[发明专利]像素电路、固态摄像器件和相机系统

说明书

技术领域

本发明涉及以CMOS图像传感器为代表的像素电路、固态摄像器件和相机系统。

背景技术

近年来，用于数码相机、可携式摄像机、安保相机等等的CMOS成像器已经被广泛使用并且市场也已经得到扩展。

CMOS成像器通过作为光电转换元件的光电二极管将入射在每个像素上的光转换为电子，并将电子累积固定时间段，对反映其累积的电荷量的信号进行数字化，并将数字化的信号输出到外部。

图1是示出在一个单位像素中包括四个晶体管的像素电路的例子的示意图。

一个单位的像素电路PX1具有光电二极管1、转移晶体管2、复位晶体管3、放大电路4、行选择晶体管5、累积节点6和浮动扩散(FD，浮动扩散层)7。

转移晶体管2的栅电极连接到转移线8，并且复位晶体管3的栅电极连接到复位线9。放大晶体管4的栅电极连接到FD 7，并且行选择晶体管5的栅电极连接到行选择线10。行选择晶体管5的源极连接到垂直信号线11。

恒流电路12和感测电路13连接到垂直信号线11。

在像素电路PX1中，入射在像素的硅衬底上的光生成电子和空穴对，并且其电子被光电二极管1聚集并累积在节点6中。电子最终被读取，成为送往垂直信号线11的信号。

下文中将参考图2描述电荷累积和读取的具体操作。

图2(A)至2(D)是示出图1的像素电路的时序图的示意图。

首先，像素在电荷累积之前被复位。从而，复位线9和转移线8被复位为高电平，从而使得复位晶体管3和转移晶体管2处于ON状态(导通状态)。例如，这是将3V的电源电压送到光电二极管的累积节点6的操作。

从而，累积节点6的电位上升并且累积在其中的电子被提取出来。

在最近成为主流的空穴累积二极管(HAD)中，累积节点6被形成在介于p型层之间的n型掩埋扩散层中，并且所有的电子都被释放，从而使得其处于全耗尽状态。在所有电子都已被释放的时刻节点6的电位上升也停止，并且其电平变为低于电源电压3V的预定电平。

之后，转移线8具有低电平并且转移晶体管2截止，从而使得累积节点6处于浮动状态并且新的电荷累积开始。在电荷累积期间，复位晶体管3通常截止。

一般而言，上述像素复位操作被用作CMOS图像传感器的电子快门操作。

接下来，将描述读取累积的电荷的操作。

首先，行选择线10具有高电平并且行选择晶体管5导通，从而使得像素的放大晶体管4连接到垂直信号线11。

这里，连接到放大晶体管4和恒流电路12的垂直信号线11形成了源极跟随器电路，并且作为其输入的FD 7的电位Vf和作为其输出的垂直信号线11的电位Vs1具有变化率接近于1的线性关系。

即，如果恒流电路12的电流值为i，则理想地建立了以下表达式。

[表达式1]

i＝(1/2)＊β＊(Vf-Vth-Vsl)2，其中β是常数。

这里，(Vf-Vth-Vsl)变为常数，并且Vf的变化被线性地反映在Vs1中。

即，源极跟随器电路运行为增益约为1的放大电路，并且根据作为输入节点的FD 7的信号量来驱动垂直信号线11。

这里，通过将复位线9切换到高电平并且导通复位晶体管3，电源电压3V被传送到FD 7。

另外，在复位晶体管3截止之后，由比较器、模/数转换器(ADC)等等构成的感测电路13执行垂直信号线11的电位Vs1的第一感测。这是复位信号的读取。

接下来，通过将转移线8切换到高电平并且使转移晶体管2导通，累积在累积节点6中的电子流入FD 7中。

在这种情况下，如果FD 7的电位足够深(即，高电位)，则累积在累积节点6中的所有电子被释放到FD 7，并且累积节点6处于全耗尽状态。

这里，转移晶体管2截止，并且执行垂直信号线11的电位的第二感测。这是累积信号的读取。

上述Vs1的第一感测和第二感测之差准确反映了通过光电二极管1的曝光累积在累积节点6中的电荷量。

CMOS成像器对该差进行数字化并将数字化的结果输出到外部作为像素信号值。每个像素的电子累积时间是上述复位操作和读取操作之间的时间段，准确地说是在转移晶体管2被复位随后截止之后、直到转移晶体管2在读取中截止为止的时段T1。

一般而言，在CMOS型成像器中，对于每个像素，由光电转换元件生成的累积电子经由放大电路被转换为垂直信号线11的模拟信号，并且该模拟信号被传送到感测电路13。

另外，模拟信号被ADC转换为数字信号，并且数字信号被输出到芯片外部。