TW451485B - Solid-state image pickup device and driving method therefor - Google Patents

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Ichiro Murakami
Yasutaka Nakashiba
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Nippon Electric Co
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Description

451485 五、發明說明（1) 發明領域 本發明係關於一固態影像偵知裝置以及固態影像偵知 裝置驅動方法。 發明背景 當固態影像偵知裝置當作一影像拾取元件（image pickup device)被應用於電子攝影機（eiectrpnic camera)時，獲得一足夠大動態範圍（dynamic range)是必 要的。因為固態影像偵知裝置之動態範圍較銀薄膜 (silver film)顯著地窄。 所以’日本專利公開公報（japanese patent
Application Laid-open)No.8-9 260 ( 1 996)，公開一技 術’經由在一攝像週期範圍内變化基板電壓（v〇ltage substrate)至切換光二極（photodiode)體之可堆積電荷量 (amount of accumulable charge)以加大動態範圍。這習 知技術如下所述。 A) 第1圖顯示單體部分之平面圖，例如一CCD型固態影像 偵知裝置。單體部分包括光電轉換部（photoelec trie conversion section)101，縱向電荷傳送部（vert i cal charge transfer section)102，第一電荷傳送電極 (first charge transfer electrode)105 以及第二電荷傳 送電極（second charge transfer e 1 ectrode) 10 6 ° 第2圖是沿著第1圖中I - Γ線剖開之一剖面圖。如所 示，這單體部分包括N-型半導體基板（N_ type semiconductor substrate)107、P_ 型半導體基板（P_ type
45 1 485__ 五、發明說明（2) semiconductor substrate)108、N型半導體基板（N type semiconductor substrate)109、P+型半導體基板（P+ type semiconductor substrate)110、第一層多晶石夕 (first-layer polysilicon)lll形成的第一電荷傳送電極 105、第二層多晶石夕（second-layer polysUicon)112 形成 的第二電荷傳送電極106、铭薄膜（aluminum film)113當 作遮光膜（shade film)、絕緣膜（insulating film)114 以 及覆蓋絕緣膜（cover insulating film)115。 第3圖顯示光電轉換部（photoelectric conversion section)之電位（electronic potential)之一特徵圖。
首先’為了在可堆積電荷進入光二極體前重置不必要 的電荷’ 一基板電壓VHsub加在IT型半導體基板1 07上，使光 電轉換部101及P-型半導體基板108構成的N型半導體基板 109完全空乏化以一低的濃度只形成在此之下，移除所有 不要的電荷至N-型半導體基板1〇7。 該一構造一般稱為"縱向超載溢出構造（vertical overflow drain structure)"(縱向 〇FD)(參考文獻：曰 本電視機工程師學會期刊（j. Institute of
Television Engineers of Japan)，Vol.37，No. l〇 (1983)， pp. 782〜787)
接著，N-型半導體基板i〇7加一基板電壓VBsub(以下論 及以基板電壓註記），光電轉換部丨〇1依據入射光量開始堆 積信號電荷（signal charge)。因此，經由基板電麗之任 意地調整’多餘電荷（excessive charge)無法堆積在光電
五、發明說明（3) 轉換部1 〇 1，其利用縱向〇FD結構移動至N_ ⑷，因此，可堆積電荷量之控制是以傳導行之。基板 —使用這技術，將固態影像偵知裝置控制成於一攝 期範圍内，在固態影像偵知裝置中的可堆積電荷量順序 =換從第一可堆積電荷量（Qsat(1) ^〇)至第二可堆積電 里(Qsat(2) #0 ’ Qsat(l)<Qsat⑴）。 在一攝像週期範圍内於時間t (1 )，經由改變作用在固 I二像偵知裝置之OFD(超載溢流〇verfi〇w drain)的基板 電壓去施行這操作，將基板電壓控制成在一攝像週期範圍 内自開始至時間t( 1 )，於-固態影像偵知裝置内的可堆積電 荷量維持Qsat(l)，時間t(1)後，切換至Qsat(2)。
C —第4圖顯示在一攝像週期範圍内，可堆積電荷量與電 射堆積％accumulation time)之關係圖（以實 線表示），在一固態影像偵知裝置内有如此一函數。第5圖 顯示在一攝像週期範圍内，可堆積電荷量與光量（am〇unt light)之關係圖（以實線表示）。 在一攝像週期範圍内可堆積電荷量不變化之情形，在 第4圖及第5圖中虛線指出這特徵。 如第4圖及第5圖所示’與可堆積電荷量不變化之情形 比較，可以增加動態範圍。 Λ - 那就是，在一攝像週期範圍内，經由提供一裝置於固 態影像偵知裝置中’可堆積電荷量順序地切換從第一可堆 積電荷量（Qsat(l)古0)至第二可堆積電荷量（Qsat(2) #〇 Qsat(l)<Qsat(2))，可以增加動態範圍。
