CN110505421A - 具有全局快门的宽动态范围图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及一种具有全局快门的宽动态范围图像传感器。一种图像传感器包含光电二极管，所述光电二极管安置于半导体材料中以响应于入射光生成图像电荷，且第一转移栅极耦合到所述光电二极管以响应于第一转移信号从所述光电二极管提取图像电荷。第一存储栅极耦合到所述第一转移栅极以从所述第一转移栅极接收所述图像电荷，且第一输出栅极耦合到所述第一存储栅极以从所述第一存储栅极接收所述图像电荷。第一电容器耦合到所述第一输出栅极以存储所述图像电荷。

Description

具有全局快门的宽动态范围图像传感器

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且特定来说(但非排他地)，涉及CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器已经变得无处不在。它们广泛使用于数字静态相机、蜂窝式电话、安全摄像机中，还广泛使用于医学、汽车及其它应用中。用以制造图像传感器的技术已经快速地持续发展。举例来说，针对更高分辨率及更低电力消耗的要求已经促进这些装置的进一步微型化及集成。

典型的图像传感器操作如下。来自外部场景的图像光入射于图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含于图像传感器中光敏元件，例如光电二极管，各自在吸收图像光后生成图像电荷。生成的图像电荷量与图像光的强度成比例。生成的图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。

图像传感器可具有滚动快门(即，图像数据一次由一行或一列像素捕获)或全局快门(即，图像数据同时由所有像素捕获)。每一方法存在优点，滚动快门通常包含较少电路但可导致失真。相反地，由滚动快门导致的图像失真不会由全局快门导致，这是因为所有像素电荷是同时捕获的。

发明内容

在一方面，本申请案提供一种图像传感器，其包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射光生成图像电荷；第一转移栅极，其耦合到所述光电二极管以响应于第一转移信号以从所述光电二极管提取图像电荷；第一存储栅极，其耦合到所述第一转移栅极以从所述第一转移栅极接收所述图像电荷；第一输出栅极，其耦合到所述第一存储栅极以从所述第一存储栅极接收所述图像电荷；及第一电容器，其耦合到所述第一输出栅极以存储所述图像电荷。

在另一方面，本申请案提供一种用图像传感器捕获图像的方法，其包括：用光电二极管吸收入射光以生成图像电荷；以第一帧速率将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到第一横向溢流集成电路(LOFIC)，其中所述第一LOFIC包含第一存储器栅极及第一电容器；及以第二帧速率将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到第二LOFIC，其中所述第二LOFIC包含第二存储器栅极及第二电容器，其中所述第二帧速率比所述第一帧速率快。

附图说明

参考以下图式描述本发明非限制性及非穷尽性实例，其中相似元件符号指代贯穿各种视图的相似部件，除非另外指定。

图1A到1B描绘根据本发明的教示的实例像素电路。

图2说明根据本发明的教示的可包含图1A到1B的方面的成像系统的一个实例的框图。

图3A到3C描绘根据本发明的教示的可展示图1A到2中描绘的像素时序的实例时序图。

对应的参考字符指示贯穿诸图中若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了解，为了简单且清楚起见说明图中的元件，且并不一定按比例绘制元件。举例来说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件而被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，为了更方便地了解本发明的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。

具体实施方式

本文描述涉及具有全局快门的宽动态范围图像传感器的设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，可无需特定细节中的一或多者或用其它方法、组件、材料等实践本文描述的技术。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。

贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿此说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例”并不一定都指代相同的实例。此外，在一或多个实例中特定的特征、结构或特性可以任何合适方式组合。

根据本发明的教示的实例涉及经修改全局快门像素。如所述，全局快门技术具有优点，例如不会产生失真的图像。然而，通常，全局快门装置的全阱容量(FWC)不大，这是因为存储节点可具有有限FWC。本文提出的解决方案解决此问题。在一个实例中，揭示电压域全局快门。在另一实例中，揭示伪全局快局。

