CN206977570U - 图像传感器像素及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种图像传感器像素及图像传感器。所述图像传感器可包括具有电荷转向结构的一个或多个像素，所述电荷转向结构可从光电二极管选择性地路由电荷以增大所述像素的动态范围。所述电荷转向结构可以是在曝光期间将溢出电荷路由到电压源以及一个或多个积聚存储结构的耦合栅极结构。所述电荷转向结构可以是直接连接到所述光电二极管的两个积聚存储结构，每个积聚存储结构在曝光期间以交替的方式积聚由所述光电二极管生成的电荷。所述电荷转向结构内的存储结构和晶体管可接收控制信号，所述控制信号可以采用相互排斥的方式生效。所述像素还可包括双增益结构，所述双增益结构可提供额外的电荷存储容量。

Description

图像传感器像素及图像传感器
技术领域
本实用新型整体涉及成像传感器，并且更具体地，涉及具有全局快门像素的成像传感器，其中全局快门像素包括LED闪烁抑制(LFM)结构。
背景技术
在常规成像系统中，图像伪影可能由移动物体、移动或抖动相机、闪烁光照以及图像帧中具有变化照明的物体引起。此类伪影可包括例如物体的缺失部分、边缘颜色伪影和物体失真。具有变化照明的物体的例子包括发光二极管(LED)交通标志(其可每秒闪烁几百次)以及现代汽车的LED刹车灯或车头灯。
虽然电子卷帘快门和全局快门模式产生具有不同伪影的图像，但此类伪影的根本原因对于这两种操作模式是共同的。通常，图像传感器以相对于正被拍摄的场景异步的方式采集光。这意味着图像帧的一些部分可能不会在帧持续时间的一部分内曝光。在积聚时间比所使用的帧时间短得多时，对于亮场景尤其是这种情况。当场景包括移动或快速变化的物体时，图像帧中不完全暴露于动态场景的区可导致物体失真、幻影效应和颜色伪影。当相机在图像拍摄操作期间移动或抖动时，可观察到类似效应。
常规成像系统还可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有较亮部分和较暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。
因此希望能够提供高动态范围(HDR)全局快门成像系统，以便拍摄与移动物体、移动或抖动相机、闪烁照明及具有变化照明的物体相关的伪影最少的图像。
实用新型内容
本实用新型一方面提供一种图像传感器像素。图像传感器像素包括：光电二极管，所述光电二极管在曝光期间响应于入射光而生成电荷；耦合栅极结构，所述耦合栅极结构耦接到所述光电二极管；存储结构，所述存储结构通过所述耦合栅极结构耦接到所述光电二极管；和浮动扩散节点，所述浮动扩散节点耦接到所述存储结构。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，所述耦合栅极结构包括：阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到所述光电二极管，并且被设置到阈值电压，使得生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；重置晶体管，所述重置晶体管耦接到电压源，其中所述阈值晶体管插置在所述光电二极管和所述重置晶体管之间；和积聚存储结构，所述积聚存储结构耦接在所述阈值晶体管和所述存储结构之间。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，所述溢出电荷的第一部分被路由到并存储在所述积聚存储结构中，其中所述溢出电荷的第二部分通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，其中所述重置晶体管接收在所述曝光期间在高电压和低电压之间振荡的第一控制信号，其中所述积聚存储结构接收在所述曝光期间在所述高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号，并且其中处于所述高电压的所述第一控制信号与处于所述高电压的所述第二控制信号相互排斥。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，所述耦合栅极结构进一步包括：附加积聚存储结构，所述附加积聚存储结构耦接到所述阈值晶体管。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，还包括：耦接在所述附加积聚存储结构和所述浮动扩散节点之间的附加存储结构，其中所述附加积聚存储结构接收在所述高电压和所述中等电压之间振荡的第三控制信号，其中处于所述高电压的所述第三控制信号与处于所述高电压的所述第一控制信号和处于所述高电压的所述第二控制信号相互排斥，并且其中信号以全局快门模式从所述图像传感器像素读出。
本实用新型一方面提供一种图像传感器。图像传感器包括：像素阵列，所述像素阵列按行和列布置，其中每个像素包括：光敏元件，所述光敏元件响应于入射光而生成电荷；电荷转向结构，所述电荷转向结构耦接到所述光敏元件；存储结构，所述存储结构通过所述电荷转向结构耦接到所述光敏元件；和浮动扩散节点，所述浮动扩散节点耦接到所述存储结构。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，所述电荷转向结构包括：阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到所述光敏元件，并且被设置到阈值电压，使得生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；和重置晶体管，所述重置晶体管耦接到电压源，其中所述阈值晶体管插置在所述光电二极管和所述重置晶体管之间。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，每个像素进一步包括：耦接在所述阈值晶体管和所述存储结构之间的附加存储结构，其中所述溢出电荷的第一部分被路由到并存储在所述附加存储结构中，并且其中所述溢出电荷的第二部分通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，其中所述重置晶体管接收在所述曝光期间以第一频率振荡的第一控制信号，其中所述附加存储结构接收在所述曝光期间以所述第一频率振荡的第二控制信号，并且其中在所述曝光期间所述第一控制信号与所述第二控制信号180度异相。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，每个像素进一步包括：增益选择电容器，所述增益选择电容器耦接到所述浮动扩散节点；增益选择晶体管，所述增益选择晶体管耦接在所述增益选择电容器和所述附加存储结构之间；附加增益选择电容器，所述附加增益选择电容器耦接到所述浮动扩散节点；和附加增益选择晶体管，所述附加增益选择晶体管耦接在所述附加增益选择电容器和所述附加存储结构之间。
在上述图像传感器像素的一个实施例中，所述溢出电荷的第一部分经由所述附加存储结构的激活被路由到并存储在所述附加存储结构以及存储在所述增益选择电容器和所述附加增益选择电容器中的所选择的一个，其中所述溢出电荷的第二部分经由所述重置晶体管的激活通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，并且其中所述重置晶体管的激活和所述附加存储结构的激活是相互排斥的。
附图说明
图1是根据一个实施方案的包括成像系统和主机子系统的示例性系统的示意图。
图2是根据一个实施方案的示例性图像传感器的示意图，该图像传感器具有图像像素阵列以及耦接到图像像素阵列的控制电路。
图3为根据一个实施方案的图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法。
图4A为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法并且包括电荷转向结构。
图4B为根据一个实施方案的示例性时序图，示出了图4A的电荷转向结构的控制信号的定时。
