TWI405461B - 影像感測器、對影像感測器進行相關雙取樣的方法、對影像感測器進行相關雙取樣以及同步電子快門的方法以及具有影像感測器的影像系統 - Google Patents

影像感測器、對影像感測器進行相關雙取樣的方法、對影像感測器進行相關雙取樣以及同步電子快門的方法以及具有影像感測器的影像系統 Download PDF

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影像感測器、對影像感測器進行相關雙取樣的方法、對影像感測器進行相關雙取樣以及同步電子快門的方法以及具有影像感測器的影像系統
本發明係與互補金氧半導體(CMOS)影像感測器(以下簡稱為CMOS影像感測器)有關，尤指可提供CMOS影像感測器電子同步快門(simultaneous electronic shutter action,SESA)圖框儲存(frame storage)功能以及相關性雙取樣(correlated double sampling)功能之裝置及其相關方法。
數位相機為現今所廣泛使用的電子產品，而在數位相機內，具有用以將光線轉換為電荷的影像感測器；影像感測器可依據其採用的原理而區分為電荷耦合裝置(charge-coupled device)影像感測器(亦即俗稱CCD影像感測器)以及CMOS影像感測器，其中CMOS影像感測器即基於互補金氧半導體技術而製造。
對於CMOS影像感測器而言，像素(pixel)是一個在影像感測器中可產生不同輸出強度之輸出訊號的元件，而像素所產生的輸出訊號的強度係正比於入射光的光線強度，此外，影像感測器中的每個像素更用來偵測、儲存以及輸出訊號之用。一般而論，CMOS影像感測器通常會使用主動(active)像素而非被動(passive)像素來進行影像感測；而簡略來說，其內具有放大器(amplifier)或是訊號緩衝器的像素即可稱之為主動像素，而其內僅包含光檢測器以及開關的像素則被稱之為被動像素。針對一個典型由主動像素構成的CMOS影像感測器而言，其內的每個主動像素分別包含有用以感測光線的光二極體以及用以維持所測得之訊號的寄生電容。
請參閱第1圖，第1圖所示為習知主動像素的結構示意圖。如第1圖所示，主動像素100包含有三個節點101、103以及105，其中節點101為用來偵測訊號的感測節點，節點103為用以儲存訊號之儲存點，而節點105則為用以輸出訊號之取樣點。在不同的設計中，感測點(亦即節點101)、儲存點(亦即節點103)以及取樣點(亦即節點105)可彼此重疊(overlapped)或分離；也就是說，可隨著不同的設計需求來選擇使用單一個節點或使用彼此相互區隔的三個節點來執行前述影像感測器之偵測、儲存以及取樣運作。
在第1圖中，主動像素100更包含有一放大器106，放大器106用以對由取樣點(節點105)輸出的取樣訊號進行訊號放大，以進而產生一輸出107，輸出107之後將被傳送至數位相機的其他電路(未顯示於圖中)以進行後續的訊號處理。另外，主動像素100亦可具有閘道(gateway)102以及104，閘道102係位於節點101與節點103中間，而閘道104係位於節點103與節點105之間。由於主動像素之閘道為熟習此項技藝之人士所知，故在此便不贅述。
對於採用主動像素的CMOS影像感測器而言，相關性雙取樣(correlated double sampling)運作常會被採用來消除CMOS影像感測器的低頻雜訊，而關於相關性雙取樣的運作原理則說明如下：在相關性雙取樣的運作流程中，於時間t1 時，可先得到一第一讀出電壓訊號(voltage signal readout)v o u t 1 =v n 1 ，其中Vn 1 為此時存在於取樣點(節點105)的雜訊。於時間t2 時，(t =t 2 =t 1 +Δt )，一訊號傳送至取樣點，而後得到一第二訊號讀出：v o u t 2 =v n 2 +v s i g 。換句話說，在相關性雙取樣運作中，第一次的讀出運作係用以讀取雜訊，而第二次的讀出運作則是用以讀取雜訊(Vn2 )與所需之訊號(Vsig )。
因此，相關性雙取樣的運作係藉由將由第二次讀出運作中讀取的第二取樣值中減去了從第一次讀出運作中取得的第一取樣值，以藉此取得所需的訊號，而所擷取出的訊號ΔVout 表示如下：
Δv o ut =v out 2 -v out 1 =(v n 2 +v sig )-(v n 1 )=(v n 2 -v n 1 )+v s ig
當主要的雜訊成分為低頻訊號且時間長度Δt 非常微小時，(v n 2 -v n 1 )的值將趨近於零；換言之，此時可得到所需的輸出訊號
也就是說，相關性雙取樣運作可視作為一個用以濾除低頻雜訊的高通濾波器。當時間長度Δt 越小，則截止頻率越高；這可進一步地抑制雜訊，也因此，通常會盡可能地縮短兩個讀出運作中的時間間隔Δt 。對於具有主動像素的影像感測器來說，通常一理想相關性雙取樣運作的時間間隔Δt 可為幾個微秒(microseconds)或更短。不過，一個可執行相關性雙取樣運作的主動像素會需要具備有兩個不同的儲存點來進行訊號儲存運作，雖然這兩個儲存點之中的其中一個儲存點另可用來執行訊號偵測或訊號取樣。另外，要能提供完整的相關性雙取樣運作，將需要在後端的讀出電路中也進行相關的相關性雙取樣運作，這些後續的運作將會產生更多的雜訊來干擾感測得的訊號。
