TW595217B - Amplification type solid-state image pickup device - Google Patents

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Description

(1) 玖、發明說明' (發明說明應敘明：發明所屬之技 先前技術 術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明)
本發明關於一種放去H …α 人型固態影像拾取裝置。 以在’罾提出一放去 I厂丄 人型固態影像拾取裝置，其具有一像 素區域，即各像素有— ^ 保
玫大功能，及提供於像素區域周侧 之掃描電路，其中傻I次 J 〜 言貝料係由掃描電路讀取。在其他技 術中’已知有-APSU動像素感測器）型影像感測器，係由 MOS、、且成其有利於像素區域與其周側驅動電路及信號 處理電路之積合。 針對APS型影像感測器，必須在一像素内提供一光電轉 換部、一像素選擇部及一重置部，典型上，光電轉換部係 由一光二極體（PD)構成、且放大部、像素選擇部及重置部 利用三至四個MOS電晶體（τΓ)實施。
圖5揭示一 APS型影像感測器之結構，其係PD+3Tr型且使 用一光二極體（PD)及三MOS電晶體（Tr)，此PD + 3Tr型例如 揭露於Mabuclii et al·，，，A 1/4 Inch 330k Pixel VGA CMOS
Image Sensor” (Technical Report of the Institute of Image Information and Television Engineers，IPU’97-13，March， 1997) 〇 請參閱圖5，參考編號201表示一放大用MOS電晶體，202 表示一重置用M0S電晶體，203表示一像素選擇用MOS電晶 體，204表示一做為光電轉換裝置之光二極體，205表示一 信號線，206表示一電力供給線，207表示一像素選擇時脈 線，280表示一重置時脈線。像素選擇用M0S電晶體203之
595217 閘極係透過像素選擇時脈線2〇7而由一垂直掃描電路221驅 動’再者，重置用MOS電晶體202之閘極係透過重置時脈線 280而由一垂直掃描電路222驅動。此外，一使用做為一恆 定電流負載之MOS電晶體230(閘極偏壓電壓·· VG)連接於信 號線205，且信號線205之一輸出電壓係透過一放大器（放大 用MOS電晶體）231及一 MOS電晶體232而讀至一水平掃描 線23 6。MOS電晶體232透過一水平時脈線235而由一水平掃 描電路234驅動，一使用做為一恆定電流負載之M〇S電晶體 233(閘極偏壓電M : VLZ)連接於水平信號線236，且水平信 號線236之一電壓係由一放大器237放大，以利輸出做為一 信號OS。 在圖5所示之放大型固態影像拾取裝置中，假設用於導通 重置用MOS電晶體202之下方閘極通道電壓為φ rh，且重置 汲極電壓為一電力供給電壓VDD，且假設
Vdd < Φ RH ’ 接著，如圖6所示，當重置用MOS電晶體202導通時，光二 極體204之電壓重置於電力供給電壓VDD，惟，重置用M〇s 電晶體202切斷後，光二極體204發生由以下等式中之電子 數表示之重置雜訊為： △ Nrn =(/ kTCp)/q ...(1) 其中k為Boltzmann’s常數，T為絕對溫度，Cp為光二極體2〇4 及一鄰接區域之電谷’及q為基本電荷。由以上等式（1)可 知，重置雜訊ΔΝηι取決於電容Cp，且隨著電容Cp增大而增 大。在以下之說明中’利用此一重置用M0S電晶體2〇2重置 595217
