TWI395325B - 提供共用像素直閘架構之裝置 - Google Patents

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Description

提供共用像素直閘架構之裝置
本文所描述之實施例大體係關於成像設備，且更具體言之，係關於用於在成像設備中增加每一像素之感光區域及填充因數之方法及裝置。
固態成像設備(包括電荷耦合設備(CCD)、互補金氧半導體(CMOS)成像設備及其他物)已用於光成像應用中。固態成像設備電路包括焦平面像素陣列作為影像感測器，每一像素包括光感測器，光感測器可為光閘、光導體、光電二極體，或具有用於累積光生電荷之經摻雜區域的其他光感測器。對於CMOS成像設備，每一像素具有形成於基板上或中之電荷儲存區域，其連接至為讀出電路之一部分的輸出電晶體之閘極。可將電荷儲存區域建構為浮動擴散區域。在一些CMOS成像設備中，每一像素可進一步包括：諸如電晶體之至少一電子設備，其用於將電荷自光感測器轉移至儲存區域；及一亦通常為電晶體之設備，其用於將儲存區域重設至預定電荷位準。
在CMOS成像設備中，像素之活動元件執行以下必要功能：(1)光子至電荷轉換；(2)影像電荷之累積；(3)將儲存區域重設至已知狀態；(4)電荷至儲存區域之轉移；(5)用於讀出之像素的選擇；及(6)表示像素電荷之信號的輸出及放大。光電荷可在其自初始電荷累積區域移動至儲存區域時被放大。通常藉由源極隨耦器輸出電晶體而將儲存區域處之電荷轉換為像素輸出電壓。
如(例如)讓渡給Micron Technology公司之美國專利第6,140,630號、美國專利第6,376,868號、美國專利第6,310,366號、美國專利第6,326,652號、美國專利第6,204,524號及美國專利第6,333,205號中所論述，通常已知上文所論述之類型的CMOS成像設備。
圖1中展示典型四電晶體(4T)CMOS影像感測器像素100。像素100包括光感測器102(例如，光電二極體、光閘，等等)、轉移閘極104、浮動擴散區域FD、重設電晶體106、源極隨耦器電晶體110及列選擇電晶體112。當轉移閘極104由轉移控制信號TX啟動時，光感測器102藉由轉移閘極104而連接至浮動擴散區域FD。
重設電晶體106連接於浮動擴散區域FD與電壓供應線206之間。重設控制信號RST用以啟動重設電晶體106，其將浮動擴散區域FD重設至電壓供應線206位準，如此項技術中已知。
源極隨耦器電晶體110連接至浮動擴散區域FD且連接於電壓供應線206與列選擇電晶體112之間。源極隨耦器電晶體110將浮動擴散區域FD處所儲存之電荷轉換為電輸出電壓信號VOUT。列選擇電晶體112可由列選擇信號ROW控制以用於將源極隨耦器電晶體110及其輸出電壓信號VOUT選擇性地連接至像素陣列之行線。
為了俘獲具有較大解析度之影像同時亦維持小影像感測器，需要設計具有大量相對較小像素之影像感測器。然而，隨著像素變小，不能使負責讀出像素信號之許多電晶體(諸如，圖1中之電晶體106、110及112)變小且其開始佔據分配至每一像素100之大部分空間。因此，光感測器102變小，同時像素區域之更大部分由像素電晶體使用，使得像素100之填充因數(其為感光像素之百分比)減小。隨著光感測器尺寸及像素填充因數縮小，在每一像素內轉換為信號之光量亦減少。另一問題係關於用以傳送信號(例如，控制信號)以用於像素之各種電晶體之間的讀出電路之金屬導引層。隨著使像素變小，此等金屬導引層(其位於像素上方之金屬層中)變得更妨礙將另外到達光感測器102之光。因此，需要一種允許具有較高填充因數之較小像素的像素架構。
在以下詳細描述中，參看形成其一部分之隨附圖式，且其中借助於說明來展示可實踐之特定實施例。充分詳細地描述此等實施例以使一般熟習此項技術者能夠進行及使用此等實施例，且應理解，可對所揭示之特定實施例進行結構、邏輯或程序改變。
術語"半導體基板"及"基板"應被理解為包括任何基於半導體之結構。半導體結構應被理解為包括矽、絕緣體上覆矽(SOI)、藍寶石上覆矽(SOS)、矽-鍺、經摻雜及未經摻雜半導體、由基本半導體底座所支撐之磊晶矽層，及其他半導體結構。當在以下描述中參考基板時，可利用先前處理步驟以在基本半導體或底座中或上形成區域或接面。
