CN117294969A - 具减少金属-绝缘体-金属横向溢出集成电容器延迟的高动态范围cmos图像传感器像素 - Google Patents

具减少金属-绝缘体-金属横向溢出集成电容器延迟的高动态范围cmos图像传感器像素 Download PDF

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Abstract

本公开涉及具有减少金属‑绝缘体‑金属横向溢出集成电容器延迟的高动态范围CMOS图像传感器像素。一种像素电路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。转移晶体管经配置以将所述图像电荷从所述光电二极管转移到浮动扩散区。复位晶体管耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间。横向溢出集成电容器LOFIC包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的绝缘区。所述第一金属电极耦合到偏置电压源，所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，且由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。

Description

具减少金属-绝缘体-金属横向溢出集成电容器延迟的高动态 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，且特定来说但不排他，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
图像传感器已变得无处不在且现广泛用于数码相机、手机、监控摄像头以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器集成到更广范围的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理来在尽可能多的方面(例如分辨率、功耗、动态范围等)增强其功能性、性能指标及其类似者。用于制造图像传感器的技术持续快速发展。例如，对更高分辨率及更低功耗的需求鼓励进一步小型化及集成这些装置。
典型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到图像传感器上而操作。图像传感器包含像素阵列，其具有吸收入射图像光的一部分且在吸收图像光之后光生图像电荷的光敏元件(例如光电二极管)。由像素光生的图像电荷可测量为列位线上的模拟输出图像信号，其随入射图像光而变化。换句话说，光生图像电荷量与图像光的强度成比例，图像光作为模拟信号从列位线读出且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，自然场景通常跨越90dB或更大的范围。为了同时捕捉明亮强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)技术来增大所捕捉的动态范围。增大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捉的多次曝光合并成单个线性HDR图像，其导致比单个曝光图像大得多的动态范围图像。
发明内容
本公开的实施例提供一种像素电路，其包括：光电二极管，其经配置以在响应于入射光期间光生图像电荷；浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置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区；复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及横向溢出集成电容器(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，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。
本公开的另一实施例提供一种成像系统，其包括：像素阵列，其包含布置成多行及多列的多个像素电路，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而光生图像电荷；浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置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区；复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及横向溢出集成电容器(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，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中，其中所述空闲周期发生在预充电周期之前，所述预充电周期发生在积分周期之前，所述积分周期发生在读出周期之前；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所述多个像素电路读出图像数据。
附图说明
参考下图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则相同参考数字指代所有各个视图中的相同部件。
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空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的一个实例的示意图。
图2B说明表示根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的一个实例的横截面的图。
图2C说明根据本公开的教示的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2D说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的一个实例的示意图。
图2E说明表示根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的一个实例的横截面的图。
图3说明根据本公开的教示的空闲、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。
图4A说明根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的另一实例的示意图。
图4B说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的另一实例的示意图。
图5A说明根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的又一实例的示意图。
图5B说明根据本公开的教示的预充电周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的又一实例的示意图。
图5C说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的又一实例的示意图。
图6说明根据本公开的教示的空闲、预充电、积分及读出周期期间的包含LOFIC的又一实例像素电路中的实例信号值的时序图的一个实例。
对应参考字符指示图式的所有若干视图中的对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为了简单及清楚而说明且不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件放大以帮助促进本发明的各种实施例的理解。另外，通常未描绘在商业可行实施例中有用或必要的常见但易于理解元件以便促进本发明的这些不同实施例的无阻碍查看。
具体实施方式
本文中描述涉及具有像素阵列的成像系统的实例，像素阵列包含具有提供减少图像延迟的LOFIC的像素电路。在以下描述中，阐述许多具体细节以提供实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中描述的技术可在没有具体细节中的一或多者的情况下或使用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免模糊某些方面。
在本说明书中参考“一个实例”或“一个实施例”意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，出现于本说明书的各个位置中的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定全部指代相同实例。此外，特定特征、结构或特性可依任何合适方式组合于一或多个实例中。
为便于描述，例如“下面”、“下方”、“之上”、“之下”、“上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及其类似者的空间相对术语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，除图中描绘的定向之外，空间相对术语还希望涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置旋转或翻转，那么描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”或“之下”的元件将定向为在其它元件或特征“上方”。因此，示范性术语“下方”及“之下”可涵盖上方及下方两种定向。可依其它方式定向装置(旋转90度或依其它定向)且可因此解译本文中使用的空间相对描述词。另外，还应理解，当一元件称为在两个其它元件“之间”时，其可为两个其它元件之间的唯一元件或也可存在一或多个中介元件。
在本说明书中，使用若干技术术语。这些术语将采用其所在领域中的一般含义，除非本文中另外特别界定或其使用的上下文另有清楚暗示。应注意，元素名称及符号在本文件中可互换使用(例如Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
如将讨论，公开成像系统的各种实例包含具有像素电路的像素阵列，像素电路包含经配置以提供减少图像延迟的横向溢出集成电容器(LOFIC)。应了解，LOFIC可包含于像素电路中以增加像素电路的满阱容量且借此增加对应图像传感器的高动态范围能力。LOFIC电容与满阱容量正相关。因此，随着像素电路中采用的LOFIC的电容增大，像素电路的满阱容量也增加。为此，通常期望较高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使LOFIC充电及/或复位所需的时间也增加。因此，随着像素电路中LOFIC的电容增大，图像延迟增加，其导致帧速率变慢。
应了解，由于需要长放电时间(例如数百毫秒)的高k材料的磁滞特性及缓慢弛豫行为，由LOFIC导致的图像延迟可与包含于金属-绝缘体-金属(MIM)LOFIC的绝缘材料中的高介电常数或高k材料相关联。高k材料弛豫行为可由于包含陷阱到陷阱隧穿、结构弛豫、与声子能量耦合等的许多机制而导致降级图像质量，例如图像延迟。
根据本发明的教示，当图像传感器的读出速度及帧读出速度固定时，应了解，包含LOFIC的像素电路可经配置使得在空闲周期期间，任何光生电荷不溢出且存储于LOFIC中且在预充电周期期间复位以减少图像延迟。因此，如将在下文各种实例中展示，实例像素电路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。浮动扩散区经耦合以从光电二极管接收图像电荷。在一个实例中，复位晶体管耦合于偏置电压源与浮动扩散区之间。在另一实例中，复位晶体管耦合于复位电压源与浮动扩散区之间。复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换。像素电路还包含提供额外存储容量的LOFIC，其经配置以存储用于高动态范围(HDR)图像获取的图像电荷。
在各种实例中，LOFIC为包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的高k绝缘区的金属-绝缘体-金属(MIM)存储电容器。在各种实例中，第一金属电极耦合到偏置电压源且第二金属电极通过包含像素电路的浮动扩散区的像素电路的一或多个电路元件来局部耦合到复位晶体管。在各种实例中，复位晶体管经导通以通过像素电路将LOFIC的第一金属电极及第二金属电极两者局部耦合到来自偏置电压源的相同偏置电压以使LOFIC复位或自动归零。在各种实例中，LOFIC可在空闲周期期间以及在预充电周期期间及在像素电路的读出周期期间的LOFIC复位期间复位或自动归零。