1485
然而，在習知的固態影像偵知裝置中，當t (1)被設定 在一攝5週期範圍内’以及Qsat(1)與‘Μ)只被設定在 QsatU)<Qsat(2)的條件下，動態範圍不一定充分地改進。也 可能發生一種狀況，動態範圍之改進比可堆積電荷量不變 化的情形多一點點。這原因解釋如下。 第圖至第圖顯示，當t(l)在t(la)、t(lb)及 t( 1 c)中變化之電荷堆積時間以及可堆積電荷量之間的關 係。第7A圖至第7C圖顯示，入射光量以及可堆積電荷量之 間的關係。同時，t(la)<t(lb)<t(lc)被滿足，t(lb)是一 攝像週期之中間點，以及2Qsat(1) = Qsat(2)被滿足。虛線指 出最大可堆積電荷量是固定值的特色。 當自第6A圖看至第6C圖以及第7A圓看至第7C圖時，在 t(lc)情形中，與最大可堆積電荷量是固定值之情形比 較’動態範圍係增加的。然而，在t ( 1 a )至^ ( 1 b )之情形， 與最大可堆積電荷量是固定值之情形比較，動態範圍並 增加。 _ 、 這是因為t(l)、Qsat(l)以及Qsat(2)只是在
Qsat (1) < Qsat (2)條件之下決定。在這條件下，與可堆積電荷 量是固定值之情形比較，動態範圍係不能增加的。另外，B 與可堆積電荷量是固定值之情形比較，迴路是複雜的。
曰本專利公開公報No.卜2 53 960 ( 1 989 )，揭露—固熊 影像偵知裝置’在光吸收元件飽和中其信號傳送之飽和量 比信號電荷量大許多。然而’它並未描述關於在—攝像^ 期範圍内’可堆積電荷量在多階段形式下變化。
五、發明說明（5) 又日本專利公開公報Ν〇· 5-2272 8( 1 993 )揭露一技術’ 電荷量依據放大迴路之增益而變化，與固態景 2 衡調整迴路之增益一致。然而，它並未描述 關於在攝像週期範圍内’可堆積電荷量在多階段形 變化。 、r 再者’日本專利公開公報No. 1 0 -1 50 1 83( 1 9 98)，揭露 一固態影像偵知裝置裝備-驅動系統，當讀取-電荷數哥 時減少固態影像债知裝置之_偏壓。然而’它並未描述 關於在一攝像週期範圍内，可堆積電荷量在多階段形式 變化。 發明概要 ，因此，本發明之目的在提供一固態影像偵知裝置及固 態影像偵知裝置驅動方法，使動態範圍有效率地改善。 本發明之目的在提供一固態影像偵知裝置及固態影像 偵知裝置驅動方法，即使當光電轉換效率（1)11〇1：〇61“忖4 conversion efficiency)隨光量變化時，仍可以提供—影 像’其不會帶給眼睛不舒適感。 ' 根據本發明，一種固態影像偵知裝置，包括： 一複數偵知裝置（sensing means)，以矩陣形式排 列； 〇 一電荷堆積裝置（charge aCCumuiati〇n means)，連 接至债知裝置以及堆積自偵知裝置產生的電荷； 一可堆積電荷調節裝置（accumulabie charge adjusting means)，調節電荷堆積裝置之可堆積電荷量；
第8頁
五 '發明說明（6) 以及， 一控制裝 裝置； 在一攝像 置（control mrans)，控制可堆積電荷調節 之既定 (time 根 方法， _ 1 置產生 置之可 裝置， 在 定量内 續性地 根 使電腦 數偵知 偵知裝 節裝置 裝i， 在 定量内 續性地 量内， series 據本發 其裝置 電荷堆積裝置 的電荷 堆積電 週期範圍内以及在一控制裝置之可 控制裝置控制可堆積電荷量於時間 )中連續性地或非連績性地變化。 一形態，一種固態影像偵知 一複數偵知裝置，以矩陣形 ’連接至偵知裝置以及堆積 堆積電荷調節裝置，調節電 及一控制裝置，控制可堆積 明之另 包括： 一可 包括這 —攝像 ，經由 或非連 據本發 執行固 裝置， 置及堆 ，調節 控制可 一攝像 ，經由 或非連 荷量； 步驟： 週期範 控制裝 續性地 明之另 態影像 以矩陣 積自偵 電荷堆 堆積電 週期範 控制裝 續性地 圍内 置控 變化 一形 4貞知 形式 知裝 積裝 何調 圍内 置控 變化 以及偵知裝 制可堆積電 〇 態，一種記 裝置驅動方 排列；一電 置產生的電 置之可堆積 節裝置，包 以及偵知裝 制可堆積電 置之可堆積 荷量於時間 錄媒體，儲 法’該装置 荷堆積裝置 何；一可堆 電荷量；以 括這步驟： 置之可堆積 荷量於時間 堆積電荷 序列 裝置驅動 式排列； 自偵知裝 荷堆積裝 電荷調節 電荷之既 序列中連 存一程式 包括一複 ，連接至 積電荷調 及一控制 電荷之既 序列中連 〇
第9頁
対 f; 1 d8 5__ 五、發明說明（7) 圖式簡單說明 本發明將配合圖式更詳盡地說明，在其中： 第1圖顯示一習知固態影像偵知裝置之光電轉換 平面圖。. 心 第2圖是沿著第1圖中^’線初開之剖面圖。 第3圖是具有縱向0FD結構的習知光電轉換部之電位 圖β 第4圖顯示在習知元件中’可堆積電荷量 時間關係的特徵圖。 〃 7隹積 第&圖是顯示在習知元件中，可堆積 關係的特徵圖。 Ρ里，、〜量間 第^圖至第6C圖顯示在習知元件中#t(n變化時 堆積電何量與電荷堆積時間關係之特徵圖。 、可 第？圖至第7C圖顯示在習知元件中#t⑴變化 堆積電何量與電荷堆積時間關係之特徵圖。 可 第8圖係依據本發明顯示一固態影像僧 圖例之方塊圖。 傅造
第9圖依據本發明扁笛__ M 裝置ϋ動方> Φ ϋ /第較佳實施例於固態影像偵知 裝J驅，方法中顯不基板電壓 及實際地堆積電荷量彼舲門關及 捧積m何$ 第1〇圖==;的特徵圖。 曰η關怂从站弟只施例中顯示實際地堆積電荷量與异 量間關係的特徵圖。 。ι界九 第11圖依據本發明右笼-& ,ι 裝置驅動方法中顯示基實施例於固態影像偈知 暴板電壓、堆積時間、可堆積電荷量
第10頁 d5 1 4
