TWI240570B - Solid-state imaging device - Google Patents

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TWI240570B
TWI240570B TW092136855A TW92136855A TWI240570B TW I240570 B TWI240570 B TW I240570B TW 092136855 A TW092136855 A TW 092136855A TW 92136855 A TW92136855 A TW 92136855A TW I240570 B TWI240570 B TW I240570B
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Description

1240570 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種固態攝影裝置，更詳細言之，其係關 於一般稱為影像感測器等之固態攝影裝置。 【先前技術】 最近，藉由各像素中具有放大功能的掃描電路進行讀出 之放大型固態攝影裝置，特別是將像素以及週邊之驅動電 路或信號處理電路以CM〇s(c〇mple_ary ㈤心
Semiconductor，互補式金屬氧化半導體）型而形成之 型影像感測器受到廣泛使用。CM0Ss影像感測器中必須於 一像素内形成光電轉換部、放大部及像素選擇部等，一'般 除含有光電二極體（以下有時簡稱為PD)之光電轉換部外，^ 尚使用數個MOS電晶體（以下有時簡稱為Tr)。 圖/0Α中表示PD+3Tr方式之情形下之—像素的構成。此 處1是光電二極體、3是檢測節點、4是由河〇3電晶體構成之 重置部、5是汲極且施加電源電壓^。6表示由Μ〇§電晶體 構成之放大部，7表示*M〇s電晶體構成之像素選擇部，8 表不W線’（j)RS表示重置時脈’ ^表示像素選擇時脈。圖 1 〇B係以電勢表示圖1 〇A之動作者。 圖10A、10B中，首先藉由重置部4之重置動作將光電二 極體1重置為電位VD後，使因入射光〜而於光電二極體!產 生之信號電荷蓄積於浮游狀態之檢測節點3。檢測節幻之 電位V#隨電荷之蓄積而自上述電位％低落，且該低落量 與入射光強度以及蓄積期間成比例。因而固定期間之蓄積
〇 \90\90416 DOC 1240570 下電位^之變化量Δνδ與入射光強度成比例，且以放大部6 將該值放大後’以像素選擇部即„7進行選擇而讀出至信 5虎線8。圖1GA之構成中由於信號與人射光強度成比例，故 而在相當強之光量下便達到飽和，無法廣大取得動態範圍。 因此，如圖11A、11B所示，提出_種將光電流進行對數 壓縮而讀出之方式以廣大取得入射光之動態範圍。圖Μ 係以-像素之電路構成來表示該例之圖。另外，以下雖針 對η通道型之情況進行說明，但p通道型之情形亦可藉由將 極性反轉而同樣進行討論。此處r光電二極體、3是檢測 節點、4是對數I缩用電晶體、5是沒極且施加電源電壓^。 1 表示放大部、7表示像素選擇部、8表示信號線、^表示像 素選擇時脈，vD表示電源電麼。與圖l〇A之情形有較大不 同之處係將DC(直流）電位ν〇施加至電晶體4之閑極，且不進 行重置動作而進行對數麼縮。該動作將於下文進行說明。 圖係以電勢關係表示圖UA之電晶以之動作。 如圖11A所不，電晶體4之閘極電麼固定為π電位&因 而該電勢為固定值φ0(Η)。當電晶體4之源極電位％深於上 述固定值細）時，則電晶體4成為弱反轉動作，即使次臨 界電流Isubth流動之動作。田、、塔& & , 助作因源極電位Vs會變化為次臨界電 L bth相等於光弘· Ip，因此最後源極電位％係與⑽(⑻ 成比例’即將光電流進行對數轉換後之值。藉此，即可於 非常廣之入射光量範圍内進行應答，並可極廣大地獲得動 態範圍。 圖1 1 A、11B所示之對备μ故丨 、 轉換i衫像感測器係於光電流與
