TWI398162B - 使用一或多個浮閘裝置之影像感測器構造 - Google Patents
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Description
本發明大體而言係針對影像感測器技術。更特定言之，本發明包括一種使用一或多個浮閘裝置之影像感測器構造。
已發現CMOS及CCD影像感測器在消費型產品及工業產品中之廣泛應用。該等應用包括獨立數位攝影機、汽車之夜間駕駛顯示器、電腦周邊裝置、積體蜂巢式電話攝影機等等。
移動技術傳統上集中於使用CMOS影像感測器用於影像擷取。然而，消費者期望已驅動市場使用高解析度CMOS影像感測器陣列，從而給影像感測器開發者造成許多問題。第一，移動技術所施加之尺寸限制每單位面積之陣列需要更多數目的像素。因此與傳統CMOS像素相比，像素尺寸必須減小。該等像素尺寸之減小導致像素之動態範圍及敏感度相應降低。第二，自該等高解析度影像感測器陣列之影像讀出時間隨陣列中所使用之像素數目而增加。為了降低由此讀出時間增加而引起之影像降級，應使用一種電子全景快門機構。然而，使用電子全景快門之像素需要大量組件，從而導致像素填充因數相應減小。因此，本發明者已發現在工業中需要一種改良像素構造來處理此等缺點中之一或多者。
圖1說明一大致展示於60處之影像擷取系統，其使用包含根據本發明之一個例示性實施例建構之複數個像素電路70的影像陣列65。如所示的，像素電路70在陣列65中排列為複數列及複數行。像素電路70之每一列可經個別地定址，且必要時，來自一啟動列之輸出訊號可被同時讀取。
在此例示性實施例中，來自一像源之電磁輻射75穿過透鏡80及陣列覆蓋85而引導至個別像素電路70之感光性組件上。陣列覆蓋85可經建構以使選定像素僅曝露於電磁輻射75之頻譜內之特定波長下。舉例而言，陣列覆蓋85可按照產生一彩色影像而選擇性地使陣列65中之預定像素70僅曝露於紅、綠或藍光下。
列選擇電路90用於啟動影像陣列65之給定列中之像素電路70的讀出。來自該啟動列中之像素電路70之輸出訊號經提供至一行讀取電路95。行讀取電路95可以任何數目之不同方式來建構。舉例而言，行讀取電路95可包含單個相關二重取樣(CDS)電路，其在陣列之單個列經由列選擇電路90選擇時選擇性地讀取陣列65之個別行。在一替代例示性實施例中，可使用複數個CDS電路以使陣列65之每一行(或甚至少於所有行)可藉由一個別CDS電路同時讀取。在其他例示性實施例中，可使用在一單個讀取週期期間提供來自每一像素電路70之單個讀出之電路，從而否定對CDS電路之需要。較佳地，來自像素電路70之類比訊號藉由行讀取電路95轉換為數位格式，該數位格式接著藉由一訊框抓取器100排列至一影像訊框中。由系統60執行之各種操作之定時較佳地藉由一計時及定時發生器105或其類似物來調整。訊框抓取器100自身可執行許多影像處理常用程式(意即，影像壓縮、增強等等)或在輸出114處提供藉由一或多個另外系統處理之影像資料。
適用於系統60之影像陣列65中之像素電路70的一個實施例展示於圖2中。大體而言，像素電路70包含一浮閘半導體裝置115、一感光性半導體裝置117及一像素控制電路120。該浮閘半導體裝置115包括一汲極125、一源極130、一控制閘135及一浮閘140。在所說明之例示性實施例中，感光性半導體裝置117可為一鉸接式光電二極體(pinned photodiode)，其經定位以曝露於來自一待偵測之影像之電磁輻射下。所說明之例示性實施例之光電二極體117包括一陽極145及一陰極150。
像素控制電路120經連接以將浮閘半導體裝置115及光電二極體117引導至複數個控制模式。此等控制模式包括至少一抹除模式及一曝露模式。在該抹除模式中，一電荷之至少一部分自浮閘半導體裝置115之浮閘140移除。當處於抹除模式中時光電二極體117上之電壓亦可上升。以此方式，浮閘半導體裝置115及光電二極體117兩者均置於一初始化狀態。
