полупроводниковое устройство считывания изображения

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство считывания изображения, содержащее:

множество схем пикселей, поделенное на множество групп пикселей; и

схему отведения накопленного заряда, предусмотренную соответствующей каждой упомянутой группе пикселей, при этом

каждая из упомянутых групп пикселей включает в себя множество упомянутых схем пикселей,

каждая из упомянутых схем пикселей включает в себя:

первый фотодетекторный элемент для формирования сигнального заряда, соответствующего количеству падающего света на схему пикселя;

первый узел, имеющий предопределенную емкость и накапливающий упомянутый сигнальный заряд, сформированный упомянутым первым фотодетекторным элементом; и

первую схему инициализации для сброса упомянутого сигнального заряда, накопленного в упомянутом первом узле, в ответ на переключение периода кадровой развертки,

упомянутая схема отведения накопленного заряда сконфигурирована для выполнения операции отведения сигнального заряда для отведения упомянутого сигнального заряда из упомянутого первого узла на основании количества падающего света на соответствующую группу пикселей в течение периода отведения заряда, установленного ранее, с предопределенной временной привязкой в течение каждого упомянутого периода кадровой развертки,

упомянутая операция отведения сигнального заряда выполняется из условия, чтобы количество сигнального заряда, отводимое из упомянутого первого узла в единицу времени, относительно повышалось по мере того, как повышается количество падающего света на упомянутую соответствующую группу пикселей, и

упомянутое полупроводниковое устройство считывания изображения дополнительно содержит схему считывания, сконфигурированную для вывода электрического сигнала, соответствующего упомянутому количеству сигнального заряда, накопленного в упомянутом первом узле, с временной привязкой вывода, установленной в предопределенную временную привязку после упомянутого периода отведения заряда, в течение каждого упомянутого периода кадровой развертки, из каждой из упомянутых схем пикселей.

2. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.1, в котором:

упомянутая схема отведения накопленного заряда включает в себя:

второй узел, имеющий предопределенную емкость и сконфигурированный для накопления упомянутых сигнальных зарядов, отведенных из упомянутого первого узла в каждой из множества схем пикселей, включенных в группу пикселей, когда упомянутый сигнальный заряд насыщается в упомянутом первом узле;

блок формирования управляющего потенциала, формирующий управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала упомянутого второго узла;

узел потенциала, поставляющий предопределенный потенциал для поглощения упомянутого сигнального заряда;

элемент ключа управления, предусмотренный между упомянутым узлом потенциала и упомянутым вторым узлом и выключенный в течение упомянутого периода отведения заряда наряду с тем, что включен вне упомянутого периода отведения заряда, и

разрядный вентиль, присоединенный между упомянутым первым узлом и упомянутым вторым узлом в группе пикселей и управляющий количеством тока отведения упомянутого сигнального заряда, перетекающего из упомянутого первого узла в упомянутый второй узел, на основании упомянутого управляющего потенциала, и

упомянутый разрядный вентиль сконфигурирован для повышения упомянутого тока отведения по мере того, как упомянутый управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал упомянутого второго узла, на основании накопленного количества упомянутого сигнального заряда в упомянутом втором узле в течение упомянутого периода отведения заряда.

3. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.1, в котором:

упомянутая схема отведения накопленного заряда включает в себя:

второй фотодетекторный элемент для формирования сигнального заряда, соответствующего количеству падающего света на схему отведения накопленного заряда;

второй узел, имеющий предопределенную емкость и сконфигурированный для накопления упомянутых сигнальных зарядов, отведенных из упомянутого первого узла в каждой из множества схем пикселей, включенных в группу пикселей, когда упомянутый сигнальный заряд насыщается в упомянутом первом узле, и упомянутого сигнального заряда, формируемого из упомянутого второго фотодетекторного элемента;

блок формирования управляющего потенциала, формирующий управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала упомянутого второго узла;

узел потенциала, поставляющий предопределенный потенциал для поглощения упомянутого сигнального заряда;

элемент ключа управления, предусмотренный между упомянутым узлом потенциала и упомянутым вторым узлом и выключенный в течение упомянутого периода отведения заряда наряду с тем, что включен вне упомянутого периода отведения заряда; и

разрядный вентиль, присоединенный между упомянутым первым узлом и упомянутым вторым узлом в группе пикселей и управляющий количеством тока отведения упомянутого сигнального заряда, перетекающего из упомянутого первого узла в упомянутый второй узел, на основании упомянутого управляющего потенциала, и

упомянутый разрядный вентиль сконфигурирован для повышения упомянутого тока отведения по мере того, как упомянутый управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал упомянутого второго узла, на основании накопленного количества упомянутого сигнального заряда в упомянутом втором узле в течение упомянутого периода отведения заряда.

4. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.1, в котором

упомянутая схема отведения накопленного заряда включает в себя:

второй фотодетекторный элемент для формирования сигнального заряда, соответствующего количеству падающего света на схему отведения накопленного заряда;

второй узел, имеющий предопределенную емкость и сконфигурированный для накопления упомянутого сигнального заряда, формируемого из упомянутого второго фотодетекторного элемента;

блок формирования управляющего потенциала, формирующий управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала упомянутого второго узла;

узел потенциала, поставляющий предопределенный потенциал для поглощения упомянутого сигнального заряда; и

разрядный вентиль, присоединенный между упомянутым первым узлом и упомянутым вторым узлом в группе пикселей и управляющий количеством тока отведения упомянутого сигнального заряда, перетекающего из упомянутого первого узла в упомянутый второй узел, на основании упомянутого управляющего потенциала, при этом

упомянутый разрядный вентиль сконфигурирован для повышения упомянутого тока отведения по мере того, как упомянутый управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал упомянутого второго узла, на основании накопленного количества упомянутого сигнального заряда в упомянутом втором узле в течение упомянутого периода отведения заряда.

5. Полупроводниковое устройство считывания изображения по любому одному из пп.2-4, в котором

упомянутый разрядный вентиль является элементом переменного сопротивления, меняющим значение своего сопротивления на основании упомянутого управляющего потенциала из упомянутого блока формирования управляющего потенциала, и

упомянутый элемент переменного сопротивления сконфигурирован из условия, чтобы упомянутое значение сопротивления уменьшалось по мере того, как меняется упомянутый управляющий потенциал в ответ на повышение накопленного количества упомянутого сигнального заряда в упомянутом втором узле.

6. Полупроводниковое устройство считывания изображения по любому одному из пп.2-4, в котором

упомянутый разрядный вентиль включает в себя первый полевой транзистор, имеющий первую примесную диффузионную область, составляющую упомянутый первый узел, в качестве истока, и вторую примесную диффузионную область, составляющую упомянутый второй узел, в качестве стока,

упомянутый блок формирования управляющего потенциала формирует упомянутый управляющий потенциал и выдает управляющий потенциал на упомянутый первый полевой транзистор, так что сопротивление канала между упомянутым истоком и упомянутым стоком уменьшается по мере того, как увеличивается накопленное количество упомянутого сигнального заряда в упомянутом втором узле.

упомянутая схема пикселя дополнительно включает в себя:

второй полевой транзистор, сконфигурированный для переноса упомянутого сигнального заряда, накопленного в упомянутой первой примесной диффузионной области, в третью примесную диффузионную область, когда упомянутый второй полевой транзистор включается в насыщенной области или линейной области, с упомянутой временной привязкой вывода, и

вторую схему инициализации для сброса упомянутого сигнального заряда в упомянутой третьей примесной диффузионной области перед включением упомянутого второго полевого транзистора в течение одиночного упомянутого периода кадровой развертки и упомянутая схема считывания сконфигурирована для вывода упомянутого электрического сигнала, соответствующего количеству упомянутого сигнального заряда, накопленного в упомянутой третьей примесной диффузионной области, с упомянутой временной привязкой вывода.

7. Полупроводниковое устройство считывания изображения по любому одному из пп.1-4, в котором

упомянутая схема отведения накопленного заряда сформирована в области, окруженной упомянутым множеством схем пикселей, включенных в упомянутую соответствующую группу пикселей, в плоскости для приема упомянутого падающего света.

8. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.1, в котором:

упомянутая схема отведения накопленного заряда не выполняет упомянутую операцию отведения сигнального заряда в течение упомянутого периода отведения заряда, когда количество падающего света на упомянутую соответствующую группу пикселей является малым.

9. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.1, в котором:

упомянутая схема отведения накопленного заряда включает в себя:

второй узел для приема упомянутого сигнального заряда, отведенного из упомянутого первого узла, когда выполняется упомянутая операция отведения сигнального заряда, и

разрядный вентиль, присоединенный между упомянутым первым узлом и упомянутым вторым узлом в упомянутой группе пикселей и управляющий количеством тока отведения упомянутого сигнального заряда, перетекающего из упомянутого первого узла в упомянутый второй узел, на основании количества падающего света на соответствующую группу пикселей в течение упомянутого периода отведения заряда, и

упомянутый разрядный вентиль конфигурируется для увеличения упомянутого тока отведения по мере того, как увеличивается количество падающего света на упомянутую соответствующую группу пикселей.

10. Полупроводниковое устройство считывания изображения по п.9, в котором

упомянутый разрядный вентиль является элементом переменного сопротивления, меняющим значение своего сопротивления на основании количества падающего света на упомянутую соответствующую группу пикселей, и

упомянутый элемент переменного сопротивления конфигурирован так, что упомянутое значение сопротивления уменьшается по мере того, как увеличивается количество падающего света на упомянутую соответствующую группу пикселей.

