CN1774032A - 漂浮节点具有可变电容的图像传感器及像素 - Google Patents

漂浮节点具有可变电容的图像传感器及像素 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有源像素及图像传感器，本发明的有源像素及图像传感器具有两个工作模式：高照明模式和低照明模式。本发明根据图像传感器上的光照数量决定是否接通漂浮节点处的辅助电容。其中，图像传感器上的光照量可通过多种方法予以测定。光照强度被确定后，通过将其与一阈值进行比较，便可确定是接通辅助电容(高照明条件)还是不接通辅助电容(低照明条件)。

Description

漂浮节点具有可变电容的图像传感器及像素
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种采用了可以根据入射光线强度而改变其电容的像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
随着像素变小，像素输出足够强度的、容易被后续信号处理过程解译的信号变得更为困难。而且，要求图像传感器能在各种范围的光线条件下运行，从低的光线条件变化到明亮的外界日光。这被通常被认为是较大的动态范围。另外，因为像素尺寸的变小，如后文所描述的，像素的动态范围可能受到限制。
发明内容
为了解决上述的现有技术中的问题，一方面，本发明提供了一种有源像素，该有源像素包括：
设在半导体基体中的感光元件；
设在感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将感光元件的信号传输至漂浮节点；
连接到漂浮节点的辅助电容，该辅助电容在光照强度高于一阈值时被激活；以及
由漂浮节点所控制的放大晶体管。。
在上述本发明的有源像素中，感光元件可为光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门；而且，如果光照强度低于上述阈值时，则上述辅助电容被禁止；放大晶体管则将放大的信号值输出到列位线；辅助电容为一可被激活而作为MOS(金属氧化物半导体)晶体管工作的晶体管。
在上述本发明的有源像素中，还进一步包括将漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
在上述本发明的有源像素中，辅助电容可以包括多于一个的分立的电容，这些电容可以根据光照强度选择性地被激活或被禁止。
作为本发明有源像素的另一种具体实施方案，其包括：
设在半导体基体中的感光元件；
设在感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将感光元件的信号传输至漂浮节点；
连接到漂浮节点的电容，该电容在光照强度低于一阈值时被禁止；以及
由漂浮节点所控制的放大晶体管。
另一方面，本发明还提供了一种操作图像传感器像素的方法，该像素包括感光元件、位于感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管、连接到漂浮节点的辅助电容以及被漂浮节点的信号调整的放大晶体管，其中，传输晶体管将感光元件的信号传输至漂浮节点；这种操作图像传感器像素的方法包括：
将光照强度与一阈值进行比较；以及
如果光照强度高于该阈值，则通过激活辅助电容而提高漂浮节点处的电容。
上述方法的另一种具体实施方案是：一种操作图像传感器像素的方法，该像素包括感光元件、位于感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管、连接到漂浮节点的电容器以及被漂浮节点的信号调整的放大晶体管，其中，传输晶体管将感光元件的信号传输至漂浮节点；该操作方法包括：
将光照强度与一阈值进行比较；以及
如果光照强度低于所述阈值，则通过禁止连接到漂浮节点的电容器而降低漂浮节点处的电容量。
再一方面，本发明提供了一种CMOS图像传感器，其包括：
按行和列(矩阵)排列的若干个有源像素，其中至少一个有源像素包括：
(a)设在半导体基体中的感光元件；
(b)设在感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将感光元件的信号传输至漂浮节点；
(c)连接到该漂浮节点的辅助电容，该辅助电容在光照强度高于一阈值时被激活；以及
(d)由该漂浮节点所控制的放大晶体管；
用于接收上述有源像素的输出的处理电路；以及
用于输出上述CMOS图像传感器的有源像素的输出量的输入/输出电路。
本发明的有益效果是：本发明可以根据图像传感器上的光照数量选择性地接通一漂浮节点处的辅助电容，在高照明条件下，漂浮节点的电容增大从而使得漂浮节点的饱和度增加并增大动态范围，同时也增大信噪比。
