DE102022102417A1 - Bildpixel mit gekoppelten gate-strukturen - Google Patents

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Abstract

Ein Bildsensor kann ein Array von Bildpixeln einschließen. Das Array von Bildpixeln kann mit einer Steuerschaltungsanordnung und einer Ausleseschaltungsanordnung gekoppelt sein. Ein oder mehrere Bildpixel in dem Array können jeweils eine gekoppelte Gate-Struktur einschließen, die eine Photodiode an einem Eingangsanschluss mit einem Kondensator an einem ersten Ausgangsanschluss und mit einem Floating-Diffusion-Bereich an einem zweiten Ausgangsanschluss koppelt. Die gekoppelte Gate-Struktur kann einen ersten Transistor einschließen, der eine Potentialbarriere einstellt, die Überlaufabschnitte der photodiodenerzeugten Ladung definiert. Ein zweiter und ein dritter Transistor in der gekoppelten Gate-Struktur können moduliert werden, um die Überlaufladung zu geeigneten Zeiten an den Kondensator und an den Floating-Diffusion-Bereich zu übertragen. Der zweite und der dritte Transistor können einen leitenden Pfad zwischen dem Kondensator und dem Floating-Diffusion-Bereich für einen Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung bilden.

Description

  • HINTERGRUND
  • Dies bezieht sich im Allgemeinen auf Bildgebungssysteme und genauer auf eine Pixelschaltungsanordnung in Bildsensoren.
  • Bildsensoren werden üblicherweise in elektronischen Vorrichtungen verwendet, um Bilder erfassen. In einer typischen Anordnung schließt ein Bildsensor ein Array von Bildpixeln ein, die in Pixelzeilen und Pixelspalten angeordnet sind.
  • Typischerweise enthält jedes Bildpixel ein lichtempfindliches Element zum Erzeugen von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht, Ladungsspeicherstrukturen, die erzeugte Ladung speichern, und Transistoren, die ein oder mehrere Pixelelemente miteinander koppeln. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, Bildpixel mit einem oder mehreren Kondensatoren mit niedriger Verstärkung bereitzustellen (z. B. für einen Betriebsmodus mit niedriger Verstärkung, bei Signale mit niedriger Verstärkung erzeugt werden). Die Aufnahme solcher Kondensatoren oder anderer Ladungsspeicherstrukturen kann jedoch zur Einbeziehung zusätzlicher Transistoren oder anderer Elemente (für die Konnektivität innerhalb des Bildpixels), die zusätzliche Pixelfläche erfordern, führen. Dies wird besonders problematisch, da die Größen von Bildpixeln herunterskaliert werden.
  • Es wäre daher wünschenswert, eine Pixelschaltungsanordnung und eine Pixelkonfiguration mit einer kleinen Anzahl von Transistoren oder anderen Elementen bereitzustellen, während dennoch ein zufriedenstellender Pixelbetrieb (z. B. in einem Betriebsmodus mit niedriger Verstärkung) bereitgestellt wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Bildgebungssystems mit einem oder mehreren Bildsensoren und einer Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Erfassen von Bildern gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist ein Diagramm einer veranschaulichenden Bildsensorschaltungsanordnung mit einem Pixelarray und einer Steuer- und Ausleseschaltungsanordnung für das Pixelarray gemäß einigen Ausführungsformen.
    • FIG: 3 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden Bildpixels mit einer gekoppelten Gate-Struktur gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 4, 5A und 5B sind veranschaulichende Zeitsteuerungsdiagramme zum Betreiben eines Bildpixels, wie des in 3 gezeigten Bildpixels, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 ist ein veranschaulichendes Pixellayout zum Implementieren einer gekoppelten Gate-Struktur wie der gekoppelten Gate-Struktur in 3 gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden Bildpixels mit einer gekoppelten Gate-Struktur mit drei Ausgangsanschlüssen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 8 ist ein veranschaulichendes Zeitsteuerungsdiagramm zum Betreiben eines Bildpixels, wie des in 7 gezeigten Bildpixel, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 9 ist ein veranschaulichendes Pixellayout zum Implementieren einer gekoppelten Gate-Struktur wie der gekoppelten Gate-Struktur in 7 gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 10 ist ein zusätzliches veranschaulichendes Pixellayout zum Implementieren einer gekoppelten Gate-Struktur wie der gekoppelten Gate-Struktur in 7 gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Elektronische Vorrichtungen, wie Digitalkameras, Computer, Mobiltelefone und andere elektronische Vorrichtungen, können Bildsensoren einschließen, die einfallendes Licht einfangen, um ein Bild zu erfassen. Die Bildsensoren können Arrays von Bildpixeln einschließen. Die Pixel in den Bildsensoren können lichtempfindliche Elemente, wie Photodioden, einschließen, die das einfallende Licht in Bildladung (z. B. Bildsignale) umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln aufweisen (z. B. Hunderte oder Tausende oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann zum Beispiel Hunderttausende oder Millionen von Pixeln (z. B. Megapixel) aufweisen. Bildsensoren können eine Steuerschaltungsanordnung, wie eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der Bildpixel, und eine Ausleseschaltungsanordnung zum Auslesen von Bildsignalen, die der elektrischen Ladung entsprechen, die durch die lichtempfindlichen Elemente erzeugt wird, einschließen.
  • 1 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Bildgebungssystems, wie einer elektronischen Vorrichtung, die einen Bildsensor verwendet, um Bilder zu erfassen. Das Bildgebungssystem 10 von 1 kann eine tragbare elektronische Vorrichtung, wie eine Kamera, ein Mobiltelefon, ein Tablet-Computer, ein Laptop-Computer, eine Webcam oder eine Videokamera sein, kann andere Typen von Bildgebungssystemen wie ein Videoüberwachungssystem, ein Kraftfahrzeugbildgebungssystem, ein Videospielsystem mit Bildgebungsfähigkeiten, ein Augmented-Reality- und/oder Virtual-Reality-System, ein unbemanntes Luftfahrzeugsystem (z. B. eine Drohne) oder ein industrielles System oder beliebige andere gewünschte Bildgebungssysteme oder beliebige andere gewünschte Bildgebungsvorrichtungen sein, die digitale Bilddaten erfassen. Ein Kameramodul 12 (manchmal als Bildgebungsmodul bezeichnet) kann verwendet werden, um einfallendes Licht in digitale Bilddaten umzuwandeln. Das Kameramodul 12 kann eine oder mehrere Linsen 14 und einen oder mehrere entsprechende Bildsensoren 16 einschließen. Die Linsen 14 können feste und/oder einstellbare Linsen einschließen und können Mikrolinsen, die auf einer Bildgebungsoberfläche des Bildsensors 16 gebildet sind, und andere Makrolinsen einschließen. Während Bilderfassungsvorgängen kann Licht aus einer Szene von den Linsen 14 auf den Bildsensor 16 fokussiert werden. Der Bildsensor 16 kann eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln analoger Pixelbildsignale in entsprechende digitale Bilddaten einschließen, die der Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 bereitgestellt werden. Wenn gewünscht, kann das Kameramodul 12 mit einem Array der Linsen 14 und einem Array der entsprechenden Bildsensoren 16 bereitgestellt werden.
  • Die Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 kann eine oder mehrere integrierte Schaltungen (z. B. Bildverarbeitungsschaltungen, Mikroprozessoren, Speichervorrichtungen, wie Speicher mit wahlfreiem Zugriff und nicht-flüchtigen Speicher, usw.) einschließen und kann unter Verwendung von Komponenten, die von dem Kameramodul getrennt sind und/oder die einen Teil des Kameramoduls bilden (z. B. Schaltungen, die einen Teil einer integrierten Schaltung bilden, die die Bildsensoren 16 oder eine integrierte Schaltung innerhalb des Moduls, das mit den Bildsensoren 16 verbunden ist, einschließt), implementiert werden. Wenn die Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 auf anderen integrierten Schaltungen (z. B. Chips) als denen der Bildsensoren 16 eingeschlossen ist, können die integrierten Schaltungen mit der Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 gestapelt oder in Bezug auf die integrierten Schaltungen mit den Bildsensoren 16 gehäust sein. Bilddaten, die von Kameramodul 12 erfasst wurden, können unter Verwendung der Verarbeitungsschaltung 18 verarbeitet und gespeichert werden (z. B. unter Verwendung eines Bildprozessors auf Verarbeitungsschaltung 18, unter Verwendung einer Hilfe zur Auswahl eines Bildgebungsmodus auf Verarbeitungsschaltung 18 usw.). Verarbeitete Bilddaten können, wenn gewünscht, externen Geräten (z. B. einem Computer, einer externen Anzeige oder anderen Vorrichtungen) unter Verwendung verdrahteter und/oder drahtloser Kommunikationspfade, die an die Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 gekoppelt sind, bereitgestellt werden.
  • Wie in 2 gezeigt, kann der Bildsensor 16 ein Pixelarray 20, das Bildsensorpixel 22 enthält (die manchmal hierin als Bildpixel oder einfach Pixel bezeichnet werden) und eine Steuer- und Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 einschließen. In einigen hierin als veranschaulichenden Beispielen beschriebenen Konfigurationen können Bildpixel 22 in Zeilen und Spalten angeordnet sein. Das Array 20 kann zum Beispiel Hunderte oder Tausende von Zeilen und Spalten von Bildpixeln 22 enthalten. Die Steuerschaltungsanordnung 24 kann mit einer Zeilensteuerschaltungsanordnung 26 (manchmal als Zeilentreiberschaltungsanordnung bezeichnet) und einer Spaltenausleseschaltungsanordnung 28 (manchmal als Spaltensteuerschaltungsanordnung, Spaltenausleseschaltungsanordnung oder einfach Ausleseschaltungsanordnung bezeichnet) gekoppelt sein. Die Zeilensteuerschaltungsanordnung 26 kann Zeilenadressen von der Steuerschaltungsanordnung 24 empfangen und entsprechende Zeilensteuersignale, wie Rücksetzen, Anti-Blooming, Zeilenauswahl, Ladungsübertragung, Dual Conversion Gain (z. B. Low Conversion Gain = niedrige Umwandlungsverstärkung) und Auslesesteuersignale, über einen oder mehrere Zeilensteuerpfade 30 zu jeder Zeile von Pixeln 22 leiten. Eine oder mehrere leitende Pfade, wie Spaltenleitungen 32, können mit jeder Spalte der Pixel 22 in dem Array 20 gekoppelt sein. Die Spaltenleitungen 32 können zum Auslesen von Bildsignalen aus den Pixeln 22 und zum Leiten von Vorspannungssignalen (z. B. Vorspannungsströmen oder Vorspannungen) zu den Pixeln 22 verwendet werden. Wenn gewünscht, kann während Pixelauslesevorgängen eine Pixelzeile in dem Array 20 unter Verwendung der Zeilensteuerschaltungsanordnung 26 ausgewählt werden und können Bildsignale, die durch die Bildpixel 22 in dieser Pixelzeile erzeugt werden, entlang der Spaltenleitungen 32 ausgelesen werden.