(3) 光二極體204電壓係定義為一”硬重置操作”。 如圖5所示，除了光二極體204本身之電容，由於電容CP 包括重置用MOS電晶體201之閘極電容及諸電容之一互連 電容，故其難以減低重置雜訊△ Nrn，亦即，在圖5所示結 構之例子中，重置雜訊△ Nrn成為一大問題。 因此，如上所述之一種減低重置雜訊之方法，其提出文 後所述之’’軟重置操作”重置雜訊減低法（Bedabrata Pain et al.，Analysis and enhancement of low-light-level performance of photodiode-type CMOS active pixel imagers operated with sub-threshold reset,IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensors 1999，ρ·140)。 圖7揭示在此軟重置操作期間像素區域内之電位關係，文 後，軟重置操作即參考於圖7而闡釋之，請注意在此例子中 之放大型固態影像拾取裝置係相似於圖5之放大型固態影 像拾取裝置之結構，除了操作計時外。 請參閱圖7，當重置用MOS電晶體202導通時，若下方閘 極通道電壓d\RH滿足以下關係 Φ RH < VDD ’ 接著光二極體204之電壓重置於下方閘極通道電壓①^周 圍之一次臨界區域，在此例子中，光二極體204發生由以下 等式中之電子數表示之軟重置雜訊： △ Nsr =(，kTCP/2)/q ...(2) 亦即，在此軟重置操作中，以電子數表示，雜訊減少至 /1T7TJ=0.71倍於等式（1)例子中之硬重置操作者。 595217
(4) 惟’若圖7中重置用MOS電晶體202之汲極電壓固定於電 力供給電壓VDD，由於光二極體204之電壓因為重置用M〇s 電晶體2 0 2閘極處之次臨界電流漏泡而未固定，因此發生影 像固定之問題。 因此，為了避免此問題，以往曾提出在軟重置操作之前 先執行硬重置操作，亦即，在軟重置操作之前，重置汲極 電壓設定為一電壓值（vDD_ △ φ m)，其小於下方閘極通道電 壓Φ rh。結果，由於光二極體204之電壓固定於（vDD-A φ m) ’所以因次臨界電流漏泡而變動之光二極體2 〇4之電壓即 在每一儲存週期做固定地設定，因此不發生影像固定之問 題。在此例子中之電路圖揭示於圖8内，其計時圖則揭示於 圖9A至9H内。 請參閱圖8,參考編號3〇1表示一放大用MOS電晶體，302 表示一重置用MOS電晶體，303表示一像素選擇用MOS電晶 體，304表示一光電-轉換用之光二極體，3〇5表示一信號線 ’ 307表示一像素選擇時脈線，及3 1 〇表示一電力供給線， 供放大用MOS電晶體及重置用MOS電晶體之汲極連接，且 水平地延伸成像素陣列之列單元，一重置汲極電壓Vp(i)透 過電力供給線310而施加於重置用MOS電晶體302之汲極。 另者’參考編號3 80表示一重置時脈線，供重置用m〇s 302 電晶體之閘極連接，且水平地延伸成像素陣列之列單元， 一重置閘極電壓RS(i)透過重置時脈線380而施加於重置用 MOS電晶體302之閘極。 重置汲極電壓VP(i)係由MOS電晶體311、312及一脈衝 (5) (5)595217
VPo⑴變化於二’位準之間’亦即，當脈衝vp。⑴在低位準時 ，MOS電晶體311導通，使重置汲極電壓vp⑴成為 VP(i) = VDD 另方面，當脈衝VPo⑴在高位準時，M〇s電晶體311切斷， 使重置汲極電壓VP⑴低於電力供給電壓Vdd有M〇s電晶體 312之一電壓降△ (Dm，成為 VP(i) = Vdd-Δ Φ m 且生成之重置汲極電壓VP(i)施加於電力供給線31〇，用於 諸操作之計時揭示於圖9A至9H内。 凊參閱圖9A至9H，在重置閘極電壓RS⑴保持於高位準期 間之-重置週期（Tu + T12)内，在其第一半週期τ"内之重置 汲極電壓VP(i)成為 vp(i) = Vdd-A Φ m 其中可確定
VDD- Δ Φ m < Δ Φ RH 容許光二極體304之電壓固定於（VDD-A(I)m)，亦即，執行 硬重置操作。.
