可感知的、光接收范圍寬的半導體攝像器件的制作方法

專利名稱：可感知的、光接收范圍寬的半導體攝像器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體攝像器件，更確定地說，涉及即使視野內輝度差很大的區域混合一起，也能以寬動態范圍的攝像、而且在全區域能檢測充分的對比度的半導體攝像器件。
背景技術：
CCD(charge-coupled device)和CMOS(complementary Mental-oxidesemiconductor)成像器等的固體攝像器件，所謂，半導體圖像傳感器(以下，也稱為”半導體攝像器件”)，從攝像機和數字攝像機開始，現在就連手機等內也裝入，作為廉價的電力消耗少的攝像器件而廣泛地普及。
但是，半導體攝像器件的傳感能力，和人類的視覺傳感相比，差得多。在人類的視覺方面，—視野內，盡管有4～5位數左右的輝度分布，也可能充分地檢測明亮的地方和暗的地方的對比度。這種優越的對比度傳感能力在于視網膜內的受光細胞，由能對每個各自細胞調整其光感應特性的功能來實現。
對此，在現有的半導體攝像器件中，因為全部的象素是相同受光特性的，在視野內明亮地方和暗地方難以同時得到充分的對比度。
圖29和圖30是表示根據現有半導體攝像器件的攝像例子的圖。這些攝像例子，從晴朗白天點亮了螢光燈的室內攝影包括窗外的風景。這樣的風景，在日常生活中，是用肉眼，常見到的情景。在這樣的平常風景方面，對人類的眼睛而言，室內和窗外的風景都能不費力地以充分的對比度看得見，經驗上是清楚的。
但是，在現有的半導體攝像器件中，全部的象素都是相同的受光特性，而且動態范圍本身非常小，所以要對相同視野內的某特定區域攝像的話，就發生其他的區域從可攝像區域脫落的現象。
例如，在圖29所示的攝像例子中，因為調節了各象素的受光靈敏度特性以便在適合暗區室內的攝影，室外變明亮太多之后，就會引起所謂發白的狀態，不能檢測明亮部分的對比度。
相反，在圖30所示的攝像例子中，因為調節了各象素的受光靈敏度特性以便在適合明亮室外攝影，這次是室內變暗太多，就會引起所謂發黒的狀態，難以檢測黑暗部分的對比度。
這樣，就現有的圖像傳感器來說，都知道視野內同時混雜明亮區域和暗區域的情況下，全體區域檢測充分的對比度能力，和人類的視覺檢測相比差得很多。
而且在高田謙二等、CCD/CMOS圖像傳感器技術第3節「ミノルタ/ロ一ム的對數變換型CMOS圖像傳感器技術和應用，p.107-117，トリケツプス股份公司等中，就處理起因于動態范圍狹小的泛白和發黒等測定臨界的技術來說，也提倡用對數放大器等的寬動態范圍攝像機的辦法。
在圖31表示用上述對數放大器的寬動態范圍攝像機的攝像例子。對用了對數放大器的結構而言，因為成為各象素的動態范圍寬廣、全體象素的受光靈敏度特性共同不變的壓縮圖像方式，因此發生對比度降低整個圖像不清楚了的問題。
作為與這個問題對應的技術，在特開2000-340779號公報(專利文獻1)中公開了為實現廣闊的受光靈敏度范圍和高的對比度檢測功能，與周邊像素的入射光量對應，具備使各像素電路中的受光靈敏度范圍可移動的機構的半導體攝像器件結構。
但是，在上述專利文獻中所公開的結構，在各象素電路中，需要配置用于檢測自身受光量的第1光電檢測器件和在與用于檢測附近象素平均受光光量的其他象素電路之間經過電阻器互相連接的第2光電檢測器件的2個光電檢測器件。因此，擔心為對與近年來高分辨率化的要求相對應的不可缺少的象素尺寸縮小帶來困難。
而且因為需要在單一的象素電路內配置2個光電檢測器件，原本應該是同一的兩者的受光量依賴于各自的配置地點而不同。即，在橫向配置了2個光電檢測器件的情況下，入射光本身不能相同，在縱向配置了兩者的情況下，入射光即使是同樣的也因為發生依賴于波長，所以難以檢測用2個光電檢測器件的相同的受光量。因此，受光量和輸出電壓的關系不正確，有降低檢測精度的危險。
而且因為該第1和第2的光電檢測器件是在各象素電路內串聯連接起來的，流入和外圍的象素電路電連接的節點的噪聲有可能疊加到上述第1光電檢測器件的光電流上，因此，有容易撿拾噪聲降低檢測精度的危險。

發明內容
本發明就是為解決這個問題而發明的，本發明的目的是提供一種即使—視野內的輝度分布很大的情況下也能以充分的對比度測定明亮的部分和黑暗的部分，高精度而且小型的半導體攝像器件。
按照本發明的半導體攝像器件，包括多個象素電路和象素間連接部。各象素電路包括在第1節點產生和受光量相對應的光電流的光電檢測器件；為了使發生和流過第1節點的光電流相對應的第1電流和第2電流，同時將第1電流和第2電流各自流到第2節點和輸出節點那樣，把第1和第2節點一起連接到輸出節點的第1電流發生電路；為了使發生和作為第2節點的通過電流的第3電流相對應的第4電流，同時使第2電流與第4電流的電流差流入輸出節點那樣，連接第2節點和輸出節點的第2電流發生電路。象素間連接部，把各象素電路的第2節點和相鄰象素電路的至少1個之中的第2節點電連接。
上述半導體攝像器件，在各象素電路中在作為配置了單一光電檢測器件的結構上，在第2節點產生和外圍象素上的平均受光量相對應的平均電流，同時借助于第1和第2電流發生電路，不直接運算光電流，而能得到和自身光電流與平均電流的相對差對應的輸出。
所以，可以不配置多個光電檢測器件，而如人類視網膜那樣根據周圍亮度校正各象素電路中的受光靈敏度范圍。因此，根據靈敏度曲線的移動擴大有效的動態范圍，實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測，同時能謀求象素電路的小型化，因而容易向通過多象素化的高分辨化對應。而且因為各象素電路中如多個光電檢測器件是必要的結構那樣，不擔心因各個配置地點的差別而使檢測精度降低，所以能夠提高檢測精度。進而，因為光電流流過的節點(第1節點)沒有和其他電流流動的節點(第2節點、輸出結)連接，所以噪聲的影響很少輸出精度很高。
最好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，象素間連接部包括在不同的象素電路中的第2節點間連接的電阻分量。
在上述半導體攝像器件中，采用以電阻分量構成象素間連接部的辦法，根據電阻分量的電阻值，能調整攝像靈敏度和受光量平均值范圍。
另外最好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，設計第1電流發生電路，使得第1和第2電流大于光電流。
在上述半導體攝像器件中，因為求出用第1電流發生電路放大光電流而得到的電流與上述平均電流的電流差，因此可使運算的電流成為很大的值，能進而提高抗噪聲能力。
或者最好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，各象素電路還包括，為了得到輸出節點的通過電流的積分值的積分電路和為了復原積分數值的復位電路。
在上述半導體攝像器件中，進而具備積分電路和復位電路，在攝影螢光燈等不斷地變化亮度的物體時，也不會發生畫面閃爍等問題。進而，與只輸出瞬時值的結構相比較，實質上提高靈敏度，可以在更低照度下攝像。
最好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，第1電流發生電路具有，供給第1電壓的第1電源節點和與第1節點之間電連接的第1晶體管；第1電源節點和第2節點之間電連接的第2晶體管；第1電源節點和輸出節點之間電連接的第3晶體管，第2電流發生電路具有，供給與第1電壓不同的第2電壓的第2電源節點和與第2節點之間電連接的第4晶體管；輸出節點和第2電源節點之間電連接的第5晶體管，從第1到第3晶體管的各控制電極和第1節點電連接，第4和第5晶體管的各控制電極和第2節點電連接。
在上述半導體攝像器件中，作為第1和第2電流發生電路，因為采用由晶體管構成的電流鏡像電路，所以可使電路結構簡化。
進而最好是，各象素電路還包括，與輸出節點電連接的電容器和供給規定復位電壓的節點和輸出節點之間電連接的、復位時接通的第6晶體管。
在土述半導體攝像器件中，在積分電路和復位電路中，也用單個電容器和晶體管，能簡易地構成。
最好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，光電檢測器件由在供給第1規定電壓的第1電源節點和第1節點之間反偏壓電連接的光電二極管構成。進而，第1電流發生電路包括，在供給與第1規定電壓不同的第2規定電壓的第2電源節點和第1節點之間電連接使得在第1節點發生與光電流相應的電壓的第1晶體管；在第1電源節點和第2節點之間電連接的，而且其控制電極和第1節點電連接的第2晶體管；和在第1電源節點和輸出節點之間電連接的，而且其控制電極和第1節點電連接的第3晶體管，第2電流發生電路包括，在第2電源節點和第2節點之間電連接的，而且其控制電極和第2節點電連接的第4晶體管；和在第2電源結和輸出節點之間電連接的，而且其控制電極和第2節點電連接的第5晶體管。
