CN102843527B - 固态成像装置、驱动固态成像装置的方法和电子系统 - Google Patents

Abstract

一种固态成像装置包括：像素阵列部件，包括二维矩阵的像素阵列，所述像素包括：光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷；放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出；至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，和多个像素晶体管，转移和读取信号电荷；和扫描部件，被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。

Description

固态成像装置、驱动固态成像装置的方法和电子系统

技术领域

本公开涉及固态成像装置。更具体地，本公开涉及一种CMOS（互补金属氧化物半导体）固态成像装置、驱动该CMOS固态成像装置的方法和使用该CMOS固态成像装置的电子系统。

背景技术

迄今为止，在普通CMOS固态成像装置中，已经采用一种顺次读取每一行的信号电荷的方法，所述信号电荷是已通过以二维矩阵布置的各个像素的光接收部件生成并累积的。在这种情况下，各个像素的光接收部件的曝光时间是通过信号电荷读出（readout）的起始和结束来确定的，因此曝光定时针对每个像素而不同。相应地，如果使用所述CMOS固态成像装置来捕获快速运动对象的图像，则会存在该对象的图像变形的问题。

为了解决上述问题，近年来，已经建议同时的图像捕获功能（全局快门（globalshutter）功能）来实现累积期间内的一致。而且，具有全局快门功能的CMOS固态成像装置已经在应用上得到扩展。

在具有全局快门功能的CMOS固态成像装置中，为了在读出时间之前累积光接收部件生成的信号电荷，通常必须使得电荷累积部件具有光屏蔽（light-shielding）效果。对于电荷累积部件，存在许多使用浮动扩散（floating diffusion）部件的普通CMOS固态成像装置，浮动扩散部件起初是针对像素而布置的。同样，日本特开专利申请公开No.2009-268083已公开了一种对于电荷累积部件使用两个部件（即CCD型电荷保持电容器部件和浮动扩散部件）的配置，以便增加饱和电子的数量。

顺便提及，日本特开专利申请公开No.2009-268083中描述的CCD型电荷保持电容器部件也用于在曝光时间段期间已经从光电二极管溢出的信号电荷的接收器。因此，在电荷保持电容器部件保持信号电荷的同时不允许曝光。相应地，仅在所有像素的信号电荷被读出之后允许曝光。因此，存在的问题是，有许多不允许曝光的时间段，要求连续曝光的平滑运动图像不被允许，并且运动图像的灵敏度降低。

发明内容

鉴于上述各点，期望提供一种具有允许连续曝光的全局快门功能的固态成像装置。而且，期望提供一种使用该固态成像装置的电子系统。

根据本公开的实施例，提供了一种固态成像装置，其包括以二维矩阵形成的像素阵列部件和扫描部件。所述像素阵列部件包括具有光电转换部件、放电部件、至少两个电荷累积部件和像素晶体管的像素，所述至少两个电荷累积部件包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件。光电转换部件被配置来根据光量而生成信号电荷。放电部件被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出。至少两个电荷累积部件包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移。像素晶体管转移和读取信号电荷。扫描部件被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。

在根据本公开的固态成像装置中，对于所有像素将光电转换部件所生成并累积的信号电荷同时转移到第一电荷累积部件，并且随后对于每个像素而读出所述信号电荷。因此，能够在信号电荷读出时间段结束之前开始下一个曝光时间段。

根据本公开的另一实施例，提供了一种固态成像装置的方法。所述方法包括：对于所有像素同时通过光电转换部件开始曝光，并且生成和累积信号电荷；对于所有像素将光电转换部件中累积的信号电荷同时转移到第一电荷累积部件；读出超过第一电荷累积部件中电荷饱和量的转移到第二电荷累积部件的信号电荷作为高亮度信号，重置第二电荷累积部件的电位，随后将第一电荷累积部件中累积的信号电荷转移到第二电荷累积部件，并且读出第二电荷累积部件中累积的信号电荷作为对于每个像素的低亮度信号。

在根据本公开的驱动固态成像装置的方法中，对于所有像素将光电转换部件所生成并累积的信号电荷同时转移到第一电荷累积部件，并且随后对于每个像素而读出所述信号电荷。因此，能够在信号电荷读出时间段结束之前开始下一个曝光时间段。

根据本公开的另一实施例，提供了一种包括固态成像装置的电子设备，所述固态成像装置具有像素阵列部件和扫描部件。所述像素阵列部件包括具有光电转换部件、放电部件、至少两个电荷累积部件和像素晶体管的像素，所述至少两个电荷累积部件包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件。光电转换部件被配置来根据光量而生成信号电荷。放电部件被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出。至少两个电荷累积部件包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移。像素晶体管转移和读取信号电荷。形成像素阵列部件，其中像素是以二维矩阵排列的。扫描部件被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。所有像素可以是同时被扫描，而不是依次被扫描。

