TWI280788B - Image sensor and pixel that has variable capacitance output or floating node - Google Patents

Description

1280788 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與影像感測器有關，特別針對一種影像感測 器，其使用可根據入射光強度而改變其電容量之像素。 【先前技術】 影像感測器早已普遍存在。上述影像感測器廣泛使用 於數位相機、行動電話、安全相機（security cameras)、 醫藥、汽車以及其他應用當中。用於製造影像感測器以及 特別是CMOS影像感測器之技術已經具有長足的進步。例 φ 如，高解析度以及低耗電之需求驅策影像感測器之整合以 及更加微型化。 當上述像素變得更小時，使得輸出一適當強度之訊號 可輕易地由其下游之訊號處理所辨認變得更加困難。此 外，影像感測器具有實施於一廣泛範圍之照射條件之需 求，例如由低照射條件變化至明亮之室外陽光。如上所述 之動態範圍相當廣大。由於上述像素尺寸如下文所述之縮 減，使得上述像素之動態範圍也會隨之受到限制。 _ 【發咖容】 本發明係提供一種主動像素，包括：一感光元件形成 於一半導體基板中；一傳遞電晶體形成於上述感光元件與 一浮動節點之間，並且選擇性地操作以傳遞一訊號自上述 感光元件至上述浮動節點，其中當照射量高於一臨界値 時，上述傳遞電晶體於一累積期間之中係維持於一開啓位 置；以及一放大器電晶體由上述浮動節點控制。 另外，本發明提供一種用於操作一影像感測器之像素 3 1280788 之方法，上述像素包括一感光元件、一傳遞電晶體位於上 述感光元件以及一浮動節點之間用於由上述感光元件傳 遞一訊號至上述浮動節點，並且一放大電晶體藉由位於上 述浮動節點上之上述訊號調變，上述方法包括：比較一照 射量與一臨界値；若上述照射量大於上述臨界値時：啓動 上述傳遞電晶體使得上述像素作用於一 3T模式；若上述 照射量小於上述臨界値時：操作上述像素於一 4T模式之 中。 此外，本發明還提供一種CMOS影像感測器，包括： 複數個主動像素配置成行與列，上述至少一主動像素包 含：U)—感光元件形成於一半導體基板中；(b)—傳遞電 晶體形成於上述感光元件以及一浮動節點之間，並且選擇 性地作用以傳遞一訊號由上述感光元件至上述浮動節 點，其中當一照射量高於一臨界値時，上述傳遞電晶體於 一累積期間係維持於開啓位置；以及（c)一放大電晶體藉由 上述浮動節點控制；一處理電路用於接收上述主動像素之 輸出；以及一 I/O電路用於輸出離開上述CMOS影像感測 器之上述主動像素輸出。 【圖式簡單說明】 第一圖爲使用於一 CMOS影像感測器中之三電晶體（3T) 主動像素之結構圖。 第二圖爲使用於一 CMOS影像感測器中之四電晶體（4T) 主動像素之結構圖。 第三圖爲第二圖之4T主動像素之操作方法流程圖。 第四圖顯示使用本發明之主動像素以及方法所形成之影 像感測器。 4 1280788 【主要元件符號說明】 感光元件101 重置電晶體103 放大電晶體105 列選擇電晶體107 行位元線1 0 9 傳遞電晶體201 方塊 301、303、305、307 影像感測器1101 感測器陣列1103 φ 處理器電路1105 輸入/輸出1107 記憶體1109 匯流排1Π1 【實施方式】 在此，本發明將詳細地敘述一些實施例，然而應注意 者爲除了這些明確之敘述外，本發明亦可實施在各式各樣 的其他實施例中，並且本發明之範圍不限於任何實施例， φ 其當視隨附之申請專利範圍而定。此外，不同元件之部份 並未依照實際比例顯示，且放大相關部件之尺寸，並省略 不重要之部份，以提供本發明更清楚之敘述與理解。 本說明書中之參考「一個實施例」或「一實施例」係 指一特定特徵、結構或描述於與此實施例中有關之特性乃 包含於本發明之至少一個實施例中。因此，遍及本說明書 各處之「一個實施例」或「一實施例」並非全部意指相同 之實施例。此外，特定之特徵、結構或特性可能以一個或 以上之實施例中之任何適當之方式來加以組合。 1280788 第一圖描述一個使用三個電晶體之CMOS主動像 素。此爲習知技術之3T主動像素。一感光元件101輸出 一訊號可使用以調變一放大電晶體105 ( amplification transistor)。上述訊號係「置放（placed)」於一節點A， 其係連接至上述放大電晶體105之閘極。因此，上述放大 電晶體1 05係爲源極隨親（source-folio wer )之架構。感 光元件1 〇 1可爲其他裝置，包括但非限定爲：光電閘 (photogate)、光電二極體（photodiodes)、固定光電二極 體（pinned photodiodes)、部分固定光電二極體（ partially pinned photodiodes)等 0 感光元件1 01於一累積期間（通常也稱爲曝光時間） 感光元件101擷取入射於上述像素上之光，輸出一訊號代 表入射於感光元件101上之光量。