用于固态成像装置的驱动方法以及成像系统的制作方法

专利名称：用于固态成像装置的驱动方法以及成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于扫描仪、视频照相机和数字静态照相机的固态成像装置，包括该 固态成像装置的成像系统，以及用于该固态成像装置的驱动方法。
背景技术：
通常已知一种具有如下这样的结构的常规成像装置，在该结构中，用于对入射光 进行光电转换的光电转换元件还用作用于积累电荷的积累部分。在另一方面，日本专利申请公开No. 2006-246450公开了 一种在电荷积累部分 与光电转换元件被分离地设置的结构中，将在光电转换元件中产生的电荷传输到电荷积 累区域，而不在光电转换元件内积累电荷的技术。图12A到12G相应于摘自日本专利申 请公开No. 2006-246450的图6。使用了如下这样的MOS晶体管，其中光电转换元件和电 荷积累部分之间的传输部分具有埋沟(buried channel)结构。根据日本专利申请公开 No. 2006-246450，光电转换元件可被维持为接收光所需的最小尺寸。因此，可以实现面内同 步电子快门，其中所有面内像素的电荷积累开始时间和电荷积累结束时间是匹配的。然而，根据日本专利申请公开No. 2006-246450，在图12E的定时以及随后的定时 在光电转换元件中产生的电荷被排出到溢出漏(overflow drain)(下文称为0FD)，因此还 未对将溢出到OFD的电荷用作信号进行充分的研究。通常，当将如同拍摄运动图像的情况 一样相继获得多个图像时，在从积累部分中读出对应于一个图像(帧)的信号的时间段期 间在光电转换元件中所产生的电荷也需要被用于形成图像的信号。在日本专利申请公开 No. 2006-246450中公开的技术中，在该时间段期间所产生的信号被排出到电源。因此，灵敏 度可能变得不充分，或可能不能获得平滑的运动图像。另一方面，当将拍摄静止图像时，需要匹配所有像素的电荷积累开始定时和电荷 积累结束定时，以便输出用于形成图像的信号。

发明内容
根据本发明的第一个方面，一种用于包括具有多个像素的像素部分的固态成像装 置的驱动方法，所述多个像素中的每个像素包括用于对入射光进行光电转换的光电转换 部分；用于将光电转换部分连接到用于积累电荷的积累部分的第一传输部分；用于将积累 部分连接到浮动扩散部分的第二传输部分；用于将浮动扩散部分连接到第一电源的复位部 分；和用于将光电转换部分连接到第二电源的第三传输部分，至少在所述多个像素中的每 个像素积累电荷的时间段期间，相对于积累在积累部分内的电荷在第一传输部分中形成的 势垒低于在第三传输部分内形成的势垒，该驱动方法包括执行第一驱动模式，其中为多个 像素共同设定所述多个像素中的每个像素内积累电荷的操作的开始和结束；并且执行第二 驱动模式，其中为每行中的像素共同设定多个像素中的每个像素内积累电荷的操作的开始 和结束。根据本发明的第二个方面，一种成像系统包括包括具有多个像素的像素部分的固态成像装置，所述多个像素中的每个像素包括用于对入射光进行光电转换的光电转换 部分；用于将光电转换部分连接到用于积累电荷的积累部分的第一传输部分；用于将积累 部分连接到浮动扩散部分的第二传输部分；用于将浮动扩散部分连接到第一电源的复位部 分；和用于将光电转换部分连接到第二电源的第三传输部分，至少在每个像素积累电荷的 时间段期间，相对于在积累部分内积累的电荷在第一传输部分中形成的势垒低于在第三传 输部分中形成的势垒；以及用于输出控制信号以便驱动固态成像装置的控制部分，其中所 述控制部分包括第一驱动模式，其中为多个像素共同设定所述多个像素中的每个像素内 积累电荷的操作的开始和结束；和第二驱动模式，其中为每行内的像素共同设定多个像素 中的每个像素内积累电荷的操作的开始和结束。根据本发明，可以实现面内同步电子快门，并且可以使用，例如，在拍摄运动图像 的情况下，在正从积累部分中读出信号的时间段期间在光电转换部分内产生的电荷。参考附图，从对示例实施例的下面描述中将明了本发明的其它特征。