請參閱第2圖，第2圖所示為習知影像感測器200的示意圖。如第2圖所示，影像感測器200包含有一像素陣列(pixel array)210，像素陣列210具有M*N個排成M行(column)以及N列(row)之陣列形式的像素215，其中每一列標示為214，而每一行標示為216，而M個行處理器220則分別耦接至M行216。由於行處理器220每次只能處理一列214的資料，影像感測器(如影像感測器200)便需採用每次只執行一重置運作或一讀出運作的運作機制，而由於其輪流執行重置運作或讀出運作，前述之運作機制亦可稱為輪式(rolling)重置/讀出機制。然而，通常對於一單一列214的讀出運作即需耗費數個微秒或更長，這意味著對具有一千列的影像感測器而言，將需要數個毫秒(milliseconds)或更長的時間來取得一整個圖框(frame)的讀出資料。這些耗時良久的讀出時間將導致動態的影像物件產生不良的效果，甚至使得畫面模糊不清。前述的這些缺點是現今數位相機(其包含有影像感測器)與其他攝影設備所亟需消除/避免的。
事實上，影像/攝影裝置通常會採用快照(snapshot operation)以及一電子同步快門(simultaneous electronic shutter action，SESA)圖框儲存(frame storage)運作。快照運作表示一個影像感測器內的所有像素將同時開始/停止曝光；而對影像感測器而言，藉由控制曝光起始以及曝光截止的運作來達到更快速的快門時間的流程，即被稱之為電子同步快門(圖框儲存)運作，為了說明簡便起見，後續將簡稱電子同步快門圖框儲存運作為電子同步快門；而如前所述，電子同步快門確保了所有的像素在同樣的時間進行影像感測。然而，現在的技術並不能提供使用者一個同時提供真正相關性雙取樣功能和電子同步快門功能的CMOS影像感測器。另一方面，如前所述，主動像素係可隨著不同的設計需求而具有不同的架構，例如由三個電晶體構成的主動像素(下述將簡稱為3T主動像素)、由四個電晶體構成的主動像素(下述將簡稱為4T主動像素)，例如一光閘極主動像素；以及由五個電晶體所構成的主動像素(後續將簡稱為5T主動像素)等等。以下將說明這些不同架構的主動像素。
請參閱第3圖，第3圖所示為習知3T主動像素300的結構示意圖。如圖所示，3T主動像素300具有三個電晶體306、309以及310，且此3T主動像素300提供了非相關性雙取樣功能。節點308係用以進行訊號偵測、訊號儲存以及訊號輸出運作。當然，3T主動像素300另具有其他的元件，由於3T主動像素的結構已為熟習本項技藝之人士所熟知，故在此便不另贅述。
請一併參閱第4圖與第3圖，第4圖為具有N列之第3圖所示之3T主動像素300的像素陣列的CMOS影像感測器的時序訊號示意圖。如第4圖所示，於此一例子中，CMOS影像感測器的像素陣列係採用”列輪式”(rolling row manner)機制，而列輪式(或輪式)運作已於前面關於輪式重置/讀出運作中說明過，這裡每一列的訊號時序將近似於其他列的訊號，只是每一列較其前一列的訊號時序晚了一段時間罷了。對像素陣列的每一列來說，需要兩個時序(timing)訊號，亦即一重置訊號以及一列選擇訊號，來執行一非相關性(non-correlated)之雙取樣運作。舉例來說，於第4圖中，CMOS影像感測器之列1的運作將敘述如下，其中CMOS影像感測器使用了3T主動像素300來構成像素陣列。每一列(例如列1)的運作包含有以下步驟：
步驟1：執行一重置運作。首先開啟重置電晶體310(亦即如第4圖所示，一重置訊號310A產生一脈衝1)以重置節點308；接著關閉重置電晶體310來開始一個沈積時間長度的電荷沈積運作使得v 1 (1)=v r eset 1 +v n 1 ，其中電荷V1 (1)代表一雜訊訊號的電壓，而重置訊號310A表示加諸於重置電晶體310之閘極上的電壓訊號。
步驟2:CMOS影像感測器對列1執行一第一讀出運作來對訊號以及雜訊進行取樣，並因此擷取出一初步的輸出電壓Vout1 :v out 1 =v 1 (2)=v reset 1 +v n 1 +v sig 。而此初步輸出電壓Vout1 在第4圖中標示為V1 (2)，表示導通列選擇電晶體306後得到的電壓訊號(在第4圖中列選擇訊號306A的脈衝2即表示此時加諸於列選擇電晶體306閘極以啟動電晶體306)。
步驟3：重新啟動重置電晶體310來對節點308進行一第二重置運作。(亦即此時重置訊號310A產生一相對應的脈衝3)並因此得到一電壓v 1 (3 )=v reset 2 +v n 2 ，其中電壓V1 (3)表示了此時得到的電壓訊號。
步驟4：執行一第二讀出運作以完成每一列(例如列1)所需的運作流程。此時，在第二讀出運作中將取得一第二重置訊號準位，而讀取到的電壓表示為v out 2 =v reset 2 +v n 2 ，其中電壓Vout2 表示在啟動列選擇電晶體306後所擷取到的電壓訊號；此時列選擇訊號306A有一相對應的脈衝4，即用以啟動列選擇電晶體306。
前述之四個步驟即完成一完整圖框中單一列的讀出運作之流程，而在完成前述四個步驟之後，將可得到對應於一像素的輸出電壓，表示為：v out =v out 1 -v out 2 =v sig +(v reset 1 -v reset 2 )+(v n 1 -v n 2 )。
一般來說，由於v reset 1 -v reset 2 趨近於零，但是訊號差值Vn1 -Vn2 將等於，其中為一均方根雜訊值。由於此時的兩個取樣值(讀出值)之間並無相關性，因此由此一非相關性雙取樣運作而得到的最後輸出電壓將為。
