專利名稱：圖像感測設備和圖像攝取系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像感測設備和圖像攝取系統。
背景技術：
通常的圖像感測設備包括像素和驅動這些像素的驅動單元，其中
所述像素各自包括光電轉換單元；電荷-電壓轉換器，其將基于光電 轉換單元所積累的電荷的信號轉換成電壓；以及傳送MOS晶體管， 其將光電轉換單元所積累的電荷傳送給電荷-電壓轉換器。如果傳送 MOS晶體管是NMOS晶體管，則通過將地電位提供給其柵極來將其 關斷。通過此操作，光電轉換單元開始電荷積累操作。
在這種情形下，產生了這樣一種需求，即通過增大光電轉換單元 的飽和信號量而展寬每個像素的動態范圍。為了滿足此需求，日本專 利特開笫號公開了一種通過將負電壓VTXL提供給傳送 MOS晶體管的柵極來關斷該傳送MOS晶體管的技術。
在曰本專利特開第號中公開的技術中，驅動單元包 括緩沖電路30，該緩沖電路30用于將控制信號提供給傳送MOS晶 體管的柵極(見圖2)。緩沖電路30具有反向器配置，其中NMOS 晶體管32和PMOS晶體管31具有公共的柵極和漏極。NMOS晶體 管32和PMOS晶體管31的公共柵極連接到輸入端子33，其公共漏 極連接到輸出端子34。負電壓(例如-1.2V)被提供給NMOS晶體管 32的源極。
在關斷傳送MOS晶體管時(在積累時)，電源電壓(例如5V) 被提供給輸入端子33。通過此操作，NMOS晶體管32的柵極與源極 之間的電壓變為等于電源電壓與負電壓之間的差(例如6.2V)。對應 于電源電壓和負電壓之間的差的電場也被提供給NMOS晶體管32的
柵絕緣膜。
假設NMOS晶體管32的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于電源 電壓和地電壓之間的差(例如5V)。在這種情況下，在關斷傳送MOS 晶體管時(在積累時)，NMOS晶體管32的柵絕緣膜被施加有大于其耐 壓的電場。這會導致對NMOS晶體管32的柵絕緣膜的毀壞。

發明內容
本發明提供一種圖像感測設備和圖像攝取系統，即使在每個像素的 動態范圍被展寬時，所述圖像感測設備和圖傳4聶取系統也可以防止對緩 沖電路中的晶體管的柵絕緣膜的任何毀壞。
根據本發明的第一方面，提供一種圖像感測設備，所述圖像感測設 備包括像素和驅動該像素的驅動單元，所述像素包括光電轉換單元； 電荷-電壓轉換器，其將基于所述光電轉換單元所積累的電荷的信號轉換 成電壓；以及傳送MOS晶體管，其將所述光電轉換單元所積累的電荷 傳送給所述電荷-電壓轉換器，其中，所述驅動單元包括緩沖電路，所述 緩沖電路被配置為將傳送信號提供給與傳送MOS晶體管的柵極相連的 傳送控制線，所述緩沖電路包括第一 PMOS晶體管和第一 NMOS晶體 管，所述第一PMOS晶體管具有與傳送控制線相連的漏極以及被提供有 電源電壓VI的源極，所述第一 NMOS晶體管具有與傳送控制線和所述 第一PMOS晶體管的漏極相連的漏極以及被提供有參考電壓V2的源極， 所述參考電壓V2的符號與電源電壓VI的符號相反，令v:3是被提供給 第一NMOS晶體管的柵極以將用于關斷傳送MOS晶體管的傳送信號提 供給傳送控制線的電壓，令V4是被提供給第一 PMOS晶體管的柵極以 將用于導通傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令 Vthpl是第一PMOS晶體管的閾值電壓，Vthnl是第一NMOS晶體管的 閾值電壓，則滿足(V2+Vthnl) <V3<V1以及V2〈V4〈 (Vl+Vthpl)。
根據本發明的第二方面，提供一種圖傳4聶取系統，所述圖傳4聶取系 統包括根據本發明的第一方面的圖像感測設備；被配置為在圖像感測
設備的圖像感測平面上形成圖像的光學系統；以及信號處理單元，其被
配置為處理從圖像感測設備輸出的信號以生成圖像數據。
根據本發明，即使當每個像素的動態范圍^u^寬時，也能夠防止對
緩沖電路中的晶體管的柵絕緣膜的任何毀壞。
通過參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發明的其他特征將變 得清晰。


圖1是示出圖像感測設備1的布置以說明要由本發明解決的問題的
電路圖2是示出緩沖電路30的布置以說明要由本發明解決的問題的電路
圖3是示出根據本發明第一實施例的圖像感測設備100的布置的電
路圖4是示出緩沖電路的布置的電路圖5是示出應用了根據第一實施例的圖像感測設備的圖^4聶取系統 的配置的框圖6是示出根據本發明第二實施例的圖像感測設備200的布置的電
路圖7是示出緩沖電路的布置的電路圖8是示出根據本發明第三實施例的圖像感測設備300的布置的電
路圖9是示出緩沖電路的布置的電路圖10是示出根據本發明第四實施例的圖像感測設備400的布置的電
路圖ii是示出緩沖電路的布置的電路圖。
具體實施例方式
將參照圖i詳細描述本發明所要解決的問題。圖i是示出圖像感測 設備i的布置以說明要由本發明解決的問題的電路圖。
首先將說明圖像感測設備1的示意性布置。
圖像感測設備1包括像素陣列PA和驅動單元20。在像素陣列PA 中，多個像素10排列在行和列方向上。驅動單元20經由傳送控制線CL1、 復位控制線CL2、選擇控制線CL3來驅動每個像素10。
