TW201817223A - 全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器 - Google Patents

全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器 Download PDF

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徐新惠
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Abstract

本發明提出一種全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器。全域快門高動態範圍像素包括：光感測單元、浮動擴散節點、第一電荷轉移單元、第二電荷轉移單元及像素訊號輸出單元。第一電荷轉移單元至少包括金屬氧化物半導體電容，以暫時儲存從光感測單元轉移而來的至少部分感測電荷。金屬氧化物半導體電容根據控制訊號而導通/不導通，藉此在金屬氧化物半導體電容自身的內部形成有閘極感應位能井區，藉以控制至少部分感測電荷的轉移。

Description

全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器
本發明有關於一種全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器，特別是指一種藉由全域快門高動態範圍像素的金屬氧化物半導體電容自身的內部形成閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉此控制感測電荷的轉移的全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器。
先前技術之影像感測器通常具有複數陣列排列的感測像素，其中影像感測器的快門通常具有兩種典型的操作模式：滾動快門式(Rolling Shutter)與全域快門式(Global Shutter)。當快門以滾動快門式操作時，陣列中的每一列感測像素係一次一個地對光產生電荷且一次一個地將每一列讀出。由於每一列感測像素為依序啟動而非同時啟動(意即每一列之感測像素開始曝光的時間不同)，當影像感測器擷取快速移動的物件影像時，使用滾動快門所擷取的影像可能會有失真(distortion)的問題。
然而，當快門以全域快門式操作時，陣列中的所有像素可在同一時間對光產生電荷且一次一個地將每一列讀出(意即每一列之感測像素可在同一時間開始曝光)。因此，使用全域快門的影像感測器可避免所述影像失真的問題。
有關使用全域快門的影像感測器之先前技術，例如可參閱美國專利第7,361,877號。
有鑑於此，本發明提出一種新式的全域快門高動態範圍像素及全域快門高動態範圍影像感測器，藉由全域快門高動態範圍像素的金屬氧化物半導體電容自身的內部形成閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉此控制感測電荷的轉移。
就其中一觀點言，本發明提供了一種全域快門高動態範圍像素，包含：一光感測單元，用以接收光訊號以產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於該感測電荷的一感測訊號;一浮動擴散節點，用以儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷為浮動擴散電荷; 一第一電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第一電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點;一第二電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第二電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點，其中該第二電荷轉移期間短於該第一電荷轉移期間; 以及一像素訊號輸出單元，其一端耦接於該浮動擴散節點，用以產生在該第一電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第一像素訊號及/或在該第二電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第二像素訊號;其中，該第一電荷轉移單元至少包括: 一金屬氧化物半導體電容（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor），用以暫時儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷，該金屬氧化物半導體電容根據一第一控制訊號而導通/不導通，藉此在該金屬氧化物半導體電容自身的內部形成有一閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉以控制至少部分該感測電荷的轉移。
