固態(tài)成像裝置、成像設備、像素驅動電壓調節(jié)設備和方法

文檔序號：7717426閱讀：170來源：國知局

專利名稱：固態(tài)成像裝置、成像設備、像素驅動電壓調節(jié)設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像裝置、成像設備、像素驅動電壓調節(jié)設備以及像素驅動電壓
調節(jié)方法。具體地說，本發(fā)明涉及一種在固態(tài)成像裝置中將轉移驅動電壓電平設定到合適的值的方案，該固態(tài)成像裝置按多個不同的轉移驅動電壓電平來順序地執(zhí)行電荷轉移。
背景技術：
在各種領域中，使用半導體裝置(具體地稱為固態(tài)成像裝置)，該半導體裝置通過使用對來自外部的電磁波(如光或放射線)敏感的電荷生成器(所謂的傳感器單元，如光電二極管等)來檢測信號電荷，并基于根據所檢測到的信號電荷的量的電信號(像素信號) 來獲得圖像。例如，在諸如攝像機或數(shù)字靜態(tài)照相機的視頻設備的領域中，使用從物理量中檢測光(電磁波的一個示例)的CCD(電荷耦合器件)型或MOS(金屬氧化物半導體)或 CMOS(互補金屬氧化物半導體)型固態(tài)成像裝置。固態(tài)成像裝置包括放大型固態(tài)成像裝置，其中，使用具有放大驅動晶體管的放大型固態(tài)成像裝置(APS;有源像素傳感器，也稱為增益單元)的像素來構成像素信號生成器，該像素信號生成器根據由電荷生成器產生的信號電荷來產生像素信號。例如，許多CM0S型固態(tài)成像裝置是如此構成的。將該放大型固態(tài)成像裝置構成為使得為了將像素信號讀出到外部，對排列有多個單位像素的像素部分執(zhí)行地址控制，并選擇和讀取來自每個單位像素的信號。即，放大型固態(tài)成像裝置是地址控制型固態(tài)成像裝置的一個示例。在各種環(huán)境條件下使用固態(tài)成像裝置，因此輸入到電荷生成器的電磁波的輸入電平在很寬的范圍上變化。例如，在白天進行室外攝影的情況下，在具有極大的入射光量的情況下使用固態(tài)成像裝置。在此情況下，期望獲得沒有高亮度側的被攝體的飽和的令人滿意的圖像。同時，在夜晚進行室外攝影的情況下，在具有極小的入射光量的情況下使用固態(tài) 成像裝置。在此情況下，期望獲得具有令人滿意的S/N比的圖像，該圖像在低亮度側的被攝體不會被噪聲所掩蓋。當在背景中存在高亮度被攝體的條件下對相對暗的被攝體進行成像時，例如，當從室內對窗戶附近的人進行拍攝時，即，在亮被攝體與暗被攝體混在一起的具有高對比度的攝影場景的情況下，期望獲得具有從低亮度側的人到高亮度側的窗戶的背景顏色的寬動態(tài)范圍的圖像。為了獲得具有寬動態(tài)范圍的圖像，需要針對具有低電磁波輸入電平的像素設定長電荷累積時間，從而實現(xiàn)高S/N比，并且需要針對具有高電磁波輸入電平的像素避免飽和。作為滿足這種需要的方案，例如，存在在JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069中描述的方案。在所有情況下，使用未達到通常的完全轉移電平的電壓(稱為中間電壓)作為用于讀出電荷生成器的信號電荷的電荷轉移單元(轉移柵極、轉移晶體管以及讀出選擇晶體管)的控制電壓，并且信號電荷的讀出被執(zhí)行多次。根據這些方案，執(zhí)行中間轉移以利用中間電壓對電荷轉移單元進行驅動，然后執(zhí)行完全轉移以利用通常的電壓對電荷轉移單元進行驅動。當電磁波的輸入水平低時，由電荷生成器在預定時段內生成的信號電荷不會通過中間轉移被丟棄到像素信號生成器，而是會與由電荷生成器在隨后的時段中進一步生成的信號電荷一起被完全轉移。這樣，設定長電荷累積時間，因此實現(xiàn)了高S/N比。當電磁波輸入水平高時，通過中間轉移將由電荷生成器在預定時段內生成的信號電荷的一部分丟棄到像素信號生成器，以限制電荷生成器的飽和，并完全轉移由電荷生成器在隨后的時段中生成的信號電荷與未通過中間轉移被丟棄的剩余信號電荷的組合分量。盡管依賴于像素信號生成器的電路結構或驅動定時，但是可以分開地讀出中間轉移的像素信號和完全轉移的像素信號。另選地，當將像素電路構成為在像素信號生成器側設置電荷累積器時，可以在將中間轉移的信號電荷與完全轉移的信號電荷相加的狀態(tài)下讀出像素信號。在前一情況下，將通過中間轉移獲得的像素信號與通過完全轉移獲得的像素信號相加，從而獲得最終像素信號。

發(fā)明內容
然而，盡管將結合實施例來描述細節(jié)，但是本發(fā)明人已經進行了實驗并明白了，在 JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069中，在中間轉移時的中間電壓的某些設定值會根據條件而產生顯著的噪聲。在JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069中并未描述這一點。本發(fā)明人對該現(xiàn)象進行了研究并且已經明白，中間電壓的不會產生噪聲的合適設定條件根據裝置(固態(tài)成像裝置)而不同，并且受環(huán)境條件(特別是溫度)的影響。
需要一種方案，其可以使用電荷轉移單元的多個轉移驅動電壓電平來讀出信號電荷多次，從而獲得不會產生飽和的、從小信號到大信號具有良好S/N比的、令人滿意的圖像，并可靠且合適地設定轉移驅動電壓電平。盡管將結合實施例來描述細節(jié)，但是根據本發(fā)明人的實驗和基于實驗結果的討
論，已經發(fā)現(xiàn)，如果在中間轉移之后經過了電荷累積時通過完全轉移讀取的完全轉移電荷
量被干擾并且出現(xiàn)信息缺失，那么會產生噪聲。因此如果沒有信息缺失，中間電壓被合適地
設定并且不會產生噪聲。在使用電荷轉移單元的多個轉移驅動電壓電平來讀出信號電荷多
次的情況下，通過基于中間轉移電荷量的像素信號與基于完全轉移電荷量的像素信號的組
合來形成圖像。當要被組合的中間轉移電荷量和完全轉移電荷量中的完全轉移電荷量中存
在信息缺失時，會產生噪聲。本發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)，導致信息缺失的現(xiàn)象取決于在中間轉移之
后保持在電荷生成器中的中間電壓保持電荷量，以及飽和電荷量的水平。本發(fā)明致力于這一點。具體來說，把不會干擾完全轉移電荷量的中間電壓保持電
荷量設定為期望值，規(guī)定實際飽和電荷量和實際中間電壓保持電荷量，并將中間電壓的電
平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為中間電壓保持電荷量的期望值。因此，根據本發(fā)明的方案，首先，從固態(tài)成像裝置獲得基于電荷生成器飽和時的飽
和電荷量的像素信號，和基于中間電壓保持電荷量的像素信號，其中，所述中間電壓保持電
荷量是在轉移驅動電壓電平處于使得能夠將電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到信號輸
出單元的完全轉移電平與截止電荷轉移單元的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在電
荷生成器中的中間電壓保持電荷量。然后，基于各個像素信號來計算用于進行確定的指標
值，將該指標值與中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并將中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為中間電壓保持電荷量的期望值。本發(fā)明的一個實施例可以采用如下方案針對每個裝置或使用環(huán)境，對轉移驅動電壓電平內的中間轉移的電壓電平的設定(中間電壓設定)進行調節(jié)。對于每個裝置，指定飽和電荷量和中間電壓保持電荷量，并基于該結果將中間電壓設定到合適的電平。因此，中間電壓的設定可以在不依賴于裝置或使用環(huán)境的情況下接近理論值，因此可以確保沒有圖像質量干擾。

圖1是作為根據本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的一個實施例的CM0S型固態(tài)成像裝置 (CMOS圖像傳感器)的基本結構圖。圖2是示出該實施例的固態(tài)成像裝置的關注于垂直掃描器和像素陣列單元的接口的圖。圖3A是圖解說明中間電壓的設定值與噪聲量之間的關系的圖。圖3B是圖解說明驗證實驗的中間轉移和完全轉移的驅動定時的圖。圖3C是圖解說明利用中間電壓的多個設定值在中間轉移和完全轉移中獲得的信
號的組合輸出的圖。圖3D是圖解說明由于中間電壓的設定值的差而產生的組合輸出的差的圖。
圖4A是圖解說明一個像素的像素結構的示意剖視圖，其中通過第一實施例的中間電壓設定調節(jié)處理對單位像素的一部分進行了處理。圖4B是圖解說明整個像素陣列單元的結構的平面圖，其中在第一實施例的中間電壓設定調節(jié)處理中對一些單位像素進行了修改。圖5A是圖解說明根據第一實施例的在用于識別通常像素區(qū)域和劃痕
(scratched)像素區(qū)域的區(qū)域識別信號與像素陣列單元之間的關系的圖。圖5B是圖解說明根據第一實施例的、當在區(qū)域識別信號處于L電平的時段期間讀
出像素信號時的操作的時序圖。圖5C是圖解說明根據第一實施例的、當在區(qū)域識別信號處于H電平的時段期間讀出像素信號時的操作的時序圖。圖5D是圖解說明根據第一實施例的、劃痕像素中的電荷生成器的電荷量按垂直掃描率的轉變的圖。圖6是示出根據本實施例的、用于調節(jié)每個裝置的轉移脈沖的轉移驅動電壓電平 (特別是中間電壓電平)的反饋環(huán)的結構示例的圖。圖7A是示出具有3-TR結構的、應用了具有調節(jié)中間電壓的方案的第二實施例 (第二示例)的單位像素的圖。圖7B是圖解說明具有圖7A所示的3-TR結構的單位像素的通常驅動定時的時序圖。圖7C是圖解說明應用于第二實施例(第一示例)的用于識別通常像素區(qū)域和保持電荷測量區(qū)域的區(qū)域識別信號與像素陣列單元之間的關系的圖。圖7D是圖解說明根據第二實施例(第一示例)的具有圖7A所示的3_TR結構的單位像素的驅動定時的時序圖。
圖8A是示出具有4-TR結構的、應用了第二實施例(第二示例)的單位像素的圖。圖8B是示出應用了第二實施例(第二示例)的電源單元的結構示例的圖。圖8C是圖解說明在應用于第二實施例(第二示例)的用于識別通常像素區(qū)域和
