DE112022002176T5 - Pixelanordnung, Bildsensor und Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung - Google Patents

Pixelanordnung, Bildsensor und Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung Download PDF

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Scott Johnson
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Abstract

Es wird eine Pixelanordnung (10) bereitgestellt, die für einen Modus hoher bzw. geringer Empfindlichkeit ausgelegt ist. Eine Fotodiode (20) ist dazu ausgelegt, dass sie elektromagnetische Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal umwandelt, und ein Übertragungsgate (30) ist dazu ausgelegt, dass es das entsprechende Ladungssignal an eine Kapazität (40) überträgt. Ein Rücksetzgate (50) ist für das Rücksetzen der Kapazität ausgelegt. Ein Verstärker (60) ist dazu ausgelegt, dass er ein entsprechendes verstärktes Signal erzeugt, das ein Signal geringer Empfindlichkeit bzw. ein Signal hoher Empfindlichkeit ist. Das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit basieren auf einem gemeinsamen Rauschpegel. Ein erster Kondensator (70), der mit einem ersten Schalter (90) verbunden ist, ist dazu ausgelegt, dass er das Signal hoher Empfindlichkeit speichert, und ein zweiter Kondensator (80), der mit einem zweiten Schalter (100) verbunden ist, ist dazu ausgelegt, dass er das Signal geringer Empfindlichkeit speichert. Ferner werden ein Bildsensor (200), eine optoelektronische Vorrichtung (300) und ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung bereitgestellt.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH UND QUERVERWEIS
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 10. November 2021 eingereichten US vorläufigen Anmeldung Nr. 63/263,861 und der am 10. August 2021 eingereichten Deutschen Anmeldung Nr. 102021120779.7 , die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pixelanordnung, einen Bildsensor, eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung.
  • HINTERGRUND
  • CMOS-Bildsensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. für Kameramodule und Smartphones, Tablet-Computer, Laptops usw. Für einige Anwendungen ist ein hoher Dynamikbereich (HDR), z. B. über 85 dB, erforderlich. Der Dynamikbereich (DR) wird einerseits durch das Grundrauschen bei geringen Lichtverhältnissen und andererseits durch Sättigungseffekte bei hohen Lichtverhältnissen begrenzt.
  • Um das Problem der Sättigung zu lösen, wurden einige Ansätze entwickelt, die sich in Ansätze für lineare Reaktion und nichtlineare Reaktion unterteilen lassen. Zu den Ansätzen für nichtlineare Reaktion gehören beispielsweise die logarithmische Kompression, die Kniekompression, die Zeitstempelkonvertierung und die Licht-zu-Frequenz Konvertierung. Die Ansätze für lineare Reaktion können weiter in Mehrfachbelichtungs- und Einzelbelichtungsansätze unterteilt werden. Zu den Mehrfachbelichtungsansätzen gehören Verfahren mit mehreren Frames mit unterschiedlichen Integrationszeiten oder Verfahren mit Zeilen- oder Pixel-Interleaves mit unterschiedlichen Integrationszeiten. Zu den Ansätzen mit einfacher Belichtung gehören zum Beispiel die Auslesung mit mehreren Verstärkungen oder Komposite mit mehreren Sensitivitäten.
  • Die meisten der verfügbaren DR-Techniken haben das Problem, dass sie für Rolling-Shutter-Pixel konzipiert sind, aber nicht für Global-Shutter geeignet sind. Im Rolling-Shutter-Modus werden die Pixel einer Pixelmatrix von einer Lichtquelle beleuchtet. Während der Beleuchtung werden die Pixel nacheinander exponiert und Zeile für Zeile ausgelesen. Das bedeutet, dass die Pixelmatrix während des gesamten Auslesevorgangs beleuchtet wird. Der Rolling-Shutter-Modus ermöglicht eine hohe Auflösung des Bildsensors, kann aber auch Nachteile wie lange Beleuchtungszeiten und dynamische oder farbliche Artefakte mit sich bringen, insbesondere wenn der Rolling-Shutter-Modus mit einer der zuvor genannten DR-Techniken kombiniert wird.
  • Im Global-Shutter-Modus werden alle Pixel der Pixelmatrix in der gleichen Zeitspanne exponiert. Daher ist eine wesentlich kürzere Beleuchtungszeit erforderlich als beim Rolling-Shutter-Modus. Am Ende der Integrationszeit finden die Ladungsübertragungsvorgänge für alle Zeilen der Pixelmatrix gleichzeitig statt. Die Signale werden in einem Speicher auf Pixelebene gespeichert und anschließend ausgelesen. Bekannte Global-Shutter-Pixelanordnungen, die eine der vorgenannten DR-Techniken beinhalten, benötigen zusätzliche Bauelemente und haben große Pixelabstände.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Ein Ziel ist es, eine Pixelanordnung mit hohem Dynamikbereich und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Pixelanordnung zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines Bildsensors mit einem Array von Pixeln gemäß der Pixelanordnung und einer optoelektronischen Vorrichtung mit einem solchen Bildsensor.
  • Diese Ziele werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere Entwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Hier und im Folgenden beziehen sich die Begriffe „Pixelanordnung“ und „Pixel“ auf ein lichtempfangendes Element, das in einem zweidimensionalen Array, auch Matrix genannt, mit anderen Pixeln angeordnet sein kann. Die Pixel in dem Array sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Die Begriffe „Zeile“ und „Spalte“ können austauschbar verwendet werden, da sie nur von der Ausrichtung der Pixelanordnung abhängen. Das Pixel kann auch Schaltungen zur Steuerung von Signalen zum und vom Pixel enthalten. Somit kann das Pixel ein so genanntes aktives Pixel bilden. Das Pixel kann Licht in einem beliebigen Wellenlängenbereich empfangen. Der Begriff „Licht“ kann sich auf elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen beziehen, z. B. auf Infrarotstrahlung (IR), ultraviolette Strahlung (UV) und sichtbares Licht (VIS).
  • In einer Ausführungsform ist eine Pixelanordnung dazu ausgelegt, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit bzw. in einem Modus geringer Empfindlichkeit umwandelt. Das Pixel umfasst mindestens eine Fotodiode. Die Fotodiode ist dazu ausgelegt, dass sie elektromagnetische Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal umwandelt. Die Pixelanordnung kann insbesondere ein Global-Shutter-Pixel bilden. Bei der Fotodiode kann es sich insbesondere um eine gepinnte Fotodiode handeln. Die Fotodiode kann in einem Substrat, insbesondere in einem Halbleitersubstrat, angeordnet sein.
  • Der Modus hoher Empfindlichkeit und der Modus geringer Empfindlichkeit sind Betriebsmodi des Pixels. Der Modus hoher Empfindlichkeit und der Modus geringer Empfindlichkeit können nacheinander ausgeführt werden. Dies kann bedeuten, dass der Modus hoher Empfindlichkeit und der Modus geringer Empfindlichkeit innerhalb eines Frames ausgeführt werden. Insbesondere kann der Modus geringer Empfindlichkeit vor dem Modus hoher Empfindlichkeit ausgeführt werden. Der Modus geringer Empfindlichkeit des Pixels kann für hohe Lichtverhältnisse, d. h. hohe Beleuchtungsstärke, vorgesehen sein. In diesem Fall ist das von der Fotodiode erzeugte Ladungssignal bereits groß und muss nicht „künstlich“ erhöht werden, zum Beispiel durch eine hohe Verstärkung, lange Belichtungszeiten usw. Würde ein solches Ladungssignal erhöht, z. B. durch eine hohe Umwandlungsverstärkung (HCG), könnten Sättigungseffekte auftreten. Sättigungseffekte können z. B. auftreten, weil der Potentialtopf der Fotodiode und/oder eines Speicherelements innerhalb des Pixels nicht groß genug ist, um alle fotoinduzierten Ladungsträger aufzunehmen. Der Modus hoher Empfindlichkeit des Pixels kann für schwache Lichtverhältnisse, d. h. geringe Belichtungsstärke, vorgesehen werden. In diesem Fall ist das von der Fotodiode erzeugte Ladungssignal klein und sollte vergrößert werden, z. B. durch eine hohe Verstärkung oder lange Belichtungszeiten, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erhalten.
  • Mit anderen Worten, der Modus geringer Empfindlichkeit kann ein Betriebsmodus sein, in dem die Belichtungszeit des Pixels kurz ist, insbesondere kürzer als die Belichtungszeit des Modus hoher Empfindlichkeit. Alternativ wird im Modus geringer Empfindlichkeit eine geringe Umwandlungsverstärkung (LCG) angewandt. In einer weiteren Alternative wird das Ladungssignal durch eine kleine Fotodiodenfläche oder entsprechende Filter klein gehalten. Der Modus hoher Empfindlichkeit kann ein Betriebsmodus sein, in dem die Belichtungszeit des Pixels lang ist, insbesondere länger als die Belichtungszeit des Modus niedriger Empfindlichkeit. Alternativ dazu kann die Signalverstärkung im Modus hoher Empfindlichkeit groß sein. In einer weiteren Alternative wird das Ladungssignal durch eine große Fotodiodenfläche oder ähnliches erhöht. In einer weiteren Ausführungsform werden der Modus hoher Empfindlichkeit und der Modus geringer Empfindlichkeit durch Barrieremodulation eines Transfergates realisiert.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner mindestens ein Transfergate, das zwischen der Fotodiode und einer Kapazität angeordnet ist. Das Transfergate ist so ausgelegt, dass es das jeweilige Ladungssignal von der Fotodiode an die Kapazität überträgt.
  • Das Transfergate kann als Transferschalter ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Transfergate Teil eines Transfertransistors sein, dessen erster Anschluss mit der Fotodiode und dessen zweiter Anschluss mit der Kapazität verbunden ist. Durch Anlegen eines Transfersignals an das Transfergate wird der Transfertransistor leitfähig, so dass Ladungsträger von der Fotodiode zur Kapazität diffundieren. Somit kann die Kapazität als potentialfreie Diffusionskapazität ausgeführt sein. Die Kapazität bildet ein Speicherelement. Die Kapazität kann als potentialfreie Diffusionskondensator bezeichnet werden. Die Kapazität kann eine dotierte Wanne im Halbleitersubstrat bilden. Die Kapazität kann so ausgelegt sein, dass sie das jeweilige Ladungssignal in ein entsprechendes Spannungssignal umwandelt. Aus Gründen des Dunkelstroms und zur Verringerung der parasitären Lichtempfindlichkeit (PLS) des Pixels kann es wünschenswert sein, das Signal als Spannung und nicht als Ladung zu speichern.
  • Die Kapazität umfasst einen Anschlussknoten, der elektrisch mit dem Transfergate gekoppelt ist. Das Transfergate ist also zwischen der Fotodiode und dem Anschlussknoten der Kapazität angeordnet. Der Anschlussknoten der Kapazität kann als potentialfreier Diffusionsknoten oder FD-Knoten oder Diffusionsknoten bezeichnet werden. Die Kapazität umfasst außerdem einen weiteren Anschlussknoten, der geerdet sein kann.
  • Die Kapazität kann eine Kapazität des Diffusionsknotens sein. Die Kapazität kann als pn-Übergang ausgeführt sein. In einem Beispiel gibt es keinen diskreten Kondensator, der mit dem Diffusionsknoten verbunden ist. Die Kapazität ergibt sich z. B. nur aus mindestens einer parasitären Kapazität. Daher können die Begriffe „Kapazität“ und „Diffusionsknoten“ im Folgenden synonym verwendet werden.
  • Die Anordnung der Pixel umfasst ferner ein Rücksetzgate, das elektrisch mit der Kapazität gekoppelt ist. Insbesondere ist das Rücksetzgate elektrisch mit dem FD-Knoten gekoppelt. Das Rücksetzgate ist zum Rücksetzen der Kapazität vorgesehen.
  • Das Rücksetzgate kann als Rücksetzschalter implementiert werden. Beispielsweise kann das Rücksetzgate Teil eines Rücksetztransistors sein, der einen ersten Anschluss aufweist, der mit einer Pixel-Versorgungsspannung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem FD-Knoten verbunden ist. Durch Anlegen eines Rücksetzsignals an das Rücksetzgate wird der Rücksetztransistor leitfähig, so dass alle überflüssigen Ladungsträger durch Anlegen der Pixelversorgungsspannung entfernt werden.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner einen Verstärker. Der Verstärker ist elektrisch mit der Kapazität verbunden, insbesondere mit dem Anschlussknoten der Kapazität, d.h. dem FD-Knoten. Insbesondere ist ein Eingangsanschluss des Verstärkers elektrisch mit dem Anschlussknoten der Kapazität verbunden. Der Verstärker ist so ausgelegt, dass er auf der Grundlage des jeweiligen Ladungssignals und des Empfindlichkeitsmodus ein jeweiliges verstärktes Signal erzeugt. Bei dem verstärkten Signal handelt es sich um ein Signal niedriger Empfindlichkeit bzw. ein Signal hoher Empfindlichkeit. Das Signal niedriger Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit basieren auf einem gemeinsamen Rauschpegel. Dies kann bedeuten, dass die Rauschpegel des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit korreliert sind. Bei dem gemeinsamen Rauschpegel kann es sich um einen gemeinsamen Rauschpegel im räumlichen oder zeitlichen Bereich handeln. Insbesondere kann der gemeinsame Rauschpegel ein Rücksetz-Rauschpegel sein.
  • Das Signal hoher Empfindlichkeit kann als High-Conversion-Gain (HCG) Signal bezeichnet werden. Das Signal geringer Empfindlichkeit kann als Low-Conversion-Gain (LCG) Signal bezeichnet werden.
  • Der Verstärker kann einen Common-Drain-Verstärker bilden, der auch als Source-Folger bezeichnet wird. Ein Gate-Anschluss des Source-Followers ist mit dem FD-Knoten verbunden und dient als Eingangsanschluss des Verstärkers. Ein gemeinsamer Anschluss kann mit der Versorgungsspannung verbunden werden. Das entsprechend verstärkte Signal wird an einem Ausgangsanschluss des Verstärkers erzeugt. Der Verstärker kann als Spannungs-Buffer verwendet werden. Der Verstärker kann dazu ausgelegt sein, dass er das Signal buffert und so den FD-Knoten von weiteren Bauelementen des Pixels entkoppelt. Der Verstärker kann ferner dazu ausgelegt sein, dass er die lichtinduzierten Ladungsträger verstärkt.
  • Das verstärkte Signal kann entweder das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit sein, je nach dem jeweiligen Empfindlichkeitsmodus, in dem das Pixel zum jeweiligen Zeitpunkt arbeitet. Das Signal geringer Empfindlichkeit basiert auf einem Videosignal und einem Rauschpegel. Der Rauschpegel umfasst zeitliches Rauschen, wie z. B. thermisches Rauschen und Rücksetz-Rauschen, sowie Fixed-Pattern-Rauschen (FPN). FPN bezieht sich auf die Variation in den Signalen von Pixel zu Pixel, die an einer bestimmten räumlichen Position „fest“ ist. Thermisches Rauschen wird hauptsächlich durch die zufällige thermische Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Leiter erzeugt. Das Rücksetz-Rauschen bezieht sich auf den Rücksetzvorgang des FD-Knotens, der vor Beginn der Ladungsintegration in jedem Frame neu durchgeführt werden muss. Dieser Rücksetzvorgang führt ein Abtastrauschen ein.
  • Gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann das Signal hoher Empfindlichkeit auf dem Signal geringer Empfindlichkeit basieren. Somit basiert das Signal hoher Empfindlichkeit auf demselben Rauschpegel wie das Signal geringer Empfindlichkeit, insbesondere auf einem gemeinsamen Rücksetz-Rauschpegel und/oder einem gemeinsamen Fixed-Pattern-Rauschpegel. Das Signal hoher Empfindlichkeit kann aus dem Signal geringer Empfindlichkeit und einem zusätzlichen Videosignal bestehen. Mit anderen Worten, das Rauschen des Signals hoher Empfindlichkeit und das Rauschen des Signals niedriger Empfindlichkeit sind korreliert. Auf diese Weise ist es möglich, das Signal niedriger Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit zu nutzen, so dass das Rauschen des Signals hoher Empfindlichkeit effektiv unterdrückt werden kann. Dieser Vorgang kann als korrelierte Doppelabtastung (CDS) bezeichnet werden. Somit kann auf das Signal hoher Empfindlichkeit mittels CDS zugegriffen werden, so dass ein reines Videosignal erhalten wird.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner einen ersten Kondensator, der zur Speicherung des Signals hoher Empfindlichkeit ausgebildet ist. Der erste Kondensator kann als Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensator (MOS) ausgeführt sein. Alternativ ist der erste Kondensator als Metall-Isolator-Metall (MIM)-Kondensator ausgebildet. Der erste Kondensator umfasst einen Anschlussknoten und einen weiteren Anschlussknoten. Der weitere Anschlussknoten kann geerdet oder mit einer weiteren Versorgungsspannung verbunden sein.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner einen zweiten Kondensator, der zur Speicherung des Signals geringer Empfindlichkeit ausgebildet ist. Der zweite Kondensator kann als MOS- oder MIM-Kondensator ausgeführt sein. Der zweite Kondensator umfasst einen Anschlussknoten und einen weiteren Anschlussknoten. Der weitere Anschlussknoten kann geerdet oder mit der weiteren Versorgungsspannung verbunden sein.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner einen ersten Schalter, der zwischen dem Ausgangsanschluss des Verstärkers und dem ersten Kondensator angeordnet ist. Dies kann bedeuten, dass der erste Schalter den Anschlussknoten des ersten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbindet. Der erste Schalter ist zur Übertragung des jeweiligen verstärkten Signals an den ersten Kondensator vorgesehen. Der erste Schalter kann durch einen ersten Schalttransistor gebildet werden. Der erste Schalttransistor kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Schaltsignal empfängt, durch das der erste Schalttransistor leitfähig wird, so dass das verstärkte Signal übertragen wird. Ein erster Anschluss des ersten Schalttransistors ist mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Schalttransistors ist mit dem Anschlussknoten des ersten Kondensators verbunden.
  • Die Pixelanordnung umfasst ferner einen zweiten Schalter, der zwischen dem Ausgangsanschluss des Verstärkers und dem zweiten Kondensator angeordnet ist. Dies kann bedeuten, dass der zweite Schalter den Anschlussknoten des zweiten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbindet. Der zweite Schalter ist zur Übertragung des jeweiligen verstärkten Signals an den zweiten Kondensator vorgesehen. Der zweite Schalter kann durch einen zweiten Schalttransistor gebildet werden. Der zweite Schalttransistor kann einen Gate-Anschluss aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er ein zweites Schaltsignal empfängt, durch das der zweite Schalttransistor leitfähig wird, so dass das verstärkte Signal übertragen wird. Ein erster Anschluss des zweiten Schalttransistors kann mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers oder mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalttransistors verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schalttransistors ist mit dem Anschlussknoten des zweiten Kondensators verbunden.
  • Es werden nur zwei Kondensatoren benötigt, um die beschriebenen Funktionen der Pixelanordnung zu realisieren. Dadurch kann die Pixelanordnung klein gehalten werden. Das bedeutet, dass der Pixelabstand unter Einbeziehung von HDR skaliert werden kann, was wiederum eine Verringerung der Kosten und der Modulgröße ermöglicht. Wenn die Pixel beispielsweise in einer Matrix angeordnet sind, kann der Pixelabstand weniger als 2 um betragen. Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Pixelanordnung mit vielen HDR-Techniken kompatibel. Vorteilhafterweise speichern die beiden Kondensatoren zwei verschiedene Signale, nämlich ein Signal hoher Empfindlichkeit und ein Signal geringer Empfindlichkeit. Dadurch kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung vergrößert werden. Außerdem können sowohl das Signal hoher Empfindlichkeit als auch das Signal geringer Empfindlichkeit auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren, der insbesondere aus thermischem Rauschen und Rücksetz-Rauschen besteht. Somit kann das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet werden. Dies bedeutet, dass auf das Signal hoher Empfindlichkeit mit CDS zugegriffen werden kann. Da das Signal hoher Empfindlichkeit bei geringen Lichtverhältnissen verwendet wird, ist das thermische Rauschen ein relevanter Parameter. Vorteilhaft ist, dass das thermische Rauschen und das Rücksetz-Rauschen durch CDS wirksam unterdrückt werden können. Bei hohen Lichtverhältnissen wird das Signal geringer Empfindlichkeit weiterverarbeitet. Hier ist das thermische Rauschen weniger relevant, da bei hohen Beleuchtungsstärken das Photonen-Schrotrauschen dominiert.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Signal hoher Empfindlichkeit das Signal geringer Empfindlichkeit und ein zusätzliches Videosignal. Dies kann bedeuten, dass das Signal hoher Empfindlichkeit gleich dem Signal geringer Empfindlichkeit plus dem zusätzlichen Videosignal ist. Das zusätzliche Videosignal kann ein reines Videosignal ohne Rauschen darstellen. Vorteilhafterweise ist das Rauschen des Signals hoher Empfindlichkeit mit dem Rauschen des Signals geringer Empfindlichkeit korreliert, so dass CDS durchgeführt werden kann. So kann das Rauschen des Signals hoher Empfindlichkeit effektiv unterdrückt werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung ferner mindestens einen weiteren Verstärker. Der weitere Verstärker umfasst einen Eingangsanschluss, der elektrisch mit dem ersten und/oder dem zweiten Kondensator, d.h. mit dem Anschlussknoten des jeweiligen Kondensators, verbunden ist. Der weitere Verstärker ist so ausgelegt, dass er ein Pixelausgangssignal an einem Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers erzeugt.
  • Der weitere Verstärker kann einen weiteren Common-Drain-Verstärker, d. h. einen weiteren Source-Folger, bilden. Ein Gate-Anschluss des weiteren Verstärkers ist mit dem Anschlussknoten des ersten und/oder des zweiten Kondensators verbunden. Dies kann bedeuten, dass der erste und der zweite Kondensator parallel angeordnet sind, so dass der Gateanschluss des weiteren Verstärkers mit beiden Anschlussknoten verbunden werden kann. Alternativ ist der weitere Verstärker mit dem Anschlussknoten des ersten Kondensators und ein zweiter weiterer Verstärker mit dem Anschlussknoten des zweiten Kondensators verbunden. Es ist auch möglich, dass der erste und der zweite Kondensator kaskadiert angeordnet sind, so dass der weitere Verstärker nur direkt mit dem Anschlussknoten des zweiten Kondensators verbunden ist. Ein gemeinsamer Anschluss des weiteren Verstärkers ist mit der Pixel-Versorgungsspannung verbunden. Das Pixel-Ausgangssignal wird an einen Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers angelegt. Der weitere Verstärker kann als Spannungs-Buffer verwendet werden. Der Verstärker kann so ausgelegt sein, dass er das Signal buffert und somit die Kondensatorstufe von der Ausleseschaltung entkoppelt.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung außerdem ein Auswahlgate zwischen dem Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers und einem Spaltenbus. Das Auswahlgate ist zur Übertragung des Pixelausgangssignals an den Spaltenbus vorgesehen.
  • Das Auswahlgate kann als Auswahlschalter ausgeführt sein. Beispielsweise ist das Auswahlgate Teil eines Auswahltransistors mit einem ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem Spaltenbus verbunden ist. Durch Anlegen eines Auswahlsignals an das Auswahlgate wird der Auswahltransistor leitfähig, so dass das Pixel-Ausgangssignal über den Spaltenbus an die Ausleseschaltung weitergeleitet wird. Die Ausleseschaltung umfasst beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer Abtast- und Haltefunktion. Der Spaltenbus kann in der Pixelanordnung enthalten sein, muss es aber nicht. Alternativ kann auch nur ein Teil des Spaltenbusses von dem Pixel umfasst sein. Vorteilhaft ist, dass auf das Ausgangssignal jedes Pixels innerhalb eines Arrays separat zugegriffen werden kann.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Pixel außerdem ein Vorladegate, das elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers gekoppelt ist. Das Vorladegate ist so ausgelegt, dass es den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator vorlädt.
  • Das Vorladegate kann als Vorladeschalter ausgeführt sein. Beispielsweise ist das Vorladegate Teil eines Vorladetransistors, der einen ersten Anschluss hat, der mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse (GND) verbunden ist. Durch Anlegen eines Vorladesignals an das Vorladegate wird der Vorladetransistor leitfähig, so dass der erste und der zweite Kondensator vorgeladen werden können. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der erste und der zweite Kondensator in jedem Frame entladen werden, bevor sie durch den Verstärker wieder auf ihren endgültigen Wert aufgeladen werden. Außerdem kann der Vorladetransistor auch einen bestimmten Vorspannungsstrom liefern, um den Verstärker vorzuspannen. Das Vorladegate kann auch als Konstantstromquelle implementiert werden, die so gestaltet ist, dass sie einen festen Strom liefert.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Fotodiode eine erste Fotodiode zum Erzeugen eines ersten Ladungssignals im Modus hoher Empfindlichkeit. Ferner umfasst die mindestens eine Fotodiode eine zweite Fotodiode zur Erzeugung eines zweiten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit.
  • Die erste Fotodiode und die zweite Fotodiode können unterschiedlich sein. Beispielsweise hat die erste Fotodiode eine größere fotoaktive Fläche als die zweite Fotodiode, um mehr Ladungsträger zu erzeugen als die zweite Fotodiode. Alternativ ist die zweite Fotodiode mit einem Filter versehen, um das zweite Ladungssignal abzuschwächen. Die erste und die zweite Fotodiode können sich einen gemeinsamen FD-Knoten, d. h. die gleiche Kapazität, teilen.
  • Dementsprechend können die beiden Fotodioden jeweils zwei Transfergates zugeordnet werden, wobei ein erstes Transfergate zur Übertragung des ersten Ladungssignals an den Anschlussknoten der Kapazität und ein zweites Transfergate zur Übertragung des zweiten Ladungssignals an den Anschlussknoten der Kapazität vorgesehen ist.
  • Das erste Ladungssignal der ersten Fotodiode ergibt das Signal hoher Empfindlichkeit, während das zweite Ladungssignal der zweiten Fotodiode das Signal geringer Empfindlichkeit ergibt. Durch die Bereitstellung einer ersten Fotodiode und einer zweiten Fotodiode, die sich von der zweiten Fotodiode unterscheidet, können die jeweiligen Ladungssignale dazu genutzt werden, um einen hohen Dynamikbereich zu erzielen.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung außerdem ein Empfindlichkeitsgate. Das Empfindlichkeitsgate ist zwischen dem Rücksetzgate und dem Anschlussknoten der Kapazität angeordnet. In dieser Ausführungsform umfasst die Pixelanordnung ferner einen dritten Kondensator mit einem Anschlussknoten. Das Empfindlichkeitsgate ist zum Kurzschließen des Anschlussknotens der Kapazität mit dem Anschlussknoten des dritten Kondensators vorgesehen.
  • Das Empfindlichkeitsgate kann als Verstärkungsschalter ausgeführt sein. Das Empfindlichkeitsgate kann Teil eines Empfindlichkeitstransistors sein, der einen ersten Anschluss aufweist, der elektrisch mit dem Anschlussknoten der Kapazität verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der elektrisch mit dem Anschlussknoten des dritten Kondensators verbunden ist. Durch Anlegen eines Verstärkungssignals an das Empfindlichkeitsgate wird der Empfindlichkeitstransistor leitfähig, so dass der FD-Knoten mit dem Anschlussknoten des dritten Kondensators kurzgeschlossen wird. Der Empfindlichkeitstransistor kann als Dual-Conversion-Gain-Transistor (DCG-Transistor) bezeichnet werden und das Empfindlichkeitssignal kann als DCG-Signal oder Kopplungssignal bezeichnet werden.
  • Der dritte Kondensator kann als MOS- oder MIM-Kondensator ausgeführt sein. Der Anschlussknoten des dritten Kondensators ist zwischen dem Rücksetzgate und dem Empfindlichkeitsgate angeordnet.
  • Der dritte Kondensator umfasst außerdem einen weiteren Anschlussknoten, der geerdet sein kann.
  • Durch Kurzschließen des FD-Knotens mit dem Anschlussknoten des dritten Kondensators ist die kombinierte Kapazität größer als die der FD-Kapazität. Da die Ladung konstant bleibt, führt dies zu einem geringeren Spannungssignal. Durch die Vergrößerung der Kapazität wird also die Verstärkung verringert. Das bedeutet, dass die Pixelanordnung eine geringere Verstärkung aufweist, wenn die Kapazität und der dritte Kondensator kurzgeschlossen sind. Mit anderen Worten, die Pixelanordnung hat eine erhöhte Verstärkung, wenn der dritte Kondensator durch das Empfindlichkeitsgate von der Kapazität elektrisch entkoppelt ist.
  • Im Allgemeinen ist die Fotodiode von der Kapazität durch eine Potenzialbarriere getrennt, wenn das Transfergate deaktiviert ist. In ähnlicher Weise wird bei deaktiviertem Empfindlichkeitsgate die Kapazität durch eine weitere Potentialbarriere vom dritten Kondensator getrennt. Dies bedeutet, dass Ladungsträger daran gehindert werden, zwischen der Fotodiode und der Kapazität bzw. zwischen der Kapazität und dem dritten Kondensator zu diffundieren. In einigen Ausführungsformen wird ein solcher Ladungsüberlauf jedoch zugelassen, insbesondere wenn der Potentialtopf der Fotodiode bzw. der Potentialtopf der Kapazität gesättigt ist. Auf diese Weise gehen auch bei Sättigung keine fotoinduzierten Ladungsträger verloren, was der Pixelanordnung einen erhöhten Dynamikbereich verleiht. Mit anderen Worten: Der dritte Kondensator speichert überschüssige Ladungsträger. Außerdem kann die Fotodiode und/oder die Kapazität kleiner dimensioniert werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform sind der erste Kondensator und der zweite Kondensator parallel angeordnet. Sowohl der erste als auch der zweite Schalter sind elektrisch direkt mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden. Der Anschlussknoten des ersten Kondensators kann elektrisch mit dem weiteren Verstärker verbunden sein. Der Anschlussknoten des zweiten Kondensators kann elektrisch mit einem zweiten weiteren Verstärker verbunden sein. Es ist auch möglich, dass der Anschlussknoten des ersten Kondensators und der Anschlussknoten des zweiten Kondensators mit einem gemeinsamen weiteren Verstärker verbunden werden können. Vorteilhafterweise können der erste Kondensator und der zweite Kondensator unabhängig voneinander durch den ersten und den zweiten Schalter gesteuert werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform sind der erste Kondensator und der zweite Kondensator kaskadiert angeordnet. In diesem Fall ist der zweite Schalter über den ersten Schalter elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden. Mit anderen Worten: Der zweite Schalter ist zwischen dem Anschlussknoten des ersten Kondensators und dem Anschlussknoten des zweiten Kondensators angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass weniger Bauelemente benötigt werden als bei einer parallelen Anordnung der Kondensatoren.
  • Des Weiteren wird ein Bildsensor angegeben, der Array von Pixeln gemäß der in einer der obigen Ausführungsformen beschriebenen Pixelanordnung umfasst. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung offenbart wurden, auch für den Bildsensor offenbart wurden und auf diesen anwendbar sind und umgekehrt.
