CN117293150A - 高动态范围cmos图像传感器像素 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有用于减小图像拖尾的反向偏压金属‑绝缘体‑金属横向溢出积分电容器LOFIC的高动态范围CMOS图像传感器像素。一种像素电路包含：转移晶体管，其耦合于光电二极管与浮动扩散部之间以将图像电荷从光电二极管转移到浮动扩散部。LOFIC包含第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，第二金属电极耦合到第一复位晶体管且选择性地耦合到浮动扩散部。第二复位晶体管及偏压电压源耦合到第一金属电极。在空闲周期期间，第一复位晶体管经配置以接通，第二复位晶体管经配置以关断，且偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到第一金属电极以将LOFIC反向偏压。第一偏压电压小于从复位电压源提供的复位电压。

Description

高动态范围CMOS图像传感器像素
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说但非排他性地，涉及高动态范围(HDR)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在且现在广泛使用于数码相机、蜂窝电话、监控摄像头中，以及医学、汽车及其它应用中。随着图像传感器集成到更广泛的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理两者以尽可能多的方式(例如，分辨率、功耗、动态范围等)增强其功能性、性能指标及类似者。用以制造图像传感器的技术已经持续快速地进步。举例来说，对更高分辨率及更低电力消耗的需求已经促进这些装置的进一步微型化及集成。
典型的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射在图像传感器上而进行操作。图像传感器包含具有吸收入射图像光的部分且在吸收图像光后光生图像电荷的光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列。由像素光生的图像电荷可经测量为列位线上的模拟输出图像信号，其随入射图像光的变化而变化。换句话说，光生的图像电荷量与图像光的强度成正比例，其被读出为来自列位线的模拟信号且被转换成数字值以产生表示外部场景的数字图像(即图像数据)。
标准图像传感器具有约60到70dB的有限动态范围。然而，真实世界的亮度动态范围要大得多。例如，自然场景通常横跨90dB及更大的范围。为了同时捕获明亮高光及昏暗阴影中的细节，已在图像传感器中使用高动态范围(HDR)技术来增加捕获的动态范围。增加动态范围的一种常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器以不同曝光设置捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，这产生比单个曝光图像大得多的动态范围图像。
发明内容
在一方面中，本申请案提供一种像素电路，其包括：光电二极管，其经配置以响应于入射光光生图像电荷；浮动扩散部，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散部之间以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散部；第一复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散部之间，其中所述第一复位晶体管经配置以响应于第一复位控制信号进行切换；横向溢出积分电容器(LOFIC)，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第二金属电极耦合到所述第一复位晶体管且选择性地耦合到所述浮动扩散部；第二复位晶体管，其耦合于所述复位电压源与所述第一金属电极之间，其中所述第二复位晶体管经配置以响应于第二复位控制信号进行切换；及偏压电压源，其耦合到所述第一金属电极，其中在空闲周期期间，所述第一复位晶体管经配置以接通，所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到所述第一金属电极以将所述LOFIC反向偏压，其中所述第一偏压电压小于从所述复位电压源提供的复位电压。
在另一方面中，本申请案提供一种成像系统，其包括：像素阵列，其包含布置成多个行及多个列的多个像素电路，其中所述像素电路中的每一者包含：光电二极管，其经配置以响应于入射光光生图像电荷；浮动扩散部，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷；第一复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散部之间，其中所述第一复位晶体管经配置以响应于第一复位控制信号进行切换；横向溢出积分电容器(LOFIC)，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第二金属电极耦合到所述第一复位晶体管且选择性地耦合到所述浮动扩散部；第二复位晶体管，其耦合于所述复位电压源与所述第一金属电极之间，其中所述第二复位晶体管经配置以响应于第二复位控制信号进行切换；及偏压电压源，其耦合到所述第一金属电极，其中在空闲周期期间，所述第一复位晶体管经配置以接通，所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到所述第一金属电极以将所述LOFIC反向偏压，其中所述第一偏压电压小于从所述复位电压源提供的复位电压；控制电路系统，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路系统，其耦合到所述像素阵列以从多个像素单元读出图像数据。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中贯穿各种视图，相似元件符号指代相似部件，除非另外指定。
