固态成像设备、驱动其的方法、以及使用其的电子装置.pdf

在此公开了一种固态成像设备，包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分，其具有第一电荷累积部分、第二电荷累积部分以及第三电荷累积部分，多个像素晶体管；扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且扫描低照度信号和高照度信号的读出；以及算术运算处理部分，在低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号。

权利要求书一种固态成像设备，包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分包括第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，以及多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。如权利要求1所述的固态成像设备，其中通过绝缘膜，在所述第一电荷累积部分的上部上形成电势调整电极，以及所述第一电荷累积部分具有电荷耦合器件结构。如权利要求2所述的固态成像设备，还包括：第一迁移晶体管，迁移所述光电转换部分中累积的信号电荷；第二迁移晶体管，将所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分；以及第三迁移晶体管，将所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷迁移到所述第三电荷累积部分，其中，形成所述第二迁移晶体管的第二迁移栅极部分的电势，以便比所述第三迁移晶体管的第三迁移栅极部分的电势更深。如权利要求3所述的固态成像设备，其中多个像素共有多个像素晶体管的部分。如权利要求4所述的固态成像设备，还包括：相关双采样电路，其中所述相关双采样电路在读出低照度信号之前读出所述第三电荷累积部分的重置电势，并且从低照度信号减去相关的重置电势，从而从低照度信号移除固定模式噪声和重置噪声，以及所述相关双采样电路还在读出高照度信号之后读出所述第一到第三电荷累积部分的重置电势，并且从高照度信号减去相关的重置电势，从而从高照度信号移除固定模式噪声。如权利要求1所述的固态成像设备，其中所述算术运算处理部分包括选择单元，当低照度信号没有饱和时选择低照度信号，并且当低照度信号饱和时选择高照度信号，以及所述算术运算处理部分从选择的低照度信号或高照度信号之一减去伪信号。如权利要求6所述的固态成像设备，其中所述选择单元在根据信号的累积量将低照度信号切换到高照度信号之前的时间点，选择通过以预定比率将低照度信号和高照度信号相互相加获得的值，并且从如此选择的值减去伪信号。一种驱动固态成像设备的方法，所述固态成像设备包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分包括第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；所述驱动方法包括：对于所有像素同时开始曝光，在曝光结束之后，对于所有像素将在曝光时间段期间从所述光电转换部分溢出到所述第一电荷累积部分的信号电荷同时迁移到所述第二电荷累积部分，然后将在所述光电转换部分中累积的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分；对于读出时间段，获取在所述第三电荷累积部分中累积的伪信号；获取在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号；与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起获取在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号；以及从低照度信号和高照度信号两者减去伪信号，以计算在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换获得的信号量。如权利要求8所述的驱动固态成像设备的方法，其中通过从将低照度信号或高照度信号乘以系数获得的值减去将伪信号乘以校正系数获得的值，获得在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换生成的信号量。如权利要求8所述的驱动固态成像设备的方法，其中在读出低照度信号之前，读出所述第三电荷累积部分的重置电势，并且从低照度信号减去重置电势，从而从低照度信号移除固定模式噪声和重置噪声，以及在读出高照度信号之后，读出所述第一到第三电荷累积部分的重置电势，并且从高照度信号减去重置电势，从而从高照度信号移除固定模式噪声。如权利要求8所述的驱动固态成像设备的方法，其中在计算在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换生成的信号量时，当低照度信号没有饱和时选择低照度信号，当低照度信号饱和时选择高照度信号，并且从选择的低照度信号或高照度信号之一减去伪信号。如权利要求11所述的驱动固态成像设备的方法，其中在根据信号的累积量将低照度信号切换到高照度信号之前的时间点，选择通过以预定比率将低照度信号和高照度信号相互相加获得的值，并且从如此选择的值减去伪信号。一种电子装置，包含固态成像设备，所述固态成像设备包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分包括第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。

说明书固态成像设备、驱动其的方法、以及使用其的电子装置
技术领域
本公开涉及固态成像设备，并且更具体地涉及CMOS（互补金属氧化物半导体）型固态成像设备、驱动该固态成像设备的方法、以及使用该固态成像设备的电子装置。
背景技术
通常的CMOS型固态成像设备具有用于每个像素行连续扫描二维排列的像素阵列的机制，从而从像素阵列读出像素信号。在通过行顺序扫描用于每个像素行的累积时间段中生成时间延迟，从而导致称为焦平面变形的现象，其中在捕获运动被摄体的图像的阶段捕获的图像变形。
在捕获以高速运动的被摄体的图像时，对于其不能允许这样的图像变形，并且在要求捕获图像的同时性的感测使用应用中，为了实现对于像素阵列的累积时间段的同时性的目的，提出了全局快门功能。全局快门功能是这样的功能，其通过所有行同时重置用于像素阵列中的光电二极管的驱动，同时开始像素阵列的整个表面中的累积，并且通过在前行同时迁移用于诸如浮置扩散的电荷累积部分的驱动，同时结束像素阵列中整个表面中的累积。
即使通过在此情况下（同样，在具有全局快门功能的CMOS型固态成像设备中）执行读出操作，通常地，也需要累积信号电荷直到在诸如浮置扩散的电荷累积部分中读出信号电荷的阶段。为此，导致直到读出信号电荷的阶段，在诸如浮置扩散的电荷累积部分中保持的信号电荷通过由于浮置扩散本身中电荷的泄漏和光电转换导致的噪声（这些噪声称为伪信号）而劣化。
另一方面，在日本专利特开No.2006‑108889中公开的技术提出了一种配置，其中针对校正的仅从浮置扩散生成伪信号而不保持累积的信号电荷的像素，与累积并且保持信号电荷直到读出阶段的像素分开使用。在此情况下，通过从自执行信号电荷的累积和保持的像素读出的信号减去从针对校正的附近像素读出的伪信号，执行校正。
发明内容
现在，为了获得具有累积时间段的同时性的极好图像，技巧是在累积结束之后在电荷累积部分中保持的信号中，如何校正生成的伪信号直到信号电荷的读出阶段。如上所述，日本专利特开No.2006‑108889公开了例如每个针对仅获得伪信号的像素，与每个执行信号电荷的累积的像素分开在行或列中交替布置，并且从来自执行累积的附近像素的读出信号减去其中获得的伪信号。
