本發(fā)明涉及高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)像素和用于操作高動(dòng)態(tài)范圍像素的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及用于執(zhí)行飛行時(shí)間測(cè)量和使得能夠使用不同的轉(zhuǎn)換增益而不破壞電荷信息的HDR像素。

發(fā)明背景

圖像傳感器是一種捕捉碰撞的電磁輻射(諸如光通量)并將其轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的設(shè)備。在數(shù)字成像中，有源像素傳感器(APS)被使用得最多。APS是由包含像素傳感器陣列的集成電路組成的圖像傳感器，并且其中每個(gè)像素包含光電二極管和有源放大器。

在APS中，光電二極管對(duì)于入射光敏感。更準(zhǔn)確地，光電二極管將入射光轉(zhuǎn)換成電荷，電荷在給定曝光時(shí)間期間被積累并隨后被轉(zhuǎn)換成像素中經(jīng)放大的電壓。這一電壓是連續(xù)的模擬物理量，其受益于模數(shù)轉(zhuǎn)換器可被轉(zhuǎn)換成代表電壓幅值的數(shù)字值。

標(biāo)準(zhǔn)像素的主要問(wèn)題之一是它們潛在的飽和，該飽和出現(xiàn)在過(guò)強(qiáng)的入射光和/或過(guò)長(zhǎng)的曝光發(fā)生時(shí)。在使用飛行時(shí)間技術(shù)(ToF)的范圍成像系統(tǒng)中(例如如圖1中所示的飛行時(shí)間相機(jī)系統(tǒng)3)(其通過(guò)分析受控光源18發(fā)射16的、并被來(lái)自場(chǎng)景15中的物體反射回17的脈沖光信號(hào)的飛行時(shí)間和相位來(lái)提供距離信息)，飽和可能出現(xiàn)在具有標(biāo)準(zhǔn)反射屬性的物體距針對(duì)其校準(zhǔn)成像系統(tǒng)3的距離范圍更近時(shí)。物體在那時(shí)將所發(fā)射的光反射得過(guò)多，因而導(dǎo)致傳感器的至少一些像素以它們的最大值來(lái)響應(yīng)。飽和還可在物體表明在像素被設(shè)計(jì)成敏感的波長(zhǎng)域中的波譜反射屬性時(shí)(諸如當(dāng)場(chǎng)景中的鏡子將其接收的整個(gè)入射光反射到對(duì)場(chǎng)景成像的傳感器上時(shí))，或者當(dāng)物體反射入射光并將其集中在傳感器的一部分上時(shí)，或者當(dāng)以與ToF相機(jī)被設(shè)計(jì)用于的相同波長(zhǎng)域發(fā)射強(qiáng)照射的外部光源正對(duì)傳感器照射時(shí)發(fā)生。

當(dāng)像素飽和時(shí)，關(guān)于場(chǎng)景的有意義的信息被丟失，因?yàn)樗峁┑捻憫?yīng)在可被提供的最大電壓值處是平的；這導(dǎo)致圖像偽像或缺陷，諸如圖像中的灼傷區(qū)域、光暈效應(yīng)。此外，某些應(yīng)用，例如以ToF技術(shù)計(jì)算深度信息，使用來(lái)自多個(gè)捕捉的基于相移的計(jì)算推導(dǎo)距離測(cè)量。如果像素飽和發(fā)生在積分時(shí)間期間，則檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)處的電壓達(dá)到飽和電平，該飽和電平破壞了相應(yīng)的捕捉。

標(biāo)準(zhǔn)像素的另一個(gè)主要問(wèn)題是噪聲可能非常強(qiáng)這一事實(shí)。如果信噪比很小，則噪聲在捕捉期間占有優(yōu)勢(shì)而有用信息丟失。

在將飽和和噪聲參數(shù)兩者均考慮在內(nèi)的情況下，圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)重要標(biāo)志是在圖2中示出的所謂的動(dòng)態(tài)范圍(DR)。動(dòng)態(tài)范圍可以分貝為單位通過(guò)以下比值來(lái)定義：

出于增加圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的目的，已實(shí)現(xiàn)若干技術(shù)。用于增加圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的第一解決方案是降低本底噪聲的水平，例如通過(guò)減小傳感器的大小。此策略遭受同時(shí)降低傳感器的飽和度水平的缺點(diǎn)。這是圖2中所示的情況A。

