TW416235B - Solid-state imaging element, method for driving the same, and camera system - Google Patents

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Kazuya Yonemoto
Ryoji Suzuki
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Description

416235 經濟部智慧財產局員工消费合作社印鉍 五、發明說明彳) 發明背景 發明領域 本發明係關於固態影像元件、其驅動方法、及照相機 系統，特別關於諸如對矩陣形式配置的每一單元像素具有 放大功能之C Μ 0 S影像感測器等放大型固態影像元件、 其驅動方法、及使用放大型固態影像元件作爲影像裝置之 照相機系統。 相關技藝說明 放大型固態影像元件，舉例而言，C Μ 0 S影像感測 器，具有不同的像素結構。舉例而言，已知有浮動擴散器 內部像素結構之像素。此像素結構由於訊號係由浮動擴散 器（F D )放大，所以有利於靈敏度增加。圖1 8係顯示 此型之習知像素結構。 在圖1 8中，以矩陣形式配置之每一單元像素1 0 0 包含光閘1 0 1、轉換開關1 〇 2、浮動擴散器1 0 3、 重設電晶體1 04、放大電晶體1 〇 5，及垂直選擇電晶 體1 06。爲回應經由垂直選擇線1 1 1供應之垂直選擇 脈衝，垂直選擇電晶體1 〇 6會以列爲單位選取單元像素 1 0 0，因此，由放大電晶體1 0 5放大之訊號會輸出至 垂直訊號線1 1 2。 附帶一提，爲了減少像素尺寸’會要求減少構成單元 像素1 0 0之元件數目。但是’由於上述習知的C Μ Ο S 影像感测器的像素結構使重設電晶體1 0 4、放大電晶體 -------I----- I --- (請_先閱讀t'面之沒意事項再填寫本頁) 訂· -線. 本紙張义度適川+囚0家β準（CNS〉A1觇格（210 >^97公坌） —稱咖 416235 ^ _ Γ37 經濟部智慧財產局員工消伢合作社印奴 五、發明說明έ ) 1 0 5、及垂直選擇電晶體1 0 6等三個電晶體專用於以 列爲單位選取浮動擴散器1 0 3的電位以輸出至垂直訊號 線’所以，會使用大量元件，防礙像素尺寸的縮減。 發明槪述 本發明係處及上述問題而產生的且本發明的目的係減 少構成單元像素之元件數目及提供能縮減像素尺寸之固態 影像元件、其驅動方法、及照相機系統。 根據本發明之固態影像元件包括： 單元像素，以矩陣形式配置，具有光電轉換元件、用 於轉換儲存於光電轉換元件中的電荷之轉換開關、用於儲 存轉換開關所轉換的電荷之電荷儲存部、用於重設電荷儲 存部之重設開關、及用於根據垂直訊號線的電荷儲存部的 電位而輸出訊號之放大元件； 垂直掃瞄電路，藉由控制供給重設開關之重設電位， 而以列爲單位選取像素； 水平掃瞄電路，用於以行爲單位順序地選取輸出至垂 直訊號線之訊號；及 輸出電路，經由水平訊號線輸出水平掃瞄電路所選取 之訊號。 在上述配置之固態影像元件中，藉由在像素選取外的 其它時間，設定供應諸如0 V之重設電壓給單元像素中的 重設開關，以使電荷儲存部的電位變低。舉例而言，藉由 供應像素源極電壓給重設開關作爲重設電位，以選取像素 --------------裝--------訂---------線 - S (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張又度適用中Θ國家瞟準（CNSM.1峴格（210x297公犮） 經濟部智慧財產局員工消费合作社印" 416235 Λ7 __B7 五、發明說明$ ) ，及在重設脈衝發生時，將電荷儲存部之電位重設至像素 電壓源。亦即，藉由控制重設電位，以控制電荷儲存部之 電位。接著，將儲存於光電轉換元件中的訊號電荷轉換至 電荷儲存部及由放大元件以將根據轉換而改變之電荷儲存 部的電位讀入垂直訊號線。 根據本發明之驅動固態影像元件之方法，在固態影像 元件中，藉由控制供應給重設開關之重設電位，以列爲單 位選取像素，固態影像元件係包括矩陣形式配置之具有光 電轉換元件之單元像素、用以轉換儲存於光電轉換元件中 的電荷之轉換開關、用以儲存轉換開關所轉換的儲存電荷 之電荷儲存部、用於重設電荷儲存部之重設開關、及根據 電荷儲存部的電位以輸出訊號之放大元件至垂直訊號線。 在對每一像素具有放大功能之固態影像元件中，藉由 控制供應給重設開關之重設電位以重設電荷儲存部，而控 制電荷儲存部之電位。因此，可以以列爲單位選取像素而 不用提供用於垂直（列）選擇之元件。亦即，重設開關也 具有以列爲單位選取像素之功能。因此，用於垂直選取之 元件可從單元像素中省掉。 圖式簡述 圖1係配置圖，顯示本發明的第一實施例。 圖2係第-·實施例中單元像素及垂直訊號線的電位圖 本纸張义度適叫屮四Η家標準（CNS)Λ-丨规格（210 X 297 这） — —— — —----* I I I I I I I t --------- (請t閱讀r面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印奴 416^3¾ Λ7 137__ -------- ' 五、發明說明) 圖3係第一實施例中，於像素選取時之時序圖。 圖4 A至4 C係顯示第一實施例中的選取線之像素的 電位圖1。 圖5 A至5 C係顯示第一實施例中的選取線之像素的 電位圖2 圖6 A至6 E係剖面結構圖，顯示溢流通道之具體配 置實施例。 圖7係配置圖，顯示本發明之第一實施例的變異。 圖8係第一實施例的變異中的單元像素及垂直訊號線 之電位圖。 圖9係第一實施例之變異中的像素選取之時序圖。 圖1 0係配置圖，顯示本發明的第二實施例。 圖11係第二實施例中的單元像素及垂直訊號線的電 位圖。 圖1 2係第二實施例中的像素選取之時序圖。 圖1 3Α至1 3D係顯示第二實施例中的選取線之像 素的電位圖1。 圖1 4 Α至1 4 C係顯示第二實施例中的選取線之像 素的電位圖2。 圖1 5 A至1 5 D係顯示第二實施例中的非選取線之 像素的電位圖1。 圖1 6 A至1 6 C係顯示第二實施例中的非選取線之 像素的電位圖2。 圖1 7係顯示應用本發明之照相機系統的贯施例之配 --------------裝--- : f (琦先閱讀背面之泫意事項再填寫本頁} A1T· 線.