在上述半導體攝像器件中，能通過由第1～第5晶體管構成的簡單結構的電流發生電路實現得到按照各象素電路中的自身受光量和外圍象素的平均受光量之差的輸出的光電轉換。
更好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，第1規定電壓高于第2規定電壓，第1晶體管是由柵極和漏極互連的，而且源極和第1節點電連接的p溝道型的場效應晶體管構成，光電二極管的陰極和第1電源節點電連接，同時其陽極和第1節點電連接。
在上述半導體攝像器件中，通過使第1晶體管作為對數晶體管工作，可以把對Vds(柵極—漏極間電壓)的變化的Ids(柵極—漏極間電流)的變化設定為對數函數狀。因此，可以對廣闊范圍的照度抑制飽和，同時能進行使低照度范圍的靈敏度提高的電流電壓變換。所以，可進一步實現確保寬廣的攝像范圍和提高低照度區域的攝像靈敏度。進而，因為受光時在作為光電檢測器件的光電二極管的固定偏壓電極(即陰極)上發生的少數載流子是壽命相對短的空穴，因而在抗圖像散亂方面優越。
而且更好是，在按照本發明的半導體攝像器件中，第1規定電壓低于第2規定電壓，第1晶體管由柵極和漏極互連的，而且源極和第1節點電連接的n溝道型的場效應晶體管構成，光電二極管的陰極和第1節點電連接，同時其陽極和第1電源節點電連接。
在上述半導體攝像器件中，通過使第1晶體管作為對數晶體管工作，在對對廣闊范圍的照度抑制飽和的同時，能進行使低照度范圍的靈敏度提高的電流電壓變換。
特別是在這樣的結構中，多個場效應晶體管串聯連接在第2電源節點和第1節點之間。
在這樣的構成的半導體攝像器件中，可以根據場效應晶體管配置個數的增加而增加把光電流經過第1節點電壓的電壓轉換為輸出的光電轉換率(輸出變化量/光電流變化量)。其結果，只以場效應晶體管的增加數額增大布局面積，實質上因為提高攝像靈敏度而能在更低照度下攝像。
更好是，按照本發明的半導體攝像器件，還具備在供給規定的復位電壓的電壓節點和第1節點之間設置的，以規定周期工作用于把第1節點和電壓節點電連接的復位電路。復位電壓由復位電壓和第2規定電壓的電壓差成為與第1晶體管的弱反型區相對應的柵極—源極間電壓范圍內的電壓決定。
在上述半導體攝像器件中，通過進行對光電檢測器件(光電二極管)直接地復位操作，既抑制余像構成又能構成響應快的象素電路。特別是，采用剛復位操作之后第1晶體管在弱反型區工作的范圍內設置復位電壓的辦法，能夠在第1晶體管的電流—電壓特性上，增大對電流變化(即光電流變化)的電壓變化(即第1節點的電壓變化)。由此，可以進一步提高光電轉換的快速響應特性，進一步提高象素電路的響應。
而且更好是，按照本發明的半導體攝像器件，還具備在供給規定的復位電壓的復位電壓節點和第1節點之間設置的、以規定周期工作的復位電路。復位電路，在每次工作時，根據其時刻的第1節點的電壓和復位電壓的電壓差，決定是否執行設定第1節點的電壓到復位電壓。
在上述半導體攝像器件中，在各復位定時，根據復位電壓和第1節點的電壓差，即，根據從上次的復位操作到各象素電路的入射光的照度的積分值是否超過規定值，就能控制是否執行復位操作。所以，能夠延長低照度象素電路的復位周期，等效降低幀速率。其結果，即使低照度區也能確保充分的光量，降低半導體攝像器件的攝像臨界照度。
特別在這種結構中，第1規定電壓高于第2規定電壓，光電二極管的陰極和第1電源節點電連接，同時其陽極和第1節點電連接，復位電路包括連接到復位電壓節點和第1節點之間的、按照控制柵極的電位上升其增益系數模擬地增大的n溝道可變增益晶體管，n溝道可變增益晶體管的正常柵極，按照規定周期接收激活到固定期間邏輯高電平的復位信號，而且其控制柵極和第1節點電連接。
在上述半導體攝像器件中，因為用單個半導體器件(可變增益晶體管)就能構成上述復位電路，所以能謀求象素電路的小型化。進而，受光時在作為光電檢測器件的光電二極管的固定偏壓電極(就是陰極)發生的少數載流子是壽命相對短的空穴，所以在抗圖像散亂方面優越。
或者，特別是在這種結構中，第1規定電壓，低于第2規定電壓，光電二極管的陰極和第1節點電連接，同時其陽極和第1電源節點電連接，復位電路包括，連接到復位電壓節點和第1節點之間的、按照控制柵極的電位降低其增益系數模擬地增大的p溝道可變增益晶體管，p溝道可變增益晶體管的正常柵極，按照規定周期接收固定期間激活邏輯到低電平的復位信號，而且其控制柵極和第1節點電連接。
在上述半導體攝像器件中，因為用單個半導體器件(可變增益晶體管)就能構成上述復位電路，所以能謀求象素電路的小型化。
進而，復位電壓決定于復位電壓和第2規定電壓的電壓差成為與第1晶體管的弱反型區相對應的柵極—源極間電壓范圍內的電壓。
在上述半導體攝像器件中，采用剛復位工作之后第1晶體管在弱反型區工作范圍內設置復位電壓的辦法，能在第1晶體管的電流—電壓特性上，增大對電流變化(即光電流變化)的電壓變化(即第1節點的電壓變化)。由此，可以提高光電轉換的快速響應特性，進一步提高象素電路的響應。
本發明的主要優點在于，半導體攝像器件的各像素電路中在成為配置了單一光電檢測器件的結構上，能夠象人類視網膜那樣按照周圍亮度校正移動各象素電路的受光靈敏度范圍。因此，根據靈敏度曲線的移動擴大有效的動態范圍，實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測，同時因為能謀求象素電路的小型化，所以容易對應隨著象素化而相應的高分辨率化。而且因為各象素電路中多個光電檢測器件是必要的結構，不擔心由于各自配置地點的差別而使檢測精度的降低，所以能夠提高檢測精度。
本發明的上述和其他的目的、特征、局面和優點，從關聯附圖對本發明下面的詳細說明將變得清楚起來。


圖1是表示構成按照本發明實施例1的半導體攝像器件的多個象素電路的各自結構的電路圖。
圖2是表示在圖1示出的電阻分量的—結構例圖。
圖3是表示按照實施例1的象素電路中的受光量和輸出電壓的關系的概念圖。
圖4是按照實施例1表示半導體攝像器件的全體結構圖。
圖5是說明圖4示出的象素電路的結構的電路圖。
圖6是表示按照本發明實施例2的象素電路的結構電路圖。
圖7是說明按照實施例2的象素電路的操作的概念圖。
圖8是表示按照發明的半導體攝像器件的第1攝像例圖。
圖9是表示按照發明的半導體攝像器件的第2攝像例圖。
圖10是表示按照本發明實施例3的象素電路的結構電路圖。
圖11是表示對數晶體管的Vds-Ids特性的模擬結果圖。
圖12是表示按照實施例3的象素電路的其他的結構例圖。
圖13是表示按照本發明實施例3的變形例的象素電路的結構的電路圖。
圖14是表示按照實施例3的變形例的象素電路的其他結構例圖。
圖15是表示按照實施例4的象素電路的結構電路圖。
圖16A、16B是說明可變增益晶體管的第1結構例的圖。
圖17A、17B是表示在圖16A、B示出的可變增益晶體管的β調制原理圖。
圖18是說明可變增益晶體管的第2結構例圖。
圖19是說明圖18中正常柵極的形狀參數的圖。
圖20是說明圖18中正常柵極的形狀參數的圖。
圖21是表示在圖18中示出的可變增益晶體管的β調制的原理圖。
圖22是說明可變增益晶體管的第3結構例圖。
圖23是說明可變增益晶體管的第4結構例圖。
圖24是說明可變增益晶體管的第5結構例圖。
圖25是表示按照實施例4的象素電路的工作的波形圖。
圖26是表示按照實施例4的第1變形例的象素電路的結構的電路圖。
圖27是表示按照實施例4的第2變形例的象素電路的結構的電路圖。
圖28是表示按照實施例4的第3變形例的象素電路的結構的電路圖。
圖29是表示按照現有半導體攝像器件的第1攝像例圖。
圖30是表示按照現有半導體攝像器件的第2攝像例圖。
圖31是表示按照用了現有對數放大器的半導體攝像器件的攝像例圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細地說明有關本發明的實施例。還有，以下的說明中對同一或相當部分附加相同的參照符號。
實施例1圖1是表示構成按照本發明實施例1的半導體攝像器件的多個象素電路的各自結構的電路圖。
參照圖1，按照實施例1的象素電路10，具備光電檢測器件(代表性地說是光電二極管)20和作為「電流發生電路」而設置的電流鏡像電路30a、30b。
