CN1833429B - 双转换增益成像器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有双转换增益浮动扩散区域的成像器。双转换增益区域产生(1)高转换增益和敏感度以实现极佳微光性能以及(2)高全阱容量和转换增益以实现高动态范围。双转换增益元件耦合在每个浮动扩散节点与相应的电容器之间。双转换增益元件接入电容器的电容以将浮动扩散节点的转换增益从第一转换增益改为第二转换增益。成像器可以是CMOS或CCD型成像器。

Description

双转换增益成像器
技术领域
本发明一般地涉及成像器装置，更具体地说，涉及双转换增益成像器装置。
背景技术
包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化半导体(CMOS)成像器等成像装置通常用于照像成像应用。
CMOS成像器电路包括像素单元的焦平面阵列。每个像素单元包括光转换装置或光电传感器，如光电门、光电导体或光电二极管，用于生成和累积在阵列衬底一部分中的光生电荷。读出电路连接到各像素单元并包括至少一个输出晶体管，该晶体管从掺杂扩散区接收光生电荷，并产生通过像素存取晶体管读出的输出信号。
一种典型的COMS成像器像素电路即三晶体管(3T)像素包含：用于提供光生电荷到扩散区域的光电传感器；用于复位所述扩散区域的复位晶体管；具有连接到所述扩散区域的栅极、用于产生输出信号的源极跟随晶体管；以及用于选择性地将所述源极跟随晶体管连接到像素阵列列线的行选择晶体管。另一种典型的COMS成像器像素采用四晶体管(4T)配置，这类似于3T配置，但利用一个传输晶体管来对从所述光电传感器到所述扩散区域和所述源极跟随晶体管的电荷进行门控以便输出。
例如，在以下授予Rhodes的美国专利中，描述了示范COMS成像电路、其处理步骤及成像电路的各种CMOS元件的功能的详细说明：6140630、6376868、6310366、6326652、6204524及6333205。上述每个专利的公开内容通过引用全部结合于本文中。
有两种普通类型的成像器。第一种类型组合了低电容光电传感器和低电容浮动扩散区域。此组合产生了具有高转换增益和极佳微光敏感度，但动态范围差和全阱容量低的成像器。第二种类型的成像器组合了高蓄电量光电传感器和高蓄电量浮动扩散区域，以实现高全阱容量和动态范围。然而，此成像器具有低转换增益和差的微光敏感度。
因此，需要并期望有一种具有极佳微光敏感度能和高动态范围的成像器。
发明内容
本发明提供一种具有改善的微光敏感度和高动态范围的成像器。
上述和其它特征及优点通过为成像器提供双转换增益浮动扩散区域而在本发明的不同实施例中得以实现。双转换增益区域产生(1)高转换增益和敏感度以实现极佳微光性能以及(2)高全阱容量和转换增益以实现高动态范围。双转换增益元件耦合在每个浮动扩散节点与相应的电容器之间。双转换增益元件接入电容器的电容以将FD节点的转换增益从第一转换增益改为第二转换增益。成像器可以是CMOS或CCD型成像器。
根据本发明的一个方面，提供一种成像器装置，它包括：
浮动扩散区域，其连接成接收来自光敏器件的存储电荷；以及
连接到所述浮动扩散区域的电路，所述电路为所述浮动扩散区域提供可在第一和第二转换增益之间切换的至少一个双转换增益，所述电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件被控制为在第一照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件以便所述浮动扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域以便所述浮动扩散区域获得所述第二转换增益。
根据本发明的另一方面，提供一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
受控为转移来自所述光电传感器的所述存储电荷的第二晶体管；
浮动扩散区域，其连接成通过所述第二晶体管从所述光电传感器接收所述电荷，所述浮动扩散区域具有第一转换增益；
电容元件；以及
耦合在所述浮动扩散区域与所述电容元件之间的第三晶体管，所述第三晶体管受控为在第一照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第二转换增益，所述第三晶体管受控为在第二照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件。
根据本发明的又一方面，提供一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
受控为转移来自所述光电传感器的所述存储电荷的第二晶体管；
浮动扩散区域，其连接成通过第二晶体管从所述光电传感器接收所述电荷，所述浮动扩散区域具有第一转换增益；
第三晶体管；以及
耦合在所述扩散区域与所述第三晶体管之间的电容元件，所述第三晶体管受控为在第一照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第二转换增益，所述第三晶体管受控为在第二照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件。
根据本发明的又一方面，提供一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器，所述光电传感器具有第一电荷存储容量；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有不同于所述第一电荷存储容量的第二电荷存储容量，所述扩散区域具有基于所述第二电荷存储容量的第一转换增益；
电容元件；以及
耦合在所述扩散区域与所述电容元件之间的第二晶体管，所述第二晶体管受控为将所述电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域获得第三电荷存储容量和基于所述第三电荷存储容量的第二转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器，所述光电传感器具有第一电荷存储容量；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有不同于所述第一电荷存储容量的第二电荷存储容量，所述扩散区域具有基于所述第二电荷存储容量的第一转换增益；
第二晶体管；以及
耦合在所述扩散区域与所述第二晶体管之间的电容元件，所述第二晶体管受控为将所述电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域获得第三电荷存储容量和基于所述第三电荷存储容量的第二转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种CCD成像器，它包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
扩散区域，其连接成从所述寄存器接收所述光生电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种成像系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括像素阵列，所述阵列中的至少一个像素包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种成像器系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括：
