CN101292514A - 互补金属氧化物半导体成像器中的有效电荷转移 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示操作像素单元的方法，所述方法包含在用于相关联的光传感器的电荷积分周期期间，使用多个脉冲将光电荷有效地转移到晶体管转移栅极。所述像素单元可在正常动态范围模式或高动态范围(HDR)模式中以有效的转移特征进行操作。可通过操作任选的HDR晶体管或通过使施加到复位栅极的电压波动来实现所述高动态范围。

Description

互补金属氧化物半导体成像器中的有效电荷转移
技术领域
本发明大体上涉及半导体装置，且更特定来说，涉及用于成像器像素中的转移晶体管技术。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器越来越多地用作低成本成像装置。CMOS图像传感器电路包含像素单元的焦平面阵列，所述单元的每一者包含光传感器，例如光栅、光导体，或在衬底内具有相关联的电荷累积区以用于累积光产生电荷的光传感器。每一像素单元可包含用于将电荷从电荷累积区转移到感测节点的晶体管，及用于在电荷转移之前，将所述感测节点复位到预定电荷电平的晶体管。像素单元还可包含用于接收且放大来自感测节点的电荷的源极跟随器晶体管，及用于控制从所述源极跟随器晶体管读出单元内容的存取晶体管。
在CMOS图像传感器中，像素单元的有源元件执行以下必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)累积图像电荷；(3)将电荷转移到感测节点，并伴有电荷放大；(4)将所述感测节点复位到已知状态；(5)选择像素用于读出；及(6)输出且放大表示来自所述感测节点的像素电荷的信号。
上文所讨论类型的CMOS图像传感器通常为已知的，如(例如)尼克松(Nixon)等人，“256×256 CMOS有源像素传感器单芯片相机(256×256 CMOS Active Pixel SensorCamera-on-a-Chip)”，固态电路电气和电子工程师协会杂志(IEEE Journal of Solid-StateCircuits)，第31(12)卷，第2046页-第2050页(1996)；及门迪斯(Mendis)等人，“CMOS有源像素图像传感器(CMOS Active Pixel Image Sensors)”，关于电子装置的电气和电子工程师协会学报(IEEE Transactions on Electron Devices)，第41(3)卷，第452页-第453页(1994)中所讨论。还参看第6,177,333号及第6,204,524号美国专利，其描述常规CMOS图像传感器的操作且转让给美光科技公司(Micron Technology，Inc.)，其内容以引用的方式并入本文中。
常规CMOS像素单元10的俯视图展示在图1中。所说明的CMOS像素单元10是4晶体管(4T)单元。所述CMOS像素单元10通常包括用于产生及收集电荷以响应于入射在所述像素单元10上的光的光传感器，例如光电二极管13，及具有栅极7以用于将光电电荷从所述光电二极管13转移到感测节点的转移晶体管，所述感测节点通常为浮动扩散区3。所述浮动扩散区3电连接到输出源极跟随器晶体管的栅极27。像素单元10还包含：复位晶体管，其具有栅极17以用于将浮动扩散区3复位到预定电压；及行选择晶体管，其具有栅极37以用于将来自源极跟随器晶体管27的信号输出到输出终端以响应于栅极37上的地址信号。
图2为沿线2-2′截取的图1的像素单元10的一部分的横截面图，其展示经建构成光电二极管的光传感器13、具有栅极7的转移晶体管及具有栅极17的复位晶体管。CMOS像素单元10具有可形成为针扎光电二极管的光电二极管13。所说明的光电二极管具有p-n-p构造，其包括p型表面层5及在p型衬底2内的n型光电二极管电荷收集区14。所述光电二极管13与转移晶体管的栅极7相邻且部分位于所述栅极7下方。复位晶体管栅极17位于转移晶体管栅极7的与光电二极管13相对的一侧。如图2所示，复位晶体管包含与隔离区9相邻的源极区/漏极区32。浮动扩散区3位于所述转移晶体管及所述复位晶体管的栅极7、17之间。
图3中将一种操作图1及2中所描绘的CMOS像素单元10的常规方法说明为时序图。在通过将转移栅极控制信号及复位栅极控制信号TX和RST调高来复位光电二极管13及浮动扩散区3后，在T0时刻起始像素单元10的积分周期。因此，当转移晶体管和复位栅极关断时，积分开始。在积分周期期间，通过入射在光电二极管13上的光产生电子且存储于n型电荷收集区14中。当转移晶体管栅极7在T1时刻再次接通时，这些电荷通过转移晶体管转移到浮动扩散区3。源极跟随器晶体管基于存储在所述浮动扩散区3中的转移电荷而产生输出信号。在电荷转移后，例如在T2时刻，行选择栅极37通过施加行选择信号RS而接通。此将源极跟随器晶体管所产生的信号输出到适当列线以用于读出取样。应注意，图3仅描绘用于转移且读出光电二极管13信号的时序。通常，在区域3复位后，存在通过行选择栅极27对浮动扩散区3的另一读出(用于相关双重取样或CDS)。