在該曝露模式中，浮閘半導體裝置115之浮閘140回應於感光性半導體裝置117之一端子處之電壓而至少部分充電。在所說明之例示性實施例中，浮閘140回應於光電二極體117之陽極145處之電壓而至少部分充電。陽極145處之電壓視光電二極體117曝露於來自像源之電磁輻射下的程度而定。更特定言之，在光電二極體117上將存在對應於該電磁輻射曝露之電壓降落。光電二極體117所經受之曝露越強，光電二極體117上將出現之電壓降落越大，從而降低控制閘135處之電壓。
像素控制電路120亦可將光電二極體117及浮閘半導體裝置115引導至一資料保存模式。在該資料保存模式中，在曝露模式期間獲得之在浮閘140上之電荷經維持。值得注意地，即使光電二極體117上之電壓降落可能改變，浮閘140上之電荷亦大體保持恆定。舉例而言，一旦浮閘140已在曝露模式期間充電，則即使光電二極體117繼續曝露於來自像源之電磁輻射下，電荷幾乎可無限期地維持在浮閘140上。
像素控制電路120亦可將光電二極體117及浮閘半導體裝置115引導至一讀取模式以有效地感測在曝露模式期間置於浮閘140上之電荷。在所說明之例示性實施例中，浮閘140上之電荷改變浮閘半導體裝置115之臨限電壓VT
。因此，可在浮閘半導體裝置115之控制閘135與源極130之間提供一預定電壓VG S
，以在汲極125與源極130之間產生一對應於浮閘140上之電荷之電流155。
如所示的，像素控制電路120可包括一電晶體開關160及一二極體165。電晶體開關160可為一諸如MOSFET或其類似物之場效電晶體，其具有一汲極170、源極175及控制閘180。控制閘180經連接以接收來自例如圖1之列選擇電路90之一列讀取訊號。MOSFET 160之汲極170及源極175分別連接至光電二極體117之陰極150及陽極145。二極體165包括一連接至節點182之陽極180，該節點182包括MOSFET 160之源極175及浮閘半導體裝置115之控制閘135。二極體165亦包括一經連接以接收一重置/抹除訊號之陰極185。用於在汲極170、汲極125及源極130處產生操作電壓位準之各種組件未說明於圖3中，但考慮到本文所闡明之各種控制模式之詳細描述，其完全在熟習此項技術者之設計能力內。
圖3至6展示在以上所論述之各種操作模式中之圖2的像素構造70。用於在此等模式中進行操作之例示性電壓位準被識別。然而，應認識到，在該等各種模式中操作像素構造70所需之特定電壓位準將視所使用之個別裝置的特徵而定。
圖3展示在抹除操作模式中之像素構造70。在此模式中，汲極170及125以及源極130經驅動至＋8 V，同時閘180處之列讀取訊號及陰極185處之重置/抹除訊號經驅動至－8 V。此將浮閘半導體115及MOSFET 160置於非導電狀態，以使電流155及電流195大約為零。二極體165經正向偏壓以使浮閘140放電。所得放電電流之至少一部分描繪於箭頭200處。另外，光電二極體117充電至初始狀態，其上有大約15.2 VDC之電壓降落。
圖4展示在曝露操作模式中之像素構造70。在此模式中，汲極125及陰極185經驅動至＋8 V，同時閘180及源極130處之列讀取訊號經驅動至0 V。此將MOSFET 160及二極體165置於非導電狀態，以使電流195及電流200大約為零。另外，汲極170及陰極150處之電壓位準升高至＋12 V之“程式設計電壓”。光電二極體117曝露於引起陰極150與陽極145之間之一對應電壓降落的電磁輻射75下。控制閘135處之電壓反映此電壓降落且因此對應於在光電二極體117處所偵測之電磁輻射之量。此控制閘電壓接著確定在曝露模式期間置於浮閘140上之電荷之量。