浮动扩散区域，其连接成从所述光敏器件接收存储电荷；以及
连接到所述扩散区域的电路，所述电路通过在第一照明条件期间接入第一电容元件以实现第一转换增益、在第二照明条件期间接入第二电容元件以实现第二转换增益为所述扩散区域提供多个转换增益，所述第一和第二转换增益不同于所述扩散区域的转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种成像器系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
扩散区域，其连接成从所述寄存器接收所述光生电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为通过接入并将对应的电容连接到所述扩散区域将所述第一转换增益改变为多个转换增益之一和通过从所述扩散区域断开所述对应的电容将所述多个转换增益之一改变为所述第一转换增益。
根据本发明的又一方面，提供一种操作成像器装置的方法，所述方法包括：
在扩散区域中存储光生电荷，所述扩散区域具有小于生成所述光生电荷的光敏器件的电荷存储容量的电荷存储容量；
输出表示所述存储光生电荷的第一信号；
通过改变所述区域的电荷存储容量改变所述扩散区域的转换增益；以及
输出表示具有所述改变的扩散增益的所述扩散区域中的所述存储光生电荷的第二信号。
根据本发明的又一方面，提供一种操作成像器装置的方法，所述方法包括：
将光生电荷转移到扩散区域，所述扩散区域具有小于生成所述光生电荷的光敏器件的电荷存储容量的电荷存储容量；
确定所述存储电荷量；
将所述存储电荷量与预定阈值比较；
如果确定所述存储电荷量超过所述阈值，则通过改变所述区域的电荷存储容量改变所述扩散区域的转换增益；以及
输出表示所述浮动扩散区域中所述电荷的信号。
根据本发明的又一方面，提供一种操作CMOS成像器装置的方法，所述方法包括：
提供具有第一电容的光电传感器；
提供具有小于所述第一电容的第二电容的扩散区域；
将所述光电传感器的光生电荷存储在所述扩散区域中；
确定所述存储电荷量；
将所述存储电荷量与预定阈值比较；以及
如果确定所述存储电荷量超过所述阈值，则添加第三电容到所述扩散区域，使得所述第二和第三电容的组合大于所述第一电容。
附图说明
通过如下参照附图对示范实施例所作的详细说明，可清楚本发明的上述和其它优点及特征，这些附图中：
图1a-1d是根据本发明示范实施例构建的CMOS成像器像素；
图2a-2d是表示在第一照明情况下图1a所示像素操作期间电荷转移的电位图；
图3是图1a所示像素操作的时序图；
图4a-4c是表示在第二照明情况下图1a所示像素操作期间电荷转移的电位图；
图5a显示了图1a所示像素操作期间像素信号与曝光量关系曲线；
图5b显示了图1a所示像素操作期间的经调整像素信号与光诱导电子关系曲线；
图6显示了图1a所示像素的示范布局的顶视图；
图7是根据本发明另一实施例构建的CMOS成像器像素；
图8显示图7所示像素的示范布局；
图9a和9b是表示在第一照明情况下图7所示像素操作期间电荷转移的电位图；
图10a和10b是表示在第二照明情况下图7所示像素操作期间电荷转移的电位图；
图11是根据本发明示范实施例构建的CCD成像器的一部分；
图12是根据本发明实施例构建的示范成像器；以及
图13显示了结合了根据本发明实施例构建的至少一个成像器装置的处理器系统。
具体实施方式
在如下详细说明中，参考了作为本说明书一部分的附图，并且这些图中通过图示示出了据以实施本发明的各种实施例。这些实施例作了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实施并利用本发明。要理解的是，可利用其它实施例，并且在不脱离本发明精神和范围的情况下，可改变结构、逻辑和电气及所用材料。另外，描述了某些处理步骤并公开了特殊的处理步骤顺序；然而，步骤的次序并不限于本文所述，并且除必需按一定顺序执行的步骤或动作外，步骤顺序可如本领域技术人员已知的那样加以改变。
术语“晶片”和“衬底”要理解为可互换的，包括硅、硅绝缘体(SIO)或硅蓝宝石(SOS)、掺杂或未掺杂半导体、基半导体基底支持的硅外延层和其它半导体结构。此外，在如下说明中引用“晶片”或“衬底”时，以前的工艺步骤可用于在基半导体结构或基底中或其上形成区域、结点或材料层。另外，半导体无需基于硅，而可基于硅锗、锗、砷化镓或其它已知的半导体材料。
术语“像素”指包含光电转换装置或光电传感器以及用于处理由所述光电转换装置感应到的电磁辐射的电信号的晶体管。仅为了便于举例，本文所述的像素被表示和描述为对四晶体管(4T)像素电路的发明性修改。应理解，本发明不限于四晶体管(4T)像素，而是可用于具有少于四晶体管(如3T)或多于四晶体管(如5T)的其它像素配置。虽然本文参照一个像素的结构和构成描述了本发明，但应理解，这代表成像器装置阵列中的多个像素。另外，虽然下面参照CMOS成像器描述了本发明，但本发明适用于具有像素的任何固态成像装置。因此，下面的详细说明不应从限制意义上进行理解，并且本发明的范围只由所附权利要求限定。
现在参考附图，附图中类似的标号表示类似的元件，图1a表示本发明的CMOS像素10a的示范实施例。类似于大多数4T像素，像素10a包括光电传感器12、浮动扩散节点22(FD)、传输晶体管14或传输门(TGT)、复位晶体管16、源极跟随晶体管18和行选择晶体管20。然而，在所示实施例中，像素10a还包括配置为晶体管30的双转换增益元件(DCGT)和像素内电容器32(CAP)。因此，像素10a配置为新颖的5T像素，其操作将在下面予以更详细的描述。正如会清楚的那样，双转换增益晶体管30和电容器32形成了用于浮动扩散节点22的转换增益改变电路。
光电传感器12是高蓄电量光电传感器。高蓄电量光电传感器12可以是具有高夹断电压Vpin的光电二极管、连接到电容器的光电二极管、光电门或具有高蓄电量的任一类似光敏器件。在所示实施例中，高蓄电量光电传感器12是具有高Vpin(如2.3伏)的光电二极管(PD)。然而，应理解，任一上述光电传感器可用于实施本发明。光电传感器12经传输晶体管14耦合到浮动扩散节点22。浮动扩散节点22最好具有低电容，以便它具有20μV/e到150μV/e或最好30μV/e到70μV/e的高转换增益。
将高蓄电量光电传感器12与低电容浮动扩散节点22组合是一种新颖方案，为像素10a提供了高动态范围，下面将对此予以阐明。过去，由于低电容扩散节点22不具有足够的电荷处理容量，无法接收高蓄电量光电传感器12的收集的所有电子，因而无法使用这种组合。过去，这种组合如果暴露在亮光下还会造成电荷共用和滞后问题，由于电荷共用和滞后问题会导致图像质量下降，因此在设计像素时一般要避免这些问题。然而，如下面将论述的一样，在与双转换增益晶体管30和电容器32结合使用时，采用高蓄电量光电传感器12和低电容浮动扩散节点22可提供必要帮助。
