TWI493969B - 具有可控制的轉移閘極電壓的影像感測器 - Google Patents

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Description

具有可控制的轉移閘極電壓的影像感測器
本發明大體上係關於在數位相機及其他類型成像裝置中使用的電子影像感測器，且更特定而言本發明係關於在一電子影像感測器中之影像讀出。
一典型電子影像感測器包括許多配置成一二維陣列之光二極體或其他光敏元件。此等元件通常亦稱為圖像元素或「像素」且該對應陣列被稱為一像素陣列。入射在該像素陣列上的光係藉由該等光敏元件而轉換為電子電荷。對於一給定影像擷取週期所收集的電荷係使用一主動像素感測器(APS)或電荷耦合裝置(CCD)配置從該像素陣列的光敏元件讀取。
如所熟知，一影像感測器可使用互補金氧半導體(CMOS)電路而實施。此類型之一影像感測器通常被稱為一CMOS影像感測器。在此一配置中，每一像素包括至少一光二極體及一轉移閘極。該轉移閘極被利用於結合一影像讀出程序而控制從一光二極體到一感測節點的所收集電荷之轉移。該感測節點通常包括一浮動擴散。每一像素可包含其自身之浮動擴散，或一單一浮動擴散可由一小群組像素共用。作為該後者配置之實例，含有二、三或四個像素的群組的每一者可共用一單一浮動擴散。一給定的此群組之該等像素的每一者包含用於可控制地在影像讀出期間連接對應光二極體至該浮動擴散的一轉移閘極。其他讀出電路可在多重像素之間共用，諸如一重設閘極、一輸出電晶體及一列選擇電晶體。
一給定之轉移閘極大體上可被視為具有兩個操作狀態，即，一開啟狀態，其中該轉移閘極係導電且將所收集電荷從該光二極體轉移至該浮動擴散；及一關閉狀態，其中該轉移閘極係非導電且有效地斷開該光二極體與該浮動擴散的連接。該轉移閘極藉由施加各自為開啟狀態或關閉狀態之電壓位準至該轉移閘極而置於該開啟狀態或該關閉狀態。
該轉移閘極通常只有在足夠從該光二極體轉移所收集電荷之一段短暫時間內置於其開啟狀態且否則保持在其關閉狀態。根據習知實務，該關閉狀態電壓位準通常設定到足夠大以避免從該浮動擴散進入到該光二極體中之洩漏。該洩漏被視為光二極體暗電流之一形式。
當使用上文描述之轉移閘極時會出現另一類型的漏電。此漏電在本文被稱為閘極引發汲極洩漏(GIDL)，且可引起在該浮動擴散電位中之一不令人期望的改變，該改變係介在先於轉移來自該光二極體的該所收集電荷的該浮動擴散之重設取樣與後於轉移來自該光二極體的所收集電荷之浮動擴散之信號取樣之間。GIDL可被視為浮動擴散暗電流之一形式。
習知影像讀出技術未充分地解決光二極體暗電流與歸因於GIDL的浮動擴散暗電流之間的關係。因此，存在提供一適當機構之改良的影像讀出技術之一需求，用於降低在影像感測器效能上之暗電流的該兩種類型的負面影響。
本發明之說明性實施例提供一影像感測器，其中一像素陣列的轉移閘極係藉由具有多重關閉狀態電壓位準的一轉移閘極而驅動。
根據本發明之一態樣，一影像感測器包括一像素陣列及耦合至該像素陣列之一信號產生器。該像素陣列包括複數個像素，其每一者具有耦接合一轉移閘極的一光敏元件。該信號產生器係經組態以產生用於施加於該等轉移閘極之至少一者的一轉移閘極信號。該轉移閘極信號具有至少一開啟狀態電壓位準及第一及第二關閉狀態電壓位準。該第一關閉狀態電壓位準通常具有比該第二關閉狀態電壓位準之量值較高之一量值。該第二關閉狀態電壓位準可在一讀出操作期間利用以減少在該像素陣列之浮動擴散區域中的暗電流。
在一第一說明性實施例中，該轉移閘極信號的該多重關閉狀態電壓位準，係由切換在回應一關閉狀態電壓位準控制信號的該第一與第二關閉狀態電壓位準之間的一對應轉移閘極信號線而產生。
在一第二說明性實施例中，該轉移閘極信號的該多重關閉狀態電壓位準，係由改變施加於其中形成該等像素之一井的一電壓位準而產生。所施加的電壓位準係回應一井電壓位準控制信號而被改變。
根據本發明之一影像感測器，可在一數位相機或其他類型的成像裝置中實施。該說明性實施例有利地減小光二極體暗電流及以GIDL為主之浮動擴散暗電流兩者的影響，藉此改良影像感測器之讀出效能。
本發明之上述及其他目的、特徵及優點當結合以下說明及附圖時將可變得更顯而易見，其中在可能處已使用相同的參考數字表示共用於該等圖式的相同特徵。
本文將結合數位相機、影像感測器、影像感測器電路及相關影像讀出技術的特殊實施例說明本發明。然而，應理解的是此等說明性配置僅經由實例而提出，且不應視為以任何方式限制本發明的範圍。熟悉此項技術者將認識到的是所揭示的配置可經調適以一易懂方式與許多種其他類型的成像裝置、影像感測器、影像感測器電路及相關影像讀出技術配合使用。
