TWI669938B - 影像感測器預充電升壓 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示具有預充電升壓之影像感測器。一種實例性影像感測器可包含若干像素，該等像素各自包含：一光電二極體，其用以接收影像光且作為回應而產生影像電荷；一浮動擴散部，其用以接收該影像電荷；一轉移閘極，其用以回應於一轉移控制信號而將該光電二極體耦合至該浮動擴散部；一重設閘極，其用以回應於一重設控制信號而將一重設電壓耦合至該浮動擴散部；及一升壓電容器，其耦合在該浮動擴散部與一升壓電壓源之間，其中在一預充電操作期間，在啟用該轉移閘極之時間之一部分內且在停用該重設閘極時將該升壓電壓提供至該升壓電容器。

Description

影像感測器預充電升壓
本發明一般而言係關於影像感測器，且特定而言(但非排他地)係關於一影像感測器中之遲滯減少，例如，預充電升壓。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全攝影機以及醫療、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術一直繼續快速地發展。舉例而言，較高解析度及較低電力消耗之需求已促進了此等裝置之進一步小型化及整合。 由影像感測器擷取之影像中之雜訊可顯現為白點(舉例而言)以及其他雜訊圖案。該等白點可由像素之間的障壁高度之變化導致，且可歸因於在預充電之後保留在像素之光電二極體中之電子。該等電子亦可在預充電操作中遲滯引入且影響像素之一全井容量。如此，可期望減少白點雜訊及輔助預充電遲滯且減少全井容量。
本文中闡述用於一影像感測器之預充電升壓之一設備及方法之實例。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對實例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。 在本說明書通篇中對「一項實例」或「一項實施例」之提及意指結合該實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實例中。因此，在本說明書通篇之各個位置中，片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」之出現未必全部係指同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。 貫穿本說明書，使用數個技術術語。此等術語將呈現其在其所屬技術中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地表明。應注意，在本文件中，元件名稱及符號可互換使用(例如，Si與矽)；然而，其兩者具有相同含義。 圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一成像系統100之一項實例。成像系統100包含像素陣列102、控制電路104、讀出電路106及功能邏輯108。在一項實例中，像素陣列102係光電二極體或影像感測器像素110 (例如，像素P1、P2…、Pn)之一個二維(2D)陣列。如所圖解說明，光電二極體被配置成若干列(例如，列R1至Ry)及若干行(例如，行C1至Cx)以獲取一人、地點、物件等之影像資料，該影像資料然後可用於再現該人、地點、物件等之一2D影像。然而，光電二極體未必配置成若干列及若干行且可呈現其他組態。 在一項實例中，在像素陣列102中之每一影像感測器光電二極體/像素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106讀出並然後被傳送至功能邏輯108。讀出電路106可經耦合以自像素陣列102中之複數個光電二極體讀出影像資料。在各種實例中，讀出電路106可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯108可僅儲存該影像資料或甚至藉由應用後影像效應(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。在一項實施例中，讀出電路106可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用多種其他技術(未圖解說明)讀出該影像資料，諸如一串列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104耦合至像素陣列102以控制像素陣列102中之複數個光電二極體之操作。舉例而言，控制電路104可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素110以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一滾動快門信號使得在連續獲取窗期間順序地啟用像素之每一列、行或群組。一般而言，本發明可適用於任何類型之影像感測器。 