具有多個(gè)放大器晶體管的高動(dòng)態(tài)范圍像素的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及具有多個(gè)放大器晶體管的高動(dòng)態(tài)范圍像素。本發(fā)明揭示一種供在高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器中使用的像素單元，其包含光電二極管，所述光電二極管安置于半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的光而積累電荷。傳送晶體管安置于所述半導(dǎo)體材料中且耦合于浮動(dòng)擴(kuò)散部與所述光電二極管之間。第一放大器晶體管安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第一輸出信號(hào)的源極端子。第二放大器晶體管安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第二輸出信號(hào)的源極端子。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有多個(gè)放大器晶體管的高動(dòng)態(tài)范圍像素
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及圖像傳感器，且更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像捕獲裝置包含圖像傳感器及成像透鏡。成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器上以形成圖像，且圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)從圖像捕獲裝置輸出到主機(jī)電子系統(tǒng)的其它組件。舉例來(lái)說(shuō)，電子系統(tǒng)可為移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或醫(yī)療裝置。
[0003]隨著像素單元變得更小，對(duì)圖像傳感器在大范圍的光照條件(從低光條件變化到亮光條件)內(nèi)執(zhí)行的要求變得更難以實(shí)現(xiàn)。此性能能力通常稱(chēng)為具有高動(dòng)態(tài)范圍成像(HDRI或替代地，僅HDR)。在常規(guī)圖像捕獲裝置中，像素單元需要多次連續(xù)曝光以實(shí)現(xiàn)HDR。
[0004]圖1是展示四 晶體管(“4T”)像素單元100的電路圖。如所展示，像素單元100包含光敏元件110、傳送晶體管120、復(fù)位晶體管130、浮動(dòng)擴(kuò)散部(“FD”)180、源極隨耦器(“SF”)晶體管140、行選擇晶體管150、雙重轉(zhuǎn)換增益晶體管160及電容器165。
[0005]在像素單元100的操作期間，傳送晶體管120接收傳送信號(hào)TX，傳送信號(hào)TX將在光敏元件Iio中積累的電荷傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD180。復(fù)位晶體管130耦合于電力供應(yīng)器VDD與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD180之間以在復(fù)位信號(hào)RST的控制下對(duì)像素單元進(jìn)行復(fù)位(例如，將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD180及/或光敏元件110放電或充電到預(yù)設(shè)定電壓)。FD180還經(jīng)耦合以控制SF晶體管140的柵極。SF晶體管140耦合于電力供應(yīng)器VDD與行選擇晶體管150之間。SF晶體管140操作為提供到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD180的高阻抗連接的源極隨耦器。在選擇信號(hào)SEL的控制下，行選擇晶體管150將像素單元的輸出選擇性地提供到讀出列線或位線170。
[0006]電容器165及雙重轉(zhuǎn)換增益晶體管160串聯(lián)耦合于電力供應(yīng)器VDD與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD180之間，其中雙重轉(zhuǎn)換增益晶體管160耦合到FD180且電容器165耦合到電力供應(yīng)器VDD0電容器165的電容可通過(guò)斷言雙重轉(zhuǎn)換增益信號(hào)DCG而添加到FD180，借此減少像素單元100的轉(zhuǎn)換增益。
[0007]光敏元件110及FD180通過(guò)暫時(shí)地?cái)嘌詮?fù)位信號(hào)RST及傳送信號(hào)TX而復(fù)位。圖像積累窗(例如，曝光周期)通過(guò)將傳送信號(hào)TX解除斷言且準(zhǔn)許入射光在光敏元件110中光生電子而開(kāi)始。隨著光生電子在光敏元件110中積累，光敏元件110上的電壓減少。光敏元件110上的電壓或電荷指示在曝光周期期間入射于光敏元件110上的光的強(qiáng)度。在曝光周期結(jié)束時(shí)，復(fù)位信號(hào)RST被解除斷言以隔離FD180且傳送信號(hào)TX經(jīng)斷言以允許光敏元件110與FD180及因此SF晶體管140的柵極之間的電荷交換。電荷傳送致使FD180的電壓改變與在曝光周期期間在光敏元件110上積累的光生電子成比例的量。此第二電壓使SF晶體管140偏置，此與正斷言的選擇信號(hào)SEL組合地將來(lái)自行選擇晶體管150的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到位線170。接著，經(jīng)由位線170從像素單元100讀出數(shù)據(jù)作為模擬信號(hào)。
[0008]通過(guò)在連續(xù)圖像捕獲之間改變像素單元100的轉(zhuǎn)換增益，所產(chǎn)生圖像的HDR可增加。然而，此將增加捕獲及讀出一個(gè)HDR圖像所需的時(shí)間量且影響圖像捕獲裝置的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種供在高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器中使用的像素單元，該像素單兀包括:光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的光而積累電荷；傳送晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述傳送晶體管耦合于浮動(dòng)擴(kuò)散部與所述光電二極管之間；第一放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第一輸出信號(hào)的源極端子；及第二放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第二輸出信號(hào)的源極端子。
