CN103685999A - 固态图像传感器、用于固态图像传感器的控制方法以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固态图像传感器、用于固态图像传感器的控制方法以及电子装置，该固态图像传感器包括多个单位像素，每个单位像素均包括产生对应于入射光量的电荷并累积在其中的电荷的光电转换器；传输在光电转换器中累积的电荷的第一传输门；其中保持电荷的电荷保持区域；传输电荷的第二传输门；其中使电荷保持作为信号被读出的浮动扩散区域；将电荷传输到电荷放电部件的电荷放电门；以及包括形成在光电转换器和电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径的结构。

Description

固态图像传感器、用于固态图像传感器的控制方法以及电子装置
技术领域
本技术涉及固态图像传感器、用于固态图像传感器的控制方法以及电子装置，并具体地涉及使得可以产生适合使用的图像的固态图像传感器，用于固态图像传感器的控制方法以及电子装置。 
背景技术
在读取通过MOS晶体管累积在光接收部件（诸如光电二极管）的电荷的一般图像传感器中，在像素的单元、行等中执行读出操作，并且因此不能够在所有的像素中使累积光电荷的曝光时间期间同步。因此，在对象运动的这种情况下，摄取的图像发生失真。 
因此，已知如在图1中示出的像素结构。在该结构中，单位像素20A在其中具有存储器部件（MEM）23，在光电二极管（PD）21中累积的电荷同时传输到在每个像素中的存储器部件23，并且保持这些电荷直到在行单元中执行读出操作。该配置使用利用针对图像摄取的所有像素具有相同曝光时间期间的全局曝光，来实现图像摄取操作。 
图2是示出在曝光和电荷累积时间期间中驱动单位像素20A的实例的时序图。首先，在时间t1和时间t2的时间期间中，第一传输门（TRX）22，第二传输门（TRG）24以及复位晶体管（RST）26被导通从而使光电二极管21和存储器部件23中的电荷放电。 
接着，在时间t2和时间t3之间的时间期间中，在电荷放电之后从来自物体的光新获得的电荷同时被累积在每个像素中的光电二极管21中。然后，在时间t3和时间t4之间的时间期间中，第二传输门24和复位晶体管26被导通，以及之后第一传输门22被导通，以便在光电二极管21中累积的电荷同时被传输到每个像素中的存储器部件23中。 
图3是示出在读出扫描中（读出行单元中的信号电荷）驱动单位像素20A的实例的时序图。首先，打开控制脉冲SEL和其后的控制脉冲RST。然后，在时间t11和时间t12之间的时间期间中，读出浮动扩散部（FD）25的噪音电平。然后，在时间t12和时间t13之间的时间期间中使传输脉冲TRG打开，第二传输门24将在存储器部件23中保持的电荷传输到浮动扩散部25中。然后，在时间t13和时间t14之间的时间期间中，读出对应于在浮动扩散部25中保持的电荷的电压作为信号电平。获得以这种方式读出的信号电平和先前读出的噪音电平之间的差异，以便由此获得具有去除噪音的信号电平。 
同时，如在图4中的时序图中示出的，该曝光和电荷累积以及二维排列的像素的读出扫描可在相同的时间期间中执行。换句话说，如图4中示出，当控制脉冲RST被打开同时控制脉冲SEL被打开时，浮动扩散部25的噪音电平在时间t22和时间t23之间的时间期间中读出。此外，当传输脉冲TRG导通时，读出对应于在从存储器部件23传输之后被保持在浮动扩散部25中的电荷的电压作为在时间t24和时间t25之间的时间期间中的信号电平。应该注意，信号电荷在从时间t22到时间t25的时间期间中在行单元中读出。 
此后，控制脉冲SEL关闭，然后控制脉冲RST、传输脉冲TRX以及传输脉冲TRG打开，并且此外传输脉冲TRX、传输脉冲TRG以及控制脉冲RST以这种顺序打开。由此，在光电二极管21和存储器部件23中的电荷在时间t25和时间t26之间的时间期间中放电。应该注意，多行中的电荷同时在时间t25和时间t26之间的时间期间中放电。在时间t26之后的曝光和累积中，从来自物体的光新获得的电荷累积在每个光电二极管21中。 
如上所述，电荷信号在单位像素20A中的行单元中串行读出。当在一定的行上执行该读出时，同时执行用于多行或所有像素的电荷放电操作。当在续行扫描中读出像素信号时，该曝光和累积操作继续进行并且同时执行多行或所有像素的电荷传输操作。 
同时，在图1中示出的像素结构中，该像素设置有存储器部件23，并且因此与不具有存储器部件23的像素相比具有更低的运行在光电二极管21中累积的最大电荷量（饱和电荷量）。由于基本的饱和电荷量是允许在光电二极管21中累积的最大电荷量和允许在存储器部件23中累积的最大电荷量中的较小的一个，所以有必要将光电二极管21和存储器部件23两者最大化。换句话说，包括存储器部件23的像素的饱和电荷量约是不具有存储器部件23的像素的饱和电荷量的一半。 
图5是示出对应于图1中的电路图的单位像素的结构的横截面图。在图5中示出的结构中，光电二极管21的面积（体积）小于不具有存储器部件23的单位像素的光电二极管21的面积（体积）。此外，光电二极管21的面积增加导致存储器部件23的面积减小，并且因此不可以保持光电二极管21的最大电荷量。因此，不可以增加被允许处理的电荷量。具体地，图6示出电荷如何在时间t41和时间t43之间的时间期间中从光电二极管21传输到存储器部件23中。很明显光电二极管21的面积增加导致存储器部件23的面积减小。 
因此，本申请人提出了如图7中示出的像素结构。在该结构中，溢出路径37形成在设置于像素中的光电二极管21和存储器部件23之间（例如参见JP2009-268083A）。利用该结构使得可以在曝光的时间期间中将电荷累积在光电二极管21和存储器部件23两者中，并因此增加饱和电荷量。在另一个配置中，在光电二极管21和存储器部件23之间的势垒在曝光时间期间过程中被间歇调制，并且与形成溢出路径37的情况一样，由此同样可以在光电二极管21和存储器部件23两者中累积电荷。 
