CN103354603A - 影像传感器、对其进行相关双取样及同步电子快门的方法 - Google Patents

Abstract

一种具有像素阵列的影像传感器，该像素阵列包含有多个有源像素，其中每个有源像素包含有：光检测器，其提供传感点以依据入射光线的强度产生信号；储存点，用以依据该信号来储存多个光致电荷；第一可控电位能障，其位于该传感点与该储存点之间；输出点；以及第二可控电位能障，其位于该储存点以及该输出点之间；其中该传感点、该储存点与该输出点彼此之间并未重叠。

Description

影像传感器、对其进行相关双取样及同步电子快门的方法

本申请是申请日为2009年9月30日、申请号为200910204001.7、发明名称为“影像传感器、对其进行相关双取样及同步电子快门的方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及互补金氧半导体(CMOS)影像传感器(以下简称为CMOS影像传感器)，尤指可提供CMOS影像传感器电子同步快门(simultaneouselectronic shutter action，SESA)帧储存(frame storage)功能以及相关性双取样(correlated double sampling)功能的装置及其相关方法。

背景技术

数字相机为现今所广泛使用的电子产品，而在数字相机内，具有用以将光线转换为电荷的影像传感器；影像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置(charge-coupled device)影像传感器(亦即俗称CCD影像传感器)以及CMOS影像传感器，其中CMOS影像传感器即基于互补金氧半导体技术而制造。

对于CMOS影像传感器而言，像素(pixel)是一个在影像传感器中可产生不同输出强度的输出信号的元件，而像素所产生的输出信号的强度正比于入射光的光线强度，此外，影像传感器中的每个像素更用来检测、储存以及输出信号之用。一般而论，CMOS影像传感器通常会使用有源(active)像素而非无源(passive)像素来进行影像传感；而简略来说，其内具有放大器(amplifier)或信号缓冲器的像素即可称之为有源像素，而其内仅包含光检测器以及开关的像素则被称之为无源像素。针对一个典型由有源像素构成的CMOS影像传感器而言，其内的每个有源像素分别包含有用以传感光线的光二极管以及用以维持所测得的信号的寄生电容。

请参阅图1，图1所示为公知有源像素的结构示意图。如图1所示，有源像素100包含有三个节点101、103以及105，其中节点101为用来检测信号的传感节点，节点103为用以储存信号的储存点，而节点105则为用以输出信号的取样点。在不同的设计中，传感点(亦即节点101)、储存点(亦即节点103)以及取样点(亦即节点105)可彼此重叠(overlapped)或分离；也就是说，可随着不同的设计需求来选择使用单一节点或使用彼此相互区隔的三个节点来执行前述影像传感器的检测、储存以及取样运作。

在图1中，有源像素100还包含有放大器106，放大器106用以对由取样点(节点105)输出的取样信号进行信号放大，以进而产生输出107，输出107之后将被传送至数字相机的其他电路(未显示于图中)以进行后续的信号处理。另外，有源像素100亦可具有闸道(gateway)102以及104，闸道102位于节点101与节点103中间，而闸道104位于节点103与节点105之间。由于有源像素的闸道为本领域技术任意所知，故在此便不赘述。

对于采用有源像素的CMOS影像传感器而言，相关性双取样(correlateddouble sampling)运作常会被采用来消除CMOS影像传感器的低频噪声，而关于相关性双取样的运作原理则说明如下：

在相关性双取样的运作流程中，在时间t₁时，可先得到第一读出电压信号(voltage signal readout)v_out1＝v_n1，其中V_n1为此时存在于取样点(节点105)的噪声。在时间t₂时，(t＝t₂＝t₁+Δt)，信号传送至取样点，而后得到第二信号读出：v_out2＝v_n2+v_sig。换句话说，在相关性双取样运作中，第一次的读出运作用以读取噪声，而第二次的读出运作则是用以读取噪声(V_n2)与所需的信号(V_sig)。

因此，相关性双取样的运作通过将由第二次读出运作中读取的第二取样值中减去了从第一次读出运作中取得的第一取样值，以从而取得所需的信号，而所撷取出的信号ΔV_out表示如下：

