BE1021668B1 - Un pixel a grande plage dynamique et une methode pour le faire fonctionner - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un pixel HDR comprenant un élément photosensible ; un nœud de détecteur connecté à l'élément photosensible; un commutateur de réinitialisation connecté au nœud de détecteur pour réinitialiser le nœud de détecteur à une tension prédéterminée ; un amplificateur tampon ayant une entrée connectée au nœud de détecteur; un transistor de sélection pour sélectionner ledit pixel pendant un traitement de lecture ; une capacité parasite intrinsèque provenant de l'élément photosensible, ou du nœud de détecteur, ou du commutateur de réinitialisation, ou de l'amplificateur tampon, ou du transistor de sélection pour stocker les porteurs minoritaires générés par l'élément photosensible. Le pixel comprend en outre une capacité à double mode ayant une entrée connectée au nœud de détecteur et pouvant être utilisée en mode stockage et déstockage, pour stocker les porteurs minoritaires générés lorsqu'elle est en mode stockage et déstocker les porteurs minoritaires stockés dans la capacité parasite lorsqu'elle est en mode déstockage.
Description
Un pixel à grande plage dynamique et une méthode pour le faire fonctionner
Domaine technique de l'invention L’invention se rapporte à un pixel à grande plage dynamique (en anglais High Dynamic Range ou HDR) et à une méthode pour le faire fonctionner. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un pixel HDR pour réaliser des mesures par Temps-de-Vol et pour permettre l’utilisation de différents gains de conversion, sans détruire l’information de charge.
Arrière-plan de l’invention
Un capteur d’images est un dispositif capturant et convertissant une radiation électromagnétique incidente telle qu’un flux lumineux en un signal électronique. Dans l’imagerie numérique, on utilise surtout des capteurs à pixels actifs (en anglais Active-Pixel Sensors ou APS). Les APS sont des capteurs d’images consistant en un circuit intégré contenant un réseau de capteurs pixels, et dans lesquels chaque pixel contient une photodiode et un amplificateur actif.
Dans un APS, la photodiode est sensible à la lumière incidente. Plus précisément, la photodiode convertit la lumière incidente en charges qui sont accumulées pendant un temps d’exposition donné et converties ensuite en une tension amplifiée dans le pixel. Cette tension est une quantité physique continue analogique qui peut être convertie, grâce à un convertisseur analogique/numérique, en une valeur numérique représentant l’amplitude de la tension. L’un des principaux problèmes des pixels standards est leur saturation potentielle apparaissant lorsqu’une lumière incidente devient trop forte et/ou une exposition, trop longue. Dans un système d’imagerie de portée utilisant des technologies par Temps-de-Vol (en anglais Time-of-Flight ou TOF), par exemple un système d’appareil de prise de vues à Temps-De-Vol 3, tel que représenté dans la Figure 1, fournissant des informations de distance en analysant le Temps de Vol et la phase d’un signal lumineux pulsé 16 émis par une source de lumière commandée 18 et réfléchi 17 par des objets de la scène 15, la saturation peut survenir lorsque des objets ayant des propriétés de réflexion standards sont plus proche de la gamme de distance pour laquelle le système d’imagerie 3 est calibré. Les objets réfléchissent alors beaucoup trop la lumière émise et conduisent au moins certains pixels du capteur à répondre à leur valeur maximale. La saturation peut aussi survenir lorsque des objets montrent des propriétés de réflexion spéculaire dans le domaine de longueurs d’onde pour lequel les pixels ont été conçus pour être sensible, comme lorsqu’un miroir dans une scène réfléchit entièrement la lumière incidente qu’il reçoit sur le capteur produisant des images de la scène, ou lorsque des objets réfléchissent et concentrent la lumière incidente sur une portion du capteur, ou lorsqu’une source de lumière externe, émettant une forte illumination dans le même domaine de longueur d’onde que celui pour lequel l’appareil de prise de vues TOF a été conçu, illumine le capteur.