用于增加傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)途徑是增加傳感器的飽和度水平。在使用添加了鎖存器和/或存儲(chǔ)器點(diǎn)的若干電子電路的標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器中，已經(jīng)提出了高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)或?qū)拕?dòng)態(tài)范圍(WDR)系統(tǒng)的若干解決方案。傳感器也已被設(shè)計(jì)為具有諸如精細(xì)調(diào)整、多重捕捉或空間變化的曝光等技術(shù)。另外，已對(duì)每一個(gè)CMOS APS添加了額外的邏輯電路，但是這縮小了傳感器的有效敏感區(qū)域，并導(dǎo)致不滿足有效ToF成像要求的非常低的填充因子。另一種方案包括使用具有對(duì)數(shù)像素的電路。這類像素電路生成是碰撞像素的光量的對(duì)數(shù)函數(shù)的電壓電平。這與使用線性型像素的大部分CMOS或CCD型圖像傳感器不同。然而，使用對(duì)數(shù)像素嚴(yán)重復(fù)雜化了用于計(jì)算所需數(shù)據(jù)(例如深度信息)的后續(xù)處理，因?yàn)樗肓斯膲嚎s問(wèn)題并且還請(qǐng)求額外的處理計(jì)算。

基于飽和度水平的增加，這些解決方案之一在圖3中示出。使用額外電容器C_PA，在光電二極管PD中在積分時(shí)間期間生成的電荷可被轉(zhuǎn)移在該額外電容器上。這一方法的主要缺點(diǎn)在于，一旦被轉(zhuǎn)移在額外電容器上，僅一個(gè)讀出循環(huán)是可能的。不可能將包含在額外電容器上的數(shù)據(jù)讀出好幾次以及適配要使用的轉(zhuǎn)換增益。

仍舊需要提出一種用于增加飛行時(shí)間傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)允許使用不同的轉(zhuǎn)換增益的相同電荷信息的非破壞性的多次讀出的解決方案。

發(fā)明概述

本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的高動(dòng)態(tài)范圍像素。

固有電容的意思是此固有電容(其也是寄生電容C_P)不是添加到電路的額外電容，而是鏈接到電路的電子復(fù)合體的所有寄生電容的總和(即，源自光電敏感元件、檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)、重置開(kāi)關(guān)、緩沖放大器和選擇晶體管中的至少一者的電容的總和)。按照定義，此固有電容不能被單獨(dú)抑制。

由于本發(fā)明，還可能選擇要被使用的最佳轉(zhuǎn)換增益。即使電荷被首先存儲(chǔ)在大電容上，所以可能將電荷轉(zhuǎn)換為寄生電容，以獲得高轉(zhuǎn)換增益。

優(yōu)選地，雙模式電容(C_HDR)是一種能操作以用于在反型模式中存儲(chǔ)少數(shù)載流子并在積累模式中釋放(destore)少數(shù)載流子的MOS電容。使用MOS電容這一事實(shí)使得在從寄生電容到MOS電容以及從MOS電容到寄生電容兩個(gè)方向上都能夠傳輸電荷。在使用標(biāo)準(zhǔn)的單模式電容時(shí)這是不可能的。

有利地，光敏元件是有針腳的光電二極管，其使得能夠在電荷轉(zhuǎn)移步驟期間完全耗盡光電二極管，并且從而減小讀出噪聲。

更有利地，HDR像素被用于執(zhí)行飛行時(shí)間測(cè)量。僅用一個(gè)積分時(shí)間就獲得具有低和高兩種轉(zhuǎn)換增益的數(shù)據(jù)這一事實(shí)對(duì)于飛行時(shí)間測(cè)量是極度有意義的，因?yàn)槟軌蛞苑瞧茐男缘姆绞綄⑾嗤碾姾尚畔⑤敵鰞纱?。這對(duì)于其中需要在數(shù)學(xué)上組合若干相關(guān)以計(jì)算距離的飛行時(shí)間測(cè)量是有利的。在同一曝光期間或者順序地使用連續(xù)曝光，不同相關(guān)可被并行獲取。本發(fā)明提供了一種使用不同轉(zhuǎn)換增益來(lái)多次測(cè)量每個(gè)曝光的相關(guān)而不損壞電荷信息的方式。