Δv_out＝v_out2-v_out1＝(v_n2+v_sig)-(v_n1)＝(v_n2-v_n1)+v_sig

当主要的噪声成分为低频信号且时间长度Δt非常微小时，(v_n2-v_n1)的值将趋近于零；换言之，此时可得到所需的输出信号

也就是说，相关性双取样运作可视作为一个用以滤除低频噪声的高通滤波器。当时间长度Δt越小，则截止频率越高；这可进一步地抑制噪声，也因此，通常会尽可能地缩短两个读出运作中的时间间隔Δt。对于具有有源像素的影像传感器来说，通常理想相关性双取样运作的时间间隔Δt可为几个微秒(microseconds)或更短。不过，一个可执行相关性双取样运作的有源像素会需要具备有两个不同的储存点来进行信号储存运作，虽然这两个储存点之中的其中一个储存点另可用来执行信号检测或信号取样。另外，要能提供完整的相关性双取样运作，将需要在后端的读出电路中也进行相关的相关性双取样运作，这些后续的运作将会产生更多的噪声来干扰传感得的信号。

请参阅图2，图2所示为公知影像传感器200的示意图。如图2所示，影像传感器200包含有像素阵列(pixel array)210，像素阵列210具有M*N个排成M列(column)以及N行(row)的阵列形式的像素215，其中每行标示为214，而每一列标示为216，而M个列处理器220则分别耦接至M列216。由于列处理器220每次只能处理一行214的数据，影像传感器(如影像传感器200)便需采用每次只执行重置运作或读出运作的运作机制，而由于其轮流执行重置运作或读出运作，前述的运作机制亦可称为轮式(rolling)重置/读出机制。然而，通常对于单一行214的读出运作即需耗费数个微秒或更长，这意味着对具有一千行的影像传感器而言，将需要数个毫秒(milliseconds)或更长的时间来取得整个帧(frame)的读出数据。这些耗时良久的读出时间将导致动态的影像物件产生不良的效果，甚至使得画面模糊不清。前述的这些缺点是现今数字相机(其包含有影像传感器)与其他摄影设备所亟需消除/避免的。

事实上，影像/摄影装置通常会采用快照(snapshot operation)以及电子同步快门(simultaneous electronic shutter action，SESA)帧储存(framestorage)运作。快照运作表示一个影像传感器内的所有像素将同时开始/停止曝光；而对影像传感器而言，通过控制曝光起始以及曝光截止的运作来达到更快速的快门时间的流程，即被称之为电子同步快门(帧储存)运作，为了说明简便起见，后续将简称电子同步快门帧储存运作为电子同步快门；而如前所述，电子同步快门确保了所有的像素在同样的时间进行影像传感。然而，现在的技术并不能提供使用者一个同时提供真正相关性双取样功能和电子同步快门功能的CMOS影像传感器。另一方面，如前所述，有源像素可随着不同的设计需求而具有不同的架构，例如由三个晶体管构成的有源像素(下述将简称为3T有源像素)、由四个晶体管构成的有源像素(下述将简称为4T有源像素)，例如光栅极有源像素；以及由五个晶体管所构成的有源像素(后续将简称为5T有源像素)等等。以下将说明这些不同架构的有源像素。

请参阅图3，图3所示为公知3T有源像素300的结构示意图。如图所示，3T有源像素300具有三个晶体管306、309以及310，且此3T有源像素300提供了非相关性双取样功能。节点308用以进行信号检测、信号储存以及信号输出运作。当然，3T有源像素300另具有其他的元件，由于3T有源像素的结构已为本领域技术人员所熟知，故在此便不另赘述。

请一并参阅图4与图3，图4为具有N行的图3所示的3T有源像素300的像素阵列的CMOS影像传感器的时序信号示意图。如图4所示，在此例子中，CMOS影像传感器的像素阵列采用”行轮式”(rolling row manner)机制，而行轮式(或轮式)运作已在前面关于轮式重置/读出运作中说明过，这里每一行的信号时序将近似于其他行的信号，只是每一行较其前一行的信号时序晚了一段时间罢了。对像素阵列的每一行来说，需要两个时序(timing)信号，亦即重置信号以及行选择信号，来执行非相关性(non-correlated)的双取样运作。举例来说，在图4中，CMOS影像传感器的行1的运作将叙述如下，其中CMOS影像传感器使用了3T有源像素300来构成像素阵列。每一行(例如行1)的运作包含有以下步骤：

