DE60307511T2

DE60307511T2 - Schaltung für bildsensoren mit lawinenphotodioden

Info

Publication number: DE60307511T2
Application number: DE60307511T
Authority: DE
Inventors: J.R.P. Carlos San Jose AUGUSTO; N.C. Pedro Cerritos DINIZ
Original assignee: Quantum Semiconductor LLC
Current assignee: Quantum Semiconductor LLC
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: US7115963B2; ATE336140T1; EP1570645A1; DE60307511D1; EP1570645B1; WO2004054235A1; US20050224903A1; AU2003289994A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Systemarchitektur und ein Schaltungsdesign für CMOS-Bildsensoren. Insbesondere bezieht sie sich auf Photodetektoren und Bildsensoren, die in der WO 02/033755 beschrieben sind, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Das Leistungsverhalten und die Funktionalität von CMOS-Bildsensoren hängen von der Physik der Photodetektion, den Betriebsarten der Photodioden, der pixelinternen Schaltung, der Schaltung an der Peripherie sowie den Verbindungen zwischen der Sensormatrix und der Peripherie ab.
Die WO 02/033755 führt eine Prozesstechnologie ein, welche es ermöglicht, Lawinen-Photodioden, (APDs – Avalanche Photo Diodes) für Bildsensormatrizen eng mit CMOS-Bauelementen zu integrieren. Da die aktiven Schichten der APDs epitaktisch auf den Substraten aufgewachsen werden, besteht die Möglichkeit, optimale Dotierungs- und Heteroübergangsprofile mit Hilfe von perfekten Legierungen und Übergittern auf Siliciumbasis, beispielsweise Silicium-Germanium (SiGe) und Silicium-Germanium-Kohlenstoff (SiGeC), zu erhalten. Das epitaktische Wachstum der aktiven Schichten ermöglicht die Herstellung von Avalanche-Photodetektoren mit separater Absorption und Vervielfachung (SAM-APDs -Separated Absorption and Multiplication APDs), welche für das Photodiodendesign erachtet wird, welches das beste Leistungsverhalten bietet.
Das epitaktische Wachstum der Photodiodenschicht ermöglicht die Herstellung von CMOS-Bildsensoren auf anderen Substraten als Bulk-Siliciumwafern, beispielsweise SOI- (Silicium-auf-Isolator-) Substraten, darunter Dünnschicht(TF)-SOI-Substraten. Es sollte erkannt werden, dass herkömmliche CMOS-Bildsensoren nicht auf TF-SOI hergestellt werden können, weil:

1. die kristalline Siliciumschicht auf der Oberseite des vergrabenen Oxids zu dünn ist, um eine brauchbare Photoabsorption bereitzustellen.
2. bei TF-SOI der Source/Drain-zu-Trog-Übergang, der bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren als die Photodiode genutzt wird, nicht existiert.

Abgesehen davon, dass es das Substrat der Wahl für CMOS-Bauelemente einer Generation weit unter 90nm darstellt, mit unstrittigen Vorteilen gegenüber Bulk-Substraten/Bauelementen, was die Geschwindigkeit, Verlustleistung, Integrationsdichte, Strahlungshärte usw. betrifft, ermöglicht TF-SOI rückseitenbeleuchtete CMOS-Bildsensoren durch Entfernen des Siliciumwafers unterhalb des vergrabenen Oxids und Ersetzen desselben durch ein transparentes Substrat wie etwa Quarz, Saphir, Quarzglas, Kunststoff usw.
Die Rückseitenbeleuchtung bietet einige einzigartige Möglichkeiten für CMOS-Bildsensoren, da auf der Frontseite des Wafers die Fläche oberhalb der Photodiode in jedem Pixel nicht mehr frei von opaken Materialien zu sein braucht. Daher wird Folgendes möglich:

1. engmaschige Metallverbindungen über dem Bereich der Pixel und Photodioden;
2. pixelinterne Kondensatoren, Homo/Heteroübergangs- oder MOS-Kondensatoren können über den Schichten der Photodioden hergestellt werden, wodurch etwaige Nachteile hinsichtlich des Flächenverbrauchs vermieden werden;
3. pixelinterne MIM-Kondensatoren können während der Herstellung dichter Verbindungen über Pixelbereichen hergestellt werden;
4. das Licht braucht nicht mehr durch die dielektrischen Schichten zu laufen, die in den Metallisierungsstapel eingebettet sind, wodurch Einschränkungen hinsichtlich des Materials, des Layouts und der Gesamtdicke des Metallstapels wegfallen;
5. Ohne Einschränkungen in Verbindung mit der Bilderfassung kann die Anzahl der genutzten Metallebenen oder die Herstellung der CMOS-Bildsensoren die für die entsprechend genutzte CMOS-Generation maximal mögliche sein. Typischerweise werden herkömmliche CMOS-Bildsensoren mit weniger Metallebenen hergestellt, als eine rein elektrische Schaltung, die mit der gleichen CMOS-Technologie hergestellt wird, und zwar aufgrund der Einschränkungen hinsichtlich der Höhe des Metallisierungsstapels.