Lorsque les pixels sont saturés, les informations significatives à propos de la scène sont perdues puisque la réponse fournie est aplatie à la valeur de tension maximale qui peut être fournie ; cela mène à des artefacts d’image ou à des défauts tels que des régions brûlées, des effets de flou lumineux dans les images. De plus, certaines applications, par exemple le calcul des informations de profondeur pour la technologie TOF, utilisent des calculs basés sur le déphasage à partir d’une pluralité de prises de vue pour obtenir une mesure de distance. Si une saturation de pixel survient pendant le temps d’intégration, la tension aux nœuds des détecteurs atteint un seuil de saturation ce qui altère la prise correspondante.
Un autre problème principal des pixels standards réside dans le fait que le bruit peut être très fort. Si le rapport signal/bruit est faible, alors le bruit est prépondérant lors de la prise de vue et des informations utiles sont perdues.
Une caractéristique importante d’un capteur d’images, prenant en compte à la fois les paramètres de saturation et de bruit, est la dénommée Plage Dynamique (en anglais Dynamic Range ou DR) représentée à la Figure 2. La Plage Dynamique peut être définie par le rapport suivant en décibels:
Pour le but d’augmenter la Plage Dynamique des capteurs d’image, plusieurs techniques ont été mises en œuvre. Une première solution pour augmenter la Plage Dynamique d’un capteur d’image a été de réduire le niveau du bruit de fond, par exemple en réduisant la taille des capteurs. Cette stratégie présente l’inconvénient de réduire en même temps le seuil de saturation du capteur. C’est le cas A illustré dans la Figure 2.
Une autre approche pour augmenter la Plage Dynamique des capteurs est d’augmenter le seuil de saturation des capteurs. Plusieurs solutions de systèmes à grande plage dynamique (en anglais High Dynamic range ou HDR) ou à très grande plage dynamique (en anglais Wide Dynamic Range ou WDR) ont été proposées dans des capteurs d’image standards utilisant plusieurs circuits électroniques avec des bascules et/ou des points mémoires. Des capteurs ont été conçus avec des techniques telles qu’un bon ajustement, de multiples prises de vue ou une exposition variant spatialement. De plus, un circuit de logique supplémentaire a été ajouté par capteur APS CMOS, mais cela réduit la zone sensible effective du capteur et résulte en un faible facteur de remplissage qui n’est pas conforme aux besoins d’imagerie TOF efficaces. Une autre solution consiste à utiliser des circuits avec des pixels logarithmiques. Des tels circuits de pixel génèrent un niveau de tension qui est une fonction logarithmique de la quantité de lumière frappant un pixel. Ceci est différent de la plupart des capteurs d’image CMOS ou CCD qui utilisent un type linéaire de pixels. Néanmoins, l’utilisation de pixels logarithmiques compliquent fortement le post-traitement pour calculer les données voulues, telle que les informations de profondeur par exemple, car elle introduit des problèmes de compression bien connus et demande aussi des calculs de traitement supplémentaires. L’une des solutions, basée sur l’augmentation du niveau de saturation, est représentée dans la Figure 3. Une capacité supplémentaire Cpa est utilisée, sur laquelle les charges générées durant le temps d’intégration dans la photodiode PD peuvent être transférées. Le principal inconvénient de cette méthode est que, une fois transférées sur la capacité supplémentaire, un seul cycle de lecture est possible. Il n’est pas possible de lire plusieurs fois les données contenues sur la capacité supplémentaire, et d’adapter le gain de conversion à utiliser.
Une solution reste à être proposée pour augmenter la Plage dynamique des capteurs Temps-de-Vol, tout en permettant de multiples lectures non-destructrices de la même information de charge en utilisant différents gains de conversion. Résumé de l’invention
La présente invention concerne à un pixel à grande plage dynamique selon la revendication 1.
