TWI528814B - 固態成像裝置及其驅動方法及電子系統 - Google Patents

固態成像裝置及其驅動方法及電子系統 Download PDF

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Description

固態成像裝置及其驅動方法及電子系統
本發明係關於固態成像裝置。更特定言之，本發明係關於一種CMOS固態成像裝置、一種驅動CMOS固態成像裝置之方法及一種使用CMOS固態成像裝置之電子系統。
迄今為止，在一通用CMOS固態成像裝置中，已經採用針對每一列依序讀取已由佈置在一個二維矩陣中之個別像素之光接收區段產生及累積之信號電荷之一方法。在此情況中，藉由信號電荷之讀出之一開始及一結束判定個別像素之光接收區段之曝光時間，且因此每一像素之曝光時序不同。因此，若使用此一CMOS固態成像裝置擷取一快速移動主體之一影像，則存在該主體之影像變形之一問題。
為了解決上述之問題，近年來，已提議用以達成累積週期均勻性之一同時影像擷取功能(全域快門功能)。又，具有一全域快門功能之CMOS固態成像裝置正不斷擴大其應用。
在具有一全域快門功能之一CMOS固態成像裝置中，為了累積由一光接收區段產生之信號電荷直至讀出時間，通常必須有具有光屏蔽效應之一電荷累積區段。針對電荷累積區段，存在使用一浮動擴散區段(其最初係針對一像素而佈置)之許多正常CMOS固態成像裝置。又，日本未經審查專利申請公開案第2009-268083號已揭示一種將兩個區段(即一CCD型電荷保持電容器區段及一浮動擴散區段)用 於一電荷累積區段以便增加飽和電子數目之一組態。
順便提及，日本未經審查專利申請公開案第2009-268083號中描述之CCD型電荷保持電容器區段亦係用於已在一曝光週期期間自一光二極體溢流之信號電荷之一接收器。因此，當電荷保持電容器區段保持信號電荷時不允許曝光。因此，僅在所有像素之信號電荷讀出之後允許曝光。因此，存在以下問題：存在其中不允許曝光、不允許要求連續曝光之一平穩移動影像且一移動影像之靈敏度劣化之許多週期。
鑒於上述幾點，可期望提供一種具有允許連續曝光之一全域快門功能之固態成像裝置。又，可期望提供一種使用該固態成像裝置之電子系統。
根據本揭示內容之一實施例，提供一固態成像裝置，該固態成像裝置包含形成於一個二維矩陣中之一像素陣列區段及一掃描區段。像素陣列區段包含具有一光電轉換區段、一放電區段、包含一第一電荷累積區段及一第二電荷累積區段之至少兩個電荷累積區段及一像素電晶體之若干像素。光電轉換區段經組態以根據一光量而產生信號電荷。放電區段經組態以在一曝光週期期間接收由光電轉換區段產生之信號電荷中超出光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流。至少兩個電荷累積區段包含經組態以在曝光週期之後接收由光電轉換區段產生之信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以接收超出飽和電 荷量之信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段。像素電晶體傳送及讀取信號電荷。掃描區段經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在信號電荷之一累積週期中係同時的，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。
在根據本揭示內容之一固態成像裝置中，由光電轉換區段產生及累積之信號電荷係針對所有該等像素同時傳送至第一電荷累積區段，且接著針對每一像素讀出。藉此，可在結束一信號電荷讀出週期之前開始下一曝光週期。
根據本揭示內容之另一實施例，提供驅動一固態成像裝置之一方法。該方法包含：藉由光電轉換區段針對所有該等像素同時開始曝光，且產生及累積信號電荷；針對所有該等像素將累積於光電轉換區段之信號電荷同時傳送至第一電荷累積區段；讀出超過第一電荷累積區段中之飽和電荷量而傳送至第二電荷累積區段之信號電荷作為一高照度信號，重設第二電荷累積區段之電位，且接著將累積於第一電荷累積區段之信號電荷傳送至第二電荷累積區段，且針對每一像素讀出累積於第二電荷累積區段之信號電荷作為一低照度信號。
在根據本揭示內容之驅動一固態成像裝置之一方法中，由光電轉換區段產生及累積之信號電荷係針對所有該等像素同時傳送至第一電荷累積區段，且接著針對每一像素讀出。藉此，可在結束一信號電荷讀出週期之前開始下一曝光週期。
根據本揭示內容之另一實施例，提供一電子系統，該電 子系統包含具有一像素陣列區段及一掃描區段之一固態成像裝置。像素陣列區段包含具有一光電轉換區段、一放電區段、包含一第一電荷累積區段及一第二電荷累積區段之至少兩個電荷累積區段及一像素電晶體之若干像素。光電轉換區段經組態以根據光量而產生信號電荷。放電區段經組態以在一曝光週期期間接收由光電轉換區段產生之信號電荷中超出光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流。至少兩個電荷累積區段包含經組態以在曝光週期之後接收由光電轉換區段產生之信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以接收超出飽和電荷量之信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段。像素電晶體傳送及讀取信號電荷。形成其中像素係排列成一個二維矩陣之像素陣列區段。掃描區段經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在信號電荷之一累積週期中係同時的，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。可同時掃描而非依序掃描所有該等像素。
藉由本揭示內容，在具有一全域快門功能之一固態成像裝置中，可在結束讀出之前開始曝光，且因此改良移動影像之品質。
在下文中，將參照圖1至圖12描述根據本揭示內容之實施例之一固態成像裝置之一實例、驅動一固態成像裝置之一方法及一電子系統。將以下列順序描述本揭示內容之實施例。在此方面，本揭示內容並非限制於下列實例。
1.第一實施例：固態成像裝置
1.1固態成像裝置之整體組態
1.2主要部分之組態
1.3驅動方法
1.4變動
2.第二實施例：固態成像裝置電子系統
2.1像素組態
2.2電子系統之組態
2.3驅動方法：靜態影像
2.4驅動方法：移動影像
1.第一實施例：固態成像裝置
1.1固態成像裝置之整體組態
首先，將描述根據本揭示內容之一第一實施例之一固態成像裝置。
圖1係圖解說明根據本揭示內容之第一實施例之一整體CMOS固態成像裝置之一示意性組態圖。
