CN102065247A - 图像传感器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器及其操作方法。一种图像传感器包括：包括多个像素的像素阵列。所述多个像素中的每一个包括：光传感器，其电压-电流特性根据入射光的能量而改变，并且该光传感器产生由入射光的能量确定的感测电流；复位单元，其根据用于复位所述多个像素中的至少一个的复位信号而激活以产生基准电流；以及转换单元，其将感测电流和基准电流分别转换为感测电压和基准电压。

Description

图像传感器及其操作方法
技术领域
示例实施例涉及图像传感器，更具体地，涉及包括光传感器的图像传感器及其操作方法，所述光传感器的电压-电流特性根据入射光的波长和/或数量而改变。
背景技术
图像传感器是可以感测物体的信息并且将该信息变换为电图像信号的器件和/或电子组件。图像传感器可以被分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。CCD图像传感器可以使用包含感光区域的多个MOS电容器。如果合适的电压被顺序施加到MOS电容器的栅极，则各个像素的信号电荷可以被顺序传送到相邻的MOS电容器。光生电荷可以经过所述电容器传送到电荷放大器并且被转换为电压。CMOS图像传感器可以使用多个晶体管用于多个像素。可以在光照射的光二级管中产生电荷载体。可以将电荷载体转换为电压并且可以输出该电压。
发明内容
示例实施例可以提供包括至少一个光传感器的图像传感器，所述光传感器的输出的电压-电流特性根据入射光的能量而改变。光传感器的输出的感测可以容易和/或被改进，可以从输出中消除噪声并且可以增强感测的图像的分辨率。示例实施例可以提供操作所述图像传感器的方法。
根据示例实施例，一种图像传感器可以包括具有多个像素的像素阵列，所述多个像素中的每一个包括：光传感器，其电压-电流特性根据入射光的能量改变，用于产生由入射光的能量确定的感测电流；复位单元，其根据用于复位所述多个像素中的至少一个的复位信号而激活以产生基准电流；以及转换单元，其将感测电流和基准电流分别转换为感测电压和基准电压。所述多个像素中的每一个可以进一步包括传输单元，其根据用于选择包括在所述多个像素中的至少一个中的光传感器的输出的置位信号而激活以将感测电流提供到所述转换单元。
根据示例实施例，一种图像传感器可以包括像素，该像素包括：光传感器，该光传感器的电压-电流特性基于入射光的能量改变，该光传感器被配置为基于电压-电流特性产生感测电流；复位单元，其被配置为基于复位信号产生基准电流；以及转换单元，其被配置为将感测电流转换为感测电压以及将基准电流转换为基准电压。
所述多个像素中的每一个可以进一步包括：放大单元，用于分别通过放大感测电压和基准电压来产生感测信号和基准信号；以及选择单元，其根据用于选择所述多个像素中的至少一个的选择信号而激活以向外部提供感测信号和基准信号。所述图像传感器可以进一步包括：行驱动器，其向所述多个像素中的每一个提供置位信号、复位信号、和选择信号；光检测信号产生器，其用于基于从所述多个像素中的每一个接收的感测信号与基准信号之间的差产生光检测信号；以及模数转换器(ADC)，用于将作为模拟信号的光检测信号转换为数字信号。
所述光检测信号产生器可以包括：转换晶体管，用于将感测信号和基准信号分别转换为感测电压信号和基准电压信号；采样电路，用于在复位采样信号被激活时通过采样基准电压信号来产生基准输出信号，以及用于在置位采样信号被激活时通过采样感测电压信号来产生感测输出信号；以及放大器，用于通过放大向其输入的基准输出信号与感测输出信号之间的差来产生光检测信号。所述光检测信号产生器可以进一步包括：锁存器，用于锁存由所述放大器产生的光检测信号。所述多个像素中的至少两个像素可以共享从复位单元、转换单元、放大单元、和选择单元中选择的至少一个。
所述多个像素中的每一个可以进一步包括：选择单元，其根据用于选择所述多个像素中的至少一个的选择信号而激活以向外部分别施加感测电压和基准电压作为感测信号和基准信号。所述图像传感器可以进一步包括：行驱动器，用于向所述多个像素中的每一个提供置位信号、复位信号、和选择信号；光检测信号产生器，用于基于从所述多个像素中的每一个接收的感测信号与基准信号之间的差来产生光检测信号；以及模数转换器(ADC)，用于将作为模拟信号的光检测信号转换为数字信号。所述光检测信号产生器可以包括：采样电路，用于在复位采样信号被激活时通过采样基准信号来产生基准输出信号，以及用于在置位采样信号被激活时通过采样感测信号来产生感测输出信号，以及放大器，用于通过放大向其输入的基准输出信号与感测输出信号之间的差来产生光检测信号。
所述多个像素中的至少两个像素可以共享从复位单元、和转换单元中选择的至少一个。所述转换单元可以包括根据所述传输单元或复位单元的输出而接通的开关。所述转换单元可以包括由外部施加的偏置电压接通的开关。所述光传感器可以包括氧化物晶体管或氧化物二极管，其电压-电流特性根据入射光的数量或波长改变。所述氧化物晶体管或氧化物二极管可以包括从由ZnO和TiO2组成的组中选择的金属氧化物。
根据示例实施例，一种图像传感器可以包括具有多个像素的像素阵列，其中所述多个像素中的每一个包括：光传感器，其电压-电流特性根据入射光的能量改变，用于产生由入射光的能量确定的感测电流；以及选择单元，其根据用于选择所述多个像素中的至少一个的选择信号而激活以向外部提供感测电流作为感测信号。
根据示例实施例，一种图像传感器可以包括像素，该像素包括：光传感器，该光传感器的电压-电流特性根据入射光的能量改变，该光传感器被配置为基于电压-电流特性产生感测电流；以及选择单元，其被配置为基于选择信号而输出感测电流作为感测信号。
所述多个像素中的每一个可以进一步包括：复位单元，其根据用于复位所述多个像素中的至少一个的复位信号而激活以产生基准电流；以及选择单元，其向外部提供感测电流或基准电流作为感测信号或基准信号。所述多个像素中的每一个可以进一步包括：传输单元，其根据用于选择包括在所述多个像素中的至少一个中的光传感器的输出的置位信号而激活以将感测电流提供到所述选择单元。
根据示例实施例，在一种操作图像传感器的方法中，该图像传感器包括具有多个像素的像素阵列，所述多个像素中的每一个包括其电压-电流特性根据入射光的能量而改变的光传感器，该方法可以包括：根据用于复位所述多个像素中的至少一个的复位信号，在所述多个像素中的每一个中产生由入射光的能量确定的感测电流；以及在所述多个像素中的每一个中产生基准电流。