应该注意，本申请人提出了如图8中示出的像素结构，其包括用于在不穿过浮动扩散部25的情况下直接使光电二极管21中的信号电荷放电的电荷放电门29（例如参见JP2004-111590A）。利用该结构使得可以当电荷累积在存储器部件23中时，即当电荷信号在每行中被串行读出时，防止不需要的电荷从光电二极管21泄漏到浮动扩散部25中。本申请人同样提出了在比一帧读出时间期间更短的时间中的曝光操作的可行性，该操作以 这样的方式实现，即在电荷放电门导通29时的信道电势被设定为高于导致光电二极管21完全耗尽的电势（例如参见JP2008-177593A）。 
此外，本申请人提出这样的结构，其中：像素各包括每单位面积具有不同电容和黑暗时不同属性的两个存储器部件；以及在光电二极管和一个存储器部件之间以及在光电二极管和另一个存储器部件之间形成的溢出路径（例如见JP2011-199816A）。当利用该结构时，通过选择性地使用根据信号电荷量的两个存储器部件中的一个可以有效地增加饱和电荷量。 
发明内容
同时，在JP2009-268083A中公开的像素结构中，可以累积相当于光电二极管21和存储器部件23的总和量的电荷，并且该电荷保持在存储器部件23和浮动扩散部25中。因此，可以实现相当于不具有存储器部件23的像素的电荷的饱和电荷量，但不能够使曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）同步。 
这是因为光电二极管21和存储器部件23用于在曝光时间期间过程中累积电荷。此外，由于电荷在读出时间期间（电荷保持时间期间）被保持在存储器部件23和浮动扩散部25中，存储器部件23被给出累积和保持电荷的两个功能。 
这里，特别是当像素信号用于运动图像时，可以有效设定曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）从而使其互相同步用于增加帧率。如果曝光时间期间和读出时间期间分离，则利用对应于曝光时间期间的量减小帧率。 
另一方面，当像素信号用于静止图像时，要求分别设定曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）从而增加饱和电荷量。换句话说，重要的是曝光时间期间和读出时间期间分别用于静止图像使用，并且使该曝光时间期间与读出时间期间同步以供运动图像使用。 
然而，在现有技术的上述技术中，有必要准备分离图像传感器来实现分别设定曝光时间期间和读出时间期间的情况以及设定曝光时间期间和读出时间期间从而使其互相同步的情况两者。不能够通过使用一个图像传感器来产生供相应的静止图像使用和运动图像使用的图像。 
为此，期望通过使用一个图像传感器产生的适合使用的图像。 
在这种情况下已经提供了本技术，并且使得可以通过使用一个图像传感器产生的适合使用的图像。 
根据本技术的第一实施方式，提供了固态图像传感器，其包括：多个单位像素，每个单位像素各包括产生对应于入射光量的电荷并将电荷累积在其中的光电转换器，传输在光电转换器中累积的电荷的第一传输门，其中保持通过第一传输门从光电转换器传输的电荷的电荷保持区域，传输保持在电荷保持区域中的电荷的第二传输门，其中保持通过第二传输门从电荷保持区域传输的电荷以作为信号被读出的浮动扩散区域，将从光电转换器接收的电荷传输到电荷放电部件的电荷放电门，以及包括形成在光电转换器和电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径的结构，溢出路径在用于确定预定的电荷量的电势处形成并将超过预定电荷量的电荷作为信号电荷从光电转换器传输到电荷保持区域。设定低于溢出路径电势的电势作为电荷放电门的沟道电势，或设定高于溢出路径电势并且低于使光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为电荷放电门的沟道电势。 
当中间的电势被施加到电荷放电门作为门电势时，该沟道电势被设定在预定的电势。 
当驱动电荷放电部件的漏极的电势时，该沟道电势被设定在预定的电势处。 
电荷放电门的沟道形成在比硅表面更深入基板的方向上的区域中。 
电荷放电门、第一传输门以及第二传输门中的每一个的截止状态电压均负电压。 
根据本技术的第一方面，提供了用于根据本技术第一方面的上述固态图像传感器的控制方法。 
在本技术的第一实施方式的固态图像传感器和控制方法中，设定低于溢出路径电势的电势作为电荷放电门的沟道电势，或设定高于溢出路径电势并且低于使光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为电荷放电门的沟道电势。 
根据本技术的第二实施方式，提供了具有安装在其上的固态图像传感器的电子装置，该固态图像传感器包括：多个单位像素，每个单位像素包括产生对应于入射光量的电荷并将电荷累积在其中的光电转换器，传输在光电转换器中累积的电荷的第一传输门，其中保持通过第一传输门从光电转换器传输的电荷的电荷保持区域，传输在电荷保持区域中保持的电荷的第二传输门，其中保持通过第二传输门从电荷保持区域传输的电荷以作为信号被读出的浮动扩散区域，传输从光电转换器接收的电荷到电荷放电部件的电荷放电门，以及包括形成在光电转换器和电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径的结构，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过预定电荷量的电荷作为信号电荷从光电转换器传输到电荷保持区域。设定低于溢出路径电势的电势作为电荷放电门的沟道电势，或设定高于溢出路径电势并且低于使光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为电荷放电门的沟道电势。 