  • Außerdem wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben, die den Bildsensor umfasst. Dies bedeutet, dass alle für den Bildsensor offengelegten Merkmale auch für die optoelektronische Vorrichtung offengelegt und anwendbar sind und umgekehrt.
  • Der Bildsensor kann praktisch in optoelektronischen Geräten wie Smartphones, Tablet-Computern, Laptops oder Kameramodulen eingesetzt werden. Das Kameramodul ist beispielsweise für den Betrieb im sichtbaren Bereich für Foto- und/oder Videoaufnahmen ausgelegt. Ferner ist die Pixelanordnung insbesondere für den Betrieb im Global-Shutter-Modus geeignet, da die Signale in einem Pixel-Level-Speicher, d.h. dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator, gespeichert werden. Der Global-Shutter-Modus eignet sich insbesondere für Infrarot-Anwendungen, bei denen die Bildsensor-Vorrichtung außerdem eine Lichtquelle umfasst, die mit den Pixeln synchronisiert ist. So kann ein optoelektronisches Gerät mit einem solchen Bildsensor auch im Infrarotbereich (IR) arbeiten, z. B. für 3D-Bildgebung und/oder Identifikationszwecke. Bildsensoren mit Infrarotempfindlichkeit können in dunklen Umgebungen eingesetzt werden, wenn eine Videoübertragung erforderlich ist. Solche Anwendungen reichen von der Gesichtsentriegelung von Mobiltelefonen bis hin zu Fahrerüberwachungssystemen. In beiden Fällen können Leuchtmittel eingesetzt werden, die im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) liegen, so dass der Benutzer/Fahrer des Telefons nicht von dem Licht geblendet wird, das ihn anstrahlt.
  • Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung bereitgestellt, die so ausgelegt ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit bzw. in einem Modus geringer Empfindlichkeit umwandelt. Für das hierin beschriebene Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung kann vorzugsweise die oben beschriebene Pixelanordnung verwendet werden. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart sind, auch für das Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung offenbart sind und umgekehrt.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Pixelanordnung umfasst das Verfahren die Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal durch mindestens eine Fotodiode. Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung eines Rücksetzsignals zum Rücksetzen einer Kapazität. Das Rücksetzsignal wird beispielsweise an ein Rücksetzgate angelegt, das elektrisch mit der Kapazität eingekoppelt ist. Durch Anlegen des Rücksetzsignals wird beispielsweise eine Pixel-Versorgungsspannung an einen Anschlussknoten der Kapazität angelegt, so dass auf der Kapazität gespeicherte Ladungsträger entfernt werden.
  • Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung eines Transfersignals zum Übertragen des jeweiligen Ladungssignals von der mindestens einen Fotodiode zur Kapazität. Das Transfersignal wird zum Beispiel an ein Transfergate zwischen der Fotodiode und dem Anschlussknoten der Kapazität angelegt.
  • Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen eines jeweiligen verstärkten Signals auf der Grundlage des jeweiligen Ladungssignals und des Empfindlichkeitsmodus. Das jeweilige verstärkte Signal ist entweder ein Signal geringer Empfindlichkeit oder ein Signal hoher Empfindlichkeit. Das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit basieren auf einem gemeinsamen Rauschpegel. Dies kann bedeuten, dass der Rauschpegel des Signals geringer Empfindlichkeit mit dem Rauschpegel des Signals hoher Empfindlichkeit korreliert ist. Das jeweilige verstärkte Signal wird beispielsweise von einem Verstärker erzeugt, der an seinem Eingangsanschluss elektrisch mit der Kapazität verbunden ist.
  • Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung eines ersten Schaltsignals zur Übertragung des jeweiligen verstärkten Signals an einen ersten Kondensator. Der erste Kondensator ist so gestaltet, dass er das Signal hoher Empfindlichkeit speichert. Zum Beispiel wird das erste Schaltsignal an einen ersten Schalter zwischen einem Anschlussknoten des ersten Kondensators und einem Ausgangsanschluss des Verstärkers angelegt.
  • Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung eines zweiten Schaltsignals zur Übertragung des jeweiligen verstärkten Signals an einen zweiten Kondensator. Der zweite Kondensator ist so ausgelegt, dass er das Signal geringer Empfindlichkeit speichert. Zum Beispiel wird das zweite Schaltsignal an einen zweiten Schalter zwischen einem Anschlussknoten des zweiten Kondensators und dem Ausgangsanschluss des Verstärkers angelegt.
  • Vorteilhafterweise speichern die beiden Kondensatoren zwei verschiedene Signale, nämlich ein Signal hoher Empfindlichkeit und ein Signal geringer Empfindlichkeit. Dadurch kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden. Außerdem kann das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet werden, da beide Signale auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren. Das bedeutet, dass auf das Signal hoher Empfindlichkeit mit CDS zugegriffen werden kann, so dass z. B. das thermische Rauschen und das Rücksetzrauschen effektiv unterdrückt werden können.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner einen ersten Schritt während der Pixelbelichtung, bei dem das Pixel im Modus geringer Empfindlichkeit betrieben wird. Im Modus geringer Empfindlichkeit wird das Signal geringer Empfindlichkeit erzeugt und auf dem zweiten Kondensator gespeichert. In einem zweiten Schritt während der Pixelbelichtung wird das Pixel im Modus hoher Empfindlichkeit betrieben, so dass das Signal hoher Empfindlichkeit erzeugt und auf dem ersten Kondensator gespeichert wird. Die Pixelbelichtung bezieht sich auf eine Zeitspanne, in der die Fotodiode dem Licht ausgesetzt ist.
  • Das Signal geringer Empfindlichkeit ist kleiner als das Signal hoher Empfindlichkeit. Insbesondere ist das Signal hoher Empfindlichkeit gleich dem Signal geringer Empfindlichkeit plus einem zusätzlichen Videosignal. Das Signal geringer Empfindlichkeit wird also vor dem Signal hoher Empfindlichkeit ermittelt. Das Signal hoher Empfindlichkeit kann also vorteilhafterweise auf dem Signal geringer Empfindlichkeit basieren.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden der erste Schritt und der zweite Schritt während der Pixelbelichtung durchgeführt, ohne dass dazwischen die Kapazität zurückgesetzt wird. Würde die Kapazität rückgesetzt, würde das Signal hoher Empfindlichkeit nicht auf dem Signal geringer Empfindlichkeit basieren, da die Information über das Signal geringer Empfindlichkeit von dem FD-Knoten entfernt würde. Vorteilhafterweise speichert die Kapazität die Informationen über das Signal geringer Empfindlichkeit, so dass sie im Modus hoher Empfindlichkeit wiederverwendet werden kann. Vorteilhaft ist, dass kein zusätzliches Rauschen eingeführt wird.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Signal geringer Empfindlichkeit in einem ersten Schritt während des Pixelauslesens ausgelesen. In einem zweiten Schritt beim Auslesen wird das Signal hoher Empfindlichkeit ausgelesen. Die Pixelauslesung bezieht sich auf einen Zeitraum, in dem die auf den Kondensatoren gespeicherten Analogsignale weiterverarbeitet werden. Zum Beispiel werden die analogen Signale über einen Spaltenbus zu einer Ausleseschaltung übertragen, wo sie in digitale Signale umgewandelt werden. Vorteilhafterweise wird das Signal geringer Empfindlichkeit vor dem Signal hoher Empfindlichkeit ausgelesen, so dass das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet werden kann.
  • Das Auslesen des Signals hoher Empfindlichkeit kann bedeuten, dass das Signal hoher Empfindlichkeit direkt aus dem ersten Kondensator ausgelesen wird. Es kann aber auch bedeuten, dass eine abgeschwächte Version des Signals hoher Empfindlichkeit ausgelesen wird. Wenn der erste und der zweite Kondensator kaskadiert angeordnet sind, sind die beiden Kondensatoren miteinander gekoppelt. So kann beim Auslesen des Signals hoher Empfindlichkeit das Signal hoher Empfindlichkeit im ersten und zweiten Kondensator umverteilt werden. Das bedeutet, dass Ladungen auf dem ersten Kondensator mit Ladungen auf dem zweiten Kondensator vermischt werden. Dadurch wird das Signal hoher Empfindlichkeit am ersten Kondensator abgeschwächt, zum Beispiel um den Faktor zwei, wenn der erste Kondensator gleich dem zweiten Kondensator ist.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Kapazität rückgesetzt und in einem dritten Schritt während des Pixelauslesens ein Rücksetzpegel ausgelesen. Das Rücksetzen der Kapazität erfolgt durch Anlegen des Rücksetzsignals. Der Rücksetzpegel bezieht sich auf ein Nicht-Videosignal der Pixelanordnung, d.h. ohne Ladungssignal der Fotodiode. Durch das Rücksetzen der Kapazität, d. h. des FD-Knotens, wird zusätzliches Rauschen eingeführt, das nicht mit dem Rauschen der Signale hoher und geringer Empfindlichkeit korreliert ist. Der Rücksetzpegel der Pixelanordnung enthält jedoch Informationen über das Fixed-Pattern-Rauschen (FPN). Daher kann das FPN der Pixelanordnung vorteilhafterweise im dritten Schritt beim Auslesen der Pixel ermittelt werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass während des Pixelauslesens eine doppelte Delta-Abtastung durchgeführt wird, indem der Rücksetzpegel als Referenzpegel für das Signal geringer Empfindlichkeit verwendet wird. Das Signal geringer Empfindlichkeit wird bei großen Beleuchtungsstärken weiterverarbeitet. Hier ist das thermische Rauschen weniger relevant, da bei hoher Beleuchtungsstärke das Photonen-Schrotrauschen dominiert. Daher ist eine korrelierte Doppelabtastung zum Entfernen des Rauschens aus dem Videosignal nicht erforderlich. Es könnte jedoch erwünscht sein, FPN aus dem Videosignal zu entfernen. Durch eine doppelte Delta-Abtastung (DDS), d. h. durch Verwendung des Rücksetzpegels als Referenzpegel für das Signal geringer Empfindlichkeit, kann FPN entfernt werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass während des Pixelauslesens eine korrelierte Doppelabtastung durchgeführt wird, indem das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet wird. Wie oben erwähnt, basieren das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit auf einem gemeinsamen Rauschpegel. Durch die Durchführung einer korrelierten Doppelabtastung, d. h. durch die Verwendung des Signals geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit, kann das Rauschen effektiv aus dem Signal hoher Empfindlichkeit entfernt werden. Das entfernte Rauschen umfasst sowohl zeitliches Rauschen als auch Fixed-Pattern-Rauschen.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner, dass während des Auslesens der Pixel anhand der jeweiligen Amplitudenpegel ermittelt wird, ob das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet werden soll. Bei hohen Beleuchtungsstärken könnte das Signal hoher Empfindlichkeit gesättigt sein. Daher sollte das Signal geringer Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet werden. Bei einer geringen Beleuchtungsstärke kann das Signal geringer Empfindlichkeit schwach und durch Rauschen beeinträchtigt sein. Daher sollte das Signal hoher Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet werden. Um anhand der jeweiligen Amplitudenwerte zu ermitteln, ob das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet werden soll, können die jeweiligen Amplitudenwerte mit jeweiligen Schwellenwerten verglichen werden. Vorteilhafterweise kann in Abhängigkeit von der aktuellen Belichtungsstärke entweder das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet werden. Dadurch wird der Dynamikbereich vergrößert.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner während der Pixelbelichtung im Modus geringer Empfindlichkeit das Einstellen einer Umwandlungsverstärkung durch Anlegen eines Verstärkungssignals zum Kurzschließen des Anschlussknotens der Kapazität mit einem Anschlussknoten eines dritten Kondensators. Zum Beispiel wird das Verstärkungssignal an ein Empfindlichkeitsgate zwischen dem Anschlussknoten der Kapazität und dem Anschlussknoten des dritten Kondensators angelegt. Durch Kurzschließen der jeweiligen Anschlussknoten bei einem bestimmten Ladungssignal wird die Gesamtkapazität erhöht, was wiederum das Spannungssignal verringert. Dadurch wird die Umwandlungsverstärkung für das jeweilige Ladungssignal verringert. Auf diese Weise können zwei unterschiedliche Wandlungsverstärkungen bereitgestellt werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal die Erzeugung eines ersten Ladungssignals im Modus hoher Empfindlichkeit durch eine erste Fotodiode und die Erzeugung eines zweiten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit durch eine zweite Fotodiode. Insbesondere können die erste Fotodiode und die zweite Fotodiode unterschiedlich sein, so dass sie bei einer bestimmten Belichtungsstärke unterschiedliche Ladungssignale erzeugen. Beispielsweise kann eine große Fotodiode im Modus hoher Empfindlichkeit verwendet werden, um ein erhöhtes Ladungssignal zu erzeugen, während eine kleinere Fotodiode im Modus geringer Empfindlichkeit verwendet werden kann, um ein verringertes Ladungssignal zu erzeugen und so die Sättigung eines Speicherelements im Pixel zu verhindern. Durch die Verwendung von zwei oder mindestens zwei Fotodioden kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung in ein jeweiliges Ladungssignal die Erzeugung eines ersten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit durch eine reduzierte Belichtungszeit und die Erzeugung eines zweiten Ladungssignals im Modus hoher Empfindlichkeit durch eine erhöhte Belichtungszeit. Die jeweiligen Ladungssignale bei einer bestimmten Belichtungsstärke können durch unterschiedliche Belichtungszeiten variiert werden. So kann z. B. im Modus hoher Empfindlichkeit durch eine lange Belichtungszeit ein erhöhtes Ladungssignal erzeugt werden, während im Modus geringer Empfindlichkeit durch eine kurze Belichtungszeit ein verringertes Ladungssignal erzeugt und damit eine Sättigung verhindert werden kann. Durch die Verwendung von zwei oder mindestens zwei Belichtungszeiten kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden.
  • Weitere Ausführungsformen des Verfahrens werden für den Fachmann aus den oben beschriebenen Ausführungsformen der Pixelanordnung ersichtlich, und umgekehrt.
  • Darüber hinaus ist ein weiteres Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung vorgesehen. Die Pixelanordnung, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit und einem Modus geringer Empfindlichkeit ausgelegt ist, wie oben beschrieben, kann auch für dieses Verfahren verwendet werden. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Pixelanordnung und den Bildsensor offenbart sind, auch für das folgende Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung offenbart sind und umgekehrt. Ferner sind Aspekte des obigen Verfahrens auch für das nachfolgende Verfahren relevant. Somit sind Ausführungsformen des obigen Verfahrens auch für das nachfolgende Verfahren offenbart und anwendbar.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Akkumulieren von Ladungsträgern mit einer Fotodiode in einer ersten Integrationsperiode. Das Verfahren umfasst ferner, dass am Ende der ersten Integrationsperiode ein Transfergate auf einen ersten Spannungspegel gepulst wird, um einen Teil der akkumulierten Ladungsträger an eine Kapazität zu übertragen, wobei dieser Teil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung abgeleitet wird.
