CN112040159A - 图像感测设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种图像感测设备，该图像感测设备包括:光电元件，被配置为在第一端接收复位信号，并且在第二端连接到感测节点；复位晶体管，被配置为在第一电压复位浮置扩散节点；电容器，被布置在浮置扩散节点和感测节点之间；驱动晶体管，被配置为基于第二电压从由光电元件生成的电荷生成像素信号；和选择晶体管，被配置为向外部设备提供像素信号，其中，当选择晶体管导通时，复位晶体管在第一时间点截止，并且感测节点在比第一时间点晚的第二时间点被复位信号复位。

Description

图像感测设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月4日在韩国知识产权局提交的第10-2019-0065676号韩国专利申请的优先权，其公开通过引用整体并入于此。
技术领域
本公开的示例实施例涉及图像感测设备。
背景技术
图像感测设备是可以将光学信息转换成电信号的半导体元件中的一种。图像感测设备可以包括电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)图像感测设备和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)图像感测设备。
CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)可以包括二维排列的多个像素。像素中的每一个可以包括例如光电二极管(photodiode，PD)。光电二极管可以用于将入射的光转换成电信号。
近来，随着计算机和通信行业的发展，在诸如数码相机、视频相机、智能手机、游戏控制台、安全相机、医用微型相机和机器人的各种领域中，对具有改进性能的图像传感器的需求已经增加。此外，随着半导体设备高度地集成，图像传感器也更加高度地集成。
发明内容
示例实施例提供了一种图像感测设备，该图像感测设备通过改进暗电平特性和执行可靠的相关双采样(correlated double sampling，CDS)来改进感测图像质量。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种图像感测设备，包括:光电元件，被配置为在第一端接收复位信号，并且在第二端连接到感测节点；复位晶体管，被配置为在第一电压复位浮置扩散节点；电容器，被布置在浮置扩散节点和感测节点之间；驱动晶体管，被配置为基于第二电压从由光电元件生成的电荷生成像素信号；和选择晶体管，被配置为向外部设备提供像素信号，其中，当选择晶体管导通时，复位晶体管在第一时间点截止，并且感测节点在比第一时间点晚的第二时间点被复位信号复位。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种图像感测设备，包括:包括至少一个像素的像素阵列；和定时发生器，被配置为向像素阵列提供第一复位信号、第二复位信号和选择信号，其中，所述至少一个像素中的每一个包括:光电元件，被配置为基于在第二端接收到的第一复位信号来复位被连接到第一端的存储节点；复位晶体管，被栅控(gated)到第二复位信号并被配置为复位浮置扩散节点；电容器，被布置在存储节点和浮置扩散节点之间；驱动晶体管，被配置为基于由光电元件生成的电荷生成像素信号；以及选择晶体管，被栅控到选择信号并被配置为将像素信号输出到外部设备，并且其中定时发生器被配置为当使能选择信号时首先禁用第二复位信号，并且然后使能第一复位信号。
根据示例实施例的又一方面，提供了一种图像感测设备，包括：第一电路，被配置为使用三个晶体管基于由第一光电元件生成的电荷生成第一像素信号，并且被配置为将第一像素信号输出到第一比较器；第二电路，被配置为使用四个晶体管基于由第二光电元件生成的电荷生成第二像素信号，并且被配置为将第二像素信号输出到第二比较器；和斜坡信号发生器，被配置为向第一比较器提供第一斜坡信号，并且被配置为向第二比较器提供第二斜坡信号，其中，在第一像素信号和第二像素信号的感测时段期间，斜坡信号发生器被配置为向第一比较器提供第一斜坡信号，其中，第一大小的第一脉冲和大于第一大小的第二大小的第二脉冲被顺序地施加到第一斜坡信号，并且被配置为向第二比较器提供第二斜坡信号，其中，第三大小的第三脉冲和大于第三大小的第四大小的第四脉冲被顺序地施加到第二斜坡信号。
附图说明
通过参考附图详细描述上述及其他方面和特征的示例实施例，上述及其他方面和特征将变得更加明显，其中:
图1是根据示例实施例的图像感测设备的框图；
图2是示出根据示例实施例的图像感测设备的概念布局的图；
图3是与图1的像素阵列和模数转换器相关的框图；
图4是图3的像素阵列中包括的单位像素电路图；
图5是示出图4的电容器的图；
图6是示出图4的电路的操作的定时图；
图7至10是示出图4的电路的操作的示意图；
图11是示出图3的模数转换器的操作的定时图；
图12至15是示出根据相关技术的图像感测设备的效果的图；
图16是根据示例实施例的图像感测设备的单位像素电路图；
图17是示出图16的电路的操作的定时图；
图18是示出其中将从图16的电路输出的像素信号与斜坡(ramp)信号进行比较的操作的图；