通过本公开，在具有全局快门功能的固态成像装置中，能够在读出结束之前开始曝光，因此提高了运动图像的质量。

附图说明

图1是图示根据本公开第一实施例的整个CMOS固态成像装置的示意配置图；

图2A和图2B分别是图示根据本公开第一实施例的固态成像装置的像素阵列部件的截面配置（其部件通过电路图举例说明）和像素的电路配置的图；

图3是图示根据第一实施例的固态成像装置的拍摄方法的时序图；

图4是对应于时序图的电位图以及图示从单元像素的曝光到读出的电子运动和电位转变的截面电位图（2图中的第一部分）；

图5是对应于时序图的电位图以及图示从单元像素的曝光到读出的电子运动和电位转变的截面电位图（2图中的第二部分）；

图6是图示驱动根据变型的固态成像装置的方法的时序图；

图7是图示根据本公开第二实施例的固态成像装置的像素配置的电路图；

图8是其中固态成像装置应用于作为根据本公开的电子系统的示例的相机的情况的配置图；

图9是通过内置于电子系统中的根据第一实施例的固态成像装置捕获静止图像的情况下的时序图；

图10是通过内置于电子系统中的根据第二实施例的固态成像装置捕获运动图像的情况下的时序图；

图11A和图11B分别是图示可应用于本公开第二实施例的像素排列的示例以及在信号电荷在共享像素中被添加到真实像素排列的情况下的有效像素排列的图；和

图12是可应用于其中三个像素共享第二电荷累积部件的情况的像素排列和多个像素晶体管的示例。

具体实施方式

下面，将参考图1到图12给出根据本公开实施例的固态成像装置、驱动固态成像装置的方法和电子系统的示例的描述。本公开的实施例将以下列顺序描述。在这点上，本公开不限于以下示例。

1.第一实施例：固态成像装置

1.1固态成像装置的整体配置

1.2主要部件的配置

1.3驱动方法

1.4变型

2.第二实施例：固态成像装置电子系统

2.1像素配置

2.2电子系统的配置

2.3驱动方法：静止图像

2.4驱动方法：运动图像

1.第一实施例：固态成像装置

1.1固态成像装置的整体配置

首先，将给出根据本公开第一实施例的固态成像装置的描述。

图1是图示根据本公开第一实施例的整个CMOS固态成像装置的示意配置图。

根据本实施例的固态成像装置1具有包括像素阵列部件2和周边电路部件的配置，所述像素阵列部件2形成于由硅制成的衬底9上，所述周边电路部件被集成在与像素阵列部件2的相同衬底9上。周边电路部件包括例如行扫描部件3、恒流源部件4、列信号处理部件3、列扫描部件6、输出处理部件7和控制部件8等。

像素阵列部件2具有以下配置：其中，在行方向和列方向上（也就是说，以二维矩阵）布置具有光电转换元件的单元像素（下面有时简称为“像素”），该光电转换元件根据入射光量而生成光电荷数量（光信号）并且将光电荷累积在内部。这里，行方向是指一像素行中的像素的排列方向（也就是水平方向），而列方向是指一像素列中的像素的排列方向（也就是垂直方向）。而后将给出单元像素的具体电路配置的细节的描述。

在像素阵列部件2中，像素驱动线12被布线为对于行方向上的每个像素行的矩阵状态像素阵列，而垂直信号线17被布线为对于列方向上的每个像素列的矩阵状态像素阵列。在读取来自像素的信号的时候，像素驱动线12发送用于驱动的驱动信号。在图1中，一条像素驱动线12用一条布线线条（wire line）图示，但是不限于一条线条。像素驱动线12的一端连接到对应于行扫描部件3的每行的线端（end terminal）。

行扫描部件3包括移位寄存器、地址解码器等，并且对于所有像素，或者对于每一行等，同时驱动像素阵列部件2的每个像素。也就是说，行扫描部件3与控制行扫描部件3的控制部件8一起构成驱动像素阵列部件2的每个像素的驱动部件。图示中省略了行扫描部件3的具体配置。通常，行扫描部件3具有包括两个扫描系统（即读取扫描系统和扫掠扫描（sweep scanning）系统）的配置。

读取扫描系统对于每一行的像素阵列部件2的单元像素依次执行选择性扫描，以便读取来自单元像素的信号。从单元像素读取的信号是模拟信号。扫掠扫描系统对通过读取扫描系统执行读取扫描的行执行扫掠扫描。

扫掠扫描由扫掠扫描系统执行，因此从读取行中的单元像素的光电转换元件中扫掠掉不必要的电荷，从而重置光电转换元件。而且，所谓的电子快门操作由扫掠不必要电荷（重置）的扫掠扫描系统来执行。这里，电子快门操作是指丢弃光电转换元件的光电荷并且开始新曝光（开始光电荷的累积）操作的操作。

而后将给出由读取扫描系统和扫掠扫描系统执行的像素扫描的描述。

经由恒流源部件4对于每一像素列通过垂直信号线17的相应一条将从像素行中的每个单元像素输出的信号输入到列信号处理部件5，所述信号已经经受由行扫描部件3执行的选择性扫描。恒流源部件4具有其中对于每一像素列布置一个恒流源35（参考图2A和图2B）的配置。恒流源35通过垂直信号线17的相应一条将偏置电流提供给每个单元像素。

列信号处理部件5对通过垂直信号线17从对于每一像素列的像素阵列部件2的被选行的每个像素输出的信号执行预定的信号处理。由列信号处理部件5执行的信号处理包括例如由CDS（相关双取样）执行的噪声消除处理、信号放大处理、AD（模数）转换处理等。

然而，此处举例的信号处理仅仅是一个示例，由列信号处理部件5执行的信号处理不限于上述处理。列信号处理部件5执行各种类型处理以外的一个或多个处理。

列扫描部件6包括移位寄存器、地址解码器等，并且选择对应于列信号处理部件5的像素列的单位电路。列扫描部件5执行选择性扫描，从而通过水平信号线10将对于列信号处理部件5中的每个单位电路的已经受信号处理的信号依次提供给输出处理部件7。

输出处理部件7对由列扫描部件6选择并且通过水平信号线10输入的信号执行预定处理，并且输出信号在衬底9以外。输出处理部件7进行的处理有时不仅包括缓冲，或者可以包括各种类型的信号处理，例如缓冲之前的黑电平调节、对于各个像素列的变化的校正等等。