步骤1：执行重置运作。首先开启重置晶体管310(亦即如图4所示，重置信号310A产生脉冲1)以重置节点308；接着关闭重置晶体管310来开始一个沉积时间长度的电荷沉积运作使得v₁(1)＝v_reset1+v_n1，其中电荷V₁(1)代表噪声信号的电压，而重置信号310A表示加诸于重置晶体管310的栅极上的电压信号。

步骤2：CMOS影像传感器对行1执行第一读出运作来对信号以及噪声进行取样，并因此撷取出初步的输出电压V_out1：v_out1＝v₁(2)＝v_reset1+v_n1+v_sig。而此初步输出电压V_out1在图4中标示为V₁(2)，表示导通行选择晶体管306后得到的电压信号(在图4中行选择信号306A的脉冲2即表示此时加诸于行选择晶体管306栅极以启动晶体管306)。

步骤3：重新启动重置晶体管310来对节点308进行第二重置运作。(亦即此时重置信号310A产生相对应的脉冲3)并因此得到电压v₁(3)＝v_reset2+v_n2，其中电压V₁(3)表示了此时得到的电压信号。

步骤4：执行第二读出运作以完成每一行(例如行1)所需的运作流程。此时，在第二读出运作中将取得第二重置信号准位，而读取到的电压表示为v_out2＝v_rese2+v_n2，其中电压V_out2表示在启动行选择晶体管306后所撷取到的电压信号；此时行选择信号306A有相对应的脉冲4，即用以启动行选择晶体管306。

前述的四个步骤即完成完整帧中单一行的读出运作的流程，而在完成前述四个步骤之后，将可得到对应于像素的输出电压，表示为：v_out＝v_out1-v_out2＝v_sig+(v_reset1-v_reset2)+(v_n1-v_n2)。

一般来说，由于v_reset1-v_reset2趋近于零，但是信号差值V_n1-V_n2将等于其中

为均方根噪声值。由于此时的两个取样值(读出值)之间并无相关性，因此由此非相关性双取样运作而得到的最后输出电压将为 $v_{\mathrm{out}}=v_{\mathrm{sig}}+\sqrt{2}\·{\tilde{v}}_n.$

而3T有源像素300由于其非相关性双取样运作而有所受限，这是由于3T有源像素300仅由单一节点308来执行信号检测、储存以及取样，这将使得像素在第一次读出运作时所取得的在沉积时间所累积的电荷，随即在第二次重置运作中被破坏掉。

请参阅图5，图5所示为公知4T有源像素500的结构示意图。相较于图3的3T有源像素300，图5所示的4T有源像素500还多了一个节点，此节点用以进行信号检测以及信号储存之用，而另一节点504则用来进行信号取样。然而，由4T有源像素500所构成的像素阵列仍须以行轮式的方式进行读取。

请一并参阅图5与图6，图6为图5所示的4T有源像素500的信号时序示意图。4T有源像素500可执行真正的相关性双取样运作，且其运作是基于对应于重置晶体管310的重置信号310A、对应于行选择晶体管306的行选择信号306A、对应于光二极管502的光二极管信号502A以及对应于传送闸(transfer gate)的传送信号503A，在这里亦可经由适当调整而使用光闸(photo gate)来取代光二极管502。如图所示，当取样点504的重置运作结束之后，由于电荷沉积运作将使得光二极管信号502A的电压则随之增加，而在电荷沉积结束前，用以控制重置晶体管310的重置信号310A会产生脉冲变化以对取样点504进行取样，这使得产生的噪声会被撷取在取样点504内。

在第一次的读出运作中，可取样出噪声，可表示为：v_out1＝v_reset+v_n1，接着，传送信号503A的电压上升以启动传送晶体管503且光二极管信号502A电压下降(如图所示)，如此一来，可将储存在光二极管502内的电荷传送至取样点504。第二次读出运作可得到的电压(包含信号与噪声)可表示为：v_out2＝v_sig+v_reset+v_n1。这样一来，即可根据两次彼此相关的信号读出值来得到最后输出电压值：v_out＝v_out2-v_out1＝v_sig。