11. Полупроводниковое устройство считывания изображения, содержащее:

множество схем пикселей и

по меньшей мере одну схему отведения накопленного заряда, причем

каждая упомянутая схема отведения накопленного заряда конфигурирована, чтобы быть смежной с множественным числом схем пикселей из упомянутого множества схем пикселей, и

каждая из упомянутого множества схем пикселей включает в себя:

первый фотодетекторный элемент для формирования сигнального заряда, соответствующего количеству падающего света на схему пикселя;

первый узел, имеющий предопределенную емкость и накапливающий упомянутый сигнальный заряд, сформированный упомянутым первым фотодетекторным элементом;

плавающую диффузионную область;

передающий элемент для передачи сигнального заряда, накопленного в первом узле, в упомянутую плавающую диффузионную область, в активном периоде сигнала управления передачей, установленного в активное состояние на некоторый период в соответствии с предопределенным циклом;

ключ сброса для сброса сигнального заряда, накопленного в упомянутой плавающей диффузионной области, перед активным периодом упомянутого сигнала управления передачей; причем

упомянутая схема отведения накопленного заряда сконфигурирована для выполнения операции отведения сигнального заряда для отведения упомянутого сигнального заряда из упомянутого первого узла на основании количества падающего света на область, в которой расположено упомянутое множественное число пикселей схем пикселей, соответственно упомянутой схеме отведения накопленного заряда в течение периода отведения заряда, установленного с предопределенной временной привязкой в течение упомянутого активного периода упомянутого сигнала управления передачей в каждом упомянутом преопределенном цикле,

упомянутая операция отведения сигнального заряда выполняется так, что количество сигнального заряда, отводимое из упомянутого первого узла в единицу времени, относительно повышается по мере того, как повышается количество падающего света на упомянутую область, и

упомянутое полупроводниковое устройство считывания изображения дополнительно содержит схему считывания, сконфигурированную для вывода электрического сигнала, соответствующего упомянутому количеству сигнального заряда, передаваемого в упомянутую плавающую диффузионную область в упомянутом активном периоде упомянутого сигнала управления передачей, в соответствии с упомянутым предопределенным циклом.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к полупроводниковому устройству считывания изображения, а более конкретно к полупроводниковому устройству считывания изображения, допускающему съемку изображения в большом динамическом диапазоне и детектирование достаточной контрастности изображения во всей области, даже когда есть большой перепад яркости в поле зрения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Твердотельный датчик изображения, такой как формирователь изображения на ПЗС (CCD, приборе с зарядовой связью) и КМОП (CMOS, комплементарных элементах металл-оксид-полупроводник), то есть полупроводниковый датчик изображения (в дальнейшем, также указываемый ссылкой как «полупроводниковое устройство считывания изображения») становится встраиваемым в мобильный телефон, а также в видеокамеру и цифровую камеру, и он широко используется в качестве недорогого и обладающего низкой потребляемой мощностью устройства считывания изображения.

Однако способность восприятия полупроводникового устройства считывания изображения значительно хуже таковой у человека. Контрастность между яркой частью и темной частью может в достаточной мере распознаваться зрительным восприятием человека, даже когда присутствует четырех - пятизначное распределение яркости в одном поле зрения. Эта превосходная способность восприятия контрастности реализуется функцией, в которой элемент приема света на сетчатке может подстраивать свои характеристики восприятия света, что касается каждого элемента.

Между тем, согласно традиционному полупроводниковому устройству считывания изображения, поскольку все пиксели имеют одинаковые характеристики приема света, трудно детектировать достаточную контрастность одновременно между яркой частью и темной частью в поле зрения. Так, например, выложенная заявка № 2000-340779 на выдачу патента Японии (в дальнейшем указываемая ссылкой как патентный документ 1) и выложенная заявка № 2005-160031 на выдачу патента Японии (в дальнейшем указываемая ссылкой как патентный документ 2), раскрывают конфигурацию полупроводникового устройства считывания изображения, снабженного механизмом, в котором диапазон чувствительности приема света в каждой схеме пикселя может смещаться на основании количества падающего света на периферийный пиксель, для того чтобы реализовывать широкий диапазон чувствительности приема света и функцию детектирования высокой контрастности.

Патентный документ 1: Выложенная заявка № 2000-340779 на выдачу патента Японии

Патентный документ 2: Выложенная заявка № 2005-160031 на выдачу патента Японии

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Однако, согласно конфигурации, раскрытой в патентном документе 1, каждой схеме пикселя необходимо иметь два фотодетекторных элемента, таких как первый фотодетекторный элемент для детектирования количества принимаемого света самого себя и второй фотодетекторный элемент, соединенный с другой схемой пикселя друг с другом через резистивный элемент, для детектирования среднего количества света, принимаемого на периферийном пикселе. Таким образом, она может вызывать затруднение в реализации снижения размера пикселя, которое обязательно для удовлетворения запроса реализации высокого разрешения в последние годы.

В дополнение, поскольку первый и второй фотодетекторный элементы соединены последовательно в каждой схеме пикселя, шум, протекающий в узле, электрически присоединенном к периферийной схеме пикселя, мог бы накладываться на фототок первого фотодетекторного элемента и, следовательно, шум, вероятно, должен улавливаться, а точность детектирования могла бы понижаться.

В дополнение, согласно конфигурации, раскрытой в патентном документе 2, хотя только один фотодетекторный элемент предусмотрен в каждой схеме пикселя, необходимо использовать несколько разновидностей сигнальных токов в одной схеме пикселя, из-за этого, конфигурация периферийной схемы становится усложненной. Когда периферийная схема становится усложненной, высокая точность могла бы потребоваться для изготовления каждого компонента (особенно, транзистора) в схеме пикселя, чтобы сдерживать колебание характеристик между пикселями.

Настоящее изобретение делалось для решения вышеприведенных проблем, и целью настоящего изобретения является обеспечение высокоточного и миниатюризированного полупроводникового устройства считывания изображения, допускающего достаточное детектирование контрастности между яркой частью и темной частью, даже когда есть высокий разброс в яркости в одном поле зрения.

СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Полупроводниковое устройство считывания изображения согласно настоящему изобретению включает в себя множество схем пикселей, поделенное на множество групп пикселей, схему отведения накопленного заряда, предусмотренную соответствующей каждой группе пикселей, и схему считывания. Каждая из групп пикселей содержит множество схем пикселей. Каждая из схем пикселей имеет первый фотодетекторный элемент, первый узел, имеющий предопределенную емкость, и первую схему инициализации. Первый фотодетекторный элемент формирует сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света на схему пикселя. Первый узел сконфигурирован для накопления сигнального заряда, сформированного первым фотодетекторным элементом. Первая схема инициализации устанавливает на нуль сигнальный заряд, накопленный в первом узле, в ответ на переключение периода кадровой развертки. Схема отведения накопленного заряда сконфигурирована для выполнения операции отведения сигнального заряда для отведения сигнального заряда из первого узла, на основании количества падающего света на соответствующую группу пикселей, в течение периода отведения заряда, установленного ранее с предопределенной временной привязкой в течение каждого периода кадровой развертки. Таким образом, операция отведения сигнального заряда выполняется, из условия, чтобы количество сигнального заряда, отводимое из первого узла в единицу времени, относительно повышалось по мере того, как повышается количество падающего света на соответствующую группу пикселей. Схема считывания сконфигурирована для выдачи электрического сигнала, соответствующего количеству сигнального заряда, накопленного в первом узле, с временной привязкой вывода, установленной в предопределенную временную привязку после периода отведения заряда в течение каждого из периодов кадровой развертки, из каждой из схем пикселей.

В дополнение, схема отведения накопленного заряда не выполняет операцию отведения сигнального заряда в течение периода отведения заряда, когда мало количество падающего света на соответствующие группы пикселей.

Согласно вышеприведенному полупроводниковому устройству считывания изображения, схема отведения накопленного заряда, предусмотренная соответствующей каждой группе пикселей, может один раз отводить сигнальный заряд, накопленный в каждой схеме пикселя, соответствующий количеству падающего света до этого, с промежуточной временной привязкой (предопределенной временной привязкой) в течение одного периода кадровой развертки, когда падающий свет на соответствующую группу пикселей является интенсивным (высокая освещенность). Поэтому, во время высокой освещенности, динамический диапазон может расширяться на основании отношения одного периода кадровой развертки к периоду предварительного накопления от предопределенной временной привязки до временной привязки вывода в течение одного периода кадровой развертки, во время формирования изображения. Между тем, когда падающий свет на группу пикселей является умеренным (низкая освещенность), схема отведения накопленного заряда не выполняет операцию отведения сигнального заряда и контрастность может гарантироваться без расширения динамического диапазона во время формирования изображения.

Таким образом, контрастность между яркой частью и темной частью может детектироваться в достаточной мере, даже когда велик разброс яркости в поле зрения, посредством расширения динамического диапазона во время высокой освещенности, с простой схемной конфигурацией, в которой один фотодетекторный элемент предусмотрен в каждой схеме пикселя, а количество света детектируется только на основании количества накопления сигнального заряда, сформированного элементом приема света.

Предпочтительно, схема отведения накопленного заряда включает в себя второй узел, блок формирования управляющего потенциала, узел потенциала, элемент ключа управления и разрядный вентиль. Второй узел имеет предопределенную емкость, сконфигурированную для накопления сигнальных зарядов, отведенных из первого узла в каждой из множества схем пикселей, включенных в группу пикселей, когда сигнальный заряд насыщается в первом узле. Блок формирования управляющего потенциала формирует управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала второго узла. Узел потенциала выдает предопределенный потенциал для поглощения сигнального заряда. Элемент ключа управления предусмотрен между узлом потенциала и вторым узлом и выключен в течение периода отведения заряда, наряду с тем, что включен вне периода отведения заряда. Разрядный вентиль присоединен между первым узлом и вторым узлом в группе пикселей и управляет количеством тока отведения сигнального заряда, перетекающего из первого узла во второй узел, на основании управляющего потенциала. Кроме того, разрядный вентиль сконфигурирован для повышения тока отведения по мере того, как управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал второго узла, на основании накопленного количества сигнального заряда во втором узле в течение периода отведения заряда.

Согласно вышеприведенной конфигурации, может определяться, должна или нет выполняться операция отведения сигнального заряда схемой отведения накопленного заряда, посредством определения интенсивности падающего света на группу пикселей, на основании накопленного количества сигнального заряда, перетекающего из фотодетекторного элемента в схеме пикселя, в одной и той же группе пикселей, вследствие насыщения сигнального заряда. В дополнение, в течение периода, отличного от предопределенного периода для работы схемы отведения накопленного заряда, механизм схемы отведения накопленного заряда может быть реализован использованием емкости, сформированной во втором узле, служащем в качестве стока переполнения, когда присоединяется к предопределенному потенциалу. Более точно, конфигурация по настоящему изобретению может быть реализована, в то время как количество элементов схемы, которые должны быть дополнительно скомпонованы, сокращено посредством использования емкости стока переполнения.