上述訊號（其爲一種藉 由感光元件101所產生之累積電荷）係儲存於節點A上， 其係連接至放大電晶體105之閘極。上述訊號儲存於節點 A上接著使用以調變放大電晶體105。在上述累積期間之 後，一重置電晶體103 ( reset transistor )係使用以重置 節點A之位準（level )至下一累積期間前之參考位準。 最後，一列選擇電晶體107係作爲定位（address)上述像 素之裝置（means)並且選擇性地讀出上述訊號於一行位 元線109上。 第二圖在許多觀點中與第一圖之3T主動像素類似， 除了一個額外的傳遞電晶體201(transfertransistor)，其 係使用以傳遞由感光元件101輸出之訊號至一浮動節點 B。此設計已知爲四個電晶體或4T像素。在操作中於累積 期間感光元件101產生之電荷由於傳遞電晶體201之關閉 1280788 而被保持（held )於上述感光元件中。在累積期間之後， 開啓傳遞電晶體201以傳遞上述訊號至浮動節點B。在傳 遞上述訊號至浮動節點B之後，傳遞電晶體20 1再度關閉 以開始後續之一累積期間。由此可知，傳遞電晶體201週 期性地開啓以及關閉以傳遞訊號由每一累積期間至浮動 節點B。 位於浮動節點B上之訊號接著被用以調變放大電晶 體105。此外，在透過行位元線109讀出之後，重置電晶 體103重置浮動節點B至一參考電壓，在本實施例中爲 Vdd 〇 通常在4T像素之設計當中，浮動節點B係設計得較 小（當與3T像素設計之節點A比較時）。浮動節點B被 設計得較小以達到高傳遞增益（transfer gain )。然而在高 曝光條件中，感光元件101所產生之電荷（訊號）量可能 會大於浮動節點B之容量。因此將導致浮動節點B飽和 並且減少動態範圍，以及降低訊號雜訊比（signal-to-noise ratio ; SNR )。 本發明允許一 4T主動像素中之浮動節點B具有可變 電容。在高照射光條件下，於讀出操作中，傳遞電晶體 201係開啓。其作用在於提升浮動節點B之電容，及使4T 像素之作用如一 3T像素。然而，在低照射條件下，浮動 節點B維持其相對小之電容，並且上述4T像素根據4T 像素之正常操作原理作用。本發明之一主動像素之結構大 致上如同第二圖中所示。然而，如下文之細節，可以控制 上述影像感測器以及影像感測器中之主動像素之作用使 得上述像素作用於一 3T像素（在高照射條件下），或一普 1280788 通4T像素（在低照射條件下）。 參考第三圖，顯示本發明所提供之一方法流程圖。首 先，方塊301中，監控（monitor)入射至影像感測器（以 及像素）之照射量。此可藉由任何許多之一般方法達成。 例如，由影像感測器之輸出可以檢驗其明暗度。如同熟悉 該項技術者所知，幾乎每一個影像感測器皆具有使用於自 動增益控制以及曝光控制之電路。藉由決定由上述像素所 輸出之訊號強度而決定環境光強度。另一方式爲檢驗來自 上述影像感測器所處理之輸出以決定相對環境光之條 件。再一另類方法可使用位於上述影像感測器的影像區域 外部之專用感光裝置以監視入射於上述影像感測器上之 入射光量。 接著，於方塊3 03中，將方塊301中所決定之曝光量 與一臨界値作比較。上述臨界値爲用於轉換於3T操作以 及4T操作之間之觸發（trigger )。上述臨界値之明確點係 根據設計考量、參數以及上述影像感測器之性質而變動， 並且甚至可以根據上述影像感測器使用者之判斷而調 整。在任何情況中，一臨界値係用於描述介於3T與4T 之操作。若決定於方塊301中之照射量高於上述臨界値， 則方塊307中，於操作中開啓上述傳遞電晶體，並且上述 像素表現如一 3T像素。然而，若上述照射量低於上述臨 界値時，則上述像素係作用如一正常之4T操作。 如上所述，在一 4T像素中，爲了獲得高傳遞增益， 設計相對較小之浮動節點B並且其具有相對較小之電 容，例如2毫微微法拉（femtofarad )之等級。若上述影 像感測器以及像素使用一 1伏特（one-volt)訊號範圍， 1280788 此意味可以固定於浮動節點B之電子最大數量（Qmax )約 略爲12,500。考量「散射雜訊（shot noise)」，此導致一 最大訊號雜訊比之値爲112。然而，在許多照射條件中’ 一感光元件，例如一固定光電二極體 （Pinned photodiode )，可產生較Qmax多之訊號（電子）。 爲了應付此問題，根據本發明，傳遞電晶體20 1於操 作期間係保持於上述開啓狀態，其中具有相對較高之環境 照度（ambient illumination )。此導致位於浮動節點B上 之電容實質上增加，亦即，「4T正常（4T normal)」浮動 節點（2毫微微法拉）、位於傳遞電晶體201中以及位於 感光元件1 〇 1中之電容的總合。在一實施例中，上述傳遞 電晶體被開啓並且作用於電容器模式中可具有14毫微微 法拉之電容。