專(zhuān)利名稱(chēng)：具有集成變?nèi)荻O管的有源像素傳感器單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源像素傳感器單元(例如，包括至少一個(gè)MOS晶體管和至少一個(gè)光電二極管的MOS有源像素傳感器單元)和使用它們的方法。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及包括至少一個(gè)光電二極管和用于每個(gè)光電二極管的集成變?nèi)荻O管的有源像素傳感器單元，以及使用這種單元產(chǎn)生曝光信號(hào)的方法，包括在光電二極管子曝光(全部光電二極管曝光間隔的子區(qū)間)序列期間對(duì)一個(gè)這樣的變?nèi)荻O管的電容充電。
背景技術(shù)：
這里使用表達(dá)“MOS器件”作為MOS晶體管的同義詞。
這里使用術(shù)語(yǔ)“變?nèi)荻O管”表示其中主要關(guān)心的電特性是依賴(lài)于電壓的電容的半導(dǎo)體器件。例如，可以將NMOS(或者PMOS)晶體管用作變?nèi)荻O管，并且它的電容由它的柵極和源極之間的電壓決定(部分地)。對(duì)于另一個(gè)例子，可以使用二極管作為變?nèi)荻O管。
這里使用表達(dá)“光電二極管的曝光”(或者“光電二極管曝光”)表示在曝光間隔期間光電二極管對(duì)光子(將要感測(cè)的)的曝光。這里使用表達(dá)曝光間隔(或者曝光周期)的“子曝光間隔”表示曝光間隔(或者曝光周期)的子區(qū)間。這里使用表達(dá)“光電二極管的子曝光”(或者光電二極管子曝光)表示在曝光間隔的子區(qū)間期間光電二極管對(duì)光子(將要感測(cè)的)的曝光。
這里使用表達(dá)“有源像素傳感器單元”表示包括至少一個(gè)有源晶體管的圖像傳感器。通常，將有源像素傳感器單元實(shí)現(xiàn)為以行和列布置的相同傳感器單元的陣列的元件。通常，有源像素傳感器單元包括至少一個(gè)光電二極管、用于每個(gè)光電二極管的復(fù)位晶體管和至少一個(gè)其它的讀出晶體管(耦接到列線(xiàn))，用于讀出表示在曝光或者曝光序列期間積累在光電二極管的至少一個(gè)端子上的光生電荷的信號(hào)。控制每個(gè)復(fù)位晶體管，以復(fù)位光電二極管。通常對(duì)于每一曝光，控制至少一個(gè)讀出晶體管，以在光電二極管已經(jīng)被復(fù)位之后但是在它被曝光于將要感測(cè)的光子之前對(duì)列線(xiàn)認(rèn)定表示光電二極管兩端的電壓的預(yù)曝光信號(hào)，并然后在光電二極管已經(jīng)被曝光于將要感測(cè)的光子之后對(duì)列線(xiàn)認(rèn)定表示光電二極管兩端的電壓的后曝光信號(hào)。可以通過(guò)讀出電路(其通常沿著遠(yuǎn)離單元的列線(xiàn)設(shè)置)處理預(yù)曝光和后曝光信號(hào)，以在曝光過(guò)程中產(chǎn)生表示積累在光電二極管的至少一個(gè)端子上的光生電荷的信號(hào)。
一種常規(guī)有源像素傳感器單元是包括至少一個(gè)MOS晶體管和至少一個(gè)光電二極管的MOS有源像素傳感器單元。在使用中，讀出電路耦接到該單元(例如耦接到與該單元耦接的列線(xiàn))。
通過(guò)使用成像單元的陣列(通常包括大量的成像單元)的數(shù)碼照相機(jī)快速代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于膠片的照相機(jī)以將接收到的光能量轉(zhuǎn)換成表示圖像的電信號(hào)。在數(shù)碼照相機(jī)中使用以捕獲入射的光能量的一種成像單元是有源像素傳感器單元。
圖1是常規(guī)有源像素傳感器單元100的示意圖。如圖1所示，單元100包括光電二極管112(具有耦接到節(jié)點(diǎn)A的第一端子和接地的第二端子)、NMOS復(fù)位晶體管114，其源極連接到光電二極管112以及其漏極被維持在電勢(shì)Vdd、NMOS讀出晶體管116(源跟隨器放大器晶體管)，其柵極連接到光電二極管112以及其漏極被維持在電勢(shì)Vdd、和NMOS行選擇晶體管118，其漏極連接到讀出晶體管116的源極。晶體管118的源極耦接到位線(xiàn)。典型地，當(dāng)單元100是沿著行和列布置的單元陣列的元件時(shí)，該位線(xiàn)是列線(xiàn)。耦接晶體管118的柵極以接收控制位“CTL”。通常(例如，當(dāng)單元100是沿著行和列布置的單元陣列的元件時(shí))，CTL是行選擇位，其被加以高脈沖以選擇包括單元100的傳感器單元的行。
有源像素傳感器單元100的操作通常包括三個(gè)步驟復(fù)位步驟，其中晶體管114被簡(jiǎn)短地開(kāi)啟以在光電二極管112兩端設(shè)置預(yù)定初始電壓；曝光步驟，其中將入射到光電二極管112上的光子轉(zhuǎn)換成電荷(也就是，光生電荷遷移到光電二極管112的第一端子，同時(shí)光電二極管112被曝光于入射光子，由此減少?gòu)?fù)位步驟期間已經(jīng)放置在第一端子上的初始電荷)；和信號(hào)讀出步驟，其中讀出表示光生電荷的信號(hào)(也就是，作為經(jīng)過(guò)晶體管116和118的溝道的電流)。
在復(fù)位步驟期間，利用復(fù)位電壓VR(例如VR＝5伏)給復(fù)位晶體管114的柵極加以脈沖以導(dǎo)通晶體管114。作為響應(yīng)，在光電二極管112在其端子之間被充電到初始電壓VR-VT的意義上復(fù)位該光電二極管112，其中VT是復(fù)位晶體管114的閾值電壓。
在曝光步驟中，撞擊光電二極管112的光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)。所得到的光生電荷遷移到光電二極管112的端子。將光電二極管112設(shè)計(jì)成限制新形成的電子空穴對(duì)之間的復(fù)合。結(jié)果，光生空穴被吸引到光電二極管112的第二端子(接地端子)，同時(shí)光生電子被吸引到光電二極管112的第一端子。到達(dá)第一端子的光生電子降低了光電二極管112兩端的電壓。
在曝光步驟(有時(shí)稱(chēng)為曝光間隔)結(jié)束時(shí)，光電二極管112兩端的最終電壓是VR-VT-VS，其中VS表示由于到達(dá)光電二極管112的第一端子的光生載流子導(dǎo)致的電壓變化。因此，通過(guò)曝光間隔開(kāi)始時(shí)的電壓減去曝光間隔結(jié)束時(shí)的電壓確定VSVS＝((VR-VT)-(VR-VT-VS))，其表示曝光間隔期間入射到光電二極管上的光子的數(shù)量。
在曝光步驟之后的讀出步驟期間，通過(guò)導(dǎo)通行選擇晶體管118(其在復(fù)位和曝光步驟期間關(guān)斷)讀出有源像素傳感器單元100。當(dāng)行選擇晶體管118導(dǎo)通時(shí)，光電二極管112上的電壓(VR-VT-VS)(節(jié)點(diǎn)A的電勢(shì)高于地)決定了讀出晶體管116的柵極上的電壓，其又決定了流過(guò)晶體管116和118的電流的大小。然后通過(guò)沿著位線(xiàn)(其通常是列線(xiàn))連接的常規(guī)電流檢測(cè)器(未示出)檢測(cè)經(jīng)過(guò)晶體管116和118的溝道的電流。
常規(guī)有源像素傳感器單元的一個(gè)缺點(diǎn)是在低亮度條件下它們通常工作很差。利用常規(guī)的基于膠片的照相機(jī)，可以在寬范圍內(nèi)(例如，從捕獲移動(dòng)目標(biāo)的圖像的千分之一秒到在非常低的亮度條件下，例如在夜間捕獲目標(biāo)的圖像的幾秒)調(diào)節(jié)打開(kāi)快門(mén)的時(shí)間量。
然而，利用常規(guī)的有源像素傳感器單元，其中單元可以曝光于光能量的最大曝光間隔通常在毫秒級(jí)。這是因?yàn)楣怆姸O管中的漏電流(被稱(chēng)為暗電流)可以在該振幅的時(shí)間間隔中將曝光間隔開(kāi)始時(shí)的光電二極管兩端的初始電壓下拉到(或者接近于)零。這種漏電流被稱(chēng)為“暗電流”，因?yàn)槁╇娏骺梢詫⒊跏脊怆姸O管電壓下拉到(或者接近于)零，即使當(dāng)沒(méi)有光子入射在光電二極管上時(shí)。
因此，當(dāng)在曝光周期期間常規(guī)有源像素傳感器單元曝光于光子時(shí)，初始光電二極管電壓響應(yīng)入射光子以及暗電流而降低。當(dāng)曝光周期足夠短時(shí)，相對(duì)于光生電荷降低光電二極管電壓的量，暗電流將光電二極管電壓僅僅降低了可忽略的量。
