CN105745753B - 利用寄生光电二极管的具有改进的动态范围的成像阵列 - Google Patents

Abstract

公开了一种像素传感器，具有主光电检测器和寄生光电二极管，以及一种读出该像素传感器的方法。该像素传感器是通过当浮动扩散节点从该主光电二极管隔离出来时，读出该像素传感器中的浮动扩散节点上的第一电位而读出的。然后将该像素传感器曝光在光下，使得该浮动扩散节点和该光电检测器也曝光在该光下。然后当浮动扩散节点从该主光电二极管隔离出来时，读出该浮动扩散节点上的第二电位。在读出该第一和第二电位后，读出该浮动扩散节点上的第三电位。然后使该主光电二极管与该浮动扩散节点连接，读出该浮动扩散节点上的第四电位。由所读出的这些电位决定出第一和第二光强度。

Description

利用寄生光电二极管的具有改进的动态范围的成像阵列

技术领域

本发明涉及一种利用寄生光电二极管的具有改进的动态范围的成像阵列。

背景技术

CMOS图像传感器被广泛应用于相机和其它图像应用中。该图像传感器典型地包括像素传感器的二维阵列。每个像素传感器包括光电二极管，该光电二极管测量图像中相应的点的图像强度。图像传感器的动态范围是指能测量到的光的最小量与最大量的比率。通过首先清空任何累积电荷然后将光电二极管曝光在图像下而形成图像。每个光电二极管以由通过图像发射出的光强度决定的速率在图像的相应的点(即像素)累积电荷。

原则上，能够通过应用更大的光电二极管来增加最大容量；但是，这个方案增加了图像阵列的成本，并且需要对能够处理由像素产生的信号的大动态范围的电子器件进行处理。另一个用于增加图像阵列的动态范围的现有技术方案涉及为每个像素使用两个不同的光电二极管。在这个方案中，面积大的光电二极管用于测量低的光等级，而小的光电二极管用于测量图像中更亮位置的强度。如果将像素曝光于更高亮度的位置，使用小的光电二极管。在图像的暗的位置，使用大的光电二极管。这个方案需要两个不同系列的光电二极管以及需要增加测量图像的高亮度位置的额外光电二极管的硅面积。

第二个现有技术方案应用多重曝光以提供增加的动态范围。在这个方案中，每个场景拍摄基本两张图片。第一张图片利用非常短的曝光时间，其捕获图像中的高亮度的点的强度。使位于图像中的低强度的点的像素曝光不足。第二张图片利用长得多的曝光时间。在第二张图片中，使位于高强度的点的像素过度曝光，而现在使位于低强度的点的像素充分曝光并且其提供在低强度的点的强度值。然后将两张图片结合以提供具有增加的动态范围的图像。但是这个方法导致图像中的伪影(artifact),由于两张图片在时间上有一定量的分隔，如果场景很快地变化，这能够出现问题。

发明内容

本发明包括具有主光电二极管和寄生光电二极管的像素传感器，以及读出该像素传感器的方法。在读出该像素传感器的方法中，当浮动扩散节点从主光电二极管隔离出来时，读出像素传感器中的浮动扩散节点上的第一电位。然后将像素传感器曝光在光下，从而使得浮动扩散节点和主光探测器都曝光在光下。然后当浮动扩散节点从主光电二极管隔离出来时，读出浮动扩散节点上的第二电位。由第一和第二电位决定出第一光强度。在读出第一和第二电位后，读出在浮动扩散节点上的第三电位。然后将主光电二极管与浮动扩散节点连接，读出在浮动扩散节点上的第四电位。由第三和第四电位决定出第二光强度。

根据本发明的一个方面，该浮动扩散节点与具有第一复位电位的复位总线连接，然后在读出第一电位之前从该复位总线断开连接。根据本发明的另一个方面，该浮动扩散节点连接至复位总线，然后在读出第二电位之后、读出第三电位之前从该复位总线断开连接。