借着具有相关性双取样运作功能的4T有源像素500来建构CMOS影像传感器，将可有效地避免输出信号受到噪声干扰，然而，由于4T有源像素500仍使用单一节点来执行信号检测以及信号储存运作，导致了由4T有源像素500所构成的CMOS影像传感器仍无法提供同步电子快门的功能。

请参阅图7，图7所示为具有电子同步快门功能的公知有源像素800的结构示意图。有源像素800的结构揭露于由Guang Yang等人在公元1998年发表于IEEE的论文”A Snapshot CMOS Active Pixel Imager for Low Noise，High Speed Imaging”中，由图可知，有源像素800具有两个传送晶体管(亦即TX1以及TX2)和电荷汲取器(charge sink)802以提供同步电子快门功能。如图7所示，有源像素800包含有重置晶体管310、行选择晶体管306、源极随耦器501、第一传送晶体管TX1以及光二极管502。由于有源像素800使用同一节点806来执行信号储存运作与信号取样运作，这意味着搜集到的电荷会立即被传递至浮置扩散(floating diffusion)点(节点806)，此单一节点为储存点也为取样点，在电荷沉积运作结束后将立即随即进行信号取样。然而，有源像素800仍然欠缺相关性双取样的功能，且有源像素800的量子效率不佳，尤以其对于蓝光的量子效率为甚。

一般来说，为了要达到前述同步电子快门的功能，有源像素需要维持(hold)其所传感得的信号直至其被读出为止；然而，通常所需的数据维持时间可能长达数十毫秒，但由于电子影像传感系统不具有机械快门，这使得在这段维持时间之中入射光仍将不断地导致电荷产生，而为了解决前述问题，通常会在有源像素内使用简易的电荷汲取器，通过高电压源来汲取电子(或低电压源以汲取空穴)以及开关连接在前述电压源与传感点之间。

此外，在Merrill等人所揭露的美国专利(专利号6,369,853)中，其教导使用重置开关以及重置电压以在电荷沉积开始之前先行重置其光二极管，并在信号读取之前的维持时间时提供电荷汲取器的功能，然前述Merrill的发明仍无法提供相关性双取样的功能。

如前所述，由于公知传统架构的不足与缺失，仍须提供一种新颖的流程与系统以使用CMOS影像传感工艺来提供数字相机优异的相关性双取样功能暨同步电子快门功能。

发明内容

根据本发明的实施例，其揭露一种影像传感器(electronic imagesensor)，其具有包含有多个有源像素的像素阵列，其中每一有源像素包含有：光检测器(photo detector)，其提供传感点以依据入射光线的强度产生信号；储存点，用以依据该信号来储存多个光致(photo-generated)电荷；第一可控电位能障(controllable potential barrier)，其位于该传感点与该储存点之间；输出点；以及第二可控电位能障，其位于该储存点以及该输出点之间，其中该传感点、该储存点与该输出点彼此之间并未重叠(overlapped)。

根据本发明的另一实施例，其揭露一种对影像传感器进行相关双取样(correlated double sampling，CDS)的方法，该影像传感器具有由多个有源像素所构成的像素阵列，每一有源像素具有光检测器(photo detector)，该方法包含有以下步骤：累积(integrating)多个光致电荷；重置信号取样点；在第一读出运作(readout)时进行噪声取样；将所述多个光致电荷传递至该信号取样点；以及执行第二读出运作以通过电荷取样来撷取出信号。

根据本发明又另一实施例，其揭露一种对影像传感器进行相关双取样(correlated double sampling，CDS)以及同步电子快门(simultaneouselectronic shutter action，(CDS))的方法，该影像传感器具有由多个有源像素所构成的像素阵列，每一有源像素具有光检测器(photo detector)以依据入射在该像素阵列上的光的强度来产生信号，该方法包含有：根据该信号来累积多个光致电荷；保存所述多个光致电荷直至读出运作为止；

开启电荷汲取器(charge sink)以汲取多个输入的光致电荷；

重置信号取样点；在第一读出运作时进行噪声取样；将所述多个光致电荷传递至该信号取样点；以及关闭该电荷汲取器以预先重置(pre-resetting)多个节点。

根据本发明再另一实施例，其揭露一种具有影像传感器的影像系统，该影像传感器具有包含有多个有源像素的像素阵列，其中每一有源像素包含有：光检测器(photo detector)，其提供传感点以依据入射光线的强度产生信号；储存点，用以依据该信号来储存多个光致(photo-generated)电荷；第一可控电位能障(controllable potential barrier)，其位于该传感点与该储存点之间；输出点；以及第二可控电位能障，其位于该储存点以及该输出点之间，其中该传感点、该储存点与该输出点彼此之间并未重叠(overlapped)。