[0010]本發(fā)明的另一方面涉及一種聞動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)，該聞動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)包括:像素陣列，其具有多個(gè)像素單元，其中所述多個(gè)像素單元中的每一者包含:光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的光而積累電荷；傳送晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述傳送晶體管耦合于浮動(dòng)擴(kuò)散部與所述光電二極管之間；第一放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第一輸出信號(hào)的源極端子；及第二放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第二輸出信號(hào)的源極端子；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個(gè)像素單元中的每一者讀出所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)。
[0011]本發(fā)明的又一方面涉及一種用于從像素單元產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法，該方法包括:響應(yīng)于入射于光電二極管上的光而在所述光電二極管中光生電荷；經(jīng)由傳送晶體管在所述光電二極管與浮動(dòng)擴(kuò)散部之間傳送所述電荷；借助具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子的第一放大器晶體管響應(yīng)于所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的所述電荷而產(chǎn)生第一輸出信號(hào)，其中在所述第一放大器晶體管的源極端子處產(chǎn)生所述第一輸出信號(hào)；及借助具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子的第二放大器晶體管響應(yīng)于所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的所述電荷而產(chǎn)生第二輸出信號(hào)，其中在所述第二放大器晶體管的源極端子處產(chǎn)生所述第二輸出信號(hào)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]參考以下圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實(shí)施例，其中除非另外規(guī)定，否則遍及各個(gè)視圖相同元件符號(hào)指代相同部件。
[0013]圖1是展示常規(guī)四晶體管(“4T”)像素單元的電路圖。
[0014]圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的具有多個(gè)放大器晶體管的像素單元的電路的電路圖。
[0015]圖3是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的在一光照條件范圍內(nèi)的來(lái)自多個(gè)放大器晶體管的輸出信號(hào)的實(shí)例與實(shí)例性放大信號(hào)之間的實(shí)例性關(guān)系的圖式。
[0016]圖4是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例性成像系統(tǒng)的框圖。
[0017]圖5A是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的像素單元布置的一個(gè)實(shí)例的圖式。
[0018]圖5B是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的像素單元布置的另一實(shí)例的圖式。[0019]遍及圖式的數(shù)個(gè)視圖，對(duì)應(yīng)參考字符指示對(duì)應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是為簡(jiǎn)單及清晰起見(jiàn)而圖解說(shuō)明的，且未必按比例繪制。舉例來(lái)說(shuō)，為了有助于改進(jìn)對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的理解，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件擴(kuò)大。此外，通常未描繪在商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見(jiàn)而眾所周知的元件以便促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的這各種實(shí)施例的較不受阻擋的觀察。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在以下說(shuō)明中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了，無(wú)需采用所述特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。在其它例子中，為避免使本發(fā)明模糊，未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法。
