CN115225833A - 像素阵列和包括像素阵列的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种像素阵列和包括该像素阵列的图像传感器。像素阵列包括：多个子像素，该多个子像素彼此相邻；以及读出电路，通过浮动扩散节点连接到多个子像素。子像素中的每一个包括：光电转换元件；溢出晶体管，连接到光电转换元件；光电晶体管，连接到光电转换元件和溢出晶体管；以及存储元件，连接到光电晶体管。

Description

像素阵列和包括像素阵列的图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2021年4月20日向韩国知识产权局提交的 韩国专利申请No.10-2021-0051358的优先权，其全部公开内容通过引 用合并于此。
技术领域
实施例涉及电子设备，并且更具体地，涉及像素阵列和包括像素 阵列的图像传感器。
背景技术
由于数码相机、数码摄像机和包括其功能的移动电话的使用增 加，图像传感器正在迅速发展。图像传感器可以是被配置为将光学图 像转换为电信号的半导体设备。
发明内容
实施例涉及一种像素阵列，包括：多个子像素，彼此相邻；以及 读出电路，通过浮动扩散节点连接到多个子像素。多个子像素中的每 一个可以包括：光电转换元件，被配置为累积由于入射到其上的反射 光而生成的光电荷；溢出晶体管；连接到光电转换元件；光电晶体管， 连接到光电转换元件和溢出晶体管；以及存储元件，连接到光电晶体 管。读出电路可以包括：复位晶体管，连接到浮动扩散节点；驱动晶 体管，包括连接到浮动扩散节点的栅电极；以及选择晶体管，连接到 驱动晶体管。
实施例涉及一种图像传感器，包括：行解码器，被配置为生成溢 出门信号；像素阵列，包括第一子像素至第四子像素；以及光电门控 制器，被配置为向第一子像素至第四子像素提供多个光电门信号。第 一子像素至第四子像素中的每一个可以包括：光电转换元件，被配置 为累积由于被对象反射的反射光而生成的光电荷；存储元件，被配置 为累积在光电转换元件中累积的光电荷；溢出晶体管，被配置为响应 于溢出门信号向光电转换元件提供电源电压；以及光电晶体管，被配 置为响应于多个光电门信号中的根据子像素的位置预先确定的光电门 信号，将光电转换元件电连接到存储元件。光电门控制器可以在积分周期期间，分别向第一子像素至第四子像素提供相对于入射到对象的 调制光分别具有0°、90°、180°和270°的不同相位差的第一光电 门信号至第四光电门信号。
实施例涉及一种图像传感器，包括：行解码器，被配置为生成溢 出门信号和快门控制信号；光电门控制器，被配置为生成光电门信号； 像素阵列，包括：第一子像素，连接到第一浮动扩散节点，第一读出 电路，连接到第一浮动扩散节点，第二子像素，连接到第二浮动扩散 节点，以及第二读出电路，连接到第二浮动扩散节点；以及信号处理 器，被配置为基于由像素阵列输出的多个像素信号生成对象的彩色图 像和深度图像。第一子像素中的至少一个可以包括被配置为生成用于 彩色图像的像素信号的彩色像素，并且第二子像素中的至少一个可以 包括被配置为生成用于深度图像的像素信号的距离像素。彩色像素和距离像素中的每一个可以包括：光电转换元件，被配置为累积由于从 对象反射的反射光而生成的光电荷；存储元件，被配置为累积在光电 转换元件中累积的光电荷；溢出晶体管，被配置为响应于溢出门信号 向光电转换元件提供电源电压；光电晶体管，被配置为响应于光电门 信号向存储元件提供在光电转换元件中累积的光电荷；以及快门晶体 管，被配置为响应于快门控制信号将光电晶体管电连接到存储元件。 光电门信号在积分周期期间可以处于导通电平。
附图说明
通过参考附图详细描述示例实施例，特征对于本领域技术人员将 变得显而易见，在附图中：
图1是根据示例实施例的图像传感器的示图；
图2A和图2B分别是根据示例实施例的包括在图像传感器中的像 素的主要部分的示意性截面图；
图3A至图3C示出了根据示例实施例的像素的主要部分的相应布 局；
图4A至图4E分别是根据示例实施例的像素的等效电路图；
图5是用于说明根据示例实施例的由于第一光电门信号至第四光 电门信号引起的操作的示图；
图6是用于说明根据示例实施例的由像素输出的像素信号的时间 点的示图；
图7示出了根据示例实施例的第一子像素XX1和第二子像素XX2 的布局；
图8是根据示例实施例的像素阵列的示图；
图9示出了根据示例实施例的第一子像素至第四子像素的布局；
图10是用于说明根据示例实施例的多个子像素之间的连接关系 的示图；
图11是用于说明根据示例实施例的施加到多个像素组的多个光 电门信号的示图；
图12A至图12D是根据示例实施例的施加到像素的信号的示意性 时序图；
图13是根据示例实施例的全局快门操作的示图；
图14A至图14C是用于说明根据示例实施例的施加到多个像素组 的多个光电门信号的示图；
图15A至图15C是根据示例实施例的施加到像素的信号的示意性 时序图；以及
图16是根据示例实施例的包括图像传感器的计算机系统的示意 性框图。
具体实施方式
图像传感器可以包括像素阵列或被称为光点的小型光电二极管， 其通常不会将光子从广谱光直接转换为电子，而是与滤色器结合，从 而仅将与广谱光中的特定颜色相对应的光子转换为电子。在这点上， 图像传感器的像素可以旨在仅接收广谱光的特定色带的光。图像传感 器的像素可以与滤色器结合，并且仅将与特定颜色相对应的光子转换 为电子，从而图像传感器可以获得彩色图像。
关于对象和图像传感器之间的距离的信息可以用于使用图像传 感器获得深度图像(或距离图像)。基于对象和图像传感器之间的距 离例如通过使用飞行时间(TOF)重建的图像可以表示为深度图像。
图1是根据示例实施例的图像传感器1的示图；
参照图1，图像传感器1可以应用于相机、摄像机、多媒体、光 通信(光纤、自由空间等)、激光探测和测距(LIDAR)、红外(IR) 显微镜、IR望远镜等。另外，图像传感器1可以应用于体热图像诊断 设备、环境监测系统(例如，无人产品监测器和海洋污染监测器)、 半导体生产线中的温度监测系统、建筑绝缘&泄漏检测系统、电气/电 子印刷电路板(PCB)电路和组件检测系统等各种领域。
图像传感器1可以包括时序控制器10、光模块20、距离传感器 30和透镜40。
时序控制器10可以基于从外部主机(或中央处理单元(CPU)) (未示出)发送的时钟信号来控制光模块20和距离传感器30中的每 一个的操作时间点。例如，时序控制器10可以基于时钟信号生成发光 控制信号LTC，并向光模块20发送发光控制信号LTC。时序控制器10 可以基于时钟信号生成行地址信号X-ADD、光检测控制信号DTC和相 关双采样(CDS)控制信号CDSC，并向距离传感器30发送行地址信号 X-ADD、光检测控制信号DTC和CDS控制信号CDSC。
光模块20可以基于发光控制信号LTC将调制光EL照射到对象2。 光模块20可以包括被配置为基于发光控制信号LTC生成时钟信号的光 源驱动器和被配置为基于时钟信号发射调制光EL的光源。
调制光EL可以是例如红外(IR)光、可见光、白光或白光发光 二极管(LED)光。当调制光EL入射到对象2时，反射光RL可以从对 象2反射以穿过透镜40并入射到包括在距离传感器30中的像素阵列 33。调制光EL和反射光RL中的每一个可以是例如正弦波信号或方波信号。
距离传感器30可以解调反射光RL并输出电信号。距离传感器30 可以包括行解码器31、光电门控制器32、像素阵列33、CDS/模数转 换(ADC)电路34、存储器35和信号处理器36。在示例实施例中，距 离传感器30可以被实现为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器 (CIS)类型。
