CN112312052B - 使用多个图像存储电容器共享的复位采样电容器的有电子全局快门和差分感测的图像传感器 - Google Patents

使用多个图像存储电容器共享的复位采样电容器的有电子全局快门和差分感测的图像传感器 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器具有像素块的阵列，并且每个像素块具有各自耦接的相关联的快门晶体管，以将包括取决于所选像素的曝光的电荷的图像信号传送到与像素块相关联的多个图像存储电容器中的图像存储电容器上，像素块的图像存储电容器被配置为通过差分放大器被读取到模数转换器中。每个像素块的差分放大器从与像素块相关联的单个复位采样电容器接收第二输入。当像素块的像素被复位时，加载单个复位采样电容器。

Description

使用多个图像存储电容器共享的复位采样电容器的有电子全 局快门和差分感测的图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及使用多个图像存储电容器共享的复位采样电容器的具有电子全局快门和差分感测的图像传感器。
背景技术
具有全局电子快门的图像传感器对于高速摄影是有用的。这些图像传感器可同时(或几乎同时)将来自许多像素的电荷复制到图像存储电容器中，然后将这些图像存储电容器顺序地读取到图像处理电路。通过使用在快门间隔的开始时结束的全帧复位，随后在快门间隔的结束时将电荷从整个图像的像素复制到图像存储电容器中，随着快门间隔开始和结束，通过对象的移动无失真地捕捉图像。
在一些相机中，高速突发的复位，随后在快门间隔的结束时执行的高速突发的读取，可以提供在随着快门间隔结束时即使有也是很少的由于移动引起的失真的图像。
用于图像传感器的现有技术像素100(图1)具有通过由光电二极管选择线106控制的第一选择晶体管104耦接到第一像素节点108的光电二极管102。第一像素节点108通过第一复位晶体管110耦接到模拟电源111。第一复位晶体管110由第一复位控制线112控制，并选择性地复位光电二极管102。第一像素节点108还控制第一源极跟随器晶体管114。第一源极跟随器晶体管114与第二选择晶体管116串联耦接到负载节点118和第一或耦接电容器120的第一端。负载节点118还耦接到作为电流源操作的负载晶体管122，其源极接地，且栅极上有电流镜控制电压124。
用作耦接电容器的第一或耦接电容器120具有通过快门晶体管126耦接到图像存储电容器130的第一端的第二端。快门晶体管126由快门线128控制。图像存储电容器130的第一端还控制第二源极跟随器晶体管132。由第二复位控制线140控制的第二复位晶体管138也耦接到第一或耦接电容器120的第二端。第二源极跟随器晶体管132与由数据选择线136控制的第三选择晶体管134串联。第三选择晶体管134被耦接以驱动数据线142，数据线142又通过额外的电路耦接到模数转换器(未示出)，并由此耦接到图像处理器用于进一步的图像处理。图1所示的像素100中的所有器件均为N沟道晶体管。
对于一些像素，电荷可以在大部分帧时间内被存储在图像存储电容器130上，在实施例中，帧时间可以是16.6毫秒，每秒60帧视频速率，或者帧时间可以是33毫秒，每秒30帧视频速率，而其他像素可能需要在短得多的时间内存储电荷。
与图像存储电容器130相关联的实际的开关晶体管，诸如快门晶体管126，特别地在其间的接触扩散区中发生泄漏，这生成导致暗电流和白像素问题的泄漏电流。因为快门晶体管126中的泄漏通常将图像存储电容器130上的电压从与全黑相关联的电压朝向与已经由相关联的光电二极管102检测的光相关联的电压移位。
在图像传感器中采用相关的双采样(CDS)以通过从实际光致信号中减去像素的暗或参考输出电平来减少时间噪声，例如固定模式噪声。CDS操作需要每个像素两个读出：暗电流或参考电平读出，以及在像素的浮动扩散区处的光致信号读出。传统地，对于每个单独的像素电路包括至少两个电容器，包括用于临时存储暗电流或参考电平信号的一个复位电容器和用于存储光致信号的一个图像存储电容器，以允许随后的差分操作以去除不想要的噪声。
发明内容
一种图像传感器具有像素阵列，每个像素具有耦接的多个相关联的快门晶体管，以将取决于像素的曝光的电荷传送到与像素相关联的多个图像存储电容器中的所选图像存储电容器上。图像传感器还具有与每个像素相关联的复位电容器，复位晶体管被配置为采样对应于像素的无曝光的信号。图像传感器包括采样读出电路，采样读出电路被配置为利用多个图像信号共用的来自复位采样电容器的复位信号，输出存储在多个图像存储电容器中的多个图像信号。在图像传感器中，复位采样电容器比图像存储电容器少。在实施例中，图像存储电容器被配置为被读入模数转换器。
在一个实施例中，快门晶体管是保持在模拟电源电压的N阱中的P型晶体管，以降低像素对暗电流的灵敏度。
在一个实施例中，像素阵列包括至少一个像素，至少一个像素包括光电二极管和光电二极管选择晶体管。光电二极管选择晶体管被配置为在光电二极管选择晶体管的栅极被偏置在第一选择电压处时，将光电二极管耦接到快门晶体管中的第一快门晶体管以将第一图像信号传送到图像存储电容器中的第一图像存储电容器上。光电二极管选择晶体管被进一步配置为在光电二极管选择晶体管的栅极被偏置在第二选择电压处时，将光电二极管耦接到快门晶体管中的第二快门晶体管以将第二图像信号传送到图像存储电容器中的第二图像存储电容器上，第一选择电压不同于第二选择电压。