根据示例实施例，一种操作图像传感器的方法可以包括：基于入射到光传感器的光的能量在像素的光传感器中产生感测电流，该光传感器的电压-电流特性能够基于入射光的能量而改变；以及基于复位信号在该像素中产生基准电流。
附图说明
通过下面结合附图的简要说明，将更清楚地理解示例实施例。图1-16表示非限制的、这里描述的示例实施例。
图1是根据示例实施例的图像传感器的框图；
图2是说明根据示例实施例的图像传感器的像素中包含的光传感器的截面图；
图3是说明根据示例实施例的关于三种入射光数量的图2的光传感器的电压-电流特性的作为电压Vgs(V)的函数的电流IDS(A)的曲线图；
图4是说明根据示例实施例的关于三种入射光光谱的图2的光传感器的电压-电流特性的作为电压Vgs(V)的函数的电流IDS(A)的曲线图；
图5A-5C是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器中的像素的电路图；
图6是根据示例实施例的包括如图5A中所示的像素的图像传感器的电路图；
图7是说明根据示例实施例的图6的图像传感器中包含的像素、光检测信号产生器和模数转换器(ADC)的电路图；
图8是说明根据示例实施例的图7的像素、光检测信号产生器和ADC的操作的时序图；
图9是根据示例实施例的图像传感器的电路图；
图10A-10C是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器中的像素的电路图；
图11是说明根据示例实施例的图像传感器的图10A的像素、光检测信号产生器和ADC的电路图；
图12A和12B是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器中的像素的电路图；
图13是说明根据示例实施例的图像传感器的图12A的像素、光检测信号产生器和ADC的电路图；
图14A和14B是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器中的像素的电路图；
图15是说明根据示例实施例的图像传感器的图14A的像素、光检测信号产生器和ADC的电路图；以及
图16是说明根据示例实施例的包括图像传感器的基于处理器的系统的框图。
应该注意这些图意在说明特定示例实施例中使用的方法、结构和/或材料的一般特性并且补充以下提供的书面描述。然而，这些附图并非按比例的而是可以不精确地反映任何给定实施例的精确结构或性能特性，并且不应当被解读为定义或限制由示例实施例涵盖的值或属性的范围。例如，出于清楚之故，分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和配置可以被减小或夸大。不同附图中相似或相同的参考数字的使用意在指示相似或相同元件或特征的存在。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述示例实施例，在附图中示出示例实施例。然而，示例实施例可以按多种不同的形式实现而不应当被解读为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开将是彻底和完整的，并且向本领域的普通技术人员充分传达示例实施例的构思。附图中，出于清楚之故，层和区域的厚度被夸大。附图中类似的参考数字指示类似元件，因此它们的描述将被省去。
不难理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接连接或耦接到另一元件或者可以有中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则没有中间元件存在。类似的数字通篇指示类似的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列举的项目的任意的和全部的组合。应当以类似的方式解释用于描述元件或层之间的关系的其他词(如，“在...之间”比对“直接在...之间”，“相邻”比对“直接相邻”，“在...之上”比对“直接在...之上”)。
可以理解，虽然这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当限于这些术语。这些术语仅仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，可以将下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分记作第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例实施例的教示。
这里可以使用例如“在...之下”、“下面”、“下面的”、“上面”、“上面的”等空间相对术语以便容易地描述附图中示出的一个元件或特征与(多个)其他元件或特征的关系。可以理解，空间相对术语旨在涵盖被使用或操作的设备的除了图中描述的方向以外的不同方向。例如，如果图中的设备被翻过来，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件将位于其他元件或特征的“上面”。因此，示例性术语“下面”可以包含上面和下面两个方向。设备还可以被另外定向(旋转90度或处于其它方向)，且这里使用的空间相对描述符可以被相应地解释。
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非意在限制示例实施例。如这里使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在同样包含复数形式，除非上下文清楚地另外指明。还可以理解，术语“包括”和/或“包含”在这里使用时，规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组
这里将参考作为示例性实施例的理想化实施例(及中间结构)的示意图的截面图来描述示例性实施例。这样，可以期望由于例如制造技术和/或公差而产生的图示形状上的变化。因此，示例性实施例不应当被解读为限于这里描述的区域的特定形状，而是包含例如制造所引起的形状的偏差。例如，被描述为矩形的植入区域可以典型地具有圆形或弧形的特征，和/或在其边缘处具有植入浓度(implant concentration)的梯度，而不是从植入到非植入区域的二元改变。类似地，由植入形成的埋藏(bury)区域可以引起在埋藏区域与植入所穿过的表面之间的区域中的某个植入。因此，图中描述的区域本质上是示例性的，并且其形状并非意在描述设备的区域的真实形状，而且并非意在限制示例实施例的范围。
