TW201340709A - 固態成像元件，其驅動方法，以及電子裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種固態成像元件，其包含一驅動電路及具有配置為一矩陣形式之像素之一像素單元。該等像素包含經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件、連接至該光電轉換元件之一電荷保持單元，及一浮動擴散區域。該驅動電路將累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第一部分轉移至該電荷保持單元，且同時將累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第二部分轉移至該浮動擴散區域。電子全域快門係藉由實質上同時將電荷從該等像素之各者之該等光電轉換元件轉移而實現。

Description

固態成像元件，其驅動方法，以及電子裝置
本揭示內容係關於一固態成像元件、一固態成像元件之一驅動方法及電子裝置且特定言之係關於能夠使一更佳影像成像之一固態成像元件、一固態成像元件之一驅動方法及電子裝置。
在相關技藝中，諸如一CMOS(互補金屬氧化物半導體)影像感測器及一CCD(電荷耦合器件)影像感測器之固態成像元件廣泛使用於數位靜態相機、數位視訊攝影機或類似物。此外，近年來，從電源電壓低及功率消耗低的角度，CMOS影像感測器經常被採用於安裝在行動裝置(諸如具備一成像功能之行動電話裝置)中之固態成像元件。
舉例而言，在CMOS影像感測器中，由包含在一像素中的PD(光二極體)光電轉換之電荷被轉移至FD(浮動擴散)，其係一浮動擴散區域。此外，藉由量測FD之電位，讀出對應於由PD產生之電荷之一位準之一像素信號。
大體上，CMOS影像感測器僅可每次針對一列像素執行像素信號之讀出，因此無法提供螢幕之曝光時間之同步性。對於此，舉例而言，根據稱作「全域快門」之讀出一像素信號之一技術，正在開發具備螢幕之曝光時間之同步性之一CMOS影像感測器。在相關技藝中， 為了實現全域快門，需要在像素中提供一屏蔽的電荷保持區域且將像素信號保持在等待像素信號讀出之像素中之電荷保持區域中。提供在一像素中的一FD經常用作此電荷保持區域。
此外，本申請人提出一種固態成像元件，其藉由使用一CCD型記憶體區段及一FD兩者作為電荷保持區域而避免飽和電荷量之一減少(舉例而言，參考PTL 1)。
引用列表 專利文獻
PTL 1：日本未審查專利申請公開案第2009-268083號
順便提及，近年來，雖然固態成像元件之微型化正在發展，但是存在針對靈敏度之進一步改進、飽和電荷量之一增大及類似物之一需要且預期甚至可在微型固態成像元件中執行更佳影像之成像之技術的開發。
本揭示內容考慮此一情形而作出且使得可能執行更佳影像之成像。
根據本揭示內容之一例示性實施例之一態樣，可提供一種固態成像元件，其包括一驅動電路及包含配置為一矩陣形式之像素之一像素單元。該等像素之一給定像素可包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件、連接至光電轉換元件之一電荷保持單元及一浮動擴散區域。此外，驅動電路可組態為針對該等像素之給定像素執行一轉移操作，其包括導致電荷保持單元接收並保持累積在光電轉換元件中之電荷之一第一部分及同時導致浮動擴散區域接收並保持累積在光電轉換元件中之電荷之一第二部分。上述例示 性實施例允許電荷保持單元微型化而不減少可由一像素保持之電荷之數量。由於電荷保持單元之微型化，可減小一像素大小且在相同大小之一成像元件中可包含更多像素或可保留相同之一像素大小且可加寬光電轉換元件之面積，增大光電轉換元件之飽和電荷量。
根據上述例示性實施例之另一態樣，驅動電路可組態為在執行轉移操作之後讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第二部分之量級之一資料信號且隨後讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分之量級之一資料信號。
根據上述例示性實施例之另一態樣，驅動電路可組態為在讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第二部分之量級之資料信號之後且在讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分之量級之資料信號之前：重設浮動擴散區域，讀出對應於浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號及執行包括導致累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分(其保持在電荷保持單元中)轉移至浮動擴散區域之一種二次轉移操作。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之給定像素可進一步包括：一重設電晶體，其連接至浮動擴散區域及連接至一重設電位且組態為在一重設信號施加至其上時導電；及一選擇電晶體，其組態為在一選擇信號施加至其上時將一資料信號輸出至驅動電路，資料信號基於保持在浮動擴散區域中之一電荷之量級。此外，驅動電路可組態為：在累積在光電轉換元件中之電荷之第二部分保持在浮動擴散區域中時藉由將選擇信號施加至選擇電晶體而讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第二部分之量級之資料信號，藉由將重設信號施加至重設電晶體而重設浮動擴散區域，在重設浮動擴散區域之後藉由將選擇信號施加至選擇電晶體而讀出對應於浮動擴散區域之一重設位準之資料信號及在累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分保持在浮 動擴散區域時藉由將選擇信號施加至選擇電晶體而讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分之量級之資料信號。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之各者可包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之光電轉換元件。此外，驅動電路可組態為執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束各自累積週期。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之各者可包含連接至其之光電轉換元件之一電荷保持單元及一浮動擴散區域。此外，驅動電路可組態為藉由實質上同時針對該等像素之各者執行轉移操作而實質上同時針對像素結束各自累積週期。
根據上述例示性實施例之另一態樣，驅動電路可組態為執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在像素之光電轉換元件中之各自電荷之各自資料信號。此外，驅動電路可組態為針對一第(n+1)個成像訊框起始全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之滾動讀出操作。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之給定像素可包含連接至光電轉換元件及連接至一汲極電位之一汲極電晶體。驅動電路可組態為藉由導致汲極電晶體處於一導電狀態達一脈衝週期而重設光電轉換元件。此外，處於一非導電狀態時之汲極電晶體與光電轉換元件之間之一電位障壁之量級可小於電荷保持單元與光電轉換元件之間之一電位障壁之量級。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之各者可包含：一光電轉換元件，其組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷；一電荷保持單元，其連接至其之光電轉換元件；及一浮動擴散 區域。此外，像素可配置為N2個像素之群組，其中N係一整數，使得包含在該等群組之一相同群組中之該等像素共同共用一個浮動擴散區域，該一個浮動擴散區域組成包含在共同共用一個浮動擴散之該等像素之各者中之各自浮動擴散區域。
