CN1507743A - 固态成像设备及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
在本发明中，在图像像素部分104中的快门行和选择行被垂直(V)选择装置106顺序移位。随后，在组成快门行的像素中，光电转换元件(光电二极管)的信号电荷在复位FD部分后被传递到FD部分。随后，在组成选择行的像素中，光电转换元件的信号电荷在复位FD部分前被传递到FD部分。结果，有可能输出一个具有在黑暗中敏感而在光亮中不敏感的拐点的信号，借此允许即使在光电转换元件的饱和电荷量较小时也能通过具有单一输出***的简单结构拾取具有较宽动态范围的图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种尤其应用于CMOS类型图像传感器的固态成像设备及其驱动方法。
背景技术
在CMOS类型的图像传感器中，一个图像像素部分是由在半导体芯片上把多个像素用二维矩阵方式排列而构造的；并且每个像素包括一个诸如光电二极管等响应接收光量生成信号电荷的光电转换元件，还包括由多个MOS晶体管组成的栅极，所述MOS晶体管用于把由那些光电转换元件生成的信号电荷转换成将在预定定时读取的电信号。并且，在图像像素部分的附近还提供了：信号处理电路，用于对来自每个像素的信号执行诸如CDS(相关复式采样)等信号处理；垂直/水平扫描电路，用于驱动每个像素的栅极以便用预定顺序读取每个像素信号；以及快门扫描电路，用于启动(click)电子快门。
在传统的CMOS类型图像传感器中，图像像素部分10的排列在图11中示意性示出，多个像素12被用二维矩阵方式在图像像素部分10上排列，并且按其间预定数量行的间隔选择用于复位每个像素12的信号电荷的电子快门行(shutter line)14和用于读取像素信号的读取选择行16，上述电子快门行和读取选择行随即被顺序向箭头A所指示的方向移位(shifted)。
对在电子快门行14中的每个像素12执行消除在每个像素12的光电二极管中积累的光电子(电荷)的操作。
并且，对在读取选择行16中的每个像素12执行把在每个像素的光电二极管12中积累的光电子转换成通过输出信号线输出给信号处理电路的电子信号的操作。
因此，每个像素12的输出信号变成这样一个信号：该信号的电平对应于每个像素12在电子快门行14中被复位(reset)和每个像素12被选择用于在读取选择行16中被读取这两个时间之间在光电二级管中积累的光电子的量。
因此，通过变动电子快门行14和读取选择行16的间隔来改变光电子积累的时间周期可以调整敏感度(sensitivity)。
传统的电子快门的功能如上所述。
然而，在上述的方法中，当将要被拾取(pick up)的图像中同时存在明亮和阴暗部分时，存在着这样一个问题。如果快门时间被根据明亮部分调整则在阴暗部分的敏感度不够，而如果快门时间被根据阴暗部分调整则明亮部分的光电二极管变得饱和并且整个变白，即注意到一个狭窄的动态范围的问题。
因此，作为用于拓宽动态范围的一种方法，最近被提出了例如在日本公开专利公开No.2001-177775中所公开的方法。
在上述的方法中在图像-信号读取选择行中在多个分割的时间读取光电二极管的信号。
然而，在这个方法中，由于图像拾取设备的小型化以及由于在近年来采用低电压导致的光电二极管中饱和电子的数量的减少，一次传递(transfer)根本不能充分满足在浮动扩散(floating diffusion)(这里称为FD)部分中的电势，所以在第一次读取后即使当读取进行了多次时也不能获得足够的信号；因此在这种情况下不可能增加动态范围。
并且，在这种情况下，由于在一个所选行读取必须被连续执行两次或两次以上，很难加速对像素行的移位。
并且，为了清除每个像素的固定模式噪声，如果执行了提取在复位时和积累光电子时的信号电平的差的CDS处理，为了在一个所选行读取两个像素信号必须执行复位操作两次和执行积累光电子操作两次。所以总共要执行复位电平检测和光电子积累电平检测四次。
并且，由于上述方法是组合在多个分割的时间读取的多个像素信号，在随后的阶段需要用于组合的电路，从而造成了电路被制作成大尺寸的问题，并且在组合部分和在用于组合的电路之间发生离散(dispersion)，每个用于组合的电路被提供在每个像素行。
发明内容
本发明旨在提供一个能够改善动态范围的固态成像设备及其驱动方法，而不导致采用较大和复杂的电路。