该电子装置可以是独立装置或可以是作为一个装置的组件的内部块。 
在本技术的第二实施方式的电子装置中，设定低于溢出路径电势的电势作为电荷放电门的沟道电势，或设定高于溢出路径电势并且低于使光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为电荷放电门的沟道电势。 
根据本技术的第一实施方式和第二实施方式，可以产生适合使用的图像。 
附图说明
图1是示出现有技术中的每个单位像素的配置的电路图； 
图2是示出现有技术中的用于驱动单位像素的方法的时序图； 
图3是示出现有技术中的用于驱动单位像素的方法的时序图； 
图4是示出现有技术中的用于驱动单位像素的方法的时序图； 
图5是现有技术中的一个单位像素的截面图； 
图6是示出现有技术中的用于驱动单位像素的方法的电势图； 
图7是示出现有技术中的每个单位像素的配置的截面图； 
图8是示出现有技术中的每个单位像素的配置的电路图； 
图9是示出CMOS图像传感器的配置实例的示图； 
图10是示出每个单位像素的配置实例的截面图； 
图11是示出用于驱动单位像素的方法的时序图； 
图12是第一实施方式中的每个单位像素的电势图； 
图13是第二实施方式中的每个单位像素的电势图； 
图14是示出CMOS图像传感器的另一个配置实例的示图； 
图15是示出CMOS图像传感器的另一个配置实例的示图；以及 
图16是示出成像设备的配置实例的示图。 
具体实施方式
在下文中，参考附图详细描述本发明的优选实施方式。应该注意，在该说明书和附图中，用相同的参考标记表示具有基本上相同功能和结构的结构元件，并且省略这些结构元件的重复解释。 
[固态成像设备的配置实例] 
图9是示出应用本技术的实施方式的固态成像设备的CMOS图像传感器的配置实例的框图。 
如图9所示，根据本实施方式的CMOS图像传感器100具有包括形成在未示出的半导体基板（芯片）上的像素阵列部111以及集成在其上形成相关像素阵列部111的该半导体基板上的***电路的配置。该***电路例如包括垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114和***控制部115。 
该CMOS图像传感器100还包括信号处理部118和数据存储部119。该信号处理部118和数据存储部119可被配置为由诸如如DSP（数字信号处理器）的外部信号处理部等构成，或可被安装在其上形成CMOS图像传感器100上的相同基板上。 
在像素阵列部111中，各自具有产生对应于入射光量的电荷量中的电荷从而在其中累积电荷的光电转换器的单位像素（下文中有时简称为“像素”）以矩阵形式二维地排列。稍后将描述该单位像素的配置。 
在像素阵列部111中，像素驱动线116关于以矩阵形式排列的像素阵列针对每行在附图中的水平方向上（像素在像素行上的排列方向）形成，而垂直信号线117在用于附图中的垂直方向上（像素在像素列中的排列方 向）针对每列形成。在图6中，每个像素驱动线116被表示为一条线，而实际上不限于一条。像素驱动线116的一端连接到对应于垂直驱动部112的每行的输出端子。 
该垂直驱动部112由移位寄存器、地址译码器等构成，并且其为针对所有像素或在每个行单元中等同时驱动像素阵列部111的各个像素的像素驱动部。该垂直驱动部112的具体配置在附图中省略，其通常包括读出扫描***和扫掠扫描***的两个扫描***。 
为了读取来自像素阵列部111的单位像素的信号，该读出扫描***在行单元中对单位像素连续执行选择性扫描。该扫掠扫描***对要通过读出扫描***经受读出扫描的读出行执行扫掠扫描。该扫掠扫描早于读出扫描相当于快门速度的时间。 
通过基于扫掠扫描***的扫掠扫描，不需要的电荷被扫掠出读出行中的单位像素的光电转换器（被复位）。通过基于扫掠扫描***的不需要的电荷的扫掠（复位），执行所谓的电子快门操作。本文中，电子快门操作为丢弃光电转换器的电荷并且新开始曝光（开始累积电荷）的操作。 
通过基于读出扫描***利用读出操作读出的信号对应于仅之前的读出操作或电子快门操作之后已入射的光量。然后，从基于刚领先于读出操作或电子快门操作的读出时序或扫掠时序到基于当前读出操作的读出时序的时间期间是在单位像素中的电荷的累积时间（曝光时间）。 
基于垂直驱动部112从已经经受选择性扫描的像素行中的各个单位像素输出的信号通过相应的垂直信号线117被提供给列处理部113。列处理部113对从通过用于像素阵列部111的相应像素列的垂直信号线117的所选行中的各个单位像素输出的信号执行预定的信号处理，并且另外在信号处理之后临时保持像素信号。 
具体而言，列处理部113至少执行噪音去除处理例如CDS（相关双采样）处理作为信号处理。通过基于列处理部113的CDS处理，去除像素固有的诸如复位噪音的固定模式噪音和放大晶体管的阈值的散射。该列处理部113可以不仅具有噪音去除处理的功能，还具有例如AD（模拟数字）转换功能，以输出数字信号中的信号电平。 
该水平驱动部114由移位寄存器、地址译码器等构成，并且依次选择对应于列处理部113中的各个像素列的单元电路。通过基于该水平驱动部114的选择性扫描，在列处理部113中已经经受信号处理的像素信号依次输出。 
***控制部115由产生各种时序信号等的时序发生器构成，并且基于通过相关时序发生器发生的各种时序信号，对垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114等执行驱动控制。 
信号处理部118至少具有额外的处理功能，并且执行各种信号处理诸如在从列处理部113输出的像素信号上的额外处理。该数据存储部119临时存储用于诸如信号处理部118中的信号处理的这种处理的数据。 
[单位像素配置] 
接着，将参考图10描述图9中的像素阵列部111中以矩阵形式排列的每个单位像素120的具体配置。图10示出了单位像素120的配置的平面图。 
