CN104023183A - 具有多个放大器晶体管的高动态范围像素 - Google Patents

具有多个放大器晶体管的高动态范围像素 Download PDF

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CN104023183A CN201310511423.5A CN201310511423A CN104023183A CN 104023183 A CN104023183 A CN 104023183A CN 201310511423 A CN201310511423 A CN 201310511423A CN 104023183 A CN104023183 A CN 104023183A
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Abstract

本发明涉及具有多个放大器晶体管的高动态范围像素。本发明揭示一种供在高动态范围图像传感器中使用的像素单元，其包含光电二极管，所述光电二极管安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷。传送晶体管安置于所述半导体材料中且耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间。第一放大器晶体管安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子。第二放大器晶体管安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子。

Description

具有多个放大器晶体管的高动态范围像素
技术领域
本发明一般来说涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
背景技术
图像捕获装置包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换成电信号。电信号从图像捕获装置输出到主机电子系统的其它组件。举例来说，电子系统可为移动电话、计算机、数码相机或医疗装置。
随着像素单元变得更小，对图像传感器在大范围的光照条件(从低光条件变化到亮光条件)内执行的要求变得更难以实现。此性能能力通常称为具有高动态范围成像(HDRI或替代地，仅HDR)。在常规图像捕获装置中，像素单元需要多次连续曝光以实现HDR。
图1是展示四晶体管(“4T”)像素单元100的电路图。如所展示，像素单元100包含光敏元件110、传送晶体管120、复位晶体管130、浮动扩散部(“FD”)180、源极随耦器(“SF”)晶体管140、行选择晶体管150、双重转换增益晶体管160及电容器165。
在像素单元100的操作期间，传送晶体管120接收传送信号TX，传送信号TX将在光敏元件110中积累的电荷传送到浮动扩散部FD180。复位晶体管130耦合于电力供应器VDD与浮动扩散部FD180之间以在复位信号RST的控制下对像素单元进行复位(例如，将浮动扩散部FD180及/或光敏元件110放电或充电到预设定电压)。FD180还经耦合以控制SF晶体管140的栅极。SF晶体管140耦合于电力供应器VDD与行选择晶体管150之间。SF晶体管140操作为提供到浮动扩散部FD180的高阻抗连接的源极随耦器。在选择信号SEL的控制下，行选择晶体管150将像素单元的输出选择性地提供到读出列线或位线170。
电容器165及双重转换增益晶体管160串联耦合于电力供应器VDD与浮动扩散部FD180之间，其中双重转换增益晶体管160耦合到FD180且电容器165耦合到电力供应器VDD。电容器165的电容可通过断言双重转换增益信号DCG而添加到FD180，借此减少像素单元100的转换增益。
光敏元件110及FD180通过暂时地断言复位信号RST及传送信号TX而复位。图像积累窗(例如，曝光周期)通过将传送信号TX解除断言且准许入射光在光敏元件110中光生电子而开始。随着光生电子在光敏元件110中积累，光敏元件110上的电压减少。光敏元件110上的电压或电荷指示在曝光周期期间入射于光敏元件110上的光的强度。在曝光周期结束时，复位信号RST被解除断言以隔离FD180且传送信号TX经断言以允许光敏元件110与FD180及因此SF晶体管140的栅极之间的电荷交换。电荷传送致使FD180的电压改变与在曝光周期期间在光敏元件110上积累的光生电子成比例的量。此第二电压使SF晶体管140偏置，此与正断言的选择信号SEL组合地将来自行选择晶体管150的信号驱动到位线170。接着，经由位线170从像素单元100读出数据作为模拟信号。
通过在连续图像捕获之间改变像素单元100的转换增益，所产生图像的HDR可增加。然而，此将增加捕获及读出一个HDR图像所需的时间量且影响图像捕获装置的性能。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种供在高动态范围图像传感器中使用的像素单元，该像素单元包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷；传送晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述传送晶体管耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间；第一放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子；及第二放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子。