图5A为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法并且包括电荷转向结构，该电荷转向结构包括长积聚路径和短积聚路径。
图5B为根据一个实施方案的示例性时序图，示出了图5A的电荷转向结构的控制信号的定时。
图6A为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法、包括电荷转向结构，并且需要至少两次像素曝光。
图6B为根据一个实施方案的示例性时序图，示出了图6A的电荷转向结构的控制信号的定时。
图7A为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法、包括电荷转向结构，并且包括双增益存储电容器。
图7B为根据一个实施方案的示例性时序图，示出了图7A的电荷转向结构的控制信号的定时。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地，涉及具有各自包括耦合栅极结构以实现高动态范围成像的像素的全局快门图像传感器，其中耦合栅极结构具有LED闪烁抑制(LFM)定时。本领域技术人员应该认识到，本实用新型的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本实用新型的实施方案，未详细描述熟知的操作。
具有数字相机模块的成像系统广泛用于电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备中。数字相机模块可包括一个或多个图像传感器，这些图像传感器收集入射光以捕捉图像。
在一些情况下，成像系统可形成更大的系统的一部分，这些更大的系统包括诸如车辆(如，汽车、公共汽车或任何其他车辆)的监控系统或安全系统。在车辆安全系统中，成像系统捕捉到的图像可供车辆安全系统使用以确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全系统可包括诸如停车辅助系统、自动或半自动巡航控制系统、自动制动系统、防撞系统、车道保持系统(有时称为车道漂移预防系统)等。
在至少一些情况下，成像系统可构成半自主或自主无人驾驶车辆的一部分。此类成像系统可捕捉图像并使用这些图像检测附近车辆。如果在图像中检测到附近车辆，则车辆安全系统有时可打开警示灯、发出警告，或者可激活制动、主动转向或其他主动防撞措施。车辆安全系统可使用具有数字相机模块的成像系统连续捕捉的图像，来帮助避免与物体(如，其他汽车或其他环境物体)碰撞，帮助避免不期望的偏离(如，越过车道标记)，或者帮助车辆在其任何正常运行模式期间安全运行。
图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百、数千或数百万的像素(如，百万像素)。
在一些条件(诸如高亮度条件)下，聚积在图像传感器像素的光电二极管中的电荷量可能超过在像素中可存储的电荷量。例如，像素中的存储节点或光电二极管可仅能够存储有限量的电荷。此有限电荷存储容量可缩小像素的动态范围，这是不期望的。为了克服该动态范围限制，可能需要在像素内包括一种机制，以将一些电荷引导到像素中的额外存储节点或像素电压源。这种电荷引导可例如通过在电荷聚积期间将耦接到光电二极管的一个或多个晶体管的电压设置为中间电平来实现。通过以这种方式部分地激活晶体管，可将过量电荷(本文中有时称为溢出电荷)从光电二极管路由到一个或多个存储节点或像素电压源。
被路由到像素电压源的溢出电荷将被清理掉。这样的电荷清理可通某种方式执行以相当准确地评估被清理的电荷量，这可由下游处理电路来负责。被路由到存储节点的溢出电荷可与非溢出电荷分开地读出。读出的溢出电荷信号的量值可为总溢出电荷的已知分数。因此，聚积在光电二极管中的电荷的一部分可由图像传感器跟踪，而不需要存储所述电荷，从而增大像素的动态范围。
在一些配置中，溢出电荷不一定被路由到像素电压源，而是可被路由到多个存储节点。在此类配置中，溢出电荷还可与非溢出电荷分开地读出。通过执行溢出电荷和非溢出电荷的分开读出，可增大像素的动态范围。本文未详细描述这种溢出和非溢出电荷读出操作的方法，以免不必要地混淆本实用新型的实施方案。
图1是示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是车辆安全系统(如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，可以是监控系统，或者可以是电子设备(诸如相机、移动电话、摄像机或其他捕捉数字图像数据的电子设备)。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。相机模块12中的镜头可(例如)包括被布置成M×N阵列的M*N个单独的镜头。可将单独的图像传感器14(例如)布置成对应的M×N图像传感器阵列。M和N的值可各自大于或等于1，可各自大于或等于2，可超过10，也可为任何其他合适的值。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。每个图像传感器可以是(例如)分辨率为480×640的图像传感器像素的视频图形阵列(VGA)传感器。如果需要，也可为图像传感器使用其他图像传感器像素排列。例如，可使用分辨率高于VGA分辨率的图像传感器(如，高清图像传感器)、分辨率低于VGA分辨率的图像传感器、以及/或者其中图像传感器不完全相同的图像传感器阵列。
在图像捕捉操作的过程中，每个镜头可将光聚集到相关的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百万的像素(如，百万像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(如，缓冲电路)、寻址电路等。
可将来自图像传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径26提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置(有时称为片上系统(SOC)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底上实现(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可形成在分开的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可形成在分开的堆叠衬底上。
成像系统10(如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括主动控制系统，该主动控制系统将用于控制车辆功能(诸如制动或转向)的控制信号传递到外部设备。主机子系统20可包括处理软件，用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。主机子系统20可包括报警系统，该报警系统被配置为在与图像传感器相关的验证数据表明图像传感器运作不正常时，禁用成像系统10和/或生成警告(如，汽车仪表盘上的警示灯、声音警告或其他警告)。
如果需要，系统100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用程序的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、应用程序专用集成电路等。在成像系统10的操作期间，相机模块12可持续地捕获图像帧并将其提供到主机子系统20。