電流鏡像電路30a有p溝道MOS晶體管31～33。還有，在以下的本發明實施例中，p溝道MOS晶體管和n溝道MOS晶體管都是作為晶體管(特別是，場效應晶體管)的代表例而進行表示的。
p溝道MOS晶體管31電連接到供給電源電壓Vdd的電源節點13和節點Na之間。p溝道MOS晶體管32電連接到電源節點13和節點Nb之間。p溝道MOS晶體管33電連接到電源節點13和輸出節點No之間。進而，通過p溝道MOS晶體管31～33的各柵極(控制電極)和節點Na連接起來，構成電流鏡像電路。
作為光電檢測器件的光電二極管20的陰極和節點Na連接，陽極和接地節點14連接。由此，對節點Na而言，與向光電二極管20的入射光21的光量(受光量)對應的光電流I0就從電源節點13往接地節點14的方向流動。
進而，借助于電流鏡像電路30a，與光電流I0成正比的電流I1向節點Nb發生，同時與光電流I0成正比的電流I2在輸出節點No發生。電流比I0∶I1由p溝道MOS晶體管31和32的電流驅動能力比決定，電流比I0∶I2由p溝道MOS晶體管31和33的電流驅動能力比來決定。
MOS晶體管的電流驅動能力，因與用柵極寬度/柵極長度表示的晶體管尺寸成正比，具體的說，根據p溝道MOS晶體管31～33的柵極長度和柵極寬度的尺寸設計，在電流鏡像電路30a中，能夠設定電流比I0∶I1和I0∶I2可以取要求值。最好是，借助于電流鏡像電路30a，設計I1/I0＞1和I2/I0＞1以便放大光電流I0。
還有，如果在節點Nb和輸出節點No能發生和光電流I0相應的同樣的電流I1、I2的話，就可以應用任意結構的電流發生電路代替電流鏡像電路30a，然而通過電流鏡像電路的應用，能簡易地構成該電流發生電路。
電流鏡像電路30b有電連接節點Nb和接地節點14之間的n溝道MOS晶體管34和電連接輸出節點No和接地節點14之間的n溝道MOS晶體管35。采用n溝道MOS晶體管34和35的各柵極(控制電極)和節點Nb連接的辦法，構成電流鏡像電路。
借助于電流鏡像電路30b，發生與通過節點Nb的電流I3成正比的電流I4。發生后的電流I4是從輸出節點No抽出的方式流動。即，這樣配置電流鏡像電路30b，使得電流鏡像電路30a的電流I2和與電流I3成正比的電流I4的差電流流入輸出節點No。還有，電流鏡像電路30b中的電流比I3∶I4，根據n溝道MOS晶體管34和35的電流驅動能力比(晶體管尺寸比)來設計。
還有，只要在輸出節點No能發生和上述同樣的差電流的話，就能應用任意結構的電流發生電路來代替電流鏡像電路30b，然而通過電流鏡像電路的應用，能簡易地構成該電流發生電路。
進而，各象素電路10中，節點Nb經過作為「象素間連接部」設置的電阻分量40，和至少1個相鄰象素電路10中的節點Nb電連接。由此，與各象素電路的光電流I0相應的電流I1，被多個電阻分量40分流，也流過相鄰象素電路10中的節點Nb，而且由自身和相鄰的象素電路分流后的電流I1和電流I3流過各象素電路10的節點Nb。其結果，電流I3就成為和包括自身的外圍區域中的平均受光量相應的電流。
電阻分量40，例如可由基板上所形成的電阻器構成。或者，如圖2所示，由連接不同的象素電路10a、10b中的節點Nb間的，而且能調整柵極電壓Vc的場效應晶體管41構成電阻分量40。
因為能根據連接到象素電路10間的電阻分量40的電阻值，調整攝像靈敏度和受光量平均化的范圍，所以如圖2所示那樣構成電阻分量40的話，就能減輕設計時設定電阻值的負載，即使裝配時也能容易地進行和攝像對象相應的調整。
再參照圖1，輸出節點No的輸出電流Io就是與象素電路10自身的光電流I0對應的電流I2和與外圍象素電路的平均受光量對應的和電流I4的差電流，以Io＝I2-I4表示。和輸出端子15連接的輸出節點No，經過p溝道MOS晶體管33和n溝道MOS晶體管35，連接到電源節點13和接地節點14之間。
所以，向輸出端子15所輸出的輸出電壓Vout，就是與輸出電流Io對應的值。即，輸出電壓Vout，按照與象素電路10自身受光量對應的光電流I0和與外圍象素的平均受光量對應的電流I3的相對之差來決定。
如果說明圖1所示的象素電路10的結構和本發明結構的對應關系的話，電流鏡像電路30a和本發明的「第1電流發生電路」相對應，電流鏡像電路30b則和本發明的「第2電流發生電路」相對應。而且p溝道MOS晶體管31～33和本發明(特別是權利要求5)中的「第1晶體管」～「第3晶體管」相對應，n溝道MOS晶體管34和35則和本發明(特別是權利要求5)中的「第4晶體管」和「第5晶體管」各自相對應。
圖3是表示按照實施例1的象素電路的受光量與輸出電壓Vout的關系的概念圖。
圖3的橫軸表示象素電路10的受光量(照度)，縱軸表示各象素電路10的輸出端子15上的輸出電壓Vout。
輸出電壓Vout是隨受光量而變化，然而受光量和輸出電壓之間的特性，就如特性曲線51～57所示，隨外圍象素的平均受光量而變化。
即，在外圍象素的平均受光量很小時，在圖1中從輸出節點No抽出的電流I4將相對地減少，所以受光量小的區域，輸出電流Io變化就大。其結果，與外圍象素的平均受光量對應的相對受光量小的區域，能確保良好的靈敏度。
相反，在外圍象素的平均受光量很大時，因為圖1的電流I4相對地增大，所以在受光量大的區域，輸出電流Io變化就大。其結果，在與外圍象素的平均受光量相對應的相對受光量大的區域，能確保良好的靈敏度。
其結果，在按照實施例1的象素電路10中，因為象人類視網膜那樣能按照周圍的亮度校正移動各象素電路的受光靈敏度范圍，擴大有效的動態范圍，能實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測。
進而，再參照圖1，在按照實施例1的象素電路10的結構中，可用單個光電二極管(光電檢測器件)，使各象素電路的受光靈敏度范圍隨外圍象素的平均受光量而變化。所以，與專利文獻1上公開的象素電路的結構比較，能減少光電檢測器件的配置個數。
特別是，因為光電檢測器件的尺寸，和取決于處理極限值可縮小的晶體管尺寸不同，需要確保能夠測定入射光，所以對其縮小化有限度。因此，按照配置光電檢測器件個數少的本發明的象素電路，與專利文獻1上公開的象素電路比較，對晶體管的個數增加而尺寸縮小化有利。其結果，容易對應通過多象素化而得到的高分辨率化。
而且象已經說明了的那樣，在專利文獻1中公開的結構中，因為需要在單個象素電路內配置2個光電檢測器件，因此原本應該相同的兩者的受光量依賴于各自配置地點而不同。對此，在按照本發明的半導體攝像器件中，因為各象素電路10用單個光電檢測器件檢測受光量，所以輸出電壓和受光量的關系將更正確，輸出精度很高。
進而，與專利文獻1上公開的結構不同，和其他象素電路等連接、容易疊加噪聲的節點Nb(圖1)，不和光電檢測器件20直接連接，所以發生噪聲少，輸出精度高。
特別是，采用通過電流鏡像電路30a放大光電流I0方式發生電流I1、I2的辦法，因為為求得輸出電流Io可使加減運算的電流I1～I4變成很大的值，所以能進一步提高防噪聲性能。
圖4是表示按照行列狀配置按照實施例1的象素電路而構成的實施例1的半導體攝像器件的全體結構圖。
參照圖4，按照實施例1的半導體攝像器件100有呈行列狀排列的多個象素電路10#、垂直移位寄存器110、多條行選擇線115、水平移位寄存器120，和多條列選擇線125。
行選擇線115對象素電路10#的每行(以下，稱為“象素行”)，沿著X方向配置，傳輸表示對應的象素行是選擇狀態/非選擇狀態何者的行選擇信號RS。列選擇線125對象素電路10#的每列(以下，稱為“象素列”)沿著Y方向配置，傳輸表示對應的象素列是選擇狀態/非選擇狀態何者的列選選信號CS。
垂直移位寄存器110，以規定周期順序選擇多個象素行，同時設定選定的象素行對應的行選擇信號RS為激活狀態，設定非選擇的象素行對應的行選擇信號RS為非激活狀態。同樣，水平移位寄存器120，以規定周期順序選擇多個象素列，同時設定選定的象素列對應的列選擇信號CS為激活狀態，設定非選擇的象素列對應的列選擇信號CS為非激活狀態。以下，各信號的激活狀態是邏輯高電平(簡單地表記為“H電平”)，非激活狀態是邏輯低電平(簡單地表記為“L電平″)。
象素電路10#的結構，雖和圖1示出的象素電路10基本相同，但還有行選擇端子16和列選擇端子17。在行選擇端子16，輸入對應的象素行的行選擇信號RS，在列選擇端子17輸入對應的象素列的列選擇信號CS。從輸出端子15，和象素電路10同樣將輸出電壓Vout輸出。