[0021]遍及本說(shuō)明書(shū)對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的提及意指連同所述實(shí)施例或?qū)嵗黄鹈枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，遍及本說(shuō)明書(shū)的各個(gè)地方中的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在一實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的出現(xiàn)未必全部指代同一實(shí)施例或?qū)嵗４送?，所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何適合組合及/或子組合方式組合于一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例或?qū)嵗小Ｌ囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性可包含于集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所要功能性的其它適合組件中。另外，應(yīng)了解，隨本文提供的圖是出于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員解釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例描述一種包含多個(gè)放大器晶體管的供在高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中使用的圖像傳感器像素單元。在各種實(shí)例中，放大器晶體管經(jīng)耦合以作為具有不同閾值電壓及增益特性的源極隨耦器。在所述實(shí)例中，放大器晶體管經(jīng)配置為雙源極隨耦器，且來(lái)自 像素單元的每一放大器晶體管的輸出信號(hào)為像素單元的輸出放大信號(hào)的分量。雙源極隨耦器晶體管的操作可基于轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)于在像素單元的光電二極管中積累的電荷量的電壓電平的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。每一源極隨耦器晶體管耦合到其相應(yīng)讀出列線及讀出電路。在一個(gè)實(shí)例中，具有包括具有此架構(gòu)的多個(gè)像素單元的像素陣列的圖像傳感器系統(tǒng)每像素單元列包含兩個(gè)讀出列線。
[0023]在一個(gè)實(shí)例中，在較高光強(qiáng)度條件下，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)處的電壓電平為低的，這是因?yàn)樵谶@些條件下，與在較低光強(qiáng)度條件下相比，由入射光產(chǎn)生的更多光生電子被傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。在此些條件下，具有較低閾值電壓的源極隨耦器晶體管將為作用的。在較低光強(qiáng)度條件下，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)處的電壓電平將為高的，這是因?yàn)樵谶@些條件下，與在較高光強(qiáng)度條件下相比，由入射光產(chǎn)生的更少光生電子被傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。在此些條件下，具有高閾值電壓的源極隨耦器晶體管及具有低閾值電壓的源極隨耦器晶體管兩者均為作用的。
[0024]為了圖解說(shuō)明，圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的具有多個(gè)放大器晶體管240A及240B的像素單元200的電路的一個(gè)實(shí)例的電路圖。如所描繪的實(shí)例中所展示，放大器晶體管240A及240B配置為源極隨耦器。在圖2中所展示的實(shí)例中，像素單元200經(jīng)布置以將來(lái)自晶體管240A及240B的兩個(gè)輸出信號(hào)提供到兩個(gè)讀出列信號(hào)線270A及270B。在所述實(shí)例中，像素單元200包含安置于半導(dǎo)體材料中的展示為光電二極管210的光敏元件、傳送晶體管220、復(fù)位晶體管230、浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280、第一放大器晶體管240A、第二放大器晶體管240B、第一行選擇晶體管250A及第二行選擇晶體管250B。在其它實(shí)例中，應(yīng)了解，像素單元200可包含多種替代像素單元架構(gòu)，所述替代像素單元架構(gòu)包含以類(lèi)似于根據(jù)本發(fā)明的教示的第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B的配置的配置耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280的兩個(gè)放大器晶體管。
[0025]在像素單元200的操作期間，電荷響應(yīng)于入射于光電二極管210上的光而在光電二極管210中積累。在一個(gè)實(shí)例中，響應(yīng)于入射光而在光電二極管210中積累的電荷的類(lèi)型包含電子。傳送晶體管220可接收傳送信號(hào)TX，傳送信號(hào)TX將在光電二極管210中積累的電荷傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280。復(fù)位晶體管230可耦合于電力供應(yīng)器VDD與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280之間以在復(fù)位信號(hào)RST的控制下對(duì)像素單元200進(jìn)行復(fù)位(例如，將浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280及/或光電二極管210放電或充電到預(yù)設(shè)定電壓)。
[0026]如所描繪的實(shí)例中所展示，浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280經(jīng)耦合以控制第一放大器晶體管240A的柵極。第一放大器晶體管240A可稱(chēng)合于電力供應(yīng)器VDD與第一行選擇晶體管250A之間。第一放大器晶體管240A可操作為提供到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280的高阻抗連接的源極隨耦器且以第一增益放大浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280處的電壓。第二放大器晶體管240B可稱(chēng)合于電力供應(yīng)器VDD與第二行選擇晶體管250B之間。第二放大器晶體管240B可操作為提供到浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280的高阻抗連接的源極隨耦器且以第二增益放大浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280處的電壓。在一個(gè)實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，第一放大器晶體管240A的第一增益不同于第二放大器晶體管240B的第二增益。