其次，在第二半週期丁以内，重置汲極電壓vp(i)成為電力 供給電壓Vdd，設定下方閘極通道電壓φ rh VDD 容許執行軟重置操作。 惟，藉由圖8及9A至9H中所示”硬重置操作至軟重置操作 π之雜訊減低法，儘管避免了影像固定，且以電子數表示， 重置雜訊最多僅減少至正常硬重置操作者之〇 71倍，如等 595217
(6) 式（2)所示，此不—足以用於高影像品質之影像感測器。 據此，本發明之一目的在提供一種放大型固態影像拾取 裝置，其可用一極單純結構以大幅減少重置雜訊。 發明内容
為了達成上述目的，依本發明所示，其提供一種放大型 固態影像拾取裝置，具有一由複數個像素構成之陣列，各 像素包含：一光電轉換裝置；一信號放大用MOS電晶體， 用於放大儲存在光電轉換裝置内之信號電荷；一重置用 MOS電晶體，用於重置儲存在光電轉換裝置内之信號電荷 ;及一像素選擇用MOS電晶體，用於選擇一由信號放大用 MOS電晶體放大之信號，其中 在重置用Μ 0 S電晶體導通且維持期間之一重置週期包含 一第一週期、一第二週期及一第三週期，
放大型固怨影像拾取裝置進一步包含控制組件，用於執 行控制操作，其中在第一週期期間，重置用M〇s電晶體之 汲極電壓導通且維持於一低位準狀態，同時重置用m〇s電 晶體之閘極電·壓設定為一第一電壓；在第二週期期間，重 置用MOS電晶體之汲極電壓導通且維持於一高位準狀態， 同時重置用M〇s電晶體之閘極電壓維持於第一電壓；在第 三週期期間，重置用MOS電晶體之汲極電壓維持於高位準 狀態，而重置用M0S電晶體之閘極電壓設定為一第二電壓 且比第一電壓高出一指定電壓。 藉由此結構，在第一週期期間，重置ffiM〇s電晶體之汲 極電壓變成低位準狀態，j_t置用M〇s電晶體之閑極電壓 -10- 595217 ⑺ 由控制組件設定為第一電愿 闵卜 mm〜 ’因此7^電轉換裝置之電壓重 置成低位準狀悲之汲極電壓。在後續之第二週期期間，重 置用MOS電晶體之汲極電壓變成高位準狀能，且重置用 ==::!極電壓維持於第一電壓，因此光電轉換裝 ^之^重置成下方閘極通道電壓。此外，在第三週期期 間，重置用Μ 0 S電晶體之汲極電▼维牲 双控电&維持於尚位準狀態，而 重置用刪電晶體之閘極電壓設定為第二電壓且比第一電 壓向出指定電壓，纟中下方閘極通道電 指定電壓之程度，因此電荷注人光 卞α、 7’八尤電轉換裝置且光電轉換 裝置之電壓重置成上昇之下方閘極通道電壓。結果，因為 此重置操作所致之雜訊即大幅減少。 另者，在-實施例中，假設指定電壓為Δν，可滿足以 下條件 Δ kT/(2q) (其中k為B〇ltzmann，s常數，τ為絕對溫度及q為基本電 荷）。 依此實施例所示，指定電壓Δν設定為一大於饤/(2…之 值’藉此得以實施大幅減少雜訊，例如假設 △ V= kT/(8q)， 接著以電子數視之，生成之雜訊可減小至硬重置操作者之 〇·35倍及軟重置操作者之〇.5倍。 另者，在一實施例中，當重置用M〇s電晶體之閘極電壓 為第一電壓時，若生成之重置用M〇s電晶體之下方閘極通 道電壓假設為Φ RH，則在高位準狀態中之重置用M〇s電晶
體之汲極電壓即-較高於重置用MOS電晶體之下方閘極通道 電壓φ RH，且在低位準狀態中之重置用MOS電晶體之汲極 電壓係較高於重置用MOS電晶體之下方閘極通道電壓φ RH。 依此實施例所示，在其高位準狀態中之重置用MOS電晶 體之汲極電壓設定為一電壓，且較高於重置用MOS電晶體 之下方閘極通道電壓φΚΗ，因此光電轉換裝置之電壓可在 第二及第三週期期間重置成下方閘極通道電壓φ rh。再者 ’在其低位準狀態中之重置用MOS電晶體之汲極電壓設定 為一電壓，且較低於重置用M〇S電晶體之下方閘極通道電 壓〇rh’因此光電轉換裝置之電壓可在第一週期期間重置 成一低於下方閘極通道電壓φ RH之電壓。 另者’在一實施例中，複數個像素排列成一陣列且其中 控制組件包含： 一第一掃描電路，供複數個像素之重置用M〇s電晶體之 /及極以一列為基礎之方式連接於此，且其用於以逐列方式 先後施加一雙位準脈衝驅動電壓至重置用MOS電晶體之汲 極；及 . 第一掃描電路，供複數個像素之重置用M〇s電晶體之 閘極以一列為基礎之方式連接於此，且其用於以逐列方式 先後施加一位準脈衝驅動電壓至重置用Μ 0 S電晶體之閘 極。 依此貫靶例所示，藉由供複數個像素之重置用m〇s電晶 體之;及極以列為基礎之方式連接於此之第一掃描電路， 又位準（低位準狀態及高位準狀態之電壓）脈衝驅動電壓 -12-
