CN110248121A - 具有存储电容器的成像像素 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“具有存储电容器的成像像素”。本发明公开了一种图像传感器，所述图像传感器可包括成像像素阵列和行控制电路。每个成像像素可包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区的转移晶体管、耦接到所述浮动扩散区的双转换增益晶体管、以及耦接到所述双转换增益晶体管的存储电容器。所述电容器可具有接收经调制的控制信号的板，并且所述行控制电路可被配置为调制所述控制信号。为了减少图像伪影，所述经调制的控制信号可在所述像素的积分时间期间调制为低，并且可在所述像素的高转换增益读出时间期间调制为高。
Description
背景技术
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及包括存储电容器的成像传感器像素。
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。阵列中的每个图像像素包括经由转移栅极耦接到浮动扩散区的光电二极管。将列电路耦接到每个像素列以用于读出来自图像像素的像素信号。列电路通常实现相关双采样(CDS)过程，该过程涉及通过计算在重置操作期间采样的重置信号与在电荷转移操作之后采样的图像信号之间的差异来获得像素信号。
常规图像传感器可能具有带有与强光暴露相关联的伪影的图像。当至少一些像素暴露于强光(诸如来自太阳的直接照射)时，会发生晦暗现象。强光可使得浮动扩散泄漏，这导致错误的重置信号被采样(即，在重置操作期间采样的重置信号可表现出小于所需重置电平的电压电平)。因此，经由CDS计算的像素信号变为不合需要的较小值，当过度照射的像素在其应该亮的时候呈现为暗时，这样的效果显现出来。常规图像传感器可遭受由固定图案噪声和暗电流引起的附加伪影。
一些图像传感器可包括存储电容器。在一些情况下，具有存储电容器的图像传感器在积分期间可遭受高时间噪声、暗信号非均匀性(例如，暗照明条件下的固定图案噪声)和暗电流。
因此希望为图像传感器提供改善的成像像素。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3是根据一个实施方案的具有存储电容器的示例性成像像素的电路图，该存储电容器具有接收经调制的控制信号的板。
图4是根据一个实施方案的示出图3所示类型的成像像素的示例性操作的时序图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域技术人员应该认识到，本发明的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述熟知的操作。
电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所生成的电荷相对应。
图1是示例性成像和响应***的示意图，该***包括使用图像传感器捕获图像的成像***。图1的***100可以是电子设备，诸如相机、蜂窝电话、摄影机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全***(例如，主动制动***或其他车辆安全***)，或者可以是监视***。
如图1所示，***100可包括成像***(诸如成像***10)和主机子***(诸如主机子***20)。成像***10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕捉操作期间中，每个镜头可将光聚集到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(如，缓冲电路)、寻址电路等。
可将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或JPEG格式)。在典型布置(有时称为片上***(SOC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可形成在已堆叠的单独衬底上。
成像***10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子***20。主机子***20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像***10提供的图像。
如果需要，***100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用程序的能力。为实现这些功能，***100的主机子***20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器，等等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