控制部件8接收从衬底9的外面给出的时钟信号、指示操作模式的数据信号等，并且包括基于这些信号生成各种定时信号的定时生成部件。由控制部件8生成的各种定时信号被提供给周边电路部件，例如行扫描部件3、列信号处理部件5和列扫描部件6等，并且执行这些电路部件的驱动控制。

1.2主要部件的配置

图2A图示了根据本实施例的固态成像装置1的像素阵列部件2的截面配置（该配置的部件通过电路图举例说明）。图2B是图示根据本实施例的固态成像装置1的像素的电路配置的图。

如图2A和图2B所示，根据本实施例的固态成像装置1包括形成于衬底20上的光电转换部件（下面称作光电二极管PD）、第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25。而且，固态成像装置1包括用于转移电荷的转移晶体管13、第一重置晶体管11、第二重置晶体管14、放大晶体管15和选择晶体管16。

如图2A和图2B所示，衬底20由例如n型半导体衬底的第一传导类型组成。其上形成像素的衬底20的表面是由第二传导类型制成的阱区域21，例如p型杂质区域。在该p型阱区域21中形成构成像素的光电二极管PD、第一和第二电荷累积部件24和25、以及构成每个像素晶体管的源极区域和漏极区域。

光电二极管PD构成光电转换元件，并且包括形成于衬底2的表面上的p型半导体区域22、和形成于p型半导体区域22的下层中的n型半导体区域23。在本实施例中，主光电二极管由p型半导体区域22和n型半导体区域23之间的p-n结构成。

光电二极管PD根据入射光量而生成信号电荷，并且该信号电荷被累积在n型半导体区域23中。而且，在本实施例中，在光电二极管PD中，形成在表面侧具有空穴累积层的p型半导体区域22。因此，抑制了在形成于衬底20的表面侧上的氧化膜的界面上发生的暗电流（未图示出）。

第一电荷累积部件24被形成在与光电二极管PD相邻的范围内，以便将阱区域21中包含的转移栅极部件24a夹在中间，并且在深度方向上包括从衬底20的表面形成的n型半导体区域。通过绝缘膜31将电压变化电极26直接形成在衬底20上的其中形成第一电荷累积部件24和转移栅极部件24a的区域中。电压变化电极26被提供有请求的电压变化脉冲CCD，因此转移栅极部件24a和第一电荷累积部件24的电位变化。从而，光电二极管PD中累积的信号电荷通过栅极部件24a被转移到第一电荷累积部件24。

以这种方式，第一电荷累积部件24具有其电位通过电压变化电极26改变的CCD（电荷耦合器件）结构，并且用作临时保持信号电荷的电容器部件（MEM）。而且，势垒（对应于转移栅极部件24a）被布置在第一电荷累积部件24的光电二极管PD侧上。

第二电荷累积部件25被形成在与第一电荷累积部件24相邻的范围内，以便将构成转移晶体管13的转移栅极部件28夹在中间，并且包括从衬底20的表面形成的n型半导体区域。第二电荷累积部件25具有例如比光电二极管PD中包含的n型半导体区域23更高的杂质浓度，并且构成所谓的浮动扩散部件FD。

转移晶体管13包括由第一电荷累积部件24制成的源极、由第二电荷累积部件25支撑的漏极以及通过绝缘膜31形成于源极和漏极之间的衬底20上的转移栅电极28。

通过将转移脉冲Trf提供给转移栅电极28，转移晶体管13将第一电荷累积部件24中累积的信号电荷转移到第二电荷累积部件25。

第一重置晶体管11包括由光电二极管PD制成的源极、与电源电压Vdd连接的漏极（在图2A中由放电部件30表示）以及形成于源极与漏极之间的第一重置栅电极29。通过将第一重置脉冲Drn提供给第一重置栅电极29，第一重置晶体管11的光电二极管PD的电压被重置为电源电压Vdd。

第二重置晶体管14包括由第二电荷累积部件25制成的源极、与电源电压Vdd连接的漏极以及形成于源极与漏极之间的第二重置栅电极32。通过将第二重置脉冲Rst提供给第二重置栅电极32，第二重置晶体管14的第二电荷累积部件25的电压被重置为电源电压Vdd。

放大晶体管15包括提供有电源电压Vdd的漏极、也用作选择晶体管16的漏极的源极以及形成于源极与栅极之间的放大栅电极33。将第二电荷累积部件25的电压提供给放大晶体管15的放大栅电极33。从而，对应于电压的像素信号被输出到漏极。

选择晶体管16包括也用作放大晶体管15的源极的漏极、与垂直信号线17连接的源极以及形成于源极与漏极之间的选择栅电极34。通过将选择脉冲Sel提供给选择晶体管16的选择栅电极34，像素信号被输出到垂直信号线17。而且，源极跟随器电路是通过经由选择晶体管16将放大晶体管15连接到垂直信号线17以及恒流源35连接到垂直信号线17的一端而形成的。

在图2A中，仅图示了第二重置晶体管14、放大晶体管15和选择晶体管16的电路图，已省略了截面配置。然而，以与其他像素晶体管相同的方式，晶体管包括n沟道MOS晶体管。也就是说，第二重置晶体管、放大晶体管15和选择晶体管16的源极和漏极分别包含在衬底20的表面上形成的n型半导体区域中，并且各个栅电极通过绝缘膜形成在衬底20的表面上。

1.3驱动方法

接着，将给出驱动根据本实施例的固态成像装置1的方法的描述。图3是图示根据本实施例的固态成像装置1的拍摄方法的时序图。而且，图4和图5是对应于时序图的电位图以及图示从单元像素的曝光到读出的电子运动和电位转变的截面电位图。图3中时刻（1）到（12）中的点分别对应于图4和图5中时刻（1）到（12）中的点。