O:\90\904I6 DOC 1240570 ==均衡的穩定狀態下進行檢測之裝置，且於低入 射先里中‘，、、法使用圖、湖所示之如f積型 般增大蓄積時間而增大信號電荷量之方法。再者，可丄; 對數轉換之光電流之下限值Imin因受光電二極體之暗電流 限制’、因此因溫度上升等而造成之暗電流之增大會導= 照度感，之顯著低落。基於以上原因，一般對數轉換型影 像感測器之低照度感度劣於蓄積型影像感測器。 因此有人提出如圖12A、12B所示般於單—裝置中，光輸 入小時顯示線性型光電轉換特性、光輸入大時顯示對數： 光電轉換特性之方式（參照例如特開平1G__58號公報、特 開謂0-17湖號公報）。圖12A表示一像素之構成，與圖⑽ 相同，1是光電二極體、3是檢測節點、4是重置部、5是汲 極且施加電源電壓Vd.6表示放大部、7表示像素選擇部、^ 表示信號線、表示像素選擇時脈。介由開關9將電源電壓 VD以及大幅高於該電源電壓Vd之電壓^以固定週期交互 施加於重置部4之閘極Vg。圖12B中以電勢表示圖12八之動 作，圖12C中以時序表示圖12A之動作。於圖ΐ2Α、ΐ2β、I% 中’首先於期間了2中藉由開關9將上述電壓％施加於重置部 4之閘極VG。此時重置部4之閘極下之電“（Μ深於電源 電塵VD，檢測節點3之電位重置為電源電塵％。然後，於 期間乃中藉由開關9將電源電壓Vd施加於重置部4之閘極 VG。此時重置部4之閘極下之電勢“…幻淺於電源電壓Vd， 檢測節點3之電位成為浮動狀態。藉由入射光匕，當光電二 極體1中產生信號電荷時，則該信號電荷蓄積於檢測節點3
O:\90\904I6.DOC 1240570 中。隨著信號電荷之蓄積，檢測節點3之電位VS自電源電位 VD開始低落會該低落量與人射光強度以及蓄積期間成比 :。因而經過固定期間之蓄積，檢測節點3之電位％之變化 量AVS1與入射光強度成比例。當檢測節點3之電位Vs低落至 某包勢值φ〇4，則重置部4成為弱反轉動作，即使次臨界電 *Isubth机動之動作。檢測節點3之電位％變化至從上述值 φο I之麦化畺厶\^2以使次臨界電流匕心化與光電流&相 等因此最後上述值AVS2與l〇g(lp)成比例，即將光電流進 行對數轉換後之值。 紅上所述，若Vd-Vs>(j)G，則檢測節點3之電位％之變化 里AVsl與入射光強度成比例，若ν$〉φ〇(νϋ)，則檢測節 點3之電位％之變化量成比例。此處 係將VD施加至Vg時之重置部4之閘極下的電勢。因而，對 於入射光之檢測節點3之電位Vs的變化如圖12D所示，於光 輸入小時顯示線性型光電轉換特性，於光輸入大時顯示對 數型光電轉換特性。藉此，既可在低照度下進行高感度之 線性型動作，且可在高照度下進行寬動態範圍之對數型動 作。 然而圖12A、12B、12C、12D之方式中存在以下問題。首 先，成為線性型動作與對數型動作之分界的電勢值軏依每 個像素而變動。所以如此情況下在對數型動作區域中會發 生非常大的粗糙狀的固定圖案雜訊。然後，為於每次光檢 測動作中進行檢測節點3(容量為Ct)重置動作，因而電子數 以下式表示：
