CN115225836A - 包括dram电容器的图像传感器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器包括：具有多个像素的像素阵列；行驱动器，向像素阵列提供升压信号；以及读出电路，被配置为读出从由行驱动器选择的行线的像素输出的像素信号。多个像素中的每一个包括：第一光电二极管；传输晶体管，连接到第一光电二极管；第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点，所述第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点连接到传输晶体管以累积由第一光电二极管产生的电荷；LCG电容器，连接到第三浮动扩散节点以累积由第一光电二极管产生的电荷；MCG晶体管，连接在第一浮动扩散节点与第二浮动扩散节点之间；以及LCG晶体管，连接到第三浮动扩散节点。

Description

包括DRAM电容器的图像传感器及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0049151的优先权，所述申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及图像传感器以及该图像传感器的操作方法，更具体地，涉及一种通过使用连接到浮动扩散节点的动态随机存取存储器(DRAM)电容器来产生图像数据的图像传感器以及该图像传感器的操作方法。
背景技术
图像传感器可以捕获物体的二维图像或三维图像。这种图像传感器通过使用对从物体反射的光的强度作出响应的光电转换元件来产生物体的图像。互补金属氧化物半导体(CMOS)技术已经进步，并且CMOS图像传感器已经得到广泛应用。
发明内容
动态随机存取存储器(DRAM)电容器可以添加到图像传感器的浮动扩散(FD)节点。本公开提供了包括连接到浮动扩散节点的DRAM电容器的图像传感器实施例，该图像传感器实施例产生具有宽动态范围和增加的信噪比的图像数据。
根据实施例，图像传感器可以包括：像素阵列，所述像素阵列包括多个像素；以及行驱动器，连接到像素阵列，其中多个像素中的每一个可以包括：第一光电二极管；传输晶体管，连接到第一光电二极管；第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点，所述第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点连接到传输晶体管以累积由第一光电二极管产生的电荷；LCG电容器，连接到第三浮动扩散节点以累积由第一光电二极管产生的电荷；MCG晶体管，连接在第一浮动扩散节点与第二浮动扩散节点之间；以及LCG晶体管，连接到第三浮动扩散节点。
根据实施例，像素可以包括：光电二极管；第一浮动扩散节点，被配置为累积由光电二极管中的任何一个产生的电荷；传输晶体管，每个传输晶体管的一端连接到光电二极管之一，而另一端连接到第一浮动扩散节点；MCG晶体管，连接到第一浮动扩散节点；第二浮动扩散节点，连接到MCG晶体管；LCG晶体管，连接到第一浮动扩散节点和第二浮动扩散节点之一；第三浮动扩散节点，连接到LCG晶体管；以及动态随机存取存储器(DRAM)电容器，所述DRAM电容器的一端连接到第三浮动扩散节点，而另一端被施加升压电压。
根据实施例，一种包括多个像素的图像传感器的操作方法，每个像素包括：光电二极管；传输晶体管，用于传输由光电二极管产生的电荷；第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点，由光电二极管产生的电荷通过传输晶体管累积在第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点；以及动态随机存取存储器(DRAM)电容器，所述方法可以包括：在传输晶体管断开的状态下，将由光电二极管产生的溢出电荷累积在第一浮动扩散节点至第三浮动扩散节点和DRAM电容器中；输出与溢出电荷相对应的溢出图像信号；复位第一浮动扩散节点至第三浮动扩散节点和DRAM电容器，并且分别输出与多个转换增益模式相对应的第一复位信号、第二复位信号和第三复位信号；以及在传输晶体管接通之后，从第一浮动扩散节点至第三浮动扩散节点和DRAM电容器分别输出与多个转换增益模式相对应的第一图像信号、第二图像信号和第三图像信号。
附图说明
根据以下结合附图进行的详细描述，可以更清楚地理解本公开的实施例，在附图中：
图1是示出了根据本公开的实施例的图像传感器的框图；
图2是示出了根据本公开的实施例的像素的电路图；
图3是示出了根据本公开的实施例的电容器的截面图；
图4是示出了根据本公开的实施例的像素的操作的时序图；
图5A至图5D是示出了根据本公开的实施例的浮动扩散节点和电容器的电位的混合图；
图6是示出了根据本公开的实施例的图像传感器的操作的流程图；
图7A和图7B是示出了根据本公开的实施例的升压操作的时序图；
图8至图9是示出了根据本公开的实施例的像素的操作的时序图；
图10至图12是根据本发明的实施例的像素的电路图；
图13是示出了根据本公开的实施例的电子设备的框图；
图14是示出了根据本公开的实施例的电子设备的一部分的框图；以及
图15是示出了根据本公开的实施例的相机模块的具体配置的框图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的图像传感器。
图像传感器100可以安装在具有图像或光感测功能的电子设备中。例如，图像传感器100可以安装在诸如相机、智能手机、可穿戴设备、物联网(IoT)设备、家用电器、平板个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、导航系统、无人机或高级驾驶员辅助系统(ADAS)等的电子设备中。此外，图像传感器100可以安装在作为车辆、家具、制造设备、门、各种测量设备等中的组件而提供的电子设备中。
参考图1，图像传感器100可以包括像素阵列110、行驱动器120、读出电路130、斜坡信号发生器140、时序控制器150和信号处理器190，并且读出电路130可以包括模数转换电路131(下文中称为ADC电路)和数据总线132。
像素阵列110可以包括多条行线RL、多条列线CL、以及与多条行线RL和多条列线CL连接并以矩阵布置的多个像素PX。多个像素PX可以被设置为有源像素传感器(APS)。
多个像素PX中的每一个可以包括至少一个光电转换元件。多个像素PX中的每一个可以通过使用光电转换元件来检测光，并根据检测到的光输出作为电信号的图像信号。例如，光电转换元件可以包括由有机材料或无机材料构成的光检测元件，例如无机光电二极管、有机光电二极管、钙钛矿光电二极管、光电晶体管、光电门或钉扎光电二极管。在实施例中，多个像素PX中的每一个可以包括多个光电转换元件。
用于光收集的微透镜可以布置在多个像素PX中的每一个的上方或布置在包括相邻像素PX的每个像素组的上方。多个像素PX中的每一个可以从通过微透镜接收的光中检测某个光谱区域中的光。例如，像素阵列110可以包括用于将红色光谱区域中的光转换为电信号的红色像素、用于将绿色光谱区域中的光转换为电信号的绿色像素、以及用于将蓝色光谱区域中的光转换为电信号的蓝色像素。用于透射某个光谱区域中的光的滤色器可以布置在多个像素PX中的每一个上。然而，本公开不限于此，并且像素阵列110可以包括用于将除了红色、绿色和蓝色之外的光谱区域中的光转换为电信号的像素。
在实施例中，多个像素PX中的每一个可以具有多层结构。多层结构的多个像素PX中的每一个包括将不同光谱区域中的光转换为电信号的多个堆叠的光电转换元件，并且可以从多个光电转换元件产生对应于不同颜色的电信号。换言之，可以从一个像素PX输出对应于多种颜色的电信号。
用于透射某个光谱区域中的光的滤色器阵列可以布置在多个像素PX上方，并且能够由相应像素检测到的颜色可以由布置在多个像素PX中的每一个像素上方的滤色器确定。然而，本公开不限于此，并且在实施例中，某个光电转换元件也可以根据施加到该光电转换元件的电信号的电平将某个波段的光转换为电信号。
在多个像素PX的每一个中，由诸如光电二极管之类的光电转换元件产生的电荷可以累积在浮动扩散节点中，并且浮动扩散节点中累积的电荷可以被转换为电压。在这种情况下，浮动扩散节点中累积的电荷被转换为电压的比率(rate)可以被称为转换增益。转换增益可以根据浮动扩散节点的电容而变化。
当浮动扩散节点的电容增加时，转换增益会减小，而当浮动扩散节点的电容减小时，转换增益会增加。在一些实施例中，多个像素PX中的每一个可以在多个转换增益模式(例如，三个转换增益模式)下操作。三个转换增益模式可以包括低转换增益模式、中转换增益模式和高转换增益模式。“在三个转换增益模式下操作”可以意味着在从低转换增益模式到中转换增益模式以及从中转换增益模式到高转换增益模式连续变化时操作，并且意味着在从高转换增益模式到中转换增益模式以及从中转换增益模式到低转换增益模式连续变化时操作。
