TW202215838A - 具有可組配像素電路之影像感測器及方法 - Google Patents

具有可組配像素電路之影像感測器及方法

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Abstract

本發明涉及一種影像感測器，其包含多個像素電路，各個像素電路包含連接於地面與浮動擴散節點之間的光電二極體、連接於第一電壓供應與浮動擴散節點之間的重置電晶體、及源極隨耦器電晶體，其中其汲極連接至第二電壓供應，其閘極連接至浮動擴散節點，且其源極連接至列選擇電晶體。列選擇電晶體連接於源極隨耦器電晶體之源極與共用行輸出之間。各個像素電路組配來輸出對應於入射於光電二極體上的光的輸出信號。各個像素電路包括至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出線性積分信號或對數信號。

Description

具有可組配像素電路之影像感測器及方法
發明領域
本發明係關於一種包含多個像素電路的影像感測器積體電路及個別方法。
(無)
發明概要
APS（APS：主動像素感測器）係一種影像感測器積體電路，包含通常配置成列及行的多個像素。各個像素包括一光偵測器，通常係一針筒光二極體、及一或多個MOSFET放大器（MOSFET：金屬氧化物半導體場效電晶體）。CMOS APS（CMOS：互補金屬氧化物半導體）廣泛應用於手機相機、網絡相機、卡片相機、DSLR相機（DSLR：數位單鏡反射）、無反光鏡可換鏡頭相機等。
APS包括線性APS及對數APS。線性APS在低照度下具有良好的靈敏度，但動態範圍受到全井容量的限制，全井容量定義了像素在飽和前可容納的電荷量。對數APS在高光源下具有良好的回應，因此具有較高的動態範圍，但在低照度下的靈敏度較差。已採取了不同的方法來合併低光源下之線性回應與高光源下之對數回應。
矽晶圓廠提供具有高度優化之製程技術及高度優化之佈局的影像像素單元，以產生高品質及密集訊框影像資料（標準APS單元）。然而，對於低延遲的基於事件之處理，此操作係次優的。已知提供對數輸出的標準重組態，但此組態在性能上存在缺點，且不容易為像素局部低延遲事件處理（像素並行）提供訊號。
晶圓廠標準單元並非設計用於對數局部輸出，且在此對數組態中提供良好性能、同時在線性組態中保持良好性能並允許在組態之間進行電氣切換的電氣組態並不明顯。
CMOS影像感測器（CMOS：互補金屬氧化物矽）在CIS（CIS：CMOS影像感測器）晶圓廠製程中大量生產，該製程優化了高性能（低暗電流、低雜訊、高量子效率）。CIS製程以特定3T（3T：三個電晶體）或4T（4T：四個電晶體）單元進行優化，以實現線性積分回應，並可擴展為額外功能，諸如全面曝光操作。
本發明的一目的係提供一種影像感測器，其包含改善的像素電路及個別方法，以提供高品質、特別是低照度影像資料訊框的低雜訊，以及高動態範圍及低雜訊連續資料，用於自同一像素陣列產生事件。
這一目標藉由獨立請求項的標的物來達成。有利實施例在獨立請求項中定義。
根據本發明，已發現一組有限的額外非關鍵開關電晶體，其致能晶圓廠標準線性積分APS單元的重新使用，以另外提供像素局部的高品質連續對數輸出。
本發明的相容擴展允許進一步的輸出（訊框對數輸出、像素局部線性輸出等），以額外的表面積及/或功耗為代價增加進一步的功能。
因此，本發明提供了標準APS單元的擴展，具有用於高性能對數像素局部低延遲輸出的電氣重組態。
本發明確實增加了像素電路表面積（成本及/或降低的像素密度），且因此較佳地適用於需要高品質對數輸出的電路，但亦適用於對動態影像感測器範圍的簡單擴展。增加之面積係最小的，並提供了功能的有效實現，包括在標準APS結構中顯著重用電晶體。
本發明揭示了將進一步的電晶體添加至優化的晶圓廠結構中，以選擇性地提供連續可用的對數像素局部輸出。對數輸出將單元的操作範圍擴展至更亮的照明條件。像素局部輸出適於對變化的照明條件進行低延遲的基於事件的回應。
如本發明所揭示的進一步電晶體的添加與標準結構裝置及其尺寸相容，且不損害標準結構線性積分之功能。
線性及對數APS已被單獨提出。本發明揭示了一種結構，其中此等模式與重複使用相同的光電二極體及優化的讀出電子設備以及連續像素局部對數輸出之像素局部提供合併，適於提供低延遲的基於事件的回應。
本發明涉及一種影像感測器，包含多個像素電路，各個像素電路包含連接於地面與浮動擴散(floating diffusion，FD)節點之間的光電二極體、組配來連接於第一電壓供應(vrst)與浮動擴散(FD)節點之間的重置電晶體(reset transistor，MRST)、及源極隨耦器電晶體(source follower transistor，MSF)，其中MSF之汲極組配來連接至第二電壓供應(vdd)、其閘極連接至浮動擴散(FD)節點、且其源極連接至列選擇電晶體(row select transistor，MSEL)。列選擇電晶體(MSEL)之汲極連接於源極隨耦器電晶體(MSF)之源極與共用行輸出之間。各個像素電路組配來輸出對應於入射於光電二極體上的光的輸出訊號。各個像素電路包括至少一額外電晶體（MS2、MS3、MS4及MVB），用於組配各個像素電路以選擇性地輸出線性積分訊號或對數訊號。
各種實施例可較佳地實施以下特徵： 各個像素電路較佳地進一步包含連接於光電二極體與FD節點之間的轉移閘電晶體(transfer gate transistor，MTX)。
各個像素電路可組配來產生對數輸出訊號(vlg out)，且進一步包含連接於第二電壓供應(vdd)與源極隨耦器電晶體(MSF)之汲極之間的第一額外偏置電晶體(MVB)。第二額外電晶體(MS2)可將偏置電晶體(MVB)之汲極連接至重置電晶體(MRST)之汲極，且第三額外電晶體(MS3)可將重置電晶體(MRST)之汲極連接至第一電力供應(vrst)。