保持電荷測量區(qū)域的區(qū)域識別信號、像素陣列單元以及像素電源之間的關系的圖。圖8D是圖解說明具有圖8A所示的4_TR結構的單位像素的通常驅動定時的時序圖。圖8E是圖解說明第二實施例(第二示例)的針對具有圖8A所示的4_TR結構的單位像素的驅動定時的時序圖。圖9是示出使用與第一或第二實施例的固態(tài)成像裝置相同的方案的第三實施例的成像設備的示意結構的圖。
具體實施例方式
以下，將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。在以下實施例中，將各功能要素附加以大寫字母A、 B、 C作為標號，以相互區(qū)分開來，但是將略去這些標號，除非要將這些功能要素彼此特別區(qū)分開來。對附圖也是如此。以下，將對使用CMOS固態(tài)成像裝置(其為X-Y尋址固態(tài)成像裝置的一個示例)作為裝置的示例進行描述。此外，除非特別指出，否則將在如下假設下進行描述在該CM0S固態(tài)成像裝置中，所有單位像素都是NMOS(n溝道MOS)型的，并且信號電荷是負電荷(電子)。這僅僅是一個示例，并且目標裝置并不限于M0S型固態(tài)成像裝置。例如，單位像素可以是 PM0S(p溝道M0S)型的，并且信號電荷可以是正電荷(空穴)。以下將描述的所有實施例都可以類似地應用于進行物理量分布檢測的所有半導體裝置，其包括對來自外部的電磁波 (如光或放射線)敏感的電荷生成器，和從電荷生成器讀出信號電荷的電荷轉移單元。
〈固態(tài)成像裝置基本結構> 圖1是作為根據本發(fā)明的固態(tài)成像裝置的實施例的CMOS型固態(tài)成像裝置(CMOS 圖像傳感器)的基本結構圖。固態(tài)成像裝置1具有像素陣列單元10，在像素陣列單元10中按二維矩陣排列有多個單位像素3。固態(tài)成像裝置1使用具有R、G以及B的濾色器的拜爾(Bayer)排列的色分離濾波器，因此可以實現(xiàn)符合彩色成像的像素陣列單元10。在圖！中，為了簡化起見，略去了行和列的一部分，但是實際上，在每行或每列中都設置有幾十到幾千個單位像素3。如下所述，每個單位像素3都具有充當作為檢測器的示例的光敏元件(電荷生成器)的光電二極管，和具有3個或4個用于進行電荷轉移、復位、放大等的晶體管的像素內放大器。從單位像素3通過各列的垂直信號線19輸出像素信號 Vx。像素信號Vx包括復位電平Srst(P相分量)和信號電平Ssig(D相分量)。
固態(tài)成像裝置1還具有列AD轉換器26，在該列AD轉換器26中，按列平行排列有具有CDS(相關雙采樣)處理功能或數(shù)字轉換功能的多個AD轉換器250。術語"列平行"是指相對于垂直列的垂直信號線19 (列信號線的示例)基本上平行地設置多個CDS處理功能部件或數(shù)字轉換器(AD轉換器)。將這種讀出方法稱為列讀出方法。固態(tài)成像裝置1還包括驅動控制器7 ;讀出電流源單元24，其向單位像素3提供用于像素信號讀出的操作電流(讀出電流)；參照信號生成器27，其向列AD轉換器26提供用于AD轉換的參照信號SLP_ADC ;以及輸出單元28。驅動控制器7包括水平掃描器12(列掃描電路)、垂直掃描器14(行掃描電路)、以及用于實現(xiàn)控制電路功能以順序地讀出像素陣列單元10的信號的通信/定時控制器20。
水平掃描器12具有水平地址設定單元12a、水平驅動器12b等，其對列地址或列掃描進行控制。垂直掃描器14具有垂直地址設定單元14a、垂直驅動器14b等，其對行地址或行掃描進行控制。水平掃描器12或垂直掃描器14響應于來自通信/定時控制器20的控制信號CN1和CN2，開始對行或列的選擇操作(掃描)。通信/定時控制器20包括充當定時生成器(讀出地址控制設備的示例)的功能模塊，該功能模塊向該裝置中的各個單元(掃描器12和14以及列AD轉換器26)提供與經由端子5a輸入的主時鐘CLK0同步的時鐘。通信/定時控制器20還包括充當通信接口的功能模塊，該功能模塊接收經由端子5a從外部主控制器提供的主時鐘CLK0，接收經由端子 5b從外部主控制器提供的表示操作模式的數(shù)據，以及將包括與固態(tài)成像裝置1有關的信息的數(shù)據輸出到外部主控制器。例如，通信/定時控制器20具有時鐘轉換器20a，其具有作為時鐘轉換器生成內部時鐘的功能；和系統(tǒng)控制器20b，其具有通信功能或對各個單元進行控制的功能。時鐘轉換器20a內嵌有乘法電路，該乘法電路生成比經由端子5a輸入的主時鐘CLKO高的頻率的脈沖，并生成內部時鐘，如計時時鐘CKcntl和計時時鐘CKdacl。輸出單元28具有對水平信號線18上的信號(其為數(shù)字數(shù)據但是具有小振幅) 進行檢測的感測放大器28a(S A)，和具有與固態(tài)成像裝置l之間的接口功能的接口單元 28b(I/F單元)。接口單元28b的輸出連接到輸出端子5c，并且視頻數(shù)據被輸出到后續(xù)級電路。輸出單元28可以設置有位于感測放大器28a與接口單元28b之間的數(shù)字算術單元 29a，以在不使用各種幀存儲器的情況下執(zhí)行數(shù)字算術運算。數(shù)字算術單元29b可以被設置在固態(tài)成像裝置1的外部，以使用幀存儲器執(zhí)行數(shù)字算術運算。數(shù)字算術單元被設置在固態(tài)成像裝置1的內部還是外部取決于是否存在幀存儲器的原因在于要考慮幀存儲器的電路規(guī)模。如果在固態(tài)成像裝置1中有空間，那么可以配置數(shù)字算術單元29a以使用幀存儲器執(zhí)行數(shù)字算術運算。在本實施例中，類似于在JP-A-2007-151069中描述的方案，使用幀存儲器的數(shù)字算術單元29(29a或29b)基于通過多次中間轉移而獲得的像素信號來執(zhí)行處理以實現(xiàn)高S/ N比和寬動態(tài)范圍。每個單位像素3都通過用于行選擇的行控制線15而連接到垂直掃描器14，并通過垂直信號線19連接到為列AD轉換器26的每個垂直列設置的AD轉換器250。行控制線15 代表從垂直掃描器14到像素的全部配線。作為AD轉換器250中的AD轉換系統(tǒng)，針對電路規(guī)模、處理速度(高速)或分辨率來考慮各種系統(tǒng)，但是使用被稱為參考信號比較型、斜率積分型或斜坡(ramp)信號比較型的AD轉換方法作為示例。在參考信號比較型AD轉換的情況下，基于從轉換開始(比較處理的開始)到轉換結束(比較處理的結束)的時間來決定有效計時操作時段，并基于表示該時段的計時使能信號EN將模擬處理目標信號轉換成數(shù)字數(shù)據。因此，參照信號生成器27具有DA轉換器270 (DAC ;數(shù)字模擬轉換器)，并與計時時鐘CKdacl同步地根據由來自通信/定時控制器20的控制數(shù)據CN4表示的初始值來生成具有由控制數(shù)據CN4表示的傾度(變化率)的參考信號SLP_ADC。計時時鐘CKdacl可以是用于計時器單元254的同一計時時鐘CKcntl。 AD轉換器250包括比較器252 (C0MP)，和可以切換正計時模式和倒計時模式的計時器單元254。在本示例中，在計時器單元254的后面設置有數(shù)據存儲單元256。比較器
252將由參照信號生成器27生成的參照信號SLP_ADC與經由垂直信號線19(H1、 H2.....
Hh)來自被選擇的行的單位像素3的模擬像素信號Vx進行比較。計時器單元254使用計時時鐘CKcntl對與比較器252的比較輸出Co具有預定關系的計時使能信號EN的活動時段進行計時，并保持該計時結果。從通信/定時控制器20向各AD轉換器250的計時器單元254輸入控制信號CN5。控制信號CN5指示計時器單元254是按倒計時模式還是正計時模式執(zhí)行P相/D相計時處理，或者指示其它類型的控制信息，諸如對P相計時處理中的初始值Dini的設定或復位處理。將由參照信號生成器27生成的參照信號SLP_ADC共同輸入到比較器252的一個輸入端子(+)和其它比較器252的輸入端子(+)。相應的垂直列的垂直信號線19連接到比較器252的另一輸入端子(_)，并且將來自像素陣列單元10的像素信號Vx輸入到比較器 252的該另一輸入端子(-)。將計時時鐘CKcntl從通信/定時控制器20共同輸入到計時器單元254的時鐘端子和其它計時器單元254的時鐘端子。當未配備數(shù)據存儲單元256時，從水平掃描器12經由控制線12c向計時器單元254輸入控制脈沖。計時器單元254具有用以保持計時結果的鎖存功能，并一直保持該計時器輸出值，直到由經由控制線12c的控制脈沖作出了指示。
在本實施例中，盡管AD轉換器250完成CDS處理，但是可以將具有復位電平Srst 的P相數(shù)據和具有信號電平Ssig的D相數(shù)據分別傳送到輸出單元28，并且位于AD轉換器 250的后面的數(shù)字算術單元可以執(zhí)行CDS處理。本申請人提出了 AD轉換器250執(zhí)行AD轉換和CDS處理的各種參考信號比較型AD轉換方法，在實施例中可以基本地使用這些方法。
將本實施例的固態(tài)成像裝置1構造成所謂的單片結構(在同一半導體基板上設置各個元件)，從而使用與半導體集成電路制造技術相同的技術，連同像素陣列單元io—起，在半導體區(qū)域(如單晶硅等)中一體地形成驅動控制器7的元件，諸如水平掃描器12、垂直掃描器14等。可以將固態(tài)成像裝置1構造為單片結構，使得在半導體區(qū)域中一體地形成各個單元，盡管未示出，可以將其構造成具有成像功能的封裝模塊的形狀，使得除了各種信號處理器(如像素陣列單元10、驅動控制器7、列AD轉換器26等)以外還設置光學系統(tǒng)(如成像透鏡、光學低通濾波器、紅外光削減濾波器等)，并且將它們放在一起。至于各AD轉換器250的輸出，例如，計時器單元254的輸出可以連接到水平信號線18。另選地，如圖所示，可以產生如下結構在計時器單元254的后面設置數(shù)據存儲單元256，其充當包括鎖存器的存儲裝置，該鎖存器用于保持由計時器單元254保持的計時結果。數(shù)據存儲單元256保持并存儲從計時器單元254傳送的計時值。從水平掃描器12 經由控制線12c向數(shù)據存儲單元256輸入控制脈沖。數(shù)據存儲單元256保持從計時器單元 254輸入的計時值，直到經由控制線12c通過控制脈沖作出了指示。
水平掃描器12具有作為讀出掃描器的功能，該讀出掃描器在列AD轉換器26的各比較器252和各計時器單元254執(zhí)行相關處理時讀出各數(shù)據存儲單元256中保持的計時值。數(shù)據存儲單元256的輸出端連接到水平信號線18。水平信號線18的信號線的數(shù)量與 AD轉換器250的比特寬度相對應或者(例如，在求補輸出的情況下)是AD轉換器250的比特寬度的兩倍，并且連接到具有與相關輸出線相對應的感測放大器28a的輸出單元28。將計時器單元254、數(shù)據存儲單元256以及水平信號線18構造成對應于n比特。