伪信号主要由两个分量构成。两个分量之一源自与时间成比例增加的电荷的泄漏分量。另一个源自在诸如浮置扩散的电荷累积部分本身中的光电转换。在此情况下，通过利用附近像素的伪信号具有相互关联，通过使用在附近提供并且针对校正的像素，校正用于电荷累积的像素。
然而，仅获得伪信号而不执行累积的像素最终仅用作校正信号，因此作为图像信号没有贡献。也就是说，例如当每个针对校正的像素在行或列中交替布置时，每个执行累积的有效像素的数目最终减半。因此，可能导致不可能获得与像素的总数可比拟的分辨率。
鉴于上述问题已经做出了本公开，并且因此希望提供一种固态成像设备，其能够减少伪信号的数目而不损害有效像素的数目，以便获得具有累积时间段的同时性的极好图像，并且其具有减少像素面积的全局快门功能。还希望提供驱动该固态成像设备的方法以及使用该固态成像设备的电子装置。
为了实现上述希望，根据本公开的实施例，提供一种固态成像设备，包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分，其具有第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。
在根据本公开实施例的固态成像设备中，高照度信号迁移到第二电荷累积部分，并且低照度信号迁移到第一电荷累积部分。此外，在读出时间段中对于每行的读出阶段中，在低照度信号的读出之前，读出在第三电荷累积部分中累积的伪信号。然后，通过使用伪信号校正低照度信号和高照度信号的信号量。
根据本公开的另一实施例，提供一种驱动上述固态成像设备的方法，所述驱动方法包括：对于所有像素同时开始曝光，在曝光结束之后，对于所有像素将在曝光时间段期间从所述光电转换部分溢出到所述第一电荷累积部分的信号电荷同时迁移到所述第二电荷累积部分，然后将在所述光电转换部分中累积的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分；对于读出时间段，获取在所述第三电荷累积部分中累积的伪信号；获取在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号；与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起获取在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号；并且从低照度信号和高照度信号两者减去伪信号，以计算在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换获得的信号量。
在根据本公开的另一实施例的驱动固态成像设备的方法中，高照度信号迁移到第二电荷累积部分，并且低照度信号迁移到第一电荷累积部分。此外，在读出时间段中对于每行的读出阶段中，在读出低照度信号之前，读出在第三电荷累积部分中累积的伪信号。然后，通过使用伪信号校正低照度信号和高照度信号的信号量。
根据本公开的又一实施例，提供一种电子装置，具有固态成像设备，所述固态成像设备包括：光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分，包括第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，以及多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。
如上所述，根据本公开的实施例，在具有全局快门功能的固态成像设备中扩大了动态范围。此外，通过使用伪信号校正信号量，从而使得可能获得极好的图像。此外，通过使用相关固态成像设备，可以获得其中提高图像质量的电子装置。
附图说明
图1是示出根据本公开的第一实施例的CMOS型固态成像设备的整个配置的示意性框图；
图2是在电路中部分示出构成根据本公开的第一实施例的固态成像设备中的像素的部分的配置的平面图；
图3A和3B分别是沿着图2的线a‑a’取得的横截面视图，以及沿着图2的线b‑b’取得的横截面视图；
图4是示出根据本公开的第一实施例的固态成像设备中的单元像素的配置的电路图；
图5是示出单元像素的平面布局的示例的图；
图6是示出根据本公开的第一实施例的固态成像设备中使用的算术运算处理部分的配置的框图；
图7是说明驱动根据本公开的第一实施例的固态成像设备的方法的时序图；
图8A是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分1）；
图8B是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分2）；
图8C是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分3）；
图8D是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分4）；
图8E是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分5）；
图8F是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分6）；
图8G是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分7）；
图8H是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分8）；
图8I是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分9）；
图8J是示出对于单元像素从曝光到读出电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图（部分10）；
图9A和9B分别是示出在对于所有像素同时结束迁移之后，直到从属于各个行的像素读出像素信号，在属于各个行的像素中生成的伪信号的累积量的图；
图10是示出信号的累积量和低照度信号与高照度信号的输出信号之间的关系的图形表示；
图11是示出根据修改示例的固态成像设备中的算术运算处理部分的配置的框图；
图12是示出信号的累积量和在根据修改示例的算术运算处理部分中处理的低照度信号与高照度信号的输出信号之间的关系的图形表示；
图13是说明根据本公开的第二实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图；
图14是说明在读出阶段中电子的移动以及电势的转变，并且对应于图13所示的时序图的横截面电势图；
图15是说明根据本公开的第三实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图；
图16是示出根据本公开的第四实施例的固态成像设备的像素配置的图；以及
图17是示出根据本公开的第五实施例的相机的示意性配置的框图。
具体实施方式
下文中将参照附图描述根据本公开的实施例的固态成像设备、驱动该固态成像设备的方法、以及使用该固态成像设备的电子装置。下面将根据以下顺序描述本公开的实施例。应该注意，本公开不限于下面将描述的实施例。
1．第一实施例：固态成像设备
1‑1．固态成像设备的配置
1‑2．固态成像设备的主要部分的配置
1‑3．驱动固态成像设备的方法
2．第二实施例：驱动固态成像设备的方法
3．第三实施例：驱动固态成像设备的方法
4．第四实施例：固态成像设备
5．第五实施例：电子装置
<1．第一实施例：固态成像设备>
[1‑1．固态成像设备的配置]
首先，将描述根据本公开的第一实施例的固态成像设备。
图1是示出根据本公开的第一实施例的CMOS型的固态成像设备的整体配置的示意性框图。