行解码器31可以基于行地址信号X-ADD从像素阵列33中的多个 像素Xij(i＝1至n，j＝1至m)中以行为单位进行选择，并驱动所选 择的像素。这里，n和m中的每一个可以是2或更大的整数。行解码 器31可以对行地址信号X-ADD进行解码，并基于解码结果驱动包括在 像素阵列33中的多个像素Xij(i＝1至n，j＝1至m)中的特定行中的 像素。行解码器31可以生成用于驱动像素阵列33的各个行的驱动信 号。驱动信号可以包括例如溢出门信号、快门控制信号、存储控制信 号、传输信号、复位信号和选择信号。
光电门控制器32可以基于光检测控制信号DTC生成多个光电门 信号。多个门信号可以是例如第一光电门信号至第四光电门信号。第 一光电门信号可以是相对于调制光EL具有0°相位差的信号。第二光 电门信号可以是相对于调制光EL具有90°相位差的信号。第三光电 门信号可以是相对于调制光EL具有180°相位差的信号。第四光电门 信号可以是相对于调制光EL具有270°相位差的信号。
像素阵列33可以包括多个像素Xij(i＝1至n，并且j＝1至m)， 其可以以矩阵形式布置在多行和多列中。如本文所用，术语“行”可 以指代在像素阵列33中沿横向布置的像素集。如本文所用，术语 “列”可以指代在像素阵列33中沿纵向布置的像素集。
多个像素Xij(i＝1至n，并且j＝1至m)中的每一个可以是具有 1抽头结构的像素。如本文所用，术语“抽头”可以指代包括光电门 和检测区的组件，其可以响应于预定解调信号来收集和检测光电荷。1 抽头结构可以是其中形成一个光电晶体管并且在光电转换区中形成一 个光电转换元件的结构。通过使用具有1抽头结构的像素，可以减小 像素阵列33的大小以提高图像传感器1的集成密度。
像素Xij可以响应于反射光RL检测反射光RL的相位和调制光EL 的相位之间的相位差。可以输出指示关于检测到的相位差的信息的像 素信号。像素Xij可以包括子像素和读出电路。
包括在像素阵列33中的多个像素可以生成第一像素信号至第四 像素信号A'0、A'1、A'2和A'3。像素阵列33的多个像素组可以基于 反射光RL和以预定相位差周期性地施加的多个光电门信号，生成第一 像素信号至第四像素信号A'0、A'1、A'2和A'3。光电荷可以在像素 阵列33中累积预定积分时间，并且光电荷的累积结果可以按照累积光 电荷的操作完成顺序依次输出。第一像素信号至第四像素信号A'0、 A'1、A'2和A'3可以通过位线输出到CDS/ADC电路34。
在示例实施例中，第一光电门信号至第四光电门信号可以依次施 加到一个像素。在另一示例实施例中，第一光电门信号可以被施加到 第一像素，第二光电门信号可以被施加到第二像素，第三光电门信号 可以被施加到第三像素，并且第四光电门信号可以被施加到第四像素， 在这种情况下，第一光电门信号至第四光电门信号可以分别同时被施 加到第一像素至第四像素。
CDS/ADC电路34可以基于CDS控制信号CDSC对第一像素信号至 第四像素信号A'0、A'1、A'2和A'3执行相关双采样(CDS)操作，并 消除噪声。CDS/ADC电路34可以将消除噪声的像素信号与斜坡发生器 输出的斜坡信号进行比较，并将与比较结果相对应的模拟信号转换为 第一数字像素信号至第四数字像素信号A0、A1、A2和A3。
存储器35可以以帧为单位存储第一数字像素信号至第四数字像 素信号A0、A1、A2和A3，并向信号处理器36提供存储的第一数字像 素信号至第四数字像素信号A0、A1、A2和A3。
信号处理器36可以基于由存储器35输出的第一数字像素信号至 第四数字像素信号A0、A1、A2和A3同时生成彩色图像和深度图像。
图2A和图2B分别是根据示例实施例的包括在图像传感器中的像 素的主要部分的示意性截面图。
参照图2A，图像传感器100a可以包括微透镜110(ML)、滤色 器层120(CFL)、负固定电荷层(NFCL)130、第一灵敏度控制构件 至第三灵敏度控制构件141、142和143(SCP)、半导体衬底150(SCB)、 深沟槽绝缘体(DTI)结构160、光电转换区170(NPD)、第一栅极 181(G1)和第二栅极182(G2)。
微透镜110可以是具有曲率的弧形或部分椭圆的竖直截面形状。
滤色器层120可以在微透镜110之下。滤色器层120可以透射通 过微透镜110入射的反射光RL，并且仅允许具有预定波长的光入射到 光电转换区170。滤色器层120可以形成滤色器阵列。在示例实施例 中，为了仅获得彩色图像、IR图像或深度图像，可以省略滤色器层120。
负固定电荷层130可以在滤色器层120之下。负固定电荷层130可 以包括高k介电材料，例如，氧化铪(HfOx)、氧化铝(AlOx)或氧化锆(ZrOx)。
微透镜110、滤色器层120和负固定电荷层130可以依次堆叠在 半导体衬底150上。在示例实施例中，负固定电荷层130可以与半导 体衬底150直接接触，并且覆盖半导体衬底150的一个表面。在实施 方式中，缓冲层还可以位于微透镜110和负固定电荷层130之间。
半导体衬底150可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、 碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)和磷化铟(InP) 中的一种或多种。在示例实施例中，半导体衬底150可以具有第一导 电性。例如，第一导电性可以是p型。
半导体衬底150可以在与负固定电荷层130接触的表面上包括第 一灵敏度控制构件至第三灵敏度控制构件141、142和143。第一灵敏 度控制构件至第三灵敏度控制构件141、142和143可以散射反射光 RL。由于第一灵敏度控制构件至第三灵敏度控制构件141、142和143， 可以增加对反射光RL的灵敏度。尽管示出了三个灵敏度控制构件(即， 第一灵敏度控制构件至第三灵敏度控制构件141、142和143)，但是 灵敏度控制构件的数量可以变化。第一灵敏度控制构件至第三灵敏度 控制构件141、142和143可以具有凸起和凹陷的形状，并且可以包括 诸如氧化物之类的绝缘材料。
DTI结构160可以在半导体衬底150的外侧表面上或在多个像素 之间。DTI结构160可以包括例如绝缘材料，包括氧化物、氮化物、 氮氧化物或其组合。在示例实施例中，DTI结构160可以包括导电材 料层和围绕导电材料层的覆盖绝缘层。
通过微透镜110入射的反射光RL的一部分可以向光电转换区170 传播。通过微透镜110入射的反射光RL的另一部分可以被第一灵敏度 控制构件至第三灵敏度控制构件141、142和143散射，然后被DTI 结构160反射。因此，可以增加反射光RL的另一部分的光路，并且因 此，可以增加光电转换区170中的光的吸收率和灵敏度。
光电转换区170可以具有第二导电性。例如，第二导电性可以是 n型。光电转换区170可以构成光电转换元件PD。
在示例实施例中，光电转换区170可以位于第一栅极181的一部 分和第二栅极182的一部分上。第一栅极181可以是溢出晶体管的栅 极。第二栅极182可以是光电晶体管的栅极。
参照图2B，图像传感器100b还可以包括第三栅极183。
第三栅极183可以是快门晶体管的栅极。在另一示例实施例中， 包括在图2B所示的图像传感器100b中的光电转换区170可以在第二 栅极182上，例如，仅在第二栅极182的正上方。
图3A至图3C示出了根据示例实施例的像素的主要部分的相应布 局。
参照图3A，像素200a可以包括导线210、溢出晶体管220(OX)、 光电晶体管230(PX)、存储晶体管240(STX)和传输晶体管250(TX)。
导线210可以沿第一方向D1延伸。可以从导线210的一侧提供 正电源电压VDD。导线210可以电连接到溢出晶体管220、光电晶体管 230、存储晶体管240和传输晶体管250。浮动扩散节点FD可以形成 在从传输晶体管250的一侧延伸的导线210的一部分中。
在示例实施例中，溢出晶体管220、光电晶体管230、存储晶体 管240和传输晶体管250可以沿第一方向D1依次布置在导线210上。
参照图3B，像素200b还可以包括快门晶体管260(TGX)。
在示例实施例中，快门晶体管260可以在光电晶体管230和存储 晶体管240之间。溢出晶体管220、光电晶体管230、快门晶体管260、 存储晶体管240和传输晶体管250可以沿第一方向D1依次布置在导线 210上。
