CN1185865C - 半导体摄象器件 - Google Patents

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CN1185865C CNB011174323A CN01117432A CN1185865C CN 1185865 C CN1185865 C CN 1185865C CN B011174323 A CNB011174323 A CN B011174323A CN 01117432 A CN01117432 A CN 01117432A CN 1185865 C CN1185865 C CN 1185865C
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Abstract

降低固定图形噪声的半导体摄象器件。在具备把多个具有将光信号变换成电信号的光电二极管3mn和连接到光电二极管3mn的电荷存储部分上的晶体管4mn的象素2mn配置成矩阵状的象素阵列1的半导体摄象器件中，具备缓冲器9n，用来用比上述象素阵列1的电源电压低的控制用电源电压控制晶体管4mn。

Description

半导体摄象器件
本发明涉及具备摄象用的象素阵列的半导体摄象器件，特别是涉及以X-Y寻址方式依次选择各个象素读出信号的半导体摄象器件。
图7示出了现有的X-Y寻址方式的半导体摄象器件的概略构成。该半导体摄象器件具备：把多个象素配置成矩阵状的象素阵列51；设置在象素阵列51的每一列上的列方向读出晶体管(列方向读出晶体管58n等)；列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器59n等)和列方向读出控制线用缓冲器(列方向读出控制线用缓冲器60n等)；设置在象素阵列51的每一行上的行方向复位信号用缓冲器(行方向复位信号用缓冲器61m等)和行方向读出控制线用缓冲器(行方向读出控制线用缓冲器62m等)。
象素阵列51的各个象素，例如，第m行n列(第m行n列是象素阵列51的任意的行列序号)的象素52mn，具备受光器件(光电二极管)53mn、列方向复位晶体管54mn、行方向复位晶体管55mn、放大用AMI(Amplified MOS Imager，放大式MOS成象器)晶体管56mn和行方向读出晶体管57mn。列方向复位晶体管54mn连接到光电二极管53mn的电荷存储部分上。
列方向复位信号用缓冲器59n，输入列方向复位信号XR1[n]，使第n列的各个列方向复位晶体管(列方向复位晶体管54mn等)进行通(ON)、断(OFF)。列方向读出信号用缓冲器60n输入列方向读出信号XS2[n]使列方向读出晶体管58n进行ON、OFF。列方向复位信号用缓冲器61m输入列方向复位信号YR2[m]使第m行的各个行方向复位晶体管(行方向复位晶体管55mn等)进行ON、OFF。列方向读出信号用缓冲器62m，输入行方向读出信号YS2[m]使第m行的各个行方向读出晶体管(行方向读出晶体管57mn等)进行ON、OFF。
当列方向复位晶体管54mn和行方向复位晶体管55mn都变成为ON状态时，光电二极管53mn的阳极就变成为光电二极管复位用电源电压VDC，放出在光电二极管53mn中存储的电荷，光电二极管53mn变成为复位状态。就是说，象素52mn被复位。当列方向读出晶体管58n和行方向读出晶体管57mn都变成为ON状态时，与存储在光电二极管53mn中的电荷对应的电流在放大用AMI晶体管56mn中流动，并作为输出信号输出。就是说进行读出。
此外，对各个象素(象素52mn等)、列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器59n等)、列方向读出信号用缓冲器(列方向读出信号用缓冲器60n等)、行方向复位信号用缓冲器(行方向复位信号用缓冲器61m等)和行方向复位信号用缓冲器(行方向读出信号用缓冲器62m)供给同一电源。
