CN113707680A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像感测装置，该图像感测装置包括：包括多个成像像素的成像像素阵列，各个成像像素被构造为检测入射光并生成像素信号，多个成像像素包括多个第一成像像素和多个第二成像像素，多个第一成像像素被分组为多个第一像素组，各个第一像素组包括不同的第一成像像素，其中至少一个第一成像像素的颜色不同于其它第一成像像素，多个第二成像像素被分组为多个第二像素组，其中，各个第二像素组包括相同颜色的第二成像像素；分别设置在第一像素组中的多个第一浮置扩散区域；分别设置在第二像素组中的多个第二浮置扩散区域；感测节点；以及联接在感测节点与第一浮置扩散区域和第二浮置扩散区域中的至少一个之间的双转换增益晶体管。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文献中所公开的技术和实现方式总体上涉及图像感测装置，更具体地，涉及CMOS图像感测装置。
背景技术
图像感测装置用在电子装置中以将光学图像转换为电信号。近来汽车、医疗、计算机和通信行业的发展导致在诸如智能电话、数字相机、摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏机、监控相机、医疗微型相机、机器人和红外(IR)感测装置的各种装置中对更高性能的图像感测装置的需求增加。
图像感测装置可大致分类为CCD(电荷耦合器件)图像感测装置和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像感测装置。
与CCD图像传感器相比，CCD图像感测装置的尺寸更小并且功耗更低。CMOS技术使得图像传感器和其它电路能够集成到单个芯片中，从而使得可以更低的成本生产高度集成、功耗更低的电子装置。出于这些原因，CMOS图像感测装置在诸如智能电话的许多消费品中占主导地位。
发明内容
所公开的技术的实施方式涉及一种被配置为在各种照度环境下操作的图像感测装置。
所公开的技术的一些实施方式涉及一种包括双转换增益晶体管的图像感测装置，从而提供在较低照度区域中对噪声更鲁棒的图像。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可包括：包括多个成像像素的成像像素阵列，各个成像像素被构造为检测入射光并生成像素信号，所述多个成像像素包括多个第一成像像素和多个第二成像像素，多个所述第一成像像素被分组为多个第一像素组，各个第一像素组包括不同的第一成像像素，其中至少一个的颜色不同于其它第一成像像素，多个所述第二成像像素被分组为多个第二像素组，其中，各个第二像素组包括相同颜色的第二成像像素；分别设置在第一像素组中的多个第一浮置扩散区域，各个第一浮置扩散区域位于各个第一像素组中的第一成像像素的中央部分处或附近并由所述第一成像像素围绕，并且各个第一浮置扩散区域被联接以从各个第一像素组的第一成像像素接收光电荷；分别设置在第二像素组中的多个第二浮置扩散区域，各个第二浮置扩散区域位于各个第二像素组中的第二成像像素的中央部分处或附近并由所述第二成像像素围绕；感测节点，其联接到所述多个第一浮置扩散区域中的至少一个第一浮置扩散区域以感测所述至少一个第一浮置扩散区域的信号，并且该感测节点联接到所述多个第二浮置扩散区域中的至少一个第二浮置扩散区域以感测所述至少一个第二浮置扩散区域的信号；以及双转换增益晶体管，其联接在感测节点与第一浮置扩散区域和第二浮置扩散区域中的至少一个之间，以基于不同的入射光水平对来自第一浮置扩散区域或第二浮置扩散区域的信号生成不同的信号增益。
在一些实现方式中，所述多个第一像素组中的一个第一像素组和所述多个第二像素组中的被定位为与所述一个第一像素组相邻的一个第二像素组被配置为共享所述多个成像像素中的一个成像像素。
在一些实现方式中，该图像感测装置还可包括：驱动晶体管，其被配置为将从感测节点接收的信号放大；选择晶体管，其被配置为将由驱动晶体管放大的信号输出到信号线；以及重置晶体管，其被配置为去除累积在第一浮置扩散(FD)区域、第二浮置扩散(FD)区域和感测节点中的每一个中的光电荷，其中，驱动晶体管、选择晶体管和重置晶体管由多个第一像素组中的一个第一像素组和多个4SUM像素组中的一个4SUM像素组共享。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管、驱动晶体管、选择晶体管和重置晶体管设置在被定位为与布置有成像像素的像素区域相邻的共享晶体管区域中，并且共享晶体管区域和布置有成像像素的像素区域交替地布置。
在一些实现方式中，驱动晶体管和选择晶体管设置在第一共享晶体管区域中，并且双转换增益晶体管和重置晶体管设置在第二共享晶体管区域中。
在一些实现方式中，各个第二浮置扩散区域由第一共享晶体管区域或第二共享晶体管区域在物理上隔离。
在一些实现方式中，包含在各个第一像素组中的各个成像像素或者包含在各个第二像素组中的各个成像像素包括：光电转换元件；联接在多个第一浮置扩散(FD)区域中的一个第一浮置扩散(FD)区域与光电转换元件之间的第一转移晶体管；以及联接在多个第二浮置扩散(FD)区域中的一个第二浮置扩散(FD)区域与光电转换元件之间的第二转移晶体管。
在一些实现方式中，第一转移晶体管和第二转移晶体管在各个成像像素中按对角方式设置。
在一些实现方式中，包含在各个第一像素组中的第一转移晶体管关于对应的第一浮置扩散(FD)区域设置在径向方向上。
在一些实现方式中，包含在各个第二像素组中的第二转移晶体管关于对应的第二浮置扩散(FD)区域设置在径向方向上。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第一浮置扩散(FD)区域，并且通过其第二端子联接到对应的第二浮置扩散(FD)区域。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管的第二端子联接到感测节点，并且感测节点联接到驱动晶体管的栅极端子和重置晶体管的一个端子。
在一些实现方式中，当暂时存储在对应的第一浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，双转换增益晶体管被启用，并且当暂时存储在对应的第二浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，根据噪声的程度选择性地启用双转换增益晶体管。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第二浮置扩散(FD)区域，并且通过其第二端子联接到对应的第一浮置扩散(FD)区域。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管的第二端子联接到感测节点，并且感测节点联接到驱动晶体管的栅极端子和重置晶体管的一个端子。
在一些实现方式中，当暂时存储在对应的第二浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，双转换增益晶体管被启用，并且当暂时存储在对应的第一浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，根据施加到成像像素的接收光的强度来选择性地启用双转换增益晶体管。
在一些实现方式中，包含在各个第一像素组中的第一转移晶体管在不同的时间点被启用，以将由光电转换元件生成的光电荷转移至对应的第一浮置扩散(FD)区域。
在一些实现方式中，包含在各个第二像素组中的第二转移晶体管被同时启用，以将由光电转换元件生成的光电荷转移至对应的第二浮置扩散(FD)区域。
根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像感测装置可包括：多个成像像素，其被布置为使得各个成像像素属于多个第一像素组中的一个第一像素组和多个第二像素组中的一个第二像素组这二者；多个第一浮置扩散(FD)区域，其各自联接到所述多个成像像素中的至少一个，并且设置在多个第一像素组中的一个第一像素组的中央部分处；多个第二浮置扩散(FD)区域，其各自联接到所述多个成像像素中的至少一个，并且设置在多个第二像素组中的一个第二像素组的中央部分处；以及感测节点，其被构造为连接多个第一浮置扩散区域中的至少一个并且被构造为连接多个第二浮置扩散区域中的至少一个，各个第一像素组包括按2×2矩阵阵列布置的四个成像像素，并且这四个成像像素中的至少一个的颜色不同于其它成像像素，各个第二像素组包括按2×2矩阵阵列布置的四个成像像素，并且所有这四个成像像素的颜色相同，并且第一浮置扩散(FD)区域和第二浮置扩散(FD)区域中的至少一个通过双转换增益晶体管联接到感测节点。
在一些实现方式中，对应的第一像素组和对应的第二像素组关于属于所述对应的第一像素组和第二像素组二者的成像像素按对角方式布置。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第一浮置扩散(FD)区域，并且通过其第二端子联接到所述感测节点，当暂时存储在所述对应的第一浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，双转换增益晶体管被启用，并且当暂时存储在对应的第二浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，根据噪声的程度选择性地启用双转换增益晶体管。
在一些实现方式中，双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第二浮置扩散(FD)区域，并且通过其第二端子联接到感测节点，当暂时存储在所述对应的第二浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，双转换增益晶体管被启用，并且当暂时存储在对应的第一浮置扩散(FD)区域中的光电荷被转移至感测节点时，根据由成像像素接收的光的强度来选择性地启用双转换增益晶体管。
将理解，所公开的技术的以上一般描述和以下详细描述二者是例示性和说明性的，旨在提供对所要求保护的本公开的进一步说明。
附图说明
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的像素阵列的示例的示意图。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置中的像素块、像素组和晶体管的布局图。
图4是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置中的像素组和晶体管的布局图。
图5示出基于所公开的技术的一些实现方式的图4所示的一些像素组。
图6是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图5所示的电路的第一模式下控制晶体管的方法的时序图。
图7是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图5所示的电路的第二模式下控制晶体管的方法的时序图。
图8是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图5所示的电路的第二模式的低噪声操作中控制晶体管的方法的时序图。
图9是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图5所示的电路中在基于两个测量方法的第二模式下控制晶体管的方法的时序图。
图10是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置中的像素块、像素组和晶体管的布局图。
图11是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置中的像素组和晶体管之间的连接关系的布局图。
图12是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图11所示的一些像素组的概念等效电路。
图13是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图12所示的电路的第一模式下控制晶体管的方法的时序图。
图14是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图12所示的电路的第二模式下控制晶体管的方法的时序图。
图15是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于在图13所示的电路的第一模式的高发光强度操作中控制晶体管的方法的时序图。
图16是示出包括基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的电子装置的示意图。
具体实施方式
所公开的技术的实施方式涉及一种被配置为在各种照度环境下操作的图像感测装置。在所公开的技术的一些实施方式中，图像感测装置可包括诸如双转换增益晶体管的可变增益电路，其根据所接收的入射光的不同光照水平来输出具有不同信号增益的信号，以创建在较低照度区域中对噪声更鲁棒的图像。包括可变增益电路或双转换增益晶体管允许像素输出在所接收的入射光具有相对低的光照水平时以较高增益放大，或者在所接收的入射光具有高光照水平时以较低增益放大。此特征可用于改进成像感测的动态范围和信噪性能。因此，在一些实施方式中所公开的技术还可用于获取高动态范围，而无需向高照度环境中引入单独的电容元件。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的示例的框图。
在一些实现方式中，图像感测装置100可包括：包括布置成矩阵阵列的多个像素的像素阵列110、相关双采样器(CDS)120、模数转换器(ADC)130、缓冲器140、行驱动器150、定时发生器160、控制寄存器170和斜坡信号发生器180。
在从图像处理器200接收到控制信号时，图像感测装置100可感测从对象反射并由透镜(未示出)聚焦的不同波长的光束。图像处理器200可将图像感测装置100所感测的输出图像发送到设置有显示器等的电子装置。