Par capacité intrinsèque, il est entendu que cette capacité intrinsèque, qui est aussi la capacité parasite Cp, n’est pas une capacité supplémentaire ajoutée au circuit, mais est la somme de toutes les capacités parasites liées aux composants électroniques des circuits, c’est-à-dire la somme des capacités provenant d’au moins un de l’élément photosensible, du nœud de détecteur, du commutateur de réinitialisation, de l’amplificateur tampon et du transistor de sélection. Par définition, cette capacité intrinsèque ne peut pas être supprimée seule.
Grâce à l’invention, il est possible aussi de choisir le meilleur gain de conversion à utiliser. Même si les charges sont stockées sur la grande capacité d’abord, il est possible de les transférer sur la capacité parasite, pour obtenir un fort gain de conversion.
De préférence, la capacité à double mode (Chdr) est une capacité MOS pouvant être utilisée pour stocker des porteurs minoritaires en mode inversion et pour déstocker les porteurs minoritaires en mode accumulation. Le fait d’utiliser une capacité MOS permet de transférer les charges dans les deux directions, de la capacité parasite à la capacité MOS et de la capacité MOS à la capacité parasite. Ceci n’est pas possible en utilisant une capacité standard à simple mode.
De façon avantageuse, l’élément photosensible est une photodiode ancrée permettant la déplétion complète de la photodiode durant une étape de transfert de charge, et donc, de réduire le bruit de lecture.
De façon plus avantageuse encore, le pixel HDR est utilisé pour réaliser des mesures par Temps-De-Vol. Le fait d’obtenir, avec un seul temps d’intégration, des données avec à la fois un faible et un fort gain de conversion est extrêmement intéressant pour les mesures par Temps-De-Vol, puisque la même information de charge peut être extraite deux fois d’une manière non-destructive. Ceci est avantageux pour les mesures par Temps-De-Vol où plusieurs corrélations ont besoin d’être combinées mathématiquement pour calculer la distance. Les différentes corrélations peuvent être acquises en parallèle durant la même exposition ou de façon séquentielle en utilisant des expositions consécutives. L’invention offre une manière de mesurer les corrélations de chaque exposition plusieurs fois en utilisant différents gain de conversion, sans détruire l’information de charge.
La présente invention se rapporte aussi à une méthode pour faire fonctionner un pixel à grande plage dynamique selon la revendication 7.
De façon avantageuse, la méthode permet de réaliser des mesures avec un faible bruit de lecture, puisque la réinitialisation de l’élément photosensible est réalisée lorsque la capacité à double mode est en mode accumulation.
Cette méthode est particulièrement avantageuse pour des applications à Temps-De-Vol. Puisque de multiples ensembles de données cohérents sont disponibles, il n’y a aucune situation dans laquelle l’information de temps-de-Vol doit être calculée avec des données de corrélation provenant de différents gains de conversion. Il n’y a donc pas besoin de calibrer les différents gains de conversion les uns par rapport aux autres, ce qui est un très grand avantage de la présente invention par rapport, par exemple, aux mises en oeuvre de pixel logarithmique, lin-log ou linéaire par morceau.
Les autres avantages et les nouvelles caractéristiques de l’invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins
La Figure 1 illustre le principe de fonctionnement de base d’un système d’appareil de prise de vues TOF;
La Figure 2 illustre la définition de Grande Plage Dynamique;
La Figure 3 illustre une configuration standard de pixel-3T telle que mise en œuvre dans l’art antérieur;
La Figure 4 illustre une configuration de pixel selon un mode de réalisation de l’invention;
La Figure 5 illustre une configuration de pixel selon un autre mode de réalisation de l’invention;
La Figure 6 illustre la physique des dispositifs bien connue d’une capacité MOS, dans laquelle la couche semiconductrice est une couche dopée p;
La Figure 7 montre le comportement capacitif d’une capacité MOS en fonction de la tension de grille;
La Figure 8 est une vue de dessus de la capacité MOS Chdr selon un mode de réalisation de l’invention;
La Figure 9 montre des formes d’onde typiques pour commander le pixel, selon une mode de réalisation de l’invention;
La Figure 10 montre une mise en œuvre d’un système d’imagerie par Temps-de-Vol selon un mode de réalisation de l’invention.
