改进的超高动态范围像素架构制造技术

像素包括：高响应光电二极管，其收集光电荷；第一传输栅极，其使电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上；第二传输栅极，其使电荷从低响应光电二极管传输走，将其完全清空到浮动扩散节点上；第三传输栅极，用于防止模糊；浮动扩散节点，用于收集传输的电荷，产生电压变化；用于重置浮动扩散节点的装置。源极跟随器由浮动扩散节点上的电压调制，以控制位线电压和列放大器输出。在实施例中，光电荷集成在高响应光电二极管上和低响应光电二极管上。列读出电路包括：列放大器，其使用电容设置放大器增益；三个采样电容，其用作模拟存储器并用于相关双采样；和比较器，其协助提供最终输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的超高动态范围像素架构
实施例涉及CMOS图像传感器，更具体地，涉及超高动态范围像素架构。
技术介绍
在设计图像传感器中的一项挑战是需要图像传感器呈现非常宽的动态范围。领域包括一般摄影和视频(电影摄影、广播、个人摄影等)、航空摄影(情报收集)、农业摄影(作物分析)、产品检验、医疗应用、和汽车应用。在许多应用中，特别是室外，图像传感器需要具有宽动态范围以应对非常明亮和非常暗的区域。应用可能具有低于1lux(用于夜视)至高于10,000lux(用于明亮阳光)的照明条件。真实世界画面可具有在100或更大的dB范围内变化的照明强度。虽然生物视觉系统和卤化银薄膜可以在很少损失对比度信息的情况下对高动态范围(100+dB)画面进行成像，但开发具有该范围的电子图像传感器一直是一项挑战。大多数现有图像传感器具有有限的动态范围，通常在50dB至80dB之间。因此，丢失了捕获画面的相关信息内容。另外，对于具有非常明亮区域的画面，可以在图像模糊中表现出照明强度的大变化。由非常明亮的光照射的像素饱和并将光信号溢出在相邻像素上，使得输出图像的明亮区域增长并且真实图像丢失。CMOS图像传感器通常具有较差的图像质量，因为CMOS图像传感器通常具有图像效率的低动态范围。传统的CMOS图像传感器能够记录大约10位画面的动态范围。已经应用了用于改善CMOS图像传感器的动态范围的方法来改善捕获图像的质量。但是，这些方法不能满足超宽动态范围(UDR)图像传感器的需求。该挑战在于创建一种宽动态范围图像传感器，其在具有低照度的阴影区域中具有足够光学灵敏度，在具有高照度的亮区域以及具有非常明亮照度的高光区域中具有足够的灵敏度范围。为了实现这一点，需要同时具有用于低照度的非常低的噪声和用于高照度的非常低的光学速度。对于构成视频流的一组图像，在整个照明范围内的优异信噪比表现是很重要的。所需要的是一种改进的超高动态范围(UDR)图像传感器，其可以更准确地捕获图像画面。
技术实现思路
实施例提供了一种超高动态范围像素，包括：高响应光电二极管；与高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置浮动扩散节点的装置；和与浮动扩散节点电接触的源极跟随器。在实施例中，高响应光电二极管收集光电荷，并且高响应光电二极管具有比低响应光电二极管更高的量子效率。在其它实施例中，第一传输栅极使得电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上。在随后的实施例中，第二传输栅极使电荷能够从低响应光电二极管传输走，将其完全清空到浮动扩散节点上。对于另外的实施例，浮动扩散节点收集传输的电荷，从而产生电压变化。在另一实施例中，源极跟随器由浮动扩散节点上的电压调制，以控制输出信号线上的电压。对于接下来的实施例，光电荷集成在高响应光电二极管上和低响应光电二极管上。在随后的实施例中，低响应光电二极管是单独的二极管，没有与互连层的接触，从而包括较低的暗缺陷。另外的实施例还包括与高响应光电二极管电接触的第三传输栅极。另一实施例提供了一种读出超高动态范围像素的方法，包括如下步骤：集成一帧；将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上；重置浮动扩散节点；重置列放大器以产生参考电压；用开关S1捕获参考电压；将低响应电荷从低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；用开关S2捕获电压V2；将高响应电荷从高响应光电二极管通过低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；将电荷添加到已经存在的低响应电荷；用开关S3捕获电压V3；开关S3变成低电平；Comp_en变成高电平以启用比较器；如果电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平，并且sel补码成为低电平，则读出V2、Voutm和sel；如果电压V2低于阈值电压VT，则sel成为低电平，并且sel补码成为高电平，则读出V3、Voutm和sel。在所包括的实施例中，比较器输出sel和sel补码是非重叠信号，从而避免了电容器C2和C3之间的电荷共享。在更进一步的实施例中，调节阈值电压VT以获得优化的动态范围。在相关实施例中，用于光学响应的低端的信号是高响应信号V3和组合复位Voutm的差。对于进一步的实施例，用于光学响应的高端的信号是低响应信号V2和组合复位Voutm的差。在随后的实施例中，用于光学响应的低端的信号和用于光学响应的高端的信号具有显著不同的响应，因成为高电平响应光电二极管具有比低响应光电二极管更高的量子效率。对于更进一步的实施例，线读出仅需要组合重置、低响应读出和高响应读出的三个读数。对于更多实施例，第一传输栅极使得高响应电荷能够从高响应光电二极管传输走，将其完全清空到低响应光电二极管上。继续的实施例包括第二传输栅极，其使得低响应电荷能够从低响应光电二极管传输走，从而将其完全清空到浮动扩散节点上。对于另外的实施例，低响应读出和高响应读出都具有相同的极性。