图像处理器200可包括相机控制器220、图像信号处理器210以及用于连接到其它装置(未示出)的接口。相机控制器220可通过控制寄存器170来控制定时发生器160和斜坡信号发生器180的操作。在一些实现方式中，相机控制器220可使用内置集成电路(I2C)来控制图像感测装置100的控制寄存器170。
图像信号处理器220可接收与缓冲器140的输出信号对应的图像信息，并且可处理所接收的图像信息以显示与图像信息对应的图像。
像素阵列110可包括布置成矩阵阵列的多个像素块115。各个像素块115可将光学图像信息转换为电图像信号，并且可将电图像信号输出到相关双采样器(CDS)120。像素阵列110可包括感测光并将所感测的光转换为电信号的多个光敏元件。
CMOS图像传感器可使用相关双采样(CDS)通过对像素信号采样两次以去除这两个样本之间的差来去除像素的不期望的偏移值。在一个示例中，相关双采样(CDS)可通过比较在光信号入射在像素上之前和光信号入射在像素上之后获得的像素输出电压以使得可仅测量基于入射光的像素输出电压来去除像素的不期望的偏移值。在所公开的技术的一些实施方式中，相关双采样器(CDS)120可保持并采样与从像素阵列110的像素接收的电图像信号对应的电压。例如，相关双采样器(CDS)120可响应于从定时发生器160接收的时钟信号而执行参考电压电平和所接收的电图像信号的电压电平的采样，并且可将与参考电压电平与所接收的电图像信号的电压电平之间的差对应的模拟信号发送到模数转换器(ADC)130。
模数转换器(ADC)电路130可将所接收的模拟信号转换为数字信号以将数字信号提供给缓冲器140。模数转换器(ADC)电路130的示例可包括斜坡比较型模数转换器，其将模拟像素信号与参考信号(例如，上升或下降的斜坡信号)进行比较，并且定时器计数，直至斜坡信号的电压与模拟像素信号匹配。
缓冲器140可暂时保持或“锁存”所接收的数字信号以将锁存的数字信号依次输出到图像信号处理器。缓冲器140可包括用于锁存数字信号的存储器以及用于放大数字信号的感测放大器。
行驱动器150可用于响应于定时发生器160的输出信号而启用或驱动像素阵列110的多个像素中的互连线。例如，行驱动器150可生成选择信号以选择任一条行线，和/或可生成驱动信号以驱动任一条行线。
定时发生器160可生成定时信号以控制相关双采样器(CDS)电路120、模数转换器(ADC)电路130、行驱动器150和斜坡信号发生器180。
控制寄存器170可生成控制信号以控制缓冲器140、定时发生器160和斜坡信号发生器180，使得根据所生成的控制信号来控制缓冲器140、定时发生器160和斜坡信号发生器180的操作。在这种情况下，控制寄存器170可在相机控制器220的控制下操作。
斜坡信号发生器180可响应于从定时发生器160接收的控制信号而生成斜坡信号以控制从缓冲器140接收的图像信号。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的像素阵列的示例的示意图。
参照图2，像素阵列110-1可包括具有滤色器的多个像素。到达多个像素的光子生成电子，这些电子被转移至对应的浮置扩散区域。尽管图2中未示出，像素阵列110-1还可包括浮置扩散(FD)区域以及用于转移像素所生成的电子的晶体管。
在本专利文献的上下文中，术语“单元像素”可用于指示将光转换为电流的半导体器件和布置在各个半导体器件上方的滤色器的组合。
另外，术语“绿色像素”(GR和GB)可用于指示具有绿色滤色器的单元像素，术语“红色像素”(R)可用于指示具有红色滤色器的单元像素，术语“蓝色像素”(B)可用于指示具有蓝色滤色器的单元像素。在一些实现方式中，像素阵列110-1中的单元像素可按拜耳图案(Bayer pattern)布置。在一个示例中，按拜耳图案布置的像素阵列110-1的各个2×2子阵列可包括两个绿色像素(GR和GB)、红色像素(R)和蓝色像素(B)。拜耳图案中的两个绿色像素GR和GB可按对角方式布置在2×2矩阵阵列中。在这种情况下，在行方向上与红色像素(R)相邻的绿色像素以下将由“GR”表示，在行方向上与蓝色像素(B)相邻的绿色像素以下将由“GB”表示。
在一些实现方式中，单元像素可按四拜耳图案(Quad Bayer pattern)布置。四拜耳图案将具有相同颜色的四个像素彼此相邻放置，以实现高灵敏度和高分辨率。
即，四拜耳图案可以是布置成使得相邻2×2像素为相同颜色的拜耳图案。在一些实现方式中，4×4单元四拜耳图案可包括布置成使得具有相同颜色的四个像素彼此相邻布置的八个绿色像素(GB和GR)、四个红色像素(R)和四个蓝色像素(B)。
在本专利文献的上下文中，术语“拜耳像素组”(例如，PG1)可用于指示包括形成按2×2矩阵阵列布置的拜耳图案的四个像素的一组像素。
拜耳图案中的两个绿色像素可按对角方式布置在2×2矩阵中。因此，拜耳像素组PG1可被确定为四个图案之一。
即，可确定可在2×2矩阵中布置单元像素的四个位置。假设与2×2矩阵中的第一行的第一列对应的位置被设定为第一位置，与2×2矩阵中的第一行的第二列对应的位置被设定为第二位置，与2×2矩阵中的第二行的第一列对应的位置被设定为第三位置，与2×2矩阵中的第二行的第二列对应的位置被设定为第四位置，绿色像素(GR和GB)可布置在第一位置和第四位置或者第二位置和第三位置。
当绿色像素(GB和GR)设置在第二位置和第三位置时，蓝色像素(B)可设置在第一位置或第四位置，并且红色像素(R)可设置在剩余位置。当绿色像素(GR和GB)设置在第一位置和第四位置时，红色像素(B)可设置在第二位置或第三位置，并且蓝色像素(B)可设置在剩余位置。
蓝色像素(B)设置在第一位置，红色像素(R)设置在第四位置，并且绿色像素(GB和GR)设置在第二位置和第三位置的第一图案可指第一拜耳图案。蓝色像素(B)设置在第二位置，红色像素(R)设置在第三位置，并且绿色像素(GB和GR)设置在第一位置和第四位置的第二图案可指第二拜耳图案。蓝色像素(B)设置在第三位置，红色像素(R)设置在第二位置，并且绿色像素GB和GR设置在第一位置和第四位置的第三图案可指第三拜耳图案。蓝色像素(B)设置在第四位置，红色像素(R)设置在第一位置，并且绿色像素(GB和GR)设置在第二位置和第三位置的第四图案可指第四拜耳图案。
另外，当像素阵列110-1的单元像素按四拜耳图案布置时，邻接(或相邻)拜耳像素组PG11和PG12可布置为使得包含在像素组中的单元像素当中的与相同颜色(例如，绿色和/或红色)对应的单元像素可彼此邻接(或相邻)布置。
如上面讨论的，在四拜耳图案中，相邻2×2像素为相同的颜色。在本专利文献的上下文中，术语“4SUM像素组”(例如，PG2)可用于指示包括相同颜色的相邻2×2像素的像素组。
彼此邻接或相邻的4SUM像素组可形成四拜耳图案。4SUM像素组可以是在彼此旁边的2×2红色像素(R)、在彼此旁边的2×2蓝色像素(B)或者在彼此旁边的2×2绿色像素(GB和GR)。
参照图2，各个单元像素可被视为拜耳像素组和4SUM像素组的一部分。例如，设置在与拜耳像素组PG11的第二行的第二列对应的特定位置的红色像素(R)也可属于4SUM像素组PG2R。各个单元像素可共同属于拜耳像素组和4SUM像素组。
另外，包括公共单元像素的拜耳像素组和4SUM像素组可关于公共单元像素按对角方式布置。例如，拜耳像素组PG11和4SUM像素组PG2R可关于设置在与拜耳像素组PG11的第二行的第二列对应的位置的红色像素(R)按对角方式布置。
参照图2，像素块115-1可表示像素阵列110-1的单元阵列。即，像素阵列110-1可包括在行或列方向上重复地布置的多个像素块115-1。
尽管图2所示的像素块115-1包括各自包括四个邻接拜耳图案(即，第一至第四拜耳图案)的拜耳像素组(例如，各自包括PG1的组)，但是彼此邻接或相邻的四个4SUM像素组(例如，各自包括PG2的组)也可被定义为像素块。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置中的像素块、像素组和晶体管的布局图。
在图3中，类似元件利用类似标号表示，并且其特征相同或相似。因此，作为示例，下面的讨论将集中于拜耳像素组当中的一个组PG11和4SUM像素组当中的一个组PG2R。
图像感测装置的像素阵列110-2中的像素块115-2可包括单元像素(PX1B、PX1GB、PX1GR、PX1R、PX2R、PX3R、PX4R等)、驱动晶体管DX、选择晶体管SX、重置晶体管RX以及诸如双转换增益晶体管DCG的可变增益电路，该可变增益电路针对入射光的不同光照水平生成不同的信号增益，以改进成像感测的动态范围和信噪性能。
驱动晶体管(DX)、选择晶体管(SX)、重置晶体管(RX)和双转换增益晶体管(DCG)可由像素组(PG11、PG2R等)共享，使得上述晶体管可用作共享晶体管。
在像素块115-2中，设置有共享晶体管的一个区域和设置有单元像素的另一区域可交替地布置。
即，设置有驱动晶体管DX和选择晶体管SX的区域(即，第一共享晶体管区域)、设置有单元像素的区域(即，第一像素区域)、设置有双转换增益晶体管DCG和重置晶体管RX的区域(即，第二共享晶体管区域)以及设置有单元像素的区域(即，第二像素区域)可在像素块115-2中交替地布置，并且也可在像素阵列110-2中重复地布置。
像素块115-2的第一共享晶体管区域可包括两个驱动晶体管(DX)和两个选择晶体管(SX)。像素块115-2的第二共享晶体管区域可包括两个双转换增益晶体管(DCG)和两个重置晶体管(RX)。
像素块115-2可包括四个拜耳像素组PG11、PG12、PG13和PG14，其分别包括第一至第四拜耳图案。
拜耳像素组PG11可指第一拜耳像素组PG11。拜耳像素组PG12可指第二拜耳像素组PG12。拜耳像素组PG13可指第三拜耳像素组PG13。拜耳像素组PG14可指第四拜耳像素组PG14。
与第一至第四拜耳像素组PG11、PG12、PG13和PG14关联，两个像素组可设置在第一像素区域中，其它两个像素组可设置在第二像素区域中。例如，第一拜耳像素组PG11和第二拜耳像素组PG12可设置在第一像素区域中，第三拜耳像素组PG13和第四拜耳像素组PG14可设置在第二像素区域中。第一至第四拜耳像素组PG11、PG12、PG13和PG14可设置在第一像素区域和第二像素区域中，使得具有相同颜色的单元像素彼此邻接或相邻。
第一拜耳像素组PG11可包括拜耳浮置扩散(FD)区域FD11。第二拜耳像素组PG12可包括拜耳浮置扩散(FD)区域FD12。第三拜耳像素组PG13可包括拜耳浮置扩散(FD)区域FD13。第四拜耳像素组PG14可包括拜耳浮置扩散(FD)区域FD14。
包含在第一拜耳像素组PG11中的拜耳浮置扩散(FD)区域FD11可指第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11。包含在第二拜耳像素组PG12中的拜耳浮置扩散(FD)区域FD12可指第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12。包含在第三拜耳像素组PG13中的拜耳浮置扩散(FD)区域FD13可指第三拜耳浮置扩散(FD)区域FD13。包含在第四拜耳像素组PG14中的拜耳浮置扩散(FD)区域FD14可指第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14。拜耳浮置扩散(FD)区域FD11可设置在第一拜耳像素组PG11的中央部分。拜耳浮置扩散(FD)区域FD12可设置在第二拜耳像素组PG12的中央部分。拜耳浮置扩散(FD)区域FD13可设置在第三拜耳像素组PG13的中央部分。拜耳浮置扩散(FD)区域FD14可设置在第四拜耳像素组PG14的中央部分。
像素块115-2可包括设置有具有相同滤色器的四个单元像素的4SUM像素组PG2R。尽管作为示例，图3所示的像素块115-2示出设置有四个红色像素PX1R、PX2R、PX3R和PX4R的4SUM像素组PG2R，应该注意，在一些实现方式中，包含在像素块中的4SUM像素组可包括其它像素(例如，绿色或蓝色像素)。
尽管为了描述方便，上述实施方式集中于图3所示的4SUM像素组PG2R，但应该注意，还可包括设置有具有其它颜色的像素的4SUM像素组。因此，为了区分图3所示的4SUM像素组PG2R与稍后描述的其它4SUM像素组，图3所示的4SUM像素组PG2R以下将被称为第一4SUM像素组PG2R。
第一4SUM像素组PG2R可包括4SUM浮置扩散(FD)FD2R。4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可设置在4SUM像素组PG2R的中央部分。在图3中，4SUM像素组PG2R通过第二共享晶体管区域物理地隔离，使得布局结构中的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可按分布式方式设置在第一像素区域和第二像素区域中。相反，设置在第一像素区域中的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和设置在第二像素区域中的剩余4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可通过诸如金属线的导线电互连，使得互连的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可作为单个浮置扩散(FD)区域操作。
为了区分设置在第一4SUM像素组(PG2R)的中央部分的4SUM浮置扩散(FD)区域与包含在其它4SUM像素组中的其它4SUM浮置扩散(FD)区域，设置在第一4SUM像素组(PG2R)的中央部分的4SUM浮置扩散(FD)区域以下将被称为第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R。
像素组PG11、PG12、PG13、PG14和PG2R中的每一个可包括四个单元像素。在一些实现方式中，第一拜耳像素组PG11可包括两个绿色像素PX1GB和PX1GR、单个红色像素PX1R和单个蓝色像素PX1B。另外，第一4SUM像素组(PG2R)可包括四个红色像素PX1R、PX2R、PX3R和PX4R。