上述感光元件若是一固定光電二極體，可具 有4毫微微法拉等級之電容。在此所提供之總電容爲20 毫微微法拉。 當使用相同1伏特訊號範圍時，可以儲存最大數量之 電子，因此增加至1 2500，其爲正常4T操作之10倍。再 次強調，考慮散射雜訊，最大之訊號雜訊比（SNR )約略 爲354，大於4T操作之3倍。 因此由上述中可知，根據本發明之像素以及影像感測 器具有二操作模式：一 3T模式以及一 4T模式。本發明根 據上述影像感測器上之照射量決定由3T模式切換至4T 模式。上述影像感測器上之照射量可由各種方法來決定， 並且任何方法用以決定照射量可輕易地實施於本發明 中。一旦決定上述照射量，藉由比較上述照射量與一臨界 値以決定操作於3T (針對高照度）模式或4T (針對低照 1280788 度）模式。 上述之主動像素可以使用於一 CMOS影像感測器 1101之感測器陣列之中。特別地，第四圖顯示根據本發 明所形成之一 CMOS影像感測器。上述CMOS影像感測器 包括一感測器陣列1103、一處理器電路1105、一輸入/輸 出（I/O) 1107、記憶體1109以及匯流排1111。較佳地， 在此之每一元件係形成於一單一矽基板上，並且係使用標 準CMOS製程所製造以整合於一單一晶片中。 上述感測器陣列1103部分本質上可以與其他影像感 測器之感測器陣列相同，例如本發明之受讓人，位於美國 加州桑妮維爾市之OmniVi si on Technologies股份有限公 司編號OV5610或OV640之產品，除非上述像素以在此所 揭露之主動像素取代。 本發明以較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本 發明所主張之專利權利範圍。在此所描述關於實施例之變 化與潤飾可由熟知該項技術之技藝者實施於各種等效元 件上。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範 圍內’所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所 完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍 內0 根據上述’應可理解者爲在此所描述關於本發明之實 施例係用於描述本發明，尙有各種修飾可以完成根據本發 明之觀點。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其 等同領域而定。 10

Claims (1)

1280788 十、申請專利範圍： 1. 一種主動像素，包括： 一感光元件形成於一半導體基板中； 一傳遞電晶體形成於該感光元件與一浮動節點之間，並 且選擇性地操作自該感光元件傳遞一訊號至該浮動節 點，其中當照射量高於一臨界値時，於一累積期間中該 傳遞電晶體係維持於一開啓狀態；以及 一放大器電晶體由該浮動節點控制。 2. 如申請專利範圍第1項之主動像素，其中該感光元件係 選擇自下列群組：光電二極體（photodiode)、固定二極 體（pinned diode )、部分固定二極體（partial pinned diode)或光閘極（photogate)。 3 ·如申請專利範圍第1項之主動像素，其中若該照射量低 於該臨界値時，該傳遞電晶體週期性地操作以傳遞該訊 號由該感光元件至該浮動節點，並且使得該傳遞完成之 後，關閉該傳遞電晶體。 4 ·如申請專利範圍第1項之主動像素，其中該放大器電晶 體輸出一放大版之該訊號至一行位元線（column bitline ) 0 5 ·如申請專利範圍第1項之主動像素，更包括一重置電晶 體（reset transistor)作用於重置該浮動節點至一參考 電壓。 6· —種用於操作一影像感測器之像素之方法，該像素包括 一感光元件、一傳遞電晶體位於該感光元件以及一浮動 1280788 節點之間用於由該感光元件傳遞一訊號至該浮動節 點，並且一放大電晶體藉由位於該浮動節點上之該訊號 調變，該方法包括： 比較一照射量與一臨界値； 若該照射量大於該臨界値時： 啓動該傳遞電晶體使得該像素作用於一 3T模 式； 若該照射量小於該臨界値時： 操作該像素於一 4T模式之中。 7. 如申請專利範圔第6項之用於操作一影像感測器之像 素之方法，其中該感光元件係選擇自下列群組：光電二 極體、固定二極體、部分固定二極體或光閘極。 8. 如申請專利範圍第6項之用於操作一影像感測器之像 素之方法，其中該放大器電晶體輸出一放大版之該訊號 至一行位元線。 9. 如申請專利範圍第6項之用於操作一影像感測器之像 素之方法，其中該像素更包括一重置電晶體作用以重置 該浮動節點至一參考電壓。 10. —種CMOS影像感測器，包括： 複數個主動像素配置成行與列，該至少一主動像素包 含： (a) 一感光元件形成於一半導體基板中； (b) —傳遞電晶體形成於該感光元件以及一浮動節點 之間，並且選擇性地作用以傳遞一訊號由該感光 元件至該浮動節點，其中當一照射量高於一臨界