在实施例中，图像传感器具有像素块的阵列，像素块的每个像素具有耦接的相关联的快门晶体管，以将取决于对像素的曝光的电荷传送到与像素相关联的图像存储电容器上。来自每个像素块的图像存储电容器的信号被配置为通过差分放大器被读取到模数转换器中。像素的暗曝光水平对应于图像存储电容器中的接近耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压的电压，并且像素的白曝光水平对应于图像存储电容器中的与耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压显著不同的电压。每个差分放大器被配置为将来自复位采样电容器的信号与来自图像存储电容器的信号进行比较，复位采样电容器比图像存储电容器少。
在实施例中，一种捕捉数字电子图像的方法包括：复位多个光电二极管，以及将光电二极管曝光于光学图像；将对应于复位光电二极管的电荷存储在复位电容器上；读取光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到多个图像存储电容器上，电荷通过所有直接连接的源极/漏极扩散为P型的节点存储到每个图像存储电容器上，并且取决于光电二极管曝光的电荷在图像存储电容器上为曝光于光学图像的暗部分的光电二极管比为曝光于光学图像的亮部分的光电二极管提供更高的电压；利用N沟道源极跟随器和耦接到模数转换器中的差分放大器感测复位电容器与图像存储电容器之间的电荷差；以及使用模数转换器将感测的电荷转换为数字图像。
附图说明
通过参考附图可以更好地理解本发明，以及本发明的许多目的、特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的元件。
图1是现有技术图像传感器的像素和相关联的电路的简化示意图。
图2A是示出具有共用复位电容器的改进的像素电路的示意图。
图2B是示出示例性像素电路中的全局电荷传送的简化时序图。
图2C是示出示例性像素电路中的读出操作的简化时序图。
图3是示出具有共用复位电容器的另一改进的像素电路的示意图。
图4是对于每个像素具有多个图像采样电容器以增强动态范围的改进的像素电路的示意图。
图5是具有如图2A、3和4中实现的像素的多晶圆图像传感器的图示。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对示例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者利用其它方法、组件等来实践本文所述的技术。在其它实例中，没有详细示出或描述公知的结构或操作，以避免使示例的特定方面模糊。
在整个说明书中，对“示例”或“实施例”的引用意味着结合该示例描述的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个示例中。因此，在本说明书中的各个地方出现的短语“在示例中”或“在实施例中”不一定全部指代相同的示例或实施例。另外，特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个示例中。
在本说明书中使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语以避免组件之间的混淆，并且不限制顺序等。因此，例如，术语“第一”可以适当地使用术语“第二”、“第三”等代替。
在整个说明书中，使用了若干技术术语。这些术语将采用它们来自的领域中的普通含义，除非本文明确定义或它们的使用上下文将另外清楚地暗示。例如，术语“或”以包括性的意义使用(例如，如以“和/或”)，除非上下文另外清楚地指示。
申请人相信，通过使用用于共享像素组的共用复位采样电容器可以实现像素尺寸的减小。
申请人还相信，与图像存储电容器相关联的晶体管中的泄漏电流的大部分与相关联的晶体管的扩散源极和漏极区的接合点泄漏相关联；这些晶体管包括复位采样晶体管850和快门晶体管826(图2)。在源极和漏极区处的泄漏是源极和漏极区与它们扩散到其中的阱和/或基板之间的电压差的函数。因此，通过使复位采样晶体管和快门晶体管为P型并且位于箝位在模拟电源(例如，模拟电源811)处的N阱中，通过附接到图像存储电容器830或831的第一端的P-N源极或漏极扩散在与低光接收或“暗”对应的高信号电平处的泄漏相对于在图1中以类似信号电平遇到的泄漏被减少，在图1中，像素100中的快门晶体管126和包括复位晶体管110、138、选择晶体管104、116、134和源极跟随器晶体管114、132的其它晶体管均为N型晶体管。
图2A示出根据实施例的用于多晶圆图像传感器中的像素块800。像素块800适于差分感测。像素组800可用于全局快门图像传感器的像素阵列中。
改进的像素块800具有通过光电二极管选择晶体管804、805耦接到第一像素节点808的光电二极管802、803。光电二极管选择晶体管804、805(或第一选择晶体管)的栅极耦接到光电二极管选择线806、807(或第一选择线)。光电二极管选择晶体管804、805(或第一选择晶体管)由光电二极管选择线806、807(或第一选择线)控制。第一像素节点808通过块级光电二极管复位晶体管810耦接到模拟电源811。光电二极管复位晶体管810(或第一复位晶体管)由光电二极管复位线812(或第一复位控制线)控制，以选择性地将光电二极管802、803复位到预定义的复位电平，诸如模拟电源811的电压电平。第一像素节点808还控制第一源极跟随器晶体管814。第一源极跟随器晶体管814通过可选的第二选择晶体管816串联耦接到负载节点818。负载节点818还通过裸片到裸片键合耦接到负载晶体管822，负载晶体管作为电流源操作，其中源极接地，并且在它的栅极上接收电流镜控制电压824。