在各种实例中，LOFIC可安置于与来自像素电路的光电二极管的防溢流路径分离的位置中，使得在空闲周期期间跨LOFIC没有充电应力。因此，在下一帧的积分周期之前，具有存储电荷的LOFIC的活动行具有足够空闲周期来完全放电。在各种实例中，空闲行在空闲周期期间跨LOFIC没有电荷，因为过量电荷经配置以溢出到一或多个浮动扩散区中，电荷接着在空闲周期期间通过复位晶体管排出。因而，由光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以从光电二极管通过转移晶体管溢出到浮动扩散区而非LOFIC中。在各种实例中，由光电二极管在积分周期期间光生的过量图像电荷经配置以从光电二极管溢出到LOFIC而非浮动扩散区中。
为了说明，图1展示根据本发明的教示的具有像素阵列的成像系统100的一个实例，像素阵列具有包含提供减少图像延迟的LOFIC的像素电路。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，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、地点、物体等的图像数据，其接着可用于呈现人、地点、物体等的图像。
在各种实例中，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。在一或多个光电二极管中产生的图像电荷经转移到包含于每一像素电路104中的浮动扩散区，其可经转换成图像信号，图像信号接着由读出电路106通过列位线112从每一像素电路104读出。如将讨论，在各种实例中，像素电路104还经配置以提供HDR图像信号，在这种情况下，由一或多个光电二极管在明亮照明条件下产生的图像电荷也可经转移到每一像素电路104中的LOFIC及/或额外浮动扩散区以存储图像电荷。例如，每一像素电路104可包含经配置以存储在积分周期期间从耦合的一或多个光电二极管溢出的一或多个过量图像电荷的LOFIC。在各种实例中，读出电路106可经配置以通过列位线112读出图像信号。在各种实例中，读出电路106可包含电流源、路由电路系统及比较器，其可包含于模数转换器或其它中。
在实例中，由读出电路106中的模数转换器产生的数字图像数据值接着可由功能逻辑108接收。功能逻辑108可简单存储数字图像数据或甚至通过应用后期图像效果(例如裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵数字图像数据。
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中多个光电二极管的操作。例如，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，图像获取与例如闪光的照明效果同步。
在一个实例中，成像系统100在单个半导体晶片上实施。在另一实例中，成像系统100在堆叠半导体晶片上。例如，像素阵列102在像素晶片上实施，且读出电路106、控制电路110及功能逻辑108在专用集成电路(ASIC)晶片上实施，其中像素晶片及ASIC晶片通过接合(混合接合、氧化物接合或其类似者)或一或多个贯穿衬底通孔(TSV)来堆叠及互连。对于另一实例，像素阵列102及控制电路110在像素晶片上实施，且读出电路106及功能逻辑108在ASIC晶片上实施，其中像素晶片及ASIC晶片通过接合(混合接合、氧化物接合或其类似者)及/或一或多个贯穿衬底通孔(TSV)来堆叠及互连。
在一个实例中，成像系统100可包含于数码相机、手机、笔记本电脑、内窥镜、监控摄像头或汽车成像装置或其类似者中。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/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示屏、触控板、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件可向成像系统100传送指令，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可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。
如所描绘的实例中展示，像素电路204包含光电二极管214，其经配置以响应于入射光而光生图像电荷。在所描绘的实例中，像素电路204还包含第一浮动扩散区FD1 218，其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而被控制以例如在与像素电路204相关联的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区FD1 218。在图2A中描绘的实例中，应注意，在空闲周期期间，响应于明亮照明条件而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区FD1 218，如将讨论，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管234排出。源极跟随器晶体管220具有耦合到第一浮动扩散区FD1218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220的栅极处的电荷量而从像素电路204输出图像信号。
在图2A中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散区FD1218与第二电容器228之间。第二电容器228进一步耦合到复位晶体管234的源极且还经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 240用于电荷读出操作。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)组合用于额外电荷存储的结电容器。耦合到第二电容器228的双浮动扩散DFD晶体管224的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 226。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接收从光电二极管214溢出的过量图像电荷。复位晶体管234耦合于偏置电压源248与双浮动扩散晶体管224之间。复位晶体管234的漏极耦合到偏置电压源248，且复位晶体管234的源极耦合到第二电容器228及双浮动扩散晶体管224的漏极。双浮动扩散晶体管224经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD238而被控制且复位晶体管234经耦合以响应于复位控制信号RSTG 244而被控制。
如图2A中描绘的实例中展示，溢出晶体管254耦合到光电二极管214，且横向溢出集成电容器(LOFIC)232耦合于偏置电压源248与溢出晶体管254之间。在各种实例中，应了解，转移晶体管216以及溢出晶体管254可经组合且形成或包含于具有双栅极结构的旁路晶体管中以最小化单位像素面积。在实例中，包含于旁路晶体管中的双栅极结构包含耦合于LOFIC 232与光电二极管214之间的溢出门(例如溢出晶体管254)及耦合于光电二极管214与第一浮动扩散区FD1 218之间的转移门(例如转移晶体管216)。在实例中，溢出晶体管254响应于溢出控制信号OFG 256而被控制。在实例中，低转换增益晶体管230耦合于LOFIC 232与第一浮动扩散区FD1 218之间。在实例中，低转换增益晶体管230响应于低转换增益控制信号LFG 242而被控制。因而，LOFIC 232耦合于偏置电压源248与低转换增益晶体管230之间以及偏置电压源248与溢出晶体管254之间。因此，应了解，LOFIC 232通过低转换增益晶体管230选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 218，低转换增益晶体管230通过双浮动扩散晶体管224选择性耦合到复位晶体管234。LOFIC 232经耦合以在积分周期期间(例如，在例如IR或LED光的亮光条件下)通过溢出晶体管254接收从光电二极管214溢出的过量图像电荷。
在实例中，LOFIC 232用包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的高电介质或高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。在各种实例中，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材料或多层高k材料堆叠形成。高k材料的确切组成及总厚度可取决于期望LOFIC电容。在各种实例中，高k材料可包含氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO)或其组合中的一者。
在一个实例中，应了解，LOFIC 232的第一金属电极可称为电容器顶部金属(CTM)且LOFIC 232的第二金属电极可称为电容器底部金属(CBM)。
在操作中，偏置电压源248经配置以向复位晶体管RST 234的漏极以及LOFIC 232的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP。此外，在图2A中描绘的实例中展示的空闲周期期间，复位晶体管RST 234经配置以响应于复位控制信号RSTG 244而导通，双浮动扩散晶体管224经配置以响应于双浮动扩散控制信号238而导通，且低转换增益晶体管230经配置以响应于低转换增益控制信号LFG 242而导通。因而，根据本发明的教示，LOFIC 232的第二金属电极CBM也通过第一浮动扩散区FD1 218、通过低转换增益晶体管230以及通过双浮动扩散晶体管224耦合到偏置电压源248，其导致在空闲周期期间跨LOFIC 232的特殊强制偏置或自动归零且因此使LOFIC 232放电。因此，根据本发明的教示，在操作中，在像素电路204的空闲周期期间，LOFIC 232的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM)两者通过复位晶体管RST234、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218、转移晶体管216及低转换增益晶体管230来局部短路在一起且短路到相同偏置电压源248，其迫使LOFIC 232放电以减少图像延迟问题。
如图2A中描绘的实例中展示，在空闲周期期间，偏置电压源248经配置以提供偏置电压VCAP，其在各种实例中可具有低电容器偏置电压到高电容器偏置电压的值，其在本公开中也可称为VCAP_lo到VCAP_hi。在一个实例中，偏置电压VCAP可具有0V到3.5V之间的值。应了解，在各种实例中，可鉴于高k材料的稳定范围来确定偏置电压VCAP的电压电平。在实例中，在空闲周期期间，复位控制信号RSTG 244可具有足以导通复位晶体管RST 234的值(例如2.5V到4V之间的值)，双浮动扩散控制信号DFD238可具有在2.5V到4V之间的范围内的高电压值，低转换增益控制信号LFG 242可具有0V到4V的值，转移控制信号TX 236可具有0V到3V的值，且溢出控制信号OFG 256可具有负电压值(例如-1V到-2V之间的值)以形成防止任何电荷从光电二极管214流到LOFIC 232的屏障。应了解，由于溢出控制信号OFG 256在空闲周期期间具有负电压值，因此响应于亮光(例如IR或LED光)而在光电二极管214中光生的过量电荷经配置以不流入到LOFIC 232中，而是通过转移晶体管216溢出到第一浮动扩散区FD1218中，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管234排出。将电压电平转移控制信号TX236配置为正电压或零电压提供过量电荷从光电二极管214溢出到第一浮动扩散区FD1218且通过复位晶体管234排出的泄漏路径。
图2B说明表示根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路204的一个实例的横截面的图。应了解，图2B的像素电路204可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图2B中描绘的像素电路204可为上文详细讨论的图2A中描绘的像素电路204的横截面实例。
