CN110460789A - 具有多存储图像传感器像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像传感器像素，所述图像传感器像素可包括光电二极管、一个或多个存储二极管、一个或多个电势垒结构、一个或多个电容器和浮动扩散区。所述光电二极管可耦接到存储二极管和第一电容器，并且第一电势垒结构可被插置在所述存储二极管和所述第一电容器之间。所述光电二极管还可以以相似的方式耦接到附加存储二极管和附加电容器。另外，所述光电二极管可经由对应电势垒结构直接与给定的电容器分离。每个电容器可存储来自一个或多个存储二极管和/或光电二极管的溢出电荷，并且可经由相应的晶体管连接到所述浮动扩散。

Description

具有多存储图像传感器像素的图像传感器
背景技术
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及具有多存储图像传感器像素的成像设备。
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。通常将电路耦接到各个像素列以读出来自图像像素的图像信号。
图像像素各自包含响应于图像光而生成电荷的光电二极管以及对应的一个或多个电荷存储区。图像像素可被配置为具有宽范围的功能。然而，具有电荷存储的像素不会免受寄生光或电荷泄漏的影响，从而导致图像质量下降。该影响被测量为像素的全局快门效率。另外，存储区的暗电流可进一步降低图像质量。为了改善全局快门效率和暗电流以及在图像像素中更有效地提供这些功能，可能需要新的像素结构和配置。
因此，可能期望能够提供具有带有电荷存储区的改进的图像传感器像素的成像设备。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3A为根据一个实施方案的具有分别耦接到电势垒的电容器的示例性图像传感器像素的电路图。
图3B为根据一个实施方案的在图3A中所示的类型的示例性图像传感器像素中的光电二极管、栅极、电势垒和电荷存储区的电势图。
图4A为根据一个实施方案的具有分别耦接到电势垒和晶体管的电容器的示例性图像传感器像素的电路图。
图4B为根据一个实施方案的在图4A中所示的类型的示例性图像传感器像素中的光电二极管、栅极、电势垒和电荷存储区的电势图。
图5A为根据一个实施方案的具有分别耦接到存储二极管的电容器的示例性图像传感器像素的电路图。
图5B为根据一个实施方案的在图5A中所示的类型的示例性图像传感器像素中的光电二极管、栅极、电势垒和电荷存储区的电势图。
图6A为根据一个实施方案的具有分别耦接到存储二极管和存储栅极的电容器的示例性图像传感器像素的电路图。
图6B为根据一个实施方案的在图6A中所示的类型的示例性图像传感器像素中的光电二极管、栅极、电势垒和电荷存储区的电势图。
图7为根据一个实施方案的用于操作图3A中所示类型的示例性图像传感器像素的时序图。
图8为根据一个实施方案的用于操作图4A、图5A和图6A中所示类型的示例性图像传感器的时序图。
图9为根据一个实施方案的用于操作图5A和图6A中所示类型的示例性图像传感器的时序图。
图10A和图10B为根据一个实施方案的被配置为执行多色操作的示例性系统的示意图。
图11A和图11B为根据一个实施方案的被配置为执行距离测量操作的示例性系统的示意图。
图12A和图12B为根据一个实施方案的被配置为执行距离区域选择性成像操作的示例性系统的示意图。
图13为根据一个实施方案的图3A、图4A、图5A和图6A中所示类型的示例性图像传感器像素的剖视图。
图14为根据本发明的一个实施方案的处理器系统的框图，该处理器系统采用图1至图13的实施方案。
具体实施方式
电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素的阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且能够沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。
图像读出电路28可以通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。像素阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件，这允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的实例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素22上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。
对于宽范围的应用，可能期望提供图像传感器像素(诸如图2中的像素22)，该像素包括高动态范围(HDR)功能、光闪烁减轻(LFM)功能和其他功能，并且该像素在全局快门模式(以及滚动快门模式)下操作。另外，可能期望提供有效且可缩放的像素配置以实现上述像素特性。
图3A为示例性图像传感器像素(例如，像素22)的电路图，该像素包括用于在全局快门模式和滚动快门模式中的任一者下有效地提供HDR和LFM操作的电势垒。具体地讲，像素22可包括光敏区40(例如，光电二极管40、钉扎光电二极管40)和存储二极管42。转移晶体管44可插置在光电二极管40和存储二极管42之间，从而在控制信号TX1生效时(即，处于激活对应晶体管的值，由此使对应晶体管的漏极端子和源极端子导通)，将光电二极管40电连接到存储二极管42。电势垒46可将存储二极管42耦接到电荷存储结构(例如，电容器50)。电势垒48可将光电二极管40耦接到附加电荷存储结构(例如，电容器52)。作为一个示例，电势垒46和48可由掺杂区(例如，浅注入区、p掺杂注入区和n掺杂注入区、具有与耦接到电势垒的区相反的掺杂类型的区、具有与光敏区相反的掺杂类型的区等)形成在衬底中，从而形成像素22。作为另一个示例，电势垒46和48(在本文中有时称为电势垒结构)可被形成为任何类型的势垒二极管。作为又一个示例，电势垒46和48可被实现为配置有电势垒特性的晶体管(例如，在给定电势垒上方泄漏电荷的晶体管，被电压偏置以跨越沟道区泄漏电荷的晶体管等)。电势垒46和48可提供与相应掺杂区的掺杂相关联的相应钉扎电势(即，钉扎电压)。
像素22还可包括浮动扩散区54(例如，浮动扩散54)，该浮动扩散区经由转移晶体管56耦接到存储二极管42(例如，转移晶体管56可被插置在浮动扩散区42和存储二极管42之间)。另外，浮动扩散区54可分别经由晶体管58和60(例如，双转换增益晶体管58和60)耦接到电容器50和52。浮动扩散区54耦接到读出电路，该读出电路读出存储在浮动扩散区54处的信号。作为一个示例，读出电路可包括源极跟随器晶体管62和行选择晶体管64。具体地讲，浮动扩散54可耦接到源极跟随器晶体管62的栅极端子。晶体管62的第一源极-漏极端子可耦接到电压供应源(例如，电力供应源、提供供电电压VAA的电压供应源)，并且晶体管62的第二源极-漏极端子可耦接到晶体管64的第一源极-漏极端子。晶体管64的第二源极-漏极端子可耦接到像素输出线66。