根据本发明的一个固态成像设备包括：图像像素部分，在其中多个像素被用矩阵方式排列；垂直选择装置，用于在图像像素部分的垂直方向上选择在水平方向的每个像素行；像素驱动装置，用于通过像素驱动接线(wiring)驱动由垂直选择装置选择的在像素行中的每个像素；以及信号处理装置，用于通过输出信号线输入每个像素的信号并且执行预定的信号处理。
在图像像素部分的每个像素包括：一个光电转换元件；传递装置，用于在对浮动扩散部分执行光电转换后对光电转换元件积累的信号电荷进行传递；复位装置，用于复位浮动扩散部分的电势；以及放大装置，用于输出对应于浮动扩散部分的电势的输出信号。
垂直选择装置具有在图像像素部分选择至少两个像素行作为快门行和选择行并且顺序对这些行移位的功能；像素驱动装置具有功能：在由垂直选择装置所选择的快门行中，执行在浮动扩散部分复位后将所述光电转换元件的信号电荷传递到浮动扩散部分，在由垂直选择装置所选择的选择行中，不需要复位浮动扩散部分或在复位浮动扩散部分前，执行将所述光电转换元件的信号电荷传递到浮动扩散部分，并且将传递的输出信号输出给上述的信号处理装置。
此外，根据本发明用于驱动固态成像设备的方法包括：图像像素部分，在其中多个像素被用矩阵方式排列；垂直选择装置，用于在图像像素部分的垂直方向选择在水平方向的每个像素行；像素驱动装置，用于通过像素驱动接线驱动由垂直选择装置选择的像素行中的每个像素；以及信号处理装置，用于通过输出信号线输入每个像素的信号并且执行预定的信号处理，其中在图像像素部分的每个像素包括：光电转换元件；传递装置，用于在执行光电转换后把光电转换元件积累的信号电荷传递到浮动扩散部分；复位装置，用于复位浮动扩散部分的电势；以及放大装置，用于输出对应于浮动扩散部分的电势的输出信号。
此外，本发明是用于驱动固态成像设备的方法：其中垂直选择装置执行在图像像素部分选择至少两个像素行作为快门行和选择行并且顺序对所述行移位的操作；像素驱动装置在由垂直选择装置所选择的快门行中执行在浮动扩散部分复位后将所述光电转换元件的信号电荷传递到浮动扩散部分，并且在由垂直选择装置所选择的选择行中，不复位浮动扩散部分或在复位浮动扩散部分前执行将所述光电转换元件的信号电荷传递到浮动扩散部分，并且将传递的输出信号输出给上述的信号处理装置。
如上所述，由于快门行和选择行被垂直选择装置顺序移位，并且在快门行中光电转换元件的信号电荷在浮动扩散部分复位后被传递到浮动扩散部分、而在选择行中光电转换元件的信号电荷至少在浮动扩散部分复位前被传递到浮动扩散部分，因此有可能输出一个具有在黑暗中敏感而在光亮中不敏感的拐点(knee point)的信号。
因此，即使光电转换元件的饱和电荷量较小，也有可能获得较宽的动态范围，并且通过使用一个具有单一输出***的简单构造来顺利地拾取在宽的动态范围的图像。
类似地，关于用于驱动固态成像设备的方法，由于快门行和选择行被垂直选择装置顺序移位，并且在快门行中光电转换元件的信号电荷在浮动扩散部分复位后被传递到浮动扩散部分、而在选择行中光电转换元件的信号电荷至少在浮动扩散部分复位前已被传递到浮动扩散部分，因此有可能输出具有在黑暗中敏感而在光亮中不敏感的拐点的信号。
这样，即使光电转换元件的饱和电荷量较小，也有可能获得较宽的动态范围，并且能够通过具有单一输出***的简单构造来顺利地拾取宽的动态范围的图像。
附图说明
图1是根据本发明的固态成像设备的例子的构造全图；
图2是示出根据本发明的固态成像设备的例子的像素周围的电路图；
图3是示出根据本发明的固态成像设备的例子的电子快门行和信号读出选择行之间的关系的视图；
图4A到4D是示出在图2中示出的像素的操作的时间表；
图5A到5E是示出根据本发明的固态成像设备的另一个例子的光电二级管和浮动扩散部分间的电势的迁移(transition)的视图；
图6是示出根据本发明的设备的另一个例子的输出特性的解释图；
图7是示出本发明的设备的另一个例子的电子快门行和信号读出选择行之间的关系的视图；
图8是根据本发明的设备的另一个例子的构造全图；
图9是S/H·CDS(采样保持·相关复式采样)电路的例子的电路图；
图10是S/H·CDS电路的另一个例子的电路图；和
图11是示出传统固态成像设备的电子快门行和信号读出选择行之间的关系的解释图。
具体实施方式
