CN116250249A - 固态成像设备 - Google Patents

Abstract

[问题]为了抑制浮置扩散电容中的电压降。[解决方案]该固态成像设备包括：浮置扩散，所述浮置扩散根据由像素接收的光量来累积通过光电转换生成的电荷；比较电路，所述比较电路将与浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压进行比较；以及升压单元，所述升压单元在光电转换期间升高浮置扩散的一端侧的电位。

Description

固态成像设备

技术领域

根据本公开的实施例涉及固态成像设备。

背景技术

作为固态成像设备，例如，存在经由金属氧化物半导体(MOS)晶体管读出累积在作为光电转换元件的光电二极管的pn结电容器中的光电荷的互补型MOS(CMOS)图像传感器。在CMOS图像传感器中，例如，对于每个像素或每行等执行累积在光电二极管中的光电荷的读取操作。因此，光电荷被累积的曝光时段不能在所有像素中一致，并且在被摄体正在移动的情况下在成像时发生畸变等。作为抑制该畸变的方法，已知的是针对每个像素布置模数转换器，并且在所有像素中同时曝光的各个模拟信号立即被数字转换。

此外，为了减小成像设备的尺寸并提高像素的开口率，使用布置有像素的像素基板和布置有周边电路的逻辑基板(逻辑电路基板)被堆叠的成像设备。例如，已经提出了以下的成像设备：像素被布置成二维格子图案并输出模拟图像信号的像素基板、和处理输出的模拟图像信号的逻辑基板被堆叠(参见专利文献1)。

引用列表

专利文献

专利文献1：WO 2016/136448

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在上述技术中，模数转换器在逻辑基板上被布置成二维格子图案，并且从像素基板输出的模拟图像信号被输入到逻辑基板的模数转换器。在这种情况下，从逻辑基板供应的电压VDD经过模数转换器的比较器，使得出现电压降(voltage drop)。当出现电压降时，输入到浮置扩散电容器的电压降低，从而由于浮置扩散电容器与传输晶体管之间的电压关系，导致噪声。

因此，本公开提供了能够抑制浮置扩散电容器的电压降的固态成像设备。

问题的解决方案

为了解决上述问题，根据本公开，

提供了一种固态成像设备，包括：

浮置扩散，所述浮置扩散根据像素的接收的光量来累积通过光电转换生成的电荷；

比较电路，所述比较电路将与浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压进行比较；以及

升压单元，所述升压单元在光电转换期间升高浮置扩散的一端侧的电位。

升压单元可以包括第一晶体管，所述第一晶体管以浮置扩散的一端侧的电位变高这样的方式控制流过比较电路的电流。

还可以包括电流源，所述电流源生成流过比较电路的电流，其中，

第一晶体管可以控制由电流源生成的电流。

还可以包括第二晶体管，所述第二晶体管级联到第一晶体管，其中，

电流源可以根据流过第二晶体管的电流控制流过比较电路的电流。

流过第二晶体管的电流可以由第一晶体管的栅电压控制。

电流源可以包括使电流在比较电路中流动的第三晶体管，并且

第三晶体管的栅极可以连接到第二晶体管的栅极。

当第一晶体管导通时，第三晶体管的栅电压可以升高。

第三晶体管的栅极可以与浮置扩散电容耦合。

还可以包括：

第一芯片，在所述第一芯片上布置有具有浮置扩散的像素电路；以及

第二芯片，所述第二芯片被堆叠在第一芯片上并且在所述第二芯片中布置有包括第一晶体管的升压单元的至少一部分。

电流源可以包括使电流在比较电路中流动的第三晶体管，并且

第一晶体管可以级联到第三晶体管。

比较电路可以包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和浮置扩散的累积电荷对应的电压以及参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

第一晶体管可以连接在差分晶体管对和第三晶体管之间。

比较电路可以包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和浮置扩散的累积电荷对应的电压以及参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

第三晶体管可以连接在差分晶体管对和第一晶体管之间。

第一晶体管和第三晶体管可以由各自具有浮置扩散的多个像素共享。

第一晶体管和第三晶体管可以布置在布置有具有浮置扩散的像素电路的芯片中。

第一晶体管和第三晶体管可以布置在所述多个像素当中的一个像素的像素区域中。

升压单元可以使用电容耦合来升高浮置扩散的一端侧的电位。

还可以包括电流源，所述电流源生成流过比较电路的电流，其中，

升压单元可以通过构成电流源的晶体管的栅极布线与浮置扩散之间的电容耦合来升高浮置扩散的一端侧的电位。

还可以包括：

时间码生成器，所述时间码生成器生成时间码；

时间码传输单元，所述时间码传输单元传输由时间码生成器生成的时间码；

参考电压生成器，所述参考电压生成器生成电压电平根据时间而变化的参考电压；以及

时间码保持单元，所述时间码保持单元针对每个像素提供并且保持当与浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压匹配时的时间码作为与接收的光量对应的数字信号。

