CN114868379A

CN114868379A - 光传感器

Info

Publication number: CN114868379A
Application number: CN202080089741.5A
Authority: CN
Inventors: H.伦哈德; K.瓦泽; B.格雷梅尔-莱恩高尔; M.托伊费尔
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-08-05
Also published as: KR20220091599A; WO2021089682A1; EP4055819A1; US20220417454A1

Abstract

公开了一种光传感器。光传感器包括第一像素和第二像素。光传感器包括测量电路。当光传感器暴露于光时，第一像素被配置为累积第一电荷，并且第二像素被配置为累积第二电荷。第一像素被配置为当第一电荷达到第一像素的阈值容量时触发测量电路测量第二电荷。还公开了一种包括光传感器的有源像素传感器、图像传感器和结合光传感器的设备。

Description

光传感器

技术领域

本公开涉及一种光传感器、有源像素传感器和图像传感器。光传感器可以用于成像设备，诸如可以在诸如移动电话的移动设备上找到的成像设备。

背景技术

图像传感器广泛用于诸如蜂窝电话、数字相机和其他图像记录设备的一系列设备中。这样的图像传感器可以是例如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

典型的CMOS图像传感器包括像素阵列，其中阵列内的每个像素包括光电检测器(诸如光电二极管)以及用于控制和/或激活像素的一个或多个晶体管。

这样的光电二极管被配置为当暴露于入射光时生成并存储电荷。光电二极管或更一般地像素的最大存储容量被称为“满阱容量”(Full-Well Capacity，FWC)。FWC可以被定义为单个像素在饱和之前可以存储的电荷量。

FWC是像素性能的基础：减小的FWC意味着较低的动态范围和较低的信噪比。图像传感器(例如，像素阵列)中的像素的FWC可以与图像传感器捕获同时具有暗对象和亮对象的图像的能力有关。像素上的电荷存储达到FWC，例如有效地使像素饱和，可能导致光学像差，诸如模糊。因此，通常期望最大化像素的FWC以最大化像素的动态范围和信噪比。

例如，通过增加像素内的光电二极管的面积，例如增加像素内的电荷存储结构的几何形状，可以实现更大的FWC。然而，这种方法与当前对更高分辨率但更低功率的图像传感器的商业需求冲突，这种需求通常推动图像传感器的日益小型化和集成化。一般来说，较小像素可比较大像素遭受更有限的FWC，这至少部分地归因于较小像素的有限电荷存储区域。

此外，在当前的CMOS图像传感器中，光电二极管通常用于在积分时间(即，光入射到光电二极管上的时间间隔，也称为曝光时间)期间生成和存储电荷。通常选择图像传感器或传感器内的像素的积分时间以避免存储在传感器内的像素上的电荷达到FWC。然而，最佳积分时间的选择可能是有问题且困难的，因为像素的FWC可能难以准确地预测，这至少部分地归因于FWC对温度和入射光水平的依赖性。

本公开的至少一个方面的至少一个实施例的目的是消除或至少减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。

发明内容

根据第一方面，提供了一种光传感器，其包括第一像素、第二像素和测量电路。当光传感器暴露于光时，第一像素被配置为累积第一电荷，并且第二像素被配置为累积第二电荷。第一像素被配置为当第一电荷达到第一像素的阈值容量时触发测量电路测量第二电荷。

有利地，第一像素确保在第二像素中的电荷达到阈值(例如，FWC)之前进行第二像素中的电荷的测量，从而防止第二像素饱和。有益地，避免第二像素的饱和确保了在曝光时间期间没有光信息丢失。有益地，这使得光传感器特别适合于需要长积分时间的应用。

第一像素可以包括钉扎光电二极管(pinned photodiode)。第二像素可以包括钉扎光电二极管。

阈值容量可以对应于第一像素的满阱容量。

阈值容量可以对应于第一像素的满阱容量的比例。例如，阈值容量可以对应于第一像素的满阱容量的90％、80％、70％或甚至更少。

第一像素和第二像素可以被配置为使得当光传感器暴露于光时，在第二电荷达到第二像素的满阱容量之前，第一电荷达到第一像素的阈值容量。

第二像素可以被配置为与第一像素相比，对波长范围的光更不敏感。

第二像素可以被配置为与第一像素相比，更少地暴露于波长范围的光。

第二像素可以包括被配置为限制波长范围的光入射到第二像素的光敏部分的至少一部分上的层。

该层可以包括对第二像素的光敏部分对其敏感的波长范围的光基本上不透明或半透明的材料。

第一像素的复位电压可以不同于第二像素的复位电压。优选地，第一像素的复位电压可以低于第二像素的复位电压。

第一像素和第二像素可以被制造为呈现基本上相同的电特性。第一像素和第二像素可以被制造为包括基本上相同的满阱容量。

光传感器可以被制造为单片器件。第一像素和第二像素可以被制造为单片器件。光传感器可以是CMOS器件。

光传感器可以包括分立组件。可以独立地制造第一像素、第二像素、测量电路或其组件中的至少一个。

测量电路可以包括模数转换器(ADC)。ADC可被配置为将对应于第二电荷的电压转换成数字信号。

光传感器可以包括状态机和/或可编程逻辑和/或中央处理单元(CPU)和/或电路。状态机和/或可编程逻辑和/或CPU和/或电路可以被配置为在预定义的曝光时间内重复以下步骤：1.复位第一像素和第二像素；和2.当第一电荷达到阈值容量时，触发测量电路测量第二电荷。

