ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2012 года по МПК H01L27/146 

Область техники

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому устройству формирования изображения, а более конкретно к полупроводниковому устройству формирования изображения, в котором часть удержания носителей, которая разрешает операцию электронного затвора, предусмотрена в пикселе.

Уровень техники

Традиционно, известно полупроводниковое устройство формирования изображения, в котором носители из элемента фотоэлектрического преобразования перемещаются переходным МОП-транзистором в плавающую диффузионную область, преобразуются в напряжение и затем считываются. В таком полупроводниковом устройстве формирования изображения, которое описано выше, электроны из канальной части переходного МОП-транзистора перетекают в элемент фотоэлектрического преобразования в некоторых случаях в течение периода накопления в элементе фотоэлектрического преобразования, таким образом, изменяясь на темновой ток. С другой стороны, выложенная японская патентная заявка № 2001-245216 (далее в данном документе именуемая патентным документом 1) раскрывает конфигурацию, в которой темновой ток подавляется посредством установки уровня сигнала, применяемого к управляющему электроду переходного МОП-транзистора в выключенном состоянии, ниже, чем уровень сигнала, применяемый к управляющему электроду другого МОП-транзистора в выключенном состоянии.

Кроме того, выложенная японская патентная заявка № 2004-111590 (далее в данном документе именуемая патентным документом 2) раскрывает конфигурацию, в которой часть накопления носителей, размещенная в ассоциации с каждым элементом фотоэлектрического преобразования, предусмотрена в пикселе, таким образом, выполняя операцию электронного затвора. Сохраняющий импульс подается на электрод затвора части накопления носителей. В качестве этого сохраняющего импульса активный импульс подается непосредственно перед периодом накопления, или неактивный импульс подается в течение периода накопления. После чего часть накопления носителей данных очищается для всех пикселов в момент перед тем, как носители сигналов каждого фотоэлектрического преобразователя перемещаются в часть накопления носителей. Конкретно, транзистор для выборки данных включается в конце периода накопления в элементе фотоэлектрического преобразования перед тем, как импульс сдвига кадра (сохраняющим импульсом) активируется. Таким образом, ненужные носители, накопленные в части накопления носителей, перемещаются в плавающую диффузионную область, чтобы сбрасывать элемент фотоэлектрического преобразования.

В патентном документе 2 не было уделено достаточного внимания амплитуде импульса, который должен подаваться на электрод затвора части накопления носителей, особенно, напряжению, которое должно подаваться в течение периода накопления.

Кроме того, существует вероятность того, что темновой ток также примешивается в часть накопления носителей в течение периода удержания носителей части накопления носителей. Темновой ток формируется на границе между накапливающей носители полупроводниковой областью части накопления носителей и поверхностной оксидной пленкой и примешивается к носителям, удерживаемым в части удерживания носителей. Эта проблема оказывает значимое влияние, если концентрация примеси полупроводниковой области части удержания носителей увеличивается до определенной степени так, что увеличивается количество носителей, удерживаемых в области удержания носителей. Кроме того, как описано в патентном документе 1, важно подавлять темновой ток в канальной части под переходным электродом. Традиционно, не было уделено внимания соотношению между напряжением, подаваемым в течение непроводящего периода переходной части, и напряжением, подаваемым на электрод затвора части удержания носителей в течение периода накопления части удержания носителей. Сохранение выдерживаемого напряжения МОП-транзистора является критической проблемой особенно при работе полупроводникового устройства формирования изображения при низком напряжении.

Ввиду вышеописанных проблем, целью настоящего изобретения является достижение как уменьшения темнового тока, примешивающегося в часть удержания носителей, так и сохранения выдерживаемого напряжения переходной части.

Сущность изобретения

Принимая во внимание упомянутое выше, настоящее изобретение направлено на способ управления полупроводниковым устройством формирования изображения, включающим в себя множество пикселов, каждый из которых включает в себя:

- часть фотоэлектрического преобразования;

- часть удержания носителей, включающую в себя полупроводниковую область, способную накапливать носители сигналов, сформированные в части фотоэлектрического преобразования, и управляющий электрод, размещенный над полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между полупроводниковой областью и управляющим электродом, так что часть удержания носителей удерживает носители сигналов, сформированные в части фотоэлектрического преобразования;

- усиливающую часть; и

- переходную часть, имеющую переходный электрод для управления электрическим соединением между входной частью усиливающей части и частью удержания носителей, при этом способ управления включает в себя этапы:

- подачи на переходный электрод первого напряжения для выключения электрического соединения через переходную часть, первое напряжение по полярности противоположно полярности напряжения, подаваемого на переходный электрод во время периода включения переходной части; и

- подачи на управляющий электрод второго напряжения в течение периода удержания носителей посредством части удержания носителей, второе напряжение имеет ту же полярность, что и первое напряжение, и является большим, чем первое напряжение.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания, рассматриваемого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых аналогичные ссылочные символы обозначают одинаковые или аналогичные части для всех чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - это один пример общего вида полупроводникового устройства формирования изображения;

Фиг.2 - это один пример эквивалентной схемы полупроводникового устройства формирования изображения;

Фиг.3 - это вид сверху полупроводникового устройства формирования изображения согласно первому варианту осуществления;

Фиг.4 - это вид в разрезе, взятый по линии 4-4 на фиг.3;

Фиг.5 - это схематический вид управляющих импульсов согласно первому варианту осуществления;

Фиг.6 - это вид сверху полупроводникового устройства формирования изображения согласно второму варианту осуществления;

Фиг.7 - это вид в разрезе, взятый по линии 7-7 на фиг.6; и

Фиг.8 - это схематический вид управляющих импульсов согласно второму варианту осуществления.

Сопровождающие чертежи, которые содержатся и составляют часть спецификации, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат, чтобы объяснить принципы изобретения.

