Полупроводниковое устройство формирования изображения, устройство формирования изображения и способ управления полупроводниковым устройством формирования изображения

Полупроводниковое устройство формирования изображения, устройство формирования изображения и способ управления полупроводниковым устройством формирования изображения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому устройству формирования изображения, устройству формирования изображения и способу управления полупроводниковым устройством формирования изображения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к технологии управления пикселем, пригодной для полупроводниковых устройств, таких как полупроводниковые устройства формирования изображения, для детектирования распределения физической величины, и другого электронного оборудования, которое включает в себя размещение множества единичных пикселей, чувствительных к подаваемым извне электромагнитным волнам, таким как свет и излучение, и из которых распределение физической величины, преобразованное в электрический сигнал компонентами модуля, может быть считано в форме электрического сигнала, используя произвольный выбор посредством управления выборкой по адресу.

Уровень техники

Полупроводниковые устройства, предназначенные для детектирования распределения физической величины, нашли широкое применение в различных областях. Такие устройства имеют множество единичных компонентов (например, пикселей), чувствительных к подаваемым извне электромагнитным волнам, таким как свет и излучение, расположенных линейно или в форме матрицы.

В области видеооборудования, например, используются полупроводниковые устройства формирования изображения типа ПЗС (прибор с зарядовой связью) или МОП (металло-оксидный полупроводник) и КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник). Эти устройства разработаны для детектирования света (например, электромагнитных волн) помимо других физических величин. Такие устройства позволяют считывать из них распределение физической величины, преобразованное в электрический сигнал единичными компонентами (пикселями в полупроводниковом устройстве формирования изображения), в форме электрического сигнала.

Некоторые полупроводниковые устройства формирования изображения представляют собой усилительные устройства. Эти устройства включают в себя, в блоке генерирования сигнала пикселя, пиксели, выполненные как полупроводниковые элементы формирования изображения (APS: датчики с активными пикселями, также называемые усиливающими ячейками), каждый из которых имеет усилительный управляющий транзистор. Блок генерирования сигнала пикселя генерирует сигнал пикселя, пропорциональный заряду сигнала, генерируемого блоком генерирования заряда. Например, многие из полупроводниковых устройств формирования изображения типа КНОП выполнены таким образом.

Для считывания сигнала пикселя с выводом его наружу из такого усилительного полупроводникового устройства формирования изображения, блоком пикселя, имеющим компоновку из множества единичных пикселей, управляют по адресу таким образом, что сигнал из модульного пикселя может быть произвольно выбран и считан. Таким образом, усилительное полупроводниковое устройство формирования изображения представляет собой пример полупроводникового устройства формирования изображения, управляемого по адресу.

Единичный пиксель включает в себя блок генерирования заряда и блок вывода сигнала. Блок генерирования заряда генерирует сигнальный заряд. Блок вывода сигнала имеет транзистор, выполненный с возможностью генерирования и вывода целевого сигнала, пропорционального сигнальному заряду, генерируемому блоком генерирования заряда. Например, блок генерирования заряда имеет фотодиод, который выполняет фотоэлектрическое преобразование. Блок вывода сигнала имеет транзистор выбора считывания, усилительный транзистор, транзистор сброса и транзистор выбора. Транзистор выбора считывания считывает сигнальный заряд, генерируемый фотодиодом. Усилительный транзистор преобразует считанный сигнальный заряд в сигнал пикселя. Транзистор сброса выполняет сброс сигнального заряда. Транзистор выбора выбирает пиксель для считывания.

Здесь полупроводниковое устройство формирования изображения типа МОП имеет проблему темнового тока, связанную с явлением утечки, в соответствии с которым происходит утечка сигнального заряда, генерируемого модулем генерирования заряда, на сторону выхода сигнала. Если сигнальный заряд накапливать, в частности, в течение длительного времени, измеряемого часами, компонент темнового тока увеличивается с накоплением, так что на него приходится большая доля сигнального заряда. Компонент темнового тока невозможно отделить от сигнального заряда во время считывания. Его вариации приводят к шумам, которые значительно ухудшают качество изображения. Например, колебания компонента темнового тока от одного пикселя к другому приводят к шумам с фиксированной структурой, которые вызывают появление белых точек на изображении. В результате, изображение выглядит, как если бы оно было снято через матовое стекло. Кроме того, вариации компонента темнового тока с течением времени приводят к возникновению случайных шумов. Поэтому в случае полупроводниковых устройств формирования изображения типа МОП существует повод для беспокойства, связанный с необходимостью уменьшения компонента темнового тока.