图1是示出固态成像装置的示意结构图。图2是示出像素的等同电路图。图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3H和31是示出在面内同步电子快门操作期间的像素 的电势状态的图。图4是示出面内同步电子快门操作的时序图。图5A、5B、5C、5D、5E、5F和5G是示出根据本发明的第一实施例的滚动电子快门操 作期间的像素的电势的图。图6是示出根据本发明的第一实施例的滚动电子快门操作的时序图。图7是示出成像系统的示意结构图。图8是示出成像系统的操作的流程图。图9是示出根据本发明的第二实施例的滚动电子快门操作的时序图。图10是示出驱动模式切换的时序图。图11是示出另一种驱动模式切换的时序图。图 12A、12B、12C、12D、12E、12F 和 12G 是对应于日本专利申请公开 No. 2006-246450 的图6的图。图13是示出图2的像素的截面图。
具体实施例方式(第一实施例)描述本发明的第一个实施例。图1是示出了固态成像装置的示意框图。该固态成 像装置包括成像区域101、垂直扫描电路102和水平扫描电路103，在成像区域101中，多个 像素被成行地布置。水平扫描电路103连续扫描被对应于成像区域的像素列设置的信号 线，以便使得输出电路104输出来自对应于所述行中的一行的像素的信号。图2是示出了包括在成像区域101内的像素的等效电路图。为了简化描述，在这个 实施例中，包括在成像区域101内的像素的总数目是9(3行X3列)。像素数目不限于此。作为光电转换元件的光电二极管(PD)2的阳极被接地到固定电势，并且其阴极通过第一传 输开关8连接到积累部分MEM的一个端子，第一传输开关8是第一传输部分。另外，该阴极 通过作为第三传输部分的第三传输开关13连接到电源线，该电源线是用作溢出漏(下文称 为0FD)的第二电源。积累部分MEM的另一个端子被接地到固定电势。积累部分MEM的该 一个端子通过作为第二传输部分的第二传输开关9连接到放大晶体管12的栅极端子。放 大晶体管12的栅极端子通过作为复位部分的复位晶体管10连接到像素电源线。在此实施 例中，第一传输部分、第二传输部分和第三传输部分中的每一个包括该晶体管。在图2中， 用作OFD的电源线和像素电源线彼此分离。然而，用作OFD的电源线和像素电源线可被连 接到公共电源或不同的电源。选择晶体管11具有连接到像素电源线的漏极端子(一个主电极)，以及连接到放 大晶体管12的漏极(一个主电极)的源极端子(另一个主电极)。当有效信号SEL被输入 时，选择晶体管11的两个主电极彼此连接。因此，放大晶体管12与为垂直信号线OUT提供 的恒流源(未示出)一起形成源极跟随器电路，由此在垂直信号线OUT上产生对应于放大 晶体管12的栅极端子(控制电极)的电势的信号。基于在垂直信号线OUT上产生的信号 从固态成像装置输出信号，并且通过例如下文描述的信号处理电路单元将该信号显示为图 像。共同连接到放大晶体管12的栅极端子、复位晶体管10的主电极和第二传输开关9的 主电极的作为浮动扩散部分(下面被称为FD)的节点4具有电容值，并且因此可以保持电 荷。图13是示出了在半导体衬底上形成图2的像素的例子的截面图。对应于图2所 示的各个组成部分的组成部分被以相同参考号和符号表示。下面描述一个例子，在该例子 中，每个半导体区域的导电类型被形成为使用电子作为信号电荷。当使用空穴作为信号电 荷时，仅需要反转每个半导体区域的导电类型。P型半导体区域201可以通过向N型半导体衬底注入P型杂质离子来形成，或者可 以是P型半导体衬底。N型半导体区域202(第一导电类型的第一半导体区域)用作光电转换部分的一部 分，并且具有与作为信号电荷的电子相同的极性。N型半导体区域202与P型半导体区域 201 (第二导电类型的第二半导体区域)的一部分一起形成PN结。在N型半导体区域202的表面中设置P型半导体区域203，以便使光电转换部分用 作埋入式光电二极管，从而减少界面状态的影响，并且抑制在光电转换部分的表面上产生 暗电流。该光电转换部分至少包括第一半导体区域和与第一半导体区域一起形成PN结的 第二半导体区域。第二传输电极204被包括在第二传输开关9中。可以根据提供给第二传输电极的 电压控制电荷积累部分和电荷-电压转换部分(稍后描述的第四半导体区域)之间的电势 状态。第二传输电极通过绝缘膜被设置在稍后描述的第三半导体区域和第四半导体区域之 间的第二路径上。N型半导体区域205 (第一导电类型的第三半导体区域)用作积累部分的一部分， 并且可对于预定时间段积累从光电转换部分传输的电荷。