除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有示例实施例所属领域普通技术人员通常所理解的相同含义。还应该理解，诸如常用辞典中定义的那些术语应当被理解为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，且不应以理想化或过于形式化的意义来理解，除非这里明确这样定义。
图1是根据示例实施例的图像传感器的框图。参考图1，图像传感器1可以包括像素阵列10、行驱动器20、光检测信号产生器30和模数转换器(ADC)40。虽然为了便于解释，图1示出包括四个块的图像传感器1，但是图像传感器1可以进一步包括其他块(如，行译码器、列译码器、列驱动器、和/或图像处理器)。像素阵列10可以包括多个像素(未示出)。每个像素可以接收光，从光产生信号并接着输出该信号。每个像素可以包括光传感器(未示出)。光传感器的电压-电流特性可以根据入射光的能量改变。
行驱动器20可以向像素阵列10提供多个信号以便驱动像素阵列10的像素。光检测信号产生器30可以基于从像素接收的信号产生光检测信号。ADC40可以将光检测信号产生器30产生的光检测信号(模拟信号)转换为数字信号。可以将从ADC 40输出的数字信号提供给图像处理器(未示出)，而图像处理器可以通过处理该数字信号来产生数字图像。
图2是说明根据示例实施例的包括在例如图1的图像传感器1的像素阵列10的像素的像素中的光传感器PS的截面图。参考图2，光传感器PS可以通过根据入射光产生电流来感测入射光。可以将光传感器PS实现为例如薄膜晶体管(TFT)。虽然图2中将光传感器PS实现为TFT，但示例实施例不局限于此，而且可以将光传感器PS实现为例如二极管。
光传感器PS可以包括基底S、栅极G、栅绝缘层GI、有源层AL、源极S、和漏极D。基底S可以是例如玻璃基底。栅极G可以包括例如导电材料，并且可以布置在基底S上。栅绝缘层GI可以包括例如绝缘材料。栅绝缘层GI可以在基底S上，并且可以覆盖栅极G的至少一部分。有源层AL可以在栅绝缘层GI上。源极S和漏极D可以在有源层AL上，并且可以彼此分离。当大约一阈电压被施加到栅极G时，可以在源极S与漏极D之间的有源层AL中形成沟道。电流可以在源极S与漏极D之间流动。
光传感器PS的电压-电流特性可以根据入射光的能量改变。例如，有源层AL可以包括具有可变电压-电流特性的材料。电压-电流特性可以根据入射光的能量改变。有源层AL的材料可以是例如金属氧化物(如，ZnO和/或TiO2)。光传感器PS可以是氧化物半导体晶体管。虽然将包括有源层AL的示例实施例描述为包括ZnO作为材料，但示例实施例不限于此，并且光传感器PS可以包括除了ZnO以外的任何有源层材料，其中该材料的电压-电流特性根据入射光的能量改变。
图3是说明根据示例实施例的关于三种入射光数量的图2的光传感器PS的电压-电流特性的作为电压Vgs(V)的函数的电流IDS(A)的曲线图。图3中，x轴可以表示栅极G与源极S之间的以伏特为单位的电压VGS。y轴可以表示漏极D与源极S之间流过的以安培为单位的电流IDS。参考图3，如果施加到漏极D的漏电压VD是10V，则说明光传感器PS的电压-电流特性的曲线可以根据入射光的数量而不同。例如，图3说明与三种入射光数量L0、L1和L2对应的电压-电流特性，其中L0＜L1＜L2。图3可以说明对于相同的施加电压VGS，入射光的数量越大，光传感器PS上漏极D与源极S之间流过的电流IDS的数量就越大。
图4是说明根据示例实施例的关于三种入射光光谱的图2的光传感器PS的电压-电流特性的作为电压Vgs(V)的函数的电流IDS(A)的曲线图。图4中，x轴可以表示栅极G与源极S之间的以伏特为单位的电压VGS。y轴可以表示漏极D与源极S之间流过的以安培为单位的电流IDS。参考图4，如果施加到漏极D的漏电压VD是5V，则说明光传感器PS的电压-电流特性的曲线可以根据入射光的波长而不同。图4可以说明对于与红、蓝和绿光对应的入射光的波长的电压-电流特性。图4可以说明对于相同的施加电压VGS，入射光的波长越短(如，能量越大)，光传感器PS的漏极D与源极S之间流过的电流IDS的数量就越大。当光传感器PS的电压-电流特性根据入射光的波长改变时，图像传感器可以通过分析光传感器PS的电压-电流特性来检测入射光的波长，并且可以利用单个像素感测红、绿和蓝光(RGB)，而不需包括滤色镜。
传统CMOS图像传感器可以使用MOS晶体管以便感测入射光。在MOS晶体管中，可以将栅绝缘层和栅极顺序布置在非晶硅或多晶硅基底上。可以将源区域和漏区域布置在硅基底上栅极的不同端处。如果向栅极施加阈电压或更高电压，则可以在源区域与漏区域之间的硅基底中形成沟道。硅基底的电压-电流特性不根据入射光改变。传统CMOS图像传感器可以接收入射光，将由流经MOS晶体管的电流产生的电子存储在电容器中，然后根据电容器的电压测量入射光的强度。
根据示例实施例，光传感器PS的电压-电流特性可以根据由光传感器PS从入射光接收的能量改变。例如，接收的入射光的数量和/或接收的入射光的波长如图3和4所示。根据示例实施例，可能难以通过测量其中存储电子的电容器的电压来测量入射光的强度。因此，将需要一种容易地检测由光传感器PS产生的电流的像素方案。现在将描述根据示例实施例的包括光传感器PS的图像传感器的像素的结构，以便检测根据入射光的能量确定的电流。
图5A-5C分别是像素100、100′、和100″的电路图。可以将像素100、100′、和/或100″包括在例如根据示例实施例的图1的图像传感器1的像素阵列10中。参考图5A，像素100可以包括光传感器PS、传输单元101、复位单元102、转换单元103、放大单元104和选择单元105。例如，传输单元101、复位单元102、转换单元103、放大单元104和选择单元105可以处于相同层，而光传感器PS可以处于该层上。可以减少像素100在图像传感器1中占据的区域。
光传感器PS的电压-电流特性可以根据入射到光传感器PS上的光的能量改变。光传感器PS可以产生由入射光的能量确定的感测电流。例如，光传感器PS可以包括光传感器晶体管。以下，参考实现为光传感器晶体管PS的光传感器PS来描述示例实施例，但示例实施例不限于此。光传感器晶体管PS的漏极可以连接到电源电压。当将大约为阈电压施加到光传感器晶体管PS的栅极时，可以在光传感器晶体管PS的漏极与源极之间产生沟道。感测电流可以流经该沟道。可以通过入射光的波长或数量来确定流经漏极与源极之间的沟道的感测电流的数量。
