DE10231082A1

DE10231082A1 - Verfahren zum Einstellen eines Signalpegels eines aktiven Bildelements und entsprechendes aktives Bildelement

Info

Publication number: DE10231082A1
Application number: DE10231082A
Authority: DE
Inventors: Bart Dierickx
Original assignee: FillFactory NV
Current assignee: On Semiconductor Image Sensor Be
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2003-02-06
Also published as: US20030011694A1; US7224389B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein aktives Bildelement, das eine Sensorschaltung zum Sammeln von durch Strahlung induzierten Ladungen und zum Wandeln dieser in ein Meßsignal, das der Menge angesammelter Ladung entspricht, und ein Kondensatorelement mit zwei Knoten umfaßt, wobei das Meßsignal auf einem Knoten des Kondensatorelements vorliegt. Die Speicherschaltung ist getaktet, d. h. wird durch ein gepulstes Signal angesteuert. Der Impuls an der Speicherschaltung erhöht den Rücksetzpegel am Ausgang, der aufgrund von Schwellenspannungsverlusten in der aktiven Bildelementschaltung erniedrigt ist, so daß eine große Signalauslenkung wiederhergestellt wird. Es werden Arrays der Bildelemente beschrieben. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung beschreibt außerdem ein Verfahren zum Auslesen eines solchen Bildelements.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Signalpegels eines aktiven Bildelements und ein aktives Bildelement, bei dem der Signalpegel eingestellt werden kann.
Ein solches aktives Bildelement kann z. B. als ein aktives Bildelement für die synchrone Erkennung verwendet werden. Mit synchroner Erkennung ist eine Technik zum Erfassen der Zeitvariation angesammelter Fotoladungen mit synchroner Erregung eznes Sensorelements und die Erkennung der darauf angesammelten Fotoladungen gemeint.