双转换增益晶体管30的源极端子连接到浮动扩散节点22，其漏极连接到像素内电容器32的第一侧。双转换增益晶体管30的栅极连接到双转换增益控制信号DCG。电容器的第二侧连接到阵列像素电源电压Vaa-pix。授予Rhodes的美国专利No.6429470描述了可用作像素内电容器32的优选存储电容器；该专利的公开内容通过引用全部结合于本文中。最好设置电容器32的电容，使得QPD≤QCAP+QFD，其中，QPD是光电传感器12的电荷处理电容，QCAP是电容器32的电荷处理电容，并且QFD是浮动扩散节点22的电荷处理电容。双转换增益信号(DCG)由控制像素操作的图像处理器或其它控制电路生成。此处理器或控制电路可利用其它光电传感器或非成像像素来确定正在处理的光量并相应地生成信号(如下所述)。
电容器32的电容接入像素10a，并在图像处理器(或其它控制电路)施加双转换增益控制信号DCG以接通双转换增益晶体管30时耦合到浮动扩散节点22。下面将会阐明，视应用和/或用户喜好而定，DCG信号可在不同的时间生成。一旦电容器32耦合到浮动扩散节点22，则浮动扩散节点22的转换增益将从大约20-150μV/e降到大约2-20μV/e。因此，在双转换增益信号DCG接通双转换增益晶体管30时，浮动扩散节点22具有第二转换增益。这样，双转换增益晶体管30和晶体管32形成了浮动扩散节点22的转换增益改变电路。
图1b-1d显示了本发明的其它示范实施例。图1b显示像素10b，其中电容器32耦合在双转换增益晶体管30与地(而非阵列电源电压Vaa-pix)之间。图1c显示像素10c，其中电容器32和双转换增益晶体管30的位置被互换(相对于其在图1a和1b所示像素10a、10b中的位置)。图1d显示另一示范像素10d，其中电容器32和双转换增益晶体管30的位置被互换(相对于其在图1a和1b所示像素10a、10b中的位置)，修改之处是双转换增益晶体管30耦合到地(而不是阵列电源电压Vaa-pix)。
像素10a、10b、10c的其余电路如下连接。复位晶体管16连接在浮动扩散节点22与阵列像素电源电压Vaa-pix(如3.3伏)之间。复位控制信号RESET用于激活复位晶体管16，该晶体管将光电传感器12与浮动扩散节点22复位，如本领域中已知。为简明起见，用Vaa-pix+Vt-reset的“on”电压激活复位晶体管16，其中，Vt-reset是复位晶体管16的晶体管阈值电压，一般为0.7伏。对复位晶体管16进行这种“过驱动”允许将浮动扩散节点22复位到阵列像素电源电压Vaa-pix。这对实施本发明有利但非必需。源极跟随晶体管18的栅极连接到浮动扩散节点22，并且连接在阵列像素电源电压Vaa-pix和行选择晶体管20之间。源极跟随晶体管18将浮动扩散节点22处存储的电荷转换成电输出电压信号Vout。行选择晶体管20可由行选择信号RS控制，以便选择性地将源极跟随晶体管18和输出电压信号Vout连接到像素阵列的列线。
现在参照图1a、图2a-2d和图3描述在低曝光量下像素10a(图1a)的操作示例。图2a-2d是表示在第一照明情况下像素10a操作期间电荷转移的电位图。图3是像素10a操作的时序图。
最初，在激活适当的行选择信号RS时选择像素10a所在行。通过在复位和双转换增益晶体管16、30二者上的脉动脉冲，使被激活行的浮动扩散节点22(FD)和电容器32(CAP)复位。复位和双转换增益晶体管16、30随后导通以建立图2a所示的电位图。所示浮动扩散节点(FD)复位到Vaa-pix的电压。生成第一取样保持信号SHR，使得连接到成像器列线的取样保持电路会输入与复位像素10a相关联的源极跟随晶体管18的输出的任何信号并将该信号取样和保持。
一旦复位，像素10a便暴露于来自在处理图像的光线下。图2b的电位图显示了由低曝光量引起的PD区域中的存储电荷。对于低曝光量，光电二极管蓄电量阱仅稍微填充了光生成电子。传输门控制信号TG接通传输晶体管14(TGT)，这使PD中存储的电荷转移到图2c所示FD节点中。此时，浮动扩散节点22(FD)具有低电容和高转换增益，因为双转换增益晶体管30保持在截止状态。所有电荷从PD转移到FD，并且由于曝光量低以及因为Vaa-pix＞Vpin，不存在电荷共用。会生成另一个取样保持信号SHS1，使得到成像器列线的取样保持电路将(经晶体管18)输入与转移的电荷相关联的信号并对该信号取样和保持。随后，相关双取样(correlated doublesampling)可用于从取样的复位信号(SHR)中减去取样的曝光信号(SHS1)，以确定由于像素10a的曝光所产生的像素信号输出值变化。
在读取SHS1信号后，并且传输门控制信号TG使传输晶体管14(TGT)保持在导通状态时，会生成双转换增益信号DCG，这使双转换增益晶体管30(DCGT)激活，并接入电容器32(CAP)的电容，如图2d电位图所示。浮动扩散节点22(FD)上的极低信号由电容器32(CAP)的增加电容引起。会生成另一取样保持信号SHS2，使得到成像器列线的取样保持电路将(经晶体管18)输入与此微光电荷相关联的信号并对其进行取样和保持，并且现在双转换增益晶体管30转为“导通”。随后，相关双取样可用于从取样的复位信号(SHR)减去取样的曝光信号(SHS2)，以确定由于像素10a的曝光而产生的像素信号输出值变化。视应用而定，图像处理器可使用此像素输出信号变化、以前计算的输出信号变化或这两个信号的组合。这样，实现了双转换增益图像传感器。光信号首先被高转换增益浮动扩散节点(FD)检测为SHS1-SHR，随后由低转换增益浮动扩散节点(FD)取样为SHS2-SHR。
现在参照图1a、图3和图4a-4c描述在亮光或强光照射下像素操作的示例。最初，如参照图2a所述，复位像素10a，并获得与复位条件相关联的信号。一旦复位，像素10a便暴露在来自正在处理的图像的光线下。图4a的电位图显示了由亮光照射引起的电荷饱和PD。PD蓄电量阱完全由曝光产生的电子充满。传输门控制信号TG接通传输晶体管14(TGT)，这导致PD与浮动扩散节点(FD)之间电荷共用，如图4b所示。由于浮动扩散节点22(FD)的电荷处理电容小于光电传感器12的电荷处理电容，因此，发生了电荷共用。会生成取样与保持信号SHS1，以便连接到成像器列线的取样保持电路会(经晶体管18)输入与饱和共用电荷相关联的信号并对其进行取样和保持。随后，相关双取样可用于从取样的复位信号(SHR)中减去取样的曝光信号(SHS1)，以确定由于像素10a的曝光而产生的像素信号输出值变化。
在读取信号后，并且传输门控制信号TG使传输晶体管14(TGT)保持在导通状态时，会生成双转换增益信号DCG，这使双转换增益晶体管30(DCGT)激活，并接入电容器32(CAP)的电荷处理电容。现在，PD的电荷处理电容小于浮动扩散节点22(FD)与电容器32的组合电荷处理电容。这意味着现在可进行到浮动扩散节点22的完全电荷转移，浮动扩散节点22现在因附加的电容而成为低转换增益节点，如图4c所示。这使得在取样保持信号SHS2生成时可对高全阱信号取样。随后，相关双取样可用于确定像素信号输出值变化。
为避免在亮光照射下的电荷共用与导致滞后的问题，必须小心选择电容器32(CAP)。将夹断的光电二极管的电荷处理电容定义为： Q PD = ∫ 0 Vpin C PD dV . 浮动扩散节点22(FD)的电荷处理电容为： Q FD = ∫ Vpin Vaa - pix C FD dV . 电容器32(CAP)的电荷处理电容为：QCAP＝CCAP[Vaa-pix-Vpin]。只要选择电容器32的电容CCAP，使得QPD＜QFD+QCAP，则在测量SHS2时在亮光照射下将不会发生电荷共用，并且不会产生图像滞后问题。虽然在某些定时应用下，适当地设置像素内电容器32(CAP)的电容是有利的，但这不是实施本发明的要求。
