TWI613916B - 像素單元及成像系統 - Google Patents

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宋志強
張鵬婷
劉毅
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Abstract

本發明揭示一種像素單元，其包含經安置於半導體材料中之光電二極體，以回應於光而累積影像電荷。全域快門電晶體經安置於該半導體材料中，且回應於全域快門控制信號而選擇性重設光電二極體中之該影像電荷。全域快門控制信號產生器電路經耦合以產生全域快門控制信號以具有第一值、第二值及第三值。全域快門控制信號之第一值經耦合以接通該全域快門電晶體以重設光電二極體。全域快門控制信號之第三值經耦合以將全域快門電晶體控制為低漏電模式。全域快門控制信號之第二值係介於第一值與第三值之間，且關斷全域快門電晶體。

Description

像素單元及成像系統
本發明大體上係關於影像感測器。更特定言之，本發明之實例係關於具有全域快門之影像感測器像素單元。
對於高速影像感測器，可使用一全域快門來捕捉快速移動之物體。一全域快門通常使得影像感測器中之所有像素單元能夠同時捕捉影像。對於較慢移動之物體，使用更常見之滾動快門。一滾動快門通常按一順序捕捉影像。例如，可依序啟用一二維(「2D」)影像單元陣列內之每一列，使得一單個列內之每一像素單元同時捕捉影像，但是每一列係按一滾動順序啟用。因而，像素單元之每一列在一不同影像獲取窗期間捕捉影像。對於緩慢移動之物體，每一列之間之時間差可產生影像失真。對於快速移動之物體，一滾動快門可導致沿著物體之移動軸之一可感知伸長失真。
在全域快門影像感測器中，在開始一正常曝光操作之前利用一重設電壓(例如，AVDD)初始化所有像素單元。此重設通常係藉由透過一全域快門開關將每個像素連接至一AVDD電壓而實現。在重設之後，關斷每一像素中之全域快門開關，此接著使得每一像素能夠開始一正常曝光操作。
100‧‧‧像素單元
102‧‧‧全域快門電晶體
104‧‧‧光電二極體
106‧‧‧轉移電晶體
108‧‧‧儲存電晶體
110‧‧‧輸出電晶體
112‧‧‧重設電晶體
114‧‧‧讀出節點
116‧‧‧放大器電晶體
118‧‧‧列選擇電晶體
120‧‧‧全域快門控制信號產生器
122‧‧‧入射光
126‧‧‧全域快門控制信號
178‧‧‧位元線
226‧‧‧全域快門控制信號
320‧‧‧全域快門控制信號產生器
376‧‧‧像素陣列
378‧‧‧位元線
380‧‧‧讀出電路
382‧‧‧功能邏輯
384‧‧‧控制電路
參考以下圖描述本發明之非限制性及非詳盡實例，其中除非另有規定，否則相同參考符號係指貫穿各種視圖之相同部分。
圖1係繪示根據本發明之教示之包含提供一全域快門控制信號至一全域快門開關之全域快門控制信號產生器之一像素單元之一項實例之一示意圖。
圖2係繪示根據本發明之教示之具有一第一值、一第二值及一第三值以控制一全域快門開關之一實例性全域快門控制信號之一時序圖。
圖3係繪示根據本發明之教示之包含具有利用一實例性全域快門控制信號產生器控制之像素單元之一像素陣列之一成像系統之一項實例之一圖。
對應元件符號指示貫穿圖式之若干視圖之對應組件。熟習此項技術者將明白，圖中之元件係為了簡單清楚起見而繪示且未必按比例繪製。例如，圖中之一些元件之尺寸可相對於其他元件誇大以幫助改良對本發明之各項實施例之理解。又，商業上可行之實施例中有用或必要之常見但眾所周知之元件通常並未描繪以促進更容易地查看本發明之此等各種實施例。
如將所示，揭示針對提供一全域快門控制信號至一像素單元中之一全域快門開關之一全域快門控制信號產生器之方法及設備。在以下描述中，陳述數種特定細節以提供對本發明之一徹底理解。在以下描述中，陳述數種特定細節以提供對實施例之一徹底理解。然而，熟習相關技術者將認識到，文中所描述之技術可在無特定細節之一或多者的情況下，或利用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他實例中，並未詳細展示或描述眾所周知之結構、材料或操作，以避免使某些方面模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」、「一實例」之引用意指結合實施例或實例所描述之一特定特徵、結構或特性係包含於本發明之至少一項實施例或實例中。因此，諸如「在一項實施例中」或「在一項實例中」之片語在貫穿本說明書之各種位置中的出現未必全部係指相同實施例或實例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適方式被組合在一或多項實施例或實例中。下文係藉由參考附圖來描述本發明之實例時所使用之術語及元件之一詳述。