第一实施例的固态成像设备1包括像素阵列块2和外围电路块。在此情况下，像素阵列块2在由硅制作的基底9上形成。此外，外围电路块与像素阵列块2集成在相同基底9上。外围电路块例如由行扫描块3、恒流源块4、列信号处理块5、列扫描块6、输出处理块7、控制块8等构成。
像素阵列块2具有在行方向和列方向（即，以矩阵二维地）布置的单元像素（下文中在一些情况下简称为“像素”）。在此情况下，单元像素的每个包括光电转换元件，其配置为生成其量对应于入射光的数量的光电荷（光信号），并且在其中累积如此生成的光电荷。在此，行方向意味着在像素行中像素的布置方向（即，水平方向）。此外，列方向意味着在像素列中像素的布置方向（即，垂直方向）。稍后将描述单元像素的具体电路配置的细节。
在像素阵列块2中，对于矩阵状像素布置，像素驱动线11沿着每像素行的行方向布线，并且垂直信号线12沿着每像素列的列方向布线。当从像素读出信号时用于执行驱动的驱动信号通过像素驱动线11传输。尽管在图1中，像素驱动线11示出为一条布线，但是像素驱动线11中布线的数目不限于1。像素驱动线11的一端连接到行扫描块3的对应于每行的输出端子。
行扫描块3由移位寄存器、地址解码器等构成，并且对于所有像素同时或以行的增量驱动像素阵列块2的像素。也就是说，行扫描块3与控制行扫描块3的控制块8一起构成配置为驱动像素阵列块2的像素的驱动部分。尽管在此省略行扫描块3的具体配置的图示，通常，行扫描块3包括读出扫描系统和清除扫描系统的两个扫描系统。
读出扫描系统以行的增量连续选择和扫描像素阵列块2的单元像素，以便从单元像素读出信号。从单元像素读出的每个信号是模拟信号。清除扫描系统以快门速度的时间，对在读出扫描的预期中由读出扫描系统执行读出和扫描的读取行执行清除和扫描。
通过由清除扫描系统执行的清除和扫描，从属于读取行的单元像素的光电转换元件清除不需要的电荷，从而重置相关光电转换元件。此外，通过由清除扫描系统清除（重置）不需要的电荷，执行所谓的电子快门操作。在此，电子快门操作意味着丢弃在光电转换元件中累积的光电荷并且新开始曝光（开始光电荷的累积）的操作。
通过由读出扫描系统的读出操作读出的信号对应于在最后读出操作或电子快门操作中和之后入射光的量。此外，从通过最后读出操作的读出定时或通过电子快门操作的清除定时到通过当前读出操作的读出定时的时间段，变为用于在单元像素中的光电荷的累积的时间段（曝光时间段）。
从由行扫描块3选择和扫描的像素行的单元像素输出的信号每像素列通过各自垂直信号线12，输入到恒流源块4和列信号处理块5。恒流源块4具有每个像素列布置的恒流源40（参照图2）。偏置电流通过各自垂直信号线12从恒流源40提供到单元像素。
列信号处理块5按像素阵列块2的每个像素列，对于通过垂直信号线12从属于选择的行的像素输出的信号，执行预定信号处理。列信号处理块5中执行的信号处理例如包括诸如通过CDS（相关双采样）的噪声移除处理的信号处理、信号放大处理以及AD（模拟到数字）转换处理。
然而，在此示例的信号处理仅仅是示例，并且在列信号处理块5中执行的信号处理不限于此。列信号处理块5执行各种信号处理的一个或多个。在列信号处理块5中的信号处理是第一实施例的特征之一，并且稍后将描述其细节。
列扫描块6由移位寄存器、地址解码器等构成，并且按顺序选择对应于列信号处理块5的像素列的单元电路。通过由列扫描块6进行的选择扫描操作，在列信号处理块5中的每个单元电路经历信号处理的信号通过水平信号线按顺序提供到输出处理块7。
输出处理块7对于已经由列扫描块6选择以通过水平信号线10输入的信号执行预定处理，以输出得到的信号到基底9的外部。在输出处理块7中执行的处理在一些情况下可以仅包括缓冲，或者可以包括诸如在缓冲之前调整黑电平、以及对于每个像素列校正色散的各种信号处理。
控制块8包括定时发生器，配置为接收从基底9的外部给到其的时钟信号、用于指令操作模式的数据信号等，并且基于这些信号生成各种类型的定时信号。在控制块8中生成的各种定时信号提供到诸如扫描块3、列信号处理块5和列扫描块6的外围电路块，从而执行对于这些外围电路块的驱动和控制。
[1‑2.固态成像设备的主要部分的配置]
图2是在电路中部分示出构成根据本公开的第一实施例的固态成像设备1中的像素的部分的配置的平面图。图3A是沿着图2的线a‑a’取得的横截面视图，以及图3B是沿着图2的线b‑b’取得的横截面视图。图4是示出根据本公开的第一实施例的固态成像设备1中的单元像素的配置的电路图。
如图2到4所示，根据本公开的第一实施例的固态成像设备1包括在基底9上形成的光电转换部分（下文中称为“光电二极管PD”），以及第一到第三电荷累积部分41、28和18。此外，固态成像设备1还包括执行电荷的迁移和读出的第一到第三迁移晶体管13、15和17，第一和第二重置晶体管14和21，放大器晶体管19，以及选择晶体管20。
如图3A和3B所示，基底9由第一导电型的半导体基底（例如，n型半导体基底）构成。此外，由第二导电型的掺杂区域（例如，p型掺杂区）构成的阱区31形成在其上形成像素的基底9的前表面侧。光电二极管PD，第一到第三电荷累积部分41、28和18，以及构成形成像素的每个MOS晶体管的源极/漏极区域全部在p型阱区域31内形成。
光电二极管PD构成光电转换元件。光电二极管PD由在基底9的前表面上形成的p型半导体区域32、形成以便位于p型半导体区域32之下的n型半导体区域33、以及p型阱区域31构成。在第一实施例中，主光电二极管由p型半导体区域32和n型半导体区域33之间、以及p型阱区域31和n型半导体区域33之间的pn结构成。
对应于入射光的量的信号电荷在光电二极管PD中生成，并且在n型半导体区域33中累积。此外，在第一实施例中，在光电二极管PD中，在前表面侧上形成要作为空穴累积层的p型半导体区域32。因为在基底9和在基底9的前表面侧上形成的氧化物膜（未示出）之间的界面中生成的暗电流远离p型半导体区域32和n型半导体区域33之间的界面，所以抑制暗电流。
通过第一迁移晶体管13在邻近光电二极管PD的区域中形成第一电荷累积部分41。类似于光电二极管PD的情况，第一电荷累积部分41由在基底9的前表面侧上形成的p型半导体区域30、以及形成以便在p型半导体区域30之下的n型半导体区域29构成。在第一电荷累积部分41中，通过第一迁移晶体管13从光电二极管PD迁移的信号电荷在第一电荷累积部分41的n型半导体区域29中累积。此外，同样在第一电荷累积部分41中，因为在基底9的前表面上形成p型半导体区域30，所以抑制在基底9和基底9的前表面侧形上成的氧化物膜（未示出）之间的界面中生成的暗电流。
此外，通过绝缘膜（未示出），正好在其中形成第一电荷累积部分41的区域中的基底9上形成电势改变电极25。以这样的方式构造CCD（电荷耦合器件）结构，使得在第一电荷累积部分41上形成电势改变电极25，并且希望的电势改变脉冲SG提供到电势改变电极25，从而改变第一电荷累积部分41的电势。
通过第二迁移晶体管15在邻近第一电荷累积部分41的区域中形成第二电荷累积部分28。第二电荷累积部分28由在基底9的前表面侧上形成的高掺杂浓缩n型半导体区域构成。形成构成第二电荷累积部分28的n型半导体区域，以便变得在掺杂浓度上高于构成光电二极管PD和第一电荷累积部分41的n型半导体区域33和29的每个。第二电荷累积部分28构成其一个电势设为固定电势（例如，接地电势）的电容器22。
通过第三迁移晶体管17在邻近第一电荷累积部分41的区域中形成第三电荷累积部分18。第三电荷累积部分18由在基底9的前表面侧上形成的n型半导体区域构成。构成第三电荷累积部分18，以便具有与例如第二电荷累积部分28的掺杂浓度相等的掺杂浓度，并且构成所谓的浮置扩散部分。
第一迁移晶体管13包括由光电二极管PD构成的源极、由第一电荷累积部分41构成的漏极、以及通过栅极绝缘膜（未示出）在源极和漏极之间的基底9的区域上形成的第一迁移栅极电极24。当查看图4中示出的电路图时，第一迁移晶体管13连接到光电二极管PD的阴极侧，并且光电二极管PD的阳极侧例如连接到接地电源。