根据本发明的精神，其揭露一种像素结构，其内具有多个彼此各自区隔的节点以分别用以进行信号检测、信号储存以及信号取样；此外，像素内还具有电荷汲取器；且本发明的像素可提供CMOS影像传感器有效率的同步电子快门功能。

根据本发明的精神，其揭露一种像素结构，本发明的像素结构可经由溢井(spill well)的结构以执行相关性双取样运作；此外，本发明的光检测器拥有比以往CCD的像素或光闸形式的像素更优异的量子效率。

根据本发明的精神，其提供一种新颖的像素、像素阵列以及使用了前述元件架构而成的影像传感器，其得以同时提供相关性双取样功能暨同步电子快门功能。除此之外，本发明的溢井结构使用光二极管来作为光检测器以提升本发明所提供的量子效率，使其优于采用CCD形式或光栅极形式的传统像素。另外，本发明亦可采用标准的互补金氧半导体工艺来实现。

附图说明

图1为公知有源像素的结构示意图。

图2为公知影像传感器的示意图。

图3为公知3T有源像素的结构示意图。

图4为具有N行的图3所示的3T有源像素的像素阵列的CMOS影像传感器的时序信号示意图。

图5为公知4T有源像素的结构示意图。

图6为图5所示的4T有源像素的信号时序示意图。

图7为具有电子同步快门功能的公知有源像素的结构示意图。

图8为根据本发明的实施例的有源像素的结构示意图。

图9为使用图8所示的有源像素在不进行同步电子快门运作时的运作流程示意图。

图10为本发明的实施例中有源像素在进行本发明的操作步骤时的多个信号的时序示意图。

图11为本发明的另一实施例中使用有源像素同时进行相关性双取样运作暨同步电子快门运作的步骤流程示意图。

图12为图11所示的实施例中多个信号的时序示意图。

图13为本发明的又另一实施例中使用有源像素以同时进行相关性双取样运作暨同步电子快门运作的步骤流程示意图。

具体实施方式

请参阅图8，图8所示为根据本发明的实施例的有源像素900的结构示意图。如图8所示，有源像素900包含有多个晶体管以作为开关之用、遮光罩(light shield)909以及全空乏型(fully depleted)光二极管914。通过设置这些晶体管，有源像素900得以拥有彼此各自区隔的传感节点、储存点以及输出点，以提供同步电子快门功能以及相关性双取样功能。然而请注意到，图8的结构仅为范例说明之用，而不应视为本发明的限制条件，举例来说，本图中的行选择晶体管904以及遮光罩909为选择性的元件，其可随着不同的设计需求而加以省略。此外，为了效率上的考虑，在这里使用了全空乏型二极管而非传统的光栅极结构。然而请注意到，只要适当的加以调整，亦可使用一般的光栅极或光二极管来取代本实施例的全空乏型光二极管914以提供可同时提供同步电子快门以及相关性双取样功能的像素，前述的设计变化遵循本发明的发明精神，且属于本发明的范畴之中。

在本实施例中，有源像素900包含有电荷汲取器910，其中电荷汲取器910包含有晶体管911(亦即TX3)，其用以在光传感节点914A以及电荷汲取端(charge drain)915之间形成电位能障(potential barrier)，另外，有源像素900还具有溢井(spill well)906，其内有晶体管912(亦即TX2)，晶体管192用以在传感点914A以及储存点917之间形成电位能障，而晶体管918(亦即TX1)则在储存点917以及输出点922之间形成电位能障；而晶体管919在这里用作重置晶体管，用来选择性地将重置电压Va耦接至输出点922。除此之外，晶体管905用来当作源极随耦放大器(source-followeramplifier)以进行信号缓冲。如图9所示，行选择晶体管904耦接至像素阵列的输出总线(output bus)，且行选择晶体管904在像素阵列的行选择运作中可视作开关。

