CN111182241B - 具有高动态范围成像像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有高动态范围成像像素的图像传感器”。本发明提供一种高动态范围成像像素，该高动态范围成像像素可包括响应于入射光而生成电荷的光电二极管。当生成的电荷超过第一电荷电平时，电荷可通过第一晶体管溢出到第一存储电容器。当生成的电荷超过比第一电荷电平更高的第二电荷电平时，电荷可通过第二晶体管溢出。通过第二晶体管溢出的电荷可交替地耦接到电压源并且被排出或转移到第二存储电容器以供后续读出。将更多的溢出电荷转向电压源可增加像素的动态范围。因此可更新转向电压源的电荷量以控制成像像素的动态范围。

Description

具有高动态范围成像像素的图像传感器
背景技术
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围成像像素的成像设备。
图像传感器常常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
典型的图像像素包含光电二极管，用于响应于入射光而生成电荷。图像像素还可包括用于存储在光电二极管中生成的电荷的电荷存储区。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素均可同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行像素可依次捕获图像。
一些常规图像传感器或许能够在高动态范围(HDR)模式下工作。可在图像传感器中通过为交替的像素行分配不同的积聚时间来实现HDR操作。然而，常规图像传感器有时可能经历低于期望的分辨率、低于期望的灵敏度、高于期望的噪声水平，以及低于期望的量子效率。
因此，希望能够提供在图像传感器中改善的高动态范围操作。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3是根据一个实施方案的包括溢出电容器的示例性成像像素的电路图。
图4是根据一个实施方案的示例性成像像素的电路图，该成像像素包括第一溢出电容器和将电荷间歇地引导到第二溢出电容器的电荷引导结构。
图5是根据一个实施方案的示出当处理的溢出电荷多于积聚的溢出电荷时示例性成像像素(诸如图4的像素)的操作的时序图。
图6是根据一个实施方案的示出当积聚的溢出电荷多于处理的溢出电荷时示例性成像像素(诸如图4的像素)的操作的时序图。
图7是根据一个实施方案的示出用于操作具有两条溢出路径的成像像素(诸如图4的像素)的示例性方法步骤的流程图。
图8是根据一个实施方案的示例性成像像素的电路图，该成像像素包括两条溢出路径，在两个衬底之间进行划分，并且包括两个衬底之间的导电互连结构。
图9是根据一个实施方案的具有两条溢出路径的示例性成像像素的电路图，该两条溢出路径共享浮动扩散区。
图10是根据一个实施方案的示出每两个像素可如何共享浮动扩散区的示例性像素阵列的图。
图11是根据一个实施方案的示出每四个像素可如何共享浮动扩散区的示例性像素阵列的图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
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。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型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生成的电荷相对应。
图1是示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、移动电话、视频摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕捉操作期间，每个镜头可将光聚集到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或简称JPEG格式)。在典型的布置方式(有时称为片上系统(SOC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。
成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。