通常与例如像素单元10的常规成像器像素单元相关联的问题是暗电流，也就是说，由于在无光条件下收集在光电二极管13中的电子生成/重组而产生的电流。暗电流可由于许多不同因素造成，所述因素包含：光电二极管结泄漏、沿场隔离边缘的泄漏、晶体管亚临界泄漏、漏极引发的势垒降低泄漏、栅极引发的漏极泄漏、陷阱辅助穿隧(trapassisted tunneling)及像素制造缺陷。
直接位于转移晶体管栅极堆叠7的边缘下的区域为暗电流的有效源。光电二极管13的n型电荷收集区14经形成为接近于所述转移栅极堆叠7下的衬底2的表面以改进转移效率。此导致在像素单元10的积分周期期间产生光电二极管耗尽区域，且与所述n型累积区14及p型表面区5相关联，还接近于此区域中的衬底2的表面。归因于形成空隙的硅表面空位，尤其在所述转移晶体管栅极堆叠边缘附近，此区域具有大量热产生的电子/空穴对。在复位后且在积分期间，光电二极管13经反向偏压，且所产生的电场将经热产生的空穴扫到p型表面区5中，且将经热产生的电荷载流子扫到光电二极管13的n型电荷收集区14上。这些经热产生的电荷载流子增加像素单元10在转移栅极堆叠7下的区域中的不合需要的暗电流。
与常规转移栅极技术相关联的另一问题涉及因较差电荷转移效率而引起的固定图案噪声及滞后。然而，因转移栅极的电位势垒可能过高而不能完全转移所有经光产生的电荷，因此部分接通转移栅极17以最小化暗电流导致固定图案噪声及滞后。
因此，需要一种具有有效电荷转移的像素单元，其具有经最小化的暗电流、固定图案噪声及滞后。还需要一种制造及操作此类像素单元的简单方法。
发明内容
如在各种示范性实施例中所描述，本发明提供具有有效转移晶体管的像素单元的操作，所述转移晶体管具有在所述像素单元的电荷积分周期期间或结束时通过脉冲而启动的转移栅极。
依照根据本发明的操作像素单元的第一示范性方法，在电荷积分期间，在恒定电压下维持复位栅极，且类似地维持转移栅极直到在电荷积分周期结束时受脉冲为止。
依照根据本发明的操作像素单元的第二示范性方法，复位栅极电压以受控方式进行波动，且转移栅极信号在电荷积分时间期间受脉冲数次。在一个实施例中，每次复位栅极电压进行波动时产生脉冲。所述方法还可增加像素单元的动态范围。
附图说明
通过结合附图而提供的本发明的以下详细描述，将更佳地了解本发明的前述和其它方面，附图中：
图1是常规4晶体管(4T)像素单元的俯视图；
图2是沿线2-2′截取的图1的像素单元的横截面图；
图3是图1及2中所说明的常规像素单元的时序图；
图4是根据本发明而建构的示范性像素单元的俯视图；
图5是操作根据本发明的像素单元的第一示范性方法的时序图；
图6是操作根据本发明的像素单元的第二示范性方法的时序图；
图7是操作根据本发明的像素单元的第三示范性方法的时序图；
图7a是依照根据本发明的示范性方法中的一者而操作的像素单元的电位图；
图8是根据本发明的示范性实施例的CMOS图像传感器的方框图；及
图9是并入有本发明的示范性CMOS图像传感器的电脑处理器系统的图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成本文的一部分且说明可实践本发明的特定实施例的附图。在图式中，所述若干图中，相同参考标号始终大体上描述类似组件。充分详细地描述所述实施例以使所属领域的技术人员能够实践本发明，且应了解，可利用其它实施例，且可在不脱离本发明的精神及范畴的条件下，进行结构、逻辑及电气改变。
术语“像素”或“像素单元”是指含有用于将电磁辐射转换成电信号的光传感器(即，光电二极管)及晶体管的图片元素单位单元。为说明目的，在本文的图及描述中说明代表性像素单元的一部分。在描述操作方法时，参考特定像素单元描述所述方法以简化说明。应了解，阵列中的所有像素单元均发生操作。操作步骤可全局地在阵列上发生，同时例如以逐行方式从像素读出信号的其它步骤可循序发生。
在各种实施例中，本发明涉及像素单元及其在电荷积分周期期间及结束时有效转移光电荷的操作方法。有效电荷转移具有最小的暗电流而不经历固定图案噪声或信号滞后。
现参考图，其中相同数字表示相同元件，图4说明根据本发明的示范性实施例而建构的像素单元100。像素单元100是5晶体管(5T)像素单元100，其包含抗溢出(anti-blooming)栅极147、转移栅极107、复位栅极117、源极跟随器栅极127及行选择栅极137。所述像素单元100还具有用于将传入光转换成光电荷的光传感器105(例如，光电二极管)。浮动扩散区103位于转移栅极107的与光传感器105相对的侧上。所述浮动扩散区103用于经由转移栅极107接收光电荷，且用于存储所述电荷直到从像素单元100发生读出操作为止，所述读出操作可如上文参考图1-3所述来完成。
抗溢出栅极147可经操作以增加像素单元100的动态范围且防止不合意地使光电荷溢出到像素单元100的非所需部分或溢出到相邻像素。抗溢出栅极147允许来自光电二极管105的多余光电荷溢流到与电源电压耦合的漏极区109。然而应了解，尽管希望像素单元100具有抗溢出晶体管栅极147，但所述栅极147并非必要的。实际上，依据利用像素单元100的所需成像应用，像素单元100可具有多于或少于5个晶体管。
