CN101675657B - 具有增益控制的图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

一种用于读出图像信号的方法，该方法包括：提供至少两个光敏区域；提供至少两个分别与每个光敏区域相关联的转移栅；提供被电连接至所述转移栅的公共电荷至电压转换区域；提供用于复位所述公共电荷至电压转换区域的复位机制；在从所述光敏区域至少之一转移电荷之后，在第一时间禁止所有的转移栅；在随后的第二时间允许至少一个转移栅；以及在所述至少一个转移栅从所述第二时间起保持被允许的同时，在随后的第三时间从所述光敏区域至少之一转移电荷。

Description

具有增益控制的图像传感器像素
技术领域
本发明总地涉及图像传感器领域，更具体地说，本发明涉及具有可变增益控制的这样的图像传感器。 
背景技术
图1示出典型的CMOS有源像素图像传感器100。图像传感器100的基本部件是光敏像素130的阵列。行解码器电路105选择由相关双采样(CDS)电路125待采样的整行像素130。模数转换器115扫过列解码器并且使存储在CDS 125中的信号数字化。模数转换器115可以是具有每列一个转换器(并行)或者具有一个高速转换器以逐次地使每列数字化的类型。数字化的数据可以从图像传感器100被直接输出，或者可以存在集成图像处理120以用于缺陷校正、彩色滤光器插值、图像缩放以及其它特殊效果。时序发生器110控制行解码器和列解码器以对整个像素阵列或像素阵列的仅仅一部分采样。 
图2示出CMOS图像传感器100的一个像素。存在光电二极管151以采集光产生的电子。在信号从光电二极管151中被读出时，脉冲地产生RG信号以通过复位晶体管150将浮动扩散节点155复位为VDD电势。行选择信号RSEL被接通，以通过行选择晶体管154将输出晶体管153连接至输出信号线。CDS电路125对输出信号线上的复位电压电平采样。接下来，转移晶体管152被脉冲导通和关断，以从光电二极管151将电荷转移至浮动扩散155。输出信号线上的新电压电平减去复位电压电平与浮动扩散处的电荷量成比例。 
浮动扩散电压变化的幅值通过V＝Q/C给出，其中Q是光电二极管151所采集的电荷量，而C是浮动扩散节点155的电容。如果电容C太小而电荷Q太大，则电压输出将会对于CDS电路125而言太大。这种问题通常在像素尺寸为2.7μm或更大以及电源电压VDD为3.3V或更小时发生。现有技术中对这种问题的解决方案一般包括将额外电容放置在浮动扩散节点155处。 
在图3中，美国专利6,730,897公开了通过添加被连接在浮动扩散 160与GND之间的电容161来增加浮动扩散节点160电容。在图4中，美国专利6,960,796公开了通过添加被连接在浮动扩散162与电源VDD之间的电容163来增加浮动扩散节点162电容。现有技术并未将浮动扩散节点电容增加到足以保证在最大光电电荷容量下最大输出电压处于供电极限以内。不过，现有技术的解决方案对于低光线水平(low lightlevel)状况并不是最优的。在光电二极管中存在非常少量的电荷时，较大的浮动扩散电容降低了电压输出，使得更难以测量小信号。所存在的需要是：在低光线水平下成像时具有小浮动扩散电容(以用于增加的电压输出)，并且在高光线水平(high light level)下成像时具有大浮动扩散电容(以将电压输出降至供电范围以下)。这是像素内的一种增益控制形式。 
图5示出具有被连接至浮动扩散节点166的额外“悬空(dangling)”晶体管165的像素。该像素来自美国专利申请公布2006/0103749A1。使具有AUX信号线的晶体管165导通将增加浮动扩散166的电容。这种改变浮动扩散电容的方法需要四个晶体管门(transistor gate)165、167、168和169紧密围绕浮动扩散节点166并且被直接电连接至浮动扩散节点166。四个晶体管门的存在不容许最小可能的浮动扩散节点电容。在晶体管165截止时，与只有三个晶体管与浮动扩散相邻的情况相比，门电路还是增加了一些附加电容。 
美国专利7,075,049也示出具有改变浮动扩散节点电容的能力的像素。它也需要四个晶体管与浮动扩散节点相邻。因此，美国专利7,075,049中的像素设计并不提供最小可能的浮动扩散电容。 
本发明公开了一种浮动扩散电容能被改变的像素。而且，本发明将仅需要三个晶体管门与浮动扩散相邻并且不需要对像素添加附加的信号线。 
发明内容