就另一觀點言，本發明提供了一種全域快門高動態範圍影像感測器，包含：一全域快門高動態範圍像素矩陣，包括：複數全域快門高動態範圍像素，排列為複數行與複數列，各全域快門高動態範圍像素包括：一光感測單元，用以接收光訊號以產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於該感測電荷的一感測訊號;一浮動擴散節點，用以儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷為浮動擴散電荷; 一第一電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第一電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點;一第二電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第二電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點，其中該第二電荷轉移期間短於該第一電荷轉移期間; 以及一像素訊號輸出單元，其一端耦接於該浮動擴散節點，用以產生在該第一電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第一像素訊號及/或在該第二電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第二像素訊號;其中，該第一電荷轉移單元至少包括: 一金屬氧化物半導體電容（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor），用以暫時儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷，該金屬氧化物半導體電容根據一第一控制訊號而導通/不導通，藉此在該金屬氧化物半導體電容自身的內部形成有一閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉以控制至少部分該感測電荷的轉移;一控制電路，與該全域快門高動態範圍像素矩陣耦接，用以產生該第一控制訊號，以控制該複數全域快門高動態範圍像素;一像素訊號讀取電路，與該全域快門高動態範圍像素矩陣耦接，用以讀取各全域快門高動態範圍像素的該第一像素訊號及該第二像素訊號; 以及一影像處理電路，與該像素訊號讀取電路耦接，用以處理自該像素訊號讀取電路輸出的訊號。
在一種較佳的實施型態中，該第一電荷轉移單元更包括: 一快門開關，耦接於該光感測單元與該金屬氧化物半導體電容的一端之間，該快門開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該金屬氧化物半導體電容; 以及一轉移切換開關，耦接於該金屬氧化物半導體電容的另一端與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第三控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該金屬氧化物半導體電容轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
在一種較佳的實施型態中，該第二電荷轉移單元更包括:一轉移切換開關，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
在一種較佳的實施型態中，該光感測單元包括一光二極體、一光閘極或一光導體。
在一種較佳的實施型態中，該全域快門高動態範圍像素更包括: 一第一重置電晶體，與該光感測單元的一端耦接，用以重置該光感測單元之位準至一第一預設位準; 以及一第二重置電晶體，與該浮動擴散節點的一端耦接，用以重置該浮動擴散節點之位準至一第二預設位準。
在一種較佳的實施型態中，該第一電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該快門開關的不導通時點; 以及該第二電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該轉移切換開關的不導通時點。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、尺寸、方向則並未依照實物比例繪製。
請參考第1圖，其示出本發明的全域快門高動態範圍像素的一實施例的方塊示意圖。
本發明的全域快門高動態範圍像素11包含: 一光感測單元PT、一浮動擴散節點FD、一第一電荷轉移單元PATH1、一第二電荷轉移單元PATH2以及一像素訊號輸出單元OU。光感測單元PT用以接收光訊號L以產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於該感測電荷的一感測訊號Spt。在一實施例中，光感測單元PT例如但不限於可包括一光二極體PD (如第2圖所示)。於其他實施例中，光感測單元PT例如但不限於可包括一光閘極或一光導體。