4^6235 五、發明說明g ) 置圖。 圖i 8係電路圖，顯示習知單元像素之配置。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 主 要元件對照 1 0 單 元 像 素 1 1 光 電 轉 換 元 件 1 2 轉 換 開 關 1 3 浮 動 擴 散 器 1 4 重 設 開 關 1 5 放 大 電 晶 體 2 1 垂 直 ίΒΒ 取 線 2 2 像 素 電 源 2 3 垂 直 訊 號 線 2 4 垂 直 掃 瞄 電 路 2 5 轉 換 線 2 6 重 設 線 2 7 垂 直 訊 號 線 輸 出 電 路 2 8 水 平 掃 猫 電 路 2 9 水 平 訊 號 線 3 0 水 平 訊 號 線 輸 出 電 路 3 1 水 平 培 取 開 關 3 2 電 阻 ϋρ 3 3 運 算 放 大 器 3 4 電 源 電 路 -------------裝--------訂---------線 T j (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張义度適用中國S家挖举（CNSM1規格（210 X 297公犮） θ 五、發明說明6 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 5 1 5 2 4
D 5 9 6 0 416235 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 7 1 7 2 7 3 7 4 10 10 光二極體 轉換開關 浮動擴散器 重設開關 放大電晶體 選取開關 垂直選取線 電源線 垂直訊號線 電源電路 轉換線 垂直掃瞄電路 垂直掃瞄電路 重設線 水平訊號線 水平選取開關 電阻器 運算放大器 透鏡 影像元件 驅動電路 訊號處理電路 單元像素 光閘 ---------------------訂 --------1 , * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張又度適用中S囤家標隼（CNS)A 1規格（210 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 416235 A7 _B7______ 五、發明說明Tf ) 1 〇 2 轉換開關 1 〇 3 浮動擴散器 10 4 重設電晶體 10 5 放大電晶體 1 〇 6 垂直選取電晶體 1 1 1 垂直選取線 112 垂直訊號線 較佳實施例詳述 將於下述中參考附圖，說明本發明之實施例° 圖1係根據本發明之第一實施例的c M ◦ s影像感測 器之配置圖。在圖1中，單元像素1 0係二維配置以構成 像素區；爲了簡明起見，此處僅顯示二像素，在第n列、 第m行中的單元像素l〇n，m，及在第（n + 1)列、 第m行之單元像素1 0 n + 1 ’ m。單元像素1 0的結構 對所有像素均相同：此後，舉例而言’將說明第n列’第 m行中的單元像素1 0 η，m之結構。 單元像素1 0 η ’ m包括諸如光二極體之光電轉換元 件1 1、轉換開關1 2、作爲電荷儲存部之浮動擴散器（ FD) 1 3、重設開關1 4、及放大電晶體1 5。關於光 電轉換元件’光閘或嵌入式光二極體可以取代光二極體 1 1 = 在本實施例中’ N通道增強型電晶體、N通道減弱型 電晶體及N通道增強型電晶體分別作爲轉換開關1 2、重 _- 本紙張尺度適用47固國家忮準（CNUAl WJ& (210 X 297公坌） . -----I I I I --------訂 - - - - ---- - *5^ (請t閱讀t面之达意事項再填寫本頁) 35 ι\Ί 35 ι\Ί 經濟部智慧財產局員工消费合作社印封 \v 五、發明說明6 ) 設開關1 4、及放大電晶體1 5。但是，所有或部份這些 電晶體也可由Ρ通道電晶體取代以構成電路。 在單元像素1 On，m中，光二極體1 1係ρ — η接 面，可根據入射光量，將入射光光電轉換成數量之訊號電 荷並儲存它。連接於光二極體1 1與浮動擴散器1 3之間 的轉換開關1 2會將儲存於光二極體1 1中的訊號電荷轉 換至浮動擴散器1 3。浮動擴散器1 3會將轉換的訊號轉 換成訊號電壓並將電壓供應至放大電晶體1 5的閘極。 重設開關1 4連接於浮動擴散器1 3與垂直選取線 2 1之間，具有將浮動擴散器1 3的電位設定於像素電源 的電位之功能。放大電晶體1 5連接於電源線2 2與垂直 訊號線2 3之間，放大浮動擴散器1 3的電位及將放大的 電位輸出至垂直訊號線2 3。像素電源電壓不限於本實施 例中舉例說明之3 . 3 V。 圖2係顯示第一實施例中的單元像素10與垂直訊號 線23的電位分佈。在圖式中，PD、 丁S、 FD、 RS 、及A Τ係分別代表光二極體1 1、轉換開關1 2、浮動 擴散器1 3、重設開關1 4、及放大電晶體1 5。關於浮 動擴散器1 3及放大電晶體1 5的電位，分別以實線及虛 線顯示選取時的電位操作範圍及其它時間的電位操作範圍 1> 垂直掃瞄電路2 4係以列爲單位選取單元像素1 0 ， 舉例而言，包括移位暫存器。