例如，如图2B中描绘的实例中展示，像素电路204包含安置于半导体材料215(例如硅、衬底、硅锗合金、锗、碳化硅合金、砷化铟镓合金、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)中的光电二极管PD 214。光电二极管214经配置以响应于入射光而光生图像电荷。在所描绘的实例中，像素电路204还包含经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管PD 214接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 218。如将在下文图2E中描绘的实例中进一步展示，转移晶体管216的转移栅极经配置以耦合到足够低偏置电压(例如-2.0V到-0.5V之间的电压)以在用于累积光电二极管214中的光生电荷的积分周期期间强力断开转移晶体管216，使得来自光电二极管214的过量光生电荷响应于强光而通过溢出晶体管254溢出到LOFIC232中。然而，在图2B中展示的空闲周期期间，转移晶体管216在空闲周期期间耦合到一电压(例如0到2.7V伏特)以在光电二极管214与第一浮动扩散区FD1 218之间提供泄漏路径来防止光生电荷溢出到LOFIC 232，使得在空闲周期期间不发生应力诱发的MIM延迟。使转移晶体管216的转移栅极偏置的控制偏置电压(例如高偏置电压、中间偏置电压或低偏置电压)由转移控制信号TX 236提供。
在图2B中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散区FD1218与第二浮动扩散区FD2 226之间。第二浮动扩散区FD2可耦合到提供额外电荷存储的电容器(例如第二电容器228)。在实例中，双浮动扩散晶体管224的栅极经耦合以例如响应于双浮动扩散控制信号DFD 238具有高电压电平而接收高偏置电压，使得双浮动扩散晶体管224在空闲周期期间导通，如展示。双浮动扩散控制信号DFD 238的高电压电平可大于施加到转移晶体管216的转移栅极的高偏置电压。在一个实例中，双浮动扩散控制信号DFD 238的高电压电平可在3到4伏特之间的范围内。复位晶体管234耦合于偏置电压源248与双浮动扩散晶体管224之间。复位晶体管234在空闲周期期间导通，使得过量光生电荷可溢出到第一浮动扩散区FD1 218、第二浮动扩散区FD2 226且通过复位晶体管234排出到偏置电压源248，如展示。在实例中，复位晶体管234的栅极经耦合以例如响应于复位控制信号RSTG 244具有高电压电平而接收高偏置电压。在一个实例中，复位控制信号RSTG 244的高电压电平可在3到4伏特之间的范围内。
如图2B中描绘的实例中展示，溢出晶体管254耦合到光电二极管214，且LOFIC 232耦合于偏置电压源248与溢出晶体管254之间。在实例中，溢出晶体管254的栅极经耦合以接收负偏置电压(例如具有低电压电平的溢出控制信号OFG 256)，使得溢出晶体管254在断开状态下操作且停用光电二极管214与LOFIC 232之间的任何电荷流动路径。溢出控制信号OFG 256的低或负偏置电压电平可在-1V到-2V之间的范围内。在实例中，低转换增益晶体管230耦合于LOFIC 232与第一浮动扩散区FD1 218之间。在实例中，低转换增益晶体管230的栅极经耦合以接收高偏置电压(例如在空闲周期期间具有高电压电平的低转换增益控制信号LFG 242)，使得低转换增益晶体管230导通，如展示。因而，LOFIC 232耦合于偏置电压源248与低转换增益晶体管230之间以及偏置电压源248与溢出晶体管254之间。因此，应了解，LOFIC 232通过低转换增益晶体管230选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 218，低转换增益晶体管230通过双浮动扩散晶体管224及第二浮动扩散区FD2 226选择性耦合到复位晶体管234。
在操作中，偏置电压源248经配置以向复位晶体管RST 234的漏极RSTD以及LOFIC232的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP。此外，在图2B中描绘的实例中展示的空闲周期期间，复位晶体管RST 234经配置以在高偏置电压由复位晶体管234的栅极接收时导通，双浮动扩散晶体管224经配置以响应于高偏置电压由双浮动晶体管224的栅极接收而导通，且低转换增益晶体管230经配置以响应于高偏置电压由低转换增益晶体管230的栅极接收而导通。因而，根据本发明的教示，LOFIC 232的第二金属电极CBM也通过第一浮动扩散区FD1 218、通过低转换增益晶体管230以及通过双浮动扩散晶体管224耦合到偏置电压源248，其导致在空闲周期期间跨LOFIC 232的特殊强制偏置或自动归零且因此使LOFIC 232放电。因此，根据本发明的教示，在操作中，在像素电路204的空闲周期期间，LOFIC 232的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM)两者通过复位晶体管RST 234、第二浮动扩散区FD2226、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218及低转换增益晶体管230来局部短路在一起且短路到相同偏置电压源248，其迫使LOFIC 232放电以减轻图像延迟问题。应了解，溢出晶体管254的栅极接收足够负偏置电压，而转移晶体管216的转移栅极接收施加到溢出晶体管254的栅极的大于偏置的偏置电压(例如零偏置电压或正偏置电压)，从而在空闲周期期间在光电二极管214与第一浮动扩散区FD1 218之间提供泄漏路径，使得响应于亮光(例如IR或LED光)而在光电二极管214中光生的过量电荷经配置以不流入到LOFIC 232中，而是通过转移晶体管216溢出到第一浮动扩散区FD1 218中，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管234排出。
在图2B中说明的实例中，应注意，栅极氧化层217安置于溢出晶体管254、转移晶体管216、双浮动扩散晶体管224、复位晶体管234及低转换增益晶体管230的栅极电极与半导体材料215的表面之间。
图2C说明根据本公开的教示的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2C的像素电路204可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图2C中描绘的像素电路204基本上类似于上文详细讨论的图2A到2B中描绘的像素电路204，只是图2C中说明的像素电路204在预充电周期期间描绘，预充电周期发生在图2A中说明的空闲周期之后及在积分周期及读出周期之前。
为了说明，图2C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。在所描绘的实例中，像素电路204还包含经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管214接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 218。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而被控制以将图像电荷从光电二极管214转移到第一浮动扩散区FD1 218。源极跟随器晶体管220具有耦合到第一浮动扩散区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220的栅极处的电荷量而从像素电路204输出图像信号。
在图2C中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散区FD1218与第二电容器228之间。耦合到第二电容器228的双浮动扩散DFD晶体管224的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 226。第二电容器228使一端耦合到复位晶体管的源极且使另一端经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 240用于促进电荷在积分周期之后发生的读出周期期间转移。复位晶体管234耦合于偏置电压源248与双浮动扩散晶体管224之间。双浮动扩散晶体管224经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 238而被控制且复位晶体管234经耦合以响应于复位控制信号RSTG 244而被控制。
如图2C中描绘的实例中展示，溢出晶体管254耦合到光电二极管214且LOFIC 232耦合于偏置电压源248与溢出晶体管254之间。在实例中，溢出晶体管254响应于溢出控制信号OFG 256而被控制。在实例中，低转换增益晶体管230耦合于LOFIC 232与第一浮动扩散区FD1 218之间。在实例中，低转换增益晶体管230响应于低转换增益控制信号LFG 242而被控制。因而，LOFIC 232耦合于偏置电压源248与低转换增益晶体管230之间以及偏置电压源248与溢出晶体管254之间。因此，应了解，LOFIC 232通过低转换增益晶体管230选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 218，低转换增益晶体管230通过双浮动扩散晶体管224及第二电容器228选择性耦合到复位晶体管234。
在操作中，偏置电压源248经配置以向复位晶体管RST 234的漏极以及LOFIC 232的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP。此外，在图2C中描绘的实例中展示的预充电周期期间，复位晶体管RST 234经配置以响应于复位控制信号RSTG 244(例如，复位控制信号RSTG244具有高电压电平)而导通，双浮动扩散晶体管224经配置以响应于双浮动扩散控制信号238(例如，双浮动扩散控制信号238具有高电压电平)而导通，且低转换增益晶体管230经配置以响应于低转换增益控制信号LFG 242(例如，低转换增益控制信号LFG 242具有高电压电平)而导通。因而，根据本发明的教示，LOFIC 232的第二金属电极CBM也通过第一浮动扩散区FD1 218、通过低转换增益晶体管230以及通过双浮动扩散晶体管224耦合到偏置电压源248，其导致在预充电周期期间跨LOFIC 232的特殊强制偏置或自动归零且因此使LOFIC232放电。因此，根据本发明的教示，在操作中，在像素电路204的预充电周期期间，LOFIC232的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM)两者通过复位晶体管RST 234、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218及低转换增益晶体管230来局部短路在一起且短路到相同偏置电压源248，其迫使LOFIC232放电以减少图像延迟问题。在所描绘的实例中，应注意，转移晶体管216也在预充电周期期间导通，其还在预充电周期期间将光电二极管214耦合到第一浮动扩散区FD1218且因此耦合到偏置电压源248以在预充电周期期间使光电二极管214复位。第一浮动扩散区FD1 218及第二电容器228在预充电周期期间也耦合到偏置电压源248且也复位(例如，将剩余电荷排出到偏置电压源248)。
如图2C中描绘的实例中展示，在预充电周期期间，偏置电压源248经配置以提供等于VCAP_hi的偏置电压VCAP，复位控制信号RSTG 244可具有可在2.5V到4V之间的范围内的高电压值，双浮动扩散控制信号DFD 238可具有可在2.5V到4V之间的范围内的高电压值，低转换增益控制信号LFG 242可具有可在2.5V到4V之间的范围内的高电压值，转移控制信号TX 236可具有可在从2.5V到3.5V的范围内的高电压值，且溢出控制信号OFG 256可具有可在从-1V到-2V的范围内的低电压值。
图2D说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含LOFIC的像素电路204的一个实例的示意图。应了解，图2D的像素电路204可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图2D中描绘的像素电路204基本上类似于上文详细讨论的图2A到2C中描绘的像素电路204，只是图2D中说明的像素电路204在积分周期期间描绘，积分周期发生在图2C中说明的预充电周期之后及在读出周期之前。