В качестве меры противодействия этому, например, в повторно опубликованной заявке на патент № WO 2003/085964 предложена компоновка для уменьшения темнового тока. В этой компоновке переводят напряжение, приложенное к затвору (ниже называется передаточным затвором) транзистора выбора считывания до потенциала земли или меньше, то есть прикладывают отрицательное напряжение к затвору транзистора так, что происходит накопление дырок в канале передаточного затвора, что способствует уменьшению темнового тока.

Однако, если отрицательное напряжение использовать, как описано выше, чрезмерное уменьшение отрицательного напряжение на затворе транзистора, то есть отрицательное увеличение напряжения на затворе транзистора, приводит к дополнительной нагрузке на пиксель и к оксидной пленке на затворе в его цепи управления. Кроме того, ухудшаются характеристики транзистора, например, из-за тепловых носителей, которые существенно влияют на надежность (срок службы продукта). С другой стороны, увеличение отрицательного напряжения (отрицательное уменьшение напряжение) с учетом повышения надежности приводит к недостаточному предотвращению утечки, усилению шумов, связанных с темновым током в случае длительного, исчисляемого часами, времени накопления. Таким образом, в настоящее время, невозможно в достаточной степени одновременно удовлетворить требования к надежности и уменьшению явления утечки. Поэтому трудно оптимизировать отрицательное напряжение на постоянном уровне.

Возможные решения по использованию постоянного уровня отрицательного напряжения могли бы состоять в увеличении толщины оксидной пленки на затворе транзисторов, к которым прикладывают отрицательное напряжение для улучшения надежности (долговечности). Однако это приводит к увеличенному количеству этапов производства, в результате чего увеличиваются затраты.

Настоящее изобретение было выполнено с учетом описанных выше задач, и цель настоящего изобретения состоит в уменьшении темнового тока, вызванного утечкой, при одновременном обеспечении надежности элемента, используя простую компоновку.

Сущность изобретения

В варианте осуществления настоящего изобретения при запуске единичного пикселя из сторон нижнего и высокого уровня сигналов управления, выполненных с возможностью импульсного запуска каждого из транзисторов модуля выведения сигнала, регулирует уровень напряжения подлежащей регулированию стороны, который пропорционален сигнальному заряду или полярности транзистора так, что чем больше время накопления сигнального заряда, тем выше уровень напряжения. Если не накоплен никакой сигнальный заряд, время накопления равно нулю. Поэтому уровень напряжения на подлежащей регулированию стороне регулируют до низкого напряжения.

Что касается темнового тока, вызванного явлением утечки, при котором происходит утечка сигнального заряда, генерируемого модулем генерирования заряда, на сторону вывода сигнала, то, чем больше время накопления заряда, тем больше темновой ток. В результате также возникает проблема шумов. С другой стороны, такой темновой ток, вызванный явлением утечки, уменьшается при увеличении уровня напряжения на подлежащей регулированию стороне.

В варианте осуществления настоящего изобретения, поэтому, уровень напряжения на подлежащей регулированию стороне регулируют так, что чем больше время накопления сигнального заряда, тем выше уровень напряжения. На подлежащей регулированию стороне устанавливают высокий уровень напряжения только при длительном времени накопления заряда, что имеет место, когда темновой ток, вызванный явлением утечки, становится проблемой. На подлежащей регулированию стороне устанавливают низкий уровень напряжения, когда время накопления заряда небольшое или когда не снимают изображение, и в этом случае темновой ток, связанный с явлением утечки, не становится проблемой.

Поскольку на подлежащей регулированию стороне устанавливают уровень высокого напряжения только при длительном времени накопления заряда, что имеет место, когда темновой ток, связанный с явлением утечки, становится проблемой, становится возможным подавлять нагрузку на пиксели и на оксидную пленку затвора их цепей управления и снижать ухудшение характеристик транзистора, даже если подавляется темновой ток.