根据本发明的另一个方面，如果光电二极管上的电位超过了溢出电位，将光电子从主光电二极管分流以接地。

根据本发明的像素传感器包括以第一光转换效率为特征的主光电二极管；浮动扩散节点；有选择地将该主光电二极管与该浮动扩散节点连接的栅极；产生指示在浮动扩散节点上的电位的信号的读出放大器，该信号响应于由像素传感器接收到的选择信号而与第一导体连接；以及有选择地将浮动扩散节点与处于复位电位的复位总线连接的复位栅极。该浮动扩散节点包括以第二光转换效率为特征的寄生光电二极管，该第一光转换效率大于或等于第二光转换效率的30倍。

根据本发明的一个方面，该像素传感器包括与主光电二极管连接的溢出栅极。如果在光电二极管上的电位超过溢出电位，则该溢出栅极从光电二极管上移除电荷。

根据本发明的另一个方面，该浮动扩散节点包括p-型半导体基底中的n-型掺杂区域。该主光电二极管也包括p-型基底中的n-型掺杂区域。浮动扩散节点的n-型掺杂区域的一部分直接与p-型基底接触，该部分的尺寸被调整为提供第二光转换效率。

本发明还包括由本发明的像素传感器构成的成像阵列，或应用本发明的方法读出。

附图说明

图1是在成像阵列中的一排像素传感器的典型的现有技术的像素传感器的概略视图；

图2示出了像素传感器，其中在图像测量中应用了寄生光电二极管；

图3是典型的现有技术的像素传感器的一部分的剖视图；

图4是根据本发明的一个实施方式的像素传感器的一部分的剖视图；

图5示出了通过根据本发明的像素传感器构成的二维成像阵列。

具体实施方式

参考图1能够更加容易理解本发明给出其优点的方式，图1是一个成像阵列中的一列像素传感器中一个典型的现有技术的像素传感器的示意图。图像传感器21包括光电二极管22，该光电二极管用于测量图像中相应像素处的光强度。首先，通过将栅极25设置在导通状态下并将浮动扩散节点23连接至复位电压Vr，从而将光电二极管22复位，然后关闭栅极25并允许光电二极管22积累光电子。栅极27上的电位设置最大量的电荷，该最大量的电荷能够被积累在光电二极管22上。如果积累的电荷超过栅极27电位所允许的电荷，那么过剩的电荷通过栅极27被分流接地。

在光电二极管22被曝光之后，使用相关的二重抽样算法测量在光电二极管22中积累的电荷。在这个算法中，使用复位栅极24将浮动扩散节点23首先复位至Vr。然后通过使用连接到线路28的栅极将源极跟随器26连接到读出线路31来对在浮动扩散节点23上的电位进行测量。这个复位电位被存储在列放大器32中。接着，栅极25被置于导通状态下并在光电二极管22中积累的电荷被转移到浮动扩散节点23。应该注意的是，浮动扩散节点23实际上是一个已经被充电至Vr的电容器。因此，离开光电二极管22的电荷在一定量上降低了浮动扩散节点23上的电压，该一定量取决于浮动扩散节点23的电容和被转移的电荷量。浮动扩散节点23上的电压在转移后被再次测量。然后电压差被用于计算在曝光过程中被积累的电荷量。

本发明基于对上面讨论的类型的像素能够被改进包括第二寄生光电二极管的观察，该第二寄生光电二极管是所述浮动扩散节点的一部分，并具有显著的光电二极管探测效率。为了将寄生光电二极管与光电二极管22进行区分，光电二极管22和执行类似功能的光电二极管被称作“传统光电二极管”。现在参考图2，期示出了一个像素传感器，其中寄生光电二极管被应用于图像测量之中。为了简化下面的论述，执行与图1中讨论的那些类似功能的那些像素传感器41使用相同的附图标记，并且不再被论述，除非这样的论述必须用于阐述一种应用了这些元件的新方式。通常，寄生光电二极管42具有明显低于主光电二极管22的探测效率。下面将更详细地论述调整两个光电二极管的光电二极管探测效率比率的方式。