时间码生成器、时间码传输单元、参考电压生成器和时间码保持单元可以布置在与布置有具有浮置扩散的像素电路的芯片不同的芯片上。

附图说明

图1是根据本公开的固态成像设备的示意性配置。

图2是图示了像素的详细配置示例的框图。

图3是图示了构成比较电路的差分输入电路的详细配置的电路图。

图4是将像素电路的细节添加到图3中图示的比较电路的电路图。

图5是通过堆叠上基板和下基板这两个半导体基板来形成固态成像设备的概念图。

图6是在上基板和下基板中的每一个上形成的电路配置示例。

图7是图示了根据实施例的固态成像设备的配置示例的电路图。

图8是图示了在堆叠的半导体基板中的图7中的第一晶体管的布置的示例的示图。

图9是图示了固态成像设备的操作的示例的定时图。

图10是图示了图7中的固态成像设备的配置的第一变形例的电路图。

图11A是图示了在堆叠的半导体基板中的图10中的第一晶体管的布置的示例的示图。

图11B是图示了在堆叠的半导体基板中的图10中的第一晶体管的布置的变形例的示图。

图12是图示了图7中的固态成像设备的配置的第二变形例的电路图。

图13是图示了图7中的固态成像设备的配置的第三变形例的电路图。

图14是图示了图7中的固态成像设备的配置的第四变形例的电路图。

图15是图示了图7中的固态成像设备的配置的第五变形例的电路图。

图16是图示了根据第二实施例的固态成像设备的配置示例的电路图。

图17是图示了图16的像素区域中的每个配置的布置的示例的布局图。

图18是图示了根据第二实施例的固态成像设备1的配置的变形例的电路图。

图19是图示了车辆控制系统的示意性配置的示例的框图。

图20是图示了车辆外部信息检测部和成像部的安装位置的示例的说明图。

具体实施方式

下文中，将参考附图来描述固态成像设备的实施例。尽管以下将主要描述固态成像设备的主要组件，但固态成像设备可以具有未图示或描述的组件和功能。以下描述没有排除未图示或描述的组件和功能。

附图是示意性或概念性的，并且每个部分的比例等不一定与实际的比例等相同。在说明书和附图中，与以上相对于先前描述的附图描述的元件类似的元件用相同的参考标号表示，并且适当地省略其详细描述。

<固态成像设备的示意性配置示例>

图1图示了根据本公开的固态成像设备的示意性配置。

图1的固态成像设备1包括像素阵列单元22，其中像素21在使用例如硅(Si)作为半导体的半导体基板11上被布置成二维阵列。像素阵列单元22还设置有各自将由时间码生成单元26生成的时间码传输到每个像素21的时间码传输单元23。然后，围绕半导体基板11上的像素阵列单元22形成像素驱动电路24、D/A转换器(DAC)25、时间码生成单元26、垂直驱动电路27、输出单元28和定时生成电路29。

如稍后将参考图2描述的，布置成二维阵列的像素21中的每一个设置有像素电路41和ADC 42，并且像素21生成与由像素中的光接收元件(例如，光电二极管)接收的光量对应的电荷信号，将电荷信号转换成数字像素信号SIG，并输出数字像素信号SIG。

像素驱动电路24驱动像素21中的像素电路41(图2)。DAC 25生成作为其电平(电压)随着时间的推移而单调减小的斜坡信号的参考信号(参考电压信号)REF，并将参考信号REF供应到每个像素21。时间码生成单元26生成当每个像素21将模拟像素信号SIG转换成数字信号(AD转换)时使用的时间码，并将时间码供应到对应的时间码传输单元23。针对像素阵列单元22设置多个时间码生成单元26，并且在像素阵列单元22中，时间码传输单元23被设置成与时间码生成单元26的数量一样多。即，时间码生成单元26和传输其中生成的时间码的时间码传输单元23一对一地彼此对应。

垂直驱动电路27基于从定时生成电路29供应的定时信号执行控制，以使输出单元28以预定顺序输出在像素21中生成的数字像素信号SIG。从像素21输出的数字像素信号SIG从输出单元28输出到固态成像设备1的外部。输出单元28在需要时执行诸如用于校正黑电平的黑电平校正处理和相关双采样(CDS)处理之类的预定的数字信号处理，此后执行输出到外部。

定时生成电路29包括生成各种定时信号等的定时生成器，并将生成的各种定时信号供应到像素驱动电路24、DAC 25、垂直驱动电路27等。

固态成像设备1被如上所述地配置。注意的是，在图1中，如上所述，已描述构成固态成像设备1的所有电路形成在一个半导体基板11上，但如稍后将描述的，构成固态成像设备1的电路可以被划分并布置在多个半导体基板11上。

<像素的详细配置示例>

图2是图示了像素21的详细配置示例的框图。

像素21包括像素电路41和AD转换器(ADC)42。

像素电路41将与接收的光量对应的电荷信号作为模拟像素信号SIG输出到ADC42。ADC 42将从像素电路41供应的模拟像素信号SIG转换成数字信号。

ADC 42包括比较电路51和数据存储单元52。

比较电路51将从DAC 25供应的参考信号REF与像素信号SIG进行比较，并将输出信号VCO作为指示比较结果的比较结果信号输出。当参考信号REF与像素信号SIG变为相同(相同电压)时，比较电路51使输出信号VCO反转。

比较电路51包括稍后将参考图3详细描述的差分输入电路61和电压转换电路62。

除了从比较电路51向数据存储单元52的输出信号VCO的输入之外，还从垂直驱动电路27供应指示作为像素信号写入操作的WR信号、指示作为像素信号读取操作的RD信号、以及用于在像素信号读取操作期间控制像素21的读取定时的WORD信号。此外，由时间码生成单元26生成的时间码也经由时间码传输单元23供应。

