TW201920909A - 光感測器中的高強度光之偵測 - Google Patents

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Abstract

兩個獨立的方案用於檢測低光與高光狀態下的光強度。在高光狀態下，設定兩個閾值電壓且測量感測器電壓與此兩個閾值電壓的交越處之間的時間，以判斷在高光狀態下的光強度。在低光狀態下，比較器用於比較感測器電壓相對於隨時間增加的參考電壓的準位。檢測參考電壓達到感測器電壓準位的時間，以判斷低光狀態下的光強度。

Description

光感測器中的高強度光之偵測
本發明關於一種光感測器，特別是一種在堆疊組件中的背側照明光感測器。
光感測器係為將光轉換為電訊號的電子偵測器。在攝影中，快門係為可讓光通過一段預定時間，使光感測器曝露於光線以擷取場景圖像的裝置。滾動式快門係為一種圖像擷取的方法，其通過在水平或垂直方向上快速掃描場景來擷取靜止圖像或視頻的每個幀。也就是說，不會同時擷取每個像素；在不同時間擷取來自不同行的像素。滾動式快門主要係用於手機傳感器。相較之下，機器視覺(Machine vision)使用全局式快門，其係同時擷取像素。
大部分光感測器使用背側照明(backside illumination)。背照式感測器(back-illuminated sensor)係一種數位光感測器，使用特定佈置的成像元件來增加所擷取的光量，從而改善低光效能。傳統前照式數位相機的構造類似於人眼，具有位於前部的鏡頭及位於後部的光感測器。感測器的安排係將數位相機感測器的主動式矩陣，即單個圖像元件矩陣，放置於在其前表面上且簡化製程。 然而，矩陣及其佈線反射一些光線，而減少了可擷取的訊號。背照式感測器包含相同元件，但在製程中藉由反轉矽晶圓而將佈線置於光感測器之後，然後使其反面薄化，以使得光線可在不通過佈線層的情況下擊中光感測器，從而提高輸入光子被擷取的數量。
然而，既有的背照式感測器在暴露於光線時往往會有較高程度的洩漏(leakage)。 而且，光電二極體填充因子或是一像素的光敏區域與總像素區域的比率相對較低。較大的填充因子是有益的，其原因在於更多的像素區域用於光學收集，這樣可同時改善信噪比(SNR)及動態範圍。圖像感測器的動態範圍可測量感測器可以精確捕捉的照明範圍。圖像感測器的動態範圍越寬，在低光條件下可以顯示越多的細節，因此成像系統變得更加通用。圖像感測器的信噪比(SNR)測量訊號與其相關噪聲之間的比率。具有低信噪比的圖像感測器在所擷取的圖像中會出現大量噪聲。具有高信噪比的圖像感測器可用於低光條件下。
實施例係關於位在光感測器的一像素，其包含光電二極體、浮動擴散點以及介於此光電二極體與此浮動擴散點之間的電晶體。電晶體的閘極被施加介於電晶體的關斷電壓與電晶體的導通電壓之間的中間電壓，以將電荷由此光電二極體傳送至浮動擴散點 ，以回應超過閾值強度的一曝光階段中的入射在此光電二極體的光強度。電晶體的閘極在曝光階段後的一感測階段中被施加導通電壓，以將電荷由電荷由此光電二極體送到此浮動擴散點。
具體實施方式將詳細參照較佳實施例，其範例在所附圖式中示出。在可能的情形下，整個附圖中將使用相同的附圖標號來表示相同或相似的部份。
實施例涉及一種堆疊(stacked)光感測器組件，於其中二個基板垂直堆疊。此二個基板透過像素級的互連部而連接，以將一訊號由位在第一基板的一光電二極體提供至第二基板上的電路。在第二基板中，產生且處理對應於第一基板上之電荷量的一電壓訊號。兩個獨立的方案(schemes)用於偵測在低光狀態(low light conditions)與高光狀態(high light conditions)下的光強度。在高光狀態下，設定兩個閾值電壓且測量感測器電壓在此兩個閾值電壓交越之間的時間，以確定在高光狀態下的光強度。在低光狀態下，比較器用於比較感測器電壓的電壓準位相對於隨著時間增加的一參考電壓。偵測此參考電壓達到感測器電壓準位的時間，以確定低光狀態下的光強度。系統架構範例