根據上述例示性實施例之另一態樣，驅動電路可組態為藉由驅動一機械快門而實質上同時針對像素結束各自累積週期。
根據上述例示性實施例之另一態樣，電荷保持單元之一電荷保持容量可小於光電轉換元件之一電荷保持容量。
根據上述例示性實施例之另一態樣，固態成像元件可包含在一電子成像裝置中。
根據本揭示內容之另一例示性實施例之一態樣，可執行一種操作可包含配置為一矩陣形式之像素之一固態成像元件之方法，其中該等像素之一給定像素可包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件、連接至光電轉換元件之一電荷保持單元及一浮動擴散區域。該方法可包含針對該等像素之給定像素執行導致電荷保持單元接收並保持累積在光電轉換元件中之電荷之一第一部分且同時導致浮動擴散區域接收並保持累積在光電轉換元件中之電荷之一第二部分之一轉移操作。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該方法可進一步包含在針對該等像素之給定像素執行轉移操作之後相繼地：讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第二部分之量級之一資料信號；重設浮動擴散區域；讀出對應於浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號；執行包括導致保持在電荷保持單元中之累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分轉移至浮動擴散區域之一種二次轉移操作；及讀出對應於累積在光電轉換元件中之電荷之第一部分之量級之一資料信號。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之各者可包含組 態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件且該方法可進一步包含執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自電荷累積週期及實質上同時針對該等像素之各者結束各自累積週期。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該等像素之各者可包含一浮動擴散區域及連接至其之光電轉換元件之一電荷保持單元。此外，該方法可進一步包括：藉由實質上同時針對該等像素之各者執行轉移操作而實質上同時針對像素結束各自累積週期。
根據上述例示性實施例之另一態樣，該方法可進一步包括：執行包括從該等像素之各者讀出對應於累積在像素之光電轉換元件中之各自電荷之各自資料信號之一滾動讀出操作，及針對一第(n+1)個成像訊框起始全域快門操作同時執行針對一第n個成像訊框之滾動讀出操作。
根據本揭示內容之一態樣，可能執行更佳影像之成像。
11‧‧‧固態成像元件
12‧‧‧像素單元
13‧‧‧垂直驅動電路
14‧‧‧行處理電路
15‧‧‧輸出電路
16‧‧‧控制電路
21‧‧‧像素
211‧‧‧像素
212‧‧‧像素
22‧‧‧光二極體(PD)
221‧‧‧光二極體(PD)
222‧‧‧光二極體(PD)
23‧‧‧電荷保持單元
231‧‧‧電荷保持單元
232‧‧‧電荷保持單元
24‧‧‧轉移電晶體
241‧‧‧轉移電晶體
242‧‧‧轉移電晶體
25‧‧‧浮動擴散區域(FD)
26‧‧‧放大電晶體
27‧‧‧選擇電晶體
28‧‧‧重設電晶體
29‧‧‧汲極電晶體
30‧‧‧垂直信號線
31‧‧‧恆定電流源
101‧‧‧成像器件
102‧‧‧光學系統
103‧‧‧機械快門
104‧‧‧數位信號處理器(DSP)
105‧‧‧顯示單元
106‧‧‧記憶體
107‧‧‧電源單元
108‧‧‧操作單元
109‧‧‧中央處理單元(CPU)
CCD‧‧‧轉移信號
CCD1‧‧‧轉移信號
CCD2‧‧‧轉移信號
Drn‧‧‧汲極信號
Drn1‧‧‧汲極信號
Drn2‧‧‧汲極信號
FD‧‧‧浮動擴散區域
PD‧‧‧光二極體
Rst‧‧‧重設信號
Sel‧‧‧選擇信號
Trf‧‧‧轉移信號
Trf1‧‧‧轉移信號
Trf2‧‧‧轉移信號
Vdd‧‧‧電源接線
圖1係示出應用本技術之固態成像元件之一實施例之一組態實例之一方塊圖。
圖2係包含在像素單元中之一像素之一電路圖。
圖3係繪示固態成像元件之驅動之一視圖。
圖4係示出圖3之時序圖之時序t1與t3之間之電位之一視圖。
圖5係示出圖3之時序圖之時序t4與t6之間之電位之一視圖。
圖6係示出圖3之時序圖之時序t7與t10之間之電位之一視圖。
圖7係示出圖3之時序圖之時序t11與t13之間之電位之一視圖。
圖8係繪示在使用固態成像元件使一移動影像成像時之驅動之一 視圖。
圖9係採用一像素共同結構之一像素之一電路圖。
圖10係具有其中採用內建之一像素共同結構之一固態成像元件之一成像器件之一方塊圖。
圖11係繪示在使用成像器件使一靜態影像成像時之驅動之一視圖。
圖12係繪示在使用成像器件使一移動影像成像時之驅動之一視圖。
圖13係繪示其中採用一像素共同結構之一固態成像元件中之像素之配置之一視圖。
圖14係繪示其中採用一像素共同結構之一固態成像元件中之像素之配置之一視圖。
下文中，將參考附圖給出用於應用本技術之特定例示性實施例之詳細描述。
圖1係示出應用本技術之固態成像元件之一實施例之一組態實例之一方塊圖。
在圖1中，固態成像元件11組態為包含一像素單元12、一垂直驅動電路13、一行處理電路14、一輸出電路15及一控制電路16。
在像素單元12中，複數個像素(圖2之像素21)配置為一矩陣且各自像素經由一水平信號線(未示出)連接至每一列之垂直驅動電路13以及經由一垂直信號線(未示出)連接至各行之行處理電路14。
垂直驅動電路13供應用於按順序驅動配置在像素單元12中之複數個像素之各列之一像素之一驅動信號(舉例而言，下文所述之一重設信號Rst、一轉移信號CCD、一轉移信號Trf、一選擇信號Sel及一汲極信號Drn)並驅動各自像素。
行處理電路14針對各自像素之各行從配置在像素單元12中之複數個像素接收一像素之一重設位準之一像素信號及對應於由接收光之像素產生之電荷之一位準之一像素信號。此外，行處理電路14獲得一重設位準之像素信號與對應於所產生之電荷之一位準之像素信號之間之差異並依序輸出示出各行像素之差異值之一AD轉換像素信號。
輸出電路15執行有關從行處理電路14依序輸出之影像信號之處理，諸如增益調整及缺陷校正並將此輸出至一外部電路(未示出，舉例而言，圖10之DSP 104)。
控制電路16將一控制信號供應至組態固態成像元件11之各方塊，並控制固態成像元件11之操作。
圖2係包含在像素單元12中之一像素之一電路圖。
如圖2中所示，像素21組態為包含一PD 22、一電荷保持單元23、一轉移電晶體24、一FD 25、一放大電晶體26、一選擇電晶體27、一重設電晶體28及一汲極電晶體29。此外，將從像素21輸出之像素信號轉移至行處理電路14之一垂直信號線30連接至像素21。
PD 22係一光電轉換單元，其使用光電轉換將入射光轉換為一電荷(電子或電洞)並累積該電荷。此外，在PD 22中，一陽極端子接地且一陰極端子經由電荷保持單元23及轉移電晶體24連接至FD 25。
電荷保持單元23由具有保持一電荷之一功能之一電荷耦合器件(CCD)組態。電荷保持單元23根據供應自垂直驅動電路13之轉移信號CCD驅動且當轉移信號CCD處於一高位準時，累積在PD 22中之電荷被轉移至電荷保持單元23並保持。
轉移電晶體24根據供應自垂直驅動電路13之轉移信號Trf驅動且當轉移電晶體24開啟時，保持在電荷保持單元23中之電荷經由轉移電晶體24轉移至FD 25。
FD 25係連接至放大電晶體26之一閘極電極之具有一預定累積容 量之一浮動擴散區域並累積經由電荷保持單元23及轉移電晶體24轉移之電荷。此外，當由PD 22產生之電荷大於電荷保持單元23之容量時，從PD 22轉移至電荷保持單元23之電荷之一部分溢出轉移電晶體24並累積在FD 25中。
放大電晶體26經由選擇電晶體27將對應於累積在FD 25中之電荷(換言之，FD 25之電位)之一位準之一像素信號輸出至垂直信號線30。換言之，藉由其中FD 25連接至放大電晶體26之閘極電極之一組態，FD 25及放大電晶體26將由PD 22產生之電荷轉換為對應於電荷之一位準之一像素信號。