而3T主動像素300由於其非相關性雙取樣運作而有所受限，這是由於3T主動像素300僅由單一節點308來執行訊號偵測、儲存以及取樣，這將使得像素在第一次讀出運作時所取得的於沈積時間所累積的電荷，隨即在第二次重置運作中被破壞掉。
請參閱第5圖，第5圖所示為習知4T主動像素500的結構示意圖。相較於第3圖的3T主動像素300，第5圖所示的4T主動像素500更多了一個節點，此節點係用以進行訊號偵測以及訊號儲存之用，而另一節點504則用來進行訊號取樣。然而，由4T主動像素500所構成的像素陣列仍須以列輪式的方式進行讀取。
請一併參閱第5圖與第6圖，第6圖為第5圖所示之4T主動像素500的訊號時序示意圖。4T主動像素500可執行真正的相關性雙取樣運作，且其運作是基於對應於一重置電晶體310之一重置訊號310A、對應於一列選擇電晶體306之一列選擇訊號306A、對應於一光二極體502之一光二極體訊號502A以及對應於一傳送閘(transfer gate)之一傳送訊號503A，在這裡亦可經由適當調整而使用一光閘(photo gate)來取代光二極體502。如圖所示，當取樣點504的一重置運作結束之後，由於電荷沈積運作將使得光二極體訊號502A的電壓則隨之增加，而在電荷沈積結束前，用以控制重置電晶體310的重置訊號310A會產生脈衝變化以對取樣點504進行取樣，這使得產生的雜訊會被擷取在取樣點504內。
在第一次的讀出運作中，可取樣出一雜訊，可表示為：v out 1 =v reset +v n 1 ，接著，傳送訊號503A的電壓上升以啟動傳送電晶體503且光二極體訊號502A電壓下降(如圖所示)，如此一來，可將儲存在光二極體502內的電荷傳送至取樣點504。第二次讀出運作可得到的電壓(包含訊號與雜訊)可表示為：v out 2 =v sig +v reset +v n 1 。這樣一來，即可根據兩次彼此相關的訊號讀出值來得到一最後輸出電壓值：v out =v out 2 -v out 1 =v sig 。
藉著具有相關性雙取樣運作功能的4T主動像素500來建構CMOS影像感測器，將可有效地避免輸出訊號受到雜訊干擾，然而，由於4T主動像素500仍使用單一節點來執行訊號偵測以及訊號儲存運作，導致了由4T主動像素500所構成的CMOS影像感測器仍無法提供同步電子快門的功能。
請參閱第7圖，第7圖所示為具有電子同步快門功能之習知主動像素800的結構示意圖。主動像素800的結構係揭露於由Guang Yang等人於西元1998年發表於IEEE的論文”A Snapshot CMOS Active Pixel Imager for Low Noise,High Speed Imaging”中，由圖可知，主動像素800具有兩個傳送電晶體(亦即TX1以及TX2)和一電荷汲取器(charge sink)802以提供同步電子快門功能。如第7圖所示，主動像素800包含有一重置電晶體310、一列選擇電晶體306、一源極隨耦器501、一第一傳送電晶體TX1以及一光二極體502。由於主動像素800使用同一節點806來執行訊號儲存運作與訊號取樣運作，這意味著蒐集到的電荷會立即被傳遞至一浮置擴散(floating diffusion)點(節點806)，此單一節點為儲存點也為取樣點，在電荷沈積運作結束後將立即隨即進行訊號取樣。然而，主動像素800仍然欠缺相關性雙取樣的功能，且主動像素800的量子效率不佳，尤以其對於藍光的量子效率為甚。
一般來說，為了要達到前述同步電子快門的功能，主動像素需要維持(hold)其所感測得的訊號直至其被讀出為止；然而，通常所需的資料維持時間可能長達數十毫秒，但由於電子影像感測系統不具有機械快門，這使得在這段維持時間之中入射光仍將不斷地導致電荷產生，而為了解決前述問題，通常會在主動像素內使用一簡易的電荷汲取器，藉由一高電壓源來汲取電子(或一低電壓源以汲取電洞)以及一開關連接於前述電壓源與一感測點之間。
此外，在Merrill等人所揭露的美國專利(專利號6,369,853)中，其教導使用一重置開關以及一重置電壓以於電荷沈積開始之前先行重置其光二極體，並在訊號讀取之前的維持時間時提供電荷汲取器的功能，然前述Merrill的發明仍無法提供相關性雙取樣的功能。
如前所述，由於習知傳統架構的不足與缺失，仍須提供一種新穎的流程與系統以使用CMOS影像感測製程來提供數位相機優異的相關性雙取樣功能暨同步電子快門功能。
根據本發明的一實施例，其係揭露一種影像感測器(electronic image sensor)，其具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo-generated)電荷；一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)。
根據本發明之另一實施例，其係揭露一種對一影像感測器進行相關雙取樣(correlated double sampling,CDS)的方法，該影像感測器具有由複數個主動像素所構成之一像素陣列，每一主動像素係具有一光檢測器(photo detector)，該方法包含有以下步驟：累積(integrating)複數個光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作(readout)時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及執行一第二讀出運作以藉由電荷取樣來擷取出一訊號。