包含在像素组PG11、PG12、PG13、PG14和PG2R中的每一个中的单元像素可包括光电转换元件、第一转移晶体管、第二转移晶体管、拜耳浮置扩散(FD)区域的一些部分以及4SUM浮置扩散(FD)区域的一些部分。为了描述方便，作为示例，将讨论第一拜耳像素组PG11。包含在第一拜耳像素组PG11中的红色像素PX1R可包括光电转换元件PD1R、第一转移晶体管TR11R、第二转移晶体管TR21R、第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11的一些部分以及第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R的一些部分。
包含在第一拜耳像素组PG11中的单元像素PX1B、PX1GB、PX1GR和PX1R可包括光电转换元件(例如，光电二极管)PD1B、光电转换元件PD1GB、光电转换元件PD1GR和光电转换元件PD1R。光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R中的每一个可吸收入射光，并且可累积与所吸收的入射光的量对应的电荷。
尽管图中未示出，滤色器可设置在单元像素PX1B、PX1GB、PX1GR和PX1R中的每一个中，并且滤色器可分别关于入射光入射的方向与光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R交叠。光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R中的每一个可生成与在穿过滤色器之后选择性地接收的波长带的入射光的强度对应的光电荷，并且可累积光电荷。
光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R中的每一个可被实现为光电二极管、光电晶体管、光门、钉扎光电二极管(PPD)或其组合。
包含在单元像素中的第一转移晶体管和第二转移晶体管可联接到浮置扩散(FD)区域和光电转换元件，使得第一转移晶体管和第二转移晶体管可将光电转换元件所生成的光电荷转移至浮置扩散(FD)区域。在一些实现方式中，通过在像素布局图中布置转移晶体管，使得各个浮置扩散(FD)区域与各个光电转换元件之间的接触区域的大小可最大化，并且各个光电转换元件可提供足够的面积以接收接收(Rx)光，传输(Tx)效率可改进。
参考包含在第一拜耳像素组PG11中的红色像素PX1R，红色像素PX1R的第一转移晶体管TX11R可与第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11邻接或相邻布置，并且红色像素PX1R的第二转移晶体管TX21R可与第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R邻接或相邻布置。
换言之，第一转移晶体管TX11R可联接在光电转换元件PD1R和第一浮置扩散(FD)区域FD11之间，并且第二转移晶体管TX21R可联接在光电转换元件PD1R和第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R之间，使得第一转移晶体管和第二转移晶体管可在一个像素中按对角方式布置。参考包含在第一拜耳像素组PG11中的第一转移晶体管TR11B、TR11GB、TR11GR和TR11R的布置结构，第一转移晶体管TR11B、TR11GB、TR11GR和TR11R可关于第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11径向布置。这是因为包含在第一拜耳像素组PG11中的光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R被布置为共享第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11。
同样，可从包含在第一4SUM像素组PG2R中的第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R看出，第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R可关于第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R放射状布置。这是因为包含在第一4SUM像素组PG2R中的光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R被布置为共享第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R。
如上所述，在单个像素组中共享浮置扩散(FD)区域，并且可由单个像素组中的共享晶体管DX、SX、RX和DCG感测和处理传输到浮置扩散(FD)区域的光电荷，使得第一晶体管区域和第二晶体管区域的共享晶体管的位置可根据拜耳浮置扩散(FD)区域和4SUM浮置扩散(FD)区域的布置而改变。
浮置扩散(FD)区域可通过诸如金属线的导线联接到共享晶体管。当在布局结构中导线的复杂度增加时，图像感测装置100的特性可能由于噪声出现而劣化，使得浮置扩散(FD)区域和共享晶体管可被布置为优化诸如金属线的导线的布置。
在一些实现方式中，两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13以及两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G(参见图4)可共享包含在像素块115-2中的共享晶体管当中的一个驱动晶体管DX、一个选择晶体管SX、一个双转换增益晶体管DCG和一个重置晶体管RX。
在这种情况下，布置晶体管，使得两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13联接到双转换增益晶体管DCG的一个端子，并且两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G(参见图4)联接到驱动晶体管DX的栅极端子，使得共享晶体管可如图3所示布置在第一晶体管区域和第二晶体管区域中。以下将参照图4详细描述浮置扩散(FD)区域与共享晶体管之间的连接关系。
图4是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100中的像素组和晶体管的布局图。
图4还示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100中的像素组和晶体管之间的互连件(例如，金属线)。
由于诸如金属线的互连件(或导线)在图像感测装置100中重复地布置，所以下面的讨论将集中于由实线表示的导线(即，金属线)。
在一些实现方式中，金属线可提供到两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13以及两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G的互连，以使得它们可共享驱动晶体管DX、选择晶体管SX、双转换增益晶体管DCG和重置晶体管RX。
为了区分图4所示的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G与第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R，图4所示的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G以下将被称为第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G。
在一些实现方式中，第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和第三拜耳浮置扩散(FD)区域FD13可通过金属线联接到双转换增益晶体管DCG的一个端子。双转换增益晶体管DCG的另一端子可通过金属线联接到第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G。
联接到双转换增益晶体管DCG的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G可联接到感测节点SN，并且感测节点SN可联接到驱动晶体管DX的栅极端子。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可分别在两个不同的模式下执行两个不同的操作。
可根据图像感测装置100的图像捕获环境来确定模式，并且控制寄存器170可由图像处理器200控制以确定晶体管在各个模式下如何操作。更详细地，图像处理器200的相机控制器220可输出控制寄存器170的模式控制信号，并且接收到模式控制信号的控制寄存器170可响应于模式控制信号而控制包含在图像感测装置100中的相应晶体管的操作。
相机控制器220可响应于从图像信号处理器210接收的控制器控制信号而改变要输出到控制寄存器170的模式控制信号。基于所公开的技术的一些实现方式的图像处理器200可参考图像感测装置100所捕获的图像信息来基于图像捕获环境确定在各个操作模式下晶体管的操作。
图像信号处理器210可通过参考从缓冲器140接收的图像信息以及从单独的照度传感器等接收的用户请求或照度信息来将控制器控制信号发送到相机控制器220。
在与两个模式之一对应的第一模式(即，拜耳模式)下，第一转移晶体管TR11R、TR11GR、TR11GB和TR11B可在不同的时间点被启用和操作。在这种情况下，第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R可被停用。
第一模式(即，拜耳模式)可指高照度环境，其中图像传感器可接收足够量的接收(Rx)光，使得由各个像素生成的光电荷的量大于低照度环境。
包含在第一拜耳像素组PG11中的光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR和PD1R可通过第一转移晶体管TR11B、TR11GB、TR11R和TR11GR中的每一个联接到第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11。
由于第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11电联接到第三拜耳浮置扩散(FD)区域FD13，所以拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13可通过第一转移晶体管TR11B、TR11GB、TR11R和TR11GR来接收由光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1R和PD1GR中的每一个生成的光电荷。
当双转换增益晶体管DCG被启用时，四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可并联联接到感测节点SN。
当双转换增益晶体管DCG被启用时，布局结构中的浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G的节点可直接联接到一个节点，但是相应浮置扩散(FD)节点的结电容器彼此并联联接。在所公开的技术中，浮置扩散(FD)区域的并联连接可表示浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G之间的结电容器彼此并联电联接。
在第一模式(拜耳模式)下，当感测由包含在第一拜耳像素组PG11中的光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R生成的光电荷时，感测节点SN的寄生电容以外的电容可与四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G的电容之和相同。这是因为双转换增益晶体管DCG可在第一模式(拜耳模式)下始终保持启用，并且将参照图6讨论示例。
在第二模式(即，4SUM模式)下，第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R可被同时启用和操作。在这种情况下，第一转移晶体管TR11R、TR11GR、TR11GB和TR11B可被停用。
第二模式(即，4SUM模式)可指具有少量接收(Rx)光的低照度环境，并且可表示由各个像素生成的光电荷的量少于高照度环境的示例性情况。
第一4SUM像素组PG2R的光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R可通过第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R联接到第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R。第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可通过诸如金属线的互连件电联接到第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G。4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G可直接联接到感测节点SN，使得4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G可对感测节点SN的电容有贡献。
由于第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R电联接到第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G，所以4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G可通过第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R接收由光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R生成的光电荷。在图4所示的实施方式的构成元件之间的连接关系中，第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G可像单个浮置扩散(FD)区域一样操作。