選擇電晶體27根據供應自垂直驅動電路13之選擇信號Sel驅動且當選擇電晶體27開啟時，從放大電晶體26輸出之像素信號進入其可被輸出至垂直信號線30之一狀態。
重設電晶體28根據供應自垂直驅動電路13之重設信號Rst驅動且當重設電晶體28開啟時，累積在FD 25中的電荷被排出至電源接線Vdd且FD 25被重設。
汲極電晶體29根據供應自垂直驅動電路13之汲極信號Drn驅動且當汲極電晶體29開啟時收集在PD 22中的電荷被排出至電源接線Vdd且PD 22被重設。
此外，在本實施例中，組態像素21之轉移電晶體24、一放大電晶體26、選擇電晶體27、重設電晶體28及汲極電晶體29係NMOS(負通道金屬氧化物半導體)型電晶體。因此，由像素21處置之電荷係電子。此外，電荷保持單元23及FD 25被接線層及類似物屏蔽。
接下來，將參考圖3描述固態成像元件11之驅動。
在圖3之上側中，示出像素21之各列之驅動時序，垂直軸示出像素21之一列且水平軸示出時間。此外，在圖3之下側中，示出重設信號Rst、轉移信號CCD、轉移信號Trf、選擇信號Sel及汲極信號Drn之 一時序圖。
首先，在固態成像元件11中，電子快門在包含在像素單元12中之像素21之所有列中同時操作，累積在PD 22中之電荷被排出且電荷在PD 22中累積之一累積週期起始。換言之，同時在包含在像素單元12中之像素21之所有列中，汲極信號Drn開啟且累積在PD 22中之電荷被排出至電源接線Vdd且電荷從汲極信號Drn變為關閉之一時序起始累積在PD 22中。
接下來，在固態成像元件11中，電荷累積週期在包含在像素單元12中之像素21之所有列中同時結束且執行全域轉移。換言之，在選擇信號Sel變為開啟時之時序，重設信號Rst及轉移信號Trf在一脈衝形狀中變為開啟且電荷保持單元23及FD 25重設。隨後，轉移信號CCD及轉移信號Trf在一脈衝形狀中變為開啟且在電荷累積週期期間由PD 22產生之電荷被轉移至電荷保持單元23及FD 25，其後選擇信號Sel變為關閉。在此，轉移至FD 25之電荷溢出電荷保持單元23並在由PD 22產生之電荷大時轉移。
以此方式，在固態成像元件11中，一全域快門藉由以下之事實而實現：累積週期在所有像素21中同時(在相同時序)起始，且如期望在累積週期期間累積在PD 22中之電荷同時被轉移。
此外，在固態成像元件11中，針對包含在像素單元12中之像素21的各列依序執行一重設位準之像素信號及對應於由PD 22產生之電荷之一位準之像素信號的讀出(下文中適當稱作滾動讀出)。此處，在固態成像元件11中，如對應於由PD 22產生之電荷之一位準的像素信號，對應於在全域轉移中轉移至電荷保持單元23之電荷之一位準的像素信號及對應於在全域轉移中溢出電荷保持單元23之電荷之一位準的像素信號被轉移至FD 25並讀出。
換言之，選擇信號Sel開啟，對應於在全域轉移中轉移至FD 25之 電荷之一位準之一像素信號被讀出，且在重設信號Rst於一脈衝形狀中變為開啟且FD 25重設之後，一重設位準的像素信號被讀出。此外，在轉移信號Trf於一脈衝形狀中變為開啟且累積在電荷保持單元23中之電荷被轉移至FD 25之後，對應於在全域轉移中轉移至電荷保持單元23之電荷之一位準之一像素信號被讀出。隨後，選擇信號Sel變為關閉。
接下來，將參考圖4至圖7中所示之電位圖來描述圖3之時序圖中所示之時序t1與t13之間之電位之一改變。此外，如上所述，由像素21處置之電荷係電子，因此在圖4至圖7中，示出電位使得正電位之定向係向下。此外，電荷保持單元23係在PD 22側提供一電位障壁之一結構。
如圖4中所示，在汲極信號Drn在電子快門被驅動之前開啟之前一時序t1，一電荷收集在PD 22及FD 25中。收集在PD 22中之電荷在前一訊框中之全域轉移後由入射至像素21之光產生且收集在FD 25中之電荷由在前一訊框中之一滾動讀出轉移至FD 25。
此外，在汲極信號Drn在一脈衝形狀中開啟之時序t2中，收集在PD 22中之電荷經由汲極電晶體29被排出至電源接線Vdd。
隨後，從汲極信號Drn關閉之時序t3，由入射至像素21之光經光電轉換產生之電荷起始累積在被重設且其中電荷為空之PD 22中。
接下來，如圖5中所示，在剛好累積週期過去之前之時序t4中，藉由光電轉換產生之電荷累積在PD 22中。在此，入射至像素21之光之數量大，且當產生PD 22之容量或更多之一電荷時，汲極電晶體29側之電位障壁被設定為低於電荷保持單元23側之電位障壁使得一電荷經由汲極電晶體29溢出至電源接線Vdd中。因此，避免溢出至電荷保持單元23中之電荷。
此外，在重設信號Rst及轉移信號Trf在一脈衝形狀中變為開啟之 時序t5中，收集在電荷保持單元23及FD 25中之電荷被排出至電源接線Vdd。此時，如圖3中所示，為了接近一隨後滾動讀出狀態，需使選擇電晶體27維持在一開啟狀態中。
隨後，在重設信號Rst及轉移信號Trf關閉之時序t6中，電荷保持單元23及FD 25進入一完成狀態。
接下來，如圖6中所示，在轉移信號CCD及轉移信號Trf在一脈衝形狀中變為開啟之時序t7中，累積在PD 22中之電荷被轉移至電荷保持單元23及FD 25。在此，電荷保持單元23之容量未設定為能夠接收PD 22之飽和電荷。因此，當固態成像元件11用一高照度之光照射且由PD 22產生之電荷大時，轉移自PD 22之電荷經由轉移電晶體24從電荷保持單元23溢出並且轉移至FD 25。
此外，在轉移信號CCD及轉移信號Trf關閉且全域轉移完成之時序t8中，由PD 22產生之電荷處於被累積在電荷保持單元23及FD 25中之一狀態。隨後，在固態成像元件11中，執行針對像素21之各列按順序讀出一像素信號之滾動讀出，且直至變為像素信號讀出之一目標，像素21維持在全域轉移完成之時序t8之一電位狀態。
在成為像素信號讀出之一目標之像素21中，選擇信號Sel變為開啟且像素信號之輸出開始。此外，在像素21保留於全域轉移完全之一電位狀態之時序t9中，對應於累積在FD 25中之電荷之一位準之一像素信號被讀出至行處理電路14作為一高照度之一像素信號。此外，為了簡化描述，已省略在像素21成為像素信號讀出之一目標之週期中由PD 22產生之電荷之圖式。
此外，在重設信號Rst在一脈衝形狀中變為開啟之時序t10中，累積在FD 25中之電荷被排出至電源接線Vdd。
接下來，如圖7中所示，在重設信號Rst關閉之時序t11中，在FD 25重設完全之一狀態中，一重設位準之像素信號被讀出至行處理電路 14。因此，行處理電路14獲得在時序t9被讀出之一高照度之像素信號與在時序t11被讀出之一重設位準之像素信號之間之差異並保持該差異作為一高照度之一新像素信號。
此外，在轉移信號Trf在一脈衝形狀中變為開啟之時序t12中，保持在電荷保持單元23中之電荷從電荷保持單元23轉移至FD 25。
隨後，在轉移信號Trf關閉之時序t13中，對應於累積在FD 25中之電荷之一位準之一像素信號被讀出至行處理電路14作為一低照度之一像素信號。因此，行處理電路14獲得在時序t11讀出之一重設位準之像素信號與在時序t13讀出之一低照度之像素信號之間之差異並保持該差異作為一低照度之一新像素信號。
以此方式，在固態成像元件11中，獲取一高照度之像素信號及一低照度之像素信號且行處理電路14將像素信號供應至輸出電路15並執行有關下一行之像素21之一操作。輸出電路15從一高照度之像素信號及一低照度之像素信號重建對應於累積在PD 22中之電荷之一像素信號並將其輸出至一後續階段之電路(未示出)。
如上所述，在固態成像元件11中，僅由PD 22執行累積週期期間所產生之電荷之累積，該電荷藉由全域轉移而轉移至電荷保持單元23及FD 25並可保持直至輪到執行其滾動讀出到來。以此方式可藉由不僅在電荷保持單元23中而且在FD 25中累積PD 22中所累積之電荷而微型化電荷保持單元23。因此，可加寬PD 22之面積，可改進PD 22之靈敏度且可增大PD 22之飽和電荷量。
因此，即使微型化固態成像元件11，可獲取具有一較高靈敏度及一寬動態範圍之一更佳影像。
在此，舉例而言，在相關技藝之一全域快門之技術中，當僅使用一FD作為電荷保持區域時，存在歸因於由FD產生之雜訊大而在低照度雜訊明顯之情況。此外，當僅使用一CCD型記憶體單元作為電荷 保持區域時，存在PD之靈敏度及飽和電荷量極大減小之情況，對應於一大CCD型記憶體單元變為必要。此外，在使用一CCD型記憶體單元及一FD兩者作為一電荷保持區域之一組態(參考上述PTL 1)中，當使一移動影像成像時，不僅出現無法在訊框之間執行曝光之時間跳躍，而且亦存在移動影像之靈敏度減小之情況。與此相比，在固態成像元件11中，實現一全域快門，甚至在低照度存在較少雜訊，靈敏度及飽和電荷量得到保證且可能在移動影像中抑制時間跳躍之出現。