В качестве альтернативы, предпочтительно, схема отведения накопленного заряда включает в себя второй фотодетекторный элемент, второй узел, блок формирования управляющего потенциала, узел потенциала, элемент ключа управления и разрядный вентиль. Второй фотодетекторный элемент формирует сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света, для схемы отведения накопленного заряда. Второй узел имеет предопределенную емкость, сконфигурированную для накопления сигнальных зарядов, отведенных из первого узла в каждой из множества схем пикселей, включенных в группу пикселей, когда сигнальный заряд насыщается в первом узле, и сигнального заряда, сформированного из второго фотодетекторного элемента. Блок формирования управляющего потенциала формирует управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала второго узла. Узел потенциала выдает предопределенный потенциал для поглощения сигнального заряда. Элемент ключа управления предусмотрен между узлом потенциала и вторым узлом и выключен в течение периода отведения заряда, наряду с тем, что включен вне периода отведения заряда. Разрядный вентиль присоединен между первым узлом и вторым узлом в группе пикселей и управляет количеством тока отведения сигнального заряда, перетекающего из первого узла во второй узел, на основании управляющего потенциала. Кроме того, разрядный вентиль сконфигурирован для повышения тока отведения по мере того, как управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал второго узла, на основании накопленного количества сигнального заряда во втором узле в течение периода отведения заряда.

Согласно вышеприведенной конфигурации, оба из сигнального заряда, сформированного одиночным фотодетекторным элементом (вторым фотодетекторным элементом), совместно используемым множеством схем пикселей в одной и той же группе пикселей, и насыщенного сигнального заряда в фотодетекторном элементе (первом фотодетекторном элементе) в каждой схеме пикселя в группе пикселей, могут обнаруживать, что количество падающего света группы пикселей является большим, с тем чтобы операция для разрядки сигнального заряда могла выполняться схемой отведения накопленного заряда в ответ на такое обнаружение. Таким образом, поскольку один период кадровой развертки, требуемый для получения прежнего динамического диапазона во время высокой освещенности, может быть относительно укорочен, операция формирования изображения может выполняться с более высокой скоростью. В дополнение, механизм схемы отведения накопленного заряда может быть реализован, в то время как количество элементов схемы, которые должны быть дополнительно скомпонованы, сокращено посредством использования емкости стока переполнения.

В качестве альтернативы, предпочтительно, схема отведения накопленного заряда включает в себя второй фотодетекторный элемент, второй узел, блок формирования управляющего потенциала, узел потенциала, элемент ключа управления и разрядный вентиль. Второй фотодетекторный элемент формирует сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света, для схемы отведения накопленного заряда. Второй узел имеет предопределенную емкость, сконфигурированную для накопления сигнального заряда, формируемого из второго фотодетекторного элемента. Блок формирования управляющего потенциала формирует управляющий потенциал, меняющийся в зависимости от потенциала второго узла. Узел потенциала выдает предопределенный потенциал для поглощения сигнального заряда. Элемент ключа управления предусмотрен между узлом потенциала и вторым узлом и открыт в течение периода отведения заряда, наряду с тем, что закрыт вне периода отведения заряда. Разрядный вентиль присоединен между первым узлом и вторым узлом в группе пикселей и управляет количеством тока отведения сигнального заряда, перетекающего из первого узла во второй узел, на основании управляющего потенциала. Более того, разрядный вентиль увеличивает ток отведения по мере того, как управляющий потенциал меняется, когда меняется потенциал второго узла, на основании накопленного количества сигнального заряда во втором узле в течение периода отведения заряда.

Согласно вышеприведенной конфигурации, количество падающего света на группу пикселей детектируется одиночным фотодетекторным элементом (вторым фотодетекторным элементом), совместно используемым множеством схем пикселей в одной и той же группе пикселей, и, на основании результата детектирования, может определяться, должна или нет выполняться операция отведения сигнального заряда схемой отведения накопленного заряда. В дополнение, механизм схемы отведения накопленного заряда может быть реализован из условия, чтобы использовалась емкость стока переполнения, и количество требуемых элементов схемы, которые должны быть дополнительно скомпонованы, могло сокращаться.

Кроме того, предпочтительно, разрядный вентиль является элементом переменного сопротивления, меняющим значение своего сопротивления на основании управляющего потенциала из блока формирования управляющего потенциала. Таким образом, элемент переменного сопротивления сконфигурирован из условия, чтобы значение сопротивления уменьшалось по мере того, как меняется управляющий потенциал в ответ на повышение накопленного количества сигнального заряда во втором узле.

В дополнение, кроме того, предпочтительно, разрядный вентиль включает в себя первый полевой транзистор, имеющий первую примесную диффузионную область, составляющую первый узел, в качестве истока, и вторую примесную диффузионную область, составляющую второй узел, в качестве стока. Блок формирования управляющего потенциала формирует управляющий потенциал и выдает управляющий потенциал на первый полевой транзистор, с тем чтобы сопротивление канала между истоком и стоком уменьшалось по мере того, как увеличивается накопленное количество сигнального заряда во втором узле. Каждая схема пикселя дополнительно включает в себя второй полевой транзистор и вторую схему инициализации. Второй полевой транзистор сконфигурирован для передачи сигнального заряда, накопленного в первой примесной диффузионной области, в третью примесную диффузионную область, когда второй полевой транзистор включается в насыщенной области или линейной области, с временной привязкой вывода. Вторая схема инициализации устанавливает на нуль сигнальный заряд в третьей примесной диффузионной области перед включением второго полевого транзистора, в течение того же самого периода кадровой развертки. Таким образом, схема считывания сконфигурирована для вывода электрического сигнала, соответствующего количеству сигнального заряда, накопленного в третьей примесной диффузионной области, с временной привязкой вывода.

Согласно вышеприведенной конфигурации, сигнальный заряд, накопленный в первой примесной диффузионной области, соответствующей первому узлу, может передаваться в схему отведения накопленного заряда или схему считывания первым и вторым полевыми транзисторами, сформированными между второй примесной диффузионной областью и третьей примесной диффузионной областью. Таким образом, поскольку сигнальный заряд может отбираться без обеспечения точки контакта, физически непосредственно контактирующей с первым узлом, первый фотодетекторный элемент может состоять из скрытого диода, так что конструкция может иметь высокое шумовое сопротивление.

В качестве альтернативы, предпочтительно, схема отведения накопленного заряда сформирована в области, окруженной множеством схем пикселей, включенных в соответствующую группу пикселей, в плоскости для приема падающего света в вышеизложенном полупроводниковом устройстве считывания изображения.

Согласно вышеприведенной конфигурации, поскольку схема отведения накопленного заряда может быть скомпонована рационально, полупроводниковое устройство считывания изображения может быть миниатюризировано.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению, даже когда разброс яркости в одном поле зрения велик, контрастность между яркой частью и темной частью может детектироваться в достаточной степени, так что высокоточное и миниатюризированное полупроводниковое устройство считывания изображения может быть реализовано с помощью простой схемной конфигурации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - принципиальная схема для описания схемной конфигурации основной части полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид сверху, показывающий пример компоновки схем пикселей и схемы отведения накопленного заряда, показанных на Фиг.1.

Фиг.3 - вид в разрезе, взятый вдоль линии III-III по Фиг.2.

Фиг.4 - принципиальная схема, показывающая пример конфигурации инвертирующего усилителя, показанного на Фиг.1.

Фиг.5 - схема концептуального представления для описания явления расплывания изображения, когда падающий свет на фотодиод является интенсивным.

Фиг.6 - схема концептуального представления для описания работы стока переполнения.

Фиг.7 - временная диаграмма для описания работы полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления в течение одного периода кадровой развертки.

Фиг.8 - схема концептуального представления для описания формирования потенциального барьера и движения сигнального заряда в каждый момент временной диаграммы, показанной на Фиг.7.

Фиг.9 - структурная схема, показывающая полную конфигурацию полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления.

Фиг.10 - принципиальная схема для описания схемной конфигурации основной части полупроводникового устройства считывания изображения согласно разновидности первого варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 - временная диаграмма для описания работы полупроводникового устройства считывания изображения согласно разновидности первого варианта осуществления в течение одного периода кадровой развертки.

Фиг.12 - принципиальная схема для описания схемной конфигурации основной части полупроводникового устройства считывания изображения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13 - вид в разрезе, показывающий отдельный пример конструкции схемы отведения накопленного заряда, показанной на Фиг.12.

Фиг.14 - принципиальная схема, показывающая первый пример конфигурации схемы пикселя согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.15 - принципиальная схема, показывающая второй пример конфигурации схемы пикселя согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.16 - принципиальная схема, показывающая первый пример конфигурации схемы отведения накопленного заряда согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.17 - принципиальная схема, показывающая второй пример конфигурации схемы отведения накопленного заряда согласно третьему варианту осуществления.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

2 - группа пикселей, 3 - область (группа пикселей), 5 - узел электропитания, 6 - узел заземления, 10, 10#, 11, 11# - каждая схема пикселя, 12 - передающий элемент, 14 - ключ сброса, 16 - усилитель напряжения, 18 - ключ выбора пикселя, 20, 20#, 21, 21# - схема отведения накопленного заряда, 22 - конденсатор стока переполнения, 24 - ключ управления, 26 - инвертирующий усилитель, 27, 28 - транзистор n-МОП, 30 - область компоновки (фотодиод), 32, 35 - граничная область, 34 - область компоновки (сток переполнения), 36 - область компоновки (периферийная схема), 60, 65 - потенциальная яма, 70 - сигнальный заряд, 100 - кремниевая подложка p-типа, 110, 120 - диффузионная область n+, 115 - пластина экранирования света, 120 - диффузионная область n-, 130 - диффузионная область n-, 140, 150 - слой изоляции, 145, 155 - электрод затвора, 160, 170 - транзистор n-МОП (полевой транзистор), 200 - полупроводниковое устройство считывания изображения, 210 - схема формирования управляющих сигналов, 220 - схема фиксатора напряжения, 230 - сигнальная линия, 240 - линия данных, 260 - инвертирующий усилитель, DG - разрядный вентиль N1, N2, N3, Nf - узел, No - узел вывода, OFD - боковой сток переполнения, PD - фотодиод, PS - управляющий сигнал выбора пикселя, RF - управляющий сигнал сброса, RO - управляющий сигнал, RS - управляющий сигнал выбора пикселя, SUB - область подложки, Tag - период повторного накопления, Tdr - период отведения заряда, Tfr - один период кадровой развертки, TG - управляющий сигнал передачи, Vdat - столбцовый сигнал данных, VDD - потенциал электропитания, Vout - выходной сигнал напряжения, VSS - нулевой потенциал, W1 - емкость стока переполнения, W2 - область под вентилем отведения заряда, W3 - область фотодиода, W4 - область под вентилем переноса, W5 - плавающая диффузионная область.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения в дальнейшем будут описаны подробно со ссылкой на чертежи. В дополнение, одинаковые ссылки назначены идентичным или соответствующим частям на чертежах, и их описания, в принципе, повторяться не будут.

