Твердотельное устройство для съемки изображения

Твердотельное устройство для съемки изображения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к твердотельному устройству для съемки изображения, а более конкретно - к способу расширения его динамического диапазона.

Уровень техники

Есть много известных способов управления началом и окончанием накопления зарядов для всех пикселей по всей плоскости без использования способа механической блокировки света в устройстве усилительного типа для съемки изображения, таком как известное под названием «датчик изображения с комплементарной структурой «металл - оксид - полупроводник» («КМОП-датчик изображения»), предусматривающих применение электронного затвора.

При реализации способа, связанного с электронным затвором и описанного в японской патентной публикации №2006-246450, заряд, генерируемый в компоненте фотоэлектрического преобразования в период генерирования сигнальных зарядов, переносится в компонент накопления зарядов, а по окончании экспонирования компонент фотоэлектрического преобразования сбрасывается, чтобы удалить заряд, остающийся в компоненте фотоэлектрического преобразования, вследствие чего достигается выполнение функции электронного затвора.

Этот способ отличается тем, что функции выполняются раздельно выделенными компонентами, так что компонент фотоэлектрического преобразования осуществляет главным образом только фотоэлектрическое преобразование, а накопление заряда в течение периода экспонирования осуществляется компонентом накопления зарядов, расположенным рядом с компонентом фотоэлектрического преобразования. Отметим, что компонент накопления зарядов расположен отдельно от области плавающей диффузии (области ПД). Поскольку количество заряда при насыщении в компоненте фотоэлектрического преобразования мало, перенос заряда из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов можно осуществить с использованием низкого напряжения. Этот прибор можно легко изготовить посредством простого процесса, основанного на обычном процессе производства КМОП-структур, т.е. его производство проще, чем производство приборов с зарядовой связью (ПЗС) или других аналогичных приборов. Отметим, что в этом месте и в других местах текста изобретения предполагается, что заряды обеспечиваются электронами. Поэтому в случае, когда используются электроны, выражение «количество зарядов» следует понимать как «количество электронов».

В способе, описанном в японской патентной публикации №2006-246450, наличие компонента накопления зарядов в каждом пикселе ведет к увеличению величины заряда при насыщении. Однако увеличение величины заряда при насыщении может вызвать ограничение сигнала по диапазону посредством динамического диапазона схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования. Эта ситуация возникает из-за вышеописанной конфигурации, в которой функция фотоэлектрического преобразования и функция накопления сигнальных зарядов выполняются отдельно, и каждая из этих функций оптимизируется индивидуально.

Ввиду вышеизложенного, в настоящем изобретении предложен способ получения сигнала изображения посредством полного использования сигнальных зарядов, величина которых увеличивается компонентом накопления зарядов, расположенным отдельно, без ограничения посредством динамического диапазона схемы считывания, находящейся в следующем каскаде.

Раскрытие изобретения

Устройство содержит множество пикселей, а каждый пиксель включает в себя компонент фотоэлектрического преобразования, компонент накопления зарядов, выполненный с возможностью накопления сигнального заряда, переносимого первым компонентом переноса из компонента фотоэлектрического преобразования, усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала на основании сигнального заряда, переносимого вторым компонентом переноса, и компонент сброса и блок управления, выполненный с возможностью подачи импульсов возбуждения, при этом, когда сигнальный заряд, генерируемый в течение одного периода, переносится в усилитель, блок управления подает импульсы таким образом, что импульс включения подается во второй компонент переноса при одновременной подаче импульса отключения в первый компонент переноса, вследствие чего происходит перенос накопленного сигнального заряда в усилитель, после чего импульс включения подается в компонент сброса, чтобы сбросить сигнальный заряд, перенесенный в усилитель, а затем импульс включения подается в первый компонент переноса и второй компонент переноса, чтобы перенести сигнальный заряд, накопленный в компоненте фотоэлектрического преобразования, в усилитель.