首先，在开始曝光之前的备用状态中，未提供第一重置脉冲Drn、电压变化脉冲CCD、转移脉冲Trf、选择脉冲Sel和第二重置脉冲Rst，因此每个栅极部件处于截止状态（图3中的状态（1））。在备用状态中，如图4的状态（1）中所示，单元像素处于以下状态：其中信号电荷被累积在光电二极管PD和第二电荷累积部件25中。这时，在读出前一帧之后，累积在光电二极管PD中的信号电荷源自入射光。而且，累积在第二电荷累积部件25中的信号电荷是来自前一帧的剩余。

接着，为了开始曝光，提供第一重置脉冲Drn，从而第一重置晶体管11导通（图3中的状态（2））。通过导通第一重置晶体管11，如图4的状态（2）中所示，累积在光电二极管PD中的信号电荷放电到与电源电压Vdd连接的放电部件30，并且重置光电二极管PD。此后，停止提供第一重置晶体管Drn，从而第一重置晶体管11截止（图3中的状态（3））。以这种方式重置累积在光电二极管PD中的信号电荷的操作称作电子快门操作。在第一重置晶体管11截止之后，开始光电二极管PD中的曝光。

在曝光开始之后，在其中已过去请求的曝光时间段的状态下（图3中的状态（4）），如图4的状态（4）中所示，曝光时间段期间通过光电转换产生的信号电荷被累积在光电二极管PD中。此处，第一重置栅电极29下的重置栅极部件的势垒被配置成低于电压变化电极26下的转移栅极部件24a的势垒。因此，如果信号电荷被生成为超过光电二极管PD的电荷饱和量，则从光电二极管PD溢出的信号电荷被配置成不被放电到第一电荷累积部件24，而是被放电到第一重置晶体管11中包含的放电部件30。势垒的高度可以通过杂质浓度来控制。具体地，可以通过在第一重置栅电极29下引入例如磷之类的n型杂质来降低势垒。在日本特开专利申请公开No.2009-268083（其是使用用于保持电荷的第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25两者的相关领域示例）中，势垒的高低关系是相对的，因此从光电二极管PD溢出的信号电荷流入第一电荷累积部件24。

接着，提供第二重置脉冲Rst和转移脉冲Trf，从而第二重置晶体管14和转移晶体管13导通（图3中的状态（5））。因此，如图4的状态（5）中图示，通过第二重置晶体管14将累积在第二电荷累积部件25中的信号电荷放电到电源电压Vdd。此处，如果信号电荷同样累积在第一电荷累积部件24中，则以相同方式通过第二重置晶体管14将累积在第一电荷累积部件24中的信号电荷同样放电到电源电压Vdd。而且为了使得该操作接近随后的滚动读取（rolling read）状态，可期望同时提供选择脉冲Sel以便导通选择晶体管16。

停止提供第二重置脉冲Rst和转移脉冲Trf，因此第二重置晶体管14和转移晶体管13截止（图3中的状态（6））。此处，如图4中的状态（6）中图示，第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25的信号电荷变为重置状态。

接着，提供电压变化脉冲CCD和转移脉冲Trf，从而转移栅极部件24a和第一电荷累积部件24的电位被设定较深（deep），因此转移晶体管13导通（图3中的状态（7））。从而，如图5中的状态（7）中所示，在曝光时间段期间累积在光电二极管PD中的信号电荷被转移到第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25。此处，第一电荷累积部件24未被形成为大得足以容纳光电二极管PD中累积的所有信号电荷。因此，光电二极管PD中的信号电荷首先被转移到第一电荷累积部件24，而且从第一电荷累积部件24中已溢出的信号电荷被转移到第二电荷累积部件25以便累积在那里。

在转移信号电荷之后，停止提供电压变化脉冲CCD和转移脉冲Trf，从而电荷变化电极26的下部的电位回到以前电位，这截止了转移晶体管13（图3中的状态（8））。这时，如果已经提供选择脉冲Sel，则同时停止所述提供。从而，如图5中的状态（8）中图示，结束信号电荷向第一电荷累积部件24和向第二电荷累积部件25的转移。

同时对于所有像素执行迄今为止的一系列操作。也就是说，全局曝光开始于图4的状态（2），并且在图4的状态（7）执行全局转移，从而同时对于所有像素终止曝光时间段。

接着，执行滚动读取。在滚动读取时，对于每一行依次执行操作。

每个像素处于图5的状态（8），直到它的动作回到将要操作的行。将参考图3和图5给出第n行中像素的操作的描述。

当它的动作回到第n行时，首先，提供选择脉冲Sel（图3中的状态（8′））。从而，选择晶体管16变为导通状态。转移晶体管13的电位这时处于与图5中的状态（8）相同的状态。而且，当选择晶体管16导通时，与由累积在第二电荷累积部件25中的信号电荷造成的电位对应的像素输出被放大晶体管15放大为高亮度信号，并且通过选择晶体管16输出到垂直信号线17。输出到垂直信号线17的高亮度信号被捕获在列电路（图中未图示出）中。

接着，在其中继续提供选择脉冲Sel的状态下，提供第二垂直脉冲Rst（图3中的状态（9））。从而，第二重置晶体管14变为导通状态，于是如图5中的状态（9）中所示，累积在第二电荷累积部件25中的信号电荷被放电到电源电压Vdd，并且执行重置。此后，停止第二重置脉冲Rst的提供（图3中的状态（10）），从而如图5中的状态（10）所示，第二重置晶体管14截止。

当第二重置晶体管14处于截止状态时，与第二电荷累积部件25的电位对应的输出在列电路中被捕获为重置信号。列电路通过产生之前获得的高亮度信号与重置信号之间的差来执行相关双取样。从而，列电路保持从中去除固定噪声模式的高亮度信号。