状态机和/或可编程逻辑和/或CPU和/或电路可以被配置为通过累积第二电荷的连续测量来确定在预定义曝光时间内的总电荷。

状态机和/或可编程逻辑和/或CPU和/或电路可以被配置为补偿在第二电荷的测量期间引起的开销时间。

第一像素和/或第二像素可以包括4T有源像素。

光传感器可以包括多个第二像素。

每个第二像素可以被配置为当光传感器暴露于光时累积相关联的电荷。第一像素可以被配置为当第一电荷达到阈值容量时触发测量电路测量相关联的电荷。

根据第二方面，提供了一种有源像素传感器，其包括多个根据第一方面的光传感器。

多个光传感器中的第一光传感器可以对第一波长范围内的光敏感。

多个光传感器中的第二光传感器可以对不同于第一波长范围的第二波长范围内的光敏感。

有源像素传感器可以被配置为作为彩色(例如，红色、绿色、蓝色(RGB))图像传感器操作。

有源像素传感器可以被配置为作为宽带图像传感器操作。例如，有源像素传感器可以被配置为感测整个可见光谱上的可见光，例如波长在大约380nnm至740nm范围内的光。

有源像素传感器可以被配置为作为闪烁图像传感器操作，例如被配置为确定入射光的频率的传感器。

根据第三方面，提供了一种图像传感器，其包括像素阵列和至少一个根据第一方面的光传感器。

根据第四方面，提供了一种设备，其包括处理器和至少一个根据第三方面的图像传感器和/或至少根据第二方面的有源像素传感器和/或至少一个根据第一方面的光传感器。

该设备可以是例如蜂窝电话、数字相机、安全相机、膝上型或平板设备、图像记录设备等。

以上发明内容旨在仅仅是示例性的而非限制性的。本公开包括单独或以各种组合的一个或多个对应的方面、实施例或特征，无论是否以该组合或单独地具体陈述(包括要求保护)。应当理解，根据本公开的任何方面在上面定义的特征或者下面涉及本公开的任何具体实施例的特征可以在任何其他方面或实施例中单独使用或者与任何其他定义的特征结合使用，或者形成本公开的另一方面或实施例。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的这些和其他方面，在附图中：

图1现有技术的四晶体管(4T)钉扎光电二极管(PPD)像素的表示；

图2A根据本公开的实施例的光传感器的示意图；

图2B与图2A的光传感器一起使用的状态机的示意图；

图3对应于图2A的光传感器的操作的时序图；

图4根据本公开的另一实施例的光传感器的示意图；

图5根据本公开的实施例的图像传感器；

图6根据本公开的实施例的有源像素传感器；以及

图7和根据本公开的实施例的设备。

具体实施方式

图1描绘了现有技术的四晶体管(4T)有源像素(总体表示为100)的表示。有源像素100包括光电二极管105、复位晶体管110、转移晶体管115、源极跟随器晶体管125和行选择晶体管130。

出于示例的目的，光电二极管105和转移晶体管115的CMOS结构被示出为在衬底内具有阱结构。为简单起见，复位晶体管110、源极跟随器晶体管125和行选择晶体管130被示出为晶体管的符号表示。

光电二极管105包括p-n结二极管，该p-n结二极管被配置为暴露于光并且通过光学吸收过程将入射光转换成电压信号。通过光吸收产生电子-空穴对的原理是众所周知的，并且为了方便起见，这里将不再描述。

有源像素100中的光电二极管105是钉扎光电二极管(PPD)。也就是说，光电二极管105已经用在光电二极管105的光敏结构上方的浅p+注入150(称为钉扎层)钝化。钉扎层150允许在转移晶体管115的控制下将电荷全部转移到n⁺浮动扩散节点120上，如下面将描述的。同样，PP在本领域中是公知的，并且此时将不再进一步描述。

转移晶体管115包括浮动扩散节点120。转移晶体管115被配置为将电荷从光电二极管105移动到浮动扩散节点120。

复位晶体管110耦合在电压基准160和浮动扩散节点120之间以复位有源像素100，例如，在复位晶体管110的控制下将浮动扩散节点120和光电二极管105放电或充电到复位电压。

源极跟随器晶体管125有效地作为电压缓冲器操作。输入电压(例如，源极跟随器晶体管125的栅极处的电压)对应于浮动扩散节点120的电压。源极跟随器晶体管125的输出(例如，源极跟随器晶体管125的源极端子)通常对应于源极跟随器晶体管125的栅极处的电压减去源极跟随器晶体管125上的电压降。有益地，源极跟随器晶体管125不从浮动扩散节点120汲取大量电流，因此允许测量浮动扩散节点120处的电压而不使浮动扩散节点120放电。

行选择晶体管130选择性地将源极跟随器晶体管125的源极处的电压耦合到通常包括诸如ADC的测量电路的另一电路，以测量浮动扩散节点120处的有效电压。在使用中，浮动扩散节点120处的电压对应于存储在浮动扩散节点120处的电荷，并且因此指示光电二极管在曝光时间内已暴露于的光的强度。