浮动扩散区54可经由晶体管68(例如，浮动扩散重置晶体管68)耦接到供电电压源。作为一个示例，当晶体管68的控制信号RST生效时，浮动扩散54可被重置为接近参考电压(例如，重置电压VAA)。光电二极管40还可经由晶体管70耦接到电压供应源(例如，电压供应源供应参考或重置电压VAA--)。晶体管70可通过控制信号SHUT的生效定期激活以重置光电二极管40。
图3B是用于示出图像像素(诸如示于图3A中的图像像素22)中的不同组件之间的电势差的电压电势图。作为一个示例，电荷存储结构或电荷存储区被描绘为阱PD、SD、C1和C2，可分别对应于图3A中的光电二极管40、存储二极管42、电容器50和电容器52。每个存储区可与限定对应阱的深度的钉扎电压(电势)电平相关联。作为一个示例，电荷存储阱PD(例如，光电二极管40)可具有钉扎电压电平VPD-，并且电荷存储阱SD(例如，存储二极管42)可具有钉扎电压电平VSD。
此外，作为一个示例，电势垒诸如电势垒PB1、电势垒PB2，以及晶体管TX1可对应于图3A中的电势垒46、电势垒48，以及晶体管44。电势垒PB2可与势垒电压(电势)VPB2相关联，该势垒电压确定从阱PD溢出到阱C2的电荷(例如，经由箭头80)。如果需要，阱PD可在参考电压V0(例如，地电压)和钉扎电压VPD之间的电势下存储电荷。在该情况下，电压V-PB2-可以在电压V0和VPD之间，并且从阱PD溢出到阱C2的电荷的量可以由C2容量限定。
势垒TX1可以是插置在阱PD和SD之间的可调整电势垒。作为一个示例，当用于图2中的晶体管44的控制信号TX1生效时，电势垒TX1可以移动(例如，到电压电平VPD)，这将存储在阱PD中的电荷转移到阱SD(例如，经由箭头82)。电势垒PB1可与势垒电压(电势)VPB1相关联，该势垒电压确定从阱SD溢出到阱C1的电荷(例如，经由箭头84)。电压VPB1可以在光电二极管钉扎电压V-PD和存储二极管钉扎电压VSD之间，并且从阱SD溢出到阱C1的电荷的量可由C1容量限定。如果需要，电容器C1和C2的存储容量可各自显著大于光电二极管PD和/或存储二极管SD的存储容量。作为一个示例，电容器可被形成为金属-绝缘体-金属(MiM)电容器。
示于图3B中的电压电势图仅仅是示例性的。图3B中未示出的其他组件还可存在于示例性像素(例如，其他晶体管、其他电荷存储结构等)中。
图4A为示例性图像传感器像素(例如，像素22)的电路图，该像素包括电势垒(例如，电势垒46)和晶体管(例如，晶体管90)的组合。晶体管90在本文中有时可称为电势垒晶体管结构。如果需要，晶体管90可被实现为泄漏晶体管，该泄漏晶体管被电压偏置以在其沟道区上(在一定电势下)泄漏电荷(例如，即使当晶体管90未被激活或启用时)，从而实现与图3A中的电势垒48类似的功能。作为另外一种选择，晶体管90可被实现为普通晶体管，在其未被激活或启用时泄漏最小电荷。
图4A中的像素22可包括与图3A中的像素22相似的组件和特征。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图4A的描述，图4A中的具有与图3A中的特征相同的(数字和/或字母)参考标记的特征能够被假设为具有类似的功能和配置。参见图4A，像素22可包括插置在光电二极管40和电容器52之间的晶体管90。通过引入晶体管(例如，晶体管90)来代替电势垒(例如，图3A中的电势垒48)，图4A中的像素22可被配置有可调整电势垒而不是固定电势垒。
如图4B所示，与图3B相比，与图4A的晶体管90相关联的可调整势垒TX3可被插置在电容器阱C2和光电二极管阱PD之间。作为一个示例，当用于晶体管90的控制信号TX3生效时，电势垒TX3可被移动或降低(例如，到电压电平VPD，到略微低于VPD的电压电平)，这将存储在阱PD中的电荷转移到阱C2(例如，经由箭头92)。与图4B中的箭头82和84相关联的电荷的移动可类似于图3B，并且为了清楚起见不再进一步描述。如果需要，电压VPB可以在光电二极管钉扎电压V-PD和存储二极管钉扎电压VSD之间，并且从阱SD溢出到阱C1的电荷的量可由C1容量限定。
如果需要，图像传感器像素还可包括附加存储二极管。图5A为示例性图像传感器像素(例如，像素22)的电路图，该像素包括经由相应电势垒耦接到相应电容器的多个存储二极管。图5A中的像素22可包括与图3A中的像素22相似的组件和特征。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图5A的描述，图5A中的具有与图3A中的特征相同的(数字和/或字母)参考标记的特征能够被假设为具有类似的功能和配置。图5A中的像素22可包括经由两个相应转移晶体管44A和44B耦接到光电二极管40的两个存储二极管42A和42B。存储二极管42A可经由电势垒46耦接到电容器50。存储二极管42B可经由电势垒48耦接到电容器52。存储二极管42A和42B还可经由相应转移晶体管56A和56B耦接到浮动扩散区54。换句话讲，两个并行路径可将光电二极管40耦接到浮动扩散区54。作为一个示例，晶体管44A、存储二极管42A和晶体管56A可沿着第一并行路径耦接，并且晶体管44B、存储二极管42B和晶体管56B可沿着第二并行路径耦接。作为另一个示例，存储二极管42A、电势垒46和电容器50可沿着第三并行路径耦接，并且存储二极管42B、电势垒48和电容器52可沿着第四并行路径耦接。
图5A中的像素22的示例仅仅是示例性的。如果需要，任何数量的并行路径可将一个或多个光电二极管耦接到像素中的一个或多个浮动扩散区。每个并行路径可包括任何数量的晶体管，并且可具有耦接到该路径的任何数量的存储二极管。另外，如果需要，像素可包括沿着多个对应路径耦接到相应电容器的任何数量的存储二极管。
图5B是用于示出示例性像素(诸如图5A的像素22)中的不同组件之间的电势差的电压电势图。与图5B中的箭头82和84相关联的电荷的移动可类似于图3B。具体地讲，通过使用于晶体管的控制信号生效，电荷可从光电二极管阱PD移动到存储二极管阱SD。另外，电势垒PB可具有在光电二极管钉扎电压VPD和存储二极管钉扎电压VSD之间的相关联势垒电压VPB。图5B的电势图示出从阱PD到阱SD到阱C的电荷移动的单个路径。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，从单个光电二极管经由相应存储二极管到多个电容器的附加路径可类似地实现。具体地讲，图5A中的像素22示出经由两个相应存储二极管耦接到单个光电二极管的两个单独电容器。在该情况下，光电二极管40、存储二极管42A、电容器50、晶体管44A和电势垒46可具有分别与图5B中的阱PD、SD和C以及势垒TX和PB的特性类似的特性，并且相同光电二极管40、存储二极管42B、电容器52、晶体管44B和电势垒48还可具有分别与图5B中的阱PD、SD和C以及势垒TX和PB的特性类似的特性。