根據本發明又另一實施例，其係揭露一種對一影像感測器進行相關雙取樣(correlated double sampling,CDS)以及同步電子快門(simultaneous electronic shutter action,(CDS))的方法，該影像感測器具有由複數個主動像素所構成之一像素陣列，每一主動像素係具有一光檢測器(photo detector)以依據入射於該像素陣列上的光的強度來產生一訊號，該方法包含有：根據該訊號來累積複數個光致電荷；保存該複數個光致電荷直至一讀出運作為止；開啟一電荷汲取器(charge sink)以汲取複數個輸入的光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及關閉該電荷汲取器以預先重置(pre-resetting)複數個節點。
根據本發明再另一實施例，其係揭露一種具有一影像感測器的影像系統，該影像感測器係具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo-generated)電荷；一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)。
根據本發明之精神，其係揭露一種像素結構，其內具有複數個彼此各自區隔的節點以分別用以進行訊號偵測、訊號儲存以及訊號取樣；此外，像素內更具有一電荷汲取器；且本發明之像素係可提供CMOS影像感測器有效率的同步電子快門功能。
根據本發明之精神，其係揭露一種像素結構，本發明之像素結構可經由一溢井(spill well)的結構以執行一相關性雙取樣運作；此外，本發明之光檢測器擁有比以往CCD之像素或光閘形式之像素更優異的量子效率。
根據本發明之精神，其係提供一種新穎的像素、像素陣列以及使用了前述元件架構而成的影像感測器，其得以同時提供相關性雙取樣功能暨同步電子快門功能。除此之外，本發明之溢井結構係使用一光二極體來作為光檢測器以提升本發明所提供的量子效率，使其優於採用CCD形式或光閘極形式的傳統像素。另外，本發明亦可採用標準的互補金氧半導體製程來實現。
請參閱第8圖，第8圖所示為根據本發明之一實施例之一主動像素900的結構示意圖。如第8圖所示，主動像素900包含有複數個電晶體以作為開關之用、一遮光罩(light shield)909以及一全空乏型(fully depleted)光二極體914。藉由設置這些電晶體，主動像素900得以擁有彼此各自區隔的感測節點、儲存點以及輸出點，以提供同步電子快門功能以及相關性雙取樣功能。然而請注意到，第8圖之結構僅為範例說明之用，而不應視為本發明的限制條件，舉例來說，本圖中的列選擇電晶體904以及遮光罩909為選擇性的元件，其可隨著不同的設計需求而加以省略。此外，為了效率上的考量，在這裡係使用了全空乏型二極體而非傳統的光閘極結構。然而請注意到，只要適當的加以調整，亦可使用一般的光閘極或光二極體來取代本實施例的全空乏型光二極體914以提供可同時提供同步電子快門以及相關性雙取樣功能的像素，前述之設計變化係遵循本發明之發明精神，且屬於本發明的範疇之中。
在本實施例中，主動像素900係包含有一電荷汲取器910，其中電荷汲取器910係包含有一電晶體911(亦即TX3)，其用以在一光感測節點914A以及一電荷汲取端(charge drain)915之間形成一電位能障(potential barrier)，另外，主動像素900更具有一溢井(spill well)906，其內有一電晶體912(亦即TX2)，電晶體192係用以在感測點914A以及儲存點917之間形成一電位能障，而電晶體918(亦即TX1)則在儲存點917以及輸出點922之間形成電位能障；而電晶體919在這裡用作一重置電晶體，用來選擇性地將一重置電壓Va耦接至輸出點922。除此之外，電晶體905用來當作一源極隨耦放大器(source-follower amplifier)以進行訊號緩衝。如第9圖所示，一列選擇電晶體904係耦接至一像素陣列的輸出匯流排(output bus)，且列選擇電晶體904在像素陣列的列選擇運作中可視作開關。
在本實施例中，電壓Va 的電壓值可為一固定電壓，抑或隨著不同的設計需求，其電壓值亦可在不同的操作步驟時有不同的電壓變化。比方說，複數個主動像素900可共用同一電晶體911(TX3)、單一源極隨耦器905(亦即源極隨耦電晶體)、單一電壓節點(供應電壓Va 的節點)以及單一的電壓節點(供應電壓Vsink 的節點)，以進一步地節省生產成本以及電路面積。倘若電壓Va 的電壓值被允許在不同的步驟下是不同的，則在這設計變化中的主動像素900更可由像素陣列中的多個主動像素900來共用單一列選擇電晶體904。然而請注意到，前述之列選擇電晶體904為選擇性的元件，其亦可在其他的實施例中加以省略，而這些設計變化亦遵循本發明之精神且隸屬於本發明的保護範疇之中。
在本實施例中，電壓Va 的電壓值被設定為小於或等於一電壓值VDD ，而電壓Vsink 的電壓值則被較佳地設定為高於加諸於電晶體911(亦即TX3)上的電壓。在某些實施例中，電壓Vsink 的電壓值至少要比施加在電晶體911(TX3)上的電壓還高一個電晶體臨界電壓(transistor threshold voltage)，也就是說，既然電壓Vsink 被用作為一電荷汲取器，其可為一高電壓源(如VDD )。