电荷转换为电压的比率在高转换增益模式下最高，而在低转换增益模式下最低。因此，可以在高转换增益模式下执行产生与比中转换增益模式和低转换增益模式下的照度低的照度相对应的像素信号的操作。可以在中转换增益模式下执行产生与比低转换增益模式下的照度低的照度相对应的像素信号的操作。
在一些实施例中，光电二极管可以在上述三个转换增益模式下产生像素信号。具体地，光电二极管可以在高转换增益模式下操作以产生与第一照度时间段相对应的第一像素信号，该第一照度时间段为最低照度时间段。备选地，光电二极管可以在中转换增益模式下操作以产生与第二照度时间段相对应的第二像素信号，该第二照度时间段是相比第一照度时间段的更高照度时间段。备选地，光电二极管可以在低转换增益模式下操作以产生与第三照度时间段相对应的第三像素信号，该第三照度时间段是相比第二照度时间段的更高照度时间段。在三个转换增益模式下产生的第一至第三像素信号可以合成为一个图像。因此，合成的图像可以具有高动态范围，并且可以从合成的图像中去除运动伪影。
在一些实施例中，多个像素PX中的每一个可以以单次曝光方法(其中执行一次曝光)或多次曝光方法(其中执行多次曝光)来操作。例如，像素PX可以以单次曝光方法来操作，在单次曝光方法中，在一次曝光操作之后光电二极管产生像素信号。在另一示例中，像素PX可以以多次曝光方法来操作，在多次曝光方法中，在第一曝光操作期间光电二极管产生像素信号，然后在第二曝光操作期间光电二极管附加地产生像素信号。
时序控制器150可以控制行驱动器120、读出电路130和斜坡信号发生器140的时序。时序控制器150可以向行驱动器120、读出电路130和斜坡信号发生器140提供用于控制操作时序的控制信号。
行驱动器120可以以行线RL为单位驱动像素阵列110。行驱动器120可以从像素阵列110中包括的行线RL中选择至少一条行线RL。例如，行驱动器120可以产生用于选择行线RL之一的选择信号SEL。像素阵列110可以相对于由选择信号SEL选择的行线RL输出像素信号。像素信号可以包括复位信号和图像信号。
行驱动器120可以产生用于控制像素阵列110的控制信号。例如，行驱动器120可以产生用于控制像素PX的传输晶体管的传输控制信号TS、用于控制复位晶体管的复位控制信号RS、用于控制中转换增益(MCG)晶体管的MCG控制信号MRS、用于控制低转换增益(LCG)晶体管的LCG控制信号LRS、用于升压浮动扩散节点的升压信号BST等。行驱动器120可以响应于由时序控制器150提供的时序控制信号，向多个像素PX提供控制信号。行驱动器120可以基于各种操作模式(例如，高转换增益模式)来确定控制信号的激活时序和去激活时序。下面将参考图2和图4描述多个像素PX中的每一个像素的详细控制。
斜坡信号发生器140可以产生以某个斜率增加或减少的斜坡信号RAMP，并将斜坡信号RAMP提供给读出电路130的ADC电路131。
读出电路130可以从多个像素PX中的由行驱动器120选择的行线RL的像素PX读出像素信号。读出电路130可以基于由斜坡信号发生器140提供的斜坡信号RAMP将通过多条列线CL从像素阵列110接收的像素信号转换为数字数据，并以行为单位产生和输出对应于多个像素PX的像素值。
ADC电路131可以将通过多条列线CL中的每一条列线接收的像素信号与斜坡信号RAMP进行比较，并基于比较结果产生作为数字信号的像素值。例如，ADC电路131可以从图像信号中去除复位信号，并产生指示由像素PX检测到的光量的像素值。ADC电路131可以根据相关双采样(CDS)方法对像素信号进行采样并保持，并对某种噪声(例如，复位信号)的电平和图像信号的电平进行双采样，并且基于与两个电平之间的差异相对应的电平产生比较信号。ADC电路131也可以首先读出图像信号，并且然后读出复位信号，以通过使用增量复位采样(DRS)方法对提供的像素信号进行采样。
由ADC电路131产生的多个像素值可以作为图像数据IDT通过数据总线132输出。图像数据IDT可以提供给图像传感器100内部或外部的图像信号处理器。
数据总线132可以临时存储从ADC电路131输出的像素值，并且然后输出该像素值。数据总线132可以包括多个列存储器和列解码器。多个列存储器中存储的多个像素值可以作为图像数据IDT在列解码器的控制下输出。
在一些实施例中，图像传感器100还可以包括偏置电流控制器，该偏置电流控制器用于当在读出时间段期间像素PX的操作模式改变时(例如，当高转换增益模式改变为中转换增益模式时)增加或减少偏置电流。例如，像素PX在高转换增益模式下操作时的偏置电流可以小于像素PX在中转换增益模式下操作时的偏置电流。多个偏置电流控制器可以分别连接到多条列线CL。
信号处理单元190可以对图像数据执行降噪处理、增益调整、波形整形处理、插值处理、白平衡处理、伽马处理、边缘增强处理、合并等。在一些实施例中，信号处理单元190可以通过合成由在三个转换增益模式下操作的像素阵列110输出的图像数据来产生具有高动态范围的图像。在实施例中，信号处理单元190可以包括在图像传感器100外部的处理器中。
图2示出了根据本公开的实施例的像素。详细地，图2是图1的根据本公开的实施例的多个像素PX中的一个像素PX的电路图。
参考图1和图2，像素PX可以包括光电二极管PD。像素PX包括多个晶体管，例如传输晶体管TG、MCG晶体管MRG、LCG晶体管LRG、复位晶体管RG、驱动晶体管DX、选择晶体管SX和LCG电容器CAP。控制信号TS、MRS、LRS、RS、BTS和SEL可以施加到像素PX，并且控制信号中的至少一些可以由行驱动器120产生。
光电二极管PD可以产生根据光强度而变化的光电荷。例如，光电二极管PD可以产生与入射光量成比例的电荷，即，带负电的电子和带正电的空穴。由光电二极管PD产生的光电荷也可以仅传输到第一浮动扩散节点FD1以在其中累积，或者也可以传输到第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2以在其中累积。备选地，光电荷可以传输到第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP以在其中累积。寄生电容器可以形成在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的每一个中，或者实际电容器可以连接到第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的每一个。
像素PX可以包括传输晶体管TG。传输晶体管TG的一端可以连接到光电二极管PD，而传输晶体管TG的另一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1。传输晶体管TG可以响应于从行驱动器120接收的传输控制信号TS而接通或断开。因此，传输晶体管TG可以将光电二极管PD产生的光电荷传输到第一浮动扩散节点FD1。
像素PX可以包括MCG晶体管MRG。MCG晶体管MRG的一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1，而MCG晶体管MRG的另一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2。MCG晶体管MRG可以响应于从行驱动器120接收到的MCG信号MRS而接通或断开。因此，MCG晶体管MRG可以将第一浮动扩散节点FD1连接到第二浮动扩散节点FD2。由于第一浮动扩散节点FD1连接到第二浮动扩散节点FD2，因此电容可以增加并且转换增益可以降低。因此，像素PX可以在中转换增益模式下操作。
像素PX可以包括LCG晶体管LRG。LCG晶体管LRG的一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1，而LCG晶体管LRG的另一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3。LCG晶体管LRG可以响应于从行驱动器120接收到的LCG信号LRS而接通或断开。因此，LCG晶体管LRG可以将第一浮动扩散节点FD1连接到第三浮动扩散节点FD3。由于第一浮动扩散节点FD1连接到第三浮动扩散节点FD3，所以电容可以增加并且转换增益可以降低。当LCG晶体管LRG和MCG晶体管MRG两者接通时，第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3可以彼此连接。因此，像素PX可以在低转换增益模式下操作。
也就是说，LCG晶体管LRG和MCG晶体管MRG两者在断开时可以在高转换增益模式下操作，并且由于当MCG晶体管MRG接通而LCG晶体管LRG断开时电容增加，LCG晶体管LRG和MCG晶体管MRG两者可以在中转换增益模式下操作，以及LCG晶体管LRG和MCG晶体管MRG两者在接通时可以在低转换增益模式下操作。