图8是说明现有的半导体摄象器件的动作的说明图。在该半导体摄象器件的动作中，在象素阵列51上边的2个象素中，同时进行读出、复位。例如，象下述那样地进行扫描：在使第q行第s列的象素52qs复位时，同时进行第p行第r列的读出。然后，这些进行复位和读出的象素位置，在第q行s列、第p行r列的下一步，就向第q行s+1列、第p行r+1列前进，在结束了第q行、第p行的复位、读出后，就向第q+1行、第p+1行前进，当来到了行、列的最后时就返回行、列的开头之处。
在各个象素中，在复位后一直到读出为止的期间，在图8的例子中，在象素位置从第p行r列移动到第q行s列的期间，将变成为各个光电二极管的电荷存储期间。就是说，在该电荷存储期间内电荷在各个象素的光电晶体管的电荷存储部分中存储。然后，在对应的行方向读出晶体管、列方向读出晶体管都已变成为ON时输出与所存储的电荷对应的信号。
图9的时序图示出了现有的半导体摄象器件的动作。在现有的半导体摄象器件的动作中，首先，一直到第m行的复位结束为止，行方向复位信号YR2[m]变成为ON状态(高电平)。接着，在列方向复位信号XR2[n]变成为ON状态时(图9的A2)，象素52mn被复位。然后，一直到第m行的复位结束为止，行方向读出信号YS2[m]变成为ON状态。接着，在列方向读出信号XS2[n]变成为ON状态时(图9的B2)，进行从象素52mn的读出。
在从象素52mn复位后到读出为止的电荷读出期间T2内，行方向复位信号YR2[m]虽然在复位选择行转移到m+1行之后将变成为ON状态，但列方向复位信号XR2[n]要进行多次的ON、OFF(图9的C2)。这是因为要使第m行以外的行的第n列的象素复位的缘故。该列方向复位信号XR2[n]的ON、OFF，将变成为与进行复位的行和进行读出的行之间的位置关系对应的数。例如，在图8的例子中，结果就变成为要进行(q-p-1)次的ON、OFF。
如上所述，采用在整个电荷存储期间T2内列方向复位信号XR2进行ON、OFF的办法，使列方向复位晶体管54mn进行ON、OFF，就可以进行与列方向复位晶体管54mn的栅极-衬底间的寄生电容对应的充放电。采用使该充放电的电荷的一部分流入光电二极管53mn中去的办法，就会发生上光电二极管53mn的电位进行变化的电荷泵现象。图10是说明现有的半导体摄象器件的电荷泵动作(电荷泵现象)的说明图。
该半导体摄象器件的电荷泵动作，首先，行方向复位信号YR2[m]、列方向复位信号XR2[n]分别变成为OFF状态(低电平)，借助于列方向复位信号用缓冲器59n给列方向复位晶体管54mn加上电源电压，列方向复位晶体管54mn变成为复位状态。在整个电荷存储期间T2内，行方向复位信号YR2[m]保持OFF状态，列方向复位晶体管54mn的p+源极层71、p+漏极层72间的电流被切断(参看图10(a)).
在这里，当列方向复位信号XR2[n]变成为ON状态时，栅极控制信号线77被接地，存储在列方向复位晶体管4mn的栅极76和p型衬底75之间的寄生电容上的电荷(在本例中为电子)放出至阱层74(参看图10(b))。接着，当列方向复位信号XR2[n]变成为OFF状态时，就再次给栅极控制信号线77加上电源电压，电荷再次向栅极76和硅衬底75之间的寄生电容上存储。在该充放电过程中，电荷的一部分将流入到光电二极管53mn发电荷存储部分73内(参看图10(c))。借助于此，使p电荷存储层73的电位变化。
图11示出了现有的半导体摄象器件中的光电二极管53mn的电荷存储量的时间性的变化。如图所示，在整个电荷存储期间T2内，每当列方向复位信号XR2[n]进行ON、OFF时，在光电二极管53mn中就会发生电荷泵动作所产生的电荷存储量的变化。就是说，除去由来自外界的光信号所产生的电荷存储之外，还进行由电荷泵动作所产生的电荷存储。由该电荷泵动作产生的光电二极管的电位变动量，由于易于受列方向复位晶体管的栅极的加工尺寸等工艺上的波动的影响，故在每一个象素中都将产生差异，成为固定图形噪声的一个原因。