参照图3C，像素200c可以包括溢出晶体管220、光电晶体管230、 存储晶体管240、传输晶体管250和快门晶体管260，而且溢出晶体管 220、快门晶体管260、存储晶体管240和传输晶体管250可以沿第一 方向D1依次布置，而光电晶体管230可以在第二方向D2上沿着溢出 晶体管220和快门晶体管260布置。
图3A和图3B中分别示出的像素200a和200b可以在光电门信号 调制方案或光电门信号保持方案中操作。光电门信号调制方案可以包 括在用于收集光电荷的积分周期期间切换光电门信号。光电门信号调 制方案也可以被称为光电门调制。光电门信号保持方案可以包括在积 分周期期间将光电门信号保持在导通电平。光电门信号保持方案也可 以被称为静态光电门方案。图3C所示的像素200c可以在光电门信号 保持方案中操作。
图4A至图4E分别是根据示例实施例的与像素相对应的等效电路 图。
参照图4A，在示例实施例中，像素Xij可以包括子像素XXa和读 出电路ROCa。
子像素XXa可以包括溢出晶体管OX、光电晶体管PX、光电转换 元件PD、存储晶体管STX和传输晶体管TX。
溢出晶体管OX可以连接在提供正电源电压VDD的导线和光电晶 体管PX之间。应当理解，当提及元件“连接”到另一元件时，该元件 可以直接连接或电连接到另一元件。溢出晶体管OX可以防止光电转换 元件PD生成的电荷溢出到存储晶体管STX中。
溢出晶体管OX可以根据施加到溢出晶体管OX的栅极的溢出门信 号OG的逻辑电平而导通或截止。当溢出晶体管OX导通时，可以向光 电转换元件PD提供正电源电压VDD。在示例实施例中，溢出晶体管OX 可以在积分周期开始之前去除(或复位)在光电转换元件PD中累积的 光电荷。在示例实施例中，当图像传感器1作为距离传感器(或深度 传感器)操作时，与光电晶体管PX的电压相反的电压可以被施加到溢 出晶体管OX，或者溢出晶体管OX可以保持在恒定电压，并且因此， 可以基于相对电压差改变电子运动路径。
光电转换元件PD可以连接到溢出晶体管OX和光电晶体管PX电 连接到的节点。光电转换元件PD可以累积光电荷，例如，由于入射到 其上的反射光而生成的光电荷。光电转换元件PD可以被实现为例如光 感测元件，例如，光电二极管、光电门或钉扎光电二极管(PPD)。
在示例实施例中，光电转换元件PD的第一端可以连接到连接光 电晶体管PX的一个电极和溢出晶体管OX的一个电极的节点。光电转 换元件PD的第二端可以连接到接地电压。
光电晶体管PX可以连接在溢出晶体管OX和存储晶体管STX之间。 光电晶体管PX可以响应于光电门信号PG将光电转换元件PD电连接到 存储晶体管STX。当光电晶体管PX导通时，可以向存储晶体管STX提 供在光电转换元件PD中累积的光电荷。
在示例实施例中，光电晶体管PX可以依次接收第一光电门信号 至第四光电门信号。在另一示例实施例中，光电晶体管PX可以接收第 一光电门信号至第四光电门信号中的根据子像素XXa的位置预先确定 的光电门信号。这里，子像素XXa的位置可以由具有矩阵形式的像素 阵列中的行和列来表示。
存储晶体管STX可以连接在光电晶体管PX和传输晶体管TX之间。 存储晶体管STX可以响应于存储控制信号SG临时累积在光电转换元件 PD中累积的光电荷。
传输晶体管TX可以连接在存储晶体管STX和浮动扩散节点FD之 间。传输晶体管TX可以响应于传输栅极信号TG向浮动扩散节点FD 传输存储晶体管STX中累积的光电荷。
在示例实施例中，传输晶体管TX可以包括在子像素XXa中。在 另一示例实施例中，传输晶体管TX可以包括在读出电路ROCa中。
读出电路ROCa可以包括复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶 体管SX。
复位晶体管RX可以连接在提供正电源电压VDD的导线和浮动扩 散节点FD之间。复位晶体管RX可以响应于复位信号RS而导通。当复 位晶体管RX导通时，浮动扩散节点FD中累积的光电荷可以被复位。
驱动晶体管DX可以连接在提供正电源电压VDD的导线和选择晶 体管SX之间。驱动晶体管DX的栅电极可以连接到浮动扩散节点FD。 驱动器晶体管DX可以响应于施加到浮动扩散节点FD的电压放大并输 出浮动扩散节点FD的电压。
选择晶体管SX可以连接在驱动晶体管DX和被提供输出电压VOUT 的导线之间。选择晶体管SX可以响应于选择信号SEL而导通。输出电 压VOUT可以从选择晶体管SX的一个电极(例如，源极)输出。选择 晶体管SX的一个电极(例如，源极)可以电连接到位线。输出电压VOUT可以作为像素信号A'0、A'1、A'2或A'3通过位线提供给CDS/ADC 电路34。
参照图4B，可以在子像素XXb中使用存储二极管SD来代替图4A 所示的存储晶体管STX。
图4B所示的像素Xij可以包括子像素XXb和读出电路ROCa。
子像素XXb可以包括溢出晶体管OX、光电晶体管PX、光电转换 元件PD、存储二极管SD和传输晶体管TX。溢出晶体管OX、光电晶体 管PX、光电转换元件PD、传输晶体管TX和读出电路ROCa可以与上面 参照图4A描述的相同。
存储二极管SD可以连接到光电晶体管PX和传输晶体管TX电连 接到的节点。存储二极管SD可以临时累积在光电转换元件PD中累积 的光电荷。
像素Xij可以包括存储晶体管STX和存储二极管SD两者。在这 种情况下，从光电转换元件PD传输的电荷可以通过导通的存储晶体管 STX存储在存储二极管SD中。如本文所用，术语“存储元件”可以指 代存储晶体管STX和存储二极管SD中的至少一个。
参照图4C，图4C所示的像素Xij可以包括子像素XXc和读出电 路ROCb。
子像素XXc可以包括溢出晶体管OX、光电晶体管PX、光电转换 元件PD、快门晶体管TGX、存储晶体管STX和传输晶体管TX。
快门晶体管TGX可以连接在光电晶体管PX和存储晶体管STX之 间。快门晶体管TGX可以响应于快门控制信号SC将光电晶体管PX电 连接到存储元件(例如，存储晶体管STX)。因为快门晶体管TGX包 括在图4C所示的像素Xij中，所以可以提高全局快门操作的性能。下面将参照图13描述全局快门操作。
在实施方式中，子像素XXc还可以包括存储元件(例如，存储晶 体管STX)(未示出)中包括的存储二极管。
读出电路ROCb可以包括复位晶体管RX、驱动晶体管DX、选择晶 体管SX、控制晶体管CX和电容器Vcap。
控制晶体管CX可以连接在浮动扩散节点FD和复位晶体管RX之 间。控制晶体管CX可以响应于增益控制信号DCG将浮动扩散节点FD 电连接到电容器Vcap。
电容器Vcap可以包括第一端子和第二端子。电容器Vcap的第一 端子可以电连接到复位晶体管RX的一个电极和控制晶体管CX的一个 电极电连接到的节点。电容器Vcap的第二端子可以电连接到施加有升 压信号FDB的导线。
可以通过调整增益控制信号DCG的逻辑电平和电容器Vcap的电 容来控制像素Xij的增益。
在各种实施方式中，读出电路ROCb可以包括在图4A和图4B中 的每一个所示的像素Xij中。
参照图4D，像素Xij可以包括子像素XXd和读出电路ROCa。
子像素XXd可以包括溢出晶体管OX、光电晶体管PX、光电转换 元件PD、快门晶体管TGX、存储晶体管STX和传输晶体管TX。
光电转换元件PD可以包括在光电转换区170中(参见例如图2A 和图2B)。光电转换区170可以感测光，并且由于感测到的光而生成 电子-空穴对。此外，由于光电门信号PG，可以在光电晶体管PX下方 形成耗尽区，并且由于耗尽区，电子可以与电子-空穴对中的空穴分离， 并且累积在光电晶体管PX下方。
传输晶体管TX可以响应于传输信号TG向浮动扩散节点FD传输 光电晶体管PX下方的电子。
在实施方式中，可以将省略光电晶体管PX的像素结构应用于像 素Xij(未示出)。
参照图4E，像素Xij可以包括子像素XXe和读出电路ROCb。