根據本實施例之一固態成像裝置1具有包含形成在由矽製成之一基板9上之一像素陣列區段2及整合在與像素陣列區段2之基板相同之基板9上之一周邊電路區段之一組態。舉例而言，周邊電路區段包含列一掃描區段3、一恆定電流源區段4、一行信號處理區段5、一行掃描區段6、一輸出處理區段7及一控制區段8等。
像素陣列區段2具有其中一單位像素(在下文中有時簡稱為一「像素」)係佈置在列方向及行方向上(即，佈置在一 個二維矩陣中)之一組態，該單位像素具有根據入射光量而產生一定量之光電荷(光信號)且將該等光電荷累積於內部之一光電轉換元件。此處，列方向意謂一像素列中之像素之一配置方向(即，水平方向)，且行方向意謂一像素行中之像素之一配置方向(即，垂直方向)。隨後將描述單位像素之一特定電路組態之細節。
在像素陣列區段2中，一像素驅動線12係針對在列方向上之每一像素列接線至一矩陣狀態像素陣列，且一垂直信號線17係針對在行方向上之每一像素行佈線至一矩陣狀態像素陣列。像素驅動線12傳輸用以在自一像素讀取一信號時驅動之一驅動信號。在圖1中，一像素驅動線12係藉由一配接線(wire line)圖解說明，但不限於一線。像素驅動線12之一端係連接至對應於列掃描區段3之每一列之一末端端子。
列掃描區段3包含一位移暫存器、一位址解碼器等，且針對所有像素或針對每一列等同時驅動像素陣列區段2之每一像素。即，列掃描區段3與控制列掃描區段3之控制區段8一起構成驅動像素陣列區段2之每一像素之一驅動區段。自圖解省略列掃描區段3之一特定組態。一般而言，列掃描區段3具有包含兩個掃描系統(即，一讀取掃描系統及一掃掠掃描系統)之一組態。
讀取掃描系統針對每一列對像素陣列區段2之單位像素依序執行選擇性掃描，以便自該等單位像素讀取信號。自單位像素讀取之信號係類比信號。掃掠掃描系統對一列執 行掃掠掃描，藉由讀取掃描系統自該列執行讀取掃描。
藉由掃掠掃描系統執行掃掠掃描使得自讀取列中之單位像素之光電轉換元件掃除不必要電荷，且藉此重設光電轉換元件。且藉由掃掠掃描系統掃掠不必要電荷(重設)而執行所謂的電子快門操作。此處，電子快門操作意謂用以捨棄光電轉換元件之光電荷及用以開始新曝光(開始光電荷之累積)操作之操作。
隨後將描述藉由讀取掃描系統及掃掠掃描系統執行之像素掃描。
自已經受藉由列掃描區段3執行之選擇性掃描之像素列中之每一單位像素輸出之信號係透過用於每一像素行之垂直信號線17之一對應垂直信號線經由恆定電流源區段4而輸入至行信號處理區段5中。恆定電流源區段4具有其中針對每一像素行佈置一恆定電流源35(參考圖2A及圖2B)之一組態。恆定電流源35透過垂直信號線17之一對應垂直信號線將一偏壓電流供應至每一單位像素。
行信號處理區段5針對每一像素行對自像素陣列區段2之選定列之每一像素透過垂直信號線17輸出之信號執行預定信號處理。舉例而言，藉由行信號處理區段5執行之信號處理包含藉由CDS(相關雙重取樣)之雜訊消除處理、信號放大處理、AD(類比轉數位)轉換處理等。
然而，此處舉例說明之信號處理僅係一實例，且藉由行信號處理區段5執行之信號處理不限於上述之處理。行信號處理區段5執行多種處理中之一或複數個處理。
行掃描區段6包含一位移暫存器、一位址解碼器等，且選擇對應於行信號處理區段5之一像素行之一單位電路。行掃描區段6執行選擇性掃描使得已經受針對行信號處理區段5中之每一單位電路之信號處理之一信號透過水平信號線10依序供應至輸出處理區段7。
輸出處理區段7對已由行掃描區段6選定且透過水平信號線10輸入之信號執行預定處理，且將信號輸出於基板9外部。藉由輸出處理區段7之處理有時僅包含緩衝或可包含多種信號處理，諸如緩衝之前之黑階調整、針對個別像素行之變動校正等。
控制區段8接收自基板9外部賦予之一時脈信號、指示一操作模式之一資料信號等，且包含在此等信號之基礎上產生多種時序信號之一時序產生區段。將藉由控制區段8產生之多種時序信號賦予周邊電路區段，諸如列掃描區段3、行信號處理區段5及行掃描區段6等，且該等多種時序信號執行此等電路區段之驅動控制。
1.2主要部分之組態
圖2A圖解說明根據本實施例之固態成像裝置1之像素陣列區段2之一橫截面組態(藉由一電路圖圖解說明組態之一部分)。圖2B係圖解說明根據本實施例之固態成像裝置1之一像素之一電路組態之一圖。
如圖2A及圖2B中圖解說明，根據本實施例之固態成像裝置1包含形成於一基板20上之一光電轉換區段(在下文中稱為一光二極體PD)、一第一電荷累積區段24及一第二電 荷累積區段25。又，固態成像裝置1包含用於傳送電荷之一傳送電晶體13、一第一重設電晶體11、一第二重設電晶體14、一放大電晶體15及一選擇性電晶體16。
如圖2A及圖2B中所圖解說明，基板20係由一第一導電類型例如一n型半導體基板製成。基板20之一表面(其上形成一像素)係由一第二導電類型例如一p型雜質區域製成之一井區域21。分別構成一像素、一第一電荷累積區段24及一第二電荷累積區段25之一光二極體PD及構成每一像素電晶體之源極區域及汲極區域係形成於p型井區域21中。
光二極體PD構成一光電轉換元件，且包含形成於基板20之一表面上之一p型半導體區域22及形成於該p型半導體區域22之一下層中之一n型半導體區域23。在本實施例中，一主要光二極體係由介於p型半導體區域22與n型半導體區域23之間之一p-n接面構成。
光二極體PD根據入射光量而產生信號電荷，且該等信號電荷係累積於n型半導體區域23中。又，在本實施例中，在光二極體PD中，形成在一表面側上具有一正電洞累積層之p型半導體區域22。因此，抑制出現在形成於基板20之表面側上之氧化物膜之一界面(未圖解說明)上之一暗電流。
第一電荷累積區段24係形成在鄰近於光二極體PD之一區域中以便將包含於井區域21中之一傳送閘極區段24a夾置於該第一電荷累積區段24與該光二極體PD之間，且包含在一深度方向上自基板20之表面形成之一n型半導體區 域。透過一絕緣膜31直接在基板20上之其上形成有第一電荷累積區段24及傳送閘極區段24a之一區域中形成一電壓改變電極26。且電壓改變電極26經供應有一所需電壓改變脈衝CCD使得傳送閘極區段24a及第一電荷累積區段24之電位改變。藉此，透過閘極區段24a將累積於光二極體PD中之信號電荷傳送至第一電荷累積區段24。
以此方式，第一電荷累積區段24具有一CCD(電荷耦合裝置)結構(藉由電壓改變電極26改變該CCD結構之電位)且作用為暫時保持信號電荷之一電容器區段(MEM)。又，在第一電荷累積區段24之光二極體PD側上佈置一電位障壁(對應於傳送閘極區段24a)。
第二電荷累積區段25係形成在鄰近於第一電荷累積區段24之一區域中以便將構成傳送電晶體13之一傳送閘極電極28夾置於該第二電荷累積區段25與該第一電荷累積區段24之間，且包含自基板20之表面側形成之一n型半導體區域。第二電荷累積區段25具有高於(例如)包含於光二極體PD中之n型半導體區域23的雜質濃度，且構成一所謂的浮動擴散區段FD。