[0027]在一個(gè)實(shí)例中，第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B各自從其相應(yīng)源極端子提供相應(yīng)輸出信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，由第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B產(chǎn)生的輸出信號(hào)可為表示入射于光電二極管210上的光的強(qiáng)度的放大信號(hào)的分量信號(hào)。如圖2中所描繪的實(shí)例中所展示，第一行選擇晶體管250A可在選擇信號(hào)RS_H的控制下將來(lái)自第一放大器 晶體管240A的源極端子的輸出信號(hào)選擇性地提供到讀出列線BL_H270A。類(lèi)似地，如所描繪的實(shí)例中所展示，第二行選擇晶體管250B可在選擇信號(hào)RS_L的控制下將來(lái)自第二放大器晶體管240B的源極端子的輸出信號(hào)選擇性地提供到讀出列線BL_L270B。在另一實(shí)例中，像素單元200不包含任何行選擇晶體管250A及250B，使得來(lái)自第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B中的每一者的輸出信號(hào)直接連接到其相應(yīng)第一讀出列線270A及第二讀出列線270B。
[0028]往回參考所圖解說(shuō)明的實(shí)例，光電二極管210及浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280可通過(guò)暫時(shí)地?cái)嘌詮?fù)位晶體管230上的復(fù)位信號(hào)RST及傳送晶體管220上的傳送信號(hào)TX而復(fù)位。在一個(gè)實(shí)例中，光電二極管210及浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280在使用像素單元200采集圖像數(shù)據(jù)之前復(fù)位。在復(fù)位周期結(jié)束時(shí)，可將復(fù)位信號(hào)RST及傳送信號(hào)TX解除斷言。圖像積累窗(例如，曝光周期)可接著通過(guò)準(zhǔn)許入射光在光電二極管210中光生電荷而開(kāi)始。在一個(gè)實(shí)例中，隨著光生電子在光電二極管210上積累，光電二極管210上的電壓從復(fù)位電壓減少。光電二極管210上的電壓或電荷可表示在曝光周期期間入射于光電二極管210上的光的強(qiáng)度。
[0029]在曝光周期之后，可接著斷言傳送信號(hào)TX以允許光電二極管210與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280之間及因此到第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B兩者的相應(yīng)柵極的電荷交換。光電二極管210與浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280之間的電荷傳送致使浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280的電壓改變表示在曝光周期期間在光電二極管210上積累的光生電子的量。如圖2中所描繪的實(shí)例中所展示，根據(jù)本發(fā)明的教示，浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280處的電壓耦合到第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B的柵極端子，其中浮動(dòng)擴(kuò)散部FD280處的電壓接著由第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B放大。
[0030]在一個(gè)實(shí)例中，第一行選擇晶體管250A響應(yīng)于第一行選擇信號(hào)RS_H而將來(lái)自第一放大器晶體管240A的輸出信號(hào)選擇性地耦合到第一讀出列線BL_H270A，且第二行選擇晶體管250B響應(yīng)于第二行選擇信號(hào)RS_L而將來(lái)自第二放大器晶體管240B的輸出信號(hào)選擇性地耦合到第二讀出列線BL_L270B。因此，應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的教示，圖2的實(shí)例性像素200針對(duì)單個(gè)光電二極管210包含兩個(gè)讀出列線270A及270B。
[0031]在一個(gè)實(shí)例中，第一放大器晶體管240A具有第一閾值電壓且第二放大器晶體管240B具有第二閾值電壓。在所述實(shí)例中，第一與第二閾值電壓為不同的。因此，在所述實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，第一與第二放大器晶體管具有不同增益特性，使得第一放大器晶體管240A與第二放大器晶體管240B具有不同的對(duì)入射于光電二極管210上的光的強(qiáng)度的敏感度。
[0032]在一個(gè)實(shí)例中，第一放大器晶體管240A具有比第二放大器晶體管240B低的閾值電壓。如下文及圖3中將更詳細(xì)地論述，在較高光強(qiáng)度條件下，浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)280處的電壓電平將由于作為較高強(qiáng)度入射光的結(jié)果在光電二極管210中光生的電子的積累而為低的。因此，在此些較高光強(qiáng)度條件中，浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)280處的電壓電平將致使第一放大器晶體管240A在第二放大器晶體管240B實(shí)質(zhì)上關(guān)斷時(shí)保持實(shí)質(zhì)上接通。然而，在較低光強(qiáng)度條件下，浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)280處的電壓電平將較高，這是因?yàn)樵谶@些條件下，與在較高光強(qiáng)度條件下相比， 較少光生電子被傳送到浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)280。在此些較低光強(qiáng)度條件中，浮動(dòng)擴(kuò)散FD節(jié)點(diǎn)280處的電壓電平將致使具有較低閾值電壓的第一放大器晶體管240A及具有較高閾值電壓的第二源極隨耦器晶體管240b兩者保持實(shí)質(zhì)上接通。