图2中示出相机模块12的布置的例子。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14与控制和处理电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素28(在本文中有时称为图像传感器像素或图像像素28)的阵列30。控制电路16可耦接到行控制电路32，并且可经由全局数据路径44耦接到列控制和读出电路42。行控制电路32可从控制电路16接收行地址，并可通过控制路径128向图像像素28供应对应的行控制信号(如，双重转换增益控制信号、像素复位控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需的像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线40)耦接到像素阵列30的列。列线40可耦接到图像像素阵列30中的每列图像像素28(例如，每列像素可耦接到对应列线40)。列线40可用于从图像像素28读出图像信号，并向图像像素28供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路32来选择图像像素阵列30中的像素行，并且与该像素行的图像像素28相关的图像数据可由电路42在列线40上读出。
列控制和读出电路42可包括许多列读出电路46。每个列读出电路46可耦接到对应的列线40，并且可从耦接到对应列线的像素28读出和接收图像信号。每个列读出电路46可包括列电路，诸如用于放大从阵列30读出的信号的列放大器、用于对从阵列30读出的信号进行采样和存储的采样保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器(ADC)电路、以及用于存储读出信号和任何其他所需数据的列存储器。列读出电路46可通过线44将数字像素值输出到控制和处理电路16。
阵列30可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列30的大小以及阵列30中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实施。虽然行和列在本文中一般分别被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(如，本文中描述为行的特征可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
如果需要，阵列30可为堆叠管芯布置的一部分，其中阵列30的像素28会被划分在两个或更多个堆叠衬底中。在这种布置中，阵列30中的每个像素28可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯中。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与所需节点(在本例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。所需节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通路)上(即，作为其一部分)。在两个管芯结合前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属结合技术诸如软焊或焊接，来将形成在第一管芯和第二管芯上的耦接结构的相应第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为浮动扩散节点。或者，所需节点可为浮动扩散区与源极跟随器晶体管栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接至第二管芯上的源极跟随器晶体管)、浮动扩散区与转移晶体管源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、源极跟随器晶体管源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。
图3为图像传感器像素300的电路图，该图像传感器像素使用全局快门读出方法。图像传感器像素300表示具有钉扎光电二极管310(PD)的全局快门像素，其中钉扎光电二极管耦接到存储器节点302(本文有时称为存储节点或存储门)。在一些实施方案中，存储器节点302可为存储门或存储二极管。对于存储器节点302为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在存储器节点302与光电二极管310之间。对于存储器节点302为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在存储器节点302与光电二极管310之间。使用控制信号AB部分地激活抗光晕晶体管308，以便吸走聚积在光电二极管310上的暗电流。如果需要，可使用控制信号AB完全地激活抗光晕晶体管308，以便重置光电二极管。入射的光(即，入射光)可在传感器阵列(例如，图2中的阵列20)中的光电二极管302中生成电荷。可以通过使控制信号TX1生效，全局地针对所有像素将该电荷同时转移到存储器节点302。然后通过使控制信号TX2生效，使得经由电荷转移晶体管306将电荷转移到浮动扩散(FD)节点314，从而以按顺序的方式逐行从存储器节点302读出电荷。浮动扩散节点314可具有用于存储电荷的浮动扩散电容316。光电二极管310和浮动扩散电容316可耦接到地318。转移到浮动扩散节点314的电荷导致该节点上的电势改变，并且该改变由源极跟随器晶体管320感测。源极跟随器晶体管320的源极-漏极端子经由行选择晶体管324连接到传感器阵列列感测线326，该传感器阵列列感测线将像素信号递送到阵列周边以用于进一步处理。使控制信号RS生效以激活行选择晶体管324，从而将像素信号转移到列感测线326。在完成电荷感测后，通过使控制信号RES生效，暂时地接通重置晶体管312，以便重置浮动扩散节点314，从而将供电电压VAA从电压源322转移到浮动扩散节点314。如果需要，可以在浮动扩散节点314重置的同时重置存储器节点302。
像素300的动态范围受到光电二极管310和存储门302的电荷存储容量的限制。像素动态范围的这种限制是不希望的，因为它可能导致在高亮度条件下损失图像细节。因此，希望提供具有更大有效电荷存储容量的改进的图像像素。
图4A是包括电荷转向耦合栅极结构的像素电路400的示意图。耦合栅极结构431可以包括存储门重置晶体管404、阈值晶体管430和存储结构432(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)。在一些实施方案中，存储结构432可以是存储门或存储二极管。对于存储结构432为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在存储结构432和转移晶体管430之间。对于存储结构432为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在存储门结构432和转移晶体管430之间。阈值晶体管430可耦接到光电二极管(PD)410。存储门432可以是(例如)钉扎存储门，该存储门能够完全耗尽(例如，在电荷转移期间，所有电荷可从存储门432移除)。耦合栅极结构可像电荷耦合器件结构那样工作。光电二极管410可耦接到地418。阈值晶体管430可耦接在光电二极管410与存储门432之间。存储门重置晶体管404可具有耦接到阈值晶体管430和存储门432之间的节点的第一源极-漏极端子，并且可具有耦接到电压源422的第二源极-漏极端子。转移晶体管434可耦接在存储门432和存储结构402(在本文中有时称为存储门)之间。在一些实施方案中，存储结构402可以是存储门或存储二极管。存储门402可耦接在转移晶体管434和转移晶体管406之间。转移晶体管406可耦接在存储门402和浮动扩散节点(FD)414之间。浮动扩散电容416可耦接在浮动扩散节点414和地418之间。重置晶体管412可耦接在浮动扩散节点414和电压源422之间。电压源422可提供电压Vdd。源极跟随器晶体管420可具有耦接到浮动扩散节点414的栅极端子，耦接到电压源422的第一源极-漏极端子，以及通过行选择晶体管424耦接到列输出线426的第二源极-漏极端子。列输出线426可耦接到诸如模数转换电路的下游处理电路。
如果需要，可以可选地包括耦接在供电电压422和光电二极管410之间的抗光晕晶体管(未示出)。