像素单元100可以根据本发明的若干示范性模式进行操作。通过图5-7中所示的时序图说明三种示范性模式且描述如下。应了解，图5-7中的时序图出于说明目的已简化，移除对于描述本发明的有效电荷转移来说是不必要的信号。举例来说，应了解，例如用以操作行选择137及抗溢出147晶体管栅极的其它信号还可结合像素单元100的操作而使用。除非另外注明，否则所述晶体管可如此技术中所已知而进行操作，且从像素单元100读出信号的已知方法可结合像素单元的操作而使用。
如图5中所说明，第一示范性转移模式表示线性操作模式，表示在积分周期期间光传感器105所产生的电荷是线性依时的(高达光传感器105的饱和点)。如图5所示，在T1-0时刻，像素单元100的积分周期通过复位光传感器105及浮动扩散区103，通过将由升高的转移栅极TX及复位RST信号所表示的转移栅极107及复位栅极117至少部分“接通”来开始。此时，光传感器105或浮动扩散区103处的任何电荷被排出到漏极区132中且远离像素单元100。
此后，转移栅极控制信号TX返回到低，且在光传感器105处收集光电荷。在T1-1时，通过至少部分地升高所述转移栅极控制信号TX来接通转移栅极107。根据一优选实施例，仅部分地接通所述转移栅极控制信号TX。此部分启动表示所述转移栅极107的中间状态，其中施加到栅极107的电压在0与Vdd之间。如此，转移栅极107附近的暗电流小于施加全部转移栅极控制信号TX时应具有的暗电流。在此期间(T1-1与T1-2之间)，在光传感器105及浮动扩散区103两者中收集电荷，从而提供更大的电荷容量。
刚好在积分周期结束之前，在T1-2时，较高的转移栅极控制信号TX受到快速脉冲。此脉冲降低光传感器105与浮动扩散区103之间的电荷势垒，以使得光传感器105所收集的所有光电荷将流向浮动扩散区103。然而，高转移栅极控制信号TX脉冲快速完成，以使得暗电流没有时间在转移栅极107下的衬底中积聚。因此，根据所述第一示范性操作模式完成完全的电荷转移，而不具有与常规电荷转移相关联的缺陷(例如暗电流)。
分别通过图6及7中所示的时序图说明第二及第三示范性操作模式。第二及第三示范性模式说明像素单元100的高动态范围操作。CMOS像素的高动态范围描述在转让给美光科技公司(Micron Technology，Inc.)的第10/881,525号申请案中，且以引用的方式并入本文中。在高动态范围操作期间，由于电荷产生特征包含基于复位电压电平的受控波动的拐点响应(knee response)，因此像素单元100可在饱和之前有较长时间产生电荷。根据本发明，当像素单元100在高动态范围模式中操作时，复位栅极电压RST在电荷积分时期期间从高正电压变化到低正电压。此可通过控制器250(图8)来控制。
图6说明操作像素单元100的第二示范性方法。当光传感器105及浮动扩散区103如上文所述通过接通转移107栅极及复位117栅极复位时，积分周期在T2-0时刻开始。这些控制信号的每一者随后返回到低，且光传感器105开始收集光电荷。
在T2-1时刻，转移栅极控制信号TX部分地接通且第一电压V1经由复位栅极117施加到浮动扩散区103。此时，一些累积在光传感器105中的光电荷将开始流向浮动扩散区103。在像素单元100的积分周期过程期间，施加到所述复位栅极117的电压将降低。如图6所示，所施加的电压电平可降低到V2且其后降低到V3。电压电平的其它数量及数值的降低也在本发明的范畴内。
根据本发明，刚好在复位栅极117上的电压电平首次降低之前，通过(例如)将所施加电压拉升到转移栅极107，转移栅极控制信号TX经脉冲到高电平。在积分周期期间，快速完成所述转移栅极控制信号TX脉冲，且在每一脉冲后，转移栅极信号TX如所示返回到中间状态。
在积分周期结束时，在T2-2时完成最终转移栅极控制信号TX脉冲。在此点处，在光传感器105上的所有剩余光电荷应转移到浮动扩散区103。转移栅极信号TX随后返回到低电平，如复位栅极信号RST。应了解，所述方法将通过从浮动扩散区103将光电荷作为像素信号Vsig读出到适当行线上而继续。因此，应了解，当确定适于成像应用的所需结果时，相应的转移栅极信号TX脉冲可重复进行任何预定次数。
通过图7中所示的时序图说明操作像素单元100的第三示范性模式。除特定说明之外，所述第三示范性模式类似于第二示范性模式。如图7所示，除脉冲外，转移栅极信号TX维持在低状态VTX-10，而不是将所述转移栅极信号维持在高脉冲之间的中间电平。
还在图7中展示抗溢出晶体管栅极147的控制信号AB。重要的是应注意，根据本发明的优选实施例，VAB-10保持高于电压电平VTX-10，以避免在积分周期期间光电荷溢流越过转移栅极107。另外，收集在光传感器105中的光电荷量应比存储在浮动扩散区103中的光电荷量更大，以使得饱和电平受复位栅极信号RST限制，而不受抗溢出栅极信号AB限制。此操作可在转移栅极107下方产生最小电平的暗电流，同时保证完全的电荷转移。此操作随后能够产生具有低噪声及高动态范围的极高图像质量。
转向图7A，像素单元100的电位图说明在操作根据本发明的像素单元100期间的各种电位势垒。阴影线区域表示光传感器105区域及浮动扩散区103中所示的累积电荷的量。现依据施加到抗溢出147栅极、转移107栅极及复位117栅极的每一者的电压电平，电子将面对波动的电荷势垒，且仅在累积足够电荷后，所述电荷将越过势垒流动到下一区上。
