DE102017209407A1

DE102017209407A1 - Bildsensoren mit led flackermilderung und global-shutter-pixeln

Info

Publication number: DE102017209407A1
Application number: DE102017209407.9A
Authority: DE
Inventors: Tomas Geurts
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2017-12-07
Also published as: US20170350755A1; US10072974B2; CN206977570U

Abstract

Ein Bildsensor kann ein oder mehrere Pixel umfassen, die eine Ladungslenkungs-Struktur aufweisen, die selektiv Ladung von einer Photodiode ableiten kann, um den dynamischen Bereich des Pixels zu erhöhen. Die Ladungslenkungs-Struktur kann eine gekoppelte Gatestruktur sein, die während der Belichtungsperiode Überschussladung zu einer Spannungsquelle und zu einer oder mehreren integrierenden Speicherstrukturen leitet. Die Ladungslenkungs-Struktur kann aus zwei integrierenden Speicherstrukturen bestehen, die direkt mit der Photodiode verbunden sind und während der Belichtungsperiode abwechselnd von der Photodiode generierte Ladung integrieren. Die in der Ladungslenkungs-Struktur enthaltenen Speicherstrukturen und Transistoren können Steuersignale empfangen, die in einer sich gegenseitig ausschließenden Art und Weise ausgegeben werden können. Pixel können auch eine Dual-Gain-Struktur umfassen, die zusätzliche Speicherkapazität bereitstellen kann.

Description

HINTERGRUND
Das vorliegende Dokument betrifft allgemein Bildgebungssensoren und insbesondere Bildgebungssensoren mit Global-Shutter-Pixeln, die LED-Flackermilderungs-(LFM)-Strukturen umfassen.
Bei herkömmlichen Abbildungssystemen können von bewegten Objekten, durch Bewegungen oder Wackeln einer Kamera, durch flackernde Beleuchtung und durch Objekte mit veränderlicher Beleuchtungsstärke Artefakte in einem Einzelbild (image frame) verursacht werden. Solche Artefakte können zum Beispiel fehlende Teile eines Objekts, Farbsaumartefakte und Objektverzerrung einschließen. Beispiele für Objekte mit veränderlicher Beleuchtungsstärke schließen Leuchtdioden(LED)-Verkehrszeichen (die mehrere Hundert Mal pro Sekunde aufflackern können) und LED-Bremsleuchten oder Scheinwerfer moderner Autos ein.
Auch wenn Rolling-Shutter- und Global-Shutter-Modi Bilder mit unterschiedlichen Artefakten hervorbringen, ist die Grundursache für solche Artefakte bei beiden Betriebsmodi die gleiche. In der Regel erlassen Bildsensoren Licht asynchron in Bezug auf die aufgenommene Szenerie bzw. das aufgenommene Bild. Das bedeutet, dass Teile eines Bild-Frames über einem Teil der Frame-Dauer möglicherweise nicht belichtet werden. Dies gilt insbesondere für helle Szenerien, wenn Integrationszeiten viel kürzer sind als die verwendete Frame-Zeit. Zonen in einem Einzelbild, die nicht vollständig durch dynamische Szenerie belichtet werden, können zu einer Objektverzerrung, zu Geisterbildeffekten und Farbartefakten führen, wenn die Szenerie sich bewegende oder sich schnell verändernde Objekte einschließt. Ähnliche Effekte können beobachtet werden, wenn sich die Kamera während Bildaufnahmevorgängen bewegt oder wackelt.
Herkömmliche Abbildungssysteme können auch Bilder mit Artefakten aufweisen, die einem niedrigen Dynamikbereich bzw. Kontrast zugeordnet sind. Szenen mit hellen und dunklen Abschnitten können in herkömmlichen Bildsensoren Artefakte produzieren, da Abschnitte des Bildes überbelichtet oder unterbelichtet werden können.
Es wäre daher wünschenswert, Global-Shutter-Abbildungssysteme für einen hohen Dynamikbereich (HDR) bereitstellen zu können, um Bilder mit minimalen Artefakten verbunden mit bewegten Objekten, bewegter oder wackelnder Kamera, flackernder Beleuchtung und Objekten mit sich ändernder Beleuchtung aufnehmen zu können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Systems, das ein Abbildungssystem und ein Host-Subsystem gemäß einer Ausführungsform enthält.
2 ist ein Diagramm eines beispielhaften Bildsensors gemäß einer Ausführungsform mit einem Array aus Bildpixeln und einer Steuerschaltung, die mit dem Array aus Bildpixeln gekoppelt ist.
3 ist ein Schaltplan eines Bildsensorpixels, bei dem ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen gemäß einer Ausführungsform verwendet wird.
4A ist ein Schaltplan eines beispielhaften Bildsensorpixels, bei dem gemäß einer Ausführungsform ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen verwendet wird und das eine Ladungslenkungs-Struktur umfasst.
4B ist ein veranschaulichendes Timing-Diagramm mit der Darstellung des Timings der Steuersignale der Ladungslenkungs-Struktur gemäß einer Ausführungsform aus 4A.
5A ist ein Schaltplan eines beispielhaften Bildsensorpixels, gemäß einer Ausführungsform, bei dem ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen verwendet wird und das eine Ladungslenkungs-Struktur mit einem langen Integrationsweg und einem kurzen Integrationsweg umfasst.
5B ist ein veranschaulichendes Timing-Diagramm, in dem das Timing der Steuersignale der Ladungslenkungs-Struktur gemäß einer Ausführungsform aus 5A dargestellt ist.
6A ist ein Schaltplan eines beispielhaften Bildsensorpixels gemäß einer Ausführungsform, bei dem ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen verwendet wird und das eine Ladungslenkungs-Struktur umfasst, und mindestens zwei Pixel-Belichtungen erfordert.
6B ist ein veranschaulichendes Timing-Diagramm mit der Darstellung des Timings der Steuersignale der Ladungslenkungs-Struktur gemäß einer Ausführungsform aus 6A.
7A ist ein Schaltplan eines beispielhaften Bildsensorpixels gemäß einer Ausführungsform, bei dem ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen verwendet wird und das eine Ladungslenkungs-Struktur sowie Dual-Gain-Speicherkondensatoren umfasst.
7B ist ein veranschaulichendes Timing-Diagramm mit der Darstellung des Timings der Steuersignale der Ladungslenkungs-Struktur gemäß einer Ausführungsform aus 7A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Bildsensoren, insbesondere auf Global-Shutter-Bildsensoren, die Pixel aufweisen, die jeweils über gekoppelte Gatestrukturen mit LED-Flackermilderungs-(LFM)-Timing zur Bildgebung im hohen Dynamikbereich verfügen. Der Fachmann wird erkennen, dass die vorliegenden Ausführungsbeispiele auch ohne einige oder alle dieser spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden bereits bekannte Operationen nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegenden Ausführungsformen nicht unnötig zu verschleiern.
Bilderzeugungssysteme, die digitale Kameramodule aufweisen, werden in elektronischen Vorrichtungen wie Digitalkameras, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Vorrichtungen in großem Umfang genutzt. Ein Digitalkamera-Modul kann einen oder mehrere Bildsensoren einschließen, die eintreffendes Licht sammeln, um ein Bild zu erfassen.
In einigen Situationen können bildgebende Systeme einen Teil eines größeren Systems bilden, wie z. B. eines Überwachungssystems oder eines Sicherheitssystems für ein Fahrzeug (z. B. ein Automobil, einen Bus oder ein beliebiges anderes Fahrzeug). Bei einem Fahrzeug-Sicherheitssystem können durch das bildgebende System erfasste Bilder vom Fahrzeug-Sicherheitssystem verwendet werden, um Umweltbedingungen in der Umgebung des Fahrzeugs zu bestimmen. Beispiele für Fahrzeug-Sicherheitssysteme können Systeme einschließen, wie z. B. ein Park-Assistenzsystem, ein automatisches oder halbautomatisches Geschwindigkeitsregelsystem, ein automatisches Bremssystem, ein Kollisionsvermeidungssystem, ein Spurhaltesystem (gelegentlich bezeichnet als Spurabweichungs-Vermeidungssystem) usw.
Zumindest in einigen Fällen kann ein bildgebendes System einen Teil eines halbautonomen oder autonomen selbstfahrenden Fahrzeugs bilden. Derartige bildgebende Systeme können Bilder erfassen und unter Verwendung dieser Bilder in der Nähe befindliche Fahrzeuge erkennen. Wenn ein in der Nähe befindliches Fahrzeug in einem Bild erfasst wird, kann das Fahrzeugsicherheitssystem manchmal ein Warnlicht, einen Warnalarm betätigen oder kann Brems-, aktive Lenk- oder andere aktive Kollisionsvermeidungsmaßnahmen aktivieren. Ein Fahrzeug-Sicherheitssystem kann kontinuierlich von einem bildgebenden System mit einem Digitalkamera-Modul erfasste Bilder verwenden, um das Vermeiden von Kollisionen mit Objekten (z. B. mit anderen Automobilen oder anderen Objekten in der Umgebung) zu unterstützen, um ein unbeabsichtigtes Abweichen (z. B. Überfahren von Fahrbahnbegrenzungen) zu vermeiden oder um auf andere Weise den sicheren Betrieb eines Fahrzeugs während eines normalen Betriebsmodus des Fahrzeugs zu unterstützen.
Bildsensoren können Arrays bzw. Anordnungen aus Bildpixeln einschließen. Die Pixel in den Bildsensoren können lichtempfindliche Elemente wie Photodioden einschließen, die das auftreffende Licht in elektrische Ladung umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln besitzen (z. B. hunderte oder tausende oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise hunderte, tausende oder Millionen von Pixeln haben (z. B. Megapixel).
Unter manchen Umständen, wenn beispielsweise sehr hell ist, kann sich in einer Photodiode eines Bildsensor-Pixels mehr Ladung ansammeln, als innerhalb des Pixels gespeichert werden kann. So können zum Beispiel Speicherknoten oder Photodioden in einem Pixel möglicherweise nur eine begrenzte Ladungsmenge speichern. Diese eingeschränkte Ladungsspeicherkapazität kann den dynamischen Bereich des Pixels reduzieren, was unerwünscht ist. Um diese Einschränkung des dynamischen Bereichs überwinden zu können, kann es wünschenswert sein, einen Mechanismus einzuschließen, um einen Teil der Ladung im Pixel entweder zu zusätzlichen Speicherknoten im Pixel oder zu einer Pixel-Spannungsquelle zu lenken. Eine derartige Ladungslenkung kann beispielsweise erreicht werden, indem die Spannung eines oder mehrerer mit der Photodiode gekoppelter Transistoren während der Ladungsakkumulation auf ein mittleres Niveau eingestellt wird. Durch eine derartige teilweise Aktivierung des/der Transistor(en) kann die überschüssige Ladung (hierin manchmal auch als Überschussladung bezeichnet) von der Photodiode zu einem oder mehreren Speicherknoten oder zur Pixel-Spannungsquelle geleitet werden.
Zur Pixel-Spannungsquelle geleitete Überschussladungen werden abgeleitet. Eine solche Ladungsableitung kann so vorgenommen werden, dass eine einigermaßen genaue Abschätzung der abgeleiteten Ladungsmenge vorgenommen werden kann, was durch nachgelagerte Verarbeitungsschaltungen berücksichtigt werden kann. Überschussladungen, die zu den Speicherknoten geleitet werden, können getrennt von Nicht-Überschussladungen ausgelesen werden. Die Größe des ausgelesenen Überschussladungssignals kann ein bekannter Bruchteil der gesamten Überschussladung sein. Auf diese Weise kann ein Teil der in der Photodiode akkumulierten Ladung durch den Bildsensor nachverfolgt werden, ohne dass die Ladung gespeichert werden muss, wodurch der dynamische Bereich des Pixels erweitert wird.