如果需要，系统100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器，等等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2中示出了图1的相机模块12的布置的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应的行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他所需数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征部可水平地布置)。
像素阵列32可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。举例来说，诸如阵列32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对应的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红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，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。在另一个合适的示例中，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34上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。
如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与所需节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。所需节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术诸如软钎焊或焊接，来将形成在相应的第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯之上的所需节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。
一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。
为了增加成像像素中的高动态范围，成像像素可形成有溢出电容器。用于成像像素的光电二极管生成电荷。在电荷超过一定电平之后，过量的电荷可能使光电二极管溢出到存储电容器中。可在积聚时间完成之后，读出来自存储电容器和光电二极管两者的电荷。这有效地增加了像素的动态范围。这些类型的像素中的存储电容器可被称为溢出电容器。
图3是具有光敏元件和存储电容器的成像像素的电路图。如图3所示，图像像素34包括光敏元件102(例如，光电二极管)。光敏元件102具有耦接到地的第一端子。光敏元件102的第二端子耦接到转移晶体管104和晶体管105。转移晶体管104耦接到浮动扩散(FD)区118。晶体管105(有时称为阈值晶体管105)耦接在光电二极管102和存储电容器110之间。重置晶体管106可耦接在浮动扩散区118与电压源124之间。电压源124可提供电压VDD。浮动扩散区118可以是掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅衬底中掺杂的区)。浮动扩散区118具有相关联的电容。增益选择晶体管108具有耦接到浮动扩散区118的第一端子和耦接到存储电容器110(Cx)的第二端子。双转换增益电容器110可具有耦接到增益选择晶体管的第二端子的第一板110-1(有时称为上板或顶板)。双转换增益电容器110可具有耦接到电压源126的第二板110-2(有时称为下板或底板)。电压源可提供电压Vxx。
源极跟随器晶体管112具有栅极端子，该栅极端子耦接到浮动扩散区118及重置晶体管106的第一端子。源极跟随器晶体管112还具有耦接到电压源120的第一源极-漏极端子。电压源120可提供电源电压VDD。电源120和124处的电源电压可相同或可不同。在本申请中，每个晶体管被示出为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极和漏极端子可根据晶体管的偏置方式和所用晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。源极跟随器晶体管112的第二源极-漏极端子通过行选择晶体管114耦接到列输出线116。源极跟随器晶体管、行选择晶体管和列输出线有时可统称为读出电路(readout circuit/readout circuitry)。