Оптимальные режимы осуществления изобретения

Фиг.1 является схематической блок-схемой полупроводникового устройства формирования изображения и включает в себя область 11 формирования изображения, в которой множество пикселов размещены в виде матрицы, схему 12 вертикальной развертки и схему 13 строчной развертки. Схема 12 вертикальной развертки составляет описанную далее часть подачи напряжения вместе с неиллюстрированной частью источника питания. Схема 13 строчной развертки последовательно сканирует сигнальные линии, предусмотренные в связи со строками пикселов в области формирования изображения, и выводит сигналы от одной линии пикселов из выходной схемы 14.

Фиг.2 является эквивалентной схемой пикселов, включенных в область 101 формирования изображения. Хотя в качестве примера для простоты описания взят случай, в котором область 101 формирования изображения включает в себя всего девять пикселов, размещенных как 3 строки × 3 столбца, число пикселов не ограничено этим случаем.

Часть 2 фотоэлектрического преобразования формирует носители сигналов. Часть 3 удержания носителей удерживает носители сигналов, сформированные в части фотоэлектрического преобразования. Усиливающая часть имеет входную часть 4. Первая переходная часть 8 перемещает носители из части удержания носителей во входную часть усиливающей части. Вторая переходная часть 9 предусматривается, если необходимо. Вторая переходная часть 9 перемещает носители из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей. Сбрасывающая часть 10 подает опорное напряжение, по меньшей мере, во входную часть усиливающей части. Сбрасывающая часть 10 может дополнительно подавать опорное напряжение в часть удержания носителей. Часть 11 выборки предусматривается, если необходимо, для того, чтобы выводить сигналы каждой линии пикселов в сигнальные линии. Усиливающая часть 12 составляет схему истокового повторителя вместе с источником постоянного тока, предусмотренным в каждой сигнальной линии. Часть 13 управления выпуском носителей управляет соединением между частью фотоэлектрического преобразования и линией источника питания, функционирующей в качестве отводящего стока (далее в данном документе именуемого OFD).

Конфигурации на фиг.1 и 2 могут обычно применяться к вариантам осуществления, которые должны быть описаны далее в данном документе. Кроме того, эквивалентная схема не ограничивается этими вариантами осуществления, но часть каждой конфигурации может совместно использоваться множеством пикселов. Кроме того, эквивалентная схема может также применяться к конфигурации, в которой управляющее межсоединение каждого элемента зафиксировано на определенном уровне напряжения, и управление включением не выполняется.

(Первый вариант осуществления)

Фиг.3 - это вид сверху, иллюстрирующий полупроводниковое устройство формирования изображения настоящего варианта осуществления. Хотя каждая область иллюстрируется как прямоугольная форма для удобства описания, это не означает, что структура каждой области является прямоугольной. Скорее, чертеж показывает, что соответствующие структуры, по меньшей мере, размещены в этих областях. То же самое применимо к другим вариантам осуществления.

Для части 101 фотоэлектрического преобразования возможно использовать, например, фотодиод. Падающий свет вызывает формирование пар из носителя сигнала и носителя, противоположного по полярности носителю сигнала.

Часть 102 удержания носителей сконфигурирована, чтобы иметь возможность удерживать носители сигналов, сформированные в части фотоэлектрического преобразования. Часть 102 удержания носителей включает в себя полупроводниковую область для накопления носителей сигналов и управляющий электрод, расположенный над этой полупроводниковой областью через изолирующую пленку.

Часть 103 преобразования заряда в напряжение включает в себя, например, плавающую диффузионную область (FD-область), расположенную на полупроводниковой подложке.

Первая переходная часть 104 может управлять состоянием потенциала первого маршрута (первого канала) между частью удержания носителей и частью преобразования заряда в напряжение. Потенциал, упоминаемый здесь, - это потенциал по сравнению с носителем сигнала. С помощью первой переходной части возможно управлять количеством носителей сигналов, которые должны быть перемещены из части удержания носителей в часть преобразования заряда в напряжение. Первая переходная часть может быть сформирована из поликремния, расположенного на первом маршруте через изолирующую пленку.

Вторая переходная часть 105 может управлять состоянием потенциала второго маршрута между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей. С помощью второй переходной части возможно управлять количеством носителей сигналов, которые должны быть перемещены из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей. Вторая переходная часть может быть сформирована из поликремния, расположенного на втором маршруте через изолирующую пленку.

Для сбрасывающей части 106 возможно использовать, например, МОП-транзистор (сбрасывающий МОП-транзистор), на сток которого подается сбрасывающее напряжение. Сбрасывающая часть 106 может выпускать носители из части 102 накопления носителей и части 103 преобразования заряда в напряжение.

Для усиливающей части 107 возможно использовать, например, МОП-транзистор (усиливающий МОП-транзистор). Усиливающий МОП-транзистор составляет схему истокового повторителя вместе с неиллюстрированным источником постоянного тока. Затвор усиливающего МОП-транзистора соединен с частью 103 преобразования заряда в напряжение. Затвор усиливающего МОП-транзистора и часть 103 преобразования заряда в напряжение функционируют как входная часть усиливающей части.

Часть 108 выборки управляет сигналом, выводимым в неиллюстрированную вертикальную выходную линию. Часть 108 выборки может быть составлена с помощью МОП-транзистора (выбирающего МОП-транзистора).

Часть 109 управления выпуском носителей используется, чтобы выпускать носители из части фотоэлектрического преобразования в описанную ниже область отводящего стока (OFD). Часть 109 управления выпуском носителей управляет состоянием потенциала маршрута между частью фотоэлектрического преобразования и OFD-областью. Часть 109 управления выпуском носителей может быть сформирована из поликремния, расположенного на маршруте через изолирующую пленку. OFD-область 110 - это полупроводниковая область, к которой подается напряжение источника электропитания.

Фиг.4 - это вид в разрезе, взятый по линии 4-4 на фиг.3. Составляющие элементы, соответствующие элементам на фиг.3, обозначены похожими ссылочными номерами. Далее в данном документе будет приведено описание случая, в котором тип проводимости полупроводниковой области предполагается таким, что электроны используются в качестве носителей сигнала. Если вместо этого используются дырки, тип проводимости каждой полупроводниковой области может быть изменен на противоположный тип проводимости.