接着，在其中继续提供选择脉冲Sel的状态下，提供转移脉冲Trf（图3中的状态（11））。从而，转移晶体管13变为导通状态，然后如图5中的状态（11）所示，累积在第一电荷累积部件24中的信号电荷被转移到第二电荷累积部件25。在结束转移之后，停止转移脉冲Trf的提供（图3中的状态（12）），如图5中的状态（12）所示，转移晶体管13截止。

在这个状态下，与累积在第二电荷累积部件25中的信号电荷的电位对应的输出通过放大晶体管15被放大为低亮度信号，并且通过选择晶体管16输出到垂直信号线17。通过列电路捕获输出到垂直信号线17的低亮度信号。

列电路通过产生在图3中的状态（10）中获得的重置信号与低亮度信号之间的差来执行相关双取样。从而，列电路保持从中去除固定噪声模式的低亮度信号。

通过水平信号线10将从中已去除固定噪声模式并且保持在列电路中的高亮度信号和低亮度信号输出到输出处理部件7。输出处理部件7根据高亮度信号和低亮度信号来重构与曝光时间段期间由光电二极管PD生成并累积的信号电荷对应的信号，并且输出该信号。从而，结束读取第n行中的像素。

在结束读取第n行中的像素之后，读取第(n+1)行中的像素。当读取第(n+1)行中的像素时，以与图3中的状态（8′）到（12）中相同的操作驱动各个像素晶体管，并且可以获得低亮度信号和高亮度信号。

在根据本实施例的固态成像装置1中，仅通过光电二极管PD来累积曝光时间段期间由光电转换产生的信号电荷，并且在结束曝光时间段之后，将信号电荷转移到第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25。因此，与其中在曝光时间段期间信号电荷被累积在光电二极管PD和第一电荷累积部件24中的相关领域固态成像装置相比，能够使得第一电荷累积部件24的面积较小。从而，如果假设单元像素的面积保持相同，则能够确保光电二极管PD占据大面积，并且增加灵敏度和电荷饱和量。

同样，在根据本实施例的固态成像装置1中，可以读取低亮度信号和高亮度信号两者，从而可以扩展动态范围。

在本实施例中，电子快门操作与全局转移的同时发生应该被保持到想实际使用中没有问题的程度。如果同时完全操作所有像素，则在驱动器上存在许多负荷。为了减少该负荷，可以利用提供像素阵列部件2的上部和下部之间的小时间差的配置。

顺便提及，使用驱动根据本实施例的固态成像装置1的方法，变得能够在滚动读取期间执行电子快门操作。下面，作为变型，将给出其中在滚动读取期间执行电子快门操作的驱动方法的描述。

1.4变型

图6是图示驱动根据变型的固态成像装置的方法的时序图。在该变型中，电子快门的操作、全局转移的操作和在滚动读取时每个像素的操作与上述实施例的那些相同，但是其定时是不同的。根据该变型的方法在捕获运动图像的情况是有效的。

在该变型中，如图6中所示，在完全结束滚动读取之前，执行电子快门的操作（图6中的状态（2））。也就是说，在前一帧的读取时间段期间开始下一曝光时间段。在这种情况下，为了最小化电源波动的影响等，可期望在改变行时进行电子快门操作。

在根据本实施例的固态成像装置1中，如果在曝光时间段期间由光电二极管PD生成的信号电荷超过光电二极管PD的电荷饱和量，则信号电荷溢出到第一重置晶体管11（放电部件30）的漏极。因此，超过光电二极管PD的电荷饱和量的信号电荷可能不会溢出到第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25，因此能够在滚动读取结束之前开始曝光。

而且如在该变型中，在滚动读取终止之前开始曝光，曝光期间的信号电荷仅被光电二极管PD累积，并且在完全结束滚动读取之后执行全局转移。从而，先前的信号电荷和随后的信号电荷将不在第一电荷累积部件24和第二电荷累积部件25中混合。

在该变型中，在滚动读取结束之前开始曝光，从而帧之间的时间跳跃（time jump）变得几乎没有，因此可以捕获平滑的运动图像，并且提高灵敏度。而且，在根据本实施例的固态成像终止1中，如上所述，所生成的信号电荷仅被累积在光电二极管PD中，从而变得能够利用其中光电二极管PD具有大面积且第一电荷累积部件24具有小面积的配置。这样的配置对于根据本变型的驱动方法是有效的。

2．第二实施例：固态成像装置·电子系统

接着，将给出根据本公开第二实施例的固态成像装置的描述、驱动该固态成像装置的方法和电子系统。根据本实施例的固态成像装置的整体配置与图1中的相同，因此将省略重复描述。在根据本实施例的固态成像装置中，2个像素共享多个像素晶体管。

2.1像素配置

图7是图示根据本实施例的固态成像装置的像素配置的电路图。图7图示了作为典型的列方向上的两个相邻像素（下面称作第一像素40a和第二像素40b）。在图7中，对于图2B中的对应部件赋予相同的附图标记，并且将省略重复描述。

如图7中所示，在第一像素40a和第二像素40b中，对于每个像素单独地形成光电二极管PD、第一电荷累积部件24（参考图2A）和驱动这些部件的像素晶体管。而且，第二电荷累积部件25（参考图2A）被第一像素40a和第二像素40b共享。重置第二电荷累积部件25、放大晶体管15和选择晶体管16的第二重置晶体管14也被第一像素40a和第二像素40b共享。