傳送電晶體13包含由第一電荷累積區段24製成之一源極、由第二電荷累積區段25製成之一汲極，及透過絕緣膜31形成於基板20上介於源極與汲極之間之傳送閘極電極28。
藉由將一傳送脈衝Trf供應至傳送閘極電極28，傳送電晶體13將累積於第一電荷累積區段24中之信號電荷傳送至 第二電荷累積區段25。
第一重設電晶體11包含由光二極體PD製成之一源極、連接至一電源電壓Vdd之一汲極(在圖2A中藉由一放電區段30表示)及形成於源極與汲極之間之一第一重設閘極電極29。藉由將一第一重設脈衝Drn供應至第一重設閘極電極29，將第一重設電晶體11之光二極體PD之一電壓重設至電源電壓Vdd。
第二重設電晶體14包含由第二電荷累積區段25製成之一源極、連接至電源電壓Vdd之一汲極及形成於源極與汲極之間之一第二重設閘極電極32。藉由將一第二重設脈衝Rst供應至第二重設閘極電極32，將第二重設電晶體14之第二電荷累積區段25之一電壓重設至電源電壓Vdd。
放大電晶體15包含一汲極(電源電壓Vdd係供應至該汲極)、一源極(其亦充當選擇性電晶體16之一汲極)及一放大閘極電極33(其形成於源極與汲極之間)。將第二電荷累積區段25之一電壓供應至放大電晶體15之放大閘極電極33。藉此，將對應於該電壓之一像素信號輸出至汲極。
選擇性電晶體16包含一汲極(其亦充當放大電晶體15之一源極)、一源極(其連接至垂直信號線17)及一選擇性閘極電極34(其形成於源極與汲極之間)。藉由將一選擇性脈衝Sel供應至選擇性電晶體16之選擇性閘極電極34，將像素信號輸出至垂直信號線17。且藉由透過選擇性電晶體16將放大電晶體15連接至垂直信號線17而形成一源極隨耦器電路，其中一恆定電流源35連接至垂直信號線17之一端。
在圖2A中，針對第二重設電晶體14、放大電晶體15及選擇性電晶體16僅圖解說明一電路圖，且已省略一橫截面組態。然而，以與其他像素電晶體相同之方式，該等電晶體包含一n通道MOS電晶體。即，第二重設電晶體14、放大電晶體15及選擇性電晶體16之源極及汲極係分別包含於形成在基板20之表面上之n型半導體區域中，且個別閘極電極係透過絕緣膜形成於基板20之表面上。
1.3驅動方法
接下來，將描述根據本實施例之驅動固態成像裝置1之一方法。圖3係圖解說明根據本實施例之固態成像裝置1之一拍攝方法之一時序圖。又，圖4及圖5係對應於時序圖之電位圖及圖解說明自一單位像素之曝光至讀出之電子移動及電位轉變之橫截面電位圖。圖3中之時間點(1)至(12)分別對應於圖4及圖5中之時間點(1)至(12)。
首先，在開始曝光之前之一待命狀態中，未供應第一重設脈衝Drn、電壓改變脈衝CCD、傳送脈衝Trf、選擇性脈衝Sel及第二重設脈衝Rst，且因此每一閘極區段係處於一關斷狀態(圖3中之狀態(1))。如圖4中之狀態(1)中圖解說明，在待命狀態中，單位像素係處在其中信號電荷係累積於光二極體PD及第二電荷累積區段25中之一狀態中。此時，在讀出前一圖框之後，累積於光二極體PD中之信號電荷係源自入射光。又，累積於第二電荷累積區段25中之信號電荷係來自前一圖框之一剩餘部分。
接下來，為了開始曝光，供應第一重設脈衝Drn使得開 啟第一重設電晶體11(圖3中之狀態(2))。如圖4中之狀態(2)中圖解說明，藉由開啟第一重設電晶體11，將累積於光二極體PD中之信號電荷放電至連接至電源電壓Vdd之放電區段30，且重設光二極體PD。在此之後，停止供應第一重設脈衝Drn使得關閉第一重設電晶體11(圖3中之狀態(3))。且將以此方式重設累積於光二極體PD中之信號電荷之操作認為係電子快門操作。在關閉第一重設電晶體11之後，開始光二極體PD中之曝光。
在開始曝光之後，在其中已經過一所需曝光週期之一狀態(圖3中之狀態(4))中，如圖4中之狀態(4)中圖解說明，在曝光週期期間藉由光電轉換產生之信號電荷係累積於光二極體PD中。此處，在第一重設閘極電極29下方之重設閘極區段之一電位障壁經組態低於電壓改變電極26下方之傳送閘極區段24a之電位障壁。因此，若信號電荷經產生超過光二極體PD之一飽和電荷量，則自光二極體PD之溢流信號電荷經組態以不放電至第一電荷累積區段24中，而放電至包含於第一重設電晶體11中之放電區段30中。可藉由雜質濃度控制電位障壁之高度。具體而言，可藉由在第一重設閘極電極29下方引入諸如含磷化合物之n型雜質來降低電位障壁。在日本未經審查專利申請公開案第2009-268083號(其係使用第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25兩者以保持電荷之一相關技術實例)中，電位障壁之一高-低關係相反的，且因此來自光二極體PD之溢出信號電荷流入第一電荷累積區段24中。
接下來，供應第二重設脈衝Rst及傳送脈衝Trf使得開啟第二重設電晶體14及傳送電晶體13(圖3中之狀態(5))。藉此，如圖4中之狀態(5)中圖解說明，累積於第二電荷累積區段25中之信號電荷係透過第二重設電晶體14放電至電源電壓Vdd。此處，若信號電荷亦係累積於第一電荷累積區段24中，則累積於第一電荷累積區段24之信號電荷亦係以相同方式透過第二重設電晶體14放電至電源電壓Vdd。且為了使此操作接近於一隨後輪流讀取(rolling read)狀態，可期望在開啟選擇性電晶體16之同時供應選擇性脈衝Sel。
且停止供應第二重設脈衝Rst及傳送脈衝Trf，且因此關閉第二重設電晶體14及傳送電晶體13(圖3中之狀態(6))。此處，如圖4中之狀態(6)中圖解說明，第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25之信號電荷變為一重設狀態。
接下來，供應電壓改變脈衝CCD及傳送脈衝Trf使得將傳送閘極區段24a及第一電荷累積區段24之電位設定成深度，且因此開啟傳送電晶體13(圖3中之狀態(7))。藉此，如圖5中之狀態(7)中圖解說明，在曝光週期期間累積於光二極體PD中之信號電荷係傳送至第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25。此處，第一電荷累積區段24並非形成為足夠大以容納累積於光二極體PD中之所有信號電荷。因此，光二極體PD中之信號電荷係首先傳送至第一電荷累積區段24，且已自第一電荷累積區段24溢出之信號電荷係傳送至第二電荷累積區段25以累積於其中。
且在傳送信號電荷之後，停止電壓改變脈衝CCD及傳送脈衝Trf之供應，且因此電壓改變電極26之下部分之電位返回至先前電位，此關閉傳送電晶體13(圖3中之狀態(8))。此時，若已供應選擇性脈衝Sel，則同時停止該供應。且藉此，如圖5中之狀態(8)中圖解說明，結束信號電荷至第一電荷累積區段24及至第二電荷累積區段25之傳送。
目前為止之一系列操作係針對所有像素同時實行。即，在圖4之狀態(2)中開始全域曝光，且在圖5之狀態(7)中實行全域傳送使得針對所有像素同時終止一曝光週期。