  • Die erste Integrationsperiode ist Teil einer Belichtungsperiode. Dies kann bedeuten, dass die Belichtungsperiode in mehrere Integrationsperioden unterteilt ist, z. B. in eine erste Integrationsperiode, eine zweite Integrationsperiode und eine dritte Integrationsperiode. Die Belichtungsperiode bezieht sich auf eine Zeit während der Pixelbelichtung. Wie bereits erwähnt, kann die Kapazität eine (parasitäre) Kapazität eines Diffusionsknotens sein. Mit anderen Worten, die akkumulierten Ladungsträger werden durch Anlegen eines Transfersignals an das Transfergate auf den Diffusionsknoten übertragen. Das Transfergate kann als Teil eines Transfertransistors implementiert sein. Der erste Spannungspegel kann ein Spannungspegel unterhalb einer Schwellenspannung des Transfertransistors sein. Dies kann bedeuten, dass der erste Spannungspegel ein Teilspannungspegel ist. Beispielsweise beträgt der erste Spannungspegel 0,8 V. Durch Anlegen des ersten Spannungspegels an das Transfergate wird eine Potenzialbarriere zwischen der Fotodiode und dem Diffusionsknoten abgesenkt. So können überschüssige Ladungsträger die abgesenkte Potenzialbarriere überwinden und von der Fotodiode zum Diffusionsknoten übertragen werden. Diese überschüssigen Ladungsträger bezeichnen den besagten Teil der akkumulierten Ladungsträger. Dieser Teil ist dazu ausgelegt, dass er an die Versorgungsspannung abgeleitet werden kann. Dies kann durch Rücksetzen des Diffusionsknotens erreicht werden. Das Rücksetzen des Diffusionsknotens kann, wie oben erwähnt, durch Anlegen eines Rücksetzsignals an einen Rücksetztransistor realisiert werden, der zwischen dem Diffusionsknoten und einem Pixelversorgungsanschluss angeschlossen ist. Die Ableitung besagten Teils kann beispielsweise während der Belichtungsperiode oder am Ende der Belichtungsperiode oder nach der Belichtungsperiode erfolgen.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Fortsetzen der Akkumulation von Ladungsträgern mit der Fotodiode in einer zweiten Integrationsperiode.
  • Die zweite Integrationsperiode ist Teil des Belichtungsperiode. Die zweite Integrationsperiode ist später als die erste Integrationsperiode. Die zweite Integrationsperiode kann unmittelbar auf die erste Integrationsperiode folgen. Die Belichtungsperiode kann die erste und die zweite Integrationsperiode umfassen. Die an der Fotodiode nach der zweiten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträger umfassen die während der ersten und der zweiten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträger abzüglich des Teils der abzuleitenden Ladungsträger.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren am Ende der zweiten Integrationsperiode ferner das Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität zu übertragen, und das Speichern eines Signals geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator (80) eines Paars von Kondensatoren, die elektrisch mit der Kapazität gekoppelt sind.
  • Das Speichern des Signals geringer Empfindlichkeit kann während einer Speicherperiode erfolgen. Die Speicherperiode kann sich mit der Belichtungsperiode überschneiden. Dies kann bedeuten, dass die Speicherperiode während der Belichtungsperiode beginnt. Die Speicherperiode kann sich auf eine Zeit während der Frame-Speicherung des Pixels beziehen. Die Übertragung der ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger kann nach dem Rücksetzen des Diffusionsknotens/der Kapazität zum Ableiten des Teils der akkumulierten Ladungsträger durchgeführt werden. Die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger unterscheidet sich von dem Teil der akkumulierten Ladungsträger. Da jedoch der erste Spannungspegel wieder an das Transfergate angelegt wird, wird die Potentialbarriere um den gleichen Betrag abgesenkt. Der erste Teil der akkumulierten Ladungsträger entspricht also den überschüssigen Ladungsträgern, die während der zweiten Integrationsperiode akkumuliert wurden. Die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger wird nicht abgeleitet, sondern auf dem Kondensatorpaar gespeichert. Das Kondensatorpaar ist elektrisch mit der Kapazität bzw. dem Diffusionsknoten gekoppelt. Das Kondensatorpaar besteht aus dem ersten und dem zweiten Kondensator, wie oben erwähnt. Die Kondensatoren können über einen Source-Folger mit dem Diffusionsknoten elektrisch gekoppelt sein, wie oben erläutert. Die Kondensatoren können parallel oder kaskadiert angeordnet sein, wie oben erwähnt. Bei einer kaskadierten Anordnung der Kondensatoren kann das Signal geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf beide Kondensatoren verteilt werden. Bei einer parallelen Anordnung der Kondensatoren kann das Signal geringer Empfindlichkeit stattdessen auf einem der Kondensatoren, z. B. dem zweiten Kondensator, gespeichert werden. Die Speicherung des Signals geringer Empfindlichkeit kann durch Anlegen von Schaltsignalen an die jeweiligen Schalter erfolgen, die den Kondensatoren zugeordnet sind. Beispielsweise wird ein erster Schalter dem ersten Kondensator und ein zweiter Schalter dem zweiten Kondensator zugeordnet, wie oben erläutert.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Fortsetzen der Akkumulation von Ladungsträgern mit der Fotodiode in einer dritten Integrationsperiode. Die dritte Integrationsperiode ist Teil der Belichtungsperiode. Die dritte Integrationsperiode ist später als die zweite Integrationsperiode. Die dritte Integrationsperiode kann unmittelbar auf die zweite Integrationsperiode folgen. Die Belichtungsperiode kann die erste, die zweite und die dritte Integrationsperiode umfassen. Die an der Fotodiode nach der dritten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträger umfassen die während der ersten, der zweiten und der dritten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträger abzüglich des Anteils der abzuleitenden Ladungsträger und abzüglich der ersten Teilmenge der auf mindestens dem zweiten Kondensator zu speichernden Ladungsträger.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren am Ende der dritten Integrationsperiode ferner das Pulsen des Transfertransistors auf einen zweiten Spannungspegel, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität zu übertragen, und das Speichern eines Signals hoher Empfindlichkeit, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator des Kondensatorpaars.
  • Das Pulsen des Transfertransistors auf den zweiten Spannungspegel wird später durchgeführt als das Pulsen des Transfertransistors auf den ersten Spannungspegel. Der zweite Spannungspegel kann ein Vollspannungspegel sein. Der zweite Spannungspegel kann ein Spannungspegel oberhalb des Schwellenspannungspegels des Transfertransistors sein. Der zweite Spannungspegel beträgt z. B. 2,8 V. Durch Anlegen des zweiten Spannungspegels befindet sich der Transfertransistor also in einem elektrisch leitfähigen Zustand. Beim Anlegen des zweiten Spannungspegels ist die Potenzialbarriere zwischen der Fotodiode und dem Diffusionsknoten niedriger als die Potenzialbarriere beim Anlegen des ersten Spannungspegels. Insbesondere kann die Potentialbarriere vollständig dissipiert sein. Dadurch werden die restlichen Ladungsträger, die sich an der Fotodiode angesammelt haben, zum Diffusionsknoten übertragen. Die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger entspricht den während der ersten, der zweiten und der dritten Integrationsperiode akkumulierten Ladungsträgern abzüglich des Anteils der abzuführenden Ladungsträger und abzüglich der ersten Teilmenge der auf mindestens dem zweiten Kondensator zu speichernden Ladungsträgern.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Auslesen des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit, die auf den Kondensatoren gespeichert sind, während einer Ausleseperiode.
  • Das Auslesen der jeweiligen Signale kann durch Anlegen eines Auswahlsignals an einen Auswahltransistor, wie oben erwähnt, erfolgen. Das Auswahlsignal verbindet die Kondensatoren mit den in ihnen gespeicherten Signalen mit einem Spaltenbus des Pixels. Die Kondensatoren können über einen weiteren Source-Folger, wie oben erläutert, elektrisch mit dem Spaltenbus gekoppelt sein.
  • Das beschriebene Verfahren umfasst eine Barrieremodulation des Transfergates. Mit Hilfe der Barrieremodulation kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht werden. Insbesondere wird der Dynamikbereich der Pixelanordnung erhöht, indem ein Teil der akkumulierten Ladungsträger bei hohen Lichtverhältnissen abgeleitet wird. Das Signal hoher Empfindlichkeit (High-Conversion-Gain-Signal, HCG-Signal) enthält einen Kniepunkt-Kalibrierungswert, der bei der Linearisierung des Pixelausgangssignals benötigt wird. Insbesondere ist es möglich, ein linearisiertes Signal zu rekonstruieren, wenn man die Dauer der ersten bzw. zweiten Integrationsperiode und den ersten Spannungspegel kennt. Der Transfertransistor jedes Pixels unterliegt Schwankungen und Fluktuationen während des Herstellungsprozesses. Daher ist die Schwellenspannung des Transfertransistors für jedes Pixel unterschiedlich. Dies kann bedeuten, dass die Barriere zwischen der Fotodiode und dem Diffusionsknoten bei jedem Pixel anders ist, wenn der erste Spannungspegel angelegt wird. Die genaue Kenntnis der Barriere ist jedoch für die Entfernung von Fixed Pattern Noise (FPN) von Bedeutung. Aus dem ersten Spannungspegel und dem HCG-Signal des Pixels (das der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger nach Anlegen des ersten Spannungspegels entspricht) lassen sich Informationen über die Abhängigkeit eines Ausgangssignals von der Barriere ableiten. Da der erste Spannungspegel, der während der Belichtungsperiode angelegt wird, auch während der Speicherperiode angelegt wird, kann außerdem aus dem Verhältnis der ersten und zweiten Integrationsperiode und dem HCG-Signal ermittelt werden, wie groß die Menge an Ladungsträgern war, die am Ende der ersten Integrationsperiode an die Versorgungsspannung abgeleitet wurde. Aus dieser Menge und dem Signal geringer Empfindlichkeit (Low-Conversion-Gain-Signal, LCG-Signal) kann ein Pixelausgangssignal rekonstruiert werden, das bei hohen Lichtverhältnissen verwendet wird.
  • Außerdem kann das Signal geringer Empfindlichkeit (LCG-Signal) als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit (HCG-Signal) dienen, da beide Signale auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren, da der Diffusionsknoten zwischen dem Speichern des LCG- und des HCG-Signals nicht rückgesetzt wird. Somit kann CDS für das HCG-Signal durchgeführt werden, das bei geringen Lichtverhältnissen verwendet wird (bei geringen Lichtverhältnissen enthält das LCG-Signal nur Rauschen, aber keine Videoinformationen).
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Pixelanordnung das Akkumulieren von Ladungsträgern mit einer Fotodiode in einer ersten Integrationsperiode und das Pulsen eines Übertragungsgates auf einen ersten Spannungspegel am Ende der ersten Integrationsperiode, um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger auf eine Kapazität zu übertragen, wobei der Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung abgeleitet wird. Es umfasst ferner das Fortsetzen der Akkumulation von Ladungsträgern mit der Fotodiode in einer zweiten Integrationsperiode. Es umfasst ferner, dass am Ende der zweiten Integrationsperiode das Transfergate auf den ersten Spannungspegel gepulst wird, um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität zu übertragen, und dass ein Signal geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger repräsentiert, auf mindestens einem zweiten Kondensator eines Paares von Kondensatoren gespeichert wird, die elektrisch mit der Kapazität gekoppelt sind. Es umfasst ferner das Fortsetzen der Akkumulation von Ladungsträgern mit der Fotodiode (20) in einer dritten Integrationsperiode (T3). Es umfasst ferner, dass am Ende der dritten Integrationsperiode das Transfergate auf einen zweiten Spannungspegel gepulst wird, um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität zu übertragen, und dass ein Signal hoher Empfindlichkeit, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator des Kondensatorpaars gespeichert wird. Das Verfahren umfasst ferner während einer Ausleseperiode das Auslesen des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit, die auf den Kondensatoren gespeichert sind.
  • In mindestens einer Ausführungsform zeigt das Signal hoher Empfindlichkeit ein Kalibrierungsniveau an, das auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Einstellen eines Pixelausgangssignals auf der Grundlage des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels ermittelt wird.
  • Wie bereits erwähnt, entspricht die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger dem Signal hoher Empfindlichkeit, auch HCG-Signal genannt. Aus der Kenntnis des ersten Spannungspegels und des HCG-Signals lassen sich Informationen über das die Barriere bildende Transfergate ableiten. Somit kann das HCG-Signal als Kalibrierungspegel für das LCG-Signal verwendet werden. Dies kann bedeuten, dass der Kalibrierungspegel das HCG-Signal ist. Mit anderen Worten, die Information über den abgeleiteten Anteil der akkumulierten Ladungsträger geht nicht verloren, sondern kann auf der Grundlage des ersten Spannungspegels und des HCG-Signals sowie der Integrationsperioden rekonstruiert werden. Auf diese Weise können die abgeleiteten Ladungsträger berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird der Kalibrierungspegel in der Nachbearbeitung benötigt, um FPN aufgrund von Schwankungen im Transfergate zu entfernen.
  • Das Pixelausgangssignal kann je nach den Lichtverhältnissen auf dem LCG-Signal oder dem HCG-Signal basieren. Bei starken Lichtverhältnissen wird das LCG-Signal weiterverarbeitet. Weiterverarbeitung des LCG-Signals kann bedeuten, dass das LCG-Signal mit Hilfe des Kalibrierungspegels und des Verhältnisses zwischen der ersten und der zweiten Integrationsperiode angepasst wird. Die Anpassung des Pixelausgangssignals kann daher als Pixel-Kniepunkt-Kalibrierung bezeichnet werden. Die Pixel-Kniepunkt-Kalibrierung kann für jedes Pixel separat durchgeführt werden. Außerdem ist die Pixelanordnung selbstkalibrierend, da die Barriereinformation im HCG-Signal enthalten ist. Daher ist kein zusätzliches Auslesen erforderlich.
  • Die Anpassung des LCG-Signals kann außerdem eine Double-Delta-Sampling-Routine (DDS) zum Entfernen von FPN umfassen.
  • Bei schwachen Lichtverhältnissen wird das HCG-Signal weiterverarbeitet. Die Weiterverarbeitung des HCG-Signals kann bedeuten, dass das HCG-Signal mit Hilfe einer CDS-Routine (correlated double sampling) angepasst wird.
  • In mindestens einer Ausführungsform ist die erste Integrationsperiode länger als die zweite Integrationsperiode. Dies kann bedeuten, dass die Dauer der ersten Integrationsperiode größer ist als die Dauer der zweiten Integrationsperiode. Zum Beispiel ist die erste Integrationsperiode zwischen 1,5 und 3,0 mal so lang wie die zweite Integrationsperiode. Zum Beispiel ist die erste Integrationsperiode 2,0 mal so lang wie die zweite Integrationsperiode. Auf diese Weise können Sättigungseffekte vermieden werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform ist der zweite Spannungspegel größer als der erste Spannungspegel. Das bedeutet, dass die Barriere zwischen der Fotodiode und dem Diffusionsknoten niedriger ist, wenn der zweite Spannungspegel an das Transfergate angelegt wird, als wenn der erste Spannungspegel an das Transfergate angelegt wird. Der erste Spannungspegel kann also ein Teilspannungspegel sein, während der zweite Spannungspegel ein Vollspannungspegel sein kann. Mit anderen Worten, der erste Spannungspegel kann unterhalb eines Schwellenspannungspegels liegen und der zweite Spannungspegel kann oberhalb eines Schwellenspannungspegels liegen. Der erste Spannungspegel kann unter 1,0 V liegen, zum Beispiel 0,8 V. Der zweite Spannungspegel kann z. B. über 2,0 V, z. B. 2,8 V, liegen. Durch Anlegen eines Teilspannungspegels an das Transfergate wird nur ein Teil der angesammelten Ladungsträger zum Diffusionsknoten übertragen. Durch Anlegen eines Vollspannungspegels am Transfergate kann die Fotodiode rückgesetzt und die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten übertragen werden.
  • Das beschriebene Verfahren mit Barrieremodulation kann auch mit Aspekten des oben beschriebenen Verfahrens kombiniert werden:
  • Insbesondere kann in mindestens einer Ausführungsform in einem ersten Schritt während des Pixelauslesens (Ausleseperiode) das Signal geringer Empfindlichkeit und in einem zweiten Schritt während des Auslesens das Signal hoher Empfindlichkeit ausgelesen werden, wobei in einem dritten Schritt während des Pixelauslesens die Kapazität rückgesetzt und ein Rücksetzpegel ausgelesen wird.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform kann der Rücksetzpegel als Referenzpegel für das Signal geringer Empfindlichkeit verwendet werden. Dies ermöglicht DDS.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform kann eine korrelierte Doppelabtastung durchgeführt werden, indem das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet wird.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform kann anhand der jeweiligen Amplitudenwerte ermittelt werden, ob das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet werden soll. So kann das Pixelausgangssignal an die Lichtverhältnisse angepasst werden, was den Dynamikbereich erhöht.