從垂直掃瞄電路2 4，輸出 垂:直選取脈衝ψ V ( ...... ’ Φ V η ’ φ V η + 1 ’ ...... ’轉 本纸乐尺墁適用t固囤家標準（CNS)A.!峴格ϋΐϋ X 297公.登） -------------* I I----—訂111 — — — · (請^閱讀"-面之注意事項再填寫本頁) 44 經濟部智慧財產局員工消费合作社印焚 416235 Λ7 __ Β7 五、發明說明$ ) 換脈衝Ψ τ ( ....... φΤη 'φΤη + 1 .......)、及重设 脈衝 Φ R ( ...... 1 Φ R η φ R η + 1 1 ......)。 垂直選取脈衝φν (……，ψνη ，ψνη + 1 ....... )會經由垂直選取線2 1施加至重設開關1 4的汲極’轉 換脈衝Φ T (……，φ Τη，φ Tn + 1 .......)會經由轉 換線2 5施加至轉換開關1 2的閘極，重設脈衝φ R (...... ，φ R η，φ R η + 1 .......)會經由重設線2 6施加至重 設開關1 4的閘極。 對每一行而言，垂直訊號線輸出電路2 7連接至訊號 線2 3的端處。關於輸出電路2 7的垂直訊號線’可使用 諸如電壓模式型等輸出電路。來自水平掃瞄電路2 8的水 平選取脈衝Φ Η ( .......φ Hm.......）會饋送至垂直訊咸 線輸出電路2 7。水平掃瞄電路2 8用以以行爲單位選取 單元像素1 0，舉例而言，包括移位暫存器。 垂直訊號線輸出電路2 7的輸出端連接至水平訊號線 2 9。經由垂直訊號線2 3自單元像素1 0讀入至垂直訊 號線輸出電路2 7之一線訊號會由水平掃瞄電路2 8的水 平掃瞄從垂直訊號線輸出電路2 7順序地輸出。水平訊號 線輸出電路3 0的輸入端會連接至水平訊號線2 9的端處 〇 接著，將使用選取第η條線（第η列）之像素爲例， 說明根據上述配置之第一實施例的C Μ 0 S影像感測器中 的像素操作。此處，將參考圖4及5的電位圖，使用圖3 的時序圖。 本紙張尺度適用中0因家丨票準（CNS)A.l峴格（2丨0 X 297公.¾ ) -----------! 1 . 1 I I 1 I I I ·111!1111 (請t閱讀"面之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消费合作社印奴 本纸張尺度適用中闷困家檔準（CN’S)A.丨規格（21ϋ χ 公„ ) Λ7 _ —_416235_B7_____ 五、發明說明纟〇 ) 直到時間t 1之時間週期（t < t 1 )係未選取狀態 。在未選取狀態中，由於垂直選取脈衝丨v n係在低位準（ Ο V )且重設開關（R +S ) 1 4係在關閉狀態’所以’浮 動擴散器（FD) 13的電位爲ον。 在時間t 1時，垂直選取脈衝Φ V η會從低位準變至高 位準（3 , 3V)，同時，爲回應重設脈衝ΦΚη的發生’ 重設開漏1 4會開啓且第η條線的浮動擴散器1 3的電位 會從0V重設至3 . 3V。結果’由於放大電晶體（AT )1 5開啓，所以，第η條線的像素會進入選取狀態（ t 1 < t < t 2 )。 _在時間t 2時，重設脈衝Φ R η消失時，讀取重設浮動 擴散器1 3。結果，每一不同像素會有所不同之偏移位準 (此後稱爲雜訊位準）會由放大電晶體15讀至垂直訊號 線1 5並輸出至垂直訊號線輸出電路2 7 ( t 2 < t < t 3 )。讀出的雜訊位準會保持（取樣保持）在垂直訊號 線輸出電路2 7中。 在時間t 3發生轉換脈衝φΤη時，轉換開關（TS) 1 2由於在其閘之下的電位會由施加至閘的轉換脈衝φ τ η 加深，所以，其會將儲存在光二極體（P D ) 1丨中的訊 號電荷轉換至浮動擴散器1 3 ( t 3< t < t 4)。訊號 電荷的轉換會造成浮動擴散器1 3的電位根據電荷量而改 變。 在時間t 4時，轉換脈衝φ Τ η消失時，根據浮動擴散 器13的訊號電荷之電位會由放大電晶體15讀入至垂直 +3-------- -------- 訂---------線 (請^-閏讀?-面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 416235 五、發明說明（l1 ) 訊號線2 3及輸出至垂直訊號線輸出電路2 7 ( t 4 < t < t 5 )。讀出的訊號位準會保持（取樣保持）在垂直訊 號線輸出電路27中。 在進入水平有效週期時，針對每一行，自像素1 0讀 入垂直訊號線輸出電路2 7之訊號會經由水平訊號線2 9 順序地輸出至水平訊號線輸出電路3 0。在此時，在這些 輸出電路2 7及3 0中，藉由自單元像素1 0的訊號位準 扣除雜訊位準，可抑制導因於像素單元的發散特性之固定 樣式雜訊，及抑制導因於垂直訊號線輸出電路2 7的發散 特性之固定樣式雜訊。 在時間t 6，垂直選取脈衝φ V η會從高位準變至低位 準，因此，第η條線上的像素會進入未選取狀態，同時， 下一第（η + 1 )條線上的像素會進入選取狀態，並於第 (η十1 )條線上重覆上述操作。 將於下說明未選取線上的像素。藉由驅動垂直選取脈 衝φΥη L 〇 w ( 〇 V )，像素1〇可以置於非選取狀態 。