为了说明，图2D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。在所描绘的实例中，像素电路204还包含经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管214接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 218。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而被控制以将图像电荷从光电二极管214转移到第一浮动扩散区FD1 218。源极跟随器晶体管220具有耦合到第一浮动扩散区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220的栅极处的电荷量而从像素电路204输出图像信号。
在图2D中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散区FD1218与第二电容器228之间。耦合到第二电容器228的双浮动扩散DFD晶体管224的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 226。第二电容器228经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 240用于促进电荷读出。复位晶体管234耦合于偏置电压源248与双浮动扩散晶体管224之间。双浮动扩散晶体管224经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 238而被控制且复位晶体管234经耦合以响应于复位控制信号RSTG 244而被控制。
如图2D中描绘的实例中展示，溢出晶体管254耦合到光电二极管214且LOFIC 232耦合于偏置电压源248与溢出晶体管254之间。在实例中，溢出晶体管254响应于溢出控制信号OFG 256而被控制。在实例中，低转换增益晶体管230耦合于LOFIC 232与第一浮动扩散区FD1 218之间。在实例中，低转换增益晶体管230响应于低转换增益控制信号LFG 242而被控制。因而，LOFIC 232耦合于偏置电压源248与低转换增益晶体管230之间以及偏置电压源248与溢出晶体管254之间。因此，应了解，LOFIC 232通过低转换增益晶体管230选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 218，低转换增益晶体管230通过双浮动扩散晶体管224选择性耦合到复位晶体管234。在操作中，偏置电压源248经配置以向复位晶体管RST 234的漏极以及LOFIC 232的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP。
在所描绘的实例中，转移晶体管216、溢出晶体管254及低转换增益晶体管230经配置以在积分周期期间分别响应于转移控制信号TX 236、溢出控制信号OFG 256及低转换增益控制信号LFG 242而断开。因而，应了解，在积分期间，LOFIC 232处于电荷存储模式。例如，如图2D中描绘的实例中展示，在积分周期期间，偏置电压源248经配置以提供等于VCAP_lo的偏置电压VCAP(例如1到2V)，复位控制信号RSTG 244可具有0V的值，双浮动扩散控制信号DFD 238可具有0V的值，低转换增益控制信号LFG 242可具有0V的值，转移控制信号TX236可具有低电压值(例如在-1V到-2V之间的范围内的负偏置信号)，且溢出控制信号OFG256可具有在-1V到-2V的范围内的负电压值。在所描绘的实例中，应了解，转移晶体管216及溢出晶体管254经偏置使得由光电二极管214在积分周期期间响应于亮光而光生的过量图像电荷通过溢出晶体管254溢出到LOFIC 232，而非通过转移晶体管216溢出到第一浮动扩散区FD1 218。应了解，溢出晶体管254可经配置以比转移晶体管216更易泄漏。在一个实例中，溢出晶体管254经配置有在溢出晶体管254的栅极下方接近相关联通道区的额外n型通道植入(例如具有相同于光电二极管214的导电类型的植入)，使得在积分周期期间，过量图像电荷从光电二极管214通过溢出晶体管254溢出或泄漏到LOFIC 232。
为了说明，图2E说明表示根据本公开的教示的亮光积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路204的一个实例的横截面的图。应了解，图2E的像素电路204可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图2E中描绘的像素电路204可为上文详细讨论的图2D中描绘的亮光积分周期期间的像素电路204的横截面实例。
例如，如图2E中描绘的实例中展示，像素电路204包含安置于半导体材料215(例如硅)中的光电二极管PD 214，其经配置以响应于入射光而光生图像电荷。在所描绘的实例中，像素电路204还包含经耦合以通过转移晶体管216从光电二极管PD 214接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 218。在实例中，转移晶体管216的栅极经配置耦合以在所展示的积分周期期间接收负偏置电压-1.4V，其断开转移晶体管216，如展示。
在图2E中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管224耦合于第一浮动扩散区FD1218与第二浮动扩散区FD2 226之间。在实例中，双浮动扩散区224的栅极经耦合以在积分周期期间接收高偏置电压(其可在2.5V到3.5V之间的范围内)，如展示。复位晶体管234耦合于偏置电压源248与双浮动扩散晶体管224之间。在实例中，复位晶体管234的栅极经耦合以在积分周期期间接收在2.5V到4V之间的范围内的高电压，如展示。
如图2E中描绘的实例中展示，溢出晶体管254耦合到光电二极管214且LOFIC 232耦合于偏置电压源248与溢出晶体管254之间。在实例中，溢出晶体管254的栅极经耦合以在积分周期期间接收负电压(例如-1V到-2V之间的值)，其断开溢出晶体管254，但溢出晶体管254经配置以在光电二极管214与LOFIC 232之间提供断开泄漏路径(例如，具有额外通道植入254CH)，如展示。在实例中，低转换增益晶体管230耦合于LOFIC232与第一浮动扩散区FD1218之间。在实例中，低转换增益晶体管230的栅极经耦合以在积分周期期间接收0V的低偏置电压，其断开低转换增益晶体管230，如展示。
因而，应了解，在积分期间，LOFIC 232处于电荷存储模式。如提及，在一个实例中，应了解，溢出晶体管254可经配置有在溢出晶体管254的栅极下方安置于光电二极管214与LOFIC 232之间的额外n型通道植入(例如通道植入254CH)，使得在积分周期期间，过量图像电荷从光电二极管214通过溢出晶体管254溢出或泄漏到LOFIC 232，如展示。
在图2E中说明的实例中，应注意，栅极氧化层217安置于溢出晶体管254、转移晶体管216、双浮动扩散晶体管224、复位晶体管234及低转换增益晶体管230的栅极电极与半导体材料215的表面之间。
图3说明根据本公开的教示的空闲、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2E中描绘的用于控制例如像素电路204的实例像素电路的操作的信号的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。
现参考所描绘的实例，图3说明复位控制信号RST 344、偏置电压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、溢出控制信号OFG 356、浮动扩散电容器信号FDC 340及行选择控制信号RS 346，其经配置以控制上文图2A到2E中详细讨论的相应电路元件。图3中描绘的实例还说明在产生图像数据时像素电路依序循环通过的空闲、预充电、积分及读出周期。
如图3中描绘的空闲周期期间展示，复位控制信号RST 344导通复位晶体管234，且由偏置电压源248提供的偏置电压VCAP 348等于高值(例如VCAP_hi)，其耦合到LOFIC 232的第一金属电极CTM及复位晶体管234的漏极。双浮动扩散控制信号DFD338导通双浮动扩散晶体管224，其因此耦合第一浮动扩散区FD1 218以通过复位晶体管234接收偏置电压VCAP348。具有高电压电平的低转换增益控制信号LFG 342导通低转换增益晶体管230，其将LOFIC 232的第二金属电极CBM耦合到第一浮动扩散区FD1 218。因此，应了解，根据本发明的教示，在空闲周期期间，LOFIC 232的第一及第二金属电极CTM及CBM两者通过复位晶体管234、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218及低增益转换晶体管230耦合到偏置电压VCAP 348。根据本发明的教示，通过使LOFIC 232的第一及第二金属电极CTM及CBM两者短路到偏置电压VCAP 348，LOFIC 232局部自动归零或在像素电路204内迫使LOFIC 232的放电操作启动，其减少图像延迟。所说明的实例还展示：在空闲周期期间，转移控制信号TX336导通转移晶体管216且溢出控制信号OFG 356断开溢出晶体管254。在一个实例中，应了解，溢出晶体管254经负偏置，同时转移控制信号TX导通转移晶体管216或将转移门216配置为在空闲周期中比溢出晶体管254更易泄漏，其防止由光电二极管214在空闲周期期间光生的过量图像电荷流入到LOFIC 232中。相反地，由光电二极管214在空闲周期期间响应于强光而光生的过量图像电荷通过转移晶体管216流到第一浮动扩散区FD1 218，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管234排出。
图3中描绘的实例展示：在空闲周期之后发生的预充电周期期间，双浮动扩散控制信号DFD 338、低转换增益控制信号LFG 342及转移控制信号TX 336保持导通。接下来，行选择信号RS 346导通行选择晶体管222且接着复位控制信号344导通且偏置电压VCAP 348转变为高电容器偏置值(例如VCAP_hi)。因而，应了解，根据本发明的教示，在预充电周期期间，LOFIC 232的第一及第二金属电极CTM及CBM两者通过复位晶体管234、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218及低增益转换晶体管230耦合到由偏置电压VCAP 348提供的高偏置电压。根据本发明的教示，通过继续使LOFIC232的第一及第二金属电极CTM及CBM两者短路到偏置电压VCAP 348，LOFIC 232局部自动归零或放电，其减少图像延迟。另外，应了解，光电二极管214及第一浮动扩散区FD1 218也通过转移晶体管216且通过第一浮动扩散区FD1 218、双浮动扩散晶体管224、复位晶体管234放电，且在预充电周期期间复位到由偏置电压VCAP 348提供的高偏置电压。
之后，转移控制信号TX 336断开转移晶体管216且接着复位控制信号RST 344断开复位晶体管234，且接着偏置电压源348转变为低电容器偏置值或VCAP_lo(例如0伏特)，且接着低转换增益控制信号LFG 342转变为低电压电平以断开低转换增益晶体管230，且接着行选择信号RS 346断开行选择晶体管222。
图3中描绘的实例展示：在预充电周期之后发生的积分周期期间，除保持为高的双浮动扩散控制信号338之外，所有信号为低，且积分发生，在此期间，光电二极管214响应于入射光而产生图像电荷。
图3中描绘的实例展示：在积分周期之后发生的读出周期期间，双浮动扩散控制信号DFD 338保持为高且行选择信号RS 346导通行选择晶体管222。接下来，复位控制信号344导通复位晶体管234且偏置电压VCAP 348转变为高电容器偏置值(例如VCAP_hi)。在实例中，浮动扩散电容器信号FDC 340可经脉冲调制以调整跨第二电容器226的偏置及第一浮动扩散区FD1 218的电压以促进在高转换增益及中转换增益信号读出的操作期间从光电二极管214读出信号。