本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求7的用于操作高動(dòng)態(tài)范圍像素的方法。

有利地，該方法使得能夠以低重置噪聲來(lái)執(zhí)行測(cè)量，因?yàn)楣饷粼闹刂檬窃陔p模式電容處于積累模式中時(shí)被執(zhí)行的。

該方法還對(duì)于飛行時(shí)間應(yīng)用特別有利。因?yàn)槎鄠€(gè)一致的數(shù)據(jù)集可用，所以沒(méi)有其中需要用源自不同轉(zhuǎn)換增益的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算飛行時(shí)間信息的情形。因此，不存在關(guān)于彼此校準(zhǔn)不同轉(zhuǎn)換增益的需要，這是本發(fā)明相對(duì)于例如對(duì)數(shù)、線性對(duì)數(shù)或者分段線性像素實(shí)現(xiàn)的巨大優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和新特征將從以下詳細(xì)描述并結(jié)合伴隨的附圖而變得更為明顯。

附圖簡(jiǎn)述

通過(guò)以下的描述和伴隨的附圖將會(huì)更好地理解本發(fā)明。

圖1示出TOF相機(jī)系統(tǒng)的基本操作原理；

圖2示出高動(dòng)態(tài)范圍的定義；

圖3示出如在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)的3T-像素配置。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的像素配置。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的像素配置。

圖6示出MOS電容器的公知的器件物理結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體層是p摻雜層；

圖7示出了MOS電容器作為柵極偏置的函數(shù)的電容行為；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的MOS電容器C_HDR的俯視圖；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于控制像素的典型波形；

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將從以下詳細(xì)描述中變得更明顯。

發(fā)明描述

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的像素配置。

所述像素40包括：

-用于響應(yīng)于沖擊光生成電荷的光敏元件PD，例如光電二極管；也可使用有針腳的光電二極管；

-檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)FD，其在沒(méi)有轉(zhuǎn)移柵極的情況下是附接于光電二極管的陰極的節(jié)點(diǎn)，或者是可通過(guò)轉(zhuǎn)移柵極(未被表示)連接至PD元件的檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)FD；

-重置晶體管M_RST，其對(duì)控制信號(hào)RST做出響應(yīng)并且可操作以將光敏元件PD初始化為已知電壓(V_RST)，或?qū)⒃﨔D重置為已知電壓同時(shí)完全耗盡有針腳的光電二極管，如果有針腳的光電二極管被使用的話；

-放大器晶體管M_SF，例如源跟隨器，其對(duì)VDD信號(hào)做出響應(yīng)并且可操作以允許觀察到像素電壓而無(wú)需移除積累的電荷；檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)FD處的電壓被經(jīng)由用作放大器的此晶體管朝著像素輸出轉(zhuǎn)移；

-選擇晶體管M_SEL，其對(duì)SEL信號(hào)做出響應(yīng)并且可操作以在讀出過(guò)程期間選擇像素；

-小固有或寄生電容C_P，其對(duì)應(yīng)于電路的所有寄生電容的總和(主要是固有光電二極管電容和與放大器和重置晶體管相關(guān)聯(lián)的電容)；

-雙模式電容，例如，金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器C_HDR。

在一個(gè)可能的實(shí)施例中，附加開(kāi)關(guān)S2被添加到該像素并被連接在CMOS電容器C_HDR和檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)FD之間，如圖5中所示。

寄生固有電容C_P的值通常為約10fF。此小電容使得能夠積分少量電荷，但是遭受低飽和度水平。其轉(zhuǎn)換增益(即“由一定數(shù)量的所生成的電子生成的電壓/所生成的電子的數(shù)量”的比值)很高且使得能夠在黑暗條件下實(shí)現(xiàn)高敏感度。