In manchen Konfigurationen können Überschussladungen nicht zur Pixel-Spannungsquelle, sondern stattdessen zu mehreren Speicherknoten geleitet werden. Bei derartigen Konfigurationen können Überschussladungen ebenso getrennt von Nicht-Überschussladungen ausgelesen werden. Durch das separate Auslesen von Überschussladungen und Nicht-Überschussladungen kann der dynamische Bereich des Pixels erweitert werden. Das Verfahren zum Auslesen von Überschussladungen und Nicht-Überschussladungen wird hier nicht im Detail beschrieben, um die vorliegenden Ausführungsformen nicht unnötigerweise zu verkomplizieren.
1 ist ein Diagramm eines der Veranschaulichung dienenden Imaging-and-Response-Systems mit einem Abbildungssystem, bei dem ein Bildsensor zum Erfassen von Bildern verwendet wird. Ein System 100 von 1 kann ein Fahrzeugsicherheitssystem (z. B. ein aktives Bremssystem oder ein anderes Fahrzeugsicherheitssystem) sein, kann ein Überwachungssystem sein oder kann eine elektronische Vorrichtung sein wie eine Kamera, ein Mobiltelefon, eine Videokamera oder eine andere elektronische Vorrichtung, die digitale Bilddaten aufnimmt.
Wie in 1 gezeigt, kann das System 100 ein Abbildungssystem, wie beispielsweise ein Abbildungssystem 10, und Hostteilsysteme, wie beispielsweise ein Hostteilsystem 20, einschließen. Das bildgebende System 10 kann das Kameramodul 12 einschließen. Das Kameramodul 12 kann einen oder mehrere Bildsensoren 14 und eine oder mehrere Linsen einschließen. Die Linsen im Kameramodul 12 können beispielsweise M·N individuelle, in einem M-×-N-Array angeordnete Linsen einschließen. Die individuellen Bildsensoren 14 können in einem entsprechenden M-×-N-Bildsensor-Array (als Beispiel) angeordnet sein. Die Werte für M und N können jeweils gleich oder größer eins sein, können jeweils gleich oder größer zwei sein, können größer 10 sein oder können irgendwelche anderen geeigneten Werte aufweisen.
Die Bildsensoren einer bestimmten integrierten Schaltung einer Bildsensoranordnung im Kameramodul 12 können jeweils gleich sein oder sie können zu verschiedenen Arten von Bildsensoren gehören. Jeder Bildsensor kann ein VGA-Sensor (Video Graphics Array) mit einer Auflösung von 480×640 Bildsensorpixeln (als Beispiel) sein. Andere Ausgestaltungen von Bildsensorpixeln können ebenfalls für die Bildsensoren verwendet werden, falls gewünscht. Zum Beispiel können Bildsensoren mit einer Auflösung über VGA (z. B. hochauflösende Bildsensoren), mit einer Auflösung unter VGA und/oder Bildsensormatrizes, in denen die Bildsensoren nicht alle gleich sind, verwendet werden.
Während der Bildaufnahme- bzw. Bilderfassungsoperationen kann jede Linse Licht auf einen zugeordneten Bildsensor 14 bündeln. Der Bildsensor 14 kann lichtempfindliche Elemente (z. B. Pixel) einschließen, die das Licht in digitale Daten umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln haben (z. B. hunderte, tausende, Millionen oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise Millionen von Pixeln haben (z. B. Megapixel). Als Beispiele kann der Bildsensor 14 eine Vorspannungsschaltlogik (z. B. Source-Folger-Lastschaltungen), eine Abtast-Halte-Schaltung, eine Schaltlogik für korreliertes doppeltes Abtasten (correlated double sampling (CDS) circuitry), eine Verstärkerschaltlogik, eine Analog-Digital-(analog-to-digital converter(ADC))-Wandler-Schaltlogik, eine Datenausgabeschaltlogik, einen Speicher (z. B. eine Pufferschaltlogik), eine Adressschaltlogik usw. einschließen.
Stand- und Video-Bilddaten vom Bildsensor 14 können über den Pfad 26 zur Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 kann verwendet werden, um Bildverarbeitungsfunktionen auszuführen, wie z. B. Datenformatierung, Weißabgleich und Belichtung, Implementierung der Video-Bildstabilisierung, Gesichtserkennung usw. Die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 kann auch eingesetzt werden, um bei Bedarf Roh-Bilddaten der Kamera zu komprimieren (z. B. in das JPEG-Format (Joint Photographic Experts Group)). In einer typischen Ausgestaltung, die gelegentlich als System-on-a-Chip-(SOC)-Ausgestaltung bezeichnet wird, sind der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (z. B. einem gemeinsamen Silicium-Chip einer integrierten Bildsensorschaltung) implementiert. Bei Bedarf können der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungsschaltung 16 auf separaten Halbleitersubstraten ausgebildet sein. Beispielsweise können der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungssystem 16 auf separaten, aufeinander gestapelten Substraten ausgebildet sein.
Das bildgebende System 10 (z. B. die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16) kann über den Pfad 18 erfasste Bilddaten zum Host-Subsystem 20 übermitteln. Das Host-Subsystem 20 kann ein aktives Steuersystem beinhalten, das Steuersignale zum Steuern von Fahrzeugfunktionen wie Bremsen oder Lenken an externe Vorrichtungen schickt. Das Host-Subsystem 20 kann Verarbeitungssoftware beinhalten zum Erfassen von Objekten in Bildern, zum Erfassen von Bewegungen von Objekten zwischen Einzelbildern, zum Bestimmen der Abstände zu Objekten in Bildern, zum Filtern oder anderweitigen Bearbeiten von Bildern, die vom Bilderzeugungssystem 10 bereitgestellt werden. Das Host-Subsystem 20 kann ein Warnsystem einschließen, das konfiguriert ist, um das bildgebende System 10 zu deaktivieren und/oder eine Warnung zu generieren (z. B. eine Warnleuchte auf der Armaturentafel eines Automobils, eine akustische Warnung oder eine andere Warnung), falls die Prüf-Bilddaten in Zusammenhang mit einem Bildsensor angeben, dass der Bildsensor nicht korrekt funktioniert.
Falls gewünscht, kann das System 100 einem Benutzer zahlreiche hochentwickelte Funktionen bereitstellen. Beispielsweise kann einem Nutzer in einem Computer oder einem hochentwickelten Mobiltelefon die Möglichkeit geboten werden, Nutzeranwendungen laufen zu lassen. Zum Implementieren dieser Funktionen kann das Host-Subsystem 20 des Systems 100 Eingabe-Ausgabe-Einrichtungen 22 haben, wie z. B. Tastaturen, Eingabe-Ausgabe-Ports, Joysticks und Anzeigen und eine Speicher- und Verarbeitungsschaltung 24. Die Datenspeicher- und Verarbeitungsschaltung 24 kann flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher (z. B. Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Flash-Speicher, Festplattenlaufwerke, Halbleiterlaufwerke usw.) einschließen. Die Datenspeicher- und Verarbeitungsschaltung 24 kann auch Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen usw. umfassen. Während des Betriebs des Abbildungssystems 10 kann das Kameramodul 12 kontinuierlich Einzelbilder erfassen und dem Host-Subsystem 20 bereitstellen.
Ein Beispiel einer Anordnung für das Kameramodul 12 ist in 2 dargestellt. Wie in 2 dargestellt, schließt das Kameramodul 12 einen Bildsensor 14 und eine Steuer- und Verarbeitungsschaltung 16 ein. Der Bildsensor 14 kann ein Pixel-Array, wie z. B. das Array 30 aus Pixeln 28 einschließen (hierin gelegentlich als Bildsensorpixel oder Bildpixel 28 bezeichnet). Die Steuerschaltung 16 kann mit der Zeilensteuerschaltung 32 gekoppelt sein und sie kann über den globalen Datenpfad 44 mit der Spaltensteuer- und Ausleseschaltung 42 gekoppelt sein. Die Zeilensteuerschaltung 32 kann Zeilenadressen von der Steuerschaltung 16 empfangen und sie kann entsprechende Zeilensteuersignale über die Kontrollpfade 128 zu den Bildpixeln 28 liefern (z. B. Dual-Konvertierungs-Steuersignale, Pixel-Rücksetzsteuersignale, Ladungsübertragungs-Steuersignale, Blooming-Kontrollsignale, Zeilenauswahl-Steuersignale oder andere erwünschte Pixelsteuersignale). Die Spaltensteuer- und Auslese-Schaltung 42 kann über eine oder mehrere Signalleitungen, wie z. B. die Spaltenleitungen 40, mit den Spalten des Pixel-Arrays 30 verbunden sein. Die Spaltenleitungen 40 können mit jeder Spalte der Bildpixel 28 im Bildpixel-Array 30 verbunden sein (z. B. kann jede Pixel-Spalte mit einer entsprechenden Spaltenleitung 40 verbunden sein). Die Spaltenleitungen 40 können zum Auslesen von Bildsignalen von den Bildpixeln 28 und zur Übertragung von Vorspannungssignalen (z. B. Vorspannungsströmen oder Vorspannungsspannungen) zu den Bildpixeln 28 verwendet werden. Während der Auslesevorgänge der Bildpixel kann eine Pixelzeile im Bildpixel-Array 30 unter Verwendung der Zeilensteuerschaltung 32 ausgewählt werden und Bilddaten, die den Bildpixeln 28 der betreffenden Pixelzeile zugeordnet sind, können durch die Schaltlogik 42 an den Spaltenleitungen 40 ausgelesen werden.
Die Spaltensteuer- und Ausleseschaltung 42 kann eine Anzahl von Spaltenausleseschaltungen 46 einschließen. Jede Spaltenausleseschaltung 46 kann mit einer entsprechenden Spaltenleitung 40 gekoppelt sein und sie kann Bildsignale von den mit der dazugehörigen Spaltenleitung gekoppelten Pixeln 28 auslesen und empfangen. Jede Spaltenausleseschaltung 46 kann Spaltenschaltung einschließen, wie z. B. einen Spaltenverstärker zum Verstärken von aus dem Array 20 ausgelesenen Signalen, eine Sample- und Hold-Schaltung zum Abtasten und Speichern von aus dem Array 20 ausgelesenen Signalen, eine Analog-Digital-Wandler-(ADC)-Schaltung zum Umwandeln von ausgelesenen analogen Signalen in entsprechende digitale Signale und Spaltenspeicher zum Speichern der ausgelesenen Signale und aller anderen gewünschten Daten. Die Spaltenausleseschaltungen 46 können digitale Pixelwerte über die Leitung 44 zur Kontroll- und Verarbeitungsschaltung 16 ausgeben.
Das Array 30 kann eine beliebige Anzahl von Zeilen und Spalten haben. Generell richten sich die Größe des Arrays 30 und die Anzahl der Zeilen und Spalten im Array 30 nach der spezifischen Implementierung des Bildsensors 14. Während Zeilen und Spalten hierin generell als horizontal bzw. vertikal beschrieben sind, können sich Zeilen und Spalten auf beliebige rasterähnliche Strukturen beziehen (z. B. können hierin als Zeilen beschriebene Merkmale vertikal angeordnet sein und hierin als Spalten beschriebene Merkmale können horizontal angeordnet sein).