參照圖5，在圖4所示的象素電路10#除按照圖1所示實施例1的基本象素電路10的結構外，還具備輸出選擇電路60。
輸出選擇電路60有n溝道MOS晶體管61～63。
n溝道MOS晶體管61和62，被串聯連接到接地節點14和輸出端子15之間。n溝道MOS晶體管61的柵極(控制電極)和輸出節點No連接，n溝道MOS晶體管62的柵極(控制電極)，經過n溝道MOS晶體管63和列選擇端子17連接。n溝道MOS晶體管63連接到n溝道MOS晶體管62的柵極與列選擇端子17之間，其柵極和行選擇端子16連接。
n溝道MOS晶體管61構成源跟隨放大器，在相當于漏極的節點Nc產生與輸出節點No的電壓對應的輸出電壓Vout。輸出電壓Vout，和象素電路10同樣，由與象素電路10#自身的光電流I0和外圍象素的平均受光量對應的電流I3的相對值決定。
n溝道MOS晶體管62，在對應的行選擇信號RS和列選擇信號CS的雙方都是激活狀態(H電平)時進行接通，連接節點Nc和輸出端子15。其結果，象素電路10#，在對應的象素行和象素列的雙方被選定的選擇時，從輸出端子15輸出輸出電壓Vout。
這樣一來，就能構成連續配置了按照實施例1的象素電路的半導體攝像器件。該半導體攝像器件，因為能象人類視網膜一樣根據周圍亮度校正移動各象素電路的受光靈敏度范圍，所以能夠實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測。進而，因為能讓各象素電路小型化，對隨象素化而實現高分辨率化是有利的，而且能得到噪聲影響小的高精度輸出電壓。
實施例2參照圖6，按照實施例2的象素電路11，除圖4所示象素電路10#的結構外，還有作為「積分電路」而設置的電容器70和作為「復位電路」而設置的n溝道MOS晶體管72。
電容器70的一端和輸出節點No連接，另一端例如和接地節點14連接。n溝道MOS晶體管72電連接到供給復位電壓Vr的復位電壓節點73和輸出節點No之間。n溝道MOS晶體管72的柵極和供給復位脈沖RST的復位端子74連接。由此，每次在復位端子74上所供給的復位脈沖RST為激活狀態(H電平)時，輸出節點No就和復位電壓節點連接起來，并設定為復位電壓Vr。
復位脈沖RST，周期性地設定為脈沖狀激活狀態。在復位脈沖RST的非激活狀態(L電平)期間，因為輸出節點No與復位電壓節點73斷開，輸出節點No通過按照與受光量對應的輸出電流Io充放電，輸出電壓Vout，按照輸出電流Io的時間積分值變化。
按照實施例1的象素電路10、10#中，輸出電流Io是與瞬間受光量對應的值，因為只進行止瞬間值的攝像，在攝影螢光燈等不斷地變化亮度的物體時，就有可能產生畫面閃爍等問題，然而在按照實施例2的象素電路11中，因為輸出輸出電流Io的時間積分值，能解決這個問題。
圖7是說明按照實施例2的象素電路的工作概念圖。
參照圖7，復位脈沖RST按規定間隔，在一定期間(時間t0～t0#之間和時間t2～t2#之間)，激活為激活狀態(H電平)。
在復位脈沖RST的激活狀態期間，輸出節點No向復位電壓Vr充電。在復位脈沖RST的非激活狀態(L電平)期間，因為按照自身的象素電路的受光量和外圍象素電路的受光量的差電流，對輸出節點No充放電，所以由此電壓Vo也隨時間變化。
進而，在自身象素的選擇定時(時刻t1～t1#)，行選擇信號RS和列選擇信號CS的兩者都被激活為H電平。該定時的電壓Vo，通過由晶體管61構成的源跟隨放大器放大，然后作為輸出電壓Vout從輸出端子15輸出。
由于作成這樣的結構，通過添加積分電路和源跟隨放大器，比按照實施例1的象素電路實質上提高靈敏度，能夠在更低照度攝像。
還有，在圖4所示的半導體攝像器件100中，配置象素電路11(圖6)代替象素電路10#，能構成連續配置了按照實施例2的象素電路的半導體攝像器件。
在圖8和圖9，示出按照本發明的半導體攝像器件的攝像例模擬結果。
圖8是對與圖29和圖30中所示的現有半導體攝像器件的攝像例子相同的被攝影體進行攝像的圖。同樣，圖9是對和圖31中所示的用現有對數放大器的半導體攝像器件的攝像例相同的被攝影體進行攝像的圖。如圖8和圖9所示，倘若采用本發明，因為能夠象人類視網膜一樣按照周圍亮度校正移動各象素電路的受光靈敏度范圍，所以能實現以充分的對比度檢測同一視野內明亮部分和黑暗部分的半導體攝像器件。
實施例3在實施例3中，說明有關發生與光電流I0對應的電流I1和I2的電流發生電路(圖1中的電流鏡像電路30a)的其他結構。
參照圖10，按照實施例3的象素電路150，和圖1示出的象素電路10(實施例1)相比較，在具備電流發生電路30c而不用電流鏡像電路30a(電流發生電路)這一點、將作為光電檢測器件的光電二極管20連接到節點Na和電源節點13之間這一點、以及還具備作為「復位電路」起作用的復位晶體管90的這一點是不同的。
光電二極管20，其陰極和電源節點13電連接，其陽極和節點Na電連接并加上反偏壓。
電流發生電路30c包括，p溝道MOS晶體管32、33和作為在節點Na發生與光電流I0對應的電壓Va的電流電壓轉換器起作用的p溝道MOS晶體管80。
p溝道MOS晶體管80其源極與節點Na連接，其漏極和接地節點14連接。p溝道MOS晶體管80，其柵極和漏極同樣地和接地節點14連接，并且因為將柵極電壓固定于接地電壓Vss，所以能增大電流驅動力。
n溝道MOS晶體管34、35和圖1所示的象素電路10同樣，構成電流鏡像電路30b。
復位晶體管90由n溝道MOS晶體管構成，并連接到復位電壓節點18和節點Na之間。在復位晶體管90的柵極上，和供給復位脈沖RST的復位端子74連接。復位脈沖RST，和圖7所示的同樣，以規定周期設定為固定期間激活狀態(這里為H電平)。將由復位電壓節點18供給的復位電壓VRL，設定為接近接地節點14的電壓Vss的正電壓。就是Vss VRL＜Vdd，而且是VRL/Vss。
象素電路150的其他部分的結構，因為和圖1所示的象素電路10一樣，所以不再重復詳細地說明。
在這里，說明圖10所示的象素電路150的結構和本發明結構的對應關系，電流發生電路30c對應于本發明的「第1電流發生電路」，電流鏡像電路30b對應于本發明的「第2電流發生電路」。而且在圖10的結構中，電源節點13對應于「第1電源節點」，接地節點14對應于「第2電源節點」。即，p溝道MOS晶體管80對應于本發明(特別是權利要求7)的「第1晶體管」，p溝道MOS晶體管32和33分別對應于本發明(特別是權利要求7)的「第2晶體管」和「第3的晶體管」，n溝道MOS晶體管34和35分別對應于本發明(特別是權利要求7)的「第4晶體管」和「第5晶體管」。
其次說明電流發生電路30c的工作。在p溝道MOS晶體管80上，由串聯連接的光電二極管20產生的光電流I0作為Ids(源極—漏極間電流)流動。因此，p溝道MOS晶體管80，根據其Vds(源極—漏極間電壓)—Ids特性，在節點Na生成與光電流I0相對應的電壓Va。如以下說明那樣，因為MOS晶體管的Vds-Ids特性呈現對數性地響應，所以在以下，也把這種晶體管稱作“對數晶體管”。
圖11是表示對數晶體管80的Vds-Ids特性的模擬結果圖。還有，模擬條件設為，Vdd＝3.3(V))，Vss＝0(V))，Vt＝0.5(V)，β＝2.5。在這里，Vt和β是對數晶體管80的閾值電壓(絕對值)和增益系數。
參照圖11，對數晶體管的工作特性，隨源極—漏極間電壓Vds而變化。隨著源極—漏極間電壓Vds從低的區域到高的區域變化，對數晶體管，進行在弱反型區(Vds＜0.5V)，強反型區(Vds0.5～1.0V)和對數區域(Vds＞1.0V)的工作。弱反型區，大概相當于Vds比閾值電壓低的區域。
特別是，Vds在弱反型區和強反型區，源極—漏極間電流Ids雖然隨Vds急遽地增加，但是Vds提高進入強反型區時，因為不能忽略MOS晶體管的n層和p層的電阻值，使Ids增加的斜率減小。這個現象被稱為二極管的拐點(knee)特性。這樣，如提高Vds的話，因為Ids的斜率減小，所以對10位數以上的寬廣光強度分布，能抑制節點Na的電壓Va的飽和。
復位晶體管90在復位脈沖RST的激活期間導通，然后到復位電壓VRL驅動節點Na。節點Na的電壓Va，借助該復位動作從設為接地電壓Vss附近的狀態，通過使用對數晶體管80的電流—電壓變換而上升到與光電流I0對應的電平。即，電壓Va以相當于光電流10的Ids流過對數晶體管80時的Vds表示。
特別是，通過把復位電壓VRL，按照復位動作時對數晶體管80在弱反型區動作那樣的范圍，即按照圖11表示的特性，使VRL-Vss 0.5(V)以下那樣設定，即使在低照度區的攝像也能得到靈敏度良好的響應。