圖1顯示本發明之一說明性實施例中的一數位相機100。在該數位相機中，來自一主題場景的光被輸入到一成像級102。該成像級可包括習知元件諸如一透鏡、一中性密度濾光器、一光圈及一快門。該光由該成像級102聚焦以在將入射光轉換為電子信號的一影像感測器104上形成一影像。該數位相機100進一步包含一處理器106、一記憶體108、一顯示器110及一個或多個額外輸入/輸出(I/O)元件112。
儘管在圖1的實施例中顯示為分離元件，該成像級102可與該影像感測器104整合，且可能地與該數位相機100的一個或多個額外元件整合，以形成一小型化相機模組。
該影像感測器104將通常被實施為具有一相關濾色器陣列(CFA)圖案的一彩色影像感測器。可使用在該影像感測器104中之一種類型的CFA圖案係熟知的拜耳(Bayer)圖案，其揭示在美國專利第3,971,065號中，標題為「Color Imaging Array」，該案以引用的方式併入本文中。可使用在影像感測器104中的CFA圖案的其他實例包含揭示在美國專利申請公開案第2007/0024931號中的實例，其標題為「Image Sensor with Improved Light Sensitivity」，該案以引用的方式併入本文中。該等實例包含提供具有一全色光回應之某種像素的圖案。本文中此等圖案亦大體上稱為「稀疏」CFA圖案。用稀疏CFA圖案組態的影像感測器展現較大光靈敏度且因此良好地適用於使用在包括低場景照明、短曝光時間、小孔徑或在光達到該影像感測器的數量方面之其他限制的應用中。
該處理器106可包括例如一微處理器、一中央處理單元(CPU)、一特定應用積體電路(ASIC)、一數位信號處理器(DSP)或其他處理裝置，或多個此等裝置的組合。該成像級102及該影像感測器104的多種元件可由從該處理器106供應的時序信號或其他信號控制。
該記憶體108可包括任何類型的記憶體，諸如(例如)以任何組合的隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、以碟片為主之記憶體、可卸除式記憶體或其他類型的儲存元件。
藉由該影像感測器104擷取之一給定影像可藉由該處理器106而儲存在記憶體108中並在顯示器110上顯示。儘管可使用其他類型的顯示器，該顯示器110通常係一主動矩陣彩色液晶顯示器(LCD)。該額外I/O元件112可包括例如多種螢幕上的控制、按鈕或其他使用者介面、網路介面、記憶卡介面等。
關於顯示在圖1中的類型之一數位相機的操作之額外細節可例如在上文所引的美國專利申請公開案第2007/0024931號中找到。
儘管在實施本發明時可使用其他類型的影像感測器，在本實施例中假定該影像感測器104為一CMOS影像感測器。
如圖2中所顯示，影像感測器104更特定而言包括一像素陣列200、一可控制信號產生器202及信號處理電路204。在其他實施例中，元件202及204之一者或二者可至少部分地在該影像感測器之外部配置。
該像素陣列200大體上包含以列及行配置的複數個像素以及相關於該像素陣列之讀出的額外電路，其實例將結合圖3至圖9而描述在下文中。該像素陣列的每一像素大體上包括耦合至一轉移閘極的至少一光二極體或其他類型的光敏元件。
該可控制信號產生器202可在該處理器106的控制下操作以產生相關於該像素陣列30之讀出的信號，舉例言之係包含重設閘極(RG)信號、轉移閘極(TG)信號及列選擇(RS)信號，如圖2中所指示。與影像讀出相關而包含取樣信號(諸如取樣及保持重設(SHR)及取樣及保持信號(SHS))之其他類型的信號亦可由該信號產生器202所產生。
該信號處理電路204可包括例如用於處理自該像素陣列200讀出的類比信號之一類比信號處理器(ASP)、用於放大此等信號的一個或多個可程式化增益放大器(PGA)，及用於將經放大的信號轉換為適合於由處理器106處理之一數位形式的一類比至數位轉換器(ADC)。此信號處理電路的部分可被配置在該影像感測器的外部，或與該像素陣列200成一體地形成(例如)在具有光敏元件及該像素陣列的其他讀出電路元件之一共同積體電路上。
相關於該像素陣列200之讀出及對應影像資料之處理的功能性可至少以儲存在記憶體108中並由處理器106執行的軟體形式部分地實施。例如，由該可控制信號產生器202產生的該多種信號可回應於由該處理器106執行軟體來選擇或組態。如將被熟悉此項技術者所瞭解，鑒於本文所提供的教示，此軟體可以一易懂方式實施。
應瞭解的是，如在圖1及圖2中所顯示的該數位相機100及影像感測器104可包括熟悉此項技術者已知的一種類型之額外或替代元件。本文未特別顯示或描述的元件可從此項技術中已知的類型中選擇。本文描述的此等及其他圖式被簡化以清楚地說明本發明之多種態樣，且不必按比例繪製。一給定實施例可包含未明確說明的多種其他特徵或元件，但對於熟悉此項技術者將熟悉為共同相關於所描述之普通類型的數位相機、影像感測器或影像感測器電路。