图5a显示了图1a所示像素10a操作期间像素信号与曝光量的关系曲线。线条50显示与双转换增益晶体管30截止时存储在浮动扩散节点22中的电荷相关联的信号。也就是说，在浮动扩散节点22具有低电容和高转换增益时，线条50反映输出信号Vout在达到某一阈值后变成饱和，该阈值电压在所示示例中为大约Vthreshold＝Vaa-pix-Vpin＝3.3伏-2.3伏＝1.0伏。这是与对应于50μV/e的高转换增益示例的大约20Ke电荷相关联的信号(SHS1-SHR)。此时，信噪比(S/N)近似为140db，这是可接受的比率。线条60显示在双转换增益晶体管30导通时与存储在浮动扩散节点22中的电荷相关联的信号。也就是说，在浮动扩散节点22具有高电容和低转换增益时，线条60反映输出信号Vout在20Ke阈值时不会变成饱和。如果低转换增益设为5μV/e，则输出(SHS2-SHR)在收集到200Ke前不会变成饱和。此时，S/N将增加到447。如果读出噪声为例如5e，则取得的动态范围为100db。图5b说明在浮动扩散节点22最初具有高转换增益，随后切换到低转换增益时产生的经调整像素信号70(如以上参照图1-4所述)。光动态范围已提高10倍。现在，需要10倍以上光子来取得饱和的SHS2-SHR输出信号。虽然图5b显示在双转换增益晶体管接通时输出信号下降，但按信噪比(S/N)测量的性能未降低。在对本发明的操作和定时的示例描述中，需要三个取样保持电容器来存储三个信号SHR、SHS1和SHS2。
图6给出了图1a所示五晶体管(5T)像素10a的示范布局的顶视图。如上所述，电容器32最好是像素内电容器，这可根据美国专利No.6429470构造。应理解，本发明的像素10a不需要传输晶体管14。也就是说，在本发明的另一实施例中，无需插入晶体管(intervening transistor)便可连接光电传感器12和浮动扩散节点22。双转换增益晶体管30和像素内电容器32将以相同的方式加以控制，将执行相同的功能，并且将以如上参照图1-5所述的相同方式改变浮动扩散节点22的转换增益。因此，本发明不限于包含传输门或传输晶体管的像素。
用于本发明不同实施例的另一操作模式是在像素级设置用户可调增益。也就是说，为拍摄，可(按照明情况)使双转换增益晶体管30接通或截止。如果双转换增益晶体管30截止，则FD节点的转换增益为大约50μV/e。如果双转换增益晶体管30导通，则FD节点的转换增益为大约5μV/e。在此操作模式下，在取样保持电路中只保持两个电压电平：(1)与复位操作相关联的电压电平；以及(2)与从光电传感器发送到浮动扩散节点22的电荷相关联的电压电平。
图7-8显示根据本发明另一示范实施例构造的CMOS成像器像素110。像素110基本上与图1a所示像素10a相同。然而，所示实施例的像素110使用常规的多晶硅像素内电容器132和任何常规光电传感器112。虽然图7-8示出五晶体管(5T)像素配置，但应理解，实施本发明无需传输晶体管14。
图9a和图9b是表示在低照度条件下图7所示像素110a的操作期间电荷转移的电位图。像素110之前已复位，并且正在接收图像信号。一旦光电传感器暴露在微光下，电荷便如图9a所示在PD中累积。传输门控制信号TG接通传输晶体管14(TGT)，如图9b所示，这使PD中存储的电荷转移到浮动扩散节点22(FD)中。此时，浮动扩散节点22(FD)具有低电容和高转换增益。由于曝光量低，因而不存在电荷共用。连接到成像器列线的取样保持电路(经晶体管18)输入与存储在浮动扩散节点22(FD)中的电荷相关联的信号并对其进行取样和保持。随后，相关双取样可用于确定像素信号输出值。
与本发明的在先实施例一样，光电传感器在接收微光信号时，希望具有高转换增益。这通过只使用低电容浮动扩散节点22(即，双转换增益晶体管30未接通)便可实现。
图10a和10b是表示在亮光情况下在图7所示像素110操作期间电荷转移的电位图。像素110之前已复位，并且正在接收图像信号。一旦光电传感器暴露在亮光下，电荷便在PD中累积(图10a)。图10a的电位图显示由于亮光照射引起的存储在PD中的大量电荷。传输门控制信号TG接通传输晶体管14，并且双转换增益信号DCG激活双转换增益晶体管30(DCGT)以接入电容器132(CAP)的电容。双转换增益信号(DCG)由正在控制像素操作的图像处理器或其它控制电路生成。传输门控制信号TG和双转换增益信号DCG可同时或基本上同时生成。现在，PD的电荷处理电容小于浮动扩散节点22与电容器132的组合电荷处理电容。这意味着现在可进行到浮动扩散节点22的完全电荷转移，浮动扩散节点22现在因附加的电荷处理电容而成为低转换增益节点。这允许对高全阱信号进行取样。
如上所述，本发明不限于CMOS成像器。例如，本发明的双转换增益原理可结合到CCD成像器中。图11是根据本发明示范实施例构造的CCD成像器200的一部分。CCD成像器200包括用于将从成像器200的光敏器件输入的电荷转移的移位寄存器202。寄存器202通常称为CCD成像器200的电荷耦合器件。寄存器202的最后或输出级耦合到浮动扩散节点22。复位晶体管的栅极206耦合在浮动扩散节点22与电源电压Vcc之间。源极跟随晶体管208耦合在电源电压Vcc与负载214之间，并输出对应于浮动扩散节点22上存储电荷的信号Vout。到目前为止所述的所有电路是常规电路，并且是CCD成像技术领域已知的。
所示成像器200还包括双转换增益晶体管210(DCGT)和电容器212(CAP)。双转换增益晶体管210耦合在浮动扩散节点22与电容器212之间，并由双转换增益控制信号DCG控制。电容器212连接在双转换增益晶体管210与电源电压Vcc之间。在操作中，双转换增益晶体管210和电容器212用于将浮动扩散节点22的转换增益从第一或高转换增益状态(即，生成DCG，使双转换增益晶体管210截止并且电容器212与成像器200断开)切换到第二或低转换增益状态(即生成DCG，使双转换增益晶体管210导通，并且电容器212连接到浮动扩散节点22)。因此，双转换增益晶体管210和电容器212为CCD成像器200提供了双转换增益功能，这可得到高动态范围和极佳微光性能。
图12显示具有结合了按照以上参照图1-10所述方式构造的像素10、110的像素阵列225的CMOS成像器装置308的方框图。像素阵列225包括以预定数量的列和行排列的多个像素。阵列225中每行的像素可同时由行选择线接通，并且每列像素可由列选择线选择性地输出。整个阵列225配置了多条行线和列线。行线由行驱动器240响应行地址译码器230选择性地激活，而列选择线由列驱动器260响应列地址译码器270选择性地激活。这样，为阵列225中的每个像素提供了行和列地址。
CMOS成像器装置308由控制电路250操作，控制电路250控制地址译码器230、270，以便为像素读出选择适当行线和列线，以及控制行和列驱动电路240、260，行和列驱动电路240、260将驱动电压施加到所选行线与列线的驱动晶体管。通常，成像器装置308中的信号流将在阵列225接收光输入并生成电荷时从阵列225处开始。信号输出到读出电路，随后再输出到模数转换装置。随后，信号传送到图像处理器、串行化器，然后从成像器装置输出。
图13示出系统300以及系统300的输入装置，系统300是经过修改以包括如图12所示成像器装置308的典型的基于处理器的系统。成像器装置308还可从系统300接收控制数据或其它数据。可采用成像器装置308的基于处理器的系统的示例包括但不限于计算机系统、摄像系统、扫描仪、机器可视系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动聚焦系统、星象跟踪系统、运动检测系统、图像稳定系统及其它。
