Схема пиксела, полупроводниковое устройство формирования изображения и система камеры

Схема пиксела, полупроводниковое устройство формирования изображения и система камеры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается схемы пикселя, представленной в виде КМОП датчика изображения, полупроводникового устройства формирования изображения и системы камеры.

Уровень техники

В последнее время КМОП устройства формирования изображения для фотокамер, видеокамер, камер видеонаблюдения и подобных устройств стали широко распространены и также расширились рынки их применения.

КМОП устройство формирования изображения преобразует свет, падающий на каждый пиксел в электроны с помощью фотодиода, который осуществляет фотоэлектрическое преобразование, накапливает электроны в течение фиксированного периода времени, оцифровывает сигнал, отражающий накопленный электрический заряд, и выводит оцифрованный сигнал.

На фиг.1 показан вид, иллюстрирующий схему пиксела, содержащую четыре транзистора в одном единичном пикселе.

Схема РХ1 единичного пиксела содержит фотодиод 1, транзистор 2 передачи, транзистор 3 возврата в исходное положение, транзистор 4 усиления, транзистор 5 выбора строк, узел 6 накопления и плавающую диффузионную область 7 (ПД, плавающий диффузионный слой).

Электрод затвора транзистора 2 передачи соединен с линией 8 передачи, а электрод затвора транзистора 3 возврата в исходное положение соединен с линией 9 возврата в исходное положение. Электрод затвора транзистора 4 усиления соединен с ПД 7, а электрод затвора транзистора 5 выбора строк соединен с вертикальной сигнальной линией 11.

Схема 12 постоянного тока и датчик 13 соединены с вертикальной сигнальной линией 11.

В схеме РХ1 пиксела свет, падающий на кремниевую подложку пиксела, генерирует пары из электронов и дырок и электроны пар фокусируются и накапливаются в узле 6 с помощью фотодиода 1. В конечном счете, электроны считываются в виде сигнала, направляемого в вертикальную сигнальную линию 11.

Далее со ссылкой на фиг.2 будут описаны конкретные операции накопления электрического заряда и его считывания.

На фиг.2(А)-2(D) показаны временные диаграммы для схемы пиксела с фиг.1.

Сначала, перед накоплением электрического заряда пиксел возвращается в исходное положение. Тем самым устанавливается высокий уровень в линии 9 возврата в исходное положение и линии 8 передачи, так что транзистор 3 возврата в исходное положение и транзистор 2 передачи находятся в открытом положении. Например, эта операция представляет собой операцию передачи напряжение питания 3 В на узел 6 накопления фотодиода.

Таким образом, увеличивается потенциал узла 6 накопления и извлекаются накопленные там электроны.

В диоде с накоплением дырок (ДНД), который в последнее время стал широко распространен, узел 6 накопления сформирован в углубленном диффузионном слое n-типа, расположенном между слоями p-типа, и все электроны перемещены, так что узел находится в состоянии полного обеднения. Увеличение потенциала узла 6 также останавливается в момент времени, когда все электроны перемещены и его уровень становится равным заданном уровню, который ниже напряжения питания 3 В.

После этого линия 8 передачи имеет низкий уровень, а транзистор 2 передачи закрыт, так что узел 6 накопления находится в плавающем состоянии и начинается накопление нового электрического заряда. Во время накопления электрического заряда, обычно транзистор 3 возврата в исходное положение обычно закрыт.

В общем, описанная выше операция возврата пиксела в исходное положение используется в качестве операции электронного фотозатвора КМОП датчика изображения.

Далее будет описана работа считывания накопленного электрического заряда.

Сначала линия 10 выбора строк имеет высокий уровень, а транзистор 5 выбора строк открыт, так что транзистор 4 усиления для пиксела соединен с вертикальной сигнальной линией 11.

Здесь вертикальная сигнальная линия 11 соединена с транзистором 4 усиления, а схема 12 постоянного тока образует схему истокового повторителя, и потенциал Vf ПД 7, которая является входом, и потенциал Vsl вертикальной сигнальной линии 11, которая является выходом, связаны линейно, при этом отношение изменения близко к 1.

То есть если значение тока схемы 12 стабилизированного тока равно i, то теоретически справедлива следующая формула.

[Формула 1]

i=(1/2)*β*(Vf-Vth-Vsl)2, где β является константой.

Здесь величина (Vf-Vth-Vsl) становится постоянной, и изменение Vf линейно отражается на Vsl.

То есть схема истокового повторителя работает как схема усиления, в которой коэффициент усиления примерно равен 1, и управляет вертикальной сигнальной линией 11 в соответствии с величиной сигнала ПД 7, которая является входным узлом.

Здесь напряжение питания 3 В передается на ПД 7 путем переключения линии 9 возврата в исходное положение на высокий уровень и открытия транзистора 3 возврата в исходное положение.

Далее, после закрытия транзистора 3 возврата в исходное положение, первое измерение потенциала Vsl вертикальной сигнальной линии 11 осуществляется с помощью датчика 13, который содержит устройство сравнения, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) или подобные устройства. Это представляет собой считывание сигнала возврата в исходное положение.

Далее электроны, накопленные в узле 6 накопления, текут в ПД 7 благодаря переключению линии 8 передачи на высокий уровень и открытию транзистора 2 передачи.

В этом случае, если потенциал ПД 7 достаточно сильный, то есть высокий потенциал, все электроны, накопленные в узле 6 накопления, перемещаются в ПД 7 и узел 6 накопления находится в полностью обедненном состоянии.

Здесь транзистор 2 передачи закрывается и осуществляется второе измерение потенциала вертикальной сигнальной линии 11. Это представляет собой считывание накопленного сигнала.

Разница между первым измерением и вторым измерением описанного выше значения Vsl точно отражает количество электрического заряда, накопленного в узле 6 накопления благодаря экспонированию фотодиода 1.

КМОП устройство формирования изображения оцифровывает разницу и подает на выход оцифрованный результат в виде значения сигнала пиксела. Время накопления электронов для каждого пиксела представляет собой период времени между описанными выше операцией возврата в исходное положение и операцией считывания и, более точно, представляет собой период Т1 до выключения транзистора 2 передачи при считывании после возврата транзистора 2 передачи в исходное положение и дальнейшего выключения.

В общем, в устройстве формирования изображения КМОП типа накопленные для каждого пиксела электроны, сгенерированные осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, преобразуются в аналоговый сигнал вертикальной сигнальной линии 11 с помощью схемы усиления и аналоговый сигнал передается в датчик 13.

Далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП и цифровой сигнал подается на выход микросхемы.

Этот процесс существенно отличается от процесса в устройстве формирования изображения с зарядовой связью, в котором сами накопленные электроны вертикально/горизонтально передаются с помощью устройства передачи с зарядовой связью непосредственно до схемы усиления, являющейся выходом микросхемы.

Раскрытие изобретения

Техническая задача

В этом случае, так как полученные после фотоэлектрического преобразования электроны полностью передаются во время операции считывания, выполняемой в описанной выше схеме пиксела, необходимо поддерживать потенциал после передачи из ПД 7, которая является входным узлом схемы 118 усиления, более высоким по сравнению с потенциалом фотодиода 1 при полном обеднении.

Тем не менее, динамический диапазон потенциала ПД 7 ограничен, так что существует недостаток, заключающийся в том, что невозможно в достаточной мере увеличивать величину ΔVf изменения потенциала и увеличивать отношение сигнал/шум.

Кроме того, так как количество Qs накопленного электрического заряда насыщения фотодиода соответствует количеству доноров в диффузионном слое, потенциал во время полного обеднения обычно становится сильным (высокий потенциал), если увеличивается количество Qs накопленного электрического заряда насыщения. Таким образом, диапазон величины ΔVf изменения потенциала изменяется в сторону уменьшения.

Проблема этого предела передачи является большим ограничением при проектировании устройств.

Настоящее изобретение выполнено с учетом упомянутого выше вопроса и предназначено для того, чтобы предложить схему пиксела, полупроводниковое устройство формирования изображения и систему камеры, которые могут облегчить передачу электрического заряда в рамках пиксела, увеличить количество накопленного электрического заряда или чувствительность и улучшить возможности формирования изображения.

Решение задачи

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложена схема пиксела, содержащая: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена схема пиксела, содержащая: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, так как при этом по мере подэтапного возбуждения электродов затворов заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии, для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложено полупроводниковое устройство формирования изображения, содержащее: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов, для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере подэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов, электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложено полупроводниковое устройство формирования изображения, содержащее: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению транзисторами, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накопленного электрического заряда.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложена система камеры, содержащая полупроводниковое устройство формирования изображения; оптическую систему для формирования изображения объекта на устройстве формирования изображения; и схему обработки сигналов для обработки выходного сигнала изображения устройства формирования изображения, при этом полупроводниковое устройство формирования изображения содержит: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый, второй и третий полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, при этом по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов электрический заряд, генерируемый осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемый через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления через третий полевой транзистор, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линии для обеспечения считывания накапливаемого электрического заряда.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложена система камеры, содержащая полупроводниковое устройство формирования изображения; оптическую систему для формирования изображения объекта на устройстве формирования изображения; и схему обработки сигналов для обработки выходного сигнала изображения устройства формирования изображения, при этом полупроводниковое устройство формирования изображения содержит: модуль пикселов, содержащий множество схем пикселов; и модуль возбуждения пикселов для считывания сигнала пиксела путем возбуждения схемы пиксела из модуля пикселов, при этом каждая схема пиксела содержит: осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент; схему усиления; и транзистор передачи для передачи электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом, на входной узел схемы усиления, при этом транзистор передачи содержит первый и второй полевые транзисторы, объединенные и соединенные последовательно между - осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и одной стороной схемы усиления, причем первый и второй полевые транзисторы содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению, и пороговое напряжение первого полевого транзистора установлено более высоким, чем пороговое напряжение второго полевого транзистора, и по мере поэтапного возбуждения электродов затворов модулем возбуждения пикселов, заданная величина электрического заряда, генерируемого осуществляющим фотоэлектрическое преобразование элементом и передаваемого через первый полевой транзистор, накапливается в канальной области второго полевого транзистора, и электрический заряд, накапливаемый в канальной области, передается на вход схемы усиления, при этом схема усиления выполнена с возможностью возбуждения сигнальной линией для обеспечения считывания накопленного электрического заряда.

Полезные эффекты изобретения

В соответствии с настоящим изобретением может быть облегчена передача электрического заряда в пикселе, может быть увеличена величина накопленного электрического заряда или чувствительность и может быть улучшена способность по формированию изображения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид, показывающий пример схемы пиксела;

фиг.2 - вид, показывающий временную диаграмму схемы пиксела с фиг.1;

фиг.3 - вид, показывающий пример конфигурации КМОП датчика изображений (полупроводникового устройства формирования изображения), использующего схему пиксела, которая соответствует варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, которая содержит транзистор передачи схемы пиксела, соответствующей первому варианту осуществления изобретения;

фиг.6 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи с фиг.5;

фиг.7 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи схемы пиксела, соответствующей первому варианту осуществления изобретения;

фиг.8 - вид, показывающий временную диаграмму схемы пиксела с фиг.4 при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания;

фиг.9 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы пиксела с фиг.1;

фиг.10 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы пиксела, как показано на фиг.1 и 3;

фиг.11 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.12 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.13 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы пиксела, соответствующей третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.14 - вид, показывающий временную диаграмму для схемы пиксела с фиг.12 при осуществлении операций возврата в исходное положение, накопления электрического заряда и считывания;

фиг.15 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.16 - вид, показывающий временную диаграмму работы пятого варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.17 - вид, показывающий временную диаграмму работы шестого варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.18 - вид, показывающий временную диаграмму работы пиксела, в котором в седьмом варианте осуществления настоящего изобретения используется режим промежуточного удержания и улучшенная операция накопления большой емкости, соответствующая пятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.19 - вид, показывающий временную диаграмму работы пиксела, в котором в восьмом варианте осуществления настоящего изобретения используется режим промежуточного удержания и улучшенная операция накопления большой емкости, соответствующая шестому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.20 - вид, показывающий временную диаграмму работы девятого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором функция общего фотозатвора применена в первом варианте осуществления настоящего изобретения;

фиг.21 - вид, показывающий временную диаграмму работы десятого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором функция общего фотозатвора применена в третьем варианте осуществления настоящего изобретения;

фиг.22 - вид, содержащий первую диаграмму изменения потенциала, показывающую пример работы с широким временным динамическим диапазоном одиннадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения;

фиг.23 - вид, содержащий вторую диаграмму изменения потенциала, показывающую пример работы с широким временным динамическим диапазоном одиннадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации первого варианта осуществления изобретения;

фиг.24 - вид, показывающий временную диаграмму работы с широким динамическим диапазоном в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.25 - вид, показывающий временную диаграмму работы с широким динамическим диапазоном двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием конфигурации третьего варианта осуществления изобретения;

фиг.26 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.27 - вид, показывающий схему, эквивалентную схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы пиксела в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления изобретения;

фиг.28 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи с фиг.27;

фиг.29 - вид, показывающий изменение потенциала, сопровождающее операцию передачи и считывания с использованием схемы передачи из схемы пиксела в соответствии с тринадцатым вариантом осуществления изобретения;

фиг.30 - вид, показывающий схему пиксела КМОП датчика изображений в соответствии с четырнадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.31 - вид, показывающий пример конфигурации схемы передачи в соответствии с пятнадцатым вариантом осуществления изобретения, в котором фотодиод заменен МОП-конденсатором по сравнению с фиг.6, на которой показан пример поперечного сечения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.32 - вид, показывающий пример поперечного сечения схемы передачи в соответствии с шестнадцатым вариантом осуществления изобретения, в котором структура поперечного сечения отличается от структуры поперечного сечения для схемы передачи первого варианта осуществления изобретения;

фиг.33 - вид, показывающий пример конфигурации системы камеры, в которой использовано полупроводниковое устройство формирования изображения, соответствующее варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Заметим, что в этом описании и на чертежах элементы, имеющие практически одинаковые функции и структуру, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и их повторное описание опущено.

Описание приведено в следующем порядке.

1. Первый вариант осуществления изобретения (первый пример конфигурации схемы пиксела).

2. Второй вариант осуществления изобретения (второй пример конфигурации схемы пиксела).

3. Третий вариант осуществления изобретения (третий пример конфигурации схемы пиксела).

4. Четвертый вариант осуществления изобретения (четвертый пример конфигурации схемы пиксела).

5. Пятый вариант осуществления изобретения (пример накопления электрического заряда с использованием состояния сильного обеднения).

6. Шестой вариант осуществления изобретения (пример накопления электрического заряда с использованием состояния сильного обеднения).

7. Седьмой вариант осуществления изобретения (режим промежуточного сохранения).

8. Восьмой вариант осуществления изобретения (режим промежуточного сохранения).

9. Девятый вариант осуществления изобретения (функция общего фотозатвора).

10. Десятый вариант осуществления изобретения (функция общего фотозатвора).

11. Одиннадцатый вариант осуществления изобретения (работа с широким динамическим диапазоном).

12. Двенадцатый вариант осуществления изобретения (работа с широким динамическим диапазоном).

13. Тринадцатый вариант осуществления изобретения (пятый пример конфигурации схемы пиксела).

14. Четырнадцатый вариант осуществления изобретения (шестой пример конфигурации схемы пиксела).

15. Пятнадцатый вариант осуществления изобретения (другая структура поперечного сечения).

16. Шестнадцатый вариант осуществления изобретения (другая структура поперечного сечения).

17. Семнадцатый вариант осуществления изобретения (система камеры).

На фиг.3 показан пример конфигурации КМОП датчика изображений (полупроводникового устройства формирования изображения), использующего схему пиксела, которая соответствует варианту осуществления настоящего изобретения.

КМОП датчик 100 изображений содержит модуль 110 матрицы пикселов, схему 120 (Vdec) выбора строк, выполняющую функцию модуля возбуждения пикселов, и схему 130 (AFE) считывания столбцов.

В модуле 110 матрицы пикселов в двумерном виде (в виде матрицы) из М строк и N столбцов расположено множество схем 110А пикселов.

Согласно этому варианту осуществления изобретения, схема 110А пиксела в основном содержит осуществляющий фотоэлектрическое преобразование элемент, транзистор передачи, транзистор возврата в исходное положение, транзистор усиления, транзистор выбора строк, узел накопления и ПД (плавающая диффузионная область).

В этой связи транзистор передачи из схемы 110А пиксела сформирован, по меньшей мере, из первого и второго полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов), объединенных и соединенных последовательно, как описано далее. Первый и второй МОП-транзисторы выполнены из транзистора с высоким пороговым напряжением Vth и транзистора с низким пороговым напряжением Vth, которые содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению.

Далее будет описана конкретная конфигурация схемы 110А пиксела.

Линия 140 (ЛП) передачи, линия 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линия 160 (ЛВС) выбора строк, соединенные с участком 110 массива пикселов, соединены с каждой строкой пикселов в качестве одного набора.

Для каждой линии 140 (ЛП) передачи, линии 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линии 160 (ЛВС) выбора строк предусмотрены М управляющих линий.

Линия 140 (ЛП) передачи, линия 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линия 160 (ЛВС) выбора строк возбуждаются схемой 120 выбора строк.

Схема 120 выбора строк управляет работой пиксела, расположенного в любой строке модуля 110 матрицы пикселов. Схема 120 выбора строк управляет схемой пиксела с помощью линии 140 (ЛП) передачи, линии 150 (ЛВ) возврата в исходное положение и линии 160 (ЛВС) выбора строк.

Схема 130 считывания столбцов принимает данные строки пикселов, при этом операция считывания осуществляется под управлением схемы 120 выбора строк, с помощью вертикальной сигнальной линии 170 (ВСЛ), и передает данные схеме обработки сигналов следующего этапа. Схема стабилизированного тока или датчик соединен с вертикальной сигнальной линией 170.

Схема 130 считывания столбцов содержит схему CDS или АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).

Далее будет описан конкретный пример конфигурации схемы пиксела КМОП датчика 100 изображений с описанной выше конфигурацией.

1. Первый вариант осуществления изобретения

На фиг.4 показана схема пиксела КМОП датчика 100 изображений, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Схема 110А (РХ111) пиксела одного блока содержит фотодиод 111, являющийся осуществляющим фотоэлектрическое преобразованием элементом, транзистор 112 передачи, транзистор 113 возврата в исходное положение, транзистор 114 усиления, транзистор 115 выбора строк, узел 116 накопления и ПД 117.

Схема 118 усиления сформирована из транзистора 114 усиления, а входной узел схемы 118 усиления сформирован из ПД 117.

Транзистор 112 передачи первого варианта осуществления изобретения расположен между фотодиодом 111 и ПД 117, который выполняет функцию выходного узла.

Транзистор 112 передачи сформирован по меньшей мере из первого МОП-транзистора 1121, второго МОП-транзистора 1122 и третьего МОП-транзистора 1123, которые объединены и соединены последовательно.

Первый и второй МОП-транзисторы 1121 и 1122 выполнены из транзистора с высоким пороговым напряжением Vth и транзистора с низким пороговым напряжением Vth, которые содержат электроды затворов, подлежащие одновременному совместному возбуждению.

Первый МОП-транзистор 1121 выполнен из транзистора с высоким пороговым напряжением HVth, а второй МОП-транзистор 1122 выполнен из транзистора с низким пороговым напряжением LVth.

Электроды затворов первого и второго МОП-транзисторов 1121 и 1122 обычно соединены с линией 140 передачи, а электрод затвора третьего МОП-транзистора 1123 соединен с опорным потенциалом, например, с землей GND.

В этом варианте осуществления изобретения, первый, второй и третий МОП-транзисторы 1121, 1122 и 1123 выполнены из n-канальных МОП-транзисторов.

Например, высокое пороговое напряжение HVth первого n-канального МОП-транзистора 1121 установлено равным, например, 0 В, а низкое пороговое напряжение LVth второго n-канального МОП-транзистора 1122 установлено равным, например, -1,5 В.

Пороговое напряжение третьего n-канального МОП-транзистора установлено равным - 0,6 В.

Транзистор 113 возврата в исходное положение расположен между линией питания и ПД 117, а его электрод затвора соединен с линией 150 возврата в исходное положение.

Затвор транзистора 114 усиления соединен с ПД 117. Транзистор 114 усиления соединен с вертикальной сигнальной линией 170 с помощью транзистора 115 выбора строк и представляет собой истоковый повторитель со схемой 131 стабилизированного тока, которая расположена вне участка пикселов.

Электрод затвора транзистора 115 выбора строк соединен с линией 160 выбора строк. Исток транзистора 115 выбора строк соединен с вертикальной сигнальной линией 170.

Схема 131 стабилизированного тока и датчик 132 соединены с вертикальной сигнальной линией 170.

На фиг.5 показана схема, эквивалентная схеме передачи, содержащей транзистор передачи схемы 110А пиксела, которая соответствует первому варианту осуществления изобретения.

В схеме 200 передачи с фиг.5 ссылочными позициями 201 и 202 обозначены электроды затворов, ссылочной позицией 203 обозначена паразитная емкость, а ссылочной позицией 118 обозначена схема усиления. Схема 118 усиления сформирована из транзистора 114 усиления.

Электроны, сгенерированные при фотоэлектрическом преобразовании в фотодиоде 111, полностью передаются через первый, второй и третий n-канальные МОП-транзисторы 1121, 1122 и 1123, объединенные и соединенные последовательно, в ПД 117, которая является входным узлом схемы 118 усиления.

В объединенных первом, втором и третьем n-канальных МОП-транзисторах 1121, 1122 и 1123 каналы непосредственно соединены друг с другом, а не через диффузионный слой n-типа или подобным образом.

Как описано выше, сигнал управления одновременно и совместно прикладывается к электродам 201 затворов первого и второго n-канальных МОП-транзисторов 1121 и 1122.

Первый n-канальный МОП-транзистор 1121 имеет высокое пороговое напряжение HVth, а второй n-канальный МОП-транзистор 1122 имеет низкое пороговое напряжение LVth.

ПД 117, которая является входным узлом, имеет паразитную емкость 203 и если величина накопленного электрического заряда равна Q, а значение паразитной емкости равно Cf, то величина ΔVf изменения потенциала ПД 117 вычисляется следующим образом.

[Формула 2]

ΔVf=Q/Cf.

Во время операции считывания это изменение возбуждает вертикальной сигнальной линией 170 с фиксированным коэффициентом усиления через схему 118 усиления.

На фиг.6 показан пример структуры поперечного сечения схемы передачи с фиг.5.

В фотодиоде 111 применена структура диода с накоплением дырок, в которой окрестности кремниевой поверхности, контактирующие с оксидной пленкой, имеют p-тип.

Здесь полученные в ходе фотоэлектрического преобразования электроны вначале накапливаются в диффузионном узле 204 n-типа. Диффузионный узел 204 соответствует узлу 116 усиления.

Если сигнал, который открывает первый n-канальный МОП-транзистор 1121, прикладывается к электроду 201 затвора, электроны перемещаются в канальную область второго n-канального МОП-транзистора 1122 через первый n-канальный МОП-транзистор 1121 и накапливаются в канальной области.

Например, профиль распределения примеси канальной части отрегулирован так, чтобы порог первого n-канального МОП-транзистора 1121 был установлен высоким, а порог второго n-канального МОП-транзистора 1122 был установлен низким. Таким образом, канальная часть СН2 второго n-канального МОП-транзистора 1122 образует яму накопления электронов, а канальная часть СН1 первого n-канального МОП-транзистора 1121 образует потенциальную стену, предотвращающую обратный поток.

С другой стороны, третий n-канальный МОП-транзистор 1123 возбуждается независимым электродом 202 затвора.

Потенциал канальной области третьего n-канального МОП-транзистора 1123 установлен так, чтобы быть меньше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (высокий потенциал), когда к электроду 201 затвора прикладывается напряжение открывания.

Потенциал этой канальной области устанавливается больше потенциала канальной области второго n-канального МОП-транзистора 1122 (малый потенциал), когда к электроду 201 затв