图19是根据示例实施例的图像感测设备的像素阵列的电路图；以及
图20是示出根据示例实施例的图像感测设备的操作的图。
具体实施方式
图1是根据示例实施例的图像感测设备的框图。
参考图1，图像感测设备100可以包括控制寄存器块110、定时发生器120、行驱动器130、像素阵列140、模数转换器(analog-digital converter，ADC)150、斜坡信号发生器160和缓冲器170。
控制寄存器块110通常可以控制图像感测设备100的操作。特别地，控制寄存器块110可以直接向定时发生器120、斜坡信号发生器160和缓冲器170发送操作信号。
定时发生器120可以生成用作图像感测设备100的各种组成元件的操作定时的参考的信号。由定时发生器120生成的操作定时参考信号可以被传送到行驱动器130、模数转换器150、斜坡信号发生器160等。
斜坡信号发生器160可以生成并发送在模数转换器150中使用的斜坡信号。例如，模数转换器150可以包括相关双采样器(correlated double sampler，CDS)、比较器等。斜坡信号发生器160可以生成并发送用于相关双采样器(CDS)、比较器等的斜坡信号。
缓冲器170可以包括例如锁存单元。缓冲器170可以暂时存储要提供给外部的图像信号，并且可以将该图像数据发送到外部存储器或外部设备。
像素阵列140可以感测外部图像。像素阵列140可以包括多个像素或单位像素。行驱动器130可以选择性地激活像素阵列140中的一行。
模数转换器150可以对从像素阵列140提供的像素信号进行采样，将该像素信号与斜坡信号进行比较，并且然后基于比较的结果将模拟图像数据转换成数字图像数据。
尽管附图显示了模数转换器150包括相关双采样器(CDS)，但是实施例不限于此。根据示例实施例，相关双采样器(CDS)、比较器等可以被实施为与模数转换器150分离的逻辑电路。
图2是示出根据示例实施例的图像感测设备的概念布局的图。
参考图2，图像感测设备100可以包括在第一z轴方向(例如，垂直方向)上堆叠的第一区域S1和第二区域S2。如图所示，第一区域S1和第二区域S2可以在第二x轴方向和第三y轴方向上延伸，并且图1中所示的块可以被布置在第一区域S1和第二区域S2中。
根据示例实施例，其中布置有存储器的第三区域可以被布置在第二区域S2下方。被布置在第三区域中的存储器可以接收从第一区域S1和第二区域S2发送的图像数据，存储或处理该图像数据，并将该图像数据重新发送到第一区域S1和第二区域S2。存储器可以包括存储器元件，诸如，动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)元件、静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)元件、自旋转移力矩磁随机存取存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT-MRAM)元件和闪存元件。例如，当存储器包括DRAM元件时，存储器可以以相对高的速度接收发送的图像数据，并且处理该图像数据。
第一区域S1包括像素阵列区域PA和第一外围区域PH1，并且第二区域S2可以包括逻辑电路区域LC和第二外围区域PH2。第一区域S1和第二区域S2可以在第一z轴方向上顺序地堆叠。
在第一区域S1中，像素阵列区域PA可以是其中布置有像素阵列140(图1)的区域。像素阵列区域PA可以包括以矩阵形式排列的多个单位像素PX(图4)。每个像素PX可以包括光电二极管和晶体管。稍后将描述其更具体的解释。
第一外围区域PH1可以包括多个衬垫(pad)，并且可以被布置在像素阵列区域PA周围。所述多个衬垫可以向外部设备等发送电信号以及从外部设备等接收电信号。
在第二区域S2中，逻辑电路区域LC可以包括包含多个晶体管的电子元件。逻辑电路区域LC中包括的电子元件可以电连接到像素阵列区域PA，以向像素阵列区域PA的每个单位像素PX提供恒定信号或者控制输出信号。
例如，参考图1描述的控制寄存器块110、定时发生器120、行驱动器130、模数转换器150、斜坡信号发生器150、缓冲器170等可以被布置在逻辑电路区域LC中。例如，在逻辑电路区域LC中，可以布置除了图1中的像素阵列140之外的元件。
第二区域S2中的第二外围区域PH2可以被布置在与第一区域S1的第一外围区域PH1相对应的区域中。然而，实施例不限于此。
图3是与图1所示的像素阵列140和模数转换器150相关的框图。
参考图3，像素阵列140可以包括多个像素PX(i，j)。多个像素PX(i，j)可以排列在多个行i和多个列j中。可以为多个行i中的每一个布置行线，并且可以为多个列j中的每一个布置列线。可以通过选择信号SEL(i)、SEL(i+1)和SEL(i+2)来选择每个像素PX(i，j)，以输出像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)。