系统300包括通过总线304与不同装置通信的中央处理器(CPU)302。连接到总线304的一些装置实现与系统300的输入和输出通信，这些装置例如包括图示的输入/输出(I/O)装置306和成像器装置308。连接到总线304的其它装置提供存储装置，例如包括随机存取存储器(RAM)310、硬盘驱动器312和诸如软盘驱动器314与小型盘(CD)驱动器316等一个或多个外围存储装置。成像器装置308可与诸如CPU、数字信号处理器或微处理器等处理器结合到一个集成电路中。成像器装置308可以是根据任一所示实施例构造的CCD成像器或CMOS成像器。
因此，本发明提供了具有(1)高转换增益和敏感度以实现极佳微光性能以及(2)高全阱容量和转换增益以实现高动态范围的成像器，这是采用当前的图像技术无法实现的。
应理解，本发明的双转换增益原理可结合到许多不同的成像器装置(CCD或CMOS)和成像器配置(如双晶体管(2T)、3T、4T等)中。本发明的原理可结合任何电容器-晶体管串联结构利用。还应理解，本发明不只限于双转换增益原理。也就是说，浮动扩散节点可连接到多个双转换增益晶体管和相关的电容器，以便在需要时为浮动扩散节点提供两种以上的转换增益。虽然本发明是参照一个示范时序图(图3)来进行描述的，但可能采用其它时序。例如，存在允许选择电容器312以便在SHS2取样期间有电荷共用的应用。在对SHS2取样后，使传输门、双转换增益和复位晶体管同时接通，并使所有节点复位。这消除了共用电荷，并防止在下一读出帧中出现滞后问题。这是具有与新颖的双转换增益概念相关联的益处的替代时序示例。
上述过程和装置说明了可利用和实施的许多方法和装置中的优选方法和典型装置。上述说明和附图说明了实现本发明的目的、特征和优点的实施例。然而，本发明并不完全限于以上所述和所示的实施例。对本发明所作的属于所附权利要求精神和范围内的任何修改(包括目前不可预见的)均应视为本发明的一部分。

Claims (115)

1.一种成像器装置，它包括：
浮动扩散区域，其连接成接收来自光敏器件的存储电荷；以及
连接到所述浮动扩散区域的电路，所述电路为所述浮动扩散区域提供可在第一和第二转换增益之间切换的至少一个双转换增益，所述电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件被控制为在第一照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件以便所述浮动扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域以便所述浮动扩散区域获得所述第二转换增益。
2.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述电路被控制为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益并且将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益。
3.如权利要求2所述的成像器装置，其特征在于，所述浮动扩散区域具有与所述第一转换增益相关联的第一电容，所述电容元件具有第二电容，并且所述第一和第二电容的组合与所述第二转换增益相关联。
4.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述光敏器件具有大于所述第一电容且小于所述第一和第二电容的所述组合的电容。
5.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述双转换增益切换元件是具有连接成接收双转换增益控制信号的栅极的晶体管。
6.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到电源电压。
7.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到地电位。
8.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到电源电压。
9.如权利要求3所述的成像器装置，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到地电位。
10.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，基于所述装置中检测到的存储电荷量控制所述电路。
11.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述成像器装置是互补金属氧化半导体成像器。
12.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述成像器装置是电荷耦合器件成像器。
13.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述电路连接到成像器像素阵列的电源电压。
14.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述电路连接到地电位。
15.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述电路为所述浮动扩散区域提供多于两个转换增益。
16.如权利要求1所述的成像器装置，其特征在于，所述成像器装置还包括用于对所述浮动扩散区域的参考输出和多个像素信号输出进行取样和保持操作的电路。
17.一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
18.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器具有第一电容，并且所述扩散区域具有小于所述第一电容的第二电容。
19.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器是光电二极管。
20.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器是连接到电容器的光电二极管。
21.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器是光电门。
22.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器是光电导体。
23.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述扩散区域具有与所述第一转换增益相关联的第一电容，所述电容元件具有第二电容，并且所述第一和第二电容的组合与所述第二转换增益相关联。
24.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光电传感器具有大于所述第一电容且小于所述第一和第二电容的所述组合的电容。
25.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述双转换增益切换元件是具有连接成接收双转换增益控制信号的栅极的晶体管。
26.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到电源电压。