較佳地，第三額外電晶體(MS3)打開。第四額外電晶體(MS4)可連接重置電晶體(MRST)的汲極與閘極。列選擇電晶體(MSEL)可閉合，且行輸出可連接至地面。各個像素電路較佳地包含連接於偏置電晶體(MVB)之汲極與源極隨耦器電晶體(MSF)之汲極之間的輸出(vlg_out)。
較佳地，各個像素電路組配來產生對數輸出訊號，且進一步包含連接重置電晶體(MRST)的汲極與閘極的第四額外開關電晶體(MS4)、連接於第二電壓供應(vdd)與源極隨耦器電晶體(MSF)之間的第一額外偏置電晶體(MVB)、及將重置電晶體(MRST)連接至第一電力供應(vrst)的第三額外電晶體(MS3)。各個像素電路較佳地進一步包含將偏置電晶體(MVB)連接至重置電晶體(MRST)的第二額外電晶體(MS2)。較佳地，第二額外電晶體(MS2)打開，且較佳地，列選擇電晶體(MSEL)閉合，且對數輸出在行輸出上可用。換言之，對數輸出可自行輸出讀取。
根據本發明的一態樣，影像感測器包含多個像素電路，各個像素電路包含：連接於地面與浮動擴散(FD)節點之間的光電二極體；組配來連接於第一電壓供應與浮動擴散(FD)節點之間的重置電晶體(MRST)；源極隨耦器電晶體(MSF)，其中其汲極組配來連接至第二電壓供應、其閘極連接至浮動擴散(FD)節點、且其源極連接至列選擇電晶體(MSEL)；及連接於源極隨耦器電晶體(MSF)之源極與共用行輸出之間的列選擇電晶體(MSEL)，其中各個像素電路組配來輸出對應於入射於光電二極體上的光的輸出訊號。各個像素電路包含至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出線性積分訊號或對數訊號。各個像素電路進一步包含連接於第二電壓供應與源極隨耦器電晶體(MSF)之汲極之間的第一額外偏置電晶體(MVB)、及組配來將偏置電晶體(MVB)之汲極連接至重置電晶體(MRST)之汲極的第二額外電晶體(MS2)、及組配來將重置電晶體(MRST)連接至第一電力供應的第三額外電晶體(MS3)、及組配來將汲極連接至重置電晶體(MRST)之閘極的第四額外電晶體(MS4)。各個像素電路在組配來產生對數輸出訊號時，第二額外電晶體(MS2)將偏置電晶體(MVB)之汲極連接至重置電晶體(MRST)之汲極，且第三額外電晶體(MS3)打開，且第四額外電晶體(MS4)連接重置電晶體(MRST)的汲極與閘極，其中列選擇電晶體(MSEL)閉合，且行輸出連接至地面，且其中各個像素電路包含連接於偏置電晶體(MVB)與源極隨耦器電晶體(MSF)之間的輸出(vlg_out)。
根據本發明的一態樣，影像感測器包含多個像素電路，各個像素電路包含：連接於地面與浮動擴散(FD)節點之間的光電二極體；組配來連接於第一電壓供應與浮動擴散(FD)節點之間的重置電晶體(MRST)；源極隨耦器電晶體(MSF)，其中其汲極組配來連接至第二電壓供應，其閘極連接至浮動擴散(FD)節點、且其源極連接至列選擇電晶體(MSEL)；及連接於源極隨耦器電晶體(MSF)之源極與共用行輸出之間的列選擇電晶體(MSEL)。各個像素電路組配來輸出對應於入射於光電二極體上的光的輸出訊號。各個像素電路包含至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出線性積分訊號或對數訊號。各個像素電路進一步包含連接於第二電壓供應與源極隨耦器電晶體(MSF)之汲極之間的偏置電晶體(MVB)、組配來將偏置電晶體(MVB)之汲極連接至重置電晶體(MRST)之汲極的第二額外電晶體(MS2)、及組配來將重置電晶體(MRST)連接至第一電力供應的第三額外電晶體(MS3)、及組配來連接重置電晶體(MRST)之汲極與閘極的第四額外開關電晶體(MS4)。各個像素電路在組配來產生對數輸出訊號時，第四額外開關電晶體(MS4)連接重置電晶體(MRST)之汲極與閘極，第三額外電晶體(MS3)將重置電晶體(MRST)連接至第一電力供應，且其中第二額外電晶體(MS2)打開，且列選擇電晶體(MSEL)閉合，且對數輸出在行輸出上可用。
較佳地，至少一額外二極體連接之電晶體與第二額外電晶體(MS2)串聯連接，且組配來在對數轉換組態中乘以增益，或至少一額外二極體連接之電晶體與第三額外電晶體(MS3)並聯連接，且組配來在對數轉換組態中乘以增益。
較佳地，在不同的時間間隔期間，至少一電晶體組配來在替代組態中依序組配多個像素電路。
較佳地，至少一電晶體組配來獨立地為多個像素電路中之各者、或為多個像素電路的子集組配替代組態，或至少一電晶體組配來基於先前的輸出訊號獨立地為多個像素電路中之各者或多個像素電路的子集組配替代組態。
合併之線性對數積分組態可作為額外組態來實施。在積分階段期間，可選電晶體MTX閉合(ON)、MS3閉合(ON)且MRST之閘極透過閘X1之電源連接至公共控制電壓。電路輸出透過電晶體MSEL來自MSF的源極。
影像感測器可由多個半導體層構成，其中各個層針對該層級的功能進行了優化。
較佳地，影像感測器由多個半導體層構成，其中第二層至少含有該至少一額外電晶體，且第一層包含光電二極體及剩餘電晶體。
額外的重組態開關可在相鄰像素的子集之間連接個別浮動擴散節點(FD)。
這可能會以降低解析度為代價增加自照度至輸出的增益。該組態可在操作中不時地進行電氣重組配，且可任選地取決於操作模式或照明條件。
可藉由重複的短線性積分時間來產生準連續像素局部輸出。可添加一進一步電晶體MVC，其源極連接至地面，其閘極連接至參考電壓vc，且其汲極連接至MSF之源極。MVC提供一局部電流槽及一像素局部輸出vln_out，在MVC之汲極處可用。MVC亦可稱為偏置電晶體。