下文展示的实例中说明的一个概念是全局快门与横向溢流集成电路(LOFIC)架构的组合。光电二极管连接到两个LOFIC，且源极跟随器电路由两个LOFIC共享。一个转移晶体管具有当存储栅极在读出到后一级电路时期间断开时触发的转移信号。另一转移晶体管以更快帧速率频率操作以将光电二极管处的额外信号转移到额外电容器。此频率是第一帧速率频率的数倍。另外，浮动扩散通过来自电容器的添加电容升压。

图1A到1B描绘根据本发明的教示的实例像素电路。如展示，两个图都描绘耦合到单个光电二极管的两个全局快门/LOFIC。应了解，图1A及1B中描绘的电路可跨图像传感器的表面重复多次以形成阵列(参见，例如，图2)。

图1A包含半导体材料101、光电二极管103、第一转移栅极105、第一存储栅极107、第一输出栅极109、第一浮动扩散106、第一双浮动扩散栅极111、第一电容器113、第一复位栅极115、第一选择晶体管117、第二转移栅极125、第二存储栅极127、第二输出栅极129、第二浮动扩散126、第二双浮动扩散栅极131、第二电容器133、第二复位栅极135、第二选择晶体管137、源极跟随器晶体管141及行选择晶体管143。

在描绘的实例中，光电二极管103经安置于半导体材料101中以响应于入射光生成图像电荷。光电二极管103可取决于放置于光电二极管103与光源之间的滤波器的类型吸收红光、蓝光、绿光、红外光或类似者。第一LOFIC(LOFIC 1)包含第一转移栅极105，其耦合到光电二极管103以响应于施加于转移栅极105的栅极端子的第一转移信号从光电二极管103提取图像电荷(转移信号“接通”转移栅极105)。第一存储栅极107耦合到第一转移栅极105以从第一转移栅极105接收图像电荷。应了解，第一存储栅极107可含有存储节点(例如，半导体材料101的经掺杂部分或类似者)以存储从光电二极管103输出的图像电荷以便促成全局读出。第一输出栅极109耦合到第一存储栅极107以从第一存储栅极107接收图像电荷且当第一输出栅极107被接通时将所述图像电荷转移到第一浮动扩散106。第一电容器113耦合(通过第一浮动扩散106及第一双浮动扩散栅极111)到第一输出栅极109以存储第一电容器113上的图像电荷。第一电容器113可用于增加像素的动态范围，这是因为其可保持原本会使像素饱和的额外电荷。

如展示，第二LOFIC(LOFIC 2)包含第二转移栅极125，其耦合到光电二极管103以响应于第二转移信号以从光电二极管103提取所述图像电荷。第二存储栅极127耦合到第二转移栅极125以从第二转移栅极125接收图像电荷。应了解，第二存储栅极127可含有存储节点(例如，半导体材料101的经掺杂部分或类似者)以存储从光电二极管103输出的图像电荷以便促成全局读出。第二输出栅极129耦合到第二存储栅极127以从第二存储栅极127接收图像电荷。第二电容器133耦合(通过第二浮动扩散126及第二双浮动扩散栅极131)到第二输出栅极129以存储图像电荷。尽管在描绘的实例中，第二LOFIC具有与第一LOFIC完全相同的硬件组件，但根据本发明的教示，每一LOFIC中的电路零件以不同时序及频率操作以增强图像传感器性能(例如，改进图像传感器像素的全阱容量且防止失真)。因此，所述电路各自执行其自身唯一操作且并非仅仅是重复单元。

如说明，第一双浮动扩散栅极111耦合于第一输出栅极109(及第一浮动扩散106)与第一电容器113之间以将第一浮动扩散106上的图像电荷输出到第一电容器113。第二双浮动扩散栅极131耦合于第二输出栅极129(及第二浮动扩散126)与第二电容器133之间以将图像电荷从第二浮动扩散126输出到第二电容器133。应了解，电容器113可包含半导体材料111中的阱、平行板或线或类似物。