在一項實例，在獲取影像資料(例如，整合)之前，可將像素陣列102之像素110重設。在重設期間且在整合之前，可將像素110之光電二極體(PD)及相關聯浮動擴散部(FD)預充電以將PD及FD驅動至一參考電壓。參考電壓至PD及FD之耦合可完全耗盡彼等電子分量以避免將不想要之雜訊引入至一影像中。在某些實施例中，參考電壓針對PD及FD可為相同的，但在其他實施例中，可將PD及FD驅動或重設至不同參考電壓。預充電電壓可另外增大像素之一全井容量，使得更多影像電荷可併入至影像資料中。在某些實施例中，FD及PD可在預充電操作期間耦合至一升壓電壓。升壓電壓可增大至少在FD上之一電壓，此可阻止FD上之電壓在一讀出操作期間發生不期望損耗。舉例而言，在讀出期間FD上之電壓損耗可將遲滯引入至藉由成像系統100做出的影像資料之獲取中。 在一項實例中，成像系統100可包含在一數位相機、行動電話、膝上型電腦或諸如此類中。另外，成像系統100可耦合至其他硬體，諸如一處理器(通用處理器或其他處理器)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線傳輸器、HDMI埠等)、照明/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸控顯示器、追蹤墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他硬體可將指令遞送至成像系統100、自成像系統100提取影像資料或操縱由成像系統100供應之影像資料。 圖2係根據本發明之一實施例之一像素210之一實例性示意圖。像素210可僅係像素陣列102之一像素110之一項實例。像素210之所圖解說明實施例包含一PD 212、一轉移閘極222、一FD 214、一重設閘極220、升壓電容器CBOOST、一源極隨耦器(SF)電晶體218、一列選擇電晶體216。在某些實施例中，像素210可至少透過列選擇電晶體216耦合至一位元線。雖然在像素210中僅展示一個PD 212，但多個PD 212可耦合至FD 214。舉例而言，至多四個PD 212可包含在像素210中。然而，包含在像素210中之PD 212之數目為本發明之一非限制性態樣。 PD 212可耦合在接地與轉移閘極222之一端子之間。回應於影像光，PD 212可產生影像電荷。轉移閘極222可經耦合以在一閘極端子上接收一轉移控制信號TX。TX信號可由控制電路(諸如控制電路104)提供。TX信號可啟用/停用轉移閘極222。在被啟用時，轉移閘極222可將PD 212耦合至FD 214，且在被停用時，將PD 212與FD 214解耦。舉例而言，當啟用轉移閘極222時，可將來自PD 212之影像電荷提供至FD 214。 FD 214可係安置在能夠儲存自PD 212轉移之影像電荷之一矽基板中之一節點。在某些實施例中，FD 214為耦合至接地之一塊體電容井。FD 214可耦合至轉移閘極222、重設閘極220、SF電晶體218之一閘極端子及升壓電容器CBOOST。重設閘極220可經耦合以在一閘極端子上接收一重設信號RST。RST信號可將FD 214耦合至一重設電壓VRESET/將FD 214與一重設電壓VRESET解耦，且可由控制電路提供。在某些實施例中，VRESET可為AVDD。在其他實施例中，VRESET及AVDD可為不同電壓。VRESET及AVDD之實例包含針對VRESET之3.3伏特或3.6伏特及針對AVDD之2.8伏特。在其中VRESET及AVDD相同之實施例中，VRESET及AVDD可為2.8伏特。 升壓電容器CBOOST可耦合在FD 214與一電壓參考源之間。電壓參考源可提供一參考電壓VBOOST。在某些實施例中，VBOOST可大於VRESET及/或AVDD。在某些實施例中，VBOOST可介於自0伏特至2.8伏特之範圍內，但在其他實施例中可高達3.6伏特。VBOOST可經由控制電路耦合至或提供至CBOOST。 SF 218可耦合在一第二參考電壓(諸如VDD)與列選擇電晶體216之間。列選擇電晶體216可經耦合以在一閘極處接收一列選擇信號RS，該閘極可將SF 218耦合至位元線。RS信號亦可由控制電路提供。FD 214上之電荷/電壓可使SF 218接通一適當量以將一對應電壓提供至位元線(在啟用列選擇電晶體216時)。對應電壓可表示FD 214上之影像電荷。一般而言，SF 218將影像電荷轉換為影像資料。 圖3係根據本發明之一實施例之一實例性時序圖325。時序圖325可用於圖解說明像素210之一實例性操作。在時序圖325中展示控制信號TX、RST及FD BOOST，且信號之改變表示邏輯或電壓改變。在某些實施例中，舉例而言，控制電路104提供時序圖325中所展示之控制信號。 時序圖325展示一成像系統(諸如成像系統100)之一預充電操作，其中在一讀出操作之前將像素陣列102之像素110預充電。預充電操作可將像素設定至一基線電壓/電荷位準，使得影像資料可表示影像光。