在第二模式(即，4SUM模式)下，尽管可感测光电荷而与双转换增益晶体管DCG的启用无关，可基于双转换增益晶体管DCG是否被启用来确定所生成的光电荷是否将被转移至拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可在第二模式(4SUM模式)下以感测节点SN的电容可增加的方式调节双转换增益晶体管DCG的启用或停用，使得在第二模式(4SUM模式)下图像感测装置100可对噪声鲁棒。
更详细地，在读操作中测量的噪声的绝对量可与感测节点SN的电容成反比。结果，当感测节点SN的总电容增加时，测量噪声的量可减少。
浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G暂时存储并累积由光电转换元件生成的光电荷。与累积的光电荷的电压对应的信号可被转移至感测节点SN，并且转移至感测节点SN的信号可由设置在第一共享晶体管区域中的驱动晶体管DX放大和感测。
更详细地，驱动晶体管DX的栅电极可通过感测节点SN接收暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G中的光电荷。驱动晶体管DX可基于所接收的光电荷向选择晶体管SX输出电源电压。选择晶体管SX可将驱动晶体管DX的输出电压传输到输出端口。
设置在第二共享晶体管区域中的双转换增益晶体管DCG可根据相应模式而被启用或停用。
设置在第二共享晶体管区域中的重置晶体管RX可将浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G中的每一个以及光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR、PD1R、PD2R、PD3R、PD4R等中的每一个重置为电源电压电平。
根据在像素阵列110-2中如何共享晶体管DX、SX、DCG和RX或者根据在像素阵列110-2中如何布置诸如导线的金属线，设置在第一共享晶体管区域和第二共享晶体管区域中的每一个中的晶体管DX、SX、DCG和RX可按不同的布置形状布置。
图5示出基于所公开的技术的一些实现方式的图4所示的一些像素组。
由于基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100被配置为使得整个像素阵列110-3的构成元件按重复布置结构布置，所以为了描述方便，作为示例，将讨论第一拜耳像素组PG11和第一4SUM像素组PG2R的等效电路。
由包含在相应像素组中的光电转换元件PD1B、PD1GB、PD1GR、PD2R、PD3R、PD4R等生成的光电荷可根据相应模式通过不同的转移晶体管被转移至不同的浮置扩散(FD)区域。
然而，可从图5看出，在使用在拜耳模式期间不将光电荷转移至第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11的第二转移晶体管TR21GR、TR21B和TR21GB的情况下，或者在使用在4SUM模式期间不将光电荷转移至第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R的第一转移晶体管TR12R、TR13R和TR14R的情况下，为了描述方便，图5中仅示出连接的晶体管的名称。另外，可从图4看出，四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可联接到单个感测节点SN，使得将简要示出四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G之间关于感测节点SN的连接关系。
参照图5，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可包括像素组(PG11、PG2R等)、双转换增益晶体管DCG、感测节点SN、驱动晶体管DX、选择晶体管SX和重置晶体管RX。
第一拜耳像素组PG11可包括光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R、转移晶体管(TR11GB、TR11B、TR11GR、TR11R等)、第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11等。第一4SUM像素组PG2R可包括光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R、转移晶体管(TR21R、TR22R、TR23R、TR24R等)、第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R等。在这种情况下，光电转换元件PD1R可由第一拜耳像素组PG11和第二拜耳像素组PG2R共享。
累积在相应的光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR、PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的光电荷可通过为各个模式启用的晶体管被转移至浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G。
转移晶体管(TR11GB、TR11B、TR11GR等)可根据施加到转移晶体管的栅极端子的相应转移控制信号(TX11GB、TX11B、TX11GR等)的逻辑电平而导通，使得累积在光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR、PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的光电荷可被转移至浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G。
在充当第一模式的拜耳模式下，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可通过第一转移晶体管TR11GB、TR11B、TR11GR和TR11R将累积在光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R中的电荷独立地传输至浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G。
在充当第一模式的拜耳模式下，为了独立地传输累积在各个光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R中的光电荷，可在不同的时间点施加对第一转移晶体管TR11GB、TR11B、TR11GR和TR11R的转移控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR和TX11R。
换言之，在充当第一模式的拜耳模式下，浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可单独地接收累积在各个单元像素的光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R中的电荷，使得感测节点SN可独立地感测和检测累积在光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R中的每一个中的电荷。
因此，在充当第一模式的拜耳模式下，可针对各个单元像素独立地感测由第一拜耳像素组PG11的光电转换元件PD1GB、PD1B、PD1GR和PD1R中的每一个生成的光电荷。
相反，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可通过第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R将累积在光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的电荷同时传输到浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G或者浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G。
在第二模式(4SUM模式)下，接收光电荷的浮置扩散(FD)区域的容量可根据双转换增益晶体管DCG的启用或停用而改变。即，当双转换增益晶体管DCG被停用时，浮置扩散(FD)区域的总容量可由第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R的容量和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G的容量之和表示。
相反，当双转换增益晶体管DCG被启用时，接收光电荷的浮置扩散(FD)区域的总容量可由第一拜耳浮置扩散(FD)区域FD11的容量、第三拜耳浮置扩散(FD)区域FD13的容量、第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R的容量和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G的容量之和表示。当施加到双转换增益晶体管DCG的栅极端子的增益转换控制信号(GCS)处于逻辑高电平时，双转换增益晶体管DCG可被启用。
为了将光电荷同时传输至浮置扩散(FD)区域，对第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R的转移控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可同时在逻辑高电平启用。
在第二模式(4SUM模式)下，浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G或者浮置扩散(FD)区域FD11、FD14、FD2R和FD2G可同时接收累积在光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的电荷，并且感测节点SN可同时感测和检测累积在光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的电荷。因此，在第二模式下，第一4SUM像素组PG2R的光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R可像单个光电转换元件一样被感测。示出为源极跟随放大器的驱动晶体管DX可放大与接收到光电荷的浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G联接的感测节点SN的电位的改变，并且可将经放大的电位的改变传输到选择晶体管SX。
在第一模式(拜耳模式)和第二模式(4SUM模式)中的每一个下，施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得所得光电荷可被放大。在这种情况下，驱动晶体管DX可用作源极跟随器。此后，可根据是否施加对选择晶体管SX的控制信号SEL来输出放大的电压作为输出电压(Vpixel_out)。
图6是示出用于在图5所示的电路的第一模式(拜耳模式)期间控制晶体管的方法的时序图。图7是示出用于在图5所示的电路的第二模式(4SUM模式)期间控制晶体管的方法的时序图。图8是示出用于在图5所示的电路的第二模式(4SUM模式)的低噪声操作期间控制晶体管的方法的时序图。图9是示出用于在图5所示的电路中基于两个测量方法的第二模式(4SUM模式)期间控制晶体管的方法的时序图。为了描述方便，这里的讨论将集中于图5所示的第一拜耳像素组PG11和第一4SUM像素组PG2R。为了控制图5所示的电路，图6中示出分别施加到包含在像素组PG11和PG2R中的晶体管TR11GB、TR11B、TR11GR、TR11R、TR21R、TR22R、TR23R、TR24R、RX和DCG的控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS。
在一些实现方式中，驱动晶体管DX和选择晶体管SX如上面参照图5所讨论的来操作，并且感测节点SN的信号被施加到驱动晶体管DX的栅极端子然后被放大的第一模式(拜耳模式)的操作可按与可如下面将讨论的来操作的第二模式(4SUM模式)下相同的方式执行。为了描述方便，作为示例，将讨论重置晶体管RX的控制信号RST、双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS以及转移晶体管TR11GB、TR11B、TR11GR、TR11R、TR21R、TR22R、TR23R和TR24R的控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS。
控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS中的每一个可具有两个逻辑电平。为了描述方便，“1”可表示各个信号的逻辑高电平，“0”可表示各个信号的逻辑低电平。即，当具有逻辑高电平的控制信号被施加到各个晶体管的栅极端子时，对应晶体管可被启用(或导通)。当具有逻辑低电平的控制信号被施加到各个晶体管的栅极端子时，对应晶体管可被停用(截止)。
参考图6所示的第一模式(拜耳模式)的时序图，当图像感测装置100执行第一模式(拜耳模式)的捕获时，从第一拜耳像素组PG11的像素生成并输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第十七时段T17。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R、TX2、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX2表示TX21R、TX22R、TX23R和TX24R)。由于各个控制信号具有逻辑高电平，所以驱动晶体管DX和选择晶体管SX以外的剩余电路可彼此电联接。结果，可通过重置晶体管RX去除累积在互连的构成元件中的电荷。此后，可正确地测量累积在各个光电转换元件中的光电荷的量。