O:\90\90416.DOC 1240570 Δη= (kTC!)I/2)/q 1此處，^ 該等固定圖 而產生所謂kTC雜訊（熱雜音）。其為隨機雜訊 波茲叉常數、T為絕對溫度、q為電子電荷旦 案雜訊以及隨機雜訊會使畫質大幅劣化。 【發明内容】 ---心辦恐展置，敌、 解決如上述等之各種問題，而同時 、1 照度高感度。 為解決上述課題，根據本發明， 提供一種固態攝影裝置，其係於每個像素中， 極體以及第-電晶體串聯設置於接地與沒極之間，而= 生於上述光電二極體中之電流乃至電荷的鮮 應W自上述光電二極體與第對 出；其特徵在於： 之間的即點輪 二有又互反覆控制對數型動作期間與線性型動作期 前述對數型動作期間係將上述第-電晶體之閉 號，=7為第—位準而獲得對數轉換後之光電轉換信 二性型動作期間係將上述第一電晶體之閘極電位 °又弟:位準而獲得線性型光電轉換信號。 f1極 帛位準」、「第二位準」可於上述第一電晶體之 閘極正下方將信赛帝 準。例-通道型Γ:攝別設定為深位準與淺位 分別對應高位準和:位攝;裝置中「第-位準〜 本發明之固態攝影褒置中，係藉由控制部之控制，交互
O:\90\904t6.DOC 1240570 反覆對數型動作期間 期間係將m 動作期間’前述對數型動作 得對數轉換之光、， D疋為弟一位準而獲 述第一…电議號’雨述線性型動作期間係將上 電轉換信號。 位丰而獲得線性型光 :數型動作期間内可於檢測節點得到對數轉換後之光電 而因而可藉由自檢測節點讀取該信號並進行傳送 作二！態範圍廣之對數型信號。另—方面，於線性型動 ?間中可於檢測節點得到線性型光電轉換信號。因而可 =由自檢測節點讀取該信號並進行傳送而以低照度輸出高 :度，線性型信號。因而根據該固態攝影裝置可同時實現 寬動態範圍與低照度高感度。 根據-實施方式之固態攝影^置，上述光電二極體與檢 測節點相連接。即上述光電二極體之一端子與檢測節點可 為知[路。 根據一實施方式，其特徵在於： 第二電晶體連接於上·述光電二極體與檢測節點之間。 根據該一實施方式之固態攝影裝置，因第二電晶體連接 於上述光電二極體與檢測節點之間，故而可減少檢測節點 之電容並提高線性型動作期間之電荷電壓轉換效率。 一實施方式之固態攝影裝置，其特徵在於上述光電二極 體含有埋入通道構造。 根據該一實施方式之固態攝影裝置，因上述光電二極體 含有埋入通道構造，故而可大幅度削減光電二極體中產生 O\90\90416.DOC -10- 1240570 之暗電流，因而於對數型動作期間内可擴大能夠進行對數 軲換之光免⑽之下限。又，於線性型動作期間内亦可削減 暗電流雜訊。 根據一實施方式， 上述控制部係以下列方式進行控制： 於母Λ框父互&覆上述對數型動作_間與線性型動作期 間； 於即將自上述線性型動作期間遷移至對數型動作期間前 將上述檢測節點電位作為線性型信號讀出； 於遷移至上述對數型動作期間後經過固定時間後的該對 數型動作期間β，將上述檢測節點電位作為對數型信號讀 出0 根據纟亥一貫施形態之固能摄 。心U心攝衫裝置，依每訊框交互反覆 上述對數型動作期間與線性型 丄轫作期間。遷移至上述線性 型動作期間後，即上述第一雷曰 ▲ <矛私日日體之閘極電位自第一位準 變化為第二位準後，弁雷Μ # 轉奐之电何開始蓄積於檢測節點 中。然後於即將自上述線性型 助作J間遷移至對數型動作 期間前，即上述第一電晶體之閘極g ^ 、 阿位私位即將自第二位準向 位準轉換鈾，上述檢測節 兩/你積有取多電荷。若將該 私何作為線性型信號讀出則 L外也 印幻』擭侍鬲感度之輸出。又，吾 人w為上述第一電晶體之間 喆# a 自苐二位準向第一位準 轉換後，若經過某一程度之時間， ^ ^ ^ ^ 、彳9成為光電流與次臨 界電机均衡的穩定狀態。因而於 間後細lil —细π β 、遷移至上述對數型動作期 间俊，、，工過固疋期間後之該 数1動作期間内，可自上述檢