模数转换器150可以包括分别连接到像素阵列140的多个列j的多个比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)以及多个计数器154(j)、154(j+1)和154(j+2)。模数转换器150可以例如通过多个比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)以及多个计数器154(j)、154(j+1)和154(j+2)来执行相关双采样和模数转换操作。
斜坡信号发生器160可以生成斜坡信号VR。斜坡信号VR是用于将作为模拟信号的像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)转换成数字信号OD(j)、OD(j+1)和OD(j+2)的信号，并且可以具有例如三角波形。
斜坡信号发生器160可以响应于由控制寄存器块110生成的斜坡使能信号R_EN来生成斜坡信号VR。根据示例实施例，斜坡信号发生器160可以通过在其中斜坡使能信号R_EN被使能的分段期间使得脉冲根据电压降被生成在斜坡信号VR中来控制斜坡信号VR。然而，实施例不限于此。
由斜坡信号发生器160生成的斜坡信号VR可以被提供给相应的比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)。比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)中的每一个可以一对一地对应于一个像素PX(i，j)的列线j。
比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)可以将斜坡信号VR与像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)进行比较。具体地，比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)可以将斜坡信号VR与像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)的复位电压进行比较，并且可以将斜坡信号VR与像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)的信号电压进行比较。稍后将描述其具体描述。
根据示例实施例，比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)将斜坡信号VR与像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)进行比较，并且可以输出与该比较的结果相对应的比较信号。比较信号可以作为二进制信号指示斜坡信号VR与像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)中的哪一个更大。例如，当斜坡信号VR大于像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)时，可以输出“1”，而当像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)大于斜坡信号VR时，可以输出“0”。可替代地，也可以配置成相反地输出比较信号。
计数器154(j)、154(j+1)和154(j+2)中的每一个可以一对一地对应于比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)。也就是说，可以通过计数器154(j)、154(j+1)和154(j+2)中的一个来对一个比较信号进行计数。然而，实施例不限于此。
基于斜坡使能信号R_EN被使能的时间点或者基于另一计数器信号被使能的时间点，计数器154(j)、154(j+1)和154(j+2)可以对例如由比较器152(j)、152(j+1)和152(j+2)输出的比较信号保持相同值多长时间进行计数。此外，可以基于该计数的计数结果输出作为模拟信号的像素信号VO(j)、VO(j+1)和VO(j+2)的数字信号OD(j)、OD(j+1)和OD(j+2)。
图4是图3的像素阵列140中包括的单位像素电路图。
参考图4，像素PX可以包括光电元件PD、复位晶体管RT、驱动晶体管DT、选择晶体管ST和电容器C。
图4所示的电路可以是三晶体管(three transistor，3T)像素电路，其中布置在单位像素PX中的光电元件PD使用三个晶体管输出通过感测外部图像生成的电荷作为像素信号VO。
驱动晶体管DT的栅极端子连接到浮置扩散节点FD，并且由光电元件PD生成的电荷可以通过存储节点SN转移到浮置扩散节点FD。驱动晶体管DT可以通过转移到浮置扩散节点FD的电荷作为源极跟随器缓冲放大器(source follower buffer amplifier)来操作。也就是说，驱动晶体管DT可以使用像素电压VPIX放大由光电元件PD生成并转移到浮置扩散节点FD的电荷，并且可以将该电荷转移到选择晶体管ST。
选择晶体管ST可以通过行驱动器130(图1)提供的选择信号SEL导通，并且可以执行切换和寻址操作。当从行驱动器施加选择信号SEL时，像素信号VO可以被输出到连接到选择晶体管ST的列线。可以通过模数转换器150(图1)检测像素信号VO。
复位晶体管RT可以通过行驱动器130(图1)输入的复位信号RG导通。当复位晶体管RT通过复位信号RG导通时，浮置扩散节点FD可以被复位到像素电压VPIX。
