專利名稱：固態(tài)取像裝置,固態(tài)取像系統(tǒng)和用于驅(qū)動該固態(tài)取像裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)取像系統(tǒng)，其包括用于輸出從感光元件讀出的電荷的固態(tài)取像裝置；和驅(qū)動該固態(tài)取像裝置的驅(qū)動裝置，更具體而言，涉及一種不增加讀出電壓而防止產(chǎn)生如殘留圖像的缺陷圖像的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，如家庭視頻相機(jī)和數(shù)字照相機(jī)等取像裝置已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
在這些取像裝置中，有一些使用了電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)圖像器件，它們從感光元件讀出電荷、轉(zhuǎn)移且輸出該讀出的電荷。
圖17示出了傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)取像器件的一部分結(jié)構(gòu)，該部分對應(yīng)于一個單元像素。
如圖17所示，在固態(tài)取像器件中，在n型襯底71上形成了p阱72。p阱72包括作為嵌入式溝道的n型區(qū)域73，和作為光電二極管的n型區(qū)域74。p型區(qū)域75設(shè)置在n型區(qū)域73和n型區(qū)域74之間。在p阱72上形成了SiO2膜76。在n型區(qū)域73的上面形成了由多晶硅制成的柵電極77，SiO2膜76夾在它們之間。傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)取像器件的結(jié)構(gòu)稱為MOS(金屬-氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。
柵電極77作為電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移電極使用，也作為從光電二極管讀出電荷的讀出電極使用。
相鄰的單元像素每個均被p型區(qū)域78分離開，p型區(qū)域78是專門為此目的而設(shè)置的。
p阱72通常接地。對于p阱72將反偏電壓加到n型襯底71上。
在此，改變加到n型襯底上的反偏電壓能改變光電二極管的電勢深度，并能改變n型襯底71和光電二極管之間的勢壘的高度。在此應(yīng)注意到，通過將反偏電壓設(shè)置為某一值能形成稱為垂直溢漏的結(jié)構(gòu)，該值使得過度地存儲在光電二極管中的電荷溢出到n型襯底71側(cè)，而不是溢出到電荷轉(zhuǎn)移溝道。在本文中，將過度地存儲在光電二極管中的電荷溢出到電荷轉(zhuǎn)移溝道稱為“激增(blooming)”。另外，將施加到襯底上且處于抑制“激增”的限度的電壓稱為“激增抑制電壓”。為了防止在傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)取像器件中發(fā)生激增，有必要在光電二極管(n型區(qū)域74)和電荷轉(zhuǎn)移溝道(n型區(qū)域73)之間形成足夠高的勢壘以防止激增。因此有必要使p型區(qū)域75中為控制電勢而設(shè)置的p型雜質(zhì)的密度足夠大以防止激增，防止光電二極管和電荷轉(zhuǎn)移溝道之間的真空區(qū)變寬。
然而，如果使p型區(qū)域75中的p型雜質(zhì)的密度足夠大以防止激增，并防止光電二極管和電荷轉(zhuǎn)移溝道之間的真空區(qū)變寬，則即使將正電壓加到柵電極77上，也會變得難以使真空區(qū)變寬。當(dāng)這發(fā)生時，必須將讀出電壓設(shè)置為較高電平以防止信號電荷剩余。
已公開的日本專利申請No.S62-145865公開了這樣的固態(tài)取像器件，用于當(dāng)將信號電荷從感光單元轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移單元時，防止信號電荷剩余，因此降低了殘留圖像的量。
例如，當(dāng)由于設(shè)置為低電平的讀出電壓而使信號電荷剩余時，就產(chǎn)生了如殘留圖像的缺陷圖像。
另一方面，存在有減小單元像素的表面積的需求。然而，如果減小了單元像素的表面積，則用于電勢控制的p型區(qū)域的水平寬度也要減小。這使得有必要增加p型區(qū)域的垂直深度。這也增加了讀出電壓。然而，對于增加讀出電壓是有限度的。結(jié)果，有時仍有信號電荷剩余，產(chǎn)生如殘留圖像的缺陷圖像。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)取像裝置，用于即使將讀出電壓設(shè)置為低電平也能防止信號電荷剩余，及用于即使減小了單元像素的表面積也難于使信號電荷剩余，并且提供了一種固態(tài)取像系統(tǒng)和一種用于驅(qū)動固態(tài)取像裝置的裝置和方法。
通過這樣的固態(tài)取像系統(tǒng)實現(xiàn)了上述目的，該固態(tài)取像系統(tǒng)包括用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷的固態(tài)取像裝置，和用于驅(qū)動該固態(tài)取像裝置的驅(qū)動裝置，該固態(tài)取像裝置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，第二類型不同于第一類型，或者是n型或者是p型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，可用來將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元，該驅(qū)動裝置包括讀出電壓控制單元，可用來在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間，不將讀出電壓施加到柵電極上，然后在讀出時段期間將讀出電壓施加到柵電極上；及反偏電壓控制單元，可用來將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，且可用來在讀出時段的部分或全部時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓能將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
通過用于驅(qū)動固態(tài)取像裝置的驅(qū)動裝置也實現(xiàn)了上述目的，該固態(tài)取像裝置用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，該固態(tài)取像裝置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，可用來將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元，該驅(qū)動裝置包括讀出電壓控制單元，可用來在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間不將讀出電壓施加到柵電極上，然后在讀出時段期間將讀出電壓施加到柵電極上；及反偏電壓控制單元，可用來將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，且可用來在讀出時段的部分或全部時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于在反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