Полупроводниковая область 201 P-типа может быть сформирована внедрением примесных ионов P-типа в полупроводниковую подложку N-типа или может быть сформирована с помощью полупроводниковой подложки P-типа.

Полупроводниковая область 202 N-типа (первая полупроводниковая область первого типа проводимости) составляет сегмент части фотоэлектрического преобразования. Полупроводниковая область 202 N-типа является такой же по полярности, что и электроны, служащие в качестве носителей сигналов. Полупроводниковая область 202 N-типа формирует PN-переход вместе с частью полупроводниковой области 201 P-типа (второй полупроводниковой областью второго типа проводимости).

Полупроводниковая область 203 P-типа предусмотрена на поверхности полупроводниковой области 202 N-типа. Полупроводниковая область 203 P-типа предусмотрена для того, чтобы структурировать часть фотоэлектрического преобразования в скрытый фотодиод. Полупроводниковая область 203 P-типа уменьшает влияния пограничного состояния и пресекает формирование темновых токов на поверхности части фотоэлектрического преобразования. Часть фотоэлектрического преобразования включает в себя, по меньшей мере, первую полупроводниковую область и вторую полупроводниковую область, формирующую PN-переход вместе с первой полупроводниковой областью.

Первый переходный электрод 204 составляет первую переходную часть. С помощью напряжения, которое должно подаваться на первый переходный электрод, возможно управлять состоянием потенциала между частью удержания носителей и частью преобразования заряда в напряжение (описанной ниже четвертой полупроводниковой областью). Первый переходный электрод расположен на первом маршруте между описанной ниже третьей полупроводниковой областью и четвертой полупроводниковой областью через изолирующую пленку.

Полупроводниковая область 205 N-типа (третья полупроводниковая область первого типа проводимости) составляет сегмент части накопления носителей. Полупроводниковая область 205 N-типа выполнена с возможностью накапливать носители, перемещаемые из части фотоэлектрического преобразования в течение определенного периода. Управляющий электрод 206 расположен в третьей полупроводниковой области через изолирующую пленку. Управляющий электрод 206 может управлять состоянием потенциала зоны третьей полупроводниковой области рядом с границей с изолирующей пленкой. Подавая напряжение на управляющий электрод 206 во время периода удерживания носителей в части удержания носителей, возможно уменьшать воздействия темнового тока, сформированного рядом с границей с поверхностной оксидной пленкой полупроводниковой области 205 N-типа. Как будет описано позже, напряжение, подаваемое в это время, предпочтительно является отрицательным напряжением, поскольку дырки должны собираться на границе между третьей полупроводниковой областью и изолирующей пленкой. Таким образом, подается напряжение, равное, например, приблизительно -3 В. Это напряжение изменяется в случае необходимости согласно концентрации примесей третьей полупроводниковой области.

Часть 102 удержания носителей на фиг.3 включает в себя полупроводниковую область 205 N-типа и управляющий электрод 206.

Второй переходной электрод 207 составляет вторую переходную часть 105. Второй переходный электрод 207 может управлять состоянием потенциала второго маршрута между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей.

Плавающая диффузионная область (FD-область) 208 функционирует как часть преобразования заряда в напряжение. Плавающая диффузионная область 208 электрически подключена к затвору усиливающего МОП-транзистора через контактный штырек 209 и т.п.

Светонепроницаемая пленка 210 выполнена с возможностью того, что падающий свет не входит в часть накопления носителей. Светонепроницаемая пленка 210 требуется, чтобы покрывать, по меньшей мере, часть 102 удержания носителей. Предпочтительно, однако, чтобы светонепроницаемая пленка 210 была размещена так, чтобы протягиваться полностью через второй переходный электрод до верхней части сегмента первого переходного электрода, как показано на чертеже. Причина в том, что светозащитная функция пленки улучшается.

Электрод 211 управления выпуском носителей может управлять состоянием потенциала третьего маршрута между частью фотоэлектрического преобразования и OFD-областью. Электрод управления выпуском носителей располагается на третьем маршруте через изолирующую пленку. Управляющий электрод 211 управляет состоянием потенциала так, что носители, сформированные в части фотоэлектрического преобразования посредством падающего света, могут быть выпущены в OFD-область. С помощью напряжения, подаваемого на управляющий электрод 211, возможно управлять продолжительностью периода накопления (периодом экспозиции) в части фотоэлектрического преобразования.

Ссылочный номер 212 обозначает OFD-область (пятую полупроводниковую область). Контактный штырек 213 предусмотрен для того, чтобы подавать напряжение источника питания в OFD-область.

Единичный пиксел, иллюстрированный на фиг.3 и 4, размещается во множестве, предпочтительно двухмерным образом, чтобы составлять полупроводниковое устройство формирования изображения. Сбрасывающая часть, усиливающая часть, часть выборки и т.п. каждого пиксела могут совместно использоваться множеством частей фотоэлектрического преобразования.

Фиг.5 иллюстрирует один пример управляющих импульсов полупроводникового устройства формирования изображения, иллюстрированного на фиг.3 и 4. Здесь будут описаны только управляющие импульсы, непосредственно относящиеся к характерным признакам настоящего варианта осуществления. Конкретные подробности по управляющим импульсам вышеописанного сбрасывающего МОП-транзистора и выбирающего МОП-транзистора, поэтому, будут исключены из описания.

На фиг.5 управляющий импульс TOFD подается на электрод 211 управления выпуском носителей. Управляющий импульс Tx1 подается на первый переходный электрод 204. Управляющий импульс Tx2 подается на второй переходный электрод 207. Управляющий импульс Thold подается на управляющий электрод 206 части удержания носителей. FD-потенциал показывает один пример изменения потенциала FD-области. Величина изменения потенциала отличается в зависимости от количества носителей, которые должны быть перемещены.

