TWI516123B - 具有複數個放大器電晶體之高動態範圍像素 - Google Patents

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TWI516123B
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Description

具有複數個放大器電晶體之高動態範圍像素
本發明一般而言係關於影像感測器，且更具體而言，本發明係關於高動態範圍影像感測器。
一影像擷取裝置包含一影像感測器及一成像透鏡。成像透鏡將光聚焦至影像感測器上以形成一影像，且影像感測器將光轉換成電信號。電信號自影像擷取裝置輸出至一主機電子系統之其他組件。舉例而言，電子系統可係一行動電話、一電腦、一數位相機或一醫療裝置。
隨著像素單元變得更小，對影像感測器在一大範圍之光照條件(自低光條件變化至亮光條件)內執行之需求變得更難以達成。此效能能力通常稱為具有高動態範圍成像(HDRI或另一選擇係，僅HDR)。在習用影像擷取裝置中，像素單元需要多次連續曝光以達成HDR。
圖1係展示一個四電晶體(「4T」)像素單元100之一電路圖。如所展示，像素單元100包含光敏元件110、轉移電晶體120、重設電晶體130、浮動擴散部(「FD」)180、源極隨耦器(「SF」)電晶體140、列選擇電晶體150、雙重轉換增益電晶體160及電容器165。
在像素單元100之操作期間，轉移電晶體120接收一轉移信號TX，轉移信號TX將在光敏元件110中累積之電荷轉移至浮動擴散部 FD 180。重設電晶體130耦合於電力供應VDD與浮動擴散部FD 180之間以在重設信號RST之控制下對像素單元進行重設(例如，將浮動擴散部FD 180及/或光敏元件110放電或充電至一預設電壓)。FD 180亦經耦合以控制SF電晶體140之閘極。SF電晶體140耦合於電力供應VDD與列選擇電晶體150之間。SF電晶體140操作為提供至浮動擴散部FD 180之一高阻抗連接之一源極隨耦器。在一選擇信號SEL之控制下，列選擇電晶體150回應於信號RS將像素單元之一輸出選擇性地提供至一讀出行線或位元線170。
電容器165及雙重轉換增益電晶體160串聯耦合於電力供應VDD與浮動擴散部FD 180之間，其中雙重轉換增益電晶體160耦合至FD 180且電容器165耦合至電力供應VDD。電容器165之電容可藉由確證雙重轉換增益信號DCG而添加至FD 180，藉此減少像素單元100之轉換增益。
光敏元件110及FD 180藉由暫時地確證重設信號RST及轉移信號TX而重設。一影像累積窗(例如，一曝光週期)藉由將轉移信號TX解除確證且准許入射光在光敏元件110中光生電子而開始。隨著光生電子在光敏元件110中累積，光敏元件110上之電壓減少。光敏元件110上之電壓或電荷指示在曝光週期期間入射於光敏元件110上之光之強度。在曝光週期結束時，重設信號RST被解除確證以隔離FD 180且轉移信號TX經確證以允許光敏元件110與FD 180及因此SF電晶體140之閘極之間的一電荷交換。電荷轉移致使FD 180之電壓改變與在曝光週期期間在光敏元件110上累積之光生電子成比例之一量。此第二電壓使SF電晶體140偏置，此與正確證之選擇信號SEL組合地將來自列選擇電晶體150之一信號驅動至位元線170。接著，透過位元線170自像素單元100讀出資料作為一類比信號。
藉由在連續影像擷取之間改變像素單元100之轉換增益，所產生 影像之HDR可增加。然而，此將增加擷取及讀出一個HDR影像所需之時間量且影響影像擷取裝置之效能。
100‧‧‧四電晶體像素單元/像素單元
110‧‧‧光敏元件
120‧‧‧轉移電晶體
130‧‧‧重設電晶體
140‧‧‧源極隨耦器電晶體
150‧‧‧列選擇電晶體
160‧‧‧雙重轉換增益電晶體
165‧‧‧電容器
170‧‧‧位元線/讀出行線
180‧‧‧浮動擴散部
200‧‧‧像素單元/實例性像素
210‧‧‧光電二極體
220‧‧‧轉移電晶體
230‧‧‧重設電晶體
240A‧‧‧放大器電晶體/電晶體/第一放大器電晶體
240B‧‧‧放大器電晶體/電晶體/第二放大器電晶體/第二源極隨耦器電晶體
250A‧‧‧第一列選擇電晶體/列選擇電晶體
250B‧‧‧第二列選擇電晶體/列選擇電晶體
270A‧‧‧讀出行信號線/讀出行線/第一讀出行線
270B‧‧‧讀出行信號線/讀出行線/第二讀出行線