像素PX可以包括LCG电容器CAP。LCG电容器CAP的一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3，并且来自行驱动器120的升压信号BST可以施加到LCG电容器CAP的另一端。在另一实施例中，LCG电容器CAP的一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3，并且地电压可以施加到LCG电容器CAP的另一端。
根据本公开的实施例，来自光电二极管PD的电荷可能由于曝光操作而溢出，并且溢出的电荷可以累积在LCG电容器CAP中。LCG电容器CAP可以包括动态随机存取存储器(DRAM)电容器。下面将参考图3详细描述LCG电容器CAP。
像素PX可以包括复位晶体管RG。复位晶体管RG可以复位在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的至少一个浮动扩散节点中累积的电荷。像素电压VPIX可以施加到复位晶体管RG的一端，并且复位晶体管RG的另一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2。在另一实施例中，可以向复位晶体管RG的一端施加不同于像素电压VPIX的电压。复位晶体管RG可以响应于从行驱动器120接收到的复位控制信号RS而接通或断开。因此，在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的至少一个浮动扩散节点中累积的电荷可以被放电以复位第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的至少一个浮动扩散节点。
像素PX可以包括驱动晶体管DX。驱动晶体管DX的一端可以连接到选择晶体管SX，并且像素电压VPIX可以施加到驱动晶体管DX的另一端。驱动晶体管DX可以作为源极跟随器基于由与列线CL连接的电流源CS产生的偏置电流IL而操作。驱动晶体管DX可以输出与第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中的至少一个浮动扩散节点中累积的电荷相对应的电压作为像素信号。
像素PX可以包括选择晶体管SX。选择晶体管SX的一端可以连接到驱动晶体管DX，而选择晶体管SX的另一端可以连接到列线CL。选择晶体管SX可以响应于从行驱动器120接收的选择信号SEL而接通或断开。当在读出操作期间接通选择晶体管SX时，与复位操作相对应的复位信号或包括与电荷累积操作相对应的图像信号的像素信号可以被输出到列线CL。
根据本公开，由光电二极管PD产生的电荷可以在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP中累积，图像传感器可以产生具有宽动态范围和提高的信噪比的图像数据。
图3示出了根据本公开的实施例的电容器。详细地，图3是示出了图2的根据本公开的实施例的LCG电容器CAP的视图。
参考图2至图3，像素PX可以包括LCG电容器CAP。LCG电容器CAP可以具有DRAM的单元的电容器的形式。
为了容纳在LCG模式下从光电二极管PD溢出的大量电荷，LCG电容器CAP可以设置为如图所示的圆柱形状。电容器的电容通常与电容器的有效表面积和电介质的介电常数成比例，因此，电容器的有效表面积可以通过将LCG电容器CAP形成为圆柱形状来增加。因此，可以形成电容器的大电容。LCG电容器CAP可以包括至少一个圆柱形状的电容器。LCG电容器CAP的结构不限于本公开，并且可以以各种形式修改。
LCG电容器CAP可以包括上电极TE、下电极BE和电介质层DE。LCG电容器CAP的上电极TE和下电极BE可以形成为圆柱形状，并且电介质层DE可以介于其间。LCG电容器CAP的上电极TE和下电极BE可以形成为中空圆柱形状并且面向彼此，电介质层DE介于上电极TE和下电极BE之间，并且电介质层DE可以沿着下电极BE的表面以保形形式形成。
上电极TE和下电极BE可以包括多晶硅、金属、金属氮化物、金属氧化物或其组合。电介质层DE可以包括氮化物、氧化物、金属氧化物或其组合。例如，电介质层DE可以包括诸如氧化铪层(HfO2)或氧化锆层(ZrO2)之类的高k材料，但是不是限于此。
图4示出了根据本公开的实施例的像素的操作。详细地，图4是示出了图2的根据本公开的实施例的像素PX的操作的时序图。
参考图2和图4，像素PX可以在快门时间段期间复位光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3，并且在读出时间段期间从光电二极管PD读出像素信号。在下文中，将描述在快门时间段和读出时间段期间执行的操作。
首先，在快门时间段期间，MCG控制信号MRS可以从第一电平(例如，逻辑低电平)变为第二电平(例如，逻辑高电平)，并且LCG控制信号LRS可以维持第二电平。因此，MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG可以接通，并且第一浮动扩散节点FD1可以连接到第二浮动扩散节点FD2、第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP。
在MCG控制信号MRS从第一电平变为第二电平之后，复位控制信号RS和传输控制信号TS可以从第一电平变为第二电平。因此，复位晶体管RG和传输晶体管TG可以接通，并且光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3可以被复位。也就是说，光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3可以连接到像素电压端子，并且在光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3中累积的电荷可以向像素电压VPIX排放，以复位光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3。
在传输控制信号TS从第二电平变为第一电平之后，复位控制信号RS和MCG控制信号MRS可以从第二电平变为第一电平。在快门时间段期间通过复位控制信号RS接通复位晶体管RG以复位光电二极管PD和第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3的操作可以被称为“第一接通操作”，通过复位控制信号RS接通复位晶体管RG以复位第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP的操作可以被称为“第二接通操作”。
在时间点T1，读出时间段READOUT开始。读出时间段READOUT可以包括第一读出时间段R1、第二读出时间段R2和第三读出时间段R3。
在第一读出时间段R1期间，LCG控制信号LRS可以维持第二电平，而复位控制信号RS和传输控制信号TS可以维持第一电平。因此，在第一读出时间段R1期间，LCG晶体管LRG可以接通，而复位晶体管RG和传输晶体管TG可以维持断开状态。因此，第一浮动扩散节点FD1可以与第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP连接。
为方便起见，可以省略从时间点T1到时间点T2的时间段。也就是说，从时间点T1到时间点T2的时间段可以比图4所示的时间段长。在时间点T2之后，选择信号SEL和MCG控制信号MRS可以从第一电平变为第二电平。因此，选择晶体管SX和MCG晶体管MRG可以接通。因此，第一浮动扩散节点FD1可以连接到第二浮动扩散节点FD2、第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP，因此，像素PX可以在低转换增益模式下操作。选择信号SEL在变为第二电平之后可以维持第二电平。
在这种状态下，当大量光入射到光电二极管PD上时，可以在光电二极管PD中执行光电转换。通过光电转换产生的电荷可以首先累积在光电二极管PD中，并且在光电二极管PD中从时间点T2开始累积的电荷可以溢出穿过断开的传输晶体管TG的栅极势垒。溢出的电荷可以传输到第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP以在其中累积。换言之，当超过某个数量的电荷累积在光电二极管PD中时，即使在传输晶体管TG断开的状态下，溢出电荷也可以指示在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP中累积的电荷。