在本实施例中，电压V_a的电压值可为固定电压，亦或随着不同的设计需求，其电压值亦可在不同的操作步骤时有不同的电压变化。比方说，多个有源像素900可共用同一晶体管911(TX3)、单一源极随耦器905(亦即源极随耦晶体管)、单一电压节点(供应电压V_a的节点)以及单一的电压节点(供应电压V_sink的节点)，以进一步地节省生产成本以及电路面积。倘若电压V_a的电压值被允许在不同的步骤下是不同的，则在这设计变化中的有源像素900还可由像素阵列中的多个有源像素900来共用单一行选择晶体管904。然而请注意到，前述的行选择晶体管904为选择性的元件，其亦可在其他的实施例中加以省略，而这些设计变化亦遵循本发明的精神且隶属于本发明的保护范畴之中。

在本实施例中，电压V_a的电压值被设定为小于或等于电压值V_DD，而电压V_sink的电压值则被优选地设定为高于加诸于晶体管911(亦即TX3)上的电压。在某些实施例中，电压V_sink的电压值至少要比施加在晶体管911(TX3)上的电压还高一个晶体管临界电压(transistor threshold voltage)，也就是说，既然电压V_sink被用作为电荷汲取器，其可为高电压源(如V_DD)

在本发明的其他实施例中，有源像素900可随着不同的设计需求来选用N型或P型的半导体晶体管来加以实施；不过在图8的实施例中，其使用了P型晶体管来架构有源像素900。此外，这里通过在晶体管913上架构了一或多层的不透光层(opaque layers)来作为遮光罩909，以避免储存在晶体管913的电荷产生变化。除此之外，当有源像素900只需用来执行相关性双取样功能，而不需执行其同步电子快门功能时，则可持续将晶体管911(TX3)维持在关闭(不导通)的状态。

请同时参照图8与图9，图9为图8所示的有源像素900不进行同步电子快门运作时的运作流程示意图。为了清楚地揭露图9的步骤流程细节，在这里将有源像素900的结构略图附于图9的上面以作为辅助说明之用。

请同时参照图8与图9来看图10，图10为本发明的实施例中有源像素900在进行本发明的操作步骤时的多个信号的时序示意图；图10中包含了用以施加在重置晶体管919的栅极的重置信号919A、用以施加在传送晶体管(transfer transistor)918的栅极的信号918A、用以施加在晶体管913的栅极的信号913A、用以施加在传送晶体管912的栅极的重置信号912A、用以施加在行选择晶体管904的栅极的信号904A，而信号911A则用以表示用以施加在传送晶体管911上的信号911A。

请同时参照图8、图9以及图10；如同图8所示，在后续的步骤说明中，光二极管914为被反转电压(pinning voltage)所完全空乏的全空乏型光二极管。在步骤S11001时，施加在晶体管191的栅极上的信号919A的电压升高以导通(turn on)重置晶体管；在完成第一次重置运作之后，有源像素900开始进行电荷沉积(步骤S1002)。

在步骤S1002时，像素900产生了多个光致(photo-generated)电荷。在进行电荷沉积的运作时，重置晶体管919关闭且施加在储存晶体管913(亦即STO)的栅极上的电压信号V_STO会拉高。在本步骤中，使用了电位井(potential well)以储存由全空乏型光二极管914所产生的电荷。由图9可知，虽然在重置运作后，有一些噪声n1残存在输出节点922，但经由传送晶体管918(TX1)此时所构成的位于输出节点922以及储存节点917之间电位能障，将可确保像素900的第一次读出运作将不受到噪声n1所影响。

如图9所示，在步骤S1003中，电荷沉积已然完成而进行信号维持运作。在本步骤时，通过将重置晶体管919开启来对输出节点922进行再一次的重置。接下来，在步骤S1004时，重置晶体管919关闭并进行第一次的读出运作。由图可知，在步骤S1003中所产生的取样噪声n2残存在输出节点922，在第一次读出运作时即把噪声n2储存到后端的读出电路(未显示于图中)以供相关性双取样运作之用。

在图9所示的步骤S1005中，进行电荷传递以及第二次读出运作，此时储存晶体管913关闭以把所储存的电荷由储存节点017传送到输出节点922，而此时输出节点922中的电荷包含有传感出的信号以及噪声n2。在进行电荷传递以及取样之后，即进行第二次的读出运作。通过两次读出运作中取得的取样数据，即可顺利地将传感信号取出而不受噪声的影响。