280‧‧‧浮動擴散部/浮動擴散節點
340A‧‧‧輸出信號/第一輸出信號
340B‧‧‧輸出信號/第二輸出信號
345‧‧‧實例性放大信號/放大信號
390‧‧‧圖
400‧‧‧實例性成像系統/成像系統
405‧‧‧像素陣列
410‧‧‧讀出電路
415‧‧‧行讀出區塊
420‧‧‧功能邏輯
430‧‧‧控制電路
470A‧‧‧第一輸出信號/第一輸出信號位元線
470B‧‧‧第二輸出信號/第二輸出信號位元線
500‧‧‧像素單元
515‧‧‧行讀出區塊
570A‧‧‧第一讀出行線/讀出行線
570B‧‧‧第二讀出行線/讀出行線
BL_H‧‧‧讀出行線/第一讀出行線/第一輸出信號/第一輸出信號位元線
BL_L‧‧‧讀出行線/第二讀出行線/第二輸出信號/第二輸出信號位元線
C1-Cx‧‧‧行
DCG‧‧‧雙重轉換增益信號
FD‧‧‧浮動擴散部
P1-Pn‧‧‧像素
R1-Ry‧‧‧列
RS_H‧‧‧選擇信號/第一列選擇信號/列選擇信號
RS_L‧‧‧選擇信號/第一列選擇信號/列選擇信號
RST‧‧‧重設信號
TX‧‧‧轉移信號
VDD‧‧‧電力供應
參考以下圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外規定，否則遍及各個視圖相似參考編號指代相似部件。
圖1係展示一習用四電晶體(「4T」)像素單元之一電路圖。
圖2係展示根據本發明之教示之具有複數個放大器電晶體之一像素單元之電路之一電路圖。
圖3係圖解說明根據本發明之教示之在一光照條件範圍內之來自複數個放大器電晶體之輸出信號之實例與一實例性放大信號之間的一實例性關係之一圖式。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之一實例性成像系統之一方塊圖。
圖5A係展示根據本發明之教示之一像素單元配置之一項實例之一圖式。
圖5B係展示根據本發明之教示之一像素單元配置之另一實例之一圖式。
遍及圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為了有助於改進對本發明之各種實施例之理解，圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件放大。此外，通常未繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進本發明之此等各種實施例之一較不受阻擋之視圖。
在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹 理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，無需採用該特定細節來實踐本發明。在其他例項中，為避免使本發明模糊，未詳細闡述眾所周知之材料或方法。
遍及本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意指連同該實施例或實例一起闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，遍及本說明書之各個地方中之短語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」之出現未必全部指代相同實施例或實例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任何適合組合及/或子組合方式組合於一或多個實施例或實例中。特定特徵、結構或特性可包含於一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所闡述功能性之其他適合組件中。另外，應瞭解，隨本文提供之圖係出於對熟習此項技術者解釋之目的且圖式未必按比例繪製。
根據本發明之教示之實例闡述一種包含複數個放大器電晶體之供在一高動態範圍(HDR)影像感測器中使用之一影像感測器像素單元。在各種實例中，放大器電晶體經耦合以作為具有不同臨限電壓及增益特性之源極隨耦器。在該等實例中，放大器電晶體組態為雙源極隨耦器，且來自像素單元之每一放大器電晶體之輸出信號係像素單元之一輸出放大信號之一分量。雙源極隨耦器電晶體之操作可基於轉變為對應於在像素單元之一光電二極體中累積之一電荷量之一電壓位準之浮動擴散節點。每一源極隨耦器電晶體耦合至其各別讀出行線及讀出電路。在一項實例中，具有包括具有此架構之複數個像素單元之一像素陣列之一影像感測器系統每像素單元行包含兩個讀出行線。