如果需要，代替存储二极管或除此之外，图像传感器像素可包含存储栅极。图6A为示例性图像传感器像素(例如，像素22)的电路图，该像素包括存储栅极(在本文中有时称为电荷存储结构)。图6A中的像素22可包括与图3A中的像素22和/或图5A中的像素22相似的组件和特征。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图6A的描述，图6A中的具有与图3A和图5A中的特征相同或相似的(数字和/或字母)参考标记的特征能够被假设为具有类似的功能和配置。图6A中的像素22可包括存储栅极43。存储栅极43可被插置在光电二极管40和电势垒48之间。存储栅极43还可被插置在光电二极管40和晶体管56B之间。作为一个示例，存储栅极43可用作晶体管和存储结构。换句话讲，存储栅极43可包括在晶体管栅极结构下方的电荷存储结构，其中控制信号(例如，控制信号SG)可以生效以访问或连接电荷存储结构。
图6B是用于示出示例性像素(诸如图6A的像素22)中的不同组件之间的电势差的电压电势图。具体地讲，光电二极管阱PD(例如，对应于图6A中的光电二极管40)可与钉扎电压V-PD和参考电压V0(例如，接地电压)相关联。存储栅极结构SG(例如，对应于图6A中的存储栅极43)可包括电荷存储阱区，以及插置在阱PD和存储栅极SG的电荷存储阱区之间的电势垒。与结构SG相关联的电势垒可通过使对应控制信号(例如，图6A中的控制信号SG)生效来调节。换句话讲，通过使控制信号SG生效，电荷可从阱PD转移到与存储栅极结构SG相关联的阱(如由箭头94指示)。另外，具有势垒电压VPB2的电势垒(例如，对应于图6A中的电势垒48)可被插置在存储栅极结构SG和电容器阱C2(对应于图6A中的电容器52)之间。势垒电压V-PB2可以在光电二极管钉扎(即，钉扎)电压VPD和参考电压V0(例如，接地电压，0V，高于0V的小电势等)之间。存储栅极结构SG可以设置有电势偏置。作为一个示例，存储栅极结构SG可具有与电压电平V-SG1相关联的第一电荷存储容量，并且存储栅极结构SG的电势偏置随后可被调整为具有与电压电平VSG2相关联的第二电荷存储容量，并且反之亦然。通过调整存储栅极结构的电势偏置，不同量的电荷可被转移到电势垒PB2上方的电容器阱C2(由箭头96指示)。如果需要，图6A中的晶体管44、存储二极管42、电势垒46和电容器50可具有类似的电势差关系，如图5B所示。
图3A、图4A、图5A和图6A仅仅是示例性的。如果需要，图像传感器像素可包括耦接到光电二极管的任何数量的存储二极管和/或存储栅极。如果需要，图像传感器像素可包括经由任何数量的晶体管、电势垒、存储二极管和/或存储栅极耦接到光电二极管的任何数量的电容器。
图7为用于操作示例性图像传感器像素(例如，图3A中的图像传感器像素22)的时序图。具体地讲，像素22的操作可包括重置周期100、获取周期102和读出周期104。在重置周期100期间，像素22可使像素22中的各种晶体管的相应控制信号生效以重置任何电荷存储区以准备图像信号获取。作为一个示例，在时间t1，像素22可使控制信号TX1、SHUT、TX2、DCG1、DCG2和RST生效，这些控制信号分别控制图3A中的像素22的晶体管44、70、56、58、60和68。重置周期100可以以晶体管70的失效结束(即，获取周期102可开始)，这允许像素22中的光电二极管40响应于图像光而开始生成并存储电荷。作为一个示例，在信号获取周期102期间，控制信号TX1可定期生效(例如，在时间t2、在时间t3等)以将电荷从光电二极管40定期转移到图3中的存储二极管42。通过执行控制信号TX1的短周期生效，像素22可被配置为执行光闪烁减轻操作。可在存储二极管42处对在控制信号TX1的相应生效之间生成的对应图像信号进行求和。
如结合图3A和图3B所述，存储在光电二极管40处的电荷的量可在存储在光电二极管40处的电荷的量超过由电势垒48设置的(电压势垒)电势的任何时间溢出到电容器52。存储在存储二极管42处的电荷的量可在存储在存储二极管42处的电荷的量超过由电势垒46设置的(电压势垒)电势的任何时间溢出到电容器50。
在合适数量的控制信号TX1生效之后，获取周期102可结束，从而开始读出周期104。控制信号RS可在整个读出周期104内生效以执行像素22的读出操作。如果需要，控制信号SHUT可通过读出周期104生效以确保在光电二极管40处不生成附加电荷。可在读出周期104期间读出多个重置电平和图像电平信号。
在时间t4，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散区54(例如，将浮动扩散区54重置为重置或参考电压电平)。在时间t5，控制信号DCG1可以生效以将电容器50连接到浮动扩散区54，并且将存储在电容器50处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在电容器50处的溢出图像信号可被读出(例如，在时间t6)。作为一个示例，在像素下游的采样和保持电路可被激活(例如，通过使控制信号SHS生效)以读出先前存储在电容器50处的溢出图像电平信号。在时间t7，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散54。如果需要，当控制信号RST生效时，控制信号DCG1可继续生效，使得电容器50可被重置为重置电压电平。随后或同时，重置电平信号可被读出(例如，在时间t8)。作为一个示例，在像素下游的采样和保持电路可被激活(例如，通过使控制信号SHR生效)以读出浮动扩散区处的重置电平信号。
在时间t9，控制信号TX2可以生效以将存储二极管42连接到浮动扩散区54，并且将存储在存储二极管42处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在存储二极管42处的图像电平信号可被读出(例如，在时间t10，通过使控制信号SHS生效)。在时间t11，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散区54。在时间t12，控制信号DCG2可以生效以将电容器52连接到浮动扩散区54，并且将存储在电容器52处的电荷转移到浮动扩散区。随后或同时，先前存储在电容器52处的溢出图像信号可被读出(例如，在时间t13，通过使控制信号SHS生效)。在时间t14，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散54。如果需要，当控制信号生效时，控制信号DCG2可继续生效，使得电容器52可被重置为重置电压电平。随后或同时，重置电平信号可被读出(例如，在时间t15)。