接下来，发生光电二极管的双转换增益(DCG)读出，在此期间，复位控制信号RST344转变为低值且接着发生复位值(R)从光电二极管214的中转换增益(MCG)读出。接下来，浮动扩散电容器信号FDC 340经脉冲调制，同时双浮动扩散控制信号DFD 338断开双浮动扩散晶体管224。接下来，发生复位值(R)从光电二极管214的高转换增益(HCG)读出。接下来，浮动扩散电容器信号FDC 340转变为高值，且转移控制信号TX336导通转移晶体管216，在此期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 218。接下来，信号值(S)的高转换增益(HCG)读出可在转移控制信号TX 236及浮动扩散电容器信号FDC 340转变为低值之后发生。接下来，双浮动扩散控制信号DFD 338导通双浮动扩散晶体管224，浮动扩散电容器信号FDC 340转变为高值，且转移控制信号TX 336导通转移晶体管216，在此期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 218及第二电容器228。接下来，信号值(S)的中转换增益(MCG)读出可在转移控制信号TX 236及浮动扩散电容器信号FDC 340转变为低值之后发生。
接下来，发生光电二极管214及LOFIC 232的LOFIC读出，在此期间，低转换增益控制信号LFG 342导通低转换增益晶体管230，且接着转移控制信号TX 336导通转移晶体管216，在此期间，光电二极管214中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 218、第二电容器228及LOFIC 232。接下来，可发生信号值(S)的低转换增益(LCG)读出。接下来，复位控制信号RST 344导通复位晶体管234，在此期间，光电二极管214、第一浮动扩散区FD1 218、第二电容器228及LOFIC 232全部通过复位晶体管234、第二浮动扩散区FD2 226、双浮动扩散晶体管224、第一浮动扩散区FD1 218、转移晶体管216及低增益转换晶体管230复位，其中偏置电压VCAP 348设置为高电容器偏置值(例如VCAP_hi)。接下来，复位晶体管234断开且接着发生复位值(R)的低转换增益(LCG)读出。
接下来，根据本发明的教示，图3中描绘的过程循环回到空闲周期，在此期间，LOFIC232可再次自动归零或放电以减少图像延迟且循环重复。
图4A说明根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路404的另一实例的示意图。应了解，图4A的像素电路404可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图4A中描绘的像素电路404与上文详细讨论的图2A到2E中描绘的像素电路204共享一些类似性。
例如，如图4A中描绘的实例中展示，像素电路404包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的多个光电二极管。在所描绘的实例中，多个光电二极管包含一组光电二极管414-L1、414-L2及414-L3，其经配置以共同用作具有三个光电二极管的大光电二极管(例如3LPD)。另外，多个光电二极管还包含经配置以单独用作小光电二极管(例如1SPD)的光电二极管414-S。在一些实施例中，大光电二极管可具有大于小光电二极管的入射光敏感度。在所描绘的实例中，像素电路404还包含经耦合以分别通过转移晶体管416-S、416-L1、416-L2及414-L3从光电二极管414-L1、414-L2、414-L3及414-S接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 418。在实例中，转移晶体管416-S、416-L1、416-L2及414-L3经耦合以分别响应于转移控制信号LTX1 436-L1、LTX2 436-L2、LTX3 436-L3及STX 436-S而被控制以将图像电荷从光电二极管414-L1、414-L2、414-L3及414-S转移到第一浮动扩散区FD1 418。源极跟随器晶体管420具有耦合到第一浮动扩散区FD1418的栅极且行选择晶体管422耦合到源极跟随器晶体管SF 420，使得源极跟随器晶体管420及行选择晶体管422耦合于电源线与位线412A之间以响应于行选择控制信号RS446及源极跟随器晶体管420的栅极处的电荷量而从像素电路404输出图像信号。在一个实例中，应注意，包含于偶数行中的像素电路404可耦合到位线412A，而包含于奇数行中的像素电路404可耦合到位线412B。
在所描绘的实例中，第二电容器428耦合到第一浮动扩散区FD1 418且经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 440。第二电容器428可为与金属电容器或金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)组合用于额外电荷存储的结电容器。在实例中，复位晶体管434耦合于电源线(例如复位电压源)与第一浮动扩散区FD1 418之间。复位晶体管434经耦合以响应于复位控制信号RSTG 444而被控制。在所说明的实例中，双浮动扩散晶体管424耦合于第一浮动扩散区FD1 418与LOFIC 432之间，LOFIC 432耦合于偏置电压源448与第一浮动扩散区FD1 418之间。在实例中，LOFIC 432包含安置于第一金属电极(例如CTM)与第二金属电极(例如CBM)之间的绝缘材料。双浮动扩散晶体管424经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 438而被控制。
在实例中，LOFIC 432用包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的具有高介电常数的绝缘材料或高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。在各种实例中，安置于LOFIC 432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材料或多层高k材料堆叠形成。高k材料的确切组成及总厚度可取决于期望LOFIC电容。在各种实例中，高k材料可包含氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO)或其组合中的一者。
如图4A中描绘的实例中展示，溢出晶体管454耦合于光电二极管414-S与LOFIC432之间。在实例中，溢出晶体管454响应于溢出控制信号OFG 456而被控制。因而，LOFIC 432耦合于偏置电压源448与双浮动扩散晶体管424之间以及偏置电压源448与溢出晶体管454之间。因此，应了解，LOFIC 432通过双浮动扩散晶体管424选择性耦合到第一浮动扩散区FD1418。因而，LOFIC 432通过双浮动扩散晶体管424选择性耦合到复位晶体管434。
在操作中，偏置电压源448经配置以向LOFIC 432的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP且电源线经配置以向复位晶体管434的漏极提供电源电压。在一个实例中，偏置电压VCAP及电源线的电源电压经配置为相同电压。在另一实例中，应了解，偏置电压源448还可经配置以向复位晶体管434的漏极提供偏置电压VCAP。在图4A中描绘的实例中展示的空闲周期期间，复位晶体管434经配置以响应于复位控制信号RSTG444具有高值而导通。在一个实例中，双浮动扩散晶体管424还经配置以响应于双浮动扩散控制信号438具有高值而导通。因而，根据本发明的教示，LOFIC 432的第二金属电极CBM也经耦合以通过双浮动扩散晶体管424、第一浮动扩散区FD1 418且通过复位晶体管434接收电源电压，同时LOFIC 432的第一金属电极CTM耦合到偏置电压源448，其导致在空闲周期期间跨LOFIC 432的特殊强制偏置或自动归零且因此使LOFIC432放电。因此，根据本发明的教示，在操作中，在空闲周期期间通过复位晶体管RST 434、第一浮动扩散区FD1 418及双浮动扩散晶体管424将LOFIC432的第一及第二金属电极(例如CTM及CBM)两者局部短路耦合到高复位电压，其迫使LOFIC432放电以减少图像延迟问题。
在所描绘的实例中，应注意，转移晶体管416-S用等于0V的转移控制信号STX436-S偏置且溢出晶体管454用等于可在-1V到-2V之间的范围内的负电压值的溢出控制信号OFG456偏置。因而，应了解，转移晶体管416-S的偏置比溢出晶体管454的偏置高得多，使得在光电二极管414-S中光生的过量图像电荷在空闲周期期间通过转移晶体管416-S溢出到第一浮动扩散区FD1 418，而非通过溢出晶体管454溢出到LOFIC 432。在实例中，还应注意，在光电二极管414-L1、414-L2及414-L3中光生的过量图像电荷也可分别通过转移晶体管416-L1、416-L2及416-L3溢出到第一浮动扩散区FD1 418，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管434排出。
图4B说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路的另一实例的示意图。应了解，图4B的像素电路404可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图4B中描绘的像素电路404基本上类似于上文详细讨论的图4A中描绘的像素电路404，只是图4B中说明的像素电路404在积分周期期间描绘，积分周期发生在图4A中说明的空闲周期之后、在预充电周期之后及在读出周期之前。
为了说明，如图4B中描绘的实例中展示，像素电路404包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的多个光电二极管。在所描绘的实例中，多个光电二极管包含经配置以共同用作具有三个光电二极管的大光电二极管(例如3LPD)的一组光电二极管414-L1、414-L2及414-L3。另外，多个光电二极管还包含经配置以个别用作小光电二极管(例如1SPD)的光电二极管414-S。在一些实施例中，大光电二极管可具有大于小光电二极管的入射光敏感度。在所描绘的实例中，像素电路404还包含经耦合以分别通过转移晶体管416-S、416-L1、416-L2及414-L3从光电二极管414-L1、414-L2、414-L3及414-S接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 418。在实例中，转移晶体管416-S、416-L1、416-L2及414-L3经耦合以分别响应于转移控制信号LTX1 436-L1、LTX2 436-L2、LTX3 436-L3及STX 436-S而被控制以将图像电荷从光电二极管414-L1、414-L2、414-L3及414-S转移到第一浮动扩散区FD1 418。源极跟随器晶体管420具有耦合到第一浮动扩散区FD1418的栅极且行选择晶体管422耦合到源极跟随器晶体管SF 420，使得源极跟随器晶体管420及行选择晶体管422耦合于电源线与位线412A之间以响应于行选择控制信号RS446及源极跟随器晶体管420的栅极处的电荷量而从像素电路404输出图像信号。
在所描绘的实例中，第二电容器428耦合到第一浮动扩散区FD1 418且经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 440。在实例中，复位晶体管434耦合于电源线与第一浮动扩散区FD1 418之间。复位晶体管434经耦合以响应于复位控制信号RSTG 444而被控制。在所说明的实例中，双浮动扩散晶体管424耦合于第一浮动扩散区FD1 418与LOFIC432之间，LOFIC432耦合于偏置电压源448与第一浮动扩散区FD1 418之间。在实例中，LOFIC 432包含安置于第一金属电极(例如CTM)与第二金属电极(例如CBM)之间的绝缘材料(例如具有高介电常数的绝缘材料)。双浮动扩散晶体管424经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 438而被控制。如图4B中描绘的实例中展示，溢出晶体管454耦合于光电二极管414-S与LOFIC 432之间。在实例中，溢出晶体管454响应于溢出控制信号OFG 456而被控制。
在操作中，偏置电压源448经配置以向LOFIC 432的第一金属电极CTM提供偏置电压VCAP且电源线经配置以向复位晶体管434的漏极提供电源电压。在图4B中描绘的实例中展示的积分周期期间，复位晶体管434经配置以响应于复位控制信号RSTG 444具有高值而导通。另外，应注意，转移晶体管416-S用等于负电压值(例如-1V到-2V之间的负电压)的转移控制信号STX 436-S负偏置且溢出晶体管454用等于电压值(例如0V到-2V)的溢出控制信号OFG 456偏置。在所描绘的实例中，应了解，光电二极管414-S的光电二极管轮廓由工艺转变，使得在光电二极管414-S中光生的过量图像电荷在积分周期期间通过溢出晶体管454溢出到LOFIC 432。在实例中，还应注意，在积分周期期间，在光电二极管414-L1、414-L2及414-L3中光生的过量图像电荷分别通过转移晶体管416-L1、416-L2及416-L3溢出到第一浮动扩散区FD1 418。