然而，當(dāng)曝光周期足夠長(zhǎng)時(shí)(例如，在毫秒級(jí))，因?yàn)橄鄬?duì)于光生電荷降低光電二極管電壓的量，在曝光周期期間暗電流將光電二極管電壓降低了不可忽略的量，所以不能精確地感測(cè)入射的光子。如果(典型地)當(dāng)以毫秒級(jí)(或者更長(zhǎng))的曝光周期運(yùn)行時(shí)，有源像素傳感器單元不能提供精確的結(jié)果，則當(dāng)在低亮度條件下運(yùn)行時(shí)該傳感器單元不是有用的。
需要成像單元可以以比常規(guī)有源像素傳感器單元更長(zhǎng)的曝光周期精確地運(yùn)行，使得它可以在低亮度條件下精確地感測(cè)入射輻射。

發(fā)明內(nèi)容
在實(shí)施例類(lèi)別中，本發(fā)明是包括至少一個(gè)光電二極管和復(fù)位電路以及耦接到該光電二極管的集成變?nèi)荻O管的有源像素傳感器單元。配置復(fù)位電路以在包括N個(gè)子曝光間隔的曝光間隔期間多次復(fù)位光電二極管，其中2N(通常，N大于100)，因此可以在每一個(gè)子曝光間隔之前復(fù)位(在復(fù)位間隔期間)光電二極管。該單元在光電二極管的第一節(jié)點(diǎn)具有第一電容，變?nèi)荻O管耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供變?nèi)荻O管電容，并且變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多。第一節(jié)點(diǎn)通常是光電二極管的端子，并且光電二極管的另一端子接地。在每一個(gè)子曝光間隔期間，由于光電二極管中的光產(chǎn)生，子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處。相對(duì)于子曝光間隔，復(fù)位間隔足夠短，并配置(例如，偏置)變?nèi)荻O管，使得在曝光間隔期間曝光電荷積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處，以及在子曝光間隔的最后一個(gè)結(jié)束時(shí)的曝光電荷表示在所有子曝光間隔期間積累的子曝光電荷的總和。例如，在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)的曝光電荷至少基本上等于在子曝光間隔期間積累的子曝光電荷的總和，或者這種曝光電荷與在子曝光間隔期間積累的子曝光電荷的總和至少基本上成比例。該單元還包括輸出電路，其被耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)并被配置用以在該單元的輸出處確定(assert)輸出信號(hào)(表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電荷或者電勢(shì))。在一些實(shí)施例中，輸出電路包括源跟隨器晶體管，其柵極耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，并且輸出信號(hào)是經(jīng)過(guò)源跟隨器晶體管的溝道的電流(表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢(shì))。
在典型的實(shí)施例中，變?nèi)荻O管是場(chǎng)效應(yīng)、選通結(jié)器件(例如，MOS晶體管，或者被實(shí)現(xiàn)為MOS晶體管但是具有兩個(gè)而不是三個(gè)端子的MOS二極管)。當(dāng)適當(dāng)?shù)仄米內(nèi)荻O管時(shí)，它的源或漏區(qū)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容。
在優(yōu)選實(shí)施例類(lèi)別中，本發(fā)明的單元包括被實(shí)現(xiàn)為其漏極是存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的NMOS晶體管的變?nèi)荻O管。優(yōu)選地，該單元的輸出電路包括其柵極耦接到該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的源跟隨器晶體管，以及該單元的輸出信號(hào)是經(jīng)過(guò)源跟隨器晶體管的溝道的電流(表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的電勢(shì))。在運(yùn)行的過(guò)程中，偏置變?nèi)荻O管，使得通過(guò)其漏區(qū)的耗盡擴(kuò)散區(qū)物理地產(chǎn)生變?nèi)荻O管電容。為了讀出該類(lèi)別中的單元，可以導(dǎo)通位選擇晶體管(具有和源跟隨器晶體管的溝道串聯(lián)連接的溝道)以允許外部電路(例如，通過(guò)列線(xiàn)耦接到該單元的外部電路)感測(cè)流過(guò)源跟隨器晶體管的溝道的電流(表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)并由此表示積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的曝光電荷)。
在其它實(shí)施例中，本發(fā)明是用于使用本發(fā)明的有源像素傳感器單元(包括耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的集成變?nèi)荻O管)的任何實(shí)施例來(lái)產(chǎn)生曝光信號(hào)(表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電荷或者電勢(shì))的方法，包括在光電二極管子曝光間隔序列期間對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的變?nèi)荻O管電容充電。子曝光間隔是整個(gè)光電二極管曝光間隔的子區(qū)間。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是用于讀出有源像素傳感器單元的方法，該有源像素傳感器單元包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、具有第一節(jié)點(diǎn)的至少一個(gè)光電二極管和耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的集成變?nèi)荻O管，所述方法包括以下步驟在包括N個(gè)子曝光間隔的曝光間隔期間將光電二極管曝光于光子，其中2N(通常，N大于100)，以在第一節(jié)點(diǎn)處積累子曝光電荷序列，其中，由于在光電二極管中的光產(chǎn)生，在不同的其中一個(gè)子曝光間隔期間，每個(gè)子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處；在復(fù)位間隔序列中的每一個(gè)期間復(fù)位光電二極管，在不同的其中一個(gè)子曝光間隔之前出現(xiàn)每個(gè)復(fù)位間隔；以及在曝光間隔期間確定表示積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的曝光電荷的輸出信號(hào)，其中該曝光電荷表示所有子曝光電荷的總和。在典型實(shí)施例中，該單元在第一節(jié)點(diǎn)處具有第一電容，該變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容，并且變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多。在一些實(shí)施例中，光電二極管具有暗電流時(shí)間，并且每個(gè)復(fù)位間隔和每個(gè)子曝光間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間。在其它實(shí)施例中，光電二極管具有暗電流時(shí)間，每個(gè)復(fù)位間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間，并且每個(gè)子曝光間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間。在一些實(shí)施例中，該單元包括具有耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的柵極和溝道的源跟隨器晶體管，和具有與源跟隨器晶體管的溝道串聯(lián)連接的溝道的位選擇晶體管，以及確定輸出信號(hào)的步驟包括對(duì)位選擇晶體管的柵極確定控制信號(hào)以導(dǎo)通所述位選擇晶體管，由此允許表示曝光電荷的電流流過(guò)位選擇晶體管的溝道和源跟隨器晶體管的溝道的步驟。