CN102833495B - 高动态图像传感器的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态图像传感器的驱动方法。图像传感器的每个像素单元包括光电感应区、转移栅极以及浮动扩散区，其中转移栅极用于控制电荷由光电感应区转移到浮动扩散区，该驱动方法包括下述步骤：a.感应外部光线，以在光电感应区中累积电荷；b.在转移栅极上加载撇取电压，以使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低；c.继续感应外部光线，以在光电感应区中继续累积电荷；d.在转移栅极上加载与撇取电压相同的读取电压，以生成中间读出信号；e.在转移栅极加载开启电压以使得光电感应区中的电荷全部转移至浮动扩散区，并生成完全读出信号；f.基于中间读出信号与完全读出信号确定像素单元的输出信号。

Description

高动态图像传感器的驱动方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种高动态图像传感器的驱动方法。

背景技术

在图像传感器成像时，由于图像传感器中不同像素单元感应的光线强度不同，其所生成的图像具有亮区域与暗区域。范围从亮区域到暗区域的图像可被表现的亮度等级通常被称为图像的动态范围。图像传感器的动态范围越高，其所成像的图像能够表现的亮度等级就越高。

现有的图像传感器采用了许多方法来实现高动态范围。一种方法是采用具有电荷撇取操作的曝光时间控制方法来延伸动态范围：其在读取光电感应区中的感应电荷之前，会在图像传感器的转移晶体管或水平溢出晶体管上加载撇取电压，以将光电感应区中的一部分感应电荷转移出去，从而减少光电感应区中暂存的感应电荷量。这相当于增加了光电感应区存储电荷的能力。

然而，在采用这些方法的图像传感器中，由于制作工艺误差，每个像素单元中转移晶体管或水平溢出晶体管的特性可能具有差异。这导致不同像素单元所撇取的感应电荷量可能存在差异。这种差异会引入图像噪声，从而降低图像质量。

发明内容

因此，需要提供一种能够减少图像噪声的高动态图像传感器的驱动方法。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种高动态图像传感器的驱动方法。该图像传感器的每个像素单元包括光电感应区、转移栅极以及浮动扩散区，其中所述转移栅极用于控制电荷由所述光电感应区转移到所述浮动扩散区，所述驱动方法包括下述步骤：a.感应外部光线，以在所述光电感应区中累积电荷；b.在所述转移栅极上加载撇取电压，以使得所述转移栅极相对于所述光电感应区的势垒高度降低；c.继续感应外部光线，以在所述光电感应区中继续累积电荷；d.在所述转移栅极上加载与所述撇取电压相同的读取电压，以生成中间读出信号；e.在所述转移栅极加载开启电压以使得所述光电感应区中的电荷全部转移至所述浮动扩散区，并生成完全读出信号；f.基于所述中间读出信号与所述完全读出信号确定所述像素单元的输出信号。

对于上述方面的驱动方法，步骤b的撇取操作以及步骤d的读取操作会引入对应于像素单元转移特性的误差，并且由于步骤d中的读取电压与撇取电压相同，其所引入的误差可与步骤b中引入的误差相抵消，从而避免了由于不同像素单元转移特性差异所带来的图像噪声。

在一个实施例中，重复执行所述步骤b与c，以在所述转移栅极上依次加载多个使得所述势垒高度递增的撇取电压；以及所述步骤d进一步包括：在所述转移栅极上依次加载多个与所述多个撇取电压分别相等的读取电压，所述多个读取电压使得所述势垒的高度递减，并生成对应的多个中间读出信号。多次撇取操作可以进一步增强图像传感器光电感应区感应电荷的能力。

在一个实施例中，对应于所述步骤b中势垒高度递增的撇取电压，所述步骤c中累积电荷的时间递减。步骤c中累积电荷的时间越短，光电感应区所能够感应的光线强度越高，从而提高了图像传感器的动态范围。

在一个实施例中，所述步骤f包括：确定所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率；比较所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率；以所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率的最大值确定所述像素单元的输出信号。通过比较中间读出信号与全部读出信号的累积速率，可以使得图像传感器能够响应不同强度的外部光线所生成的感应电荷而相应动作。

在一个实施例中，所述步骤d还包括：在加载所述读取电压之前，复位所述浮动扩散区；所述步骤e还包括：在加载所述开启电压之前，复位所述浮动扩散区。

在一个实施例中，在所述步骤d之前，复位所述浮动扩散区。

本发明的以上特性及其他特性将在下文中的实施例部分进行明确地阐述。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，能够更容易地理解本发明的特征、目的和优点。其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。