Falls gewünscht, kann das Array 30 Teil einer Stapelchip-Ausgestaltung sein, bei der Pixel 28 des Array 30 auf zwei oder mehr gestapelte Substrate aufgeteilt sind. Bei einer solchen Anordnung kann jedes der Pixel 28 im Array 30 auf die beiden Chips an jedem gewünschten Knoten im Pixel aufgeteilt werden. Zum Beispiel kann ein Knoten wie beispielsweise ein Floating-Diffusion-Knoten über zwei Chips hinweg ausgebildet sein. Eine Pixelschaltung, welche die Photodiode und die Schaltung beinhaltet, die zwischen die Photodiode und den gewünschten Knoten (beispielsweise den Floating-Diffusion-Knoten wie im vorliegenden Beispiel) gekoppelt ist, kann auf einem ersten Chip ausgebildet sein, und die übrige Pixelschaltung kann auf einem zweiten Chip ausgebildet sein. Der gewünschte Knoten kann auf einer Kopplungsstruktur (beispielsweise einem Kontakt-Pad, einem Mikropad, einer leitenden Verbindungsstruktur oder einer leitenden Durchkontaktierung), welche die beiden Chips miteinander verbindet, ausgebildet sein (d. h. ein Teil davon sein). Bevor die beiden Chips gebondet werden, kann die Kopplungsstruktur einen ersten Teil auf dem ersten Chip aufweisen und kann einen zweiten Teil auf dem zweiten Chip aufweisen. Der erste Chip und der zweite Chip können so aneinander gebondet werden, dass ein erster Teil der Kopplungsstruktur und der zweite Teil der Kopplungsstruktur aneinander gebondet und elektrisch verbunden werden. Falls gewünscht, können der erste und der zweite Teil durch Pressen aneinander gebondet werden. Dies soll jedoch nur der Veranschaulichung dienen. Falls gewünscht, können der erste und der zweite Teil der Kopplungsstrukturen, die jeweils am ersten und am zweiten Chip ausgebildet sind, anhand einer beliebigen Metall-an-Metall-Bondingtechnik, beispielsweise Löten oder Schweißen, aneinander gebondet werden.
Wie bereits angegeben, kann der gewünschte Knoten im Pixelschaltkreis, der über die beiden Chips verteilt ist, ein Floating-Diffusion-Knoten sein. Alternativ dazu der Knoten zwischen einer Floating-Diffusion-Region und dem Gate eines Sourcefolgertransistors (d. h. der Floating-Diffusion-Knoten kann auf dem ersten Chip ausgebildet sein, auf dem die Photodiode ausgebildet ist, während die Kopplungsstruktur den Floating-Diffusion-Knoten mit dem Sourcefolgertransistor auf dem zweiten Chip verbinden kann), der Knoten zwischen einer Floating-Diffusion-Region und einem Source-Drain-Knoten eines Übertragungstransistors (d. h. der Floating-Diffusion-Knoten kann auf dem zweiten Chip ausgebildet sein, auf dem sich die Photodiode nicht befindet), der Knoten zwischen einem Source-Drain-Knoten eines Sourcefolgertransistors und einem Zeilenauswahltransistor oder irgendein anderer Knoten des Pixelschaltkreises. 3 ist ein Schaltplan eines Bildsensorpixels 300, bei dem ein Global-Shutter-Verfahren zum Auslesen verwendet wird. Das Bildsensorpixel 300 stellt ein Global-Shutter-Pixel mit einer Pinned-Photodiode 310 (PD) dar, die an den Speicherknoten 302 (manchmal hierin als Speichergate bezeichnet) gekoppelt ist. In manchen Ausführungsformen kann der Speicherknoten 302 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei dem Speicherknoten 302 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen dem Speicherknoten 302 und der Photodiode 310 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei dem Speicherknoten 302 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen dem Speicherknoten 302 und der Photodiode 310 zwischengeschaltet werden. Der Anti-Blooming-Transistor 308 ist teilweise aktiviert unter Verwendung des Steuersignals AB, um den auf der Photodiode 310 akkumulierenden Dunkelstrom abzuleiten. Auf Wunsch kann der Anti-Blooming-Transistor 308 unter Verwendung des Steuersignals AB vollständig aktiviert werden, um die Photodiode zurückzusetzen. Auftreffendes Licht (z. B. Lichteinfall) kann in der Photodiode 302 in einem Sensorarray (z. B. Array 20 in 2) eine Ladung generieren. Diese Ladung kann durch Ausgeben des Steuersignals TX1 global für alle Pixel gleichzeitig zum Speicherknoten 302 übertragen werden. Das Auslesen der Ladung vom Speicherknoten 302 erfolgt daraufhin sequenziell Zeile für Zeile durch Übertragen der Ladung über den Ladungsübertragungstransistor 306 zum Floating-Diffusion-Knoten (FD) 314 mittels Ausgeben des Steuersignals TX2. Der Floating-Diffusion-Knoten 314 kann einen Floating-Diffusion-Kondensator 316 zur Ladungsspeicherung aufweisen. Die Photodiode 310 und der Floating-Diffusion-Kondensator 316 können an Masse 318 gekoppelt sein. Die auf den Floating-Diffusion-Knoten 314 übertragene Ladung führt zu einer Potentialänderung an diesem Knoten, die vom Sourcefolgertransistor 320 erfasst wird. Ein Source-Drain-Anschluss des Sourcefolgertransistors 320 ist über einen Zeilenauswahltransistor 324 mit der Spalten-Messleitung 326 des Sensorarrays verbunden, die das Pixelsignal an die Periphere des Array zur weiteren Verarbeitung leitet. Das Steuersignal RS wird ausgegeben, um den Zeilenauswahltransistor 324 für die Übertragung des Pixelsignals an die Spalten-Messleitungen 326 zu aktivieren. Nach Beendigung der Ladungserfassung wird der Floating-Diffusion-Knoten 314 durch kurzzeitiges Einschalten des Rücksetztransistors 312 zurückgesetzt, indem das Steuersignal RES ausgegeben wird, um die Versorgungsspannung V_AA von der Spannungsquelle 322 zum Floating-Diffusion-Knoten 314 zu übertragen. Auf Wunsch kann der Speicherknoten 302 zur gleichen Zeit wie der Floating-Diffusion-Knoten 314 zurückgesetzt werden.
Der dynamische Bereich des Pixels 300 wird durch die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode 310 und des Speichergates 302 begrenzt. Diese Begrenzung des dynamischen Bereichs des Pixels ist unerwünscht, da sie zu einem Verlust von Bilddetails bei hellen Lichtverhältnissen führen kann. Daher wäre es wünschenswert, verbesserte Bildpixel bereitzustellen, die über größere effektive Ladungsspeicherkapazitäten verfügen.
4A ist ein Diagramm einer Pixelschaltung 400, die eine ladungslenkende gekoppelte Gatestruktur umfasst. Die gekoppelte Gatestruktur 431 kann einen Speichergate-Rücksetztransistor 404, einen Schwellenwerttransistor 430 und eine Speicherstruktur 432 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 432 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 432 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur 432 und dem Übertragungstransistor 430 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 432 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speichergatestruktur 432 und dem Übertragungstransistor 430 zwischengeschaltet werden. Der Schwellenwerttransistor 430 kann mit der Photodiode (PD) 410 gekoppelt sein. Bei dem Speichergate 432 kann es sich beispielsweise um ein angestecktes Speichergate handeln, das vollständig erschöpfbar ist (beispielsweise kann sämtliche Ladung während der Ladungsübertragung aus dem Speichergate 432 entfernt werden). Die gekoppelte Gatestruktur kann als ladungsgekoppelte Bauelementstruktur fungieren. Die Photodiode 410 kann an Masse 418 gekoppelt sein. Der Schwellenwerttransistor 430 kann zwischen der Photodiode 410 und dem Speichergate 432 gekoppelt sein. Der Speichergate-Rücksetztransistor 404 kann über einen ersten Source-Drain-Anschluss verfügen, der an einen Knoten zwischen dem Schwellenwerttransistor 430 und dem Speichergate 432 gekoppelt ist, und über einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der an die Spannungsquelle 422 gekoppelt ist. Der Übertragungstransistor 434 kann zwischen Speichergate 432 und Speicherstruktur 402 (hierin manchmal als Speichergate bezeichnet) gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 402 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Das Speichergate 402 kann zwischen dem Übertragungstransistor 434 und dem Übertragungstransistor 406 gekoppelt sein. Der Übertragungstransistor 406 kann zwischen dem Speichergate 402 und dem Floating-Diffusion-Knoten (FD) 414 gekoppelt sein. Der Floating-Diffusion-Kondensator 416 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 414 und Masse 418 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 412 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 414 und der Spannungsquelle 422 gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 422 kann die Spannung V_dd bereitstellen. Der Sourcefolgertransistor 420 kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten 414 verbunden ist, sowie einen ersten Source-Drain-Anschluss, der mit der Spannungsquelle 422 verbunden ist, und einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der über einen Zeilenauswahltransistor 424 mit einer Spaltenausgangsleitung 426 verbunden ist. Die Spaltenausgangsleitung 426 kann an eine nachgelagerte Verarbeitungsschaltung wie beispielsweise eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung gekoppelt sein.
Auf Wunsch kann ein Anti-Blooming-Transistor (nicht dargestellt) optional eingeschlossen werden, der zwischen der Versorgungsspannung 422 und der Photodiode 410 gekoppelt ist.
Während einer Belichtungsperiode kann auftreffendes Licht (z. B. einfallendes Licht) in der Photodiode 410 in elektrische Ladung umgewandelt werden, wobei die Photodiode eine begrenzte Ladungsspeicherkapazität aufweisen kann. Bei hellen Lichtverhältnissen kann die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode 410 möglicherweise nicht ausreichend sein, um die gesamte in der Photodiode 410 generierte Ladung zu speichern, und ein Teil der generierten Ladung kann zu einem Ladungsüberschuss führen. Der Schwellenwerttransistor 430 kann ein Steuersignal TX empfangen, das auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, wodurch es der Überschussladung ermöglicht wird, zum Knoten 449 weitergeleitet zu werden, während die Nicht-Überschussladung auf der Photodiode 410 verbleibt.
Das Speichergate 432 kann das Steuersignal SG_INT empfangen und der Speichergate-Rücksetztransistor 404 kann das Steuersignal SG_RES empfangen. Das Speichergate 432 kann dabei das Fließen der Ladung verhindern, wenn SG_INT auf einen mittleren Spannungspegel V_M gesetzt ist. Wenn SG_INT hingegen auf einen hohen Spannungspegel V_H gesetzt ist, kann Ladung zum Speichergate 432 fließen. Übertragene Ladung kann vom Speichergate 432 zum Speichergate 402 weitergeleitet werden, wenn SG_INT auf einen niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt ist, der Übertragungstransistor 434 jedoch gleichzeitig auf einen hohen Spannungspegel eingestellt ist. Das Speichergate 402 kann dabei das Signal SG_STORE empfangen und ähnlich wie das Speichergate 432 arbeiten. Es sollte beachtet werden, dass in manchen Ausführungsformen anstelle des hohen Spannungspegels V_H ein mittelhoher Spannungspegel verwendet werden kann, dessen Wert zwischen dem Wert von V_H- und V_M liegt, so dass ein Teil der Ladung auf der Photodiode verbleibt, wenn Ladung zum Speichergate 432 übertragen wird.