在第二时段T2中，对转移晶体管的控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R和TX2以及对重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的光电转换元件PD11GB、PG11B、PD11GR和PD11R中的每一个中累积光电荷。如上所述，光电转换元件PD11GB、PG11B、PD11GR和PD11R中的每一个可包括光电二极管等。
在光电转换元件PD11GB、PG11B、PD11GR和PD11R中累积光电荷的同时，双转换增益晶体管DCG的控制信号(GCS)可具有逻辑高电平和逻辑低电平中的任一个，双转换增益晶体管DCG的控制信号(GCS)不仅在用于去除通过重置晶体管RX累积的电荷的时间段(T1等)中，而且在用于将浮置扩散(FD)区域的光电荷传输至感测节点SN的时间段(T4等)中也应该始终保持在逻辑高电平。在一些实现方式中，如图6所示，在第一模式(拜耳模式)下，对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS可始终保持在逻辑高电平。
由于对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可保持电连接到感测节点SN。
在第三时段T3中，对第一转移晶体管的控制信号TX11B可具有逻辑高电平，然后可被施加到第一转移晶体管。由于控制信号TX11B具有逻辑高电平，所以由光电转换元件PD1B生成的光电荷可在第二时段T2中被转移至浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2G和FD2R。
在第四时段T4中，暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G中的光电荷可被转移至感测节点SN。由于对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS在第一模式(拜耳模式)期间保持在逻辑高电平，所以浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可联接到感测节点SN。施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得可读出通过放大的电压获得的信号。
在剩余的第五时段T5至第十七时段T17中，尽管图像感测装置100可按照与上述的第一时段T1至第四时段T4相似的方式操作，但是在第七时段T7、第十一时段T11和第十五时段T15中，不同的第一转移晶体管的控制信号TX11GB、TX11GR和TX11R可保持在逻辑高电平。更详细地，在第七时段T7中控制信号TX11GB可保持在逻辑高电平，在第十一时段T11中控制信号TX11GR可保持在逻辑高电平，在第十五时段T15中控制信号TX11R可保持在逻辑高电平。结果，在上述时间段中由光电转换元件PD1GB、PD1GR和PD1R生成的光电荷可被转移至浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2G和FD2R。
在基于所公开的技术的一些实现方式的第一拜耳像素组PG11中，读取信号的次序可改变为另一次序，所公开的技术的范围或精神不限于此。
参照图7所示的第二模式(4SUM模式)的时序图，当图像感测装置100操作第二模式(4SUM模式)时，用于从第一4SUM像素组PG2R的像素生成并输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第五时段T5。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX1、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX1表示TX11GB、TX11B、TX11GR和TX11R)。结果，在第一时段T1中，可通过重置晶体管RX去除累积在所有电连接的构成元件中的电荷。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100在第一时段T1期间去除累积在电路中的电荷。此后，可正确地测量累积在各个第一4SUM像素组PG2R中的光电荷的量。
在第二时段T2中，对转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R、TX24R和TX1以及对重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的光电转换元件PD21R、PG22R、PD23R和PD24R中的每一个中累积光电荷。如上所述，光电转换元件PD21R、PG22R、PD23R和PD24R中的每一个可包括光电二极管等。
在第三时段T3中，对第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可同时具有逻辑高电平。由于同时施加对第二转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R，所以由单元像素生成的光电荷可在第二时段T2期间被同时转移至4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G。
在第三时段T3和第四时段T4中，由第一4SUM像素组PG2R生成的所有光电荷可被转移至并暂时存储在4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G中。
在第二模式(4SUM模式)的第四时段T4中，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可使得双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS能够具有逻辑低电平，使得具有逻辑低电平的控制信号GCS可被施加到双转换增益晶体管DCG。由于拜耳浮置扩散(FD)区域FD11和FD13通过双转换增益晶体管DCG联接到感测节点SN，所以在控制信号GCS未被施加到双转换增益晶体管DCG的情况下，暂时存储在4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G中的光电荷可被转移至感测节点SN。
在第四时段T4中，暂时存储在4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G中的光电荷可被转移至感测节点SN，使得可读出信号。此后，在第五时段T5中，为了感测第五时段T5的下一时段，可再次重置所有电路。
即，在第二模式(4SUM模式)下，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可选择性地启用双转换增益晶体管DCG，并且可根据双转换增益晶体管DCG的启用或停用来改变感测节点SN的电容，使得可在第二模式(4SUM模式)下读出两个不同的信号。
以下将参照图8所示的第二模式低噪声(4SUM模式低噪声)操作的时序图来描述双转换增益晶体管DCG被启用的第二模式(4SUM模式)。
参照图8所示的第二模式低噪声操作(4SUM模式低噪声)的时序图，当图像感测装置100以第二模式低噪声操作(4SUM模式低噪声)操作时，用于从第一4SUM像素组PG2R的像素生成并输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第五时段T5。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX1、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX1表示TX11GB、TX11B、TX11GR和TX11R)。因此，在第一时段T1中，可通过重置晶体管RX去除电连接的电路中所包含的所有构成元件中累积的电荷。基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100在第一时段T1中去除累积的电荷。此后，可正确地测量累积在第一4SUM像素组PG2R中的光电荷的量。
在第二模式低噪声操作(4SUM模式低噪声)中，在图像感测装置100操作时，双转换增益晶体管DCG可始终保持启用。即，对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS可始终保持在逻辑高电平。
由于对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以四个浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G可保持连接到感测节点SN。
在第二时段T2中，转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R、TX24R和TX1和重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的光电转换元件PD21R、PG22R、PD23R和PD24R中的每一个中累积光电荷。在第二模式(4SUM模式)下，所有第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R在一个时段内被同时启用(导通)，使得噪声的量也可增加四倍。
在第三时段T3中，对第二转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可同时具有逻辑高电平。由于对第二转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可同时具有逻辑高电平，所以由第一4SUM像素组PG2R生成的所有光电荷可在第三时段T3中被传输至并暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G中。
在第四时段T4中，暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G中的光电荷可被传输至感测节点SN。在第二模式低噪声操作(4SUM模式低噪声)中，对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS可保持在逻辑高电平，感测节点SN可联接到浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G，使得感测节点SN的电容可增加并且信号可对噪声鲁棒。施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得可读出通过放大的电压获得的信号。另外，在第五时段T5中，整个电路可被重置以感测下一时段。
在第二模式(4SUM模式)下，双转换增益晶体管DCG被停用的第一感测操作和双转换增益晶体管DCG被启用的第二感测操作可仅在一个时段期间执行。参照图9所示的基于两个测量方法的第二模式组合操作(4SUM模式组合)的时序图，双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS被启用的测量操作和双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS未被启用的测量操作可在与时间段T1至T9对应的一个时段中执行。
与图8相比，图9示出仅双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS被配置为在不同的时间点操作。参照图9所示的第七时段T7至第九时段T9，双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS以及第二转移晶体管TX21R、TX22R、TX23R和TX24R的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可被同时启用，并且可保持启用直至到达第九时段T9。
由于双转换增益晶体管DCG在第七时段T7至第九时段T9中被启用，所以联接到感测节点SN的浮置扩散(FD)区域可维持为拜耳浮置扩散(FD)区域和4SUM浮置扩散(FD)区域FD11、FD13、FD2R和FD2G，使得可维持感测节点SN的增加的电容。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像处理器200可使用通过控制图像感测装置100的双转换增益晶体管DCG而获得的两个信号来处理高质量图像。
例如，在双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS具有逻辑低电平的情况下感测的第一信号信息可与在控制信号GCS具有逻辑高电平的情况下感测的第二信号信息进行比较，使得可计算由噪声导致的共模信号并且可校正这种噪声的值。结果，可获得高质量图像信息。
尽管为了描述方便，上述实施方式集中于第一拜耳像素组PG11和第一4SUM像素组PG2R，但是应该注意，如上所述的相同方案也可应用于其它像素组。
图10是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于图像感测装置的像素块、像素组和晶体管的布局图。
为了描述方便，作为示例，这里的讨论将集中于拜耳像素组当中的一个组PG12以及4SUM像素组当中的一个组PG2R。
如先前参照图3描述的，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的像素阵列110-4中的像素块115-3可包括单元像素(PX2B、PX2GB、PX2GR、PX2R、PX3R、PX4R等)、驱动晶体管DX、选择晶体管SX、重置晶体管RX和双转换增益晶体管DCG。
驱动晶体管(DX)、选择晶体管(SX)、重置晶体管(RX)和双转换增益晶体管(DCG)可由像素组(PG11、PG2R等)共享，使得上述晶体管可用作共享晶体管。类似于图3，在像素块115-3中，设置有共享晶体管的一个区域(即，第一共享晶体管区域和第二共享晶体管区域)和设置有单元像素的其它区域(即，第一像素区域和第二像素区域)可交替地布置。
