專利名稱：具有電荷域求和的圖像傳感器像素的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及供在數(shù)碼相機及其它類型的成像裝置中使用的電子圖像傳 感器，且更明確地說涉及光生電荷的電荷域求和。
背景技術(shù)：
圖1展示現(xiàn)有技術(shù)像素210陣列的示意圖。每一像素210具有一個光電二極管 205。由光電二極管205收集的電荷通過晶體管203傳送到浮動擴散部204。當激活傳送門 的控制柵極信號時，晶體管203將電荷傳送到浮動擴散部204。晶體管203的所有傳送門控 制柵極在每一像素210行內(nèi)連接在一起。晶體管202緩沖浮動擴散部204與輸出列信號導 線之間的電壓。像素210的一些變化形式將具有介于晶體管202與列輸出導線之間的行選 擇晶體管(未展示)。行選擇晶體管還可置于晶體管202與電源(或某一其它電壓源)導 線之間。復(fù)位晶體管200用于將浮動擴散部204復(fù)位到電源電壓。所有復(fù)位晶體管200的 柵極在每一像素210行內(nèi)連接在一起。將像素之間的光生電荷加在一起可改變像素陣列的分辨率。激活跨越一行連接鄰 近浮動擴散部204的晶體管206將存儲于浮動擴散部204上的電荷加在一起。激活垂直求 和晶體管207將沿著行的電荷相加。當需要針對視頻應(yīng)用而以較高幀速率讀出像素陣列時，電荷的求和是合乎需要 的。這還有效地形成較好光敏度的較大像素。美國專利7，071，980及美國專利申請案 US2006/0274176是使用類似于圖1的電路的像素求和的實例。此電荷求和方法并非最優(yōu) 的，因為求和晶體管206及207直接連接到浮動擴散部204。這些額外晶體管給浮動擴散部 204添加電容。浮動擴散部204上的電壓改變V由公式V = Q/C給出，其中Q為電荷的量， 且C為浮動擴散部204的電容。由求和晶體管206及207導致的浮動擴散部204的增加的 電容C導致較小電壓改變V。較小電壓改變意味著將更難以檢測比不存在求和晶體管的情 況少的光生電荷量。美國專利6，452，153及6，878，918回避了導致增加的浮動擴散部電容的求和晶體 管的問題。圖2展示演示現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。每一像素310具有一個光電二極管305。由光電二極管305收集的電荷通過晶體 管303傳送到浮動擴散部304。當激活傳送門控制柵極信號時，晶體管303將電荷傳送到 浮動擴散部304。晶體管303的所有傳送門控制柵極在每一像素310行內(nèi)連接在一起。晶 體管302緩沖浮動擴散部304與輸出列信號導線之間的電壓。像素310的一些變化形式將 具有介于晶體管302與列輸出導線之間的行選擇晶體管(未展示)。行選擇晶體管還可置 于晶體管302與電源導線(或某一其它電壓源)之間。復(fù)位晶體管300用于將浮動擴散部 304復(fù)位到電源電壓。所有復(fù)位晶體管300的柵極在每一像素310行內(nèi)連接在一起。存在水平求和晶體管306及垂直求和晶體管307，當所述晶體管被激活時致使在 光電二極管305之間共享電荷。由于求和晶體管306及307連接到光電二極管205而非連 接到浮動擴散部304，因此浮動擴散部304的電容不增加。
此電荷求和方法的此缺點是當接通求和晶體管時極難從光電二極管中傳送出所 有電荷。不完整的電荷傳送產(chǎn)生不良信號線性響應(yīng)及圖像缺陷。美國專利6，914，227通過將第二放大器插入到每一像素中以隔離求和晶體管與 浮動擴散部來解決先前提及的問題。然而，額外放大器給信號添加額外噪聲。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)合乎需要的是將像素中的光生電荷加在一起而同時盡可能使浮動擴 散部電容最小且盡可能使放大器信號噪聲最小。本文描述的發(fā)明還將解決現(xiàn)有技術(shù)的不足 之處。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明駐存于圖像傳感器中，所述圖像傳感器包含(a) 多個像素，其中每一像素包含(i)至少一個光傳感器；(ii)至少一個傳送門，其將所述光 傳感器連接到浮動擴散部；(iii)輸出晶體管，其連接到所述浮動擴散部；(iv)第一復(fù)位晶 體管，其連接于所述浮動擴散部與求和節(jié)點之間；(ν)第二復(fù)位晶體管，其連接到所述求和 節(jié)點；以及(b)第一求和晶體管，其將兩個或兩個以上像素的求和節(jié)點連接在一起。