根据本发明，转移栅极107可接收接地电位(负电压)、中间电压或高电压(大于或等于电源电压Vdd)。在点A处，转移栅极107接收接地电位(负电压)，且大电位势垒强烈禁止电子流向浮动扩散区103。当转移栅极107接收中间电压时，在点B处，栅极107经部分“接通”且光传感器105与浮动扩散区103之间的势垒降低。最后，在点C处，转移栅极被高电压电平脉冲“接通”。在此点处几乎无电位势垒，且电子无阻地流向浮动扩散区103。因此，在根据上述实施例的积分周期期间，在点C及点A或B中的一者或一者以上处操作转移栅极107导致完全的电荷转移，而不经历不想要的暗电流影响。
本发明的示范性像素单元及操作方法可用于如图8所示的成像器装置308的像素阵列240中。所述像素阵列240包括以预定列数及行数排列的多个像素单元，其中每一像素单元根据上述示范性实施例的一者建构及操作。信号处理电路连接到阵列240，其至少一部分可形成于衬底中。在阵列240中的各行像素单元全部通过行选择线同时接通，且各行的像素单元通过各自的列选择线选择性地输出。为全体阵列240提供多个行线及列线。所述行线通过行驱动器245选择性地启动以响应于行地址解码器255。所述列选择线通过列驱动器260选择性地启动以响应于列地址解码器270。因此，提供了各像素的行地址及列地址。
CMOS成像器308通过时序及控制电路250操作，所述时序及控制电路控制地址解码器255、270以用于选择像素读出的适当行线及列线且用于施加上述转移晶体管控制电压及复位晶体管控制电压。所述控制电路250还控制行驱动器电路及列驱动器电路245、260，以使得其将驱动电压施加到选定行线及列线的驱动晶体管。通过取样及保持电路261读取通常包含像素复位信号(Vrst)及像素图像信号(Vsig)的像素单元列信号。由差分放大器262产生各像素的差分信号(Vrst-Vsig)。所述差分信号通过模拟数字转换器275(ADC)数字化。所述模拟数字转换器275将经数字化的像素信号供应到形成及输出数字图像的图像处理器280。
图9说明包含成像装置308的基于处理器的系统1100，所述成像装置具有根据本文描述的实施例而建构的像素。举例来说，所述像素可根据本发明的示范性实施例而建构及操作。所述基于处理器的系统1100为具有可包含图像传感器装置的数字电路的示范性系统。在不受限制的情况下，所述系统可包含电脑系统、相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、星体跟踪仪系统、运动检测系统、图像稳定系统及其它数字成像系统。
例如相机系统的基于处理器的系统1100通常包括例如微处理器的中央处理单元(CPU)1102，其经由总线1104与输入/输出(I/O)装置1106通信。成像装置308还经由总线1104与所述CPU 1102通信。所述基于处理器的系统1100还包含随机存取存储器(RAM)1110且可包含可拆卸式存储器1115，例如快闪存储器，其还经由总线1104与CPU 1102通信。成像装置308可与例如CPU、数字信号处理器或微处理器的处理器组合，且在单一集成电路上或与所述处理器不同的芯片上具有存储器存储设备或不具有存储器存储设备。在所述基于处理器的系统1100中的存储器存储装置的任一者可存储使用上文描述的方法的软件。
上文描述及图式仅应被认为是实现本发明的特征及优点的示范性实施例的说明。可在不脱离本发明的精神及范畴的情况下进行特定工艺条件及结构的修改及取代。因此，本发明不应视为受上述描述及图式限制，而仅受所附权利要求书的范畴限制。

Claims (30)

1.一种操作像素单元的方法，其包括：
起始所述像素单元的积分周期，光传感器在所述积分周期期间收集光电荷；
在所述积分周期期间将第一信号电平施加到所述像素单元的转移栅极，以使得第一量的光电荷从所述光传感器转移到存储区；以及
在所述积分周期期间将第二信号电平施加到所述转移栅极，以使得第二量的光电荷从所述光传感器转移到所述存储区，所述第二信号电平是经脉冲的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一信号电平表示中间电平，其在0与所述转移晶体管的所述栅极的全接通电压之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一信号电平处于所述像素单元的电源电压下。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述积分周期期间将第一复位信号电平施加到所述像素单元的复位栅极的动作。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括在所述积分周期期间将所述复位电平从所述第一复位电平降低到第二复位电平的动作。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将经脉冲的第二信号电平施加到所述转移栅极的动作刚好发生在所述降低所述复位信号电平的动作之前。