O:\90\904I6 DOC 1240570 測節點將電荷作為對數型信號而讀出。 —實施方式之固態攝影裝置，其含有： 、、/ X均之一定強度對各像素照射光線之條件下，於上 =數型動作期間内記憶自上述各像素之檢測節點讀出之 S旒的第一訊框記憶體；以及 其後，逐-對應於上述各像“自於任意賴 號中減去記錄在上沭筮一 1 ^ 部。 这弟一汛框記憶體的信號並輪出之減算 ，據該—實施方式之固態攝影裝置，於對各像素以均一 =定強度照射光線之條件下，於上述對數型動作期間内 上：各像素之檢測節點讀出之信號記錄至第一訊框記 二二ΓΓ—對應於上述各像素而自於任意訊框讀出 〜、、去。&錄在上述第—訊框記憶體之信號並輸出。 =:抵銷每個像素之特性變動，特別是因電晶體之臨限 :動而造成之特性變動(稱為「偏移變動」)，因此可得到 固疋圖案雜訊較少之圖像。 根據一實施方式， 上述減算部係逐一對應於上述各像素而自於上 動作期間讀出之信號中竑丰+ 信號並輪出。。中減去讀在上述第-訊框記憶體之 根據該一實施方式之固態攝影裝置，可得到固定圖案雜 訊較少之寬動態範圍之圖像。 一實施方式之固態攝影裝置，其特徵在於含有： 於被攝體攝影條件下，於即將自上述對數型動作期間遷
O:\90\904I6 DOC -12- 1240570 移至線性型動作期間前，依次記錄自上述檢測節點讀出之 信號之第二訊框記憶體；以及 將自於即將自上述線性型動作期間遷移至對數型動作期 間前自上述檢測節點讀出之信號記錄至第二訊框記憶體的 信號，對應上述各像素進行減算之減算部。 根據該一實施方式之固態攝影裝置，於對各像素以均一 之一疋強度照射光線之條件下，於即將自上述對數型動作 期間遷移至線性型動作期間前，冑自上述檢測節點讀出之 k唬圮錄至第二訊框記憶體。其後，將自於即將自上述線 性型動作期間遷移至對數型動作期間遷移前，將自上述檢 測郎點讀出之信號記錄至第二訊框記憶體之信號，對應上 述各像素進行減算。因而可僅讀取出純正的線性信號成 分。再者在該情形下，因取信號電荷蓄積之最初與最後之 信號差，故而可獲得完全除去重置雜訊之高感度圖像。 【實施方式】 以下，參考圖式之實施方式詳細說明本發明。 圖5係以2x2像素之電路構成表示本發明之一實施方式之 一次το影像感測器1〇之圖。於該二次元影像感測器ι〇中， 11為包含後述電路構成之像素、12為施加於第一電晶體之 重置時脈铋的時脈線、13為像素選擇時脈抝之時脈線、14 為信號Vslg之信號線、15為電源電壓ν〇。上述重置時脈心 與像素選擇時脈扒分別以行單位自重置掃描電路丨6以及垂 直讀出掃描電路Π於垂直方向依序輸出。自各像素以行單 位項出之馆號Vsig藉由來自水平掃描電路19之信號於水平 〇:\9〇\9〇4 l6D〇c -13 - 1240570 入向依序讀出至水平信號線18。纟自水平信號輯之信號 ^由放大電路20作為輸出信號〇s輪出。該二次元影像感測 為10之全體動作藉由作為控制部之-例的CPU(中央處理單 元）90予以控制。 圖1八例不圖5中所示各像素11之電路構成。此處，1是光 電二極體、3是檢測節點、4是第—電晶體、5是間極且施加 電源電屬VD。6表示由M〇s電晶體構成之放大部、7表示由 MOS電晶體構成之禮| 。士 — 像素1<^擇σ卩、8表示信號線、（|^表示重置 時脈、φα*像素選擇時脈。接地（Grcmnd)與祕5之間串 聯設有光電二極體1與第-電晶體4。使㈣像素U如下進 订對數動作以及線性動作。 圖2A係表M„1A之像素進行對數動作的情形之電 勢關係者。該情形下’第_電晶體4之閘極保持為DC位準， 該電勢為固定值細）。當第—電晶體4之源極電位Vs深於 上述固定值b(H)時’則電晶體4成為弱反轉動作，使次臨 界電流㈣11流動。上述源極電位VS會變化為次臨界電流 Isubth相等於光電流Ip，成為 μ
Vs= Κ! · log(Ip)+K2 ⑴， 上述源極電位v s成為將光電流〗p對數轉換後之值 VS(l〇g)。此處’ Κι、κ2為常數。藉此，可實現於非常廣之 入射光範圍内進行應答，並可取得非f寬廣之動態範圍。 圖3A係表示使用圖1A之像素進行線性動作的情形之恭 勢關係者。該情況下，對第—電晶體4施加脈衝^。首先％ 信號蓄積開始前第一電晶體4之問極保持有相當長