本发明的另一方面涉及一种高动态范围成像系统，该高动态范围成像系统包括：像素阵列，其具有多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷；传送晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述传送晶体管耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间；第一放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子；及第二放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元中的每一者读出所述第一输出信号及所述第二输出信号。
本发明的又一方面涉及一种用于从像素单元产生图像数据的方法，该方法包括：响应于入射于光电二极管上的光而在所述光电二极管中光生电荷；经由传送晶体管在所述光电二极管与浮动扩散部之间传送所述电荷；借助具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子的第一放大器晶体管响应于所述浮动扩散部处的所述电荷而产生第一输出信号，其中在所述第一放大器晶体管的源极端子处产生所述第一输出信号；及借助具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子的第二放大器晶体管响应于所述浮动扩散部处的所述电荷而产生第二输出信号，其中在所述第二放大器晶体管的源极端子处产生所述第二输出信号。
附图说明
参考以下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另外规定，否则遍及各个视图相同元件符号指代相同部件。
图1是展示常规四晶体管(“4T”)像素单元的电路图。
图2是展示根据本发明的教示的具有多个放大器晶体管的像素单元的电路的电路图。
图3是图解说明根据本发明的教示的在一光照条件范围内的来自多个放大器晶体管的输出信号的实例与实例性放大信号之间的实例性关系的图式。
图4是图解说明根据本发明的教示的实例性成像系统的框图。
图5A是展示根据本发明的教示的像素单元布置的一个实例的图式。
图5B是展示根据本发明的教示的像素单元布置的另一实例的图式。
遍及图式的数个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为了有助于改进对本发明的各种实施例的理解，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件扩大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
具体实施方式
在以下说明中，陈述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，无需采用所述特定细节来实践本发明。在其它例子中，为避免使本发明模糊，未详细描述众所周知的材料或方法。
遍及本说明书对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意指连同所述实施例或实例一起描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，遍及本说明书的各个地方中的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”的出现未必全部指代同一实施例或实例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合组合及/或子组合方式组合于一个或一个以上实施例或实例中。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所要功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的图是出于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必按比例绘制。
根据本发明的教示的实例描述一种包含多个放大器晶体管的供在高动态范围(HDR)图像传感器中使用的图像传感器像素单元。在各种实例中，放大器晶体管经耦合以作为具有不同阈值电压及增益特性的源极随耦器。在所述实例中，放大器晶体管经配置为双源极随耦器，且来自像素单元的每一放大器晶体管的输出信号为像素单元的输出放大信号的分量。双源极随耦器晶体管的操作可基于转变为对应于在像素单元的光电二极管中积累的电荷量的电压电平的浮动扩散节点。每一源极随耦器晶体管耦合到其相应读出列线及读出电路。在一个实例中，具有包括具有此架构的多个像素单元的像素阵列的图像传感器系统每像素单元列包含两个读出列线。
在一个实例中，在较高光强度条件下，浮动扩散节点处的电压电平为低的，这是因为在这些条件下，与在较低光强度条件下相比，由入射光产生的更多光生电子被传送到浮动扩散节点。在此些条件下，具有较低阈值电压的源极随耦器晶体管将为作用的。在较低光强度条件下，浮动扩散节点处的电压电平将为高的，这是因为在这些条件下，与在较高光强度条件下相比，由入射光产生的更少光生电子被传送到浮动扩散节点。在此些条件下，具有高阈值电压的源极随耦器晶体管及具有低阈值电压的源极随耦器晶体管两者均为作用的。
为了图解说明，图2是展示根据本发明的教示的具有多个放大器晶体管240A及240B的像素单元200的电路的一个实例的电路图。如所描绘的实例中所展示，放大器晶体管240A及240B配置为源极随耦器。在图2中所展示的实例中，像素单元200经布置以将来自晶体管240A及240B的两个输出信号提供到两个读出列信号线270A及270B。在所述实例中，像素单元200包含安置于半导体材料中的展示为光电二极管210的光敏元件、传送晶体管220、复位晶体管230、浮动扩散部FD280、第一放大器晶体管240A、第二放大器晶体管240B、第一行选择晶体管250A及第二行选择晶体管250B。在其它实例中，应了解，像素单元200可包含多种替代像素单元架构，所述替代像素单元架构包含以类似于根据本发明的教示的第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B的配置的配置耦合到浮动扩散部FD280的两个放大器晶体管。
