畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法
| 热词 | 畫素 電容 電容器 光電 光電轉換 fd 容器 陣列 開關 轉換 | ||
| 专利类型 | 发明专利 | 法律事件 | |
| 专利有效性 | 失效专利 | 当前状态 | |
| 申请号 | TW100115209 | 申请日 | 2011-04-29 |
| 公开(公告)号 | TWI474475B | 公开(公告)日 | 2015-02-21 |
| 申请人 | LG伊諾特股份有限公司; LG INNOTEK CO., LTD.; | 申请人类型 | 其他 |
| 发明人 | 朴成炯; PARK, SEONG HYUNG; | 第一发明人 | 朴成炯 |
| 权利人 | LG伊諾特股份有限公司,LG INNOTEK CO., LTD. | 权利人类型 | 其他 |
| 当前权利人 | LG伊諾特股份有限公司,LG INNOTEK CO., LTD. | 当前权利人类型 | 其他 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份： | 城市 | 当前专利权人所在城市： |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址： | 邮编 | 当前专利权人邮编： |
| 主IPC国际分类 | H01L27/146 | 所有IPC国际分类 | H01L27/146 ; H04N5/374 |
| 专利引用数量 | 6 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 13 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 专利代理人 | 陳瑞田; | |
| 权利要求 | 1.一種畫素，包括：一光電轉換裝置；一電容器，以聚集在該光電轉換裝置中被轉換而來之電荷；以及一開關元件，以輸出該電容器之一電位，且係包含有一轉移開關元件，以將在該光電轉換裝置中被轉換而來之該電荷轉移至該電容器，以及一輸出開關元件，直接連接至一浮動擴散區域以輸出該電容器之該電位，其中該電容器經由該轉移開關元件之多時脈來作為一儲存裝置。 2.如申請專利範圍第1項所述之畫素，其更包含有一可變電容器連接於該電容器，且其電容係根據該電容器之該電位而變動。 3.如申請專利範圍第2項所述之畫素，其中該可變電容器係自偏壓(self-biased)。 4.如申請專利範圍第3項所述之畫素，其中該可變電容器係一P型可變電容器。 5.如申請專利範圍第2項所述之畫素，其中該可變電容器係具有一節點連接於該輸出開關元件之一閘極、該電容器或該輸出開關元件，而該可變電容器的另一節點連接於一基板。 6.如申請專利範圍第1項所述之畫素，其中該開關元件更包含有：一重置開關元件於一電源電壓線和該電容器之間，以重置該電容器之該電位；以及該輸出開關元件連接於該電源電壓線，以輸出該電容器之該電位，其中該可變電容器係與該電容器電性連接。 7.如申請專利範圍第1項所述之畫素，其中該電容器係為共享(shared)。 8.如申請專利範圍第7項所述之畫素，其中該光電轉換裝置係包含有一第一光電轉換裝置以及一第二光電轉換裝置，且該轉移開關元件係包含有：一第一轉移開關元件，其係將在該第一光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器；以及一第二轉移開關元件，其係將在該第二光電轉換裝置中被轉換而來之該電荷轉移至該電容器，而該第一轉移開關元件與該第二轉移開關元件係與該電容器電性分享。 9.一種畫素陣列，包括上述申請專利範圍第1項至第8項中任何一項所述之該畫素為一陣列者。 10.一種影像感測器，包括申請專利範圍第9項所述之該畫素陣列。 11.一種驅動畫素陣列之方法，包括：將在一光電轉換裝置中被轉換而來之電荷聚集至一電容器中；以及自一開關元件輸出該電容器之一電位，其中該開關元件係包含有一轉移開關元件，其係將在該光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器，以及一輸出開關元件，直接連接至一浮動擴散區域以輸出該電容器之該電位，其中該電容器係由該轉移開關元件之多時脈來作為一儲存裝置。 12.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該畫素陣列係包含有申請專利範圍第9項所述之該畫素陣列。 13.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該畫素陣列係包含有申請專利範圍第2項至第5項中任何一項所述的該可變電容器，該可變電容器係平行連接於該電容器，且其電容在該電容器之該電位上升時亦上升。 |