圖5展示在資料保存操作模式中之像素構造70。在此模式中，汲極125及陰極185經驅動至＋8 V，同時閘180及源極130處之列讀取訊號經驅動至0 V。此將MOSFET 160及二極體165置於非導電狀態，以使電流195及電流200大約為零。光電二極體117之陰極150處之電壓位準降低至＋8 V，從而抑制電荷在浮閘140上之進一步累積。更進一步地，汲極125經開路或另外連接至一高阻抗負載以阻止電流通過浮閘半導體裝置115。電流155因此大約為零。在此狀態中，浮閘140上之電荷可在一延長時期中保持相對恆定。因為浮閘140上之電荷可保留於影像陣列65之個別像素電路70內，所以施加於周邊電路之影像處理要求(若有的話)可為不嚴格的。若需要，任何該等影像處理周邊電路之成本及複雜性可因此降低。
圖6展示在讀取操作模式中之像素構造70。在此模式中，汲極170及125、閘180及陰極185經驅動至＋8 V，同時源極130經驅動至0 V。此將控制閘135置於相對於源極130大約為＋8 V之固定電壓。同樣地，VG S
大約為＋8 V且前進通過像素輸出之電流155對應於浮閘140上之電荷。電流155至一適當數位訊號之轉換可發生於行讀取電路95中，其可以熟習此項技術者所理解之任何數目之不同方式來實施。
像素構造70易於實施於一單片基板中。更特定言之，像素構造70可使用現有CMOS製造方法容易地製造以形成圖1中所示之影像陣列65。在一單片基板中之像素構造70之組件的例示性平面布局說明於圖7中。然而，應認識到，可使用其他布局。此外，周邊組件之任一者，諸如圖1之列選擇電路90、行讀取電路95、訊框抓取器100及計時及定時發生器105可同樣地與影像陣列65一起整合於一單片基板中。
因為像素構造70圍繞一浮閘半導體裝置115，所以包括實施全景重置功能所必要之組件之像素與一5T像素構造相比可藉由更少組件來實施。在圖2中所示之特定像素電路構造中，僅兩個電晶體115及160及一單個二極體165與光電二極體117結合使用從而促進一2T1D結構。藉由使用浮閘半導體裝置115，變為可能的係藉由操縱提供至像素電路組件之電壓位準來將像素電路70置於不同控制模式中，如與添加另外開關電晶體以達成相同操作相反。
實施像素電路70所使用之組件數目之減少可用以達成任何數目之不同目標。舉例而言，可製造像素電路70以使其填充因數與習知3T CMOS影像感測器構造相當。此外，可實施電路70以使其與4T及5T CMOS影像感測器構造相比具有遠遠更高之敏感度及更大之動態範圍。如本文所揭示，像素電路70可在曝露模式期間使用更高操作電壓，從而改良光電二極體117之效能並使其與類似CCD影像感測器之效能相當。
亦可實施像素電路70以使讀取操作模式類似於習知CMOS影像感測器中使用之讀出方法。舉例而言，每一像素電路70可經個別定址以達成存在於習知CMOS感測器中之相同開視窗(windowing)及分階抽樣之優勢，從而消除對相應周邊讀出組件之實質再設計之需要。此外，浮閘半導體裝置115不具有電荷洩漏問題且其不具有作為在可見光照明下之結果的電荷再結合問題。因此其不具有與5T CMOS構造相關聯之衰落(fading)問題。
可包括一使用影像擷取系統60之攝影機之蜂巢式電話205的一個實施例展示於圖8及9中。如所示的，電話205包括一攝影機系統210、一鍵盤215、控制鍵220及一顯示器225。如以上所提到的，影像擷取系統60經由透鏡80接收來自像源之電磁輻射。所獲得之影像可提供至一機載影像處理系統230或直接提供至顯示器225(意即，為了尋視器功能性等等)。經處理之影像可儲存於影像儲存裝置235中且回應於使用者指令而提供至顯示器225。此外，影像儲存裝置235中之影像可自其讀出以經由通信鏈路240而提供至個人電腦或類似物。
可對前述系統作大量修改而不脫離其中之基本教示。儘管本發明實質上已參考一或多個特定實施例詳細地描述，但熟習此項技術者將認識到可對其作改變而不脫離如闡明於附屬申請專利範圍中之本發明之範疇及精神。