Дополнительные признаки данного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания возможных вариантов осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая твердотельное устройство для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.2 представлена эквивалентная схема пикселей, расположенных в области пикселей твердотельного устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.3 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.4А-4Н представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.5 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.6 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.7А-7D представлены диаграммы, иллюстрирующие распределения сигналов пикселей в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.8А-8С представлены диаграммы, иллюстрирующие идею обработки сигналов в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.9 представлен график, иллюстрирующий отношение «сигнал - шум» в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.10 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.11А-11G представлены диаграммы, иллюстрирующие профили потенциала в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.12 представлена принципиальная схема твердотельного устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.13 представлена принципиальная схема устройства для съемки изображения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.14А-14Н представлены графики, на каждом из которых показана зависимость между выходным сигналом и яркостью.

Осуществление изобретения

Ниже, со ссылками на сопровождающие чертежи, описаны варианты осуществления настоящего изобретения

Сначала, со ссылками на фиг.1 и 2, поясняется конфигурация твердотельного устройства для съемки изображения и эквивалентной схемы пикселя, которые являются общими для всех вариантов осуществления, описываемых ниже.

На фиг.1 позиция 101 обозначает область пикселей, в которой расположено множество пикселей в форме матрицы. Позиция 102 обозначает блок вертикальной развертки, выполненный с возможностью развертки пикселей в блоках одной или более строк пикселей. Блок 102 вертикальной развертки может быть скомпонован с использованием сдвигового регистра или дешифратора.

Позиция 103 обозначает схему столбцов, выполненную с возможностью обработки сигнала, развертываемого и считываемого из области 101 пикселей блоком вертикальной развертки. Схема столбцов может включать в себя, например, схему системы цветного отображения (СЦО), выполненную с возможностью снижения шума, усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала, выдаваемого из каждого пикселя, аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью преобразования аналогового сигнала, принимаемого из каждого пикселя, в цифровую форму, и т.д.

Позиция 104 обозначает блок горизонтальной развертки, выполненный с возможностью последовательной развертки пикселей в блоках одного или более столбцов пикселей для считывания сигнала, обработанного схемой столбцов. Как и блок вертикальной развертки, блок горизонтальной развертки может быть скомпонован с использованием сдвигового регистра или дешифратора.

Позиция 105 обозначает блок обработки сигнала, выполненный с возможностью осуществления конкретной обработки сигнала, выдаваемого из твердотельного устройства для съемки изображения.

Между составляющими компонентами, описанными выше, имеются взаимосвязи, посредством которых происходит передача оптического сигнала, сигнала возбуждения и других сигналов, хотя эти взаимосвязи и не показаны на фиг.1.

На фиг.2 изображена эквивалентная схема пикселей, расположенных в области пикселей. Хотя на фиг.2 показаны - для простоты - только 9 пикселей, расположенных в форме массива размером 3×3, заключенного в области 101 пикселей, количество пикселей не ограничивается этим примером. Позиция 2 обозначает фотодиод (ФД), функционирующий как компонент фотоэлектрического преобразования. Анод фотодиода подключен к фиксированному уровню напряжения (например, уровню «земли»). Катод фотодиода подключен к одному концу компонента 3 накопления зарядов через первый транзистор 8 переноса, функционирующий как первый компонент переноса. Другой конец компонента 3 накопления зарядов подключен к фиксированному уровню напряжения (например, уровню «земли»). Вышеупомянутый один конец компонента 3 накопления зарядов также подключен к обозначенной позицией 4 области плавающей диффузии (ПД) через второй транзистор 9 переноса, функционирующий как второй компонент переноса. Область 4 ПД подключена к электроду затвора усилительного транзистора 12, функционирующего как компонент усилителя. Затвор усилительного транзистора 12 функционирует как входной каскад усилителя. Затвор усилительного транзистора 12 также подключен к шине питания пикселей через транзистор 10 сброса, функционирующий как компонент сброса. В качестве каждого транзистора переноса можно использовать транзистор со структурой «металл - оксид - полупроводник» (МОП-транзистор).