但是，倘采用上述现有的技术，由于列方向复位信号用缓冲器与象素阵列51用共通的电源电压，控制连接到受光器件的电荷存储部分上的开关门电路(列方向复位晶体管)，故存在着充放电动作中的充放电的电荷量增大，因而固定图形噪声增加的问题。
本发明就是鉴于上述为体而发明的，目的是提供获得降低固定图形噪声的半导体摄象器件。
为解决上述课题、实现上述目的，本发明的半导体摄象器件，在具备把多个具有将光信号变换成电信号的受光器件和连接到上述受光器件的电荷存储部分上的开关门电路的象素配置成矩阵状的象素阵列的半导体摄象器件中，其特征是：具备开关门电路控制装置，用来用比上述象素阵列的电源电压低的控制用电源电压控制上述开关门电路。
倘采用本发明，则开关门电路控制装置，用比象素阵列的电源电压低的控制用电源电压，控制连接到受光器件的电荷存储部分上的开关门电路。借助于此，就会减小电荷泵动作中的充放电的电荷量。
在其次的发明的半导体摄象器件中，其特征是：上述控制用电源电压，大于从上述象素阵列的电源电压减去上述开关门电路截止时变成为ON的上述开关门电路控制装置内晶体管的阈值电压后所得到的电压。
倘采用本发明，则控制用电源电压，将变成为小于象素阵列的电源电压，且大于从上述象素阵列的电源电压减去开关门电路截止时变成为ON的上述开关门电路控制装置内晶体管的阈值电压后所得到的电压。借助于此，就可以抑制从受光器件通过晶体管流动的反向漏流。
其次发明的半导体摄象器件，其特征是：还具备产生上述控制用电源电压的控制用电源电压产生装置。
倘采用本发明，则控制用电源电压产生装置产生控制用电源电压。借助于此，就不再需要从外部输入控制用电源电压。
其次发明的半导体摄象器件，其特征是：上述控制用电源电压产生装置，是用多个电阻使上述象素阵列的电源电压分压以产生上述控制用电源电压的电阻分压电路。
倘采用本发明，则用电阻分压电路构成控制用电源电压产生装置而无须使用运算放大器。借助于此，可以降低功耗。
图1示出了本发明的实施例1的半导体摄象器件的概略构成。
图2是说明实施例1的半导体摄象器件的动作的说明图。
图3的时序图示出了实施例1的半导体摄象器件的动作。
图4(a)、(b)、(c)是说明实施例1的半导体摄象器件的动作的说明图。
图5示出了实施例1的半导体摄象器件的固定图形噪声。
图6示出了本发明的实施例2的半导体摄象器件的概略构成。
图7示出了现有的半导体摄象器件的概略构成。
图8是说明现有的半导体摄象器件的动作的说明图。
图9的时序图示出了现有的半导体摄象器件的动作。
图10(a)、(b)、(c)是说明实施例1的半导体摄象器件的电荷泵动作的说明图。
图11示出了现有的半导体摄象器件中光电二极管的电荷存储量随时间的变化。
以下，参照附图详细地说明本发明的实施例。另外，本发明并不受该实施例的限制。图1示出了本发明的实施例1的半导体摄象器件的概略构成。
实施例1
图1示出了本发明实施例1的X-Y寻址方式的半导体摄象器件的概略构成。该半导体摄象器件具备把多个象素配置成矩阵状的象素阵列1、设置在象素阵列1的每一列上的列方向读出晶体管(列方向读出晶体管8n等)、列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器9n等)和列方向读出控制线用缓冲器(列方向读出控制线用缓冲器10n等)。
此外，该半导体器件还具备设置在象素阵列1的每一行上的行方向复位信号用缓冲器(行方向复位信号用缓冲器11m等)和行方向读出控制线用缓冲器(行方向读出控制线用缓冲器12m等)、串联设置在象素阵列1的电源和地之间的电阻13、14以及设置在电阻13、14的中点与列方向复位信号用缓冲器之间的运算放大器15。
象素阵列1的各个象素，例如，第m行n列(第m行n列是象素阵列1的任意的行列序号)的象素2mn，具备受光器件(光电二极管)3mn、列方向复位晶体管4mn、行方向复位晶体管5mn、放大用AMI(Amplified MOS Imager，放大式MOS成象器)晶体管6mn和行方向读出晶体管7mn。