数据存储单元52包括基于WR信号和RD信号来控制时间码的写入操作和读取操作的锁存控制电路71、以及存储时间码的锁存存储单元72。

在时间码的写入操作中，锁存控制电路71在从比较电路51输入Hi(高)输出信号VCO时，将从时间码传输单元23供应并且每单位时间更新的时间码存储在锁存存储单元72中。然后，当参考信号REF与像素信号SIG变为相同(其电压)并且从比较电路51供应的输出信号VCO被反转为Lo(低)时，停止供应的时间码的写入(更新)，并且最终存储在锁存存储单元72中的时间码被保持在锁存存储单元72中。存储在锁存存储单元72中的时间码指示像素信号SIG与参考信号REF变为相等的时间，并表示指示像素信号SIG已成为该时间的参考电压的数据，即，数字化的光量值。

在参考信号REF的扫描完成并且时间码被存储在像素阵列单元22中的所有像素21的锁存存储单元72中之后，像素21的操作从写入操作改变为读取操作。

在时间码读取操作中，锁存控制电路71基于用于控制读取定时的WORD信号在像素21达到其自身的读取定时时，将存储在锁存存储单元72中的时间码(数字像素信号SIG)输出到时间码传输单元23。时间码传输单元23在列方向(垂直方向)上顺序地传输供应的时间码，并将时间码供应到输出单元28。

下文中，为了与在时间码的写入操作中写入到锁存存储单元72中的时间码相区分，指示像素信号SIG已成为该时间的参考电压的数字化像素数据也被称为经AD转换的像素数据，该数字化像素数据是当在时间码读取操作中从锁存存储单元72读取的输出信号VCO被反转时的反转的时间码。

<比较电路的配置示例>

图3是图示了构成比较电路51的差分输入电路61和电压转换电路62的详细配置的电路图。

差分输入电路61将从像素21中的像素电路41输出的像素信号SIG与从DAC 25输出的参考信号REF进行比较，并在像素信号SIG高于参考信号REF时输出预定信号(电流)。

差分输入电路61包括形成差分对的晶体管81和82、构成电流镜的晶体管83和84、作为供应根据输入偏置电流VB的电流IB的恒定电流源的晶体管85、以及输出差分输入电路61的输出信号HVO的晶体管86。

晶体管81、82和85包括负沟道MOS(NMOS)晶体管，并且晶体管83、84和86包括正沟道MOS(PMOS)晶体管。

在形成差分对的晶体管81和82中，从DAC 25输出的参考信号REF被输入到晶体管81的栅极，并且从像素21中的像素电路41输出的像素信号SIG被输入到晶体管82的栅极。晶体管81和82的源极连接到晶体管85的漏极，并且晶体管85的源极连接到预定电压VSS(VSS<VDD)。

晶体管81的漏极连接到构成电流镜电路的晶体管83和84的栅极和晶体管83的漏极，并且晶体管82的漏极连接到晶体管84的漏极和晶体管86的栅极。晶体管83、84和86的源极连接到第一电源电压VDD。

构成差分输入电路61的晶体管81至86是在高达第一电源电压VDD的高电压下操作的电路。

电压转换电路62调整模拟区域与数字区域之间的电平差。电压转换电路62将从差分输入电路61输入的输出信号HVO转换成具有经调整的电平差的输出信号VCO，并将输出信号VCO输出到数据存储单元52。输出信号VCO是对应于灰度的电压。

<像素电路的详细配置示例>

将参考图4来描述像素电路41的详细配置。

图4是将像素电路41的细节添加到图3中图示的比较电路51的电路图。

像素电路41包括作为光电转换元件的光电二极管(PD)121、放电晶体管122、传输晶体管123、复位晶体管124和浮置扩散层(FD)125。

在调整曝光时段的情况下，使用放电晶体管122。具体地，如果当期望在任意定时开始曝光时段时放电晶体管122导通，则直到那时累积在光电二极管121中的电荷被放电，并且因此在放电晶体管122截止之后开始曝光时段。

传输晶体管123将由光电二极管121生成的电荷传输到FD 125。复位晶体管124将保持在FD 125中的电荷复位。FD 125连接到差分输入电路61的晶体管82的栅极。因此，差分输入电路61的晶体管82也用作像素电路41的放大晶体管。

复位晶体管124的源极连接到差分输入电路61的晶体管82的栅极和FD 125，并且复位晶体管124的漏极连接到晶体管82的漏极。因此，没有用于将FD 125的电荷复位的固定复位电压。这是因为，通过控制差分输入电路61的电路状态，可以使用参考信号REF任意地设置用于将FD 125复位的复位电压。

<多基板配置>

在以上描述中，已描述了固态成像设备1形成在一个半导体基板11上，但固态成像设备1可以通过在多个半导体基板11上分开地形成电路来配置。

图5图示了通过堆叠上基板11A和下基板11C这两个半导体基板11来形成固态成像设备1的概念图。

在上基板11A上至少形成存储时间码的数据存储单元52和时间码传输单元23。在下基板11C上至少形成包括光电二极管121的像素电路41。上基板11A和下基板11C通过例如Cu-Cu等的金属接合而接合。

图6图示在上基板11A和下基板11C中的每一个上形成的电路配置示例。注意的是，固态成像设备1还可以包括三个半导体基板11。

除了晶体管81、82、85之外的ADC 42的电路和时间码传输单元23形成在上基板11A上。像素电路41和ADC 42的差分输入电路61的晶体管81、82和85的电路形成在下基板11C上。

<第一实施例>

图7是图示了根据第一实施例的固态成像设备1的配置示例的电路图。

如图6中一样，图7中图示的固态成像设备1包括像素电路41和比较电路51。

像素电路41具有根据由像素21接收的光量累积通过光电转换生成的电荷的FD125。注意的是，除了图4中描述的像素电路41之外，图7还图示了负载电容单元MIM和信号FDG被输入的开关晶体管126。开关晶体管126连接在复位晶体管124和FD 125之间。此外，负载电容单元MIM连接在开关晶体管126的栅极和地之间。开关晶体管126根据输入到栅极的信号FDG而导通或截止。因此，可以通过切换FD 125与负载电容单元MIM之间的电连接来切换FD 125的转换效率。