接下來將參照圖1說明每個像素10的布置。
每個像素10包括光電轉換單元11、電荷-電壓轉換器15、傳送MOS 晶體管14、放大晶體管16、選擇晶體管18、以及復位晶體管19。光電 轉換單元11、電荷-電壓轉換器15、傳送MOS晶體管14、放大晶體管 16、選擇晶體管18、以及復位晶體管19形成在半導體基板上的每個阱 (well)中。阱勢(well potential) Vwd固定為地電位Vss。
光電轉換單元11例如由埋入(buried)光電二極管形成。也就是說， 光電轉換單元11包括形成在阱中的P型埋入層和N型埋入層。光電轉 換單元11的陽極端子被固定為阱勢Vwel，其陰極端子被連接到傳送 MOS晶體管14的源極。
電荷-電壓轉換器15將基于光電轉換單元ll所積累的電荷的信號轉 換成電壓。電荷-電壓轉換器15例如是浮動擴散(FD)區。
傳送MOS晶體管14是這樣的NMOS晶體管，即當電源電壓Vl(電 源電壓VDD)被提供給其柵極時導通，并且當參考電壓V2 (負電壓 VTXL)被提供給其柵極時關斷。電源電壓V1例如為5V。參考電壓V2 具有與電源電壓VI的符號相反的符號。參考電壓V2例如為-1.:2V。當傳 送MOS晶體管14導通時，它將光電轉換單元11所積累的電荷傳送到電 荷-電壓轉換器15。注意，當傳送MOS晶體管14導通時，對應于電源 電壓Vl和阱勢VweI (地電壓)之間的差的電場被提供給其柵絕緣膜。
放大晶體管16的漏極被提供有電源電壓VDD。放大晶體管16的柵 極從電荷-電壓轉換器15接收轉換成電壓的信號。放大晶體管16與連接 到列信號線RL的恒定電流源(未示出)協作，作為源極跟隨器工作， 所a大晶體管16輸出與列信號線RL的輸入信號(電壓)相對應的信 號。
選擇晶體管18根據從驅動單元20提供的信號，對像素IO進行選擇。
在選擇晶體管18選擇了像素10時，其將M大晶體管16輸出的信號傳 輸到列信號線RL。
復位晶體管19的漏極被提供有電源電壓VDD。復位晶體管19根據 從驅動單元20提供的信號將電荷-電壓轉換器15復位成對應于電源電壓 VDD的電位。
將參照圖1說明驅動單元20的布置。
驅動單元20包括垂直掃描電路21和緩沖塊22。垂直掃描電路21 經由緩沖塊22和傳送控制線CL1、復位控制線CL2、選擇控制線CL3 來驅動每個像素10。緩沖塊22包括緩沖電路30、 23和24。緩沖電路30、 23和24驅動從垂直掃描電路21輸出的信號，并且分別將它們輸出到傳 送控制線CL1、復位控制線CL2、以及選擇控制線CL3。
將參照圖2說明緩沖電路30的布置。圖2是示出緩沖電路30的布 置以說明要由本發明解決的問題的電路圖。
緩沖電路30包括第一PMOS晶體管31和第一NMOS晶體管32。 第一 PMOS晶體管31的漏極經由輸出端子34和傳送控制線CL1連接 到傳送MOS晶體管14的柵極，其源極被提供有電源電壓VI。電源電壓 VI例如是5V。第一 NMOS晶體管32的漏極經由輸出端子34和傳送控 制線CL1連接到傳送MOS晶體管14的柵極，其源極被提供有參考電壓 V2。參考電壓V2的符號與電源電壓VI的符號相反。參考電壓V2例如 是-1.2V。第一 PMOS晶體管31的漏極連接到第一 NMOS晶體管32的 漏極。第一 PMOS晶體管31和第一 NMOS晶體管32 二者的柵極連接 到輸入端子33。
接下來將說明驅動單元20的操作。
在將用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在傳送時)，垂直掃描電路21將參考電壓V2提供給緩沖塊22 的緩沖電路30。
也就是說，參考電壓V2從圖2中所示的輸入端子33 ,皮提供給第一 PMOS晶體管31的柵極和笫一 NMOS晶體管32的柵極。第一 PMOS 晶體管31被導通，而第一NMOS晶體管32被關斷。通過此操作，從第
一PMOS晶體管31的源極經由第一PMOS晶體管31的漏極向輸出端子 34提供電源電壓VI，作為用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號。 電源電壓VI從輸出端子34經由傳送控制線CL1被提供^H^送MOS晶 體管14的柵極。因此，傳送MOS晶體管14被導通。
此時，在第一 PMOS晶體管31的柵極和源極之間生成對應于電源 電壓VI和參考電壓V2之間的差的電壓Vgs31。例如當電源電壓VI為 5V，并且參考電壓V2為-1,2V時，生成以下電壓
<formula>formula see original document page 10</formula>
假設第一 PMOS晶體管31的柵絕緣膜的厚度被增大，以將其耐壓 設定為幾乎等于由式(1)表示的值。在這種情況下，緩沖電路30的驅 動能力(driving capability)在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時) 可能降低。在緩沖電路30的驅動能力降低時，傳送MOS晶體管14的 傳送特性和放大晶體管16的1/f噪聲特性會惡化。更糟的是，當笫一 PMOS晶體管31的柵絕緣膜的厚度不同于其他晶體管的時，處理步驟的 數目增大。這會導致制造成本的增加。