在電氣重組態中，另外可提供高品質對數訊框輸出。
在一個實施例中，各個像素電路可進一步包含連接於MSF之汲極與行輸出之間的列選擇電晶體(MSEL2)、及將源極隨耦器電晶體(MSF)之源極連接至地面的第五額外電晶體(MS5)。
較佳地，各個像素電路進一步包含第二源極隨耦器電晶體(MSF2)及列選擇電晶體(MSEL2)，其中MSF2之閘極連接至MSF之汲極、其汲極連接至第二電壓(vdd)、且其源極連接至列選擇電晶體(MSEL2)之汲極，且列選擇電晶體之源極連接至行輸出；及將源極隨耦器電晶體(MSF)之源極連接至地面的第五額外電晶體(MS5)。
各個像素電路可進一步包含第二源極隨耦器電晶體(MSF2)及列選擇電晶體(MSEL2)，其中MSF2之閘極連接至MSF之汲極、其汲極連接至第二電壓(vdd)、且其源極連接至列選擇電晶體(MSEL2)之汲極，且列選擇電晶體之源極連接至額外行輸出。
總之，高品質對數訊框輸出可在電氣重組態中另外提供。在一個實施例中，電壓vlg_out透過額外列選擇電晶體(MSEL2)連接至行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇電晶體(MSEL2)連接至現有行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇(MSEL2)連接至額外行線。
本發明進一步涵蓋對應之方法。
較佳實施例之詳細說明
圖1a及圖1b示意性地示出了「合併之線性與對數模式操作的CMOS主動像素感測器」（N. Tu等人，Proc. IEEE Canadian Conf. Electrical and Computer Engineering，1998，第754~757頁）中揭示的3T像素實例（3T：三個電晶體）中之經典Lin-Log影像感測器（Lin-Log：線性-對數）之一像素。在圖1a中所示的線性積分模式中，藉由開啟重置電晶體MRST來重置像素。在關閉重置電晶體MRST之後，且在一定積分時間之後，藉由接通選擇列電晶體MSEL，經由包含像素內源極隨耦器MSF的放大器讀出光電二極體上之電荷。讀出電晶體MSF組配來源極隨耦器且充當緩衝器，允許在不移除累積之電荷的情況下觀察像素電壓。其電力供應vdd通常與重置電晶體之電力供應vrst相同。自重置值讀出的輸出電壓降與光強度及積分時間成正比。
在圖1b所示的對數模式中，重置電晶體MRST之閘極連接至供應電壓vrst，且在弱反向區域中工作。在該區域中，電晶體上的汲極源極電壓降與由光電二極體設定的電流呈對數關係。電晶體上的電壓透過源極隨耦器MSF及選擇電晶體MSEL傳輸至輸出，與在線性模式下一樣。
圖6示出了4T像素，其包含與3T像素相同的元件，但在浮動擴散節點FD與光電二極體PD之間增加了轉移閘MTX。閉合重置電晶體MRST、及轉移閘MTX將浮動擴散節點FD及光電二極體電勢重置為電壓vrst，該電壓可對應於供應電壓vdd，從而清除所有積分電荷。由於重置電晶體為n型，此操作為軟重置，且最終電勢為vrst之下的臨界電壓。
在MTX關閉的情況下進行電荷積分，且在積分時間之後藉由開啟MTX將電荷傳輸至浮動擴散(FD)節點。源極隨耦器MSF及選擇電晶體MSEL再次選擇待由讀出電子設備讀取的像素陣列之單一列。
亦存在諸如5T及6T像素的像素之其他組態。藉由添加額外的電晶體，可實施諸如全面曝光而非更常見之滾動式快門之功能。
圖1b中所示的對數模式具有以下缺點：(i)訊號參考電力供應(ii)對數輸出顯示於行線上，且不能直接用於局部處理。
替代對數組態係已知的，其提供改善之回應。J. Guo等人，2008，SENSORS，2008 IEEE，提供線性與對數模式之間的電氣重組態，但沒有像素局部輸出。其在圖2中顯示。P. Lichtsteiner等人，2008，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，第43卷，第2期，2008年2月，提供了像素局部輸出，但沒有在線性與對數組態之間重組態的能力，如圖3中所描繪。
見圖4，W. Chou等人，2012，SENSORS，2012 IEEE，存在組態，其提供合併之線性對數回應而無需重組態，在低照度條件下具有線性回應且在高照度條件下具有對數回應。此等影像感測器提供高動態範圍回應，但不提供連續的像素局部輸出以用於低延遲的基於事件的感測。
報告了替代解決方案，具有多次曝光時間，S.D.Freedman，2015，2nd International Conference on Knowledge-Based Engineering and Innovation (KBEI)，以及基於時間的轉換方法，例如，根據圖5，M. Goto等人，2016，2016 IEEE SOI-3D- Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference (S3S)，其提供對數光回應且擴展影像感測器之動態範圍。此等組態不適於為低延遲的基於事件的感測提供連續像素局部輸出。
圖6示意性地示出了根據4T組態的影像感測器之像素概念電路組態。此模式提供線性積分模式，其中電晶體MRST、MSF、MSEL及MTX用於其標準功能。此組態可用於全面曝光模式及滾動式快門模式兩者。MTX可省略，以作為3T電路操作。
一些晶圓廠標準單元提供額外功能，例如額外增益範圍，使用額外電晶體實施，從而產生5T、6T、……、nT結構。本發明與標準單元的此等擴展相容。