再參照圖10，p溝道MOS晶體管32和33的柵極和各自與節點Na連接。因此，借助于p溝道MOS晶體管32，與光電流I0對應的電流I1流到節點Nb。同樣，借助于p溝道MOS晶體管33，與光電流I0對應的電流I2流到輸出節點No。
在象素電路150中，節點Nb也經過作為「象素間連接部」而設置的電阻分量40，與至少1個相鄰象素電路150中的節點Nb電連接。由此，在節點Nb上，通過分流和合成經由電阻分量40連接的象素電路間的電流I1，通過與互相連接的外圍象素電路中的平均受光量對應的電流I3。
節點Nb的通過電流I3，借助于電流鏡像電路30b，轉換為n溝道MOS晶體管35的通過電流I4。
其結果，輸出節點No的輸出電流Io，和圖1所示的象素電路10同樣，成為對應自身象素電路150中的光電流I0的電流I2和對應包含自身的外圍象素電路中的平均受光量的電流I4的差電流。因此，在輸出端子15產生的輸出電壓Vout，成為對應于輸出電流Io的值，即是對應象素電路150自身的受光量和包括自身的外圍象素的平均受光量之差的值。
所以，在按照實施例3的象素電路150，也能獲得和實施例1的象素電路10同樣的效果。即，象素電路150中的受光量和輸出電壓Vout的關系成為和圖3同樣，通過在各象素電路中配置單個光電二極管(光電檢測器件)的結構，能實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測。
進而，在電流發生電路30c中，通過使用對數晶體管80，確保寬廣的攝像范圍，同時即使低照度區的攝像也能進行靈敏度好的光電轉換。還有，因為對數晶體管80的電流驅動力，和構成電流鏡像電路30a(圖1)的p溝道MOS晶體管31比較也大，所以能縮短到節點Na得到與光電流I0對應的電壓Va的時間。即，也能相對改善從光電流到輸出電壓的光電轉換動作的快速響應性能。
進而，通過決定復位電壓VRL，以使復位工作之后對數晶體管80立即在弱反型區進行工作，這使該光電轉換工作進一步高速化。因為是，在把通過對光電二極管20的光照射而產生的光電流I0轉換成電壓的時候，在共有和光電二極管20的陽極連接的節點Na的對數晶體管80上，也如圖11的電流—電壓特性(Ids-Vds)所示，比其他區域上工作時更大地保證由于在弱反型區工作而引起的電壓對電流變化的變化。這樣，由于配置復位晶體管90，通過對節點Na的直接復位動作，就能構成既抑制余像又響應快速的象素電路。
還有，即使在象素電路150中，通過適當地設計p溝道MOS晶體管32、33和n溝道MOS晶體管34、35的電流驅動能力(晶體管尺寸)，使放大光電流I0那樣發生電流I1～I4，就能提高防噪聲性能。
參照圖12，按照實施例3的其他結構例的象素電路155，與圖10所示的象素電路150的結構比較，在節點Na和接地節點14之間，串聯連接多個對數晶體管80和82這點不同。
對數晶體管82由p溝道MOS晶體管構成，連接到也在圖10表示的對數晶體管80和節點Na之間。即，對數晶體管82的源極和節點Na連接，柵極和漏極都和對數晶體管80(pMOS)的源極連接。這樣，對數晶體管80的源極，經過對數晶體管82和節點Na電連接，對數晶體管82的漏極，經過對數晶體管80之后和接地節點14電連接。對數晶體管82有和圖11所示的對數晶體管80一樣的Vds-Ids特性。
通過作成這樣的結構，在象素電路155中，能把光電流I0轉換為電壓Va的光電轉換率(ΔVa/ΔI0)，與象素電路150比較成為大約2倍。所以，象素電路155，只增大添加對數晶體管82的布局面積，比象素電路150實質上提高靈敏度，能在更低照度下攝像。
還有，在圖12中所示的象素電路155中，雖然說明了在節點Na和接地節點14之間串聯連接2個對數晶體管的結構，但是串聯連接3個或3個以上任意多個對數晶體管的結構也行。
實施例3的變形例在按照實施例3的象素電路150和155中，采用陰極和電源節點13連接的辦法使光電二極管20反偏壓。相對于此，在實施例3的變形例中，說明采用陽極和接地節點14連接的辦法使光電二極管20反偏壓的結構。
參照圖13，按照實施例3的變形例的象素電路150#，與圖10所示的象素電路150比較，在具備對數晶體管80#和復位晶體管90#而不用對數晶體管80和復位晶體管90的這一點上不同。進而，將光電二極管20配置在節點Na和接地節點14之間，其陰極和節點Na，其陽極和接地節點14各自電連接。
對數晶體管80#由n溝道MOS晶體管構成，其漏極和柵極和電源節點13連接，其源極和節點Na連接。即，對數晶體管80#的柵極電壓固定在電源電壓Vdd。
復位晶體管90#由p溝道MOS晶體管構成，電連接到復位電壓節點18#和節點Na之間。復位晶體管90#的柵極，和供給復位脈沖/RST的復位端子74#連接。復位脈沖/RST是和復位脈沖RST有相反極性的信號，是每隔規定周期在固定期間激活到L電平的信號。
復位電壓節點18#供給的復位電壓VRH設為電源電壓Vdd以下，而且為電源電壓Vdd附近。即，Vss＜VRH≤Vdd，而且是VRH/Vdd。與實施例3說過的同樣，復位電壓VRH最好使在剛復位工作之后對數晶體管80#在弱反型區工作那樣決定。
在象素電路150#中，n溝道MOS晶體管34和35的各柵極和節點Na連接。所以，借助于包括n溝道MOS晶體管34、35和對數晶體管80#構成的電流發生電路30c#，在節點Nb和輸出節點No各自發生與光電流I0對應的電流I1和I2。
即使在象素電路150#中，因為節點Nb也經過電阻分量40，和至少1個相鄰的象素電路中的節點Nb電連接，所以通過經由電阻分量40連接的象素電路間的電流I1的分流和合成，在節點Nb，通過與互相被連接的外圍象素電路的平均受光量對應的電流I3。
在象素電路150#中，p溝道MOS晶體管32和33的各柵極和節點Nb連接。所以，借助于由p溝道MOS晶體管32和33構成的電流鏡像電路30b#，在輸出節點No發生與節點Nb的通過電流I3對應的電流I4。
在這里，說明圖13中所示的象素電路150#的構成和本發明結構的對應關系，電流發生電路30c#和本發明中的「第1電流發生電路」相對應，電流鏡像電路30b#和本發明的「第2電流發生電路」相對應。而且在圖10的結構中，接地節點14和「第1電源節點」相對應，電源節點13和「第2電源節點」相對應。即，p溝道MOS晶體管80#和本發明(特別是權利要求7)的「第1晶體管」相對應，n溝道MOS晶體管34和35分別和本發明(特別是權利要求7)的「第2晶體管」和「第3晶體管」相對應，p溝道MOS晶體管32和33分別和本發明(特別是權利要求7)的「第4晶體管」和「第5晶體管」相對應。
其結果，在輸出端子15產生的輸出電壓Vout，和圖10中所示的象素電路150同樣，是與成為與自身象素電路150中的光電流I0對應的電流I2和與包括自身的外圍象素電路的平均受光量對應的電流I4的差電流的輸出電流Io對應的值，即與在象素電路150自身中的受光量和在包括自身的外圍象素的平均受光量之差對應的值。
所以，即使在按照實施例3的變形例的象素電路150#中，也能享受和按照實施例3的象素電路150同樣的效果。即，按照在各象素電路中配置單個光電二極管(光電檢測器件)的結構，在實現寬廣的受光靈敏度范圍和高對比度的檢測的同時，通過配置對數晶體管80#和復位晶體管90#，就能一面確保寬廣的攝像范圍一面提高低照度區的攝像靈敏度，同時既抑制余像又構成響應快的象素電路。還有，即使在象素電路150#中，通過適當地設計p溝道MOS晶體管32、33和n溝道MOS晶體管34、35的電流驅動能力(晶體管尺寸)，使放大光電流I0那樣發生電流I1～I4，就能提高防噪聲性能。
在這里，關于在圖10和圖13中各自表示的象素電路150和150#，比較其防模糊性能。
眾所周知，所謂模糊，就是在非常強烈的光入射到光電二極管的情況下，由于在固定偏壓側電極發生的少數載流子和多數載流子復合并消失之前流到相鄰象素，發生假信號的現象。因此，固定偏壓側電極少數載流子的壽命短就是防模糊性能方面優良的結構。
在象素電路150(圖10)中，因為將陰極(n極)固定偏壓到電源電壓Vdd，所以固定偏壓側電極的少數載流子是空穴。相反，在畫素電路150#(圖13)中，因為將陽極(p極)固定偏壓到接地電壓Vcc，所以固定偏壓側電極的少數載流子是電子。注意載流子遷移率的話，因為空穴比電子的遷移率小，所以有效的壽命空穴也較短。因此，把壽命相對較短的空穴設為固定偏壓側電極的少數載流子的象素電路150，就該在防模糊性能方面更優越。即，實施例3及其變形例各自的象素電路150和150#，對于光電流—輸出電壓的光電轉換方面有同樣的功能和效果，至于防模糊性能，實施例3的象素電路150方面則更優越。
