发明内容
本发明就是要解决现有技术的上述问题,目的是要在FDA(FloatingDiffusion Amplifier)方式中,能够一面增大光电变换部的开口面积,一面使光电变换单元的尺寸细微化。
为了达到上述目的,本发明在固体摄像装置中,采用多个光电变换(PD)部可以共有晶体管及布线的结构。
具体地说,本发明涉及的第1固体摄像装置,包括:分别具有至少配置成2行2列的阵列状的多个光电变换部的光电变换单元;通过传输晶体管,分别与各光电变换单元的同一行包含的各光电变换部连接,与该同一行包含的各光电变换部共有的多个浮动扩散部;选择性地与多个传输晶体管中不被同一行包含的至少2个连接的多条读出布线;检出各浮动扩散部的电位后输出的象素放大晶体管;与多条读出布线中的一条连接,而且被多个传输晶体管读出的各光电变换部的电荷,分别被不同的浮动扩散部读出。
采用第1固体摄像装置后,由于浮动扩散被同一行包含的至少N个光电变换部所共有,每个光电变换单元的浮动扩散部,由现有技术的1个变成N分之一个(例如N=2时,为0.5个),所以可以增大光电变换部对光电变换单元而言的开口率,可以缩小光电变换单元。其结果,就能一面增大光电变换部的开口率,一面实现光电变换单元的元件尺寸细微化。
在第1固体摄像装置中,各读出布线,最好和与多个光电变换部中被同一列包含的光电变换部连接的传输晶体管连接。这样一来,就可以由1个浮动扩散部、象素放大晶体管及信号线输出被互相邻接的行包含的各自至少2个光电变换部的电荷。
另外,在第1固体摄像装置中,各读出布线,最好和与多个光电变换部中被相邻的列包含的光电变换部连接的传输晶体管连接。这样一来,就可以由1个浮动扩散部、象素放大晶体管及信号线输出被互相邻接的行包含的各自至少2个光电变换部的电荷。
在第1固体摄像装置中,各浮动扩散部及各象素放大晶体管,最好被和与多条读出布线中的一条连接的传输晶体管读出的行不同的相邻的行所共有。
第1固体摄像装置,最好还具有:将来自各象素放大晶体管的信号向外部输出的信号线;分别设置在各象素放大晶体管和信号线之间,有选择地使各象素放大晶体管和信号线之间导通的选择晶体管。这样一来,就能用共同的信号线,检出来自被互相邻接的行包含的光电变换部的电荷。
在第1固体摄像装置中,各浮动扩散部及各象素放大晶体管,最好被沿行方向及列方向邻接的光电变换部彼此共有。这样一来,就能够扩大光电变换部的开口率,缩小光电变换单元的尺寸。
在第1固体摄像装置中,最好还具有废弃各浮动扩散部积蓄的电荷的复位晶体管,复位晶体管的漏极电位时间性地变化,在复位晶体管的漏极电位为第1电位时,各浮动扩散部的电位成为第3电位,从而具有各象素放大晶体管能够检出电荷的期间;在复位晶体管的漏极电位为第2电位时,各浮动扩散部的电位成为第4电位,从而具有停止各象素放大晶体管检出电荷的期间。这样一来,在用象素放大晶体管检出由光电变换部读出的电荷后,能够停止象素放大晶体管检出电荷,所以不需要设置选择晶体管。
在第1固体摄像装置中,各光电变换部,最好配置成其行方向或列方向的间隔相等。这样一来,可以根据由光电变换部读出的信号,获得析象度高的高质量图象。
在第1固体摄像装置中,最好还具有处理来自各象素放大晶体管的输出信号的信号处理电路。这样一来,由于能够在进行信号处理之前,减少混入的杂波,所以可以获得高质量的图象。
在第1固体摄像装置中,光电变换单元最好被兼作遮光膜的电源布线区划开。这样一来,可以在和与象素放大晶体管连接的输出信号线不同的遮光膜上形成电源布线,所以可以更进一步地缩小光电变换单元的单元尺寸,而且进一步增大开口面积。
本发明涉及的固体摄像装置的驱动方法,以驱动本发明的第1固体摄像装置的驱动方法为对象,包括:在一个光电变换单元中,通过第1读出布线,将不被同一行包含、而且被互相邻接的列彼此包含的光电变换部的信号电荷,传输给与该光电变换部连接的浮动扩散部的第1工序;通过第2读出布线,将多个光电变换部中在第1工序中未被读出的光电变换部的信号电荷,传输给与该光电变换部连接的和第1工序相同的浮动扩散部的第2工序。