(Первый вариант осуществления)

Фиг.1 - принципиальная схема для описания схемной конфигурации основной части полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Со ссылкой на Фиг.1, схема 10 пикселя содержит фотодиод PD в качестве детекторного элемента приема света, передающий элемент 12, ключ 14 сброса, усилитель 16 напряжения и ключ 18 выбора пикселя.

Ключ 14 сброса скомпонован между узлом 5 потенциала электропитания, подающим потенциал VDD электропитания, и узлом Nf, служащим в качестве плавающей диффузионной области и включаемым/выключаемым в ответ на управляющий сигнал RF сброса. Передающий элемент 12 присоединен между узлом N1, в котором накапливается сигнальный заряд, когда фототок вырабатывается в фотодиоде PD, и узлом Nf. Включение/выключение передающего элемента 12 управляется управляющим сигналом TG передачи.

Фотодиод PD скомпонован между узлом 6 заземления, подающим нулевой потенциал VSS, и узлом N1. Анод фотодиода PD смещен на нулевой потенциал VSS в узле 6 заземления. Узел N1 соответствует катоду фотодиода PD. То есть, в схеме 10 пикселя, сигнальный заряд является электронным (отрицательным зарядом), служащим в качестве основного носителя в катоде (n-тип).

В дополнение, согласно этому варианту осуществления, когда потенциал VDD электропитания и нулевой потенциал VSS имеют зависимость, такую что VDD>VSS, и смещение, требуемое для работы схемы, может обеспечиваться разностью (VDD-VSS) потенциалов, потенциалы могут устанавливаться в любой потенциал. То есть, должно быть отмечено, что нулевой потенциал VSS может устанавливаться в любой потенциал (может быть отрицательным потенциалом), иной чем нулевой потенциал.

Усилитель 16 напряжения включает в себя, например, схему истокового повторителя, и его входной узел присоединен к узлу Nf, а его выходной узел присоединен к узлу No вывода через ключ 18 выбора пикселя. Включение/выключение ключа 18 выбора пикселя управляется управляющим сигналом PS выбора пикселя.

Согласно полупроводниковому устройству считывания изображения в настоящем изобретении, множество схем 10 пикселей, предусмотренных на поверхности приема света, скомпонованы из условия, чтобы N (целочисленное, удовлетворяющее тому, что N 2) схем 10 пикселей формировали одну группу (группу пикселей). В таком случае, схема 20 отведения накопленного заряда скомпонована соответствующей каждой группе пикселей. Согласно первому варианту осуществления, одна группа пикселей сформирована соответствующей четырем соседним схемам 10 пикселей.

Схема 20 отведения накопленного заряда совместно используется N (четырьмя, в этом варианте осуществления) схемами 10 пикселей, принадлежащими к одной и той же группе пикселей. Схема 20 отведения накопленного заряда включает в себя узел N2, ключ 24 управления, инвертирующий усилитель 26 и N разрядных вентилей DG. Конденсатор 22 стока переполнения сформирован в узле N2.

Ключ 24 управления присоединен между узлом 5 потенциала электропитания и узлом N2 и включается/выключается в ответ на управляющий сигнал RO. Инвертирующий усилитель 26 создан из условия, чтобы потенциал Vg узла вывода (в дальнейшем также указываемый ссылкой как выходной потенциал Vg) понижается по мере того, как повышается потенциал узла N2, наряду с тем, что выходной потенциал Vg повышается, в то время как уменьшается потенциал узла N2.

Разрядный вентиль DG присоединен между узлом N1 в каждой схеме 10 пикселя, включенной в одну и ту же группу пикселей, и узлом N2 в схеме 20 отведения накопленного заряда, и функционирует в качестве эквивалентного переменного сопротивления. Электрическое сопротивление разрядного вентиля DG управляется на основании выходного потенциала Vg инвертирующего усилителя 26. Более точно, каждый разрядный вентиль DG создан из условия, чтобы по мере того, как потенциал Vg повышается, электрическое сопротивление каждого разрядного вентиля DG уменьшалось, наряду с тем, что, когда выходной потенциал Vg понижается, электрическое сопротивление каждого разрядного вентиля DG увеличивалось.

Фиг.2 показывает пример компоновки схем пикселей и схемы отведения накопленного заряда в каждой группе пикселей.

Со ссылкой на Фиг.2, фотодиоды PD схем 10 пикселей скомпонованы в матрице из строк и столбцов (областей 30) на поверхности приема света для приема падающего света. Четыре схемы 10 пикселей, соседние в направлении X и направлении Y, формируют одну группу 2 пикселей на поверхности приема света. Схемные элементы, иные чем фотодиод PD в схеме 10 пикселя, по выбору скомпонуются в областях 36 между областями 30, в которых предусмотрены фотодиоды PD. В дополнение, передающий элемент 12 схемы 10 пикселя скомпонован в граничной области 35 между областью 30 и областью 36.

Узел N2 (емкость 22 стока переполнения) в схеме 20 отведения накопленного заряда сформирована в области 34, окруженной областями 30 N (четырех) фотодиодов PD, включенных в одну группу пикселей. В дополнение, разрядный вентиль DG скомпонован в граничной области 32 между областью 30 и областью 34. Другие схемные элементы в схеме 20 отведения накопленного заряда также скомпонованы в области 36 надлежащим образом.

Таким образом, в группе 2 пикселей, схема 20 отведения накопленного заряда скомпонована в области 3, окруженной N (четырьмя) схемами 10 пикселей, составляющими группу пикселей. В дополнение, позиционная связь между узлом N2 (областью 34) и фотодиодом PD (областью 30) является общей среди схем 10 пикселей, так что работа разрядного вентиля DG в качестве переменного сопротивления может быть общей.

Со ссылкой на Фиг.3, будет приведено описание отдельной конструкции схемы 10 пикселя и схемы 20 отведения накопленного заряда, показанных на Фиг.1. Фиг.3 показывает пример конструкции одной схемы 10 пикселя в одной и той же группе пикселей и схемы 20 отведения накопленного заряда, присоединенной к ней, и Фиг.3 является видом в разрезе, взятым вдоль линии III-III на Фиг.2.

Со ссылкой на Фиг.3, нулевой потенциал VSS подается из узла 6 заземления на кремниевую подложку 100 p-типа в качестве потенциала подложки. На основной поверхности кремниевой подложки 100 p-типа сформированы диффузионные области 110 и 120 n+ и диффузионная область 130 n- скрытого типа.

Диффузионная область 110 n+ соответствует узлу N2 на Фиг.1, и проводящая пластина 115 экранирования света сформирована в диффузионной области 110 n+ (на стороне поверхности приема света). Емкость 22 стока переполнения сформирована в качестве образованного p-n-переходом конденсатора между кремниевой подложкой 100 p-типа и диффузионной областью 110 n+.

Область p-типа сформирована в скрытой диффузионной области 130 n-. Фотодиод PD на Фиг.1 сформирован p-n-переходом между диффузионной областью 130 n- и ее верхней и нижней областями p-типа. То есть, согласно первому варианту осуществления, фотодиод PD предусмотрен в качестве скрытого диода.

Электрод 145 затвора сформирован над областью канала, предусмотренной между диффузионной областью 110 n+, диффузионной областью 130 n-, со слоем 140 изоляции, помещенным между ними. Таким образом, транзистор 160 n-МОП предусмотрен в качестве полевого транзистора, в котором диффузионная область 130 n- служит в качестве истока, диффузионная область 110 n+ служит в качестве стока, а электрод 145 затвора служит в качестве затвора. Транзистор 160 n-МОП образует разрядный вентиль DG, показанный на Фиг.1.

Электрод 145 затвора присоединен к узлу вывода инвертирующего усилителя 26. То есть, потенциал затвора в транзисторе 160 n-МОП становится выходным потенциалом Vg инвертирующего усилителя 26. Инвертирующий усилитель 26 реализован схемной конфигурацией, например, показанной на Фиг.4.

Со ссылкой на Фиг.4, инвертирующий усилитель 26 включает в себя транзисторы 27 и 28 n-МОП, соединенные последовательно.

Транзистор 27 n-МОП присоединен между узлом N3 вывода, в котором формируется выходной потенциал Vg, и узлом 5 потенциала электропитания, а его затвор присоединен к узлу 5 потенциала электропитания. Между тем, транзистор 28 n-МОП присоединен между узлом N3 вывода и узлом 6 заземления, а его затвор присоединен к узлу N2. Узел N3 вывода присоединен к электроду 145 затвора, показанному на Фиг.3.

Таким образом, когда ключ 24 управления включен и узел N2 присоединен к потенциалу VDD электропитания, узел N3 установлен в низкий потенциал Vl, более высокий, чем нулевой потенциал VSS на определенный потенциал. Между тем, потенциал узла N2 ввода уменьшается до нулевого потенциала VSS, он становится высоким потенциалом Vh, меньшим, чем потенциал VDD электропитания на определенный потенциал. Таким образом, выходной потенциал Vg инвертирующего усилителя 26 изменяется в пределах диапазона от низкого потенциала Vl (>VSS) до высокого потенциала Vh (<VDD), на основании потенциала узла N2 в качестве входа.

Вновь со ссылкой на Фиг.3, поскольку потенциал затвора транзистора 160 n-МОП управляется инвертирующим усилителем 260, когда ключ 24 управления включен (Vg = Vl), электрическое сопротивление каждого разрядного вентиля DG достигает максимального значения Rh, а когда ключ 24 управления выключен, он снижается по мере того, как уменьшается потенциал узла N2, до минимального значения Rl, когда Vg = Vh (то есть, когда узел N2 понижается до нулевого потенциала VSS). В дополнение, поскольку транзистор 160 n-МОП не полностью выключается, даже когда ключ 24 управления включен, может формироваться тракт передачи сигнального заряда из узла N1 в узел N2.