图1说明根据本发明的教示的包含像素阵列的成像系统的一个实例。
图2A说明根据本公开的教示的在空闲周期期间的包含横向溢出积分电容器(LOFIC)的像素电路的一个实例的示意图。
图2B说明根据本公开的教示的在预充电周期期间的包含LOFIC的像素电路的一个实例的示意图。
图3说明根据本公开的教示的在空闲、预充电、积分及读出周期期间的包含LOFIC的实例像素电路中的实例信号值的时序图的一个实例。
贯穿图的若干视图，对应参考符号指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图中的元件为了简单且清楚起见而说明，且并不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各个实施例的理解。另外，为了更直观地了解本发明的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
本文中描述涉及具有包含具有提供减小的图像拖尾的LOFIC的像素电路的像素阵列的成像系统。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，可在没有所述特定细节中的一或多者的情况下或运用其它方法、组件、材料等等来实践本文中描述的技术。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以便避免使某些方面模糊不清。
贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性被包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例”并不一定都指代同一实例。此外，特定的特征、结构或特性可在一或多个实例中以任何合适方式组合。
为便于描述，空间相对术语(例如“下面”、“下方”、“之上”、“下”、“上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及类似者)可在本文中用于描述一个元件或特征相对于另一(些)元件或特征的关系，如图中说明。应理解，空间相对术语希望涵盖装置在使用或操作中除图中所描绘的定向之外的不同定向。举例来说，如果图中的装置被旋转或翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”或“之下”的元件将定向成在其它元件或特征“上方”。因此，示范性术语“下面”及“之下”可涵盖上方及下方的定向两者。装置可以其它方式定向(旋转九十度或处于其它定向)，且可相应地解译本文使用的空间相对描述词。另外，还应理解，当元件被称为“在另外两个元件之间”时，其可为另外两个元件之间的唯一元件，或也可存在一或多个中介元件。
贯穿本说明书，使用所属领域的若干术语。这些术语将具有其在其所属领域中的普通含义，除非本文具体定义或其使用的上下文将另外明确表明。应注意，贯穿本文献元素名称与符号可互换地使用(例如，Si对硅)；然而，两者都具有相同意义。
如将论述，成像系统的各个实例包含具有包含经配置以提供减小的图像拖尾的横向溢出积分电容器(LOFIC)的像素电路的像素阵列。应了解，LOFIC可被包含于像素电路中以增大像素电路的全阱容量且借此提高对应图像传感器的高动态范围能力。LOFIC电容与全阱容量正相关。因此，随着用于像素电路中的LOFIC的电容增大，像素电路的全阱容量也增大。有鉴于此，通常期望更高LOFIC电容。然而，由于随着LOFIC的电容增大的巨大RC负载，成像系统的行驱动器充电及/或复位LOFIC所需的时间也增加。因此，随着像素电路中的LOFIC的电容增大，图像拖尾也增大，这导致更慢帧速率。
应了解，由LOFIC致使的图像拖尾可能由于要求长放电时间(例如，至少一百毫秒)的高k材料的磁滞特性及慢弛豫行为而与具有高介电常数的绝缘材料或包含于金属-绝缘体-金属(MIM)LOFIC的绝缘材料中的高k材料相关联，而每秒30帧的典型帧速率的帧持续时间是约33毫秒。高k材料弛豫行为可致使图像质量降级，例如由于许多机制(包含阱到阱隧穿、结构弛豫、与声子能量耦合等)的图像拖尾。
在图像传感器的固定读出速度及帧读出速度下，根据本发明的教示，应了解，包含于像素电路中的LOFIC可在空闲周期以及预充电周期及复位电平信号读出操作期间复位以减小图像拖尾。如将在本文中描述的各个实例中展示，包含于像素电路中的LOFIC在空闲周期期间被反向偏压，这补偿或抵消LOFIC中的残余电荷以进一步减少LOFIC放电时间且因此减小图像拖尾。在各个实例中，LOFIC根据需要也在预充电周期以及在读出周期期间的LOFIC复位操作期间放电。通过迫使LOFIC在预充电周期及复位电平信号读出周期期间自动归零，LOFIC可用作具有低寄生电容的共同金属线。因而，耦合到LOFIC的行驱动器控制线可复位，而不会遇到巨大RC负载，这可减小水平条带噪声(H-噪声)。
因此，如将在下文的各个实例中展示，实例像素电路包含光电二极管，所述光电二极管经配置以响应于入射光而在积分周期期间光生图像电荷。浮动扩散部经耦合以在读出周期期间从光电二极管接收图像电荷。第一复位晶体管耦合于复位电压源与浮动扩散部之间。第一复位晶体管经配置以响应于第一复位控制信号进行切换。LOFIC的第二金属电极耦合到第一复位晶体管且选择性地耦合到浮动扩散部及耦合于复位电压源与LOFIC的第一金属电极之间的第二复位晶体管。第二复位晶体管经配置以响应于第二复位控制信号进行切换。偏压电压源耦合到第一金属电极。在空闲周期期间，第一复位晶体管经配置以接通，第二复位晶体管经配置以关断，且偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到第一金属电极以将LOFIC反向偏压。第一偏压电压小于从复位电压源提供的复位电压。
