CN100586157C - 具有可变电容输出或浮动节点的图像传感器及像素 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器，其具有两个模式：3T模式与4T模式。本发明是根据图像传感器上的光照强度而在3T模式与4T模式之间转换。图像传感器上的光照强度可以采用各种方法进行确定，一旦光照强度被确定，就可以将该光照强度与一临界值进行比较从而确定是以3T模式运作(对于高强度的照明)，还是以4T模式运作(对于低强度的照明)。

Description

具有可变电容输出或浮动节点的图像传感器及像素
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种采用了能够根据入射光的强度而改变其电容的像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其他应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
随着像素变小，像素输出足够强度的、容易被后续信号处理过程解译的信号变得更为困难。而且，要求图像传感器能在各种范围的光线条件下运行，从低的光线条件变化到明亮的外界日光。这被通常被认为是较大的动态范围。另外，因为像素尺寸的变小，如后文所描述的，像素的动态范围可能受到限制。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺点，一方面，本发明提供了一种有源像素，其包括：一设在半导体基体内的感光元件；一设在上述感光元件与一浮动节点之间的传输晶体管，上述传输晶体管可选择性地将信号从感光元件传输至浮动节点，其中，在一个积分周期内，当光照强度高于某一临界值时，传输晶体管处于开启状态；以及一被上述浮动节点控制的放大晶体管。
上述的感光元件可在光电二极管、PIN型光电二极管、部份PIN型光电二极管以及光电门之间选择。
当上述光照强度低于临界值时，上述传输晶体管周期性地将上述信号从感光元件传输至浮动节点，且传输完成以后，传输晶体管关闭。
上述的放大晶体管可将信号放大后输出至列位线。
本发明的有源像素可进一步包括一复位晶体管，其用以将浮动节点恢复到一参考电压。
另一方面，本发明还提供了一种运行图像传感器像素的方法，该像素包括一感光元件、一设在感光元件与一浮动节点之间用以将信号从感光元件传输至浮动节点的传输晶体管、以及一被浮动节点上的信号调制的放大晶体管，该方法包括：将光照强度与临界值进行比较；如果光照强度大于临界值：开启上述传输晶体管，则上述像素按3T模式运作；如果光照强度小于临界值：按4T模式运作上述像素。
再一方面，本发明还提供了一种CMOS图像传感器，其包括：若干呈行列排布的有源像素，其中至少一个有源像素包括：一设在半导体基体内的感光元件；一设在感光元件与一浮动节点之间的传输晶体管，传输晶体管可选择性地将信号从感光元件传输至浮动节点，其中，在一个积分周期内，当光照强度高于某一临界值时，传输晶体管处于开启状态；一被上述浮动节点控制的放大晶体管；一处理电路用以接受上述有源像素的输出；以及一输入/输出电路，用以将上述有源像素的输出量从上述图像传感器输出出去。
附图说明
图1是用于CMOS图像传感器的三晶体管(3T)有源像素的示意图。
图2是本发明四晶体管(4T)有源像素的示意图。
图3是说明图2所示的4T(四晶体管)有源像素的操作方法的流程图。
图4是利用本发明有源像素及方法设计的图像传感器。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节以实现对本发明具体实施方式的透彻理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1表示一个使用了三个晶体管的CMOS(互补型金属氧化半导体)有源像素，即在本领域中的3T有源像素。感光元件101输出用来调制放大晶体管105的信号。该信号被“放置”在节点A，节点A连接到放大晶体管105的门电路处。因此，放大晶体管105是一种源极随偶的结构(source-followerconfiguration)。感光元件101可为多种形式的装置中的一种，包括但不限制于光电门(photogates)、光电二极管、PIN型光电二极管、部份PIN型光电二极管等。
在积分周期(也称为曝光周期)中，感光元件101捕捉入射到像素上的光线并输出可表示入射到感光元件101上的光线数量的信号。该信号(由感光元件101所产生的电荷累积)被储存在节点A上，节点A被连接到放大晶体管105的门电路上。储存在节点A的信号然后用于调制放大晶体管105。在积分周期之后，复位晶体管103用于在下一个积分周期开始之前恢复节点A的大小至参比水准。最后，行选择晶体管107作为定位像素的手段并选择性地读取列位线109上的信号。
