半導體裝置的驅動方法
【專利摘要】一種能夠在短時間內取得高精度的距離信息的半導體裝置。此外，一種能夠同時取得該距離信息和圖像信息的半導體裝置。通過進行紅外光照射多于一次以取得檢測信號，并使各次照射期間為相同且極短，來提高距離信息的精度。通過使用相鄰的光電二極管檢測出從對象物的大致相同點反射的光，即使對象物是移動體也可以維持距離信息的精度。通過重疊吸收可見光且使紅外光透過的光電二極管與吸收紅外光的光電二極管，能夠同時取得距離信息和圖像信息。
【專利說明】半導體裝置的驅動方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種包括光電傳感器的半導體裝置的驅動方法。
[0002] 注意，在本說明書中，半導體裝置總體上是指能夠通過利用半導體特性而工作的 裝置。電光裝置、半導體電路及電子設備都是半導體裝置。
【背景技術】
[0003] 近年來，在多種領域中已使用如下三維（3D)距離測量方法，該三維（3D)距離測量 方法不僅可以取得對象物的形狀信息，而且可以取得對象物的距離信息。該方法主要分為 兩種方法：主動測量和被動測量。在主動測量中，對象物被照射光、電波或聲波等，并使用所 得到的信息。在被動測量中，對象物不被照射用作輔助測量的特定的光、特定的電波等。
[0004] 作為被動測量，可以使用立體匹配法等。作為主動測量，可以使用飛行時間（Time Of Flight :T0F)法、光切斷法等。在立體匹配法中，通過多個光電傳感器拍攝不同的圖像， 并且根據三角測量的原理取得距離信息。在專利文獻1中，通過對比在不同的圖像中的共 同的區域小的區域進行立體匹配，縮短測量時間并提高測量精度。
[0005] 在T0F法中，對象物被照射紅外光一定期間，并且由各像素中的光電傳感器檢測 反射光。利用光照射開始時刻與反射光的到達光電傳感器的時刻之間的差，根據照射期間、 檢測信號及光速算出距離信息。在非專利文獻1中，通過兩次的紅外光照射，取得兩個檢測 信號。T0F法的優點之一是容易使半導體裝置小型化這一點。
[0006] 在專利文獻2中，通過在每隔一個幀期間地交替進行二維（2D)拍攝和三維拍攝， 使用一個像素取得二維信息（從對象物反射的光的強度、色彩等）及三維信息（從光源到 對象物的距離）。
[0007] [參考文獻]
[0008] [專利文獻]
[0009] 專利文獻1 :日本專利申請公開2008-59148號公報
[0010] 專利文獻2 :日本專利申請公開2010-35168號公報
[0011][非專利文獻]
[0012] 非專利文獻 1 :S. J. Kim et al，"A Three-Dimensional Time-〇f-Flight CMOS Image Sensor With Pinned-Photodiode Pixel Structure，'，IEEE Electron Device Letters, Nov. 2010, Vol. 31, No. 11,pp.1272-1274
【發明內容】
[0013] 在立體匹配法中，為了取得高精度的距離信息，需要提高匹配精度。匹配處理量的 增加導致測量時間的大幅度增加。再者，不容易使半導體裝置小型化，因為多個光電傳感器 處于彼此遠離的位置。
[0014] T0F法有當通過一次的紅外光照射取得用來算出距離信息的檢測信號時檢測信號 的精度降低的問題。
[0015] 在非專利文獻1中，在第一個檢測信號的取得之后且第二個檢測信號的取得之前 有時間差。當對象物移動時，因該時間差而檢測信號稍微地變化；因此，不容易維持距離信 息的精度。
[0016] 在專利文獻2中，需要在二維拍攝和三維拍攝之間切換幀期間。因此，在通過二維 拍攝的信息取得之后且通過三維拍攝的信息取得之前有時間差。因此，不容易同時取得該 兩個信息，這是有問題的。
[0017] 鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種可以在短時間內取得高精度的距離信息 的半導體裝置。本發明的目的是提供一種即使對象物移動，也可以在短時間內取得高精度 的距離信息的半導體裝置。本發明的目的是提供一種可以在短時間內同時取得高精度的距 離信息及圖像信息的半導體裝置。