使用作為電源系統(tǒng)的兩個電源系統(tǒng)(數(shù)字電源和模擬電源)來驅動本實施例的固態(tài)成像裝置1。在形成有固態(tài)成像裝置1的半導體芯片上，設置有數(shù)字正電壓DVDD、數(shù)字接地電壓DVSS、模擬正電壓AVDD、模擬接地電壓AVSS的電源端子(未示出)。特別地，類似于JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069，將本實施例構造成對應于對信號電荷進行轉移的電荷轉移單元的驅動脈沖的多個控制電壓電平。固態(tài)成像裝置1包括電源單元300，該電源單元300基于來自通信/定時控制器20 的與電壓設定TS相關的指示，生成被提供給各單元的電源電壓。電源單元300具有正電源 302，正電源302對數(shù)字正電壓DVDD或模擬正電壓AVDD進行升壓以生成數(shù)字正電壓DVDDw 或模擬正電壓AVDDw。將固態(tài)成像裝置1構造在單片結構中，從而通過使用與半導體集成電路制造技術相同的技術，除了諸如驅動控制器7、輸出單元28等的元件以外，還在半導體區(qū) 域(如單晶硅等)中與像素陣列單元10 —體地形成電源單元300。在本實施例中，正電源302對數(shù)字正電壓DVDD或模擬正電壓AVDD進行升壓以在固態(tài)成像裝置l(半導體芯片)內部生成不同的電源電壓值。根據這種方案，即使只存在一個從半導體芯片的外部提供的電源電壓值，也可以在芯片內部生成多個電源電壓。
盡管作為示例將正電源302內嵌在固態(tài)成像裝置1中，但是可以與其中形成有像素陣列單元10、驅動控制器7等的半導體區(qū)域分開地設置正電源302 (見下述成像設備8)。
〈像素陣列單元與垂直掃描器的接口 > 圖2是示出本實施例的固態(tài)成像裝置1的關注于垂直掃描器14和像素陣列單元 10的接口的圖。單位像素3例如包括電荷生成器32和4個具有不同功能的晶體管(讀出選擇晶體管34、復位晶體管36、垂直選擇晶體管40以及放大晶體管42)作為基本元件。讀出選擇晶體管34是構成轉移單元的開關晶體管，復位晶體管36是構成復位單元的開關晶體管。讀出選擇晶體管34、復位晶體管36以及放大晶體管42與浮動擴散區(qū)38 —起構成像素信號生成器5 (信號輸出單元)。像素信號生成器5和垂直選擇晶體管40構成信號輸出單元6，信號輸出單元6生成并輸出與由電荷生成器32生成的信號電荷相對應的像素信號Vx。將晶體管34、36、40以及42統(tǒng)稱為像素晶體管。構成轉移單元的讀出選擇晶體管34 (轉移晶體管/讀出晶體管)的柵極連同同一行的相關柵極一起連接到轉移配線54，并使用轉移信號TRG來驅動。構成初始化單元的復位晶體管36的柵極連同同一行的相關柵極一起連接到復位配線56，并使用復位信號RST來驅動。垂直選擇晶體管40(選擇晶體管)的柵極連同同一行的相關柵極一起連接到垂直選擇線58，并使用垂直選擇信號VSEL來驅動。轉移配線54、復位配線56以及垂直選擇線58 是圖1的行控制線15。對于轉移信號TRG、復位信號RST以及垂直選擇信號VSEL，通常使用具有活動H電平(高電平；電源電壓電平)和不活動L電平(低電平；基準電平)的二值脈沖。假設電源電壓電平例如為約3V。基準電平例如為0. 4到0. 7V或0V的接地電平，并且根據需要，假設
一部分脈沖或者所有脈沖具有約-iv的負電勢。將電荷生成器32 (其為檢測器的一個示例，并且包括光敏元件DET，如光電二極管 PD等)構造成使光敏元件DET的一端(陽極側)連接到低電勢側基準電勢Vss(負電勢例如，約-IV)，并且使光敏元件DET的另一端(陰極側)連接到讀出選擇晶體管34的輸入端子(通常是源極)。注意，基準電勢Vss可以是接地電勢GND。讀出選擇晶體管34的輸出端子(通常是漏極)連接到一節(jié)點，在該節(jié)點處，復位晶體管36、浮動擴散區(qū)38以及放大晶體管42相互連接。復位晶體管36的源極連接到浮動擴散區(qū)38，并且復位晶體管36的漏極連接到復位電源Vrd(通常與模擬像素電源Vdd相同)。垂直選擇晶體管40的漏極連接到放大晶體管42的源極，垂直選擇晶體管40的源極連接到像素線51，垂直選擇晶體管40的柵極(特別地，稱為垂直選擇柵極SELV)連接到垂直選擇線58。像素線51連同同一列的相關像素線51—起連接到垂直信號線19。放大晶體管42的柵極連接到浮動擴散區(qū)38，放大晶體管42的漏極連接到像素電源Vdd，放大晶體管42的源極經由垂直選擇晶體管40連接到像素線51并且連接到垂直信號線19。本發(fā) 明并不限于這種連接結構。例如，可以相反地布置垂直選擇晶體管40和放大晶體管42。在此情況下，垂直選擇晶體管40的漏極連接到像素電源Vdd，并且垂直選擇晶體管40的源極連接到放大晶體管42的漏極。放大晶體管42的源極連接到像素線51。
垂直信號線19的一端朝著列AD轉換器26延伸，并且讀出電流源單元24連接到垂直信號線19的延伸路徑。盡管略去了細節(jié)，但是讀出電流控制器24對于每個垂直列都具有負載MOS晶體管，該負載MOS晶體管的柵極連接到基準電流源單元的晶體管的柵極以形成電流鏡單元，并充當垂直信號線19的電流源。然后，在負載MOS晶體管與放大晶體管 42之間形成源隨器，向該源隨器提供基本上恒定的操作電流(讀出電流)。
從正電源302向垂直掃描器14的正電源端子提供數(shù)字正電壓DVDDw或模擬正電壓AVDDw作為電源電壓。垂直掃描器14的基準端子連接到基準電勢(接地)。例如，垂直地址設定單元14a由解碼器形成。從正電源302向垂直地址設定單元14a的正電源端子提供數(shù)字正電壓DVDD1或模擬正電壓AVDD1，垂直地址設定單元14a的基準端子連接到基準電勢(接地:GND)。對于每個行的每個行控制線15(轉移配線54、復位配線56以及垂直選擇線58)，垂直驅動器14b具有電平轉換器146 (L/S)和驅動器148。電平轉換器146和驅動器148的電源端子連接到正電源302(未示出)。電平轉換器146被供以輸入脈沖(轉移脈沖TRG、復位脈沖RST或垂直選擇脈沖 VSEL)，該輸入脈沖的高電平是數(shù)字正電壓DVDD1 (或模擬正電壓AVDD1)，其低電平是來自垂直地址設定單元14a的GND。電平轉換器146將輸入脈沖轉換成高電平是模擬正電壓 AVDDw并且低電平是模擬負電壓AVSS (可以是接地電壓)的脈沖，并輸出模擬負電壓AVSS。通過驅動器148將其電壓電平經過了電平轉換器146的轉換的各脈沖提供到單位像素3的晶體管34、36以及42中的相應晶體管的柵極，并對晶體管34、36以及42中的各晶體管進行驅動。在本實施例的固態(tài)成像裝置1中，垂直驅動器14b如下地向電平轉換器146和驅動器148中的每一個的電源端子提供電壓。首先，從正電源302向用于復位脈沖RST的電平轉換器146_1的正電源端子提供模擬正電壓AVDD2_1。從正電源302向用于轉移脈沖TRG 的電平轉換器146_2的正電源端子提供模擬正電壓AVDD2_2。從正電源302向用于垂直選擇脈沖VSEL的電平轉換器146_3的正電源端子提供模擬正電壓AVDD2_3。
從正電源302向用于復位脈沖RST的驅動器148_1的正電源端子提供模擬正電壓 AVDD3_1。從正電源302向用于轉移脈沖TRG的驅動器148_2的正電源端子提供模擬正電壓AVDD3_2。從正電源302向用于垂直選擇脈沖VSEL的驅動器148_3的正電源端子提供模擬正電壓AVDD3_3。無論是復位脈沖RST、轉移脈沖TRG還是垂直選擇脈沖VSEL，都向電平轉換器146和驅動器148的負電源端子提供模擬負電壓AVSS2(可以是接地電壓)。
例如，如下處理垂直地址設定單元14a的數(shù)字正電壓DVDDl(或模擬正電壓 AVDD1)、電平轉換器146的模擬正電壓AVDD2_1、AVDD2_2以及AVDD2_3、以及驅動器148的模擬正電壓AVDD3j、AVDD3—2以及AVDD3—3。首先，垂直地址設定單元14a的正電源可以是數(shù)字的或模擬的。在垂直驅動器14b中，至少將用于轉移脈沖TRG的電平轉換器146_2的模擬正電壓AVDD2_2和驅動器148_2的模擬正電壓AVDD3_2設定為與其它驅動脈沖相獨立，使得轉移脈沖TRG的驅動脈沖電平可以具有多個值。例如，將AVDD2j、AVDD2—3、AVDD3J以及AVDD3_3設定為相同，將AVDD2_2和AVDD3_2設定為相同。當然，這僅僅是一個示例，這些電壓可以在滿足上述條件的范圍內適當變化。對于AVDD2j、AVDD2—3、AVDD3J和AVDD3_3、以及AVDD2_2和AVDD3_2的電壓電平，將至少H電平設定為與像素電源Vdd ( = Vrd)的H 電平相同。"轉移脈沖TRG的驅動脈沖電平具有多個值"的事實是指除了用于通常的完全轉移(其中可以將電荷生成器32的飽和電荷量完全轉移到像素信號生成器5(浮動擴散區(qū) 38))的電壓電平(完全轉移電平)以外，還包括至少一個介于使充當電荷轉移單元的讀出選擇晶體管34截止的電壓(在本示例中為L電平)與完全轉移電平之間的電壓(在本示例中是比完全轉移電平低的電平的電壓中間電壓)。根據驅動定時來決定要使用的電平，但是在執(zhí)行了使用中間電壓的中間轉移之后至少執(zhí)行完全轉移。正電源302具有中間電壓生成器312。盡管未示出，但是正電源302還具有生成與單位像素3中的像素電源Vdd的H電平相同的電壓電平的正電壓(通常電壓)的功能部件。當使用轉移信號TRG來驅動讀出選擇晶體管34時，中間電壓生成器312生成比通常的轉移驅動電壓電平(AVDD2_2、 AVDD3_2 = Vdd的H電平)低的電壓(中間電壓)。中間電壓生成器312接收來自系統(tǒng)控制器20b的電壓設定TS，并將中間電壓調節(jié)到根據該電壓設定TS的電壓電平。正電源302選擇由中間電壓生成器312基于電壓設定TS生成的中間電壓，或選擇通常電壓，并將所選擇的電壓提供給垂直驅動器14b的電平轉換器146_2和驅動器148—2。本實施例采用如下方案使用具有不同轉移驅動電壓電平的多個轉移脈沖TRG來順序地驅動讀出選擇晶體管34的柵極電極，并讀出基于順序地轉移的信號電荷的像素信號。例如，在數(shù)字算術單元29中將所讀取的基于信號電荷的像素信號削波成規(guī)定的飽和水平并相加，因此可以在不縮窄通常的飽和水平的情況下以低亮度獲得具有高S/N比的線性信號，并且對于具有通常的飽和水平或更高水平的入射光，可以在線性區(qū)中實現(xiàn)令人滿意的S/N比的同時擴展動態(tài)范圍。