图1a与图1b示出了一种图像传感器的像素单元结构；

图2示出了根据本发明一个实施例的高动态图像传感器的驱动方法100的流程；

图3示出了一种用于实现图2中驱动方法100的图像传感器驱动信号的时序图；

图4a至图4c示出了应用图3中驱动信号的像素单元中电荷转移情况；

图5示出了另一种用于实现图2中驱动方法100的图像传感器驱动信号的时序图；

图6示出了根据本发明另一实施例的高动态图像传感器的驱动方法200的流程；

图7示出了一种用于实现图6中驱动方法200的图像传感器驱动信号的时序图；

图8a至图8b示出了应用图7中驱动信号的像素单元中电荷转移情况。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

图1a与图1b示出了一种图像传感器的像素单元结构，其中图1a是该像素单元的电路示意图；图1b是该像素单元的结构示意图。

如图1a所示，该像素单元包括光电二极管11、转移晶体管12、复位晶体管13、源跟随晶体管14以及行选择晶体管15。其中，光电二极管11耦接于第一参考电位VSS(例如公共电压端或负向电源端)与转移晶体管12的源极之间，用于感应光强变化而在其中累积感应电荷。转移晶体管12的漏极与复位晶体管13的源极以及源跟随晶体管104的栅极相连，该转移晶体管12的栅极用于接收转移控制信号TX，在转移控制信号TX的控制下，转移晶体管12相应导通或关断，从而使得光电二极管11中感应电荷被读出到浮动扩散区。复位晶体管13的漏极连接到第二参考电位VDD(例如正向电源端)，其栅极用于接收复位控制信号RST，在该复位控制信号RST的控制下，复位晶体管13相应导通或关断，从而选择向源跟随晶体管14的栅极提供复位电压。在图1a中，由于复位晶体管13的漏极耦接到第二参考电位VDD，则该复位电压即等于第二参考电位VDD。源跟随晶体管14的漏极连接到第二参考电位VDD，其源极连接到行选择晶体管15的漏极，用于将转移晶体管12获得的电荷信号转换为电压信号。行选择晶体管15的源极与位线BL相连，其栅极用于接收列选择信号RS，在该行选择信号RS的控制下，行选择晶体管15相应打开或闭合，从而使得源跟随晶体管14的漏极被选择地耦接到位线BL，进而将源跟随晶体管14转换的信号由位线BL输出。

图1b示出了该像素单元一部分的结构。如图1b所示，该像素单元形成在衬底21中，该衬底21中具有相互分离的光电感应区22以及浮动扩散区23，其中光电感应区22与浮动扩散区23的导电类型相同，并且不同于衬底21的导电类型。衬底21与光电感应区22共同构成了光电二极管。

在光电感应区22与浮动扩散区23之间的衬底21上具有转移栅极24，其与光电感应区22、浮动扩散区23以及衬底21共同构成了转移晶体管。在图像传感器运行时，转移栅极24用于接收转移控制信号，并响应于该转移控制信号而在其下的衬底21表面形成导电沟道，从而控制电荷由光电感应区22转移到浮动扩散区23中。可以理解，转移控制信号的电压值不同，衬底21表面的导电沟道中载流子的浓度也不同，因而转移晶体管开启的幅度也不同。这样，可以通过改变转移控制信号的电压值来改变由光电感应区22转移到浮动扩散区23中的电荷的量。

需要说明的是，在实际应用中，该图像传感器还耦接到信号处理电路，该信号处理电路通常采用开关电容结构来获取图像传感器像素单元输出的信号，并对所获取的信号进行处理。例如，该信号处理电路可以采用相关双采样(Correlated Double Sample)方式来采样像素单元的复位电压以及电荷读出信号(该电荷读出信号与浮动扩散区中存储的电荷量相关)，并对该复位电压与图像信号的差进行放大。可以理解，该信号处理电路也可以采用其他适合信号采样及处理机制来获得反映浮动扩散区存储电荷变化的信号。

图2示出了根据本发明一个实施例的高动态图像传感器的驱动方法100的流程。该驱动方法可以用于驱动图1a及图1b所示的图像传感器。

如图2所示，该驱动方法100包括：执行步骤S102，感应外部光线，以在所述光电感应区中累积电荷；执行步骤S104，在所述转移栅极上加载撇取电压，以使得所述转移栅极相对于所述光电感应区的势垒高度降低；执行步骤S106，继续感应外部光线，以在所述光电感应区中继续累积电荷；执行步骤S108，在所述转移栅极上加载与所述撇取电压相同的读取电压，以生成中间读出信号；执行步骤S110，在所述转移栅极加载开启电压以使得所述光电感应区中的电荷全部转移至所述浮动扩散区，并生成完全读出信号；以及执行步骤S112，基于所述中间读出信号与所述完全读出信号确定所述像素单元的输出信号。

对于上述方面的驱动方法，步骤S 104的撇取操作以及步骤S108的读取操作均会引入对应于像素单元转移特性的误差，并且由于步骤S108中的读取电压与撇取电压相同，其所引入的误差可与步骤S104中引入的误差相抵消，从而避免了由于不同像素单元转移特性差异所带来的图像噪声。因而，采用该驱动方法得到得图像传感器的输出信号的质量显著提高。