  • In mindestens einer weiteren Ausführungsform kann Pixelanordnung einen Dual-Conversion-Gain-Transistor umfassen, wie oben erläutert. So kann das Verfahren die Einstellung einer Umwandlungsverstärkung durch Anlegen eines Verstärkungssignals zum Kurzschließen des Anschlussknotens der Kapazität (der dem Diffusionsknoten entspricht) mit einem Anschlussknoten eines dritten Kondensators umfassen. Das Einstellen der Umwandlungsverstärkung kann während der Speicherperiode erfolgen.
  • Mit den oben beschriebenen Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung kann HDR in einem VGS-Pixel (voltage domain global shutter) erreicht werden, ohne dass der Pipeline-Modus, d. h. das Pipelining der Signale zu den Speicherkondensatoren, beeinträchtigt wird. Außerdem werden nur zwei Kondensatoren benötigt, was bedeutet, dass die Pixelanordnung eine geringe Fläche haben kann. Bei dem letztgenannten Verfahren wird eine selbstkalibrierende Barrieremodulation verwendet, was bedeutet, dass ein Kalibrierungswert in einem der Signale, insbesondere im HCG-Signal, enthalten ist. Normalerweise muss ein Kalibrierungswert durch ein zusätzliches Auslesen ermittelt werden.
  • Weitere Ausführungsformen des Verfahrens werden für den erfahrenen Leser aus den oben beschriebenen Ausführungsformen der Pixelanordnung ersichtlich, und umgekehrt. Die Pixelanordnung kann ein Global-Shutter-Pixel im Spannungsbereich bilden. Alternativ kann die Pixelanordnung ein Rolling-Shutter-Pixel bilden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende Beschreibung der Figuren kann Aspekte der Pixelanordnung und des Verfahrens zum Betrieb einer solchen Pixelanordnung weiter veranschaulichen und erläutern. Bauelemente und Teile der Pixelanordnung, die funktionell identisch sind oder eine identische Wirkung haben, sind durch identische Referenzsymbole gekennzeichnet. Identische oder praktisch identische Bauelemente und Teile werden möglicherweise nur in Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen sie zuerst vorkommen. Ihre Beschreibung wird in den nachfolgenden Abbildungen nicht unbedingt wiederholt.
    • zeigt den Dynamikbereich einer Pixelanordnung.
    • zeigt eine beispielhafte Pixelanordnung.
    • zeigt ein beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung gemäß .
    • zeigt eine weitere beispielhafte Pixelanordnung.
    • zeigt eine weitere beispielhafte Pixelanordnung.
    • zeigt ein beispielhaftes Signal-Timing für die Pixel-Anordnung gemäß .
    • zeigt eine weitere beispielhafte Pixelanordnung.
    • zeigt eine schematische Darstellung einer optoelektronischen Vorrichtung, die einen Bildsensor mit einer Pixelanordnung umfasst.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung gemäß .
    • zeigt einen beispielhaften Betrieb, der von der Pixelanordnung gemäß 2A ausgeführt wird.
    • zeigt eine beispielhafte Charakteristik einer Pixelanordnung.
    • zeigt ein weiteres beispielhaftes Signal-Timing für die Pixelanordnung gemäß .
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In ist das fotoinduzierte Ladungssignal Q einer Pixelanordnung 10 (nicht dargestellt) gegen eine Beleuchtungsstärke I aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Ladungssignal Q und der Beleuchtungsstärke I ein linearer oder annähernd linearer Zusammenhang besteht. Bei kleinen Werten des Ladungssignals Q wird das Signal von einem Rauschpegel 998 dominiert, so dass es schwierig ist, aus dem verrauschten Ladungssignal Q ein verwertbares Videosignal zu ermitteln. Bei hohen Ladungssignalen Q kann jedoch ein Sättigungsbereich 999 erreicht werden. Dies bedeutet, dass eine Fotodiode oder ein Speicherelement in der genannten Pixelanordnung 10 nur eine bestimmte Anzahl von fotoinduzierten Ladungsträgern verarbeiten kann, da die jeweiligen Potenzialtöpfe nicht groß genug sind, um mehr Ladungen zu akkumulieren. Infolgedessen kann in einer typischen Pixelanordnung 10 kein geeignetes Videosignal für sehr schwache und sehr starke Lichtverhältnisse erzielt werden. Die dazwischen liegenden Lichtverhältnisse, d. h. die Lichtverhältnisse, für die ein geeignetes Videosignal erzielt werden kann, definieren den Dynamikbereich DR der Pixelanordnung 10. Es ist erwünscht, den Dynamikbereich der Pixelanordnung 10 zu erhöhen.
  • In ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Pixelanordnung 10 dargestellt. Die dargestellte Pixelanordnung 10 kann so betrieben werden, dass ein hoher Dynamikbereich (HDR) erreicht wird. Die Pixelanordnung 10 ist so et, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit bzw. in einem Modus geringer Empfindlichkeit umwandelt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst mindestens eine Fotodiode 20, die so et ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal umwandelt. Die Fotodiode 20 umfasst einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss. Ein Anodenanschluss der Fotodiode 20 ist mit einer negativen Pixelversorgungsspannung VSS verbunden, die auch Masse (GND) sein kann. Die Fotodiode 20 kann Licht beliebiger Wellenlänge umwandeln, z. B. sichtbares Licht, Infrarotlicht und/oder ultraviolettes Licht.
  • Das Pixel umfasst ferner ein Transfergate 30 zwischen der Fotodiode 20 und einer Kapazität 40. In der in dargestellten Ausführungsform ist das Transfergate 30 als Teil eines Transfertransistors implementiert, der als Schalter fungiert. Ein erster Anschluss des Transfertransistors ist elektrisch mit dem Kathodenanschluss der Fotodiode 20 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transfertransistors ist elektrisch mit einem Anschlussknoten 42 der Kapazität 40 verbunden. Der Anschlussknoten 42 wird im Folgenden als Floating Diffusion (FD)-Knoten 42 bezeichnet. Die Kapazität 40 kann als Kondensator ausgeführt sein und als FD-Kondensator bezeichnet werden. Das Transfergate 30 des Transfertransistors ist so et, dass es ein Transfersignal TX empfängt, um das jeweilige Ladungssignal von der Fotodiode 20 an die Kapazität 40 zu übertragen. Die Kapazität 40 ist so et, dass sie das jeweilige Ladungssignal in ein jeweiliges Spannungssignal umwandelt. Ein weiterer Anschlussknoten 44 der Kapazität 40 kann mit VSS verbunden sein.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner ein Rücksetzgate 50, das elektrisch mit der Kapazität 40 gekoppelt ist, um die Kapazität 40 rückzusetzen. In der in gezeigten Ausführungsform ist das Rücksetzgate 50 als Teil eines Rücksetz-Transistors implementiert, der als Schalter fungiert. Ein erster Anschluss des Rücksetztransistors ist elektrisch mit einer Pixel-Versorgungsspannung VDD verbunden. Ein zweiter Anschluss des Rücksetztransistors ist elektrisch mit dem Anschlussknoten 42 der Kapazität 40 verbunden. Das Rücksetzgate 30 des Rücksetztransistors ist so ausgebildet, dass es ein Rücksetzsignal RST empfängt, um die Kapazität 40 durch Anlegen der Pixel-Versorgungsspannung VDD rückzusetzen und somit alle überzähligen Ladungsträger zu entfernen.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen Verstärker 60, der elektrisch mit der Kapazität 40 verbunden ist und so et ist, dass er auf der Grundlage des jeweiligen Ladungssignals und des Empfindlichkeitsmodus ein jeweiliges verstärktes Signal erzeugt. Das jeweilige verstärkte Signal ist ein Signal geringer Empfindlichkeit bzw. ein Signal hoher Empfindlichkeit. Das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit beruhen auf einem gemeinsamen Rauschpegel. Der Verstärker 60 kann, wie in dargestellt, einen Common-Drain-Verstärker bilden, der auch als Source-Follower bezeichnet wird. Ein Gate-Anschluss 62 des Source-Followers ist mit dem FD-Knoten 42 verbunden und dient als Eingangsanschluss 62 des Verstärkers 60. Ein gemeinsamer Anschluss ist mit der Versorgungsspannung VDD verbunden. An einer Ausgangsklemme 64 des Verstärkers 60 wird das jeweils verstärkte Signal erzeugt.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen ersten Kondensator 70, der so et ist, dass er das Signal hoher Empfindlichkeit speichert, und einen zweiten Kondensator 80, der so et ist, dass er das Signal geringer Empfindlichkeit speichert. Der erste Kondensator 70 umfasst einen Anschlussknoten 72 und einen weiteren Anschlussknoten 74. Der weitere Anschlussknoten 74 kann, wie in gezeigt, mit VSS verbunden sein. Ferner umfasst der zweite Kondensator 80 einen Anschlussknoten 82 und einen weiteren Anschlussknoten 84. Der weitere Anschlussknoten 84 kann, wie in dargestellt, mit VSS verbunden sein.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen ersten Schalter 90 zwischen dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 und dem ersten Kondensator 70. Der erste Schalter 90 ist dazu vorgesehen, das jeweilige verstärkte Signal an den ersten Kondensator 70 zu übertragen. Der erste Schalter 90 kann durch einen ersten Schalttransistor gebildet werden. Der erste Schalttransistor umfasst einen Gate-Anschluss 90, der so et ist, dass er ein erstes Schaltsignal S1 empfängt. Ein erster Anschluss des ersten Schalttransistors ist mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Schalttransistors 90 ist mit dem Anschlussknoten 71 des ersten Kondensators 70 verbunden.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner einen zweiten Schalter 100, der zwischen dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 und dem zweiten Kondensator 80 angeordnet ist. Der zweite Schalter 100 ist dazu vorgesehen, das jeweilige verstärkte Signal an den zweiten Kondensator 80 zu übertragen. Der zweite Schalter 100 kann durch einen zweiten Schalttransistor gebildet werden. Der zweite Schalttransistor kann einen Gate-Anschluss 100 aufweisen, der so et ist, dass er ein zweites Schaltsignal S2 empfängt. Ein erster Anschluss des zweiten Schalttransistors ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalttransistors und mit dem Anschlussknoten 72 des ersten Kondensators 70 verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schalttransistors ist mit dem Anschlussknoten 82 des zweiten Kondensators 80 verbunden.
  • Die Pixelanordnung 10 gemäß 2A kann wie folgt betrieben werden: In einem ersten Schritt wird bei der Pixelbelichtung die Fotodiode 20 für eine erste Belichtungszeit T1 mit Licht beaufschlagt, so dass ein erstes Ladungssignal erzeugt und in ein Signal geringer Empfindlichkeit umgewandelt wird. Durch Anlegen entsprechender Schaltsignale S1, S2 wird das Signal geringer Empfindlichkeit übertragen und auf dem zweiten Kondensator 80 gespeichert. In einem zweiten Schritt wird die Fotodiode 20 während der Pixelbelichtung für eine zweite Belichtungszeit T2, die länger ist als die erste Belichtungszeit T1, belichtet, so dass ein zweites Ladungssignal erzeugt und in ein Signal hoher Empfindlichkeit umgewandelt wird. Durch Anlegen entsprechender Schaltsignale S1, S2 wird das Signal hoher Empfindlichkeit übertragen und auf dem ersten Kondensator 70 gespeichert. Die potentialfreie Diffusionskapazität 40 darf zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt nicht rückgesetzt werden. Somit basiert das Signal hoher Empfindlichkeit auf dem Signal geringer Empfindlichkeit oder umfasst dieses. Das bedeutet, dass beide Signale auf einem gemeinsamen Rauschpegel beruhen. Daher kann während des Pixelauslesens das Signal geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit verwendet werden, so dass eine korrelierte Doppelabtastung (CDS) durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann das Rauschen im Signal hoher Empfindlichkeit unterdrückt werden.
  • In einem weiteren Schritt wird während des Pixelauslesens ein Rücksetzpegel der Pixelanordnung 10 abgetastet, indem ein Rücksetzsignal RST an das Rücksetzgate 50 angelegt wird. Der Rücksetzpegel kann als Referenzpegel für das Signal geringer Empfindlichkeit verwendet werden, so dass eine doppelte Delta-Abtastung (DDS) durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann das Fixed-Pattern-Rauschen (FPN) im Signal mit geringer Empfindlichkeit unterdrückt werden. Beim Auslesen der Pixel kann anhand der jeweiligen Amplitudenpegel ermittelt werden, ob das Signal geringer Empfindlichkeit mit DDS oder das Signal hoher Empfindlichkeit mit CDS weiterverarbeitet werden soll.
  • Die in 2A dargestellte Pixelanordnung 10 umfasst zusätzliche Bauelemente, die jedoch in anderen Ausführungsformen auch weggelassen werden können. Die Pixelanordnung 10 gemäß 2A umfasst ferner ein Vorladegate 160, das elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 gekoppelt ist. Das Vorladegate 160 kann zum Vorladen des ersten Kondensators 70 und des zweiten Kondensators 80 vorgesehen sein, was insbesondere bedeuten kann, dass die Kondensatoren 70, 80 entladen werden, bevor neue Signale gespeichert werden. Wie in 2A dargestellt, kann das Vorladegate 160 Teil eines Vorladetransistors sein, der einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit VSS verbunden ist, umfasst. Durch Anlegen eines Vorladesignals PC an das Vorladegate 160 wird der Vorladetransistor leitfähig, so dass der erste und der zweite Kondensator 70, 80 entladen werden.
  • Die Pixelanordnung 10 gemäß 2A umfasst ferner einen weiteren Verstärker 110, der einen Eingangsanschluss 112 umfasst, der elektrisch mit dem zweiten Kondensator 80 verbunden ist, und der so ausgelegt ist, dass er ein Pixelausgangssignal an einem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 erzeugt. Wie der Verstärker 60 kann der weitere Verstärker als Source-Folger ausgeführt sein, wobei das Gate 112 als Eingangsanschluss 112 wirkt und ein gemeinsamer Anschluss mit VDD verbunden ist.
  • Die Pixelanordnung 10 umfasst ferner ein Auswahlgate 120 zwischen dem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 und einem Spaltenbus 130 zur Übertragung des Pixelausgangssignals an den Spaltenbus 130. Wie dargestellt, kann das Auswahlgate 120 Teil eines Auswahltransistors sein, der einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem Ausgangsanschluss 114 des weiteren Verstärkers 110 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Spaltenbus 130 verbunden ist. Durch Anlegen eines Auswahlsignals SEL an das Auswahltor 120 wird das Pixelausgangssignal an den Spaltenbus 130 weitergeleitet.
  • In wird die Pixelanordnung 10 gemäß im Hinblick auf das Signal-Timing detaillierter dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das dargestellte Signal-Timing eher ein Beispiel ist und variiert werden könnte. Außerdem sollte die Skalierung der Zeitintervalle nicht als exakte Angabe verstanden werden.