Ссылочный символ modeFD показывает состояние управления FD-области. Период сброса ссылается на состояние, в котором опорное напряжение подается из сбрасывающей части в FD-область. Отметим, однако, что опорное напряжение не нужно подавать в течение периода общего сброса. Альтернативно, опорное напряжение может подаваться, по меньшей мере, непосредственно перед тем, как носители перемещаются из части удержания носителей. Период считывания ссылается на состояние, в котором носители перемещаются в FD-область, и сигнал считывается посредством части выборки. Соответственно, период считывания - это период, в котором носители, перемещенные из части удержания носителей, существуют в FD-области.

Ссылочный символ modePD показывает состояние управления части фотоэлектрического преобразования. Период выпуска носителей ссылается на состояние, в котором носители из части фотоэлектрического преобразования выпускаются в OFD-область. Отметим, что носители не должны выпускаться во время периода общего выпуска носителей. Альтернативно, носители могут выпускаться, по меньшей мере, непосредственно перед периодом накопления. Здесь, период накопления ссылается на период, в котором носители накапливаются в части фотоэлектрического преобразования. В периоде накопления перемещение носителей из части накопления носителей в OFD-область запрещается. Т.е., вторая переходная часть находится в непроводящем состоянии.

Затем, в конце этого состояния накопления, носители из части фотоэлектрического преобразования перемещаются в часть удержания носителей посредством второй переходной части. В случае общей операции электронного затвора, в которой время накопления синхронизируется во всей области формирования изображения, операция перемещения, предпринятая второй переходной частью, выполняется для всех пикселов одновременно в конце периода накопления. Также в случае общей операции электронного затвора период выпуска носителей должен заканчиваться (период накопления должен начинаться) для всех пикселов одновременно.

Ссылочный символ modeHOLD показывает состояние управления части накопления носителей. Период удержания - это период, во время которого носители, перемещенные из части фотоэлектрического преобразования, удерживаются. Носители из частей фотоэлектрического преобразования всех пикселов перемещаются в часть удержания носителей посредством второй переходной части и затем перемещаются в последовательности линия за линией в FD-область посредством первой переходной части. Период между перемещением посредством второй переходной части и перемещением посредством первой переходной части соответствует периоду удержания в части накопления носителей.

Далее на фиг.5 будут описаны импульсы, подаваемые на соответствующие переходные электроды и управляющие электроды. Характерный признак настоящего варианта осуществления состоит в том, что напряжение, которое должно подаваться на управляющий электрод части удержания носителей в течение периода удержания в части удержания носителей, является отрицательным напряжением. Другой характерный признак состоит в том, что абсолютное значение первого отрицательного напряжения, которое должно подаваться на управляющий электрод части удержания носителей в течение периода удержания, больше, чем абсолютное значение второго отрицательного напряжения, которое должно подаваться в течение непроводящего периода первого переходного электрода. Вообще говоря, первое напряжение, которое должно подаваться в течение непроводящего периода первой переходной части, противоположно по полярности напряжению, которое должно подаваться в течение периода включения первой переходной части. Кроме того, второе напряжение, которое должно подаваться на управляющий электрод в течение периода накопления части удержания носителей, является таким же по полярности, что и первое напряжение, и больше по абсолютному значению, чем первое напряжение.

Первое и второе напряжения подаются посредством части подачи напряжения, включающей в себя схему вертикальной развертки на фиг.1. В течение непроводящего периода первой переходной части, часть подачи напряжения подает первое напряжение, противоположное по полярности напряжению, подаваемому в течение периода включения первой переходной части, на первый переходный электрод. Первое напряжение подается через межсоединение управления возбуждением на фиг.1. Кроме того, часть подачи напряжения выполнена с возможностью подавать второе напряжение, такое же по полярности, что и первое напряжение, и большее по абсолютному значению, чем первое напряжение, на управляющий электрод части удержания носителей в течение периода накопления части удержания носителей.

Здесь, будет приведено описание отношения величин между напряжением, подаваемым в течение непроводящего периода первого переходного электрода, и напряжением, подаваемым в течение периода удержания управляющего электрода части удержания носителей.

Управляющий электрод части удержания носителей расположен в верхней части полупроводниковой области 205 N-типа. Для того, чтобы улучшать функцию накопления носителей сигнала, концентрацию примесей полупроводниковой области 205 N-типа необходимо увеличивать. Когда концентрация примесей становится более высокой, требуется более отрицательное напряжение, чтобы подавлять темновой ток.

Кроме того, напряжение, подаваемое на первый переходный электрод в течение непроводящего периода, часто равно 0 В в случае n-канального МОП-транзистора. Причина в том, что n-канальный МОП-транзистор используется при напряжении источника питания, равном 0-3,3 В или 0-5 В в обычной ИС. Если напряжение равно 0 В, невозможно в достаточной степени подавлять влияние темнового тока, формируемого из канальной части под переходным электродом.

Соответственно, отрицательное напряжение подается в течение непроводящего периода каждого переходного электрода, чтобы собирать дырки в канальной части, таким образом, пресекая темновой ток (см. патентный документ 1). По вышеуказанной причине возможно, что значения напряжения управляющего электрода части удержания носителей и первого переходного электрода в течение непроводящего периода делаются равными друг другу, например, -3 В. С таким соотношением величин возможно подавлять как темновой ток под первым переходным электродом, так и темновой ток в части удержания носителей. Однако, использование такого напряжения может вызывать приложение большого электрического поля между первым переходным электродом и FD-областью. Следовательно, характеристика выдерживаемого напряжения оксидной пленки затвор-сток может ухудшаться. В частности, предположим, что напряжение, например, в -3 В подается на первый переходный электрод, как и в случае с частью удержания носителей. Тогда сток, т.е., FD-область, МОП-транзистора, включающего в себя первый переходный электрод, находится в состоянии, в котором опорное напряжение подается посредством сбрасывающей части, после того как носители сигналов предыдущего кадра считываются. Это опорное напряжение равно, например, 5 В. В результате, напряжение 8 В прикладывается к краю FD-области со стороны первого переходного электрода, таким образом, ухудшая характеристику выдерживаемого напряжения. Альтернативно, ограничения накладываются на значение напряжения, которое должно прикладываться к FD-области, или на момент возбуждения для того, чтобы избегать такого состояния приложения напряжения.

