CMOS像素、图像传感器、摄像机和用于读取CMOS像素的方法技术

一种CMOS像素，该CMOS像素具有双转换增益读取电路，该双转换增益读取电路具有至少一个第一光电二极管(PD1)、扩散区域(FD)，该扩散区域具有第一电容(CFD)，该第一电容用于接收至少一个第一光电二极管(PD1)的电荷，其中，该双转换增益读取电路构造用于借助第一增益因子并且借助第二增益因子来读取扩散区域(FD)的电荷，其中，CMOS像素具有至少一个第二光电二极管(PD2)，其中，该扩散区域(FD)还构造用于接收至少一个第二光电二极管(PD2)的电荷，并且该双转换增益读取电路构造用于借助至少一个第三增益因子和至少一个第四增益因子来读取扩散区域(FD)的电荷。

CMOS pixels, image sensors, cameras and methods for reading CMOS pixels

A CMOS pixel having a dual conversion gain reading circuit having at least one first photodiode (PD1) and a diffusion region (FD) having a first capacitance (CFD) for receiving at least one charge of a first photodiode (PD1), in which the dual conversion gain reading circuit is constructed for use with a first increase. The gain factor also reads the charge of the diffusion region (FD) by means of the second gain factor, where the CMOS pixel has at least one second photodiode (PD2), where the diffusion region (FD) is also constructed to receive at least one charge of the second photodiode (PD2), and the dual conversion gain reading circuit is constructed to use at least one third gain factor and at least one fourth gain. The benefit factor reads the charge in the diffusion region (FD).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】CMOS像素、图像传感器、摄像机和用于读取CMOS像素的方法
本专利技术涉及一种CMOS像素、一种图像传感器、一种摄像机以及一种用于读取CMOS像素的方法。
技术介绍
CMOS图像传感器以不同的像素设计制造。常见的是每像素具有四至六个晶体管以及一个或两个光电二极管的设计。在此已知的是具有四个晶体管和一个钉扎光电二极管(pinnedPhotodiode)的设计。“钉扎”在此表示，光电二极管通过硅工艺如此制造，使得光电二极管不具有与金属的连接。此外，已知具有五个晶体管、一个钉扎光电二极管和双转换增益读取电路的设计。双转换增益读取电路在此可理解为如下电路：该电路设计用于借助至少两个不同的增益因子来读取光电二极管的电荷，以便求取通过光电二极管检测的通常在光的包括紫外和红外的波长范围内的电磁辐射。此外已知具有五个晶体管和两个钉扎光电二极管的设计。此外已知具有六个晶体管的设计。这些设计通常用于实现具有全局快门(GlobalShutter)的图像传感器。像素设计所面临的挑战在于设计如下电路：该电路能够以尽可能少的晶体管正常工作，并且同时仍满足对性能的要求。要求使用尽可能少的晶体管是由于：光电二极管和晶体管都安置在同一载体或衬底上，晶体管占据的面积越大，则光电二极管的光输出越小。相应地，像素的光灵敏度或暗灵敏度降低。为了实现尽可能高的动态性，要么使用多于一个(通常两个)光电二极管，要么使用双转换增益读取电路。对于颜色传感器而言，可以借助对四像素簇中(例如拜尔图案，即红、绿、蓝、绿)的晶体管的多重使用(晶体管共享)将晶体管的数量平均减少到三个。由文献US2004/0251394A1已知根据本专利技术的前序部分的CMOS像素。