现在将更详细地解释像素传感器41被用于测量像素强度的方式。在最后的图像读出操作完成之后复位像素开始理解处理过程会更容易。首先，将主光电二极管22复位至Vr并且关闭栅极25。这样也将浮动扩散节点23复位至Vr。这个电压在通过将浮动扩散节点23连接到列放大器52进行曝光开始的时候被测量。在图像曝光的过程中，寄生光电二极管42产生光电子，该光电子被存储在浮动扩散节点43上。这些光电子降低了浮动扩散节点43上的电位。在曝光结束时，通过将源极跟随器26的输出连接到列放大器52对浮动扩散节点43上的电压再次测量，寄生光电二极管42产生的电荷量被确定提供第一像素强度值。接着，浮动扩散节点43倍再次复位至Vr，并且通过将源极跟随器26的输出连接到列放大器52对浮动扩散节点43上的电位进行测量。然后将栅极25置于导通状态，并且主光电二极管22积累的光电子被转移到浮动扩散节点43。然后浮动扩散节点43上的电压被再次测量并被列放大器使用来计算第二像素强度值。

如果相应像素上的亮度为高，主光电二极管22将溢出；然而，具有更低的转换效率的寄生光电二极管42将具有期望范围以内的值。另一方面，如果亮度为低，则在寄生光电二极管42上积累的光电子不足以提供可靠的估计，那么将使用主光电二极管22的测量。

上述读出策略假定调整主光电二极管22和寄生光电二极管42的光探测比率，以便从寄生光电二极管42得到的值与从主光电二极管22得到的那些值互补。如果寄生光电二极管42具有太低的光探测效率，那么当主光电二极管22饱和时，从寄生光电二极管42得到的强度值将会太低或太杂乱以至于不能被使用。类似地，如果寄生光电二极管42的光探测效率太高，那么将不会达到像素传感器的动态范围的有效扩展。

现在参考图3，其为典型的现有技术的图像传感器的一部分的截面图。为了简化附图，省略了一些对于本发明而言不是核心的掺杂(implant)体。像素传感器60被焊接在p-型基底61上。主光电二极管62是一个掩埋型光电二极管并且由一个在p-型基底61的表面的p-掺杂体63和一个掺杂体64构建而成。该p-掺杂体减少暗电流。光电二极管的结是n-掺杂体64和p-型基底61之间的结。对应于栅极25和27的栅电极被分别示为65和67。浮动扩散节点68包括一个n+掺杂体66，该n+掺杂体被p-掺杂区域包围。p-型基底61和区域68之间的掺杂质的差别带来了势垒，该势垒减小了由掺杂体66和p-型基底61形成的寄生光电二极管的光收集效率。这个差异禁止在p-型基底61中形成的电子空穴被寄生光电二极管收集。现有技术的像素传感器被设计减少或消除寄生光电二极管的活动。本发明通过增加这个寄生光电二极管的效果来提供其优点，从而在每个像素传感器中提供可用的第二光电二极管而基本不用增加像素传感器的尺寸。

现在参考图4，其为根据本发明的一个实施例的部分像素传感器的截面图。为了简化下述讨论，像素传感器70的那些元件具有与图3中给出的相同标号的那些元件相似的功能，在此不再详述。在像素传感器70中，与掺杂区域76相关的p-注入78形成从至少部分注入区域76中移除的浮动扩散节点。因此，在P-型基底61内由注入区域76形成的寄生光电二极管具有延伸到P-型基底61的消耗区(depletion region)。因此，寄生光电二极管的光电子收集效率大幅增加。需要注意的是，获得这种在效率上的增加没有基本改变注入区域76的大小，且因此，提供第二主光电二极管没有基本改变像素传感器的大小。