還假設第一 PMOS晶體管31的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓與地電壓之間的差(例如5V )。在這種情況下，在導通傳送MOS 晶體管14時(傳送時)，第一 PMOS晶體管31的柵絕緣膜被施加有比 其耐壓更大的電場。這會導致第一 PMOS晶體管31的柵絕緣膜的毀壞。
在將用于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在積累時)，垂直掃描電路21將電源電壓Vl提供給緩沖塊22 的緩沖電路30。
也就是說，電源電壓VI從圖2所示的輸入端子33被提供給第一 PMOS晶體管31的柵極和第一 NMOS晶體管32的柵極。第一 PMOS 晶體管31被關斷，而第一NMOS晶體管32被導通。通過此操作，參考 電壓V2作為用于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號而從第一 NMOS 晶體管32的源極經由笫一 NMOS晶體管32的漏極被提供給輸出端子 34。參考電壓V2從輸出端子34經由傳送控制線CL1被提供給傳送MOS 晶體管14的柵極。因此，傳送MOS晶體管14被確實地關斷，使得抑
制光電轉換單元11的暗電流。這使得能夠展寬每個像素10的動態范圍。 此時，在第一 NMOS晶體管32的柵極和源極之間生成對應于電源 電壓VI和參考電壓V2之間的差的電壓Vgs32。例如當電源電壓VI是 5V，并且參考電壓V2是-1.2V時，生成如下的電壓
Vgs32 = 5V - (- 1.2V) = 6.2V …(2) 假設第一 NMOS晶體管32的柵絕緣膜的厚度被增大，以將其耐壓 設定為幾乎等于由式(2)表示的值。在這種情況下，緩沖電路30的驅 動能力(driving capability)在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時) 可能降低。在緩沖電路30的驅動能力降低時，傳送MOS晶體管14的 傳送特性和放大晶體管16的1/f噪聲特性會惡化。更糟的是，當第一 NMOS晶體管32的柵絕緣膜的厚度不同于其他晶體管的時，處理步驟的 數目增大。這會導致制造成本的增加。
例如當第一NMOS晶體管32的柵絕緣膜的電場強度是5MV/cm時， 將其耐壓設定為5V所需要的柵絕緣膜的厚度是
5 (V)+5 (MV/cm) = 10nm …(3) 將其耐壓設定為6V所需要的柵絕緣膜的厚度是
6 (V)+5 (MV/cm) = 12誰 …(4) 當柵絕緣膜的厚度為12nm時的第一 NMOS晶體管32的驅動能力低于 當柵絕緣膜的厚度為lOrnn時的其驅動能力。
還假設第一 NMOS晶體管32的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓與地電壓之間的差(例如5V)。在這種情況下，第一NMOS晶 體管32的柵絕緣膜被施加有比其耐壓更大的電場。這會導致第一 NMOS 晶體管32的柵絕緣膜的毀壞。
接下來將參照圖3來說明根據本發明第一實施例的圖像感測設備 100。圖3是示出根據本發明第一實施例的圖像感測設備100的布置的電 路圖。此后將主要描述與用于說明本發明所要解決的問題的圖像感測設 備l中不同的部分，并且將不再給出相同部分的描述。
圖像感測設備100包括驅動單元120。驅動單元120包括垂直掃描電 路121和緩沖塊122。緩沖塊122包括緩沖電路130。緩沖電路130包括
第一 PMOS晶體管131和第一 NMOS晶體管132，如圖4所示。圖4是 示出緩沖電路的布置的電路圖。
驅動單元120的操作與驅動單元20之間的不同在于以下方面。
在將用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號提供g送控制線 CL1時(在傳送時)，垂直掃描電路121將電壓V4提供給緩沖塊122的 緩沖電路130。電壓V4滿足下式
V2 < V4 < (Vl+Vthpl) …(5) 其中Vthpl是第一 PMOS晶體管131的閾值電壓。
也就是說，電壓V4從圖4所示的輸入端子133被提供給第一 PMOS 晶體管131的柵極的和第一 NMOS晶體管132的柵極。第一 PMOS晶 體管131被導通，而第一NMOS晶體管132被關斷。電源電壓V1作為 用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號而從第一 PMOS晶體管131 的源極經由第一 PMOS晶體管131的漏極被提供給輸出端子134，如同 圖像感測設備l中一樣。
此時，在第一PMOS晶體管131的柵極和源極之間生成對應于電源 電壓VI和電壓V4之間的差的電壓Vgsl31。例如當電源電壓VI為5V， 并且電壓V4為0V時，生成以下電壓
Vgsl31=5V-0V = 5V …(6)
電壓Vgsl31等于或小于第一 PMOS晶體管131的柵絕緣膜的耐壓 (例如5V)。為此，不需要增大第一PMOS晶體管131的柵絕緣膜的厚 度。這使得能夠確保在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時)的緩沖 電路130的驅動能力。
