專利名稱：互補金屬氧化物半導(dǎo)體成像器中的有效電荷轉(zhuǎn)移的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體裝置，且更特定來說，涉及用于成像器像素中的轉(zhuǎn)移晶體 管技術(shù)。
背景技術(shù)：
互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器越來越多地用作低成本成像裝置。CMOS 圖像傳感器電路包含像素單元的焦平面陣列，所述單元的每一者包含光傳感器，例如光 柵、光導(dǎo)體，或在襯底內(nèi)具有相關(guān)聯(lián)的電荷累積區(qū)以用于累積光產(chǎn)生電荷的光傳感器。 每一像素單元可包含用于將電荷從電荷累積區(qū)轉(zhuǎn)移到感測節(jié)點的晶體管，及用于在電荷 轉(zhuǎn)移之前，將所述感測節(jié)點復(fù)位到預(yù)定電荷電平的晶體管。像素單元還可包含用于接收 且放大來自感測節(jié)點的電荷的源極跟隨器晶體管，及用于控制從所述源極跟隨器晶體管 讀出單元內(nèi)容的存取晶體管。
在CMOS圖像傳感器中，像素單元的有源元件執(zhí)行以下必要功能(1)光子到電荷 的轉(zhuǎn)換；(2)累積圖像電荷；(3)將電荷轉(zhuǎn)移到感測節(jié)點，并伴有電荷放大；(4)將所 述感測節(jié)點復(fù)位到已知狀態(tài)；(5)選擇像素用于讀出；及(6)輸出且放大表示來自所述 感測節(jié)點的像素電荷的信號。
上文所討論類型的CMOS圖像傳感器通常為已知的，如(例如)尼克松(Nixon) 等人，"256X256 CMOS有源像素傳感器單芯片相機(256x256 CMOS Active Pixel Sensor Camera-on-a-Chip)"，固態(tài)電路電氣和電子工程師協(xié)會雜志(IEEE Journal of Solid-State Circuits),第3K12)巻，第2046頁-第2050頁(1996);及門迪斯(Mendis)等人，"CMOS 有源像素圖像傳感器(CMOS Active Pixel Image Sensors)",關(guān)于電子裝置的電氣和電子 工程師協(xié)會學(xué)報(IEEE Transactions on Electron Devices),第41 (3)巻，第452頁-第 453頁(1994)中所討論。還參看第6,177,333號及第6,204,524號美國專利，其描述常 規(guī)CMOS圖像傳感器的操作且轉(zhuǎn)讓給美光科技公司(Micron Technology, Inc.),其內(nèi)容以 引用的方式并入本文中。
常規(guī)CMOS像素單元IO的俯視圖展示在圖1中。所說明的CMOS像素單元10是4 晶體管(4T)單元。所述CMOS像素單元10通常包括用于產(chǎn)生及收集電荷以響應(yīng)于入射在所述像素單元10上的光的光傳感器，例如光電二極管13，及具有柵極7以用于將 光電電荷從所述光電二極管13轉(zhuǎn)移到感測節(jié)點的轉(zhuǎn)移晶體管，所述感測節(jié)點通常為浮動 擴散區(qū)3。所述浮動擴散區(qū)3電連接到輸出源極跟隨器晶體管的柵極27。像素單元10還 包含復(fù)位晶體管，其具有柵極17以用于將浮動擴散區(qū)3復(fù)位到預(yù)定電壓；及行選擇晶 體管，其具有柵極37以用于將來自源極跟隨器晶體管27的信號輸出到輸出終端以響應(yīng) 于柵極37上的地址信號。
圖2為沿線2-2'截取的圖1的像素單元IO的一部分的橫截面圖，其展示經(jīng)建構(gòu)成光 電二極管的光傳感器13、具有柵極7的轉(zhuǎn)移晶體管及具有柵極17的復(fù)位晶體管。CMOS 像素單元10具有可形成為針扎光電二極管的光電二極管13。所說明的光電二極管具有 p-n-p構(gòu)造，其包括p型表面層5及在p型襯底2內(nèi)的n型光電二極管電荷收集區(qū)14。所 述光電二極管13與轉(zhuǎn)移晶體管的柵極7相鄰且部分位于所述柵極7下方。復(fù)位晶體管柵 極17位于轉(zhuǎn)移晶體管柵極7的與光電二極管13相對的一側(cè)。如圖2所示，復(fù)位晶體管 包含與隔離區(qū)9相鄰的源極區(qū)/漏極區(qū)32。浮動擴散區(qū)3位于所述轉(zhuǎn)移晶體管及所述復(fù)位 晶體管的柵極7、 17之間。