本发明在于克服以上所述的问题中的一个或多个问题。简要地概括来说，根据本发明的一方面，描述了一种用于读出图像信号的方法，该方法包括：提供至少两个光敏区域；提供至少两个分别与每个光敏区域相关联的转移栅；提供被电连接至所述转移栅的公共电荷至电压转换区域；提供用于复位所述公共电荷至电压转换区域的复位机制；在从所述 光敏区域至少之一转移电荷以后，在第一时间禁止所有的转移栅；在随后的第二时间允许至少一个转移栅；以及在所述至少一个转移栅从第二时间起保持被允许的同时，在随后的第三时间从所述光敏区域至少之一转移电荷。 
本发明的以上和其它目的在结合下列描述和附图时将变得更加明显，在所述附图中，相同的附图标记用于在可能的地方指代附图中共有的相同的元件。 
本发明的有利效果 
本发明具有的优点如下：可变增益控制仅有三个晶体管门与浮动扩散相邻，以及不需要附加的信号线。 
附图说明
图1是现有技术的CMOS有源像素图像传感器； 
图2是现有技术的CMOS有源像素的示意图； 
图3是现有技术的具有至GND的电容器以减小电荷转换增益的CMOS有源像素的示意图； 
图4是现有技术的具有至VDD的电容器以减小电荷转换增益的CMOS有源像素的示意图； 
图5是现有技术的具有摇摆晶体管以减小电荷转换增益的CMOS有源像素的示意图； 
图6是本发明中使用的CMOS有源像素传感器的示意图； 
图7是CMOS有源像素传感器的剖面图，该剖面图示出光电二极管、转移栅和电荷至电压转换区域； 
图8示出本发明第一实施例的转移栅和电荷至电压转换区域的沟道电势； 
图9示出本发明第一实施例的线性曲线； 
图10示出本发明第二实施例的在小电荷被测量到时转移栅和电荷至电压转换区域的沟道电势； 
图11示出本发明第二实施例的在大电荷被测量到时转移栅和电荷至电压转换区域的沟道电势； 
图12示出本发明第二实施例的线性曲线； 
图13示出本发明第三实施例的转移栅和电荷至电压转换区域的沟 道电势； 
图14是采用使用本发明的像素的CMOS有源像素图像传感器；以及 
图15是使用采用本发明像素的CMOS有源像素图像传感器的数码相机。 
具体实施方式
在详细阐述本发明之前，有益的是注意到，本发明优选地被用在CMOS有源像素传感器中，但是并不限于CMOS有源像素传感器。有源像素传感器指的是像素内的除了起开关作用的晶体管之外的有源电元件。例如，浮动扩散或放大器是有源元件。CMOS指的是互补金属氧化物硅型电部件、比如与像素相关联但通常不在像素中的晶体管、以及在晶体管的源极/漏极属于一种掺杂型(例如p型)并且与它配对的晶体管属于相反掺杂型(例如n型)时所形成的晶体管。CMOS器件包括一些优点，其中的一个优点是它消耗较少的功率。 
图6示出能够实现本发明的CMOS像素200。它具有被示为光电二极管201和202的两个光敏区域。光电二极管201和202中的每个通过转移栅203和204被连接至公共电荷至电压转换节点205。复位晶体管206用于将电荷至电压转换节点205设置成电源电压210。输出晶体管207用于在行选择晶体管208被允许时驱动输出信号线209。 
图7示出穿过所制造的像素200的水平剖面图。转移栅204和203被示为围绕充当电荷至电压转换节点205的注入式扩散。光电二极管注入物(implant)201和202处于表面钉扎层(surface pinning layer)注入物211的下方。这种类型的光电二极管通常被称为钉扎光电二极管。在每个像素的上部是具有相同或不同颜色的彩色滤光器220和221。微透镜222和223的阵列使光线224聚焦到像素的光电二极管区域中。 
在图7的剖面的下部，示出处于像素200的各区域下部的电沟道电势。231是在转移栅204下方的当该转移栅处于关断状态时的沟道电势。233是在转移栅203下方的当该转移栅处于关断状态时的沟道电势。232是在电荷至电压转换节点205已经被晶体管206(如图6中所示)复位之后的该节点205的沟道电势。面积230和234表示光电二极管201和202中光产生的电荷量。 
在图8中，仅示出图7的在对光电二极管201和202中光产生的电荷量230和234采样的各时步(time step)下的沟道电势图。对光电二极管201和202中光产生的电荷230和234采样的过程开始于时步T0，在时步T0，一个光电二极管电荷230小于另一光电二极管电荷234。 