单位像素120例如包括光电二极管（PD）121作为光电转换器。光电二极管121是掩埋型光电二极管，其例如通过在n型基板131上形成的p型肼层132中的基板前表面侧上形成p型层133，并且通过将n型掩埋层134掩埋在p型肼层132中所形成。应该注意，p型层133和n型掩埋层134各具有电荷从中放电时引起耗尽状态的杂质密度。 
除了光电二极管121，单位像素120还包括第一传输门（TRX）122，存储器部件（MEM）123，第二传输门（TRG）124以及浮动扩散部（FD）125。虽然没有示出，但光屏蔽膜使单位像素120屏蔽掉光。该光屏蔽膜使除了开口部分以外的部分屏蔽掉光，其中，光通过该开口部分被引入到晶体管的接触部分和光电二极管121中。 
第一传输门122包括由多晶半导体形成的栅电极122A。该栅电极122A被形成为使得覆盖光电二极管121和存储器部件123之间的部分以及存储器部件123的上部的一部分或全部。用于布线的触点（contact）连接到在存储器部件123侧上的栅电极122A的上部。当传输脉冲TRX通过 触点施加到栅电极122A上时，第一传输门122传输在光电二极管121中累积的电荷。 
该存储器部件123通过在栅电极122A下方形成并且具有电荷从中放电时引起耗尽状态的杂质密度的n型掩埋式沟道135形成，并且在其中累积通过第一传输门122从光电二极管121传输的电荷。 
此外，可以通过布置在存储器部件123的上部中的栅电极122A并且通过将传输脉冲TRX施加到栅电极122A上来执行对存储器部件123的调制。换句话说，将传输脉冲TRX施加到栅电极122A导致存储器部件123的深电势（deep potential）。这导致了存储器部件123中比没有调制情况下的更大的电荷饱和量。 
第二传输门124包括由多晶半导体形成的栅电极124A。该栅电极124A形成在被设置于存储器部件123和浮动扩散部125之间的边界部分上方的n型杂质扩散区域139中。此外，用于布线的触点连接到栅电极124A的上部。然后，当传输脉冲TRG通过触点施加到栅电极124A上时，第二传输门124传输在存储器部件123中累积的电荷。 
该浮动扩散部125是由能够使用于布线的触点电连接且具有杂质密度的n型层形成的电荷电压转换器，并且将由第二传输门124从存储器部件123传输的电荷转换成电压。用于布线的该触点连接到浮动扩散部125的上部。 
复位晶体管126连接到电源Vrst和浮动扩散部125之间，并且当控制脉冲RST被施加到复位晶体管126的栅电极时而使该浮动扩散部125复位。 
放大晶体管127的漏电极和栅电极分别连接到电源Vdd和浮动扩散部125。所选晶体管128的漏电极和源电极分别连接到放大晶体管127的源电极和对应的垂直信号线117。 
当控制脉冲SEL被施加到选择晶体管128的栅电极时，所选晶体管128选择单位像素120中的一个，从该单位像素应读出信号。当该所选晶体管128选择从其中应读出信号的单位像素120时，该放大晶体管127从放大晶体管127的源电极读出、放大并输出指示浮动扩散部125的电压的 像素信号。该选择晶体管128通过垂直信号线117将来自放大晶体管127的像素信号提供给列处理部113。 
单位像素120还包括电荷放电门（ABG）129和消耗部件（drain part）136。该电荷放电门129包括栅电极129A。该栅电极129A形成在设置于光电二极管121和消耗部件136之间的p型杂质扩散区域138的上方。用于布线的触点连接到栅电极129A的上部。当控制脉冲ABG通过触点施加到栅电极129A上时，该电荷放电门129传输在光电二极管121中累积的电荷。 
该消耗部件136是由n型层形成的电荷放电部件，并且使通过电荷放电门129从光电二极管121传输的电荷放电。用于布线的触点连接到消耗部件136的上部，并且如适当则将预定电压Vdrn施加到消耗部件136上。 
此外，该单位像素120设置有在栅电极122A的下方以及在光电二极管121和存储器部件123之间的边界部分中的p型杂质扩散区域137。杂质扩散区域137被提供为使得可以减小在光电二极管121和存储器部件123之间的边界部分的电势。该减小的电势部分用作溢出路径140。 
也就是说，在光电二极管121中产生并且超过溢出路径140的电势的电荷自动地泄漏到存储器部件123中并且累积在其中。换句话说，具有等于或低于溢出路径140电势的电势的电荷被累积在光电二极管121中。以这种方式，通过形成溢出路径140，在低照明密度产生的电荷可优选地被累积在光电二极管121中。 
该溢出路径140具有中间电荷传输部件的功能。换句话说，在当针对所有的多个单位像素同时执行图像摄取操作时的曝光时间期间中，作为中间电荷传输部件的溢出路径140传输由在光电二极管121中光电转换产生并且超过预定电荷量的电荷作为到存储器部件123的信号电荷，基于溢出路径140的电势确定该超出量。 
此外，单位像素120设置有在栅电极129A下方并且在光电二极管121和消耗部件136之间的边界部分中的p杂质扩散区域138。杂质扩散区域138被设置为使得可以减小在光电二极管121和消耗部件136之间的边界部分的电势。 
应该注意，在单位像素120中，根据传输脉冲TRX、传输脉冲TRG或控制脉冲ABG施加到对应门的栅电极上的截止状态电压为负电压。 
这种配置中的CMOS图像传感器100开始对于所有的像素同时曝光，对于所有像素同时终止，并且将累积在光电二极管121中的电荷传输到光屏蔽存储器部件123中，使得由此实现全局快门操作（全局曝光）。该全局快门操作使用对于所有像素的相同曝光时间期间而能够使图像摄取而不失真。 
[用于提供适合使用的图像的操作] 