7.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括以下动作：
在所述积分周期期间将施加到所述复位栅极的电压从所述第一复位信号电平降低到第二复位信号电平；以及
在所述积分周期期间将所述第二复位信号电平的所述电压降低到第三信号电平。
8.根据权利要求7所述的方法，其中施加到所述转移栅极的所述转移栅极信号在每个降低所述复位信号电平的动作之前经脉冲。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述转移栅极信号及所述复位栅极信号均在所述积分周期结束时返回到接地。
10.一种用于像素单元的高动态范围操作方法，其包括以下动作：
将位于光传感器处的电荷转移到抗溢出存储区；
将第一复位电压施加到复位栅极；
在所述像素的积分周期期间以预定时间间隔降低施加到所述复位栅极的所述电压，以增加电荷存储区与漏极区之间的电位势垒；以及
在所述积分周期期间对施加到转移晶体管的转移栅极的电压进行脉冲，以降低所述光传感器与所述电荷存储区之间的所述电位势垒。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述对施加到所述转移栅极的电压进行脉冲的动作刚好在所述降低施加到所述复位栅极的所述电压的动作前完成。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括以下动作：
使施加到所述抗溢出栅极的所述信号返回到接地；以及
在所述积分周期结束时，使施加到所述转移栅极的所述信号返回到接地。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述抗溢出栅极的关断状态电压信号所表示的变压高于施加到所述转移栅极的关断状态电压信号所表示的电压。
14.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括将施加到所述转移栅极的中间电压维持在所述高电压脉冲之间的动作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述中间电压在0与所述像素单元的电源电压之间。
16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括将施加到所述转移栅极的接地电压维持在所述高电压脉冲之间的动作。
17.一种成像器装置，其包括：
像素阵列，其包括多个像素单元，每一像素单元包括：
光传感器，其用于在积分周期期间产生光电荷；
存储区，其用于存储所述产生的光电荷；以及
转移栅极，其用于使电荷从所述光传感器转移到所述存储区，其中所述转移栅极经调适以在所述积分周期期间接收第一信号及至少一经脉冲的第二信号；以及控制电路，其用于控制施加到所述转移栅极的所述信号。
18.根据权利要求17所述的成像器，其中所述成像器是CMOS成像器。
19.根据权利要求17所述的成像器，其中所述像素单元由所述控制电路全局地操作。
20.根据权利要求17所述的成像器，其中所述像素单元由所述控制电路以轮流的方式操作。
21.根据权利要求17所述的成像器，其进一步包括抗溢出晶体管栅极，其一侧连接到所述光传感器且另一侧连接到用于从所述光传感器接收多余电荷的漏极区。
22.根据权利要求17所述的成像器，其进一步包括经调适以在所述积分周期期间接收至少一个复位电平的复位栅极。
23.根据权利要求22所述的成像器，其中在所述积分周期期间，每当新的复位电平将施加到所述复位栅极时，所述控制器引起将要施加到所述转移栅极的经脉冲信号。
24.一种操作像素单元的方法，所述方法包括：
在积分周期期间通过将第一电压电平施加到转移晶体管栅极来降低光传感器与存储区之间的电位势垒，以允许所述光传感器处的光电荷流向所述存储区；以及在所述积分周期期间进一步通过将第二电压电平施加到所述转移晶体管栅极来降低所述光传感器与所述存储区之间的所述电位势垒，其中所述第二电压电平高于所述第一电压电平。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一电压电平是接地电位。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第二电压电平至少等于所述像素单元的电源电压。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二电压电平大于所述像素单元的所述电源电压。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述第二电压电平小于所述像素单元的电源电压。
29.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括在所述积分周期期间通过降低施加到复位晶体管的复位栅极的电压来增加所述像素单元的动态范围的动作。
30.根据权利要求29所述的方法，其中将在所述积分周期期间进一步通过将第二电压电平施加到所述转移晶体管栅极来降低所述光传感器与所述存储区之间的所述电位势垒的动作重复预定次数。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103681716A (zh) * 2012-09-24 2014-03-26 佳能株式会社 图像拾取装置、图像拾取装置的驱动方法和图像拾取系统