图2与图1所示的3T有源像素有许多相似之处，只是增加一个用于将感光元件101输出的信号传输至浮动节点B的传输晶体管201以外。该设计具有四个晶体管或4T像素。运行时，在积分周期中，感光元件101产生电荷，因为传输晶体管201关闭，所以该电荷保持于感光元件内。在积分周期之后，传输晶体管201被打开，将信号传输至浮动节点B。在信号被传输到浮动节点B后，传输晶体管201再一次被关闭以启动下一个积分周期。因此，传输晶体管201周期性地打开及关闭，以将信号从每个积分周期传输到浮动节点B。
在浮动节点B上的信号随后用于调制放大晶体管105。更进一步，在本实施例中，在读取列位线109后，复位晶体管103将浮动节点B恢复到一个参考电压Vdd。
通常，在4T像素设计中，浮动节点B被设计得相对较小(与3T像素的浮动节点A相比而言)。浮动节点B被设计得相对较小，以达成高的传输增益。然而，在高强度的光照条件下，感光元件101产生的电荷(信号)的数量可能大于浮动节点B的负载能力。这将造成浮动节点B的饱和、动态范围的减小以及信号噪音比(SNR)的减小。
本发明允许4T有源像素的漂浮节B具有可变电容。在高强度光照条件下，传输晶体管201在读取操作中被开启，这样可有效地增加浮动节点B的电容，使4T像素像3T像素一样运作。但是，在低光照条件下，浮动节点B维持其相对较小的电容，4T像素按照4T像素的普通运作方式运作。按照本发明制造的此类有源像素的结构实质上与图2所示相同。但是，如同下文进一步详述的一样，控制图像传感器及该图像传感器内的有源像素的运作，使该像素要么像3T像素(在高强度光照条件下)、要么像普通的4T像素(在较低强度的光照条件下)一样运作。
请参考图3，其提供了表示本发明方法的流程图。首先，在框301内，检测入射到图像传感器(以及像素)的光照强度。这可由多种现有常规方式予以实现。例如，来自图像传感器的输出量可以被检查其亮度大小。由于可以用本领域的普通技术进行评估，所以几乎每个图像传感器都具有自动增益控制和曝光控制的电路。通过确定从像素输出的信号强度，可以确定周围的光照强度。换句话说，来自图像传感器的被处理后的输出量能被检查并用来确定对应的周围光照状况。再换句话说，一个位于图像传感器的成像区域之外的专用光敏装置能用来监测入射到图像传感器的光量。
接下来，在框303内，框301内确定的光照强度与一临界值相比较。该临界值是在3T运作和4T运作之间进行转换的触发器。临界值所对应的精确点可依据设计的考虑、参数和图像传感器的特性而变化，甚至可以依照图像传感器使用者的判断力而予以调整。无论如何变化，临界值用都是用来在3T和4T运作之间划定界限。如果在框301内确定的光照强度高于临界值，则在框307内传输晶体管在运行中被开启，而该像素则作为3T像素工作；然而，如果光照强度低于临界值，则在框305内像素以普通的4T模式工作。
如上所述，在4T像素中，为了获得高传输增益，浮动节点B被设计相对得相对较小而且有相对较小的电容，例如，千万亿分之二法拉(2femtofarads)的状态。如果图像传感器和像素采用的是一伏特信号范围，这意谓着能保持在浮动节点B中的最大电子数量(Qmax)大约是12,500。考虑到″散粒噪音″(shot noise)，这导致最大的信号噪音比为112。然而，在很多光照条件下，感光元件，例如PIN型光电二极管，可能产生比Qmax更多的信号(电子)。
为了说明这个问题，按本发明，当处于相对高强度的环境光照条件下时，传输门电路201在运作期间保持在开启位置。这造成浮动节点B的电容明显增加，即为″4T常态″浮动节点的电容(具有千万亿分之二法拉的电容)、传输晶体管201内的电容以及感光元件101内的电容的总额。在其中一个实施方式中，传输晶体管被打开并以电容器模式运作，则其可能具有千万分亿之十四法拉的电容。感光元件，当采用PIN型光电二极管时，可能具有千万分亿之四法拉的电容。这就提供了千万分亿之二十法拉的的总电容。
当采用同样的一伏特信号范围时，能够被储存的最大电子数量因此被增加到125,000，为普通4T运作方式的十倍。再考虑到散粒噪音，因此最大的信号噪音比大约为354，高于普通4T运作方式三倍。
因此，如上所述，根据本发明设计的像素和图像传感器有两种操作模式：3T模式和4T模式。根据图像传感器上的光照数量，本发明可从3T模式转换到4T模式。图像传感器上的光照数量可以用多种方法确定，而且任意一种确定光照强度的方法都可以容易地应用于本发明。一旦光照强度被确定，就可以通过将该光照强度与临界值作对比而做出一个决定，用以确定是以3T模式运作(对于高强度的照明条件)，还是以4T模式运作(对于低强度的照明条件)。