如本文所使用之術語"像素"指代含有用於將光子轉換為電信號之至少一光感測器的光元件單位單元。為了說明之目的，本文中說明且描述單一代表性四向共用像素區塊；然而，通常複數個相似像素及區塊包括於一陣列中。因此，將不以限制意義來採取以下詳細描述。本文所描述之實施例提供一種像素陣列架構及一種製造像素陣列架構之方法，其中像素共用讀出電路以增加每一像素中之填充因數。
在以下描述中，為了方便起見而關於CMOS成像設備來描述實施例，然而，該等實施例對其他成像設備之其他像素具有更廣的適用性。另外，每一像素之光感測器可經實施為固定光電二極體、p-n接面光電二極體、肖特基(Schottky)光電二極體、光閘或任何其他適當光轉換設備。
為了減小成像設備內之像素尺寸，此項技術中已知之一技術為在像素集合之間共用讀出電路。舉例而言，在被稱為四向共用像素架構之架構中，四個光感測器102可各自具有關聯轉移閘極104，但所有四個像素皆共用單一重設電晶體106、源極隨耦器電晶體110及列選擇電晶體112。圖2A說明根據四向共用像素架構之像素陣列550的自頂向下部分。在陣列550中，像素歸因於共用讀出架構之位置及配置而貫穿陣列具有非均一間距，且光感測器亦具有不規則形狀。
如所說明，像素陣列550具有配置於四個像素之集合中的複數個像素，每一像素具有各別光感測器501、502、503、504。共用讀出電路之每一像素集合(諸如，含有光感測器501、502、503、504之像素集合)在本文中被稱為像素區塊。所說明之像素區塊具有在圖2A中由虛線區域710所展示之共用架構。共用架構包括位於第一對光感測器501、503與第二對光感測器502、504之間的區域內之線性延伸中繼線(trunk)。圖2B中展示圖2A像素區塊之電示意圖。
每一像素具有轉移閘極505、506、507、508。如所示，轉移閘極505、506、507、508之至少一部分相對於光感測器501、502、503、504成一角度。轉移閘極505、506、507、508在一列中之兩個鄰近像素當中被共用。舉例而言，同一列中之行鄰近像素光感測器501及521各自共用轉移閘極505，且同一列中之行鄰近像素503及523共用轉移閘極507。具有關聯光感測器501、521之兩個所說明像素共用轉移閘極505，然而，其不共用浮動擴散區域或讀出電路。更確切而言，此設計具有兩個列鄰近像素，兩個列鄰近像素具有共用第一浮動擴散區域510之光感測器501、502，及共用第二浮動擴散區域520之兩個列鄰近光感測器503、504。兩個浮動擴散區域510、520彼此電連接且經由形成於像素陣列550之表面上方的第一金屬化層而電連接至關聯電容器518之一電極。每一電容器518在另一側處連接至自電壓供應線206接收電源電壓之觸點。
一重設電晶體閘極512用於重設浮動擴散區域510、520及關聯電容器518處之電荷。至重設閘極512之一側的為能夠自電壓供應線206接收供應電壓之源極/汲極區域513。具有關聯光感測器501、502、503、504之四個像素共用共同讀出電路，共同讀出電路包括具有閘極514之源極隨耦器電晶體及具有閘極516之列選擇電晶體。四個像素亦共用電容器518，電容器518可增加兩個關聯浮動擴散區域510、520之儲存容量。
如上文所描述，與使用較小像素相關聯之顯著問題在於：用於讀出像素信號之電路與像素之感光區域相比佔據更多空間。為了減小由讀出電路所使用之空間，實施例合併來自若干像素之電路，從而減少每一像素中之組件的數目且因此增加每一像素之填充因數。另外，實施例使用"直閘"轉移閘極來增加較小像素之讀出速度及對稱性。
圖3A及圖3B中展示一實施例之自頂向下布局。圖3A展示四個四向共用像素區塊200之自頂向下布局。如圖3A所示，每一四向共用像素區塊200可含有四個光感測器102以及其間所共用之一讀出電路105集合。一些元件可在像素區塊之間被共用，諸如，轉移閘極104。