此組態中像素的操作由四個階段組成。(i)在FD重置階段，訊號重置為高，電晶體MRST開啟。FD節點連接至vrst，且排空前一循環的任何積分電荷。(ii)在PD電荷累積階段，MTX關閉，且光入射時光生載流子累積於PD中。(iii)在PD電荷傳輸階段，MTX開啟，且累積之電荷自PD傳輸至FD，並轉換成電壓。(iv)在FD電壓讀出階段，MSEL啟動，且傳輸之電荷保持在FD上。當訊號sel為高時，FD電壓透過緩衝源極隨耦器電晶體MSF讀出至行線。
圖7a示意性地示出了根據本發明的影像感測器之像素電路組態，其致能一對數模式，其中在vlg_out輸出上發生讀出。MRST、MSF及MSEL係上述4T電路的重新使用之組件。光電二極體PD連接於地面與節點FD之間。源極隨耦器電晶體MSF之閘極連接至節點FD，其汲極連接至輸出線vlg_out，且其源極連接至地面。偏置電晶體MVB之源極連接至輸出線vlg_out，其閘極連接至偏置電壓vb，且其汲極連接至供應電壓vdd。電晶體MRST作為二極體連接之電晶體連接，其汲極連接至輸出線vlg_out，且其源極連接至節點FD。
穿過電晶體MRST的電流I PD由流動穿過光電二極體PD的電流給出。MRST以弱反向操作，其中電流-電壓關係如下所示：
Figure 02_image001
因此，訊號vlg_out係I PD的對數函數加上由偏置給定之常數偏移：
Figure 02_image003
其中，I D0係vlg_out-V FD=V TH時MSF電晶體的I PD電流，n係斜率因數，U T係熱電壓，V TH係MRST的臨界電壓。因此，穿過電晶體MRST的電流I PD被轉換成輸出線vlg_out上定義良好的輸出電壓。
關於圖1b中所示之對數模式，該模式係有利的，因為它包含反饋放大迴路，特別是具有以下優點： - 適於連續操作及低延遲事件回應產生的像素局部輸出訊號 - 降低之雜訊 - 提高之輸出驅動速度，尤其在光電二極體電流低的情況下 - 改善之負載及雜訊對輸出之獨立性 - 光電二極體之固定偏置電壓提供了恆定的工作條件 - 抗擾於電源耦合雜訊
關於圖3中所示之對數模式，該模式係有利的，因為它提供： - 電晶體MRST上降低之汲極源極電壓，抑制了此電晶體中汲極源極洩漏及汲極基極洩漏，可自標準4T結構中重複使用。 - 可用一組標準額外開關獲得之電晶體組態。
圖3中所示之對數模式可藉由電晶體MSF之汲極至電晶體MRST之閘極之間的開關MS4之替代連接來實施。
進一步的二極體連接之電晶體可選擇性地與概念電路中之電晶體MRST串聯添加。此等電晶體以相同之方式操作，且提供電壓增益之倍增。此等電晶體非晶圓廠標準單元之重複使用，代表了額外成本（面積），但與本發明相容。
較佳地，至少一額外二極體連接之電晶體與第二額外電晶體(MS2)串聯連接，並組配來在對數轉換組態中乘以增益，或至少一額外二極體連接之電晶體與第三額外電晶體(MS3)並聯連接，且組配來在對數轉換組態中乘以增益。這在圖7b中顯示。
圖8a示意性地示出了根據本發明的影像感測器的在重組配像素電路時可達到的進一步像素電路組態。第三像素組態提供與先前技術中報告的模式（亦參見圖1b）等效的替代對數模式。在此模式中，光電流流動穿過電晶體MRST，且藉由閉合選擇列電晶體MSEL來發生浮動擴散節點FD的讀出。光電二極體PD連接於地面與浮動擴散節點FD之間。源極隨耦器電晶體MSF將其閘極連接至浮動擴散節點FD、其汲極連接至供應電壓vdd、且其源極連接至選擇列電晶體MSEL。電晶體MRST的閘極及汲極連接至對數(log)供應電壓vrst，且其源極連接至浮動擴散節點FD。
本發明在像素電路中沒有額外電晶體的情況下致能該替代對數模式。在一些實施例中，擴展訊框影像操作之動態範圍而不增加額外成本（即，矽面積）亦係有利的。
替代對數組態可與線性積分組態合併，如圖8c中所示。在此類合併線性-對數(log-lin)情況下，像素之操作由三個階段組成。(i)在FD重置階段，電晶體MRST開啟。FD節點連接至vrst，且排空前一循環的任何積體電荷。(ii)在PD電荷累積階段，光生載流子累積於節點FD上且轉換成電壓。如圖8c中所示，MRST之閘極透過閘X1之降低電源連接至較低的控制電壓。當光電二極體電流將FD電壓放電至足夠低的電壓時，MRST開始導通。(iv)在FD電壓讀出階段，MRST關閉，MSEL啟動，且傳輸之電荷保持在FD上。當訊號sel高時，FD電壓透過MSF讀出至行線。
當MRST不導通時，電路在低光照度下的回應係線性的，且FD電壓變化與光照強度及積分時間成正比。在高照度下，MRST提供對數電壓回應，且FD電壓為強度的對數函數。
此組態係眾所周知的，且與本發明相容。這係有利的，因為它為訊框影像資料提供了額外的動態範圍。由於未使用晶圓廠標準傳輸電晶體MTX提供的隔離，線性回應降級。
如在上文所述的第一對數模式中，在替代組態的概念電路中，進一步的二極體連接之電晶體可與電晶體MRST串聯添加。此等電晶體以相同之方式操作，且提供電壓增益之倍增。此等電晶體非晶圓廠標準單元之重複使用，代表了額外成本（面積），但與本發明相容。
圖9所示的像素電路致能具有符合圖6的第一線性積分模式的第一像素組態、具有符合圖7a的優化積分模式的第二像素組態、及具有符合圖8a的替代對數模式的第三像素組態。
核心係圖6之4T像素，且如圖中下部虛線框之內所示。光電二極體PD、及電晶體MRST、MSF及MSEL係4T單元之部分。上部虛線框顯示用於提供像素重組態的額外電路系統，由四個電晶體(MS2、MS3、MS4、MVB)及一個邏輯閘X1組成。
光電二極體PD透過傳送電晶體MTX連接至浮動擴散節點FD。
電晶體MRST連接於浮動擴散節點FD與第二開關MS3之間，第二開關MS3進一步連接至供應電壓vrst。MRST之閘極連接至三態邏輯閘X1之輸出。X1、MRST及MS3之操作為節點FD提供重置路徑。
