, un transistor MOS para la selección de una línea horizontal y un transistor MOS para el reajuste, el número de dispositivos y de cableados que se ocupan en cada píxel se reduce por debajo de los valores convencionales, de modo que puede conseguirse una estructura delgada.
Dado que la suma y la no-suma de las cargas de la señal de dos píxeles puede ejecutarse fácilmente según el ciclo de reloj de la operación del transistor MOS de transferencia, las realizaciones de la invención pueden tratar con varios métodos de excitación, tales como la excitación secuencial de línea de diferencia cromática, la excitación de salida independiente de píxel completo y similares.
En el aparato de captación de imágenes de estado sólido, el elemento de conversión fotoeléctrica puede comprender una puerta de transistor MOS y una capa de agotamiento bajo la puerta. La puerta MOS del elemento de conversión fotoeléctrica puede formarse con los mismos pasos del proceso que los de los transistores MOS del circuito periférico. Alternativamente, el elemento de conversión fotoeléctrica puede ser un fotodiodo de unión pn. Los cambios de los diversos dispositivos de conversión fotoeléctrica pueden transferirse simultánea o independientemente a la región de la difusión flotante del electrodo principal. Con dicha construcción, puede obtenerse una gran diversidad de señales de imagen.
Otras características importantes de las realizaciones de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y de las reivindicaciones adjuntas en referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de construcción de circuito esquemático de la primera realización según la invención;
La figura 2 es una vista de una sección transversal de un píxel en la primera realización según la invención;
La figura 3 es un diagrama de tiempo (1) de la primera realización según la invención;
La figura 4 es un diagrama de tiempo (2) de la primera realización según la invención;
La figura 5 es un diagrama de construcción de circuito esquemático de la segunda realización según la invención;
La figura 6 es un diagrama de un filtro de color en el chip de la segunda realización según la invención;
La figura 7 es un diagrama de construcción de circuito esquemático de la tercera realización según la invención;
La figura 8 es un diagrama de construcción de circuito esquemático de la cuarta realización según la invención;
La figura 9 es una vista de una sección transversal de un píxel en la cuarta realización según la invención;
La figura 10 es una vista de una sección transversal de un píxel en la quinta realización según la invención; y
Las figuras 11A a 11D son diagramas de construcción de circuito esquemáticos de un aparato convencional de captación de imágenes de estado sólido.
Descripción detallada de las realizaciones preferentes
Las realizaciones de la presente invención se describirán en detalle a continuación con referencia a los dibujos.
La figura 1 muestra un diagrama de construcción de circuito esquemático de la primera realización según la invención. En el diagrama, aunque se muestra un sensor de área bidimensional de (2 columnas x 4 filas) píxeles, en realidad, el sensor se ha de magnificar y el número de píxeles se incrementa a (1920 columnas x 1080 filas) o similar, elevando de este modo la resolución.
En la figura 1, el número de referencia (1) indica la unidad de conversión fotoeléctrica de un dispositivo de conversión fotoeléctrica compuesto de una puerta de transistor MOS y una capa de agotamiento bajo la puerta; el (2) la fotopuerta; el (3) el transistor MOS conmutador de transferencia; el (4) el transistor MOS para el reajuste; el (5) el transistor MOS amplificador seguidor de fuente; el (6) el transistor MOS conmutador de selección horizontal; el (7) el transistor MOS de carga seguidor de fuente; el (8) el transistor MOS de transferencia para salida sin luz; el (9) el transistor MOS de transferencia para salida con luz; el (10) el condensador de acumulación C_{TN} para salida sin luz; el (11) el condensador de acumulación C_{TS} para salida con luz; el (12) un transistor MOS de transferencia horizontal; el (13) un transistor MOS de reajuste de la línea horizontal de salida; el (14) un amplificador diferencial de salida; el (15) un circuito de muestreo horizontal; y el (16) un circuito de muestreo vertical.