浮動擴散節點FD用以儲存從光感測單元PT轉移而來的至少部分感測電荷為浮動擴散電荷。如第1圖所示，第一電荷轉移單元PATH1耦接於光感測單元PT與浮動擴散節點FD之間，用以在一第一電荷轉移期間從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。第二電荷轉移單元PATH2耦接於光感測單元PT與浮動擴散節點FD之間，用以在一第二電荷轉移期間從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。其中，值得注意的是，在本實施例中，第二電荷轉移期間係短於第一電荷轉移期間(可參閱第6圖)。像素訊號輸出單元OU的一端耦接於浮動擴散節點FD，用以產生在第一電荷轉移期間相關於浮動擴散節點FD的電壓位準V的一第一像素訊號Spix1及/或在第二電荷轉移期間相關於浮動擴散節點FD的電壓位準V的一第二像素訊號Spix2。
請參考第2圖並對照第4圖。第2圖示出本發明的全域快門高動態範圍像素的一具體實施例的示意圖。第4圖示出本發明的第一電荷轉移單元PATH1的一剖面示意圖。其中，在本實施例中，第4圖示出本發明的全域快門高動態範圍像素11形成於例如但不限於一P型半導體基板。但當然，本發明的全域快門高動態範圍像素11不限於必須形成於P型半導體基板，在其他實施例中，全域快門高動態範圍像素11亦可形成於N型半導體基板或其他半導體基板，只要相應改變摻雜區的雜質導電型與雜質濃度即可。
如第2圖所示，在一實施例中，光二極體PD接收光訊號之後，產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於感測電荷的感測訊號Spt。感測訊號Spt一方面可經由第一電荷轉移單元PATH1從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD，或者，另一方面，感測訊號Spt亦可經由第二電荷轉移單元PATH2從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。對照第4圖所示，以下先詳述感測訊號Spt如何經由第一電荷轉移單元PATH1從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。
本實施例之光二極體PD的半導體結構例如但不限於如第4圖的剖面示意圖所示，簡單地說，在P型半導體基板上(其p型雜質濃度為p0)具有p型雜質摻雜區(其p型雜質濃度為p+)及n型雜質摻雜區(其n型雜質濃度為n+)。
本實施例之全域快門高動態範圍像素11亦可包括一重置電晶體AB。如第2圖所示，在一實施例中，重置電晶體AB與光感測單元PT的一端耦接，其係用以重置光感測單元PT之位準至一預設位準。此預設位準例如但不限於可為一內部電壓VDD。本實施例之重置電晶體AB可受控於一重置訊號G_AB，用以控制重置電晶體AB是否重置光感測單元PT之位準至預設位準。
如第2圖所示，在一實施例中，第一電荷轉移單元PATH1可包括: 一金屬氧化物半導體電容（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor）SD、一快門開關SS及一轉移切換開關TG1。
如第2圖所示，快門開關SS係耦接於光感測單元PT與金屬氧化物半導體電容SD的一端之間。當代表感測電荷的感測訊號Spt自光感測單元PT產生之後，藉由快門開關SS的導通/不導通，以及金屬氧化物半導體電容SD的導通/不導通，便能控制感測電荷是否能自光感測單元PT轉移至金屬氧化物半導體電容SD。其中，若欲控制快門開關SS的導通/不導通，在本實施例中，快門開關SS可根據一控制訊號G_SS而導通/不導通，藉此，快門開關SS便能控制至少部份感測電荷是否能自光感測單元PT轉移至金屬氧化物半導體電容SD。
當快門開關SS導通時，且金屬氧化物半導體電容SD導通時，至少部份感測電荷便會自光感測單元PT轉移至金屬氧化物半導體電容SD。本實施例的金屬氧化物半導體電容SD係耦接於快門開關SS與轉移切換開關TG1之間。金屬氧化物半導體電容SD係用以暫時儲存從光感測單元PT轉移而來的至少部分感測電荷。當至少部分感測電荷自光感測單元PT轉移並儲存於金屬氧化物半導體電容SD之後，藉由金屬氧化物半導體電容SD的導通/不導通，以及轉移切換開關TG1的導通/不導通，便能控制感測電荷是否能自金屬氧化物半導體電容SD經由轉移切換開關TG1而轉移至浮動擴散節點FD。其中，若欲控制金屬氧化物半導體電容SD的導通/不導通，在本實施例中，金屬氧化物半導體電容SD可根據一控制訊號G_SD而導通/不導通，藉此，金屬氧化物半導體電容SD便能控制至少部份感測電荷是否能自金屬氧化物半導體電容SD經由轉移切換開關TG1而轉移至浮動擴散節點FD。
值得注意的是，本實施例的主要特點於: 當本實施例的金屬氧化物半導體電容SD根據控制訊號G_ SD而導通/不導通時，在金屬氧化物半導體電容SD自身的內部將會形成有一閘極感應位能井區(gate-induced potential well)。藉此，金屬氧化物半導體電容SD將會如同一個電容的功用，能夠用來儲存感測電荷。此外，藉由控制訊號G_ SD導通或不導通金屬氧化物半導體電容SD，本實施例將能控制至少部份感測電荷是否能自金屬氧化物半導體電容SD經由轉移切換開關TG1而轉移至浮動擴散節點FD。
轉移切換開關TG1耦接於金屬氧化物半導體電容SD的另一端與浮動擴散節點FD之間。當感測電荷暫時儲存於金屬氧化物半導體電容SD之後，藉由轉移切換開關TG1的導通/不導通與金屬氧化物半導體電容SD的導通/不導通，便能控制感測電荷是否能自金屬氧化物半導體電容SD轉移至浮動擴散節點FD。其中，若欲控制轉移切換開關TG1的導通/不導通，在本實施例中，轉移切換開關TG1可根據一控制訊號G_TG1而導通/不導通。而如上所述，若欲控制金屬氧化物半導體電容SD的導通/不導通，在本實施例中，金屬氧化物半導體電容SD可根據上述的控制訊號G_SD而導通/不導通。