本发明的一个目的是使能获得具有较宽的动态范围的图像；本发明的申请人以前提出了能灵活对应于各种条件地顺利不失败地拾取具有宽动态范围的图像的固态成像设备以及用于驱动这些设备的方法。(参照例如日本专利发明NO.2001-201601、日本专利发明NO.2001-276529和日本专利发明NO.2001-286457；这些在此后被称为现有应用)。
然而，根据上述应用的固态成像设备的每个具有两个输出***，所以电路不可避免地在尺寸上变大。
本发明的另一个目的是提供一个使用具有单一输出***的简单构造能够顺利拾取宽动态范围的图像的固态成像设备及其驱动方法。
根据本发明的固态成像设备包括：像素部分，其中多个像素被用矩阵方式排列；垂直选择装置，用于从像素顺序选择信号；以及信号处理装置，用于对来自像素的信号执行预定的信号处理。
像素部分包括：光电转换元件，用于把光信号转换成电信号；传递装置，用于把来自光电转换元件的信号传递到浮动扩散部分；复位装置，用于复位浮动扩散部分的电势；以及放大装置，用于放大对应于浮动扩散部分的电势的信号。随后，在信号处理装置中执行不需要信号处理的快门操作和需要信号处理的选择操作；在快门操作中，在光电转换元件中积累的信号在浮动扩散部分的电势被选择为参考电势后被传递到浮动扩散部分，而在执行快门操作后的选择操作中，光电转换元件中积累的信号在浮动扩散部分的电势被选择为参考电势前或在不需要浮动扩散部分的电势被选择为参考电势的情况下被传递到浮动扩散部分。
此后，将说明本发明的实施例；请注意后面的是适当的特殊例子。并且虽然在解释中施加了各种技术上期望的限制，除非提到任何对本发明的特定限制，本发明的范围不限于下面说明中的实施例。
在此实施例中，在快门行中，驱动是以FD复位‘电荷传递的顺序执行，而在选择行，驱动是以电荷传递‘CDS提取(uptake)‘FD复位‘CDS提取的顺序执行，因此通过具有对黑暗敏感而对光亮不敏感的所谓拐点的单一输出***来实现拓宽动态范围。
根据上述的构造，不需要准备两套CDS电路，并且有可能采用已知的用于拐点输出的技术。
尤其是，根据本实施例的固态成像设备，如作为固态成像设备2的结构全图的图1所示，是一个包括在半导体衬底(substrate)(在图中未示出)上的图像像素部分104、垂直(V)选择装置106、水平(H)选择装置108、定时发生器(TG)110、S/H·CDS部分112、恒定电流部分114A等的CMOS类型图像传感器。
在图像像素部分104中以矩阵方式排列多个像素，并且通过V选择装置106和H选择装置108基于由定时发生器110提供的时序脉冲顺序选择由每个像素在检测光时生成的电子信号，并且通过水平信号线116从输出部分118a输出。
如作为示出一个像素的***的电路图的图2所示，组成图像像素部分104的一个像素120包括：作为光电转换元件的光电二极管122；FD部分(浮动扩散部分)124，用于响应传递的电荷量获得电势的波动(fluctuation)；传递栅极126，它当提供传递脉冲时将光电二极管122连接到FD部分124；复位栅极128，用于在提供复位脉冲时把FD部分124和电源Vdd连接起来；以及放大晶体管130，用于响应FD部分124的电势波动输出电压。
关于光电二极管122，阳极接地并且阴极连接到构成传递栅极126的N型MOSFT(绝缘栅极场效应管)的源级。并且，MOSFET的漏级连接到FD部分124，并且栅极被提供一个来自V选择装置106的传递脉冲132。复位栅极128也是由N型MOSFET构成，所述MOSFET的源级和漏极分别和FD部分124和电源Vdd相连，并且所述栅极被提供一个来自V选择装置106的复位脉冲134。
构成放大晶体管130的N型MOSFET的栅极和FD部分124连接，而其漏级和电源Vdd连接。在放大晶体管130和垂直信号线136间提供由N类型MOSFET构成的选择晶体管138，并且由图1所示的V选择装置106提供一个选择脉冲140给栅极，随后选择晶体管138的源级和垂直信号线136连接，并且选择晶体管138的源极和垂直信号线136连接。
在用矩阵方式排列的每个像素行120提供垂直信号线136，并且所有在像素120中的属于同一行的选择晶体管138的源级每个和相应的垂直信号线136相连。垂直信号线136的一端和布置(disposed)在图像像素部分104外部的恒定电流部分114A处的恒定电流发生器114相连，并且通过恒定电流发生器114使恒定电流流入垂直信号线136。垂直信号线136的另一端连接到布置在图1所示的图像像素部分104外部的S/H·CDS部分112相连。