Allgemeiner Stand der Technik

Aus Orly Yadid-Pecht & al., "A random access photodiode array for intelligent image capture", IEEE transactions an electron devices, Band 38, Nr. 8, S. 1772 (August 1991) ist ein Sensor mit einer Lichtdetektionseinheit, einer Informationsabtast- und halteeinheit und einer Leseeinheit bekannt. Die Lichtdetektionseinheit umfaßt eine in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode, die mit einem Rücksetztransistor in Reihe geschaltet ist, der an eine positive Energieversorgung angekoppelt ist. Der Verbindungspunkt zwischen der Fotodiode und dem Rücksetztransistor wird als der Fotodiodenknotenpunkt bezeichnet. Dieser Fotodiodenknotenpunkt ist an eine Abtastschaltung angekoppelt. Das Ausgangssignal der Abtastschaltung wird einem ersten Anschluß eines Speicherkondensators zugeführt, dessen zweiter Anschluß mit Masse verbunden ist. Der erste Anschluß des Speicherkondensators ist außerdem mit einer Ausleseschaltung verbunden.
Die Vorgänge des Erfassens und des Auslesens werden getrennt, d. h. die Lichterfassung ist periodisch, das Lesen kann jedoch zu jeder beliebiger Zeit stattfinden. Der Speicherkondensator in dem Bildelement hält einen abgetasteten Wert für zusätzliche Ablesungen im derselben Integrationsperiode. Um eine einfache Anwendung mehrfacher Lesungen zu ermöglichen, sind Puffer vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Fotodiode und dem Speicherkondensator ein erster Puffer und zwischen dem Speicherkondensator und der Leseeinheit ein zweiter Puffer angeordnet.
Dieses bekannte aktive Bildelement hat den Nachteil, daß aufgrund des Vorliegens mehrerer Transistoren und insbesondere des Rücksetztransistors und jedes der Puffertransistoren verschiedene MOSFET-Schwellenspannungsabfälle in der Schaltung vorliegen, die zu einer Signaldämpfung führen. Angesichts moderner CMOS- Prozesse mit niedrigen Versorgungsspannungen (3,3 V, 2,5 V . . .) wird dadurch der Signalbereich stark reduziert. Bei einem 0,5-µm-CMOS-Prozeß reduzieren die Verschiedenen Schwellenspannungsabfälle den Rücksetzpegel am Ausgang auf etwa 0,5 V, so daß ein schwierig benutzbarer und nichtlinearer Signalbereich von weniger als 0,5 V übrigbleibt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liegt der Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Überwindung der Signaldämpfung in aktiven Bildelementen, sowie die Bereitstellung eines aktiven Bildelements zu schaffen, bei dem das Problem der großen Signaldämpfung nicht mehr vorkommt.
Diese Aufgabe wird durch Einführen eines Kondensatorelements mit zwei Knotenpunkten in ein aktives Bildelement gelöst. Ein aktives Bildelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt deshalb eine Sensorschaltung zum Sammeln von durch Strahlung induzierten Ladungen und zum Wandeln dieser in ein Meßsignal, das der Menge der angesammelten Ladung entspricht, und ein Kondensatorelement mit zwei Knotenpunkten. Das Signal des Bildelements ist an einem ersten Knotenpunkt des Kondensatorelements vorhanden (es kann z. B. dort gespeichert sein), und der Signalpegel wird durch Verändern der Spannung an dem anderen Knotenpunkt des Kondensatorelements verändert. Die aktiven Bildelemente können von verschiedenem Typ sein, z. B. dem für die synchrone Detektion von Licht verwendeten. Das Kondensatorelement wird getaktet, d. h. durch ein impulsförmiges Signal angesteuert. Das Impulssignal auf dem Kondensatorelement kann den Rücksetzpegel am Ausgang zum Beispiel um etwa 1 bis 2 Volt erhöhen und somit eine große Signalschwingung wiederherstellen.
Wahlweise wird das. aktive Bildelement außerdem mit einer Abtastschaltung zum Abtasten des Meßsignals ausgestattet, wobei das abgetastete Meßsignal danach in dem Kondensatorelement gespeichert wird. Das Kondensatorelement kann dann einen Teil einer Abtast- und Haltestufe bilden.
Die Sensorschaltung kann so ausgestaltet werden, daß sie verschiedene Arten von Strahlung empfängt, wie z. B. optisches Licht, IR-Licht, UV-Licht, hochenergetische Partikel, Röntgenstrahlen usw. Die Sensorschaltung umfaßt in der Regel eine Reihenschaltung einer in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode und eines Rücksetztransistors.