比较电路51将与FD 125的累积电荷对应的电压与参考电压进行比较。注意的是，晶体管81、82和85在下文中分别被称为第四晶体管Tr4、第五晶体管Tr5和第三晶体管Tr3。

这里，在针对每个像素设置ADC 42的情况下，如图6和图7中图示的，像素电路41和作为比较器电路的差分输入电路61的输出侧经由Cu-Cu连接而连接。在这种情况下，例如，当将FD 125的电荷复位时，变得难以将电压从差分输入电路61的第一电源电压VDD直接供应到FD 125。这是因为跨差分输入电路61生成电压降，并且通向复位晶体管124的输入电压从第一电源电压VDD降低。在这种情况下，FD 125的复位电位降低，并且从电荷泵浦的观点来看，与传输晶体管123的电位关系是不利的。因此，噪声的影响增加。

因此，本实施例的固态成像设备1还包括在光电转换时升高FD 125(的一端侧)的电位的升压单元130。

在图7中图示的示例中，升压单元130包括控制流过比较电路51的电流使得在光电转换时FD 125的电位增大的第一晶体管Tr1。第一晶体管Tr1是例如PMOS晶体管。

此外，更具体地，固态成像设备1还包括生成流过比较电路51的电流的电流源140。第一晶体管Tr1控制由电流源140生成的电流。在图7中图示的示例中，电流源140包括使电流在比较电路51中流动的第三晶体管Tr3。

此外，固态成像设备1还包括第二晶体管Tr2。第二晶体管Tr2是例如NMOS晶体管。电流源140根据流过第二晶体管Tr2的电流控制流过比较电路51的电流。即，第二晶体管Tr2与第三晶体管Tr3一起布置并连接，以形成电流镜电路。在图7中图示的示例中，第二晶体管Tr2是二极管连接的，并且第三晶体管Tr3的栅极连接到第二晶体管Tr2的栅极。

图8是图示了在堆叠的半导体基板11中的图7的第一晶体管Tr1的布置的示例的示图。在图8中图示的示例中，如在图5和图6中一样，上基板11A是逻辑基板(逻辑电路基板)，并且下基板11C是包括像素电路41的像素基板。光从图8的下侧朝向下基板11C入射到光电二极管121上。此外，N+区域用于每个半导体基板11中的触点。

在图8中图示的示例中，第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2布置在布置有像素电路41的下基板11C中。即，第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2设置在与像素区域相同的芯片中，即，在下基板11C中。在图7中图示的示例中，“像素区域”是包括像素电路41、第四晶体管、第四晶体管Tr4、第五晶体管Tr5和电流源140(第三晶体管Tr3)的区域。

此外，如图7中图示的，第一晶体管Tr1连接在第一电源电压VDD和第二晶体管Tr2之间。第二晶体管Tr2连接在第一晶体管Tr1和地之间。即，第一晶体管Tr1与第二晶体管Tr2级联。因此，流过第二晶体管Tr2的电流由第一晶体管Tr1的栅电压控制。即，第一晶体管Tr1可以控制输入偏置电流VB。当第一晶体管Tr1导通时，第三晶体管Tr3的栅电压升高。此外，第三晶体管Tr3的栅极与FD 125电容耦合。因此，FD 125的电压可以因第一晶体管Tr1的栅电压而升高。

第一晶体管Tr1导通时的电压被施加到第一晶体管Tr1的栅极。更具体地，例如，比第一电源电压VDD低阈值电压的电压被施加到第一晶体管Tr1的栅极。此外，脉冲电压被施加到第一晶体管Tr1的栅极。

图9是图示了固态成像设备1的操作的示例的定时图。图9是图示了输入偏置电流VB、RST信号、TG信号和OFG信号的脉冲被分别输入的第三晶体管Tr3、复位晶体管124、传输晶体管123和放电晶体管122的操作的示图。

注意的是，输入到第一晶体管Tr1的栅电压的脉冲电压对应于输入偏置电流VB的脉冲电流。根据将FD 125的电荷复位的定时驱动第一晶体管Tr1。更具体地，脉冲电压被输入到第一晶体管Tr1的栅极，以便在复位晶体管124的操作之后被驱动。

首先，由于在时间t1，RST电压从低变为高，因此复位晶体管124导通，并且累积在FD 125中的电荷被复位。此后，在时间t2，复位晶体管124截止。

此后，在时间t3，由于输入偏置电流VB从低变为高，因此输入偏置电流VB增大。即，第三晶体管Tr3使基本上恒定的电流流过比较电路51，并且在将FD 125的电荷复位之后的预定时段内，第一晶体管Tr1增加流过第三晶体管Tr3的电流。因此，第三晶体管Tr3的栅电压增加。这里，由于第三晶体管Tr3和FD 125被布置为彼此靠近，因此FD 125的电位由于第三晶体管Tr3的栅电压的增加而增加。因此，可以抑制FD 125的复位电位的降低，并且可以抑制噪声的影响。

此后，在时间t4，由于TG电压从低变为高，因此传输晶体管123导通，并且由光电二极管121生成的电荷被传输到FD 125。此后，在时间t5，传输晶体管123截止。

此后，在时间t6，由于OFG信号从低变为高，因此放电晶体管122导通，并且光电二极管121的电位被复位到第一电源电压VDD。这是因为如图7中图示的，放电晶体管122的漏极连接到第一电源电压VDD。此后，在时间t7，放电晶体管122截止。