如將論述，對於使用一NMOS電晶體實施之一全域快門開關，NMOS電晶體之閘極端子可係連接至一負NVDD電壓(例如，-2伏特)，以在全域快門開關關斷時提供一低漏電模式，此改良影像感測器效能。因而，當全域快門開關從被接通轉變至被關斷時，NMOS閘極電壓從AVDD變更為NVDD。例如，在其中AVDD=3伏特且NVDD=-2伏特之一實例中，當全域快門開關被關斷時，全域快門開關之閘極端子上之電壓從3伏特轉變為-2伏特。為了提供負NVDD電壓(例如，-2伏特)，提供亦可稱為一N泵或負泵之一負電壓產生器。為了同時關斷一影像感測器之每個像素單元中之全域快門開關以實施一全域快門，一典型N泵將需具有一極大驅動能力以驅動全域快門開關之所有閘極端子。實際上，經耦合至所有全域快門開關之閘極端子的線電容可能極大，在一些實例中線電容可取決於一影像感測器之像素陣列中之像素數目而為毫微法的數量級。然而，根據本發明之教示之實例提供具有降低驅動需求之一全域快門控制信號產生器，且因此降低對具有一大驅動能力之一N泵之需求。
為了圖解闡釋，圖1係繪示根據本發明之教示之具有利用一全域快門控制信號產生器120控制之一全域快門之一像素單元100之一項實例之一示意圖。在實例中，像素單元100可為一像素陣列中之複數個像素單元之一者。如所描繪之實例中所示，像素單元100包含一全域 快門電晶體102、一光電二極體104、一轉移電晶體106、一儲存電晶體108、一輸出電晶體110、一讀出節點114、一重設電晶體112、一放大器電晶體116，及經耦合至一位元線178之一列選擇電晶體118。在一項實例中，讀出節點114係安置於像素單元100之半導體材料中之一浮動擴散區。在一項實例中，利用一耦合源極隨耦器之電晶體來實施放大器電晶體116。如圖1之實例中所示，全域快門電晶體102係耦合於一AVDD電壓與光電二極體104之間。
在操作中，全域快門電晶體102經耦合以在一正常曝光操作之前藉由回應於由全域快門控制信號產生器120所產生之一全域快門控制信號GSCTRL 126來選擇性地將光電二極體104耦合至電壓AVDD，而選擇性地空乏累積在光電二極體104中的影像電荷。在實例中，包含於一影像感測器之一像素陣列中的所有像素單元100共用全域快門控制信號GSCTRL 126，以實施一全域快門。光電二極體104係安置於像素單元100之半導體材料中，以回應於在全域快門開關102被關斷之後之一正常曝光操作期間被引導至光電二極體104之入射光122而累積影像電荷。在一項實例中，入射光122可經引導穿過像素單元100之半導體材料之一前側。在另一實例中，應明白，入射光122可經引導穿過像素單元100之半導體材料之一背側。在正常曝光操作之後，累積於光電二極體104中之影像電荷透過轉移電晶體106轉移至儲存電晶體108之一輸入端。
圖1中之實例亦繪示輸出電晶體110耦合至儲存電晶體108之一輸出端，以選擇性地將影像電荷從儲存電晶體108轉移至讀出節點114，在所圖解闡釋之實例中，讀出節點114係一浮動擴散區FD。一重設電晶體112耦合在一重設電壓VRESET與讀出節點114之間，以回應於一重設信號RST選擇性地重設讀出節點114中之電荷。在實例中，放大器電晶體116包含耦合至讀出節點114之一放大器閘極以放大讀出節點 114上之信號，以輸出來自像素單元100之影像資料。列選擇電晶體118耦合在位元線178與放大器電晶體116之間，以將影像資料輸出至位元線178。
圖2係繪示根據本發明之教示之具有一第一值AVDD、一第二值GND及一第三值NVDD以控制一全域快門開關之一實例性全域快門控制信號GSCTRL 226之一時序圖。在所描繪之實例中，應明白，圖2之全域快門控制信號GSCTRL 226可為由圖1之全域快門控制信號產生器120所產生之全域快門控制信號126之一項實例，且下文引用之類似命名及編號之元件類似於如上所述般經耦合及運作。因此，亦可在下文為了解釋目的引用圖1中之元件。
在一項實例中，AVDD可等於3伏特，GND表示接地且因此等於0伏特，且NVDD等於-2伏特。當然應明白，在其他實例中，AVDD及NVDD可具有根據本發明之教示之不同值，且文中所描述之實例性電壓係為了解釋目的而提供。