[0033]在一個(gè)實(shí)例中，可通過(guò)使半導(dǎo)體材料中的溝道區(qū)域中的摻雜濃度及/或摻雜劑類(lèi)型在其相應(yīng)多晶硅柵極下相應(yīng)地變化而獲得第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B的不同閾值電壓。因此，在此實(shí)例中，第一放大器晶體管240A的溝道區(qū)域中的摻雜濃度不同于第二放大器晶體管240B的溝道區(qū)域中的摻雜濃度。在一個(gè)實(shí)例中，可通過(guò)用P型摻雜劑摻雜第二放大器晶體管240B的溝道區(qū)域而增加此晶體管的閾值電壓。
[0034]在另一實(shí)例中，可通過(guò)用具有相反極性的摻雜劑摻雜第一放大器晶體管240A及第二放大器晶體管240B的多晶硅柵極而獲得兩個(gè)放大器晶體管的不同閾值電壓。例如，在圖2中所圖解說(shuō)明的實(shí)例中，可用P型摻雜劑摻雜第一放大器晶體管240A的多晶硅柵極，而可用η型摻雜劑摻雜第二放大器晶體管240Β的多晶娃柵極。在一個(gè)實(shí)例中，第一放大器晶體管240Α及第二放大器晶體管240Β的多晶硅柵極可各自具有IO18離子/立方厘米到IO19離子/立方厘米的摻雜劑濃度。
[0035]圖3是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的來(lái)自具有不同增益特性的多個(gè)放大器晶體管的輸出信號(hào)340Α及340Β的實(shí)例與利用輸出信號(hào)340Α及340Β作為分量信號(hào)的實(shí)例性放大信號(hào)345之間的實(shí)例性關(guān)系的圖式390。在一個(gè)實(shí)例中，應(yīng)了解,輸出信號(hào)340Α可為來(lái)自圖2的放大器晶體管240Α的輸出信號(hào)的一個(gè)實(shí)例且輸出信號(hào)340Β可為來(lái)自圖2的放大器晶體管240Β的輸出信號(hào)的一個(gè)實(shí)例。因此，在所描繪的實(shí)例中，假設(shè)產(chǎn)生輸出信號(hào)340Α的放大器晶體管具有不同于產(chǎn)生輸出信號(hào)340Β的放大器晶體管的增益特性及較低閾值電壓。[0036]在所描繪的實(shí)例中，第一輸出信號(hào)340A及第二輸出信號(hào)340B各自為表不入射于像素單元的光電二極管上的光的放大信號(hào)345的分量信號(hào)。如圖3的實(shí)例中所展示，當(dāng)產(chǎn)生放大信號(hào)345時(shí)，針對(duì)入射于光電二極管上的較高強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中第一輸出信號(hào)340A具有比第二輸出信號(hào)340B大的權(quán)重。實(shí)際上，如上文所論述，當(dāng)光的強(qiáng)度增加時(shí)，在光電二極管中積累的電子的數(shù)目增加，此使第一及第二放大器晶體管的柵極上的電壓相應(yīng)地降低。由于在所述實(shí)例中第一放大器晶體管具有比第二放大器晶體管低的閾值電壓，因此針對(duì)較高光強(qiáng)度，第一輸出信號(hào)340A趨向于保持實(shí)質(zhì)上接通而第二輸出信號(hào)340B趨向于實(shí)質(zhì)上關(guān)斷。
[0037]另一方面，如所描繪的實(shí)例中所展示，針對(duì)入射于光電二極管上的較低強(qiáng)度的光，在放大信號(hào)345中第二輸出信號(hào)340B具有比第一輸出信號(hào)340A大的權(quán)重。如上文所論述，當(dāng)光的強(qiáng)度減少時(shí)，在光電二極管中積累的光生電子的數(shù)目保持較小，此允許第一及第二放大器晶體管的柵極上的電壓保持較高。由于第一及第二放大器晶體管的柵極上的電壓保持較高，因此針對(duì)較低強(qiáng)度的入射光，第一輸出信號(hào)340A及第二輸出信號(hào)340B兩者均保持實(shí)質(zhì)上接通。
[0038]因此，通過(guò)具有如上文所描述的不同閾值電壓及增益特性，產(chǎn)生第一輸出信號(hào)340A及第二輸出信號(hào)340B的第一與第二放大器晶體管具有不同的對(duì)入射于像素單元的光電二極管上的光的不同強(qiáng)度的敏感度。根據(jù)本發(fā)明的教示，通過(guò)基于如所論述的入射光的強(qiáng)度給第一輸出信號(hào)340A及第二輸出信號(hào)340B的分量貢獻(xiàn)加權(quán),放大信號(hào)345從利用第一輸出信號(hào)340A及第二輸出信號(hào)340B的像素單元提供在較高動(dòng)態(tài)范圍的光強(qiáng)度內(nèi)具有增加的敏感度的HDR信息。
[0039]圖4是圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的利用包含多個(gè)像素單元的像素陣列405的實(shí)例性成像系統(tǒng)400的框圖。明確地說(shuō)，如所描繪的實(shí)例中所展示，成像系統(tǒng)400包含像素陣列405、讀出電路410、功能邏輯420及控制電路430。
[0040]在所述實(shí)例中，像素陣列405為成像傳感器單元或像素單元(例如，像素P1、P2、…、Pn)的一個(gè)二維(2D)陣列。在一個(gè)實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，每一像素單元為包含第一及第二放大器晶體管的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像像素。像素陣列405可實(shí)施為前側(cè)照明的圖像傳感器或背側(cè)照明的圖像傳感器。如所圖解說(shuō)明，每一像素單元布置成行(例如，行Rl到Ry)及列(例如，列Cl到Cx)以采集人、地方或?qū)ο蟮膱D像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)來(lái)再現(xiàn)所述人、地方或?qū)ο蟮膱D像。
[0041]明確地說(shuō)，在每一像素單元已采集其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，讀出電路410讀出所述圖像數(shù)據(jù)且傳送到功能邏輯420。讀出電路410分別包括多個(gè)列讀出塊415。在所圖解說(shuō)明的實(shí)例中，布置于同一列中的像素單元使其相應(yīng)第一輸出信號(hào)BLJM70A及第二輸出信號(hào)BL_L470B經(jīng)耦合以由讀出電路410中的同一列讀出塊415接收。在一個(gè)實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，每一列讀出塊415包含用以基于如上文所詳細(xì)論述的入射光的強(qiáng)度響應(yīng)于分量第一輸出信號(hào)470A及第二輸出信號(hào)470B而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)放大信號(hào)的電路。