Полупроводниковое устройство формирования изображения, в котором применяется описанная выше компоновка, может быть выполнено в форме одной микросхемы или модуля, имеющего блок матрицы пикселей (блок формирования изображения) и блок обработки сигналов или оптическую систему, упакованные вместе. Кроме того, описанная выше компоновка также применима не только для полупроводникового устройства формирования изображения, но также и для устройства формирования изображения. В этом случае устройство формирования изображения обеспечивает те же предпочтительные результаты, что и полупроводниковое устройство формирования изображения. Под устройством формирования изображения понимается, например, камера (или система камеры) или портативное устройство, имеющее функцию формирования изображения. С другой стороны, термин "формирование изображения" включает в себя не только съемку изображения во время нормального фотографирования с помощью камеры, но также, в более широком смысле, детектирование отпечатков пальцев и т.п.

В варианте осуществления настоящего изобретения уровень напряжения на подлежащей регулированию стороне регулируют так, что чем дольше время накопления сигнального заряда, тем выше уровень напряжения. Это позволяет оптимально устанавливать уровень напряжения на подлежащей регулированию стороне таким образом, чтобы подавлять темновой ток, связанный с явлением утечки, при одновременном удовлетворении требования надежности элемента. Становится возможным достичь совместимости между подавлением темнового тока и обеспечением надежности элемента. При этом требуется простая компоновка, выполненная с возможностью регулирования уровня напряжения сигнала управления в соответствии с временем накопления заряда. Такая компоновка может быть воплощена без увеличения толщины оксидной пленки затвора или иного отрицательного влияния на этапы изготовления транзистора, устраняя, таким образом, потребность в увеличении количества производственных этапов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема основной конфигурации полупроводникового устройства формирования изображения.

На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая полупроводниковое устройство формирования изображения в соответствии с первым вариантом осуществления с фокусом на интерфейс между модулем вертикальной развертки и модулем матрицы пикселей.

На фиг.2А показана схема, описывающая пример цепи участка интерфейса между модулем установки вертикального адреса и модулем вертикального управления вертикальной разверткой.

На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая пример конфигурации отрицательного источника питания.

На фиг.4 показаны схемы, описывающие примеры регулирования отрицательного выходного напряжения Vout (пропорционального цифровому отрицательному напряжению DVSSw), выводимого из отрицательного источника питания.

На фиг.5 показана схема, иллюстрирующая конфигурацию цепи в соответствии с первым примером, выполненным с возможностью обеспечения возможности регулирования отрицательного напряжения.

На фиг.5А показана схема, иллюстрирующая конфигурацию цепи в соответствии со вторым примером, выполненным с возможностью обеспечения возможности регулирования отрицательного напряжения.

На фиг.5В показана схема, иллюстрирующая конфигурацию цепи в соответствии с третьим примером, выполненным с возможностью обеспечения возможности регулирования отрицательного напряжения.

На фиг.6 показана временная диаграмма, иллюстрирующая пример синхронизации операций импульсов управления, выполненных с возможностью управления единичным пикселем.

На фиг.7 показана схема, иллюстрирующая полупроводниковое устройство формирования изображения в соответствии со вторым вариантом осуществления, с фокусом на интерфейс между модулем вертикальной развертки и модулем матрицы пикселей.

На фиг.8 показана схема, иллюстрирующая полупроводниковое устройство формирования изображения в соответствии с третьим вариантом осуществления, с фокусом на интерфейс между модулем вертикальной развертки и модулем матрицы пикселей.

На фиг.9 показана схема, иллюстрирующая полупроводниковое устройство формирования изображения в соответствии с четвертым вариантом осуществления, с фокусом на интерфейс между модулем вертикальной развертки и модулем матрицы пикселей.

На фиг.10 показаны схемы, описывающие примеры регулирования отрицательного выходного напряжения Vout (пропорционального цифровому отрицательному напряжению DVSSw), выводимому из отрицательного источника питания в соответствии с четвертым вариантом осуществления.