С другой стороны, опорное напряжение (например, 5 В) подается из сбрасывающей части в полупроводниковую область 205 N-типа, составляющую часть удержания носителей, в течение периода сброса. Однако, только напряжение, равное приблизительно -3 В самое большее, подается на оксидную пленку в полупроводниковой области N-типа. Причина состоит в том, что дырки собираются на поверхности полупроводниковой области N-типа, и эти дырки имеют тот же потенциал, равный 0 В, что и подложка. Кроме того, в месте, где сбор дырок частично прерывается, полупроводниковая область N-типа полностью истощается прежде, чем достигается опорное напряжение. Таким образом, полупроводниковая область N-типа не достигает опорного напряжения. Кроме того, носители из части фотоэлектрического преобразования перемещаются в полупроводниковую область N-типа в периоде накопления, таким образом, переводя потенциал области в состояние, которое еще ниже, чем напряжение в момент истощения.

Соответственно, такое большое электрическое поле, как поле первой переходной части, не прикладывается к полупроводниковой области N-типа, даже если потенциал полупроводниковой области N-типа становится выше в отрицательную сторону, чем отрицательное напряжение, подаваемое в течение непроводящего периода первой переходной области. Следовательно, устанавливая напряжение, которое должно подаваться на управляющий электрод области удержания носителей во время периода накопления, более высоким в отрицательную сторону, чем напряжение, которое должно подаваться в непроводящем периоде первого переходного электрода, возможно достигать как пресечения темновых токов, так и сохранения выдерживаемого напряжения первой переходной части.

Далее будут описаны конкретные управляющие импульсы. Переходная часть и часть управления выпуском носителей включаются (включенное состояние) с помощью импульса High (высокий) и выключаются (выключенное состояние) с помощью импульса Low (низкий). Напряжения TOFD, Tx1 и Tx2 равны 5 В в течение периода включения и -1 В в течение непроводящего периода. Напряжение Thold равно -3 В в течение периода удержания носителей.

Сначала, в качестве первоначального состояния на фиг.5, FD-область находится в периоде сброса, часть фотоэлектрического преобразования находится в периоде выпуска носителей, а часть удержания носителей находится в периоде удержания носителей. В это время TOFD находится в проводящем состоянии, в котором носители из части фотоэлектрического преобразования выпускаются в OFD-область. В этом состоянии все носители, сформированные посредством фотоэлектрического преобразования, выпускаются в OFD-область, в то время как свет входит в часть фотоэлектрического преобразования. В это время часть удержания носителей удерживает носители сигналов, перемещенные из части фотоэлектрического преобразования в предыдущем кадре.

Далее, первое напряжение подается на первый переходный электрод для того, чтобы переводить первую переходную часть в проводящее состояние, и носители, удерживаемые посредством части удержания носителей, перемещаются в FD-область. Эта операция является причиной окончания периода удержания носителей части накопления носителей. Кроме того, период сброса FD-области также заканчивается в предварительно определенное время перед тем, как первое напряжение подается на первый переходный электрод.

Далее, сигнал на основе носителей, перенесенных в FD-область, считывается. Этот период считывания является периодом считывания FD-области. Потенциал FD понижается до потенциала, соответствующего количеству носителей, перенесенных из части удержания носителей, от опорного напряжения, подаваемого посредством части сброса, как иллюстрировано на чертеже. Т.е., носители сигнала преобразуются в напряжение в FD-области. В таком состоянии подача тока на усиливающий транзистор управляется посредством части выборки, и сигнал считывается посредством операции истокового повторителя. Это является операцией FD-области в периоде ее считывания.

После окончания периода считывания опорное напряжение подается в FD-область посредством части сброса, таким образом, устанавливая потенциал FD-области в опорный потенциал. Следовательно, FD-область снова входит в период сброса.

Далее, напряжение, более низкое, чем напряжение, прикладываемое в проводящем состоянии, подается к TOFD для того, чтобы переводить часть управления выпуском носителей в непроводящее состояние. Следовательно, часть фотоэлектрического преобразования выполняет переход от периода выпуска носителей к периоду накопления носителей. В периоде накопления носителей второе напряжение например, -3 В, подается на управляющий электрод части накопления носителей как Thold, и первое напряжение, например -1 В, подается на Tx1.

Далее, напряжение, более высокое, чем напряжение, подаваемое в непроводящем состоянии, подается к Tx2 в течение периода накопления в области фотоэлектрического преобразования для того, чтобы переводить вторую переходную часть в проводящее состояние. Вторая переходная часть, таким образом, переходит в проводящее состояние, и носители из части фотоэлектрического преобразования перемещаются в часть накопления носителей. Следовательно, период накопления носителей в части фотоэлектрического преобразования заканчивается. После этого, напряжение, более высокое, чем напряжение, подаваемое в непроводящем состоянии, подается к TOFD, таким образом, переводя часть фотоэлектрического преобразования в состояние выпуска носителей. Кроме того, часть удержания носителей переходит в состояние удержания носителей. В это время первая передающая часть находится в непроводящем состоянии. Напряжение (первое напряжение), подаваемое на первый переходный электрод в течение этого непроводящего периода, равно -1 В, а напряжение (второе напряжение), подаваемое на управляющий электрод части удержания носителей, равно -3 В. Т.е., второе напряжение является таким же по полярности, что и первое напряжение, и большим по абсолютному значению, чем первое напряжение. Сопоставляя напряжения таким образом, возможно уменьшать темновые токи, примешивающиеся в часть удержания носителей, и сохранять выдерживаемое напряжение первой переходной части.