寄生光电二极管的光转换效率可以通过调整n+注入区域76和p-型基底61之间的界面面积而进行调节。光转换效率可以通过将p-注入部分覆盖注入区域的底部表面而降低。光转换效率可以通过在曝光期间增加注入区域76的大小或者增加n+注入区域76上的复位电压而增加。

然而，不优选增加n+注入区域的大小。源像素传感器的电荷-电压转换增益取决于与浮动扩散节点相关的电容。如果电容增加，电荷-电压转换增益降低。一般来说，高的电荷-电压转换增益是所期望的；因此，不优选增加浮动扩散节点的大小。与寄生光电二极管相关的消耗区的大小可以通过在曝光期间增加注入区域76上的电压而增加。但是，由半导体工艺以及为主光电二极管和寄生光电二极管提供不同复位电压的复杂性设定了一个最大电压。

然而，使用一个或多个上述因素，可以获得一个有用的主光电二极管和寄生光电二极管的光转换效率的比率范围。一般而言，在主光电二极管饱和时有一个光照强度曝光时间。对于那些大于本曝光的曝光，从寄生光电二极管移除额外的光电子，且因此在额外曝光时主光电二极管的输出没有改变。本曝光在下面讨论中是指作为主光电二极管饱和曝光。寄生光电二极管的光收集效率优选设定为在主光电二极管饱和曝光时在寄生光电二极管中产生充足的光电子以对于在主光电二极管饱和曝光或高于主光电二极管饱和曝光直至达到某些曝光上限时提供良好的光强度的测量，且因此所得到的像素传感器与没有使用这种寄生光电二极管的像素传感器相比，将具有改进的动态范围。

主光电二极管和寄生光电二极管的光转换效率之间的最大比率将取决于寄生光电二极管的噪音水平。一般而言，寄生光电二极管的噪音水平将大于主光电二极管，这是因为寄生光电二极管不是固定的光电二极管。因此，将需要较大的曝光以提供具有某些预定信-噪比的像素强度测量。另外，当几个像素具有较高曝光时，寄生光电二极管的光转换效率必须小于一个值(在该值处超过了寄生光电二极管保持电荷的电容)，从而防止例如光学膜的图像伪影。在本发明的一个方面，寄生光电二极管的光转换效率小于主光电二极管的光转换效率的1/30。

根据本发明的像素传感器可以用于各种不同的照相机或光传感操作。现在参考图5，示出了由根据本发明的像素传感器构成的二维成像阵列。成像阵列80包括像素传感器81的二维阵列。每个像素传感器具有主光电二极管86和寄生光电二极管91且以与上述相同的方式进行操作。在每个像素中复位电路和放大电路由标号87表示。像素传感器被设置为多个行和列。位于列上的每个像素传感器与读出线83连接，所述读出线83与该列的所有像素传感器共享。读出线83与图2中所示的读出线31相似。位于行上的每个像素传感器与行选择线82连接，所述行选择线82决定位于行上的哪个像素传感器与相应的读出线连接。例如，行选择线可以与图2所示的线28连接。

成像阵列80由控制器92进行控制，所述控制器接收待读出的像素地址。控制器92通过使用行解码器85产生行选择地址以能够读出成像阵列80内的相应行的像素传感器。列放大器包括阵列放大器84，用于执行上述的读出算法。必须注意的是，如果读出时间不是很紧，单个读出放大器能够在各种读出线之间共享，目前的主动读出线由列解码器或复用器决定。

图5所示的成像阵列是一个示范性的成像阵列。可以理解的是，也可以构建其它用于本发明像素传感器的成像阵列。例如，一维成像阵列包括单列像素，被构建为用于扫描仪，其中图像由沿垂直于像素传感器的多列的方向横扫过像素传感器的列。

