CN108024075B - 全局快门高动态范围像素及影像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全局快门高动态范围像素及影像传感器。全局快门高动态范围像素包括：光感测单元、浮动扩散节点、第一电荷转移单元、第二电荷转移单元及像素讯号输出单元。第一电荷转移单元至少包括金属氧化物半导体电容，以暂时储存从光感测单元转移而来的至少部分感测电荷。金属氧化物半导体电容根据控制讯号而导通/不导通，由此在金属氧化物半导体电容自身的内部形成有栅极感应位能阱，藉以控制至少部分感测电荷的转移。

Description

全局快门高动态范围像素及影像传感器

技术领域

本发明涉及一种全局快门高动态范围像素及影像传感器，特别是指一种通过全局快门高动态范围像素的金属氧化物半导体电容自身的内部形成栅极感应位能阱(gate-induced potential well)，由此控制感测电荷的转移的全局快门高动态范围像素及影像传感器。

背景技术

现有技术的影像传感器通常具有多个数组排列的感测像素，其中影像传感器的快门通常具有两种典型的操作模式：滚动快门式(Rolling Shutter)与全局快门式(GlobalShutter)。当快门以滚动快门式操作时，数组中的每一列感测像素一次一个地对光产生电荷且一次一个地将每一列读出。由于每一列感测像素为依序启动而非同时启动(意即每一列的感测像素开始曝光的时间不同)，当影像传感器撷取快速移动的对象影像时，使用滚动快门所撷取的影像可能会有失真(distortion)的问题。

然而，当快门以全局快门式操作时，数组中的所有像素可在同一时间对光产生电荷且一次一个地将每一列读出(意即每一列的感测像素可在同一时间开始曝光)。因此，使用全局快门的影像传感器可避免所述影像失真的问题。

有关使用全局快门的影像传感器的现有技术，例如可参阅美国专利第7,361,877号。

有鉴于此，本发明提出一种新式的全局快门高动态范围像素及影像传感器，通过全局快门高动态范围像素的金属氧化物半导体电容自身的内部形成栅极感应位能阱(gate-induced potential well)，由此控制感测电荷的转移。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种新式的全局快门高动态范围像素及影像传感器，通过全局快门高动态范围像素的金属氧化物半导体电容自身的内部形成栅极感应位能阱(gate-induced potential well)，由此控制感测电荷的转移。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种全局快门高动态范围像素，包含：一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷并且输出一对应于该感测电荷的一感测讯号；一浮动扩散节点，用以储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷为浮动扩散电荷；一第一电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第一电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点；一第二电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第二电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点，其中该第二电荷转移期间短于该第一电荷转移期间；以及一像素讯号输出单元，其一端耦接于该浮动扩散节点，用以产生在该第一电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第一像素讯号及/或在该第二电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第二像素讯号；其中，该第一电荷转移单元至少包括:一金属氧化物半导体电容(Metal-Oxide-SemiconductorCapacitor)(SD)，用以暂时储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷，该金属氧化物半导体电容根据一第一控制讯号而导通/不导通，由此在该金属氧化物半导体电容自身的内部形成有一栅极感应位能阱(gate-induced potential well)，藉以控制至少部分该感测电荷的转移。

为达上述目的，就另一观点言，本发明提供了一种全局快门高动态范围影像传感器，包含：一全局快门高动态范围像素矩阵，包括：多个全局快门高动态范围像素，排列为多行与多列，各全局快门高动态范围像素包括：一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷并且输出一对应于该感测电荷的一感测讯号；一浮动扩散节点，用以储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷为浮动扩散电荷；一第一电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第一电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点；一第二电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第二电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点，其中该第二电荷转移期间短于该第一电荷转移期间；以及一像素讯号输出单元，其一端耦接于该浮动扩散节点，用以产生在该第一电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第一像素讯号及/或在该第二电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第二像素讯号；其中，该第一电荷转移单元至少包括:一金属氧化物半导体电容(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor)，用以暂时储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷，该金属氧化物半导体电容根据一第一控制讯号而导通/不导通，由此在该金属氧化物半导体电容自身的内部形成有一栅极感应位能阱(gate-inducedpotential well)，藉以控制至少部分该感测电荷的转移；一控制电路，与该全局快门高动态范围像素矩阵耦接，用以产生该第一控制讯号，以控制该多个全局快门高动态范围像素；一像素讯号读取电路，与该全局快门高动态范围像素矩阵耦接，用以读取各全局快门高动态范围像素的该第一像素讯号及该第二像素讯号；以及一图像处理电路，与该像素讯号读取电路耦接，用以处理自该像素讯号读取电路输出的讯号。