Далее, напряжение, более низкое, чем напряжение, прикладываемое в проводящем состоянии, подается к TOFD согласно предварительно установленному времени экспозиции для того, чтобы переводить часть управления выпуском носителей в непроводящее состояние. Следовательно, состояние выпуска носителей части фотоэлектрического преобразования заканчивается, и часть фотоэлектрического преобразования выполняет переход в состояние накопления носителей.

Далее, такое напряжение, чтобы переводить вторую переходную часть в проводящее состояние, подается к Tx2. Следовательно, период накопления носителей части фотоэлектрического преобразования заканчивается. Потенциал FD-области изменяется согласно количеству носителей, удерживаемых в части удержания носителей. Сигнал согласно этому изменению потенциала считывается схемой истокового повторителя.

Формирование изображения выполняется посредством непрерывного выполнения такого сканирования, как описанное выше. В настоящем варианте осуществления было сделано описание считывания из пикселов одной линии пикселов. Если полупроводниковое устройство формирования изображения имеет множество линий пикселов, первая переходная часть и часть управления выпуском носителей управляются так, что период накопления носителей в части фотоэлектрического преобразования синхронизирован для всех пикселов. Затем, общая операция электронного затвора может быть выполнена посредством последовательного выполнения перемещения носителей из части удержания носителей в FD-область для каждой линии пикселов. Альтернативно, перемещение из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей может выполняться в последовательности линия за линией без выполнения общей операции электронного затвора.

Кроме того, возможно устанавливать время накопления носителей в части фотоэлектрического преобразования, в случае необходимости, управляя первой переходной частью и частью управления выпуском носителей.

В настоящем варианте осуществления возможно подавлять примешивание темновых токов, подавая отрицательное напряжение на управляющий электрод части удержания носителей в течение периода накопления носителей в части удержания носителей. Кроме того, отрицательное напряжение, более низкое, чем напряжение, подаваемое в течение периода удержания носителей части удержания носителей, подается в качестве напряжения, которое должно подаваться в непроводящем периоде первого переходного электрода. Следовательно, возможно достигать как подавления примешивания темновых токов в части накопления носителей, так и сохранения выдерживаемого напряжения первой переходной части. Кроме того, согласно настоящему варианту осуществления возможно перекрывать, по меньшей мере, часть периода, в котором подается опорное напряжение, которое должно подаваться к четвертой полупроводниковой области посредством сбрасывающей части, и часть периода, в котором второе напряжение, которое должно прикладываться в непроводящем периоде, подается на переходный электрод. Другими словами, возможно увеличивать свободу настройки времени возбуждения сбрасывающей части.

(Второй вариант осуществления)

Фиг.6 - это вид сверху полупроводникового устройства формирования изображения настоящего варианта осуществления, фиг.7 - это поперечный разрез, взятый по линии 7-7 на фиг.6, а фиг.8 - это схематический вид управляющих импульсов. Составляющие элементы, имеющие те же функции, что и элементы первого варианта осуществления, обозначены похожими ссылочными номерами и далее не будут описываться подробно.

Настоящий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления в структуре маршрута между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей. Маршрут структурирован так, что носители могут перемещаться из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей в условиях, при которых подается напряжение, посредством которого первая переходная часть переходит в непроводящее состояние. Конкретные примеры структуры включают в себя структуру углубленного канала под вторым переходным электродом. В этой структуре существует часть в месте, более глубоком, чем поверхность, только там энергетический барьер частично ниже даже в непроводящем состоянии.

Согласно такой конфигурации, которая описана выше, большинство носителей сигнала, сформированных посредством фотоэлектрического преобразования, когда свет входит в часть фотоэлектрического преобразования, может быть перемещено в часть удержания носителей, не допуская накопления носителей в части фотоэлектрического преобразования. Следовательно, период накопления носителей может быть синхронизирован для всех частей фотоэлектрического преобразования, содержащихся в пикселах. Кроме того, поскольку дырки накапливаются на поверхности в течение непроводящего периода, и канал, в который носители перемещаются, существует на предварительно определенной глубине от поверхности, возможно уменьшать действия темнового тока на границе с изолирующей пленкой.

В другом аспекте потенциал маршрута (второго маршрута) между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей ниже, чем потенциал маршрута (третьего маршрута) между частью фотоэлектрического преобразования и OFD-областью в периоде, в котором носители сигнала накапливаются в части фотоэлектрического преобразования и части накопления носителей. Потенциал, упоминаемый здесь, - это потенциал по сравнению с носителем сигнала.

Кроме того, с точки зрения управления носители удерживаются в части удержания носителей в течение одного периода накопления, и сигнал, удерживаемый в части удержания носителей, используется как изображение. Другими словами, сигнал считывается из пиксела после начала одного периода накопления в части фотоэлектрического преобразования без прохождения через операцию сброса части удержания носителей. Отметим, что один период накопления - это период, в общем определенный для соответствующей части фотоэлектрического преобразования, когда захватывается однокадровое изображение. Таким образом, период может быть также упомянут как время экспозиции каждого кадра.

На фиг.6 и 7 ссылочный номер 104 обозначает первую переходную часть. Низкая концентрация полупроводниковой области 501 N-типа позволяет каналу формироваться в области на предварительно определенной глубине от границы с изолирующей пленкой. Кроме того, полупроводниковое устройство формирования изображения имеет структуру, в которой переходный электрод, составляющий вторую переходную область, сделан общим с управляющим электродом части удержания носителей. Напряжение или концентрация примесей и позиция маршрута устанавливаются так, что область, потенциал которой ниже, чем потенциал электронов (углубленный канал), формируется в области на предварительно определенной глубине от границы с изолирующей пленкой, даже если отрицательное напряжение подается на общий электрод. Через этот канал носители перемещаются из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей. Т.е., полупроводниковое устройство формирования изображения сконфигурировано так, что носители из части фотоэлектрического преобразования перемещаются в часть удержания носителей посредством регулировки напряжения электрода управления выпуском носителей, даже если непроводящий управляющий импульс подается на второй переходный электрод.