Gemäß einer bevorzugter Ausführungsform kann das Kondensatorelement ein einfacher flacher Plattenkondensator sein, obwohl es auch möglich und manchmal kompakter ist, ihn als eine MOS-Struktur oder eine Sperrschicht zu implementieren. Für Fachleute sind andere Kondensatorelemente erkennbar, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wenn das Kondensatorelement als ein Abtast- und Haltekondensator verwendet wird, kann das Bildelement weiterhin eine Vorladeschaltung zum Vorladen der Spannung an dem Kondensatorelement auf eine Startspannung vor dem Abtasten umfassen.
Vorzugsweise Umfaßt das aktive Bildelement weiterhin eine mit dem Kondensatorelement verbundene Ausleseschaltung zum Auslesen des Meßsignals, das an dem Knotenpunkt des Kondensatorelements vorliegt oder gespeichert ist.
Das aktive Bildelement kann weiterhin einen Multiplexer zum Auslesen des auf dem Kondensatorelement vorliegenden oder gespeicherten Signals umfassen.
Zwischen dem Kondensatorelement und der Ausleseschaltung kann ein erster Puffer vorgesehen werden; und zwischen der Sensorschaltung und der Abtastschaltung kann ein zweiter Puffer vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zum Auslesen eines aktiven Bildelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren die Signaldämpfung verringern kann.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Auslesen eines Signals, das eine Strahlungsmenge darstellt, die sich auf einem aktiven Bildelement angesammelt hat, das ein Halbleitersubstrat und eine Ausleseschaltung umfaßt, umfaßt die folgenden Schritte: Empfangen von Strahlung auf dem Substrat, Sammeln von Ladungen auf dem Substrat, die durch die Strahlung erzeugt werden, und Wandeln dieser in ein Meßsignal und Transferieren des an einem ersten Knotenpunkt eines Kondensatorelements vorliegenden Meßsignals zu der Ausleseschaltung. Bevor das Meßsignal an dem ersten Knotenpunkt des Kondensatorelements erscheint, wird ein ersten Spannungspegel an einen zweiten Knotenpunkt des Kondensatorelements angelegt, und nach dem Erscheinen des Meßsignals an dem ersten Knotenpunkt, aber bevor es ausgelesen wird, wird die an den zweiten Knotenpunkt des Kondensatorelements angelegter ersten Spannungspegel verändert. Der erste Spannungspegel kann einen niedrigen Spannungspegel sein. Der erste Spannungspegel kann erhöht oder reduziert werden.
Das Meßsignal kann direkt zu dem Konäensatorelement transferiert oder auf einem Zwischen-Kondensatorelement zum Beispiel in einer Abtast- und Halteschaltung gespeichert werden.
Die Ladungen können in einem Kondensatorelement gespeichert werden, wie zum Beispiel einem flachen Plattenkondensator, einem MOS-Kondensator oder einer Sperrschicht. Die Strahlung kann durch eine Sensorschaltung gewandelt werden, die zum Beispiel ein lichtempfindliches Element aufweist. Die einfallende Strahlung kann eine von optischem Licht, IR-Licht, UV- Licht, hochenergetischen Partikeln, Röntgenstrahlen usw. Eine zwischen die Sensorschaltung und ein Kondensatorelement geschaltete Abtastschaltung kann zum Abtasten der Ladung auf der Sensorschaltung verwendet werden. Die Ausleseschaltung kann mit dem Kondensatorelement verbunden werden. Das Kondensatorelement kann vor dem Abtasten des Meßsignals vorgeladen werden.
Die vorliegende Erfindung enthält außerdem ein Array aktiver Bildelemente, wobei jedes Bildelement eine Sensorschaltung zum Sammeln von durch Strahlung induzierten Ladungen und zum Wandeln dieser in ein Meßsignal, das der Menge angesammelter Ladung entspricht, und ein Kondensatorelement mit zwei Knotenpunkten, wobei das Meßsignal, das aus der Sensorschaltung erhalten wird, an einem Knotenpunkt des Kondensatorelements vorliegt, umfaßt, wobei das Array weiterhin eine Impulsschaltung zum Ansteuern des Kondensatorelements durch ein impulsförmiges Signal umfaßt.
Das Array kann weiterhin eine Abtastschaltung zum Abtasten des Meßsignals, bevor es zu dem Kondensatorelement geleitet wird, umfassen.
Es kann außerdem eine Vorladeschaltung zum Vorladen einer Spannung an dem Kondensatorelement vor dem Abtasten umfassen.