通過一種驅(qū)動方法也實現(xiàn)了上述目的，該驅(qū)動方法用于驅(qū)動固態(tài)取像裝置，該固態(tài)取像裝置輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，該固態(tài)取像裝置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，可用來將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元，該驅(qū)動方法包括步驟通過不將讀出電壓施加到柵電極上，且將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上來控制存儲，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，同時使得光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；當(dāng)在存儲控制步驟中光電轉(zhuǎn)換單元已經(jīng)產(chǎn)生和存儲電荷持續(xù)了一預(yù)定的時間，將讀出電壓施加到柵電極上，及通過在施加讀出電壓的部分或全部時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度，從而使得將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元讀出到電荷存儲單元。
在讀出時段期間，利用上述結(jié)構(gòu)，能形成垂直溢漏結(jié)構(gòu)，且在此同時升高半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘。
這能使得即使將讀出電壓設(shè)置為低電平也能防止信號電荷剩余，且使得即使單元像素的表面積減小了也能難于使信號電荷剩余，有助于改進(jìn)取像裝置的圖像質(zhì)量和降低成本。
上述驅(qū)動裝置可以進(jìn)一步包括輸出單元，可用來直接地或者經(jīng)由轉(zhuǎn)移地將電荷從電荷存儲單元輸出到外部，其中在緊跟著讀出電壓控制單元完成施加讀出電壓直到輸出單元完成輸出電荷的時段期間，反偏電壓控制單元不施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓能將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
利用上述結(jié)構(gòu)，在緊跟著讀出電壓控制單元完成施加讀出電壓直到輸出單元完成輸出電荷的時段期間，不升高半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘。這能保持垂直溢漏結(jié)構(gòu)，且防止過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到到電荷存儲單元。
因此，這能按照一種合適的方式將信號電荷輸出到外部。
在上述驅(qū)動裝置中，特定反偏電壓可以處于這樣的電壓水平當(dāng)柵單元將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元時，導(dǎo)致在光電轉(zhuǎn)換單元中沒有電荷剩余。固態(tài)取像裝置進(jìn)一步包括固定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的固定反偏電壓施加指令產(chǎn)生固定反偏電壓；及特定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的特定反偏電壓施加指令產(chǎn)生特定反偏電壓，其中當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時，反偏電壓控制單元將固定反偏電壓施加指令發(fā)給固定反偏電壓產(chǎn)生電路，及當(dāng)反偏電壓控制單元施加特定反偏電壓時，將特定反偏電壓施加指令發(fā)給特定反偏電壓產(chǎn)生電路。
利用上述結(jié)構(gòu)，能僅通過發(fā)布固定反偏電壓施加指令施加固定反偏電壓，且類似地，能僅通過發(fā)布特定反偏電壓施加指令施加特定反偏電壓。
這樣給驅(qū)動裝置減輕了一些負(fù)載。
通過一種固態(tài)取像裝置也實現(xiàn)了上述目的，該固態(tài)取像裝置用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，其包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，可用來將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元；固定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的固定反偏電壓施加指令產(chǎn)生固定反偏電壓，當(dāng)將固定反偏電壓施加到半導(dǎo)體襯底上時，使得過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元；及特定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的特定反偏電壓施加指令產(chǎn)生特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
利用上述結(jié)構(gòu)，如果接收到固定反偏電壓施加指令，則施加固定反偏電壓。且類似地，如果接收到特定反偏電壓施加指令，則施加特定反偏電壓。
這樣從驅(qū)動裝置減輕了一些負(fù)載，且增加了功能多樣性。
在上述固態(tài)取像裝置中，特定反偏電壓處于這樣的電壓水平，當(dāng)柵單元將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元時，使得在光電轉(zhuǎn)換單元中沒有電荷剩余，該固態(tài)取像裝置進(jìn)一步包括特定反偏電壓設(shè)置單元，可用來根據(jù)從外部接收到的電壓水平設(shè)置指令，設(shè)置從特定反偏電壓產(chǎn)生電路輸出的特定反偏電壓的電壓水平。
利用上述結(jié)構(gòu)，能從外部設(shè)置特定反偏電壓的電壓水平。這樣能使每個器件具有相同的性能。
因此這能為驅(qū)動裝置進(jìn)一步減輕負(fù)載。


本發(fā)明的這些和/或其它目的、優(yōu)點和特征將從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例的描述中變得明顯。