负载节点818还耦接到包括耦接电容器870和第二复位晶体管872的电容耦接和钳位电路。负载节点818耦接到耦接电容器870的第一端。耦接电容器870的第二端耦接到第二复位晶体管872。第二复位晶体管872还耦接到模拟电源811。
像素块800还包括采样读出电路，采样读出电路被配置为操作性地采样、保持和输出与光电二极管802、803生成的电荷对应的图像数据信号以及用于对光电二极管复位电平采样的复位信号，适于对采样图像进行相关的双采样处理。采样与保持电路包括复位采样晶体管850、复位采样电容器854、复位源极跟随器856、复位选择晶体管858、快门晶体管826、827、对应于光电二极管802、803的图像存储电容器830、831、第二源极跟随器晶体管832、833及第三选择晶体管834、835。
第一耦接电容器870的第二端和第二复位晶体管872还耦接到采样和保持电路的复位采样晶体管850和快门晶体管826、827。第二复位晶体管872由第二复位控制线874控制并且复位耦接电容器870。
采样和保持电路的复位采样晶体管850由复位采样线852控制，并且在复位采样线852上接收到复位采样信号时选择性地将电荷传递到复位采样电容器854上。此复位采样电容器保持共用于光电二极管802、803的表示光电二极管复位电平的复位信号。可替换地，复位信号可以是对应于像素的无曝光的采样信号。光电二极管802、803中的光电二极管802、803共享相同的复位采样电容器854，因此在随后的相关的双采样处理中使用相同的复位信号以降低噪声。
负载节点818还通过快门晶体管826、827耦接到图像存储电容器830、831的第一端。在图2A的实施例中，存在成对的图像存储电容器830、831和快门晶体管826、827的数量与像素块800中存在的光电二极管和光电二极管选择晶体管804、805的数量相同。像素块800中包括的图像存储电容器的数量对应于像素块中包括的光电二极管的数量。在像素块中存在比图像存储电容器更少的复位采样电容器，例如在实施例中，复位采样电容器854被配置为共用于像素块800内的所有图像存储电容器。快门晶体管826、827由快门线828、829控制。每个图像存储电容器830、831的第二端接地。快门晶体管826、827为形成于耦接到模拟电源811的N阱中的P沟道晶体管。
图像存储电容器830的第一端控制第二源极跟随器晶体管832，以及图像存储电容器831控制第二源极跟随器晶体管833。第二源极跟随器晶体管832、833分别与第三选择晶体管834、835串联耦接。第三选择晶体管834、835由第三选择线836、837控制，在任一时刻第三选择线中的仅一个是有效的。第三选择晶体管834、835分别耦接到驱动数据线842，驱动数据线又通过包括例如差分放大器864的额外的电路耦接到模/数转换器(ADC)848。
因为在此实施例中，快门晶体管826、827为P型并且位于连接到模拟电源811的N阱中，所以通过附接到图像存储电容器830的第一端的P-N源极或漏极扩散在与低光接收或“暗”对应的高信号电平处的泄漏相对于在图1中以类似信号电平遇到的泄漏被减少，在图1中，像素中的快门晶体管126和包括复位晶体管、选择晶体管和源极跟随器晶体管的其它晶体管为接地阱或基板中的N型晶体管。
具有由复位采样线852控制的栅极的复位采样晶体管850对复位采样电容器854的第一端上的复位或全黑电平进行采样。复位采样电容器854的第二端接地。复位采样电容器854上的电压被配置为控制复位源极跟随器856的栅极。复位源极跟随器856与复位选择晶体管858串联耦接。复位选择晶体管858由像素块读取选择线862控制，只要像素块读取选择线836、837中的任一个是有效的，像素块读取选择线862就是有效的。此配置通过复位源极跟随器856和复位选择晶体管858将复位采样电容器854读取到复位感测线860，同时通过第二源极跟随器832、833和第三选择晶体管834、835将图像存储电容器830、831中的一个读取到数据线842上，并且因此读取到外部连接的差分放大器864和模/数转换器866。
在此实施例中，复位感测线860及数据线842由差分放大器864感测以相对于单端感测系统减少噪声并且改进暗电平，在其它实施例中，复位感测线860及数据线842由其它方法感测，例如全差分模数转换器。
在预充电期期间，利用光电二极管复位信号RST将光电二极管复位线812保持为高，而利用光电二极管选择信号，诸如TX1、TX2，对光电二极管选择线(诸如光电二极管选择线806和807)一次一个地施加脉冲，以将光电二极管802、803复位到预定义的复位电平。例如，光电二极管选择线806与光电二极管复位线812同时被施加脉冲以复位光电二极管802，而随后的光电二极管803在此之后紧接着被诸如光电二极管选择线807的额外的光电二极管选择线复位。每个光电二极管选择信号TX1、TX2的下降沿开始相关联的像素的曝光期(也称为全局快门间隔)。
光电二极管802、803在曝光期(或全局快门间隔)期间曝光，曝光期(或全局快门间隔)的长度依据提供给像素阵列的像素的光学图像的总亮度而被选择。
请结合图2A参考图2B与图2C。图2B示出实施例中的与像素块800相关联的全局电荷传送的示例性定时操作。图2C示出在实施例中的与像素块800相关联的逐行读出的示例性定时操作。