在第一迁移晶体管13中，第一迁移脉冲TRG提供到第一迁移栅极电极24，从而将光电二极管PD中累积的信号电荷迁移到第一电荷累积部分41。
第二迁移晶体管15包括由第一电荷累积部分41构成的源极、由第二电荷累积部分28构成的漏极、以及通过栅极绝缘膜（未示出）在源极和漏极之间的区域中在基底9上形成的第二迁移栅极电极26。要注意的是，当查看图4所示的电路图时，在第二电荷累积部分28中，在与第二迁移晶体管15侧相对侧的电势设为接地电势。此外，在第二迁移晶体管15的源极和漏极之间的基底9的区域的前表面上形成的第二迁移栅极部分26a由n型半导体区域构成，该n型半导体区域具有比构成光电二极管PD的n型半导体区域的掺杂浓度更低的掺杂浓度。
在第二迁移晶体管15中，第二迁移脉冲CG提供到第二迁移栅极电极26，从而将在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷迁移到第二电荷累积部分28。
第三迁移晶体管17包括由第一电荷累积部分41构成的源极、由第三电荷累积部分18构成的漏极、以及通过栅极绝缘膜（未示出）在源极和漏极之间的区域中在基底9上形成的第三迁移栅极电极27。在第三迁移晶体管17的源极和漏极之间的基底9的区域的前表面上形成的第三迁移栅极部分27a，由基底9的阱区域31构成。
在第三迁移晶体管17中，第三迁移脉冲FG提供到第三迁移栅极电极27，从而将在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷迁移到第三电荷累积部分18。
第一重置晶体管14包括由光电二极管PD构成的源极、连接到电源电压VDD的漏极（示出为图2中的漏极区域34）、以及在源极和漏极之间形成的第一重置栅极电极23。在第一重置晶体管14中，第一重置脉冲PRG提供到第一重置栅极电极23，从而将光电二极管PD的电势重置为电源电压VDD。
第二重置晶体管21包括由第三电荷累积部分18构成的源极、连接到电源电压VDD的漏极、以及在源极和漏极之间形成的第二重置栅极电极35。在第二重置晶体管21中，第二重置脉冲RST提供到第二重置栅极电极35，从而通过电源电压VDD将第三电荷累积部分18的电势重置到重置电压。
放大器晶体管19包括对其提供电源电压VDD的漏极、还用作选择晶体管20的漏极的源极、以及在源极和漏极之间形成的放大栅极电极36。在放大器晶体管19中，第三电荷累积部分18的电势提供到放大器栅极电极36。结果，对应于电势的像素信号输出到源极。
选择晶体管20包括还用作放大器晶体管19的源极的漏极、连接到垂直信号线12的源极、以及在源极和漏极之间形成的选择栅极电极37。在选择晶体管20中，选择脉冲SEL提供到选择栅极电极37，从而将选择晶体管20连接到垂直信号线12。源极跟随器电路配置有连接到垂直信号电路12的一端的恒流源40，从而将像素信号输出到垂直信号电路12。
尽管在图2以及图3A和3B中，第一和第二重置晶体管14和21、放大器晶体管19以及选择晶体管20的每个仅在平面视图或电路图中示出，并且省略其横截面结构，它们的每个由类似于任何其他晶体管的N沟道MOS晶体管构成。也就是说，构成第一和第二重置晶体管14和21、放大器晶体管19以及选择晶体管20的每个的源极/漏极区域由基底9的前表面上形成的n型半导体区域构成，并且每个栅极电极通过绝缘膜在基底9的前表面上形成。
图5是示出单元像素的平面布置的示例的图。在图5中省略放大器晶体管19和选择晶体管20的图示。
如图5所示，在第一实施例的固态成像设备1中，每个像素形成第一到第三电荷累积部分41、18和28，以便围绕对应于其形成晶体管的光电二极管PD。此外，第一重置晶体管14和第二重置晶体管21共有漏极区域34。
现在，在垂直信号线12的随后级中，配置为算术运算来自像素信号的噪声信号的算术运算处理部分在图1所示的列信号处理块5中形成。图6是示出在第一实施例的固态成像设备1中使用的算术运算处理部分50的配置的框图。
如图6所示，算术运算处理部分50包括第一存储器单元51、第二存储器单元52、第三存储器单元53、选择单元54和加法器55。在此情况下，第一存储器单元51在其中存储噪声信号Vn。第二存储器单元52在其中存储低照度信号Vs1。此外，第三存储器单元53在其中存储高照度信号Vs2。通过提供设置在高电平的采样脉冲SHN到第一存储器单元51，已经从垂直信号线12发送的噪声信号Vn存储在第一存储器单元51中。在从垂直信号线12发送的像素信号中，通过提供设置在高电平的采样脉冲SHS1到第二存储器单元52，将低照度信号Vs1存储在第二存储器单元52中。此外，在从垂直信号线12发送的像素信号中，通过提供设置在高电平的采样脉冲SHS2到第三存储器单元53，将高照度信号Vs2存储在第三存储器单元53中。
选择单元54选择用于输出第二存储器单元52中存储的低照度信号Vs1、以及通过将第三存储器单元53中存储的高照度信号Vs2乘以图像信号加法系数b获得的值之间的像素信号的值。
加法器55将通过将第一存储器单元51中存储的噪声信号Vn乘以校正系数a获得的值乘以减号获得的值，以及选择单元54中选择的值相互相加。也就是说，加法器55从选择单元54选择的值减去（a·Vn）的值。
[1‑3.驱动固态成像设备的方法]
接下来，将对于驱动第一实施例的固态成像设备1的方法给出描述。图7是说明驱动第一实施例的固态成像设备1的方法的时序图。图8A到8J是说明驱动方法的处理的图，并且是说明从单元像素的曝光到读出的电子的移动以及电势的转变，并且对应于图7所示的时序图的横截面电势图。在图8A到8J的每个中，示出了对应于图3A的横截面结构的电势图，以及对应于图3B的横截面结构的电势图。在图8A到8J中，由相同的参考标号指定对应于图2、3A和3B所示的那些构成元件的构成元件。
首先，对于所有像素，第一重置脉冲PRG设为OFF，并且第二重置脉冲RST、第一迁移脉冲TRG、第二迁移脉冲CG以及第三迁移脉冲FG全部同时设为ON。结果，如图8A所示，光电二极管PD、第一电荷累积部分41、第二电荷累积部分28、以及第三电荷累积部分18的电势通过电源电势VDD对于所有像素同时全部重置为初始状态。
接下来，第二重置脉冲RST、第一迁移脉冲TRG、第二迁移脉冲CG以及第三迁移脉冲FG全部设为OFF。结果，如图8B所示，重置光电二极管PD和第一电荷累积部分41中的信号电荷。此外，第二电荷累积部分28和第三电荷累积部分18的电势重置为初始电势。
此外，与该操作并行地，对于所有像素同时开始曝光。对于曝光时间段、如图8C所示，入射到光电二极管PD的光经历光电转换，并且结果，在光电二极管PD中生成和累积对应于入射光的量的信号电荷。当在信号电荷的累积阶段中，入射到光电二极管PD的光具有高照度时，相对于光电二极管PD中的电荷的饱和量的过多信号电荷通过第一迁移栅极部分24a溢出到第一电荷累积部分41。当已经溢出要在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷超过第一电荷累积部分41的电荷的饱和量时，过多信号电荷通过第二迁移栅极部分26a进一步溢出到第二电荷累积部分28。此时，由n型半导体区域构成的第二迁移栅极部分26a的电势比由p型阱区域31构成的第三迁移栅极部分27a的电势更深。为此，已经从第一电荷累积部分41溢出的信号电荷没有溢出到第三电荷累积部分18，而是溢出到第二电荷累积部分28。
接下来，第二迁移脉冲CG对于所有像素同时设为ON。结果，如图8D所示，在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷迁移到第二电荷累积部分28。此外，通过设置第二迁移脉冲CG为OFF，如图8E所示，结束从第一电荷累积部分41到第二电荷累积部分28的信号电荷的迁移。