在附圖中圖1示出了本發(fā)明的實施例1中的取像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖2是對應(yīng)于一個單元像素的固態(tài)取像器件1的一部分的截面圖，且在驅(qū)動單元3中設(shè)置了柵電壓控制單元31和襯底電壓控制單元32；圖3示出了由柵電壓控制單元31施加到柵電極17上的柵電壓、和由襯底電壓控制單元32施加到半導(dǎo)體襯底11上的反偏電壓的具體例子；圖4示出了柵電壓控制單元31的具體例子；圖5示出了襯底電壓控制單元32的具體例子；圖6示出了在圖3所示的漏時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布；圖7示出了在圖3所示的丟棄時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布；圖8示出了在圖3所示的讀出時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布；圖9示出了實施例1中的取像系統(tǒng)用于讀出一個圖像的電荷的處理過程；圖10示出了本發(fā)明的實施例2中的取像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖11是對應(yīng)于一個單元像素的固態(tài)取像器件4的一部分的截面圖，示出了包括在固態(tài)取像器件4中的柵電壓輸出單元41和襯底電壓輸出單元42，和包括在驅(qū)動單元6中的柵電壓控制單元61和襯底電壓控制單元62；圖12示出了柵電壓輸出單元41的具體例子；圖13示出了襯底電壓輸出單元42的具體例子；圖14示出了柵電壓控制單元61的具體例子；圖15示出了襯底電壓控制單元62的具體例子；圖16示出了實施例2中的取像系統(tǒng)用于設(shè)置固定反偏電壓、讀出電壓和的第一特定反偏電壓的處理過程；圖17示出了傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移型固態(tài)取像器件的一部分結(jié)構(gòu)，該部分對應(yīng)于一個單元像素。
具體實施例方式
實施例1<概述>
在本發(fā)明的實施例1中，在施加讀出電壓的同時改變反偏電壓，以便即使已經(jīng)將讀出電壓設(shè)置為低電平，信號電荷也不會剩余。這是基于這樣的事實，即在形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)的固態(tài)取像器件中，當(dāng)從感光元件中讀出電荷時，不需要形成垂直溢漏結(jié)構(gòu)，以及這一事實，即改變形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)的反偏電壓使得n型襯底和光電二極管之間的勢壘的高度改變，使得光電二極管的電勢深度改變。
<結(jié)構(gòu)>
圖1示出了本發(fā)明的實施例1中的取像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，實施例1中的取像系統(tǒng)嵌入在如視頻相機(jī)或數(shù)字照相機(jī)的取像裝置中。取像系統(tǒng)通過對經(jīng)過透鏡而形成的圖像執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生圖像信息，并輸出產(chǎn)生的圖像信息。取像系統(tǒng)包括固態(tài)取像器件1、信號處理單元2和驅(qū)動單元3。
由驅(qū)動單元3驅(qū)動的固態(tài)取像器件1允許其接收的光穿過透鏡(未示出)而被聚焦為圖像，然后將其投射到多個二維排列的感光元件上，并且多個垂直CCD(電荷耦合器件)與水平CCD協(xié)同以預(yù)定的順序向信息處理單元2輸出亮度信號，該信號是作為感光元件執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的結(jié)果而產(chǎn)生的。
信號處理單元2將驅(qū)動指令輸出到驅(qū)動單元3。信號處理單元2處理從固態(tài)取像器件1輸出的亮度信號，并將處理的結(jié)果輸出到外部。信號處理單元2包括CDS(模擬信號處理單元)21、A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換單元)22和DSP(數(shù)字信號處理器)23。
CDS 21去除從固態(tài)取像器件1輸出的亮度信號中的噪聲，然后放大亮度信號。
A/D 22通過A/D轉(zhuǎn)換將已經(jīng)被CDS 21去除了噪聲的模擬亮度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字亮度信號。
DSP 23通過對從A/D 22輸出的數(shù)字亮度信號執(zhí)行數(shù)字處理而產(chǎn)生圖像信息。
驅(qū)動單元3根據(jù)來自信號處理單元2的驅(qū)動指令來驅(qū)動固態(tài)取像器件1。
圖2是對應(yīng)于一個單元像素的固態(tài)取像器件1的一部分的截面圖。圖2也示出了柵電壓控制單元31和襯底電壓控制單元32。
如圖2所示，固態(tài)取像器件1的該部分包括半導(dǎo)體襯底11、阱12、電荷存儲單元13、光電轉(zhuǎn)換單元14、柵單元15、保護(hù)膜16和柵電極17。
半導(dǎo)體襯底11是n型或p型的。在本實施例中，假設(shè)半導(dǎo)體襯底11是n型的。
阱12是形成在半導(dǎo)體襯底11上的，且是一種與半導(dǎo)體襯底11的類型不同的類型。在本實施例中，假設(shè)阱12是p型的。
電荷存儲單元13是具有與半導(dǎo)體襯底11相同類型的區(qū)域，且形成在阱12中。電荷存儲單元13是臨時存儲電荷的嵌入式溝道。
光電轉(zhuǎn)換單元14是形成在阱12中的光電二極管。光電轉(zhuǎn)換單元14產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷。
柵單元15是在阱12中的光電轉(zhuǎn)換單元14和電荷存儲單元13之間形成的區(qū)域，且其類型與半導(dǎo)體襯底11的類型不同。當(dāng)將讀出電壓加到柵電極17時，柵單元15將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元14移動到電荷存儲單元13。
保護(hù)膜16是一層用于保護(hù)在半導(dǎo)體襯底11上形成的區(qū)域的保護(hù)膜。在本實施例中，假設(shè)保護(hù)膜16是SiO2膜。
柵電極17具有用作電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移電極的功能，也具有用作從光電二極管讀出電荷的讀出電極的功能。在本實施例中，假設(shè)柵電極17是由多晶硅(多晶-Si)制成。
在光電轉(zhuǎn)換單元14產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間內(nèi)，柵電壓控制單元31不將讀出電壓加到柵電極17上，而在將存儲的電荷讀入電荷存儲單元13的讀出時段期間內(nèi)，將讀出電壓加到柵電極17上，然后在將讀出的電荷轉(zhuǎn)移和輸出到外部的轉(zhuǎn)移時段期間內(nèi)，將轉(zhuǎn)移脈沖加到柵電極17上。在此應(yīng)注意到，在獲取移動的圖片時，構(gòu)成移動圖片的圖像的轉(zhuǎn)移時段的部分或全部與下一幅圖像的存儲時段重疊。
通過穩(wěn)定地將固定反偏電壓加到半導(dǎo)體襯底11上，襯底電壓控制單元32在固態(tài)取像裝置中形成垂直溢漏結(jié)構(gòu)，該固定反偏電壓使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底11側(cè)，而不是溢出到電荷存儲單元13。在讀出時段的部分或全部期間，襯底電壓控制單元32施加第一特定反偏電壓，其將半導(dǎo)體襯底11和阱12之間的勢壘升高到比當(dāng)襯底電壓控制單元32施加固定反偏電壓時更高的高度。施加第一特定反偏電壓防止了信號電荷剩余。另外，在電荷存儲時段期間的給定時刻，襯底電壓控制單元32施加第二特定反偏電壓，其將勢壘降低到比光電轉(zhuǎn)換單元14的電勢更低。這樣能夠?qū)⒋鎯υ诠怆娹D(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷丟棄到半導(dǎo)體襯底11側(cè)。這樣實現(xiàn)了控制電荷存儲時間的垂直電子快門，該電荷存儲時間是讀出電荷所需的時間量。
圖3示出了由柵電壓控制單元31施加到柵電極17上的柵電壓、和由襯底電壓控制單元32施加到半導(dǎo)體襯底11上的反偏電壓的具體例子。
