CN108616704B - 具有高动态范围的图像传感器和生成图像方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有高动态范围的图像传感器。一种光电二极管响应于暴露于光中而生成光生电荷。积分周期收集这些光生电荷。超过溢出阈值的所收集光生电荷被传递至溢出感测节点。剩余的所收集光生电荷被传递至感测节点。从该溢出感测节点中读取表示这些溢出光生电荷的第一信号。从该感测节点中读取表示这些剩余光生电荷的第二信号。

Description

具有高动态范围的图像传感器和生成图像方法
技术领域
本发明涉及图像传感器，并且具体地，涉及具有高动态范围的图像传感器。
背景技术
参照图1，该图示出了常规图像传感器像素10的电路图。像素 10包括光电二极管12，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点 (V衬底；即，衬底电压，例如，地电势)14的阳极以及耦合至电荷收集节点16的阴极。光电二极管12可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)18(被称为抗晕光晶体管)具有耦合至电荷收集节点16的源极端子以及耦合至第二电源电压节点(Vrt；即，像素参考电压)20的漏极端子。耦合抗晕光晶体管18的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号 (Cab)。n沟道MOSFET 22(被称为传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点16的源极端子以及耦合至感测节点24的漏极端子。耦合传输门晶体管22的栅极端子以便接收传输门控制信号(Ctg)。感测节点24在本领域中也被称为浮动扩散节点并且具有相关联的寄生电容。n沟道MOSFET 26(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点(Vrst；即，像素复位电压)28的漏极端子和耦合至感测节点24的源极端子。电压Vrt和Vrst根据应用而可以或可以不处于相同电压电势。耦合复位晶体管26的栅极端子以便接收复位控制信号(Crst)。n沟道MOSFET 30具有耦合至感测节点24的栅极端子。晶体管30起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管30 的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)20，而源极端子耦合至中间(读取)节点32。中间节点32处的电压跟随感测节点24处的电压。n沟道MOSFET 34(被称为读取晶体管)具有耦合至中间节点32的漏极端子和耦合至输出线路(VX)36的源极节点。耦合读取晶体管34的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。在像素电路10是像素阵列的一部分的实施例中，输出线路(VX)可由阵列的列中的多个像素共享。
现在另外地参照图2。对像素10的操作如下：首先将像素10置于复位模式。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管18(参考号70)并对光电二极管12进行复位。复位控制信号(Crst) 也被断言接通复位晶体管26(参考号72)并对感测节点24进行复位。然后，像素10进入积分阶段。复位控制信号(Crst)被解除断言提高相应势垒(参考号74)。由光电二极管12接收光40，并且在电荷收集节点16处的电荷收集区域中产生(参考号76)光生电荷。如果光40很强，或者积分时间段太长，则可能产生使电荷收集节点 16处的阴极电势下降到光电二极管12的阳极电势以下的过量光生电荷。在这种情况下，光电二极管12变得被正向偏置，并且过量电荷将溢出到相邻像素中。这种效应在本领域中被称为“晕光”。为了解决此问题，抗晕光二极管控制信号(Cab)被设置为将稍微减小抗晕光晶体管18所呈现的势垒的电压电平(参考号78)。在这种配置中，过量光生电荷相反传递(参考号80)至抗晕光晶体管18的漏极端子。在积分阶段结束时，像素10进入电荷转移阶段。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被解除断言提高相应势垒(参考号82)。传输门控制信号(Ctg)被断言降低相应势垒(参考号84)，并且光生电荷由传输门晶体管22传递至感测节点24(参考号86)。像素10现在进入读出阶段。感测节点24上的电压电势经由源极跟随器晶体管 30转移至中间(读取)节点32。读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管34并将中间节点32处的电压转移至输出线路(VX)36 (参考号88)。
以以上所描述的方式来进行的对像素10的操作可能对动态范围具有不利影响。虽然抗晕光电路和操作用于解决与晕光有关的问题，但是通过抗晕光晶体管18排出到电流节点20中的光生电荷丢失并且根本不贡献于读出到输出线路(VX)36中的信号。
发明内容
在实施例中，一种图像传感器像素电路包括：光电二极管，该光电二极管被配置成用于响应于暴露于光中而产生光生电荷以供在电荷收集节点处进行积分；传输门晶体管电路，该传输门晶体管电路耦合至该电荷收集节点并且被配置成用于将这些积分光生电荷的第一部分传递至感测节点；溢出晶体管，该溢出晶体管耦合至该电荷收集节点并且被配置成用于将这些积分光生电荷的第二部分传递至溢出感测节点；以及读取电路，该读取电路耦合至该感测节点和该溢出感测节点并且被配置成用于从该感测节点中读出表示该第一部分的第一信号并且从该溢出感测节点中读出表示该第二部分的第二信号。