即使當第一PMOS晶體管131的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓與地電壓之間的差(例如5V)時，也可以抑制第一 PMOS晶 體管131的柵絕緣膜被施加大于其耐壓的電場。這使得能夠防止對笫一 PMOS晶體管131的柵絕緣膜的任何毀壞。
在將用于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在積累時)，垂直掃描電路121將電壓V3提供給緩沖塊I"的 緩沖電路130。電壓V3滿足下式 (V2+Vthnl) < V3 < VI …(7) 其中，Vthnl是第一PMOS晶體管131的閾值電壓。
也就是說，電壓V3從圖4所示的輸入端子133被提供給第一 PMOS 晶體管131的柵極和第一 NMOS晶體管132的柵極。第一 PMOS晶體 管131被關斷，而第一NMOS晶體管132被導通。參考電壓V2作為用 于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號而從第一NMOS晶體管132的源 極經由第一NMOS晶體管132的漏極被提供給輸出端子134,如同圖像 感測設備l中一樣。
此時，在第一NMOS晶體管132的柵極和源極之間生成對應于電壓 V3和參考電壓V2之間的差的電壓Vgsl32。例如當電壓V3為3V，并且 參考電壓V2為-1.2V時，生成以下電壓
Vgsl32=3V- (-1.2 V) = 4.2V …(8)
電壓Vgsl32等于或小于第一 NMOS晶體管132的柵絕緣膜的耐壓 (例如5V)。為此，不需要增大第一NMOS晶體管132的柵絕緣膜的厚 度。這使得能夠確保在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時)的緩沖 電路130的驅動能力。
可以通過將第一NMOS晶體管132的柵絕緣膜的耐壓設定為幾乎等 于式(8)所表示的值來減小所述柵絕緣膜的厚度。
例如當第一 NMOS晶體管132的柵絕緣膜的電場強度為5MV/cm 時，將其耐壓設定為4.2V所需要的柵絕緣膜的厚度是
4.2 (V)+5 (MV/cm) = 8.4讓 …(9) 也就是說，在這種情況下，第一NMOS晶體管132的柵絕緣膜的厚度可 以小于將其耐壓設定為5V時所需的厚度(見式(3))。這使得能夠改善 在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時)的緩沖電路130的驅動能力。
即使當第一NMOS晶體管132的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓與地電壓之間的差(例如5V)時，也可以抑制第一NMOS晶 體管132的柵絕緣膜被施加大于其耐壓的電場。這使得能夠防止對第一 NMOS晶體管132的柵絕緣膜的任何毀壞。
以這種方式，即使當通過借助將參考電壓V2 (其符號與電源電壓
VI的符號相反)提供給傳送MOS晶體管14來關斷該傳送MOS晶體管 14而展寬每個像素10的動態范圍時，也可以確保驅動像素10的緩沖電 路130的驅動能力。這使得能夠防止對緩沖電路130中的晶體管的柵絕 緣膜的任何毀壞。
由于可以防止布置得臨近所述多個像素10的緩沖電路130中的晶體 管的柵絕緣膜被毀壞，因此能夠抑制當泄漏電流流經柵絕緣膜時引起的 任何發熱和發光。
如果在緩沖電路130中的晶體管的柵絕緣膜中發生發熱或發光，則 緩沖電路130附近的像素10中的光電轉換單元11的暗電流值會增大。 在這種情況下，尤其在長時間積累后，發生在感測暗對象(攝取暗圖像) 時通過僅增大從緩沖電路136附近的像素輸出的輸出信號電平而引起的 亮度遞增，這導致圖像質量的顯著惡化。
相反，根據本發明，還能夠抑制由于暗電流導致的這種亮度遞增。
應該注意，驅動單元120可以執行以下驅動。令V3n是在將用于關 斷傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線CL1時提供給第一 NMOS晶體管132的柵極的電壓。則驅動單元l加可以執行驅動以進一 步滿足下式
Vthnl^(V3n-V2) …(10) 也就是說，當在關系式(10)中用V4替換V3n時，根據關系式(5)， 在關斷傳送MOS晶體管14時，驅動單元l加執行驅動以滿足下式
V2〈V2+Vthnl^V4 < (Vl+Vthpl) …(U)
令V4p是在通過將參考電壓V2提供給傳送MOS晶體管"來導通 傳送MOS晶體管14時提供給第一 PMOS晶體管1M的柵極的電壓。則 驅動單元120可以執行驅動以進一步滿足下式
(V4p-Vl) ^Vthpl …(12) 也就是說，當在關系式(12)中用V3替換V郵時，根據關系式(7)， 在導通傳送MOS晶體管14時，驅動單元l加執行驅動以滿足下式
(V2+Vthnl) <V3^V1 +Vthpl<Vl …(13)
驅動單元120可以執行驅動以滿足下式
(V3-V2) =-(V4-V1) …(14) 第一 PMOS晶體管131的柵極和源極之間的電壓Vgsl31可以被設定為 等于由式(8)表示的值。這使得也能夠降低第一 PMOS晶體管131的 柵絕緣膜的厚度，
驅動單元120可以執行驅動以滿足下式
(V3-V2) <=(Vl-Vwel) …(15)
以及
-(V4-V1) <= (Vl-Vwel) …(16) 也就是說，可以通過在傳送時施加給傳送MOS晶體管14的最大電場 (Vl-Vwel)來限制傳送MOS晶體管14的柵絕緣膜的厚度。