根据示例实施例，复位晶体管RT和驱动晶体管DT被示出为每个被提供有像素电压VPIX，但是实施例不限于此。提供给复位晶体管RT和驱动晶体管DT的电压可以被修改为不同于图4所示的形式。例如，在示例实施例中，可以向复位晶体管RT提供读取电压，并且可以向驱动晶体管DT施加电源电压。
光电元件PD可以通过感测外部图像或光来生成电荷。在示例实施例中，光电元件PD可以包括有机光电二极管。
当光电元件PD是有机光电二极管时，光电元件PD可以包括彼此平行布置的第一电极和第二电极，并且可以在第一电极和第二电极之间提供有机光转换层，并且有机光转换层可以通过接收预定波长带的光来生成电荷。
存储复位信号VPD可以被提供给光电元件PD的阴极，并且光电元件PD的阳极可以连接到存储节点SN。如稍后将更详细描述的，存储复位信号VPD是其中使能段和禁用段被重复的可变信号。当存储复位信号VPD被使能时，存储节点SN可以被复位。也就是说，存储复位信号VPD可以通过根据信号电平移动存储节点SN的电荷来复位存储节点SN。
光电元件PD可以是例如光电二极管、光电晶体管、光电门(photogate)、钉扎(pinned)光电二极管或其组合，但是实施例不限于此。
电容器C可以布置在存储节点SN和浮置扩散节点FD之间。基于电容器C，可以不同时复位存储节点SN和浮置扩散节点FD，并且可以改进图像感测设备的暗电平(dark level)特性。稍后将描述其具体描述。
在示例实施例中，电容器C可以包括例如在DRAM中使用的电容器。在下文中，将参考图5给出更具体的描述。
图5是示出图4的电容器的示意图。
参考图5，电容器C可以包括顶部电极TE、底部电极BE和介电膜DE。
在示例实施例中，为了最大化电容器C的存储容量，顶部电极TE和底部电极BE可以以圆柱形形成，并且介电膜DE可以布置在它们之间。
例如，如图5所示，电容器C的顶部电极TE和底部电极BE可以以中空圆柱形形成，并且彼此相对，介电膜DE置于它们之间。介电膜DE可以沿着底部电极BE的表面以共形(conformal)的形式形成。
介电膜DE可以包括例如氧化物-氮化物、氧化物-氮化物-氧化物、金属氧化物等。在示例实施例中，介电膜DE可以包括氧化铪膜(例如，HfO2)，但是实施例不限于此。
顶部电极TE和底部电极BE可以包括例如多晶硅、金属、金属氮化物等。在示例实施例中，顶部电极TE可以包括氮化钛膜(例如，TiN)，但是实施例也不限于此。
在示例实施例中，电容器C可以布置在图2的像素阵列区域PA中。也就是说，电容器C可以布置在与光电元件PD相同的层上。然而，实施例不限于此，并且电容器C被布置的位置可以改变。
在下文中，将参考图6至图10描述单位像素PX电路的操作。
图6是示出图4电路的操作的定时图。图7至10是示出图4的电路的操作的图。
图6是示出在一个感测时段期间施加到单位像素的信号的波形和每个节点的电荷电平的变化的图。图6中所示的存储复位信号VPD、复位信号RG、选择信号SEL等可以从例如由控制寄存器块110(图1)控制的定时发生器120(图1)提供。然而，实施例不限于此。
首先，参考图6和7，在第一时间点T1，存储复位信号VPD从逻辑高电平(H电平)转变为逻辑低电平(L电平)。也就是说，存储复位信号VPD可以被使能。因此，存储节点SN的电荷可以被释放，并且存储节点SN可以被复位。
另一方面，复位信号RG可以保持H电平不变。也就是说，复位信号RG可以保持使能状态。当复位信号RG保持H电平时，复位晶体管RT(图4)保持导通状态，并且因此，像素电压VPIX可以被提供给浮置扩散节点FD。因此，浮置扩散节点FD保持被复位到像素电压VPIX的状态。
选择信号SEL可以保持L电平。也就是说，选择信号SEL可以保持禁用状态。因此，选择晶体管ST(图4)保持截止状态。结果，像素信号VO没有被输出到外部(图4)。
接下来，参考图6和图8，在第二时间点T2，存储复位信号VPD从L电平转变为H电平。也就是说，存储复位信号VPD被禁用。因此，从光电元件PD生成的电荷被累积在存储节点SN中。
另一方面，尽管像素电压VPIX被提供给浮置扩散节点FD，但是由于浮置扩散节点FD和存储节点SN被电容器C分开，所以从光电元件PD生成的电荷被累积在存储节点SN中。
接下来，参考图6和图9，在第三时间点T3，在存储复位信号VPD保持H电平的状态下，复位信号RG从H电平转变为L电平。也就是说，在存储复位信号VPD被禁用的状态下，复位信号RG被禁用。
当复位信号RG被禁用时，复位晶体管RT(图4)被截止，并且浮置扩散节点FD浮置。然而，由于元件特性，浮置扩散节点FD的电荷电平降低第一电平d1。
另一方面，在第三时间点T3之前，选择信号SEL可能已经从L电平变为H电平。也就是说，在第三时间点T3，选择信号SEL已经处于使能状态。结果，驱动晶体管DT使用像素电压VPIX将浮置扩散节点FD的电荷电平作为像素信号VO输出到外部。此时，由于浮置扩散节点FD的电荷电平是从像素电压VPIX降低第一电平d1的电平，所以从像素PX输出的像素信号VO可以是从参考电压降低第一电平d1的复位电压VRST。
接下来，参考图6和10，在第四时间点T4，存储复位信号VPD转变到L电平。也就是说，存储复位信号VPD被使能。