Поскольку узел N2 (то есть, диффузионная область 110 n+) присоединен к потенциалу VDD электропитания, в то время как ключ 24 управления включен, узел N2 служит в качестве стока переполнения. Здесь, со ссылкой на Фиг.5 и 6, будет описана работа стока переполнения.

Как показано на Фиг.5(a) и 5(b), показывающих распределение потенциалов вдоль линии X-X на Фиг.5(a), когда падающий свет на фотодиод PD является интенсивным, поскольку сигнальный заряд 70 (отрицательный заряд) сформирован в большом количестве, потенциальная яма 60 фотодиода заполняется сигнальным зарядом 70 и насыщается. Таким образом, происходит явление, названное расплыванием, при котором сигнальный заряд 70 переполнения протекает в потенциальную яму 65 соседнего фотодиода PD через область SUB подложки и детектируется в качестве ложного сигнала.

Таким образом, как показано на Фиг.6(a) и 6(b), показывающих распределение потенциалов по линии X-X на Фиг.6(a), боковой сток OFD переполнения для поглощения сигнального заряда 70 переполнения из фотодиода PD, скомпонован между фотодиодами PD. Боковой сток OFD переполнения формируется смещением примесной диффузионной области, имеющей предопределенный тип проводимости (диффузионной области 110 n+ на Фиг.3), предопределенным потенциалом, который может поглощать сигнальный заряд 70 (потенциалом VDD электропитания в этом варианте осуществления). Как показано на виде в разрезе, взятом вдоль линии X-X, когда предусмотрен поперечный сток OFD переполнения, поскольку сигнальный заряд 70, перетекающий из фотодиода PD, может поглощаться, явление расплывания изображения (Фиг.5) может предохраняться от формирования. Вышеописанный боковой сток переполнения является способом, вообще, используемым в качестве мер против расплывания изображения, подобного вертикальному стоку переполнения, при котором сток переполнения формируется в направлении глубины кремниевой пластины.

Вновь со ссылкой на Фиг.3, диффузионная область 110 n- отсоединяется от потенциала VDD электропитания, в то время когда ключ 24 управления выключается. Поэтому, сигнальный заряд, перетекающий из каждого фотодиода PD (боле точно, узла N1) каждой схемы 10 пикселя, накапливается в емкости 22 стока переполнения, сформированной между кремниевой подложкой 100 p-типа и диффузионной областью 110 n-.

Поэтому, когда падающий свет на каждую схему 10 пикселя в группе 2 пикселей, то есть, на группу 2 пикселей, является интенсивным, в то время как накапливается сигнальный заряд, перетекающий из каждого фотодиода PD, потенциал узла N2 понижается. Таким образом, по мере того, как выходной потенциал инвертирующего усилителя 26 повышается, электрическое сопротивление разрядного вентиля DG (сопротивление канала транзистора 160 n-МОП) уменьшается, так что активируется операция отведения заряда из узла N1 каждой схемы 10 пикселя в узел N2 схемы 20 отведения накопленного заряда.

Между тем, когда падающий свет на группу 2 пикселей является умеренным и сигнальный заряд не перетекает из каждого фотодиода PD, потенциал узла N2 не снижается от потенциала VDD электропитания. В это время, поскольку выходной потенциал Vg инвертирующего усилителя 26 не повышается, электрическое сопротивление разрядного вентиля DG (сопротивление канала транзистора 160 n-МОП) сохраняется подобным случаю, где диффузионная область 110 n+ функционирует в качестве стока переполнения.

Таким образом, наряду с тем, что уничтожаются дополнительно требуемый элемент и площадь его компоновки посредством использования стока переполнения, схема 20 отведения накопленного заряда может выполнять операцию отведения заряда.

Между тем, электрод 155 затвора сформирован над областью канала между диффузионной областью 120 n+ и диффузионной областью 130 n-, со слоем 150 изоляции, помещенным между ними. Таким образом, транзистор 170 n-МОП сформирован в качестве полевого транзистора, в котором диффузионная область 130 n- служит в качестве истока, диффузионная область 120 n+ служит в качестве стока, электрод 155 затвора служит в качестве затвора. Транзистор 170 n-МОП составляет передающий элемент 12, показанный на Фиг.1.

Управляющий сигнал TG передачи выдается на электрод 155 затвора. Несмотря на то что управляющий сигнал TG передачи находится на высоком уровне (в дальнейшем также указываемом ссылкой как уровень H), транзистор 170 n-МОП открывается в насыщенной области или линейной области, и сигнальный заряд, накопленный в диффузионной области 130 n-, передается в диффузионную область 120 n+. Диффузионная область 120 n+ присоединена к узлу 5 потенциала электропитания через ключ 14 сброса и присоединена к входному узлу усилителя 16 напряжения. То есть, диффузионная область 120 n+ соответствует узлу Nf в качестве плавающей диффузионной области, показанной на Фиг.1.

Таким образом, поскольку передающий элемент 12 (Фиг.1) реализован транзистором 170 n-МОП, сигнальный заряд, накопленный в диффузионной области 130 n-, может отбираться без обеспечения точки контакта, физически непосредственно контактирующей с диффузионной областью 130 n-. То есть, когда предусмотрен передающий элемент 12, настоящее изобретение может применяться к скрытому диоду. Согласно скрытому диоду, поскольку узел накопления (узел N1) для сигнального заряда физически непосредственно не присоединен к другому узлу, может предполагаться высокоточное фотоэлектрическое детектирование, обладающее свойством высокого шумового сопротивления.

Затем, будут описаны операции схемы 10 пикселя и схемы 20 отведения накопленного заряда.

Вновь со ссылкой на Фиг.1, фотодиод PD в схеме 10 пикселя вырабатывает фототок на основании падающего света схемы 10 пикселя, и сигнальный заряд (отрицательный заряд) накапливается в узле N1 на основании формирования фототока.

Как описано выше, схема 20 отведения накопленного заряда выполняет разные функции на основании включения/выключения ключа 24 управления. В то время как ключ 24 управления включен, поскольку узел N2 (диффузионная область 110 n+, показанная на Фиг.3) присоединен к потенциалу VDD электропитания, и сигнальный заряд переполнения, обусловленный насыщением, отводится из фотодиода PD, схема 20 отведения накопленного заряда функционирует в качестве стока переполнения, совместно используемого каждой схемой 10 пикселя в одной и той же группе пикселей.

Между тем, в то время как ключ 24 управления находится в периоде выключения, схема 20 отведения накопленного заряда накапливает сигнальный заряд, перетекающий из фотодиода PD каждой схемы 10 пикселя в одной и той же группе пикселей, а затем, формирует потенциал, соответствующий количеству падающего света на соответствующую группу пикселей, в узле N2. Таким образом, когда падающий свет интенсивен (при большом количестве света) и электрическое сопротивление разрядного вентиля DG уменьшается по мере того, как понижается потенциал узла N2, схема 20 отведения накопленного заряда выполняет «операцию отведения сигнального заряда», при которой сигнальный заряд, накопленный в узле N1 каждой схемы 10 пикселя вплоть до этого момента времени, отводится в узел N2. Между тем, когда падающий свет является умеренным (при малом количестве света), поскольку потенциал узла N2 не снижается, электрическое сопротивление разрядного вентиля DG сохраняется в высоком сопротивлении, так что схема 20 отведения накопленного заряда не выполняет вышеприведенную операцию отведения сигнального заряда. Таким образом, операция отведения заряда посредством схемы 20 отведения накопленного заряда, вероятно, должна выполняться по мере того, как увеличивается сигнальный заряд, перетекающий из схемы 10 пикселя, то есть, в то время как падающий свет на соответствующую группу 2 пикселей становится интенсивным. Следовательно, схема 20 отведения накопленного заряда отводит сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света на группу пикселей, из узла N1 в схеме 10 пикселя в одной и той же группе пикселей.

В схеме 10 пикселя, когда передающий элемент 12 открыт в насыщенной области или линейной области согласно управляющему сигналу TG передачи, сигнальный заряд, накопленный в узле N1 в течение одного периода кадровой развертки, передается в узел Nf. Узел Nf предварительно заряжен до потенциала VDD электропитания, когда ключ 14 сброса включен, а затем, после того как ключ 14 сброса выключается, узел Nf принимает и накапливает сигнальный заряд, переданный из передающего элемента 12. Передающий элемент 12 включается на основании временной привязки вывода, предусмотренной соответствующей переключению одного периода кадровой развертки.

Как результат, потенциал, соответствующий количеству сигнального заряда, накопленного в узле N1, формируется в узле Nf в качестве плавающей диффузионной области с временной привязкой вывода в течение одного периода кадровой развертки. Усилитель 16 напряжения формирует выходное напряжение, соответствующее потенциалу узла Nf, и присоединен к узлу No вывода через ключ 18 выбора пикселя, включаемый на основании управляющего сигнала PS выбора пикселя. Таким образом, выходной сигнал Vout напряжения, соответствующий количеству сигнального заряда, накопленного в узле N1 за один период кадровой развертки, выдается в узел No вывода.

Согласно характерному моменту настоящего изобретения, поскольку период выключения ключа 24 управления (в дальнейшем также указываемый ссылкой как период отведения заряда) предусмотрен время от времени в течение одного периода кадровой развертки, в случае, когда падающий свет является интенсивным, и сигнальный заряд узла N1 насыщается в середине одного периода кадровой развертки, сигнальный заряд, накопленный в узле N1, может отводиться в середине одного периода кадровой развертки посредством операции отведения сигнального заряда схемой 20 отведения накопленного заряда.

Затем, со ссылкой на Фиг.7 и 8, будет описана работа полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления в течение одного периода кадровой развертки.

Со ссылкой на Фиг.7, управляющий сигнал PS выбора пикселя, управляющий сигнал RF сброса, управляющий сигнал Tg передачи и управляющий сигнал RO задаются, с тем чтобы переходить с высокого уровня (уровня H) на низкий уровень (уровень L) или с уровня L на уровень H с определенной временной привязкой в течение каждого периода кадровой развертки.