如圖2之實例中所示，在時間t0，全域快門控制信號GSCTRL 226等於AVDD，此接通全域快門電晶體102並重設光電二極體104中之影像電荷。在時間t0與t1之間的時段期間，全域快門控制信號GSCTRL 226保持實質上等於如所示之AVDD，使得全域快門電晶體102在時間t0與t1之間保持接通。在時間t1，全域快門控制信號GSCTRL 226從AVDD轉變為GND，此關斷全域快門電晶體102。在時間t1與t2之間的時段期間，全域快門控制信號GSCTRL 226保持實質上等於如所示之GND，使得全域快門電晶體102在時間t1與t2之間保持關斷。隨後在時間t2，全域快門控制信號GSCTRL 226接著從GND轉變為NVDD，此將全域快門電晶體102轉變為一低漏電模式。應明白，當全域快門電晶體102在時間t1之後關斷時，開始一正常曝光操作，此時影像電荷可回應於入射光122而累積於光電二極體104中。
繼續圖2中所示之實例，在時間t3，可開始一讀出操作，此後轉移電晶體106可將累積於光電二極體104中之影像電荷轉移至儲存電晶體108，該影像電荷接著最終可透過輸出電晶體110、放大器電晶體116及列選擇電晶體118被讀出至位元線178，如上文所論述，在圖2中所描繪之實例中，於時間t4，全域快門控制信號GSCTRL 226從NVDD轉變回到AVDD，以將全域快門電晶體102再次接通，此在下一個正常曝光操作之前再次初始化光電二極體104中之影像電荷。在時間t2與t4之間的時段期間，全域快門控制信號GSCTRL 226保持實質上等於如所示之NVDD，使得全域快門電晶體102在時間t2與t4之間保持於一低漏電模式中。
應明白，根據本發明之教示，藉由在時間t1將全域快門控制信號GSCTRL 226從AVDD轉變為一中間電壓GND且接著隨後在時間t2將全域快門控制信號GSCTRL 226從GND轉變為負電壓NVDD，而使提供用於全域快門控制信號GSCTRL 226之負NVDD電壓的N泵無需一大驅動能力。換言之，全域快門控制信號GSCTRL 226首先在時間t1將閘極端子驅動至GND且接著隨後在時間t2將閘極端子驅動至NVDD，而非必須將所有閘極端子電壓從AVDD直接驅動至NVDD。在一項實例中，時間t1與時間t2之間的延遲可等於包含像素單元100之一像素陣列的至少一個列讀出時間。換言之，在一項實例中，根據本發明之教示，時間t1與時間t2之間的延遲可等於包含像素單元100之一像素陣列的一或兩個列讀出時間。以此方式，如上文根據本發明之教示所論述，藉由從AVDD轉變為GND且接著從GND變更為NVDD，使產生全域快門控制信號GSCTRL 226之N泵驅動需求顯著地降低(例如，若AVDD=3伏特且NVDD=-2伏特，則驅動需求降低50%以上)。
圖3係繪示根據本發明之教示之包含具有利用被包含於控制電路384中之一實例性全域快門控制信號產生器320來控制之像素單元之一 像素陣列376之一成像系統374之一項實例之一圖。在所描繪之實例中，應明白，圖3之全域快門控制信號產生器320可為用以產生全域快門控制信號126或圖2之全域快門控制信號226之圖1之全域快門控制信號產生器120的一項實例，且下文引用之類似命名及編號之元件類似於如上所描述般經耦合及運作。
特定言之，如圖3中所描繪之實例中所示，成像系統374包含具有複數個影像感測器像素單元之一實例性像素陣列376。成像系統374包含耦合至控制電路384及讀出電路380之像素陣列376，讀出電路380耦合至功能邏輯382。在一項實例中，像素陣列376係影像感測器像素單元(例如，像素P1、P2、P3、…、Pn)之一二維(2D)陣列。應注意，像素陣列376中之像素單元P1、P2、…、Pn可為圖1之像素單元100之實例。如所說明，每一像素單元經配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地點、物體等之影像資料，該影像資料接著可用於呈現人、地點、物體等之一2D影像。