O:\90\90416.DOC 14 1240570 高位準，源極電位γ為本+ S為先电kip與次臨界電流Isubt 值Vs(J〇g)。接著第_雷3雕4少„; 寻 積…㈣ 之閉極變化為低位準並開始蓄 ㈤55虎Ή —訊框期間後，源極電位歸至V伽）。因 4因U畜積而引起之源極電位…的
Vs(lin)-Vs(I〇g)為 AVs=(Ip · AT)/Cj (2)， 而成為光電流⑽性轉換後之值。此處δτ為蓄積時間、 C】為圖1Α所示之檢測節點3之電容。 圖1Β表示圖5中所示之各像素11與圖1Α不同之電路構成 之例該® 1Β之電路構成相對於圖1Α之電路構成的不同點 在於，介於光電二極體i與檢測節點3之間插㈣ 2。對電晶體2之閘極施加dc電位ψτ。 圖2Β係表示使用圖1β之像素進行對數動作的情形之電 勢關係者。光電二極體丨中雖會產生光電流Ιρ，但第二電晶 版2之閘極電位^為Dc電位，因此在穩定狀態下該第二電晶 體2内流有相當於光電流Ip之電流，且光電二極心之電位 保持為固定值。另外此處，第一電晶體4之閘極電位心為 電位，流動有次臨界電流Isubth。因檢測節點3之電位％會 變化為次臨界電流Isubth相等於光電流Ip，故而按照上述式 (1)，檢測節點3之VS成為光電流Ip對數轉換後之值 vs(l〇g)。藉此，可於非常廣之入射光量範圍内進行應答， 並可取得極寬廣之動態範圍。 圖3B係表示使用圖1B之像素進行線性動作的情形之電 勢關係者。光電二極體1中雖會產生光電流Ip，但第二電晶
0 \90\904I6 DOC 1240570 體2之閘極電位蚪為DC電位，因此 口此在％疋狀態下該 a
有相當於光電流的電流， /；，L J电肌且先電二極體丨之電位 值。另外此處，進一步對笛 ^ 择幵马固疋 ^ ^ ^ ^ ^ 、 電晶體4之閘極施加脈衝(|)R。 育先L 5虎蓄積開始前第一雷曰 位準，m + 0Θ ^ 4㈣㈣當長期間之高 位羊 且’原極電位袁古恭+ T i· 為先电流Ip與次臨界電流為
Vs(log)〇接著第一電晶髅寻^值 如 體4之閘極電位變化為低位準，開始 蓄積信號。經過一訊框期間後，源極電位低落至Vs(Un): 因此，因信號蓄積
Vs(lin)-Vs(l〇g)成為 Δνδ= (Ip · ΔΤ)/〇2 ⑺ 而成為光電流1?線性轉換後之值。此處訂為蓄積時間… 為圖1Β所示之檢測節點3之電容。由於&(光電二極體工之 私合+私日日H6之閘極電容+配線等浮游電容），而& (電 曰曰肢6之閘極電各+ g己線等浮游電容），^圖把中之檢測節 點3之面積可充分小於圖3A中之光電二極心之面積，故而 <^>(：2。即圖3B之情形與圖3A之情形相比，可以相同信號 電荷量ΙΡ· ΔΤ獲得更高之信號電壓A%。 圖4A係模式化表示將圖丨八之像素製入半導體基板時的 剖面構造。同樣的，圖4B以及圖4C係模式化表示將圖⑶之 像素製入半導體基板時之剖面構造。此處，1〇1表示半導體 基板1〇2表示像素分隔區域，103表示光電二極體（參照圖 1A以及1B)之陰極，1〇4表示汲極5，111表示第一電晶體4。 Η 4B以及4C中，1 〇5為獨立之檢測節點，其介由第二電晶 體112而與光電二極體丨之陰極1〇3分離開來。再者，圖4Α
O:\90\90416.DOC -16- 1240570 及4B中光電二極體i為單純之pN接面構造，並與 1〇4同時形成，但在圖4C中光電二極體具有埋入通道結構， 與汲極分開形成。即於基板側形成有信號電荷蓄積n 且於表面側形成有高濃度釘扎層1〇7。—般埋入通道構造之 :電：極體相較於單純之PN接面構造，可大幅度減低暗電 〇，藉此，可擴大對數型動作時能夠進行對數轉換的光電 流之下限1Μ"。又，於線性型動作中亦可削減暗電流雜訊: 圖6表不圖5所示之二次元影像感測器ι〇之動作時序。