[0018] 本發明的課題是進行半導體裝置的小型化。
[0019] 在本發明的一個實施方式中，通過多于一次地進行紅外光照射以取得一個檢測信 號，并使各次照射期間為同一且極短，來提高距離信息的精度。
[0020] 本說明書所公開的本發明的一個實施方式是一種半導體裝置的驅動方法，該半導 體裝置包括：包括光電轉換元件以及根據被提供到光電轉換元件的光量將信號電荷積累于 FD節點的第一晶體管的像素；以及根據從輸出線輸出的檢測信號進行運算處理的信號處 理電路。該方法包括如下步驟：對光電轉換元件的一個電極供給使FD節點具有第一高電位 的電位；在期間T中從光源對對象物照射紅外光；在從到達對象物而反射的光開始對光電 轉換元件的入射的時刻至光源停止紅外光的照射的時刻的第一期間中，至少使第一晶體管 的柵電極的電位為第二高電位η (η是2或更大的自然數）次；從輸出線取得基于第η次的 第一期間之后的FD節點的電位和低電位之間的第一電位差的第一檢測信號；在取得第一 檢測信號之后，對光電轉換元件的一個電極供給使FD節點具有第一高電位的電位；在期間 Τ中從光源對對象物提供紅外光；在從光源停止紅外光的照射的時刻至到達對象物而反射 的光結束對光電轉換元件的入射的時刻的第二期間中，至少使第一晶體管的柵電極的電位 為第二高電位η次；從輸出線取得基于第η次的第二期間之后的FD節點的電位和低電位之 間的第二電位差的第二檢測信號；以及在取得第二檢測信號之后，使用信號處理電路進行 算式（1)的運算處理來算出光電轉換元件和對象物之間的距離，其中，光速、第一檢測信號 及第二檢測信號分別以c、Si及S 2表示。
[0021]
【權利要求】
1. 一種包括含有光電二極管的光電傳感器的半導體裝置的驅動方法，包括如下步驟： 從第一時刻到第二時刻通過對所述光電二極管的第一端子供應第一信號進行第一復 位工作； 從所述第二時刻到第四時刻使用來自光源的第一光進行對象物的第一照射； 從所述第二時刻到所述第四時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第一光進行第一 拍攝； 重復進行所述第一照射和所述第一拍攝n(n是2以上的自然數）次； 從第十二時刻到第十五時刻使用來自所述光源的第二光進行所述對象物的第二照 射； 從第十四時刻到所述第十五時刻通過對所述光電二極管的所述第一端子供應所述第 一信號進行第二復位工作； 從所述第十五時刻到第十六時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第二光進行第二 拍攝；以及 重復進行所述第二照射和所述第二拍攝η次， 其中，從所述第二時刻到所述第四時刻的時間長度和從所述第十二時刻到所述第十五 時刻的時間長度相同。
2. 根據權利要求1所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過所述第一拍攝得到第一檢測信號； 通過所述第二拍攝得到第二檢測信號；以及 使用所述第一檢測信號和所述第二檢測信號得到從所述光源到所述對象物的距離。
3. 根據權利要求2所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過使用下述算式得到從所述光源到所述對象物的所述距離X :
其中： S1表示所述第一檢測信號； S2表示所述第二檢測信號； Τ表示從所述第二時刻到所述第四時刻的所述時間長度；并且 c表不光速。
4. 根據權利要求1所述的半導體裝置的驅動方法， 其中從第三時刻到第五時刻被所述對象物反射的所述第一光入射到所述光電二極管 中， 其中從第十三時刻到所述第十六時刻被所述對象物反射的所述第二光入射到所述光 電二極管中，并且 其中從所述第二時刻到所述第三時刻的時間長度、從所述第四時刻到所述第五時刻的 時間長度、從所述第十二時刻到所述第十三時刻的時間長度和從所述第十五時刻到所述第 十六時刻的時間長度相同。