圖3中將一種操作圖1及2中所描繪的CMOS像素單元10的常規(guī)方法說明為時序 圖。在通過將轉(zhuǎn)移柵極控制信號及復(fù)位柵極控制信號TX和RST調(diào)高來復(fù)位光電二極管 13及浮動擴散區(qū)3后，在To時刻起始像素單元10的積分周期。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管和 復(fù)位柵極關(guān)斷時，積分開始。在積分周期期間，通過入射在光電二極管13上的光產(chǎn)生電 子且存儲于n型電荷收集區(qū)14中。當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管柵極7在T!時刻再次接通時，這些電 荷通過轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)3。源極跟隨器晶體管基于存儲在所述浮動擴散區(qū)3 中的轉(zhuǎn)移電荷而產(chǎn)生輸出信號。在電荷轉(zhuǎn)移后，例如在T2時刻，行選擇柵極37通過施 加行選擇信號RS而接通。此將源極跟隨器晶體管所產(chǎn)生的信號輸出到適當(dāng)列線以用于讀 出取樣。應(yīng)注意，圖3僅描繪用于轉(zhuǎn)移且讀出光電二極管13信號的時序。通常，在區(qū)域 3復(fù)位后，存在通過行選擇柵極27對浮動擴散區(qū)3的另一讀出(用于相關(guān)雙重取樣或 CDS)。
通常與例如像素單元10的常規(guī)成像器像素單元相關(guān)聯(lián)的問題是暗電流，也就是說， 由于在無光條件下收集在光電二極管13中的電子生成/重組而產(chǎn)生的電流。暗電流可由
于許多不同因素造成，所述因素包含光電二極管結(jié)泄漏、沿場隔離邊緣的泄漏、晶體
管亞臨界泄漏、漏極引發(fā)的勢壘降低泄漏、柵極引發(fā)的漏極泄漏、陷阱輔助穿隧(trap assisted tunneling)及像素制造缺陷。直接位于轉(zhuǎn)移晶體管柵極堆疊7的邊緣下的區(qū)域為暗電流的有效源。光電二極管13 的n型電荷收集區(qū)14經(jīng)形成為接近于所述轉(zhuǎn)移柵極堆疊7下的襯底2的表面以改進轉(zhuǎn)移 效率。此導(dǎo)致在像素單元IO的積分周期期間產(chǎn)生光電二極管耗盡區(qū)域，且與所述n型累 積區(qū)14及p型表面區(qū)5相關(guān)聯(lián)，還接近于此區(qū)域中的襯底2的表面。歸因于形成空隙的 硅表面空位，尤其在所述轉(zhuǎn)移晶體管柵極堆疊邊緣附近，此區(qū)域具有大量熱產(chǎn)生的電子/ 空穴對。在復(fù)位后且在積分期間，光電二極管13經(jīng)反向偏壓，且所產(chǎn)生的電場將經(jīng)熱產(chǎn) 生的空穴掃到p型表面區(qū)5中，且將經(jīng)熱產(chǎn)生的電荷載流子掃到光電二極管13的n型電 荷收集區(qū)14上。這些經(jīng)熱產(chǎn)生的電荷載流子增加像素單元10在轉(zhuǎn)移柵極堆疊7下的區(qū) 域中的不合需要的暗電流。
與常規(guī)轉(zhuǎn)移柵極技術(shù)相關(guān)聯(lián)的另一問題涉及因較差電荷轉(zhuǎn)移效率而引起的固定圖案 噪聲及滯后。然而，因轉(zhuǎn)移柵極的電位勢壘可能過高而不能完全轉(zhuǎn)移所有經(jīng)光產(chǎn)生的電 荷，因此部分接通轉(zhuǎn)移柵極17以最小化暗電流導(dǎo)致固定圖案噪聲及滯后。
因此，需要一種具有有效電荷轉(zhuǎn)移的像素單元，其具有經(jīng)最小化的暗電流、固定圖 案噪聲及滯后。還需要一種制造及操作此類像素單元的簡單方法。

發(fā)明內(nèi)容
如在各種示范性實施例中所描述，本發(fā)明提供具有有效轉(zhuǎn)移晶體管的像素單元的操 作，所述轉(zhuǎn)移晶體管具有在所述像素單元的電荷積分周期期間或結(jié)束時通過脈沖而啟動 的轉(zhuǎn)移柵極。
依照根據(jù)本發(fā)明的操作像素單元的第一示范性方法，在電荷積分期間，在恒定電壓 下維持復(fù)位柵極，且類似地維持轉(zhuǎn)移柵極直到在電荷積分周期結(jié)束時受脈沖為止。
依照根據(jù)本發(fā)明的操作像素單元的第二示范性方法，復(fù)位柵極電壓以受控方式進行 波動，且轉(zhuǎn)移柵極信號在電荷積分時間期間受脈沖數(shù)次。在一個實施例中，每次復(fù)位柵 極電壓進行波動時產(chǎn)生脈沖。所述方法還可增加像素單元的動態(tài)范圍。