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的單元包括一個(gè)以上的光電二極管(例如用于接收具有紅光波長(zhǎng)的光子的光電二極管，用于接收具有藍(lán)光波長(zhǎng)的光子的另一光電二極管，和用于接收具有綠光波長(zhǎng)的光子的第三光電二極管)，和用于每個(gè)光電二極管的集成變?nèi)荻O管和復(fù)位電路。根據(jù)本發(fā)明包括輸出電路(通常包括用于每個(gè)光電二極管的源跟隨器晶體管)，以允許通過(guò)在曝光間隔期間將光電二極管曝光于光子，在曝光間隔期間多次復(fù)位該光電二極管，以及(在曝光間隔之后)讀出表示在曝光間隔期間光電二極管中光生電荷的量的信號(hào)(借助在曝光間隔結(jié)束時(shí)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處積累的電荷來(lái)確定)來(lái)讀出每個(gè)光電二極管。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是包括單元陣列的圖像傳感器，其中每個(gè)單元是本發(fā)明的有源像素傳感器單元的實(shí)施例。通常，這種圖像傳感器的單元設(shè)置成單元的行和列，單元的列中的每一個(gè)耦接到不同的列線(xiàn)，每一行的單元耦接到不同的列線(xiàn)，以及所有的列線(xiàn)耦接到讀出電路用于在曝光間隔之后讀出陣列的所有單元(例如，通過(guò)同時(shí)讀出第一行中的所有單元，然后同時(shí)讀出另一行中的所有單元等等，直到讀出所有的行為止)。任選地，該圖像傳感器包括附加的元件，例如放大電路和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將讀出電路的模擬輸出轉(zhuǎn)換成表示每個(gè)感測(cè)的圖像的至少一個(gè)位流(例如，數(shù)字靜止圖像數(shù)據(jù)或者數(shù)字視頻數(shù)據(jù))。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的有源像素傳感器單元被實(shí)現(xiàn)為集成電路，以及包括本發(fā)明的有源像素傳感器單元的陣列的圖像傳感器也被實(shí)現(xiàn)為集成電路。


圖1是常規(guī)有源像素傳感器單元的示意圖。
圖2是本發(fā)明的有源像素傳感器單元的實(shí)施例的示意圖。
圖3是包括有源像素傳感器單元的M×N陣列的圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖，其中每個(gè)單元是本發(fā)明的有源像素傳感器單元的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
將參考圖2描述本發(fā)明的有源像素傳感器單元(在圖2中標(biāo)記為單元200)的實(shí)施例。有源像素傳感器單元200包括光電二極管212(具有耦接到節(jié)點(diǎn)B的第一端子和接地的第二端子)、NOMS復(fù)位晶體管214，其源極連接到節(jié)點(diǎn)B以及在工作時(shí)其漏極保持在電勢(shì)Vdd、NMOS晶體管220(這里有時(shí)稱(chēng)為集成變?nèi)荻O管220)，其漏極耦接到節(jié)點(diǎn)B以及其源極耦接到節(jié)點(diǎn)C、NMOS讀出晶體管216(源跟隨器放大器晶體管)，其柵極連接到節(jié)點(diǎn)C以及在工作時(shí)其漏極保持在電勢(shì)Vdd、和NMOS位選擇晶體管218，其漏極連接到讀出晶體管216的源極。晶體管218的源極耦接到位線(xiàn)。典型地，當(dāng)單元200是沿著行和列布置的單元的陣列的元件時(shí)，所述位線(xiàn)是列線(xiàn)以及陣列讀出電路(未示出)耦接到該列線(xiàn)。耦接晶體管218的柵極以接收控制位“CTL”。通常(例如，當(dāng)單元200是沿著行和列布置的單元的陣列的元件時(shí))，控制位CTL是行選擇位，其被加以高脈沖以選擇包括單元200的傳感器單元行。
考慮本發(fā)明的單元的結(jié)構(gòu)的多種變化。例如，除了NMOS復(fù)位晶體管214之外復(fù)位電路可以耦接到節(jié)點(diǎn)B。例如，復(fù)位電路可以包括PMOS晶體管或者具有耦接到節(jié)點(diǎn)B的溝道端子(例如源極或者漏極)的其它晶體管。再例如，除了NMOS讀出晶體管216和NMOS位選擇晶體管218之外的電路(例如，PMOS晶體管或者其它晶體管)可以耦接到節(jié)點(diǎn)C，用于在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)位線(xiàn)確定輸出信號(hào)(表示節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)或者Vcap上的電荷)。
圖3是包括有源像素傳感器單元的M×N陣列的圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖。所述單元布置成行和列，并包括包含單元300、301和303的第一行單元、包含單元400、401和403的第二行單元和包含單元500、501和503的第N行單元。圖3傳感器的每一個(gè)單元是本發(fā)明的有源像素傳感器單元的實(shí)施例(例如，每一個(gè)單元可以等同于圖2的單元200)。不同的列線(xiàn)耦接到圖3傳感器的單元的每一列，以及讀出電路600耦接到列線(xiàn)。例如，單元300、400和500耦接到列線(xiàn)CLI，單元301、401和501耦接到列線(xiàn)CL2，以及單元303、403和503耦接到列線(xiàn)CLM。為了在曝光間隔(包括多個(gè)子曝光間隔)結(jié)束時(shí)讀出傳感器，電路600感測(cè)每個(gè)列線(xiàn)上的輸出電流(來(lái)自所述單元的一個(gè)所選行的不同單元的每個(gè)輸出電流)(例如在每個(gè)單元等同于圖2的單元200的情況下流過(guò)位選擇晶體管218的溝道的電流)，同時(shí)順序選擇各行。例如，在讀出的過(guò)程中，確定(例如加以高脈沖)行選擇位RS1(但是沒(méi)有其它行選擇信號(hào))以選擇第一行，然后確定(例如加以高脈沖)行選擇位RS2(但是沒(méi)有其它行選擇信號(hào))以選擇第二行，然后選擇(一次一行地)單元的每個(gè)其它行(其是存在的)，并最后確定行選擇位RSN(但是沒(méi)有其它行選擇信號(hào))以選擇第N行。通常，讀出電路600包括放大電路以及任選地還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于將為每個(gè)列線(xiàn)產(chǎn)生的模擬輸出轉(zhuǎn)換成位流。
在實(shí)施例類(lèi)別中，本發(fā)明的單元包括經(jīng)受(在工作期間)被稱(chēng)為暗電流的類(lèi)型的漏電流的光電二極管，并且這種光電二極管具有特征時(shí)間，其在這里被稱(chēng)為“暗電流時(shí)間”。例如，在圖2的單元200的工作期間，光電二極管202經(jīng)受暗電流，并且光電二極管202的每一次執(zhí)行具有特征暗電流時(shí)間。當(dāng)這種光電二極管已經(jīng)被復(fù)位以跨越它的端子具有預(yù)定電壓(“V”)，并然后允許光電二極管的第一端子浮置同時(shí)另一端子保持在參考電勢(shì)時(shí)，“暗電流時(shí)間”是暗電流使光電二極管兩端的電壓降到fV的時(shí)間，其中f是在0.80＜f＜0.90范圍內(nèi)的預(yù)定因子。通常，因子f等于(或者基本等于)0.85。
在實(shí)施例類(lèi)別中，在下面的意義上，單元200工作在AC模式中。在曝光間隔期間光電二極管212曝光于光子，同時(shí)在曝光間隔期間多次復(fù)位光電二極管212。在曝光間隔之后，讀出曝光間隔期間表示光電二極管中光生電荷的量的信號(hào)(由曝光間隔結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)在變?nèi)荻O管上的電荷確定)。在這些實(shí)施例中，單元200的運(yùn)行包括(2N)+1個(gè)步驟，其中N是整數(shù)(N通常是大的整數(shù)，例如，N＝1000或者10,000)，并且這些步驟包括N次執(zhí)行兩步驟序列(復(fù)位步驟，其后是子曝光步驟)，其后是信號(hào)讀出步驟。