在一項實例中，在較高光強度條件下，浮動擴散節點處之電壓位準係低的，此乃因在此等條件下，與在較低光強度條件下相比，由入射光產生之更多光生電子被轉移至浮動擴散節點。在此等條件下， 具有一較低臨限電壓之源極隨耦器電晶體將係作用的。在較低光強度條件下，浮動擴散節點處之電壓位準將係高的，此乃因在此等條件下，與在較高光強度條件下相比，由入射光產生之更少光生電子被轉移至浮動擴散節點。在此等條件下，具有高臨限電壓之源極隨耦器電晶體及具有低臨限電壓之源極隨耦器電晶體兩者皆係作用的。
為了圖解說明，圖2係展示根據本發明之教示之具有複數個放大器電晶體240A及240B之一像素單元200之電路之一項實例之一電路圖。如所繪示之實例中所展示，放大器電晶體240A及240B組態為源極隨耦器。在圖2中所展示之實例中，像素單元200經配置以將來自電晶體240A及240B之兩個輸出信號提供至兩個讀出行信號線270A及270B。在該實例中，像素單元200包含安置於半導體材料中之展示為光電二極體210之一光敏元件、一轉移電晶體220、一重設電晶體230、一浮動擴散部FD 280、一第一放大器電晶體240A、一第二放大器電晶體240B、一第一列選擇電晶體250A及一第二列選擇電晶體250B。在其他實例中，應瞭解，像素單元200可包含各種替代像素單元架構，該等替代像素單元架構包含以類似於根據本發明之教示之第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B之組態之一組態耦合至浮動擴散部FD 280之兩個放大器電晶體。
在像素單元200之操作期間，電荷回應於入射於光電二極體210上之光而在光電二極體210中累積。在一項實例中，回應於入射光而在光電二極體210中累積之電荷之類型包含電子。轉移電晶體220可接收一轉移信號TX，轉移信號TX將在光電二極體210中累積之電荷轉移至浮動擴散部FD 280。重設電晶體230可耦合於一電力供應VDD與浮動擴散部FD 280之間以在一重設信號RST之控制下對像素單元200進行重設(例如，將浮動擴散部FD 280及/或光電二極體210放電或充電至一預設電壓)。
如所繪示之實例中所展示，浮動擴散部FD 280經耦合以控制第一放大器電晶體240A之閘極。第一放大器電晶體240A可耦合於電力供應VDD與第一列選擇電晶體250A之間。第一放大器電晶體240A可操作為提供至浮動擴散部FD 280之一高阻抗連接之一源極隨耦器且以一第一增益放大浮動擴散部FD 280處之電壓。第二放大器電晶體240B可耦合於電力供應VDD與第二列選擇電晶體250B之間。第二放大器電晶體240B可操作為提供至浮動擴散部FD 280之一高阻抗連接之一源極隨耦器且以一第二增益放大浮動擴散部FD 280處之電壓。在一項實例中，根據本發明之教示，第一放大器電晶體240A之第一增益不同於第二放大器電晶體240B之第二增益。
在一項實例中，第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B各自自其各別源極端子提供一各別輸出信號。在一項實例中，由第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B產生之輸出信號可係表示入射於光電二極體210上之光之強度之一放大信號之分量信號。如圖2中所繪示之實例中所展示，第一列選擇電晶體250A可在一選擇信號RS_H之控制下將來自第一放大器電晶體240A之源極端子之輸出信號選擇性地提供至讀出行線BL_H 270A。類似地，如所繪示之實例中所展示，第二列選擇電晶體250B可在一選擇信號RS_L之控制下將來自第二放大器電晶體240B之源極端子之輸出信號選擇性地提供至讀出行線BL_L 270B。在另一實例中，像素單元200不包含任何列選擇電晶體250A及250B，使得來自第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B中之每一者之輸出信號直接連接至其各別第一讀出行線270A及第二讀出行線270B。