当存储复位信号VPD被使能时，存储节点SN被复位，并且浮置扩散节点FD的电荷电平降低由电容器C在存储节点SN中累积的电荷。也就是说，由于存储节点SN的影响，浮置扩散节点FD的电荷电平降低第二电平d2。
另一方面，由于选择信号SEL在第四时间点T4保持使能，所以驱动晶体管DT使用像素电压VPIX将浮置扩散节点FD的电荷电平作为像素信号VO输出到外部。此时，由于浮置扩散节点FD的电荷电平是从像素电压VPIX降低第二电平d2的电平，所以从像素PX输出的像素信号VO可以是从参考电压降低第二电平d2的信号电压VSIG。
此后，在第五时间点T5，存储复位信号VPD转变为H电平，并且复位信号RG转变为H电平。也就是说，存储复位信号VPD被禁用，并且复位信号RG被使能。
此后，通过重复上述操作，单位像素PX可以从由光电元件PD生成的电荷生成并输出像素信号VO。
参考图6，由于由光电元件PD生成的电荷从存储节点SN首次复位的第二时间点T2到存储节点SN再次复位的第四时间点T4在存储节点SN中累积，所以可以从第二时间点T2到第四时间点T4形成有效累积时间EIT。此外，由于复位电压VRST和信号电压VSIG在选择晶体管ST(图4)导通时以像素信号VO的形式输出到外部，所以选择信号SEL保持H电平的分段可以是一个感测时段1H。
在下文中，将参考图11描述其中从像素PX输出的像素信号VO被转换成数字信号的模数转换器的操作。
图11是示出图3的模数转换器的操作的定时图。下面描述的模数转换器的操作仅仅是示例，并且可以修改其详细配置。
参考图3和图11，斜坡信号发生器160可以向比较器152(j)提供斜坡信号VR，其中在一个感测时段1H期间，具有从参考电压降低第一电平dV1的大小的第一脉冲P1和具有从参考电压降低第二电平dV2的大小的第二脉冲P2被顺序地施加到该斜坡信号VR。
具体地，斜坡信号发生器160在一个感测时段1H期间响应于斜坡使能信号R_EN顺序地生成具有第一大小的第一脉冲P1和具有大于第一大小的第二大小的第二脉冲P2作为斜坡信号VR，并且可以将斜坡信号VR提供给比较器152j。
比较器152j将斜坡信号VR与来自特定时间点(例如，比较器152j被使能的时间点)的像素信号VO进行比较，并且可以将比较结果作为比较信号COM输出到计数器154j。
计数器154j可以对比较信号COM进行计数，以将像素信号VO转换成数字信号。
也就是说，根据示例实施例的图像感测设备100(图1)具有其中单位像素PX使用三个晶体管生成像素信号VO的3T结构，并且将在3T结构中生成的像素信号VO与斜坡信号VR进行比较以输出数字图像数据，其中，具有第一大小的第一脉冲P1和具有大于第一大小的第二大小的第二脉冲P2被顺序地施加到该斜坡信号VR。
图12至15是示出根据相关技术的图像感测设备的效果的图。
图12是不同于上面参考图4描述的示例实施例的图像感测设备999的单位像素PXb的电路图。
参考图12，像素PXb可以包括光电元件PDb、复位晶体管RTb、驱动晶体管DTb和选择晶体管STb。所示电路可以是3T像素电路，其中，布置在单位像素PXb中的光电元件PDb使用三个晶体管累积通过感测浮置扩散节点FDb中的外部图像而生成的电荷，并且将累积的电荷作为像素信号VOb输出。
图13是示出图12电路的操作的定时图。
参考图12和13，在图12的电路中，由于在一个感测时段1H期间从单位像素PXb输出的像素信号VOb包括第n感测电压VSIG(n)和第n+1复位电压VRST(n+1)，所以不同于上面参考图4描述的示例实施例，精确的相关双采样是困难的。也就是说，在上面参考图4描述的示例实施例的情况下，与图12的电路相比，具有更高可靠性的相关双采样是可能的。
此外，在图12的电路的情况下，在用于累积在光电元件PDb中生成的电荷的有效累积时间EIT期间，如图14所示，发生从浮置扩散节点FDb到P型衬底P-SUB的电荷的泄漏LK，并且因此，图像感测设备999的暗电平特性可能恶化。
另一方面，在上面参考图4描述的示例性实施例的情况下，如图15所示，在用于累积在光电元件PD中生成的电荷的有效累积时间EIT期间，由于电荷被存储在通过电容器C将其与浮置扩散节点FD分开的存储节点SN中，所以没有发生从浮置扩散节点FD到P型衬底P-SUB的电荷的泄漏。因此，改进了图像感测设备100的暗电平特性，并且可以改进感测图像的质量。
在下文中，将参考图16和17描述根据示例实施例的图像感测设备。在下文中，将省略对上述实施例的重复描述，并将主要描述差异。
图16是根据示例实施例的图像感测设备的单位像素电路图。
参考图16，像素PX1可以包括光电元件PD1、复位晶体管RT1、驱动晶体管DT1、选择晶体管ST1和电容器C1。
驱动晶体管DT1的栅极端子连接到浮置扩散节点FD1，并且由光电元件PD1生成的电荷可以通过存储节点SN1转移到浮置扩散节点FD1。驱动晶体管DT1可以通过转移到浮置扩散节点FD1的电荷作为源极跟随器缓冲放大器来操作。也就是说，驱动晶体管DT1可以使用像素电压VPIX放大由光电元件PD1生成并转移到浮置扩散节点FD1的电荷，并且可以将该电荷转移到选择晶体管ST1。
选择晶体管ST1可以被选择信号SEL导通，并且可以执行切换和寻址操作。当从行驱动器施加选择信号SEL1时，像素信号VO1可以被输出到连接到选择晶体管ST1的列线。