电荷差异的原因，例如可能是由于光电二极管202具有更长积分时间引起的，或者彩色滤光器221可能是更透明的或通过更宽范围的颜色。微透镜223也可以被制造成采集比微透镜222多的光。这些特性中的任何一个都可以被并入到本发明中。时步T0处在电荷至电压转换区域205已经被复位成沟道电势232之后。电荷至电压转换区域205的复位电压也在此时被采样。在时步T1，转移栅204被接通以将电荷230转移至电荷至电压转换区域205。接下来，在时步T2，转移栅204被关断，并且电荷至电压转换区域205上的新电压被采样并且从复位电压电平中被减去以测量电荷230的量。在时步T3，电荷至电压转换区域被再次复位，并且复位电压电平被采样。在时步T4，转移栅204被接通至增加电荷至电压转换区域205的电容的电压电平。电荷至电压转换区域205可以在时步T4而不是在时步T3被复位。在时步T5转移栅203也被接通以将电荷234转移至电荷至电压转换区域205时，转移栅204仍处于接通。在时步T6中转移栅203被关断时，电荷234在较大面积上散开，该较大面积具有比在时步T2中转移栅204处于关断时更高的电容。 
现在考虑通过由V＝Q/C给出的电荷Q、电容C和电压V之间的关系。越高的电容意味着在电荷至电压转换区域上将有越小的电压变化，因此该区域可以保持越大的电荷量。越高的电容对应于越小的电荷至电压转换增益。因此，本发明能够在两个转移栅都关断的情况下利用高增益对少量的电荷采样，并且也能够在所述转移栅之一接通的情况下对大量的电荷采样。 
有利的是，最后从具有最多电荷的光电二极管转移电荷，这是因为这是电荷至电压转换区域通过从空的光电二极管接通转移栅能够具有最高电容的时候。明显的还有，本发明能够被扩展到共享两个以上光电二极管的像素。明显的还有，利用两个以上的光电二极管，可以存在两个以上级别的电荷至电压转换区域电容控制。 
图9示出像素的输出电压相对光电二极管中采集的电荷量的情况。当在两个转移栅都被关断的情况下电荷被采样时，像素处于高增益模 式，并且产生在低电荷水平下达到饱和的输出电压曲线240。当在一个转移栅被接通的情况下电荷被采样时，像素处于低增益模式，并且产生在较高电荷水平下达到饱和的输出电压曲线241。 
在本发明的第二实施例中，除了转移栅的操作不同以外，像素结构与图7和图8中所示的相同。在图10中，时步T0处在电荷至电压转换区域205已经被复位成沟道电势232之后。电荷至电压转换区域205的复位电压也在此时被采样。在时步T1，转移栅204被接通以将电荷230转移至电荷至电压转换区域205。接下来，在时步T2，转移栅204被关断，并且电荷至电压转换区域205上的新电压被采样并且从复位电压电平中被减去以测量电荷230的量。在时步T3，电荷至电压转换区域205被再次复位，并且复位电压电平被采样。在时步T4，转移栅204被部分接通至将转移栅沟道电势231设置成处于光电二极管沟道电势与复位电压电平电势232之间的电压电平。在时步T5，转移栅203被接通，以将电荷234转移至电荷至电压转换区域205，然后转移栅203在时步T6被关断。 
转移栅204的部分接通的优点在于，电荷至电压转换区域电容对于小电荷会是高的，而该电容对于大电荷会是低的。图10示出电荷234小并且在时步T6并不填满电荷至电压转换区域205以超出转移栅204沟道电势231的情况。因此，在这种情况下，电荷234利用低电容高电压转换增益被测量。在图11的情况下，电荷234大，并且在该电荷被转移至电荷至电压转换区域205时，该电荷在时步T6在沟道电势231的上方流动。现在大电荷234利用大电容较低的电压转换增益被测量。 
图12示出第二实施例中的电荷至电压转换区域205的电压响应相对光电二极管中采集的电荷量的情况。在电荷大且在点243上方时，电压响应的斜率减小并且遵循曲线244。如果转移栅204已经被关断而不是被部分接通，则电压响应将遵循较高的增益曲线242。第二实施例容许低信号电平下的高增益和高信号电平下的低增益。 
在本发明的第三实施例中，除了转移栅的操作不同以外，像素结构与图7和图8中所示的相同。本发明的第三实施例被图示在图13中。在时步T0，电荷至电压转换区域205刚被复位，并且它的电压被采样为V1。在时间T1，转移栅204被接通以将电荷230转移至电荷至电压转换区域205。在转移栅204仍处于接通的同时，电荷至电压转换区域205的电压被采样为V2。在时步T2，转移栅204被关断，并且电荷至电压转换区域205电压被采样为V3。