与图4D所示的子像素XXd不同，图4E所示的子像素XXe可以包 括存储二极管SD而不是存储晶体管STX。
图5是用于说明根据示例实施例的由于第一光电门信号至第四光 电门信号引起的操作的示图，并且图6是用于说明根据示例实施例的 由像素输出的像素信号的时间点的示图。
参照图5，在示例实施例中，调制光EL可以是方波信号。第一光 电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3可以是例如分别具 有不同相位差的方波。例如，第一光电门信号PG0可以是相对于调制 光EL具有0°相位差的信号。第二光电门信号PG1可以是相对于调制 光EL具有90°相位差的信号。第三光电门信号PG2可以是相对于调 制光EL具有180°相位差的信号。第四光电门信号PG4可以是相对于 调制光EL具有270°相位差的信号。
在示例实施例中，第一光电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、 PG2和PG3可以被依次施加到包括在一个像素Xij中的光电晶体管PX。 第一光电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3可以在其间具有积分时 间TInt的情况下被依次施加。因此，参照图6，一个像素Xij可以在第一时间点 t0响应于第一光电门信号PG0输出第一像素信号A'0，在第二时间点t1响应于第 二光电门信号PG1输出第二像素信号A'1，在第三时间点t2响应于第三光电门信 号PG2输出第三像素信号A'2，并且在第四时间点t3响应于第四光电门信号PG3 输出第四像素信号A'3。时间点之间的差异可以对应于积分时间TInt。
在另一示例实施例中，第一光电门信号至第四光电门信号PG0、 PG1、PG2和PG3可以分别被同时施加到包括第一子像素至第四子像素 的像素组。例如，同时地，第一光电门信号PG0可以被施加到第一子 像素，第二光电门信号PG1可以被施加到第二子像素，第三光电门信 号PG2可以被施加到第三子像素，并且第四光电门信号PG3可以被施 加到第四子像素。因此，如下文参照图11所述，包括第一子像素至第 四子像素的像素组可以同时输出第一像素信号至第四像素信号A'0、 A'1、A'2和A'3。
具有与第一光电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3 的逻辑电平相反的逻辑电平的溢出门信号OG可以被施加到溢出晶体 管OX的栅极。在另一实施方式中，保持在恒定逻辑电平的溢出门信号 OG可以被施加到溢出晶体管OX的栅极。当溢出门信号OG保持在恒定 逻辑电平时，电子移动的方向可以取决于溢出门信号OG与第一光电门 信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3之间的逻辑电平(或电 压)的相对差。
参照图6，第一像素信号A'0、第二像素信号A'1、第三像素信号 A'2和第四像素信号A'3可以表示为等式1：
[等式1]
Figure BDA0003549627790000141
在等式1中，ak,n表示当第n个门信号(n是自然数)被施加与k 相对应的相位差时在像素Xij中生成的电子的数量。此外，N＝fm*TInt， 其中，fm表示调制光EL的频率，并且TInt表示积分时间。
当调制光EL和第一光电门信号PG0之间的相位差为0°时，k可 以为0。当调制光EL和第二光电门信号PG1之间的相位差为90°时， k可以为1。当调制光EL和第三光电门信号PG2之间的相位差为180° 时，k可以为2。当调制光EL和第四光电门信号PG3之间的相位差为270°时，k可以为3。
第一像素信号至第四像素信号A'0、A'1、A'2和A'3可以简单地 表示为等式2：
[等式2]
A′0＝α+βcosθ
A′1＝α+βsinθ
A′2＝α-βcosθ
A′3＝α-βsinθ
在等式2中，α表示背景偏移，并且β表示解调强度。解调强 度β可以表示反射光RL的强度。
第一像素信号至第四像素信号A'0、A'1、A'2和A'3可以由 CDS/ADC电路34进行相关双采样，转换为第一数字像素信号至第四数 字像素信号A0、A1、A2、和A3，并提供给信号处理器36。
信号处理器36可以通过对第一数字像素信号至第四数字像素信 号A0、A1、A2和A3求和来计算颜色信息C，如下面的等式3所示。 像素Xij的彩色图像可以由滤色器确定。
[等式3]
C＝A0+A1+A2+A3
此外，可以计算相位差
Figure BDA0003549627790000151
如等式4所示：
[等式4]
Figure BDA0003549627790000152
调制光EL和反射光RL之间的时间差tΔ可以通过使用图像传感 器1和对象2之间的距离“d”和光通量“c”来估计，如等式5所示：
[等式5]
Figure BDA0003549627790000153
信号处理器36可以通过使用等式4和5来计算深度信息
Figure BDA0003549627790000154
如等 式6所示：
[等式6]
Figure BDA0003549627790000155
信号处理器36可以基于关于每个像素的颜色信息C和深度信息
Figure BDA0003549627790000156
来生成对象2的彩色图像和深度图像。因此，信号处理器36可以通过 组合关于多个像素Xij(i＝1至n，j＝1至m)中的每一个的颜色信息 C来生成对象2的彩色图像，并通过组合关于多个像素Xij中的每一 个的深度信息
Figure BDA0003549627790000161
来生成对象2的深度图像。
图7示出了根据示例实施例的第一子像素XX1和第二子像素XX2 的布局。
参照图7，第一子像素XX1可以包括第一溢出晶体管220_1(OX)、 第一光电晶体管230_1(PX)、第一存储晶体管240_1(STX)和第一 传输晶体管250_1(TX)。第一溢出晶体管220_1、第一光电晶体管 230_1、第一存储晶体管240_1和第一传输晶体管250_1可以沿第一方 向D1依次布置在导线210上。
第二子像素XX2可以包括第二溢出晶体管220_2、第二光电晶体 管230_2、第二存储晶体管240_2和第二传输晶体管250_2。第二传输 晶体管250_2、第二存储晶体管240_2、第二光电晶体管230_2和第二 溢出晶体管220_2可以沿第一方向D1依次布置在导线210上。
可以从第一溢出晶体管220_1和第二溢出晶体管220_2中的每一 个的一个侧表面提供正电源电压VDD。
第一子像素XX1和第二子像素XX2可以包括在一个像素组中。第 一子像素XX1和第二子像素XX2可以彼此相邻。第一子像素XX1和第 二子像素XX2可以相对于其间的浮动扩散节点FD彼此对称。在示例实 施例中，第一子像素XX1和第二子像素XX2可以沿第一方向D1平行布 置。在另一示例实施例中，第一子像素XX1和第二子像素XX2可以在 垂直于第一方向D1的第二方向D2上平行布置(未示出)。
彼此相邻的第一子像素XX1和第二子像素XX2可以通过浮动扩散 节点FD彼此电连接。例如，第一传输晶体管250_1的一个电极(例如， 源极)和第二传输晶体管250_2的一个电极(例如，源极)可以通过 浮动扩散节点FD彼此电连接。由第一子像素XX1和第二子像素XX2 中的每一个累积的光电荷可以累积在浮动扩散节点FD中。
读出电路(例如，图4A的ROCa)可以电连接到浮动扩散节点FD。 因此，第一子像素XX1可以通过浮动扩散节点FD电连接到第二子像素 XX2。
图8是根据示例实施例的像素阵列300a的示图。
在图8所示的示例实施例的描述中，可以假设像素阵列300a包 括以4X4矩阵形式布置的十六个子像素(例如，第一子像素XX11至第 十六子像素XX44)。
参照图8，像素阵列300a可以包括第一子像素XX11至第十六子 像素XX44和多个读出电路ROC。第一子像素XX11至第十六子像素XX44 中的每一个可以具有子像素结构，例如，如上面参照图4A至图4E所 述。多个读出电路ROC中的每一个可以具有读出电路结构，例如，如 上面参照图4A至图4E所述。
