增大像素灵敏度和动态范围的方法和装置制造方法及图纸

根据一方面，本文的实施例提供一种单元结构，包括：光电二极管；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在所述MOSCap与复位电压之间；以及晶体管，耦接到所述MOSCap的输入节点；其中，在所述单元结构的第一操作模式中，所述复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于所述输入节点处的电压小于阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap的输入节点处；其中，在所述单元结构的第二操作模式中，所述复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于所述输入节点处的电压大于所述阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap处。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增大像素灵敏度和动态范围的方法和装置
技术介绍
图像捕获设备中使用的图像传感器通常与图像传感器从图像传感器所观看的场景接收到的光强度成比例地产生电荷。低环境光场景需要图像传感器具有低噪声和低电容的部件以提供高灵敏度。替代地，明亮环境光场景需要图像传感器具有较高电容的部件，以便存储生成的电荷。这些相互竞争的电容要求已经导致图像捕获设备的开发通常被优化为明亮环境光场景或低环境光场景。附图说明下面参考附图来讨论至少一个实施例的各个方面，附图不是按比例绘制的。附图中包括提供对各种方式和实施例的说明和进一步理解，并且附图被并入并构成本说明书的一部分，但不旨在作为对本专利技术范围的限定。在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记表示。为了清楚起见，并非在每个图中都标记每个部件。图1为示出根据本专利技术的各个方面的图像捕获设备的框图。图2为根据本专利技术的各个方面的高动态范围单元结构(unitcell)的电路图。
技术实现思路
本专利技术的各方面和实施例涉及具有比标准混合(hybrid)单元结构小的像素尺寸(例如，诸如4微米及4微米以下等)的高动态范围单元结构。通过利用单元结构中的部件用于多种功能，提供了高动态范围单元结构。例如，金属氧化物半导体电容器(MOSCap)同时被用作高灵敏度抗光晕栅极(anti-bloominggate)和用于增大的阱电容(well-capacity)的低灵敏度电容器。通过利用MOSCap作为存储电容器和抗光晕栅极(即，在低环境光情况下和高环境光情况下)，可以去除来自标准混合单元结构的抗光晕开关之一，从而允许减小单元结构的尺寸，同时在低环境光和高环境光情况下都仍然提供准确的与光强度相关的信号。本文描述的至少一个方面涉及一种单元结构，包括：光电二极管，被配置为耦接到电源电压；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在MOSCap和复位电压之间；以及晶体管，耦接到所述MOSCap的输入节点；其中，在所述单元结构的第一操作模式中，复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的小于阈值电压的电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap的所述输入节点处；其中，在所述单元结构的第二操作模式中，所述复位开关被配置为处于所述断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的所述电压大于所述阈值电压，由入射到所述光电二极管上的所述光产生的所述电荷而累积在所述MOSCap上。根据一个实施例，所述单元结构还包括：输出；以及输出开关，选择性地耦接在所述晶体管和所述输出之间；其中，在所述单元结构的第三操作模式中，所述输出开关被配置为将所述输出耦接到所述晶体管，所述复位开关被配置为处于断开状态，以及将对应于在所述MOSCap的所述输入节点处累积的所述电荷的高灵敏度信号提供给所述输出。在另一实施例中，在所述单元结构的第四操作模式中，所述输出开关被配置为将所述输出耦接到所述晶体管，所述复位开关被配置为处于所述断开状态，以及将对应于在所述MOSCap上累积的所述电荷的低灵敏度信号提供给所述输出。