[0042]在一個(gè)實(shí)例中，讀出電路410可包含放大電路、模/數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路或其它電路。功能邏輯420可僅存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)或甚至通過(guò)應(yīng)用圖像后效應(yīng)(例如，修剪、旋轉(zhuǎn)、移除紅目艮、調(diào)整亮度、調(diào)整對(duì)比度或其它)來(lái)操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，讀出電路410可沿讀出列線(在圖4中圖解說(shuō)明為第一輸出信號(hào)位線BLJM70A及第二輸出信號(hào)位線BL_L470B)一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)，或者可使用多種其它技術(shù)(未圖解說(shuō)明)同時(shí)讀出圖像數(shù)據(jù)，例如串行讀出、沿讀出行線的列讀出或所有像素的全并行讀出。
[0043]在一個(gè)實(shí)例中，控制電路430耦合到像素陣列405且包含用于控制像素陣列405的操作特性的邏輯。舉例來(lái)說(shuō)，控制電路430可產(chǎn)生復(fù)位RST信號(hào)、行選擇RS_H及RS_L信號(hào)以及傳送信號(hào)TX?？刂齐娐?30還可產(chǎn)生用于控制圖像采集的快門(mén)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，所述快門(mén)信號(hào)為用于同時(shí)啟用像素陣列405內(nèi)的所有像素以在單個(gè)采集窗期間同時(shí)捕獲其相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的全局快門(mén)信號(hào)。在替代實(shí)例中，快門(mén)信號(hào)為借以在連貫采集窗期間順序地啟用每一行像素、每一列像素或每一像素群組的滾動(dòng)快門(mén)信號(hào)。
[0044]在一個(gè)實(shí)例中，成像系統(tǒng)400為包含于電子系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。此些電子系統(tǒng)的實(shí)例包含移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)療裝置，且可進(jìn)一步包含包括與電子系統(tǒng)相關(guān)的計(jì)算或處理單元的操作單元。例如，實(shí)例性電子系統(tǒng)可為移動(dòng)電話，且所述操作單元可為處置電子系統(tǒng)的電話操作的包含于所述移動(dòng)電話中的電話模塊。
[0045]圖5A是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的像素單元500的布置的一個(gè)實(shí)例的圖式。如所描繪的實(shí)例中所展示，布置于同一列中的像素單元500可耦合到相同第一讀出列線BL_H570A及第二讀出列線BL_L570B。在此實(shí)例中，每一對(duì)讀出列線BL_H570A及BL_L570B耦合到多個(gè)列讀出塊515中的一者。具有X列像素單元500的像素陣列可具有包含X個(gè)列讀出塊的讀出電路。
[0046]圖5B是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的像素單元500的布置的另一實(shí)例的圖式。如所描繪的實(shí)例中所展示，布置于兩個(gè)鄰近列中的像素單元500可時(shí)分一個(gè)列讀出塊515。在此實(shí)例中，具有X列像素單元500的像素陣列可具有X/2個(gè)列讀出塊515。在又一實(shí)例中，N個(gè)鄰近列的像素單元500可時(shí)分每一列讀出塊515。在此實(shí)例中，具有X列的像素陣列可包含X/N個(gè)列讀出塊。
[0047]包含發(fā)明摘要中所描述的內(nèi)容的本發(fā)明的所圖解說(shuō)明實(shí)例的以上說(shuō)明并不打算為窮盡性或限制于所揭示的精確形式。盡管出于說(shuō)明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實(shí)施例及實(shí)例，但可在不背離本發(fā)明的較寬廣精神及范圍的情況下做出各種等效修改。
[0048]可根據(jù)以上詳細(xì)說(shuō)明對(duì)本發(fā)明的實(shí)例做出這些修改。所附權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求書(shū)中所揭示的特定實(shí)施例。而是，所述范圍將完全由所附權(quán)利要求書(shū)確定，所述權(quán)利要求書(shū)將根據(jù)權(quán)利要求書(shū)解釋的所確立原則來(lái)加以理解。本說(shuō)明書(shū)及圖應(yīng)相應(yīng)地視為說(shuō)明性而非限定性。
【權(quán)利要求】
1.一種供在高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器中使用的像素單元，其包括: 光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的光而積累電荷； 傳送晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述傳送晶體管耦合于浮動(dòng)擴(kuò)散部與所述光電二極管之間； 第一放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第一輸出信號(hào)的源極端子；及 