此 處’ Φκ⑴、φ3(2)表示第一列以及第二列之重置時脈，^⑴、 ♦ s⑺表示第—列以及第二列之像素選擇時脈，叫示輸出 信號。另外1Η表示-水平掃描期間，lv表示一訊框期間。 田者眼於第-列之像素時，首先於前列（圖6中表示於左端） 中作為對數型動作期間的訊框中，將重置時脈即第一電晶 體4(參照圖1Α以及1Β)之閘極電位^⑴維持在高位準，= 測節點3得到對數轉換後之光電轉換信號。其後，將上述第 -電晶體4之閘極電位^⑴自高位準轉換至低位準而遷移 ^線性型動作期間。然後，藉由僅-訊框期間於檢測節點3 畜積光電轉換後之電荷，而於檢測節點3得到線性型光電轉 2信號。此處閘極電位心⑴於即將自高位準變化為低位準 雨將像素選擇時脈⑽開啟，而將對數轉換後之光電轉換 信號Log⑴作為輸出信號0S輸出。—訊框後，即即將於自 線性型動作期間遷移至對數型動作期間而使上述第一電晶 體4之閘極電位叭⑴自低位準變化為高位準前將像素= 開關<t>s⑴開啟，而將線性型光電轉換㈣Un⑴作為輸出
O:\90\904I6 D0C -17- 1240570 1b 3虎OS輪屮。楚一 xt、，从 一 1後之像素除了以一水平掃描期間單 位依序延遲之外’其餘均為相同。如此在輪出信號os中交 互切換對數轉換後之光電轉換信號Log⑴ 單位内得到之訊框，以及線性型之光電轉換信號Lin〇) Lln(2)等於1H單位内得到之訊框。 圖7A以及圖78係以入射光強度之對數一⑽為橫轴，表 不作為像素之檢測節點3的電位而得到的對數轉換後之光 電轉換信號Vs(log)以及線性型光電轉換信號之圖 (圖1A以及⑺之情形中，因相對於入射光增大之檢測節點3 之電位vs之轉換為負方向，因此圖7八以及圖7b中為方便起 見故以反轉顯示)。此處對數轉換後之光電轉換信號Vs(log) 不依存於讀出期間即圖6中一訊框期間（可稱為「ιν期間」。） 之長度。另一方面，線性型之光電轉換信號Vs(iin)之丨乂期 間為信號蓄積期間，故而1V期間越長則輸出越大。圖了八相 當於IV期間長之情況，圖7B相當於1V期間短之情況。相對 於入射光強度之Vs(l〇g)之值中，應答之下限值化比以暗電 流予以限制，而上限值則遠高於線性型光電轉換信號 Vs(lin)。另一方面’相對於入射光強度之線性型光電轉換 信號Vs(hn)之值係於前一對數轉換型之光電轉換信號 Vs(log)的值之上附加線性轉換後信號的形態，故純正之線 性^號成分為△Vs^Vs^linyVsOog)。如圖7A所示蓄積期間 長之情形下，Δν$之值遠大於Vs(l〇g)，Vs(linV7l；成為與A% 近乎相同之線性圖表。另外，如圖7B所示蓄積期間短之情 形下，AVS成為於低入射光強度側低於Vs(l〇g)之值，Vs(Hn) O:\90\90416.DOC -18- 1240570 成為非與Δν5有頗大變化之線性圖表。 圖7C表示以入射光強度之對數i〇g(Ip)作為橫軸表示本 明之影像感測器中之輸出信號的圖。此處實線表示像青二 體之平均值（QS)，虛線表示特定像素（位址為第丨列第^ 像素）的值OSij。圖^所示之像素之情形，由於電晶H 及6之臨限值變動，且各像素之應答隨著個別特定 叫△取值按照每個像素而異。因而將各像素：： 合直接作為影像信號時，AVij會成為粗趟狀之固定圖案雜 訊而大幅損害晝質。 ^ ” 圖8A表示詩解決關於該固定圖案雜訊之_的電路構 成3〇之例。本電路構成3G中，將來自本發明之影像感測器 31(與圖5所不之影像感測器1〇相同者）之類比信號藉由— 轉換器33轉換為數位信號。來自AD轉換器33之信號分歧為 二’一者直接導人向作為減算部之—例之差分電路37,另 一者介由作為第-訊框記憶體之訊框記憶㈣而導向差分 電路37〇於以均一之一士 疋強度（圖7C中表示為Ipl)對各像素 照射光線之條件下，自上述影像感測器31輸出對數轉換後 之光電轉換信號時，將該信號以像素單位記錄至訊框記憶 體34。藉此，各像素之偏移變動AVij即記錄於訊框記憶體 34中。然後於差分電路37中， τ 遂對應各像素而從在被攝 體攝影條件下於任意訊框讀屮夕产％ 士 #丄 “ uι β貝出之“號中減去記錄於訊框記 憶體34之信號。藉此於所有的訊框信號即對數轉換後之光 電轉換信號〇S(1〇g)以及線性型光電轉換信號〇s(iin)中消 除偏移變動，而可得到無固定粗糙雜訊之圖像信號。
