專利名稱：雙轉(zhuǎn)換增益成像器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及成像器裝置，更具體地說，涉及雙轉(zhuǎn)換增益成像器裝置。
背景包括電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)成像器等成像裝置通常用于照像成像應(yīng)用。
CMOS成像器電路包括像素單元的焦平面陣列。每個(gè)像素單元包括光轉(zhuǎn)換裝置或光電傳感器，如光電門、光電導(dǎo)體或光電二極管，用于生成和累積在陣列襯底一部分中的光生電荷。讀出電路連接到各像素單元并包括至少一個(gè)輸出晶體管，該晶體管從摻雜擴(kuò)散區(qū)接收光生電荷，并產(chǎn)生通過像素存取晶體管讀出的輸出信號。
一種典型的COMS成像器像素電路即三晶體管(3T)像素包含用于提供光生電荷到擴(kuò)散區(qū)域的光電傳感器；用于復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域的復(fù)位晶體管；具有連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的柵極、用于產(chǎn)生輸出信號的源極跟隨晶體管；以及用于選擇性地將所述源極跟隨晶體管連接到像素陣列列線的行選擇晶體管。另一種典型的COMS成像器像素采用四晶體管(4T)配置，這類似于3T配置，但利用一個(gè)傳輸晶體管來對從所述光電傳感器到所述擴(kuò)散區(qū)域和所述源極跟隨晶體管的電荷進(jìn)行門控以便輸出。
例如，在以下授予Rhodes的美國專利中，描述了示范COMS成像電路、其處理步驟及成像電路的各種CMOS元件的功能的詳細(xì)說明6140630、6376868、6310366、6326652、6204524及6333205。上述每個(gè)專利的公開內(nèi)容通過引用全部結(jié)合于本文中。
有兩種普通類型的成像器。第一種類型組合了低電容光電傳感器和低電容浮動擴(kuò)散區(qū)域。此組合產(chǎn)生了具有高轉(zhuǎn)換增益和極佳微光敏感度，但動態(tài)范圍差和全阱容量低的成像器。第二種類型的成像器組合了高蓄電量光電傳感器和高蓄電量浮動擴(kuò)散區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)高全阱容量和動態(tài)范圍。然而，此成像器具有低轉(zhuǎn)換增益和差的微光敏感度。
因此，需要并期望有一種具有極佳微光敏感度能和高動態(tài)范圍的成像器。
概述本發(fā)明提供一種具有改善的微光敏感度和高動態(tài)范圍的成像器。
上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)通過為成像器提供雙轉(zhuǎn)換增益浮動擴(kuò)散區(qū)域而在本發(fā)明的不同實(shí)施例中得以實(shí)現(xiàn)。雙轉(zhuǎn)換增益區(qū)域產(chǎn)生(1)高轉(zhuǎn)換增益和敏感度以實(shí)現(xiàn)極佳微光性能以及(2)高全阱容量和轉(zhuǎn)換增益以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍。雙轉(zhuǎn)換增益元件耦合在每個(gè)浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的電容器之間。雙轉(zhuǎn)換增益元件接入電容器的電容以將FD節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改為第二轉(zhuǎn)換增益。成像器可以是CMOS或CCD型成像器。
附圖簡述通過如下參照附圖對示范實(shí)施例所作的詳細(xì)說明，可清楚本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)及特征，這些附圖中圖1a-1d是根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例構(gòu)建的CMOS成像器像素；圖2a-2d是表示在第一照明情況下圖1a所示像素操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖；圖3是圖1a所示像素操作的時(shí)序圖；圖4a-4c是表示在第二照明情況下圖1a所示像素操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖；圖5a顯示了圖1a所示像素操作期間像素信號與曝光量關(guān)系曲線；圖5b顯示了圖1a所示像素操作期間的經(jīng)調(diào)整像素信號與光誘導(dǎo)電子關(guān)系曲線；圖6顯示了圖1a所示像素的示范布局的頂視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例構(gòu)建的CMOS成像器像素；圖8顯示圖7所示像素的示范布局；圖9a和9b是表示在第一照明情況下圖7所示像素操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖；圖10a和10b是表示在第二照明情況下圖7所示像素操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例構(gòu)建的CCD成像器的一部分；圖12是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)建的示范成像器；以及圖13顯示了結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)建的至少一個(gè)成像器裝置的處理器系統(tǒng)。
詳細(xì)說明在如下詳細(xì)說明中，參考了作為本說明書一部分的附圖，并且這些圖中通過圖示示出了據(jù)以實(shí)施本發(fā)明的各種實(shí)施例。這些實(shí)施例作了足夠詳細(xì)的描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┎⒗帽景l(fā)明。要理解的是，可利用其它實(shí)施例，并且在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可改變結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣及所用材料。另外，描述了某些處理步驟并公開了特殊的處理步驟順序；然而，步驟的次序并不限于本文所述，并且除必需按一定順序執(zhí)行的步驟或動作外，步驟順序可如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣加以改變。
術(shù)語“晶片”和“襯底”要理解為可互換的，包括硅、硅絕緣體(SIO)或硅藍(lán)寶石(SOS)、摻雜或未摻雜半導(dǎo)體、基半導(dǎo)體基底支持的硅外延層和其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，在如下說明中引用“晶片”或“襯底”時(shí)，以前的工藝步驟可用于在基半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基底中或其上形成區(qū)域、結(jié)點(diǎn)或材料層。另外，半導(dǎo)體無需基于硅，而可基于硅鍺、鍺、砷化鎵或其它已知的半導(dǎo)體材料。
術(shù)語“像素”指包含光電轉(zhuǎn)換裝置或光電傳感器以及用于處理由所述光電轉(zhuǎn)換裝置感應(yīng)到的電磁輻射的電信號的晶體管。僅為了便于舉例，本文所述的像素被表示和描述為對四晶體管(4T)像素電路的發(fā)明性修改。應(yīng)理解，本發(fā)明不限于四晶體管(4T)像素，而是可用于具有少于四晶體管(如3T)或多于四晶體管(如5T)的其它像素配置。雖然本文參照一個(gè)像素的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，這代表成像器裝置陣列中的多個(gè)像素。另外，雖然下面參照CMOS成像器描述了本發(fā)明，但本發(fā)明適用于具有像素的任何固態(tài)成像裝置。因此，下面的詳細(xì)說明不應(yīng)從限制意義上進(jìn)行理解，并且本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定。
現(xiàn)在參考附圖，附圖中類似的標(biāo)號表示類似的元件，圖1a表示本發(fā)明的CMOS像素10a的示范實(shí)施例。類似于大多數(shù)4T像素，像素10a包括光電傳感器12、浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)、傳輸晶體管14或傳輸門(TGT)、復(fù)位晶體管16、源極跟隨晶體管18和行選擇晶體管20。然而，在所示實(shí)施例中，像素10a還包括配置為晶體管30的雙轉(zhuǎn)換增益元件(DCGT)和像素內(nèi)電容器32(CAP)。因此，像素10a配置為新穎的5T像素，其操作將在下面予以更詳細(xì)的描述。正如會清楚的那樣，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30和電容器32形成了用于浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的轉(zhuǎn)換增益改變電路。
光電傳感器12是高蓄電量光電傳感器。高蓄電量光電傳感器12可以是具有高夾斷電壓Vpin的光電二極管、連接到電容器的光電二極管、光電門或具有高蓄電量的任一類似光敏器件。在所示實(shí)施例中，高蓄電量光電傳感器12是具有高Vpin(如2.3伏)的光電二極管(PD)。然而，應(yīng)理解，任一上述光電傳感器可用于實(shí)施本發(fā)明。光電傳感器12經(jīng)傳輸晶體管14耦合到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22。浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22最好具有低電容，以便它具有20μV/e到150μV/e或最好30μV/e到70μV/e的高轉(zhuǎn)換增益。