第二放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第二輸出信號(hào)的源極端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其中所述第一放大器晶體管具有第一閾值電壓及第一增益，其中所述第二放大器晶體管具有第二閾值電壓及第二增益，其中所述第一閾值電壓不同于所述第二閾值電壓且所述第一增益不同于所述第二增益，使得所述第一放大器晶體管與所述第二放大器晶體管具有不同的對(duì)入射于所述光電二極管上的所述光的強(qiáng)度的敏感度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的像素單元，其中在入射于所述光電二極管上的所述光的較低光強(qiáng)度條件期間，所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管兩者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上接通，且其中在入射于所述光電二極管上的所述光的較高光強(qiáng)度條件期間，所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管中的一者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上接通且所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管中的另一者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上關(guān)斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的像素單元，其中所述第一放大器晶體管的溝道區(qū)域具有第一摻雜濃度且其中所述第二放大器晶體管的溝道區(qū)域具有第二摻雜濃度，其中所述第一摻雜濃度不同于所述第二摻雜濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的像素單元，其中所述第一放大器晶體管的所述柵極端子包括具有第一極性的半導(dǎo)體材料且其中所述第二放大器晶體管的所述柵極端子包括具有第二極性的半導(dǎo)體材料，其中所述第一極性為與所述第二極性相反的極性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的像素單元，其中所述第一極性及所述第二極性中的一者為η型極性，且所述第一極性及所述第二極性中的另一者為P型極性。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的像素單元，其中所述像素單元的所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)各自為響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的所述光的放大信號(hào)的分量信號(hào)，其中針對(duì)入射于所述光電二極管上的較高強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中所述第一輸出信號(hào)具有比所述第二輸出信號(hào)大的權(quán)重，且其中針對(duì)入射于所述光電二極管上的較低強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中所述第二輸出信號(hào)具有比所述第一輸出信號(hào)大的權(quán)重。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其進(jìn)一步包括: 第一選擇晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一選擇晶體管耦合于所述第一放大器晶體管與第一位線之間；及 第二選擇晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二選擇晶體管耦合于所述第二放大器晶體管與第二位線之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的像素單元，其進(jìn)一步包括安置于所述半導(dǎo)體材料中的復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部。
10.一種高動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)，其包括: 像素陣列，其具有多個(gè)像素單元，其中所述多個(gè)像素單元中的每一者包含: 光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的光而積累電荷； 傳送晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述傳送晶體管耦合于浮動(dòng)擴(kuò)散部與所述光電二極管之間； 第一放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第一輸出信號(hào)的源極端子；及 第二放大器晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二放大器晶體管具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子及經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述像素單元的第二輸出信號(hào)的源極端子； 控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個(gè)像素單元中的每一者讀出所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述多個(gè)像素單元布置成多個(gè)行及多個(gè)列，其中所述讀出電路包含多個(gè)讀出塊，其中所述多個(gè)讀出塊中的每一者經(jīng)耦合以從所述像素單元的所述多個(gè)列中的一者或一者以上接收所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所 述的成像系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括耦合到所述讀出電路以存儲(chǔ)從所述多個(gè)像素單元讀出的圖像數(shù)據(jù)的功能邏輯。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述第一放大器晶體管具有第一閾值電壓及第一增益，其中所述第二放大器晶體管具有第二閾值電壓及第二增益，其中所述第一閾值電壓不同于所述第二閾值電壓且所述第一增益不同于所述第二增益，使得所述第一放大器晶體管與所述第二放大器晶體管具有不同的對(duì)入射于所述光電二極管上的所述光的強(qiáng)度的敏感度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像系統(tǒng)，其中在入射于所述光電二極管上的所述光的較低光強(qiáng)度條件期間，所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管兩者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上接通，且其中在入射于所述光電二極管上的所述光的較高光強(qiáng)度條件期間，所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管中的一者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上接通且所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管中的另一者經(jīng)耦合以實(shí)質(zhì)上關(guān)斷。