如圖3所示，在讀出時段期間(時刻T1和T2之間的時段和時刻T1′和T2′之間的時段)，將具有200μs脈沖寬度的10V讀出電壓Vvh加到柵電極17。在轉(zhuǎn)移時段期間(時刻T2和T5之間的時段和時刻T2′和T5′之間的時段)，將具有50μs脈沖寬度的-7.5V轉(zhuǎn)移電壓Vv1，在對應(yīng)于轉(zhuǎn)移數(shù)目的320μs的持續(xù)時間內(nèi)以50μs的間隔加到柵電極17上。在讀出時段期間，將大約5V的第一特定反偏電壓Vsubl加到半導(dǎo)體襯底11上。在丟棄時段期間(時刻T3和T4之間的時段和時刻T3′和T4′之間的時段)，將大約20V的第二特定反偏電壓Vsubh加到半導(dǎo)體襯底11上。在漏時段期間(時刻T2和T3之間的時段、時刻T4和T1′之間的時段、時刻T2′和T3之間的時段和時刻T4′和T1″之間的時段)，將大約8V的固定反偏電壓Vsubm加到半導(dǎo)體襯底11上。
圖4示出了柵電壓控制單元31的具體例子。
如圖4所示，柵電壓控制單元31包括計數(shù)器單元311、讀出控制單元312、讀出電壓產(chǎn)生單元313、轉(zhuǎn)移脈沖控制單元314和轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生單元315。
計數(shù)器單元311是660進(jìn)制的計數(shù)器，用于得到50KHz的時鐘源的計數(shù)，并且在每個循環(huán)輸出其660個計數(shù)。計數(shù)器單元311將計數(shù)“0”和“4”輸出到讀出控制單元312，且將計數(shù)“5”輸出到轉(zhuǎn)移脈沖控制單元314。
例如，讀出控制單元312是SR鎖存器，當(dāng)它接收到計數(shù)“0”時其啟動輸出控制信號給讀出電壓產(chǎn)生單元313，該控制信號指示輸出讀出電壓，且當(dāng)接收到計數(shù)“4”時，停止輸出該控制信號。
例如，讀出電壓產(chǎn)生單元313是增壓電路，并將從直流電源輸入的電壓升高到讀出電壓的水平，且在其從讀出控制單元312接收控制信號的同時輸出讀出電壓。
轉(zhuǎn)移脈沖控制單元314是脈沖產(chǎn)生電路，且以預(yù)定的次數(shù)將指示輸出轉(zhuǎn)移電壓的控制信號的脈沖輸出到轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生單元315，當(dāng)其從計數(shù)器單元311接收到計數(shù)“5”時開始輸出該脈沖。
例如，轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生單元315是增壓電路，將從直流電源輸入的電壓升高到轉(zhuǎn)移電壓的水平，且在其從轉(zhuǎn)移脈沖控制單元314接收控制信號的同時輸出轉(zhuǎn)移電壓。
圖5示出了襯底電壓控制單元32的具體例子。
如圖5所示，襯底電壓控制單元32包括計數(shù)器單元321、固定反偏控制單元322、固定反偏電壓產(chǎn)生單元323、第一特定反偏控制單元324、第一特定反偏電壓產(chǎn)生單元325、計數(shù)選擇單元326、第二特定反偏控制單元327和第二特定反偏電壓產(chǎn)生單元328。
計數(shù)器單元321與計數(shù)器單元311的情況相同，是660進(jìn)制的計數(shù)器，用于得到例如50KHz的時鐘源的計數(shù)，并且在每個循環(huán)輸出其660個計數(shù)。計數(shù)器單元321與計數(shù)器單元311同步，將計數(shù)“0”和“4”輸出到第一特定反偏控制單元324，且將計數(shù)“5”-“650”輸出到計數(shù)選擇單元326。
固定反偏控制單元322例如是邏輯電路，且在除了其從第一特定反偏控制單元324或第二特定反偏控制單元327接收控制信號期間的時段之外，其穩(wěn)定地將指示輸出固定反偏電壓的控制信號輸出到固定反偏電壓產(chǎn)生單元323。
固定反偏電壓產(chǎn)生單元323例如是增壓電路，將從直流電源輸入的電壓升高到固定反偏電壓的水平，且在其從固定反偏控制單元322接收控制信號的同時輸出固定反偏電壓。
第一特定反偏控制單元324例如是SR鎖存器，當(dāng)它接收到計數(shù)“0”時，其啟動將控制信號輸出至固定反偏控制單元322和第一特定反偏電壓產(chǎn)生單元325，該控制信號指示輸出第一特定反偏電壓，且當(dāng)接收到計數(shù)“4”時，停止輸出該控制信號。
第一特定反偏電壓產(chǎn)生單元325例如是增壓電路，將從直流電源輸入的電壓升高到第一特定反偏電壓的水平，且在其從第一特定反偏控制單元324接收到控制信號的同時輸出第一特定反偏電壓。
計數(shù)選擇單元326例如是選擇器，其根據(jù)由曝光控制單元等指定的快門速度來選擇兩個計數(shù)，并且將所選擇的計數(shù)輸出到第二特定反偏控制單元327。在此例子中，假設(shè)快門速度設(shè)定為1/1000s，且對應(yīng)于此設(shè)置，選擇出計數(shù)“646”和“650”。
第二特定反偏控制單元327例如是SR鎖存器，當(dāng)它接收到所選擇的兩個計數(shù)的其中第一個時，其啟動將控制信號輸出至固定反偏控制單元322和第二特定反偏電壓產(chǎn)生單元328，該控制信號指示輸出第二特定反偏電壓，且當(dāng)其接收到所選擇的兩個計數(shù)其中第二個時，停止輸出該控制信號。
第二特定反偏電壓產(chǎn)生單元328例如是增壓電路，將從直流電源輸入的電壓升高到第二特定反偏電壓的水平，且在其從第二特定反偏控制單元327接收到控制信號的同時輸出第二特定反偏電壓。
圖6示出了在圖3所示的漏時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布。
圖7示出了在圖3所示的丟棄時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布。
圖8示出了在圖3所示的讀出時段期間，沿著如圖2所示的虛線A測量的電勢分布。
在此應(yīng)注意到，圖6-8所示的點A1-A6分別對應(yīng)于位于如圖2所示的虛線上的點A1-A6，且為了比較的目的，如圖6所示的電勢分布線也以虛線提供在圖7和8中。
如圖6所示，在漏時段期間，A5和A6之間的勢壘低于A3和A4之間的勢壘。在漏時段期間，這使得過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底11側(cè)，而不是溢出到電荷存儲單元13。這表示形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)。
如圖7所示，在丟棄時段期間，A5和A6之間的勢壘低于A4和A5之間的電勢。這使得將過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷丟棄到半導(dǎo)體襯底11側(cè)。
如圖8所示，在讀出時段期間，A2和A4之間的勢壘與加到柵電極17的讀出電壓一樣低，與此同時，由于降低了反偏電壓而升高了A4和A6之間的電勢。這樣防止了信號電荷剩余。
<操作>
圖9示出了實施例1中的取像系統(tǒng)用于讀出一個圖像的電荷的處理過程。
下文使用圖3、6、7、8和9解釋讀出用于一屏的電荷的處理過程。
(1)在丟棄時段期間(圖3所示的時刻T3和T4之間的時段)，襯底電壓控制單元32將第二特定反偏電壓(大約20V)加到半導(dǎo)體襯底11上，以允許過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷被丟棄到半導(dǎo)體襯底11側(cè)(步驟S1)。