圖3B展示在一像素陣列之第n列中且含有四個光感測器102A、102B、102C、102D之像素區塊200的自頂向下布局。每一光感測器102A、102B、102C、102D分別經由個別轉移閘極104A、104B、104C、104D而連接至同一浮動擴散區域FD。在像素區塊200上方的為像素陣列之第(n-1)列中的兩個光感測器152、154。在像素區塊200下方的為像素陣列之第(n+1)列中的兩個光感測器151、153。像素區塊200外部之此等光感測器151、152、153、154可在所說明之像素區塊200上方及下方的其他像素區塊200內。為了說明之目的，未展示此等像素區塊。類似地，展示其他像素區塊之電晶體206、210、212、306、310、312以演示一實施例之一布局。為了說明之目的而未展示此等電晶體206、210、212、306、310、312所屬之像素區塊。
如所示，每一轉移閘極104A、104B、104C、104D可與另一像素區塊中之另一光感測器(151、152、153及154)共用。圖3B所說明之實施例允許轉移閘極104A、104B、104C、104D在同一行中之鄰近光感測器之間被共用。舉例而言，光感測器102A及151共用轉移閘極104A。類似地，光感測器102B及152共用轉移閘極104B，光感測器102C及153共用轉移閘極104C，且光感測器102D及154共用轉移閘極104D。每一個別轉移閘極104A、104B、104C及104D由各別轉移控制信號(TXA、TXB、TXC、TXD)控制。
不同於圖2A、圖2B之設計，轉移閘極104A、104B、104C、104D未相對於其各別光感測器102A、102B、102C、102D成角度。更確切而言，轉移閘極104A、104B、104C、104D為直閘電晶體，從而沿著關聯光感測器102A、102B、102C、102D之整個邊緣而延伸。每一轉移閘極104A、104B、104C、104D為直線的，其具有一長度及寬度。轉移閘極104A、104B、104C、104D之長度及寬度可視像素區塊200之特定目的而變化。較寬或較長之轉移閘極104A、104B、104C、104D允許轉移閘極104A、104B、104C、104D與光感測器102A、102B、102C、102D及/或浮動擴散區域FD之間的更多重疊。與其他四向共用架構相比，較大重疊允許更多電荷自光感測器102A、102B、102C、102D轉移至浮動擴散區域FD且利用更少時間。此又減少總滯後時間且增加像素區塊200之訊框速率。轉移閘極104A、104B、104C、104D經對準，使得其長度在與像素行相同之方向上定向。
浮動擴散區域FD連接至重設電晶體106及源極隨耦器電晶體110。重設電晶體106由載運RST控制信號之信號線(圖4A)控制以使用電壓供應線(圖4A中之206)來重設浮動擴散區域FD。亦連接至電壓供應線(圖4A中之206)之源極隨耦器電晶體110將儲存於浮動擴散區域FD上之電荷轉換為類比信號。浮動擴散區域FD上之電荷通常將為影像信號電荷(在轉移閘極104A、104B、104C、104D已經啟動以允許來自光感測器102A、102B、102C、102D之電荷到達浮動擴散區域FD之後)或重設電荷(在重設電晶體106已經啟動以使用圖4A中之電壓供應線206來重設浮動擴散區域FD之後)。兩種電荷對於判定正確光感測器信號皆為必要的，光感測器信號係根據已知相關雙重取樣方法而自重設電壓與信號電壓之間的差來計算。下文在與圖4A、圖4B及圖5相關聯之論述中詳述彼過程。類比信號接著傳遞通過列選擇電晶體112(由圖4A中之列選擇信號ROW(n)控制)且沿著行讀出線308向下傳遞作為輸出電壓信號VOUT以用於進一步處理。
每次一列地讀出像素陣列，其以ROW(0)開始且進行至ROW(N-1)，其中N為像素陣列中像素區塊200之列的數目。像素陣列之一列中的每一像素區塊200具有回應於其列之RST信號的重設電晶體106、206、306。一像素陣列之第n列中的像素區塊200(圖3B)含有回應於與第n列中之鄰近像素區塊中之重設電晶體206相同的RST(n)信號的重設電晶體106。類似地，像素區塊200含有回應於與含有列選擇電晶體212之鄰近像素區塊相同的列選擇信號ROW(n)的列選擇電晶體112。與第(n-1)列中之光感測器152、154(在像素區塊200上方)相關聯的重設電晶體306及列選擇電晶體312係回應於不同列選擇信號ROW(n-1)及重設信號RST(n-1)。第(n+1)列中之光感測器151、153(在像素區塊200下方)可與回應於不同列選擇信號ROW(n+1)及重設信號RST(n+1)之電晶體相關聯。所有所說明之光感測器102A至102D、151至154在不同時間沿著單一行讀出線308而經讀出作為信號VOUT(下文參看圖5而描述讀出程序)。在圖3B之實施例中，對於像素區塊200之每一行(亦即，對於光感測器102A至102D、151至154之每兩行)存在一行讀出線308。