Während der Belichtungsperiode können die Signale SG_INT und SG_RES ein sich gegenseitig ausschließendes Timing aufweisen (z. B. SG_INT ist auf Spannung V_H, wenn SG_RES niedrig ist, SG_INT ist auf Spannung V_M, wenn SG_RES hoch ist, und SG_INT ändert sich zwischen V_H und V_M). Bei den Signalen SG_INT und SG_RES, die sich wie beschrieben ändern, kann die am Knoten 449 auftretende Überschussladung zur Spannungsquelle 422 geleitet werden, wenn SG_RES sich auf einem hohen Spannungspegel befindet, und am Speichergate 432 integriert werden, wenn SG_INT sich auf dem hohen Spannungspegel V_H befindet. Die Menge der Überschussladung, die während der Belichtung über die Spannungsquelle 422 abgeleitet wird, kann mit einer nachgelagerten Verarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) auf der Grundlage der Menge der Überschussladung, die nicht abgeleitet wird (d. h. die schließlich vom Pixel 400 ausgelesen wird), sowie der entsprechenden Einschaltdauerwerten der Signale SG_INT und SG_RES ermittelt und berücksichtigt werden. Am Ende der Belichtungsperiode kann der Floating-Diffusion-Knoten 414 durch Ausgeben des Signals RST an den Rücksetztransistor 412 zurückgesetzt werden.
Sobald die Belichtungsperiode zu Ende ist, kann die gesamte im Speichergate 432 integrierte Ladung zum Speichergate 402 übertragen werden, indem das Signal SG_INT auf den niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt wird, das Steuersignal TX1 auf einen hohen Spannungspegel gesetzt wird, um den Übertragungstransistor 434 zu aktivieren, und das Steuersignal SG_STORE auf den hohen Spannungspegel V_H gesetzt wird, so dass das Speichergate 402 die übertragene Ladung aufnehmen kann. Das Speichergate 402 kann daraufhin die Überschussladung an den Floating-Diffusion-Knoten 414 weiterleiten, indem das Signal TX2 ausgegeben wird, um den Übertragungstransistor 406 zu aktivieren, während die Signale SG_STORE und TX1 niedrig gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Ladung zum Floating-Diffusion-Knoten 414 fließt. Die Nicht-Überschussladung an der Photodiode 410 kann daraufhin durch den Schwellenwerttransistor 430, das Speichergate 432 und den Übertragungstransistor 434 zum Speichergate 402 übertragen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsformen, in denen es sich bei den Speicherstrukturen 402 und 432 um Speicherdioden handelt, einige der oben beschriebenen Vorgänge etwas anders gestaltet werden.
Während der Auslesevorgänge kann durch Ausgeben des Signals RS der Zeilenauswahltransistor 424 aktiviert werden, um ein Ausgangssignal auszulesen, das der im Floating-Diffusion-Knoten 414 gespeicherten Überschussladung entspricht. Daraufhin kann der Floating-Diffusion-Knoten 414 unter Verwendung des Rücksetztransistors 412 zurückgesetzt werden. Der am Floating-Diffusion-Knoten 414 gespeicherte Rücksetzwert kann dann durch Aktivieren des Zeilenauswahltransistors 424 ausgelesen werden. Die am Speichergate 402 gespeicherte Nicht-Überschussladung kann daraufhin durch Aktivieren des Übertragungstransistors 406 zum Floating-Diffusion-Knoten 414 übertragen werden. Der Zeilenauswahltransistor 424 kann dann aktiviert werden, um ein weiteres Ausgangssignal auszulesen, das der im Floating-Diffusion-Knoten 414 gespeicherten Nicht-Überschussladung entspricht. Der Floating-Diffusion-Knoten 414 kann daraufhin als Vorbereitung auf die nächste Belichtungs-/Integrationsperiode erneut zurückgesetzt werden.
Die Signale SG_INT und SG_RES können sich dabei in Übereinstimmung mit dem in 4B dargestellten Timing-Diagramm verhalten. Die Zeiträume t₁ und t₂ können einen einzelnen Taktzyklus der Signale SG_INT und SG_RES während der Belichtungsperiode repräsentieren. Während des Zeitraums t₁ kann SG_INT einen hohen Spannungspegel V--_H aufweisen, während SG_RES einen niedrigen Spannungspegel V_L aufweist, so dass die am Knoten 449 vorhandene Überschussladung am Speichergate 432 integriert wird. Während des Zeitraums t-₂ kann SG_INT einen mittleren Spannungspegel V--_M aufweisen, während SG_RES einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, so dass die Überschussladung an der Spannungsquelle 422 abgeleitet wird. Der durch die Zeiträume t₁ und t₂ repräsentierte Taktzyklus kann sich während der Belichtungsperiode wiederholen. Wie in 4B dargestellt, können die Signale SG_INT und SG_RES jeweils eine Einschaltdauer von 50% aufweisen. Auf Wunsch können andere Einschaltdauerwerte ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Signal SG_INT eine Einschaltdauer von 25% und das Signal SG_RES eine Einschaltdauer von 75% aufweisen, wenn ein vergrößerter dynamischer Bereich erwünscht ist. In manchen Ausführungsformen kann es Perioden geben, in denen das Signal SG_INT auf V_M und SG_RES auf V_L gehalten wird.
Am Ende der Belichtungsperiode kann ein Zeitraum t₃ eintreten. Bei t₃ werden die Signale SG_RES und SG_INT auf V_L gehalten, während die Signale SG_STORE und TX1 auf V_H gehalten werden, so dass der Speichergate-Rücksetztransistor 404 ausgeschaltet wird und die am Speichergate 432 integrierte Ladung durch den Übertragungstransistor 434 geleitet und am Speichergate 402 gespeichert wird.
5A ist ein Diagramm einer Pixelschaltung 500, die eine ladungslenkende Gatestruktur umfasst. Die Speicherstruktur mit langer Integration 532 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) und die Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) können als eine Ladungslenkungs-Struktur agieren.
In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur mit langer Integration 532 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur mit langer Integration 532 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur mit langer Integration 532 und der Photodiode 510 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur mit langer Integration 532 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speicherstruktur mit langer Integration 532 und der Photodiode 510 zwischengeschaltet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 und der Photodiode 510 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speicherstruktur mit kurzer Integration 536 und der Photodiode 510 zwischengeschaltet werden.
Bei den Speichergates 532 und 536 kann es sich beispielsweise um angesteckte Speichergates handeln, die vollständig erschöpfbar sind (beispielsweise kann sämtliche Ladung während der Ladungsübertragung aus den Speichergates 532 und 536 entfernt werden). Die Photodiode (PD) 510 kann einen ersten an Masse 518 gekoppelten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, der an den Anti-Blooming-Transistor 508, das Speichergate mit kurzer Integration 536 und das Speichergate mit langer Integration 532 gekoppelt ist. Der Anti-Blooming-Transistor 508 kann zwischen der Photodiode 510 und der Spannungsquelle 522 gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 522 kann die Spannung V_dd bereitstellen. Der Anti-Blooming-Transistor 508 kann teilweise unter Verwendung des Steuersignals AB aktiviert werden, um den auf der Photodiode 510 akkumulierenden Dunkelstrom abzuleiten. Auf Wunsch kann der Anti-Blooming-Transistor 508 unter Verwendung des Steuersignals AB vollständig aktiviert werden, um die Photodiode zurückzusetzen. Das Speichergate mit kurzer Integration 536 kann zwischen der Photodiode 510 und dem Übertragungstransistor 538 gekoppelt sein. Der Übertragungstransistor 538 kann an den Floating-Diffusion-Knoten (FD) 514 gekoppelt sein. Das Speichergate mit langer Integration 532 kann zwischen der Photodiode 510 und dem Übertragungstransistor 534 gekoppelt sein. Die Speicherstruktur 502 (hierin manchmal als Speichergate bezeichnet) kann zwischen dem Übertragungstransistor 534 und dem Übertragungstransistor 506 gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 502 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Der Übertragungstransistor 506 kann zwischen dem Speichergate 502 und dem Floating-Diffusion-Knoten 514 gekoppelt sein. Der Floating-Diffusion-Kondensator 516 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 514 und Masse 518 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 512 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 514 und der Spannungsquelle 522 gekoppelt sein. Der Sourcefolgertransistor 520 kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten 514 verbunden ist, sowie einen ersten Source-Drain-Anschluss, der mit der Spannungsquelle 522 verbunden ist, und einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der über einen Zeilenauswahltransistor 524 mit einer Spaltenausgangsleitung 526 verbunden ist. Die Spaltenausgangsleitung 526 kann an eine nachgelagerte Verarbeitungsschaltung wie beispielsweise eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung gekoppelt sein.
Während einer Belichtungsperiode kann auftreffendes Licht (z. B. einfallendes Licht) in der Photodiode 510 in elektrische Ladung umgewandelt werden, wobei die Photodiode eine begrenzte Ladungsspeicherkapazität aufweisen kann. Das Speichergate mit langer Integration 532 und das Speichergate mit kurzer Integration 536 können jeweils Steuersignale SG_LONG und SG_SHORT empfangen. Die Speichergates 502, 532, 536 können ähnlich wie das oben in Verbindung mit 4A beschriebene Speichergate 432 arbeiten. Die Steuersignale SG_LONG und SG_SHORT können sich gegenseitig ausschließende Signal-Timings aufweisen (z. B. wenn jeweils SG_LONG den hohen Spannungspegel V_H, SG_SHORT den mittleren Spannungspegel V_M aufweist, und wenn SG_SHORT den hohen Spannungspegel V_H, SG_LONG den mittleren Spannungspegel V_M aufweist). Dieses sich gegenseitig ausschließende Timing ermöglicht es der an der Photodiode 510 generierten Ladung während der Belichtungszeit, entweder am Speichergate mit kurzer Integration 536 (z. B. als Überschussladung mit kurzer Integration) oder am Speichergate mit langer Integration 532 (z. B. als Überschussladung mit langer Integration) gespeichert zu werden. Am Ende der Belichtungsperiode kann der Floating-Diffusion-Knoten 514 durch Ausgeben des Signals RST an den Rücksetztransistor 512 zurückgesetzt werden.
Sobald die Belichtungsperiode zu Ende ist, kann die gesamte im Speichergate mit langer Integration 532 integrierte Ladung zum Speichergate 502 übertragen werden, indem das Signal SG_LONG auf den niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt wird, das Steuersignal TX2 auf einen hohen Spannungspegel gesetzt wird, um den Übertragungstransistor 534 zu aktivieren, und das Steuersignal SG_STORE auf den hohen Spannungspegel V_H gesetzt wird, so dass das Speichergate 502 die übertragene Ladung aufnehmen kann. Das Speichergate 502 kann daraufhin die Überschussladung mit langer Integration an den Floating-Diffusion-Knoten 514 weiterleiten, indem das Signal TX3 ausgegeben wird, um den Übertragungstransistor 506 zu aktivieren, während die Signale SG_STORE und TX2 niedrig gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Ladung zum Floating-Diffusion-Knoten 514 fließt.