图7的时序图可用于(顺序的)全局快门操作模式或滚动快门操作模式中的任一种。作为一个示例，在操作期间，像素22可基于电容器50和存储二极管42处存储的图像信号生成第一曝光图像信号(例如，T1图像信号、长曝光图像信号)，并且基于电容器52处存储的图像信号生成第二曝光图像信号(例如，T2图像信号、短曝光图像信号)。第一次曝光和第二次曝光之间的曝光时间比可基于获取周期102期间的控制信号TX1的生效频率并且基于电势垒48的势垒电势V-PB2。作为一个示例，第一曝光图像信号和第二曝光图像信号可用于在HDR操作模式下生成HDR图像信号。
图7的使用图3A和图3B的像素22的示例性描述仅仅是示例性的。如果需要，任何合适的像素可使用图7的时序图来操作。如果需要，图像/重置信号读出的顺序可以改变，并且一个或多个信号读出可被省略。
图8为用于操作示例性图像传感器像素(例如，图4A中的像素22、图5A中的像素22、图6A中的像素22)的时序图。具体地讲，像素22的操作可包括重置周期106、获取周期108和读出周期110。类似于图7中的周期100，在重置周期106期间，像素22可使像素22中的各种晶体管的相应控制信号生效以重置任何电荷存储区以准备图像信号获取。作为一个示例，在时间t1，像素22可使控制信号TX1、SHUT、TX2、DCG1、TX3、TX4、DCG2和RST生效，这些控制信号分别控制图5A中的像素22的晶体管44A、70、56A、58、44B、56B、60和68。重置周期106可以以晶体管70的失效结束，这将光电二极管40配置为响应于入射光而开始收集电荷，由此开始图像获取周期108。
在信号获取周期108期间，在时间周期T1之后，控制信号TX1可在时间t2生效，以将第一曝光周期信号的对应部分转移到存储二极管42A。在控制信号TX1失效(例如，处于停用对应晶体管的值)之后，光电二极管40可在时间周期T2内收集电荷。当控制信号TX3在时间t3生效时，在时间周期T2内收集的电荷可被转移到存储二极管42B。收集的电荷可以是第二曝光周期信号的对应部分。成对的TX1生效和TX3生效可在整个图像信号获取周期108内定期发生(例如，在基于时间周期T1和T2的设置间隔，在时间t2和t3，在时间t4和t5等)。作为一个示例，基于时间周期T1生成的电荷(例如，在SHUT失效之后生成的电荷、在TX3失效之后生成的电荷、在TX1生效之前和期间生成的电荷等)可在存储二极管42A处进行求和以生成第一曝光信号(例如，长曝光信号)。作为另一个示例，基于时间周期T2生成的电荷(例如，在SHUT生效之前生成的电荷、在TX1失效之后生成的电荷、在TX3生效之前和期间生成的电荷等)可在存储二极管42B处进行求和以生成第二曝光信号(例如，短曝光信号)。在合适数量对的TX1生效和TX3生效之后，获取周期106可结束。
控制信号RS可在整个读出周期110内生效以执行像素22的读出操作。如果需要，控制信号SHUT可通过读出周期110生效以确保在光电二极管40处不生成附加电荷。可在读出周期110期间读出多个重置电平和图像电平信号。
在时间t6，控制信号RST可以生效以将浮动扩散区54重置为重置电压电平。在时间t7，控制信号DCG1可以生效以将电容器50连接到浮动扩散区54，并且将存储在电容器50处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在电容器50处的电荷(例如，溢出图像电平信号)可被读出(例如，通过在时间t8用SHS的生效来激活采样和保持电路)。在时间t9，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散区54(并且如果控制信号DCG1保持生效，则任选地重置电容器50)。随后或同时，浮动扩散区54处的重置电平信号可被读出(例如，通过在时间t10用SHR的生效来激活采样和保持电路)。在时间t11，控制信号TX2可以生效以将存储二极管42A连接到浮动扩散区54，并且将存储在存储二极管42A处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在存储二极管42A处的电荷(例如，图像电平信号)可被读出(例如，通过在时间t12使信号SHS生效)。该图像电平读出可以是相关双采样读出。
在时间t13，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散区54。在时间t14，控制信号DCG2可以生效以将电容器52连接到浮动扩散区54，并且将存储在电容器52处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在电容器52处的电荷(例如，溢出图像电平信号)可被读出(例如，通过在时间t15使信号SHS生效)。在时间t16，控制信号RST可以生效以重置浮动扩散区54(并且如果控制信号DCG2保持生效，则任选地重置电容器52)。随后或同时，浮动扩散区54处的重置电平信号可被读出(例如，通过在时间t17使控制信号SHR生效)。在时间t18，控制信号TX4可以生效以将存储二极管42B连接到浮动扩散区54，并且将存储在存储二极管42B处的电荷转移到浮动扩散区54。随后或同时，先前存储在存储二极管42B处的电荷(例如，图像电平信号)可被读出(例如，通过在时间t19使信号SHS生效)。该图像电平读出可以是相关双采样读出。
通过在多个时间周期内(例如，对于T1和T2)交织曝光周期，像素22可捕获闪烁光并执行光闪烁减轻。另外，使用具有电势垒的电容器显著扩展溢出容量并改善像素性能。图8的时序图可用于(顺序的)全局快门操作模式或滚动快门操作模式中的任一种。
如果需要，第一曝光图像信号和第二曝光图像信号可用于在HDR操作模式下生成HDR图像信号。如果需要，读出周期110可被缩短以用于更具时间效率的读出序列。
虽然图8中的时序图在本文中可结合图5A中的像素22描述，但这仅仅是示例性的。时序图可类似地用于操作其他图像像素(诸如图4A中的图像像素22和图6A中的图像像素22)。作为一个示例，图6A中的像素22可通过类似地使控制信号SG而不是控制信号TX3生效来使用图8中的时序图操作。作为另一个示例，图4A中的像素22可通过省略控制信号TX4的使用(例如，通过省略图8中的存储二极管42B的图像电平信号读出)来使用图8中的时序图操作。另外，图8的时序图可被类似地调整以用不止两个存储二极管和/或不止两个电容器操作图像传感器。作为一个示例，对应晶体管可以生效以在相应短时间周期T1、T2、T3等之间交织的三个或更多个曝光周期内生成图像信号。