此外，在上述PTL 1中所揭示之固態成像元件中，藉由使用一CCD型記憶體單元及一FD兩者作為一電荷保持區域而使飽和電荷量變大且由於使用CCD型記憶體單元作為曝光週期期間從PD溢出之電荷之一收容器，故當CCD型記憶體單元保持一電荷時無法執行曝光。與此相比，在固態成像元件11中，由於採用一電荷在累積週期期間經由汲極電晶體29從PD 22排出之一組態，故甚至可能在電荷保持單元23保持一電荷期間執行PD 22之曝光。因此，在固態成像元件11中，可能使需要連序曝光之一平穩移動影像成像及避免移動影像之靈敏度之一減小。
換言之，在固態成像元件11中，可能藉由僅由PD 22執行累積週期期間產生之電荷之累積而在與在前一訊框中執行滾動讀出的同時時序在本訊框中執行電子快門。
參考圖8，將給出有關能夠在與在前一訊框中執行滾動讀出之同時時序在本訊框中執行電子快門之描述。
在圖8中，全域轉移(n-1)及滾動讀出(n-1)示出為在第n-1個訊框中之處理之時序，電子快門(n)、全域轉移(n)及滾動讀出(n)示出為第n個訊框中之處理之時序且電子快門(n+1)及全域轉移(n+1)示出為第n+1個訊框中之處理之時序。
如圖8中所示，第n個訊框之電子快門(n)在執行第n-1個訊框之滾 動讀出(n-1)之週期期間執行。類似地，第n+1個訊框之電子快門(n+1)在執行第n個訊框之滾動讀出(n)之週期期間執行。
如上所述，電子快門之電荷之排出及累積週期期間之電荷之累積影響PD 22且滾動讀出中電荷之轉移不影響PD 22。換言之，從電荷保持單元23往前之元件受滾動讀出中之電荷之轉移影響。因此，可能在正執行前一訊框中之滾動讀出之週期期間執行本訊框中之電子快門並起始本訊框中之累積週期。此外，需在逐列切換而從像素21讀出電荷之時序執行電子快門以使電源波動之影響最小化。
藉由在此時序執行處理，本訊框之累積週期在前一訊框之滾動讀出之執行期間起始。因此，在固態成像元件11中，可能獲得在訊框之間具有較少時間跳躍之一平穩移動影像。此外，在固態成像元件11中，可能歸因於全域快門而獲得無失真之一影像以及藉由使電荷保持單元23微型化並且使PD 22變大而獲得一高靈敏度影像。
此外，只要不存在利用之問題，可接受在正執行全域轉移之週期期間執行電子快門。舉例而言，當完全同步驅動所有像素21時，成為一驅動器之垂直驅動電路13上之負載增大，因此，為了減少負載，舉例而言，可藉由在像素單元12之上部分與下部分之間提供一微小時間差而執行電子快門。即使所有像素21未完全同步驅動，只要一第一像素21之快門操作之開始與一給定訊框週期中之一最後像素21之快門操作之開始之間之時間差足夠小，仍可以此方式實現全域快門。舉例而言，當關上一第一及最後像素21之快門之開始之間之時間差小於針對一訊框中之所有像素21執行滾動讀出操作所花時間之10%時，關上快門可被視作一全域快門。
此外，在固態成像元件11中，可採用一像素共同結構，其中組態像素21之電晶體之一部分可由預定數量之像素21共同使用。
接下來，將參考圖9描述採用一像素共同結構之像素21。
在圖9中，示出FD 25、放大電晶體26、選擇電晶體27及重設電晶體28由兩個像素(像素211及像素212)共同使用之一像素共同結構。此外，在圖9中，示出連接至垂直信號線30以從像素21讀出像素信號之恆定電流源31。
像素211具備一PD 221、一電荷保持單元231、一轉移電晶體241及一汲極電晶體291且像素212具備一PD 222、一電荷保持單元232、一轉移電晶體242及一汲極電晶體292。此外，FD 25、放大電晶體26、選擇電晶體27及重設電晶體28由像素211及像素212共同使用。
但是，在FD 25由像素211及像素212共同使用之結構中，當全域轉移由PD 221及PD 222產生之電荷時，溢出PD 221及PD 222之電荷在FD 25中混合。
因此，在具有採用內建之一像素共同結構之一固態成像元件11之成像器件中，一全域快門藉由使用一機械快門而實現且為避免電荷在共同FD 25中混合之一結構。
在圖10中，示出具有採用內建之一像素共同結構之固態成像元件11之一成像器件之一方塊圖。
如圖10中所示，成像器件101組態為包含一光學系統102、一機械快門103、一固態成像元件11、一DSP(數位信號處理器)104、一顯示單元105、記憶體106、一電源單元107、一操作單元108及一CPU(中央處理單元)109。
光學系統102組態為具有複數個透鏡、使來自一主體(未示出)之光聚光且經由機械快門103在固態成像元件11之光接收表面上形成主體之一影像。此外，光學系統102藉由根據CPU 109之控制驅動透鏡而調整放大倍數。
機械快門103根據CPU 109之控制而驅動以打開及閉合，固態成像元件11在機械快門103打開之狀態中用光照射且固態成像元件11在 機械快門103閉合之狀態中被遮蔽以免遭受照射光。此外，機械快門103可藉由可指定累積週期之結束之一簡單結構組態。
固態成像元件11將對應於照射至其光接收表面之光之一像素信號輸出至DSP 104。
DSP 104基於輸出自固態成像元件11之像素信號構建一影像並將影像供應至顯示單元105以顯示在其上及供應至記憶體106以儲存在其上。顯示單元105組態為包含一液晶面板、一有機EL(電致發光)面板或類似物並顯示由DSP 104構建之影像。記憶體106諸如快閃記憶體(舉例而言，EEPROM(電子可抹除及可程式化唯讀記憶體))之由非揮發性記憶體組態，並儲存由DSP 104構建之影像。
電源單元107根據CPU 109之控制供應驅動組態成像器件101之各方塊所需之電功率。操作單元108組態為包含一按鈕、一槓桿、一觸控面板或類似物並將對應於使用者之操作之一操作信號供應至CPU 109。
CPU 109將一控制信號傳輸至組態成像器件101之方塊之各者並控制方塊之操作。舉例而言，在藉由被垂直驅動電路13驅動之電子快門與固態成像元件11之垂直驅動電路13同步起始累積週期之後，CPU 109使機械快門103相對於固態成像元件11執行屏蔽，以對應於累積週期結束之時序。
以此方式組態成像器件101，藉此驅動機械快門103以對應於CPU 109之控制打開及閉合且機械快門103在一電荷累積在固態成像元件11之PD 22中之累積週期結束之時序閉合。以此方式，在成像器件101中，當使一靜態影像成像時，使用機械快門103實現一全域快門。此外，亦避免FD 25中之電荷之混合。
接下來，將參考圖11描述在一靜態影像藉由成像器件101而成像時之驅動。
在圖11中，以與圖3中相同之方式示出像素21之各列之驅動時序及各信號之一時序圖。
首先，在機械快門103打開之一狀態中，電子快門在包含在像素單元12中之像素21之所有列中同時操作，累積在PD 221及PD 222中之電荷被排出且電荷累積在PD 221及PD 222中之累積週期起始。此時，圖11之時序t21與t23之間之像素211與像素212之電位與圖4中之時序t1與t3之間之電位相同。
接下來，使累積週期在所有像素21中統一之一全域快門藉由在累積週期結束之時序閉合機械快門103而實現。
此外，電荷之轉移在包含在像素單元12中之像素21之各列中依序執行且執行一滾動讀出。在此，如圖9中所示，在FD 25由兩個像素(像素211及像素212)供應之一結構中，像素信號在像素211與像素212之間按順序被讀出。
首先，從像素211讀出像素信號。換言之，在選擇信號Sel開啟之時序，重設信號Rst及轉移信號Trf1在一脈衝形狀中變為開啟(時序t25)且電荷保持單元231及FD 25重設。接下來，轉移信號CCD1及轉移信號Trf1在一脈衝形狀中變為開啟(時序t27)且在電荷累積週期中，由PD 221產生之電荷被轉移至電荷保持單元231及FD 25。
隨後，對應於轉移至FD 25之電荷之一位準之一像素信號被讀出(時序t28)且在重設信號Rst在一脈衝形狀中變為開啟且FD 25重啟之後，一重設位準之像素信號被讀出(時序t30)。此外，在轉移信號Trf1在一脈衝形狀中變為開啟且累積在電荷保持單元231中之電荷被轉移至FD 25之後，對應於累積在電荷保持單元231中之電荷之一位準之一像素信號被讀出(時序t32)。隨後，選擇信號Sel變為關閉。