在本發明的其他實施例中，主動像素900可隨著不同的設計需求來選用N型或P型的半導體電晶體來加以實施；不過在第8圖的實施例中，其係使用了P型電晶體來架構主動像素900。此外，這裡係藉由在電晶體913上架構了一或多層的不透光層(opaque layers)來作為遮光罩909，以避免儲存在電晶體913的電荷產生變化。除此之外，當主動像素900只需用來執行相關性雙取樣功能，而不需執行其同步電子快門功能時，則可持續將電晶體911(TX3)維持在關閉(不導通)的狀態。
請同時參照第8圖與第9圖，第9圖為第8圖所示之主動像素900不進行同步電子快門運作時的運作流程示意圖。為了清楚地揭露第9圖的步驟流程細節，在這裡將主動像素900的結構略圖附於第9圖的上面以作為輔助說明之用。
請同時參照第8圖與第9圖來看第10圖，第10圖為本發明之一實施例中主動像素900在進行本發明之操作步驟時的複數個訊號的時序示意圖；第10圖中包含了用以施加在重置電晶體919之閘極的一重置訊號919A、用以施加在傳送電晶體(transfer transistor)918之閘極的一訊號918A、用以施加在電晶體913之閘極的一訊號913A、用以施加在傳送電晶體912之閘極的一重置訊號912A、用以施加在列選擇電晶體904之閘極的一訊號904A，而訊號911A則用以表示用以施加在傳送電晶體911上的訊號911A。
請同時參照第8圖、第9圖以及第10圖；如同第8圖所示，在後續的步驟說明中，光二極體914為被一反轉電壓(pinning voltage)所完全空乏的全空乏型光二極體。在步驟S11001時，施加於電晶體191之閘極上的訊號919A的電壓升高以導通(turn on)重置電晶體；在完成第一次重置運作之後，主動像素900開始進行電荷沈積(步驟S1002)。
在步驟S1002時，像素900產生了複數個光致(photo-generated)電荷。在進行電荷沈積之運作時，重置電晶體919關閉且施加在儲存電晶體913(亦即STO)之閘極上的電壓訊號VSTO 會拉高。在本步驟中，使用了一電位井(potential well)以儲存由全空乏型光二極體914所產生的電荷。由第9圖可知，雖然在重置運作後，有一些雜訊n1殘存在輸出節點922，但經由傳送電晶體918(TX1)此時所構成之位於輸出節點922以及儲存節點917之間電位能障，將可確保像素900的第一次讀出運作將不受到雜訊n1所影響。
如第9圖所示，在步驟S1003中，電荷沈積已然完成而進行訊號維持運作。在本步驟時，藉由將重置電晶體919開啟來對輸出節點922進行再一次的重置。接下來，在步驟S1004時，重置電晶體919關閉並進行第一次的讀出運作。由圖可知，在步驟S1003中所產生的取樣雜訊n2殘存在輸出節點922，在第一次讀出運作時即把雜訊n2儲存到後端的讀出電路(未顯示於圖中)以供相關性雙取樣運作之用。
在第9圖所示之步驟S1005中，係進行電荷傳遞以及第二次讀出運作，此時儲存電晶體913關閉以把所儲存的電荷由儲存節點017傳送到輸出節點922，而此時輸出節點922中的電荷包含有感測出的訊號以及雜訊n2。在進行電荷傳遞以及取樣之後，即進行第二次的讀出運作。藉由兩次讀出運作中取得的取樣資料，即可順利地將感測訊號取出而不受雜訊的影響。
在本實施例中，傳送電晶體918(TX1)的閘極電壓係維持一定電壓值V1 ，而傳送電晶體912(TX2)的閘極電壓則維持在另一定電壓值V2 ，以進一步地降低切換雜訊(switching noise)。然而請注意到，在本發明的其他實施例中(如第11圖所示的第二實施例)，施加在傳送電晶體912(TX2)上的電壓在步驟S1203時將稍微下降以確保其在感測節點914A以及儲存點917之間形成有效的電位能障。前述這些相關設計變化皆遵循本發明之發明精神且同樣隸屬於本發明的保護範疇之中。
在前述的第一實施例中，說明了像素900進行不具有同步電子快門功能時的相關性相取樣運作，換言之，既然是非同步電子快門運作，故前述揭露的操作流程係為一列輪式(row-rolling)的運作。
請一併參照第8圖與第11圖，第11圖所示為本發明之另一實施例中使用主動像素900以同時進行相關性雙取樣運作暨同步電子快門運作之步驟流程示意圖。同樣地，為了清楚說明主動像素900的操作細節，在第11圖的上方附有主動像素900的簡圖以供對照之用。請亦參照第12圖，第12圖所示為第11圖所示之實施例中複數個訊號的時序示意圖；在第12圖中包含了用以施加在重置電晶體9191之閘極的重置訊號919A、施加在傳送電晶體918(TX1)之閘極的訊號918A、施加在儲存電晶體913之閘極的訊號913A、對應於傳送電晶體912(TX2)的訊號912A、對應於列選擇電晶體904之閘極的訊號904A以及一電壓訊號Va 。
在第二實施例中，步驟S1201、S1202、S1204、S1205與S1206分別與第一實施例中的步驟S1001、S1002、S1003、S1004與S1005相同，因此關於這些步驟的詳細操作細節可參見前述有關於第9圖的說明。
