[发明专利]具有图像浮散漏极的、高动态范围的传感器

说明书

相关参照

本申请要求2007年6月29日提交的美国临时专利申请No.60/947,347的优 先权。

技术领域

一般而言，本发明涉及高动态范围的图像传感器。更具体地讲，本发明 涉及在高动态范围图像传感器中抑制图像浮散。

背景技术

高动态范围(high dynamic range，HDR)图像传感器用于许多场合。目前， 许多图像传感器，包括CCD和CMOS图像传感器，其动态范围大约有70分贝。 然而，要与人眼的能力相匹配，则需要高达约100分贝的动态范围。例如，用 于汽车的图像传感器需要超过100分贝的动态范围，以处理不同的驾驶状态， 比如驶过黑暗的隧道进入明亮的阳光中。另外，一些数字静物照相机(DSC) 的传感器可能需要超过90分贝动态范围。

现有技术已经提出了许多高动态范围的传感器。但是每个都有显著的缺 点。早先的HDR传感器具有一些缺点，包括由于固有图像噪音而导致的图像 变差、大的随机噪音、以及与图像浮散(blooming)相关联的分辨率降低。

图像传感器在曝光周期生成电荷，其在后来的读取阶段被读取。然而， 光电二极管只能在曝光周期积聚一定量的电荷，这限制了动态范围。现有技 术中增加动态范围的方法是使用电荷撇取操作(charge skimming operation)， 以实现曝光时间控制，延伸动态范围，如图1A-1E所示。

图1A显示了传统像素单位100，其具有光电二极管(PD)、传递晶体管(TX)， 复位晶体管(RST)和源极跟随(SF)放大器。图中还示出了传统的漂浮扩散(FD) 节点。光电二极管是PIN型光电二极管或通常的n-型光电二极管。

图1B显示了在用于曝光控制方法的不同时间(子图1、2、3、4、5和6) 通过像素单位的电位图，其示出了在PD、TX、FD和RST的电位。第一子图显 示了在预充电阶段，光电二极管被重新设定，而且TX门被驱动到Vtx1，并且 所有的信号电子从光电二极管读取到FD。此时，PD底部电位被设定成Vpin， 其由完全耗尽的PD确定。第二子图显示了TX门关闭，而且PD积聚信号电子直 到曝光时间1。第三子图显示了在曝光时间1结束时，撇取脉冲Vtx2被应用到 TX门，其比Vtx1小，而且信号电子的一部份读取到FD。即，TX门仅被驱动 到足以撇去电荷的一部分。此时，PD上电位被设定成Vskim，其与TX门下的 沟槽电位相同。结果，剩余的信号是Vpin-Vskim。第四子图显示了在曝光时 间2开始时，TX门关掉，而且PD开始积聚信号电子直到时间2结束。因此，在 时间2结束时在读取之前，电荷已经增加到Vex，如第五子图所示。第六子图 显示了在时间2之后读取。在时间2，打开TX门，而且所有的信号电子读取到 FD。

图1C是一个读取时间图，大概描述了在不同时间在晶体管TX处的脉冲定 时。在电荷撇取期间，门电压Vtx1足以完全打开晶体管TX，但电压Vtx2只能 轻微地打开晶体管TX。像素单位的操作的不同时期包括第一曝光、电荷撇取 操作和第二曝光。

图1D显示了如何利用具有电荷撇取的传统曝光时间控制方法来延伸动态 范围。传递特性将输出与光强度相关联。由PD生成的电荷取决于光的强度。 在低的光强度状态，传递特性为具有斜度a的直线，并且电荷撇取没被运行。 当电荷撇取被运行时，信号电荷的较小部分流向FD。因此，斜度从“a”变成“a x Tex2/Tex”。这个斜度比“a”小，结果是动态范围被扩展。

图1E显示了使用电荷撇取的传统曝光时间控制方法的一些缺点。对于PD 是PIN型光电二极管的情况，PIN型光电二极管的底电位基本上由光电二极管 的n-型植入剂量所界定。由于LSI制造工艺中的波动，在图像像素阵列中的光 电二极管的底电位具有一个分布。另外，由于传递门(TX)阈电压的变动，Vskim 在每个像素之中是不同的。每个Vpin在每个PD中是不同的，而且每个Vskim 在每个Tx中是不同的，从而产生Vpin-Vskim的分布。然而，Vpin-Vskim是撇 取后的剩余电荷，其还确定了传递特性的断点。这些断点的分布引起图像的 固有图像噪音，降低了图像品质。

相反，对于像素单位的PD是通常的n-型光电二极管的情形，不生成固有 图像噪音，但是这种类型的光电二极管具有大的泄漏。结果，对于低光照水 平的场景，其图像品质不好。