在曝光期间，入射的光(即入射光)可以在光电二极管410中转换为电荷，该光电二极管可具有有限的电荷存储容量。在高亮度条件下，光电二极管410的电荷存储容量可能不足以存储在光电二极管410中生成的所有电荷，并且所生成的电荷的一部分可能溢出。阈值晶体管430可接收设置为阈值电压的控制信号TX，其允许溢出电荷传递到节点449，而非溢出电荷保留在光电二极管410上。
存储门432可接收控制信号SG_INT，并且存储门重置晶体管404可接收控制信号SG_RES。当SG_INT处于中等电压电平VM时，存储门432可防止电荷流动。当SG_INT处于高电压电平VH时，电荷可被加载到存储门432上。当SG_INT处于低电压电平VL并且转移晶体管434同时处于高电压电平时，加载的电荷可从存储门432传递到存储门402。存储门402可接收控制信号SG_STORE并且可类似于存储门432进行操作。应当注意，在一些实施方案中，可以不使用高电压电平VH，而使用幅度在VH和VM之间的中-高电压电平，使得当电荷被加载存储门432上时，在光电二极管上仍保留一些电荷。
在曝光期间，信号SG_INT和SG_RES可具有相互排斥的时序(例如，当SG_RES低时SG_INT处于电压VH，并且当SG_RES高时SG_INT处于电压VL，而且SG_INT在VH和VM之间振荡)。通过以这种方式振荡信号SG_INT和SG_RES，当SG_RES处于高电压电平时，出现在节点449上的溢出电荷可被路由到电压源422，并且当SG_INT处于高电压电平VH时可积聚在存储门432。在曝光期间在电压源422处被清理掉的溢出电荷的量可使用下游处理电路(未示出)来确定和考虑，该确定和考虑基于未被清理(即，最终从像素400读出)的溢出电荷量以及基于信号SG_INT和SG_RES的相应占空比。在曝光期结束时，可通过使信号RST生效来激活重置晶体管412，进而重置浮动扩散节点414。
一旦曝光期结束，积聚在存储门432中的所有电荷可通过以下设置被转移到存储门402：将SG_INT设置为低电压电平VL，将控制信号TX1设置为高电压电平以激活转移晶体管434，并且将控制信号SG_STORE设置为高电平电平VH使得存储门402可接收转移的电荷。然后，存储门402可通过使信号TX2生效来激活转移晶体管406，从而将溢出电荷传递到浮动扩散节点414，同时为了确保电荷流入浮动扩散节点414，信号SG_STORE和TX1保持为低。然后，光电二极管410处的非溢出电荷可通过阈值晶体管430、存储门432和转移晶体管434传递到存储门402。应当注意，对于存储结构402和432是存储二极管的实施方案，上述一些操作将略有不同。
在读出操作期间，可通过使信号RS生效来激活行选择晶体管424，以便读出与存储在浮动扩散节点414处的溢出电荷相对应的输出信号。然后可使用重置晶体管412来重置浮动扩散节点414。然后可通过激活行选择晶体管424来读出存储在浮动扩散节点414处的重置值。然后可通过激活转移晶体管406将存储在存储门402处的非溢出电荷转移到浮动扩散节点414。然后可激活行选择晶体管424以读出与存储在浮动扩散节点414处的非溢出电荷相对应的另一输出信号。然后可再次重置浮动扩散节点414以准备下一个曝光/积聚周期。
信号SG_INT和SG_RES可按照图4B所示的时序图升降。时间段t1和t2可表示在曝光期间信号SG_INT和SG_RES的单个时钟周期。在时间段t1，SG_INT可处于高电压电平VH，而SG_RES处于低电压电平VL，使得节点449处的溢出电荷在存储门432处积聚。在时间段t2，SG_INT可处于中等电压电平VM，而SG_RES处于高电压电平VH，使得溢出电荷在电压源422处被清理掉。在整个曝光期间，由时间段t1和t2表示的时钟周期可重复。如图4B所示，信号SG_INT和SG_RES可各自具有50％的占空比。如果需要，可以选择其他占空比。例如，如果需要增加的动态范围，信号SG_INT可具有25％的占空比，并且信号SG_RES可具有75％的占空比。在一些实施方案中，在曝光期间可能存在其中信号SG_INT保持处于VM并且SG_RES保持处于VL的时间段。
时间段t3可从曝光期结束时开始。在t3处，信号SG_RES和SG_INT保持处于VL，而信号SG_STORE和TX1保持处于VH，使得存储门重置晶体管404断开，并且已经积聚在存储门432处的电荷通过转移晶体管434并存储在存储门402处。
图5A是包括电荷转向结构的像素电路500的示意图。长积聚存储结构532(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)和短积聚存储结构536(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)可用作电荷转向结构。
在一些实施方案中，长积聚存储结构532可以是存储门或存储二极管。对于长积聚存储结构532为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在长积聚存储结构532和光电二极管510之间。对于长积聚存储结构532为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在长积聚存储结构532和光电二极管510之间。
在一些实施方案中，短积聚存储结构536可以是存储门或存储二极管。对于短积聚存储结构536为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在短积聚存储结构536和光电二极管510之间。对于短积聚存储结构536为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在短积聚存储结构536和光电二极管510之间。
存储门532和536可以是(例如)钉扎存储门，它们能够完全耗尽(例如，在电荷转移期间，所有电荷可从存储门532和536移除)。光电二极管(PD)510可具有耦接到地518的第一端子和耦接到抗光晕晶体管508、短积聚存储门536和长积聚存储门532的第二端子。抗光晕晶体管508可耦接在光电二极管510与电压源522之间。电压源522可提供电压Vdd。可以使用控制信号AB部分地激活抗光晕晶体管508，以便吸走聚积在光电二极管510上的暗电流。如果需要，可使用控制信号AB完全地激活抗光晕晶体管508，以便重置光电二极管。短积聚存储门536可耦接在光电二极管510和转移晶体管538之间。转移晶体管538可耦接到浮动扩散节点(FD)514。长积聚存储门532可耦接在光电二极管510和转移晶体管534之间。存储结构502(在本文中有时称为存储门)可耦接在转移晶体管534和转移晶体管506之间。在一些实施方案中，存储结构502可以是存储门或存储二极管。转移晶体管506可耦接在存储门502和浮动扩散节点514之间。浮动扩散电容516可耦接在浮动扩散节点514和地518之间。重置晶体管512可耦接在浮动扩散节点514和电压源522之间。源极跟随器晶体管520可具有耦接到浮动扩散节点514的栅极端子，耦接到电压源522的第一源极-漏极端子，以及通过行选择晶体管524耦接到列输出线526的第二源极-漏极端子。列输出线526可耦接到诸如模数转换电路的下游处理电路。
在曝光期间，入射的光(即入射光)可以在光电二极管510中转换为电荷，该光电二极管可具有有限的电荷存储容量。长积聚存储门532和短积聚存储门536可分别接收控制信号SG_LONG和SG_SHORT。存储门502、532和536可类似于上文结合图4A描述的存储门432进行操作。控制信号SG_LONG和SG_SHORT可具有相互排斥的信号时序(例如，当SG_LONG处于高电压电平VH时，SG_SHORT处于中等电压电平VM，并且当SG_SHORT处于高电压电平VH时，SG_LONG处于中等电压电平VM)。这种相互排斥的时序允许在光电二极管510处生成的电荷在曝光期间积聚并存储在短积聚存储门536处(例如，作为短积聚溢出电荷存储)或长积聚存储门532处(例如，作为长积聚溢出电荷存储)。在曝光期结束时，可通过使信号RST生效来激活重置晶体管512，进而重置浮动扩散节点514。