通過結(jié)合附圖而提供的本發(fā)明的以下詳細描述，將更佳地了解本發(fā)明的前述和其它
方面，附圖中
圖1是常規(guī)4晶體管(4T)像素單元的俯視圖2是沿線2-2'截取的圖1的像素單元的橫截面圖；圖3是圖1及2中所說明的常規(guī)像素單元的時序圖4是根據(jù)本發(fā)明而建構(gòu)的示范性像素單元的俯視圖； 圖5是操作根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第一示范性方法的時序圖； 圖6是操作根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第二示范性方法的時序圖； 圖7是操作根據(jù)本發(fā)明的像素單元的第三示范性方法的時序圖7a是依照根據(jù)本發(fā)明的示范性方法中的一者而操作的像素單元的電位圖; 圖8是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的CMOS圖像傳感器的方框圖；及 圖9是并入有本發(fā)明的示范性CMOS圖像傳感器的電腦處理器系統(tǒng)的圖。
具體實施例方式
在以下詳細描述中，參考形成本文的一部分且說明可實踐本發(fā)明的特定實施例的附 圖。在圖式中，所述若干圖中，相同參考標(biāo)號始終大體上描述類似組件。充分詳細地描 述所述實施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，且應(yīng)了解，可利用其它實施例， 且可在不脫離本發(fā)明的精神及范疇的條件下，進行結(jié)構(gòu)、邏輯及電氣改變。
術(shù)語"像素"或"像素單元"是指含有用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號的光傳感器(即， 光電二極管)及晶體管的圖片元素單位單元。為說明目的，在本文的圖及描述中說明代 表性像素單元的一部分。在描述操作方法時，參考特定像素單元描述所述方法以簡化說 明。應(yīng)了解，陣列中的所有像素單元均發(fā)生操作。操作步驟可全局地在陣列上發(fā)生，同 時例如以逐行方式從像素讀出信號的其它步驟可循序發(fā)生。
在各種實施例中，本發(fā)明涉及像素單元及其在電荷積分周期期間及結(jié)束時有效轉(zhuǎn)移 光電荷的操作方法。有效電荷轉(zhuǎn)移具有最小的暗電流而不經(jīng)歷固定圖案噪聲或信號滯后。
現(xiàn)參考圖，其中相同數(shù)字表示相同元件，圖4說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例而建 構(gòu)的像素單元100。像素單元100是5晶體管(5T)像素單元100,其包含抗溢出 (anti-blooming)柵極147、轉(zhuǎn)移柵極107、復(fù)位柵極117、源極跟隨器柵極127及行選擇 柵極137。所述像素單元100還具有用于將傳入光轉(zhuǎn)換成光電荷的光傳感器105 (例如， 光電二極管)。浮動擴散區(qū)103位于轉(zhuǎn)移柵極107的與光傳感器105相對的側(cè)上。所述浮 動擴散區(qū)103用于經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極107接收光電荷，且用于存儲所述電荷直到從像素單元 100發(fā)生讀出操作為止，所述讀出操作可如上文參考圖1-3所述來完成。
抗溢出柵極147可經(jīng)操作以增加像素單元100的動態(tài)范圍且防止不合意地使光電荷 溢出到像素單元100的非所需部分或溢出到相鄰像素?？挂绯鰱艠O147允許來自光電二極管105的多余光電荷溢流到與電源電壓耦合的漏極區(qū)109。然而應(yīng)了解，盡管希望像 素單元100具有抗溢出晶體管柵極147,但所述柵極147并非必要的。實際上，依據(jù)利 用像素單元100的所需成像應(yīng)用，像素單元100可具有多于或少于5個晶體管。
像素單元100可以根據(jù)本發(fā)明的若干示范性模式進行操作。通過圖5-7中所示的時 序圖說明三種示范性模式且描述如下。應(yīng)了解，圖5-7中的時序圖出于說明目的已簡化， 移除對于描述本發(fā)明的有效電荷轉(zhuǎn)移來說是不必要的信號。舉例來說，應(yīng)了解，例如用 以操作行選擇137及抗溢出147晶體管柵極的其它信號還可結(jié)合像素單元100的操作而 使用。除非另外注明，否則所述晶體管可如此技術(shù)中所已知而進行操作，且從像素單元 100讀出信號的已知方法可結(jié)合像素單元的操作而使用。