接下來，從像素212讀出像素信號。換言之，在選擇信號Sel開啟之時序，重設信號Rst及轉移信號Trf2在一脈衝形狀中變為開啟(時序 t34)且電荷保持單元232及FD 25重設。隨後，轉移信號CCD2及轉移信號Trf2在一脈衝形狀中變為開啟(時序t36)且在電荷累積週期中，由PD 222產生之電荷被轉移至電荷保持單元232及FD 25。
隨後，對應於轉移至FD 25之電荷之一位準之一像素信號被讀出(時序t37)且在重設信號Rst在一脈衝形狀中變為開啟且FD 25重啟之後，一重設位準之像素信號被讀出(時序t39)。此外，在轉移信號Trf2在一脈衝形狀中變為開啟且累積在電荷保持單元232中之電荷被轉移至FD 25之後，對應於累積在電荷保持單元232中之電荷之一位準之一像素信號被讀出(時序t41)。隨後，選擇信號Sel變為關閉。
以此方式，在FD 25由兩個像素(像素211及像素212)供應之一結構中，歸因於針對像素21之各列依序執行電荷之轉移及滾動讀出，在所有像素21處來自PD 22之電荷轉移並非為相同時序。因此，電荷處於被累積在PD 22中直至被轉移之一狀態，但是由於固態成像元件11被機械快門103屏蔽，故防止在累積週期之後歸因於一光電轉換而出現電荷。
此時，圖11之時序t24與t27之間及t33與t36之間之像素211及像素212之電位與圖5及圖6中時序t4與7之間之電位相同。此外，圖11之時序t28與t32之間及時序t37與t41之間之像素211及像素212之電位與圖6及圖7中之時序t9與13之間之電位相同。
以此方式，即使在固態成像元件11中採用一像素共同結構，可實現全域快門且可使一靜態影像成像。因此，在固態成像元件11中，除能夠歸因於一像素共同結構而達成微型化以外，可在一增大之飽和度下用一全域快門獲得一靜態影像並可獲取一更佳影像。
此外，在採用一像素共同結構之固態成像元件11中，當使一靜態影像成像時，由於針對像素21之各列執行轉移電荷之操作，故來自像素21之一重設位準之像素信號可在圖11之時序t26讀出至行處理電路 14。因此，針對一高照度之一像素信號，可使用在時序t26被讀出之一重設位準之像素信號之間之差異而非在時序t30被讀出之一重設位準之像素信號之間之差異。因此，除了能夠減少一高照度之像素信號中之重設雜訊外，由於獲得差異之一處理之順序與一低照度之像素信號之順序(讀出對應於在讀出一重設位準之像素信號後產生之電荷之一位準之像素信號)相同，故可進一步簡化行處理電路14之組態。
此外，當可接受靜態影像之像素之數量係小時，可採用執行像素相加之一讀出操作，而非從所有像素21讀出像素信號。
順便提及，當一移動影像由成像器件101成像時，不使用機械快門103。目前，在成像器件101中，採用能夠使10百萬像素或更多之靜態影像成像之固態成像元件11，但是，相比之下，一移動影像之像素之數量大約2百萬像素。因此，在採用一像素共同結構之固態成像元件11中，使用像素相加減少像素之數量且可使一移動影像成像。
接下來，將參考圖12描述在藉由成像器件101使一移動影像成像時之驅動。
在圖12中，以與圖11中相同之方式示出像素21之各列之驅動時序及各信號之一時序圖。
首先，電子快門在包含在像素單元12中之像素21之所有列中同時操作，累積在PD 22中之電荷被排出且電荷累積在PD 221及PD 222中之一累積週期起始。換言之，同時在包含在像素單元12中之像素21之所有列中，汲極信號Drn1及Drn2開啟且累積在PD 221及PD 222中之電荷被排出至電源接線Vdd。此外，從汲極信號Drn1及Drn2關閉之時序，電荷起始累積在PD 221及PD 222中。
接下來，電荷累積週期在包含於像素單元12中之像素21的所有列中同時結束，且執行全域轉移。換言之，在選擇信號Sel開啟之時序，重設信號Rst及轉移信號Trf1及Trf2在一脈衝形狀中變為開啟且電 荷保持單元231及232及FD 25重設。隨後，轉移信號CCD1及CCD2以及轉移信號Trf1及Trf2在一脈衝形狀中變為開啟，且在電荷累積週期中，由PD 221及PD 222產生之電荷被轉移至各自電荷保持單元231及232且隨後選擇信號Sel關閉。
以此方式，在固態成像元件11中，藉由以下之事實而實現一全域快門：累積週期在所有像素21中同時(在相同時序)起始，且累積週期期間累積在PD 221及PD 222中之電荷同時被轉移。
此外，針對像素21之各列依序執行一重設位準之像素信號及對應於由PD 221及PD 222產生之電荷之一位準之像素信號的滾動讀出。此處，在固態成像元件11中，如對應於由PD 221及PD 222產生之電荷之一位準的像素信號，對應於在全域轉移中轉移至電荷保持單元231及232之電荷之一位準的像素信號及對應於在全域轉移中溢出電荷保持單元231及232之電荷之一位準的像素信號被轉移至FD 25並讀出。
換言之，選擇信號Sel開啟，對應於在全域轉移中轉移至FD 25之電荷之一位準之一像素信號被讀出並且在重設信號Rst在一脈衝形狀中變為開啟且FD 25重設之後，一重設位準之像素信號被讀出。此外，在轉移信號Trf1及Trf2在一脈衝形狀中變為開啟且累積在電荷保持單元231及232中之電荷被轉移至FD 25之後，對應於在全域轉移中轉移至電荷保持單元231及232之電荷之一位準之一像素信號被讀出。換言之，對應於像素211及像素212之光接收量之像素信號被相加並讀出。隨後，選擇信號Sel變為關閉。
此時，圖12之時序t1與t13之間之像素211與像素212之電位與圖4至圖7中之時序t1與t3之間之電位相同。
以此方式，藉由執行像素相加，除能夠歸因於一像素共同結構而使像素21微型化外，可在一增大之飽和度下用一全域快門獲得一移動影像。此外，若一低靈敏度影像或具有混疊雜訊之一影像可接受， 則其中僅來自複數個共同像素21之像素21之一者之像素信號被讀出之薄化讀出可在未執行像素相加的情況下執行。
在此，由於由PD 221及PD 222產生之電荷在FD 25中混合，故選擇一共同結構之像素211及像素212使得PD 221及PD 222接收相同色彩之光。
在圖13中，示出採用一像素共同結構之固態成像元件11中之色彩配置之一實例。在圖13中，示出一個兩像素共同結構中之色彩配置。
在圖13之上側所示之色彩配置中，在垂直方向上每次配置兩個相同色彩且被一粗線圍繞之兩個像素為一像素共同結構。此外，當使一移動影像成像時，藉由在兩個共同像素中執行像素相加而獲取如圖13之下側所示之傾斜旋轉達45度之一拜耳(Bayer)配置之一影像。
此外，當在一靜態影像中讀出所有像素時，色彩配置係唯一，但是可能執行藉由使一起之兩個共同像素之累積時間不同而擴大傾斜旋轉達45度之拜耳配置中之動態範圍之一操作。根據此一色彩配置，由於其為一傾斜配置，故可容易地將色彩配置製作為信號處理中之像素之數量之兩倍之一方形網格。換言之，可能簡單恢復至像素之原始數量。此外，當圖13中所示之色彩配置之固態成像元件11組態為實施為傾斜旋轉達45度，可在使一移動影像成像時及在使具有一擴大動態範圍之一靜態影像成像時獲取一拜耳配置之一影像。
在圖14中，示出採用一像素共同結構之固態成像元件11中之色彩配置之一實例。在圖14中，示出一個三像素共同結構中之色彩配置。
在圖14中所示之色彩配置中，藉由接線連接之三個像素係共同單元。以此方式，在一拜耳配置中，相同色彩之三個像素可交替垂直地共同使用。此外，藉由組合三個共同像素中之像素相加及對行處理電路14中之行方向上之三個行執行之像素相加及類似物，可重建由包含在固態成像元件11中之像素21之像素數量之1/9形成之一拜耳配置 之一影像。因此，舉例而言，當固態成像元件11之像素之數量為18百萬像素或更多時，可使2百萬像素或更多之一HD(高清晰度)移動影像成像。
此外，在採用一像素共同結構之一組態中，可採用電荷僅暫時保持在FD 25中而不提供電荷保持單元23之一結構。
此外，固態成像元件11可使用於一影像使用一紅外線、一X射線、一粒子或類似物之一可偵測預定物理量(舉例而言，一入射、一壓力分佈或類似物)成像以及使用可見光使影像成像之應用中。此外，作為固態成像元件11，以及終端產品，諸如成像器件101(一所謂數位靜態相機)，包含固態成像元件11係用於嵌入終端產品中之一模組之配置。
此外，本技術亦可採用下列組態。
(1)