Eine weitere Erfindung, die in einer gleichzeitig anhängigen internationalen Anmeldung offenbart ist und als Oberflächenplasmonenresonanz(SPP – Surface Plasmon Polariton)-Lichttrichter bezeichnet wird, stellt ein neues Bauelement dar, das eine Reihe wesentlicher Parameter von Bildsensoren beträchtlich ändert. Eine Matrix aus SPP-Lichttrichterelementen oder SPP-Pixeln ist in der Bildebene der Linse angeordnet. Jeder SPP-Lichttrichter sammelt Licht aus einem bestimmten Bereich, welcher die Größe des SPP-Pixels definiert, und führt es trichterartig auf einen viel kleineren Bereich, und zwar ohne Dämpfung oder Brechung. Der kleine Querschnitt eines SPP-Lichttrichters ist sehr nahe an der entsprechenden Photodiode angeordnet, welche nur eine geringfügig größere Oberfläche zu haben braucht, als der "schmale" Bereich des Lichttrichters.
Die SPP-Lichttrichter bieten die folgenden Möglichkeiten:

1. Licht, das aus einem bestimmten Bereich gesammelt wird, kann auf einen Querschnitt eingezwängt werden, der viel kleiner als die Wellenlänge von Licht ist, und zwar ohne Dämpfung oder Brechung.
2. Der "schmale" Bereich eines Lichttrichters zwängt das Licht in die entsprechende Photodiode.
3. Die Fläche der Photodiode kann auf eine Fläche reduziert werden, die nur geringfügig gröber als der Querschnitt des schmalen Bereiches des Lichttrichters ist, wodurch der Dunkelstrom reduziert wird, ohne das Eingangssignal zu verlieren. Dadurch ergibt sich ein erhöhtes Signal/Rausch-Verhältnis.
4. Die Größe des SPP-Pixels in der Bildebene der Linse bestimmt die Größe des "Sensor-Pixels".
5. Die Menge an Licht, die durch den Lichttrichter in die Photodiode eingekoppelt wird, ist unabhängig von der Größe der Photodiode, wodurch ein konstanter Füllfaktor von 100% bereitgestellt wird.
6. Die Reduzierung der Größe der Photodiode vermindert den Dunkelstrom und bietet zusätzliche Fläche für CMOS-Bauelemente, ohne dass sich der Füllfaktor vermindert.
7. Durch die Reduzierung der Größe der Photodiode verbessert sich die Ausbeute des epitaktischen Wachstumsprozesses, der zur Herstellung der Photodioden genutzt wird.
8. Die Lichtkoppelmechanismen des SPP-Lichttrichters verhindern ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln, welches durch Photonen entsteht, die auf sehr schrägen Pfaden auftreffen.

Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 2 ausgeführt. Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer pixelinternen Schaltungsarchitektur für APDs, die im linearen Modus arbeiten, welche Vorteil aus einer großen Anzahl pixelinterner CMOS-Bauelemente zieht, und zwar ohne eine Verminderung des Füllfaktors.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung stellt eine pixelinterne Schaltungsarchitektur für APDs dar, die im nichtlinearen Modus arbeiten, der auch als Geiger-Modus bezeichnet wird, welche Vorteil aus einer großen Anzahl pixelinterner CMOS-Bauelementen zieht, ohne eine Verminderung des Füllfaktors.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung stellt eine erste Schaltungsarchitektur dar, um einen Vorteil aus den dichten Verbindungen zwischen pixelinterner Schaltung und Peripherieschaltung der Sensormatrix zu ziehen.
Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer zweiten Schaltungsarchitektur, um einen Vorteil aus den dichten Verbindungen zwischen pixelinterner Schaltung und Peripherieschaltung der Sensormatrix zu ziehen.
Eine fünfte Aufgabe der vorliegenden Erfindung stellt eine dritte Schaltungsarchitektur dar, um einen Vorteil aus den dichten Verbindungen zwischen pixelinterner Schaltung und Peripherieschaltung der Sensormatrix zu ziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt, wie mehrere Verstärkungsfaktoren für die APD realisiert werden können, indem mehrere Pass-Transistoren hinzugefügt werden, die zwischen den oberen Anschluss der APD und Metallleitungen mit unterschiedlichen Potentialpegeln geschaltet werden.
2 zeigt die "pixelinterne" Schaltung, die in einem "Detektionsfrequenz"-Modus arbeitet, sowie die entsprechende Schaltung zum Zurücksetzen der Photodiode (nach einer ersten Detektion), wobei sich die Photodiode letztendlich im "Standby"-Modus, bereit für die nächste Detektion, befindet.
3 zeigt das Taktungsdiagramm für die Betriebsphasen Rücksetzung, Standby, Detektion und Rücksetzung der Schaltung, welche das Ausgangssignal behandelt und die Geiger-APD steuert.
4 zeigt die Schaltung aus 2 zuzüglich der pixelinternen Zähler, die für dieses spezielle Beispiel mit einer Tiefe von 4 Bit dargestellt sind. Andere Bit-Tiefen sind möglich.
5 zeigt ein Beispiel einer digitalen Pixelsteuereinheit (PDCU – Pixel Digital Control Unit), wobei der Vereinfachung der Zeichnung halber nur 4 Pixel, mit 2-Bit-Zählern, gezeigt sind.
6 zeigt die Darstellung der spaltenweise angeordneten dichten Verbindungen, wobei jede Bahn aus einer endlichen Anzahl gestapelter Metallleitungen (oberer Teil der Figur) besteht. Die Figur zeigt außerdem die Anordnung der Bahnen, die über der Fläche der Pixel liegen und spaltenweise ausgelegt sind.
7 stellt die minimalen Verbindungen zwischen einer digitalen Pixelsteuereinheit (PDCU) und einem Satz von Pixeln, die diese steuert, dar, und zwar für den Umfang, dass die Daten in den Pixelzählern zu einer Peripherieschaltung übertragen werden und unter Annahme von 3 Leitungen für Daten und 1 Leitung für Steuerung (d. h. dass eine Bahn mit 4 Leitungen genutzt wird).
8 zeigt ein Taktungsdiagramm, das die Übertragung von Daten für 2 Pixel unter der Annahme der in 7 dargestellten Pixel- und PDCU-Anordnung darstellt.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
Hochentwickelte pixelinterne Schaltung
Lawinen-Photodioden (APDs) können in Betriebsarten betrieben werden, die für Photodioden, welche in herkömmlichen CMOS-Bildsensoren genutzt werden, nicht zur Verfügung stehen.
Der Betrieb von APDs im linearen Modus liefert eine eingebaute analoge Verstärkung des durch Licht generierten Signals. Der Betrag der Verstärkung oder "Vervielfachung" kann durch Vergrößerung der angelegten Spannung erhöht werden. Die Amplitude des Photostroms ist proportional zur Anzahl der Elektron-Loch-Paare, die in der Photodiode absorbiert werden. Wird eine Sperrschicht im Lawinenmodus oder Photostrommodus betrieben, wirkt sie nicht als Speicherknoten, wie es bei Photodioden mit pn-Übergang der Fall ist, die in herkömmlichen CMOS-Bildsensoren genutzt. werden, welche im Photovoltaikmodus betrieben werden. Der Geiger-Modus ist nichtlinear, weil die angelegte Vorspannung so groß ist, dass ungeachtet der Anzahl der absorbierten Photonen die Verstärkung derart erfolgt, dass die Absorption eines einzelnen Photons zu einer unmittelbaren Stromsättigung führt. Deshalb wird dieser Modus auch als "Einphotonenzählungs"-Modus bezeichnet. Dieser Modus ist insbesondere geeignet für extrem schwache Beleuchtungsbedingungen und um den Moment der Photodetektion zu signalisieren.
Die CMOS-Bauelemente, welche die Ausgangssignale der Photodioden direkt steuern und behandeln, können in Schaltungen angeordnet werden, welche den Photostrom auf zweierlei grundlegend unterschiedliche Weise behandeln, nämlich:

1. Umsetzung der Amplitude des detektierten Photostroms in digitale Werte;
2. Umsetzung der Frequenz des detektierten Photostroms in digitale Werte.

Beide Fälle können für eine asynchrone Nachverfolgung des Eingangssignals realisiert werden, in welchem Fall für beide "pixelinterne" Zähler erforderlich sind. Das Umsetzen der Amplitude in digitale Werte erfordert eine recht herkömmliche Schaltung, wie etwa einen Komparator zusätzlich zu den für die Steuerung der APD selbst erforderlichen Transistoren als auch Transistoren für die Zähler. Andererseits erfordert das Umsetzen der Frequenz in digitale Werte keinen Komparator, und es wird erreicht durch Führen der Impulsfolge, welche die APD erzeugt (bereits in digitaler Form), auf einen digitalen Zähler. Daher ist eine Frequenz-zu-digital-Wandlung oder Photonen-zu-digital-Wandlung viel kompakter und krankt nicht an Auslese-Rauschen und Quantisierungsfehlern, die mit einer Amplitude-zu-digital-Wandlung verbunden sind.
Pixelinterne Schaltung für Lawinen-Photodioden (APDs), die im linearen Modus arbeiten
Vorausgesetzt, dass eine ausreichend große Anzahl von CMOS-Bauelementen innerhalb eines Pixels erzeugt werden kann, können höhere Entwicklungsgrade für den Betrieb der Bildsensoren hinzukommen. Insbesondere für Bildsensoren mit EGS (Eletronic Global Shutter) und Pixeln, bei denen die APDs im linearen Modus betrieben werden, ist es höchst wünschenswert, die Lawinenverstärkung für jedes Pixel unabhängig zu steuern.
Die Lawinenverstärkung hängt sehr empfindlich von der angelegten Spannung ab, und aus diesem Grund ist es außerdem höchst wünschenswert, mehrere unterschiedliche stabile Spannungsquellen zu haben, welche mit einem Anschluss der Photodiode über Pass-Transistoren verbunden sind, die entsprechend den Beleuchtungsbedingungen ausgewählt werden können. Damit wird es möglich, eine hohe Lawinenverstärkung für eine geringere Lichtintensität zu wählen und eine schwächere Verstärkung für eine stärkere Lichtintensität zu wählen und somit einen viel größeren Aussteuerbereich zu behandeln, als es ansonsten möglich ist, was zu einem geringeren Informationsverlust über ein gesamtes Bild hin führt. Die Informationen dazu, bei welcher Verstärkung (welcher Spannung) die Photodiode arbeitet, wenn ein gegebenes Bild erfasst wird, kann an die Bits angehängt werden, wobei die Binärwerte die Informationen bezüglich der Primärfarben beschreiben. 1 zeigt, wie mehrere Verstärkungsfaktoren für die APD realisiert werden können, indem mehr Pass-Transistoren hinzugefügt werden, die zwischen den oberen Anschluss der APD und Metallleitungen mit unterschiedlichen Potentialpegeln geschaltet sind. Die zusätzlichen Pass-Transistoren würden parallel zu T1 angeordnet, und es würde nur jeweils einer angeschaltet werden. Bei mehreren Spannungspegeln würde das Gate von T2 getrennt von T1 oder einem der anderen Pass-Transistoren gesteuert werden.
Pixelinterne Schaltung für Lawinen-Photodioden (APDs), die im Geiger-Modus arbeiten
Der Geiger-Modus erfordert wegen seines extrem großen Verstärkungsfaktors eine Entladung des Stroms, um eine permanente Schädigung der Photodiode aufgrund einer Überhitzung zu verhindern. Die Entladung kann mit passiven oder aktiven Schaltungen erfolgen. Eine aktive Entladung besteht im Zurücksetzen der Photodiode unmittelbar nachdem der Strom nach der Absorption eines oder mehrerer Photonen durch die Photodiode auf hohe Pegel angestiegen ist. Das Rücksetzsignal muss derart ausgelöst werden, dass zwei Aufgaben erfüllt werden:

a) Kurzschluss beider Anschlüsse der Photodiode, sodass der Strom auf Null gebracht wird;
b) Wiederherstellen der "Standby"-Einstellung an der Photodiode, mit einer angelegten Spannung und einem niedrigen "Dunkelstrom", in Bereitschaft zur Detektion des/der nächsten Photon(s)/(en).