往回參考所圖解說明之實例，光電二極體210及浮動擴散部FD 280可藉由暫時地確證重設電晶體230上之重設信號RST及轉移電晶體220上之轉移信號TX而重設。在一項實例中，光電二極體210及浮動 擴散部FD 280在使用像素單元200獲取影像資料之前重設。在重設週期結束時，可將重設信號RST及轉移信號TX解除確證。一影像累積窗(例如，一曝光週期)可接著藉由准許入射光在光電二極體210中光生電荷而開始。在一項實例中，隨著光生電子在光電二極體210上累積，光電二極體210上之電壓自重設電壓減少。光電二極體210上之電壓或電荷可表示在曝光週期期間入射於光電二極體210上之光之強度。
在曝光週期之後，可接著確證轉移信號TX以允許光電二極體210與浮動擴散部FD 280之間及因此至第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B兩者之各別閘極之一電荷交換。光電二極體210與浮動擴散部FD 280之間的電荷轉移致使浮動擴散部FD 280之電壓改變表示在曝光週期期間在光電二極體210上累積之光生電子之一量。如圖2中所繪示之實例中所展示，根據本發明之教示，浮動擴散部FD 280處之電壓耦合至第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B之閘極端子，其中浮動擴散部FD 280處之電壓接著由第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B放大。
在一項實例中，第一列選擇電晶體250A回應於第一列選擇信號RS_H而將來自第一放大器電晶體240A之輸出信號選擇性地耦合至第一讀出行線BL_H 270A，且第二列選擇電晶體250B回應於第二列選擇信號RS_L而將來自第二放大器電晶體240B之輸出信號選擇性地耦合至第二讀出行線BL_L 270B。因此，應注意，根據本發明之教示，圖2之實例性像素200針對一單一光電二極體210包含兩個讀出行線270A及270B。
在一項實例中，第一放大器電晶體240A具有一第一臨限電壓且第二放大器電晶體240B具有一第二臨限電壓。在該實例中，第一與第二臨限電壓係不同的。因此，在該實例中，根據本發明之教示，第 一與第二放大器電晶體具有不同增益特性，使得第一放大器電晶體240A與第二放大器電晶體240B具有不同的對入射於光電二極體210上之光之強度之敏感度。
在一項實例中，第一放大器電晶體240A之一臨限電壓低於第二放大器電晶體240B之一臨限電壓。如下文及圖3中將更詳細地論述，在較高光強度條件下，浮動擴散FD節點280處之電壓位準將由於作為較高強度入射光之一結果在光電二極體210中光生之電子之累積而係低的。因此，在此等較高光強度條件中，浮動擴散FD節點280處之電壓位準將致使第一放大器電晶體240A在第二放大器電晶體240B實質上關斷時保持實質上接通。然而，在較低光強度條件下，浮動擴散FD節點280處之電壓位準將較高，此乃因在此等條件下，與在較高光強度條件下相比，較少光生電子被轉移至浮動擴散FD節點280。在此等較低光強度條件中，浮動擴散FD節點280處之電壓位準將致使具有一較低臨限電壓之第一放大器電晶體240A及具有一較高臨限電壓之第二源極隨耦器電晶體240B兩者保持實質上接通。
在一項實例中，可藉由使半導體材料中之通道區域中之摻雜濃度及/或摻雜劑類型在其各別多晶矽閘極下相應地變化而獲得第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B之不同臨限電壓。因此，在此實例中，第一放大器電晶體240A之通道區域中之摻雜濃度不同於第二放大器電晶體240B之通道區域中之摻雜濃度。在一項實例中，可藉由用p型摻雜劑摻雜第二放大器電晶體240B之通道區域而增加此電晶體之臨限電壓。
在另一實例中，可藉由用具有相反極性之摻雜劑摻雜第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B之多晶矽閘極而獲得兩個放大器電晶體之不同臨限電壓。例如，在圖2中所圖解說明之實例中，可用一p型摻雜劑摻雜第一放大器電晶體240A之多晶矽閘極，而可用 一n型摻雜劑摻雜第二放大器電晶體240B之多晶矽閘極。在一項實例中，第一放大器電晶體240A及第二放大器電晶體240B之多晶矽閘極可各自具有1018離子/cm3至1019離子/cm3之一摻雜劑濃度。