如此一來，藉由控制訊號G_ SD導通或不導通金屬氧化物半導體電容SD加上藉由控制訊號G_TG1導通或不導通轉移切換開關TG1，本實施例將能控制至少部份感測電荷是否能自金屬氧化物半導體電容SD經由轉移切換開關TG1而轉移至浮動擴散節點FD。如此一來，轉移至浮動擴散節點FD的感測電荷便為第4圖所示的浮動擴散電荷。在本實施例中，浮動擴散電荷於浮動擴散節點FD可以以電壓形式呈現。
本實施例之全域快門高動態範圍像素11尚可包括一重置電晶體RST。如第2圖所示，在一實施例中，重置電晶體RST與浮動擴散節點FD的一端耦接，用以重置浮動擴散節點FD之位準至一預設位準。此預設位準例如但不限於可為一內部電壓VR。本實施例之重置電晶體RST可受控於一重置訊號G_RST，用以控制重置電晶體RST是否重置浮動擴散節點FD之位準至預設位準。
由於第一電荷轉移單元PATH1係藉由金屬氧化物半導體電容SD來暫時儲存感測電荷，因此在本實施例中，藉由第一電荷轉移單元PATH1而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第一電荷轉移期間係長於藉由第二電荷轉移單元PATH2而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第二電荷轉移期間。
上述重置電晶體AB、光二極體PD、快門開關SS、轉移切換開關TG1及浮動擴散節點FD的半導體結構的具體實施例如但不限於可如第4圖的剖面示意圖所示。上述元件的半導體結構的實施方式，有多種具體半導體結構可以達成，第4圖僅示出其中一種具體實施例。上述元件的的半導體結構的實施方式不限於必須形成於P型半導體基板，在其他實施例中，亦可形成於N型半導體基板或其他半導體基板，只要相應改變摻雜區的雜質導電型與雜質濃度即可。
在一實施例中，像素訊號輸出單元OU例如不限於可包括一源極隨耦器SF及一列選擇電晶體RSL。源極隨耦器SF耦接至浮動擴散節點FD，以將浮動擴散電荷轉換為訊號，代表全域快門高動態範圍像素1所輸出的第一像素訊號Spix1及第二像素訊號Spix2。在本實施例中，浮動擴散電荷於浮動擴散節點FD可以以電壓形式呈現。列選擇電晶體RSEL耦接於源極隨耦器SF。在一實施例中，列選擇電晶體RSEL由列選擇訊號G_RSL控制，以致能列選擇電晶體RSEL並接收訊號。
由於像素訊號輸出單元OU為本技術者所熟悉的電路，因此不在此贅述其他實例。
請參考第2圖並對照第5圖。第5圖示出本發明的第二電荷轉移單元PATH2的一剖面示意圖。其中，在本實施例中，第5圖示出本發明的全域快門高動態範圍像素11形成於例如但不限於一P型半導體基板。但當然，本發明的全域快門高動態範圍像素11不限於必須形成於P型半導體基板，在其他實施例中，全域快門高動態範圍像素11亦可形成於N型半導體基板或其他半導體基板，只要相應改變摻雜區的雜質導電型與雜質濃度即可。
如第2圖所示，在一實施例中，光二極體PD接收光訊號之後，產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於感測電荷的感測訊號Spt。感測訊號Spt一方面可經由第一電荷轉移單元PATH1從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD，或者，另一方面，感測訊號Spt亦可經由第二電荷轉移單元PATH2從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。對照第5圖所示，以下將詳述感測訊號Spt如何經由第二電荷轉移單元PATH2從光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD。
如第2圖所示，在一實施例中，第二電荷轉移單元PATH2可包括一轉移切換開關TG2。如第2圖所示，轉移切換開關TG2係耦接於光感測單元PT與浮動擴散節點FD之間。當代表感測電荷的感測訊號Spt自光感測單元PT產生之後，藉由轉移切換開關TG2的導通/不導通，便能控制感測電荷是否能自光感測單元PT轉移至浮動擴散節點FD。其中，若欲控制轉移切換開關TG2的導通/不導通，在本實施例中，轉移切換開關TG2可根據一控制訊號G_ TG2而導通/不導通，藉此，轉移切換開關TG2便能控制至少部份感測電荷是否能自光感測單元PT轉移至浮動擴散節點FD。如此一來，轉移至浮動擴散節點FD的感測電荷便為第5圖所示的浮動擴散電荷。
由於第二電荷轉移單元PATH2僅僅藉由轉移切換開關TG2來控制感測電荷自光感測單元PT至浮動擴散節點FD的轉移，且第二電荷轉移單元PATH2並沒有任何暫存感測電荷至轉移切換開關TG2以外的元件，因此，在本實施例中，藉由第二電荷轉移單元PATH2而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第二電荷轉移期間係短於藉由第一電荷轉移單元PATH1而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第一電荷轉移期間。