传输单元101可以响应于例如从图1的行驱动器20接收的置位信号SET而激活以输出由光传感器PS产生的感测电流。置位信号SET可以用于选择像素阵列10的至少一个像素中包含的光传感器PS的输出。如果光传感器PS的阈电压例如小于大约0V，则可以通过控制将置位信号SET提供到传输单元101来选择性地输出由光传感器PS产生的感测电流。虽然相对于地电压(例如，0V)来描述示例实施例，但是本领域普通技术人员不难理解，阈电压与电源电压(例如，地)之间的关系可以确定例如漏电流和用于选择性输出感测电流的需求。
传输单元101可以包括与光传感器晶体管PS串联连接的传输晶体管。传输单元101可以实现为例如传输晶体管101，虽然示例实施例不限于此。可以将置位信号SET提供给传输单元101的栅极，而且当置位信号SET是“ON(开启)”时，传输单元101可以被导通以输出由光传感器PS产生的感测电流作为传输电流。
复位单元102可以根据从行驱动器20接收的复位信号RST而激活以输出基准电流。复位信号RST可以用来复位包括在像素阵列10中的至少一个像素。由光传感器PS产生的感测电流可以根据PVT(过程、电压、温度)变量改变。从复位单元102输出的基准电压也可以根据PVT变量改变。当前实施例中，像素100可以包括复位单元102，并且可以使用复位单元102补偿由PVT变量造成的感测电流的改变。可以减少像素100的输出Out中的噪声。
例如，复位单元102可以包括复位晶体管。复位单元102可以实现为例如复位晶体管102，虽然示例实施例不限于此。复位晶体管102的漏极可以连接到电源电压，而且可以将复位信号RST提供到复位晶体管102的栅极。当复位信号RST是“ON”时，复位晶体管102可以被导通以输出基准电流。
转换单元103可以将从传输单元101接收的感测电流和/或从复位晶体管102接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。例如，转换单元103可以包括转换晶体管。转换单元103可以实现为例如转换晶体管103，虽然示例实施例不限于此。转换单元103的源极可以连接到例如地电压源。转换单元103的漏极和栅极可以连接到传输晶体管101和复位晶体管102的源极。转换单元103可以具有二极管连接结构，其中将它的漏极和栅极彼此连接。可以不提供额外的控制信号以导通转换晶体管103。
放大单元104可以基于由转换单元103产生的感测电压和/或基准电压分别产生感测信号和/或基准信号。例如，放大单元104可以包括放大晶体管。放大单元104可以实现为例如放大晶体管104，虽然示例实施例不限于此。放大晶体管104的漏极可以连接到电源电压。可以将由转换单元103产生的感测电压和/或基准电压提供到放大晶体管104的栅极。如果由转换单元103产生的感测电压和/或基准电压大约是放大晶体管104的栅极的阈电压，则放大晶体管104可以被导通，并且电流可以在放大晶体管104的漏极与源极之间流过。在放大晶体管104的漏极与源极之间流过的电流可以分别输出为感测信号和/或基准信号。
选择单元105可以根据从行驱动器20接收的选择信号SEL而激活以向图1的光检测信号产生器30提供由放大单元104产生的感测信号和/或基准信号。选择信号SEL可以用于选择包括在像素阵列10中的至少一个像素。例如，选择单元105可以包括选择晶体管。选择单元105可以实现为例如选择晶体管105，虽然示例实施例不限于此。选择晶体管105可以串联连接到放大晶体管104，并且可以将选择信号SEL提供到选择晶体管105的栅极。当选择信号SEL是“ON”时，选择晶体管105可以被导通以向光检测信号产生器30提供感测信号和/或基准信号。
根据示例实施例，像素100可以包括光传感器PS、传输单元101、复位单元102、转换单元103、放大单元104和选择单元105，并且可以通过根据例如两次操作感测入射光来产生输出信号。像素100可以包括第一感测单元S1和第二感测单元S2。第一感测单元S1可以包括光传感器PS、传输单元101、复位单元102和转换单元103。第二感测单元S2可以包括放大单元104和选择单元105。第一感测单元S1可以感测入射光并且从入射光产生第一输出信号。第二感测单元S2可以通过放大第一输出信号产生第二输出信号。可以阻止和/或减少将第一感测单元S1中产生的噪声提供给第二感测单元S2。可以提高信噪比(SNR)并且可以确保更宽的操作范围。
参考图5B，像素100′可以包括光传感器PS、传输单元101、复位单元102、转换单元103′、放大单元104和选择单元105。根据示例实施例的像素100′可以是图5A的像素100的修改。将不再说明与像素100的元件相同的像素100′的元件。
根据示例实施例，转换单元103′可以将从传输单元101接收的感测电流和/或从复位单元102接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。例如，转换单元103′可以包括转换晶体管。转换单元103’可以实现为例如转换晶体管103′。转换晶体管103′的源极可以连接到地电压源，并且转换晶体管103′的漏极可以连接到传输单元101和复位单元102的输出端。可以将偏置电压Vbias施加到转换晶体管103′的栅极。转换单元103′可以由向其施加的偏置电压Vbias激活，并且可以通过调整偏置电压Vbias来补偿感测电压和/或基准电压中的偏移量。可以通过调整偏置电压Vbias来控制施加到放大单元104的电压。
参考图5C，像素100″可以包括光传感器PS、复位单元102、转换单元103′、放大单元104和选择单元105。根据当前实施例的像素100″可以是图5A的像素100和/或图5B的像素100′的修改。将不再说明与像素100的元件或像素100′的元件相同的像素100″的元件。
根据示例实施例，像素100″可以不包括传输单元。例如如果包括在光传感器PS中的光传感器晶体管的阈电压大于例如大约0V，则像素100″可以不包括传输单元。转换单元103′可以将从光传感器PS接收的感测电流和/或从复位单元102接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。根据示例实施例，可以不在像素100″中包括传输单元，而且像素100″的尺寸可以减小。像素100″可以包括图5A的转换单元103代替转换单元103′。