所揭示技術之一優勢在於：與圖2A及2B之單獨的(儘管經電連接)浮動擴散區域510、520對比，所有四個光感測器102A、102B、102C、102D皆共用共同浮動擴散區域FD。圖3B中之單一浮動擴散區域FD僅需要至源極隨耦器電晶體112之單一觸點，而多個浮動擴散區域510、520需要兩個。藉由使用至源極隨耦器電晶體112之單一觸點，圖3A及圖3B之實施例需要較少金屬導引。此金屬導引位於光感測器(亦即，圖3B中之光感測器102A至102D)上方之層中，且通常阻礙或偏轉將另外被接收且轉換為電荷的光中之一些。在圖3A及圖3B之實施例中，更多光到達光感測器(圖3B中之光感測器102A至102D)且轉換為可用電荷，從而增加每一像素區塊200之敏感性。
在整合週期期間及之後，光感測器102A至102D易受洩漏所累積電荷中之一些的影響。此洩漏電荷可導致電串擾，其中電荷累積於不同像素中，從而在彼像素中產生人工高電荷。藉由增加圍繞每一光感測器102A至102D、151至154之可用空間，圖3B之實施例亦可包括連接至此等組件(例如，光感測器104A至104D)之接地觸點以改良影像均一性。在無像素內接地觸點之情況下，每一像素僅藉由像素陣列之邊緣處的接地觸點而接地，其提供較弱接地且產生影像均一性問題。添加像素內接地觸點會增加影像均一性，從而同樣地對每一像素提供強接地。
浮動擴散區域FD與源極隨耦器電晶體112之間的觸點為電荷洩漏之另一來源，從而減小像素區塊200之敏感性且潛在地產生與附近像素區塊200之電串擾。藉由使用單一觸點，減小此洩漏。另外，減少至浮動擴散區域FD之金屬連接會減小其電容，此增加像素區塊200之轉換增益。轉換增益為由像素區塊200所產生之電壓(作為輸出信號VOUT)相對於浮動擴散區域FD中所累積之電荷的量。需要較高轉換率，因為其增加像素區塊200之敏感性。所揭示技術之另一優勢在於：直閘轉移閘極104A至104D在比圖2A及圖2B之轉移閘極大的區域上重疊其關聯光感測器102A至102D。因為每一轉移閘極104A至104D具有較大重疊區域，所以電荷自光感測器102A至102D之轉移快速地發生。
圖4A為圖3B之實施例的示意圖。另外，圖4B為用以處置對來自圖4A之電路部分之輸出信號VOUT之取樣及類比處理的電路之示意圖。重設取樣電路301及信號取樣電路302分別儲存回應於SHR及SHS信號之VOUT信號(來自圖4A)的值。藉由差動放大器303來減去由重設取樣電路301及信號取樣電路302所保持之值。將所得信號經由輸出線304而供應至其他電路以用於放大、數位化及其他處理。在圖4A及圖4B中，已指定所有控制信號以對應於圖5所示之時序圖。下文結合圖5而論述此等元件之操作。
圖5展示在讀出循環期間像素區塊200(圖3A、圖3B、圖4A及圖4B)及讀出取樣及保持電路之實例操作的時序圖。在影像已曝露至含有像素區塊200之影像感測器之後，讀出循環以啟動ROW(n)信號而開始。ROW(n)對於像素區塊200貫穿整個讀出過程而保持啟動(在圖5中，所有信號在經啟動時經描繪為高)。在時間t1期間，RST(n)信號經啟動，其允許電荷自電壓供應線206(圖4A)流動以重設浮動擴散區域FD之電荷。此電荷藉由源極隨耦器電晶體110(圖3B及圖4A)而轉換為電壓VRST，且作為信號VOUT而傳遞通過列選擇電晶體112(圖3B及圖4A)。在時間t2，RST(n)經停用以將浮動擴散區域FD與電壓供應線206斷開。亦在時間t2，SHR經啟動，此允許重設取樣電路301取樣且保持VOUT(在此情況下為VRST)之值。在時間t2之後，重設取樣電路301保持表示浮動擴散區域FD上在其經重設之後的電荷之電壓(VRST)。