***100可为车辆安全***。在车辆安全***中，由图像传感器捕获的图像可供车辆安全***使用以确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全***可包括诸如停车辅助***、自动或半自动巡航控制***、自动制动***、防撞***、车道保持***(有时称为车道漂移避免***)、行人检测***等的***。在至少一些情况下，图像传感器可形成半自动或自动无人驾驶车辆的一部分。车辆安全标准可能需要在车辆操作之前、期间和/或之后验证车辆安全***的任何部件(包括图像传感器)操作正常。图像传感器的验证操作可在车辆操作之前和/或之后(如，在启动和/或关闭成像***时)由成像***执行。
图2中示出了图1的相机模块12的布置的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应的行控制信号(如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他所需数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(如，本文中描述为行的特征可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
如果需要，阵列32可为堆叠管芯布置的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在这种布置中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与所需节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。所需节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通路)上(即，作为其一部分)。在两个管芯结合前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属接合技术诸如软焊或焊接，来将形成在第一管芯和第二管芯上的耦接结构的相应第一部分和第二部分接合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接至第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。
图3是具有光敏元件和存储电容器的成像像素的电路图。如图1所示，图像像素34包括光敏元件102(例如，光电二极管)。光敏元件102具有耦接到地的第一端子。光敏元件102的第二端子耦接到转移晶体管104。转移晶体管104耦接到浮动扩散(FD)区118。重置晶体管106可耦接在浮动扩散区118与电压源124之间。浮动扩散区118可以是掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅衬底中掺杂的区)。浮动扩散区118具有相关联的电容。增益选择晶体管108具有耦接到浮动扩散区118的第一端子和耦接到双转换增益电容器110(有时称为存储电容器110)的第二端子。双转换增益电容器110可具有耦接到增益选择晶体管的第二端子的第一板110-1(有时称为上板或顶板)。双转换增益电容器110可具有从驱动器122接收经调制的电容器板信号(LCG_BOT_PLATE)的第二板110-2(有时称为下板或底板)。可在像素操作期间的各个点处向上或向下调制经调制的电容器板信号(例如，控制信号)以防止图像伪影。
源极跟随器晶体管112具有栅极端子，该栅极端子耦接到浮动扩散区118及增益选择晶体管108的第一端子。源极跟随器晶体管112还具有耦接到电压源120的第一源极-漏极端子。电压源120和124均可提供电源电压(VAAPIX)。电源120和124处的电源电压可相同或可不同。在本申请中，每个晶体管被示出为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极和漏极端子可根据晶体管的偏置方式和所用晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。源极跟随器晶体管112的第二源极-漏极端子通过行选择晶体管114耦接到列输出线116。
转移晶体管104的栅极端子接收控制信号TX。增益选择晶体管108的栅极端子接收控制信号DCG。重置晶体管106的栅极端子接收控制信号RST。行选择晶体管114的栅极端子接收控制信号RS。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号TX,DCG,RST,RS。提供控制信号LCG_BOT_PLATE的驱动器122可为行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)的一部分。例如，每行可具有一个驱动器122。驱动器122可通过控制路径(诸如图2中的控制路径36)提供控制信号LCG_BOT_PLATE。