將高蓄電量光電傳感器12與低電容浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22組合是一種新穎方案，為像素10a提供了高動態(tài)范圍，下面將對此予以闡明。過去，由于低電容擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22不具有足夠的電荷處理容量，無法接收高蓄電量光電傳感器12的收集的所有電子，因而無法使用這種組合。過去，這種組合如果暴露在亮光下還會造成電荷共用和滯后問題，由于電荷共用和滯后問題會導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，因此在設(shè)計(jì)像素時(shí)一般要避免這些問題。然而，如下面將論述的一樣，在與雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30和電容器32結(jié)合使用時(shí)，采用高蓄電量光電傳感器12和低電容浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22可提供必要幫助。
雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30的源極端子連接到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22，其漏極連接到像素內(nèi)電容器32的第一側(cè)。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30的柵極連接到雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG。電容器的第二側(cè)連接到陣列像素電源電壓Vaa-pix。授予Rhodes的美國專利No.6429470描述了可用作像素內(nèi)電容器32的優(yōu)選存儲電容器；該專利的公開內(nèi)容通過引用全部結(jié)合于本文中。最好設(shè)置電容器32的電容，使得QPD≤QCAP+QFD，其中，QPD是光電傳感器12的電荷處理電容，QCAP是電容器32的電荷處理電容，并且QFD是浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的電荷處理電容。雙轉(zhuǎn)換增益信號(DCG)由控制像素操作的圖像處理器或其它控制電路生成。此處理器或控制電路可利用其它光電傳感器或非成像像素來確定正在處理的光量并相應(yīng)地生成信號(如下所述)。
電容器32的電容接入像素10a，并在圖像處理器(或其它控制電路)施加雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG以接通雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30時(shí)耦合到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22。下面將會闡明，視應(yīng)用和/或用戶喜好而定，DCG信號可在不同的時(shí)間生成。一旦電容器32耦合到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22，則浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的轉(zhuǎn)換增益將從大約20-150μV/e降到大約2-20μV/e。因此，在雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG接通雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30時(shí)，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22具有第二轉(zhuǎn)換增益。這樣，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30和晶體管32形成了浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的轉(zhuǎn)換增益改變電路。
圖1b-1d顯示了本發(fā)明的其它示范實(shí)施例。圖1b顯示像素10b，其中電容器32耦合在雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30與地(而非陣列電源電壓Vaa-pix)之間。圖1c顯示像素10c，其中電容器32和雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30的位置被互換(相對于其在圖1a和1b所示像素10a、10b中的位置)。圖1d顯示另一示范像素10d，其中電容器32和雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30的位置被互換(相對于其在圖1a和1b所示像素10a、10b中的位置)，修改之處是雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30耦合到地(而不是陣列電源電壓Vaa-pix)。
像素10a、10b、10c的其余電路如下連接。復(fù)位晶體管16連接在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22與陣列像素電源電壓Vaa-pix(如3.3伏)之間。復(fù)位控制信號RESET用于激活復(fù)位晶體管16，該晶體管將光電傳感器12與浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22復(fù)位，如本領(lǐng)域中已知。為簡明起見，用Vaa-pix+Vt-reset的“on”電壓激活復(fù)位晶體管16，其中，Vt-reset是復(fù)位晶體管16的晶體管閾值電壓，一般為0.7伏。對復(fù)位晶體管16進(jìn)行這種“過驅(qū)動”允許將浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22復(fù)位到陣列像素電源電壓Vaa-pix。這對實(shí)施本發(fā)明有利但非必需。源極跟隨晶體管18的柵極連接到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22，并且連接在陣列像素電源電壓Vaa-pix和行選擇晶體管20之間。源極跟隨晶體管18將浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22處存儲的電荷轉(zhuǎn)換成電輸出電壓信號Vout。行選擇晶體管20可由行選擇信號RS控制，以便選擇性地將源極跟隨晶體管18和輸出電壓信號Vout連接到像素陣列的列線。
現(xiàn)在參照圖1a、圖2a-2d和圖3描述在低曝光量下像素10a(圖1a)的操作示例。圖2a-2d是表示在第一照明情況下像素10a操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖。圖3是像素10a操作的時(shí)序圖。
最初，在激活適當(dāng)?shù)男羞x擇信號RS時(shí)選擇像素10a所在行。通過在復(fù)位和雙轉(zhuǎn)換增益晶體管16、30二者上的脈動脈沖，使被激活行的浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)和電容器32(CAP)復(fù)位。復(fù)位和雙轉(zhuǎn)換增益晶體管16、30隨后導(dǎo)通以建立圖2a所示的電位圖。所示浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(FD)復(fù)位到Vaa-pix的電壓。生成第一取樣保持信號SHR，使得連接到成像器列線的取樣保持電路會輸入與復(fù)位像素10a相關(guān)聯(lián)的源極跟隨晶體管18的輸出的任何信號并將該信號取樣和保持。
一旦復(fù)位，像素10a便暴露于來自在處理圖像的光線下。圖2b的電位圖顯示了由低曝光量引起的PD區(qū)域中的存儲電荷。對于低曝光量，光電二極管蓄電量阱僅稍微填充了光生成電子。傳輸門控制信號TG接通傳輸晶體管14(TGT)，這使PD中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到圖2c所示FD節(jié)點(diǎn)中。此時(shí)，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)具有低電容和高轉(zhuǎn)換增益，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)換增益晶體管30保持在截止?fàn)顟B(tài)。所有電荷從PD轉(zhuǎn)移到FD，并且由于曝光量低以及因?yàn)閂aa-pix＞Vpin，不存在電荷共用。會生成另一個(gè)取樣保持信號SHS1，使得到成像器列線的取樣保持電路將(經(jīng)晶體管18)輸入與轉(zhuǎn)移的電荷相關(guān)聯(lián)的信號并對該信號取樣和保持。隨后，相關(guān)雙取樣(correlateddouble sampling)可用于從取樣的復(fù)位信號(SHR)中減去取樣的曝光信號(SHS1)，以確定由于像素10a的曝光所產(chǎn)生的像素信號輸出值變化。