Die maximale Detektionsfrequenz ist abhängig von der Geschwindigkeit der physikalischen Erscheinungen im Inneren der Photodiode als auch von der Schaltgeschwindigkeit der Schaltung, die der Photodiode zugeordnet ist. Die maximale Detektionsfrequenz liefert den oberen Grenzwert für die Anzahl von Photonen, die von der Photodiode pro Zeiteinheit gezählt werden können, und somit den maximal möglichen Aussteuerbereich zur Detektion mit einer gegebenen APD und der zugeordneten Schaltung.
2 zeigt die "pixelinterne" Schaltung, die in einem "Detektionsfrequenz"-Modus arbeitet, sowie die entsprechende Schaltung zum Zurücksetzen der Photodiode (nach einer ersten Detektion), wobei sich die Photodiode letztendlich im "Standby"-Modus, bereit für die nächste Detektion, befindet. Die verschiedenen Elemente dieser Schaltung als auch spezifische Punkte P0, P1, P2 und P3 sind bezeichnet. Bei dieser Architektur sind zwei Transistoren T1 und T2 vorhanden, um die Spannungszufuhr für die APD zu steuern, und diese werden ihrerseits durch das NOR-Gatter N2 gesteuert. Am Ausgang der APD befindet sich eine "Impulslogik"-Schaltung, die sich aus dem NOR-Gatter N0 und einem NOT-Gatter N1 zusammensetzt.
3 zeigt das Taktungsdiagramm für die Betriebsphasen Rücksetzen, Standby, Detektion und Rücksetzen der Schaltung, welche das Ausgangssignal behandelt und die Geiger-APD steuert.
4 zeigt die Schaltung aus 2 zuzüglich der pixelinternen Zähler, welche für dieses spezielle Beispiel mit einer Tiefe von 4 Bit dargestellt sind. Andere Bit-Tiefen sind möglich.
Informationen bezüglich der Ankunftszeit von Photonen erfordern keine zusätzliche Schaltung zu der in den 2 und 4 gezeigten. Grundsätzlich stoppt ein Zeitnehmer an der Peripherie, wann die Detektion des ersten Photons erfolgt. Dieses Merkmal kann für jedes Farbpixel oder beispielsweise für die unter jeder PDCU arbeitende Pixelgruppe realisiert werden. Es ist zu erwarten, dass es bei tatsächlichen Anwendungen ausreichen wird, die Flugzeit in nur einem der Teilpixel, aus denen ein Vollfarbpixel besteht, zu messen. Für ein Farbpixel, das aus separaten Rot-, Grün- und Blau- sowie Infrarot-Teilpixeln zusammengesetzt ist, sollte es ausreichend sein, die Flugzeit in nur einem dieser Teilpixel zu messen, beispielsweise dem für Infrarot.
Für eine "pixelinterne" Schaltung, die ein Quellsignal bearbeitet, das die Detektionsfrequenz anstatt die Amplitude der detektierten Photonen darstellt, können solche Definitionen wie Aussteuerbereich(DR – Dynamic Range), Signal/Rausch-Verhältnis (SNR – Signal to Noise Ratio), Sättigung usw. auch in analoger Weise zu den für Amplitudensignale geltenden Definitionen definiert werden.
Bei Amplitudensignalen kann eine Sättigung auftreten, wenn der durch die pn-Übergänge gebildete Potentialtrog voll wird; d. h. wenn er keine weiteren Ladungen halten kann oder wenn der Speicherkondensator ebenfalls seine volle Kapazität für die Betriebsspannung erreicht hat oder wenn der Quantisierungsprozess nicht genügend Bits hat, um das analoge Signal zu beschreiben. Für ein Frequenzsignal kann die Sättigung definiert werden als diejenige Detektionsrate, bei welcher die Rücksetzschleife mit ihrer maximalen Frequenz arbeitet.
Bei Amplitudensignalen ist der Aussteuerbereich definiert als die maximale Ladungsmenge, die während einer Erfassungsperiode eingefangen wird, welche nicht die Sättigung erreicht, geteilt durch das Rauschen oder den Dunkelstrom, d. h. die Ladungen, die ohne eine Absorption von Photonen erzeugt werden. Bei Frequenzsignalen ist der Aussteuerbereich definiert als die maximale Frequenz der Rücksetzschleife vor der Sättigung, geteilt durch die Verschlussfrequenz (das Reziproke der Zeit, während welcher Photonen absorbiert werden können, was auch als Verschlusszeitfenster bezeichnet wird).
Geiger-APDs weisen ein digitales und somit rauschfreies Auslesesignal aus. Die hohe Empfindlichkeit der Geiger-APDs kann jedoch zu einer Falschdetektion führen. Dies stellt eine Form von Rauschen dar, die beispielsweise durch physikalische Defekte in den Schichten des Bauelements bewirkt wird. Da die Defekthäufigkeit exponentiell von der Fläche der Bauelemente abhängt, sollten APDs mit geringerer Fläche weniger Falschzählungen aufweisen. Andererseits ist es unmöglich zu wissen, ob eine gegebene Detektion durch ein oder mehrere Photonen verursacht wurde, die gleichzeitig absorbiert wurden. Durch eine Erhöhung der zeitlichen Auflösung der Photodetektion, d. h. der Reduzierung der Rücksetzzeit, was das gleiche heißt wie die Erhöhung der maximalen Betriebsfrequenz, vermindert sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass mehrere Photonen, die in einer kurzen Zeitspanne absorbiert werden, nicht detektiert werden.
Architekturen für dichte Verbindungen zwischen "pixelinterner" und peripherer Schaltung