圖1係依據一實施例所繪示的電子裝置 100的高準位方塊示意圖。於一實施例中，電子裝置100包含在其他元件當中的通訊耦接的一處理器102與一光感測器104。電子裝置100可包含未繪示在圖1中的其他元件，例如記憶體與各種其他的感測器。
處理器102係為一電子電路，其執行資料源的操作以提供圖像。此資料源可包含提供感測器資料108的光感測器104。處理器102亦產生運作指令106傳送至光感測器104，以使光感測器104執行特定的操作。處理器102所執行的處理可包含各種數位訊號的處理，以改善圖像品質或編輯圖像。
光感測器104係為一電路，其使用光轉換以逐個像素為單位測量照射在光感測器104上的光強度。測量光強度涉及到利用一像素中的光電二極體進行光的偵測。對此，此像素對所偵測到的光執行光轉換為電壓或電流訊號。代表在每個像素所偵測到的光強度的此電壓或電流訊號可被數位化成為感測器資料108，並且被傳送回處理器102。
雖然未繪示在圖1中，但電子裝置100可包含儲存感測器資料108的記憶體。電子裝置100亦可包含一顯示介面用於發送感測器資料 108以顯示在顯示裝置(例如液晶顯示器(LCD)或有機發光二極體(OLED)顯示器)上。
圖2係依據一實施例所繪示的光感測器 104的示意圖。除了其他元件外，光感測器 104包含一數位塊 202、一通用計數器203、一列驅動器及通用訊號驅動模組(row drivers and global signal drivers module)204、行動產業處理器介面(MIPI)205、計數緩衝器206、數位像素陣列 207、感測放大器208、線記憶體(line memory)209、電源調節器210、一斜坡生成及緩衝模組211以及一感測放大偏置模組212。
數位塊202係為一電路，其處理關聯於光感測器104運作的數位訊號。在一或多個實施例中，數位塊 202的至少一部份可被提供作為數位像素陣列207的一部份，而非係為與數位像素陣列207各別獨立的電路。
通用計數器203係為由串級連接的多個正反器所構成的一數位序列邏輯電路，且提供計數器訊號至光感測器 104的各個部件。
列驅動器及通用訊號驅動模組204係為一電路，其通過掃描線(圖中未示)提供訊號至多列像素。提供至每列像素的訊號代表在每列像素的圖像訊號及/或重置操作的感測。
行動產業處理器介面205係為一串列介面用於將感測器資料108由光感測器104傳送至處理器102。典型來說，一個行動產業處理器介面具有單一時序通道及傳輸串列資料的二個資料通道(圖中未示)。這三個通道在成對的線路上傳輸訊號，其中訊號通常係為差分(differential)。
計數緩衝器206 係為一電路，其自通用計數器203接收計數器訊號，並且將訊號傳送至位在數位像素陣列207的多行像素，以協調感測及重置運作。
數位像素陣列207包含多個像素。在一實施例中，數位像素陣列以二維方式排列，可按列與行進行尋址。每個像素用以感測光線且輸出對應此輸入光強度的訊號。每個像素可包含如下參照圖3所描述的元件。
感測放大器208係為讀取電路中的元件，用於從數位像素陣列207讀出數位訊號。感測放大器208感測來自位元線的低功率訊號，此低功率訊號代表數位像素陣列 207中的像素所捕獲的光的強度。感測放大器208可藉由使用類比數位轉換器而產生一數位輸出訊號 。在一或多個實施例中，該些感測放大器208 的至少一部份可被包含在數位像素陣列207當中。
線記憶體209暫時地儲存在數位像素陣列207偵測得之光強度的感測數位值，其係在通過行動產業處理器介面205將數位值傳送至處理器 102作為感測器資料108之前，由感測放大器208所感測且由數位塊202所執行。