Description de l’invention
La Figure 4 illustre une configuration de pixel selon un mode de réalisation de l’invention.
Le pixel 40 comprend: - un élément photosensible PD, par exemple une photodiode, pour générer des charges en réponse à une lumière frappante ; une photodiode ancrée pourrait aussi être utilisée; - un nœud de détecteur FD, qui est le nœud attaché à la cathode de la photodiode dans le cas où il n’y a pas de grille de transfert, ou un nœud de détecteur FD qui peut être connecté à l’élément PD au moyen d’une grille de transfert, non représentée; - un transistor de réinitialisation Mrst répondant à un signal de control RTS et pouvant être utilisé pour initialiser l’élément photosensible PD à une tension connue (Vrst), ou pour réinitialiser l’élément FD à une tension connue tout en déplétant complètement la photodiode ancrée, si une photodiode ancrée est utilisée; - un transistor amplificateur MSf, par exemple un suiveur de source, répondant à un signal VDD et pouvant être utilisé pour permettre à la tension de pixel d’être observée sans enlever la charge accumulée ; la tension au nœud de détecteur est transférée vers la sortie du pixel via ce transistor utilisé comme un amplificateur; - un transistor de sélection Msel répondant à un signal SEL et pouvant être utilisé pour sélectionner le pixel durant un processus de lecture; - une petite capacité parasite ou intrinsèque CPl correspondant à la somme de toutes les capacités parasites du circuit, principalement la capacité intrinsèque de la photodiode et les capacités associées aux transistors amplificateur et de réinitialisation; - une capacité à double mode, par exemple une capacité CHdr Métal-Oxide-Semiconducteur (MOS).
Dans un mode de réalisation possible, un commutateur additionnel S2 est ajouté au pixel et est connecté entre la capacité CMOS Chdr et le nœud de détecteur FD, comme illustré à la Figure 5.
La valeur de la capacité intrinsèque parasite CP est typiquement de l’ordre de 10fF. Cette petite capacité permet d’intégrer une petite quantité de charges, mais souffre d’un seuil de saturation faible. Son gain de conversion, c’est-à-dire le rapport «tension générée par un nombre d’électrons générés/nombre d’électrons générés», est élevé et permet d’obtenir un sensitivité élevée dans des conditions d’obscurité.
La capacité MOS Chdr est faite d'un corps semiconducteur ou substrat, d’un film isolant, d’une électrode métallique appelée une grille, et d’un ou deux contacts ohmiques pour rentrer en contact avec le corps semiconducteur. Il convient de préciser qu’un transistor CMOS standard comprend typiquement deux régions ohmiques appelées source et drain en contact avec le corps semiconducteur. Dans la présente invention, la source et le drain peuvent être connectés, comme représenté dans la Figure 4 et la Figure 5, ou une seule zone peut être conçue, comme dans la Figure 8. Dans la présente invention, si deux contacts ohmiques sont conçus, alors la capacité MOS Chdr est agencée de telle façon que le côté semiconducteur, c’est-à-dire la source et le drain de la capacité MOS, est connecté au nœud de détection FD du photodétecteur PD.
Le gain de conversion de la capacité MOS CHDR est relativement faible. Cette grande capacité est particulièrement utile en condition lumineuse, puisque son seuil de saturation est élevé.
La Figure 6 illustre la physique des dispositifs bien connue d’une capacité MOS, dans laquelle la couche semiconductrice est une couche dopée p: - Si la tension Vg appliquée à la grille est inférieure à la dénommée tension de bande plate Vfb, il y a alors un grand nombre de trous à ou près de la surface semiconducteur/oxyde. Ils forment une couche d’accumulation et la capacité est en mode accumulation. - Si la tension Vg appliquée à la grille est supérieure à la dénommée tension de seuil Vt, il y a alors une couche d’inversion, qui est remplie d’électrons d’inversion. C’est le mode inversion.