本发明涉及的第2固体摄像装置,包括:分别具有至少配置成2行的阵列状的多个光电变换部的多个光电变换单元;分别通过传输晶体管,与各光电变换单元中互相邻接的行、并被同一列包含的各光电变换部连接,并且被各光电变换部分别共有的浮动扩散部;与各传输晶体管连接,与各光电变换部分别共有的浮动扩散部独立从光电变换部中读出电荷的多条读出布线;检出各浮动扩散部的电位后输出的多个象素放大晶体管;废弃各浮动扩散部蓄积的电荷的复位晶体管;复位晶体管的漏极电位,时间性地变化,复位晶体管的漏极电位为第1电位时,各浮动扩散部蓄积的电荷的电位成为第3电位,从而具有使象素放大晶体管能够检出电荷的期间;复位晶体管的漏极电位为第2电位时,各浮动扩散部蓄积的电荷的电位成为第4电位,从而具有使象素放大晶体管停止检出电荷的期间。
采用第2固体摄像装置后,浮动扩散部与多个传输晶体管连接,而且被互相邻接的行且属于同一列的多个光电变换部共有,并且和与各传输晶体管独立地从光电变换部读出电荷的多条读出布线连接,所以不需要通常设置的行选择晶体管。其结果,每个光电变换单元的布线数,由现有技术的5条减至3.5条,所以可以一面扩大光电变换部的面积,一面缩小光电变换单元本身的面积。
在第2固体摄像装置中,复位晶体管的漏极,最好与象素放大晶体管的漏极共同连接。这样一来,连接复位晶体管的漏极和象素放大晶体管的漏极的布线,可以共有,所以可以进一步减少每个光电变换单元的布线数。
在第2固体摄像装置中,各浮动扩散部最好配置在各光电变换单元中沿行方向邻接的光电变换部的彼此之间。这样一来,可以缩小每个光电变换单元的浮动扩散部的面积。
另外,在第2固体摄像装置中,各传输晶体管最好由MIS晶体管构成,各MIS晶体管的栅极最好沿行方向配置。这样一来,读出布线可以兼作传输晶体管的布线,可以缩小该读出布线在光电变换单元中所占的面积。
另外,在第2固体摄像装置中,各象素放大晶体管最好配置在各光电变换单元中的包含各光电变换部的互相邻接的各行之间。这样一来,能够缩小每个光电变换单元中的象素放大晶体管的占有面积,增大光电变换部的面积,提高对光的灵敏度。
另外,在第2固体摄像装置中,各象素放大晶体管及各浮动扩散部最好配置在读出布线彼此之间。这样一来,可以缩短象素放大晶体管和浮动扩散部的布线,所以能够缩小每个光电变换单元中的象素放大晶体管及浮动扩散部的占有面积。
另外,在第2固体摄像装置中,各传输晶体管最好由MIS晶体管构成,各象素放大晶体管最好配置在MIS晶体管彼此的栅极之间。这样一来,由于可以利用列方向和行方向的交差部位的空闲区域,所以能够扩大光点变换部的面积,而且还能缩小光电变换单元本身的面积。
在第2固体摄像装置具有复位晶体管时,各复位晶体管最好配置在各光电变换单元中包含各光电变换部的互相邻接的行之间。这样一来,能够缩小每个光电变换单元中的复位晶体管的占有面积,扩大光电变换部的面积,而且还能缩小光电变换单元本身的面积。
另外,在第2固体摄像装置具有复位晶体管时,各复位晶体管及各浮动扩散部最好配置在读出布线的彼此之间。这样一来,能够省略浮动扩散部和复位晶体管的布线,使复位晶体管的源极和浮动扩散部成为共同,所以能够缩小每个光电变换单元中的复位晶体管及浮动扩散部的占有面积。
另外,在第2固体摄像装置具有复位晶体管时,各复位晶体管最好和被配置在互相沿行方向邻接的光电变换单元的彼此之间的布线连接。这样一来,由于容易和光点变换部的行方向的间距吻合,所以提高析象度。
另外,在第2固体摄像装置具有复位晶体管时,各复位晶体管最好和配置在互相沿列方向邻接的各光电变换单元的彼此之间。这样一来,因为能够将光点变换部向行方向加大开口,所以细微化后也能维持灵敏度。
这时,各传输晶体管最好由MIS晶体管构成,各复位晶体管最好配置在MIS晶体管彼此的栅极之间。这样一来,由于可以利用列方向和行方向的交差部位的空闲区域,所以能够扩大光点变换部的面积,而且还能缩小光电变换单元本身的面积。
在第2固体摄像装置中,各浮动扩散部最好配置在互相沿列方向邻接的各光电变换单元的彼此之间。这样一来,能够缩小每个光电变换单元中的浮动扩散部的占有面积。