如上文所註釋，具有習知影像感測器的一問題係此等感測器無法適當控制光二極體暗電流及以GIDL為主之浮動擴散暗電流二者的負面效能影響。該影像感測器104在所說明的實施例中被組態以藉由對於該像素陣列的轉移閘極之至少一子集的多重關閉狀態電壓位準之使用而提供該等類型之洩漏二者的改良控制。
更特定而言，一給定轉移閘極信號將具有至少三個不同電壓位準，即，一開啟狀態電壓位準、一第一關閉狀態電壓位準及一第二關閉狀態電壓位準。該開啟狀態電壓位準使一轉移閘極處於其開啟狀態，致使所收集電荷從該相關光二極體轉移至該浮動擴散。該第一及第二關閉狀態電壓位準二者均使該轉移閘極在其關閉狀態。然而，該第一關閉狀態電壓位準具有一相對高的量值，其被選擇以在該光二極體不經受一讀出操作期間之時間週期內限制光二極體暗電流，而該第二關閉狀態電壓位準相對於該第一關閉狀態電壓位準在量值上減少以在用於該光二極體之一讀出操作期間限制歸因於GIDL之浮動擴散暗電流。藉由減少讀出操作期間的該轉移閘極關閉狀態電壓位準，歸因於GIDL的該浮動擴散暗電流明顯減少。在所有其他時間，該轉移閘極關閉狀態電壓位準保持在一相對高的位準以最小化光二極體暗電流。
因而，施加於該像素陣列的一個或多個轉移閘極的一轉移閘極信號之一關閉狀態電壓位準結合一個或多個該等相關像素的讀出而從一第一位準改變為一第二位準。此可例如經由組態該信號產生器202致使該轉移閘極信號可在包含該開啟狀態電壓位準及該第一及第二關閉狀態電壓位準的至少三個不同電壓位準之間可控制地切換而完成。將參考圖4、圖5及圖6而描述此類型之一配置的實例。用於改變該轉移閘極關閉狀態電壓位準之另一技術係在利用此等井的實施例中藉由改變形成該等轉移閘極的至少一子集的一n井或p井之一井電壓。此類型之一配置的一實例將參考圖7及圖8而描述。
現參考圖3，其顯示可被修正以合併上文所述的多重關閉狀態電壓位準特徵的例示性影像感測器電路。該影像感測器電路包括該像素陣列200的一像素300及一信號產生器202'之一部分，該信號產生器202'大體上對應於圖2之信號產生器202，但其不具有產生具有多重關閉狀態電壓位準的轉移閘極信號之能力。
該像素300包括一光二極體302及四個相關p型MOS(PMOS)電晶體304、306、308及310。通常，此等電晶體及相關光二極體係在一p型基板上之一n井區域中形成的。在其他實施例中，該等像素電晶體可為n型MOS(NMOS)電晶體，在此情況中該光二極體及該等電晶體大體上在一n型基板上之一p井區域內形成。在NMOS像素電晶體之一替代實施中，該等NMOS電晶體形成於在一p型基板上成長之一p型磊晶層中。該像素300係一所謂的4T像素之一實例，因為其包含四個電晶體。
該第一電晶體304係一轉移閘極，其經組態以回應於一轉移閘極(TG)信號而將所收集電荷從該光二極體302轉移至一浮動擴散(FD)。該第二電晶體306係一重設閘極，其經組態以回應於一重設閘極(RG)信號來藉由將其耦合至一像素電源供應電壓PIX_VDD而重設該浮動擴散。該第三電晶體308係一源極隨耦器或輸出電晶體，其經組態以放大在該浮動擴散上的該信號及以供應該放大信號至相關於該像素陣列之一特定行的一共同輸出線PIX_OUT。在本實施例中，該源極隨耦器經由該第四電晶體310而被耦合至該共同輸出線PIX_OUT，該第四電晶體310係如所顯示可操作以回應於一列選擇(RS)信號而之一列選擇電晶體。
該RG、TG及RS信號係藉由信號產生器202'使用開關S1、S2、及S3而產生的，該等開關係藉由各自控制信號RG_CTRL、TG_CTRL及RS_CTRL而控制的。更明確而言，該RG、TG及RS信號的每一者係在對應之開啟與關閉狀態電壓位準(RG_ON_V與RG_OFF_V、TG_ON_V與TG_OFF_V、RS_ON_V與RS_OFF_V)之間可控制的。此等開啟狀態及關閉狀態電壓位準將該相關重設閘極、轉移閘極及列選擇電晶體置於其等各自開啟及關閉狀態。
圖3之該影像感測器電路的至少一部分可針對該陣列200的其他像素之每一者重複。在該陣列的相同列中之像素可共用一共同RG信號、一共同TG信號及一共同RS信號，而在該陣列的相同行中之像素共用該共同輸出線PIX_OUT。因此，延伸至圖3的右邊緣之RG、TG及RS線通常將連接至在相同列中的額外像素。此外，該陣列將包含像素的額外列及相關開關，其中對於每一列的控制大體上獨立於對於其他列的控制而操作。