概略而言，在步驟S1201時，重置電晶體919開啟以進行第一次重置運作，並在進行步驟S1202之前即切換至關閉狀態。在步驟S1202時，儲存電晶體913開啟，且本實施例的光二極體914係為全空乏型光二極體，因此在電荷沈積運作時所產生的電荷可順利地保存在儲存節點913之中。在本發明之一較佳實施例中，於電荷沈積運作結束時，可將施加在傳送電晶體912(TX2)的訊號912A之電壓略微提升以進而強化處於感測節點914A以及儲存節點917之間的電位能障。由於本實施例中主動像素900係同時提供相關性雙取樣功能以及同步電子快門之功能，因此在訊號維持(data holding)的運作時，係可將對應於傳送電晶體911(TX3)的訊號911A拉低以排出此時感測節點914A產生的多餘電荷。也就是說，因為在步驟S1203時對應於第二傳送電晶體912的訊號912A拉高了，又由於傳送電晶體911(TX3)被開啟了，這使得此時光二極體914被一電壓Vsink 所箝制，以確保所有額外產生的多餘光致電荷都將被電壓Vsink 所汲取，而在前面電荷沈積運作中因曝光而產生的光致電荷則被保存在儲存電晶體913之中。在這裡，電晶體912所構成的電位能障以及遮光罩909可確保所儲存的資料不會受到外在的干擾。至於由傳送電晶體911(TX3)以及電壓Vsink 所構成的電荷汲取器(charge sink)，前述的這些架構則確保了在像素陣列中所有主動像素可同時地結束其電荷沈積運作，並將其資料有效地保存直至進行訊號讀出為止，換言之，本發明之像素因此可提供優異的同步電子快門功能。
在步驟S1204中，重置電晶體919再一次地被開啟以進行第二次重置。在步驟S1205中，於重置電晶體919重新關閉之後，列選擇電晶體904隨即被開啟以進行第一次讀出運作。在步驟S1206時，傳送電晶體918開啟且儲存電晶體913關閉，以將電荷由儲存節點917傳送到輸出節點922；在電荷傳送運作結束後，傳送電晶體918(TX1)關閉且列選擇電晶體904開啟，以進行第二次讀出運作。請注意，在本實施例中，像素陣列中的主動像素900仍以列輪式的方式讀取(步驟S1204~S1206，而步驟S1003~S1005也是)，亦即一列接著一列循序進行。
在前述的步驟流程說明了像素陣列中單一列像素的運作。在對應到一整個圖框的讀出運作完成之後(亦即像素陣列中每一列的讀出運作皆完成之後)，傳送電晶體911(TX3)即關閉而重置電晶體919則重新開啟，以為後續圖框的訊號感測做準備。由於在這裡光二極體914為全空乏型光二極體，這更進一步地確保了所感測到的所有光致電荷可全數轉移到儲存節點917，而不會有殘存在光二極體914中。
請注意到，本發明並不限於前述之實施方式，亦可隨著後續的科技進步而加以修正，而這些設計變化亦隸屬於本發明的範疇之中。比方說，由傳送電晶體918(TX1)、傳送電晶體(TX2)與傳送電晶體(TX3)所提供的電位能障亦可有不同的操作方式，而此實作上的變化將於第13圖中說明之。
第13圖所示為本發明之又另一實施例中使用主動像素900以同時進行相關性雙取樣運作暨同步電子快門運作之步驟流程示意圖。在本實施例中，步驟S1401~S1407係分別與第11圖之步驟S1201~S1207相同。請參閱第13圖，步驟S1401的運作係類似於第11圖的步驟S1201。
在步驟S1402中，傳送電晶體918(TX1)的閘極係被偏壓在一電壓V13_tx1 ，其電壓值係低於第11圖中的電壓V11_tx1 (如第13圖以及第11圖所示)。在本實施例中，較低的電壓V13_tx1 可將傳送電晶體918(TX1)完全關閉，且使施加在傳送電晶體918(TX1)之閘極的電壓維持在V13_tx1 ，直到步驟S1206被執行為止，其中步驟S1406亦近似於步驟S1206的運作，故在此便不再贅述。
至於施加在傳送電晶體912(TX2)上的訊號912A，在流程進入資料維持的步驟S1403(其運作類似於上述的步驟S1203)時，傳送電晶體912(TX2)的閘極被偏壓在一電壓V13_tx2 ，其電壓值低於第11圖中的電壓V11_tx2 (如第11圖與第13圖所示)。施加在傳送電晶體912(TX2)之閘極的訊號912A則維持在電壓V13_tx2 ，直到步驟S1406完成為止。
根據本發明之精神，其係揭露一種創新的主動像素，其具有複數個彼此區隔的節點以分別用來進行訊號偵測、訊號儲存以及訊號輸出之用；此外，本發明之主動像素亦具有電荷汲取器，且本發明可使用互補金氧半製程來提供具有同步電子快門之功能的主動像素。
根據本發明之精神，係藉由”溢井”結構來施行相關性雙取樣功能，此外，相較於傳統的電荷耦合裝置(CCD)技術以及光閘極形式的像素，本發明的光檢測器亦具有更佳的量子效率。
根據本發明之精神，其係提供了一種可同時執行相關性雙取樣功能和同步電子快門功能之創新的主動像素以及使用前述主動像素構成之像素陣。本發明的溢井結構使用了一光二極體來作為光檢測器，以藉此達到比以往使用電荷耦合裝置之技術與以往光閘極形式之像素更優異的量子效率。除此之外，在本發明之一較佳實施例中，本發明之光二極體係為一全空乏型(fully depleted)光二極體。再者，本發明之結構與互補金氧半導體製程完全相容。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、800、900．．．主動像素
101．．．感測節點
102、104．．．閘道
103．．．儲存點
105．．．取樣點
106．．．放大器
200．．．影像感測器
210．．．像素陣列
214．．．列
215．．．像素
216．．．行
220．．．行處理器
300．．．3T主動像素
306、904．．．列選擇電晶體
309、905、911、912、913、918、919．．．電晶體