MOS電容器C_HDR由半導(dǎo)體本體或基底、絕緣器膜、被稱為柵極的金屬電極、以及用于接觸半導(dǎo)體本體的一個(gè)或兩個(gè)歐姆接觸制成。應(yīng)當(dāng)理解，標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶體管通常包括接觸半導(dǎo)體本體的稱為源極和漏極的兩個(gè)歐姆區(qū)域。在本發(fā)明中，源極和漏極可被連接(如在圖4和圖5中所表示的)，或者僅一個(gè)區(qū)域可被設(shè)計(jì)(如圖8中所表示的)。在本發(fā)明中，如果兩個(gè)歐姆接觸被設(shè)計(jì)，則MOS電容器C_HDR被布置成使得半導(dǎo)體側(cè)(即MOS電容器的源極和漏極)被連接至光電檢測(cè)器PD的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)FD。

MOS電容器C_HDR的轉(zhuǎn)換增益相對(duì)較小。這一大電容在光亮條件下特別有用，因?yàn)槠滹柡投人胶芨摺?/p>

圖6示出MOS電容器的公知的器件物理結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體層是p摻雜層：

-如果被施加到柵極的電壓V_g小于所謂的平帶電壓(flat-band voltage)V_fb，則在表面半導(dǎo)體/氧化物處或附近存在大量空穴。它們形成積累層且電容處于積累模式。

-如果被施加到柵極的電壓V_g大于所謂的閾值電壓V_T，則現(xiàn)在存在反型層，其填充有反型電子。其為反型模式。

應(yīng)該理解，本發(fā)明被呈現(xiàn)為其中MOS電容被p摻雜，且在后文中，少數(shù)載流子是電子，但是本發(fā)明不限于此且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員用經(jīng)n摻雜的電容且為空穴的少數(shù)載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7示出了MOS電容器C_HDR的作為柵極偏置的函數(shù)的電容行為。線(a)繪制了在低頻處柵極上看到的電容比偏置條件，而線(b)繪制了從半導(dǎo)體接觸看到的電容，其按照與MOS的反型層相同的極性被摻雜。

從柵極看出，MOS電容器具有有限的可調(diào)諧性，因?yàn)樵诘皖l處處于反型和積累的柵極電容相等(圖7，a)。然而，在反型中，在電容器的另一側(cè)上(即在半導(dǎo)體側(cè)上)使用的電荷是少數(shù)載流子，而在積累上電荷是多數(shù)載流子。這意味著當(dāng)僅看少數(shù)載流子(即由光電二極管PD在積分時(shí)間期間積分的少數(shù)載流子)時(shí)，在積累中沒(méi)有電荷在電容器中被積累。這意味著，對(duì)于少數(shù)載流子，當(dāng)MOS電容器處于積累(圖7，b)中時(shí)沒(méi)有電容器。

當(dāng)圖4或圖5的結(jié)構(gòu)的柵極電壓對(duì)應(yīng)于電容器的反型模式時(shí)，電容器現(xiàn)在可以接受來(lái)自半導(dǎo)體接觸的少數(shù)載流子并可擔(dān)當(dāng)那些電荷(在此情況下為電子)的電容器。當(dāng)柵極電壓對(duì)應(yīng)于積累模式時(shí)，在溝道中存在的少數(shù)載流子現(xiàn)在被再次推入半導(dǎo)體區(qū)域中，從而更改此節(jié)點(diǎn)上的電容而不修改電荷信息。用這種方式，可能在具有少數(shù)載流子的高電容和低轉(zhuǎn)換增益(處于反型中的MOS)的模式和具有低電容和高轉(zhuǎn)換增益(處于積累中的MOS)的模式之間切換。

使用雙模式電容MOS C_HDR允許電荷的轉(zhuǎn)移：

-從寄生電容C_P到大電容C_HDR，通過(guò)打開(kāi)開(kāi)關(guān)S2并施加?xùn)艠O電壓V_g以使得電容C_HDR在反型模式中操作并且使得少數(shù)載流子看到的總電容C_T是C_P和C_HDR的和；以及

-從大電容C_HDR到寄生電容C_P，通過(guò)施加?xùn)艠O電壓V_g，以使得電容C_HDR在積累模式中操作并推動(dòng)少數(shù)載流子朝著寄生電容遠(yuǎn)離，以使得少數(shù)載流子看到的總電容C_T僅是C_P。