一旦曝光期结束，积聚在长积聚存储门532中的所有电荷可通过以下设置被转移到存储门502：将SG_LONG设置为低电压电平VL，将控制信号TX2设置为高电压电平以激活转移晶体管534，并且将控制信号SG_STORE设置为高电平电平VH使得存储门502可接收转移的电荷。然后，存储门502可通过使信号TX3生效来激活转移晶体管506，从而将长积聚溢出电荷传递到浮动扩散节点514，同时为了确保电荷流入浮动扩散节点514，信号SG_STORE和TX2保持为低。
在读出操作期间，可通过使信号RS生效来激活行选择晶体管524，以便读出与存储在浮动扩散节点514处的长积聚溢出电荷相对应的输出信号。然后可使用重置晶体管512来重置浮动扩散节点514。然后可通过激活行选择晶体管524来读出存储在浮动扩散节点514处的重置值。然后可将存储在存储门536处的短积聚溢出电荷转移到浮动扩散节点514。然后可激活行选择晶体管524以读出与存储在浮动扩散节点514处的短积聚溢出电荷相对应的另一输出信号。然后可再次重置浮动扩散节点514以准备下一个曝光/积聚周期。
信号SG_LONG和SG_SHORT可按照图5B所示的时序图升降。时间段t1和t2可表示在曝光期间信号SG_LONG和SG_SHORT的单个时钟周期。在时间段t1处，SG_LONG可处于高电压电平VH，而SG_SHORT处于中等电压电平VM，使得光电二极管510处的电荷在长积聚存储门532处积聚。在时间段t2处，SG_LONG可处于中等电压电平VM，而SG_SHORT处于高电压电平VH，使得光电二极管510处的电荷在短积聚存储门536处积聚。在整个曝光期间，由时间段t1和t2表示的时钟周期可重复。如图5B所示，信号SG_LONG可具有比SG_SHORT的占空比更大的占空比，使得在曝光期间生成的大部分电荷积聚在长积聚存储门532处。如果需要，可以选择其他占空比。在一些实施方案中，在曝光期间可能存在其中信号SG_LONG保持处于VM并且SG_SHORT保持处于VM的时间段。应当注意，在一些实施方案中，可以不使用高电压电平VH，而使用幅度在VH和VM之间的中-高电压电平，使得当电荷被加载到长积聚存储门532或短积聚存储门536上时，在光电二极管上仍保留一些电荷。
时间段t3可从曝光期结束时开始。在t3处，信号SG_LONG和SG_SHORT保持处于VL，而信号SG_STORE、TX1和TX2保持处于VH，使得已经积聚在长积聚存储门532处的电荷通过转移晶体管534并存储在存储门502处，并且已经积聚在短积聚存储门536处的电荷通过转移晶体管538并存储在浮动扩散节点514处。
图6A是包括耦合栅极电荷转向结构的像素电路600的示意图。耦合栅极结构631可以包括阈值晶体管630、存储门重置晶体管604、存储结构632(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)和存储结构636(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)。
在一些实施方案中，存储结构632可以是存储门或存储二极管。对于存储结构632为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在存储结构632和阈值晶体管630之间。对于存储结构632为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在存储结构632和阈值晶体管630之间。
在一些实施方案中，存储结构636可以是存储门或存储二极管。对于存储结构636为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在存储结构636和阈值晶体管630之间。对于存储结构636为存储二极管的实施方案而言，附加晶体管可插置在存储结构636和阈值晶体管630之间。
存储门632和636可以是(例如)钉扎存储门，它们能够完全耗尽(例如，在电荷转移期间，所有电荷可从存储门632和636移除)。光电二极管(PD)610可具有耦接到地618的第一端子和通过阈值晶体管630耦接到节点649的第二端子。存储门重置晶体管604可耦接在节点649和电压源622之间。电压源622可提供电压Vdd。转移晶体管638可耦接在存储门636和存储结构640(在本文中有时称为存储门)之间。在一些实施方案中，存储结构640可以是存储门或存储二极管。转移晶体管642可耦接在存储门640和浮动扩散节点(FD)614之间。转移晶体管634可耦接在存储门632和存储门602(在本文中有时称为存储门)之间。在一些实施方案中，存储结构602可以是存储门或存储二极管。转移晶体管606可耦接在存储门606和浮动扩散节点614之间。浮动扩散电容616可耦接在浮动扩散节点614和地618之间。重置晶体管612可耦接在浮动扩散节点614和电压源622之间。源极跟随器晶体管620可具有耦接到浮动扩散节点614的栅极端子，耦接到电压源622的第一源极-漏极端子，以及通过行选择晶体管624耦接到列输出线626的第二源极-漏极端子。列输出线626可耦接到诸如模数转换电路的下游处理电路。
在曝光期间，入射的光(即入射光)可以在光电二极管610中转换为电荷，该光电二极管可具有有限的电荷存储容量。在高亮度条件下，光电二极管610的电荷存储容量可能不足以存储在光电二极管610中生成的所有电荷，并且所生成的电荷的一部分可能溢出。阈值晶体管630可接收设置为阈值电压的控制信号TX，其允许溢出电荷传递到节点649，而非溢出电荷保留在光电二极管610上。
存储门636可接收控制信号SG1。存储门640可接收控制信号SG2。存储门632可接收控制信号SG3。存储门602可接收控制信号SG4。存储门重置晶体管604可接收控制信号SG_RES。存储门602、632、636和640可类似于上文结合图4A描述的存储门432进行操作。控制信号SG1、SG3和SG_RES可具有相互排斥的时序(例如，当SG1处于高电压电平VH时，则SG3处于中等电压电平VM并且SG_RES处于低电压电平VL，当SG3处于高电压电平VH时，则SG1处于中等电压电平VM并且SG_RES处于低电压电平VL，当SG_RES处于高电压电平VH时，则SG3处于中等电压电平VM并且SG1处于中等电压电平M)。具体地讲，存储门重置晶体管608的激活以及存储门632和636上电荷的相应加载和积聚可以各自是相互排斥的事件。这种相互排斥的时序允许在曝光期间在光电二极管610处生成的电荷积聚并存储在存储门632处(例如，作为溢出电荷的第一部分存储)，积聚并存储在存储门636处(例如，作为溢出电荷的第二部分存储)，或者通过存储门重置晶体管608在电压源622处被清理掉。在曝光期间在电压源622处被清理掉的溢出电荷的量可使用下游处理电路(未示出)来估计和考虑，该估计和考虑基于未被清理(即，最终从像素600读出)的溢出电荷量以及基于信号SG1、SG3和SG_RES的相应占空比。在曝光期结束时，可通过使信号RST生效来激活重置晶体管612，进而重置浮动扩散节点614。
一旦曝光期结束，积聚在存储门632中的所有电荷可通过以下设置被转移到存储门602：将SG3设置为低电压电平VL，将控制信号TX3设置为高电压电平以激活转移晶体管634，并且将控制信号SG4设置为高电压电平VH使得存储门602可接收转移的电荷。此外，在曝光期结束时，积聚在存储门636中的所有电荷可通过以下设置被转移到存储门640：将SG1设置为低电压电平VL，将控制信号TX1设置为高电压电平以激活转移晶体管638，并且将控制信号SG2设置为高电压电平VH使得存储门640可接收转移的电荷。然后，存储门602可通过使信号TX4生效来激活转移晶体管606，从而将溢出电荷的第一部分传递到浮动扩散节点614，同时为了确保电荷流入浮动扩散节点614，信号SG2和TX1保持为低。然后，光电二极管610处的非溢出电荷可通过阈值晶体管630、存储门632和转移晶体管634传递到存储门602。