在时间点T3，可以输出第一LCG图像信号LCG SIG1。第一LCG图像信号LCG SIG1可以指示由于溢出的电荷而引起的图像信号。因此，第一LCG图像信号LCG SIG1可以被称为“溢出图像信号”。第一LCG图像信号LCG SIG1可以指示通过对与在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP中累积的电荷量相对应的电压进行采样而获得的信号。通过在第二读出时间段R2之前首先输出第一LCG图像信号LCG SIG1，即使当大量光入射到光电二极管PD上以产生比可以在光电二极管PD中累积的电荷更多的电荷时，与超过可以在光电二极管PD中累积的电荷量的电荷量相对应的图像信号也可以被输出。因此，可以产生具有宽动态范围的图像数据。
第二读出时间段R2可以从时间点T3开始。当复位控制信号RS从第一电平变为第二电平时，复位晶体管RG可以执行第二接通操作。从复位晶体管RG响应于复位控制信号RS执行第一接通操作时到复位晶体管RG执行第二接通操作时，LCG晶体管LRG可以接通。也就是说，从当复位控制信号RS在快门时间段期间改变为第二电平时到在读出时间段期间的第二电平，LCG控制信号LRS可以维持第二电平。在时间点T3与时间点T4之间的时间段期间，MCG控制信号MRS可以维持第二电平。因此，在第一浮动扩散区FD1至第三浮动扩散区FD3和LCG电容器CAP中累积的电荷可以通过复位晶体管RG排放到像素电压端子。也就是说，第一浮动扩散区FD1至第三浮动扩散区FD3可以被复位到像素电压VPIX的电平。在第一浮动扩散区FD1至第三浮动扩散区FD3被复位之后，复位控制信号RS可以从第二电平变为第一电平。因此，复位晶体管RG可以再次断开。
在时间点T4，可以输出LCG复位信号LCG RST。LCG复位信号LCG RST可以被称为“第三复位信号”。MCG控制信号MRS和LCG控制信号LRS在时间点T4维持第二电平，像素PX可以在低转换增益模式下操作。因此，LCG复位信号LCG RST可以指示低转换增益模式下的复位信号。时间点T4可以是第一浮动扩散区FD1至第三浮动扩散区FD3维持稳定复位状态的时间点。当选择控制信号SEL维持第二电平时，选择晶体管SX可以接通，因此可以通过列线CL输出LCG复位信号LCG RST。
在时间点T4之后，LCG控制信号LRS可以从第二电平变为第一电平。因此，LCG晶体管LRG断开，第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP可以与第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2电断开。此外，第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP可以与像素电压VPIX隔离。
在时间点T5，可以输出MCG复位信号MCG RST。MCG复位信号MCG RST可以被称为“第二复位信号”。因为MCG控制信号MRS在时间点T5维持第二电平并且LCG控制信号LRS从第二电平变为第一电平并维持第一电平，所以像素PX可以在中转换增益模式下操作。因此，MCG复位信号MCG RST可以指示中转换增益模式下的复位信号。
在时间点T5之后，MCG控制信号MRS可以从第二电平变为第一电平。因此，MCG晶体管MRG断开，并且因此，第二浮动扩散节点FD2、第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP可以与第一浮动扩散节点FD1电断开。此外，第二浮动扩散节点FD2、第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP可以与像素电压VPIX隔离。
在时间点T6，可以输出高转换增益(HCG)复位信号HCG RST。HCG复位信号HCG RST可以被称为“第一复位信号”。因为MCG控制信号MRS和LCG控制信号LRS在时间点T6处于第一电平，所以像素PX可以在高转换增益模式下操作。因此，HCG复位信号HCG RST可以指示高转换增益模式下的复位信号。
第三读出时间段R3可以从时间点T6开始。从传输控制信号TS在快门时间段期间断开时到传输控制信号TS在第三读出时间段R3期间再次接通时的时间段可以被称为有效积分时间(EIT)。像素PX可以在EIT期间集成光电荷。在EIT期间，光电荷可以在光电二极管PD中累积。
在第二读出时间段R2之后，传输控制信号TS可以从第一电平变为第二电平。因此，传输晶体管TG可以接通。在时间点T6与时间点T7之间的时间段期间，传输晶体管TG接通，并且MCG控制信号MRS和LCG控制信号LRS维持第一电平，因此在光电二极管PD中累积的电荷可以移动到第一浮动扩散节点FD1以在其中累积。此时，因为第二浮动扩散区FD2、第三浮动扩散区FD3和LCG电容器CAP与第一浮动扩散区FD1电断开，所以在光电二极管PD中累积的电荷不会移动。因此，像素PX可以在高转换增益模式下操作。随后，传输控制信号TS可以从第二电平变回第一电平。因此，传输晶体管TG可以再次断开。
在时间点T7，可以输出HCG图像信号HCG SIG。HCG图像信号HCG SIG可以被称为“第一图像信号”。HCG图像信号HCG SIG可以是高转换增益模式下的图像信号。HCG图像信号HCGSIG可以指示通过对与在第一浮动扩散区FD1中累积的电荷量相对应的电压进行采样而获得的信号。
在时间点T7之后，MCG控制信号MRS可以从第一电平变为第二电平。因为MCG晶体管MRG接通，所以第一浮动扩散节点FD1可以电连接到第二浮动扩散节点FD2。因此，像素PX可以在中转换增益模式下操作。
在时间点T8，可以输出MCG图像信号MCG SIG。MCG图像信号MCG SIG可以被称为“第二图像信号”。MCG图像信号MCG SIG可以是中转换增益模式下的图像信号。也就是说，MCG图像信号MCG SIG可以指示通过对与在第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2中累积的电荷量相对应的电压进行采样而获得的信号。
在时间点T8之后，LCG控制信号LRS可以从第一电平变为第二电平。因为MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG接通，所以第一浮动扩散节点FD1可以与第二浮动扩散节点FD2、第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP电连接。因此，像素PX可以在低转换增益模式下操作。
在时间点T9，可以输出第二LCG图像信号LCG SIG2。第二LCG图像信号LCG SIG2可以被称为“第三图像信号”。第二LCG图像信号LCG SIG2可以是低转换增益模式下的图像信号。也就是说，第二LCG图像信号LCG SIG2可以指示通过对与在第一浮动扩散区FD1至第三浮动扩散区FD3和LCG电容器CAP中累积的电荷量相对应的电压进行采样而获得的信号。第二LCG图像信号LCG SIG2受限于可以在光电二极管PD中累积的电荷量，因此，第二LCG图像信号LCG SIG2可以与由于溢出的电荷引起的第一LCG溢出图像信号LCG SIG1不同。
在时间点T10之后，可以对输出像素信号进行求和或合成。将参考图6进行详细描述。
如上述时序图所述，本发明可以使用第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP，以在高照度下通过在低转换增益模式下操作来输出LCG复位信号LCGRST、由于溢出电荷而引起的第一LCG图像信号LCG SIG1、以及在光电二极管PD中充电的第二LCG图像信号LCG SIG2，并且在中照度下通过在中转换增益模式下操作来输出MCG复位信号MCG RST和MCG图像信号MCG SIG，并且通过在低照度下在高转换增益模式下操作来输出HCG复位信号HCG RST和HCG图像信号HCG SIG，因此可以高效地获得高动态范围(HDR)。此外，图像传感器可以产生具有增加的信噪比的图像数据。
图5A至图5D示出了根据本公开的实施例的光电二极管和浮动扩散节点的电位。详细地，图5A至图5D在结构上示出了图2的像素PX中的光电二极管PD、第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3、以及LCG电容器CAP的电位。图5A至图5D的竖直轴表示与充电电位相关的指示符。下文中，将参考图2和图4进行描述。
参考图5A，光电二极管PD的最高电位P1可以高于第一浮动扩散节点FD1的电位P2。因此，当光电二极管PD与第一浮动扩散节点FD1之间的阈值电压降低时，在光电二极管PD中累积的电荷由于电位差可以移动到第一浮动扩散节点FD1。
第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3的电位P2被示出为相同，但是本发明不限于此，并且第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3也可以具有彼此不同的电位。例如，第一浮动扩散节点FD1的电位可以高于第二浮动扩散节点FD2或第三浮动扩散节点FD3的电位。