在第一像素40a中，转移脉冲Trf1被输入到转移晶体管13，第一重置脉冲Drn1被输入到第一重置晶体管11，以及电压变化脉冲CCD1被输入到电压变化电极26。

在第二像素40b中，转移脉冲Trf2被输入到转移晶体管13，第一重置脉冲Drn2被输入到第一重置晶体管11，以及电压变化脉冲CCD2被输入到电压变化电极26。

为了驱动根据本实施例的固态成像装置，当拍摄静止图像时必须结合使用机械快门。接着，将给出合并根据本实施例的固态成像装置的电子系统的描述。

2.2电子系统的配置

图8图示了应用于作为根据本公开的电子系统的示例的相机的固态成像装置的情况的配置。根据本实施例的电子系统50包括光学镜头组（光学镜头系统）51、机械快门61、固态成像装置52、DSP（数字信号处理器）53、帧存储器57和中央处理单元（CPU）54。而且，电子系统50包括显示装置55、记录装置58、操作系统56、电源系统59等等。在这些装置当中，DSP53、帧存储器57、CPU 54、显示装置55、记录装置58、操作系统56和电源系统59连接到公共总线60。

光学镜头组51将来自物体的图像光（入射光）导入固态成像装置52的成像部件（像素阵列部分：像素部分）。机械快门61控制固态成像装置52的光照射期间和光遮蔽期间。将具有如图7中所示的像素配置的固态成像装置应用于固态成像装置52。固态成像装置52将成像表面上由光学镜头组51形成的图像光转换为对于每个像素的电信号。DSP 53控制固态成像装置52，然后从中接收信号，并且生成图像信号。帧存储器57是供临时存储将由DSP 53处理的图像信号使用的存储器。

显示装置55显示作为DSP 53处理的结果输出的图像信号。记录装置58将图像信号记录到例如磁带、磁盘、光盘、存储卡等。操作系统56用于操作相机。单元系统59施加用于驱动固态成像装置52和机械快门61的电功率。CPU 54控制这些装置的操作。

在按照本实施例的电子系统50中，在拍摄静止图像时，使用机械快门61。而且，在捕获运动时，不使用机械快门61就捕获运动图像。下面，将给出驱动系统的特定方法的描述。

2.3驱动方法：静止图像

图9图示了通过内置于根据本实施例的电子系统50中的固态成像装置52捕获静止图像的情况下的时序图。图9中在时刻（1）到（12）的点分别对应于图4和图5中在时刻（1）到（12）的点。在本实施例中，在捕获静止图像的情况下，组合使用电子系统50中包含的机械快门61。

首先，在机械快门61打开的状态下，第一重置脉冲Drn1和Drn2被同时提供给所有像素，因此仅第一重置晶体管11导通（图9中的状态（2））。其后，同时停止将第一重置脉冲Drn1和Drn2提供给所有像素，从而第一重置晶体管11截止（图9中的状态（3））。从而，同时对于所有像素执行电子快门操作，因此开始曝光时间段。当曝光时间段开始时，如图4中状态（4）所示，光电二极管PD开始生成和累积信号电荷。

接着，关闭机械快门61，因此同时终止所有像素的曝光时间段。也就是说，在第一实施例中，执行全局转移以便同时终止所有像素的曝光时间段。然而，在本实施例中，关闭机械快门61以便终止曝光时间段。

在机械快门61关闭之后，开始滚动读取。在滚动读取中，首先，读取第一像素40a的信号。在读取第一像素40a时，以与如图4中状态（5）到图5中状态（12）中图示的根据第一实施例的驱动方法相同的方式，将光电二极管PD中累积的信号电荷读取为高亮度信号和低亮度信号。而且，在正读取第一像素40a的信号电荷时，在第二像素40b中，所生成的和累积的信号电荷毫无变化地保持在光电二极管PD中。

接着，在第一像素40a的读取结束之后，读取第二像素40b。以与如第一实施例中的图4的状态（5）到图5的状态（12）的相同方式进行第二像素40b的读取。在本实施例中，以这种方式，在共享多个像素晶体管的像素中，信号电荷被分别转移到第一和第二电荷累积部件24和25，并且被依次读取。

在本实施例中，从图4中的状态（4）到图5中的状态（8）的操作同样被并入对于每一行的读取操作中，从而变得能够合并将被读入到列电路的像素的重置信号。因此，对于高亮度信号，能够产生与通过图9中的状态（6）获得的重置信号（取代通过图9中的状态（10）获得的重置信号）的差。

在本实施例中，在共享多个像素晶体管的第一像素40a和第二像素40b中，信号电荷被分别转移到第一和第二电荷累积部件24和25，并且被依次读取。因此，各个像素的信号电荷在第二电荷累积部件25中未混合。而且，在本实施例中，通过机械快门61机械地结束曝光时间段，由此在关闭机械快门61之后，机械地遮蔽入射光。因此，在滚动读取时，变得能够将像素中的信号电荷累积在光电二极管PD中，直到读取像素的时刻为止。在这点上，在本实施例中，仅对于确定结束曝光时间段的定时而使用机械快门61。因此，对于本实施例中使用的机械快门61，与高精度的机械快门相比，能够使用简单的机械快门来确定曝光时间段的开始和结束。

2.4驱动方法：运动图像

图10图示了在根据本实施例的固态成像装置中捕获运动图像的情况下的时序图。图10中时刻（1）到（12）中的点分别对应于图4和图5中的时刻（1）到（12）中的点。在本实施例中，在捕获运动图像的情况下，电子系统50中包括的机械快门61可以不被组合地使用。