在读出操作期间，可通过使信号RS生效来激活行选择晶体管624，以便读出与存储在浮动扩散节点614处的溢出电荷的第一部分相对应的输出信号。如果需要，行选择晶体管624可在整个读出序列中保持被激活。然后可使用重置晶体管612来重置浮动扩散节点614。然后可通过激活行选择晶体管624来读出存储在浮动扩散节点614处的重置值。存储在存储门640处的溢出电荷的第二部分随后可被转移到浮动扩散节点614。然后可激活行选择晶体管624以读出与存储在浮动扩散节点614处的溢出电荷的第二部分相对应的另一输出信号。然后可使用重置晶体管612再次重置浮动扩散节点614。然后可通过激活行选择晶体管624从浮动扩散节点614读取第二重置值。然后可通过激活转移晶体管606将存储在存储门602处的非溢出电荷转移到浮动扩散节点614。然后可激活行选择晶体管624以读出与存储在浮动扩散节点614处的非溢出电荷相对应的另一输出信号。然后可再次重置浮动扩散节点614以准备下一个曝光/积聚周期。
信号SG1、SG3和SG_RES可按照图6B所示的时序图升降。时间段t1、t2和t3可表示在曝光期间信号SG1、SG3和SG_RES的单个时钟周期。在时间段t1，SG1可处于高电压电平VH，而SG3处于中等电压电平VM，并且SG_RES处于低电压电平VL，使得节点649处的电荷积聚在存储门636处。在时间段t2，SG1可处于中等电压电平VM，而SG3处于高电压电平VH，并且SG_RES处于低电压电平VL，使得节点649处的电荷积聚在存储门632处。在时间段t3，SG1可处于中等电压电平VM，而SG3处于中等电压电平VM，并且SG_RES处于高电压电平VH，使得节点649处的电荷在电压源622处被清理掉。在整个曝光期间，由时间段t1、t2和t3表示的时钟周期可重复。如图6B所示，信号SG1、SG3和SG_RES可各自具有相同的占空比(例如，占空比为约33.3％)。如果需要，信号SG1、SG3和SG_RES的占空比可变化，只要每个信号处于VH的相应生效保持相互排斥。在一些实施方案中，在曝光期间可能存在其中信号SG1保持处于VM，SG3保持处于VM，并且SG_RES保持处于VL的时间段。应当注意，在一些实施方案中，可以不使用高电压电平VH，而使用幅度在VH和VM之间的中-高电压电平，使得当电荷被加载到存储门632和存储门636上时，在光电二极管上仍保留一些电荷。
时间段t3可从曝光期结束时开始。在t3处，信号SG1、SG3和SG_RES保持处于VL，而信号SG2、SG4、TX1和TX3保持处于VH，使得已经积聚在存储门632处的电荷通过转移晶体管634并存储在存储门602处，并且已经积聚在存储门636处的电荷通过转移晶体管638并存储在存储门640处。
图7A是包括电荷转向耦合栅极结构并且可以双增益配置读出的像素电路700的图。耦合栅极结构731可包括存储门重置晶体管704、阈值晶体管730和转移晶体管751。耦合栅极结构可像电荷耦合器件结构那样工作。阈值晶体管730可耦接在光电二极管(PD)710和节点749之间。光电二极管710可耦接在阈值晶体管730和地718之间。存储门重置晶体管704可耦接在节点749和电压源722之间。电压源722可提供电压Vdd。转移晶体管751可耦接在节点749和节点753之间。存储结构732(在本文中有时称为积聚存储门或存储门)可耦接在节点753和转移门734之间。在一些实施方案中，存储结构732可以是存储门或存储二极管。对于存储结构732为存储门的实施方案而言，附加晶体管可任选地插置在存储结构732和转移晶体管751之间。对于存储结构732是存储二极管的实施方案，附加晶体管可插置在存储结构732和转移晶体管751之间。存储门732可以是钉扎存储节点，该存储节点能够完全耗尽(例如，在电荷转移期间，所有电荷可从存储节点732移除)。存储结构702(在本文中有时称为存储门)可耦接在转移门734和转移门706之间。在一些实施方案中，存储结构702可以是存储门或存储二极管。转移门706可耦接到浮动扩散节点714。
增益选择晶体管744可耦接到节点753。增益选择电容器746可耦接在增益选择晶体管744和地718之间。重置晶体管712可耦接在增益选择晶体管744和电压源722之间。转移晶体管748可耦接在增益选择电容器746和浮动扩散节点714之间。增益选择晶体管750可耦接到节点753。增益选择电容器752可耦接在增益选择晶体管750和地718之间。重置晶体管713可耦接在增益选择晶体管750和电压源722之间。在重置操作期间，重置晶体管712和713可分别通过使信号RST1和RST2生效来激活，以重置增益选择电容器746和752。重置晶体管712和713是可选的。重置晶体管760可耦接在电压源722和浮动扩散节点714之间。重置晶体管760可用于重置浮动扩散节点714，并且如果需要，重置存储门732和702。转移晶体管754可耦接在增益选择电容器752和浮动扩散节点714之间。
浮动扩散电容716可耦接在浮动扩散节点714和地718之间。源极跟随器晶体管720可具有耦接到浮动扩散节点714的栅极端子，耦接到电压源722的第一源极-漏极端子，以及通过行选择晶体管724耦接到列输出线726的第二源极-漏极端子。列输出线726可耦接到诸如模数转换电路的下游处理电路。
在曝光期间，入射的光(即入射光)可以在光电二极管710中转换为电荷，该光电二极管可具有有限的电荷存储容量。在高亮度条件下，光电二极管710的电荷存储容量可能不足以存储在光电二极管710中生成的所有电荷，并且所生成的电荷的一部分可能溢出。阈值晶体管730可接收设置为阈值电压的控制信号TX，其允许溢出电荷传递到节点749，而非溢出电荷保留在光电二极管710上。
存储门732可接收控制信号SG_INT。存储门重置晶体管704可接收控制信号SG_RES。转移晶体管751可接收控制信号TX1。增益选择晶体管744可接收控制信号GS1。增益选择晶体管可接收控制信号GS2。存储门702可接收控制信号SG_STORE。存储门732和702可类似于上文结合图4A描述的存储门432进行操作。
在曝光期间，信号TX1和SG_RES可具有相互排斥的时序(例如，当SG_RES低时TX1处于高电压VH，并且当SG_RES高时TX1处于低电压VL)。通过以这种方式振荡信号TX1和SG_RES，当SG_RES处于高电压电平时，出现在节点749上的溢出电荷可被路由到电压源722，并且当TX1处于高电压电平时可被传递到节点753。SG_INT可类似于TX1定时，使得当TX1高时SG_INT处于高电压电平VH，以便在存储门732处积聚出现在节点753处的溢出电荷。当像素700处于双增益配置时，增益选择晶体管744和750可通过在TX1生效时使信号GS1或信号GS2生效来激活，使得存储在存储门732处的溢出电荷的一部分可被存储在增益选择电容器746和752中的所选择的一个上。电荷向增益选择电容器746和752之一的转移可通过将增益选择晶体管744和750中的相应一个设置在阈值处(例如，通过调整信号GS1和GS2的电压电平)来触发，使得仅当存储在存储门732处的电荷量高于预定电平时，电荷才从存储门732转移到增益选择电容器746和752之一。在曝光期间在电压源722处被清理掉的溢出电荷的量可使用下游处理电路(未示出)来估计和考虑，该估计和考虑基于未被清理(即，最终从像素700读出)的溢出电荷量以及基于信号TX1和SG_RES的相应占空比。在曝光期结束时，可通过使信号RST3生效来激活重置晶体管760，进而重置浮动扩散节点714。
一旦曝光期结束，积聚在存储门732中的所有电荷可通过以下设置被转移到存储门702：将SG_INT设置为低电压电平VL，将控制信号TX2设置为高电压电平以激活转移晶体管734，并且将控制信号SG_STORE设置为高电压电平VH使得存储门702可接收转移的电荷。然后，存储门702可通过使信号TX2生效来激活转移晶体管706，从而将溢出电荷传递到浮动扩散节点714，同时为了确保电荷流入浮动扩散节点714，信号SG_STORE和TX2保持为低。然后，光电二极管710处的非溢出电荷可通过阈值晶体管730、转移晶体管751、存储门732和转移晶体管734传递到存储门702。