開關MS4進一步連接電晶體MRST的閘極及汲極。此連接用於允許將電晶體MRST重新使用為在對數模式下自線性光電流轉換成對數電壓的電晶體。
電晶體MSF之閘極連接至浮動擴散節點FD，源極連接至選擇開關電晶體MSEL，且汲極連接至電晶體MVB之汲極，MVB進而連接至電力供應vdd。電晶體MSF產生源極隨耦器電路，在使用此功能的組態中將節點FD上之電壓複製至行線。
電晶體MVB之源極連接至電源vdd，汲極連接至輸出節點vlg_out，且閘極連接至訊號vb。此電晶體在需要MSF之源極隨耦器功能的組態中用作開關(on)，且在需要vlg_out上輸出的組態中用作電流源。
開關MS2連接於電晶體MRST之汲極與vlg_out之間，且在第一對數模式下閉合。
可重組配電路提供高品質（弱光時低雜訊）影像資料訊框輸出，以及高動態範圍及低雜訊連續資料，用於自同一像素陣列產生事件。
重複使用晶圓廠提供之4T單元具有以下優點： - 此等單元以面積優化形式提供，包括優化面積的製程技術優化 - 此等單元以性能優化形式提供，包括優化性能的製程技術優化 - 此等單元的特徵資訊可用 - 此等單元的可靠性資訊可用 - 此等單元的產量資訊可用 - 晶圓廠承諾在技術變更期間保持單元的性能規格 - 特徵資訊的可用性促進了設計自一個製程節點至下一製程節點的遷移。
在線性積分模式（參見圖6）下，MS2、MS4及MS5打開，而MS3、及MVB閉合。MRST用作重置電晶體，且MTX、MSF及MSEL在線性操作期間具有其通常的功能。有效電路與圖6匹配。圖9a顯示了圖9的電路，且示出了線性積分模式，其中MS2及MS4處於打開位置，且MS3處於閉合位置。
在第一對數模式（參見圖7a）中，MS3打開，X1不活動，且MS2、MS4及MTX閉合。偏置電壓vb連接至可組配偏置電壓。電晶體MSEL藉由將控制訊號sel連接至供應電壓vdd而短路，且行線連接至地面。有效電路與圖7a的概念電路匹配。因此，通過MTX及MRST的光電流IPD連續轉換成輸出電壓vlg_out，給出了對數回應。圖9b示出了圖9的電路，且示出了第一對數模式，其中MS2及MS4處於閉合位置，且MS3處於打開位置。
在一個實施例中，電壓vlg_out局部用於像素內處理。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過額外列選擇電晶體(MSEL2)連接至行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇電晶體(MSEL2)連接至現有行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇(MSEL2)連接至額外行線。
在替代對數模式下，MS2打開，X1不活動，而MS3、MS4、MTX及MVB閉合。MSEL用作列選擇，當選擇該列時，對數電壓在行線上連續可用。此組態中的有效電路與圖1b匹配。此組態模式與現有行線上的像素評估相容，無需額外電晶體。圖9c顯示了圖9的電路，且示出了替代對數模式，其中MS3及MS4處於閉合位置，且MS2處於打開位置。
影像感測器可不時地在替代組態之間電氣重組配整個像素配置。這有利於自同一影像感測器提供不同的資料品質，例如，高品質低光訊框影像資料及低延遲動態回應。
影像感測器亦可同時以不同組態對不同區域（像素子集）進行電氣重組配，其中子集可不時地改變。這有利於自影像的不同區域同時獲得不同品質之資料。
影像感測器可基於先前時間間隔上之影像輸出來切換整個像素配置或像素之子集配置的組態。這有利於在不斷變化的照明條件下提供高品質資料。
在進一步實施例中，額外重組態開關連接相鄰像素子集之間的等效FD節點係對數組態，其中致能單個讀出MRST電晶體。以此方式，多個光電二極體並聯連接，增大穿過主動MRST電晶體的總光電二極體電流，且導致自照度至輸出電壓的更大電壓及更大增益。這係有利的，因為它提高了信雜比且提高了回應速度。
在圖10中所示的進一步實施例中，藉由實施重複的短線性積分時間，基於線性積分組態產生準連續像素局部輸出。添加了進一步電晶體MVC，其源極連接至地面，閘極連接至參考電壓vc，且汲極連接至MSF之源極。MVC提供局部電流槽，且像素局部輸出在MVC之汲極處可用。
該實施例係有利的，因為它降低了在較低照度下像素局部連續處理的操作中之雜訊。與較高亮度下的對數處理合併，為局部處理及低延遲回應提供了擴展的動態範圍。
在此操作中，回應速度降低（延遲增加），但速度仍高於全訊框輸出。
根據圖11至圖13中描繪的進一步組態，高品質對數訊框輸出在電氣重組態中另外可用。在圖11中所示的一個實例中，電壓vlg_out透過額外列選擇電晶體(MSEL2)連接至行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在根據圖12的進一步實例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇電晶體(MSEL2)連接至現有行線，且MSF之源極用額外開關MS5切換至地面。在進一步實施例中，電壓vlg_out透過第二源極隨耦器(MSF2)及列選擇(MSEL2)連接至額外行線。
在一個實施例中，影像感測器積體電路由單個半導體層構成。
在進一步實施例中，影像感測器由多個半導體層構成，其中各個層的半導體製程類型針對彼層之功能進行優化。
這種實施係有利的，因為半導體製程功能的優化允許(i)性能改善、(ii)矽面積減少且由於(ii)，裝置尺寸及裝置成本降低。改變的實體結構提高了(i)填充因數(ii)量子效率的光學性能，且降低了控制訊號線與光電感測器電路之間的電干擾。