Транзистор 11 выбора, функционирующий как компонент выбора, подключен таким образом, что электрод стока, функционирующий как один основной электрод, подключен к шине питания пикселей, а электрод истока, функционирующий как другой основной электрод, подключен к стоку, функционирующему как один основной электрод усилительного транзистора 12. Если вводится активный сигнал SEL, то транзистор выбора оказывается включенным, и поэтому оба основных электрода транзистора выбора электрически соединены друг с другом. В результате, усилительный транзистор 12 образует схему истокового повторителя совместно с источником постоянного тока (не показан), подключенным к шине OUT сигнала вертикальной развертки, а сигнал, соответствующий напряжению электрода затвора, служащего в качестве управляющего электрода усилительного транзистора 12, появляется на шине OUT сигнала вертикальной развертки. В соответствии с сигналом, появляющимся на шине OUT сигнала вертикальной развертки, из твердотельного устройства для съемки изображения выдается сигнал. Этот сигнал пропускается через схему обработки сигналов и другие схемные элементы, посредством чего формируется сигнал изображения.

В примере, показанном на фиг.2, каждый пиксель включает в себя компонент сброса, усилитель и компонент выбора. В альтернативном варианте множество пикселей могут совместно использовать компонент сброса, усилитель и компонент выбора. При отсутствии компонента выбора каждый пиксель можно выбирать, управляя напряжением входного каскада усилителя.

Выше описан пример конфигурации твердотельного устройства для съемки изображения, применимый в общем случае к вариантам осуществления изобретения, в котором компонент накопления зарядов расположен между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью ПД.

В конкретном варианте осуществления твердотельному устройству для съемки изображения можно придать такую конфигурацию, что в тракте заряда, проходящем между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, будет предусмотрен механизм, обеспечивающий перенос зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в состоянии, в котором в первый компонент переноса поступает низкоуровневый шум для поддержания первого компонента переноса в отключенном состоянии.

Более конкретно, например, когда первый компонент переноса реализуется с использованием МОП-транзистора, вышеописанный механизм достигается путем выполнения МОП-транзистора в форме структуры со скрытым каналом, так что когда МОП-транзистор находится в отключенном состоянии, в потенциальном барьере, образованном на некоторой глубине под поверхностью, имеется конкретная пониженная часть. В этом случае в течение периода, когда происходит накопление сигнальных зарядов, компонент переноса зарядов может не выполнять целенаправленную операцию управления, и этот компонент переноса зарядов можно поддерживать при фиксированном напряжении. То есть вместо обеспечения функции компонента переноса можно формировать фиксированный потенциальный барьер. Непосредственно перед концом накопления высоту потенциального барьера можно понизить таким образом, что будет происходить перенос сигнальных зарядов, остающихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, в компонент накопления зарядов.

При этой конфигурации, когда свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, сигнальные заряды, соответствующие падающему свету, генерируются посредством фотоэлектрического преобразования, и почти все генерируемые сигнальные заряды переносятся в компонент накопления зарядов, не накапливаясь в компоненте фотоэлектрического преобразования. Поэтому появляется возможность достичь одинакового периода накопления зарядов для всех компонентов фотоэлектрического преобразования. Когда МОП-транзистор находится в отключенном состоянии, в поверхности канала МОП-транзистора накапливаются дырки, за счет чего канал, по которому происходит перенос заряда, оказывается на некоторой конкретной глубине под поверхностью. Это обеспечивает излучение под влиянием темнового тока на поверхности раздела изолирующей пленки.

Иными словами, в течение периода, когда происходит накопление зарядов в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов в тракте заряда ниже, чем потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и другими областями в тракте заряда. Отметим, что потенциал здесь определяется относительно сигнального заряда. Например, когда предусмотрена область стока при переполнении (СпП), потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов задают меньшим, чем потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и областью СпП.

В конкретном варианте выполнения конфигурация компонента накопления зарядов может предусматривать использование прибора с зарядовой связью, так что в течение периода, когда происходит накопление сигнальных зарядов в компоненте накопления зарядов, к противоположному электроду, проходящему через изолирующую пленку, прикладывается напряжение для накопления зарядов с полярностью, противоположной полярности сигнальных зарядов на поверхности компонента накопления зарядов. Это может привести к уменьшению генерирования темнового заряда на поверхности полупроводника в области, где находится компонент накопления зарядов.