在第2固体摄像装置中,各光电变换部最好配置成相互的间隔在行方向及列方向上至少在一个方向上相等。这样一来,由于能够修正拍摄的图象中的析象度的偏差,所以可以获得高析象度的图象。
在第2固体摄像装置具有复位晶体管时,连接复位晶体管的漏极和象素放大晶体管的漏极布线,最好兼作遮光膜。这样一来,由于能够减少每个光电变换单元中的布线数,所以可以扩大光电变换部的面积,而且还能缩小光电变换单元本身的面积。
在第2固体摄像装置中,最好还具有处理由各象素放大晶体管输出的输出信号的信号处理电路。这样一来,可以获得高析象度的图象。
本发明涉及的照相机,具有本发明的第1固体摄像装置或第2固体摄像装置。这样,本发明的照相机可以获得高析象度的图象。
具体实施方式
第1实施方式
下面,参阅附图,讲述本发明的第1实施方式。
图1示出本发明的第1实施方式涉及的固体摄像装置中的光电变换单元的回路结构的一个示例。
如图1所示,例如,由光电二极管元件构成的、将入射光变换成电能的光电变换(PD)部1、2、3、4,沿行方向依次配置。进而,各PD部5、6、7、8分别沿行方向依次配置,从而与各PD部1~4沿列方向邻接。
在这里,在本说明书中,所谓“行方向”,是指行号增大的方向;所谓“列方向”,是指列号增大的方向
在第1行和图中未出的第0行之间,设置着积蓄来自第1行包含的PD部1、5及第0行包含的PD部的光电变换后的电荷的第1浮动扩散部(FD)部9。在第2行和第3行之间,积蓄来自第2行包含的PD部2、6及第3行包含的PD部3、7的光电变换后的电荷的第2FD部10,设置成被这些PD部2、3、6、7包围的状态。在第4行和图中未出的第5行之间,设置着积蓄来自第4行包含的PD部4、8及第5行包含的PD部的光电变换后的电荷的第3FD部11。这样,各FD部9、10、11分别被4个PD共有。
在这里,将包含PD部1、2、5、6的单元,作为第1光电变换单元91;将包含PD部3、4、7、8的单元,作为第2光电变换单元92。
在第1光电变换单元91中,在第1行包含的PD部1和第1FD部9之间,连接着将电荷由PD部1输送到第1FD部9的N沟道型的传输晶体管13;在PD部5和第1FD部9之间,连接着将电荷由PD部5输送到第1FD部9的N沟道型的传输晶体管17。
另外,在第1光电变换单元91中,在第2行包含的PD部2和第2FD部10之间,连接着将电荷由PD部2输送到第2FD部10的N沟道型的传输晶体管14;在PD部6和第2FD部10之间,连接着将电荷由PD部6输送到第2FD部10的N沟道型的传输晶体管18。
作为第1实施方式的特点,第1行包含的传输晶体管13和第2行包含的传输晶体管14的各栅极,和第1读出(READ)线32连接。与此相对,第1行包含的传输晶体管17和第2行包含的传输晶体管18的各栅极,和第2READ线33连接。
在第2光电变换单元92中,在第3行包含的PD部3和第2FD部10之间,连接着将电荷由PD部3输送到第2FD部10的N沟道型的传输晶体管15;在PD部7和第2FD部10之间,连接着将电荷由PD部7输送到第2FD部10的N沟道型的传输晶体管19。
另外,在第2光电变换单元92中,在第4行包含的PD部4和第3FD部11之间,连接着将电荷由PD部4输送到第3FD部11的N沟道型的传输晶体管16;在PD部8和第3FD部11之间,连接着将电荷由PD部8输送到第3FD部11的N沟道型的传输晶体管20。
在这里也是:第3行包含的传输晶体管15和第4行包含的传输晶体管16的各栅极,和第3READ线34连接。与此相对,第3行包含的传输晶体管19和第4行包含的传输晶体管20的各栅极,和第4READ线35连接。
第1FD部9与N沟道型的第1复位晶体管21连接,该第1复位晶体管21,其源极与第1FD部9连接,其漏极与光电变换单元用电源(VDDCFLL)线31连接,其栅极与第1复位脉冲(RSCELL)线36连接。这样,积蓄在第1FD部9中的电荷,在RSCELL信号的作用下,被VDDCFLL线31废弃。
同样,第2FD部10也与N沟道型的第2复位晶体管22连接,该第2复位晶体管22,其源极与第2FD部10连接,其漏极与VDDCFLL线31连接,其栅极与第2RSCELL线37连接。此外,虽然图中没有示出,但第3FD部11也设置着和第1复位晶体管21等同一结构的复位晶体管。