在实施例中，一种图像传感器像素电路包括：光电二极管，该光电二极管具有电荷收集节点；传输门晶体管，该传输门晶体管耦合在该电荷收集节点与感测节点之间；溢出晶体管，该溢出晶体管耦合在该电荷收集节点与溢出感测节点之间，该溢出晶体管呈现第一势垒，该第一势垒用于将电荷的第一部分从该电荷收集节点传递至该溢出感测节点；以及抗晕光晶体管，该抗晕光晶体管耦合在该电荷收集节点与电源节点之间，该抗晕光晶体管呈现第二势垒，该第二势垒用于将电荷的第二部分从该电荷收集节点传递至该电源节点；其中，该第一势垒低于该第二势垒。
在实施例中，一种方法包括：响应于光电二极管暴露于光中而产生光生电荷；通过积分来收集这些光生电荷；将所收集的这些光生电荷中超过第一势垒的一部分传递至溢出感测节点；将所收集的这些光生电荷的剩余部分传递至感测节点；从该溢出感测节点中读取第一信号，该第一信号表示所收集的这些光生电荷中超过该第一势垒的该部分；以及从该感测节点中读取第二信号，该第二信号表示所收集的这些光生电荷的该剩余部分。
附图说明
为了更好地理解实施例，现在将仅通过示例的方式参照附图，在附图中：
图1是常规图像传感器像素的电路图；
图2展示了在对图1的传感器像素的操作的情景下的势阱；
图3是图像传感器像素的电路图；
图4A和图4B展示了在对图3的传感器像素的操作的情景下的势阱；
图5是图像传感器像素的电路图；
图6A和图6B展示了在对图5的传感器像素的操作的情景下的势阱；
图7是图像传感器像素的电路图；
图8A和图8B展示了在对图7的传感器像素的操作的情景下的势阱；
图9示出了图像传感器像素的布局；
图10是电容式深沟槽隔离结构的横截面视图；
图11是电容器结构的横截面视图；以及
图12是晶体管结构的横截面视图。
具体实施方式
现在参照图3，该图示出了图像传感器像素100的电路图。像素 100包括光电二极管112，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点(V衬底，衬底电压，例如，地电势)114的阳极和耦合至电荷收集节点116的阴极。光电二极管112可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)118(被称为抗晕光晶体管)具有耦合至电荷收集节点116的源极端子和耦合至第二电源电压节点(Vrt；像素参考电压)120的漏极端子。耦合抗晕光晶体管118的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号 (Cab)。n沟道MOSFET 122(被称为存储器传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点116的源极端子和耦合至存储器节点124的漏极端子。耦合存储器传输门晶体管122的栅极端子以便接收第一传输门控制信号(Ctg1)。存储器节点124是采用引脚式电容(例如由引脚式存储器二极管形成)128的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有耦合至其上的电荷存储设备126，该电荷存储节点具有耦合至第一电源电压节点(V衬底)114的第一端子(阳极)和耦合至存储器节点124的第二端子(阴极)。n沟道MOSFET 130(被称为感测传输门晶体管)具有耦合至存储器节点124的源极端子和耦合至感测节点132的漏极端子。耦合感测传输门晶体管130的栅极端子以便接收第二传输门控制信号(Ctg2)。感测节点132在本领域中也被称为浮动扩散节点(并且具有与其相关联的寄生电容)。n沟道 MOSFET 136(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点 (Vrst；像素复位电压)138的漏极端子和耦合至感测节点132的源极端子。电压Vrt和Vrst根据应用而可以或可以不具有相同电压电势。耦合复位晶体管136的栅极端子以便接收复位控制信号(Crst)。 n沟道MOSFET 140具有耦合至感测节点132的栅极端子。晶体管 140起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管140的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)120，而源极端子耦合至中间(读取) 节点142。中间节点142处的电压跟随感测节点132处的电压。n沟道MOSFET 144(被称为读取晶体管)具有耦合至中间节点142的漏极端子和耦合至第一(低强度)输出线路(VX低)146的源极节点。耦合读取晶体管144的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。在像素电路100是像素阵列的一部分的实施例中，输出线路(VX高和VX低)可由阵列的列中的多个像素共享。
像素100进一步包括n沟道MOSFET 150(被称为溢出传输门晶体管)，该n沟道MOSFET具有耦合至电荷收集节点116的源极端子和耦合至溢出感测节点152的漏极端子。耦合溢出传输门晶体管 150的栅极端子以便接收溢出传输门控制信号(Cov)。溢出感测节点152是采用电容器156的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有耦合至其上的电荷存储设备154，该电荷存储节点具有耦合至溢出感测节点152的第一电容器极板和耦合至第四电源电压节点(Vc；像素电容参考电压)158的第二电容器极板。电容器156的大小很重要，因为其限定了通过溢出可以存储多少电荷。第四电源电压节点 (Vc)158处的电势取决于如何构造存储电容。对于金属-氧化物- 金属电容，Vc可以是所选的任何静态电压。在所示出的实施例中，因为如图9和图10中所示出的存储电容基于积聚模式下的垂直栅极所围绕的隔离硅结构，所以Vc是0V至2V的静态负电压。电压 Vc实际上是此晶体管的栅极电压并且它需要为负以便确保适当操作。n沟道MOSFET 160(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点(Vrst)138的漏极端子和耦合至溢出感测节点152的源极端子。耦合复位晶体管160的栅极端子以便接收复位控制信号 (Crst)。n沟道MOSFET 162具有耦合至感测节点124的栅极端子。晶体管162起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管162的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)120，而源极端子耦合至中间(读取)节点164。电荷收集节点164处的电压跟随溢出感测节点 152处的电压。n沟道MOSFET 166(被称为读取晶体管)具有耦合至电荷收集节点164的漏极端子和耦合至第二(高强度)输出线路 (VX高)168的源极节点。耦合读取晶体管166的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。
现在另外地参照图4A和图4B。对像素100的操作如下：首先将像素100置于复位模式。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管118(参考号200)并对光电二极管112进行复位。复位控制信号(Crst)也被断言接通复位晶体管136和160以便对感测节点132和溢出感测节点152进行复位(参考号202，以及如在图 2中的参考号72处总体上示出的)。然后，像素100进入积分阶段。复位控制信号(Crst)被解除断言提高相应势垒(参考号204，以及如在图2中的参考号74处总体上示出的)。尽管将理解的是，可以可替代地像图2中所示出的那样控制抗晕光晶体管控制信号(Cab) (参考号78)，但是抗晕光晶体管控制信号(Cab)被进一步解除断言(参考号206)。由光电二极管112接收光170，并且产生光生电荷(参考号208)。如果光170很强，或者积分时间段太长，则可能在电荷收集节点116处提供的电荷收集区域处产生过量光生电荷。过量光生电荷可能例如由于如本领域中已知的以及本文中关于图1 和图2而讨论的晕光问题而丢失。为了解决此问题，溢出传输门控制信号(Cov)被设置为将稍微减小溢出传输门晶体管150所呈现的势垒的电压电平(参考号210)。在这种配置中，过量光生电荷将通过晶体管150而传递(参考号212)至溢出感测节点152并且由电荷存储设备154的电容器156存储。
在积分阶段结束时，像素100进入电荷转移阶段。第一传输门控制信号(Ctg1)被断言降低相应势垒(参考号216)并且光生电荷由传输门晶体管122传递(参考号218)至存储器节点124并由电荷存储设备126的二极管128存储。优选地，对第一传输门控制信号 (Ctg1)的断言是脉冲信号。尽管在图4B中未示出，但是将理解的是，在对第一传输门控制信号(Ctg1)施以脉冲之后，抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管118以便排出二极管112 在节点116处生成的进一步电荷并且由此通过晶体管150阻止对溢出的再激活。
像素100现在进入读出阶段。为了消除由于源极跟随器晶体管 140和162而引起的系统噪声(失配)并消除由于kTC而引起的时间噪声，在读出期间执行如在本领域中熟知的相关双采样。
对复位控制信号(Crst)施以脉冲以便接通晶体管136并使节点 132处于复位电压Vrst。感测节点132上的电压电位经由源极跟随器晶体管140被转移至电荷收集节点142。然后，读取控制信号(Crd) 被断言接通读取晶体管144。中间节点142处的电压由读取晶体管144转移至第一(低强度)输出线路(VX低)146以便形成第一参考电压。接下来，对第二传输门控制信号(Ctg2)的断言降低了相应势垒(参考号220)，并且存储在存储器节点124上的电荷由传输门晶体管130转移至感测节点132(参考号222)。感测节点132上的电压电位经由源极跟随器晶体管140被转移至电荷收集节点142。然后，读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管144。中间节点 142处的电压由读取晶体管144转移(参考号224)至第一(低强度) 输出线路(VX低)146以便形成信号电压。信号电压与第一参考电压之差表示没有源极跟随器失配和kTC噪声的实际信号。
感测节点152上的电压电位经由源极跟随器晶体管162被转移至电荷收集节点164(参考号214)。然后，读取控制信号(Crd) 被断言接通读取晶体管166。中间节点164处的电压由读取晶体管 166转移(参考号214)至第二(高强度)输出线路(VX高)168 以便形成溢出信号电压。对复位控制信号(Crst)施以脉冲以便使节点152处于复位电压Vrst。感测节点152上的电压电位经由源极跟随器晶体管162被转移至电荷收集节点164。然后，读取控制信号 (Crd)被断言接通读取晶体管166。中间节点164处的电压由读取晶体管166转移至第二(高强度)输出线路(VX高)168以便形成第二参考电压。溢出信号电压与第二参考电压之差表示没有源极跟随器失配的实际溢出信号。无法使用这种实施方式来消除kTC噪声。
因此，在这种配置中，每个像素100具有两个输出端，一个输出端具有溢出信号，包括由于在溢出感测节点152处捕获的过量光生电荷而进行的对电压电势的读取，并且第二输出端具有信号，包括由于在存储器节点124处捕获的光生电荷而进行的对电压电势的读取。然后，可以对实际信号和实际溢出信号进行处理以便产生具有改善动态范围的像素输出信号。