在读出操作期间，可通过使信号RS生效来激活行选择晶体管724，以便读出与浮动扩散节点714处的溢出电荷相对应的第一输出信号。然后可通过使信号RST3生效来激活重置晶体管760，以便重置浮动扩散节点714。。然后可激活行选择晶体管724以读出与浮动扩散节点714处的重置值相对应的第一重置信号。然后可使信号TX4生效以在增益选择电容器746和浮动扩散节点714之间分配电荷。然后可使行选择晶体管724生效以读出与浮动扩散节点714处的电压相对应的第二输出信号。然后可通过激活重置晶体管760再次重置浮动扩散节点714。在此第二重置操作期间，晶体管748可以保持被激活，使得增益选择电容器746也被重置。或者，晶体管748可在第二重置操作期间被停用，并且增益选择电容器746可在稍后通过使信号RST1生效来激活重置晶体管712而被重置。在进行第二重置操作之后，可激活行选择晶体管724，以便读出与浮动扩散节点714处的重置值对应的第二重置信号。然后，存储门702可通过使信号TX3生效来激活转移晶体管706，从而将非溢出电荷传递到浮动扩散节点714，同时为了确保非溢出电荷流入浮动扩散节点714，信号SG_STORE和TX2保持为低。然后可使行选择晶体管724生效以读出与浮动扩散节点714处的重置值相对应的第三重置信号。如果需要，读取非溢出电荷和增益选择电容器746处的电荷的顺序可被交换(例如，先读出非溢出电荷，再读出存储在增益选择电容器746处的电荷)。上述读出操作只是可能的读出方法/布置的一个例子。如果需要，可替代地使用其他双增益读出方法。
在下一次曝光、积聚和读出期间，应使用增益选择晶体管750、增益选择电容器752、重置晶体管713和晶体管754(即，第二增益选择路径)来取代增益选择晶体管744、增益选择电容器746、重置晶体管712和晶体管748(即，第一增益选择路径)。应在连续的每轮曝光、积聚和读出之间交替第一增益选择路径和第二增益选择路径。
信号TX1和SG_RES可按照图7B所示的时序图升降。时间段t1和t2可表示在曝光期间信号TX1和SG_RES的单个时钟周期。在时间段t1，TX1可处于高电压电平VH，而SG_RES处于低电压电平VL，使得节点749处的溢出电荷被传递到节点753。在时间段t2，TX1可处于低电压电平VL，而SG_RES处于高电压电平VH，使得溢出电荷在电压源722处被清理掉。在整个曝光期间，由时间段t1和t2表示的时钟周期可重复。如图7B所示，信号TX1和SG_RES可各自具有50％的占空比。如果需要，可以选择其他占空比。例如，如果需要增加的动态范围，信号TX1可具有25％的占空比，并且信号SG_RES可具有75％的占空比。在一些实施方案中，在曝光期间可能存在其中信号TX1保持处于VL，并且SG_RES保持处于VL的时间段。
已经描述了各种实施方案，示出了具有含电荷转向结构的像素的全局快门图像传感器。具有含电荷转向结构的像素的图像传感器可用于成像系统(诸如电子设备)中。
图像传感器像素可包括在曝光期间响应于入射光而生成电荷的光电二极管、耦接到光电二极管的耦合栅极结构、通过耦合栅极结构耦接到光电二极管的存储结构，以及耦接到存储结构的浮动扩散节点。可在全局快门模式下从图像传感器像素中读出信号。
耦合栅极结构可包括阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到光电二极管并且被设置为阈值电压，使得所生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；耦接到电压源的重置晶体管；以及耦接在阈值晶体管和第一转移晶体管之间的积聚存储结构。阈值晶体管可插置在光电二极管和重置晶体管之间。溢出电荷的第一部分可被路由到并存储在积聚存储结构中。溢出电荷的第二部分可通过重置晶体管被路由到电压源。重置晶体管可在曝光期间接收在高电压和低电压之间振荡的第一控制信号。积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号。处于高电压的第一控制信号可与处于高电压的第二控制信号相互排斥。耦合栅极结构还可包括耦接到阈值晶体管的附加积聚存储结构。图像传感器像素还可包括耦接在附加积聚存储结构和浮动扩散节点之间的附加存储结构。附加积聚存储结构可接收在高电压和中等电压之间振荡的第三控制信号。处于高电压的第三控制信号可与处于高电压的第一控制信号和处于高电压的第二控制信号相互排斥。
本实用新型提供了成像传感器，所述成像传感器可包括被布置成行和列的像素阵列。每个像素可包括响应于入射的光而生成电荷的光敏元件、耦接到光敏元件的电荷转向结构、通过电荷转向结构耦接到光敏元件的存储结构，以及耦接到存储结构的浮动扩散节点。
电荷转向结构可包括阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到光敏元件并且被设置为阈值电压，使得所生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；耦接到电压源的重置晶体管。阈值晶体管可插置在光电二极管和重置晶体管之间。
在一个实施方案中，每个像素还可包括耦接在阈值晶体管和存储结构之间的附加存储结构。溢出电荷的第一部分可被路由到并存储在附加存储结构中。溢出电荷的第二部分可通过重置晶体管被路由到电压源。重置晶体管可在曝光期间接收以第一频率振荡的第一控制信号。附加存储结构可在曝光期间接收以第一频率振荡的第二控制信号。在曝光期间，第一控制信号可与第二控制信号180度异相。
在一个实施方案中，每个像素还可包括耦接到浮动扩散节点的增益选择电容器及耦接在增益选择电容器和附加存储结构之间的增益选择晶体管，耦接到浮动扩散节点的附加增益选择电容器，以及耦接在附加增益选择电容器和附加存储结构之间的附加增益选择晶体管。溢出电荷的第一部分经由附加存储结构的激活被路由到并存储在附加存储结构以及增益选择电容器和附加增益选择电容器中的所选择的一个。溢出电荷的第二部分可经由重置晶体管的激活通过重置晶体管被路由到电压源。重置晶体管的激活和附加存储结构的激活可相互排斥。
成像系统可包括具有被布置成行和列的像素阵列的图像传感器。像素阵列中的每个像素可包括响应于入射光而生成电荷的光电二极管、耦接到光电二极管的短积聚存储结构、耦接到光电二极管的长积聚存储结构、耦接到短积聚存储结构的浮动扩散节点，以及耦接在长积聚存储结构和浮动扩散节点之间的电荷存储结构。电荷的第一部分可被路由到并存储在短积聚存储结构中。电荷的第二部分可被路由到并存储在长积聚存储结构中。短积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第一控制信号。长积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号。处于高电压的第一控制信号可与处于高电压的第二控制信号相互排斥。像素阵列中的每个像素还可包括电压源及耦接在光电二极管和电压源之间的抗光晕晶体管。
根据一个实施方案，图像传感器像素可包括在曝光期间响应于入射光而生成电荷的光电二极管、耦接到光电二极管的耦合栅极结构、通过耦合栅极结构耦接到光电二极管的存储结构，以及耦接到存储结构的浮动扩散节点。
根据另一个实施方案，耦合栅极结构可包括阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到光电二极管并且被设置为阈值电压，使得所生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；耦接到电压源的重置晶体管；以及耦接在阈值晶体管和存储结构之间的积聚存储结构。阈值晶体管可插置在光电二极管和重置晶体管之间。
根据另一个实施方案，溢出电荷的第一部分可被路由到并存储在积聚存储结构中。溢出电荷的第二部分可通过重置晶体管被路由到电压源。
根据另一个实施方案，重置晶体管可在曝光期间接收在高电压和低电压之间振荡的第一控制信号。积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号。处于高电压的第一控制信号可与处于高电压的第二控制信号相互排斥。
根据另一个实施方案，耦合栅极结构还可包括耦接到阈值晶体管的附加积聚存储结构。
根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括耦接在附加积聚存储结构和浮动扩散节点之间的附加存储结构。