Vorzugsweise umfaßt das Array weiterhin eine Schaltung zum Steuern der Zeitsteuerung des Abtastens und des Vorladens aller aktiven Bildelemente des Arrays zur gleichen Zeit. Das Kondensatorelement wird getaktet, d. h. durch ein impulsförmiges Signal angesteuert. Das Array kann außerdem eine mit dem Kondensatorelement bzw. den Kondensatorelementen verbundene Ausleseschaltung zum Auslesen des auf dem Kondensatorelement bzw. den Kondensatorelementen vorliegenden oder gespeicherten Meßsignals umfassen. Ein Impuls kann an das Kondensatorelement angelegt werden, der den Rücksetzpegel am Ausgang zum Beispiel um 1 bis 2 Volt erhöhen kann und somit eine große Signalschwingung wiederherstellt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren zum Auslesen eines Signals, das eine Menge von auf aktiven Bildelementen eines Arrays solcher Bildelemente einfallender Strahlung darstellt, wobei jedes Bildelement ein Halbleitersubstrat mit einem Kondensatorelement und eine Ausleseschaltung umfaßt, wobei das Verfahren die folgenden Sehritte aufweist: Empfangen von Strahlung auf dem Substrat, Sammeln von Ladungen an verschiedenen aktiven Bildelementen auf dem Substrat, die durch die Strahlung erzeugt werden, und Wandeln dieser in Meßsignale, Ansteuern der Kondensatorelemente durch ein impulsförmiges Signal und Leiten der Meßsignale zu den Kondensatorelementen, weiterhin mit dem Schritt des Ansteuerns verschiedener Kondensatorelemente durch ein impulsförmiges Signal zur gleichen Zeit.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiterhin den Schritt des Vorladens der Kondensatorelemente vor dem Leiten der Meßsignale auf die Kondensatorelemente. Das Verfahren kann außerdem einen Schritt des Abtastens der Meßsignale vor dem Speichern dieser auf den Kondensatorelementen umfassen.
Vorzugsweise werden die Konäensatorelemente aller aktiven Bildelemente des Arrays zur gleichen Zeit vorgeladen. Das Verfahren kann außerdem einen Schritt des Antastens aller Meßsignale eines Arrays von Kondensatorelementen zur gleichen Zeit umfassen.
Das Kondensatorelement kann z. B. ein flacher Plattenkondensator, ein MOS-Kondensator oder eine Sperrschicht sein. Die Strahlung kann durch eine Sensorschaltung gewandelt werden, die zum Beispiel ein lichtempfindches Element aufweist. Die einfallende Strahlung kann eine von optischem Licht, IR-Licht, UV-Licht, hochenergetischen Partikeln, Röntgenstrahlen usw. Eine zwischen die Sensorschaltung und ein Kondensatorelement geschaltete Abtastschaltung kann zum Abtasten der Ladung auf der Sensorschaltung verwendet werden. Die Ausleseschaltung kann mit dem Kondensatorelement verbunden werden. Vor dem Abtasten wird ein niedriger Spannungsimpuls an das Kondensatorelement angelegt, und nach dem Abtasten, aber vor dem Auslesen, wird die an das Kondensatorelement angelegte Spannung erhöht.
Die vorliegende Erfindung liefert außerdem eine Zeitsteuerungsschaltung zum Erzeugen beliebiger oder aller der notwendigen Steuersignale zur Implementierung beliebiger der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen von aktiven Bildelementen für die synchrone Detektion gemäß der Erfindung erkennbar. Die vorliegende Beschreibung wird lediglich als Beispiel angegeben, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken. Die nachfolgend aufgeführten Bezugsfiguren beziehen sich auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das die elektrische Schaltung einer ersten Ausführungsform eines aktiven Bildelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist ein Schaltbild der elektrischen Schaltung einer zweiten Ausführungsform eines aktiven Bildelements gemäß der vorlegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Impulsdiagramm der verschiedenen Signale in der elektrischen Schaltung des aktiven Bildelements von Fig. 1.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer sehr einfachen Ausführungsform eines aktiven Bildelements gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibungen der Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und mit Bezug auf Zeichnungen beschrieben, obwohl die Erfindung nicht darauf, sondern nur durch die Ansprüche beschränkt wird. Die beschriebenen Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht einschränkend. In der folgenden Beschreibung versteht sich, daß alle Steuersignale von einer eigenen Zeitsteuerungsschaltung bereitgestellt werden können, gleichgültig, ob dies explizit gesagt wird oder nicht.
Fig. 1 und 4 zeigen im wesentlichen in schematischer Form ein aktives Bildelement gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt die einfachste Ausführungsform und Fig. 1 zeigt eine kompliziertere Ausführungsform.