電源調節器210係為一電路，其改善傳遞給光感測器104的元件的電源品質。電源調節器210可維持且傳遞能夠讓光感測器104的元件正常運作的定電壓。在一實施例中，電源調節器210係為使正弦交流(AC)波形平滑的一交流電源調節器。在另一實施例中，電源調節器210係為一電力線調節器，其接收電力並且根據連接到此電力線調節器的元件的需求，對其進行修改。
斜坡生成及緩衝模組211包含一斜坡產生器及多個緩衝器。 此斜坡產生器係為可增加其電壓至特定值的一函數產生器。此斜坡產生器可用於當改變負載時避免振動。該些緩衝器提供從一電路到另一電路的電阻抗轉換，以避免此斜坡產生器受到此負載的影響。
感測放大偏置模組212提供偏壓訊號至該些感測放大器208。偏壓訊號係為一預定電壓用於建立適當的感測放大器208的操作條件，例如穩定的直流(DC)電壓。堆疊光感測器組件範例
圖3係為一實施例所繪示的堆疊光感測器組件300的剖面圖。在一實施例中，此堆疊光感測器組件包含耦接一第二基板340的一第一基板310。此第一基板310可以係為可被翻轉的一背側照射302感測器且包含除了其他組件外的第一n+擴散井312、光電二極體314、電晶體AB 313、電晶體TX 316以及第二n+ 擴散井320。
電晶體AB 313 電晶體TX 316均包含一主動層、耦接此主動層的一汲極電極、作為電晶體AB與電晶體TX之源極的一光電二極體314、位於此主動層上的一絕緣層以及一閘極電極(圖中未示)。透過控制位在電晶體AB 313與電晶體TX 316的閘極的電壓準位，可導通或關斷電晶體AB 313與電晶體 TX 316。這些電晶體的閘極從數位像素陣列207外部的電路接收訊號。
第一n+擴散井312係為形成在第一基板310中的一N摻雜注入區域 (N doped implant region)。電晶體AB 313在非曝光時間中被導通時，此第一n+擴散井312接收從光電二極體314轉移的光電子。這相當於傳統相機內的關閉快門模式。光電子從光電二極體314到第一n+擴散井312的轉移可確保光在電二極體314上不會累積光電子，而非曝光時間係為沒有訊號產生的期間。第一n+擴散井312一般係連接到一正電壓源，例如VDD，因此光電子被洩流。在曝光時間中，相當於膠片相機內的快門開啟模式，電晶體AB 313與電晶體TX 316均被關斷且光電子最初被儲存在光電二極體314內。在曝光結束時，電晶體TX 316被導通。結果，儲存在光電二極體314中的電荷被轉移到第二n+擴散井320。
光電二極體314係為可將光線轉換成電子電流的一半導體裝置。當光子在光電二極體314中被吸收時產生電流。光電二極體314可以係為一p-n接面或PIN結構。當通過背側照射302的光強度較高時，在光電二極體314上累積的電荷量為高。類似地，當通過背側照射302的光強度較低時，在光電二極體314上累積的電荷量為低。
互連部350可以係為從第二n+擴散井320到第二基板340上的電路342的一像素級直接互連部。在一些實施例中，互連部350可係為從第一基板310中的一放大器(圖3中未示)的輸出到第二基板 340中的電路342的一像素級直接互連部。因為存在與互連部350相關聯的高漏電流及寄生電容，此放大器可用作為一緩衝器並且將一浮動擴散點與互連部350隔離開來。此放大器極與浮動擴散點於以下圖4中有詳細描述。在一實施例中，互連部350 傳輸一電壓訊號，其反映從光電二極體 314轉移到到第二n+擴散井320的電荷量。在另一實施例中，互連部350傳輸一電流訊號，其反映從光電二極體 314轉移到到第二n+擴散井320的電荷量。互連部350將此電壓訊號傳輸至電路342以供更進一步的處理，例如取樣與類比數位轉換。又於其他實施例中，此堆疊光感測器組件300可包含額外的互連部，其亦可將訊號從第二基板 340的電路342傳輸至第一基板310。 舉例來說，用於控制電晶體AB 313與電晶體TX 316的訊號可通過這些額外的互連部而從電路342傳輸而來。