27.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到地电位。
28.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到电源电压。
29.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到地电位。
30.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第一转换增益在低照度条件期间使用，所述第二转换增益在亮照度条件期间使用。
31.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述转换增益改变电路连接到成像器像素阵列的电源电压。
32.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述转换增益改变电路连接到地电位。
33.如权利要求17所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素还包括用于对所述扩散区域的参考输出和多个像素信号输出进行取样和保持操作的电路。
34.一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
受控为转移来自所述光电传感器的所述存储电荷的第二晶体管；
浮动扩散区域，其连接成通过所述第二晶体管从所述光电传感器接收所述电荷，所述浮动扩散区域具有第一转换增益；
电容元件；以及
耦合在所述浮动扩散区域与所述电容元件之间的第三晶体管，所述第三晶体管受控为在第一照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第二转换增益，所述第三晶体管受控为在第二照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件。
35.如权利要求34所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述电容元件还耦合到电源电压。
36.如权利要求34所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述电容元件还耦合到地电位。
37.如权利要求34所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素还包括：
第二电容元件；以及
耦合在所述浮动扩散区域与所述第二电容元件之间的第四晶体管，所述第四晶体管受控为将所述第二电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第三转换增益。
38.一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
受控为转移来自所述光电传感器的所述存储电荷的第二晶体管；
浮动扩散区域，其连接成通过第二晶体管从所述光电传感器接收所述电荷，所述浮动扩散区域具有第一转换增益；
第三晶体管；以及
耦合在所述扩散区域与所述第三晶体管之间的电容元件，所述第三晶体管受控为在第一照明条件期间将所述电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第二转换增益，所述第三晶体管受控为在第二照明条件期间从所述浮动扩散区域断开所述电容元件。
39.如权利要求38所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第三晶体管还耦合到电源电压。
40.如权利要求38所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第三晶体管还耦合到地电位。
41.如权利要求38所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素还包括：
第四晶体管；以及
耦合在所述浮动扩散区域与所述第四晶体管之间的第二电容元件，所述第四晶体管受控为将所述第二电容元件连接到所述浮动扩散区域，以便所述浮动扩散区域至少获得第三转换增益。
42.一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器，所述光电传感器具有第一电荷存储容量；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有不同于所述第一电荷存储容量的第二电荷存储容量，所述扩散区域具有基于所述第二电荷存储容量的第一转换增益；
电容元件；以及
耦合在所述扩散区域与所述电容元件之间的第二晶体管，所述第二晶体管受控为将所述电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域获得第三电荷存储容量和基于所述第三电荷存储容量的第二转换增益。
43.如权利要求42所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述电容元件还耦合到电源电压。
44.如权利要求42所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述电容元件还耦合到地电位。
45.如权利要求42所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素还包括：
第二电容元件；以及
耦合在所述扩散区域与所述第二电容元件之间的第三晶体管，所述第三晶体管受控为将所述第二电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域至少获得第三转换增益。
46.一种CMOS成像器像素，它包括：
用于累积存储电荷的光电传感器，所述光电传感器具有第一电荷存储容量；
受控为复位所述像素的第一晶体管；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有不同于所述第一电荷存储容量的第二电荷存储容量，所述扩散区域具有基于所述第二电荷存储容量的第一转换增益；
第二晶体管；以及
耦合在所述扩散区域与所述第二晶体管之间的电容元件，所述第二晶体管受控为将所述电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域获得第三电荷存储容量和基于所述第三电荷存储容量的第二转换增益。
47.如权利要求46所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第二晶体管还耦合到电源电压。
48.如权利要求46所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第二晶体管还耦合到地电位。
49.如权利要求46所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素还包括：
第三晶体管；以及
耦合在所述扩散区域与所述第三晶体管之间的第二电容元件，所述第三晶体管受控为将所述第二电容元件连接到所述扩散区域，以便所述扩散区域至少获得第三转换增益。
50.一种CCD成像器，它包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