CN104377216A (zh) * 2013-08-16 2015-02-25 恒景科技股份有限公司 影像感测器与影像感测器的制造方法

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8139130B2 (en) 2005-07-28 2012-03-20 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with improved light sensitivity
US8274715B2 (en) 2005-07-28 2012-09-25 Omnivision Technologies, Inc. Processing color and panchromatic pixels
JP4807014B2 (ja) * 2005-09-02 2011-11-02 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置
KR100877691B1 (ko) * 2005-12-08 2009-01-09 한국전자통신연구원 이미지 센서 및 이미지 센서의 트랜스퍼 트랜지스터 구동방법
KR100731122B1 (ko) * 2005-12-28 2007-06-22 동부일렉트로닉스 주식회사 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법
US7916362B2 (en) * 2006-05-22 2011-03-29 Eastman Kodak Company Image sensor with improved light sensitivity
US8031258B2 (en) 2006-10-04 2011-10-04 Omnivision Technologies, Inc. Providing multiple video signals from single sensor
JP5016941B2 (ja) * 2007-02-08 2012-09-05 株式会社東芝 固体撮像装置
JP5167677B2 (ja) * 2007-04-12 2013-03-21 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、固体撮像装置の信号処理方法および撮像装置
US8023023B2 (en) 2007-04-24 2011-09-20 Canon Kabushiki Kaisha Image sensing apparatus including charge transfer operation and control method therefor
US8022994B2 (en) * 2007-08-31 2011-09-20 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with high dynamic range in down-sampling mode
DE102007045448A1 (de) 2007-09-24 2009-04-02 Arnold & Richter Cine Technik Gmbh & Co. Betriebs Kg Bildsensor
US20090086074A1 (en) * 2007-09-27 2009-04-02 Omnivision Technologies, Inc. Dual mode camera solution apparatus, system, and method
US7920193B2 (en) * 2007-10-23 2011-04-05 Aptina Imaging Corporation Methods, systems and apparatuses using barrier self-calibration for high dynamic range imagers
US7777804B2 (en) * 2007-10-26 2010-08-17 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range sensor with reduced line memory for color interpolation
KR101437912B1 (ko) * 2007-11-19 2014-09-05 삼성전자주식회사 이미지 센서의 구동 방법
US8093541B2 (en) 2008-06-05 2012-01-10 Aptina Imaging Corporation Anti-blooming protection of pixels in a pixel array for multiple scaling modes