所公开的操作的优点在于，在高强度光场景下，仅使用单一曝光和积分来捕获光生电荷。这不同于现有技术实施方式并且比其更有效，为了调节信号敏感度，这些现有技术实施方式通过在不同积分时间进行连续曝光来支持高动态范围。所公开的操作的另一个优点在于，其与全局快门操作相兼容。像素的所有线路可以共享用于Ctg1 和Cab控制的相同输入信号。这意味着积分开始和停止对于阵列的所有像素来说都是同步的。
现在参照图5，该图示出了图像传感器像素300的电路图。像素 300包括光电二极管312，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点(V衬底；衬底电压)314的阳极和耦合至电荷收集节点316的阴极。光电二极管312可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)318(被称为抗晕光晶体管) 具有耦合至电荷收集节点316的源极端子和耦合至第二电源电压节点(Vrt；像素参考电压)320的漏极端子。耦合抗晕光晶体管318 的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号(Cab)。n沟道MOSFET 322(被称为存储器传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点316的源极端子和耦合至存储器节点324的漏极端子。耦合存储器传输门晶体管322的栅极端子以便接收第一传输门控制信号(Ctg1)。存储器节点324是采用二极管328的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有耦合至其上的电荷存储设备326，该电荷存储节点具有耦合至第一电源电压节点(V衬底)314的阳极和耦合至存储器节点324 的阴极。n沟道MOSFET 330(被称为感测传输门晶体管)具有耦合至存储器节点324的源极端子和耦合至感测节点332的漏极端子。耦合感测传输门晶体管330的栅极端子以便接收第二传输门控制信号(Ctg2)。感测节点332在本领域中也被称为浮动扩散节点。n沟道MOSFET 336(被称为复位晶体管)具有耦合至中间节点364的漏极端子和耦合至感测节点332的源极端子。耦合复位晶体管336 的栅极端子以便接收第一复位控制信号(Crst1)。n沟道MOSFET 340 具有耦合至感测节点332的栅极端子。晶体管340起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管340的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)320，而源极端子耦合至中间(读取)节点342。中间节点342处的电压跟随感测节点332处的电压。n沟道MOSFET 344 (被称为读取晶体管)具有耦合至中间(读取)节点342的漏极端子和耦合至输出线路(VX)346的源极节点。耦合读取晶体管344 的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。在像素电路10是像素阵列的一部分的实施例中，输出线路(VX)可由阵列的列中的多个像素共享。
像素300进一步包括n沟道MOSFET 350(被称为溢出传输门晶体管)，具有耦合至电荷收集节点316的源极端子和耦合至溢出感测节点352(本文中也被称为中间节点364)的漏极端子。耦合溢出传输门晶体管350的栅极端子以便接收溢出传输门控制信号(Cov)。溢出感测节点352是采用电容器356的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有耦合至其上的电荷存储设备354，该电荷存储节点具有耦合至溢出感测节点352的第一电容器极板和耦合至第四电源电压节点(Vc；电容器参考电压)358的第二电容器极板。n沟道 MOSFET 360(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点 (Vrst)338的漏极端子和耦合至中间节点364和溢出感测节点352 的源极端子。耦合复位晶体管360的栅极端子以便接收第二复位控制信号(Crst2)。
现在另外地参照图6A和图6B。对像素300的操作如下：首先将像素300置于复位模式。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管318(参考号400)并对光电二极管312进行复位。第一复位控制信号和第二复位控制信号(Crst1和Crst2)也被断言接通复位晶体管336和360以便对感测节点332和溢出感测节点352 两者进行复位(参考号402，以及如在图2中的参考号72处总体上示出的)。然后，像素300进入积分阶段。第一复位控制信号和第二复位控制信号(Crst1和Crst2)被解除断言提高相应势垒(参考号 404，以及如在图2中的参考号74处总体上示出的)。尽管将理解的是，可以可替代地像图2中所示出的那样控制抗晕光晶体管控制信号(Cab)(参考号78)，但是抗晕光晶体管控制信号(Cab)被进一步解除断言(参考号406)。由光电二极管312接收光370，并且产生光生电荷(参考号408)。如果光370很强，或者积分时间段太长，则可能产生过量光生电荷。过量光生电荷可能例如由于如本领域中已知的以及本文中关于图1和图2而讨论的晕光问题而丢失。为了解决此问题，溢出传输门控制信号(Cov)被设置为将减小溢出传输门晶体管350所呈现的势垒的电压电平(参考号410)。在这种配置中，过量光生电荷将传递(参考号412)至溢出感测节点352 并且由电荷存储设备354的电容器356存储。