Während der Auslesevorgänge kann durch Ausgeben des Signals RS der Zeilenauswahltransistor 524 aktiviert werden, um ein Ausgangssignal auszulesen, das der im Floating-Diffusion-Knoten 514 gespeicherten Überschussladung mit langer Integration entspricht. Daraufhin kann der Floating-Diffusion-Knoten 514 unter Verwendung des Rücksetztransistors 512 zurückgesetzt werden. Der am Floating-Diffusion-Knoten 514 gespeicherte Rücksetzwert kann dann durch Aktivieren des Zeilenauswahltransistors 524 ausgelesen werden. Die am Speichergate 536 gespeicherte Überschussladung mit kurzer Integration kann daraufhin zum Floating-Diffusion-Knoten 514 übertragen werden. Der Zeilenauswahltransistor 524 kann dann aktiviert werden, um ein weiteres Ausgangssignal auszulesen, das der im Floating-Diffusion-Knoten 514 gespeicherten Überschussladung mit kurzer Integration entspricht. Der Floating-Diffusion-Knoten 514 kann daraufhin als Vorbereitung auf die nächste Belichtungs-/Integrationsperiode erneut zurückgesetzt werden.
Die Signale SG_LONG und SG_SHORT können sich dabei in Übereinstimmung mit dem in 5B dargestellten Timing-Diagramm verhalten. Die Zeiträume t₁ und t₂ können einen einzelnen Taktzyklus der Signale SG_LONG und SG_SHORT während der Belichtungsperiode repräsentieren. Während des Zeitraums t₁ kann SG_LONG einen hohen Spannungspegel V--_H aufweisen, während SG_SHORT einen mittleren Spannungspegel V_M aufweist, so dass die Ladung an der Photodiode 510 am Speichergate mit langer Integration 532 integriert wird. Während des Zeitraums t-₂ kann SG_LONG einen mittleren Spannungspegel V--_M aufweisen, während SG_SHORT einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, so dass die Ladung an der Photodiode 510 am Speichergate mit kurzer Integration 536 integriert wird. Der durch die Zeiträume t₁ und t₂ repräsentierte Taktzyklus kann sich während der Belichtungsperiode wiederholen. Wie in 5B dargestellt, kann das Signal SG_LONG eine längere Einschaltdauer aufweisen als das Signal SG_SHORT, so dass der Großteil der während der Belichtungsperiode generierten Ladung am Speichergate mit langer Integration 532 integriert wird. Auf Wunsch können andere Einschaltdauerwerte ausgewählt werden. In manchen Ausführungsformen kann es Zeiträume geben, in denen das Signal SG_LONG auf V_M und SG_SHORT auf V_M gehalten wird. Es sollte beachtet werden, dass in manchen Ausführungsformen anstelle des hohen Spannungspegels V_H ein mittelhoher Spannungspegel verwendet werden kann, dessen Wert zwischen dem Wert von V_H- und V_M liegt, so dass ein Teil der Ladung auf der Photodiode verbleibt, wenn Ladung auf das Speichergate mit langer Integration 532 oder das Speichergate mit kurzer Integration 536 übertragen wird.
Am Ende der Belichtungsperiode kann ein Zeitraum t₃ eintreten. Bei t₃ werden die Signale SG_LONG und SG_SHORT auf V_L gehalten, während die Signale SG_STORE, TX1 und TX2 auf V_H gehalten werden, so dass die am Speichergate mit langer Integration 532 integrierte Ladung durch den Übertragungstransistor 534 geleitet und am Speichergate 502 gespeichert wird und die am Speichergate mit kurzer Integration 536 integrierte Ladung durch den Übertragungstransistor 538 geleitet und am Floating-Diffusion-Knoten 514 gespeichert wird.
6A ist ein Diagramm einer Pixelschaltung 600, die eine ladungslenkende gekoppelte Gatestruktur umfasst. Die gekoppelte Gatestruktur 631 kann einen Schwellenwerttransistor 630, einen Speichergate-Rücksetztransistor 604, eine Speicherstruktur 632 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) und eine Speicherstruktur 636 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) umfassen.
In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 632 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 632 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur 632 und dem Schwellenwerttransistor 630 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 632 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speicherstruktur 632 und dem Schwellenwerttransistor 630 zwischengeschaltet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 636 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 636 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur 636 und dem Schwellenwerttransistor 630 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 636 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speicherstruktur 636 und dem Schwellenwerttransistor 630 zwischengeschaltet werden.
Bei den Speichergates 632 und 636 kann es sich beispielsweise um angesteckte Speichergates handeln, die vollständig erschöpfbar sind (beispielsweise kann sämtliche Ladung während der Ladungsübertragung aus den Speichergates 632 und 636 entfernt werden). Die Photodiode (PD) 610 kann über einen ersten an Masse 618 gekoppelten Anschluss und über einen zweiten Anschluss verfügen, der an den Knoten 649 über den Schwellenwerttransistor 630 gekoppelt ist. Der Speichergate-Rücksetztransistor 604 kann zwischen der Photodiode 649 und der Spannungsquelle 622 gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 622 kann die Spannung V_dd bereitstellen. Der Übertragungstransistor 638 kann zwischen Speichergate 636 und Speicherstruktur 640 (hierin manchmal als Speichergate bezeichnet) gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 640 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Der Übertragungstransistor 642 kann zwischen dem Speichergate 640 und dem Floating-Diffusion-Knoten (FD) 614 gekoppelt sein. Der Übertragungstransistor 634 kann zwischen Speichergate 632 und Speichergate 602 (hierin manchmal als Speichergate bezeichnet) gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 602 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Der Übertragungstransistor 606 kann zwischen dem Speichergate 606 und dem Floating-Diffusion-Knoten 614 gekoppelt sein. Der Floating-Diffusion-Kondensator 616 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 614 und Masse 618 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 612 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 614 und der Spannungsquelle 622 gekoppelt sein. Der Sourcefolgertransistor 620 kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten 614 verbunden ist, sowie einen ersten Source-Drain-Anschluss, der mit der Spannungsquelle 622 verbunden ist, und einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der über einen Zeilenauswahltransistor 624 mit einer Spaltenausgangsleitung 626 verbunden ist. Die Spaltenausgangsleitung 626 kann an eine nachgelagerte Verarbeitungsschaltung wie beispielsweise eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung gekoppelt sein.
Während einer Belichtungsperiode kann auftreffendes Licht (z. B. einfallendes Licht) in der Photodiode 610 in elektrische Ladung umgewandelt werden, wobei die Photodiode eine begrenzte Ladungsspeicherkapazität aufweisen kann. Bei hellen Lichtverhältnissen kann die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode 610 möglicherweise nicht ausreichend sein, um die gesamte in der Photodiode 610 generierte Ladung zu speichern, und ein Teil der generierten Ladung kann zu einem Ladungsüberschuss führen. Der Schwellenwerttransistor 630 kann ein Steuersignal TX empfangen, das auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, wodurch es der Überschussladung ermöglicht wird, zum Knoten 649 weitergeleitet zu werden, während die Nicht-Überschussladung auf der Photodiode 610 verbleibt.
Das Speichergate 636 kann das Steuersignal SG1 empfangen. Das Speichergate 640 kann das Steuersignal SG2 empfangen. Das Speichergate 632 kann das Steuersignal SG3 empfangen. Das Speichergate 602 kann das Steuersignal SG4 empfangen. Der Speichergate-Rücksetztransistor 604 kann das Steuersignal SG_RES empfangen. Die Speichergates 602, 632, 636 und 640 können ähnlich wie das oben in Verbindung mit der 4A beschriebene Speichergate 432 arbeiten. Die Steuersignale SG1, SG3, und SG_RES können sich gegenseitig ausschließende Timings aufweisen (z. B. wenn SG1 einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, dann weist SG3 einen mittleren Spannungspegel V_M auf und SG_RES weist einen niedrigen Spannungspegel V_L auf, wenn SG3 einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, dann weist SG1 einen mittleren Spannungspegel V_M auf und SG_RES weist einen niedrigen Spannungspegel V_L auf, und wenn SG_RES einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, dann weist SG3 einen mittleren Spannungspegel V_M auf, und SG1 weist einen mittleren Spannungspegel V_M auf). Insbesondere können die Aktivierung des Speichergate-Rücksetztransistors 608 und das entsprechende Laden und Integrieren von Ladung auf die Speichergates 632 und 636 sich jeweils gegenseitig ausschließende Ereignisse sein. Dieses sich gegenseitig ausschließende Timing ermöglicht es der an der Photodiode 610 generierten Ladung, entweder am Speichergate 632 integriert und gespeichert zu werden (z. B. Speicherung als erster Teil der Überschussladung) oder am Speichergate 636 integriert und gespeichert zu werden (z. B. Speicherung als zweiter Teil der Überschussladung) oder an der Spannungsquelle 622 über den Speichergate-Rücksetztransistor 608 während der Belichtungszeit abgeleitet zu werden. Die Menge der Überschussladung, die während der Belichtung über die Spannungsquelle 622 abgeleitet wird, kann mit einer nachgelagerten Verarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) auf der Grundlage der Menge der Überschussladung, die nicht abgeleitet wird (d. h. die schließlich vom Pixel 600 ausgelesen wird), sowie der entsprechenden Einschaltdauerwerten der Signale SG1, SG3 und SG_RES abgeschätzt und berücksichtigt werden. Am Ende der Belichtungsperiode kann der Floating-Diffusion-Knoten 614 durch Ausgeben des Signals RST an den Rücksetztransistor 612 zurückgesetzt werden.
Sobald die Belichtungsperiode zu Ende ist, kann die gesamte im Speichergate 632 integrierte Ladung zum Speichergate 602 übertragen werden, indem das Signal SG3 auf den niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt wird, das Steuersignal TX3 auf einen hohen Spannungspegel gesetzt wird, um den Übertragungstransistor 634 zu aktivieren, und das Steuersignal SG4 auf den hohen Spannungspegel V_H gesetzt wird, so dass das Speichergate 602 die übertragene Ladung aufnehmen kann. Zusätzlich kann am Ende der Belichtungsperiode die gesamte im Speichergate 636 integrierte Ladung zum Speichergate 640 übertragen werden, indem das Signal SG1 auf den niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt wird, das Steuersignal TX1 auf einen hohen Spannungspegel gesetzt wird, um den Übertragungstransistor 638 zu aktivieren, und das Steuersignal SG2 auf den hohen Spannungspegel V_H gesetzt wird, so dass das Speichergate 640 die übertragene Ladung aufnehmen kann. Das Speichergate 602 kann daraufhin den ersten Teil der Überschussladung an den Floating-Diffusion-Knoten 614 weiterleiten, indem das Signal TX4 ausgegeben wird, um den Übertragungstransistor 606 zu aktivieren, während die Signale SG2 und TX1 niedrig gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Ladung zum Floating-Diffusion-Knoten 614 fließt. Die Nicht-Überschussladung an der Photodiode 610 kann daraufhin durch den Schwellenwerttransistor 630, das Speichergate 632 und den Übertragungstransistor 634 zum Speichergate 602 übertragen werden.