接下來，實行輪流讀取。在輪流讀取時，針對每一列依序執行操作。
每一像素係在圖5之一狀態(8)中直至輪到操作其所在之列為止。將參照圖3及圖5描述第n列中之像素之操作。
當輪到第n列時，首先，供應選擇性脈衝Sel(圖3中之狀態(8'))。藉此，選擇性電晶體16變為接通狀態。此時，傳送電晶體13之電位係處於與圖5中之狀態(8)之電位相同之狀態中。且當開啟選擇性電晶體16時，藉由放大電晶體15放大對應於由累積於第二電荷累積區段25中之信號電荷引起之電位之像素輸出作為一高照度信號，且透過選擇性電晶體16將該高照度信號輸出至垂直信號線17。輸出至垂直信號線17上之高照度信號係擷取於行電路(圖式中未圖解說明)中。
接下來，在其中繼續供應選擇性脈衝Sel之一狀態中， 供應第二重設脈衝Rst(圖3中之狀態(9))。藉此，第二重設電晶體14變為接通狀態，接著如圖5中之狀態(9)中圖解說明，將累積於第二電荷累積區段25中之信號電荷放電至電源電壓Vdd，且實行重設。在此之後，停止第二重設脈衝Rst之供應(圖3中之狀態(10))，且因此(如圖5中之狀態(10)中圖解說明)關閉第二重設電晶體14。
且當第二重設電晶體14係在關斷狀態中時，將對應於第二電荷累積區段25之電位之一輸出擷取於行電路中作為一重設信號。行電路藉由產生之前獲得之高照度信號與重設信號之間之差異而執行相關雙重取樣。藉此，行電路保持高照度信號，已自該高照度信號移除一固定雜訊型樣。
接下來，在其中繼續供應選擇性脈衝Sel之一狀態中，供應傳送脈衝Trf(圖3中之狀態(11))。藉此，傳送電晶體13變為接通狀態，接著如圖5中之狀態(11)中圖解說明，將累積於第一電荷累積區段24中之信號電荷傳送至第二電荷累積區段25。在傳送結束之後，停止傳送脈衝Trf之供應(圖3中之狀態(12))，且如圖5中之狀態(12)中圖解說明，關閉傳送電晶體13。
且在此狀態中，藉由放大電晶體15放大對應於累積在第二電荷累積區段25中之信號電荷之電位之一輸出作為一低照度信號，且透過選擇性電晶體16將該低照度信號輸出至垂直信號線17。輸出至垂直信號線17上之低照度信號係藉由行電路擷取。
行電路藉由產生於圖3中之狀態(10)中獲得之重設信號 與低照度信號之間之差異而執行相關雙重取樣。藉此，行電路保持低照度信號，已自該低照度信號移除一固定雜訊型樣。
且高照度信號及低照度信號(已自其等移除固定雜訊型樣)係保持於行電路中，且係透過水平信號線10輸出至輸出處理區段7。輸出處理區段7自高照度信號及低照度信號重新建構對應於在曝光週期期間由光二極體PD產生及累積之信號電荷之一信號，且輸出該信號。藉此，結束讀取第n列中之像素。
在結束讀取第n列中之像素後，讀取第(n+1)列中之像素。當讀取第(n+1)列中之像素時，以與圖3中之狀態(8')至(12)中之像素電晶體相同之操作驅動個別像素電晶體，且可獲得低照度信號及高照度信號。
在根據本實施例之固態成像裝置1中，在曝光週期期間藉由光電轉換產生之信號電荷僅藉由光二極體PD累積，且在曝光週期結束之後，該等信號電荷係傳送至第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25。因此，與其中信號電荷在曝光週期期間係累積於光二極體PD及第一電荷累積區段24中之一相關技術固態成像裝置相比，可使第一電荷累積區段24之一面積變小。藉此，若假定單位像素之一面積保持相同，則可保證具有光二極體PD之一大佔用面積且增大靈敏度及一飽和電荷量。
又，在根據本實施例之固態成像裝置1中，可讀取低照度信號及高照度信號兩者，且因此可擴大一動態範圍。
在本實施例中，應該使電子快門操作與全域傳送之同時性保持至在實際使用中不存在任何問題之程度。若同時完全操作所有像素，則驅動器上存在許多負載。為了減少此負載，可採用提供像素陣列區段2之一上部分與一下部分之間之一小時間差之一組態。
順便提及，使用根據本實施例之驅動一固態成像裝置1之一方法，使得在輪流讀取期間執行電子快門操作變為可能。在下文中，作為一變動，將描述其中電子快門操作係執行於輪流讀取期間之一驅動方法。
1.4變動
圖6係圖解說明根據一變動之驅動一固態成像裝置之一方法之一時序圖。在該變動中，在輪流讀取時一電子快門之操作、全域傳送之操作及每一像素之操作係與上述實施例之操作相同，但其等之時序不同。在擷取一移動影像之情況中，根據該變動之方法係有效的。
在該變動中，如圖6中圖解說明，在完全結束輪流讀取之前，執行電子快門之操作(圖6中之狀態(2))。即，在前一圖框之一讀取週期期間開始下一曝光週期。在此情況中，為了最小化電源波動等之影響，可期望在改變列時執行電子快門操作。
在根據本實施例之固態成像裝置1中，若在一曝光週期期間由光二極體PD產生之信號電荷超出光二極體PD之一飽和電荷量，則信號電荷溢出至第一重設電晶體11之汲極(放電區段30)中。因此，超出光二極體PD之飽和電荷量之 信號電荷可能不溢出至第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25中，且因此可在結束輪流讀取之前開始曝光。
且如在該變動中，在終止輪流讀取之前開始曝光，故僅藉由光二極體PD累積曝光期間之信號電荷，且在完全終止輪流讀取之後執行全域傳送。藉此，先前信號電荷及後繼信號電荷將不會混合於第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25中。
在該變動中，在結束輪流讀取之前開始曝光，且因此圖框之間之時間跳躍(time jumps)變少使得可擷取一平穩移動影像，且改良靈敏度。又，在根據本實施例之固態成像裝置1中，如上文所描述，產生之信號電荷僅累積於光二極體PD中，且因此可採用其中光二極體PD具有一大面積且第一電荷累積區段24具有一小面積之一組態。此一組態對根據該變動之一驅動方法係有效的。
2.第二實施例：固態成像裝置電子系統
接下來，將描述根據本揭示內容之一第二實施例之固態成像裝置、驅動該固態成像裝置之一方法及一電子系統。根據本實施例之固態成像裝置之一整體組態與圖1中之組態相同，且因此將省略一重複描述。在根據本實施例之固態成像裝置中，兩個像素共用複數個像素電晶體。
2.1像素組態
圖7係圖解說明根據本實施例之一固態成像裝置之一像素組態之一電路圖。圖7圖解說明行方向上之兩個鄰近像素(在下文中稱為一第一像素40a及一第二像素40b)作為一 代表。在圖7中，將一相同參考數字賦予圖2B中之一對應部件，且因此將省略一重複描述。
如圖7中圖解說明，在第一像素40a及第二像素40b中，針對每一像素個別地形成光二極體PD、第一電荷累積區段24(參考圖2A)及驅動該等像素之像素電晶體。且第一像素40a及第二像素40b共用第二電荷累積區段25(參考圖2A)。且第一像素40a及第二像素40b亦共用重設第二電荷累積區段25之第二重設電晶體14、放大電晶體15及選擇性電晶體16。