在积分阶段结束时，像素300进入电荷转移阶段。第一传输门控制信号(Ctg1)被断言降低相应势垒(参考号412)并且光生电荷由传输门晶体管322传递(参考号414)至存储器节点324并由电荷存储设备326的二极管328存储。优选地，对第一传输门控制信号 (Ctg1)的断言是脉冲信号。尽管在图6B中未示出，但是将理解的是，在对第一传输门控制信号(Ctg1)施以脉冲之后，抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管318以便排出在节点316 处生成的电荷并且由此通过晶体管350阻止对溢出的再激活。
像素300现在进入读出阶段。为了消除由于源极跟随器晶体管 340而引起的系统噪声(失配)并消除由于kTC而引起的时间噪声，执行如在本领域中熟知的相关双采样。
第一复位控制信号(Crst1)被断言降低相应势垒(参考号416)，并且然后，溢出感测节点352上的电压电势由复位晶体管336转移至感测节点332(参考号418)。然后，感测节点332上的电压电位经由源极跟随器晶体管340被转移至中间节点342(参考号420)。读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管344，并且中间节点342 处的电压由读取晶体管344转移至输出线路(VX)346以便形成溢出信号电压。然后，对第二复位控制信号(Crst2)施以脉冲以便使节点352处于复位电压Vrst。然后，溢出感测节点352上的电压电势由复位晶体管336转移至感测节点332。然后，感测节点332上的电压电位经由源极跟随器晶体管340被转移至中间节点342。读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管344，并且中间节点342处的电压由读取晶体管344转移至输出线路(VX)346以便形成参考电压。溢出信号电压与参考电压之差表示没有源极跟随器失配的实际溢出信号。
然后，第一复位控制信号(Crst1)被断言提高相应势垒。接下来，第二传输门控制信号(Ctg2)被断言降低相应势垒(参考号422)，并且存储在存储器节点324上的电荷由传输门晶体管330转移至感测节点332(参考号424)。然后，感测节点332上的电压电位经由源极跟随器晶体管340被转移至中间节点342(参考号426)。然后，读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管344，并且中间节点342 处的电压由读取晶体管344转移至输出线路(VX)346以便形成信号电压。信号电压与参考电压之差表示没有源极跟随器失配和kTC 噪声的实际信号。
因此，在此实施方式中执行两次连续读取，第一读取包括由于在溢出感测节点352处捕获的过量光生电荷而进行的对电压电势的读取，并且第二读取包括由于在存储器节点324处捕获的光生电荷而进行的对电压电势的读取。
所公开的操作的优点在于，在高强度光场景下，仅使用单一曝光和积分来捕获光生电荷。这不同于现有技术实施方式并且比其更有效，为了调节信号敏感度，这些现有技术实施方式通过在不同积分时间进行连续曝光来支持高动态范围。所公开的操作的另一个优点在于，其与全局快门操作相兼容。像素的所有线路可以共享用于Ctg1 和Cab控制的相同输入信号。这意味着积分开始和停止对于阵列的所有像素来说都是同步的。
现在参照图7，该图示出了图像传感器像素500的电路图。像素 500包括光电二极管512，该光电二极管具有耦合至第一电源电压节点(V衬底；衬底电压)514的阳极和耦合至电荷收集节点516的阴极。光电二极管512可以例如属于引脚式光电二极管类型。n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)518(被称为抗晕光晶体管) 具有耦合至电荷收集节点516的源极端子和耦合至第二电源电压节点(Vrt；像素参考电压)520的漏极端子。耦合抗晕光晶体管518 的栅极端子以便接收抗晕光晶体管控制信号(Cab)。n沟道MOSFET 522(被称为传输门晶体管)具有耦合至电荷收集节点516的源极端子以及耦合至感测节点532的漏极端子。耦合传输门晶体管522的栅极端子以便接收传输门控制信号(Ctg)。感测节点532在本领域中也被称为浮动扩散节点。n沟道MOSFET 536(被称为复位晶体管) 具有耦合至中间节点564的漏极端子和耦合至感测节点532的源极端子。耦合复位晶体管536的栅极端子以便接收第一复位控制信号 (Crst1)。n沟道MOSFET 540具有耦合至感测节点532的栅极端子。晶体管540起源极跟随器晶体管的作用。源极跟随器晶体管540 的漏极端子耦合至第二电源电压节点(Vrt)520，而源极端子耦合至中间节点542。中间节点542处的电压跟随感测节点532处的电压。 n沟道MOSFET 544(被称为读取晶体管)具有耦合至中间节点542 的漏极端子和耦合至输出线路(VX)546的源极节点。耦合读取晶体管544的栅极端子以便接收读取控制信号(Crd)。在像素电路10 是像素阵列的一部分的实施例中，输出线路(VX)可由阵列的列中的多个像素共享。
像素500进一步包括n沟道MOSFET 350(被称为溢出传输门晶体管)，具有耦合至电荷收集节点516的源极端子和耦合至溢出感测节点552(本文中也被称为中间节点564)的漏极端子。耦合溢出传输门晶体管550的栅极端子以便接收溢出传输门控制信号(Cov)。溢出感测节点552是采用电容器556的形式的电荷存储节点，该电荷存储节点具有耦合至其上的电荷存储设备554，该电荷存储节点具有耦合至溢出感测节点552的第一电容器极板和耦合至第四电源电压节点(Vc；电容器参考电压)558的第二电容器极板。n沟道 MOSFET 560(被称为复位晶体管)具有耦合至第三电源电压节点 (Vrst)538的漏极端子和耦合至中间节点564和溢出感测节点552 的源极端子。耦合复位晶体管560的栅极端子以便接收第二复位控制信号(Crst2)。