La figura 2 muestra una vista en sección transversal de una porción de píxel. En el diagrama, el numeral de referencia (17) indica el pocillo tipo p; el (18) la capa de óxido de puerta; el (19) la primera capa de polisilicio; el (20) la segunda capa de polisilicio; y el (21) la región de difusión flotante n^{+} (FD). La región de la FD (21) se conecta a otra unidad de conversión fotoeléctrica a través de otro transistor MOS de transferencia. En el diagrama, los respectivos drenadores de los dos transistores MOS de transferencia (3), esto es, las áreas del electrodo principal en el lado amplificador de los respectivos dos transistores, junto con la región de la FD (21), están construidas en común, generando así una estructura delgada y una mejora de la sensibilidad debido a una reducción de la capacidad de la región de la FD (21).
Se describirá ahora el funcionamiento en referencia al diagrama de tiempo de la figura 3. El diagrama de tiempo está relacionado con un caso de una salida independiente de un píxel completo
En primer lugar, se ajusta un pulso de control \phiL al nivel alto (H) por parte de una señal de reloj del circuito de escaneado vertical (16), y se reajusta la línea de salida vertical. Los pulsos de control \phiR0, \phiPGqo0 y \phiPGe0 se ajustan al nivel alto, el transistor MOS (4) para el reajuste se enciende, y la primera capa de polisilicio (19) de la fotopuerta (2) se ajusta al nivel H. En el ciclo de reloj T0, se ajusta un pulso de control \phiSO al nivel H, el transistor MOS conmutador de selección horizontal (6) se enciende y se seleccionan las porciones de píxeles de la primera y segunda líneas. El pulso de control \phiR0 se ajusta a continuación al nivel bajo (L), se detiene el reajuste de la región de la FD (21), la región de la FD (21) se ajusta al estado flotante y el circuito que se encuentra entre la puerta y la fuente del amplificador MOS seguidor de fuente (5) se ajusta a un estado pasante. Tras ello, en el ciclo de reloj T1, un pulso de control \phiTN se ajusta al nivel H, permitiendo de este modo que, a través del funcionamiento del seguidor de fuente, se emita una tensión sin luz de la región de la FD (21) al condensador de acumulación C_{TN} (10).
A continuación, a fin de conseguir una salida con conversión fotoeléctrica de los píxeles de la primera línea, un pulso de control \phiTXo0 de la primera línea se ajusta al nivel H y el transistor MOS conmutador de transferencia (3) se hace conductor. Tras ello, en el ciclo de reloj T2, el pulso de control \phiPGo0 se ajusta al nivel L. En este caso, es preferible establecer una relación de tensión de manera que se pueda incrementar el pocillo de potencial que se extiende bajo la fotopuerta (2) y para permitir que los portadores generadores de luz se transfieran perfectamente a la región de la FD (21). Por tanto, mientras pueda ejecutarse la transferencia completa, el pulso de control \phiTX no se limita a un pulso, sino que también se puede fijar en un determinado potencial eléctrico.
En el ciclo de reloj T2, al transferirse las cargas de la unidad de conversión fotoeléctrica (1) del fotodiodo a la región de la FD (21), el potencial eléctrico de la región de la FD (21) cambia de acuerdo con la luz. En este caso, dado que el amplificador MOS seguidor de fuente (5) se encuentra en estado flotante, se ajusta un pulso de control \phiT_{S} al nivel H en el ciclo de reloj T3, y el potencial eléctrico de la región de la FD (21) se transmite al condensador de acumulación C_{TS} (11). En este momento, las salidas sin luz y con luz de los píxeles de la primera línea se han acumulado en los condensadores de acumulación C_{TN} (10) y C_{TS} (11) respectivamente. Se ajusta un pulso de control \phiHC al nivel H en el ciclo de reloj T4, el transistor MOS de reajuste de la línea de salida horizontal (13) se hace conductor, y la línea de salida horizontal se reajusta. Las salidas sin luz y con luz de los píxeles se transmiten a la línea de salida horizontal en un periodo de tiempo de transferencia horizontal mediante una señal de reloj de escaneado del circuito de escaneado horizontal (15). En este momento, cuando el amplificador diferencial de salida (14) obtiene una salida diferencial V_{OUT} de los condensadores de acumulación C_{TN} (10) y C_{TS} (11), se obtiene una señal con una buena relación S/N, en la cual se han eliminado de los píxeles los ruidos aleatorios y los ruidos de patrón fijo. Aunque las cargas fotoeléctricas de los píxeles (30-12) y (30-22) se acumulan respectivamente en los condensadores de acumulación C_{TN} (10) y C_{TS} (11) simultáneamente con los píxeles (30-11) y (30-21), en el momento de la lectura, el pulso de reloj del circuito de escaneado horizontal (15) se retarda en un lapso correspondiente a un píxel y las cargas se leen a partir de la línea de salida horizontal y se generan desde el amplificador diferencial de salida (14).