像素块115-3的第一共享晶体管区域可包括两个驱动晶体管(DX)和两个选择晶体管(SX)。像素块115-3的第二共享晶体管区域可包括两个双转换增益晶体管(DCG)和两个重置晶体管(RX)。
图10所示的像素块115-3中所包含的像素组的布局图可与图3基本上相同。因此，像素组的单元像素、浮置扩散(FD)区域和转移晶体管的布置结构可与上面讨论的那些相同。
如先前在图3中描述的，需要在单个像素组中共享浮置扩散(FD)区域，并且需要由单个像素组中的共享晶体管DX、SX、RX和DCG感测和处理施加到浮置扩散(FD)区域的光电荷，使得第一晶体管区域和第二晶体管区域的共享晶体管的位置可根据拜耳浮置扩散(FD)区域和4SUM浮置扩散(FD)区域的布置结构而改变。
在一些实现方式中，两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14与两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G(参见图11)可共享像素块115-2中所包含的共享晶体管当中的一个驱动晶体管DX、一个选择晶体管SX、一个双转换增益晶体管DCG和一个重置晶体管RX。
在这种情况下，布置晶体管以使得两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G(参见图11)联接到双转换增益晶体管DCG的一个端子并且两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14中的每一个联接到驱动晶体管DX的栅极端子，使得共享晶体管可布置在第一晶体管区域和第二晶体管区域中，如图10所示。以下将参照图11详细描述浮置扩散(FD)区域与共享晶体管之间的连接关系。
图11是示出基于所公开的技术的一些实现方式的用于图像感测装置100的像素组和晶体管之间的连接关系的布局图。
图11简要示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的金属线。
由于诸如金属线的导线在图像感测装置100中重复地布置，所以关于图像感测装置100的讨论将集中于由实线表示的导线(即，金属线)。为了易于区分，重复的导线由虚线表示。
在一些实现方式中，充当导线的金属线可彼此联接，使得两个拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14以及两个4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G被配置为共享驱动晶体管DX、选择晶体管SX、双转换增益晶体管DCG和重置晶体管RX。
以与图4相同的方式，为了区分图11所示的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G与第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R，图11所示的4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G以下将被称为第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G。
在一些实现方式中，第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G可通过金属线联接到双转换增益晶体管DCG的一个端子。双转换增益晶体管DCG的另一端子可通过金属线联接到第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14。
联接到双转换增益晶体管DCG的拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14可联接到感测节点SN，并且感测节点SN可联接到驱动晶体管DX的栅极端子。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可在两个不同的模式下执行不同的指定操作。
相应模式可根据图像感测装置100的图像捕获环境而改变，并且控制寄存器170可由图像处理器200控制，使得可决定在各个操作模式下操作晶体管的方法。通过参考图像感测装置100所捕获的图像信息根据图像捕获环境针对各个模式确定晶体管的操作的方法可与图4的那些基本上相同。
然而，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可确定是否在高照度环境下操作双转换增益晶体管DCG，使得可获取高动态范围。
在与两个模式之一对应的第一模式(拜耳模式)下，第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12GR和TR12R可在不同的时间点被启用和操作。在这种情况下，第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R可被停用。
第一模式(拜耳模式)可指具有足够量的接收(Rx)光的高照度环境，并且可表示由各个像素生成的光电荷的量大于低照度环境的示例性情况。
包含在第二拜耳像素组PG12中的光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2R和PD2GR可通过第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12R和TR12GR联接到第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12。
由于第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12电联接到第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14，所以拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14可通过第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12R和TR12GR来接收由光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2R和PD2GR生成的光电荷。
如上所述，第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R可通过金属线联接到双转换增益晶体管DCG和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD13。由于双转换增益晶体管DCG、第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14联接到感测节点SN，所以四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可并联联接到感测节点SN。浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G之间的并联连接可指示结电容器彼此并联电联接。
与金属线之间的连接关系关联，为了在第二模式(4SUM模式)下感测由第一4SUM像素组PG2R生成的光电荷，双转换增益晶体管DCG应该被启用。在这种情况下，感测节点SN的寄生电容以外的电容可与上述四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G的电容的总和相同。换言之，在第二模式(4SUM模式)下，双转换增益晶体管DCG可始终保持启用，并且以下将参照图12给出其详细描述。
第二拜耳像素组PG12的光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2R和PD2GR可通过第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12R和TR12GR联接到第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12。第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12可通过充当导线的金属线电联接到第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14。拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14可直接联接到感测节点SN，使得拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14可对感测节点SN的电容有贡献。
由于第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12电联接到第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14，所以拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14可通过第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12R和TR12GR来接收由光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2R和PD2GR生成的光电荷。在图10所示的实施方式的构成元件之间的连接关系中，第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14可像单个浮置扩散(FD)区域一样操作。
在第一模式(拜耳模式)下，尽管可感测光电荷而与双转换增益晶体管DCG的启用无关，但是可基于双转换增益晶体管DCG的启用或停用来确定关于所生成的光电荷是否将被转移至4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G的信息。即，在第一模式(拜耳模式)下，感测节点SN与浮置扩散(FD)区域之间的连接关系可根据双转换增益晶体管DCG的启用或停用而改变。换言之，在第一模式(拜耳模式)下，双转换增益晶体管DCG可被启用以改变感测节点SN的电容。
在第一模式(拜耳模式)下，图像感测装置100可控制双转换增益晶体管DCG的启用或停用以增加感测节点SN的电容，使得可在第一模式(拜耳模式)下调节感测节点SN的总电容。
浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可暂时存储和累积所接收的光电荷。与累积的光电荷的电压对应的信号可被传送至感测节点SN，并且施加到感测节点SN的信号可由设置在第一共享晶体管区域中的驱动晶体管DX放大和感测。
更详细地，驱动晶体管DX的栅电极可通过感测节点SN接收暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G中的光电荷。驱动晶体管DX可基于所接收的光电荷向选择晶体管SX输出电源电压。选择晶体管SX可将驱动晶体管DX的输出电压传输到输出端口。
设置在第二共享晶体管区域中的双转换增益晶体管DCG可根据相应模式而被启用或停用。
设置在第二共享晶体管区域中的重置晶体管RX可将浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G中的每一个以及光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR、PD1R、PD2R、PD3R、PD4R等中的每一个重置为电源电压电平。
根据在像素阵列110-5中如何共享晶体管DX、SX、DCG和RX或者根据在像素阵列110-5中如何布置诸如导线的金属线，设置在第一共享晶体管区域和第二共享晶体管区域中的每一个中的晶体管DX、SX、DCG和RX可按不同的布置形状布置。
图12是示出图11所示的一些像素组的概念等效电路。
由于图像感测装置100被配置为使得整个像素阵列110-5的构成元件按重复的布置结构布置，所以为了描述方便，下面的讨论将集中于第二拜耳像素组PG12和第一4SUM像素组PG2R的等效电路。
包含在各个像素组中的单元像素可由第二拜耳像素组PG12和第一4SUM像素组PG2R以外的其它像素组共享。然而，可从图12看出，在使用第二拜耳像素组PG12中不包含的晶体管和第一4SUM像素组PG2R中不包含的晶体管的情况下，为了描述方便，图12中仅示出连接的晶体管的名称。另外，可从图12看出，四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可联接到单个感测节点SN，使得将简要示出四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G之间关于感测节点SN的连接关系。
参照图12，图像感测装置100可包括像素组(PG11、PG2R等)、双转换增益晶体管DCG、感测节点SN、驱动晶体管DX、选择晶体管SX和重置晶体管RX。
累积在相应的光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR、PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的光电荷可通过针对各个模式要启用的晶体管被转移至浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G。
转移晶体管(TR12GB、TR12B、TR12GR等)可根据施加到转移晶体管的栅极端子的相应转移控制信号(TX12GB、TX12B、TX12GR等)而导通，使得累积在光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR、PD1R、PD2R、PD3R和PD4R中的光电荷可被转移至浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G。
