图像传感器像素制造技术

本公开提供了一种图像传感器像素，可包括：光电二极管，生成第一帧的第一电荷和第二帧的第二电荷；第一存储门和第二存储门，耦接到所述光电二极管；浮动扩散，通过第一晶体管耦接到所述第一存储门；第二晶体管，耦接到所述第二存储门；以及电容器，通过第三晶体管耦接到所述浮动扩散。所述图像传感器像素可以输出与所述第一图像帧的由所述光电二极管生成的所述第一电荷相关联的图像信号，而所述光电二极管同时生成所述第二图像帧的所述第二电荷。所述第二存储门可用于存储溢出电荷。当与所述第一图像帧相关联的图像信号从所述电容器和所述浮动扩散读出时，所述第二帧的溢出电荷可存储在所述第二存储门处。

Pixel of image sensor

【技术实现步骤摘要】
图像传感器像素
本技术整体涉及图像传感器像素和成像设备，具体地讲，涉及具有双存储门溢出能力的成像系统，并且更具体地讲，涉及具有带有高动态范围功能的紧凑图像传感器像素的成像设备。
技术介绍
图像传感器常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。典型的图像传感器包括图像像素，图像像素包括光电二极管，用于响应于入射光来生成电荷。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门方案中，图像传感器中的每个图像像素同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行图像像素依次捕获图像。图像传感器具有相关联的动态范围，该动态范围被表示为图像传感器的最大可能亮度值和最小可能亮度值的比率。图像传感器通常配备有高动态范围(HDR)功能，其中图像传感器以超出本来使用没有HDR功能的图像传感器的情况下可实现的动态范围的扩展动态范围捕获图像。最常见的HDR技术之一是多重曝光成像。在多重曝光成像中，用图像传感器在不同的曝光时间上捕获多个图像，并且之后将这些图像组合成高动态范围图像。然而，由于在不同的时间上捕获多重曝光，因此可能难以正确地捕获移动物体的图像。另外，如果在执行HDR成像时不小心，那么图像传感器中的图像像素可能饱和并限制最终图像的信噪比。因此，可能有利的是能够提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。
技术实现思路
本技术旨在提供带有高动态范围功能的紧凑图像传感器像素。根据第一方面，提供一种图像传感器像素，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。根据第二方面，提供一种图像传感器像素，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一电荷转移晶体管，所述第一电荷转移晶体管通过所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二电荷转移晶体管，所述第二电荷转移晶体管通过所述第二存储门耦接到所述光电二极管；光电二极管重置晶体管，所述光电二极管重置晶体管耦接到所述光电二极管；和浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一电荷转移晶体管耦接到所述第一存储门，其中所述第二存储门被配置为存储由所述光电二极管生成的溢出电荷，并且其中所述第一存储门被配置为在所述溢出电荷已转移到所述第二存储门之后存储保留在所述光电二极管上的保留电荷。附图说明图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以使用图像传感器像素的阵列捕获图像。图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。图3和图4为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素被配置为使用多个存储门在流水线式操作模式中执行全局快门和高动态范围成像。图5为根据一个实施方案的示例性步骤的流程图，这些步骤可以由具有图3和图4中所示的类型的图像传感器像素的图像传感器执行以使用多个存储门在流水线式操作模式中收集高动态范围图像。图6为根据一个实施方案的作为图3和图4中所示的类型的图像传感器像素的收集到的光电电荷的函数的信噪比(SNR)的示例性曲线图。图7为根据一个实施方案的采用图1至图6的实施方案的处理器系统的框图。具体实施方式电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素的阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器来捕获图像。图1的电子设备10可为便携式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成待提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、存储设备诸如随机存取存储器和非易失性存储器等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可以使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将处理后的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如数百或数千行和数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。图像读出电路28可以通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路28可以包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22和用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。

【技术特征摘要】
2018.02.20 US 15/900,1361.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，电路节点耦接在所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述电容器之间，所述图像传感器像素还包括：重置晶体管，所述重置晶体管耦接在供电电压与所述电路节点之间，其中所述电容器耦接在所述电路节点与所述供电电压之间。3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中，使用第一控制信号控制所述第一晶体管，使用第二控制信号控制所述第二晶体管，使用第三控制信号控制所述第三晶体管，使用重置控制信号控制所述重置晶体管，其中所述重置控制信号使用所述供电电压被调整以重置所述电容器，并且其中，在使用所述供电电压调整所述重置信号以重置所述浮动扩散区的同时，所述第三控制信号生效。4.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中，所述第一存储门包括第四晶体管，所述第四晶体管具有接收第一控制信号的第一栅极端子和由掺杂半导体形成的第一电荷存储区，并且其中所述第二存储门包括第五晶体管，所述第五晶体管具有接收第二控制信号的第二栅极端子和由掺杂半导体形成的第二电荷存储区。5.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述第二存储门被配置为存储由所述光电二极管生成的溢出电荷，其中所述第一存储门被配置为在所述溢出电荷已转移到所述第二存储门之后存储保留在所述光电二极管上的保留电荷，其中所述第二晶体管和所述第三晶体管被配置为将所述溢出电荷从所述第二存储门转移到所述电容器和所述浮动扩散区上，其中所述图像传感器像素被配置为输出与转移到所述电容器和所述浮动扩散区上的所述溢出电荷相关联的低增益图像信号，其中所述第一晶体管和所述第三晶体管被配置为在所述低增益图像信号已由所述图像传感器像素输出之后将所述保留电荷从所述第一存储门转移到所述浮动扩散区和所述电容器上，其中所述图像传感器像素被配置为输出与转移到所述浮动扩散区和电容器上的所述保留电荷相关联的高增益图像信...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·格蒂斯，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：新型
国别省市：美国,US