На фиг.11 показана схема конфигурации устройства формирования изображения (пятый вариант осуществления).

Подробное описание изобретения

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи. В случае когда требуется сделать различие между функциональными элементами в разных вариантах осуществления, такие элементы будут обозначены номерами ссылочных позиций, такими как заглавные буквы А, В, С и так далее. В случае когда не требуется представить какое-либо определенное различие между ними для описания, такие номера ссылочной позиции будут опущены. То же относится к чертежам.

Следует отметить, что ниже будет описан случай, в котором полупроводниковое устройство формирования изображения типа КНОП, как пример полупроводникового устройства формирования изображения с адресом X-Y, используется в качестве устройства. Кроме того, если только не будет указано другое, следующее описание приведено на основе предположения, что все единичные пиксели полупроводникового устройства формирования изображения типа КНОП включают в себя транзисторы n-МОП (n-канальный МОП) и что сигнальные заряды являются отрицательными (электроны). Однако это представляет собой просто пример, и целевые устройства не ограничиваются полупроводниковыми устройствами формирования изображения типа МОП. Модули пикселя могут включать в себя транзисторы p-МОП (p-канальные МОП). Сигнальные заряды могут быть положительными (дырки). Все варианты осуществления, описанные ниже, в равной степени применимы для всех полупроводниковых устройств, предназначенных для детектирования распределения физической величины и другого электронного оборудования, которое включает в себя линейную или матричную компоновку множества модулей пикселей, чувствительных к подаваемым извне электромагнитным волнам, таким как свет и излучение, и из которых может быть считано распределение физической величины, преобразованной в электрический сигнал модульными компонентами, в форме электрического сигнала с произвольным выбором, с использованием управления адресом.

Полупроводниковое устройство формирования изображения: основная конфигурация

На фиг.1 показана схема основной конфигурации полупроводникового устройства формирования изображения типа КНОП (датчик изображения КНОП), которое представляет собой вариант осуществления полупроводникового устройства формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения имеет блок 10 матрицы пикселей, который включает в себя множество единичных пикселей 3, расположенных двумерно в форме матрицы. Устройство 1 может содержать блок 10 матрицы пикселей, выполненный с возможностью формирования цветного изображения, используя, например, фильтр разделения цветов, имеющий цветные фильтры R, G и В, расположенные в виде шаблона Байера.

Хотя на фиг.1 некоторые строки и столбцы исключены для упрощения, от нескольких десятков до тысяч единичных пикселей 3 на практике предусмотрены в каждой из строк и столбцов. Как описано ниже, каждый из модульных пикселей 3 имеет, например, в дополнение к фотодиоду, используемому в качестве элемента приема света (блок генерирования заряда), который представляет собой пример блока детектирования, встроенный в пиксель усилитель, который включает в себя от трех до четырех транзисторов, с целью передачи, сброса и усиления заряда. Единичные пиксели 3 выводят напряжение Vx сигнала пикселя через вертикальную линию 19 сигнала по столбцам. Напряжение Vx сигнала пикселя содержит уровень Srst сброса (компонент Р-фазы) и уровень Ssig сигнала (компонент D-фазы).

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения дополнительно имеет блок 26 аналого-цифрового преобразования в столбце. Блок 26 имеет блок 250 АЦ преобразования, расположенный параллельно столбцам. Блоки 250 АЦ преобразования выполняют обработку CDS (коррелированнную двойную выборку) и цифровое преобразование. Термин "параллельный столбцам" относится к тому факту, что множество функциональных блоков обработки CDS, блоков функции цифрового преобразования (блоков АЦ преобразования) и других блоков предусмотрено параллельно каждой из вертикальных линий 19 сигнала (пример линий сигнала столбца) в вертикальных столбцах. Такая схема считывания называется схемой считывания по столбцам.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения также дополнительно включает в себя блок 7 управления запуском, блок 24 управления током считывания, блок 27 генерирования опорного сигнала и выходной блок 28. Блок 24 управления током считывания подает рабочий ток (ток считывания) для считывания сигналов пикселей в единичные пиксели 3. Блок 27 генерирования опорного сигнала подает опорный сигнал SLP_ADC для АЦ преобразования в блок 26 АЦ преобразования в столбце.

Блок 7 управления приводом включает в себя блок 12 горизонтальной развертки (схему сканирования по столбцам), блок 14 вертикальной развертки (схему сканирования по строкам) и блок 20 управления передачей данных/синхронизацией, который обеспечивает функции схемы управления для последовательного считывания сигналов из блока 10 матрицы пикселей.

Блок 12 горизонтального сканирования имеет модуль 12а установки горизонтального адреса, модуль 12b управления горизонтальной разверткой и другие блоки. Модуль 12а установки горизонтального адреса управляет адресами в столбцах и сканированием по столбцам. Блок 14 вертикальной развертки имеет модуль 14а установки вертикального адреса, модуль 14b управления вертикальной разверткой и другие блоки. Модуль 14а установки вертикального адреса управляет адресами в строке и сканированием по строкам. Модули 12 и 14 горизонтальной и вертикальной развертки начинают свой выбор строк и столбцов (развертку) в ответ на сигналы CN1 и CN2 управления, подаваемые из блока 20 управления передачей данных/синхронизацией.

Блок 20 включает в себя функциональный блок генератора синхронизации (пример устройства управления адресом считывания). Этот функциональный блок передает тактовый сигнал, который является синхронным с сигналом главного генератора тактовых импульсов CLK0, подаваемым через разъем 5а в различные блоки (такие как блок 12 горизонтальной развертки, блок 14 вертикальной развертки и блок 26 АЦ преобразования в столбцах) устройства. Тот же блок 20, кроме того, включает в себя функциональный блок интерфейса передачи данных. Этот функциональный блок принимает сигнал главного генератора тактовых импульсов CLK0 из внешнего основного блока управления через разъем 5а. Тот же функциональный блок дополнительно принимает данные, предназначенные для указания, например, используемого режима работы, из внешнего основного блока управления через разъем 5b. Такой функциональный блок также выводит во внешний основной блок управления информацию, содержащую данные о полупроводниковом устройстве 1 формирования изображения.

Например, блок 20 управления передачей данных/синхронизации имеет модуль 20а преобразования тактовых импульсов и модуль 20b управления системой, и другие модули. Модуль 20а преобразования тактовых импульсов имеет функцию преобразования тактовых импульсов, выполненную с возможностью генерирования внутренней тактовых импульсов. Модуль 20b управления системой управляет не только функцией передачи данных, но также и различными блоками. Модуль 20а преобразования тактовых импульсов содержит умножитель частоты, выполненный с возможностью генерирования импульсов с более высокой частотой, чем тактовая частота главного генератора тактовых импульсов CLK0, подаваемых через разъем 5а, на основе этой тактовой частоты генерируя внутренние тактовые частоты, такие как тактовые частоты CKcnt1 и CKdac1 подсчета.

Блок 28 вывода имеет усилитель 28а считывания (S·A) и блок 28b интерфейса (блок IF). Усилитель 28а считывания детектирует сигнал (малый по амплитуде, хотя и цифровой) в горизонтальной линии 18 сигнала. Блок 28b интерфейса обрабатывает интерфейс между полупроводниковым устройством 1 формирования изображения и внешним оборудованием. Выход блока 28b интерфейса подключен к выходному разъему 5 с таким образом, что видеоданные выводят в схему на последующем этапе. Выходной блок 28 может иметь блок цифровых операций между усилителем 28а считывания и блок 28b интерфейса для выполнения различных типов цифровых операций.

Каждый из единичных пикселей 3 соединен с блоком 14 вертикальной развертки через линию 15 управления строками, выполненную с возможностью выбора строк и с одним из блоков 250 АЦ преобразования, предусмотренных по одному для каждого из вертикальных столбцов блока 26 АЦ преобразования в столбце через линию 19 вертикального сигнала. Здесь линии 15 управления строками относятся к проводам, которые обычно выходят из блока 14 вертикальной развертки и подведены к пикселям.

Различные схемы АЦ преобразования возможны для использования в блоках 250 АЦ преобразования с точки зрения размеров схемы, скорости обработки (улучшение скорости), разрешающей способности и других факторов. В качестве примера используется схема АЦ преобразования, работающая на основе сравнения с опорным сигналом, интегрирования наклона или сравнения с пилообразным сигналом. При АЦ преобразовании на основе сравнения с опорным сигналом, эффективный период для операции подсчета определяют на основе времени от начала (начала сравнения) до конца (конца сравнения) преобразования. Аналоговый целевой сигнал преобразуют в цифровые данные на основе сигнала EN включения подсчета, который указывает эффективный период.

Поэтому блок 27 генерирования опорного сигнала имеет блок 270 АЦ преобразования (ЦАП: цифро-аналоговый преобразователь), который генерирует опорный сигнал SLP_ADC с наклоном (скоростью изменения), обозначенным данными CN4 управления из блока 20 управления передачей данных/синхронизации. Блок 270 генерирует опорный сигнал из исходного значения, указанного данными CN4 управления, из блока 20 управления передачей данных/синхронизации, синхронно с тактовой частотой подсчета CKdac1. Тактовая частота подсчета CKdac1 может быть той же, что и тактовая частота подсчета CKcnt1 для блока 254 счетчика.

Каждый из блоков 250 АЦ преобразования включает в себя блок 252 сравнения (СОМР) и блок 254 счетчика, который может переключаться между режимами прямого подсчета и обратного подсчета. В этом примере каждый из блоков 250 дополнительно включает в себя блок 258 переключателя и блок 256 сохранения данных в последующем каскаде блока 254 счетчика. Блок 252 сравнения сравнивает опорный сигнал SLP_ADC, генерируемый блоком 27 генерирования опорного сигнала, с напряжением Vx сигнала аналогового пикселя, полученным из модульных пикселей 3 в выбранных столбцах через вертикальную линию 19 сигнала (H1, Н2, …, Hh). Блок 254 счетчика подсчитывает активную длительность сигнала EN включения подсчета с тактовой частотой подсчета CKcnt1, и содержит результат подсчета. Сигнал EN включения подсчета имеет постоянное соотношение с выходным сигналом Со сравнения блока 252 сравнения.

Блок 20 управления передачей данных/синхронизацией подает сигнал CN5 управления в блок 254 счетчика каждого из блоков 250 АЦ преобразования. Сигнал управления задает информацию управления. Такая информация управления включает в себя информацию о том, работает ли блок 254 счетчика в режиме прямого или обратного подсчета для подсчета Р- и D-фаз. Такая информация управления также включает в себя информацию об установке и переустановке исходного значения Dini для подсчета Р-фаз и другую информацию.

На входной вывод (+), один из двух выводов каждого из блоков 252 сравнения, подают опорный сигнал SLP_ADC, генерируемый блоком 27 генерирования опорного сигнала, как и на другие входные выводы (+). Входной вывод (-), другой из двух его выводов, подключен к ассоциированной линии из вертикальных линий 19 сигнала, расположенных в вертикальных столбцах, на которые подают напряжение Vx сигнала пикселя из блока 10 матрицы пикселей.

На вывод СК тактовой частоты блока 254 счетчика, вместе с другими выводами СК тактовой частоты, подают тактовую частоту CKcnt1 подсчета из блока 20 управления передачей данных/синхронизацией. Если блок 256 сохранения данных не предусмотрен, в блок 254 счетчика, как и в другие блоки 254 счетчика, подают импульсы управления из блока 12 горизонтальной развертки через линию 12с управления. Каждый из блоков 254 счетчика имеет функцию фиксации для удержания результатов подсчета и удержания выходного значения подсчета до тех пор, пока не поступит команда в виде импульса управления, подаваемого через линию 12с управления.

В настоящем варианте осуществления обработка CDS заканчивается блоками 250 АЦ преобразования. Однако данные Р-фазы на уровне Srst сброса и данные D-фазы на уровне Ssig сигнала могут быть переданы отдельно в выходной блок 28 так, что обработка CDS выполняется блоками цифровых операций, предусмотренными в последующем каскаде блоков 250 АЦ преобразования. Настоящий заявитель предложил различные схемы АЦ преобразования на основе сравнения с опорным сигналом, выполненные с возможностью выполнения АЦ преобразования и обработки CDS, используя блоки 250 АЦ преобразования, и эти схемы могут, в принципе, использоваться во всех вариантах осуществления.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления выполнено в форме устройства в одной микросхеме (предусмотрено на одной полупроводниковой подложке), в которой соответствующие компоненты блока 7 управления запуском, такие как блоки 12 и 14 горизонтальной и вертикальной развертки сформированы интегрально с блоком 10 матрицы пикселей на одном кремниевом кристалле или в другой полупроводниковой области, используя ту же технологию, что и технология производства полупроводниковых интегральных микросхем.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения может быть выполнено в форме одной микросхемы и при этом его компоненты сформированы интегрально в полупроводниковой области, как описано выше. В качестве альтернативы, однако, устройство 1 может быть выполнено в форме модуля, выполненного с возможностью формирования изображения, имеющего в дополнение к блоку 10 матрицы пикселей, блоку 7 управления запуском, блоку 26 АЦ преобразования столбца и другим блокам обработки сигналов, оптическую систему, такую как объектив формирования изображения, оптический фильтр низкой частоты или фильтр обрезки инфракрасного излучения, упакованные вместе, хотя иллюстрация этого здесь не приведена.

На выходной стороне каждого из блоков 250 АЦ преобразования, выход блока 254 счетчика, например, может быть соединен с горизонтальной линией 18 сигнала. В качестве альтернативы блок 256 сохранения данных, используемый в качестве запоминающего устройства, и блок 258 переключателя могут быть предусмотрены в последующем каскаде блока 254 счетчика, как показано на чертеже. Блок 254 счетчика имеет функцию фиксации для удержания результата подсчета блока 254 счетчика. Блок 258 переключателя предусмотрен между блоком 254 счетчика и блоком 256 сохранения данных. Блок 258 переключателя имеет переключатель SW для каждого из вертикальных столбцов.

В конфигурации, включающей в себя блоки 256 сохранения данных, на переключатель SW, как и на другие переключатели SW вдоль вертикальных столбцов, подают импульс CN8 команды передачи памяти в качестве импульса управления, в определенный момент времени, из блока 20 управления передачей данных/синхронизацией. При подаче импульса CN8 команды передачи памяти переключатели SW 258 блока переключателя передают значения подсчета ассоциированных блоков 254 счетчика в блоки 256 сохранения данных. Блоки 256 сохранения данных удерживают и сохраняют переданные значения подсчета. В блоки 256 подают импульс управления из блока 12 горизонтальной развертки через линию 12с управления. Те же блоки 256 удерживают значения подсчета из блоков 254 счетчика до тех пор, пока не поступит команда в виде импульса управления, подаваемого через линию 12с управления.

Блок 12 горизонтальной развертки выполнен с возможностью использования в качестве блока сканирования считывания, который считывает значения подсчета из блоков 256 сохранения данных параллельно с обработкой, выполняемой блоками 252 сравнения и блоками 254 счетчика блоков 26 АЦ преобразования столбцов. Выходы блоков 256 сохранения данных подключены к горизонтальным линиям 18 сигнала. Каждая из горизонтальных линий 18 сигнала имеет такую же ширину или в два раза большую ширину (например, для дополнительного выхода), что и битовая ширина блока 250 АЦ преобразования. Те же линии 18 подключены к блоку 28 выхода, имеющему усилители 28а считывания, ассоциированные с выходными линиями. Следует отметить, что блоки 254 счетчика, блоки 256 сохранения данных, блок 258 переключателя и горизонтальные линии 18 сигналов, каждый выполнен с возможностью обработки n битов.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления управляется двумя источниками питания, один из них цифровой и другой аналоговый. Четыре вывода питания (не показаны), а именно вывод питания для цифрового положительного напряжения DVDD, другой для цифрового напряжения DVSS заземления, еще один для аналогового положительного напряжения AVDD и еще один другой для аналогового напряжения AVSS заземления, предусмотрены в полупроводниковой микросхеме, в которой сформировано полупроводниковое устройство 1 формирования изображения.

Полупроводниковое устройство 1 формирования изображения включает в себя модуль 300 источника питания, выполненный с возможностью генерирования напряжений источника питания на основе установки ST времени накопления, подаваемой в виде команды из модуля 20 управления передачей данными/синхронизацией и информации TS-Vout установки напряжения для регулировки вручную. Напряжения источника питания подают в разные модули. Модуль 300 источника питания включает в себя положительный источник 302 питания и отрицательный источник 304 питания. Положительный источник 302 питания генерирует цифровое положительное напряжение DVDDw или аналоговое положительное напряжение AVDDw путем увеличения цифрового положительного напряжения DVDD или аналогового положительного напряжения AVDD. Отрицательный источник 304 питания генерирует цифровое отрицательное напряжение DVSSw или аналоговое отрицательное напряжение AVSSw на основе цифрового положительного напряжения DVDD. Таким образом, полупроводниковое устройство 1 формирования изображения выполнено в виде так называемого устройства на одной микросхеме, которое сформировано интегрально в полупроводниковой области, изготовленной, например, из монокристаллического кремния, с использованием тех же технологий, которые применяются для производства полупроводниковых интегральных схем. То же устройство 1 включает в себя модуль 300 источника питания и другие компоненты, такие как модуль 7 управления запуском и выходной модуль 28 вместе с модулем 10 матрицы пикселей.

В настоящем варианте осуществления цифровое положительное напряжение DVDD или аналоговое положительное напряжение AVDD увеличивают с помощью источника 302 положительного питания, и, кроме того, цифровое отрицательное напряжение DVSSw или аналоговое отрицательное напряжение AVSSw генерируют, используя отрицательный источник 304 питания, таким образом, генерируя разные уровни напряжения питания в полупроводниковом устройстве 1 формирования изображения (в полупроводниковой микросхеме). Такая компоновка позволяет создавать множество напряжений источника питания в микросхеме, даже если только одно напряжение источника питания подано снаружи в полупроводниковую микросхему. Использование цифрового отрицательного напряжения DVSS уменьшает шумы, которые формируют темновой ток.

Следует отметить, что здесь как положительные, так и отрицательные источники 302 и 304 питания встроены в полупроводниковое устройство 1 формирования изображения в качестве примера. Однако положительные и отрицательные источники 302 и 304 питания могут быть предусмотрены в области, отдельной от полупроводниковой области, в которой расположены модуль 10 матрицы пикселей, модуль 7 управления запуском и другие компоненты (см. устройство 8 формирования изображения, которое будет описано ниже).

Интерфейс между модулем матрицы пикселей и модулем вертикальной развертки: первый вариант осуществления

На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая полупроводниковое устройство 1А формирования изображения в соответствии с первым вариантом осуществления, который фокусируется на интерфейсе между модулем 14 вертикальной развертки и модулем 10 матрицы пикселей. На фиг.2А показан схема, описывающая пример схемы участка интерфейса между модулем 14а установки вертикального адреса и модулем 14b управления вертикальной разверткой.

Единичный пиксель 3 включает в себя четыре транзистора (транзистор 34 выбора считывания, транзистор 36 сброса, транзистор 40 вертикального выбора и усилительный транзистор 42), каждый из которых имеет разные функции, в качестве основных элементов, в дополнение к блоку 32 генерирования заряда. Транзистор 34 выбора считывания, транзистор 36 сброса и усилительный транзистор 42 составляют, вместе с плавающей диффузионной областью 38, блок 5 генерирования сигнала пикселя (блок выходного сигнала). Затем, блок 5 генерирования сигнала пикселя и транзистор 40 вертикального выбора составляют блок 6 выходного сигнала. Тот же блок 6 генерирует и выводит напряжение Vx сигнала пикселя для сигнального заряда, генерируемого блоком 32 генерирования заряда. Транзисторы 34, 36, 40 и 42 также могут совместно называться транзисторами пикселя.

Затвор транзистора 34 выбора считывания (транзистор передачи/транзистора считывания), составляющего блок передачи, соединен вместе с затворами таких же транзисторов 34 в одной строке, с проводом 54 передачи. Этими затворами управляют с помощью сигнала TRG передачи. Затвор тр