在時間t3期間，TXB經啟動，此允許轉移閘極104B(圖3B)將光感測器102B(圖3B)上所累積之電荷轉移至浮動擴散區域FD。彼電荷藉由源極隨耦器電晶體110(圖3B)而轉換為電壓VSIG，且傳遞通過列選擇電晶體112(圖3B)。在時間t4期間，TXB經停用且信號SHS經啟動，從而允許信號取樣電路302(圖4B)取樣且保持由浮動擴散區域FD(圖3B)上之電荷所產生的電壓。信號取樣電路302(圖4B)與重設取樣電路301(圖4B)中之電壓之間的差表示自恰好在時間t1之前至時間t2到達光感測器102A(圖3B)的光量，因此，兩個電壓供應至差動放大器303(圖4B)，差動放大器303將其減去以在線304(圖4B)土產生類比信號。線304上之類比信號由其他組件接收以用於進一步處理，諸如，類比至數位轉換、色彩校正、缺陷校正及許多其他操作。在時間t5至t8期間，重複以上過程(使用TXD來控制轉移閘極104D以代替使用TXB來控制轉移閘極104B)以讀出光感測器102D之值。時間t9至t12表示用於第三光感測器102A之相同過程(使用TXA來控制轉移閘極104A)，且t13至t16表示用於第四光感測器102C之讀出過程(使用TXC來控制轉移閘極104C)。在第n列中之所有像素皆經讀出之後，對於第(n+1)列中之像素執行該過程(使用RST(n+1)而非RST(n)及ROW(n+1)而非ROW(n))，且如此對於每一列執行該過程，直至所有列皆已經讀出為止。
圖6A說明根據一實施例所建構的例示性系統單晶片(SOC)成像設備900之方塊圖。成像設備900包含與影像流處理器910通信之感測器核心805，影像流處理器910亦連接至輸出介面930。鎖相迴路(PLL)844用作感測器核心805之時脈。負責影像及色彩處理之影像流處理器910包括內插線緩衝器912、抽選器(decimator)線緩衝器914及色彩管線920。色彩處理器管線920之功能中之一者為執行像素處理操作，諸如，根據所揭示實施例之暗電流補償。色彩管線920包括統計引擎922。輸出介面930包括輸出先進先出(FIFO)並列輸出932及串列行動產業處理介面(MIPI)輸出934。使用者可藉由設定晶片內之暫存器而選擇串列輸出或並列輸出。內部暫存器匯流排940將唯讀記憶體(ROM)942、微控制器944及靜態隨機存取記憶體(SRAM)946連接至感測器核心805、影像流處理器910及輸出介面930。
圖6B說明圖6A成像設備900中所使用之感測器核心805。感測器核心805包括成像感測器802，成像感測器802藉由綠紅/綠藍通道804及紅/藍通道806而連接至類比處理電路808。儘管僅說明兩個通道804、806，但有效地存在兩個綠通道、一個紅通道及一個藍通道(對於總共四個通道)。綠紅(亦即，Green1)及綠藍(亦即，Green2)信號係在不同時間被讀出(使用通道804)且紅及藍信號係在不同時間被讀出(使用通道806)。類比處理電路808將經處理之綠紅/綠藍信號G1/G2輸出至第一類比至數位轉換器(ADC)814且將經處理之紅/藍信號R/B輸出至第二類比至數位轉換器816。兩個類比至數位轉換器814、816之輸出經發送至數位處理器830。
連接至成像感測器802或作為成像感測器802之一部分的為由時序及控制電路840所控制之列解碼器811及行解碼器809以及列驅動器電路812及行驅動器電路810。時序及控制電路840使用控制暫存器842來判定成像感測器802及其他組件如何受控制，例如，控制成像感測器802之操作模式(例如，全體重設模式或電子捲動快門(electronic rolling shutter))。如上文所陳述，PLL 844用作核心805中之組件的時脈。
成像感測器802包含配置於預定數目之行及列中的複數個像素電路。在操作中，成像感測器802中之每一列的像素電路藉由列選擇線而同時開啟，且每一行之像素電路藉由行選擇線而選擇性地輸出至行輸出線上。複數個列線及行線經提供用於整個成像感測器802。列線由列驅動器電路812回應於列位址解碼器811而選擇性地啟動，且行選擇線由行驅動器810回應於行位址解碼器809而選擇性地啟動。因此，一列位址及行位址經提供用於每一像素電路。時序及控制電路840控制位址解碼器811、809以用於選擇適當列線及行線以用於像素讀出，且控制列驅動器電路812及行驅動器電路810，其將驅動電壓施加至所選列線及行線之驅動電晶體。