现有技术4T有源像素100的典型操作模式如下。

在操作的初始阶段，复位信号RST在复位晶体管110的栅极处被断言(assert)，并且转移信号TX在转移晶体管115的栅极处被断言。通过同时导通复位晶体管110和转移晶体管115，浮动扩散节点120和光电二极管105连接到电压基准160，例如电源轨。该条件表示有源像素100的复位状态。也就是说，电压基准160为有源像素100提供复位电压。

接下来，转移信号TX在转移晶体管115的栅极处被无效(negate)，从而有效地关断转移晶体管115，并且复位信号RST在复位晶体管110的栅极处被无效以关断复位晶体管110，从而将光电二极管105与电压基准160电隔离。

在该阶段，光电二极管105可以暴露于光，并且将相应地开始电荷的累积。也就是说，通过使转移信号TX无效并允许入射光对光电二极管105充电来开始曝光时间。随着光生电子在光电二极管105中累积，光电二极管105处的电压减小。

在被称为积分时间或曝光时间的一段时间之后，累积电荷的水平以及因此入射到光电二极管105上的光量可以如下确定。

可以在复位晶体管110的栅极处断言复位信号RST以将浮动扩散节点120复位到电压基准160。在任何情况下，在曝光时间结束时，复位信号RST被解除断言以隔离浮动扩散节点120。

接下来，在转移晶体管115的栅极处临时断言转移信号TX，以允许光电二极管105上的累积电荷被转移到浮动扩散节点120。也就是说，光电二极管105临时耦合到浮动扩散节点120，并且因此耦合到源极跟随器晶体管125的栅极。电荷转移使得浮动扩散节点120的电压从电压基准160下降到指示在曝光时间期间在光电二极管105上累积的电荷量的第二电压。

在完成电荷转移时，行选择晶体管130被配置为将源极跟随器晶体管125的源极处的电压耦合到通常包括斜坡ADC(未示出)的另一电路，以测量浮动扩散节点120处的有效电压。

在一些情况下，还可以在测量来自光电二极管105的电荷转移之前和/或之后测量浮动扩散节点120的复位电压，例如电压基准160。因此，由于来自光电二极管105的电荷转移，可以通过从测量的电压中减去测量的复位电压来进行电荷转移的更准确的测量。

图2A示出了根据本公开的实施例的总体表示为200的光传感器的示意图。

光传感器200包括第一像素205。第一像素205被配置为作为FWC检测器操作，如下面将更详细地描述的。

第一像素205包括第一PPD 210。第一像素205包括第一转移晶体管215和第一复位晶体管220。仅出于说明的目的，使用通用开关符号来描绘第一复位晶体管220，该通用开关符号表示第一复位晶体管220提供的功能。本领域技术人员将理解，第一复位晶体管220可以是例如NMOS晶体管等。

第一PPD 210的阳极耦合到第一电压基准275。在图2A的示例实施例中，第一电压基准275接地，例如0V。

第一PPD 210的阴极耦合到第一转移晶体管215的源极。

第一转移晶体管215的栅极耦合到转移信号225。第一转移晶体管215的漏极耦合到第一复位晶体管220。在一个实施例中，第一转移晶体管215的漏极耦合到第一复位晶体管220的源极。

因而，第一转移晶体管215可由转移信号225配置以将第一PPD 210的阴极耦合到第一复位晶体管220，以及耦合到另一电路，如下文将描述。

第一复位晶体管220耦合到第二电压基准250。第二电压基准250可以是电源轨，诸如5V、3V、1.8V轨等。在一个实例实施例中，第一复位晶体管220是NMOS晶体管，第一复位晶体管220的漏极耦合到第二电压基准250，第一复位晶体管220的源极耦合到第一转移晶体管215的漏极。

第一复位晶体管220的栅极耦合到复位信号230。因此，第一复位晶体管220可由复位信号230配置以将第一转移晶体管215耦合到第二电压基准250。

应当理解，形成第一像素205的第一PPD 210、第一转移晶体管215和第一复位晶体管220的布置通常分别对应于图1的有源像素100的PPD 105、转移晶体管115和复位晶体管110的布置。也就是说，第一复位晶体管220和第一转移晶体管215可分别由复位信号230和转移信号225配置，以将第一像素205复位到复位电压(例如第二电压基准250)，并隔离与第一转移晶体管215相关联的第一浮动扩散节点(未示出)。

为了简单起见，图2A中未示出的是第一浮动扩散节点，其可以被认为是耦合在第一转移晶体管215的漏极与第一电压基准275(例如，0V)之间的电荷存储元件，例如电容元件。

光传感器200还包括第二像素255。第二像素255被配置为作为光检测器操作，如下面将更详细地描述的。

第二像素255包括第二PPD 260。第二像素255包括第二转移晶体管265和第二复位晶体管270。仅出于说明的目的，使用通用开关符号描绘第二复位晶体管270，该通用开关符号表示第二复位晶体管270提供的功能性。本领域技术人员将理解，第二复位晶体管270可以是NMOS晶体管等。

第二PPD 260的阳极耦合到第一电压基准275。第二PPD 260的阴极耦合到第二转移晶体管265的源极。

第二转移晶体管265的栅极耦合到转移信号225。第二转移晶体管265的漏极耦合到第二复位晶体管270。在一个实施例中，第二转移晶体管265的漏极耦合到第二复位晶体管270的源极。