  • Es ist zu sehen, dass der Betrieb der Pixelanordnung 10 in zwei Zeitintervalle unterteilt werden kann, wobei das erste Zeitintervall Tex für die Pixelbelichtung und Bildspeicherung und das zweite Zeitintervall Tro für das Pixelauslesen bzw. Zeilenauslesen vorgesehen ist. Unter Zeilenauslesung kann in diesem Zusammenhang das Auslesen einer einzelnen Zeile verstanden werden. Zeilen können sequenziell ausgelesen werden, wobei alle Zeilen das gleiche Zeitintervall Tro benötigen. Da es sich bei der Pixelanordnung 10 um ein Global-Shutter-Pixel handeln kann, können die Pixelbelichtung und die Bildspeicherung ein globaler Vorgang sein, d. h. die Pixelbelichtung und die Bildspeicherung können jedes Pixel einer Pixelanordnung gleichzeitig betreffen. Das Lesen von Pixeln kann jedoch ein lokaler Vorgang sein, da die Pixel oder Zeilen einer Pixelanordnung nacheinander gelesen werden können. Ferner ist in der Pixelanordnung 10 der gezeigten Ausführungsform das erste Zeitintervall Tex in eine erste (kurze) Belichtungszeit T1 und eine zweite (lange) Belichtungszeit T2 unterteilt, wie oben erläutert.
  • zeigt das Timing des Transfersignals TX, des Rücksetzsignals RST, des ersten Schaltsignals S1, des zweiten Schaltsignals S2, des Vorladesignals PC und des Auswahlsignals SEL. Diese Signale können sich in einem aktivierten Zustand (high state) oder in einem deaktivierten Zustand (low state) befinden. Das Anlegen des jeweiligen Signals kann bedeuten, dass das Signal in den aktivierten Zustand geschaltet wird. Im Folgenden wird der zeitliche Ablauf anhand ausgewählter Zeitpunkte t1-t8 in der Abbildung näher erläutert.
  • Am Ende der ersten Belichtungszeit T1 wird zum Zeitpunkt t1 das Transfersignal TX angelegt, so dass das jeweilige Ladungssignal von der Fotodiode 20 auf die Kapazität 40 übertragen wird. Außerdem führt dies dazu, dass das Signal geringer Empfindlichkeit an den zweiten Kondensator 80 übertragen wird, da beide Schaltsignale S1, S2, die den ersten und den zweiten Schalter 90, 100 steuern, im aktivierten Zustand sind. Durch Deaktivierung des zweiten Schaltsignals S2 zum Zeitpunkt t2 wird das Signal geringer Empfindlichkeit auf dem zweiten Kondensator 80 gespeichert.
  • Am Ende der zweiten Belichtungszeit T2 wird das Transfersignal TX zum Zeitpunkt t3 erneut angelegt, so dass das jeweilige Ladungssignal von der Fotodiode 20 auf die Kapazität 40 übertragen wird. In diesem Fall ergibt sich das Signal hoher Empfindlichkeit, das auf den ersten Kondensator 70 übertragen wird, da sich das Schaltsignal S1 noch im aktivierten Zustand befindet. Durch Deaktivierung des ersten Schaltsignals S1 zum Zeitpunkt t4 wird das Signal hoher Empfindlichkeit auf dem ersten Kondensator 70 gespeichert. Es ist zu beachten, dass zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3 das Rücksetzsignal RST deaktiviert bleibt, was bedeutet, dass die Kapazität 40 nicht rückgesetzt wird, so dass das Signal hoher Empfindlichkeit und das Signal geringer Empfindlichkeit auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren. Zum Zeitpunkt t5 wird das Rücksetzsignal RST aktiviert. Dies dient dazu, Abbildungsprobleme wie Blooming zu verhindern. Das Rücksetzsignal RST wird aktiviert, nachdem das Signal hoher Empfindlichkeit gespeichert wurde.
  • Das Auslesen der Pixel beginnt mit dem Anlegen des Auswahlsignals SEL zum Zeitpunkt t6. Zu diesem Zeitpunkt wird das auf dem zweiten Kondensator 80 gespeicherte Signal geringer Empfindlichkeit ausgelesen. Das auf dem ersten Kondensator 70 gespeicherte Signal hoher Empfindlichkeit wird zum Zeitpunkt t7 durch Anlegen des zweiten Schaltsignals S2 ausgelesen. Ab dem Zeitpunkt t8 wird der Rücksetzpegel durch Deaktivieren des Rücksetzsignals RST ausgelesen. Anschließend werden das erste Schaltsignal S1, das zweite Schaltsignal S2 und das Vorladesignal PC aktiviert, so dass das dem Rücksetzpegel entsprechende Signal an die Ausleseschaltung übertragen wird und die Kondensatoren 70, 80 entladen werden. Danach ist die Pixelanordnung 10 für den nächsten Frame bereit.
  • In ist eine weitere Ausführungsform der Pixelanordnung 10 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass die Kondensatoren 70, 80 nicht kaskadiert, sondern parallel angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der zweite Schalter 100, der mit dem zweiten Kondensator 80 gekoppelt ist, direkt mit dem Ausgangsanschluss 64 des Verstärkers 60 verbunden ist und nicht wie in 2 über den ersten Schalter 90. Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorladegate 160 auch als Konstantstromquelle implementiert werden kann, die so gestaltet ist, dass sie einen festen Strom liefert. Ferner umfasst die Ausführungsform gemäß 3 einen zweiten weiteren Verstärker 110' und ein weiteres Auswahlgate 120', die mit dem zweiten Kondensator 80 gekoppelt sind, während der weitere Verstärker 110 und das Auswahlgate 120 mit dem ersten Kondensator 70 gekoppelt sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die gezeigte Ausführungsform nur beispielhaft eine parallele Anordnung der Kondensatoren 70, 80 zeigt. Andere Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel könnten sich die parallel angeordneten Kondensatoren 70, 80 einen gemeinsamen weiteren Verstärker 110 mittels zusätzlicher Schalter teilen. Auf Kosten des Bedarfs an weiteren Bauelementen hat eine parallele Anordnung den Vorteil, dass das Signal hoher Empfindlichkeit und das Signal geringer Empfindlichkeit unabhängig voneinander gespeichert und ausgelesen werden können. Der Fachmann wird verstehen, wie ein ähnliches Signal-Timing wie in realisiert werden kann. Allerdings kann sich das Signal-Timing sowohl während der Pixel-Belichtung als auch während des PixelAuslesens leicht ändern, da der erste Schalter und der zweite Schalter unabhängig voneinander betätigt werden können.
  • In 4A ist eine weitere Ausführungsform der Pixelanordnung 10 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass die Pixelanordnung ferner eine zweite Fotodiode 20' umfasst, die über ein zweites Transfergate 30' mit dem FD-Knoten 42 verbunden ist. Dies bedeutet, dass die erste Fotodiode 20 und die zweite Fotodiode 20' parallel angeordnet sind. Die erste Fotodiode 20 ist so et, dass sie im Modus hoher Empfindlichkeit ein erstes Ladungssignal erzeugt, und die zweite Fotodiode 20' ist so et, dass sie im Modus geringer Empfindlichkeit ein zweites Ladungssignal erzeugt. Die erste und die zweite Fotodiode 20, 20' können unterschiedlich sein, was bedeuten kann, dass bei einer bestimmten Belichtungsstärke die jeweiligen Ladungssignale unterschiedlich sind. Die Funktionsweise einer solchen Pixelanordnung 10 kann ähnlich sein wie bei der Ausführungsform von 2A, jedoch können die Belichtungszeiten der jeweiligen Fotodioden 20, 20' gleich sein.
  • In ist der Betrieb der Pixelanordnung 10 gemäß detaillierter und im Hinblick auf das Signal-Timing dargestellt. Auch hier ist zu beachten, dass das dargestellte Signal-Timing eher ein Beispiel ist und variiert werden könnte. Die Skalierung der Zeitintervalle sollte nicht als exakte Angabe verstanden werden. Der zeitliche Ablauf der jeweiligen Signale ist ähnlich wie in dem Beispiel von , mit dem Unterschied, dass ein erstes Transfersignal TX1 das erste Transfergate 30 und ein zweites Transfersignal TX2 das zweite Transfergate 30' steuert. So wird zum Zeitpunkt t1 das jeweilige Ladungssignal von der zweiten Fotodiode 20' an die Kapazität 40 übertragen, indem das zweite Transfersignal TX2 aktiviert wird, während zum Zeitpunkt t3 das jeweilige Ladungssignal von der ersten Fotodiode 20 an die Kapazität 40 übertragen wird, indem das erste Transfersignal TX1 aktiviert wird. Zur weiteren Erläuterung von 4B wird auf die obige Beschreibung zu 2B verwiesen.
  • In ist eine weitere Ausführungsform der Pixelanordnung 10 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß dadurch, dass sie außerdem ein Empfindlichkeitsgate 140 zwischen der Kapazität 40 und dem Rücksetzgate 50 umfasst. So ist in dieser Ausführungsform das Rücksetzgate 50 über die Durchkontaktierung des Empfindlichkeitsgates 140 elektrisch mit der Kapazität 40 gekoppelt. Ferner umfasst die Pixelanordnung 10 einen dritten Kondensator 150. Der dritte Kondensator 150 umfasst einen Anschlussknoten 152 und einen weiteren Anschlussknoten 154. Der weitere Anschlussknoten 154 des dritten Kondensators 150 kann, wie angegeben, mit VSS verbunden sein. Das Empfindlichkeitsgate 140 kann Teil eines Empfindlichkeitstransistors sein, der einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem FD-Knoten 42 der Kapazität 40 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Anschlussknoten 152 des dritten Kondensators 150 verbunden ist. Durch Anlegen eines Verstärkungssignals an das Empfindlichkeitsgate 140 wird der Empfindlichkeitstransistor leitfähig, so dass der FD-Knoten 42 mit dem Anschlussknoten 152 des dritten Transistors 150 kurzgeschlossen wird. Dadurch kann die Gesamtkapazität erhöht und die Umwandlungsverstärkung verringert werden.
  • Die Funktionsweise dieser Ausführungsform ähnelt derjenigen der Ausführungsform gemäß . Hier wird das Pixel 10 jedoch nicht unbedingt doppelt belichtet. Das Ladungssignal der Fotodiode 20 wird zunächst mit einer geringen Umwandlungsverstärkung umgewandelt, indem ein Verstärkungssignal an das Empfindlichkeitsgate 140 angelegt wird, was zu dem Signal mit niedriger Empfindlichkeit führt. Anschließend wird das Ladungssignal durch Deaktivierung des Verstärkungssignals mit einer hohen Umwandlungsverstärkung umgewandelt, was zu dem Signal mit hoher Empfindlichkeit führt. Wie bei den vorgenannten Ausführungsformen wird die Kapazität 40 zwischen der Erzeugung des Signals hoher Empfindlichkeit und des Signals geringer Empfindlichkeit nicht zurückgesetzt. Der Fachmann wird verstehen, wie ein ähnliches Signal-Timing wie in den 2B und 4B dargestellt realisiert werden kann. Allerdings kann sich das Signal-Timing zumindest während der Pixel-Belichtung leicht ändern.
  • In ist eine optoelektronische Vorrichtung 300 mit einem Bildsensor 200 mit der Anordnung der Pixel 10 schematisch dargestellt. Die Pixel 10 des Bildsensors 200 können in einem zweidimensionalen Array angeordnet sein, wie in dargestellt. Die optoelektronische Vorrichtung 300 bzw. der Bildsensor 200 kann weitere Bauelemente umfassen, z.B. andere Schaltungselemente oder eine Lichtquelle, die mit den Pixeln 10 synchronisiert ist. Die Pixelanordnung 10 wird z.B. in einem Voltage-Domain-Global-Shutter-Pixel, abgekürzt VGS-Pixel, eingesetzt. Die Pixelanordnung 10 ist z. B. als Rolling-Shutter-Pixel ausgeführt.
  • zeigt ein weiteres beispielhaftes Zeitdiagramm, das von einer Pixelanordnung 10 ausgeführt wird, die z. B. in dargestellt ist. Mit kleinen Änderungen kann das Zeitdiagramm jedoch auch auf die Pixelanordnung 10 gemäß 3 angewendet werden (unter Weglassung des ersten Schaltsignals S1). Die folgenden Signale sind in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt: Das Transfersignal TX, das Rücksetzsignal RST, das erste Schaltsignal S1 und das zweite Schaltsignal S2. Es sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte Signalverlauf eher ein Beispiel ist und variiert werden könnte. Außerdem sollte die Skalierung der Zeitintervalle nicht als exakte Angabe verstanden werden.
  • zeigt eine Rücksetzperiode Trst, eine Belichtungsperiode Tex und eine (Frame-)Speicherperiode TFS. Eine Ausleseperiode Tro ist nicht dargestellt. Die Ausleseperiode Tro würde auf die Speicherperiode TFS folgen. Die Speicherperiode TFS überschneidet sich mit der Belichtungsperiode Tex. Die Belichtungsperiode Tex folgt auf die Rücksetzperiode Trst.
  • Die Belichtungsperiode Tex umfasst die erste, die zweite und die dritte Integrationsperiode T1, T2, T3. Die dritte Integrationsperiode folgt auf die zweite Integrationsperiode. Die zweite Integrationsperiode T2 folgt auf die erste Integrationsperiode T1. Die Speicherperiode TFS umfasst eine erste und eine zweite Speicherphase FS1, FS2. Die zweite Speicherphase FS2 folgt auf die erste Speicherphase FS1.
  • Die Speicherperiode TFS kann eine globale Speicherperiode für jedes Pixel innerhalb des Pixelarrays sein. Die Ausleseperiode Tro kann für jede Zeile separat durchgeführt werden. Daher kann zwischen der zweiten Speicherphase FS2 und der Ausleseperiode Tro eine Zeitlücke bestehen.
  • Während der Rücksetzperiode Trst wird ein Rücksetzsignal RST und ein Transfersignal TX angelegt. Dies kann bedeuten, dass das Rücksetzgate 50 und der Transfertransistor 30 gepulst werden, was dazu führt, dass alle überschüssigen Ladungsträger durch Anschließen der Fotodiode 20 und des Diffusionsknotens 42 an die Pixelversorgungsspannung VDD entfernt werden. Das Transfergate kann auf einen Vollspannungspegel gepulst werden, d. h. auf den zweiten Spannungspegel V2. Das Rücksetzsignal RST kann bis zum zweiten TX-Puls auf den ersten Spannungspegel V1 hoch bleiben, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt.
  • Während der ersten Integrationsperiode T1 werden Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger hängt von der Dauer der ersten Integrationsperiode T1 ab. Am Ende der ersten Integrationsperiode T1 wird das Transfergate 30 auf einen ersten Spannungspegel V1 gepulst. Dies führt zu einem Transfer eines Anteils der akkumulierten Ladungsträger zur Kapazität 40 bzw. zum Diffusionsknoten 42. Dieser Anteil ist dazu ausgelegt, dass er an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet wird. Dies geschieht über das Rücksetzsignal RST, mit dem der Diffusionsknoten 42 an die Pixelversorgungsspannung VDD angeschlossen wird.
  • Nach diesem Puls des Transfergates 30 werden in der zweiten Integrationsperiode T2 weiterhin Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die zweite Integrationsperiode T2 kann kürzer sein als die erste Integrationsperiode T1. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger in der zweiten Integrationsperiode T2 hängt von der Dauer der zweiten Integrationsperiode T2 ab.
  • Im gezeigten Beispiel wird während der zweiten Integrationsperiode T2 ein Rücksetz-Puls RST an das Rücksetzgate 50 angelegt. Dadurch werden alle überschüssigen Ladungsträger vom Diffusionsknoten 42 entfernt, insbesondere der Anteil der akkumulierten Ladungsträger, der während des V1-Pulses übertragen wurde. Dieser Anteil wird somit an die Pixelversorgungsspannung VDD abgeleitet.
  • Am Ende der zweiten Integrationsperiode T2 wird das Transfergate 30 wieder auf den ersten Spannungspegel V1 gepulst. Dies führt zu einer Übertragung einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den Diffusionsknoten 42. Ein Signal geringer Empfindlichkeit, das diese erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, ist dazu ausgelegt, dass es auf einem Kondensator (70, 80) gespeichert wird, wie nachstehend erläutert.