在讀取SHS1信號后，并且傳輸門控制信號TG使傳輸晶體管14(TGT)保持在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，會生成雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG，這使雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30(DCGT)激活，并接入電容器32(CAP)的電容，如圖2d電位圖所示。浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)上的極低信號由電容器32(CAP)的增加電容引起。會生成另一取樣保持信號SHS2，使得到成像器列線的取樣保持電路將(經(jīng)晶體管18)輸入與此微光電荷相關(guān)聯(lián)的信號并對其進(jìn)行取樣和保持，并且現(xiàn)在雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30轉(zhuǎn)為“導(dǎo)通”。隨后，相關(guān)雙取樣可用于從取樣的復(fù)位信號(SHR)減去取樣的曝光信號(SHS2)，以確定由于像素10a的曝光而產(chǎn)生的像素信號輸出值變化。視應(yīng)用而定，圖像處理器可使用此像素輸出信號變化、以前計(jì)算的輸出信號變化或這兩個(gè)信號的組合。這樣，實(shí)現(xiàn)了雙轉(zhuǎn)換增益圖像傳感器。光信號首先被高轉(zhuǎn)換增益浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(FD)檢測為SHS1-SHR，隨后由低轉(zhuǎn)換增益浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(FD)取樣為SHS2-SHR。
現(xiàn)在參照圖1a、圖3和圖4a-4c描述在亮光或強(qiáng)光照射下像素操作的示例。最初，如參照圖2a所述，復(fù)位像素10a，并獲得與復(fù)位條件相關(guān)聯(lián)的信號。一旦復(fù)位，像素10a便暴露在來自正在處理的圖像的光線下。圖4a的電位圖顯示了由亮光照射引起的電荷飽和PD。PD蓄電量阱完全由曝光產(chǎn)生的電子充滿。傳輸門控制信號TG接通傳輸晶體管14(TGT)，這導(dǎo)致PD與浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(FD)之間電荷共用，如圖4b所示。由于浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)的電荷處理電容小于光電傳感器12的電荷處理電容，因此，發(fā)生了電荷共用。會生成取樣與保持信號SHS1，以便連接到成像器列線的取樣保持電路會(經(jīng)晶體管18)輸入與飽和共用電荷相關(guān)聯(lián)的信號并對其進(jìn)行取樣和保持。隨后，相關(guān)雙取樣可用于從取樣的復(fù)位信號(SHR)中減去取樣的曝光信號(SHS1)，以確定由于像素10a的曝光而產(chǎn)生的像素信號輸出值變化。
在讀取信號后，并且傳輸門控制信號TG使傳輸晶體管14(TGT)保持在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，會生成雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG，這使雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30(DCGT)激活，并接入電容器32(CAP)的電荷處理電容?，F(xiàn)在，PD的電荷處理電容小于浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)與電容器32的組合電荷處理電容。這意味著現(xiàn)在可進(jìn)行到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的完全電荷轉(zhuǎn)移，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22現(xiàn)在因附加的電容而成為低轉(zhuǎn)換增益節(jié)點(diǎn)，如圖4c所示。這使得在取樣保持信號SHS2生成時(shí)可對高全阱信號取樣。隨后，相關(guān)雙取樣可用于確定像素信號輸出值變化。
為避免在亮光照射下的電荷共用與導(dǎo)致滯后的問題，必須小心選擇電容器32(CAP)。將夾斷的光電二極管的電荷處理電容定義為QPD=∫0VpinCPDdV·]]>浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)的電荷處理電容為QFD=∫VpinVaa-pixCFDdV·]]>電容器32(CAP)的電荷處理電容為QCAP＝CCAP[Vaa-pix-Vpin]。只要選擇電容器32的電容CCAP，使得QPD＜QFD+QCAP，則在測量SHS2時(shí)在亮光照射下將不會發(fā)生電荷共用，并且不會產(chǎn)生圖像滯后問題。雖然在某些定時(shí)應(yīng)用下，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置像素內(nèi)電容器32(CAP)的電容是有利的，但這不是實(shí)施本發(fā)明的要求。
圖5a顯示了圖1a所示像素10a操作期間像素信號與曝光量的關(guān)系曲線。線條50顯示與雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30截止時(shí)存儲在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22中的電荷相關(guān)聯(lián)的信號。也就是說，在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22具有低電容和高轉(zhuǎn)換增益時(shí)，線條50反映輸出信號Vout在達(dá)到某一閾值后變成飽和，該閾值電壓在所示示例中為大約Vthreshold＝Vaa-pix-Vpin＝3.3伏-2.3伏＝1.0伏。這是與對應(yīng)于50μV/e的高轉(zhuǎn)換增益示例的大約20Ke電荷相關(guān)聯(lián)的信號(SHS1-SHR)。此時(shí)，信噪比(S/N)近似為140db，這是可接受的比率。線條60顯示在雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30導(dǎo)通時(shí)與存儲在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22中的電荷相關(guān)聯(lián)的信號。也就是說，在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22具有高電容和低轉(zhuǎn)換增益時(shí)，線條60反映輸出信號Vout在20Ke閾值時(shí)不會變成飽和。如果低轉(zhuǎn)換增益設(shè)為5μV/e，則輸出(SHS2-SHR)在收集到200Ke前不會變成飽和。此時(shí)，S/N將增加到447。如果讀出噪聲為例如5e，則取得的動態(tài)范圍為100db。圖5b說明在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22最初具有高轉(zhuǎn)換增益，隨后切換到低轉(zhuǎn)換增益時(shí)產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)整像素信號70(如以上參照圖1-4所述)。光動態(tài)范圍已提高10倍?，F(xiàn)在，需要10倍以上光子來取得飽和的SHS2-SHR輸出信號。雖然圖5b顯示在雙轉(zhuǎn)換增益晶體管接通時(shí)輸出信號下降，但按信噪比(S/N)測量的性能未降低。在對本發(fā)明的操作和定時(shí)的示例描述中，需要三個(gè)取樣保持電容器來存儲三個(gè)信號SHR、SHS1和SHS2。
圖6給出了圖1a所示五晶體管(5T)像素10a的示范布局的頂視圖。如上所述，電容器32最好是像素內(nèi)電容器，這可根據(jù)美國專利No.6429470構(gòu)造。應(yīng)理解，本發(fā)明的像素10a不需要傳輸晶體管14。也就是說，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，無需插入晶體管(intervening transistor)便可連接光電傳感器12和浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30和像素內(nèi)電容器32將以相同的方式加以控制，將執(zhí)行相同的功能，并且將以如上參照圖1-5所述的相同方式改變浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的轉(zhuǎn)換增益。因此，本發(fā)明不限于包含傳輸門或傳輸晶體管的像素。
用于本發(fā)明不同實(shí)施例的另一操作模式是在像素級設(shè)置用戶可調(diào)增益。也就是說，為拍攝，可(按照明情況)使雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30接通或截止。如果雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30截止，則FD節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換增益為大約50μV/e。如果雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30導(dǎo)通，則FD節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換增益為大約5μV/e。在此操作模式下，在取樣保持電路中只保持兩個(gè)電壓電平(1)與復(fù)位操作相關(guān)聯(lián)的電壓電平；以及(2)與從光電傳感器發(fā)送到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的電荷相關(guān)聯(lián)的電壓電平。
圖7-8顯示根據(jù)本發(fā)明另一示范實(shí)施例構(gòu)造的CMOS成像器像素110。像素110基本上與圖1a所示像素10a相同。然而，所示實(shí)施例的像素110使用常規(guī)的多晶硅像素內(nèi)電容器132和任何常規(guī)光電傳感器112。雖然圖7-8示出五晶體管(5T)像素配置，但應(yīng)理解，實(shí)施本發(fā)明無需傳輸晶體管14。