  • Die Spaltenausleseschaltungsanordnung 28 kann Bildsignale (z. B. durch die Pixel 22 erzeugte analoge Pixelwerte) über die Spaltenleitungen 32 empfangen. Die Spaltenausleseschaltungsanordnung 28 kann eine Speicherschaltungsanordnung zum temporären Speichern von Kalibrierungssignalen (z. B. Rücksetzpegelsignalen, Referenzpegelsignalen) und/oder aus dem Array 20 ausgelesenen Bildsignalen (z. B. Bildpegelsignalen), eine Verstärkerschaltungsanordnung, eine Analog-Digital-Wandlungs-Schaltungsanordnung (ADC-Schaltungsanordnung), eine Vorspannungsschaltungsanordnung, eine Latch-Schaltungsanordnung zum selektiven Aktivieren oder Deaktivieren der Spaltenschaltungsanordnung oder eine andere Schaltungsanordnung einschließen, die mit einer oder mehreren Spalten von Pixeln in dem Array 20 zum Betreiben der Pixel 22 und zum Auslesen von Bildsignalen aus den Pixeln 22 gekoppelt ist. Die ADC-Schaltungsanordnung in der Ausleseschaltungsanordnung 28 kann analoge Pixelwerte, die von dem Array 20 empfangen werden, in entsprechende digitale Pixelwerte (manchmal als digitale Bilddaten oder digitale Pixeldaten bezeichnet) umwandeln. Die Spaltenausleseschaltungsanordnung 28 kann die digitalen Pixeldaten liefern, die Pixeln in einem oder mehreren Pixelsäulen zugeordnet sind, um die Steuer- und Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 und/oder den Prozessor 18 (1) zu steuern.
  • Das Pixelarray 20 kann auch mit einem Filterarray bereitgestellt werden, das mehrere (Farb-)Filterelemente (von denen jedes einem oder mehreren entsprechenden Pixeln entspricht) aufweist, was es einem einzelnen Bildsensor ermöglicht, Licht unterschiedlicher Farben oder Wellenlängensätze abzutasten. Bildsensorpixel, wie die Bildpixel in dem Array 20, können zum Beispiel mit einem Farbfilterarray mit einem roten, einem grünen und einem blauen Filterelement bereitgestellt sein, was es einem einzelnen Bildsensor ermöglicht, rotes, grünes und blaues (RGB) Licht unter Verwendung entsprechender roter, grüner und blauer Bildsensorpixel, die in einem Bayer-Mosaikmuster angeordnet sind, abzutasten. Als weiteres Beispiel können die grünen Pixel in einem Bayer-Muster durch Breitbandbildpixel mit Breitbandfarbfilterelementen (z. B. transparenten Farbfilterelementen, gelben Farbfilterelementen usw.) ersetzt werden. In noch einem anderen Beispiel kann eines der grünen Pixel in einem Bayer-Muster durch Infrarotbildpixel (IR-Bildpixel) ersetzt werden, die unter IR-Farbfilterelementen gebildet werden, und/oder können die verbleibenden roten, grünen und blauen Bildpixel auch empfindlich gegenüber IR-Licht sein (z. B. können sie unter Filterelementen gebildet werden, die zusätzlich zu Licht ihrer jeweiligen Farben IR-Licht durchlassen). Diese Beispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung, und im Allgemeinen können Filterelemente für jede gewünschte Farbe und/oder Wellenlänge und in jedem gewünschten Muster über jede gewünschte Anzahl der Bildpixel 22 gebildet werden.
  • 3 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden Bildpixels 22. Wie in 3 gezeigt, kann Pixel 22 ein lichtempfindliches Element wie Photodiode 40 aufweisen. Die Photodiode 40 weist einen ersten Anschluss auf, der mit einem Spannungsanschluss 38 gekoppelt ist, der eine Referenzspannung (z. B. eine Massespannung) empfängt. Eine Ladung aus einfallendem Licht kann von der Photodiode 40 gesammelt werden. Die Photodiode 40 kann als Reaktion auf die Aufnahme des einfallenden Lichts (z. B. auftreffenden Photonen) eine Ladung (z. B. Elektronen) erzeugen. Die Menge der Ladung, die von der Fotodiode 40 aufgenommen wird, kann von der Intensität des einfallenden Lichts und der Belichtungsdauer (oder Integrationszeit) abhängen.
  • Pixel 22 in 3 schließt auch einen Floating-Diffusion-Bereich wie einen Floating-Diffusion-Bereich 46 ein. Der Floating-Diffusion-Bereich 46 kann ein dotierter Halbleiterbereich sein (z. B. ein Bereich in einem Siliciumsubstrat, der durch Ionenimplantation, Eindiffundieren von Fremdatomen oder einen anderen Dotierungsprozess dotiert ist). Dementsprechend kann der Floating-Diffusion-Bereich 46 eine zugehörige Ladungsspeicherkapazität aufweisen (z. B. schematisch als ein Kondensator in 3 gezeigt). Eine Photodiodenladung oder andere Ladung (z. B. Rücksetzspannungspegelladung, Dunkelstromladung usw.) kann in dem Floating-Diffusion-Bereich 46 für einen Pixelauslesevorgang übertragen und gespeichert werden.
  • In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs 46 zu erweitern und das Pixel 22 in einem Betriebsmodus mit niedriger (Umwandlungs-) Verstärkung zu betreiben, indem ein Kondensator mit niedriger (Umwandlungs-) Verstärkung aufgenommen wird. Wie in 3 gezeigt, schließt das Pixel 22 eine Ladungsspeicherstruktur wie den Kondensator 52 (z. B. einen Kondensator mit niedriger Verstärkung) ein. Um den Floating-Diffusion-Bereich 46 effizienter mit dem Kondensator 52 zu koppeln, kann das Pixel 22 in 3 eine gekoppelte-Gate-Struktur (z. B. eine Struktur, die mehrere Transistoren oder Anschlüsse einschließt, die miteinander gekoppelt sind) zwischen dem Kondensator 52 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 einschließen.
  • Insbesondere kann das Pixel 22 Transistoren 42, 44 und 50 (z. B. als Abschnitt der gekoppelten Gate-Struktur in Pixel 22) einschließen. Wie in 3 gezeigt, koppeln die Transistoren 42 und 44 die Photodiode 40 mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 (z. B. verbinden diese selektiv), wodurch ermöglicht wird, dass die photodiodenerzeugte Ladung unter Verwendung der Transistoren 42 und 44 von der Photodiode 40 in den Floating-Diffusion-Bereich 46 übertragen wird. Die Transistoren 42 und 50 koppeln die Photodiode 40 mit dem Kondensator 52, wodurch die photodiodenerzeugte Ladung unter Verwendung von Transistoren 42 und 50 von der Photodiode 40 auf den Kondensator 52 übertragen wird. Der Kondensator 52 kann konfiguriert sein, um mehrere Instanzen der empfangenen Ladung zu integrieren und die integrierte Ladung zu speichern. Die Transistoren 44 und 50 koppeln den Floating-Diffusion-Bereich 46 mit dem Kondensator 52, wodurch der Kondensator 52 durch einen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich 46 und dem Kondensator 52 unter Verwendung von Transistoren 44 und 50 (z. B. für einen Ladungsverteilungsvorgang, für einen Ladungsübertragungsvorgang usw.) verbunden werden kann.
  • Der Transistor 50 kann mit einem ersten Anschluss der Ladungsspeicherstruktur 52 (z. B. einem ersten Anschluss des Kondensators 52) gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss der Ladungsspeicherstruktur 52 (z. B. ein zweiter Anschluss des Kondensators 52) kann mit einem Spannungsanschluss 54 gekoppelt sein, der eine Referenzspannung (Signal) empfängt. Als Beispiele kann der Spannungsanschluss 54 eine feste Referenzspannung an den zweiten Anschluss des Kondensators 52 bereitstellen oder kann ein variables Referenzspannungssignal (z. B. einen ersten Spannungswert während eines ersten Zeitraums, einen zweiten Spannungswert während eines zweiten Zeitraums usw.) an den zweiten Anschluss des Kondensators 52 bereitstellen.
  • Da die Photodiode 40 erzeugte Ladung in die gekoppelte Gate-Struktur bereitstellt, kann der Anschluss des Transistors 42, der mit der Photodiode 40 gekoppelt ist, als ein Eingangsanschluss der gekoppelten Gate-Struktur bezeichnet werden. In analoger Weise können, da die gekoppelte Gate-Struktur die photodiodenerzeugte Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich 46 und den Kondensator 52 ausgibt, der Anschluss des Transistors 44, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 gekoppelt ist, und der Anschluss des Transistors 50, der mit dem Kondensator 52 gekoppelt ist, jeweils als erster und zweiter Ausgangsanschluss der gekoppelten Gate-Struktur bezeichnet werden.
  • Falls gewünscht, kann der mittlere Knoten oder Bereich in der gekoppelten Gate-Struktur zwischen (gemeinsam genutzten) Transistoren 42, 44 und 50 ein abgereicherter Knoten sein. Allgemeiner kann die gekoppelte Gate-Struktur derart konfiguriert sein (z. B. durch den abgereicherten Knoten), dass jede Übertragung von photodiodenerzeugter Überlaufladung in den entsprechenden Bereich (z. B. Überlaufladung von Photodiode 40 zu Floating-Diffusion-Bereich 46 oder zu Kondensator 52) die gesamte entsprechende Überlaufladung vollständig in den entsprechenden Bereich übertragen kann. Falls gewünscht, kann die gekoppelte Gate-Struktur beliebige andere geeignete Strukturen einschließen, um diese vollständige Übertragung aller Überlaufladung sowie die Übertragung anderer (verbleibender) photodiodenerzeugter Ladung, wenn gewünscht, zu ermöglichen.