這是因爲由於減弱型電晶體作爲重設開關1 4，所以， 當垂直選取脈衝φ V爲0 V時，浮動擴散器1 3總是爲0 V ，因此，放大電晶體1 5總是處於斷開狀態。 如上所述，單元像素1 〇包括光二極體1 1、轉換開 關1 2、浮動擴散器1 3、重設開關丨4、及放大電晶體 1 5 ，且經由重設開關1 4以控制浮動擴散器1 3的電位 ，因此，由於未如同傳統的像素結構的情形般提供垂直選 取開關以供應選取功能，所以能節省—電晶體。 本紙張K度適用中因0京瞟準（CNS)Al規格（210x297公g ) 丨！||1丨1| — ||1·^^·--- I 1 I — 訂丨 — ! — 11· - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印技 Λ7 416235 B7____ 五、發明說明彳2 ) 藉由電荷汲取電路而驅動垂直選取脈衝Φ V至低位準時 ，除了 t 3 < t < t 4 —段時間外，轉換開關1 2的閘可 以處於負電位另一段長時間。在此情形中，由於電洞可植 入相鄰於光二極體1 1的轉換開關之矽介面中一段長時間 ，所以，可以抑制暗電流。這將產生大的效果，特別是當 採用嵌入式感測器結構作爲光二極體1 1時。 雖然前述操作說明已簡要地說明所有像素獨立讀取模 式，在此模式中獨立地讀取所有線的像素訊號，但是，本 發明不限於該模式。當然，框讀取模式及欄讀取模式也是 可行的。在前一模式中，奇數（偶數）行的訊號會被讀入 第一欄中，而偶數（奇數）行的訊號會被讀入第二欄中。 在後一模式中，會同時讀取二相鄰線的訊號以將電壓相加 ，且以欄爲基礎，改變相加操作之二行組合。 此處，將說明單元像素1 0的具體配置。當訊號電荷 儲存於光二極體1 1中時’從圖4A中淸楚可知’浮動擴 散器1 3變成0V。因此，在電荷儲存期間’轉換開關 1 2的表面電位必須爲Ο V或更少。但是，在無特別處理 下，將無通道用於釋放自光二極體1 1溢流之電荷。 因此，根據本發明的像素結構係製成連接至電源之擴 散層，舉例而言，放大電晶體1 5的汲極’會配置成相鄰 光二極體1 1且二者之間的元件間隔會製成不完美’因此 ，形成溢流通道且過量的電荷會經由通道釋放。藉由此處 理，可以不用增加單元像素1 〇的尺寸’即可形成溢流通 道° —---- -It I n I n it i t) n n n i * l_ d n n (^ej_ -- i n __ I • f (請先閱讀背面之注意事頭再瑱寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消货合作社印梵 本紙ίίί尺度適用十®國家標準（CNS)A-l規烙（210 X 297公這） --' 416235 Λ7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明d3 ) 關於形成溢流通道的具體實施例，將於下說明可能的 不同結構。如圖6 A至6 E所示，有一結構（圖6 A )係 藉由減少兀件間隔區的寬度（距離）以形成溢流通道；有 一結構（圖6 B )係藉由流少用於通道截斷之p區的濃度 以形成溢流通道：及有一結構（圖6 C )係藉由在通道截 斷的P區下方實際地形成N —區以形成溢流通道。 在使用嵌入式感測器結構作爲光二極體1 1的情形中 ，有一結構（圖6D)係用於感測器的N+ (SR N + ) 區也會形成於像素電源側中以適當地形成溢流通道的橫向 距離及進一步將高濃度雜質注入像素電源側的N +區以形成 用於源極/汲極的N +區：及有一結構（圖6 E )係在該結 構中（圖6 D )形成用於溢流通道的區。 圖6A至6 C的每一結構中所示之LOCOS (區域 矽氧化）氧化物膜並非一定需要。但是，在此情形中，爲 了適當地形成溢流通道的橫向距離，如同（圖6 D )的結 構之實施例中般，需要以相同的掩罩將離子植入光二極體 1 1的N +區及相鄰於溢流脈衝之像素電源的N +區。 如同圖6A、及圖6C至6E中的每一結構一般，藉 由虛擬閘形成溢流通道，則溢流區的矽界面不會被空乏。 因此，相較於使用轉換閘、矽界面會被空乏之習知溢流結 構，暗電流發生的頻率較低。由於可以完全消除矽界面的 空乏部份，所以，特別是當使用嵌入式感測器結構作爲光 二極體1 1時’可取得較大的效果u 圖7係本發明的第一實施例之變異的配置圖。第一實 I I I I---I I I I I I ---I I — I I 訂.--I I--1* - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用屮闽网孓桴芈（CNS)A.丨規恪（210 X 297公呈）