圖9a和圖9b是表示在低照度條件下圖7所示像素110a的操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖。像素110之前已復(fù)位，并且正在接收圖像信號。一旦光電傳感器暴露在微光下，電荷便如圖9a所示在PD中累積。傳輸門控制信號TG接通傳輸晶體管14(TGT)，如圖9b所示，這使PD中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)中。此時(shí)，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)具有低電容和高轉(zhuǎn)換增益。由于曝光量低，因而不存在電荷共用。連接到成像器列線的取樣保持電路(經(jīng)晶體管18)輸入與存儲在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(FD)中的電荷相關(guān)聯(lián)的信號并對其進(jìn)行取樣和保持。隨后，相關(guān)雙取樣可用于確定像素信號輸出值。
與本發(fā)明的在先實(shí)施例一樣，光電傳感器在接收微光信號時(shí)，希望具有高轉(zhuǎn)換增益。這通過只使用低電容浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22(即，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30未接通)便可實(shí)現(xiàn)。
圖10a和10b是表示在亮光情況下在圖7所示像素110操作期間電荷轉(zhuǎn)移的電位圖。像素110之前已復(fù)位，并且正在接收圖像信號。一旦光電傳感器暴露在亮光下，電荷便在PD中累積(圖10a)。圖10a的電位圖顯示由于亮光照射引起的存儲在PD中的大量電荷。傳輸門控制信號TG接通傳輸晶體管14，并且雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG激活雙轉(zhuǎn)換增益晶體管30(DCGT)以接入電容器132(CAP)的電容。雙轉(zhuǎn)換增益信號(DCG)由正在控制像素操作的圖像處理器或其它控制電路生成。傳輸門控制信號TG和雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG可同時(shí)或基本上同時(shí)生成?，F(xiàn)在，PD的電荷處理電容小于浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22與電容器132的組合電荷處理電容。這意味著現(xiàn)在可進(jìn)行到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的完全電荷轉(zhuǎn)移，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22現(xiàn)在因附加的電荷處理電容而成為低轉(zhuǎn)換增益節(jié)點(diǎn)。這允許對高全阱信號進(jìn)行取樣。
如上所述，本發(fā)明不限于CMOS成像器。例如，本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)換增益原理可結(jié)合到CCD成像器中。圖11是根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例構(gòu)造的CCD成像器200的一部分。CCD成像器200包括用于將從成像器200的光敏器件輸入的電荷轉(zhuǎn)移的移位寄存器202。寄存器202通常稱為CCD成像器200的電荷耦合器件。寄存器202的最后或輸出級耦合到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22。復(fù)位晶體管的柵極206耦合在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22與電源電壓Vcc之間。源極跟隨晶體管208耦合在電源電壓Vcc與負(fù)載214之間，并輸出對應(yīng)于浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22上存儲電荷的信號Vout。到目前為止所述的所有電路是常規(guī)電路，并且是CCD成像技術(shù)領(lǐng)域已知的。
所示成像器200還包括雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210(DCGT)和電容器212(CAP)。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210耦合在浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22與電容器212之間，并由雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG控制。電容器212連接在雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210與電源電壓Vcc之間。在操作中，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210和電容器212用于將浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22的轉(zhuǎn)換增益從第一或高轉(zhuǎn)換增益狀態(tài)(即，生成DCG，使雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210截止并且電容器212與成像器200斷開)切換到第二或低轉(zhuǎn)換增益狀態(tài)(即生成DCG，使雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210導(dǎo)通，并且電容器212連接到浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)22)。因此，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管210和電容器212為CCD成像器200提供了雙轉(zhuǎn)換增益功能，這可得到高動態(tài)范圍和極佳微光性能。
圖12顯示具有結(jié)合了按照以上參照圖1-10所述方式構(gòu)造的像素10、110的像素陣列225的CMOS成像器裝置308的方框圖。像素陣列225包括以預(yù)定數(shù)量的列和行排列的多個(gè)像素。陣列225中每行的像素可同時(shí)由行選擇線接通，并且每列像素可由列選擇線選擇性地輸出。整個(gè)陣列225配置了多條行線和列線。行線由行驅(qū)動器240響應(yīng)行地址譯碼器230選擇性地激活，而列選擇線由列驅(qū)動器260響應(yīng)列地址譯碼器270選擇性地激活。這樣，為陣列225中的每個(gè)像素提供了行和列地址。
CMOS成像器裝置308由控制電路250操作，控制電路250控制地址譯碼器230、270，以便為像素讀出選擇適當(dāng)行線和列線，以及控制行和列驅(qū)動電路240、260，行和列驅(qū)動電路240、260將驅(qū)動電壓施加到所選行線與列線的驅(qū)動晶體管。通常，成像器裝置308中的信號流將在陣列225接收光輸入并生成電荷時(shí)從陣列225處開始。信號輸出到讀出電路，隨后再輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。隨后，信號傳送到圖像處理器、串行化器，然后從成像器裝置輸出。
圖13示出系統(tǒng)300以及系統(tǒng)300的輸入裝置，系統(tǒng)300是經(jīng)過修改以包括如圖12所示成像器裝置308的典型的基于處理器的系統(tǒng)。成像器裝置308還可從系統(tǒng)300接收控制數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)?？刹捎贸上衿餮b置308的基于處理器的系統(tǒng)的示例包括但不限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器可視系統(tǒng)、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻電話、監(jiān)控系統(tǒng)、自動聚焦系統(tǒng)、星象跟蹤系統(tǒng)、運(yùn)動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)及其它。
系統(tǒng)300包括通過總線304與不同裝置通信的中央處理器(CPU)302。連接到總線304的一些裝置實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)300的輸入和輸出通信，這些裝置例如包括圖示的輸入/輸出(I/O)裝置306和成像器裝置308。連接到總線304的其它裝置提供存儲裝置，例如包括隨機(jī)存取存儲器(RAM)310、硬盤驅(qū)動器312和諸如軟盤驅(qū)動器314與小型盤(CD)驅(qū)動器316等一個(gè)或多個(gè)外圍存儲裝置。成像器裝置308可與諸如CPU、數(shù)字信號處理器或微處理器等處理器結(jié)合到一個(gè)集成電路中。成像器裝置308可以是根據(jù)任一所示實(shí)施例構(gòu)造的CCD成像器或CMOS成像器。
