DE202017100976U1 - Bildsensoren mit hocheffizienten Ladungsspeicherfähigkeiten - Google Patents

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Abstract

Pixel im Bildsensor, Folgendes umfassend: einen lichtempfindlichen Bereich, der Ladung als Reaktion auf Bildlicht generiert; einen Ladungsspeicherbereich; einen Ladungstransfertransistor, der so konfiguriert ist, dass er die generierte Ladung vom lichtempfindlichen Bereich auf den Ladungsspeicherbereich überträgt; einen Kondensator; und eine gepinnte Potentialschwelle, die zwischen dem Ladungsspeicherbereich und dem Kondensator gekoppelt ist, wobei die gepinnte Potentialschwelle so konfiguriert ist, dass sie einen Teil der übertragenen Ladung vom Ladungsspeicherbereich auf den Kondensator überträgt.

Description

  • QUERVERWEIS ZU ZUGEHÖRIGEN ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/298683 vom 23. Februar 2016 mit dem Titel „Bildsensoren mit hocheffizienten Ladungsspeicherfähigkeiten”, erfunden von Sergey Velichko, und ist hierin unter Bezugnahme eingeschlossen und die Priorität für das gemeinsame Thema wird hiermit beansprucht.
  • HINTERGRUND
  • Dies bezieht sich im Allgemeinen auf bildgebende Geräte und insbesondere auf bildgebende Geräte mit Pixeln im Bildsensor (image sensor pixels) und Ladungsspeicherfähigkeiten.
  • Bildsensoren werden üblicherweise in elektronischen Einrichtungen verwendet, wie z. B. in Mobiltelefonen, Kameras und Computer zum Erfassen von Bildern. In einer typischen Anordnung ist ein elektronisches Gerät mit einem Array von Bildpunkten ausgestattet, die in Pixelreihen und Pixelspalten angeordnet sind. Die Schaltung ist üblicherweise mit jeder Pixelspalte gekoppelt, um die Bildsignale aus den Bildpunkten auszulesen.
  • Die Bildpunkte enthalten eine Fotodiode zum Erzeugen von Ladung in Reaktion auf das Bildlicht und einen entsprechenden Ladungsspeicherbereich. Die Fotodiode und der Ladungsspeicherbereich werden innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildet. Bildsensoren werden häufig so konfiguriert, dass sie unter Verwendung eines Global-Shutter- oder Rolling-Shutter-Schemas betrieben werden können. Beim Betrieb gemäß einem Global-Shutter-Schema werden alle Pixel im Bildsensor gleichzeitig zurückgesetzt. Ein Ladungsübertragungsvorgang wird anschließend verwendet, um die in der Fotodiode jedes Bildpunkts gesammelte Ladung an den zugehörigen Ladungsspeicherbereich zu übertragen. Anschließend werden die Daten jedes Ladungsspeicherbereichs pro Reihe ausgelesen. Beim Betrieb gemäß einem Rolling-Shutter-Schema werden alle Pixel in einer Reihe im Bildsensor gleichzeitig zurückgesetzt. Ein Ladungsübertragungsvorgang wird verwendet, um die Ladung von den Fotodioden Reihe für Reihe an die zugehörigen Ladungsspeicherbereiche zu übertragen. Anschließend werden die Ladungsspeicherbereiche nach einer gewissen Integrationszeit zwischen Shutter und Auslesung Reihe für Reihe ausgelesen.
  • Bei herkömmlichen Pixeln im Bildsensor besetzt der Ladungsspeicherbereich einen im Wesentlichen gleich großen Bereich auf dem Halbleitersubstrat wie die Fotodiode. Wenn jedoch ein übermäßiger Bereich auf dem Halbleitersubstrat besetzt wird, kann der Ladungsspeicherbereich ungewollt Licht ausgesetzt werden, was die Shutter-Effizienz des Bildsystems verringert. Des Weiteren verringern übermäßig große Ladungsspeicherbereiche die Größe der entsprechenden Fotodiode und somit die gesamte Empfindlichkeit der Pixel.
  • Es wäre daher wünschenswert, bildgebende Geräte mit verbesserten Pixeln im Bildsensor anbieten zu können.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm eines exemplarischen elektronischen Geräts mit einem Bildsensor und einer Verarbeitungsschaltung zum Aufnehmen von Bildern unter Verwendung eines Arrays von Bildpunkten gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 ist ein Diagramm eines exemplarischen Pixelarrays und einer zugehörigen Auslesungsschaltung zum Auslesen von Bildsignalen aus dem Pixelarray gemäß einer Ausführungsform.
  • 3 ist ein Schaltplan eines exemplarischen Pixels im Bildsensor mit einer gepinnten Potentialschwelle, die zwischen einem Ladungsspeicherknoten und einem Ladungsspeicherkondensator gemäß einer Ausführungsform gekoppelt ist.
  • 4 ist ein Schaltplan eines exemplarischen Pixels im Bildsensor mit einem Ladungsübertragungstransistor, der zwischen einem Ladungsspeicherknoten und einem Ladungsspeicherkondensator gemäß einer Ausführungsform gekoppelt ist.
  • 5 ist eine Querschnittsgrafik und ein Potentialdiagramm eines exemplarischen Bildpunkts mit einer gepinnten Potentialschwelle oder einem Übertragungstransistor, die oder der zwischen einem Ladungsspeicherknoten und einem Ladungsspeicherkondensator gemäß einer Ausführungsform gekoppelt ist.
  • 6 ist ein exemplarisches Zeitdiagramm für den Betrieb eines Pixels im Bildsensor des Typs, der in den 3 und 5 gemäß einer Ausführungsform gezeigt wird.
  • 7 ist eine Querschnittsgrafik eines exemplarischen vorderseitig beleuchteten Bildpunkts des Typs, der in 3–5 gezeigt wird, in dem der Ladungsspeicherkondensator eine Lichtabschirmung für den Ladungsspeicherknoten gemäß einer Ausführungsform bildet.
  • 8 ist eine Querschnittsgrafik eines exemplarischen rückseitig beleuchteten Bildpunkts des Typs, der in 3–5 gezeigt wird, in dem der Ladungsspeicherkondensator einen Lichtreflektor für eine Fotodiode im Pixel gemäß einer Ausführungsform bildet.
  • 9 ist ein Schaltplan eines exemplarischen Pixels im Bildsensor mit gepinnten Potentialschwellen, die zwischen mehreren Ladungsspeicherknoten und entsprechenden Ladungsspeicherkondensatoren gemäß einer Ausführungsform gekoppelt sind.
  • 10 ist ein exemplarisches Zeitdiagramm für den Betrieb eines Pixels im Bildsensor des gezeigten Typs in 9 gemäß einer Ausführungsform.
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines Prozessorsystems, das die Ausführungsformen von 1–10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Elektronische Geräte wie beispielsweise Digitalkameras, Computer, Mobiltelefone und andere elektronische Geräte können Bildsensoren umfassen, die einfallendes Licht einfangen, um ein Bild aufzunehmen. Zu den Bildsensoren können Arrays von Bildpunkten gehören. Die Pixel in den Bildsensoren können lichtempfindliche Elemente umfassen wie beispielsweise Fotodioden, die das einfallende Licht in Bildsignale umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln aufweisen (z. B. hunderte oder tausende oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise hunderttausende oder Millionen von Pixeln (z. B. Megapixel) aufweisen. Zu den Bildsensoren kann ein Steuerschaltkreis gehören wie beispielsweise ein Schaltkreis für den Betrieb der Bildpunkte und eine Auslesungsschaltung zum Auslesen der Bildsignale gemäß der von den lichtempfindlichen Elementen erzeugten elektrischen Ladung.
  • 1 ist ein Diagramm eines exemplarischen bildgebenden Systems wie beispielsweise ein elektronisches Gerät, das einen Bildsensor verwendet, um Bilder aufzunehmen. Das elektronische Gerät 10 aus 1 kann ein tragbares elektronisches Gerät sein wie beispielsweise eine Kamera, ein Mobiltelefon, ein Tablet, eine Webcam, eine Videokamera, ein Videoüberwachungssystem, ein selbstbewegendes bildgebendes System, ein Video-Gaming-System mit Abbildungsfähigkeiten oder ein anderes gewünschtes bildgebendes System oder Gerät, das digitale Bilddaten aufnimmt. Ein Kameramodul 12 kann verwendet werden, um einfallendes Licht in digitale Bilddaten umzuwandeln. Das Kameramodul 12 kann eine oder mehrere Linsen 14 und einen oder mehrere entsprechende Bildsensoren 16 aufweisen. Zu den Linsen 14 können feste und/oder einstellbare Linsen und Mikrolinsen gehören, die auf einer Bildoberfläche von Bildsensor 16 geformt werden. Während Bilderfassungsvorgängen kann das Licht aus einem Motiv von den Linsen 14 auf den Bildsensor 16 fokussiert werden. Der Bildsensor 16 kann eine Schaltung zum Umwandeln analoger Pixeldaten in entsprechende digitale Bilddaten einschließen, um sie der Speicher- und Verarbeitungsschaltung 18 zur Verfügung zu stellen. Falls gewünscht, kann das Kameramodul 12 mit einem Array der Linsen 14 und einem Array der entsprechenden Bildsensoren 16 ausgestattet werden.
