[发明专利]固态图像拾取器件和相机系统

说明书

技术领域

本公开涉及以互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器为代表的固态图像拾取器件和相机系统。

背景技术

作为固态图像拾取器件（图像传感器）的电荷耦合器件（CCD）的输出电路典型地是单通道（ch）输出，对其使用包括浮置扩散（FD）层的FD放大器。

另一方面，CMOS图像传感器包括用于其中的每个像素的FD放大器，并且其输出典型地是列并行输出类型，其中在像素阵列中选择特定行，并且在列方向上同时读取。

这是因为难以利用像素内提供的FD放大器获得足够的驱动能力，因此数据速率降低，这可以通过并行处理有利地实现。

这样的CMOS图像传感器广泛用于图像拾取装置（如数字相机、便携式摄像机、监视相机或车载相机）作为图像拾取器件。

图1是图示其中以二维阵列安排像素的CMOS图像传感器的一般配置示例的图。

图1所示的CMOS图像传感器10包括像素阵列单元11、行选择电路12和读取电路（列处理电路：AFE）13。

在像素阵列单元11中，以具有M行和N列的矩阵安排像素电路。

电源电压VDD直接提供给像素阵列单元11。

行选择电路12控制像素阵列单元11中的任意行中安排的像素的操作。行选择电路12通过控制线LSEL、LRST和LTRG控制像素。

读取电路13通过信号输出线LSGN，接收关于通过行选择电路12经历读取控制的像素行的数据，并且将该数据传送给后级的信号处理电路。

读取电路13包括相关倍采样（CDS）电路和模拟到数字转换器（ADC）。

图2是图示包括四个晶体管的CMOS图像传感器中的像素电路的示例的图。

像素电路20例如包括具有光电二极管（PD）的光电转换元件（以下也简称为PD）21。对于该单个光电转换元件21，像素电路20包括四个晶体管（即，传送晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25）作为有源元件。

光电转换元件21根据入射光量，将入射光转换为特定量的电荷（这里，电子）。

传送晶体管22连接在光电转换元件21和浮置扩散FD（以下也简称为FD）之间，并且传送信号（驱动信号）TRG通过传送控制线LTRG提供给传送晶体管22的栅极（传送栅极）。

因此，已经通过光电转换元件21经历光电转换的电子传送到浮置扩散FD。

重置晶体管23连接在电源线LVDD和浮置扩散FD之间，并且重置信号RST通过重置控制线LRST提供给重置晶体管23的栅极。

因此，浮置扩散FD的电势重置为电源线LVDD的电势。

放大晶体管24的栅极连接到浮置扩散FD。放大晶体管24通过选择晶体管25连接到信号线26（图1所示的LSGN）以配置像素外的恒流源和源极跟随器。

地址信号（选择信号）SEL通过选择控制线LSEL提供给选择晶体管25的栅极，并且导通选择晶体管25。

当选择晶体管25已经导通时，放大晶体管24放大浮置扩散FD的电势，并且输出根据该电势的电压到信号线26。通过信号线26从每个像素输出的电压输出到读取电路。

在每个像素的重置操作中，光电转换元件21中累积的电荷传送到浮置扩散FD，然后通过导通传送晶体管22放电。

此时，重置晶体管23事先导通，并且将电荷放电到电源侧，使得浮置扩散FD可以接收光电转换元件21中的电荷。可替代地，重置晶体管23在传送晶体管22导通的同时导通，以便直接将电荷放电到电源。

该一系列操作将简称为“像素重置操作”或“快门操作”。

另一方面，在读取操作中，首先，重置晶体管23导通以重置浮置扩散FD，并且选择晶体管25在该状态下导通以输出电荷到输出信号线26。这称为“P阶段输出”。

接着，传送晶体管22导通以将光电转换元件21中累积的电荷传送到浮置扩散FD，并且将浮置扩散FD的输出输出到输出信号线26。这称为“D阶段输出”。

在像素电路外部获得D阶段输出和P阶段输出之间的差，并且抵消浮置扩散FD的重置噪声以获得图像信号。

该一系列操作将简称为“像素读取操作”。

传送控制线LTRG、重置控制线LRST和选择控制线LSEL通过行选择电路12顺序地驱动。

作为像素电路的配置，可以采用三晶体管配置（3Tr型）像素电路、五晶体管配置（5Tr型）像素电路等来替代四晶体管配置（4Tr型）像素电路。