图3示出了一种用于实现图2中驱动方法100的图像传感器驱动信号的时序图。图4a至图4c示出了在不同光线强度下，应用图3中驱动信号的像素单元中电荷转移情况；其中，图4a是在较高光线强度下的电荷转移情况，图4b是中等光线强度下的电荷转移情况，图4c是较低光线强度下的电荷转移情况。需要说明的是，这里所称的较强或较弱的光线强度与图像传感器感应光线的速率以及撇取电压的大小有关。

接下来，先参考图2、图3以及图4a，对本实施例的图像传感器的驱动方法进行详述。

如图3所示，首先，复位晶体管的栅极接收高电平的复位控制信号RST1，这使得复位晶体管导通，从而向源跟随晶体管的栅极提供复位电压。此时光电感应区暂未感光。

在复位晶体管加载复位控制信号RST1的同时，转移栅极上被加载转移控制信号TX1。该转移控制信号首先加载一个高电平的开启电压31，以使得浮动扩散区与光电感应区被复位，例如被复位到正向电源电位，以便于光电感应区累积电荷。

在复位控制信号处于高电平之后，图像传感器像素单元中的光电感应区开始感应外部光线，并在其中累积电荷Q₁。根据光线强度的不同，光电感应区中累积的电荷Q₁的量也不同。光强越高，光电感应区中所累积的电荷Q₁也越多。同时，累积于光电感应区中的电荷Q₁使得光电感应区的电势降低。

在累积电荷持续时间T₁之后，在转移栅极上加载撇取电压32，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该撇取电压32使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。在本文中，转移晶体管部分开启是指转移晶体管工作于可变电阻区，也即：转移晶体管的栅源电压高于其阈值电压，但该栅源电压又低于使得转移晶体管工作于饱和区的电压。这样，当转移栅极的电势高于光电感应区顶部的电势时，光电感应区中累积的电荷Q₁中的一部分经由转移栅极转移到浮动扩散区中。在这部分电荷转移之后，残留于光电感应区中的电荷Q₂使得光电感应区顶部的电势等于转移栅极的电势。

从光电感应区转移的电荷被浮动扩散区接收，并暂存在其中。然而，由于复位控制信号RST1仍保持使得复位晶体管导通的高电平，这使得浮动扩散区中暂存的电荷被抽走。可以看出，通过上述撇取操作，光电感应区中感应生成的电荷中的过量电荷，会被从该像素单元中撇取出去，从而等效于增加了光电感应区的存储空间。

需要说明的是，由于制造工艺误差，图像传感器中不同像素单元的器件特性，特别是转移晶体管的转移特性可能具有差别。例如，对于同一撇取电压，转移晶体管的开启程度不同，这使得不同像素单元所转移的过量电荷可能略有差别。也就是说，上述撇取操作具有于对应于各个像素单元的撇取误差。

在完成撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX1恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线持续时间T₂，从而在其中继续累积电荷，所累积的电荷增量示为Q₃。之后，复位控制信号变为低电平，这使得复位晶体管截止。

接着，在转移栅极上加载与撇取电压相同的读取电压33，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该读取电压33使得转移栅极的电势高于光电感应区顶部的电势，进而使得转移晶体管部分开启。由于读取电压33等于撇取电压，因而转移晶体管在该读取操作中的开启程度应与其在撇取操作中的开启程度相当。这样，光电感应区中在撇取操作之后继续累积的电荷增量Q₃经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

正如前述，不同像素单元的转移晶体管的转移特性不同。类似于撇取操作，转移晶体管转移特性的差异同样会使得读取操作中转移晶体管的开启程度不同。然而，对于每个像素单元而言，其中的转移晶体管在读取操作时的开启程度与其在撇取操作时的开启程度相当，这使得转移栅极相对于光电感应区底部的势垒高度与撇取操作结束时的势垒高度相等。因此，仅有在第二次感光过程中继续累积的电荷增量Q₃会被转移到浮动扩散区中。换言之，不同像素单元的读取误差恰好可以与其自身撇取操作的撇取误差相抵消，从而使得转移到浮动扩散区的电荷量不存在由于转移晶体管转移特性差异而带来的误差。

在读取操作之后，从光电感应区转移的电荷Q₃被接收并存储在浮动扩散区中。由于复位控制信号RST1是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷Q₃不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷Q₃被所耦接的采样单元所读出，并生成中间读出信号。可以理解，浮动扩散区中存储的电荷量Q₃不同，该中间读出信号的大小也不同。基于该中间读出信号和/或标识浮动扩散区未存储感应电荷时的复位电压，即可确定浮动扩散区中所转移的电荷量的大小。