5. 根據權利要求4所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述光電傳感器包括第一晶體管和第二晶體管， 其中所述第一晶體管的第一端子與所述光電二極管的第二端子電連接， 其中所述第一晶體管的第二端子與所述第二晶體管的柵極電連接，并且 其中所述方法包括如下步驟： 從所述第二時刻到所述第四時刻通過對所述第一晶體管的柵極供應第二信號進行所 述第一拍攝；以及 從所述第十五時刻到第十七時刻通過對所述第一晶體管的所述柵極供應所述第二信 號進行所述第二拍攝。
6. 根據權利要求5所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一晶體管包括含有溝道形成區域的氧化物半導體層。
7. -種包括彼此相鄰的第一光電傳感器和第二光電傳感器的半導體裝置的驅動方法， 所述第一光電傳感器包括第一光電二極管，所述第二光電傳感器包括第二光電二極管，所 述半導體裝置的驅動方法包括如下步驟： 從第一時刻到第二時刻通過對所述第一光電二極管的第一端子供應第一信號進行針 對所述第一光電傳感器的第一復位工作； 從所述第二時刻到第五時刻使用來自光源的第一光進行對象物的第一照射； 從所述第二時刻到所述第五時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第一光進行針對 所述第一光電傳感器的第一拍攝； 從第四時刻到所述第五時刻通過對所述第二光電二極管的第一端子供應所述第一信 號進行針對所述第二光電傳感器的第二復位工作； 從所述第五時刻到第六時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第一光進行針對所述 第二光電傳感器的第二拍攝；以及 重復進行所述第一照射、所述第一拍攝和所述第二拍攝n(n是2以上的自然數）次。
8. 根據權利要求7所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過所述第一拍攝得到第一檢測信號； 通過所述第二拍攝得到第二檢測信號；以及 使用所述第一檢測信號和所述第二檢測信號得到從所述光源到所述對象物的距離。
9. 根據權利要求8所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過使用下述算式得到從所述光源到所述對象物的所述距離X :
其中： S1表示所述第一檢測信號； S2表示所述第二檢測信號； T表示從第二時刻到所述第五時刻的時間長度；并且 c表不光速。
10. 根據權利要求7所述的半導體裝置的驅動方法， 其中從第三時刻到所述第六時刻被所述對象物反射的所述第一光入射到所述第一光 電二極管和所述第二光電二極管中， 其中從所述第二時刻到所述第三時刻的時間長度和從所述第五時刻到所述第六時刻 的時間長度相同。
11. 根據權利要求10所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一光電傳感器包括第一晶體管和第二晶體管， 其中所述第二光電傳感器包括第三晶體管和第四晶體管， 其中所述第一晶體管的第一端子與所述第一光電二極管的第二端子電連接， 其中所述第一晶體管的第二端子與所述第二晶體管的柵極電連接， 其中所述第三晶體管的第一端子與所述第二光電二極管的第二端子電連接， 其中所述第三晶體管的第二端子與所述第四晶體管的柵極電連接，并且 其中所述方法包括如下步驟： 從所述第二時刻到所述第五時刻通過對所述第一晶體管的柵極供應第二信號進行針 對所述第一光電傳感器的所述第一拍攝；以及 從所述第五時刻到第七時刻通過對所述第三晶體管的柵極供應所述第二信號進行針 對所述第二光電傳感器的所述第二拍攝。
12. 根據權利要求11所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一晶體管包括含有溝道形成區域的氧化物半導體層，并且， 其中所述第三晶體管包括含有溝道形成區域的氧化物半導體層。