Таким образом, вышеописанная конфигурация обеспечивает дополнительное снижение темнового тока, связанного с компонентом накопления зарядов. Кроме того, в вышеописанной конфигурации для снижения темнового тока не обязательно имплантировать примесь с противоположным типом проводимости в поверхность компонента накопления зарядов, вследствие чего обеспечивается формирование компонента, ответственного за сохранение заряда на меньшей глубине под поверхностью по сравнению с конфигурацией, в которой используется фотодиод. Это позволяет увеличить емкость накопления зарядов на единицу площади. Например, эта емкость накопления зарядов может быть в несколько раз больше, чем емкость накопления зарядов согласно обычной конфигурации, в которой фотодиод также функционирует как компонент накопления зарядов.

Операция возбуждения осуществляется таким образом, что сигнальные заряды, переносимые из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов в течение одного периода генерирования сигнальных зарядов, накапливаются в компоненте накопления зарядов и используются в качестве сигнала изображения. Иными словами, после того, как в компоненте фотоэлектрического преобразования начинается один период генерирования сигнальных зарядов, сигнал считывается из пикселя вовне без сброса компонента накопления зарядов. Отметим, что один период генерирования сигнальных зарядов определяется в периоде при формировании одного кадра изображения, так что этот период является общим для всех компонентов фотоэлектрического преобразования пикселей.

Конкретные варианты осуществления описаны ниже в контексте конфигурации и способа возбуждения в соответствии с данным изобретением. В этих конкретных вариантах осуществления, описываемых ниже, предполагается, что каждый пиксель имеет такую конфигурацию, что первый компонент переноса выполнен с использованием МОП-транзистора со скрытым каналом, а компонент накопления зарядов реализован посредством прибора с зарядовой связью. Первый и второй модули переноса реализованы с использованием транзисторов.

На фиг.3 представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы возбуждения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, а фиг.4А-4Н иллюстрируют профили потенциала в различных состояниях. В данном варианте осуществления сигнальные заряды, генерируемые во время одного периода генерирования сигнальных зарядов, переносятся в усилитель следующим образом. Сначала импульс включения подается только во второй компонент переноса, чтобы осуществить перенос сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в усилитель. После этого импульс отключения подается в компонент сброса, чтобы сбросить сигнальные заряды, перенесенные в усилитель. Затем импульс включения подается в первый и второй модули переноса, чтобы осуществить перенос сигнальных зарядов, накопленных в компоненте фотоэлектрического преобразования, в усилитель. Отметим, что импульсы возбуждения подаются в соответствующие элементы из блока 102 вертикальной развертки таким образом, что операция, описанная выше, осуществляется надлежащим образом. Так, блок 102 вертикальной развертки и синхрогенератор, который управляет блоком 102 вертикальной развертки, также можно назвать блоком управления, который подает импульсы синхронизации.

На фиг.3 символ PTX1 обозначает импульс возбуждения, подаваемый в первый компонент переноса, символ PTX2 обозначает импульс возбуждения, подаваемый во второй компонент переноса, символ PRES обозначает импульс возбуждения, подаваемый в транзистор сброса, а символ PSEL обозначает импульс возбуждения, подаваемый в транзистор выбора. Каждое число в скобках указывает номер строки пикселей. В данном варианте осуществления устройство для съемки изображения имеет механический затвор, который работает таким образом, что когда этот механический затвор находится в открытом состоянии, на компонент фотоэлектрического преобразования падает свет, а когда этот механический затвор находится в закрытом состоянии, на компонент фотоэлектрического преобразования не падает свет. То есть механический затвор управляет условием экспонирования компонента фотоэлектрического преобразования, тем самым определяя период генерирования сигнальных зарядов. Сплошные полосы на фиг.3 указывают периоды, когда механический затвор находится в закрытом состоянии, а открытая полоса указывает период, когда механический затвор находится в открытом состоянии.