最后，在转移栅极上加载高电平的开启电压34，该开启电压34使得转移晶体管工作于饱和区，并使得转移栅极的电势高于光电感应区未累积电荷时的电势(即光电感应区底部的电势)。光电感应区中累积的电荷被全部转移到浮动扩散区中。这样，浮动扩散区存储的电荷量为电荷增量Q₃与电荷Q₂的和，也即，除了被撇取的电荷Q₁的一部分电荷，在光电感应区中所感应的所有电荷均被存储到浮动扩散区。类似地，浮动扩散区中所存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成全部读出信号。

可以看出，在上述操作完成后，对于每个像素单元而言，可以得到反映其在第二次感光操作中累积的电荷增量Q₃的中间读出信号，以及反映除去被撇取电荷外的全部电荷量的全部读出信号。由于第二次感光操作的时间可以确定，因而每个像素单元累积电荷(即感应光线)的速率可以确定。每个像素单元累积电荷的速率即反映了在该像素单元所感应的光线的强度。累积电荷速率越高，光线强度越高。因此，基于该中间读出信号，即可确定图像传感器的输出信号。

在实际应用中，第二次感光的时间T₂可以根据应用需要的不同来设置。特别地，时间T₂可以取一个较小的时间值，以使得在此期间累积的电荷量不会占满光电感应区的存储空间。这使得像素单元能够感应较强光强的光线，从而使得图像传感器具有较高的动态范围。

当光线强度较弱时，光电感应区中累积的电荷量较低，这可能使得在加载撇取电压时，光电感应区的电势仍高于转移栅极的电势，因而撇取操作时不会有电荷从光电感应区撇出。在这种情况下，图像传感器输出信号的确定方式不同于前述光线强度较高时的处理。

接下来，结合图4b，对中等光强下图像传感器像素单元的响应情况进行说明。

如图4b所示，在复位控制信号处于高电平之后，图像传感器像素单元中的光电感应区开始感应外部光线，并在其中累积电荷Q₁。

之后，在转移栅极上加载撇取电压，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该撇取电压使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。然而由于所累积的电荷Q₁较少，因而撇取电压加载后，转移栅极的电势仍低于光电感应区顶部的电势时，光电感应区中累积的电荷Q₁不会经由转移栅极转移到浮动扩散区中，因而也就不存在由于撇取操作而引入的误差。

在完成撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX1恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线，从而在其中继续累积电荷，所累积的电荷增量示为Q₂。在两次累积电荷之后，光电感应区的电势继续下降，并下降到加载撇取电压对应的电势之下。之后，复位控制信号变为低电平，这使得复位晶体管截止。

接着，在转移栅极上加载与撇取电压相同的读取电压，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该读取电压使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。光电感应区中在撇取操作之后继续累积的电荷增量Q₂中的一部分电荷经由转移栅极转移到浮动扩散区中。由于转移晶体管转移特性存在差异，这会使得读取操作中转移晶体管的开启程度不同。这样，该读取操作会使得转移电荷引入转移特性差异。

在读取操作之后，从光电感应区转移的电荷增量Q₂的一部分被接收并存储在浮动扩散区中。由于复位控制信号RST1是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成中间读出信号。可以理解，浮动扩散区中存储的电荷量不同，该中间读出信号的大小也不同。基于该中间读出信号和/或复位电压，即可确定浮动扩散区中所转移的电荷量的大小。

最后，在转移栅极上加载高电平的开启电压，该开启电压使得转移晶体管工作于饱和区，并使得转移栅极的电势高于光电感应区未累积电荷时的电势。这样，光电感应区中累积的电荷被全部转移到浮动扩散区中。这样，电荷增量Q₂的另一部分以及第一次感光操作时生成的电荷Q₁被转移并存储到浮动扩散区，从而使得浮动扩散区存储的电荷量为电荷Q₁与电荷Q₂的和，也即，除了被撇取的电荷Q₁的一部分电荷，在光电感应区中所感应的所有电荷均被存储到浮动扩散区。类似地，浮动扩散区中所存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成全部读出信号。此外，由于电荷增量Q₂被全部转移且没有因撇取而损失，因而不同转移晶体管的转移特性差异被消除。

可以看出，在上述操作完成后，对于每个像素单元而言，可以得到反映其在两次感光操作中累积的电荷量Q₁与Q₂和的全部读出信号。由于两次感光操作的时间可以确定，因而每个像素单元累积电荷(即感应光线)的速率可以确定。因此，基于该全部读出信号，即可确定图像传感器的输出信号。

最后，结合图4c，对较弱光强下图像传感器像素单元的响应情况进行说明。

如图4c所示，在复位控制信号处于高电平之后，图像传感器像素单元中的光电感应区开始感应外部光线，并在其中累积电荷Q₁。

之后，在转移栅极上加载撇取电压，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该撇取电压使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。然而由于所累积的电荷Q₁较少，因而撇取电压加载后，转移栅极的电势仍低于光电感应区的电势时，光电感应区中累积的电荷Q₁不会经由转移栅极转移到浮动扩散区中，因而也就不存在由于撇取操作而引入的误差。