控制电极206通过绝缘膜被设置 在第三半导体区域上，以能够控制第三半导体区域的在与绝缘膜的界面附近的一部分的电 势状态。当在电荷被保持在积累部分中的时间段期间给控制电极206提供电压时，可以减小在与N型半导体区域205的表面氧化膜的界面附近产生的暗电流。如稍后描述的，在这 种情况下，希望提供的电压是负电压，这是由于必需在第三半导体区域和所述绝缘膜之间 的界面处收集空穴。例如，提供大约为-3V的电压。对应于第三半导体区域的杂质浓度，对 所提供的电压进行适当调整。积累部分MEM包括N型半导体区域205和控制电极206。第一传输电极207被包括在第一传输开关8中，并且被设置以便能够控制光电转 换部分和电荷积累部分之间的第一路径的电势状态。浓度低于N型半导体区域202的半导 体区域213被设置在第一传输电极207之下，并且在N型半导体区域202和N型半导体区 域205之间。当采用这种埋沟结构时，可以提供图3A到31中所示的电势关系。浮动扩散区域(FD区域)(第四半导体区域)208作为电荷电压转换区域，并且通 过插头209电连接到放大MOS晶体管的栅极。设置遮光膜210以便防止入射光进入电荷积累部分。遮光膜210必须至少覆盖积 累部分MEM。如图13所示，希望遮光膜210在第一传输电极207的整个表面以及第二传输 电极204的一部分之上延伸，从而进一步增强遮光功能。用于电荷排出的控制电极211被包括在第三传输开关13中，并且被设置以便能够 控制光电转换部分和OFD区域之间的第三路径的电势状态。用于电荷排出的控制电极通过 绝缘膜被设置在第三路径上。用于电荷排出的控制电极被用于控制电势状态，从而由入射 光在光电转换部分中产生的电荷可被排出到OFD中。可以根据提供给控制电极211的电压 控制光电转换部分的积累时间段(曝光时间段)的长度。部分212(第五半导体区域)被包括在OFD内。用于向部分212提供电源电压的 插头215连接到电源(未示出)。换言之，部分212和插头215用作第二电源。第一传输开关8与光电转换部分和积累部分一起形成晶体管。第二传输开关9与 积累部分和浮动扩散部分4 一起形成晶体管。第三传输开关13与光电转换部分和第二电 源一起形成晶体管。图2和图13所示的多个单元像素希望被二维布置以便用作固态成像装置。在这 些像素中，多个光电转换部分可以共用复位部分、放大部分和选择部分。下面，描述用于实现面内同步电子快门的驱动方法，然后描述用于实现滚动电子 快门的驱动方法。参考图3A到31和4描述输入信号以及面内同步电子快门中的像素的各个部分的 电势。在图3A到31中，位于除了光电二极管(PD)外的区域上方的黑条示意地表示遮光部 件。具体地，使用被设置在半导体衬底上的布线实现遮光部件，并且光仅入射到光电二极管 上。图3A示出了在没有有效信号被输入到第一传输开关8的控制电极、第二传输开关9的 控制电极、第三传输开关13的控制电极和复位晶体管10的控制电极中的每一个的情况下 的电势。假设光电二极管2、积累部分MEM和FD4此时不保持电荷。在这个实施例中，在光 电二极管2中产生的将被积累在积累部分MEM中的电荷是电子，并且因此随着向图3A到31 中的每一个的下侧的移位，电势增加。在图3A到31中，第一传输开关的沟道的电势状态、 第二传输开关的沟道的电势状态和第三传输开关的沟道的电势状态分别由TX1、TX2和ΤΧ3 表示。图 2 所示的信号 TXl (η)到 TXl (η+2)、ΤΧ2 (η)到 ΤΧ2 (η+2)和 ΤΧ3 (η)到 ΤΧ3 (η+2)分 别被提供给第一传输开关、第二传输开关和第三传输开关。
在此实施例中，在电荷被保持在像素中的时间段期间，对应于第二传输开关和第 三传输开关的电势状态TX2和TX3的电势低于对应于第一传输开关的电势状态TXl的电 势，并且电势状态TXl的电势低于光电二极管(PD)的电势。换言之，相对于作为将被积累 在积累部分MEM中的电荷的电子在电势状态TX2和TX3中形成的势垒高于在电势状态TXl 中形成的势垒。相对于电子的在电势状态TXl中形成的势垒处于这样的电势状态，在该电 势状态中，在光电二极管(PD)中产生的电子的至少一部分被积累在PD中。由于如上所述 的电势关系，当通过入射光在光电二极管中产生电子时，一定数量或更多的电子越过电势 状态TXl的势垒流到电荷积累部分。