复位晶体管RT1可以被复位信号RG1导通。当复位晶体管RT1被复位信号RG1导通时，浮置扩散节点FD1可以被复位到偏置电压VBIAS。在示例实施例中，偏置电压VBIAS可以小于像素电压VPIX。
存储复位信号VPD1可以被提供给光电元件PD1的阳极，并且光电元件PD1的阴极可以连接到存储节点SN1。
电容器C1可以布置在存储节点SN1和浮置扩散节点FD1之间。
图17是示出图16的电路的操作的定时图。
参考图16和17，在第一时间点T11，存储复位信号VPD1从L电平转变为H电平。也就是说，存储复位信号VPD1被使能。结果，存储节点SN1可以充满电荷。也就是说，存储节点SN1可以被复位。
复位信号RG1可以保持H电平不变。也就是说，复位信号RG1可以保持使能状态。当复位信号RG1保持H电平时，复位晶体管RT1(图16)保持导通状态，并且偏置电压VBIAS可以相应地被提供给浮置扩散节点FD1。因此，浮置扩散节点FD1保持被复位到偏置电压VBIAS的状态。
选择信号SEL1可以保持L电平。也就是说，选择信号SEL1可以保持禁用状态。因此，选择晶体管ST1(图16)保持截止状态。结果，像素信号VO1(图16)没有被输出到外部。
接下来，在第二时间点T12，存储复位信号VPD1从H电平转变为L电平。也就是说，存储复位信号VPD1被禁用。结果，存储节点SN1的电荷电平被光电元件PD1降低。
尽管浮置扩散节点FD1被提供有偏置电压VBIAS，但是由于浮置扩散节点FD1和存储节点SN1被电容器C1分开，所以只有存储节点SN1的电荷电平被光电元件PD降低。
此后，在存储复位信号VPD1在第三时间点T13保持L电平的状态下，复位信号RG1从H电平转变为L电平。也就是说，在存储复位信号VPD1被禁用的状态下，复位信号RG1被禁用。
当复位信号RG1被禁用时，复位晶体管RT1(图16)被截止，并且浮置扩散节点FD1浮置。然而，由于元件特性，浮置扩散节点FD1的电荷电平降低第一电平D1。
在第三时间点T13之前，选择信号SEL1可能已经从L电平变为H电平。也就是说，选择信号SEL1在第三时间点T13之前处于使能状态。结果，驱动晶体管DT1使用像素电压VPIX将浮置扩散节点FD1的电荷电平作为像素信号VO1输出到外部。此时，由于浮置扩散节点FD1的电荷电平是从偏置电压VBIAS降低第一电平d1的电平，所以从像素PX1输出的像素信号VO1可以是从参考电压降低第一电平d1的复位电压VRST。
此后，在第四时间点T14，存储复位信号VPD1转变为H电平。也就是说，存储复位信号VPD1被使能。
当存储复位信号VPD1被使能时，存储节点SN1被复位，并且浮置扩散节点FD1的电荷电平降低由电容器C1在存储节点SN1中累积的电荷。也就是说，由于存储节点SN1的影响，浮置扩散节点FD1的电荷电平与偏置电压VBIAS相比增加了第二电平d2。
当选择信号SEL1在第四时间点T14保持使能时，驱动晶体管DT1使用像素电压VPIX1将浮置扩散节点FD1的电荷电平作为像素信号VO1输出到外部。此时，由于浮置扩散节点FD1的电荷电平是从偏置电压VBIAS增加第二电平d2的电平，所以从像素PX1输出的像素信号VO1可以是从参考电压增加第二电平d2的信号电压VSIG。
此后，在第五时间点T15，存储复位信号VPD1转变为L电平，并且复位信号RG1转变为H电平。也就是说，存储复位信号VPD1被禁用，并且复位信号RG1被使能。此后，通过重复上述操作，单位像素PX1可以基于由光电元件PD1感测的信息生成并输出像素信号VO1。
在下文中，由于上面已经描述了基于生成的像素信号VO1生成数字图像信号的过程，因此将不提供重复的描述。
在下文中，将参考图18描述其中将从像素PX1输出的像素信号VO1与斜坡信号进行比较的操作。
图18是示出其中将从图16的电路输出的像素信号与斜坡信号进行比较的操作的图。
参考图18，根据示例性实施例的斜坡信号VR1可以包括具有从参考电压增加第一电平dV1的大小的第一脉冲P1、以及在第一脉冲P1之后施加的并且具有从参考电压增加第二电平dV2的大小的第二脉冲P2。
在示例实施例中，如图18所示，第二脉冲P2的大小可以大于第一脉冲P1的大小。比较器将斜坡信号VR1与像素信号VO1进行比较，并将该比较的比较结果作为比较信号输出到计数器。计数器可以对比较信号进行计数，以将像素信号VO1转换成数字信号。因为已经在前面给出相应操作的描述，所以将不提供重复的描述。
图19是根据示例实施例的图像感测设备的像素阵列的电路图。
参考图19，图像感测设备300可以包括多个像素组PG。
彼此相邻的像素PX11至PX14可以提供像素组PG，并且像素组PG可以包括例如以2×2矩阵形式排列的四个像素PX11至PX14。像素组PG中包括的四个像素PX11至PX14中的每一个可以包括第一电路和第二电路。
像素组PG中包括的第一电路中的每一个可以例如连接到包括有机光电二极管的第一光电元件OPD1至OPD4中的相应的一个，以生成第一像素信号VOpix。可以在第一光电元件OPD1至OPD4的一端提供存储复位信号VPD。