60．．．影像擷取系統
65．．．影像陣列
70．．．像素電路/像素構造
75．．．電磁輻射
80．．．透鏡
85．．．陣列覆蓋
90‧‧‧列選擇電路
95‧‧‧行讀取電路
100‧‧‧訊框抓取器
105‧‧‧計時及定時發生器
115‧‧‧浮閘半導體裝置/電晶體
117‧‧‧感光性半導體裝置/光電二極體
120‧‧‧像素控制電路
125‧‧‧汲極
130‧‧‧源極
135‧‧‧控制閘
140‧‧‧浮閘
145‧‧‧陽極
150‧‧‧陰極
155‧‧‧電流
160‧‧‧電晶體開關/MOSFET/電晶體
165‧‧‧二極體
170‧‧‧汲極
175‧‧‧源極
180‧‧‧控制閘/陽極
182‧‧‧節點
185‧‧‧陰極
195‧‧‧電流
200‧‧‧電流/箭頭
205‧‧‧蜂巢式電話
210．．．攝影機系統
215．．．鍵盤
220．．．控制鍵
225．．．顯示器
230．．．影像處理系統
235．．．影像儲存裝置
240．．．通信鏈路
圖1為影像擷取電路之一例示性實施例之系統方塊圖。
圖2為改良像素構造之一個實施例之例示性示意圖。
圖3為操作於抹除模式中之展示於圖2中之像素構造的例示性示意圖。
圖4為操作於曝露模式中之展示於圖2中之像素構造的例示性示意圖。
圖5為操作於資料保存模式中之展示於圖2中之像素構造的例示性示意圖。
圖6為操作於讀取模式中之展示於圖2中之像素構造的例示性示意圖。
圖7為一單片基板中圖2之像素構造之組件的例示性平面布局。
圖8及9說明具有使用圖1中所示之影像擷取電路之攝影機的例示性蜂巢式電話。
熟練技工將瞭解該等圖中之元件為了簡單及清楚而說明且不必按比例繪製。舉例而言，圖中某些元件之尺寸可相對於其他元件放大，以幫助改良對本發明之實施例之理解。
60‧‧‧影像擷取系統
65‧‧‧影像陣列
70‧‧‧像素電路/像素構造
75‧‧‧電磁輻射
80‧‧‧透鏡
85‧‧‧陣列覆蓋
90‧‧‧列選擇電路
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105‧‧‧計時及定時發生器
Claims (19)
- 一種用於一影像感測器中之電路，該電路包含：一浮閘半導體裝置，其具有一浮閘、一控制閘、一汲極及一源極；一感光性半導體裝置，其包含一具有一陽極及一陰極之光電二極體；一像素控制電路，其經連接以將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置引導至複數個控制模式；該像素控制電路包括：一電晶體開關，其連接於該光電二極體之該陽極與該陰極之間，該電晶體開關具有一用於控制該電晶體開關之導電狀態之控制端子；及一二極體，其經連接以回應於一抹除訊號而排放來自該浮閘半導體裝置之該浮閘之一電荷的至少一部分；該等控制模式包括：一抹除模式，其中一電荷之至少一部分自該浮閘移除以將該浮閘半導體裝置置於一初始化狀態，一曝露模式，其中該浮閘回應於該感光性半導體裝置之一端子處之一電壓而至少部分充電，該端子處之該電壓對應於該感光性半導體裝置曝露至來自該影像之該電磁輻射，一資料保存模式，其中該浮閘半導體裝置之該浮閘上之在該曝露模式期間獲得的該電荷維持於其上，而不管該感光性半導體裝置進一步曝露至來自該影像之 該電磁輻射，及一讀取模式，其中該浮閘半導體裝置之該源極與該汲極之間的電流經偵測作為該浮閘上之該電荷之一指標。
- 如請求項1之電路，其中該等控制模式進一步包括一讀取模式，其中該浮閘半導體裝置之該源極與該汲極之間的電流經偵測作為該浮閘上之該電荷之一指示器。
- 如請求項1之電路，其中該像素控制電路包含：一FET電晶體，其具有一控制閘、一連接至該光電二極體之該陰極之汲極，及一連接至該光電二極體之該陽極之源極，該FET電晶體之該源極及該光電二極體之該陽極進一步連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘；及一二極體，其具有一連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘之陽極。