經濟部智慧財產局員工消f合作社印3* 五、發明說明“) 施例採取之配置中，來自像素的訊號會以電壓模式輸出’ 而變異採用的配置中，來自像素的訊號會以電流模式輸出 。因此，除了訊號輸出系統的配置不同之外’單元像素的 像素結構與第均與第一實施例的像素結構相同° 根據變異之C Μ 0 S影像感測器所採用的配置中’水 平選取開關3 1會連接於垂直訊號線2 3與水平訊號線 2 9之間，且由電阻器3 2回饋之運算放大器3 3會置於 水平訊號線2 9的端部。亦即，爲了自像素中以電流模式 輸出訊號，垂直訊號線2 3及水平訊號線2 9會由有電阻 器3 2回饋之運算放大器3 3固定於固定電位（Vhas )， 且舉例而言，藉由結合電源電路3 4及減少要供應給像素 之電壓源，則單元像素1 〇 η，m之內的的放大電晶體 1 5可線性地操作。 雖然，此變異係構造成結合電源電路3 4及減少要供 應給像素的電壓源，但是，本發明不限於此結構。舉例而 言，藉由減少單元像素1 〇 η ，m之內的放大電晶體1 5 的臨界電壓V t h，放大電晶體也可線性地操作。 圖8係顯示此變異中的單元像素1 〇及垂直訊號線 23的電位分佈。在圖8中，PD、 TS、 FD、 RS、 及A T係分別代表光二極體1 1、轉換開關1 2、浮動擴 散器1 3、重設開關1 4 ,及放大電晶體1 5。關於浮動 擴散器1 3及放大電晶體1 5的電位，分別以實線及虛線 顯示選取時的電位操作範圍及其它時段的電位操作範圍。 圖9係時序圖，用以解釋根據此變異之c Μ 0 S影像 Ρ氏狀@顧1卩關I鮮（CNS)A.l •⑵CU 29?公呈)^ 1 ---I-------- ----1 I I I 訂---I----- <請^閒讀^-面之注意事項再填寫本！) 經濟部智慧財產局員工消货合作社印於 416235 ___—_[；： ----- 五、發明說明（15 ) 感測器的操作。單元像素1 〇 η，m的操作之基本部份與 第一實施例相同。此處，爲了避免重覆說明’僅說明不同 的部份。 在水平有效期間，自像素讀取訊號3未讀取雜訊位準 ，僅讀取訊號位準。由於在電流模式中無法如同電壓模式 般，於訊號輸出系統中執行取樣固持操作，所以’使用外 部訊號處理系統中的框記憶體，抑制導因於像素特性之訊 號位準的固定樣式雜訊。 雖然圖9係所有像素獨立讀取模式上的時序圖’於此 模式中，獨立地讀取所有線的像素訊號’但是，本發明不 限於該模式。當然，框讀取模式及欄讀取模式也是可能的 。在前一模式中，奇數（偶數）線的訊號會被讀入第一欄 ，而偶數（奇數）線會被讀入第二欄。在後一模式中，同 時讀取二相鄰線的訊號以將電流相加，且相加的二線組合 係以欄爲基礎改變。 圖1 0係根據本發明的第二實施例之CM〇 S影像感 測器的配置圖。在圖1 0中，單元像素4 0係二維配匱以 構成像素區；爲了簡明起見，此處僅顯示二像素，第η列 、第m行中的單元像素4〇n ，m，及第（η + 1)列、 第m行中的單元像素4 0 η + 1 。對所有像素而言，單元 像素4 0的結構是相同的，將舉例說明第η列、第m行中 的單元像素4 Ο η，m的結構。 單元像素4 Ο η ，m包括諸如光二極體4 1等光電轉 換元件、轉換開關4 2 ,作爲電荷儲存部之浮動擴散器（ ________ - 18:-—--- >Ui aS Η) Ί» ^ % j?. -t'- (CNS) AI ίϋ « 2S)7 '4 ) I--— — -—111— — — ^ - — — — Jllll (請先間讀背面之沒意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消f合作社印包 416235 Λ7 [57 -- ------ 五、發明說明（16 ) F D ) 4 3、重設開關4 4、放大電晶體4 5、及轉換選 取開關4 6。關於光電轉換元件，光閘或嵌入式光二極體 可以取代光二極體4 1。 在本實施例中，N通道增強型電晶體、N通道減弱型 電晶體、N通道加強型電晶體、及N通道增強型電晶體分 別作爲轉換開關4 2、重設開關4 4、放大電晶體4 5、 及轉換選取開關4 5。但是’所有或部份這些電晶體也可 由P通道電晶體取代以構成電路。 在單元像素4 Ο η，m中’光二極體1 1係諸如嵌入 式感測器結構之P - η接面二極體’可根據入射光量，將 入射光光電轉換成數量之訊號電荷並儲存它。連接於光二 極體4 1與浮動擴散器4 3之間的轉換開關4 2會將儲存 於光二極體4 1中的訊號電荷轉換至浮動擴散器4 3。浮 動擴散器4 3會將轉換的訊號轉換成訊號電壓並將電壓饋 送至放大電晶體4 5的閘極。 重設開關4 4連接於浮動擴散器4 3與垂直選取線 5 1之間，具有將浮動擴散器4 3的電位設定於像素電源 的電位之功能。放大電晶體4 5連接於電源線5 2與垂直 訊號線5 3之間’放大浮動擴散器4 3的電位及將放大的 電位輸出至垂直訊號線5 3。 諸如3 . 3 V之電壓會從電源電路5 4供應至電源線 5 2。但是’電壓源不限於3 ‘ 3 V °轉換選取開關4 β ，連接於轉換線5 5與轉換開關4 2之間’執行轉換開關 4 2的轉換控制。 --1—lllllllrJ — — ---I 1---訂--— — —III— . - (琦先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 416235 Λ7 Π7 經濟部智慧財產局員工消伢合作社印忽 五、發明說明（17 ) 圖1 1係顯示第二實施例中的單元像素4 0與垂直訊 號線5 3的電位分佈。在圖1 1中，P D、T S、F D、 R S . A T及S S分別代表光二極體4 1 '轉換開關4 2 、浮動擴散器4 3、重設開關4 4、放大電晶體4 5、及 轉換選取開關4 6。