在像素单元200的操作期间，电荷响应于入射于光电二极管210上的光而在光电二极管210中积累。在一个实例中，响应于入射光而在光电二极管210中积累的电荷的类型包含电子。传送晶体管220可接收传送信号TX，传送信号TX将在光电二极管210中积累的电荷传送到浮动扩散部FD280。复位晶体管230可耦合于电力供应器VDD与浮动扩散部FD280之间以在复位信号RST的控制下对像素单元200进行复位(例如，将浮动扩散部FD280及/或光电二极管210放电或充电到预设定电压)。
如所描绘的实例中所展示，浮动扩散部FD280经耦合以控制第一放大器晶体管240A的栅极。第一放大器晶体管240A可耦合于电力供应器VDD与第一行选择晶体管250A之间。第一放大器晶体管240A可操作为提供到浮动扩散部FD280的高阻抗连接的源极随耦器且以第一增益放大浮动扩散部FD280处的电压。第二放大器晶体管240B可耦合于电力供应器VDD与第二行选择晶体管250B之间。第二放大器晶体管240B可操作为提供到浮动扩散部FD280的高阻抗连接的源极随耦器且以第二增益放大浮动扩散部FD280处的电压。在一个实例中，根据本发明的教示，第一放大器晶体管240A的第一增益不同于第二放大器晶体管240B的第二增益。
在一个实例中，第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B各自从其相应源极端子提供相应输出信号。在一个实例中，由第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B产生的输出信号可为表示入射于光电二极管210上的光的强度的放大信号的分量信号。如图2中所描绘的实例中所展示，第一行选择晶体管250A可在选择信号RS_H的控制下将来自第一放大器晶体管240A的源极端子的输出信号选择性地提供到读出列线BL_H270A。类似地，如所描绘的实例中所展示，第二行选择晶体管250B可在选择信号RS_L的控制下将来自第二放大器晶体管240B的源极端子的输出信号选择性地提供到读出列线BL_L270B。在另一实例中，像素单元200不包含任何行选择晶体管250A及250B，使得来自第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B中的每一者的输出信号直接连接到其相应第一读出列线270A及第二读出列线270B。
往回参考所图解说明的实例，光电二极管210及浮动扩散部FD280可通过暂时地断言复位晶体管230上的复位信号RST及传送晶体管220上的传送信号TX而复位。在一个实例中，光电二极管210及浮动扩散部FD280在使用像素单元200采集图像数据之前复位。在复位周期结束时，可将复位信号RST及传送信号TX解除断言。图像积累窗(例如，曝光周期)可接着通过准许入射光在光电二极管210中光生电荷而开始。在一个实例中，随着光生电子在光电二极管210上积累，光电二极管210上的电压从复位电压减少。光电二极管210上的电压或电荷可表示在曝光周期期间入射于光电二极管210上的光的强度。
在曝光周期之后，可接着断言传送信号TX以允许光电二极管210与浮动扩散部FD280之间及因此到第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B两者的相应栅极的电荷交换。光电二极管210与浮动扩散部FD280之间的电荷传送致使浮动扩散部FD280的电压改变表示在曝光周期期间在光电二极管210上积累的光生电子的量。如图2中所描绘的实例中所展示，根据本发明的教示，浮动扩散部FD280处的电压耦合到第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B的栅极端子，其中浮动扩散部FD280处的电压接着由第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B放大。
在一个实例中，第一行选择晶体管250A响应于第一行选择信号RS_H而将来自第一放大器晶体管240A的输出信号选择性地耦合到第一读出列线BL_H270A，且第二行选择晶体管250B响应于第二行选择信号RS_L而将来自第二放大器晶体管240B的输出信号选择性地耦合到第二读出列线BL_L270B。因此，应注意，根据本发明的教示，图2的实例性像素200针对单个光电二极管210包含两个读出列线270A及270B。
在一个实例中，第一放大器晶体管240A具有第一阈值电压且第二放大器晶体管240B具有第二阈值电压。在所述实例中，第一与第二阈值电压为不同的。因此，在所述实例中，根据本发明的教示，第一与第二放大器晶体管具有不同增益特性，使得第一放大器晶体管240A与第二放大器晶体管240B具有不同的对入射于光电二极管210上的光的强度的敏感度。
在一个实例中，第一放大器晶体管240A具有比第二放大器晶体管240B低的阈值电压。如下文及图3中将更详细地论述，在较高光强度条件下，浮动扩散FD节点280处的电压电平将由于作为较高强度入射光的结果在光电二极管210中光生的电子的积累而为低的。因此，在此些较高光强度条件中，浮动扩散FD节点280处的电压电平将致使第一放大器晶体管240A在第二放大器晶体管240B实质上关断时保持实质上接通。然而，在较低光强度条件下，浮动扩散FD节点280处的电压电平将较高，这是因为在这些条件下，与在较高光强度条件下相比，较少光生电子被传送到浮动扩散FD节点280。在此些较低光强度条件中，浮动扩散FD节点280处的电压电平将致使具有较低阈值电压的第一放大器晶体管240A及具有较高阈值电压的第二源极随耦器晶体管240b两者保持实质上接通。