像素34可使用增益选择晶体管108和双转换增益电容器110来实现双转换增益模式。具体地讲，像素34可按高转换增益模式以及按低转换增益模式操作。如果增益选择晶体管108被禁用，则像素34将置于高转换增益模式。如果增益选择晶体管108被启用，则像素34将置于低转换增益模式。当增益选择晶体管108接通时，双转换增益电容器110可被切换为使用状态，以向浮动扩散区118提供附加电容。这导致像素34的转换增益较低。当增益选择晶体管108断开时，电容器的附加负载被移除并且像素恢复到相对更高的像素转换增益配置。
图4中示出了用于操作图3中的像素34的示例性时序图。可在t0至t1发生重置周期。在重置周期期间，重置控制信号RST、双转换增益控制信号DCG和转移晶体管控制信号TX可被断言。因此，重置晶体管106、增益选择晶体管108和转移晶体管104被断言。当重置晶体管106、增益选择晶体管108和转移晶体管104被断言时，光电二极管102、浮动扩散区118和存储电容器110被重置为基线电压电平(例如，VAAPIX)。
可在t1与t2之间发生积分周期(有时称为快门周期)。在积分周期期间，光电二极管102可响应于接收入射的光子而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管102收集的电荷量取决于入射光的强度和曝光持续时间(或积分时间)。
双转换增益控制信号DCG在积分周期期间可保持被断言。因此，增益选择晶体管108被断言，并且从光电二极管102溢出的电荷将被存储在存储电容器110中。如果超过特定电荷阈值，电荷可从光电二极管102溢出。在积分周期期间转移晶体管控制信号TX的电平可确定溢出光电二极管102和转移晶体管104所需的聚积电荷量。在积分周期(t1–t2)期间转移晶体管控制信号TX的电平可为中间电平，其低于与(例如，在重置周期期间)转移晶体管被断言相关联的高电平，并且高于与(例如，在低转换增益读出周期期间)转移晶体管被解除断言相关联的低电平。
在t2与t3之间，可执行高转换增益读出。行选择控制信号RS(以及因此行选择晶体管114)在高转换增益读出(和后续低转换增益读出)期间可被断言。控制信号DCG在高转换增益读出周期期间可被解除断言，从而引起增益选择晶体管108被解除断言并且像素被置于高转换增益模式。在高转换增益读出期间，可对光电二极管中聚积的电荷进行采样。如图所示，可升高控制信号TX以断言转移晶体管104并且将电荷从光电二极管102转移到浮动扩散区118。可在控制信号TX的断言之前和之后对浮动扩散区118中存在的电荷量进行采样。在控制信号TX的断言之前采样的电荷量可为参考信号。可将参考信号与在控制信号TX的断言之后采样的电荷量进行比较以确定有多少电荷存储在光电二极管中。
在t3与t4之间，可执行低转换增益读出。增益选择晶体管可通过升高控制信号DCG(将成像像素置于低转换增益模式)来断言。由于增益选择晶体管被断言，因此将在低转换增益读出期间对存储在存储电容器110中的电荷进行采样。重置晶体管106在低转换增益读出周期期间可被断言(通过升高控制信号RST)。可在断言重置晶体管之前和之后对所存在的电荷量进行采样。读出由存储电容器收集的电荷和重置值允许噪声和/或暗电流补偿(例如，通过减法操作)。这些减法操作可称为双采样。由于在信号读出之后发生重置电压电平读出，所以双采样读出具有不相关的噪声(例如，双采样读出不是相关双采样读出)。然而，与仅读出信号电平相比，双采样读出仍可降低噪声电平。
在重置周期和低转换增益读出周期期间，控制信号LCG_BOT_PLATE可为与电压源120和124所提供的电压(例如，VAAPIX)相同的电压。该示例仅仅是示例性的，并且控制信号LCG_BOT_PLATE在重置周期和低转换增益读出周期期间可处于任何所需偏置电压(不仅仅是VAAPIX)。另外，控制信号LCG_BOT_PLATE可等于重置周期和低转换增益读出周期中的不同电压。例如，LCG_BOT_PLATE在重置周期期间可等于第一电压(其可等于或可不等于VAAPIX)，并且在低转换增益读出周期期间可等于可与第一电压不同或无差别的第二电压(其可等于或可不等于VAAPIX)。在积分周期和高转换增益读出周期期间，可调制LCG_BOT_PLATE。
