本發(fā)明大體上涉及圖像傳感器。更具體地說，本發(fā)明的實例涉及具有全局快門的圖像傳感器像素單元。

背景技術(shù)：

對于高速圖像傳感器，可使用全局快門來捕捉快速移動物體。全局快門通常使得圖像傳感器中的所有像素單元能夠同時捕捉圖像。對于較慢移動的物體，使用更常見的滾動快門。滾動快門通常按順序捕捉圖像。例如，可循序啟用二維(“2D”)像素單元陣列內(nèi)的每一行，使得單個行內(nèi)的每一像素單元同時捕捉圖像，但是每一行是以滾動次序啟用。因而，像素單元的每一行在不同的圖像獲取窗期間捕捉圖像。對于緩慢移動的物體，每一行之間的時間差可產(chǎn)生圖像失真。對于快速移動物體，滾動快門可導(dǎo)致沿物體的移動軸的可感知伸長失真。

在全局快門圖像傳感器中，在開始正常曝光操作之前利用復(fù)位電壓(例如，AVDD)初始化所有像素單元。此復(fù)位通常是憑借通過全局快門開關(guān)將每個像素連接到AVDD電壓而實現(xiàn)。在復(fù)位之后，關(guān)斷每一像素中的全局快門開關(guān)，這接著使得每一像素能夠開始正常曝光操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種像素單元，其包括：光電二極管，其安置在半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于引導(dǎo)到所述光電二極管的入射光而積累圖像電荷；全局快門晶體管，其安置在所述半導(dǎo)體材料中且耦合到所述光電二極管以響應(yīng)于全局快門控制信號而選擇性地將所述光電二極管中的所述圖像電荷復(fù)位；及全局快門控制信號產(chǎn)生器電路，其經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述全局快門控制信號以具有第一值、第二值及第三值，其中所述全局快門控制信號的所述第一值經(jīng)耦合以接通所述全局快門晶體管以將所述光電二極管復(fù)位，其中所述全局快門控制信號的所述第三值經(jīng)耦合以將所述全局快門晶體管控制為低漏電模式，其中所述全局快門控制信號的所述第二值介于所述全局快門控制信號的所述第一值與所述第三值之間，且其中所述全局快門控制信號的所述第二值經(jīng)耦合以關(guān)斷所述全局快門晶體管。

本發(fā)明還提供一種成像系統(tǒng)，其包括：像素單元的像素陣列，其中所述像素單元中的每一者包含：光電二極管，其安置在半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于引導(dǎo)到所述光電二極管的入射光而積累圖像電荷；全局快門晶體管，其安置在所述半導(dǎo)體材料中且耦合到所述光電二極管以響應(yīng)于全局快門控制信號而選擇性地將所述光電二極管中的所述圖像電荷復(fù)位；及全局快門控制信號產(chǎn)生器電路，其經(jīng)耦合以產(chǎn)生所述全局快門控制信號以具有第一值、第二值及第三值，其中所述全局快門控制信號的所述第一值經(jīng)耦合以接通所述全局快門晶體管以將所述光電二極管復(fù)位，其中所述全局快門控制信號的所述第三值經(jīng)耦合以將所述全局快門晶體管控制為低漏電模式，其中所述全局快門控制信號的所述第二值介于所述全局快門控制信號的所述第一值與所述第三值之間，且其中所述全局快門控制信號的所述第二值經(jīng)耦合以關(guān)斷所述全局快門晶體管；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個像素讀出圖像數(shù)據(jù)。

附圖說明

參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制及非詳盡實例，其中除非另有規(guī)定，否則相同的參考數(shù)字是指各個視圖中的相同部分。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明包含向全局快門開關(guān)提供全局快門控制信號的全局快門控制信號產(chǎn)生器的像素單元的一個實例的示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明具有第一值、第二值及第三值以控制全局快門開關(guān)的實例全局快門控制信號的時序圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明包含具有利用實例全局快門控制信號產(chǎn)生器控制的像素單元的像素陣列的成像系統(tǒng)的一個實例的圖。

對應(yīng)的參考字符指示圖式的若干視圖中的對應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，圖中的元件是為了簡單清楚起見而說明且不一定按比例繪制。例如，圖中的一些元件的尺寸可相對于其它元件夸大以幫助改善對本發(fā)明的各個實施例的理解。并且，商業(yè)上可行的實施例中有用或必需的常見但眾所周知的元件通常并未描繪以促進更容易地查看本發(fā)明的這些各個實施例。