  • Die Speicher- und Verarbeitungsschaltung 18 kann eine oder mehrere integrierte Schaltungen umfassen (z. B. Bildverarbeitungsschaltungen, Mikroprozessoren, Speichergeräte wie beispielsweise Arbeitsspeicher und Permanentspeicher usw.) und kann unter Verwendung von Komponenten, die vom Kameramodul 12 getrennt sind und/oder einen Teil des Kameramoduls 12 bilden, implementiert werden (z. B. Schaltungen, die einen Teil einer integrierten Schaltung bilden, die Bildsensoren 16 oder eine integrierte Schaltung innerhalb von Modul 12, das mit den Bildsensoren 16 verknüpft ist, einschließt). Bilddaten, die von Kameramodul 12 erfasst wurden, können unter Verwendung der Verarbeitungsschaltung 18 verarbeitet und gespeichert werden (z. B. unter Verwendung eines Bildprozessors auf Verarbeitungsschaltung 18, unter Verwendung einer Hilfe zur Auswahl eines Bildgebungsmodus auf Verarbeitungsschaltung 18 usw.). Verarbeitete Bilddaten können, falls gewünscht, externen Geräten zur Verfügung gestellt werden (z. B. einem Computer, externen Display oder anderen Gerät), und zwar unter Verwendung verdrahteter und/oder drahtloser Kommunikationspfade, die mit der Verarbeitungsschaltung 18 gekoppelt sind.
  • Entsprechend der Darstellung in 2 kann der Bildsensor 16 ein Pixelarray 20 einschließen, das Pixel im Bildsensor 22 enthält, die in Reihen und Spalten angeordnet sind (und hierin manchmal als Bildpunkte oder Pixel bezeichnet werden), sowie einen Steuerschaltkreis und eine Verarbeitungsschaltung 24. Das Array 20 kann zum Beispiel hunderte oder tausende Reihen und Spalten der Pixel im Bildsensor 22 enthalten. Der Steuerschaltkreis 24 kann mit dem Reihen-Steuerschaltkreis 26 und der Bildauslesungsschaltung 28 gekoppelt sein (wird manchmal als Spalten-Steuerschaltkreis, Auslesungsschaltung, Verarbeitungsschaltung oder Spaltendekodiererschaltung bezeichnet). Der Reihen-Steuerschaltkreis 26 kann Zeilenadressen vom Steuerschaltkreis 24 empfangen und entsprechende Reihen-Steuersignale ausgeben wie beispielsweise Rücksetzung, Reihenauswahl, Ladungsübertragung, doppelter Wandlungsgewinn und Auslesungs-Steuersignale an die Pixel 22 über die Reihen-Steuerpfade 30. Eine oder mehrere leitfähige Leitungen wie beispielsweise die Spaltenleitungen 32 können mit jeder Spalte der Pixel 22 in Array 20 gekoppelt werden. Die Spaltenleitungen 32 können zum Auslesen von Bildsignalen von den Pixeln 22 und zum Ausgeben von Vorspannungssignalen (z. B. Vormagnetisierungsströme oder Vorspannungen) an die Pixel 22 verwendet werden. Falls gewünscht, kann während Pixelauslesungsvorgängen eine Pixelreihe in Array 20 ausgewählt werden, und zwar unter Verwendung des Reihen-Steuerschaltkreises 26 und die Bildsignale, die von den Bildpunkten 22 in dieser Pixelreihe erzeugt werden, können entlang der Spaltenleitungen 32 ausgelesen werden.
  • Die Bildauslesungsschaltung 28 kann Bildsignale (z. B. analoge Pixelwerte, die von den Pixeln 22 erzeugt werden) über die Spaltenleitungen 32 empfangen. Die Bildauslesungsschaltung 28 kann eine Sample-und-Hold-Schaltung für die Probennahme und die vorübergehende Lagerung von Bildsignalen, die aus Reihe 20 ausgelesen werden, eine Verstärkerschaltung, eine Schaltung zur Analog-Digital-Wandlung (ADC), eine Vorspannungsschaltung, einen Spaltenspeicher, eine Verriegelungsschaltung für die gezielte Aktivierung oder Deaktivierung der Spaltenschaltung oder eine andere Schaltung einschließen, die mit einer oder mehreren Spalten von Pixeln in Array 20 für die Bearbeitung der Pixel 22 und für die Auslesung von Bildsignalen von den Pixeln 22 gekoppelt ist. Die ADC-Schaltung in der Auslesungsschaltung 28 kann analoge Pixelwerte, die von Array 20 empfangen werden, in entsprechende digitale Pixelwerte umwandeln (werden manchmal als digitale Bilddaten oder digitale Pixeldaten bezeichnet). Die Bildauslesungsschaltung 28 kann digitale Pixeldaten an den Steuerschaltkreis und die Verarbeitungsschaltung 24 und/oder den Prozessor 18 (1) über den Pfad 25 für Pixel in einer oder mehreren Pixelspalten ausgeben.
  • Falls gewünscht, können die Bildpunkte 22 einen oder mehrere lichtempfindliche Bereiche zum Erzeugen von Ladung in Reaktion auf das Bildlicht umfassen.
  • Lichtempfindliche Bereiche innerhalb der Bildpunkte 22 können in Reihen und Spalten auf Array 20 angeordnet werden. Das Pixelarray 20 kann mit einem Farbfilterarray mit mehreren Farbfilterelementen ausgestattet sein, was es einem einzelnen Bildsensor ermöglicht, Proben von Licht unterschiedlicher Farben zu entnehmen. Pixel im Bildsensor wie beispielsweise Bildpunkte im Array 20 können zum Beispiel mit einem Farbfilterarray ausgestattet werden, die es einem einzelnen Bildsensor ermöglichen, Proben von rotem, grünem und blauem (RGB) Licht zu entnehmen, und zwar unter Verwendung der entsprechenden roten, grünen und blauen Pixel im Bildsensor, die in einem Bayer-Mosaikmuster angeordnet sind. Das Bayer-Mosaikmuster besteht aus einer wiederkehrenden Elementarzelle von Bildpunkten in Zweiergruppen mit zwei grünen Bildpunkten, die sich schräg gegenüber liegen und an einen roten Bildpunkt angrenzen, der schräg gegenüber von einem blauen Bildpunkt liegt. In einem anderen geeigneten Beispiel werden die grünen Pixel in einem Bayer-Muster durch breitbandige Bildpunkte mit breitbandigen Farbfilterelementen (z. B. klare Farbfilterelemente, gelbe Farbfilterelemente usw.) ersetzt. Diese Beispiele sind lediglich exemplarisch und im Allgemeinen können Farbfilterelemente jeder gewünschten Farbe und in jedem gewünschten Muster über jede beliebige Anzahl der Bildpunkte 22 gebildet werden.
  • Der Bildsensor 16 kann so konfiguriert werden, dass er einen Global-Shutter-Vorgang unterstüzt (z. B. können die Pixel 22 in einem Global-Shutter-Modus bearbeitet werden). Die Bildpunkte 22 in Array 20 können zum Beispiel eine Fotodiode, einen schwebenden Diffusionsbereich und einen lokalen Ladungsspeicherbereich einschließen. Mit einem Global-Shutter-Schema werden alle Pixel im Bildsensor gleichzeitig zurückgesetzt. Ein Ladungsübertragungsvorgang wird anschließend verwendet, um die in der Fotodiode jedes Bildpunkts gesammelte Ladung an den zugehörigen Ladungsspeicherbereich zu übertragen. Anschließend können zum Beispiel die Daten jedes Speicherbereichs pro Reihe ausgelesen werden.
  • 3 ist ein Schaltplan eines exemplarischen Pixels im Bildsensor 22, das im Global-Shutter- oder Rolling-Shutter-Modus bearbeitet werden kann. Entsprechend der Darstellung in 3 kann das Pixel 22 ein lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Photodiode 40 aufweisen. Eine erste (positive) Versorgungsspannung VAAPIX kann an der Stromversorgungsklemme 50 bereitgestellt werden. Die Stromversorgungsklemme 50 kann mit der Fotodiode 40 über das Rolltor 46 gekoppelt werden. Einfallendes Licht kann von der Fotodiode 40 aufgenommen werden. Die Fotodiode 40 kann anschließend als Reaktion auf die Aufnahme von auftreffenden Photonen Ladung erzeugen (z. B. Elektronen). Die Menge der Ladung, die von der Fotodiode 40 aufgenommen wird, kann von der Intensität des einfallenden Lichts und der Belichtungsdauer (oder Integrationszeit) abhängen.
  • Bevor ein Bild erfasst wird, kann das Rücksetzsteuersignal RST in aktiven Zustand gebracht werden. Wenn das Signal RST in aktiven Zustand gebracht wird, wird der Rücksetztransistor 52 eingeschaltet und der Ladungsspeicherknoten 54 (wird auch als schwebender Diffusionsbereich FD bezeichnet) auf VAAPIX zurückgesetzt. Das Rücksetzsteuersignal RST kann anschließend deaktiviert werden, um den Rücksetztransistor 54 auszuschalten. In ähnlicher Weise kann vor der Ladungsintegration ein Signal SG hoch gepulst werden, um die Fotodiode 40 auf die Versorgungsspannung VAAPIX zurückzusetzen (z. B. indem VAAPIX an die Fotodiode 40 durch das Rolltor 46 weitergeleitet wird).
  • Das Pixel 22 kann außerdem einen ersten Ladungsübertragungstransistor 44 umfassen, der verwendet werden kann, um Ladung von der Fotodiode 40 auf den Ladungsspeicherknoten 42 zu übertragen (wird manchmal als Ladungsspeicherbereich 42 bezeichnet). Der Ladungsspeicherbereich 42 kann ein gepinnter dotierter Halbleiterbereich sein (z. B. ein dotierter Silizium-Bereich, der in einem Silizium-Substrat durch Ionenimplantation, Fremdkörperdiffusion oder andere Dotierungstechniken gebildet wird), der von der Fotodiode 40 übertragene Ladung vorübergehend speichern kann. Der Bereich 42, der übertragene Ladung vorübergehend speichern kann, wird manchmal als gepinnte „Speicherdiode” (SD) bezeichnet. Der Speicherknoten 42 und die Fotodiode 40 können mit einer Bodenstromversorgungsklemme 41 gekoppelt werden. Das erste Ladungsübertragungssteuersignal TX1 kann hoch gepulst werden, um Ladung von Fotodiode 40 auf Speicherdiode 42 über Transistor 44 zu übertragen. Im Global-Shutter-Modus kann das Signal TX1 zum Beispiel für alle Pixel 22 in Array 20 gleichzeitig hoch gepulst werden.