五、發明說明（8) 及實Hi積電荷量彼此間關係的特徵圖。 I μ μ # & 2在第二實施例中顯示實際地堆積電荷量與光 1間關係的特徵圖。 /、兀 據本發明在第三較佳實施例於固態影像#知 瓜置驅動方法中顯示基板電壓、 二3 = 量彼此間關係的特徵圖。 -門在第三實施例中顯示實際地堆積電荷量盘光 直間關係的特徵圖。 彳至，、兀· 贺晉：1』：t Ϊ本發明在第四較佳實施例於固態影像偵知 係積電荷量 第16圖係在第四實施你丨中翻— A 量間關係的特徵圖。j中顯-實際地堆積電荷量與光 "f1: f依據本發明*第五㉚佳實施例⑥固態影像偵知 裝土驅動方法中顯示基板電壓、堆積時間、可堆積電荷量 及η際地堆積電荷量彼此間關係的特徵圖。 :ί在第五實施例中顯示實際地堆積電荷量與光 直間關係的特徵圖。 第19Α圖顯示在本發明中具有橫向〇fd構造之光電轉換 部使用於固態影像偵知裴置之剖面圖，以及 第19B圖及第19C圖顯示在第19A圖中光電轉換部之電 位圖式》 符號說明 卜固態影像偵知裝置（s〇lid_state image sensing
4 5-1 48 5 五、發明說明（9) device) ;2~偵知裝置（sensing means) ;3〜電荷堆積装置 (charge accumulating means ) ; 4〜可堆積電荷調節裝置 (accumulable charge adjusting means) ; 控制裝置 (control means) ; 6 〜程式儲存裝置（program storing means) ; 7〜輸出裝置（output means) ; 10卜光電轉換部 (photoelectric conversion section) ; 102'縱向電荷傳 送部（vertical charge transfer section) ;105~ 第一電 荷傳送電極（first charge transfer electrode) ; 106〜 第二電荷傳送電極（second charge transfer electrode) ; 107〜N+型半導體基板（N+ type semiconductor substrate) ;108〜？_型半導體基板（卩-type semiconductor substrate) ; 109〜N型半導體基板（N type semiconductor substrate) ; 110〜P+型半導體基板 (P+ type semiconductor substrate) ; 111〜第一層多晶 石夕薄膜（first layer polysilicon film) ;112~·第二層多 晶石夕薄膜（second layer polysilicon film) ; 113〜銘薄 膜（aluminuni film) ; 114〜絕緣膜（insulating film); 115〜覆蓋絕緣膜（cover insulating film) ; 201〜光電轉 換部；211〜重置電晶體（reset transistor) ; 212〜驅動電 晶體（drive transistor) ; 213〜選擇電晶體（selection transistor) ; 22卜P_ 半導體基板（P_ semiconductor substrate) ; 222 〜P 半導體區域（P semiconductor region) ; 223〜P+半導體區域（P+ semiconductor region) ; 224〜N 半導體區域（N semiconductor region);
第12頁 45 1 48 5 五、發明說明（ίο) - 225 〜N+半導體區域（N+ semiconductor region)。 較佳實施例的說明 在較佳實施例中，固態影像偵知裝置及固態影像偵知 裝置驅動方法將說明如下，參考圖式。 ' 第8圖係依據本發明顯示一固態影像偵知裝置丨之構造 圖例之方塊圖如所示，固態影像偵知裝置i包括：複數 偵知裝置（偵知元件）2，以矩陣形式排列；一電荷堆積 置3，連接於偵知裝置2且堆積自偵知裝置2產生的電荷；< 二了堆積電荷調節裝置4，調節電荷堆積裝置3之可堆積電 荷量；以及一控制裝置5，控制可堆積電荷調節裝置4。 一攝像週期範圍内以及一可堆積電荷之既定量内，包括 制裝置5於控制可堆積電荷量於時間序列中為連續性二 非連續性的變化。 β 根據本發明之固態影像倩知裝置丨而言，偵知 一挑選自CMOS偵知裝置且是一縱向超載溢出^疋 其是令人滿意的。 U， 在本發明於時間序列中固態影像偵知裝置之 荷量可以控制逐漸地增加，它也是令人滿意的。積電 再者，當可堆積電荷量變化時，包括控制裝置於 制’例如：偵知裝置2之基板電壓或是一電晶體、二 jtransistor)之閘極電壓（gate v〇itage)其包括 根據本發明之固態影像债知裝置而t，如第8圖所示 五 它 1是令人滿意的，控制裝置（contr〇1 means)5被連結至一 制式铸存裝置（Pr〇Kam storing means)6，其儲存一些控 應用，後續將被介紹；以及一控制程式任意地挑選自程 式儲存裝置6控制著控制裝置5。 又根據本發明之固態影像偵知裝置中，堆積在電荷堆 別从^3中的電荷透過一輸出裝置（output means)?提供個 ^出，自個別的電荷堆積裝置3在適當的計時中對應 谓知裝置（sensing means)2。 圖中’8是—中央處理單元（CPU)，其控制在固 办像偵知裝置1中所有個別的裝置。 裝置1接驅者動方因d式去包括在較佳實施例中的固態影像偵知 衣置1驅動方法，參考圖式說明。 只 基本地’固態影像偵知裝 複數債知裝置（偵知元件)2 方法，其包括： 裝置，連接至偵知裝置2以及堆積：：式排列·，電荷堆積 荷；可堆積電荷調節置4，調節㊁”知裝置2產生的電 荷量；以及控制裝置5，控制 何堆積裝置3之可堆積電 在一攝像週期範圍内及可堆積積電荷調節裝置4，包括 裝置5控制可堆積電荷量於時間何之既定量内，經由控制 性地變化的步驟。 β斤列中連續性地或非連續 在本發明之較佳實施例令，一 堆積電荷量被控制在時間序 攝像週期範圍内，可 在本發明中’儘管可堆積電：: 的限制，因為對變化可堆積篁之變化方法不被明確 電何蕙之計時及在一攝像週期 苐14頁 45 1 48 ,R 五、發明說明（12)