在描绘的实例中，源极跟随器晶体管141耦合到第一浮动扩散106及第二浮动扩散126以放大第一浮动扩散106或第二浮动扩散126中的至少一者上的图像电荷。为了放大第一浮动扩散106上的电荷，第一选择晶体管117耦合于第一浮动扩散106与源极跟随器晶体管141之间以响应于第一选择信号(施加于第一选择晶体管117的栅极电极)将图像电荷从第一浮动扩散106(及第一LOFIC)输出到源极跟随器晶体管141，其将第一选择晶体管117连接到源极跟随器晶体管141的栅极端子。类似地，第二选择晶体管137耦合于第二浮动扩散126与源极跟随器晶体管141之间以响应于第二选择信号将图像电荷从第二浮动扩散126(及第二LOFIC)输出到源极跟随器晶体管141。如描绘，行选择晶体管143耦合到源极跟随器晶体管141的第一端子以从源极跟随器141输出经放大图像信号。

在描绘的实例中，第一复位晶体管115耦合到第一电容器113以响应于第一复位信号(施加于第一复位晶体管115的栅极电极)复位第一电容器113及浮动扩散106中的图像电荷(当第一双浮动扩散栅极111接通时)。如同第一复位晶体管115，第二复位晶体管135耦合到第二电容器133以响应于第二复位信号复位第二电容器133及浮动扩散123中的图像电荷。

在描绘的实例中，将图像电荷从光电二极管103转移到第一横向溢流集成电路(LOFIC 1)以第一帧速率发生，且将图像电荷从光电二极管103转移到第二LOFIC(LOFIC 2)以第二帧速率发生。在描绘的实例中，所述第二帧速率是第一帧速率的许多倍(例如，是所述第一帧速率的2x、5x、10x或100x倍)。

在图1A中描绘的实例中，第一电容器113耦合到底板接地。相反地，在图1B中，第二电容器耦合到信号接地。

图2说明根据本发明的教示的可包含图1A到1B的方面的成像系统200的一个实例的框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…Pn)的二维(2D)阵列。如说明，光电二极管被布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取个人、位置、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现个人、位置或物体等的2D图像。然而，光电二极管不必必须被布置成行及列中，且可采用其它配置。

在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路211读出所述图像数据且接着将其转移到功能逻辑215。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑215可简单存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，自动聚焦、剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿着读出列线一次读出一行图像数据(已说明)，或可使用例如串行读出或同时完全并行读出所有像素的多种其它技术(未说明)来读出所述图像数据。

在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路221可生成用于控制图像获取的快门信号(参见例如图3A到3C)。在描绘的实例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个采集窗期间同时捕获其相应的图像数据。在另一实例中，图像获取与发光效果(例如闪光)同步。

在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件零件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、发光/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，或操纵由成像系统200供应的图像数据。

图3A到3C描绘根据本发明的教示的可展示图1A到2中描绘的像素电路的时序的实例时序图。受益于本发明的所属领域的一般技术人员应了解，可使用其它时序操作所描绘的电路。

如图3A中展示，图1A到1B中描绘的装置架构可用于实施全局快门。在说明的实例中，第一存储栅极107、第一输出栅极109、第一双浮动扩散栅极111及复位晶体管115全都被接通以复位第一浮动扩散106及第一电容器113中的图像电荷。接着，接通转移栅极107以促成全局读出。允许过剩电荷从浮动扩散流到电容器113。如描绘，第二LOFIC中的电路可与第一LOFIC异相地执行相同的操作。

图3B到3C描绘根据本发明的教示的滚动读出时序图的实例。图3B描绘第一时序图且图3C描绘第二交替时序图。两个时序图可为图1A或1B中的电路用于伪滚动读出配置中的结果。在图3B及3C两者中，采用相关双取样来获得图像电荷的准确测量。在相关双取样中，像素电路的输出被测量两次：一次在已知条件中(不具有图像电荷)且一次在未知条件中(具有图像电荷)。在此处，使用相关双取样以同时测量浮动扩散中的图像电荷及用于浮动扩散的参考信号，及具有电容器的所述浮动扩散。