在全局快门操作之后的全局电荷传送期期间，通过耦接电容器870将光电二极管802响应于入射光而生成的电荷(或第一图像数据信号)传送并存储到图像存储电容器830中，并且通过耦接电容器870将光电二极管803响应于入射光而生成的电荷(或第二图像数据信号)存储到图像存储电容器831中。
像素的亮度越亮，信号电平越大，则来自模拟电源811的图像存储电容器830、831上的采样电压电平越低。在将电荷从光电二极管802、803传送到图像存储电容器831之后，复位采样晶体管850被打开以将复位采样电容器854复位到复位电平，在实施例中复位到模拟电源811。
例如，如图2B所示，利用光电二极管复位信号RST将光电二极管复位线812保持为低，并且将第二复位控制线874、CLP脉冲为低，而利用光电二极管选择信号TX1将光电二极管选择线806脉冲为高，以将累积的光依靠电荷(或第一图像数据信号)从光电二极管802读取到第一耦接电容器870的第一端。利用快门信号SH1将快门线828脉冲为低，而利用快门信号SH2将快门线829保持为高，以将电荷(或第一图像数据信号)放置到图像存储电容器830上。
对于像素块和相关联的图像存储电容器中包括的每个额外的光电二极管电路，重复将光电二极管复位线812脉冲为高、将第二复位控制线874脉冲为低以及将光电二极管选择线807脉冲为高的序列以在快门线829、SH2被脉冲为低的情况下在图像存储电容器831上捕捉信号。
在电荷传送序列之后，光电二极管复位线812被脉冲为高。随后，第二复位控制线874、CLP被脉冲为低，而复位采样线852由复位采样信号SH0被脉冲为低且快门线829、829保持为高，将对应于复位信号的电荷放置于复位采样电容器854的第一端上。
在读出期期间，通过保持采样控制信号RSL1为高并且对快门线828施加脉冲，同时利用第二复位控制信号CLP保持第二复位控制线为低，分别通过复位感测线860和数据线842读出存储在图像存储电容器830和复位采样电容器854处的第一图像数据信号和复位信号。类似地，通过保持采样控制信号RSL2为高并且对快门线828施加脉冲，同时保持第二复位控制线CLP为低，通过复位感测线860和数据线842分别读出存储在图像存储电容器831和复位采样电容器854处的第二图像数据信号和相同的复位信号。在读出期期间，以复位采样控制信号RSL0对像素块读取选择线862施加脉冲，并且图像存储电容器830和复位采样电容器854在复位采样控制信号RSL0的每个上升沿被读出，采样的复位信号电平可以对应于光电二极管802、803在预充电期期间最初复位到的预定义的复位电平。
接着，复位感测线860和数据线842被配置为被连接以输出第一差分信号和第二差分信号，第一差分信号是第一图像数据信号和采样的复位信号的差，第二差分信号是第二图像数据信号和采样的复位信号的差。随后处理第一差分信号、第一图像数据信号和采样的复位信号，以构建表示由光电二极管802生成的电荷的第一图像信号。随后处理第二差分信号、第二图像数据信号和复位信号，以构建表示由光电二极管803生成的电荷的第二图像信号。
在实施例中，像素块可包括四个光电二极管，其中单个复位采样电容器可以用于向四个光电二极管提供共同的复位信号。在此实施例中，需要四个图像存储电容器830、831和一个复位采样电容器854。
在图3中所示的实施例中，具有由信号切断控制线882控制的栅极的信号切断晶体管880插入在第二选择晶体管816和耦接电容器870的第一端之间。信号切断晶体管880被配置为在接收到切断信号时选择性地切断耦接电容器870的第一端与像素800的图像存储电容器830或831的第一端之间的电连接(例如，信号传输路径或电荷传送路径)。在此实施例中，阻止通常在信号在图像存储电容器830或831处有效之前发生的图像存储电容器830或831上的瞬时高电压到达图像存储电容器830或831。本实施例中的图像存储电容器830或831缺少这种瞬态，并且具有比存储在先前像素100(图1)中的图像存储电容器130上的暗电平更好的暗电平。
在另一实施例中，如图4所示，像素电路900具有比使用的图像存储电容器的数量更少的光电二极管，诸如光电二极管902。像素电路900可以用于全局快门图像传感器的像素阵列中。在多个读出实施例的多电平选择中用于光电二极管902的光电二极管选择晶体管904被配置为在光电二极管选择线906上接收不同电平的选择电压。例如，首先通过光电二极管选择晶体管904的栅极处的偏置电压的中间电平选择电压来选择光电二极管选择晶体管904(第一选择晶体管)，使得仅当光电二极管902中的光电流已经将光电二极管深度放电至低于中间电平选择电压的阈值电压时，光电二极管选择晶体管904才导通。通过图像采样晶体管926(例如，第一图像采样晶体管或第一快门晶体管)读取光电二极管上的此深度放电电压，并将其存储到图像存储电容器930上作为第一采样的图像数据信号。然后，光电二极管选择晶体管904被给予高电平选择电压，使得暗淡发光的像素的光电二极管选择晶体管904导通，通过不同的图像采样晶体管927(例如，第二图像采样晶体管或第二快门晶体管)读取并存储得到的较低光数据信号，并且将其存储到另一图像存储电容器931上作为第二采样的图像数据信号。存储在图像存储电容器930、931中的图像数据信号被读出到数据线942、970上，从复位采样电容器854读出的复位信号一起被读出到数据线960上，额外的电路由此产生差并且处理它们以实现像素电路的宽动态范围。在此实施例中，复位信号共用于第一和采样的图像数据信号，以用于随后的信号处理，诸如相关的双采样。