  • Um ein oder mehrere Pixelelemente (z. B. auf einen Rücksetzspannungspegel) zurückzusetzen, kann das Pixel 22 einen Rücksetztransistor wie einen Rücksetztransistor 48 einschließen. Wie in 3 gezeigt, koppelt der Transistor 48 einen Spannungsanschluss 56, der eine Referenzspannung (z. B. eine Versorgungsspannung, die einem Rücksetzspannungspegel zugeordnet ist) aufnimmt, mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46. Insbesondere wenn der Transistor 48 aktiviert ist (z. B. durch Aktivieren des Steuersignals RST), kann der Floating-Diffusion-Bereich 46 auf einen Rücksetzspannungspegel (z. B. eine Versorgungsspannung) zurückgesetzt werden. Zusätzlich kann der Transistor 48 bei Aktivierung zusammen mit anderen Transistoren (z. B. zusammen mit den Transistoren 42, 44 und 50 durch Aktivieren entsprechender Steuersignale TX_BR, TX_FD und TX_E2) auch die Photodiode 40 und den Kondensator 52 auf den Rücksetzspannungspegel zurücksetzen. Die Transistoren 42, 44 und 48 können als Beispiel auch einen Anti-Blooming-Pfad für die Photodiode 40 (z. B. an den Spannungsanschluss 56) bereitstellen.
  • Wie-in 3 gezeigt, schließt das Pixel 22 den Source-Folger-Transistor 60 und den Pixelauswahltransistor (oder Zeilenauswahltransistor) 62 ein, der den Ausleseabschnitt des Pixels 22 bildet. Insbesondere weist der Auswahltransistor 62 einen Gate-Anschluss auf, der durch das Auswahlsignal SEL gesteuert wird. Wenn das Auswahlsignal SEL aktiviert wird, wird der Transistor 62 aktiviert und ein entsprechendes Pixelausgangssignal mit einer Größe, die proportional zur Ladungsmenge am Floating-Diffusion-Bereich 46 ist, wird auf einen Pixelausgangspfad wie die Spaltenleitung 68 (z. B. Leitung 32 in 2) über den Source-Folger-Transistor 60 geleitet. Wenn der Floating-Diffusion-Bereich 46 eine photodiodenerzeugte Ladung speichert, die ausgelesen wird, kann das entsprechende Pixelausgangssignal als ein Bild(pegel)signal bezeichnet werden. Wenn der Floating-Diffusion-Bereich 46 Rücksetzspannungspegelladung speichert, die ausgelesen wird, kann das entsprechende Pixelausgangssignal als ein Rücksetzpegelsignal bezeichnet werden.
  • In einer veranschaulichenden Bildpixelarraykonfiguration sind zahlreiche Zeilen und Spalten der Pixel 22 vorhanden. Eine Spaltenleitung 68 kann jeder Spalte der Pixel 22 zugeordnet sein (z. B. kann jedes Bildpixel 22 in einer Spalte über einen verbundenen Zeilenauswahltransistor 62 mit der gleichen Spaltenleitung 68 gekoppelt sein). Das Steuersignal SEL kann aktiviert werden, um ein Pixelausgangssignal von einem ausgewählten Bildpixel 22 auf die Spaltenleitung 68 auszulesen. Das Pixelausgangssignal kann der Ausleseschaltungsanordnung 28 (2) und danach der Verarbeitungsschaltungsanordnung 18 (1) zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
  • Ein Bildsensor mit einem Array von Bildpixeln, wie Pixel 22 in 3, kann unter unterschiedlichen Lichtbedingungen (z. B. in einer relativ lichtschwachen Umgebung, in einer relativ lichtstarken Umgebung, in einer Zwischenlichtumgebung zwischen der Schwach- und der Starklichtumgebung usw.) arbeiten. Bei einigen Anwendungen (z. B. zum Bereitstellen von Bildern mit hohem Dynamikbereich) kann es wünschenswert sein, dass das Pixel 22 in 3 mehr als ein Bildsignal (z. B. zwei Bildsignale) für jeden Integrationszyklus (z. B. für jeden Integrationszeitraum) erzeugt.
  • Konfigurationen, in denen das Pixel 22 in 3 ein Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einer Überlaufladung (z. B. einem oder mehreren Überlaufabschnitten von photodiodenerzeugter Ladung) und ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf verbleibender Ladung (z. B. ein Abschnitt der photodiodenerzeugten Ladung, der nach dem Entfernen des einen oder der mehreren Überlaufabschnitte von photodiodenerzeugten Ladung auf der Photodiode gespeichert bleibt) erzeugt, werden hierin als veranschaulichende Beispiele beschrieben. Dementsprechend ist 4 ein veranschaulichendes Zeitdiagramm, das zeigt, wie ein Pixel wie Pixel 22 in 3 betreibbar sein kann, um diese Signale mit niedriger und hoher Umwandlungsverstärkung zu erzeugen.
  • Im Beispiel von 4 können Steuersignale SEL, TX_BR, TX_E2, TX_FD, RST, CLG_REF und SH verwendet werden, um den Betrieb des Pixels 22 zu steuern. Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung wie die Zeilensteuerschaltungsanordnung 26 und/oder Steuerschaltungsanordnung 24 (2) konfiguriert sein, um einen oder mehrere (z. B. alle) dieser Steuersignale an entsprechende Elemente in Pixel 22 (und an andere Schaltungsanordnungen wie die Ausleseschaltungsanordnung 28) über jeweilige Steuerleitungen 30 (2) bereitzustellen. Unter Bezugnahme auf das Pixel 22 in 3 kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SEL an den Transistor 62 bereitstellen, das Steuersignal TX_BR an den Transistor 42 bereitstellen, das Steuersignal TX_E2 an den Transistor 50 bereitstellen, das Steuersignal TX_FD an den Transistor 44 bereitstellen, das Steuersignal RST an den Transistor 48 bereitstellen, das Steuersignal (oder Referenzspannungssignal) CLG_REF an den Spannungsanschluss 54 bereitstellen und das Steuersignal SH an entsprechende Ausleseschaltungsanordnungskomponenten wie Abtast- und Halteschaltungen und Abtastschalter oder -schaltungen in der Ausleseschaltungsanordnung 28 (2) bereitstellen.
  • Wie in 4 gezeigt, kann die Steuerschaltungsanordnung das Pixel 22 während eines Verschlusszeitraums T1, eines Integrationszeitraums T2 und eines Auslesezeitraums T3 betreiben. Während des Verschlusszeitraums T1 kann die Steuerschaltungsanordnung die Steuersignale SEL, TX_BR, TX_E2, TX_FD und RST vollständig aktivieren, um Pixelelemente in Pixel 22 (z. B. Floating-Diffusion-Bereich 46, Photodiode 40, Kondensator 52 usw.) auf einen Rücksetzspannungspegel (z. B. einer Pixelstromversorgungsspannung, die am Spannungsanschluss 56 zugeführt wird) zurückzusetzen. Nachdem die Photodiode 40 auf einen Rücksetzspannungspegel zurückgesetzt wurde (z. B. nach dem Deaktivieren des Steuersignals TX_BR während des Verschlusszeitraums T1), kann ein Integrationszeitraum für die Photodiode 40 beginnen (z. B. kann die Photodiode 40 als Reaktion auf einfallendes Licht beginnen, die Ladung zu akkumulieren).
  • Während des Integrationszeitraums T2 kann die Übertragung von Überlaufabschnitten der photodiodenerzeugten Ladung zwischen dem (z. B. selektiv übertragenen) Floating-Diffusion-Bereich 46 und dem Kondensator 52 unter Verwendung von Steuersignalen TX_BR, TX_E2 und TX_FD moduliert werden. Diese selektive Übertragung von Photodiodenüberlaufladung kann wiederholt über eine Anzahl von Pulszeiträumen durchgeführt werden. Der Transistor 42 kann konfiguriert sein, um als eine Potenzialbarriere zu dienen(diese z. B. zu bilden, definieren usw.), die photodiodenerzeugte Ladung an der Photodiode 40 in den ersten und zweiten Abschnitt (z. B. einen ersten Überlaufabschnitt, der über der Potentialbarriere liegt, und einen zweiten verbleibenden Abschnitt, der unterhalb der Potenzialbarriere liegt) trennt. Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal TX_BR (teilweise) auf einen geeigneten Spannungspegel zum Steuern des Transistors 42 und Bilden der Potenzialbarriere aktivieren. Zusammen mit dieser Teilaktivierung von TX_BR kann die Steuerschaltungsanordnung auch (teilweise) eines der Steuersignale TX_FD oder TX_E2 bereitstellen, um den Überlaufabschnitt von photodiodenerzeugter Ladung zu dem Floating-Diffusion-Bereich 46 bzw. dem Kondensator 52 zu übertragen.
  • Als veranschaulichendes Beispiel kann die Steuerschaltungsanordnung ein Steuersignal an einem ersten Spannungspegel bereitstellen, um das Steuersignal vollständig zu aktivieren, kann das Steuersignal an einem zweiten Spannungspegel bereitstellen, um das Steuersignal zu deaktivieren, und kann das Steuersignal an einem dritten geeigneten Spannungspegel zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungspegel bereitstellen, um das Steuersignal teilweise zu aktivieren. Der dritte Spannungspegel für jedes Steuersignal kann variieren und kann je nach Art und Funktion der Steuersignale wie gewünscht angepasst werden (z. B. um einen gewünschten potenziellen Sperrpegel bereitzustellen, um eine ausreichende Ladungsübertragung zu gewährleisten usw.).
  • In dem Beispiel von 4 kann der Integrationszeitraum T2 eine Anzahl von Pulszeiträumen T2-1, T2-2, ..., t2-N, während der die Übertragung von Überlaufladung zum Floating-Diffusion-Bereich 46 und Kondensator 52 auftritt. Während in dem Beispiel von 4 drei derartige Pulszeiträume gezeigt sind, ist dies lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann der Integrationszeitraum T2 eine beliebige geeignete Anzahl von Pulszeiträumen einschließen. Während jedes Zeitraums können jeweilige Überlaufladungsabschnitte der photodiodenerzeugten Ladung zuerst auf den Floating-Diffusion-Bereich 46 und dann auf den Kondensator 52 übertragen werden.