即，光电二极管中产生的一定数量或更多的电子流入 积累部分MEM，而未被积累在光电二极管内。图3A示出了图4的时刻t0的状态。信号TXl (η)、ΤΧ2 (η)和ΤΧ3 (η)处于无效电 平。不考虑保持在光电二极管(PD)和积累部分MEM中的电荷的量。此时，信号RES(n)、 RES(η+1)和RES(n+2)处于有效电平，并且因此FD处于复位状态。在时亥Ijtl，信号 TXl (η)到 TXl (η+2)、ΤΧ2 (η)到 ΤΧ2 (η+2)和 ΤΧ3 (η)到 ΤΧ3 (η+2) 同时变成有效的，从而获得图3Β所示的状态。在这个状态中，在光电二极管中产生的电荷 和在积累部分MEM中保持的电荷被通过OFD或FD排出到电源或像素电源线。在时亥Ijt2，信号 TXl (η)到 TXl (η+2)、ΤΧ2 (η)到 ΤΧ2 (η+2)和 ΤΧ3 (η)到 ΤΧ3 (η+2) 同时转变成无效电平。然后，每个像素的电荷积累操作开始。图3C示出了此时的电势状态。图3D示出了从时刻t2经过了一段时间并且在光电二极管中积累电荷的状态。阴 影区域指示由光电转换产生的电荷。在这个状态中，光电二极管的电势等于第一传输部分 (晶体管)的沟道的电势，并且因此不能在光电二极管内积累更多数量的电荷。因此，此时 间之后在光电二极管中产生的电荷通过第一传输晶体管流入积累部分MEM，而不被积累在 光电二极管中。图3E示出了在紧邻时刻t3之前的时刻的像素的电势状态。在这个状态中，不能 被积累在光电二极管中的电荷被保持在积累部分中。当在时刻t3，有效的信号TXl (η)到TXl (η+2)被施加到第一传输晶体管时，获得图 3F所示的状态。在光电二极管和积累部分之间形成的相对于电子的势垒被消除，并且因此 积累在光电二极管中的电荷也被传输到积累部分。在时刻t4，信号TXl (η)到TXl (η+2)变成无效的，施加到第三传输晶体管的信号 ΤΧ3(η)到ΤΧ3(η+2)变成有效的，并且信号RES (η)变成无效的。因此，获得图3G所示的状 态。此时，在光电二极管和积累部分MEM之间形成相对于电子的势垒，并且在光电二极管 和OFD之间形成的相对于电子的势垒被消除。然后，在光电二极管中产生的所有电荷流入 OFD0换言之，即使当光入射到光电二极管上时，入射光也不会表现为用于形成图像的信号， 因此这种状态可被认为等于遮光状态。因此可以确保成像平面中的积累时间的同步。当信号ΤΧ2(η)在时刻t5成为有效并且具有脉冲形状时，在第η个像素的积累部 分MEM中积累的电荷被传输到FD。图3Η示出了信号ΤΧ2(η)在时刻t5成为有效的情况的 状态。图31示出了信号TX2 (η)随后成为无效的情况的状态。当信号SEL(n)成为高电平 时，对应于FD的电势的信号被输出到垂直信号线，因此必须在信号RES (η)在时刻t6再次 成为有效之前从输出部分(输出电路)输出该信号，或将该信号存储在对应于垂直信号线 设置的存储器(未示出)中。在时刻t7之前，对第(n+1)个像素和第(η+2)个像素执行相同操作，以读出全部像素信号。在时刻t8，信号TX3(n)到ΤΧ3(η+2)变成无效的，并且一系 列操作完成。因此，可以实现面内同步电子快门操作。因此，上述驱动方法适合于通过需要成像 平面中的积累时间的同步的静态照相机拍摄静止图像。接下来，参考图5Α到5G和6，描述根据此实施例的在包括图2所示的像素的固态 成像装置中实现滚动电子快门的驱动方法。图5Α示出了在图6的时刻t0的像素的电势状态，该状态是与图3A相同的状态。 不考虑保持在光电二极管(PD)和积累部分中的电荷的量。此时，信号RES(n)到RES(n+2) 处于有效电平，因此FD处于复位状态。在时刻tl，信号TXl (η)和ΤΧ2 (η)同时成为有效，从而积累在第η个像素的光电二 极管和积累部分MEM中的电荷被传输到FD。图5Β示出了信号TXl (η)和ΤΧ2 (η)在时刻tl 成为有效的状态。信号RES(n)处于高电平，因此积累在光电二极管和积累部分MEM中的电 荷被排出到像素电源线。由于输入信号电平没有发生改变，第(n+1)个像素和第(n+2)个 像素处于与图5A相同的状态。每个像素的光电二极管(PD)被入射光照射，因此可以在每 个像素的光电二极管(PD)和积累部分中积累电荷。当TXl (η)和ΤΧ2 (η)在时刻t2转变成无效电平时，第η个像素处于图5C所示的 状态，并且积累时间开始。