每一行在類比處理電路808中含有取樣電容器及開關，其讀取像素重設信號VRST及像素影像信號VSIG以用於所選像素電路。在一些實施例中，類比處理電路808含有信號取樣電路301、重設取樣電路302及差動放大器303。因為核心805使用綠紅/綠藍通道804及單獨的紅/藍通道806，所以電路808將具有用以儲存綠紅、綠藍、紅及藍像素信號之VRST及VSIG信號的容量。藉由電路808中所含有之差動放大器而對於每一像素產生差動信號(VRST-VSIG)。因此，信號G1/G2及R/B為接著由各別類比至數位轉換器814、816數位化之差動信號。類比至數位轉換器814、816將經數位化之G1/G2、R/B像素信號供應至數位處理器830，其形成數位影像輸出(例如，10位元數位輸出)。數位處理器830執行像素處理操作。輸出經發送至影像流處理器910(圖6A)。
儘管已參考與CMOS成像感測器一起使用而描述感測器核心805，但此僅為可使用之一實例感測器核心。本發明之實施例亦可與具有不同讀出架構之其他感測器核心一起使用。儘管成像設備900(圖6A)已展示為系統單晶片，但應瞭解，實施例並非如此受限制。可根據實施例來使用耦合至單獨信號處理晶片之其他成像設備(諸如，獨立感測器核心805)。另外，來自成像感測器802(圖6B)之成像、光學黑及系接像素資料可自10位元資料輸出(圖6B)被輸出且被儲存及補償於別處，例如，在如關於圖7所描述之系統中或在獨立影像處理系統中。
圖7展示典型系統600，諸如，相機。系統600為具有可包括成像設備900之數位電路之系統的實例。在無限制的情況下，此系統可包括電腦系統、相機系統(諸如，數位靜態相機、數位單透鏡反光相機或數位視訊相機)、掃描器、機器視覺、車輛導航系統、視訊電話、監督系統、自動聚焦系統、星體追蹤器系統、運動偵測系統、影像穩定化系統，及使用成像設備900之其他系統。
系統600(例如，相機系統)包括透鏡680，透鏡680用於在快門釋放按鈕682經按壓時將影像聚焦於成像設備900上。系統600通常包含中央處理單元(CPU)610(諸如，微處理器)，其控制相機功能及影像流，且經由匯流排660而與輸入/輸出(I/O)設備640通信。成像設備900亦經由匯流排660而與CPU 610通信。系統600亦包括隨機存取記憶體(RAM)620，且可包括可卸除式記憶體650(諸如，快閃記憶體)，其亦經由匯流排660而與CPU 610通信。在單一積體電路(諸如，系統單晶片)上或在不同於CPU 610之晶片上具有或不具有記憶體儲存器的情況下，成像設備900可與CPU 610組合。如上文所描述，來自成像感測器802(圖6B)之未經補償資料可自成像設備900被輸出且儲存於(例如)隨機存取記憶體620或CPU 610中。
儘管已結合此時已知之較佳實施例而詳細地描述實施例，但應容易理解，所主張之本發明不限於所揭示之實施例。更確切而言，該等實施例可經修改以併有至此未描述之任何數目的變化、變更、取代或等效配置。舉例而言，儘管結合CMOS成像感測器而描述實施例，但該等實施例可以其他類型之成像感測器來實踐。另外，舉例而言，可使用三個或五個通道或任何數目之色彩通道而非四個，且其可包含額外或不同於綠紅、紅、藍及綠藍之色彩通道，諸如，青、品紅、黃(CMY)；青、品紅、黃、黑(CMYK)；或紅、綠、藍、靛青(RGBI)。
100．．．四電晶體(4T)CMOS影像感測器像素
102．．．光感測器
102A．．．光感測器
102B．．．光感測器
102C．．．光感測器
102D．．．光感測器
104．．．轉移閘極
104A．．．轉移閘極
104B．．．轉移閘極
104C．．．轉移閘極
104D．．．轉移閘極
106．．．重設電晶體
110．．．源極隨耦器電晶體
112．．．列選擇電晶體
151．．．光感測器
152．．．光感測器
153．．．光感測器
154．．．光感測器
200．．．像素區塊
206．．．電壓供應線/重設電晶體
210．．．電晶體
212．．．列選擇電晶體
301．．．重設取樣電路
302．．．信號取樣電路
303．．．差動放大器
304．．．輸出線
306．．．重設電晶體
308．．．行讀出線
310．．．電晶體
312．．．列選擇電晶體
501．．．光感測器
502．．．光感測器
503．．．光感測器
504．．．光感測器
505．．．轉移閘極
506．．．轉移閘極
507．．．轉移閘極
508．．．轉移閘極
510．．．浮動擴散區域
512．．．重設電晶體閘極
513．．．源極/汲極區域
514．．．閘極
516．．．閘極
518．．．電容器