  • Das Pixel 22 kann ein zweites Transfer-Gate (Transistor) 60 einschließen. Das Transfer-Gate 60 verfügt möglicherweise über einen Gateanschluss, der vom zweiten Ladungsübertragungssteuersignal TX2 gesteuert wird. Das Übertragungssteuersignal TX2 kann hoch gepulst werden, um Ladung vom gepinnten Speicherdiodenbereich 42 auf den schwebenden Diffusionsbereich 54 zu übertragen. Der schwebende Diffusionsbereich 54 kann zum Beispiel ein dotierter Halbleiterbereich sein (z. B. ein Bereich in einem Silizium-Substrat, der durch Ionenimplantation, Fremdkörperdiffusion oder andere Dotierungsvorgänge dotiert wird). Der schwebende Diffusionsbereich 54 kann als weiterer Speicherbereich zum Speichern von Ladung während Bilddatenerfassungsvorgängen dienen.
  • Das Pixel 22 kann außerdem eine Auslesungsschaltung umfassen, die einen Reihenauswahltransistor 58 und einen Quellenbefolgertransistor 56 umfasst. Der Transistor 58 verfügt möglicherweise über ein Gate, das vom Reihenauswahlsteuersignal RS gesteuert wird. Wenn das Steuersignal RS in aktiven Zustand gebracht wird, wird der Transistor 58 eingeschaltet und ein entsprechendes Signal PIXOUT (z. B. ein Ausgangssignal mit einer Magnitude, die proportional zu der Menge der Ladung am schwebenden Diffusionsknoten 54 ist), wird an Spaltenauslesungspfad 32 weitergeleitet.
  • Die Pixel 22 können in einem Modus für niedrigen Wandlungsgewinn zum Aufnehmen von Bildern in einer helleren Szenerie und in einem Modus für hohen Wandlungsgewinn zum Aufnehmen von Bildern in einer dunkleren Szenerie verwendet werden. Während Bilderfassungsvorgängen können Teile von Array 20 Bildsignale von dunkleren Teilen eines abgebildeten Motivs erfassen, während andere Teile von Array 20 Bildsignale von helleren Teilen des abgebildeten Motivs erfassen können. Falls gewünscht, können die Pixel 22 auf Array 20 mit Gewinnsteuersignalen vom Reihen-Steuerschaltkreis 26 und/oder von der Spaltenauslesungsschaltung 28 ausgestattet werden (2).
  • Gewinnsteuersignale, die von den Pixeln 22 empfangen werden, können den Gewinn der Pixel einstellen. Beispielsweise die Pixel 22, die sich in helleren Bereichen von Array 20 befinden, können mit Steuersignalen über die Steuerleitungen 32 und/oder 30 ausgestattet werden, die diese Pixel anweisen, in einem Modus für niedrigen Wandlungsgewinn zu arbeiten (z. B., um eine Übersättigung der Bildpunkte zu vermeiden), während die Pixel 22, die sich in dunkleren Bereichen von Array 20 befinden, mit Steuersignalen ausgestattet werden können, die diese Pixel anweisen, in einem Modus für hohen Wandlungsgewinn zu arbeiten (z. B. um das Signal-Rausch-Verhältnis in den Bildsignalen zu verbessern, die von diesen Pixeln erfasst werden). Gewinnsteuersignale, die den Pixeln 22 zur Verfügung gestellt werden, umfassen zum Beispiel doppelte Wandlungsgewinn(DCG)-Steuersignale, die so konfiguriert werden, dass sie die Ladungsspeicherkapazität eines vorgegebenen Pixels 22 anpassen.
  • Die Pixel 22 können mit einer Gewinnauswahlschaltung ausgestattet werden, die den dynamischen Bereich der vom Bildsensor 16 erzeugten Bilder verbessert. Jedes Pixel 22 kann zum Beispiel ein entsprechendes Signal erzeugen, und zwar unter Verwendung einer ausgewählten Wandlungsgewinneinstellung (Wandlungsgewinnmodus). In manchen Konfigurationen kann eine ausgewählte Gewinneinstellung von der Menge an Licht abhängen, das vom Pixel während einer Belichtung aufgenommen wird (d. h. eine Integrationsphase zwischen Rücksetzungen des Pixels, während der ein lichtempfindliches Element Ladungen als Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt). In anderen Konfigurationen kann der Gewinn auf einer konstanten Einstellung gehalten werden. Entsprechend der Darstellung in 3 kann das Pixel 22 den DCG-Transistor 68 einschließen, der in Reihe zwischen dem schwebenden Diffusionsknoten 54 und dem Schaltkreis-Knoten 64 gekoppelt ist. Der Kondensator 66 kann zwischen dem Schaltkreis-Knoten 64 und dem Erdungsanschluss 41 gekoppelt werden. Der Kondensator 66 kann über eine Ladungsspeicherkapazität (Kapazität) C verfügen. Der Kondensator 66 kann eine beliebige Anzahl an Kondensatoren mit jeder gewünschten Kapazität in jeder beliebigen Anordnung einschließen. Der Kondensator 66 kann zum Beispiel ein Metall-Isolator-Metall(MIM)-Kondensator, ein Polysilizium-Isolator-Polysilizium(PIP)-Kondensator, ein tiefer Grabenkondensator oder jeder andere gewünschte Typ von Kondensator sein.
  • Der Transistor 68 verfügt möglicherweise über einen Gateanschluss, der mithilfe des doppelten Umwandlungsgewinnsteuersignals DCG gesteuert wird. Das Pixel 22 kann in einem Modus für hohen Wandlungsgewinn (hoher Gewinnmodus) und in einem Modus für niedrigen Wandlungsgewinn (niedriger Gewinnmodus) verwendet werden. Wenn der Transistor 68 deaktiviert wird (z. B. wenn das Signal DCG niedrig ist), wird das Pixel 22 in den Modus für hohen Wandlungsgewinn versetzt. Wenn der Transistor 68 aktiviert wird (z. B. wenn das Signal DCG hoch ist), wird das Pixel 22 in den Modus für niedrigen Wandlungsgewinn versetzt.
  • Im Allgemeinen ist der Wandlungsgewinn des Pixels umgekehrt proportional zur Ladungskapazität am Knoten FD. Wenn der Transistor 68 eingeschaltet wird, wird der Kondensator 66 in den Gebrauch geschaltet, um den schwebenden Diffusionsknoten 54 mit zusätzlicher Kapazität auszustatten (z. B. zusätzliche Ladungsspeicherkapazität). Dies führt zu einem niedrigeren Wandlungsgewinn für Pixel 22. Wenn der Transistor 68 ausgeschaltet wird, wird die zusätzliche Ladung des Kondensators 66 entfernt und das Pixel 22 kehrt in eine relativ höhere Konfiguration des Wandlungsgewinns des Pixels zurück.
  • Im Allgemeinen ist die physikalische Größe (Fläche) des Speicherknotens 42 umgekehrt proportional zur Shutter-Effizienz von Bildsensor 16. Größere Speicherknoten 42 können zum Beispiel verursachen, dass der Sensor 16 eine niedrigere Shutter-Effizienz aufweist, als wenn kleinere Speicherknoten 42 verwendet werden. Die niedrige Shutter-Effizienz kann zu Geistereffekt oder Abschattung im endgültigen Bild führen. Des Weiteren können größere Speicherknoten 42 mehr unerwünschten Dunkelstrom im System erzeugen als kleinere Speicherknoten 42. Außerdem können größere Speicherknoten 42 die physikalische Größe der Fotodiode 40 deutlicher verringern, als wenn kleinere Speicherknoten 42 verwendet werden, wodurch die Empfindlichkeit und die Full-Well-Kapazität der Fotodiode 40 verringert werden. Um Geistereffekt oder Abschattung im endgültigen Bild zu minimieren, um den Einfluss von Dunkelströmen im System zu verringern und um Platz für eine größere Fotodiode zu bieten, kann es wünschenswert sein, die Größe des Ladungsspeicherknotens 42 zu verringern. Der Speicherknoten 42 kann zum Beispiel eine physikalische Größe aufweisen, die mindestens fünfmal kleiner ist als die Fotodiode 40. Während eine Verringerung der physischen Größe von Speicherknoten 42 die Blendeneffizienz erhöhen, den Dunkelstrom im System verringern und mehr Raum für die Fotodiode freimachen kann, reduziert eine Verringerung der physischen Größe von Speicherknoten 42 auch die Ladungsspeicherkapazität von Knoten 42.
  • Entsprechend der Darstellung in 3 kann der Ladungsspeicherknoten 42 mit Kondensator 66 gekoppelt werden (z. B. über Schaltkreis-Knoten 64), um die Ladungsspeicherkapazität von Knoten 42 zu erweitern. Falls gewünscht, kann der DCG-Transistor 68 eingeschaltet werden, um die Kapazität von Speicherknoten 42 noch mehr zu erweitern und dadurch den schwebenden Diffusionsknoten 54 einzuschließen. Den Knoten 42 auf diese Weise mit dem Kondensator 66 zu verkoppeln ermöglicht gegebenenfalls eine Erhöhung der Global-Shutter-Effizienz, eine Verringerung des Dunkelstroms und eine Erhöhung des freien verfügbaren Raums für die Fotodiode in Pixel 22, ohne dabei auf die Ladungsspeicherkapazität von Speicherknoten 42 zu verzichten.