为了说明，图1展示根据本发明的教示的具有带包含提供减小的图像拖尾的LOFIC的像素电路的像素阵列的成像系统100的一个实例。特定来说，图1中描绘的实例说明包含像素阵列102、位线112、控制电路110、读出电路106及功能逻辑108的成像系统100。在一个实例中，像素阵列102是包含多个像素电路104(例如P1、P2、…、Pn)的二维(2D)阵列，所述多个像素电路104经布置成行(例如R1到Ry)及列(例如C1到Cx)以获取人、位置、物体等的图像数据，接着，所述图像数据可用于呈现人员、位置、物体等的图像。
在各个实例中，每一像素电路104可包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的一或多个光电二极管。一或多个光电二极管中产生的图像电荷被转移到包含于每一像素电路104中的浮动扩散部，所述图像电荷可被转换成图像信号，其接着由读出电路106通过列位线112从每一像素电路104读出。如将论述，在各个实例中，像素电路104还经配置以提供HDR图像信号，在此情况中，由一或多个光电二极管在亮照明条件下产生的图像电荷也可被转移到LOFIC及/或每一像素电路104中的额外浮动扩散部以存储图像电荷。举例来说，每一像素电路104可包含经配置以存储从经耦合的一或多个光电二极管接收到的溢出图像电荷的LOIFC。如将在各个实例中展示，根据本发明的教示，LOFIC在空闲周期期间被反向偏压，这补偿或抵消LOFIC中的残余电荷以进一步减少LOFIC减小图像拖尾的放电时间。在各个实例中，读出电路106可经配置以通过列位线112读出图像信号。在各个实例中，读出电路106可包括可被包含于模/数转换器或其它方式的电流源、路由电路系统及比较器。
在实例中，接着，由读出电路106中的模/数转换器产生的数字图像数据值可由功能逻辑108接收。功能逻辑108可简单地存储数字图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它方式)而操纵数字图像数据。
在一个实例中，控制电路110耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路110可产生用于控制图像获取的滚动快门或快门信号。在其它实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统100经实施于单个半导体晶片上。在另一实例中，成像系统100在堆叠的半导体晶片上。举例来说，像素阵列102经实施于像素晶片上，且读出电路106、控制电路110及功能逻辑108经实施于专用集成电路(ASIC)晶片上，其中像素晶片及ASIC晶片经堆叠且通过接合(混合接合、氧化物接合或类似物)或一或多个衬底通孔(TSV)互连。举另一实例来说，像素阵列102及控制电路110经实施于像素晶片上，且读出电路106及功能逻辑108经实施于ASIC晶片上，其中像素晶片及ASIC晶片经堆叠且通过接合(混合接合、氧化物接合或类似物)或一或多个衬底通孔(TSV)互连。
在一个实例中，成像系统100可被包含于数码手机、膝上型计算机、内窥镜、监控摄像头、汽车的成像装置或类似物中。另外，成像系统100可耦合到其它硬件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件可将指令递送到成像系统100、从成像系统100提取图像数据或操纵由成像系统100供应的图像数据。
图2A说明根据本公开的教示的在空闲周期期间的包含LOFIC的像素电路204的一个实例的示意图。应了解，图2A的像素电路204可为如图1中展示的像素阵列102中所包含的像素电路104中的一者的实例，且上文描述的类似地命名且编号的元件在下文类似地耦合及起作用。
如所描绘实例中展示，像素电路204包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管214。在所描绘实例中，像素电路204还包含第一浮动扩散部FD1 218，所述第一浮动扩散部FD1 218经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管214接收图像电荷。在实例中，转移晶体管216经耦合以响应于转移控制信号TX 236进行控制以将图像电荷从光电二极管214转移到第一浮动扩散部FD1 218，例如在与像素电路204相关联的读出周期期间。在图2A中描绘的实例中，应注意，在空闲周期期间，响应于亮照明条件光生的过量图像电荷也经配置以通过转移晶体管216从光电二极管214溢出到第一浮动扩散部FD1 218。源极跟随器晶体管220具有耦合到第一浮动扩散部FD1 218的栅极，且行选择晶体管222耦合到源极跟随器晶体管SF 220，使得源极跟随器晶体管SF 220及行选择晶体管222耦合于电源线与位线212之间以响应于行选择控制信号RS 246及源极跟随器晶体管SF 220的栅极处的电荷量从像素电路204输出图像信号。
在图2A中说明的实例中，双浮动扩散部DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散部FD1218与第二电容器228之间。第二电容器228进一步经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC240。在一个实例中，第二电容器228可为与金属电容器或金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)结合用于额外电荷存储且在第二电容器228与双浮动扩散DFD晶体管224(其还可被称为第二浮动扩散部FD2)的漏极之间的节点处接合的结电容器。第二电容器228经耦合以通过转移晶体管216及双浮动扩散DFD晶体管224从光电二极管214接收过量图像电荷溢出。低转换增益晶体管230耦合于第二电容器228与复位晶体管234之间。第一复位晶体管234耦合于复位电压源(例如PIXVDD)与低转换增益晶体管230之间。第一复位晶体管234经耦合以响应于复位控制信号RSTG 244进行控制，且低转换增益晶体管230经耦合以响应于低转换控制信号LFG 242进行控制。