在完成撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX1恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线，从而在其中继续累积电荷，所累积的电荷增量示为Q₂。在两次累积电荷之后，光电感应区的电势继续下降，但仍未下降到加载撇取电压对应的电势之下。之后，复位控制信号变为低电平，这使得复位晶体管截止。

接着，在转移栅极上加载与撇取电压相同的读取电压，即转移栅极上加载的转移控制信号TX1变为较高电平。该读取电压使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。光电感应区中感应的电荷未能经转移栅极转移到浮动扩散区中。同样地，该读取操作也不会使得转移电荷引入转移特性差异。读出操作所得到的中间读出信号反映出所转移的电荷为零。

最后，在转移栅极上加载高电平的开启电压，该开启电压使得转移晶体管工作于饱和区，并使得转移栅极的电势高于光电感应区未累积电荷时的电势。这样，光电感应区中累积的全部电荷，包括电荷Q₁以及电荷增量Q₂被全部转移到浮动扩散区中。浮动扩散区中所存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成全部读出信号。

可以看出，在上述操作完成后，对于每个像素单元而言，可以得到反映其在两次感光操作中累积的电荷量Q₁与Q₂和的全部读出信号。由于两次感光操作的时间可以确定，因而每个像素单元累积电荷(即感应光线)的速率可以确定。因此，基于该全部读出信号，即可确定图像传感器的输出信号。

从前述关于图像传感器的运行说明可以看出，在光线强度较低时，光电感应区累积电荷的速率较低，因而撇取操作可能不足以使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低到允许电荷转移到浮动扩散区。因而在后续读取操作时，中间读出信号仅能够反映继续感光时电荷增量的一部分，而以该中间读出信号确定的电荷累积速率会低于光电感应区的实际累积速率。在此情况下，由于撇取操作实质上并不会撇取电荷，全部读出信号仍能够准确反映光电感应区累积电荷的情况，因此，以全部读出信号确定的电荷累积速率等于光电感应区的实际累积速率。综上，为了处理不同光照强度下图像传感器的响应情况，可以通过下述步骤确定图像传感器各个像素单元的输出信号：确定中间读出信号与全部读出信号的累积速率；比较中间读出信号与全部读出信号的累积速率；以中间读出信号与全部读出信号的累积速率的最大值确定像素单元的输出信号。

图5示出了另一种用于实现图2中驱动方法100的图像传感器驱动信号的时序图。

如图5所示，转移栅极加载的转移控制信号TX2的时序与图3所示的转移控制信号TX1的时序相同，但复位晶体管加载的复位控制信号RST2的时序则不同于图3所示的复位控制信号RST1。具体地，在转移栅极加载读取电压52之后并且在加载开启电压53之前，复位控制信号RST2会具有一个高电平脉冲51，该高电平脉冲51使得复位晶体管导通，即浮动扩散区被复位，从而将读取操作中转移到浮动扩散区中的电荷抽走。这样，当开启电压53被加载到转移栅极上时，浮动扩散区仅会存储读取操作之后仍保留在光电感应区中的电荷，因而全部电荷信号不反映两次累积过程中累积的电荷值，而是全部电荷信号与中间读出信号共同反映两次累积过程中累积的全部电荷值。因此，仍可基于全部电荷信号与中间读出信号共同确定全部电荷的累积速率。

在一些情况下，特别是外部光线在不同方向上的强度差异明显时，图像传感器某些像素单元感应的光线强度很低，但是另一些像素单元感应的光线很高。为了提高图像传感器整体的动态响应，需要延长图像传感器的感光时间，以使得感应低光强方向的像素单元仍能够累积足够数量的电荷。同时，为了避免高光强方向的像素单元因感应时间过长而无法区别光强等级，可以对该像素单元进行多次撇取操作，以在每次撇取操作时从光电感应区转移出电荷，从而等效地提高光电感应区的电荷的存储能力。相应地，需要进行多次对应的读取操作，并生成对应于所转移电荷的中间读出信号。

接下来，对采用多次撇取及读取操作的图像传感器驱动方法进行说明。图6示出了根据本发明另一实施例的图像传感器的驱动方法200，其中进行了两次撇取操作以及读取操作。本领域技术人员可以理解，根据实施例的不同，该驱动方法也可以包括更多次的撇取和读取操作。