在捕获运动图像的情况下，以与第一实施例相同的方式同时对所有像素执行电子快门（图10中的状态（2））操作。并且在完成某一曝光时间段之后，通过如第一实施例中相同的全局转移（图10中的状态（4）到（8）），同时终止对于所有像素的曝光时间段。而且，在滚动读取中，分别同时操作用于第一像素40a和第二像素40b的第一重置脉冲Drn1和Drn2、转移脉冲Trf1和Trf2、以及电压改变脉冲CCD1和CCD2。从而，对于两个像素的信号电荷被添加在第二电荷累积部件25中，并且随后被读取。也就是说，在捕获运动图像的情况下，第一像素40a和第二像素40b的信号电荷被读取为对于一个像素的信号电荷。

顺便提及，目前的数码相机产生10兆像素或更多的静止图像。然而，对于运动图像，甚至HDTV（高清电视）仅产生两兆像素。这样，对于运动图像，存在允许像素添加（pixeladdition）以便减少像素数量的许多应用。在本实施例中，在捕获运动图像的时候在共享像素之间执行像素添加。然而，如果灵敏度和折回噪声（fold-back noise）可能恶化，则替换像素添加，可以利用其中读取仅一个共享像素的稀疏读取（thinning read）。

如上所述，在本实施例中，在具有全局快门功能的固态成像装置中，能够在多个像素当中共享多个像素晶体管（在本实施例中为两个）。因此，单元像素的面积可能被制成较小。而且，像素晶体管的占据面积可能被制成较小，从而每个像素中的光电二极管PD的面积可被制成较大，并且电荷的饱和量可能扩大。

顺便地，在本实施例中，在捕获运动图像的时刻，混合并输出共享第二共享累积部件25的像素的信号。因此，共享第二电荷累积部件25的像素必须是彼此对应于相同颜色的像素。

图11A图示了可应用于本实施例的像素排列的示例。图11B图示了在针对图11A中的真实像素排列通过共享像素彼此添加信号电荷的情况中的有效像素排列。图11A图示了其中排列了红色像素（R）、蓝色像素（B）和绿色像素（G）的示例。如图11A中所示，奇数列中的像素由所有绿色像素组成，偶数列中的像素具有红色像素和蓝色像素每两行交替布置的配置。而且，利用下列像素配置：其中每一列中相同颜色的相邻像素共享第二电荷累积部件（图2A中的第二电荷累积部件25）。

采用上述排列，在利用像素添加捕获运动图像的情况下，突然读取相同颜色的两个相邻像素的信号电荷。而且，在这种情况下，共享像素的颜色相同，从而颜色没有混合。以这种方式，相同颜色的像素共享包括第二电荷累积部件25的多个像素晶体管，因此即使像素的数量减少，也能够获得足够数量的像素来捕获运动图像。而且，可以对于每个像素设置在捕获运动图像时的曝光时间段。因此，如果两个共享像素的信号电荷的累积时间段被设定为彼此不同，则能够在捕获运动图像时在45度对角Bayer排列中扩展动态范围。

图11A图示了其中在捕获运动图像时像素排列变成对角Bayer排列的排列。通过将图11A中的排列旋转45度也能够将图11B中的排列设定为Bayer排列。

在本实施例中，已经给出了两个像素共享第二电荷累积部件25和多个像素晶体管的情况的描述。然而，对于两个像素或更多像素可以共享上述元件。图12图示了可应用于三个像素共享第二电荷累积部件25和多个像素晶体管的情况的像素排列的示例。

如图12中所示，像素排列是普通的Bayer排列，并且垂直方向（行方向）上相同颜色的三个相邻像素被放入共享单元。也就是说，图12中通过布线线条连接的像素变为彼此共享的像素。

在本实施例中，共享像素由相同颜色的像素构成，因此在捕获运动图像时不会发生颜色混合。而且，在图12中的排列中，如果除了在垂直方向上添加三个像素，通过列电路等在横向上（在列方向上）添加三列像素，则能够重新配置具有1/9像素数量的Bayer排列。在这种情况下，在像素数量是大约18兆像素的情况下，能够捕获具有两兆像素的运动图像，从而能够确保足够数量的像素用来捕获运动图像

如上所述，在本实施例中，在带有通过多个像素共享多个像素晶体管的配置的具有全局快门功能的固态成像装置中，变得能够使用机械快门61利用全局快门同时用来捕获运动图像和静止图像两者。而且，在本实施例中，不必具有昂贵的高精度机械快门，从而能够降低成本。

本公开不限于应用于检测可视入射光量的分布以便捕获图像的固态成像装置。本公开可应用于捕获入射（例如红外线或X射线或颗粒等）量的分布的固态成像装置。在广泛意义上，本公开通常也可应用于固态成像装置（物理量分布检测装置），例如检测其他物理量（例如压力、静电电容等）的分布以便捕获图像的指纹检测传感器。

而且，本公开不限于其中对于每一行依次扫描像素范围中的各个单元像素以及从各个单元像素开始读取像素信号的固态成像装置。本公开也可以应用于X-Y寻址型固态成像装置，其中对于每个像素选择任意一个像素，并且从被选像素开始读取信号。

在这点上，固态成像装置可被形成在一个芯片中，或者可被形成在模块配置中，其中像素范围以及信号处理部件或光学镜头系统被封装在一起以便具有捕获图像的功能。

而且，根据本公开的固态成像装置主要由n沟道MOS晶体管构成。然而，也可以通过p沟道MOS晶体管来配置该装置。

在使用p沟道MOS晶体管的情况下，在各个图中利用反转传导类型的配置。

而且，在本公开中，已经给出了作为电子系统的示例的相机的描述。然而，作为电子系统，除了诸如数码相机、视频摄像机等的相机系统以外，给出了具有捕获图像的功能的电子系统，例如移动电话等。在这点上，本公开有时可应用于安装在电子系统上的具有上述功能的模块，即相机模块。