接下来，第一迁移脉冲TRG和电势改变脉冲SG二者对于所有像素同时设为ON。结果，如图8F所示，光电二极管PD中累积的信号电荷通过第一迁移栅极部分24a迁移到第一电荷累积部分41。此后，第一迁移脉冲TRG和电势改变脉冲SG都设为OFF，并且第一重置脉冲PRG设为ON，从而如图8G所示，光电二极管PD的电势通过电源电压VDD重置，并且结果，结束曝光时间段。
对于所有像素同时进行目前已经对于曝光时间段执行的驱动，并且是所谓全局曝光。
接下来，将关于对于每行的读出给出描述。在全局曝光已经结束之后，以从属于第一行的像素按顺序扫描像素，从而执行滚动读出。在此情况下，然而，将通过示例第n行给出描述。
在属于第（n‑1）行的像素的读出结束之后，首先，用于属于第n行的像素的选择脉冲SEL设为ON，并且读出在第三电荷累积部分18中累积的伪信号（噪声信号）Vn。此外，在如图6所示的算术运算处理部分50中，采样脉冲SHN输入到第一存储器单元51，从而将伪信号Vn存储在第一存储器单元51中。此后，第二重置脉冲RST设为ON，并且重置在第三电荷累积部分18中累积的脉冲信号Vn。
接下来，在属于第n行的像素中，第三迁移脉冲FG设为ON，并且如图8H所示，第一电荷累积部分41中累积的信号电荷迁移到第三电荷累积部分18。此后，第三迁移脉冲FG设为OFF。结果，如图8I所示，结束在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷到第三电荷累积部分18的迁移。在迁移到第三电荷累积部分18的信号电荷已经在放大器晶体管19中放大之后，得到的信号电荷通过选择晶体管20读出到垂直信号线12。因为在曝光结束阶段中在第一电荷累积部分41中累积的信号电荷是没有从光电二极管PD溢出的信号电荷，所以读出相关信号电荷作为低照度信号Vs1到垂直信号线12。
现在，如此输出的低照度信号Vs1具有通过将第一电荷累积部分41中生成的伪信号（V1伪信号）和用于第三电荷累积部分18的重置电平信号（V_rst1）叠加在第一电荷累积部分41中累积的信号（V_1累积信号）上获得的值。也就是说，低照度信号Vs1由Vs1＝V_1累积信号+V_1伪信号+V_rst1表示。因此，在低照度信号Vs1中，在第一电荷累积部分41中生成的信号电荷（伪信号）和固定模式噪声（重置电平信号）添加到光电二极管PD中累积的信号电荷。
当输出低照度信号Vs1时，如图6所示，在算术运算处理部分50中，采样脉冲SHS1输入到第二存储器单元52，从而读出到垂直信号线12的低照度信号Vs2存储在第二存储器单元52中。
接下来，在属于第n行的像素中，电势改变脉冲SG、第三迁移脉冲FG、以及第二迁移脉冲CG全部设为ON，并且如图8J所示，第一电荷累积部分41、第二电荷累积部分28和第三电荷累积部分18通过电容耦合相互耦合。结果，读出在第二电荷累积部分28中累积的信号电荷。此时读出的信号电荷是当入射到光电二极管PD的光具有高照度时累积的信号电荷，也就是说，从光电二极管PD溢出到第一和第二电荷累积部分41和28的信号电荷。为此，如此读出的信号电荷通过放大器晶体管19和选择晶体管20作为高照度信号Vs2读出到垂直信号线12。
现在，如此读出的高照度信号Vs2具有通过将在第一和第二电荷累积部分41和28中生成的伪信号（V_（1+2）伪信号）以及用于第三电荷累积部分18的重置电平信号（V_rst2）叠加到在第一和第二电荷累积部分41和28中累积的信号（V_（1+2）累积信号）上获得的值。也就是说，相关高照度信号Vs2由Vs2=V_（1+2）累积信号+V_（1+2）伪信号+V_rst2表示。因此，在高照度信号Vs2中，在第一和第二电荷累积部分41和28中生成的信号电荷（伪信号）以及固定模式噪声（重置电平信号）添加到光电二极管PD中累积的信号电荷。
此外，当输出高照度信号Vs2时，如图6所示，在算术运算处理部分50中，采样脉冲SHS2输入到第三存储器单元53，从而读出到垂直信号线12的高照度信号Vs2存储在第三存储器单元53中。
此后，电势改变脉冲SG、第二迁移脉冲CG、第三迁移脉冲FG、以及选择脉冲SEL全部设为OFF，从而结束对于属于第n行的像素的读出操作。
在算术运算处理部分50中处理来自属于第n行的像素的已经以如上所述的方式获得的信号（Vn、Vs1和Vs2）。通过扫描属于第n行的像素，第一存储器单元51在其中存储伪信号Vn。第二存储器单元52在其中存储低照度信号Vs1（=V_1累积信号+V_1伪信号+V_rst1）。第三存储器单元53在其中存储高照度信号Vs2（=V_（1+2）累积信号+V_（1+2）伪信号+V_rst2）。
现在，在第一实施例的固态成像设备1中，对于第一到第三电荷累积部分41、28和18的读出定时相互接近。为此，对于从集体迁移到读出的时间段，在第三电荷累积部分18中生成的伪信号Vn的泄露分量与在第一和第二电荷累积部分41和28中生成的伪信号相关。此外，随着执行光电转换的位置在距离上相互更接近，当用光照明时，在第一到第三电荷累积部分41、28和18本身中从生成光电转换得到的伪信号的分量具有强相关。在第一实施例的固态成像设备1中，因为第一到第三电荷累积部分41、28和18布置在相同像素上，所以获得强相关。
图9A和9B示出对于所有像素同时完成迁移之后，直到从各个行读出像素，在像素行中生成的伪信号的累积量。如图9A所示，随着读出从属于第一行的像素进到之后像素，在第三电荷累积部分18中累积的伪信号的数目增加，并且低照度信号Vs1和高照度信号Vs2的信号量也增加。也就是说，示出在第三电荷累积部分18中累积的伪信号Vn具有与低照度信号Vs1和高照度信号Vs2在其中包含的伪信号的存储相关。
此外，如图9B所示，当强光照射到某个像素时，在第三电荷累积部分18中累积的伪信号Vn的数目增加，并且像素中低照度信号Vs1和高照度信号Vs2的数目也以相同方式增加。因此，可以说通过使用在第三电荷累积部分18中生成并且在那些像素中获得的伪信号Vn校正像素，从而每个像素可以执行更精确的校正。
因为第一到第三电荷累积部分41、28和18以这样的方式具有强相关，所以假设第一电荷累积部分41中或第二电荷累积部分28中累积的伪信号与在第三电荷累积部分18中累积的伪信号Vn相同。在此情况下，通过移除任何噪声获得的希望的累积信号具有通过从低照度信号Vs1或高照度信号Vs2减去伪信号Vn获得的值。然而，实际上，在第一到第三电荷累积部分41、28和18中生成的伪信号的条件以及固定噪声模式取决于特性（诸如第一到第三电荷累积部分41、28和18的面积、掺杂浓度和电容）而不同。因此，实际上算术运算处理部分50给出使用图6所示的加法系数b和校正系数a执行乘法的功能，从而执行算术运算处理。
下文中，将对于对其应用加法系数b和校正系数a的算术运算处理给出描述。
在伪信号Vn、低照度信号Vs1以及高照度信号Vs2的提供结束处，算术运算处理部分50通过使用加法系数b和校正系数a，执行用于从低照度信号Vs1或高照度信号Vs2减去伪信号Vn的处理。
图10是示出信号的累积量和低照度信号Vs1与高照度信号Vs2的输出信号之间的关系的图形表示。在第一实施例中，取决于信号（输出信号）的累积量的差别，确定在选择单元54中选择低照度信号Vs1或选择高照度信号Vs2。当第一电荷累积部分41不饱和时，在选择单元54中选择低照度信号Vs1，然后在用于像素信号的算术运算中使用。噪声在低照度信号Vs1中低于在高照度信号Vs2中。为此，当信号的累积量小时，也就是说，当低照度信号Vs1没有达到第一电荷累积部分41中的电荷的饱和量时，选择低照度信号Vs1，从而使得可能获得其中包含较小噪声的像素信号。
当第一电荷累积部分41饱和时，在选择单元54中选择通过将高照度信号Vs2乘以加法系数b获得的值（b·Vs2），然后在用于像素信号的算术运算中使用。尽管噪声在高照度信号Vs2中大于在低照度信号Vs1中，但是当信号的累积量大时，噪声没有很大影响。