在一种较佳的实施型态中，该第一电荷转移单元还包括:一快门开关，耦接于该光感测单元与该金属氧化物半导体电容的一端之间，该快门开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该金属氧化物半导体电容；以及一转移切换开关，耦接于该金属氧化物半导体电容的另一端与该浮动扩散节点之间，该转移切换开关根据一第三控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该金属氧化物半导体电容转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

在一种较佳的实施型态中，该第二电荷转移单元还包括:一转移切换开关，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，该转移切换开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

在一种较佳的实施型态中，该光感测单元包括一光二极管、一光栅极或一光导体。

在一种较佳的实施型态中，该全局快门高动态范围像素还包括:

一第一重置晶体管，与该光感测单元的一端耦接，用以重置该光感测单元的位准至一第一预设位准；以及一第二重置晶体管，与该浮动扩散节点的一端耦接，用以重置该浮动扩散节点的位准至一第二预设位准。

在一种较佳的实施型态中，该第一电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该快门开关的不导通时点；以及该第二电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该转移切换开关的不导通时点。

附图说明

图1标出本发明的全局快门高动态范围像素的一实施例的方块示意图；

图2标出本发明的全局快门高动态范围像素的一具体实施例的示意图；

图3标出本发明的高动态范围影像传感器的一实施例的方块示意图；

图4示出本发明的第一电荷转移单元PATH1的一剖面示意图；

图5示出本发明的第二电荷转移单元PATH2的一剖面示意图；

图6标出本发明的讯号波形图。

图中符号说明

10 全局快门高动态范围影像传感器

11 全局快门高动态范围像素

1 全局快门高动态范围像素矩阵

2 像素讯号读取电路

21 像素讯号处理电路

22 讯号线

3 控制电路

31 列译码电路

32 列驱动电路

4 图像处理电路

5 频率产生电路

6 行译码电路

AB 重置晶体管

CFD 电容

CL 行讯号线

DL 驱动线

FD 浮动扩散节点

G_AB 重置讯号

G_RSL 列选择讯号

G_RST 重置讯号

G_SD 控制讯号

G_SS 控制讯号

G_TG1 控制讯号

G_TG2 控制讯号

L 光讯号

OU 像素讯号输出单元

p+、p0 p型杂质浓度

n+ n型杂质浓度

PATH1 第一电荷转移单元

PATH2 第二电荷转移单元

PD 光二极管

PT 光感测单元

RSL 列选择晶体管

RST 重置晶体管

SD 金属氧化物半导体电容

SF 源极随耦器

Simg 初始影像讯号

Sout 影像讯号

Spix 像素讯号

Spix1 像素讯号

Spix2 像素讯号

Spt 感测讯号

SS 快门开关

TG1 转移切换开关

TG2 转移切换开关

V 电压位准

VDD 内部电压

VR 内部电压

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、尺寸、方向则并未依照实物比例绘制。

请参考图1，其示出本发明的全局快门高动态范围像素的一实施例的方块示意图。

本发明的全局快门高动态范围像素11包含:一光感测单元PT、一浮动扩散节点FD、一第一电荷转移单元PATH1、一第二电荷转移单元PATH2以及一像素讯号输出单元OU。光感测单元PT用以接收光讯号L以产生并储存感测电荷并且输出一对应于该感测电荷的一感测讯号Spt。在一实施例中，光感测单元PT例如但不限于可包括一光二极管PD(如图2所示)。于其他实施例中，光感测单元PT例如但不限于可包括一光栅极或一光导体。