  • Während der dritten Integrationsperiode T3 werden weiterhin Ladungsträger von der Fotodiode 20 akkumuliert. Die Menge der akkumulierten Ladungsträger ist abhängig von der Dauer der dritten Integrationsperiode T3. Am Ende der dritten Integrationsperiode T3 wird das Transfergate 30 auf einen zweiten Spannungspegel V2 gepulst. Dies führt zu einem Transfer einer verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger zum Diffusionsknoten 42. Ein Signal hoher Empfindlichkeit, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, ist dazu ausgelegt, dass es auf einem Kondensator (70, 80) gespeichert wird, wie nachstehend erläutert.
  • Die erste Speicherphase FS1 der Speicherperiode TFS verwendet den Puls auf den ersten Spannungspegel V1, der zur Übertragung der ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität 40 bzw. den Diffusionsknoten 42 führt. Diese erste Teilmenge kann den Ladungsträgern entsprechen, die während der zweiten Integrationsperiode T2 akkumuliert wurden. Dann werden das erste und das zweite Schaltsignal S1, S2 angelegt, um das Signal geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf dem Kondensatorpaar 70, 80 zu speichern, das über den Source-Folger 60 mit der Kapazität 40 elektrisch gekoppelt ist. Das Signal geringer Empfindlichkeit kann auf den ersten Kondensator 70 und den zweiten Kondensator 80 umverteilt werden.
  • Die zweite Speicherphase FS2 folgt unter Verwendung des Pulses auf den zweiten Spannungspegel V2, der zur Übertragung der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität 40 bzw. den Diffusionsknoten 42 führt. Diese verbleibende Teilmenge kann den Ladungsträgern entsprechen, die während der ersten bis dritten Integrationsperiode T1-T3 akkumuliert wurden (abzüglich des abgeleiteten Anteils und der ersten Teilmenge). Der zweite Spannungspegel V2 kann ein Vollspannungspegel sein, so dass alle verbleibenden Ladungsträger übertragen werden. Dann wird das erste Schaltsignal S1 an den ersten Schalter 90 angelegt, um das Signal hoher Empfindlichkeit zu speichern, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf dem ersten Kondensator 70 darstellt. Alternativ kann das erste Schaltsignal S1 vom ersten Puls bis zum zweiten Puls im High-Zustand bleiben, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt.
  • zeigt einen beispielhaften Betrieb, der von der in den dargestellten Pixelanordnung 10 ausgeführt wird. In 8 ist der Betrieb in Blöcken dargestellt. Ein Verfahren zum Betrieb der Pixelanordnung 10 umfasst z. B. die folgenden Blöcke, die als Verfahren oder Schritte bezeichnet werden können:
  • Block 350: Beginn der Belichtung: Elektromagnetische Strahlung wird durch die Fotodiode 20 in Ladungsträger umgewandelt. Dies bedeutet, dass Ladungsträger in der Fotodiode 20 akkumuliert werden. Diese Phase kann als Belichtungsperiode Tex bezeichnet werden. Die Belichtungsperiode Tex kann in mehrere aufeinander folgende Integrationsperioden T1 und T2 unterteilt werden. Die Anzahl der Integrationsperioden kann zwei betragen.
  • Block 351: Die Übertragungsbarriere wird auf der Grundlage einer Systemeingabe geändert: Das Transfersignal TX, das dem Transfertransistor 30 zugeführt wird, steuert eine Barriere zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42. Am Ende einer ersten Integrationsperiode T1 wird das Transfergate 30 auf einen ersten Spannungspegel V1 des Transfersignals TX gepulst. Der erste Spannungspegel V1 des Transfersignals TX ist so gewählt, dass die Barriere für einen Fluss von Ladungsträgern zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42 abgesenkt wird. Das bedeutet, dass ein Anteil der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 übertragen wird. Danach folgen eine zweite und eine dritte Integrationsperiode T2, T3, in denen weiterhin Ladungsträger akkumuliert werden.
  • Der Anteil der akkumulierten Ladungsträger wird an die Pixelversorgungsspannung abgeleitet. Die Ableitung besagten Anteils an die Pixelversorgungsspannung kann durch Anlegen des Rücksetzsignals RST (und gegebenenfalls des Kopplungssignals DCG) erfolgen, so dass der FD-Knoten 42 elektrisch mit der Pixelversorgungsspannung VDD verbunden ist.
  • Block 352: Übertragung der ersten Teilmenge der von der Fotodiode 20 akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42. Am Ende der zweiten Integrationsperiode T2 wird das Transfergate 30 erneut auf den ersten Spannungspegel V1 des Transfersignals TX gepulst. Das bedeutet, dass eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 übertragen wird. Die erste Teilmenge der Ladungsträger entspricht den Ladungsträgern, die in der zweiten Integrationsperiode T2 akkumuliert wurden. Die Ladungsträger am FD-Knoten 42 erzeugen eine Kapazitätsspannung am Eingang 62 des Verstärkers 60.
  • Block 353: In der ersten Phase FS1 der Speicherperiode TFS die erste Teilmenge der Ladungsträger auf dem ersten und dem zweiten Kondensator 70, 80 speichern: Der erste und der zweite Schalttransistor 90, 100 werden in einen leitfähigen Zustand versetzt, um die erste Teilmenge der Ladungsträger vom FD-Knoten 42 zum zweiten Kondensator 80 zu übertragen. Dies kann bedeuten, dass die verstärkte Kapazitätsspannung an den ersten und den zweiten Kondensator 70, 80 angelegt wird. Das zweite Schaltsignal S2 kann einen kurzen Puls zum Ausgleich der Spannungen an dem ersten und dem zweiten Kondensator 70, 80 aufweisen. Dies kann bedeuten, dass das Signal auf den ersten und den zweiten Kondensator 70, 80 umverteilt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung entspricht dem Low-Conversion-Gain (LCG)-Signal.
  • Block 354: In einer ersten Phase der Ausleseperiode Tro, Auslesen des zweiten Kondensators 80: Eine am zweiten Kondensator 80 abgegriffene Ausgangsspannung wird durch den weiteren Verstärker 110 verstärkt. Wird der Auswahltransistor 120 in der ersten Auslesephase der Ausleseperiode Tro in einen leitfähigen Zustand versetzt, so wird die verstärkte Ausgangsspannung der Spaltenleitung 130 zur Digitalisierung zugeführt. In Abhängigkeit von einem ersten Wert der Ausgangsspannung wird, z.B. durch eine Auswerteschaltung, ein erster Digitalisierungswert erzeugt. Dieser erste Wert der Ausgangsspannung entspricht dem LCG-Signal.
  • Block 355: Übertragung der verbleibenden Ladungsträger an den FD-Knoten 42: Am Ende der dritten Integrationsperiode T3 wird das Transfergate 30 auf den zweiten Spannungspegel V2 des Transfersignals TX gepulst. Das bedeutet, dass eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger an den FD-Knoten 42 übertragen wird. Das Transfer-Gate 30 wird also auf unterschiedliche Spannungspegel V1, V2 gepulst, die das Barrierenpotential verändern.
  • Durch den Puls auf den zweiten Spannungspegel wird die Barriere zwischen der Fotodiode 20 und dem FD-Knoten 42 minimiert oder entfernt. Der erste Spannungspegel V1 des Transfersignals führt zu einer höheren Barriere als der zweite Spannungspegel V2. In einem Beispiel ist V1 < V2.
  • Block 356: In einer zweiten Phase FS2 der Speicherperiode TFS werden die restlichen von der Fotodiode 20 akkumulierten Ladungsträger auf dem ersten Kondensator 70 gespeichert. Dies kann bedeuten, dass die am FD-Knoten 42 abgegriffene Kapazitätsspannung VC durch den Verstärker 60 verstärkt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung wird dem ersten Kondensator 70 zugeführt, indem ein Puls des ersten Schaltsignals S1 an den ersten Schalttransistor 90 angelegt wird. Die verstärkte Kapazitätsspannung entspricht dem High-Conversion-Gain (HCG).
  • Block 357: In einer zweiten Phase RO2 der Ausleseperiode Tro, Auslesen des ersten Kondensators 70: Nachdem in der ersten Auslesephase RO1 in Block 354 die Ausgangsspannung am zweiten Kondensator 80 ausgelesen wurde, wird der zweite Schalttransistor 100 in einen leitfähigen Zustand versetzt. Dadurch gleichen sich die Spannungen am ersten Kondensator 70 und am zweiten Kondensator 80 an. Da die Kapazitätsspannung noch durch den Verstärker 60 verstärkt wird, ist die Ausgangsspannung am zweiten Kondensator 80 gleich der verstärkten Kapazitätsspannung. Die Ausgangsspannung wird durch den weiteren Verstärker 110 verstärkt. Wenn der Auswahltransistor 120 in der zweiten Auslesephase RO2 der Auslesephase RO in einen leitfähigen Zustand versetzt wird, wird die verstärkte Ausgangsspannung der Spaltenleitung 130 zur Digitalisierung zugeführt. In Abhängigkeit von einem zweiten Wert der Ausgangsspannung wird von der Auswerteschaltung ein zweiter Digitalisierungswert erzeugt. Dieser zweite Wert der Ausgangsspannung entspricht dem HCG-Signal.
  • Typischerweise werden die Schritte der Blöcke 352, 353, 355, 356 in der Framespeicherperiode TFS durchgeführt. Die Schritte der Blöcke 354, 357 werden in der Ausleseperiode Tro durchgeführt.
  • Block 358: Subtrahieren einer Spannung des zweiten Kondensators 80 oder eines digitalisierten Wertes der Spannung des zweiten Kondensators 80 von einer Spannung des ersten Kondensators 70 oder eines digitalisierten Wertes der Spannung des ersten Kondensators 70. Ein Ausgangssignal, das eine Beleuchtungsstärke IL der Fotodiode 20 repräsentiert, ist eine Funktion des ersten digitalisierten Wertes (resultierend aus Block 353) und des zweiten digitalisierten Wertes (resultierend aus Block 357). In einem Beispiel wird der erste digitalisierte Wert (resultierend aus Block 353) von dem zweiten digitalisierten Wert (resultierend aus Block 357) durch eine Auswerteschaltung subtrahiert. Durch diesen Vorgang kann auf das HCG-Signal mit korrelierter Doppelabtastung (CDS) zugegriffen werden, da der erste (digitalisierte) Wert und der zweite (digitalisierte) Wert auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren, der insbesondere aus thermischem Rauschen und Rücksetzrauschen besteht. Dies bedeutet, dass das LCG-Signal als Referenzpegel für das HCG-Signal verwendet werden kann. Da das HCG-Signal bei schwachen Lichtverhältnissen verwendet wird, ist das thermische Rauschen ein relevanter Parameter. Daher kann das thermische Rauschen und das Rücksetzrauschen durch CDS wirksam unterdrückt werden. Bei starken Lichtverhältnissen wird das LCG-Signal weiterverarbeitet. Hier ist das thermische Rauschen weniger relevant, da das Photonenschussrauschen dominiert.
  • Block 359: Verstärkung des LCG-Signals. Dies kann bedeuten, dass das LCG-Signal angepasst wird. Insbesondere kann das LCG-Signal verstärkt werden. Die Anpassung oder Verstärkung des LCG-Signals kann durch eine Auswerteschaltung erfolgen. Dieser Schritt kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Pixelanordnung 10 einen Dual-Conversion-Gain-Transistor 140 und einen dritten Kondensator 150 umfasst. In diesem Fall könnte das LCG-Signal mit einer geringeren Verstärkung abgetastet werden, um den Dynamikbereich zu erhöhen. Um diese Verstärkungsanpassung zu korrigieren, wird das LCG-Signal in Block 359 aufgewertet. Dieser Schritt kann jedoch entfallen, wenn die Pixelanordnung 10 kein duales Umwandlungsverstärkungsverfahren umfasst. Darüber hinaus kann auf das LCG-Signal mit Double-Delta-Sampling (DDS) zugegriffen werden. Das LCG-Signal wird bei starker Beleuchtung verwendet, bei denen das thermische Rauschen weniger relevant ist, da das Photonenschussrauschen dominiert. Daher ist eine korrelierte Doppelabtastung zum Entfernen des Rauschens aus dem Videosignal nicht erforderlich. Es kann jedoch erwünscht sein, Fixed-Pattern-Rauschen (FPN) aus dem Videosignal zu entfernen. Durch eine doppelte Delta-Abtastung (DDS) kann FPN aus dem LCG-Signal entfernt werden. DDS kann durch Subtraktion eines Rücksetzpegels vom LCG-Signal durchgeführt werden, wobei der Rücksetzpegel in einer dritten Phase der Ausleseperiode Tro nach der zweiten Auslesephase ausgelesen werden kann.
  • Block 360: Kalibrierung des Kniepunkts pro Pixel: Das HCG-Signal enthält den ersten Kalibrierungspegel, der in der Nachbearbeitung benötigt wird, um FPN zu entfernen, die durch Schwankungen der Transfertransistoren verursacht werden, die die Schwellenspannung beeinflussen. Da der gleiche erste Spannungspegel V1, der für die Barrieremodulation nach der ersten Integrationsperiode T1 angelegt wurde, auch während des Auslesens angelegt wird, enthält das HCG-Signal den Kniepunktkalibrierungswert, der während der Linearisierung und für die FPN-Korrektur benötigt wird. Die Kniepunktkalibrierung wird für jedes Pixel separat durchgeführt. Block 360 ist optional.
  • Block 361: Linearisierung. Es ist möglich, ein linearisiertes Pixelausgangssignal zu rekonstruieren, d. h. ein Pixelausgangssignal, das linear von der Beleuchtungsstärke abhängt. Die Rekonstruktion des Pixelausgangssignals kann von den Lichtverhältnissen abhängen:
  • Bei schwachem Licht wirkt sich keiner der Pulse auf den ersten Spannungspegel V1 auf die Ladungen der Fotodiode aus. Die Rekonstruktion kann durch Auslesen des HCG-Signals mit CDS erreicht werden.
  • Bei starkem Licht wirken sich beide Pulse auf den ersten Spannungspegel V1 auf die Ladungen der Fotodiode aus. Zur Rekonstruktion wird das LCD-Signal mit DDS verwendet. Zur Linearisierung wird es mit dem Belichtungsverhältnis T0/T1 multipliziert, wobei T0 die gesamte Belichtungszeit bezeichnet.
  • Bei mittleren Lichtverhältnissen wirkt sich nur der zweite Puls auf den ersten Spannungspegel V1 auf die Fotodioden-Ladung aus. Zur Rekonstruktion werden das HCG-Signal (mit CDS) und das LCG-Signal (mit DDS) im digitalen Bereich summiert.
  • Der Spannungspegel V1 des Pulses zur Barrieremodulation des Transfertransistors 30 kann optional zur Rekonstruktion des Pixelausgangssignals verwendet werden.
  • 9 zeigt eine beispielhafte Charakteristik einer Pixelanordnung 10, die z. B. in 2A dargestellt ist und nach dem Verfahren der 7 und 8 betrieben wird. Dargestellt ist ein Antwortsignal SIG in künstlichen Einheiten in Abhängigkeit von einer Beleuchtung I in künstlichen Einheiten. Ein Signal SIG1 (gepunktete Linie) ist das Signal, das sich aus der ersten Integrationsperiode T1 ergibt. Es sättigt bei höheren Beleuchtungsstärken, da das Pulsen des Transfergates 30 auf den ersten Spannungspegel V1 dazu führt, dass überschüssige Ladungsträger an die Pixelversorgungsspannung VDD abfließen.