在此，加法系数b是考虑第一到第三电荷累积部分41、28和18的特性获得的系数。因此，如图10所示，加法系数b是以这样的方式设置的值，使得在高照度信号Vs2中，为信号的累积量获得的输出信号的梯度对应于低照度信号Vs1。
此外，在第一实施例中，通过从选择单元54中选择的值减去（a·Vn）的值，可以发现可与在曝光时间段期间在光电二极管PD中生成的信号电荷的信号量比拟的值。此外，在第一实施例中，可以执行精确校正，因为通过使用在相同像素中形成的第三电荷累积部分18中生成的强相关伪信号Vn，校正各个行中的信号电荷。要注意的是，校正系数a是考虑第一到第三电荷累积部分41、28和18的面积比率、掺杂浓度以及电容值获得的值。
如上所述，在第一实施例中，对于从全局迁移到用于各行的读出的时间段，读出在第三电荷累积部分18中生成并且与第一电荷累积部分41和第二电荷累积部分28中生成的伪信号具有强相关的伪信号Vn。可以通过从读出的信号电荷减去通过将如此读出的伪信号Vn与校正系数a相乘获得的值，执行对于伪信号的减法。
此外，在第一实施例中，配置第一到第三电荷累积部分41、28和18，使得获得低照度信号Vs1和高照度信号Vs2两者，从而使得可能获得具有极好动态范围的图像。
以这样的方式，在第一实施例中，在具有其中扩大动态范围的全局快门功能的固态成像设备1中，对于从全局迁移到用于各行的读出的时间段读出伪信号Vn，并且通过使用如此读出的伪信号Vn校正像素信号。结果，因为可以在没有布置另一像素用于伪信号的获取的情况下执行伪信号的校正，所以避免损害有效像素。
要注意的是，尽管在第一实施例中，已经通过示例具有三个电荷累积部分的固态成像设备给出描述，但是对于固态成像设备也可以采用具有三个或更多电荷累积部分的配置。同样在此情况下，类似于第一实施例的情况，提供其中不累积任何信号电荷的电荷累积部分，并且通过使用一个电荷累积部分校正伪信号，从而使得可能减少具有全局快门功能的固态成像设备中伪信号的数目。
现在，在第一实施例中，在选择单元54中，如图10所示，低照度信号Vs1在累积信号电平的某一点切换到高照度信号Vs2。然而，当在选择单元54中在某一信号电平确定切换时间点时，在该某一信号电平的切换噪声变得显著。因此，优选地，采用这样的配置使得低照度信号Vs1和高照度信号Vs2之间的比率逐渐改变。下文中，包括配置为逐渐改变低照度信号Vs1和高照度信号Vs2之间的比率的算术运算处理部分的固态成像设备将描述为第一实施例的修改示例。
图11是示出根据第一实施例的修改示例的固态成像设备中使用的算术运算处理部分的配置的框图。在图11中，对应于图6所示的那些构成元件的构成元件由相同的参考标号指定，并且在此省略重复描述。图11所示的算术运算处理部分65在选择单元64的配置上不同于图6所示的算术运算处理部分50。
在第一实施例的修改示例中的算术运算处理部分65中，在选择单元64中确定系数α，其用于相对于信号的累积量缓和低照度信号Vs1和高照度信号Vs2之间的切换时间点。然后，将通过将低照度信号Vs1乘以系数α(0≤α≤1)获得的值(=α·Vs1)与通过将高照度信号Vs2与加法系数b相乘获得的值乘以(1‑α)所获得的值(=(1‑α)·b·Vs2)相互相加。图12示出当确定这种系数α时信号的累积量与输出信号之间的关系。如图12所示，在低照度信号Vs1饱和之前的阶段（即，在低照度信号Vs1和高照度信号(b·Vs2)相互切换的切换时间点Vslmax之前信号的累积量的阶段）应用算术运算处理部分65中的算术运算。
要注意的是，当系数α=0时，选择高照度信号(b·Vs2)，并且当系数α=1时，选择低照度信号Vs1。
如上所述，当信号的累积量小于切换时间点Vslmax时，低照度信号Vs1和高照度信号(b·Vs2)之间的信号比率逐渐改变，从而与所有信号在某一信号电平从低照度信号切换到高照度信号的情况相比，可以使得由于切换的噪声不显著。
要注意的是，系数α适当地设置在当构成为图像时可以充分地、线性地获取低照度信号Vs1和高照度信号(b·Vs2)两者的区域范围内。
<2.第二实施例：驱动固态成像设备的方法>
接下来，将描述根据本公开的第二实施例的驱动固态成像设备的方法。因为第二实施例中固态成像设备的整体配置和单元像素的配置与图1到6中示出的第一实施例中的那些相同，所以在此省略重复描述。第二实施例中的固态成像设备对应于列信号处理块5包括配置为移除任何固定模式噪声的相关双采样电路（未示出）的情况，并且驱动方法不同于用于根据本公开的第一实施例的固态成像设备的驱动方法。
图13是说明根据本公开的第二实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图。因为从全局曝光的开始到全局迁移的结束的驱动方法与图7中示出的相同，所以在此省略重复描述。此外，在第二实施例的驱动方法中，在此省略与第一实施例的那些部分相同部分的描述。
在第二实施例中，对于用于第n行的读出时间段，在第三电荷累积部分18中生成的伪信号Vn已经读出以设置第二重置脉冲RST为ON之后，再次读出第三电荷累积部分18的电势，从而获得重置电平信号V_rst1。此后，获得低照度信号Vs1。如之前在第一实施例中所述的，在伪信号（V_1伪信号）和作为固定模式噪声的重置电平信号V_rst1两者包含在低照度信号Vs1中的状态下，输出低照度信号Vs1。在第二实施例中，在读出低照度信号Vs1之前读出重置电平信号V_rst1，并且从低照度信号Vs1减去重置电平信号V_rst1。结果，可能获得通过移除重置电平信号V_rst1获得的低照度信号Vs1’(=V_1累积信号+V_1伪信号)。
接下来，在属于第n行的像素中，在电势改变脉冲SG、第三迁移脉冲FG以及第二迁移脉冲CG已经全部设为ON，并且已经读出第一电荷累积部分41和第二电荷累积部分28中累积的高照度信号Vs2之后，第二重置脉冲RST设为ON。图14是此时的电势图。如图14所示，第二重置脉冲RST在电势改变脉冲SG、第三迁移脉冲FG以及第二迁移脉冲CG全部设为ON的状态下设为ON，从而获得重置电平信号V_rst2。
在伪信号(V_(1+2)伪信号)和作为固定模式噪声的重置电平信号V_rst2两者包含在高照度信号Vs2中的状态下，输出在之前阶段中读出的高照度信号Vs2。在第二实施例中，在已经读出高照度信号Vs2之后读出重置电平信号V_rst2，并且然后从高照度信号Vs2减去重置电平信号V_rst2。结果，可能获得通过移除重置电平信号V_rst2获得的高照度信号Vs2’(=V_(1+2)累积信号+V(1+2)伪信号)。
在第二实施例中，如上所述，通过读出重置电平信号执行普通相关双采样。此外，同样在第二实施例中，选择单元54选择要用作低照度信号Vs1’和高照度信号Vs2’之间的像素信号的值。此外，通过从选择单元54中选择的值减去伪信号(a·Vn)获得希望的像素信号。在第二实施例中，输出重置电平信号V_rst1和V_rst2，从而使得可能获得通过移除任何固定模式噪声获得的希望累积信号。结果，在第二实施例的驱动方法比在第一实施例的驱动方法中更提高图像质量。此外，也可以从低照度信号Vs1移除重置噪声。
以此方式，根据第二实施例的驱动固态成像设备的方法，在具有其中扩大动态范围的全局快门功能的固态成像设备中，可能移除直到读出操作的阶段生成的伪信号、固定模式噪声等的任何。因此，获得其中改进图像质量的劣化的极好图像。
<3.第三实施例：驱动固态成像设备的方法>
接下来，将描述根据本公开的第三实施例的驱动固态成像设备的方法。第三实施例中固态成像设备的整体配置与第一实施例中的相同，但是第三实施例的驱动固态成像设备的方法对应于驱动方法不同于用于第一实施例的固态成像设备的驱动方法的情况。因此，在第三实施例中，在此省略平面结构和电路配置的描述。
图15是说明根据本公开的第三实施例的驱动固态成像设备的方法的时序图。因为从全局曝光的开始到全局迁移的结束的驱动方法与图7中示出的相同，所以在此省略重复描述。此外，在第三实施例的驱动方法中，在此省略与第一实施例的那些部分相同部分的描述。