Il convient de préciser que l’invention est présentée avec une capacité MOS dopée p et que, dans la suite, les porteurs minoritaires sont des électrons, mais l’invention n’est pas limitée à cela et pourrait être mise en oeuvre par l’homme de l’art avec un capacité dopée n et des porteurs minoritaires étant des trous.
La Figure 7 montre le comportement capacitif d’une capacité MOS Chdr en fonction de la tension de grille. La ligne (a) représente la capacité vue sur la grille à basse fréquence en fonction des conditions de polarisation, tandis que la ligne (b) représente la capacité vue du contact semiconducteur, dopé de la même polarité que la couche d’inversion du MOS.
Vue de la grille la capacité MOS a une adaptabilité limitée puisque à basse fréquence les capacités de grille en inversion et en accumulation sont égales (Figure 7, a). Cependant, en inversion les charges utilisées de l’autre côté de la capacité, c’est-à-dire du côté semiconducteur, sont des porteurs minoritaires, alors qu’en accumulation les charges sont des porteurs majoritaires. Cela signifie que lorsqu’on regarde les porteurs minoritaires, c’est-à-dire les porteurs minoritaires intégrés durant le temps d’intégration par la photodiode PD, aucune charge ne peut s’accumuler dans la capacité en accumulation. Cela signifie que, pour les porteurs minoritaires, il n’y a pas de capacité lorsque la capacité MOS est en accumulation (Figure 7, b).
Lorsque la tension de grille de la structure de la Figure 4 ou de la Figure 5 correspond au mode inversion de la capacité, la capacité peut maintenant accepter des porteurs minoritaires du contact semiconducteur et peut agir comme une capacité pour ces charges, dans ce cas des électrons. Lorsque la tension de grille correspond au mode accumulation, les porteurs minoritaires qui étaient présent dans le canal sont maintenant poussés dans la région semiconductrice de nouveau, ce qui altère la capacité sur ce nœud sans modifier l’information de charge. De cette façon, il est possible de commuter entre un mode avec une forte capacité pour les porteurs minoritaires et un faible gain de conversion (MOS en inversion) et un mode avec une faible capacité et un gain de conversion élevé (MOS en accumulation). L’utilisation de la capacité à double mode MOS Chdr permet le transfert de charges: - de la capacité parasite CP à la grande capacité Chdr en ouvrant le commutateur S2 et en appliquant une tension de grille Vg telle que la capacité CHdr est utilisée en mode inversion, et de telle façon que la capacité totale Ct vue par les porteurs minoritaires est la somme de Cp et Chdr! et - de la grande capacité CHdr à la capacité parasite Cp en appliquant une tension de grille Vg telle que la capacité Chdr est utilisée en mode accumulation et repousse les porteurs minoritaires vers la capacité parasite, de telle façon que la capacité totale CT vue par les porteurs minoritaires est seulement CP.