第1FD部9及第1复位晶体管21与N沟道型的第1象素放大晶体管23连接,该第1象素放大晶体管23,其栅极与第1FD部9连接,其漏极与VDDCFLL线31连接,其源极与第1输出信号(VO)线38连接。
同样,第2FD部10及第2复位晶体管22与N沟道型的第2象素放大晶体管24连接,该第2象素放大晶体管24,其栅极与第2FD部10连接,其漏极与VDDCFLL线31连接,其源极与第2VO线39连接。
第1VO线38及第2VO线39,与和各象素放大晶体管23、24一起,和形成源随动放大器的N沟道型的第1及第2输入晶体管25、26连接,各输入晶体管25、26的栅极分别与输入栅极(LGCELL)线40连接,它们的源极分别与源电源(SCLL)线41连接。
下面,参阅附图,讲述采用上述结构的固体摄像装置的动作。
图2表示第1实施方式涉及的固体摄像装置的驱动时序,在这里,在水平熄灭期间(=1H)内完成一系列动作。
另外,来自配置成阵列状的各PD部1~8的信号电荷的检出顺序是:同时进行第1行和第2行,接着同时进行第3行和第4行。
如图2所示,首先,给LGCELL线40外加高电平的电压,从而使各输入晶体管25、26成为恒电流源。接着,在使VDDCFLL线31的电位成为高电平的期间,使各RSCELL36、37成为脉冲状的高电平,使各复位晶体管暂时成为ON状态。这样,第1光电变换单元91中的第1FD部9及第2光电变换单元92中的第2FD部10积蓄的电荷,都被VDDCFLL线31废弃。这时,在各象素放大晶体管23、24中,检出该复位时的信号电平,将检出的信号电平,通过各VO线38、39导入杂波清除电路(图中未示出),导入的信号电平,被杂波清除电路电平固定。
接着,各复位晶体管21、22变成OFF状态后,向第1READ线32脉冲状地外加高电平的电压,使各传输晶体管13、14同时成为ON状态。这样,第1行的PD部1积蓄的电荷,传输给第1FD部9,另一方面,第2行的PD部2积蓄的电荷,传输给第2FD部10。传输给第1FD部9及第2FD部10的电荷,分别在第1象素放大晶体管23及第2象素放大晶体管24中,被检出积蓄信号的电压电平。进一步,检出的电压电平分别通过第1VO线38及第2VO线39,被导入杂波清除电路,在该杂波清除电路中进行各自的信号取样。经过这一系列的动作后,可以检出各象素放大晶体管23、24具有的临界值的离差,以及被清除了杂波成分的输出信号。
接着,将VDDCELL线31置于低电平的OFF状态,并且使各RSCELL线36、37暂时成为ON状态后,各FD部9、10的电位,成为与VDDCELL线31一样的OFF电平,所以各象素放大晶体管23、24停止动作。
在这之后,在垂直行扫描电路中,直到各RSCELL线36、37及第1READ线32被选择为止,由于各象素放大晶体管23、24不动作,所以成为非选择状态。
在下一个水平熄灭期间2H中,将各复位晶体管21、22暂时置于ON状态,废弃各FD部9、10的电荷。这时,如前所述,在各象素放大晶体管23、24中,检出复位时的信号电平,将检出的信号电平通过各VO线38、39导入杂波清除电路,在那里将信号电平电平固定。
接着,各复位晶体管21、2成为OFF状态后,将高电平的电压,脉冲状地外加给第2READ线33,各传输晶体管17、18同时成为ON状态。这样,第1行的PD部5积蓄的电荷,被传输给第1FD部9,另一方面,第2行的PD部6积蓄的电荷,被传输给第2FD部10。
然后,和第1水平熄灭期间1H一样,传输给互不相同的第1FD部9及第2FD部10的电荷,分别在第1象素放大晶体管及第2象素放大晶体管中被检出积蓄信号的电压电平。进而,分别通过第1VO线38及第2VO线39,被杂波清除电路进行信号取样。经过这一系列的动作后,可以检出各象素放大晶体管23、24具有的临界值的离差及去掉杂波成分的输出信号。
这样,通过信号处理电路(图中未示出)分别处理第1水平熄灭期间1H检出的电荷及第2水平熄灭期间2H检出的电荷,可以将在第1行及第2行的配置位置被光电变换的电荷,作为和实际配置对应的图象检出。