具體實施方式

如將所示，揭示了針對向像素單元中的全局快門開關(guān)提供全局快門控制信號的全局快門控制信號產(chǎn)生器的方法及設(shè)備。在以下描述中，陳述數(shù)種特定細節(jié)以提供對本發(fā)明的徹底理解。在以下描述中，陳述數(shù)種特定細節(jié)以提供對實施例的徹底理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，本文中描述的技術(shù)可在無特定細節(jié)中的一或多者的情況下或利用其它方法、組件、材料等來實踐。在其它實例中，并未詳細展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面模糊。

貫穿本說明書對“一個實施例”、“實施例”、“一個實例”或“實例”的引用意指結(jié)合實施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例或?qū)嵗?。因此，例如“在一個實施例中”或“在一個實例中”的短語在本說明書中的各個位置中的出現(xiàn)不一定全部是指相同實施例或?qū)嵗?。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適方式組合在一或多個實施例或?qū)嵗?。下文是在通過參考附圖描述本發(fā)明的實例時使用的術(shù)語及元件的詳述。

如將討論，對于使用NMOS晶體管實施的全局快門開關(guān)，NMOS晶體管的柵極端子可連接到負NVDD電壓(例如，-2伏特)以在全局快門開關(guān)關(guān)斷時提供低漏電模式，這改善了圖像傳感器性能。因而，當(dāng)全局快門開關(guān)從被接通轉(zhuǎn)變到被關(guān)斷時，NMOS柵極電壓從AVDD變?yōu)镹VDD。例如，在其中AVDD＝3伏特且NVDD＝-2伏特的實例中，當(dāng)全局快門開關(guān)被關(guān)斷時，全局快門開關(guān)的柵極端子上的電壓從3伏特轉(zhuǎn)變?yōu)?2伏特。為了提供負NVDD電壓(例如，-2伏特)，提供又可稱為N泵或負泵的負電壓產(chǎn)生器。為了同時關(guān)斷圖像傳感器的每個像素單元中的全局快門開關(guān)以實施全局快門，典型的N泵將需要具有極大的驅(qū)動能力以驅(qū)動全局快門開關(guān)的所有柵極端子。實際上，耦合到所有全局快門開關(guān)的柵極端子的線電容可能極大，在一些實例中線電容可取決于圖像傳感器的像素陣列中的像素數(shù)目而為納法拉的數(shù)量級。然而，根據(jù)本發(fā)明的教示的實例提供具有降低驅(qū)動要求的全局快門控制信號產(chǎn)生器，且因此降低對具有大驅(qū)動能力的N泵的需求。

為了說明，圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明具有利用全局快門控制信號產(chǎn)生器120控制的全局快門的像素單元100的一個實例的示意圖。在實例中，像素單元100可為像素陣列中的多個像素單元中的一者。如所描繪實例中所示，像素單元100包含全局快門晶體管102、光電二極管104、轉(zhuǎn)移晶體管106、存儲晶體管108、輸出晶體管110、讀出節(jié)點114、復(fù)位晶體管112、放大器晶體管116及耦合到位線178的行選擇晶體管118。在一個實例中，讀出節(jié)點114是安置在像素單元100的半導(dǎo)體材料中的浮動擴散區(qū)。在一個實例中，放大器晶體管116利用耦合源極跟隨器的晶體管來實施。如圖1的實例中所示，全局快門晶體管102耦合在AVDD電壓與光電二極管104之間。

在操作中，全局快門晶體管102經(jīng)耦合在正常曝光操作之前通過響應(yīng)于全局快門控制信號GS_CTRL 126選擇性地將光電二極管104耦合到電壓AVDD來選擇性地耗盡積累在光電二極管104中的圖像電荷，全局快門控制信號GS_CTRL 126由全局快門控制信號產(chǎn)生器120產(chǎn)生。在實例中，包含在圖像傳感器的像素陣列中的所有像素單元100共享全局快門控制信號GS_CTRL 126以實施全局快門。光電二極管104安置在像素單元100的半導(dǎo)體材料中以響應(yīng)于在全局快門開關(guān)102被關(guān)斷之后的正常曝光操作期間引導(dǎo)到光電二極管104的入射光122而積累圖像電荷。在一個實例中，入射光122可被引導(dǎo)穿過像素單元100的半導(dǎo)體材料的前側(cè)。在另一實例中，應(yīng)明白，入射光122可被引導(dǎo)穿過像素單元100的半導(dǎo)體材料的背側(cè)。在正常曝光操作之后，積累在光電二極管104中的圖像電荷通過轉(zhuǎn)移晶體管106轉(zhuǎn)移到存儲晶體管108的輸入。