浮动扩散节点FD用以储存从光感测单元PT转移而来的至少部分感测电荷为浮动扩散电荷。如图1所示，第一电荷转移单元PATH1耦接于光感测单元PT与浮动扩散节点FD之间，用以在一第一电荷转移期间从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。第二电荷转移单元PATH2耦接于光感测单元PT与浮动扩散节点FD之间，用以在一第二电荷转移期间从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。其中，值得注意的是，在本实施例中，第二电荷转移期间短于第一电荷转移期间(可参阅图6)。像素讯号输出单元OU的一端耦接于浮动扩散节点FD，用以产生在第一电荷转移期间相关于浮动扩散节点FD的电压位准V的一第一像素讯号Spix1及/或在第二电荷转移期间相关于浮动扩散节点FD的电压位准V的一第二像素讯号Spix2。

请参考图2并对照图4。图2标出本发明的全局快门高动态范围像素的一具体实施例的示意图。图4示出本发明的第一电荷转移单元PATH1的一剖面示意图。其中，在本实施例中，图4示出本发明的全局快门高动态范围像素11形成于例如但不限于一P型半导体基板。但当然，本发明的全局快门高动态范围像素11不限于必须形成于P型半导体基板，在其他实施例中，全局快门高动态范围像素11亦可形成于N型半导体基板或其他半导体基板，只要相应改变掺杂区的杂质导电型与杂质浓度即可。

如图2所示，在一实施例中，光二极管PD接收光讯号之后，产生并储存感测电荷并且输出一对应于感测电荷的感测讯号Spt。感测讯号Spt一方面可经由第一电荷转移单元PATH1从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD，或者，另一方面，感测讯号Spt亦可经由第二电荷转移单元PATH2从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。对照图4所示，以下先详述感测讯号Spt如何经由第一电荷转移单元PATH1从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。

本实施例的光二极管PD的半导体结构例如但不限于如图4的剖面示意图所示，简单地说，在P型半导体基板上(其p型杂质浓度为p0)具有p型杂质掺杂区(其p型杂质浓度为p+)及n型杂质掺杂区(其n型杂质浓度为n+)。

本实施例的全局快门高动态范围像素11亦可包括一重置晶体管AB。如图2所示，在一实施例中，重置晶体管AB与光感测单元PT的一端耦接，其用以重置光感测单元PT的位准至一预设位准。此预设位准例如但不限于可为一内部电压VDD。本实施例的重置晶体管AB可受控于一重置讯号G_AB，用以控制重置晶体管AB是否重置光感测单元PT的位准至预设位准。

如图2所示，在一实施例中，第一电荷转移单元PATH1可包括:一金属氧化物半导体电容(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor)SD、一快门开关SS及一转移切换开关TG1。

如图2所示，快门开关SS耦接于光感测单元PT与金属氧化物半导体电容SD的一端之间。当代表感测电荷的感测讯号Spt自光感测单元PT产生之后，通过快门开关SS的导通/不导通，以及金属氧化物半导体电容SD的导通/不导通，便能控制感测电荷是否能自光感测单元PT转移至金属氧化物半导体电容SD。其中，若欲控制快门开关SS的导通/不导通，在本实施例中，快门开关SS可根据一控制讯号G_SS而导通/不导通，由此，快门开关SS便能控制至少部分感测电荷是否能自光感测单元PT转移至金属氧化物半导体电容SD。

当快门开关SS导通时，且金属氧化物半导体电容SD导通时，至少部分感测电荷便会自光感测单元PT转移至金属氧化物半导体电容SD。本实施例的金属氧化物半导体电容SD耦接于快门开关SS与转移切换开关TG1之间。金属氧化物半导体电容SD用以暂时储存从光感测单元PT转移而来的至少部分感测电荷。当至少部分感测电荷自光感测单元PT转移并储存于金属氧化物半导体电容SD之后，通过金属氧化物半导体电容SD的导通/不导通，以及转移切换开关TG1的导通/不导通，便能控制感测电荷是否能自金属氧化物半导体电容SD经由转移切换开关TG1而转移至浮动扩散节点FD。其中，若欲控制金属氧化物半导体电容SD的导通/不导通，在本实施例中，金属氧化物半导体电容SD可根据一控制讯号G_SD而导通/不导通，由此，金属氧化物半导体电容SD便能控制至少部分感测电荷是否能自金属氧化物半导体电容SD经由转移切换开关TG1而转移至浮动扩散节点FD。