接着,在第3行及第4行进行和第1行及第2行一样的驱动,从而可以对整个阵列进行信号检出。
此外,在第1实施方式中,讲述了隔1列,即在读出包含PD部1、2的第奇数列后,检出包含PD部5、6的第偶数列的电荷的电路结构及驱动方法。但并不限于此,增加READ线后,可以用同样的驱动时序,隔2列检出电荷
第1实施方式涉及的固体摄像装置,如图1的电路结构所示,例如:4个PD部共有1个FD部及1个象素放大晶体管,所以平均每个光电变换单元的晶体管的个数,最终可以由现有技术的4个,削减为1.5个,布线数则由现有技术的5条,削减为2.5条。例如,将光电变换单元的面积定为4.1μm×4.1μm,以0.35μm的规则设计时,对光电变换单元而言,PD部的开口率就成为35%左右。这样,就能够在缩小光电变换单元91、92的单元尺寸的同时,还能够大幅度增大PD部的开口率。
顺便指出,在现有技术的电路结构中,采用由一条READ线以同一个时刻检出被互相邻接的行包含的2个光电变换部的信号电荷的结构时,假如将光电变换单元的面积定为4.1μm×4.1μm,以0.35μm的规则设计时,PD部的开口率是10%左右。
另外,在现有技术的电路结构中,采用由一条READ线读出被互相邻接的行包含的2个光电变换部的电荷,而且用2个光电变换部共有与未被读出的行邻接的行包含的光电变换单元的FD部及象素放大晶体管,检出信号电荷的结构时,使用2个光电变换部以同一个时刻检出信号电荷的驱动方法后,假如将光电变换单元的面积定为4.1μm×4.1μm,以0.35μm的规则设计时,PD部的开口率是15%左右。
第1实施方式的一种变形例
图3示出本发明的第1实施方式的一种变形例涉及的固体摄像装置中光电变换单元的电路结构。在图3中,对和图1所示的构成要素相同的构成要素,也赋予相同的符号,并且不再赘述。
如图3所示,例如,在第1光电变换单元91中,第1READ线32,与被互相邻接的列包含的传输晶体管13及传输晶体管18连接,另一方面,第2READ线33,也与被互相邻接的列包含的传输晶体管14及传输晶体管17连接。这样,对于被夹着第1READ线32及第2READ线33邻接的2行包含的PD部1、2、5、6来说,即使连接成传输未被同一列包含PD部彼此的信号电荷,也能用图2所示的驱动时刻检出电荷。
例如,在第1READ线32暂时成为ON状态时,信号电荷通过传输晶体管13由PD部1传输给第1FD部9,与此同时,信号电荷通过传输晶体管18由PD部6传输给第2FD部10。
此外,第1实施方式及其一种变形例,在水平熄灭期间1H中,读出被1个光电变换单元91包含的4个PD部中的2个PD部的信号电荷。但也可以取而代之,读出4个PD部中的所有PD部的信号电荷。
另外,通过对在不同的水平熄灭期间读出的来自所有的光电变换单元的信号电荷,进行信号处理,可以获得画面质量高的多象素的图象。
第2实施方式
下面,参阅附图,讲述本发明的第2实施方式。
图4示出本发明的第2实施方式涉及的固体摄像装置中光电变换单元的电路结构的一个示例。在图4中,对和图1所示的构成要素相同的构成要素,也赋予相同的符号,并且不再赘述。
首先,讲述在图4中和图1所示的第1实施方式涉及的固体摄像装置的不同之处。
在第2实施方式中,采用第1象素放大晶体管23及第2象素放大晶体管24,分别通过N沟道型的第1选择晶体管52和第2选择晶体管53,与第1输出信号(VO)线38、第2输出信号(VO)线39连接的结构。
第1选择晶体管52和第2选择晶体管53的各栅极,分别与外加开关脉冲的第1选择(SO)线50及第2SO线51连接。
下面,参阅附图,讲述采用上述结构的固体摄像装置的动作。
图5表示第2实施方式涉及的固体摄像装置的驱动时序,在这里,在水平熄灭期间(=1H)内完成一系列动作。