O:\90\90416.DOC -19- 1240570 圖8A中之線性型光電轉換信號〇s(ih)雖已消除了偏移 麦動Δν·』仁开> 成對數特性與線性特性相加之特性。因此 如圖7Α所示§線性特性值遠大於對數特性值之情形下雖近 乎線性特性而不成問題，但如圖7Β所示於一部分入射光量 下使得線性特性值低於對數特性值之情形時，則不會產生 線性特性而成問題。 圖8Β表不用於解決關於該線性特性之問題的其他電路構 成40之例。根據本電路構成4〇，將來自本發明之影像感測 1§31之類比信號藉由八〇轉換器33轉換為數位信號。來自 轉換器33之信號分歧為三，第一分支直接導入作為減算部 之例的差刀包路3 7。第二分支則被介由作為第一訊框記 憶體之訊框記憶體34以及切換開關36而導入差分電路P。 又第一刀歧介由作為第二訊框記憶體之訊框記憶體3 5以 及切換開關36而導入差分電路37。練記憶體“中與圖8a 之情形相同’於以均一之一定強度對各像素照射光線之條 件下，來自上述影像感測器31之對數轉換後之光電轉換信 说^以像素單位予以記錄。藉此，使各像素之偏移變動 記錄於訊框記憶體34中。訊框記憶體35於被攝體攝像條件 γ於上述重置閘極電位即將自高位準變化為低位準前，依 人覆寫e己錄項出之對數型信號。切換開關刊於線性信號讀 出時連接至訊框記憶體35側後，於上述重置閘極電位即將 自低位準變化為高位準前，對應各像素而自讀出之線性信 號中減去記錄於上述訊框記憶體35的信號。藉此，僅讀出 對應於光積分期間蓄積之信號電荷的純正之線性信號。又
O:\90\90416.DOC -20- 1240570 本方法之進一步優點方面，因隨著重置動作而使得隨機雜 訊亦藉由上述減算處理而消除，故而不僅是固定雜訊，亦 可大巾田度減少隨機雜訊。另外，切換開關36於對數型信號 讀出時連接至訊框記憶體34側，因而在差分電路37中，對 應各像素而自對數型信號中減去記錄於該訊框記憶體％之 L唬。藉此於對數轉換後之光電轉換信號〇s(l〇g)令，能使 偏移k動Δνυ•消除，並可得到無固定粗糙雜訊之圖像信號。 另，上述例（圖6)中表示對數型動作期間與線性型動作期 間按照每訊框期間交互反覆之情形，但本發明不僅限於 此，可如圖9Α、9Β、9C所示進行各種組合。圖9Α為與圖6 相同之情形，圖9Β表示-訊框之線性型動作期間與二訊框 之對數型動作期間交互反覆之情形。圖9(：表示一訊框之線 性型動作期間與三訊框之對數型動作期間交互反覆之情 开7同樣的’其他的組合當然亦是可以的。 【圖式簡單說明】 圖ΙΑ、1Β係表示適用本發明之固態攝影裝置的一實施方 式之二次元影像感測器所採用的像素之電路構成圖。 圖2Α、2Β係表示圖1Α、…所示之像素於對數動作時之電 勢分佈圖。 圖3Α、3Β係表示圖1Α、⑺所示之像素於線性動作時之電 勢分佈圖。 圖4Α、4Β、4C係表示將圖1Α、1Β所示之像素製入半導 體基板時之剖面構造圖。 圖5係表不適用本發明之固態攝影裝置的一實施形態之