电压V3-V1表示电荷230的高转换增益测量值。电压V2-V1表示电荷230的低转换增益测量值。不过，V2-V1包括由转移栅204至电荷至电压转换区域205的电容耦合所引起的偏移误差。为了消除该偏移误差，电荷至电压转换区域205在时步T3被再次复位，并且它的电压被测量为V4。接下来，在时步T4，在电荷至电压转换区域205电压被测量为V5的同时，转移栅204被再次接通并且被保持。通过在光电二极管201中不存在电荷时测量V5，偏移误差作为V5-V4被获取。现在，正确的低转换增益测量值是V2-V1-(V5-V4)。 
对于不太精确的测量值，电压V4可以被除去并且在它的位置使用V1。在这种情况下，低转换增益测量值是V2-V1-(V5-V1)或V2-V5。 
第三实施例能够被应用于具有任意数目的共享公共电荷至电压转换区域的光电二极管的CMOS有源像素。图13的步骤针对光电二极管中的每一个被重复。 
第三实施例的优点在于图像传感器的每个像素都利用高电荷至电压转换增益和低电荷至电压转换增益被采样。本发明的所有实施例的一个优点在于，它们都不需要添加任何晶体管或信号线。 
图14示出本发明的具有像素308的CMOS有源像素图像传感器300，其中像素308中的转移栅利用本发明的电荷至电压转换增益控制被操作。图像传感器300的基本部件是光敏像素308的阵列。行解码器电路305选择由相关双采样(CDS)电路325待采样的整行像素308。模数转换器315扫过列解码器并且使存储在CDS中的信号数字化。模数转换器315可以是具有每列一个转换器(并行)或者具有逐次使每列数字化的一个高速转换器的类型。数字化的数据可以从图像传感器300被直接输出，或者可以存在集成图像处理320以用于缺陷校正、彩色滤光器插值、图像缩放及其其它特殊效果。时序发生器310控制行解码器和列解码器以对整个像素阵列或像素阵列的一部分采样。 
图15示出电子成像系统、优选地为数字相机400中的采用如下像素的图像传感器300：该像素的转移栅利用电荷至电压转换增益控制被操作。 
本发明已经参照优选实施例进行了描述。不过，能够理解的是，本领域的普通技术人员能够在不偏离本发明的范围的情况下实施变型和修改。 
部件列表 
100  图像传感器 
105  行解码器电路 
110  时序生成器 
115  模数转换器 
120  集成图像处理 
125  相关双采样(CDS)电路 
130  光敏像素 
150  复位晶体管 
151  光电二极管 
152  转移晶体管 
153  输出晶体管 
154  行选择晶体管 
155  浮动扩散节点 
160  浮动扩散节点 
161  电容器 
162  浮动扩散节点 
163  电容器 
165  额外“摇摆”晶体管门 
166  浮动扩散节点 
167  晶体管门 
168  晶体管门 
169  晶体管门 
200  像素 
201  光电二极管注入物 
202  光电二极管注入物 
203  转移栅 
204  转移栅 
205  电荷至电压转换节点 
206  复位晶体管 
207  输出晶体管 
208  行选择晶体管 
209  输出信号线 
210  电源电压 
211  表面钉扎层注入物/钉扎光电二极管 
220  彩色滤光器材料 
221  彩色滤光器材料 
222  微透镜 
223  微透镜 
224  光线 
230  光产生的电荷(光电二极管) 
231  沟道电势 
232  沟道电势 
233  沟道电势 
234  光产生的电荷(光电二极管) 
240  输出电压曲线 
241  输出电压曲线 
242  较高增益曲线 
243  点 
244  曲线 
300  图像传感器 
305  行解码器电路 
308  光敏像素 
310  时序发生器 
315  模数转换器 
320  集成图像处理 
325  相关双采样(CDS)电路 
400  数码相机 

Claims (17)

1.一种用于读出图像信号的方法，该方法包括：
提供至少两个光敏区域；
提供至少两个分别与每个光敏区域相关联的转移栅；
提供被电连接至所述至少两个转移栅的公共电荷至电压转换区域；
提供用于复位所述公共电荷至电压转换区域的复位机制；
在从所述光敏区域至少之一转移电荷之后，在第一时间禁止所有的转移栅；
在随后的第二时间允许至少一个转移栅；以及
在所述至少一个转移栅从所述第二时间起保持被允许的同时，在随后的第三时间从所述光敏区域至少之一转移电荷，
其中在第一时间禁止所有的转移栅时，利用高增益对少量的电荷进行采样，以及