然而，應注意的是，該像素陣列的每一像素不需要如在圖3配置中包含其自身之重設閘極、輸出電晶體及列選擇電晶體。反而是在此類型之影像感測器電路中的一給定重設閘極306、一給定輸出電晶體308及一給定列選擇電晶體310通常在多個像素中共用。下文將參考圖6描述此一共用配置的一實例。因此，如本文所使用的該術語「像素」係希望包圍例如一群組電路元件，諸如302、304、306、308及310，或在像素300與其他像素共用元件306、308及310之一實施例中僅包括元件302及304之一替代群組。影像感測器電路之許多替代配置可用於實施本發明之一給定實施例。此電路的習知態樣被熟悉此項技術者充分理解並因此本文將不進一步描述其細節。
圖4說明圖3之影像感測器電路經修正以合併上文所述之多重關閉狀態電壓位準特徵的方式。如圖4所顯示的該影像感測器電路大體上包括像素300、信號產生器開關S1至S3及如前文所述的其他元件。然而，在本實施例中的信號產生器202經組態以合併一額外開關S4，該開關S4係可操作以回應於一控制信號TG_OFF_SEL而在一第一關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V與一第二關閉狀態電壓位準TG_OFF_LO_V之間切換。在本實施例中的該TG信號因此經由在三個不同電壓位準(即該開啟狀態電壓位準TG_ON_V、該第一關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V及該第二關閉狀態電壓位準TG_OFF_LO_V)之間的開關S2及S4而可控制。該TG信號除該等相關於讀出操作之時間外大體上隨時保持在TG_OFF_HI_V以減少在該光二極體302中的暗電流。然而，在該光二極體302之一給定讀出操作期間，該TG信號被切換到TG_OFF_LO_V以減少歸因於GIDL的該浮動擴散暗電流。此以GIDL為主之浮動擴散暗電流僅在該讀出操作期間係一問題，因為此暗電流添加到被測量的該信號。
在本實施例中的該TG_OFF_SEL信號係由一TG關閉位準控制器400供應的。該控制器400可被合併到該影像感測器104的信號產生器202中，或可替代地為該處理器106的部分。類似控制器可提供該等控制信號RG_CTRL、TG_CTRL及RS_CTRL，且可使用熟知電路配置而組態。在其他實施例中，一單一控制器可被用於提供對於該信號產生器202的所有控制信號，例如基於供應自處理器106的時序信號。
應注意的是圖4實施例顯示額外開關S4，其作為相關於該像素陣列200之像素的一給定列之該組列特定開關之部分。此允許該TG關閉狀態電壓位準僅對於被讀取的列改變，留下其他列不受影響。在一替代實施例中，一單一開關可被用於對所有列(被讀取之列及未被讀取之剩餘列兩者)控制該TG關閉狀態電壓位準。因為該讀出操作相較於全部列讀出時間大體上係短持續時間，此提供在讀出期間的TG_OFF_LO_V電壓而留下該TG電壓在多數時間為TG_OFF_HI_V以減少光二極體暗電流的益處。此替代實施例在歸因於限制的晶片面積或其他限制而不能容納額外列特定開關之一實施中係有用的。然而，在圖4中顯示的該等列特定開關係較佳的，因為其提供大體上較低的光二極體暗電流。
圖5係說明圖4之影像感測器電路的操作之一時序圖。所顯示的該RG、TG及RS信號係分別施加於該等PMOS電晶體306、304及310之閘極的信號。PMOS電晶體係低態有效(active-low)裝置。此等裝置藉由邏輯低信號位準而置於其各自的導電或接通狀態及藉由邏輯高信號位準而置於其各自的非導電或斷開狀態。對於係高態有效裝置的NMOS電晶體，信號極性係相反的。
該時序圖亦顯示控制開關S2的TG_CTRL信號及控制開關S4的TG_OFF_SEL信號。該TG_CTRL信號之一邏輯高信號位準造成該開關S2連接該TG信號線至該轉移閘極開啟狀態電壓位準TG_ON_V，而該TG_CTRL信號之一邏輯低信號位準造成該開關S2取決於該開關S4的狀態而連接該TG信號線至該兩個轉移閘極關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V或TG_OFF_LO_V之一者。。更明確而言，當TG_CTRL係在一邏輯低位準且TG_OFF_SEL係在一邏輯低位準時，該TG信號線被連接至該第一轉移閘極關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V。此第一轉移閘極關閉狀態電壓位準被表示為在該時序圖中的該TG信號的位準500。當TG_CTRL在一邏輯低位準且TG_OFF_SEL在一邏輯高位準時，該TG信號線被連接至該第二轉移閘極關閉狀態電壓位準TG_OFF_LO_V。該第二轉移閘極關閉狀態電壓位準被表示為該TG信號的位準502。