在S/H·CDS部分112，为每个垂直信号线136提供了一个S/H·CDS电路146。从图1所示的定时发生器110对每个S/H·CDS电路146提供第一和第二采样脉冲148和150，并且基于那些采样脉冲，S/H·CDS电路146维持由放大晶体管130输出给垂直信号线136并且通过来自光电二极管122的信号电荷从FD部分124获得的电压(光检测电压)，并且维持在复位时间从FD部分124获得的电压(偏移电压)；并且S/H·CDS电路146输出一个对应于两个电压差的电压。
注意当使得S/H·CDS电路146维持该偏移电压时第一和第二采样脉冲148和150被同时提供，并且当使得S/H·CDS电路146维持光检测电压时只有第二采样脉冲150被提供。
S/H·CDS电路146提供给每个垂直信号线136的输出信号由图1所示的H选择装置108顺序选择以被输出给水平信号线116，并且随后通过输出部分118被输出，所述H选择装置是基于来自定时发生器110的定时信号而操作的。如果详细描述的话，输出部分118由一个放大电路、一个AGC电路、一个A/D转换器(converter)等构成。
在说明选择像素行的操作的图3所示的本实施例的固态成像设备中，多个像素120被以两维矩阵方式布置在图像像素部分104中，并且复位每个像素120的信号电荷的第一和第二快门行210、220以及读取像素信号的选择行230被按照其间预定数量的行的间隔选择，并且随后被顺序向箭头A所指示的方向上移位。
在第一快门行210中的每个像素120中，执行复位操作，其中在每个像素120的光电二极管122中积累的光电子被消除。
应当注意，虽然在本实施例中只有光电转换元件的光电二极管122被复位，但是除光电二极管122外也可能复位FD部分124。作为除了当FD部分124被复位以外用于复位光电二极管122的方法，有可能用一种方法对衬底施加一个电压以使光电二极管122的电荷漏入衬底。作为替换，也可以除FD部分124以外提供一个电荷漏出部分。
此外，在第二快门行220中的每个像素120中执行复位FD部分124的操作，并且随后在光电二极管122中积累的光电子被传递到FD部分124，FD部分124的电势已经被选择作为参考电势。
此外，在选择行230中的每个像素120中，每个像素120的光电二极管中积累的光电子在FD部分124的电势不被选择作为参考电势的状态或早于FD部分124的电势被选择作为参考电势的状态中再次被传递到前面所述的FD部分124，并且通过放大晶体管130和选择晶体管138将传递到FD部分124的光电子读出到垂直信号线136。在此后，每个像素120的FD部分124在被复位的同时其信号被读出给垂直信号线136。
在此时，在并非快门行210、220以及选择行230的像素行，不执行任何操作。
随后，参照图4解释上述操作。
图4A到图4D中的每一个分别示出了对于第一快门行、第二快门行、选择行和其它行的复位R、传递T和选择S的操作。
在图4A到图4D中的每一图，从将要示出的一个行周期选择驱动像素的部分，并且实际上一个其中像素未被驱动的周期t0占据整个周期的绝大部分。
首先，当第一快门行来到像素120，在t9复位FD部分124，并且在光电二极管122中的光电子在t11被传递到FD部分124。因此，光电二极管122在这一点曾经是空的；然而随后在光电二极管122开始积累光电子。
随后，当第二快门行220来到时，在像素120中选择晶体管138在t8被接通并且垂直信号线136的电势追随(follow)第二快门行220的FD电势。随后，FD部分124在t9被复位，并且在光电二极管122中的光电子在t11被传递到FD部分124。这样，光电子开始在光电二极管122中再次积累。随后，选择晶体管138在t13被断开。
随后，当选择行230来到时，像素120在t1和t7间被驱动。在像素120中选择晶体管138在t1被接通并且垂直信号线136的电势追随选择行230的FD电势。随后，光电二极管122中的光电子在t3被传递到FD部分124。随后，FD部分124在t5被复位。
S/H·CDS电路146在t4和t6取得(take in)垂直信号线136的电势并且维持这两个电势的差。随后，选择晶体管138在t7被断开。