在可替换的实施例中，图4的电路以在光电二极管选择线906和光电二极管选择晶体管904上具有完全选择电压在全局快门间隔的第一部分的末尾处操作，以首先通过第一图像采样晶体管926将电荷采样到第一图像存储电容器930上；然后，在光电二极管选择线906上在全局快门间隔的第二部分的末尾处，光电二极管选择线906再次升高(或者通过在两个图像存储电容器处采样而保持高)，以通过第二图像采样晶体管927将电荷采样到第二图像存储电容器931上。存储在图像存储电容器930、931中的图像数据信号被读出到数据线942、970上，存储在复位采样电容器854中的复位信号一起被读出到数据线960上，额外的电路由此产生差并处理它们以实现像素电路的宽动态范围。在此模式中，可从在全局快门间隔的第一部分的末尾处加载的图像存储电容器930处理明亮地照明的像素，而从在全局快门间隔的第二部分的末尾处加载的图像存储电容器931处理暗淡地照明的像素。以这种方式以短和长曝光时间捕捉数据可以允许以宽动态范围的光强度处理图像。
在图2A、3和4的实施例中，图像存储电容器(例如，图像存储电容器830、831、930、931)被配置为使得电荷存储节点具有所有附接的源极/漏极扩散区为P型并且形成于耦接到模拟电源的一个或多个N阱中。在这些实施例中，图像存储电容器中的暗电平接近其中形成有相关联的快门晶体管的阱的电压。
本领域技术人员应当理解，可以构建除了接地的一个或多个P阱中的N型快门晶体管828、829和复位采样晶体管850之外全都为P型器件的互补形式；为了简单起见，这没有示出。
预期图2A到4的实施例可实施于单晶圆、单裸片、图像传感器上或多晶圆、多裸片、堆叠式图像传感器上，诸如图5中参考图2A示出的双裸片堆叠式实施例600。在此实施例中，在第一(或像素)裸片或晶圆620上实现具有相关联的光电二极管选择晶体管804、805(第一选择晶体管)的光电二极管，诸如光电二极管802、803。在一些实施例中，光电二极管复位晶体管812(第一复位晶体管)、源极跟随器晶体管814和第二选择晶体管805在像素块604、606中的第一(或像素)裸片或晶圆602上实施。每个像素块604、606通过裸片到裸片键合608电耦接到物理上位于第二(或逻辑)裸片或晶圆614上的相关联的存储电容器组610、612。此结构对应于将组件定位在第一(像素)裸片602上的切割线616上方，并将组件定位在第二(或逻辑)裸片或晶圆614上的切割线616下方。第一(像素)裸片602可以通过裸片到裸片键合或晶圆到晶圆键合(例如混合键合)而键合到第二(或逻辑)裸片或晶圆614。
特征的组合
在实施例中，可以以各种方式组合本文公开的特征。特别地，可以预期的是，参考图5所示的多像素复制单元可以与参考图2、3或4公开和讨论的实施例一起使用；并且图3中示出的信号切断晶体管可与另外参考图4所论述的实施例一起使用。另外，预期参考图2-4所论述的实施例中的任一个可实施于单裸片图像传感器上、如图5中所描绘的双裸片堆叠式多晶圆图像传感器上，或具有额外堆叠式裸片，诸如数字存储器裸片或晶圆的图像传感器上。
在特定实施例中，预期的组合包括：
标示为A的图像传感器具有像素阵列，每个像素具有耦接的相关联的快门晶体管，以将取决于对像素的曝光的电荷传送到图像存储电容器上，图像存储电容器被配置为被读取到模数转换器中，其中快门晶体管被形成在耦接到电源供应的阱中，以及其中像素的暗曝光水平对应于图像存储电容器中的与耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压接近的电压，以及像素的白曝光水平对应于图像存储电容器中的与耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应显著不同的电压。
标示为AA1的图像传感器包括标示为A的图像传感器，其中快门晶体管为耦接到模拟电源的N阱中的P沟道晶体管。
标示为AA2的图像传感器包括标示为A的图像传感器，其中快门晶体管为耦接到接地的P阱中的N沟道晶体管。
标示为AA3的图像传感器包括标示为A、AA1或AA2的图像传感器，其中取决于曝光的电荷通过耦接电容器耦接到图像存储电容器。
标示为AA的图像传感器包括标示为A、AA1、AA2或AA3的图像传感器，其中像素阵列的像素被组织在包括至少一个光电二极管以及至少一个选择晶体管的像素单元中，选择晶体管将光电二极管耦接到第一像素节点，第一像素节点通过源极跟随器及第一(或耦接)电容器耦接到快门晶体管。
标示为AAA的图像传感器包括标示为AA的图像传感器，还包括信号切断晶体管，信号切断晶体管耦接在选择晶体管与耦接电容器之间。
标示为AAB的图像传感器包括标示为A、AA、AAA、AA1、AA2或AA3的图像传感器，其中每个像素单元包括通过选择晶体管耦接到第一像素节点的多个光电二极管。
标示为AAC的图像传感器包括标示为A、AA、AAA、AAB、AA1、AA2或AA3的图像传感器，其中第二光电二极管和选择晶体管耦接到第二像素节点，第二像素节点通过源极跟随器耦接到第一(或耦接)电容器。
标示为AB的图像传感器包括标示为A、AA、AAA、AAB、AAC、AA1、AA2或AA3的图像传感器，还包括被配置为取决于复位采样电容器上的复位电平对电荷进行采样的复位采样晶体管，以及其中图像存储电容器被耦接以通过差分放大器被读取到模数转换器中，差分放大器具有耦接到复位采样电容器的输入。