一種固態成像元件，其包括：一驅動電路；及一像素單元，其包含配置為一矩陣形式之像素，其中該等像素之一給定像素包含：一光電轉換元件，其組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷，一電荷保持單元，其連接至該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，及其中該驅動電路組態為針對該等像素之該給定像素執行一轉移操作，其包括導致該電荷保持單元接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第一部分及同時導致該浮動擴散區域接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第二部分。
(2)
如(1)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為在執行該轉移操作之後讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之量級之一資料信號且隨後讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之量級之一資料信號。
(3)
如(2)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為在讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之該量級之該資料信號之後且在讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之該量級之該資料信號之前：重設該浮動擴散區域；讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號；及執行一種二次轉移操作，其包括導致保持在該電荷保持單元中之累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分轉移至該浮動擴散區域。
(4)
如(3)中所述之固態成像元件，其中該等像素之該給定像素進一步包括：一重設電晶體，其連接至該浮動擴散區域及連接至一重設電位且組態為在一重設信號施加至其上時導電；及一選擇電晶體，其組態為在一選擇信號施加至其上時將一資料信號輸出至該驅動電路，該資料信號係基於保持在該浮動擴散區域中之一電荷之量級；其中該驅動電路組態為：在累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分保持在該浮動擴散區域中時藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之該量級之該資料信 號，藉由將該重設信號施加至該重設電晶體而重設該浮動擴散區域，在重設該浮動擴散區域之後藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之該資料信號，及在累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分保持在該浮動擴散區域時，藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之該量級之該資料信號。
(5)
如(1)中所述之固態成像元件，其中該等像素之各者包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件，及其中該驅動電路組態為執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自累積週期。
(6)
如(5)中所述之固態成像元件，其中該等像素之各者包含：一電荷保持單元，其連接至其之該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，及其中該驅動電路組態為藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自累積週期。
(7)
如(6)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為執行一滾動讀出操作，其包括從該等像 素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷之各自資料信號，及其中該驅動電路組態為針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之該滾動讀出操作。
(8)
如(1)中所述之固態成像元件，其中該等像素之該給定像素包含連接至該光電轉換元件及連接至一汲極電位之一汲極電晶體，其中該驅動電路組態為藉由導致該汲極電晶體處於一導電狀態達一脈衝週期而重設該光電轉換元件，及其中當處於一非導電狀態時之該汲極電晶體與該光電轉換元件之間之一電位障壁之一量級小於該電荷保持單元與該光電轉換元件之間之一電位障壁之一量級。
(9)
如(1)中所述之固態成像元件，其中該等像素之各者包含：一光電轉換元件，其組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷，一電荷保持單元，其連接至其之該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，其中該等像素配置為N2個像素之群組，其中N係一整數，及其中包含在該等群組之一相同群組中之該等像素共同共用一個浮動擴散區域，該一個浮動擴散區域組成包含在共同共用該一個浮動擴散之該等像素之各者中之該等各自浮動擴散區域。
(10)
如(9)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為執行一全域快門操作，其包括： 藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自累積週期。
(11)
如(10)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路可組態為藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自累積週期。
(12)
如(11)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷之各自資料信號，及其中該驅動電路組態為針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之該滾動讀出操作。
(13)
如(10)中所述之固態成像元件，其中該驅動電路組態為藉由驅動一機械快門而實質上同時針對該等像素結束該等各自累積週期。
(14)
如(1)中所述之固態成像元件，其中該電荷保持單元之一電荷保持容量小於該光電轉換元件之一電荷保持容量。
(15)
一種電子成像裝置，其包括如(1)中所述之固態成像元件。
(16)
一種操作包含配置為一矩陣形式之像素之一固態成像元件之方法，其中該等像素之一給定像素包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件、連接至該光電轉換元件之一 電荷保持單元及一浮動擴散區域，該方法包括：
針對該等像素之該給定像素執行導致該電荷保持單元接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第一部分及同時導致該浮動擴散區域接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第二部分之一轉移操作。
(17)
如(16)中所述之操作一固態成像元件之方法，該方法進一步包括，在針對該等像素之該給定像素執行該轉移操作之後，相繼地：讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之量級之一資料信號；重設該浮動擴散區域；讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號；執行一種二次轉移操作，其包括導致保持在該電荷保持單元中之累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分轉移至該浮動擴散區域；及讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之量級之一資料信號；