图5A说明根据本公开的教示的空闲周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路504的又一实例的示意图。应了解，图5A的像素电路504可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图5A中描绘的像素电路504与上文详细讨论的图2A到2E中描绘的像素电路204及图4A到4B中描绘的像素电路404共享一些类似性。
例如，如图5A中描绘的实例中展示，像素电路504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514。在所描绘的实例中，像素电路504还包含经耦合以从光电二极管514接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 518。
图5A的像素电路504与图2A到2E的像素电路204及/或图4A到4B的像素电路404之间的一个区别在于：包含于图5A的像素电路504中的转移晶体管包含多栅极晶体管结构或用多栅极晶体管结构实施。在图5A中描绘的特定实例中，多栅极晶体管结构是包含光电二极管栅极516-P、浮动扩散栅极516-F及LOFIC栅极516-L的三栅极晶体管结构。在实例中，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1518及光电二极管栅极516-P，且LOFIC栅极516-F耦合到LOFIC 532、光电二极管栅极516-P及浮动扩散栅极516-F，如展示。光电二极管栅极516-P经耦合以响应于光电二极管转移控制信号TXP 536-P而被控制，浮动扩散栅极516-F经耦合以响应于浮动扩散转移控制信号TXF 536-F而被控制，且LOFIC栅极516-L经耦合以响应于LOFIC转移控制信号TXL 536-L而被控制。光电二极管栅极516-P、浮动扩散栅极516-F及LOFIC栅极516-L经单独安置及电隔离。在一个实例中，具有足够厚度的绝缘材料安置于光电二极管栅极516-P、浮动扩散栅极516-F及LOFIC栅极516-L之间。
如将讨论，在操作中，图像电荷经配置以在读出周期期间通过光电二极管栅极516-P及通过浮动扩散栅极516-F从光电二极管514转移到第一浮动扩散区FD1 518，且由光电二极管514在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过光电二极管栅极514-P及通过浮动扩散栅极516-F从光电二极管514溢出到第一浮动扩散区FD1 518中。
源极跟随器晶体管520具有耦合到第一浮动扩散区FD1 518的栅极且行选择晶体管522耦合到源极跟随器晶体管SF 520，使得源极跟随器晶体管520及行选择晶体管522耦合于电源线与位线512之间以响应于行选择控制信号RS 546及源极跟随器晶体管520的栅极处的电荷量而从像素电路504输出图像信号。
在图5A中说明的实例中，双浮动扩散DFD晶体管524耦合于第一浮动扩散区FD1518与第二电容器528之间。耦合到第二电容器528的双浮动扩散DFD晶体管524的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 526。第二电容器528经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 540。复位晶体管534耦合于偏置电压源548与双浮动扩散晶体管524之间。双浮动扩散晶体管524经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 538而被控制且复位晶体管534经耦合以响应于复位控制信号RSTG 544而被控制。
如上文提及，LOFIC栅极516-L耦合到LOFIC 532，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，且浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1 518。因而，LOFIC栅极516-L及光电二极管栅极516-P耦合于LOFIC 532与光电二极管514之间，浮动扩散栅极516-F及光电二极管栅极516-P耦合于第一浮动扩散区FD1 518与光电二极管514之间，且LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F耦合于LOFIC 532与第一浮动扩散区FD1 518之间。因此，应了解，LOFIC 532通过LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 518，LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F通过双浮动扩散晶体管524选择性耦合到复位晶体管534。另外，LOFIC 532耦合于偏置电压源548与LOFIC栅极516-L之间。
在实例中，LOFIC 532用包含安置于第一金属电极与第二金属电极之间的具有高介电常数的绝缘材料或高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 532的第一金属电极可称为耦合到偏置电压源548的电容器顶部金属(CTM)且LOFIC 532的第二金属电极可称为耦合到LOFIC栅极516-L的电容器底部金属(CBM)。
如图5A中描绘的实例中展示，在空闲周期期间，偏置电压源548经配置以提供偏置电压VCAP，其在各种实例中可具有VCAP_lo到VCAP_hi的值。在实例中，在空闲周期期间，复位控制信号RSTG 544可具有2.5V到4V的高电压值，双浮动扩散控制信号DFD 538可具有2.5V到4V之间的高电压值，LOFIC转移控制信号TXL 536-L可具有-1V到-2V的值，浮动扩散转移控制信号TXF 536-F可具有2.5V到4V的值，且光电二极管转移控制信号TXP 536-P可具有0V到3V的值。应了解，在图5A中描绘的实例中，LOFIC 532与来自光电二极管514的防溢流路径分离，使得LOFIC栅极516-L、光电二极管栅极516-P及浮动扩散栅极516-F经偏置以防止由光电二极管514在空闲周期期间光生的过量图像电荷溢出到LOFIC 532中。相反地，如所描绘的实例中展示，根据本发明的教示，由光电二极管514在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过光电二极管栅极516-P及浮动扩散栅极516-F溢出到第一浮动扩散区FD1 518中，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管534排出到偏置电压源548。
图5B说明根据本公开的教示的预充电周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路504的又一实例的示意图。应了解，图5B的像素电路504可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图5B中描绘的像素电路504基本上类似于上文详细讨论的图5A中描绘的像素电路504，只是图5B中说明的像素电路504在预充电周期期间描绘，预充电周期发生在图5A中说明的空闲周期之后且在积分周期及读出周期之前。
如图5B中描绘的实例中展示，像素电路504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514。在所描绘的实例中，像素电路504还包含经耦合以从光电二极管514接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 518。像素电路504还包含多栅极晶体管结构，其包含光电二极管栅极516-P、浮动扩散栅极516-F及LOFIC栅极516-L。在实例中，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1 518及光电二极管栅极516-P，且LOFIC栅极516-F耦合到LOFIC 532、光电二极管栅极516-P及浮动扩散栅极516-F，如展示。光电二极管栅极516-P经耦合以响应于光电二极管转移控制信号TXP536-P而被控制，浮动扩散栅极516-F经耦合以响应于浮动扩散转移控制信号TXF 536-F而被控制，且LOFIC栅极516-L经耦合以响应于LOFIC转移控制信号TXL 536-L而被控制。
源极跟随器晶体管SF 520具有耦合到第一浮动扩散区FD1 518的栅极且行选择晶体管522耦合到源极跟随器晶体管SF 520，使得源极跟随器晶体管520及行选择晶体管522耦合于电源线与位线512之间以响应于行选择控制信号RS 546及累积于源极跟随器晶体管SF 520的栅极处的电荷量而从像素电路504输出图像信号。双浮动扩散DFD晶体管524耦合于第一浮动扩散区FD1 518与第二电容器528之间。耦合到第二电容器528的双浮动扩散DFD晶体管524的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 526。第二电容器528经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 540。复位晶体管534耦合于偏置电压源548与双浮动扩散晶体管524之间。双浮动扩散晶体管524经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 538而被控制且复位晶体管534经耦合以响应于复位控制信号RSTG 544而被控制。
如上文提及，LOFIC栅极516-L耦合到LOFIC 532，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，且浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1 518。因而，LOFIC栅极516-L及光电二极管栅极516-P耦合于LOFIC 532与光电二极管514之间，浮动扩散栅极516-F及光电二极管栅极516-P耦合于第一浮动扩散区FD1 518与光电二极管514之间，且LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F耦合于LOFIC 532与第一浮动扩散区FD1 518之间。因此，应了解，LOFIC 532通过LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 518，LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F通过双浮动扩散晶体管524选择性耦合到复位晶体管534。另外，LOFIC 532耦合于偏置电压源548与LOFIC栅极516-L之间。在实例中，LOFIC 532用包含安置于第一金属电极(例如CTM)与第二金属电极(例如CBM)之间的具有高介电常数的绝缘材料或高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。
如图5B中描绘的实例中展示，在预充电周期期间，偏置电压源548经配置以提供偏置电压VCAP，其在实例中具有VCAP_hi的值(例如2.5V到4V之间的值)。在实例中，在预充电周期期间，复位控制信号RSTG 544可具有2.5V到3.5V之间的高电压值，双浮动扩散控制信号DFD 538可具有2.5V到4V之间的高电压值，LOFIC转移控制信号TXL 536-L可具有2.5V到4V之间的高电压值，浮动扩散转移控制信号TXF 536-F可具有2.5V到3.5V之间的高电压值，且光电二极管转移控制信号TXP 536-P可具有2.5V到3.5V之间的值。在一个实例中，复位控制信号RSTG 544经配置为大于偏置电压VCAP以适当驱动复位晶体管RST 534使第一浮动扩散区FD1 518、第二浮动扩散区FD2 526、光电二极管514复位，同时使LOFIC 532自动归零。因而，应了解，在预充电周期期间，LOFIC 532的第一金属电极(例如CTM)耦合到偏置电压源548且第二金属电极(例如CBM)也通过LOFIC栅极516-L、通过浮动扩散栅极516-F、通过第一浮动扩散区FD1 518、通过双浮动扩散晶体管524、通过第二浮动扩散区FD2 526且通过复位晶体管534局部耦合到偏置电压源548以在预充电周期期间复位。在实例中，应了解，光电二极管514、第一浮动扩散区FD1 518及第二电容器528也耦合到偏置电压源548以在预充电周期期间复位。