參照圖14，按照實施例3的變形例的其他結構例的象素電路155#，和圖13中所示的象素電路155的結構比較，在節點Na和電源節點13之間串聯連接多個對數晶體管80#和82這一點不同。
對數晶體管82#由n溝道MOS晶體管構成，并連接到也在圖13示出的對數晶體管80#和節點Na之間。對數晶體管82#的源極和節點Na連接，柵極和漏極則和對數晶體管80#(nMOS)的源極連接。即，對數晶體管80#的源極經過對數晶體管82#和節點Na電連接，對數晶體管82#的漏極經過對數晶體管80#和電源節點13電連接。對數晶體管82#，有和對數晶體管80#一樣的Vds-Ids特性。
通過作成這樣的結構，在象素電路155#中，能比較象素電路155大約2倍把光電流I0轉換為電壓Va的光電轉換率(ΔVa/ΔI0)。所以，象素電路155#，只增大添加對數晶體管82#的布局面積，就能比象素電路155實質上提高靈敏度，可在更低照度下攝像。
還有，圖14中所示的象素電路155#中，雖然說明了在節點Na和電源節點13之間串聯連接2個對數晶體管的結構，但是串聯連接3個或3個以上任意多個對數晶體管的結構也行。
實施例4在實施例4中，作為按照實施例3及其變形例的象素電路所示的復位晶體管，說明有關應用可調制增益系數β的場效應晶體管(以下，稱為可變增益晶體管)的結構。
參照圖15，按照實施例4的象素電路160，和按照實施例3的象素電路150(圖10)比較，以具備復位晶體管95來替代復位晶體管90的這一點不同。
復位晶體管95由p溝道型的可變增益晶體管構成。如以下說明的那樣，可變增益晶體管除和正常場效應晶體管一樣的柵極(以下，稱為“正常柵極”)、源極和漏極外，還有控制柵極CG，其增益系數β隨控制柵極CG的電壓(向以下，簡單稱“控制柵極電壓”)而變化這一點為特征。
(關于可變增益晶體管的說明)首先，詳細地說明可變增益晶體管的原理和工作。
圖16A是表示可變增益晶體管(n溝道型)的第1結構例圖，圖16B是圖16A的XVIB-XVIB線剖面圖。
在圖16A、B所示的、n溝道型可變增益晶體管200中，在p型硅襯底PB的表面上通過絕緣膜形成帶狀的正常柵極GR，進而像覆蓋正常柵極GR那樣通過絕緣層形成控制柵極CG。傾斜配置控制柵極CG，使其對正常柵極GR成角度θ。
其長邊中央部在和正常柵極GR垂直的矩形區域注入n型雜質，在柵極GR、CG的一側形成源區SR，在柵極GR、CG的另一側形成漏區DR。正常柵極GR、控制柵極CG、源區SR和漏區DR各自通過接觸孔CH和其他節點連接。可變增益晶體管200具有正常柵極GR的柵極長度Lr和柵極寬度Wr和正常柵極GR和控制柵極CG的角度θ作為參數。
圖17A、B是表示可變增益晶體管的β調制的原理圖。在設定控制柵極電壓使得控制柵極CG下的溝道的電導和正常柵極GR相同或其以下的場合，圖17A畫有斜線的部分是有效的柵極區。即，因為有效柵極長度L將比正常柵極GR的柵極長度Lr還長，有效的柵極寬度W將比正常柵極GR的柵極寬度Wr還狹，所以增益系數β∞W/L降低。
另一方面，在設定控制柵極電壓，使控制柵極CG下的溝道電導比正常柵極GR充分大的場合，圖17B畫有斜線的部分是有效柵極區。即，有效的柵極長度L和柵極寬度W成為和正常柵極GR的柵極長度Lr和柵極寬度Wr相同，使增益系數β上升。
這樣，采用根據控制柵極電壓控制控制柵極CG下溝道的電阻值(電導)的辦法，調制正常柵極GR下溝道受到的溝道方向的電場方向，改變有效的柵極長度和柵極寬度。由此，可變增益晶體管200的增益系數β，隨控制柵極電壓連續變化。還有，增益系數β的調制范圍，可由上述器件形狀參數Wr、Lr、θ來進行設定。
還有，在圖16A、B中，雖像覆蓋正常柵極GR那樣傾斜地設置控制柵極CG，但也可以除去控制柵極CG當中正常柵極GR上方的一部分，也可以設置帶狀的控制柵極CG使之覆蓋斜設置的正常柵極GR，也可以設置帶狀的控制柵極CG使之覆蓋く字型的正常柵極GR(參照國際專利公開WO02/059979號公報)或者，如以下說明那樣，對于控制柵極CG，不是和正常柵極GR交叉的斜線形狀，而也可以以矩形狀設置。
從圖18到圖20是說明可變增益晶體管的第2結構例圖。
參照圖18，把沿矩形的正常柵極GR的柵極長度方向和沿著柵極寬度方向分別定義為X方向和Y方向。即，正常柵極GR，有只由沿著X方向和Y方向垂直的直線組包圍的平面形狀(矩形形狀)。如圖19所示，正常柵極GR的平面形狀，作為形狀參數表現柵極長度L和柵極寬度W。
在可變增益晶體管210中，控制柵極CG也有只以沿著X方向和Y方向的直線組包圍的平面形狀(矩形形狀)。在正常柵極GR、漏區DR、源區SR和控制柵極CG上設置用于引出電極的接觸孔CH。
在漏區DR和源區SR之間的區域，由正常柵極GR形成溝道區201，由控制柵極CG形成溝道區202。要這樣配置正常柵極GR和控制柵極CG，使溝道區201和溝道區202有幾何學上的連續性。
控制柵極CG的柵極長度不是一樣的，但是控制柵極CG沿柵極寬度方向(Y方向)的至少一部分有柵極長度成為不連續的形狀。而且要將控制柵極CG設置為，使在漏區DR和源區SR之間的區域，以平面來看和正常柵極GR至少部分地重疊。
作為一個例子，控制柵極CG具有像有2種溝道長的I型平面形狀。將I型形狀的控制柵極CG設置為，使在漏區DR和源區SR之間的區域，以平面來看覆蓋矩形狀的正常柵極GR。如圖20所示，控制柵極CG的I型形狀，以局部的柵極寬度W1、W2、W3和局部的柵極長度L、L2、L3(在可變增益晶體管210中L3＝L1)的形狀參數來表達。
其次，說明對可變增益晶體管210的增益系數β的調制。
參照圖21，在可變增益晶體管210中，在正常柵極GR和漏區DR及源區SR之間，控制柵極CG下的溝道區202實質上形成凹型。使由正常柵極GR形成的溝道區201和由控制柵極CG形成的溝道區202合并后的全體溝道區220，實質上現在形成I型。
因為存在正常柵極GR和控制柵極CG的雙方，所以全體溝道區220上產生的電場，隨控制閃極CG下的溝道電導而改變。即，該電場嚴密地按控制柵極電壓和給正常柵極GR的施加電壓(以下，稱為“正常柵極電壓”)之比，實質上隨控制柵極電壓而改變。
在控制柵極CG的溝道電導足夠高的情況下，在全體溝道區220上產生的電場矢量，如圖21虛線270所示，沿著X方向成為一樣。其結果，全體溝道區220的等效溝道寬度和溝道長度，是跟正常柵極GR的柵極長度L和柵極寬度W相同。
相反，在控制柵極CG下的溝道電導足夠低的情況下，在全體溝道區220上產生的電場矢量，如圖21實線271所示，按控制柵極CG柵極長度的非一致性分割后的區域261、262和263之間變成非一致。具體說，在柵極長度相對地短的區域262，和虛線271同樣沿著X方向產生電場矢量，另一方面，在柵極長度相對長的區域261、263中，隨著電場的部分的、局部的變化而產生電場的蔓延。
因此，在區域261、263，因為柵極長度相對地變長，所以在柵極長度相對地短的區域262的電場，比區域261、263要大。即，在全體溝道區220中，形成由相對強的電場區262和弱電場區261、263構成的非一致效電場。在可變增益晶體管210中，這樣的部分的、局部的電場變化產生，使溝道電阻部分地變化，就會在溝道區內發生電場強度差。
其結果，弱電場區261、263的電導g1、g3，比強電場區262的電導g2相對地減小。因為溝道區202的電導由并聯連接的、區域261、262和263的各自電導g1、g2和g3之和來表示，所以在這種情況下，全體溝道區220的電導，比在全體形成同樣電場的情況，即比控制柵極下的溝道電導足夠高的情況要小。
所以，在控制柵極CG下的溝道電導足夠低的情況下，全體溝道區220的電導，即可變增益晶體管210的增益系數成為最小值βmin。這種場合的、全體溝道區220的有效柵極長度Lgc與柵極寬度Wgc之比(Wgc/Lgc)，比正常柵極GR的柵極長度和柵極寬度之比(W/L)要小。即，就是由溝道區內產生的電場強度差引起，對全體溝道區220的有效柵極長度和柵極寬度被調制。
另一方面，在控制柵極CG下的溝道電導足夠高的情況下，全體溝道區220成為一樣強的電場區，全體溝道區220的電導，即可變增益晶體管210的增益系數就成為最大值βmax。這樣，在全體溝道區220內，按正常柵極電壓和控制柵極電壓之比產生以虛線170表示的與最小增益系數βmin相對應的電場(包括蔓延在內最大)、以實線171表示的與最大增益系數β向Max相對應的電場(與X方向一致)或者兩者中間狀態的電場。特別是，這種中間狀態的電場，隨正常柵極電壓和控制柵極電壓之比，模擬變化。