圖3係圖解說明根據本發明之教示之來自具有不同增益特性之複數個放大器電晶體之輸出信號340A及340B之實例與利用輸出信號340A及340B作為分量信號之一實例性放大信號345之間的一實例性關係之一圖式390。在一項實例中，應瞭解，輸出信號340A可係來自圖2之放大器電晶體240A之一輸出信號之一項實例且輸出信號340B可係來自圖2之放大器電晶體240B之一輸出信號之一項實例。因此，在所繪示之實例中，假設產生輸出信號340A之放大器電晶體具有不同於產生輸出信號340B之放大器電晶體之一增益特性及一較低臨限電壓。
在所繪示之實例中，第一輸出信號340A及第二輸出信號340B各自係表示入射於像素單元之光電二極體上之光之放大信號345之分量信號。如圖3之實例中所展示，當產生放大信號345時，針對入射於光電二極體上之一較高強度之光，在該放大信號中，第一輸出信號340A之權重大於第二輸出信號340B之權重。實際上，如上文所論述，當光之強度增加時，在光電二極體中累積之電子之數目增加，此使第一及第二放大器電晶體之閘極上之電壓相應地降低。由於在該實例中第一放大器電晶體之一臨限電壓低於第二放大器電晶體之一臨限電壓，因此針對較高光強度，第一輸出信號340A趨向於保持實質上接通而第二輸出信號340B趨向於實質上關斷。
另一方面，如所繪示之實例中所展示，針對入射於光電二極體上之一較低強度之光，在放大信號345中第二輸出信號340B之權重大於第一輸出信號340A之權重。如上文所論述，當光之強度減少時，在光電二極體中累積之光生電子之數目保持較小，此允許第一及第二 放大器電晶體之閘極上之電壓保持較高。由於第一及第二放大器電晶體之閘極上之電壓保持較高，因此針對較低強度之入射光，第一輸出信號340A及第二輸出信號340B兩者皆保持實質上接通。
因此，藉由具有如上文所闡述之不同臨限電壓及增益特性，產生第一輸出信號340A及第二輸出信號340B之第一與第二放大器電晶體具有不同的對入射於像素單元之光電二極體上之光之不同強度之敏感度。根據本發明之教示，藉由基於如所論述之入射光之強度給第一輸出信號340A及第二輸出信號340B之分量貢獻加權，放大信號345自利用第一輸出信號340A及第二輸出信號340B之像素單元提供在一較高動態範圍之光強度內具有增加之敏感度之HDR資訊。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之利用包含複數個像素單元之一像素陣列405之一實例性成像系統400之一方塊圖。特定而言，如所繪示之實例中所展示，成像系統400包含像素陣列405、讀出電路410、功能邏輯420及控制電路430。
)在該實例中，像素陣列405係成像感測器單元或像素單元(例如，像素P1、P2、...、Pn)之一個二維(2D)陣列。在一項實例中，根據本發明之教示，每一像素單元係包含第一及第二放大器電晶體之一互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像像素。像素陣列405可實施為一前側照明之影像感測器或一背側照明之影像感測器。如所圖解說明，每一像素單元配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地點或物件之影像資料，接著可使用該影像資料來再現該人、地點或物件之一影像。
特定而言，在每一像素單元已獲取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路410讀出且轉移至功能邏輯420。讀出電路410分別包括複數個行讀出區塊415。在所圖解說明之實例中，配置於相同行中之像素單元使其各別第一輸出信號BL_H 470A及第二輸出信 號BL_L 470B經耦合以由讀出電路410中之相同行讀出區塊415接收。在一項實例中，根據本發明之教示，每一行讀出區塊415包含用以基於如上文所詳細論述之入射光之強度回應於分量第一輸出信號470A及第二輸出信號470B而產生對應放大信號之電路。
在一項實例中，讀出電路410可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他電路。功能邏輯420可僅儲存影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路410可沿讀出行線(在圖4中圖解說明為第一輸出信號位元線BL_H 470A及第二輸出信號位元線BL_L 470B)一次讀出一列影像資料，或者可使用各種其他技術(未圖解說明)讀出影像資料，諸如串列讀出、沿讀出列線之行讀出或同時對所有像素之一全並列讀出。