換言之，驅動單元120執行以下驅動。令TWV是施加到傳送MOS 晶體管的柵絕緣膜的最大電場，并且令BWV1是施加到第一 PMOS晶 體管131和第一NMOS晶體管132的柵絕緣膜的最大電場中較大的值。 則驅動單元120執行驅動以滿足下式
BWV1<=TWV …(17)
特別是當驅動單元120執行驅動以滿足下式時，
(V3-V2) = -(V4-V1)= (Vl-Vwel) …(18) 能夠實現圖像感測設備100的良好的傳送特性，并且能夠改善緩沖電路 130的驅動能力。
當垂直掃描電路單元的邏輯部分中的工作電源VDD2等使用例如 3.3V的電壓時(該電壓低于緩沖部分中的電源電壓VDD)，可以同時^吏 用電壓V3和工作電源VDD2的電壓。這使得能夠降低垂直掃描電路Ul 中用于生成電壓V3的電路的數目，使得甚至可以降低布局面積。
圖5示出應用了根據本發明的圖像感測設備的圖傳4聶取系統的示例。 圖1I4聶取系統卯主要包括光學系統、圖像感測設備IOO、以及信號 處理單元，如圖5所示。所述光學系統主要包括快門91、拍攝鏡頭92、 以及光闌93。信號處理單元主要包括感測信號處理電路9S、 A/D轉換器 96、圖像信號處理單元97、存儲器單元87、外部I/F單元89、定時生成 單元98、總體控制/算術處理單元99、記錄介質88、以及記錄介質控制
1/F單元94。信號處理單元并不總是需要包括記錄介質88。
快門91在光路上緊接在拍攝鏡頭92之前被插入，并且控制啄光。 拍攝鏡頭92折射入射光以在圖像感測設備100的圖像感測平面上形
成對象圖像。
光闌93被布置在光路上拍攝鏡頭92和圖像感測設備100之間，并 且調整在經過拍攝鏡頭92傳播之后被引導至圖像感測設備100的光量。
圖像感測設備100將形成為像素陣列的對象圖像轉換成圖像信號。 圖像感測設備100從像素陣列讀出圖像信號，并且將所讀出的圖像信號 (模擬信號)輸出。
感測信號處理電路95連接到圖像感測設備100，并且處理從圖像感 測設備100輸出的圖像信號。A/D轉換器96連接到感測信號處理電路95，并且將從感測信號處理 電路95輸出的處理后的圖像信號(模擬信號)轉換成圖像信號(數字信 號)。
圖像信號處理單元97連接到A/D轉換器96,并且執行算術處理， 諸如對于從A/D轉換器96輸出的圖像信號(數字信號)的各種類型的校 正，以生成圖像數據。此圖像數據例如被提供給存儲器單元87、外部I/F 單元89、總體控制/算術處理單元99、以及記錄介質控制1/F單元94。
存儲器單元87連接到圖像信號處理單元97，并且存儲從圖像信號處 理單元97輸出的圖像數據。
外部I/F單元89連接到圖像信號處理單元97。從圖像信號處理單元 97輸出的圖像數據經由外部I/F單元89被傳送到外部裝置(例如個人計 算機)。
定時生成單元98連接到圖像感測設備100、感測信號處理電路95、 A/D轉換器96、以及圖像信號處理單元97。定時信號被提供給圖像感測 設備IOO、感測信號處理電路95、 A/D轉換器96、以及圖像信號處理單 元97。然后，圖像感測設備100、感測信號處理電路95、 A/D轉換器96、 以及圖像信號處理單元97與定時信號同步地操作。
總體控制/算術處理單元99連接到定時生成單元98、圖像信號處理
單元97、以及記錄介質控制I/F單元94，并且系統地控制定時生成單元 卵、圖像信號處理單元97、以及記錄介質控制I/F單元94。
記錄介質88可拆卸地連接到記錄介質控制I/F單元94。從圖像信號 處理單元97輸出的圖像數據經由記錄介質控制I/F單元94被記錄到記 錄介質88上。
通過上迷布置，只要圖像感測設備100獲得滿意的圖像信號，就可 以獲得滿意的圖像(圖像數據)。
接下來將參照圖6來說明根據本發明的第二實施例的圖像感測設備 200。圖6是示出根據本發明笫二實施例的圖像感測設備200的布置的電 路圖。此后將主要描述與第一實施例中的部分不同的部分，并且將不再 給出對相同部分的描述。
圖像感測設備200包括驅動單元220。驅動單元220包括垂直掃描電 路221和緩沖塊222。緩沖塊222包括緩沖電路230。緩沖電路230還包 括第二 PMOS晶體管236和第二 NMOS晶體管235，如圖7所示。第二 PMOS晶體管236的漏極連接到第一 PMOS晶體管131的源極，并且第 二 PMOS晶體管236的源極被提供有電源電壓VI。第二 NMOS晶體管 235的漏極連接到第一 NMOS晶體管132的源極，并且第二 NMOS晶體 管235的源極被提供有參考電壓V2。圖7是示出緩沖電路的布置的電路 圖。
驅動單元220的操作與驅動單元120的操作不同在于以下方面。
在將用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在傳送時)，垂直掃描電路221還將電壓V5和V7提供給緩沖 塊222的緩沖電路230。電壓V5滿足下式
V2 < V5 < (Vl+Vthp2) ".(19) 其中Vthp2是第二 PMOS晶體管236的閾值電壓。并且電壓V7滿足
V7 < (V2+Vthn2) …(20) 其中Vthn2是笫二NMOS晶體管235的閾值電壓。