如圖5中所說明，第一示范性轉(zhuǎn)移模式表示線性操作模式，表示在積分周期期間光 傳感器105所產(chǎn)生的電荷是線性依時的(高達光傳感器105的飽和點)。如圖5所示，在 T,-o時刻，像素單元IOO的積分周期通過復(fù)位光傳感器105及浮動擴散區(qū)103，通過將由 升高的轉(zhuǎn)移柵極TX及復(fù)位RST信號所表示的轉(zhuǎn)移柵極107及復(fù)位柵極117至少部分"接 通"來開始。此時，光傳感器105或浮動擴散區(qū)103處的任何電荷被排出到漏極區(qū)132 中且遠離像素單元100。
此后，轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX返回到低，且在光傳感器105處收集光電荷。在Tw 時，通過至少部分地升高所述轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX來接通轉(zhuǎn)移柵極107。根據(jù)一優(yōu)選實 施例，僅部分地接通所述轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX。此部分啟動表示所述轉(zhuǎn)移柵極107的中 間狀態(tài)，其中施加到柵極107的電壓在0與Vdd之間。如此，轉(zhuǎn)移柵極107附近的暗電 流小于施加全部轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX時應(yīng)具有的暗電流。在此期間(Tw與T,-2之間)， 在光傳感器105及浮動擴散區(qū)103兩者中收集電荷，從而提供更大的電荷容量。
剛好在積分周期結(jié)束之前，在Ti.2時，較高的轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX受到快速脈沖。 此脈沖降低光傳感器105與浮動擴散區(qū)103之間的電荷勢壘，以使得光傳感器105所收 集的所有光電荷將流向浮動擴散區(qū)103。然而，高轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX脈沖快速完成， 以使得暗電流沒有時間在轉(zhuǎn)移柵極107下的襯底中積聚。因此，根據(jù)所述第一示范性操 作模式完成完全的電荷轉(zhuǎn)移，而不具有與常規(guī)電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)聯(lián)的缺陷(例如暗電流)。
分別通過圖6及7中所示的時序圖說明第二及第三示范性操作模式。第二及第三示 范性模式說明像素單元IOO的高動態(tài)范圍操作。CMOS像素的高動態(tài)范圍描述在轉(zhuǎn)讓給 美光科技公司(Micron Technology, Inc.)的第10/881,525號申請案中，且以引用的方式 并入本文中。在高動態(tài)范圍操作期間，由于電荷產(chǎn)生特征包含基于復(fù)位電壓電平的受控波動的拐點響應(yīng)(knee response),因此像素單元100可在飽和之前有較長時間產(chǎn)生電荷。 根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)像素單元100在高動態(tài)范圍模式中操作時，復(fù)位柵極電壓RST在電荷積 分時期期間從高正電壓變化到低正電壓。此可通過控制器250 (圖8)來控制。
圖6說明操作像素單元100的第二示范性方法。當(dāng)光傳感器105及浮動擴散區(qū)103 如上文所述通過接通轉(zhuǎn)移107柵極及復(fù)位117柵極復(fù)位時，積分周期在TVo時刻開始。 這些控制信號的每一者隨后返回到低，且光傳感器105開始收集光電荷。