标示为B的捕捉数字电子图像的方法包括：复位多个光电二极管，并将光电二极管曝光为光学图像；读取光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到多个图像存储电容器上，电荷通过其中所有附接的源极/漏极扩散区是P型并形成在耦接到模拟电源的N阱中的节点存储到每个图像存储电容器上，取决于光电二极管曝光的电荷在图像存储电容器上为曝光于光学图像的暗部分的光电二极管比为曝光于光学图像的亮部分的光电二极管提供更高的电压；使用N沟道源极跟随器将图像存储电容器中的电荷感测到模数转换器中；以及使用模数转换器将感测的电荷转换为数字图像。
标示为BA的方法包括标示为B的方法，还包括传递取决于光电二极管曝光的电荷通过耦接电容器。
标示为BB的方法包括标示为B或BA的方法，还包括将对应于光电二极管复位电平的电荷锁存在复位电容器中，以及其中感测图像存储电容器中的电荷还包括放大取决于图像存储电容器中的电荷的信号与取决于复位电容器中的电荷的信号之间的差。
标示为C的图像传感器，具有像素块的阵列，像素块的每个像素具有耦接的相关联的快门晶体管，以将取决于对像素的曝光的电荷传送到与像素相关联的图像存储电容器上。来自每个像素块的图像存储电容器的信号被配置为通过差分放大器被读取到模数转换器中。快门晶体管形成在耦接到电源供应的阱中，其中像素的暗曝光水平对应于图像存储电容器中的接近耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压的电压，并且像素的白曝光水平对应于图像存储电容器中与耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压显著不同的电压。每个差分放大器被配置为将来自复位采样电容器的信号与来自图像存储电容器的信号进行比较，复位采样电容器比图像存储电容器少。
标示为CA的图像传感器包括标示为C的图像传感器，其中快门晶体管为耦接到模拟电源的N阱中的P沟道晶体管。
标示为CB的图像传感器包括标示为C的图像传感器，其中快门晶体管是接地P阱中的N沟道晶体管。
标示为CC的图像传感器包括标示为C、CA或CB的图像传感器，其中像素阵列的像素被组织在包括光电二极管和选择晶体管的像素单元中，选择晶体管将光电二极管耦接到第一像素节点，第一像素节点通过源极跟随器和耦接电容器耦接到快门晶体管。
标示为CD的图像传感器包括标示为C、CA、CB或CC的图像传感器，其中每个像素单元包括通过选择晶体管耦接到第一像素节点的多个光电二极管。
标示为CE的图像传感器包括标示为C、CA、CB、CC或CD的图像传感器，其中第二光电二极管和选择晶体管耦接到第二像素节点，第二像素节点通过源极跟随器耦接到快门晶体管。
标示为CF的图像传感器包括标示为C、CA、CB、CC、CD或CE的图像传感器，还包括耦接在选择晶体管与快门晶体管之间的信号切断晶体管。
标示为D的捕捉数字电子图像的方法包括：复位多个光电二极管并将光电二极管曝光于光学图像；将对应于复位光电二极管的电荷存储在复位电容器上；读取光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到多个图像存储电容器上，电荷通过具有形成在耦接到模拟电源的N阱的阱中的为P型的所有直接连接的源极/漏极扩散区的节点存储到每个图像存储电容器上，以及取决于光电二极管曝光的电荷在图像存储电容器上为曝光于光学图像的暗部分的光电二极管比为曝光于光学图像的亮部分的光电二极管提供更高的电压；使用N沟道源极跟随器和耦接到模数转换器中的差分放大器感测复位电容器与图像存储电容器之间的电荷差；以及使用模数转换器将感测的电荷转换为数字图像。
标示为E的图像传感器包括像素块的阵列，像素块的阵列包括多个像素，每个像素块的每个像素具有各自耦接的多个相关联的快门晶体管，以将包括取决于对像素的曝光的电荷的图像信号传送到与像素相关联的多个图像存储电容器中的图像存储电容器上。每个像素块包括采样读出电路，采样读出电路被配置为输出存储在多个图像存储电容器中的多个图像数据信号和存储在复位采样电容器中的复位信号。复位信号对应于多个图像数据信号共用的复位电平，并且在每个像素块中存在比图像存储电容器更少的复位采样电容器。
标示为EA的图像传感器包括标示为E的图像传感器，其中快门晶体管为耦接到模拟电源的N阱中的P沟道晶体管。
标示为EB的图像传感器包括标示为E的图像传感器，其中快门晶体管是接地P阱中的N沟道晶体管。
标示为EC的图像传感器包括标示为E、EA或EB的图像传感器，其中像素阵列的像素被组织在包括光电二极管和选择晶体管的像素单元中，选择晶体管将光电二极管耦接到第一像素节点，第一像素节点通过第一源极跟随器晶体管和耦接电容器耦接到图像信号。
标示为EE的图像传感器包括标示为ED的图像传感器，其中每个像素单元包括通过选择晶体管耦接到第一像素节点的多个光电二极管。
标示为EF的图像传感器包括标示为E、EA、EB、EC、ED或EE的图像传感器，还包括耦接在选择晶体管与快门晶体管之间的信号切断晶体管。
标示为EG的图像传感器包括标示为E、EA、EB、EC、ED、EE或EF的图像传感器，其中像素阵列的像素被组织在包括光电二极管和选择晶体管的像素单元中，选择晶体管中的选择晶体管将光电二极管耦接到第一像素节点，第一像素节点通过第一源极跟随器晶体管和耦接电容器耦接到快门晶体管。
标示为EH的图像传感器包括标示为E、EA、EB、EC、ED、EE、EF或EG的图像传感器，其中每个像素单元包括通过选择晶体管耦接到第一像素节点的多个光电二极管。
标示为EJ的图像传感器包括标示为E、EA、EB、EC、ED、EE、EF、EG或EH的图像传感器，其中在每个像素块中存在比光电二极管更多的图像存储电容器。