圖5時序圖中進一步顯示的是例示性取樣信號SHR及SHS。此等取樣信號通常操作在該像素陣列200外側的開關以允許在共同輸出線PIX_OUT處之像素信號輸出被取樣到電容器上。雖然在讀出像素時通常係使用此等取樣操作，在其他實施例中可使用替代讀出配置。例如，代替取樣該等信號到電容器上，該等信號可被轉換為數位值且該等數位值被儲存在記憶體中供稍後使用。熟悉此項技術者充分理解此等及其他類型取樣及相關電路用於實施該取樣，且因此本文不詳細描述。在本實施例中，該取樣發生在圖5中當該等取樣信號SHR及SHS係在一邏輯高位準上之時。
在圖5時序圖中說明的發信號大體上對應於圖4之像素300的一單一讀出操作。緊接在時間T1 前，該RS信號變低以經由列選擇電晶體310而連接該源極隨耦器電晶體308至該共同輸出線PIX_OUT。在時間T1 ，TG_OFF_SEL改變狀態以將該TG信號從該第一關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V切換到該第二關閉狀態電壓位準TG_OFF_LO_V。此切換的效應被視為從位準500到位準502的該TG信號位準中之一輕微縮減。該RG信號接著暫時地變低以重設該像素之浮動擴散。
在該SHR信號高的期間，該浮動擴散的重設狀態係由例如取樣該電壓到一電容器上或將該信號轉換為一數位形式並將其儲存而擷取。該TG_CTRL信號接著暫時地脈衝變高以將該TG信號切換為該開啟狀態電壓位準TG_ON_V。此接通該像素的轉移閘極304並容許電荷從光二極體302流入該浮動擴散。在該TG信號返回到TG_OFF_LO_V位準502後，該浮動擴散的新狀態在該SHS信號高的期間被擷取。因為該像素讀出操作現已實質上完成，該TG_OFF_SEL信號在時間T2 再次改變狀態以使該TG信號返回到TG_OFF_HI_V位準500。最終，該RS信號在時間T2 後被帶回到一高位準以斷開該列選擇電晶體310並藉此斷開像素300與該共同輸出線PIX_OUT的連接。
在一給定實施例中利用的特定關閉狀態電壓位準可取決於實施特定因數(諸如在該影像感測器中利用之電壓源的類型)而改變。經由舉例，在圖4電路之一可能PMOS實施中，該轉移閘極關閉狀態高電壓位準500可為大約3.3至3.5伏特，而該轉移閘極關閉狀態電壓位準502可為大約2.7伏特。在一對應NMOS實施中，該轉移閘極關閉狀態高電壓位準500可為大約-0.6至-0.8伏特，而該轉移閘極關閉狀態低電壓位準502可為大約0伏特。
在轉移閘極關閉狀態電壓位準之背景下的術語「低」及「高」因此指各自電壓位準的量值。更明確而言，在該轉移閘極的閘極與本體部之間的電位差係所關注的數量。在一PMOS實施中，該n井可被保持到2.7伏特，例如，其中3.3至3.5伏特的該轉移閘極關閉狀態高電壓提供在0.6至0.8伏特之閘極與本體之間的一電位差，且2.7伏特的該轉移閘極關閉狀態低電壓提供0伏特之一電位差。在一對應NMOS實施中，該p井或p型磊晶層可保持在0伏特，其中-0.6至-0.8伏特的該轉移閘極關閉狀態高電壓提供在-0.6至-0.8伏特的閘極與本體之間的一電位差，且0伏特的該轉移閘極關閉狀態低電壓提供0伏特之一電位差。該轉移閘極關閉狀態高電壓因此提供在絕對項中比藉由該轉移閘極關閉狀態低電壓提供的電位差相對較大或具有一較高量值的該轉移閘極之閘極與本體部之間的一電位差。當然，上文提到的該等特定關閉狀態電壓位準值僅為實例，且在替代實施例中可使用其他值。
如前文所指示，在圖5中顯示的發信號係用於該像素300之一單一讀出操作。該像素陣列200的其他像素係以一類似方式讀出，其中該等信號RG、TG及RS大體上共同於該陣列之像素的一特定列。
圖6顯示圖4之影像感測器電路的一替代實施例。在本實施例中，兩個光二極體302-0及302-1共用該浮動擴散FD、重設閘極306、源極隨耦器308及列選擇電晶體310。如所顯示，該等光二極體302-0及302-1被耦合至各自轉移閘極304-0及304-1。該等轉移閘極304-0及304-1係由各自轉移閘極信號TG0及TG1控制的。該等轉移閘極信號回應於各自控制信號TG0_CTRL及TG1_CTRL而使用各自開關S2-0及S2-1在其等開啟狀態及關閉狀態電壓位準之間切換。在本實施例中的該開關S4經組態以控制在該第一關閉狀態電壓位準TG_OFF_HI_V與該第二關閉狀態電壓位準TG_OFF_LO_V之間的此等轉移閘極信號二者的切換。因為轉移閘極304-0及304-1二者共用一共同浮動擴散，兩個轉移閘極的關閉狀態電壓位準在該讀出操作期間被切換到TG_OFF_LO_V，即使僅讀取該等光二極體302-0及302-1之一者。此防止不被讀取之該光二極體的轉移閘極在另一光二極體的讀出期間促成暗電流到該浮動擴散。其他類型的共用配置可在其他實施例中使用，諸如其中三個或四個光二極體的群組每一者共用一共同浮動擴散及其他讀出電路元件的配置。