任選地，存在初步讀出操作，其中光電二極管212被復(fù)位但是沒(méi)有曝光于光子，然后關(guān)斷晶體管214對(duì)于節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)來(lái)說(shuō)足夠的間隔，以匹配節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)(VR-VT)。然后通過(guò)對(duì)晶體管218的柵極確定具有高值的控制位CTL以導(dǎo)通晶體管218來(lái)初步讀出單元200，以使得電流經(jīng)過(guò)晶體管216和218的溝道流到讀出電路，其沒(méi)有被示出但是耦接到位線(xiàn)(其通常是列線(xiàn))。讀出電路從該電流決定該值(VR-VT)。
在這種初步讀出操作(如果其被執(zhí)行了)之后，每一個(gè)復(fù)位步驟的持續(xù)時(shí)間比光電二極管的暗電流時(shí)間小得多，以及每個(gè)子曝光步驟的持續(xù)時(shí)間小于(并優(yōu)選遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于)光電二極管的暗電流時(shí)間。在典型的實(shí)施方式中，光電二極管202的暗電流時(shí)間在毫秒的數(shù)量級(jí)，每個(gè)子曝光步驟具有在微秒數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)復(fù)位步驟具有小于(例如，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于)每個(gè)子曝光步驟的持續(xù)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。在這些實(shí)施方式中，該單元可以以任何持續(xù)時(shí)間的曝光間隔精確地工作(假設(shè)在曝光間隔期間進(jìn)行了N個(gè)子曝光步驟，其中N是至少兩個(gè))。例如，該單元可以以1毫秒(如果N＝103)、10毫秒(如果N＝104)、1秒(如果N＝106)或者10秒(如果N＝107)的曝光間隔精確地工作。在其它的典型實(shí)施方式中，每個(gè)子曝光步驟具有在10-x秒的數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間(其中5≤x≤8，并且x的特定值依賴(lài)于使用的光電二極管的暗電流時(shí)間)，并且每個(gè)復(fù)位步驟具有小于(例如，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于)每個(gè)子曝光步驟的持續(xù)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
在每個(gè)復(fù)位步驟期間，對(duì)晶體管214的柵極(圖2的節(jié)點(diǎn)A)確定具有大小為VR(例如VR＝5伏)和持續(xù)時(shí)間Tr的復(fù)位電壓脈沖以導(dǎo)通晶體管214。作為響應(yīng)，在光電二極管212的端子之間將其充電到初始電壓VR-VT的意義上復(fù)位該光電二極管212，其中VT是晶體管214的閾值電壓。通常，相對(duì)于其后的子曝光步驟的持續(xù)時(shí)間，每個(gè)復(fù)位步驟的持續(xù)時(shí)間是非常簡(jiǎn)短的(Tr非常短)。在每個(gè)子曝光步驟期間，將入射到光電二極管212的光子轉(zhuǎn)換成電荷，并且光生電荷遷移到光電二極管212的第一端子，同時(shí)光電二極管212曝光于入射的光子，由此減少在緊接在前的復(fù)位步驟期間已經(jīng)放置在第一端子上的初始電荷。在每個(gè)子曝光步驟期間將晶體管214的柵極保持在地電勢(shì)。在信號(hào)讀出步驟中，讀出表示光生電荷的信號(hào)(即，作為經(jīng)過(guò)晶體管216和218的溝道的電流)。
因此為了讀出光電二極管212，在曝光間隔期間光電二極管212曝光于光子(其中光電二極管212被復(fù)位N次，其中N可以是大的數(shù))，并然后讀出曝光間隔期間表示光電二極管中光生電荷的信號(hào)。每個(gè)子曝光步驟發(fā)生在曝光間隔的子區(qū)間期間。整個(gè)曝光間隔具有持續(xù)時(shí)間NT，其中T是每個(gè)子曝光步驟的持續(xù)時(shí)間，以及N是執(zhí)行的子曝光步驟的數(shù)量。
在每個(gè)子曝光步驟期間，撞擊光電二極管212的光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)。所得到的光生電荷遷移到光電二極管212的端子。將光電二極管212設(shè)計(jì)成限制新形成的電子空穴對(duì)之間的復(fù)合，并且由此光生空穴被吸引到光電二極管212的第二端子(其是接地的)以及光生電子被吸引到光電二極管212的第一端子。到達(dá)第一端子的每個(gè)光生電子降低了光電二極管212兩端的電壓。
在N個(gè)復(fù)位間隔的每一個(gè)和N個(gè)子曝光間隔的每一個(gè)期間，晶體管214和218是關(guān)斷的，并且晶體管220優(yōu)選工作在亞閾值。通過(guò)將其柵極保持在高于地的電勢(shì)0.2伏≤VG≤0.3伏，晶體管220的典型實(shí)施方式工作在亞閾值。
晶體管220在節(jié)點(diǎn)C和地之間提供電容(在圖2中標(biāo)記為Vcap)。優(yōu)選地，通過(guò)晶體管220的漏區(qū)的耗盡擴(kuò)散區(qū)物理地產(chǎn)生該電容。應(yīng)當(dāng)理解的是，在單元200中優(yōu)選提供節(jié)點(diǎn)C和地之間的電容(“Vcap”)，而不需要在單元200中實(shí)現(xiàn)電容器，其與晶體管220分開(kāi)且不同。
在下面的意義上，晶體管220“集成”表示在整個(gè)曝光間隔期間入射在光電二極管212上的光子的數(shù)量的信號(hào)。在每一個(gè)子曝光間隔期間，節(jié)點(diǎn)C(晶體管220的漏極)處的電勢(shì)以由和晶體管220相關(guān)的時(shí)間常數(shù)確定的速率逼近節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)(在圖2中標(biāo)記為高于地的“Vd”)。該時(shí)間常數(shù)由節(jié)點(diǎn)C處的電容確定(其通常又由晶體管220的漏區(qū)的耗盡擴(kuò)散區(qū)的特性來(lái)確定)。然而，在每個(gè)復(fù)位間隔期間節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)不明顯地變化。這是因?yàn)槊總€(gè)復(fù)位間隔的持續(xù)時(shí)間被控制得足夠短，使得在復(fù)位間隔期間對(duì)于節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)沒(méi)有足夠的時(shí)間明顯地變化(盡管在復(fù)位間隔期間節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)通常沒(méi)有明顯變化)。在整個(gè)曝光間隔內(nèi)存在足夠數(shù)量的子曝光間隔，使得節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)(在最后一個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí))和節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)(在最后一個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí))匹配到誤差的預(yù)定可接受的容限內(nèi)。
對(duì)于單元200為了以前面段落中所述的方式工作，晶體管220和光電二極管212被實(shí)施(以及在工作期間被偏置)，使得節(jié)點(diǎn)B處的電容(由光電二極管212決定)比節(jié)點(diǎn)C處的電容(Vcap)小得多。因此單元200的成功運(yùn)行依賴(lài)于和節(jié)點(diǎn)C處的電容(Vcap)(通常由晶體管220決定)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)、和節(jié)點(diǎn)B處的電容(光電二極管212的電容)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)以及光電二極管的暗電流時(shí)間之間的適當(dāng)關(guān)系。