本發(fā)明的包括此雙模式MOS電容的像素40在飛行時(shí)間相機(jī)系統(tǒng)中特別有意義。優(yōu)選地，本發(fā)明的像素40可操作以執(zhí)行飛行時(shí)間測(cè)量。像素40例如可以是用于執(zhí)行飛行時(shí)間相關(guān)測(cè)量的電流輔助光電解調(diào)器的像素，但是本發(fā)明不限于此。歸功于雙模式MOS電容，相同電荷信息可按非破壞性方式被輸出兩次，這對(duì)于其中需要在數(shù)學(xué)上組合若干相關(guān)來(lái)計(jì)算距離的飛行時(shí)間測(cè)量是有利的。在同一曝光期間或者順序地使用連續(xù)曝光，不同相關(guān)可被并行獲取。本發(fā)明提供了一種使用不同轉(zhuǎn)換增益多次測(cè)量每個(gè)曝光的相關(guān)而不損壞電荷信息的方式。這對(duì)于飛行時(shí)間是重要的，因?yàn)闉榱四軌蛟跀?shù)學(xué)上組合相關(guān)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)集需要一致且使用相同的轉(zhuǎn)換增益來(lái)測(cè)量?，F(xiàn)在，通過(guò)本發(fā)明，一致的多個(gè)數(shù)據(jù)集可用。某集合中的每個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)是使用相同轉(zhuǎn)換增益來(lái)測(cè)量的，且若干集合可用，由此這些集合是用不同的轉(zhuǎn)換增益來(lái)測(cè)量的。這意味著，對(duì)于低強(qiáng)度測(cè)量(其中所收集的電荷很低)，可使用具有高轉(zhuǎn)換增益的數(shù)據(jù)集(即，寄生電容C_P)，而對(duì)于高強(qiáng)度測(cè)量，可使用具有低轉(zhuǎn)換增益的數(shù)據(jù)集(即，MOS電容C_HDR)，因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)換增益上測(cè)量時(shí)的信息將已飽和。

在圖8上提供MOS電容器C_HDR的俯視圖。區(qū)域72是CMOS電容的柵極的俯視圖，在其下是絕緣層和半導(dǎo)體層。區(qū)域71是接觸半導(dǎo)體層的歐姆接觸，以允許少數(shù)載流子進(jìn)出MOS電容器。在圖8中，僅一個(gè)歐姆接觸71被表示，但是本發(fā)明可包括2個(gè)歐姆接觸。應(yīng)當(dāng)理解，標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶體管通常包括被稱為源極和漏極的兩個(gè)歐姆區(qū)域。在本發(fā)明中，源極和漏極可以相連(如在圖4和圖5中所表示的)，或僅一個(gè)區(qū)域可被設(shè)計(jì)(如在圖8中表示的)。僅需要一個(gè)接觸歐姆來(lái)允許少數(shù)載流子進(jìn)出MOS電容器。

可被打開(kāi)和關(guān)閉的附加電容C_HDR的值與柵極單元電容成比例，通常處于4fF/μm²的量級(jí)，與MOS電容器的寬度75和MOS電容器的長(zhǎng)度74成比例。然而，添加該結(jié)構(gòu)也添加了與寬度75、與接觸長(zhǎng)度73——其是依賴于技術(shù)的并且必須被最小化、以及與此有源區(qū)域71的結(jié)電容(其也是依賴于技術(shù)的)成比例的寄生電容。為了在節(jié)點(diǎn)FD上具有高電容調(diào)制，必須通過(guò)最小化MOS結(jié)構(gòu)的寬度75并最大化MOS結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度74來(lái)最小化寄生電容C_P(其不可被開(kāi)關(guān))。6:1直到10:1的調(diào)制比可通過(guò)分別優(yōu)化長(zhǎng)度74和寬度75來(lái)達(dá)成，從而提供約20dB的動(dòng)態(tài)范圍改善。MOS結(jié)構(gòu)的其他較異乎尋常的實(shí)現(xiàn)也是可能的，諸如環(huán)形柵極圍繞的單個(gè)漏極/源極接觸等。