Далее будет сделано описание схематического вида управляющих импульсов, иллюстрированных на фиг.8. Также в настоящем варианте осуществления существенные части управляющих импульсов являются такими же, что и в первом варианте осуществления. В периоде удержания носителей в части накопления носителей напряжение, подаваемое на вышеописанный общий электрод, ниже (больше в отрицательную сторону), чем напряжение, подаваемое в течение непроводящего периода первого переходного электрода. Подавая такой управляющий импульс, как описано выше, возможно подавлять примешивание темновых токов в части удержания носителей и сохранять выдерживаемое напряжение первой переходной части.

Настоящий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что в периоде удержания носителей в части накопления носителей часть управления выпуском носителей должна всегда переводиться в проводящее состояние для того, чтобы сохранять часть фотоэлектрического преобразования в состоянии выпуска носителей. Это состояние выпуска носителей отменяется в любой момент времени после того, как первый переходный электрод переходит в проводящее состояние, и носители из части удержания носителей перемещаются в FD-область. Причина этого в том, что, как описано выше, полупроводниковое устройство формирования изображения сконфигурировано так, что носители могут перемещаться из части фотоэлектрического преобразования в часть удержания носителей даже в непроводящем состоянии второй переходной части. Т.е., носители из части фотоэлектрического преобразования перетекают в часть удержания носителей даже в состоянии ожидания перемещения носителей в FD-область после выполнения перемещения носителей в часть удержания носителей. При таких условиях количество носителей, втекающих из части фотоэлектрического преобразования, изменяется в зависимости от продолжительности периода удержания в части удержания носителей, таким образом, вызывая трудность в выполнении точного считывания сигнала. Соответственно, носители из части фотоэлектрического преобразования должны выпускаться посредством части выпуска носителей, по меньшей мере, пока перемещение носителей из части накопления носителей в FD-область не будет выполнено во всех пикселах.

В первом варианте осуществления носители накапливаются в части фотоэлектрического преобразования, и, следовательно, этот период накопления определяется как накапливающий период. В настоящем варианте осуществления, однако, большинство фотоэлектрически преобразованных носителей немедленно перемещаются в часть удержания носителей. В результате, период выпуска носителей и период, когда выпуск не происходит, чередуются друг с другом в части фотоэлектрического преобразования.

В настоящем варианте осуществления, как очевидно из сравнения между фиг.3 и фиг.6, период накопления в части удержания носителей имеет тенденцию быть продолжительнее, чем период первого варианта осуществления. Соответственно, существует возможность того, что влияние темнового тока, примешивающегося в части удержания носителей, также становится даже больше, чем в первом варианте осуществления. В таком случае, получается даже больший эффект от подавления примешивания темнового тока в части накопления носителей посредством определения соотношения напряжений, как описано выше. Кроме того, возможно сохранять выдерживаемое напряжение второй переходной части.

Хотя в настоящем варианте осуществления электрод затвора второй переходной части сделан общим с электродом затвора части удержания носителей, настоящий вариант осуществления не ограничен этой конфигурацией, тогда как совместное использование электрода уменьшает количество управляющих межсоединений и, следовательно, предпочтительно с точки зрения улучшения в коэффициенте открытия, также возможно использовать отдельные электроды и возбуждать электроды отдельно. Кроме того, переводя общий электрод в проводящее состояние в конце периода отсутствия выпуска в части фотоэлектрического преобразования для всех пикселов одновременно, возможно использовать носители, остающиеся в части фотоэлектрического преобразования, хотя и в небольшом количестве, в качестве сигнала. Это предпочтительно с точки зрения линейности в области низкой яркости.

Описывая, таким образом, настоящее изобретение посредством ссылки на конкретные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами осуществления. Варианты осуществления могут быть модифицированы или объединены друг с другом без отступления от предмета изучения настоящего изобретения. Например, хотя описание было сделано в каждом варианте осуществления предполагающим, что носителем сигнала является электрон, также возможно использовать взамен него дырку. В этом случае тип проводимости каждой полупроводниковой области меняется на противоположный тип проводимости просто за счет изменения полярности напряжения, которое должно подаваться, на обратную. В вышеописанных вариантах осуществления отрицательное напряжение подается на каждый переходный электрод затвора и удерживающий носители электрод затвора в периоде удержания носителей, когда электроды находятся в непроводящем состоянии. Альтернативно, напряжение может быть изменено на положительное напряжение.

Согласно настоящему изобретению возможно достигать как уменьшения влияния темнового тока, так и сохранения выдерживаемого напряжения части перемещения носителей в конфигурации, в которой пиксел включает в себя часть удержания носителей.

Эта заявка испрашивает приоритет японской патентной заявки № 2008-101531, поданной 9 апреля 2008 года, которая при этом содержится по ссылке в данном документе в своей полноте.

Изобретение относится к полупроводниковому устройству формирования изображения. Сущность изобретения: полупроводниковое устройство формирования изображения включает в себя часть удержания носителей и усиливающую часть в каждом пикселе, при этом первое напряжение, подаваемое на переходный электрод, когда переходная часть для перемещения носителей из части удержания носителей в усиливающую часть помещается в непроводящее состояние, противоположно по полярности напряжению, подаваемому на переходный электрод в течение периода включения переходной части, а второе напряжение, подаваемое на управляющий электрод части удержания носителей в течение периода удержания, в котором носители удерживаются в части удержания носителей, является таким же по полярности, что и первое напряжение, и больше по абсолютному значению, чем первое напряжение. Изобретение обеспечивает уменьшение темнового тока, примешивающегося в часть удержания носителей, и сохранение выдерживаемого напряжения переходной части. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ управления полупроводниковым устройством формирования изображения, включающим в себя множество пикселов, каждый из которых содержит:
часть фотоэлектрического преобразования;
часть удержания носителей, включающую в себя полупроводниковую область, способную накапливать носители сигналов, сформированные в блоке фотоэлектрического преобразования, и управляющий электрод, размещенный над полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между полупроводниковой областью и управляющим электродом, так что часть удержания носителей удерживает носители сигналов, сформированные в части фотоэлектрического преобразования;
усиливающую часть; и
переходную часть, имеющую переходный электрод для управления электрическим соединением между входной частью усиливающей части и частью удержания носителей, при этом способ управления включает в себя этапы, на которых:
подают на переходный электрод первое напряжение для выключения электрического соединения через переходную часть, причем первое напряжение по полярности противоположно полярности напряжения, подаваемого на переходный электрод во время периода включения переходной части; и
подают на управляющий электрод второе напряжение в течение периода удержания носителей посредством части удержания носителей, причем второе напряжение имеет ту же полярность, что и первое напряжение, и является большим, чем первое напряжение.