Le pixel 40 de la présente invention, comprenant cette capacité MOS à double mode est particulièrement intéressant dans un système d’appareil de prise de vue par Temps-de-Vol. De préférence, le pixel 40 de la présente invention peut être utilisé pour réaliser des mesures par Temps-de-Vol. Le pixel 40 peut être, par exemple, un pixel d’un démodulateur photonique assisté par courant (en anglais Current-Assisted Photonic Demodulator ou CAPD) pour réaliser des mesures de corrélation par Temps-de-Vol, mais l’invention n’est pas limitée à cela. Grâce à la capacité MOS à double mode, la même information de charge peut être extraite deux fois de façon non-destructive, ce qui est avantageux pour les mesures par Temps-de-Vol où plusieurs corrélations doivent être combinées mathématiquement pour calculer la distance. Les différentes corrélations peuvent être acquises en parallèle lors de la même exposition ou de façon séquentielle en utilisant des expositions consécutives. L’invention offre une façon de mesurer les corrélations de chaque exposition plusieurs fois en utilisant différents gains de conversion, sans détruire l’information de charge. Ceci est important pour le Temps-de-Vol puisque, pour pouvoir combiner mathématiquement les données de corrélation, l’ensemble de données de corrélation doit être cohérent et mesuré en utilisant le même gain de conversion. Maintenant, avec la présente invention, de multiples ensembles de données sont disponibles et cohérents. Chaque point de donnée de corrélation dans un ensemble est mesuré en utilisant le même gain de conversion, et plusieurs ensembles sont disponibles, dans lesquels les ensembles sont mesurés avec des gains de conversion différents. Cela signifie que pour des mesures à faible intensité, lorsque la charge collectée est faible, l’ensemble de données avec un gain de conversion élevé peut être utilisé (c’est-à-dire la capacité parasite Cp), tandis que pour des mesures à forte intensité, l’ensemble de données à faible gain de conversion peut être utilisé (c’est-à-dire la capacité MOS Chdr), puisque l’information, lorsque mesurée avec un gain de conversion élevé, aura saturée.
Une vue de dessus de la capacité MOS Chdr est fournie sur la Figure 8. La région 72 est une vue de dessus de la grille de la capacité CMOS, sous laquelle se trouvent les couches d’isolation et semiconductrice. La région 71 est un contact ohmique en contact avec la couche semiconductrice, pour permettre aux porteurs minoritaires de rentrer et sortir de la capacité MOS. Dans la Figure 8, un seul contact ohmique 71 est représenté, mais l’invention pourrait comprendre deux contacts ohmiques. Il convient de préciser qu'un transistor CMOS standard comprend typiquement deux contacts ohmiques appelés source et drain. Dans la présente invention, la source et le drain peuvent être connectés, tels que représentés dans la Figure 4 et la Figure 5, ou une seule zone peut être conçue, comme dans la Figure 8. Un seul contact ohmique est nécessaire pour permettre aux porteurs minoritaires d’entrer et de sortir de la capacité MOS.
La valeur de la capacité additionnelle Chdr qui peut être activée ou désactivée est proportionnelle à la capacité de grille par unité, typiquement de l’ordre de 4fF/pm2, est proportionnelle à la largeur de la capacité MOS 75 et à la longueur de la capacité MOS 74. Cependant, l’ajout de la structure ajoute aussi une capacité parasite qui est proportionnelle à la largeur 75, à la longueur du contact 73 - qui dépend de la technologie et doit être minimisé -et à la capacité de jonction de cette région active 71, aussi dépendante de la technologie. De façon à avoir une modulation élevée de la capacitance au nœud FD, il faut minimiser la capacité parasite CP (qui ne peut pas être désactivée) en minimisant la largeur de la structure MOS 75 et maximiser la longueur de la structure MOS 74. Des ratios de modulation de 6:1 jusqu’à 10 :1 peuvent être obtenus en optimisant la longueur et la largueur 74 et 75, respectivement, offrant une amélioration de la plage dynamique de jusqu’à 20dB. D’autres mises en œuvre plus exotiques de la structure MOS sont aussi possibles, comme un seul contact drain/source entouré d’une grille circulaire, etc.
La Figure 9 montre des formes d’onde typiques pour commander le pixel, ceci illustrant la méthode de l’invention.
Au temps T1, le suiveur de source Msf est réinitialisé à la valeur VDD.