第一子像素XX11至第十六子像素XX44可以根据预设标准被划分 为像素组。例如，第一像素组UX1可以包括第一子像素XX11、第二子 像素XX12、第五子像素XX21和第六子像素XX22。第二像素组UX2可 以包括第三子像素XX13、第四子像素XX14、第七子像素XX23和第八 子像素XX24。第三像素组UX3可以包括第九子像素XX31、第十子像素 XX32、第十三子像素XX41和第十四子像素XX42。第四像素组UX4可 以包括第十一子像素XX33、第十二子像素XX34、第十五子像素XX43 和第十六子像素XX44。
一个读出电路ROC可以通过浮动扩散节点FD电连接到同一列中 两个相邻的子像素。因此，可以在相邻的子像素之间共享一个读出电 路ROC。例如，因为第五子像素XX21和第九子像素XX31在同一列中 彼此相邻，所以在第五子像素XX21和第九子像素XX31之间可以电连 接一个读出电路ROC。此外，在第六子像素XX22和第十子像素XX32 之间可以电连接一个读出电路ROC。在另一实施方式中，一个读出电 路ROC可以电连接到同一行的两个相邻子像素(未示出)。
如上所述的在两个相邻子像素之间共享一个读出电路ROC的结构 可以被称为2共享结构。
如上所述，可以通过共享读出电路来减小像素阵列的大小，并且 由于像素阵列大小的减小，可以获得集成图像传感器的效果。
图9示出了根据示例实施例的第一子像素至第四子像素的布局。
参照图9，第一子像素XX1和第二子像素XX2可以电连接到同一 浮动扩散节点FD，如上面参照图7所述。第三子像素XX3和第四子像 素XX4可以电连接到同一浮动扩散节点FD。第三子像素XX3可以包括 第三溢出晶体管220_3、第三光电晶体管230_3、第三存储晶体管240_3 和第三传输晶体管250_3。第四子像素XX4可以包括第四溢出晶体管 220_4、第四光电晶体管230_4、第四存储晶体管240_4和第四传输晶 体管250_4。可以从第一溢出晶体管至第四溢出晶体管220_1、220_2、 220_3和220_4中的每一个的一个侧表面提供正电源电压VDD。
第一子像素至第四子像素XX1、XX2、XX3和XX4可以包括在一个 像素组中。第一子像素至第四子像素XX1、XX2、XX3和XX4可以相对 于浮动扩散节点FD彼此对称。第一子像素至第四子像素XX1、XX2、 XX3和XX4可以彼此相邻，并且通过浮动扩散节点FD彼此电连接。例如，第一传输晶体管至第四传输晶体管240_1、240_2、240_3和240_4 的电极(例如，源极)可以通过浮动扩散节点FD彼此电连接。
因为读出电路(例如，图4A的ROCa)电连接到浮动扩散节点FD， 所以第一子像素至第四子像素XX1、XX2、XX3和XX4可以通过浮动扩 散节点FD彼此电连接。
图10是用于说明根据示例实施例的多个子像素之间的连接关系 的示图。在图10所示的示例实施例的描述中，可以假设像素阵列300b 包括以4X4矩阵形式布置的十六个子像素。
参照图10，像素阵列300b可以包括第一子像素XX11至第十六子 像素XX44和多个读出电路ROC。
第一子像素XX11至第十六子像素XX44可以被划分为第一像素组 至第四像素组UX1、UX2、UX3和UX4。
一个读出电路ROC可以通过浮动扩散节点FD电连接到四个相邻 的子像素。例如，可以在第六子像素XX22、第七子像素XX23、第十子 像素XX32和第十一子像素XX33之间共享一个读出电路ROC。如上所 述，在四个相邻子像素之间共享一个读出电路ROC的结构可以被称为 4共享结构。
图10所示的像素阵列300b的大小可以小于图8所示的像素阵列 300a的大小。因此，根据图10所示的本示例实施例，可以进一步集 成图像传感器。
图11是用于说明根据示例实施例的施加到多个像素组的多个门 信号的示图。在图11所示的示例实施例的描述中，可以假设像素阵列 300c是4共享结构。
参照图11，像素阵列300c可以包括第一像素组至第四像素组 UX1、UX2、UX3和UX4和多个读出电路ROC。
在示例实施例中，在积分周期期间，光电门控制器32可以分别 向包括在一个像素组中的多个子像素提供第一光电门信号至第四光电 门信号，第一光电门信号至第四光电门信号分别是不同的，并且相对 于调制光具有0°、90°、180°和270°的相位差。
例如，可以向每个像素组同时提供相对于调制光EL具有第一相 位差至第四相位差θ0、θ1、θ2和θ3的光电门信号。例如，在第 一像素组UX1的情况下，相对于调制光EL具有第一相位差θ0的光电 门信号可以被施加到第一子像素XX11，相对于调制光EL具有第二相 位差θ1的光电门信号可以被施加到第二子像素XX12，相对于调制光 EL具有第三相位差θ2的光电门信号可以被施加到第五子像素XX21， 并且相对于调制光EL具有第四相位差θ3的光电门信号可以被施加到 第六子像素XX22。
作为另一示例，在第二像素组UX2的情况下，相对于调制光EL 具有第二相位差θ1的光电门信号可以被施加到第三子像素XX13，相 对于调制光EL具有第一相位差θ0的光电门信号可以被施加到第四子 像素XX14，相对于调制光EL具有第四相位差θ3的光电门信号可以 被施加到第七子像素XX23，并且相对于调制光EL具有第三相位差θ2 的光电门信号可以被施加到第八子像素XX24。
可以根据子像素的位置预设将被施加具有特定相位差的光电门 信号的像素。例如，第一相位差θ0相对于调制光EL可以是180°， 第二相位差θ1相对于调制光EL可以是270°，第三相位差θ2相对 于调制光EL可以是90°，并且第四相位差θ3相对于调制光EL可以是0°。
被施加具有第一相位差θ0的光电门信号的线可以连接到第一子 像素XX11、第四子像素XX14、第十三子像素XX41和第十六子像素 XX44。被施加具有第二相位差θ1的光电门信号的线可以连接到第二 子像素XX12、第三子像素XX13、第十四子像素XX42和第十五子像素 XX43。被施加具有第三相位差θ2的光电门信号的线可以连接到第五 子像素XX21、第八子像素XX24、第九子像素XX31和第十二子像素 XX34。被施加具有第四相位差θ3的光电门信号的线可以连接到第六 子像素XX22、第七子像素XX23、第十子像素XX32和第十一子像素XX33。在其他实施方式中，可以根据设计方法不同地选择将施加有信 号的线连接到子像素的方法。
向每个像素组同时提供具有第一相位差至第四相位差θ0、θ1、 θ2和θ3的光电门信号的方法可以被称为相位镶嵌法。当通过使用 相位镶嵌法生成深度图像时，与将具有不同相位差的光电门信号依次 施加到具有1抽头结构的像素的方法相比，可以减少操作时间。
图12A至图12D是根据示例实施例的施加到像素的信号的示意性 时序图。
图12A至图12D所示的实施例示出了被施加到根据全局快门方法 操作的一个子像素的信号的时间点。具体地，图12A至图12C所示的 示例实施例示出了用于使用光电门信号调制方案获取深度图像的信号 的时间点，并且图12D所示的示例实施例示出了用于使用光电门信号 保持方案获取深度图像的信号的时间点。
参照图12A，全局快门方法可以包括全局复位周期GLOBAL RESET、 调制周期MODULATION(或积分周期INTEGRATION)和电荷保持&读出周 期CHARGE HOLD&READOUT。
在全局复位周期GLOBAL RESET期间，溢出门信号OG可以处于导 通电平(例如，逻辑高电平)。光电门信号PG、存储控制信号SG和 传输门信号TG可以处于截止电平(例如，逻辑低电平)。在另一实施 方式中，存储控制信号SG可以根据设计方法(未示出)处于导通电平 (例如，逻辑高电平)。