在第三实施例中，对于用于第n行的读出时间段，在选择脉冲SEL设为ON之前，第二重置脉冲RST设为ON，从而放电在第三电荷累积部分18中累积的伪信号。结果，从累积时间段起到用于属于第n行的像素的读出操作的开始时间为止，将第三电荷累积部分18中累积的伪信号重置。
在已经重置第三电荷累积部分18之后，类似于第一实施例的情况，获取对于属于第n行的像素的伪信号Vn、低照度信号Vs1和高照度信号Vs2。此外，在算术运算处理部分50中执行与第一实施例中的处理相同的处理，从而使得可能获得通过移除伪信号Vn获得的希望累加信号。
在第三实施例中，对于读出时间段，在选择脉冲SEL设为ON之前重置第三电荷累积部分18一次。结果，伪信号置于第三电荷累积部分18上的时间段在第三实施例中变得短于第一和第二实施例的每个中。为此，尽管稍稍减小用于校正的精度，但是可能避免第三电荷累积部分18由于伪信号而饱和。
此外，可能获得与第一实施例中的那些效果相同的效果。
<4.第四实施例：固态成像设备>
接下来，将描述根据第四实施例的固态成像设备。因为第四实施例的固态成像设备的整体配置与图1所示第一实施例的固态成像设备的整体配置相同，所以在此省略重复描述。固态成像设备对应于第四实施例在像素配置上与第一实施例不同，并且两个相邻像素共有第三电荷累积部分18的情况。
图16是示出根据本公开的第四实施例的固态成像设备中的像素配置的图。在图16中，示出在列方向上相互邻近的两个像素（下文中分别称为“第一像素60”和“第二像素61”）作为示例。在图16中，对应于图4所示的那些构成元件的构成元件由相同参考标号指定，并且在此省略重复描述。
如图16所示，在第一像素60和第二像素61的每个中，每个像素形成光电二极管PD、第一电荷累积部分41、第二电荷累积部分28、以及用于驱动光电二极管PD、第一电荷累积部分41和第二电荷累积部分28的像素晶体管。此外，第一像素60和第二像素61共有第三电荷累积部分18。因此，第一像素60和第二像素61同样共有第二重置晶体管21，第二重置晶体管21配置为重置第三电荷累积部分18、放大器晶体管19和选择晶体管20。
在第一像素60中，第一迁移脉冲TRG1输入到第一迁移晶体管13，第二迁移脉冲CG1输入到第二迁移晶体管15，并且第三迁移脉冲FG1输入到第三迁移晶体管17。此外，第一重置脉冲PRG1输入到第一重置晶体管14，并且电势改变脉冲SG1输入到电势改变电极25。
在第二像素61中，第一迁移脉冲TRG2输入到第一迁移晶体管13，第二迁移脉冲CG2输入到第二迁移晶体管15，并且第三迁移脉冲FG2输入到第三迁移晶体管17。此外，第一重置脉冲PRG2输入到第一重置晶体管14，并且电势改变脉冲SG2输入到电势改变电极25。
此外，在共有包括第三电荷累积部分18的多个像素晶体管的第一像素60和第二像素61中，在不同定时读出其中累积的信号电荷。例如，在用于对于第n行的读出操作的扫描的阶段中，从第一像素60读出信号电荷，并且在用于对于第（n+1）行的读出操作的扫描的阶段中，从第二像素61读出信号电荷。第一到第三实施例的任何可以应用于对于用于这些读出操作的脉冲的定时。此外，在第三电荷累积部分18中累积的伪信号应用为用于第一像素60的伪信号和用于第二像素61的伪信号。
根据本公开的第四实施例，因为两个像素可以共有第三电荷累积部分18和多个像素晶体管，所以像素区域可能收缩并且小型化变得可能。此外，即使在第四实施例的固态成像设备中，就驱动方法而言，可能采用与第一到第三实施例的任何的构造相同的构造。因此，在具有全局快门功能的固态成像设备中，可以扩大动态范围并且可以抑制任何伪信号。
此外，可能获得与第一到第三实施例的任何的效果相同的效果。
尽管在第四实施例中，采用其中两个相邻像素共有第三电荷累积部分18和多个像素晶体管的配置，但是也可以采用其中两个或更多像素共有第三电荷累积部分18和多个像素晶体管的配置。同样在此情况下，采用列方向上相互邻近的像素共有第三电荷累积部分18和多个像素晶体管的配置。
以此方式，当两个或多个像素共有第三电荷累积部分18和多个像素晶体管时，在多个像素共有的第三电荷累积部分18中生成的伪信号可以应用为用于两个或多个像素的伪信号。
本发明不但可以应用于配置为检测入射可见光的量的分布并且以图像的形式捕获如此检测到的分布的固态成像设备，而且可以应用于配置为以图像的形式捕获红外线、X射线、粒子等的入射量的分布的固态成像设备。此外，在广泛意义上，本公开也可以应用于一般固态成像设备（物理量分布检测器），诸如配置来检测诸如压强和电容的其他物理量的分布并且以图像的形式捕获如此检测到的分布的指纹检测传感器。
此外，本公开不限于配置来在各个行中顺序扫描像素区域中的单元像素并且从单元像素读出像素信号的固态成像设备。也就是说，本公开还可以应用于配置来从各个像素选择任意像素并且从每个选择的像素读出信号的X‑Y地址型固态成像设备。
要注意的是，固态成像设备可以具有形成为一个芯片的形式，或者可以具有其中集体地封装像素区域以及信号处理块或光学系统的、具有成像功能的模块状形式。
此外，本公开不限于对于固态成像设备的应用，并且还可以应用于成像设备。在此，成像设备意味着诸如包括数字静态相机或摄像机的相机系统或移动电话的、具有成像功能的电子装置。要注意的是，在电子装置中安装的上面模块状形式（即，相机模块）在一些情况下可以意味着成像器件。
<5.第五实施例：电子装置>
接下来，将描述根据本公开的第五实施例的电子装置。在第五实施例中，通过示例相机描述电子装置。图17是示出根据本公开的第五实施例的相机100的示意性配置的框图。
第五实施例的相机100包括光学透镜组（光学系统）101、固态成像设备102、DSP（数字信号处理器）103、帧存储器104、显示设备105、记录设备106、操作系统107、电源系统108等。在这些构成元件101到108中，DSP103、帧存储器104、显示设备105、记录设备106、操作系统107和电源系统108连接到公共系统总线109。
光学透镜组101将来自被摄体的图像光（入射光）引导到固态成像设备102的成像区域（像素阵列块：像素块）。在此情况下，根据本公开的第一实施例的上面的固态成像设备1应用为固态成像设备102。固态成像设备102将通过光学透镜组101在成像区域上成像的图像光以像素的增量转换为电信号。DSP 103控制固态成像设备102，并且接收从固态成像设备102提供的光，从而生成图像信号。帧存储器104是用于在其中临时存储在DSP 103中处理的图像信号的存储器。
显示设备105在其上显示基于作为DSP 103中处理结果输出的图像信号的图像。记录设备106将图像信号例如记录在磁带、磁盘、光盘等中。操作系统107是用于相机的操作的系统。电源系统108提供用于驱动固态成像设备102的电功率。
本公开第五实施例的相机100可以采用相机模块的形式，光学透镜组101、固态成像设备102、DSP 103、帧存储器104、电源系统108等模块化到其中。
本公开可以构成具有相机的便携式装置，例如，以包括这种相机模块的移动电话为代表。
此外，相机100可以以具有通过上述模块化获得的成像功能的模块（即，所谓成像功能模块）的形式配置。
在第五实施例的相机100中，因为在固态成像设备102中，扩大动态范围并且移除任何伪信号，所以提高图像质量。此外，因为第五实施例的相机100具有全局快门功能，所以在捕获运动被摄体的图像的阶段，解决了焦平面变形。
第五实施例采用这样的配置，其中第一实施例的固态成像设备1用作相机100中的固态成像设备102。然而，可替代地，如在第二到第四实施例中制造的固态成像设备的任一也可以用作相机100中的固态成像设备102。
要注意的是，本公开可以采用以下构成。
（1）一种固态成像设备，包括：