在第一像素40a中，一傳送脈衝Trf1係輸入至傳送電晶體13中，一第一重設脈衝Drn1係輸入至第一重設電晶體11中，且一電壓改變脈衝CCD1係輸入至電壓改變電極26中。
在第二像素40b中，一傳送脈衝Trf2係輸入至傳送電晶體13中，一第一重設脈衝Drn2係輸入至第一重設電晶體11中，且一電壓改變脈衝CCD2係輸入至電壓改變電極26中。
為了驅動根據本實施例之一固態成像裝置，當拍攝一靜態影像時必需組合使用一機械快門。接下來，將描述其中併入根據本實施例之固態成像裝置之一電子系統。
2.2電子系統之組態
圖8圖解說明其中固態成像裝置係應用於作為根據本揭示內容之一電子系統之一實例之一相機之情況之一組態。根據本實施例之一電子系統50包含一光學透鏡群組(光學 透鏡系統)51、一機械快門61、一固態成像裝置52、一DSP(數位信號處理器)53、一圖框記憶體57及一中央處理單元(CPU)54。此外，電子系統50包含一顯示裝置55、一記錄裝置58、一作業系統56、一電源系統59等。在此等之中，DSP 53、圖框記憶體57、CPU 54、顯示裝置55、記錄裝置58、作業系統56及電源系統59係連接至一共同匯流排線60。
光學透鏡群組51將來自一主體(入射光)之影像光引導至固態成像裝置52之一成像區段(像素陣列區段：像素區段)上。機械快門61控制固態成像裝置52之一光照射週期及一光屏蔽週期。將具有於圖7中圖解說明之像素組態之一固態成像裝置應用於固態成像裝置52。固態成像裝置52將藉由光學透鏡群組51形成在成像表面上之影像光轉換成每一像素之一電子信號。DSP 53控制固態成像裝置52，接著自其接收一信號，且產生一影像信號。圖框記憶體57係用於暫時儲存待由DSP 53處理之一影像信號之一記憶體。
顯示裝置55顯示作為藉由DSP 53處理之一結果而輸出之一影像信號。記錄裝置58將影像信號記錄至(例如)一磁帶、一磁碟、一光碟、一記憶體卡等。作業系統56係用於操作相機。電源系統59施加電力以驅動固態成像裝置52及機械快門61。CPU 54控制此等裝置之操作。
在根據本實施例之電子系統50中，在拍攝一靜態影像時，使用機械快門61。且在擷取一移動影像時，在不使用機械快門61之情況下擷取該移動影像。在下文中，將描述 驅動該系統之一特定方法。
2.3驅動方法：靜態影像
圖9圖解說明在藉由內建於根據本實施例之一電子系統50中之一固態成像裝置52擷取一靜態影像之情況中之一時序圖。圖9中之時間點(1)至(12)分別對應於圖4及圖5中之時間點(1)至(12)。在本實施例中，在擷取一靜態影像之情況中，組合使用包含於電子系統50中之機械快門61。
首先，在其中敞開機械快門61之一狀態中，將第一重設脈衝Drn1及Drn2同時供應至所有像素使得僅開啟第一重設電晶體11(圖9中之狀態(2))。在此之後，同時停止第一重設脈衝Drn1及Drn2至所有像素之供應使得關閉第一重設電晶體11(圖9中之狀態(3))。藉此，針對所有像素同時執行電子快門操作，且因此開始一曝光週期。當曝光週期開始時，如圖4中之狀態(4)中圖解說明，光二極體PD開始產生及累積信號電荷。
接下來，閉合機械快門61使得同時終止所有該等像素之曝光週期。即，在第一實施例中，執行全域傳送以便同時終止所有該等像素之曝光週期。然而，在本實施例中，閉合機械快門61以便終止曝光週期。
在閉合機械快門61之後，開始輪流讀取。在輪流讀取中，首先讀取第一像素40a之一信號。在讀取第一像素40a中，以相同於根據第一實施例之驅動方法(如圖4中之狀態(5)至圖5中之狀態(12)中圖解說明)之方式讀取累積於光二極體PD中之信號電荷作為一高照度信號及一低照度信號。 且當正讀取第一像素40a之信號電荷時，在第二像素40b中，經產生及累積之信號電荷係保持在光二極體PD中而未改變。
在結束第一像素40a之讀取之後，接下來，讀取第二像素40b。以與第一實施例中之圖4中之狀態(5)至圖5中之狀態(12)中之方式相同之方式實行第二像素40b之讀取。在本實施例中，以此方式，在共用複數個像素電晶體之像素中，將信號電荷分別傳送至第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25，且依序讀取該等信號電荷。
在本實施例中，亦將自圖4中之狀態(4)至圖5中之狀態(8)之操作併入於每一列之讀取操作中，且因此可併入待讀取至行電路中之一像素之一重設信號。因此，針對高照度信號，可產生與藉由圖9中之狀態(6)獲得之重設信號之一差異代替與藉由圖9中之狀態(10)獲得之重設信號之差異。
在本實施例中，在共用複數個電晶體之第一像素40a及第二像素40b中，信號電荷係分別傳送至第一電荷累積區段24及第二電荷累積區段25，且經依序讀取。因此，個別像素之信號電荷不混合於第二電荷累積區段25中。又，在本實施例中，藉由機械快門61機械地結束一曝光週期，且因此在閉合機械快門61之後機械地屏蔽入射光。因此，在輪流讀取時，可將一像素中之信號電荷累積於光二極體PD中直至讀取像素之時。在此方面，在本實施例中，機械快門61僅係用於判定結束一曝光週期之時序。因此，針對用於本實施例中之機械快門61，可使用與判定一曝光週期之 一開始及一結束之一高精度機械快門相比之一簡單機械快門。
2.4驅動方法：移動影像
圖10圖解說明在根據本實施例之一固態成像裝置中擷取一移動影像之情況中之一時序圖。圖10中之時間點(1)至(12)分別對應於圖4及圖5中之時間點(1)至(12)。在本實施例中，在擷取一移動影像之情況中，無法組合使用包含於電子系統50中之機械快門61。
在擷取一移動影像之情況中，以與第一實施例相同之方式針對所有像素同時執行電子快門(圖10中之狀態(2))操作。且在完成某一曝光週期之後，藉由與第一實施例中之全域傳送相同之全域傳送(圖10中之狀態(4)至(8))，同時終止針對所有像素之曝光週期。又，在輪流讀取中，同時分別操作用於第一像素40a及第二像素40b之第一重設脈衝Drn1及Drn2、傳送脈衝Trf1及Trf2及電壓改變脈衝CCD1及CCD2。藉此，將兩個像素之信號電荷添加於第二電荷累積區段25中，且接著讀取該等信號電荷。即，在擷取一移動影像之情況中，第一像素40a及第二像素40b之信號電荷係作為一像素之信號電荷而讀取。
順便提及，一當前數位靜態相機針對一靜態影像產生10兆像素或更多像素。然而，針對一移動影像，即使一HDTV(高清晰度電視)僅產生兩兆像素。以此方式，針對移動影像，存在允許像素增加(pixel addition)以便減少像素數目之許多應用。在本實施例中，在擷取一移動影像時 於共用像素之間執行像素增加。然而，若可使靈敏度及回聲雜訊劣化，則可採用減少讀取(thinning read)(其中僅讀取共用像素之一者)代替像素增加。