無論在各種環(huán)境下外部光如何變化，都可以在低亮度場景中獲得具有高S/N比的高質量，并且可以在高亮度場景中以高質量獲得具有低飽和程度的圖像。此外，在低亮度與高亮度混合在一起的具有高對比度的場景的情況下，在可以在低亮度部分中保持高S/N比的同時，可以避免高亮度部分的飽和。本實施例采用如下方案將"中間電壓"設定為針對每個裝置或使用環(huán)境進行調節(jié)。即，當信號電荷的轉移電壓可以被任意改變時，產生了使得裝置本身可以調節(jié)中間電壓的結構。如下所述，這是因為在進行中間轉移時的中間電壓的某個設定值可能會產生顯著的噪聲，并且中間電壓的合適的設定條件取決于裝置(固態(tài)成像裝置)而不同，并且受環(huán)境條件(特別是溫度)的影響。作為用于調節(jié)中間電壓的方案，采用一種反饋環(huán)結構，其中基于電荷生成器32的輸出值來改變電壓值。電荷生成器32的輸出值包括基于電荷生成器32飽和時的電荷量 (飽和電荷量)的像素信號，和基于在轉移信號TRG的轉移驅動電壓電平處于中間電壓的狀態(tài)下在電荷生成器32中保持的電荷量(即，在中間轉移之后保持在電荷生成器32中的電荷量(中間電壓保持電荷量))的像素信號。為了可靠地獲得基于中間電壓保持電荷量的像素信號，本實施例采用了如下方案在電荷生成器32飽和之后，執(zhí)行中間轉移，然后執(zhí)行完全轉移以獲得與中間電壓保持電荷量相對應的像素信號。通過對每個裝置采用指定飽和電荷量和中間電壓保持電荷量并且基于該結果將中間電壓設定到合適的電平的方案，可以在不依賴于裝置或使用環(huán)境的情況下將中間電壓設定成接近理論值，并確保不存在圖像質量干擾。為了使電荷生成器32飽和，除了實際輸入具有高亮度的光并使用由電荷生成器 32進行的光電轉換的基本方案以外，例如，可以采用在像素陣列單元10的一部分中設置具有不同飽和電荷量的電荷生成器32的第一方案，或將驅動定時設計成對電荷生成器32的電荷量進行任意控制的第二方案。第一方案是通過在像素陣列單元10的一部分中準備與通常像素(電荷生成器32)不同的像素(電荷生成器32)來實現(xiàn)的。在第二方案中，術語 "任意控制"是指使用開關單元按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。以下，將從如何設計本實施例的方案開始順序地描述本實施例的方案。
〈驗證實驗> 圖3A到3D是圖解說明在執(zhí)行中間轉移的方案中檢查了中間電壓的設定條件與噪聲之間的關系的驗證實驗的圖。圖3A是圖解說明中間電壓的設定值與噪聲量之間的關系的圖。圖3B是圖解說明驗證實驗中的中間轉移和完全轉移的驅動定時的圖。圖3C是圖解說明在基于中間電壓的多個設定值的中間轉移和完全轉移中獲得的信號的組合輸出的圖。圖3D是圖解說明由于中間電壓的設定值的差而產生的組合輸出的差的圖。
[問題的發(fā)現(xiàn)] 在執(zhí)行中間轉移的方案中，向讀出選擇晶體管34的柵極電極順序地提供具有多個轉移驅動電壓電平(電壓電平VDD2—2、 AVDD3_2)的轉移脈沖TRG，從而順序地執(zhí)行中間轉移和完全轉移。該技術如下地設定轉移脈沖TRG的轉移驅動電壓電平(控制電壓)。
1)針對作為基準的曝光時間，假定達到飽和電子數(shù)Qs的入射光的強度。
2)按提供轉移脈沖TRG的定時來估計累積電子數(shù)Ne。
3)設定轉移脈沖TRG以保持累積電子數(shù)Ne。
4)實際上，期望施加數(shù)百mV的低電壓。
利用該技術，對轉移脈沖TRG的控制電壓電平的變化進行了實驗。將在基于控制電壓的中間轉移和完全轉移中獲得的輸出進行相加，并測量噪聲。作為該實驗的一個示例，圖3A示出了從不同控制電壓值的兩個模式獲得的結果。在圖3A中，橫軸表示來自單位像素3的像素信號電壓(輸出電壓(a.u.))，縱軸表示噪聲量(a.u.)。如圖3A所示，在設定電壓A的情況下，隨著輸出電壓增大，噪聲量趨于逐漸增大，但是在設定電壓B的情況下，噪聲量在特定輸出電壓范圍內特異性地顯著增大。與利用設定電壓B執(zhí)行中間轉移時一樣，可以看到，當設定特定控制電壓值時，會產生顯著的噪聲。噪聲根據設定電壓而不同的事實并不能從JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069的描述中獲知。 [OO"][驗證實驗的說明] 圖3B示出了在驗證實驗中的中間轉移和完全轉移的驅動定時。橫軸表示時間。完全轉移的快門時間(shutter time)(電荷累積時間)是Tlsh，完全轉移的讀出時間是Tl，中間轉移的快門時間(電荷累積時間)是Tssh，中間轉移的讀出時間是Ts。縱軸表示輸出電子的數(shù)量(電荷量)。飽和電子的數(shù)量(飽和電荷量)是Qs，經過中間轉移后的保持電子的數(shù)量(中間保持電荷量)是Qm，要通過中間轉移讀取的電子數(shù)(中間轉移電荷量)是 Qn，要通過完全轉移讀取的電子數(shù)(完全轉移電荷量)是Q1。中間轉移電荷量Qn與完全轉移電荷量Ql的累積時間比Tratio是〃 Tratio = (Tl-Tlsh)/(Ts-Tssh)"，因此完全轉移電荷量Q1和中間轉移電荷量Qn具有關系"Ql = TratioXQn〃。
[組合的說明] 在時刻Tl，輸出電子數(shù)是完全轉移電荷量Ql，并且不可能獲得超過飽和電荷量Qs 的值。與此相對照的是，如果將完全轉移電荷量Q1與中間轉移電荷量Qn相互組合，則會獲得等于或大于飽和電荷量Qs的輸出值。這是一種利用中間轉移來進行動態(tài)范圍擴展的基本方法。假設使用完全轉移電荷量Q1的數(shù)據和使用中間轉移電荷量Qn的數(shù)據分別是 Dm( = Ql+Qn)和Dl ( = QnXTratio)，并且組合輸出D根據條件是如下的。
D(Dm > Dl) = Dm
D(D1 > Dm) = Dl 對于組合輸出D，在圖3C中的(1)中示出了當使用設定電壓A時的組合輸出D A，在圖3C中的(2)中示出了當使用設定電壓B時的組合輸出D B。在該圖中，橫軸表示亮度 (a. u.)。[實驗結果] 在圖3D中一起示出了在驗證實驗中根據不同控制電壓(設定電壓A和B)的組合輸出D_A和D_B。如將從圖3D理解的，在設定電壓A的情況下，組合輸出D_A隨亮度水平而線性變化，但是在設定電壓B的情況下，存在組合輸出D_B隨亮度水平非線性變化的區(qū)域。當在要組合的中間轉移電荷量Qn和完全轉移電荷量Ql中的完全轉移電荷量Q1中出現(xiàn)了信息缺失時產生非線性區(qū)域，并且產生非線性區(qū)域的點與在上述實驗中的噪聲增大區(qū)域相同。[信息缺失的條件] 接下來，說明在圖3D所示的實驗結果中完全轉移電荷量Q1的信息缺失的條件。在圖3B到3D所示的實驗中，存在如下情況在時刻Tssh，達到中間保持電荷量Qm，在時刻Tl，完全轉移電荷量Ql達到飽和電荷量Qs。在此情況下，完全轉移電荷量Ql和中間保持電荷量Qm具有關系"Ql = (Tl-Ts)/(Tssh-Tlsh) XQm+Qm"。如果在完全轉移電荷量Q1未達到飽和電荷量Qs的區(qū)域中保持該關系，那么可以防止完全轉移電荷量Q1的信息缺失。因此，需要將中間保持電荷量Qm設定成滿足不存在信息缺失的條件。該條件是〃 Qm^ (Tssh-Tlsh)/(T1-Ts+Tssh-Tlsh) XQs〃。
[結論] 盡管考慮了上述結果，但是為每個裝置設定控制電壓值以針對許多裝置滿足所述條件是不切實際的，因此考慮在控制電壓的設定中留有容限，從而針對所有裝置滿足所述設定條件。然而，在設定中存在容限的事實意味著不是對每個裝置都確保調節(jié)。此外，盡管在特定條件下設定使用環(huán)境溫度或裝置的操作電壓，但是裝置的使用環(huán)境會變化。在這種情況下，應當確保最優(yōu)設定值。從以上描述可知，期望在每個裝置中提供一種機制來調節(jié)轉移脈沖TRG的轉移驅動電壓電平(特別是中間電壓電平)。接下來，將描述這種方案(中間電壓設定調節(jié)處理) 的具體結構示例。如上所述，作為主結構，采用如下方案在讀出時，根據裝置或使用環(huán)境來改變控制電壓值，并執(zhí)行中間轉移。為了實現(xiàn)該方案，系統(tǒng)控制器20b確定電荷生成器32 的輸出數(shù)據是否正確，并基于該確定結果對充當電壓提供電路的電源單元300進行控制，以利用轉移脈沖TRG的轉移驅動電壓電平(控制電壓)將中間電壓的設定值設定在合適的范圍內。作為一個整體，形成了反饋環(huán)。
〈第一實施例〉第一實施例采用在像素陣列單元10的一部分中設置具有與通常像素的電荷生成器32不同的飽和電荷量的電荷生成器32的方案。圖4A和4B是圖解說明第一實施例的對單位像素3的一部分進行修改以進行中間電壓設定調節(jié)處理的方案的圖。圖4A是圖解說明一個像素的像素結構的示意剖視圖。圖 4B是圖解說明整個像素陣列單元10的結構的平面圖。在像素陣列單元10的一部分中設置以短曝光時間生成飽和電荷量Qs的電荷生成器32。采用如下方案借助于除光電轉換以外的手段，來任意控制電荷生成器32的累積電荷量。例如，可以通過如下物理手段來容易地實現(xiàn)該方案如圖4A所示，在生成單位像素3 的形狀時，在通常的像素結構(圖4中的(l))中在電荷生成器32(光電二極管PD)上形成執(zhí)行電荷注入以使得電荷生成器32飽和的構件(稱為電荷注入層432)(圖4A中的(2))。將在電荷生成器32上未形成電荷注入層432的單位像素3稱為通常像素3a，將在電荷生成器32形成有電荷注入層432的單位像素3稱為劃痕像素3b。如果在電荷生成器32的表面上形成電荷注入層432，那么該單位像素成為劃痕像素，并且電荷被從電荷注入層432注入，無論是否曝光。因此，即使曝光時間短，也容易達到飽和電荷量Qs。作為電荷注入層432，例如，根據JP-A-2008-016723的第9段的描述，〃金屬硅化物層產生晶體缺陷，并且由于該晶體缺陷引起的耦合泄漏電流，噪聲會疊加在像素信號上〃，可以積極地利用該金屬硅化物層。即，在電荷生成器32上布置作為電荷注入層432 的一個示例的金屬硅化物層，從而實現(xiàn)與曝光無關的電荷注入。
參見JP-A-2008-016723，與本實施例的電荷生成器32相對應的光電二極管110從基板表面起依次包括P型雜質區(qū)115和N型雜質區(qū)114。如果在N型雜質區(qū)114上形成與本實施例的電荷注入層432相對應的金屬硅化物層124，那么會在光電二極管110上形成其中耦合泄漏電流由于晶體缺陷而增大的結構。注意，在N型雜質區(qū)114上布置P型雜質區(qū) 115是為了抑制由于界面缺陷而導致的白劃痕，因此可以不設置P型雜質區(qū)115。