13. -種包括第一光電傳感器和第二光電傳感器的半導體裝置的驅動方法，所述第一 光電傳感器包括第一光電二極管，所述第二光電傳感器包括第二光電二極管，所述半導體 裝置的驅動方法包括如下步驟： 從第一時刻到第二時刻通過對所述第一光電二極管的第一端子供應第一信號進行針 對所述第一光電傳感器的第一復位工作； 從所述第二時刻到第四時刻使用來自光源的第一光進行對象物的第一照射； 從所述第二時刻到所述第四時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第一光進行針對 所述第一光電傳感器的第一拍攝； 重復進行所述第一照射和所述第一拍攝n(n是2以上的自然數）次； 從第十二時刻到第十五時刻使用來自所述光源的第二光進行所述對象物的第二照 射； 從第十四時刻到所述第十五時刻通過對所述第一光電二極管的所述第一端子供應所 述第一信號進行針對所述第一光電傳感器的第二復位工作； 從所述第十五時刻到第十七時刻通過檢測被所述對象物反射的所述第二光進行針對 所述第一光電傳感器的第二拍攝； 重復進行所述第二照射和所述第二拍攝η次；以及 從所述第二時刻到所述第四時刻和從所述第十五時刻到所述第十七時刻通過檢測第 三光進行針對所述第二光電傳感器的第三拍攝， 其中，所述第二光電二極管形成在所述第一光電二極管上，并且 其中，從所述第二時刻到所述第四時刻的時間長度和從所述第十二時刻到所述第十五 時刻的時間長度相同。
14. 根據權利要求13所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過所述第一拍攝得到第一檢測信號； 通過所述第二拍攝得到第二檢測信號；以及 使用所述第一檢測信號和所述第二檢測信號得到從所述光源到所述對象物的距離。
15. 根據權利要求14所述的半導體裝置的驅動方法，還包括如下步驟： 通過使用下述算式得到從所述光源到所述對象物的所述距離X :
其中： S1表示所述第一檢測信號； S2表示所述第二檢測信號； T表示從所述第二時刻到所述第四時刻的所述時間長度；并且 c表不光速。
16. 根據權利要求13所述的半導體裝置的驅動方法， 其中從第三時刻到第五時刻被所述對象物反射的所述第一光入射到所述第一光電二 極管中， 其中從第十三時刻到第十六時刻被所述對象物反射的所述第二光入射到所述第一光 電二極管中，并且 其中從所述第二時刻到所述第三時刻的時間長度、從所述第四時刻到所述第五時刻的 時間長度、從所述第十二時刻到所述第十三時刻的時間長度和從所述第十五時刻到所述第 十六時刻的時間長度相同。
17. 根據權利要求16所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一光電傳感器包括第一晶體管和第二晶體管， 其中所述第一晶體管的第一端子與所述第一光電二極管的第二端子電連接， 其中所述第一晶體管的第二端子與所述第二晶體管的柵極電連接，并且 其中所述方法包括如下步驟： 從所述第二時刻到所述第四時刻通過對所述第一晶體管的柵極供應第三信號進行針 對所述第一光電傳感器的所述第一拍攝；以及 從所述第十五時刻到所述第十七時刻通過對所述第一晶體管的所述柵極供應所述第 三信號進行針對所述第一光電傳感器的所述第二拍攝。
18. 根據權利要求17所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一晶體管包括含有溝道形成區域的氧化物半導體層。
19. 根據權利要求18所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一光包括第一紅外光， 其中所述第二光包括第二紅外光，并且 其中所述方法包括如下步驟： 通過檢測被所述對象物反射且透過所述第二光電二極管的所述第一紅外光進行針對 所述第一光電傳感器的所述第一拍攝；以及 通過檢測被所述對象物反射且透過所述第二光電二極管的所述第二紅外光進行針對 所述第一光電傳感器的所述第二拍攝。
20.根據權利要求19所述的半導體裝置的驅動方法， 其中所述第一光電二極管包括單晶硅，并且 其中所述第二光電二極管包括非晶硅。
【文檔編號】G01S17/10GK104160295SQ201380013079
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月22日 優先權日:2012年3月9日
【發明者】黑川義元 申請人:株式會社半導體能源研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