如图5所示,首先,在给LGCELL线40外加所定的电压,从而使第1及第2的各输入晶体管25、26成为恒电流源的同时,将VDDCFLL线31的电位调成高电平。接着,使各RSCELL36、37成为脉冲状的高电平,使各复位晶体管21、22暂时成为ON状态。这样,第1FD部9及第2FD部10积蓄的电荷,被VDDCFLL线31废弃。这时,在各象素放大晶体管23、24中,通过预先将各选择晶体管52、53置于ON状态,从而检出复位时的信号电平,将检出的信号电平,通过各VO线38、39导入杂波清除电路(图中未示出),导入的信号电平,被杂波清除电路电平固定。
接着,各复位晶体管21、22变成OFF状态后,向第1READ线32脉冲状地外加高电平的电压,使各传输晶体管13、14同时成为ON状态。这样,第1行的PD部1积蓄的电荷,传输给第1FD部9,另一方面,第2行的PD部2积蓄的电荷,传输给第2FD部10。然后,传输给第1FD部9及第2FD部10的电荷,分别在第1象素放大晶体管23及第2象素放大晶体管24中,被检出积蓄信号的电压电平。
再接着,第1SO线50及第2SO线51都转变成高电平,第1及第2的各选择晶体管52、53保持ON状态,从而使第1象素放大晶体管23的积蓄信号通过第1VO线38,第2象素放大晶体管24的积蓄信号通过第2VO线39,被分别导入杂波清除电路,由该杂波清除电路进行信号取样。
然后,第1SO线50及第2SO线51都恢复低电平,使第1及第2的各选择晶体管52、53成为OFF状态后,各象素放大晶体管23、24停止动作。
在这之后,在垂直行扫描电路中,直到各RSCELL线36、37及第1READ线32被选择为止,由于各象素放大晶体管23、24不动作,所以成为非选择状态。
在下一个水平熄灭期间2H中,将各复位晶体管21、22暂时置于ON状态,废弃各FD部9、10的电荷。这时,如前所述,在各象素放大晶体管23、24中,检出复位时的信号电平,将检出的信号电平通过各VO线38、39导入杂波清除电路,在该杂波清除电路中将信号电平电平固定。
接着,各复位晶体管21、2成为OFF状态后,将高电平的电压,脉冲状地外加给第2READ线33,各传输晶体管17、18同时成为ON状态。这样,第1行的PD部5积蓄的电荷,被传输给第1FD部9,另一方面,第2行的PD部6积蓄的电荷,被传输给第2FD部10。
然后,和第1水平熄灭期间1H一样,传输给互不相同的第1FD部9及第2FD部10的电荷,分别在互不相同的第1象素放大晶体管及第2象素放大晶体管中被检出积蓄信号的电压电平。进而,电压电平被检出的积蓄信号,被分别选择性地使第1及第2VO线38、39成为导通状态,被导入杂波清除电路,在那里进行信号取样。经过这一系列的动作后,可以检出各象素放大晶体管23、24具有的临界值的离差及去掉杂波成分的输出信号。
这样,被不同的PD部9、10积蓄的信号电荷,通过在第1VO线38及第2VO线39之间分别设置第1选择晶体管52及第2选择晶体管53,从而使平均每个光电变换单元的晶体管个数成为1.75个,布线数成为2.5条,所以可以在缩小光电变换单元91、92的单元尺寸的同时,还能够大幅度增大各PD部的开口率。
此外,在第2实施方式中,也和第1实施方式的一种变形例一样,例如,可以采用将传输晶体管13和与之处于对角位置的传输晶体管18跟第1READ线32连接、将传输晶体管14和与之处于对角位置的传输晶体管17跟第2READ线33连接的结构。
另外,在1个光电变换单元91中,配置了2行2列PD部。但并不限于此,可以将各PD部配置成2行3列或3行2列,甚至3行3列或3行3列以上。
第3实施方式
下面,参阅附图,讲述本发明的第3实施方式。
图6示出本发明的第3实施方式涉及的固体摄像装置中光电变换单元的电路结构的一个示例。在图6中,对和图1所示的构成要素相同的构成要素,也赋予相同的符号,并且不再赘述。
如图6所示,第3实施方式涉及的固体摄像装置,第1~第4的各光电变换单元91、92、93、94被配置成行列状。
例如,光电变换单元91,在阵列配置的第1列、而且在第1行和第2行分别具有光电变换(PD)部1、2,该PD部1、2,分别通过N沟道型的传输晶体管13、14共有第1FD部9。
第1FD部9与N沟道型的第1复位晶体管21连接,该第1复位晶体管21,其源极与第1FD部9连接,其漏极与第1VDDCELL线30连接,其栅极与第1RSCELL线36连接。这样,第1FD部9积蓄的电荷,在RSCELL信号的作用下,被第1VDDCELL线30废弃。