附图说明
图1是现有技术的四晶体管(4T)有源像素的示意图。
图2是本发明四晶体管(4T)有源像素的示意图。
图3是图2中4T有源像素工作方法的流程图。
图4是采用本发明有源像素及方法制造的图像传感器。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节以实现对本发明具体实施方式的透彻理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是采用四晶体管的CMOS有源像素。在本领域中也称为4T有源像素。感光元件101输出用来调整放大晶体管105的信号。感光元件101可为多种形式的器件中的一种，包括但不限于光电门(photogates)、光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管等。传输晶体管201用于将感光元件101输出的信号传输到漂浮节点A，该漂浮节点A连接到放大晶体管105(即源极跟踪晶体管)的门电路。
工作时，在积分周期(也称为曝光周期)内，感光元件101产生电荷，因为传输晶体管201被关闭，所以这些电荷保存在感光元件101内。在积分周期后，传输晶体管201被打开，将信号传输至漂浮节点A。在信号被传输至漂浮节点A后，传输晶体管201再次被关闭，以准备下次积分周期的开始。因此，传输晶体管201周期性地打开和关闭，而将每个积分周期的信号传输至漂浮节点A。
漂浮节点的信号随后被用来调整放大晶体管105。最后，行选择晶体管107用以为像素定位并选择性地将信号读出到列位线109上。通过列位线109读取信号以后，复位晶体管103将漂浮节点A复位到一参考电压，在一特定实施方案中为Vdd。
通常，在4T像素设计中，漂浮节点A被设计得相对较小。为了获得高的传输增益或变换增益，漂浮节点A被设计得相对较小。然而，在高照明条件下，感光元件101产生的电荷数量(信号)可能大于漂浮节点A的容量。这将造成漂浮节点A的饱和、动态范围的减小以及信号噪音比(SNR)的减小。
图2显示了本发明的4T有源像素。本发明允许4T有源像素的漂浮节点A具有可变电容。这通过附加于漂浮节点A上的一个或多个“辅助”电容予以实现。如图2所示，在一实施方案中，以晶体管203作为辅助电容器。当辅助晶体管203被高的AUX信号(AUX为辅助晶体管信号的缩写)打开时，与漂浮节点A的电容CF相比，晶体管203就变成了一种具有较高电容(CA)的MOS(金属氧化物半导体)电容器。当辅助晶体管203被低的AUX信号关闭时，辅助晶体管203仍具有相对较低的寄生电容(CA)。辅助晶体管203的适当大小是由不同的设计参数、期间特性、过程参数及图像传感器的终端市场所决定。而且，虽然在本实施方案中辅助电容是由作为MOS电容器的晶体管203所提供的，但是其它类型的可变电容也包含在本发明的范围内。
在高光照条件下，辅助晶体管203在读取操作期间被打开。这有效地增加了漂浮节点A的电容。然而，在低光照条件下，辅助晶体管203被关闭，漂浮节点A维持其相对较小的电容。
图3显示了本发明方法的流程图。首先，在模块301处，对入射到图像传感器(及像素)的光照强度进行检测。这可通过任何常规的方法完成。例如，可检测从图像传感器输出，确定其亮度大小。本领域的普通技术人员知道，几乎每个图像传感器均具有用于自动增益控制和曝光控制的电路。通过确定像素的输出信号的强度，可确定周围光照强度。另一种可选择的方式是，可检测来自图像传感器的被处理过的输出信号，以确定周围的相对照明条件。再一种可选择的方式是，在图像传感器成像区域之外采用一个专用的光敏器件，检测图像传感器上的入射光线的数量。
然后，在模块303处，将模块301处测定的光照强度和一阈值进行比较。该阈值为打开辅助晶体管203的扳机。设定阈值的精确数值点可以根据设计的考虑、参数及图像传感器的特性而调整，甚至可以根据图像传感器的用户的判断而进行调整。
如果在模块301处测定的光照强度高于阈值，则在模块307处，在操作中打开辅助晶体管203。然而，如果光照强度低于阈值，则在模块305处关闭辅助晶体管203。
在4T像素中，为了获得高的传输增益，漂浮节点A设计得相对较小且具有一个相对较小的电容，例如，在2千万亿分之一(femto)法拉的级数上。如果图像传感器和像素使用一伏特信号范围，这意味着可保持于漂浮节点A中的最大电子数(Qmax)大约为12,500。考虑到“散粒噪声”，这使得最大信噪比为112。然而，在很多照明条件下，感光元件如PIN型光电二极管，可能产生比Qmax更多的信号(电子)。