將圖4中的(2)所示的劃痕像素3b替換通常像素3a的一部分，并設置在像素陣列單元10中。如圖4B中的(2)所示，在像素陣列單元10中，除了設置有沒有電荷注入層 432的通常像素3a的通常區(qū)域(通常像素區(qū)域10a)以外，還設置有這樣的區(qū)域(劃痕像素區(qū)域10b)，在該區(qū)域中布置有在電荷生成器32的表面上具有電荷注入層432的劃痕像素 3b。劃痕像素3b充當保持電荷測量像素，并且劃痕像素區(qū)域10b充當保持電荷測量區(qū)域。
將劃痕像素區(qū)域10b例如設置在像素陣列單元10的上部或下部的一行或幾行中，使得不會對正常的成像產生不利影響。像素陣列單元10的中央側的通常像素區(qū)域10a被特別稱為有效成像區(qū)域。在圖4B中的(2)中，還在劃痕像素區(qū)域10b的上方設置通常像素區(qū)域10a，但是可以不設置該部分。圖5A到5C是圖解說明第一實施例中的像素驅動定時的圖。圖5A是圖解說明用于識別通常像素區(qū)域10a和劃痕像素區(qū)域10b的區(qū)域識別信號Tx與像素陣列單元10之間的關系的圖。圖5B是圖解說明在區(qū)域識別信號Tx處于L電平的時段期間讀出像素信號時的操作的時序圖。圖5C是圖解說明在區(qū)域識別信號Tx處于H電平的時段期間讀出像素信號時的操作的時序圖。如圖5A中的(1)所示，當?shù)谝粚嵤├贿m用時，采用與垂直同步信號XVS同步的像素讀出信號Tpr，并且像素讀出信號Tpr處于H電平的時段成為讀出像素信號的時段。如圖5A中的(2)所示，在第一實施例中，使用用于識別圖4B所示的通常像素區(qū)域10a和劃痕像素區(qū)域10b的區(qū)域識別信號Tx，當像素讀出信號Tpr處于H電平時，區(qū)域識別信號Tx處于H電平的時段是劃痕像素區(qū)域10b的讀出時段，而區(qū)域識別信號Tx處于L電平的時段是通常像素區(qū)域10a的讀出時段。如圖5B所示，在從由于強光量的照射而飽和的通常像素3a進行通常讀出操作的情況下，將讀出行的垂直選擇信號VSEL設定為活動H電平，并將復位信號RST設定為活動H 電平以導通復位晶體管36，從而將浮動擴散區(qū)38復位到電源電勢AVDD2_2( = AVDD3_2)。然后，將轉移信號TRG設定為活動H電平以導通讀出選擇晶體管34，從而將電荷生成器32 的信號電荷轉移到浮動擴散區(qū)38。因此，浮動擴散區(qū)38的電壓根據信號電荷量而降低，并將與信號電荷量相對應的電壓作為像素信號從像素信號生成器5經由垂直信號線19傳送到AD轉換器250。該示例示出了在照射強光量時在讀出時飽和的通常像素3a的電荷。所讀出的電子量成為飽和電荷量Qs。接下來，將垂直選擇信號VSEL設定為不活動L電平，并將復位信號RST和轉移信號TRG設定為活動H電平，從而將電荷生成器32或浮動擴散區(qū)38復位。然后，根據光量而在電荷生成器32中累積信號電荷。如圖5C所示，在區(qū)域識別信號Tx處于H電平的時段期間，執(zhí)行以下驅動操作以調節(jié)轉移脈沖TRG的中間電壓電平。在區(qū)域識別信號Tx處于H電平的時段期間，從劃痕像素區(qū)域10b的劃痕像素3b讀出像素信號，并且在短累積時間內達到飽和。因此，在讀出時，電荷生成器32常達到飽和電荷量Qs。基本上，按與區(qū)域識別信號Tx處于L電平的時段期間相同的方式進行驅動，但是區(qū)別在于，在將復位信號RST設定為活動H電平之前的中間轉移時段Tm期間，一旦處于垂直選擇信號VSEL被設定為不活動L電平的狀態(tài)下，就將轉移脈沖TRG的轉移驅動電壓電平設定為中間電壓，從而執(zhí)行從電荷生成器32向浮動擴散區(qū)38的電荷轉移。通過該中間轉移，從電荷生成器32向浮動擴散區(qū)38轉移超過對應于中間電壓的劃痕像素3b的中間保持電荷量的過剩電荷。因此，浮動擴散區(qū)38的電勢降低。在中間轉移之后，將垂直選擇信號VSEL設定為活動H電平，從而將與超過中間保持電荷量的過剩電荷相對應的電壓作為像素信號從像素信號生成器5經由垂直信號線19 傳送到AD轉換器250。該信號電平并不被實際使用。接著，將復位信號RST設定為活動H電平，以導通復位晶體管36，從而將浮動擴散區(qū)38復位到電源電勢AVDD2—2( = AVDD3_2)。然后，將轉移信號TRG設定為活動H電平(通常電壓)，以導通讀出選擇晶體管34，從而將電荷生成器32的信號電荷轉移到浮動擴散區(qū) 38。 S卩，通過完全轉移來讀出保留在電荷生成器32中的電子。因此，浮動擴散區(qū)38的電壓根據與所設定的中間電壓相對應的中間保持電荷量而降低，并將對應于中間保持電荷量的電壓作為像素信號從像素信號生成器5經由垂直信號線19傳送到AD轉換器250。
圖5D是圖解說明根據第一實施例的、劃痕像素3b中的電荷生成器32的電荷量按垂直掃描率的轉變的圖。如圖5D所示，令來自同一劃痕像素3b的像素信號的讀出周期為 IV (1垂直掃描時段)，那么，在IV之后，電荷生成器32的累積電荷量再次變成飽和水平(飽和電荷量Qs)。圖6是示出本實施例(不限于第一實施例)中的用于調節(jié)每個裝置的轉移脈沖 TRG的轉移驅動電壓電平(特別是中間電壓電平)的反饋環(huán)的結構示例的圖。在第一實施例的固態(tài)成像裝置1中，正電源302具有中間電壓生成器312，中間電壓生成器312生成與用于進行完全轉移的通常電壓電平不同的、用于進行中間轉移的中間電壓，作為轉移信號 TRG的轉移驅動電壓電平. 當關注于整個正電源302上的轉移信號TRG的轉移驅動電壓電平時，除了使讀出選擇晶體管34截止的低電平(接地電平L電平)以外，還生成用于進行完全轉移的、作為充當像素電源的電壓電平Vdd并被用于進行通常轉移的高電平(H電平)，和介于L電平與 H電平之間的中間電壓。然后，在系統(tǒng)控制器20b的控制下，根據驅動定時，選擇AVDD2—2 = AVDD3_2的電壓電平并提供給垂直驅動器14b的用于轉移脈沖TRG的電平轉換器146_2和驅動器148_2的正電源端子。由中間電壓生成器312生成的中間電壓是用于保持在電荷生成器32中累積的電荷的一部分并將剩余累積電荷部分地轉移到浮動擴散區(qū)38的電壓。特別地，本實施例具有針對每個裝置對中間電壓的電平進行調節(jié)的方案。系統(tǒng)控制器20b和數(shù)字算術單元29a形成執(zhí)行中間電壓設定調節(jié)處理(像素驅動電壓調節(jié)處理)的像素驅動電壓調節(jié)設備9。
數(shù)字算術單元29a通過劃痕像素區(qū)域10b中的劃痕像素3b的數(shù)量{x， y}來獲取所保持電荷量(Hx，yl的數(shù)據D(x，yK然后，基于數(shù)據D{x， y}來計算平均值Dave、最大值 Dmax、最小值Dmin等(或其中的至少一個)。數(shù)字算術單元29a將計算出的信息通知給系統(tǒng)控制器20b。
系統(tǒng)控制器20b具有確定從各劃痕像素3b獲得的數(shù)據D{x，y}是否正確的確定單元320。確定單元320確定計算出的數(shù)據D (如由數(shù)字算術單元29a計算出的平均值Dave、最大值Dmax、最小值Dmin等)是否滿足中間保持電荷量Qm的上述理論式。
〃 Qm > (Tssh-Tlsh)/(T1-Ts+Tssh-Tlsh) XQs" 系統(tǒng)控制器20b基于確定單元320的確定結果對中間電壓生成器312執(zhí)行反饋控制，使得中間電壓變成中間保持電荷量Qm的期望值。例如，當使用平均值Dave作為比較對象時，在"Dave > Qm〃的情況下，系統(tǒng)控制器20b對中間電壓生成器312進行控制以降低中間電壓。否貝U，系統(tǒng)控制器20b對中間電壓生成器312進行控制以升高中間電壓。注意，可以通過具有中間保持電荷量Qm的預定寬度的值來進行該確定，或者可以使用最大值 Dmax或最小值Dmin作為比較對象。通過重復這種操作，可以設定變成中間保持電荷量Qm 的期望值的中間電壓。上述第一實施例的方案可以類似地應用于其它像素電路結構，如具有下述3-TR
結構等的單位像素3?！吹诙嵤├?第二實施例的中間電壓設定調節(jié)處理采用將驅動定時設計成對電荷生成器32的電荷量進行任意控制的方案。驅動定時還取決于單位像素3的電路結構，但是基本上它是通過使用開關單元按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓來實現(xiàn)的。按預定定時導通開關晶體管(半導體裝置)，從而執(zhí)行電荷注入，使得電荷生成器32 飽和。例如，浮動擴散區(qū)38的電勢發(fā)生變化，并將該電勢通知給電荷生成器32，從而調節(jié)電荷生成器32的電荷量(具體來說，強制性地使其飽和)。因此，在將像素電源Vdd設定為L電平的狀態(tài)下，將讀出選擇晶體管34和復位晶體管36的驅動信號設定為活動電平。將像素電源Vdd的L電平經由復位晶體管36和讀出選擇晶體管34通知給電荷生成器32，從而將電荷生成器32充滿電子并使其飽和。然后，按與第一實施例相同的方式執(zhí)行數(shù)據處理或確定處理，從而設定成為中間保持電荷量Qm的期望值的中間電壓。
〈第一示例〉圖7A到7D是圖解說明用于調節(jié)中間電壓的方案的第二實施例(第二示例)的圖。圖7A是示出具有3-TR結構的應用了第二實施例(第二示例)的單位像素3的圖。圖 7B是圖解說明具有圖7A所示的3-TR結構的單位像素3的通常驅動定時的時序圖。圖7C 是圖解說明應用于第二實施例(第一示例)的用于識別通常像素區(qū)域和保持電荷測量區(qū)域的區(qū)域識別信號與像素陣列單元之間的關系的圖。圖7D是圖解說明根據第二實施例(第一示例)的具有圖7A所示的3-TR結構的單位像素3的驅動定時的時序圖。
在3-TR結構中，4-TR結構中的垂直選擇晶體管40被去除。與4-TR結構相比，3-TR 結構被認為具有如下特征單位像素3中的晶體管的占據面積減小，從而減小了像素尺寸。在圖7A的(1)和(2)中，電荷生成器32(光電轉換元件)和3個晶體管形成單位像素3。
在圖7A的(1)和(2)中，放大晶體管42的柵極和復位晶體管36的源極經由讀出選擇晶體管34連接到電荷生成器32。放大晶體管42的源極連接到垂直信號線19。通過轉移配線54使用轉移信號TRG對讀出選擇晶體管34進行驅動。通過復位配線56使用復位信號RST對復位晶體管36進行驅動。