也就是說，電壓V7從圖7所示的輸入端子239被提供給第二 NMOS 晶體管235的柵極。第二NMOS晶體管235被關斷。并且，電壓V5從
輸入端子238被提供給第二 PMOS晶體管236的柵極。第二 PMOS晶體 管236被導通。
注意，第一 NMOS晶體管132和第二 NMOS晶體管235關斷。由 于關斷第一NMOS晶體管132和第二NMOS晶體管235時部分P2的電 位比第一 NMOS晶體管132的柵極電位V4低閾值電壓Vthnl,因此 (V4-Vthnl)被提供給第一 NMOS晶體管132的源極。
例如當參考電壓V2為-1.2V，并且閾值電壓Vthnl為0.7V時，第一 NMOS晶體管132的源極被提供有以下電壓
0V-0.7V--0.7V ...(21) 這使得能夠進一步降低第一NMOS晶體管132的柵極和源極之間的電位 差。
此時，在第二 PMOS晶體管236的柵極和源極之間生成與電源電壓 VI和電壓V5之間的差相對應的電壓Vgs236。例如當電源電壓VI是5V， 且電壓V5是0V時，生成以下電壓
Vgs236 = 5V - 0V = 5V …(22)
電壓Vgs236等于或小于第二 PMOS晶體管236的柵絕緣膜的耐壓 (例如5V)。為此，不需要增大第二PMOS晶體管236的柵絕緣膜的厚 度。這使得能夠確保在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時)緩沖電 路230的驅動能力。
甚至當笫二PMOS晶體管236的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓和地電壓之間的差(例如5V)時，也可以抑制第二 PMOS晶 體管236的柵絕緣膜被施加有大于其耐壓的電場。這使得能夠防止對第 二 PMOS晶體管236的柵絕緣膜的任何毀壞。
在將用于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在積累時)，垂直掃描電路221還將電壓V6和電壓V8提供給 緩沖塊222的緩沖電路230。電壓V6滿足下式
(Vl+Vthp2) < V6 …(23) 并且，電壓V8滿足下式
(V2+Vthn2) < V8<V1 …(24)
也就是說，電壓V6從圖7所示的輸入端子238被提供給第二 PMOS 晶體管"6的柵極。第二PMOS晶體管236被關斷。并且，電壓V8從 輸入端子239被提供給第二 NMOS晶體管235的柵極。第二 NMOS晶 體管235被導通。
注意，第一 PMOS晶體管131和第二 PMOS晶體管236被關斷。由 于關斷第一PMOS晶體管131和第二PMOS晶體管236時部分P1的電 位比第一 PMOS晶體管131的柵極電位V3低閾值電壓Vthpl，因此 (V3-Vthpl)被提供給第一PMOS晶體管131的源極。
例如當電源電壓VI為5V，并且閾值電壓Vthpl為-lV時，第一 PMOS晶體管131的源極被提供有以下電壓
3V畫(-1V)-4V ."(25) 這使得能夠進一步降低第一PMOS晶體管131的柵極和源極之間的電位 差。
此時，在第二 NMOS晶體管235的柵極和源極之間生成與電壓V8 和參考電壓V2之間的差相對應的電壓Vgs239。例如當電壓V8是3V， 且參考電壓V2是-1.2V時，生成以下電壓
Vgs239 = 3V -(國1.2V) = 4.2V …(26)
電壓Vgs239等于或小于第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的耐壓 (例如5V )。為此，不需要增大第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的厚 度。這使得能夠確保在關斷傳送MOS晶體管14時(在積累時)緩沖電 路230的驅動能力。
可以通過將第二NMOS晶體管235的柵絕緣膜的耐壓設定為幾乎等 于式(26 )所表示的值來降低第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的厚度。
例如當第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的電場強度是5MV/cm 時，將其耐壓設定為4.2V所需的柵絕緣膜的厚度是
4.2(V)+5 (MV/cm) =8.4應 ...(27)
也就是說，這種情況下第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的厚度可以小 于將其耐壓設定為5V所需的厚度(見式(3))。這使得能夠改善關斷傳 送MOS晶體管14時(在積累時)緩沖電路230的驅動能力。
甚至當第二NMOS晶體管235的柵絕緣膜的耐壓被設定為幾乎等于 電源電壓和地電壓之間的差(例如5V)時，也可以抑制第二NMOS晶 體管235的柵絕緣膜被施加有大于其耐壓的電場。這使得能夠防止對第 二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的任何毀壞。
更佳的是，由于此布置可以關斷第二 NMOS晶體管和第二 PMOS 晶體管，能夠提供作為整體抑制漏電流的緩沖電路230。