现在另外地参照图8A和图8B。对像素500的操作如下：首先将像素500置于复位模式。抗晕光晶体管控制信号(Cab)被断言接通抗晕光晶体管518(参考号600)并对光电二极管512进行复位。第一复位控制信号和第二复位控制信号(Crst1和Crst2)也被断言接通复位晶体管536和560以便对感测节点532和溢出感测节点552 两者进行复位(参考号602，以及如在图2中的参考号72处总体上示出的)。然后，像素500进入积分阶段。第一复位控制信号和第二复位控制信号(Crst1和Crst2)被解除断言提高相应势垒(参考号 604，以及如在图2中的参考号74处总体上示出的)。尽管将理解的是，可以可替代地像图2中所示出的那样控制抗晕光晶体管控制信号(Cab)(参考号78)，但是抗晕光晶体管控制信号(Cab)被进一步解除断言(参考号606)。由光电二极管512接收光570，并且产生光生电荷(参考号608)。如果光570很强，或者积分时间段太长，则可能产生过量光生电荷。过量光生电荷可能例如由于如本领域中已知的以及本文中关于图1和图2而讨论的晕光问题而丢失。为了解决此问题，溢出传输门控制信号(Cov)被设置为将减小溢出传输门晶体管350所呈现的势垒的电压电平(参考号610)。在这种配置中，过量光生电荷将传递(参考号612)至溢出感测节点552 并且由电荷存储设备554的电容器556存储。
第一复位控制信号(Crst1)被断言降低相应势垒(参考号612)，并且然后，溢出感测节点552上的电压电势由复位晶体管536转移至感测节点532(参考号614)。然后，感测节点532上的电压电位经由源极跟随器晶体管540被转移(参考号616)至中间节点542。然后，读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管544，并且中间节点542处的电压由读取晶体管544转移至输出线路(VX)546作为溢出信号电压。然后，第二复位控制信号(Crst2)被断言将节点 532和552两者设置为复位电压Vrst。第二复位控制信号(Crst2) 被接触断言。然后，读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管544，并且中间节点542处的电压由读取晶体管544转移至输出线路(VX) 546作为参考电压。溢出信号电压与参考电压之差表示没有源极跟随器失配的实际溢出信号。
然后，第一复位控制信号(Crst1)被断言提高相应势垒(参考号618)。接下来，传输门控制信号(Ctg)被断言降低相应势垒(参考号620)，并且来自光电二极管512的电荷由传输门晶体管522 转移至感测节点532(参考号622)。然后，感测节点532上的电压电位经由源极跟随器晶体管540被转移至中间节点542(参考号 624)。然后，读取控制信号(Crd)被断言接通读取晶体管544，并且中间节点542处的电压由读取晶体管544转移至输出线路(VX)546以便形成信号电压。信号电压与参考电压之差表示没有源极跟随器失配和kTC噪声的实际信号。
因此，在此实施方式中执行两次连续读取，第一读取包括由于在溢出感测节点552处捕获的过量光生电荷而进行的对电压电势的读取，并且第二读取包括由于在光电二极管512处的光生电荷而进行的对电压电势的读取。
所公开的操作的优点在于，在高强度光场景下，仅使用单一曝光和积分来捕获光生电荷。这不同于现有技术实施方式并且比其更有效，为了调节信号敏感度，这些现有技术实施方式通过在不同积分时间进行连续曝光来支持高动态范围。此实施例仅支持卷帘快门类型的操作，其中，阵列的每条线路在阵列的下一条线路上的积分停止之前被完全读取。卷帘快门操作的缺点是当成像场景包括移动对象时对图像伪像的可能引入。
现在参照图9，该图示出了图像传感器阵列的像素100、300、500 (合称为像素900)的平面布局，该图像传感器阵列包括以由多个行和列限定的阵列格式来安排的许多这种像素。像素900包括多个电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902，这些CDTI结构总体上界定了像素的电路区域。例如，CDTI结构900界定了光敏区域904、抗晕光区域906、存储器区域908、感测节点区域910、信号处理区域912、溢出区域914和溢出存储区域916。可以采用本领域技术人员熟知的方式来平铺像素布局以便形成传感器阵列。在这种阵列中，某些结构(如例如，抗晕光区域906以及信号处理区域912的一部分)可以是阵列中两个或更多个相邻像素之间的共享电路。
图10示出了电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902的横截面。形成了从顶表面918延伸到半导体衬底916中的沟槽914。沟槽914 衬有绝缘材料920(比如，氧化物材料)并且填充有导电材料922(比如，金属或多晶硅)。可以在顶表面处提供触点924以便向导电材料922施加电压。在此实施方式中，半导体衬底916属于包括掩埋氧化物(BOX)层930和支撑衬底932的绝缘体上硅(SOI)类型。在替代性实施方式中，相反可以使用体衬底。
在使用电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902的情况下，像素电路的MOSFET中的某些MOSFET可以有利地使用垂直MOS晶体管技术来实施。例如，抗晕光晶体管118、318、518可以利用总体上在参考号930处所指示的电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902来形成晶体管栅极，将抗晕光晶体管控制信号(Cab)应用于该晶体管栅极。而且，存储器传输门晶体管122、322可以利用总体上在参考号 932处所指示的电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902来形成晶体管栅极，将第一传输门控制信号(Ctg1)应用于该晶体管栅极。仍进一步地，溢出传输门晶体管150、35、550可以利用总体上在参考号 934处所指示的电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902来形成晶体管栅极，将溢出传输门控制信号(Cov)应用于该晶体管栅极。使用这种垂直MOS晶体管技术来实施的晶体管属于“常导通”型配置，并且通过在开口的每一侧向电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902的导电材料922施加适当电压来将其“断开”。针对栅极控制信号而施加适当电压导致形成完全耗尽的沟道。这种晶体管的阈值电压取决于栅极间隔(沟道宽度)，可以在设计阶段期间对其进行准确控制。