595217 以逐列方式先後-施加於重置用MOS電晶體之汲極。藉由供 複數個像素之重置用MOS電晶體之閘極以一列為基礎之方 式連接於此之第，一抑*描電路’一二位準（低位準電壓、第一 電壓及第二電壓）脈衝驅動電壓以逐列方式先後施加於重 置用MOS電晶體之閘極。結果’排列成一矩陣之複數個像 素之光電轉換裝置之電壓可以以逐列方式先後重置。 另者，在一實施例中，放大用MOS電晶體及像素選擇用 MOS電晶體係相互串聯，放大型固態影像拾取裝置進一步 包含： 一信號線，供串聯之放大用MOS電晶體與像素選擇用 MOS電晶體二端中之一端連接於此； 一電力供給線，供串聯之放大用MOS電晶體與像素選擇 用MOS電晶體二端中之另一端連接於此；及 一第三掃描電路，供像素選擇用M〇S電晶體之閘極以一 列為基礎之方式連接於此’且其用於以逐列方式先後施加 一三位準脈衝驅動電壓至重置用MOS電晶體之閘極。 依此實施例·所示，儲存於光電轉換裝置内之信號電荷即 由連接於電力供給線之放大用MOS電晶體放大。此外，藉 由供像素選擇用MOS電晶體之閘極以一列為基礎之方式連 接於此之第二掃描電路，一脈衝驅動電壓以逐列方式先後 施加於像素選擇用M0S電晶體之閘極。因此，由放大用M〇S 電晶體放大之信號電荷可以透過已選定及導通之像素選擇 用MOS電晶體以讀至信號線。 實施方式 -13-
595217 文後，本發咐之放大型固態影像拾取裝置即藉由配合圖 式中揭示之實施例詳細說明於後。 以下之闡釋係提出於使用n型通道MOS電晶體之例子中 ’惟’相同之闡釋可應用於使用ρ型通道MOS電晶體之例子 中’所不同的是電壓之極性相反。 (第一實施例） 圖1 Α係一視圖，揭示本發明第一實施例之一放大型固態 影像拾取裝置之一像素之電路結構，及圖丨B係一電位圖， 揭示像素之電位關係。 如圖1A所示，像素具有一放大用m〇S電晶體1、一重置 用MOS電晶體2、一像素選擇用MOS電晶體3、及一做為光 電轉換裝置之光二極體4。 在依上述建構之放大型固態影像拾取裝置之像素中，如 圖1B所示，重置用M〇s電晶體2之閘極電壓係以三步驟改 變’亦即，下方閘極通道電壓與低位準之重置用MOS電晶 體2之閘極電壓假設為φ rl，下方閘極通道電壓與高位準1 之重置用MOS電晶體2之閘極電壓假設為φ RH1，及下方閘 極通道電壓與高位準2(>高位準丨）之重置用m〇s電晶體2 之閑極電壓假設為φ RH2，在此假設 Φ RH2 -Φ rhi = Δ Φ 再者，重置用MOS電晶體2之汲極電壓係以二步驟改變，亦 即，用於高位準之重置用MOS電晶體2之汲極電壓假設為一 電力供給電壓VDD，而用於低位準者則假設為Vl，在此假 设電力供給電壓VDD較高於下方閘極通道電壓φ 且1 -14- 595217
⑼ 較低於下方閘極通道電壓ΦκΗ1。本發明之特徵在光二極體 4之重置操作係以二步驟實施，重置操作現在即說明於後。 首先，由於重置用M0S電晶體2之閘極設定於做為^第— 電壓之高位準1(在此例子中，下方閘極通道電壓， 重置汲極電壓降低至Vl，且光二極體4硬重置至第一週 期）。 其次，由於重置用MOS電晶體2之閘極仍在高位準！，重 置汲極電壓回復到電力供給電遷Vdd，且光二極體4軟重置 至：方閘極通道電壓(Drhi周圍之子臨界區域(第二週期）。 取後，由於重置汲極電壓仍在電力供給電壓，重置用 MOS電晶體2之閘極改變至高位準2(其下方閘極通道電. Φ^Φ_+Δφ)，藉此執行一第二軟重置操作（第三週期 )。在，第三週期中已昇高△①之重置用_電晶體之間極 電壓貝際上4於電荷△ Q，係由以下代表 △ Q =△ Φ · Cp 其已注入光二極體4’隨後立即開始過量電荷之放電，亦即 ，在此第三遇期中，其等於在少量電荷注入後執行軟重置 操作。請注意電容Cp為光二極體4及一鄰接區域之電容，且 文後所使用之符號定義係相同於等式⑴内者。 據此，因為此操作而發生之雜訊可以表示如， 一代表值如 设 △ Φ =(kT/q)/a 係用於一較簡單之關經 如 a 門早之闡釋。在《 >2之例子中，因為第二軟重 置#作而發生於光二極體4之雜訊係由以下等式中之電子 -15- 595217