在Tw時刻，轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX部分地接通且第一電壓Vi經(jīng)由復(fù)位柵極117施 加到浮動擴散區(qū)103。此時， 一些累積在光傳感器105中的光電荷將開始流向浮動擴散 區(qū)103。在像素單元IOO的積分周期過程期間，施加到所述復(fù)位柵極117的電壓將降低。 如圖6所示，所施加的電壓電平可降低到V2且其后降低到V3。電壓電平的其它數(shù)量及 數(shù)值的降低也在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，剛好在復(fù)位柵極117上的電壓電平首次降低之前，通過(例如)將所 施加電壓拉升到轉(zhuǎn)移柵極107，轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX經(jīng)脈沖到高電平。在積分周期期間， 快速完成所述轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX脈沖，且在每一脈沖后，轉(zhuǎn)移柵極信號TX如所示返 回到中間狀態(tài)。
在積分周期結(jié)束時，在T2一2時完成最終轉(zhuǎn)移柵極控制信號TX脈沖。在此點處，在 光傳感器105上的所有剩余光電荷應(yīng)轉(zhuǎn)移到浮動擴散區(qū)103。轉(zhuǎn)移柵極信號TX隨后返回 到低電平，如復(fù)位柵極信號RST。應(yīng)了解，所述方法將通過從浮動擴散區(qū)103將光電荷 作為像素信號V^讀出到適當(dāng)行線上而繼續(xù)。因此，應(yīng)了解，當(dāng)確定適于成像應(yīng)用的所 需結(jié)果時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)移柵極信號TX脈沖可重復(fù)進行任何預(yù)定次數(shù)。
通過圖7中所示的時序圖說明操作像素單元100的第三示范性模式。除特定說明之 外，所述第三示范性模式類似于第二示范性模式。如圖7所示，除脈沖外，轉(zhuǎn)移柵極信 號TX維持在低狀態(tài)VTX_1()，而不是將所述轉(zhuǎn)移柵極信號維持在高脈沖之間的中間電平。
還在圖7中展示抗溢出晶體管柵極147的控制信號AB。重要的是應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā) 明的優(yōu)選實施例，VAB—,o保持高于電壓電平VTX-I()，以避免在積分周期期間光電荷溢流越 過轉(zhuǎn)移柵極107。另外，收集在光傳感器105中的光電荷量應(yīng)比存儲在浮動擴散區(qū)103 中的光電荷量更大，以使得飽和電平受復(fù)位柵極信號RST限制，而不受抗溢出柵極信號 AB限制。此操作可在轉(zhuǎn)移柵極107下方產(chǎn)生最小電平的暗電流，同時保證完全的電荷轉(zhuǎn) 移。此操作隨后能夠產(chǎn)生具有低噪聲及高動態(tài)范圍的極高圖像質(zhì)量。
轉(zhuǎn)向圖7A，像素單元IOO的電位圖說明在操作根據(jù)本發(fā)明的像素單元IOO期間的各種電位勢壘。陰影線區(qū)域表示光傳感器105區(qū)域及浮動擴散區(qū)103中所示的累積電荷的 量。現(xiàn)依據(jù)施加到抗溢出147柵極、轉(zhuǎn)移107柵極及復(fù)位117柵極的每一者的電壓電平， 電子將面對波動的電荷勢壘，且僅在累積足夠電荷后，所述電荷將越過勢壘流動到下一 區(qū)上。
根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)移柵極107可接收接地電位(負(fù)電壓)、中間電壓或高電壓(大于或 等于電源電壓Vdd)。在點A處，轉(zhuǎn)移柵極107接收接地電位(負(fù)電壓)，且大電位勢壘 強烈禁止電子流向浮動擴散區(qū)103。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極107接收中間電壓時，在點B處，柵極 107經(jīng)部分"接通"且光傳感器105與浮動擴散區(qū)103之間的勢壘降低。最后，在點C 處，轉(zhuǎn)移柵極被高電壓電平脈沖"接通"。在此點處幾乎無電位勢壘，且電子無阻地流向 浮動擴散區(qū)103。因此，在根據(jù)上述實施例的積分周期期間，在點C及點A或B中的一 者或一者以上處操作轉(zhuǎn)移柵極107導(dǎo)致完全的電荷轉(zhuǎn)移，而不經(jīng)歷不想要的暗電流影響。