图5A可以表示图4的时间点T6处的电位。在时间点T6，电荷可以在光电二极管PD中累积。因为传输控制信号TS断开，所以电荷不会移动到第一浮动扩散节点FD1。
图5B可以表示图4的时间点T7处的电位。参考图5B，传输晶体管TG可以根据传输控制信号TS接通。因此，光电二极管PD与第一浮动扩散节点FD1之间的阈值电压降低，并且因此，在光电二极管PD中累积的电荷可以移动到第一浮动扩散节点FD1。因为MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG根据MCG控制信号MRS和LCG控制信号LRS断开，所以在光电二极管PD中累积的电荷不会移动到第二浮动扩散节点FD2和第三浮动扩散节点FD3。因此，像素PX可以在高转换增益模式下操作。
图5C可以表示图4的时间点T8处的电位。参考图5C，MCG晶体管MRG可以根据MCG控制信号MRS接通。因此，第一浮动扩散节点FD1与第二浮动扩散节点FD2之间的阈值电压降低，并且因此，第一浮动扩散节点FD1中累积的电荷可以移动到第二浮动扩散节点FD2。因为LCG晶体管LRG根据LCG控制信号LRS断开，所以在第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2中累积的电荷不会移动到第三浮动扩散节点FD3。因此，像素PX可以在中转换增益模式下操作。
图5D可以表示图4的时间点T9处的电位。参考图5D，LCG晶体管LRG可以根据LCG控制信号LRS接通。因此，第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2与第三浮动扩散节点FD3之间的阈值电压降低，并且因此，在第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2中累积的电荷可以移动到第三浮动扩散节点FD3。因此，像素PX可以在低转换增益模式下操作。第三浮动扩散节点FD3连接到LCG电容器CAP，因此可以增加电荷存储容量。
如上所述，通过控制MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG的操作，由光电二极管PD产生的电荷可以适当地移动到第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP。
图6示出了根据本公开的实施例的图像传感器的操作方法。详细地，图6是示出了根据图1至图2的图像传感器100的操作方法的流程图。在下文中，将参考图1至图2进行描述。
参考图6，在步骤S10中，可以执行快门步骤。图像传感器100可以接通像素PX中的MCG晶体管MRG、LCG晶体管LRG、复位晶体管RG和传输晶体管TR，以复位第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和光电二极管PD。
在步骤S20中，可以执行溢出电荷累积步骤。当在光电二极管PD中累积的电荷开始从光电二极管PD溢出时，溢出的电荷可以累积在第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP中。由于溢出的电荷在没有损失的情况下在由第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP提供的电容中进行积分，因此第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3的电位可以低于像素电压VPIX。
在步骤S30中，可以执行第一采样步骤。在第一采样步骤中，可以输出第一LCG图像信号。在步骤S30中，LCG晶体管LRG和MCG晶体管MRG两者接通以在低转换增益模式下操作。
在步骤S40中，可以执行复位步骤。第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3的电压可以被复位到像素电压VPIX的电平。复位步骤可以在三个转换增益模式下操作以输出复位信号。
在步骤S50中，可以执行第二采样步骤。在第二采样步骤中，可以输出HCG图像信号、MCG图像信号和第二LCG图像信号。在步骤S50中，可以通过在三个转换增益模式下操作来输出图像信号。
在步骤S60中，可以执行信号合成步骤。首先，可以对由于溢出的电荷引起的第一LCG溢出图像信号和由于光电二极管中累积的电荷引起的第二LCG图像信号求和(SUM)。求和的图像信号可以被称为“合成LCG图像信号”。
随后，可以通过使用HCG复位信号和HCG图像信号来产生HCG图像数据，所述HCG复位信号和HCG图像信号是高转换增益模式下的像素信号。HCG图像数据可以被称为“第一图像数据”。
可以通过使用MCG复位信号和MCG图像信号来产生MCG图像数据，所述MCG复位信号和MCG图像信号是中转换增益模式下的像素信号。MCG图像数据可以被称为“第二图像数据”。
可以通过使用LCG复位信号和合成的LCG图像信号来产生LCG图像数据，所述LCG复位信号和合成的LCG图像信号是低转换增益模式下的像素信号。LCG图像数据可以被称为“第三图像数据”。
可以对第一图像数据至第三图像数据进行合成。可以通过对第一图像数据至第三图像数据进行合成来产生最终图像数据。第一图像数据至第三图像数据的合成可以由图1的信号处理单元190执行。
如上所述，根据本公开的图像传感器100根据照度提供三个转换增益模式，从而高效地实现高动态范围(HDR)功能。另外，在单次拍摄中针对每个照度产生像素信号和图像数据，并且通过对像素信号和图像数据进行合成来提供图像，因此可以去除运动伪影。此外，从一帧产生多个图像数据，并且将多个图像数据合成为最终图像数据，因此，与对从多个帧产生的图像数据进行合成的情况相比，可以缩短数据产生时间。
图7A和图7B示出了根据本公开的实施例的像素的升压操作。详细地，图7A和图7B是示出根据本公开的实施例的图2的像素PX的升压操作的时序图。在下文中，将参考图1和图2进行描述。
参考图7A，在时间点Ta，LCG控制信号LRS可以从第一电平(例如，逻辑低电平)变为第二电平(例如，逻辑高电平)。因此，LCG晶体管LRG可以接通，并且第一浮动扩散节点FD1可以与第三浮动扩散节点FD3和LCG电容器CAP连接。
在时间点Tb，具有升压电压的升压信号BST可以施加到LCG电容器CAP的一端。升压信号BST可以是从行驱动器120发送的控制信号之一。在实施例中，升压信号BST可以具有地电压或升压电压。升压电压可以是可变的。例如，升压电压可以在地电压与像素电压之间的范围内变化。升压电压可以超过地电压，并且可以具有等于或小于像素电压的电压。在本说明书中，“施加升压信号”可以指示施加具有升压电压的升压信号，而“未施加升压信号”可以指示施加具有地电压的升压信号。当升压信号BST施加到LCG电容器CAP的一端时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1可以被升压。
在时间点Tc，可以不施加升压信号BST。因此，可以降低第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1。
在时间点Td，LCG控制信号LRS可以从第二电平变为第一电平。当LCG控制信号LRS变为第一电平时，LCG电容器CAP与第一浮动扩散节点FD1电断开，因此，即使升压信号BST施加到LCG电容器CAP，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1可以不被升压。
参考图7B，LCG控制信号LRS可以在时间点Tc'从第二电平变为第一电平，并且升压信号BST可以维持升压电压。即使当LCG控制信号LRS变为第一电平并且LCG电容器CAP与第一浮动扩散节点FD1电断开时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1也可以保持升压。也就是说，当LCG控制信号LRS在升压信号BST被施加的同时变为第一电平时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1可以保持升压。
在时间点Td'，升压信号BST可以具有地电压。因为LCG控制信号LRS变为第一电平，并且LCG电容器CAP与第一浮动扩散节点FD1电断开，因此，即使当升压信号BST具有地电压时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1可以保持升压。
当升压信号BST施加到LCG电容器CAP时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1可以被升压。因此，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1与光电二极管PD的电压之间的电压差增加，并且因此可以实现高转换增益模式。此外，可以获得升压效果而无需单独的升压电路，从而可以提高空间效率。