圖1中的實例還說明輸出晶體管110耦合到存儲晶體管108的輸出以選擇性地將圖像電荷從存儲晶體管108轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點114，讀出節(jié)點114在所說明的實例中是浮動擴散區(qū)FD。復(fù)位晶體管112耦合在復(fù)位電壓V_RESET與讀出節(jié)點114之間以響應(yīng)于復(fù)位信號RST選擇性地將讀出節(jié)點114中的電荷復(fù)位。在實例中，放大器晶體管116包含耦合到讀出節(jié)點114的放大器柵極以放大讀出節(jié)點114上的信號以輸出來自像素單元100的圖像數(shù)據(jù)。行選擇晶體管118耦合在位線178與放大器晶體管116之間以將圖像數(shù)據(jù)輸出到位線178。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明具有第一值A(chǔ)VDD、第二值GND及第三值NVDD以控制全局快門開關(guān)的實例全局快門控制信號GS_CTRL 226的時序圖。在所描繪實例中，應(yīng)明白，圖2的全局快門控制信號GS_CTRL 226可為由圖1的全局快門控制信號產(chǎn)生器120產(chǎn)生的全局快門控制信號126的一個實例，且下文引用的類似命名及編號的元件類似于如上所述那樣耦合及運作。因此，還可在下文為了解釋目的引用圖1中的元件。

在一個實例中，AVDD可等于3伏特，GND表示接地且因此等于0伏特，且NVDD等于-2伏特。當(dāng)然應(yīng)明白，在其它實例中，AVDD及NVDD可具有根據(jù)本發(fā)明的教示的不同值，且本文中描述的實例電壓是為了解釋目的而提供。

如圖2的實例中所示，在時間t0處，全局快門控制信號GS_CTRL 226等于AVDD，這接通全局快門晶體管102并將光電二極管104中的圖像電荷復(fù)位。在時間t0與t1之間的時段期間，全局快門控制信號GS_CTRL 226保持大致上等于如所示的AVDD使得全局快門晶體管102在時間t0與t1之間保持接通。在時間t1處，全局快門控制信號GS_CTRL226從AVDD轉(zhuǎn)變?yōu)镚ND，這關(guān)斷全局快門晶體管102。在時間t1與t2之間的時段期間，全局快門控制信號GS_CTRL 226保持大致上等于如所示的GND，使得全局快門晶體管102在時間t1與t2之間保持關(guān)斷。隨后在時間t2處，全局快門控制信號GS_CTRL 226接著從GND轉(zhuǎn)變?yōu)镹VDD，這將全局快門晶體管102轉(zhuǎn)變?yōu)榈吐╇娔Ｊ健?yīng)明白，當(dāng)全局快門晶體管102在時間t1之后關(guān)斷時，開始正常曝光操作，此時圖像電荷可響應(yīng)于入射光122而積累在光電二極管104中。

繼續(xù)圖2中所示的實例，在時間t3處，可開始讀出操作，此后轉(zhuǎn)移晶體管106可將積累在光電二極管104中的圖像電荷轉(zhuǎn)移到存儲晶體管108，所述圖像電荷接著最終可通過輸出晶體管110、放大器晶體管116及行選擇晶體管118讀出到位線178，如上文討論。在圖2中描繪的實例中，在時間t4處，全局快門控制信號GS_CTRL 226從NVDD轉(zhuǎn)變回到AVDD以將全局快門晶體管102再次接通，這在下一個正常曝光操作之前再次將光電二極管104中的圖像電荷初始化。在時間t2與t4之間的時段期間，全局快門控制信號GS_CTRL 226保持大致上等于如所示的NVDD，使得全局快門晶體管102在時間t2與t4之間保持在低漏電模式中。