如上所述，在本實施例中，在具有一全域快門功能之一固態成像裝置中，可在複數個像素(在本實施例中為兩個像素)之中共用複數個像素電晶體。因此，可使一單位像素之一面積變小。又，可使一像素電晶體之一佔用面積變小，因此可使每一像素中之光二極體PD之面積變大，且可擴大一飽和電荷量。
順便提及，在本實施例中，在擷取一移動影像時，混合及輸出共用第二電荷累積區段25之像素之信號。因此，共用第二電荷累積區段25之像素必須係對應於彼此相同之一色彩之像素。
圖11A圖解說明可應用於本實施例之一像素配置之一實例。圖11B圖解說明相對於圖11A中之實際像素配置在藉由彼此共用之像素添加信號電荷之情況中之一有效像素配置。圖11A圖解說明其中配置若干紅色像素(R)、若干藍色像素(B)及若干綠色像素(G)之實例。如圖11A中圖解說明，一奇數行中之像素全部係由綠色像素構成，且一偶數行中之像素具有其中每兩列交替佈置紅色像素及藍色像素之一組態。且採用其中每一行中呈一相同色彩之鄰近像素共用第二電荷累積區段(圖2A中之第二電荷累積區段25)之一像素組態。
使用上述配置，在使用像素增加擷取一移動影像之情況 中，同時讀取呈一相同色彩之兩個鄰近像素之信號電荷。且在此情況中，共用之像素具有一相同色彩，且因此未使色彩混合。以此方式，呈一相同色彩之像素共用包含第二電荷累積區段25之複數個像素電晶體，使得即使像素之數目減小亦可獲得用於擷取一移動影像之足夠數目個像素。又，可針對每一像素設定在擷取一移動影像時之一曝光週期。因此，若兩個共用像素之信號電荷之累積時間週期經設定彼此不同，則可在擷取一移動影像時以一45度對角拜耳配置擴大一動態範圍。
圖11A圖解說明其中在擷取一移動影像時像素配置變為一對角拜耳配置之一配置。亦可藉由使圖11A中之配置旋轉45度而將圖11B中之配置設定為一拜耳配置。
在本實施例中，已描述其中兩個像素共用第二電荷累積區段25及複數個像素電晶體之情況。然而，兩個像素或兩個以上像素共用以上元件亦係可能的。圖12圖解說明用於其中三個像素共用第二電荷累積區段25及複數個像素電晶體之情況之一像素配置之一實例。
如圖12中圖解說明，像素配置係一正常拜耳配置，且垂直方向上(行方向上)呈相同色彩之三個鄰近像素係置於一共用單元中。即，藉由圖12中之一配接線連接之像素變為彼此共用之像素。
在本實施例中，共用像素係由呈一相同色彩之像素構成，且因此在擷取一移動影像時未出現色彩混合。又，在圖12中之配置中，若藉由行電路等在橫向方向上(行方向 上)添加三行之像素，則除了在垂直方向上添加三個像素以外，亦可重新組態具有像素數目之1/9之一拜耳配置。在此情況中，在其中像素數目係約18兆像素之情況中，可擷取具有兩兆像素之一移動影像，且因此可確保用於擷取一移動影像之足夠數目個像素。
如上文所描述，在本實施例中，在具有一全域快門功能之一固態成像裝置(其具有複數個像素共用複數個像素電晶體之一組態)中，可使用一全域快門以使用一機械快門61同時擷取一移動影像及一靜態影像兩者。又，在本實施例中，不必具有一昂貴高精度機械快門，且因此可減少成本。
本揭示內容並不限於應用於偵測可見入射光量之分佈以便擷取一影像之一固態成像裝置。本揭示內容可應用於擷取入射物(諸如紅外線或X射線或粒子等)量之分佈之一固態成像裝置。廣義上，本揭示內容亦可應用於(一般言之)諸如偵測其他物理量(例如，壓力、靜電電容等)之分佈以擷取一影像之一指紋偵測感測器之一固態成像裝置(物理量分佈偵測設備)。
此外，本揭示內容並不限於其中針對每一列依序掃描一像素區域中之個別單位像素且自該等個別單位像素讀取像素信號之一固態成像裝置。本揭示內容亦可應用於其中針對每一像素選擇該等像素之任一者且自該選定像素讀取一信號之一X-Y定址類型之固態成像裝置。
在此方面，固態成像裝置可形成於一晶片中或可形成於 其中將一像素區域及一信號處理區段或一光學透鏡系統封裝在一起以具有擷取影像之一功能之一模組組態中。
又，根據本揭示內容之一固態成像裝置主要係藉由n通道MOS電晶體組態。然而，亦可藉由p通道MOS電晶體組態該裝置。
在使用p通道MOS電晶體之情況中，在個別圖中採用將導電類型反相之一組態。
又，在本揭示內容中，已描述一相機作為一電子系統之一實例。然而，作為一電子系統，除一相機系統(諸如一數位靜態相機、視訊攝影機等)以外，亦給定具有擷取影像之一功能之一電子系統，諸如行動電話或類似物。在此方面，本揭示內容有時可應用於具有上述功能、安裝於一電子系統上之一模組，即應用於一相機模組。
又，在本揭示內容中，已僅描述其中根據第二實施例之一固態成像裝置係應用於一電子系統之情況。然而，當然亦可將根據第一實施例之一固態成像裝置應用於一電子系統。在此情況中，無法組合使用一機械快門。
在此方面，可如下組態本揭示內容。
(1)一種固態成像裝置，其包含：一像素陣列區段，其包含在一個二維矩陣中之一像素陣列，該等像素包含：一光電轉換區段，其經組態以根據光量而產生信號電荷， 一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流；至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光週期之後接收由該光電轉換區段產生之信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以接收超出該飽和電荷量之信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段；及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷；及一掃描區段，其經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在該等信號電荷之一累積週期中係同時的，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。
(2)根據(1)之固態成像裝置，其中該光電轉換區段與該放電區段之間之一電位障壁經形成低於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁。
(3)根據(1)或(2)之固態成像裝置，其中該第一電荷累積區段具有一CCD結構。