還有，在n溝道型的可變增益晶體管210中，隨控制柵極電壓Vgc低而溝道區202的電導變低。另一方面，在p溝道型的可變增益晶體管210中，隨控制柵極電壓Vgc高而溝道區202的電導變低。
這樣，對于可變增益晶體管210，也能按照控制柵極電壓連續地調制增益系數。還有，增益系數β的調制范圍可根據上述形狀參數W1～W3、L1～L3等來設定。
或者，派生圖18所示的可變增益晶體管210，也能把控制柵極CG制成如圖22～圖24表示的形狀。
在圖22所示的可變增益晶體管250中，控制柵極CG是在沿Y方向的中央部分具有間斷部分那樣的非連續形狀，而且在正常柵極GR和平面上來看，形成重疊區的一部分。控制柵極CG因為在該欠缺部分其柵極長度和其他部分不同，所以按照和圖18所示的可變增益晶體管210的同樣機理，能按照控制柵極電壓調制可變增益晶體管250的增益系數β。
在圖23所示的可變增益晶體管260中，控制極CG被形成為具有T型平面形狀，而且T型形狀的控制柵極CG在漏區DR和源區SR之間的區域，平面上來看，設計成覆蓋正常柵極GR那樣。而且在圖24所示的可變增益晶體管280中，控制柵極CG，只在正常柵極GR和平面上來看，重疊區的中央部分沿著X方向形成橋狀，在其他部分具有作為非形成那樣的平面形狀。這樣，控制柵極CG即使是矩形形狀，通過設計成和正常柵極GR在平面上來看至少部分地重疊，而且沿著柵極寬度方向柵極長度部分地不同的形狀，可按照控制柵極電壓構成能調制增益系數β的可變增益晶體管。
從以上的說明可以理解，在n溝道型可變增益晶體管中，增益系數β隨控制柵極電壓的上升而增大，隨控制柵極電壓的降低而減小。另一方面，在p溝道型可變增益晶體管中，增益系數β隨控制柵極電壓的降低而增大，隨控制柵極電壓的上升而減小。
(按照實施例4的象素電路的動作)再參照圖15，在按照實施例4的象素電路160中，作為復位晶體管95而用上述的可變增益晶體管(n溝道型)，而且其控制柵極CG和節點Na連接。由此，復位晶體管95的增益系數β，即電流驅動力隨著節點Na的電壓Va變化。具體說，復位晶體管95的電流驅動力，隨電壓Va降低(接地電壓Vss一側)減小，隨電壓Va升高(電源電壓Vdd一側)增大。
由此，在復位脈沖RST的激活定時，節點Na在借助于對數晶體管80生成對應光電流I0的電壓Va的狀態下，借助于復位晶體管95驅動到復位電壓VRL(VRL Vcc)。所以，節點Na的電壓Va是否復原到復位電壓VRL，由對數晶體管80和復位晶體管95之一的電流驅動力相對地哪個大來決定。因此，是否響應復位脈沖RST執行復位操作，由節點Na的電壓決定。
圖25是表示象素電路160的工作波形圖。
圖25中，示出高照度情況下即對象素電路160的入射光強度很高情況下節點Na的電壓Va隨時間變化(一點劃線)和低照度的情況下即對象素電路160的入射光強度很低情況下電壓Va隨時間變化(實線)。復位脈沖RST，設定為在一定周期(圖25中時刻t0、t1、T2)在固定期間是激活狀態(H電平)。在初始狀態下電壓Va，設定為復原為復位電壓VRL。
在電壓Va高于臨界電壓Va0的情況下，復位晶體管95的電流驅動力比對數晶體管80的電流驅動力大。在這種情況下，如響應復位脈沖RST的激活而使復位晶體管95導通的話，電壓Va就復原為復位電壓VRL。
另一方面，在電壓Va低于臨界電壓Va0的情況下復位晶體管95的電流驅動力比對數晶體管80的電流驅動力小。在這種情況，即使響應復位脈沖RST的激活而使復位晶體管95導通的話，電壓Va也不會復原為復位電壓VRL。
臨界電壓Va0可以通過設計對數晶體管80的晶體管尺寸和可變增益晶體管的形狀參數，設定為復位電壓VRL與電源電壓Vdd之間的規定電壓。
高照度的情況(點劃線波形)下，因為光電二極管20中相對大的光電流I0流動，電壓Va迅速地上升，然而進入對數晶體管80的對數工作區時，電壓Vp的上升速度(斜率)變小。在即將到下一個復位定時之前，即在時刻t1之前進行讀出來自象素電路160的輸出電壓。
關于通過生成與電壓Va對應的電流I1、I2的輸出電壓Vout的生成，即對于從電壓Va到輸出電壓Vout的變換工作，因為與實施例3的象素電路150同樣，所以不再重復詳細說明。
讀出輸出電壓以后，在時刻t1，因為電壓Va升高到比臨界電壓VaO還高，復位晶體管95的增益系數β提高，因而響應復位脈沖RST的激活使復位晶體管95以高的電流驅動力導通，電壓Va復原為復位電壓VRL。在入射光照度水平同樣的情況下，在時間t1～t2也執行和時間t0～t1一樣的動工。
相反，在低照度的情況(實線波形)下，光電二極管20中相對地小的光電流I0流動，電壓Va緩慢地上升。因為沒有進入對數晶體管80的對數工作區，所以電壓Va大致以一定斜率上升。
就在時刻t1之前執行的輸出電壓的讀出以后，在時刻t1，因為電壓Va低于臨界電壓VaO，復位晶體管95的增益系數β低，所以盡管響應復位脈沖RST的激活復位晶體管95導通，但是電壓Va也不會復原到復位電壓VRL，電壓Va還是以一定斜率緩慢地上升。
輸出電壓的讀出，就在相當于下一個復位定時的時刻t2之前再次進行。在時刻t2，因為電壓Va高于臨界電壓VaO，復位晶體管95的增益系數β提高，所以響應復位脈沖RST的激活，復位晶體管95以高的電流驅動力導通，電壓Va復原為復位電壓VRL。
如以上那樣，在復位脈沖RST被激活的各復位定時，根據節點Na的電壓Va，即根據向象素電路160自身的入射光的照度，控制復位動作的實行。所以，在按照實施例4的象素電路160中，除實施例3的象素電路150起作用的效果外，可以在低照度時延長復位周期，等效地降低幀速率。
在一般的半導體攝像器件中，因為全部象素電路的幀速率設定為相同值，所以即使以某一幀速率(例如30幀/秒)在被攝影體的低照度區和高照度區兩處都能得到良好的圖像，但在提高幀速率的情況下攝像極限照度降低，低照度區的圖像暗黑無用。也就是，盡管使用廣闊動態范圍的半導體攝像器件能確保攝像可能照度帶寬，但不能確保攝像極限照度。這不只是高速攝像機等特定的應用中產生的問題，隨著近年來像素數增大的趨勢，也是所有半導體攝像器件的應用中產生的問題。
因此，在按照實施例4的象素電路160中，在入射光強度低的情況下通過等效地降低幀速率，即使在低照度區也能確保充分的光量得到降低攝像極限照度的新效果。
實施例4的變形例參照圖26，按照實施例4的第1變形例的象素電路165，在圖12所示的象素電路155中，是用由n溝道型可變增益晶體管構成的復位晶體管95置換由正常的n溝道MOS晶體管構成的復位晶體管90的結構。
這樣，即使在串聯連接多個對數晶體管的結構中，和象素電路160同樣，采用由n溝道型可變增益晶體管構成復位晶體管的辦法，可使各象素電路的幀速率隨入射光強度變化。其結果，在圖26所示的象素電路165中，除象素電路155起作用的效果外，因為即使低照度區也能得到充分的光量，所以能降低攝像極限照度。
參照圖27，按照實施例4的變形例2的象素電路160#，在圖13所示的象素電路150#中，是把由正常的p溝道MOS晶體管構成的復位晶體管90#換成p溝道型可變增益晶體管構成的復位晶體管95#的結構。
在象素電路150#、160#中光電二極管20的連接狀態下，節點Na的電壓Va因為以電源電壓Vdd附近的復位電壓VRH進行復位，所以復位動作后的電壓Va，在入射光照度高就降低(接地電壓Vss一側)，入射光的照度低則提高(電源電壓Vdd一側)。因此，采用將構成復位晶體管95#的p溝道型可變增益晶體管的控制柵極CG和節點Na連接的辦法，復位晶體管95#的電流驅動力，電壓Va高(即低照度)就驅動力小，電壓Va低(即高照度)則大。
所以，即使在象素電路1660#的結構中，和象素電路160同樣，通過按照入射光照度控制復位動作的執行，就可在低照度的象素電路中延長復位周期，等效降低幀速率。由此，在圖27所示的象素電路160#中，除象素電路160起作用的效果外，即使低照度區也能得到充分的光量，能降低攝像極限照度。
參照圖28，按照實施例4的變形例3的象素電路165#，是在圖14所示的象素電路155#中，把由正常的p溝道MOS晶體管構成的復位晶體管90#換成由p溝道型可變增益晶體管構成的復位晶體管95#的結構。
這樣，即使在串聯連接多個對數晶體管的結構中，也和象素電路160#同樣，采用由p溝道型可變增益晶體管構成復位晶體管的辦法，可使各象素電路中的幀速率隨入射光強度變化。其結果，在圖28所示的象素電路165#中，除象素電路155#起作用的效果外，因為即使低照度區也能得到充分的光量，所以能降低攝像極限照度。