图6是根据示例实施例的包括多个如图5A所示的像素100的图像传感器1的电路图。参考图6，图像传感器1可以包括像素阵列10、行驱动器20、光检测信号产生器30和ADC 40。像素阵列10可以包括多个像素100。像素阵列10可以包括连接到行驱动器20的多条驱动信号线和连接到光检测信号产生器30的多条输出信号线。像素阵列10中，多个像素100可以分别处于多条驱动信号线与多条输出信号线的交叉处。多条驱动信号线可以包括沿多个行的置位信号线、复位信号线、和选择信号线。多条输出信号线可以包括沿多个列的输出信号线。
行驱动器20可以分别经由置位信号线之一、复位信号线之一、和选择信号线之一向多个像素100中的每一个提供置位信号SET、复位信号RST和选择信号SEL。可以分别根据从行驱动器20接收的置位信号SET、复位信号RST和选择信号SEL来激活包含在每个像素100中的传输单元101、复位单元102、和选择单元105。可以同时激活沿相同行的多个像素100。可以经由输出信号线之一将每个像素100的选择单元105的输出信号提供给光检测信号产生器30。
图6的图像传感器1可以包括像素阵列10，其包括多个像素100(如，图5A所示的像素100)、多个像素100′(如，图5B所示的像素100′)和/或多个像素100″(如，图5C所示的像素100″)和/或可以包括其他像素。
图7是说明根据示例实施例的包括在图6中的图像传感器1中的像素100、光检测信号产生器30和ADC 40的电路图。光检测信号产生器30可以包括转换晶体管31、采样电路32、放大器33和锁存器34。根据示例实施例，光检测信号产生器30可以实现为例如相关双采样(CDS)电路，并且可以消除低频噪声。
转换晶体管31可以将从像素100的选择单元105接收的感测信号和/或基准信号分别转换为感测电压信号或基准电压信号。可以将偏置电压Vbias′施加到转换晶体管31的栅极。可以通过控制偏置电压Vbias′来补偿感测电压信号和/或基准电压信号中的偏移量。采样电路32可以包括第一和第二开关M1和M2以及第一和第二电容器C1和C2。
第一开关M1可以根据复位采样信号RS而激活，并且可以根据基准电压信号将第一电容器C1充电。第二开关M2可以根据置位采样信号SS而激活，并且可以根据感测电压信号将第二电容器C2充电。放大器33可以根据使能信号EN而使能，并且可以通过放大向其输入的第一和第二电容器C1和C2的电压之间的差来输出光检测信号。锁存器34可以将从放大器33接收的光检测信号锁存。
图8是说明根据示例实施例的图7的像素100、光检测信号产生器30和ADC 40的操作的时序图。参考图7和8，当复位信号RST是“ON”(如，复位信号RST是逻辑高)时可以激活复位单元102以输出基准电流，而且转换单元103可以将从复位单元102接收的基准电流转换为等于基准电压的电压VT。放大单元104可以基于从转换单元103接收的电压VT产生基准信号。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元105可以将放大单元104产生的基准信号提供给转换晶体管31，而且转换晶体管31可以将基准信号转换为基准电压信号。当复位采样信号RS是“ON”时，可以将基准电压信号提供到第一电容器C1。
当置位信号SET是“ON”时，可以激活传输单元101以输出感测电流，而且转换单元103可以将从传输单元101接收的感测电流转换为等于感测电压的电压VT。放大单元104可以基于从转换单元103接收的电压VT产生感测信号。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元105可以将放大单元104产生的感测信号提供给转换晶体管31，而且转换晶体管31可以将感测信号转换为感测电压信号。当置位采样信号SS是“ON”时，可以将感测电压信号提供到第二电容器C2。当使能信号EN是“ON”时，可以激活放大器33，并且可以通过放大第一电容器C1和第二电容器C2的电压之间的差来产生光检测信号。
图9是根据示例实施例的图像传感器1′的电路图。参考图9，图像传感器1′可以包括像素阵列10′、行驱动器20、光检测信号产生器30和ADC 40。根据示例实施例的图像传感器1′可以是图6的图像传感器1的修改，而且将不再描述与图像传感器1的元件相同的图像传感器1′的元件。包括在像素阵列10′中的多个像素可以共享复位单元102、转换单元103、放大单元104和选择单元105中的至少一个。多个像素中的每一个可以感测入射光，并且每个可以包括例如光传感器和传输单元。可以减小图像传感器1′的尺寸。
图10A-10C分别是像素200、200′、和200″的电路图。可以将像素200、200′、和/或200″包括在例如根据示例实施例的图1的图像传感器1的像素阵列10中。参考图10A，像素200可以包括光传感器PS、传输单元201、复位单元202、转换单元203和选择单元204。根据示例实施例的像素200可以是图5A的像素100的修改，而且将不再描述与像素100的元件相同的像素200的元件不再描述。光传感器PS可以具有根据入射光的能量改变的电压-电流特性，并且可以产生由入射光的能量确定的感测电流。
传输单元201可以根据置位信号SET而激活以输出由光传感器PS产生的感测电流。复位单元202可以根据复位信号RST而激活以输出基准电流。转换单元203可以将从传输单元201接收的感测电流和/或从复位单元202接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。选择单元204可以根据选择信号SEL而激活以向光检测信号产生器30提供由转换单元203产生的感测电压和/或基准电压。根据示例实施例，像素200可以不包括放大单元。选择单元204可以直接输出从转换单元203接收的感测电压和/或基准电压。
参考图10B，像素200′可以包括光传感器PS、传输单元201、复位单元202、转换单元203′和选择单元204。根据当前实施例的像素200′可以是图10A的像素200的修改，而且将不再描述与像素200的元件相同的像素200′的元件。根据示例实施例，转换单元203′可以将从传输单元201接收的感测电流和/或从复位单元202接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。例如，转换单元203′可以包括转换晶体管。转换单元203′可以实现为例如转换晶体管203′，虽然示例实施例不限于此。
转换晶体管203′的源极可以连接到地电压源，而且转换晶体管203′的漏极可以连接到传输单元201和复位单元202的输出端。可以将偏置电压Vbias施加到转换晶体管203′的栅极。转换单元203′可以由偏置电压Vbias激活。可以通过控制偏置电压Vbias来补偿感测电压和/或基准电压中的偏移量。可以通过控制偏置电压Vbias来控制施加到选择单元204的电压。