當結(jié)合以下描述及圖式閱讀時，本發(fā)明的以上及其它目標、特征及優(yōu)點將變得更 顯而易見，其中使用相同參考編號(若可能)來指代所述圖中共有的相同特征，且其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器，其通過在浮動擴散部之間置放求和晶體管來展示電 荷求和；圖2是現(xiàn)有技術(shù)圖像傳感器，其通過在光電二極管之間置放求和晶體管來展示電 荷求和；圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其展示求和節(jié)點之間的求和晶體管與浮動擴散部隔 罔；圖如及圖4b是本發(fā)明的替代實施例；圖5是本發(fā)明的圖像傳感器陣列的俯視圖；以及圖6是本發(fā)明的含有圖5的圖像傳感器陣列的成像系統(tǒng)。
具體實施例方式圖3展示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示意圖。每一像素110具有一個光電二極管105。 由光電二極管105收集的電荷通過晶體管103傳送到浮動擴散部104。雖然僅展示一個光 電二極管105及傳送晶體管103，但本發(fā)明的操作的原理不會因為給像素添加共享共用浮 動擴散部104的額外傳送晶體管及光電二極管而有所變更。當激活傳送門控制柵極信號 時，晶體管103將電荷傳送到浮動擴散部104。晶體管103的所有傳送門控制柵極在每一像 素110行內(nèi)連接在一起。晶體管102緩沖浮動擴散部104與輸出列信號導線之間的電壓。 像素110的一些變化形式將具有介于晶體管102與列輸出導線之間的行選擇晶體管(稍后 參考圖如來描述)。行選擇晶體管(參考圖4b來描述)還可置于晶體管102與電源導線 之間。存在兩個復(fù)位晶體管100及101以將浮動擴散部104復(fù)位到電源電壓。當同時激活 RGl及RG2信號兩者時，浮動擴散部104被復(fù)位。所有復(fù)位晶體管100的柵極在每一像素110行內(nèi)連接在一起。所有復(fù)位晶體管101的柵極在每一像素110行內(nèi)連接在一起。存在連接沿一行的每一像素的求和節(jié)點108的水平求和晶體管106。還存在連接 沿一列的每一像素的求和節(jié)點108的垂直求和晶體管107。應(yīng)注意，求和節(jié)點108通過晶體 管101與浮動擴散部104隔離。求和晶體管106及107不增加浮動擴散部104的電容。因 此，本發(fā)明將具有好于現(xiàn)有技術(shù)的低信號響應(yīng)。為將兩個像素加在一起，將晶體管106上的信號HBl與晶體管101上的信號RG2 同時激活。當同時將這些晶體管激活時，浮動擴散部將電荷相加(共享)。對于全分辨率讀 出，將不激活求和晶體管及復(fù)位晶體管101。在此電路的情況下，由于浮動擴散部具有兩個 晶體管域以及一個晶體管柵極電容，因此最小電容是可能的。對于給定電荷量，此最小電容 提供浮動擴散部104上的最大可能電壓改變。現(xiàn)有技術(shù)具有連接到浮動擴散部的兩個以上 域，且因此有更多電容。如果光電二極管105具有比將裝配到浮動擴散部上的光生電荷更多的光生電荷， 那么第一復(fù)位晶體管101可被激活而不激活求和晶體管106及107。此將增加浮動擴散部 104的電容以使其可保持更多電荷。求和晶體管106及107并非必須連接到鄰近像素。在彩色圖像傳感器的情形下，求 和晶體管106及107可跨越像素跳躍以實現(xiàn)將相同色彩的像素連接在一起的目的?？梢詫?任何任意數(shù)目的像素加在一起以形成任意分辨率的圖像傳感器的模式來激活求和晶體管 106及107?？缮踔镣瑫r激活所有求和晶體管106及107以同時對成像器中的每一個像素 進行取樣而實現(xiàn)相機中的快速曝光計量的目的。還可結(jié)合晶體管101激活求和晶體管106 及107以在不將電荷相加的情況下更多地增加浮動擴散部電容。此將在像素極大且光電二 極管105保持大量電荷的情況下完成。圖如及圖4b展示本發(fā)明的添加了行選擇晶體管112的替代實施例。除添加了行 選擇晶體管外，這些實施例與圖3相同。在圖4b中，行選擇晶體管112置于輸出晶體管102 與電源導線之間。在圖如中，行選擇晶體管112置于輸出晶體管102與輸出導線之間。像 素求和操作與針對圖3描述過的操作相同。參考圖5，其展示本發(fā)明的圖像傳感器陣列400具有包括多個像素110的像素陣列 405。