Wie bereits erwähnt, ermöglichen rückseitig beleuchtete Bildsensoren mit dichten Verbindungen über den Pixelflächen auf der Frontseite des Substrats Auslesemodelle, die sich von der "zeilenweisen" oder "spaltenweisen" Adressierung, wie sie bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren genutzt wird, stark unterscheiden.
Bei einem alternativen Schema ist es erforderlich, dass im Inneren der Sensormatrix Pixel in Gruppen oder Zellen organisiert sind, wobei dieser Bereich von einer Logikeinheit gesteuert wird, die als digitale Pixelsteuereinheit (PDCU – Pixel Digital Control Unit) bezeichnet wird. Die Anzahl der unter jeder PDCU arbeitenden Pixel, die Größe der Pixel, die Anzahl und das Raster der Metallisierungsebenen sind derart vorgesehen, dass jede PDCU eine Anzahl von Metallleitungen zur Kommunikation mit der Peripherie aufweist, die mit keiner anderen PDCU geteilt werden. Andere Metallleitungen, die den Sensor mit der Peripherie verbinden, werden von allen Pixeln und allen PDCUs gemeinsam genutzt. Beispiele für gemeinsam genutzte Leitungen sind die Masseleitung (GND), möglicherweise verschiedene V_DD-Leitungen, welche unterschiedliche Spannungspegel führen, und ein Systemtakt.
Mit der Verfügbarkeit dichter Verbindungen über den Sensorflächen können die PDCUs in verteilter Weise hergestellt werden, d. h. einige Transistoren werden physisch in Bereichen angeordnet, die zu einem Pixel gehören, während andere Transistoren in einem anderen Pixel angeordnet werden, obgleich sie als eine einzige Funktionseinheit arbeiten.
5 zeigt ein Beispiel einer digitalen Pixelsteuereinheit (PDCU), wobei der einfacheren Darstellung halber nur 4 Pixel gezeigt sind, und zwar mit 2-Bit-Zählern. Die Figur beschreibt, wie das Binärsignal von jedem Pixel über eine einzige Metallleitung zur Peripherie gemultiplext wird. Diese Betriebsart wird nachstehend beschrieben, zusammen mit einer möglichen Variante, bei welcher mehr als ein Bit gleichzeitig über eine größere Anzahl paralleler Leitungen übertragen wird, wie in 7 dargestellt ist. Protokolle, die auf dem systemweiten Takt basieren, identifizieren zu jedem Zeitpunkt das Pixel, zu welchem die Daten gesendet werden.
Idealerweise würde jedes Pixel seine eigene PDCU haben, mit direkten Verbindungen zu der Peripherie. Dies kann bei zukünftiger CMOS-Technologie möglich werden, welche die Möglichkeiten bieten wird, alle notwendigen Transistoren innerhalb eines jeweiligen Pixels herzustellen und dennoch die benötigte Fläche für die Photodetektion und die Verbindungen (elektrische und/oder optische) zwischen den Pixeln und der Peripherie zu haben.
BESCHREIBUNG DER "STEUERUNG"
Nehmen wir an, dass der Bildsensor eine Anzahl M von Metallebenen aufweist und dass es auf der Fläche eines einzigen Pixels möglich ist, eine Anzahl P von Metallleitungen vorzusehen, die im Nachfolgenden als "Bahnen" bezeichnet werden, welche zu irgendeiner der M Metallebenen gehören. 6 zeigt die Anordnung für M = 8 und P = 4. Mit dieser technischen Verbindungsmöglichkeit ist es möglich, verschiedene Strategien zur Steuerung und für den Datenfluss zwischen den einzelnen Pixeln im Inneren der Sensormatrix sowie die Schaltung an der Peripherie der Sensormatrix auszudenken.
Die der folgenden Beschreibung zugrunde liegende Annahme besteht darin, dass jedem Pixel ein digitaler Zähler mit N Bits zugeordnet ist, welcher seinerseits zu jedem Zeitpunkt dem Pixel zugeordnet werden kann oder zwischen einer Gruppe aus G Pixeln zeitlich gemultiplext werden kann.
Beim Übertragen der Daten von den Pixeln zur Peripherie der Sensormatrix wird angenommen, dass ein digitaler Controller vorhanden ist, der um eine Gruppe von Pixeln herum organisiert ist, die einen gegebenen Abschnitt des Sensors belegen. Die Pixelgruppe stellt eine kleine Matrix von X × Y = G dar, die einen einzigen digitalen Zähler für die Anzahl G von Pixeln haben könnte.
Die "Bahnen" auf dem Spaltenraster werden von vielen Controllern gemeinsam genutzt werden müssen. Wenn C die Anzahl der Pixel pro Spalte der Sensormatrix ist, R die Anzahl der Pixel pro Zeile ist, gibt es C/(2X) Controller pro Spalte, bei einer angenommenen Aufteilung der Spalten in zwei Seiten, eine obere und eine untere. Jeder Spalten-Controller muss X × Y = G Pixel steuern. Unter der Annahme, dass jeder Controller die Spaltenfläche von Y Pixeln nutzen kann, kann jeder Spalten-Controller tatsächlich bis zu Y × P Bahnen mit jeweils M Leitungen nutzen. Daher müssen C/(2X) Controller insgesamt Y × P Bahnen gemeinsam nutzen.
Beispielsweise wären bei C = 2048 und R = 2048 unter Annahme von X = 4 und Y = 4 pro Halbspalte 256 Controller vorhanden. Jeder der 256 Controller würde sich 4 × 4 Bahnen mit jeweils M = 8 Leitungen teilen.
Die gemeinsame Nutzung der Leitungen durch eine jeweilige Gruppe von Controllern in einer gegebenen Halbspalte kann grundsätzlich auf dreierlei verschiedene Weise erreicht werden, nämlich:

1. die Controller konkurrieren um die gesamte Gruppe von Bahnen – freie räumliche und zeitliche Zuordnung;
2. die Controller konkurrieren um einen gleichmäßigen Anteil der Gruppe von Bahnen, z. B. kann nur jeder K-te Controller versuchen, die Bahn "i" zu nutzen – gleichmäßige räumliche, aber freie zeitliche Zuordnung;
3. Die Controller konkurrieren nicht, sondern folgen vielmehr einem starren Kommunikationsmuster, gesteuert von der Peripherie, welche bestimmt, wann sie die gemeinsam genutzten Ressourcen nutzen sollen und welcher Controller diese nutzt (typischerweise eine Gruppe, die durch ihre Positionierung in der Spalte definiert wird) – gleichmäßige räumliche und freie zeitliche Zuordnung.

Jede Alternative hat Vorteile und Nachteile. Während die erste Option eine vollständig uneingeschränkte Zuordnung von Controllern zu "Bahnen" ermöglicht, geht dies auf Kosten von Zeit und Komplexität. Die Controller müssen sich gemeinsam auf die Nutzung der "Bahnen" einigen. Die Daten, welche an die Peripherie übertragen werden müssen, müssen geeignet identifiziert werden, sodass sie an der entsprechenden Speicherstelle gespeichert werden können. Der einzigste bedeutende Vorteil besteht darin, dass nur diejenigen Controller, die Daten übertragen müssen, zusammenzuarbeiten brauchen. Dies ist besonders relevant, und womöglich ist es die ideale Anordnung für Bedingungen mit geringer Beleuchtung, da einige Pixel Photonen einfangen werden und andere nicht.
Das zweite Modell stellt einen Kompromiss zwischen dem ersten und dem dritten Modell dar. Jeder der C/(2 X Y P) Controller, die gemeinsam die gleiche "Bahn" nutzen, muss konkurrieren, um den exklusiven Zugang auf diese "Bahn" zu erhalten. Diese verteilte Entscheidungsinstanz erfordert gemeinsam genutzte Leitungen, es ist aber klar, dass sie für eine reduzierte Anzahl von Controllern machbar ist. Eine Lösung könnte die Nutzung der Leitungen der gemeinsam genutzten "Bahn" für die Entscheidung, gefolgt von einem Datenübertragungszyklus, umfassen. Dies ist eine elegante Lösung, sie erfordert aber höher entwickelte Controller im Inneren der Sensormatrix. Hinsichtlich der Zeit könnte eine verteilte Entscheidung in einfacher Weise realisiert werden, wenn die M – 1 der M Leitungen direkt binär die C/(2 X Y P) Controller kodieren könnten. Die zusätzliche Leitung könnte einfach genutzt werden, um den Beginn eines Entscheidungszyklus zu signalisieren. Im nachfolgenden Zyklus würden alle Controller, die auf das gemeinsam genutzte Medium zugreifen wollen, die M – 1 Leitungen mit ihrer "Id" einrichten, wodurch ein intern festverdrahteter Betrieb implementiert wird. Der Controller mit der niedrigsten "Id" würde gewinnen und im dritten Zyklus auf das Medium zugreifen. Es ist klar, dass dieses Modell aufgrund der Entscheidung einen zeitlichen Overhead einträgt. Dieser Overhead kann beträchtlich sein, wenn die Menge an Daten, die pro Entscheidung übertragen werden, klein ist. Beispielsweise wäre bei den zuvor erwähnten Zahlen M = 8 und es gäbe 16 Controller pro "Bahn", was mehr als genug ist, um die "Id" jedes der anfragenden Controller in 7 Bits zu kodieren.
Die dritte Anordnung nutzt ein einfaches zeitliches Multiplexen innerhalb jeder Gruppe von Controllern. Eine externe Funktionseinheit, typischerweise auch ein Controller, weist Zeilen von Controllern gleichzeitig an, wobei jeder derselben mit der Peripherie kommunizieren wird, egal welche Werte sie besitzen. Die Identität jedes Controllers ist in dem Zeitfenster impliziert, in welchem jeder Controller aktiv ist. Intelligente Umgehungsmodelle sind möglich, und zwar trotz der Tatsache, dass der Controller zur nächsten Zeile fortschreiten muss, wenn der langsamste Controller fertig ist. Die Art und Weise, dieses "so-schnell-wie-möglich-Vorangehen" zu erreichen, erfolgt durch belegte Leitungen, die von den Controllern jeder Zeile gemeinsam genutzt werden. Sobald ein jeweiliger Controller mit der Übermittlung seiner Werte fertig ist, tritt er von der "belegten" Leitung zurück. Der Peripherie-Controller merkt, wann die Leitung freigegeben ist, was bedeutet, dass alle Controller fertig sind und zu den nächsten Zeilen weitergehen. Dies stellt eine Alternative zu einem einfachen starren Taktungsschema dar. Insgesamt stellen diese Modelle die am einfachsten zu realisierenden dar.
BESCHREIBUNG DER "DATENÜBERTRAGUNG AN DIE PERIPHERIE"
Es werden nun die verschiedenen Verfahren zur Datenübertragung von einem Controller an die Peripherie beschrieben, und zwar unter der Annahme, dass die Zuordnung unter Verwendung einer der zuvor beschriebenen Steuerverfahren gelöst worden ist. Folgende Datenübertragungsverfahren sollen detailliert beschrieben werden:

1. Der Controller scannt die einzelnen Pixel in einer vorgegebenen Reihenfolge ab, wobei er die gesamten Daten von jedem Pixel an die Peripherie überträgt. Dies ist das einfachste Verfahren, und es besteht eine implizite Reihenfolge für die Peripherie und die Controller im Inneren der Sensormatrix.
2. Der Controller scannt die einzelnen Pixel in einer vorgegebenen Reihenfolge ab, wobei er die Daten partiell für eine Teilgruppe der Pixel überträgt. Im Extrem kann dieser Fall genutzt werden, um die Datenübertragung zu "komprimieren", indem eine Anzahl von Werten, die zwischen verschiedenen Pixeln gleich sind, kodiert wird.
3. Der Controller wählt die Pixel mit Daten aus. Die Auswahl folgt keiner speziellen Reihenfolge, und er überträgt die Daten des ausgewählten Pixels an die Peripherie. Ein Grenzfall für dieses Modell bestünde darin, Übergangszustände der einzelnen Pixel zu übermitteln.

Die Datenübertragung kann entweder seriell oder parallel erfolgen. Die Kompromisse hinsichtlich von Raum und Zeit sind klar. Mit zumindest M Leitungen pro "Bahn" kann man M – 1 Datenbits in einer einzigen Übertragung senden, wobei die zusätzliche Leitung genutzt wird, um die nachfolgenden Transaktionen zu bestätigen und zu synchronisieren. Wenn M klein ist, kann man die Übertragung der Daten in Paketen mit einer kleineren Anzahl von Bits erwägen, was eine Zerlegung am empfangenden Ende erfordert.
5 stellt das Beispiel dar, bei welchem M = 4 ist und der Controller einzelne Bits von dem Zähler in dem Pixel zu den Zählern an der Peripherie der Sensormatrix überträgt. Bei diesem Modell überprüfen die PDCUs, welcher der einem jeweiligen Pixel zugeordneten Zähler gültige Daten hat und jeweils die N Bits des jeweiligen Zählers an die Peripherie sendet, indem die Identität des Pixels, für welches ein gültiges Datenbit erkannt wurde, angezeigt wird. Bei dem Beispiel aus 5 ist die Schaltung in solcher Weise aufgebaut, dass die PDCU nur Übergänge des Überlaufs eines 2-Bit-Zählers beobachtet und effektiv an die Peripherie nur die Informationen über den Überlauf sendet. Beim Einstellen der Anzahl der Bits in den Pixelzählern auf 0 wäre die PDCU in der Lage, alle Übergangszustände des Pixels zu beobachten und diese, möglicherweise überlappend mit den Übergangszuständen von anderen Pixeln, an die Peripherie zu senden. Da der Transfermodus asynchron ist, erfordert er zwei Handshake-Signale (ACK und RDY)(dt.: "Bestätigung" und "Bereit").
7 stellt ein Schema dar, bei welchem die PDCU mit 4 Pixeln verbunden ist, die jeweils einen N-Bit-Zähler aufweisen. Die PDCU ist mit Hilfe von 4 parallelen Leitungen mit der Peripherie verbunden, wovon sie 3 als Datenleitung nutzen wird, und eine vierte Leitung (mit "Fertig" bezeichnet) wird als Steuerleitung genutzt. Die PDCU überträgt die Daten für jedes Pixel in einer vordefinierten Abfolge. Die Daten für jedes Pixel werden von jedem der Pixelzähler mit 3 Bits gleichzeitig übertragen. Bei diesem Modell haben wir einen Taktsignalkommentar gewählt, der entlang jeder Spalte so verteilt wird, dass der Pixel-Controller kein Handshake auszuführen braucht, wie es für die Schaltung aus 5 erforderlich ist.
Für jede Datenübertragung teilt die PDCU die Anzahl der N Bits jedes Pixelzählers, die sie benötigt, temporär ab, um 3 Bits in Datenpaketen zu senden. Wenn also ein gegebenes Pixel 7 Datenbits an die Peripherie zu senden hat, wird die PDCU 3 Pakete nutzen müssen, PO, P1 und P2, wobei die beiden werthöchsten Bits (MSB – Most Significant Bits) des Pakets P2 mit Bits mit dem Wert 0 aufgefüllt sind.
8 stellt eine Übertragung für zwei Pixel dar, wobei die Übertragung eines jeweiligen Pakets aus 3 Bits an jeder Kante des Taktsignals erfolgt, wodurch ein Übertragungsmodus mit doppelter Datenrate realisiert wird. Für die Daten eines jeweiligen Pixels sowie bei der Übertragung des letzten Pakets gibt die PDCU einen einzigen Takt lang das Signal "Fertig" und rückt zum folgenden Pixel in ihrer Reihenfolge vor. Diese Abfolge wird fortgeführt, bis alle Daten von allen dieser PDCU zugeordneten Pixeln an die Peripherie übertragen sind. Bei dieser speziellen Darstellung erfolgte die Datenübertragung für 2 Pixel. Man beachte, dass, da es keine explizite Identifizierung der Pixel gibt, angenommen wird, dass die Übertragung in einer speziellen Reihenfolge erfolgt, d. h. 0 bis N-1 für die N Pixel, die einem gegebenen Controller zugeordnet sind.
Die Abfolge zwischen mehreren PDCUs, welche die gleiche Gruppe von Leitungs-"Bahnen" gemeinsam nutzen, wird durch ein Auswahlsignal erreicht, welches anzeigt, wann der Zeitschlitz für die PDCU aktiv sein soll. Wenn "Auswahl" inaktiv ist, ist die PDCU frei.
BESCHREIBUNG EINER VERBESSERTEN "DATENÜBERTRAGUNG"
Generell besteht bei Verbesserung der Fähigkeit, lokale Berechnungen auf PDCU-Niveau auszuführen, insbesondere für die Fälle, bei denen jede PDCU eine große Anzahl von Pixeln steuert (mit einer breiteren Fläche für Transistoren), die Möglichkeit, Bandbreite für Berechnungszeit zu handeln. Man beachte, dass die Berechnungszeit vollständig überlappt sein kann, da andere PDCUs übertragen könnten, während eine gegebene PDCU eine lokale Berechnung ausführt. Anders ausgedrückt gibt es keinen zeitlichen Nachteil für die Erledigung einer lokalisierten Berechnung, solange diese in dem Zeitintervall erledigt werden kann, das eine einzige PDCU braucht, um ihre Daten zu übertragen.
Man könnte dieses Zeitintervall sogar auf einen gesamten Rahmen ausdehnen, indem der PDCU gestattet wird, Berechnungen an den Daten auszuführen, die während des vorhergehenden Rahmens erfasst worden sind, während der momentane Rahmen erfasst wird. Dieser Ansatz würde eine Verdopplung des lokalen Speichers des Pixelzählers erfordern, welcher eine beträchtliche Fläche belegen würde. Dies bringt auch Einschränkungen hinsichtlich der Art und Weise, wie die Bilder erfasst werden, mit sich.
Von wesentlicher Bedeutung ist der Gedanke der Kompression, entweder verlustbehaftet oder verlustfrei. Neben den klassischen Methoden zur Kompression von Daten könnten die PDCUs, welche räumliche Bereiche von benachbarten Pixeln steuern, auch die Korrelation der Werte in einem jeweiligen Teilbereich ausnutzen (wenn keine extrem scharfen Wertübergänge vorhanden sind).
Ein einfacher verlustfreier Kompressionsansatz für die PDCU würde darin bestehen, den Bereich der Werte des N-Bit-Zählers, die den Pixeln für ausgewählte Quadranten zugeordnet sind, zu unterteilen und einen Zählerwert für jeden der Werte, die für jeden Bereich von Bits in den Zählern für diese Pixel gezeigt werden, zu übertragen. Als Beispiel und für ein einfaches Modell, bei dem die 16 Bits der Zähler in vier Bereiche aus 4 Bits unterteilt wären, könnte die PDCU feststellen, dass für das werthöchste Bit (MSB) alle Werte für die Pixel identisch wären, z. B. 0001. In einem solchen Fall würde die PDCU die Informationen, die besagen, dass alle oberen 4 MSB der Zähler den Wert 001 aufweisen, übertragen. Die PDCU würde dann zu den nächsten 4 Bits fortschreiten, um möglicherweise festzustellen, dass nur P von Q Zählern den gleichen Wert aufweisen. An einem gegebenen Punkt würde der Wert eines Zählers verschieden sein und die PDCU würde die Daten einzeln übertragen müssen.
Insgesamt würden diese Kompressionsansätze mehr hochentwickelte Hardware erfordern, um in der Lage zu sein, sich wiederholende Werte zwischen den Zählern, die der gesamten Gruppe von Pixeln zugeordnet sind, zu erkennen. Es sind Modelle vorstellbar, bei welchen die Pixel, die einer gegebenen PDCU zugeordnet sind, in Gruppen unterteilt werden, um zu versuchen, Gemeinsamkeiten auszunutzen, die sich aus der Tatsache ergeben, dass nahe gelegene Pixel für einen gegebenen Rahmen ähnliche digitale Werte aufweisen sollten. Ein anderer, orthogonaler Ansatz würde darin bestehen, die Breite der Pixelzähler in den Bereichen wie nachstehend unterstrichen zu partitionieren und die Größen derjenigen Abschnitte zu ändern, die möglicherweise dynamisch sind, um die Aufzeigung gemeinsamer digitaler Werte zu unterstützen. Gemeinsame Werte über mehrere Pixelzähler hin würden zu höheren Kompressionsraten führen, anstatt dass die einzelnen Werte übermittelt werden, und die PDCUs würden einen einzigen Wert übermitteln, gefolgt von einer Anzahl der "Auftrittshäufigkeit".

Claims

Pixelinterne Schaltung für CMOS-Bildsensoren, die für im linearen Modus betriebene Lawinen-Photodioden (APDs – Avalanche-Photodioden) geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der erste Anschluss der APD mit der gemeinsamen Drain-Elektrode einer Mehrzahl von Pass-Transistoren (T10, T11, T12, T13) verbunden ist, deren Source-Elektrode jeweils mit einer unterschiedlichen Spannungsversorgung verbunden ist und deren Gate mit einem digitalen n-Bit-Decoder verbunden ist; (b) nur ein Pass-Transistor gleichzeitig durch den digitalen Decoder angeschaltet wird, um so den Verstärkungs- oder Multiplikationsfaktor der APD mit Hilfe der an diese angelegten Spannung zu steuern; (c) der zweite Anschluss der APD mit der Source-Elektrode eines Reihenauswahltransistors (T2) verbunden ist; (d) der zweite Anschluss der APD außerdem mit einem Anschluss eines Kondensators verbunden ist; (e) der andere Anschluss des Kondensators auf Masse liegt.
Pixelinterne Schaltung für CMOS-Bildsensoren, die für im Geigermodus betriebene APDs geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der erste Anschluss der APD mit der gemeinsamen Drain-Elektrode zweier komplementärer Pass-Transistoren (T1, T2) verbunden ist, welche außerdem eine gemeinsame Gate-Elektrode aufweisen, wobei die Source-Elektrode des einen Pass-Transistors mit einer Spannungsversorgung mit einer geeigneten Polarität zur Vorspannung der RPD gekoppelt ist, während die Source-Elektrode des anderen Pass-Transistors auf Masse liegt; (b) der zweite Anschluss der APD auf Masse liegt; (c) der erste Anschluss der APD außerdem mit dem Eingang eines digitalen Schaltungsblocks verbunden ist, welcher einen Spannungsübergang in einen Spannungsimpuls umwandelt und somit als "Impulslogik" bezeichnet wird; (d) der Ausgang des "Impulslogik"-Blocks mit dem einen Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden NOR-Logikgatters (N2) verbunden ist, dessen Ausgang mit der gemeinsamen Gate-Elektrode der beiden komplementären Pass-Transistoren verbunden ist, deren gemeinsame Drain-Elektrode mit dem ersten Anschluss der APD verbunden ist, wobei der zweite Eingangsanschluss des 2 Eingänge aufweisenden NOR-Logikgatters mit einem Rücksetzsignal verbunden ist; (e) der erste Anschluss der APD außerdem mit dem Eingang eines seriellen, asynchronen n-Bit-Zählers verbunden ist.