参考图10C，像素200″可以包括光传感器PS、复位单元202、转换单元203和选择单元204。根据示例实施例的像素200″可以是图10A的像素200的修改，而且将不再描述与像素200的元件相同的像素200″的元件。根据示例实施例，像素200″可以不包括传输单元。如果包括在光传感器PS中的光传感器晶体管的阈电压大于例如大约0V，则像素200″可以不包括传输单元201。转换单元203可以将从光传感器PS接收的感测电流和/或从复位单元202接收的基准电流分别转换为感测电压和/或基准电压。根据示例实施例，可以不在像素200″中包括传输单元201，而且可以减小像素200″的尺寸。
图11是说明根据示例实施例的图像传感器的图10A的像素200、光检测信号产生器30′和ADC 40的电路图。参考图11，光检测信号产生器30′可以包括采样电路32、放大器33和锁存器34。根据当前实施例的图像传感器可以是图7的图像传感器1的修改，而且将不再描述与图7的图像传感器1的元件相同的图11的图像传感器的元件。
像素200的选择单元204可以输出感测电压和/或基准电压。光检测信号产生器30′可以不包括用于将像素200的输出信号转换为电压的转换晶体管。采样电路32可以包括第一和第二开关M1和M2以及第一和第二电容器C1和C2。第一开关M1可以根据复位采样信号RS而激活，并且可以根据从像素200的选择单元204接收的基准电压将第一电容器C1充电。第二开关M2可以根据置位采样信号SS而激活，并且可以根据从像素200的选择单元204接收的感测电压将第二电容器C2充电。放大器33可以根据使能信号EN而使能，并且可以通过放大第一和第二电容器C1和C2的电压之间的差来输出光检测信号。锁存器34可以将从放大器33接收的光检测信号锁存。
现在将描述根据示例实施例的图像传感器的操作。当复位信号RST是“ON”时，可以激活复位单元202以输出基准电流，并且转换单元203可以将从复位单元202接收的基准电流转换为等于基准电压的电压VT。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元204可以输出从转换单元203接收的等于基准电压的电压VT。当复位采样信号是“ON”时，可以将等于基准电压的电压VT提供给第一电容器C1。
当置位信号SET是“ON”时，可以激活传输单元201以输出感测电流，并且转换单元203可以将从传输单元201接收的感测电流转换为等于感测电压的电压VT。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元204可以输出从转换单元203接收的等于感测电压的电压VT。当置位采样信号SS是“ON”时，可以将等于感测电压的电压VT提供给第二电容器C2。当使能信号EN是“ON”时，可以激活放大器33以便通过放大第一电容器C1和第二电容器C2的电压之间的差来产生光检测信号。
图12A和12B是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器的像素阵列10中的像素300和300′的电路图。参考图12A，像素300可以包括光传感器PS、传输单元301、复位单元302和选择单元303。根据示例实施例的像素300可以是图5A的像素100的修改，而且将不再描述与像素100的元件相同的像素300的元件。光传感器PS可以具有根据入射光的能量改变的电压-电流特性，并且可以产生由入射光的能量确定的感测电流。
传输单元301可以根据置位信号SET而激活以输出由光传感器PS产生的感测电流。复位单元302可以根据复位信号RST而激活以输出基准电流。选择单元303可以根据选择信号SEL向光检测信号产生器30提供从传输单元301接收的感测电流和/或从复位单元302接收的基准电流。根据示例实施例，像素300可以不包括转换单元和/或放大单元。选择单元303可以直接输出感测电流和/或基准电流。
参考图12B，像素300′可以包括光传感器PS、复位单元302和选择单元303。根据当前实施例的像素300′可以是图12A的像素300的修改，而且将不再描述与像素300的元件相同的像素300′的元件。根据示例实施例的像素300′可以不包括传输单元。如果包括在光传感器PS中的光传感器晶体管的阈电压大于例如大约0V，则像素300′可以不包括传输单元。根据示例实施例，像素300′的尺寸与像素300相比可以减小。
图13是说明根据示例实施例的图像传感器的图12A的像素300、光检测信号产生器30和ADC 40的电路图。光检测信号产生器30可以包括转换晶体管31、采样电路32、放大器33和锁存器34。根据示例实施例的图像传感器可以是图7的图像传感器1的修改，而且将不再描述与图像传感器1的元件相同的图13的图像传感器的元件。转换晶体管31可以将从像素300的选择单元303接收的感测电流和/或基准电流分别转换为感测电压信号或基准电压信号。
采样电路32可以包括第一和第二开关M1和M2以及第一和第二电容器C1和C2。第一开关M1可以根据复位采样信号RS而激活，并且可以根据基准电压信号将第一电容器C1充电。第二开关M2可以根据置位采样信号SS而激活，并且可以根据感测电压信号将第二电容器C2充电。放大器33可以根据使能信号EN而使能，并且通过放大第一和第二电容器C1和C2的电压之间的差来输出光检测信号。锁存器34可以将从放大器33接收的光检测信号锁存。
现在将描述根据示例实施例的图像传感器的操作。当复位信号RST是“ON”时，可以激活复位单元302以输出基准电流。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元303可以输出从复位单元302接收的基准电流。转换晶体管31可以将基准电流转换为基准电压信号。当复位采样信号RS是“ON”时，可以将基准电压信号提供给第一电容器C1。
当置位信号SET是“ON”时，可以激活传输单元301以输出感测电流。当选择信号SEL是“ON”时，选择单元303可以输出从传输单元301接收的感测电流。转换晶体管31可以将感测电流转换为感测电压信号。当置位采样信号SS是“ON”时，可以将感测电压信号提供给第二电容器C2。当使能信号EN是“ON”时，可以激活放大器33，并且可以通过放大向其输入的第一电容器C1和第二电容器C2的电压之间的差来产生光检测信号。
