像素電路和影像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及影像傳感器，尤其涉及包含像素電路的影像傳感器，其中像素電路可進(jìn)行對(duì)數(shù)線性對(duì)數(shù)(logarithmic-linear-logarithmic)操作,且具高動(dòng)態(tài)范圍。
【背景技術(shù)】
[0002]互補(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體影像傳感器(complementary metal - oxide -semiconductor, CMOS)被廣泛地應(yīng)用在不同的產(chǎn)品中?；パa(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體影像傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是易于整合、低操作電壓以及低生產(chǎn)成本。然而，相較于電荷耦合裝置(charge-coupled device, CCD)影像傳感器,互補(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體影像傳感器通常受限于較差的動(dòng)態(tài)范圍。
[0003]改善互補(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體影像傳感器的其中一種方式是對(duì)數(shù)像素，對(duì)數(shù)像素被廣泛地使用在三顆晶體管的光二極管(three-transistor (3T)photod1de)像素。一般來說，主動(dòng)式像素或是被動(dòng)式像素會(huì)對(duì)照射進(jìn)所述像素的光線強(qiáng)度有線性反應(yīng)。當(dāng)光電流太小時(shí)，晶體管會(huì)進(jìn)入次臨界(sub-threshold)區(qū)域,對(duì)數(shù)像素會(huì)基于互補(bǔ)式金屬氧化半導(dǎo)體晶體管的次臨界操作模式來提供對(duì)數(shù)電子至光二極管。然而此操作會(huì)導(dǎo)致下列缺點(diǎn):
[0004]1.低光感性(photosensitivity),特別是在低亮度環(huán)境；
[0005]2.歸因于次臨界操作的低反應(yīng)速度；以及
[0006]3.歸因于次臨界操作的相對(duì)高元件變異性。
[0007]因此，此領(lǐng)域需要一種像素電路以及一種影像傳感器以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供具有高動(dòng)態(tài)范圍的像素電路以及影像傳感器。像素電路可在不同亮度條件下進(jìn)行對(duì)數(shù)線性對(duì)數(shù)(logarithmic-linear-logarithmic)操作。
[0009]依據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，提出一種像素電路，包括光檢測(cè)器、信號(hào)調(diào)整電路以及切換電路。其中所述種光檢測(cè)器用來因應(yīng)射入的光線以產(chǎn)生輸出信號(hào)。所述信號(hào)調(diào)整電路耦接至所述光檢測(cè)器，用來選擇性地調(diào)整所述輸出信號(hào)，以使所述輸出信號(hào)對(duì)所述光線的強(qiáng)度有多個(gè)不同的對(duì)數(shù)函數(shù)。所述切換電路耦接至所述信號(hào)調(diào)整電路以及所述光檢測(cè)器，用來將所述光檢測(cè)器耦接至所述信號(hào)調(diào)整電路。
[0010]依據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，提出一種影像傳感器，包括像素電路陣列，其中每一像素電路包括光檢測(cè)器、信號(hào)調(diào)整電路以及切換電路。其中所述光檢測(cè)器用來因應(yīng)射入的光線以產(chǎn)生輸出信號(hào)。所述信號(hào)調(diào)整電路耦接至所述光檢測(cè)器，用來選擇性地調(diào)整所述輸出信號(hào)，以使所述輸出信號(hào)對(duì)所述光線的強(qiáng)度有多個(gè)不同的對(duì)數(shù)函數(shù)。所述切換電路耦接至所述信號(hào)調(diào)整電路以及所述光檢測(cè)器，用來將所述光檢測(cè)器耦接至所述信號(hào)調(diào)整電路。
[0011]上述實(shí)施例提供像素電路以及影像傳感器，能夠在低亮度或是高亮度條件下進(jìn)行對(duì)數(shù)操作。此外，所述像素電路以及所述影像傳感器能夠在中亮度條件下進(jìn)行對(duì)數(shù)操作，如此一來，所述像素電路以及所述影像傳感器相較于對(duì)數(shù)像素或是線性像素具有更高的動(dòng)態(tài)范圍以及更低的反應(yīng)時(shí)間。
【附圖說明】
[0012]圖1為依據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的像素電路的簡(jiǎn)要示意圖。
[0013]圖2為依據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的像素電路的詳細(xì)電路圖。
[0014]圖3為依據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例的像素電路的詳細(xì)電路圖。