在一項實例中，控制電路430耦合至像素陣列405且包含用於控制像素陣列405之操作特性之邏輯。舉例而言，控制電路430可產生重設RST信號、列選擇RS_H信號及RS_L信號以及轉移信號TX。控制電路430亦可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，該快門信號係用於同時啟用像素陣列405內之所有像素以在一單一獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在一替代實例中，快門信號係藉以在連貫獲取窗期間順序地啟用每一像素列、每一像素行或每一像素群組之一滾動快門信號。
在一項實例中，成像系統400係包含於一電子系統中之子系統。此等電子系統之實例包含一行動電話、一電腦、一數位相機、一醫療裝置，且可進一步包含包括與電子系統相關之一計算或處理單元之一操作單元。例如，一實例性電子系統可係一行動電話，且該操作單元可係處置電子系統之電話操作之包含於該行動電話中之一電話模組。
圖5A係展示根據本發明之教示之像素單元500之一配置之一項實 例之一圖式。如所繪示之實例中所展示，配置於相同行中之像素單元500可耦合至相同第一讀出行線BL_H 570A及第二讀出行線BL_L 570B。在此實例中，每一對讀出行線BL_H 570A及BL_L 570B耦合至複數個行讀出區塊515中之一者。具有X行像素單元500之一像素陣列可具有包含X個行讀出區塊之讀出電路。
圖5B係展示根據本發明之教示之像素單元500之一配置之另一實例之一圖式。如所繪示之實例中所展示，配置於兩個毗鄰行中之像素單元500可分時一個行讀出區塊515。在此實例中，具有X行像素單元500之一像素陣列可具有X/2個行讀出區塊515。在另一實例中，N個毗鄰行之像素單元500可分時每一行讀出區塊515。在此一實例中，具有X行之一像素陣列可包含X/N個行讀出區塊。
包含發明摘要中所闡述之內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並不意欲係窮盡性的或限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但可在不背離本發明之較寬廣精神及範疇之情況下做出各種等效修改。
可根據以上詳細說明對本發明之實例做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。而是，該範疇將完全由以下申請專利範圍判定，該申請專利範圍將根據所建立之申請專利範圍解釋原則來加以理解。本說明書及圖應相應地視為說明性而非限定性。
200‧‧‧像素單元/實例性像素
210‧‧‧光電二極體
220‧‧‧轉移電晶體
230‧‧‧重設電晶體
240A‧‧‧放大器電晶體/電晶體/第一放大器電晶體
240B‧‧‧放大器電晶體/電晶體/第二放大器電晶體/第二源極隨耦器電晶體
250A‧‧‧第一列選擇電晶體/列選擇電晶體
250B‧‧‧第二列選擇電晶體/列選擇電晶體
270A‧‧‧讀出行信號線/讀出行線/第一讀出行線
270B‧‧‧讀出行信號線/讀出行線/第二讀出行線
280‧‧‧浮動擴散部/浮動擴散節點
BL_H‧‧‧讀出行線/第一讀出行線/第一輸出信號/第一輸出信號位元線
BL_L‧‧‧讀出行線/第二讀出行線/第二輸出信號/第二輸出信號位元線
FD‧‧‧浮動擴散部
RS_H‧‧‧選擇信號/第一列選擇信號/列選擇信號
RS_L‧‧‧選擇信號/第一列選擇信號/列選擇信號
RST‧‧‧重設信號
TX‧‧‧轉移信號
VDD‧‧‧電力供應

Claims (22)

  1. 一種供在一高動態範圍影像感測器中使用之像素單元，其包括：一光電二極體，其安置於半導體材料中以回應於入射於該光電二極體上之光而累積電荷；一轉移電晶體，其安置於該半導體材料中，該轉移電晶體耦合於一浮動擴散部與該光電二極體之間；一第一放大器電晶體，其安置於該半導體材料中，該第一放大器電晶體具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子及經耦合以產生該像素單元之一第一輸出信號之一源極端子；及一第二放大器電晶體，其安置於該半導體材料中，該第二放大器電晶體具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子及經耦合以產生該像素單元之一第二輸出信號之一源極端子，其中該第一放大器電晶體具有一第一臨限電壓及一第一增益，其中該第二放大器電晶體具有一第二臨限電壓及一第二增益，其中該第一臨限電壓不同於該第二臨限電壓且該第一增益不同於該第二增益，以使得該第一放大器電晶體與該第二放大器電晶體具有不同的對入射於該光電二極體上之該光之一強度之敏感度。