在圖7中的(1)的結構示例中，復位晶體管36的漏極和放大晶體管42的漏極連接到獨立的配線，因此復位晶體管36的漏極連接到漏極線57，并且放大晶體管42的漏極被供以像素電源Vdd。在此情況下，僅復位晶體管36的漏極通過漏極線57在復位電源Vrd(通常它可以與像素電源Vdd相同)的高電平電壓與低電平電壓之間被驅動。
同時，在圖7A中的(2)的結構示例中，將復位晶體管36的漏極和放大晶體管42 的漏極共同連接到漏極線57。在此情況下，每個漏極都通過漏極線57在像素電源Vdd的高電平電壓與低電平電壓之間被驅動。在具有3-TR結構的單位像素3中，類似于4-TR結構，將浮動擴散區(qū)38連接到放大晶體管42的柵極，因此放大晶體管42向垂直信號線19輸出與浮動擴散區(qū)38的電勢相對應的信號。轉移配線54或復位配線56在行方向上延伸。同時，可以將漏極線57形成為對于每個行都有區(qū)別，但是在許多情況下，將漏極線57實際上形成為對于所有行是共用的。在本實施例的驅動操作的情況下，基本上，可以將漏極線57形成為對于所有行是共用的。在3-TR結構的單位像素3中，與4-TR結構一樣，將多個像素連接到垂直信號線 19，但是在FD電勢的控制下執(zhí)行像素選擇，而不是由垂直選擇晶體管40來執(zhí)行。通常，將 FD電勢設定為低電平。當像素被選擇時，將所選擇的像素的FD電勢設定為高電平，并將所選擇的像素的信號輸出到垂直信號線19。然后，所選擇的像素的FD電勢回到低電平。同時對一行的像素執(zhí)行該操作。即，可以考慮，以將放大晶體管42的柵極電平設定為低電平的結構來替代垂直選擇晶體管40。如上所述，為了控制FD電勢，執(zhí)行如下操作1)當所選擇的行的FD電勢被設定為高電平時，將漏極線57設定為高電平以通過所選擇的行的復位晶體管36將FD電勢設定為高電平；和2)當所選擇的行的FD電勢回到低電平時，將漏極線57設定為低電平以通過所選擇的行的復位晶體管36將FD電勢設定為低電平。 SP，如圖7B所示，在時刻TO，漏極線57的像素電源Vdd從L電平改變到H電平。在時刻Tl，復位信號RST變成活動H電平，并且復位晶體管36被導通，因此FD電勢被復位到H電平。將FD電勢復位到H電平，從而選擇一個像素，而不選擇其它像素。因此，在沒有垂直選擇晶體管40的3-TR結構中，可以進行像素選擇。接下來，在時刻T2，如果轉移信號TRG變成活動H電平，那么在電荷生成器32中累積的信號電荷被轉移到浮動擴散區(qū)38。在時刻T3，將復位信號RST和轉移信號TRG都設定為活動H電平，從而將電荷生成器32和浮動擴散區(qū)38復位到高電平。在時刻T4，將轉移信號TRG設定為不活動電平，因此像素電源Vdd從H電平改變成L電平。電荷生成器32開始累積與光相對應的電荷。在時刻T5，將復位信號RST設定為不活動L電平。在從T4到T5 的時段期間，執(zhí)行從選擇到不選擇的切換。直到復位信號RST被設定為不活動L電平的時刻T5，像素電源Vdd處于L電平并且復位信號RST處于活動H電平，因此FD電勢變成L電平。根據第二實施例(第一示例)的驅動定時，作為使電荷生成器32飽和的方案，使用讀出選擇晶體管34和復位晶體管36作為開關單元，并按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。如圖7C所示，與第一實施例的劃痕像素3b —樣，假設目標單位像素3 (特別地，稱為保持電荷測量像素3c)是位于像素陣列單元10的上部或下部的一行或幾行中的像素。將像素陣列單元10中的設置有保持電荷測量像素3c的區(qū)域稱為保持電荷測量區(qū)域10c。在第二實施例(第一示例)中，使用用于識別通常像素區(qū)域10a和保持電荷測量區(qū)域10c的區(qū)域識別信號Ty，并且當像素讀出信號Tpr處于H電平時，區(qū)域識別信號Ty處于H電平的時段是保持電荷測量區(qū)域10c的讀出時段，區(qū)域識別信號Ty處于L電平的時段是通常像素區(qū)域10a的讀出時段。如圖7D所示，從T0'到T3'的時段與圖7B所示的從TO到T3的時段相同。區(qū)別在于在時刻T3'，當復位信號RST和轉移信號TRG都被設定為活動H電平時，像素電壓從 H電平改變到L電平。直至復位信號RST被設定為不活動L電平的時刻T5'之前的時刻 T4'，轉移信號TRG被設定為活動H電平，從而將電荷生成器32預設為L電平并被充滿電子(飽和狀態(tài))。這被稱為信號電荷生成器32的回充處理(PD回充)。
接著，將轉移信號TRG設定為不活動L電平，直至時刻T5'，浮動擴散區(qū)38處于低電平。這被稱為浮動擴散區(qū)38的回充處理(FD回充)。在這種處理之后的時刻T6'，像素電壓從L電平改變成H電平。然后，在執(zhí)行了這種使電荷生成器32飽和的處理之后在下一垂直掃描時段期間執(zhí)行中間轉移。在此情況下，首先，在從T7'到T8'的時段期間，將復位信號RST設定為活動H電平，以將浮動擴散區(qū)38復位到高電平(FD復位)。然后，在中間轉移時段Tm期間，將轉移脈沖TRG的轉移驅動電壓電平設定到中間電壓一次，從而執(zhí)行從電荷生成器32到浮動擴散區(qū)38的電荷轉移。通過中間轉移，從電荷生成器32向浮動擴散區(qū)38轉移超過對應于中間電壓的中間保持電荷量的過剩電荷。在中間轉移之后，將復位信號RST設定為活動H電平(Tl')。然后，將轉移信號 TRG設定為活動H電平，以導通讀出選擇晶體管34，從而將電荷生成器32的信號電荷轉移到浮動擴散區(qū)38(T2' )。 S卩，通過完全轉移讀出留在電荷生成器32中的電子。因此，浮動擴散區(qū)38的電壓根據與所設定的中間電壓相對應的中間保持電荷量而降低，并將對應于中間保持電荷量的電壓作為像素信號從像素信號生成器5經由垂直信號線19傳送到AD轉換器250。類似于從劃痕像素區(qū)域10b(劃痕像素3b)獲取關于與中間保持電荷量相對應的電壓的信息的第一實施例，對多個像素(多個行)執(zhí)行這種操作，獲取多個像素中的每一個的保留電荷量(Hx，yl的數(shù)據D(x，yK然后，類似于第一實施例，執(zhí)行對計算出的數(shù)據D的計算，和基于中間保持電荷量Qm的理論式的確定處理，從而設定成為中間保持電荷量Qm的
期望值的中間電壓。
〈第二示例〉圖8A到8E是圖解說明用于調節(jié)中間電壓的方案的第二實施例(第二示例)的圖。圖8A是示出具有4-TR結構的、應用了第二實施例(第二示例)的單位像素3的圖。圖8A 所示的單位像素3的結構與圖2所示的單位像素3的結構相同。圖8B是示出應用了第二實施例(第二示例)的電源單元300的結構示例的圖。圖8C是圖解說明在應用于第二實施例(第二示例)的用于識別通常像素區(qū)域10a和保持電荷測量區(qū)域10c的區(qū)域識別信號 Ty、像素陣列單元10以及像素電源Vdd和SELVDD之間的關系的圖。圖8D是圖解說明具有圖8A所示的4-TR結構的單位像素3的通常驅動定時的時序圖。圖8E是圖解說明根據第二實施例(第二示例)的具有圖8A所示的4-TR結構的單位像素3的驅動定時的時序圖。
如將從圖2或第一實施例的描述所理解的那樣，在4-TR結構的情況下，像素電源 Vdd恒定為H電平，并且由垂直選擇信號VSEL來控制對讀出行的選擇。如圖8D所示，垂直選擇信號VSEL可以在時刻TO之前上升，并且可以在轉移信號TRG被設定為活動H電平并且執(zhí)行了電荷轉移之后下降。在圖8D中，Tsel時段處于H電平。從時刻Tl到時刻T5的時段與3-TR結構中的驅動相同。根據第二實施例(第二示例)的驅動定時，作為使電荷生成器32飽和的方案，類似于第二實施例(第一示例)，使用讀出選擇晶體管34和復位晶體管36作為開關單元，并按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。在該方法中，類似于第二實施例(第一示例)，使用讀出選擇晶體管34和復位晶體管36作為開關單元，并按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。向電荷生成器32強制提供像素電源Vdd的L電平，從而將電荷生成器32預設到L電平并使其處于飽和狀態(tài)。
在4-TR結構的情況下，與3-TR結構不同，在通常驅動定時將像素電源Vdd恒定地設定為H電平，而不將像素電源Vdd設定為L電平。在第二實施例(第二示例)中，因此，如圖8B中的(1)所示，首先，將電源單元300構造成在H電平與L電平之間改變像素電源 Vdd。例如，設置由PMOS 332與NMOS 334的級聯(lián)電路形成的反相器型電源緩沖器330。將 PMOS 332設置在像素電源Vdd側，將NMOS 334設置在接地(GND)側。PMOS 332和NMOS 334 的柵極被連接在一起并被提供以來自系統(tǒng)控制器20b的電源控制信號PSELVDD。如果假設 PMOS 332和NM0S 334中的每一個的導通電阻都是零，那么如圖8B中的(2)所示，電源緩沖器330在電源控制信號PSELVDD處于H電平時將像素電源SELVDD設定為L電平(=接地電勢)，而在電源控制信號PSELVDD處于L電平時將像素電源SELVDD設定為H電平(=像素電源Vdd)。如圖8C所示，將像素電源SELVDD提供給保持電荷測量區(qū)域10c的保持電荷測量像素3c，并將L/H不變的通常像素電源Vdd提供給通常像素區(qū)域10a的通常像素3a。