Das Eingangssignal an einem aktiven Bildelement entspricht der Strahlungsintensität an der Stelle dieses Bildelements. Die Strahlung kann eine von optischem Licht, IR-Licht, UV-Licht, hochenergetischen Partikeln, Röntgenstrahlen usw. Im folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegender Erfindung mit Bezug auf einfallendes Licht beschrieben. Die Intensität des einfallenden Lichts wird von einer Fotodiode (dem Sensor) und ihrer zugeordneten Schaltungen in eine Analogspannung am Ausgang des Bildelements gewandelt. Das Erfassen erfolgt über eine Sensorschaltung 1, die eine in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode D und einen Rücksetztransistor. M1 umfaßt. Die Fotodiode D wird periodisch mittels des Rücksetztransistors M1 auf eine feste Vorspannung zurückgesetzt, wobei der Rücksetztransistor M1 zwischen die in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode D und eine (positive) Energieversorgung VDD geschaltet ist. Der Transistor M1 lädt die Sperrschichtkapazität der Fotodiode D am Anfang jeder Integrationsperiode vor, wenn ein Rücksetzsignal an das Gate G1 des Rücksetztransistors M1 angelegt wird. Die Fotodiode D sammelt fotoerzeugte Ladungen, z. B. Elektronen (ein Halbleitersiliziumsubstrat, das Photonen ausgesetzt wird, führt zu einer Freigabe von Ladungsträgern) und Entladungen proportional, zu der Integrationsperiode und dem Fotostrom der Fotodiode D. Der Strom, den die Photonen des Lichts in der Fotodiode D erzeugen, hängt direkt mit dem einfallenden Licht zusammen. Bei einem linearen Bauelement ist der erzeugte Strom vorzugsweise proportional zu der Lichtintensität.
Die Verbindung zwischen dem Rücksetztransistor M1 und der Fotodiode D ist der Fotodiodenknotenpunkt P.
Bei der einfachen Ausführungsform von Fig. 4 ist der Fotodiodenknotenpunkt P unmittelbar an einen ersten Anschluß einer Speicherschaltung 3 angekoppelt, die einen Speicherkondensator C1 umfaßt. Ein in der Fotodiode integriertes Signal liegt auf dem Speicherkondensator C1 vor. Das auf dem Kondensator C1 vorliegende Signal kann demzufolge durch einen Puffer 6 erfasst werden, der zum Beispiel den Puffertransistor M5 enthält, und in ein er herkömmlichen Zeilenadressierungs-/Spaltenausleseweise durch den Transistor M6 ausgelesen werden. Die Kombination von Transistoren M5 und M6 ist nur eine mögliche Implementierung eines Puffers/Multiplexers. Es sind viele andere Vorgehensweisen für diesen Teil möglich und den Fachleuten bekannt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der zweite Anschluß des Kondensators C1 durch ein impulsförmiges Signal VMEM getaktet, um Schwellenspannungsverluste in anderen Teilen der Schaltung auszugleichen. Das impulsförmiges Signal VMEM kann von einer Zeitsteuerungsschaltung bereitgestellt werden.
Bei der komplizierten Ausführungsform von Fig. 1 ist das Gate G2 des Transistors M2 mit dem Fotodiodenknotenpunkt F verbunden, an dem ein Spannungssignal erzeugt wird, das der angesammelten Ladung auf der Fotodiode D entspricht. Der Transistor M2 wirkt als eine Pufferschaltung 7. Der Drain-Anschluß D2 des Transistors M2 ist mit der positiven Stromversorgung VDD verbunden, und sein Source-Anschluß S2 ist mit einem Eingang einer Abtastschaltung 2 verbunden. An dem Source-Anschluß S2 des Puffertransistors M2 erscheint eine Spannung, die ein Maß für die Ladung auf dem Fotodiodenknotenpunkt P ist. Nach der gewünschten Integrationsperiode wird das Signal am Source-Anschluß S2 des Puffertransistors M2 durch die Abtastschaltung 2 abgetastet und zu der Speicherschaltung 3 geleitet, die einen Speicherkondensator C1 umfaßt (siehe Fig. 1), der mit einem ersten Anschluß der Abtastschaltung 2 verbunden ist. Die Abtastschaltung 2 und die Speicherschaltung 3 wirken als eine Abtast- und Haltestufe für das Signal am Source-Anschluß S2 des Transistors M2 zusammen. Durch Schließen des durch den Abtasttransistor M3 gebildeten Schalters durch Anlegen eines Abtastsignals an das Gate G3 des Abtasttransistors M3 wird die Signalspannung an dem Kondensator C1 eingefroren. Die Spannung an dem Kondensator C1 hängt von der Durchleitungsfunktion der Abtasteinheit ab. Die Abtasteinheit kann entweder ein Spannungsfolgerpuffer oder ein Schalter sein, der einen Teil der in der Fotodioden-Verarmungskapazität gespeicherten Ladung in der Speicherkondensator C1 leitet. Fig. 1 zeigt einen Spannungsfolger (Source-Folger M2) und