此后，在时间t8，输入偏置电流VB返回到时间t3之前的电流值。因此，流过差分晶体管对(第四晶体管Tr4和第五晶体管Tr5)的恒定电流减小。

以这种方式，在像素读取时，第一晶体管Tr1导通。更具体地，例如，第一晶体管Tr1在由复位晶体管124进行的FD 125的复位之后导通，并在CDS处理中的P相(预充电相)的结束时截止。

如上所述，根据第一实施例，第三晶体管Tr3和FD 125被布置为彼此靠近。此外，第一晶体管Tr1控制流过第三晶体管的电流，以在光电转换时升高FD 125的电位。因此，可以抑制由于经过差分输入电路61而导致的FD 125的复位电位的降低，并且可以加深FD 125的电位。因此，可以抑制噪声的影响。

注意的是，第一晶体管Tr1不限于图9中图示的脉冲驱动，并可以继续地处于导通状态。

图10是图示了图7中的固态成像设备1的配置的第一变形例的电路图。图10与图7的不同之处在于，第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2布置在与像素电路41的芯片不同的芯片上。

图11A是图示了在堆叠的半导体基板11中的图10中的第一晶体管的布置的示例的示图。图11A与图8的不同之处在于，第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2布置在上基板11A上。

图11B是图示了在堆叠的半导体基板11中的图10的第一晶体管Tr1的布置的变形例的示图。图11B与图8的不同之处在于，第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2布置在上基板11A和下基板11C之间布置的中间基板11B上。

即，固态成像设备1包括第一芯片和第二芯片。具有FD 125的像素电路41布置在第一芯片上。第二芯片被堆叠在第一芯片上，并且布置包括第一晶体管Tr1的升压单元130的至少一部分。

此外，在图11A和图11B中，在第一晶体管Tr1和第二晶体管Tr2布置在与像素电路41不同的芯片上的情况下，布置的芯片可以是逻辑基板或像素基板。

图12是图示了图7中的固态成像设备1的配置的第二变形例的电路图。图12与图7的不同之处在于，第一晶体管Tr1布置在像素区域中。注意的是，如图7中一样，第三晶体管Tr3连接到第二晶体管Tr2(未图示)。

在图12中图示的示例中，第一晶体管Tr1与第三晶体管Tr3级联。此外，第一晶体管Tr1是例如NMOS晶体管。

此外，更具体地，比较电路51包括差分晶体管对，该差分晶体管对输出与和FD 125的累积电荷对应的电压、和参考电压之间的差分电压对应的信号。差分晶体管对包括第四晶体管Tr4和第五晶体管Tr5。第一晶体管Tr1连接在差分晶体管对和第三晶体管Tr3之间。

即使在第一晶体管Tr1布置在像素区域中的情况下，也可以通过栅电压升高FD125的电压。

图13是图示了图7中的固态成像设备1的配置的第三变形例的电路图。图13与图11的不同之处在于像素区域中的第一晶体管Tr1的布置。

在图13中图示的示例中，第三晶体管Tr3连接在差分晶体管对和第一晶体管Tr1之间。即，第一晶体管Tr1布置在第四晶体管Tr4和地之间。

图14是图示了图7中的固态成像设备1的配置的第四变形例的电路图。图13与图12的不同之处在于，第一晶体管Tr1由多个像素电路41共享。

在图14中图示的示例中，第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3由各自具有FD 125的多个像素21共享。即，第一晶体管Tr1连接到多个像素区域中的多个差分晶体管对。因此，安装的第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3的数量减少，使得可以抑制像素阵列单元22的面积。此外，第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3布置在布置有具有FD 125的像素电路41的芯片中。如图14中图示的，第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3可以布置在像素阵列单元22中，或者可以布置在可以抑制像素阵列单元22的面积的空间中。在图14中图示的示例中，第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3布置在像素区域的外部。此外，第一晶体管Tr1与多个像素之间的连接可以通过布线直接连接，或者可以经由扩散层连接。

图15是图示了图7中的固态成像设备1的配置的第五变形例的电路图。图15与图14的不同之处在于共享的第一晶体管Tr1的布置。

在图15中图示的示例中，第一晶体管Tr1和第三晶体管Tr3布置在多个像素21当中的一个像素21的像素区域中。即，在某个像素21的像素区域中的第一晶体管Tr1还连接到另一像素21的像素区域中的差分晶体管对。

注意的是，在第一实施例中，多个变形例可以被组合。

<第二实施例>

图16是图示了根据第二实施例的固态成像设备1的配置示例的电路图。图16与图7的不同之处在于，电容器C被用作升压单元130。注意的是，在图16中图示的示例中，布置了在第一实施例中描述的第一晶体管Tr1。在第二实施例中，不需要布置第一晶体管Tr1。然而，在使用第一晶体管Tr1的情况下，FD 125的电压可以进一步增加，这从噪声抑制的观点来看是更优选的。

在图16中图示的示例中，升压单元130使用电容耦合来升高FD 125的电位。更具体地，升压单元130通过构成电流源140的晶体管的栅极布线与FD 125之间的电容耦合来升高FD 125的电位。升压单元130具有升高FD 125的电压的电容器C。电容器C例如是布置在FD125和第三晶体管Tr3的栅极之间的布线间电容器。即，通过彼此相邻的FD 125的布线与第三晶体管Tr3的栅极布线之间的电容耦合来生成电容器C。