310．．．重置電晶體
308、504、806．．．節點
500．．．4T主動像素
501．．．源極隨耦器
502．．．光二極體
503．．．傳送電晶體
802、910．．．電荷汲取器
906．．．溢井
909．．．遮光罩
914．．．全空乏型光二極體
914A．．．光感測節點
915．．．電荷汲取端
917．．．儲存節點
922．．．輸出節點
第1圖為習知主動像素的結構示意圖。
第2圖為習知影像感測器的示意圖。
第3圖為習知3T主動像素的結構示意圖。
第4圖為具有N列之第3圖所示之3T主動像素之像素陣列的CMOS影像感測器的時序訊號示意圖。
第5圖為習知4T主動像素的結構示意圖。
第6圖為第5圖所示之4T主動像素的訊號時序示意圖。
第7圖為具有電子同步快門功能之習知主動像素的結構示意圖。
第8圖為根據本發明之一實施例之一主動像素的結構示意圖。
第9圖為使用第8圖所示之主動像素在不進行同步電子快門運作時的運作流程示意圖。
第10圖為本發明之一實施例中主動像素在進行本發明之操作步驟時的複數個訊號的時序示意圖。
第11圖為本發明之另一實施例中使用主動像素同時進行相關性雙取樣運作暨同步電子快門運作的的步驟流程示意圖。
第12圖為第11圖所示之實施例中複數個訊號的時序示意圖。
第13圖為本發明之又另一實施例中使用主動像素以同時進行相關性雙取樣運作暨同步電子快門運作的步驟流程示意圖。
900．．．主動像素
904．．．列選擇電晶體
905、911、912、913、918、919．．．電晶體
906．．．溢井
909．．．遮光罩
910．．．電荷汲取器
914．．．全空乏型光二極體
914A．．．光感測節點
915．．．電荷井
917．．．儲存節點
922．．．輸出節點

Claims (24)

  1. 一種影像感測器(electronic image sensor)，其具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo-generated)電荷；一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)；其中當每一主動像素執行具有一相關性雙取樣功能之操作時，該操作包含有：累積(integrating)複數個光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作(readout)時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及執行一第二讀出運作以藉由電荷取樣來擷取出一訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光檢測器係一 全空乏型(fully depleted)光二極體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該第一可控電位能障與該第二可控電位能障係分別選擇性地耦接至位於該像素陣列之外的一電壓源。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中每一主動像素另包含有：一電荷汲取器(charge sink)，其係選擇性地耦接於該光檢測器以及一電壓源，該電荷汲取器係提供一汲取點(sinking node)以汲取出複數個光致電荷，以及提供位於該光檢測器以及該電壓源之間之一第三可控電位能障。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中該電荷汲取器以及該電壓源係被複數個主動像素所共用。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該儲存點於操作上係由一外部(external)訊號所控制以傳遞電荷。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該像素陣列包含有一源極隨耦器以及一列選擇電晶體，且該列選擇電晶體係被複數個主動像素所共用。
  8. 一種對一影像感測器進行相關雙取樣(correlated double sampling,CDS)的方法，該影像感測器具有由複數個主動像素所構成之一像素陣列，每一主動像素係具有一光檢測器(photo detector)，該方法包含有：累積(integrating)複數個光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作(readout)時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及執行一第二讀出運作以藉由電荷取樣來擷取出一訊號。
  9. 如申請專利申請範圍第8項所述之方法，其中該複數個光致電荷係於一電位能障形成之後開始累積。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一讀出運作係用以對存於該訊號取樣點上的雜訊進行取樣。