還有，在實施例3以后說明的象素電路150、155、150#、155#、160、165、160#、165#中，都在輸出端子15的后級附加圖5所示的輸出選擇電路60，成為可按照行選擇和列選擇，能讀出輸出電壓Vout的結構。例如，行列狀配置由這些象素電路和輸出選擇電路60的組合所構成的各象素，可以構成與圖4所示同樣的半導體攝像器件。
還有，關于從象素電路讀出輸出電壓Vout的結構和通過象素陣列排列的半導體攝像器件的結構辦法，不限于如上述那樣的機構，也可以應用任意結構。
而且關于由電源節點13和接地節點14所供給的電源電壓Vdd和接地電壓Vss，也能應用任意電壓。特別是，只要是可反偏置光電二極管的范圍，也可以是以供給接地電壓Vss以外的規定電壓的電源節點置換接地節點14的結構。
如以上那樣，本發明的半導體攝像器件，作為有高視覺檢測能力的攝像器件可在各種各樣的狀況下使用，能用于包括屋外的監視用攝像機和車載用攝像機等。并且，因為能縮小像素電路的尺寸，所以適合多像素化，同時也適合于裝入便攜式機器。
雖詳細地說明并示出本發明，但僅僅是為了舉例，而不是限定，顯然可以理解本發明的構思和范圍只由附加的權利要求范圍來限定。
權利要求
1.一種半導體攝像器件，其特征在于，包括多個象素電路，各所述象素電路包括在第1節點產生和受光量相對應的光電流的光電檢測器件；與所述第1和第2節點以及所述輸出節點連接的第1電流發生電路，使得在發生和流過所述第1節點的所述光電流相對應的第1電流和第2電流的同時，使所述第1電流和所述第2電流各自流向第2節點和輸出節點；以及與所述第2節點與所述輸出節點連接的第2電流發生電路，使得在發生和作為所述第2節點的通過電流的第3電流相對應的第4電流的同時，使所述第2電流與所述第4電流的差電流流過所述輸出節點，所述半導體攝像器件還具備用于電連接各所述象素電路的所述第2節點和相鄰的所述象素電路的至少1個中的所述第2節點的象素間連接部。
2.按照權利要求1所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述象素間連接部，包括在不同的所述象素電路中的所述第2節點之間連接的電阻分量。
3.按照權利要求1所述的半導體攝像器件，其特征在于，將所述第1電流發生電路設計為，使得所述第1和第2電流大于所述光電流。
4.按照權利要求1所述的半導體攝像器件，其特征在于，各所述象素電路還包括用于得到所述輸出節點的通過電流的積分值的積分電路，以及用于復原所述積分值的復位電路。
5.按照權利要求1所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述第1電流發生電路具有電連接到供給第1規定電壓的第1電源節點與所述第1節點之間的第1晶體管，電連接到所述第1電源節點與所述第2節點之間的第2晶體管，和電連接到所述第1電源節點與所述輸出節點之間的第3晶體管；所述第2電流發生電路具有電連接到和供給所述第1規定電壓不同的第2規定電壓的第2電源節點與所述第2節點之間的第4晶體管，電連接到所述輸出節點與所述第2電源節點之間的第5晶體管；從所述第1到第3晶體管的各控制電極，和所述第1節點電連接，所述第4和第5晶體管的各控制電極，和所述第2節點電連接。
6.按照權利要求5所述的半導體攝像器件，其特征在于，各所述象素電路還包括和所述輸出節點電連接的電容器，以及電連接到供給規定的復位電壓的節點和所述輸出節點之間的、復位時接通的第6晶體管。
7.按照權利要求1所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述光電檢測器件，由逆偏置那樣電連接到供給第1規定電壓的第1電源節點和所述第1節點之間的光電二極管構成；所述第1電流發生電路包括電連接到和供給所述第1規定電壓不同的第2規定電壓的第2電源節點與所述第1節點之間，使在所述第1節點發生和所述光電流相對應的電壓的第1晶體管，電連接到所述第1電源節點和所述第2節點之間，而且其控制電極和所述第1節點電連接的第2晶體管，電連接到所述第1電源節點和所述輸出節點之間，而且其控制電極和所述第1節點電連接的第3晶體管；所述第2電流發生電路包括電連接到所述第2電源節點和所述第2節點之間，而且其控制電極和所述第2節點電連接的第4晶體管，電連接到所述第2電源節點和所述輸出節點之間，而且其控制電極和所述第2節點電連接的第5晶體管。
8.按照權利要求7所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述第1規定電壓高于所述第2規定電壓，所述第1晶體管是由柵極和漏極互相連接，而且源極和所述第1節點電連接的p溝道型場效應晶體管構成，所述光電二極管的陰極和所述第1電源節點電連接，同時其陽極和所述第1節點電連接。
9.按照權利要求7所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述第1規定電壓低于所述第2規定電壓，所述第1晶體管是由柵極和漏極互相連接，而且源極和所述第1節點電連接的n溝道型場效應晶體管構成，所述光電二極管的陰極和所述第1節點電連接，其陽極和所述第1電源節點電連接。
10.按照權利要求8或9所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述場效應晶體管多個串聯連接到所述第2電源節點和所述第1節點之間。
11.按照權利要求7所述的半導體攝像器件，其特征在于，各所述像素電路還具備設于供給規定復位電壓的電壓節點和所述第1節點間的，用于以規定周期工作把所述第1節點和所述電壓節點電連接的復位電路，所述復位電壓決定于所述復位電壓與所述第2規定電壓的電壓差，成為與所述第1晶體管的弱反型區相對應的柵極—源極間電壓范圍內的電壓。
12.按照權利要求7所述的半導體攝像器件，其特征在于，還包括設于供給規定復位電壓的復位電壓節點和所述第1節點間，以規定周期工作的復位電路，所述復位電路，在各工作時，按照在該時刻的所述第1節點的電壓與所述復位電壓的電壓差，決定實行或不實行把所述第1節點電壓設定到所述復位電壓的復位動作。
13.按照權利要求12所述的半導體攝像器件，其特征在于，在所述象素電路中，所述第1規定電壓高于所述第2規定電壓，所述光電二極管的陰極和所述第1電源節點電連接，其陽極和所述第1節點電連接，所述復位電路包括，連接到所述復位電壓節點和所述第1節點之間，隨控制柵極的電位上升而其增益系數模擬地增大的n溝道可變增益晶體管，所述n溝道可變增益晶體管的正常柵極，接收按照所述規定周期以固定期間激活到邏輯高電平的復位信號，而且其所述控制柵極和所述第1節點電連接。
14.按照權利要求12所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述第1規定電壓低于所述第2規定電壓，所述光電二極管的陰極和所述第1節點電連接，同時其陽極和所述第1電源節點電連接，所述復位電路包括，連接到所述復位電壓節點和所述第1節點之間，隨控制柵極的電位下降而其增益系數模擬地增大的p溝道可變增益晶體管，所述p溝道可變增益晶體管的正常柵極，接收按照所述規定周期以固定期間激活到邏輯高電平的復位信號，而且其所述控制柵極和所述第1節點電連接。
15.按照權利要求12至14任一項所述的半導體攝像器件，其特征在于，所述復位電壓決定于所述復位電壓與所述第2規定電壓的電壓差成為和所述第1晶體管的弱反型區相對應的柵極—源極間電壓范圍內的電壓。
全文摘要
本發明揭示一種可感知的、光接收范圍寬的半導體攝像器件。半導體攝像器件的像素電路各自具備光電檢測器件和作為電流發生電路而設置的第1和第2的電流鏡像電路。光電檢測器件在結點Na產生與受光量對應的光電流。第1電流鏡像電路使與光電流對應的第1和第2的電流各自流向內部結點和輸出結點。第2電流鏡像電路被連接為，使其發生與內部結點的通過電流的第3電流對應的第4電流，同時使第2電流與第4電流的差電流流到輸出結點。各像素電路的內部結點通過構成像素間連接部分的電阻分量，和相鄰的像素電路中的至少一個內部結點電連接。輸出電流成為和自身的光電流與外圍像素上的平均受光量對應的第3電流的相對之差對應的電流。
文檔編號H04N5/369GK1619829SQ20041010234
公開日2005年5月25日 申請日期2004年10月29日 優先權日2003年10月30日
發明者廣津總吉, 廣津壽一 申請人:廣津總吉