技术实现思路
在所述背景下，在此提供一种具有双转换增益读取电路的CMOS像素，该CMOS像素具有至少一个第一光电二极管和扩散区域，该扩散区域具有用于接收至少一个第一光电二极管的电荷的第一电容，其中，双转换增益读取电路构造用于借助第一增益因子并且借助第二增益因子读取扩散区域的电荷，其中，CMOS像素具有至少一个第二光电二极管，其中，该扩散区域还构造用于接收至少一个第二光电二极管的电荷，并且双转换增益读取电路构造用于借助至少一个第三增益因子并且借助至少一个第四增益因子读取扩散区域的电荷。在本专利技术的像素中，将分割像素(即具有多于一个光电二极管，通常具有两个光电二极管)与双转换增益读取电路进行组合。本专利技术的像素中的优点在于，提供一种一方面具有高动态性(＞140dB)并且另一方面具有高暗灵敏度的像素。例如当拍摄具有高暗部分和高亮部分时，就需要高动态性。拍摄这种图像的一种典型的情况是：在白天驶入隧道中。在本专利技术的像素的一种实施方式中，CMOS像素的双转换增益读取电路具有双转换增益电容，其中，双转换增益读取电路构造用于借助双转换增益电容来形成第二增益因子。通常，通过双转换增益电容器来提供双转换增益电容。在CMOS像素的一种有利的实施方式中，至少一个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管具有不同大小。通过光电二极管的不同大小获得不同的灵敏度。通过两个光电二极管的信号的组合获得提升的动态性。在该实施方式的一种变型方案中，所述至少一个第一光电二极管小于所述至少一个第二光电二极管。如果光电二极管的大小或面积差异尽可能大，则动态性越大。在一种具体构型中，已证实至少一个第一光电二极管与至少一个第二光电二极管之间的大小比或面积比为1:8是有利的。在该像素的一种实施方式中，至少一个第一光电二极管具有第一光电二极管电容，并且至少一个第二光电二极管具有第二光电二极管电容，其中，第一光电二极管电容小于第二光电二极管电容。在一种具体的构型中，已经被证实有利的是：第一光电二极管电容具有5000e-(电子)的电容，并且第二光电二极管电容具有10000e-(电子)的电容。在该像素的一种实施方式中，在扩散区域与第一电容器之间设置有开关(尤其晶体管)。在一种有利的实施方式中，双转换增益读取电路设计用于至少一个第一光电二极管的第一光电二极管电容。通过“至少一个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管具有不同大小或面积”，光电二极管也具有不同的光电二极管电容。通过“至少一个第一光电二极管与至少一个第二光电二极管的大小或面积差异越大，则像素的动态性越好”，相应地，光电二极管电容的差异越大。这将导致，为了借助双转换增益电路来读取光电二极管，需要给光电二极管的相应光电二极管电容设置所设计的读取电路。通过在两个光电二极管电容中的较小者方面设计双转换增益读取电路，得出如下优点：也可以将同一双转换增益读取电路用于两个光电二极管电容中的较大者。由此可以针对单个像素减少晶体管的数量，并且由此，可以给至少一个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管设置更多的像素面积。由此，改善了像素的暗灵敏度。在该像素的一种有利的实施方式中，至少一个第一光电二极管构造用于给双转换增益读取电路提供第一光电二极管电容，并且双转换增益读取电路构造用于借助第一电容或者借助第一电容和第一光电二极管电容形成至少一个第三增益因子，并且借助第一电容和第二电容或者借助第一电容和第二电容和第一光电二极管电容形成至少一个第四增益因子。在该实施方式的一种有利变型方案中，第一光电二极管如此构型，使得第一光电二极管电容和第一电容适用于使双转换增益读取电路设计用于至少一个第二光电二极管。为了使至少一个第一光电二极管与至少一个第二光电二极管之间的大小比或面积比以及光电二极管电容比达到最大，如此调整用于制造至少一个第一光电二极管的硅工艺，使得至少一个第一光电二极管的掺杂导致第一光电二极管的尽可能高的或期望的光电二极管电容。该变型方案提供如下优点：尽管仅为至少一个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管设置一个共同的双转换增益读取电路，但是仍然可以实现对于两个光电二极管或光电二极管电容的最佳设计的读取。在该像素的一种实施方式中，在至少一个第一光电二极管与扩散区域之间布置有第二开关(尤其晶体管)。