在本实施例中，传送晶体管918(TX1)的栅极电压维持一定电压值V₁，而传送晶体管912(TX2)的栅极电压则维持在另一定电压值V₂，以进一步地降低切换噪声(switching noise)。然而请注意到，在本发明的其他实施例中(如图11所示的第二实施例)，施加在传送晶体管912(TX2)上的电压在步骤S1203时将稍微下降以确保其在传感节点914A以及储存点917之间形成有效的电位能障。前述这些相关设计变化皆遵循本发明的发明精神且同样隶属于本发明的保护范畴之中。

在前述的第一实施例中，说明了像素900进行不具有同步电子快门功能时的相关性相取样运作，换言之，既然是非同步电子快门运作，故前述揭露的操作流程为行轮式(row-rolling)的运作。

请一并参照图8与图11，图11所示为本发明的另一实施例中使用有源像素900以同时进行相关性双取样运作暨同步电子快门运作的步骤流程示意图。同样地，为了清楚说明有源像素900的操作细节，在图11的上方附有有源像素900的简图以供对照之用。请亦参照图12，图12所示为图11所示的实施例中多个信号的时序示意图；在图12中包含了用以施加在重置晶体管9191的栅极的重置信号919A、施加在传送晶体管918(TX1)的栅极的信号918A、施加在储存晶体管913的栅极的信号913A、对应于传送晶体管912(TX2)的信号912A、对应于行选择晶体管904的栅极的信号904A以及电压信号V_a。

在第二实施例中，步骤S1201、S1202、S1204、S1205与S1206分别与第一实施例中的步骤S1001、S1002、S1003、S1004与S1005相同，因此关于这些步骤的详细操作细节可参见前述有关于图9的说明。

概略而言，在步骤S1201时，重置晶体管919开启以进行第一次重置运作，并在进行步骤S1202之前即切换至关闭状态。在步骤S1202时，储存晶体管913开启，且本实施例的光二极管914为全空乏型光二极管，因此在电荷沉积运作时所产生的电荷可顺利地保存在储存节点913之中。在本发明的优选实施例中，在电荷沉积运作结束时，可将施加在传送晶体管912(TX2)的信号912A的电压略微提升以进而强化处于传感节点914A以及储存节点917之间的电位能障。由于本实施例中有源像素900同时提供相关性双取样功能以及同步电子快门之功能，因此在信号维持(dataholding)的运作时，可将对应于传送晶体管911(TX3)的信号911A拉低以排出此时传感节点914A产生的多余电荷。也就是说，因为在步骤S1203时对应于第二传送晶体管912的信号912A拉高了，又由于传送晶体管911(TX3)被开启了，这使得此时光二极管914被电压V_sink所箝制，以确保所有额外产生的多余光致电荷都将被电压V_sink所汲取，而在前面电荷沉积运作中因曝光而产生的光致电荷则被保存在储存晶体管913之中。在这里，晶体管912所构成的电位能障以及遮光罩909可确保所储存的数据不会受到外在的干扰。至于由传送晶体管911(TX3)以及电压V_sink所构成的电荷汲取器(charge sink)，前述的这些架构则确保了在像素阵列中所有有源像素可同时地结束其电荷沉积运作，并将其数据有效地保存直至进行信号读出为止，换言之，本发明的像素因此可提供优异的同步电子快门功能。

在步骤S1204中，重置晶体管919再一次地被开启以进行第二次重置。在步骤S1205中，在重置晶体管919重新关闭之后，行选择晶体管904随即被开启以进行第一次读出运作。在步骤S1206时，传送晶体管918开启且储存晶体管913关闭，以将电荷由储存节点917传送到输出节点922；在电荷传送运作结束后，传送晶体管918(TX1)关闭且行选择晶体管904开启，以进行第二次读出运作。请注意，在本实施例中，像素阵列中的有源像素900仍以行轮式的方式读取(步骤S1204～S1206，而步骤S1003～S1005也是)，亦即一行接着一行循序进行。

在前述的步骤流程说明了像素阵列中单一行像素的运作。在对应到整个帧的读出运作完成之后(亦即像素阵列中每一行的读出运作皆完成之后)，传送晶体管911(TX3)即关闭而重置晶体管919则重新开启，以为后续帧的信号传感做准备。由于在这里光二极管914为全空乏型光二极管，这更进一步地确保了所传感到的所有光致电荷可全数转移到储存节点917，而不会有残存在光二极管914中。