如图2A中描绘的实例中展示，横向溢出积分电容器(LOFIC)232也耦合于第二复位晶体管250与第一复位晶体管234之间。在实例中，第二复位晶体管250耦合于复位电压源(例如PIXVDD)与LOFIC 232之间且响应于第二复位控制信号RST2 252进行控制。LOFIC 232经耦合以通过转移晶体管216、双浮动扩散DFD晶体管224及低转换增益晶体管230从光电二极管214接收过量图像电荷溢出。在实例中，LOFIC 232用包含具有高介电常数的绝缘材料或安置于第一金属电极与第二金属电极之间的高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。在各个实例中，安置于LOFIC 232的第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘材料可由单层高k材料或多层堆叠的高k材料形成。高k材料的精确组成及整体厚度可取决于所期望LOFIC电容。在各个实例中，高k材料可包含氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO)或其组合中的一者。
在一个实例中，应了解，LOFIC 232的第一金属电极可被称为电容器顶部金属(CTM)，且LOFIC 232的第二金属电极可被称为电容器底部金属(CBM)。因而，LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)耦合到第二复位晶体管250的源极，且第二金属电极(例如CBM)耦合到第一复位晶体管234的源极以及低转换增益晶体管230的漏极。因而，还应了解，LOFIC232的第二金属电极(例如CBM)通过低转换增益晶体管230且通过双浮动扩散晶体管224选择性地耦合到第一浮动扩散部FD1 218。
LOFIC 232可具有高于第一浮动扩散部FD1 218或第二电容器228的电容的电容。在一个实例中，第一浮动扩散部FD1 218的电容(或电荷存储容量)及第二电容器228的电容(或电荷存储容量)经配置为相同。在另一实例中，第二电容器228的电容经配置为大于第一浮动扩散部FD1 218的电容。LOFIC 232可具有大于光电二极管214的电荷存储容量的电荷存储容量。
在空闲周期或积分周期期间，响应于强光条件(例如LED光或IR光)的过量光生图像电荷经配置以在光电二极管214饱和时通过转移晶体管216从光电二极管214溢出到第一浮动扩散部FD1 218、在第一浮动扩散部FD1 218也满时通过双浮动扩散晶体管224溢出到第二电容器228(额外浮动扩散部)，及接着，在第二电容器228也满时通过低转换增益晶体管230溢出到LOFIC 232。
图2A中描绘的实例还说明偏压电压源248，其经配置以将偏压电压VCAP提供到LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)。在实例中，偏压电压源248还经配置以通过开关SW1249具有高阻抗状态，所述开关SW1 249在断开时将LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)与从偏压电压源248接收偏压电压VCAP解耦。在各个实例中，偏压电压源248可包含电压缓冲器，所述电压缓冲器通过开关SW1 249耦合到LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)用于选择性地将高电容器偏压电压或低电容器偏压电压提供到LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)。在一个实例中，高电容器偏压电压大于低电容器偏压电压。在一个实例中，高电容器偏压电压可在2.0V到3.5V之间，且低电容器偏压电压可在0V与2.0V之间。应了解，在各个实例中，高电容器偏压电压及低电容器偏压电压的电压电平可在考虑高k材料的稳定范围的情况下确定。
在一个实例中，第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可彼此邻近地安置且共享出于像素缩放考虑耦合到复位电压源(例如PIXVDD)的半导体材料中的共同漏极结，其中半导体材料可为硅衬底、硅锗合金、锗、碳化硅合金、铟镓砷合金、由III-V族化合物形成的任何其它合金、其它合适半导体材料或合金、其组合、其块状衬底或其晶片。在此实例中，第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可彼此邻近地布置。
应了解，第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可经配置以具有类似装置特性，例如第一复位晶体管234及第二复位晶体管可使栅极长度、栅极宽度、栅极氧化物厚度、阈值电压中的至少一者基本上相同。
应进一步了解，第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可安置于邻近光电二极管之间。举例来说，第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可安置于布置于光电二极管(例如光电二极管214)与邻近光电二极管之间的相同或不同晶体管区中。第一复位晶体管234及第二复位晶体管250可通过浅隔离沟槽结构、隔离植入区或其组合与光电二极管隔离。举例来说，具有大于与每一相应第一复位晶体管234及第二复位晶体管250相关联的源极及漏极的结深度的隔离深度的浅隔离沟槽结构安置于每一相应第一复位晶体管234及第二复位晶体管250的源极及漏极与光电二极管(例如光电二极管214及邻近光电二极管)之间以提供电隔离。
第二复位晶体管250的源极及漏极可进一步安置于半导体材料中与源极跟随器220及/或行选择晶体管222相同的阱区(例如P阱区)中且具有共同参考电势用于装置操作。
图2A中说明的实例说明在空闲周期期间的像素电路204。在本文中描述的各个实例中，空闲周期发生于预充电周期之前，所述预充电周期发生于积分周期之前，所述积分周期发生于读出周期之前，所述读出周期发生于下一空闲周期之前，等。