  • Um den Dunkelstrom im System weiter abzuschwächen, kann eine gesteuerte Potentialschwelle 62 zwischen Speicherbereich 42 und Kondensator 66 geschaltet werden.
  • Potentialschwelle 62 kann zum Beispiel Pixel 22 ermöglichen, geringes Auslesungsrauschen auf Speicherknoten 42 vom relativ großen auf Kondensator 66 gespeicherten Signal zu trennen. Potentialschwelle 62 kann ein gepinntes Potential bereitstellen, das zwischen dem gepinnten Potential der Fotodiode 40 und dem gepinnten Potential von Speicherknoten 42 liegt. Zum Beispiel kann die Potentialschwelle 62 über dem gepinnten Potential der Fotodiode 40 und unter dem gepinnten Potential von Speicherknoten 42 liegen. Als weiteres Beispiel kann die Potentialschwelle 62 unter dem gepinnten Potential der Fotodiode 40 und über dem gepinnten Potential von Speicherknoten 42 liegen. Das gepinnte Potential von Schwelle 62 kann durch die Dotierungskonzentration von Schwelle 62 im Halbleitersubstrat von Array 20 bereitgestellt werden. Das Beispiel, in dem Potentialschwelle 62 als dotierter Bereich von Array 20 bereitgestellt wird, dient nur der Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann Potentialschwelle 62 durch einen Ladungstransfertransistor ersetzt werden.
  • 4 ist ein Schaltplan von Pixel 22, in dem Potentialschwelle 62 durch Ladungstransfertransistor 90 ersetzt wurde. Die anderen Komponenten von Pixel 22, die in 4 abgebildet sind, funktionieren ähnlich wie in Verbindung mit 3 beschrieben, und auf eine entsprechende Beschreibung wird der Kürze halber verzichtet.
  • Entsprechend der Darstellung in 4 kann das dritte Ladungstransfer-Steuerungssignal TX3 angepasst werden, um Transistor 90 einzuschalten, sodass die Ladung auf Speicherknoten 42 auf Kondensator 66 übertragen wird. Das Kontrollsignal TX3 kann gesteuert werden, um die Ladungstransfermenge von Diode 42 auf Kondensator 41 anzupassen (z. B. kann Gate-Steuerungssignal TX3 eine Potentialschwelle anpassen, die durch Transistor 90 zwischen Kondensator 66 und Speicherknoten 42 bereitgestellt wird). Die Anordnung von 4 kann zum Beispiel eine flexiblere Steuerung des Ladungstransfers auf Kondensator 66 ermöglichen als in Szenarien wie denen in 3, in denen die gepinnte Potentialschwelle 62 verwendet wird. Aber die Anordnung von 3 mit gepinnter Potentialschwelle 62 kann einen verringerten Dunkelstrom, eine größere Ladungskapazität und eine bessere Toleranz aufweisen, um die Variabilität bezüglich der Anordnung von beispielsweise 4 zu verarbeiten.
  • 5 ist eine Querschnittsgrafik eines Global-Shutter-Pixels des Typs, der in 3 und 4 dargestellt wird. 5 zeigt auch ein entsprechendes Potentialdiagramm 71, das darstellt, wie Ladung in Pixel 22 während Bilderfassungsvorgängen fließt.
  • Entsprechend der Darstellung in 5 umfasst Pixel 22 einen Fotodiodenbereich 40, Speicherdiode 42, Potentialschwelle 62, Knoten 64 und schwebenden Diffusionsknoten 54, gebildet innerhalb des Halbleitersubstrats 55. Bereiche 40 und 42 und Potentialschwelle 62 können von dotierten Implantaten innerhalb des Halbleitersubstrats 55 gebildet werden. Bereiche 40, 42 und 62 können zum Beispiel vom selben Typ Implantate gebildet werden, aber mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen. Der Unterschied in Dotierungskonzentrationen kann den Unterschied in Potential zwischen den Bereichen festlegen.
  • Wie durch Potentialdiagramm 71 gezeigt, kann Fotodiode 40 bei gepinntem Potential-(Spannungs-)Niveau V1 liegen. Ladungsträger (z. B. Elektronen) 67 können sich in Bereich 40 als Reaktion auf Bildlicht ansammeln. Das Transfersignal TX1 für die erste Ladung kann in aktiven Zustand gebracht werden, um das Potential von Gate 44 von Niveau V0 auf Niveau V1 anzuheben, sodass die Elektronen 67 auf Speicherdiode 42 fließen können, wie durch Pfeil 69 angezeigt. Speicherdiode 42 kann bei gepinntem Potentialniveau V3 liegen, das größer als Niveau V1 ist. Elektronen 67 können sich in Speicherdiode 42 ansammeln. Die gepinnte Potentialschwelle 62 kann bei einem Potentialniveau V2 liegen, das kleiner als Niveau V3 und größer als Niveau V1 ist. Wenn sich eine ausreichende Menge Ladung auf Speicherdiode 42 angesammelt hat, können die Elektronen über Potentialschwelle 62 zu Kondensator 66 (z. B. über Knoten 64) fließen, wie durch Pfeil 73 angezeigt wird. Dies kann die effektive Ladungskapazität der Speicherdiode 42 erhöhen, um die Kapazität von Kondensator 66 einzuschließen, trotz des relativ kleinen physischen Bereichs, der von Speicherdiode 42 eingenommen wird. Die Erhöhung der Ladungskapazität von Diode 42 kann auch den Dynamikbereich des Pixels erhöhen.
  • Während des Auslesens kann Ladung 67 von Knoten 42 und 66 auf schwebende Diffusion 54 durch Transfer-Gate 60 (3) und/oder durch Transfer-Gate 68 (z. B. durch Aktivierung von Signal DCG) übertragen werden. Zum Beispiel kann die auf Knoten 42 gespeicherte Ladung am Ende der Signalintegration zum Auslesen zu schwebender Diffusion 54 über Transfer-Gate 60 weitergegeben werden, wohingegen Ladung, die auf Kondensator 66 gespeichert ist, auf schwebende Diffusion 54 über DCG-Gate 68 übertragen wird.
  • Falls gewünscht, kann das Steuersignal DCG optional angepasst werden, um die Ladekapazität von Knoten 42 und 66 durch den Einbezug vom schwebenden Diffusionsknoten 54 noch mehr zu erweitern. Zum Beispiel kann das Potential von DCG-Gate 68 von Niveau 75 auf Niveau 77 durch Aktivierung des Kontrollsignals DCG erhöht werden, sodass die Elektronen 67 auf schwebende Diffusion 54 fließen können, wie durch Pfeil 79 angezeigt. Dadurch kann sich die Ladungskapazität des Speicherbereichs 42 trotz des relativ kleinen physischen Bereichs, der von Speicherbereich 42 eingenommen wird, erhöhen.
  • Falls gewünscht, kann Potentialschwelle 62 durch Ladungstransfer-Gate 90 ersetzt werden. Ladungstransfersignal TX3 kann in aktiven Zustand gebracht werden, um die Potentialschwelle zwischen Speicherknoten 42 und Knoten 64 anzupassen (z. B. um die Potentialschwelle auf Niveau V2 oder höher anzupassen), damit die Elektronen 67 auf Kondensator 66 fließen können.
  • 6 ist ein Beispiel für ein Zeitdiagramm, das verwendet werden kann, um den Vorgang von Pixel 22 zu steuern. Entsprechend der Darstellung in 6 können Ladungstransfersignale TX1 und TX2, Blendensignal SG, Umwandlungsgewinnsignal DCG und Rücksetzsignal RST zum Zeitpunkt T1 in aktiven Zustand gebracht und zum Zeitpunkt T2 in einer Rücksetzphase deaktiviert werden. Zum Zeitpunkt T3 können Transfersignal TX1 und Blendensignal SG in aktiven Zustand gebracht werden (z. B. gleichzeitig für alle Pixel 22 in Array 20 im Global-Shutter-Modus). Transfersignal TX1 kann zum Zeitpunkt T4 und Blendensignal SG kann zum Zeitpunkt T5 deaktiviert werden. Zwischen Zeitpunkt T5 und T6 kann Fotodiode 40 eine Ladung integrieren. Zum Zeitpunkt T6 wird Transfersignal TX1 für alle Pixel 22 im Array in aktiven Zustand gebracht, um die integrierte Ladung auf den entsprechenden Speicherknoten 42 zu übertragen. Blendensignal SG kann zum Zeitpunkt T6 oder kurz danach in aktiven Zustand gebracht werden, um Fotodiode 40 zurückzusetzen. Dieser Vorgang kann so oft wie gewünscht durchgeführt werden (z. B. bis Zeitpunkt T7), um weiterhin Ladung auf Speicherdiode 42 anzusammeln.
  • Durch Wiederholung dieses Vorgangs kann die Ladungsintegration über den gesamten Zeitrahmen von Pixel 22 verteilt werden. Eine solche Zeitpunktverteilung kann zum Beispiel Lichtquellenflackern (z. B. Flackern einer Licht emittierende Diode (LED)) abschwächen, um sicherzustellen, dass eine flackernde Lichtquelle vom Pixel festgehalten wird, selbst wenn die Lichtquelle zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht leuchtet. Wenn die auf Speicherbereich 42 übertragene Ladung die Potentialschwelle 62 überschreitet, kann der Ladungsüberschuss auf den Ladungsspeicherkondensator 66 fließen (z. B. wie gezeigt durch Pfeil 73 in 5). Bei Szenarien, in denen Ladungstransfertransistor 90 gebildet wird, kann Transfersignal TX3 periodisch gepulst werden oder gepulst werden, wenn sich Überschussladung auf Speicherknoten 42 angesammelt hat, um die Überschussladung auf Kondensator 66 zu übertragen.