S/H·CDS电路146的输出被H选择装置108顺序读出到水平信号线116，并且随后通过输出部分118被输出。
这些操作具有下面这些方面的特征：
(1)在第二快门行220，在复位脉冲后施加传递脉冲。
(2)在选择行230，在复位脉冲前施加传递脉冲。
根据这些操作，可以使用单一输出的***来执行信号处理，而不需要两个输出***。此外，即使在光电二极管的饱和信号量较小时仍可以获得较宽的动态范围。
在下文中，将参照图5和图6解释上面的原因。
图5是包括组成一个像素的光电二极管、传递栅极部分和复位栅极部分的部分结构视图(图5A)和电势图(图5B到5E)。
图5A示出了一个结构，其中由p+区和n区构成的光电二极管122，FD部分124和漏极部分164被排列在在硅衬底160中形成的Pwell区域，并且传递栅极电极168和复位栅极电极170被排列在硅衬底160上，其间提供有栅极绝缘薄膜166。
在图5B、5C、5D和5E，水平轴示出了在图4所示的各个定时t11、t12、t2和t3对应于图5A中示出的每个部分的位置，而垂直轴示出了每个部分的电势。关于电势，向下的方向显示为+。
并且，图6是示出固态成像设备的输出特性的图解，并且垂直轴示出CFD，在FD的电荷量，而水平轴示出了入射光线的量。
参照图5B到5E的电势传递图和图6的输出特性图详细解释根据本发明的实施例的功能。
这里作为例子，将第一快门行210和第二快门行220的间隔定义(make)为400行，并且把第二快门行220和选择行230的间隔定义为5行。
首先，当第一快门行210来到像素120时，复位光电二极管122，并且在那时开始积累光电子。
随后，当第二快门行220来到像素120时，在复位FD部分124后将一个包括400行光电二极管122的信号S1传递到FD部分124。由于这个信号S1被积累了一个长的时间周期，信号对于光敏感，如图6中的特征曲线所示；然而在很短的时间内该信号在一个由光电二极管122的饱和电平确定的值被饱和。
在t12(在图5C)，传递栅极是关闭的并且光电子开始在光电二极管122中积累；并且当选择行230来到像素120时，如时间点t2(在图5D)所示光电二极管122中积累了诸如5行的信号S2的电势。信号S2在t3被传递到FD部分124(在图5E)。
由于S2被积累了一个短的时间周期，该信号对于光量的不敏感有信号S1的80倍；并且具有和入射光线的关系，如图6中的曲线b所示。在这种情况下，当入射光线变强时，由于信号S2包括溢出光电二极管122并且流入FD部分124的量，其上限和信号S1的情况不同，不由光电二极管122的饱和所确定。
此外，在t3信号S1和S2的和在FD部分124中被积累。通过读出这个和，如图6中的特征曲线示出在读取光电子时的FD部分的电荷，有可能获得一个当光量较小时其波动突然和巨大而当光量较大时其波动较小的信号。这个曲线c的最大电平Lb由FD部分124的饱和度所决定。
因此，可能输出一个具有所谓的拐点NP的信号，其示出了在黑暗中敏感而在光亮不敏感的特性，借此即使在光电二极管122的饱和度较小时也能获得较宽的动态范围。
应当注意在上述的实施例中，可以适用在其中不使用第一快门行的结构。在这种情况下，信号S1被作为具有从前一个选择行到第二快门行的范围的光信号获得。这看起来和图11中所示的电子快门操作的传统例子类似；然而在图11中所示的电子快门操作的传统例子中，在选择行复位FD部分后，光电二极管的电荷被传递以检测在电子快门行和选择行之间的光信号，而在本实施例中，当在本实施例中不使用第一快门行时，检测了从前一个选择行到第二快门行的光电子的和以及在第二快门行和选择行之间的光信号，使得和图11所示的电子快门操作不同，动态范围能够被拓宽。
此外，关于用于驱动的方法，即施加驱动脉冲的方法，可以进行各种修改。
例如，在图4中，在同样的时间周期驱动第一快门行和第二快门行。用这种方法可以缩短驱动时间，并且可以简化生成驱动脉冲和用于导引脉冲到每一行的设计。
然而，可以在不同的时间周期驱动第一快门行和第二快门行。例如，第一快门行的驱动周期可以和第二快门行的驱动周期偏移，或者在第一快门行在驱动周期中也可以开启一个选择栅极。
而且，可以采用如上所述的施加驱动脉冲以获得同样结果的各种模式。
此外，在这个例子中使用CDS电路。由于在每个像素的放大晶体管的阈值的离散该电路被采用用于清除固定模式的噪声；然而当固定模式的噪声较低时该电路不是必须采用的。