實施例將傳統光感測器的第一基板310上設置的各種電路元件移動到第二基板340，並且通過像素級互連部350將第二基板340的電路連接到第一基板310中的元件。移動到第二基板340的各種電路元件可包含開關、放大器及電流源。以這樣的方式，第一基板310中的元件所佔用的區域可有利地減少且可增加填充因子。光感測器 的像素電路範例
圖4係為依據一實施例所繪示的像素400的電路示意圖。在圖4的實施例中，第一基板310包含光電二極體314、電晶體TX、第一重置電晶體TRST1及放大器TS等。寄生電容存在於電晶體TX與第一重置電晶體TRST1之間的第一基板310中的第一電容器Cs1。光電二極體314與電晶體TX的運作如上述圖3所描述。
在運作的曝光階段中，電晶體TX的閘極電壓保持在既不導通也不關斷電晶體TX的一中間電壓。具體來說，此中間電壓係指0.3V至0.7V。在這個範圍內，在光電二極體314中所累積的電荷可移動到浮動擴散點FD。此中間電壓係指電晶體TX的有效電壓與無效電壓之間的電壓。 電晶體 TX閘極下方的電位用作為光電二極體314與浮動擴散點FD之間的屏障。若電晶體TX閘極連接到零或負電壓，則此屏障變高且更多的電荷在光電二極體314中累積。若電晶體TX閘極連接到正電壓(例如2.5V至3.3V)，則電晶體 TX閘極完全導通且不存在屏障。此中間電壓造成一中間屏障，於其中由低準位的光所產生的所有電荷在光電二極體314中累積，而對於強光來說，一旦光電二極體 314被填滿，電荷流過此屏障以在浮動擴散點 FD 上累積。
透過將閘極電壓設於此中間電壓，當背側照射302的光強度超過一特定閾值時，電荷由光電二極體314移動至第二n+擴散井320。若背側照射302的光強度未超過一閾值，電荷在光電二極體314中累積，而不轉移至第二n+擴散井320。相反地，在曝光階段之後的感測階段，此電晶體TX 係完全被導通以將在光電二極體314中所累積的電荷轉移到第二n+擴散井320。
位在浮動擴散點FD的電壓準位作為代表，其指示在曝光階段中的光電二極體314的曝光持續時間及/或強度。浮動擴散點FD連接第二n+擴散井320。當電荷通過電晶體TX從光電二極體314轉移到浮動擴散點FD時，位在浮動擴散點FD的電壓準位降低。當在曝光階段中的光電二極體314的曝光持續時間及/或強度增加時，位在浮動擴散點FD的電壓準位亦降低。若光電二極體314的曝光持續時間及/或強度低於電晶體TX閘極中間電壓所設定的一特定準位，則因並無電荷從光電二極體314轉移至浮動擴散點FD，故位於浮動擴散點FD的電壓準位不會改變。
當第一重置電晶體TRST1被導通時，第一重置電晶體TRST1運作以重置位在浮動擴散點FD的電壓。當在每個曝光與感測週期後第一重置電晶體TRST1的閘極接收一重置訊號RST1時，此第一重置電晶體TRST1被導通。此第一重置電晶體TRST1的汲極連接電壓源VDD。第一重置電晶體TRST1的源極連接浮動擴散點FD。
放大器TS係為一源極隨耦放大器，將其閘極訊號放大以產生傳輸到電路342的電壓訊號VSIG。放大器TS的閘極連接浮動擴散點FD。放大器TS的汲極連接電壓源VDD。放大器TS的源極連接互連部350。電壓訊號VSIG對應於由位在浮動擴散點FD的電壓準位所定義的位在放大器TS源極端的電壓準位。
電路342被提供至第二基板340。此電路通過互連部350接收電壓訊號VSIG、處理電壓訊號 VSIG並且產生一數位輸出432，用於指示電二極體314被曝光的光強度與持續時間。