上述轉移切換開關TG2的半導體結構的具體實施例如但不限於可如第5圖的剖面示意圖所示。上述元件的半導體結構的實施方式，有多種具體半導體結構可以達成，第5圖僅示出其中一種具體實施例。上述元件的的半導體結構的實施方式不限於必須形成於P型半導體基板，在其他實施例中，亦可形成於N型半導體基板或其他半導體基板，只要相應改變摻雜區即可。
請參考第3圖示出本發明的高動態範圍影像感測器的一實施例的方塊示意圖。本發明的全域快門高動態範圍像素11可應用於一高動態範圍影像感測器10。如第3圖所示，本實施例的高動態範圍影像感測器10可包含: 一全域快門高動態範圍像素矩陣1、一像素訊號讀取電路2、一控制電路3及一影像處理電路4。
在一實施例中，全域快門高動態範圍像素矩陣1可包括複數全域快門高動態範圍像素11，其中，這些全域快門高動態範圍像素11排列為如第3圖所示的複數行與複數列。在本實施例中，每一全域快門高動態範圍像素11可如上述第1圖所示的包含一光感測單元PT、一浮動擴散節點FD、一第一電荷轉移單元PATH1、一第二電荷轉移單元PATH2以及一像素訊號輸出單元OU。
像素訊號讀取電路2與全域快門高動態範圍像素矩陣1耦接，用以讀取各全域快門高動態範圍像素1所輸出的第一像素訊號Spix1(藉由第一電荷轉移單元PATH1而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD時，第一像素訊號Spix1代表在此情況下相關於浮動擴散節點FD的電壓位準V)及第二像素訊號Spix2 (藉由第二電荷轉移單元PATH2而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD時，第二像素訊號Spix2代表在此情況下相關於浮動擴散節點FD的電壓位準V)。在一實施例中，像素訊號讀取電路2例如不限於可包括複數個像素訊號處理電路21及一訊號線22。每一行的各全域快門高動態範圍像素1所輸出的第一像素訊號Spix1及第二像素訊號Spix2可藉由行訊號線CL傳送到各自對應的像素訊號處理電路21，再透過訊號線22輸出一初始影像訊號Simg。
控制電路3與全域快門高動態範圍像素矩陣1耦接。在一實施例中，控制電路3例如不限於可包括一列解碼電路31及一列驅動電路32。控制電路3可用以產生下述訊號： 控制訊號G_ SD、控制訊號G_SS、控制訊號G_TG1、控制訊號G_TG2、重置訊號G_AB、列選擇訊號G_RSL及/或重置訊號G_RST，藉以控制各全域快門高動態範圍像素11。並且控制電路3可透過驅動線DL輸出上述的訊號至各全域快門高動態範圍像素11。
影像處理電路4與像素訊號讀取電路2耦接，用以處理自像素訊號讀取電路2輸出的初始影像訊號Simg，最終輸出具有高動態範圍性質的最終影像訊號Sout。
此外，本實施例的高動態範圍影像感測器10尚可包含一時脈產生電路5及一行解碼電路6。時脈產生電路5用以產生時脈訊號以控制像素訊號讀取電路2。行解碼電路6與像素訊號讀取電路2耦接，用以針對藉由行訊號線CL傳送到各自對應的像素訊號處理電路21的訊號進行解碼。
由於列解碼電路31、列驅動電路32、時脈產生電路5及一行解碼電路6為本技術者所熟悉的電路，因此不在此贅述其技術細節。
由於本實施例的高動態範圍影像感測器10包含複數全域快門高動態範圍像素11，因此本實施例的高動態範圍影像感測器10也同樣具有上述實施例所述的全域快門高動態範圍像素11所具有的特徵及優點，於此不再贅述。
請參考第6圖，其示出本發明的訊號波形圖。如第6圖所示，第一電荷轉移期間定義為自重置電晶體AB的不導通時點至快門開關SS的不導通時點，而第二電荷轉移期間則定義為自重置電晶體AB的不導通時點至轉移切換開關TG2的不導通時點。
如前所述，由於第二電荷轉移單元PATH2僅僅藉由轉移切換開關TG2來控制感測電荷自光感測單元PT至浮動擴散節點FD的轉移，且第二電荷轉移單元PATH2並沒有任何暫存感測電荷至轉移切換開關TG2以外的元件，因此，在本實施例中，藉由第二電荷轉移單元PATH2而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第二電荷轉移期間係短於藉由第一電荷轉移單元PATH1而自光感測單元PT轉移至少部分的感測電荷至浮動擴散節點FD所花用的第一電荷轉移期間。由第6圖所示也可清楚看到第二電荷轉移期間(短曝光)係短於第一電荷轉移期間(長曝光)。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，所示直接連接的電路元件間，可插置不影響電路主要功能的電路元件，如開關或電阻等。又如，訊號高低位準的意義可以改變，並不侷限於以高位準為導通、以低位準為關閉，而相關的電路也可對應地改變。又例如，本發明之基板不限於為P型半導體基板，可為N型半導體基板或其他半導體基板，只要相應改變摻雜區即可。又再如，一訊號在電路內部進行處理或運算時，可能經過電壓電流轉換、電流電壓轉換、比例轉換、位準轉換等，因此，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行上述轉換後，根據轉換後的訊號進行處理或運算。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得。此外，所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，例如但不限於將兩實施例併用，或是以其中一個實施例的局部電路代換另一實施例的對應電路。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。此外，本發明的任一實施型態不必須達成所有的目的或優點，因此，請求專利範圍任一項也不應以此為限。