在时刻t3，信号TXl (n+1)和TX2(n+l)以脉冲形状成为高电平。在时刻t4，信号 TXl (n+2)和TX2(n+2)以脉冲形状成为高电平。因此，第(n+1)个像素和第(n+2)个像素的 积累时间开始。在每个积累时间期间，当通过光电二极管的转换获得的电荷的数量超过预定数量 时，获得图5D所示的状态，然后如图5E所示，光电二极管中产生的电荷被传输到积累部分 MEM以被积累在其中。在时刻t5之前，信号RES(n)变成无效的，从而FD的复位状态被释放。当信号 RES (η)在时刻t5处于无效电平状态，并且信号TXl (η)和ΤΧ2 (η)转变成有效电平时，获得 图5F所示的状态。因此，积累在第η个像素的光电二极管和积累部分MEM中的电荷被传输 到FD。当信号TXl (η)和ΤΧ2(η)在时刻t5成为无效电平时，获得图5G所示的状态。在这 个状态中，当信号SEL(n)成为有效电平时，对应于FD的电势的信号被输出到垂直信号线， 并且因此，必须在信号RES(η)再次转变成有效电平之前从输出部分输出该信号，或将该信 号存储在对应于垂直信号线设置的存储器(未示出)中。对第(n+1)个像素和第(n+2)个像素依次执行相同操作，以便将来自图2所示的 所有像素(3行X3列)的信号输出到垂直信号线。滚动电子快门操作与前文描述的面内同步电子快门操作极其不同，不同之处在于 逐行地依次执行从光电二极管和积累部分向FD传输电荷的操作。在面内同步电子快门操 作的情况下，对于成像区域内的像素共同地设定积累时间。另一方面，在滚动电子快门操作 的情况下，在每行中设定积累时间。根据这种驱动方法，积累开始定时和积累结束定时在每 行中发生改变(行依次积累)。信号TX3 (η)到ΤΧ3 (n+2)连续地无效，因此在光电二极管中 产生的电荷不被排出到OFD中，S卩，不被丢弃。因此，在时刻t5之后读出对应于FD的电势
9的信号的时间段期间在光电二极管中产生的电荷可被用作用于形成下一帧的信号。因此， 该驱动方法适合于包括运动图像的应用。该驱动方法甚至可被用于仅包括所有信号TX3 (η)到ΤΧ3 (η+2)可被同时驱动的结 构的固态成像装置，该结构诸如是其中OFD例如是垂直溢出漏的结构。因此，存在可简化驱 动电路的结构的优点。如上所述，存在用于包括使用埋沟晶体管作为第一传输晶体管的像素的成像装置 的两种驱动方法，即，基于两种驱动模式的操作。将参照图7和8描述如何在这两种驱动模 式之间切换。图7示出了成像系统的示意结构。该成像系统包括，例如，光学单元711、固态成像 装置700、信号处理电路单元708、记录和通信单元709、定时产生器706、CPU 707、再现和显 示单元710以及操作单元712。作为包括透镜的光学系统的光学单元711将来自对象的光成像在固态成像装置 700的像素部分701上以便形成对象图像，在像素部分701中，多个像素被以二维布置。该 像素部分包括上述的有效像素区域。固态成像装置700在响应来自定时产生器706的信号 的定时输出对应于被在像素部分701上成像的光的信号。固态成像装置700包括像素部分701和水平读出电路705，像素部分701对应于图 1所示的成像区域，水平读出电路705具有用于临时保持从像素部分701的各个像素输出到 垂直信号线的信号的保持部分。水平读出电路705可包括对应于图1所示的输出电路104 的输出部分。固态成像装置700还包括用于选择像素部分的像素行的垂直扫描电路702，以 及用于控制水平读出电路705以便输出信号作为传感器信号输出的水平扫描电路703。从固态成像装置700输出的信号被输入作为信号处理部的信号处理电路单元 708。信号处理电路单元708基于根据程序确定的方法，对输入的电信号执行诸如A/D转换 的处理。通过信号处理电路单元708的处理所获得的信号被作为图像数据发送到记录和通 信单元709。记录和通信单元709向再现和显示单元710发送用于形成图像的信号，以便使 得再现和显示单元710再现和显示运动图像或静止图像。在从信号处理电路单元708接收 到信号时，记录和通信单元709还与作为控制部分的CPU 707通信，并且操作以便在记录介 质(未示出)上记录用于形成图像的信号。CPU 707控制成像系统的总体操作，并且输出用于控制光学单元711、定时产生器 706、记录和通信单元709以及再现和显示单元710的控制信号。