提供本发明的上述实施例用于说明本发明的各个方面。然而，可以理解的是，在不同实施例中所显示的本发明的不同方面可以进行结合以提供本发明的其它实施例。另外，本发明的各种改变将通过前述说明和后附的附图而得以清晰。因此，本发明的保护范围由权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种读出像素传感器(21)的方法，该像素传感器具有主光电二极管(22)和浮动扩散节点，该主光电二极管具有第一光转换效率，该浮动扩散节点包含具有第二光转换效率的寄生光电二极管(42)，所述第一光转换效率大于或等于所述第二光转换效率的30倍，所述方法包括：

当所述浮动扩散节点(23)从所述光电二极管(22)隔离出来时，读出所述像素传感器中的所述浮动扩散节点(23)上的第一电位，其中，所述浮动扩散节点(23)与具有第一复位电位的复位总线连接，然后在读出所述第一电位之前与所述复位总线断开连接；

将所述像素传感器(21)曝光在光下，从而使得所述浮动扩散节点(23)也曝光在所述光下；

当所述浮动扩散节点(23)从所述光电二极管(22)隔离出来时，读出所述像素传感器中的所述浮动扩散节点(23)上的第二电位；并且

由所述第一和第二电位决定出第一光强度；

其特征是，该方法还包括：

读出所述浮动扩散节点(23)上的第三电位，其中，所述浮动扩散节点(23)与复位总线连接，然后在读出所述第三电位之前与所述复位总线断开连接；

将所述主光电二极管(22)与所述浮动扩散节点(23)连接；

读出所述浮动扩散节点(23)上的第四电位；并且

由所述第三和第四电位决定出第二光强度。

2.一种像素传感器(21)，包括：

具有第一光转换效率的主光电二极管(22)；

浮动扩散节点(23)，其中，所述浮动扩散节点(23)包含具有第二光转换效率的寄生光电二极管(42)，所述第一光转换效率大于或等于所述第二光转换效率的30倍，所述浮动扩散节点(23)用于在将所述浮动扩散节点(23)曝光在光下之前，读出所述像素传感器中的所述浮动扩散节点(23)上的第一电位；还用于在将所述浮动扩散节点(23)曝光在光下之后，读出所述像素传感器中的所述浮动扩散节点(23)上的第二电位；还用于读出所述浮动扩散节点(23)上的第三、第四电位；

栅极(25)，其用于在读出所述第一、第二、第四电位之前，将所述主光电二极管(22)与所述浮动扩散节点(23)连接，并使所述主光电二极管(22)与所述浮动扩散节点(23)隔离出来；

复位栅极(24)，其用于在读出所述第一电位之后将所述浮动扩散节点(23)与具有第一复位电位的复位总线连接，然后在读出所述第一电位之前与所述复位总线断开连接；还用于在读出所述第二电位之后将所述浮动扩散节点(23)与所述复位总线连接，然后在读出所述第三电位之前将所述浮动扩散节点(23)与所述复位总线断开连接；

读出放大器(32)，其产生指示所述浮动扩散节点上的电位的信号，所述信号响应于由所述像素传感器(21)接收到的选择信号而与第一导体连接，所述读出放大器(32)用于读出所述第一电位、第二、第三和第四电位；

并且，所述像素传感器(21)能够由所述第一和第二电位决定出第一光强度，并由所述第三和第四电位决定出第二光强度。

3.权利要求2的像素传感器(21)，还包括与所述主光电二极管(22)连接的溢出栅极，如果所述光电二极管(22)上的电位超过溢出电位，则所述溢出栅极从所述光电二极管(22)上移除电荷。

4.权利要求2的像素传感器，其中所述浮动扩散节点包括p-型半导体基底中的n-型掺杂区域。

5.权利要求2的像素传感器，其中所述光电二极管包括p-型基底中的n-型掺杂区域。

6.权利要求4的像素传感器，其中所述光电二极管为钳位光电二极管(62)。

7.一种成像阵列，包括与读出线(31)连接的多个像素传感器(21)，所述多个像素传感器(21)包括根据权利要求2-6中任一项所述的像素传感器。