像素组PG中包括的第二电路中的每一个可以连接到例如包括半导体光电二极管的第二光电元件SPD1至SPD4中的相应的一个，以生成第二像素信号VSpix。第一像素信号VOpix和第二像素信号VSpix可以分别通过第一列线OC0和第二列线SC0输出。
像素PX11至PX14中的每一个中包括的第一电路可以被实施为包括三个晶体管的3T电路。
例如，第一像素PX1中包括的第一电路可以包括复位晶体管OR1、驱动晶体管OD1、选择晶体管OS1和电容器C11。复位晶体管OR1和选择晶体管OS1可以分别通过由行驱动器输入的复位信号ORG[1]和选择信号OSEL[1]来控制。
在每个感测时段中，行驱动器可以仅导通一个像素组PG的第一电路中包括的四个选择晶体管OS1至OS4中的一个。因此，像素组PG中包括的多个第一电路可以共享一条第一列线OC0。
第二电路中每一个可以被实施为包括四个晶体管的4T电路。
例如，第一像素PX11的第二电路可以包括传输晶体管TX1、复位晶体管RX、选择晶体管SX和驱动晶体管DX。复位晶体管RX、选择晶体管SX和驱动晶体管DX也可以连接到其他像素中包括的传输晶体管TX2至TX4。也就是说，一个像素组PG中包括的第二电路可以共享复位晶体管RX、选择晶体管SX和驱动晶体管DX。
一个像素组PG中包括的传输晶体管TX1至TX4可以由彼此不同的传输信号TG[1]至TG[4]来控制。
在每个感测时段中，行驱动器可以输入传输信号TG[1]至TG[4]，以仅导通传输晶体管TX1至TX4中的一个。因此，像素组PG中包括的多个第二像素电路可以共享复位晶体管RX、选择晶体管SX、驱动晶体管DX和第二列线SC0。
在示例实施例中，通过第一列线OC0和第二列线SC0的第一像素信号VOpix和第二像素信号VSpix的输出顺序可以彼此相同。
例如，第一像素PX11的选择晶体管OS1可以在第一感测时段导通，而其他像素PX12至PX14中包括的所有其他选择晶体管OS2至OS4可以截止。因此，由第一像素PX11的第一电路使用第一光电元件OPD1的电荷生成的第一像素信号VOpix可以在第一感测时段期间通过第一列线OC0输出。
同时，在第一感测时段，第一像素PX11的传输晶体管TX1可以导通，而其他像素PX12至PX14中包括的所有其他传输晶体管TX2至X4可以截止。因此，由第一像素PX11的第二电路生成的第二像素信号VSpix可以在第一感测时段期间通过第二列线SC0输出。
以这种方式，通过在每个感测时段仅导通选择晶体管OS1至OS4中的一个，并且通过仅导通传输晶体管TX1至TX4中的一个，一个像素组PG中包括的第一电路和第二电路中的每一个可以共享第一列线OC0和第二列线SC0。
图20是示出根据示例实施例的图像感测设备的操作的图。
参考图20，第一像素信号VOpix从像素阵列PXA中包括的3T电路3TC被提供给比较器352，并且第二像素信号VSpix可以从4T电路4TC被提供给比较器352。
控制寄存器块310生成斜坡使能信号R11_EN并且可以将斜坡使能信号R11_EN提供给斜坡信号发生器360，其中该斜坡使能信号R11_EN在一个感测时段处在第一时间TA期间被使能，并且然后在比第一时间TA长的第二时间TB被使能。
斜坡信号发生器360可以响应于斜坡使能信号R11_EN向比较器352提供斜坡信号VR11，其中，具有从参考电压降低第一电平dV11的大小的第一脉冲P11和具有从参考电压降低第二电平dV12的大小的第二脉冲P12被顺序地施加到斜坡信号VR11。
具体地，斜坡信号发生器360在一个感测时段期间响应于斜坡使能信号R11_EN，顺序地生成具有第一大小的第一脉冲P11和具有大于第一大小的第二大小的第二脉冲P12作为斜坡信号VR11，并且可以将斜坡信号VR11提供给比较器352。
比较器352将斜坡信号VR11与来自特定时间点(例如，比较器352被使能的时间点)的像素信号VOpix和VSpix进行比较，并且可以将该比较的比较结果作为比较信号输出到计数器354。计数器354可以对比较信号进行计数，并将像素信号VOpix和VSpix转换成数字信号。
根据示例性实施例的图像感测设备300可以将从3T电路3TC输出的第一像素信号VOpix和从4T电路4TC输出的第二像素信号VSpix中的所有与斜坡信号VR11进行比较，从而输出数字图像数据，其中，具有第一大小的第一脉冲P11和具有大于第一大小的第二大小的第二脉冲P12被顺序地施加到斜坡信号VR11。
虽然已经参考附图描述了示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种图像感测设备，包括:
光电元件，被配置为在第一端接收复位信号，并且在第二端被连接到感测节点；
复位晶体管，被配置为在第一电压复位浮置扩散节点；
电容器，被布置在所述浮置扩散节点和所述感测节点之间；
驱动晶体管，被配置为基于第二电压从由所述光电元件生成的电荷生成像素信号；和
选择晶体管，被配置为向外部设备提供所述像素信号，
其中，当所述选择晶体管导通时，所述复位晶体管在第一时间点截止，并且所述感测节点在比所述第一时间点晚的第二时间点被所述复位信号复位。
2.根据权利要求1所述的图像感测设备，其中，所述复位信号由所述光电元件的阴极接收，并且所述感测节点被连接到所述光电元件的阳极。
3.根据权利要求2所述的图像感测设备，其中，所述第一电压和所述第二电压相同。