圖4及圖6之實施例係諸配置的說明性實例，其中一轉移閘極信號在包含該開啟狀態電壓位準及該第一及第二關閉狀態電壓位準的至少三個不同電壓位準之間係可控制可切換的。如上文所註釋，亦可藉由改變該等轉移閘極在其中形成的一n井或p井之一井電壓而改變該轉移閘極關閉狀態電壓位準，如現將更詳細描述。
圖7顯示該像素陣列200之一單一像素700的一截面圖。該像素700包括一光二極體702及一轉移閘極704。該光二極體係一在一n井710中形成之一針扎光二極體且包括一p型收集區域712及一n+針扎層714。該n井710在一p++基板718上之一p型磊晶層716中形成。該基板718如指示被耦合至接地電位。該浮動擴散FD包括在該n井710中形成之一p+擴散區域。氧化層720在該光二極體702及浮動擴散FD上形成。
圖7中亦顯示對該n井710供應一可控制電壓位準之一驅動電路730。該可控制電壓位準係經由在一第一n井電壓位準NWELL_LO_V與高於該第一n井電壓位準之一第二n井電壓位準NWELL_HI_V之間的一開關SN而可選擇。該開關SN的狀態係藉由從一n井電壓位準控制器740供應至該驅動電路730的一控制信號NWELL_CTRL而控制的。在本實施例中之該驅動電路被假定為該可控制信號產生器202之一元件。如圖4及6之控制器400，該控制器740可例如被合併到該信號產生器202中，或者可為該處理器106之部分。
儘管圖7中未說明，大體上如圖3中所顯示而配置的諸如一重設閘極、源極隨耦器及列選擇電晶體的其他讀出電路可與該像素700相關聯。
圖8顯示包括以列及行配置之個別像素802的一組800之像素陣列200之一平面圖。該等像素802係形成在n井702中。該等像素802之一給定者對應於圖7之像素700。如從圖8可見，一單一驅動電路730可被用於調整用於整個像素陣列的n井電壓。或者，此等n井驅動電路之多重實例可在一給定影像感測器內分佈，以便減少一給定像素與最近驅動電路之間的距離。
應注意的是，一給定陣列的所有像素不必如圖8中所顯示在一單一井中形成。例如，一給定像素陣列可具有在不同井中形成的像素之不同群組，其中一分離驅動電路用於該等井的每一者。對於一影像感測器亦可能具有在井中形成及其他不在井中形成的某些像素。
該像素700的讀出操作大體上與前文結合圖5的時序圖所描述的相同，除開關S4及其控制信號TG_OFF_SEL被消除。該控制信號NWELL_CTRL大體上以與該TG_OFF_SEL控制信號相同的方式操作。圖9說明在讀出期間相對於其他信號的NWELL_CTRL時序，並顯示對n井電壓的對應改變，在圖中標示為NWELL V。因此，在對於像素700的讀出操作中，緊接在時間T1 前之該NWELL_CTRL信號係在一邏輯低位準處，致使該n井710經由開關SN而被連接至該較低電壓位準NWELL_LO_V。在時間T1 ，該NWELL_CTRL信號從一邏輯低位準轉變至一邏輯高位準，造成開關SN連接該n井710至該較高電壓位準NWELL_HI_V。因為除當TG變低以從該光二極體轉移電荷到該浮動擴散中時之外，該TG電壓在此期間保持恆定，該n井電壓從一第一位準900到一第二位準902的升高實際上在該讀出操作期間從一較高位準降低該轉移閘極關閉狀態電壓位準到一較低位準，藉此有利地減少歸因於GIDL的浮動擴散暗電流。在時間T2 ，該NWELL_CTRL從該邏輯高位準轉變回到該邏輯低位準，造成開關SN再連接該n井710至該較低電壓位準NWELL_LO_V。
如本文所描述的其他電壓位準，該高及低n井電壓位準NWELL_HI_V及NWELL_LO_V在一給定實施例中可取決於實施特定因數(諸如用在該影像感測器中的電壓源類型)而改變。經由實例說明，在圖7及圖8的實施例之一可能PMOS實施中，該高電壓位準NWELL_HI_V可大約為3.0至3.3伏特，而該低電壓位準NWELL_LO_V可大約為2.7伏特。在一對應NMOS實施中，該高電壓位準NWELL_HI_V可為大約-0.3至-0.6伏特，而該低電壓位準NWELL_LO_V可為大約0伏特。其他電壓位準值可使用在其他實施例中。
如上文所說明，在該轉移閘極的閘極與本體部之間的電位差係所關注的數量。在一PMOS實施中，該轉移閘極可保持在3.3伏特之一關閉狀態，例如，其中2.7伏特之一n井低電壓提供在0.6伏特之閘極與本體之間的一電位差，且其中3.3伏特之一n井高電壓提供0伏特之一電位差。在一對應NMOS實施中，該轉移閘極可保持在-0.6伏特之一關閉狀態，例如，其中0伏特之一p井低電壓提供-0.6之閘極與本體之間的一電位差，且其中-0.6伏特之一p井高電壓提供0伏特之一電位差。該n井或p井低電壓因而提供在絕對項中比藉由該n井或n井高電壓而提供的電位差相對較大或具有一較高量值的該轉移閘極的閘極與本體部之間的一電位差。