  • Wie in 4 gezeigt, kann jeder Pulszeitraum eine Teilaktivierung des Steuersignals TX_BR gleichzeitig mit einer (Teil-) Aktivierung von TX_FD (z. B. Aktivierungspulsen von Steuersignalen TX_BR und TX_FD) einschließen, um eine geeignete Potenzialbarriere einzustellen, um den Überlaufabschnitt der photodiodenerzeugten Ladung zu definieren und den definierten Überlaufabschnitt von photodiodenerzeugter Ladung zu Floating-Diffusion-Bereich 46 (z. B. durch Transistoren 42 und 44) zu übertragen. Nach einer geeigneten Zeitdauer nach dem Pulsen der Steuersignale TX_BR und TX_FD können die Steuersignale TX_BR und TX_E2 auch innerhalb des Pulszeitraums gepulst werden. Insbesondere können Steuersignale TX_BR teilweise gleichzeitig mit der (Teil-) Aktivierung des Steuersignals TX_E2 aktiviert werden, um eine geeignete Potenzialbarriere einzustellen, um einen Überlaufabschnitt von photodiodenerzeugter Ladung zu definieren und den definierten Überlaufabschnitt der photodiodenerzeugten Ladung zu dem Kondensator 52 (z. B. durch Transistoren 42 und 50) zu übertragen. Die Überlaufabschnitte der photodiodenerzeugten Ladung, die über die mehreren Pulszeiträume auf den Kondensator 52 übertragen werden, können miteinander integriert oder kombiniert werden.
  • Während des Integrationszeitraums kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal RST (periodisch oder kontinuierlich) teilweise aktivieren, um einen Anti-Blooming-Pfad für die photodiodenerzeugte Ladung bereitzustellen (z. B. für die Überlaufabschnitte der Ladung, die auf den Floating-Diffusion-Bereich 46 übertragen werden und nicht zur Erzeugung von Bildsignalen verwendet werden).
  • Der Betrieb des Pixels 22 während jedes Pulszeitraums, wie in 4 gezeigt, ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann die Steuerschaltungsanordnung Steuersignale TX_BR, tX_E2 und TX_FD auf jede andere geeignete Weise aktivieren. Als ein erstes veranschaulichendes Beispiel, das in 5A gezeigt ist, kann die Steuerschaltungsanordnung während jedes Pulszeitraums die Steuersignale TX_BR und TX_FD gleichzeitig mehrmals (z. B. in mehreren Pulsen) aktivieren, bevor gleichzeitig die Steuersignale TX_BR und TX_E2 aktiviert werden. Als ein zweites veranschaulichendes Beispiel, das in 5B gezeigt ist, kann die Steuerschaltungsanordnung während jedes Pulszeitraums kontinuierlich (und teilweise) das Steuersignal TX_BR anstelle des pulsierenden Steuersignals TX_BR (wie in 4 und 5A gezeigt) aktivieren, und kann das Steuersignal TX_FD für einen längeren Zeitraum (z. B. für eine wesentliche Zeitdauer, während der das Steuersignal TX_E2 nicht bestätigt wird) vor dem Pulsieren des Steuersignals TX_E2 aktivieren. Falls gewünscht, kann die Steuerschaltungsanordnung unter Verwendung des in 5A oder 5B (z. B. anstelle des Schemas in 4) gezeigten Schemas das Pixel 22 in einem oder mehreren Pulszeiträumen in dem Integrationszeitraum betreiben.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann die Steuerschaltungsanordnung das Pixel 22 betreiben, um einen Pixellesevorgang während des Auslesezeitraums T3 nach dem letzten Pulszeitraum T2_N durchzuführen. Die Steuerschaltungsanordnung kann während des Auslesezeitraums T3 (oder mindestens wenn Pixelausgangssignale an einen Pixelausgang oder eine Spaltenleitung weitergeleitet werden) das Steuersignal SEL über den gesamten Pixelauslesevorgang aktivieren. Der Auslesezeitraum T3 kann einen ersten Auslesezeitraum T3-1 für eine Überlaufladung einschließen, die an dem Kondensator 52 gespeichert ist, und einen zweiten Auslesezeitraum T3-2 für verbleibende Ladung, die an der Photodiode 40 gespeichert ist.
  • Während des Auslesezeitraums T3-1 kann die Steuerschaltungsanordnung die Steuersignale TX_BR und TX_FD (teilweise) aktivieren und aktiviert das Steuersignal RST, um einen Überlaufladungsabschnitt von der Photodiode 40 zu übertragen und den Floating-Diffusion-Bereich 46 auf einen Rücksetzspannungspegel (z. B. eine Pixelstromversorgungsspannung) zurückzusetzen. Danach kann die Steuerschaltungsanordnung die Steuersignale TX_E2 und TX_FD gleichzeitig (vollständig) aktivieren, um den Kondensator 52 mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 durch die Transistoren 44 und 50 leitend zu verbinden. Dies kann ermöglichen, dass eine Auslesung mit niedriger Umwandlungsverstäkung der Überlaufladung am Kondensator 52 (z. B. Überlaufladung, die Überlaufladung von jedem der Pulszeiträume kombiniert oder integriert), durch Erweitern der Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs 46 unter Verwendung des Kondensators 52 möglich ist. Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren, um die Abtastschaltungsanordnung in der Ausleseschaltungsanordnung zu aktivieren, um eine Abtastung und Speicherung (z. B. an der Abtastschaltungsanordnung) eines Bildsignals mit niedriger Umwandlungsverstärkung in Verbindung mit der Überlaufladung, die vom Kondensator 52 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 gemeinsam genutzt wird, zu ermöglichen.
  • Danach kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal RST aktivieren (während Steuersignale TX_E2 und TX_FD aktiviert bleiben), um den Floating-Diffusion-Bereich 46 und den Kondensator 52 auf einen Rücksetzspannungspegel zurückzusetzen (z. B. eine Pixelstromversorgungsspannung, die am Spannungsanschluss 56 zugeführt wird). Nachdem das Steuersignal RST deaktiviert ist, kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren (während Steuersignale TX_E2 und TX_FD aktiviert bleiben), um ein Rücksetzpegelsignal abzutasten und zu speichern, das basierend auf der Rücksetzpegelspannung an dem Floating-Diffusion-Bereich 46 erzeugt wird (wobei ihre Speicherkapazität durch den Kondensator 52 in einem Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung erweitert wird). Dieses Rücksetzpegelsignal kann dem Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung und Überlaufladung zugeordnet sein und kann verwendet werden, um Rauschen in dem Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung und Überlaufladung zu kompensieren.
  • Nach dem Auslesezeitraum T3-1 und während des Auslesezeitraums T3-2 kann die Steuerschaltungsanordnung erneut das Steuersignal RST aktivieren, um einen Floating-Diffusion-Bereich auf eine Rücksetzspannung zurückzusetzen. Nachdem das Steuersignal RST deaktiviert ist, kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren (während Steuersignale TX_E2 und TX_FD deaktiviert sind), um ein anderes Rücksetzpegelsignal abzutasten und zu speichern, das basierend auf der Rücksetzpegelspannung an dem Floating-Diffusion-Bereich 46 erzeugt wird (in einem Betriebsmodus mit hoher Umwandlungsverstärkung, in dem der Kondensator 52 von dem Floating-Diffusion-Bereich 46 getrennt ist). Dieses Rücksetzpegelsignal kann einem Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung und photodiodengespeicherter Ladung zugeordnet sein und kann eine korrelierte Doppelabtastauslesung mit dem anschließend ausgelesenen und abgetasteten Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung und photodiodengespeicherter Ladung bilden.
  • Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung nach dem Abtasten dieses Rücksetzpegelsignals (vollständig) die Steuersignale TX_BR und TX_FD gleichzeitig bereitstellen, um photodiodengespeicherte Ladung von der Photodiode 40 in den Floating-Diffusion-Bereich 46 durch die Transistoren 42 und 44 zu übertragen. Anschließend kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren, um die Abtastschaltungsanordnung in der Ausleseschaltung zu aktivieren und ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung zu speichern, das der photodiodengespeicherten Ladung zugeordnet ist, die von der Photodiode 40 in den Floating-Diffusion-Bereich 46 übertragen wird (in einem Betriebsmodus mit hoher Umwandlungsverstärkung, in dem der Kondensator 52 von dem Floating-Diffusion-Bereich 46 getrennt ist).
  • Falls gewünscht, kann das an dem Spannungsanschluss 54 bereitgestellte Referenzspannungssignal (3) während unterschiedlicher Zeiträume des Pixelbetriebs unterschiedliche Spannungen aufweisen, um unterschiedliche Referenzspannungen an den zweiten Anschluss des Kondensators 52 zu liefern. Als veranschaulichendes Beispiel, das in 4 gezeigt ist, kann die Steuerschaltungsanordnung einen ersten Referenzspannungspegel während des Verschluss- und Auslesezeitraums T1 und T3 bereitstellen und kann während des Integrationszeitraums T2 einen zweiten Referenzspannungspegel bereitstellen. Dies ist lediglich veranschaulichend.
  • In der vorstehend in Verbindung mit 4, 5A und 5B beschriebenen Weise kann die Steuerschaltungsanordnung das Pixel 22 betreiben, um ein Bildsignal mit Überlaufladung und ein entsprechendes Rücksetzpegelsignal in einem Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung zu erzeugen und auszulesen, und ein Bildsignal mit photodiodengespeicherter Ladung und ein entsprechendes Rücksetzpegelsignal in einem Betriebsmodus mit hoher Umwandlungsverstärkung (und in einer korrelierten Doppelabtastauslesung) zu erzeugen und auszulesen. Vorteilhafterweise ist das Pixel 22 bei Verwendung einer gekoppelten Gate-Struktur konfiguriert, um diese Pixelsignale zu erzeugen, während eine Anzahl von Elementen weggelassen wird (z. B. ein Transistor, der den Kondensator 52 direkt mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 verbindet). Mit anderen Worten ist der Kondensator 52 nur durch mindestens zwei Transistoren (die beide auch Überlaufladungsmodulationszwecken dienen) mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 verbunden, und ein separater Transistor, der den Kondensator 52 direkt mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 verbindet, ist nicht erforderlich. Dies reduziert wünschenswerterweise die Bereichsanforderungen beim Implementieren des Pixels und stellt eine verbesserte Pixelkonfiguration vor allem in Anwendungen bereit, die Pixel mit kleinen Pixelgrößen verwenden.