为了解决这个问题，根据本发明，在相对较高的外界照明条件下，在操作中打开辅助电容(在本实施方案中为辅助晶体管203)。这使得漂浮节点A的电容增加，即变为“4T常态”漂浮节点(2千万亿分之一法拉)和辅助晶体管201的电容总和。
回到图2，此时漂浮节点处的总电容为CF和CV，其中，CF为漂浮节点A的电容，CV为辅助晶体管203的电容。当辅助晶体管203关闭即AUX＝0伏特时，则CV仅为辅助晶体管203的门电路和漏极(drain)之间的寄生电容(记作CV1)。当辅助晶体管203打开时，即AUX＝Vdd伏特时，则CV为辅助晶体管203的MOS电容(记作CV2)。
假定感光元件101收集的电荷数为Q，辅助晶体管203关闭，则漂浮节点A处的电压变化(ΔV1)可由下式表示：
               ΔV1＝Q/(CV1+CF)
同样，假定感光元件101收集的电荷数为Q，辅助晶体管203打开，则漂浮节点A处的电压变化(ΔV2)可由下式表示：
               ΔV2＝Q/(CV2+CF)
因此，举例来说，如果CV1大约等于0.1CF，CV2大约等于1.2CF，则ΔV1＝Q/1.1CF，ΔV2＝Q/2.2CF。可见，当辅助晶体管203关闭时电压变化(变换增益)大约是辅助晶体管203打开时电压变化的两倍。换句话说，在低光照条件下，变换增益较高。
虽然图2中只有一个单独的辅助晶体管203，然而在其它的实施方案中，可以采用多个并联的或串联的辅助晶体管以分级控制漂浮节点A的电容，进而控制变换增益。通过适当控制辅助晶体管的级联情况，可以获得任意数目的中间变换增益，而不仅仅是“高照明强度”和“低照明强度”两种模式。
在上面的描述中，一旦检测到高的光照强度时，漂浮节点A的电容就增加。当然，也可以实现倒过来的设计。换句话说，在另外的可选择的实施方式中，“常态”时漂浮节点A具有相对较高的电容，当检测到低光照强度时，漂浮节点A的电容就被减小，以提高变换增益。这种减小操作可以通过关闭辅助晶体管得以实现。因为具有相同的功能、方式及结果，所以这些实施方案应被认为是等同替换的方案。
因此，如上面所述，本发明的像素及图像传感器具有二种工作模式：高照明模式和低照明模式。本发明根据图像传感器上的光照数量决定是否接通位于漂浮节点处的辅助电容。图像传感器上的光照量可通过多种方法测定，而且测定光照强度的任何方法均可容易地应用于本发明。一旦光照强度被确定，通过将光照强度与一个阈值进行比较，便可确定是接通辅助电容(高照明条件)还是不接通辅助电容(低照明条件)。
上述有源像素可用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列。图4具体显示了一种根据本发明形成的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括传感器阵列1103、处理电路1105、输入/输出电路(I/O)1107、记忆元件1109和总线1111。优选地，每个组成元件形成于单独的硅基体上，并采用标准的CMOS制造工艺集成于一个独立的芯片上。
例如，传感器阵列1103可以采用基本上近似于本发明申请人豪威科技公司(OmniVision Technologies Inc.，美国加利福亚州桑尼维尔市)生产的型号为OV5610或OV7640的图像传感器的传感器阵列，只是用本发明的有源像素代替原有的有源像素。
前面的申请文件的描述仅是对本发明的介绍，不能认为是对本发明的限制。本领域的普通技术人员可在本发明具体实施方案的基础上进行各种变化或者改进，也可以采用各种元件的等同替换物或其它实施方式。这些对于本发明此处所披露实施方案的变化或者改进，都没有偏离本发明的范围和宗旨。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方式只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。

Claims (26)

1、一种有源像素，其包括：
设在半导体基体中的感光元件；
设在所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将所述感光元件的信号传输至所述漂浮节点；
连接到所述漂浮节点的辅助电容，该辅助电容在光照强度高于一阈值时被激活；以及
由所述漂浮节点控制的放大晶体管。
2、如权利要求1所述的像素，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
3、如权利要求1所述的像素，其中，所述辅助电容在所述光照强度低于所述阈值时被禁止。
4、如权利要求1所述的像素，其中，所述放大晶体管将所述信号放大后输出到列位线。