于是，在那种情况下，选择行只需要在传递脉冲后读取信号，而复位脉冲并非必需。
随后，解释本发明的第二实施例。
在第二实施例中，电路结构和驱动脉冲和在图1、2和4中前面所述的实施例(即第一实施例)中的类似。
第二实施例和第一实施例的区别的一点在于，在第二实施例中，电子快门行(即第二快门行)总是选择刚刚位于选择行前的行。
明确地说，如图7所示，在这个实施例中第二快门行220和选择行230是两个连续的像素行。
此外，CDS电路对信号的吸收定时(uptake timing)是不同的。
参照图4所解释的，CDS电路对信号的吸收是在第二快门行的输出被导引到垂直信号线时的定时t10和选择行的下一行的输出被导引到垂直信号线的定时t4时执行的。该CDS电路输出上述的差。
在这种操作中，FD部分的复位电平首先进入CDS电路，随后被传递到FD部分的光电子的电平进入。因此，这个差表示被传递到FD部分的电子的净增加，即，不包括复位噪声。
因此，在第一实施例中光电子的电平最先进入，随后其复位电平进入，所以当获得该差时存在着复位离散(复位噪声)；然而，在第二实施例中这种复位噪声的影响可以被消除，借此改善了图片的质量。
随后解释本发明的第三实施例。
图8是根据本发明的固态成像设备的另一个例子的构造图。
在图8中示出的固态成像设备34中提供了通信部分54，其接收外部信号，用于控制固态成像设备34的驱动模式。
使用这种通信部分54，有可能选择能够允许上述的第一和第二实施例的操作的驱动模式。
在图8中，S/H·CDS电路146和输出部分118被组合成CDS·AGC部分260，并且示出了组合CDS·AGC部分260信号的信号组合·A/D部分262，把组合的信号作为数字输出输出的总线264等；然而，基本上这个固态成像设备和图1所示的固态成像设备2类似，因此在图8中对应于在图1中的那些的部分被赋予相同的附图标号并且不再解释。
此外，对于在前面所述的每一个实施例中解释的S/H·CDS电路146，可以采用传统上使用的各种类型的模式。
例如，图9和图10是示出S/H·CDS电路146的特定例子的电路图。
图9示出了一个状态，在其中S/H·CDS电路146被连接到图2所示的像素120。这个S/H·CDS电路146包括：晶体管356和358、电容器360和362以及水平选择晶体管364。
晶体管356的漏极和源极分别被连接到垂直信号线136和电容器360的一端；并且来自定时发生器110的第二采样脉冲150被提供给晶体管356的栅极。
并且，晶体管358的漏极和源极分别被连接到偏压电源(bias voltage)Vb和电容器360的另一端；并且来自定时发生器110的第一采样脉冲148被提供给晶体管358的栅极。
电容器362连接在前面所述的电容器360的另一端和地之间，并且水平选择晶体管364的漏极和电容器360的前面所述的另一端相连。
水平选择晶体管364的源极连接到水平信号线116，并且来自H选择装置108的一个选择脉冲被提供给该栅极。
在另一方面，图10中的S/H·CDS电路146包括：差动放大器电路355、晶体管356A和356B、电容器，即电容器362A和362B以及水平选择晶体管364。晶体管356A和356B的漏极连接到垂直信号线136。
并且，晶体管356A和356B的源极连接到差动放大器电路355的输入端和电容器362A和362B中的一端的每个，并且来自定时发生器110的采样脉冲148和150被提供给晶体管356A和356B的栅极。
并且，差动放大器电路355的输出端连接到水平选择晶体管364的漏极，水平选择晶体管364的源极连接到水平信号线116，并且来自H选择装置108的一个选择脉冲被提供给晶体管364的栅极。
应当注意这些 S/H·CDS电路是例子并且可以适用具有不同于这些S/H·CDS电路结构的S/H·CDS电路，所以省略详细解释。
本发明可以被广泛地应用于如上所述的使用各种S/H·CDS电路的固态成像设备。
根据如上所述的本发明的每个实施例，有可能获得下面的效果。
(1)有可能使用其饱和电荷量较小的光电二极管获得动态范围宽的固态成像设备。
(2)有可能输出具有拐点的信号，并且在拐点前后的敏感率可以由快门行的位置清楚地计算出。
(3)通过调整两个快门行的位置可以单独变动在拐点前后的敏感率。
(4)由于可以使用具有低电平噪声的嵌入式光电二极管，有可能构造信噪比极好的固态成像设备。