  • 6 ist eine schematische Draufsicht eines veranschaulichenden Pixellayouts zum Implementieren einer gekoppelten Gate-Struktur wie der gekoppelten Gate-Struktur in Pixel 22 in 3 (z. B. Transistoren 42, 44 und 50 in 3). Wie in 6 gezeigt, kann der Transistor (oder das Gate) 42 zwischen der Photodiode 40 und den Transistoren (oder Gates) 44 und 50 entlang einer ersten Richtung angeordnet sein. Die Transistoren 50 und 44 können zwischen dem Anschluss 53 (z. B. mit dem zweiten Anschluss des Kondensators 52 verbunden sein, der dem mit dem Spannungsanschluss 54 verbundenen Anschluss gegenüberliegt) und dem Anschluss 47 (z. B. mit einem Abschnitt des Floating-Diffusion-Bereichs 46 verbunden sein oder diesen bilden) entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung eingefügt sein. Auf diese Weise konfiguriert, kann der Transistor 42 (durch Empfangen eines teilweise aktivierten Steuersignals) eine Potentialbarriere im Bereich 43 (manchmal als Überlaufbarriere bezeichnet, die eine Überlaufladung von der Photodiode 40 definiert) bilden.
  • Während des Integrationszeitraums (z. B. während jedes Pulszeitraums in einer von 4, 5A oder 5B) können Steuersignale TX_FD (für Transistor 44) und TX_E2 (für Transistor 50) jeweils einzeln mit geeigneten Frequenzen und Dauern aktiviert werden, um den Fluss der Überlaufladung, die durch den Potentialbarrierenbereich 43 definiert ist, zu einem von Anschluss 47 (z. B. zum Floating-Diffusion-Bereich 46) oder Anschluss 53 (z. B. zum Kondensator 52), wie durch die Pfeile 72 bzw. 74 angegeben, zu modulieren. Während des Auslesezeitraums (z. B. Auslesezeitraum T3-1 in 4) können Steuersignale TX_FD und TX_E2 aktiviert werden, um die Anschlüsse 53 und 47, wie durch den Pfeil 76 angegeben, leitend zu verbinden, wodurch der Kondensator 52 und der Floating-Diffusion-Bereich 46 für den Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung verbunden werden (während das Steuersignal TX_BR für Transistor 42 deaktiviert ist und die Photodiode 40 von dem Kondensator 52 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 isoliert ist).
  • Das Layout für eine gekoppelte Gate-Struktur in einem Pixel, wie in 6 gezeigt, ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann jedes geeignete Pixellayout verwendet werden, um eine gekoppelte Gate-Struktur (z. B. die gekoppelte Gate-Struktur in Pixel 22 in 3) zu implementieren.
  • In dem Beispiel von 3 schließt das Pixel 22 eine gekoppelte Gate-Struktur mit zwei Ausgangsanschlüssen ein (z. B. einen ersten Ausgangsanschluss, der mit dem Kondensator 52 mit niedriger Verstärkung gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 gekoppelt ist). Dies ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann ein Bildpixel eine gekoppelte Gate-Struktur mit einer beliebigen geeigneten Anzahl von Ausgangsanschlüssen einschließen, die mit geeigneten entsprechenden Elementen gekoppelt sind.
  • 7 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden Bildpixels 22' mit einer gekoppelten Gate-Struktur mit drei Ausgangsanschlüssen. In einigen veranschaulichenden Ausführungsformen kann das Array 20 (2) das Pixel 22' in 7 einschließen. Das Pixel 22' schließt einige der gleichen oder ähnlichen Elemente wie Pixel 22 in 3 (z. B. Photodiode 40, Transistoren 42, 44, 48, 50, 60 und 62, Kondensator 52, Floating-Diffusion-Bereich 46) ein. Auf eine Beschreibung dieser gleichen oder ähnlichen Elemente wird verzichtet, um die Ausführungsformen der 7 nicht unnötigerweise zu verschleiern. Sofern nicht anderweitig angegeben, können die entsprechenden Elemente in Pixel 22' den gleichen oder ähnlichen Funktionen dienen, in der gleichen oder ähnlichen Weise gekoppelt und miteinander verbunden sein und in derselben oder ähnlichen Weise wie Elemente konfiguriert und betreibbar sein, die in Verbindung mit dem Pixel 22 in 3-6 beschrieben sind.
  • Wie in 7 gezeigt, schließt das Pixel 22' zwei Ladungsspeicherstrukturen, wie zwei Kondensatoren 52 und 82 mit niedriger Verstärkung (verglichen mit einem Kondensator 52 mit niedriger Verstärkung in Pixel 22 in 3) ein. Dementsprechend schließt das Pixel 22' eine gekoppelte Gate-Struktur mit einem Eingangsanschluss (z. B. dem Anschluss des Transistors 42, der mit der Photodiode 40 gekoppelt ist) und drei Ausgangsanschlüsse (z. B. den Anschluss des Transistors 50, der mit dem Kondensator 52 gekoppelt ist, wobei der Anschluss des Transistors 44 mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 gekoppelt ist, und den Anschluss des Transistors 80, der mit dem Kondensator 82 gekoppelt ist) ein. Der Fluss der Überlaufladung von der Photodiode 40 kann zwischen den drei Ausgangsanschlüssen im Beispiel von 7 (anstelle der zwei Ausgangsanschlüsse im Beispiel von 3) moduliert werden.
  • Wie in 7 und analog zu Kondensator 52 gezeigt, ist der Kondensator 82 an einem ersten Anschluss mit dem Transistor 80 gekoppelt und an einem zweiten Anschluss mit einem Spannungsanschluss 84 gekoppelt. Der Spannungsanschluss 84 kann eine Referenzspannung (Signal) empfangen. Als Beispiele kann der Spannungsanschluss 84 eine feste Referenzspannung an den zweiten Anschluss des Kondensators 82 bereitstellen oder kann ein variables Referenzspannungssignal (z. B. einen ersten Spannungswert während eines ersten Zeitraums, und einen zweiten Spannungswert während eines zweiten Zeitraums) an den zweiten Anschluss des Kondensators 82 bereitstellen. Falls gewünscht, können die Spannungsanschlüsse 54 und 84 dieselbe Referenzspannung (Signal) empfangen.
  • Im Beispiel von 7 koppeln die Transistoren 42 und 80 die Photodiode 40 mit dem Kondensator 82, wodurch dem Kondensator 82 ermöglicht wird, Überlaufladung über der Potenzialbarriere zu empfangen, die durch den Transistor 42 von der Photodiode 40 unter Verwendung von Transistoren 42 und 80 eingestellt wird. Die Transistoren 44 und 80 koppeln den Floating-Diffusion-Bereich 46 mit dem Kondensator 82, wodurch der Kondensator 82 unter Verwendung von Transistoren 44 und 80 (z. B. für einen Ladungsverteilungsvorgang, für einen Ladungsübertragungsvorgang usw.) einen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich 46 und dem Kondensator 82 bildet. Ähnlich wie der Kondensator 52 kann der Kondensator 82 konfiguriert sein, um die von der Photodiode 40 empfangene Überlaufladung über mehrere Pulszeiträume zu integrieren und die integrierte Überlaufladung zu speichern.
  • 8 ist ein veranschaulichendes Zeitdiagramm, das zeigt, wie ein Pixel wie Pixel 22' in 7 betreibbar sein kann, um mehrere Bildsignale basierend auf einem einzelnen Integrationszyklus (z. B. einem einzelnen Integrationszeitraum) zu erzeugen. Da insbesondere Kondensatoren 52 und 82 jeweils eine entsprechende integrierte Überlaufladung separat speichern und konfiguriert sind, um die Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs 46 zu verlängern, kann das Pixel 22' betreibbar sein, um zwei Bildsignale mit niedriger Verstärkung (z. B. größer als das eine Bildsignal mit niedriger Verstärkung, das in dem Fall von Pixel 22 in den in Verbindung mit 3-6 beschriebenen veranschaulichenden Beispielen erzeugt wurde) zu erzeugen.
  • Das Zeitdiagramm in 8 (z. B. beschrieben in Verbindung mit dem Pixel 22' in 7) schließt einige der gleichen oder ähnlichen Merkmale wie das Zeitdiagramm in 4 ein (z. B. beschrieben in Verbindung mit dem Pixel 22 in 3). Auf eine Beschreibung dieser gleichen oder ähnlichen Merkmale wird verzichtet, um die Ausführungsformen der 8 nicht unnötigerweise zu verschleiern. Sofern nicht anderweitig angegeben, können die entsprechenden Merkmale im Zeitdiagramm von 8 die gleichen oder ähnliche Funktionen erfüllen, die gleichen oder ähnliche Eigenschaften aufweisen und Pixel (z. B. eine Pixelzeile, ein Pixelarray) in derselben oder ähnlichen Weise wie die in Verbindung mit dem Zeitdiagramm von 4 beschriebenen Merkmale konfigurieren und betreiben.
  • Im Beispiel von 8, können Steuersignal TX_E3, zusätzlich zu den Steuersignalen SEL, TX_BR, TX_E2, TX_FD, RST, CLG_REF und SH (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) verwendet werden, um den Betrieb von Pixel 22' in 7 zu steuern. Jedes Steuersignal kann einem entsprechenden Element in Pixel 22' in 7 bereitgestellt werden, wie ähnlich in Verbindung mit 3 und 4 beschrieben. Unter Bezugnahme auf das Steuersignal TX_E3 kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal TX_E3 an den Transistor 80 in dem Pixel 22' in 7 bereitstellen. Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung wie die Zeilensteuerschaltungsanordnung 26 und/oder Steuerschaltungsanordnung 24 (2) konfiguriert sein, um einen oder mehrere (z. B. alle) dieser Steuersignale an entsprechende Elemente in Pixel 22' (und an andere Schaltungsanordnungen wie die Ausleseschaltungsanordnung 28) bereitzustellen.