(12) 婁丈表示（Bedabrala Pain et al·，Analysis and enhancement of low-light level performance of photodiode-type CMOS active pixel imagers operated with sub-threshold reset, IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensors 1999, p.140): △ Nsr2 =/ (Δ Φ CP /q) =/ (kTCp/α )/q ...(3)
在此等式（3)與等式（2)之比較中，將α設定為一大於2之 值即可使本發明比先前技術之軟重置操作者減少雜訊至一 較大程度。例如，令a =8，則以電子數表示之雜訊可以減 少至0.35倍於硬重置操作者，及〇·5倍於軟重置操作者。 此外，在室溫時，由於 (kT/q) = 26mV 假設a = 8，則 Δ Φ =3mV 生成之值為下方閘極通道電壓，等於正常CMOS製程中一 大約4mV之閘.極電壓。
圖2係一視圖’揭示一使用圖1 a所示像素之放大型固態 影像拾取裝置之電路結構，請參閱圖2，參考編號丨表示一 放大用M0S電晶體’2表示一重置用M0S電晶體，其源極連 接於放大用M0S電晶體1之閘極，3表示一像素選擇用m〇s 電晶體，其沒極連接於放大ffiM0S電晶體1之源極，及4表 不一做為光電轉換裝置之光二極體，其陰極連接於放大用 M0S電晶體1之閘極而其陽極則接地，即放大用M〇s電晶體 -16- 595217 (13) 1、重置用MOS電晶體2、像素選擇用M〇s電晶體3及光二極 體4構成一像素。此放大型固態影像拾取裝置備有排列成一 矩陣之複數個像素（圖2中僅示其中一者），放大用M〇s電晶 體1、重置用MOS電晶體2及像素選擇用M〇s電晶體3皆為n 型MOS電晶體。 再者，參考編號5表示複數信號線Vsig(j)，供像素選擇用 MOS電晶體3之源極成行地連接於此，6表示複數電力供給 線，供放大用MOS電晶體1之汲極成行地連接於此且連接於 電力供給電壓VDD，7表示一像素選擇時脈線，且連接於像 素選擇用MOS電晶體3之閘極，8表示複數重置沒極線（重置 沒極電壓：VP(i))，供重置用MOS電晶體2之汲極以一列為 基礎之方式連接於此，及9表示複數重置閘極線（重置閘極 電壓：RS(i))，供重置用MOS電晶體2之閘極以一列為基礎 之方式連接於此。在圖2中，信號線5、電力供給線6、重置 汲極線8及重置閘極線9各僅示其中一者。 重置汲極線8之一端連接於一 p型MOS電晶體11及η型 MOS電晶體12，一脈衝VPo⑴輸入至MOS電晶體11、12之 閘極，由MOS電晶體13、14構成之一反相器之一輸出係連 接於重置閘極線9之一端，及一信號RSo(i)輸入至反相器。 在此反相為中’源極接地之η型Μ 0 S電晶體14之沒極與p型 MOS電晶體13之汲極相互連接，且MOS電晶體13、14之閘 極共同連接。一電阻1之一端連接於ρ型MOS電晶體13之源 極，且電力供給電壓VDD連接於電阻心之另一端。此外，一 電阻R_2之一端連接於電阻I之一端，且η型MOS電晶體15 -17-