内變化可堆積電荷量程度 制。 在電荷堆積裝置3中 法被解釋如下。 之任一或兩者係令人滿意的被控 變化可堆積電荷量的具體的方 根據本發明在第一 佳jui. j ^ 、 幻中，固態影像偵知裝置 K方法包括，在可以控制可堆積電荷量的固態影像偵： 接—攝像週期範圍内，依Q』）及的順序 QH:2，Qsat(n)之切換操作，而控制Q-(1)及 Qsat ( 2 )之堆積模式滿足下式：
Qsat (^1)/t〇)<(Qsat(l) - Qsat (2))/(t(2)-t(D) 其中/sat(i)之堆積模式之完成時間是t(1)，且υ2)之堆 積杈式之完成時間對應於一攝像週期n之結束是。 第9圖s羊細地顯示在這實施例中，在一攝像週期τ 1範 圍内，可堆積電荷量Qsat(n)控制在兩個階段的形式中變 化。第9圖中顯示基板電壓、可堆積電荷量以及實際地堆 積進入光二極體的電荷量Qsat(n)。 第9(a)圖顯示在一攝像週期T1範圍内之基板電壓。 即是’在堆積時間外之週期τ〇，施加固定的或脈衝信 號的遮蔽電壓’因此經由光二極體光電轉換之電荷被清除 進入基板。 在堆積時間t(0)，施加比遮蔽電壓（shutter voltage)低且比旺盛的抑制電壓（suppressi〇n voi tage) 高的基板電壓，因此Qsat (1 )被確定。 然後，在堆積時間t ( 1 )，基板電壓降低，因此比 k
第15頁 451485 五、發明說明（13)
Qsat(l)可堆積電荷量大的Qsat(2)被確定。 同時，在這實施例中，t (1)是一攝像週期之中間點， Qsat ( 2)之堆積模式之完成時間且是一攝像週期之結束之 t(2)滿足對2Xt(l) = t(2)之關係。 進一步地，基板電壓被設定滿足2XQsat(l)〈Qsat(2)之關 係。 因此 ’ Qsat(l)/t(l)<(Qsat(2)-Qsat(l))/(t(2)-t(l))之 條件被滿足。 第9(b)圖顯示在一攝像週期T1範圍内之可堆積電荷 量。 因為在第9(a)圖中基板電壓被規範，可堆積電荷量 Qsat(2)比兩倍的Qsat(i)多〇 第9(C)圖及第9(d)圖分別顯示當照射一大量的光線及 一量小的光線時，堆積入光二極體之電荷量。第9(c)圖例 顯示一少量光線照射，且說明在一攝像週期範圍内沒有^ 載（overflowing)下，電子被堆積進入光二極體之狀態。 另外一方面，第9 (d )圖例顯示照射大量光線，在
Qsat( 1)模式之時間帶，一飽和週期暫時地發生。但是在
Qsat(2)模式之時間帶，即使直到當Qsat(2)模式完成日=之曰± 間t (2) ’光電轉換之電荷未飽和的堆積進入光二極體。τ 與習知裝置之大大相異處是，在Qsat(1 )模^之時門 帶’即使光量帶來飽和，在Qsat(2)之模式中，確 -區域，光量未飽和。 確實地存在 第10圖顯示堆積進入光二極體之電荷量與光量之依广
第16頁 451485 五、發明說明（14) 性。實線表示本發明之筮一 ^ U,, 荷量之間的關係，虛線表_1掩光ΐ與實際地堆積電 迦深表不在可堆積雷益I县—田 情形時，光量與堆積電荷量間的關係。 之 ς, π/矣疋-在在可#隹積電荷量Qsat(n)是固定值的情形下’ S (1)表不一在先二極體達飽和時之最小光量。 之時3:卜：方：：：管比s(1)多的光量，在Qsat(1)之模式 體為飽和想’由於光量比s(l)多且士 S(2)少，在Qsat(2)模式之眭門鹛向 , 夕且比 態。 、式之時間帶内，光二極體未達飽和 同時，對比S(2)多之朵鲁，户。/1 \ 夕雨個眛P1鹛肉丄夕之先里在Q如（1)及Qsat(2)之模式 之兩個時間帶内，光二極體為飽和狀態。 實，和省知裝置比較，動態範圍係可增加的。 同時，SU)在任—範圍内’ s(1)可以 其中5，（υ>δ(ι)必須滿足。然而，經由滿足< u也5又疋 2》a:(l)<Qsat(2)之條件之Qsat⑴及Q邮⑴，s可一地 決定。 根據本發明在第二較佳實施例中’固
=法=如下。在第二實施例中，控制操：LL 同在第-只施例，但是控制的條件些微地與第一實施例不 同。 即是，在這實施财，如第11圖顯示，在-攝像週期 τι範圍β，可堆積電荷量被控制在兩個階段的形式中變 化。第11圖中顯示基板電壓、可堆積電荷量以及實際地堆
45148^ ^__ 五、發明說明（15) 積進入光二極體之電荷量。 第11(a)圖中顯示在一攝像週期T1範圍内之基板電 壓。在堆積時間外之週期T 〇，可以是固定的或脈衝信號的 遮蔽電壓被施加，如第9圖式，因此經由光二極體光電轉 換之電荷被清除進入基板。 在堆積時間t ( 0 ),施加比遮蔽電壓低且比旺盛的抑制 電壓高的基板電壓，因此Qsat ( 1 )被確定。 然後’在堆積時間t ( 1 )，基板電壓降低，因此比 Qsat(l)可堆積電荷量大的Qsat(2)被確定。 - 同時’在本實施例中，t ( 1 )被設定在一攝像週期之中 間點之後的一時間帶，Qsat( 2)之堆積模式之完成時間且是 —攝像週期之終了之t (2 )滿足對2X t ( 1) > t ( 2 )之關係。 進一步地，基板電壓被設定要滿足2Qsat(l)=Qsat(2)之 條件。 因此 ’ Qsat(l)/t(l)<(Qsat(2)-Qsat(l))/(t(2)-t(l))的 條件滿足。 第u(b)圖說明在一攝像週期Ti範圍内之可堆積電荷 量。 因為在第11 (a)圖中基板電壓被規範，在Q (2)之模 式之時間帶比Qsat〇)的要短。