  • Wie in 8 gezeigt, kann die Steuerschaltungsanordnung das Pixel 22' während eines Verschlusszeitraums T1, eines Integrationszeitraums T2 und eines Auslesezeitraums T3 betreiben. Während des Verschlusszeitraums T1 kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal TX_E3 zusätzlich zu den Steuersignalen SEL, TX_BR, TX_E2, TX_FD und RST vollständig aktivieren, um Pixelelemente in Pixel 22' (z. B. Kondensator 82, Floating-Diffusion-Bereich 46, Photodiode 40, Kondensator 52 usw.) auf einen Rücksetzspannungspegel (z. B. einer Pixelstromversorgungsspannung, die am Spannungsanschluss 56 zugeführt wird) zurückzusetzen.
  • Während des Integrationszeitraums T2 kann die Steuerschaltungsanordnung in ähnlicher Weise das Pixel 22' in einer Anzahl von Pulszeiträumen T2-1, T2-2..., T2-N betreiben. Zusätzlich zur Modulation zwischen Steuersignalen TX_FD (für Transistor 44) und TX_E2 (für Transistor 50) während jedes Pulszeitraums, wie in Verbindung mit 4 beschrieben, kann die Steuerschaltungsanordnung auch zwischen dem Steuersignal TX_E3 für den Transistor 80 (in Kombination mit Steuersignalen TX_FD und TX_E2) modulieren. Dies kann dazu dienen, die durch den Transistor 42 definierte Überlaufladung auf einen von Floating-Diffusion-Bereich 46, Kondensator 82 oder Kondensator 52 (jeweils einen nach dem anderen) zu verteilen. Jede Überlaufladung kann in jedem des Floating-Diffusion-Bereichs 46, des Kondensators 82 und des Kondensators 52 während eines gegebenen Pulszeitraums übertragen werden.
  • In dem Beispiel von 8 können die gleichzeitigen (Teil-) Aktivierungen für Steuersignale TX_BR und TX_E3 zwischen den gleichzeitigen (Teil-) Aktivierungen für Steuersignale TX_BR und TX_FD und den gleichzeitigen (Teil-) Aktivierungen für Steuersignale TX_BR und TX_E2 für jeden Pulszeitraum auftreten. Zusätzlich kann für jeden Pulszeitraum der erste Zeitraum zwischen den gleichzeitigen Aktivierungen von TX_BR und TX_FD und den gleichzeitigen Aktivierungen von TX_BR und TX_E3 kürzer sein als der zweite Zeitraum zwischen den gleichzeitigen Aktivierungen von TX_BR und TX_E3 und den gleichzeitigen Aktivierungen von TX _BR und TX_E3. Dies kann es dem Kondensator 82 ermöglichen, Ladung für höhere (hellere) Lichtbedingungen als den Kondensator 52 zu speichern. Wie in Verbindung mit 4 beschrieben, kann der Kondensator 52 die Überlaufladung, die über die mehreren Pulszeiträume empfangen wird, integrieren oder kombinieren. In ähnlicher Weise kann der Kondensator 82 auch die Überlaufladung integrieren oder kombinieren, die über die mehreren pulsierenden Zeiträume empfangen wird.
  • Während des Auslesezeitraums T3 kann die Steuerschaltungsanordnung einen Pixelauslesemodus für Signale durchführen, die dem Kondensator 52 (z. B. CAP_E2-Auslese-) und Photodiode 40 (PD-Auslesen) während der Zeiträume T3-1 bzw. T3-2 für Pixel 22' in ähnlicher Weise wie in Verbindung mit 4 für Pixel 22 beschrieben zugeordnet sind. Zusätzlich kann die Steuerschaltungsanordnung beim Betrieb von Pixel 22' auch den Auslesevorgang durchführen, um eine Auslesung von Signalen, die dem Kondensator 82 zugeordnet sind (z. B. CAP_E3-Auslesung), während des Auslesezeitraums T3-0 vor dem Auslesezeitraum T3-1 und nach dem Integrationszeitraum T2 einzuschließen.
  • Analog zum Auslesevorgang für den Kondensator 52 (z. B. während des Zeitraums T3-1 in 4) kann die Steuerschaltungsanordnung während des Auslesezeitraums T3-0 zuerst den Floating-Diffusion-Bereich 46 zurücksetzen und jede zusätzliche Überlaufüberladung von der Photodiode 40 durch Aktivieren des Steuersignals RST und teilweise Aktivieren von Steuersignalen TX_BR und TX_FD entfernen.
  • Danach kann die Steuerschaltungsanordnung (vollständig) die Steuersignale TX_E3 und TX_FD gleichzeitig aktivieren, um den Kondensator 82 mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 durch die Transistoren 44 und 80 leitend zu verbinden. Dies kann ermöglichen, dass eine Auslesung mit niedriger Umwandlungsverstäkung der Überlaufladung am Kondensator 82 (z. B. Überlaufladung, die Überlaufladung von jedem der Pulszeiträume kombiniert oder integriert), durch Erweitern der Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs 46 unter Verwendung des Kondensators 82 möglich ist. Insbesondere kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren, um die Abtastschaltungsanordnung in der Ausleseschaltungsanordnung zu aktivieren, um eine Abtastung und Speicherung (z. B. an der Abtastschaltungsanordnung) eines Bildsignals mit niedriger Umwandlungsverstärkung in Verbindung mit der Überlaufladung, die vom Kondensator 82 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 gemeinsam genutzt wird, zu ermöglichen.
  • Anschließend kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal RST aktivieren (während Steuersignale TX_E3 und TX_FD aktiviert bleiben), um den Floating-Diffusion-Bereich 46 und den Kondensator 82 auf einen Rücksetzspannungspegel zurückzusetzen (z. B. eine Pixelstromversorgungsspannung, die am Spannungsanschluss 56 zugeführt wird). Nachdem das Steuersignal RST deaktiviert ist, kann die Steuerschaltungsanordnung das Steuersignal SH aktivieren (während Steuersignale TX_E3 und TX_FD aktiviert bleiben), um ein Rücksetzpegelsignal abzutasten und zu speichern, das basierend auf der Rücksetzpegelspannung an dem Floating-Diffusion-Bereich 46 erzeugt wird (wobei ihre Speicherkapazität durch den Kondensator 82 in einem Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung erweitert wird). Dieses Rücksetzpegelsignal kann dem Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung und Überlaufladung zugeordnet sein und kann verwendet werden, um Rauschen in dem Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung und Überlaufladung zu kompensieren.
  • Da nach dem Auslesezeitraum T3-0 der Floating-Diffusion-Bereich 46 bereits auf den Rücksetzspannungspegel zurückgesetzt wurde, kann der Auslesezeitraum T3-1 einen anderen Floating-Diffusion-Bereichs-Rücksetzungsvorgang weglassen (z. B. im Gegensatz zu dem Auslesezeitraum T3-1, wie in Verbindung mit 4 beschrieben). Andernfalls kann die Steuerschaltungsanordnung das Pixel 22' während der Auslesezeiträume T3-1 und T3-2 betreiben, wie in Verbindung mit 4 für Pixel 22 in 3 analog beschrieben. Zusätzlich kann, falls gewünscht, das Referenzspannungssignal CLG_REF an den Spannungsanschluss 84 (zusätzlich zum Spannungsanschluss 54) bereitgestellt werden.
  • In den Beispielen von 3-6 kann das Pixel 22 ein erstes (E2) Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung (einer Überlaufladung zugeordnet, die am Kondensator 52 gespeichert ist) optimal für relativ hohe Lichtverhältnisse und ein zweites (E1) Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung (einer verbleibenden Ladung zugeordnet, die an der Photodiode 40 gespeichert ist) optimal für relativ niedrige Lichtverhältnisse erzeugen. In den Beispielen von 7 und 8 kann das Pixel 22' auch ein erstes (E2) Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung (einer Überlaufladung zugeordnet, die am Kondensator 52 gespeichert ist) optimal für relativ hohe Lichtverhältnisse und ein zweites (E1) Signal mit hoher Umwandlungsverstärkung (einer verbleibenden Ladung zugeordnet, die an der Photodiode 40 gespeichert ist) optimal für relativ niedrige Lichtverhältnisse erzeugen. Zusätzlich kann das Pixel 22' ein zusätzliches (E3) Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung (einer Überlaufladung zugeordnet, die am Kondensator 82 gespeichert ist) optimal für relativ noch höhere Lichtverhältnisse erzeugen, wodurch sich der Dynamikbereich des Pixels 22' weiter erweitert (z. B. im Vergleich zu dem Pixel 22).
  • 9 und 10 sind schematische Draufsichten von veranschaulichenden Pixellayouts zum Implementieren einer gekoppelten Gate-Struktur wie der gekoppelten Gate-Struktur in Pixel 22' in 7 (z. B. Transistoren 42, 44, 50 und 80 in 7). Wie in 9 gezeigt, kann der Transistor (oder das Gate) 42 zwischen der Photodiode 40 und den Transistoren (oder Gates) 44, 50 und 80 angeordnet sein. Der Transistor 42 kann auf einer Seite an den Transistor 50 angrenzen, kann an der gegenüberliegenden Seite an den Transistor 80 angrenzen und kann in der Mitte an den Transistor 44 angrenzen. In ähnlicher Weise kann der Transistor 44 auf einer Seite an den Transistor 50 angrenzen, kann an der gegenüberliegenden Seite an den Transistor 80 angrenzen und kann in der Mitte an den Transistor 42 angrenzen. Die Transistoren 50 und 80 können durch Abschnitte der Transistoren 42 und 44 voneinander getrennt sein. Der Transistor 50 kann mit einem Anschluss gekoppelt sein, der mit dem ersten Anschluss des Kondensators 52 verbunden ist. Der Transistor 80 kann mit einem Anschluss gekoppelt sein, der mit dem ersten Anschluss des Kondensators 82 verbunden ist. Der Transistor 44 kann mit einem Anschluss gekoppelt sein, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich 46 verbunden ist.