值得注意的是，本实施例的主要特点于:当本实施例的金属氧化物半导体电容SD根据控制讯号G_SD而导通/不导通时，在金属氧化物半导体电容SD自身的内部将会形成有一栅极感应位能阱(gate-induced potential well)。由此，金属氧化物半导体电容SD将会如同一个电容的功用，能够用来储存感测电荷。此外，通过控制讯号G_SD导通或不导通金属氧化物半导体电容SD，本实施例将能控制至少部分感测电荷是否能自金属氧化物半导体电容SD经由转移切换开关TG1而转移至浮动扩散节点FD。

转移切换开关TG1耦接于金属氧化物半导体电容SD的另一端与浮动扩散节点FD之间。当感测电荷暂时储存于金属氧化物半导体电容SD之后，通过转移切换开关TG1的导通/不导通与金属氧化物半导体电容SD的导通/不导通，便能控制感测电荷是否能自金属氧化物半导体电容SD转移至浮动扩散节点FD。其中，若欲控制转移切换开关TG1的导通/不导通，在本实施例中，转移切换开关TG1可根据一控制讯号G_TG1而导通/不导通。而如上所述，若欲控制金属氧化物半导体电容SD的导通/不导通，在本实施例中，金属氧化物半导体电容SD可根据上述的控制讯号G_SD而导通/不导通。

如此一来，通过控制讯号G_SD导通或不导通金属氧化物半导体电容SD加上通过控制讯号G_TG1导通或不导通转移切换开关TG1，本实施例将能控制至少部分感测电荷是否能自金属氧化物半导体电容SD经由转移切换开关TG1而转移至浮动扩散节点FD。如此一来，转移至浮动扩散节点FD的感测电荷便为图4所示的浮动扩散电荷。在本实施例中，浮动扩散电荷于浮动扩散节点FD可以以电压形式呈现。

本实施例的全局快门高动态范围像素11尚可包括一重置晶体管RST。如图2所示，在一实施例中，重置晶体管RST与浮动扩散节点FD的一端耦接，用以重置浮动扩散节点FD的位准至一预设位准。此预设位准例如但不限于可为一内部电压VR。本实施例的重置晶体管RST可受控于一重置讯号G_RST，用以控制重置晶体管RST是否重置浮动扩散节点FD的位准至预设位准。

由于第一电荷转移单元PATH1通过金属氧化物半导体电容SD来暂时储存感测电荷，因此在本实施例中，通过第一电荷转移单元PATH1而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第一电荷转移期间长于通过第二电荷转移单元PATH2而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第二电荷转移期间。

上述重置晶体管AB、光二极管PD、快门开关SS、转移切换开关TG1及浮动扩散节点FD的半导体结构的具体实施例如但不限于可如图4的剖面示意图所示。上述元件的半导体结构的实施方式，有多种具体半导体结构可以达成，图4仅示出其中一种具体实施例。上述元件的的半导体结构的实施方式不限于必须形成于P型半导体基板，在其他实施例中，亦可形成于N型半导体基板或其他半导体基板，只要相应改变掺杂区的杂质导电型与杂质浓度即可。

在一实施例中，像素讯号输出单元OU例如不限于可包括一源极随耦器SF及一列选择晶体管RSL。源极随耦器SF耦接至浮动扩散节点FD，以将浮动扩散电荷转换为讯号，代表全局快门高动态范围像素1所输出的第一像素讯号Spix1及第二像素讯号Spix2。在本实施例中，浮动扩散电荷于浮动扩散节点FD可以以电压形式呈现。列选择晶体管RSL耦接于源极随耦器SF。在一实施例中，列选择晶体管RSL由列选择讯号G_RSL控制，以致能列选择晶体管RSL并接收讯号。

由于像素讯号输出单元OU为本领域技术人员所熟悉的电路，因此不在此赘述其他实例。

请参考图2并对照图5。图5示出本发明的第二电荷转移单元PATH2的一剖面示意图。其中，在本实施例中，图5示出本发明的全局快门高动态范围像素11形成于例如但不限于一P型半导体基板。但当然，本发明的全局快门高动态范围像素11不限于必须形成于P型半导体基板，在其他实施例中，全局快门高动态范围像素11亦可形成于N型半导体基板或其他半导体基板，只要相应改变掺杂区的杂质导电型与杂质浓度即可。