图17是图示了图16的像素区域中的每个配置的布置的示例的布局图。

如图17中的箭头所指示的，第三晶体管Tr3和FD 125被布置为彼此靠近。因此，第三晶体管Tr3的栅极布线可以被布置为与FD 125相邻，并且生成图16中图示的电容器C。此外，该布置不限于二维布置，并且第三晶体管Tr3的栅极布线和FD 125的布线可以被布置为至少三维地重叠(横穿)在一个位置处。即，经由布线层和绝缘层交替堆叠的芯片中的绝缘层的电容耦合被用于电容器C。在这种情况下，可以进一步缩短布线之间的距离，可以使用布线的宽度(面积)作为电容器C的电极面积，并且可以进一步升高FD 125的电位。

如上所述，在第二实施例中，通过构成电流源140的晶体管的栅极布线与FD 125之间的电容耦合来升高FD 125的电位。因此，如在第一实施例中一样，可以抑制由于经过差分输入电路61而导致的FD 125的复位电位的降低，并且可以抑制噪声的影响。

此外，第一实施例及其变形例可以与第二实施例的固态成像设备1组合。

图18是图示了根据第二实施例的固态成像设备1的配置的变形例的电路图。图18是图示了将第二实施例应用到作为第一实施例的第二变形例的图12的示例的示图。如图18中图示的，电容器C可以连接在第一晶体管Tr1的栅极布线和FD 125之间。即，第一晶体管Tr1和FD 125可以被布置为彼此靠近。

<移动体的应用示例>

根据本公开的技术(本技术)可以应用到各种产品。例如，根据本公开的技术可以被实现为安装在诸如汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、轮船、机器人等之类的任何类型的移动体上的设备。

图19是图示了作为可以应用根据本公开的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性配置示例的框图。

车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图19中图示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车辆外部信息检测单元12030、车辆内部信息检测单元12040和综合控制单元12050。另外，微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053被图示为综合控制单元12050的功能配置。

驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作用于诸如内燃机、驱动马达等之类的用于生成车辆的驱动力的驱动力生成设备、用于将驱动力传输到车轮的驱动力传输机构、用于调整车辆的转向角的转向机构、用于生成车辆的制动力的制动设备等的控制设备。

车身系统控制单元12020根据各种程序控制提供给车身的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗设备或诸如前照灯、倒车灯、制动灯、转向灯、雾灯等之类的各种灯的控制设备。在这种情况下，从替代钥匙的移动设备传输的无线电波或各种开关的信号可以被输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些无线电波或信号的输入，并控制车辆的门锁设备、电动车窗设备、灯等。

车辆外部信息检测单元12030检测关于包括车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车辆外部信息检测单元12030与成像部12031连接。车辆外部信息检测单元12030使成像部12031捕获车辆外部的图像，并接收捕获的图像。基于接收到的图像，车辆外部信息检测单元12030可以执行检测诸如人、车辆、障碍物、标志、路面上的字符等之类的物体的处理或检测与其的距离的处理。

成像部12031是接收光并输出根据接收到的光量的电信号的光学传感器。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信息。另外，由成像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等之类的不可见光。

车辆内部信息检测单元12040检测关于车辆的内部的信息。例如，车辆内部信息检测单元12040与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041包括例如捕获驾驶员的图像的相机，并且车辆内部信息检测单元12040可以基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息来计算驾驶员的疲劳程度或集中程度，或者确定驾驶员是否在打瞌睡。

微型计算机12051可以基于由车辆外部信息检测单元12030或车辆内部信息检测单元12040获得的关于车辆的内部或外部的信息来计算用于驱动力生成设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协同控制，ADAS的功能包括车辆的碰撞避免或减震、基于跟随距离的跟随驾驶、车辆速度维持驾驶、车辆的碰撞的警告、车辆偏离车道的警告等。

另外，微型计算机12051可以通过基于由车辆外部信息检测单元12030或车辆内部信息检测单元12040获得的关于车辆的外部或内部的信息控制驱动力生成设备、转向机构、制动设备等来执行旨在用于使车辆在不取决于驾驶员的操作的情况下以自动方式行驶的自动驾驶的协作控制。

另外，微型计算机12051可以基于由车辆外部信息检测单元12030获得的关于车辆外部的信息来将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051可以例如根据由车辆外部信息检测单元12030检测的前方车辆或迎面车辆的位置来执行诸如控制前照灯以从远光变为近光之类的旨在防止眩光的协作控制。

声音/图像输出部12052将声音或图像中的至少一个的输出信号发送到能够在视觉上或听觉上向车辆的乘员或车辆的外部通知信息的输出设备。在图19的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063被图示为输出设备。显示部12062可以例如包括车载显示器或平视显示器中的至少一个。

图20是图示了成像部12031的安装位置的示例的示图。

在图20中，车辆12100包括成像部12101、12102、12103、12104和12105作为成像部12031。

例如，成像部12101、12102、12103、12104和12105部署在车辆12100的前挡、侧视镜、后保险杠和后门的位置以及车辆内部内的挡风玻璃的上部的位置处。设置在前挡上的成像部12101和设置在车辆内部内的挡风玻璃的上部的成像部12105主要获得车辆12100前方的图像。设置在侧视镜上的成像部12102和12103主要获得车辆12100侧面的图像。设置在后保险杠或后门上的成像部12104主要获得车辆12100后方的图像。由成像部12101和12105获得的前方图像主要被用于检测前方车辆、行人、障碍物、交通信号灯、交通标志、车道等。