根据另一个实施方案，附加积聚存储结构可接收在高电压和中等电压之间振荡的第三控制信号。处于高电压的第三控制信号可与处于高电压的第一控制信号和处于高电压的第二控制信号相互排斥。
根据另一个实施方案，可在全局快门模式下从图像传感器像素中读出信号。
根据一个实施方案，图像传感器可包括被布置成行和列的像素阵列。每个像素可包括响应于入射的光而生成电荷的光敏元件、耦接到光敏元件的电荷转向结构、通过电荷转向结构耦接到光敏元件的存储结构，以及耦接到存储结构的浮动扩散节点。
根据另一个实施方案，电荷转向结构可包括阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到光敏元件并且被设置为阈值电压，使得所生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；以及耦接到电压源的重置晶体管。阈值晶体管可插置在光电二极管和重置晶体管之间。
根据另一个实施方案，附加存储结构可耦接在阈值晶体管和存储结构之间。溢出电荷的第一部分可被路由到并存储在附加存储结构中。溢出电荷的第二部分可通过重置晶体管被路由到电压源。
根据另一个实施方案，重置晶体管可在曝光期间接收以第一频率振荡的第一控制信号。附加存储结构可在曝光期间接收以第一频率振荡的第二控制信号。在曝光期间，第一控制信号可与第二控制信号180度异相。
根据另一个实施方案，每个像素可包括耦接到浮动扩散节点的增益选择电容器，以及耦接在增益选择电容器和附加存储结构之间的增益选择晶体管。
根据另一个实施方案，每个像素还可包括耦接到浮动扩散节点的附加增益选择电容器，以及耦接在附加增益选择电容器和附加存储结构之间的附加增益选择晶体管。
根据另一个实施方案，溢出电荷的第一部分经由附加存储结构的激活被路由到并存储在附加存储结构以及增益选择电容器和附加增益选择电容器中的所选择的一个。溢出电荷的第二部分可经由重置晶体管的激活通过重置晶体管被路由到电压源。
根据另一个实施方案，重置晶体管的激活和附加存储结构的激活可相互排斥。
根据一个实施方案，成像系统可包括具有被布置成行和列的像素阵列的图像传感器。像素阵列中的每个像素可包括响应于入射光而生成电荷的光电二极管、耦接到光电二极管的短积聚存储结构、耦接到光电二极管的长积聚存储结构、耦接到短积聚存储结构的浮动扩散节点，以及耦接在长积聚存储结构和浮动扩散节点之间的电荷存储结构。
根据另一个实施方案，电荷的第一部分可被路由到并存储在短积聚存储结构中。电荷的第二部分可被路由到并存储在长积聚存储结构中。
根据另一个实施方案，短积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第一控制信号。长积聚存储结构可在曝光期间接收在高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号。处于高电压的第一控制信号可与处于高电压的第二控制信号相互排斥。
根据另一个实施方案，像素阵列中的每个像素还可包括电压源及耦接在光电二极管和电压源之间的抗光晕晶体管。
上述内容仅仅是说明本实用新型的原理，这些原理也可在其他实施方案中实践。

Claims (10)

1.一种图像传感器像素，包括：
光电二极管，所述光电二极管在曝光期间响应于入射光而生成电荷；
耦合栅极结构，所述耦合栅极结构耦接到所述光电二极管；
存储结构，所述存储结构通过所述耦合栅极结构耦接到所述光电二极管；和
浮动扩散节点，所述浮动扩散节点耦接到所述存储结构。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述耦合栅极结构包括：
阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到所述光电二极管，并且被设置到阈值电压，使得生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到电压源，其中所述阈值晶体管被置于所述光电二极管和所述重置晶体管之间；和
积聚存储结构，所述积聚存储结构耦接在所述阈值晶体管和所述存储结构之间。
3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中所述溢出电荷的第一部分被路由到并存储在所述积聚存储结构中，其中所述溢出电荷的第二部分通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，其中所述重置晶体管接收在所述曝光期间在高电压和低电压之间振荡的第一控制信号，其中所述积聚存储结构接收在所述曝光期间在所述高电压和中等电压之间振荡的第二控制信号，并且其中处于所述高电压的所述第一控制信号与处于所述高电压的所述第二控制信号相互排斥。
4.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其中所述耦合栅极结构进一步包括：
附加积聚存储结构，所述附加积聚存储结构耦接到所述阈值晶体管。
5.根据权利要求4所述的图像传感器像素，还包括：
耦接在所述附加积聚存储结构和所述浮动扩散节点之间的附加存储结构，其中所述附加积聚存储结构接收在所述高电压和所述中等电压之间振荡的第三控制信号，其中处于所述高电压的所述第三控制信号与处于所述高电压的所述第一控制信号和处于所述高电压的所述第二控制信号相互排斥，并且其中信号以全局快门模式从所述图像传感器像素读出。
6.一种图像传感器，包括：
像素阵列，所述像素阵列按行和列布置，其中每个像素包括：
光敏元件，所述光敏元件响应于入射光而生成电荷；
电荷转向结构，所述电荷转向结构耦接到所述光敏元件；
存储结构，所述存储结构通过所述电荷转向结构耦接到所述光敏元件；和
浮动扩散节点，所述浮动扩散节点耦接到所述存储结构。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述电荷转向结构包括：
阈值晶体管，所述阈值晶体管耦接到所述光敏元件，并且被设置到阈值电压，使得生成的电荷的一部分作为溢出电荷溢出通过所述阈值晶体管；和
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到电压源，其中所述阈值晶体管被置于光电二极管和所述重置晶体管之间。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中每个像素进一步包括：
耦接在所述阈值晶体管和所述存储结构之间的附加存储结构，其中所述溢出电荷的第一部分被路由到并存储在所述附加存储结构中，并且其中所述溢出电荷的第二部分通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，其中所述重置晶体管接收在曝光期间以第一频率振荡的第一控制信号，其中所述附加存储结构接收在所述曝光期间以所述第一频率振荡的第二控制信号，并且其中在所述曝光期间所述第一控制信号与所述第二控制信号180度异相。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中每个像素进一步包括：
增益选择电容器，所述增益选择电容器耦接到所述浮动扩散节点；
增益选择晶体管，所述增益选择晶体管耦接在所述增益选择电容器和所述附加存储结构之间；
附加增益选择电容器，所述附加增益选择电容器耦接到所述浮动扩散节点；和
附加增益选择晶体管，所述附加增益选择晶体管耦接在所述附加增益选择电容器和所述附加存储结构之间。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述溢出电荷的第一部分经由所述附加存储结构的激活被路由到并存储在所述附加存储结构以及存储在所述增益选择电容器和所述附加增益选择电容器中的所选择的一个，其中所述溢出电荷的第二部分经由所述重置晶体管的激活通过所述重置晶体管被路由到所述电压源，并且其中所述重置晶体管的激活和所述附加存储结构的激活是相互排斥的。
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