Передающий элемент 12, ключ 14 сброса, ключ 18 выбора пикселя и ключ 24 управления включены в течение периода уровня H управляющего сигнала TG передачи, управляющего сигнала RF сброса, управляющего сигнала PS выбора пикселя и управляющего сигнала RO, соответственно, и выключены в течение периода уровня L таковых.

Управляющий сигнал PS выбора пикселя установлен в уровень H в течение определенного периода, соответствующего переключению периода кадровой развертки. В течение периода уровня H (периода выбора пикселя) управляющего сигнала PS выбора пикселя, после того, как управляющий сигнал RF сброса установлен в уровень H, и сигнальный заряд узла Nf установлен на нуль, предусмотрен период уровня H (период передачи) управляющего сигнала TG передачи. В течение этого периода передачи, накопленный сигнальный заряд узла N1 в течение одного периода кадровой развертки, передается в узел Nf, и выходной сигнал Vout напряжения, соответствующий количеству накопленного сигнального заряда с этой временной привязкой, формируется из усилителя 16 напряжения.

Более того, в течение одного периода кадровой развертки, перед периодом выбора пикселя, период уровня L управляющего сигнала RO (период отведения заряда), предусмотрен с определенной временной привязкой. Как описано выше, в течение периода отведения заряда схема 20 отведения накопленного заряда выполняет операцию отведения заряда на основании количества падающего света на группу пикселей.

Фиг.8 - схема, показывающая формирование потенциального барьера и движение сигнального заряда в моменты с t0 по t6 времени на Фиг.7.

На Фиг.8 вертикальная ось обозначает высоту потенциального барьера. На горизонтальной оси, W1 соответствует области компоновки конденсатора 22 стока переполнения (узла N2), W2 соответствует области канала разрядного вентиля DG (транзистора 160 n-МОП), W3 соответствует области компоновки фотодиода PD, W4 соответствует области канала передающего элемента 12 (транзистора 170 n-МОП), и W5 соответствует плавающей диффузионной области (узлу Nf).

В момент t0 времени, управляющий сигнал PS выбора пикселя, управляющий сигнал RF сброса и управляющий сигнал TG передачи установлены в уровень L, а управляющий сигнал RO установлен в уровень H. Таким образом, в схеме 20 отведения накопленного заряда, показанной на Фиг.1, узел N2 функционирует в качестве стока переполнения, когда ключ 24 управления включен. Между тем, в схеме 10 пикселя, ключ 12 передачи и ключ 14 сброса выключаются, и сигнальный заряд накапливается в узле N1 оптическим током, вырабатываемым из фотодиода PD на основании количества падающего света на схему 10 пикселя. В дополнение, поскольку фотодиод PD постоянно вырабатывает фототок, соответствующий количеству падающего света на схему 10 пикселя, операция накопления сигнального заряда в узле N1 неизменно выполняется в течение одного периода кадровой развертки.

Со ссылкой на Фиг.8(a), в момент t0 времени, область W1, соответствующая узлу N2 (конденсатору 22 стока переполнения), смещена потенциалом VDD электропитания. Поэтому, сигнальный заряд 70 переполнения, обусловленный насыщением, отводится из области W3 фотодиода, не накапливаясь в конденсаторе 22 стока переполнения (области W1). В это время, необходимо устанавливать потенциал области W2, то есть, области под разрядным вентилем, чтобы был ниже, чем потенциал p-n-перехода, формирующий дно потенциальной ямы фотодиода PD, с тем чтобы не вытягивать весь сигнальный заряд из фотодиода PD (области W3). Это является эквивалентом надлежащего проектирования электрического сопротивления Rh разрядного ключа DG в качестве вышеописанного элемента переменного сопротивления, когда ключ 24 управления включен (Vg = VI).

Вновь со ссылкой на Фиг.7, в течение от момента t1 до t2 времени периода Tdr отведения заряда, в котором управляющий сигнал RO переходит с уровня H в момент t0 времени на уровень L, ключ 24 управления в схеме 20 отведения накопленного заряда выключается. Таким образом, сигнальный заряд, перетекающий из узла N1 схемы 10 пикселя, накапливается конденсатором 22 стока переполнения в узле N2.

Со ссылкой на Фиг.8(b), в момент t1 времени, когда область W1 (узел N2) отсоединяется от потенциала VDD электропитания, начинается накопление заряда переполнения из области W3 фотодиода (узла N1).

Со ссылкой на Фиг.8(c), в момент t2 времени, по мере того как сигнальный заряд, перетекающий из области W3 фотодиода (узла N1), накапливается в части W1 конденсатора стока переполнения (узле N2), потенциал области W2 под разрядным вентилем повышается. Как результат, это является эквивалентом уменьшения сопротивления разрядного вентиля DG, так что операция отведения сигнального заряда из узла N1 в схеме 10 пикселя активизируется.

Здесь, когда допущено, что нет потенциального барьера и кармана, который мешает заряду отводиться в фотодиод PD, и максимальное значение потенциала области W2 под разрядным вентилем не превышает потенциал p-n-перехода фотодиода, перемещение сигнального заряда из области W3 фотодиода в область W1 (узел N2) может моделироваться формулой подпорогового тока транзистора 160 n-МОП, как показано в следующей формуле (1).

Ids = Id0·exp {q/(n·k·T)·(Vg-Vs-Vt)} ...

(1)

Здесь, должно быть отмечено, что Id0 выражается следующей формулой (2).

Id0 = (W/L)· n·C0·(k·T/q)·exp (1) ...

(2)

В дополнение, в формулах (1) и (2), q обозначает элементарный заряд, k обозначает постоянную Больцмана, T обозначает абсолютную температуру, n обозначает подвижность носителей заряда (электрона), а W и L обозначают ширину затвора и длину затвора транзистора 160 n-МОП, соответственно. В дополнение, Vs обозначает потенциал фотодиода (потенциал узла N1), и Vt обозначает пороговое напряжение транзистора 160 n-МОП. В дополнение, n - коэффициент, выраженный посредством n = (C0 + Cd)/C0, где C0 и Cd являются емкостью изолирующей пленки затвора и емкостью запирающего слоя транзистора 160 n-МОП, соответственно.

Таким образом, в течение периода отведения заряда, подпороговый ток Ids формируется в транзисторе 160 n-МОС, то есть, количество сигнального заряда, отведенное из узла N1 в узел N2 в единицу времени, зависит от выходного потенциала Vg инвертирующего усилителя 26 в соответствии с потенциалом узла N2 на основании количества падающего света на группу пикселей.

Здесь, когда допущено, что количеством сигнального заряда насыщения в фотодиоде PD (узле N1) является Q, потенциал в каждой точке, когда количество Q сигнального заряда накоплено в узле N1, может быть найден по постоянной цепи, такой как значение емкости, и отнесением к значению оценки подпорогового тока Ids в этот момент времени, может предварительно оцениваться время, требуемое для отведения всего количества Q сигнального заряда насыщения из узла N1 схемой 20 отведения накопленного заряда. Поэтому, длительность периода отведения заряда может устанавливаться отнесением к этому предписанному времени. В дополнение, поскольку период отведения заряда может обеспечиваться установкой управляющего сигнала RO, он может выдаваться не только один раз, но также несколько раз в течение одного периода кадровой развертки.

Вновь со ссылкой на Фиг.7, когда управляющий сигнал RO переходит с уровня L на уровень H между моментом t2 времени и моментом t3 времени, ключ 24 управления вновь включается, и воспроизводится состояние в момент t0 времени. Таким образом, сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света, накапливается в узле N1 каждой схемы 10 пикселя.

Со ссылкой на Фиг.8(d), в момент t3 времени, когда возобновлялась операция накопления сигнального заряда, то есть, в конце периода Tdr отведения заряда, в случае, когда падающий свет является интенсивным, как показано, операция отведения сигнального заряда выполняется схемой 20 отведения накопленного заряда в течение периода Tdr отведения заряда, а затем, сигнальный заряд области W3 фотодиода (узла N1) один раз устанавливается на нуль. Между тем, хотя не показано, когда падающий свет на группу пикселей является умеренным, операция отведения сигнального заряда не выполняется схемой 20 отведения накопленного заряда, и сигнальный заряд, накопленный в области W3 фотодиода (узле N1) вплоть до этого момента времени, остается как есть. В дополнение, в области умеренного падающего света, часть сигнального заряда, накопленного в узле N1 до этого, остается в прежнем состоянии. Таким образом, в течение периода Tdr отведения заряда, сигнальный заряд, соответствующий количеству падающего света на группу пикселей, отводится из области W3 фотодиода (узла N1) схемой 20 отведения накопленного заряда.

Вновь со ссылкой на Фиг.7, в течение периода выбора пикселя, в котором управляющий сигнал PS выбора пикселя находится на уровне H, прежде всего, управляющий сигнал RF сброса устанавливается на уровень H на определенный период, а узел Nf, в качестве плавающей диффузионной области, присоединяется к потенциалу VDD электропитания, когда включается ключ 14 сброса (момент t4 времени).

Более того, в течение периода передачи, в котором управляющий сигнал TG передачи установлен в уровень H, передающий элемент 12 включен, и сигнальный заряд, накопленный в узле N1 до этого, передается в узел Nf (момент t5 времени). Затем, когда управляющий сигнал TG передачи возвращается на уровень L, а период передачи завершается, передающий элемент 12 выключается (момент t6 времени). Затем, когда управляющий сигнал PS выбора пикселя возвращается на уровень L, и период выбора пикселя завершается, завершается работа в течение одного периода кадровой развертки.

Со ссылкой на Фиг.8(e), в момент t4 времени, сигнальный заряд, накопленный в узле N1 после периода Tdr отведения заряда, удерживается в области W3 фотодиода (узле N1). Между тем, плавающая диффузионная область W5 (узел Nf) присоединен к потенциалу VDD электропитания, и сигнальный заряд, накопленный в этой области, устанавливается на нуль.

Со ссылкой на Фиг.8(f), в момент t5 времени, когда передающий элемент 12 включается, потенциал области W4 под передающим элементом повышается, и сигнальный заряд, накопленный в области W3 фотодиода (узле N1) до этого в течение одного периода кадровой развертки, передается в плавающую диффузионную область W5 (узел Nf).