應該注意，驅動單元220可以執行以下驅動。令TWV是施加到傳 送MOS晶體管的柵絕緣膜的最大電場，令BWV2是施加到第二PMOS 晶體管236、第一 PMOS晶體管131、第一 NMOS晶體管132、和第二 NMOS晶體管235的柵絕緣膜的最大電場的最大值。則驅動單元220執 行驅動以滿足下式
BWV2STWV …(28)
驅動單元220可以執行驅動以滿足下式
(V8-V2) ^(Vdd-Vss)
即，
V8^(Vdd畫Vss+VTXL)
并且
(V3國V2) 5(Vdd-Vss)
即，
V3S(Vdd誦Vss+VTXL)
并且
(V5-V1) ^(Vss畫Vdd)
即，
V5 ^Vss
并且
即，
(V4畫V1) ^(Vss誦Vdd)
V4 ^Vss
.(29)
" (30)
(31)
…(32)
...(33)
(34)
."(35)
…(36)
在這種情況下，雖然緩沖電路230的輸出電壓的幅度為 (VDD-VTXL-V1-V2)，僅等于或小于(Vdd-Vss)的電位差被施加到緩沖電 路"0中的晶體管的柵絕緣膜。這使得能夠實現圖像感測設備200的良 好的傳送特性，并且改善緩沖電路230的驅動能力。
接下來將參照圖8說明根據本發明的笫三實施例的圖像感測設備 300。圖8是示出根據本發明第三實施例的圖像感測設備300的布置的電 路圖。此后將主要描述與第一實施例和第二實施例中的部分不同的部分， 并且將不給出對相同部分的描述。
圖像感測設備300包括驅動單元320。驅動單元320包摶垂直掃描電 路121和緩沖塊322。緩沖塊322包括緩沖電路330。緩沖電路330還包 括輸入端子343和電平平移電路341和342，如圖9所示。輸入端子343 被插入到輸入端子238、 133、和239的上游，作為>^共輸入端子。圖9 是示出緩沖電路的布置的電路圖。
電平平移電路341被插入在輸入端子343和238之間。電平平移電 路341對從輸入端子343輸入的信號電平進行平移，并且將所得信號提 供給輸入端子238。例如，電平平移電路341在傳送時將電壓V4 (OV) 的電平平移OV，并且將電壓V5 (OV)提供給輸入端子238。例如，電 平平移電路341在積累時將電壓V3 (3V)的電平平移+2V，并且將電壓 V6 (5V)提供給輸入端子238。
電平平移電路342被插入在輸入端子343和239之間。電平平移電 路342對從輸入端子343輸入的信號電平進行平移，并且將所得信號提 供給輸入端子239。例如，電平平移電路342在傳送時將電壓V4 (OV) 的電平平移-1.2V，并且將電壓V7 (-1.2V)提供給輸入端子239。例如， 電平平移電路342在積累時將電壓V3 (3V)的電平平移OV，并且將電 壓V8 (3V)提供給輸入端子239。
接下來將參照圖10說明根據本發明第四實施例的圖像感測設備 400。圖10是示出根據本發明笫四實施例的圖像感測設備400的布置的 電路圖。此后將主要描述與第一實施例到第三實施例中的部分不同的部 分，并且將不給出對相同部分的描述。
圖像感測設備400包括驅動單元420。驅動單元420包括垂直掃描電
路421和緩沖塊422。緩沖塊422包括緩沖電路430。緩沖電路430還包 括第一 PMOS晶體管431和第一 NMOS晶體管432，如圖11所示。第 一 PMOS晶體管431和第一 NMOS晶體管432的柵極連接到不同的輸 入端子433p和433n。圖11是示出緩沖電路的布置的電路圖。
驅動單元420的操作與驅動單元120、 220和320中的操作的不同之 處在于以下方面。
在將用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號提供g送控制線 CL1時(在傳送時)，除了電壓V4之外，垂直掃描電路421還將電壓 V4p提供給緩沖塊422的緩沖電路430。電壓V4p滿足下式 (V4p-Vl)<Vthpl …(37) 也就是說，電壓V4p從圖11所示的輸入端子433p被提供給第一 PMOS晶體管431的柵極。第一 PMOS晶體管431被導通。電源電壓 VI作為用于導通傳送MOS晶體管14的傳送信號，從第一 PMOS晶體 管431的源極經由第一PMOS晶體管431的漏極被提供給輸出端子l34，
如圖像感測設備l中一樣。
例如當電源電壓V1是5V，并且閾值電壓Vthpl是-lV時，根據關
系式(37)，電壓V4p僅需要滿足下式
V4p55V+(-lV) = 4V …(38) 并且例如是2V。
在將用于關斷傳送MOS晶體管l4的傳送信號提供給傳送控制線 CL1時(在積累時)，除了電壓V3之外，垂直掃描電路"1還將電壓 V3n提供給緩沖塊422的緩沖電路430。電壓V3n滿足下式 Vthnl ￡ (V3n畫V2) …(39) 也就是說，電壓V3n從圖11所示的輸入端子433n被提供給第一 NMOS晶體管432的柵極。第一 NMOS晶體管432被導通。參考電壓 V2作為用于關斷傳送MOS晶體管14的傳送信號，從第一NMOS晶體 管432的源極經由第一NMOS晶體管432的漏極被提供給輸出端子l34，
如圖像感測設備l中一樣。
例如當參考電壓V2是-1.2V，并且閾值電壓Vthnl是0.5V時，根據
關系式(39)，電壓V3n僅需要滿足下式
V3論-1.2V+0.5V = -0.7V ."(40) 并且例如是2V。