在积分周期期间，可向下调制(例如，负调制)LCG_BOT_PLATE以降低积分期间的泄漏。在负调制期间，降低浮动扩散区118处的电势。例如，以这样的场景为例：在重置周期期间VAAPIX等于2.8V并且LCG_BOT_PLATE等于VAAPIX。在重置周期(t0–t1)期间，LCG_BOT_PLATE可等于2.8V。然后，在t1时，可将LCG_BOT_PLATE降低到不同电压(VLOW)。例如，可将LCG_BOT_PLATE降低到2.0V。由于LCG_BOT_PLATE的该负调制，浮动扩散电压可从VAAPIX(2.8V)降至大约LCG_BOT_PLATE的电压(2.0V)。浮动扩散区处的电压降低可等于(VAAPIX–VLOW)×CSTORAGE/(CSTORAGE+CFD)，其中CSTORAGE是存储电容器110的电容，并且CFD是浮动扩散区118的电容。CSTORAGE可大于CFD。可在t1与t2之间将LCG_BOT_PLATE降低到任何所需电压(例如，2.0V、1.8V、大于1.0V、大于2.0V、大于1.5V、大于1.8V、小于3.0V、小于2.5V、小于2.0V、小于2.2V、小于1.5V、介于1.8V和2.2V之间等)。在VAAPIX(例如，重置周期期间LCG_BOT_PLATE的电压电平)与VLOW之间的电压差可为约0.8V、介于0.7V和0.9V之间、介于0.5V和1.5V之间、大于0.5V、小于2.0V等。
降低LCG_BOT_PLATE的电压会降低浮动扩散区118处的电势。另外，存在浮动扩散区处反向偏置的降低，从而降低因带间隧穿(BTBT)引起的泄漏电流。在积分周期期间降低LCG_BOT_PLATE也会减轻暗信号非均匀性(DSNU)并且降低浮动扩散区118处的暗电流。通过在积分周期期间降低LCG_BOT_PLATE，大大降低了图像中的时间噪声、固定图案噪声(FPN)和暗电流。
在高转换增益读出周期期间，可向上调制LCG_BOT_PLATE以防止晦暗(例如，当过度照射的像素应该亮的时候呈现为暗时)。由于在高转换增益读出周期期间提高了LCG_BOT_PLATE，浮动扩散电势中存在正偏移。浮动扩散电势中的正偏移可大约等于在LCG_BOT_PLATE的低调制电压与LCG_BOT_PLATE的高调制电压之间的差值。例如，以这样的情况为例：LCG_BOT_PLATE的低调制电压(VLOW)为2.0V，并且LCG_BOT_PLATE的高调制电压(VHIGH)为3.0V。在这两个电压之间的差值为1.0V。因此，如果浮动扩散在t2时具有1.1V电压，则当将LCG_BOT_PLATE从2.0V调制到3.0V时，浮动扩散电压可从1.1V增大到2.1V。浮动扩散电压的该增大允许高转换增益读出期间更高的像素摆动。高像素输出摆动允许列输出线116在重置采样期间被箝制到高电压(从而确保所采样的重置电平不会被高入射光级破坏)。存在源极跟随器晶体管112的动态范围的增大，从而允许浮动扩散区在源极跟随器限幅开始之前更大幅摆动。提高LCG_BOT_PLATE会使晦暗现象的开始移动到更高照度级，从而在明亮条件下维持信噪比，同时保持良好的低光性能。
VHIGH为3.0V的示例仅仅是示例性的。VHIGH可为任何所需电压(例如，3.2V、3.4V、3.1V、超过2.9V、超过3.0V、超过3.2V、超过3.5V、小于3.5V、小于3.2V、小于3.1V、小于3.0V、介于2.9V和3.2V之间等)。在VAAPIX(例如，低转换增益读出周期期间LCG_BOT_PLATE的电压电平)与VHIGH之间的电压差可为约0.2V、约0.5V、约0.3V、介于0.1V和0.5V之间、小于0.1V、大于0.1V、大于0.2V、介于0.1V和0.3V之间等。在VLOW与VHIGH之间的电压差可为约1.0V、约0.8V、约1.2V、大于0.5V、大于0.8V、大于1.0V、大于1.2V、大于1.5V、小于0.5V、小于0.8V、小于1.0V、小于1.2V、小于1.5V等。
然后在低转换增益读出周期(t3–t4)的t3时将控制信号LCG_BOT_PLATE向下调制回VAAPIX(或另一个所需电压)。当在t3时将LCG_BOT_PLATE从VHIGH向下调制到VAAPIX的时候，浮动扩散区的电势可降低。浮动扩散区处的电压降可大约等于在VHIGH与VAAPIX之间的差值。
在各种实施方案中，图像传感器可包括成像像素阵列和行控制电路。每个成像像素可包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区的转移晶体管、以及耦接到浮动扩散区的电容器。电容器可具有接收控制信号的板，并且行控制电路可被配置为调制该控制信号。
行控制电路可被配置为在第一电压与小于第二电压的第二电压之间调制控制信号。行控制电路可被配置为在第一电压、第二电压与高于第一电压的第三电压之间调制控制信号。第一电压可为电源电压。行控制电路可被配置为在第一成像像素的重置周期期间向成像像素阵列的第一成像像素提供第一电压下的控制信号，并且行控制电路可被配置为在第一成像像素的积分周期期间向第一成像像素提供第二电压下的控制信号。行控制电路可被配置为在第一成像像素的高转换增益读出周期期间向第一成像像素提供第三电压下的控制信号，并且行控制电路可被配置为在第一成像像素的低转换增益读出周期期间向第一成像像素提供第一电压下的控制信号。