Während der Auslesevorgänge kann durch Ausgeben des Signals RS der Zeilenauswahltransistor 624 aktiviert werden, um ein Ausgangssignal auszulesen, das dem im Floating-Diffusion-Knoten 614 gespeicherten ersten Teil der Überschussladung entspricht. Auf Wunsch kann der Zeilenauswahltransistor 624 während der gesamten Auslesesequenz aktiviert bleiben. Daraufhin kann der Floating-Diffusion-Knoten 614 unter Verwendung des Rücksetztransistors 612 zurückgesetzt werden. Der am Floating-Diffusion-Knoten 614 gespeicherte Rücksetzwert kann dann durch Aktivieren des Zeilenauswahltransistors 624 ausgelesen werden. Der zweite Teil der am Speichergate 640 gespeicherten Überschussladung kann daraufhin zum Floating-Diffusion-Knoten 614 übertragen werden. Der Zeilenauswahltransistor 624 kann dann aktiviert werden, um ein weiteres Ausgangssignal auszulesen, das dem zweiten Teil der im Floating-Diffusion-Knoten 614 gespeicherten Überschussladung entspricht. Daraufhin kann der Floating-Diffusion-Knoten 614 unter Verwendung des Rücksetztransistors 612 erneut zurückgesetzt werden. Ein zweiter Rücksetzwert kann dann vom Floating-Diffusion-Knoten 614 durch Aktivieren des Zeilenauswahltransistors 624 ausgelesen werden. Die am Speichergate 602 gespeicherte Nicht-Überschussladung kann daraufhin durch Aktivieren des Übertragungstransistors 606 zum Floating-Diffusion-Knoten 614 übertragen werden. Der Zeilenauswahltransistor 624 kann dann aktiviert werden, um noch ein weiteres Ausgangssignal auszulesen, das der im Floating-Diffusion-Knoten 614 gespeicherten Nicht-Überschussladung entspricht. Der Floating-Diffusion-Knoten 614 kann daraufhin als Vorbereitung auf die nächste Belichtungs-/Integrationsperiode erneut zurückgesetzt werden.
Die Signale SG1, SG3 und SG_RES können sich dabei in Übereinstimmung mit dem in 6B dargestellten Timing-Diagramm verhalten. Die Zeiträume t₁, t₂ und t₃ können einen einzelnen Taktzyklus der Signale SG1, SG3 und SG_RES während der Belichtungsperiode repräsentieren. Während des Zeitraums t₁ kann SG1 einen hohen Spannungspegel V--_H aufweisen, während SG3 einen mittleren Spannungspegel V_M aufweist und SG_RES einen niedrigen Spannungspegel V_L aufweist, so dass die Ladung am Knoten 649 am Speichergate 636 integriert wird. Während des Zeitraums t-₂, kann SG1 einen mittleren Spannungspegel V--_M aufweisen, während SG3 einen hohen Spannungspegel V_H aufweist und SG_RES einen niedrigen Spannungspegel V_L aufweist, so dass die Ladung am Knoten 649 am Speichergate 632 integriert wird. Während des Zeitraums t₃ kann SG1 einen mittleren Spannungspegel V--_M aufweisen, während SG3 einen hohen Spannungspegel V_H aufweist und SG_RES einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, so dass die Ladung am Knoten 649 über die Spannungsquelle 622 abgeleitet wird. Der durch die Zeiträume t₁, t₂ und t₃ repräsentierte Taktzyklus kann sich während der Belichtungsperiode wiederholen. Wie in 6B dargestellt, können die Signale SG1, SG3, und SG_RES jeweils dieselbe Einschaltdauer aufweisen (z. B. eine Einschaltdauer von ~33,3%). Auf Wunsch können die Einschaltdauerwerte der Signale SG1, SG3, und SG_RES variiert werden, solange sich das entsprechende Ausgeben jedes Signals bei V_H jeweils gegenseitig ausschließt. In manchen Ausführungsformen kann es Zeiträume geben, in denen das Signal SG1 auf V_M, SG3 auf V_M und SG_RES auf V_L gehalten wird. Es sollte beachtet werden, dass in manchen Ausführungsformen anstelle des hohen Spannungspegels V_H ein mittelhoher Spannungspegel verwendet werden kann, dessen Wert zwischen dem Wert von V_H- und V_M liegt, so dass ein Teil der Ladung auf der Photodiode verbleibt, wenn Ladung zum Speichergate 632 und Speichergate 636 übertragen wird.
Am Ende der Belichtungsperiode kann ein Zeitraum t₃ eintreten. Bei t₃ werden die Signale SG1, SG3 und SG_RES auf V_L gehalten, während die Signale SG2, SG4, TX1 und TX3 auf V_H gehauen werden, so dass die am Speichergate 632 integrierte Ladung durch den Übertragungstransistor 634 geleitet und am Speichergate 602 gespeichert wird und die am Speichergate 636 integrierte Ladung durch den Übertragungstransistor 638 geleitet und am Speichergate 640 gespeichert wird.
7A ist ein Diagramm einer Pixelschaltung 700, die eine ladungslenkende gekoppelte Gatestruktur umfasst und in einer Dual-Gain-Konfiguration ausgelesen werden kann. Die gekoppelte Gatestruktur 731 kann einen Speichergate-Rücksetztransistor 704, einen Schwellenwerttransistor 730 und einen Übertragungstransistor 751 umfassen. Die gekoppelte Gatestruktur kann als ladungsgekoppelte Bauelementstruktur fungieren. Der Schwellenwerttransistor 730 kann zwischen der Photodiode (PD) 710 und dem Knoten 749 gekoppelt sein. Die Photodiode 710 kann zwischen dem Schwellenwerttransistor 730 und Masse 718 gekoppelt sein. Der Speichergate-Rücksetztransistor 704 kann zwischen der Photodiode 749 und der Spannungsquelle 722 gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 722 kann die Spannung V_dd bereitstellen. Der Übertragungstransistor 751 kann zwischen dem Knoten 749 und dem Knoten 753 gekoppelt sein. Die Speicherstruktur 732 (hierin manchmal als integrierendes Speichergate oder als Speichergate bezeichnet) kann zwischen dem Knoten 753 und dem Übertragungsgate 734 gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 732 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 732 um ein Speichergate handelt, kann ein zusätzlicher Transistor optional zwischen der Speicherstruktur 732 und dem Übertragungstransistor 751 zwischengeschaltet werden. Bei Ausführungsformen, in denen es sich bei der Speicherstruktur 732 um eine Speicherdiode handelt, kann ein zusätzlicher Transistor zwischen der Speicherstruktur 732 und dem Übertragungstransistor 751 zwischengeschaltet werden. Bei dem Speichergate 732 kann es sich um einen angesteckten Speicherknoten handeln, der vollständig erschöpfbar ist (beispielsweise kann sämtliche Ladung während der Ladungsübertragung aus dem Speicherknoten 732 entfernt werden). Die Speicherstruktur 702 (hierin manchmal als Speichergate bezeichnet) kann zwischen dem Übertragungsgate 734 und dem Übertragungsgate 706 gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Speicherstruktur 702 auch ein Speichergate oder eine Speicherdiode sein. Das Übertragungsgate 706 kann an den Floating-Diffusion-Knoten 714 gekoppelt sein.
Der Gain-Auswahltransistor 744 kann an den Knoten 753 gekoppelt sein. Der Gain-Auswahlkondensator 746 kann zwischen dem Gain-Auswahltransistor 744 und Masse 718 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 712 kann zwischen dem Gain-Auswahltransistor 744 und der Spannungsquelle 722 gekoppelt sein. Der Übertragungstransistor 748 kann zwischen dem Gain-Auswahlkondensator 746 und dem Floating-Diffusion-Knoten 714 gekoppelt sein. Der Gain-Auswahltransistor 750 kann an den Knoten 753 gekoppelt sein. Der Gain-Auswahlkondensator 752 kann zwischen dem Gain-Auswahltransistor 750 und Masse 718 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 713 kann zwischen dem Gain-Auswahltransistor 750 und der Spannungsquelle 722 gekoppelt sein. Während der Reset-Vorgänge können die Rücksetztransistoren 712 und 713 durch jeweiliges Ausgeben der Signale RST1 und RST2 aktiviert werden, um die Gain-Auswahlkondensatoren 746 und 752 zurückzusetzen. Die Rücksetztransistoren 712 und 713 sind optional. Der Rücksetztransistor 760 kann zwischen der Spannungsquelle 722 und dem Floating-Diffusion-Knoten 714 gekoppelt sein. Der Rücksetztransistor 760 kann verwendet werden, um den Floating-Diffusion-Knoten 714 und, wenn gewünscht, die Speichergates 732 und 702 zurückzusetzen. Der Übertragungstransistor 754 kann zwischen dem Gain-Auswahlkondensator 752 und dem Floating-Diffusion-Knoten 714 gekoppelt sein.
Der Floating-Diffusion-Kondensator 716 kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten 714 und Masse 718 gekoppelt sein. Der Sourcefolgertransistor 720 kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten 714 verbunden ist, sowie einen ersten Source-Drain-Anschluss, der mit der Spannungsquelle 722 verbunden ist, und einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der über einen Zeilenauswahltransistor 724 mit einer Spaltenausgangsleitung 726 verbunden ist. Die Spaltenausgangsleitung 726 kann an eine nachgelagerte Verarbeitungsschaltung wie beispielsweise eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung gekoppelt sein.
Während einer Belichtungsperiode kann auftreffendes Licht (z. B. einfallendes Licht) in der Photodiode 710 in elektrische Ladung umgewandelt werden, wobei die Photodiode eine begrenzte Ladungsspeicherkapazität aufweisen kann. Bei hellen Lichtverhältnissen kann die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode 710 möglicherweise nicht ausreichend sein, um die gesamte in der Photodiode 710 generierte Ladung zu speichern, und ein Teil der generierten Ladung kann zu einem Ladungsüberschuss führen. Der Schwellenwerttransistor 730 kann ein Steuersignal TX empfangen, das auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, wodurch es der Überschussladung ermöglicht wird, zum Knoten 749 weitergeleitet zu werden, während die Nicht-Überschussladung auf der Photodiode 710 verbleibt.
Das Speichergate 732 kann das Steuersignal SG_INT empfangen. Der Speichergate-Rücksetztransistor 704 kann das Steuersignal SG_RES empfangen. Der Übertragungstransistor 751 kann das Steuersignal TX1 empfangen. Der Gain-Auswahltransistor 744 kann das Steuersignal GS1 empfangen. Der Gain-Auswahltransistor kann das Steuersignal GS2 empfangen. Das Speichergate 702 kann das Steuersignal SG_STORE empfangen. Die Speichergates 732 und 702 können ähnlich wie das oben in Verbindung mit der 4A beschriebene Speichergate 432 arbeiten.
Während der Belichtungsperiode können die Signale TX1 und SG_RES ein sich gegenseitig ausschließendes Timing aufweisen (z. B. TX1 ist auf Spannung V_H, wenn SG_RES niedrig ist und TX1 ist auf der niedrigen Spannung V_L, wenn SG_RES hoch ist.). Bei den Signalen TX1 und SG_RES, die sich wie beschrieben indem, kann die am Knoten 749 auftretende Überschussladung zur Spannungsquelle 722 geleitet werden, wenn SG_RES sich auf einem hohen Spannungspegel befindet, und zum Knoten 753 geleitet werden, wenn TX1 sich auf einem hohen Spannungspegel befindet. SG_INT kann ähnlich getaktet sein wie TX1, so dass SG_INT auf einem hohen Spannungspegel V_H ist, wenn TX1 hoch ist, um die am Knoten 753 auftretende Ladung am Speichergate 732 zu integrieren. Wenn das Pixel 700 gemäß Dual-Gain-Konfiguration konfiguriert ist, können die Gain-Auswahltransistoren 744 und 750 aktiviert werden, indem entweder Signal GS1 oder Signal GS2 ausgegeben wird, wenn TX1 ausgegeben wird, so dass ein Teil der am Speichergate 732 gespeicherten Überschussladung auf einem der ausgewählten Gain-Auswahlkondensatoren 746 und 752 gespeichert werden kann. Die Ladungsübertragung auf einen der Gain-Auswahlkondensatoren 746 und 752 kann dadurch ausgelöst werden, dass ein entsprechender der Gain-Auswahltransistoren 744 und 750 so auf einen Schwellenwert eingestellt wird (z. B. durch Anpassung des Spannungspegels der Signale GS1 und GS2), dass Ladung vom Speichergate 732 auf einen der Gain-Auswahlkondensatoren 746 und 752 nur dann übertragen wird, wenn die Menge der am Speichergate 732 gespeicherten Ladung ein vorgegebenes Niveau überschreitet. Die Menge der Überschussladung, die während der Belichtung über die Spannungsquelle 722 abgeleitet wird, kann mit einer nachgelagerten Verarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) auf der Grundlage der Überschussladung, die nicht abgeleitet wird (d. h. die schließlich vom Pixel 700 ausgelesen wird), sowie der entsprechenden Einschaltdauer der Signale TX1 und SG_RES abgeschätzt und berücksichtigt werden. Am Ende der Belichtungsperiode kann der Floating-Diffusion-Knoten 714 durch Ausgeben des Signals RST3 an den Rücksetztransistor 760 zurückgesetzt werden.