根据另一实施例，所述单元结构还包括MOSCap栅极偏置控制模块，所述MOSCap栅极偏置控制模块耦接到所述MOSCap并且配置为向所述MOSCap提供MOSCap栅极偏置电压信号以控制所述阈值电压的电平。在一实施例中，所述复位开关为晶体管。在另一实施例中，所述单元结构还包括复位开关栅极偏置控制模块，所述复位开关栅极偏置控制模块耦接到所述复位开关并且配置为向所述复位开关提供复位开关栅极偏置电压信号以控制所述复位开关的操作状态。在一实施例中，在所述单元结构的第五操作模式中，所述复位开关被配置为将所述MOSCap耦接到所述复位电压，并且累积在所述MOSCap上的电荷被放电。本文描述的另一个方面涉及一种用于操作单元结构的方法，所述单元结构包括：光电二极管；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在所述MOSCap和复位电压之间；晶体管，耦接到所述输入节点；以及输出开关，选择性地耦接在所述晶体管和输出之间；所述方法包括：将所述复位开关配置为用于所述单元结构的第一操作模式和第二操作模式的断开状态；将所述输出开关配置为用于第一操作模式和第二操作模式的断开状态；响应于入射到所述光电二极管上的光产生电荷；在第一操作模式中响应于在所述输入节点处的电压小于阈值电压，在MOSCap的所述输入节点处存储所述电荷；在第二操作模式中响应于在所述输入节点处的所述电压大于阈值电压，在MOSCap上存储所述电荷。根据一个实施例，所述方法还包括：将所述复位开关配置为用于所述单元结构的第三操作模式的所述断开状态；使用用于所述第三操作模式的所述输出开关将所述输出耦接到所述晶体管；以及在第三操作模式中，从所述输出读出存储在所述MOSCap的所述输入节点处的所述电荷以作为高灵敏度信号。在另一实施例中，所述方法还包括：将所述复位开关配置为用于所述单元结构的第四操作模式的所述断开状态；使用用于所述第四操作模式的所述输出开关将所述输出耦接到所述晶体管；以及在第四操作模式中，从所述输出中读出存储在所述MOSCap上的所述电荷以作为低灵敏度信号。根据另一实施例，所述方法还包括：确定所述低灵敏度信号和所述高灵敏度信号中的哪一个准确地表示入射到所述光电二极管上的所述光的强度；以及利用所述低灵敏度信号和所述高灵敏度信号中的所述一个来生成图像的像素。根据一个实施例，所述确定包括：将所述高灵敏度信号与高灵敏度信号阈值进行比较；响应于确定所述高灵敏度信号小于所述高灵敏度信号阈值，将所述高灵敏度信号识别为入射到所述光电二极管上的所述光的所述强度的准确表示；和响应于确定所述高灵敏度信号大于所述高灵敏度信号阈值，将所述低灵敏度信号识别为入射到所述光电二极管上的所述光的所述强度的准确表示。在另一实施例中，确定包括：在一段时间内记录多个所述高灵敏度信号；基于所述多个高灵敏度信号产生高灵敏度信号曲线；分析所述高灵敏度信号曲线的斜率；响应于确定所述高灵敏度信号曲线为线性的，将所述高灵敏度信号识别为入射到光电二极管上的光的强度的准确表示；以及响应于确定所述高灵敏度信号曲线是非线性的，将所述低灵敏度信号识别为入射到所述光电二极管上的所述光的强度的准确表示。根据另一实施例，所述方法还包括：使用用于所述单元结构的第五操作模式的所述复位开关将所述MOSCap耦接到所述复位电压；以及在第五种操作模式中，对存储在所述MOSCap上的电荷进行放电。在一实施例中，所述方法还包括向所述MOSCap提供MOSCap栅极偏置电压信号以控制所述阈值电压的电平。本文描述的一个方面涉及一种图像传感器，包括：图像处理单元；以及多个单元结构，耦接到所述图像处理单元并且被配置为阵列；每个单元结构包括：光电二极管，耦接到电源电压的；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在MOSCap和复位电压之间；以及晶体管，耦接到所述MOSCap的输入节点；其中，在每个单元结构的第一操作模式中，复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的电压小于阈值电压，入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单元结构，包括：光电二极管，被配置为耦接到电源电压；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在MOSCap和复位电压之间；以及晶体管，耦接到所述MOSCap的输入节点；其中，在所述单元结构的第一操作模式中，复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的电压小于阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap的所述输入节点处；其中，在所述单元结构的第二操作模式中，所述复位开关被配置为处于所述断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的所述电压大于所述阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.10 US 14/536,7331.