Формирователь сигналов изображения и система камеры

Формирователь сигналов изображения и система камеры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к формирователю сигналов изображения, такому как CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - комплементарный металлооксидный полупроводник, КМОП) датчику изображения и системе камеры.

Уровень техники

В последние годы интенсивная деятельность в области измерения и визуализации микроскопического света и свечения, испускаемого биологическими телами, проводилась в области медицины и биотехнологии.

Для такого формирования изображения требуется гораздо более высокая чувствительность и более низкий шум, чем те, что обеспечивают обычные формирователи сигналов изображения. В электромагнитном приборе с зарядовой связью (EM-CCD), например, используется возможность умножения аналогового заряда.

С другой стороны, патентный документ 1 предлагает формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов с разделением по времени.

Эта технология предназначена для определения присутствия или отсутствия фотона, падающего на фотодиод, за каждый заданный период времени в качестве двоичной величины, и компилирования результатов, полученных при повторении этого процесса множество раз, чтобы получить данные для формирования двухмерного изображения.

То есть, такой формирователь сигналов изображения воспринимает сигнал от фотодиода в каждый заданный период времени. Когда один или более фотонов попадают на фотодиод в течение этого периода, счетчик, подключенный к каждому из элементов изображения, увеличивается на единицу, независимо от числа падающих фотонов.

Когда частота попадания фотонов на фотодиод является случайной величиной по оси времени, действительное количество падающих фотонов и их расчетное количество согласуются с распределением Пуассона. Поэтому, когда частота попадания фотонов является низкой, действительное количество падающих фотонов и их расчетное количество находятся приблизительно в линейном соотношении. С другой стороны, когда частота попадания фотонов на фотодиод является высокой, это соотношение может быть скорректировано.

Такой формирователь сигналов изображения особенно подходит для визуализации микроскопического света благодаря возможности полностью устранить шум считывания.

Такой подсчет фотонов, главным образом, реализуется путем умножения заряда.

Например, патентный документ 1 предполагает, что лавинно-пролетный диод используется для умножения заряда. Лавинно-пролетный диод преобразует фотон, падающий на фотоприемную поверхность, в фотоэлектрон и дополнительно ускоряет фотоэлектрон через поле высокого напряжения, чтобы повторить генерирование вторичных электронов за счет столкновений, таким образом умножая сигнальный заряд.

Это обеспечивает существенно больший уровень сигнала для обнаружения падающего фотона.

Формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов, слабо реагирует на изменение чувствительности устройства при переходе от одного устройства к другому. Поэтому поверхность датчика изображения может быть сформирована с помощью таких формирователей сигналов изображения.

Предполагается, что использование такого формирователя сигналов изображения возможно в разнообразных вариантах применения, включая рентгенологию с ультранизким воздействием рентгеновскими лучами в сочетании со сцинтиллятором.

Патентный документ 1

Выложенная заявка №1995-67043 на патент Японии

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

В этой связи, обычное умножение заряда с помощью электронного ускорения требует чрезвычайно высокого напряжения, таким образом требуется специальный процесс производства полупроводников.

Кроме того, если умножение заряда осуществляется для каждого элемента изображения, например с помощью лавинно-пролетного диода, то использование высокого напряжения создает трудности для электрической изоляции элемента изображения от соседних элементов. В результате, эта технология не подходит для миниатюризации элементов изображения.

С другой стороны, умножение аналогового сигнала во время его передачи приводит к созданию нового шума. Это также приводит к значительным вариациям между устройствами.

Возможное решение описанной выше проблемы состоит в том, чтобы обеспечить усилитель в каждом элементе изображения, вместо умножения заряда, таким образом, чтобы сигнал высокого уровня мог быть получен от единственного фотоэлектрона, за счет уменьшения входной емкости усилителя до максимально возможной степени.

Фиг.1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, имеющего усилитель.

Схема РХ1 элемента изображения включает в себя фотодиод 1, передаточный транзистор 2, перезагрузочный транзистор 3, усиливающий транзистор 4, накопительный узел 5 и узел 6 плавающей диффузии (FD).

Затвор передаточного транзистора 2 соединен к передаточной линии 7, а затвор перезагрузочного транзистора 3 соединен с линией 8 перезагрузки. Затвор усиливающего транзистора 4 соединен с узлом 6 FD.

В схеме РХ1 элемента изображения свет, падающий на кремниевую подложку элемента изображения, генерирует электронно-дырочные пары. Электроны в этих парах сохраняются в накопительном узле 5 с помощью фотодиода 1.

Электроны передаются к узлу 6 FD, когда передаточный транзистор 2 включается в заданный момент времени, таким образом приводя в действие затвор усиливающего транзистора 4.

Это позволяет произвести считывание сигнального заряда как сигнала на выходе 9 элемента изображения, который является истоком усиливающего транзистора 4. Выход 9 элемента изображения действует как истоковый повторитель, когда он заземлен через непоказанную цепь постоянного тока или резистивный элемент.

При включении перезагрузочного транзистора 3 одновременно и параллельно с передаточным транзистором 2, он извлекает электроны из фотодиода 1 и вводит их в источник питания, таким образом перезагружая элемент изображения в погашенное состояние перед накоплением электронов, т.е. в состояние, соответствующее отсутствию падающих фотонов.

Для уменьшения емкости узла 6 FD имеется установившаяся практика уменьшать емкость диффузионного слоя узла 6 FD или емкость провода, соединяющего диффузионный слой передаточного транзистора и затвор усиливающего транзистора 4, с использованием новых идей, касающихся схемы и этапов производства.

Однако одни только эти уменьшения емкости потерпели неудачу в достижении существенных эффектов, и являются недостаточными для того, чтобы обеспечить обнаружение единичного фотоэлектрона.

Емкость узла 6 FD включает в себя емкость провода и емкость диффузионного слоя, как было описано ранее.

Однако, даже предполагая, что эти емкости уменьшены за счет новых идей касающихся схемы и технологического процесса микромоделирования полупроводников, в конечном итоге остается емкость затвора усиливающего транзистора 4. Эта емкость составляет большую часть паразитной емкости узла 6 FD.

Чем больше усиливающий транзистор 4 уменьшается в размере, тем больше становится выходной случайный шум, таким образом ограничивая степень, до которой этот участок может быть миниатюризирован.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение формирователя сигналов изображения и системы камеры, которые могут радикально уменьшить эффективную емкость затвора усиливающего транзистора без изменения площади затвора для значительного уменьшения общей паразитной емкости.

Решение проблем

Формирователь сигналов изображения, согласно первому аспекту настоящего изобретения, включает в себя матрицу элементов изображения. Множество элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, расположены в виде матрицы в секции матрицы элементов изображения. Каждый элемент изображения содержит скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и передаточный транзистор. Передаточный транзистор передает заряд, полученный с помощью фотодиода в результате фотоэлектрического преобразования, к затвору усиливающего транзистора. Усиливающий транзистор формирует схему истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его истоковая область. Усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор. Подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована с помощью изолирующей пленки от первой полупроводниковой подложки и находится в «плавающем» состоянии.

Система камеры, согласно второму аспекту настоящего изобретения, включает в себя формирователь сигналов изображения, оптику, адаптированную для формирования сюжетного изображения на формирователе сигналов изображения, и процессор, адаптированный для обработки сигналов изображения от формирователя сигналов изображения. Формирователь сигналов изображения включает в себя матрицу элементов изображения. Множество элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, расположены в виде матрицы в секции матрицы. Каждый элемент изображения содержит скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и передаточный транзистор. Передаточный транзистор передает заряд, полученный фотодиодом в результате фотоэлектрического преобразования, к усиливающему транзистору. Усиливающий транзистор формирует схему истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его исток. Усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор. Подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована с помощью изолирующей пленки от первой полупроводниковой подложки и находится в «плавающем» состоянии.

Цель изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора без изменения площади затвора для значительного уменьшения общей паразитной емкости.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема, иллюстрирующая пример элемента изображения, содержащего усилитель.

Фиг.2 - схема, иллюстрирующая пример датчика изображения (формирователя сигналов изображения) со структурой КМОП, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 - временная диаграмма для перезагрузки, сохранения заряда в элементе изображения и считывания заряда из элемента изображения, показанного на фиг.3.

Фиг.5 - схема, иллюстрирующая пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 - схема, иллюстрирующая пример компоновки секции элементов изображения, содержащей элементы изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3 и 4.

Фиг.7 - первая последовательность этапов способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 - вторая последовательность этапов способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.9 - третья иллюстрация способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.10 - принципиальная схема, иллюстрирующая пример измерительной схемы, обладающей свойством самореферирования.

Фиг.11 - временная диаграмма для описания примера операции считывания с использованием измерительной схемы с самореферированием, показанной на фиг.10, в качестве примера использован элемент изображения, показанный на фиг.3.

Фиг.12 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.13 - схема, иллюстрирующая пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.14 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.15 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Фиг.16 - схема, иллюстрирующая пример системы камеры, в которой применяется полупроводниковый формирователь сигналов изображения, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Ниже приведено описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.

Следует отметить, что описание приводится в следующем порядке:

1. Описание основных характеристик формирователя сигналов изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

2. Первый вариант осуществления изобретения (пример первой конфигурации формирователя сигналов изображения).

3. Второй вариант осуществления изобретения (пример второй конфигурации формирователя сигналов изображения).

4. Третий вариант осуществления изобретения (пример третьей конфигурации формирователя сигналов изображения).

5. Четвертый вариант осуществления изобретения (пример четвертой конфигурации формирователя сигналов изображения).

6. Пятый вариант осуществления изобретения (система камеры).

1. Описание основных характеристик формирователя сигналов изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения

В настоящих вариантах осуществления изобретения оптимальная конфигурация формирователя сигналов изображения (датчика изображения со структурой КМОП) как полностью цифрового датчика изображения, использующего подсчет фотонов, материализована с перспективой в направлении достижения быстрого параллельного считывания.

Во-первых, каждый элемент изображения выводит данные о присутствии или отсутствии падающего фотона за время определенного периода в виде электрического сигнала. Измерительная схема принимает результат этого вывода множество раз в пределах периода кадра, и определяет каждый результат как одно или два двоичных значения. Формирователь сигналов изображения компилирует результаты, чтобы генерировать, например, данные уровня серого для каждого элемента изображения.

Основываясь на этой базовой конфигурации, формирователь сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеет характерные конфигурации, описанные ниже.

Формирователь сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеет конфигурацию, которая позволяет осуществить радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора, сформированного с полевым транзистором (FET, ПТ) без изменения площади его затвора, основываясь на составляющих компонентах емкости узла FD элемента изображения.

В настоящих вариантах осуществления изобретения последующие варианты применяются с акцентированием внимания на том факте, что емкость в значительной степени зависит от коэффициента усиления истокового повторителя и поведения подложек.

В первом варианте осуществления изобретения выход истокового повторителя и подложки усиливающего транзистора соединяются в элементе изображения, используя скрытый фотодиод, таким образом подавляя эффект смещения подложки и приводя коэффициент усиления ближе к единице. Затем потенциалы затвора усиливающего транзистора и подложки модулируются вместе.

Это гарантирует эффективное радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора.

Кроме того, схема, осуществленная в первом варианте осуществления изобретения, которая сохраняет увеличение по площади минимальным образом, хотя в то же время принимает приведенную выше конфигурацию.

Во втором варианте осуществления изобретения усиливающий транзистор имеет структуру SOI (структура типа "кремний на диэлектрике") в элементе изображения, использующем скрытый фотодиод, таким образом устанавливая саму подложку в плавающее состояние.

В такой структуре подложка является полностью обедненной. В результате ее потенциал модулируется в соответствии с потенциалом истока.

В то же самое время подавляется эффект смещения подложки, приводя коэффициент усиления ближе к единице. Емкость затвора усиливающего транзистора может быть эффективно радикально уменьшена, основываясь на том же самом принципе.

Настоящие варианты осуществления изобретения, имеющие вышеописанную конфигурацию, способствуют радикальному уменьшению входной емкости усиливающего транзистора элемента изображения, таким образом обеспечивая обнаруживаемый выход элемента изображения, даже с единственным фотоном.

Это дает возможность применить формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов с разделением времени, таким образом позволяя обеспечить обработку изображения микроскопического луча света и крупномасштабную обработку изображения с множеством формирователей сигналов изображения, расположенных параллельно в ряд.

Кроме того, увеличение площади, занимаемой группой схем, за исключением фотодиода, сохраняется на минимуме, благодаря оптимальной конфигурации схемы, таким образом поддерживая высокое значение относительного отверстия.

Кроме того, настоящее изобретение может обеспечить значительно улучшенную чувствительность, даже когда оно применяется к традиционному формирователю сигналов изображения типа КМОП.

Ниже будет приведено подробное описание датчика изображения типа КМОП, т.е. формирователя сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеющим приведенные выше характеристики.

2. Первый вариант осуществления изобретения

Фиг.2 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации датчика изображения (формирователя сигналов изображения) со структурой КМОП, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Структура общей конфигурации

Настоящий датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя секцию 110 матрицы элемента изображения, секцию 120 измерительной схемы, группу 130 выходной сигнальной линии, группу 140 передаточной линии и секцию 150 схемы для определения результата компиляции.

В настоящем датчике 100 изображения типа КМОП одна измерительная схема находится в совместном использовании среди множества элементов изображения, как описывается позже.

Поэтому блоки с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения формируются в настоящем датчике 100 изображения типа КМОП, при этом каждый из них имеет множество элементов изображения DPX в той же самой колонке и используется той же самой схемой выборки.

Кроме того, датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя возбуждающую схему 170 для рядов матрицы и группу 180 управления линией ряда, адаптированных запускать элементы изображения DPX секции 110 матрицы элемента изображения таким образом, что электрические сигналы выводятся из элементов изображения DPX к выходным линиям 131 сигнала.

В секции 110 матрицы элемента изображения множество цифровых элементов изображения DPX расположены в форме матрицы, имеющей ряды и колонки.

Каждый из цифровых элементов изображения DPX имеет элемент фотоэлектрического преобразования, который способен выводить электрический сигнал в ответ на падающий фотон.

Затем формируются блоки с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения, каждый блок с множеством элементов изображения DPX в той же самой колонке и той же самой схемой выборки, как описано ранее.

Датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя блок CBLK схемы. Тот же самый блок CBLK определяет электрический сигнал, передаваемый через каждую выходную линию 131 сигнала как двоичное значение за каждый заданный период, и компилирует результаты для каждого элемента изображения множество раз, чтобы генерировать двухмерные данные обработки изображения.

Датчик 100 изображения типа КМОП компилирует результаты измерения множество раз для множества элементов изображения и для каждого из множества блоков с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения в настоящих вариантах осуществления изобретения, таким образом устанавливая количество фотонов, падающих на секцию 110 матрицы элементов изображения, используемую в качестве фотоприемной секции.

Датчик 100 изображения типа КМОП способен дополнительно расширять динамический диапазон подсчета фотонов с помощью суммирования результатов подсчета множества элементов изображения.

Секция 110 матрицы элементов изображения, секция 120 измерительной схемы, и секция 150 схемы для определения результата компиляции располагаются в блоке CBLK схемы.

Секция 120 измерительной схемы включает в себя измерительные схемы 121-0, 121-1, 121-2, 121-3 и более, взаимодействующие с блоками элементов изображения с номерами от 160-0 до 160-3 и более секции 110 матрицы элементов изображения.

Измерительная схема 121-0 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-0, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-0 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-00 до DPX-p0.

То есть, элементы изображения от DPX-00 до DPX-p0 совместно используют единую измерительную схему 121-0.

Следует отметить, что количество элементов изображения в каждом из блоков 160 элементов изображения (от 160-0 до 160-3 и более) устанавливается, например, на значение 128. В этом случае p принимает любое значение от 0 до 127, а блок 160-0 элементов изображения включает в себя элементы изображения от DPX-00 до DPX-1270.

Измерительная схема 121-1 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-1, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-1 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-01, DPX-11 до DPX-p1.

То есть, элементы изображения от DPX-01 до DPX-p1 совместно используют единую измерительную схему 121-1.

Блок 160-1 элементов изображения включают в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-01 до DPX-1271.

Измерительная схема 121-2 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-2, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-2 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-02 до DPX-p2.

То есть, элементы изображения от DPX-02 до DPX-p2 совместно используют единую измерительную схему 121-2.

Блок 160-2 элементов изображения включают в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-02 до DPX-1272.

Измерительная схема 121-3 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-3, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-3 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-03, DPX-13, до DPX-p3.

То есть, элементы изображения от DPX-03 до DPX-p3 совместно используют единую измерительную схему 121-3.

Блок 160-3 элементов изображения включает в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-03 до DPX-1273.

В секции 120 измерительной схемы измерительные схемы расположены таким образом, что множество элементов изображения совместно используют измерительную схему в других непоказанных блоках элементов изображения.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции способна компилировать результаты определения измерительных схем со 121-0 по 121-3 множество раз, чтобы генерировать, например, двухмерные данные обработки изображения, имеющие уровень серого.

Альтернативно, секция 150 схемы для определения результата компиляции суммирует результаты подсчета множества элементов изображения, таким образом позволяя осуществить обработку изображения с широким динамическим диапазоном за счет обработки группы этих элементов изображения, как модуля фотоприемной поверхности. То есть, секция 150 схемы для определения результата компиляции способна устанавливать количество фотонов, падающих на секцию 110 матрицы элементов изображения, используемую в качестве фотоприемной секции, компилируя результаты определения множество раз для множества элементов изображения, и для каждого из множества блоков от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения в настоящих вариантах осуществления изобретения.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции включает в себя регистры от 151-0 до 151-3, схему 152 выборки, схему 153 подсчета и память 154.

Регистры от 151-0 до 151-3 удерживают определенные значения измерительных схем со 121-0 по 121-3, переданных через передающие линии со 141-0 по 141-3.

Схема 152 выборки последовательно выбирает выходные значения регистров от 151-0 до 151-3, чтобы поставлять определенные значения, удерживаемые регистрами от 151-0 до 151-3, к схеме 153 подсчета.

Схема 153 подсчета вычисляет определенные значения множества элементов изображения (четыре элемента изображения в этом примере), которые считываются через выборку ряд за рядом и передаются через схему 152 выборки, сохраняя подсчитанные результаты для каждого элемента изображения в памяти 154.

Альтернативно, схема 153 подсчета суммирует подсчитанные результаты множества элементов изображения и сохраняет полученные результаты сложения в памяти 154.

Схема 153 подсчета загружает ранее считанные данные элементов изображения из памяти 154.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения, включает в себя единую схему 153 подсчета, которая используется совместно среди множества регистров от 152-0 до 152-3.

Другими словами, схема 153 подсчета используется совместно среди множества измерительных схем со 121-0 по 121-3 в датчике 100 изображения типа КМОП, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения.

Датчик 100 изображения типа КМОП, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, сконфигурирован таким образом, чтобы включать в себя характерные конфигурации, описанные ранее.

То есть, датчик 100 изображения типа КМОП сконфигурирован таким образом, что каждая измерительная схема используется совместно и циклически доступна для множества элементов изображения, таким образом позволяя использовать более мелкие элементы изображения, в то же время гарантируя сохранение времени облучения.

Кроме того, датчик 100 изображения типа КМОП сконфигурирован таким образом, что схема подсчета используется совместно множеством измерительных схем, таким образом позволяя обеспечить гибкую оптимизацию между масштабом схемы и скоростью обработки.

Более того, датчик 100 изображения типа КМОП способен расширить динамический диапазон при подсчете фотонов за счет суммирования результатов подсчета множества элементов изображения.

Характеристики, относящиеся к цифровому элементу изображения

Здесь будет приведено описание примера конфигурации цифрового элемента DPX изображения.

Каждый из цифровых элементов DPX изображения (в дальнейшем могут быть просто определены как элементы изображения) имеет элемент фотоэлектрического преобразования и выход электрического сигнала в ответ на воздействие падающего фотона.

Датчик 100 изображения типа КМОП как формирователь сигналов изображения способен не только выполнять возврат в исходное положение, но также и считывать элементы DPX изображения. В результате, тот же самый датчик 100 может перезагрузить и считать элементы DPX изображения с произвольным согласованием по времени.

Элементы DPX изображения возвращаются в исходное состояние при отсутствии падающих фотонов. Каждый из элементов DPX изображения, предпочтительно, должен включать в себя линзу и, в случае необходимости, цветной фильтр на их фотоприемной поверхности.

Хотя эти базовые характеристики элементов изображения подобны характеристикам обычных элементов изображения, их выходной сигнал необязательно должен быть точным или линейным, каким должен быть аналоговый выход.

Здесь будет приведено описание примера конфигурации цифрового элемента изображения.

Фиг.3 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.3 иллюстрирует пример схемы элемента изображения, в которой элемент DPX изображения включает в себя три транзистора.

В модуле элемента изображения, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения, усиливающий транзистор сформирован с полевым транзистором, имеющим канал p-типа (МОП-транзистор с каналом p-типа).

Модуль DPXA элемента изображения включает в себя фотодиод 111, передающий транзистор 112 с каналом n-типа, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа, усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа, узел 115 для хранения и узел 116 плавающей диффузии (FD).

Передающий транзистор 112 с каналом n-типа имеет электрод затвора, который присоединен к передаточной линии 181, используемой как линия управления для ряда. Перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа имеет электрод затвора, который присоединен к перезагрузочной линии 182, используемой как линия управления для ряда.

Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод затвора, который присоединен к узлу 116 FD, а его истоковый электрод 114S присоединен к выходной сигнальной линии 131.

В настоящем первом варианте осуществления изобретения усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет истоковый электрод 114S, который присоединен к подложке, являющейся МОП-структурой с каналом p-типа. Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод 114D стока, который присоединен к опорному потенциалу VSS (например, к земле GND-ground).

В модуле DPX 10 элемента изображения свет, падающий на кремниевую подложку элемента изображения, генерирует электронно-дырочные пары. Электроны в этих парах сохраняются в узле 115 для хранения с помощью фотодиода 111.

Электроны передаются к узлу 116 FD, когда передающий транзистор 112 с каналом n-типа включается в соответствии с заданным распределением по времени, таким образом возбуждая затвор усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа.

С другой стороны, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа, который имеет электрод стока, присоединенный к источнику VDD питания, используется для возврата элемента изображения в исходное положение.

Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод 114D стока, который присоединен к земле, а его истоковый электрод 114S присоединен к подложке, являющейся МОП-структурой с каналом p-типа. Истоковый электрод 114S дополнительно присоединен к выходной сигнальной линии 131.

Выходная сигнальная линия 131 совместно используется множеством элементов изображения, расположенных в направлении колонок. Выходная сигнальная линия 131 подключается к источнику питания через цепь 190 постоянного тока. Это позволяет усиливающему транзистору 114 с каналом p-типа действовать в качестве истокового повторителя.

То есть, сигнальный заряд, переданный к узлу 116 FD, выводится как сигнал к выходной сигнальной линии 131.

Ниже будет дано отдельное описание сохранения заряда в элементе изображения и считывание заряда из схемы, согласно настоящему варианту осуществления изобретения.

Фиг. с 4(А) по 4(D) являются временными диаграммами для перезагрузки, сохранения заряда в элементе изображения и для считывания заряда из элемента изображения, показанной на фиг.3.

Фиг.4(А) иллюстрирует потенциал сигнала перезагрузочной линии 182, фиг.4(В) показывает потенциал сигнала передаточной линии 181, фиг.4(С) показывает потенциал узла 116 FD, а фиг.4(D) показывает потенциал истокового электрода 114 S усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа.

Перед тем как сохранять заряд, сначала элемент изображения устанавливается в исходное положение.

Когда элемент изображения установлен в исходное положение, перезагрузочная линия 182 и передаточная линия 181 подтягиваются к верхнему уровню. Этот уровень запускает перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа и передающий транзистор 112 с каналом n-типа.

Эта операция передает напряжение истока, составляющее 1.8 V к узлу 115 для хранения.

В результате потенциал узла 115 для хранения повышается, вызывая выделение электронов, сохраняемых в узле.

В частности, в структуре HAD (Hole-Accumulation Diode - диод с накоплением дырок), узел 115 для хранения формируется с тонким слоем n-типа, вставленным в виде сандвича между слоями p-типа. Электроны этого слоя полностью разряжаются, таким образом полностью истощая узел 115 для хранения.

Затем передаточная линия 181 понижается до нижнего уровня. Это выключает передающий транзистор 112 с каналом n-типа, переводя узел 115 для хранения в плавающее состояние и инициируя новый цикл хранения заряда.

Во время хранения заряда, с другой стороны, перезагрузочная линия 182 поддерживается на высоком уровне, удерживая перезагрузочные транзисторы 113 с каналом n-типа невыбранных элементов изображения.

В результате, узел 116 FD, подключенный к затвору усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа, поддерживается на уровне напряжения истока.

Это поддерживает усиливающие транзисторы 114 с каналом p-типа невыбранных элементов изображения в выключенном состоянии.

Далее будет приведено описание считывания сохраняемого заряда.

Во-первых, перезагрузочная линия 182 в выбранном ряду понижается до низкого уровня, выключая перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа.

В это время узел 116 FD соединен с затвором перезагрузочного транзистора 113 с каналом n-типа. Это вызывает изменение потенциала узла 116 FD, например, с уровня 1.8 В до 0.8 В, переводя тот же самый узел 116 в плавающее состояние. В результате усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа включается.

Здесь усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа и выходная сигнальная линия 131, подключенные к цепи 190 постоянного тока, создают схему истокового повторителя. Потенциал Vfd узла 116 FD, используемый как входной для схемы истокового повторителя, и потенциал Vsl выходной сигнальной линии 131, используемый как выход выходной сигнальной линии 131, находятся в соответствии, близком к линейному, с коэффициентом изменения, близким к единице.

То есть, обозначая ток цепи 190 постоянного тока буквой i, в идеале следует придерживаться следующего уравнения:

[Уравнение 1]

i=(1/2)*β*(Vfd-Vth-Vsl)²//β является постоянной.

Здесь выражение (Vfd-Vth-Vsl) является неизменным. Поэтому изменение в потенциале Vfd узла 116 FD отражается на потенциале Vsl выходной сигнальной линии 131 с коэффициентом усиления, близким к единице.

То есть, когда усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа включается, изменение в потенциале узла 116 FD отражается на изменении в потенциале выходной сигнальной линии 131.

Здесь заряд считывается первый раз. Потенциал, появляющийся на выходной сигнальной линии 131, временно удерживается измерительной схемой 121.

Далее передаточная линия 181 подтягиваются к верхнему уровню, включая передающий транзистор 112 с каналом n-типа. В результате узел 116 FD присоединяется к передаточной линии 181, приводя к тому, что потенциал того же самого узла 116 поднимается. Это приводит к тому, что электроны, сохраняемые в узле 115 для хранения, перетекают в узел 116 FD.

В это время, если потенциал узла 116 FD достаточно высокий, то все электроны, сохраняемые в узле 115 для хранения, перетекают в узел FD, таким образом полностью истощая узел 115 для хранения.

Затем передаточная линия 181 понижает свой потенциал до низкого уровня, выключая передающий транзистор 112 с каналом n-типа. В результате потенциал узла 116 FD падает за счет заряда сигнала, по сравнению с тем, который существовал до того, как была приведена в действие передаточная линия.

То есть, в отсутствии падающего фотона потенциал возвращается до уровня около 0.8 В. Однако, если в результате падения фотонов были генерированы фотоэлектроны, потенциал падает в соответствии с количеством фотоэлектронов. В результате потенциал падает, например, до уровня 0.7 В. Это отражается в выходной сигнальной линии 131, использующейся как выход истокового повторителя.

Здесь заряд считывается во второй раз.