US8130289B2 (en) * 2008-09-25 2012-03-06 Aptima Imaging Corporation System, method, and apparatus for correction of dark current error in semiconductor imaging devices
FR2939950B1 (fr) * 2008-12-12 2011-02-25 E2V Semiconductors Procede de commande des pixels d'un capteur d'image a grande dynamique
US8174601B2 (en) * 2008-12-19 2012-05-08 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with controllable transfer gate off state voltage levels
WO2011142774A1 (en) 2010-05-14 2011-11-17 Omnivision Technologies, Inc. Alternative color image array and associated methods
US8847136B2 (en) * 2011-01-02 2014-09-30 Pixim, Inc. Conversion gain modulation using charge sharing pixel
US8723975B2 (en) 2011-01-24 2014-05-13 Aptina Imaging Corporation High-dynamic-range imaging devices
TWI491252B (zh) * 2011-02-25 2015-07-01 Omnivision Tech Inc 影像感測器及用以對影像感測器所產生之影像進行向下取樣之方法
KR101869277B1 (ko) * 2011-11-17 2018-06-22 삼성전자주식회사 화소 회로 및 이를 포함하는 깊이 센서
KR101414202B1 (ko) * 2012-10-31 2014-07-01 주식회사 동부하이텍 이미지 센서
US9531976B2 (en) 2014-05-29 2016-12-27 Semiconductor Components Industries, Llc Systems and methods for operating image sensor pixels having different sensitivities and shared charge storage regions
US9888198B2 (en) 2014-06-03 2018-02-06 Semiconductor Components Industries, Llc Imaging systems having image sensor pixel arrays with sub-pixel resolution capabilities
FR3027479B1 (fr) * 2014-10-21 2017-12-29 Commissariat Energie Atomique Pixel de capteur d'image ayant de multiples gains de noeud de detection
US9467633B2 (en) 2015-02-27 2016-10-11 Semiconductor Components Industries, Llc High dynamic range imaging systems having differential photodiode exposures
US9686486B2 (en) 2015-05-27 2017-06-20 Semiconductor Components Industries, Llc Multi-resolution pixel architecture with shared floating diffusion nodes
FR3039319B1 (fr) 2015-07-24 2018-06-15 Pyxalis Capteur d'image a pixels actifs avec fonctionnement en mode d'obturateur global, soustraction du bruit de reinitialisation et lecture non destructive
US9521351B1 (en) 2015-09-21 2016-12-13 Rambus Inc. Fractional-readout oversampled image sensor
CN113099139A (zh) * 2015-09-30 2021-07-09 株式会社尼康 摄像元件及电子相机
KR101679598B1 (ko) * 2016-01-04 2016-11-25 주식회사 동부하이텍 이미지 센서