Schalter (M3) Dies ist eine bestimmte Implementierung einer Abtasteinheit und viele andere Implementierungen sind dem Fachmann bekannt. Falls eine Abtasteinheit einen Schalter umfaßt, sollte der Kondensator C1 vor dem Abtasten auf eine Startspannung vorgeladen werden. Die Vorladeschaltung 5, die den Transistor M4 umfaßt, dient zum Vorladen der Spannung an den Kondensator C1 auf einen niedrigen Pegel beim Anlegen eznes Vorladeimpulses an das Gate G4 dieses Transistors MW wobei der Source-Anschluß des Vorladetransistors M4 mit Masse verbunden wird. Die auf dem Kondensator C1 eingefrorene Spannung kann danach von einem Puffer 6 erfasst werden, der zum Beispiel den Puffertransistor M5 umfaßt, und in einem herkömmlichen Zeilenadressierungs-/Spaltenausleseweise durch den Transistor M6 ausgelesen werden. Die Kombination der Transistoren M5 und M6 ist nur eine mögliche Implementierung eines Puffers/Multiplexers. Es sind für diesen Teil viele andere Verfahrensweisen möglich und der Fachleuten bekannt. Alle notwendigen Steuersignale zur Implementierung der obigen Ausführungsformen können durch eine eigene Zeitsteuerungsschaltung erzeugt werden.
Das Lesen kann während des Erfassens eines neuen Werts mehrmals stattfinden, während die Abtast- und Rücksetz- Schalter (die Transistoren M3 bzw. M1) ausgeschaltet sind. Zum Lesen schließt sich der Zeilenauswahlschalter M6 und die Spannung an dem Source-Anschluß S5 des Puffertransistors M5 wird zu dem Spaltenbus geleitet.
Die Spaltenausgangsleitung kann in einer Stromlast oder einer Widerstandslast enden und wird das Bildelementsignal zu einem Spaltenverstärker oder einem anderen Typ von Verstärker weiterleiten (wobei der Typ für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist).
In dem Bildelement von Fig. 1 werden mehrere Signale, die bildelementextern sind, an die Gates von Transistoren angelegt, die als Schalter wirken. Ein Zeitsteuerungsdiagramm ist in Fig. 3 gezeigt. Ein an das Gate G1 des Transistors M1 angelegtes Rücksetzsignal entlädt den Fotodiodenknotenpunkt P, um eine neue Integrationsperiode zu starten. Ein Vorladesignal, das an das Gate G4 des Vorladetransistors M4 angelegt wird, lädt den Speicherkondensator C1 auf einen niedrigen Pegel vor. Ein Vorladeimpuls sollte auftreten, bevor ein Abtastschaltimpuls an dem Gate G3 eines Abtasttransistors M1 auftritt. Der Abtastschaltimpuls lädt den Speicherkondensator C1 auf den Signalpegel auf, der an dem Source-Anschluß S2 des Puffertransistors M2 vorliegt. Ein Öffnen des Abtastschalters M3 friert wiederum das Signal an dem Kondensator C1 ein und ist somit effektiv das Ende der Integrationszeit. Ein an das Gate G6 des Transistors M6 angelegtes Zeilenauswahlsignal wählt eine bestimmte Zeile (oder Reihe) von Bildelementen zur Auslesung. Das Zeilenauswahlsignal kann zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen zwei Abtastimpulsen angelegt werden. Dies ist durch die schraffierter Zonen dargestellt, die zeigen, wo ein Impuls vorliegen kann.
Die Impulse "Rücksetzen", "Abtasten" und "Vorladen" können für jedes Bildelement einzeln spezifisch oder für Reihen von Bildelementen gemeinsam sein. Ein Spezialfall liegt vor, wenn diese drei Signale allen Bildelementen in einem Bildsensor gemeinsam sind. Da die effektive Integrationszeit eines Bildelements die Zeit zwischen dem Öffnen des Rücksetzschalttransistors M1 und dem Öffnen des Abtast- und Halteschalttransistors M3 ist, kann die Zeit, wann die Bildelemente "sehen", unabhängig von dem Augenblick des Auslesens der Bildelemente festgelegt werden, der durch das an den Auslesetransistor M6 angelegte Zeilenauswahlsignal bestimmt wird.
Zusätzlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung auch der zweite Anschluß des Kondensators C1 durch ein impulsförmiges Signal VMEM getaktet. Alle obigen Signale können durch eine eigene Zeitsteuerungsschaltung bereitgestellt werden, insbesondere jene Zeitsteuerungssignale, die in Fig. 3 gezeigt oder daraus ableitbar sind.