行控制电路可包括多个驱动器，并且每个驱动器可被配置为向成像像素阵列中的相应成像像素行提供控制信号。每个成像像素可包括插置在电容器与浮动扩散区之间的晶体管。每个成像像素可包括源极跟随器晶体管。浮动扩散区可耦接到源极跟随器晶体管的栅极。每个成像像素可包括耦接在浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间的重置晶体管。行控制电路可被配置为将控制信号从第一电压调制到第二电压，第一电压可等于电源电压，并且第二电压可低于第一电压。
在各种实施方案中，成像像素可包括光电二极管、耦接到光电二极管的转移晶体管、耦接到转移晶体管的浮动扩散区、耦接到浮动扩散区的双转换增益晶体管、以及具有第一板和第二板的存储电容器。转移晶体管可被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区，第一板可耦接到双转换增益晶体管，双转换增益晶体管可插置在浮动扩散区与存储电容器之间，并且第二板可接收经调制的控制信号。
成像像素还可包括源极跟随器晶体管。浮动扩散区可耦接到源极跟随器晶体管的栅极，并且双转换增益晶体管可耦接到插置在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点。成像像素还可包括耦接在浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间的重置晶体管。由存储电容器的第二板接收的经调制的控制信号在重置周期期间可等于电源电压，并且在积分周期期间可等于比电源电压更低的第一电压。经调制的控制信号在高转换增益读出周期期间可等于比电源电压更大的第二电压，并且双转换增益晶体管在高转换增益读出周期期间可被解除断言。经调制的控制信号在低转换增益读出周期期间可等于电源电压，并且双转换增益晶体管在低转换增益读出周期期间可被断言。
在各种实施方案中，操作成像像素的方法可包括在控制信号等于第一电压时重置浮动扩散区，并且在重置浮动扩散区之后且在控制信号等于比第一电压更低的第二电压时在积分周期期间在光电二极管中收集电荷，该成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区的转移晶体管、以及耦接到浮动扩散区并且具有接收控制信号的板的电容器。
该方法还可包括在积分周期期间在光电二极管中收集电荷之后且在控制信号等于比第一电压更大的第三电压时，对浮动扩散区中的第一电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被解除断言。该方法还可包括在对第一电荷量进行采样之后断言转移晶体管，并且在断言转移晶体管之后且在控制信号等于第三电压时，对浮动扩散区中的第二电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被解除断言。该方法还可包括在对第二电荷量进行采样之后且在控制信号等于第一电压时，对浮动扩散区中的第三电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被断言。该方法还可包括在对第三电荷量进行采样之后重置浮动扩散区，并且在重置浮动扩散区之后且在控制信号等于第一电压时，对浮动扩散区中的第四电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被断言。
根据一个实施方案，图像传感器可包括成像像素阵列，其中每个成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区的转移晶体管、以及耦接到浮动扩散区且具有接收控制信号的板的电容器；以及行控制电路，该行控制电路被配置为调制该控制信号。
根据另一个实施方案，行控制电路可被配置为在第一电压与小于第一电压的第二电压之间调制控制信号。
根据另一个实施方案，行控制电路可被配置为在第一电压、第二电压与高于第一电压的第三电压之间调制控制信号。
根据另一个实施方案，第一电压可为电源电压。
根据另一个实施方案，行控制电路可被配置为在第一成像像素的重置周期期间向成像像素阵列的第一成像像素提供第一电压下的控制信号，并且行控制电路可被配置为在第一成像像素的积分周期期间向第一成像像素提供第二电压下的控制信号。
根据另一个实施方案，行控制电路可被配置为在第一成像像素的高转换增益读出周期期间向第一成像像素提供第三电压下的控制信号，并且行控制电路可被配置为在第一成像像素的低转换增益读出周期期间向第一成像像素提供小于第三电压的第四电压下的控制信号。
根据另一个实施方案，第四电压可与第一电压不同。
根据另一个实施方案，行控制电路可包括多个驱动器，并且每个驱动器可被配置为向成像像素阵列中的相应成像像素行提供控制信号。