图8示出了根据本公开的实施例的像素的操作。详细地，图8是示出了图4的可变形实施例的图。与图4的实施例相比，图8的实施例还可以执行升压操作。省略了已经参考图4给出的描述，并且将参考图2、图7A和图7B进行描述。
参考图8，可以在时间点T2与时间点T3之间施加升压信号BST。因为在施加升压信号BST的时间点处，通过LCG控制信号LRS接通LCG晶体管LRG，所以第一浮动扩散节点FD1的电压可以被升压。在时间点T3之后，可以不施加升压信号BST。
随后，可以在时间点T3与时间点T4之间再次施加升压信号BST。因为在施加升压信号BST的时间点处，通过LCG控制信号LRS接通LCG晶体管LRG，所以第一浮动扩散节点FD1的电压可以被升压。
在从时间点T4到时间点T9的时间段期间，在施加升压信号BST的同时，LCG晶体管LRG可以通过LCG控制信号LRS而断开。如图7B所述，即使当LCG晶体管LRG断开并且LCG电容器CAP与第一浮动扩散节点FD1彼此电断开时，第一浮动扩散节点FD1的电压VFD1也可以保持升压。
图9示出了根据本公开的实施例的像素的操作。详细地，图9示出了图8的可变形实施例。因此，省略了已经参考图4和图8给出的描述，并且将参考图2、图7A和图7B进行描述。
参考图9，与图8的实施例相比，在时间段A期间可以附加地施加升压信号BST。在时间段A期间附加地施加的升压信号BST可以被称为“附加的升压信号”。
施加了附加的升压信号的时间段W可以根据EIT而变化。例如，当EIT较短时，施加了附加的升压信号的时间段W可以减少。
附加的升压信号的升压电压H可以根据模拟增益而变化。当ADC电路(图1的131)接收从像素PX输出的像素信号时，模拟增益可以确定由ADC电路读出的电压的范围。例如，当模拟增益增加时，由ADC电路读出的像素信号的电压范围可以减小。也就是说，当模拟增益被设置得更大时，可以以更小的电压读出像素信号。因此，当模拟增益增加时，实现相同图像所需的电压可以降低。模拟增益可以由用户设置。因此，附加的升压信号的升压电压H可以随着模拟增益的增加而降低。
通过根据EIT或模拟增益而改变在时间段A期间附加地施加的升压信号BST，可以高效地获得第一浮动节点FD1的升压效果。此外，当模拟增益增加时，升压信号BST的升压电压可以变化较小，因此可以防止产生漏电流。
图10至图12示出了根据本公开的实施例的像素。详细地，图10至图12是示出了图2的可变形实施例的图。基本上施加到图10至图12的像素PX1至PX3的电压可以与图2的电压相同。
参考图10，像素PX1可以包括多个光电二极管PD1至PD8和多个传输晶体管TG1至TG8。
光电二极管PD1至PD8可以分别对应于传输晶体管TG1至TG8。因此，传输晶体管TG1至TG8中的每一个传输晶体管的一端可以连接到对应的光电二极管PD1至PD8中的任何一个，而其另一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1。传输信号TS1至TS8可以分别施加到传输晶体管TG1至TG8。在本实施例中，示出了八个光电二极管PD1至PD8和八个传输晶体管TG1至TG8，但是本公开不限于此。
像素PX1可以包括传输电路TC1。传输电路TC1可以包括第一浮动扩散节点FD1至第三浮动扩散节点FD3、MCG晶体管MRG、LCG晶体管LRG、LCG电容器CAP、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。传输电路TC1可以包括与图2的传输电路TC1相同的组件。在本实施例中，多个光电二极管PD1至PD8可以布置在一个传输电路TC1中，因此可以提高空间效率。此外，可以布置具有相同尺寸的光电二极管PD1至PD8，因此，可以执行制造并可以提高生产率。
图10至图12在传输电路TC1至传输电路TC3方面可以彼此不同。可以省略基本上重复的描述。
图11和图12示出了多个光电二极管PD1至PD8和多个传输晶体管TG1至TG8，但是不限于此。例如，可以如图2所示布置至少一个光电二极管PD和至少一个传输晶体管TG。因此，在描述图11和图12时，可以省略对与图2或图10的组件相同的组件的描述，并且可以描述传输电路TC2和TC3。
参考图11，在传输电路TC2中，LCG晶体管LRG可以连接到第二浮动扩散节点FD2，而MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG可以彼此并联连接。
MCG晶体管MRG的一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1，而MCG晶体管MRG的另一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2。复位晶体管RG的一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2，并且像素电压VPIX可以施加到复位晶体管RG的另一端。LCG晶体管LRG的一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2，而LCG晶体管LRG的另一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3。LCG电容器CAP可以连接到第三浮动扩散节点FD3。
参考图12，在传输电路TC3中，LCG晶体管LRG可以连接到第二浮动扩散节点FD2，而MCG晶体管MRG和LCG晶体管LRG可以彼此串联连接。
MCG晶体管MRG的一端可以连接到第一浮动扩散节点FD1，而MCG晶体管MRG的另一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2。LCG晶体管LRG的一端可以连接到第二浮动扩散节点FD2，而LCG晶体管LRG的另一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3。复位晶体管RG的一端可以连接到第三浮动扩散节点FD3，并且像素电压VPIX可以施加到复位晶体管RG的另一端。也就是说，LCG晶体管LRG可以在MCG晶体管MRG与复位晶体管RG之间。LCG电容器CAP可以连接到第三浮动扩散节点FD3。
图13示出了根据本公开的实施例的电子设备。
参考图13，电子设备1000可以包括图像传感器1100、应用处理器1200、显示器1300、存储器1400、存储装置1500、用户接口1600、以及无线发送/接收单元1700。图13的图像传感器1100可以与图1的图像传感器100相对应。省略了已经参考图1给出的描述。
应用处理器1200可以控制电子设备1000的操作，并且可以被提供为驱动应用程序、操作系统等的片上系统(SoC)。应用处理器1200可以从图像传感器1100接收图像数据，并对接收的图像数据执行图像处理。在一些实施例中，应用处理器1200可以将接收的图像数据和/或经处理的图像数据存储在存储器1400或存储装置1500中。
存储器1400可以存储由应用处理器1200执行或处理的程序和/或数据。存储装置1500可以实现为诸如NAND闪存或电阻存储器的非易失性存储器件，并且例如，存储装置1500可以被提供为存储卡(多媒体卡(MMC)、嵌入式多媒体卡(eMMC)、安全数字(SD)卡或微型SD卡)等。存储装置1500可以存储用于控制应用处理器1200的图像处理操作的执行算法的数据和/或程序，并且当执行图像处理操作时，将数据和/或程序加载到存储器1400中。
可以用能够接收用户输入的各种设备(例如，键盘、窗帘键面板(curtain keypanel)、触摸面板、指纹传感器和麦克风)来实现用户接口1600。用户接口1600可以接收用户输入，并将与接收到的用户输入相对应的信号提供给应用处理器1200。无线发送/接收单元1700可以包括调制解调器1710、收发器1720和天线1730。
图14示出了根据本公开的实施例的电子设备的一部分。图15示出了根据本公开的实施例的相机模块的详细配置。图14示出了作为图13的电子设备1000的一部分的电子设备2000，而图15示出了图14的相机模块2100b的详细配置。
参考图14，电子设备2000可以包括多相机模块2100、应用处理器2200和存储器2300。存储器2300可以执行与图13所示的存储器1400相同的功能，因此省略其冗余描述。
电子设备2000可以通过使用CMOS图像传感器来捕获对象的图像和/或存储捕获的图像，并且可以实现为移动电话、平板计算机或便携式电子设备。便携式电子设备可以包括膝上型计算机、移动电话、智能电话、平板PC、可穿戴设备等。
多相机模块2100可以包括通过快门信号线SSL连接的第一相机模块2100a、第二相机模块2100b和第三相机模块2100c。多相机模块2100可以包括图1的图像传感器100。另外，尽管图14示出了多相机模块2100包括三个相机模块2100a至2100c，但是本公开不限于此，并且两个、四个或更多个相机模块可以包括在多相机模块2100中。