595217 之汲極連接於電·阻I之另一端，及MOS電晶體15之源極接 地。隨後，一時脈Or輸入至MOS電晶體15之閘極。 MOS電晶體11至15及電阻R〗、R2構成一控制裝置。 重置汲極電壓VP(i)係利用MOS電晶體u、12及脈衝 VPo⑴而切換於電力供給電壓¥如與％之間，較特別的是， 由於脈衝VPo⑴在低位準，M0S電晶體u導通*M〇s電晶 體12切斷，因此重置汲極電壓VP(i)成為電力供給電壓v的( 即高位準）。由於脈衝vp〇(i)在高位準，M〇s電晶體丨2導通 而MOS電晶體11切斷，因此重置汲極電壓vp(i)成為Vl(即 低位準）。 另方面’對於重置閘極線9(重置閘極電壓·· Rg(i))，信號 RS〇(i)之一反相信號係由M0S電晶體13、14構成之反相器 施加。在此例子中，當施加於M〇s電晶體15閘極之時脈 在低位準時，反相器之電力供給成為電力供給電壓Vdd。惟 ，當時脈Φ R在高位準時，電力供給電壓Vdd即由一電阻& 及電阻R2分割，因而降低至以下電壓：
Vdd ~Δ V=.Vdd · R2/( r1+ r2)...(4) 例如，假設 R{/ R2=l/ 750 右VDD = 3V，則△ v=4mV，此相當於圖1B所示之例子，請 注意MOS電晶體15之導通電阻假設為相當小於電阻&。 在此例子中之操作揭示於圖3八至3尺之計時圖内，圖3A 揭不一 h ·ΤΧ(ι)，圖3B揭示一信號RS〇⑴，圖3(：揭示一重 置閘極電壓RS(i+l)，圖3〇揭示一脈衝vp〇⑴，圖3E揭示一 -18- (15)595217
重置汲極電壓V-P(i)，圖3F揭示一時脈d>R，圖3〇揭示一丄 號TX(i+l)，圖3H揭示一信號RS〇(i+l)，圖31揭示一重置2 極電壓RS⑴，圖3J揭示一脈衝VPo⑴，及圖3&揭示一重^ 汲極電壓VP(H1)。圖3A至3E揭示針對第{列之一水平掃描 週期期間之重置操作計時，圖3G至3K揭示針對第（i+1) = Z 一水平掃描週期期間之重置操作計時。
如圖3 A至3F所示，在重置閘極電壓尺8(丨）保持於高位準期 間之一重置週期（Tl+ 丁2 + 丁3)内，在其第一週期1期間，重 置閘極電壓RS(i)設定為（VDD-ZiV)以做為第一電壓，而重 置沒極電壓V P (i)成為V l ’其滿足一關係如下： VL < Φ RH1 導致光二極體4重置為電壓Vl，亦即，執行一硬重置操 作0 其次，在一第二週期A期間，重置閘極電壓RS(i)維持在 (VDD -△ V)同時重置汲極電壓VP(i)成為電力供給電壓vDD ，其滿足一關係如下： VDD > Φ RH .
導致執行第一軟重置操作。 此外’在一第三週期T3期間，重置汲極電壓vP(i)維持在 電力供給電壓VDD同時重置閘極電壓RS(i)成為電力供給電 壓vDD，以做為一第二電壓，顯示自先前狀態增加一 △ V， 即執行少量電荷之注入及第二軟重置操作。假設△ V=4mV 等等’以電子數視之，由此操作造成之雜訊可減小至硬重 置操作者之0.35倍及軟重置操作者之0.5倍，如相關於圖1 -19- 595217
(16) 所示。 _ 口此依此第一貫施例之放大型固態影像拾取裝置所示 ，重置雜訊即可由一簡單結構減少至一大幅程度。 (第二實施例） 圖4係一視圖，揭示本發明第二實施例之一二維式放大型 固態影像拾取裝置主要部分之電路結構，此放大型固態影 像拾取裝置之像素結構相似於第一實施例放大型固態影像 拾取裝置之像素者。 请參閱圖4,參考編號1〇1表示一放大用m〇s電晶體，102 表不一重置用MOS電晶體，1〇3表示一像素選擇用M〇s電晶 體’ 104表不一做為光電轉換裝置之光二極體，105表示一 #號線，106表示一電力供給線，1〇7表示一像素選擇時脈 線’ 108表不一重置時脈線，及ι〇9表示一重置-汲極-用電 力供給線。 像素選擇用MOS電晶體1 03之閘極係透過像素選擇時脈 線107而由一使用做為一第三掃描電路之垂直掃描電路丨2工 驅動，再者，重置用M〇s電晶體1〇2之閘極係透過重置時脈 線108而由一使用做為一第二掃描電路之垂直掃描電路丨 驅動。此外，重置用M〇s電晶體1〇2之汲極係透過重置_汲 極-用電力供給線109而由一使用做為一第一掃描電路之垂 直掃描電路123驅動，垂直掃描電路122及垂直掃描電路123 構成一控制組件。 再者，一使用做為一恆定電流負载之M〇s電晶體13〇(閘 極偏壓電壓·· VG)連接於信號線1〇5,且信號線1〇5之電壓係 -20- 595217