因此，本發(fā)明提供了具有(1)高轉(zhuǎn)換增益和敏感度以實(shí)現(xiàn)極佳微光性能以及(2)高全阱容量和轉(zhuǎn)換增益以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍的成像器，這是采用當(dāng)前的圖像技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)理解，本發(fā)明的雙轉(zhuǎn)換增益原理可結(jié)合到許多不同的成像器裝置(CCD或CMOS)和成像器配置(如雙晶體管(2T)、3T、4T等)中。本發(fā)明的原理可結(jié)合任何電容器-晶體管串聯(lián)結(jié)構(gòu)利用。還應(yīng)理解，本發(fā)明不只限于雙轉(zhuǎn)換增益原理。也就是說，浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)可連接到多個(gè)雙轉(zhuǎn)換增益晶體管和相關(guān)的電容器，以便在需要時(shí)為浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)提供兩種以上的轉(zhuǎn)換增益。雖然本發(fā)明是參照一個(gè)示范時(shí)序圖(圖3)來進(jìn)行描述的，但可能采用其它時(shí)序。例如，存在允許選擇電容器312以便在SHS2取樣期間有電荷共用的應(yīng)用。在對SHS2取樣后，使傳輸門、雙轉(zhuǎn)換增益和復(fù)位晶體管同時(shí)接通，并使所有節(jié)點(diǎn)復(fù)位。這消除了共用電荷，并防止在下一讀出幀中出現(xiàn)滯后問題。這是具有與新穎的雙轉(zhuǎn)換增益概念相關(guān)聯(lián)的益處的替代時(shí)序示例。
上述過程和裝置說明了可利用和實(shí)施的許多方法和裝置中的優(yōu)選方法和典型裝置。上述說明和


了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不完全限于以上所述和所示的實(shí)施例。對本發(fā)明所作的屬于所附權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)的任何修改(包括目前不可預(yù)見的)均應(yīng)視為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種成像器裝置，它包括擴(kuò)散區(qū)域，其連接成接收來自光敏器件的存儲電荷；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的電路，所述電路為所述擴(kuò)散區(qū)域提供可在第一和第二轉(zhuǎn)換增益之間切換的至少一個(gè)雙轉(zhuǎn)換增益。
2.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述電路被控制為將所述第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅诙D(zhuǎn)換增益并且將所述第二轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅谝晦D(zhuǎn)換增益。
3.如權(quán)利要求2所述的成像器裝置，其特征在于，所述電路包括電容元件；以及雙轉(zhuǎn)換增益元件，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件被控制為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域獲得所述第二轉(zhuǎn)換增益。
4.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域具有與所述第一轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)的第一電容，所述電容元件具有第二電容，并且所述第一和第二電容的組合與所述第二轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)。
5.如權(quán)利要求4所述的成像器裝置，其特征在于，所述光敏器件具有大于所述第一電容且小于所述第一和第二電容的所述組合的電容。
6.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是具有連接成接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的柵極的晶體管。
7.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到電源電壓。
8.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到地電位。
9.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到電源電壓。
10.如權(quán)利要求3所述的成像器裝置，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到地電位。
11.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，基于所述裝置中檢測到的存儲電荷量控制所述電路。
12.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述成像器裝置是互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體成像器。
13.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述成像器裝置是電荷耦合器件成像器。
14.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述電路連接到成像器像素陣列的電源電壓。
15.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述電路連接到地電位。
16.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述電路為所述擴(kuò)散區(qū)域提供多于兩個(gè)轉(zhuǎn)換增益。
17.如權(quán)利要求1所述的成像器裝置，其特征在于，所述成像器裝置還包括用于對所述擴(kuò)散區(qū)域的參考輸出和多個(gè)像素信號輸出進(jìn)行取樣和保持操作的電路。
18.一種CMOS成像器像素，它包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述光電傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益改變電路，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路受控為將所述第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅诙D(zhuǎn)換增益以及將所述第二轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅谝晦D(zhuǎn)換增益。
19.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器具有第一電容，并且所述擴(kuò)散區(qū)域具有小于所述第一電容的第二電容。
20.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器是光電二極管。
21.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器是連接到電容器的光電二極管。
22.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器是光電門。
23.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器是光電導(dǎo)體。
24.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路包括電容元件；以及雙轉(zhuǎn)換增益元件，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域獲得所述第二轉(zhuǎn)換增益。
25.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域具有與所述第一轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)的第一電容，所述電容元件具有第二電容，并且所述第一和第二電容的組合與所述第二轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)。
26.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述光電傳感器具有大于所述第一電容且小于所述第一和第二電容的所述組合的電容。
27.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是具有連接成接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的柵極的晶體管。
28.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到電源電壓。
29.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到地電位。
30.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到電源電壓。
31.如權(quán)利要求24所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到地電位。
32.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)換增益在低照度條件期間使用，所述第二轉(zhuǎn)換增益在亮照度條件期間使用。
33.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路連接到成像器像素陣列的電源電壓。
34.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路連接到地電位。