上述有源像素可以被用在CMOS图像传感器1101的传感器阵列中。特别地，图4给出了一个根据本发明设计的CMOS图像传感器。CMOS图像传感器包括传感器阵列1103、处理器电路1105、输入/输出电路(I/O)1107、记忆元件1109和数据线1111。优选地，每个部件分别形成在一个单独的硅基体上，然后采用标准的CMOS制造工艺将这些元件集成在一个芯片上。
传感器阵列1103可以采用基本上类似于本发明申请人(豪威科技有限公司(OmniVision Technologies，Inc.)，美国加利福亚州桑尼维尔)制造的图像传感器的传感器阵列，例如型号为OV5610或OV7640的产品，除了那些被此处描述的有源像素所代替的那些像素以外。
前面的申请文件的描述仅是对本发明的介绍，不能认为是对本发明的限制。在本发明实施例的基础上可能进行的变化或者修改，以及应用替换或者各种元件的等价替换方式将本领域的熟知的普通技术应用于本发明实施例。这些方式以及对本发明实施例的其他变换和修改都不算脱离本发明的范围和创作宗旨。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方式只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。

Claims (14)

1、一种有源的像素，包括：
一设在半导体基体内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动节点之间的传输晶体管，所述传输晶体管可选择性地将信号从所述感光元件传输至所述浮动节点，其中，当光照强度高于某一临界值时，所述传输晶体管在一个积分周期内被打开；而当所述光照强度低于所述临界值时，所述传输晶体管在所述积分周期内被关闭，而且在所述积分周期后所述传输晶体管被打开，以将所述信号从所述感光元件传输至所述浮动节点；以及
一被所述浮动节点控制的放大晶体管。
2、如权利要求1所述的像素，其中，所述的感光元件选自于如下一组器件中的一种：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管和光电门。
3、如权利要求1所述的像素，其中，在所述信号从所述感光元件至所述浮动节点的传输完成以后，关闭所述传输晶体管。
4、如权利要求1所述的像素，其中，所述放大晶体管将所述信号放大后输出至列位线。
5、如权利要求1所述的像素，其进一步包括一用以将所述浮动节点恢复到一参考电压的复位晶体管。
6、一种运行图像传感器像素的方法，所述像素包括一感光元件、一设在所述感光元件与一浮动节点之间用以将信号从所述感光元件传输至所述浮动节点的传输晶体管、以及一被所述浮动节点上的信号调制的放大晶体管，所述方法包括：
将光照强度与一临界值进行比较；
如果光照强度大于该临界值：
开启所述传输晶体管，则所述像素按三晶体管模式运作；如果光照强度小于该临界值：
按四晶体管模式运作所述像素。
7、如权利要求6所述的方法，其中，所述的感光元件选自于如下一组器件中的一种：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管和光电门。
8、如权利要求6所述的方法，其中，所述放大晶体管将所述信号放大后输出至列位线。
9、如权利要求6所述的方法，其进一步包括一用以将所述浮动节点恢复到一参考电压的复位晶体管。
10、一种CMOS图像传感器，包括：
若干呈行列排布的有源像素，其中，至少一个所述有源像素包括：
一设在半导体基体内的感光元件；
一设在所述感光元件与一浮动节点之间的传输晶体管，所述传输晶体管可选择性地将信号从所述感光元件传输至所述浮动节点，其中，当光照强度高于某一临界值时，所述传输晶体管在一个积分周期内被打开；而当所述光照强度低于所述临界值时，所述传输晶体管在所述积分周期内被关闭，而且在所述积分周期后所述传输晶体管被打开，以将所述信号从所述感光元件传输至所述浮动节点；
一被所述浮动节点控制的放大晶体管；
一用以接受所述有源像素输出的处理电路；以及
一输入/输出电路，用以将所述有源像素的输出量从所述CMOS图像传感器输出出去。
11、如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述的感光元件选自于如下一组器件中的一种：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管和光电门。
12、如权利要求10所述的图像传感器，其中，当所述信号从所述感光元件至所述浮动节点的传输完成以后，关闭所述传输晶体管。
13、如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述放大晶体管将所述信号放大后输出至列位线。
14、如权利要求10所述的图像传感器，其进一步包括一用以将所述浮动节点恢复到一参考电压的复位晶体管。
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