本發(fā)明的示范性像素單元及操作方法可用于如圖8所示的成像器裝置308的像素陣 列240中。所述像素陣列240包括以預(yù)定列數(shù)及行數(shù)排列的多個像素單元，其中每一像 素單元根據(jù)上述示范性實施例的一者建構(gòu)及操作。信號處理電路連接到陣列240，其至 少一部分可形成于襯底中。在陣列240中的各行像素單元全部通過行選擇線同時接通， 且各行的像素單元通過各自的列選擇線選擇性地輸出。為全體陣列240提供多個行線及 列線。所述行線通過行驅(qū)動器245選擇性地啟動以響應(yīng)于行地址解碼器255。所述列選 擇線通過列驅(qū)動器260選擇性地啟動以響應(yīng)于列地址解碼器270。因此，提供了各像素 的行地址及列地址。
CMOS成像器308通過時序及控制電路250操作，所述時序及控制電路控制地址解 碼器255、 270以用于選擇像素讀出的適當(dāng)行線及列線且用于施加上述轉(zhuǎn)移晶體管控制電 壓及復(fù)位晶體管控制電壓。所述控制電路250還控制行驅(qū)動器電路及列驅(qū)動器電路245、 260，以使得其將驅(qū)動電壓施加到選定行線及列線的驅(qū)動晶體管。通過取樣及保持電路 261讀取通常包含像素復(fù)位信號(Vrst)及像素圖像信號(Vsig)的像素單元列信號。由差 分放大器262產(chǎn)生各像素的差分信號(Vrst - Vsig)。所述差分信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器275 (ADC)數(shù)字化。所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器275將經(jīng)數(shù)字化的像素信號供應(yīng)到形成及輸出數(shù)字 圖像的圖像處理器280。
圖9說明包含成像裝置308的基于處理器的系統(tǒng)1100，所述成像裝置具有根據(jù)本文 描述的實施例而建構(gòu)的像素。舉例來說，所述像素可根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例而建構(gòu) 及操作。所述基于處理器的系統(tǒng)UOO為具有可包含圖像傳感器裝置的數(shù)字電路的示范性系統(tǒng)。在不受限制的情況下，所述系統(tǒng)可包含電腦系統(tǒng)、相機系統(tǒng)、掃描儀、機器視覺、 車輛導(dǎo)航、視頻電話、監(jiān)視系統(tǒng)、自動聚焦系統(tǒng)、星體跟蹤儀系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖 像穩(wěn)定系統(tǒng)及其它數(shù)字成像系統(tǒng)。
例如相機系統(tǒng)的基于處理器的系統(tǒng)1100通常包括例如微處理器的中央處理單元 (CPU) 1102，其經(jīng)由總線1104與輸入/輸出(I/O)裝置1106通信。成像裝置308還經(jīng) 由總線1104與所述CPU 1102通信。所述基于處理器的系統(tǒng)IIOO還包含隨機存取存儲器 (RAM) 1110且可包含可拆卸式存儲器1115，例如快閃存儲器，其還經(jīng)由總線1104與 CPU 1102通信。成像裝置308可與例如CPU、數(shù)字信號處理器或微處理器的處理器組合， 且在單一集成電路上或與所述處理器不同的芯片上具有存儲器存儲設(shè)備或不具有存儲器 存儲設(shè)備。在所述基于處理器的系統(tǒng)IIOO中的存儲器存儲裝置的任一者可存儲使用上文 描述的方法的軟件。
上文描述及圖式僅應(yīng)被認(rèn)為是實現(xiàn)本發(fā)明的特征及優(yōu)點的示范性實施例的說明?？?在不脫離本發(fā)明的精神及范疇的情況下進行特定工藝條件及結(jié)構(gòu)的修改及取代。因此， 本發(fā)明不應(yīng)視為受上述描述及圖式限制，而僅受所附權(quán)利要求書的范疇限制。
權(quán)利要求
1.一種操作像素單元的方法，其包括起始所述像素單元的積分周期，光傳感器在所述積分周期期間收集光電荷；在所述積分周期期間將第一信號電平施加到所述像素單元的轉(zhuǎn)移柵極，以使得第一量的光電荷從所述光傳感器轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)；以及在所述積分周期期間將第二信號電平施加到所述轉(zhuǎn)移柵極，以使得第二量的光電荷從所述光傳感器轉(zhuǎn)移到所述存儲區(qū)，所述第二信號電平是經(jīng)脈沖的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一信號電平表示中間電平，其在0與所述 轉(zhuǎn)移晶體管的所述柵極的全接通電壓之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一信號電平處于所述像素單元的電源電壓 