  11. 一種對一影像感測器進行相關雙取樣(correlated double sampling,CDS)以及同步電子快門(simultaneous electronic shutter action,(CDS))的方法，該影像感測器具有由複數個主動像素所構成之一像素陣列，每一主動像素係具有一光檢測器(photo detector)以依據入射於該像素陣列上的光的強度來產生一訊號，該方法包含有：根據該訊號來累積複數個光致電荷； 保存該複數個光致電荷直至一讀出運作為止；開啟一電荷汲取器(charge sink)以汲取複數個輸入的光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及關閉該電荷汲取器以預先重置(pre-resetting)複數個節點。
  12. 一種具有一影像感測器的影像系統，該影像感測器係具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo-generated)電荷；一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)；其中當每一主動像素執行具有一相關性雙取樣功能之操作時，該操作包含有：累積(integrating)複數個光致電荷；重置一訊號取樣點； 於一第一讀出運作(readout)時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及執行一第二讀出運作以藉由電荷取樣來擷取出一訊號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中該光檢測器係一全空乏型(fully depleted)光二極體。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中該第一可控電位能障與該第二可控電位能障係分別選擇性地耦接至位於該像素陣列之外的一電壓源。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中每一主動像素另包含有：一電荷汲取器(charge sink)，其係選擇性地耦接於該光檢測器以及一電壓源，該電荷汲取器係提供一汲取點(sinking node)以汲取出複數個光致電荷，以及提供位於該光檢測器以及該電壓源之間之一第三可控電位能障。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之影像系統，其中該電荷汲取器以及該電壓源係被複數個主動像素所共用。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中該儲存點於操作上係由一外部訊號所控制以傳遞電荷。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中該像素陣列係包含有一源極隨耦器以及一列選擇電晶體，且該源極隨耦器以及該列選擇電晶體係由複數個主動像素所共用。
  19. 如申請專利申請範圍第1項所述之影像感測器，其中該複數個光致電荷係於一電位能障形成之後開始累積。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該第一讀出運作係用以對存於該訊號取樣點上的雜訊進行取樣。
  21. 如申請專利申請範圍第12項所述之影像系統，其中該複數個光致電荷係於一電位能障形成之後開始累積。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之影像系統，其中該第一讀出運作係用以對存於該訊號取樣點上的雜訊進行取樣。
  23. 一種影像感測器(electronic image sensor)，其具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo~generated)電荷； 一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)；其中當每一主動像素執行具有一相關性雙取樣功能以及同步電子快門之操作時，該操作包含有：根據該訊號來累積複數個光致電荷；保存該複數個光致電荷直至一讀出運作為止；開啟一電荷汲取器(charge sink)以汲取複數個輸入的光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及關閉該電荷汲取器以預先重置(pre~resetting)複數個節點。
  24. 一種具有一影像感測器的影像系統，該影像感測器係具有包含有複數個主動像素之一像素陣列，其中每一主動像素包含有：一光檢測器(photo detector)，其係提供一感測點以依據一入射光線的強度產生一訊號；一儲存點，用以依據該訊號來儲存複數個光致(photo~generated)電荷； 一第一可控電位能障(controllable potential barrier)，其係位於該感測點與該儲存點之間；一輸出點；以及一第二可控電位能障，其係位於該儲存點以及該輸出點之間，其中該感測點、該儲存點與該輸出點彼此之間並未重疊(overlapped)；其中當每一主動像素執行具有一相關性雙取樣功能以及同步電子快門之操作時，該操作包含有：根據該訊號來累積複數個光致電荷；保存該複數個光致電荷直至一讀出運作為止；開啟一電荷汲取器(charge sink)以汲取複數個輸入的光致電荷；重置一訊號取樣點；於一第一讀出運作時進行雜訊取樣；將該複數個光致電荷傳遞至該訊號取樣點；以及關閉該電荷汲取器以預先重置(pre~resetting)複數個節點。
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