對(duì)復(fù)位晶體管214的柵極確定的復(fù)位脈沖序列中的每個(gè)復(fù)位脈沖具有持續(xù)時(shí)間Tr，使得每個(gè)復(fù)位間隔具有比每個(gè)子曝光間隔的持續(xù)時(shí)間Te小得多的持續(xù)時(shí)間Tr，并且在每個(gè)復(fù)位間隔期間節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)沒(méi)有顯著升高(高于復(fù)位間隔開(kāi)始時(shí)它的值)。實(shí)施集成變?nèi)荻O管220和光電二極管212，選擇每個(gè)子曝光間隔的持續(xù)時(shí)間Te和每一曝光子曝光間隔的數(shù)量，使得在每個(gè)子曝光間隔期間節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)充分降低，以至于在最后一個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí)，節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)沒(méi)有顯著區(qū)別于節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)。換句話(huà)說(shuō)，在所有的子曝光間隔范圍內(nèi)，在最后一個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí)，集成變?nèi)荻O管220將節(jié)點(diǎn)C處的電壓提升到等于(或者基本等于)節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)的值。在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)在變?nèi)荻O管220的大區(qū)域漏極電容(Vcap)上的所有電荷大于在每個(gè)單獨(dú)的子曝光間隔開(kāi)始時(shí)存儲(chǔ)在光電二極管212上的電荷。
如果在第“n”個(gè)復(fù)位間隔開(kāi)始時(shí)節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)是Vn，以及在這個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)是Vn+Δn，那么可以實(shí)現(xiàn)單元200，使得對(duì)于每個(gè)復(fù)位間隔|Δn|比|Vn|小得多。在每個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)(以及因此在每個(gè)子曝光間隔開(kāi)始時(shí))節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)是VR-VT。如果在每個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)是VR-VT-VS，以及在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)是VR-VT-VS-ΔV，那么可以實(shí)現(xiàn)單元200，使得|ΔV|比VR-VT-VS|小得多。因此，可以實(shí)現(xiàn)單元200，使得在最后的子曝光步驟結(jié)束時(shí)(也就是說(shuō)在曝光間隔結(jié)束時(shí))，晶體管216的柵源電壓是VR-VT-VS以在誤差的預(yù)定容限內(nèi)，其中VS表示由于在所有子曝光步驟期間到達(dá)光電二極管212的第一端子的光生載流子導(dǎo)致的電壓變化。
在最后的子曝光步驟之后的讀出步驟期間，通過(guò)對(duì)晶體管218的柵極確定具有高值的控制位CTL以導(dǎo)通晶體管218(晶體管218在復(fù)位和子曝光步驟期間是關(guān)斷的)來(lái)讀出單元200。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)C(讀出晶體管216的柵極)處的電勢(shì)等于節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)(以在誤差的預(yù)定容限內(nèi))。由于節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)(高于地)和因此的讀出晶體管216上的柵源電壓是VR-VT-VS，所以流過(guò)晶體管216和218的溝道的電流的大小表示值VR-VT-VS。沒(méi)有示出但是耦接到位線(xiàn)(其通常是列線(xiàn))的讀出電路可以通過(guò)確定差VS＝((VR-VT)-(VR-VT-VS))來(lái)確定(根據(jù)流過(guò)晶體管216和218的溝道的電流)值VS，其表示在曝光間隔期間入射到光電二極管上的光子的數(shù)量，其中(VR-VT)是在曝光間隔開(kāi)始時(shí)晶體管216的柵源電壓。通過(guò)上述類(lèi)型的初步讀出步驟可以確定值(VR-VT)。
在最后的子曝光間隔之后(但是在讀出步驟之前)，施加到變?nèi)荻O管220的柵極的電壓(VG)可以顯著增加。由于耦合到集成節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)C)的該施加的柵感應(yīng)垂直場(chǎng)，所以通過(guò)氧化物和多邊邊緣場(chǎng)(polyedge fringing field)，進(jìn)一步耗盡了變?nèi)荻O管220的漏區(qū)的耗盡擴(kuò)散區(qū)。因此，降低了節(jié)點(diǎn)C和地之間的電容Vcap，并且節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)升高(以更幾乎接近于在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì))。以這種方式，擴(kuò)大了讀出步驟期間的電流信號(hào)(通過(guò)晶體管216和218的溝道)。
在讀出步驟之后，例如，通過(guò)向變?nèi)荻O管220的柵極施加足夠高的電壓(VG)以完全導(dǎo)通變?nèi)荻O管220，并關(guān)斷復(fù)位晶體管214以及允許電容Vcap通過(guò)光電二極管212對(duì)地放電(例如由于在光電二極管212內(nèi)從節(jié)點(diǎn)C流到節(jié)點(diǎn)B的電流和從節(jié)點(diǎn)B流到地的暗電流)，變?nèi)荻O管電容Vcap可以被放電。
實(shí)施和常規(guī)讀出電路一起使用的單元200的典型實(shí)施方式，以利用具有相對(duì)低的值(例如，1或2伏)的電勢(shì)Vdd工作。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)有源像素傳感器單元通常以Vdd的這種相對(duì)低的值工作(因?yàn)槿绻訴dd的較高值工作則由于暗電流常規(guī)有源像素傳感器單元將經(jīng)受?chē)?yán)重的問(wèn)題)，并且通常將常規(guī)讀出電路設(shè)計(jì)成和以Vdd的這種相對(duì)低的值工作的有源像素單元一起使用。然而，可以實(shí)現(xiàn)單元200或者以Vdd的低值(例如，1或2伏)或者Vdd的較高值工作，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)和操作單元200，以借助于除了降低Vdd的值之外的手段減小暗電流問(wèn)題(這種暗電流減小是本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn))。
當(dāng)單元200被實(shí)施以和提供在范圍0.3到2毫微微法(femtoFarad)內(nèi)的電容(在節(jié)點(diǎn)B處)的光電二極管212一起工作并且Vdd＝1或2伏時(shí)，單元200可以采用具有典型大區(qū)域漏極電容(例如，在每平方微米1毫微微法的數(shù)量級(jí))和適當(dāng)尺寸以在節(jié)點(diǎn)C處獲得所需的電容Vcap(Vcap的值比在節(jié)點(diǎn)B處的電容大得多)的NMOS晶體管作為變?nèi)荻O管220，并且變?nèi)荻O管220的這種NMOS晶體管實(shí)施方式在其柵極處于高于地電勢(shì)的0.2到0.3伏的電勢(shì)的情況下在整個(gè)曝光的子曝光間隔期間工作在亞閾值狀態(tài)。
考慮本發(fā)明的有源像素傳感器單元的多種實(shí)施例。通常，本發(fā)明的單元中的每個(gè)光電二極管的深度(也就是它的p-n結(jié)的深度)影響光電二極管的電容。經(jīng)受關(guān)于該單元的設(shè)計(jì)約束，優(yōu)選最小化該單元的光電二極管的電容。一種典型的設(shè)計(jì)折衷是對(duì)快速讀出的需要(具有較淺p-n結(jié)的光電二極管通常允許較快的讀出)對(duì)分辨率(尤其是紅光的分辨率)。例如，當(dāng)單元的預(yù)定使用是檢測(cè)紅光波長(zhǎng)范圍中的可見(jiàn)輻射時(shí)，對(duì)紅光的最佳靈敏性通常需要具有相對(duì)深的p-n結(jié)的光電二極管。