光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；
具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括
三个或更多电荷累积部分包括
第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，
第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及
第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，
多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；
扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及
算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。
（2）如段（1）所述的固态成像设备，
其中通过绝缘膜，在所述第一电荷累积部分的上部上形成电势调整电极，并且
所述第一电荷累积部分具有电荷耦合器件结构。
（3）如段（1）或（2）所述的固态成像设备，还包括：
第一迁移晶体管，迁移所述光电转换部分中累积的信号电荷；
第二迁移晶体管，将所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分；以及
第三迁移晶体管，将所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷迁移到所述第三电荷累积部分，
其中，形成所述第二迁移晶体管的第二迁移栅极部分的电势，以便比所述第三迁移晶体管的第三迁移栅极部分的电势更深。
（4）如段（1）到（3）的任一所述的固态成像设备，其中多个像素共有多个像素晶体管的部分。
（5）如段（1）到（4）的任一所述的固态成像设备，还包括：
相关双采样电路，
其中所述相关双采样电路在读出低照度信号之前读出所述第三电荷累积部分的重置电势，并且从低照度信号减去相关的重置电势，从而从低照度信号移除固定模式噪声和重置噪声，并且
所述相关双采样电路还在读出高照度信号之后读出所述第一到第三电荷累积部分的重置电势，并且从高照度信号减去相关的重置电势，从而从高照度信号移除固定模式噪声。
（6）如段（1）到（5）的任一所述的固态成像设备，
其中所述算术运算处理部分包括选择单元，当低照度信号没有饱和时选择低照度信号，并且当低照度信号饱和时选择高照度信号，并且
所述算术运算处理部分从选择的低照度信号或高照度信号之一减去伪信号。
（7）如段（6）所述的固态成像设备，其中所述选择单元在根据信号的累积量将低照度信号切换到高照度信号之前的时间点，选择通过以预定比率将低照度信号和高照度信号相互相加获得的值，并且从如此选择的值减去伪信号。
（8）一种驱动固态成像设备的方法，所述固态成像设备包括：
光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；
具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括
三个或更多电荷累积部分包括
第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，
第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及
第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，
多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；
所述驱动方法包括：
对于所有像素同时开始曝光，在曝光结束之后，对于所有像素将在曝光时间段期间从所述光电转换部分溢出到所述第一电荷累积部分的信号电荷同时迁移到所述第二电荷累积部分，然后将在所述光电转换部分中累积的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分；
对于读出时间段，获取在所述第三电荷累积部分中累积的伪信号；
获取在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号；
与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起获取在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号；并且
从低照度信号和高照度信号两者减去伪信号，以便计算在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换获得的信号量。
（9）如段（8）所述的驱动固态成像设备的方法，其中通过从将低照度信号或高照度信号乘以系数获得的值减去将伪信号乘以校正系数获得的值，获得在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换生成的信号量。
（10）如段（8）或（9）所述的驱动固态成像设备的方法，
其中在读出低照度信号之前，读出所述第三电荷累积部分的重置电势，并且从低照度信号减去重置电势，从而从低照度信号移除固定模式噪声和重置噪声，并且
在读出高照度信号之后，读出所述第一到第三电荷累积部分的重置电势，并且从高照度信号减去重置电势，从而从高照度信号移除固定模式噪声。
（11）如段（8）到（10）的任一所述的驱动固态成像设备的方法，其中在计算在曝光时间段期间通过在所述光电转换部分中的光电转换生成的信号量时，当低照度信号没有饱和时选择低照度信号，当低照度信号饱和时选择高照度信号，并且从选择的低照度信号或高照度信号之一减去伪信号。
（12）如段（11）所述的驱动固态成像设备的方法，其中在根据信号的累积量将低照度信号切换到高照度信号之前的时间点，选择通过以预定比率将低照度信号和高照度信号相互相加获得的值，并且从如此选择的值减去伪信号。
（13）一种电子装置，包含固态成像设备，所述固态成像设备包括：
光电转换部分，生成对应于光量的信号电荷；
具有以矩阵二维排列的像素的像素阵列块，每个像素包括三个或更多电荷累积部分包括
第一电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷迁移到所述第一电荷累积部分，
第二电荷累积部分，在所述光电转换部分中生成的信号电荷的、其量超过所述光电转换部分中电荷的饱和量的信号电荷迁移到所述第二电荷累积部分，以及
第三电荷累积部分，读出在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷作为低照度信号，然后与在所述第一电荷累积部分中累积的信号电荷一起读出在所述第二电荷累积部分中累积的信号电荷作为高照度信号，
多个像素晶体管，迁移并且读出信号电荷；
扫描块，以这样的方式执行扫描，使得对于信号电荷的累积时间段变得对于所有像素同时，并且按每行扫描在读出时间段中低照度信号和高照度信号到所述第三电荷累积部分的读出；以及
算术运算处理部分，在读出时间段中，对于每行在读出阶段中低照度信号的读出之前，获取所述第三电荷累积部分中累积的伪信号，并且通过使用所述伪信号校正低照度信号和高照度信号两者。
本申请包含涉及于2011年7月11日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011‑152628中公开的主题，在此通过引用并入其全部内容。
本领域的技术人员应该理解，取决于设计要求和其他因素，可以出现各种修改、组合、子组合和更替，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。