[0015]圖4為依據(jù)本發(fā)明又一示范性實(shí)施例的像素電路的詳細(xì)電路圖。
[0016]圖5為依據(jù)本發(fā)明再一示范性實(shí)施例的像素電路的詳細(xì)電路圖。
[0017]圖6為依據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的讀出部分的示意圖。
[0018]【符號(hào)說明】
[0019]120信號(hào)調(diào)整電路
[0020]130切換電路
[0021]140光檢測(cè)器
[0022]100、200、300、400 像素電路
[0023]110光檢測(cè)器
[0024]122、124信號(hào)調(diào)整元件
[0025]500讀出部分
【具體實(shí)施方式】
[0026]參考圖1，圖1為依據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的像素電路的簡(jiǎn)要示意圖。像素電路包括光檢測(cè)器110、信號(hào)調(diào)整電路120以及切換電路130。在優(yōu)選實(shí)施例中可以使用光二極管(但不限于此，亦可以為光敏晶體管)來實(shí)現(xiàn)光檢測(cè)器110，以因應(yīng)射入的光線以產(chǎn)生輸出信號(hào)VPH_。信號(hào)調(diào)整電路120耦接至光檢測(cè)器110，用來選擇性地調(diào)整輸出信號(hào)VPH_，以使輸出信號(hào)VPH_對(duì)光線的強(qiáng)度有多個(gè)不同的對(duì)數(shù)函數(shù)。信號(hào)調(diào)整電路120可以操作在一此臨界區(qū)(sub-threshold reg1n),可以使輸出信號(hào)VP_在切換電路130導(dǎo)通的情況下對(duì)光線強(qiáng)度為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。切換電路130耦接至信號(hào)調(diào)整電路120以及光檢測(cè)器110，用來將光檢測(cè)器110耦接至信號(hào)調(diào)整電路120。當(dāng)控制切換電路130將信號(hào)調(diào)整電路120耦接至光檢測(cè)器110時(shí)，輸出信號(hào)VPH_對(duì)光線強(qiáng)度會(huì)為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)控制切換電路130不將信號(hào)調(diào)整電路120耦接至光檢測(cè)器110時(shí)，輸出信號(hào)VPH_對(duì)光線的強(qiáng)度會(huì)為線性函數(shù)關(guān)系。
[0027]圖2為依據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的像素電路100的詳細(xì)電路圖。信號(hào)調(diào)整電路120包括第一信號(hào)調(diào)整元件122，在優(yōu)選實(shí)施例中，第一信號(hào)調(diào)整元件122包括二極管接法晶體管(d1de-connected transistor)M1經(jīng)由切換電路130稱接至光檢測(cè)器110 (包括光二極管H))，其中切換電路130包括第一切換元件M2受控制信號(hào)xl控制。當(dāng)控制信號(hào)Xl使第一切換兀件M2導(dǎo)通時(shí),第一信號(hào)調(diào)整兀件122會(huì)調(diào)整輸出信號(hào)Vphqtq,使輸出信號(hào)Vphqtq對(duì)光線強(qiáng)度會(huì)為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。預(yù)定電壓Vlogl耦接至特定電極以及二極管接法晶體管Ml的控制電極。預(yù)定電壓Vlogl會(huì)判斷二極管接法晶體管Ml所產(chǎn)生的輸出信號(hào)VPH_的第一對(duì)數(shù)函數(shù)的特征，并且當(dāng)二極管接法晶體管Ml操作在一次臨界區(qū)域時(shí)，使輸出信號(hào)VPH_具有第一對(duì)數(shù)函數(shù)。當(dāng)切換電路130將二極管接法晶體管Ml耦接至光檢測(cè)器110時(shí)，且二極管接法晶體管Ml開始操作在次臨界區(qū)域時(shí)，二極管接法晶體管Ml會(huì)供應(yīng)電荷來增加流入節(jié)點(diǎn)A的電流，此時(shí)像素電路100作為對(duì)數(shù)像素，輸出信號(hào)VPH_會(huì)較線性像素更大幅地下降以提供更強(qiáng)的亮度信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A的電壓掉到特定電平之下時(shí)，二極管接法晶體管Ml將會(huì)被關(guān)閉，而輸出信號(hào)VPH_對(duì)光線強(qiáng)度為線性函數(shù)。同時(shí)，藉由將控制信號(hào)xl下拉以使第一切換元件M2不導(dǎo)通，且像素電路100作為線性像素。
[0028]藉由適當(dāng)?shù)卦O(shè)定預(yù)定電壓Vlogl，亦可以讓二極管接法晶體管Ml操作來抑制輸出信號(hào)Vprora以防止飽和。在高亮度條件下，輸出信號(hào)vPH_可能會(huì)飽和。在此情形下，第一切換元件M2會(huì)將二極管接法晶體管Ml耦接至光檢測(cè)器110，二極管接法晶體管Ml會(huì)操作在次臨界區(qū)，并產(chǎn)生次臨界電流，其中由于高亮度使得輸出信號(hào)VP_的降幅得以被抑制，因此次臨界電流較光二極管ro所產(chǎn)生的高光電流小得多。故輸出信號(hào)Vprora不會(huì)飽和。