下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括在所述積分周期期間將第一復(fù)位信號電 平施加到所述像素單元的復(fù)位柵極的動作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其進一步包括在所述積分周期期間將所述復(fù)位電平從 所述第一復(fù)位電平降低到第二復(fù)位電平的動作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將經(jīng)脈沖的第二信號電平施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的 動作剛好發(fā)生在所述降低所述復(fù)位信號電平的動作之前。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其進一步包括以下動作在所述積分周期期間將施加到所述復(fù)位柵極的電壓從所述第一復(fù)位信號電平降 低到第二復(fù)位信號電平；以及在所述積分周期期間將所述第二復(fù)位信號電平的所述電壓降低到第三信號電平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的所述轉(zhuǎn)移柵極信號在每個 降低所述復(fù)位信號電平的動作之前經(jīng)脈沖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)移柵極信號及所述復(fù)位柵極信號均在所述 積分周期結(jié)束時返回到接地。
10. —種用于像素單元的高動態(tài)范圍操作方法，其包括以下動作將位于光傳感器處的電荷轉(zhuǎn)移到抗溢出存儲區(qū)； 將第一復(fù)位電壓施加到復(fù)位柵極；在所述像素的積分周期期間以預(yù)定時間間隔降低施加到所述復(fù)位柵極的所述電 壓，以增加電荷存儲區(qū)與漏極區(qū)之間的電位勢壘；以及在所述積分周期期間對施加到轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移柵極的電壓進行脈沖，以降低所 述光傳感器與所述電荷存儲區(qū)之間的所述電位勢壘。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述對施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的電壓進行脈沖的 動作剛好在所述降低施加到所述復(fù)位柵極的所述電壓的動作前完成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其進一步包括以下動作使施加到所述抗溢出柵極的所述信號返回到接地；以及 在所述積分周期結(jié)束時，使施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的所述信號返回到接地。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述抗溢出柵極的關(guān)斷狀態(tài)電壓信號所表示的 變壓高于施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的關(guān)斷狀態(tài)電壓信號所表示的電壓。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包括將施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的中間電壓維 持在所述高電壓脈沖之間的動作。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述中間電壓在0與所述像素單元的電源電壓 之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包括將施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的接地電壓維 持在所述高電壓脈沖之間的動作。