旦第圖及第11(d)圖分別顯示當一大量的光線及一 =H光線照射，堆積進人光二極體之電荷量。第9 (c )圖 m ^ t j)圖顯示一少量光線照射，且在一攝像週期範圍 氏 °栽下’電子被堆積進入光二極體之狀態。
ά51485 五、發明說明（16) 另外一方面，當照射大|止姑一 飽和週期暫時地發生。但是〇 第11(d)圖式），一 夯雷鐮施少步从+从3 在Qsat(2)模式之時間帶中， 先電轉換之電荷未餘和的堆積進 第12圖顯示堆積進入光九一極體 性。實線表示本發明之第；=電荷量與光量之依存 情形時，％41##€^:^積電荷量是一固定值之 尤$興堆積電何罝間的關係。 當光二極體在飽和態時，可' 例下，S，⑴表示最小光量 纟積電何量疋固疋值的實 多的光量’錢at(i)模式之時間帶内，光 —極體為態，由於光量比s⑴多且比§⑴少，在先
Qsat(2上拉主式之時間帶内’光二極體未達飽和態。 之兩：：門：二HS(2) ’在Uim⑴之模式 之兩個時間帶内，先二極體為飽和狀態。 實ΞίϊΓ番(\)ts’（1)之關係，“據第二實施例證 實，與I知裝置比較，動態範圍可以增加。 夕你：時：?⑺T設為任意地，但是經由滿足“⑴”⑴ 之條件之t(l)，s(l)可以唯一地決定。 根據本發明在第齡枯· 4^ & 1 驅動方法係…“㈣知裝置的 Α φ上 你'j从徑制可堆積電荷量的固態影像偵 知裝置中，於一攝像週期範圍内，依QSM ( 1 )、 、
Qsa〆2).....Qsat(n)順序來施行可堆積電荷量Qsat(n)之切 換操作’而當連續的從第一可堆積電荷量(Qsat(1)_〇)切 換至第η可堆積電荷量（Qsat(1)<Qsat(2)〈…〈un))。 451485_ 五、發明說明（17) ' 如第1 3圖詳細地顯示該個實施例，在一攝像週期τ丨範 .. 圍内可堆積電荷量被控制在三個或更多的階段的形式中變 化。第13(a)圖至第13(d)圖中顯示基板電壓用以了解該控 制、可堆積電荷量以及實際地堆積進入光二極體的電荷 量。 第13(a)圖顯示在一攝像週期τι範圍内之基板電壓。 在堆積時間t ( 0 )’施加比遮蔽電壓低且比旺盛的抑制電壓， 高的基板電壓，因此Qsat ( 1 )被確定。 其次’當堆積時間自起始時間t ( 〇 )至t (丨）變動，基 板電壓下降，從而較可堆積電荷量還大的Qsat(2)被 確定。因此’當時間為堆積時間t(m-i)(2 gn)時，基 板電壓下降’因此比Qsadm-D可堆積電荷量還大的Qsat(m) 〇 被確定。 在這實施例中，於一攝像週期範圍内，存在 t(l)-t(2)-t(l)=......= t(in)-t(in-l)=......t(n)-t(n-l)。 對任何整數!11為 了滿足Qsat(m)-Qsat(m-l)<Qsat(m + l)-Qsat(m)的 關係式，基板電壓被確定。 因此，對任何整數m，滿足 (Qsat(m)-Qsat(m-l)V(t(m)-t(m-l) )<(Qsat(m+l)-Qsat(m))/(t (m+1 )-ΐ(πι))關係式。
第13(b)圖顯示在一攝像週期τι範圍内之可堆積電荷 L 量。 丫) 在這實施例中，由於基板電壓如第1 3(a)圖中所示被 碟定了，對任一整數芸n)，維持
第20頁 451485 五、發明說明（18) ^sat ;(ra)-Qsat(m-l)<Qsat(m+1)__Qsat(m)的關係。 第!3(:)圖及第13⑷圖分別顯示# 一大量 少量的光線照射時，堆積進入光二極體之電荷量。第良 顯T/、量光線照射’且在-攝像週期範圍内 >又有超載下，電子被堆積進入光二極體之狀態。 另外一方面，第13(d)圖顯示當昭射大 狳 況。對Qsat(m~l)或之前的模式時 啟/的匱士 地發生。但是，々Η時間帶’一飽和週期暫時 ^ tQsat(n^ ^ iQ；； mi; ^; rr' # ^ 和的堆積進入光二極⑷’光電轉換之電荷未飽 第14圖顯示堆積入朵-权触 性…實線表示在本發ί:;1體之依存 3電荷量間的關係，虛線表際地;; 情形下光量與堆積電荷量間的K隹積電何1疋固定值的 極體1 (和υ時表的示最= ^本實施例中’當基板電壓以 s⑷表示完：-)之關係… 之在Q-(1)模式至‘⑷模式 體為飽和狀態’對比心)多且較 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^Qsat( Ω) ^ ^
立、赏明說明U9)
同時’當光量比S(n)多時，在Ltd)模式至^^(11)模 式之任何時間帶内光二極體為飽和狀態。 同時’ S(l)可以被任意設定在滿足3’（1)>s(1)範圍之 内，但是S(m)(2SmSn)經由唯一滿足
Qsat(n〇-Qsat(m-l )<Qsat(m+l )-Qsat(m)之條件的U2)至q (n 確定之。 sa sat 第14圖中’顯不S(2)>S’（1)之關係，且根據第二實施 例中與習知裝置比較，證明動態範圍係可增加。 更進一步地’在這實施例中與第一及第二實施例比 較，與可堆積電荷量不變化之情形比較動態範圍可以被改 進’且即使當光電轉換效率對光量變化時，這範圍變化量 是少量的且可以設為相似於一連續變化量。因此，可以^ 生一不會帶給眼睛不舒適感覺之影像g 同時，即使當時對一確鑿的整數m而言，如同在 專利範圍第3項中定義， μ
不同於對任何 定義的關係可 π 干人W心和叫一奶队0q饭期待的。然而 可堆積電荷量之變化率之切換點對光量變化變得 少’可能產生帶給眼睛不舒適感覺之影像，不同 整數m而言的情況，在專利申請範圍第3項中定義 以被滿足。