10‧‧‧全域快門高動態範圍影像感測器
11‧‧‧全域快門高動態範圍像素
1‧‧‧全域快門高動態範圍像素矩陣
2‧‧‧像素訊號讀取電路
21‧‧‧像素訊號處理電路
22‧‧‧訊號線
3‧‧‧控制電路
31‧‧‧列解碼電路
32‧‧‧列驅動電路
4‧‧‧影像處理電路
5‧‧‧時脈產生電路
6‧‧‧行解碼電路
AB‧‧‧重置電晶體
CFD‧‧‧電容
CL‧‧‧行訊號線
DL‧‧‧驅動線
FD‧‧‧浮動擴散節點
G_AB‧‧‧重置訊號
G_RSL‧‧‧列選擇訊號
G_RST‧‧‧重置訊號
G_SD‧‧‧控制訊號
G_SS‧‧‧控制訊號
G_TG1‧‧‧控制訊號
G_TG2‧‧‧控制訊號
L‧‧‧光訊號
OU‧‧‧像素訊號輸出單元
p+、p0‧‧‧p型雜質濃度
n+‧‧‧n型雜質濃度
PATH1‧‧‧第一電荷轉移單元
PATH2‧‧‧第二電荷轉移單元
PD‧‧‧光二極體
PT‧‧‧光感測單元
RSL‧‧‧列選擇電晶體
RST‧‧‧重置電晶體
SD‧‧‧金屬氧化物半導體電容
SF‧‧‧源極隨耦器
Simg‧‧‧初始影像訊號
Sout‧‧‧影像訊號
Spix‧‧‧像素訊號
Spix1‧‧‧像素訊號
Spix2‧‧‧像素訊號
Spt‧‧‧感測訊號
SS‧‧‧快門開關
TG1‧‧‧轉移切換開關
TG2‧‧‧轉移切換開關
V‧‧‧電壓位準
VDD‧‧‧內部電壓
VR‧‧‧內部電壓
第1圖示出本發明的全域快門高動態範圍像素的一實施例的方塊示意圖。 第2圖示出本發明的全域快門高動態範圍像素的一具體實施例的示意圖。 第3圖示出本發明的高動態範圍影像感測器的一實施例的方塊示意圖。 第4圖示出本發明的第一電荷轉移單元PATH1的一剖面示意圖。 第5圖示出本發明的第二電荷轉移單元PATH2的一剖面示意圖。 第6圖示出本發明的訊號波形圖。

Claims (12)

  1. 一種全域快門高動態範圍像素，包含： 一光感測單元，用以接收光訊號以產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於該感測電荷的一感測訊號; 一浮動擴散節點，用以儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷為浮動擴散電荷; 一第一電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第一電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點; 一第二電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第二電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點，其中該第二電荷轉移期間短於該第一電荷轉移期間; 以及 一像素訊號輸出單元，其一端耦接於該浮動擴散節點，用以產生在該第一電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第一像素訊號及/或在該第二電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第二像素訊號; 其中，該第一電荷轉移單元至少包括: 一金屬氧化物半導體電容（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor），用以暫時儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷，該金屬氧化物半導體電容根據一第一控制訊號而導通/不導通，藉此在該金屬氧化物半導體電容自身的內部形成有一閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉以控制至少部分該感測電荷的轉移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門高動態範圍像素，其中該第一電荷轉移單元更包括: 一快門開關，耦接於該光感測單元與該金屬氧化物半導體電容的一端之間，該快門開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該金屬氧化物半導體電容; 以及 一轉移切換開關，耦接於該金屬氧化物半導體電容的另一端與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第三控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該金屬氧化物半導體電容轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門高動態範圍像素，其中該第二電荷轉移單元更包括: 一轉移切換開關，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門高動態範圍像素，其中該光感測單元包括一光二極體、一光閘極或一光導體。