(2)在漏時段期間(圖3所示的時刻T4和T1′之間的時段)，襯底電壓控制單元32將固定反偏電壓(大約8V)加到半導(dǎo)體襯底11上，使光電轉(zhuǎn)換單元14產(chǎn)生其總量取決于接收到的光量的電荷(步驟S2)。
(3)在讀出時段期間(圖3所示的時刻T1′和T2′之間的時段)，襯底電壓控制單元32將第一特定反偏電壓(大約5V)加到半導(dǎo)體襯底11上，且柵電壓控制單元31將讀出電壓(10V)加到柵電極17上。這樣允許將存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14中的電荷讀入電荷存儲單元13(步驟S3)。
(4)在轉(zhuǎn)移時段期間(圖3所示的時刻T2′和T5′之間的時段)，襯底電壓控制單元32施加固定反偏電壓(大約8V)，且柵電壓控制單元31將轉(zhuǎn)移電壓(-7.5V)加到柵電極17上，持續(xù)對應(yīng)于轉(zhuǎn)移數(shù)目的持續(xù)時間。這樣允許將讀出的電荷轉(zhuǎn)移到電荷存儲單元13(步驟S4)。
<總結(jié)>
根據(jù)上面描述的實施例1，在施加讀出電壓的同時改變了反偏電壓，以降低光電二極管的電勢深度。這使得即使將讀出電壓設(shè)置為低電平，也能防止信號電荷剩余。這也使得在保持電荷的飽和量的同時，即使減小了單元像素的表面積，也難以使信號電荷剩余。
實施例2<概述>
在本發(fā)明的實施例2中，正如實施例1的情況，在施加讀出電壓的同時改變反偏電壓，以便即使已經(jīng)將讀出電壓設(shè)置為低電平，信號電荷也不會剩余。這是基于這樣的事實，即在形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)的固態(tài)取像器件中，當(dāng)從感光元件中讀出電荷時，不需要形成垂直溢漏結(jié)構(gòu)，以及這一事實，即改變形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)的反偏電壓使得n型襯底和光電二極管之間的勢壘高度改變，使得光電二極管的電勢深度改變。實施例2以與實施例1稍微不同的方式實現(xiàn)此目的。
更具體而言，在實施例1中，分別加到固態(tài)取像器件4的柵和襯底上的電壓由驅(qū)動單元中可變化的增壓電路產(chǎn)生，并加到固態(tài)取像器件上。相反，在實施例2中，驅(qū)動單元僅將施加每個電壓的時刻通知給固態(tài)取像器件，且在固態(tài)取像器件中設(shè)置了用于實際產(chǎn)生每個電壓的電壓產(chǎn)生電路。另外，實施例2中的固態(tài)取像器件設(shè)置有電壓設(shè)置電路，用于分別設(shè)置需要微調(diào)的電壓值，如讀出電壓、固定反偏電壓和第一特定反偏電壓。這使得在裝運或使用之前通過執(zhí)行初始設(shè)置過程就能設(shè)置某個電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓值。
<結(jié)構(gòu)>
圖10示出了本發(fā)明的實施例2中的取像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
如圖10所示，如同實施例1中的取像系統(tǒng)的情況，實施例2中的取像系統(tǒng)嵌入在如視頻相機(jī)或數(shù)字照相機(jī)的取像裝置中。取像系統(tǒng)通過對經(jīng)過透鏡而形成的圖像執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生圖像信息，并輸出產(chǎn)生的圖像信息。取像系統(tǒng)包括固態(tài)取像器件4、信號處理單元5和驅(qū)動單元6。
由驅(qū)動單元6驅(qū)動的固態(tài)取像器件4允許其接收的光穿過透鏡(未示出)而被聚焦為圖像，然后將其投射到多個二維排列的感光元件上，并且多個垂直CCD(電荷耦合器件)與水平CCD協(xié)同以預(yù)定的順序向信息處理單元5輸出亮度信號，該信號是作為感光元件執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的結(jié)果而產(chǎn)生的。
信號處理單元5將驅(qū)動指令輸出到驅(qū)動單元6。信號處理單元5處理從固態(tài)取像器件1輸出的亮度信號，并將處理的結(jié)果輸出到外部。信號處理單元5包括CDS(模擬信號處理單元)21、A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換單元)22和DSP(數(shù)字信號處理器)23。
驅(qū)動單元6根據(jù)來自信號處理單元5的驅(qū)動指令來驅(qū)動固態(tài)取像器件4。
圖11是對應(yīng)于一個單元像素的固態(tài)取像器件4的一部分的截面圖。圖11也示出了包括在固態(tài)取像器件4中的柵電壓輸出單元41和襯底電壓輸出單元42，和包括在驅(qū)動單元6中的柵電壓控制單元61和襯底電壓控制單元62。
如圖11所示，如同實施例1的情況，固態(tài)取像器件4的該部分包括半導(dǎo)體襯底11、阱12、電荷存儲單元13、光電轉(zhuǎn)換單元14、柵單元15、保護(hù)膜16和柵電極17。
柵電壓輸出單元41在柵電壓控制單元61的控制之下，將從直流電源輸入的電壓升高到讀出電壓和轉(zhuǎn)移電壓的水平，并且輸出讀出電壓和轉(zhuǎn)移電壓。
襯底電壓輸出單元42在襯底電壓控制單元62的控制之下，將從直流電源輸入的電壓升高到固定特定反偏電壓、第一特定反偏電壓和第二特定反偏電壓的水平，并且輸出這些電壓。
柵電壓控制單元61控制柵電壓輸出單元41，以使在光電轉(zhuǎn)換單元14產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間，柵電壓輸出單元41不將讀出電壓加到柵電極17上。柵電壓控制單元61也控制柵電壓輸出單元41，以使在將存儲的電荷讀入電荷存儲單元13的讀出時段期間，柵電壓輸出單元41然后將讀出電壓加到柵電極17上。柵電壓控制單元61還控制柵電壓輸出單元41，以使在將讀出的電荷轉(zhuǎn)移并輸出到外部的轉(zhuǎn)移時段期間，柵電壓輸出單元41然后將轉(zhuǎn)移脈沖加到柵電極17上。在此應(yīng)注意到，在獲取移動的圖片的同時，構(gòu)成移動圖片的圖像的部分或全部傳送時段與下一幅圖像的存儲時段重疊。
襯底電壓控制單元62控制襯底電壓輸出單元42，以使襯底電壓輸出單元42穩(wěn)定地將固定反偏電壓加到半導(dǎo)體襯底11上。這樣允許過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底11側(cè)，而不是溢出到電荷存儲單元13。這形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)。襯底電壓控制單元62控制襯底電壓輸出單元42，以使在讀出時段的部分或全部期間，襯底電壓輸出單元42施加第一特定反偏電壓，其將半導(dǎo)體襯底11和阱12之間的勢壘升高到比當(dāng)襯底電壓控制單元42施加固定反偏電壓時的高度更高。這樣施加第一特定反偏電壓防止了信號電荷剩余。另外，襯底電壓控制單元62控制襯底電壓輸出單元42，以使在電荷存儲時段期間，襯底電壓控制單元42以給定的時刻施加第二特定反偏電壓，其將勢壘的電勢降低到比光電轉(zhuǎn)換單元14的電勢更低。這樣能夠?qū)⒋鎯υ诠怆娹D(zhuǎn)換單元14的n型區(qū)域中的電荷丟棄到半導(dǎo)體襯底11側(cè)。這樣實現(xiàn)了控制電荷存儲時間的垂直電子快門，該電荷存儲時間是讀出電荷所需的時間量。
圖12示出了柵電壓輸出單元41的具體例子。