因而，第二转移晶体管265可由转移信号225配置以将第二PPD 260的阴极耦合到第二复位晶体管270，以及耦合到另一电路，如下文将描述。

第二复位晶体管270耦合到第二电压基准250。在一个实例实施例中，第二复位晶体管220是NMOS晶体管，第二复位晶体管220的漏极耦合到第二电压基准250，第二复位晶体管270的源极耦合到第二转移晶体管265的漏极。

第二复位晶体管270的栅极耦合到复位信号230。因而，第二复位晶体管270可由复位信号230配置以将第二转移晶体管265耦合到第二电压基准250。

应当理解，形成第二像素265的第二PPD 260、第二转移晶体管265和第二复位晶体管270的布置通常分别对应于图1的有源像素100的PPD 105、转移晶体管115和复位晶体管110的布置。也就是说，第二复位晶体管270和第二转移晶体管265可分别由复位信号230和转移信号225配置，以将第二像素255复位到复位电压(例如第二电压基准250)，并隔离与第二转移晶体管265相关联的第二浮动扩散节点(未示出)。

为了简单起见，图2A中未示出的是第二浮动扩散节点，其可以被认为是耦合在第二转移晶体管265的漏极与第一电压基准275(例如，0V)之间的电荷存储元件，例如电容元件。

第一像素205，特别是第一PPD 210，被配置为暴露于光，诸如环境光和/或来自光源的光和/或第一PPD 210对其敏感的特定波长范围的光。在一个示例实施例中，光传感器200可以被配置用于前侧照明，例如，在其上制造第一PPD 210的半导体衬底(未示出)的一侧的照明。可替代地或另外地，光传感器200可以被配置用于背侧照明，例如，与在其上制造第一PPD 210的一侧相对的半导体衬底(未示出)的一侧的照明。

第二像素255，特别是第二PPD 260，也被配置为暴露于光，例如来自第一像素205暴露于的(多个)相同光源的光。第二PPD 260被配置为与第一PPD 210相比对光具有不同的灵敏度。在一个示例实施例中，光传感器200可以被配置为使得入射在第二PPD 260上的光的量或强度小于入射在第一PPD 210上的光的量或强度。这可以通过几种方式中的一种来实现。例如，第二PPD 260的暴露于(多个)光源的面积相对于第一PPD 210的暴露于(多个)光源的面积可以更小。例如，可以在光传感器200的一个或多个层上实现掩模，以相对于第一PPD 210的暴露于(多个)光源的面积减小第二PPD 260的暴露于(多个)光源的面积。这种掩模可以包括金属层或形成在金属层中。这样的掩模可以包括对第二像素的光敏部分对其敏感的波长范围的光基本上不透明或半透明的材料。

在另一个实施例中，诸如掩模层的层可以完全覆盖第二像素255或至少第二PPD260。这样的层可以仅对第二像素的光敏部分对其敏感的波长范围的光部分不透明，例如这样的层可以是半透明的。

在一个示例实施例中，当光传感器200暴露于光时，第二PPD 260被配置为暴露于第一PPD 210被配置为暴露于的光的10％和90％之间的光。在另一实施例中，当光传感器200暴露于光时，第二PPD 260被配置为暴露于第一PPD 210被配置为暴露于的光的20％和80％之间的光。应当理解，其他范围也是适用的，其中第二PPD 260被配置为暴露于比第一PPD 210更少的光，例如更低强度的光。

在图2A的实例实施例中，第一转移晶体管215的漏极耦合到比较器280的第一输入，第二转移晶体管265的漏极耦合到比较器280的第二输入。因此，比较器280被配置为将第一转移晶体管215的漏极处的电压(其对应于存储在第一浮动扩散节点中的电荷)与第二转移晶体管265的漏极处的电压(其对应于存储在第二浮动扩散节点中的电荷)进行比较。

在图2A的示例实施例中，比较器是施密特触发器，因此提供一定程度的滞后以补偿由于比较器280的任一输入上的噪声引起的任何小波动。在其他实施例中，比较器可以是例如通用运算放大器。

第二转移晶体管265的漏极也耦合到测量电路285。

在所示的示例实施例中，测量电路285包括积分模数转换器(ADC)290，称为“斜坡ADC”。积分ADC 290被配置为由开始_转换(start_conversion)信号295触发。也就是说，断言开始_转换信号295触发ADC 290以提供对应于第二转移晶体管265的漏极处的电压的数字信号(在图2A中表示为adc_值(adc_value)245)，该电压对应于存储在第二浮动扩散节点中的电荷。

应当理解，在其他实施例中，可以使用不同类型的ADC，例如闪存ADC、Σ-ΔADC或逐次逼近ADC。ADC类型的选择可以取决于例如光传感器的功率和/或面积约束、ADC的定时约束和/或与光传感器200在设备中的缩放或集成相关的要求等。

在示例实施例中，来自比较器280的输出235和数字信号adc_值245是状态机240的输入，如图2B所示。复位信号230、转移信号225和开始_转换信号295是从状态机240输出的。