Ensuite, un puise de réinitialisation est donné à la grille de transistor Mrst jusqu’au temps T2. Durant la réinitialisation, la capacité MOS Chdr est laissée en accumulation, avec une faible Vhdr, ce qui signifie que pour les porteurs minoritaires il n’y a que la capacité parasite Cp. Par conséquent, le bruit de kTC créé par la réinitialisation est défini seulement par la capacité parasite CP, étant la somme de la capacité parasite de la diode de détection PD en parallèle avec la capacité parasite restante sur le nœud FD (par exemple la capacité d’entrée de l’amplificateur MSf)·
Après la réinitialisation, la MOS est polarisée en faible inversion, au temps T3, et le temps d’intégration commence. Pour n’importe quelle charge accumulée sur le nœud FD, la capacité additionnelle Chdr sera vue, l'intégration de l’information de charge a donc lieu durant l’exposition sur la capacité totale Ct étant la somme de Cp et Chdr·
Au temps T4, le temps d’exposition est terminé et l’information est échantillonnée. L’information de charge est lue sur la capacité totale Cr, ce qui signifie qu’un gain de conversion faible est utilisé.
Après cette première opération de lecture, la capacité MOS Chdr est commutée en accumulation (ou au moins en bande plate) avec un seuil de Vhdr faible, entre les temps T5 et T6, et les porteurs minoritaires présents précédemment dans la couche d’inversion sont repoussés dans le contact semiconducteur 71 connecté au nœud FD. De préférence, les temps T5 et T6 sont choisis de telle façon que le changement entre les modes inversion et accumulation soit lent et ne soit pas abrupte, pour garantir un meilleur transfert de charges. Les temps T5 et T6 pourraient aussi être fusionnés en un seul temps. La même charge d’information peut ensuite être lue sur la faible capacité Cp, ce qui signifie qu’un gain de conversion élevé est utilisé durant cette seconde opération de lecture.
Si les données lues dans ce mode de gain de conversion élevé sont saturées, alors les calculs de Temps-de-Vol peuvent être faits en utilisant les données acquises dans le mode de gain de conversion faible, au temps T3, et un choix peut être fait.
Dans un mode de réalisation, lorsqu’un commutateur S2 est utilisé, tel que représenté dans la Figure 5, alors le commutateur peut être maintenu fermé jusqu’au temps T4 (signal TW). Ensuite, le commutateur peut être ouvert pour permettre un transfert de charges complet durant la première étape de lecture. L’invention peut aussi être utilisée dans une approche de pixel à obturateur global en mettant en œuvre une grille de transfert entre l’élément PD et l’élément FD. La capacité à double mode est de nouveau connectée à l’élément FD.
Pour le cas où l’élément PD n’est pas une photodiode ancrée, lorsque la grille de transfert est conductrice, les porteurs collectés sont distribués entre PD et FD pour avoir un potentiel égal sur les deux nœuds. Il est donc avantageux d’avoir une grande capacité sur FD, de telle façon que la majorité des porteurs collectés sera stockée sur le côté FD. Lorsque la grille de transfert est relâchée, la situation est bloquée.
Maintenant, les électrons sur le nœud FD peuvent être lus d’abord en mode de gain de conversion faible et ensuite en mode de gain de conversion élevé en ramenant la structure MOS en accumulation. En faisant cela, un meilleur transfert de charge est obtenu de PD à FD par rapport à un mode normal à obturateur global. La quantité de charges perdues est sans la capacité à double mode (Cpd / (Cpd+CFd)) qui approche typiquement Уг , tandis que dans la présent invention la quantité de charges perdues dans l’opération à obturateur global est réduite à (CPD / (Cpd+Cfd+Chdr)) tout en maintenant approximativement le gain de conversion original FD en mode de gain de conversion élevé.
La Figure 10 montre une mise en œuvre d’un système d’imagerie par Temps-de-Vol 900 utilisant l’amélioration de plage dynamique de l’invention. Un réseau de pixels 901, comprenant un réseau de pixels 40 selon l’un quelconque des modes de réalisation de cette invention, est connecté à un module de lecture 902 qui peut être un ADC, un tampon de sortie analogique, un ensemble d’ADC en parallèle etc, et un module de synchronisation 902 pour lire chaque pixel dans de multiples modes.