而且，在本公开中，已经仅给出了根据第二实施例的固态成像装置应用于电子系统的情况的描述。然而，当然，能够将根据第一实施例的固态成像装置应用于电子系统。在那种情况下，可以不组合地使用机械快门。

在这点上，本公开可被配置如下。

(1)一种固态成像装置，包括：

像素阵列部件，包括二维矩阵的像素阵列，

所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷；和

扫描部件，被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。

(2)按照(1)所述的固态成像装置，

其中光电转换部件和放电部件之间的势垒被形成为低于光电转换部件和第一电荷累积部件之间的势垒。

(3)按照(1)或(2)所述的固态成像装置，

其中第一电荷累积部件具有CCD结构。

(4)一种驱动包括像素阵列部件的固态成像装置的方法，所述像素阵列部件包括二维矩阵的像素阵列，所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷，所述方法包括：

对于所有像素同时通过光电转换部件开始曝光，并且生成和累积信号电荷；

对于所有像素将光电转换部件中累积的信号电荷同时转移到第一电荷累积部件；

读出超过第一电荷累积部件中电荷饱和量的转移到第二电荷累积部件的信号电荷作为高亮度信号，重置第二电荷累积部件的电位，随后将第一电荷累积部件中累积的信号电荷转移到第二电荷累积部件，并且读出第二电荷累积部件中累积的信号电荷作为对于每个像素的低亮度信号。

(5)按照(4)所述的驱动固态成像装置的方法，

其中曝光时间段是以将光电转换部件中累积的信号电荷放电到放电部件开始。

(6)按照(4)或(5)所述的驱动固态成像装置的方法，还包括，

在读出高亮度信号以及重置第二电荷累积部件的电位之后，获得第二电荷累积部件的重置电位，并且使用重置电位消除高亮度信号和低亮度信号的固定模式噪声。

(7)按照(4)到(6)中任一个所述的驱动固态成像装置的方法，

其中曝光时间段是在读出每个像素的信号电荷结束之前开始的。

(8)一种包括固态成像装置的电子设备，包括：

像素阵列部件，包括二维矩阵的像素阵列，

所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷；和

扫描部件，被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。

本公开包含于2011年6月21日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-137652中公开的主题相同的主题，其整体内容通过引用并入于此。

本领域技术人员将会理解，根据在所附权利要求或其等价物的范畴之内的设计要求和其它因素，可能发生各种变型、组合、子组合和替换。

Claims (8)

1.一种固态成像装置，包括：

像素阵列部件，包括二维矩阵的像素阵列，

所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来在所述曝光时间段之后同时响应于具有第一电位的第一转移脉冲和电压变化脉冲，接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，并且随后响应于具有所述第一电位的第二转移脉冲，接收来自所述第一电荷累积部件的剩余信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷；和

扫描部件，被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。

2.如权利要求1所述的固态成像装置，

其中光电转换部件和放电部件之间的势垒被形成为低于光电转换部件和第一电荷累积部件之间的势垒。

3.如权利要求2所述的固态成像装置，

其中第一电荷累积部件具有CCD结构。

4.一种驱动包括像素阵列部件的固态成像装置的方法，所述像素阵列部件包括二维矩阵的像素阵列，所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来在所述曝光时间段之后同时响应于具有第一电位的第一转移脉冲和电压变化脉冲，接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，并且随后响应于具有所述第一电位的第二转移脉冲，接收来自所述第一电荷累积部件的剩余信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷，所述方法包括：

对于所有像素同时通过光电转换部件开始曝光，并且生成和累积信号电荷；

对于所有像素将光电转换部件中累积的信号电荷同时转移到第一电荷累积部件；

读出超过第一电荷累积部件的电荷饱和量而转移到第二电荷累积部件的信号电荷作为高亮度信号，重置第二电荷累积部件的电位，随后将第一电荷累积部件中累积的信号电荷转移到第二电荷累积部件，并且读出第二电荷累积部件中累积的信号电荷作为对于每个像素的低亮度信号。

5.如权利要求4所述的驱动包括像素阵列部件的固态成像装置的方法，

其中曝光时间段是以将光电转换部件中累积的信号电荷放电到放电部件开始。

6.如权利要求5所述的驱动包括像素阵列部件的固态成像装置的方法，还包括，

在读出高亮度信号以及重置第二电荷累积部件的电位之后，获得第二电荷累积部件的重置电位，并且使用重置电位消除高亮度信号和低亮度信号的固定模式噪声。

7.如权利要求6所述的驱动包括像素阵列部件的固态成像装置的方法，

其中曝光时间段是在读出每个像素的信号电荷结束之前开始的。

8.一种包括固态成像装置的电子设备，包括：

像素阵列部件，包括二维矩阵的像素阵列，

所述像素包括

光电转换部件，被配置来根据光量而生成信号电荷，

放电部件，被配置来接收在曝光时间段期间由光电转换部件生成的信号电荷当中超出光电转换部件中电荷饱和量的信号电荷的溢出，

至少两个电荷累积部件，包括第一电荷累积部件和第二电荷累积部件，所述第一电荷累积部件被配置来接收在曝光时间段之后由光电转换部件生成的信号电荷的转移，所述第二电荷累积部件被配置来在所述曝光时间段之后同时响应于具有第一电位的第一转移脉冲和电压变化脉冲，接收超出电荷饱和量的信号电荷的转移，并且随后响应于具有所述第一电位的第二转移脉冲，接收来自所述第一电荷累积部件的剩余信号电荷的转移，和

多个像素晶体管，转移和读取信号电荷；和

扫描部件，被配置来扫描像素从而针对所有像素的累积时间段在信号电荷的累积时间段中是同时的，并且选择性地依次扫描像素。