[发明专利]利用用于大动态范围的双电荷传输的图像传感器以及读取方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子图像传感器，并且更加具体地，涉及以采用MOS技术的有源像素为基础工作的电子图像传感器。本发明显著地涉及用于控制构成所述像素的各种晶体管的方法。

背景技术

有源像素通常包括光电二极管以及三个、四个或者五个MOS晶体管，使得能够控制由光电二极管中的光生成的电荷的读取。具有三个晶体管的像素通过向列(column)导体直接传输光电二极管的电势来工作，所述电势根据光照(lighting)和光累积时间改变。具有四个晶体管的像素通过首先从所述光电二极管向电容性存储节点传输由光生成的电荷，然后将所述存储节点的电势引导到(refer to)列导体来工作；使用所述晶体管中的一个以在从光电二极管到存储节点的电荷传输之前复位所述存储节点的电势。具有五个晶体管的像素也包括用于复位所述光电二极管的电势的晶体管。

这里尤其对具有四个或者五个晶体管的像素感兴趣。图1中示出了具有五个晶体管的像素结构。这样的像素包括：光电二极管PD、电容性存储节点ND(由图1中的简单点表示，并且实际上由到P型基底中的小N型扩散实现)、位于光电二极管的阴极和存储节点之间的电荷传输晶体管T1、用于复位所述存储节点的电势的晶体管T2、用于复位所述光电二极管的阴极的电势的晶体管T3、跟随器晶体管T4、行选择晶体管T5。对于具有四个晶体管的像素，将省去晶体管T3。

光电二极管通常由到P基底中的N型扩散构成，但是该扩散优选地由链接到地的表面区域P+覆盖，这使得能够在复位时更好地设置其电势。传输晶体管T1由传输信号TG控制。用于复位存储节点的晶体管T2的漏极链接到复位电势VRS(通常是电源电势Vdd)并且其由复位控制信号RST控制。用于复位光电二极管的晶体管T3链接在光电二极管的阴极和电源电势Vdd之间。其由复位信号Rph控制。跟随器晶体管T4的漏极链接到可以是电源Vdd的基准电势，源极链接到行选择晶体管T5，栅极链接到存储节点ND。最后，行选择晶体管T5的栅极链接到行选择导体LS，所述行选择导体LS链接同一行像素中的全部行选择晶体管；所述行由专用于该行的行选择信号SEL控制；T5的漏极链接到跟随器晶体管的源极并且其源极链接到同一列像素中的全部像素共用的列导体CC。该列导体链接到位于该列的底部(foot)的没有示出的读取电路。

包括具有五个晶体管的这样的像素的矩阵的工作方式如下。参照图2的时序图进行描述。

将时间脉冲Rph施加到晶体管T3的栅极。其时段或者其位置取决于图像的期望累积(integration)时间。实际上，只要该脉冲有效，其就防止光电二极管中电荷的任何累积。在该脉冲结束时(时间t₀)开始累积时间Ti。

在时段Ti结束时，将传输脉冲TG施加到该行的传输晶体管T1的栅极。该脉冲使光电二极管中累积的全部电荷能够释放到存储节点ND中。该脉冲的结束标示出行或者整个矩阵的累积时间Ti的结束。

然后通过行选择脉冲SEL使行选择晶体管T5导通(逐行)。仅示出了矩阵的第一行的脉冲SEL。下面介绍其它行的脉冲，而没有重叠。在整个脉冲SEL期间，由跟随器晶体管T4将存在于该行的晶体管的存储节点ND上的电势引导到列导体CC并且由与每一列相关联的相应读取电路进行读取。

在脉冲SEL期间，并且对于每一行，在像素列的底部处将命令脉冲SHS施加在读取电路(未示出)中，以提取存在于列导体上的电势的第一样本。该电势取决于在累积时段T_i期间由像素的光照产生的电荷量。

然后，仍然在相同的脉冲SEL期间，将脉冲RST_L施加到所选择的行中的全部像素的晶体管T2的栅极。将存储节点的电势复位到由施加到晶体管T2的漏极的值VRS指示的值。

最后，仍然在相同的脉冲SEL期间，将脉冲SHR施加到读取电路以提取所述列导体的电势的第二样本。

模拟-数字转换器对两个样本之间的差值进行转换。该转换器专用于每一列或者对于全部列而言是唯一的。

期望传感器应存储具有最宽的可能动态范围的图像，也就是说，在存在低光照时敏感但是能够在不饱和的情况下接收非常亮图像的像素是所期望的。已经致力于多种方案来获得宽的动态范围。

一种方案在于使用具有不同累积时间的多个图像的连续捕捉。如果由经历长累积时间的像素供应的信号饱和，则由来自经历短累积时间的相同像素的信号代替。这以提取几个连续图像并且整个采集时间长为前提。而且，不得不逐像素地处理该图像以在进行到下一个图像之前选择对于每一个图像最合适的信号。