(5)由于不需要向像素添加新成分，像素可以保持很小并且设备可以被保持为小尺寸。
(6)由于不需要比传统电子快门更长的读取时间，可以实现快速驱动。
(7)不需要提供组合在多次执行的操作中读取的信号的后续(subsequent)电路，所以电路的尺寸可以维持较小。因此，由于前述电路中的离散导致的固定模式的噪声不会发生。
迄今为止描述了本发明的实施例，然而本发明并不受限于此，并且各种改动可以适用。
例如，在上述的每个实施例中电子是作为载体的；然而，如果采用P型的MOSFET来用作构造栅极等的MOSFET并且使电子空穴作为载体，基本的操作不会改变。所以可以获得类似的效果。此外，虽然在上述实施例中光电二极管被用作光电转换元件，不用说也可以使用其他的诸如光栅极(photogate)的光电转换元件。
此外，虽然在上述的实施例中为每个像素行提供了CDS电路，作为替代，通过在传递后和复位后输出两个信号可以在外部执行CDS处理：CDS处理的方法不影响本发明的本质。
如上所述，根据本发明的固态成像设备，由于一个快门行和一个选择行被顺序移位；并且在快门行中，在浮动扩散部分复位后光电转换元件的信号电荷被传递到浮动扩散部分，而在选择行，至少在浮动扩散部分复位前光电转换元件的信号电荷被传递到浮动扩散部分，有可能输出一个具有在黑暗中敏感而在光亮中不敏感的拐点的信号，借此允许具有在即使光电转换元件的饱和电荷的量较小时也能通过具有单一输出***的简单构造获得具有宽的动态范围的极佳的图像。
并且，根据本发明的用于驱动固态成像设备的方法，由于快门行和选择行被顺序移位；并且在快门行中，在浮动扩散部分复位后光电转换元件的信号电荷被传递到浮动扩散部分，而在选择行，至少在浮动扩散部分复位前光电转换元件的信号电荷被传递到浮动扩散部分，因此可能输出一个具有在黑暗中敏感而在光亮中不敏感的拐点的信号，借此允许具有在即使光电转换元件的饱和电荷的量较小时也能通过具有单一输出***的简单构造获得具有宽的动态范围的极佳的图像。
Claims (13)
1.一种固态成像设备，包括：多个像素；垂直选择装置，用于顺序选择像素；垂直选择装置，用于从所述像素顺序选择信号；以及信号处理装置，用于对来自所述像素的信号执行预定的信号处理，其中
所述像素包括：光电转换元件，用于把光信号转换成电信号；
传递装置，用于把来自光电转换元件的信号传递到浮动扩散部分，
复位装置，用于复位所述浮动扩散部分的电势，以及
放大装置，用于放大对应于所述浮动扩散部分的电势的信号；和
在所属信号处理装置执行没有信号处理的快门操作和具有信号处理的选择操作，其中
当执行所述快门操作时，在所述光电转换元件中积累的信号在选择所述浮动扩散部分的电势作为参考电势后被传递到浮动扩散部分，并且
当在所述快门操作后执行选择操作时，无需选择所述浮动扩散部分的电势为参考电势或者在选择所述浮动扩散部分的电势作为参考电势前，在所述光电转换元件中积累的信号被传递到浮动扩散部分。
2.如权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
选择装置，其连接到所述放大装置并且从所述放大装置输出信号到信号线。
3.如权利要求1所述的固态成像设备，还包括：
水平选择装置，用于从所述信号处理装置提供信号到水平信号线。
4.如权利要求1所述的固态成像设备，其中
所述信号处理装置包括至少第一和第二电容器，并且计算在第一和第二电容器中积累的电荷。
5.如权利要求1所述的固态成像设备，其中
所述信号处理装置包括一个差动放大电路，并且所述第一电容器和所述差动放大电路的一个输入端连接，并且所述第二电容器和所述差动放大电路的另一个输入端连接。
6.一种固态成像设备包括：图像像素部分，其中多个像素被以矩阵方式排列；垂直选择装置，用于在所述图像像素部分垂直选择在水平方向上的每个像素行，像素驱动装置，用于通过像素驱动接线驱动由所述垂直选择装置选择的像素行中的每个像素；以及信号处理装置，用于在通过输出信号线输入所述每个像素的信号后执行预定的信号处理，其中
在所述图像像素部分的每个像素包括：一个光电转换元件；传递装置，用于把由光电转换元件传递和积累的信号电荷传递到浮动扩散部分；复位装置，用于复位所述浮动扩散部分的电势，以及放大装置，用于输出对应于所述浮动扩散部分的电势的输出信号；
所述垂直选择装置具有在所述图像像素部分选择至少两个像素行作为快门行和选择行，并且顺序对所述行移位的功能，