在下文中，将参考图15描述相机模块2100b的详细配置，但是以下描述可以同样适用于根据实施例的其他相机模块2100a和2100c。
参考图15，第二相机模块2100b可以包括棱镜2105、光路折叠元件(下文中被称为“OPFE”)2110、致动器2130、图像感测器件2140和存储装置2150。
棱镜2105可以包括光反射材料的反射表面2107，以改变从外部入射的光L的路径。
根据实施例，棱镜2105可以将沿第一方向X入射的光L的路径改变为垂直于第一方向X的第二方向Y。此外，棱镜2105可以使光反射材料的反射表面2107绕中心轴2106沿A方向旋转或使中心轴2106沿B方向旋转，以将沿第一方向X入射的光L的路径改变为沿第二方向Y(竖直方向)。在这种情况下，OPFE 2110可以沿与第一方向X和第二方向Y垂直的第三方向Z移动。
在实施例中，如图15所示，棱镜2105沿A方向的最大旋转角可以是沿正(+)A方向的15度或更小，并且可以沿负(-)A方向大于15度，但是实施例不限于此。
在一个实施例中，棱镜2105可以沿正(+)B方向或负(-)B方向移动约20度、或约10度至约20度、或约15度至约20度，并且在本文中，棱镜2105可以在正(+)B方向或负(-)B方向上以相同的角度移动，或者可以在约1度的范围内以几乎相似的角度移动。
在一个实施例中，棱镜2105可以沿平行于中心轴2106的延伸方向的第三方向(例如，Z方向)移动光反射材料的反射表面2107。
OPFE 2110可以包括例如m(其中m是自然数)个光学透镜。m个光学透镜可以沿第二方向Y移动以改变相机模块2100b的光学变焦比率。例如，在相机模块2100b的基本光学变焦比率被称为Z的情况下，当移动OPFE 2110中包括的m个光学透镜时，相机模块2100b的光学变焦比率可以改变为3Z、5Z，或5Z或更高。
致动器2130可以将OPFE 2110或光学透镜移动到特定位置。例如，致动器2130可以调整光学透镜的位置，使得图像传感器2142位于光学透镜的焦距处以进行精确感测。
图像感测器件2140可以包括图像传感器2142、控制逻辑2144和存储器2146。图像传感器2142可以通过使用通过光学透镜提供的光L来检测感测目标的图像。图15的图像传感器2142在功能上可以类似于图1的图像传感器110，因此，可以省略其冗余描述。控制逻辑2144可以控制第二相机模块2100b的总体操作。例如，控制逻辑2144可以根据通过控制信号线CSLb提供的控制信号来控制第二相机模块2100b的操作。
存储器2146可以存储用于第二相机模块2100b的操作的信息，例如校准数据2147。校准数据2147可以包括用于第二相机模块2100b通过使用从外部提供的光L而产生图像数据的信息。校准数据2147可以包括例如以上描述的关于旋转度数的信息、关于焦距的信息、关于光轴的信息等。当第二相机模块2100b以焦距根据光学透镜的位置而改变的多状态相机的形式来实现时，校准数据2147可以包括针对光学透镜的每个位置(或状态)的焦距值和关于自动对焦的信息。
存储装置2150可以存储由图像传感器2142检测到的图像数据。存储装置2150可以布置在图像感测器件2140的外部，并且可以实现为与构成图像感测器件2140的传感器芯片堆叠的形式。在实施例中，存储装置2150可以实现为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，但是实施例不限于此。
一起参考图14和图15，在实施例中，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，一个相机模块(例如，第一相机模块2100a)可以包括在一个滤色器中共享相同的颜色信息的四个相邻像素(即，四单元)，而另一个相机模块(例如，第二相机模块2100b)可以包括在一个滤色器中共享相同的颜色信息的九个相邻像素(即，九单元)，但是实施例不限于此。
在实施例中，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中的每一个可以包括致动器2130。因此，根据致动器2130的操作，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中的每一个可以包括相同或不同的校准数据2147。
在实施例中，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，一个相机模块(例如，第二相机模块2100b)可以是包括上述棱镜2105和OPFE 2110在内的折叠透镜型相机模块，而其他相机模块(例如，第一相机模块2100a和第三相机模块2100c)可以是不包括棱镜2105和OPFE 2110的竖直型相机模块，但是实施例不限于此。
在实施例中，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，一个相机模块(例如，第三相机模块2100c)可以是通过使用例如红外线(IR)来提取深度信息的竖直型深度相机。在这种情况下，应用处理器2200可以通过将从深度相机提供的图像数据与从另一个相机模块(例如，第一相机模块2100a或第二相机模块2100b)提供的图像数据合并来产生三维(3D)深度图像。
在实施例中，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，至少两个相机模块(例如，第一相机模块2100a和第二相机模块2100b)可以具有彼此不同的视场(视角)。在这种情况下，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，例如，至少两个相机模块(例如，第一相机模块2100a和第二相机模块2100b)的光学透镜可以彼此不同，但是本公开不限于此。例如，在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中，第一相机模块2100a可以具有比第二相机模块2100b和第三相机模块2100c小的视场(FOV)。然而，本公开不限于此，并且多相机模块2100还可以包括具有比最初使用的第一相机模块2100a至第三相机模块2100c的FOV更大的FOV的相机模块。
此外，在一些实施例中，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c的视角可以彼此不同。在这种情况下，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c中包括的光学透镜也可以彼此不同，但是本公开不限于此。
在一些实施例中，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c可以布置为彼此物理分开。也就是说，第一相机模块2100a至第三相机模块2100c不对一个图像传感器2142的感测区域进行划分，并且独立的图像传感器2142可以布置在第一相机模块2100a至第三相机模块2100c的每一个中。
应用处理器2200可以包括第一子处理器2210a、第二子处理器2210b和第三子处理器2210c、相机模块控制器2230、存储器控制器2240和内部存储器2250。应用处理器2200可以与第一相机模块2100a至第三相机模块2100c分开。例如，应用处理器2200以及第一相机模块2100a至第三相机模块2100c可以实现为单独的半导体芯片。由第一相机模块2100a产生的像素数据可以通过第一像素信号线PSLa提供给图像产生器2220，由第二相机模块2100b产生的像素数据可以通过第二像素信号线PSLb提供给图像产生器2220，以及由第三相机模块2100c产生的像素数据可以通过第三像素信号线PSLc提供给图像产生器2220。
由第一相机模块2100a至第三相机模块2100c产生的图像数据或压缩数据可以通过彼此分开的第一图像信号线ISLa、第二图像信号线ISLb和第三图像信号线ISLc提供给第一子处理器2210a、第二子处理器2210b和第三子处理器2210c。例如，由第一相机模块2100a产生的图像数据或压缩数据可以通过第一图像信号线ISLa提供给第一子处理器2210a，并且由第二相机模块2100b产生的图像数据或压缩数据可以通过第二图像信号线ISLb提供给第二子处理器2210b，以及由第三相机模块2100c产生的图像数据或压缩数据可以通过第三图像信号线ISLc提供给第三子处理器2210c。可以使用例如基于移动工业处理器接口(MIPI)的相机串行接口(CSI)来执行图像数据传输，但是实施例不限于此。
在实施例中，一个子处理器可以布置为对应于多个相机模块。例如，第一子处理器2210a和第三子处理器2210c可以如图14所示集成到一个子处理器中而不彼此分开，并且从第一相机模块2100a和第三相机模块2100c提供的图像数据或压缩数据可以由选择元件(例如，复用器)选择，并且然后提供给集成的子处理器。