图5C说明根据本公开的教示的积分周期期间的包含横向溢出集成电容器(LOFIC)的像素电路504的又一实例的示意图。应了解，图5C的像素电路504可为包含于图1中展示的像素阵列102中的像素电路104中的一者的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。还应了解，图5C中描绘的像素电路504基本上类似于上文详细讨论的图5A到5B中描绘的像素电路504，只是图5C中说明的像素电路504在积分周期期间描绘，积分周期发生在图5B中说明的预充电周期之后且在读出周期之前。
如图5C中描绘的实例中展示，像素电路504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514。在所描绘的实例中，像素电路504还包含经耦合以从光电二极管514接收图像电荷的第一浮动扩散区FD1 518。像素电路504还包含多栅极晶体管结构，其包含光电二极管栅极516-P、浮动扩散栅极516-F及LOFIC栅极516-L。在实例中，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1 518及光电二极管栅极516-P，且LOFIC栅极516-F耦合到LOFIC 532、光电二极管栅极516-P及浮动扩散栅极516-F，如展示。光电二极管栅极516-P经耦合以响应于光电二极管转移控制信号TXP536-P而被控制，浮动扩散栅极516-F经耦合以响应于浮动扩散转移控制信号TXF 536-F而被控制，且LOFIC栅极516-L经耦合以响应于LOFIC转移控制信号TXL 536-L而被控制。
源极跟随器晶体管SF 520具有耦合到第一浮动扩散区FD1 518的栅极且行选择晶体管522耦合到源极跟随器晶体管SF 520，使得源极跟随器晶体管SF 520及行选择晶体管522耦合于电源线与位线512之间以响应于行选择控制信号RS 546及源极跟随器晶体管520的栅极处的电荷量而从像素电路504输出图像信号。双浮动扩散DFD晶体管524耦合于第一浮动扩散区FD1 518与第二电容器528之间。耦合到第二电容器528的双浮动扩散DFD晶体管524的漏极也可称为第二浮动扩散区FD2 526。第二电容器528耦合到复位晶体管534的源极且进一步经耦合以接收浮动扩散电容器信号FDC 540。复位晶体管534耦合于偏置电压源548与双浮动扩散晶体管524之间。双浮动扩散晶体管524经耦合以响应于双浮动扩散控制信号DFD 538而被控制且复位晶体管534经耦合以响应于复位控制信号RSTG 544而被控制。
如上文提及，LOFIC栅极516-L耦合到LOFIC 532，光电二极管栅极516-P耦合到光电二极管514，且浮动扩散栅极516-F耦合到第一浮动扩散区FD1 518。因而，LOFIC栅极516-L及光电二极管栅极516-P耦合于LOFIC 532与光电二极管514之间，浮动扩散栅极516-F及光电二极管栅极516-P耦合于第一浮动扩散区FD1 518与光电二极管514之间，且LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F耦合于LOFIC 532与第一浮动扩散区FD1 518之间。因此，应了解，LOFIC 532通过LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F选择性耦合到第一浮动扩散区FD1 518，LOFIC栅极516-L及浮动扩散栅极516-F通过双浮动扩散晶体管524选择性耦合到复位晶体管534。另外，LOFIC 532耦合于偏置电压源548与LOFIC栅极516-L之间。在实例中，LOFIC 532用包含安置于第一金属电极(例如CTM)与第二金属电极(例如CBM)之间的具有高介电常数的绝缘材料或高k绝缘材料的金属-绝缘体-金属电容器实施。
如图5C中描绘的实例中展示，在积分周期期间，偏置电压源548经配置以提供偏置电压VCAP，其在实例中具有VCAP_lo的值。在实例中，在积分周期期间，复位控制信号RSTG544可具有0V的值，双浮动扩散控制信号DFD 538可具有0V的值，LOFIC转移控制信号TXL536-L可具有0V到1.0V的值，浮动扩散转移控制信号TXF 536-F可具有0V的值，且光电二极管转移控制信号TXP 536-P可具有-1V到-2V之间的负电压值。因而，应了解，在积分周期期间，由光电二极管514响应于亮光而光生的过量图像电荷经配置以通过LOFIC栅极516-L溢出到LOFIC 532，而非通过浮动扩散栅极516-F溢出到第一浮动扩散区FD1 518中。
图6说明根据本公开的教示的空闲、预充电、积分及读出周期期间的包含LOFIC的又一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6中描绘的信号可为图5A到5C中描绘的信号的实例，且上述类似命名及编号元件在下文类似耦合及起作用。
现参考所描绘的实例，图6说明复位控制信号RST 644、偏置电压VCAP 648、双浮动扩散控制信号DFD 638、LOFIC转移控制信号TXL 636-L、光电二极管转移控制信号TXP 636-P、浮动扩散转移控制信号TXF 636-F、浮动扩散电容器信号FDC 640及行选择控制信号RS646，其经配置以控制上文图5A到5C中详细讨论的相应电路元件。图6中描绘的实例还说明在产生图像数据时像素电路依序循环通过的空闲、预充电、积分及读出周期。
如图6中描绘的空闲周期期间展示，复位控制信号RST 644导通复位晶体管534，且偏置电压VCAP 648等于高电容器偏置值(例如VCAP_hi)，其耦合到LOFIC 532的第一金属电极CTM及复位晶体管534的漏极。双浮动扩散控制信号DFD 638导通双浮动扩散晶体管524，其因此耦合第一浮动扩散区FD1 518以通过复位晶体管534接收偏置电压VCAP 548。在实例中，LOFIC转移控制信号TXL 636-L等于低值，光电二极管转移控制信号TXP 636-P等于低值，且浮动扩散转移控制信号TXF 636-F等于高值。因而，应了解，根据本发明的教示，在空闲周期期间，在光电二极管514中光生的过量图像电荷经配置以通过浮动扩散栅极516-F溢出到第一浮动扩散区FD1 518中，其接着在空闲周期期间通过复位晶体管534排出。继续所描绘的实例，浮动扩散电容器信号FDC 640及行选择信号RS 646经配置以在空闲周期期间等于低值。
图6中描绘的实例展示：在空闲周期之后发生的预充电周期期间，偏置电压VCAP648保持在高值，且LOFIC转移控制信号TXL 636-L导通LOFIC栅极516-L，且接着行选择控制信号RS 646导通行选择晶体管522。接下来，双浮动扩散控制信号DFD 638导通双浮动扩散晶体管524，且接着复位控制信号RST 644导通复位晶体管534，且接着光电二极管转移控制信号TXP 636-P导通光电二极管栅极516-P，且接着浮动扩散转移控制信号TXF 636-F导通浮动扩散栅极516-F，其在预充电周期期间使LOFIC 532、光电二极管514、第一浮动扩散区FD1 518及第二电容器528复位。
之后，光电二极管转移控制信号TXP 636-P断开光电二极管栅极516-P，且接着复位控制信号RST 644断开复位晶体管534，且接着偏置电压VCAP 648转变为低电容器偏置值(例如VCAP_lo)，且接着LOFIC转移控制信号TXL 636-L断开LOFIC栅极516-L，且接着浮动扩散转移控制信号TXF 636-F断开浮动扩散栅极516-F，且接着行选择信号RS 646断开行选择晶体管522。
图6中描绘的实例展示：在预充电周期之后发生的积分周期期间，除保持为高的双浮动扩散控制信号638之外，所有信号为低，且积分发生，在此期间，光电二极管514响应于入射光而产生图像电荷。应了解，根据本发明的教示，在积分周期期间，由光电二极管514光生的过量图像电荷经配置以通过LOFIC栅极516-1溢出到LOFIC 532中。
图6中描绘的实例展示：在积分周期之后发生的读出周期期间，双浮动扩散控制信号DFD 638保持为高，浮动扩散转移控制信号TXF 636-F导通浮动扩散栅极516-F，且行选择信号RS 646导通行选择晶体管522。接下来，复位控制信号644导通复位晶体管534且偏置电压VCAP 648转变为高电容器偏置值(例如VCAP_hi)。
接下来，发生光电二极管的双转换增益(DCG)读出，在此期间，复位控制信号RST644转变为低值且接着发生复位值(R)从光电二极管514的中转换增益(MCG)读出。接下来，浮动扩散电容器信号FDC 640经脉冲调制，同时双浮动扩散控制信号DFD 638断开双浮动扩散晶体管524。接下来，发生复位值(R)从光电二极管514的高转换增益(HCG)读出。接下来，浮动扩散电容器信号FDC 640转变为高值，且光电二极管转移控制信号TXP 636-P导通光电二极管转移栅极516-P，在此期间，光电二极管514中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 518。接下来，可在光电二极管转移控制信号TXP 636-P及浮动扩散电容器信号FDC640转变为低值之后发生信号值(S)的高转换增益(HCG)读出。接下来，双浮动扩散控制信号DFD 638导通双浮动扩散晶体管524，浮动扩散电容器信号FDC 640转变为高值，且光电二极管转移控制信号TXP 536-P导通光电二极管转移栅极516-P，在此期间，光电二极管514中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 518及第二电容器528。接下来，可在光电二极管转移控制信号TXP 536-P及浮动扩散电容器信号FDC 540转变为低值之后发生信号值(S)的中转换增益(MCG)读出。
接下来，发生光电二极管514及LOFIC 532的LOFIC读出，在此期间，LOFIC转移控制信号TXL 636-L导通LOFIC转移栅极516-L，且接着光电二极管转移控制信号TXP 636-P导通光电二极管转移栅极516-P，在此期间，光电二极管514中的图像电荷转移到第一浮动扩散区FD1 518、第二电容器528及LOFIC 532。接下来，可发生信号值(S)的低转换增益(LCG)读出。接下来，复位控制信号RST 644导通复位晶体管534，在此期间，光电二极管514、第一浮动扩散区FD1 518、第二电容器528及LOFIC 532全部通过复位晶体管534、第二浮动扩散区FD2 526、双浮动扩散晶体管524、第一浮动扩散区FD1 518、光电二极管转移栅极516-P及LOFIC转移栅极516-L复位，其中偏置电压VCAP 648经设置为高电容器偏置值(例如VCAP_hi)。接下来，复位晶体管534断开且接着发生复位值(R)的低转换增益(LCG)读出。
接下来，根据本发明的教示，图6中描述的过程循环回到空闲周期，此时循环重复。
本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中描述的内容)不希望具穷举性或将本发明限制于所公开的精确形式。尽管本文中为了说明而描述本发明的具体实例，但相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内进行各种修改。
可鉴于以上详细描述来对本发明进行这些修改。随附权利要求书中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。确切来说，本发明的范围将完全由随附权利要求书确定，权利要求书将根据权利要求解译的既定原则来解释。

Claims (34)

1.一种像素电路，其包括：
光电二极管，其经配置以在响应于入射光期间光生图像电荷；
浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；
转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置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区；
复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及