呢取/回恐恐彳冢價知裝 荷量Qsat(n)之切換操 451485 五、發明說明（20) 作去滿足 (Qsat(m)-Qsat(m-l))/(t(m)-t(m-l) )<(Qsat(m+l )-Qsat(m))/(t (m+l)-t(ra))的關係式’對2或比大且比^小的抹整數m或任 一整數m ’ t(m)係自堆積開始至具有可堆積電荷量Qsat(m) 的第m個階段（2 S m S η )堆積模式的結束的一時間，且一攝 像週期之結束時間為t ( η )。 · 在詳細的第四實施例中，在根本上地與第3實施例一 樣，如第15圖顯示，在一攝像週_T1範圍内可堆積電荷量 控制在三個或更多個階段之型式中變化。切換可堆積電荷 量之時間連續性地縮短。 第15(a)圖至第15(d)圖顯示用以了解該控制之基板電 壓’可堆積電荷量以及實際地堆積入光二極體之電荷量。〔 第15(a)圖顯示在一攝像週期T1範圍内之基板電壓。 在堆積時間t ( 0 )，施加比遮蔽電壓小且較旺盛的抑制電壓 大的基板電壓，因此決定Qsat(1)。 然後，當堆積時間自起始時間t(0)至t(l)變動，基板 電壓下降，因此決定具備比Qsat ( 1 )可堆積電荷量大之
Qsat(2) » 因此’當堆積時間為t(m-時，基板電壓 下降’因此決定具備比Qsat( m-Ι)可堆積電荷量大之
Qsat(n〇。 广 在這實施例中，在一攝像週期範圍内， v t(l)>t(2)-t(l)>......>t(m)_t(m-i)>.....>t(n)-t(n-l) 獲得。決定基板電壓係為了滿足對任何整數[11之
第23頁 451485 五、發明說明（21)
Qsat(m)-Qsat(m-1 )=Qsat(m+1 )-Qsat(m)之關係式。 因此’對任何整數m，須滿足 (QSat (πι) - Qsat (m-l))/(t(m)-t(m-l) )<( Qsat (in + 1 )-Qsat(m))/(t (m+l)-t(m))之關係式。 第15(b)圖顯示在一攝像週期τΐ範圍内之可堆積電荷 量。 在這實施例中，因為基板電壓如第1 5 (a)圖所示被決 定’對任一整數m (2$πι^η)而言，維持 Qsat(m) — Qsat(m_ 1 ) = Qsat(m + 1 )- Qsat(m)之關係0 - 第1 5 ( c )圖及第1 5 ( d )圖分別顯示當光量大及光量小時 堆積進入光二極體之電荷量。第15(c)圖顯示光量小的情 形’且顯示在一攝像週期範圍内未超載下電子堆積入光二 極體之條件。 另外一方面’第15(d)圖顯示光量大的情形。在
Qsat (m-1)或之前的模式之時間帶中，一飽和週期暫時的發 生。但是，在Qsat(m)或之後的模式之時間帶中，即使直到 當Qsat(n)模式的時間結束’光電轉換的電荷未飽和地堆積 進入光二極體中。 第16圖顯示堆積進入光二極體之電荷量對光量之依存 性。實線表示在本發明之第三實施例中實際地堆積電荷量 與光量間之關係’以及虛線表示在可堆積電荷量是一固— 的情形時堆積電荷量與光量間之關係。 & S’ 〇)表示在可堆積電荷量是一固定的情形下，光二 極體為飽和態時的最小光量。
451485 --------------- 五、發明說明（22) 在這實施例中’當基板電壓以η階段型式變化時，光 量變化對可堆積電荷量之變化率有（η _丨）個切換點，以及 維持S(1)<S(2)< ......<S(m)< ......<S(n)之關係，其中s(n) 表示一攝像週期之完成時間。 儘管對一光量比S(m)多而言’在Qsat(1)至Qsat(m)模式 之任何時間帶内光二極體為飽和態，對一光量比s(m)多又 比S(m+1)少而言，在Qsat(m+1)至Qsat(n)模式之任何時間帶 内光一極體為非飽和態。 同時，對光量比S(n)多而言，在Qsat(1)至Qm(n)模式 之任何時間帶内光二極體為飽私態。 同時’第16圖中的S(l)至S(n)被造成是相等於第9圖 中的S(l)至S(n)。然而，事實上，s(n)可以被任意地設 定’但是經由唯一滿足在任何2各之m的 Um + D-tCmXUnO-Um-l)條件下確定S(m)(1 。 根據這第四實施例，與習知裝置比較動態範圍可以捭 加係證實的。 s 進步地，與第一及第二實施例比較，在這實施例 中，與可堆積電荷量不變化之情形比較時動態範圍是可以 改善，即使當光電轉換效率隨光量變化時，範圍的變化是 小的以及可以被設定相似於連續性的變化。因此，可以 生木會帶給眼睛不舒適的感覺之影像。 根據本發明在第五較佳實施例中驅動固態影像摘知 置之方法說明如下D在第. _ 秩 曰 下在弟五_施例中，在可以控制可堆積 電何篁的固態影像偵知裝置中，可堆積電荷量被控制在—
第25頁 五、發明說明（23) =期J圍内連續性的變⑶，且在一攝像週期範 堆積電荷量之變化率被控制要滿足d(QsM)/dt>〇。 在詳細的第五實施例中，可堆積^荷 控 像週期T1範圍内做連續性地變化。 &制在攝 第17(a)圖至第17(b)圖顯示用以理解該控制之 座、可堆積電荷量以及實際地堆積 咕Λ , 声很八尤一極體地電荷量。 第17(a)圖顯示在一攝像週期η範圍内之基板電壓。 f堆積時間，％加比遮蔽電壓低且比旺盛的抑制電壓 基板電壓，因此基板電壓漸漸地下降。 、 ^即，從堆積開始的堆積時間tl可堆積電荷量 在一攝像週期T1範圍内被確定。 ^sat ^ ; (: 而且，基板電壓被設定在任意1下要滿足 djQ t(t))/dt>0 以及d2(Qsat(t))/dt2>〇，從堆 攝像週期T1之結束時間。 $始主 旦第17(b)圖顯示在一攝像週期T1範圍内的可堆積電荷 里0 在這實施例中，由於基板電壓已如第17(& 可堆積電荷量沿著一連續曲線其以凸面向下(之圖无疋’。 第17(C)圖及第17(d)圖分別顯示當光量大及 堆積入光二極體内的電荷量。如所示，對光量大，雨上 :言’直到—些堆積時間電子為飽和態。然而，在對少： ^照之堆積時mi後以及繼tl後做大量光照之堆時里 後，光電轉換的電荷未為飽和態的堆積入 ^ 一攝像週期之完成時間。 尤一極體内直到