(18)
如(16)中所述之操作一固態成像元件之方法，其中該等像素之各者包含組態為將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件，該方法進一步包括執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自累積週期。
(19)
如(18)中所述之操作一固態成像元件之方法，其中該等像素之各 者包含一浮動擴散區域及連接至其之該光電轉換元件之一電荷保持單元，該方法進一步包括：藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自累積週期。
(20)
如(19)中所述之操作一固態成像元件之方法，該方法進一步包括：執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷之各自資料信號，及針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個像素訊框之該滾動讀出操作。
(21)
一種固態成像元件，其包含：一像素單元，其中像素二維配置為一矩陣，該等像素之各者具有產生並累積對應於一預定物理量之一電荷之一電荷產生單元、將累積在該電荷產生單元中之該電荷排出之一汲極單元、保持轉移自該電荷產生單元之該電荷之一保持單元及將該電荷產生單元中產生之該電荷轉換為對應於該電荷之一位準之一像素信號之一轉換單元；一驅動單元，其中相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序起始一累積週期，其中累積在該電荷產生單元中之該電荷被輸出為該像素信號及被排出至該汲極單元，該累積週期相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序結束，並且該驅動單元驅動以針對配置在該像素單元中之該等像素之各列輸出該像素信號；其中，當在該電荷產生單元中產生之該電荷被轉移至該保持單 元時，超過該保持單元之一容量之該電荷之一部分被轉移至該轉換單元，且在該電荷產生單元中產生之該電荷由該保持單元及該轉換單元保持。
(22)
在上文之(21)中所述之固態成像元件，其中該驅動單元藉由相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序執行該電荷從該電荷產生單元至該保持單元之轉移而結束該累積週期。
(23)
在上文之(21)或(22)中所述之固態成像元件，其中該驅動單元驅動以輸出對應於超過該保持單元之一容量、被轉移至該轉換單元且累積在該轉換單元中之該電荷之一位準之一像素信號，在累積在該轉換單元中之該電荷排出且該轉換單元重設之一狀態中輸出一重設位準之一像素信號，及將保持在該保持單元中之該電荷轉移至該轉換單元並輸出對應於累積在該轉換單元中之該電荷之一位準之一像素信號。
(24)
在上文之(21)至(23)中任一項所述之固態成像元件，其中該電荷產生單元之一汲極單元側之一電位障壁設定為低於該電荷產生單元之一保持單元側之該電位障壁使得當在該累積週期期間產生超過該電荷產生單元之一累積容量之一電荷時一電荷從該電荷產生單元排出至該汲極單元。
(25)
在上文之(21)至(24)中任一項所述之固態成像元件，其中在該驅動單元中，當連續地獲取由該像素信號構建之一影像時，在執行針對一當前訊框之前之一訊框中之該等像素之各列輸出 該像素信號之驅動之一週期期間，執行在該當前訊框中起始該累積週期之驅動。
(26)
在上文之(21)至(25)中任一項所述之固態成像元件，其中採用由預定數量之該等像素共同使用該轉換單元之一像素共同結構。
(27)
一種固態成像元件之驅動方法，該固態成像元件具有：一像素單元，其中像素二維配置為一矩陣，該等像素之各者具有產生並累積對應於一預定物理量之一電荷之一電荷產生單元、將累積在該電荷產生單元中之該電荷排出之一汲極單元、保持轉移自該電荷產生單元之該電荷之一保持單元及將在該電荷產生單元中產生之該電荷轉換為對應於該電荷之一位準之一像素信號之一轉換單元，該驅動方法包括下列步驟：相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序起始一累積週期，其中累積在該電荷產生單元中之該電荷將輸出為該像素信號及排出至該汲極單元；相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序結束該累積週期；及針對配置在該像素單元中之該等像素之各列輸出該像素信號，其中，當產生在該電荷產生單元中之該電荷被轉移至該保持單元時，超過該保持單元之一容量之該電荷之一部分被轉移至該轉換單元，且在該電荷產生單元中產生之該電荷由該保持單元及該轉換單元保持。
(28)
一種電子裝置，其包括： 一固態成像元件，其包含：一像素單元，其中像素二維配置為一矩陣，該等像素之各者具有產生並累積對應於一預定物理量之一電荷之一電荷產生單元、將累積在該電荷產生單元中之該電荷排出之一汲極單元、保持轉移自該電荷產生單元之該電荷之一保持單元及將在該電荷產生單元中產生之該電荷轉換為對應於該電荷之一位準之一像素信號之一轉換單元；及一驅動單元，其中相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序起始一累積週期，其中累積在該電荷產生單元中之該電荷被輸出為該像素信號及排出至該汲極單元，該累積週期相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序結束，並且該驅動單元驅動以針對配置在該像素單元中之該等像素之各列輸出該像素信號；其中，當在該電荷產生單元中產生之該電荷被轉移至該保持單元時，超過該保持單元之一容量之該電荷之一部分被轉移至該轉換單元，且在該電荷產生單元中產生之該電荷由該保持單元及該轉換單元保持。
(29)
在(28)中所述之電子裝置，其中採用由預定數量之該等像素共同使用該轉換單元之一像素共同結構；進一步提供一屏蔽機構，其相對於該像素單元切換光之照射及屏蔽；及當根據由該像素信號構建之一影像獲取一靜態影像時，藉由使用該屏蔽機構相對於該像素單元執行屏蔽而結束該累積週期。
(30)
在(28)中所述之電子裝置，其中採用由預定數量之該等像素共同使用該轉換單元之一像素 共同結構；及當連續地獲取由該像素信號構建之一影像且使一移動影像成像時，藉由相對於配置在該像素單元中之所有該等像素在大約相同時序執行該電荷從該電荷產生單元至該保持單元之轉移而結束該累積週期。
此外，本實施例不受限於上述實施例，且可能在不脫離本揭示內容之主旨之一範圍中實行不同型之修改。
參考符號列表
11 固態成像元件
12 像素單元
13 垂直驅動電路
14 行處理電路
15 輸出電路
16 控制電路
21 像素
22 光二極體(PD)
23 電荷保持單元
24 轉移電晶體
25 浮動擴散區域(FD)
26 放大電晶體
27 選擇電晶體
28 重設電晶體
29 汲極電晶體
30 垂直信號線
31 恆定電流源
101 成像器件
102 光學系統
103 機械快門
104 數位信號處理器(DSP)
105 顯示單元
106 記憶體
107 電源單元
108 操作單元
109 中央處理單元(CPU)
CCD‧‧‧轉移信號
Drn‧‧‧汲極信號
Rst‧‧‧重設信號
Sel‧‧‧選擇信號
Trf‧‧‧轉移信號

Claims (20)

  1. 一種固態成像元件，其包括：一驅動電路；及一像素單元，其包含配置為一矩陣形式之像素，其中該等像素之一給定像素包含：一光電轉換元件，其經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷，一電荷保持單元，其連接至該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，及其中該驅動電路經組態以針對該等像素之該給定像素執行一轉移操作，其包括導致該電荷保持單元接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第一部分，及同時導致該浮動擴散區域接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第二部分。