電路342可包含電晶體TCS、比較器410及計數器418等。當電晶體TCS被導通時，此電晶體TCS係作為一電流源而運作。在一實施例中，在整個像素運作的曝光階段及感測階段中，電流源TCS 的閘極被施加一偏壓VBIAS的脈衝。電流源TCS的汲極連接互連部305且電流源TCS的源極係為接地。寄生電容存在於電流源TCS與比較器410之間的第二基板340當中的第二電容器Cs2內。
當在光電二極體 314所接收的光強度高於閾值時，因電晶體Tx被設於中間電壓，因此在曝光階段中，電荷移轉至浮動擴散點FD。結果位在放大器TS的閘極電壓逐漸下降，導致位在互連部305的電壓訊號 VSIG逐漸下降。
比較器410與計數器418結合作為一單斜率類比數位轉換器420進行運作，其產生代表電壓訊號VSIG下降率的數位輸出432，其係藉以表示入射在光電二極體314的光強度及/或持續時間，如以下圖5與圖6的詳細描述。在其運作之後，透過提供重置訊號RST2到計數器418以對比較器410進行重置。將重置訊號RST2提供至計數器418使計數器 418的計數值重置回零。
比較器410偵測電壓訊號VSIG 達到兩個參考電壓的時間。為此目的，比較器410通過互連部350而在第一端接收電壓訊號VSIG ，在第二端接收第一參考電壓VREF1，並且在第三端接收第二參考電壓VREF2。在比較器410偵測到電壓訊號VSIG達到第一參考電壓VREF1或第二參考電壓VREF2時，比較器410透過線路428傳送一觸發訊號至計數器418。
計數器418計算電壓訊號從第一參考電壓VREF1開始達到第二參考電壓VREF2的時脈週期數目。計數器418通過線路428而可交換地耦合到比較器410，接收時脈訊號434及重置訊號RST2，並且輸出數位輸出432。在一實施例中，計數器418根據接收第一觸發訊號而開始進行計數，且根據接收第二觸發訊號而停止計數。計數器418所提供的此數位輸出可以係為二進制值。此數位輸出可用於計算電壓訊號VSIG 的斜率，其直接對應入射在光電二極體的光強度。像素運作範例
本發明的像素結構用以在不同階段(例如曝光階段與感測階段)當中使用不同機制來測量高強度光及低強度光。在曝光階段，此像素結構測量高強度光，而相同像素結構測量低強度光。
圖5與圖6係為依據一實施例所繪示的在曝光階段當中的高強度光的測量的圖式。在此曝光階段中，當電壓訊號 VSIG下降時，比較器410將電壓訊號VSIG相對於兩個參考電壓進行比較，所述的兩個參考電壓即為第一參考電壓VREF1與第二參考電壓VREF2。當電壓訊號VSIG達到第一參考電壓VREF1時，比較器410通過線路428而發送一開始觸發訊號至計數器418，使得計數器418可根據在計數器418所接收到的時脈訊號434開始進行計數。相反地，當電壓訊號VSIG達到第二參考電壓VREF2時，比較器410通過線路428而發送一停止訊號至計數器418以停止計數。基於比較器410所發送的兩個訊號之間的時脈週期數目(如計數器418的計數值所示)可決定電壓訊號 VSIG線的斜率。
以圖5為例，電壓訊號VSIG逐漸下降且在時間T1達到第一參考電壓VREF1，然後在時間T2達到第二參考電壓VREF2。隨後，電壓訊號VSIG進一步在時間T3下降到飽合電壓VSAT，其指示位在浮動擴散點FD的第一電容器 Cs1完全飽和且電壓訊號VSIG過低而無法被放大器TS所讀出。時段Tp表示時間T1與時間T2之間的時間差。
如圖6所示，若電壓訊號VSIG線的斜率更加陡峭(入射在光電二極體的光強度更強)，電壓訊號VSIG分別在時間T1’與 T2’達到第一參考電壓VREF1與第二參考電壓VREF2。時間T1’與T2’較快於時間圖5的T1與T2。進一步地，介於時間T1’與T2’的時段Tp’較短於圖5當中介於時間T1與T2的時段Tp。
因此，藉由測量電壓訊號VSIG 下降到第一參考電壓VREF1的時間與電壓訊號VSIG 下降到第二參考電壓VREF2的時間之間的時間差，即使光電二極體 314在曝光階段結束前已達到飽和，仍可確定入射在光電二極體314的光強度。