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像系統(tǒng)，其中所述第一放大器晶體管的溝道區(qū)域具有第一摻雜濃度且其中所述第二放大器晶體管的溝道區(qū)域具有第二摻雜濃度，其中所述第一摻雜濃度不同于所述第二摻雜濃度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像系統(tǒng)，其中所述第一放大器晶體管的所述柵極端子包括具有第一極性的半導(dǎo)體材料且其中所述第二放大器晶體管的所述柵極端子包括具有第二極性的半導(dǎo)體材料，其中所述第一極性為與所述第二極性相反的極性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的成像系統(tǒng)，其中所述第一極性及所述第二極性中的一者為η型極性，且所述第一極性及所述第二極性中的另一者為P型極性。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像系統(tǒng)，其中所述像素單元的所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)各自為響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的所述光的放大信號(hào)的分量信號(hào)，其中針對(duì)入射于所述光電二極管上的較高強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中所述第一輸出信號(hào)具有比所述第二輸出信號(hào)大的權(quán)重，且其中針對(duì)入射于所述光電二極管上的較低強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中所述第二輸出信號(hào)具有比所述第一輸出信號(hào)大的權(quán)重。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述多個(gè)像素單元中的每一者進(jìn)一步包括: 第一選擇晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第一選擇晶體管耦合于所述第一放大器晶體管與第一位線之間；及 第二選擇晶體管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，所述第二選擇晶體管耦合于所述第二放大器晶體管與第二位線之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述多個(gè)像素單元中的每一者進(jìn)一步包括安置于所述半導(dǎo)體材料中的復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部。
21.一種用于從像素單元產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法，其包括: 響應(yīng)于入射于光電二極管上的光而在所述光電二極管中光生電荷； 經(jīng)由傳送晶體管在所述光電二極管與浮動(dòng)擴(kuò)散部之間傳送所述電荷； 借助具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子的第一放大器晶體管響應(yīng)于所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的所述電荷而產(chǎn)生第一輸出信號(hào)，其中在所述第一放大器晶體管的源極端子處產(chǎn)生所述第一輸出信號(hào)；及 借助具有耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的柵極端子的第二放大器晶體管響應(yīng)于所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的所述電荷而產(chǎn)生第二輸出信號(hào)，其中在所述第二放大器晶體管的源極端子處產(chǎn)生所述第二輸出信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中產(chǎn)生所述第一輸出信號(hào)包括借助具有第一增益的所述第一放大器晶體管放大所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的電壓，其中產(chǎn)生所述第二輸出信號(hào)包括借助具有第二增益的所述第二放大器晶體管放大所述浮動(dòng)擴(kuò)散部處的所述電壓，其中所述第一增益不同于所述第二增益。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述像素單元的所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)各自為響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的所述光的放大信號(hào)的分量信號(hào)，所述方法進(jìn)一步包括: 針對(duì)入射于所述光電二極管上的較高強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中給所述第一輸出信號(hào)加比所述第二輸出信號(hào)大的權(quán)重；及 針對(duì)入射于所述光電二極管上的較低強(qiáng)度的光，在所述放大信號(hào)中給所述第二輸出信號(hào)加比所述第一輸出信號(hào)大的權(quán)重。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包括借助分別耦合到所述第一放大器晶體管及所述第二放大器晶體管的第一選擇晶體管及第二選擇晶體管選擇所述第一輸出信號(hào)及所述第二輸出信號(hào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法,其進(jìn)一步包括在響應(yīng)于入射于所述光電二極管上的所述光而在所述光電二極管中光生所述電荷之前，借助耦合到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部的復(fù)位晶體管對(duì)所述浮動(dòng)擴(kuò)散部及所述光電二極管處的所述電荷進(jìn)行復(fù)位。
【文檔編號(hào)】H04N5/335GK104023183SQ201310511423
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】陳剛, 林志強(qiáng), 胡信中, 毛杜立, 戴幸志 申請(qǐng)人:全視科技有限公司