透過一放大器（放-大用MOS電晶體）131及一 M0S電晶體132 而讀至一水平掃描線136。M〇S電晶體132透過一水平時脈 線135而由一水平掃描電路134驅動，再者，一使用做為一 恆定電流負載之MOS電晶體133(閘極偏壓電壓：Vl2)連接 於水平信號線136，且水平信號線136之一電壓係由一放大 器137放大，以利輸出做為一信號〇s。 如圖3C所示，一由Vdd、（Vdd—△ v)及低位準組成之三位 準脈衝之重置閘極電壓RS(i)係施加於重置時脈線1〇8，且
用於驅動之垂直掃描電路122具有三位準脈衝產生功能，如 圖2所示。 再者，如圖3A至3K所示，一由火及从的組成之雙位準脈 衝之重置沒極電壓vp(i)係施加於重置汲極線109，且用於 驅動之垂直彳▼描電路12 3具有雙位準脈衝產生功能，如圖2 所示。 上述結構之放大型固態影像拾取裝置具有相似於第一實 施例放大型固態影像拾取裝置者之功能及效果。 在此第二實施例子中，重置用MOS電晶體102之汲極及放 大用M0S電晶體10 1之汲極彼此之連接線不同。由於放大用 MOS電晶體101係以列為基礎而驅動，因此在水平方向相交 於放大用M0S電晶體101之汲極會導致驅動電流集中於成 列之電力供給線’造成信號受到配線電阻影響之可能性。 對照於此，在圖4所示之結構例子中，放大用m〇s電晶體i j 之 >及極連接於垂直方向以行為基礎之電力供給線1 〇6，因此 可避免驅動電流集中。另方面，流過重置用M0S電晶體i 〇2 -21 - (18)
/及極之電流係因光偵測組件（光二極體丨〇4)之電荷放電以 及電容之充電與放電所致，其小到在水平方向中由重置- /及極-用電力供給線1〇9相交於重置用電晶體之汲 極不構成問題。 再者，儘官在第二實施例子中重置用M〇s電晶體1〇2之汲 極及放大用MOS電晶體1 〇 1之汲極彼此之連接線不同，但是 本务明並不限於此。由於其係像素選擇用M〇s電晶體丨〇3 維持一電流流過放大用M〇s電晶體1〇1期間之週期，亦即圖 3 A所示號τχ(ί)保持在高位準期間之週期，因此可以共用 重置汲極電壓VP(i)。據此，即使放大用m〇s電晶體ιοί之 驅動電流集中於成列之電力供給線丨〇6，仍可用一裝置以防 止配線電阻之任意影響，儘管圖中未示，放大用M〇s電晶 體之汲極及重置用MOS電晶體之汲極可共用連接線，因此 自垂直掃描電路123或類此者衍生之重置汲極電壓vp(i)即 施加於此。 上述第一及第二實施例各說明於一放大型固態影像拾取 裝置，其中複·婁i：個像素排列成一矩陣，惟，毋需贅言的是 像素矩陣並不限於此。 由前文可以瞭解，依本發明之放大型固態影像拾取裝置 所示’重置雜訊可以藉由執行硬重置操作及其後續之第一 軟重置操作、及藉由隨後執行少量電荷注入與第二軟重置 操作，而減少至一大程度。緣是，本發明極有利於高性能 影像感測器之製造。 本發明揭述於此，可以瞭解的是其可有多種變化，諸此 -22- (19) (19) 變 熟
化不應視為脫離本發明之精神及範疇，且習於此技者所 悉之諸此變換型式應包含在以下申請專利範圍内。 1、 101·.·放大用MOS電晶體 2、 102···重置用m〇S電晶體 3、 1〇3···像素選擇用m〇S電晶體 4、 104···光二極體 5、 105.··信號線 6、 106···電力供給線 7、 107···像素選擇時脈線 8、 108···重置汲極線 9、 109···重置閘極線 lhl5"_M0S電晶體 R1、尺2··.電阻 121、122、123..·垂直掃描電路 13(M33_MOS電晶體 134···水平掃描電路 13 5 · · ·水平時脈線 13 6 _ · ·水平信號線 137···放大器 圖式簡單說明 本發明將由以下詳細說明及僅供揭&而非侷限本發明之 配合圖式中獲得瞭解，且其中·· 圖1A係視圖’揭示本發明第一實施例之一放大型固態 影像拾取裝置之一像素之電路結構，及圖丨B係一電位圖， -23- 595217
