[发明专利]半导体器件

说明书

本申请是名称为“半导体器件及驱动其单元组件的控制方法和装置”(申请号：200410090013.9；申请日：2004年09月10日)的申请的分案申请。 

技术领域

本发明涉及一种其中设置有多个单元组件的半导体器件。具体地，本发明涉及一种降低功耗并提高物理量分布传感半导体器件例如固态成像器件的动态范围的技术。例如，在物理量分布传感半导体器件中，以矩阵方式排列对外界输入的电磁波例如光和射线敏感的单元组件，例如单元像素，并将物理量分布转换为电信号以便读出。 

背景技术

在各种领域中，正广泛采用物理量分布传感半导体器件，其中以行的方式或以矩阵方式排列对外界输入的电磁波例如光和射线敏感的单元组件例如单元像素。例如，在成像器件领域中，采用具有电荷耦合器件(CCD)、金属氧化物半导体(MOS)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的固态成像器件，所有这些器件感测作为物理量之一的光。在这种半导体器件中，单元组件(在固态成像器件情况下的单元像素)读出从物理量分布中转换的电信号。 

此外，所述固态成像器件包括具有有源像素传感器(APS，也称为增益单元)结构的像素的有源像素传感器固态成像器件。在每个APS像素中，像素信号产生单元包括放大用于根据电容产生单元产生的信号电荷而产生像素信号的驱动晶体管。例如，大多数CMOS固态成像器件就具有这种结构。在这些有源像素传感器固态成像器件中，为了读出像素信号，就通过地址来控制具有多个单元像素的像素单元，以致可以选择任何一个单元像素以便从其中读出信号。就是说，有源像素传感器固态成像器件是地址控制固态成像器件的一个实例。 

例如，在有源像素传感器中，所述有源像素传感器是具有矩阵形式的单 元像素的X-Y地址型固态成像传感器的一种类型，像素是由具有MOS结构(MOS晶体管)的有源元件组成，以便提供自身具有放大功能的像素。就是说，此有源像素传感器读出在光电二极管(光电转换器)中累积并由有源元件作为图像信息放大的信号电荷(光电子)。 

例如，在这种X-Y地址型固态成像传感器中，以二维矩阵方式排列多个像素晶体管，以形成一个像素单元。根据入射光的信号电荷、以逐行或以逐像素的方式进行累积。通过指定地址，从每个像素中依次读出基于累积的信号电荷的电流或电压信号。 

单元像素结构：4-TR型 

通常，在互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器中，为了降低噪声，单元像素的结构比电荷耦合器件(CCD)的结构复杂。例如，如图1A中所示，常规目的的CMOS传感器包括：具有寄生电容的扩散层的浮点扩散(floatingdiffusion)放大器(FDA)，以及在单元像素3中的四个晶体管。这种结构众所周知并被称为4-晶体管像素结构(此后，还称为4TR-结构)。 

在这种4TR-结构中，作为电荷累积单元的一个实例的浮点扩散单元38连接到作为信号产生单元的一个实例的放大晶体管42的栅极。因此，放大晶体管42就根据浮点扩散单元38的电位(此后，称为FD电位)、通过像素线51将信号输出到作为输出信号线的一个实例的垂直信号线53。复位晶体管36使浮点扩散单元38复位。 

用作电荷转移单元的转移栅极晶体管(读出选择晶体管)34将由电荷产生单元32产生的信号电荷转移到浮点扩散单元38。多个像素连接到垂直信号线53。为了选择出像素，接通待选择的像素中的垂直选择晶体管40。这仅使选择出的像素连接到垂直信号线53，由此，选择出的像素的信号就被输出到垂直信号线53。 

因此，单元像素3通常包括光电转换器例如光电二极管(PD)和四个晶体管，四个晶体管之一是用于选择像素的垂直选择晶体管40。大多数电流CMOS传感器的单元像素3具有选择晶体管。因此，在提高分辨率方面，与CCD传感器相比，CMOS传感器就存在缺点。 

单元像素结构：3-TR型 

另一方面，提出了一种3个晶体管的像素结构(此后，还称为3TR结构)，以便在保持性能的同时能减少元件的数量。如图1B中所示，为了通过减少单 元像素3中的晶体管占用的空间来降低像素尺寸，单元像素3包括光电转换器例如光电二极管(PD)和三个晶体管(例如，参照日本专利No.2708455)。此后，将所述专利文献称为专利文献1。