根据另一个实施方案，每个成像像素可包括插置在电容器与浮动扩散区之间的晶体管。
根据另一个实施方案，每个成像像素可包括源极跟随器晶体管和重置晶体管，该重置晶体管耦接在浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间。浮动扩散区可耦接到源极跟随器晶体管的栅极。
根据另一个实施方案，行控制电路可被配置为将控制信号从第一电压调制到第二电压，第一电压可等于电源电压，并且第二电压可低于第一电压。
根据一个实施方案，成像像素可包括光电二极管、耦接到光电二极管的转移晶体管、耦接到转移晶体管的浮动扩散区、耦接到浮动扩散区的双转换增益晶体管、以及具有第一板和第二板的存储电容器。转移晶体管可被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区，第一板可耦接到双转换增益晶体管，双转换增益晶体管可插置在浮动扩散区与存储电容器之间，并且第二板可接收经调制的控制信号。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括源极跟随器晶体管和重置晶体管，该重置晶体管耦接在浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间。浮动扩散区可耦接到源极跟随器晶体管的栅极，并且双转换增益晶体管可耦接到插置在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点。
根据另一个实施方案，由存储电容器的第二板接收的经调制的控制信号在重置周期期间可等于第一电压，并且在快门周期期间可等于比第一电压更低的第二电压。
根据另一个实施方案，经调制的控制信号在高转换增益读出周期期间可等于比第一电压更大的第三电压，并且双转换增益晶体管在高转换增益读出周期期间可被解除断言。
根据另一个实施方案，经调制的控制信号在低转换增益读出周期期间可等于比第三电压更低的第四电压，并且双转换增益晶体管在低转换增益读出周期期间可被断言。
根据一个实施方案，操作成像像素的方法可包括在控制信号等于第一电压时重置浮动扩散区，并且在重置浮动扩散区之后且在控制信号等于比第一电压更低的第二电压时在积分周期期间在光电二极管中收集电荷，该成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区的转移晶体管、以及耦接到浮动扩散区并且具有接收控制信号的板的电容器。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在积分周期期间在光电二极管中收集电荷之后且在控制信号等于比第一电压更大的第三电压时，对浮动扩散区中的第一电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被解除断言。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在对第一电荷量进行采样之后断言转移晶体管，并且在断言转移晶体管之后且在控制信号等于第三电压时，对浮动扩散区中的第二电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被解除断言。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在对第二电荷量进行采样之后且在控制信号等于比第三电压更低的第四电压时，对浮动扩散区中的第三电荷量进行采样，同时双转换增益晶体管被断言。
根据另一个实施方案，该方法还可包括在对浮动扩散区中的第三电荷量进行采样并且对第四电荷量进行采样之后重置浮动扩散区，同时在重置浮动扩散区之后且在控制信号等于第四电压时断言双转换增益晶体管。
前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。
Claims (10)
1.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
成像像素阵列，其中每个成像像素包括：
光电二极管；
浮动扩散区；
转移晶体管，所述转移晶体管被配置为将电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区；以及
电容器，所述电容器耦接到所述浮动扩散区，其中所述电容器具有接收控制信号的板；以及