一种单元结构，包括：光电二极管，被配置为耦接到电源电压；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在MOSCap和复位电压之间；以及晶体管，耦接到所述MOSCap的输入节点；其中，在所述单元结构的第一操作模式中，复位开关被配置为处于断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的电压小于阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap的所述输入节点处；其中，在所述单元结构的第二操作模式中，所述复位开关被配置为处于所述断开状态，并且，响应于在所述输入节点处的所述电压大于所述阈值电压，由入射到所述光电二极管上的光产生的电荷累积在所述MOSCap上。2.如权利要求1所述的单元结构，还包括：输出；以及输出开关，选择性地耦接在所述晶体管和所述输出之间；其中，在所述单元结构的第三操作模式中，所述输出开关被配置为将所述输出耦接到所述晶体管，所述复位开关被配置为处于断开状态，与在所述MOSCap的输入节点处累积的电荷对应的高灵敏度信号被提供给所述输出。3.如权利要求2所述的单元结构，其中，在所述单元结构的第四操作模式中，所述输出开关被配置为将所述输出耦接到所述晶体管，所述复位开关被配置为处于断开状态，与在所述MOSCap上累积的电荷对应的低灵敏度信号被提供给所述输出。4.如权利要求3所述的单元结构，还包括MOSCap栅极偏置控制模块，其耦接到所述MOSCap并且配置为向所述MOSCap提供MOSCap栅极偏置电压信号以控制所述阈值电压的电平。5.如权利要求3所述的单元结构，其中，所述复位开关是晶体管。6.如权利要求5所述的单元结构，还包括复位开关栅极偏置控制模块，其耦接到所述复位开关并且配置为向所述复位开关提供复位开关栅极偏置电压信号以控制所述复位开关的操作状态。7.如权利要求3所述的单元结构，其中，在所述单元结构的第五操作模式中，所述复位开关被配置为将所述MOSCap耦接到复位电压，并且累积在所述MOSCap上的电荷被放电。8.一种用于操作单元结构的方法，所述单元结构包括：光电二极管；MOSCap，具有耦接到所述光电二极管的输入节点；复位开关，选择性地耦接在所述MOSCap和复位电压之间；晶体管，耦接到所述输入节点；以及输出开关，选择性地耦接在所述晶体管和输出之间；所述方法包括：将所述复位开关配置为断开状态以用于所述单元结构的第一操作模式和第二操作模式；将所述输出开关配置为断开状态以用于所述第一操作模式和所述第二操作模式；响应于入射到所述光电二极管上的光产生电荷；在所述第一操作模式中响应于所述输入节点处的电压小于阈值电压，在所述MOSCap的输入节点处存储电荷；以及在所述第二操作模式中响应于在所述输入节点处的电压大于所述阈值电压，在所述MOSCap上存储电荷。9.如权利要求8所述的方法，还包括：将所述复位开关配置为断开状态以用于所述单元结构的第三操作模式；使用所述输出开关将所述输出耦接到所述晶体管以用于所述第三操作模式；以及在所述第三操作模式中，从所述输出读出存储在所述MOSCap的输入节点处的电荷作为高灵敏度信号。10.如权利要求9所述的方法，还包括：将所述复位开关配置为断开状态以用于所述单元结构的第四操作模式；使用所述输出开关将所述输出耦接到所述晶体管以用于所述第四操作模式；以及在所述第四操作模式中，从所述输出读出存储在所述MOSCap上的电荷作为低灵敏度信号。11.如权利要求10所述的方法，还包括：确定所述低灵敏度信号和所述高灵敏度信号中的哪一个信号准确地表示入射到所述光电二极管上的光的强度；以及利用所述低灵敏度信号和所述高灵敏度信号中的所述一个信号来生成图像的像素。12.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·W·基恩，J·L·凡波拉，
申请(专利权)人：雷神公司，
类型：发明
国别省市：美国,US