Когда падающий свет является интенсивным, и операция отведения сигнального заряда полностью выполнена в течение периода Tdr отведения заряда, переданным количеством сигнального заряда является количество сигнального заряда, накопленное в периоде Tag повторного накопления (Фиг.7) после периода Tdr отведения заряда, и, когда падающий свет является умеренным, и операция отведения сигнального заряда не выполняется в течение периода Tdr отведения заряда, получается сигнальный заряд, накопленный за один период кадровой развертки.

Со ссылкой на Фиг.8(g), в момент t6 времени, поскольку передающий элемент 12 включается, и потенциал области W4 под передающим элементом понижается, сигнальный заряд, переданный из области W3 фотодиода (узла N1), накоплен в плавающей диффузионной области W5 (узле Nf). Как результат, потенциал плавающей диффузионной области W5 (узле Nf) соответствует накопленному количеству сигнального заряда в этот момент времени, то есть, накопленному количеству сигнального заряда узла N1 в конце одного периода кадровой развертки, и выходной сигнал Vout напряжения, соответствующий потенциалу узла Nf в этот момент времени, выводится из узла No вывода. В дополнение, в момент t6 времени, накопленный сигнальный заряд в области W3 фотодиода (узле N1) устанавливается на ноль один раз в ответ на переключение одного периода кадровой развертки.

Как описано выше, согласно полупроводниковому устройству считывания изображения в этом первом варианте осуществления, сигнальный заряд, накопленный в каждой схеме пикселя, может отводиться один раз, с промежуточной временной привязкой (период отведения заряда) в течение одного периода кадровой развертки, схемой отведения накопленного заряда, предусмотренной соответствующей каждой группе пикселей, когда падающий свет на группу пикселей является интенсивным (во время высокой освещенности). Поэтому, когда освещенность высока, динамический диапазон в каждой схеме 10 пикселя может расширяться на основании отношения k ( = (Tfr/Tag) одного периода Tfr кадровой развертки к периоду Tag повторного накопления от конца периода отведения заряда (когда есть множественность количества таких периодов, последнего периода отведения заряда) до конца периода передачи.

Между тем, когда падающий свет на группу пикселей является умеренным (во время низкой освещенности), операция отведения сигнального заряда не выполняется схемой 20 отведения накопленного заряда, и изображение может приниматься с достаточной контрастностью без расширения динамического диапазона каждой схемы 10 пикселя.

Как результат, контрастность между яркой частью и темной частью может детектироваться в достаточной мере, даже когда велик разброс яркости в поле зрения, посредством расширения динамического диапазона во время высокой освещенности, с простой схемной конфигурацией, в которой один фотодетекторный элемент (фотодиод) предусмотрен в каждой схеме 10 пикселя, и количество света детектируется только на основании количества накопления сигнального заряда, сформированного элементом приема света.

Здесь, фотодиод PD в схеме 10 пикселя соответствует «первому фотодетекторному элементу» в настоящем изобретении, узел N1 соответствует «первому узлу» в настоящем изобретении. В дополнение, передающий элемент 12 соответствует «первой схеме инициализации», в которой накопленный заряд в узле N1 устанавливается в нуль, а ключ 14 сброса соответствует «второй схеме инициализации» в настоящем изобретении. Более того, усилитель 16 напряжения соответствует «схеме считывания» в настоящем изобретении. В дополнение, эта «схема считывания» может компоноваться, с тем чтобы совместно использоваться множеством схем 10 пикселей, например, в качестве внешнего элемента схемы 10 пикселя.

В дополнение, узел N2 в схеме 20 отведения накопленного заряда соответствует «второму узлу» в настоящем изобретении, узел 5 потенциала электропитания соответствует «узлу потенциала» в настоящем изобретении, инвертирующий усилитель 26 соответствует «блоку формирования управляющего потенциала» в настоящем изобретении, и ключ 24 управления соответствует «элементу ключа управления» в настоящем изобретении.

Более того, на Фиг.3 диффузионная область 130 n- соответствует «первой примесной диффузионной области» в настоящем изобретении, диффузионная область 110 n+ соответствует «второй примесной диффузионной области» в настоящем изобретении, и диффузионная область 120 n+ соответствует «третьей примесной диффузионной области» в настоящем изобретении. В дополнение, транзистор 160 n-МОП соответствует «первому полевому транзистору» в настоящем изобретении, а транзистор 170 n-МОП соответствует «второму полевому транзистору» в настоящем изобретении.

Фиг.9 - структурная схема, показывающая полную конфигурацию полупроводникового устройства считывания изображения согласно первому варианту осуществления, в котором схемы пикселей и схемы отведения заряда накопления согласно первому варианту осуществления скомпонованы в матрице строк и столбцов.

Со ссылкой на Фиг.9, полупроводниковое устройство 200 считывания изображения согласно этому варианту осуществления включает в себя множество схем 10 пикселей, скомпонованных в матрице строк и столбцов на поверхности приема света, для приема падающего света, схему 20 отведения накопленного заряда, скомпонованную соответствующей каждой группе пикселей, составленной из четырех схем 10 пикселей, примыкающих друг к другу в направлении строк и направлении столбцов, схему 210 формирования управляющих сигналов, схему 220 фиксатора напряжения, сигнальную линию 230, тянущуюся в направлении строки, и линию 240 данных, тянущуюся в направлении столбца.

Схема 210 формирования управляющих сигналов формирует группу управляющих сигналов, включающую в себя управляющий сигнал PS выбора пикселя, управляющий сигнал RF сброса, управляющий сигнал TG передачи и управляющий сигнал RO, описанные на Фиг.7, что касается каждой строки пикселей, на основании выхода регистра вертикального сдвига (не показан) для выполнения операции сканирования в вертикальном направлении (направлении столбцов) каждый один период кадровой развертки.

Группа управляющих сигналов, формируемая схемой 210 формирования управляющих сигналов, передается по сигнальной линии 230 и принимается каждой схемой 10 пикселя и каждой схемой 20 отведения накопленного заряда в одной и той же строке пикселей.

Предусмотрена линия 240 данных, соответствующая каждому столбцу пикселей и присоединенная к узлу No вывода схемы 10 пикселя в соответствующем столбце пикселей. Схема 220 фиксатора напряжения присоединена к каждой линии 240 данных и может получать выходной сигнал Vout напряжения из каждой схемы 10 пикселя в порядке сканирования схемы пикселя последовательным считыванием напряжения на линии 240 данных, выполняя операцию сканирования в горизонтальном направлении (направлении строки), на основании выхода регистра горизонтального сдвига (не показан). Таким образом, столбцовый сигнал Vdat данных, в котором последовательно скомпонованы выходные сигналы Vout напряжения из каждой схемы 10 пикселя, может получаться на основании порядка сканирования схем 10 пикселей.

В дополнение, в случае, где схемы пикселей, принадлежащие к одной и той же группе пикселей, скомпонованы на множестве (двух) строк пикселей, как в этом изобретении, предпочтительно, чтобы группа управляющих сигналов устанавливалась с общей временной привязкой на множестве (двух) строк пикселей, принадлежащих к одной и той же группе пикселей. В этом случае, поскольку выходные сигналы Vout напряжения выводятся из множества (двух) схем 10 пикселей, принадлежащих к одной и той же группе пикселей в каждом столбце пикселей, необходимо предусматривать множество (двух) линий 240 данных по каждому столбцу пикселей и присоединять множество (двух) линий 240 данных к множеству (двух) схем 10 пикселей, принадлежащих к одной и той же группе пикселей. Следовательно, операция считывания может выполняться с более высокой точностью.

В дополнение, конфигурации для сканирования и съема выходного сигнала напряжения каждой схемы 10 пикселя согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения не ограничены иллюстрацией, показанной на Фиг.9, и должно быть отмечено, что иногда может использоваться любой способ, известный специалистам в данной области техники. В дополнение, группы пикселей, совместно использующие схему 20 отведения накопленного заряда, могут быть предусмотрены на любом количестве строк пикселей и столбцов пикселей.

(Разновидность первого варианта осуществления)

Хотя полупроводниковое устройство считывания изображения включает в себя схему 10 пикселя, содержащую фотодиод PD в качестве скрытого диода, в первом варианте осуществления, настоящее изобретение может применяться к схеме пикселя, содержащей фотодиод, иной чем скрытый диод.

Как показано на Фиг.10, даже когда схема 10 пикселя, показанная на Фиг.1, заменена схемой 11 пикселя, может быть предоставлено полупроводниковое устройство считывания изображения, в котором схема 20 отведения накопленного заряда совместно используется множеством схем 11 пикселей в одной и той же группе пикселей подобно первому варианту осуществления.

Со ссылкой на Фиг.10, схема 11 пикселей отличается от схемы 10 пикселей, показанной на Фиг.1, по той причине, что не предусмотрен передающий элемент. То есть, ключ 14 сброса присоединен, с тем чтобы сбрасывать узел N1 непосредственно, а узел ввода усилителя 16 напряжения присоединен прямо к узлу N1.

Поэтому, согласно схеме 11 пикселя, в конструкции, показанной на Фиг.6, фотодиод PD не ограничен скрытым диодом и может быть обычным плоскостным диодом. В этом случае, поскольку диффузионная область n-типа, соответствующая узлу N1, предусмотрена на основной поверхности кремниевой подложки 100 p-типа, может быть сформирована точка контакта, физически непосредственно контактирующая с узлом N1. Поэтому, даже когда передающий элемент 12, показанный на Фиг.1 (транзистор 170 n-МОП на Фиг.6), не предусмотрен в схеме 11 пикселя, может быть предоставлено полупроводниковое устройство считывания изображения, подобное таковому в первом варианте осуществления.

Следовательно, в схеме 11 пикселя, ключ 14 сброса соответствует «первой схеме инициализации» в настоящем изобретении, а «вторая схема инициализации» в настоящем изобретении не предусмотрена.

Со ссылкой на Фиг.11, будет описана работа полупроводникового устройства считывания изображения согласно разновидности первого варианта осуществления, в котором предусмотрена схема 11 пикселя.