如果在包括子曝光間隔的曝光間隔期間光電二極管212處的光子通量密度隨時(shí)間變化，則在(不同的一些子曝光間隔的序列的)每個(gè)子曝光間隔結(jié)束時(shí)(單元200的)節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)可以具有不同值的序列。即使在這種情況下，盡管在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)可以不和最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)B處的電勢(shì)匹配，但是在最后的子曝光間隔結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)C處的電勢(shì)將表示在整個(gè)曝光間隔期間在光電二極管中光生電子的數(shù)量(和由此的入射在光電二極管上的光子的數(shù)量)。
通常，當(dāng)本發(fā)明的有源像素傳感器單元的行和列的整個(gè)陣列對(duì)于整個(gè)曝光間隔(包括多個(gè)子曝光間隔)曝光于光子時(shí)，該陣列中的一些單元將具有并入到它們的Vcap上(也就是在每個(gè)這種單元的節(jié)點(diǎn)C處)的基本電荷(也就是，超過(guò)閾值的電荷)，并將因此被讀出作為暗單元，以及該陣列中的其它單元將具有并入到它們的Vcap上的少得多的電荷(也就是，小于閾值的電荷)，并將因此被讀出作為亮單元。
單元200(和本發(fā)明的有源像素傳感器單元的至少一些其它實(shí)施例)的優(yōu)點(diǎn)包括下述更長(zhǎng)的曝光間隔是可以的并甚至是有益的，而單元不用經(jīng)受暗電流泄漏限制；可以實(shí)現(xiàn)具有更小面積(也就是曝光于光子的更小面積)的光電二極管；以及可以采用廉價(jià)的實(shí)施工藝(例如，廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝)來(lái)實(shí)現(xiàn)單元，因?yàn)楣怆姸O管的暗電流泄漏的量對(duì)于該單元的整個(gè)運(yùn)行非常不重要。由于曝光從有源像素傳感器單元接收的總信息(假設(shè)在曝光期間恒定的入射光子通量密度)表示曝光過(guò)程中的光生總電荷＝(光子通量密度)*(二極管面積)*(曝光時(shí)間)。因此，不僅本發(fā)明的單元可以用比常規(guī)單元更長(zhǎng)的曝光時(shí)間提供精確的結(jié)果，而且改善的(升高的)最大曝光時(shí)間允許二極管面積的折衷。
在圖2的實(shí)施例的變型中，用適當(dāng)偏置的PMOS晶體管替換晶體管214、216、218和220的全部或者一些。在其它的實(shí)施例中，用不同于PMOS或者NMOS晶體管的集成變?nèi)荻O管代替晶體管220。例如，在本發(fā)明的有源像素傳感器單元的一些實(shí)施例中的集成變?nèi)荻O管可以是適當(dāng)偏置的二極管而不是MOS晶體管。
在變?nèi)荻O管220被實(shí)現(xiàn)為MOS晶體管的情況下，以對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的方式，通過(guò)以所需尺寸(例如，以其柵極的邊緣具有所需的長(zhǎng)度)實(shí)現(xiàn)該晶體管可以將節(jié)點(diǎn)C(單元200的)處的電容Vcap設(shè)置在所需的值。通過(guò)將光電二極管212(使用CMOS制造技術(shù))實(shí)施為p型半導(dǎo)體材料上的重?fù)诫sn+層，以被選擇用于最小化經(jīng)受其它的設(shè)計(jì)限制的光電二極管212的電容的實(shí)施參數(shù)，優(yōu)選設(shè)置節(jié)點(diǎn)B(單元200的)處的電容，所述設(shè)計(jì)限制包括以下限制p-n結(jié)具有深度(例如，足夠淺)使得光電二極管212對(duì)所需波長(zhǎng)范圍的電磁輻射具有預(yù)定的靈敏性，以及n+層和p-層材料具有足夠的厚度(并適當(dāng)?shù)胤胖胮-n結(jié))以在光電二極管212中獲得足夠大的體積，其中可以產(chǎn)生光生電子并且這些電子有可能遷移到適當(dāng)?shù)墓怆姸O管端子。
在所述的實(shí)施例的變型中，以多種其它方式的任何一種實(shí)現(xiàn)(和在工作中偏置)光電二極管。例如，可以用極性半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)光電二極管，使得在曝光過(guò)程中光生空穴(而不是電子)遷移到光電二極管端子，以便于確定被檢測(cè)的光電二極管電壓。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的單元包括一個(gè)以上的光電二極管(例如，一個(gè)用于接收具有紅色波長(zhǎng)的光子，另一個(gè)用于接收具有藍(lán)色波長(zhǎng)的光子，以及第三個(gè)用于接收具有綠色波長(zhǎng)的光子)，和用于每個(gè)光電二極管的集成變?nèi)荻O管和源跟隨器晶體管(任選地以及其它元件)。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在曝光間隔期間將光電二極管曝光于光子以及在曝光間隔期間多次復(fù)位光電二極管，并且(在曝光間隔之后)讀出表示曝光間隔期間光電二極管中的光生電荷的量的信號(hào)(通過(guò)在曝光間隔結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)在變?nèi)荻O管上的電荷確定)來(lái)讀出每個(gè)光電二極管。
權(quán)利要求
1.一種有源像素傳感器單元，包括至少一個(gè)光電二極管，其被配置成在包括至少兩個(gè)子曝光間隔的曝光間隔期間曝光于光子；復(fù)位電路，其耦接到光電二極管；和集成變?nèi)荻O管，其耦接在光電二極管和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，并被配置使得在曝光間隔期間曝光電荷積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處。
2.如權(quán)利要求1的單元，其中光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，變?nèi)荻O管耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，該單元在第一節(jié)點(diǎn)處具有第一電容，該變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容，以及該變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多。
3.如權(quán)利要求1的單元，其中復(fù)位電路被配置用以在復(fù)位間隔序列的每一個(gè)期間復(fù)位光電二極管，復(fù)位間隔的每一個(gè)在子曝光間隔的不同的一個(gè)之前，并且光電二極管被配置使得在每一個(gè)子曝光間隔期間子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處，其中復(fù)位間隔相對(duì)于子曝光間隔足夠短，并且變?nèi)荻O管電容相對(duì)于第一電容足夠大，使得在子曝光間隔的最后一個(gè)結(jié)束時(shí)的曝光電荷表示在所有子曝光間隔期間積累在第一節(jié)點(diǎn)處的子曝光電荷的總和。
4.如權(quán)利要求1的單元，其中光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，復(fù)位電路是具有耦接到第一節(jié)點(diǎn)的溝道端子的MOS晶體管，以及變?nèi)荻O管耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間。
5.如權(quán)利要求4的單元，其中第一節(jié)點(diǎn)是光電二極管的非接地端子。
6.如權(quán)利要求1的單元，還包括輸出電路，其耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于在輸出節(jié)點(diǎn)處確定表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)的輸出信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6的單元，其中輸出電路包括具有耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的柵極的MOS晶體管。