520．．．浮動擴散區域
521．．．光感測器
523．．．像素
550．．．像素陣列
600．．．系統
610．．．中央處理單元(CPU)
620．．．隨機存取記憶體(RAM)
640．．．輸入/輸出(I/O)設備
650．．．可卸除式記憶體
660．．．匯流排
680．．．透鏡
682．．．快門釋放按鈕
710．．．虛線區域
802．．．成像感測器
804．．．綠紅/綠藍通道
805．．．感測器核心
806．．．紅/藍通道
808．．．類比處理電路
809．．．行解碼器/行位址解碼器
810．．．行驅動器電路/行驅動器
811．．．列解碼器/列位址解碼器
812．．．列驅動器電路
814．．．類比至數位轉換器
816．．．類比至數位轉換器
830．．．數位處理器
840．．．時序及控制電路
842．．．控制暫存器
844．．．鎖相迴路(PLL)
900．．．系統單晶片(SOC)成像設備
910．．．影像流處理器
912．．．內插線緩衝器
914．．．抽選器線緩衝器
920．．．色彩管線/色彩處理器管線
922．．．統計引擎
930．．．輸出介面
932．．．輸出先進先出(FIFO)並列輸出
934．．．串列行動產業處理介面(MIPI)輸出
940．．．內部暫存器匯流排
942．．．唯讀記憶體(ROM)
944．．．微控制器
946．．．靜態隨機存取記憶體(SRAM)
FD．．．浮動擴散區域
ROW(n)．．．列選擇信號
ROW(n+1)．．．列選擇信號
ROW(n-1)．．．列選擇信號
ROW．．．列選擇信號
RST(n)．．．重設信號
RST(n+1)．．．重設信號
RST(n-1)．．．重設信號
RST．．．重設控制信號
SHR．．．信號
SHS．．．信號
t1．．．時間
t2．．．時間
t3．．．時間
t4．．．時間
t5．．．時間
t6．．．時間
t7．．．時間
t8．．．時間
t9．．．時間
t10．．．時間
t11．．．時間
t12．．．時間
t13．．．時間
t14．．．時間
t15．．．時間
t16．．．時間
TX．．．轉移控制信號
TXA．．．轉移控制信號
TXB．．．轉移控制信號
TXC．．．轉移控制信號
TXD．．．轉移控制信號
VOUT．．．電輸出電壓信號
圖1為習知四電晶體像素之示意圖。
圖2A為四向共用像素區塊之自頂向下布局。
圖2B為圖2A所示之四向共用像素區塊的電示意圖。
圖3A為根據本文所描述之實施例的四個四向共用直閘像素區塊之自頂向下布局。
圖3B為根據本文所描述之實施例的四向共用直閘像素區塊之自頂向下布局。
圖4A為根據本文所描述之實施例的四向共用直閘像素區塊之示意圖。
圖4B為根據本文所描述之實施例的類比處理電路之圖式。
圖5為對應於圖3A之四像素區塊的時序圖。
圖6A為根據本文所描述之實施例所建構的系統單晶片成像設備之方塊圖。
圖6B說明用於圖6A設備中之感測器核心的實例。
圖7展示根據本文所描述之實施例的併有至少一成像設備之系統。
102A．．．光感測器
102B．．．光感測器
102C．．．光感測器
102D．．．光感測器
104A．．．轉移閘極
104B．．．轉移閘極
104C．．．轉移閘極
104D．．．轉移閘極
110．．．源極隨耦器電晶體
112．．．列選擇電晶體
206．．．電壓供應線/重設電晶體
FD．．．浮動擴散區域
ROW．．．列選擇信號
RST．．．重設控制信號
TXA．．．轉移控制信號
TXB．．．轉移控制信號
TXC．．．轉移控制信號
TXD．．．轉移控制信號
VOUT．．．電輸出電壓信號

Claims (15)

  1. 一種像素陣列，其包含：複數個像素區塊，其經組織為列及行，每一區塊包含：第一像素、第二像素、第三像素及第四像素，每一像素具有一用於產生光電荷之各別光感測器；一共同單一浮動擴散區域，其由該第一像素、該第二像素、該第三像素及該第四像素之該等光感測器共用且用於從該等光感測器中之每一者儲存該等所產生之光電荷；一共用讀出電路，其連接至該共同單一浮動擴散區域；及第一直線轉移閘極、第二直線轉移閘極、第三直線轉移閘極及第四直線轉移閘極，其用於將光電荷自一關聯像素之一光感測器選擇性地轉移至該共同單一浮動擴散區域；其中該等直線轉移閘極中之每一者重疊其關聯像素中之該光感測器之一邊緣及在該像素區塊外部之一光感測器之一邊緣，且從在該像素區塊外部之該光感測器轉移光電荷至一第二共同浮動擴散，且其中一第一區塊之該共用讀出電路係在相鄰像素列中之該第一區塊之一第一對光感測器之間且一第二區塊之一讀出電路係在於相鄰像素列中之該第一區塊之一第二對光感測器之間。