35.如權(quán)利要求18所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素還包括用于對所述擴(kuò)散區(qū)域的參考輸出和多個(gè)像素信號輸出進(jìn)行取樣和保持操作的電路。
36.一種CMOS成像器像素，它包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；受控為復(fù)位所述像素的第一晶體管；受控為轉(zhuǎn)移來自所述光電傳感器的所述存儲電荷的第二晶體管；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述第二晶體管接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；電容元件；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述電容元件之間的第三晶體管，所述第三晶體管受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第二轉(zhuǎn)換增益。
37.如權(quán)利要求36所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述電容元件還耦合到電源電壓。
38.如權(quán)利要求36所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述電容元件還耦合到地電位。
39.如權(quán)利要求36所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素還包括第二電容元件；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第二電容元件之間的第四晶體管，所述第四晶體管受控為將所述第二電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第三轉(zhuǎn)換增益。
40.一種CMOS成像器像素，它包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；受控為復(fù)位所述像素的第一晶體管；受控為轉(zhuǎn)移來自所述光電傳感器的所述存儲電荷的第二晶體管；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述第二晶體管接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；第三晶體管；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第三晶體管之間的電容元件，所述第三晶體管受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第二轉(zhuǎn)換增益。
41.如權(quán)利要求40所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第三晶體管還耦合到電源電壓。
42.如權(quán)利要求40所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第三晶體管還耦合到地電位。
43.如權(quán)利要求40所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素還包括第四晶體管；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第四晶體管之間的第二電容元件，所述第四晶體管受控為將所述第二電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第三轉(zhuǎn)換增益。
44.一種CMOS成像器像素，它包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；受控為復(fù)位所述像素的第一晶體管；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述光電傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；電容元件；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述電容元件之間的第二晶體管，所述第二晶體管受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第二轉(zhuǎn)換增益。
45.如權(quán)利要求44所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述電容元件還耦合到電源電壓。
46.如權(quán)利要求44所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述電容元件還耦合到地電位。
47.如權(quán)利要求44所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素還包括第二電容元件；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第二電容元件之間的第三晶體管，所述第三晶體管受控為將所述第二電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第三轉(zhuǎn)換增益。
48.一種CMOS成像器像素，它包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；受控為復(fù)位所述像素的第一晶體管；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述光電傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；第二晶體管；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第二晶體管之間的電容元件，所述第二晶體管受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第二轉(zhuǎn)換增益。
49.如權(quán)利要求48所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第二晶體管還耦合到電源電壓。
50.如權(quán)利要求48所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述第二晶體管還耦合到地電位。
51.如權(quán)利要求48所述的CMOS成像器像素，其特征在于，所述CMOS成像器像素還包括第三晶體管；以及耦合在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述第三晶體管之間的第二電容元件，所述第三晶體管受控為將所述第二電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域至少獲得第三轉(zhuǎn)換增益。
52.一種CCD成像器，它包括用于輸入和輸出光生電荷的寄存器；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述寄存器接收所述光生電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益改變電路，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路受控為將所述第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅诙D(zhuǎn)換增益以及將所述第二轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅谝晦D(zhuǎn)換增益。
53.如權(quán)利要求52所述的成像器，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)換增益在低照度條件期間使用，所述第二轉(zhuǎn)換增益在亮照度條件期間使用。
54.如權(quán)利要求52所述的成像器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路包括電容元件；以及雙轉(zhuǎn)換增益零件，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域獲得所述第二轉(zhuǎn)換增益。
55.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域具有與所述第一轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)的第一電容，所述電容元件具有第二電容，并且所述第一和第二電容的組合與所述第二轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)。
56.如權(quán)利要求55所述的成像器，其特征在于，寄存器電荷存儲電容大于所述第一電容且小于所述第一和第二電容所述組合。
57.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是具有連接成接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的柵極的晶體管。
58.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，基于所述裝置中檢測到的存儲電荷量控制所述轉(zhuǎn)換增益改變電路。
59.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到電源電壓。
60.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述電容器的第二端子連接到地電位。
61.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到電源電壓。