在一个实例中，可通过使半导体材料中的沟道区域中的掺杂浓度及/或掺杂剂类型在其相应多晶硅栅极下相应地变化而获得第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B的不同阈值电压。因此，在此实例中，第一放大器晶体管240A的沟道区域中的掺杂浓度不同于第二放大器晶体管240B的沟道区域中的掺杂浓度。在一个实例中，可通过用p型掺杂剂掺杂第二放大器晶体管240B的沟道区域而增加此晶体管的阈值电压。
在另一实例中，可通过用具有相反极性的掺杂剂掺杂第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B的多晶硅栅极而获得两个放大器晶体管的不同阈值电压。例如，在图2中所图解说明的实例中，可用p型掺杂剂掺杂第一放大器晶体管240A的多晶硅栅极，而可用n型掺杂剂掺杂第二放大器晶体管240B的多晶硅栅极。在一个实例中，第一放大器晶体管240A及第二放大器晶体管240B的多晶硅栅极可各自具有1018离子/立方厘米到1019离子/立方厘米的掺杂剂浓度。
图3是图解说明根据本发明的教示的来自具有不同增益特性的多个放大器晶体管的输出信号340A及340B的实例与利用输出信号340A及340B作为分量信号的实例性放大信号345之间的实例性关系的图式390。在一个实例中，应了解，输出信号340A可为来自图2的放大器晶体管240A的输出信号的一个实例且输出信号340B可为来自图2的放大器晶体管240B的输出信号的一个实例。因此，在所描绘的实例中，假设产生输出信号340A的放大器晶体管具有不同于产生输出信号340B的放大器晶体管的增益特性及较低阈值电压。
在所描绘的实例中，第一输出信号340A及第二输出信号340B各自为表示入射于像素单元的光电二极管上的光的放大信号345的分量信号。如图3的实例中所展示，当产生放大信号345时，针对入射于光电二极管上的较高强度的光，在所述放大信号中第一输出信号340A具有比第二输出信号340B大的权重。实际上，如上文所论述，当光的强度增加时，在光电二极管中积累的电子的数目增加，此使第一及第二放大器晶体管的栅极上的电压相应地降低。由于在所述实例中第一放大器晶体管具有比第二放大器晶体管低的阈值电压，因此针对较高光强度，第一输出信号340A趋向于保持实质上接通而第二输出信号340B趋向于实质上关断。
另一方面，如所描绘的实例中所展示，针对入射于光电二极管上的较低强度的光，在放大信号345中第二输出信号340B具有比第一输出信号340A大的权重。如上文所论述，当光的强度减少时，在光电二极管中积累的光生电子的数目保持较小，此允许第一及第二放大器晶体管的栅极上的电压保持较高。由于第一及第二放大器晶体管的栅极上的电压保持较高，因此针对较低强度的入射光，第一输出信号340A及第二输出信号340B两者均保持实质上接通。
因此，通过具有如上文所描述的不同阈值电压及增益特性，产生第一输出信号340A及第二输出信号340B的第一与第二放大器晶体管具有不同的对入射于像素单元的光电二极管上的光的不同强度的敏感度。根据本发明的教示，通过基于如所论述的入射光的强度给第一输出信号340A及第二输出信号340B的分量贡献加权，放大信号345从利用第一输出信号340A及第二输出信号340B的像素单元提供在较高动态范围的光强度内具有增加的敏感度的HDR信息。
图4是图解说明根据本发明的实施例的利用包含多个像素单元的像素阵列405的实例性成像系统400的框图。明确地说，如所描绘的实例中所展示，成像系统400包含像素阵列405、读出电路410、功能逻辑420及控制电路430。
在所述实例中，像素阵列405为成像传感器单元或像素单元(例如，像素P1、P2、…、Pn)的一个二维(2D)阵列。在一个实例中，根据本发明的教示，每一像素单元为包含第一及第二放大器晶体管的互补金属氧化物半导体(CMOS)成像像素。像素阵列405可实施为前侧照明的图像传感器或背侧照明的图像传感器。如所图解说明，每一像素单元布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以采集人、地方或对象的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现所述人、地方或对象的图像。
明确地说，在每一像素单元已采集其图像数据或图像电荷之后，读出电路410读出所述图像数据且传送到功能逻辑420。读出电路410分别包括多个列读出块415。在所图解说明的实例中，布置于同一列中的像素单元使其相应第一输出信号BL_H470A及第二输出信号BL_L470B经耦合以由读出电路410中的同一列读出块415接收。在一个实例中，根据本发明的教示，每一列读出块415包含用以基于如上文所详细论述的入射光的强度响应于分量第一输出信号470A及第二输出信号470B而产生对应放大信号的电路。
在一个实例中，读出电路410可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑420可仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路410可沿读出列线(在图4中图解说明为第一输出信号位线BL_H470A及第二输出信号位线BL_L470B)一次读出一行图像数据，或者可使用多种其它技术(未图解说明)同时读出图像数据，例如串行读出、沿读出行线的列读出或所有像素的全并行读出。