如图2所示，在一实施例中，光二极管PD接收光讯号之后，产生并储存感测电荷并且输出一对应于感测电荷的感测讯号Spt。感测讯号Spt一方面可经由第一电荷转移单元PATH1从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD，或者，另一方面，感测讯号Spt亦可经由第二电荷转移单元PATH2从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。对照图5所示，以下将详述感测讯号Spt如何经由第二电荷转移单元PATH2从光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD。

如图2所示，在一实施例中，第二电荷转移单元PATH2可包括一转移切换开关TG2。如图2所示，转移切换开关TG2耦接于光感测单元PT与浮动扩散节点FD之间。当代表感测电荷的感测讯号Spt自光感测单元PT产生之后，通过转移切换开关TG2的导通/不导通，便能控制感测电荷是否能自光感测单元PT转移至浮动扩散节点FD。其中，若欲控制转移切换开关TG2的导通/不导通，在本实施例中，转移切换开关TG2可根据一控制讯号G_TG2而导通/不导通，由此，转移切换开关TG2便能控制至少部分感测电荷是否能自光感测单元PT转移至浮动扩散节点FD。如此一来，转移至浮动扩散节点FD的感测电荷便为图5所示的浮动扩散电荷。

由于第二电荷转移单元PATH2仅仅通过转移切换开关TG2来控制感测电荷自光感测单元PT至浮动扩散节点FD的转移，且第二电荷转移单元PATH2并没有任何暂存感测电荷至转移切换开关TG2以外的元件，因此，在本实施例中，通过第二电荷转移单元PATH2而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第二电荷转移期间短于通过第一电荷转移单元PATH1而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第一电荷转移期间。

上述转移切换开关TG2的半导体结构的具体实施例如但不限于可如图5的剖面示意图所示。上述元件的半导体结构的实施方式，有多种具体半导体结构可以达成，图5仅示出其中一种具体实施例。上述元件的的半导体结构的实施方式不限于必须形成于P型半导体基板，在其他实施例中，亦可形成于N型半导体基板或其他半导体基板，只要相应改变掺杂区即可。

请参考图3标出本发明的高动态范围影像传感器的一实施例的方块示意图。本发明的全局快门高动态范围像素11可应用于一高动态范围影像传感器10。如图3所示，本实施例的高动态范围影像传感器10可包含:一全局快门高动态范围像素矩阵1、一像素讯号读取电路2、一控制电路3及一图像处理电路4。

在一实施例中，全局快门高动态范围像素矩阵1可包括多个全局快门高动态范围像素11，其中，这些全局快门高动态范围像素11排列为如图3所示的多行与多列。在本实施例中，每一全局快门高动态范围像素11可如上述图1所示的包含一光感测单元PT、一浮动扩散节点FD、一第一电荷转移单元PATH1、一第二电荷转移单元PATH2以及一像素讯号输出单元OU。

像素讯号读取电路2与全局快门高动态范围像素矩阵1耦接，用以读取各全局快门高动态范围像素1所输出的第一像素讯号Spix1(通过第一电荷转移单元PATH1而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD时，第一像素讯号Spix1代表在此情况下相关于浮动扩散节点FD的电压位准V)及第二像素讯号Spix2(通过第二电荷转移单元PATH2而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD时，第二像素讯号Spix2代表在此情况下相关于浮动扩散节点FD的电压位准V)。在一实施例中，像素讯号读取电路2例如不限于可包括多个像素讯号处理电路21及一讯号线22。每一行的各全局快门高动态范围像素1所输出的第一像素讯号Spix1及第二像素讯号Spix2可通过行讯号线CL传送到各自对应的像素讯号处理电路21，再透过讯号线22输出一初始影像讯号Simg。

控制电路3与全局快门高动态范围像素矩阵1耦接。在一实施例中，控制电路3例如不限于可包括一列译码电路31及一列驱动电路32。控制电路3可用以产生下述讯号：控制讯号G_SD、控制讯号G_SS、控制讯号G_TG1、控制讯号G_TG2、重置讯号G_AB、列选择讯号G_RSL及/或重置讯号G_RST，藉以控制各全局快门高动态范围像素11。并且控制电路3可透过驱动线DL输出上述的讯号至各全局快门高动态范围像素11。