每一像素110包括圖3中描述的或替代地圖如及圖4b中描述的組件。圖像傳感器 陣列400包括其中安置有像素110的襯底410。參考圖6，其展示可與本發(fā)明的圖像傳感器1212 —起使用的成像系統(tǒng)的框圖。成 像系統(tǒng)1200包括數(shù)字相機電話1202及計算裝置1204。數(shù)字相機電話1202為可使用并入 有本發(fā)明的圖像傳感器的圖像捕獲裝置的實例。其它類型的圖像捕獲裝置也可與本發(fā)明一 起使用，例如，舉例來說，數(shù)字照相機及數(shù)字視頻攝像放像機。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，數(shù)字相機電話1202為便攜式手持電池操作的裝置。數(shù) 字相機電話1202產(chǎn)生數(shù)字圖像，所述數(shù)字圖像存儲于存儲器1206中，舉例來說，所述存儲 器1206可以是內(nèi)部快閃EPROM存儲器或可拆卸存儲器卡。另一選擇為，可使用其它類型的 數(shù)字圖像存儲媒體(例如，磁性硬驅(qū)動器、磁帶或光盤)來實施存儲器1206。數(shù)字相機電話1202使用透鏡1208將來自場景(未展示)的光聚焦于圖像傳感器 1212的圖像傳感器陣列300上。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器陣列300使用貝爾 濾色器模式來提供彩色圖像信息。圖像傳感器陣列300由定時產(chǎn)生器1214控制，而定時產(chǎn)生器1214還控制閃光燈1216以在周圍照明為低時照射所述場景。從圖像傳感器陣列300輸出的模擬輸出信號經(jīng)放大且由模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器電 路1218轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)。所述數(shù)字數(shù)據(jù)存儲于緩沖器存儲器1220中且隨后由數(shù)字處理器 1222進行處理。數(shù)字處理器1222由存儲于固件存儲器12M中的固件控制，所述固件存儲 器12 可以是快閃EPROM存儲器。數(shù)字處理器1222包括實時時鐘12 ，其甚至在數(shù)字相 機電話1202及數(shù)字處理器1222處于低功率狀態(tài)時仍保持日期及時間。經(jīng)處理的數(shù)字圖像 文件存儲于存儲器1206中。存儲器1206還可存儲其它類型的數(shù)據(jù)，例如，舉例來說，音樂 文件(例如，MP3文件)、鈴聲音調(diào)、電話號碼、日歷及待辦事項列表。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，數(shù)字相機電話1202捕獲靜止圖像。數(shù)字處理器 1222執(zhí)行色彩內(nèi)插隨后執(zhí)行色彩及音調(diào)校正，以產(chǎn)生經(jīng)再現(xiàn)的sRGB圖像數(shù)據(jù)。所述經(jīng)再現(xiàn) 的sRGB圖像數(shù)據(jù)接著經(jīng)壓縮且被作為圖像文件存儲于存儲器1206中。僅以實例方式，可 按照JPEG格式(其使用已知的“Exif”圖像格式)來壓縮所述圖像數(shù)據(jù)。此格式包括使用 各種TIFF標簽存儲特定圖像元數(shù)據(jù)的Exif應(yīng)用程序段。舉例來說，可使用單獨TIFF標簽 來存儲捕獲圖片的日期及時間、透鏡f/數(shù)以及其它相機設(shè)定，且用于存儲圖像標題。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，數(shù)字處理器1222產(chǎn)生由用戶選擇的不同圖像大小。一 個此類大小為低分辨率的“拇指指甲”大小圖像。產(chǎn)生拇指指甲大小的圖像描述于庫赫達 (Kuchta)等人的標題為“提供全分辨率圖像及經(jīng)減小分辨率圖像的多格式存儲的電子照相 機(Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full and Reduced Resolution Images) ”的第5，164，831號共同轉(zhuǎn)讓的美國專利中。所述拇指指甲圖像存儲 于RAM存儲器12 中且供應(yīng)到顯示器1230，舉例來說，所述顯示器1230可以是有源矩陣 IXD或有機發(fā)光二極管(OLED)。