  • Zum Zeitpunkt T7 kann das Rücksetzsignal RST in aktiven Zustand gebracht werden, um schwebende Diffusion 54 zurückzusetzen. Zum Zeitpunkt T8 kann das Rücksetzsignal RST deaktiviert werden. Eine Auslesephase kann zum Zeitpunkt T8 beginnen, um Array 20 Reihe für Reihe auszulesen. Zum Beispiel kann zum Zeitpunkt T8 das Steuerungssignal DCG und das Reihenauswahlsignal RS in aktiven Zustand gebracht werden. Dadurch kann ermöglicht werden, die vor Zeitpunkt T7 auf Kondensator 66 angesammelte Ladung auf schwebende Diffusion 54 zu übertragen. Die Ladung von Kondensator 66 wird dann auf Linie 32 als Bildniveausignal über Transistoren 56 und 58 ausgelesen. Bildniveau-Sampling-Signal SHS kann zu Zeitpunkt T8 in aktiven Zustand gebracht werden (z. B. bereitgestellt zu Sample-and-Hold-Schaltung in Auslesungsschaltung 28), um das Bildniveausignal von Kondensator 66 zu sampeln. Signal SHS kann zum Zeitpunkt T9 deaktiviert werden.
  • Zum Zeitpunkt T9 kann das Rücksetzsignal RST in aktiven Zustand gebracht werden und zum Zeitpunkt T10 deaktiviert werden, um schwebende Diffusion 54 zurückzusetzen. Ein Rücksetzniveau-Sampling-Signal SHS kann zu Zeitpunkt T9 in aktiven Zustand gebracht werden (z. B. bereitgestellt zu Sample-and-Hold-Schaltung in Ausleseschaltung 28), um ein Rücksetzniveau von der schwebenden Diffusion 54 zu sampeln. Zum Zeitpunkt T11 kann Transfersignal TX2 hoch gepulst werden, um die integrierte Ladung vom Ladungsspeicherknoten 42 auf die schwebende Diffusion 54 zu übertragen. Die Ladung von Speicherknoten 42 kann als Bildniveausignal über Transistoren 56 und 58 ausgelesen werden. Sample-and-Hold-Signal SHS kann zu Zeitpunkt T12 hoch gepulst werden, um das Bildniveausignal von Speicherknoten 42 zu sampeln. Dieses Bildsignal kann, falls gewünscht, mit dem Bildsignal kombiniert werden, das vom Kondensator 66 übertragen wird (z. B. kann es mit dem Signal von Kondensator 66 zusammengerechnet, mit dem Signal vom Kondensator 66 gemittelt, oder auf eine andere gewünschte Weise kombiniert werden). Auslesungsschaltung 28 kann das gesampelte Rücksetzniveausignal verwenden, um kTC-Rücksetzrauschen abzuschwächen (z. B. über einen Correlated Double Sampling(CDS)-Algorithmus). Das Beispiel von 6 dient nur der Veranschaulichung und im Allgemeinen kann jedes gewünschte Zeitschema verwendet werden.
  • Falls gewünscht kann der Kondensator 66 als lichtabschirmende oder -reflektierende Struktur in Array 20 verwendet werden. Zum Beispiel kann Kondensator 66 verwendet werden, um Speicherknoten 42 gegen den Empfang von Bildlicht abzuschirmen, und dadurch die Blendeneffizienz des Pixels zu erhöhen. Zum Beispiel kann Kondensator 66 verwendet werden, um Licht in die Fotodiode 40 zu reflektieren, und dadurch die Sensitivität des Pixels zu erhöhen.
  • Eine Querschnittsgrafik, die zeigt, wie Kondensator 66 eine Lichtabschirmstruktur innerhalb von Pixel 22 bilden kann, ist in 7 dargestellt. Bei dem Beispiel aus 7 ist Pixel 22 ein vorderseitig erleuchtetes Pixel. Entsprechend der Darstellung in 7 kann Pixel 22 Fotodiode 40 einschließen, die innerhalb eines Halbleitersubstrats wie Substrat 55 gebildet wird (z. B. ein P-Typ-Halbleitersubstrat, abgestuftes Epi-Substrat, usw.). Pixel 22 kann Speicherdiode 42, Teile von Transfertransistor 44, Kondensatorknoten 64, und innerhalb von Substrat 55 gebildete gepinnte Potentialschwelle 62 einschließen. Die gepinnte Potentialschwelle 62 kann, falls gewünscht, durch Transfertransistor 90 ersetzt werden. P-Wannen-Isolierungsimplantate 112 können auf jeder Seite von Fotodiode 40 gebildet werden, um Fotodiode 40 von angrenzenden Pixeln 22 zu isolieren.
  • Ein dielektrischer Stapel, wie beispielsweise dielektrischer Stapel 102, kann auf Substrat 55 gebildet werden. Dielektrischer Stapel 102 kann aus dielektrischem Material, wie beispielsweise Siliziumoxid, gebildet werden. Eine Lichtführungsstruktur LG kann in dielektrischem Stapel 102 über Fotodiode 40 gebildet werden. Lichtführung LG kann einfallendes Bildlicht 104 in Richtung Fotodiode 40 lenken. Gepinnte Passivierungsschicht 114 kann, falls gewünscht, zwischen Lichtführung LG und Fotodiode 40 geschaltet werden. Verbindungsroutingstrukturen 106 (z. B. leitende Signalroutingpfade und leitende Durchkontaktierungen) können im dielektrischen Stapel 102 gebildet werden, um leitend eine oder mehr Schichten von Stapel 102 miteinander zu koppeln. Dielektrischer Stapel 102 kann deswegen manchmal als ein Verbindungsstapel bezeichnet werden. Im Allgemeinen kann dielektrischer Stapel 102 alternierende Metallroutingschichten (z. B. dielektrische Schichten, in denen Metallroutingpfade gebildet werden) und Durchkontaktierungsschichten (z. B. dielektrische Schichten, in denen leitende Durchkontaktierungen leitende Strukturen von einer angrenzenden Metallroutingschicht mit entsprechenden leitenden Strukturen in einer anderen angrenzenden Metallroutingschicht verkoppeln) einschließen. Zum Beispiel kann Stapel 102 Metallroutingschichten (manchmal als Metallisierungsschichten bezeichnet) M1 und M2 umfassen. Falls gewünscht kann Stapel 102 eine gewünschte Anzahl an Metallisierungsschichten einschließen.
  • Ein Farbfilterarray, wie beispielsweise Farbfilterarraystruktur 108, kann auf Substrat 102 gebildet werden. Farbfilterelement 108 kann dazu dienen, Licht einer gewünschten Wellenlänge durchzulassen. Ein Mikrolinsenarray kann auf Farbfilterarray 108 gebildet werden. Das Mikrolinsenarray kann eine erste Mikrolinse 110 einschließen, die auf Farbfilterelement 108 gebildet wird. Mikrolinse 110 kann verwendet werden, um Licht 104 Richtung Lichtführung und schlussendlich Fotodiode 40 zu bündeln.
  • Kondensator 66 kann über Substrat 55 gebildet werden und kann als Lichtabschirmung von Speicherknoten 42 dienen. Kondensator 66 kann über eine erste Kondensatorplatte 66-1 und eine zweite Kondensatorplatte 66-2 verfügen. Die zweite Kondensatorplatte 66-2 kann mit Erdungsanschluss 41 gekoppelt werden, wohingegen die erste Kondensatorplatte 66-1 mit Knoten 64 gekoppelt wird (z. B. durch eine gegebene leitende Durchkontaktierung 106). Die erste und zweite Kondensatorplatte 66-1 und 66-2 können voneinander getrennt sein, um Kapazität C aufzuweisen.
  • Platten 66-1 und 66-2 können in verschiedenen Schichten von Stapel 102 gebildet werden. Zum Beispiel kann Platte 66-1 in Metallisierungsschicht M2 gebildet werden, wohingegen Platte 66-2 in Metallisierungsschicht M1 gebildet wird. Im Allgemeinen können Platten 66-1 und 66-2 innerhalb jeder gewünschten Metallisierungsschicht gebildet werden. In einer anderen geeigneten Anordnung wird Platte 66-1 in Metallisierungsschicht M1 geformt, und ist innerhalb einer dielektrischen Schicht von Stapel 102 an einem Punkt über Bereich 42 eingebettet. In einer weiteren geeigneten Anordnung sind sowohl Platte 66-1 als auch Platte 66-2 eingebettet. Falls gewünscht kann Kondensator 66 mehr als zwei Platten umfassen, die vertikal einander gegenüber gestapelt sind (z. B. drei Platten, vier Platten, fünf Platten, mehr als fünf Platten, usw.).
  • Eingebettete Kondensatorplatten 66 können dafür dienen, einfallendes Licht 104 zu reflektieren, wie durch Pfeil 104' dargestellt. Durch die Reflektion des einfallenden Lichts können die Platten 66 effektiv den Speicherknoten 42 vom einfallenden Licht abschirmen und dadurch die Blendeneffizienz von Pixel 22 verbessern. Als Beispiel kann die Bildung von Kondensatorplatten 66 über Bereich 42 die Blendeneffizienz um zwei Mal bei allen Wellenlängen verbessern, in Relation zu Szenarien, in denen die Kondensatorplatten 66 an einer anderen Stelle gebildet werden.