  2. 如請求項1之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以在執行該轉移操作之後讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之量級之一資料信號，且隨後讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之量級之一資料信號。
  3. 如請求項2之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以在讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之該量級之該資料信號之後且在讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之該量級之該資料信號之前：重設該浮動擴散區域；讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號；及執行一種二次轉移操作，其包括導致保持在該電荷保持單元 中之累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分轉移至該浮動擴散區域。
  4. 如請求項3之固態成像元件，其中該等像素之該給定像素進一步包括：一重設電晶體，其連接至該浮動擴散區域及連接至一重設電位，且經組態以在一重設信號施加至其上時導電；及一選擇電晶體，其經組態以在一選擇信號施加至其上時將一資料信號輸出至該驅動電路，該資料信號係基於保持在該浮動擴散區域中之一電荷的量級；其中該驅動電路經組態以：在累積於該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分保持在該浮動擴散區域中時，藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之該量級之該資料信號，藉由將該重設信號施加至該重設電晶體而重設該浮動擴散區域，在重設該浮動擴散區域之後，藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之該資料信號，及在累積於該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分保持在該浮動擴散區域時，藉由將該選擇信號施加至該選擇電晶體而讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之該量級之該資料信號。
  5. 如請求項1之固態成像元件，其中該等像素之各者包含經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件，及 其中該驅動電路經組態以執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自的電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自的累積週期。
  6. 如請求項5之固態成像元件，其中該等像素之各者包含：一電荷保持單元，其連接至其之該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，及其中該驅動電路經組態以藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自累積週期。
  7. 如請求項6之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷的各自資料信號，及其中該驅動電路經組態以針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之該滾動讀出操作。
  8. 如請求項1之固態成像元件，其中該等像素之該給定像素包含連接至該光電轉換元件及連接至一汲極電位之一汲極電晶體，其中該驅動電路經組態以藉由導致該汲極電晶體處於一導電狀態達一脈衝週期而重設該光電轉換元件，及其中處於一非導電狀態時之該汲極電晶體與該光電轉換元件之間之一電位障壁之一量級小於該電荷保持單元與該光電轉換元件之間之一電位障壁之一量級。
  9. 如請求項1之固態成像元件，其中該等像素之各者包含：一光電轉換元件，其經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷，一電荷保持單元，其連接至其之該光電轉換元件，及一浮動擴散區域，其中該等像素係配置為N2個像素之群組，其中N係一整數，及其中包含在該等群組之一相同群組中之該等像素共同共用一個浮動擴散區域，該一個浮動擴散區域組成包含在共同共用該一個浮動擴散之該等像素之各者中之該等各自的浮動擴散區域。
  10. 如請求項9之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自之電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自之累積週期。
  11. 如請求項10之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自之累積週期。
  12. 如請求項11之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷之各自的資料信號，及其中該驅動電路經組態以針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之該滾動讀出操 作。
  13. 如請求項10之固態成像元件，其中該驅動電路經組態以藉由驅動一機械快門而實質上同時針對該等像素結束該等各自之累積週期。
  14. 如請求項1之固態成像元件，其中該電荷保持單元之一電荷保持容量小於該光電轉換元件之一電荷保持容量。
  15. 一種電子成像裝置，其包括如請求項1之固態成像元件。
  16. 一種操作包含配置為一矩陣形式之像素之一固態成像元件之方法，其中該等像素之一給定像素包含經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件、連接至該光電轉換元件之一電荷保持單元及一浮動擴散區域，該方法包括：針對該等像素之該給定像素執行導致該電荷保持單元接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第一部分及同時導致該浮動擴散區域接收並保持累積在該光電轉換元件中之該電荷之一第二部分之一轉移操作。
  17. 如請求項16之操作一固態成像元件之方法，該方法進一步包括，在針對該等像素之該給定像素執行該轉移操作之後，相繼地：讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第二部分之量級之一資料信號；重設該浮動擴散區域；讀出對應於該浮動擴散區域之一重設位準之一資料信號；執行一種二次轉移操作，其包括導致保持在該電荷保持單元中之累積於該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分轉移至該浮動擴散區域；及 讀出對應於累積在該光電轉換元件中之該電荷之該第一部分之量級之一資料信號；
  18. 如請求項16之操作一固態成像元件之方法，其中該等像素之各者包含經組態以將入射於其上之光轉換為一電荷並累積該電荷之一光電轉換元件，該方法進一步包括執行一全域快門操作，其包括：藉由實質上同時重設該等像素之各者之該光電轉換元件而實質上同時針對該等像素之各者開始各自之電荷累積週期，及實質上同時針對該等像素之各者結束該等各自之累積週期。
  19. 如請求項18之操作一固態成像元件之方法，其中該等像素之各者包含一浮動擴散區域及連接至其之該光電轉換元件之一電荷保持單元，該方法進一步包括：藉由實質上同時針對該等像素之各者執行該轉移操作而實質上同時針對該等像素結束該等各自之累積週期。
  20. 如請求項19之操作一固態成像元件之方法，該方法進一步包括：執行一滾動讀出操作，其包括從該等像素之各者讀出對應於累積在該等像素之該等光電轉換元件中之該等各自電荷之各自資料信號，及針對一第(n+1)個成像訊框起始該全域快門操作，同時執行針對一第n個成像訊框之該滾動讀出操作。
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