图14A和14B是根据示例实施例的可以包括在图1的图像传感器1的像素阵列10中的像素400和400′的电路图。参考图14A，像素400可以包括具有根据入射光的能量改变的电压-电流特性的光传感器PS。光传感器PS可以产生由入射光的能量确定的感测电流。光传感器PS可以与图5A的像素100的光传感器PS基本相同，并且可以依据它们之间的不同来描述。
参考图14A，如果第一电压V1被施加到光传感器PS的栅极，则光传感器PS可以产生第一感测电流。如果第二电压V2被施加到光传感器PS的栅极，则光传感器PS可以产生第二感测电流。根据示例实施例，因为像素400不包括复位单元，所以可以通过将第一和第二电压V1和V2顺序施加到光传感器PS的栅极以便产生第一和第二感测电流、并且使用第一和第二感测电流之间的差来检测入射光。当前实施例的像素400可以仅包括光传感器PS从而可以减小像素400的尺寸。可以将像素400应用于例如移动电话机的小尺寸设备。
参考图14B，像素400′可以包括光传感器PS和选择单元401。根据示例实施例的像素400′可以是图14A的像素400的修改，并且可以依据它们之间的不同来描述。像素400′可以包括选择单元401。
图15是说明根据示例实施例的图像传感器的图14A的像素400、光检测信号产生器30和ADC 40的电路图。光检测信号产生器30可以包括转换晶体管31、采样电路32、放大器33和锁存器34。根据示例实施例的图像传感器可以是图7的图像传感器1的修改，并且可以依据它们之间的不同来描述。
转换晶体管31可以将从像素400的光传感器PS接收的第一和/或第二感测电流分别转换为第一和/或第二感测电压。采样电路32可以包括第一和第二开关M1和M2以及第一和第二电容器C1和C2。第一开关M1可以根据复位采样信号RS而激活，并且可以根据第一感测电压将第一电容器C1充电。第二开关M2可以根据置位采样信号SS而激活，并且可以根据第二感测电压将第二电容器C2充电。放大器33可以根据使能信号EN而使能，并且可以通过放大向其输入的第一和第二电容器C1和C2的电压之间的差来输出光检测信号。锁存器34可以将从放大器33接收的光检测信号锁存。
现在将描述根据示例实施例的图像传感器的操作。当第一电压V1被施加到光传感器PS的栅极时，光传感器PS可以输出第一感测电流。转换晶体管31可以将第一感测电流转换为第一感测电压。当复位采样信号RS是“ON”时，可以将第一感测电压提供给第一电容器C1。当第二电压V2被施加到光传感器PS的栅极时，光传感器PS可以输出第二感测电流。转换晶体管31可以将第二感测电流转换为第二感测电压。当置位采样信号SS是“ON”时，可以将第二感测电压提供给第二电容器C2。当使能信号EN是“ON”时，可以激活放大器33，并且可以通过放大向其输入的第一电容器C1和第二电容器C2的电压之间的差来产生光检测信号。
图16是示意性地说明包括图像传感器1640的基于处理器的系统1600的框图。参考图16，基于处理器的系统1600可以包括处理器(CPU)1610、随机存取存储器(RAM)1620、硬盘驱动器(HDD)1630、图像传感器1640和输入/输出(I/O)设备1650，它们可以经由总线1660相互通信。图像传感器1640可以是以上参考图1-15所述的图像传感器之一。图像传感器1640可以从基于处理器的系统1600的处理器1610和/或其他元件接收控制信号和/或数据。图像传感器1640可以基于该控制信号和/或数据向处理器1610提供定义图像的信号。处理器1610可以处理从图像传感器1640接收的信号。
基于处理器的系统1600的示例可以包括例如数字电路、计算机系统、照相机系统、扫描仪、视频电话机、电子监视系统、车辆导航系统、自动聚焦系统、星象跟踪仪系统、运动检测系统、图像稳定系统、数据压缩系统、和/或可以包括根据示例实施例的图像传感器的其他各种系统。
根据示例实施例，包括在图像传感器的像素阵列中的像素可以包括光传感器，该光传感器的电压-电流特性根据入射光的数量和/或波长改变。根据示例实施例的图像传感器可以具有比传统CMOS图像传感器和/或CCD图像传感器的分辨率高的分辨率，并且可以不需要滤色镜。
根据示例实施例的图像传感器的像素可以包括用于输出基准电流的复位单元，并且能够使用基准电流增强该像素的输出信号的信噪比(SNR)。基准电流可以用于补偿由例如PVT变量造成的感测电流的改变。像素可以包括用于将感测电流和基准电流转换为电压的转换单元、和用于放大转换单元的输出的放大单元。根据示例实施例的像素可以输出各个感测电流和基准电流的放大信号。因此，可以提高像素的输出信号的分辨率，并且最小化和/或减少光传感器、复位单元和/或转换单元中产生的噪声。
可以通过向转换单元施加偏置电压来控制包括在根据示例实施例的像素中的转换单元的输出电压，并且可以减少偏移量噪声。包括在像素阵列中的多个像素可以共享复位单元、转换单元、放大单元、和选择单元中的至少一个。可以减小像素阵列的尺寸。
虽然已经具体示出和描述示例实施例，但是本领域的普通技术人员不难理解，这里可以在形式和细节上进行改变而不背离权利要求的精神和范围。

Claims (29)

1.一种图像传感器，包括：
像素，该像素包括
光传感器，该光传感器的电压-电流特性能够基于入射光的能量改变，该光传感器被配置为基于该电压-电流特性产生感测电流，
复位单元，其被配置为基于复位信号产生基准电流，以及
转换单元，其被配置为将感测电流转换为感测电压以及将基准电流转换为基准电压。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素进一步包括
传输单元，其被配置为基于置位信号将感测电流传递到所述转换单元。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述像素进一步包括
放大单元，其被配置为通过放大感测电压来产生感测信号以及通过放大基准电压来产生基准信号，以及
选择单元，其被配置为基于选择信号来输出感测信号和基准信号。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，进一步包括：
行驱动器，其被配置为向所述像素提供置位信号、复位信号、和选择信号；
光检测信号产生器，其被配置为基于感测信号和基准信号产生光检测信号；以及
模数转换器(ADC)，其被配置为将光检测信号转换为数字信号。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述光检测信号产生器包括
第二转换单元，其被配置为将感测信号转换为感测电压信号以及将基准信号转换为基准电压信号，