O:\90\90416 DOC -21 - 1240570 二次元影像感測器的電路構成圖。 圖6係表示圖5所示之二次元影像感測器之動作時序圖。 圖7A、7B、7C係表示藉由本發明而獲得之對數型信穿以 及線性型信號與入射光強度之關係圖。 圖8A、8B係表示於本發明之一 +知/3炙一久兀影像感測器中進 像信號處理之系統示意圖。 圖9A、9B、9C係表示本發明之一吹 4知a 1 一一人7C影像感測器中動 時間之其他例示意圖。 圖Π)Α、10Β係說明習知之線性轉換型固態攝 素動作圖。 m 圖11A、113係說明習知之對數轉換型固態攝影 素動作圖。 # 圖12A 12B、12C、12D係說明習知之線性轉換特性與 數轉換特性相加之固態攝影裝置的像素動作圖。'、 【圖式代表符號說明】 1 光電二極體 2 第二電晶體 3 檢測節點 4 第一電晶體 5 閘極處施加電源電壓 6 放大部 7 像素選擇部 8 信號線 10 影像感測器
O:\90\90416.DOC '22- 1240570 11 像素 12 重置時脈Φ R的線 13 選擇時脈(|)S之線 14 信號V s i g之線 15 電源電壓Vd 31 影像感測器 33 AD轉換器 34，35 訊框記憶體 36 切換開關 37 差分電路 40 電路構成 101 半導體基板 102 像素分離區域 103 光電二極體之陰極 104 汲極5 105 檢測節點 106 信號電荷蓄積層 107 高濃度銷連接層 111 第一電晶體4 112 第二電晶體 Φιι 閘極電位 Φ s 像素選擇時脈 OS 輸出信號 Vs 源極電位 hv 入射光 O:\90\904I6.DOC -23 -

Claims (1)

1240570 拾、申請專利範園： Κ 態攝影裝置，其係於每個像素I將光電二極體 弟-電晶體串聯設於接地與汲極之間，因應光輸入 :將產生於上述光電二極體中之電流乃至電荷的對應信 :，自上述光電二極體與第-電晶體之間的檢測節點輸 出；其特徵在於.· G 3又互反覆控制對數型動作期間與線性型動作期間 之控制部；前述對數型動作期間係將上述第-電晶體之 閘極電位設定為第一位準而獲得對數轉換後之光電轉換 I:號，前述線性型動作期間係將上述第一電晶體之問極 電位設定為第二位準而獲得線性型光電轉換信號。 2·如申請專利範圍第旧之固態攝影裝 極體與檢測節點相連接。 3.如申請專利範圍第i項之固態攝影裝置，其中第二電晶體 連接於上述光電二極體與檢測節點之間。 (如申請專利範圍第3項之固態攝影裝置，其中上述光電二 極體具有埋入通道構造。 5.如申請專利範圍第i項之固態攝影裝置，其中上述控制部 係以下列方式進行控制： 於每訊框交互反覆上述對數型動作期間與線性型動作 期間；於即將自上述線性型動作期間遷移至對數型動作 期間前將上述檢測節點電位作為線性型信號讀出； 於遷移至上述對數型線性型動作期間後經過固定期間 後的該對數型動作期間内，將上述檢測節點電位作為對 O:\90\904I6.DOC 1240570 數型信號讀出。 6. 8· 如申請專利範圍第5項之固態攝影裝置，其中包含： ''句之疋強度對各像素照射光線之條件下，於 上述對數型動作期間内記憶自上述各像素之檢測節點讀 出之信號的第一訊框記憶體；以及其後，逐一對應於1 述各像素而自於任意訊框讀出之信號中減去記錄在上述 第一訊框記憶體之信號並輸出之減算部。 如申請專利範圍第6項之固態攝影裝置，其中 上述減算部係逐-對應於上述各像素而自於上述對數 型動作期間讀出之信號中減去記錄在上述第一訊框記情 體之信號並輸出。 ^ 如申請專利範圍第5項之固態攝影裝置，其中包含： ,於被攝體攝影條件下，於即將自上述對數型動作期間 遷移^線性型動作期間前，依次記錄自上述檢測節點讀 出之信號之第二訊框記憶體；以及 、；a I自上述線性型動作期間遷移至對數型動作期間 遷移^逐—對應上述各像素而自於上述檢測節點讀出 &中減去5己錄在第二訊框記憶體的信號之減算部。 O:\90\904t6.DOC
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