En la realización, si bien se ha mostrado una construcción que hace que la salida diferencial V_{OUT} se ejecute en el propio chip, puede obtenerse también un efecto similar incluso si se usa un circuito CDS (Doble Muestreo Correlacionado) en el exterior sin incluir dicha construcción en el chip.
Una vez se ha transmitido la salida de luz al condensador de acumulación C_{TS} (11), el pulso de control \phiR0 se ajusta al nivel H, el transistor MOS (4) para el reajuste se hace conductor, y la región de la FD (21) se reajusta a la fuente de alimentación V_{DD}. Una vez completada la transferencia horizontal de la primera línea, se lee la segunda línea. Durante la lectura de la segunda línea, se excitan de modo similar los pulsos de control \phiTXe0 y \phiPGe0, se proporcionan pulsos de nivel alto como pulsos de control \phiTN y \phiTS, las cargas fotoeléctricas se acumulan en los condensadores de acumulación C_{TN} (10) y C_{TS} (11) y se extraen las señales de salida sin luz y con luz, respectivamente. Con la excitación aquí descrita, las operaciones de lectura de la primera y la segunda líneas se pueden ejecutar de manera independiente. Tras ello, entra en funcionamiento un circuito de escaneado vertical, y se ejecutan de modo similar las operaciones de lectura de las líneas (2n+l), (2n+2),... (n = 1, 2,...), de manera que se puedan llevar a cabo las transmisiones de la salida de todos los píxeles independientemente. A saber, en el caso de n = 1, en primer lugar se ajusta un pulso de control \phiS1 al nivel H y a continuación se ajusta un pulso de control \phiR1 al nivel L. Tras ello, se ajustan los pulsos de control \phiTN y \phiTXo1 al nivel H, el pulso de control \phiPGo1 al nivel L, el pulso de control \phiTS al nivel H y el pulso de control \phiHC se ajusta temporalmente al nivel H, leyendo de este modo las señales de los píxeles (30-31) y (30-32) respectivamente. A continuación, se proporcionan los pulsos de control \phiTXe1 y \phiPge1, y los pulsos de control se aplican de manera similar a la citada previamente, leyendo de este modo las señales de los píxeles (30-41) y (30-42) respectivamente.
En la realización, dado que cada conjunto de seguidores de fuente no se proporciona para un píxel sino para dos píxeles, el número de transistores MOS amplificadores seguidores de fuente (5), de transistores MOS conmutadores de selección (6) y de transistores MOS de reajuste (4) puede reducirse a la mitad del número convencional de los mismos. Así, se mejora la apertura numérica de la unidad de conversión fotoeléctrica del píxel. Puede conseguirse una estructura delgada gracias a la integración del píxel. Usando la región de la FD (21) en común para dos píxeles, no se da la necesidad de incrementar la capacidad de la región de la puerta del amplificador MOS seguidor de fuente (5), por lo que se puede prevenir un deterioro de la sensibilidad.
Como otra característica de la invención, puede mencionarse también el hecho de que la relación S/N puede mejorarse sumando las señales de dos o más píxeles en la región de la FD (21). Dicha construcción puede llevarse a cabo cambiando solamente el ciclo de reloj de un pulso aplicado sin cambiar sustancialmente la construcción del circuito. La figura 4 muestra un diagrama de tiempo en el caso de la suma de las señales de dos píxeles superiores e inferiores. En la figura 3, que muestra el modo de no-suma, los ciclos de reloj de los pulsos de control \phiTXo0 y \phiTXe0 y los ciclos de reloj de los pulsos de control \phiPGo0 y \phiPGe0 se han desplazado respectivamente en el intervalo de tiempo de un píxel. No obstante, los ciclos de reloj son los mismos en el caso de la suma. Esto es, como se leen simultáneamente las señales de los píxeles (30-11) y (30-21), y el pulso de control \phiTN se ajusta inicialmente al nivel H, se lee un componente de ruido de la línea de salida vertical. Los pulsos de control \phiTXo0 y \phiTXe0 y los pulsos de control \phiPGo0 y \phiPGe0 se ajustan simultánea y respectivamente a los niveles H y L y se transfieren a la región de la FD (21). Así, pueden añadirse a la región de la FD (21) las señales de las dos unidades de conversión fotoeléctrica superiores e inferiores (1) al mismo tiempo. Por tanto, si bien se necesitan, por ejemplo, dos ciclos de reloj según el diagrama de tiempo de la figura 3 para la captación de una imagen de alta resolución en un estado de alta luminosidad y, por ejemplo, oscuro, puede realizarse un único modo para ejecutar la captación de una imagen de alta sensibilidad en una lectura simultánea según el diagrama de tiempo de la figura 4 con un solo sensor.