注意的是，图20图示了成像部12101至12104的成像范围的示例。成像范围12111表示设置在前挡上的成像部12101的成像范围，成像范围12112和12113分别表示设置在侧视镜中的成像部12102和12103的成像范围，并且成像范围12114表示设置在后保险杠或后门中的成像部12104的成像范围。例如，通过叠加由成像部12101至12104成像的图像数据来获得从上方观察到的车辆12100的鸟瞰图像。

成像部12101至12104中的至少一个可以具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。

例如，基于从成像部12101至12104获得的距离信息，微型计算机12051可以获得成像范围12111至12114中的到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，由此提取特别地在车辆12100的行驶路径上最接近并以预定速度(例如，等于或大于0千米/小时)在与车辆12100基本上相同的方向上行驶的三维物体作为前方车辆。此外，微型计算机12051可以预先设置在前方车辆的前方要维持的跟随距离，并执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随开始控制)等。因此，可以执行旨在使车辆在不取决于驾驶员的操作等的情况下以自动方式行驶的自动驾驶的协作控制。

例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息来将关于三维物体的三维物体数据分类为两轮车辆、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体等，提取分类的三维物体数据，并使用所提取的三维物体数据用于障碍物的自动避开。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员可以在视觉上识别的障碍物以及车辆12100的驾驶员难以在视觉上识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定指示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险，并且当碰撞风险等于或高于设定值并且存在碰撞的可能性时，微型计算机12051可以经由音频扬声器12061和显示部12062向驾驶员输出警告，或者经由驱动系统控制单元12010执行强制减速或避让转向，由此执行用于避免碰撞的驾驶辅助。

成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外光的红外相机。例如，微型计算机12051可以通过确定在成像部12101至12104的成像图像中是否存在行人来识别行人。例如，这种行人的识别是通过提取作为红外相机的成像部12101至12104的成像图像中的特征点的过程以及对表示物体的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定其是否是行人的过程来执行的。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的成像图像中存在行人并因此识别行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的方形轮廓线被显示，以被叠加在所识别的行人上。此外，声音/图像输出部12052还可以控制显示部12062，使得表示行人的图标等显示在期望的位置处。

以上已描述可以应用根据本公开的技术的车辆控制系统的示例。例如，在上述配置当中，根据本公开的技术可以应用到成像部12031、12101、12102、12103、12104和12105、驾驶员状态检测部12041等。具体地，例如，本公开的固态成像设备1可以应用到这些成像部和检测部。因此，通过应用根据本公开的技术，可以抑制噪声，使得可以实现较安全的车辆行驶。

注意的是，本技术可以具有如下的配置。

(1)一种固态成像设备，包括：

浮置扩散，所述浮置扩散根据像素的接收的光量来累积通过光电转换生成的电荷；

比较电路，所述比较电路将与浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压进行比较；以及

升压单元，所述升压单元在光电转换期间升高浮置扩散的一端侧的电位。

(2)根据(1)所述的固态成像设备，其中，升压单元包括第一晶体管，所述第一晶体管以浮置扩散的一端侧的电位变高这样的方式控制流过比较电路的电流。

(3)根据(2)所述的固态成像设备，还包括：

电流源，所述电流源生成流过比较电路的电流，其中，

第一晶体管控制由电流源生成的电流。

(4)根据(3)所述的固态成像设备，还包括：

第二晶体管，所述第二晶体管级联到第一晶体管，其中，

电流源根据流过第二晶体管的电流来控制流过比较电路的电流。

(5)根据(4)所述的固态成像设备，其中，流过第二晶体管的电流由第一晶体管的栅电压控制。

(6)根据(4)或(5)所述的固态成像设备，其中，

电流源包括使电流在比较电路中流动的第三晶体管，并且

第三晶体管的栅极连接到第二晶体管的栅极。

(7)根据(6)所述的固态成像设备，其中，当第一晶体管导通时，第三晶体管的栅电压升高。

(8)根据(6)或(7)所述的固态成像设备，其中，第三晶体管的栅极与浮置扩散电容耦合。

(9)根据(2)至(8)中任一项所述的固态成像设备，还包括：

第一芯片，在所述第一芯片上布置有具有浮置扩散的像素电路；以及

第二芯片，所述第二芯片被堆叠在第一芯片上并且在所述第二芯片中布置有包括第一晶体管的升压单元的至少一部分。

(10)根据(3)所述的固态成像设备，其中，

电流源包括使电流在比较电路中流动的第三晶体管，并且

第一晶体管级联到第三晶体管。

(11)根据(10)所述的固态成像设备，其中，

比较电路包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和浮置扩散的累积电荷对应的电压以及参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

第一晶体管连接在差分晶体管对和第三晶体管之间。

(12)根据(10)所述的固态成像设备，其中，

比较电路包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和浮置扩散的累积电荷对应的电压以及参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

第三晶体管连接在差分晶体管对和第一晶体管之间。

(13)根据(10)至(12)中任一项所述的固态成像设备，其中，第一晶体管和第三晶体管由各自具有浮置扩散的多个像素共享。

(14)根据(13)所述的固态成像设备，其中，第一晶体管和第三晶体管布置在布置有具有浮置扩散的像素电路的芯片中。

(15)根据(13)或(14)所述的固态成像设备，其中，第一晶体管和第三晶体管布置在所述多个像素当中的一个像素的像素区域中。

(16)根据(1)所述的固态成像设备，其中，升压单元使用电容耦合来升高浮置扩散的一端侧的电位。

(17)根据(16)所述的固态成像设备，还包括：

电流源，所述电流源生成流过比较电路的电流，其中，

升压单元通过构成电流源的晶体管的栅极布线与浮置扩散之间的电容耦合来升高浮置扩散的一端侧的电位。

(18)根据(1)至(17)中任一项所述的固态成像设备，还包括：

时间码生成器，所述时间码生成器生成时间码；

时间码传输单元，所述时间码传输单元传输由时间码生成器生成的时间码；

参考电压生成器，所述参考电压生成器生成电压电平根据时间而变化的参考电压；以及

时间码保持单元，所述时间码保持单元针对每个像素提供并且保持当与浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压匹配时的时间码作为与接收的光量对应的数字信号。