8.如權(quán)利要求1的單元，還包括輸出電路，其耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于在輸出節(jié)點(diǎn)處確定表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電荷的輸出信號(hào)。
9.如權(quán)利要求1的單元，其中變?nèi)荻O管是場(chǎng)效應(yīng)、選通結(jié)器件。
10.如權(quán)利要求9的單元，其中光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，復(fù)位電路是具有耦接到第一節(jié)點(diǎn)的溝道端子的晶體管，以及變?nèi)荻O管是其溝道耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的MOS晶體管。
11.如權(quán)利要求9的單元，其中在該單元的工作期間偏置變?nèi)荻O管，使得變?nèi)荻O管的源區(qū)和漏區(qū)中的一個(gè)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容。
12.如權(quán)利要求11的單元，其中變?nèi)荻O管是NMOS晶體管，其在該單元的工作期間被偏置使得所述變?nèi)荻O管的漏區(qū)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容。
13.一種用于使用有源像素傳感器單元來(lái)產(chǎn)生表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電荷和電勢(shì)中的一個(gè)的曝光信號(hào)的方法，其中該單元具有至少一個(gè)光電二極管、耦接到光電二極管的復(fù)位電路、和耦接在光電二極管的第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的集成變?nèi)荻O管，所述方法包括以下步驟在包括子曝光間隔序列的曝光間隔期間將光電二極管曝光于光子；以及在復(fù)位間隔序列的每一個(gè)期間復(fù)位光電二極管，以在每個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)設(shè)置所述光電二極管兩端的預(yù)定電壓，其中每個(gè)復(fù)位間隔在子曝光間隔的不同的一個(gè)之前，由此在每個(gè)子曝光間隔期間子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處，以及在曝光間隔期間對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的變?nèi)荻O管電容充電。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中該單元在第一節(jié)點(diǎn)處具有第一電容，變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容，以及變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多，并且復(fù)位間隔相對(duì)于子曝光間隔足夠短，以及變?nèi)荻O管電容相對(duì)于第一電容足夠大，使得在子曝光間隔的最后一個(gè)結(jié)束時(shí)的曝光電荷表示在所有子曝光間隔期間積累在第一節(jié)點(diǎn)處的子曝光電荷的總和。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中光電二極管具有暗電流時(shí)間，以及每個(gè)復(fù)位間隔和每個(gè)子曝光間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中暗電流時(shí)間是特征時(shí)間，其中如果沒(méi)有復(fù)位所述光電二極管，則暗電流導(dǎo)致光電二極管兩端的電壓從V降低到fV，其中“V”是預(yù)定電壓，以及“f”至少基本上等于0.85。
17.如權(quán)利要求13的方法，其中光電二極管具有暗電流時(shí)間，每個(gè)復(fù)位間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)子曝光間隔具有小于暗電流時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中暗電流時(shí)間在毫秒的數(shù)量級(jí)，每個(gè)子曝光間隔具有在微秒數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)復(fù)位間隔具有小于每個(gè)子曝光間隔的持續(xù)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中子曝光間隔的序列包括至少一千個(gè)子曝光間隔。
20.如權(quán)利要求18的方法，其中子曝光間隔的序列包括至少一百萬(wàn)個(gè)子曝光間隔。
21.如權(quán)利要求17的方法，其中暗電流時(shí)間在毫秒的數(shù)量級(jí)，以及每個(gè)子曝光間隔具有在10-x秒的數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間，其中5≤x≤8。
22.如權(quán)利要求17的方法，其中暗電流時(shí)間是特征時(shí)間，其中如果沒(méi)有復(fù)位所述光電二極管，則暗電流導(dǎo)致光電二極管兩端的電壓從V降低到fV，其中“V”是預(yù)定電壓，以及“f”至少基本上等于0.85。
23.一種用于讀出有源像素傳感器單元的方法，該單元具有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、具有第一節(jié)點(diǎn)的至少一個(gè)光電二極管、和耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的集成變?nèi)荻O管，所述方法包括以下步驟在包括N個(gè)子曝光間隔序列的曝光間隔期間將光電二極管曝光于光子，其中2≤N，由此將子曝光電荷序列積累在第一節(jié)點(diǎn)處，其中在子曝光間隔的不同的一個(gè)期間由于光電二極管中的光產(chǎn)生每個(gè)子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處；在每個(gè)復(fù)位間隔序列期間復(fù)位光電二極管，每個(gè)復(fù)位間隔在子曝光間隔的不同的一個(gè)之前；以及確定表示在曝光間隔期間積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的曝光電荷的輸出信號(hào)，其中曝光電荷表示所有子曝光電荷的總和。
24.如權(quán)利要求23的方法，其中N大于100。
25.如權(quán)利要求23的方法，其中光電二極管具有暗電流時(shí)間，以及每個(gè)復(fù)位間隔和每個(gè)子曝光間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間。
26.如權(quán)利要求25的方法，其中在每個(gè)復(fù)位間隔期間復(fù)位光電二極管，以在所述每個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)在所述光電二極管兩端設(shè)置預(yù)定電壓，以及該暗電流時(shí)間是特征時(shí)間，其中如果沒(méi)有復(fù)位所述光電二極管，則暗電流導(dǎo)致光電二極管兩端的電壓從V降低到fV，其中“V”是預(yù)定電壓，以及“f”至少基本上等于0.85。
27.如權(quán)利要求23的方法，其中光電二極管具有暗電流時(shí)間，每個(gè)復(fù)位間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)子曝光間隔具有小于暗電流時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
28.如權(quán)利要求27的方法，其中暗電流時(shí)間在毫秒的數(shù)量級(jí)，每個(gè)子曝光間隔具有在微秒數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)復(fù)位間隔具有小于每個(gè)子曝光間隔的持續(xù)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