行控制电路，其中所述行控制电路被配置为调制所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述行控制电路被配置为在第一电压、小于所述第一电压的第二电压与高于所述第一电压的第三电压之间调制所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述第一电压是电源电压。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述行控制电路被配置为在第一成像像素的重置周期期间以所述第一电压向所述成像像素阵列的第一成像像素提供所述控制信号，并且其中所述行控制电路被配置为在所述第一成像像素的积分周期期间以所述第二电压向所述第一成像像素提供所述控制信号，其中所述行控制电路被配置为在所述第一成像像素的高转换增益读出周期期间以所述第三电压向所述第一成像像素提供下所述控制信号，并且其中所述行控制电路被配置为在所述第一成像像素的低转换增益读出周期期间以小于所述第三电压的第四电压向所述第一成像像素提供所述控制信号。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述第四电压与所述第一电压不同。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述行控制电路包括多个驱动器，并且其中每个驱动器被配置为向所述成像像素阵列中的相应成像像素行提供所述控制信号。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每个成像像素包括：
晶体管，所述晶体管插置在所述电容器与所述浮动扩散区之间；
源极跟随器晶体管，其中所述浮动扩散区耦接到所述源极跟随器晶体管的栅极；以及
重置晶体管，所述重置晶体管耦接在所述浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间。
8.一种成像像素，所述成像像素包括：
光电二极管；
转移晶体管，所述转移晶体管耦接到所述光电二极管；
浮动扩散区，所述浮动扩散区耦接到所述转移晶体管，其中所述转移晶体管被配置为将电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区；
双转换增益晶体管，所述双转换增益晶体管耦接到所述浮动扩散区；以及
存储电容器，所述存储电容器具有第一板和第二板，其中所述第一板耦接到所述双转换增益晶体管，其中所述双转换增益晶体管插置在所述浮动扩散区与所述存储电容器之间，并且其中所述第二板接收经调制的控制信号。
9.根据权利要求8所述的成像像素，还包括：
源极跟随器晶体管，其中所述浮动扩散区耦接到所述源极跟随器晶体管的栅极，并且其中所述双转换增益晶体管耦接到节点，所述节点插置在所述浮动扩散区与所述源极跟随器晶体管的所述栅极之间；以及
重置晶体管，所述重置晶体管耦接在所述浮动扩散区与供应电源电压的电压源之间，其中由所述存储电容器的所述第二板接收的所述经调制的控制信号在重置周期期间等于第一电压，并且在快门周期期间等于比所述第一电压低的第二电压，其中所述经调制的控制信号在高转换增益读出周期期间等于比所述第一电压大的第三电压，并且其中所述双转换增益晶体管在所述高转换增益读出周期期间被解除断言。
10.一种操作成像像素的方法，所述成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、被配置为将电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区的转移晶体管、以及耦接到所述浮动扩散区的电容器，其中所述电容器具有接收控制信号的板，所述方法包括：
当所述控制信号等于第一电压时，重置所述浮动扩散区；以及
在重置所述浮动扩散区之后且在所述控制信号等于比所述第一电压低的第二电压时，在积分周期期间收集所述光电二极管中的电荷。
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| 朱科翰;杜晓阳;于宗光;韩雁;崔强;霍明旭;董树荣;: "深亚微米工艺中场氧器件静电防护能力的研究", 固体电子学研究与进展, no. 01, 25 March 2009 (2009-03-25) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021223108A1 (zh) * | 2020-05-06 | 2021-11-11 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 像素、图像传感器及电子装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110248121B (zh) | 2024-07-05 |
| US20190230294A1 (en) | 2019-07-25 |
| US10455162B2 (en) | 2019-10-22 |
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Legal Events
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