在操作中，在空闲周期期间，第一复位晶体管234经配置以接通，第二复位晶体管250经配置以关断，且偏压电压源248经配置以将第一偏压电压VCAPLO提供到LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)。在一个实例中，第一偏压电压VCAPLO是小于从复位电压源(例如PIXVDD)提供的复位电压的低电容器偏压电压。因而，LOFIC 232根据本发明的教示在空闲周期期间被反向偏压。通过在空闲周期期间将LOFIC 232反向偏压，应了解，LOFIC 232中的残余电荷在空闲期间在LOFIC 232中被补偿或抵消，根据本发明的教示，这缩短LOFIC 232的放电时间。
图2B说明根据本公开的教示的在预充电周期期间的包含LOFIC的像素电路204的一个实例的示意图。应了解，图2B的像素电路204可为如图1中展示的像素阵列102中包含的像素电路104中的一者的实例，且上文描述的类似地命名且编号的元件在下文类似地耦合及起作用。还应了解，图2B中描绘的像素电路204基本上类似于上文详细论述的图2A中描绘的像素电路204，除了以下之外：图2B中说明的像素电路204是在预充电周期期间描绘的，所述预充电周期发生于图2A中说明的空闲周期之后且在积分周期及读出周期之前。
为了说明，图2B展示像素电路204包含光电二极管214及第一浮动扩散部FD1 218，所述第一浮动扩散部FD1 218经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管214接收图像电荷。在实例中，转移晶体管216经耦合以响应于转移控制信号TX 236进行控制以在读出周期期间将图像电荷从光电二极管214转移到第一浮动扩散部FD1 218，且在所述积分周期期间，响应于亮照明条件(例如LED光或IR光)光生的过量图像电荷还经配置以在光电二极管214饱和时通过转移晶体管216从光电二极管214溢出到第一浮动扩散部FD1 218。
源极跟随器晶体管SF 220具有耦合到第一浮动扩散部FD1 218的栅极，且行选择晶体管222耦合到源极跟随器晶体管SF 220，使得源极跟随器晶体管SF 220及行选择晶体管222耦合于电源线与位线212之间以响应于行选择控制信号RS 246及源极跟随器晶体管SF 220的栅极处的电荷量从像素电路204输出图像信号。
在图2B中说明的实例中，双浮动扩散部DFD晶体管224也耦合于第一浮动扩散部FD1 230与第二电容器228(例如额外浮动扩散部)之间。第二电容器228经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 240。低转换增益晶体管230耦合于第二电容器228与第一复位晶体管234之间。低转换增益晶体管230还耦合于第二电容器228(例如额外浮动扩散部)与LOFIC232的第二金属电极(例如CBM)之间。第一复位晶体管234耦合于复位电压源(例如PIXVDD)与低转换增益晶体管230之间。第一复位晶体管234经耦合以响应于复位控制信号RSTG 244进行控制，且低转换增益晶体管230经耦合以响应于低转换控制信号LFG 242进行控制。
如图2B中描绘的实例中展示，LOFIC 232也耦合于第二复位晶体管250与第一复位晶体管234之间。在实例中，第二复位晶体管250耦合于复位电压源(例如PIXVDD)与LOFIC232之间且响应于第二复位控制信号RST2 252进行控制。在实例中，LOFIC 232用包含具有高介电常数的绝缘材料或安置于第一金属电极与第二金属电极之间的高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。在一个实例中，应了解，LOFIC 232的第一金属电极可被称为电容器顶部金属(CTM)，且LOFIC 232的第二金属电极可被称为电容器底部金属(CBM)。因而，LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)耦合到第二复位晶体管250的源极，且第二金属电极(例如CBM)耦合到第一复位晶体管234的源极以及低转换增益晶体管230的漏极。因而，还应了解，LOFIC 232的第二金属电极(例如CBM)通过低转换增益晶体管230且通过双浮动扩散晶体管224选择性地耦合到第一浮动扩散部FD1 218。图2B中描绘的实例还说明处于高阻抗状态的偏压电压源248，其中开关SW1249处于断开状态，这将LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)与从偏压电压源248接收偏压电压VCAP解耦。
图2B中说明的实例说明发生于空闲周期与积分周期之间的预充电周期期间的像素电路204。在操作中，在预充电周期期间，第一复位晶体管234经配置以接通，第二复位晶体管250经配置以接通，且偏压电压源248经配置以处于高阻抗状态，其中开关SW1249处于断开状态。在实例中，LOFIC 232的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM电极)两者都在本地通过像素电路204中的第一复位晶体管234及第二复位晶体管250一起短路到复位电压源(例如PIXVDD)。因而，根据本发明的教示，LOFIC 232在预充电周期期间在像素电路204中在本地放电或自动归零，借此减小偏压电压源248的负载，而在偏压电压源248与复位电压源(例如PIXVDD)之间没有电源短接问题。在一个实例中，还应了解，光电二极管214、第一浮动扩散部FD1 218及第二电容器228也在预充电周期期间以及在于读出周期期间发生的复位操作期间通过第一复位晶体管234复位。因而，应因此了解，第一复位晶体管RST 234视情况也通过转移晶体管216、双浮动扩散晶体管224及低转换增益晶体管230选择性地耦合到光电二极管214、第一浮动扩散部FD1218及第二电容器228以复位像素电路204，例如，根据本发明的教示，复位光电二极管214、第一浮动扩散部FD1 218及第二电容器228。在各个实例中，PIXVDD电压可在从1.2伏特到3.6伏特的范围内。