- 如請求項3之電路，其中該抹除模式包含處於非導電狀態之該FET電晶體及該浮閘半導體裝置、處於一初始電壓狀態之該光電二極體，及該浮閘半導體裝置之經由該二極體放電之該浮閘。
- 如請求項3之電路，其中該曝露模式包含各自均處於一非導電狀態之該FET電晶體及該二極體、該光電二極體之上升至一曝露電壓位準之該陰極，及該浮閘半導體裝置之其上回應於該光電二極體之該陽極處的電壓位準而具有一足以使該浮閘充電之電壓之該汲極及該源極。
- 如請求項3之電路，其中該資料保存模式包含各自均處於 一非導電狀態之該FET電晶體及該二極體、該光電二極體之處於一保存電壓位準之該陰極，及該浮動半導體裝置之經有效開路之該源極。
- 如請求項3之電路，其中該讀取模式包含一在該浮閘半導體裝置之該浮閘之該控制閘處的預定電壓，及一在該浮閘半導體裝置之該汲極與該源極之間的電流，該電流指示在該曝露模式期間置於該浮閘上之該電荷。
- 一種影像感測器，該影像感測器具有複數個形成於一單片基板中之像素，該複數個像素中之一或多者包含：一浮閘半導體裝置，其具有一浮閘、一控制閘、一汲極及一源極；一光電二極體，其經定位以接收來自一影像之電磁輻射；一FET電晶體，其具有一控制閘、一連接至該光電二極體之該陰極之汲極，及一連接至該光電二極體之該陽極之源極，該FET電晶體之該源極及該光電二極體之該陽極進一步連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘；一二極體，其具有一連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘之陽極。
- 如請求項8之影像感測器，其中該影像感測器可在一抹除模式中操作，在該抹除模式中該FET電晶體及該浮閘半導體裝置處於非導電狀態，該光電二極體處於一初始電壓狀態，且該浮閘半導體裝置之該浮閘經由該二極體放電。
- 如請求項8之影像感測器，其中該影像感測器可在一曝露 模式中操作，在該曝露模式中該FET電晶體及該二極體各自均處於一非導電狀態，該光電二極體之該陰極上升至一曝露電壓位準，且該浮閘半導體裝置之該汲極及該源極其上回應於該光電二極體之該陽極處的該電壓而具有一足以使該浮閘充電之電壓。
- 如請求項8之影像感測器，其中該影像感測器可在一資料保存模式中操作，在該資料保存模式中該FET電晶體及該二極體各自均處於一非導電狀態，該光電二極體之該陰極降低至一保存電壓位準，且該浮動半導體裝置之該源極經有效開路。
- 如請求項10之影像感測器，其中該影像感測器可在一讀取模式中操作，在該讀取模式中一預定電壓提供於該浮閘半導體裝置之該浮閘之該控制閘處，且該浮閘半導體裝置之該汲極與該源極之間的一電流指示在該曝露模式期間置於該浮閘上之該電荷。
- 一種數位攝影機，其包含：一具有一陣列之像素之影像感測器，該等像素中之一或多者包括一浮閘半導體裝置，其具有一浮閘、一控制閘、一汲極及一源極，一感光性半導體裝置，其經定位以接收來自一影像之電磁輻射，一FET電晶體，其具有一控制閘、一連接至該光電二極體之該陰極之汲極，及一連接至該光電二極體之該陽極 