第1FD部9及第1复位晶体管21,与N沟道型的第1象素放大晶体管23连接,该第1象素放大晶体管23,其栅极与第1FD部9连接,其漏极与第1VDDCELL线30连接,其源极与第1VO线38连接。
同样,在构成第2光电变换单元92的第1列、而且被配置成第3行和第4行的PD部3及PD部4,分别通过传输晶体管15、16,共有第2FD部10,第2复位晶体管22选择性地导通第2FD部10和第1VDDCELL线30。另外,栅极接收第2FD部10的信号电位、漏极接收第1VDDCELL线30的信号电位的第2象素放大晶体管24,向第1VO线38输出与接收的信号电位对应的检出信号。
在构成第3光电变换单元93的第2列、而且被配置成第1行和第2行的PD部5及PD部6,分别通过传输晶体管17、18,共有第3FD部11,第3复位晶体管61选择性地导通第3FD部11和第2VDDCELL线31。另外,栅极接收第3FD部11的信号电位、漏极接收第2VDDCELL线31的信号电位的第3象素放大晶体管63,向第2VO线39输出与接收的信号电位对应的检出信号。
在构成第4光电变换单元94的第2列、而且被配置成第3行和第4行PD部7及PD部8,分别通过传输晶体管19、20,共有第4FD部12,第4复位晶体管62选择性地导通第4FD部12和第2VDDCELL线31。另外,栅极接收第4FD部12的信号电位、漏极接收第2VDDCELL线31的信号电位的第4象素放大晶体管64,向第2VO线39输出与接收的信号电位对应的检出信号。
下面,参阅附图,讲述采用上述结构的固体摄像装置的动作。
图7表示第3实施方式涉及的固体摄像装置的驱动时序,在这里,在水平熄灭期间(=1H)内完成一系列动作。
另外,来自配置成阵列状的各PD部1~8的信号电荷的检出顺序是:按照从第1行到第2行的顺序依次进行。
如图7所示,首先,给LGCELL线40外加高电平的电压,从而使各输入晶体管25、26成为恒电流源。接着,在使第1VDDCELL线30及第2VDDCELL线31的电位都成为高电平的期间,使第1RSCELL线36成为脉冲状的高电平,使各复位晶体管21、61暂时成为ON状态。这样,第1光电变换单元91中的第1FD部9及第3光电变换单元93中的第3FD部11积蓄的电荷,分别被第1VDDCELL线30及第2VDDCELL线31废弃。这时,在各象素放大晶体管23、63中,检出该复位时的信号电平,将检出的信号电平,通过各VO线38、39导入杂波清除电路(图中未示出),导入的信号电平,被杂波清除电路电平固定。
接着,各复位晶体管21、61变成OFF状态后,向第1READ线32脉冲状地外加高电平的电压,使各传输晶体管13、17同时成为ON状态。这样,第1列的PD部1积蓄的电荷,传输给第1FD部9,另一方面,第2列的PD部5积蓄的电荷,传输给第3FD部11。传输给第1FD部9及第3FD部11的电荷,分别在第1象素放大晶体管23及第3象素放大晶体管63中,被检出积蓄信号的电压电平。进一步,检出的电压电平分别通过第1VO线38及第2VO线39,被导入杂波清除电路,在该杂波清除电路中进行各自的信号取样。经过这一系列的动作后,可以检出各象素放大晶体管23、63具有的临界值的离差,以及被清除了杂波成分的输出信号。
接着,将VDDCELL线30、31都置于低电平的OFF状态,并且使第1RSCELL线36暂时成为ON状态后,各FD部9、11的电位,都成为和各VDDCELL线30、31相同的OFF电平,所以各象素放大晶体管23、63停止动作。
在这之后,在垂直行扫描电路中,直到第1RSCELL线36及第1READ线32被选择为止,由于各象素放大晶体管23、63不动作,所以成为非选择状态。
在下一个水平熄灭期间2H中,将各复位晶体管21、61暂时置于ON状态,废弃各FD部9、11的电荷。这时,如前所述,在各象素放大晶体管23、63中,检出复位时的信号电平,将检出的信号电平通过各VO线38、39导入杂波清除电路,在那里将信号电平电平固定。