在第一模式(拜耳模式)下，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可通过第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12GR和TR12R将光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR和PD2R中累积的电荷独立地传输至浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G。
在第一模式(拜耳模式)下，为了独立地传输各个光电转换元件中累积的光电荷，可在不同的时间点施加对第一转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12GR和TR12R的转移控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR和TX12R。
换言之，在第一模式(拜耳模式)下，浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可单独地接收各个单元像素的光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR和PD2R中累积的电荷，使得感测节点SN可独立地感测和检测累积在光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR和PD2R中的每一个中的电荷。
因此，在第一模式(拜耳模式)下，可针对各个单元像素独立地感测由第一拜耳像素组PG12的光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2GR和PD2R中的每一个生成的光电荷。
在第一模式(拜耳模式)下，感测节点SN可单独地感测和检测累积在光电转换元件PD2GB、PD2B、PD2R和PD2GR中的每一个中的电荷，使得可使用所感测的电荷来处理图像。
在一些实现方式中，在第一模式(拜耳模式)下，接收光电荷的浮置扩散(FD)区域的容量可根据双转换增益晶体管DCG的启用或停用而改变。即，当双转换增益晶体管DCG被停用时，浮置扩散(FD)区域的总容量可由第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12的容量和第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14G的容量之和表示。相反，当双转换增益晶体管DCG被启用时，接收光电荷的浮置扩散(FD)区域的总容量可由第二拜耳浮置扩散(FD)区域FD12的容量、第四拜耳浮置扩散(FD)区域FD14的容量、第一4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R的容量和第二4SUM浮置扩散(FD)区域FD2G的容量之和表示。当施加到双转换增益晶体管DCG的栅极端子的增益转换控制信号(GCS)处于逻辑高电平时，双转换增益晶体管DCG可被启用。
相反，在第二模式(4SUM模式)下，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100可启用双转换增益晶体管DCG以感测由第一4SUM像素组PG2R的光电转换元件PD1R、PD2R、PD3R和PD4R生成的光电荷。即，需要在第二模式(4SUM模式)下启用双转换增益晶体管DCG。
示出为源极跟随放大器的驱动晶体管DX可放大联接到已接收光电荷的浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G的感测节点SN的电位的改变，并且可将经放大的电位的改变传输至选择晶体管SX。
在第一模式(拜耳模式)和第二模式(4SUM模式)中的每一个下，施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得所得光电荷可被放大。在这种情况下，驱动晶体管DX可用作源极跟随器。此后，根据是否施加对选择晶体管SX的控制信号SEL，可输出经放大的电压作为输出电压(Vpixel_out)。
图13至图15是示出基于所公开的技术的一些实现方式的在图12所示的电路的相应模式下控制晶体管的方法的时序图。为了描述方便，下面的讨论将集中于图12所示的第二拜耳像素组PG12和第一4SUM像素组PG2R。
为了控制图12所示的电路，图13中示出分别施加到像素组PG11和PG2R中所包含的晶体管TR11GB、TR11B、TR11GR、TR11R、TR21R、TR22R、TR23R、TR24R、RX和DCG的控制信号TX11GB、TX11B、TX11GR、TX11R、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS。
驱动晶体管DX和选择晶体管SX如上面参照图12所讨论的来操作，并且感测节点SN的信号被施加到驱动晶体管DX的栅极端子然后被放大的操作可在可如下面将讨论的来操作的所有模式下相同地执行。为了描述方便，作为示例，将讨论重置晶体管RX的控制信号RST、双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS以及转移晶体管TR12GB、TR12B、TR12GR、TR12R、TR22R、TR21R、TR23R和TR24R的控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR、TX12R、TX22R、TX21R、TX23R、TX24R、RST和GCS。
控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR、TX12R、TX22R、TX21R、TX23R、TX24R、RST和GCS中的每一个可具有两个逻辑电平。为了描述方便，“1”可表示各个信号的逻辑高电平，“0”可表示各个信号的逻辑低电平。即，当具有逻辑高电平的控制信号被施加到各个晶体管的栅极端子时，对应的晶体管可被启用(或导通)。当具有逻辑低电平的控制信号被施加到各个晶体管的栅极端子时，对应的晶体管可被停用(截止)。
参照图13所示的第一模式(拜耳模式)的时序图，当图像感测装置100执行第一模式(拜耳模式)的捕获时，用于从第二拜耳像素组PG12的像素生成和输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第十七时段T17。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR、TX12R、TX2、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX2表示TX21R、TX22R、TX23R和TX24R)。由于各个控制信号具有逻辑高电平，所以驱动晶体管DX和选择晶体管SX以外的剩余电路可彼此电联接。结果，可通过重置晶体管RX去除累积在互连的构成元件中的电荷。此后，可正确地测量累积在各个光电转换元件中的光电荷的量。
在第二时段T2中，对转移晶体管的控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR、TX12R和TX2以及对重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的光电转换元件PD12GB、PG12B、PD12GR和PD12R中的每一个中累积光电荷。如上所述，光电转换元件PD12GB、PG12B、PD12GR和PD12R中的每一个可包括光电二极管等。
在第三时段T3中，对第一转移晶体管的控制信号TX12GB可具有逻辑高电平，然后可被施加到第一转移晶体管。由于控制信号TX12GB具有逻辑高电平，所以由光电转换元件PD12GB生成的光电荷可在第二时段T2中被转移至浮置扩散(FD)区域FD12和FD14。
在第四时段T4中，暂时存储在拜耳浮置扩散(FD)区域FD12和FD14中的光电荷可被转移至感测节点SN。
施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得可读出通过经放大的电压获得的信号。
在剩余第五时段T5至第十七时段T17中，尽管图像感测装置100可按与上述的第一时段T1至第四时段T4类似的方式操作，但是在第七时段T7、第十一时段T11和第十五时段T15中，不同的第一转移晶体管的控制信号TX12B、TX12R和TX12GR可保持在逻辑高电平。更详细地，在第七时段T7中，控制信号TX12B可保持在逻辑高电平，在第十一时段T11中，控制信号TX12R可保持在逻辑高电平，在第十五时段T15中，控制信号TX12GR可保持在逻辑高电平。结果，由光电转换元件PD2B、PD2R和PD2GR生成的光电荷可在上述时间段中被转移至浮置扩散(FD)区域FD12和FD14。
在基于所公开的技术的一些实现方式的第二拜耳像素组PG12中，读取信号的次序可改变为另一次序，所公开的技术的范围或精神不限于此。
参照图14所示的第二模式(4SUM模式)的时序图，当图像感测装置100执行第二模式(4SUM模式)的捕获时，用于从第一4SUM像素组PG2R的像素生成和输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第五时段T5。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX1、TX21R、TX22R、TX23R、TX24R、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX1表示TX11GB、TX11B、TX11GR和TX11R)。结果，在第一时段T1中，可通过重置晶体管RX去除累积在所有电连接的构成元件中的电荷。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100在第一时段T1期间去除累积在电路中的电荷。此后，可正确地测量累积在各个第一4SUM像素组PG2R中的光电荷的量。
在第二时段T2中，对转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R、TX24R和TX1以及对重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的像素的光电转换元件PD21R、PG22R、PD23R和PD24R中的每一个中累积光电荷。如上所述，光电转换元件PD21R、PG22R、PD23R和PD24R中的每一个可包括光电二极管等。
在基于所公开的技术的一些实现方式的第二模式(4SUM模式)下，在图像感测装置100操作时，双转换增益晶体管DCG可始终保持启用。即，对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS可始终保持在逻辑高电平。
由于对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可保持连接到感测节点SN。
在第三时段T3中，对第二转移晶体管TR21R、TR22R、TR23R和TR24R的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R可同时具有逻辑高电平。由于同时施加对第二转移晶体管的控制信号TX21R、TX22R、TX23R和TX24R，所以由单元像素生成的光电荷可在第二时段T2期间被同时转移至4SUM浮置扩散(FD)区域FD2R和FD2G。
在第三时段T3和第四时段T4中，由第二像素组PG2R生成的所有光电荷可被转移至并暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G中。
在第四时段T4中，光电荷可从浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G转移至感测节点SN，使得读出信号。在第五时段T5中，可再次重置所有电路以感测下一时段。
参照图15所示的第一模式(拜耳模式高FD容量)的高发光强度操作的时序图，当图像感测装置100在第一模式高发光强度环境(拜耳模式高FD容量)下操作时，用于从第二拜耳像素组PG12的像素生成和输出信号的操作的时间段可被简要分类为第一时段T1至第十七时段T17。
在第一时段T1中，对晶体管的控制信号TX12GB、TX1B、TX12R、TX12GR、TX2、RST和GCS中的每一个可具有逻辑高电平(其中TX2表示TX21R、TX22R、TX23R和TX24R)。因此，在第一时段T1中，可通过重置晶体管RX去除累积在电连接的电路中所包含的所有构成元件中的电荷。基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100在第一时段T1中去除累积的电荷。此后，可正确地测量累积在第二拜耳像素组PG12中的光电荷的量。
在第二时段T2中，对转移晶体管的控制信号TX12GB、TX12B、TX12GR、TX12R和TX2以及对重置晶体管RX的控制信号RST可保持在逻辑低电平，使得可在像素阵列中所包含的光电转换元件PD12GB、PG12B、PD12R和PD12GR中的每一个中累积光电荷。在基于所公开的技术的其它实现方式的第一模式高发光强度操作(拜耳模式高FD容量)中，在图像感测装置100操作时，双转换增益晶体管DCG可始终保持启用。即，对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS可始终保持在逻辑高电平。
由于双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以四个浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可保持连接到感测节点SN。由于浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G联接到感测节点SN，所以感测节点SN的总电容可增加，使得在高发光强度(高FD容量)环境中也可获取图像质量未劣化的高质量图像。