2. Способ управления полупроводниковым устройством формирования изображения по п.1, дополнительно содержащим сбрасывающую часть для подачи опорного напряжения во входную часть усиливающей части, так что период подачи опорного напряжения во вторую часть усиливающей части, по меньшей мере, частично перекрывается с периодом подачи второго напряжения на переходный электрод при выключении переходной части.

3. Полупроводниковое устройство формирования изображения, включающее в себя множество пикселов, каждый из которых содержит:
часть фотоэлектрического преобразования, имеющую первую полупроводниковую область первого типа проводимости и вторую полупроводниковую часть второго типа проводимости для формирования PN-перехода с первой полупроводниковой областью, для формирования пары из носителя сигнала и носителя полярности, противоположной полярности носителя сигнала согласно падающему свету;
часть удержания носителей, включающую в себя третью полупроводниковую область первого типа проводимости и управляющий электрод, расположенный над третьей полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между размещенным управляющим электродом и третьей полупроводниковой областью для управления состоянием потенциала относительно носителя сигнала в области поблизости от границы с изолирующей пленкой;
четвертую полупроводниковую область первого типа проводимости;
первую переходную часть, имеющую первый переходный электрод, размещенный над первым маршрутом между третьей и четвертой полупроводниковыми областями, размещая изолирующую пленку между первым переходным электродом и первым маршрутом, и способную управлять состоянием потенциала относительно сигнального заряда первого маршрута; и
сбрасывающую часть для установки четвертой полупроводниковой области в опорный потенциал, при этом
предусмотрена часть подачи напряжения для подачи напряжения в первую переходную часть и на управляющий электрод,
часть подачи напряжения подает, в течение непроводящего периода первой переходной части, на первый переходный электрод, первое напряжение полярности, противоположной полярности напряжения, подаваемого в течение периода включения первой переходной части, и
часть подачи напряжения подает, в течение периода накопления части удержания заряда, на управляющий электрод, второе напряжение той же полярности, что и первое напряжение, и большее, чем первое напряжение.

4. Полупроводниковое устройство формирования изображения по п.3, дополнительно содержащее
второй переходный электрод, размещенный над вторым маршрутом между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей, размещая изолирующую пленку между вторым переходным электродом и вторым маршрутом.

5. Полупроводниковое устройство формирования изображения по п.4, в котором
второй маршрут между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей является углубленным каналом.

6. Полупроводниковое устройство формирования изображения по п.4, дополнительно содержащее
часть выпуска носителей, содержащую пятую полупроводниковую область первого типа проводимости и выпускающий носители электрод, размещенный над третьим маршрутом между частью фотоэлектрического преобразования и пятой полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между выпускающим носители электродом и третьим маршрутом, и
причем потенциал относительно носителя сигнала на втором маршруте ниже, чем потенциал относительно носителя сигнала на третьем маршруте.

7. Полупроводниковое устройство формирования изображения по п.5, дополнительно содержащее
управляющий электрод, проходящий ко второму маршруту.

8. Полупроводниковое устройство формирования изображения, включающее в себя множество пикселов, каждый из которых содержит:
часть фотоэлектрического преобразования, имеющую первую полупроводниковую область первого типа проводимости и вторую полупроводниковую часть второго типа проводимости для формирования PN-перехода с первой полупроводниковой областью, для формирования пары из носителя сигнала и носителя полярности, противоположной полярности носителя сигнала согласно падающему свету;
часть удержания носителей, включающую в себя третью полупроводниковую область первого типа проводимости и управляющий электрод, расположенный над третьей полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между размещенным управляющим электродом и третьей полупроводниковой областью для управления состоянием потенциала относительно носителя сигнала в области поблизости от границы с изолирующей пленкой;
четвертую полупроводниковую область первого типа проводимости;
первую переходную часть, имеющую первый переходный электрод, размещенный над первым маршрутом между третьей и четвертой полупроводниковыми областями, размещая изолирующую пленку между первым переходным электродом и первым маршрутом, и способный управлять состоянием потенциала относительно сигнального заряда первого маршрута; и
сбрасывающую часть для установки четвертой полупроводниковой области в опорный потенциал, при этом
второй переходный электрод размещается над вторым маршрутом между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей, размещая изолирующую пленку между вторым переходным электродом и вторым маршрутом,
часть выпуска носителей предусматривает и содержит пятую полупроводниковую область первого типа проводимости и выпускающий носители электрод, размещенный над третьим маршрутом между частью фотоэлектрического преобразования и пятой полупроводниковой областью, размещая изолирующую пленку между выпускающим носители электродом и третьим маршрутом,
предусмотрена часть подачи напряжения для подачи напряжения в первую переходную часть и на управляющий электрод,
часть подачи напряжения подает, в течение непроводящего периода первой переходной части, на первый переходный электрод, первое напряжение полярности, противоположной полярности напряжения, подаваемого в течение периода включения первой переходной части, часть подачи напряжения подает, в течение периода накопления части удержания заряда, на управляющий электрод, второе напряжение той же полярности, что и первое напряжение, и большее, чем первое напряжение, причем второй маршрут между частью фотоэлектрического преобразования и частью удержания носителей является углубленным каналом, и
потенциал относительно носителя сигнала на втором маршруте ниже, чем потенциал относительно носителя сигнала на третьем маршруте.