参考图3B的左侧时序图(其可对应于图1A中的电路图)，测量第一浮动扩散及电容器上的电荷(例如，取样及保持，“SH1 1”在第一双浮动扩散栅极111也是逻辑高时是高-第一双浮动扩散栅极111连接浮动扩散及电容器)。接下来，自第一双浮动扩散111是逻辑低开始，在选择晶体管117是逻辑高时，从浮动扩散读出参考信号(SH1 2)。接着，在第一输出栅极109被接通之后，仅浮动扩散上的图像电荷被读出(SH1 3)。最后，从浮动扩散及电容器两者读出参考信号(SH1 4)。通过取样LOFIC电路的所有四个状态，施于浮动扩散及电容器的电荷可被准确地确定(例如，通过从实际测量减去参考信号)。

如描绘的实例中展示，右侧上的时序图(其可对应于图1B中的电路图)类似于左侧上的时序图，除了信号接地CP1 113是在从浮动扩散读出电荷(图像信号及参考信号两者)期间施加外。

图3C描绘本机LOFIC时序图。因此，图3C中说明的时序图类似于图3B中描绘的时序图。然而，在左侧时序图(其可对应于图1A中的电路图)中，首先，从浮动扩散读出(SH1 1)参考电荷。接着，接通输出栅极109且将电荷从存储栅极107读出到浮动扩散。再次读出(SH12)浮动扩散，此次在浮动扩散中具有图像电荷。接下来，接通第一双浮动扩散栅极111，且允许电荷从浮动扩散流到电容器。接着，从浮动扩散及电容器两者同时读出(SH1 3)电荷。接下来，接通复位晶体管115，且从电容器及浮动扩散两者读出参考信号。

在右侧时序图(其可对应于图1B中的电路图)中，在从浮动扩散读出参考信号(SH12)及从浮动扩散读出图像电荷(SH13)期间施加信号接地。

在上文描述中，描述各种电路零件。受益于本发明的所属领域的一般技术人员应了解，施加于各种电路零件的电信号时序可以任何次序发生且甚至并行发生。此外，可根据本发明的教示添加或移除电路零件及时序事件。应了解，根据本发明的教示，晶体管可称为“开关”或“栅极”。

本发明所说明的实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但相关领域的技术人员应认识到，各种等效修改可能在本发明的范围内。

鉴于上文详细的描述，可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被解释为将本发明限制于说明书中揭示的具体实例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：

光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于入射光生成图像电荷；

第一转移栅极，其耦合到所述光电二极管以响应于第一转移信号以从所述光电二极管提取图像电荷；

第一存储栅极，其耦合到所述第一转移栅极以从所述第一转移栅极接收所述图像电荷；

第一输出栅极，其耦合到所述第一存储栅极以从所述第一存储栅极接收所述图像电荷；及

第一电容器，其耦合到所述第一输出栅极以存储所述图像电荷。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：

第二转移栅极，其耦合到所述光电二极管以响应于第二转移信号以从所述光电二极管提取所述图像电荷；

第二存储栅极，其耦合到所述第二转移栅极以从所述第二转移栅极接收所述图像电荷；

第二输出栅极，其耦合到所述第二存储栅极以从所述第二存储栅极接收所述图像电荷；及

第二电容器，其耦合到所述第二输出栅极以存储所述图像电荷。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其进一步包括：

第一双浮动扩散栅极，其耦合于所述第一输出栅极与所述第一电容器之间以将所述图像电荷输出到所述第一电容器；

第二双浮动扩散栅极，其耦合于所述第二输出栅极与所述第二电容器之间以将所述图像电荷输出到所述第二电容器。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其进一步包括：

第一浮动扩散，其耦合于所述第一输出栅极与所述第一双浮动扩散栅极之间以从所述第一输出栅极接收所述图像电荷；及

第二浮动扩散，其耦合于所述第二输出栅极与所述第二双浮动扩散栅极之间以从所述第二输出栅极接收所述图像电荷。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其进一步包括：

源极跟随器晶体管，其耦合到所述第一浮动扩散及所述第二浮动扩散以放大所述第一浮动扩散或所述第二浮动扩散中的至少一者上的所述图像电荷。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其进一步包括行选择晶体管，所述行选择晶体管所述耦合到所述源极跟随器晶体管的第一端子以从所述源极跟随器晶体管输出经放大信号。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，其进一步包括：

第一选择晶体管，其耦合于所述第一浮动扩散与所述源极跟随器晶体管之间以响应于第一选择信号将所述图像电荷从所述第一浮动扩散输出到所述源极跟随器晶体管；及

第二选择晶体管，其耦合于所述第二浮动扩散与所述源极跟随器晶体管之间以响应于第二选择信号将所述图像电荷从所述第二浮动扩散输出到所述源极跟随器晶体管。

8.根据权利要求5所述的图像传感器，其进一步包括：

第一复位晶体管，其耦合到所述第一电容器以响应于第一复位信号复位所述第一电容器中的所述图像电荷；及

第二复位晶体管，其耦合到所述第二电容器以响应于第二复位信号复位所述第二电容器中的所述图像电荷。

9.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一存储栅极包含存储节点，所述存储节点用于在将所述图像电荷转移到所述浮动扩散之前保持所述图像电荷。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一电容器及第二电容器耦合到信号接地或底板接地中的至少一者。

11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器包含包括布置到阵列中的所述光电二极管的多个光电二极管，且其中全局快门用于从所述图像传感器输出图像数据。

12.一种用图像传感器捕获图像的方法，其包括：

用光电二极管吸收入射光以生成图像电荷；

以第一帧速率将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到第一横向溢流集成电路LOFIC，其中所述第一LOFIC包含第一存储器栅极及第一电容器；及

以第二帧速率将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到第二LOFIC，其中所述第二LOFIC包含第二存储器栅极及第二电容器，其中所述第二帧速率比所述第一帧速率快。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二帧速率是所述第一帧速率的两倍或两倍以上。

14.根据权利要求12所述的方法，其中将所述图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一LOFIC包含接通第一转移栅极以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述第一存储栅极，及接通第一输出栅极以将所述图像电荷从所述存储栅极转移到第一浮动扩散。

15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述图像电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二LOFIC包含接通第二转移栅极以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述第二存储栅极，及接通第二输出栅极以将所述图像电荷从所述存储栅极转移到第二浮动扩散。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

使用耦合于所述第一浮动扩散与所述第一电容器之间的第一双浮动扩散栅极将所述图像电荷从所述第一浮动扩散转移到所述第一电容器；及

使用耦合于所述第二浮动扩散与所述第二电容器之间的第二双浮动扩散栅极将所述图像电荷从所述第二浮动扩散转移到所述第二电容器。

17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

用耦合到所述第一电容器的第一复位晶体管复位所述第一电容器及所述第一浮动扩散中的所述图像电荷；及

用耦合到所述第二电容器的第二复位晶体管复位所述第二电容器及所述第二浮动扩散中的所述图像电荷。

18.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括使用耦合于所述第一浮动扩散与所述源极跟随器晶体管之间的第一选择晶体管将所述图像电荷从所述第一LOFIC输出到源极跟随器晶体管；及

使用耦合于所述第二浮动扩散与所述源极跟随器晶体管之间的第二选择晶体管将所述图像电荷从所述第二LOFIC输出到所述源极跟随器晶体管。

19.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：

测量所述第一浮动扩散中的所述图像电荷；

测量所述第一浮动扩散及所述第一电容器中的所述图像电荷；

测量所述第一浮动扩散中的第一参考信号；及

测量所述第一浮动扩散及所述第一电容器中的第二参考信号。

20.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括用全局快门从所述图像传感器读出所述图像数据。