62.如權(quán)利要求54所述的成像器，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到地電位。
63.如權(quán)利要求52所述的成像器，其特征在于，所述電路連接到電源電壓。
64.如權(quán)利要求52所述的成像器，其特征在于，所述電路連接到地電位。
65.如權(quán)利要求52所述的成像器，其特征在于，所述電路為所述擴(kuò)散區(qū)域提供多于兩個(gè)轉(zhuǎn)換增益。
66.一種成像系統(tǒng)，它包括處理器；以及電連接到所述處理器的成像器裝置，所述成像器裝置包括像素陣列，所述陣列中的至少一個(gè)像素包括用于累積存儲電荷的光電傳感器；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述光電傳感器接收所述電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益改變電路，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路受控為將所述第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅诙D(zhuǎn)換增益以及將所述第二轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)樗龅谝晦D(zhuǎn)換增益。
67.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器具有第一電容，并且所述擴(kuò)散區(qū)域具有小于所述第一電容的第二電容。
68.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器是光電二極管。
69.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器是連接到電容器的光電二極管。
70.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器是光電門。
71.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器是光電導(dǎo)體。
72.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列是CMOS陣列。
73.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列是CCD陣列。
74.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路包括電容元件；以及雙轉(zhuǎn)換增益元件，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件受控為將所述電容元件連接到所述擴(kuò)散區(qū)域，以便所述擴(kuò)散區(qū)域獲得所述第二轉(zhuǎn)換增益。
75.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域具有與所述第一轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)的第一電容，所述電容元件具有第二電容，并且所述第一和第二電容的組合與所述第二轉(zhuǎn)換增益相關(guān)聯(lián)。
76.如權(quán)利要求75所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器具有大于所述第一電容且小于所述第一和第二電容的所述組合的電容。
77.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電容元件是電容器。
78.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電容元件是多晶硅電容器。
79.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是具有連接成接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的柵極的晶體管。
80.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述晶體管的第二端子連接到電源電壓。
81.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述晶體管連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述電容器的第一端子之間，并且所述晶體管的第二端子連接到地電位。
82.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到電源電壓。
83.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雙轉(zhuǎn)換增益元件是晶體管，并且所述電容元件是電容器，所述電容器連接在所述浮動擴(kuò)散區(qū)域與所述晶體管的第一源極/漏極端子之間，并且所述晶體管的第二源極/漏極端子連接到地電位。
84.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電路連接到電源電壓。
85.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電路連接到地電位。
86.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電路為所述擴(kuò)散區(qū)域提供多于兩個(gè)轉(zhuǎn)換增益。
87.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)換增益在低照度條件期間使用，所述第二轉(zhuǎn)換增益在亮照度條件期間使用。
88.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括用于對所述擴(kuò)散區(qū)域的參考輸出和多個(gè)像素信號輸出進(jìn)行取樣和保持操作的電路。
89.一種成像器系統(tǒng)，它包括處理器；以及電連接到所述處理器的成像器裝置，所述成像器裝置包括擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述光敏器件接收存儲電荷；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的電路，所述電路為所述擴(kuò)散區(qū)域提供多個(gè)轉(zhuǎn)換增益。
90.一種成像器系統(tǒng)，它包括處理器；以及電連接到所述處理器的成像器裝置，所述成像器裝置包括用于輸入和輸出光生電荷的寄存器；擴(kuò)散區(qū)域，其連接成從所述寄存器接收所述光生電荷，所述擴(kuò)散區(qū)域具有第一轉(zhuǎn)換增益；以及連接到所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益改變電路，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路受控為將所述第一轉(zhuǎn)換增益改變?yōu)槎鄠€(gè)轉(zhuǎn)換增益之一和將所述多個(gè)轉(zhuǎn)換增益之一改變?yōu)樗龅谝晦D(zhuǎn)換增益。
91.一種操作成像器裝置的方法，所述方法包括在擴(kuò)散區(qū)域中存儲光生電荷；輸出表示所述存儲光生電荷的第一信號；改變所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益；以及輸出表示具有所述改變的擴(kuò)散增益的所述擴(kuò)散區(qū)域中的所述存儲光生電荷的第二信號。
92.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，所述改變步驟包括改變所述擴(kuò)散區(qū)域的電容。
93.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，所述改變步驟包括增加所述擴(kuò)散區(qū)域的電容。
94.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在存儲所述光生電荷前將所述擴(kuò)散區(qū)域復(fù)位到陣列電源電壓；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
95.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
96.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述擴(kuò)散區(qū)域中存儲所述光生電荷前同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域和提供所述光生電荷的光電傳感器；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
97.如權(quán)利要求96所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
98.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，所述方法還包括同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域、提供所述光生電荷的光電傳感器以及用于改變所述轉(zhuǎn)換增益的電容區(qū)域。
99.如權(quán)利要求98所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除共享電荷。
100.如權(quán)利要求98所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除隨后讀出操作的滯后。