标示为EK的图像传感器包括标示为E、EA、EB、EC、ED、EE、EF、EG、EH或EJ的图像传感器，其中来自每个像素块的图像存储电容器的信号被配置为通过差分放大器读取到模数转换器中，其中快门晶体管形成于耦接到模拟电源供应的阱中，以及其中像素的暗曝光水平对应于接近模拟电源供应的电压的图像存储电容器中的电压，以及像素的白曝光水平对应于与耦接到其中形成快门晶体管的阱的电源供应的电压显著不同的图像存储电容器中的电压。
标示为F的捕捉数字电子图像的方法包括：复位多个光电二极管，以及将光电二极管曝光于光学图像；复位光电二极管并将对应于复位光电二极管的电荷存储在复位采样电容器上；读取光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到多个图像存储电容器上；以及根据从复位采样电容器读取的复位信号和从图像存储电容器读取的多个图像数据信号确定多个图像信号，其中复位信号对应于存储在复位采样电容器上的电荷，而图像数据信号对应于存储在相关联的图像存储电容器上的电荷。
标示为FAA的方法包括标示为F的方法，其中确定多个图像信号包括：分别读取多个图像数据信号中的每个，其中多个图像数据信号中的每个与复位信号一起被读取；以及感测复位信号与多个图像数据信号中的每个之间的差以生成多个图像信号。
标示为FAB的方法包括标示为F或FAA的方法，其中感测复位电容器与图像存储电容器之间的电荷差是通过源极跟随器晶体管和耦接到模数转换器的差分放大器来执行。
标示为FA的方法包括标示为F、FAA或FAB的方法，还包括：使用模数转换器将感测的多个图像信号转换为数字图像。
标示为FB的方法包括标示为F、FAA、FAB或FA的方法，其中存储到每个图像存储电容器上的电荷通过所有直接连接的晶体管具有在第二导电类型的阱中的第一导电类型的源极/漏极扩散区的节点存储，并且与曝光于光学图像的亮部分的光电二极管相比，取决于光电二极管曝光的电荷在图像存储电容器上为曝光于光学图像的暗部分的光电二极管提供更接近与直接连接的晶体管相关联的阱电压的电压。
标示为FC的方法包括标示为FB的方法，其中第一导电类型是P型，以及第二导电类型是N型。
标示为FD的方法包括标示为FB的方法，其中第一导电类型是N型，以及第二导电类型是P型。
标示为FE的方法包括标示为F、FAA、FAB、FA、FB、FC或FD的方法，其中存在与每个光电二极管相关联的多个图像存储电容器，以及其中读取光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到图像存储电容器上包括将第一选择电压施加到光电二极管选择晶体管的栅极，将电荷存储在图像存储电容器中的第一个上，将不同于第一选择电压的第二选择电压施加到光电二极管选择晶体管的栅极，以及将电荷存储在图像存储电容器中的第二个上。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此，应当注意的是，包含在以上描述中或在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而非限制性的。以下的权利要求书旨在覆盖本文所述的所有一般和特定特征，以及本发明方法和系统的范围的所有陈述，作为语言问题，可以说它们落入其中。

Claims (18)

1.一种图像传感器，包括：
像素块的阵列，包括一个或多个光电二极管、多个图像存储电容器、以及复位采样电容器，每个光电二极管耦接到至少一个快门晶体管，所述至少一个快门晶体管被耦接以将图像数据信号传送到所述多个图像存储电容器中的相关联图像存储电容器上，所述图像数据信号包括取决于对所述像素块的光电二极管的曝光的电荷，所述相关联图像存储电容器与所述像素块相关联，每个像素块包括采样读出电路，所述采样读出电路被配置为输出存储在所述多个图像存储电容器中的多个图像数据信号以及存储在所述复位采样电容器中的复位信号，
其中，所述复位信号对应于所述多个图像数据信号共用的复位电平，并且在将所述多个图像数据信号存储到所述多个图像存储电容器上之后，由所述采样读出电路存储到所述复位采样电容器上，以及
其中，在每个像素块中存在比图像存储电容器更少的复位采样电容器。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个图像数据信号中的每个图像数据信号由每个相关联的像素块中的相应光电二极管中的每个光电二极管生成。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中在每个像素块中存在比光电二极管更多的图像存储电容器。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素块的阵列中的像素是以包括光电二极管和选择晶体管的像素单元配置的，所述选择晶体管将所述光电二极管耦接到第一像素节点，所述第一像素节点通过第一源极跟随器晶体管和耦接电容器耦接到图像数据信号。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中每个像素单元包括通过选择晶体管耦接到所述第一像素节点的多个光电二极管。