特別是，晶圓廠標準基單元可在一個半導體層上實施，其中該半導體層針對光學性能及單元密度及填充因數進行了優化。額外開關電晶體在額外半導體層中實現。
所提出之結構提供了重組態，其中每一像素的半導體層之間的連接數目有限。在一個實施例中且參考圖9，每一像素需要三個連接來實施所有描述的組態。
綜上所述，線性積分模式用於微光下高靈敏度及訊框模式操作，如經典的4T像素。動態範圍可在不增加額外成本（面積）的情況下使用替代對數模式來擴展訊框模式操作，或在增加額外成本（面積）的情況下使用第一對數模式來提高性能。
第一對數模式為適於產生事件回應的像素局部處理提供高品質連續輸出訊號。
該些操作模式係藉由對晶圓廠標準3T或4T電路進行小規模電氣重組態而獲得的，它們既提供高品質的訊框影像資料，又為同一像素陣列的事件處理提供連續的像素局部高品質對數回應。
在線性及對數工作模式中使用同一陣列係有利的，因為： - 訊框影像資料與事件資料的地理相關性很簡單，因為使用了相同的像素。無需對多個影像系統（光學器件）進行精確的、時間穩定的、及振動穩定的對準或校準，或補償光學像差及畸變或色度回應。 - 在一些實施例中，移除了對第二影像感測器的要求，從而降低了相機體積、功耗及成本，且提高了可靠性。
多個像素通常被組織在具有數個「列」及數個「行」的二維網格中。應注意，「列」及「行」的定義可互換而不影響本發明。應進一步注意，在不影響本發明的適用性的情況下，映射至二維網格的其他幾何組態係可能的。
根據上述實施例的組態可在操作中不時地進行電氣重組配，且可選擇性地取決於操作模式或照明條件。
其他態樣、特徵、及優點將自上述概要、以及自包括附圖及請求項的描述中顯而易見。
雖然本發明已在附圖及前述描述中詳細說明及描述，但此類說明及描述應被視為說明性或例示性而非限制性的。應理解，在以下請求項的範疇內，可由普通技術人員進行更改及修改。特別是，本發明涵蓋具有來自上述及下述不同實施例的特徵的任何組合的進一步實施例。
此外，在請求項中，「包含(comprising)」一詞不排除其他元素或步驟，且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」不排除複數。單個單元可實現請求項中列舉的幾個特徵的功能。與屬性或值相關的術語「基本上(essentially)」、「約(about)」、「大體上(approximately)」或類似者亦分別精確地定義了屬性或值。請求項中的任何參考符號不應被解釋為對範疇的限制。
FD:浮動擴散 gnd:地面 M RST:重置電晶體 Ms 2:第二額外電晶體 Ms 3:第三額外電晶體 Ms 4:第四額外電晶體 M S5:第五額外電晶體 M SF:源極隨耦器電晶體 M SF2:第二源極隨耦器電晶體 M SEL,M SEL2:列選擇電晶體 M TX:轉移閘電晶體/傳輸電晶體/傳送電晶體 M VB,M VC:偏置電晶體 PD:光電二極體 sel,se2,tx:訊號 vb:偏置電壓/訊號 vc:參考電壓 vdd:第二電壓供應/第二電壓/供應電壓/電壓供應/電力供應/電源 vlg_out:輸出/輸出線/輸出電壓/輸出節點/訊號/電壓 vln_out:像素局部輸出 vrst:第一電壓供應/第一電力供應/供應電壓 V TH:MRST之臨界電壓 X 1:閘/邏輯閘
參考以下圖式描述本發明。 圖1a顯示了根據先前技術的線性3T影像感測器電路， 圖1b顯示了根據先前技術的對數影像感測器電路， 圖2顯示了根據先前技術的可重組配線性及對數輸出電路， 圖3顯示了根據先前技術的對數輸出電路， 圖4顯示了根據先前技術的合併之線性與對數電路， 圖5顯示了根據先前技術的具有計數方法的電路， 圖6顯示了根據先前技術的線性4T影像感測器， 圖7a及圖7b顯示了根據本發明的一實施例的對數電路， 圖8a至圖8c顯示了根據本發明的一實施例的對數電路， 圖9顯示了根據本發明的一實施例的電路， 圖9a、圖9b及圖9c分別顯示了圖9的電路及對應於線性積分模式、第一對數模式及替代對數模式的組態， 圖10至圖13顯示了根據本發明的各種實施例的電路。
附圖中相同的參考符號表示相同或相似的元件。若未另行指示，則附圖亦可在個別附圖的相同或類似元件或部分中顯示相同的電路系統。由於下面描述的開關功能性可藉由電晶體實施，因此術語開關與電晶體可互換地使用。
FD:浮動擴散
gnd:地面
MRST:重置電晶體
Ms2:第二額外電晶體
Ms3:第三額外電晶體
Ms4:第四額外電晶體
MSF:源極隨耦器電晶體
MSEL:列選擇電晶體
MTX:轉移閘電晶體/傳輸電晶體/傳送電晶體
MVB:偏置電晶體
PD:光電二極體
sel,tx:訊號
vb:偏置電壓/訊號
vdd:供應電壓/電力供應/電源
vlg_out:輸出線/輸出電壓/輸出節點/訊號/電壓
vrst:供應電壓/電力供應
X1:閘/邏輯閘

Claims (18)

  1. 一種影像感測器，其包含多個像素電路，各個像素電路包含： 一光電二極體，其連接於地面與一浮動擴散節點之間， 一重置電晶體，其連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間， 一源極隨耦器電晶體，其中其汲極連接至一第二電壓供應，閘極連接至一浮動擴散節點，且源極連接至一列選擇電晶體，及 該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之該源極與一共用的行輸出之間， 其中各個像素電路組配來輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；且 其中各個像素電路包括至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號。