CPU 707包括存储设备(未 示出)，该存储设备例如是记录介质。控制成像系统的操作所需的程序被记录在该存储设备 内。CPU707向定时产生器706输出驱动模式指令信号和成像指令信号。驱动模式指令信号 和成像指令信号可以不是不同的信号，而是单个信号。在从CPU接收到驱动模式指令信号和成像指令信号时，定时产生器706向垂直扫 描电路702和水平扫描电路703提供信号，以便以对应于驱动模式指令信号的驱动模式驱 动固态成像装置700。例如，CPU 707向定时产生器706提供驱动模式指令信号和成像指令信号，以便以 用于面内同步电子快门操作的驱动模式执行成像。然后，定时产生器706向固态成像装置 700提供用于执行面内同步电子快门操作的信号。在接收到从定时产生器706提供的信号 时，固态成像装置700在例如图4所示的定时被驱动，以便向信号处理电路单元708输 在成像平面中在相同积累时间获得的信号。另外，例如，CPU 707向定时产生器706提供驱动模式指令信号和成像指令信号， 以便以用于滚动电子快门操作的驱动模式执行成像。然后，定时产生器706向固态成像装 置700提供用于执行滚动电子快门操作的信号。在接收到从定时产生器706提供的信号时， 固态成像装置700在例如图6所示的定时被驱动，以便向信号处理电路单元708输出在不 同积累时间从成像平面中的每行中的像素获得的信号。操作单元712是由用户操作的界面，并且向CPU 707输出根据用户的操作产生的 操作信号。更具体地，可以在运动图像拍摄模式和静止图像拍摄模式之间切换，或可以确定 快门定时。再现和显示单元710被用于以图像显示输入图像数据。例如，通过信号处理电路 709被记录在记录介质(未示出)上的图像数据可被以图像显示。当该驱动方法被用于稍 后描述的电子取景器(EVF)时，不是从记录和通信单元709提供的而是从信号处理电路单 元708提供的图像数据可被以图像显示。图8是示出了成像系统的示意性操作的流程图。在步骤S0，固态成像装置700处于待机状态。在步骤Si，操作信号被从操作单元712输入到CPU 707。当操作信号是对应于使 用面内同步电子快门成像的指令的信号时，处理进入步骤S2-A，以便开始用于执行面内同 步电子快门操作的第一驱动模式。另一方面，当操作信号是对应于使用滚动电子快门成像 的指令的信号时，处理进入步骤S2-B，以便开始用于执行滚动电子快门操作的第二驱动模 式。首先，描述操作信号是对应于使用面内同步电子快门成像的指令的信号的情况。在步骤S2-A，执行面内同步复位，以便将成像平面中的所有像素一起复位。这对应 于图4的时刻tl和时刻t2期间的操作。然后，当像素的复位完成时(图4的时刻t2)，像 素的积累时间段开始。此后，当经过了一定时间时，在对应于图4的时刻t3的操作的步骤S3-A，积累在像 素的光电二极管(PD)中的所有电荷被一起传输到积累部分MEM。随后的步骤S4-A对应于图4的时刻t5和时刻t7之间的操作。此时间段是这样 的时间段，即在该时间段，对应于保持在FD中的电荷的信号被输出到像素的每一行中的垂 直信号线，即，信号被读出。当来自每行中的像素的信号的输出完成时(步骤S5-A)，处理返回步骤S0，并且固 态成像装置700再次成为待机状态。接着，描述操作信号是对应于基于滚动电子快门操作成像的指令的信号的情况。在步骤S2-B，逐行地复位像素。这对应于图6的时刻tl和时刻t4(复位操作完 成)期间的操作。在随后的步骤S3-B，在图6的时刻t5开始的操作开始从每行中的像素向垂直信号 线输出信号。当来自每行中的像素的信号的输出完成时(在步骤S4-B)，处理返回步骤S0，并且 固态成像装置700再次成为待机状态。如上所述，滚动电子快门操作可被适合地用于获得 诸如运动图像的顺序图像。当处理在步骤S4-B之后进入步骤S2-B时，期望依次成像。因