  2. 如請求項1之像素單元，其中在入射於該光電二極體上之該光之一較低光強度條件期間，該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體兩者經耦合以實質上接通，且其中在入射於該光電二極體上之該光之一較高光強度條件期間，該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體中之一者經耦合以實質上接通且該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體中之另一者經耦合以實質上關斷。
  3. 如請求項1之像素單元，其中該第一放大器電晶體之一通道區域具有一第一摻雜濃度且其中該第二放大器電晶體之一通道區域具有一第二摻雜濃度，其中該第一摻雜濃度不同於該第二摻雜濃度。
  4. 如請求項1之像素單元，其中該第一放大器電晶體之該閘極端子包括具有一第一極性之半導體材料且其中該第二放大器電晶體之該閘極端子包括具有一第二極性之半導體材料，其中該第一極性係與該第二極性相反之一極性。
  5. 如請求項4之像素單元，其中該第一極性及該第二極性中之一者係一n型極性，且該第一極性及該第二極性中之另一者係一p型極性。
  6. 如請求項1之像素單元，其中該等像素單元之該第一輸出信號及該第二輸出信號各自係回應於入射於該光電二極體上之該光之一放大信號之分量信號，其中針對入射於該光電二極體上之一較高強度之光，在該放大信號中該第一輸出信號之權重大於該第二輸出信號之權重，且其中針對入射於該光電二極體上之一較低強度之光，在該放大信號中該第二輸出信號之一權重大於該第一輸出信號之一權重。
  7. 如請求項1之像素單元，其進一步包括：一第一選擇電晶體，其安置於該半導體材料中，該第一選擇電晶體耦合於該第一放大器電晶體與一第一位元線之間；及一第二選擇電晶體，其安置於該半導體材料中，該第二選擇電晶體耦合於該第二放大器電晶體與一第二位元線之間。
  8. 如請求項1之像素單元，其進一步包括安置於該半導體材料中之一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該浮動擴散部。
  9. 一種高動態範圍成像系統，其包括： 一像素陣列，其具有複數個像素單元，其中該複數個像素單元中之每一者包含：一光電二極體，其安置於半導體材料中以回應於入射於該光電二極體上之光而累積電荷；一轉移電晶體，其安置於該半導體材料中，該轉移電晶體耦合於一浮動擴散部與該光電二極體之間；一第一放大器電晶體，其安置於該半導體材料中，該第一放大器電晶體具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子及經耦合以產生該像素單元之一第一輸出信號之一源極端子；及一第二放大器電晶體，其安置於該半導體材料中，該第二放大器電晶體具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子及經耦合以產生該像素單元之一第二輸出信號之一源極端子，其中該第一放大器電晶體具有一第一臨限電壓及一第一增益，其中該第二放大器電晶體具有一第二臨限電壓及一第二增益，其中該第一臨限電壓不同於該第二臨限電壓且該第一增益不同於該第二增益，以使得該第一放大器電晶體與該第二放大器電晶體具有不同的對入射於該光電二極體上之該光之一強度之敏感度；控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個像素單元中之每一者讀出該第一輸出信號及該第二輸出信號。
  10. 如請求項9之成像系統，其中該複數個像素單元配置成複數個列及複數個行，其中該讀出電路包含複數個讀出區塊，其中該複數個讀出區塊中之每一者經耦合以自該等像素單元之該複數個行中之一或多者接收該第一輸出信號及該第二輸出信號。
  11. 如請求項9之成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存 自該複數個像素單元讀出之影像資料之功能邏輯。