Si bien la anterior realización se ha mostrado con respecto al ejemplo en el que se conectan dos unidades de conversión fotoeléctrica a la región de la FD (21), pueden conectarse también varias (por ejemplo, 3, 4 o similares) unidades de conversión fotoeléctrica. Con dicha estructura, por ejemplo, pueden conseguirse, mediante pasos cortos de procesamiento del proceso de transistor CMOS, un aparato que puede aplicarse a un campo extenso, como el de los aparatos de captación de imágenes de estado sólido de elevada sensibilidad, un aparato de elevada densidad y similares.
En la realización, cada uno de los transistores MOS de una región de píxel (30) tiene una construcción del tipo n y se han simplificado los pasos para su fabricación. No obstante, también es obviamente posible una construcción mediante todos los transistores PMOS usando un pocillo tipo n para un sustrato tipo p o viceversa.
La figura 5 muestra un diagrama de circuito esquemático de la segunda realización según la invención. La realización se caracteriza en que proporciona un conmutador de transferencia (22) de manera que se pueda realizar una excitación secuencial de línea de diferencia cromática. En la primera realización, aunque pueda realizarse la suma de las líneas primera y segunda y de las líneas tercera y cuarta, no se puede realizar la suma de las líneas segunda y tercera. En esta realización, debido a la existencia del conmutador de transferencia (22), puede ejecutarse la suma de las líneas segunda y tercera.
En el caso de que se sumen las líneas segunda y tercera, cuando se lee la primera línea, la operación avanza del ciclo de reloj T0 al ciclo de reloj T0 según la serie temporal de la figura 3 y, tras ello, cuando se lee la segunda línea, los pulsos de control \phiTXe0 y \phiTXol y los pulsos de control \phiPGe0 y \phiPGe1 se ajustan simultáneamente a los niveles alto (H) y bajo (L), el pulso de control \phiF se ajusta también simultáneamente al nivel alto junto con el pulso de control \phiTXe0, y se proporcionan los otros pulsos de control de manera similar. Las señales de los píxeles (30-21) y (30-31) se acumulan en el condensador de acumulación (11). Los componentes de ruido pueden cancelarse y puede obtenerse la salida V_{OUT} de la señal del píxel. Tras ello, las señales de los píxeles (30-22) y (30-32) se acumulan en el condensador de acumulación (11) y puede obtenerse la salida V_{OUT} de la señal del píxel. A continuación, proporcionando pulsos de control similares con respecto a las líneas tercera y cuarta, pueden leerse de manera secuencial de las señales de los píxeles (30-31) y (30-41) y las de los píxeles (30-32) y (30-42).
Por lo tanto, si se forma un filtro complementario de mosaico de colores, tal y como se muestra en la figura 6, en el chip de construcción del circuito de la figura 5, de acuerdo con el escaneado del sistema NTSC, pueden obtenerse de manera secuencial en un campo ODD (número impar) las salidas de (C_{y} + M_{g}) e (Y_{e} + G) como sumas, por ejemplo, de las líneas primera y segunda, y de (C_{y} + G) e (Y_{e} + M_{g}) como sumas, por ejemplo, de las líneas tercera y cuarta. En un campo EVEN (número par), pueden obtenerse de manera secuencial las salidas de (C_{y} + M_{g}) e (Y_{e} + G) como sumas, por ejemplo, de las líneas segunda y tercera, y las salidas de (C_{y} + G) e (Y_{e} + M_{g}) como sumas, por ejemplo, de las líneas tercera y cuarta. Pueden formarse fácilmente dos señales portadoras de crominancia del eje I (sistema naranja y ciánico) y del eje Q (sistema verde y magenta) en el escaneado de TV (NTSC, HD) del tipo entrelazado.