29.如權(quán)利要求28的方法，其中1000≤N。
30.如權(quán)利要求28的方法，其中1,000,000≤N。
31.如權(quán)利要求27的方法，其中在每個(gè)復(fù)位間隔期間復(fù)位光電二極管，以在所述每個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)在所述光電二極管兩端設(shè)置預(yù)定電壓，以及暗電流時(shí)間是特征時(shí)間，其中如果沒(méi)有復(fù)位所述光電二極管，則暗電流導(dǎo)致光電二極管兩端的電壓從V降低到fV，其中“V”是預(yù)定電壓，以及“f”至少基本上等于0.85。
32.如權(quán)利要求23的方法，其中光電二極管具有暗電流時(shí)間，每個(gè)復(fù)位間隔具有比暗電流時(shí)間小得多的持續(xù)時(shí)間，每個(gè)子曝光間隔具有小于暗電流時(shí)間的持續(xù)時(shí)間，該單元在第一節(jié)點(diǎn)處具有第一電容，變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容，并且該變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多。
33.如權(quán)利要求32的方法，其中暗電流時(shí)間在毫秒的數(shù)量級(jí)，以及每個(gè)子曝光間隔具有在10-x秒的數(shù)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間，其中5≤x≤8。
34.如權(quán)利要求23的方法，其中該單元包括源跟隨器晶體管和位選擇晶體管，該源跟隨器晶體管具有耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的柵極和溝道，該位選擇晶體管具有和源跟隨器晶體管的溝道串聯(lián)連接的溝道，以及確定輸出信號(hào)的步驟包括以下步驟對(duì)位選擇晶體管的柵極確定控制信號(hào)以導(dǎo)通所述位選擇晶體管，由此允許表示曝光電荷的電流流過(guò)位選擇晶體管的溝道和源跟隨器晶體管的溝道。
35.一種包括有源像素傳感器單元的陣列的圖像傳感器，其中每個(gè)單元包括至少一個(gè)光電二極管，其被配置成在包括至少兩個(gè)子曝光間隔的曝光間隔期間曝光于光子；復(fù)位電路，其耦接到光電二極管；和集成變?nèi)荻O管，其耦接在光電二極管和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，并被配置使得在曝光間隔期間曝光電荷積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處。
36.如權(quán)利要求35的傳感器，其中所述單元以單元的行和列設(shè)置，所述傳感器還包括列線(xiàn)組，其中單元的列中的每一個(gè)耦接到所述列線(xiàn)的不同的一個(gè)，以及每一行的單元耦接到所述列線(xiàn)的不同的一些；和讀出電路，其中所述列線(xiàn)耦接到該讀出電路，并且該讀出電路被配置用于在曝光間隔之后讀出陣列的所有單元。
37.如權(quán)利要求35的傳感器，其中在每個(gè)單元中，光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，變?nèi)荻O管耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，該單元在第一節(jié)點(diǎn)處具有第一電容，變?nèi)荻O管在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容，并且該變?nèi)荻O管電容比第一電容大得多。
38.如權(quán)利要求35的傳感器，其中在每個(gè)單元中，復(fù)位電路被配置用于在復(fù)位間隔序列的每一個(gè)期間復(fù)位光電二極管，每個(gè)復(fù)位間隔在子曝光間隔的不同的一個(gè)之前，以及配置光電二極管使得在每個(gè)子曝光間隔期間子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處，其中復(fù)位間隔相對(duì)于子曝光間隔足夠短，以及變?nèi)荻O管電容相對(duì)于第一電容足夠大，使得在子曝光間隔的最后一個(gè)結(jié)束時(shí)的曝光電荷表示在所有的子曝光間隔期間積累在第一節(jié)點(diǎn)處的子曝光電荷的總和。
39.如權(quán)利要求35的傳感器，其中在每個(gè)單元中，光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，復(fù)位電路是具有耦接到第一節(jié)點(diǎn)的溝道端子的MOS晶體管，以及變?nèi)荻O管耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間。
40.如權(quán)利要求39的傳感器，其中在每個(gè)單元中，第一節(jié)點(diǎn)是光電二極管的非接地端子。
41.如權(quán)利要求35的傳感器，其中每個(gè)單元還包括輸出電路，其耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于在輸出節(jié)點(diǎn)處確定表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)的輸出信號(hào)。
42.如權(quán)利要求41的傳感器，其中在每個(gè)單元中，輸出電路包括具有耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的柵極的MOS晶體管。
43.如權(quán)利要求35的傳感器，其中每個(gè)單元還包括輸出電路，其耦接到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于在輸出節(jié)點(diǎn)處確定表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的電荷的輸出信號(hào)。
44.如權(quán)利要求35的傳感器，其中在每個(gè)單元中，變?nèi)荻O管是場(chǎng)效應(yīng)、選通結(jié)器件。
45.如權(quán)利要求44的傳感器，其中在每個(gè)單元中，光電二極管具有第一節(jié)點(diǎn)，復(fù)位電路是具有耦接到第一節(jié)點(diǎn)的溝道端子的晶體管，以及變?nèi)荻O管是其溝道耦接在第一節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的MOS晶體管。
46.如權(quán)利要求44的傳感器，其中在每個(gè)單元中，變?nèi)荻O管在工作期間被偏置，使得變?nèi)荻O管的源區(qū)和漏區(qū)中的一個(gè)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容。
47.如權(quán)利要求46的傳感器，其中在每個(gè)單元中，變?nèi)荻O管是NMOS晶體管，其在工作期間被偏置使得所述變?nèi)荻O管的漏區(qū)在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處提供變?nèi)荻O管電容。
全文摘要
一種包括至少一個(gè)光電二極管和復(fù)位電路以及耦接到光電二極管的集成變?nèi)萜鞯挠性聪袼貍鞲衅鲉卧环N讀出這種單元的方法，以及包括這種單元的陣列的圖像傳感器。在曝光間隔期間，光電二極管可以曝光于光子，以在光電二極管的第一節(jié)點(diǎn)處積累子曝光電荷序列。在曝光間隔的不同子曝光間隔期間每個(gè)子曝光電荷積累在第一節(jié)點(diǎn)處。在每個(gè)復(fù)位間隔序列期間復(fù)位光電二極管，每個(gè)復(fù)位間隔出現(xiàn)在不同的一個(gè)子曝光間隔之前。可以從該單元確定表示曝光間隔期間積累在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的曝光電荷的輸出信號(hào)，其中曝光電荷表示所有子曝光電荷的總和。
文檔編號(hào)H04N5/3745GK1965410SQ200580018847
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者P·J·霍珀, P·林多菲爾, M·W·普爾特, Y·米爾戈羅斯基 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司