如图6所示，该驱动方法200包括：执行步骤S202，感应外部光线，以在所述光电感应区中累积电荷；执行步骤S204，在所述转移栅极上加载第一撇取电压，以使得所述转移栅极相对于所述光电感应区的势垒高度降低；执行步骤S206，继续感应外部光线，以在所述光电感应区中继续累积电荷；执行步骤S208，在所述转移栅极上加载第二撇取电压，以使得所述转移栅极相对于所述光电感应区的势垒高度降低，但高于加载第一撇取电压时转移栅极相对于光电感应区的势垒高度；执行步骤S210，继续感应外部光线，以在所述光电感应区中继续累积电荷；执行步骤S212，在所述转移栅极上加载与所述第二撇取电压相同的第一读取电压，以生成第一中间信号；执行步骤S214，在所述转移栅极上加载与所述第一撇取电压相同的第二读取电压，以生成第二中间读出信号；执行步骤S216，在所述转移栅极加载开启电压以使得所述光电感应区中的电荷全部转移至所述浮动扩散区，并生成完全读出信号；以及执行步骤S218，基于所述第一中间读出信号、第二中间读出信号以及所述完全读出信号确定所述像素单元的输出信号。

在一些例子中，对应于步骤S204以及S208中势垒高度增加的撇取电压，步骤S206以及步骤S210中光电感应区累积电荷的时间递减。步骤S206与S210中累积电荷的时间越短，光电感应区所能够感应的光线强度越高，从而提高了图像传感器的动态范围。

图7示出了一种用于实现图6中驱动方法200的图像传感器驱动信号的时序图。图8a至图8b示出了在不同光线强度下，应用图7中驱动信号的像素单元中电荷转移情况；其中，图8a是在较高光线强度下的电荷转移情况，图8b是在较低光线强度下的电荷转移情况。

接下来，先参考图6、图7以及图8a，对本实施例的图像传感器的驱动方法进行详述。

如图7所示，首先，复位晶体管的栅极接收高电平的复位控制信号RST3，这使得复位晶体管导通，从而向源跟随晶体管的栅极提供复位电压。此时光电感应区暂未感光。

在复位晶体管加载复位控制信号RST3的同时，转移栅极上被加载转移控制信号TX3。该转移控制信号首先加载一个高电平的开启电压71，以使得浮动扩散区被复位为初始电位，即未存储有感应电荷的电位。

在复位控制信号处于高电平之后，图像传感器像素单元中的光电感应区开始感应外部光线，并在其中累积电荷Q₁。累积于光电感应区中的电荷Q₁使得光电感应区的电势降低。

在累积电荷持续时间T₁之后，在转移栅极上加载第一撇取电压72，即转移栅极上加载的转移控制信号TX3变为较高电平。该第一撇取电压72使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。这样，光电感应区中累积的电荷Q₁中的一部分经由转移栅极转移到浮动扩散区中。在这部分电荷转移之后，残留于光电感应区中的电荷Q₂使得光电感应区的电势等于转移栅极的电势。

从光电感应区转移的电荷被浮动扩散区接收，并暂存在其中。然而，由于复位控制信号RST3仍保持使得复位晶体管导通的高电平，这使得浮动扩散区中暂存的电荷被抽走。可以看出，通过上述第一次撇取操作，光电感应区中感应生成的电荷中的过量电荷，会被从该像素单元中撇取出去，从而等效于增加了光电感应区的存储空间。

在完成第一次撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX3恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线持续时间T₂，从而在其中继续累积电荷，所累积的第一电荷增量示为Q₃。之后，复位控制信号变为低电平，这使得复位晶体管截止。

接着，在转移栅极上加载第二撇取电压73，即转移栅极上加载的转移控制信号TX变为较高电平。该第二撇取电压73使得转移栅极相对于光电感应区底部的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。其中，该第二撇取电压73高于第一撇取电压72。这样，光电感应区中累积的第一电荷增量Q₃中的一部分经由转移栅极转移到浮动扩散区中。在这部分电荷转移之后，残留于光电感应区中的电荷Q₂以及第一电荷增量的剩余部分Q₄使得光电感应区的电势等于转移栅极的电势。

从光电感应区转移的电荷被浮动扩散区接收，并暂存在其中。然而，由于复位控制信号RST3仍保持使得复位晶体管导通的高电平，这使得浮动扩散区中暂存的电荷被抽走。可以看出，通过上述第二次撇取操作，光电感应区中感应生成的电荷中的过量电荷，会被从该像素单元中撇取出去，从而等效于继续增加了光电感应区的存储空间。

在完成第二次撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX3恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线持续时间T3，从而在其中继续累积电荷，所累积的第二电荷增量示为Q₅。之后，复位控制信号变为低电平，这使得复位晶体管截止。其中，时间T3短于时间T2。

接着，对该像素单元进行第一次读取操作。具体地，在转移栅极上加载与第二撇取电压相同的第一读取电压74，即转移栅极上加载的转移控制信号TX变为较高电平。该第一读取电压74使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。其由于第一读取电压74等于第二撇取电压73，因而转移晶体管在该读取操作中的开启程度应与其在第二次撇取操作中的开启程度相当。光电感应区中在第二次撇取操作之后继续累积的第二电荷增量Q₅经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

在第一次读取操作之后，从光电感应区转移的电荷Q₅被接收并存储在浮动扩散区中。由于复位控制信号RST3是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷Q₅不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷Q₅被所耦接的采样单元所读出，并生成第一中间读出信号。