Das Signal an dem Gate G2 des Transistors M2 liegt mindestens eine Schwellenspannung VTH unter dem positiven Energieversorgungspegel VDD der Schaltung oder darunter. Das Signal an dem Source-Anschluß S2 vor M2 liegt eine weitere Schwellenspannung VTH unter dem Signal an dem Gate G2 des Transistors M2 und somit mindestens zweimal VTH unter dem VDD-Pegel der Schaltung oder darunter. Somit liegt auch das Signal an dem Drain-Anschluß D4 des Vorladetransistors M4 und an dem Kondensator C1 zweimal VTH unter VDD oder sogar noch weiter darunter. Ein weiterer Schwellenspannungsabfall erfolgt in dem Puffertransistor M5. Angesichts moderner CMOS-Prozesse mit niedrigen Versorgungsspannungen (3,3 V, 2,5 V, . . .) wird dadurch der Signalumfang stark reduziert. Eine Möglichkeit, die Spannung an dem Kondensator C1 nochmals zu erhöhen und dadurch die Verluste auszugleichen, wird im folgenden beschrieben. Das impulsförmige Signal VMEM, das an den zweiten Anschluß des Kondensators C1 angelegt wird, wird mit einer niedrigen Spannung angelegt. Der erste Anschluß des Kondensators C1 wird durch die Vorladeschaltung 5 vorgeladen, und anschließend wird das Bildelementsignal abgetastet und auf diesem Knotenpunkt gehalten. Dieses Signal weist im Vergleich zu VDD mindestens 2 VTH-Verluste auf. Der Abtast- und Halteschalter M3 wird wieder geöffnet. Danach wird die an den zweiten Anschluß des Kondensators C1 angelegte Spannung VMEM erhöht. Folglich wird das Signal an dem Kondensator C1 zusammen mit dieser ansteigen. Die Amplitude dieses Anstiegs bestimmt den Anstieg der Signalspannung, so da diese bezüglich der VTH-Verluste in den anderen Teilen der Schaltung kompensiert werden können. Die Zeitsteuerung des VMEM-Signals ist in Fig. 3 gezeigt: es kann vor oder nach dem Vorladeimpuls (siehe die schraffierte Zone) zu dem Niedrig-Zustand übergehen, aber auf jeden Fall vor dem Abtastimpuls, und geht nach dem Abtastimpuls wieder zu dem Hoch- Zustand über. Alle obigen Signale können von einer Zeitsteuerungsschaltung bereitgestellt werden.
Dieselbe Bildelementarchitektur der vorliegenden Erfindung kann auch zur Realisierung einer korrelierten Doppelabtastung mit einem aktiven Bildelement verwendet werden. Die korrelierte Doppelabtastung ist eine Technik des Nehmens zweier Abtastwerte eines Signals in dichtem zeitlichen Abstand und des Subtrahierens des ersten Signals von dem zweiten, um Niederfrequenz Rauschen zu entfernen. Das Abtasten des Bildelementausgangssignals geschieht zweimal: einmal nach dem Rücksetzen und einmal nach dem Integrieren der Signalladung. Die Subtraktion entfernt das Rücksetzrauschen (kTC-Rauschen) und den Gleichstromoffset von der Signalladung.
Bei dem korrelierten Doppelabtasten muß ein Bildelement unmittelbar nacheinander folgend die Rücksetzspannung an eznem Kondensator und die Signalspannung an demselben Kondensator, nachdem es die Ladung integriert hat, liefern können. Nachfolgende elektronische Schaltkreise (die für Fachleute unkompliziert sind) subtrahieren diese beiden Spannungen und liefern ein offsetfreieres und rauschfreieres Ergebnis. Mit der vorliegenden Bildelementstruktur kann dies realisiert werden, da der Speicherkondensator ein Speichern des Rücksetzpegels an der Fotodiode erlaubt. Im Augenblick des Auslesens der Bildelemente kann diese Rücksetzspannung gelesen werden, und durch Umschalten des Vorladetransistors und des Abtasttransistors kann die tatsächliche Signalspannung, die möglicherweise auch gespeichert wird, unmittelbar danach gelesen werden. Alle notwendigen Steuersignale können von einer Zeitsteuerungsschaltung bereitgestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Bildelements, wobei der Source-Anschluß S4 des "Vorlade"- Transistors mit dem Spaltenausgang und nicht mit Masse verbunden ist. Dadurch spart man die Verwendung einer Masseverbindung in jedem Bildelement, wodurch Siliziumfläche eingespart wird und das Bildelement weniger undurchsichtig wird. Andere Einzelheiten dieser Ausführungsform sind dieselben wie für die erste Ausführungsform.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene Änderungen oder Modifikationen der Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang und Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Aktives Bildelement, umfassend: eine Sensorschaltung zum Sammeln von durch Strahlung induzierten Ladungen und zum Wandeln dieser in ein Meßsignal, das der Menge der angesammelten Ladung entspricht, und ein Kondensatorelement mit zwei Knotenpunkt, wobei das Meßsignal an einem Knotenpunkt des Kondensatorelements vorliegt, und wobei der Signalpegel durch Ändern der Spannung an dem anderen Knotenpunkt des Kondensatorelements verändert wird.