例如，如圖8E所示，與示出3-TR結構的驅動定時的圖7D —樣，在強制地使電荷生成器32飽和之后，在中間轉移時段Tm期間，使用中間電壓執(zhí)行從電荷生成器32到浮動擴散區(qū)38的電荷轉移。在復位信號RST被設定為活動H電平的時段(T3'到T5')期間，漏極線57的像素電源Vdd下降到L電平。在圖8E中，在轉移信號TRG被設定為不活動L電平的時刻T6'與復位信號RST被設定為不活動L電平的時刻T5'之間，像素電源Vdd返回到H電平(令像素電源Vdd處于 L電平的時段為Tlow)。當像素電源Vdd處于L電平時，在從T4'至ljT6'的時段期間，轉移信號TRG被設定為活動H電平，從而將電荷生成器32預設到L電平并使之充滿電子(飽和狀態(tài))。類似于第一示例，這被稱為信號電荷生成器32的回充處理(PD回充)。在將像素電源Vdd設定為H電平之后，復位信號RST被設定為不活動L電平，從而可以將浮動擴散區(qū) 38預設到高電平。然后，在執(zhí)行了這種使電荷生成器32飽和的處理之后在下一垂直掃描時段期間執(zhí)行中間轉移。在此情況下，類似于第一實施例，在復位信號RST變成活動H電平之前，在中間轉移時段Tm期間，在垂直選擇信號VSEL被設定為不活動L電平的狀態(tài)下將轉移脈沖 TRG的轉移驅動電壓電平設定到中間電壓，從而執(zhí)行從電荷生成器32到浮動擴散區(qū)38的電荷轉移。然后，將垂直選擇信號VSEL設定為活動H電平，并將復位信號RST設定為活動H電平以使浮動擴散區(qū)38復位(Tl')。接著，將轉移信號TRG設定為活動H電平以導通讀出選擇晶體管34，從而將電荷生成器32的信號電荷轉移到浮動擴散區(qū)38(T2')。因此，浮動擴散區(qū)38的電壓根據與所設定的中間電壓相對應的中間保持電荷量而降低，并將對應于中間保持電荷量的電壓作為像素信號從像素信號生成器5經由垂直信號線19傳送到AD 轉換器250。以下，同樣適用于第二實施例(第一示例)。對于一般的3-TR結構的第一示例和一般的4-TR結構的第二示例，已經對使用讀出選擇晶體管34和復位晶體管36作為開關單元并且按預定定時向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓的方案進行了描述，但是可以考慮單位像素3的各種電路結構。這些結構也可以采用如下方案根據該電路結構，使用一些晶體管作為開關單元的開關晶體管，或者添加充當開關單元的開關晶體管，并按預定定時導通開關晶體管以向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。例如，盡管未示出，可以考慮如下結構在電荷生成器32的陰極(讀出選擇晶體管 34側)與復位晶體管36的漏極側的電源線(通常，它可以與像素電源Vdd共用)之間設置用于對電荷生成器32中累積的電荷進行直接放電的放電晶體管。這種單位像素3可以采用如下方案使用放電晶體管作為本實施例的開關單元，并按預定定時經由放電晶體管向電荷生成器32提供可以使電荷生成器32飽和的電壓。當然，第二實施例的操作原理并不是要否定與放電晶體管分開地設置開關晶體管。如上所述，根據本實施例的方案，可以合適地設定成為中間保持電荷量Qm的期望值的中間電壓。如將從以上描述明白的，將執(zhí)行第一或第二實施例的中間電壓設定調節(jié)處理的固態(tài)成像裝置1構造成在其中設置有執(zhí)行中間電壓設定調節(jié)處理(像素驅動電壓調節(jié) 處理)的像素驅動電壓調節(jié)設備9，并且可以將中間電壓自調節(jié)到合適的電平。數(shù)字算術單元29a具有作為計算用于進行確定的指標值并通知計算出的指標值的信號處理器的功能，該確定被用來在基于飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上將中間電壓的電平設定到合適的值。系統(tǒng)控制器20b具有作為轉移驅動電壓設定單元的功能，它將從數(shù)字算術單元29a (信號處理器)通知的指標值與中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并基于相關比較結果來設定中間電壓的電平。在以上描述中，計算出的數(shù)據D (如平均值Dave、最大值Dmax、最小值Dmin等)是由數(shù)字算術單元29a來計算的，但是該計算可以由固態(tài)成像裝置1外部的數(shù)字算術單元29b 來執(zhí)行。數(shù)字算術單元29b具有作為計算用于進行確定的指標值的信號處理器的功能，該確定被用來在基于飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，將中間電壓的電平設定到合適的值。數(shù)字算術單元29b將所獲得的計算出的數(shù)據D通知給系統(tǒng)控制器20b。在使用中間電壓執(zhí)行像素讀出操作的固態(tài)成像裝置1的情況下，理論上存在一種中間電壓的設定，該設定會導致圖像質量干擾，因此令理論值與要使用的電壓之差為電壓容限，該電壓容限針對每個樣本而不同并且受環(huán)境條件的影響。與此相對照的是，如果采用本實施例的方案，對于每個裝置，中間電壓的設定值都可以接近理論值，因此可以確保在任何裝置或任何使用環(huán)境中都不存在圖像質量干擾。
此外，可以改善當不應用本實施例時會產生的以下問題。 1)當不針對每個裝置改變電壓設定時，需要對電壓容限的變化進行管理，并且當特性變化由于生產條件的變化而改變時，合格率會劣化。在本示例中，不會出現(xiàn)合格率劣化，并且可以相應地降低成本。 2)當針對每個裝置改變電壓設定時，需要為每個裝置測量中間電壓與保持量之間的關系，并且需要一種反映每個裝置中的測量結果的系統(tǒng)。在本示例中，裝置本身具有設定合適的中間電壓的反饋環(huán)結構，并且可從成本中減少所述系統(tǒng)的成本。
在比較第一實施例和第二實施例時，考慮以下相對優(yōu)點。 1)在第一實施例中，不必添加外部電源控制裝置的電路，但是其缺點在于不能在任意定時對信號電荷生成器32的電荷量(浮動擴散區(qū)38的電勢)進行設定(到任意電平)。 2)在第二實施例中，可以在任意定時對信號電荷生成器32的電荷量(浮動擴散區(qū) 38的電勢)進行設定(到任意電平)，但是其缺點在于需要將電源電壓Vdd控制在低電平以將信號電荷生成器32充以電子的電路。以下將詳細描述該差別。根據本實施例的方案，與現(xiàn)有技術的固態(tài)成像裝置相比，添加驅動以使用信號電荷生成器32的電荷量作為中間電壓保持電荷量，但是在結構上的改變被最小化。這涉及第一實施例。然而，通過從電荷注入層432產生電荷來實現(xiàn)飽和，因此需要一個讀出操作與下一讀出操作之間的累積時間，并且電荷的生成情況依賴于電荷注入層432的形成情況。因此，控制較為困難。同時，在第二實施例中，可以在任意定時(在電源電壓Vdd被設定為低電平以導通復位晶體管36和讀出選擇晶體管34的時刻)實現(xiàn)飽和，因此實現(xiàn)了極好的可控性。此外，在3-TR型的情況下，提供了將電源電壓Vdd設定為低電平的方案。因此，如果可以使用該方案，那么未添加附加電路，并且不需要劃痕像素。
〈成像設備第三實施例> 圖9是示出使用與第一或第二實施例的固態(tài)成像裝置相同的方案的第三實施例的成像設備的示意結構的圖。在第三實施例中，將在上述固態(tài)成像裝置1的每個實施例中使用的中間電壓設定調節(jié)處理的方案應用于作為物理信息獲取設備的示例的成像設備。圖 9是成像設備8的示意結構圖。以下將描述主要組件(將略去對除主要組件以外的部分的描述)。成像設備8包括成像透鏡802、光學低通濾波器804、濾色器組812、像素陣列單元 10、驅動控制器7、列AD轉換器26、參照信號生成器27以及照相機信號處理器810。如由圖中的虛線所示，可以與光學低通濾波器804 —起設置用于減少紅外光分量的紅外光削減濾波器805。被設置在列AD轉換器26的后面的照相機信號處理器810具有成像信號處理器820，和充當用于對整個成像設備8進行控制的主控制器的照相機控制器900。成像信號處理器820具有信號分離器822、彩色信號處理器830、亮度信號處理器840以及編碼器組 860。本實施例的照相機控制器900具有微處理器902、作為只讀存儲單元的ROM(只讀存儲器)904、RAM 906(隨機存取存儲器)以及其它外圍構件(未示出)。微處理器902與電子計算機的核心部分相同，其一個代表性示例是CPU(中央處理單元)，其中將由計算機執(zhí)行的運算和控制功能集成在微集成電路中。RAM 906是在需要時可以進行寫和讀的易失性存儲單元的示例。也將微處理器902、 ROM 904以及RAM 906 —起稱為微型計算機。
照相機控制器900對整個系統(tǒng)進行控制，并且對于本實施例的中間電壓設定調節(jié)處理，具有執(zhí)行與中間保持電荷量Qm相關的數(shù)據處理或確定處理以及對電源單元300進行控制的功能。將與中間電壓設定調節(jié)處理相關的一部分或全部處理從驅動控制器7的系統(tǒng) 控制器20b(未示出)移除并植入照相機控制器900中。將數(shù)字算術單元29a或29b中的與中間保持電荷量Qm相關的數(shù)據處理的功能部件中的一部分或全部也植入照相機控制器 900中。在將功能部件全部植入照相機控制器900中的結構中，照相機控制器900充當像素驅動電壓調節(jié)設備的示例，其對轉移信號TRG執(zhí)行中間電壓設定調節(jié)處理(像素驅動電壓調節(jié)處理)。在將功能部件全部植入照相機控制器900中的結構中，固態(tài)成像裝置1中的系統(tǒng)控制器20b、數(shù)字算術單元29a等(它們具有未被移植的功能部件)和照相機控制器900 形成執(zhí)行中間電壓設定調節(jié)處理(像素驅動電壓調節(jié)處理)的像素驅動電壓調節(jié)設備。
ROM 904存儲照相機控制器900的控制程序等。特別地，在本示例中，ROM 904存儲使得照相機控制器900能夠對中間電壓設定調節(jié)處理進行控制的程序。RAM 906存儲用于照相機控制器900進行的各種處理的數(shù)據等。將照相機控制器900構造成可以在其上可卸除地安裝諸如存儲卡等的記錄介質 924，或者可以連接到諸如因特網等的通信網絡。例如，除了微處理器902、R0M 904以及RAM 906，照相機控制器900還包括存儲器讀出單元907和通信I/F(接口 )908。