转移晶体管104的栅极端子接收控制信号TX。阈值晶体管105的栅极端子接收控制信号TH1。增益选择晶体管108的栅极端子接收控制信号DCG。重置晶体管106的栅极端子接收控制信号RST。行选择晶体管114的栅极端子接收控制信号RS。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号TX、DCG、RST、RS和TH1。
像素34可使用增益选择晶体管108和双转换增益电容器110来实现双转换增益模式。具体地讲，像素34可按高转换增益模式以及按低转换增益模式操作。如果增益选择晶体管108被禁用，则像素34将置于高转换增益模式。如果增益选择晶体管108被启用，则像素34将置于低转换增益模式。当增益选择晶体管108接通时，双转换增益电容器110可被切换为使用状态，以向浮动扩散区118提供附加电容。这导致像素34的转换增益较低。当增益选择晶体管108断开时，电容器的附加负载被移除并且像素恢复到相对更高的像素转换增益配置。
为了允许电荷从光电二极管102溢出到存储电容器110并增加动态范围，可在积聚时间期间将阈值晶体管105的控制信号TH1设置为中间电压电平。当光电二极管102中的电荷电平超过给定电平(由控制信号TH1设置)时，电荷可溢出到电容器110中。例如，溢出电荷可遵循路径132。该示例仅仅是示例性的，并且转移晶体管104的控制信号TX可替代地设置为中间电压电平，当电荷电平超过光电二极管中的给定电平时，该中间电压电平允许电荷传递到电容器110。
相对于不包括存储电容器的实施方案，在成像像素中包括存储电容器110(Cx)增加了像素的动态范围。然而，动态范围仍可能受到存储电容器110的大小的限制。为了进一步改进动态范围，可使用图4所示类型的布置方式。
图4是示例性成像像素的电路图，该成像像素具有两条电荷溢出路径以进一步扩展成像像素的动态范围。如图4所示，大部分像素电路与图3所示的相同。转移晶体管104包括在光电二极管102和浮动扩散区118之间。重置晶体管106耦接在浮动扩散区118和电压源124之间。浮动扩散区耦接到源极跟随器晶体管112的栅极。源极跟随器晶体管112耦接在电压源120和行选择晶体管114之间。行选择晶体管114耦接到列输出线。在该像素中，包括两条列输出线，因此耦接到行选择晶体管114的列输出线被称为列输出线116-1。
与图3所示类似，晶体管105在图4中在光电二极管和存储电容器110之间耦接到光电二极管102。在像素34的积聚时间期间，可将晶体管105的控制信号TH1设置为中间电压电平。当光电二极管102中的电荷电平超过给定电平(由控制信号TH1设置)时，电荷可溢出到电容器110中。例如，溢出电荷可遵循路径132。
在高入射光水平条件下，成像像素的动态范围可能受到存储电容器110的存储容量的限制(如果存储电容器提供如图3中的唯一溢出电荷存储)。为了增加动态范围，图4的像素包括附加存储电容器和到附加存储电容器的附加电荷溢出路径。耦合栅极结构152(有时称为耦合栅极152、电荷引导电路152等)可用于选择性地将溢出电荷引导到附加存储电容器。
耦合栅极152包括串联耦接(到存储电容器162)的第一晶体管154和第二晶体管156。耦合栅极152还包括重置晶体管158，该重置晶体管耦接到晶体管154和156之间的节点155。重置晶体管158耦接在节点155和偏置电压源端子160(其供应电压Vyy)之间。
存储电容器162耦接到附加源极跟随器晶体管164的栅极。源极跟随器晶体管164可耦接在电压源166(其供应电压VDD)和行选择晶体管168之间。行选择晶体管168可耦接到附加列输出线116-2。当行选择晶体管168生效时，可将指示存储电容器162上的电荷量的电压Vout2采样到列输出线116-2上。
阈值晶体管154的栅极端子接收控制信号TH2。晶体管156的栅极端子接收控制信号INT。晶体管158的栅极端子接收控制信号OF_RST。晶体管168的栅极端子接收控制信号RS2。晶体管156有时可称为积聚晶体管，并且晶体管158有时可称为溢出重置晶体管。