之源極，該FET電晶體之該源極及該光電二極體之該陽極進一步連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘，及一二極體，其具有一連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘之陽極，一像素控制電路，其經連接以將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置引導至複數個控制模式，該複數個控制模式包括一抹除模式，其中一電荷之至少一部分自該浮閘移除以將該浮閘半導體裝置置於一初始狀態，用以曝露至該電磁輻射；一曝露模式，其中該浮閘回應於該感光性半導體裝置之一端子處之一電壓而至少部分充電，該端子處之該電壓對應於該感光性半導體裝置曝露至來自該影像之該電磁輻射；及一讀取模式，其中一預定電壓提供於該浮閘半導體裝置之該浮閘之該控制閘處，且該浮閘半導體裝置之該汲極與該源極之間的一電流指示在該曝露模式期間置於該浮閘上之該電荷，一影像感測器讀出電路，其經連接以在該讀取模式期間自該等像素之每一者獲得影像資料，及一訊框抓取器，其經連接以將由該影像感測器讀出獲得之影像資料排列於一影像訊框中。
- 如請求項13之數位攝影機，其中該等控制模式進一步包括一資料保存模式，其中該浮閘半導體裝置之該浮閘上之在該曝露模式期間獲得的電荷維持於其上，而不管該感光性半導體裝置進一步曝露至來自該影像之該電磁輻 射。
- 一種用於操作一影像感測器中之一像素之方法，該像素包含一具有一浮閘、一控制閘、一汲極及一源極之浮閘半導體裝置及一經定位以接收來自一影像之電磁輻射的感光性半導體裝置，該方法包含以下步驟：將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置驅動至一抹除模式中，在該抹除模式中一電荷之至少一部分自該浮閘移除以將該浮閘半導體裝置置於一初始狀態，用以接收該電磁輻射；及將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置驅動至一曝露模式中，在該曝露模式中該浮閘回應於該感光性半導體裝置之一端子處之一電壓而至少部分充電，該端子處之該電壓對應於該感光性半導體裝置曝露至來自該影像之該電磁輻射，其中該感光性半導體裝置為一具有一陽極及一陰極之光電二極體，且其中該像素進一步包含一具有一控制閘、一連接至該光電二極體之該陰極之汲極及一連接至該光電二極體的該陽極之源極之FET電晶體，該FET電晶體之該源極及該光電二極體之該陽極進一步連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘，該等像素進一步還包含一具有一連接至該浮閘半導體裝置之該控制閘之陽極的二極體，該將該像素驅動至該抹除模式之步驟包含：將該FET電晶體及該浮閘半導體裝置驅動至非導電狀態； 將該光電二極體驅動至一初始電壓狀態；及使該浮閘半導體裝置之該浮閘經由該二極體至少部分放電。
- 如請求項15之方法，且其進一步包含將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置驅動至一資料保存模式中之步驟，在該資料保存模式中該浮閘半導體裝置之該浮閘上之在該曝露模式期間獲得的電荷維持於其上，而不管該感光性半導體裝置進一步曝露至來自該影像之該電磁輻射。
- 如請求項15之方法，且其進一步包含以下步驟：將該浮閘半導體裝置及該感光性半導體裝置驅動至一讀取模式中，其中該浮閘半導體裝置之該源極與該汲極之間的電流指示該浮閘上之該電荷；及感測該浮閘半導體裝置之該源極與該汲極之間的該電流。
- 如請求項15之方法，其中該將該像素驅動於該曝露模式中之步驟包含：將該FET電晶體及該二極體各自均驅動至一非導電狀態；將該光電二極體之該陰極驅動至一曝露電壓位準；及回應於該光電二極體之該陽極處之電壓位準將在該浮閘半導體裝置的該汲極及該源極上之該電壓驅動至一足以使該浮閘充電之電壓。
- 如請求項18之方法，其中該將該像素驅動於該資料保存 模式中之步驟包含：將該FET電晶體及該二極體驅動至非導電狀態，將該光電二極體之該陰極驅動至一保存電壓位準，及將該浮動半導體裝置之該源極驅動至一有效開路狀態。
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