如果需要，具有多个存储装置的图像传感器像素可在流水线全局快门操作模式下操作。图9是用于操作具有两个存储装置的像素(例如，图5A中的像素22和图6A中的像素22)的时序图。作为一个示例，图5A中的像素22的操作可以以重置周期112开始，该重置周期类似于图8中的重置周期106(例如，信号SHUT、TX1、DCG1、TX3、DCG2等的类似生效)。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图9的描述，重置周期112不再进一步描述，并且能够被假设为具有与重置周期106类似的特征。
具体地讲，图5A中的像素22可单独使用在光电二极管40和浮动扩散区54之间的两个并行部分。作为一个示例，第一部分可包括晶体管44A、存储二极管42A、电势垒46、电容器50、晶体管56A和晶体管58，并且第二部分可包括晶体管44B、存储二极管42B、电势垒48、电容器52、晶体管56B和晶体管60。像素22的两个部分可独立执行信号获取，并且可独立执行读出操作。具体地讲，作为一个示例，在周期114A期间，像素22的第一部分(与光电二极管40组合)可通过使与晶体管44A相关联的信号TX1生效来执行信号获取。在周期114A期间，像素22的第二部分(与浮动扩散区54和读出电路组合)可同时执行读出操作(类似于图7中的周期104，其中一些对应读出操作被省略)。作为一个示例，在周期114B期间，像素22的第二部分(与光电二极管40组合)可通过使与晶体管44B相关联的信号TX3生效来执行信号获取。在周期114B期间，像素22的第一部分(与浮动扩散区54和读出电路组合)可同时执行读出操作(类似于图7中的周期104，其中一些对应读出操作被省略)。作为一个示例，可以存在任何数量的周期114A和114B。作为一个示例，在相应控制信号TX1或TX3的生效之后，控制信号SHUT可定期生效(例如，在时间t3、t5、t7、t9等)以将光电二极管40重置为重置电压，并且执行LFM操作。
通过重叠像素的第一部分的图像获取周期与像素的第二部分的重置周期，像素可执行流水线全局快门操作。在每个读出周期期间，第一曝光信号和第二曝光信号可分别由电容器和对应存储二极管生成。因为存储在像素22中的电荷的一半按读出周期使用，所以像素22可在宽动态范围操作模式，而不是高动态范围操作模式下操作，这使用存储在像素22中的所有电荷。
具有带有像素22(诸如图3A、图4A、图5A和/或图6A中所示类型的像素)的像素阵列的图像传感器可被配置为包括附加功能，诸如具有背景减除的多色操作、具有背景减除的距离和近红外(NIR)图像感测操作、距离区域选择性成像操作等。
作为一个示例，图10A示出示例性电路，该电路可设置在图像传感器中以将图像传感器配置为执行具有背景减除的多色操作。图像传感器还可包括附加电路(例如，附加控制电路、附加光源等)。具体地讲，附加电路可包括逻辑与门120、122和124，其输出为用于红色光源、绿色光源和蓝色光源(例如，红色LED、绿色LED和蓝色LED)的相应控制信号。当给定输出控制信号处于逻辑高时，对应LED可被激活以照亮具有对应LED的相应颜色的图像场景。逻辑与门120、122和124可全部在相应第一输入处接收启用控制信号EN，该启用控制信号启用用于多色操作的图像传感器(当启用控制信号生效时)。逻辑与门120、122和124可接收相应控制信号TXA、TXB和TXC作为相应第二输入。
作为一个示例，图像传感器可包括具有耦接到光电二极管的四个存储装置的像素。作为一个示例，图像传感器可包括类似于图5A中的像素22的像素，其中两个附加存储装置以与存储二极管42A和42B(例如，耦接在光电二极管40和浮动扩散区54之间，经由相应电势垒耦接到相应电容器的附加存储二极管42C和42D)相似的方式提供。在该情况下，四个存储二极管42A、42B、42C和42D可经由相应转移晶体管44A、44B、44C和44D耦接到光电二极管40，这些转移晶体管分别由控制信号TXA(类似于图5A中的TX1)、TXB(类似于图5A中的TX3)、TXC和TXD控制。
图10B示出了用于操作示例性图像传感器(诸如具有示于图10A中的示例性电路和四个存储二极管的图像传感器)的时序图。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图10的描述，重置周期和读出周期的描述，以及图像传感器中的附加控制信号的描述被省略。作为一个示例，可进行与结合图8所述相似和类似的操作。如果需要，可进行任何合适的重置周期和读出周期。如果需要，可使用任何合适的控制信号。
时序图示出了获取周期的一部分，该部分可用于获得颜色特定的图像信号以及背景图像信号。在使用图10B中的时序图操作的图像传感器的整个操作中，启用信号EN可以生效。具体地讲，在时间t1，控制信号TXA可以生效以接通红色光源以照亮具有红色的图像场景。同时，控制信号TXA还可将光电二极管连接到第一存储二极管，该第一存储二极管被配置为存储红色图像信号(以及任选在对应电容器处的溢出红色图像信号)。在时间t2，控制信号TXB可以生效以接通绿色光源以照亮具有绿色的图像场景。同时，控制信号TXB还可将光电二极管连接到第二存储二极管，该第二存储二极管被配置为存储绿色图像信号(以及任选在对应电容器处的溢出绿色图像信号)。在时间t3，控制信号TXC可以生效以接通蓝色光源以照亮具有蓝色的图像场景。同时，控制信号TXC还可将光电二极管连接到第三存储二极管，该第三存储二极管被配置为存储蓝色图像信号(以及任选在对应电容器处的溢出蓝色图像信号)。在时间t4，所有颜色特定的光源可被关断，并且控制信号TXD可以生效以存储背景图像信号。可以执行任何期望数量的图像获取循环。
通过以这样的方式使用图像传感器，图像传感器中的像素可能不需要滤色器(例如，在光电二极管上方形成的滤色器阵列)，这增加了像素灵敏度。通过从每个颜色特定的图像信号中减去背景图像信号，可以生成红色、绿色和蓝色的最终(绝对)颜色图像信号。图10A和图10B中的示例仅仅是示例性的。如果需要，图像获取可延伸到除红色、绿色和/或蓝色之外的其他光谱带(例如，除了具有附加存储装置的RGB信号获取之外，代替RGB信号获取)。例如，可以获取不同近红外波段的图像信号。颜色或波段特定的图像信号获取的持续时间可以改变以调整图像传感器对不同颜色或波段的灵敏度。
如上所述，图像传感器可被配置为执行具有背景减除的距离和NIR图像感测操作。图11A示出了示例性电路，该电路可设置在图像传感器中以将图像传感器配置为执行距离和NIR图像感测操作。图11A中的控制电路可类似于示于图10A中的控制电路。具体地讲，逻辑与门126和128可输出控制信号，该控制信号控制图案投射电路。作为一个示例，当逻辑门126输出逻辑高信号时，图案投射电路可将第一图案(例如，竖直图案130)投射到图像场景上。作为另一个示例，当逻辑门128输出逻辑高信号时，图案投射电路可将第二图案(例如，水平图案132)投射到图像场景上。