También en la realización, se comprenderá fácilmente que pueden ejecutarse independientemente salidas de todos los píxeles cambiando las señales de reloj de excitación. A saber, si se ajusta un pulso de control \phiF siempre al nivel L, se desactivará el funcionamiento del conmutador de transferencia (22) y podrán leerse las salidas de la señal de cada píxel según una secuencia de tiempo basada en los ciclos de reloj mostrados en la figura 3.
Según la realización, por lo tanto, puede capturarse la señal suma de los píxeles con una desviación de una línea. El aparato no sólo puede llevar a cabo el escaneado de TV, sino que también puede leer las señales píxel a píxel independientemente y secuencialmente, o bien pueden leerse las señales de suma de dos píxeles. Por lo tanto, pueden llevarse a cabo diversas operaciones de captación de imágenes según el entorno de la captación de imágenes.
En la realización, en particular, si se ejecuta el sistema de excitación secuencial de línea de diferencia cromática (entrelazado, salida de suma de señal cromática), la memoria y el circuito de suma externa necesarios para la primera realización se vuelven innecesarios, y puede usarse tal cual el circuito de procesado de la señal convencional para un CCD. Por lo tanto, resulta ventajoso en términos de coste e instalación.
La figura 7 muestra un diagrama de circuito conceptual de la tercera realización según la invención. La realización se caracteriza en que, cuando se suman las señales de píxeles, se proporciona un transistor MOS conmutador (23) que puede realizar no sólo la suma en la región FD según los ciclos de reloj mostrados en la figura 4, sino también la suma en la unidad de conversión fotoeléctrica.
En la figura 7, el ciclo de reloj de cada pulso de control es similar al de la segunda realización. Una vez se ha leído la primera línea, incluso cuando posteriormente se leen las líneas segunda y tercera, el pulso de control \phiF se ajusta al nivel H simultáneamente junto con el pulso de control \phiTXe0. Las cargas de la unidad de conversión fotoeléctrica (1) del píxel (30-21) y las cargas de la unidad de conversión fotoeléctrica (1) del píxel (30-31) se añaden haciendo que el transistor MOS conmutador (23) se haga conductor. Las cargas sumadas se transfieren al condensador de acumulación (11) a través del transistor MOS seguidor de fuente (5) y el transistor MOS conmutador de selección (6), haciendo el transistor MOS de transferencia (3) del píxel (30-21) conductivo.
Al formar un filtro complementario de mosaico de colores tal y como se muestra en la figura 6, de manera similar a la de la segunda realización, pueden obtenerse de manera secuencial en un campo ODD (número impar) las salidas de (C_{y} + M_{g}) e (Y_{e} + G) como sumas, por ejemplo, de las líneas primera y segunda, y de (C_{y} + G) e (Y_{e} + M_{g}) como sumas, por ejemplo, de las líneas tercera y cuarta. En un campo EVEN (número par), pueden obtenerse de manera secuencial las salidas de (C_{y} + M_{g}) e (Y_{e} + G) como sumas, por ejemplo, de las líneas segunda y tercera, y las salidas de (C_{y} + G) e (Y_{e} + M_{g}) como sumas, por ejemplo, de las líneas tercera y cuarta.
Por lo tanto, en la excitación por entrelazado, la suma se realiza en la región de la FD en el campo ODD y las otras cargas se transfieren al otro pocillo y se añaden a la región del píxel del campo EVEN y las cargas sumadas se transmiten a la región de la FD. Estas operaciones pueden obviamente invertirse en los campos EVEN y ODD. En la realización, puede realizarse un escaneado de TV sin incrementar la capacidad de la región de la FD. Cambiando de modo variable el ciclo de reloj de cada pulso de control, pueden obtenerse diversas señales de imagen de manera similar a la de la segunda realización. Igualmente, también en la realización, llevando a cabo una excitación secuencial de línea de diferencia cromática de manera similar a la de la segunda realización, se da la ventaja de que el circuito convencional de procesamiento de la señal puede usarse tal cual.