因此，状态机240可以被配置和/或可配置为复位第一和第二像素和/或触发测量电路以测量存储在第二浮动扩散节点中的电荷。

应当理解，在其他实施例中，状态机240可以替代地或附加地是电路、组合逻辑、顺序逻辑、CPU、可编程设备等。

现在参考图2A、图2B和图3描述光传感器200结合状态机240的操作，其中图3是对应于图2A的光传感器200的操作的时序图。

通过断言转移信号225和复位信号230以将第一PPD 210和第二PPD 260的阴极耦合到第二电压基准250来初始地复位第一像素205和第二像素255。也就是说，第一PPD 210和第二PPD 260及其相关联的浮动扩散节点被复位为第二电压基准250。

随后，转移信号225和复位信号230两者被无效以将第一PPD 210和第二PPD 260及其相关联的浮动扩散节点与第二电压基准250解耦。比较器285的输入是高阻抗的，并且因此现在被有效隔离的浮动扩散节点将电压维持在第二电压基准250处。

积分时间开始，并且第一PPD 210和第二PPD 260根据第一PPD 210和第二PPD 260上的入射光的量(例如强度)开始累积电荷。

最初，第一PPD 210和第二PPD 260两者的阴极处于第二电压基准250的电压。当光传感器200暴露于光时，在第一PPD 210和第二PPD 260中的每一个中产生电子-空穴对。

因为第一PPD 210被配置为比第二PPD 260对入射光更敏感，所以在第一PPD 210中以比在第二PPD 260中更高的速率产生电子-空穴对。由于每个PPD 210、260中的电场，电子-空穴对被分离，导致每个PPD 210、260两端的电压开始下降。第一PPD 210两端的电压以比第二PPD 260两端的电压更快的速率下降。

最终，在足够的曝光时间之后，第一PPD 210两端的电压下降到大约零伏或甚至更小。这可以指示PPD 210达到其FWC。在该阶段，由于第一转移晶体管215的栅极和源极之间的电压下降，第一转移晶体管215开始导通，例如从漏极到源极的漏电流。由于电流泄漏，第一转移晶体管215的漏极上的电压(例如，由浮动扩散节点维持的复位电压)开始显著下降。由于第一转移晶体管215的漏极耦合到比较器280的第一输入，比较器的第一输入处的电压相应地下降。

第二转移晶体管265的漏极耦合到比较器280的第二输入。因为第二PPD 260与第一PPD 210相比对入射光更不敏感，所以第二PPD 260在该阶段尚未达到其FWC。因此，比较器280的第二输入基本上保持在复位电压。

因此，比较器285的输出235被配置为提供触发信号310，有效地指示第一PPD 210已经达到其FWC。也就是说，第一像素205被配置为作为FWC检测器操作。

在触发信号310的时间处，第二像素255尚未在其FWC处饱和。因此，触发信号310可用作在第二像素中的电荷达到其FWC之前测量第二像素中的电荷的触发。

在图3的示例时序图中，可以看出，在由触发信号310发信号通知第一PPD 210的FWC时，在状态机240的控制下，发生以下事件序列。

在图3中表示为315的时间处，断言复位信号230，以将至少第一PPD 210、第二PPD260以及第一和第二浮动扩散节点复位到复位电压，例如第二电压基准250。

接下来，在与第二像素205相关联的第二浮动扩散节点达到复位电压的足够时间之后，积分ADC 290在图3中表示为320的时间从由开始_转换信号295触发，以将复位电压转换为第一数字值，例如第一计数，在图3中表示为“adc_复位_值(adc_reset_value)”。

接下来，在图3中表示为325的时间处，复位信号230被无效以将浮动扩散节点与复位电压隔离。

接下来，在图3中表示为330的时间处，断言转移信号225以将第二PPD 260上的电荷转移到第二浮动扩散节点。

然后，在第二浮动扩散充电足够时间之后，在图3中表示为335的时间处，积分ADC290由开始_转换信号295触发，以将浮动扩散节点电压转换为第二数字值，例如第二计数，在图3中表示为“adc_值(adc_value)”。接下来，状态机240被配置为从第一数字值中减去第二数字值，以确定对应于由第一像素205测量的光的第三数字值，在图3中表示为“减法值”。

状态机240被配置为在总曝光时间内累积这样的第三数字值(例如，响应于数字地_求和(sum_up_digitally)触发信号，以提供图3中的相当于先前值加上减法值的数字地求和后的值)。也就是说，每当触发信号310被断言时，可以重复上述过程，即，每当第一PPD210达到其FWC时，第二像素255提供入射在第二像素255上的光的测量，并且状态机240被配置为在总曝光时间内累积这样的测量。

应当理解，在其他实施例中，由ADC提供的数字值(例如，转换结果)的处理可以作为所描述的序列的一部分进行，或者可以在稍后的时间进行。例如，在一个实施例中，由ADC提供的数字值可以存储在存储器中，并且在稍后的时间进行处理。

入射在第二像素255上的光的测量通常可以被称为“读取”第二像素255，或者执行“读出”，并且在本说明书的其余部分中使用这样的术语。

指示第一电荷达到第一像素205的FWC的触发信号的提供防止第二像素255达到其FWC。此外，光传感器200的总曝光时间不像图1的现有技术像素100那样局限于由像素的FWC定义的时间。而是，光传感器200可以被配置为使用第二像素255重复测量光，同时使用第一像素205以确保第二像素255永远不会达到FWC，如上所述。这通过避免第二像素255的饱和来确保在曝光时间期间没有光信息丢失。这也使得光传感器200特别适合于需要长积分时间的应用。理论上，光传感器200的最大曝光时间仅受数字电路的能力的限制，例如状态机240能够累积的最大值。