產(chǎn)生拇指指甲大小圖像允許在彩色顯示器1230上快速觀 察所捕獲的圖像。在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，數(shù)字相機電話1202還產(chǎn)生并存儲視頻剪輯。視頻 剪輯是通過將圖像傳感器陣列1210的多個像素加在一起(例如，將圖像傳感器陣列1210 的每一4列X4行區(qū)域內(nèi)的相同色彩的像素相加)以形成較低分辨率的視頻圖像幀來產(chǎn) 生。舉例來說，視頻圖像幀是使用每秒15幀的讀出速率以規(guī)律間隔從圖像傳感器陣列1210 讀取的。音頻編解碼器1232連接到數(shù)字處理器1222且從麥克風(Mic) 1234接收音頻信 號。音頻編解碼器1232還給揚聲器1236提供音頻信號。這些組件既用于電話交談，也用 于記錄和播放音頻歌曲以及視頻序列或靜止圖像。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，揚聲器1236還用于通知用戶傳入的電話呼叫。此可使 用存儲于固件存儲器12M中的標準鈴聲音調(diào)或通過使用從移動電話網(wǎng)絡(luò)1238下載并存儲 于存儲器1206中的定制鈴聲音調(diào)來完成。另外，振動裝置(未展示)可用于提供傳入的電 話呼叫的寂靜(例如，無聲的)告知。數(shù)字處理器1222連接到無線調(diào)制解調(diào)器1240，其使得數(shù)字相機電話1202能夠經(jīng) 由射頻(RF)信道1242發(fā)射及接收信息。無線調(diào)制解調(diào)器1240使用例如3GSM網(wǎng)絡(luò)的另一 RF鏈路(未展示)與移動電話網(wǎng)絡(luò)1238通信。移動電話網(wǎng)絡(luò)1238與存儲從數(shù)字相機電話 1202上載的數(shù)字圖像的照片服務(wù)提供者1244通信。其它裝置(包括計算裝置1204)經(jīng)由 因特網(wǎng)1246存取這些圖像。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，移動電話網(wǎng)絡(luò)1238還連接到標準電話網(wǎng)絡(luò)(未展示)以提供正常電話服務(wù)。圖形用戶接口(未展示)顯示于顯示器1230上且由用戶控制件1248控制。在根 據(jù)本發(fā)明的實施例中，用戶控制件1248包括用以撥打電話號碼的專用按鈕(例如，電話小 鍵盤)、用以設(shè)定模式(例如，“電話”模式、“日歷”模式、“相機”模式)的控制件、包括4路 控制(向上、向下、向左、向右)的操縱桿控制器及按鈕中心“0K”或“選擇”開關(guān)。塢1250給數(shù)字相機電話1202中的電池(未展示)再充電。塢1250經(jīng)由塢接口 1252將數(shù)字相機電話1202連接到計算裝置1204。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，塢接口 1252 實施為有線接口，例如，USB接口。另一選擇為，在根據(jù)本發(fā)明的其它實施例中，塢接口 1252 實施為無線接口，例如，藍牙或IEEE 802. Ilb無線接口。塢接口 1252用于將圖像從存儲器 1206下載到計算裝置1204。塢接口 1252還用于將日歷信息從計算裝置1204傳送到數(shù)字 相機電話1202中的存儲器1206。部件列表100復(fù)位晶體管101復(fù)位晶體管102晶體管103晶體管104浮動擴散部105光電二極管106求和晶體管107求和晶體管108求和節(jié)點110 像素112行選擇晶體管200復(fù)位晶體管202晶體管203晶體管204浮動擴散部205光電二極管206求和晶體管207求和晶體管210 像素300復(fù)位晶體管302晶體管303晶體管304浮動擴散部305光電二極管306求和晶體管s307求和晶體管s310 像素
400圖像傳感器陣列405像素陣列部件列表(續(xù))410 襯底1200成像系統(tǒng)1202數(shù)字相機電話1204計算裝置1206 存儲器1208 透鏡1212圖像傳感器1214定時產(chǎn)生器1216 閃光燈1218模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路1220緩沖器存儲器1222數(shù)字處理器12M固件存儲器1226 時鐘12^RAM 存儲器1230彩色顯示器1232音頻編解碼器1234 麥克風1236 揚聲器1238移動電話網(wǎng)絡(luò)1240無線調(diào)制解調(diào)器1M2RF 信道1244照片服務(wù)提供者1246 因特網(wǎng)1248用戶控制件1250 塢1252 塢接口