  2. 如請求項1的影像感測器，其中各個像素電路進一步包含連接於該光電二極體與該浮動擴散節點之間的一轉移閘電晶體。
  3. 如請求項1或2的影像感測器，其中各個像素電路組配來產生一對數輸出訊號，且進一步包含：一第一額外偏置電晶體，其連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之汲極之間，及 一第二額外電晶體，其將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極，及 一第三額外電晶體，該第三額外電晶體經添加將該重置電晶體連接至第一電力供應，且 其中較佳地該第三額外電晶體為打開，及 一第四額外電晶體，其連接該重置電晶體的汲極與閘極， 其中該列選擇電晶體為閉合，且該行輸出連接至地面，且 其中各個像素電路包含連接於該偏置電晶體與該源極隨耦器電晶體之間的一輸出。
  4. 如請求項1或2的影像感測器，其中各個像素電路組配來產生一對數輸出訊號，且進一步包含：一第四額外開關電晶體，其連接該重置電晶體的汲極與閘極， 一偏置電晶體，其連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之間，及 一第三額外電晶體，其將該重置電晶體連接至該第一電力供應，且 其中各個像素電路較佳地進一步包含將該偏置電晶體連接至該重置電晶體的一第二額外電晶體，且 其中較佳地該第一額外電晶體為打開，且 其中較佳地該列選擇電晶體為閉合，且該對數輸出在該行輸出上可用。
  5. 一種影像感測器，其包含多個像素電路，各個像素電路包含： 一光電二極體，其連接於地面與一浮動擴散節點之間， 一重置電晶體，其組配來連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間， 一源極隨耦器電晶體，其中其汲極組配來連接至一第二電壓供應，其閘極連接至該浮動擴散節點，且其源極連接至一列選擇電晶體，且 該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之源極與一共用的行輸出之間， 其中各個像素電路組配來輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；且 其中各個像素電路包括至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號， 其中各個像素電路進一步包含： 一第一額外偏置電晶體，其連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之汲極之間，及 一第二額外電晶體，其組配來將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極，及 一第三額外電晶體，其組配來將該重置電晶體連接至第一電力供應，及 一第四額外電晶體，其組配來將該重置電晶體之汲極連接至閘極， 其中各個像素電路在組配來產生一對數輸出訊號時 該第二額外電晶體將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極，且 該第三額外電晶體為打開，且 該第四額外電晶體連接該重置電晶體的汲極與閘極， 其中該列選擇電晶體為閉合，且該行輸出連接至地面，且 其中各個像素電路包含連接於該偏置電晶體與該源極隨耦器電晶體之間的一輸出。
  6. 一種影像感測器，其包含多個像素電路，各個像素電路包含： 一光電二極體，其連接於地面與一浮動擴散節點之間， 一重置電晶體，其組配來連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間， 一源極隨耦器電晶體，其中其汲極組配來連接至一第二電壓供應，其閘極連接至該浮動擴散節點，且其源極連接至一列選擇電晶體，及 該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之源極與一共用的行輸出之間， 其中各個像素電路組配來輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；且 其中各個像素電路包括至少一額外電晶體，用於組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號， 其中各個像素電路進一步包含： 一偏置電晶體，其連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之汲極之間， 一第二額外電晶體，其組配來將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極，及 一第三額外電晶體，其組配來將該重置電晶體連接至第一電力供應，及 一第四額外開關電晶體，其組配來連接該重置電晶體的汲極與閘極，其中各個像素電路在組配來產生一對數輸出訊號時 該第四額外開關電晶體連接該重置電晶體的該汲極與該閘極， 該第三額外電晶體將該重置電晶體連接至該第一電力供應，且 其中該第二額外電晶體為打開且 該列選擇電晶體為閉合且該對數輸出在該行輸出上可用。
  7. 如請求項1至6中任一項的影像感測器，其中至少一額外二極體連接之電晶體與該第二額外電晶體串聯連接，且組配來在一對數轉換組態中乘以增益，或 其中該至少一額外二極體連接之電晶體與該第三額外電晶體並聯連接，且組配來在一對數轉換組態中乘以增益。