此外，当达到第一像素205的FWC时，光传感器200仅读取第二像素255，例如光收集器像素255。因此，光传感器200读取第二像素255的速率或频率根据环境因素(诸如光条件和温度)而变化。例如，在高强度光条件下，光传感器200可以每10us到20us读取第二像素255。然而，在低光条件下，光传感器200可以在区域中每毫秒一次地读取第二像素255。这可以导致显著的功率节省，特别是在低光条件下。

光电二极管的FWC与温度成线性关系，与光条件成对数关系。因此，光电二极管的FWC的准确预测可能是困难的。在诸如图1的4T有源像素100的现有技术有源像素中，可能需要以高速率读取像素100，以便提供足够的裕度来避免像素100的饱和，例如，避免像素100达到FWC。举例来说，智能电话上的相机可被配置为估计图片的曝光时间以便避免像素饱和。

光传感器200克服了这些缺点，因为光传感器200被配置为确保第二像素255(例如光收集器像素255)永远不会达到FWC，并且因此不再需要估计具有足够裕度以避免FWC的曝光时间。

此外，光传感器200被配置为使用积分ADC 290的几乎整个可用分辨率，因为不是以固定或预定义的速率在低光条件下执行读出，而是仅在第一像素处于FWC并且第二像素255处于FWC的显著比例(诸如FWC的90％)时根据需要执行读出。

此外，PPD的典型FWC非常低，并且通常在2000至20,000个电子的范围内。PPD虽然高度敏感，但由于低FWC，通常表现出非常有限的动态范围。光传感器200克服了该限制，因为如上所述，防止了光测量第二像素255饱和。因此，光传感器200实际上没有最大分辨率。

在示例实施例中，状态机240可以被配置为补偿在读出第二像素255期间引起的开销时间。也就是说，当使用积分ADC 290测量存储在第二像素255中的电荷时，第二像素255不被配置为作为用于通过光学吸收过程将入射光转换为电压信号的光电二极管操作。状态机240可以被配置为估计开销时间期间的光条件。例如，状态机240可以被配置为通过做出关于光条件的变化的假设和/或预测(例如，在读出像素205所需的时间期间仅预测光条件的有限变化)来在存储在第二像素255中的电荷的连续测量之间进行外推或内插。例如，状态机240可以被配置为在存储在第二像素255中的电荷的连续测量之间线性地内插或执行二阶、三阶或更高阶内插，以补偿开销时间。

在又一示例实施例中，光传感器200可以包括两个第二像素，即第一光收集器像素和第二光收集器像素。状态机240可以被配置为通过交替地使用第一光收集器像素和第二光收集器像素中的每一个来补偿在读出期间引起的开销时间。也就是说，例如，状态机240可以被配置为通过将第一光收集器像素保持在复位状态直到触发第二光收集器像素的读出来补偿在读出期间引起的开销时间。第二光收集器像素的读出的触发将开始(例如立即开始)第一光收集器像素的曝光。也就是说，触发第二光收集器像素的读出可以使状态机配置第一光收集器像素，使得第一光收集器像素的光电二极管与电压基准250电隔离，从而配置第一光收集器像素以相应地开始电荷的累积。

类似地，状态机240可以被配置为通过将第二光收集器像素保持在复位状态直到触发第一光收集器像素的读出来补偿在读出期间引起的开销时间。第一光收集器像素的读出的触发将开始(例如立即开始)第二光收集器像素的曝光。也就是说，触发第一光收集器像素的读出可以使状态机配置第二光收集器像素，使得第二光收集器像素的光电二极管与电压基准250电隔离，从而配置第二光收集器像素以相应地开始电荷的累积。

这样，状态机240可以被配置为交替地使用第一光收集器像素和第二光收集器像素，从而避免招致与像素读出时间相关联的任何开销。

尽管讨论了提供第一像素205上的电荷达到FWC的指示，但是应当理解，光传感器200可以被配置为指示已经达到低于FWC的其他阈值容量。

例如，光传感器200可以被配置为指示FWC的90％、80％、70％或甚至更小的阈值容量。

此外，在一些实施例中，状态机240可以被配置为在总曝光时间结束时(例如，即使第一像素205尚未触发光收集像素的读出)触发光收集像素(例如，第二像素255)的读出。有益地，这可以确保由光收集像素收集的所有光由状态机240累积，并且因此避免在曝光时间期间丢失光信息。

在一个实施例中，第一转移晶体管215可被配置为在达到第一像素205的FWC之前使第一浮动扩散节点放电。在一个实施例中，这可以通过调整第一转移晶体管215的栅极处的电压电平以改变第一转移晶体管215开始使第一浮动扩散节点放电的电压阈值来实现。在其它实施例中，第一转移晶体管215可被设计为在期望电压阈值处或附近使第一浮动扩散节点放电。

图4示出了根据本公开的另一实施例的总体表示为400的光传感器的示意图。光传感器400的电路总体上与光传感器200的电路相同，因此不再详细描述。下面描述光传感器400和光传感器200之间的显著差异。