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，其包含(a)多個像素，其中每一像素包含 (i)至少一個光傳感器；( )至少一個傳送門，其將所述光傳感器連接到浮動擴散部；(iii)輸出晶體管，其連接到所述浮動擴散部；(iv)第一復(fù)位晶體管，其連接于所述浮動擴散部與求和節(jié)點之間； (ν)第二復(fù)位晶體管，其連接到所述求和節(jié)點；以及(b)第一求和晶體管，其將兩個或兩個以上像素的所述求和節(jié)點連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其進一步包含第二求和晶體管，所述第二求和 晶體管將兩個或兩個以上像素的求和節(jié)點連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其進一步在每一像素中包含連接到所述輸出晶 體管的行選擇晶體管。
4.一種用于將來自兩個或兩個以上像素的電荷加在一起的方法，所述方法包含以下步驟(a)在每一像素中提供至少一個光傳感器；(b)在每一像素中提供將所述光傳感器連接到浮動擴散部的至少一個傳送門；(c)在每一像素中提供連接到所述浮動擴散部的輸出晶體管；(d)在每一像素中提供連接于所述浮動擴散部與求和節(jié)點之間的第一復(fù)位晶體管；(e)在每一像素中提供連接到所述求和節(jié)點的第二復(fù)位晶體管；(f)提供將兩個或兩個以上像素的求和節(jié)點連接在一起的一個或一個以上求和晶體 管；以及(g)激活所述求和晶體管中的一者或一者以上以及每一像素中的所述第一復(fù)位晶體管 以將兩個或兩個以上像素之間的電荷相加。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中消除步驟(g)，且所述方法進一步包含在對每一像 素中的浮動擴散部電壓進行取樣時，激活每一像素中的所述第一復(fù)位晶體管且去激活所述 求和晶體管中的一者或一者以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中消除步驟(g)，且所述方法進一步包含在對每一像 素中的像素浮動擴散部電壓進行取樣時，去激活每一像素中的所述第一復(fù)位晶體管及所述 求和晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中消除步驟(g)，且所述方法進一步包含在將所述浮 動擴散部復(fù)位到電源電壓的同時，激活每一像素中的所述第一及第二復(fù)位晶體管。
8.一種相機，其包含 圖像傳感器，其包含(a)多個像素，其中每一像素包含 (i)至少一個光傳感器；( )至少一個傳送門，其將所述光傳感器連接到浮動擴散部；(iii)輸出晶體管，其連接到所述浮動擴散部；(iv)第一復(fù)位晶體管，其連接于所述浮動擴散部與求和節(jié)點之間； (ν)第二復(fù)位晶體管，其連接到所述求和節(jié)點；以及(b)第一求和晶體管，其將兩個或兩個以上像素的所述求和節(jié)點連接在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相機，其進一步包含第二求和晶體管，所述第二求和晶體管 將兩個或兩個以上像素的求和節(jié)點連接在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相機，其進一步在每一像素中包含連接到所述輸出晶體管 的行選擇晶體管。
全文摘要
一種圖像傳感器，其包括(a)多個像素，其中每一像素包含(i)至少一個光傳感器；(ii)至少一個傳送門，其將所述光傳感器連接到浮動擴散部；(iii)輸出晶體管，其連接到所述浮動擴散部；(iv)第一復(fù)位晶體管，其連接于所述浮動擴散部與求和節(jié)點之間；(v)第二復(fù)位晶體管，其連接到所述求和節(jié)點；以及(b)第一求和晶體管，其將兩個或兩個以上像素的所述求和節(jié)點連接在一起。
文檔編號H04N5/347GK102132558SQ200980133568
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者克里斯托弗·帕克斯 申請人:柯達公司