  8. 如請求項1至7中任一項的影像感測器，其中在數個不同時間間隔期間，該至少一電晶體組配來以數個替代組態依序組配該等多個像素電路， 其中較佳地該至少一電晶體組配來獨立地為該等多個像素電路中之各者或為該等多個像素電路的數個子集組配該等替代組態，或 其中較佳地該至少一電晶體組配來基於一先前輸出訊號獨立地為該等多個像素電路中之各者或為該等多個像素電路的數個子集組配該等替代組態。
  9. 如請求項1至8中任一項的影像感測器，其中該影像感測器由多個半導體層構成，其中各個層針對彼層級之功能進行了優化。
  10. 如請求項1至9中任一項所述的影像感測器，其中該影像感測器由多個半導體層構成，其中一第二層至少含有該至少一額外電晶體，且一第一層包含該光電二極體及剩餘電晶體。
  11. 如請求項1至10中任一項的影像感測器，其中數個額外重組態開關連接數個相鄰像素之一子集之間的個別浮動擴散節點。
  12. 如請求項1至11中任一項的影像感測器，其中各個像素電路進一步包含一偏置電晶體，其中該偏置電晶體連接於地面與該源極隨耦器電晶體之間，且一電壓連接至該輸出電晶體之閘極。
  13. 如請求項1至12中任一項的影像感測器，其中各個像素電路進一步包含：一列選擇電晶體，其連接於該輸出與該行輸出之間，及 一第五額外電晶體，其將該源極隨耦器電晶體連接至地面。
  14. 如請求項1至13中任一項的影像感測器，其中各個像素電路進一步包含：一第二源極隨耦器電晶體及將該輸出連接至該行輸出的一列選擇電晶體，及 一第五額外電晶體，其將該源極隨耦器電晶體連接至地面。
  15. 如請求項1至14中任一項的影像感測器，其中各個像素電路進一步包含一第二源極隨耦器電晶體及將該輸出連接至一額外行輸出的一列選擇電晶體。
  16. 一種用於重組配包含多個像素電路的影像感測器的方法，該方法包含： 提供連接於地面與一浮動擴散節點之間的一光電二極體， 提供連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間的一重置電晶體， 提供一源極隨耦器電晶體，其中其汲極連接至一第二電壓供應，閘極連接至一浮動擴散節點，且源極連接至一列選擇電晶體，及 將該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之源極與一共用的行輸出之間， 輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；及 使用至少一額外電晶體組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號。
  17. 一種用於重組配包含多個像素電路的影像感測器的方法，該方法包含： 提供連接於地面與一浮動擴散節點之間的一光電二極體， 提供連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間的一重置電晶體， 提供一源極隨耦器電晶體，其中其汲極連接至一第二電壓供應，閘極連接至一浮動擴散節點，且源極連接至一列選擇電晶體， 將該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之源極與一共用的行輸出之間， 輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；及 使用至少一額外電晶體組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號，進一步包含： 將一第一額外偏置電晶體連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之汲極之間，及 提供組配來將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極的一第二額外電晶體，及 提供組配來將該重置電晶體連接至第一電力供應的一第三額外電晶體，及 提供組配來將該重置電晶體之汲極連接至閘極的一第四額外電晶體， 其中各個像素電路在組配來產生一對數輸出訊號時 該第二額外電晶體將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極， 該第三額外電晶體為打開，且 該第四額外電晶體連接該重置電晶體的汲極與閘極， 其中該列選擇電晶體為閉合，且該行輸出連接至地面，且 其中各個像素電路包含連接於該偏置電晶體與該源極隨耦器電晶體之間的一輸出。
  18. 一種用於重組配包含多個像素電路的一影像感測器的方法，該方法包含： 提供連接於地面與一浮動擴散節點之間的一光電二極體， 提供連接於一第一電壓供應與該浮動擴散節點之間的一重置電晶體， 提供一源極隨耦器電晶體，其中其汲極連接至一第二電壓供應，閘極連接至一浮動擴散節點，且源極連接至一列選擇電晶體，及 將該列選擇電晶體連接於該源極隨耦器電晶體之源極與一共用的行輸出之間， 輸出對應於入射於該光電二極體上的一光的一輸出訊號；及 使用至少一額外電晶體組配各個像素電路以選擇性地輸出一線性積分訊號或一對數訊號，進一步包含： 將一偏置電晶體連接於該第二電壓供應與該源極隨耦器電晶體之汲極之間， 提供組配來將該偏置電晶體之汲極連接至該重置電晶體之汲極的一第二額外電晶體，及 提供組配來將該重置電晶體連接至第一電力供應的一第三額外電晶體，及 提供組配來將該重置電晶體之該汲極連接至閘極的一第四額外電晶體， 其中各個像素電路在組配來產生一對數輸出訊號時， 該第四額外開關電晶體連接該重置電晶體的汲極與閘極， 該第三額外電晶體將該重置電晶體連接至該第一電力供應， 其中該第二額外電晶體為打開，且 該列選擇電晶體為閉合且該對數輸出在該行輸出上可用。
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