又一实施例提供了一种超高动态范围像素成像系统，包括高响应光电二极管；与高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置浮动扩散节点的装置；与浮动扩散电接触的源极跟随器；将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上，其中高响应电荷和低响应电荷集成在高响应和低响应光电二极管上的量是不同的；重置浮动扩散节点；重置列放大器以产生参考电压；用开关S1捕获参考电压；将低响应电荷从低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；用开关S2捕获电压V2；将高响应电荷从高响应光电二极管通过低响应光电二极管传输到浮动扩散节点；将电荷添加到已经存在的低响应电荷；用开关S3捕获电压V3；开关S3变成低电平；Comp_en变成高电平以启用比较器；如果电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平并且sel补码成为低电平，则读出V2、Voutm和sel；如果电压V2低于阈值电压VT，则sel成为低电平并且sel补码成为高电平，则读出V3、Voutm和sel。本文描述的特征和优点并非包括一切，并且特别地，鉴于附图、说明书和权利要求，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。此外，应该注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而选择的，并不限制本专利技术主题的范围。附图说明图1描绘了根据实施例配置的包括UDR模式的列读出电路。图2描绘了根据实施例配置的包括UDR模式的读出时序图。图3示出了根据一个实施例配置的调制的像素。图4示出了根据一个实施例配置的像素电路细节。图5是根据实施例配置的方法流程图。具体实施方式实施例使用传统CMOS图像传感器有源像素的调制版本并且提供具有大于120dB的动态范围的极低光灵敏度，以及1电子RMS的读取噪声和低暗电流。实施例结构不同于文献中讨论的那些或提出的用于减少全局快门的暗电流和暗缺陷的那些结构。在这些情况下，目标是创建一个实际上没有光学响应的存储节点。对于实施例，该结构被不同地设计，以使存储节点具有设定量的光学响应。图1描绘了用于UDR模式的已知列读出电路1A，以及用于UDR模式的新颖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高动态范围像素，包括：高响应光电二极管；与所述高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与所述第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与所述低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与所述第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置所述浮动扩散节点的装置；和与所述浮动扩散电接触的源极跟随器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.23 US 15/050,6661.一种超高动态范围像素，包括：高响应光电二极管；与所述高响应光电二极管电接触的第一传输栅极；与所述第一传输栅极电接触的低响应光电二极管；与所述低响应光电二极管电接触的第二传输栅极；与所述第二传输栅极电接触的浮动扩散节点；用于重置所述浮动扩散节点的装置；和与所述浮动扩散电接触的源极跟随器。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高响应光电二极管收集光电荷，并且所述高响应光电二极管具有比所述低响应光电二极管更高的量子效率。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一传输栅极使得电荷能够从所述高响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述低响应光电二极管上。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二传输栅极使得电荷能够从所述低响应光电二极管传输走，将其完全清空到所述浮动扩散节点上。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述浮动扩散节点收集传输的电荷，从而产生电压的变化。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述源极跟随器由所述浮动扩散节点上的电压调制，以控制输出信号线上的电压。7.根据权利要求1所述的装置，其中，光电荷集成在所述高响应光电二极管上和所述低响应光电二极管上。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述低响应光电二极管是单独的二极管，没有与互连层的接触，从而包括较低的暗缺陷。9.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括与所述高响应光电二极管电接触的第三传输栅极。10.一种用于读出超高动态范围像素的方法，包括以下步骤：集成一帧；将高响应光电荷集成到高响应光电二极管上；将低响应光电荷集成到低响应光电二极管上；重置浮动扩散节点；重置列放大器以产生参考电压；使用开关S1捕获所述参考电压；将低响应电荷从所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；使用开关S2捕获电压V2；将来自所述高响应光电二极管的高响应电荷通过所述低响应光电二极管传输到所述浮动扩散节点；将电荷添加到已经存在的所述低响应电荷；使用开关S3捕获电压V3；所述开关S3变为低电平；Comp_en变为高电平以启用比较器；如果所述电压V2高于阈值电压VT，则sel成为高电平并且sel补码成为低电平，则读出所述V2、Voutm和所述sel；和如果所述电压V2低于所述阈值电压VT，则所述sel成为低电平并且所述sel补码成为高电平，则读出所述V3、所述Voutm和所述sel。11.如权利要求10所述的方法，其中，所述比较器输出sel和...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·T·杜，A·M·麦格纳尼，R·D·麦克格雷斯，
申请(专利权)人：BAE系统成像解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US