图3说明根据本公开的教示的在空闲、预充电、积分及读出周期期间的包含LOFIC的实例像素电路中的实例信号值的时序图的一个实例。应了解，图3中描绘的信号可为图2A到2B中描绘的信号的实例，且上文描述的类似地命名且编号的元件在下文类似地耦合及起作用。
现在参考所描绘实例，图3说明第一复位控制信号RST 344、偏压电压VCAP 348、双浮动扩散控制信号DFD 338、低转换增益控制信号LFG 342、转移控制信号TX 336、浮动扩散电容器信号FDC 340、第二复位控制信号RST2 352及行选择控制信号RS 346，其经配置以控制上文在图2A到2B中详细论述的相应电路元件。图3中描绘的实例还说明像素电路在产生图像数据时循环通过的空闲、预充电、积分及读出周期。
如所展示，在图3中描绘的空闲周期期间，第一复位控制信号RST 344接通第一复位晶体管234，偏压电压源248经配置以输出低偏压电压VCAP 348信号(例如，1到2伏特)，且第二复位控制信号RST2 352关断第二复位晶体管250。因而，应了解，根据本发明的教示，LOFIC 232在空闲周期期间被反向偏压，这补偿或抵消LOFIC 232中的残余电荷以减少LOFIC 232的放电时间及图像拖尾的问题。图3中描绘的实例还展示双浮动扩散控制信号DFD 338、低转换增益控制信号LFG 342、转移控制信号TX 336、浮动扩散电容器信号FDC340及行选择控制信号RS 346全都经配置以在空闲周期期间具有低值(例如，0伏特)。
在各个实例中，空闲周期可经配置以基于LOFIC 232所需的必要自动归零放电时间及/或所需的曝光或积分时间范围在3毫秒到23毫秒之间。空闲周期的持续时间可经配置以大于预充电周期的持续时间。举例来说，空闲周期可经配置为3毫秒且预充电周期可经配置以小于或等于5微秒。
图3中描绘的实例展示在发生于空闲周期之后的预充电周期期间，行选择信号RS346接通行选择晶体管222。接着，第一复位控制信号RST 344及第二复位控制信号RST2352经配置以转变到接通第一及第二复位晶体管234、250(例如，在导通状态操作)的高电压值，且提供偏压电压VCAP 348的偏压电压源248进入允许LOFIC 232由复位电压源(例如PIXVDD)驱动的高阻抗状态(例如HiZ)。在一个实例中，偏压电压源248可通过断开开关SW1249进入高阻抗状态，如图2B中描绘的实例中说明。接着，低转换增益控制信号LFG 342接通低转换增益晶体管230，及接着，双浮动扩散控制信号DFD 338接通双浮动扩散晶体管224，及接着，转移控制信号TX 336接通转移晶体管216。此时，在预充电周期期间，光电二极管214、第一浮动扩散部FD1 218及第二电容器228全都通过第一复位晶体管234复位(例如，复位到由复位电压源提供的复位电压)。此时，在预充电周期期间，LOFIC 232的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM)两者都通过第一复位晶体管234及第二复位晶体管250在本地短路到复位电压源(例如PIXVDD)，根据本发明的教示，这使LOFIC 232放电或自动归零且缩短LOFIC 232的放电时间。应了解，在预充电周期期间，第一复位控制信号RST 344及第二复位控制信号RST2 352需要经配置以从高电压电平转变到低电压电平，从而在偏压电压源248从高阻抗状态(例如HiZ)切换到正常偏压电压VCAP 348供应状态(例如，当开关SW1 249闭合时)之前关断相应第一及第二复位晶体管234、250且开始用偏压电压VCAP 348加偏压于LOFIC 232的第二金属电极(例如CBM)以便防止电源短接问题，例如，避免短接于偏压电压源248与复位电压源(例如PIXVDD)之间。
之后，转移控制信号TX 336关断转移晶体管216，及接着，第一复位控制信号RST344关断第一复位晶体管234，及接着，偏压电压源248通过闭合开关SW1 249从高阻抗状态(例如HiZ)转变回到供应偏压电压VCAP 348。在实例中，偏压电压源248经配置以供应低VCAP值(例如，1到2伏特)的偏压电压VCAP 348，及接着，双浮动控制信号DFD 338关断双浮动扩散晶体管224，及接着，低转换增益控制信号LFG 342关断低转换增益晶体管230，及接着，行选择信号RS 346关断行选择晶体管222。
图3中描绘的实例展示在发生于预充电周期之后的积分周期期间，所有控制信号都是低，其中偏压电压源248经配置以供应低VCAP值(例如1到2伏特)的偏压电压VCAP 348。在积分期间，光电二极管214响应于入射光产生图像电荷。像素电路204经配置使得过量光生电荷可通过双浮动扩散晶体管224及低转换增益晶体管230从光电二极管214溢出到LOFIC 232以在强或亮光条件(例如LED光或IR光)下存储。
在一个实例中，在积分周期期间，光生的过量图像电荷经配置以在第一浮动部FD1218饱和时通过双浮动扩散DFD晶体管224从光电二极管214溢出到第二电容器228且在第二电容器228也饱和时通过双浮动扩散DFD晶体管及低转换增益晶体管230溢出到LOFIC232。
图3中描绘的实例展示在发生于积分周期之后的读出周期期间，行选择信号RS346接通行选择晶体管222，及接着，低转换增益控制信号LFG 342接通低转换增益晶体管230，及接着，双浮动扩散控制信号DFD 338接通双浮动扩散晶体管224，及接着，偏压电压源248提供加偏压于信号的偏压电压VCAP 348，所述信号转变到高值。
接着，光电二极管的双转换增益(DCG)读出在来自光电二极管214的复位值(R)的中等转换增益(MCG)读出发生的时间期间发生。接着，浮动扩散电容器信号FDC 340在双浮动扩散控制信号DFD 338关断双浮动扩散晶体管224时被脉冲传输。接着，发生来自光电二极管214的复位值(R)的高转换增益(HCG)读出。接着，浮动扩散电容器信号FDC340转变到高值，且转移控制信号TX 336接通转移晶体管216，在此时间期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散部FD1 218。接着，可发生信号值(S)的高转换增益(HCG)读出。接着，双浮动扩散控制信号DFD 338接通双浮动扩散晶体管224，浮动扩散电容器信号FDC 340转变到高值，且转移控制信号TX 336接通转移晶体管216，在此时间期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散部FD1 218及第二电容器228。接着，可发生信号值(S)的中等转换增益(MCG)读出。