揭示像素之電位關係； 圖2係一視圖，揭示放大型固態影像拾取裝置之主要組件 之電路結構； 圖3A至3K係放大型固態影像拾取裝置之驅動脈衝之計 時圖； 圖4係一視圖，揭示本發明第二實施例之一放大型固態影 像拾取裝置之主要組件之電路結構； 圖5係一視圖，揭示先前技術之一放大型固態影像拾取裝 置之電路結構；’ 圖6係放大型固態影像拾取裝置之硬重置操作中之電位 圖； 圖7係先前技術之另一放大型固態影像拾取裝置之軟重 置操作中之電位圖； 圖8係一視圖，揭示先前技術之又一放大型固態影像拾取 裝置之電路結構；及 圖9A至9H係放大型固態影像拾取裝置之驅動脈衝之計 時圖。 圖式代表符號說明 1 放大用MOS電晶體 2 重置用MOS電晶體 3 像素選擇用MOS電晶體 4 光二極體 5 信號線 6 電力供給線 -24- 595217 (21) 7 像素選擇時脈線 8 重置没極線 9 重置閘極線 11-15 MOS電晶體 Ri、R2 電阻 vslg(j) 信號線 VP⑴ 重置汲極電壓 RS⑴ 重置閘極電壓 TX 信號
-25-

Claims (1)

  1. 595217 拾、申請專利範圍 種具有一由複數個像素構成之陣列的放大型固態影 像t取$置’每個像素都包含：—光電轉換裝置；一信 就放士用MOS電晶體，用於放大儲存在該光電轉換裝置 内之信號電荷；一重置用MOS電晶體，用於重置儲存在 亥光電轉換裝置内之信號電荷；及—像素選擇用湘$電 曰曰體用於選擇一由該信號放大用M〇s電晶體放大之信 號，其中 ， ^置用M0S電晶體導通且維持期間之一重置週 期包含-第-週期、—第二週期及—第三週期， 該放大型固態影像拾取裝置進一步包含控制組件，用 於執行控制操作，其中在該第一週期期間，該重置用 MOS電晶體之㈣電料通且維持於—低位準狀態，同 時該重置用Μ 0 S電晶體之閘極電壓被設定為一第一電 壓；在該第二週期期間，該重置用MOS電晶體之汲極電 壓導通且”於-高位準狀態，同時該重置用刪電晶 體之閘極電壓維持於該第一電壓；在該第三週期期間， 該重置用MOS電晶體之汲極電壓維持於高位準狀態，而 該重置用MOS電晶體之閘極電壓被設定為—第：電壓 且比該第一電壓高出一指定電壓。 一 2,如申請專利範圍第1項之放大型固態影像拾取裝置，其中 假設該指定電壓為Δν,可滿足以下條件^ 八 Δ kT/(2q) (其中k為Boltzmann’s常數，T為絕對溫度，及卩為美本 595217
    電荷）。 - 3. 如申請專利範圍第1項之放大型固態影像拾取裝置，其中 當該重置用MOS電晶體之閘極電壓為該第一電壓時 ’若生成之該重置用MOS電晶體之下方閘極通道電壓假 没為Φ RH，則在高位準狀態中之該重置用M0S電晶體之 没極電壓即較高於該重置用MOS電晶體之下方閘極通 道電壓Φ RH，且在低位準狀態中之該重置用M〇s電晶體 之沒極電壓係較高於該重置用M〇S電晶體之下方閘極 通道電壓Φ RH。 4. 如申請專利範圍第1項之放大型固態影像拾取裝置，其中 該等複數個像素排列成一陣列且其中該控制組件包 含： 一第一掃描電路，供該等複數個像素之該重置用M〇s 電晶體之汲極以一列為基礎之方式連接於此，且其用於 以逐列方式先後施加一雙位準脈衝驅動電壓至該重置 用MOS電晶體之汲極；及 一第二掃描電路，供該等複數個像素之該重置用 電晶體之閘極以一列為基礎之方式連接於此，且其用於 以逐列方式先後施加一三位準脈衝驅動電壓至該重置 用MOS電晶體之閘極。 5·如申請專利範圍第4項之放大型固態影像拾取裝置，其中 該放大用MOS電晶體及該像素選擇用M〇s電晶體係 相互串聯，該放大型固態影像拾取裝置進一步包含·· 一信號線，供串聯之該放大用MOS電晶體與該像素選
    擇用MOS電晶-體二端中之一端連接於此； 一電力供給線，供串聯之該放大用MOS電晶體與該像 素選擇用MOS電晶體二端中之另一端連接於此；及 、一第三掃描電路，供該像素選擇用MOS電晶體之閘極 後r Γ為基楚之方式連接於此，且其用於以逐列方式先 Si:三位準脈衝.驅動電壓至該重置用刪電晶體
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