儘管上述使用比較器410與計數器418來描述實施例，然而可使用各種不同類型的電路來量測電壓訊號VSIG的斜率。
當入射在光電二極體314的光強度未超過閾值時，所累積的電荷保留在光電二極體314中且在曝光階段不會轉移到第二n+擴散井320。因此，位於浮動擴散點FD 的電壓沒有變化且在曝光階段並未偵測到電壓訊號VSIG 的降低。在這樣的情況下，電壓訊號VSIG僅在電晶體TX於曝光階段之後的感測階段當中被完全導通時才會改變。當電晶體TX被導通時，位在浮動擴散點FD的電壓從其初始的重置電壓準位下降到一特定準位且將放大器TS的閘極電壓設置到一特定電壓。因此，放大器TS的源極端亦達到一特定電壓準位。
圖7係為根據一實施例所繪示的放大器TS在感測階段被導通後的電壓訊號VSIG準位的測量之圖式。與圖5及圖6相反，位在互連部350的電壓訊號VSIG 在曝光階段後的整個感測階段當中保持相對穩定。
在此感測階段中，電壓訊號VSIG被提供給比較器410的第一端，且第三參考電壓VREF3訊號被提供給比較器410的第二端。在此圖7的實施例中，第三參考電壓VREF3係為一斜坡訊號，其從最小預期VSIG值延伸到最大VSIG值。比較器410的第三端並未被使用且維持在高阻抗狀態。在感測階段開始時，計數器418被開啟。當計數器418基於時脈訊號434運行時，第三參考電壓VREF3訊號逐漸上升。當第三參考電壓VREF3訊號在時間T4達到電壓訊號VSIG時，計數器418在線路428上產生停止訊號，其停止計數器 418。計數器418的計數器值代表時段TPU，其係介於感測階段的開始時間與第三參考電壓 VREF3訊號達到電壓訊號VSIG電壓準位的時間。若電壓訊號VSIG較高，則計數器值將越高。因此，藉由偵測感測階段中的計數器值，便可確定電壓訊號 VSIG的電壓準位，這亦使得可測量低於閾值準位的光強度。
參考電壓VREF3可由訊號產生器(圖中未示)提供。雖然圖7的實施例係使用線性增加的參考電壓VREF3，然而在其他實施例中，參考電壓VREF3可以非線性的方式增加。
圖8係根據一實施例所繪示的在低光狀態與高光狀態下偵測光強度的方法示意圖。於步驟800中，在曝光階段內，中間電壓被施加於電晶體TX的閘極，其既不導通也不關斷電晶體TX。
藉由將閘極電壓設於此中間電壓，當背側照射的光強度超過一特定閾值時，電荷由光電二極體移動到第二n+擴散井。在高光狀態下，在光電二極體所接收到的光強度係高於閾值。因此，在步驟812中，電荷從第一基板中的光電二極體轉移到浮動擴散點FD。
在步驟816中，像素級互連部將電壓訊號VSIG從第一基板傳輸到第二基板。電壓訊號VSIG代表位在浮動擴散點FD的電壓的放大型式(amplified version)。此電路透過像素級互連部接收電壓訊號VSIG、處理電壓訊號VSIG，並且產生一數位輸出，其指示光電二極體所曝露的光線強度及/或持續時間，如下所詳述。
在步驟820中，第二基板中的電路偵測時間差Tp，其介於電壓訊號VSIG達到第一閾值的第一時間T1與電壓訊號VSIG達到第二閾值的第二時間T2，其中第二閾值不同於第一閾值。第二基板中的比較器在電壓訊號VSIG對應於第一參考電壓VREF1的第一時間T1產生第一輸出，且在此第一時間T1將此第一輸出傳送至計數器。比較器亦在電壓訊號VSIG對應於第二參考電壓VREF2的第二時間T2產生第二輸出，其中第二參考電壓VREF2高於第一參考電壓VREF1，並且在此第二時間T2將第二輸出傳送至計數器 。計數器計算第一時間T1與第二時間T2之間的時序脈衝的數量。
於步驟824中，在曝光階段後的感測階段內，一導通電壓被施加於電晶體TX的閘極以將電晶體TX置於飽和狀態。