圖9示出用于控制該像素的典型波形，其示出本發(fā)明的方法。

在時(shí)間T1，源極跟隨器M_SF被重置為V_DD值。

接著，重置脈沖被給到晶體管M_RST的柵極，直到時(shí)間T2為止。在重置期間，MOS電容器C_HDR被保持處于積累中，其中V_HDR很低，這意味著對(duì)于少數(shù)載流子，僅存在寄生電容C_P。因此，重置帶來(lái)的kTC噪聲僅受寄生電容C_P限定，其為檢測(cè)二極管PD的寄生電容與節(jié)點(diǎn)FD上剩余的寄生電容(例如，放大器M_SF的輸入電容)的和。

在重置后，在時(shí)間T3，MOS以弱反型被偏置，且積分時(shí)間開(kāi)始。對(duì)于在節(jié)點(diǎn)FD上積累的任何電荷，附加MOS電容器C_HDR將被看到，所以電荷信息的積分在曝光期間在為C_P和C_HDR的和的總電容C_T上發(fā)生。

在時(shí)間T4，曝光時(shí)間結(jié)束且信息被采樣。電荷信息在整個(gè)電容C_T上被讀出，這意味著低轉(zhuǎn)換增益被使用。

在此第一讀出操作之后，在時(shí)間T5和T6之間，MOS電容器C_HDR被切換為處于積累中(或至少平帶中)，其中V_HDR電平很低，且先前存在于反型層中的少數(shù)載流子被推回連接到節(jié)點(diǎn)FD的半導(dǎo)體接觸71中。優(yōu)選地，時(shí)間T5和T6被選擇成使得反型和積累模式間的改變緩慢而不唐突，以確保更好的電荷轉(zhuǎn)移。時(shí)間T5和T6可融合于一個(gè)單一時(shí)間中。相同的電荷信息隨后可在低電容C_P上被讀，這意味著在此第二讀出操作期間使用高轉(zhuǎn)換增益。

如果此高轉(zhuǎn)換增益模式中的數(shù)據(jù)讀出飽和，則在時(shí)間T3可使用在低轉(zhuǎn)換增益模式中獲得的數(shù)據(jù)來(lái)完成飛行時(shí)間計(jì)算，且可進(jìn)行選擇。

在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)開(kāi)關(guān)S2被使用時(shí)，如在圖5中所表示的，則開(kāi)關(guān)可被保持關(guān)閉，直到時(shí)間T4(信號(hào)SW)為止。隨后，開(kāi)關(guān)可被打開(kāi)以允許電荷在第一讀出步驟期間的完整轉(zhuǎn)移。

通過(guò)在PD元件和FD元件間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移柵極，本發(fā)明還可在全局快門像素方法中使用。

雙模式電容再次被連接到FD元件。

在PD元件不是有針腳的光電二極管的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極導(dǎo)電時(shí)，所收集的載流子分布于PD和FD之間以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有相等的電勢(shì)。從而，在FD上具有大電容，使得大部分被收集的載流子將被存儲(chǔ)在FD側(cè)是有利的。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極被釋放時(shí)，情形被凍結(jié)。

現(xiàn)在FD節(jié)點(diǎn)上的電子可首先在低轉(zhuǎn)換增益模式中被讀取，并接著在高轉(zhuǎn)換增益模式中通過(guò)將MOS結(jié)構(gòu)帶回處于積累中被讀取。通過(guò)這樣做，我們關(guān)于正常的全局快門模式實(shí)現(xiàn)了從PD到FD的更好的電荷轉(zhuǎn)移。丟失的電荷量是在沒(méi)有雙模式電容器(C_PD/(C_PD+C_FD))的情況下的，其通常接近1/2，而在本發(fā)明中，全局快門操作中丟失的電荷量被減少到(C_PD/(C_PD+C_FD+C_HDR))，同時(shí)大致維持高轉(zhuǎn)換增益模式中的原始FD轉(zhuǎn)換增益。

圖10示出使用來(lái)自本發(fā)明的動(dòng)態(tài)增益改善的飛行時(shí)間成像系統(tǒng)900的實(shí)現(xiàn)。包括根據(jù)本發(fā)明的任何實(shí)施例的像素40的陣列的像素陣列901被連接到讀出模塊902，該讀出模塊可以是ADC、模擬輸出緩沖器、一組并行ADC等，以及控制像素陣列901和讀出模塊902兩者以在多個(gè)模式中讀出每個(gè)像素的定時(shí)模塊903。