当入射光的量的水平过高时，超过浮置扩散(FD)区域的阈值容量值的光电荷可被引入到图像感测装置中，使得可能发生诸如过度曝光现象的噪声。因此，由于双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以可调节浮置扩散(FD)区域之间的连接状态，使得可控制感测节点SN的转换增益。
在第三时段T3中，对各个第一转移晶体管的控制信号TX12GB可具有逻辑高电平。由于控制信号TX12GB具有逻辑高电平，所以由单元像素生成的光电荷可在第二时段T2期间被转移至浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2G和FD2R。
在第四时段T4中，暂时存储在浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G中的光电荷可被转移至感测节点SN。由于对双转换增益晶体管DCG的控制信号GCS保持在逻辑高电平，所以浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2R和FD2G可联接到感测节点SN。施加到感测节点SN的光电荷可被转移至驱动晶体管DX的栅极端子，使得可读出通过经放大的电压获得的信号。
在剩余的第五时段T5至第十七时段T17中，尽管图像感测装置100可按与上述的第一时段T1至第四时段T4相似的方式操作，但是在第七时段T7、第十一时段T11和第十五时段T15中，不同的第一转移晶体管的控制信号TX12B、TX12R和TX12GR可保持在逻辑高电平。更详细地，在第七时段T7中，控制信号TX12B可保持在逻辑高电平，在第十一时段T11中，控制信号TX12R可保持在逻辑高电平，在第十五时段T15中，控制信号TX12GR可保持在逻辑高电平。结果，由光电转换元件PD2B、PD2R和PD2GR生成的光电荷可在上述时间段中被转移至浮置扩散(FD)区域FD12、FD14、FD2G和FD2R。
在一些实现方式中，在第二拜耳像素组PG12中读取信号的次序可改变为另一次序，所公开的技术的范围或精神不限于此。
尽管为了描述方便，上面的讨论集中于第二拜耳像素组PG12和第一4SUM像素组PG2R，但是应该注意，如上所述的相同方案也可应用于其它像素组。
图16是示出包括基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的电子装置1000的示意图。参照图16，包括基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置100的电子装置1000可被实现为例如能够捕获静止图像或运动图像的相机等。电子装置1000可包括光学系统400(或光学透镜)、快门单元300和图像处理器200，图像处理器200被配置为控制/驱动图像感测装置100和快门单元300以及执行图像感测装置100和快门单元300的信号处理。
光学系统400可允许来自目标对象的图像光(入射光)被引入到图像感测装置100的像素阵列110(参见图1)中。光学系统400可包括多个光学透镜。快门单元300可控制图像感测装置100的光照明时段和光遮蔽时段。
图像处理器200可控制图像感测装置100的传输操作和快门单元300的快门操作。另外，图像处理器200可针对图像感测装置100的输出信号处理各种类型的信号。通过这种信号处理获得的图像信号(Dout)可被存储在诸如存储器的存储介质中，或者可被输出到监视器等。
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置可允许在低照度环境中捕获图像。
另外，基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置可获取高动态范围，而无需向高照度环境中引入单独的电容元件。
仅公开了用于实现所公开的技术的一些示例。可基于本专利文献中所公开的内容进行附加实现。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2020年5月22日提交的韩国专利申请No.10-2020-0061776的优先权和权益，其公开作为本专利文献的公开的一部分整体通过引用并入本文。

Claims (22)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
包括多个成像像素的成像像素阵列，各个成像像素被构造为检测入射光并生成像素信号，所述多个成像像素包括多个第一成像像素和多个第二成像像素，多个所述第一成像像素被分组为多个第一像素组，各个第一像素组包括不同的第一成像像素，其中至少一个第一成像像素的颜色不同于其它第一成像像素，多个所述第二成像像素被分组为多个第二像素组，其中，各个第二像素组包括相同颜色的第二成像像素；
多个第一浮置扩散区域，所述多个第一浮置扩散区域分别设置在所述第一像素组中，各个第一浮置扩散区域位于各个第一像素组中的所述第一成像像素的中央部分处或附近并由所述第一成像像素围绕，并且各个第一浮置扩散区域被联接以从各个第一像素组的所述第一成像像素接收光电荷；
多个第二浮置扩散区域，所述多个第二浮置扩散区域分别设置在所述第二像素组中，各个第二浮置扩散区域位于各个第二像素组中的第二成像像素的中央部分处或附近并由所述第二成像像素围绕；
感测节点，该感测节点联接到所述多个第一浮置扩散区域中的至少一个第一浮置扩散区域以感测所述至少一个第一浮置扩散区域的信号，并且该感测节点联接到所述多个第二浮置扩散区域中的至少一个第二浮置扩散区域以感测所述至少一个第二浮置扩散区域的信号；以及
双转换增益晶体管，该双转换增益晶体管联接在所述感测节点与第一浮置扩散区域和第二浮置扩散区域中的至少一个之间，以基于不同的入射光水平对来自所述第一浮置扩散区域或所述第二浮置扩散区域的信号生成不同的信号增益。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，多个所述第一像素组中的一个第一像素组和多个所述第二像素组中的被定位为与所述一个第一像素组相邻的一个第二像素组被配置为共享所述多个成像像素中的一个成像像素。
3.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
驱动晶体管，该驱动晶体管被配置为将从所述感测节点接收的信号放大；
选择晶体管，该选择晶体管被配置为将由所述驱动晶体管放大的所述信号输出到信号线；以及
重置晶体管，该重置晶体管被配置为去除累积在所述第一浮置扩散FD区域、所述第二浮置扩散FD区域和所述感测节点中的每一个中的光电荷，
其中，所述驱动晶体管、所述选择晶体管和所述重置晶体管由多个所述第一像素组中的一个第一像素组和多个4SUM像素组中的一个4SUM像素组共享。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，
所述双转换增益晶体管、所述驱动晶体管、所述选择晶体管和所述重置晶体管设置在被定位为与布置有所述成像像素的像素区域相邻的共享晶体管区域中，并且
所述共享晶体管区域和布置有所述成像像素的所述像素区域交替地布置。
5.根据权利要求4所述的图像感测装置，其中，
所述驱动晶体管和所述选择晶体管设置在第一共享晶体管区域中；并且
所述双转换增益晶体管和所述重置晶体管设置在第二共享晶体管区域中。
6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其中，
各个所述第二浮置扩散区域由所述第一共享晶体管区域或所述第二共享晶体管区域在物理上隔离。
7.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，包含在各个所述第一像素组中的各个成像像素或者包含在各个所述第二像素组中的各个成像像素包括：
光电转换元件；
第一转移晶体管，该第一转移晶体管联接在多个所述第一浮置扩散FD区域中的一个第一浮置扩散区域与所述光电转换元件之间；以及
第二转移晶体管，该第二转移晶体管联接在多个所述第二浮置扩散FD区域中的一个第二浮置扩散区域与所述光电转换元件之间。
8.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述第一转移晶体管和所述第二转移晶体管在各个成像像素中按对角方式设置。
9.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，包含在各个所述第一像素组中的所述第一转移晶体管关于对应的第一浮置扩散FD区域设置在径向方向上。
10.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，包含在各个所述第二像素组中的所述第二转移晶体管关于对应的第二浮置扩散FD区域设置在径向方向上。
11.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第一浮置扩散FD区域，并且通过其第二端子联接到对应的第二浮置扩散FD区域。
12.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，
所述双转换增益晶体管的所述第二端子联接到所述感测节点；并且
所述感测节点联接到所述驱动晶体管的栅极端子和所述重置晶体管的一个端子。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中，
当暂时存储在对应的第一浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，所述双转换增益晶体管被启用；并且
当暂时存储在对应的第二浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，根据噪声的程度来选择性地启用所述双转换增益晶体管。
14.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，所述双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第二浮置扩散FD区域，并且通过其第二端子联接到对应的第一浮置扩散FD区域。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，
所述双转换增益晶体管的所述第二端子联接到所述感测节点；并且
所述感测节点联接到所述驱动晶体管的栅极端子和所述重置晶体管的一个端子。
16.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，
当暂时存储在对应的第二浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，所述双转换增益晶体管被启用；并且
当暂时存储在对应的第一浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，根据施加到所述成像像素的接收光的强度来选择性地启用所述双转换增益晶体管。
17.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，
包含在各个所述第一像素组中的所述第一转移晶体管在不同的时间点被启用，以将由所述光电转换元件生成的光电荷转移至对应的第一浮置扩散FD区域。
18.根据权利要求7所述的图像感测装置，其中，
包含在各个所述第二像素组中的所述第二转移晶体管被同时启用，以将由所述光电转换元件生成的光电荷转移至对应的第二浮置扩散FD区域。
19.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
多个成像像素，所述多个成像像素被布置为使得各个成像像素属于多个第一像素组中的一个第一像素组和多个第二像素组中的一个第二像素组这二者；
多个第一浮置扩散FD区域，各个第一浮置扩散FD区域联接到所述多个成像像素中的至少一个成像像素，并且设置在多个所述第一像素组中的一个第一像素组的中央部分处；
多个第二浮置扩散FD区域，各个第二浮置扩散FD区域联接到所述多个成像像素中的至少一个成像像素，并且设置在多个所述第二像素组中的一个第二像素组的中央部分处；以及
感测节点，该感测节点被构造为连接多个所述第一浮置扩散区域中的至少一个第一浮置扩散区域并且被构造为连接多个所述第二浮置扩散区域中的至少一个第二浮置扩散区域，
其中，
各个所述第一像素组包括按2×2矩阵阵列布置的四个成像像素，并且所述四个成像像素中的至少一个成像像素的颜色不同于其它成像像素；
各个所述第二像素组包括按2×2矩阵阵列布置的四个成像像素，并且所有所述四个成像像素的颜色相同；并且
所述第一浮置扩散FD区域和所述第二浮置扩散FD区域中的至少一个通过双转换增益晶体管联接到所述感测节点。
20.根据权利要求19所述的图像感测装置，其中，对应的第一像素组和对应的第二像素组关于属于所述对应的第一像素组和所述对应的第二像素组这二者的所述成像像素按对角方式布置。
21.根据权利要求19所述的图像感测装置，其中，
所述双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第一浮置扩散FD区域，并且通过其第二端子联接到所述感测节点；
当暂时存储在所述对应的第一浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，所述双转换增益晶体管被启用；并且
当暂时存储在对应的第二浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，根据噪声的程度来选择性地启用所述双转换增益晶体管。
22.根据权利要求19所述的图像感测装置，其中，
所述双转换增益晶体管通过其第一端子联接到对应的第二浮置扩散FD区域，并且通过其第二端子联接到所述感测节点；
当暂时存储在所述对应的第二浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，所述双转换增益晶体管被启用；并且
当暂时存储在对应的第一浮置扩散FD区域中的光电荷被转移至所述感测节点时，根据由所述成像像素接收的光的强度来选择性地启用所述双转换增益晶体管。
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