如圖12所示，柵電壓輸出單元41包括讀出電壓設(shè)置電路411、讀出電壓產(chǎn)生電路412和轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生電路413。
讀出電壓設(shè)置電路411例如是具有熔絲的電阻陣列。通過例如使外部電壓設(shè)置裝置將高電壓加到讀出電壓設(shè)置電路411上以燒斷熔絲和改變電阻值，可以改變在讀出電壓設(shè)置電路411中設(shè)置的電路常數(shù)。使用讀出電壓設(shè)置電路411，通過從外部調(diào)整電路常數(shù)，能設(shè)置從讀出電壓產(chǎn)生電路412輸出的讀出電壓。
讀出電壓產(chǎn)生電路412是可變的增壓電路，基于讀出電壓設(shè)置電路411的電路常數(shù)，將從電源輸入的電壓升高到讀出電壓的水平，且輸出讀出電壓。
轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生電路413是固定的增壓電路，將從電源輸入的電壓升高到轉(zhuǎn)移電壓的預(yù)定水平，且輸出轉(zhuǎn)移電壓。
圖13示出了襯底電壓輸出單元42的具體例子。
如圖13所示，襯底電壓輸出單元42包括固定反偏電壓設(shè)置電路421、第一特定反偏電壓設(shè)置電路422、固定反偏電壓產(chǎn)生電路423、第一特定反偏電壓產(chǎn)生電路424和第二特定反偏電壓產(chǎn)生電路425。
使用與讀出電壓設(shè)置電路411相同的方法，固定反偏電壓設(shè)置電路421設(shè)置從固定反偏電壓產(chǎn)生電路423輸出的固定反偏電壓。
使用與讀出電壓設(shè)置電路411相同的方法，第一特定反偏電壓設(shè)置電路422設(shè)置從第一特定反偏電壓產(chǎn)生電路424輸出的第一特定反偏電壓。
固定反偏電壓產(chǎn)生電路423是可變的增壓電路，基于固定反偏電壓設(shè)置電路421的電路常數(shù)，將從電源輸入的電壓升高到固定反偏電壓的水平，且輸出固定反偏電壓。
第一特定反偏電壓產(chǎn)生電路424是可變的增壓電路，基于第一特定反偏電壓設(shè)置電路422的電路常數(shù)，將從電源輸入的電壓升高到第一特定反偏電壓的水平，且輸出第一特定反偏電壓。
第二特定反偏電壓產(chǎn)生電路425是固定的增壓電路，將從電源輸入的電壓升高到第二特定反偏電壓的預(yù)定水平，且輸出第二特定反偏電壓。
由于它們是已知的技術(shù)，將不給出固定的和可變的增壓電路的詳細(xì)解釋。
圖14示出了柵電壓控制單元61的具體例子。
如圖14所示，柵電壓控制單元61包括計數(shù)器單元311、讀出控制單元612、和轉(zhuǎn)移脈沖控制單元613。
計數(shù)器單元611例如是660進(jìn)制的計期器，用于得到50KHz時鐘源的計數(shù)，并且在每個循環(huán)輸出其660個計數(shù)。計數(shù)器單元311將計數(shù)“0”和“4”輸出到讀出控制單元612，且將計數(shù)“5”輸出到轉(zhuǎn)移脈沖控制單元613。
讀出控制單元612例如是SR鎖存器，當(dāng)它接收到計數(shù)“0”時，其啟動輸出控制信號至讀出電壓產(chǎn)生電路412，該控制信號指示輸出讀出電壓，且當(dāng)接收到計數(shù)“4”時，停止輸出該控制信號。
轉(zhuǎn)移脈沖控制單元613是脈沖產(chǎn)生電路，且以預(yù)定的次數(shù)將指示輸出轉(zhuǎn)移電壓的控制信號的脈沖輸出到轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生電路413，當(dāng)其從計數(shù)器單元611接收到計數(shù)“5”時啟動輸出該脈沖。
圖15示出了襯底電壓控制單元62的具體例子。
如圖15所示，襯底電壓控制單元62包括計數(shù)器單元621、固定反偏控制單元622、第一特定反偏控制單元623、計數(shù)選擇單元624和第二特定反偏控制單元625。
計數(shù)器單元621如同計數(shù)器單元611的情況，是660進(jìn)制的計數(shù)器，用于得到例如50KHz時鐘源的計數(shù)，并且在每個循環(huán)輸出其660個計數(shù)。計數(shù)器單元621與計數(shù)器單元611同步，將計數(shù)“0”和“4”輸出到第一特定反偏控制電路623，且將計數(shù)“5”-“650”輸出到計數(shù)選擇單元624。
固定反偏控制電路622例如是邏輯電路，且在除了其從第一特定反偏控制單元623或第二特定反偏控制單元625接收控制信號期間的時段之外，其穩(wěn)定地將指示輸出固定反偏電壓的控制信號輸出到固定反偏電壓產(chǎn)生電路423。
第一特定反偏控制單元623例如是SR鎖存器，當(dāng)它接收到計數(shù)“0”時，其啟動將指示輸出第一特定反偏電壓的控制信號輸出至固定反偏控制單元622和第一特定反偏電壓設(shè)置電路422，且當(dāng)接收到計數(shù)“4”時，停止輸出該控制信號。
計數(shù)選擇單元624例如是選擇器，其根據(jù)由曝光控制單元等指定的快門速度選擇兩個計數(shù)，并且將所選擇的計數(shù)輸出到第二特定反偏控制單元625。在此例子中，假設(shè)快門速度設(shè)定為1/1000s，且對應(yīng)于此設(shè)置，選擇計數(shù)“646”和“650”。
第二特定反偏控制單元625例如是SR鎖存器，當(dāng)它接收到所選擇的兩個計數(shù)其中第一個時，啟動將指示輸出第二特定反偏電壓的控制信號輸出至固定反偏控制單元622和第二特定反偏電壓產(chǎn)生電路425，且當(dāng)它接收到所選擇的兩個計數(shù)其中第二個時，停止輸出該控制信號。
在此應(yīng)注意到，在實施例1的圖3中可以看到由柵電壓輸出單元41加到柵電極17上的柵電壓的具體例子，在實施例1的圖3中可以看到由襯底電壓輸出單元42加到半導(dǎo)體襯底11上的反偏電壓的具體例子。
另外，在實施例1的圖6-8中可以看到實施例2中的電勢分布的具體例子。
<操作>
圖16示出了實施例2中的取像系統(tǒng)用于設(shè)置固定反偏電壓、讀出電壓和第一特定反偏電壓的處理過程。
下面用圖16來闡述設(shè)置固定反偏電壓、讀出電壓和第一特定反偏電壓的處理過程。
(1)在電壓設(shè)置裝置中設(shè)置固態(tài)取像器件4(步驟S11)。
(2)電壓設(shè)置裝置控制柵電壓輸出單元41，以使固態(tài)取像器件4的所有感光表面被屏蔽光，且將轉(zhuǎn)移脈沖加到柵電極17上，以從電荷存儲單元13掃除所有像素的所有電荷(步驟S12)。
(3)電壓設(shè)置裝置控制柵電壓輸出單元41，以使柵電壓不加到柵電極17上，并控制襯底電壓輸出單元42，以致于將作為固定反偏電壓的候選的電壓加到半導(dǎo)體襯底11上(步驟S13)。
在此例子中，假設(shè)在制造過程中，在固定反偏電壓設(shè)置電路421中設(shè)置電路常數(shù)，該電路常數(shù)使得固定反偏電壓產(chǎn)生電路423產(chǎn)生比固定反偏電壓的期望值充分高的電壓，然后在電壓設(shè)置過程中，電壓設(shè)置裝置逐漸降低電路常數(shù)，直到形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)。這樣確定了固定反偏電壓的值。
(4)將相對強(qiáng)的光加到固態(tài)取像器件4的所有感光表面上，其持續(xù)時間足夠長以便14的n型區(qū)域過度地存儲電荷(步驟S14)。
(5)控制柵電壓輸出單元41以將轉(zhuǎn)移脈沖加到柵電極17上，以便從電荷存儲單元13讀出所有像素的所有電荷(步驟S15)。
(6)通過將一個像素的每個讀出電荷與預(yù)定閾值比較，判斷幾乎所有的讀出電荷是否等于或者低于預(yù)定的閾值(步驟S16)。
在上述判斷中，判斷的主題是“幾乎所有讀出電荷”，而不是“所有讀出電荷”。這是由于已經(jīng)考慮了有一些缺陷像素的可能性。如果不需要考慮這種可能性，判斷的主題就可以是“所有讀出電荷”。
(7)如果在步驟S16中判斷出不是幾乎所有讀出電荷都等于或低于該預(yù)定閾值，其意味著沒有形成垂直溢漏結(jié)構(gòu)，電壓設(shè)置裝置則改變在固定反偏電壓設(shè)置電路421中設(shè)置的電路常數(shù)，以降低作為固定反偏電壓輸出的電壓(步驟S17)，且控制返回到步驟S16以重復(fù)這些步驟。
(8)如果在步驟S16中判斷出幾乎所有讀出電荷都等于或低于該預(yù)定閾值，其意味著已經(jīng)形成了垂直溢漏結(jié)構(gòu)，電壓設(shè)置裝置則改變在固定反偏電壓設(shè)置電路421中設(shè)置的電路常數(shù)，以將作為固定反偏電壓輸出的電壓減小預(yù)定的余量，且將得到的值確定為固定反偏電壓(步驟S18)。
在此應(yīng)注意到，根據(jù)在步驟S17中一次的改變量或步驟S16中的預(yù)定閾值，在步驟S18中將電壓減小預(yù)定的余量可以不是必須的。
(9)電壓設(shè)置裝置控制柵電壓輸出單元41以便將作為讀出電壓候選的電壓加到柵電極17上，且在此同時，控制襯底電壓輸出單元42以便將作為第一反偏電壓候選的電壓加到半導(dǎo)體襯底11上(步驟S19)。
在此例中，假設(shè)在制造過程中，在讀出電壓設(shè)置電路411和第一特定反偏電壓設(shè)置電路422中設(shè)置電路常數(shù)，該電路常數(shù)使得讀出電壓產(chǎn)生電路412和第一特定反偏電壓產(chǎn)生電路424產(chǎn)生分別充分低于讀出電壓和第一反偏電壓的期望值的電壓，然后在電壓設(shè)置過程中，電壓設(shè)置裝置逐漸降低這些電路常數(shù)，直到?jīng)]有剩余的信號電荷為止。這樣確定了讀出電壓和第一反偏電壓的值。
(10)控制柵電壓輸出單元41以將轉(zhuǎn)移脈沖加到柵電極17上，以便從電荷存儲單元13讀出所有像素的所有電荷(步驟S20)。
(11)通過將一個像素的每個讀出電荷與預(yù)定閾值比較，判斷幾乎所有的讀出電荷是否等于或者低于預(yù)定的閾值(步驟S21)。
在上述判斷中，判斷的主題是“幾乎所有讀出電荷”，而不是“所有讀出電荷”。這是由于已經(jīng)考慮了有一些缺陷像素的可能性。如果不需要考慮這種可能性，判斷的主題就可以是“所有讀出電荷”。
另外，在步驟S21和S16中使用的預(yù)定閾值是彼此不相關(guān)的，且是獨立確定的。
(12)如果在步驟S21中判斷出幾乎所有的讀出電荷都等于或低于該預(yù)定閾值，其意味著除了第一輪之外信號電荷剩余，電壓設(shè)置裝置則改變在讀出電壓設(shè)置電路411和第一特定反偏電壓設(shè)置電路422中設(shè)置的至少其中一個電路常數(shù)，以改變作為讀出電壓和第一特定反偏電壓而輸出的至少其中一個電壓(步驟S22)，且控制返回到步驟S21以重復(fù)這些步驟。
在此應(yīng)注意到在第一輪中，讀出信號電荷自身，在步驟S21中肯定的判斷結(jié)果不意味著信號電荷剩余。但是，在步驟S22中仍執(zhí)行相同的操作。
(13)如果在步驟S21中判斷出不是幾乎所有讀出電荷等于或低于該預(yù)定閾值，其意味著信號電荷不剩余，電壓設(shè)置裝置則改變在讀出電壓設(shè)置電路411和第一特定反偏電壓設(shè)置電路422中設(shè)置的至少其中一個電路常數(shù)，以將至少其中一個這些電壓改變預(yù)定的余量，且將得到的值確定為讀出電壓或第一特定反偏電壓(步驟S23)。
在此應(yīng)注意到，根據(jù)在步驟S22中一次的改變量或步驟S21中的預(yù)定閾值，在步驟S23中將電壓改變預(yù)定的余量可以不是必須的。
<總結(jié)>
根據(jù)從上面描述到現(xiàn)在的實施例2，在施加讀出電壓的同時改變了反偏電壓，以降低光電二極管的電勢深度。這使得即使將讀出電壓設(shè)置為低電平也能防止信號電荷剩余。這也使得在保持電荷的飽和量的同時，即使減小了單元像素的表面積，也難以使信號電荷剩余。進(jìn)而，能獨立地在每個器件中設(shè)置讀出電壓、固定反偏電壓和第一特定反偏電壓，以承受特性上的個別差異。
在實施例2中，驅(qū)動單元僅將施加每個電壓的時刻通知給固態(tài)取像器件，在固態(tài)取像器件中設(shè)置用于實際產(chǎn)生每個電壓的電壓產(chǎn)生電路。然而，不需要特別為此在固態(tài)取像器件設(shè)置中設(shè)置電壓產(chǎn)生電路，可由設(shè)置在驅(qū)動單元中的可變增壓電路產(chǎn)生將加到柵或襯底上的其中一個電壓。
本發(fā)明的上述實施例通過控制固態(tài)取像裝置中的n型襯底的電壓實現(xiàn)了低的讀出電壓，該固態(tài)取像裝置具有垂直溢漏結(jié)構(gòu)，具有形成在n型半導(dǎo)體襯底上的p阱，且在p阱中形成的n型光電二極管。然而很顯然，如果用漏極或浮動擴(kuò)散單元代替作為嵌入式溝道的n型區(qū)域，則利用與固態(tài)取像裝置具有相同結(jié)構(gòu)的MOS型圖像傳感器，也能實現(xiàn)相同的有利效果。例如，通過控制不具有垂直溢漏結(jié)構(gòu)的固態(tài)取像裝置中的p型襯底電壓，如在p型襯底中形成n型光電二極管的MOS型圖像傳感器，也可以實現(xiàn)如此低的讀出電壓。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明可應(yīng)用于諸如家庭視頻相機(jī)和數(shù)字照相機(jī)的取像裝置。本發(fā)明提供了一種固態(tài)取像器件，使得即使單元像素的表面積減小也難于使信號電荷剩余，有助于改進(jìn)取像裝置的圖像質(zhì)量和降低成本。
不局限于家庭使用的類型，本發(fā)明可應(yīng)用于每種類型的取像裝置。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)取像系統(tǒng)，包括用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷的固態(tài)取像裝置，和用于驅(qū)動該固態(tài)取像裝置的驅(qū)動裝置，該固態(tài)取像裝置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，該第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，該第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，可用來當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移動到電荷存儲單元，該驅(qū)動裝置包括讀出電壓控制單元，可用來在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間，不將讀出電壓施加到柵電極上，然后在讀出時段期間將讀出電壓施加到柵電極上；及反偏電壓控制單元，可用來將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，且可用來在讀出時段的部分或全部時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