6.如权利要求5所述的图像传感器，还包括耦接在所述选择晶体管与所述快门晶体管之间的信号切断晶体管。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中来自每个像素块的图像存储电容器的图像数据信号以及来自每个像素块的复位采样电容器的复位信号被配置为通过差分放大器被读取到模数转换器中，其中所述快门晶体管是以耦接到模拟电源供应的阱形成的，以及其中所述像素块中的像素的暗曝光水平对应于所述图像存储电容器中的接近所述模拟电源供应的电压的电压，以及所述像素的白曝光水平对应于所述图像存储电容器中的与耦接到其中形成所述快门晶体管的阱的电源供应的电压显著不同的电压。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其中所述快门晶体管是耦接到所述模拟电源供应的N型阱中的P沟道晶体管。
9.如权利要求7所述的图像传感器，其中所述快门晶体管是接地的P型阱中的N沟道晶体管。
10.一种图像传感器，包括：
像素块的阵列，包括一个或多个光电二极管、多个图像存储电容器、以及复位采样电容器，每个光电二极管耦接到至少一个快门晶体管，所述至少一个快门晶体管被耦接以将图像数据信号传送到所述多个图像存储电容器中的相关联图像存储电容器上，所述图像数据信号包括取决于对所述像素块的光电二极管的曝光的电荷，所述相关联图像存储电容器与所述像素块相关联，每个像素块包括采样读出电路，所述采样读出电路被配置为输出存储在所述多个图像存储电容器中的多个图像数据信号以及存储在所述复位采样电容器中的复位信号，每个光电二极管耦接到至少一个选择晶体管，所述选择晶体管将所述光电二极管耦接到第一像素节点，所述第一像素节点通过第一源极跟随器晶体管和耦接电容器耦接到图像数据信号；
其中，所述复位信号对应于所述多个图像数据信号共用的复位电平，并且在将所述多个图像数据信号存储到所述多个图像存储电容器上之后，由所述采样读出电路存储到所述复位采样电容器上，以及
其中，在每个像素块中存在比图像存储电容器更少的复位采样电容器；
其中，所述选择晶体管被配置为当所述选择晶体管的栅极被偏置在第一选择电压处时，通过所述第一像素节点将所述光电二极管耦接到所述快门晶体管中的第一快门晶体管，并将第一图像数据信号传送到所述多个图像存储电容器中的第一图像存储电容器上；其中，所述选择晶体管被配置为当所述选择晶体管的所述栅极被偏置在第二选择电压处时，通过所述第一像素节点将所述光电二极管耦接到所述快门晶体管中的第二快门晶体管并将第二图像数据信号传送到所述多个图像存储电容器中的第二图像存储电容器上；其中所述第一选择电压不同于所述第二选择电压。
11.一种捕捉数字电子图像的方法，包括：
复位像素块中的多个光电二极管，以及将所述光电二极管曝光于光学图像；
读取所述多个光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到所述像素块中的与所述多个光电二极管耦接的多个图像存储电容器上；
在取决于光电二极管曝光的电荷已经被存储到所述多个图像存储电容器上之后，复位所述光电二极管并将对应于复位电平的电荷存储在所述像素块中的复位采样电容器上；
从读取自所述复位采样电容器的复位信号和读取自所述图像存储电容器的多个图像数据信号确定多个图像信号，其中所述复位信号对应于存储在所述复位采样电容器上的所述电荷，以及所述图像数据信号中的每个图像数据信号对应于存储在相关联的图像存储电容器上的电荷，
其中，所述复位信号对应于所述多个图像数据信号共用的复位电平，以及
其中，在所述像素块中存在比图像存储电容器更少的复位采样电容器。
12.如权利要求11所述的方法，其中确定多个图像信号包括：
分别读取所述多个图像数据信号中的每个图像数据信号，其中所述多个图像数据信号中的每个图像数据信号与所述复位信号一起被读取；以及
感测所述复位信号与所述多个图像数据信号中的每个图像数据信号之间的差以生成所述多个图像信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中感测所述复位信号与所述多个图像数据信号中的每个图像数据信号之间的差是通过源极跟随器晶体管和耦接到模数转换器的差分放大器而被执行的。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
使用模数转换器将所感测的多个图像信号转换为数字图像。
15.如权利要求11所述的方法，其中存储到每个图像存储电容器上的所述电荷是通过具有所有直接连接的晶体管的节点来存储的，其中所述直接连接的晶体管的第一导电类型的源极和漏极扩散区形成于第二导电类型的阱中，以及取决于光电二极管曝光的所述电荷在所述图像存储电容器上为曝光于所述光学图像的暗部分的光电二极管比为曝光于所述光学图像的亮部分的光电二极管提供更接近于与所述直接连接的晶体管相关联的阱电压的电压。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一导电类型是P型，以及所述第二导电类型是N型。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述第一导电类型是N型，以及所述第二导电类型是P型。
18.如权利要求11所述的方法，其中存在与每个光电二极管相关联的多个图像存储电容器，以及其中读取所述光电二极管并将取决于光电二极管曝光的电荷存储到所述图像存储电容器上包括：
将第一选择电压施加到光电二极管选择晶体管的栅极，将电荷存储在所述图像存储电容器中的第一个上；
将不同于所述第一选择电压的第二选择电压施加到所述光电二极管选择晶体管的所述栅极；以及
将电荷存储在所述图像存储电容器中的第二个上。
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