在此实施方式中，可以通过布局设计(具体地，在参考号930 处的电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902之间提供的空间量)以及连同对抗晕光晶体管控制信号(Cab)的电压的设置来准确地控制抗晕光晶体管118、318、518的势垒。在此实施方式中，可以通过布局设计(具体地，在参考号934处的电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902之间提供的空间量)以及连同对溢出传输门控制控制信号 (Cov)的电压的设置来准确地控制溢出传输门晶体管150、35、550 的势垒。在这方面，重要的是，准确地控制相对势垒以便确保溢出传输门晶体管150、35、550的势垒低于抗晕光晶体管118、318、518 的势垒。
在溢出存储区域916中以垂直MOS晶体管类型的电容器的形式实施电荷存储设备154，其中，第一电容器极板由掺杂区域(电耦合至溢出区域914)提供，并且第二电容器极板由如总体上在参考号936处示出的相邻电容式深沟槽(CDTI)结构902的导电材料922 部分提供。图11示出了溢出存储区域916的横截面视图(在图9的线A处截取的)。电容式深沟槽(CDTI)结构902完全围绕衬底的提供第一电容器极板的掺杂区域940。提供了重掺杂区域942以便互连至触点924。电容式深沟槽(CDTI)结构902的导电材料922部分提供了第二电容器极板连同互连触点924。如果使用体衬底，则无法像图11中所示出的那样实施电荷存储设备154，而是相反可以使用形成于溢出存储区域916内的常规平面MOS电容器来实施。
现在参照图12，该图示出了用于如以上所指出的像素电路的 MOSFET中的某些MOSFET的垂直MOS晶体管技术的横截面视图 (在图9的线B处截取的)。在掺杂沟道区域952的相反侧上提供了两个电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902。在此实施方式中，掺杂沟道区域952是引脚式光电二极管的掺杂区域的延伸。此结构处于“常导通”状态，该状态允许通过晶体管沟道区域将来自光电二极管的电荷导通。然而，如果使用某个电压电势(在这种情况下，负电势)来对电容式深沟槽隔离(CDTI)结构902的导电材料922 部分进行极化，则掺杂沟道区域952所提供的所述注入沟道被耗尽载流子。载流子的耗尽程度确定了势垒。如本文中所指出的，抗晕光晶体管和溢出传输门晶体管的势垒以相同方式创造，但以不同方式调整。具体地，溢出传输门晶体管的势垒低于抗晕光晶体管的势垒。
前述描述已经通过示例性示例和非限定性示例的方式提供了对本发明示例性实施例的全面和信息性描述。然而，在结合附图和所附权利要求书阅读前述说明时，各种修改和调整对于借鉴了前述说明的本领域技术人员而言将变得明显。然而，本发明的教导的所有这种和类似修改仍将落入如在所附权利要求书中所限定的本发明的范围之内。

Claims (29)

1.一种图像传感器像素电路，包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置成用于响应于暴露于光中而产生光生电荷以供在电荷收集节点处进行积分；
传输门晶体管电路，所述传输门晶体管电路耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第一部分传递至感测节点；
溢出晶体管，所述溢出晶体管耦合至所述电荷收集节点并且被配置成用于将所述积分光生电荷的第二部分传递至溢出感测节点；以及
读取电路，所述读取电路耦合至所述感测节点和所述溢出感测节点并且被配置成用于从所述感测节点中读出表示所述第一部分的第一信号并且从所述溢出感测节点中读出表示所述第二部分的第二信号。
2.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，进一步包括抗晕光晶体管，所述抗晕光晶体管被配置成用于将所述积分光生电荷的第三部分传递至电源节点。
3.如权利要求2所述的图像传感器像素电路，其中，所述溢出晶体管的用于将所述积分光生电荷的所述第二部分传递至所述溢出感测节点的势垒小于用于所述抗晕光晶体管的将所述积分光生电荷的所述第三部分传递至所述电源节点的势垒。
4.如权利要求3所述的图像传感器像素电路，其中，所述溢出晶体管和所述抗晕光晶体管各自包括晶体管结构，所述晶体管结构包括：
掺杂沟道区域；以及
在所述掺杂沟道区域的相反侧上的一对电容式深沟槽隔离结构，每个电容式深沟槽隔离结构包括导电区域，所述导电区域被配置成由控制电压进行偏置，所述控制电压耗尽所述掺杂沟道区域的载流子。
5.如权利要求4所述的图像传感器像素电路，其中，所述一对电容式深沟槽隔离结构之间的间距与所述控制电压的组合设置所述势垒。
6.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述光电二极管产生所述光生电荷以供在单个积分周期期间进行积分。
7.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述传输门晶体管电路包括：