图11B示出了用于操作示例性图像传感器(诸如具有示于图11A中的示例性电路和三个存储二极管的图像传感器)的时序图。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图11B的描述，重置周期和读出周期的描述，以及图像传感器中的附加控制信号的描述被省略。作为一个示例，可进行与结合图8所述相似和类似的操作。如果需要，可进行任何合适的重置周期和读出周期。如果需要，可使用任何合适的控制信号。
时序图示出了获取周期的一部分，该部分可用于获得图案特定的图像信号以及背景图像信号。在使用图11B中的时序图操作的图像传感器的整个操作中，启用信号EN可以生效。具体地讲，在时间t1，控制信号TXA可以生效以将图案投射电路配置为将第一图案投射到图像场景上。同时，控制信号TXA还可将光电二极管连接到第一存储二极管，该第一存储二极管被配置为存储第一图案图像信号(以及任选在对应电容器处的溢出第一图案图像信号)。在时间t2，控制信号TXB可以生效以将图案投射电路配置为将第二团投射到图像场景上。同时，控制信号TXB还可将光电二极管连接到第二存储二极管，该第二存储二极管被配置为存储第二图案图像信号(以及任选在对应电容器处的溢出第二图案图像信号)。在时间t3，所有图案特定的光投射可被关断，并且控制信号TXC可以生效以存储背景图像信号。可以执行任何期望数量的图像获取循环。
通过以这样的方式使用图像传感器，能够获得改善的三维距离测量。通过从图案图像信号中的每个中减去背景图像信号，可以生成图案1和图案2的最终(绝对)图案图像信号。因为使用两个图案，所以图像场景中对象的距离估计可以改善。图11A和图11B中的示例仅仅是示例性的。如果需要，图像获取可包括附加图案，附加光谱带光源(例如，如结合图10A和图10B所述)，以及具有对应附加存储结构的附加NIR光源。例如，NIR图像信号可在基于图案图像信号生成距离图像数据的同时生成。如结合图10B和图11B所述，背景减除可以改善NIR图像质量。
作为一个示例，图12A示出了使用图像传感器执行区域选择性成像操作的示例性示意图。作为一个示例，图像传感器可包括光源和具有三个存储二极管的像素，其配置与图5A中的相似。如图12A所示，光脉冲134可用于照亮图像场景。光脉冲134的传播可在第一时间到达较近区域(例如，区域1)，并且在第二时间到达较远区域(例如，区域2)。图像传感器可选择性地捕获与第一区域内的图像场景和第二区域内的图像场景相关联的图像信号。
图12B为用于操作图像传感器以执行区域选择性成像操作的时序图。为了清楚起见并且为了不会不必要地模糊图12B的描述，重置周期和读出周期的描述，以及图像传感器中的附加控制信号的描述被省略。作为一个示例，可进行与结合图8所述相似和类似的操作。如果需要，可进行任何合适的重置周期和读出周期。如果需要，可使用任何合适的控制信号。
参考图12B，在时间t1，可以生成短光脉冲，并且控制信号SHUT可以生效以重置光电二极管。控制信号SHUT生效期间的时间周期可确定所关注的第一区域(例如，区域1)距生成光脉冲134的光源的距离。在时间t2，控制信号TXA可部分生效(例如，可具有在逻辑高值和逻辑低值之间的信号值)。在时间t3，控制信号TXA可完全生效(例如，可具有处于逻辑高值的信号值)以存储与第一区域相关联的图像信号。因为光脉冲在不同区域的传播可在非常短的时间量内发生(例如，数量级为纳秒，数十纳秒等)，所以控制信号可部分生效以使得完全生效能够在合理的时间周期内实现(例如，以启用快速晶体管开关)。控制信号TXA生效(部分和完全)期间的时间周期可确定所关注的第一区域的宽度(例如，第一区域多大)。
在时间t4、t5和t6，对于所关注的第二区域(例如，区域2)，可进行类似的操作。控制信号SHUT生效期间的时间周期(开始于时间t4)可确定所关注的第二区域距所关注的第一区域的距离。控制信号TXB生效(部分和完全)期间的时间周期可确定所关注的第二区域的宽度。在时间t7、t8和t9，对于图像场景的背景，可进行类似的操作。可将生成的背景图像信号从区域1和区域2的生成图像信号中减去以生成区域1和区域的最终(绝对)图像信号。类似于图10B和图11B中的时序图的描述，图12B中的控制信号TXA、TXB、TXC中的每个可将光电二极管连接到相应存储二极管。图12A和图12B中的示例仅仅是示例性的。如果需要，可以获取任何合适数量的区域的图像信号。
图13为诸如图3A、图4A、图5A和图6A中所示类型的示例性图像传感器像素(例如，像素22)的剖视图。具体地讲，每个像素22可包括相应的光电二极管40，光电二极管40上方的微透镜200，以及微透镜200和抗反射涂层206之间的滤色器阵列202。滤色器阵列202可以是红色、绿色、蓝色、黄色、透明或任何其他合适颜色的滤波器。滤色器元件可由金属栅格结构204分开。分级外延层208可被插置在滤色器和光电二极管40之间。隔离结构210可将各个像素彼此分离并且最小化像素之间的串扰。作为一个示例，隔离结构210可包括正面深沟槽隔离结构、背面深沟槽隔离结构、浅沟槽隔离结构。作为一个示例，背面深沟槽隔离结构可沿着硅衬底的厚度(深度)延伸，其中形成层208和光电二极管40。在该情况下，硅衬底的厚度可以是4-5微米。作为另一个示例，正面深沟槽隔离结构和背面深沟槽隔离结构可沿着硅衬底的厚度延伸。在该情况下，硅衬底的厚度可延伸到8微米或更大(例如，8-10微米)。
像素22可以是背照式像素。换句话讲，像素22可从像素22的与像素22的金属层或金属堆叠(例如，部分220中的金属层)所形成的侧面相对的侧面接收光180。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，像素22可被实现为前照式像素。
每个像素22可包括一个或多个存储二极管42。具体地讲，存储二极管42可在存储二极管42的一个或多个侧面上与隔离结构210对准(例如，背面深沟槽隔离结构可在第一侧面上与存储二极管42对准，浅沟槽隔离结构可在第二侧面和/或第三侧面等上与存储二极管对准)。以这样的方式，存储二极管42可在光学和电学上被保护免受杂散光和/或串扰。光电二极管40还可在光学和电学上保护存储二极管42免受杂散光和/或串扰。作为一个示例，存储二极管40可延伸以在多个侧面(例如，在两个侧面上)围绕存储二极管42。部分222可包括金属反射器222、晶体管结构224、金属层、介电层和/或其他电路。如果需要，耦接到存储二极管42的电容器可形成在部分222中。
图13的示例仅仅是示例性的，如果需要，每个像素22的部分可形成在多个衬底上(例如，在由每像素互连结构连接的单独顶层和底层中，在堆叠管芯配置中等)。
图14为包括成像设备1008(例如，图1的相机模块)的示例性处理器系统1000(诸如数字相机)的简化图，该成像设备采用的成像器具有如上结合图1至图13所述的全局快门像素。在不进行限制的前提下，这种系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及其他采用成像设备的系统。