  • Bei dem Beispiel aus 7 ist Pixel 22 ein vorderseitig erleuchtetes Pixel, in dem Bildlicht 104 durch Metallisierung und Signalroutingschichten 102 empfangen wird. Falls gewünscht kann Pixel 22 ein rückseitig erleuchtetes Pixel sein. In diesem Szenario können Kondensatorplatten 66 als Reflektorstrukturen dienen, die die Lichtabsorption 104 durch Fotodiode 40 erhöhen.
  • 8 ist eine Querschnittsgrafik, die zeigt, wie Kondensator 66 eine Lichtreflektorstruktur für rückseitig erleuchtetes Pixel 22 bilden kann. Entsprechend der Darstellung in 8 empfängt Pixel 22 Licht 104 durch die Rückseite des Pixels (z. B. durch Substrat 55). Dielektrischer Stapel 102 kann auf der Vorderseite des Pixels gebildet werden (z. B. der Seite von Substrat 55, auf der die Fotodiode 40 gebildet wird). Falls gewünscht können tiefe Grabenisolationsstrukturen 122 auf beiden Seiten von Substrat 55 gebildet werden. Strukturen 122 ermöglichen möglicherweise einen Anstieg in Siliziumdicke und eine Erhöhung der Lichtabsorption an Fotodiode 40 für alle Wellenlängen. Eine optionale leitende Auskleidung 120 kann zwischen Farbfilter 108 und Substrat 55 sowie zwischen Strukturen 122 und Substrat 55 geschaltet werden. Auskleidung 120 kann bei Spannung VBIAS unter Ruhestrom stehen. Spannung VBIAS kann an einem negativen Potential sein, um dazu beizutragen, photonengenerierte Ladung Richtung Fotodiode 40 zu treiben und die Generierung von Dunkelstrom zu verringern. Spannung VBIAS kann während des Auslesens auf einem Massespannungspegel gehalten werden. Auskleidung 120 kann beispielsweise Polysilizium oder andere gewünschte Materialien enthalten.
  • Kondensatorplatten 66-1 und 66-2 können bis hinter Knoten 42 und 40 reichen (z. B. über die Breite des Pixels). Kondensatorplatten 66-1 und/oder 66-2 können Bildlicht 104 zurück zu Fotodiode 40 reflektieren, wie durch Linie 104' dargestellt. Dies kann die Absorption von Licht 104 bei allen Wellenlängen innerhalb von Fotodiode 40 erhöhen, im Vergleich zu Szenarien, bei denen keine Reflektion stattfindet. Zum Beispiel kann reflektiertes Licht 104' die Absorption von Fotodiode 40 für grünes, rotes und infrarotes (IR) Licht erhöhen (wohingegen andere Wellenlängen von Fotodiode 40 absorbiert werden können, bevor sie Kondensator 66 erreichen). Die Erhöhung der Absorption von Licht 104 kann beispielsweise die Quanteneffizienz von Pixel 22 erhöhen.
  • Die Beispiele aus 3 und 4, in denen ein einzelner Ladungsspeicherknoten 42 verwendet wird, um Ladung für Fotodiode 40 zu speichern, dienen nur der Veranschaulichung. Falls gewünscht, können Fotodiode 40 und schwebende Diffusion 54 in einem gegebenen Pixel mit mehreren Ladungsspeicherknoten 42 gekoppelt werden. 9 ist ein Schaltplan, der ein Pixel 22 mit mehreren Ladungsspeicherknoten 42 zeigt.
  • Entsprechend der Darstellung in 9 kann Fotodiode 410 mit einem ersten Ladungsspeicherknoten 42A durch Ladungstransfertransistor 44A gekoppelt werden und kann mit einem zweiten Ladungsspeicherknoten 42B durch Ladungstransfertransistor 44B gekoppelt werden. Steuersignal TX1A kann gepulst werden, um Ladung von Fotodiode 40 auf Speicherknoten 42A zu übertragen. Steuersignal TX1B kann gepulst werden, um Ladung von Fotodiode 40 auf Speicherknoten 42B zu übertragen.
  • Speicherknoten 42A kann mit schwebender Diffusion 54 durch Transfertransistor 60A gekoppelt werden. Speicherknoten 42B kann mit schwebender Diffusion 54 durch Transfertransistor 60B gekoppelt werden. Steuersignal TX2A kann gepulst werden, um Ladung von Speicherknoten 42A auf schwebende Diffusion 54 zu übertragen. Steuersignal TX2B kann gepulst werden, um Ladung von Speicherknoten 42B auf schwebende Diffusion 54 zu übertragen.
  • Speicherknoten 42A kann mit Kondensatorknoten 64A durch gepinnte Potentialschwelle (PBA) 62A gekoppelt werden. Speicherknoten 42B kann mit Kondensatorknoten 64B durch gepinnte Potentialschwelle (PBB) 62B gekoppelt werden. Schwelle 62A kann auf einem Potentialniveau sein, das zwischen dem gepinnten Potential der Fotodiode 40 und dem gepinnten Potential von Speicherknoten 42A liegt. Schwelle 62B kann auf einem Potentialniveau sein, das zwischen dem gepinnten Potential der Fotodiode 40 und dem gepinnten Potential von Speicherknoten 42B liegt.
  • Kondensator 66A kann mit Knoten 64A gekoppelt werden. Kondensator 66A kann Überschussladung von Speicherknoten 42A speichern (z. B. wenn angesammelte Ladung das gepinnte Potential PBA überschreitet). Kondensator 66B kann mit Knoten 64B gekoppelt werden. Kondensator 66B kann Überschussladung von Speicherknoten 42B speichern (z. B. wenn angesammelte Ladung das gepinnte Potential PBB überschreitet).
  • Speicherknoten 66A kann mit schwebender Diffusion 54 durch DCGA-Transistor 68A gekoppelt werden. Speicherknoten 66B kann mit schwebender Diffusion 54 durch DCGB-Transistor 68B gekoppelt werden. Ladung auf Kondensator 66A kann auf schwebende Diffusion 54 übertragen werden, indem für DCGA-Gate 68A bereitgestelltes Steuersignal DCGA gepulst wird. Ladung auf Kondensator 66B kann auf schwebende Diffusion 54 übertragen werden, indem für DCGB-Gate 68B bereitgestelltes Steuersignal DCGB gepulst wird.
  • Eine Anordnung mit mehreren Speicherknoten 42, wie beispielsweise die Anordnung von 9 kann ermöglichen, dass Bilder für dreidimensionale Bilderfassung, mehrfarbige spezielle Bilderfassung, usw. erfasst werden, die mit unterschiedlichen Spektren-Lichtquellen und/oder aus der Ferne projizierten Mustern synchronisiert sind. Beispielsweise kann Fotodiode 40 in Synchronisation mit einer Lichtquelle oder einem Muster freigelegt und die erfasste Ladung danach in den Speichern 42A und 42B gespeichert werden. Mehrere Speicherknoten 42 zu bilden kann beispielsweise Lichtflackerabschwächung (light flicker mitigation, LFM) und/oder HDR(high dynamic range)-Bilderfassungsvorgänge ermöglichen.
  • Falls gewünscht, können die gepinnten Potentialschwellen 62A und 62B durch die entsprechenden Transfertransistoren ersetzt werden, wie beispielsweise Transistor 90 aus 4. Im Allgemeinen kann jede gewünschte Anzahl an Speicherbereichen 42 mit Fotodiode 40 und schwebender Diffusion 54 gekoppelt werden (z. B. drei Bereiche 42, vier Bereiche 42, mehr als vier Bereiche 42, usw.).
  • 10 ist ein Beispiel eines Zeitdiagramms, das für die Steuerung eines Pixels von dem Typ verwendet werden kann, der in 9 dargestellt wird. Entsprechend der Darstellung in 10 können Steuersignale TX1A, SG, TX2A, DCGA, TX1B, TX2B, DCGB und RST während der Rücksetzphase 200 gleichzeitig in einen aktiven Zustand gebracht werden. Dies kann Fotodiode 40, Speicherknoten 42A und 42B und Kondensatoren 66A und 66B zurücksetzen.
  • Während der Erfassungsphase 202 kann Ladung wiederholt auf Speicherknoten 42A und 42B angesammelt werden, indem die Transfer-Gates 44A bzw. 44B periodisch gepulst werden. Ladung periodisch auf Speicherknoten 42A und 42B zu übertragen kann beispielsweise Licht- und LED-Flackern in der abgebildeten Szene abschwächen. Der erste Speicherknoten 42A kann verwendet werden, um während langer Integrationszeiten T1 gesammelte Ladung zu speichern, während Speicherknoten 42B verwendet wird, um während kurzer Integrationszeiten T2 gesammelte Ladung zu speichern (z. B. können lange und kurze Integrationszeitbildsignale erfasst werden). Kondensatoren 66A und 66B können Überschussladung von Speicherknoten 42A bzw. 42B speichern und so den Gesamtdynamikumfang des Systems erhöhen, trotz der relativ kleinen physischen Größe der Knoten 42A und 42B. Die relativ kleine physische Größe der Knoten 42A und 42B kann die Blendeneffizienz bezüglich der Szenarien verbessern, in denen Knoten 42A und 42B ungefähr dieselbe Größe haben wie Fotodiode 40.