在一个实例中，控制电路430耦合到像素阵列405且包含用于控制像素阵列405的操作特性的逻辑。举例来说，控制电路430可产生复位RST信号、行选择RS_H及RS_L信号以及传送信号TX。控制电路430还可产生用于控制图像采集的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列405内的所有像素以在单个采集窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在替代实例中，快门信号为借以在连贯采集窗期间顺序地启用每一行像素、每一列像素或每一像素群组的滚动快门信号。
在一个实例中，成像系统400为包含于电子系统中的子系统。此些电子系统的实例包含移动电话、计算机、数码相机、医疗装置，且可进一步包含包括与电子系统相关的计算或处理单元的操作单元。例如，实例性电子系统可为移动电话，且所述操作单元可为处置电子系统的电话操作的包含于所述移动电话中的电话模块。
图5A是展示根据本发明的教示的像素单元500的布置的一个实例的图式。如所描绘的实例中所展示，布置于同一列中的像素单元500可耦合到相同第一读出列线BL_H570A及第二读出列线BL_L570B。在此实例中，每一对读出列线BL_H570A及BL_L570B耦合到多个列读出块515中的一者。具有X列像素单元500的像素阵列可具有包含X个列读出块的读出电路。
图5B是展示根据本发明的教示的像素单元500的布置的另一实例的图式。如所描绘的实例中所展示，布置于两个邻近列中的像素单元500可时分一个列读出块515。在此实例中，具有X列像素单元500的像素阵列可具有X/2个列读出块515。在又一实例中，N个邻近列的像素单元500可时分每一列读出块515。在此实例中，具有X列的像素阵列可包含X/N个列读出块。
包含发明摘要中所描述的内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并不打算为穷尽性或限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。
可根据以上详细说明对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围将完全由所附权利要求书确定，所述权利要求书将根据权利要求书解释的所确立原则来加以理解。本说明书及图应相应地视为说明性而非限定性。

Claims (25)

1.一种供在高动态范围图像传感器中使用的像素单元，其包括：
光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷；
传送晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述传送晶体管耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间；
第一放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子；及
第二放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第一放大器晶体管具有第一阈值电压及第一增益，其中所述第二放大器晶体管具有第二阈值电压及第二增益，其中所述第一阈值电压不同于所述第二阈值电压且所述第一增益不同于所述第二增益，使得所述第一放大器晶体管与所述第二放大器晶体管具有不同的对入射于所述光电二极管上的所述光的强度的敏感度。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其中在入射于所述光电二极管上的所述光的较低光强度条件期间，所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管两者经耦合以实质上接通，且其中在入射于所述光电二极管上的所述光的较高光强度条件期间，所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管中的一者经耦合以实质上接通且所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管中的另一者经耦合以实质上关断。
4.根据权利要求2所述的像素单元，其中所述第一放大器晶体管的沟道区域具有第一掺杂浓度且其中所述第二放大器晶体管的沟道区域具有第二掺杂浓度，其中所述第一掺杂浓度不同于所述第二掺杂浓度。
5.根据权利要求2所述的像素单元，其中所述第一放大器晶体管的所述栅极端子包括具有第一极性的半导体材料且其中所述第二放大器晶体管的所述栅极端子包括具有第二极性的半导体材料，其中所述第一极性为与所述第二极性相反的极性。
6.根据权利要求5所述的像素单元，其中所述第一极性及所述第二极性中的一者为n型极性，且所述第一极性及所述第二极性中的另一者为p型极性。
7.根据权利要求2所述的像素单元，其中所述像素单元的所述第一输出信号及所述第二输出信号各自为响应于入射于所述光电二极管上的所述光的放大信号的分量信号，其中针对入射于所述光电二极管上的较高强度的光，在所述放大信号中所述第一输出信号具有比所述第二输出信号大的权重，且其中针对入射于所述光电二极管上的较低强度的光，在所述放大信号中所述第二输出信号具有比所述第一输出信号大的权重。
8.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：
第一选择晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一选择晶体管耦合于所述第一放大器晶体管与第一位线之间；及
第二选择晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二选择晶体管耦合于所述第二放大器晶体管与第二位线之间。
9.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括安置于所述半导体材料中的复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述浮动扩散部。