預充電操作可在一讀出操作之前將FD 214及PD 212耦合至一參考電壓以移除任何自由電子。自由電子之移除可將FD 214及PD 212驅動至基極電壓。 在時間t1處，RST控制信號轉變為高。因此，啟用重設電晶體220，且FD 214耦合至重設電壓VRESET。將FD 214耦合至VRESET會使FD 214之電壓增大至VRESET且亦移除可儲存於FD 214上之任何自由電子。 在時間t2處，TX信號轉變為高，此可致使啟用轉移閘極222。啟用轉移閘極222可將PD 212耦合至FD 214。另外，由於仍啟用重設閘極220，因此PD 212耦合至VRESET。因此，可將PD 212驅動至VRESET之一電壓且可移除任何自由電子，例如，PD 212上之電荷可轉移至電壓源從而提供VRESET。在某些實施例中，主要電荷轉移可發生在TX信號之上升邊緣上。在時間t3處，RST控制信號轉變為低，從而引起重設閘極220之停用。然而，TX信號仍為高，此可致使FD 214與PD 212保持耦合。 在時間t4處，FD BOOST信號轉變為高，此可致使VBOOST經由升壓電容器CBOOST以電容方式耦合至FD 214。因此，可使FD 214升壓達(例如，增大)電壓VBOOST，且由於仍啟用轉移閘極222，因此可同樣地使PD 212升壓達VBOOST。將FD 214電壓額外增大VBOOST (在某些實施例中，其可為大約0.2伏特或高達但不限於1.2伏特)可減少將PD 212及FD 214完全預充電之時間。另外，藉由使至少在FD 214上之電壓升壓，例如，使FD 214電壓升壓達VBOOST，可限制或阻止可在讀出時發生之在FD 214上之電位損耗。在不應用本VBOOST發明之情況下，當在讀出之前關斷重設閘極220時，FD 214電壓將由於重設閘極220與FD之間的寄生耦合而減小。FD 214上之此電壓損耗可為約0.3 V且可增大影像感測器之遲滯。 在時間t5處，TX信號轉變為低，此可致使停用轉移閘極222。然而，FD BOOST信號仍可為高，使得VBOOST保持以電容方式耦合至FD 214。如此，FD 214可甚至在重設信號轉變為低之後保持升壓至VRESET加VBOOST。在時間t6處，RST信號可往回轉變為高且FD BOOST信號可往回轉變為低。在時間t6之後，可完成預充電操作且可隨後執行一讀出操作。 在某些實施例中，RS信號可在預充電操作期間處於一高狀態，使得可經由位元線讀出FD 214上之一基線電壓。舉例而言，此基線電壓可用於實施由成像系統100進行之相關雙重取樣。在時間t5之後，可由PD 212回應於影像光而產生影像電荷。在時間t6之後，可發生影像電荷之一讀出。 包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並非意欲為窮盡性的或將本發明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了本發明之特定實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。 可鑒於以上詳細說明對本發明做出此等修改。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本說明書中所揭示之特定實例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來決定，申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之既定原則加以理解。
100‧‧‧成像系統
102‧‧‧像素陣列
104‧‧‧控制電路
106‧‧‧讀出電路
108‧‧‧功能邏輯
110‧‧‧影像感測器像素/像素
210‧‧‧像素
212‧‧‧光電二極體
214‧‧‧浮動擴散部
216‧‧‧列選擇電晶體
218‧‧‧源極隨耦器電晶體/源極隨耦器
220‧‧‧重設閘極/重設電晶體
222‧‧‧轉移閘極
325‧‧‧實例性時序圖/時序圖
C1至Cx‧‧‧行
CBOOST‧‧‧升壓電容器
FD BOOST‧‧‧控制信號/信號
P1、P2…、Pn‧‧‧像素
R1至Ry‧‧‧列
RS‧‧‧列選擇信號/信號
RST‧‧‧重設信號/信號/控制信號
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
t4‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t6‧‧‧時間
TX‧‧‧轉移控制信號/信號/控制信號
VBOOST‧‧‧參考電壓/電壓
VDD‧‧‧第二參考電壓
VRESET‧‧‧重設電壓