Claims (7)
1. Un pixel à grande plage dynamique (HDR) (40) utilisable pour effectuer des mesures de temps de vol comprenant: - un élément photosensible (PD) pour générer des porteurs majoritaires et minoritaires en réponseà une .radiation incidente au cours d'un temps d'intégration; - un nœud de détecteur (FD) connecté à l’élément photosensible (PD); - un commutateur de réinitialisation (MRSt) connecté au nœud de détecteur (FD) pour réinitialiser le nœud de détecteur (FD) à une tension prédéterminée; - un amplificateur tampon (MSf) ayant une entrée connectée au nœud de détecteur (FD); - un transistor de sélection (MSEl). pouvant fonctionner pour sélectionner ledit pixel pendant un traitement de lecture; - une capacité parasite intrinsèque (Cp) provenant d'au moins l’un de l’élément photosensible (PD), du nœud de détecteur (FD), du commutateur de réinitialisation (Mrst), de l’amplificateur tampon (MSf), du transistor de sélection (MSel) et pouvant être utilisée pour stocker les porteurs minoritaires générés par l’élément photosensible (PD); caractérisé en ce que le pixel (40) comprend en outre: - une capacité à double mode (Chdr) ayant une entrée connectée au nœud de détecteur (FD) et pouvant être utilisée en mode stockage et déstockage, pour stocker les porteurs minoritaires générés lorsqu’elle est en mode stockage et déstocker les porteurs minoritaires stockés dans la capacité parasite lorsqu’elle est en mode déstockage ; et le pixel (40) pouvant fonctionner pour effectuer des mesures de temps de vol en choisissant un gain de conversion faible ou un gain de conversion élevée et en traitant des données de pixel correspondant aux porteurs minoritaires stockés sur la somme de la capacité parasite (CP) et de la capacité à mode double (CHDR), en cas de faible gain de conversion, ou correspondant aux porteurs minoritaires stockés uniquement sur la capacité parasite (CP), en cas de gain élevé de conversion.
2. Lrepixel HDR (4Q)-de la revendication 1, dans lequel la capacité à double mode (CHdr) est une capacité MOS pouvant être utilisée pour stocker des porteurs minoritaires en mode inversion et pour déstocker les porteurs minoritaires en mode accumulation.
3. Le pixel HDR (40) de la revendication 1 ou 2, dans lequel la photodiode est une photodiode ancrée.
4. Le pixel HDR (40) Le pixel HDR (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une grille de transfert connectée entre l’élément photosensible (PD) et le noeud de détecteur (FD).
5. Un système d’imagerie par Temps-de-Vol (900) comprenant un réseau (901) de pixels HDR (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et comprenant en outre un module de lecture (902) pour lire les données de pixel et un module de synchronisation (903) pour commander à la fois le réseau de pixels (901) et le module de lecture (902).
6. Une méthode pour faire fonctionner le pixel HDR (40) pour effectuer des mesures de temps de vol selon l’une quelconque des revendications précédentes, la méthode comprenant les étapes de: - réinitialiser l’élément photosensible (PD) tout en maintenant la capacité à double mode (Chdr) en mode déstockage; - intégrer des charges en réponse à une radiation incidente tout en maintenant la capacité à double mode (CHdr) en mode stockage, pour stocker des porteurs minoritaires sur à la fois la capacité parasite (CP) et la capacité à double mode (Chdr); - lire des données de pixel correspondant aux porteurs minoritaires stockés sur à la fois la capacité parasite (CP) et la capacité à double mode (Chdr); - commuter la capacité à double mode (Chdr) en mode déstockage pour déstocker les porteurs minoritaires dans la capacité parasite (CP); - lire des données de pixel correspondant aux porteurs minoritaires stockés sur la capacité parasite (CP) seulement.
7. lia méthode *de la revendication 6, dans laquelle l’étape de commuter la capacité à double mode (CHdr) en mode déstockage n’est pas réalisée de façon abrupte.
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