10.一种高动态范围成像系统，其包括：
像素阵列，其具有多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含：
光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射于所述光电二极管上的光而积累电荷；
传送晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述传送晶体管耦合于浮动扩散部与所述光电二极管之间；
第一放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第一输出信号的源极端子；及
第二放大器晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二放大器晶体管具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子及经耦合以产生所述像素单元的第二输出信号的源极端子；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元中的每一者读出所述第一输出信号及所述第二输出信号。
11.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述多个像素单元布置成多个行及多个列，其中所述读出电路包含多个读出块，其中所述多个读出块中的每一者经耦合以从所述像素单元的所述多个列中的一者或一者以上接收所述第一输出信号及所述第二输出信号。
12.根据权利要求10所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储从所述多个像素单元读出的图像数据的功能逻辑。
13.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述第一放大器晶体管具有第一阈值电压及第一增益，其中所述第二放大器晶体管具有第二阈值电压及第二增益，其中所述第一阈值电压不同于所述第二阈值电压且所述第一增益不同于所述第二增益，使得所述第一放大器晶体管与所述第二放大器晶体管具有不同的对入射于所述光电二极管上的所述光的强度的敏感度。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中在入射于所述光电二极管上的所述光的较低光强度条件期间，所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管两者经耦合以实质上接通，且其中在入射于所述光电二极管上的所述光的较高光强度条件期间，所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管中的一者经耦合以实质上接通且所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管中的另一者经耦合以实质上关断。
15.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一放大器晶体管的沟道区域具有第一掺杂浓度且其中所述第二放大器晶体管的沟道区域具有第二掺杂浓度，其中所述第一掺杂浓度不同于所述第二掺杂浓度。
16.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一放大器晶体管的所述栅极端子包括具有第一极性的半导体材料且其中所述第二放大器晶体管的所述栅极端子包括具有第二极性的半导体材料，其中所述第一极性为与所述第二极性相反的极性。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述第一极性及所述第二极性中的一者为n型极性，且所述第一极性及所述第二极性中的另一者为p型极性。
18.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述像素单元的所述第一输出信号及所述第二输出信号各自为响应于入射于所述光电二极管上的所述光的放大信号的分量信号，其中针对入射于所述光电二极管上的较高强度的光，在所述放大信号中所述第一输出信号具有比所述第二输出信号大的权重，且其中针对入射于所述光电二极管上的较低强度的光，在所述放大信号中所述第二输出信号具有比所述第一输出信号大的权重。
19.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包括：
第一选择晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第一选择晶体管耦合于所述第一放大器晶体管与第一位线之间；及
第二选择晶体管，其安置于所述半导体材料中，所述第二选择晶体管耦合于所述第二放大器晶体管与第二位线之间。
20.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述多个像素单元中的每一者进一步包括安置于所述半导体材料中的复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述浮动扩散部。
21.一种用于从像素单元产生图像数据的方法，其包括：
响应于入射于光电二极管上的光而在所述光电二极管中光生电荷；
经由传送晶体管在所述光电二极管与浮动扩散部之间传送所述电荷；
借助具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子的第一放大器晶体管响应于所述浮动扩散部处的所述电荷而产生第一输出信号，其中在所述第一放大器晶体管的源极端子处产生所述第一输出信号；及