[0029]切換電路130可包括選用元件以及控制信號(hào)x2所控制的第二切換元件M3。第二切換元件M3會(huì)使輸出信號(hào)Vphqtq可被像素電路100的讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的整合期間避免輸出信號(hào)VPH_受到噪聲干擾。當(dāng)整合期間結(jié)束，第二切換元件M3會(huì)導(dǎo)通，且讀出部分可得到輸出信號(hào)VPH_。
[0030]圖3為依據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例的像素電路的詳細(xì)電路圖。在此實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)整電路120包括第一信號(hào)調(diào)整元件122以及第二信號(hào)調(diào)整元件124。在一優(yōu)選設(shè)計(jì)中，第一信號(hào)調(diào)整元件122包括一二極管接法晶體管M1，而第二信號(hào)調(diào)整元件124包括晶體管M4。晶體管Ml和晶體管M4都經(jīng)由切換電路130耦接至光檢測(cè)器110 (包括光二極管H))，其中切換電路130包括由控制信號(hào)xl所控制的第一切換元件M2。當(dāng)控制信號(hào)xl使第一切換元件M2導(dǎo)通時(shí)，第一信號(hào)調(diào)整元件122以及第一信號(hào)調(diào)整元件124會(huì)調(diào)整輸出信號(hào)Vphotoj使輸出信號(hào)VPH_針對(duì)光線強(qiáng)度具有一個(gè)或是多個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)。
[0031]晶體管Ml和晶體管M4各自具有電極，并分別耦接至預(yù)定電壓Vlogl以及預(yù)定電壓Vlog2，為預(yù)防預(yù)定電壓Vlogl和預(yù)定電壓Vlog2完全相同，晶體管Ml和晶體管M4能夠提供電荷來增加流進(jìn)節(jié)點(diǎn)A的電流，進(jìn)而增強(qiáng)輸出信號(hào)VPH_的壓降。預(yù)定電壓Vlogl和預(yù)定電壓Vlog2會(huì)判斷輸出信號(hào)VProTd^第一對(duì)數(shù)函數(shù)的特征，并且當(dāng)二極管接法晶體管Ml和晶體管M4操作在次臨界區(qū)域時(shí)，使輸出信號(hào)VPH_具有第一對(duì)數(shù)函數(shù)。如果預(yù)定電壓Vlogl和預(yù)定電壓Vlog2不同，晶體管Ml和晶體管M4的其中之一可以被用來增強(qiáng)輸出信號(hào)VP_的壓降，而其中另一個(gè)可以被用來抑制輸出信號(hào)^^_的壓降。這樣的設(shè)計(jì)可以改善像素電路200的動(dòng)態(tài)范圍。晶體管Ml可以使輸出信號(hào)Vphqtq針對(duì)光線強(qiáng)度有第一對(duì)數(shù)函數(shù)，而晶體管M4可以使輸出信號(hào)VPH_針對(duì)光線強(qiáng)度有第二對(duì)數(shù)函數(shù)。預(yù)定電壓Vlog2可以決定第二對(duì)數(shù)函數(shù)的特性，在光源復(fù)雜的場(chǎng)合相當(dāng)實(shí)用。由于輸出信號(hào)VPH_的第一對(duì)數(shù)函數(shù)和第二對(duì)數(shù)函數(shù)在低亮度和高亮度的情況下，因此像素電路200相較于線性像素具有優(yōu)選反應(yīng)。如果在適中亮度的情況下，像素電路200可阻隔第一切換元件M2的控制信號(hào)xl而具有線性函數(shù)。視預(yù)定電壓Vlogl和預(yù)定電壓Vlog2的選擇，晶體管Ml操作在次臨界區(qū)域的期間和晶體管M4操作在次臨界區(qū)域的期間可能會(huì)部分地重疊。
[0032]相似地，切換電路130可以包括選用元件以及控制信號(hào)x2所控制的第二切換元件M3。第二切換元件M3會(huì)使輸出信號(hào)Vphqtq可被像素電路100的讀出部分讀出。第二切換元件M3能夠在像素電路100的整合期間避免輸出信號(hào)￥^_受到噪聲干擾。當(dāng)整合期間結(jié)束，第二切換元件M3會(huì)導(dǎo)通，且讀出部分可得到輸出信號(hào)VPH_。
[0033]在示范性實(shí)施例中，切換電路130還包括第三切換元件M5，繪示于圖4中的像素電路300中。第三切換元件M5耦接于光檢測(cè)器110以及信號(hào)調(diào)整電路120之間，信號(hào)調(diào)整電路120受到控制信號(hào)x3所控制。當(dāng)控制信號(hào)x3使第三切換元件M5導(dǎo)通時(shí)，第二信號(hào)調(diào)整兀件124會(huì)調(diào)整輸出信號(hào)Vphqtq,以使輸出信號(hào)Vphqtq對(duì)光線的強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)。在此不范性實(shí)施例中，第一信號(hào)調(diào)整元件122和第二信號(hào)調(diào)整元件124經(jīng)由不同切換元件耦接至光檢測(cè)器110。
[0034]為了進(jìn)一步改善復(fù)雜光線環(huán)境下的像素電路反應(yīng)，信號(hào)調(diào)整電路120可