接着，发生光电二极管214及LOFIC 232的LOFIC读出，在此时间期间，低转换增益控制信号LFG 342接通低转换增益晶体管230，及接着，转移控制信号TX 336接通转移晶体管216，在此时间期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散部FD1 218、第二电容器228及LOFIC 232。接着，可发生信号值(S)的低转换增益(LCG)读出。接着，第一复位控制信号RST 344接通第一复位晶体管234，第二复位控制信号RST2 352接通第二复位晶体管250，且偏压电压源248进入高阻抗状态(例如HiZ)，其中开关SW1 249断开，从而防止在复位电压源(例如PIXVDD)与偏压电压源248之间发生短接，在此时间期间，光电二极管214、第一浮动扩散部FD1 218、第二电容器228及LOFIC 232全都通过第一复位晶体管234及第二复位晶体管250复位，如先前描述。接着，第一复位控制信号RST 344关断第一复位晶体管234，第二复位控制信号RST2 352关断第二复位晶体管250，且偏压电压源248从高阻抗状态(例如HiZ)转变为提供偏压电压VCAP 348，其中开关SW1闭合且经配置以将高VCAP信号值提供到LOFIC 232的第一金属电极(例如CTM)。应了解，开关SW1在第一复位控制信号RST 344关断第一复位晶体管234且第二复位控制信号RST2 352关断第二复位晶体管250之前不闭合以提供偏压电压VCAP 348。接着，发生复位值(R)的低转换增益(LCG)读出，在此时间之后，转移控制信号TX 336关断转移晶体管216，及接着，偏压电压VCAP 348转变到低值(例如，0伏特)，及接着，双浮动扩散控制信号DFD 338关断双浮动扩散晶体管224，及接着，低转换增益控制信号LFG 342关断低转换增益晶体管230。
接着，图3中描述的过程循环回到空闲周期，其此时间期间，LOFIC 232可再次被反向偏压，根据本发明的教示，这随着循环重复补偿或抵消LOIFC 232中的残余电荷以进一步减少LOFIC 232放电及时间。
对本发明的所说明实例的上文描述，包含摘要中所描述的内容，不希望为详尽的或将本发明限制为所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述本发明的具体实例，但相关领域的技术人员应认识到，各种修改在本发明的范围内是可行的。
鉴于上文详细描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的具体实例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (18)

1.一种像素电路，其包括：
光电二极管，其经配置以响应于入射光光生图像电荷；
浮动扩散部，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷；
转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散部之间以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散部；
第一复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散部之间，其中所述第一复位晶体管经配置以响应于第一复位控制信号进行切换；
横向溢出积分电容器LOFIC，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第二金属电极耦合到所述第一复位晶体管且选择性地耦合到所述浮动扩散部；
第二复位晶体管，其耦合于所述复位电压源与所述第一金属电极之间，其中所述第二复位晶体管经配置以响应于第二复位控制信号进行切换；及
偏压电压源，其耦合到所述第一金属电极，其中在空闲周期期间，所述第一复位晶体管经配置以接通，所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到所述第一金属电极以将所述LOFIC反向偏压，其中所述第一偏压电压小于从所述复位电压源提供的复位电压。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中在预充电周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以接通且所述偏压电压源经配置以处于高阻抗状态以跨越所述LOFIC提供零偏压以将所述LOFIC放电，同时在所述预充电周期期间复位所述像素电路，其中所述预充电周期发生于所述空闲周期与积分周期之间。
3.根据权利要求2所述的像素电路，其中在所述预充电周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以在所述偏压电压源经配置以从所述高阻抗状态转变为在所述积分周期期间将所述第一偏压电压提供到所述第一金属电极之前关断。
4.根据权利要求3所述的像素电路，其中在读出周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第二偏压电压提供到所述第一金属电极，其中所述第一偏压电压是低电容器偏压电压，其中所述第二
偏压电压是大于所述低电容器偏压电压的高电容器偏压电压，其中所述读出周期发生于所述积分周期之后。
5.根据权利要求4所述的像素电路，其中所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以接通且所述偏压电压源经配置以处于所述高阻抗状态以跨越所述LOFIC提供零偏压以将所述LOFIC放电，同时在从所述LOFIC读出复位信号值之前的所述读出周期期间复位所述像素电路。