(4)一種驅動一固態成像裝置之方法，該固態成像裝置包含一像素陣列區段，該像素陣列區段包含在一個二維矩陣中之一像素陣列，該等像素包含一光電轉換區段，其經組態以根據光量而產生信號電荷，一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中 之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流，至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光週期之後接收由該光電轉換區段產生之信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以接收超出該飽和電荷量之信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段，及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷，該方法包括：藉由該光電轉換區段針對所有該等像素同時開始曝光，且產生及累積該等信號電荷；針對所有該等像素將累積於該光電轉換區段中之該等信號電荷同時傳送至該第一電荷累積區段；讀出超過該第一電荷累積區段中之飽和電荷量而傳送至該第二電荷累積區段之信號電荷作為一高照度信號，重設該第二電荷累積區段之電位，且接著將累積於該第一電荷累積區段中之該等信號電荷傳送至該第二電荷累積區段，且針對每一像素讀出累積於該第二電荷累積區段中之該等信號電荷作為一低照度信號。
(5)根據(4)之驅動一固態成像裝置之方法，其中藉由將該光電轉換區段中之所累積信號電荷放電至該放電區段而開始曝光週期。
(6)根據(4)或(5)之驅動一固態成像裝置之方法，其進一步包括，在讀出該高照度信號及重設該第二電荷累積區段之電位之後，獲得該第二電荷累積區段之一重設電位，且使用該 重設信號消除該高照度信號及該低照度信號之固定型樣雜訊。
(7)根據(4)至(6)之任一項之驅動一固態成像裝置之方法，其中在結束該等像素之各者之信號電荷之讀出之前開始該曝光週期。
(8)一種包含一固態成像裝置之電子系統，該固態成像裝置包含：一像素陣列區段，其包含在一個二維矩陣中之一像素陣列；該等像素包含：一光電轉換區段，其經組態以根據光量而產生信號電荷，一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流；至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光週期之後接收由該光電轉換區段產生之信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以接收超出該飽和電荷量之信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段；及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷；及一掃描區段，其經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在該等信號電荷之一累積週期中係同時的，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。
本揭示內容含有關於在2011年6月21日向日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP 2011-137652中之所揭示者之標的，該申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
熟習此項技術者應瞭解，取決於設計需求及其他因素可出現多種修改、組合、子組合及替代，只要該等修改、組合、子組合及替代係在隨附申請專利範圍或其等效物之範疇內。
1‧‧‧固態成像裝置
2‧‧‧像素陣列區段
3‧‧‧列掃描區段
4‧‧‧恆定電流源區段
5‧‧‧行信號處理區段
6‧‧‧行掃描區段
7‧‧‧輸出處理區段
8‧‧‧控制區段
9‧‧‧基板
10‧‧‧水平信號線
11‧‧‧第一重設電晶體
12‧‧‧像素驅動線
13‧‧‧傳送電晶體
14‧‧‧第二重設電晶體
15‧‧‧放大電晶體
16‧‧‧選擇性電晶體
17‧‧‧垂直信號線
20‧‧‧基板
21‧‧‧井區域
22‧‧‧p型半導體區域
23‧‧‧n型半導體區域
24‧‧‧第一電荷累積區段
24a‧‧‧傳送閘極區段
25‧‧‧第二電荷累積區段
26‧‧‧電壓改變電極
28‧‧‧傳送閘極電極
29‧‧‧第一重設閘極電極
30‧‧‧放電區段
31‧‧‧絕緣膜
32‧‧‧第二重設閘極電極
33‧‧‧放大閘極電極
34‧‧‧選擇性閘極電極
35‧‧‧恆定電流源
40a‧‧‧第一像素
40b‧‧‧第二像素
50‧‧‧電子系統
51‧‧‧光學透鏡群組(光學透鏡系統)
52‧‧‧固態成像裝置
53‧‧‧數位信號處理器(DSP)
54‧‧‧中央處理單元(CPU)
55‧‧‧顯示裝置
56‧‧‧作業系統
57‧‧‧圖框記憶體
58‧‧‧記錄裝置
59‧‧‧電源系統
60‧‧‧共用匯流排線
61‧‧‧機械快門
CCD‧‧‧電壓改變脈衝
CCD1‧‧‧電壓改變脈衝
CCD2‧‧‧電壓改變脈衝
Drn‧‧‧第一重設脈衝
Drn1‧‧‧第一重設脈衝
Drn2‧‧‧第一重設脈衝
FD‧‧‧浮動擴散區段
MEM‧‧‧電容器區段
PD‧‧‧光二極體
Rst‧‧‧第二重設脈衝
Sel‧‧‧選擇性脈衝
Trf‧‧‧傳送脈衝
Trf1‧‧‧傳送脈衝
Trf2‧‧‧傳送脈衝
Vdd‧‧‧電源電壓
圖1係圖解說明根據本揭示內容之一第一實施例之一整體CMOS固態成像裝置之一示意性組態圖；圖2A及圖2B係分別圖解說明根據本揭示內容之第一實施例之一固態成像裝置之一像素陣列區段之一橫截面組態(藉由一電路圖圖解說明其之一部分)及一像素之一電路組態之圖；圖3係圖解說明根據第一實施例之一固態成像裝置之一拍攝方法之一時序圖；圖4係對應於時序圖之一電位圖，且係圖解說明自一單位像素之曝光至讀出之電子移動及電位轉變之一橫截面電位圖(2之1)；圖5係對應於時序圖之一電位圖，且係圖解說明自一單位像素之曝光至讀出之電子移動及電位轉變之一橫截面電位圖(2之2)；圖6係圖解說明根據一變動之驅動一固態成像裝置之一方法之一時序圖； 圖7係圖解說明根據本揭示內容之一第二實施例之一固態成像裝置之一像素組態之一電路圖；圖8係在其中一固態成像裝置係應用於作為根據本揭示內容之一電子系統之一實例之一相機之情況中之一組態圖；圖9係在藉由根據第二實施例之內建於一電子系統中之一固態成像裝置擷取一靜態影像之情況中之一時序圖；圖10係在藉由根據第二實施例之內建立於一電子系統中之一固態成像裝置擷取一移動影像之情況中之一時序圖；圖11A及圖11B係分別圖解說明可應用於本揭示內容之第二實施例之一像素配置之一實例之圖及相對於一實際像素配置在其中信號電荷係添加至共用像素當中之情況中之一有效像素配置之圖；及圖12係可應用於其中三個像素共用一第二電荷累積區段及複數個像素電晶體之一情況之一像素配置之一實例。
1‧‧‧固態成像裝置
2‧‧‧像素陣列區段
3‧‧‧列掃描區段
4‧‧‧恆定電流源區段
5‧‧‧行信號處理區段
6‧‧‧行掃描區段
7‧‧‧輸出處理區段
8‧‧‧控制區段
9‧‧‧基板
10‧‧‧水平信號線
12‧‧‧像素驅動線
17‧‧‧垂直信號線

Claims (19)