同时，当根据切换驱动方法来操作配置在像素阵列部111中的单位像素120时，该CMOS图像传感器100可提供用于产生适合使用的图像的像素信号。因此，参考图11至13，下面给出了提供用于产生适合使用的图像的像素信号的方法的说明，该方法通过CMOS图像传感器100来使用。 
（用于驱动单位像素的方法） 
图11是示出用于驱动单位像素120的方法的时序图。驱动操作包括“快门”、“传输”以及“读出”操作。该“快门”操作是指光电二极管121和存储器部件123被复位，并且开始曝光；“传输”是指电荷从光电二极管121传输到存储器部件123中；以及“读出”是指电荷从浮动扩散部125读出。从“快门”到“传输”的期间被示出为从开始曝光到曝光结束的曝光时间期间。在图11中，时间在水平方向上示出，而扫描方向在垂直方向上示出。 
应该注意，图11中的时序图不仅示出使用全局快门驱动1和全局快门驱动2的驱动方法，还示出了使用滚动快门驱动的驱动方法用于比较全局快门驱动。 
图11的A示出了滚动快门驱动的时序图。在滚动快门驱动中，曝光、传输和读出针对被配置在同一行中的像素同时执行。出于这个原因，曝光、传输和读出当被表示在图11的时间序列中时在倾斜方向上进行。即使在形成相同帧的像素中，发生相当于高达一帧的时间滞后。 
图11的B示出全局快门驱动1的时序图。该全局快门驱动1对应于在包括溢出路径140的像素的结构中使用的驱动方法。在该结构中，在光电二极管121中产生并且超过溢出路径140的电势的电荷被累积在存储器部件123中。因此，可以在曝光时间期间中累积在光电二极管121和存储器部件123两者中的电荷，并且因此可以增加饱和电荷量。 
如上所述，全局快门驱动1在曝光时间期间中使用存储器部件123，并且因此在读出期间不能够执行曝光。这意味着对于所有的像素同时执行曝光和传输，并且在行单元中执行读出。此外，在全局快门驱动1中，电荷被累积在光电二极管121和存储器部件123两者中，并且因此可提高饱和电荷量的动态范围。然而，曝光和读出被分别执行，因此灵敏度变差。 
因此，可以说全局快门驱动1适用于产生被提供优先级的动态范围的图像（诸如静止图像）的情况。 
此外，图11的C示出了全局快门驱动2的时序图。该全局快门驱动2对应于在没有溢出路径140情况下的像素结构中使用的驱动方法。在该结构中，电荷在曝光时间期间中仅被累积在光电二极管121中。因此，在曝光时间期间中不使用存储器部件123，并且因此在读出期间可执行曝光。 
如上所述，在全局快门驱动2中，对于所有的像素同时执行曝光和传输，并且此外，读出同样被同时执行。此外，在全局快门驱动2中，电荷仅被累积在光电二极管121中。因此，饱和电荷量的动态范围低于全局快门驱动1的情况的范围，但灵敏度更高，因为曝光和传输同时执行。 
因此，可以说全局快门驱动2适合用于产生被提供优先级的灵敏度的图像（诸如运动图像）的情况。 
如上所述，当由CMOS图像传感器100产生的像素信号用于静止图像时，增加饱和电荷量的有效方式是通过全局快门驱动1驱动像素，并且设定将分别执行的曝光时间期间和读出时间期间。 
另一方面，当由CMOS图像传感器100产生的像素信号用于运动图像时，增加运动图像的帧率的有效方式是通过全局快门驱动2驱动像素，并且设定曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）以使他们相互同步。 
（在第一实施方式中的单位像素） 
图12示出在第一实施方式中的每个单位像素120的电势图。应该注意，电势在电势图中的垂直方向上示出，并且较高的电势在较低的位置处示出。 
在用于图12中的控制脉冲ABG、传输脉冲TRX、传输脉冲TRG以及控制脉冲RST的字母下面的方形示出控制脉冲ABG、传输脉冲TRX、传输脉冲TRG以及控制脉冲RST的状态。轮廓（outlined）方形各指示对应的脉冲是关闭的，而阴影方形指示脉冲电压为在打开时间时的电压和关闭时间时的电压之间的电压（在下文中被称为“中间电压”）。 
在第一实施方式的单位像素120中，电荷放电门129的沟道电势通过控制施加到栅电极129A的控制脉冲ABG来设定。 
（基于控制脉冲ABG的全局快门驱动1） 
图12的A示出在通过全局快门驱动1驱动单位像素120的情况下的电势图。 
如图12的A所示，在全局快门驱动1中，施加到栅电极129A的控制脉冲ABG关闭从而导致电荷放电门129的沟道电势低于溢出路径140的电势（在附图中由虚线指示的电势）。 
在这种情况下，当超出溢出路径140的电势时，在光电二极管（PD）121中累积的电荷流入存储器部件（MEM）123中，以便在光电二极管121和存储器部件123两者中执行在曝光时间期间中的电荷累积。出于这个原因，有必要设定将分别执行的曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）。 
通过以这种方式控制控制脉冲ABG，可以通过全局快门驱动1驱动单位像素120。此外，当基于控制脉冲ABG执行全局快门驱动1时，可保持比仅在光电二极管121中执行电荷累积的全局快门驱动2更大的饱和电荷量。因此，该全局快门驱动1适于供静止图像使用。 
（基于控制脉冲ABG的全局快门驱动2） 
图12的B示出在通过全局快门驱动2驱动单位像素120的情况下的电势图。 
如图12的B中示出，在全局快门驱动2中，根据施加到栅电极129A上的控制脉冲ABG施加中间电势，从而使电荷放电门129的沟道电势高于溢出路径140的电势（在附图中由虚线指示的电势），并且低于将导致光电二极管121被完全耗尽的电势。 
在这种情况下，由于在光电二极管（PD）121中累积的电荷在超过溢出路径140的电势之前流入消耗部件（DRN）136中，不在存储器部件（MEM）123中执行电荷累积。因此，仅在光电二极管121中执行在曝光时间期间中的电荷累积，并且因此能够设定累积时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）以使两者彼此同步。 