在像素34的积聚时间期间，晶体管105的控制信号TH1和晶体管154的控制信号TH2两者都可被设置为相应的中间电压电平。当光电二极管102中的电荷电平超过第一给定电平(由控制信号TH1设置)时，电荷可溢出到电容器110中(遵循路径132)。当电荷电平(例如，在光电二极管102和存储电容器110中)超过第二给定电平(TH2的沟道势垒低于TH1的沟道势垒)时，电荷可通过晶体管154溢出到节点155(遵循路径170)。
在积聚周期期间，晶体管156和158可以以互相排斥的方式(或几乎互相排斥的方式)生效，以沿着两条路径之一引导溢出电荷。晶体管156和158可处于相同的状态(例如，两者都生效或两者都解除生效)小于积聚时间的20％、小于积聚时间的10％、小于积聚时间的5％、小于积聚时间的2％、小于积聚时间的1％、小于积聚时间的0.1％、小于积聚时间的0.01％等。如果晶体管158生效，则晶体管156将解除生效。在这种状态下，电荷将被排出到电压源160。如果晶体管156生效，则晶体管158将解除生效。在这种状态下，电荷将被转移到存储电容器162(Cy)。一旦在存储电容器162中，就可通过使用源极跟随器晶体管164、行选择晶体管168和列输出线116-2(有时称为读出电路(readout circuit/readoutcircuitry))来对电荷进行采样。
耦合栅极152的布置方式可允许通过调整晶体管156和158各自生效的时间量来容易地控制像素的动态范围。例如，考虑图5的时序图。图5示出了像素34的积聚周期期间的OF_RST控制信号和INT控制信号。如图所示，当OF_RST为高时，INT为低(反之亦然)。信号能够以一致的速率在高状态和低状态之间循环。每个循环中OF_RST信号为高的时间量设置像素的动态范围。例如，在图5中，对于每个循环的75％，OF_RST为高。对于该循环的剩余25％，OF_RST为低(而INT为高)。这意味着，在耦合栅极结构152接收的溢出电荷中，75％被排出到电压源160，并且仅25％被转移到存储电容器Cy。该已知比率可用于外推检测到的溢出信号。在这种情况下，例如，可将从Cy采样的电荷量乘以4(由于积聚仅发生25％的时间)以确定耦合栅极152接收多少溢出电荷。这有效地将存储电容器162的存储容量增加了四倍，这改善了像素的动态范围。
可以以伪随机性质控制OF_RST控制信号和INT控制信号之间的生效频率，以便减轻可能以恒定频率出现的LED频率间隙。例如，如果OF_RST被配置为对于积聚时间的50％生效(并且因此RST控制信号也被配置为对于积聚时间的50％生效)，则OF_RST信号可以以恒定频率生效(例如，1毫秒生效，然后1毫秒解除生效，然后1毫秒生效，然后1毫秒解除生效，等等)。另选地，每个生效和解除生效的持续时间可以在积聚时间内变化，同时仍然总计达积聚时间的50％。
因此，可通过选择OF_RST生效的时间量来容易地控制像素的动态范围。OF_RST生效的时间越长，像素的动态范围就越高。然而，OF_RST生效的时间越长，样本的信噪比(SNR)就越差。在图6中，示出了在像素34的积聚周期期间OF_RST控制信号和INT控制信号的替代时序图。如图所示，当OF_RST为高时，INT为低(反之亦然)。信号能够以一致的速率在高状态和低状态之间循环。在图6中，对于每个循环的25％，OF_RST为高。对于该循环的剩余75％，OF_RST为低(而INT为高)。这意味着，在耦合栅极结构152接收的溢出电荷中，25％被排出到电压源160并且75％被转移到存储电容器Cy。当使用图6的占空比时，与图5的占空比相比，像素将具有更低的动态范围。然而，该像素在图6中将具有与图5相比改善的信噪比。
在像素的积聚时间期间，可使重置晶体管158生效达任何期望百分比的时间。占空比可以是预先确定的，也可以由图像传感器中的控制电路动态地更新(例如，响应于入射光水平)。例如，重置晶体管158可生效超过95％的时间、超过90％的时间、超过75％的时间、超过65％的时间、超过50％的时间、超过40％的时间、超过30％的时间、超过20％的时间、超过10％的时间、超过5％的时间、不到95％的时间、不到90％的时间、不到75％的时间、不到65％的时间、不到50％的时间、不到40％的时间、不到30％的时间、不到20％的时间时间、不到10％的时间、不到5％的时间、60％到90％之间的时间、10％到40％之间的时间等等。换句话讲，重置晶体管158生效的时间除以重置晶体管158未生效(并且积聚晶体管156生效)的时间可以等于1、大于1、大于2、大于3、大于4、大于10、大于20、小于20、小于10、小于0.5、小于0.1、小于0.05、大于0.05等。