借助具有耦合到所述浮动扩散部的栅极端子的第二放大器晶体管响应于所述浮动扩散部处的所述电荷而产生第二输出信号，其中在所述第二放大器晶体管的源极端子处产生所述第二输出信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中产生所述第一输出信号包括借助具有第一增益的所述第一放大器晶体管放大所述浮动扩散部处的电压，其中产生所述第二输出信号包括借助具有第二增益的所述第二放大器晶体管放大所述浮动扩散部处的所述电压，其中所述第一增益不同于所述第二增益。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述像素单元的所述第一输出信号及所述第二输出信号各自为响应于入射于所述光电二极管上的所述光的放大信号的分量信号，所述方法进一步包括：
针对入射于所述光电二极管上的较高强度的光，在所述放大信号中给所述第一输出信号加比所述第二输出信号大的权重；及
针对入射于所述光电二极管上的较低强度的光，在所述放大信号中给所述第二输出信号加比所述第一输出信号大的权重。
24.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括借助分别耦合到所述第一放大器晶体管及所述第二放大器晶体管的第一选择晶体管及第二选择晶体管选择所述第一输出信号及所述第二输出信号。
25.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括在响应于入射于所述光电二极管上的所述光而在所述光电二极管中光生所述电荷之前，借助耦合到所述浮动扩散部的复位晶体管对所述浮动扩散部及所述光电二极管处的所述电荷进行复位。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108712619A (zh) * 2017-04-12 2018-10-26 豪威科技股份有限公司 高动态范围图像传感器
CN110223993A (zh) * 2018-03-02 2019-09-10 豪威科技股份有限公司 具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列
CN112788258A (zh) * 2019-11-05 2021-05-11 豪威科技股份有限公司 用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列
CN113691748A (zh) * 2020-05-18 2021-11-23 豪威科技股份有限公司 具有低色串扰的高动态范围分割像素cmos图像传感器

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10134788B2 (en) * 2013-09-17 2018-11-20 Omnivision Technologies, Inc. Dual VPIN HDR image sensor pixel
US9305949B2 (en) * 2013-11-01 2016-04-05 Omnivision Technologies, Inc. Big-small pixel scheme for image sensors
US9324759B2 (en) 2013-12-19 2016-04-26 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor pixel for high dynamic range image sensor
US9929204B2 (en) * 2014-03-13 2018-03-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Unit pixel of image sensor, image sensor including the same and method of manufacturing image sensor
JP2015185823A (ja) * 2014-03-26 2015-10-22 ソニー株式会社 固体撮像素子、及び、撮像装置
JP6261430B2 (ja) * 2014-04-01 2018-01-17 キヤノン株式会社 撮像装置及び画像処理システム
KR20160112775A (ko) * 2015-03-20 2016-09-28 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센서
CN105681690B (zh) * 2016-03-10 2018-05-25 长春长光辰芯光电技术有限公司 双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法
DE102016212784A1 (de) * 2016-07-13 2018-01-18 Robert Bosch Gmbh CMOS Pixel, Bildsensor und Kamera sowie Verfahren zum Auslesen eienes CMOS Pixels
KR102489832B1 (ko) 2018-01-12 2023-01-18 삼성전자주식회사 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서
US10893222B2 (en) * 2018-03-29 2021-01-12 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device and camera system, and driving method of imaging device
JP7299680B2 (ja) * 2018-08-23 2023-06-28 キヤノン株式会社 撮像装置及び撮像システム