通过以这种方式控制该控制脉冲ABG，可以通过全局快门驱动2驱动单位像素120。当基于控制脉冲ABG执行全局快门驱动2时，同时执行曝光和读出。然而，即使曝光时间在读出时间期间中改变，仍可保持帧率。因此，该全局快门驱动2适于供运动图像使用。 
（在第二实施方式中的单位像素） 
图13示出在第二实施方式中的单位像素120的电势图。应该注意，与图12中的电势图一样，电势在电势图中的垂直方向上示出，而较高的电势在较低的位置处示出。同样，在脉冲下方示出的方形指示相应脉冲的状态。 
在第二实施方式的单位像素120中，电荷放电门129的沟道电势通过驱动消耗部件136来设定。 
（基于漏极驱动的全局快门驱动） 
图13的A示出在通过全局快门驱动1驱动单位像素120的情况下的电势图。应该注意，通过用于布线的触点施加到消耗部件136的电压Vdrn具有电压Vdrnh>电压Vdrnl的关系。 
如图13的A所示，在全局快门驱动1中，消耗部件136由通过用于布线的触点施加至其中的电压Vdrnl驱动，以降低其电势。由此，电荷放电门129的沟道电势制定得低于溢出路径140的电势（由附图中虚线指示的电势）。 
在这种情况下，在光电二极管（PD）121中累积的电荷在超过溢出路径140的电势时流入存储器部件（MEM）123中，以在光电二极管121和存储器部件123中执行曝光时间期间中的电荷累积。为此，需要设定将分别执行的曝光时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）。 
通过以这种方式控制消耗部件136，可以通过全局快门驱动1驱动单位像素120。此外，当基于漏极驱动执行全局快门驱动1时，可保持比仅在光电二极管121中执行电荷累积的全局快门驱动2更大的饱和电荷量。因此，该全局快门驱动1适于供静止图像使用。 
（基于漏极驱动的全局快门驱动2） 
图13的B示出在通过全局快门驱动2驱动单位像素120的情况下的电势图。 
如图13的B中示出，在全局快门驱动2中，由通过用于布线的触点施加电压Vdrnh驱动消耗部件136，从而使电荷放电门129的沟道电势高于溢出路径140的电势（在附图中由虚线指示的电势），并且低于将导致光电二极管121被完全耗尽的电势。 
换句话说，在全局快门驱动2中，电压Vdrnh通过用于布线的触点施加到消耗部件136上从而提高消耗部件136的电势，以耗尽电荷放电门129的沟道。然后，电荷放电门129的电势被设定得高于溢出路径140的电势。此时，电荷放电门129的沟道可形成为在比硅表面更深入基板的方向上的区域中的掩埋式沟道。这种配置防止光电二极管121的硅表面在曝光时间期间中曝光并且因此可防止黑暗时的属性恶化。 
在这种情况下，由于在光电二极管（PD）121中累积的电荷在超过溢出路径140的电势之前流入消耗部件（DRN）136中，仅在光电二极管121中执行在曝光时间期间中的电荷累积。因此可以设定累积时间期间和读出时间期间（电荷保持时间期间）以使它们彼此同步。 
通过以这种方式控制该消耗部件136的驱动，可以通过全局快门驱动2驱动单位像素120。当基于漏极驱动执行全局快门驱动2时，同时执行曝光和读出。然而，即使曝光时间在读出时间期间中改变，仍可保持帧率。因此，该全局快门驱动2适于运动图像使用。 
如上所述，被配置在CMOS图像传感器100的像素阵列部111中的每个单位像素120控制该控制脉冲ABG或消耗部件136的驱动，从而导致电荷放电门129的沟道电势低于溢出路径140的电势。由此，执行全局快门驱动1。同样，被配置在CMOS图像传感器100的像素阵列部111中的每个单位像素120控制该控制脉冲ABG或消耗部件136的驱动，从而使电荷放电门129的沟道电势高于溢出路径140的电势并且低于将导致被完全耗尽的光电二极管121的电势。由此，执行全局快门驱动2。 
当由CMOS图像传感器100产生的像素信号用于静止图像时，通过全局快门驱动1驱动每个单位像素120，并且当像素信号用于运动图像时，通过全局快门驱动2驱动每个单位像素120。由此，可以通过使用一个CMOS图像传感器100产生适合使用的图像。 
[固态成像设备配置的修改] 
在上述说明中，如图9所示，采用了数据存储部119在列处理部113的后级中并与信号处理部118并行的配置，但不限于此。例如，如图14中示出，可利用数据存储部119被设置为与列处理部113并行的另一个配置。通过该配置，水平驱动部114通过水平扫描同时读出数据，并且在后级中的信号处理部118对数据执行信号处理。 
此外，如图15中示出，可利用另一个配置，其中，列处理部113被提供有针对像素阵列部111的每列或每列组执行AD转换的AD转换功能，并且其中，数据存储部119和信号处理部118被设置为与列处理部113并行。通过该配置，信号处理部118以模拟或数字方式执行信号去除处理，并且随后数据存储部119和信号处理部118针对每列或每列组执行处理。 
应该注意，本技术的应用不限于固态图像传感器的应用。也就是说，本技术适用于使用用于图形摄取部件（光电转换部件）的固态图像传感器的一般电子装置，该一般电子装置包括诸如数字静态照相机或摄像机的成像设备，具有图像摄取功能的移动终端装置，使用用于图像读取部件的固态图像传感器的复印机等。该固态图像传感器可被形成为一个芯片或可被形成为具有图像摄取功能的模块，在该模块中，图像摄取部分和信号处理部或光学***被组装在一起。 
[应用本技术的电子装置的配置实例] 
图16是用作应用本技术的电子装置的成像设备的配置实例的框图。 
图16中的成像设备300包括：由透镜组等形成的透镜组301；利用单位像素120的上述配置的固态图像传感器（图像摄取装置）302，以及作为照相机信号处理电路的DSP（数字信号处理器）电路303。该成像设备300还包括帧存储器304、显示部305、记录部306、操作部307以及电源部308。DSP电路303、帧存储器304、显示部305、记录部306、操作部307以及电源部308经由总线309彼此连接。 