在积聚时间结束时，电荷可存在于光电二极管102、存储电容器110和/或存储电容器162中。因此，可在读出过程期间对来自所有三个位置的电荷进行采样。为了从存储电容器162读出电荷，可使行选择晶体管168生效(将来自存储电容器162的电压采样到列输出线116-2上)。在晶体管156解除生效时，可进行该采样。然后，为了重置电容器Cy，可使晶体管156和158同时生效。一旦存储电容器162被重置，就可通过使晶体管154和156生效来将电荷从存储电容器110转移到存储电容器162。然后可通过使行选择晶体管168生效来再次对来自存储电容器162(其现在具有最初存储在存储电容器110中的电荷)的电荷进行采样。
为了改善样本中的信噪比，可执行双采样。例如，在对存储电容器162中的电荷第一次采样并重置存储电容器162之后，可对存储电容器的重置电荷电平进行采样(例如，通过使行选择晶体管168生效)。可从存储电容器Cy的第一样本中减去该重置电荷电平，以考虑重置电荷电平。然后，将来自存储电容器110的电荷转移到存储电容器162并进行采样。可从该第二样本中减去先前获得的重置电荷电平，以校正重置电荷电平。另选地，一旦从存储电容器162获得第二样本，就可再次重置存储电容器162并且可获得第二重置电荷电平样本。第二重置电荷电平可以任选地用于校正第二样本。
同样在读出期间，可使转移晶体管104生效以将电荷从光电二极管102转移到浮动扩散区118。然后可以通过使行选择晶体管114生效来将该电荷采样到列输出线116-1上。可在该采样期间执行相关双采样。
如果需要，可通过使晶体管105、154和158生效来重置光电二极管102。
本文中，晶体管105和154用作具有势垒的结构的示例，当超过一定电荷电平时，该势垒允许电荷溢出该结构。这个示例仅仅为示例性的。如果需要，可使用其他结构来建立这种势垒。
另外，用于存储电荷的存储电容器110和162的示例仅仅是示例性的。如果需要，可使用任何期望的电荷存储区(例如，存储二极管、存储栅极等)代替存储电容器110和/或存储电容器162。
图7是示出用于操作图4中所示类型的成像像素的示例性方法步骤的流程图。在步骤202处，像素可具有积聚时间。在积聚时间期间，使转移晶体管104解除生效，将晶体管105和154设置为中间电平，并且使晶体管156和158交替地生效和解除生效。在积聚时间期间，光电二极管102将响应于入射光而生成电荷。最初，电荷将聚积在光电二极管中。一旦聚积的电荷超过第一电平(由TH1设置)，电荷就将通过晶体管105溢出到存储电容器110中(沿着图4中的路径132)。如果生成了足够的电荷，则存储电容器110中的电荷量将超过第二电平(由TH2设置)，并且电荷将通过晶体管154溢出并传递到节点155(沿着图4中的路径170)。在节点155处，电荷将被排出到电压源160(当晶体管158生效时)或者被积聚并存储在存储电容器Cy处(当晶体管156生效时)。
在积聚时间结束时，可在步骤204中对存储电容器Cy处的电荷量进行采样。可使晶体管168生效(同时使晶体管156解除生效)以对电荷进行采样。在对存储电容器Cy处的电荷量进行采样之后，可在步骤206处重置存储电容器Cy。为了重置存储电容器Cy，可使晶体管156和158同时生效。接下来在步骤208处，可通过使晶体管168生效来对存储电容器Cy的重置电平进行采样。在对重置电平进行采样之后，可在步骤210处将电荷从存储电容器Cx转移到存储电容器Cy。可使晶体管154和156生效以将电荷从存储电容器Cx转移到存储电容器Cy。然后可在步骤212处再次对存储电容器Cy中的电荷进行采样。
在步骤204-212之前、期间或之后(例如，在积聚时间完成之后的某个时刻)，也可对光电二极管102中的电荷进行采样。作为一个示例，可重置浮动扩散区并且可对浮动扩散区的重置电荷电平进行采样(通过使晶体管114生效)。然后可使转移晶体管104生效以将电荷转移到浮动扩散区。然后可再次对浮动扩散区进行采样。
图7中所示的步骤仅仅是示例性的。应该理解，可根据需要对这些步骤进行修改。例如，如前所述，可在步骤212之后获得存储电容器Cy的附加重置样本。
图4中所示的电路仅仅是示例性的。使用耦合栅极结构来改进可变动态范围的其他布置方式也可以是可能的。图8是与图4的像素类似的像素34的图。然而，在图8中，像素34包括耦接在存储电容器110和浮动扩散区118之间的附加晶体管108。晶体管108可以任选地用于使用源跟随晶体管112从存储电容器Cx读出电荷。另选地，如前所述，可以将电荷从存储电容器Cx转移到存储电容器Cy，并且从存储电容器Cy采样。