Символ PTS обозначает стробирующий импульс для захвата сигнала в компонент накопления фотосигнала в схеме столбцов. Символ PTN обозначает стробирующий импульс для захвата сигнала в компонент накопления сигнала шума в схеме столбцов. Сигнал шума включает в себя случайный шум и смещение транзистора сброса пикселя и усилительного транзистора. В случае, когда схема столбцов включает в себя усилитель, сигнал шума включает в себя смещение усилителя столбцов.

Отметим, что импульс высокого уровня используется в качестве импульса включения, предназначенного для включения каждого транзистора, или в качестве стробирующего импульса.

В данном варианте осуществления после переноса сигнальных зарядов, накопленных в компоненте накопления зарядов, в усилитель сигнальные заряды, перенесенные в усилитель, сбрасываются. После этого заряды, накопленные в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД посредством компонента накопления зарядов.

Сначала, в момент Т1, импульс высокого уровня подается в транзистор сброса, а также первый и второй транзисторы переноса, что приводит к их включению, а значит - и к сбросу заряда в компоненте фотоэлектрического преобразования, компоненте накопления зарядов и области ПД. В ходе этого процесса механический затвор поддерживается в закрытом состоянии.

В момент Т2 механический затвор открывается, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в соответствующие транзисторы переноса, так что эти транзисторы переноса отключаются.

В момент Т3 механический затвор закрывается.

В момент Т4 импульс низкого уровня подается в качестве PRES в пиксели в первой строке, а импульс высокого уровня подается в качестве PSEL. Хотя в данном примере импульс PRES низкого уровня и импульс PSEL высокого уровня подаются одновременно, их можно подавать в разные моменты времени. Отметим, что для подавления kTC-шума в компоненте сброса необходимо подавать импульс низкого уровня в качестве PRES, по меньшей мере, на протяжении периода, в течение которого импульс высокого уровня подается в качестве PTN для стробирования сигнала шума.

В момент Т5 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.

В момент Т6а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей. В результате, только заряд в компоненте накопления зарядов и заряд, который может переходить через потенциальный барьер между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, переносятся в усилитель (первый этап).

В момент T6b импульс низкого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, чтобы отключить второй транзистор переноса.

В момент Т7 импульс высокого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме столбцов на основании сигнальных зарядов, считываемых на первом этапе.

В момент Т8 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей. В результате, заряд, переносимый в усилитель на первом этапе, сбрасывается.

В момент Т9, чтобы снова провести считывание в той же строке, импульс низкого уровня подается в качестве PRES, а импульс высокого уровня подается в качестве PSEL в первую строку пикселей.

В момент Т10 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTN, так что сигнал шума в пикселе в первой строке сохраняется в схеме столбцов.

В момент Т11а импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и второй транзистор переноса в первой строке пикселей, что приводит к включению этих транзисторов (второй этап). В результате, сигнальные заряды, накапливаемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД через посредство компонента накопления зарядов.

В момент T11b импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса в первой строке пикселей, что приводит к отключению второго транзистора переноса.

В момент Т12 импульс высокого уровня подается в качестве PTN. По истечении заранее определенного периода времени импульс низкого уровня подается в качестве PTS для сохранения сигнала в схеме столбцов на основании сигнальных зарядов, переносимых на втором этапе.

В момент Т13 импульс низкого уровня подается в качестве PSEL, а импульс высокого уровня подается в качестве PRES в первую строку пикселей.

После этого сигналы, полученные на первом и втором этапах, описанных выше, суммируются друг с другом посредством блока 105 обработки сигналов. Это дает возможность использовать почти все заряды, генерируемые посредством фотоэлектрического преобразования с помощью компонента фотоэлектрического преобразования для формирования сигнала изображения безотносительно динамического диапазона схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.

Повторяя процесс с момента Т4 до момента Т13 для соответствующих строк пикселей, можно осуществить считывание одного кадра сигнала.

В данном варианте осуществления первый этап и второй этап проводятся для каждой строки. В альтернативном варианте можно сначала выполнить первый этап для всех строк, а после завершения первого этапа для всех строк можно провести второй этап. То есть после того, как перенос заряда из компонента накопления зарядов в область ПД завершен по всей области пикселей, процесс может возвратиться к первой строке, и можно осуществить считывание из компонента фотоэлектрического преобразования в области ПД, начиная с первой строки.