透镜组301从物体接收入射光（图像光）从而在固态图像传感器302的成像表面上形成图像。该固态图像传感器302使入射光的光量转换为基于像素的电信号并且输出该电信号，该入射光用于通过透镜组301在成像表面上形成图像。可以使用诸如根据在CMOS图像传感器上设置的前述实施方式的CMOS图像传感器100的固态图像传感器作为固态图像传感器302，也就是说，固态图像传感器能够通过使用全局曝光摄取图像而不失真。 
该显示部305包括面板显示装置，诸如液晶面板或有机EL（电致发光）面板，并且显示由固态图像传感器302摄取的运动图像或静止图像。该记录部306将由固态图像传感器302捕捉的运动图像或静止图像记录在诸如录像带、DVD（数字多功能盘）或闪存存储器的记录介质中。 
操作部307根据用户操作发出用于成像设备300的各种功能的操作指令。电源部308适当地提供电力给DSP电路303、帧存储器304、显示部305、记录部306以及操作部307从而使这些部件工作。 
如上所述，根据上述实施方式的CMOS图像传感器100作为固态图像传感器302的使用能够执行降低包括甚至kTC噪音的噪音的处理并由此确保较高的S/N。因此，可以在诸如摄像机、数字静态照相机中或进一步在用于诸如移动电话的移动设备的照相机模块的成像设备300中实现高质量的摄取图像。 
此外，通过采用其中应用本技术到包括以矩阵形式配置的单位像素的CMOS图像传感器中的情况作为实例，已经描述了上述实施方式，其中， 单位像素均感测对应于可见光的光量的信号电荷作为物理量。然而本技术的应用不限于CMOS图像传感器的应用。本技术适用于包括像素阵列部中针对每个像素列相互排列的列处理部的一般列***固态图像传感器。 
本技术的应用不限于固态图像传感器的应用，该固态图像传感器通过感测可见光的入射光量的分布来摄取图像。本技术同样适用于基于红外线、X射线、粒子等来摄取图像的固态图像传感器；以及在广义上的一般固态图像传感器（诸如指纹检测传感器），其通过感测其它物理量诸如压力或静电电容的分布来摄取图像。 
本领域技术人员应该理解，取决于设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在权利要求或其等价物的保护范围内。 
此外，本技术同样可经配置如下。 
（1）一种固态图像传感器，包括： 
多个单位像素，每个单位像素均包括 
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并累积在其中的所述电荷， 
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的电荷， 
电荷保持区域，在其中保持通过第一传输门从光电转换器传输的电荷， 
第二传输门，传输在电荷保持区域中保持的电荷， 
浮动扩散区域，在其中保持通过所述第二传输门从电荷保持区域传输的所述电荷以使电荷作为信号被读出， 
电荷放电门，其将从所述光电转换器接收的所述电荷传输到电荷放电部，以及 
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域， 
其中，设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并低于使所述光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。 
（2）根据（1）所述的固态图像传感器， 
其中，当中间电势被施加到所述电荷放电门作为门电势时，所述沟道电势被设定在预定电势。 
（3）根据（1）所述的固态图像传感器， 
其中，当驱动所述电荷放电部的漏极的电势时，所述沟道电势被设定在预定电势。 
（4）根据（3）所述的固态图像传感器， 
其中，所述电荷放电门的沟道形成在比硅表面更深入基板的方向上的区域中形成。 
（5）根据（1）至（4）所述的固态图像传感器， 
其中，所述电荷放电门、所述第一传输门和所述第二传输门中的每一个的截止状态电压均为负电压。 
（6）一种用于固态图像传感器的控制方法，所述固态图像传感器包括 
多个单位像素，均包括 
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并在所述光电转换器中累积所述电荷， 
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的电荷， 
电荷保持区域，在所述电荷保持区域中保持通过所述第一传输门从所述光电转换器传输的所述电荷， 
第二传输门，传输在所述电荷保持区域中保持的所述电荷， 
浮动扩散区域，在所述浮动扩散区域中保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输的所述电荷以使电荷作为信号被读出， 
电荷放电门，将从所述光电转换器接收的所述电荷传输到电荷放电部，以及 
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并 将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域， 
所述方法包括： 
设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并低于使所述光电转换器完全被耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。 
（7）一种具有安装在其上的固态图像传感器的电子器件，所述固态图像传感器包括： 
多个单位像素，每个所述单位像素均包括 
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并在所述光电转换器中累积所述电荷， 