采样电路，其被配置为通过基于复位采样信号采样基准电压信号来产生基准输出信号以及通过基于置位采样信号采样感测电压信号来产生感测输出信号，以及
放大器，其被配置为通过放大基准输出信号与感测输出信号之间的差来产生光检测信号。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述光检测信号产生器进一步包括
锁存器，其被配置为锁存光检测信号。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述像素是多个像素，而且
所述多个像素中的至少两个像素共享所述复位单元、转换单元、放大单元、和选择单元中的至少一个。
8.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述像素进一步包括
选择单元，其被配置为基于选择信号输出感测电压作为感测信号以及输出基准电压作为基准信号。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，进一步包括：
行驱动器，其被配置为向所述像素提供置位信号、复位信号、和选择信号；
光检测信号产生器，其被配置为基于感测信号和基准信号产生光检测信号；以及
模数转换器(ADC)，其被配置为将光检测信号转换为数字信号。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述光检测信号产生器包括
采样电路，其被配置为通过基于复位采样信号采样基准信号来产生基准输出信号以及通过基于置位采样信号采样感测信号来产生感测输出信号，以及
放大器，其被配置为通过放大基准输出信号与感测输出信号之间的差来产生光检测信号。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述像素是多个像素，而且
所述多个像素中的至少两个像素共享所述复位单元和转换单元中的至少一个。
12.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述转换单元包括被配置为基于所述传输单元和复位单元中的至少一个的输出来切换的开关。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述转换单元包括被配置为基于偏置电压来切换的开关。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光传感器包括氧化物晶体管和氧化物二极管中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述氧化物晶体管和氧化物二极管中的至少一个包括ZnO和TiO2中的至少一个。
16.一种图像传感器，包括：
像素，该像素包括
光传感器，该光传感器的电压-电流特性能够基于入射光的能量改变，该光传感器被配置为基于该电压-电流特性产生感测电流，以及
选择单元，其被配置为基于选择信号来输出感测电流作为感测信号。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述像素进一步包括复位单元，其被配置为基于复位信号产生基准电流，而且
所述选择单元被配置为输出感测电流作为感测信号以及输出基准电流作为基准信号。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中所述像素进一步包括
传输单元，其被配置为基于置位信号将感测电流传递到所述选择单元。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，进一步包括：
行驱动器，其被配置为向所述像素提供置位信号、复位信号、和选择信号；
光检测信号产生器，其被配置为基于感测信号和基准信号产生光检测信号；以及
模数转换器(ADC)，其被配置为将光检测信号转换为数字信号。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中所述光检测信号产生器包括：
转换单元，其被配置为将感测信号转换为感测电压信号以及将基准信号转换为基准电压信号，
采样电路，其被配置为通过基于复位采样信号采样基准电压信号来产生基准输出信号以及通过基于置位采样信号采样感测电压信号来产生感测输出信号，以及
放大器，其被配置为通过放大基准输出信号与感测输出信号之间的差来产生光检测信号。
21.根据权利要求17所述的图像传感器，其中所述像素是多个像素，而且
所述多个像素中的至少两个像素共享所述复位单元和选择单元中的至少一个。
22.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述光传感器包括氧化物晶体管和氧化物二极管中的至少一个。
23.一种操作图像传感器的方法，包括：
基于入射到光传感器的光的能量在像素的光传感器中产生感测电流，该光传感器的电压-电流特性能够基于入射光的能量改变；以及
基于复位信号在该像素中产生基准电流。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
基于选择信号从所述像素输出感测电流和基准电流。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
基于感测电流和基准电流产生光检测信号；以及
将光检测信号转换为数字信号。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
将感测电流转换为感测电压，并将基准电流转换为基准电压；以及
基于选择信号从所述像素输出感测电压和基准电压。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
基于感测电压和基准电压产生光检测信号；以及
将光检测信号转换为数字信号。
28.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
将感测电流转换为感测电压，并将基准电流转换为基准电压；
通过放大感测电压来产生感测信号，并通过放大基准电压来产生基准信号；以及
基于选择信号从所述像素输出感测信号和基准信号。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
基于感测信号和基准信号产生光检测信号；以及
将光检测信号转换为数字信号。
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