CN107465961B (zh) * 2017-07-17 2020-06-09 深圳创维－Rgb电子有限公司 一种峰值亮度提升方法、存储介质及智能电视
US10313613B2 (en) * 2017-10-24 2019-06-04 Semiconductor Components Industries, Llc High dynamic range image sensors with flicker and fixed pattern noise mitigation
US11218653B2 (en) 2019-07-09 2022-01-04 Semiconductor Components Industries, Llc Methods and circuitry for improving global shutter efficiency in backside illuminated high dynamic range image sensor pixels
KR20220036751A (ko) 2020-09-16 2022-03-23 삼성전자주식회사 다중 전송을 이용하는 이미지 센서 및 이의 동작 방법

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5283426A (en) 1993-05-17 1994-02-01 X-Ray Scanner Corporation Methods and apparatus for obtaining nonlinear responses from photodetector arrays
JP3915161B2 (ja) * 1997-03-04 2007-05-16 ソニー株式会社 ブルーミング防止構造を備えた固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大方法とその固体撮像素子
US8063963B2 (en) * 1998-02-09 2011-11-22 On Semiconductor Image Sensor Imaging device having a pixel structure with high dynamic range read-out signal
US6710804B1 (en) * 2000-01-18 2004-03-23 Eastman Kodak Company CMOS active pixel image sensor with extended dynamic range and sensitivity
US20040242211A1 (en) 2003-05-30 2004-12-02 A. Akhteruzzaman Mobile subscriber station with low frequency call alerting capability
US7709777B2 (en) * 2003-06-16 2010-05-04 Micron Technology, Inc. Pumps for CMOS imagers
US7078746B2 (en) 2003-07-15 2006-07-18 Micron Technology, Inc. Image sensor with floating diffusion gate capacitor
US20050283426A1 (en) * 2004-05-11 2005-12-22 Ebs Group Limited Price display in an anonymous trading system
US7851798B2 (en) * 2005-05-04 2010-12-14 Micron Technology, Inc. Method and apparatus for dark current and blooming suppression in 4T CMOS imager pixel

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103681716A (zh) * 2012-09-24 2014-03-26 佳能株式会社 图像拾取装置、图像拾取装置的驱动方法和图像拾取系统
US9241119B2 (en) 2012-09-24 2016-01-19 Canon Kabushiki Kaisha Image pickup apparatus, method of driving image pickup apparatus, and image pickup system
CN104377216A (zh) * 2013-08-16 2015-02-25 恒景科技股份有限公司 影像感测器与影像感测器的制造方法
CN104377216B (zh) * 2013-08-16 2017-04-12 恒景科技股份有限公司 影像感测器与影像感测器的制造方法

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