  • Während Auslesephase 204 kann die auf Knoten 42A und 42B gespeicherte Ladung sowie die auf Kondensatoren 66A und 66B gespeicherte Ladung ausgelesen werden. Die Auslesesignale können kurze oder lange Integrationssignale bilden. Falls gewünscht, können die langen und kurzen Integrationssignale kombiniert werden, um ein endgültiges HDR-Bild zu bilden. Bei dem Beispiel aus 10 werden Steuersignale DCGA und Sample-and-Hold-Steuersignal SHS gleichzeitig in aktiven Zustand gebracht, um auf Kondensator 66A gespeicherte Ladung auszulesen (z. B. ein Teil des Bildsignals der langen Integration, das von Fotodiode 40 gesammelt und auf Kondensator 66A gespeichert wird). Rücksetzsignal RST und Rücksetz-Sample-and-Hold-Steuersignal SHR können anschließend in aktiven Zustand gebracht werden, um ein Rücksetzniveausignal auszulesen für die Durchführung von Correlated Double Sampling mit dem Signalauslesen von Kondensator 66A und später mit dem Signalauslesen von Speicherdiode 42A. Als nächstes können Transfersignal TX2A und Sample-and-Hold-Steuersignal SHS gleichzeitig in aktiven Zustand gebracht werden, um einen Teil des Bildsignals der langen Integration von Speicherdiode 42A auszulesen. Falls gewünscht, kann dieser Teil des Auslesesignals mit der Signalauslesung von Kondensator 66A kombiniert werden.
  • Als nächstes können Steuersignal DCGB und Sample-and-Hold-Steuersignal SHS gleichzeitig in aktiven Zustand gebracht werden, um auf Kondensator 66B gespeicherte Ladung auszulesen (z. B. ein Teil des Bildsignals der kurzen Integration, das von Fotodiode 40 gesammelt und auf Kondensator 66B gespeichert wird). Rücksetzsignal RST und Rücksetz-Sample-and-Hold-Steuersignal SHR können anschließend in aktiven Zustand gebracht werden, um ein Rücksetzniveausignal auszulesen für die Durchführung von Correlated Double Sampling mit dem Signalauslesen von Kondensator 66B und später mit dem Signalauslesen von Speicherdiode 42B. Als nächstes können Transfersignal TX2B und Sample-and-Hold-Steuersignal SHS gleichzeitig in aktiven Zustand gebracht werden, um einen Teil des Bildsignals der kurzen Integration vom Speicherdiode 42B auszulesen. Falls gewünscht, kann dieser Teil des Auslesesignals mit der Signalauslesung von Kondensator 66B kombiniert werden.
  • Die Bildsignalauslesungen von Kondensator 66A und Speicherknoten 42A können mit den Bildsignalauslesungen von Kondensator 66B und Speicherknoten 42B kombiniert werden, um ein HDR-Bild zu generieren (z. B. ein Bild, in dem Bildsignale mit langer Integrationszeit von Knoten 42A und Kondensator 66A für verhältnismäßig abgedunkelte Teile der abgebildeten Szene verwendet werden und in denen Bildsignale mit kurzer Integrationszeit von Knoten 42B und Kondensator 66B für verhältnismäßig helle Teile der abgebildeten Szene verwendet werden oder Signale von Knoten 42A und Knoten 42B zusammengerechnet werden und Signale von Kondensator 62A und Kondensator 62B zusammengerechnet werden und Ergebnisse beider Vorgänge in einem HDR-Signal kombiniert werden). Das Beispiel von 10 dient nur der Veranschaulichung. Im Allgemeinen kann jedes gewünschte Zeitschema für den Betrieb von Pixeln 22 mit mehreren Speicherknoten 42 verwendet werden.
  • 11 ist ein vereinfachtes Diagramm eines exemplarischen Prozessorsystems 1000, wie beispielsweise eine Digitalkamera, das ein bildgebendes Gerät 1008 (z. B. das Kameramodul aus 1) unter Verwendung eines Imagers mit Pixeln beinhaltet, wie oben beschrieben in Verbindung mit 1–10. Ohne einschränkend zu sein, könnte ein solches System ein Computersystem, ein Standbild- oder Videokamerasystem, einen Scanner, ein Bildverarbeitungssystem, ein Fahrzeugnavigationssystem, ein Videotelefon, ein Überwachungssystem, ein Autofokussystem, ein Sternsensorsystem, ein Bewegungserkennungssystem, ein Bildstabilisierungssystem, und andere Systeme, die ein bildgebendes Gerät verwenden, einschließen.
  • Prozessorsystem 1000, zum Beispiel ein digitales Standbild- oder Videokamerasystem, schließt im Allgemeinen eine Linse 1114 für die Fokussierung eines Bildes auf ein oder mehrere Pixelarrays im bildgebenden Gerät 1008, wenn ein Blendenauslöser 1116 gedrückt wird, und eine Zentraleinheit (CPU) 1002, wie beispielsweise ein Mikroprozessor, ein, der die Kamera und eine oder mehrere Bildströmungsfunktionen steuert. Verarbeitungseinheit 1102 kann mit einem oder mehreren Ein-/Ausganggeräten 1110 über einen Systembus 1006 kommunizieren. Bildgebendes Gerät 1008 kann ebenfalls mit CPU 1002 über Bus 1006 kommunizieren. System 1000 kann außerdem Random Access Memory (RAM) 1004 einschließen und optional herausnehmbaren Speicher 1112, beispielsweise Flash-Speicher, der ebenfalls mit CPU 1002 über Bus 1006 kommunizieren kann. Bildgebendes Gerät 1008 kann mit der CPU kombiniert werden, mit oder ohne Speicher auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis oder auf einem anderen Chip. Obwohl Bus 1006 als einzelner Bus dargestellt wird, kann es sich um einen oder mehr Busse, Brücken oder andere Kommunikationswege handeln, die verwendet werden, um Systemkomponenten des Systems 1000 miteinander zu verbinden.
  • Verschiedene Ausführungsformen wurden beschrieben, die Systeme und Methoden für die Generierung von Bildern unter Zuhilfenahme von Pixeln im Bildsensor mit Ladungsspeicherknoten, die wesentlich kleiner als die entsprechenden Fotodioden in den Pixeln sind, darstellen.
  • Das Pixel im Bildsensor kann eine Fotodiode, einen Ladungsspeicherknoten, einen schwebenden Diffusionsknoten und einen Kondensator enthalten. Ein erster Transistor kann zwischen der Fotodiode und dem Ladungsspeicherknoten gekoppelt werden. Ein zweiter Transistor kann zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem schwebenden Diffusionsknoten gekoppelt werden. Ein dritter Transistor kann zwischen dem Kondensator und dem schwebenden Diffusionsknoten gekoppelt werden. Eine gepinnte Potentialschwelle kann sich zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem Kondensator bilden. Die gepinnte Potentialschwelle kann ein Potential aufweisen, das zwischen dem Potential der Fotodiode und dem Potential des Ladungsspeicherknotens liegt. Beispielsweise können die gepinnte Potentialschwelle, die Fotodiode und der Ladungsspeicherknoten mithilfe von Halbleiterimplantaten desselben Typs gebildet werden, aber unter Verwendung unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen.
  • In einer weiteren geeigneten Anordnung kann ein vierter Transistor zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem Kondensator gekoppelt werden. Ein Gateanschluss des vierten Transistors kann ein Steuersignal empfangen, das eine Potentialschwelle zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem Kondensator auf ein Niveau anpasst, das zwischen dem Potential der Fotodiode und dem Potential des Ladungsspeicherknotens liegt.
  • Beispielsweise kann die Fotodiode so konfiguriert werden, dass sie Bildladung als Reaktion auf Bildlicht generiert. Der erste Transistor kann die Bildladung auf den Ladungsspeicherknoten übertragen. Der vierte Transistor oder die gepinnte Potentialschwelle kann einen Teil (z. B. einen Überlaufteil) der Bildladung vom Ladungsspeicherknoten auf den Kondensator übertragen. Der dritte Transistor kann so konfiguriert werden, dass er den Teil der Bildladung vom Kondensator zum schwebenden Diffusionsknoten überträgt. Falls gewünscht, kann der dritte Transistor gesteuert werden, um eine Umwandlungsgewinnung des Pixels anzupassen.
  • Auslesungsschaltung im Pixel im Bildsensor kann den Teil der Bildladung von der schwebenden Diffusionsschaltung auf eine Spaltenauslesungslinie ausgeben. Der zweite Transistor kann so konfiguriert werden, dass er den verbleibenden Teil der Bildladung vom Ladungsspeicherknoten auf den schwebenden Diffusionsknoten überträgt, nachdem der Teil der Bildladung auf die Spaltenauslesungslinie ausgegeben wurde. Die Auslesungsschaltung kann so konfiguriert werden, dass der verbleibende Teil der Bildladung vom schwebenden Diffusionsknoten ausgegeben wird. Die Auslesungsladung kann kombiniert werden, um ein endgültiges Bildsignal zu generieren.
  • In Übereinstimmung mit den oben genannten Anordnungen kann der Kondensator eine Lichtabschirmstruktur bilden, die den Ladungsspeicherknoten vom Bildlicht abschirmt. In Übereinstimmung mit den oben genannten Anordnungen kann der Kondensator eine Lichtreflektorstruktur bilden, die zumindest etwas Bildlicht in Richtung der Fotodiode reflektiert.
  • Die obigen Ausführungen sollen nur der Veranschaulichung der Grundlagen der Erfindung dienen, und von einem Fachmann können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Bereich und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.

Claims (20)

  1. Pixel im Bildsensor, Folgendes umfassend: einen lichtempfindlichen Bereich, der Ladung als Reaktion auf Bildlicht generiert; einen Ladungsspeicherbereich; einen Ladungstransfertransistor, der so konfiguriert ist, dass er die generierte Ladung vom lichtempfindlichen Bereich auf den Ladungsspeicherbereich überträgt; einen Kondensator; und eine gepinnte Potentialschwelle, die zwischen dem Ladungsspeicherbereich und dem Kondensator gekoppelt ist, wobei die gepinnte Potentialschwelle so konfiguriert ist, dass sie einen Teil der übertragenen Ladung vom Ladungsspeicherbereich auf den Kondensator überträgt.