應注意的是，本文使用的該術語「轉移閘極信號」係意欲被視為廣泛地解釋，且不限制於顯示在特定圖中的該TG信號。因此，例如，上文所描述的在一給定轉移閘極之閘極與本體部之間的電位差可被視為作為本文使用之術語的轉移閘極信號之一類型。
圖3至圖9的說明性實施例利用包括PMOS裝置的像素。如上文所說明，對應替代實施例可利用包括NMOS裝置的像素而形成。除該等NMOS裝置係高態有效而非低態有效且因此在圖5及圖9時序圖中的該RG、TG及RS信號之發信號位準將反轉外，此等NMOS實施例的操作大體上類似於前文所述的對應PMOS實施例。參考圖7及圖8之實施例，其中該PMOS裝置係在一p型基板上之一n井區域中形成的，一對應NMOS實施例之該NMOS裝置通常將在一n型基板上之一p井區域中形成。
在上文所描述的實施例中，存在兩個不同轉移閘極關閉狀態電壓位準。在其他實施例中，可使用多於兩個關閉狀態電壓位準。另外，可變化圖5及圖9的時序圖中說明的特定切換配置。例如，在該TG信號中從一較高關閉狀態電壓位準到一較低關閉狀態電壓位準的轉變可由其他信號(諸如圖5中顯示的該RG信號之一下降邊緣)初始。類似而言，在該TG信號中從一較低關閉狀態電壓位準到一較高關閉狀態電壓位準的轉變可由其他信號(諸如圖5中顯示的該SHS信號之一下降邊緣)初始。
上文描述的說明性實施例有利地提供在一CMOS影像感測器中的光二極體暗電流及以GIDL為主之浮動擴散暗電流二者之改良控制，藉此克服與習知配置相關之重要問題。
本發明已特別參考其說明性實施例而詳細描述，但應理解的是可在附加技術方案所陳述的本發明之範圍內實現變動及修正。例如，所揭示的技術可經調適與其他類型影像感測器使用並使用影像感測器電路的其他配置而實施。因此，所使用的驅動電路及其相關控制器之特定類型可在替代實施例中變化。如一更特定實例，在圖4及圖6中說明的類型之多重關閉狀態電壓位準驅動電路可使用許多種其他類型的電路元件而實施。此等及其他替代實施例對熟悉此項技術者將易於明瞭。
100．．．數位相機
102．．．成像級
104．．．影像感測器
106．．．處理器
108．．．記憶體
110．．．顯示器
112．．．輸入/輸入(I/O)元件
200．．．像素陣列
202．．．可控制信號產生器
204．．．信號處理電路
300．．．PMOS像素
302．．．光二極體
304．．．轉移閘極
306．．．重設閘極
308．．．源極隨耦器電晶體
310．．．列選擇電晶體
400．．．關閉狀態電壓位準控制器/TG關閉位準控制器
500．．．第一關閉狀態電壓位準
502．．．第二關閉狀態電壓位準
700．．．PMOS像素
702．．．光二極體
704．．．轉移閘極
710．．．n井
712．．．收集區域
714．．．針扎層
716．．．p型磊晶層
718．．．p型基板
720．．．氧化層
730．．．n井驅動電路
740．．．n井電壓位準控制器
800．．．像素組
802．．．個別像素
900．．．第一n井電壓位準
902．．．第二n井電壓位準
S1-S4．．．開關
SN．．．n井驅動電路開關
圖1係具有根據本發明之一實施例而組態的一影像感測器之一數位相機的一方塊圖；
圖2係顯示圖1之該數位相機的該影像感測器之一部分的一更詳細視圖的一方塊圖；
圖3顯示可被修正以合併在圖2之該影像感測器中的可控制轉移閘極關閉狀態電壓位準的影像感測器電路；
圖4說明如經修正以合併可控制轉移閘極關閉狀態電壓位準的圖3之該影像感測器電路；
圖5係說明圖4之該影像感測器電路的操作之一時序圖；
圖6顯示在本發明之一實施例中的合併可控制轉移閘極關閉狀態電壓位準的影像感測器電路的另一實例；
圖7顯示一像素截面視圖及在本發明之另一實施例中實施可控制轉移閘極關閉狀態電壓位準之一相關驅動電路及控制器；
圖8顯示在圖7中說明的用於包含該像素及其他元件之一影像感測器之一像素陣列平面圖；及
圖9係說明圖7及圖8之該影像感測器電路之操作的一時序圖。
202．．．可控制信號產生器
300．．．PMOS像素
302．．．光二極體
304．．．轉移閘極
306．．．重設閘極
308．．．源極隨耦器電晶體
310．．．列選擇電晶體
400．．．關閉狀態電壓位準控制器/TG關閉位準控制器
S1-S4．．．開關

Claims (19)