电阻13、14和运放15，构成产生比象素阵列1的电源电压还低的电压值的控制用电源电压的电路，把该控制用电源电压供给各个列方向复位缓冲器。就是说，用2个分压电阻13、14产生中间电位(控制用电源电压)。若设象素阵列1的电源电压的值为VDD，电阻13的电阻值为R2，电阻14的电阻值为R1，则控制用电源电压的值将变成为VDD·R2(R1+R2)。
该电路由于使用运放15，故即便是在信号线的寄生电容因象素数增加而增加的情况下，也可以进行稳定的动作。此外，还可以采用在可以进行信号线的寄生电容的充放电和光电二极管的电荷存储部分的复位的范围内，把电阻13、14的电阻值设定在最大值或最小值附近的办法，把功耗抑制到最小限度。
光电二极管3mn把阴极连接到象素阵列1的电源上，把来自外部的光信号变换成电信号，把与光信号对应的电荷存储在电荷存储部分内。列方向复位晶体管4mn是p型MOS晶体管，把源极连接到光电二极管3mn的阳极上。行方向复位晶体管5mn是p型MOS晶体管，把源极连接到列方向复位晶体管的漏极上，把漏极连接到光电二极管复位用电源(电压VDC)上。
放大用AMI(Amplifited MOS Imager)晶体管6mn，是p型MOS晶体管，把栅极连接到光电二极管3mn的阳极上，把漏极连接到象素阵列1的电源上，并流动与存储在光电二极管3mn中的电荷对应的电流。行方向读出晶体管7mn是p型MOS晶体管，源极连接到放大用AMI晶体管6mn的漏极上。列方向读出晶体管8n是p型MOS晶体管，源极连接到第n列的各个行方向读出晶体管的漏极上，从漏极输出输出信号。另外，在这里各个象素的晶体管虽然示出的是p型的例子，但是既可以是n型，也可以是p型n型混合。
列方向复位信号用缓冲器9n，用CMOS电路构成，从该CMOS的p型MOS晶体管16和n型MOS晶体管的栅极输入列方向复位信号XR1[n]，用来自运放15的控制用电源电压使第n列的各个列方向复位晶体管(列方向复位晶体管4mn等)进行ON、OFF。在使各个列方向复位晶体管断开的情况下，使p型MOS晶体管16变成为ON。
把电阻13、14的电阻值设定为使得控制用电源电压变成为比从象素阵列1的电源电压减去p型MOS晶体管16的阈值电压后的电压值还高的电压值。借助于此，就可以防止从各个列方向复位晶体管的光电二极管通过p型MOS晶体管16流动的漏电流。列方向读出信号用缓冲器10n由CMOS电路构成，从该CMOS的p型MOS晶体管和n型MOS晶体管的栅极输入列方向读出信号XS1[n]，用象素阵列1的电源电压使列方向读出晶体管8n进行ON、OFF。
此外，行方向复位信号用缓冲器11m，用CMOS电路构成，从该CMOS的p型MOS晶体管和n型MOS晶体管的栅极输入行方向复位信号YR1[m]，用象素阵列1的电源电压使第m行的各个行方向复位晶体管(行方向复位晶体管5mn等)进行ON、OFF。行方向读出信号用缓冲器12m，用CMOS电路构成，从该CMOS的p型MOS晶体管和n型MOS晶体管的栅极输入列方向读出信号YS1[m]，用象素阵列1的电源电压使各个行方向读出晶体管(行方向读出晶体管7mn等)进行ON、OFF。
当列方向复位晶体管4mn和行方向复位晶体管5mn都变成为ON状态时，光电二极管3mn的阳极就变成为光电二极管复位用电源电压VDC，放出在光电二极管3mn中存储的电荷，光电二极管3mn变成为复位状态。就是说，象素2mn被复位。当列方向读出晶体管8n和行方向读出晶体管7mn都变成为ON状态时，与存储在光电二极管3mn中的电荷对应的电流在放大用AMI晶体管6mn中流动，并通过行方向读出晶体管7mn和列方向读出晶体管8n，作为输出信号输出。就是说进行读出。