所述像素驱动装置具有这些功能：在由所述垂直选择装置选择的快门行中，在复位所述浮动扩散部分后执行把所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分的操作，而在由所述垂直选择装置选择的选择行中，执行把所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分的操作而不复位所述浮动扩散部分或者在复位所述浮动扩散部分前执行该操作，并且使得传递的输出信号被输出到所述信号处理装置。
7.如权利要求6所述的固态成像设备，其中
所述信号处理装置包括一个相关复式采样(CDS)电路；所述像素驱动装置在所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分后在所述选择行复位浮动扩散部分；并且在所述的相关复式采样电路中，获得在所述选择行的输出信号电平差：光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分后的输出信号电平和在复位浮动扩散部分后的输出信号电平的差。
8.如权利要求6所述的固态成像设备，其中
所述信号处理装置包括一个相关复式采样电路；所述垂直选择装置选择两个连续的像素行作为快门行和选择行；并且在所述相关复式采样电路中获得输出信号电平差：即在复位浮动扩散部分后的所述快门行中的输出信号电平和当所述快门行接着变为选择行时在信号电荷从光电转换元件传递给浮动扩散部分后的输出信号电平的差。
9.如权利要求6所述的固态成像设备，其中
所述垂直选择装置具有下面的功能：选择在所述快门行前的快门行并且顺序对该在前行移位，并且在该在前行执行对所述光电转换元件的复位。
10.一种用于驱动固态成像设备的方法，包括：图像像素部分，在其中多个像素被以矩阵方式排列；垂直选择装置，用于在所述图像像素部分垂直选择在水平方向上的每个像素行；像素驱动装置，用于通过像素驱动接线驱动由所述垂直选择装置选择的像素行中的每个像素；以及信号处理装置，用于在通过输出信号线输入所述每个像素的信号后执行预定的信号处理，其中
在所述图像像素部分的每个像素包括：光电转换元件；传递装置，用于把由光电转换元件传递和积累的信号电荷传递到浮动扩散部分；复位装置，用于复位所述浮动扩散部分的电势，以及放大装置，用于输出对应于所述浮动扩散部分的电势的输出信号；其中
所述垂直选择装置在所述图像像素部分选择至少两个像素行作为快门行和选择行，并且顺序对所述行移位，并且
所述像素驱动装置在由所述垂直选择装置选择的快门行中，在复位所述浮动扩散部分后执行把所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分的操作，而在由所述垂直选择装置选择的选择行中，执行把所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分的操作而不复位所述浮动扩散部分或者在复位所述浮动扩散部分前执行该操作，并且使得传递的输出信号被输出到所述信号处理装置。
11.如权利要求10所述的用于驱动固态成像设备的方法，其中
所述信号处理装置包括一个相关复式采样(CDS)电路；所述像素驱动装置在所述光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分后在所述选择行复位浮动扩散部分；并且在所述的相关复式采样电路中，获得在所述选择行的输出信号电平差：光电转换元件的信号电荷传递给浮动扩散部分后的输出信号电平和在复位浮动扩散部分后的输出信号电平的差。
12.如权利要求10所述的用于驱动固态成像设备的方法，其中
所述信号处理装置包括一个相关复式采样电路；所述垂直选择装置选择两个连续的像素行作为快门行和选择行；并且在所述相关复式采样电路中获得输出信号电平差：即在复位浮动扩散部分后的所述快门行中的输出信号电平和当所述快门行接着变为选择行时在信号电荷从光电转换元件传递给浮动扩散部分后的输出信号电平的差。
13.如权利要求10所述的用于驱动固态成像设备的方法，其中
所述垂直选择装置包括下面的功能：选择在所述快门行前的快门行并且顺序对该在前行移位，并且在该在前行快门行执行对所述光电转换元件的复位。
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