处理器系统1000例如数字静态或视频摄像机系统一般包括镜头1114，该镜头用于在快门释放按钮1116被按下时，将图像聚焦到成像设备1008中的一个或多个像素阵列上；以及中央处理单元(CPU)1002，诸如微处理器，其控制相机功能和一个或多个图像流功能。处理单元1102能够通过系统总线1006与一个或多个输入-输出(I/O)设备1110通信。成像设备1008还可以通过总线1006来与CPU1002进行通信。系统1000还可包括随机存取存储器(RAM)1004并且能够任选地包括可移动存储器1112，诸如闪存存储器，该存储器也能够通过总线1006与CPU1002通信。成像设备1008可以在单个集成电路上或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器存储装置。尽管总线1006被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线、桥接器或其他用于互连系统1000的系统组件的通信路径。
已描述了各种实施方案，这些实施方案示出了使用具有耦接到电势垒的多个电荷存储结构的图像传感器像素来生成图像的系统和方法。
图像传感器像素可包括光敏区(例如，光电二极管)，该光敏区响应于图像光或入射光而生成电荷；浮动扩散区；第一电荷存储区(例如，第一电容器)，该第一电荷存储区经由第一晶体管耦接到浮动扩散区；以及第一电势垒结构(例如，势垒二极管结构、势垒晶体管结构等)。第一电势垒结构可被配置为将生成电荷的一部分从光敏区直接转移到第一电荷存储区。光敏区可以是钉扎存储元件，其具有由参考电势(即，参考电压电平)和钉扎电势(即，钉扎电压电平)限定的阱容量。第一电势垒结构可具有在参考电势和钉扎电势之间的钉扎势垒电势。
图像传感器像素还可包括经由转移晶体管耦接到光敏区的存储二极管。第二电势垒结构可将存储二极管与第二电荷存储区(例如，第二电容器)分离。存储二极管可具有至少部分地由钉扎电势限定的阱容量。第二电势垒结构可具有在与光敏区相关联的钉扎电势和与存储二极管相关联的钉扎电势之间的钉扎势垒电势。第二电荷存储区可经由第二晶体管耦接到浮动扩散区。重置晶体管(例如，图3A中的重置晶体管68)可具有直接耦接到浮动扩散区的第一源极-漏极端子，以及直接耦接到电源端子的第二源极-漏极端子。
第一电势垒结构可将第一量的生成电荷(例如，由第一电势垒结构的钉扎势垒电势确定)转移到第一电荷存储区。转移晶体管可被激活以将第二量的生成电荷(例如，存储在光敏区处的剩余量的生成电荷)转移到存储二极管。第二电势垒结构可将第二量的生成电荷的一部分(例如，由第二电势垒结构的钉扎势垒电势确定)转移到第二电荷存储区。读出电路(例如，源极跟随晶体管、行选择晶体管等)可对于第一量的生成电荷、第二量的生成电荷的部分、以及第二量的生成电荷的剩余部分单独执行相应读出操作。重置晶体管可在执行相应读出操作中的每个之前将浮动扩散区单独重置为参考电压电平。如果需要，转移晶体管可以是有源的，以转移第二量的生成电荷，同时对于第一量的生成电荷执行读出操作。
作为一个示例，图像传感器像素可具有分别耦接到将光敏区连接到浮动扩散区的第一并行路径和第二并行路径的第一电荷存储结构和第二电荷存储结构。第一存储二极管和第二存储二极管可分别沿着第一路径和第二路径耦接。第一电容器和第二电容器可分别沿着第一路径和第二路径耦接。相应转移晶体管可被插置在光敏区和对应存储二极管之间。相应转移晶体管可被插置在浮动扩散区和对应存储二极管之间。作为另一个示例，每个存储二极管可用于生成对应光谱带的相应图像信号。
作为又一个示例，每个存储二极管可用于生成对应空间区域的相应图像信号。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括光敏区，该光敏区响应于入射光而生成电荷；浮动扩散区；电荷存储区，该电荷存储区经由晶体管耦接到浮动扩散区；以及电势垒结构，该电势垒结构将光敏区与电荷存储区分离。电势垒结构可被配置为将生成电荷的一部分从光敏区转移到电荷存储区。
根据另一个实施方案，电势垒结构可包括势垒二极管结构。
根据另一个实施方案，电势垒结构可包括势垒晶体管结构。
根据另一个实施方案，光敏区可具有由参考电势和钉扎电势限定的阱容量，并且电势垒结构可具有在参考电势和钉扎电势之间的钉扎势垒电势。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括经由转移晶体管耦接到光敏区的存储二极管，以及将存储二极管与附加电荷存储区分离的附加电势垒结构。
根据另一个实施方案，存储二极管可具有至少部分地由钉扎电势限定的阱容量，并且附加电势垒结构可具有在与光敏区相关联的钉扎电势和与存储二极管相关联的钉扎电势之间的钉扎势垒电势。
根据另一个实施方案，附加电荷存储区可经由附加晶体管耦接到浮动扩散区。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括将浮动扩散区耦接到电源端子的重置晶体管。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括光电二极管，该光电二极管经由存储二极管耦接到第一电荷存储区并且经由电势垒结构耦接到第二电荷存储区；以及浮动扩散区，该浮动扩散区耦接到第一电荷存储区和第二电荷存储区，其中转移晶体管被插置在光电二极管和存储二极管之间。操作图像传感器像素的方法可包括：利用光电二极管，响应于入射光生成电荷；利用电势垒结构，将第一量的生成电荷转移到第二电荷存储区；激活转移晶体管以将第二量的生成电荷转移到存储二极管；将第二量的生成电荷的一部分转移到第一电荷存储区；以及对于第一量的生成电荷、第二量的生成电荷的部分、以及第二量的生成电荷的剩余部分单独执行相应读出操作。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括耦接到浮动扩散区的重置晶体管。该方法可包括在执行相应读出操作中的每个之前将浮动扩散区单独重置为参考电压电平。