當在曝光階段當中入射在光電二極體的光強度超過一閾值強度時，在步驟828中，電荷從第一基板中的光電二極體被轉移到浮動擴散點FD。若光強度未超過閾值強度，電荷在光電二極體當中累積，而不轉移到浮動擴散點FD。
在步驟830中，像素級互連部將電壓訊號VSIG從第一基板傳送至第二基板。在步驟850中，此電路偵測在感測階段內隨著時間增加的第一參考電壓VREF1達到電壓訊號VSIG的時間。在曝光階段後的感測階段中，電壓訊號VSIG相對保持穩定。電壓訊號 VSIG及第一參考電壓 VREF1被提供給比較器。在感測階段開始時，計數器被啟用。當計數器基於時脈訊號而運行時，第一參考電壓VREF1逐漸增加。當第一參考電壓 VREF1在時間T4達到電壓訊號VSIG時，計數器在線路上產生一鎖存訊號停止此計數器。
說明書中使用的語言主要是出於可讀性和指導目的而選擇，而且不會被選擇去描述或限制發明專利標的。因此傾向於本發明的範圍不受此實施方式的限制，而是受基於此處的申請所發布的任何權利要求的限制。因此，實施例的揭露旨在說明而非限制在以下權利要求中闡述的專利權的範圍。
100‧‧‧電子裝置
102‧‧‧處理器
104‧‧‧光感測器
106‧‧‧運作指令
108‧‧‧感測器資料
202‧‧‧數位塊
203‧‧‧通用計數器
204‧‧‧列驅動器及通用訊號驅動模組
205‧‧‧行動產業處理器介面
206‧‧‧計數緩衝器
207‧‧‧數位像素陣列
208‧‧‧感測放大器
209‧‧‧線記憶體
210‧‧‧電源調節器
211‧‧‧斜坡生成及緩衝模組
212‧‧‧感測放大偏置模組
300‧‧‧堆疊光感測器組件
302‧‧‧背側照射
310‧‧‧第一基板
312、320‧‧‧n+擴散井
313‧‧‧電晶體
314‧‧‧光電二極體
316‧‧‧電晶體
340‧‧‧第二基板
342‧‧‧電路
350‧‧‧互連部
400‧‧‧像素
410‧‧‧比較器
418‧‧‧計數器
420‧‧‧單斜率類比數位轉換器
428‧‧‧線路
432‧‧‧數位輸出
434‧‧‧時脈訊號
Cs1、Cs2‧‧‧電容器
RST1、RST2‧‧‧重置訊號
TRST1‧‧‧重置電晶體
VDD‧‧‧電壓源
FD‧‧‧浮動擴散點
TS‧‧‧放大器
VSIG‧‧‧電壓訊號
VBIAS‧‧‧偏壓
TCS‧‧‧電流源
VREF1、VREF2‧‧‧參考電壓
VSAT‧‧‧飽合電壓
T1、T2、T3、T4、T1’、T2’、T3’‧‧‧時間
Tp、Tp’、TPU‧‧‧時段
圖1係為依據一實施例所繪示的包含光感測器之電子裝置的高準位方塊示意圖。
圖2係為依據一實施例所繪示的圖1之光感測器的示意圖。
圖3係為依據一實施例所繪示的堆疊結構的光感測器的剖面圖。
圖4係為依據一實施例所繪示的光感測器的像素的電路示意圖。
圖5與圖6係為依據一實施例所繪示的在像素暴露於高強度光的曝光階段內的電壓訊號變化的圖式。
圖7係為根據一實施例所繪示的在感測階段中的電壓訊號變化的圖式。
圖8係根據一實施例所繪示的在低光狀態與高光狀態下偵測光強度的方法示意圖。

Claims (19)

  1. 一種像素，位於一光感測器，該像素包含：一光電二極體；一浮動擴散點；以及一電晶體，介於該光電二極體與該浮動擴散點之間，該電晶體的閘極被施加有介於該電晶體的一關斷電壓與該電晶體的一導通電壓之間的一中間電壓而將電荷由該光電二極體傳送至該浮動擴散點，以回應在超過一閾值強度的一曝光階段內入射於該光電二極體的一光強度，該光電二極體的該閘極在該曝光階段之後的一感測階段內被施加該導通電壓，以將該電荷由該光電二極體傳送至該浮動擴散點。
  2. 如請求項1所述的像素，其中該光電二極體、該浮動擴散點及該電晶體被包含在一第一基板的一部分。