6.根据权利要求2所述的像素电路，其中所述空闲周期的持续时间经配置以大于所述预充电周期的持续时间。
7.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述LOFIC是第一电容器，其中所述像素电路进一步包括：
双浮动扩散DFD晶体管，其耦合于所述浮动扩散部与所述第二金属电极之间，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号进行切换；
第二电容器，其中所述DFD晶体管耦合于所述浮动扩散部与所述第二电容器之间；及
低转换增益LFG晶体管，其耦合于所述第二电容器与所述第二金属电极之间，其中所述LFG晶体管经配置以响应于LFG控制信号进行切换。
8.根据权利要求7所述的像素电路，其进一步包括：
源极跟随器晶体管，其具有耦合到所述浮动扩散部的栅极；及
行选择晶体管，其耦合到所述源极跟随器晶体管，其中所述源极跟随器晶体管及所述行选择晶体管耦合于电源线与位线之间。
9.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含布置成多个行及多个列的多个像素电路，其中所述像素电路中的每一者包含：
光电二极管，其经配置以响应于入射光光生图像电荷；
浮动扩散部，其经耦合以从所述光电二极管接收所述图像电荷；
第一复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散部之间，其中所述第一复位晶体管经配置以响应于第一复位控制信号进行切换；
横向溢出积分电容器LOFIC，其包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区，其中所述第二金属电极耦合到所述第一复位晶体管且选择性地耦合到所述浮动扩散部；
第二复位晶体管，其耦合于所述复位电压源与所述第一金属电极之间，其中所述第二复位晶体管经配置以响应于第二复位控制信号进行切换；及
偏压电压源，其耦合到所述第一金属电极，其中在空闲周期期间，所述第一复位晶体管经配置以接通，所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第一偏压电压提供到所述第一金属电极以将所述LOFIC反向偏压，其中所述第一偏压电压小于从所述复位电压源提供的复位电压；
控制电路系统，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路系统，其耦合到所述像素阵列以从多个像素单元读出图像数据。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其进一步包括：功能逻辑，其耦合到所述读出电路系统以存储来自所述多个像素单元中的每一者的所述图像数据。
11.根据权利要求9所述的成像系统，其中在预充电周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以接通且所述偏压电压源经配置以处于高阻抗状态以跨越所述LOFIC提供零偏压以将所述LOFIC放电，同时在所述预充电周期期间复位所述像素电路，其中所述预充电周期发生于所述空闲周期与积分周期之间。
12.根据权利要求11所述的成像系统，其中在所述预充电周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以在所述偏压电压源经配置以从所述高阻抗状态转变为在所述积分周期期间将所述第一偏压电压提供到所述第一金属电极之前关断。
13.根据权利要求12所述的成像系统，其中在读出周期期间，所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以关断，且所述偏压电压源经配置以将第二偏压电压提供到所述第一金属电极，其中所述第一偏压电压是低电容器偏压电压，其中所述第二偏压电压是高电容器偏压电压，其中所述读出周期发生于所述积分周期之后，其中所述低电容器偏压电压小于所述高电容器偏压电压。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管经配置以接通且所述偏压电压源经配置以处于所述高阻抗状态以跨越所述LOFIC提供零偏压以将所述LOFIC放电，同时在从所述LOFIC读出复位信号值之前的所述读出周期期间复位所述像素电路。
15.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述空闲周期的持续时间经配置以大于所述预充电周期的持续时间。
16.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述LOFIC是第一电容器，其中所述像素电路中的每一者进一步包括：
双浮动扩散DFD晶体管，其耦合于所述浮动扩散部与所述第二金属电极之间，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号进行切换；
第二电容器，其中所述DFD晶体管耦合于所述浮动扩散部与所述第二电容器之间；及
低转换增益LFG晶体管，其耦合于所述第二电容器与所述第二金属电极之间，其中所述LFG晶体管经配置以响应于LFG控制信号进行切换。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其中所述像素电路中的每一者进一步包括：
源极跟随器晶体管，其具有耦合到所述浮动扩散部的栅极；及
行选择晶体管，其耦合到所述源极跟随器晶体管，其中所述源极跟随器晶体管及所述行选择晶体管耦合于电源线与位线之间。
18.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述第一复位晶体管及所述第二复位晶体管共享耦合到所述复位电压源的漏极。
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