在调制周期MODULATION或积分周期INTEGRATION期间，溢出门 信号OG和光电门信号PG中的每一个可以例如重复地在导通电平和截 止电平之间切换。溢出门信号OG和光电门信号PG之间的相位差可以 是180°。在示例实施例中，图12A所示的光电门信号PG可以是根据 子像素的位置预先确定的信号，并且可以是上面参照图5所述的第一 光电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3中的一个光电门 信号(例如，第一光电门信号PG0)。
在电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间，溢出门信 号OG可以处于导通电平。光电门信号PG、存储控制信号SG和传输门 信号TG可以处于截止电平。在另一实施方式中，存储控制信号SG可 以根据设计方法(未示出)处于导通电平。
图4A所示的子像素XXa可以基于图12A所示的信号的时间点进 行操作。
参照图12B，溢出门信号OG、光电门信号PG、存储控制信号SG 和传输门信号TG可以与上面参照图12A描述的相同。
子像素(例如，图4C所示的子像素XXc)还可以包括快门晶体管 TGX。施加到快门晶体管TGX的快门控制信号SC可以在全局复位周期 GLOBAL RESET期间处于截止电平，在调制周期MODULATION(或积分周 期INTEGRATION)期间处于导通电平，并且在电荷保持&读出周期 CHARGE HOLD&READOUT期间处于截止电平。根据图4C和图12B所示 的示例实施例，可以提高全局快门操作的性能。
溢出门信号OG的导通电平的大小(或幅度)可以大于光电门信 号PG的导通电平的大小(或幅度)，并且小于快门控制信号SC的导 通电平的大小(或幅度)。
参照图12C，图4A所示的子像素XXa可以基于图12C所示的信号 的时间点进行操作。
光电门信号PG、存储控制信号SG和传输门信号TG可以与上面参 照图12A描述的相同。
与上面参照图12A描述的不同，溢出门信号OG在全局复位周期 GLOBAL RESET、调制周期MODULATION(或积分周期INTEGRATION)和 电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间可以处于导通电平。
在另一示例实施例中，图12C所示的光电门信号PG可以包括如 上面参照图5所述的依次设置的第一光电门信号至第四光电门信号 PG0、PG1、PG2和PG3。
参照图12D，溢出门信号OG、存储控制信号SG和传输门信号TG 可以与参照图12A描述的相同。
光电门信号PG可以在全局复位周期GLOBAL RESET期间处于截止 电平，在调制周期MODULATION(或积分周期INTEGRATION)期间处于 导通电平，并且在电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间处 于截止电平。在示例实施例中，光电门信号PG可以在整个部分(例如， GLOBAL RESET、MODULATION和CHARGE HOLD&READOUT)期间处于导 通电平。
子像素(例如，图4C所示的子像素XXc)还可以包括快门晶体管 TGX。
在示例实施例中，施加到快门晶体管TGX的快门控制信号SC可 以根据子像素的位置预先确定，并且可以是第一快门控制信号至第四 快门控制信号中的任何一个。例如，在图11所示的第一像素组UX1 中，在调制周期MODULATION或积分周期INTEGRATION期间，相对于调 制光EL具有0°相位差的第一快门控制信号可以被施加到第一子像素 XX11，相对于调制光EL具有90°相位差的第二快门控制信号可以被 施加到第二子像素XX12，相对于调制光EL具有180°相位差的第三快 门控制信号可以被施加到第五子像素XX21，并且相对于调制光EL具 有270°相位差的第四快门控制信号可以被施加到第六子像素XX22。 在示例实施例中，第一快门控制信号至第四快门控制信号中的每一个 可以例如重复地在导通电平和截止电平之间切换，并且相对于溢出门 信号OG具有180°的相位差。
在另一示例实施例中，快门控制信号SC可以包括相对于调制光 EL分别具有0°、90°、180°和270°的不同相位差的第一快门控制 信号至第四快门控制信号。在这种情况下，第一快门控制信号至第四 快门控制信号可以被施加到包括在一个子像素(例如，图4E所示的子 像素XXd)中的光电晶体管PX的栅极。
快门控制信号SC的导通电平的大小(或幅度)可以大于光电门 信号PG的导通电平的大小(或幅度)。
图12D所示的溢出门信号OG可以在调制周期MODULATION或积分 周期INTEGRATION期间处于导通电平。在这种情况下，快门控制信号 SC可以例如重复地在导通电平和截止电平之间切换。
图13是根据示例实施例的全局快门操作的示图。在图13所示的 示例实施例的描述中，可以假设像素阵列33包括第一像素行至第四像 素行R1、R2、R3和R4。
参照图13，全局快门方法可以被划分为全局复位周期GLOBAL RESET、调制周期MODULATION(或积分周期INTEGRATION)和电荷保持 &读出周期CHARGE HOLD&READOUT。
第一像素行至第四像素行R1、R2、R3和R4可以在全局复位周期 GLOBAL RESET和调制周期MODULATION期间被同时驱动。具体的驱动 方法可以与上面参照图12A至图12D描述的相同。
第一像素行至第四像素行R1、R2、R3和R4可以在电荷保持&读 出周期CHARGEHOLD&READOUT期间被依次驱动。例如，可以依次驱 动第一像素行R1、第二像素行R2、第三像素行R3和第四像素行R4。 具体的驱动方法可以与上面参照图12A至图12D描述的相同。
在根据本示例实施例的全局快门方法中，可以防止获得运动对象 的失真图像的现象(或果冻效应)。
图14A至图14C是用于说明根据示例实施例的施加到多个像素组 的多个光电门信号的示图。
参照图1、图2A、图2B和图14A，滤色器层120可以部分地位于 像素阵列300d上，使得图像传感器1可以获取彩色图像。在滤色器层 120中，一个滤色器可以在第一子像素XX11至第十六子像素XX44中 的每一个中。参照图14A中的图例，由“R”表示的子像素可以产生用于生成关于红色的彩色图像的红色像素信号，由“G”表示的子像素可 以产生用于生成关于绿色的彩色图像的绿色像素信号，并且由“B”表 示的子像素可以产生用于生成关于蓝色的彩色图像的蓝色像素信号。 由“R”、“G”和“B”表示的子像素可以被称为彩色像素。
在获取关于红色的彩色图像的操作中，反射光RL可以入射到红 色像素(例如，XX11、XX13、XX31和XX33)，并且第一光电门信号至 第四光电门信号可以被依次施加到红色像素(例如，XX11、XX13、XX31 和XX33)。在这种情况下，红色像素(例如，XX11、XX13、XX31和XX33)可以响应于第一光电门信号至第四光电门信号分别累积电荷。 第一红色像素信号至第四红色像素信号可以通过读出电路ROC依次输 出。
红色像素信号可以表示为等式7：
[等式7]
A′o，R＝αR+βRcosθR
A′1，R＝αR+βRsinθR
A′2，R＝αR-βRcosθR
A′3，R＝αR-βRsinθR
其中，A’0，R表示第一红色像素信号，A’1，R表示第二红色像素信号， A’2，R表示第三红色像素信号，并且A’3，R表示第四红色像素信号。在等 式7中，可以通过信号处理从背景偏移αR的分量或解调强度βR的分 量中提取子像素的红色值。
第一红色像素信号至第四红色像素信号可以被转换为第一数字 红色像素信号至第四数字红色像素信号(未示出)。
信号处理器36可以通过对第一数字红色像素信号至第四数字红 色像素信号求和来计算红色信息CR，如等式8所示。
[等式8]
CR＝A0，R+A1，R+A2，R+A3，R
其中，A0，R表示第一数字红色像素信号，A1，R表示第二数字红色像 素信号，A2，R表示第三数字红色像素信号，并且A3，R表示第四数字红色 像素信号。
信号处理器36可以基于第一数字红色像素信号至第四数字红色 像素信号来估计红色像素(例如，XX11、XX13、XX31和XX33)的相位 差