图像处理电路4与像素讯号读取电路2耦接，用以处理自像素讯号读取电路2输出的初始影像讯号Simg，最终输出具有高动态范围性质的最终影像讯号Sout。

此外，本实施例的高动态范围影像传感器10尚可包含一频率产生电路5及一行译码电路6。频率产生电路5用以产生频率讯号以控制像素讯号读取电路2。行译码电路6与像素讯号读取电路2耦接，用以针对通过行讯号线CL传送到各自对应的像素讯号处理电路21的讯号进行译码。

由于列译码电路31、列驱动电路32、频率产生电路5及一行译码电路6为本领域技术人员所熟悉的电路，因此不在此赘述其技术细节。

由于本实施例的高动态范围影像传感器10包含多个全局快门高动态范围像素11，因此本实施例的高动态范围影像传感器10也同样具有上述实施例所述的全局快门高动态范围像素11所具有的特征及优点，于此不再赘述。

请参考图6，其示出本发明的讯号波形图。如图6所示，第一电荷转移期间定义为自重置晶体管AB的不导通时点至快门开关SS的不导通时点，而第二电荷转移期间则定义为自重置晶体管AB的不导通时点至转移切换开关TG2的不导通时点。

如前所述，由于第二电荷转移单元PATH2仅仅通过转移切换开关TG2来控制感测电荷自光感测单元PT至浮动扩散节点FD的转移，且第二电荷转移单元PATH2并没有任何暂存感测电荷至转移切换开关TG2以外的元件，因此，在本实施例中，通过第二电荷转移单元PATH2而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第二电荷转移期间短于通过第一电荷转移单元PATH1而自光感测单元PT转移至少部分的感测电荷至浮动扩散节点FD所花用的第一电荷转移期间。由图6所示也可清楚看到第二电荷转移期间(短曝光)短于第一电荷转移期间(长曝光)。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，所示直接连接的电路元件间，可插置不影响电路主要功能的电路元件，如开关或电阻等。又如，讯号高低位准的意义可以改变，并不局限于以高位准为导通、以低位准为关闭，而相关的电路也可对应地改变。又例如，本发明的基板不限于为P型半导体基板，可为N型半导体基板或其他半导体基板，只要相应改变掺杂区即可。又再如，一讯号在电路内部进行处理或运算时，可能经过电压电流转换、电流电压转换、比例转换、位准转换等，因此，本发明所称“根据某讯号进行处理或运算”，不限于根据该讯号的本身，亦包含于必要时，将该讯号进行上述转换后，根据转换后的讯号进行处理或运算。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得。此外，所说明的各个实施例，并不限于单独应用，亦可以组合应用，例如但不限于将两实施例并用，或是以其中一个实施例的局部电路代换另一实施例的对应电路。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。此外，本发明的任一实施型态不必须达成所有的目的或优点，因此，权利要求任一项也不应以此为限。

Claims (12)

1.一种全局快门高动态范围像素，其特征在于，包含：

一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷并且输出一对应于该感测电荷的一感测讯号；

一浮动扩散节点，用以储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷为浮动扩散电荷；

一第一电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第一电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点；

一第二电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第二电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点，其中该第二电荷转移期间短于该第一电荷转移期间；以及

一像素讯号输出单元，其一端耦接于该浮动扩散节点，用以产生在该第一电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第一像素讯号及/或在该第二电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第二像素讯号；

其中，该第一电荷转移单元至少包括：

一金属氧化物半导体电容，用以暂时储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷，该金属氧化物半导体电容根据一第一控制讯号而导通/不导通，由此在该金属氧化物半导体电容自身的内部形成有一栅极感应位能阱，藉以控制至少部分该感测电荷的转移。

2.如权利要求1所述的全局快门高动态范围像素，其中，该第一电荷转移单元还包括：

一快门开关，耦接于该光感测单元与该金属氧化物半导体电容的一端之间，该快门开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该金属氧化物半导体电容；以及

一第一转移切换开关，耦接于该金属氧化物半导体电容的另一端与该浮动扩散节点之间，该第一转移切换开关根据一第三控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该金属氧化物半导体电容转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

3.如权利要求1所述的全局快门高动态范围像素，其中，该第二电荷转移单元还包括：

一第二转移切换开关，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，该第二转移切换开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