接着,各复位晶体管21、61成为OFF状态后,将高电平的电压,脉冲状地外加给第2READ线33,各传输晶体管14、18同时成为ON状态。这样,第1列的PD部2积蓄的电荷,被传输给第1FD部9,另一方面,第2列的PD部6积蓄的电荷,被传输给第3FD部11。
然后,和第1水平熄灭期间1H一样,传输给互不相同的第1FD部9及第3FD部11的电荷,分别在第1象素放大晶体管23及第3象素放大晶体管63中被检出积蓄信号的电压电平。进而,分别通过第1VO线38及第2VO线39,被杂波清除电路进行信号取样。经过这一系列的动作后,可以检出各象素放大晶体管23、63具有的临界值的离差及去掉杂波成分的输出信号。
这样,通过信号处理电路(图中未示出)分别处理第1水平熄灭期间1H检出的电荷及第2水平熄灭期间2H检出的电荷,可以将在第1列及第2列的配置位置被光电变换的电荷,作为和实际配置对应的图象检出。这样,在第3实施方式中,例如,给第1复位晶体管21的漏极和第1象素放大晶体管23的漏极外加的电源电位的变化相同,所以可以不需要现有技术中的行选择用的晶体管152。
接着,在第3行及第4行进行和第1行及第2行一样的驱动,从而可以对整个阵列进行信号检出。
综上所述,第3实施方式涉及的固体摄像装置,例如:由于采用2个PD部1、2共有第1FD部9及第1象素放大晶体管23的结构,所以平均每个光电变换单元的晶体管的个数,最终可以由现有技术的4个,削减为2个。另外,布线数则由现有技术的5条,削减为3.5条。这样,例如,将光电变换单元的面积定为4.1μm×4.1μm,以0.35μm的规则设计时,各PD部1、2的开口率就成为30%左右。这样,就能够在缩小各光电变换单元的单元尺寸的同时,还能够大幅度增大PD部的开口率。
此外,将各复位晶体管21、22、61、62采用N沟道型MOS晶体管。但取而代之,采用P沟道型时,给第1及第2RSCELL线36、37外加低电平的电压后,各复位晶体管21、22、61、62就成为ON状态。
同样,将各象素放大晶体管23、24、63、64采用N沟道型MOS晶体管。但取而代之,采用P沟道型时,给第1及第2VDDCELL线30、31外加低电平的电压后,各象素放大晶体管23、24、63、64就成为ON状态,成为检出来自各自对应的各FD部9、10、11、12的信号电位的电位检出期间。
下面,如图8所示,配置各PD部1、2、3、5、6、7,将PD部1和PD部2之间的区域,作为A部位;将被PD部1、2、5、6包围的中心区域,作为B部位;将PD部5和PD部6之间的区域,作为C部位;将PD部2和PD部6之间的区域,作为D部位;将PD部1和PD部5之间的区域,作为E部位。在这里,如图9所示,将各FD部9、11、各象素放大晶体管23、63及复位晶体管21、61配置到各部位,从而任何时候都能比现有技术提高各PD部对光电变换单元而言的开口率,而且还能使单元尺寸细微化。
进而,还如图9所示,将各FD部9、11分别配置到A部位及C部位时,将驱动各传输晶体管13、14的各READ线32、33相互并行配置后,可以将PD部的开口率提高到30%。
另外,假如将驱动第1复位晶体管21的第1RSCELL线36配置在PD部2和PD部3之间后,可以将PD部的开口率提高到30%左右。
另外,如图8所示,通过将各PD部相互的间隔配置成在行方向及列方向上至少在一个方向上相等,从而能够修正拍摄的图象中的析象度的偏差,所以可以获得高析象度的图象。
另外,虽然图中未示出,但通过将第1VDDCELL线30及第2VDDCELL线31用作区划光电变换单元彼此的遮光膜,从而可以在和第1VO线38及第2VO线39不同的布线层上形成这些各VDDCELL线30、31,因此既可以缩小光电变换单元的尺寸,还能增大PD部的开口面积。
另外,使用第1~第3实施方式涉及的固体摄像装置后,可以实现小型的而且能够得到高析象度的图象的照相机。
本发明涉及的固体摄像装置,具有一面加大光电变换部的开口面积,一面使光电变换单元的尺寸细微化的效果。作为将多个光电变换部配置成阵列状的固体摄像装置、其驱动方法及使用它的照相机等,大有用处。