扩散区域，其连接成从所述寄存器接收所述光生电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
51.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述第一转换增益在低照度条件期间使用，所述第二转换增益在亮照度条件期间使用。
52.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述扩散区域具有与所述第一转换增益相关联的第一电容，所述电容元件具有第二电容，并且所述第一和第二电容的组合与所述第二转换增益相关联。
53.如权利要求52所述的成像器，其特征在于，寄存器电荷存储电容大于所述第一电容且小于所述第一和第二电容所述组合。
54.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述双转换增益切换元件是具有连接成接收双转换增益控制信号的栅极的晶体管。
55.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，基于所述装置中检测到的存储电荷量控制所述转换增益改变电路。
56.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到电源电压。
57.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述电容器的第二端子连接到地电位。
58.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到电源电压。
59.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到地电位。
60.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述电路连接到电源电压。
61.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述电路连接到地电位。
62.如权利要求50所述的成像器，其特征在于，所述电路为所述扩散区域提供多于两个转换增益。
63.一种成像系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括像素阵列，所述阵列中的至少一个像素包括：
用于累积存储电荷的光电传感器；
扩散区域，其连接成从所述光电传感器接收所述电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为将所述第一转换增益改变为所述第二转换增益以及将所述第二转换增益改变为所述第一转换增益，所述转换增益改变电路包括电容元件和双转换增益切换元件，所述双转换增益切换元件受控为在第一照明条件期间从所述扩散区域断开所述电容元件以便所述扩散区域具有所述第一转换增益并在第二照明条件期间将所述电容元件连接到所述扩散区域以便所述扩散区域获得所述第二转换增益。
64.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述光电传感器具有第一电容，并且所述扩散区域具有小于所述第一电容的第二电容。
65.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述光电传感器是光电二极管。
66.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述光电传感器是连接到电容器的光电二极管。
67.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述光电传感器是光电门。
68.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述光电传感器是光电导体。
69.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述阵列是CMOS阵列。
70.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述阵列是CCD阵列。
71.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述扩散区域具有与所述第一转换增益相关联的第一电容，所述电容元件具有第二电容，并且所述第一和第二电容的组合与所述第二转换增益相关联。
72.如权利要求71所述的系统，其特征在于，所述光电传感器具有大于所述第一电容且小于所述第一和第二电容的所述组合的电容。
73.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述电容元件是电容器。
74.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述电容元件是多晶硅电容器。
75.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述双转换增益切换元件是具有连接成接收双转换增益控制信号的栅极的晶体管。
76.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述晶体管的第二端子连接到电源电压。
77.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述晶体管连接在所述浮动扩散区域与所述电容器的第一端子之间，并且所述晶体管的第二端子连接到地电位。
78.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到电源电压。
79.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述双转换增益切换元件是晶体管，并且所述电容元件是电容器，所述电容器连接在所述浮动扩散区域与所述晶体管的第一源极/漏极端子之间，并且所述晶体管的第二源极/漏极端子连接到地电位。
80.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述电路连接到电源电压。
81.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述电路连接到地电位。
82.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述电路为所述扩散区域提供多于两个转换增益。
83.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述第一转换增益在低照度条件期间使用，所述第二转换增益在亮照度条件期间使用。
84.如权利要求63所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于对所述扩散区域的参考输出和多个像素信号输出进行取样和保持操作的电路。
85.一种成像器系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括：
浮动扩散区域，其连接成从所述光敏器件接收存储电荷；以及