本专利技术的另一方面是一种用于读取根据本专利技术的CMOS像素的方法，所述方法包括如下步骤：-借助第一增益因子由扩散区域读取至少一个第一光电二极管的电荷；-借助第二增益因子由扩散区域读取至少一个第一光电二极管的电荷；-将双转换增益读取电路和第一光电二极管复位；-借助第三增益因子由扩散区域读取至少一个第二光电二极管的电荷；-借助第四增益因子由扩散区域读取至少一个第二光电二极管的电荷。本专利技术的该方面由如下认知得出：由待读取的光电二极管电容与如下电容之间的比例得出相应的增益因子：双转换增益读取电路借助该电容读取光电二极管。相应地，即使双转换增益读取电路使用一个或多个相同的电容，但是如果与之成比例地，待读取的光电二极管具有另一光电二极管电容，则也会得出另一增益因子。在该方法的一种实施方式中，在借助第二增益因子的读取步骤中，为了读取使用第一电容和第二电容。为了读取第一光电二极管，该实施方式通过添加双转换增益读取电路的第二电容来提供第二增益因子。在该方法的一种实施方式中，在借助第三增益因子的读取步骤中，为了读取而使用第一电容或者第一电容和第一光电二极管电容。在该方法的另一实施方式中，在借助第四增益因子的读取步骤中，为了读取而使用第一电容和第二电容或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CMOS像素，所述CMOS像素具有双转换增益读取电路，所述双转换增益读取电路具有至少一个第一光电二极管(PD1)和扩散区域(FD)，所述扩散区域具有第一电容(CFD)，所述第一电容用于接收所述至少一个第一光电二极管(PD1)的电荷，其中，所述双转换增益读取电路构造用于借助第一增益因子并且借助第二增益因子读取所述扩散区域(FD)的电荷，其特征在于，所述CMOS像素具有至少一个第二光电二极管(PD2)，其中，所述扩散区域(FD)还构造用于接收所述至少一个第二光电二极管(PD2)的电荷，并且所述双转换增益读取电路构造用于借助至少一个第三增益因子和至少一个第四增益因子来读取所述扩散区域(FD)的电荷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.13 DE 102016212784.51.一种CMOS像素，所述CMOS像素具有双转换增益读取电路，所述双转换增益读取电路具有至少一个第一光电二极管(PD1)和扩散区域(FD)，所述扩散区域具有第一电容(CFD)，所述第一电容用于接收所述至少一个第一光电二极管(PD1)的电荷，其中，所述双转换增益读取电路构造用于借助第一增益因子并且借助第二增益因子读取所述扩散区域(FD)的电荷，其特征在于，所述CMOS像素具有至少一个第二光电二极管(PD2)，其中，所述扩散区域(FD)还构造用于接收所述至少一个第二光电二极管(PD2)的电荷，并且所述双转换增益读取电路构造用于借助至少一个第三增益因子和至少一个第四增益因子来读取所述扩散区域(FD)的电荷。2.根据上述权利要求中任一项所述的CMOS像素，其中，所述双转换增益读取电路具有第二电容(CDCG)，所述第二电容尤其是电容器，其中，所述双转换增益读取电路构造用于借助所述第二电容(CDCG)来形成所述第二增益因子。3.根据权利要求2所述的CMOS像素，其中，在所述扩散区域与所述电容器之间布置有开关，所述开关尤其是晶体管(TDCG)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的CMOS像素，其中，所述至少一个第一光电二极管(PD1)和所述至少一个第二光电二极管(PD2)具有不同的大小，尤其其中，所述至少一个第一光电二极管(PD1)小于所述至少一个第二光电二极管(PD2)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的CMOS像素，其中，所述至少一个第一光电二极管(PD1)具有第一光电二极管电容，并且所述至少一个第二光电二极管(PD2)具有第二光电二极管电容，其中，所述第一光电二极管电容小于所述第二光电二极管电容。6.根据权利要求5所述的CMOS像素，其中，所述双转换增益读取电路设计用于所述至少一个第一光电二极管(PD1)的第一光电二极管电容。7.根据权利要求5或6所述的CMOS像素，其中，所述至少一个第一光电二极管(PD1)构造用于给所述双转换增益读取电路提供第一光电二极管电容，其中，所述双转换增益读取电路构造用于借助所述第一电容(...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·弗里茨，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE