TW201234573A - Image sensor with charge multiplication output channel and charge sensing output channel - Google Patents

Description

201234573 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於供在數位相機及其他類型之影像捕捉裝置 中使用之影像感測器，且更特定而言，係關於電荷耦合裝 置（CCD)影像感測器。又更特定而言，本發明係關於ccd 影像感測器中之電荷倍增。 【先前技術】 圖1繪示根據先前技術執行電荷倍增之一第一 CCD影像 感測器之一簡化方塊圖。像素陣列1 〇 〇包含垂直電荷轉合 裝置（CCD)移位暫存器（未展示），其一次一列地將來自一 列像素102之電荷封包移位至低電壓水平ccD(HCCD)移位 暫存器105中。低電壓HCCD移位暫存器ι〇5將該等電荷封 包串列地移位至一高電壓電荷倍增HCCD移位暫存器】1〇 中。透過在電荷傳送期間將大電場施加至上覆HCCd移位 暫存器110之閘極電極（未展示）而在電荷倍增HCCD移位暫 存器110中發生電荷倍增。該大電場產生比原本在像素陣 列1 0 0中之像素中收集之信號大之一信號。該大電場係藉 由用充分較大之電壓過驅動經延伸HCCD移位暫存器4〇2上 方之閘極電極來產生。通常，電荷倍增HCCD移位暫存器 U〇可將每一電荷封包中之電荷載子之數目倍增2至1000之 倍數。輸出放大器120感測電荷倍增HCCD移位暫存器11〇 之端處輸出之經倍增電荷封包並將其轉換成一電壓信號。 一習用輪出放大器可具有八個電荷載子之一最小雜訊位 準，此意指當一電荷封包含有少於八個電荷載子時輸出放 159983.doc 201234573 大器不能檢測到—信號一倍增HCCD移位暫存器11〇之一 個優點係能夠放大或倍增一輸出放大器原本通常將無法檢 測到之電何封包。舉例而言，_電荷倍增沉⑶移位暫存 器可採取僅-個不可檢測電荷載子（例如，電子）之一輸入 並將其轉換成1_個電荷載子之一較大可檢測群組。輸出 放大器現在便能夠檢測到電荷封包並將該電荷封包轉換成 一電壓信號。 一電何倍增HCCD移位暫存器之—個主要缺點係其動態 範圍。若進入該倍增HCCD移位暫存器之電荷封包具有 個電荷載子且若增益為1〇〇〇，則將2〇〇個電荷載子倍增至 200,000個電荷載子。眾多電荷倍增此⑶移位暫存器不能 保存200，_個或20〇,〇〇〇個以上電荷载子，因此電荷載子 彌散（擴散）至毗鄰於該HCCD移位暫存器之像素中。當電 何倍增HCCD移位暫存器之容量為2〇〇,〇〇〇個電荷載子且增 益為1〇〇〇時’一電荷倍增HCCD移位暫存器可量測之最大 信號為具有一個電荷載子之一噪聲底部之200個電荷載 子彼係200至1之一動態範圍。為說明彼動態範圍之不良 性’具有八個電子之一最小雜訊位準之一輸出放大器可容 易地在4000至1之一動態範圍内量測含有32,〇⑽個電荷載 子之電荷封包。 為克服此限制，先前技術CCD影像感測器（參見圖2)已將 第輸出放大器200添加至HCCD移位暫存器1 〇5。若已 知影像含有對於電荷倍增HCCD移位暫存器11〇而言太大之 電荷封包，則經由HCCD移位暫存器105將電荷封包串列地 159983.doc 201234573 移位至輸出放大器細而非朝向電荷倍增hccd移位暫存器 110。此實施方案之-個劣勢係必須自輸出放大器細或輸 出放大Urn讀出整個影像u像含有亮區域及暗區 域兩者，則必須自輸出放大器200讀出該影像，如此亮區 域才不會使電荷倍增HCCD移位暫存器丨職散（滿溢）。作 當自輸出放大ϋ·讀出整個影料，料中之暗區域未 經由電何倍增HCCD移位暫存器移位且不會接收到電荷倍 增HCCD移位暫存器ι1〇之益處。 【發明内容】 一種影像感測器包含電連接至—像素陣列以料自該像 素陣列接收電荷封包之-水平移位暫存器。—非破壞性感 測節點連接㈣水平移位暫存^之―輸出。—電荷引導切 換器電連接至該非破壞性感测節點。該電荷引導切換器包 含兩個輸出…電荷倍增水平移位暫存器電連接至該電荷 引導切換器之-輸出一放電元件連接至該電荷引導切換 器之另一輸出。 -管線延遲水平移位暫存器可連接在該非破壞性感測節 點與該電荷引導切換器之間…經延伸水平移位暫存器可 連接在該電荷引導切換器與該電荷倍增水平移位暫存器之 輸入之間。放大器可連接至s亥非破壞性感測節點及該電荷 倍增移位暫存器之輸出。 該影像感測器可包含於一影像捕捉裝置中。該影像捕捉 裝置可包含連接至該等放大器之該等輸出之相關雙取樣 (CDS)單^該CDS單元可各自包含_類比轉數位轉換 159983.doc 201234573 器。一計算裝置針對自該水平移位暫存器輸出之每一電荷 封包接收藉由該非破壞性感測節點所產生之一數位像素信 號。該計算裝置產生一切換器信號，該切換器信號藉由該 電荷引導切換器接收且當一電荷封包中之電荷載子之數目 將不使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時致使該電荷引導 切換器將該電荷封包引導至該電荷倍增水平移位暫存器。 當一電荷封包將使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時該 電荷引導切換器將該電荷封包引導至連接至該電荷引導切 換器之另一輸出之該放電元件。 連接至該非破壞性感測節點之該放大器及連接至該放大 器之該CDS單元組合形成具有一組合電荷轉電壓轉換增益 值G1之電荷感測輸出通道。連接至該電荷倍增水平移位 暫存器之該輸出之該放大器及連接至該放大器之該CDS單 兀組合形成具有一組合電荷#電壓轉換增益值G 2之一電荷 倍增輸出通道…種用於產生—影像之方法包含選擇藉由 該電荷感測輸出通道或該電荷倍增輸出通道所產生之一像 素#號。若選擇藉由該電荷❹彳輸出通道所產生之像素作 號’㈣-增益比(G2/G1)應用於自該電荷感測輸出通‘ 選擇之每_像素信號。該影像係藉由組 號而產生。 心叱1豕京饴 用於產生—影像感測器之方法包含提供 =列：用於自該像素陣列接收電荷封包之一水平移位 壞性;if供連接至該水平移位暫存器之—輸出之一非破 ’1即點°提供電連接至該非破壞性感測節點之一電 159983.doc 201234573 荷引導切換器。該電荷引導切換器包含第一輸出及第二輸 出。提供電連接至該電荷引導切換器之該第—輸出之一電 荷倍增水平移位暫存器。提供連接至該電荷弓丨導切換器之 該第二輸出之-放電元件…種用於產生—影像捕捉裝置 之方法進一步包含提供電連接至該電荷引導切換器之一計 算裝置，彡中該計算裝置可操作以回應於自該非破壞性感 測節點接收之一信號將一切換器信號傳輸至該電荷引導切 換器。 【實施方式】 參考以下圖式更佳地理解本發明之實施例。圖式之元件 未必相對於彼此成比例。 在整個說明書和申請專利範圍中，除上下文另外明確規 定’以下措詞取與本文明確相關聯之含義。「一」及「該 或該等」之含義包含複數參考，且「在……中」之含義包 含「在......中」及「在......上」。措詞「連接的」意指所連 接物項之間的一直接電連接，或藉由一或多個被動或主動 中間裝置之一間接連接《措詞「電路」意指連接在一起以 提供一所需功能之主動或被動之一單個組件或多個組件。 措詞「信號」意指至少一個電流、電壓、電荷或資料信 另外，應將措詞「基板層」理解為一基於半導體之材 料’包含（但不限於）碎、絕緣體上覆石夕（soi)技術、藍寶石 上覆矽（SOS)技術、經摻雜及未經摻雜半導體、形成於一 半導體基板上之磊晶層或井區域及其他半導體結構。 參考圖式’在所有視圖中相似編號指示相似零件。 圏3係在根據本發明之一實施例中之一影像捕捉裝置之 159983.doc 201234573 一簡化方塊圖。影像捕捉裝置300在圓3中實施為一數位相 機。熟悉此項技術者將認識到一數位相機僅係可利用併入 本發明之一影像感測器之一影像捕捉裝置之一個實例。其 他類型之影像捕捉裝置可與本發明一起使用，例如，舉例 而言，手機相機及數位視訊攝錄像機。 在數位相機300中’來自一被攝體場景之光302輸入至一 成像級3 04。成像級304可包含例如一透鏡、一中性密度減 波器、一光闌及一快門之習用元件。光302藉由成像級3〇4 聚焦以在影像感測器306上形成一影像。影像感測器3〇6藉 由將入射光轉換成電信號來捕捉一或多個影像。數位相機 300進一步包含處理器3〇8、記憶體3 1〇、顯示器312及一或 多個額外輸入/輸出（I/O)元件314。儘管在圖3之實施例中 展示為分離元件，但成像級304可與影像感測器3〇6及數位 相機300之可能一或多個額外元件整合在一起以形成一小 型相機模組。 舉例而言，處理器308可實施為一微處理器、—中央處 理單元（cpu)、一專用積體電路（ASIC)、一數位信號處理 器（DSP)或其他處理裝置或者多個此類裝置之組合。成像 級304及影像感測器306之各種元件可藉由時序信號或自處 理器308供應之其他信號來控制。 吞己憶體310可組態為任一類型之記憶體，例如（舉例而 言）呈任-組合形式之隨機存取記憶體（RAM)、唯讀記憶體 (職)、快閃記憶體、基於磁碟之記憶體、可抽換式：憶 體或其他類型之儲存元件。藉由影像感測器3〇6所捕捉： 159983.doc 201234573 一給定影像可藉由處理器308儲存於 己隐體3 1 〇 Φ日2 於· 顯示器312上。顯示器312通常係一 υ肀且呈現於 器（LCD)，但也可使用其他類型動矩陣彩色液晶顯示 頁示器。舉例而古，額 外1/◦元件3H可包含各種螢幕上 卒例而。額 件、按紐或JL他使用 者介面、網路介面、記憶體卡介面等。 及八他便用 應瞭解，如圓3中所展示之數位 1目機可包括為熟悉此項 技術者所熟知之一類型之額外或巷 八7L件。本文中未明確 展示或闡述之元件可選自此項技術中已知之元件。如先前 所述，本發明可實施於各種各樣之影像捕捉裝置中。此 外，本文中所閣述之實施例之某些態樣可至少部分地以藉 由一影像捕捉裝置之一或多個處理开彳生#， 蚝理π件執行之軟體之形式 來實施。如熟悉此項技術者將瞭解， 一 7肝签於本文中所提供之 教示’可以一直接方式實施此軟體。 現在參考圖4’其展示在根據本發明之_實施例中之適 於用作圖3中所展示之-影像感測器鳩之_咖影像感測 器之一簡化方塊圖。影像感測器4〇〇可實施為任一類型之 CCD影像感測器，包含（但不限於）_隔行ccd影像感測器 及全圖框影像感測器。 影像感測器400包含像素陣列4〇2，該像素陣列具有將來 自每一列像素之電荷封包移位至水平移位暫存器4〇4之垂 直移位暫存器（未展示）。在根據本發明之一實施例令，水 平移位暫存器404實施為一低電壓水平電荷耦合裝置（ccd) 移位暫存器。水平移位暫存器4〇4朝向非破壞性感測節點 406串列地移位每一電荷封包。在根據本發明之一實施例 159983.doc -10· 201234573 中，非破壞性感測節 測節點。 點406實施為一非破壞性浮動閘極感 出放大盗4〇8之輸出連接至輸出電路410。輸出放大器4〇8 與輸出電路410一起形成一「電荷感測輸出通道」。在根據 本發明，一實施例中，冑出電路410實施為-相關雙取樣 (DS)單％。CDS單元可組態成各種電路實施方案中之任 :者。僅以舉例方式’ _哪單元可經組態以在類比域中 減去雙樣本（例如’重設及影像樣本）且將結果傳遞至一類 比轉數位轉換器。作為另—實例，可將可自心g D^ces賭得零件編號為AD·之一 cds單元用於一⑽ 早疋。該CDS單元也可經組態以對兩個樣本進行數位轉換 及在數位域巾減去雙樣本，如美國專利5,G86,344令。 非破壞性感測節點傷上之電壓輸入至放大器扣 必丄奴,a _ 1 通常，包含-類比轉數位轉換器之—輸出電路具有一管 線處理延遲。#輸出電路接收到自輸出放大11408輸出二 :類比像素信號時’不自輸出電路彻輸出對應數位像素 信號直至已經過給定數目個時鐘循環為止。在根據本發明 之某些實施例中使用—管線延遲水平移位暫存器來補償輸 ,出電路彻之管線處理延遲。在所圖解說明之實施例中， 管線延遲水平移位暫存器412具有對應於輪出電路川之管 線處理延遲之-長度。管線延遲水平移位暫存器M2之: 度經判定以使得藉由非破壞性感測節點4 〇 6感測且傳遞至 管線延遲水平移位暫存器412之一電荷封包在與自c二單 元410輸出經數位化像素信號相同之時間或稍後時間自: 159983.doc 201234573 線延遲水平移位暫存器412輸出且到達電荷引導切換器 414。在根據本發明之其他實施例中，管線延遲水平移位 暫存器412可具有不同長度。 一計算裝置（例如，圖3中之處理器3〇8)分析自輸出電路 410輸出之數位像素信號且在信號線413上將一切換器信號 傳輸至電荷引導切換器414。在根據本發明之一實施例 中，計算裝置構造於影像感測器晶粒或晶片外部。在根據 本發明之另-實施例中，計算裝置可構造於影像感測器晶 粒或晶片上。 若自輸出電路410輸出之數位像素信號表示少量或小塞 目之電荷載子，則信號線413上之切換器信號致使電荷弓 導切換器4!4將電㈣包傳遞至電荷倍增水平移位暫存表 416上。接著’經由電荷倍增水平移位暫存器416移位㈣ 荷封包且將其輸入至輸出放大器418中。輸出放大器化賴 出表不電荷封包令之電荷载子之量之一類比像素信號。 輸出電路42()連接至輸出放大器418之—輸出。輸出放大 器化與輸出電路42G-起形成—「電荷倍增輸出通道」。 輸出電路420將類比像素信號轉換成一數位像素信號。在 之某些實施例中’輸出電路420可對像:信號 執订—額外處理。在根據本發明之_實施例中，輸 420實施為—cDS單元。該cDS單元 中之任-者。 L且態成多個實施方案 =出電路41〇輸出之數位像素信號表示可使倍增水 暫存器416飽和之數目個電荷載子，則信號線413上 159983.doc -12· 201234573 之切換器信號致使電荷引導切換器414將電荷封包引導至 放電元件422。放電元件422用來轉儲或排放將不被輸入至 電荷倍增水平移位暫存器416中之電荷封包。在根據本發 明之一實施例中，放電元件422實施為一汲極。 經延伸水平移位暫存器424充當電荷引導切換器川與電 荷倍增水平移位暫存器416之間的—連接水平移位暫存 器。在根據本發明之-實施例中，經延伸水平移位暫存写 似在低電壓位準下操作。在根據本發明之其他實施例 中，可省略經延伸水平移位暫存器424。 影像感測H4GG針對未被輸人至電荷倍增輸出通道中之 電荷封包產生—個像素信號。該像素信號係藉由電荷感測 輸出通道產生。影像感測器_針對被引導至電荷倍增輸 出通道中之電荷封包產生兩個像素信號。藉由輸出電路 410及42G所產生之數位像素信號可在數位像素信號自輸出 電路輸出之時間及電荷封包在影像中之位置方面不同步。 輸出電路41G通常將比輸出電路42()快速地輸出針對每一電 打封包之數位像素信號，因為經由電荷倍增水平移位暫 存器416移位電荷封包花費更多時間。在根據本發明之一 實包例中H·算裝置（例如，圖3中之處理器则)對自輸 =電路41G及420輪出之數位像素信號進行同步或重新排 ^計算裝置可儲存針對每—電荷封包之切換器信號之狀 1、且使用該資料來對數位像素信號進行重新排序以再現影 像。 施例中之圖4 現在參考圖5’其展示在根據本發明之一實 159983.doc 201234573 中所展示之電荷引導切換器414之一簡化俯視圖。展示管 線延遲水平移位暫存器412及經延伸水平移位暫存器424連 接至電荷引導切換器4丨4。在根據本發明之一實施例中， 電荷引導切換器414包含安置在電荷移位元件上方之閘極 500、502、504。電荷引導切換器414包含兩個輸出，二個 輸出與閘極502相關聯且另一輸出與閘極5〇4相關聯。 在所圖解說明之實施例中，將管線延遲水平移位暫存器 412及經延伸水平移位暫存器424各自繪示為二階段ccd移 位暫存器。根據本發明之其他實施例並 移位暫存器。在其他實施例中可實施具有三個 階段之CCD移位暫存器。 圖6中所繪示之實例性第一時序圖用來將電荷自管線延 遲水平移位暫存器412引導至經延伸水平移位暫存器“Ο 在省略經延伸水平移位暫㈣424之實施财，該時序圖 可用於將電荷自管線延遲水平移位暫存器412引導至電行 倍增水平移位暫存器416。且最後，在省略管線延遲水平 移位暫存器412之實施例中’該時序圖可用於將電荷自非 ㈣性感測節點4G6引導至經延伸水平移位暫存器424或電 荷倍增水平移位暫存器41 6。 在時間Τ〇處，將閘極5〇〇計時為一低位準，而閉極5〇4上 之㈣保持在低位準且將閘極5〇2上之信號計時為一高位 田閘極500及504上之信號處於低位準且間極5〇2上之 信號處於高位準時，電荷自閘極5〇〇下面之電荷移位元件 流出且流入至間極502下方之電荷移位元件中。接著，如 I59983.doc 14 201234573 圖6中所展示計時施加至經延伸水平移位暫存器424中之閘 極506、508之信號以經由經延伸水平移位暫存器移位電荷 封包。 現在參考圖7’其展示用於圖5中所展示之電荷引導切換 器414之另-實例性時序圖。在根據本發明之—實施例 中，圖7中所圖解說明之實例性時序圖用於將電荷自管線 延遲水平移位暫存器412引導至放電元件422。當在時間 Too處，將閘極500計時為一給定位準（例如，一低位準） 時，閘極502上之信號保持在低位準且將閘極5〇4上之信號 計時為一高位準。當閉極500及5〇2上之信號處於低位準且 閘極504上之信號處於高位準時，電荷自安置在閘極5〇〇下 面之電荷移位元件流出且流入至放電元件422中。 圖8係在根據本發明之一實施例中用於控制電荷封包之 流動之一方法之一流程圖。初始地，在方塊8〇〇處，將一 電荷封包移位至非破壞性感測節點。將電荷封包轉換成表 示忒電荷封包中之電荷載子之量或數目之一數位像素信 旒，同時將該電荷封包發送至電荷引導切換器（方塊8〇2卜 在根據本發明之一實施例中，經由一管線延遲水平移位暫 存器移位電荷封包以將該電荷封包發送至電荷引導切換 器。 接著，在方塊804處作出關於電荷封包中之電荷載子之 數目是否將使電荷倍增水平移位暫存器飽和之一判定。若 电荷封包將使電荷倍增水平移位暫存器飽和，則該過程進 行至方塊806，其中將電荷封包引導至放電元件。若電荷 159983.doc -15- 201234573 載子將不使電荷倍增水平移位暫存器飽和，則將電荷封包 引導至電荷倍增水平移位暫存器且經由電荷倍增水平移位 暫存器移位（方塊808)。 針對自像素陣列讀出之每—像素重複圖8中所繪示之方 法。僅不引起彌散之電荷封包才被輸入且經由電荷倍增水 平移位暫存盗移位。引起彌散之較大電荷封包被引導至放 電元件。 現在參考圖9，其展示可結合圖钟所展示之實施例一起 使：之用於產生一影像之一方法之一流程圖。值⑺表示放 大益408與輸出電路41〇之組合電荷轉電屋轉換增益。值⑺ 表示輸出放大器418與輸出電路42〇之組合電荷 增益。 、 初始地，在方塊900處作出關於一電荷封包中之電荷載 :之數目Μ將使電荷倍增水平移位暫存器飽和之—判 疋。右不會，則將電荷封包引導至電荷倍增水平移位暫存 器並經由該電荷倍增水平移位暫存器移位，且將藉由連接 至電荷倍增水平移位暫存器之輸出放大器及輸出電路所產 生之數位像素信號選擇為數位像素信號（方塊9〇2)。接著， 如方塊904中所展示，儲存數位像素信號。僅以舉例方 式，可將數位像素信號儲存在圖3中所展示之記憶體HO 中。 接下來’如方塊906中所展示，作出關於影像感測器是 否將產生另-電荷封包之-判定。若是，則方法返回至方 塊900。當-電荷封包中之電荷載子之數目將使電荷倍增 159983.doc 201234573 水平移位暫存器飽和時，該過程進行至方塊9〇6，其中將 電荷封包引導至放電元件。將藉由連接至非破壞性感測節 點之放大器所產生之數位像素信號選擇為數位像素信號 (方塊_)。接著’在方塊910處’將選定數位像素信號乘 以增益比（G2/G1)且在方塊904處儲存經修改數位像素信 號。僅以舉例方式，增益比（G2/G1)可藉由一計算裝置（例 如，圖3中所展示之處理器3〇8)應用於選定數位像素信 號。 。 當已處理完所有電荷封包且不再有電荷封包(方塊9〇6) 時’該方法進行至方塊914,其中組合所儲存像素信號或 經修改像素信號以產生-影像。根據本發明之實施例可組 合方塊904與方塊914 ’以使得將像素信號儲存在對應於像 素在衫像中之位置之一位置中。因此’當影像感測器已產 生所有電荷封包時’記憶體或儲存單元儲存-完成的影 像。 /見在將闞述用於判定圖”所展示之方法中所使用之增 ^=G2/G1之一個過程。G2/Gl增益比可根據引導至電荷 水★平移位暫存器418及輸出電路42〇之電荷封包來判 定。彼等電荷封包藉由輸出電路41G及兩者處理。在根 據本發明之—個實施财，判定（藉㈣出電路420所產生 ，數^象素信號）/(藉由輸出電路41〇所產生之數位像素信 ^運行平均值。此運行平均值等於增益比G2/G1。在 實施例中’由於隨著相機溫度改變’增益比G2/G1將可 能亦改變’因此使用—運行平均值。 159983.doc •17· 201234573 根據本發明之貫施例並不限於一運行平均值之使用。在 根據本發明之另—實施例中，可使用—運行最小乘方擬合 平均值。熟悉此項技術者將瞭解運行最小乘方擬合平均值 亦將校正偏移誤差。 圖10係用於圖解說明在根據本發明之一實施例中如何組 合自兩個輸出通道輸出之信號以產生—影像之一實例性圖 不。線1000表示針對具有〇至31數目個電荷載子之電荷封 包之電荷倍增輸出通道之輸出。線1002表示針對具有0至 S2數目個電荷載子之電荷封包之電荷感測輸出通道之輸 出。每一線1〇〇〇及1002之斜率分別為輸出增益〇2及〇1。 線1004表示不同輸出通道中之放大器（例如，放大器4〇8 及418)之一飽和位準。所有輸出通道之像素強度將不超過 此飽和位準。因此’ 一影像之最大像素強度限於藉由線 1004所表示之強度位準。 輸出放大器418在低電荷載子數目S1下飽和且輸出放大 器408在電荷載子數目S2下飽和。若電荷載子數目介於以 ” S2之間，則將電荷感測輸出通道之輸出乘以輸出線1 〇〇〇 及1002之斜率之比（亦即，增益比G2/G1)。 將自電荷感測輸出通道輸出之像素信號乘以一增益比以 產生具有一較大強度值範圍之一影像。當將增益比應用於 具有介於S1與S2之間之數目個電荷載子之電荷封包時，該 增益比修改像素強度值以使得強度值沿著線1〇〇6下降。 僅以舉例方式，具有對應於沿著線丨〇〇2之點1 之數目 個電荷载子之一電荷封包自電荷感測輸出通道輸出。當將 159983.doc 201234573 電荷封包乘以增益比（G2/G1)時，經修改像素強度值對應 於沿著線1 006之點1008'。因此，該增益比產生落在或大致 落在線1006上之經修改像素強度，藉此提供具有一較大像 素強度值範圍之一影像。 現在參考圖11，其展示在根據本發明之一實施例中之用 於產生一影像感測器之一方法之一流程圖。初始地，產生 一像素陣列，如方塊1100中所展示。可使用此項技術中已 知之技術來產生光電偵測器像素陣列。舉例而言，可將遮 罩層沈積於一基板上方且將每一者圖案化以在其中將形成 母一像素中之各別組件（例如，光電偵測器）之位置處提供 開口。接著將具有肖定傳導率類型之摻雜劑植入至基板中 以製造該等組件。 接下來，如方塊11〇2中所展示，在像素陣列之一個側上 產生一水平CCD移位暫存器。可使用此項技術中已知之技 術來產生水平CCD移位暫存器。舉例而言，可將—遮罩層 沈積於基板上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位暫 存器元件或每一移位暫存器元件中之階段之位置處提供開 口。接著將具有―特^傳導率類型之—摻雜劑植入至基板 中以產生移位暫存器元件或階段。亦可在移位暫存器元件 或階段之間形成障壁植人物。此外，在每—移位暫存器元 件或階段上方產生電極且將其電連接至用於經由水平CCD ，位暫存器移位電荷封包之各別電麗計時信號。通常，以 右干電極層形成電極。在一個二階段ccd移位暫存器中， 交替電極（每隔-個電極）形成一個電極層且其餘電極形成 I59983.doc -19· 201234573 一第二電極層。在一個四階段CCD移位暫存器中，安置在 第一階段及第三階段（或第二階段及第四階段）上方之電極 形成一個電極層且其餘電極形成一第二電極層。 接下來，如方塊1104及方塊1106中所展示，產生電荷感 測輸出通道及電荷倍增輸出通道。可使用此項技術令已知 之技術來產生輸出通道。舉例而言，可將一遮罩層沈積於 基板上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位暫存器元 件或每一移位暫存器元件中之階段之位置處提供開口。接 著將具有一特定傳導率類型之一摻雜劑植入至基板中以產 生移位暫存器元件或階段。亦可在移位暫存器元件或階段 之間形成障壁植入物。此外，在每一移位暫存器元件或階 段上方產生電極或閘極且將其電連接至用於經由水平移位 暫存器移位電荷封包之各別電壓計時信號。通常，以若干 層形成閘極。在一個二階段移位暫存器中，交替閘極（每 隔一個閘極）形成一個層且其餘閘極形成一第二電極層。 在一個四階段移位暫存器中，安置在第一階段及第三階段 (或第二階段及第四階段）上方之閘極形成一個層且其餘閘 極形成一第二電極層。 在方塊1108處形成放電元件。可使用此項技術中已知之 技術來形成放電元件。且最終，在方塊丨丨丨〇處產生電荷引 導切換器《可使用此項技術中已知之技術來產生該電荷引 導切換器。舉例而言，可將一遮罩層沈積於基板上方且將 其圓案化以在其中將形成每一移位暫存器元件或每一移位 暫存器元件中之階段之位置處提供開口。接著將具有一特 159983.doc -20- 201234573 定傳導率類型之-摻雜劑植入至基板中以產生移位暫存器 元件或階段。亦可在移位暫存器元件或階段之間形成障壁 植入物。此外，在每一移位暫存器元件或階段上方產生閘 極且將其電連接至用於經由電荷引導切換器之一各別輸出 引導電荷封包之各別電壓計時信號。 熟悉此項技術者將認識到根據本發明之其他實施例可修 改圖ίο中所展示之方塊之次序。舉例而言，可藉由適當地 圖案化遮罩層來同時產生包含在像素陣列、水平移位暫存 器、電荷感測輸出通道或電荷倍增輸出通道中之多個組 件。包含一管線延遲水平移位暫存器或一經延伸水平移位 暫存器之實施例可在產生所需輸出通道時產生此等元件。 另外，可在圖10中所展示之過程之間產生一影像感測器中 之其他組件》 已特定參考本發明之某些實施例來詳細地闡述本發明， 但應理解可在本發明之精神及範疇内作出變更及修改。舉 例而&，可使用除圖7及圓8中所展示之信號位準之外之信 號位準。在根據本發明之其他實施例中，可以不同方式實 施電荷引導切換器。與圖3中所展示之組件相比，一影像 捕捉裝置可包含額外組件。 而且.，即使本文中已闡述本發明之具體實施例，但應注 意本申請案並不限於此等實施例。特定而言，在相容之情 況下’關於一個實施例闡述之任何特徵也可在其他實施例 中使用。而且，在相容之情況下，不同實施例之特徵可交 換。 I59983.doc -21 - 201234573 【圖式簡單說明】 圓1繪示根據先前技術執行電荷倍增之—笛 ^ 罘一 CCD影像 感測器之一簡化方塊圖；

增之—第二CCD影像 感測器之一簡化方塊圖； 圖2繪 圓3係在根據本發明之一實施例中之一影像捕捉裝置之 一簡化方塊圖； 囷4係在根據本發明之一實施例中 . T過於用作圖3中所展 不之影像感測器306之一 CCD影傻咸，、目丨丨您 〜像感測器之一簡化方塊 圖； 圓S繪示在根據本發明之一實施例中之圓―所展示 荷引導切換器414之一簡化俯視圖； 圓6圖解說明圓5中所展示之電荷引導切換器414之一第 一實例性時序圖； 圊7繪不圖5中所展?丨& 所展之電何引導切換器414之一第- f 例性時序圖； < 弟一夏 圓8係在根據本發明之一眘 ?月之實施例中之用於操作一影像感 測器之-方法之—心〜像戊 圖9係可結合圖所展示 -^ ^ ^ 貫施例一起使用之用於產生 沁像之方法之一流程圖； 圏10係用於圖解^ _所·說明在根據本發明 ^ ., , , ^ , 合自=個& m1 +赞明之一實施例中如何組 示；:個輸出通道輸出之信號以產生—影像之—實例性圖 圈11係在根據本發明之—實施例中之用於產生-影像感 159983.doc -22· 201234573 測器之一方法之一流程。 【主要元件符號說明】 100 像素陣列 102 像素 105 水平電荷耦合裝置移位暫存器 110 電荷倍增水平電荷耦合裝置移位暫存器 120 輸出放大器 200 輸出放大器 300 影像捕捉裝置 302 光 304 成像級 306 影像感測器 308 處理器 310 記憶體 312 顯示器 314 其他輸入/輸出（I/O) 400 影像感測器 402 像素陣列 404 水平電荷耦合裝置移位暫存器 406 非破壞性感測節點 408 放大器 410 輸出電路 412 管線延遲水平移位暫存器 413 信號線 159983.doc -23· 201234573 414 416 418 420 422 424 500 502 504 506 508 1000 1002 1004 1006 1008 1008, 51 52 電荷引導切換器 電荷倍增水平移位暫存器 放大器 輸出電路 放電元件 經延伸水平電荷耦合裝置移位暫存器 閘極 閘極 閘極 閘極 閘極 表示電荷倍增輸出通道之輸出的線 表示電荷感測輸出通道之輸出的線 表示飽和位準的線 表示像素強度值的線 像素強度值 經修改像素強度值 表示電荷載子的數目的值 表示電荷載子之數目的值 159983.doc • 24-

Claims (1)

1. 201234573 七、申請專利範圍： 1. -種料產生—影像感測器之方法，其包括： 提供電連接至一像争陳；5,1 m A 1 ”一 京陣列以用於自該像素陣列接收電 何封包之一水平移位暫存器； k供_連接至該水平移位暫存考夕私山 感測節點； 冑存盗之一輸出之-非破壞性 。。提=連接至該非破壞性感測節點之-電荷引導切換 益，其中該電荷引導切換器包含第一輸出及第二輸出. 連接至該電荷引導切換器之該第_輪出之 何倍增水平移位暫存器；及 提供連接至該電荷引導切換器之該第二 元件。 叫 < 风电 2.=们之方法’其進一步包括提供連接至該非破壞 性感測節點之一第一放大器。 3· 2求項1^法’其進—步包括提供連接在該非破壞 性感測節點與該電荷引導切換器之間的一管線延遲水平 移位暫存器。 4.如請求们之方法’其進—步包括提供連接在該電荷引 導切換器之該第-輸出與該電荷倍增水平移位暫存器之 輸入之間的一經延伸水平移位暫存器。 5·如請求们之方法，其進—步包括提供連接至該電荷倍 增水平移位暫存器之一輸出之一第二放大器。 6_ 一種用於產生一影像捕捉裝置之方法，其包括： 提供電連接至-像素陣列以用於自該像素陣列接故電 159983.doc 201234573 荷封包之一水平移位暫存器，· 提供連接至該水平移位暫存器之一 感測節點，· ’】出之—非破壞性 提供電連接至該非破壞性感測節 器，其中該電荷引導切換器包含第:二^:換 提供電連接至該電荷引導切換器之該第 則， 荷倍增水平移位暫存器； 〗之一電 提供連接至該電荷引導切換器 元件；及 輪出之-放電 提供電連接至該電荷引導切換器之—計算裝置，其中 該計算裝置可操作以回應於自該 、 浓注墩測節點接收 7. 8. 之—信號而將一切換器信號傳輸至該電荷弓丨導切換器。 如請求項6之方法，其進一步包括： 提供連接至該非破壞性感測節點之一第—放大器.及 提供連接至該電荷倍增水平移位暫存器之—輸出之一 第一放大器。 如請求項7之方法，其進一步包括： 提供連接至該第一放大器之一輸出之—第一輸出電 路；及 ^^七、連接至該第一放大器之一輸出之一第二輸出電 路，其中該第一輸出電路及該第二輸出電路各自包含電 連接至該第一放大器及該第二放大器之該等輪出之一類 比轉數位轉換器。 9.如請求項6之方法’其進一步包括提供連捿在該非破壞 1599S3.doc •2· 201234573 性感測節點與該電荷引導切換器之間的一管線延遲水平 移位暫存器。 1〇·如請求項9之方法，其進一步包括基於該第一放大器及 该第一輪出電路之—管線延遲時間而提供該管線延遲水 平移位暫存器之一長度。 二項6之方法，其進一步包括提供連接在該電荷引 刀、益之該第一輸出與該電荷倍增 輸入之間的-經延伸水平移位暫存器。移位暫存器之 159983.doc