關於浮動擴散器4 3及放大電晶體 4 5的電位，分別以實線及虛線顯示選取時的電位操作範 圍及其它時間的電位操作範圍。 如圖1 1清楚顯示，在本實施例中，使用嵌入式感測 器結構的光二極體作爲光二極體4 1。亦即，具有此種感 測器構造之光二極體係P+電孔儲存層4 7設於P - η接面 二極體的基底表面上。如同第一實施例般，單元像素4 0 的溢流通道，採用圖6 Α至6 Ε中的像素結構。 垂直掃瞄電路5 6係以列爲單位選取單元像素4 0， 舉例而言，包括移位暫存器。從垂直掃瞄電路5 6，輸出 垂直選取脈衝 φν ( .......ψν η ，（j>V η + 1 ........ 垂直選取脈衝φ V ( ...... ，φ Vn ，Φ V η + 1 ....... )會經由垂直選取線5 1施加至重設開關1 4的汲極。 垂直掃瞄電路5 7 ，用以以行爲單位選取單元像素4 0 ，舉例而言，包括移位暫存器。從垂直掃瞄電路5 7 ’ 輸出重設脈衝Φ R ( .......ψ R m ......、轉換脈衝Φ T (… …1 Φ T m .......'及水平選取脈衝φ Η ( ......，φ H m ’ ......。轉換脈衝Φ T ( ......，Φ T m.......）會經由轉換線 5 5施加至轉換選取開關4 6的閘極，而®設脈衝Φ R (… …’ φ R m .......)會經由重設線5 8施加至®1设開關4 4 n I I n I ( J1 I - n .1· n [ I I 一—flJ· .^1 n I n I - , t請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .^ήν；ί; >υί ：a "! (CNS)AJ (210 ^ 2*)7 ) 416235 Λ7 U1 經濟部智慧財產局員工消费合作社印Κ 五、發明說明（18 ) 的閘極。 水平選取開關6 0連接於垂直訊號線5 3的端部及水 平訊號線5 9之間。關於水平選取電晶體6 0，舉例而言 ，使用N通道電晶體。自水平掃瞄電路5 7輸出的水平選 取脈衝Φ Η ( .......Φ Hm.......）會饋至水平選取電晶體 6 0之閘。以電阻器6 1回饋之運算放大器6 2會置於水 平訊號線5 9的端處。 根據上述配置之第二實施例之C Μ 0 S影像感測器， 所採用之配置係來自像素的訊號以電流模式輸出。亦即， 垂直訊號線5 3及水平訊號線5 9由具有電阻器6 1回饋 之運算放大器6 2固定於固定電位（Vbias ) ’且藉由結合 電源電路5 4及減少供應給像素之電壓源，則像素單元 4 Ο η，m之內的放大電晶體4 5可線性地操作。 雖然本實施例配置成藉由結合電源電路5 4及減少供 應給像素之電壓源而使放大電晶體4 5可線性地操作，但 是，本發明不限於此配置。 接著，使用選取第η條線的像素爲例’說明上述配置 之根據第二實施例的C Μ 0 S影像感測器中的像素操作。 此處，將參考圖1 3及1 4的電位圖’使用圖1 2的時序 圖。 直到時間t 1之時間週期（t < t 1 )係未選取狀態 。在未選取狀態下，於垂直選取脈衝Φ V n係處於低位準（ 〇 V )且重設開關（R S ) 4 4處於關閉狀態’所以’浮 動擴散器（F D ) 4 3的電位爲〇 V a — — — — — — —--I I I I - I ! I I--I ^ - I 1 I 1 I I — - - < Ϋ叫先間ΐέ背面之注意事項再填寫本頁) 416235 Λ7 Π7 經濟部智慧財產局員工消讶合作社印奴 五 '發明說明（19 ) 在時間t 1 ·垂直選取脈衝Φ V η會從低變至高（ 3 . 3 V )。由於使用減弱型電晶體作爲重設電晶體4 4 (t 1 < t < t 2 )，所以，放大電晶體（A 丁）4 5的 閘電位會增加。 此時，放大電晶體4 5可視其電位設定或垂直訊號線 5 3的電位而進入開啓。此範例假設放大電晶體4 5斷開 。但是，此時，由於水平選取開關6 0爲關閉且未於水平 訊號線5 9上施加影響，所以，放大電晶體4 5在那一狀 態均無關係。 爲回應時間t 2時發生的重設脈衝φ R m，重設開關 4 4會進入開啓且第η條線、第m行中的浮動擴散器4 3 的電位會從0V重設至3 . 3V。由於這將造成放大電晶 體（A T ) 4 5開啓，所以，在第η條線、第m行中的單 元像素40n，m會進入選取狀態（t 2<t <t 3)。 在時間t 3，重設脈衝Φ R m消失時，讀取重設浮動擴 散器4 3。結果，對每一像素而言會有所不同之偏移位準 (此後稱爲雜訊位準）會被讀入垂直訊號線5 3 ( t 3 < t < t 4 )。爲回應發生於時間t 2時的水平選取脈衝 φ H m，讀出的雜訊位準會由開啓的水平選取開關6 0輸出 至水平訊號線5 9。 在時間t 4 ’發生轉換脈衝φ T m，由於在轉換開關（ T S ) 4 2的閘極之下的電位會由施加至閘的轉換脈衝 Φ Τ η加深’所以，轉換開關（T S ) 4 2會將儲存於光二 極體（PD) 4 1中的訊號電荷傳送至浮動擴散器43 ( — 1 — 丨 — — 111 丨 li — , 1 ------' 丨丨—丨 I 1 I I - - (靖先聞讀背面之注急事項再填寫本頁) -22- 416235 Λ； L57 經濟部智慧財產局員工消伐合作社印泣 五、發明說明如） t 4 < t < t 5 )。