  2. 如請求項1之像素陣列，其中該等轉移閘極中之每一者係平行於其所重疊之一光感測器之該邊緣而定向。
  3. 如請求項1之像素陣列，其進一步包含一用於重設該共同單一浮動擴散區域處所儲存之該等光電荷的重設電晶體。
  4. 如請求項1之像素陣列，其中該共用讀出電路包括一具有一連接至該共同單一浮動擴散區域之閘極的共同源極隨耦器電晶體及一用於閘控該共同源極隨耦器電晶體之輸出的共同列選擇電晶體。
  5. 如請求項1之像素陣列，其中該第一像素、該第二像素、該第三像素及該第四像素中之兩者為該像素陣列之一列中的兩個鄰近像素。
  6. 如請求項4之像素陣列，其中該第一像素、該第二像素、該第三像素及該第四像素中之兩者為該像素陣列之一行中的鄰近像素。
  7. 如請求項1之像素陣列，其中該共用讀出電路位於一位於一第一對光感測器與一第二對光感測器之間的作用區域中。
  8. 一種成像器，其包含：複數個像素區塊，其經組織為列及行，每一區塊包含：第一光感測器、第二光感測器、第三光感測器及第四光感測器，其用於回應於光而產生光電荷；一共同單一浮動擴散區域，其由該第一光感測器、該第二光感測器、該第三光感測器及該第四光感測器 共用；第一長方形轉移閘極、第二長方形轉移閘極、第三長方形轉移閘極及第四長方形轉移閘極，其中每一者具有一長度及寬度，用於將光電荷自該第一光感測器、該第二光感測器、該第三光感測器及該第四光感測器中之一各別光感測器轉移至該共同單一浮動擴散區域；一共同重設電晶體，其用於重設該共同單一浮動擴散區域處之該光電荷；一讀出電路，其包含用於產生至少一信號之至少一共同電晶體，該至少一信號表示該共同單一浮動擴散區域處所儲存之電荷的一量，該讀出電路之至少一部分位於該第一光感測器、該第二光感測器、該第三光感測器及該第四光感測器之間的一作用區域中；其中該等轉移閘極中之每一者沿著其長度重疊於在一鄰近區塊中之其第一關聯光感測器之一邊緣及一第二關聯光感測器之一邊緣；且其中一第一區塊之該讀出電路係在相鄰像素列中之該第一區塊之一第一對光感測器之間且一第二區塊之一讀出電路係在於相鄰像素列中之該第一區塊之一第二對光感測器之間。
  9. 如請求項8之成像器，其中該第二關聯光感測器與該第一關聯光感測器在同一行中。
  10. 如請求項8之成像器，其中該第一光感測器、該第二光 感測器、該第三光感測器或該第四光感測器各自包含一光電二極體。
  11. 一種成像系統，其包含：一像素陣列，其包含：複數個像素區塊，其經組織為列及行，每一區塊包含：第一像素、第二像素、第三像素及第四像素，每一像素具有一用於產生光電荷之各別光感測器；一共同單一浮動擴散區域，其由該第一像素、該第二像素、該第三像素及該第四像素之多個個別光感測器共用且用於儲存該等所產生之光電荷；一共用讀出電路，其連接至該共同單一浮動擴散區域；及第一直線轉移閘極、第二直線轉移閘極、第三直線轉移閘極及第四直線轉移閘極，其用於將光電荷自第一光感測器、第二光感測器、第三光感測器及第四光感測器中之一各別光感測器轉移至該共同單一浮動擴散區域；其中每一光感測器連接至一接地觸點；其中該等轉移閘極中之每一者重疊其關聯像素中之該光感測器之一整個邊緣及該共同單一浮動擴散區域；其中該等轉移閘極中之每一者重疊一鄰近像素區塊中之一光感測器及該鄰近像素區塊中之一第二共 同浮動擴散區域；且其中一第一區塊之該共用讀出電路係在相鄰像素列中之該第一區塊之一第一對光感測器之間且一第二區塊之一讀出電路係在於相鄰像素列中之該第一區塊之一第二對光感測器之間。
  12. 如請求項11之成像系統，其中每一光感測器為一PNP型光電二極體，且每一光電二極體之N區域經電接地。
  13. 如請求項11之成像系統，其中該成像系統為一數位相機之一部份。
  14. 如請求項11之成像系統，其中該成像系統為一數位單透鏡反光相機之一部份。
  15. 如請求項11之成像系統，其中該成像系統為一數位視訊相機之一部份。
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