  1. 一種固態成像裝置，其包含：一像素陣列區段，其包含在一個二維矩陣中之一像素陣列，該等像素包含：一光電轉換區段，其經組態以根據一光量而產生信號電荷，一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流；至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光週期之後接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以回應於具有一第一電位之一第一傳送脈衝及一電壓改變脈衝接收超出該飽和電荷量之該等信號電荷之傳送且隨後回應於具有該第一電位之一第二傳送脈衝自該第一電荷累積區段接收剩餘信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段；及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷；及一掃描區段，其經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在該等信號電荷之一累積週期中係同時，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。
  2. 如請求項1之固態成像裝置， 其中該光電轉換區段與該放電區段之間之一電位障壁經形成低於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁。
  3. 如請求項2之固態成像裝置，其中該第一電荷累積區段具有一CCD結構。
  4. 如請求項1之固態成像裝置，其中該等像素包括一第一像素及一第二像素，且該複數個像素電晶體由該第一及第二像素共用。
  5. 如請求項1之固態成像裝置，其中，在超出該飽和電荷量之該等信號電荷之傳送期間，介於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁低於介於該第一電荷累積區段與該第二電荷累積區段之間之一電位障壁。
  6. 如請求項1之固態成像裝置，其進一步包含一電子快門。
  7. 一種驅動一固態成像裝置之方法，該固態成像裝置包含一像素陣列區段，該像素陣列區段包含在一個二維矩陣中之一像素陣列，該等像素包含一光電轉換區段，其經組態以根據一光量而產生信號電荷，一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流，至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光 週期之後接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以回應於具有一第一電位之一第一傳送脈衝及一電壓改變脈衝接收超出該飽和電荷量之該等信號電荷之傳送且隨後回應於具有該第一電位之一第二傳送脈衝自該第一電荷累積區段接收剩餘信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段，及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷，該方法包括：藉由該光電轉換區段針對所有該等像素同時開始曝光，且產生及累積該等信號電荷；針對所有該等像素將累積於該光電轉換區段中之該等信號電荷同時傳送至該第一電荷累積區段；讀出超過該第一電荷累積區段中之該飽和電荷量而傳送至該第二電荷累積區段之該等信號電荷作為一高照度信號，重設該第二電荷累積區段之電位，且接著將累積於該第一電荷累積區段中之該等信號電荷傳送至該第二電荷累積區段，且針對每一像素讀出累積於該第二電荷累積區段中之該等信號電荷作為一低照度信號。
  8. 如請求項7之驅動一固態成像裝置之方法，其中藉由將該光電轉換區段中之該經累積信號電荷放電至該放電區段而開始曝光週期。
  9. 如請求項8之驅動一固態成像裝置之方法，其進一步包括，在讀出該高照度信號及重設該第二電荷累積區段之該 電位之後，獲得該第二電荷累積區段之一重設電位作為一重設信號，且使用該重設信號消除該高照度信號及該低照度信號之固定型樣雜訊。
  10. 如請求項9之驅動一固態成像裝置之方法，其中在結束該等像素之各者之該等信號電荷之該讀出之前開始該曝光週期。
  11. 如請求項7之驅動一固態成像裝置之方法，其中該等像素包括一第一像素及一第二像素，且該複數個像素電晶體由該第一及第二像素共用。
  12. 如請求項7之驅動一固態成像裝置之方法，其中，在超出該飽和電荷量之該等信號電荷之傳送期間，介於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁低於介於該第一電荷累積區段與該第二電荷累積區段之間之一電位障壁。
  13. 如請求項7之驅動一固態成像裝置之方法，該固態成像裝置進一步包含一電子快門。
  14. 一種包含一固態成像裝置之電子系統，該固態成像裝置包括：一像素陣列區段，其包含在一個二維矩陣中之一像素陣列；該等像素包含一光電轉換區段，其經組態以根據一光量而產生信號電荷，一放電區段，其經組態以在一曝光週期期間接收由 該光電轉換區段產生之該等信號電荷中超出該光電轉換區段中之一飽和電荷量之信號電荷之一溢流；至少兩個電荷累積區段，其等包含經組態以在該曝光週期之後接收由該光電轉換區段產生之該等信號電荷之傳送之一第一電荷累積區段及經組態以回應於具有一第一電位之一第一傳送脈衝及一電壓改變脈衝接收超出該飽和電荷量之該等信號電荷之傳送且隨後回應於具有該第一電位之一第二傳送脈衝自該第一電荷累積區段接收剩餘信號電荷之傳送之一第二電荷累積區段；及複數個像素電晶體，其等傳送及讀取該等信號電荷；及一掃描區段，其經組態以掃描該等像素使得所有該等像素之累積週期在該等信號電荷之一累積週期中係同時的，且經組態以依序選擇性地掃描該等像素。
  15. 如請求項14之電子系統，其中介於該光電轉換區段與該放電區段之間之一電位障壁經形成低於介於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁。
  16. 如請求項15之電子系統，其中該第一電荷累積區段具有一CCD結構。
  17. 如請求項14之電子系統，其中該等像素包括一第一像素及一第二像素，且該複數個像素電晶體由該第一及第二像素共用。
  18. 如請求項14之電子系統，其中，在超出該飽和電荷量之 該等信號電荷之傳送期間，介於該光電轉換區段與該第一電荷累積區段之間之一電位障壁低於介於該第一電荷累積區段與該第二電荷累積區段之間之一電位障壁。
  19. 如請求項14之電子系統，其進一步包含一電子快門。
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