訊號電荷的轉換會造成浮動擴散器 4 3的電位根據電荷量改變。 在時間t 5，轉換脈衝Φ T m消失時，依據浮動擴散器 4 3的訊號電荷之電位會由放大電晶體4 5 ( t 5 < t < t 6 )讀入垂直訊號線5 3。讀出的雜訊位準會由水平選 取開關6 0輸出至水平訊號線5 9。 在時間t 7，垂直選取脈衝Φ V η従高位準變至低位準 ，第η條線上的像素因而進入未選取狀態，同時，下一個 第（η + 1 )條線上的像素進入選取狀態’且在第（η + 1 )條線上重覆上述操作。 、如上所述，會依雜訊位準及訊號位準之順序取得一 像素之雜訊位準及訊號位準（從訊號位準至雜訊位準之反 向順序也是可能的）。此操作稱爲像素點順序重設操作。 像素點順序重設操作具有下述優點： (1 )由於雜訊輸出及訊號輸出採用包含水平選取開 關6 0之相同通道，所以，導因於通道之間的分散之固定 樣式雜訊原則上不會發生。 (2 )由於雜訊位準及訊號位準係順序地輸出’所以 ’雜訊位準與訊號位準之間的差異可由諸如相互雙工取樣 電路（C D S電路）等差動電路取得，而無須使用外部訪1 號處理系統中的框記億體及線記億體’以致於可簡化系'統 〇 上述像素點順序重設操作系列必須以高速執行。因此 ，來自像素之訊號會以電流模式輸出1以操作速度觀點而 (請先閱讀背面之注意事碩再填寫本頁) (CNS)Ai ίέ ) 416235 Λ7 B7 經濟部智祛財產局員工消费合作社印" 五、發明說明幻) 言，此模式是有利的。但是，不限於電流模式輸出之模式 ，假使能滿足速度需求，也能如根據第一實施例之 C Μ 0 S影像感測器中般，採取電壓模式輸出。 從圖1 5及1 6之電位圖明顯可知，即使在行方向上 共用轉換脈衝Φ T m及重設脈衝φ R m，則未被選取的像素 操作並不特別相關。 雖然在上述操作說明中，爲了簡明起見，僅說明所有 像素獨立讀取模式，在此模式中，所有像的像素訊號會被 獨立地讀取，但是，本發明未侷限於該模式。當然，框讀 取模式及欄讀取模式也是可行的。在前一模式中，奇數（ 偶數）行的訊號會被讀入第一欄中，而偶數（奇數）行的 訊號會被讀入第二欄中。在後一模式中，會同時讀取二相 鄰線的訊號以將電流相加，且以欄爲基礎，改變相加操作 之二行組合。 在根據上述第二實施例之C Μ 0 S影像感測器中，也 可共用相鄰的φ Tm— 1及重設脈衝Φ Rm，因此，可以省 掉接線。 藉由確定地提供容量給連接至轉換選取開關4 6的閘 及轉換開關4 2的閘之節點’則當t > t 7時垂直脈衝 Φ V η由高位準變至低位準時1可使轉換開關4 2的閘電位 爲負。藉由此配置，由於電洞可以植入與光二極體4 1相 鄰之轉換開關4 2的矽界面中’所以’可以抑制暗電流。 此外，藉由偏移垂直訊號線5 3的電位（VMas )(舉 例而言，在本實施例中爲1 _ 5 V偏移）、放大電晶體 I--------^--------- - ' (請先閱讀背面之注急事項再填寫本頁) (CNSJAI im ) 416235
經濟郜智慧財產局員工消费合作社印裂 五、發明說明62 ) 4 5的電位.及整個電壓源，可以切斷電源電路5 4。 第二實施例的變異之構造可爲，藉由將放大電晶體 4 5作爲源極輸出電阻負載的角色轉換至水平選取開關 6 0 ，以執行電流輸出。亦即，如下所述般，執行電流輸 出操作。 假設水平選取開關6 0在線性區操。舉例而言，藉由 使用由電阻器回饋之運算放大器3 3，將水平訊號線5 9 的電位保持不變。藉由如此執行，可由放大電晶體4 6及 水平選取開關6 0形成具電阻器負載之源極輸出器，電流 會依據浮動擴散器4 3的電位而流經水平訊號線5 9，且 於運算放大器的輸出端發展根據浮動擴散器4 3的電位之 電壓。 圖1 7係應用本發明之照相機系統的實施例之配置圖 。在圖1 7中1來自物體（未顯示）的入射光（影像光） 會由包含透鏡7 1和其它元件之光學系統於影像元件7 2 的成像表面上形成影像。關於影像元件7 2 ’可使用根據 上述第一實施例或其變異、或第二實施例之C Μ 0 S影像 感測器。 根據包含時序產生器等等之驅動電路7 3所輸出的多 種時序，驅動影像元件7 2。自影像元件7 2輸出的影像 訊號在被作爲影像訊號輸出之前會於訊號處理電路7 4中 接受不同的訊號操作。 如上所述，根據本發明，以矩陣形式配置的單元像素 包括光電轉換元件、轉換開關、電荷儲存部、蝥設開關、 I I — — — — — — — — —If — -------I ^ · I I I I I I I · , , (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 111 Ί- (CN'S)Al ( jMO χ ^1：)： :.-¾ ) a 416235 A： B7 五、發明說明幻 ） 而’ ’ 件 位元 電之 設取 重選 之直 關垂 開於 設用 重掉 給省 應可 供此 制因 控’ 由素。 藉像寸 且取尺 ，選素 件位像 元單減 大爲縮 放列能 及以而 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消货合作社印纪