Sobald die Belichtungsperiode zu Ende ist, kann die gesamte im Speichergate 732 integrierte Ladung zum Speichergate 702 übertragen werden, indem das Signal SG_INT auf den niedrigen Spannungspegel V_L gesetzt wird, das Steuersignal TX2 auf einen hohen Spannungspegel gesetzt wird, um den Übertragungstransistor 734 zu aktivieren, und das Steuersignal SG_STORE auf den hohen Spannungspegel V_H gesetzt wird, so dass das Speichergate 702 die übertragene Ladung aufnehmen kann. Das Speichergate 702 kann daraufhin die Überschussladung an den Floating-Diffusion-Knoten 714 weiterleiten, indem das Signal TX2 ausgegeben wird, um den Übertragungstransistor 706 zu aktivieren, während die Signale SG_STORE und TX2 niedrig gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Ladung zum Floating-Diffusion-Knoten 714 fließt. Die Nicht-Überschussladung an der Photodiode 710 kann daraufhin durch den Schwellenwerttransistor 730, den Übertragungstransistor 751, das Speichergate 732 und den Übertragungstransistor 734 zum Speichergate 702 übertragen werden.
Während der Auslesevorgänge kann durch Ausgeben des Signals RS der Zeilenauswahltransistor 724 aktiviert werden, um ein erstes Ausgangssignal auszulesen, das der Überschussladung am Floating-Diffusion-Knoten 714 entspricht. Der Rücksetztransistor 760 kann durch Ausgeben des Signals RST3 aktiviert werden, um den Floating-Diffusion-Knoten 714 zurückzusetzen. Der Zeilenauswahltransistor 724 kann dann aktiviert werden, um ein erstes Rücksetzsignal auszulesen, das dem Rücksetzwert am Floating-Diffusion-Knoten 714 entspricht. Das Signal TX4 kann daraufhin ausgegeben werden, um Ladung zwischen dem Gain-Auswahlkondensator 746 und dem Floating-Diffusion-Knoten 714 zu verteilen. Der Zeilenauswahltransistor 724 kann dann angesteuert werden, um ein zweites Ausgangssignal auszulesen, das der Spannung am Floating-Diffusion-Knoten 714 entspricht. Daraufhin kann der Floating-Diffusion-Knoten 714 durch Aktivieren des Rücksetztransistors 760 ein zweites Mal zurückgesetzt werden. Im Verlauf dieses zweiten Rücksetzvorgangs kann der Transistor 748 aktiviert bleiben, so dass der Gain-Auswahlkondensator 746 ebenfalls zurückgesetzt wird. Alternativ kann der Transistor 748 während des zweiten Rücksetzvorgangs deaktiviert werten und der Gain-Auswahlkondensator 746 kann zu einem späteren Zeitpunkt durch Aktivieren des Rücksetztransistors 712 mittels Ausgeben des Signals RST1 zurückgesetzt werden. Nach Abschluss des zweiten Rücksetzvorgangs kann der Zeilenauswahltransistor 724 aktiviert werden, um ein zweites Rücksetzsignal auszulesen, das dem Rücksetzwert am Floating-Diffusion-Knoten 714 entspricht. Das Speichergate 702 kann daraufhin die Nicht-Überschussladung zum Floating-Diffusion-Knoten 714 weiterleiten, indem das Signal TX3 ausgegeben wird, um den Übertragungstransistor 706 zu aktivieren, während die Signale SG_STORE und TX2 niedrig gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Nicht-Überschussladung zum Floating-Diffusion-Knoten 714 fließt. Der Zeilenauswahltransistor 724 kann dann angesteuert werden, um ein drittes Rücksetzsignal auszulesen, das dem Rücksetzwert am Floating-Diffusion-Knoten 714 entspricht. Auf Wunsch kann die Reihenfolge vertauscht werden, in der die Nicht-Überschussladungen und die Ladungen am Gain-Auswahlkondensator 746 gelesen werden (z. B. derart, dass die Nicht-Überschussladungen vor den am Gain-Auswahlkondensator 746 gespeicherten Ladungen ausgelesen werden). Die oben beschriebenen Auslesevorgänge sind lediglich ein Beispiel einer möglichen Ausleseanordnung bzw. eines möglichen Ausleseverfahrens. Auf Wunsch können stattdessen auch andere Dual-Gain-Ausleseverfahren eingesetzt werden.
Während der nächsten Belichtungs-, Integrations- und Ausleseperiode sollten anstelle des Gain-Auswahltransistors 744, Gain-Auswahlkondensators 746, Rücksetztransistors 712, und Transistors 748 (d. h. des ersten Gain-Auswahlpfades) der Gain-Auswahltransistor 750, der Gain-Auswahlkondensator 752, der Rücksetztransistor 713, und der Transistor 754 (d. h. der zweite Gain-Auswahlpfad) verwendet werden. Bei jeder aufeinander folgenden Abfolge von Belichtung, Integration und Auslesen sollte zwischen dem ersten und zweiten Gain-Auswahlpfad gewechselt werden.
Die Signale TX1 und SG_RES können sich dabei in Übereinstimmung mit dem in 7B dargestellten Timing-Diagramm verhalten. Die Zeiträume t₁ und t₂ können einen einzelnen Taktzyklus von Signalen TX1 und SG_RES während der Belichtungsperiode repräsentieren. Während des Zeitraums t₁ kann TX1 einen hohen Spannungspegel V--_H aufweisen, während SG_RES einen niedrigen Spannungspegel V_L aufweist, so dass die Überschussladung am Knoten 749 zum Knoten 753 weitergeleitet wird. Während des Zeitraums t-₂ kann TX1 einen niedrigen Spannungspegel V--_L aufweisen, während SG_RES einen hohen Spannungspegel V_H aufweist, so dass die Überschussladung an der Spannungsquelle 722 abgeleitet wird. Der durch die Zeiträume t₁ und t₂ repräsentierte Taktzyklus kann sich während der Belichtungsperiode wiederholen. Wie in 7B dargestellt, können die Signale TX1 und SG_RES jeweils eine Einschaltdauer von 50% aufweisen. Auf Wunsch können andere Einschaltdauerwerte ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Signal TX1 eine Einschaltdauer von 25% und das Signal SG_RES eine Einschaltdauer von 75% aufweisen, wenn ein vergrößerter dynamischer Bereich erwünscht ist. In manchen Ausführungsformen kann es Zeiträume geben, in denen das Signal TX1 auf V_L und SG_RES auf V_L gehalten wird.
Es wurden unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben, die Global-Shutter-Bildsensoren veranschaulichen, die Pixel mit Ladungslenkungs-Strukturen aufweisen. Bildsensoren, die Pixel mit Ladungslenkungs-Strukturen aufweisen, können in einem Abbildungssystem wie z. B. einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden.
Ein Bildsensorpixel kann eine Photodiode umfassen, die als Reaktion auf einfallendes Licht während einer Belichtungsperiode Ladung generiert, eine an die Photodiode gekoppelte Gatestruktur, eine über die gekoppelten Gatestruktur an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur und einen an die Speicherstruktur gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten. Signale können im Global-Shutter-Modus aus dem Bildsensorpixel ausgelesen werden.
Die gekoppelte Gatestruktur kann einen Schwellenwerttransistor umfassen, der an die Photodiode gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung überfragen wird, sowie einen an eine Spannungsquelle gekoppelten Rücksetztransistor und eine integrierende Speicherstruktur, die zwischen dem Schwellenwerttransistor und dem ersten Übertragungstransistor gekoppelt ist. Der Schwellenwerttransistor kann zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet sein. Ein erster Teil der Überschussladung kann zur integrierenden Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden. Der Rücksetztransistor kann ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung ändert. Die integrierende Speicherstruktur kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer mittleren Spannung ändert. Das erste auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann das zweite auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal ausschließen und umgekehrt. Die gekoppelte Gatestruktur kann darüber hinaus eine zusätzliche, an den Schwellenwerttransistor gekoppelte integrierende Speicherstruktur umfassen. Das Bildsensorpixel kann darüber hinaus eine zusätzliche Speicherstruktur umfassen, die zwischen der zusätzlichen integrierenden Speicherstruktur und dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist. Die zusätzliche integrierende Speicherstruktur kann ein drittes Steuersignal empfangen, das sich zwischen der hohen Spannung und der mittleren Spannung ändert. Das dritte auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann sich gegenseitig ausschließen, wobei das erste Steuersignal die hohe Spannung aufweist und das zweite Steuersignal die hohe Spannung aufweist.
Ein Bildsensor kann ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln einschließen. Jedes Pixel kann ein lichtempfindliches Element umfassen, das als Reaktion auf einfallendes Licht Ladung generiert, eine an das lichtempfindliche Element gekoppelte Ladungslenkungs-Struktur, eine über die Ladungslenkungs-Struktur an das lichtempfindliche Element gekoppelte Speicherstruktur und einen an die Speicherstruktur gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten.
Die Ladungslenkungs-Struktur kann einen Schwellenwerttransistor umfassen, der an das lichtempfindliche Element gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung übertragen wird, sowie einen an eine Spannungsquelle gekoppelten Rücksetztransistor. Der Schwellenwerttransistor kann zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet sein.
In einer Ausführungsform kann jedes Pixel darüber hinaus eine zusätzliche Speicherstruktur umfassen, die zwischen dem Schwellenwerttransistor und der Speicherstruktur gekoppelt ist. Ein erster Teil der Überschussladung kann zur zusätzlichen Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden. Der Rücksetztransistor kann ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode mit einer ersten Frequenz ändert. Die zusätzliche Speicherstruktur kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode mit der ersten Frequenz ändert. Das erste Steuersignal kann während der Belichtungsperiode gegenüber dem zweiten Steuersignal um 180 Grad phasenverschoben sein.
In einer Ausführungsform kann jedes Pixel einen an den Floating-Diffusion-Knoten gekoppelten Gain-Auswahlkondensator und einen zwischen dem Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelten Gain-Auswahltransistor umfassen, einen zusätzlichen an den Floating-Diffusion-Knoten gekoppelten Gain-Auswahlkondensator und einen zusätzlichen Gain-Auswahltransistor, der zwischen dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelt ist. Ein erster Teil der Überschussladung kann mittels Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur zur zusätzlichen Speicherstruktur und zu einem Kondensator, der aus dem Gain-Auswahlkondensator und dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator ausgewählt wurde, geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann durch Aktivierung des Rücksetztransistors über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden. Die Aktivierung des Rücksetztransistors und die Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur können sich gegenseitig ausschließen.