在一項實例中，在每一像素單元P1、P2、P3、…、Pn已回應於全域快門控制信號產生器320而被重設且已在如上文所論述之一正常曝光操作期間獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路380透過位元線378讀出且接著被傳遞至功能邏輯382。在各種實例中，讀出電路380可包含放大電路、類比轉數位轉換(ADC)電路或其他電路。功能邏輯382可僅僅儲存影像資料或甚至藉由施加後影像效應(例如，剪切、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)而操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路380可一次沿讀出行線讀出一列影像資料(所圖解闡釋的)或可使用多種其他技術(未圖解闡釋的)(例如，串列讀出或同時完全並列讀出所有像素)來讀出影像資料。
在所描繪之實例中，控制電路384耦合至像素陣列376以控制像素陣列376之操作特性。如上文詳細地論述，控制電路384包含全域快 門控制信號產生器320以產生全域快門控制信號以及其他控制信號，以控制包含在像素陣列376中之每一個像素單元之影像獲取。在實例中，根據本發明之教示，在一單個獲取窗期間，全域快門控制信號及其他控制信號同時啟用像素陣列376內之所有像素單元P1、P2、P3、…、Pn，以獲取影像電荷並轉移來自像素單元中之每一相應光電二極體之影像電荷。
本發明之所圖解闡釋實例之以上描述(包含發明摘要中所描述之內容)不旨在係詳盡的或限於所揭示之精確形式，雖然本發明之特定實施例及實例在文中係為了闡釋性目的而描述，但是各種等效修改在不脫離本發明之更廣泛精神及範圍之情況下係可行的。實際上，應明白，特定實例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係為了解釋目的而提供且在根據本發明之教示之其他實施例及實例中亦可以採用其他值。
鑒於以上詳述可對本發明之實例作出此等修改。所附申請專利範圍中所使用之術語不應被理解為將本發明限於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。而係，範圍應完全由所附之申請專利範圍判定，所附申請專利範圍應根據申請專利範圍解釋之既定規則來解釋，本說明書及圖式據此被視為闡釋性而非限制性。
100‧‧‧像素單元
102‧‧‧全域快門電晶體
104‧‧‧光電二極體
106‧‧‧轉移電晶體
108‧‧‧儲存電晶體
110‧‧‧輸出電晶體
112‧‧‧重設電晶體
114‧‧‧讀出節點
116‧‧‧放大器電晶體
118‧‧‧列選擇電晶體
120‧‧‧全域快門控制信號產生器
122‧‧‧入射光
126‧‧‧全域快門控制信號
178‧‧‧位元線

Claims (19)

  1. 一種像素單元，其包括：一光電二極體，其經安置於一半導體材料中，以回應於被引導至該光電二極體之入射光而累積影像電荷；一全域快門(global shutter)電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合至該光電二極體，以回應於一全域快門控制信號而選擇性重設該光電二極體中之該影像電荷；及一全域快門控制信號產生器電路，其經耦合以產生該全域快門控制信號以具有一第一值、一第二值及一第三值，其中該全域快門控制信號之該第一值經耦合以接通(turn on)該全域快門電晶體以重設光電二極體，其中該全域快門控制信號之該第三值經耦合以將該全域快門電晶體控制為一低漏電關閉(low leakage off)模式，其中該全域快門控制信號之該第二值介於該全域快門控制信號之該第一值與該第三值之間，且其中該全域快門控制信號之該第二值經耦合以關斷(turn off)該全域快門電晶體。
  2. 如請求項1之像素單元，其中該全域快門電晶體係耦合於一正電壓源與該光電二極體之間。
  3. 如請求項2之像素單元，其中該第一值係一正電壓，其中該第二值實質上等於零伏特，且其中該第三值係一負電壓。
  4. 如請求項1之像素單元，其中該全域快門控制信號產生器電路經耦合以產生該全域快門控制信號，以從該第一值轉變為該第二值，且接著在包含該像素單元之一像素陣列之至少一個列讀出時間之一延遲之後，從該第二值轉變為該第三值，以關斷該全域快門電晶體以使得該光電二極體能夠累積該影像電荷。
  5. 如請求項4之像素單元，其中該全域快門控制信號產生器電路經 耦合以產生該全域快門控制信號，以從該第三值直接轉變為該第一值，以重設該光電二極體中之該影像電荷。
  6. 如請求項1之像素單元，進一步包括經安置於該半導體材料中之一儲存電晶體，以儲存累積在該光電二極體中之該影像電荷。