Figure BDA0003549627790000251
如等式9所示：
[等式9]
Figure BDA0003549627790000252
因此，信号处理器36可以计算关于红色像素(例如，XX11、XX13、 XX31和XX33)的深度信息
Figure BDA0003549627790000253
如等式10所示：
[等式10]
Figure BDA0003549627790000254
类似地，信号处理器36可以计算关于绿色像素(例如，XX12、XX14、 XX32和XX34)的绿色信息CG、相位差
Figure BDA0003549627790000255
和深度信息
Figure BDA0003549627790000256
另外，信号 处理器36可以计算关于蓝色像素(例如，XX22、XX24、XX42和XX44) 的蓝色信息CB、相位差
Figure BDA0003549627790000257
和深度信息
Figure BDA0003549627790000258
彩色图像可以是组合了三个单独的颜色值(例如，红色值、绿色 值和蓝色值)的图像。
尽管图14A示出了基于红色、绿色和蓝色的彩色图案，但也可以 使用其他过滤图案。例如，可以应用基于青色、品红色和黄色的CMY 彩色图案。
在像素阵列300d中，没有布置滤色器层120的子像素(即，由 “Z”表示的子像素)可以产生用于生成深度图像的像素信号，并且可 以被称为距离像素。
图14A所示的多个读出电路ROC中的任何一个可以连接到任何一 个浮动扩散节点(例如，图4A的浮动扩散节点FD)FD，并且红色像 素、绿色像素、蓝色像素和距离像素也可以连接到与以上所述相同的 浮动扩散节点FD。例如，可以在作为蓝色像素的第六子像素XX22、作 为距离像素的第七子像素XX23、作为绿色像素的第十子像素XX32以 及作为红色像素的第十一子像素XX33之间共享一个读出电路ROC。多 个读出电路ROC中的另一个读出电路ROC可以连接到另一个浮动扩散 节点FD，并且相邻的子像素可以连接到与以上所述相同的浮动扩散节 点FD。在示例实施例中，可以在图14A所示的四个子像素(例如，红 色像素、绿色像素、蓝色像素和距离像素)之间共享一个读出电路ROC。
参照图14B，像素阵列300e可以以四色RGBZ图案的形式布置。 四色RGBZ图案可以是其中的每一个包括不同颜色的三个彩色像素和 一个距离像素的像素组重复布置并且具有相同特性的子像素彼此相邻 布置的图案。
在像素阵列300e中，可以在相同颜色的彩色像素之间共享一个 读出电路ROC，并且可以在相邻的距离像素之间共享另一个读出电路 ROC。例如，可以在作为红色像素的第五子像素XX21和第九子像素XX31 之间共享一个读出电路ROC。另外，可以在作为距离像素的第六子像 素XX22、第七子像素XX23、第十子像素XX32和第十一子像素XX33 之间共享一个读出电路ROC。可以在绿色像素之间共享一个读出电路 ROC，并且可以在蓝色像素之间共享一个读出电路ROC。在示例实施例 中，第一光电门信号至第四光电门信号PG0、PG1、PG2和PG3可以分 别被依次施加到距离像素(例如，XX22、XX23、XX32和XX33)。在另 一实施方式中，如上面参照图11所述，第一光电门信号至第四光电门 信号PG0、PG1、PG2和PG3可以分别被同时施加到距离像素(例如， XX22、XX23、XX32和XX33)。
参照图14C，像素阵列300f可以被称为四色拜耳RGB&四色Z图 案。四色拜耳RGB&四色Z图案可以是其中的每一个包括相同颜色的三 个彩色像素和一个距离像素的像素组重复布置的图案，其中，距离像 素彼此相邻布置。
在像素阵列300f中，可以在一个红色像素、两个绿色像素和一 个蓝色像素之间共享一个读出电路ROC，并且可以在相邻的距离像素 之间共享另一个读出电路ROC。在示例实施例中，在积分周期 INTEGRATION期间，行解码器31可以分别向距离像素(例如，第六子 像素XX22、第七子像素XX23、第十子像素XX32和第十一子像素XX33) 同时提供相对于调制光EL分别具有0°、90°、180°和270°的不同 相位差的第一快门控制信号至第四快门控制信号。例如，第一快门控 制信号可以被施加到第六子像素XX22，第二快门控制信号可以被施加到第七子像素XX23，第三快门控制信号可以被施加到第十子像素 XX32，并且第三快门控制信号可以被施加到第十一子像素XX33。
图15A至图15C是根据示例实施例的施加到像素的信号的示意性 时序图。具体地，图15A至图15C示出了用于通过使用全局快门方法 获取彩色图像的信号的时间点。
参照图15A，存储控制信号SG和传输门信号TG可以与上面参照 图12A描述的相同。
溢出门信号OG可以在全局复位周期GLOBAL RESET期间处于导通 电平，在调制周期MODULATION或积分周期INTEGRATION期间处于截止 电平，并且在电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间处于导 通电平。溢出门信号OG可以处于光电门信号PG的逻辑电平的反相逻 辑电平。
光电门信号PG可以在全局复位周期GLOBAL RESET期间处于截止 电平，在调制周期MODULATION或积分周期INTEGRATION期间处于导通 电平，并且在电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间处于截 止电平。
参照图15B，溢出门信号OG、存储控制信号SG和传输门信号TG 可以与上面参照图12C描述的相同。光电门信号PG可以与上面参照图 15A描述的相同。
参照图15C，子像素(例如，图4C所示的子像素XXc或图4D所 示的子像素XXd)还可以包括快门晶体管TGX。施加到快门晶体管TGX 的快门控制信号SC可以在全局复位周期GLOBAL RESET期间处于截止 电平，在调制周期MODULATION或积分周期INTEGRATION期间处于导通 电平，并且在电荷保持&读出周期CHARGE HOLD&READOUT期间处于截 止电平。
图4A所示的子像素XXa可以基于图15A所示信号的时间点或图 15B所示信号的时间点进行操作。图4C所示的子像素XXc和图4D所 示的子像素XXd可以基于图15C所示的信号的时间点进行操作。
图16是根据示例实施例的包括图像传感器的计算机系统1000的 示意性框图。
参照图16，计算机系统1000可以包括处理器1100、存储器1200、 输入/输出(I/O)设备1300、电源1400、存储设备1500、图像传感 器1600和系统总线1700。处理器1100、存储器1200、I/O设备1300、 电源1400、存储设备1500和图像传感器1600可以通过系统总线1700相互通信。
处理器1100可以被实现为微处理器、CPU、任何其他类型的控制 电路(例如，专用集成电路(ASIC))或应用处理器(AP)。
存储器1200可以被实现为易失性存储器和/或非易失性存储器。
I/O设备1300可以包括诸如键盘、小键盘和鼠标之类的输入单元 以及诸如打印机和显示器之类的输出单元。
电源1400可以提供用于计算机系统1000的操作的操作电压。
存储设备1500可以包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD) 和/或光盘只读存储器(CD-ROM)。
图像传感器1600可以与图1所示的图像传感器1相同。
通过总结和回顾的方式，同时捕捉彩色图像和深度图像(或距离 图像)的技术对于图像(例如，立体图像)可能是有用的。
如上所述，实施例可以提供包括具有1抽头结构的像素并且在其 间共享读出电路的像素阵列，以及包括像素阵列并且使用像素阵列提 供彩色图像和深度图像的图像传感器。