  • Auf diese Weise konfiguriert, kann der Transistor 42 (durch Empfangen eines teilweise aktivierten Steuersignals) eine Potentialbarriere bilden, die eine Überlaufladung von der Photodiode 40 definiert. Während des Integrationszeitraums (z. B. während jedes Pulszeitraums in 8) können Steuersignale TX_FD (für Transistor 44), TX_E2 (für Transistor 50) und TX_E3 (für Transistor 80) moduliert werden (z. B. nacheinander mit geeigneten Frequenzen und Dauern), um die Überlaufladung über die gebildete Potenzialbarriere zu einem von Floating-Diffusion-Bereich 46, Kondensator 52 oder Kondensator 82 zu leiten. Während des Auslesezeitraums (z. B. Auslesezeiträume T3-1 in 8) können Steuersignale TX_FD und TX_E2 aktiviert werden, um den Kondensator 52 und den Floating-Diffusion-Bereich 46 für einen Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung leitend zu verbinden (während Steuersignale TX_BR für Transistor 42 und TX_E3 für den Transistor 80 deaktiviert sind und die Photodiode 40 und der Kondensator 82 von dem Kondensator 52 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 isoliert sind). Während des Auslesezeitraums (z. B. Auslesezeiträume T3-0 in 8) können Steuersignale TX_FD und TX_E3 aktiviert werden, um den Kondensator 82 und den Floating-Diffusion-Bereich 46 für einen Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung leitend zu verbinden (während das Steuersignal TX_BR für Transistor 42 und TX_E2 für den Transistor 50 deaktiviert sind und die Photodiode 40 und der Kondensator 52 von dem Kondensator 82 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 isoliert sind).
  • In einem alternativen Layout, das in 10 gezeigt ist, können die Transistoren 42, 50, 80 und 44 an den vier Ecken eines rechteckigen Pixelprofils ausgebildet sein. Ein (leitender) Implantatbereich 90 kann von Transistoren 42 (z. B. vorstehender Abschnitt 42-1), 50, 80 und 44 überlappt werden, wodurch die Übertragung von Überlaufladung an die entsprechende Ladungsspeicherstruktur (z. B. Kondensator 52, Kondensator 82 und Floating-Diffusion-Bereich 46, die mit dem Transistor 44 verbunden sind) ermöglicht wird. Ein anderer (leitender) Implantatbereich 92 kann von den Transistoren 50 und 44 überlappt werden, wodurch ein leitender Pfad zwischen dem Kondensator 52 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 (z. B. durch die Transistoren 50 und 44 und durch die Implantatbereich 92) bereitgestellt wird. Noch ein weiterer (leitender) Implantatbereich 94 kann von den Transistoren 80 und 44 überlappt werden, wodurch ein leitender Pfad zwischen dem Kondensator 82 und dem Floating-Diffusion-Bereich 46 (z. B. durch die Transistoren 80 und 44 und durch den Implantatbereich 94) bereitgestellt wird. Die Konfiguration in 10 kann das Pixel 22 konfigurieren, um die gleiche Funktionalität wie die von 9 aufzuweisen.
  • Die Layouts für die Kopplung von Strukturen mit drei Ausgangsanschlüssen in Pixeln, wie in 9 und 10 gezeigt, sind lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann jedes geeignete Pixellayout verwendet werden, um eine gekoppelte Gate-Struktur (z. B. die gekoppelte Gate-Struktur in Pixel 22 in 7) zu implementieren.
  • Es wurden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die Bildsensoren mit Bildpixeln mit gekoppelten Gate-Strukturen veranschaulichen.
  • Als veranschaulichendes Beispiel kann ein Bildsensorpixel ein lichtempfindliches Element (z. B. Photodiode), einen Floating-Diffusion-Bereich, einen ersten und einen zweiten Transistor, die das lichtempfindliche Element mit dem Floating-Diffusion-Bereich koppeln, eine Ladungsspeicherstruktur (z. B. einen Kondensator) und einen dritten Transistor koppeln einschließen. Der zweite und der dritte Transistor können konfiguriert sein, um einen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich und der Ladungsspeicherstruktur während eines Pixelauslesevorgangs zu bilden (z. B. während einer Auslesung mit niedriger Umwandlungsverstärkung einer Überlaufladung, die an der Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist). Der erste Transistor kann konfiguriert sein, um eine Potentialbarriere zu bilden, die einen Überlaufabschnitt der von dem lichtempfindlichen Element erzeugten Ladung definiert. Der erste und der dritte Transistor können konfiguriert sein, um den Überlaufabschnitt von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu der Ladungsspeicherstruktur zu übertragen. Das Bildsensorpixel kann ferner einen Rücksetztransistor, der den Floating-Diffusion-Bereich mit einem Versorgungsspannungsanschluss koppelt, und einen Source-Folger-Transistor, der den Floating-Diffusion-Bereich mit einem Pixelausgangspfad koppelt, einschließen. Falls gewünscht, kann das Bildsensorpixel konfiguriert sein, um ein Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf dem Überlaufabschnitt von Ladung auszugeben, und kann konfiguriert sein, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist, auszugeben.
  • Falls gewünscht, kann das Bildsensorpixel ferner eine zusätzliche Ladungsspeicherstruktur (z. B. einen zusätzlichen Kondensator) und einen vierten Transistor einschließen. Der erste und der vierte Transistor können konfiguriert sein, um den Überlaufabschnitt von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur zu übertragen. Der zweite und vierte Transistor können konfiguriert sein, um einen zusätzlichen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich und der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur während des Pixelauslesevorgangs zu bilden (z. B. während einer Auslesung mit niedriger Umwandlungsverstärkung einer Überlaufladung, die an der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist). Falls gewünscht, kann das Bildsensorpixel konfiguriert sein, um ein erstes Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem ersten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, kann konfiguriert sein, um ein zweites Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem zweiten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, und kann konfiguriert sein, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt auszugeben, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist.
  • Als weiteres veranschaulichendes Beispiel kann ein Bildsensor eine Steuerschaltungsanordnung (z. B. eine Zeilensteuerschaltungsanordnung), eine Ausleseschaltungsanordnung (z. B. eine Spaltenausleseschaltungsanordnung) und ein Array von Bildpixeln einschließen, die mit der Steuerschaltungsanordnung gekoppelt und mit der Ausleseschaltungsanordnung gekoppelt sind. Ein oder mehrere Bildpixel in dem Array können jeweils einschließen: ein lichtempfindliches Element, eine Floating-Diffusion-Bereich, einen Kondensator und eine gekoppelte Gate-Struktur mit einem Eingangsanschluss, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einem ersten Ausgangsanschluss, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgangsanschluss, der mit dem Kondensator gekoppelt ist. Die Steuerschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, um die gekoppelte Gate-Struktur zu steuern, um einen leitenden Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss zu bilden und den Floating-Diffusion-Bereich durch die gekoppelte Gate-Struktur mit dem Kondensator zu verbinden.
  • Insbesondere kann die gekoppelte Gate-Struktur einen ersten Transistor einschließen, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einen zweiten Transistor, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einen dritten Transistor, der mit dem Kondensator gekoppelt ist. Die Steuerschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, um den ersten Transistor zu steuern, um Überlaufabschnitte von Ladung zu definieren, die von dem lichtempfindlichen Element erzeugt werden, und um einen verbleibenden Ladungsabschnitt zu definieren, der von dem lichtempfindlichen Element erzeugt und gespeichert wird. Die Steuerschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, um den zweiten Transistor zu aktivieren, um einen ersten Satz der Überlaufladungsabschnitte in den Floating-Diffusion-Bereich zu übertragen und den dritten Transistor zu aktivieren, um einen zweiten Satz der Überlaufladungsabschnitte an den Kondensator zu übertragen. Die Ausleseschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, um ein erstes Bildsignal, das basierend auf dem zweiten Satz der Überlaufabschnitte von Ladung erzeugt wird, zu empfangen (z. B. von dem Bildpixel) und ein zweites Bildsignal zu empfangen, das basierend auf dem verbleibenden Ladungsabschnitt erzeugt wird, der auf dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist.
  • Als noch ein weiteres veranschaulichendes Beispiel kann ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensorpixels einschließen: Erzeugen von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht an einem lichtempfindlichen Element, das Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung an einem ersten Transistor definiert, Modulieren einer Übertragung der Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung zwischen einem Floating-Diffusion-Bereich und einer Ladungsspeicherstruktur (z. B. einem Kondensator) unter Verwendung eines zweiten und dritten Transistors (z. B. selektives Aktivieren des zweiten und dritten Transistors, um jeweilige Überlaufabschnitte zu dem Floating-Diffusion-Bereich oder der Ladungsspeicherstruktur zu übertragen), und Verbinden des Floating-Diffusion-Bereichs mit der Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung des zweiten und dritten Transistors während eines Auslesevorgangs (z. B. während einer Auslesung mit niedriger Umwandlungsverstärkung der Überlaufladung, die an der Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist).