  • Ein Signal SIG2 (gestrichelte Linie) ist das Signal, das sich aus der zweiten Integrationsperiode T2 ergibt. Die Steigung des Signals SIG2 ist weniger steil als die Steigung des Signals SIG1, da die Integrationsperiode T2 kürzer sein kann als die Integrationsperiode T1. Alternativ oder zusätzlich ist die Steigung des Signals SIG2 weniger steil als die Steigung des Signals SIG1, da beide Signale mit unterschiedlichen Umwandlungsverstärkungen gewonnen werden. Zum Beispiel wird das Signal SIG1 (bis zum Kniepunkt) bei hoher Umwandlungsverstärkung gewonnen. Das Signal SIG2 wird zum Beispiel mit einer geringen Wandlungsverstärkung gewonnen. Die Steigung hängt also z. B. von einem Wert der Kapazität 40 und dem Kapazitätswert des dritten Kondensators 150 ab. Die Steigungsdifferenz hängt vom Verstärkungsverhältnis ab. Das Signal SIG2 kann bei sehr hohen Beleuchtungspegeln in Sättigung gehen, wenn die Größe der Fotodiode 20 zu klein ist.
  • Ein Ausgangssignal SIG3 (durchgezogene Linie) ist das Signal, das durch eine Kombination der Signale SIG1 und SIG2 erhalten wird. Ferner kann das Ausgangssignal SIG3 eine Funktion des Signals SIG1, des Signals SIG2 und eines Rücksetzsignals (nicht dargestellt) sein. Durch die Kombination der Signale SIG1 und SIG2 kann der Dynamikbereich der Pixelanordnung 10 erhöht werden. Der genaue Sättigungspegel des Signals SIG1 kann aus dem HCG-Signal ermittelt werden, da das HCG-Signal den verbleibenden Ladungsträgern nach dem Puls auf den ersten Spannungspegel V1 entspricht.
  • zeigt ein weiteres beispielhaftes Timing-Diagramm, das von einer Pixelanordnung 10 ausgeführt wird, die z. B. in dargestellt ist. Das Timing nach 10 unterscheidet sich von dem Timing nach 7 dadurch, dass die Belichtungsperiode anders definiert ist. Insbesondere überschneidet sich die Belichtungsperiode Tex nicht mit der Speicherperiode TFS. Wie in 7 gezeigt, kann die Belichtung nach der zweiten Integrationszeit T2 enden. Dies kann bedeuten, dass die Belichtung die erste und die zweite Integrationsperiode T1, T2 umfasst oder aus ihnen besteht. Am Ende der zweiten Integrationsperiode T2 wird ein Rücksetzpuls RST angelegt, um alle überschüssigen Ladungsträger vom Diffusionsknoten 42 zu entfernen, insbesondere den Anteil der akkumulierten Ladungsträger, der während des V1-Pulses übertragen wurde.
  • In dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben der Pixelanordnung 10 während einer Belichtungsperiode Tex das Akkumulieren von Ladungsträgern mit einer Fotodiode 20 in einer ersten Integrationsperiode T1, das Pulsen eines Transfergates 30 auf einen ersten Spannungspegel V1 am Ende der ersten Integrationsperiode T1, um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger auf eine Kapazität 40 zu übertragen, wobei dieser Anteil dazu ausgelegt ist, dass er auf eine Versorgungsspannung VDD abgeleitet wird, und das Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern mit der Fotodiode 20 in einer zweiten Integrationsperiode T2. Während einer Speicherperiode TFS:
  • Pulsen des Transfergates 30 auf den ersten Spannungspegel V1 zum Übertragen einer ersten Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität 40, Speichern eines Signals geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem Paar von Kondensatoren 70, 80, die elektrisch mit der Kapazität 40 gekoppelt sind, Pulsen des Transfergates 30 auf einen zweiten Spannungspegel V2 zum Übertragen einer verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität 40, Speichern eines Signals hoher Empfindlichkeit, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator 70 des Paars von Kondensatoren 70, 80. Während einer Ausleseperiode Tro: Auslesen des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit, die auf den Kondensatoren 70, 80 gespeichert sind.
  • Für weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung von verwiesen. Die in Verbindung mit offenbarten Merkmale können auch für die Ausführungsform gemäß gelten.
  • Die Ausführungsformen der Pixelanordnung 10 und das Verfahren zum Betrieb einer solchen Pixelanordnung 10, die hier offenbart werden, wurden erörtert, um den Leser mit neuen Aspekten der Idee vertraut zu machen. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können viele Änderungen, Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offenbarten Konzepte von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne unnötig vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.
  • Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Pixelanordnung
    20
    Fotodiode
    30
    Transfergate
    40
    Kapazität
    42
    Anschlussknoten der Kapazität
    44
    weiterer Anschlussknoten der Kapazität
    50
    Rücksetzgate
    60
    Verstärker
    62
    Eingangsanschluss des Verstärkers
    64
    Ausgangsanschluss des Verstärkers
    70
    erster Kondensator
    72
    Anschlussknoten des ersten Kondensators
    74
    weiterer Anschlussknoten des ersten Kondensators
    80
    zweiter Kondensator
    82
    Anschlussknoten des zweiten Kondensators
    84
    weiterer Anschlussknoten des zweiten Kondensators
    90
    erster Schalter
    100
    zweiter Schalter
    110
    weiterer Verstärker
    112
    Eingangsanschluss des weiteren Verstärkers
    114
    Ausgangsanschluss des weiteren Verstärkers
    120
    Auswahlgate
    130
    Spaltenbus
    140
    Empfindlichkeitsgate
    150
    dritter Kondensator
    152
    Anschlussknoten des dritten Kondensators
    154
    weiterer Anschlussknoten des dritten Kondensators
    160
    Vorladegate
    200
    Bildsensor
    300
    optoelektronisches Gerät
    350-361
    Block
    998
    Grundrauschen
    999
    Sättigungsbereich
    DR
    Dynamikbereich
    FS1, FS2
    Speicherphase
    I
    Belichungsstärke
    PC
    Vorladesignal
    Q
    Ladungen
    RST
    Rücksetzsignal
    S1, S2
    Schaltsignal
    SIG1-SIG3
    Signale
    SEL
    Auswahlsignal
    t1-t8
    Zeitpunkte
    T1, T2, T3
    Integrationsperiode
    Tex
    Pixelbelichtung, Belichtungsperiode
    TFS
    Speicherperiode
    Tro
    Pixelauslesung, Ausleseperiode
    Trst
    Rücksetzperiode
    TX, TX1, TX2
    Transfersignal
    V1, V2
    Spannungspegel
    VSS
    negative Pixelversorgungsspannung, GND
    VDD
    Pixelversorgungsspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/263861 [0001]
    • DE 102021120779 [0001]

Claims (20)

  1. Pixelanordnung (10), die dazu ausgelegt ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit bzw. in einem Modus geringer Empfindlichkeit umwandelt, wobei die Pixelanordnung umfasst: - mindestens eine Fotodiode (20), die dazu ausgelegt ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal umwandelt, - ein Transfergate (30) zwischen der Fotodiode (20) und einer Kapazität (40) zur Übertragung des jeweiligen Ladungssignals an die Kapazität (40), - einem elektrisch mit der Kapazität (40) gekoppeltes Rücksetzgate (50) zum Rücksetzen der Kapazität (40), - einen Verstärker (60), der elektrisch mit der Kapazität (40) verbunden und dazu ausgelegt ist, dass er auf der Grundlage des jeweiligen Ladungssignals und des Empfindlichkeitsmodus ein jeweiliges verstärktes Signal erzeugt, das ein Signal geringer Empfindlichkeit bzw. ein Signal hoher Empfindlichkeit ist, wobei das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren, - einen ersten Kondensator (70), der zur Speicherung des Signals hoher Empfindlichkeit ausgelegt ist, - einen zweiten Kondensator (80), der zur Speicherung des Signals geringer Empfindlichkeit ausgelegt ist, - einen ersten Schalter (90) zwischen einem Ausgangsanschluss (64) des Verstärkers (60) und dem ersten Kondensator (70), und - einen zweiten Schalter (100) zwischen dem Ausgangsanschluss (64) des Verstärkers (60) und dem zweiten Kondensator (80).
  2. Pixelanordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Signal hoher Empfindlichkeit Signal geringer Empfindlichkeit und ein zusätzliches Videosignal umfasst.
  3. Pixelanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend - mindestens einen weiteren Verstärker (110), der einen Eingangsanschluss (112) aufweist, der elektrisch mit dem ersten Kondensator (70) und/oder dem zweiten Kondensator (80) verbunden ist, und der dazu ausgelegt ist, dass er ein Pixelausgangssignal an einem Ausgangsanschluss (114) des weiteren Verstärkers (110) erzeugt, und - ein Auswahlgate (120) zwischen dem Ausgangsanschluss (114) des weiteren Verstärkers (110) und einem Spaltenbus (130) zum Übertragen des Pixelausgangssignals an den Spaltenbus (130) .
  4. Pixelanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Fotodiode (20) eine erste Fotodiode (20) zum Erzeugen eines ersten Ladungssignals Modus hoher Empfindlichkeit und eine zweite Fotodiode (20') zum Erzeugen eines zweiten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit umfasst.
  5. Pixelanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Empfindlichkeitsgate (140) zwischen dem Rücksetzgate (50) und der Kapazität (40) zum Kurzschließen eines Anschlussknotens (42) der Kapazität (40) mit einem Anschlussknoten (152) eines dritten Kondensators (150) .
  6. Pixelanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kondensator (70) und der zweite Kondensator (80) parallel oder kaskadiert angeordnet sind.
  7. Bildsensor (200) aufweisend ein Array von Pixeln gemäß der Pixelanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Pixelanordnung (10), die dazu ausgelegt ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Modus hoher Empfindlichkeit bzw. in einem Modus geringer Empfindlichkeit umwandelt, wobei das Verfahren umfasst: - Umwandeln von elektromagnetischer Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal durch mindestens eine Fotodiode (20), - Bereitstellen eines Rücksetzsignals (RST) zum Rücksetzen einer Kapazität (40), - Bereitstellen eines Transfersignals (TX) zum Übertragen des jeweiligen Ladungssignals von der mindestens einen Fotodiode (20) an die Kapazität (40), - Erzeugen , basierend auf dem jeweiligen Ladungssignal und dem Empfindlichkeitsmodus, eines jeweiligen verstärkten Signals, wobei das jeweilige verstärkte Signal ein Signal geringer Empfindlichkeit bzw. ein Signal hoher Empfindlichkeit ist, wobei das Signal geringer Empfindlichkeit und das Signal hoher Empfindlichkeit auf einem gemeinsamen Rauschpegel basieren, - Bereitstellen eines ersten Schaltsignals (S1) zum Übertragen des jeweiligen verstärkten Signals an einen ersten Kondensator (70), der zum Speichern des Signals hoher Empfindlichkeit ausgelegt ist, und - Bereitstellen eines zweiten Schaltsignals (S2) zur Übertragung des jeweiligen verstärkten Signals an einen zweiten Kondensator (80), der zur Speicherung des Signals geringer Empfindlichkeit ausgelegt ist.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in einem ersten Schritt während der Pixelbelichtung (Tex) die Pixelanordnung (10) im Modus geringer Empfindlichkeit betrieben wird, so dass das Signal geringer Empfindlichkeit erzeugt und auf dem zweiten Kondensator (80) gespeichert wird, und wobei in einem zweiten Schritt während der Pixelbelichtung (Tex) die Pixelanordnung (10) in dem Modus hoher Empfindlichkeit betrieben wird, so dass das Signal hoher Empfindlichkeit erzeugt und auf dem ersten Kondensator (70) gespeichert wird, und wobei der erste Schritt und der zweite Schritt während der Pixelbelichtung (Tex) durchgeführt werden, ohne die Kapazität (40) dazwischen rückzusetzen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in ein entsprechendes Ladungssignal die Erzeugung eines ersten Ladungssignals im Modus hoher Empfindlichkeit durch eine erste Fotodiode (20) und die Erzeugung eines zweiten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit durch eine zweite Fotodiode (20') umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in ein jeweiliges Ladungssignal die Erzeugung eines ersten Ladungssignals im Modus geringer Empfindlichkeit durch eine reduzierte Belichtungszeit (T1) und die Erzeugung eines zweiten Ladungssignals im Modus hoher Empfindlichkeit durch eine erhöhte Belichtungszeit (T2) umfasst.
  12. Verfahren zum Betrieb einer Pixelanordnung (10), wobei das Verfahren umfasst: - Akkumulieren von Ladungsträgern in einer ersten Integrationsperiode (T1) mit einer Fotodiode (20), - Pulsen eines Transfergates (30) am Ende der ersten Integrationsperiode (T1) auf einen ersten Spannungspegel (V1), um einen Anteil der akkumulierten Ladungsträger an eine Kapazität (40) zu übertragen, wobei dieser Anteil dazu ausgelegt ist, dass er an eine Versorgungsspannung (VDD) abgeleitet wird, - Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern in einer zweiten Integrationsperiode (T2) mit der Fotodiode (20), - Pulsen des Transfergates (30) auf den ersten Spannungspegel (V1) am Ende der zweiten Integrationsperiode (T2), um eine erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität (40) zu übertragen, und Speichern eines Signals geringer Empfindlichkeit, das die erste Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf mindestens einem zweiten Kondensator (80) eines Paars von Kondensatoren (70, 80), die elektrisch mit der Kapazität (40) gekoppelt sind, - Fortsetzen des Akkumulierens von Ladungsträgern in einer dritten Integrationsperiode (T3) mit der Fotodiode (20), - Pulsen des Transfergates (30) am Ende der dritten Integrationsperiode (T3) auf einen zweiten Spannungspegel (V2), um eine verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger auf die Kapazität (40) zu übertragen, und Speichern eines Signals hoher Empfindlichkeit, das die verbleibende Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger darstellt, auf einem ersten Kondensator (70) des Kondensatorpaares (70, 80), und - während einer Ausleseperiode (Tro), Auslesen des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit, die in den Kondensatoren (70, 80) gespeichert sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Signal hoher Empfindlichkeit einen Kalibrierungspegel anzeigt, der auf der verbleibenden Teilmenge der akkumulierten Ladungsträger basiert, und wobei das Verfahren ferner das Einstellen eines Pixelausgangssignals auf der Grundlage des Signals geringer Empfindlichkeit und des Signals hoher Empfindlichkeit in Abhängigkeit von einem pixelspezifischen Kniepunktwert umfasst, der auf der Grundlage des Kalibrierungspegels ermittelt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die erste Integrationsperiode (T1) länger ist als die zweite Integrationsperiode (T2).
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der zweite Spannungspegel (V2) größer ist als der erste Spannungspegel (V1).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei in einem ersten Schritt während des Pixelauslesens (Tro) das Signal geringer Empfindlichkeit ausgelesen wird, und wobei in einem zweiten Schritt während des Auslesens (Tro) das Signal hoher Empfindlichkeit ausgelesen wird, und wobei in einem dritten Schritt während des Pixelauslesens (Tro) die Kapazität (40) rückgesetzt wird und ein Rücksetzpegel ausgelesen wird.
  17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das ferner umfasst: Durchführen einer doppelten Delta-Abtastung unter Verwendung des Rücksetzpegels als Referenzpegel für das Signal geringer Empfindlichkeit.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, ferner umfassend: Durchführen einer korrelierten Doppelabtastung unter Verwendung des Signals geringer Empfindlichkeit als Referenzpegel für das Signal hoher Empfindlichkeit.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, ferner umfassend: Ermitteln auf der Grundlage der jeweiligen Amplitudenpegel, ob das Signal geringer Empfindlichkeit oder das Signal hoher Empfindlichkeit für die weitere Verarbeitung verwendet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19, das ferner das Einstellen einer Umwandlungsverstärkung durch Anlegen eines Verstärkungssignals zum Kurzschließen eines Anschlussknotens (42) der Kapazität (40) mit einem Anschlussknoten (152) eines dritten Kondensators (150) umfasst.
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