光传感器400包括第一像素405。第一像素405被配置为作为FWC检测器操作，如下面将更详细地描述的。

第一像素405包括第一PPD 410。

第一PPD 410的阳极耦合到第一电压基准475。在示例实施例中，第一电压基准475接地，例如0V。

第一PPD 410的阴极可配置为经由第一复位晶体管420耦合到第二电压基准VDD_LO。第二电压基准VDD_LO可以是电源轨。

光传感器400包括第二像素455。第二像素455被配置为作为光检测器操作，如下面将更详细地描述的。

第二像素455包括第二PPD 460。第二PPD 410的阳极耦合到第一电压基准475。

第二PPD 410的阴极可配置为经由第二复位晶体管470耦合到第三电压基准VDD_HI。第三电压基准VDD_HI可以是电源轨。

第三电压基准VDD_HI处于比第二电压基准VDD_LO更高的电压。

与图2A的光传感器200相对比，在当前描述的实施例中，第一像素405和第二像素455两者被配置为暴露于相同量(例如强度)的光，诸如环境光和/或来自光源的光和/或第一PPD 410和第二PPD 460对其敏感的特定波长范围的光。也就是说，第一像素405和第二像素455被配置为对光具有基本相同的灵敏度。

光传感器400的操作大体类似于光传感器200的操作。然而，与两个像素都被复位为公共电压的光传感器200相对比，在图4的实施例中，第一像素405被复位为VDD_LO，而第二像素455被复位为VDD_HI。

因此，第一像素405被配置为在第二像素455之前达到FWC。比较器485被配置为提供触发信号，有效地指示第一PPD 410已经达到其FWC。

因为第一PPD 410被复位为比第二PPD 460低的电压，所以第一PPD 410将总是在第二PPD 460之前达到FWC。

在一些实施例中，比较器可以被适配或配置为适应不同的复位电压VDD_LO和VDD_HI。例如，在一个实施例中，比较器的电源可以是VDD_LO。在其他实施例中，可以将电压偏移施加到比较器的一个或两个输入。

到目前为止描述的实施例包括两个像素：用于FWC检测的第一像素和用于光检测的第二像素。应当理解，在其他实施例中，光传感器可以包括更多像素。例如，光传感器可以包括多个第二像素。光传感器可以包括第二像素的阵列。

图5描绘了总体表示为500的图像传感器的示例。图像传感器包括第一光传感器505。第一光传感器505可以类似于上述光传感器200或400，并且包括用于FWC检测的第一像素510和用于光检测的多个第二像素515。第一光传感器505对第一波长范围内的光敏感。在一个实施例中，第一波长范围基本上对应于红光，例如以564nm至580nm为中心的范围。例如，可以将滤光器层(未示出)应用于第一光传感器505，以将入射在第一光传感器505上的光基本上限制到第一波长范围。

图像传感器包括第二光传感器525。第二光传感器525可以类似于上述光传感器200或400，并且包括用于FWC检测的第一像素530和用于光检测的多个第二像素535。第二光传感器505对第二波长范围内的光敏感。在一个实施例中，第二波长范围基本上对应于绿光，例如以534nm至545nm为中心的范围。

图像传感器包括第三光传感器545。第三光传感器545可以类似于上述光传感器200或400，并且包括用于FWC检测的第一像素550和用于光检测的多个第二像素555。第三光传感器545对第三波长范围内的光敏感。在一个实施例中，第三波长范围基本上对应于蓝光，例如以420nm至440nm为中心的范围。

因此，图像传感器500可以被配置为作为RGB图像传感器操作。

图像传感器还包括用于控制第一光传感器505、第二光传感器525和第三光传感器545的逻辑和/或状态机560、CPU等。应当理解，尽管示出了单个状态机560，但是在其他实施例中，每个光传感器505、525、545可以与专用状态机相关联。

类似地，诸如测量电路的其他电路可以针对每个光传感器实例化，或者在多个光传感器之间共享。

在示例实施例中，图像传感器还可以包括存储器580。存储器580可以用于存储由测量电路提供的数字值。存储器580可以用于存储由CPU执行的程序代码，例如用于处理图像相关数据和/或用于其中状态机560替代地或附加地是可编程CPU的实施例。

图6描绘了根据本公开的实施例的有源像素传感器，总体表示为600。在图6的实例实施例中，有源像素传感器600形成为单片器件。有源像素传感器600包括多个光传感器605、610、615，其中每个光传感器605、610、615对应于如图2A所示的光传感器200。应当理解，尽管图6的有源像素传感器600包括三个光传感器605、610、615，但是在其他实施例中，有源像素传感器600可以包括少于或多于三个光传感器。

在另外的实施例中，多个光传感器中的第一光传感器605对第一波长范围内的光敏感，并且多个光传感器中的另一光传感器610、615对不同于第一波长范围的第二波长范围内的光敏感。

图7描绘了根据本公开的实施例的总体表示为700的设备。该设备包括处理器705和图像传感器710。图像传感器可以是例如如图5所示的图像传感器。在其他实施例中，该设备可以附加地或替代地包括至少一个有源像素传感器(诸如关于图6描述的有源像素传感器)和/或至少一个光传感器(诸如关于图2A描述的光传感器)。