2.一種用于驅(qū)動固態(tài)取像裝置的驅(qū)動裝置，該固態(tài)取像裝置用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，該固態(tài)取像轉(zhuǎn)置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，該第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，該第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，可用來當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移動到電荷存儲單元，該驅(qū)動裝置包括讀出電壓控制單元，可用來在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷的存儲時段期間，不將讀出電壓施加到柵電極上，然后在讀出時段期間將讀出電壓施加到柵電極上；及反偏電壓控制單元，可用來將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，且可用來在讀出時段的部分或全部時段期間內(nèi)施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于在反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
3.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動裝置，進(jìn)一步包括輸出單元，可用來直接地或者經(jīng)由轉(zhuǎn)移地將電荷從電荷存儲單元輸出到外部，其中在緊跟著讀出電壓控制單元完成施加讀出電壓直到輸出單元完成輸出電荷的時段期間，反偏電壓控制單元不施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時的其高度。
4.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動裝置，其中特定反偏電壓處于這樣的電壓水平，當(dāng)柵單元將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元時，使得在光電轉(zhuǎn)換單元中沒有電荷剩余，該固態(tài)取像裝置進(jìn)一步包括固定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的固定反偏電壓施加指令來產(chǎn)生固定反偏電壓；及特定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的特定反偏電壓施加指令來產(chǎn)生特定反偏電壓，其中當(dāng)反偏電壓控制單元施加固定反偏電壓時，反偏電壓控制單元將固定反偏電壓施加指令發(fā)給固定反偏電壓產(chǎn)生電路，及當(dāng)特定反偏電壓控制單元施加特定反偏電壓時，將特定反偏電壓施加指令發(fā)給特定反偏電壓產(chǎn)生電路。
5.一種固態(tài)取像裝置，用于輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，該第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，該第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，可用來當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元；固定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的固定反偏電壓施加指令而產(chǎn)生固定反偏電壓，當(dāng)將固定反偏電壓施加到半導(dǎo)體襯底上時，使得過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元；及特定反偏電壓產(chǎn)生電路，可用來根據(jù)從外部接收到的特定反偏電壓施加指令而產(chǎn)生特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)施加固定反偏電壓時的其高度。
6.如權(quán)利要求5所述的固態(tài)取像裝置，其中特定反偏電壓處于這樣的電壓水平，當(dāng)柵單元將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元時，使得在光電轉(zhuǎn)換單元中沒有電荷剩余，該固態(tài)取像裝置進(jìn)一步包括特定反偏電壓設(shè)置單元，可用來根據(jù)從外部接收到的電壓水平設(shè)置指令，設(shè)置從特定反偏電壓產(chǎn)生電路中輸出的特定反偏電壓的電壓水平。
7.一種用于驅(qū)動固態(tài)取像裝置的驅(qū)動方法，該固態(tài)取像裝置輸出從光電轉(zhuǎn)換單元中讀出的電荷，該固態(tài)取像裝置包括第一類型的半導(dǎo)體襯底，該第一類型或者是n型或者是p型；形成在半導(dǎo)體襯底上的第二類型的阱，該第二類型或者是n型或者是p型，且不同于第一類型；光電轉(zhuǎn)換單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；電荷存儲單元，其是第一類型且形成在阱中，可用來臨時存儲電荷；及柵單元，其是第二類型，且形成在阱中的光電轉(zhuǎn)換單元和電荷存儲單元之間，可用來當(dāng)將讀出電壓施加到柵電極時，將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元移到電荷存儲單元，該驅(qū)動方法包括步驟通過不將讀出電壓施加到柵電極上，且將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底上來控制存儲，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元，同時使得光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生和存儲其總量取決于接收到的光量的電荷；及通過當(dāng)在存儲控制步驟中光電轉(zhuǎn)換單元已經(jīng)產(chǎn)生和存儲電荷持續(xù)了預(yù)定的時間時，將讀出電壓施加到柵電極上，以及通過在施加讀出電壓的部分或全部時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底和阱之間的勢壘升高到高于當(dāng)施加固定反偏電壓時的其高度，從而使得將電荷從光電轉(zhuǎn)換單元讀出到電荷存儲單元。
全文摘要
一種固態(tài)取像系統(tǒng)，其包括柵電壓控制單元31和襯底電壓控制單元32，用于不增加讀出電壓而防止產(chǎn)生如殘留圖像的缺陷圖像。在讀出時段期間，柵電壓控制單元31將讀出電壓加到柵電極17上。襯底電壓控制單元32將固定反偏電壓穩(wěn)定地施加到半導(dǎo)體襯底11上，以使過度地存儲在光電轉(zhuǎn)換單元14中的電荷溢出到半導(dǎo)體襯底11的一側(cè)，而不溢出到電荷存儲單元13，且在部分或全部讀出時段期間施加特定反偏電壓，該特定反偏電壓將半導(dǎo)體襯底11和阱12之間的勢壘升高到高于當(dāng)施加固定反偏電壓時的其高度。
文檔編號H04N5/335GK1630088SQ20041008208
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月2日
發(fā)明者塚本朗 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社