17. —種成像器裝置，其包括像素陣列，其包括多個像素單元，每一像素單元包括 光傳感器，其用于在積分周期期間產(chǎn)生光電荷； 存儲區(qū)，其用于存儲所述產(chǎn)生的光電荷；以及轉(zhuǎn)移柵極，其用于使電荷從所述光傳感器轉(zhuǎn)移到所述存儲區(qū)，其中所述轉(zhuǎn)移柵 極經(jīng)調(diào)適以在所述積分周期期間接收第一信號及至少一經(jīng)脈沖的第二信號；以及 控制電路，其用于控制施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的所述信號。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器，其中所述成像器是CMOS成像器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器，其中所述像素單元由所述控制電路全局地操作。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器，其中所述像素單元由所述控制電路以輪流的方式 操作。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器，其進一步包括抗溢出晶體管柵極，其一側(cè)連接到 所述光傳感器且另一側(cè)連接到用于從所述光傳感器接收多余電荷的漏極區(qū)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的成像器，其進一步包括經(jīng)調(diào)適以在所述積分周期期間接收 至少一個復(fù)位電平的復(fù)位柵極。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的成像器，其中在所述積分周期期間，每當(dāng)新的復(fù)位電平將 施加到所述復(fù)位柵極時，所述控制器引起將要施加到所述轉(zhuǎn)移柵極的經(jīng)脈沖信號。
24. —種操作像素單元的方法，所述方法包括在積分周期期間通過將第一電壓電平施加到轉(zhuǎn)移晶體管柵極來降低光傳感器與 存儲區(qū)之間的電位勢壘，以允許所述光傳感器處的光電荷流向所述存儲區(qū)；以及在所述積分周期期間進一步通過將第二電壓電平施加到所述轉(zhuǎn)移晶體管柵極來 降低所述光傳感器與所述存儲區(qū)之間的所述電位勢壘，其中所述第二電壓電平高于 所述第一電壓電平。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第一電壓電平是接地電位。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第二電壓電平至少等于所述像素單元的電 源電壓。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第二電壓電平大于所述像素單元的所述電 源電壓。
28. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第二電壓電平小于所述像素單元的電源電 壓。
29. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其進一步包括在所述積分周期期間通過降低施加到 復(fù)位晶體管的復(fù)位柵極的電壓來增加所述像素單元的動態(tài)范圍的動作。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中將在所述積分周期期間進一步通過將第二電壓 電平施加到所述轉(zhuǎn)移晶體管柵極來降低所述光傳感器與所述存儲區(qū)之間的所述電 位勢壘的動作重復(fù)預(yù)定次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明揭示操作像素單元的方法，所述方法包含在用于相關(guān)聯(lián)的光傳感器的電荷積分周期期間，使用多個脈沖將光電荷有效地轉(zhuǎn)移到晶體管轉(zhuǎn)移柵極。所述像素單元可在正常動態(tài)范圍模式或高動態(tài)范圍(HDR)模式中以有效的轉(zhuǎn)移特征進行操作?？赏ㄟ^操作任選的HDR晶體管或通過使施加到復(fù)位柵極的電壓波動來實現(xiàn)所述高動態(tài)范圍。
文檔編號H04N5/355GK101292514SQ200680038652
公開日2008年10月22日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者卡南·S·洪, 圣權(quán)·C·洪, 根納季亞·A·阿格拉諾夫, 理查德·A·毛里松 申請人:美光科技公司