连接到所述扩散区域的电路，所述电路通过在第一照明条件期间接入第一电容元件以实现第一转换增益、在第二照明条件期间接入第二电容元件以实现第二转换增益为所述扩散区域提供多个转换增益，所述第一和第二转换增益不同于所述扩散区域的转换增益。
86.一种成像器系统，它包括：
处理器；以及
电连接到所述处理器的成像器装置，所述成像器装置包括：
用于输入和输出光生电荷的寄存器；
扩散区域，其连接成从所述寄存器接收所述光生电荷，所述扩散区域具有第一转换增益；以及
连接到所述扩散区域的转换增益改变电路，所述转换增益改变电路受控为通过接入并将对应的电容连接到所述扩散区域将所述第一转换增益改变为多个转换增益之一和通过从所述扩散区域断开所述对应的电容将所述多个转换增益之一改变为所述第一转换增益。
87.一种操作成像器装置的方法，所述方法包括：
在扩散区域中存储光生电荷，所述扩散区域具有小于生成所述光生电荷的光敏器件的电荷存储容量的电荷存储容量；
输出表示所述存储光生电荷的第一信号；
通过改变所述区域的电荷存储容量改变所述扩散区域的转换增益；以及
输出表示具有所述改变的扩散增益的所述扩散区域中的所述存储光生电荷的第二信号。
88.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述改变步骤包括：改变所述扩散区域的电容。
89.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述改变步骤包括：增加所述扩散区域的电容。
90.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在存储所述光生电荷前将所述扩散区域复位到阵列电源电压；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
91.如权利要求90所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
92.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述扩散区域中存储所述光生电荷前同时复位所述扩散区域和提供所述光生电荷的光电传感器；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
93.如权利要求92所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
94.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：同时复位所述扩散区域、提供所述光生电荷的光电传感器以及用于改变所述转换增益的电容区域。
95.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除共享电荷。
96.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除随后读出操作的滞后。
97.一种操作成像器装置的方法，所述方法包括：
将光生电荷转移到扩散区域，所述扩散区域具有小于生成所述光生电荷的光敏器件的电荷存储容量的电荷存储容量；
确定所述存储电荷量；
将所述存储电荷量与预定阈值比较；
如果确定所述存储电荷量超过所述阈值，则通过改变所述区域的电荷存储容量改变所述扩散区域的转换增益；以及
输出表示所述浮动扩散区域中所述电荷的信号。
98.如权利要求97所述的方法，其特征在于，所述改变步骤包括：改变所述扩散区域的电容。
99.如权利要求97所述的方法，其特征在于，所述改变步骤包括：增加所述扩散区域的电容。
100.如权利要求97所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在存储所述光生电荷前将所述扩散区域复位到阵列电源电压；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
101.如权利要求100所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
102.如权利要求97所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述扩散区域中存储所述光生电荷前同时复位所述扩散区域和提供所述光生电荷的光电传感器；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
103.如权利要求102所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
104.如权利要求97所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
同时复位所述扩散区域、提供所述光生电荷的光电传感器以及用于改变所述转换增益的电容区域。
105.如权利要求104所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除共享电荷。
106.如权利要求104所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除随后读出操作的滞后。
107.一种操作CMOS成像器装置的方法，所述方法包括：
提供具有第一电容的光电传感器；
提供具有小于所述第一电容的第二电容的扩散区域；
将所述光电传感器的光生电荷存储在所述扩散区域中；
确定所述存储电荷量；
将所述存储电荷量与预定阈值比较；以及
如果确定所述存储电荷量超过所述阈值，则添加第三电容到所述扩散区域，使得所述第二和第三电容的组合大于所述第一电容。
108.如权利要求107所述的方法，其特征在于，所述添加步骤改变所述扩散区域的转换增益。
109.如权利要求107所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在存储所述光生电荷前将所述扩散区域复位到阵列电源电压；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
110.如权利要求109所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
111.如权利要求107所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述扩散区域中存储所述光生电荷前同时复位所述扩散区域和所述光电传感器；以及
输出表示所述复位扩散区域的第三信号。
112.如权利要求111所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下动作：
对所述第一、第二和第三信号进行取样与保持；以及
使用所述取样与保持的第一、第二和第三信号以获得相关输出值。
113.如权利要求107所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：同时复位所述扩散区域、所述光电传感器以及用于改变所述转换增益的电容区域。
114.如权利要求113所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除共享电荷。
115.如权利要求113所述的方法，其特征在于，所述复位步骤实质上消除随后读出操作的滞后。
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