横向溢出集成电容器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，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中由所述光电二极管在积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管溢出到所述LOFIC而非所述浮动扩散区中，其中所述空闲周期发生在所述积分周期之前。
3.根据权利要求2所述的像素电路，其中所述复位控制信号经配置以在所述空闲周期期间导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间通过所述浮动扩散区使所述LOFIC放电。
4.根据权利要求3所述的像素电路，其中所述复位电压源是所述偏置电压源，其中所述复位控制信号经配置以导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间将所述第一及第二金属电极耦合到所述偏置电压源以使所述LOFIC放电，其中所述预充电周期发生在所述空闲周期之后且在所述积分周期之前。
5.根据权利要求4所述的像素电路，其中由所述偏置电压源提供的偏置电压经配置以在所述空闲周期期间、在所述预充电周期期间及在所述积分周期之后发生的读出周期期间等于第二偏置电压，其中所述偏置电压经配置以在所述积分周期期间等于第一偏置电压。
6.根据权利要求5所述的像素电路，其中所述第一偏置电压是低电容器偏置电压，其中所述第二偏置电压是高电容器偏置电压，其中所述低电容器偏置电压小于所述高电容器偏置电压。
7.根据权利要求3所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的双浮动扩散DFD晶体管，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号而切换。
8.根据权利要求7所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中。
9.根据权利要求6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：
第二电容器，其耦合到所述复位晶体管；及
双浮动扩散DFD晶体管，其耦合于所述浮动扩散区与所述第二电容器之间，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号而切换。
10.根据权利要求9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区的栅极；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。
11.根据权利要求10所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的低转换增益LFG晶体管，其中所述LFG晶体管经配置以响应于LFG控制信号而切换。
12.根据权利要求11所述的像素电路，其中所述第二金属电极经配置以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间通过所述DFD晶体管、所述浮动扩散区及所述LFG晶体管耦合到所述复位晶体管。
13.根据权利要求12所述的像素电路，其进一步包括耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中。
14.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述转移晶体管包含于具有双栅极结构的旁路晶体管中，所述双栅极结构包含耦合于所述LOFIC与所述光电二极管之间的溢出栅极及耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间的转移栅极。
15.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述转移晶体管包括多栅极晶体管结构，其中所述多栅极晶体管结构包括：
光电二极管栅极，其耦合到所述光电二极管；
浮动扩散栅极，其耦合到所述浮动扩散区及所述光电二极管栅极；及
LOFIC栅极，其耦合到所述LOFIC、所述光电二极管栅极及所述浮动扩散栅极，
其中图像电荷经配置以在读出周期期间通过所述光电二极管栅极且通过所述浮动扩散栅极从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区，
其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以通过所述光电二极管栅极且通过所述浮动扩散栅极从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。
16.根据权利要求15所述的像素电路，其中所述第二金属电极通过所述浮动扩散区、所述浮动扩散栅极及所述LOFIC栅极耦合到所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间使所述LOFIC放电。
17.根据权利要求16所述的像素电路，其中由所述光电二极管在积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述光电二极管栅极且通过所述LOFIC栅极溢出到所述LOFIC中。
18.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含布置成多行及多列的多个像素电路，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而光生图像电荷；
浮动扩散区，其经耦合以接收所述图像电荷；
转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间，其中所述转移晶体管经配置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区；
复位晶体管，其耦合于复位电压源与所述浮动扩散区之间，其中所述复位晶体管经配置以响应于复位控制信号而切换；及
横向溢出集成电容器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，其中所述第一金属电极耦合到偏置电压源，其中所述第二金属电极选择性耦合到所述浮动扩散区，其中由所述光电二极管在空闲周期期间光生的过量图像电荷经配置以通过所述转移晶体管从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中，其中所述空闲周期发生在预充电周期之前，所述预充电周期发生在积分周期之前，所述积分周期发生在读出周期之前；
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所述多个像素电路读出图像数据。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路系统以存储来自所述多个像素电路中的每一者的所述图像数据的功能逻辑。
20.根据权利要求18所述的成像系统，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管溢出到所述LOFIC而非所述浮动扩散区中。
21.根据权利要求20所述的成像系统，其中所述复位控制信号经配置以在所述空闲周期期间导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间通过所述浮动扩散区使所述LOFIC放电。
22.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述复位电压源是所述偏置电压源，其中所述复位控制信号经配置以导通所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在预充电周期期间将所述第一及第二金属电极耦合到所述偏置电压源以使所述LOFIC放电。
23.根据权利要求22所述的成像系统，其中由所述偏置电压源提供的偏置电压经配置以在所述空闲周期期间、在所述预充电周期期间及在所述读出周期期间等于第二偏置电压，其中所述偏置电压经配置以在所述积分周期期间等于第一偏置电压，其中所述第一偏置电压是低电容器偏置电压，其中所述第二偏置电压是高电容器偏置电压，其中所述低电容器偏置电压小于所述高电容器偏置电压。
24.根据权利要求21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耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的双浮动扩散DFD晶体管，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号而切换。
25.根据权利要求24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耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中。
26.根据权利要求23所述的成像系统，其中所述LOFIC是第一电容器，其中所述像素电路进一步包括：
第二电容器，其耦合到所述复位晶体管；及
双浮动扩散DFD晶体管，其耦合于所述浮动扩散区与所述第二电容器之间，其中所述DFD晶体管经配置以响应于DFD控制信号而切换。
27.根据权利要求26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区的栅极；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。
28.根据权利要求27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耦合于所述浮动扩散区与所述第二金属电极之间的低转换增益LFG晶体管，其中所述LFG晶体管经配置以响应于LFG控制信号而切换。
29.根据权利要求28所述的成像系统，其中所述第二金属电极经配置以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间通过所述DFD晶体管、所述浮动扩散区及所述LFG晶体管耦合到所述复位晶体管。
30.根据权利要求29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耦合于所述光电二极管与所述第二金属电极之间的溢出晶体管，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中，而非通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述转移晶体管溢出到所述浮动扩散区中，而非通过所述溢出晶体管溢出到所述LOFIC中。
31.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述转移晶体管包含于具有双栅极结构的旁路晶体管中，所述双栅极结构包含耦合于所述LOFIC与所述光电二极管之间的溢出栅极及耦合于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间的转移栅极。
32.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述转移晶体管包括多栅极晶体管结构，其中所述多栅极晶体管结构包括：
光电二极管栅极，其耦合到所述光电二极管；
浮动扩散栅极，其耦合到所述浮动扩散区及所述光电二极管栅极；及
LOFIC栅极，其耦合到所述LOFIC、所述光电二极管栅极及所述浮动扩散栅极，
其中图像电荷经配置以在所述读出周期期间通过所述光电二极管栅极且通过所述浮动扩散栅极从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区，
其中由所述光电二极管在所述空闲周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以通过所述光电二极管栅极且通过所述浮动扩散栅极从所述光电二极管溢出到所述浮动扩散区中。
33.根据权利要求32所述的成像系统，其中所述第二金属电极通过所述浮动扩散区、所述浮动扩散栅极及所述LOFIC栅极耦合到所述复位晶体管以在所述空闲周期期间及在所述预充电周期期间使所述LOFIC放电。
34.根据权利要求33所述的成像系统，其中由所述光电二极管在所述积分周期期间光生的所述过量图像电荷经配置以从所述光电二极管通过所述光电二极管栅极且通过所述LOFIC栅极溢出到所述LOFIC中。
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