4.如权利要求1所述的全局快门高动态范围像素，其中，该光感测单元包括一光二极管、一光栅极或一光导体。

5.如权利要求2所述的全局快门高动态范围像素，其中，该全局快门高动态范围像素还包括：

一第一重置晶体管，与该光感测单元的一端耦接，用以重置该光感测单元的位准至一第一预设位准；以及

一第二重置晶体管，与该浮动扩散节点的一端耦接，用以重置该浮动扩散节点的位准至一第二预设位准，

其中该第一电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该快门开关的不导通时点。

6.如权利要求3所述的全局快门高动态范围像素，其中该全局快门高动态范围像素还包括：

一第一重置晶体管，与该光感测单元的一端耦接，用以重置该光感测单元的位准至一第一预设位准；以及

一第二重置晶体管，与该浮动扩散节点的一端耦接，用以重置该浮动扩散节点的位准至一第二预设位准；

其中该第二电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该第二转移切换开关的不导通时点。

7.一种全局快门高动态范围影像传感器，其特征在于，包含：

一全局快门高动态范围像素矩阵，包括：

多个全局快门高动态范围像素，排列为多行与多列，各全局快门高动态范围像素包括：

一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷并且输出一对应于该感测电荷的一感测讯号；

一浮动扩散节点，用以储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷为浮动扩散电荷；

一第一电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第一电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点；

一第二电荷转移单元，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，用以在一第二电荷转移期间从该光感测单元转移至少部分的该感测电荷至该浮动扩散节点，其中该第二电荷转移期间短于该第一电荷转移期间；以及

一像素讯号输出单元，其一端耦接于该浮动扩散节点，用以产生在该第一电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第一像素讯号及/或在该第二电荷转移期间相关于该浮动扩散节点的电压位准的一第二像素讯号；

其中，该第一电荷转移单元至少包括：

一金属氧化物半导体电容，用以暂时储存从该光感测单元转移而来的至少部分该感测电荷，该金属氧化物半导体电容根据一第一控制讯号而导通/不导通，由此在该金属氧化物半导体电容自身的内部形成有一栅极感应位能阱，藉以控制至少部分该感测电荷的转移；

一控制电路，与该全局快门高动态范围像素矩阵耦接，用以产生该第一控制讯号，以控制该多个全局快门高动态范围像素；

一像素讯号读取电路，与该全局快门高动态范围像素矩阵耦接，用以读取各全局快门高动态范围像素的该第一像素讯号及该第二像素讯号；以及

一图像处理电路，与该像素讯号读取电路耦接，用以处理自该像素讯号读取电路输出的讯号。

8.如权利要求7所述的全局快门高动态范围影像传感器，其中，该第一电荷转移单元还包括：

一快门开关，耦接于该光感测单元与该金属氧化物半导体电容的一端的间，该快门开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该金属氧化物半导体电容；以及

一第一转移切换开关，耦接于该金属氧化物半导体电容的另一端与该浮动扩散节点之间，该第一转移切换开关根据一第三控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该金属氧化物半导体电容转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

9.如权利要求7所述的全局快门高动态范围影像传感器，其中，该第二电荷转移单元还包括：

一第二转移切换开关，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点的间，该第二转移切换开关根据一第二控制讯号而导通/不导通，藉以控制至少部分该感测电荷自该光感测单元转移至该浮动扩散节点为该浮动扩散电荷。

10.如权利要求7所述的全局快门高动态范围影像传感器，其中，该光感测单元包括一光二极管、一光栅极或一光导体。

11.如权利要求8所述的全局快门高动态范围影像传感器，其中，该全局快门高动态范围像素还包括：

一第一重置晶体管，与该光感测单元的一端耦接，用以重置该光感测单元的位准至一第一预设位准；以及

一第二重置晶体管，与该浮动扩散节点的一端耦接，用以重置该浮动扩散节点的位准至一第二预设位准，

其中该第一电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该快门开关的不导通时点。

12.如权利要求9所述的全局快门高动态范围影像传感器，其中该全局快门高动态范围像素还包括：

一第一重置晶体管，与该光感测单元的一端耦接，用以重置该光感测单元的位准至一第一预设位准；以及

一第二重置晶体管，与该浮动扩散节点的一端耦接，用以重置该浮动扩散节点的位准至一第二预设位准；

其中该第二电荷转移期间为自该第一重置晶体管的不导通时点至该第二转移切换开关的不导通时点。