4.根据权利要求1所述的图像感测设备，其中，所述复位信号由所述光电元件的阳极接收，并且所述感测节点被连接到所述光电元件的阴极。
5.根据权利要求4所述的图像感测设备，其中，所述第一电压小于所述第二电压。
6.根据权利要求1所述的图像感测设备，其中，当所述选择晶体管导通时，所述像素信号包括从所述第一电压改变第一量的复位电压、以及从所述第一电压改变大于所述第一量的第二量的信号电压。
7.根据权利要求6所述的图像感测设备，其中，所述像素信号的电压在所述第一时间点为所述复位电压，并且所述像素信号的电压在所述第二时间点为所述信号电压。
8.根据权利要求1所述的图像感测设备，其中，所述电容器包括:
以圆柱形形成的顶部电极和底部电极；和
沿着所述底部电极的表面共形地布置在所述顶部电极和所述底部电极之间的介电膜。
9.根据权利要求1所述的图像感测设备，其中，所述光电元件包括有机光电二极管。
10.一种图像感测设备，包括:
包括至少一个像素的像素阵列；和
定时发生器，被配置为向所述像素阵列提供第一复位信号、第二复位信号和选择信号，
其中，所述至少一个像素中的每一个包括:
光电元件，被配置为基于在第二端接收到的所述第一复位信号来复位被连接到第一端的存储节点，
复位晶体管，被栅控到所述第二复位信号并被配置为复位浮置扩散节点，
电容器，被布置在所述存储节点和所述浮置扩散节点之间，
驱动晶体管，被配置为基于由所述光电元件生成的电荷生成像素信号，和
选择晶体管，被栅控到所述选择信号并被配置为将所述像素信号输出到外部设备，并且
其中，所述定时发生器被配置为当使能所述选择信号时首先禁用所述第二复位信号，并且然后使能所述第一复位信号。
11.根据权利要求10所述的图像感测设备，其中，由所述定时发生器禁用所述第二复位信号包括将逻辑高电平的所述第二复位信号转变为逻辑低电平，并且
由所述定时发生器使能所述第一复位信号包括将所述逻辑高电平的所述第一复位信号转变为所述逻辑低电平。
12.根据权利要求10所述的图像感测设备，其中，由所述定时发生器禁用所述第二复位信号包括将逻辑高电平的所述第二复位信号转变为逻辑低电平，并且
由所述定时发生器使能所述第一复位信号包括将所述逻辑低电平的所述第一复位信号转变为所述逻辑高电平。
13.根据权利要求10所述的图像感测设备，其中，当所述第二复位信号被禁用并且所述浮置扩散节点处于浮置状态时，所述存储节点累积由所述光电元件生成的所述电荷。
14.根据权利要求10所述的图像感测设备，还包括:
逻辑电路区域；和
像素阵列区域，被布置在所述逻辑电路区域上，
其中，所述定时发生器被布置在所述逻辑电路区域中，并且
其中，所述电容器和所述光电元件被布置在所述像素阵列区域中。
15.根据权利要求14所述的图像感测设备，其中，所述电容器包括:
以圆柱形形成的顶部电极和底部电极，和
沿着所述底部电极的表面共形地布置在所述顶部电极和所述底部电极之间的介电膜。
16.一种图像感测设备，包括:
第一电路，被配置为使用三个晶体管基于由第一光电元件生成的电荷生成第一像素信号，并且被配置为将所述第一像素信号输出到第一比较器；
第二电路，被配置为使用四个晶体管基于由第二光电元件生成的电荷生成第二像素信号，并且被配置为将所述第二像素信号输出到第二比较器；和
斜坡信号发生器，被配置为向所述第一比较器提供第一斜坡信号，并且被配置为向所述第二比较器提供第二斜坡信号，
其中，在所述第一像素信号和所述第二像素信号的感测时段期间，所述斜坡信号发生器被配置为向所述第一比较器提供所述第一斜坡信号，其中，第一大小的第一脉冲和大于所述第一大小的第二大小的第二脉冲被顺序地施加到所述第一斜坡信号，并且所述斜坡信号发生器被配置为向所述第二比较器提供所述第二斜坡信号，其中，第三大小的第三脉冲和大于所述第三大小的第四大小的第四脉冲被顺序地施加到所述第二斜坡信号。
17.根据权利要求16所述的图像感测设备，其中，所述第一电路包括:
第一复位晶体管，被配置为复位第一浮置节点，
第一驱动晶体管，被配置为基于由所述第一光电元件生成的所述电荷生成所述第一像素信号，
第一选择晶体管，被配置为将所述第一像素信号传送到所述第一比较器，和
电容器，被布置在所述第一浮置节点和所述第一光电元件之间。
18.根据权利要求17所述的图像感测设备，其中，所述第二电路包括:
第二复位晶体管，被配置为复位第二浮置节点，
第二驱动晶体管，被配置为基于由所述第二光电元件生成的所述电荷生成所述第二像素信号，
传输晶体管，被配置为接收传输信号并将由所述第二光电元件生成的所述电荷传送到所述第二驱动晶体管，和
第二选择晶体管，被配置为将所述第二像素信号发送到所述第二比较器。
19.根据权利要求16所述的图像感测设备，其中，所述斜坡信号发生器被配置为接收斜坡使能信号以生成所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号，并且
所述斜坡使能信号在第一时段被使能，并且然后在比所述第一时段长的第二时段被使能。
20.根据权利要求16所述的图像感测设备，其中，所述第一光电元件包括有机光电二极管，并且
所述第二光电元件包括半导体光电二极管。
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