101.一種操作成像器裝置的方法，所述方法包括將光生電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散區(qū)域；確定所述存儲電荷量；將所述存儲電荷量與預(yù)定閾值比較；如果確定所述存儲電荷量超過所述閾值，則改變所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益；以及輸出表示所述浮動擴(kuò)散區(qū)域中所述電荷的信號。
102.如權(quán)利要求101所述的方法，其特征在于，所述改變步驟包括改變所述擴(kuò)散區(qū)域的電容。
103.如權(quán)利要求101所述的方法，其特征在于，所述改變步驟包括增加所述擴(kuò)散區(qū)域的電容。
104.如權(quán)利要求101所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在存儲所述光生電荷前將所述擴(kuò)散區(qū)域復(fù)位到陣列電源電壓；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
105.如權(quán)利要求104所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
106.如權(quán)利要求101所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述擴(kuò)散區(qū)域中存儲所述光生電荷前同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域和提供所述光生電荷的光電傳感器；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
107.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
108.如權(quán)利要求101所述的方法，其特征在于，所述方法還包括同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域、提供所述光生電荷的光電傳感器以及用于改變所述轉(zhuǎn)換增益的電容區(qū)域。
109.如權(quán)利要求108所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除共享電荷。
110.如權(quán)利要求108所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除隨后讀出操作的滯后。
111.一種操作CMOS成像器裝置的方法，所述方法包括提供具有第一電容的光電傳感器；提供具有小于所述第一電容的第二電容的擴(kuò)散區(qū)域；將所述光電傳感器的光生電荷存儲在所述擴(kuò)散區(qū)域中；確定所述存儲電荷量；將所述存儲電荷量與預(yù)定閾值比較；以及如果確定所述存儲電荷量超過所述閾值，則添加第三電容到所述擴(kuò)散區(qū)域，使得所述第二和第三電容的組合大于所述第一電容。
112.如權(quán)利要求111所述的方法，其特征在于，所述添加步驟改變所述擴(kuò)散區(qū)域的轉(zhuǎn)換增益。
113.如權(quán)利要求111所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在存儲所述光生電荷前將所述擴(kuò)散區(qū)域復(fù)位到陣列電源電壓；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
114.如權(quán)利要求113所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
115.如權(quán)利要求111所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述擴(kuò)散區(qū)域中存儲所述光生電荷前同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域和所述光電傳感器；以及輸出表示所述復(fù)位擴(kuò)散區(qū)域的第三信號。
116.如權(quán)利要求115所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下動作對所述第一、第二和第三信號進(jìn)行取樣與保持；以及使用所述取樣與保持的第一、第二和第三信號以獲得相關(guān)輸出值。
117.如權(quán)利要求111所述的方法，其特征在于，所述方法還包括同時(shí)復(fù)位所述擴(kuò)散區(qū)域、所述光電傳感器以及用于改變所述轉(zhuǎn)換增益的電容區(qū)域。
118.如權(quán)利要求117所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除共享電荷。
119.如權(quán)利要求117所述的方法，其特征在于，所述復(fù)位步驟實(shí)質(zhì)上消除隨后讀出操作的滯后。
120.一種構(gòu)成雙轉(zhuǎn)換增益像素的方法，所述方法包括以下步驟提供襯底；在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域；在所述襯底內(nèi)提供浮動擴(kuò)散區(qū)域，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域具有第一電容；以及在所述襯底內(nèi)提供轉(zhuǎn)換增益改變電路，其中，所述轉(zhuǎn)換增益改變電路可控制以向所述擴(kuò)散區(qū)域的所述電容添加第二電容。
121.如權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于，在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域的所述步驟包括在所述襯底內(nèi)提供具有高夾斷電壓的光電二極管。
122.如權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于，在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域的所述步驟包括在所述襯底內(nèi)提供光電二極管；以及連接所述光電二極管到電容器。
123.如權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于，在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域的所述步驟包括在所述襯底內(nèi)提供光電門。
124.如權(quán)利要求120所述的方法，其特征在于，提供轉(zhuǎn)換增益改變電路的所述步驟包括在所述襯底內(nèi)形成電容元件；以及在所述襯底內(nèi)形成晶體管，其中，所述晶體管連接在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述電容元件之間，以便在激活所述晶體管時(shí)將所述電容元件的電容添加到所述第一電容。
125.一種構(gòu)成雙轉(zhuǎn)換增益像素的方法，所述方法包括以下步驟提供襯底；在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域；在所述襯底內(nèi)形成用于復(fù)位所述像素的第一晶體管；在所述襯底內(nèi)提供浮動擴(kuò)散區(qū)域，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域具有第一電容；在所述光敏區(qū)域與所述浮動擴(kuò)散區(qū)域之間提供第二晶體管，所述第二晶體管可控制以將所述光敏區(qū)域的電荷轉(zhuǎn)移到所述浮動擴(kuò)散區(qū)域；在所述襯底內(nèi)形成電容元件；以及在所述襯底內(nèi)形成第三晶體管，其中，所述第三晶體管連接在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述電容元件之間，以便在激活所述第三晶體管時(shí)將所述電容元件的電容添加到所述第一電容。
126.一種構(gòu)成雙轉(zhuǎn)換增益像素的方法，所述方法包括以下步驟提供襯底；在所述襯底內(nèi)提供光敏區(qū)域；在所述襯底內(nèi)形成用于復(fù)位所述像素的第一晶體管；在所述襯底內(nèi)提供浮動擴(kuò)散區(qū)域，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域具有第一電容并連接到所述光敏區(qū)域；在所述襯底內(nèi)形成電容元件；以及在所述襯底內(nèi)形成第二晶體管，其中，所述第二晶體管連接在所述擴(kuò)散區(qū)域與所述電容元件之間，以便在激活所述第二晶體管時(shí)將所述電容元件的電容添加到所述第一電容。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有雙轉(zhuǎn)換增益浮動擴(kuò)散區(qū)域的成像器。雙轉(zhuǎn)換增益區(qū)域產(chǎn)生(1)高轉(zhuǎn)換增益和敏感度以實(shí)現(xiàn)極佳微光性能以及(2)高全阱容量和轉(zhuǎn)換增益以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍。雙轉(zhuǎn)換增益元件耦合在每個(gè)浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的電容器之間。雙轉(zhuǎn)換增益元件接入電容器的電容以將浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換增益從第一轉(zhuǎn)換增益改為第二轉(zhuǎn)換增益。成像器可以是CMOS或CCD型成像器。
文檔編號H04N5/369GK1833429SQ200480022583
公開日2006年9月13日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月11日
發(fā)明者H·E·羅德斯, S·C·洪 申請人:微米技術(shù)有限公司