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1 . 一種固態影像元件，包括： 單元像素，以矩陣形式配置，具有光電轉換元件'兩 於轉換儲存於該光電轉換元件中的電荷之轉換開關、用於 儲存該轉換開關所轉換的電荷之電荷儲存部、用於重設該 電荷儲存部之重設開關、及用於根據該電荷儲存部的電位 而輸出訊號至垂直訊號線之放大元件： 垂直掃瞄電路，藉由控制供給該重設開關之重設電位 ，而以列爲單位選取像素； 水平掃瞄電路，用於以行爲單位順序地選取輸出至該 垂直訊號線之訊號；及 輸出電路，經由水平訊號線輸出該水平掃瞄電路所選 取之訊號。 2 .如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 垂直掃瞄電路供應垂直掃瞄期間順序地輸出至該重設開關 之垂直選取脈衝作爲其選取電位。 3 .如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 電荷儲存部係浮動擴散器。 4 ,如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 重設開關包括減弱型電晶體。 5 .如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 輸出電路以電壓模式輸出讀入該垂直訊號線之訊號° 6 ,如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 輸出電路以電流模式輸出讀入該垂直訊號線之訊號。 7 .如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 ---! I ^------ I * -------訂----!|1·^I <請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Α4規格（210 « 297公釐） -27- 416235 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 :、申請專利範圍 單元像素包含位於該光電轉換元件與像素電壓源供應之區 域之間的溢流通道，該溢流通道係用以釋放該光電轉換元 件過量的電荷5 8 ·如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中負 電位施加至該轉換開關的控制電極。 9 .如申請專利範圍第1項之固態影像元件，其中該 單元像素包含轉換選取開關，用於選取該轉換開關的轉換 操作。 1 0 _如申請專利範圍第9項之固態影像元件，其中 該轉換選取開關產生該垂直選取脈衝的控制輸入。 1 1 .如申請專利範圍第9項之固態影像元件*其中 該輸出電路以電流模式輸出讀入該垂直訊號線之訊號。 12. —種驅動固態影像兀件之方法1該固態影像兀 件包含：單元像素，以矩陣形式配置，具有光電轉換元件 、用於轉換儲存於該光電轉換元件中的電荷之轉換開關、 用於儲存該轉換開關所轉換的電荷之電荷儲存部、用於重 設該電荷儲存部之重設開關、及用於根據該電荷儲存部的 電位而輸出訊號至垂直訊號線之放大元件，該方法包括T 述步驟： 藉由控制供應給該重設開關之重設電位’以列爲胃β 選取像素。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之驅動固態'影像# {牛 之方法 > 又包括下述步驟： 以電壓役式輸出讀入該垂直訊號線之訊號° (請先閲讀背面之注音？事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公沒） -28- 416235 A8 β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之驅動固態影像元件 之方法，又包括下述步驟： 以電流模式輸出讀入該垂直訊號線之訊號。 1 5 . —種照相機系統，使用固態影像元件作爲影像 裝置，該固態影像元件，包括： 單元像素，以矩陣形式配置，具有光電轉換元件、用 於轉換儲存於該光電轉換元件中的電荷之轉換開關、用於 儲存該轉換開關所轉換的電荷之電荷儲存部、用於重設該 電荷儲存部之重設開關、及用於根據該電荷儲存部的電位 而輸出訊號至垂直訊號線之放大元件； 垂直掃瞄電路，藉由控制供給該重設開關之重設電位 ，而以列爲單位選取像素； 水平掃瞄電路，用於以行爲單位順序地選取輸出至該 垂直訊號線之訊號：及 輸出電路，經由水平訊號線輸出該水平掃瞄電路所選 取之訊號。 (請先閱讀背面之注意事頊再填寫本頁) I - I I I I I 1 I «— — ———III — 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2丨0 x 297公釐〉 -29 -
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