Фиг.4А-4Н иллюстрируют профили потенциала в разные моменты времени, описанные выше со ссылками на фиг.3. Сплошные полосы, показанные вверху этих чертежей, указывают, что компонент фотоэлектрического преобразования или другие модули защищены механическим затвором от экспонирования светом.

Фиг.4А иллюстрирует профиль потенциала в состоянии, в котором заряды в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов сброшены перед накоплением сигнальных зарядов в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов. Отметим, что заряд, перенесенный в область ПД, удаляется посредством транзистора сброса, хотя это и не показано на фиг.4А. В этом состоянии механический затвор находится в закрытом состоянии, и поэтому свет не падает на компонент фотоэлектрического состояния.

Фиг.4В-4D иллюстрируют профили потенциалов в период генерирования сигнальных зарядов, когда механический затвор открыт, так что свет падает на компонент фотоэлектрического преобразования, и за счет фотоэлектрического преобразования происходит генерирование сигнальных зарядов.

Более конкретно, фиг.4В иллюстрирует профиль потенциала в состоянии непосредственно после открывания механического затвора. В этом состоянии заряд в компоненте фотоэлектрического преобразования еще не генерируется.

Фиг.4С иллюстрирует состояние, в котором падает малое количество света, а сигнальные заряды сохраняются в компоненте фотоэлектрического преобразования, не перетекая через потенциальный барьер, который образован между компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов, при этом высота потенциального барьера определяется пиковым значением импульса, подаваемого в первый транзистор переноса. Отметим, что в этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, так что потенциальный барьер имеет относительно малую высоту, что обеспечивает немедленное перемещение заряда, генерируемого в компоненте фотоэлектрического преобразования, в компонент накопления зарядов. Такого состояния можно достичь, воплощая первый транзистор переноса, например, посредством МОП-транзистора со скрытым каналом.

Фиг.4D иллюстрирует состояние, в котором сигнальные заряды, генерируемые в компоненте фотоэлектрического преобразования, текут в компонент накопления зарядов, переходя через потенциальный барьер, образованный первым транзистором переноса, и поэтому сигнальные заряды также накапливаются в компоненте накопления зарядов. Для простоты предположим здесь, что количество зарядов, существующих в компоненте фотоэлектрического преобразования в области ниже ломаной линии на фиг.4D, - это Q1=10000, количество зарядов, существующих в области ниже ломаной линии в компоненте накопления зарядов, - это Q2=60000, а количество зарядов, существующих выше ломаной линии, - это Q3=40000. Ломаная линия указывает высоту потенциального барьера в состоянии, в котором импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса.

Фиг.4Е иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т6а времени до момента T6b времени, показанных на фиг.3. В этом состоянии импульс низкого уровня подается в первый транзистор переноса, а импульс высокого уровня подается во второй транзистор переноса (первый этап). В ходе этого процесса на первом этапе происходит перенос зарядов Q3 и Q2.

Фиг.4F иллюстрирует профиль потенциала в период от момента Т11а времени до момента T11b времени, показанных на фиг.3. В этом состоянии импульс высокого уровня подается в первый транзистор переноса и во второй транзистор переноса (второй этап). В ходе этого процесса на втором этапе сигнальные заряды, сохраняющиеся в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД.

Если количество зарядов Q1 и Q2 становится больше, чем может сохранить область ПД, то возникает вероятность того, что все заряды не будут переноситься в область ПД в период от момента Т6а до момента T6b, как показано на фиг.4G. Как показывает штрихпунктирная линия на фиг.4G, когда все заряды не могут быть перенесены в область ПД, заряд частично остается в компоненте накопления зарядов. Даже в таком случае, как показано на фиг.4Н, возможен перенос всех остающихся зарядов вместе с зарядами в компоненте фотоэлектрического преобразования в область ПД на следующей операции переноса. Этого можно достичь, когда удовлетворяется следующее условие:

где символ QFDMAX обозначает максимальное количество зарядов, которые могут быть полностью переданы в область ПД за раз.

