[发明专利]固态成像装置、成像设备、像素驱动电压调节设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及固态成像装置、成像设备、像素驱动电压调节设备以 及像素驱动电压调节方法。具体地说，本发明涉及一种在固态成像装 置中将转移驱动电压电平设定到合适的值的方案，该固态成像装置按 多个不同的转移驱动电压电平来顺序地执行电荷转移。

背景技术

在各种领域中，使用半导体装置(具体地称为固态成像装置)， 该半导体装置通过使用对来自外部的电磁波(如光或放射线)敏感的 电荷生成器(所谓的传感器单元，如光电二极管等)来检测信号电荷， 并基于根据所检测到的信号电荷的量的电信号(像素信号)来获得图 像。

例如，在诸如摄像机或数字静态照相机的视频设备的领域中，使 用从物理量中检测光(电磁波的一个示例)的CCD(电荷耦合器件) 型或MOS(金属氧化物半导体)或CMOS(互补金属氧化物半导体) 型固态成像装置。

固态成像装置包括放大型固态成像装置，其中，使用具有放大驱 动晶体管的放大型固态成像装置(APS；有源像素传感器，也称为增 益单元)的像素来构成像素信号生成器，该像素信号生成器根据由电 荷生成器产生的信号电荷来产生像素信号。例如，许多CMOS型固态 成像装置是如此构成的。

将该放大型固态成像装置构成为使得为了将像素信号读出到外部， 对排列有多个单位像素的像素部分执行地址控制，并选择和读取来自每 个单位像素的信号。即，放大型固态成像装置是地址控制型固态成像装 置的一个示例。

在各种环境条件下使用固态成像装置，因此输入到电荷生成器的 电磁波的输入电平在很宽的范围上变化。例如，在白天进行室外摄影的 情况下，在具有极大的入射光量的情况下使用固态成像装置。在此情况 下，期望获得没有高亮度侧的被摄体的饱和的令人满意的图像。同时， 在夜晚进行室外摄影的情况下，在具有极小的入射光量的情况下使用固 态成像装置。在此情况下，期望获得具有令人满意的S/N比的图像，该 图像在低亮度侧的被摄体不会被噪声所掩盖。当在背景中存在高亮度被 摄体的条件下对相对暗的被摄体进行成像时，例如，当从室内对窗户附 近的人进行拍摄时，即，在亮被摄体与暗被摄体混在一起的具有高对比 度的摄影场景的情况下，期望获得具有从低亮度侧的人到高亮度侧的窗 户的背景颜色的宽动态范围的图像。

为了获得具有宽动态范围的图像，需要针对具有低电磁波输入电 平的像素设定长电荷累积时间，从而实现高S/N比，并且需要针对具 有高电磁波输入电平的像素避免饱和。作为满足这种需要的方案，例 如，存在在JP-A-2001-189893和JP-A-2007-151069中描述的方案。在 所有情况下，使用未达到通常的完全转移电平的电压(称为中间电压) 作为用于读出电荷生成器的信号电荷的电荷转移单元(转移栅极、转移 晶体管以及读出选择晶体管)的控制电压，并且信号电荷的读出被执行 多次。

根据这些方案，执行中间转移以利用中间电压对电荷转移单元进 行驱动，然后执行完全转移以利用通常的电压对电荷转移单元进行驱 动。当电磁波的输入水平低时，由电荷生成器在预定时段内生成的信 号电荷不会通过中间转移被丢弃到像素信号生成器，而是会与由电荷 生成器在随后的时段中进一步生成的信号电荷一起被完全转移。这样， 设定长电荷累积时间，因此实现了高S/N比。当电磁波输入水平高时， 通过中间转移将由电荷生成器在预定时段内生成的信号电荷的一部分 丢弃到像素信号生成器，以限制电荷生成器的饱和，并完全转移由电 荷生成器在随后的时段中生成的信号电荷与未通过中间转移被丢弃的 剩余信号电荷的组合分量。

尽管依赖于像素信号生成器的电路结构或驱动定时，但是可以分 开地读出中间转移的像素信号和完全转移的像素信号。另选地，当将 像素电路构成为在像素信号生成器侧设置电荷累积器时，可以在将中 间转移的信号电荷与完全转移的信号电荷相加的状态下读出像素信 号。在前一情况下，将通过中间转移获得的像素信号与通过完全转移 获得的像素信号相加，从而获得最终像素信号。

发明内容