[实用新型]成像系统、图像传感器及图像传感器像素

说明书

本实用新型提供了一种成像系统、图像传感器及图像传感器像素。在可包括图像传感器像素阵列的全局快门图像传感器中，每个像素可具有光电二极管、电荷存储区域、低光级电路、和高光级电路。在高光级条件期间，由光电二极管生成的一些电荷可被转移到高光级电路，并且其余的电荷可被转移到低光级电路。在低光级条件期间，所有所生成的电荷可被转移到低光级电路。光屏蔽结构可被形成在电荷存储区域上方。每个像素的电路组件可在第一芯片和第二芯片之间被分开。通过在单独的芯片上形成组件并且通过实施高光级电路，该电荷存储区域的尺寸可减小，同时在所有照明条件期间保留图像传感器的高动态范围和低噪声。

技术领域

本实用新型整体涉及成像系统、图像传感器及图像传感器像素，并且更具体地涉及具有从衬底的背面照明并在全局快门(GS)模式下操作的高动态范围 (HDR)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列的图像传感器。全局快门图像传感器在每个图像传感器像素中需要附加电荷存储节点，这些附加电荷存储节点占用很大一部分可用像素区域，并且因此增加图像传感器的成本。在 HDR图像传感器中，由于在像素中存储更大量电荷的附加需求比在非HDR图像传感器中更大，因此该问题进一步加剧。

背景技术

现代电子设备诸如移动电话、相机和计算机通常使用数字图像传感器。典型成像器传感器(有时也被称为成像器)通过以下方式来感测光：将碰撞光子转换成在传感器像素中积聚(收集)的电子(或空穴)。在完成每个积聚周期时，所收集到的电荷被转换成被提供至与图像传感器相关联的对应输出端子的电压信号。通常，电荷到电压转换直接在像素内执行，并且所得的模拟像素电压信号通过各种像素寻址和扫描方案而被转移至输出端子。在被传送至芯片外之前，该模拟电压信号可在芯片上被转换成数字等同形式。每个像素包括驱动经由相应寻址晶体管而被连接至像素的输出感测线的缓冲放大器(即源极跟随器)。

在电荷到电压转换完成之后并在所得的信号从像素传输出去之后，在后续积聚周期开始之前将像素重置。在包括用作电荷检测节点的浮动扩散(FD)的像素中，该重置操作通过暂时接通重置晶体管来完成，该重置晶体管将浮动扩散节点连接至电压参考(通常为像素电流漏极节点)，以用于排放(或移除)被传输至FD节点上的任何电荷。然而，使用重置晶体管从浮动扩散节点移除电荷生成热kTC重置噪声，如在本领域所熟知的。必须使用相关双采样(CDS)信号处理技术来移除该kTC重置噪声，以便实现所需的低噪声性能。利用CDS的典型CMOS图像传感器针对每个像素需要至少三个(3T)或四个晶体管(4T)。

标准CMOS传感器无法用于全局快门操作，因为对应像素阵列在连续模式下逐行进行扫描。逐行扫描像素阵列在图像中生成不期望的时间扭曲。因此在执行全局快门操作时，有必要将另一个存储站点并入每个像素中，该另一个存储站点可将从所有光电二极管传输的电荷一次同时存储在像素中。然后电荷在该存储站点中等待以逐行方式被连续扫描。

高动态范围(HDR)操作难以采用该设备概念，因为必须将大量电荷存储在像素中。该问题通常通过向一组像素中的一些传感器行或像素分配较短的积聚时间来解决。然而，该方法影响图像传感器的低光级分辨率并可导致快速变化的场景照明出现问题。另一个方法为对通常具有较高噪声的电压转换特性使用对数电荷，这也影响低光级性能。

因此，能够针对由多个堆叠式集成电路形成的图像传感器在全局快门操作模式中为大范围照明水平提供改善的图像传感器像素为期望的。

实用新型内容