La figura 8 muestra un diagrama de circuito conceptual de la cuarta realización según la invención. La realización se caracteriza en que no se usa una fotopuerta en la unidad de conversión fotoeléctrica, y en su lugar se usa un fotodiodo pn (24). La figura 9 muestra una vista en sección transversal de un píxel. En el diagrama, el numeral de referencia (25) indica una capa tipo n con una densidad tal que pueda formar perfectamente una capa de agotamiento. Las cargas generadas por el pulso de control \phiTX se transfieren completamente a la región de la FD. También en el caso de esta realización, la suma y no-suma de las señales puede ejecutarse mediante pulsos de control \phiTX incluso en la cuarta realización.
Se describirá el funcionamiento de las figuras 8 y 9. En primer lugar, se ajusta el pulso de control \phiR al nivel H y la región de la FD (21) se reajusta al valor de tensión de la fuente de alimentación V_{DD}. Ajustando el pulso de control \phiS al nivel H, la salida sin luz se acumula en el condensador de acumulación (10). A continuación, se ajusta el pulso de control \phiTXo0 al nivel H y las cargas fotoeléctricas acumuladas en el fotodiodo pn (24) se transfieren al condensador de acumulación (11) a través del transistor MOS seguidor de fuente (5) y del transistor MOS conmutador de selección (6). La componente de ruido se cancela por el amplificador diferencial de salida (14), y se genera la señal de la imagen V_{OUT}. Proporcionando pulsos de control correspondientes a la serie de ciclos de reloj de la figura 4, las cargas pueden sumarse en dos fotodiodos pn (24), y a continuación puede leerse la suma de dichas cargas.
Añadiendo el transistor MOS conmutador, puede obtenerse una salida de imagen con una gran eficiencia en el escaneado entrelazado de manera similar a la de las realizaciones segunda y tercera.
La figura 10 muestra una vista en sección transversal de un píxel de la quinta realización según la invención. En el diagrama, el número de referencia (26) indica una capa superficial tipo p^{+}. La quinta realización se caracteriza en que la capa superficial tipo p^{+} (26) constituye la unidad de conversión fotoeléctrica junto con la capa tipo n (25), y en que un píxel se forma a través de un fotodiodo de tipo de canal enterrado. Con dicha estructura, puede suprimirse la corriente sin luz que se genera en la superficie. Comparándola con la figura 9, dado que pueden obtenerse cargas fotoeléctricas elevadas de buena eficiencia, puede obtenerse una señal de imagen con una relación S/N y una calidad muy altas.
De acuerdo con el píxel de la estructura mostrada en la figura 10, puede obtenerse una salida de imagen similar a través de un ciclo de reloj de cada pulso de control proporcionado en lugar del fotodiodo pn (24) de la figura 8, y resulta similar a la de la cuarta realización.
De acuerdo con la invención descrita más arriba, dado que se puede realizar un sensor de tipo transistor CMOS en el que se reduce el número de dispositivos y se obtiene una elevada apertura numérica y una estructura delgada, existen ventajas tales como un elevado rendimiento debido a la mayor integración, los bajos costes, la miniaturización del paquete y la miniaturización del sistema óptico.
Dado que la suma y la no-suma de las señales de los píxeles puede realizarse simplemente a través de un método de excitación, se da asimismo la ventaja de que la invención puede comprender diversos métodos de funcionamiento, incluyendo la función de direccionamiento XY convencional.
Pueden construirse muchas distintas realizaciones de la presente invención dentro del alcance de la presente invención. Debería entenderse que la presente invención no se halla limitada a las realizaciones específicas descritas en las especificaciones, excepto tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. Aparato de captación de imágenes de estado sólido consistente en una serie de unidades, cada una de las cuales comprende:
diversos elementos de conversión fotoeléctrica (1;24);
un amplificador (5) dispuesto en común en medio de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica, y adaptado para amplificar y transmitir las señales de salida de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica;
un primer transistor de transferencia (3) adaptado para transferir al citado amplificador una señal producida en un primer elemento de conversión fotoeléctrica incluido dentro de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica; y
un segundo transistor de transferencia (3) adaptado para transferir al citado amplificador una señal producida en un segundo elemento de conversión fotoeléctrica incluido dentro de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica; dentro de los cuales
un área del electrodo principal (2l) del citado primer transistor de transferencia, dispuesta en el lado del amplificador del mismo, y un área del electrodo principal (2l) del citado segundo transistor de transferencia, dispuesta en el lado del amplificador del mismo se forman en común la una con la otra formando una difusión flotante, y dicho amplificador se constituye a través de un transistor amplificador, dispuesto para leer los cambios en el nivel de la señal de la difusión flotante (21) formada en común.