  5. 如申請專利範圍第2或3項所述之全域快門高動態範圍像素，其中該全域快門高動態範圍像素更包括: 一第一重置電晶體，與該光感測單元的一端耦接，用以重置該光感測單元之位準至一第一預設位準; 以及 一第二重置電晶體，與該浮動擴散節點的一端耦接，用以重置該浮動擴散節點之位準至一第二預設位準。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之全域快門高動態範圍像素，其中: 該第一電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該快門開關的不導通時點; 以及 該第二電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該轉移切換開關的不導通時點。
  7. 一種全域快門高動態範圍影像感測器，包含： 一全域快門高動態範圍像素矩陣，包括： 複數全域快門高動態範圍像素，排列為複數行與複數列，各全域快門高動態範圍像素包括： 一光感測單元，用以接收光訊號以產生並儲存感測電荷並且輸出一對應於該感測電荷的一感測訊號; 一浮動擴散節點，用以儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷為浮動擴散電荷; 一第一電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第一電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點; 一第二電荷轉移單元，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，用以在一第二電荷轉移期間從該光感測單元轉移至少部分的該感測電荷至該浮動擴散節點，其中該第二電荷轉移期間短於該第一電荷轉移期間; 以及 一像素訊號輸出單元，其一端耦接於該浮動擴散節點，用以產生在該第一電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第一像素訊號及/或在該第二電荷轉移期間相關於該浮動擴散節點的電壓位準的一第二像素訊號; 其中，該第一電荷轉移單元至少包括: 一金屬氧化物半導體電容（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor），用以暫時儲存從該光感測單元轉移而來的至少部分該感測電荷，該金屬氧化物半導體電容根據一第一控制訊號而導通/不導通，藉此在該金屬氧化物半導體電容自身的內部形成有一閘極感應位能井區(gate-induced potential well)，藉以控制至少部分該感測電荷的轉移; 一控制電路，與該全域快門高動態範圍像素矩陣耦接，用以產生該第一控制訊號，以控制該複數全域快門高動態範圍像素; 一像素訊號讀取電路，與該全域快門高動態範圍像素矩陣耦接，用以讀取各全域快門高動態範圍像素的該第一像素訊號及該第二像素訊號; 以及 一影像處理電路，與該像素訊號讀取電路耦接，用以處理自該像素訊號讀取電路輸出的訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之全域快門高動態範圍影像感測器，其中該第一電荷轉移單元更包括: 一快門開關，耦接於該光感測單元與該金屬氧化物半導體電容的一端之間，該快門開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該金屬氧化物半導體電容; 以及 一轉移切換開關，耦接於該金屬氧化物半導體電容的另一端與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第三控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該金屬氧化物半導體電容轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之全域快門高動態範圍影像感測器，其中該第二電荷轉移單元更包括: 一轉移切換開關，耦接於該光感測單元與該浮動擴散節點之間，該轉移切換開關根據一第二控制訊號而導通/不導通，藉以控制至少部份該感測電荷自該光感測單元轉移至該浮動擴散節點為該浮動擴散電荷。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之全域快門高動態範圍影像感測器，其中該光感測單元包括一光二極體、一光閘極或一光導體。
  11. 如申請專利範圍第8或9項所述之全域快門高動態範圍影像感測器，其中該全域快門高動態範圍像素更包括: 一第一重置電晶體，與該光感測單元的一端耦接，用以重置該光感測單元之位準至一第一預設位準; 以及 一第二重置電晶體，與該浮動擴散節點的一端耦接，用以重置該浮動擴散節點之位準至一第二預設位準。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之全域快門高動態範圍影像感測器，其中: 該第一電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該快門開關的不導通時點; 以及 該第二電荷轉移期間為自該第一重置電晶體的不導通時點至該轉移切換開關的不導通時點。
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