  3. 如請求項2所述的像素，更包含：一第二基板的一部分，包含耦接一導電線的一電路，該電路用以：偵側一時間差，該時間差介於一訊號電壓達到一第一閾值的一第一時間與該訊號電壓達到不同於該第一閾值的一第二閾值的一第二時間之間，該訊號電壓代表位在該浮動擴散點的一電壓的放大型式(version)；以及在該感測階段，偵側隨著時間增加的一參考電壓達到該訊號電壓的一時間；以及一像素級互連部，介於該浮動擴散點與該導電線之間，用以傳輸該訊號電壓。
  4. 如請求項3所述的像素，其中該第一基板更包含：一第一重置電晶體，用以重置位於該浮動擴散點的該電壓，以回應在該曝光階段之後該第一重置電晶體的導通；以及一放大器，具有連接該浮動擴散點的一輸入端及連接該像素級互連部的一輸出端。
  5. 如請求項4所述的像素，其中該放大器係為一源極隨耦電晶體。
  6. 如請求項1所述的像素，其中該第二基板更包含：一類比數位轉換器，具有連接一像素級互連部的一輸入端；以及一電流源，耦接該像素級互連部。
  7. 如請求項6所述的像素，其中該類比數位轉換器包含：一比較器，用以在該訊號電壓對應一第一參考電壓的一第一時間產生一第一輸出，且在該訊號電壓對應一第二參考電壓的一第二時間產生一第二輸出，該第二參考電壓低於該第一參考電壓；以及一計數器，耦接該比較器以接收該第一輸出與該第二輸出，該計數器用以對介於該第一時間與該第二時間之間的時序脈衝的數量進行計數。
  8. 如請求項6所述的像素，其中該電流源包含具有一閘極的另一電晶體，該另一電晶體的該閘極在部份的該感測階段中被施加一偏壓。
  9. 如請求項1所述的像素，其中該浮動擴散點用以在該感測階段之後重置到一重置電壓。
  10. 一種像素的運作方法，包含：在一曝光階段中，將一中間電壓施加於一第一電晶體的一閘極，該中間電壓介於該第一電晶體的一關斷電壓與該第一電晶體的一導通電壓之間；在該曝光階段之後的一感測階段中，將該導通電壓施加於該第一電晶體的該閘極；以及在一第一基板中，將電荷由一光電二極體傳送至一浮動擴散點，以回應在超過一閾值強度的該曝光階段內入射於該光電二極體的一光強度。
  11. 如請求項10所述的方法，更包含：以一像素級互連部將一訊號電壓由該第一基板傳送至一第二基板，該訊號電壓代表位在該浮動擴散點的一電壓的放大型式(version)。
  12. 如請求項11所述的方法，更包含在該曝光階段中，以該第二基板中的一電路偵測該訊號電壓的一增加率或一減少率。
  13. 如請求項12所述的方法，其中該電路包含一類比數位轉換器。
  14. 如請求項12所述的方法，其中該訊號電壓的該增加率或該減少率透過判斷一時間差而被偵側，該時間差係介於該訊號電壓達到一第一閾值的一第一時間與該訊號電壓達到不同於該第一閾值的一第二閾值的一第二時間之間。
  15. 如請求項14所述的方法，其中該時間差係透過以下步驟而被判斷：在該訊號電壓對應一第一參考電壓的該第一時間中，以該第二基板中的一比較器產生一第一輸出；在該第一時間中，將該第一輸出由該比較器傳送至一計數器；在該訊號電壓對應一第二參考電壓的該第二時間中，以該比較器產生一第二輸出，該第二參考電壓高於該第一參考電壓；在該第二時間中，將該第二輸出由該比較器傳送至該計數器；以及以該計數器對介於該第一時間與該第二時間之間的時序脈衝的數量進行計數。
  16. 如請求項10所述的方法，更包含：重置位在該浮動擴散點的一電壓，以回應在該曝光階段之後該第一重置電晶體的導通。
  17. 如請求項10所述的方法，更包含：在部份的該感測階段中，施加一偏壓到一電流源的一閘極。
  18. 如請求項10所述的方法，更包含：在該感測階段之後，重置該浮動擴散點。
  19. 如請求項10所述的方法，更包含在該感測階段中，偵測該訊號電壓的電壓準位與一變化參考電壓的電壓準位一致時的一時間。
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