5、如权利要求1所述的像素，其进一步包括可将所述漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
6、如权利要求1所述的像素，其中，所述的辅助电容是一可被激活而作为MOS晶体管工作的晶体管。
7、如权利要求3所述的像素，其中，所述辅助电容是一可被激活而作为MOS晶体管工作的晶体管。
8、如权利要求1所述的像素，其中，所述辅助电容包括多于一个的分立的电容，该电容可根据所述光照强度被选择性地激活或禁止。
9、如权利要求1所述的像素，其中，所述辅助电容包括多于一个的分立的晶体管，该晶体管可根据所述光照强度被选择性地激活或禁止。
10、一种有源像素，其包括：
设在半导体基体中的感光元件；
设在所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将所述感光元件的信号传输至所述漂浮节点；
连接到所述漂浮节点的电容，该电容在光照强度低于一阈值时被禁止；以及
由所述漂浮节点控制的放大晶体管。
11、如权利要求10所述的像素，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
12、如权利要求10所述的像素，其中，所述电容在光照强度高于所述阈值时被激活。
13、如权利要求10所述的像素，其进一步包括可将所述漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
14、如权利要求10所述的像素，其中，所述电容是一可被选择性地激活或禁止的晶体管。
15、如权利要求1所述的像素，其中，所述电容包括多于一个的分立的电容，该电容可根据所述光照强度被选择性地激活或禁止。
16、一种操作图像传感器像素的方法，所述像素包括感光元件、位于所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管、连接到所述漂浮节点的辅助电容以及被所述漂浮节点的信号调整的放大晶体管，其中，所述传输晶体管将所述感光元件的信号传输至所述漂浮节点；该方法包括：
将光照强度与一阈值进行比较；以及
如果所述光照强度高于所述阈值，则通过激活所述辅助电容而提高所述漂浮节点处的电容。
17、如权利要求16所述的方法，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
18、如权利要求16所述的方法，其中，所述像素进一步包括可将所述漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
19、一种操作图像传感器像素的方法，所述像素包括感光元件、位于所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管、连接到所述漂浮节点的电容器以及被所述漂浮节点的信号调整的放大晶体管，其中，所述传输晶体管将所述感光元件的信号传输至所述漂浮节点；该方法包括：
将光照强度与一阈值进行比较；以及
如果所述光照强度低于所述阈值，则通过禁止所述电容器而降低所述漂浮节点处的电容。
20、如权利要求19所述的方法，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
21、如权利要求19所述的方法，其中，所述像素进一步包括可将所述漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
22、一种CMOS图像传感器，其包括：
按行和列排列的若干个有源像素，其中至少一个所述有源像素包括：
(a)设在半导体基体中的感光元件；
(b)设在所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将所述感光元件的信号传输至所述漂浮节点；
(c)连接到所述漂浮节点的辅助电容，该辅助电容在光照强度高于一阈值时被激活；以及
(d)由所述漂浮节点控制的放大晶体管；
用于接收所述有源像素的输出信号的处理电路；以及
用于输出所述CMOS图像传感器的所述有源像素的输出的输入/输出电路。
23、如权利要求22所述的图像传感器，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
24、如权利要求22所述的图像传感器，其中，所述辅助电容在所述光照强度低于一阈值时被禁止。
25、如权利要求22所述的图像传感器，其进一步包括可将所述漂浮节点复位到一参考电压的复位晶体管。
26、如权利要求22所述的图像传感器，其中，所述的辅助电容是晶体管。
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