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實例，其中除非另有規定，否則貫穿各視圖，相似參考編號係指相似部件。 圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一成像系統之一項實例。 圖2係根據本發明之一實施例之一像素之一實例性示意圖。 圖3係根據本發明之一實施例之一實例性時序圖。 貫穿圖式之數個視圖，對應元件符號指示對應組件。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，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大。此外，通常不繪示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對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙之觀看。

Claims (18)

  1. 一種影像感測器像素，其包括：一光電二極體，其用以接收影像光且作為回應而產生影像電荷；一浮動擴散部，其用以接收該影像電荷；一轉移閘極，其用以回應於一轉移控制信號而將該光電二極體耦合至該浮動擴散部；一重設閘極，其用以回應於一重設控制信號而將一重設電壓耦合至該浮動擴散部；及一升壓電容器，其耦合在該浮動擴散部與一升壓電壓源之間，其中在一預充電操作期間，在啟用該轉移閘極之一時間部分內且在停用該重設閘極時，將自該升壓電壓源之一升壓電壓提供至該升壓電容器，及其中在該預充電操作期間，在該時間部分之後，該升壓電壓與該浮動擴散部解耦及同時啟用該重設閘極。
  2. 如請求項1之影像感測器像素，其中在停用該轉移閘極之後且在停用該重設閘極時繼續將該升壓電壓提供至該升壓電容器。
  3. 如請求項1之影像感測器像素，其中在啟用該轉移閘極之前啟用該重設閘極。
  4. 如請求項3之影像感測器像素，其中在啟用該轉移閘極之後但在將該升壓電壓提供至該升壓電容器之前停用該重設閘極。
  5. 如請求項1之影像感測器像素，其中該重設電壓為一高參考電壓。
  6. 如請求項1之影像感測器像素，其中該升壓電壓使該重設電壓增大約0.2伏特。
  7. 一種成像系統，其包括：一像素陣列，其包含複數個像素，其中每一像素包括：一光電二極體，其用以接收影像光且作為回應而產生影像電荷；一浮動擴散部，其用以接收該影像電荷；一轉移閘極，其用以回應於一轉移控制信號而將該光電二極體耦合至該浮動擴散部；一重設閘極，其用以回應於一重設控制信號而將一重設電壓耦合至該浮動擴散部；及一升壓電容器，其耦合在該浮動擴散部與一升壓電壓源之間；及控制電路，其經耦合以控制該像素陣列且至少提供該轉移控制信號及該重設控制信號，其中在一預充電操作期間，該控制電路回應於由該控制電路提供之該轉移控制信號而致使在啟用該轉移閘極之一時間部分內將自該升壓電壓源之一升壓電壓提供至該升壓電容器，及其中在該預充電操作期間，在該時間部分之後，該控制電路回應於由該控制電路提供之該重設控制信號而致使該升壓電壓與該浮動擴散部解耦及同時啟用該重設閘極。
  8. 如請求項7之成像系統，其中該控制電路在提供該轉移控制信號之前提供該重設控制信號，且在致使將該升壓電壓提供至該升壓電容器之前停止提供該重設控制信號。
  9. 如請求項7之成像系統，其中每一像素進一步包括一源極隨耦器電晶體，該源極隨耦器電晶體具有耦合至該浮動擴散部之一閘極端子以及分別耦合至一參考電壓及一位元線之一源極端子及一汲極端子，其中該源極隨耦器將該影像電荷轉換為影像資料。
  10. 如請求項9之成像系統，其進一步包括經耦合以經由一各別位元線自該像素陣列之每一像素接收該影像資料之讀出電路。
  11. 如請求項7之成像系統，其中該控制電路致使在提供該重設控制信號之前或與提供該重設控制信號同時地停止將該升壓電壓提供至該升壓電容器。
  12. 如請求項11之成像系統，其中該重設電壓為一高參考電壓。
  13. 如請求項7之成像系統，其中該升壓電壓使該重設電壓增大0.2伏特或大於0.2伏特。
  14. 如請求項7之成像系統，其中在該預充電操作期間，該控制電路致使在停用該轉移閘極之後將該升壓電壓提供至該升壓電容器。
  15. 如請求項7之成像系統，其中在該預充電操作期間，該控制電路致使在啟用該轉移閘極之時間之一部分內但在將該升壓電壓提供至該升壓電容器之前啟用該重設閘極。
  16. 一種用於將一影像感測器預充電之方法，該方法包括：啟用一重設閘極以將一重設電壓耦合至一影像感測器像素之一浮動擴散部；啟用一轉移閘極以將該影像感測器像素之一光電二極體耦合至該浮動擴散部；停用該重設閘極以將該重設電壓與該浮動擴散部解耦；將一升壓電壓以電容方式耦合至該浮動擴散部，其中該升壓電壓增大該浮動擴散部之一預充電電壓；將該升壓電壓與該浮動擴散部解耦；及啟用該重設閘極，其中將該升壓電壓與該浮動擴散部解耦及同時啟用該重設閘極。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括：在將該升壓電壓以電容方式耦合至該浮動擴散部時停用該轉移閘極。
  18. 如請求項16之方法，其中該升壓電壓使該重設電壓增大大於0.1伏特。
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