Если Q1 больше, чем QFDMAX, некоторые заряды остаются несчитанными, когда возбуждение пикселей заканчивается. Чтобы избежать этого, должно удовлетворяться следующее условие:

Существует вероятность, что когда заряд из количества QFDMAX считывается в области ПД, сигнал, основанный на этом заряде, не всегда правильно считывается истоковым повторителем или следящей схемой считывания. Это может произойти, если динамический диапазон схемы считывания меньше, чем динамический диапазон области ПД. В этом случае оптический сигнал частично утрачивается.

Примеры схем считывания, имеющих вышеописанное ограничение, включают в себя усилитель каждого пикселя, усилитель столбцов, находящийся в схеме столбцов, и заключительный аналоговый усилитель и аналого-цифровой преобразователь, находящиеся в каждом выходном канале.

В качестве примера приводится пояснение динамического диапазона усилителя пикселя. Здесь предполагается, что усилитель включает в себя усилительный транзистор и источник постоянного тока, имеющий конфигурацию в форме истокового повторителя.

Когда происходит перенос большого количества зарядов из компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов в область ПД, в области ПД происходит снижение потенциала. В результате снижения потенциала в области ПД, если разность между напряжением области ПД, т.е. напряжением затвора усилительного транзистора и напряжением истока усилительного транзистора, становится меньше, чем пороговое напряжение (Vth) усилительного транзистора, усилитель не функционирует как истоковый повторитель, и поэтому считывание сигнала становится невозможным. Даже когда количество зарядов, считываемых усилителем, меньше, чем динамический диапазон схемы истокового повторителя, если усилитель столбцов имеет большой коэффициент усиления, то входной динамический диапазон усилителя столбцов ограничен, и это определяет насыщение схемы считывания.

Ввиду вышеизложенного, значение QFDMAX может быть задано равным значению, которое обеспечивает количество зарядов, не превышающее динамический диапазон схемы считывания, в которую происходит перенос.

В целях сравнения с данным вариантом осуществления рассмотрим, например, конфигурацию, в которой заряды переносятся одновременно из компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов в область ПД, и конфигурацию, в которой заряды сначала переносятся из компонента фотоэлектрического преобразования в компонент накопления зарядов, а затем заряды, присутствующие в компоненте фотоэлектрического преобразования и компоненте накопления зарядов, переносятся в область ПД. В этих двух конфигурациях количество зарядов при насыщении увеличивается за счет наличия компонента накопления зарядов, что приводит к увеличению вероятности того, что количество зарядов превысит динамический диапазон области ПД или следящей схемы считывания. То есть, хотя количество зарядов при насыщении увеличивается за счет наличия компонента накопления зарядов, большее количество зарядов не обязательно используются эффективно. В отличие от этого, в данном варианте осуществления после переноса зарядов, находящихся в компоненте накопления зарядов, в область ПД, заряды, находящихся в компоненте фотоэлектрического преобразования, переносятся в область ПД через компонент накопления зарядов, и поэтому можно полностью использовать заряды, количество которых увеличилось посредством компонента накопления зарядов.

В данном варианте осуществления динамический диапазон расширяется за счет наличия компонента накопления зарядов, а считывание возможно без ограничения динамическим диапазоном схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования и компонентом накопления зарядов.

Данный вариант осуществления весьма полезен, в частности, когда весь динамический диапазон компонента фотоэлектрического преобразования и компонента накопления зарядов больше, чем динамический диапазон схемы считывания, находящейся в каскаде, следующем за компонентом фотоэлектрического преобразования.

Фиг.5 иллюстрирует импульсы возбуждения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. В этом втором варианте осуществления, как можно наблюдать с момента Т14 по момент Т18, перенос из компонента накопления зарядов в область ПД вторым транзистором осуществляется большее число раз, чем в предыдущем варианте осуществления. При дополнительном переносе импульс включения подается множество раз только во второй транзистор включения. В конкретном примере, показанном на фиг.5, дополнительный импульс включения подается с момента Т16а по момент 16b.

Когда условие (1), описанное в первом варианте осуществления, не удовлетворяется, некоторое количество зарядов остается в компоненте накопления зарядов по окончании проц