記錄介質924用于注冊使得微處理器902執(zhí)行軟件處理的程序數(shù)據，和各種類型的數(shù)據等，諸如基于來自亮度信號處理器840的亮度系統(tǒng)信號的光測量數(shù)據DL的收斂范圍或曝光控制處理(包括電子快門控制)的各種控制信息的設定值。存儲器讀出單元907將從記錄介質924讀取的數(shù)據存儲(安裝)在RAM 906上。通信I/F 908對與通信網絡(如因特網等)之間的通信數(shù)據的交換進行中繼。盡管在這種成像設備8中，以與像素陣列單元10分開的模塊的形狀示出驅動控制器7和列AD轉換器26，但是，如對固態(tài)成像裝置1所描述的那樣，可以使用具有單片結構的固態(tài)成像裝置l，其中在同一半導體基板上與像素陣列單元10 —起一體地形成驅動控制器 7和列AD轉換器26。參照附圖，除了像素陣列單元10、驅動控制器7、列AD轉換器26、參照信號生成器27以及照相機信號處理器810以外，成像設備8還包括光學系統(tǒng)，如成像透鏡 802、光學低通濾波器804、紅外光削減濾波器805等。該結構適合于這些單元被一起放在具有成像功能的封裝模塊的形狀中的情況。將這種成像設備8提供為照相機或具有用于"成像"的成像功能的便攜式設備。術語"成像"包括在通常的照相機拍攝時捕獲圖像，并且在寬泛的意義上，包括指紋檢測等。對于如上構造的成像設備8，照相機控制器900向電源單元300提供電壓設定TS，并執(zhí)行上述實施例的中間電壓設定調節(jié)處理，以特別地設定轉移信號TRG的轉移驅動電壓電平的中間電壓電平。因此，可以在不依賴于裝置或使用環(huán)境的情況下，合適地設定成為中間保持電荷量Qm的期望值的中間電壓。盡管結合實施例描述了本發(fā)明，但是這些實施例并不是要限制本發(fā)明的技術范圍?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的要旨的范圍內作出各種變化或改進，并且這些變化或改進也落入本發(fā)明的技術范圍內。以上實施例并不是要限制所附權利要求中描述的發(fā)明。在這些實施例中描述的特征的所有組合對于本發(fā)明的解決手段來說并不總是不可缺少的。在這些實施例中包括各種階段的發(fā)明?？梢酝ㄟ^對多個公開的要素進行合適的組合來提取各種發(fā)明。即使從這些實施例中描述的所有要素中刪除幾個要素，也可以提取這些被刪除了這幾個要素后的要素作為發(fā)明，只要獲得了效果即可。例如，本實施例的中間電壓設定調節(jié)處理涉及從電荷生成器32讀出信號電荷的讀出部件，并且被應用于使用中間電壓來執(zhí)行讀出操作的方案。可以將本發(fā)明應用于任何裝置，只要它包括電荷生成器和電荷轉移單元。本發(fā)明也可以應用于電荷轉移型固態(tài)成像裝置，其一個代表性示例是CCD圖像傳感器。本申請包含與在2008年10月30日在日本專利局提交的日本在先專利申請
JP2008-279472中公開的主題相關的主題，通過引用將其全部內容并入于此。本領域的技術人員應明白，根據設計要求和其它因素，可以作出各種修改、組合、
子組合和變更，只要它們在所附權利要求或其等同物的范圍之內即可。
權利要求
一種固態(tài)成像裝置，包括像素陣列單元，具有排列的單位像素，每個單位像素具有生成信號電荷的電荷生成器、和具有對由所述電荷生成器生成的信號電荷進行轉移的電荷轉移單元并且生成并輸出與由所述電荷生成器生成的信號電荷相對應的處理對象信號的信號輸出單元；驅動控制器，用于驅動所述單位像素，該驅動控制器按多個不同的轉移驅動電壓電平順序地驅動所述電荷轉移單元；以及轉移驅動電壓設定單元，在基于所述電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于在中間轉移之后在所述電荷生成器中保持的中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，將中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為所述中間電壓保持電荷量的期望值，其中，所述中間轉移是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下執(zhí)行的電荷轉移。
2. 根據權利要求l所述的固態(tài)成像裝置，還包括信號處理器，在基于所述電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，計算用于進行使得所述轉移驅動電壓設定單元將所述中間電壓的電平設定到合適的值的確定的指標值，并將計算出的指標值通知給所述轉移驅動電壓設定單元，其中，所述中間電壓保持電荷量是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在所述電荷生成器中的電荷量，其中，所述轉移驅動電壓設定單元將從所述信號處理器通知的指標值與所述中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并基于比較結果來設定所述中間電壓的電平。
3. 根據權利要求l所述的固態(tài)成像裝置，其中所述轉移驅動電壓設定單元被構造成從被設置在外部的信號處理器獲得用于進行確定的指標值，并在基于所述電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，計算用于進行確定的指標值，其中，所述中間電壓保持電荷量是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在所述電荷生成器中的電荷量；以及將所獲得的指標值與所述中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并基于比較結果來設定所述中間電壓的電平。
4. 根據權利要求1到3中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，其中，令完全轉移的電荷累積時間為Tlsh，完全轉移的讀出時間為Tl，中間轉移的電荷累積時間為Tssh，中間轉移的讀出時間為Ts，飽和電荷量為Qs，經過中間轉移后的中間電壓保持電荷量為Qm，通過中間轉移讀出的中間轉移電荷量為Qn，通過完全轉移讀出的完全轉移電荷量為Ql，那么，關系〃 Ql = (Tl-Tlsh)/(Ts-Tssh) XQn〃和〃 Ql=(Tl_Ts)/ (Tssh-Tlsh) XQm+Qm〃成立，并且，滿足〃 Qm^ (Tssh-Tlsh)/(T1-Ts+Tssh-Tlsh) XQs〃的中間電壓保持電荷量Qm是所述中間電壓保持電荷量的期望值。
5. 根據權利要求1到4中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，其中，在所述像素陣列單元的部分區(qū)域的單位像素中形成有執(zhí)行電荷注入使得所述電荷生成器飽和的構件，并且所述中間電壓保持電荷量是當已經對經受了所述電荷注入的單位像素執(zhí)行了中間轉移時的電荷量。
6. 根據權利要求1到4中的任一項所述的固態(tài)成像裝置，其中，每個單位像素是由半導體裝置形成的開關單元，所述驅動控制器按預定定時導通所述半導體裝置以執(zhí)行使得所述電荷生成器飽和的所述電荷注入，以及所述中間電壓保持電荷量是當已經對經受了所述電荷注入的單位像素執(zhí)行了中間轉移時的電荷量。
7. —種成像設備，包括像素陣列單元，具有排列的單位像素，每個單位像素具有生成信號電荷的電荷生成器、和具有對由所述電荷生成器生成的信號電荷進行轉移的電荷轉移單元并且生成并輸出與由所述電荷生成器生成的信號電荷相對應的處理對象信號的信號輸出單元；驅動控制器，用于驅動所述單位像素，該驅動控制器按多個不同的轉移驅動電壓電平順序地驅動所述電荷轉移單元；信號處理器，在基于所述電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，計算用于進行使得轉移驅動電壓設定單元將中間電壓的電平設定到合適的值的確定的指標值，其中，所述中間電壓保持電荷量是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在所述電荷生成器中的電荷量；以及轉移驅動電壓設定單元，將由所述信號處理器計算出的用于進行確定的指標值與所述中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并將所述中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為所述中間電壓保持電荷量的期望值。
8. —種像素驅動電壓調節(jié)設備，包括信號處理器，從固態(tài)成像裝置獲得基于電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號，所述固態(tài)成像裝置具有排列的單位像素，每個單位像素具有生成信號電荷的電荷生成器、和具有對由所述電荷生成器生成的信號電荷進行轉移的電荷轉移單元并且生成并輸出與由所述電荷生成器生成的信號電荷相對應的處理對象信號的信號輸出單元，其中，所述中間電壓保持電荷量是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在所述電荷生成器中的電荷量，并且所述信號處理器基于各個像素信號來計算用于進行使得所述轉移驅動電壓設定單元將所述中間電壓的電平設定到合適的值的確定的指標值；以及轉移驅動電壓設定單元，將由所述信號處理器計算出的用于進行確定的指標值與所述中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并將所述中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為所述中間電壓保持電荷量的期望值。
9. 一種像素驅動電壓調節(jié)方法，包括以下步驟從固態(tài)成像裝置獲得基于電荷生成器飽和時的飽和電荷量的像素信號和基于中間電壓保持電荷量的像素信號，所述固態(tài)成像裝置具有排列的單位像素，每個單位像素具有生成信號電荷的電荷生成器、和具有對由所述電荷生成器生成的信號電荷進行轉移的電荷轉移單元并且生成并輸出與由所述電荷生成器生成的信號電荷相對應的處理對象信號的信號輸出單元，其中，所述中間電壓保持電荷量是在所述轉移驅動電壓電平處于使得能夠將所述電荷生成器的飽和電荷量完全轉移到所述信號輸出單元的完全轉移電平與使所述電荷轉移單元截止的截止電平之間的電平的狀態(tài)下被保持在所述電荷生成器中的電荷量；基于各個像素信號來計算用于進行確定的指標值；以及將所述指標值與所述中間電壓保持電荷量的期望值進行比較，并將所述中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為所述中間電壓保持電荷量的期望值。
全文摘要
固態(tài)成像裝置、成像設備、像素驅動電壓調節(jié)設備和方法。該固態(tài)成像裝置包括像素陣列單元，具有排列的單位像素，每個單位像素具有生成信號電荷的電荷生成器、和具有電荷轉移單元并且生成并輸出與信號電荷相對應的處理對象信號的信號輸出單元；驅動單位像素的驅動控制器，順序地驅動電荷轉移單元；和轉移驅動電壓設定單元，在基于電荷生成器的飽和電荷量的像素信號和基于在中間轉移后在電荷生成器中保持的中間電壓保持電荷量的像素信號的基礎上，將中間電壓的電平設定為使得實際中間電壓保持電荷量成為中間電壓保持電荷量的期望值，其中，在所述中間轉移中以完全轉移電平與截止電平之間的電平執(zhí)行電荷轉移。
文檔編號H04N5/335GK101729745SQ200910209090
公開日2010年6月9日申請日期2009年10月30日優(yōu)先權日2008年10月30日
發(fā)明者伊藤芳晃, 大池祐輔申請人:索尼株式會社

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