根据另一个实施方案，可通过与电势垒结构相关联的势垒电压电平来确定第一量的生成电荷。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括插置在存储二极管和第一电荷存储区之间的附加电势垒结构，并且可通过与附加电势垒结构相关联的势垒电压电平来确定第二量的生成电荷的部分。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括插置在光电二极管和电势垒结构之间的附加存储二极管。激活转移晶体管可包括转移第二量的生成电荷，同时对于第一量的生成电荷执行读出操作。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括插置在光电二极管和第二电荷存储区之间的至少一个附加存储二极管。该方法可包括：基于存储在存储二极管处的电荷生成第一光谱带的图像信号；以及基于存储在至少一个附加二极管处的电荷生成第二光谱带的图像信号。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括插置在光电二极管和第二电荷存储区之间的至少一个附加存储二极管。该方法可包括：基于存储在存储二极管处的电荷生成与图像场景中的第一空间区域相关联的图像信号；以及基于存储在至少一个附加二极管处的电荷生成与图像场景中的第二空间区域相关联的图像信号。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括光敏区，该光敏区响应于入射光而生成电荷；浮动扩散区；第一电荷存储结构，该第一电荷存储结构耦接到将光敏区连接到浮动扩散区的第一路径；以及第二电荷存储结构，该第二电荷存储结构耦接到将光敏区连接到浮动扩散区的第二路径。电势垒结构可沿着第二路径耦接，并且第一路径和第二路径可在光敏区和浮动扩散区之间并行地耦接。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括分别沿着第一路径和第二路径耦接的第一存储二极管和第二存储二极管，分别沿着第一路径和第二路径耦接的第一电容器和第二电容器。电势垒结构可被插置在第二存储二极管和第二电容器之间，并且附加电势垒结构可被插置在第一存储二极管和第一电容器之间。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括第一转移晶体管和第二转移晶体管。第一转移晶体管可被插置在光敏区和第一存储二极管之间，并且第二转移晶体管可被插置在第一存储二极管和浮动扩散区之间。图像传感器像素可包括第三转移晶体管和第四转移晶体管。第三转移晶体管可被插置在光敏区和第二存储二极管之间，并且第四转移晶体管可被插置在第二存储二极管和浮动扩散区之间。
根据另一个实施方案，电势垒结构可耦接到光敏区，并且可具有在光敏区的参考电压电平和钉扎电压电平之间的势垒电压电平。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括插置在光敏区和电势垒结构之间的存储栅极。
根据另一个实施方案，图像传感器像素可包括隔离结构。第一电荷存储结构和第二电荷存储结构可在光学和电学上至少由隔离结构保护。
前述内容仅是对本发明原理的例示性说明，因此本领域技术人员能够在不脱离本发明的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (12)

1.一种图像传感器像素，包括：
光敏区，所述光敏区响应于入射光而生成电荷；
浮动扩散区；
电荷存储区，所述电荷存储区经由晶体管耦接到所述浮动扩散区；和
电势垒结构，所述电势垒结构将所述光敏区与所述电荷存储区分离，其中所述电势垒结构被配置为将所生成的电荷的一部分从所述光敏区转移到所述电荷存储区。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述电势垒结构包括势垒二极管结构或势垒晶体管结构中的一个。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述光敏区具有由参考电势和钉扎电势限定的阱容量，并且所述电势垒结构具有在所述参考电势和所述钉扎电势之间的钉扎势垒电势。
4.根据权利要求3所述的图像传感器像素，还包括：
存储二极管，所述存储二极管经由转移晶体管耦接到所述光敏区；和
附加电势垒结构，所述附加电势垒结构将所述存储二极管与附加电荷存储区分离。
5.根据权利要求4所述的图像传感器像素，其中所述存储二极管具有至少部分地由钉扎电势限定的阱容量，并且所述附加电势垒结构具有钉扎势垒电势，所述钉扎势垒电势在与所述光敏区相关联的钉扎电势和与所述存储二极管相关联的钉扎电势之间。
6.一种操作图像传感器像素的方法，所述图像传感器像素包括光电二极管，所述光电二极管经由存储二极管耦接到第一电荷存储区并且经由电势垒结构耦接到第二电荷存储区；和浮动扩散区，所述浮动扩散区耦接到所述第一电荷存储区和所述第二电荷存储区，其中转移晶体管被插置在所述光电二极管和所述存储二极管之间，所述方法包括：
利用所述光电二极管，响应于入射光而生成电荷；
利用所述电势垒结构，将第一量的所生成的电荷转移到所述第二电荷存储区；
激活所述转移晶体管以将第二量的所生成的电荷转移到存储二极管；
将所述第二量的所生成的电荷的一部分转移到所述第一电荷存储区；以及
对于所述第一量的生成电荷、所述第二量的所生成的电荷的所述部分，和所述第二量的所生成的电荷的剩余部分单独执行相应读出操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述图像传感器像素包括耦接到所述浮动扩散区的重置晶体管，所述方法还包括：
在执行所述相应读出操作中的每个之前将所述浮动扩散区单独重置为参考电压电平。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一量的所生成的电荷由与所述电势垒结构相关联的势垒电压电平确定，并且其中所述图像传感器像素包括插置在所述存储二极管和所述第一电荷存储区之间的附加电势垒结构，并且所述第二量的所生成的电荷的所述部分由与所述附加电势垒结构相关联的势垒电压电平确定。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述图像传感器像素包括插置在所述光电二极管和所述第二电荷存储区之间的至少一个附加存储二极管，所述方法还包括：
基于存储在所述存储二极管处的电荷生成第一光谱带的图像信号；以及
基于存储在所述至少一个附加二极管处的电荷生成第二光谱带的图像信号。
10.一种图像传感器像素，包括：
光敏区，所述光敏区响应于入射光而生成电荷；
浮动扩散区；
第一电荷存储结构，所述第一电荷存储结构耦接到将所述光敏区连接到所述浮动扩散区的第一路径；和
第二电荷存储结构，所述第二电荷存储结构耦接到将所述光敏区连接到所述浮动扩散区的第二路径，其中电势垒结构沿着所述第二路径耦接，并且其中所述第一路径和所述第二路径在所述光敏区和所述浮动扩散区之间并行地耦接。
11.根据权利要求10所述的图像传感器像素，还包括：
分别沿着所述第一路径和所述第二路径耦接的第一存储二极管和第二存储二极管；
分别沿着所述第一路径和所述第二路径耦接的第一电容器和第二电容器，其中所述电势垒结构插置在所述第二存储二极管和所述第二电容器之间，并且附加电势垒结构插置在所述第一存储二极管和所述第一电容器之间。
12.根据权利要求10所述的图像传感器像素，还包括：
隔离结构，其中所述第一电荷存储结构和所述第二电荷存储结构在光学和电学上至少由所述隔离结构保护。
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