对于每个像素单元而言，其中的转移晶体管在第一次读取操作时的开启程度与其在第二次撇取操作时的开启程度相当，这使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度与第二次撇取操作结束时的势垒高度相等。因此，仅有在第三次感光过程中继续累积的电荷增量Q₅会被转移到浮动扩散区中。换言之，不同像素单元的第一次读取操作的读取误差恰好可以与其自身第二次撇取操作的撇取误差相抵消，从而使得转移到浮动扩散区的电荷量不存在由于转移晶体管转移特性差异而带来的误差。

再然后，对该像素单元进行第二次读取操作。具体地，在转移栅极上加载与第一撇取电压相同的第二读取电压75，即转移栅极上加载的转移控制信号TX变为较高电平。该第二读取电压75使得转移栅极相对于光电感应区底部的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。其由于第二读取电压75等于第一撇取电压72，因而转移晶体管在该第二次读取操作中的开启程度应与其在第一次撇取操作中的开启程度相当。光电感应区中在第一次撇取操作之后累积的第一电荷增量的一部分Q₄经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

在第二次读取操作之后，从光电感应区转移的第一电荷增量Q₄被接收并存储在浮动扩散区中。由于复位控制信号RST是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷Q₃不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷Q₃被所耦接的采样单元所读出，并生成第二中间读出信号。

最后，在转移栅极上加载高电平的开启电压，该开启电压使得转移晶体管工作于饱和区，并使得转移栅极的电势高于光电感应区未累积电荷时的电势。这样，光电感应区中累积的电荷被全部转移到浮动扩散区中。这样，浮动扩散区存储的电荷量为电荷Q₅、电荷Q₄以及Q₂的和。类似地，浮动扩散区中所存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成全部读出信号。

可以看出，在上述操作完成后，对于每个像素单元而言，可以得到反映其在第三次感光操作中累积的电荷增量Q₅的第一中间读出信号，反映其在第二次感光操作中累积的电荷增量Q₄的第一中间读出信号，以及反映除去被撇取电荷外的全部电荷量的全部读出信号。由于这几次感光操作的时间可以确定，即T1、T2以及T3，因而每个像素单元累积电荷(即感应光线)的速率可以确定。每个像素单元累积电荷的速率即反映了在该像素单元所感应的光线的强度。累积电荷速率越高，光线强度越高。因此，基于该第一中间读出信号或第二中间读出信号，即可确定图像传感器的输出信号。

当光线强度较弱时，光电感应区中累积的电荷量较低，这可能使得在加载撇取电压时，光电感应区的电势仍高于撇取电压的势垒高度，即撇取操作中不会有电荷从光电感应区撇出。因而图像传感器输出电压的确定方式与前述光线强度较高时的处理有所不同。

接下来，结合图8b，对较低光强下图像传感器像素单元的响应情况进行说明。

如图8b所示，在复位控制信号处于高电平之后，图像传感器像素单元中的光电感应区开始感应外部光线，并在其中累积电荷Q₁。

之后，在转移栅极上加载第一撇取电压72，即转移栅极上加载的转移控制信号TX3变为较高电平。该第一撇取电压72使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。然而由于所累积的电荷Q₁较少，因而第一撇取电压72加载后，转移栅极仍低于光电感应区的电势时，也即转移栅极的电势仍低于光电感应区的电势时，光电感应区中累积的电荷Q₁不会经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

在完成第一次撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX3恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线，从而在其中继续累积电荷，所累积的第一电荷增量示为Q₂。

接着，在转移栅极上加载第二撇取电压73，即转移栅极上加载的转移控制信号TX3变为较高电平。该第二撇取电压73使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。然而由于所累积的电荷Q₁以及Q₂较少，因而第二撇取电压73加载后，转移栅极的电势仍低于光电感应区的电势时，光电感应区中累积的电荷不会经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

在完成第二次撇取操作后，转移栅极的转移控制信号TX3恢复为低电平，转移晶体管截止。光电感应区继续感应光线，从而在其中继续累积电荷，所累积的第二电荷增量示为Q₃。

接着，对该像素单元进行第一次读取操作。具体地，在转移栅极上加载与第二撇取电压73相同的第一读取电压74，即转移栅极上加载的转移控制信号TX3变为较高电平。该第一读取电压74使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低，进而使得转移晶体管部分开启。光电感应区中在第二撇取操作之后继续累积的第二电荷增量Q₃中的一部分电荷经由转移栅极转移到浮动扩散区中。

在第一次读取操作之后，从光电感应区转移的第二电荷增量Q₃的一部分被接收并存储在浮动扩散区中。由于复位控制信号RST3是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成第一中间读出信号。