(19)根据(18)所述的固态成像设备，其中，时间码生成器、时间码传输单元、参考电压生成器和时间码保持单元布置在与布置有具有浮置扩散的像素电路的芯片不同的芯片上。

本公开的方面不限于上述各个实施例，而是包括本领域的技术人员可以料想的各种变形例，并且本公开的效果不限于上述内容。即，在不脱离从权利要求书及其等同物中限定的内容推导出的本公开的概念思想和精神的情况下，可以进行各种添加、修改和部分删除。

参考符号列表

1固态成像设备

11A上基板

11C 下基板

21 像素

23 时间码传输单元

25DAC

26 时间码生成单元

41 像素电路

42ADC

51 比较电路

52 数据存储单元

61 差分输入电路

125FD

130 升压单元

140 电流源

Tr1 第一晶体管

Tr2 第二晶体管

Tr3 第三晶体管

Claims (19)

1.一种固态成像设备，包括：

浮置扩散，所述浮置扩散根据像素的接收的光量来累积通过光电转换生成的电荷；

比较电路，所述比较电路将与所述浮置扩散的累积电荷对应的电压和参考电压进行比较；以及

升压单元，所述升压单元在光电转换期间升高所述浮置扩散的一端侧的电位。

2.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述升压单元包括第一晶体管，所述第一晶体管以所述浮置扩散的一端侧的电位变高这样的方式控制流过所述比较电路的电流。

3.根据权利要求2所述的固态成像设备，还包括：

电流源，所述电流源生成流过所述比较电路的电流，其中，

所述第一晶体管控制由所述电流源生成的电流。

4.根据权利要求3所述的固态成像设备，还包括：

第二晶体管，所述第二晶体管级联到所述第一晶体管，其中，

所述电流源根据流过所述第二晶体管的电流来控制流过所述比较电路的电流。

5.根据权利要求4所述的固态成像设备，其中，流过所述第二晶体管的电流由所述第一晶体管的栅电压控制。

6.根据权利要求4所述的固态成像设备，其中，

所述电流源包括使电流在所述比较电路中流动的第三晶体管，并且

所述第三晶体管的栅极连接到所述第二晶体管的栅极。

7.根据权利要求6所述的固态成像设备，其中，当所述第一晶体管导通时，所述第三晶体管的栅电压升高。

8.根据权利要求6所述的固态成像设备，其中，所述第三晶体管的栅极与所述浮置扩散电容耦合。

9.根据权利要求2所述的固态成像设备，还包括：

第一芯片，在所述第一芯片上布置有具有所述浮置扩散的像素电路；以及

第二芯片，所述第二芯片被堆叠在所述第一芯片上并且在所述第二芯片中布置有包括所述第一晶体管的所述升压单元的至少一部分。

10.根据权利要求3所述的固态成像设备，其中，

所述电流源包括使电流在所述比较电路中流动的第三晶体管，并且

所述第一晶体管级联到所述第三晶体管。

11.根据权利要求10所述的固态成像设备，其中，

所述比较电路包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和所述浮置扩散的累积电荷对应的电压以及所述参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

所述第一晶体管连接在所述差分晶体管对和所述第三晶体管之间。

12.根据权利要求10所述的固态成像设备，其中，

所述比较电路包括差分晶体管对，所述差分晶体管对输出与和所述浮置扩散的累积电荷对应的电压以及所述参考电压之间的差分电压对应的信号，并且

所述第三晶体管连接在所述差分晶体管对和所述第一晶体管之间。

13.根据权利要求10所述的固态成像设备，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管由各自具有所述浮置扩散的多个像素共享。

14.根据权利要求13所述的固态成像设备，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管布置在芯片中，在所述芯片中布置有具有所述浮置扩散的像素电路。

15.根据权利要求13所述的固态成像设备，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管布置在所述多个像素当中的一个像素的像素区域中。

16.根据权利要求1所述的固态成像设备，其中，所述升压单元使用电容耦合来升高所述浮置扩散的一端侧的电位。

17.根据权利要求16所述的固态成像设备，还包括：

电流源，所述电流源生成流过所述比较电路的电流，其中，

所述升压单元通过构成所述电流源的晶体管的栅极布线与所述浮置扩散之间的电容耦合来升高所述浮置扩散的一端侧的电位。

18.根据权利要求1所述的固态成像设备，还包括：

时间码生成器，所述时间码生成器生成时间码；

时间码传输单元，所述时间码传输单元传输由所述时间码生成器生成的时间码；

参考电压生成器，所述参考电压生成器生成电压电平根据时间而变化的参考电压；以及

时间码保持单元，所述时间码保持单元针对每个像素提供并且保持当与所述浮置扩散的累积电荷对应的电压和所述参考电压匹配时的时间码作为与所述接收的光量对应的数字信号。

19.根据权利要求18所述的固态成像设备，其中，所述时间码生成器、所述时间码传输单元、所述参考电压生成器和所述时间码保持单元布置在与布置有具有所述浮置扩散的像素电路的芯片不同的芯片上。

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