第26頁 451485 五、發明說明（24) ~~~'— 第18圖顯示堆積入光二極體内之電荷量對光量的依存 性。實線表示在這發明之第三實施例中光量及實際地堆積 電子量之間的關係，以及虛線表示在可堆積電荷量是固定 值的情形中光量及堆積電荷量之間的關係。 在這實施例中，當基板電壓連續性地變化為了滿足 d(Qsat(t))/dt>0 以及d2(Qsat(t))/dt2>0，光量之變化對應 堆積電荷量沿著一連續的曲線其以凸面向上之形式增加。 雖然對比S (m)多的光I ’在時間帶中光二極體係飽和 態直到一些堆積時間tm(tm<tn)當s(m)<s(n) 一對一對應於 這m ’但比s(m)多的且比S(tp)少的光量，光二極體係非飽 和態。 同時’對比S( tp)多的光量而言，在一攝像週期範圍 : 内光一極體係一直為飽和態。 同時’S(tp)可以任意的設定，但實際光量之變化對 應堆積電荷量所表示之曲線唯一經由Qsat ( t ) ( 0 S S p )決 定’其滿足d(Qsat(t))/dt>0 以及 d2(Qsat(t))/dt2>〇 對滿足Ο S t<p之任何t。 根據逭第五實施例證實，與習知裝置比較動態範圍係 可以增加。 更進一步，與第四實施例比較其中可堆積電荷量不連 續^地變化，在這實施例中，即使當光電轉換效率隨光量j) 變化時’它的變化量出現連續性地。因此，可以產生不會 帶給眼睛不舒適感之影像。 如同第五實施例之修正，在全部或部分之一攝像週期
第27頁 451485 — 五、發明說明（25) 内係可以預期的，控制可堆積電荷量使得二次變化率滿足 d2(Qsat(t))/dt2>0。 同時，即使當二次變化率不滿足在這實施例中的控制 條件 d2(Qsat(t))/dt2>0，以及滿足 d2(Qsat(t))/dt2 = 0 從一 些堆積時間t (m)直到t(n)，與可堆積電荷量不變化的情形 相比較動態範圍可以增加是可以預期的。更進一步地，即 使當光電轉換效率隨光量而變化，它的變化量連續性地出 現。因此’可以產生不會帶給眼睛不舒適感覺之影像。 然而’在週期中的t(m)至t(n)，對t(m) —對一對應於 比S(m)多的光量而言，，光二極體^總是在飽―和態。 士再者，當d2(Ut))/dt2<0在週期中的t(m)至t(n) =，對光量而t，光電轉換效率變成不連續的以及產生帶 給眼睛不舒適感的影像。 更進一步地，在這實施例中，基本的 -攝像週期開始之前堆積於電荷堆積裝 為零。在第17(a)圖及第17(b)圖山占 可里大體成 中’在這有關的一攝像週期開始之：„示之！形 故其堆積進入電荷堆積襞置中 堆積電荷量， 即是，在上述的實施例中二=置加至零。 起始點t(°)零電荷堆積入電荷堆；事：：的：攝像週期之 消散的可能。目為在該時間點堆積：ϊ ! ’堆積電荷量有 響人視覺感官，可能帶給眼睛 Z €何1之消散強烈的影 該問題’可要求既定的電荷，感。因此’為了解決 例如’把既定的電荷堆入電r 2堆積骏置。 可積裝置且使既定的電
45148^ 」_ 五、發明說明（26) 荷量維持可用的。 如此’在該實施例中’在一攝像週期的起始點，基板 電歷一階段地不連貫的下降如第17(a)圖的虛線所示。 根據本發明在第一至第五實施例，經由在光電轉換部 中具有一傳統使用於CCD型固態影像偵知裝置之縱向〇FD結 構之基板電壓之變化’使可堆積電荷量變化。然而，自第-一至第五實施例之方法也可以類似地用於具橫向〇F D結構 . 的光電轉換部中。其說明如下。 第19(a)圖是一剖面圖顯示一傳統使用kCM〇s型的固 態影像彳貞知裝置之光電轉換部。它包括一 p-半導體基板 221、一P半導體區域222、一 P+半導體區域223 ' —N半導 體區域224、一半導體區域225、一重置電晶體（reset 〔 transistor)211、一驅動電晶體（drive transistor)212 以及一用於源追縱電路（source f〇n〇wer circuit)之選 擇電晶體（selection transistor〇213。 首先如第19(b)圖所示，經由提供一電壓VHg至重置電 晶體211中’在一攝像週期之前重置不必要的電荷，在重 置電晶體211下的電位加深，且η型半導體區域2 24之電位 被設在電源電壓（power-source voltage)VDD。 然後’如第1 9 (c)圖所示經由施加一電壓V B g於重置電 晶饈21 1 ’ 一光電轉換部2 〇 1根據照射光量開始堆積信號電 荷’以及旺盛的控制被導通因此不可以堆積在光電轉換部 201地多餘電荷被遷移至利用縱向〇FD結構施加電源電壓 VDD之n+型半導體基板205中。
第29頁 451485 五、發明說明（27) 因此，經由電壓VBg決定可堆積電荷量。所以，在一 攝像週期範圍内經由改變VBg，可堆積的電荷量可以被任 意的控制。 如上所述，固態影像福知裝置i可包括複數光電轉換 部，在一既定時間根據照射光量來堆積信號電荷以及且有 縱向OFD結構’且該縱向OFD結構係經由基板電壓來控 位憂，將多餘電荷移除至一基板而控制可堆積電荷量。並 且’固態影像侦知裝置1可包括複數光電轉換部，在一既 定時間根據照射光量來堆積信號電荷以及具有經由橫向 OFD結構，且該橫向OFD結構係經閉極電壓來控制電位晶 (potentiai barrier)，將多餘電荷移除至鄰近擴散層^ (diffusion layor)而控制可堆積電荷量。 並且，這發明的另一形態係一記錄媒體，立 利用電腦導通固態影像偵知裝置驅動方法之^ 子' 發明優點 ° ^士，述，根據本發明，當在一攝像週期範圍内可堆 段；形式變化時，與可堆積電荷量遍及- 攝象週期：氩化之情形比較動態範圍可以明確地改進。 連續ίί:Γ也* 量在多於兩階段之形式不 0 可轉換效率隨光量變化，它 .π立，了以被没定成相似於連續性的變化。因 此，可以產生不會帶眼睛不舒適感的影像。