2. Aktives Bildelement nach Anspruch 1, wobei das Meßsignal auf einem Knotenpunkt des Kondensatorelements gespeichert ist.

3. Aktives Bildelement nach Anspruch 2, wobei das Konäensatorelement Teil einer Abtast- und Haltestufe ist.

4. Aktives Bildelement nacn einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit einer Vorladeschaltung zum Vorladen der Spannung an dem Knotenpunkt des Kondensatorelements.

5. Aktives Bildelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit einer mit dem Kondensatorelement verbundenen Ausleseschaltung zum Auslesen des auf dem Knotenpunkt des Kondensatorelements vorliegenden Meßsignals.

6. Aktives Bildelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit einem Puffer/Multiplexer zum Auslesen des auf dem Knotenpunkt des Kondensatorelements vorliegenden Signals.

7. Aktives Bildelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Sensorschaltung eine Reihenschaltung einer in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode und eines Rücksetztransistors umfaßt.

8. Aktives Bildelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein erster Puffer zwischen dem Kondensatorelement und der Ausleseschaltung vorgesehen ist.

9. Aktives Bildelement nach eznem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein zweiter Puffer zwischen der Sensorschaltung und einer Abtastschaltung vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Auslesen eines Signals, das eine Menge von auf einem aktiven Bildelement einfallender Strahlung darstellt, mit einem Halbleitersubstrat und einer Ausleseschaltung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Empfangen von Strahlung auf dem Substrat, Sammeln von Ladungen auf dem Substrat, die durch die Strahlung erzeugt werden, und Wandeln dieser in ein Meßsignal und Leiten des auf einem ersten Knotenpunkt eines Kondensatorelements vorliegenden Meßsignals zu der Ausleseschaltung, wobei das Verfahren weiterhin, bevor das Meßsignal auf dem ersten Knotenpunkt des Kondensatorelements auftritt, den Schritt des Anlegens eines ersten Spannungspegels an einen zweiten Knotenpunkt des Kondensatorelements, und nach dem Auftritt des Meßsignals auf dem ersten Knotenpunkt, aber bevor es ausgelesen wird, des Veränderns der an dem zweiten Knotenpunkt des Kondensatorelements angelegten ersten Spannungspegel umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Transferierens das Speichern des Meßsignals auf einem ersten Knotenpunkt des Konäensatorelements umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin mit einem Schritt des Vorladens des Kondensatorelements vor dem Leiten oder Speichern des Meßsignals.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Rücksetzpegel des Bildelements gespeichert wird und zum Zeitpunkt des Auslesens dieser gespeicherte Rücksetzpegel und ein tatsächlicher Signalpegel kurz nacheinander ausgegeben werden, um so ein anschließendes korreliertes Doppelabtasten zu ermöglichen.

14. Array aktiver Bildelemente, wobei jedes aktive Bildelement ein Bildelement nach einem der Ansprüche 1-9 ist.

15. Array aktiver Bildelemente, wobei jedes aktive Bildelement folgendes aufweist: eine Sensorschaltung zum Sammeln von durch Strahlung induzierten Ladungen und zum Wandeln dieser in ein Meßsignal, das der Menge der angesammelten Ladung entspricht, ein Kondensatorelement zum Speichern des Meßsignals und eine Vorladeschaltung zum Vorladen einer Spannung an dem Kondensatorelement vor dem Speichern, wobei das Array weiterhin eine Impulsschaltung zum Ansteuern des Kondensatorelements durch ein impulsförmiges Signal umfaßt.

16. Array nach Anspruch 15, weiterhin mit einer Schaltung zum Steuern der Zeitsteuerung des Vorladens aller aktiven Bildelemente des Arrays zur gleicher Zeit.

17. Array nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin mit einer mit dem Kondensatorelement bzw. den Kondensatorelementen verbundenen Ausleseschaltung zum Auslesen des auf dem Kondensatorelement bzw. den Kondensatorelementen gespeicherten Meßsignals bzw. Meßsignale.

18. Verfahren zum Auslesen eines Signals, das eine Menge von auf aktiven Bildelementen eines Arrays einfallender Strahlung darstellt, wobei jedes Bildelement ein Halbleitersubstrat mit einem Kondensatorelement umfaßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Empfangen von Strahlung auf dem Substrat, Sammeln von durch die Strahlung erzeugten Ladungen an verschiedenen aktiven Bildelementen auf dem Substrat und Wandeln dieser in Meßsignale, Ansteuern der Kondensatorelemente durch ein impulsförmiges Signal und Speichern der Meßsignale auf den Kondensatorelementen, weiterhin mit dem Schritt des Ansteuerns verschiedener Konäensatorelemente durch ein impulsförmiges Signal zur gleichen Zelt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verfahren weiterhin einen Schritt des Vorladens der Kondensatoren aller aktiven Bildelemente des Arrays zur gleichen Zeit umfaßt.