再然后，对该像素单元进行第二次读取操作。具体地，在转移栅极上加载与第一撇取电压72相同的第二读取电压75，即转移栅极上加载的转移控制信号TX3变为较高电平。该第二读取电压75使得转移栅极低于光电感应区的电势，进而使得转移晶体管部分开启。光电感应区中在第一次撇取操作之后继续累积的第一电荷增量Q₃中的一部分电荷、以及第一次读取操作之后残留在光电感应区中的第二电荷增量Q₂的剩余部分经由转移栅极转移到浮动扩散区中。由于复位控制信号RST3是使得复位晶体管截止的低电平，浮动扩散区中存储的电荷不会经由复位晶体管抽走。这样，浮动扩散区中存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成第二中间读出信号。

最后，在转移栅极上加载高电平的开启电压76，该开启电压76使得转移晶体管工作于饱和区，并使得转移栅极的电势高于光电感应区未累积电荷时的电势。这样，光电感应区中累积的电荷被全部转移到浮动扩散区中。这样，第一电荷增量Q₂的剩余部分以及第一次感光操作时生成的电荷Q₁被转移并存储到浮动扩散区，从而使得在光电感应区中所感应的所有电荷均被存储到浮动扩散区，也即浮动扩散区存储的电荷量为电荷Q₁、电荷Q₂以及电荷Q₃的和。类似地，浮动扩散区中所存储的电荷被所耦接的采样单元所读出，并生成全部读出信号。此外，由于电荷增量Q₂的电荷被全部转移且没有损失，因而不同转移晶体管的转移特性差异被消除。

可以看出，在上述操作完成后，对于每个像素单元而言，可以得到反映其在三次感光操作中累积的电荷量Q₁、Q₂以及Q₃的和的全部读出信号。由于三次感光操作的总时间可以确定，因而每个像素单元累积电荷(即感应光线)的速率可以确定。因此，基于该全部读出信号，即可确定图像传感器的输出信号。

可以理解，在较弱光线强度下图像传感器的响应情况可以参考图4c以及图8a至8b的说明，在此不再赘述。此外，从前述关于图像传感器的运行说明可以看出，在光线强度较低时，光电感应区累积电荷的速率较低，因而撇取操作可能不足以使得转移栅极相对于光电感应区的势垒高度降低到允许电荷转移到浮动扩散区。因而在后续读取操作时，中间读出信号仅能够反映继续累积电荷的一部分的值，而以该中间读出信号确定的电荷累积速率会低于光电感应区的实际累积速率。在此情况下，撇取操作实质上并不会撇取电荷，全部读出信号仍能够准确反映光电感应区累积电荷的情况，因此，以全部读出信号确定的电荷累积速率等于光电感应区的实际累积速率。综上，为了处理不同光照强度下图像传感器的响应情况，可以通过下述步骤确定图像传感器各个像素单元的输出信号：确定多个中间读出信号与全部读出信号的累积速率；比较多个中间读出信号与全部读出信号的累积速率；以多个中间读出信号与全部读出信号的累积速率的最大值确定像素单元的输出信号。

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本发明，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所上述实施方式。

Claims (6)

1.一种高动态图像传感器的驱动方法，所述图像传感器的每个像素单元包括光电感应区、转移栅极以及浮动扩散区，其中所述转移栅极用于控制电荷由所述光电感应区转移到所述浮动扩散区，其特征在于，所述驱动方法包括下述步骤：

a.感应外部光线，以在所述光电感应区中累积电荷；

b.在所述转移栅极上加载撇取电压，以使得所述转移栅极相对于所述光电感应区的势垒高度降低；

c.继续感应外部光线，以在所述光电感应区中继续累积电荷；

d.在所述转移栅极上加载与所述撇取电压相同的读取电压，以生成中间读出信号；

e.在所述转移栅极加载开启电压以使得所述光电感应区中的电荷全部转移至所述浮动扩散区，并生成完全读出信号；

f.基于所述中间读出信号与所述完全读出信号确定所述像素单元的输出信号。

2.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，

重复执行所述步骤b与c，以在所述转移栅极上依次加载多个使得所述势垒高度递增的撇取电压；以及

所述步骤d进一步包括：在所述转移栅极上依次加载多个与所述多个撇取电压分别相等的读取电压，所述多个读取电压使得所述势垒的高度递减，并生成对应的多个中间读出信号。

3.根据权利要求2所述的驱动方法，其特征在于，对应于所述步骤b中势垒高度递增的撇取电压，所述步骤c中累积电荷的时间递减。

4.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述步骤f包括：

确定所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率；

比较所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率；

以所述中间读出信号与所述全部读出信号的累积速率的最大值确定所述像素单元的输出信号。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动方法，其特征在于，

所述步骤d还包括：在加载所述读取电压之前，复位所述浮动扩散区；

所述步骤e还包括：在加载所述开启电压之前，复位所述浮动扩散区。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动方法，其特征在于，

在所述步骤d之前，复位所述浮动扩散区。