  1. 一種影像感測器，其包括：一像素陣列，其包括各具有耦合至一轉移閘極的一光敏元件的複數個像素；及一信號產生器，其係耦合至該像素陣列；其中該信號產生器經組態以產生用於施加於該等轉移閘極之至少一者的一轉移閘極信號；且其中該轉移閘極信號具有至少一開啟狀態電壓位準及第一及第二關閉狀態電壓位準，其中該第一關閉狀態電壓位準具有比該第二關閉狀態電壓位準之量值高之一量值，且其中在該等像素之一個或多個之讀出期間，該轉移閘極信號具有該第二關閉狀態電壓位準。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中在該等像素之一個或多個之該讀出期間，該轉移閘極從該第一關閉狀態電壓位準轉變至該第二關閉狀態電壓位準並接著從該第二關閉狀態電壓位準轉變至該開啟狀態電壓位準。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中在該等像素之一個或多個之該讀出期間轉變至該開啟狀態電壓位準後，該轉移閘極信號從該開啟電壓位準轉變回到該第二關閉狀態電壓位準並接著從該第二關閉狀態電壓位準轉變回到該第一關閉狀態電壓位準。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中在該像素陣列之像素的一給定列的讀出期間，該轉移閘極信號係施加於在該給定列中的該等像素之該等轉移閘極的每一者。
  5. 如請求項4之影像感測器，其中在該像素陣列之像素之該給定列的讀出期間，該轉移閘極信號亦施加於在該像素陣列之像素的至少一額外列中的該等像素之該等轉移閘極的每一者。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中在一重設信號被施加於該一個或多個像素之一浮動擴散的該讀出之至少一部分期間，該轉移閘極信號具有該第二關閉狀態電壓位準。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中在回應於一取樣信號而取樣該一個或多個像素之一浮動擴散上的一信號的該讀出之至少一部分期間，該轉移閘極信號具有該第二關閉狀態電壓位準。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中該信號產生器包括驅動電路，該驅動電路經組態以回應於一關閉狀態電壓位準控制信號而產生該轉移閘極信號之該等第一及第二關閉狀態電壓位準。
  9. 如請求項8之影像感測器，其中該驅動電路包括一開關，該開關可操作以回應於該關閉狀態電壓位準控制信號而在該等第一與第二關閉狀態電壓位準之間切換一轉移閘極信號線。
  10. 如請求項8之影像感測器，其中該驅動電路產生用於該像素陣列的多重轉移閘極信號之第一及第二關閉狀態電壓位準。
  11. 如請求項1之影像感測器，其中該像素陣列的該等像素在一第二導電型之一基板上的一第一導電型之一井中形 成。
  12. 如請求項11之影像感測器，其中該轉移閘極信號係藉由改變施加於該井之一電壓位準而在該等第一與第二關閉狀態電壓位準之間可控制地切換。
  13. 如請求項12之影像感測器，其中該信號產生器包括驅動電路，該驅動電路經組態以藉由回應於一井電壓位準控制信號而施加各自電壓位準於該井，而控制該轉移閘極信號的該等第一及第二關閉狀態電壓位準。
  14. 一種在一影像感測器中使用的方法，其中該影像感測器包括一像素陣列，其各具有耦合至一轉移閘極的一光敏元件的複數個像素，該方法包括以下步驟：產生用於施加於該等轉移閘極之至少一者的一轉移閘極信號；其中該轉移閘極信號具有至少一開啟狀態電壓位準及第一及第二關閉狀態電壓位準，該第一關閉狀態電壓位準具有比該第二關閉狀態電壓位準之量值高之一量值，及在讀出該等像素之一個或多個時，該轉移閘極信號具有該第二關閉狀態電壓位準。
  15. 如請求項14之方法，其中該產生步驟進一步包括回應於一關閉狀態電壓位準控制信號而在該等第一與第二關閉狀態電壓位準之間切換一轉移閘極信號線。
  16. 如請求項14之方法，其中該產生步驟進一步包括藉由改變施加於該等像素在其中形成之一井的一電壓位準，而在該等第一與第二關閉狀態電壓位準之間可控制地切 換。
  17. 一種數位成像裝置，其包括：一影像感測器；及一個或多個處理元件，其等經組態以處理該影像感測器之諸輸出以產生一數位影像；其中該影像感測器包括：一像素陣列，其包括各具有耦合至一轉移閘極的一光敏元件的複數個像素；及一信號產生器，其係耦合至該像素陣列；其中該信號產生器經組態以產生用於施加於該等轉移閘極之至少一者的一轉移閘極信號；且其中該轉移閘極信號具有至少一開啟狀態電壓位準及第一及第二關閉狀態電壓位準，其中該第一關閉狀態電壓位準具有比該第二關閉狀態電壓位準之量值高之一量值，且其中在該等像素之一個或多個之讀出期間，該轉移閘極信號具有該第二關閉狀態電壓位準。
  18. 如請求項17之數位成像裝置，其中該成像裝置包括一數位相機。
  19. 如請求項17之數位成像裝置，其中該成像裝置係一CMOS成像裝置。
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