在本例中，虽然把列方向读出信号用缓冲器10n、行方向复位信号用缓冲器11m和行方向读出信号用缓冲器12m的电源作成为与象素阵列1的电源同一的电源，但也可以用不同的电源。此外，在本例中，也可以使行和列换过来。另外，列方向复位晶体管4mn与本发明的开关门电路控制装置对应，由电阻13、14和运放构成的电路，与本发明的控制用电源电压产生装置对应。
在以上的构成中，参照附图2～5说明实施例1的动作。图2是说明实施例1的半导体摄象器件的动作的说明图。在该半导体摄象器件的动作中，与前边所说的现有例同样，在象素阵列1上边的2个象素中同时进行读出和复位。例如，在使第q行s列的象素2qs复位时，同时进行第p行r列的象素2pr读出。然后，这些进行复位和读出的象素位置，在第q行s列、第p行r列的下一步，就向第q行s+1列、第p行r+1列前进，在结束了第q行、第p行的复位、读出后，就向第q+1行、第p+1行前进，当来到了行、列的最后时就返回行、列的开头之处。
在各个象素中，在复位后一直到读出为止的期间，在图2的例子中，在象素位置从第p行r列移动到第q行s列的期间，将变成为各个光电二极管的电荷存储期间。就是说，在该电荷存储期间内电荷在各个象素的光电晶体管的电荷存储部分中存储。然后，在对应的行方向读出晶体管、列方向读出晶体管都已变成为ON时输出与所存储的电荷对应的输出信号。
图3的时序图示出了实施例1的半导体摄象器件的动作。在现有的半导体摄象器件的动作中，首先，与前边所说的现有例同样，一直到第m行的复位结束为止，行方向复位信号YR1[m]变成为ON状态(高电平)。接着，在列方向复位信号XR1[n]变成为ON状态时(图3的A1)，象素2mn被复位。然后，一直到第m行的读出结束为止，行方向读出信号YS1[m]变成为ON状态。接着，在列方向读出信号XS1[n]变成为ON状态时(图3的B1)，进行从象素2mn的读出。
在从象素2mn复位后到读出为止的电荷存储期间T1内，行方向复位信号YR1[m]虽然在复位选择行转移到m+1行之后将变成为ON状态，但列方向复位信号XR1[n]要进行多次的ON、OFF(图3的C1)。这是因为要使第m行以外的行的第n列的象素复位的缘故。该列方向复位信号XR1[n]的ON、OFF，将变成为与进行复位的行和进行读出的行之间的位置关系对应的数。例如，在图8的例子中，结果就变成为要进行(q-p-1)次的ON、OFF。
图4是说明实施例1的半导体摄象器件的电荷泵动作(电荷泵现象)的说明图。在该半导体摄象器件的电荷泵动作中，首先，行方向复位信号YR1[m]、列方向复位信号XR1[n]分别变成为OFF状态(低电平)，借助于列方向复位信号用缓冲器9n给列方向复位晶体管4mn的栅极控制信号线27加上控制用电源电压，列方向复位晶体管4mn变成为OFF状态。在电荷存储期间T1内，行方向复位信号YR1[m]保持OFF状态，列方向复位晶体管4mn的p+源极层21、p+漏极层22间的电流被切断(参看图4(a))。
在这里，当列方向复位信号XR1[n]变成为ON状态时，栅极控制信号线7被接地，存储在列方向复位晶体管4mn的栅极26和p型硅衬底25之间的寄生电容上的电荷(在本例中为电子)放出至n阱层24一侧(参看图4(b))。接着，当列方向复位信号XR1[n]变成为OFF状态时，就再次给栅极控制信号线7加上控制用电源电压，电荷再次向栅极26和硅衬底25之间的寄生电容上存储。
在该半导体摄象器件中，在断开列方向复位晶体管4mn的情况下，由于加在栅极26上的电压是比象素阵列1的电源电压还低的控制用电源电压，故可以减少在充放电过程中流入光电二极管3mn的电荷存储部分(p电荷存储层)23内的电荷(参看图4(c))。这样一来，在该半导体摄象器件中，抑制了电荷泵动作，可以降低固定图形噪声。
图5示出了实施例1的半导体摄象器件的固定图形噪声。如该图所示，在该半导体摄象器件中，与前边所说的现有例比较，可以降低固定图形噪声。就是说，在电荷存储期间还没有扫描完象素阵列1的行数M的情况下，与电荷存储期间(或进行复位的行和进行读出的行分离开多少行)成比例地增加固定图形噪声的降低量。