仅出于示例的目的，设备700是蜂窝电话。应当理解，在其他示例中，设备可以是数字相机、安全相机、膝上型或平板设备、图像记录设备等。

申请人单独公开了本文描述的每个单独特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，只要这些特征或组合能够根据本领域技术人员的公知常识基于作为整体的说明书来执行，而不管这些特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单独特征或特征的组合组成。鉴于前述描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本公开的范围内进行各种修改。

本领域技术人员将理解，在前述说明书和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考诸如附图中所示的概念性图示而做出的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制性质。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图中所示的取向时的对象。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

附图标记列表

有源像素 100

光电二极管 105

复位晶体管 110

转移晶体管 115

浮动扩散节点 120

源极跟随器晶体管 125

行选择晶体管 130

P+注入 150

电压基准 160

光传感器 200

第一像素 205

第一PPD 210

第一转移晶体管 215

第一复位晶体管 220

转移信号 225

复位信号 230

输出 235

状态机 240

adc_值 245

第二电压基准 250

第二像素 255

第二PPD 260

第二转移晶体管 265

第二复位晶体管 270

第一电压基准 275

比较器 280

测量电路 285

ADC 290

开始_转换信号 295

触发信号 310

表示时间 315

表示时间 320

表示时间 325

表示时间 330

表示时间 335

表示时间 315

光传感器 400

第一像素 405

第一PPD 410

第一复位晶体管 420

第二像素 455

第二PPD 460

第二复位晶体管 470

第一电压基准 475

比较器 485

图像传感器 500

第一光传感器 505

第一像素 510

第二像素 515

第二光传感器 525

第一像素 530

第二像素 535

第三光传感器 545

第一像素 550

第二像素 555

状态机 560

存储器 580

有源像素传感器 600

光传感器 605

光传感器 610

光传感器

设备 700

处理器 705

图像传感器 710

Claims

1.一种光传感器，包括：

第一像素；

第二像素；以及

测量电路；

其中当所述光传感器暴露于光时，所述第一像素被配置为累积第一电荷，并且所述第二像素被配置为累积第二电荷；并且

其中所述第一像素被配置为当所述第一电荷达到所述第一像素的阈值容量时触发所述测量电路测量所述第二电荷。

2.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述第一像素和所述第二像素各自包括钉扎光电二极管。

3.根据权利要求1或2所述的光传感器，其中所述阈值容量对应于所述第一像素的满阱容量，或者对应于所述第一像素的所述满阱容量的比例。

4.根据权利要求3所述的光传感器，其中所述第一像素和所述第二像素被配置为使得当所述光传感器暴露于光时，在所述第二电荷达到所述第二像素的满阱容量之前，所述第一电荷达到所述第一像素的所述阈值容量。

5.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述第二像素被配置为与所述第一像素相比，对波长范围的光更不敏感和/或更少地暴露于波长范围的光。

6.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述第二像素包括被配置为限制波长范围的光入射到所述第二像素的光敏部分的至少一部分上的层。

7.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述层包括对所述第二像素的所述光敏部分对其敏感的波长范围的光基本上不透明或半透明的材料。

8.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述第一像素的复位电压不同于所述第二像素的复位电压。

9.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述第一像素和所述第二像素被制造为表现出基本上相同的电特性和/或包括基本上相同的满阱容量。

10.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述测量电路包括模数转换器(ADC)，其中，所述ADC被配置为将与所述第二电荷相对应的电压转换为数字信号。

11.根据任一前述权利要求所述的光传感器，包括状态机和/或电路，所述状态机和/或电路被配置为在预定义的曝光时间内重复以下步骤：

-复位所述第一像素和所述第二像素；以及

-当所述第一电荷达到所述阈值容量时，触发所述测量电路测量所述第二电荷。

12.根据权利要求11所述的光传感器，其中所述状态机和/或所述电路被配置为执行以下操作中的至少一个：

通过累积所述第二电荷的连续测量来确定在所述预定义曝光时间内的总电荷；和/或

补偿在所述第二电荷的测量期间引起的开销时间。

13.根据任一前述权利要求所述的光传感器，其中所述第一像素和/或所述第二像素包括4T有源像素。

14.根据任一前述权利要求所述的光传感器，包括多个第二像素。

15.根据权利要求15所述的光传感器，其中每个第二像素被配置为当所述光传感器暴露于光时累积相关联的电荷；并且其中所述第一像素被配置为当所述第一电荷达到所述阈值容量时触发所述测量电路测量所述相关联的电荷。

16.一种有源像素传感器，包括多个根据权利要求1至15中任一项所述的光传感器。

17.根据权利要求16所述的有源像素传感器，其中：

多个所述光传感器中的第一光传感器对第一波长范围内的光敏感；以及

多个所述光传感器中的第二光传感器对不同于所述第一波长范围的第二波长范围内的光敏感。

18.根据权利要求16或17所述的有源像素传感器，被配置为作为RGB和/或宽带和/或闪烁图像传感器操作。

19.一种图像传感器，包括：

像素阵列；以及

至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的光传感器。

20.一种设备，包括：

处理器；以及以下中的至少一个：

至少一个根据权利要求19所述的图像传感器；

至少一个根据权利要求16至18中任一项所述的有源像素传感器；和/或

至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的光传感器。