Со ссылкой на Фиг.11, согласно полупроводниковому устройству считывания изображения в разновидности первого варианта осуществления, в то время как управляющий сигнал RO устанавливается подобно первому варианту осуществления (Фиг.7), управляющий сигнал PS выбора пикселя устанавливается на уровень H с временной привязкой, соответствующей моменту t5 времени, показанному на Фиг.7. Таким образом, управляющий сигнал RF сброса устанавливается в уровень H в начале нового одного периода кадровой развертки, в ответ на окончание периода выбора пикселя (период уровня H управляющего сигнала RS выбора пикселя), с тем чтобы соответствовать переключению одного периода кадровой развертки. Таким образом, накопленный сигнальный заряд в узле N1 может устанавливаться в нуль в момент времени начала каждого периода кадровой развертки.

Хотя потенциал узла N1 и выходное напряжение усилителя 16 напряжения постоянно меняется в зависимости от накопленного количества сигнального заряда в узле N1 в течение одного периода кадровой развертки, когда период уровня L управляющего сигнала RO (периода отведения заряда) предусмотрен в середине одного периода кадровой развертки, и схема 20 отведения накопленного заряда время от времени отводит сигнальный заряд, выходной сигнал Vout напряжения может формироваться из схемы 11 пикселя подобно схеме 10 пикселя в первом варианте осуществления.

(Второй вариант осуществления)

Фиг.12 - принципиальная схема для описания конфигурации схемы пикселя и схемы отведения накопленного заряда в полупроводниковом устройстве считывания изображения согласно второму варианту осуществления.

Со ссылкой на Фиг.12, согласно полупроводниковому устройству считывания изображения во втором варианте осуществления, схема 21 отведения накопленного заряда предусмотрена вместо схемы 20 отведения накопленного заряда, показанной на Фиг.1.

Схема 21 отведения накопленного заряда имеет схемную конфигурацию, в которой фотодиод PD# в качестве «второго фотодетекторного элемента» скомпонован между узлом N2 и узлом 6 заземления в схеме 20 отведения накопленного заряда, показанной на Фиг.1.

Фиг.13 - вид в разрезе, показывающий конструкцию основной части схемы 21 отведения накопленного заряда и соответствующий виду в разрезе, показывающему основную часть схемы 21 отведения накопленного заряда, показанной на Фиг.3. Как может быть понятно из сравнения между Фиг.13 и Фиг.3, схема 21 отведения накопленного заряда имеет конструкцию, в которой не скомпонована пластина 115 экранирования света на основной поверхности диффузионной области 110 n+, служащей в качестве стока переполнения. Таким образом, сформирован фотодиод PD#, у которого кремниевая подложка 100 p-типа, смещенная нулевым потенциалом VSS, служит в качестве анода, а диффузионная область 110 n+ служит в качестве катода. Поскольку другие конфигурация и конструкция в схеме 21 отведения накопленного заряда подобны таковой у схемы 20 отведения накопленного заряда, они не будут подробно повторяться.

Схема 21 отведения накопленного заряда предусмотрена соответствующей каждой группе пикселей, подобно первому варианту осуществления, и она электрически присоединена к каждому узлу N1 схемы 10 пикселя, включенной в ту же самую группу пикселей, через разрядный вентиль DG.

Вновь со ссылкой на Фиг.12, согласно схеме 21 отведения накопленного заряда, поскольку диффузионная область 110 n+ смещена потенциалом VDD электропитания в течение периода включения ключа 24 управления, диффузионная область 110 n+ служит в качестве стока переполнения подобно схеме 20 отведения накопленного заряда в первом варианте осуществления. Между тем, в течение периода выключения ключа 24 управления (периода отведения заряда) фотодиод PD# вырабатывает фототок согласно количеству падающего света на схему 21 отведения накопленного заряда, то есть, падающего света на группу пикселей, и сигнальный заряд может накапливаться в узле N2 по мере того, как вырабатывается фототок.

В это время, когда узел N2 (то есть, фотодиод PD#) предусмотрен в области, окруженной схемами пикселей, принадлежащими к одной и той же группе пикселей, на по существу одинаковом расстоянии от каждой схемы пикселя, подобно компоновке, показанной на Фиг.2, фотодиод PD# может вырабатывать фототок, соответствующий среднему количеству падающего света группы пикселей, под прямым воздействием.

Таким образом, в дополнение к сигнальному заряду, перетекающему из схемы 10 пикселя в течение периода отведения заряда подобно первому варианту осуществления, сигнальный заряд, сформированный фотодиодом PD#, также накапливается в узле N2 в схеме 21 отведения накопленного заряда. Поэтому, поскольку сигнальный заряд, вероятно, должен накапливаться в узле N2 в схеме 21 отведения накопленного заряда, сигнальный заряд, вероятно, должен отводиться из узла N1, и скорость отведения сигнального заряда может быть увеличена.

Как результат, поскольку один период кадровой развертки, требуемый для получения прежнего динамического диапазона во время высокой освещенности, может быть относительно укорочен, изображение может сниматься с высокой скоростью.

В качестве еще одного примера, в принципе, может быть реализована конфигурация, в которой потенциал узла N2, то есть, сопротивление разрядного вентиля DG, может управляться на основании только количества света, детектированного фотодиодом PD# в течение периода отведения заряда. В этой конфигурации, блок отведения заряда (не показан) для отведения сигнального заряда из узла N1 схемы 10 пикселя отдельно предусмотрен в схеме 21 отведения накопленного заряда, и каждый разрядный вентиль DG отсоединен от узла N2 и присоединен между каналом отведения заряда и узлом N1 схемы 10 пикселя.

В дополнение, согласно полупроводниковому устройству считывания изображения во втором варианте осуществления, схема 10 пикселя может быть заменена схемой 11 пикселя, показанной в разновидности первого варианта осуществления. То есть, полупроводниковое устройство считывания изображения согласно второму варианту осуществления может быть предоставлено посредством компоновки схемы 10 или 11 пикселя и схемы 21 отведения накопленного заряда согласно второму варианту осуществления, например, как показано на Фиг.9.

(Третий вариант осуществления)

Как описано выше, полупроводниковое устройство считывания изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения может быть предоставлено комбинированием схемы 10 или 11 пикселя и схемы 20 или 21 отведения накопленного заряда. Здесь, несмотря на схемную конфигурацию, в которой анод фотодиода PD зафиксирован на нулевом потенциале VSS в первом и втором вариантах осуществления, настоящее изобретение может применяться к схемной конфигурации, в которой полярность каждой схемы инвертирована, и катод фотодиода PD зафиксирован на потенциале VDD электропитания.

Фиг.14 и 15 показывают схемы 10# и 11# пикселей согласно третьему варианту осуществления в качестве разновидности, в которой соответственно инвертированы полярности схем 10 и 11 пикселей.

Согласно схемам 10# и 11# пикселей, катод фотодиода PD присоединен к узлу 5 потенциала электропитания, и, в сравнении со схемами 10 и 11 пикселей, переставлены компоновки схемных элементов, присоединенных между узлом N1 и узлом 5 потенциала электропитания, а также узлом 6 заземления. В дополнение, поскольку узел N1 соответствует аноду фотодиода в схемах 10# и 11# пикселей, накопленный сигнальный заряд является положительным зарядом.

Фиг.16 и 17 показывают схемы 20# и 21# отведения накопленного заряда согласно третьему варианту осуществления в качестве разновидности, в которой соответственно инвертированы полярности схем 20 и 21 отведения накопленного заряда. Согласно схемам 20# и 21# отведения накопленного заряда, компоновки схемных элементов, присоединенные между узлом N1 и узлом 5 потенциала электропитания, а также узлом 6 заземления, переставлены по сравнению со схемами 20 и 21 отведения накопленного заряда.

В дополнение, разрядный вентиль DG# для отведения положительного заряда из узла N1 присоединен между узлом N1 в схеме 10# (или 11#) пикселя и узлом N2 в схеме 20# (или 21#) отведения накопленного заряда вместо разрядного вентиля DG. Электрическое сопротивление разрядного вентиля DG# уменьшается по мере того, как понижается выходной потенциал Vg инвертирующего усилителя 26 (то есть, повышается потенциал узла N2), и его электрическое сопротивление увеличивается, в то время как выходной потенциал Vg повышается, вопреки разрядному вентилю DG.

Согласно схемам 10# и 11# пикселей и схемам 20# и 21# отведения накопленного заряда, типы проводимости n-типа и p-типа могут обращаться по необходимости в конструктивных примерах, показанных на Фиг.6 или 13. То есть, передающие элементы 12 в схемах 10# и 11# пикселей состоят из транзисторов p-МОП, и разрядные вентили DG в схемах 20# и 21# отведения накопленного заряда состоят из транзисторов p-МОП.

Поскольку операции и функции в схемах 10# и 11 # пикселей и схемах 20# и 21# отведения накопленного заряда подобны таковым в схемах 10 и 11 пикселей и схемах 20 и 21 отведения накопленного заряда, таковые подробно повторяться не будут. То есть, полупроводниковое устройство считывания изображения согласно варианту осуществления настоящего изобретения может быть предоставлено комбинированием схемы 10# или 11# пикселя и схемы 20# или 21# отведения накопленного заряда. Однако, поскольку подвижность положительного заряда (положительной дырки) является меньшей, чем таковая у отрицательного заряда (электрона), полупроводниковое устройство считывания изображения, содержащее схему 10 или 11 пикселя и схему 20 или 21 отведения накопленного заряда, являются относительно преимущественными, ввиду высокоскоростного формирования изображения по сравнению с полупроводниковым устройством считывания изображения, содержащим схему 10# или 11# пикселя и схему 20# или 21# отведения накопленного заряда.

Должно быть понятно, что варианты осуществления и примеры, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются иллюстративными и неограничивающими во всех отношениях. Объем настоящего изобретения определен терминами скорее формулы изобретения, чем описания, приведенного выше, и подразумевается включающим в себя любую модификацию в пределах объема и смысла, эквивалентных терминам формулы изобретения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как описано выше, полупроводниковое устройство считывания изображения согласно настоящему изобретению может использоваться в различных условиях, так как устройство считывания изображения обладает высокой способностью визуального восприятия и может использоваться в качестве камеры слежения, в том числе, наружного применения, и камеры для установки в автомобиле. В дополнение, поскольку размер пикселя может быть уменьшен вследствие простой схемной конфигурации, полупроводниковое устройство считывания изображения согласно настоящему изобретению пригодно для случая, где количество пикселей увеличено, и также пригодно для установки на мобильном устройстве.