  12. 如請求項9之成像系統，其中在入射於該光電二極體上之該光之一較低光強度條件期間，該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體兩者經耦合以實質上接通，且其中在入射於該光電二極體上之該光之一較高光強度條件期間，該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體中之一者經耦合以實質上接通且該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體中之另一者經耦合以實質上關斷。
  13. 如請求項9之成像系統，其中該第一放大器電晶體之一通道區域具有一第一摻雜濃度且其中該第二放大器電晶體之一通道區域具有一第二摻雜濃度，其中該第一摻雜濃度不同於該第二摻雜濃度。
  14. 如請求項9之成像系統，其中該第一放大器電晶體之該閘極端子包括具有一第一極性之半導體材料且其中該第二放大器電晶體之該閘極端子包括具有一第二極性之半導體材料，其中該第一極性係與該第二極性相反之一極性。
  15. 如請求項14之成像系統，其中該第一極性及該第二極性中之一者係一n型極性，且該第一極性及該第二極性中之另一者係一p型極性。
  16. 如請求項9之成像系統，其中該等像素單元之該第一輸出信號及該第二輸出信號各自係回應於入射於該光電二極體上之該光之一放大信號之分量信號，其中針對入射於該光電二極體上之一較高強度之光，在該放大信號中該第一輸出信號之權重大於該第二輸出信號之權重，且其中針對入射於該光電二極體上之一較低強度之光，在該放大信號中該第二輸出信號之一權重大於該第一輸出信號之一權重。
  17. 如請求項9之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包括：一第一選擇電晶體，其安置於該半導體材料中，該第一選擇電晶體耦合於該第一放大器電晶體與一第一位元線之間；及一第二選擇電晶體，其安置於該半導體材料中，該第二選擇電晶體耦合於該第二放大器電晶體與一第二位元線之間。
  18. 如請求項9之成像系統，其中該複數個像素單元中之每一者進一步包括安置於該半導體材料中之一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該浮動擴散部。
  19. 一種用於自一像素單元產生影像資料之方法，其包括：回應於入射於一光電二極體上之光而在該光電二極體中光生電荷；透過一轉移電晶體在該光電二極體與一浮動擴散部之間轉移該電荷；運用具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子之一第一放大器電晶體回應於該浮動擴散部處之該電荷而產生一第一輸出信號，其中在該第一放大器電晶體之一源極端子處產生該第一輸出信號；運用具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子之一第二放大器電晶體回應於該浮動擴散部處之該電荷而產生一第二輸出信號，其中在該第二放大器電晶體之一源極端子處產生該第二輸出信號，其中該等像素單元之該第一輸出信號及該第二輸出信號各自係回應於入射於該光電二極體上之該光之一放大信號之分量信號；針對入射於該光電二極體上之一較高強度之光，使在該放大信號中該第一輸出信號之權重大於該第二輸出信號之權重；及 針對入射於該光電二極體上之一較低強度之光，使在該放大信號中該第二輸出信號之權重大於該第一輸出信號之權重。
  20. 如請求項19之方法，其中產生該第一輸出信號包括運用具有一第一增益之該第一放大器電晶體放大該浮動擴散部處之一電壓，其中產生該第二輸出信號包括運用具有一第二增益之該第二放大器電晶體放大該浮動擴散部處之該電壓，其中該第一增益不同於該第二增益。
  21. 如請求項19之方法，其進一步包括運用分別耦合至該第一放大器電晶體及該第二放大器電晶體之第一選擇電晶體及第二選擇電晶體選擇該第一輸出信號及該第二輸出信號。
  22. 如請求項19之方法，其進一步包括在回應於入射於該光電二極體上之該光而在該光電二極體中光生該電荷之前，運用耦合至該浮動擴散部之一重設電晶體對該浮動擴散部及該光電二極體處之該電荷進行重設。
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