其中在随后的第三时间从所述光敏区域至少之一转移电荷时，利用低增益对大量的电荷进行采样。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第二时间与所述第三时间之间复位所述公共电荷至电压转换区域。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个不同的光敏度。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在所述第三时间从所述光敏区域中的具有较高光敏度的至少一个光敏区域转移电荷。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个单独的彩色滤光器。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括给所述至少两个单独的彩色滤光器中的每个提供不同的频谱特性。
7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括提供不同尺寸的微透镜以提供所述至少两个不同的光敏度。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个不同尺寸的微透镜与至少两个不同的频谱特性的组合。
9.一种用于读出图像信号的方法，该方法包括：
提供至少两个光敏区域；
提供至少两个分别与每个所述光敏区域相关联的转移栅；
提供被电连接至所述至少两个转移栅的电荷至电压转换区域；
提供用于复位所述电荷至电压转换区域的复位机制；
复位所述电荷至电压转换区域；
测量电荷至电压转换区域的第一采样；
操作所述转移栅以从所述光敏区域将电荷转移至所述电荷至电压转换区域；
在所述转移栅接通的情况下，测量所述电荷至电压转换区域上的信号的第二采样；
在所述转移栅关断的情况下，测量所述电荷至电压转换区域上的信号的第三采样；
在测量第二和第三采样之后，复位所述电荷至电压转换区域；
在转移栅关断的情况下测量所述电荷至电压转换区域的第四采样；
在测量第四采样之后，在所述转移栅接通的情况下，测量所述电荷至电压转换区域的第五采样；
使用公式(第三采样-第一采样)确定高转换增益测量值；以及
使用公式(第二采样-第一采样)-(第五采样-第四采样)确定低转换增益测量值。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括存储所述第四采样与所述第五采样的差异。
11.一种用于读出图像信号的方法，该方法包括：
提供至少两个光敏区域；
提供至少两个分别与每个光敏区域相关联的转移栅；
提供被电连接至所述至少两个转移栅的公共电荷至电压转换区域；
提供用于复位所述公共电荷至电压转换区域的复位机制；
在从所述光敏区域至少之一转移电荷之后，在第一时间禁止所有的转移栅；
在第二时间部分地允许至少一个转移栅；
在所述至少一个转移栅从所述第二时间起保持被部分地允许的同时，在随后的第三时间允许至少一个转移栅并且从所述光敏区域至少之一转移电荷；以及
禁止在所述随后的第三时间被允许的转移栅，
其中，在禁止在所述随后的第三时间被允许的转移栅时，利用高增益对少量的电荷进行采样或利用低增益对大量的电荷进行采样。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述第一时间与所述第三时间之间复位所述公共电荷至电压转换区域。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个不同的光敏度。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个单独的彩色滤光器。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括给所述至少两个单独的彩色滤光器中的每个提供不同的频谱特性。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括提供不同尺寸的微透镜以提供所述至少两个不同的光敏度。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括给所述至少两个光敏区域提供至少两个不同尺寸的微透镜与至少两个不同的频谱特性的组合。
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