11此，重复步骤S2-B到步骤S4-B的操作。例如，当停止成像的操作信号被输入到CPU 707时， 处理在步骤S4-B之后返回步骤SO。可能存在当正在以第二驱动模式拍摄运动图像时操作被切换到第一驱动模式的 情况。图8示出了在执行步骤S3-B的操作的时间段期间，用于指示切换到第一驱动模式的 操作信号被输入到CPU707的情况。当在步骤S3-B期间用于指示驱动模式的切换的操作信 号被输入到CPU 707时，处理立刻进入步骤S2-A，并且成像平面内的所有像素被一起复位。另一方面，从图4的操作可知，信号TX3 (η)到ΤΧ3 (η+2)在时刻t4和时刻t8之间 的时间段期间处于有效电平，因此在这个时间段期间在光电二极管(PD)中产生的电荷不 被积累在像素中。因此，在第一驱动模式期间，操作不被切换到第二驱动模式。特别地，在 使用第一驱动模式拍摄静止图像的情况下，当在步骤S4-A期间操作被切换到第二驱动模 式时，对应于一帧的信号不被输出，因此此时获得的信号不能被用于图像。为了防止上述这 种状态，必须避免从第一驱动模式中的步骤S4-A切换到第二驱动模式。上述各个步骤仅是例子，并且因此本发明不限于上述这些例子。接下来，描述用于执行面内同步电子快门操作的第一驱动模式的所希望的应用例 子和用于执行滚动电子快门的第二驱动模式的所希望的应用例子。第一驱动模式适合于拍摄静止图像或控制频闪闪光灯，这是由于成像平面中的所 有像素一起经受电荷积累操作。另一方面，第二驱动模式如上所述适合于拍摄运动图像，或执行用于EVF显示的 成像，并且可被用于自动曝光(AE)操作。第一驱动模式或第二驱动模式可被用于自动聚焦 (AF)操作。根据上述本发明的第一实施例，可以实现面内同步电子快门，并且还可以实现滚 动电子快门。因此，可以根据预期使用执行切换。(第二实施例)在根据本发明第一实施例的执行滚动电子快门操作的驱动方法中，信号TX3(n) 到ΤΧ3(η+2)连续地处于无效电平。在本实施例中，对于相应行在与信号TXl (η)到TXl (η+2) 和ΤΧ2(η)到ΤΧ2(η+2)相同的时刻，使信号ΤΧ3 (η)到ΤΧ3 (η+2)脉冲有效。图9示出了根据这个实施例的驱动定时。该驱动定时与图6所示的驱动定时的不 同之处在于，在时刻tl和时刻t4之间的时间段期间，信号TXl和TX2成为脉冲有效电平， 并且信号TX3同时成为脉冲有效电平。当执行根据本实施例的操作而不是图6所示的根据本发明的第一实施例的操作 时，可以抑制光电二极管中残留的电荷对下一时间段期间的操作的影响。在根据本实施例的驱动方法中，在光电二极管中产生的电荷被通过溢出漏(OFD) 排出，因此，以与用于面内同步电子快门操作的排出方法相同的过程对电荷进行排出。因 此，两种驱动模式下的图像质量彼此相等。因此，例如，即使当在通过图9所示的操作拍摄 运动图像期间通过图4所示的操作获得静止图像时，也具有防止获得的图像外观不自然的 效果。(其它)在上述每个实施例中，已经描述了作为包括晶体管并且被输入到其栅极的信号驱 动的第一传输开关的第一传输部分。因此，在积累时间段期间积累在光电转换元件中的电荷被传输到浮动扩散部分(FD)，并且因此可被用于信号。然而，可能存在第一传输部分的电 势未被控制成为有效的情况。在该情况下，在积累时间段期间积累在光电转换元件中的电 荷不被用于信号。例如，当具有低照度的对象将被成像时，不能获得信号。因此，在积累在 光电转换元件中的电荷的量的影响不大的情况下，诸如在具有足够照度的对象将被成像的 情况下，可能不必使得第一传输部分的电势状态变成有效的。图10是示出了相继执行根据第一驱动模式的操作和根据第二驱动模式的操作的 情况的时序图。根据各驱动模式的操作与图4和6所示的操作相同。图11是示出了相继执行根据第二驱动模式的操作和根据第一驱动模式的操作的 情况的时序图。根据各驱动模式的操作与图9和4所示的操作相同。虽然已经参考示例实施例描述了本发明，应当理解，本发明不限于公开的示例实 施例。下面的权利要求的范围被赋予最宽的解释，以便包括所有这些修改和等同结构和功 能。本申请要求提交于2008年3月31日的日本专利申请No. 2008-091554的权益，在 此通过引用将其完整并入。
权利要求
一种用于固态成像装置的驱动方法，其中所述固态成像装置包括像素部分，所述像素部分包含多个像素，每个像素包括光电转换部分，用于对入射光进行光电转换；第一传输部分，用于将所述光电转换部分连接到用于积累电荷的积累部分；第二传输部分，用于将所述积累部分连接到浮动扩散部分；复位部分，用于将所述浮动扩散部分连接到第一电源；以及第三传输部分，用于将所述光电转换部分连接到第二电源，从而，至少在所述像素中积累电荷的时间段期间，用于保持积累在所述积累部分中的电荷的在所述第一传输部分中形成的势垒高于在所述第三传输部分形成的势垒，其中通过执行以下驱动模式来执行所述驱动方法第一驱动模式，在所述第一驱动模式中，对于多个像素共同地设定像素中积累电荷的操作的开始和结束；以及第二驱动模式，在所述第二驱动模式中，对于每行中的像素共同地设定像素中积累电荷的操作的开始和结束。