相机模块控制器2230可以向第一相机模块2100a至第三相机模块2100c提供控制信号。由相机模块控制器2230产生的控制信号可以通过彼此分开的控制信号线CSLa、CSLb和CSLc提供给第一相机模块2100a至第三相机模块2100c。
尽管已经参照本公开的实施例具体示出并描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附的权利要求阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节的各种改变。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括多个像素；以及
行驱动器，被配置为向所述像素阵列提供升压信号，
其中，所述多个像素中的每一个包括：
第一光电二极管；
传输晶体管，连接到所述第一光电二极管；
第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点，所述第一浮动扩散节点、所述第二浮动扩散节点和所述第三浮动扩散节点连接到所述传输晶体管以累积由所述第一光电二极管产生的电荷；
LCG电容器，连接到所述第三浮动扩散节点以累积由所述第一光电二极管产生的电荷；
MCG晶体管，连接在所述第一浮动扩散节点和所述第二浮动扩散节点之间；以及
LCG晶体管，连接到所述第三浮动扩散节点。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括复位晶体管，所述复位晶体管的一端连接到所述第二浮动扩散节点，而另一端被施加像素电压，以及
所述LCG晶体管的一端连接到所述第三浮动扩散节点，而另一端连接到所述第一浮动扩散节点。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括复位晶体管，所述复位晶体管的一端连接到所述第二浮动扩散节点，而另一端被施加像素电压，以及
所述LCG晶体管的一端连接到所述第三浮动扩散节点，而另一端连接到所述第二浮动扩散节点。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括复位晶体管，所述复位晶体管的一端连接到所述第三浮动扩散节点，而另一端被施加像素电压，以及
所述LCG晶体管的一端连接到所述第三浮动扩散节点，而另一端连接到所述第二浮动扩散节点。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述升压信号具有地电压或升压电压，以及
所述升压电压在像素电压和所述地电压之间的范围内可变。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括第二光电二极管以及连接到所述第二光电二极管的第二传输晶体管，
所述第二传输晶体管连接到所述第一浮动扩散节点，以及
所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述LCG电容器累积由从所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中选择的一个光电二极管产生的电荷。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括读出电路，所述读出电路被配置为读出从由所述行驱动器选择的行线的像素输出的像素信号，其中：
所述多个像素中的每一个还包括复位晶体管，所述复位晶体管用于复位在所述第一光电二极管、所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述LCG电容器中累积的电荷，
所述复位晶体管在快门期间执行第一接通操作以复位所述第一光电二极管、所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述LCG电容器，并且在读出时间段期间执行第二接通操作以复位所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述LCG电容器，以及
从所述复位晶体管执行所述第一接通操作时到所述复位晶体管执行所述第二接通操作时，所述LCG晶体管被接通。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，在所述复位晶体管执行所述第二接通操作之前，由于在所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述LCG电容器中累积的电荷，所述多个像素中的每一个输出图像信号。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述LCG电容器包括动态随机存取存储器DRAM电容器。
10.一种像素，包括：
光电二极管；
第一浮动扩散节点，被配置为累积由所述光电二极管中的任何一个产生的电荷；
传输晶体管，每个传输晶体管的一端连接到所述光电二极管之一，而另一端连接到所述第一浮动扩散节点；
MCG晶体管，连接到所述第一浮动扩散节点；
第二浮动扩散节点，连接到所述MCG晶体管；
LCG晶体管，连接到所述第一浮动扩散节点和所述第二浮动扩散节点之一；
第三浮动扩散节点，连接到所述LCG晶体管；以及
动态随机存取存储器DRAM电容器，所述DRAM电容器的一端连接到所述第三浮动扩散节点，而另一端被施加升压电压。
11.根据权利要求10所述的像素，其中，所述LCG晶体管的一端连接到所述第一浮动扩散节点，而另一端连接到所述第三浮动扩散节点。
12.根据权利要求10所述的像素，其中，所述LCG晶体管的一端连接到所述第二浮动扩散节点，而另一端连接到所述第三浮动扩散节点。
13.根据权利要求10所述的像素，其中：
所述升压信号具有地电压或升压电压，以及
所述升压电压在像素电压和所述地电压之间的范围内可变。
14.根据权利要求10所述的像素，其中，所述DRAM电容器具有圆柱形状。
15.一种包括多个像素的图像传感器的操作方法，每个像素包括：光电二极管；传输晶体管，用于传输由所述光电二极管产生的电荷；第一浮动扩散节点、第二浮动扩散节点和第三浮动扩散节点，由所述光电二极管产生的所述电荷通过所述传输晶体管累积在所述第一浮动扩散节点、所述第二浮动扩散节点和所述第三浮动扩散节点中；以及动态随机存取存储器DRAM电容器，所述方法包括：
在所述传输晶体管断开的状态下，将由所述光电二极管产生的溢出电荷累积在所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述DRAM电容器中；
输出与所述溢出电荷相对应的溢出图像信号；
复位所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述DRAM电容器，并且输出分别与多个转换增益模式相对应的第一复位信号、第二复位信号和第三复位信号；以及
在所述传输晶体管接通之后，从所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述DRAM电容器输出分别与所述多个转换增益模式相对应的第一图像信号、第二图像信号和第三图像信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，输出所述第一图像信号至所述第三图像信号包括：
输出与所述第一浮动扩散节点中累积的电荷相对应的所述第一图像信号；
输出与所述第一浮动扩散节点和所述第二浮动扩散节点中累积的电荷相对应的所述第二图像信号；以及
输出与所述第一浮动扩散节点至所述第三浮动扩散节点和所述DRAM电容器中累积的电荷相对应的所述第三图像信号。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
通过对所述溢出图像信号和所述第三图像信号求和来产生合成的LCG图像信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
通过使用所述第一复位信号和所述第一图像信号来产生第一图像数据；
通过使用所述第二复位信号和所述第二图像信号来产生第二图像数据；
通过使用所述第三复位信号和所述合成的LCG图像信号来产生第三图像数据；以及
对所述第一图像数据至所述第三图像数据进行合成。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：
向所述DRAM电容器施加具有地电压和升压电压之一的升压信号，
其中，所述升压电压在像素电压和所述地电压之间的范围内可变。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，当模拟增益被设置为更大时，所述升压电压改变为具有更小的电压。
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