存储器传输门晶体管，所述存储器传输门晶体管耦合在所述电荷收集节点与存储器节点之间；以及
感测传输门晶体管，所述感测传输门晶体管耦合在所述存储器节点与所述感测节点之间。
8.如权利要求7所述的图像传感器像素电路，进一步包括耦合至所述存储器节点的存储电路。
9.如权利要求8所述的图像传感器像素电路，其中，所述存储电路是引脚式存储器二极管电路。
10.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，进一步包括电荷存储电路，所述电荷存储电路耦合至所述溢出感测节点以便存储所述第二部分。
11.如权利要求10所述的图像传感器像素电路，其中，所述电荷存储电路包括电容器。
12.如权利要求11所述的图像传感器像素电路，其中，所述电容器包括：
第一电容器极板，所述第一电容器极板形成衬底区域；以及
第二电容器极板，所述第二电容器极板由与所述衬底区域相邻的电容式深沟槽隔离结构的导电区域形成。
13.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述读取电路包括：
第一源极跟随器晶体管，所述第一源极跟随器晶体管具有耦合至所述感测节点的栅极端子以及通过第一读取晶体管耦合至第一输出线路的源极端子；以及
第二源极跟随器晶体管，所述第二源极跟随器晶体管具有耦合至所述溢出感测节点的栅极端子以及通过第二读取晶体管耦合至第二输出线路的源极端子。
14.如权利要求1所述的图像传感器像素电路，其中，所述读取电路包括：
第一复位晶体管，所述第一复位晶体管耦合在所述溢出感测节点与所述感测节点之间；以及
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦合至所述感测节点的栅极端子以及通过读取晶体管耦合至输出线路的源极端子。
15.如权利要求14所述的图像传感器像素电路，进一步包括第二复位晶体管，所述第二复位晶体管耦合在所述溢出感测节点与复位电压之间。
16.如权利要求15所述的图像传感器像素电路，其中，所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管两者同时被致动以便对所述溢出感测节点和所述感测节点进行复位。
17.如权利要求15所述的图像传感器像素电路，其中，在从所述溢出感测节点中读出表示所述第二部分的所述第二信号期间，所述第一复位晶体管被致动，并且所述第二复位晶体管被止动。
18.如权利要求15所述的图像传感器像素电路，其中，在从所述感测节点中读出表示所述第一部分的所述第一信号期间，所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管两者同时被止动。
19.一种图像传感器像素电路，包括：
光电二极管，所述光电二极管具有电荷收集节点；
传输门晶体管，所述传输门晶体管耦合在所述电荷收集节点与感测节点之间；
溢出晶体管，所述溢出晶体管耦合在所述电荷收集节点与溢出感测节点之间，所述溢出晶体管呈现第一势垒，所述第一势垒用于将电荷的第一部分从所述电荷收集节点传递至所述溢出感测节点；以及
抗晕光晶体管，所述抗晕光晶体管耦合在所述电荷收集节点与电源节点之间，所述抗晕光晶体管呈现第二势垒，所述第二势垒用于将电荷的第二部分从所述电荷收集节点传递至所述电源节点；
其中，所述第一势垒低于所述第二势垒。
20.如权利要求19所述的图像传感器像素电路，其中，所述溢出晶体管包括控制端子，所述控制端子被配置成用于接收用于设置所述第一势垒的第一控制信号，并且其中，所述抗晕光晶体管包括控制端子，所述控制端子用于接收用于设置所述第二势垒的第二控制信号。
21.如权利要求19所述的图像传感器像素电路，进一步包括：读取电路，所述读取电路耦合至所述感测节点和所述溢出感测节点并且被配置成用于从所述感测节点中读出第一信号并且从所述溢出感测节点中读出第二信号。
22.如权利要求19所述的图像传感器像素电路，其中，所述传输门晶体管包括：
存储器传输门晶体管，所述存储器传输门晶体管耦合在所述电荷收集节点与存储器节点之间；
感测传输门晶体管，所述感测传输门晶体管耦合在所述存储器节点与所述感测节点之间；以及
存储电路，所述存储电路耦合至所述存储器节点。
23.如权利要求22所述的图像传感器像素电路，其中，所述存储电路是引脚式存储器二极管电路。
24.如权利要求19所述的图像传感器像素电路，进一步包括电荷存储电路，所述电荷存储电路耦合至所述溢出感测节点以便存储所述第一部分。
25.如权利要求24所述的图像传感器像素电路，其中，所述电荷存储电路包括电容器。
26.一种方法，包括：
响应于光电二极管暴露于光中而产生光生电荷；
通过积分收集所述光生电荷；
将所述收集的光生电荷中超过第一势垒的一部分传递至溢出感测节点；
将所述收集的光生电荷的剩余部分传递至感测节点；
从所述溢出感测节点中读取第一信号，所述第一信号表示所述收集的光生电荷中超过所述第一势垒的所述部分；以及
从所述感测节点中读取第二信号，所述第二信号表示所述收集的光生电荷的所述剩余部分。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括将所述收集的光生电荷中超过第二势垒的另一部分传递至电源节点；其中，所述第一势垒低于所述第二势垒。
28.如权利要求26所述的方法，其中，读取所述第一信号包括：
将所述收集的光生电荷的所述部分从所述溢出感测节点传递至所述感测节点；以及
从所述感测节点中读取所述第一信号。
29.如权利要求26所述的方法，其中，传递所述收集的光生电荷的所述剩余部分包括：
首先将所述剩余部分传递至存储器节点；以及
其次将所述剩余部分从所述存储器节点传递至所述感测节点。
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