  7. 如請求項6之像素單元，進一步包括經安置於該半導體材料中且經耦合於該光電二極體與該儲存電晶體之間之一轉移電晶體，以選擇性地將該影像電荷從該光電二極體轉移至該儲存電晶體。
  8. 如請求項7之像素單元，進一步包括經安置於該半導體材料中且經耦合至該儲存電晶體之一輸出電晶體，以選擇性地將該影像電荷從該儲存電晶體轉移至一讀出節點。
  9. 如請求項8之像素單元，其中該讀出節點包括經安置於該半導體材料中之一浮動擴散區。
  10. 如請求項8之像素單元，進一步包括：一重設電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合至該讀出節點；一放大器電晶體，其經安置於該半導體材料中且具有經耦合至該讀出節點之一放大器閘極；及一列選擇電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合於一位元線與該放大器電晶體之間。
  11. 一種成像系統，其包括：像素單元之一像素陣列，其中該等像素單元中之每一者包含：一光電二極體，其經安置於一半導體材料中，以回應於被引導至該光電二極體之入射光而累積影像電荷；一全域快門電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合 至該光電二極體，以回應於一全域快門控制信號而選擇性重設該光電二極體中之該影像電荷；及一全域快門控制信號產生器電路，其經耦合以產生該全域快門控制信號以具有一第一值、一第二值及一第三值，其中該全域快門控制信號之該第一值經耦合以接通該全域快門電晶體以重設光電二極體，其中該全域快門控制信號之該第三值經耦合以將該全域快門電晶體控制為一低漏電關閉模式，其中該全域快門控制信號之該第二值介於該全域快門控制信號之該第一值與該第三值之間，且其中該全域快門控制信號之該第二值經耦合以關斷該全域快門電晶體；控制電路，其經耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其經耦合至該像素陣列以從該複數個像素讀出影像資料。
  12. 如請求項11之成像系統，進一步包括功能邏輯，該功能邏輯經耦合至該讀出電路以儲存來自該複數個像素單元中之每一者之該像素資料。
  13. 如請求項11之成像系統，其中該全域快門電晶體係耦合於一正電壓源與該光電二極體之間。
  14. 如請求項13之成像系統，其中該第一值係一正電壓，其中該第二值實質上等於零伏特，且其中該第三值係一負電壓。
  15. 如請求項11之成像系統，其中該全域快門控制信號產生器電路經耦合以產生該全域快門控制信號以從該第一值轉變為該第二值，且接著在包含該像素單元之一像素陣列之至少一個列讀出時間之一延遲之後，從該第二值轉變為該第三值，以關斷該全域快門電晶體以使得該光電二極體能夠累積該影像電荷。
  16. 如請求項15之成像系統，其中該全域快門控制信號產生器電路經耦合以產生該全域快門控制信號，以從該第三值直接轉變為該第一值以重設該光電二極體中之該影像電荷。
  17. 如請求項16之成像系統，其中該控制電路經耦合以導致該全域快門控制信號同時啟用該像素陣列中之所有該光電二極體以累積該影像電荷。
  18. 如請求項17之成像系統，其中該控制電路經耦合以導致該全域快門控制信號同時重設該像素陣列中之所有該光電二極體中之該影像電荷。
  19. 如請求項11之成像系統，其中該等像素單元中之每一者進一步包括：一儲存電晶體，其經安置於該半導體材料中以儲存累積在該光電二極體中之該影像電荷；一轉移電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合於該光電二極體與該儲存電晶體之間，以選擇性地將該影像電荷從該光電二極體轉移至該儲存電晶體；一輸出電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合至該儲存電晶體，以選擇性地將該影像電荷從該儲存電晶體轉移至一讀出節點；一重設電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合至該讀出節點；一放大器電晶體，其經安置於該半導體材料中且具有經耦合至該讀出節點之一放大器閘極；及一列選擇電晶體，其經安置於該半導體材料中且經耦合於一位元線與該放大器電晶體之間。
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