2.如权利要求1所述的驱动方法，其中所述第一传输部分与所述光电转换部分和所述积累部分一起形成第一晶体管； 所述第二传输部分与所述积累部分和所述浮动扩散部分一起形成第二晶体管；以及 所述第三传输部分与所述光电转换部分和所述第二电源一起形成第三晶体管，以便分 别控制所述第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管的沟道的电势状态。
3.如权利要求1或2所述的驱动方法，其中在所述第二驱动模式中，在所述光电转换部分中光电地产生的电荷通过所述第一传输 部分、所述第二传输部分和所述复位部分被排出到所述第一电源。
4.如权利要求1到3中任意一个所述的驱动方法，其中在所述第二驱动模式中，与降低响应积累在所述积累部分中的电荷在所述第一传输部 分和所述第二传输部分中形成的势垒同步地，降低用于保持积累在所述积累部分中的电荷 的在所述第三传输部分中形成的势垒，并且逐行地驱动所述多个像素。
5.如权利要求1到4中任意一个所述的驱动方法，其中在所述第一驱动模式中执行静止图像的成像，并且在所述第二驱动模式中执行运动图 像的成像。
6.如权利要求1到5中任意一个所述的驱动方法，其中 所述第一传输部分包括埋沟式晶体管。
7.一种成像系统，包括固态成像装置，所述固态成像装置包括像素部分，所述像素部分包含多个像素，每个像 素包括光电转换部分，用于对入射光进行光电转换；第一传输部分，用于将所述光电转换部分连接到用于积累电荷的积累部分； 第二传输部分，用于将所述积累部分连接到浮动扩散部分； 复位部分，用于将所述浮动扩散部分连接到第一电源；和第三传输部分，用于将所述光电转换部分连接到第二电源，从而，至少在所述像素中积累电荷的时间段期间，在所述第一传输部分中形成的用于 保持积累在所述积累部分中的电荷的势垒高于在所述第三传输部分中形成的势垒，以及控制单元，所述控制单元输出控制信号以便控制所述固态成像装置执行第一驱动模式，在所述第一驱动模式中，对于多个像素共同地设定像素中积累电荷的 操作的开始和结束；和第二驱动模式，在所述第二驱动模式中，对于每行中的像素共同地设定像素中积累电 荷的操作的开始和结束。
8.如权利要求7所述的成像系统，其中所述第一传输部分与所述光电转换部分和所述积累部分一起形成第一晶体管；所述第二传输部分与所述积累部分和所述浮动扩散部分一起形成第二晶体管；以及所述第三传输部分与所述光电转换部分和所述第二电源一起形成第三晶体管，以便基 于控制信号分别控制所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管的沟道的电势状 态。
9.如权利要求7或8所述的成像系统，其中在所述第二驱动模式中，在所述光电转换部分中光电地产生的电荷通过所述第一传输 部分、所述第二传输部分和所述复位部分被排出到所述第一电源。
10.如权利要求7到9中任意一个所述的成像系统，其中所述控制单元输出控制信号，从而在所述第二驱动模式中，与降低响应积累在所述积 累部分中的电荷在所述第一传输部分和所述第二传输部分中形成的势垒同步地，降低在所 述第三传输部分中形成的用于保持积累在所述积累部分中的电荷的势垒，并且逐行地驱动 所述多个像素。
11.如权利要求7到10中任意一个所述的成像系统，其中所述第一传输部分是埋沟式晶体管的一部分。
全文摘要
提供了一种用于包括多个像素的固态成像装置的驱动方法。在积累部分中所积累的电荷的电势低于用于将光电转换元件连接到用于积累电荷的积累部分的第一传输部分的电势。该驱动方法包括第一驱动模式和第二驱动模式，第一驱动模式对于所述多个像素公共地设定所述多个像素中的每一个中的积累电荷操作的开始和结束；第二驱动模式对于每行中的像素公共地设定所述多个像素中的每一个中的积累电荷操作的开始和结束。
文档编号H04N5/369GK101981918SQ20098011092
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月31日
发明者大贯裕介, 山下雄一郎 申请人:佳能株式会社