如上所述，倘采用实施例1，则各个列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器9n等)用比象素阵列1的电源电压还低的控制用电源电压控制各个列方向复位晶体管(列方向复位晶体管4mn等)。借助于此，由于将减小电荷泵动作中的充放电的电荷量，故可以降低固定图形噪声。
此外，把控制用电源电压设定为小于象素阵列1的电源电压，且大于上述象素阵列1的电源电压减去各个列方向复位晶体管截止时为ON的各个列方向复位信号用缓冲器内的晶体管(p型MOS晶体管16等)的阈值电压所得到的电压。借助于此，由于可以抑制从光电二极管(光电二极管3mn等)通过p型MOS晶体管(p型MOS晶体管16等)流动的漏电流，故可以正确地保持输出信号电平。此外，在半导体摄象器件上边集成由电阻13、14和运放15构成的控制用电源电压产生用的电路。借助于此，由于不再需要从外部输入控制用电源电压，故外部电路的设计变得容易起来，此外，还可以降低价格。
实施例2
本发明的实施例2，设置仅仅由电阻分压电路构成的控制用电源电压产生电路，来取代在前边所说的实施例1中由电阻13、14和运放15构成的控制用电源电压产生电路。由于基本构成和动作与实施例1同样，在这里仅仅对不同的部分进行说明。图6示出了本发明的实施例2的半导体摄象器件的概略构成。另外，对于那些与图1同一构成部分赋予同一标号。
该半导体摄象器件，在实施例1的半导体摄象器件中，取代电阻13、14和运放15，具备串联设置在象素阵列1的电源与地之间的电阻31、32。由电阻31、32构成的电阻分压电路，中点连接到各个列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器9n等)上，向各个列方向复位信号用缓冲器供给中间电位(控制用电源电压)。其它的构成和动作与实施例1是相同的。
如上所述，倘采用实施例2，由于借助于用电阻31、32的电阻分压电路而不使用运放来产生各个列方向复位信号用缓冲器(列方向复位信号用缓冲器9n等)的电源电压，故价格将因削减部件个数而降低，此外，还可以降低运放所消耗的那么大的量的功耗。
如上所述，倘采用本发明，则开关门电路控制装置用比象素阵列1的电源电压还低的控制用电源电压控制连接到受光器件的电荷存储部分上的开关门电路。借助于此，由于将减小电荷泵动作中的充放电的电荷量，故具有可以降低固定图形噪声的效果。
倘采用其次的发明，控制用电源电压作成为小于象素阵列1的电源电压，且大于从上述象素阵列的电源电压减去在使开关门电路截止的情况下变成为ON的上述开关门电路控制装置内的晶体管的阈值电压后的电压。借助于此，由于可以抑制从受光器件通过晶体管流动的漏电流，故具有可以正确地保持输出信号电平的效果。
倘采用其次的发明，由于控制用电源电压产生装置产生控制用电源电压，故不再需要从外部输入控制用电源电压，故具有使外部电路的设计变得容易起来，此外，还可以降低价格的效果。

Claims (3)

1.一种半导体摄象器件，包括：
把多个象素配置成矩阵状的象素阵列，所述象素具有将光信号变换成电信号的受光器件和连接到上述受光器件的电荷存储部分上的开关门电路；以及
开关门电路控制装置，用比上述象素阵列的电源电压低的控制用电源电压控制上述开关门电路，
其特征是：上述控制用电源电压，大于从上述象素阵列的电源电压减去上述开关门电路截止时变成为ON的上述开关门电路控制装置内晶体管的阈值电压后所得到的电压。
2.权利要求1所述的半导体摄象器件，其特征是：还具备产生上述控制用电源电压的控制用电源电压产生装置。
3.权利要求2所述的半导体摄象器件，其特征是：上述控制用电源电压产生装置，是用多个电阻使上述象素阵列的电源电压分压以产生上述控制用电源电压的电阻分压电路。
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