  • Das Verfahren kann ferner das Ausgeben eines Bildsignals mit niedriger Umwandlungsverstärkung während des Verbindens des Floating-Diffusion-Bereich mit der Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung des zweiten und dritten Transistors, Übertragen eines verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und des zweiten Transistors während des Auslesevorgangs (z. B. für eine hohe Umwandlungsverstärkung der verbleibenden Ladung, die an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist) und das Ausgeben eines Bildsignals mit hoher Umwandlungsverstärkung nach dem Übertragen des verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und zweiten Transistors einschließen. Falls gewünscht, kann das Verfahren ferner das Entfernen jeglicher Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung einschließen, die an den Floating-Diffusion-Bereich übertragen werden (z. B. durch Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Bereichs auf einen Rücksetzspannungspegel), bevor der Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des zweiten und dritten Transistors mit der Ladungsspeicherstruktur verbunden wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein Bildsensorpixel einschließen: ein lichtempfindliches Element; einen Floating-Diffusion-Bereich; einen ersten und einen zweiten Transistor, die das lichtempfindliche Element mit dem Floating-Diffusion-Bereich koppeln; eine Ladungsspeicherstruktur; und einen dritten Transistor. Der zweite und dritte Transistor können konfiguriert sein, um während eines Pixelauslesevorgangs einen leitenden Pfad zwischen der Floating-Diffusion-Bereich und der Ladungsspeicherstruktur zu bilden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ladungsspeicherstruktur einen Kondensator einschließen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Kondensator konfiguriert sein, um eine Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs in einem Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung zu erweitern.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der erste Transistor konfiguriert sein, um eine Potentialbarriere zu bilden, die einen Überlaufabschnitt der von dem lichtempfindlichen Element erzeugten Ladung definiert.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können der erste und der dritte Transistor konfiguriert sein, um den Überlaufabschnitt von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu der Ladungsspeicherstruktur zu übertragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Bildsensorpixel konfiguriert sein, um ein Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf dem Überlaufabschnitt von Ladung auszugeben, und kann konfiguriert sein, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist, auszugeben.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Bildsensorpixel ferner einschließen: einen Rücksetztransistor, der den Floating-Diffusion-Bereich mit einem Versorgungsspannungsanschluss koppelt; einen den Floating-Diffusion-Bereich an einen Pixelausgangspfad koppelnden Source-Folger-Transistor.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können der erste Transistor, der zweite Transistor und der Rücksetztransistor einen Anti-Blooming-Pfad für das lichtempfindliche Element bilden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Bildsensorpixel ferner einschließen: eine zusätzliche Ladungsspeicherstruktur; und einen vierten Transistor. Der zweite und vierte Transistor können konfiguriert sein, um während des Pixelauslesevorgangs einen zusätzlichen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich und der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur zu bilden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Bildsensorpixel konfiguriert sein, um ein erstes Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem ersten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, kann konfiguriert sein, um ein zweites Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem zweiten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, und kann konfiguriert sein, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt auszugeben, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein Bildsensor einschließen: eine Steuerschaltungsanordnung; eine Ausleseschaltungsanordnung; und ein Array von Bildpixeln, die mit der Steuerschaltungsanordnung gekoppelt und mit der Ausleseschaltungsanordnung gekoppelt sind. Ein Bildpixel in der Anordnung kann einschließen: ein lichtempfindliches Element; einen Floating-Diffusion-Bereich; einen Kondensator; und eine gekoppelte Gate-Struktur mit einem Eingangsanschluss, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einem ersten Ausgangsanschluss, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgangsanschluss, der mit dem Kondensator gekoppelt ist. Die Steuerschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, um die gekoppelte Gate-Struktur zu steuern, um einen leitenden Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss zu bilden und den Floating-Diffusion-Bereich durch die gekoppelte Gate-Struktur mit dem Kondensator zu verbinden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die gekoppelte Gate-Struktur einen ersten Transistor einschließen, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einen zweiten Transistor, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einen dritten Transistor, der mit dem Kondensator gekoppelt ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Steuerschaltungsanordnung konfiguriert sein, um den ersten Transistor zu steuern, um Überlaufabschnitte von Ladung zu definieren, die von dem lichtempfindlichen Element erzeugt werden, und um einen verbleibenden Ladungsabschnitt zu definieren, der von dem lichtempfindlichen Element erzeugt und gespeichert wird.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Steuerschaltungsanordnung konfiguriert sein, um den zweiten Transistor zu aktivieren, um einen ersten Satz der Überlaufladungsabschnitte in den Floating-Diffusion-Bereich zu übertragen und den dritten Transistor zu aktivieren, um einen zweiten Satz der Überlaufladungsabschnitte an den Kondensator zu übertragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Ausleseschaltungsanordnung konfiguriert sein, um ein erstes Bildsignal zu empfangen, das basierend auf dem zweiten Satz der Überlaufabschnitte von Ladung erzeugt wird, und um ein zweites Bildsignal zu empfangen, das basierend auf dem verbleibenden Ladungsabschnitt erzeugt wird, der auf dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensorpixels einschließen: an einem lichtempfindlichen Element, Erzeugen von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht; an einem ersten Transistor, Definieren von Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung; Modulieren einer Übertragung der Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung zwischen einem Floating-Diffusion-Bereich und einer Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung eines zweiten und eines dritten Transistors; und während eines Auslesevorgangs, Verbinden des Floating-Diffusion-Bereichs mit der Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner einschließen: Ausgeben eines Bildsignals mit niedriger Umwandlungsverstärkung, während der Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors mit der Ladungsspeicherstruktur verbunden wird.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner einschließen: während des Auslesevorgangs, Übertragen eines verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und zweiten Transistors.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner einschließen: Ausgeben eines Bildsignals mit hoher Umwandlungsverstärkung nach dem Übertragen des verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und des zweiten Transistors.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner einschließen: Entfernen jeglicher Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung, die an den Floating-Diffusion-Bereich übertragen werden, bevor der Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors mit der Ladungsspeicherstruktur verbunden wird.
  • Das Vorhergehende dient lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien dieser Erfindung, und vielfältige Modifikationen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang und vom Geist der Erfindung abzuweichen. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.

Claims (10)

  1. Bildsensorpixel, umfassend: ein lichtempfindliches Element; einen Floating-Diffusion-Bereich; einen ersten und einen zweiten Transistor, die das lichtempfindliche Element mit dem Floating-Diffusion-Bereich koppeln; eine Ladungsspeicherstruktur; und einen dritten Transistor, wobei der zweite und der dritte Transistor konfiguriert sind, um während eines Pixelauslesevorgangs einen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich und der Ladungsspeicherstruktur zu bilden.
  2. Bildsensorpixel nach Anspruch 1, wobei die Ladungsspeicherstruktur einen Kondensator umfasst, der konfiguriert ist, um eine Speicherkapazität des Floating-Diffusion-Bereichs in einem Betriebsmodus mit niedriger Umwandlungsverstärkung zu erweitern.
  3. Bildsensorpixel nach Anspruch 2, wobei der erste Transistor konfiguriert ist, um eine Potentialbarriere zu bilden, die einen Überlaufabschnitt der von dem lichtempfindlichen Element erzeugten Ladung definiert, wobei der erste und der dritte Transistor konfiguriert sind, um den Überlaufabschnitt von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu dem Kondensator zu übertragen, und wobei das Bildsensorpixel konfiguriert ist, um ein Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf dem Überlaufabschnitt von Ladung auszugeben, und konfiguriert ist, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist, auszugeben.
  4. Bildsensorpixel nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Rücksetztransistor, der den Floating-Diffusion-Bereich mit einem Versorgungsspannungsanschluss koppelt; und einen Source-Folger-Transistor, der den Floating-Diffusion-Bereich mit einem Pixelausgangspfad koppelt, wobei der erste Transistor, der zweite Transistor und der Rücksetztransistor einen Anti-Blooming-Pfad für das lichtempfindliche Element bilden.
  5. Bildsensorpixel nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zusätzliche Ladungsspeicherstruktur; und einen vierten Transistor, wobei der zweite und der vierte Transistor konfiguriert sind, um einen zusätzlichen leitenden Pfad zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich und der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur während des Pixelauslesevorgangs zu bilden, und wobei das Bildsensorpixel konfiguriert ist, um ein erstes Bildsignal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem ersten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, konfiguriert ist, um ein zweites Signal mit niedriger Umwandlungsverstärkung basierend auf einem zweiten Ladungsabschnitt auszugeben, der an der zusätzlichen Ladungsspeicherstruktur gespeichert ist, und konfiguriert ist, um ein Bildsignal mit hoher Umwandlungsverstärkung basierend auf einem verbleibenden Ladungsabschnitt, der an dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist, auszugeben.
  6. Bildsensor, umfassend: eine Steuerschaltungsanordnung; eine Ausleseschaltungsanordnung; und ein Array von Bildpixeln, die mit der Steuerschaltungsanordnung gekoppelt und mit der Ausleseschaltungsanordnung gekoppelt sind, wobei ein Bildpixel in dem Array umfasst: ein lichtempfindliches Element; einen Floating-Diffusion-Bereich; einen Kondensator; und eine gekoppelte Gate-Struktur mit einem Eingangsanschluss, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einem ersten Ausgangsanschluss, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgangsanschluss, der mit dem Kondensator gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltungsanordnung konfiguriert ist, um die gekoppelte Gate-Struktur derart zu steuern, dass ein leitender Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss gebildet wird und der Floating-Diffusion-Bereich durch die gekoppelte Gate-Struktur mit dem Kondensator verbunden wird.
  7. Bildsensor nach Anspruch 6, wobei die gekoppelte Gate-Struktur einen ersten Transistor, der mit dem lichtempfindlichen Element gekoppelt ist, einen zweiten Transistor, der mit dem Floating-Diffusion-Bereich gekoppelt ist, und einen dritten Transistor umfasst, der mit dem Kondensator gekoppelt ist.
  8. Bildsensor nach Anspruch 7, wobei die Steuerschaltungsanordnung konfiguriert ist, um den ersten Transistor zu steuern, um Überlaufabschnitte von Ladung zu definieren, die von dem lichtempfindlichen Element erzeugt werden, und um einen verbleibenden Ladungsabschnitt zu definieren, der von dem lichtempfindlichen Element erzeugt und gespeichert wird, wobei die Steuerschaltungsanordnung konfiguriert ist, um den zweiten Transistor zu aktivieren, um einen ersten Satz der Überlaufabschnitte von Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich zu übertragen, und um den dritten Transistor zu aktivieren, um einen zweiten Satz der Überlaufabschnitte von Ladung an den Kondensator zu übertragen, und wobei die Ausleseschaltungsanordnung konfiguriert ist, um ein erstes Bildsignal zu empfangen, das basierend auf dem zweiten Satz der Überlaufabschnitte von Ladung erzeugt wird, und wobei die Ausleseschaltungsanordnung konfiguriert ist, um ein zweites Bildsignal zu empfangen, das basierend auf dem verbleibenden Ladungsabschnitt erzeugt wird, der auf dem lichtempfindlichen Element gespeichert ist.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Bildsensorpixels, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht an einem lichtempfindlichen Element; Definieren von Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung an einem ersten Transistor; Modulieren einer Übertragung der Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung zwischen einem Floating-Diffusion-Bereich und einer Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung eines zweiten und eines dritten Transistors; und Verbinden, während eines Auslesevorgangs, des Floating-Diffusion-Bereichs mit der Ladungsspeicherstruktur unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Ausgeben eines Bildsignals mit niedriger Umwandlungsverstärkung, während der Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors mit der Ladungsspeicherstruktur verbunden wird; Übertragen, während des Auslesevorgangs, eines verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und zweiten Transistors; Ausgeben eines Bildsignals mit hoher Umwandlungsverstärkung nach dem Übertragen des verbleibenden Abschnitts der erzeugten Ladung an den Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des ersten und des zweiten Transistors; und Entfernen jeglicher Überlaufabschnitte der erzeugten Ladung, die an den Floating-Diffusion-Bereich übertragen werden, bevor der Floating-Diffusion-Bereich unter Verwendung des zweiten und des dritten Transistors mit der Ladungsspeicherstruktur verbunden wird.
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