4 5148 5 五、發明說明（28) 更進一步地，當可堆積電荷量連續性的變化時，與積 蓄電荷量不變化之情形比較動態範圍可以明確的改進。此 外，與積蓄電荷量不連續性地變化之情形比較，即使當光 電轉換效率隨光量變化時，它的變化量連續性的發生。因 此可以產生不會帶給眼睛不舒適感的影像。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第31頁

Claims (1)

  1. 4 51485 六、申請專利範圍 C —種固態影像偵知裝置，包括： 複數铺知裝置，以矩陣形式排列； 電荷堆積裝置，連接於該偵知 知裝置產生之電荷； 裝置且堆積自該偵 —可i隹積電荷調節裝f， 積電荷量；以及 凋即该電何堆積裝置之可堆 ’控制該可堆積電荷調節裝置； 電荷像=範圍内以及在該控制裝置之可堆積 'v ) 列中連續性地或非連續性地變化。堆積電荷里成時間序 其中^如申請專利範圍第i項所述的固態影像镇知裝置， 該偵知裝置係選擇自CM0S偵知 型偵知裝置中之一者。 衣直及縱向超載溢出 其中3:如申請專利範圍第】項所述的固態影像偵知裝置， I堆積電荷量被控制成在—攝像週 序列中漸漸地增加。 莉•固pg於和間 所述的固態影像偵知裝置， t如申請專利範圍第1項 其中： :J制裝置被構成’當可堆積電荷量變 裝置之基板電壓或構成該偵知 2該偵知 體之閘極電壓作變化。 、 出裝置之電晶 5:如申請專利範園第1項所述的固態影㈣知裝置，
    451485 六 申請專利範園 進一步包括： 複數光電轉換部，在一 ^ 信號電子以及具有縱向〇1^钟又時間根據照射光量來堆積 以基板電壓來控制電位壘、σ構’且該縱向OFD結構係經由 制可堆積電荷量。 將夕餘電荷移除至一基板而控 項所述的固態影像偵知裝置 6ν·如申請專利範圍第j 進一步包括： 複數光電轉換部，在一 信號電子以及具有經由橫向時間根據照射光量來堆積 經閘極電壓來控制電位^ : 匕結構，且該橫向0FD結構係 層而控，制可堆積電荷量。’夕餘電-荷被移除至鄰近擴散 7.如申請專利範圍第丨項 其中： 7魂的固態影像偵知裝置， 該控制裝置控制可堆積雷 知裝置之既定可堆積電荷量^ f成在一攝像週期和該偵 或非連續性地變化D 置範圍内在時間序列中連續性地 8 * 種固態影像偵知獎番ΑΑ βτ«· 知裝置包括：#數偵知襄J動方法，該固態影像偵 胜© 、*社& > 置以矩陣型式排列；電荷堆積 = ;偵知裝置及堆積自該偵知裳置產生的電 :二：堆積電荷調節裝i，調節該電荷堆積裝置之可堆積 電何里，以及控制裝置，控制該可堆積電荷調節裝置；驅 動方法包括以下步驟： 在一攝像週期範圍内以及在該偵知裝置之可堆積電荷 之既定量内，經由該控制裝置控制可堆積電荷量於時間序
    451485
    列中連續性地或非連續性地變化。 態影像偵知裝置的 %‘如申請專利範圍第8項所述的固 驅動方法，其中： 在可以控制可堆積電荷量的固態影像偵知裝置 一，，週期範圍内依Qsat(1 )及I〆”的順序來施行可積 換操作’而”L⑴及Κ2)之堆積模式滿 足下式· Qsat ( 1) /1 (1) < (Qsat (1 ) _ Qsat (2))/(t(2)-t(l)) 其中Q^at(l)堆積模式之完成時間是t(1) ’且1彳2)堆積模 式之完K成時間對應於一攝像週期τ丨之終了為t ( 2 )。 1 0.如申請專利範圍第8項所述的固態影像偵知裝 驅動方法，其中： 在可以控制可堆積電荷量的固態影像偵知裝置中，於 —攝像週期範圍内，依Qsat(1)、Qsat(2).....Qsat(n)的順、 序來施行可堆積電荷量之切換操作，而連續地從第—可堆 積電荷量（Qsat(l)10)切換至第^可堆積電荷量，其中滿足 卩如（4)〈9如（2)〈…Qsat(n)。 11.如申請專利範園第丨〇項所述的固態影像偵知裝置 的驅動方法，其中： 可堆積電荷量之切換操作被控制去滿足下列關係： Qsat(m)-Qsat(ra-1 ) V(t(m)-t(m-l))<(Qsat(m+l)-Qsat(m))/( t( m+1)-t(m) 對2或比2大且比n小的某整數m或任一整數m，t (m)係 自堆積開始至具有可堆積電荷量Qsat ( m)的第m個階段（2 ^ m
    第34頁 451485 案號 88115571 3ύ 六、申請專利範圍 _______ 各n)堆積模式的結束的一時間， 為t(n)。 ’且一攝像週期之結束時間 12. 如申請專利範圍第8項 驅動方法，其中： 建的固態影像偵知裝置的 在可以控制可堆積電荷量 堆積電荷量被控制在一攝像週期知裝置中的可 在-攝像週期範圍内控制可堆： 且 d(Qsat)/dt>〇。 檟冤荷量之變化率要滿足 13, 如申請專利範圍第以項 的驅動方法，其中·· k町匕恶影像偵知裝置 在王邛或部分之一攝像週期内，將可堆穑雷科至私斗 成二次變化率滿足d2(Qsat(t))/dU>Q。 "里控制 驅動1方4·法如中專利範圍第8項所述的固態影像偵知髮置的 I胃ί ί該相關的一攝像週期剛開始之前堆積於電荷堆穑 裝置的電荷量大體成為零。 订隹積 15.如申請專利範圍第8項所述的固態影像 驅動方法，其中： 艰*哀置的 的雷ΐ Ϊ相關的一攝像週期開始之前堆積於電荷堆積裝置 ν何量被加-入既定的電荷量。 ' 固~種記錄媒體，其用以儲存程式進而使電腦勃；r 偵知裝罾 足l枯.複數 知裝置ί秘 陣型式排列；電荷堆積裝置，連接至該偵 、 隹積自該偵知裝置產生的電荷；可堆積電荷調節 1485 . _案號88115571_年月日__ 六、申請專利範圍 裝置，調節該電荷堆積裝置之可堆積電荷量；以及控制裝 j置，控制該可堆積電荷調節裝置；該記錄媒體包括以下步i I m - I I 在一攝像週期範圍内以及在該偵知裝置之可堆積電荷 之既定量内，經由該控制裝置控制可堆積電荷量於時間序 列中連續性地或非連續性地變化。
    2157-2773-PFl-ptc 第36頁
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