Ein Abbildungssystem kann einen Bildsensor umfassen, der ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweist. Jedes Pixel in dem Array aus Pixeln kann eine Photodiode umfassen, die als Reaktion auf einfallendes Licht Ladung generiert, sowie eine an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur mit kurzer Integration, eine an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur mit langer Integration, einen an die Speicherstruktur mit kurzer Integration gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten, und eine Ladungs-Speicherstruktur, die zwischen der Speicherstruktur mit langer Integration und dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist. Ein erster Teil der Ladung kann zur Speicherstruktur mit kurzer Integration geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Ladung kann zur Speicherstruktur mit langer Integration geleitet und dort gespeichert werden. Die Speicherstruktur mit kurzer Integration kann ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer mittleren Spannung ändert. Die Speicherstruktur mit langer Integration kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen der hohen Spannung und der mittleren Spannung ändert. Das erste auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann das zweite auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal ausschließen. Jedes Pixel im Array aus Pixeln kann darüber hinaus eine Spannungsquelle und einen zwischen der Photodiode und der Spannungsquelle gekoppelten Anti-Blooming-Transistor umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Bildsensorpixel eine Photodiode umfassen, die als Reaktion auf einfallendes Licht während einer Belichtungsperiode Ladung generiert, eine an die Photodiode gekoppelte Gatestruktur, eine über die gekoppelten Gatestruktur an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur und einen an die Speicherstruktur gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die gekoppelte Gatestruktur einen Schwellenwerttransistor umfassen, der an die Photodiode gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung übertragen wird, sowie einen an eine Spannungsquelle gekoppelten Rücksetztransistor und eine integrierende Speicherstruktur, die zwischen dem Schwellenwerttransistor und dem ersten Übertragungstransistor gekoppelt ist. Der Schwellenwerttransistor kann zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein erster Teil der Überschussladung zur integrierenden Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rücksetztransistor ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung ändert. Die integrierende Speicherstruktur kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer mittleren Spannung ändert. Das erste auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann das zweite auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal ausschließen und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die gekoppelte Gatestruktur darüber hinaus eine zusätzliche, an den Schwellenwerttransistor gekoppelte integrierende Speicherstruktur umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Bildsensorpixel darüber hinaus eine zusätzliche Speicherstruktur umfassen, die zwischen der zusätzlichen integrierenden Speicherstruktur und dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zusätzliche integrierende Speicherstruktur ein drittes Steuersignal empfangen, das sich zwischen der hohen Spannung und der mittleren Spannung ändert. Das dritte auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann sich gegenseitig ausschließen, wobei das erste Steuersignal die hohe Spannung aufweist und das zweite Steuersignal die hohe Spannung aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Signale im Global-Shutter-Modus aus dem Bildsensorpixel ausgelesen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Bildsensor ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln einschließen. Jedes Pixel kann ein lichtempfindliches Element umfassen, das als Reaktion auf einfallendes Licht Ladung generiert, eine an das lichtempfindliche Element gekoppelte Ladungslenkungs-Struktur, eine über die Ladungslenkungs-Struktur an das lichtempfindliche Element gekoppelte Speicherstruktur und einen an die Speicherstruktur gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ladungslenkungs-Struktur einen Schwellenwerttransistor umfassen, der an das lichtempfindliche Element gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung übertragen wird, sowie einen an eine Spannungsquelle gekoppelten Rücksetztransistor. Der Schwellenwerttransistor kann zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine zusätzliche Speicherstruktur zwischen dein Schwellenwerttransistor und der Speicherstruktur gekoppelt sein. Ein erster Teil der Überschussladung kann zur zusätzlichen Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rücksetztransistor ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode mit einer ersten Frequenz ändert. Die zusätzliche Speicherstruktur kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode mit der ersten Frequenz ändert. Das erste Steuersignal kann während der Belichtungsperiode gegenüber dem zweiten Steuersignal um 180 Grad phasenverschoben sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedes Pixel einen an den Floating-Diffusion-Knoten gekoppelten Gain-Auswahlkondensator und einen Gain-Auswahltransistor umfassen, der zwischen dem Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedes Pixel weiterhin einen zusätzlichen an den Floating-Diffusion-Knoten gekoppelten Gain-Auswahlkondensator und einen zusätzlichen Gain-Auswahltransistor umfassen, der zwischen dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein erster Teil der Überschussladung mittels Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur zur zusätzlichen Speicherstruktur und zu einem Kondensator geleitet und dort gespeichert werden, der aus dem Gain-Auswahlkondensator und dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator ausgewählt wurde. Ein zweiter Teil der Überschussladung kann durch Aktivierung des Rücksetztransistors über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Aktivierung des Rücksetztransistors und die Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur sich gegenseitig ausschließen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Abbildungssystem einen Bildsensor umfassen, der ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln aufweist. Jedes Pixel in dem Array aus Pixeln kann eine Photodiode umfassen, die als Reaktion auf einfallendes Licht Ladung generiert, sowie eine an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur mit kurzer Integration, eine an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur mit langer Integration, einen an die Speicherstruktur mit kurzer Integration gekoppelten Floating-Diffusion-Knoten, und eine Ladungs-Speicherstruktur, die zwischen der Speicherstruktur mit langer Integration und dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein erster Teil der Ladung zur Speicherstruktur mit kurzer Integration geleitet und dort gespeichert werden. Ein zweiter Teil der Ladung kann zur Speicherstruktur mit langer Integration geleitet und dort gespeichert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Speicherstruktur mit kurzer Integration ein erstes Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer mittleren Spannung ändert. Die Speicherstruktur mit langer Integration kann ein zweites Steuersignal empfangen, das sich während der Belichtungsperiode zwischen der hohen Spannung und der mittleren Spannung ändert. Das erste auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal kann das zweite auf eine hohe Spannung eingestellte Steuersignal ausschließen und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedes Pixel im Array von Pixeln darüber hinaus eine Spannungsquelle und einen zwischen der Photodiode und der Spannungsquelle gekoppelten Anti-Blooming-Transistor umfassen.
Das Vorhergehende ist lediglich veranschaulichend für die Grundsätze dieser Erfindung, die in weiteren Ausführungsformen umgesetzt werden kann.

Claims

Bildsensorpixel, umfassend: eine Photodiode, die während einer Belichtungsperiode als Reaktion auf einfallendes Licht Ladung generiert; eine gekoppelte Gatestruktur, die an die Photodiode gekoppelt ist; eine über die gekoppelte Gatestruktur an die Photodiode gekoppelte Speicherstruktur; und einen Floating-Diffusion-Knoten, der an die Speicherstruktur gekoppelt ist.
Bildsensorpixel nach Anspruch 1, wobei die gekoppelte Gatestruktur umfasst: einen Schwellenwerttransistor, der an die Photodiode gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung übertragen wird; einen Rücksetztransistor, der an eine Spannungsquelle gekoppelt ist, wobei der Schwellenwerttransistor zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet ist; und eine integrierende Speicherstruktur, die zwischen dem Schwellenwerttransistor und der Speicherstruktur gekoppelt ist.
Bildsensorpixel nach Anspruch 2, wobei ein erster Teil der Überschussladung zu der integrierenden Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert wird, wobei ein zweiter Teil der Überschussladung über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet wird, wobei Rücksetztransistor ein erstes Steuersignal empfängt, das sich während der Belichtungsperiode zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung ändert, wobei die integrierende Speicherstruktur ein zweites Steuersignal empfängt, das sich während der Belichtungsperiode zwischen der hohen Spannung und einer mittleren Spannung ändert, und wobei sich das erste Steuersignal, wenn es eine hohe Spannung aufweist, und das zweite Steuersignal, wenn es eine hohe Spannung aufweist, gegenseitig ausschließen.
Bildsensorpixel nach Anspruch 3, wobei die gekoppelte Gatestruktur weiterhin um fasst: eine zusätzliche integrierende Speicherstruktur, die an den Schwellenwerttransistor gekoppelt ist.
Bildsensorpixel nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: eine zusätzliche Speicherstruktur, die zwischen der zusätzlichen integrierenden Speicherstruktur und dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist, wobei die zusätzliche Speicherstruktur ein drittes Steuersignal empfängt, das sich zwischen der hohen Spannung und der mittleren Spannung ändert, wobei sich das dritte Steuersignal, wenn es eine hohe Spannung aufweist, das erste Steuersignal, wenn es eine hohe Spannung aufweist, und das zweite Steuersignal, wenn es eine hohe Spannung aufweist, gegenseitig ausschließen, und wobei die Signale in einem Global-Shutter-Modus aus dem Bildsensorpixel ausgelesen werden.
Bildsensor, umfassend: ein Array aus Pixeln, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes Pixel umfasst: ein lichtempfindliches Element, das als Reaktion auf auftreffendes Licht Ladung generiert; eine mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelte Ladungslenkungs-Struktur; eine über die Ladungslenkungs-Struktur an das lichtempfindliche Element gekoppelte Speicherstruktur; und einen Floating-Diffusion-Knoten, der an die Speicherstruktur gekoppelt ist.
Bildsensor nach Anspruch 6, wobei die Ladungslenkungs-Struktur umfasst: einen Schwellenwerttransistor, der an das lichtempfindliche Element gekoppelt ist und so auf eine Schwellenspannung eingestellt ist, dass ein Teil der generierten Ladung durch den Schwellenwerttransistor als Überschussladung übertragen wird; und einen Rücksetztransistor, der an eine Spannungsquelle gekoppelt ist, wobei der Schwellenwerttransistor zwischen der Photodiode und dem Rücksetztransistor zwischengeschaltet ist.
Bildsensor nach Anspruch 7, wobei jedes Pixel ferner umfasst: eine zusätzliche Speicherstruktur, die zwischen dem Schwellenwerttransistor und der Speicherstruktur gekoppelt ist, wobei ein erster Teil der Überschussladung zu der zusätzlichen Speicherstruktur geleitet und dort gespeichert wird, und wobei ein zweiter Teil der Überschussladung über den Rücksetztransistor zur Spannungsquelle geleitet wird, wobei Rücksetztransistor ein erstes Steuersignal empfängt, das sich während der Belichtungsperiode mit einer ersten Frequenz ändert, wobei die zusätzliche Speicherstruktur ein zweites Steuersignal empfängt, das sich während der Belichtungsperiode mit der ersten Frequenz ändert, und wobei das erste Steuersignal gegenüber dem zweiten Steuersignal während der Belichtungsperiode um 180 Grad phasenverschoben ist.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei jedes Pixel ferner umfasst: einen Gain-Auswahlkondensator, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist; einen Gain-Auswahltransistor, der zwischen dem Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelt ist; einen zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten gekoppelt ist; und einen zusätzlichen Gain-Auswahltransistor, der zwischen dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator und der zusätzlichen Speicherstruktur gekoppelt ist.
Bildsensor nach Anspruch 9, wobei ein erster Teil der Überschussladung zur zusätzlichen Speicherstruktur sowie zu einem Kondensator geleitet und dort gespeichert wird, der mittels Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur aus dem Gain-Auswahlkondensator und dem zusätzlichen Gain-Auswahlkondensator ausgewählt wurde, wobei ein zweiter Teil der Überschussladung über den Rücksetztransistor mittels Aktivierung des Rücksetztransistors zur Spannungsquelle geleitet wird, und wobei sich die Aktivierung des Rücksetztransistors und die Aktivierung der zusätzlichen Speicherstruktur gegenseitig ausschließen.