US11652131B2 (en) * 2020-05-15 2023-05-16 Omnivision Technologies, Inc. Layout design of dual row select structure
KR20220169592A (ko) * 2021-06-21 2022-12-28 삼성전자주식회사 이미지 센싱 장치
US11457163B1 (en) * 2021-07-16 2022-09-27 Pixart Imaging Inc. Image sensor device capable of improving signal discrimination in dark condition and avoiding signal saturation in bright condition

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005328352A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd インプットセンサ内蔵ディスプレイ装置及びその駆動方法
CN101365069A (zh) * 2007-06-29 2009-02-11 豪威科技有限公司 具有图像浮散漏极的、高动态范围的传感器
US20090322921A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-31 Panasonic Corporation Solid-state imaging device
US20110226935A1 (en) * 2008-09-19 2011-09-22 National Univ. Corporation Information-acquisition device and optical communication system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100657863B1 (ko) 2005-02-07 2006-12-14 삼성전자주식회사 핑거드 타입 소스 폴로워 트랜지스터를 이용한 상보성금속 산화막 반도체 액티브 픽셀 센서
KR20100054540A (ko) 2008-11-14 2010-05-25 삼성전자주식회사 픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템
US20130256509A1 (en) 2012-03-27 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. Dual source follower pixel cell architecture

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005328352A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd インプットセンサ内蔵ディスプレイ装置及びその駆動方法
CN101365069A (zh) * 2007-06-29 2009-02-11 豪威科技有限公司 具有图像浮散漏极的、高动态范围的传感器
US20090322921A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-31 Panasonic Corporation Solid-state imaging device
US20110226935A1 (en) * 2008-09-19 2011-09-22 National Univ. Corporation Information-acquisition device and optical communication system

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108712619A (zh) * 2017-04-12 2018-10-26 豪威科技股份有限公司 高动态范围图像传感器
CN113259607A (zh) * 2017-04-12 2021-08-13 豪威科技股份有限公司 高动态范围图像传感器
CN110223993A (zh) * 2018-03-02 2019-09-10 豪威科技股份有限公司 具有用于高动态范围成像的嵌入式分裂像素的像素阵列
CN112788258A (zh) * 2019-11-05 2021-05-11 豪威科技股份有限公司 用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列
CN112788258B (zh) * 2019-11-05 2024-01-09 豪威科技股份有限公司 用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列
CN113691748A (zh) * 2020-05-18 2021-11-23 豪威科技股份有限公司 具有低色串扰的高动态范围分割像素cmos图像传感器
CN113691748B (zh) * 2020-05-18 2023-04-18 豪威科技股份有限公司 具有低色串扰的高动态范围分割像素cmos图像传感器

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Publication number Publication date
TW201434317A (zh) 2014-09-01
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