本文已经公开了示例实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它 们仅用于且应被解释为一般的描述性意义，而不是为了限制的目的。 在一些情况下，如提交本申请的本领域普通技术人员应认识到，除非 另有明确说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以 单独使用或与其他实施例描述的特征、特性和/或元件相结合使用。因 此，本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明 的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种像素阵列，包括：
多个子像素，所述多个子像素彼此相邻；以及读出电路，通过浮动扩散节点连接到所述多个子像素，其中：
所述多个子像素中的每一个包括：
光电转换元件，被配置为累积由于入射到其上的反射光而生成的光电荷；
溢出晶体管，连接到所述光电转换元件；
光电晶体管，连接到所述光电转换元件和所述溢出晶体管；以及
存储元件，连接到所述光电晶体管，并且
所述读出电路包括：
复位晶体管，连接到所述浮动扩散节点；
驱动晶体管，包括连接到所述浮动扩散节点的栅电极；以及
选择晶体管，连接到所述驱动晶体管。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其中：
所述多个子像素包括：第一子像素；以及第二子像素，与所述第一子像素在同一行或同一列中并与所述第一子像素相邻，并且
所述第一子像素和所述第二子像素连接到所述浮动扩散节点。
3.根据权利要求2所述的像素阵列，其中：
所述多个子像素还包括：第三子像素，与所述第一子像素相邻；以及第四子像素，与所述第二子像素和所述第三子像素相邻，并且
所述第一子像素、所述第二子像素、所述第三子像素和所述第四子像素连接到所述浮动扩散节点。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其中，所述光电转换元件的第一端连接到所述光电晶体管和所述溢出晶体管，并且所述光电转换元件的第二端连接到接地电压。
5.根据权利要求1所述的像素阵列，其中，所述多个子像素中的每一个还包括连接在所述光电晶体管和所述存储元件之间的快门晶体管。
6.根据权利要求1所述的像素阵列，其中，所述存储元件包括以下各项中的至少一项：
存储晶体管，连接在所述光电晶体管和所述浮动扩散节点之间，或
存储二极管，电连接到在所述光电晶体管和所述浮动扩散节点之间的所述光电晶体管。
7.根据权利要求1所述的像素阵列，其中，所述读出电路还包括：
电容器；以及
控制晶体管，电连接到所述浮动扩散节点，所述控制晶体管被配置为响应于增益控制信号将所述浮动扩散节点电连接到所述电容器。
8.一种图像传感器，包括：
行解码器，被配置为生成溢出门信号；
像素阵列，包括第一子像素至第四子像素；以及
光电门控制器，被配置为向所述第一子像素至所述第四子像素提供多个光电门信号，其中：
所述第一子像素至所述第四子像素中的每一个包括：
光电转换元件，被配置为累积由于被对象反射的反射光而生成的光电荷；
存储元件，被配置为累积在所述光电转换元件中累积的所述光电荷；
溢出晶体管，被配置为响应于所述溢出门信号向所述光电转换元件提供电源电压；以及
光电晶体管，被配置为响应于所述多个光电门信号中的根据子像素的位置预先确定的光电门信号，将所述光电转换元件电连接到所述存储元件，并且
所述光电门控制器在积分周期期间，分别向所述第一子像素至所述第四子像素提供相对于入射到所述对象的调制光分别具有0°、90°、180°和270°的不同相位差的第一光电门信号至第四光电门信号。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
在所述积分周期期间，所述溢出门信号在导通电平和截止电平之间切换，并且
在所述积分周期期间，根据所述子像素的位置预先确定的所述光电门信号以相对于所述溢出门信号为180°的相位差进行切换。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中：
所述第一子像素至所述第四子像素中的每一个还包括快门晶体管，所述快门晶体管被配置为响应于快门控制信号将所述光电晶体管电连接到所述存储元件，并且
所述快门控制信号在所述积分周期期间处于导通电平。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述溢出门信号在所述积分周期期间处于导通电平。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
所述存储元件包括存储晶体管，所述存储晶体管被配置为响应于存储控制信号累积在所述光电转换元件中累积的所述光电荷，并且
所述存储控制信号在所述积分周期期间处于导通电平。
13.一种图像传感器，包括：
行解码器，被配置为生成溢出门信号和快门控制信号；
光电门控制器，被配置为生成光电门信号；
像素阵列，包括：第一子像素，连接到第一浮动扩散节点；第一读出电路，连接到所述第一浮动扩散节点；第二子像素，连接到第二浮动扩散节点；以及第二读出电路，连接到所述第二浮动扩散节点；以及
信号处理器，被配置为基于由所述像素阵列输出的多个像素信号生成对象的彩色图像和深度图像，其中：
所述第一子像素中的至少一个包括被配置为生成用于所述彩色图像的像素信号的彩色像素，并且
所述第二子像素中的至少一个包括被配置为生成用于所述深度图像的像素信号的距离像素，
所述彩色像素和所述距离像素中的每一个包括：
光电转换元件，被配置为累积由于从所述对象反射的反射光而生成的光电荷；
存储元件，被配置为累积在所述光电转换元件中累积的光电荷；
溢出晶体管，被配置为响应于所述溢出门信号向所述光电转换元件提供电源电压；
光电晶体管，被配置为响应于所述光电门信号向所述存储元件提供在所述光电转换元件中累积的所述光电荷；以及
快门晶体管，被配置为响应于所述快门控制信号将所述光电晶体管电连接到所述存储元件，并且
所述光电门信号在积分周期期间处于导通电平。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述第一子像素包括不同颜色的第一彩色像素至第三彩色像素和距离像素，并且所述第二子像素包括不同颜色的第一彩色像素至第三彩色像素和距离像素。
15.根据权利要求13所述的图像传感器，其中：
所述第一子像素包括彩色像素，
所述彩色像素中的至少两个包括相同颜色的彩色像素，并且
所述第二子像素包括距离像素。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中：
所述行解码器被配置为在所述积分周期期间，分别同时向所述第二子像素提供相对于入射到所述对象的调制光分别具有0°、90°、180°和270°的不同相位差的第一快门控制信号至第四快门控制信号，并且
所述第二子像素包括：第一距离像素，被配置为接收第一快门控制信号；第二距离像素，被配置为接收第二快门控制信号；第三距离像素，被配置为接收第三快门控制信号；以及第四距离像素，被配置为接收第四快门控制信号。
17.根据权利要求13所述的图像传感器，其中：
在所述积分周期期间，所述溢出门信号在导通电平和截止电平之间切换，并且
在所述积分周期期间，所述快门控制信号以相对于所述溢出门信号为180°的相位差进行切换。
18.根据权利要求13所述的图像传感器，其中：
所述溢出门信号在所述积分周期期间处于导通电平，并且
在所述积分周期期间，所述快门控制信号在导通电平和截止电平之间切换。
19.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述快门控制信号在所述积分周期期间处于导通电平。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述溢出门信号在所述积分周期期间保持截止电平。
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