應(yīng)明白，根據(jù)本發(fā)明的教示，通過在時間t1處將全局快門控制信號GS_CTRL 226從AVDD轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g電壓GND且接著隨后在時間t2處將全局快門控制信號GS_CTRL 226從GND轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾妷篘VDD，為全局快門控制信號GS_CTRL 226提供負NVDD電壓的N泵無需大驅(qū)動能力。換句話說，代替必須將所有柵極端子電壓從AVDD直接驅(qū)動到NVDD的是，全局快門控制信號GS_CTRL 226首先在時間t1處將柵極端子驅(qū)動到GND且接著隨后在時間t2處將其驅(qū)動到NVDD。在一個實例中，時間t1與時間t2之間的延時可等于包含像素單元100的像素陣列的至少一個行讀出時間。換句話說，在一個實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，時間t1與時間t2之間的延時可等于包含像素單元100的像素陣列的一個或兩個行讀出時間。以此方式，如上文根據(jù)本發(fā)明的教示所討論，通過從AVDD轉(zhuǎn)變?yōu)镚ND且接著從GND變?yōu)镹VDD，產(chǎn)生全局快門控制信號GS_CTRL 226的N泵驅(qū)動要求顯著地降低(例如，如果AVDD＝3伏特且NVDD＝-2伏特，那么驅(qū)動需求降低50％以上)。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的教示的說明包含具有利用包含在控制電路384中的實例全局快門控制信號產(chǎn)生器320控制的像素單元的像素陣列376的成像系統(tǒng)374的一個實例的圖。在所描繪的實例中，應(yīng)明白，圖3的全局快門控制信號產(chǎn)生器320可為產(chǎn)生全局快門控制信號126或圖2的全局快門控制信號226的圖1的全局快門控制信號產(chǎn)生器120的一個實例，且下文引用的類似命名及編號的元件類似于如上所述那樣耦合及運作。

特定地說，如圖3中描繪的實例中所示，成像系統(tǒng)374包含具有多個圖像傳感器像素單元的實例像素陣列376。成像系統(tǒng)374包含耦合到控制電路384及讀出電路380的像素陣列376，讀出電路380耦合到功能邏輯382。在一個實例中，像素陣列376是圖像傳感器像素單元(例如，像素P1、P2、P3、……、Pn)的二維(2D)陣列。應(yīng)注意，像素陣列376中的像素單元P1、P2、……、Pn可為圖1的像素單元100的實例。如所說明，每一像素單元被布置為行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以獲取人、地點、物體等的圖像數(shù)據(jù)，其接著可用來呈現(xiàn)人、地點、物體等的2D圖像。

在一個實例中，在每一像素單元P1、P2、P3、……、Pn已響應(yīng)于全局快門控制信號產(chǎn)生器320而被復(fù)位且已在如上文討論的正常曝光操作期間獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路380通過位線378讀出且接著被傳遞到功能邏輯382。在各個實例中，讀出電路380可包含放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路或其它電路。功能邏輯382可僅僅存儲圖像數(shù)據(jù)或甚至通過施加后圖像效果(例如，剪切、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它)操控圖像數(shù)據(jù)。在一個實例中，讀出電路380可一次沿讀出列線讀出一行圖像數(shù)據(jù)(所說明的)或可使用各種其它技術(shù)(未說明)(例如串行讀出或同時完全并行讀出所有像素)來讀出圖像數(shù)據(jù)。

在所描繪實例中，控制電路384耦合到像素陣列376以控制像素陣列376的操作特性。如上文詳細地討論，控制電路384包含全局快門控制信號產(chǎn)生器320以產(chǎn)生全局快門控制信號以及其它控制信號以控制包含在像素陣列376中的每一像素單元的圖像獲取。在實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，在單個獲取窗期間，全局快門控制信號及其它控制信號同時啟用像素陣列376內(nèi)的所有像素單元P1、P2、P3、……、Pn以獲取圖像電荷并轉(zhuǎn)移來自像素單元中的每一相應(yīng)光電二極管的圖像電荷。

本發(fā)明的所說明實例的以上描述(包含發(fā)明摘要中描述的內(nèi)容)不旨在是詳盡的或限于所揭示的精確形式。雖然本發(fā)明的特定實施例及實例在本文中是為了說明性目的而描述，但是各種等效修改在不脫離本發(fā)明的更廣泛精神及范圍的情況下是可行的。實際上，應(yīng)明白，特定實例電壓、電流、頻率、功率范圍值、時間等是為了解釋目的而提供且在根據(jù)本發(fā)明的教示的其它實施例及實例中也可以采用其它值。

鑒于以上詳述可對本發(fā)明的實例作出這些修改。所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于說明書及權(quán)利要求書中揭示的特定實施例。而是，范圍應(yīng)完全由所附權(quán)利要求書確定，所附權(quán)利要求書應(yīng)根據(jù)權(quán)利要求書解釋的既定規(guī)則來解釋。本說明書及圖式因此被視為說明性而非限制性。