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的所述电荷， 
电荷保持区域，在所述电荷保持区域中保持通过所述第一传输门从所述光电转换器传输的所述电荷， 
第二传输门，传输在所述电荷保持区域中保持的所述电荷， 
浮动扩散区域，在所述浮动扩散区域中保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输的所述电荷以使电荷作为信号被读出， 
电荷放电门，将从所述光电转换器接收的所述电荷传输到电荷放电部，以及 
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域， 
其中，设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并且低于使所述光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。 
本发明包含涉及在2012年9月14日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP2012-203207中所涉及的主题，其全部内容结合于此作为参考。 

Claims (8)

1.一种固态图像传感器，包括：
多个单位像素，每个所述单位像素均包括
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并在所述光电转换器中累积所述电荷，
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的所述电荷，
电荷保持区域，在所述电荷保持区域中保持通过所述第一传输门从所述光电转换器传输的所述电荷，
第二传输门，传输在所述电荷保持区域中保持的所述电荷，
浮动扩散区域，在所述浮动扩散区域中保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输的所述电荷以使所述电荷作为信号被读出，
电荷放电门，将从所述光电转换器接收的所述电荷传输至电荷放电部，以及
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域，
其中，设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并低于使所述光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，当中间电势被施加到所述电荷放电门作为门电势时，所述沟道电势被设定在预定电势。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，当驱动所述电荷放电部的漏极的电势时，所述沟道电势被设定在预定电势。
4.根据权利要求3所述的固态图像传感器，
其中，所述电荷放电门的沟道形成在硅表面更深入基板的方向上的区域中。
5.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，所述电荷放电门、所述第一传输门和所述第二传输门中的每一个的截止状态电压均为负电压。
6.根据权利要求1所述的固态图像传感器，
其中，所述多个单位像素以矩阵形式二维地排列。
7.一种用于固态图像传感器的控制方法，所述固态图像传感器包括
多个单位像素，均包括
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并在所述光电转换器中累积所述电荷，
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的电荷，
电荷保持区域，在所述电荷保持区域中保持通过所述第一传输门从所述光电转换器传输的所述电荷，
第二传输门，传输在所述电荷保持区域中保持的所述电荷，
浮动扩散区域，在所述浮动扩散区域中保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输的所述电荷以使所述电荷作为信号被读出，
电荷放电门，将从所述光电转换器接收的所述电荷传输到电荷放电部，以及
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域，
所述方法包括：
设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并低于使所述光电转换器完全被耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。
8.一种电子装置，在所述电子装置上安装有固态图像传感器，所述固态图像传感器包括
多个单位像素，每个所述单位像素均包括
光电转换器，产生对应于入射光量的电荷并在所述光电转换器中累积所述电荷，
第一传输门，传输在所述光电转换器中累积的所述电荷，
电荷保持区域，在所述电荷保持区域中保持通过所述第一传输门从所述光电转换器传输的所述电荷，
第二传输门，传输在所述电荷保持区域中保持的所述电荷，
浮动扩散区域，在所述浮动扩散区域中保持通过所述第二传输门从所述电荷保持区域传输的所述电荷以作为信号被读出，
电荷放电门，将从所述光电转换器接收的所述电荷传输到电荷放电部，以及
结构体，包括形成在所述光电转换器和所述电荷保持区域之间的边界部分中的溢出路径，所述溢出路径在用于确定预定电荷量的电势处形成并将超过所述预定电荷量的电荷作为信号电荷从所述光电转换器传输到所述电荷保持区域，
其中，设定低于所述溢出路径的电势的电势作为所述电荷放电门的沟道电势，或设定高于所述溢出路径的所述电势并且低于使所述光电转换器被完全耗尽的电势的电势作为所述电荷放电门的所述沟道电势。
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