请注意到，本发明并不限于前述之实施方式，亦可随着后续的科技进步而加以修正，而这些设计变化亦隶属于本发明的范畴之中。比方说，由传送晶体管918(TX1)、传送晶体管(TX2)与传送晶体管(TX3)所提供的电位能障亦可有不同的操作方式，而此实作上的变化将在图13中说明之。

图13所示为本发明的又另一实施例中使用有源像素900以同时进行相关性双取样运作暨同步电子快门运作的步骤流程示意图。在本实施例中，步骤S1401～S1407分别与图11的步骤S1201～S1207相同。请参阅图13，步骤S1401的运作类似于图11的步骤S1201。

在步骤S1402中，传送晶体管918(TX1)的栅极被偏压在电压V_{13_tx1}，其电压值低于图11中的电压V_{11_tx1}(如图13以及图11所示)。在本实施例中，较低的电压V_{13_tx1}可将传送晶体管918(TX1)完全关闭，且使施加在传送晶体管918(TX1)的栅极的电压维持在V_{13_tx1}，直到步骤S1206被执行为止，其中步骤S1406亦近似于步骤S1206的运作，故在此便不再赘述。

至于施加在传送晶体管912(TX2)上的信号912A，在流程进入数据维持的步骤S1403(其运作类似于上述的步骤S1203)时，传送晶体管912(TX2)的栅极被偏压在电压V_{13_tx2}其电压值低于图11中的电压V_{11_tx2}(如图11与图13所示)。施加在传送晶体管912(TX2)的栅极的信号912A则维持在电压V_{13_tx2}，直到步骤S1406完成为止。

根据本发明的精神，其揭露一种创新的有源像素，其具有多个彼此区隔的节点以分别用来进行信号检测、信号储存以及信号输出之用；此外，本发明的有源像素亦具有电荷汲取器，且本发明可使用互补金氧半工艺来提供具有同步电子快门的功能的有源像素。

根据本发明的精神，通过”溢井”结构来施行相关性双取样功能，此外，相较于传统的电荷耦合装置(CCD)技术以及光栅极形式的像素，本发明的光检测器亦具有更佳的量子效率。

根据本发明的精神，其提供了一种可同时执行相关性双取样功能和同步电子快门功能的创新的有源像素以及使用前述有源像素构成的像素阵。本发明的溢井结构使用了光二极管来作为光检测器，以从而达到比以往使用电荷耦合装置的技术与以往光栅极形式的像素更优异的量子效率。除此之外，在本发明的优选实施例中，本发明的光二极管为全空乏型(fullydepleted)光二极管。再者，本发明的结构与互补金氧半导体工艺完全相容。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的各种变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种对影像传感器进行相关双取样(correlated double sampling，CDS)的方法，所述影像传感器具有由多个有源像素所构成的像素阵列，每一有源像素具有光检测器(photo detector)，所述方法包含有：

累积(integrating)多个光致电荷；

重置信号取样点；

在第一读出运作(readout)时进行噪声取样；

将所述多个光致电荷传递至所述信号取样点；以及

执行第二读出运作以通过电荷取样来撷取出信号。

2.如权利要求1述的方法，其中，所述多个光致电荷在电位能障形成之后开始累积。

3.如权利要求1述的方法，其中，所述第一读出运作用以对存于所述信号取样点上的噪声进行取样。

4.一种对影像传感器进行相关双取样(correlated double sampling，CDS)以及同步电子快门(simultaneous electronic shutter action，(CDS))的方法，所述影像传感器具有由多个有源像素所构成的像素阵列，每一有源像素具有光检测器(photo detector)以依据入射在所述像素阵列上的光的强度来产生信号，所述方法包含有：

根据所述信号来累积多个光致电荷；

保存所述多个光致电荷直至读出运作为止；

开启电荷汲取器(charge sink)以汲取多个输入的光致电荷；

重置信号取样点；

在第一读出运作时进行噪声取样；

将所述多个光致电荷传递至所述信号取样点；以及

关闭所述电荷汲取器以预先重置(pre-resetting)多个节点。

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