另外，图8示出了像素34在多个衬底之间可如何划分。在一些实施方案中，图8中所示的像素34的分量可形成在单个衬底(例如，半导体衬底)中。为了给光电二极管102留出更多空间和/或减小像素的大小，像素34可以任选地在两个或更多个衬底之间划分。图8示出了其中第一多个像素分量形成在衬底182(有时称为半导体衬底182、晶圆182、上衬底182等)中并且第二多个像素分量形成在衬底184(有时称为半导体衬底184、晶圆184、下衬底184等)中的示例性实施方案。第一衬底和第二衬底可通过导电互连层186连接。互连层186可包括连接两个衬底的导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔中的一个或多个。对于像素阵列中的每个像素，可在两个衬底之间包括相应的互连层186。
在图8中，导电互连层186形成在阈值晶体管154和阈值晶体管105之间(其中存储电容器110形成在衬底182中)。这个示例仅仅为示例性的。一般来讲，可在像素电路内的任何期望的点处形成两个衬底之间的导电互连层。可在单个像素内的第一衬底和第二衬底之间形成两个或更多个互连层。例如，还可在浮动扩散区118和源极跟随器晶体管112之间包括附加互连层。
在又一替代方案中，像素34可在三个(或更多个)衬底之间进行划分。例如，晶体管168和164以及存储电容器162可替代地形成在第三衬底中。附加互连层可将第三衬底耦接到存储电容器162和晶体管156之间的第二衬底。
上述示例仅是示例性的。一般来讲，像素34可在任何期望数量的衬底之间以任何期望的方式进行划分。
图9是共享浮动扩散区的像素的图。如图9所示，像素34-1包括图4中所示像素的所有分量。然而，像素34-2不包括其自己的重置晶体管106、源极跟随器晶体管112或行选择晶体管114。替代地，像素34-2的转移晶体管耦接到像素34-1中的浮动扩散118。换句话讲，在像素34-1和34-2之间共享浮动扩散区118和对应的读出电路。任何期望数量的像素(在任何期望的位置中)可共享浮动扩散区和对应的读出电路。
图10和图11示出了像素阵列中的像素的示例性共享布置方式。在图10中，1×2像素组192(在单列和两行中具有2个相邻像素)各自共享单个浮动扩散区。如图10所示，像素34-1和34-2共享浮动扩散区FD(和对应的读出电路)。图11示出了其中2×2像素组194(在两列和两行中具有4个相邻像素)各自共享单个浮动扩散区的替代布置方式。如图11所示，像素34-1、34-2、34-3和34-4共享浮动扩散区FD(和对应的读出电路)。这些布置方式仅仅为示例性的。任何期望数量的像素(例如，两个、三个、四个、多于四个、九个、多于九个等)可共享单个浮动扩散区。像素可水平相邻(例如，在同一行中)、可竖直相邻(例如，在同一列中)、可对角相邻(例如，如图11中的像素34-1和34-4)、或者可不相邻(例如，具有不共享浮动扩散区的居间像素)。
当两个或更多个像素共享浮动扩散区时，可单独地或累积地读出来自两个像素的电荷。例如，可将来自两个或更多个像素的电荷转移到浮动扩散区(例如，分箱)并且作为单个信号读出。另选地，可使用浮动扩散区读出来自第一像素的电荷。然后，可随后使用浮动扩散区读出来自第二像素的电荷。这允许传感器以分箱模式(分辨率较低但光敏感度较高)或正常模式(分辨率较高)操作。
根据一个实施方案，成像像素可包括：光电二极管，该光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；浮动扩散区；转移晶体管，该转移晶体管耦接在光电二极管和浮动扩散区之间；第一电荷存储区，其中来自光电二极管的电荷的第一部分被配置为溢出到第一电荷存储区；以及第二电荷存储区，其中来自光电二极管的电荷的第二部分被配置为溢出到第二电荷存储区。
根据另一个实施方案，该成像像素还可包括电荷引导电路，该电荷引导电路插置在光电二极管和第二电荷存储区之间。
根据另一个实施方案，该电荷引导电路可包括第一晶体管、耦接在第一晶体管和第二电荷存储区之间的第二晶体管，以及耦接在第一晶体管和电压源之间的第三晶体管。
根据另一个实施方案，该成像像素还可包括耦接在第一晶体管和光电二极管之间的第四晶体管。
根据另一个实施方案，该第四晶体管可耦接在光电二极管和第一电荷存储区之间。
根据另一个实施方案，该成像像素还可包括耦接到浮动扩散区的第一源极跟随器晶体管和耦接到第二电荷存储区的第二源极跟随器晶体管。
根据另一个实施方案，第一电荷存储区可以是第一存储电容器，并且第二电荷存储区可以是第二存储电容器。
根据另一个实施方案，光电二极管和转移晶体管可形成在第一衬底中，第二电荷存储区可形成在第二衬底中，并且成像像素可包括第一衬底和第二衬底之间的导电互连结构。
根据一个实施方案，图像传感器可包括成像像素阵列，并且每个成像像素可包括光电二极管、第一存储电容器、插置在光电二极管和第一存储电容器之间的第一晶体管、第二存储电容器、串联耦接在第二存储电容器和第一晶体管之间的第二晶体管和第三晶体管、偏置电压源端子，以及耦接在偏置电压源端子和插置在第二晶体管和第三晶体管之间的节点之间的第四晶体管。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可包括浮动扩散区和插置在浮动扩散区和光电二极管之间的转移晶体管。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可包括：第一源极跟随器晶体管，其中浮动扩散区耦接到第一源极跟随器晶体管的栅极；第一列输出线；以及第一行选择晶体管，该第一行选择晶体管插置在第一源极跟随器晶体管和第一列输出线之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可包括：第二源极跟随器晶体管，其中第二存储电容器耦接到第二源极跟随器晶体管的栅极；第二列输出线；以及第二行选择晶体管，该第二行选择晶体管插置在第二源极跟随器晶体管和第二列输出线之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可包括插置在第一存储电容器和浮动扩散区之间的第五晶体管。
根据另一个实施方案，图像传感器可包括第一衬底和第二衬底，每个成像像素的光电二极管和第一晶体管可形成在第一衬底中，并且每个成像像素的第二晶体管和第三晶体管可形成在第二衬底中。
根据另一个实施方案，每个成像像素可包括导电互连结构，该导电互连结构在第一衬底中的第一晶体管和第二衬底中的第二晶体管之间。
根据一个实施方案，操作成像像素的方法，该成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、第一电荷存储区和第二电荷存储区、插置在光电二极管和第一电荷存储区之间的第一晶体管以及插置在第一晶体管和第二电荷存储区之间的第二晶体管，该方法可包括：利用光电二极管，在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷；在积聚时间期间将第一晶体管设置为第一中间电压，其中超过第一电荷电平的第一量的电荷通过第一晶体管传递到第一电荷存储区中；以及在积聚时间期间将第二晶体管设置为第二中间电压，其中超过比第一电荷电平更大的第二电荷电平的第二量的电荷通过第二晶体管传递。
根据另一个实施方案，第二量的电荷可交替地转移到第二电荷存储区并被排出到偏置电压源端子。
根据另一个实施方案，该方法还可包括：在积聚时间完成后，从第二电荷存储区读出第一样本；在从第二电荷存储区读出第一样本后，重置第二电荷存储区；以及在重置第二电荷存储区后，将电荷从第一电荷存储区转移到第二电荷存储区。
根据另一个实施方案，该方法还可包括：在重置第二电荷存储区之后以及在将电荷从第一电荷存储区转移到第二电荷存储区之前，从第二电荷存储区读出第二样本；以及在将电荷从第一电荷存储区转移到第二电荷存储区之后，从第二电荷存储区读出第三样本。
根据另一个实施方案，该成像像素还可包括耦接在第二晶体管和偏置电压源端子之间的第三晶体管和耦接在第二晶体管和第二电荷存储区之间的第四晶体管，并且该方法还可包括在积聚时间期间使第三晶体管和第四晶体管交替地生效。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (9)

1.一种成像像素，包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；
浮动扩散区；
转移晶体管，所述转移晶体管耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间；
第一电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第一部分被配置为溢出到所述第一电荷存储区；和
第二电荷存储区，其中来自所述光电二极管的所述电荷的第二部分被配置为溢出到所述第二电荷存储区,
第一源极跟随器晶体管，所述第一源极跟随器晶体管耦接到所述浮动扩散区；和
第二源极跟随器晶体管，所述第二源极跟随器晶体管耦接到所述第二电荷存储区。
2.根据权利要求1所述的成像像素，还包括：
电荷引导电路，所述电荷引导电路插置在所述光电二极管和所述第二电荷存储区之间，其中所述电荷引导电路包括第一晶体管、耦接在所述第一晶体管和所述第二电荷存储区之间的第二晶体管、以及耦接在所述第一晶体管和电压源之间的第三晶体管；和
第四晶体管，所述第四晶体管耦接在所述第一晶体管和所述光电二极管之间，其中所述第四晶体管耦接在所述光电二极管和所述第一电荷存储区之间。
3.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述第一电荷存储区是第一存储电容器，并且所述第二电荷存储区是第二存储电容器。
4.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述光电二极管和所述转移晶体管形成在第一衬底中，其中所述第二电荷存储区形成在第二衬底中，并且其中所述成像像素还包括所述第一衬底和所述第二衬底之间的导电互连结构。
5.一种图像传感器，所述图像传感器包括成像像素阵列，其中每个成像像素包括：
光电二极管；
第一存储电容器；
第一晶体管，所述第一晶体管插置在所述光电二极管与所述第一存储电容器之间；
第二存储电容器；
第二晶体管和第三晶体管，所述第二晶体管和所述第三晶体管串联耦接在所述第二存储电容器和所述第一晶体管之间；
偏置电压源端子；和
第四晶体管，所述第四晶体管耦接在所述偏置电压源端子和插置在所述第二晶体管和所述第三晶体管之间的节点之间；
浮动扩散区；
第一源极跟随器晶体管，其中所述浮动扩散区耦接到所述第一源极跟随器晶体管的栅极；
第二源极跟随器晶体管，其中所述第二存储电容器耦接到所述第二源极跟随器晶体管的栅极。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中每个成像像素还包括：
转移晶体管，所述转移晶体管插置在所述浮动扩散区和所述光电二极管之间；
第一列输出线；
第一行选择晶体管，所述第一行选择晶体管插置在所述第一源极跟随器晶体管和所述第一列输出线之间；
第二列输出线；
第二行选择晶体管，所述第二行选择晶体管插置在所述第二源极跟随器晶体管和所述第二列输出线之间；和
第五晶体管，所述第五晶体管插置在所述第一存储电容器和所述浮动扩散区之间。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述图像传感器包括第一衬底和第二衬底，其中每个成像像素的所述光电二极管和所述第一晶体管形成在所述第一衬底中，其中每个成像像素的所述第二晶体管和所述第三晶体管形成在所述第二衬底中，并且其中每个成像像素包括：
导电互连结构，所述导电互连结构在所述第一衬底中的所述第一晶体管和所述第二衬底中的所述第二晶体管之间。
8.一种操作成像像素的方法，所述成像像素包括光电二极管、浮动扩散区、第一电荷存储区和第二电荷存储区、插置在所述光电二极管和所述第一电荷存储区之间的第一晶体管以及插置在所述第一晶体管和所述第二电荷存储区之间的第二晶体管，第一源极跟随器晶体管耦接到所述浮动扩散区；以及第二源极跟随器晶体管耦接到所述第二电荷存储区，所述方法包括：
利用所述光电二极管，在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷；
在所述积聚时间期间将所述第一晶体管设置为第一中间电压，其中超过第一电荷电平的第一量的所述电荷通过所述第一晶体管传递到所述第一电荷存储区中；以及
在所述积聚时间期间将所述第二晶体管设置为第二中间电压，其中超过比所述第一电荷电平更大的第二电荷电平的第二量的所述电荷通过所述第二晶体管。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述积聚时间完成后，从所述第二电荷存储区读出第一样本；
在从所述第二电荷存储区读出所述第一样本之后，重置所述第二电荷存储区；
在重置所述第二电荷存储区之后，将电荷从所述第一电荷存储区转移到所述第二电荷存储区；
在重置所述第二电荷存储区之后并且在将电荷从所述第一电荷存储区转移到所述第二电荷存储区之前，从所述第二电荷存储区读出第二样本；以及
在将电荷从所述第一电荷存储区转移到所述第二电荷存储区之后，从所述第二电荷存储区读出第三样本。
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