這種電極劃分允許驅動單元420執行驅動，以便在通過將參考電壓 V2提供給傳送MOS晶體管14來關斷該傳送MOS晶體管14時(積累 時)滿足電壓V3-3V以及電壓V3n=2V。通過此操作，第一 NMOS晶 體管432可以具有相對高的導通電阻，4吏得傳送MOS晶體管H的柵極 緩慢關斷。這使得能夠降低在讀出光電轉換單元11的電荷時生成的任何 隨機噪聲。
雖然已經參考了示例性實施例描述了本發明，但是應該理解，本發 明不限于所公開的示例性實施例。所附權利要求的范圍應被給予最寬的 解釋，以便包含所有這樣的修改和等同結構及功能。
權利要求
1.一種圖像感測設備，所述圖像感測設備包括像素和驅動所述像素的驅動單元，所述像素包括光電轉換單元；電荷-電壓轉換器，其將基于所述光電轉換單元所積累的電荷的信號轉換成電壓；以及傳送MOS晶體管，其將所述光電轉換單元所積累的電荷傳送給所述電荷-電壓轉換器，其中，所述驅動單元包括緩沖電路，所述緩沖電路被配置為將傳送信號提供給與傳送MOS晶體管的柵極相連的傳送控制線，所述緩沖電路包括第一PMOS晶體管，所述第一PMOS晶體管具有與傳送控制線相連的漏極以及被提供有電源電壓V1的源極，以及第一NMOS晶體管，所述第一NMOS晶體管具有與傳送控制線和所述第一PMOS晶體管的漏極相連的漏極以及被提供有參考電壓V2的源極，所述參考電壓V2的符號與電源電壓V1的符號相反，并且令V3是被提供給第一NMOS晶體管的柵極以將用于關斷傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令V4是被提供給第一PMOS晶體管的柵極以將用于導通傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令Vthp1是第一PMOS晶體管的閾值電壓，Vthn1是第一NMOS晶體管的閾值電壓，則滿足(V2+Vthn1)＜V3＜V1以及V2＜V4＜(V1+Vthp1)。
2. 如權利要求l所述的設備，其中 所述緩沖電路還包括第二 PMOS晶體管，所述第二 PMOS晶體管具有與第一 PMOS 晶體管的源極相連的漏極以及被提供有電源電壓VI的源極，以及第二 NMOS晶體管，所述第二 NMOS晶體管具有與第一NMOS晶體管的源極相連的漏極以及被提供有參考電壓V2的源極，并 且令V6和V8是被提供給第二 PMOS晶體管的柵極和第二 NMOS晶體管的柵極以將用于關斷傳送MOS晶體管的傳送信號提供給 傳送控制線的電壓，令V5和V7是被提供給第二 PMOS晶體管的柵極 和第二NMOS晶體管的柵極以將用于導通傳送MOS晶體管的傳送信號 提供給傳送控制線的電壓，令Vthp2是第二PMOS晶體管的閾值電壓， Vthn2是第二NMOS晶體管的閾值電壓，則進一步滿足V2<V5< (Vl+Vthp2 ) <V6以及V7< (V2+Vthn2) <V8<V1。
3. 如權利要求l所述的設備，其中令V4p是被提供給第一PMOS晶體管的柵極以將用于導通傳送 MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令V3n是被提供 給第一NMOS晶體管的柵極以將用于關斷傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，則進一步滿足 (V4p國Vl) ^Vthpl以及Vthnl5(V3n-V2)。
4. 如權利要求l所述的設備，其中 令Vwel是傳送MOS晶體管的阱勢，則進一步滿足(V3-V2) ^ (Vl-Vwel)以及誦(V4國V1)S(V1-Vwel)。
5. 如權利要求l所述的設備，其中令TWV是施加到傳送MOS晶體管的柵極膜的最大電場，令BWV1是施加到第一 PMOS晶體管的柵極膜和第一 NMOS晶體管的 柵極膜的最大電場中的較大的值，則進一步滿足 BWV1^TWV。
6. 如權利要求2所述的設備，其中令TWV是施加到傳送MOS晶體管的柵極膜的最大電場，令 BWV2是施加到第二 PMOS晶體管的柵極膜、第一 PMOS晶體管的 柵極膜、第一NMOS晶體管的柵極膜、和第二NMOS晶體管的柵極 膜的最大電場中的最大的值，則進一步滿足BWV2S TWV。
7. —種圖像攝取系統，所述圖#4聶取系統包括 權利要求1所限定的圖像感測設備；被配置為在圖像感測設備的圖像感測平面上形成圖像的光學系統；以及信號處理單元，其被配置為處理從圖像感測設備輸出的信號以生成
全文摘要
本發明公開一種圖像感測設備，所述圖像感測設備包括像素和驅動單元，其中所述驅動單元包括緩沖電路，所述緩沖電路包括第一PMOS晶體管和第一NMOS晶體管，令V3是被提供給第一NMOS晶體管的柵極以將用于關斷傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令V4是被提供給第一PMOS晶體管的柵極以將用于導通傳送MOS晶體管的傳送信號提供給傳送控制線的電壓，令Vthp1是第一PMOS晶體管的閾值電壓，Vthn1是第一NMOS晶體管的閾值電壓，則滿足(V2+Vthn1)＜V3＜V1以及V2＜V4＜(V1+Vthp1)。
文檔編號H04N5/335GK101360194SQ200810145020
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月1日 優先權日2007年8月2日
發明者沖田彰, 鈴木覺 申請人:佳能株式會社