2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que el citado elemento de conversión fotoeléctrica (1) consta de una puerta de transistor MOS (2:17,18,19) y una capa de agotamiento bajo dicha puerta.
3. Aparato, según la reivindicación 2, en el que la puerta del citado transistor MOS (17-19) del citado elemento de conversión fotoeléctrica se forma mediante los mismos pasos de proceso que un transistor MOS (7-9,12,13) de un circuito periférico.
4. Aparato, según la reivindicación 1, en el que el citado elemento de conversión fotoeléctrica (24) es un fotodiodo de unión pn.
5. Aparato, según la reivindicación 1, en el que las cargas de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica pueden transferirse individual o simultáneamente a la citada difusión flotante.
6. Aparato, según la reivindicación 1, estando dispuesta cada unidad de manera que por ella puedan sumarse cargas de al menos dos de los citados elementos de conversión fotoeléctrica (1:24) a la citada difusión flotante.
7. Aparato, según la reivindicación 1, que incluye un filtro de patrón mosaico de color complementario y con un circuito de control mediante el cual, al realizar la lectura en los citados elementos de conversión fotoeléctrica, se obtiene una señal de imagen del mosaico de color complementario en sincronía con los campos ODD y EVEN mediante un escaneado entrelazado.
8. Aparato, según la reivindicación 1, en el que cada una de las diversas citadas unidades incluye un respectivo transistor de selección (6) dispuesto en común a lo largo de los diversos citados elementos de conversión fotoeléctrica (1;24) y adaptado para seleccionar la respectiva unidad de la que leer la señal.
9. Aparato, según las reivindicaciones 1 u 8, en el que cada una de las diversas citadas unidades incluye un transistor de reajuste (4) dispuesto en común a lo largo de los diversos citados elementos de conversión fotoeléctrica y adaptado para proporcionar una señal de reajuste a la difusión flotante (21), que dispone de un primer medio de excitación (16) con un primer modo de realizar la lectura en el citado transistor amplificador del cambio del nivel de la señal de la difusión flotante, cambio causado por el reajuste de la difusión flotante en un estado desconectado del citado transistor de transferencia, y un segundo modo de realizar la lectura en el citado transistor amplificador del cambio del nivel de la señal de la difusión flotante, cambio causado por la señal producida en el elemento de conversión fotoeléctrica en un estado conectado del citado transistor de transferencia, y un modo diferencial (14) para generar la diferencia entre la señal leída en el primer modo y la señal leída en el segundo modo.
10. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 1, 8 ó 9, que dispone de un segundo medio de excitación (16) con un primer modo para añadir a la difusión flotante la señal producida en el primer elemento de conversión fotoeléctrica y la señal producida en el segundo elemento de conversión fotoeléctrica y leer la señal sumada, y un segundo modo para leer del citado transistor amplificador la señal producida en el primer elemento de conversión fotoeléctrica y la señal producida en el segundo elemento de conversión fotoeléctrica independientemente.
11. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 1 u 8 a 10, en el que cada una de las citadas diversas unidades se hallan dispuestas de tal manera que una señal producida en el elemento de conversión fotoeléctrica pueda transferirse completamente a la difusión flotante.
12. Aparato, según la reivindicación 1, en el que cada uno de los citados diversos elementos de conversión fotoeléctrica es un fotodiodo de tipo de canal enterrado, incluyendo una primera área semiconductora de un primer tipo de conductividad y una segunda área semiconductora de un segundo tipo de conductividad formada en la citada primera área semiconductora, extendiéndose la citada segunda área semiconductora de cada elemento de conversión fotoeléctrica en un área bajo el correspondiente transistor de transferencia.
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