  2. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der lichtempfindliche Bereich ein erstes gepinntes Potential aufweist, der Ladungsspeicherbereich ein zweites gepinntes Potential aufweist, und die gepinnte Potentialschwelle ein drittes gepinntes Potential aufweist, das zwischen dem ersten gepinnten Potential und dem zweiten gepinnten Potential liegt.
  3. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, zusätzlich Folgendes umfassend: einen schwebenden Diffusionsbereich; und einen zusätzlichen Ladungstransfertransistor, der so konfiguriert ist, dass er zumindest etwas der übertragenen Ladung vom Ladungsspeicherbereich auf den schwebenden Diffusionsbereich überträgt;
  4. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 3, zusätzlich Folgendes umfassend: einen Dual-Umwandlungsgewinntransistor, der zwischen dem Kondensator und dem schwebenden Diffusionsbereich gekoppelt ist, wobei der Dual-Umwandlungsgewinntransistor so konfiguriert ist, dass er den Teil der übertragenen Ladung vom Kondensator auf den schwebenden Diffusionsbereich überträgt.
  5. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, zusätzlich Folgendes umfassend: einen schwebenden Diffusionsbereich; und einen Transistor, der zwischen dem Kondensator und dem schwebenden Diffusionsbereich gekoppelt ist, wobei der Transistor so konfiguriert ist, dass er den Teil der übertragenen Ladung vom Kondensator auf den schwebenden Diffusionsbereich überträgt.
  6. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 5, wobei der Transistor so konfiguriert ist, dass er einen Umwandlungsgewinn des Pixels im Bildsensor anpasst.
  7. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 5, zusätzlich Folgendes umfassend: einen zusätzlichen Ladungstransfertransistor, der zwischen dem Ladungsspeicherbereich und dem schwebenden Diffusionsbereich gekoppelt ist.
  8. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Ladungsspeicherbereich und der lichtempfindliche Bereich innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildet werden, wobei der Kondensator auf dem Halbleitersubstrat und über dem Ladungsspeicherbereich gebildet wird, und wobei der Kondensator so konfiguriert ist, dass er den Ladungsspeicherbereich vom Bildlicht abschirmt.
  9. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 8, zusätzlich Folgendes umfassend: einen über dem Halbleitersubstrat gebildeten dielektrischen Stapel, wobei der Kondensator erste und zweite Kondensatorplatten umfasst, wobei die erste Kondensatorplatte in einer ersten Metallisierungsschicht des dielektrischen Stapels gebildet wird, und wobei die zweite Kondensatorplatte in einer zweiten Metallisierungsschicht des dielektrischen Stapels gebildet wird.
  10. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Ladungsspeicherbereich und der lichtempfindliche Bereich innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildet werden, wobei der Kondensator bis hinter den lichtempfindlichen Bereich unter das Halbleitersubstrat reicht, und wobei der Kondensator so konfiguriert ist, dass er zumindest etwas des Bildlichts in Richtung des lichtempfindlichen Bereichs reflektiert.
  11. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 10, zusätzlich Folgendes umfassend: eine leitende Schicht, gebildet über einer Seite des Halbleitersubstrats gegenüber dem lichtempfindlichen Bereich, wobei die leitende Schicht unter Ruhestrom unter Verwendung einer negativen Biasspannung steht.
  12. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der lichtempfindliche Bereich Halbleiter-Implantate von einem ersten Typen mit einer ersten Dotierungskonzentration umfasst, der Ladungsspeicherbereich Halbleiterimplantate des ersten Typen mit einer zweiten Dotierungskonzentration umfasst, die sich von der ersten Dotierungskonzentration unterscheidet, und die gepinnte Potentialschwelle Halbleiterimplantate des ersten Typen mit einer dritten Dotierungskonzentration umfasst, die sich von den ersten und zweiten Dotierungskonzentrationen unterscheidet.
  13. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, zusätzlich Folgendes umfassend: einen zusätzlichen Ladungsspeicherbereich; einen zusätzlichen Ladungstransfertransistor, der zwischen dem zusätzlichen Ladungsspeicherbereich und dem lichtempfindlichen Bereich gekoppelt ist; einen zusätzlichen Kondensator; und eine zusätzliche gepinnte Potentialschwelle, die zwischen dem zusätzlichen Kondensator und dem zusätzlichen Ladungsspeicherbereich gekoppelt ist.
  14. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Kondensator aus der Gruppe der Kondensatorstrukturen ausgewählte Kondensatorstrukturen umfasst, zusammengesetzt aus: Metall-Isolator-Metall(MIM)-Kondensatorstrukturen, Polysilizium-Isolator-Polysilizium(PIP)-Kondensatorstrukturen, und tiefen Grabenisolationskondensatorstrukturen.
  15. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 1, zusätzlich Folgendes umfassend: tiefe Grabenisolationsstrukturen, die auf gegenüberliegenden Seiten des lichtempfindlichen Bereiches gebildet werden.
  16. Bildsensor-Pixelschaltung, Folgendes umfassend: eine Fotodiode; einen Ladungsspeicherknoten; einen Floating-Diffusion-Knoten; einen Kondensator; einen ersten Transistor, gekoppelt zwischen der Fotodiode und dem Ladungsspeicherknoten; einen zweiten Transistor, gekoppelt zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem schwebenden Diffusionsknoten; einen dritten Transistor, gekoppelt zwischen dem Kondensator und dem schwebenden Diffusionsknoten; und einen vierten Transistor, gekoppelt zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem Kondensator, wobei ein Gateanschluss des vierten Transistors ein Steuersignal empfängt, das eine Potentialschwelle zwischen dem Ladungsspeicherknoten und dem Kondensator anpasst, um Ladung vom Ladungsspeicherknoten auf den Kondensator zu übertragen.
  17. Bildsensor-Pixelschaltung nach Anspruch 16, wobei der dritte Transistor so konfiguriert ist, dass er zumindest etwas der übertragenen Ladung vom Kondensator auf den schwebenden Diffusionsknoten überträgt.
  18. Bildsensor-Pixelschaltung nach Anspruch 17, wobei die Fotodiode so konfiguriert ist, dass sie eine Bildladung als Reaktion auf Bildlicht generiert, der erste Transistor so konfiguriert ist, dass er die Bildladung auf den Ladungsspeicherknoten überträgt, der vierte Transistor so konfiguriert ist, dass er einen Teil der Bildladung vom Ladungsspeicherknoten auf den Kondensator überträgt, und der dritte Transistor so konfiguriert ist, dass er den Teil der Bildladung vom Kondensator auf den schwebenden Diffusionsknoten überträgt, wobei die Bildsensor-Pixelschaltung weiterhin besteht aus: Auslesungsschaltung, wobei die Auslesungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie den Teil der Bildladung von der schwebenden Diffusionsschaltung auf eine Spaltenauslesungslinie ausgibt, wobei der zweite Transistor so konfiguriert ist, dass er einen verbleibenden Teil der Bildladung vom Ladungsspeicherknoten auf den schwebenden Diffusionsknoten überträgt, nachdem der Teil der Bildladung auf die Spaltenauslesungslinie ausgegeben wurde, und wobei die Auslesungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie den verbleibenden Teil der Bildladung vom schwebenden Diffusionsknoten ausgibt.
  19. Pixel im Bildsensor nach Anspruch 18, wobei der Kondensator Kondensatorstrukturen umfasst, die aus der Gruppe der Kondensatorstrukturen ausgewählt sind, bestehend aus: lichtabschirmenden Kondensatorstrukturen, die konfiguriert sind, um den Ladungsspeicherknoten vom Bildlicht abzuschirmen, und lichtreflektierenden Kondensatorstrukturen, die konfiguriert sind, um zumindest etwas des Bildlichts in Richtung der Fotodiode zu lenken.
  20. System, umfassend: eine Zentraleinheit; einen Speicher; eine Linse Eingabe-Ausgabe-Schaltlogik; und ein Global-Shutter-Bildpixel, wobei das Global-Shutter-Bildpixel Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Fotodiode im Substrat, wobei die Fotodiode ein erstes gepinntes Potential aufweist, und wobei die Linse so konfiguriert ist, dass sie Bildlicht in Richtung Fotodiode lenkt; eine Ladungsspeicherdiode im Substrat, wobei die Ladungsspeicherdiode ein zweites gepinntes Potential aufweist; einen schwebenden Diffusionsknoten im Substrat; einen Kondensator, der über dem Substrat gebildet wird; einen Dual-Umwandlungsgewinntransistor, der zwischen dem Kondensator und dem schwebenden Diffusionsknoten gekoppelt ist; und eine gepinnte Potentialschwelle im Substrat und zwischen der Ladungsspeicherdiode und dem Kondensator gekoppelt, wobei die gepinnte Potentialschwelle ein drittes gepinntes Potential aufweist, das zwischen dem ersten gepinnten Potential und dem zweiten gepinnten Potential liegt und wobei der Kondensator Kondensatorstrukturen umfasst, die aus der Gruppe von Kondensatorstrukturen ausgewählt sind, bestehend aus: lichtabschirmenden Kondensatorstrukturen, die so konfiguriert sind, dass sie die Ladungsspeicherdiode vom Bildlicht abschirmen, und lichtreflektierenden Kondensatorstrukturen, die so konfiguriert sind, dass sie zumindest etwas Bildlicht in Richtung Fotodiode reflektieren.
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