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| 说明书全文 | 本發明係主張關於2011年04月13日申請之韓國專利案號10-2011-0034450之優先權，藉以引用的方式併入本文用作參考。 本發明係關於一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法。 在一習知之影像感測器中，其係包含有一畫素結構，包括一光電二極體(photodiode)以及一電晶體(transistor)。一畫素其具有之結構係藉由以入射光激發光電二極體之電子，使電能夠流動；且電量係根據光照度(light intensity)而變動。因此，在一段預設時間後，光閘開關(shutter switch)係被開啟，而一訊號隨即被傳輸至一感測節點(sense node)，故由此可得到一視頻訊號。 然而，一訊號位準(signal level)係根據該感測節點之一電容器(condenser)之容量(capacity)而定，但一習知技藝中的感測節點具有固定之電容器容量。因此，影像感測器具有降低之動態範圍，且無法進行自動曝光(auto-exposure)。由此，一影像訊號處理區塊(signal processing block)可藉由調整一感測器曝光時間或藉由應用一視頻訊號之增益(gain)，來進行自動曝光。 為求解決上述問題，一種技術係被提出如下：應用使用一金氧半導體電容器(金氧半電容，MOS capacitor)之一變容器(varactor)，以藉由控制變容器之電容器容量，來擴大影像感測器之動態範圍。 然而，此項習知技術具有其限制，亦即其電容只有在對變容器之閘極(Gate)施加外部偏壓(external bias)時會形成；這使自偏壓(self-bias)控制難以進行。 又，根據習知技術，需要一列閘極驅動(row gate driver)來控制變容器之閘極，且額外又需要金屬線以連接其中，所以會降低其有效填充因子(effective fill factor)。 於此同時，習知技術提出一雙捕捉(dual-capture)技術，用以在低亮度(low illumination)及高亮度(high illumination)之下執行讀取。然而，在習知技術中，應用雙捕捉之一影像感測器需要讀取一影像至少兩次，故無法得到高訊框率(frame rate)。 本發明之實施例提供一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法；其係可使多捕捉(multi-capture)得以實現，同時就算在一小型光電二極體中，仍可維持其訊框率。 本發明之實施例亦提供一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法；其係包含有一自偏壓之變容電容器(varactor capacitor)。 在一實施例中，一種畫素係包括：一光電轉換裝置(photoelectric converter)；一電容器(capacitor)，其係用以聚集在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷；以及一開關元件(switching element)，其係用以輸出該電容器之一電位(potential)。該開關元件係包含有一轉移開關元件(transfer switching element)，其係用以將在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器，而該電容器係由該轉移開關元件之多時脈(multi-clocking)來作為一儲存裝置。 在另一實施例中，一種畫素陣列係包括作為陣列之畫素。 在另一實施例中，一種影像感測器係包括畫素陣列。 在又一實施例中，一種驅動畫素陣列之方法係包括下述步驟：聚集在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷至一電容器中；以及自一開關元件輸出該電容器之一電位，其中該開關元件係包含有一轉移開關元件，其係用以將在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器，且該電容器係由該轉移開關元件之多時脈來作為一儲存裝置。 一或多個實施例之細節陳述於附圖及下文之描述中，且自該描述與附圖，以及自申請專利範圍可明顯看出其他特徵。 附圖係對本發明之內容及實施例提供進一步的說明，並被納入構成本申請範圍之一部分。 在下文中，將根據本發明之實施例配合圖示詳細描述與說明本發明之揭示內容與實例。此外，相同的元件符號將會參照到圖示解說中的相同元件。 在實施例的描述中，應予理解，當提及一層(或膜)、一區域、一圖案、或一結構是在另一層(或膜)、一區域、一墊、或一圖案「之上/下」或「之上方/下方」，則其可以是直接或間接地在另一層(或膜)、區域、或圖案「之上/下」或「之上方/下方」。又，可參照附圖說明每一層「之上/下」或「之上方/下方」的位置。 在圖示中，為清楚與方便說明，各層厚度及尺寸可能被加以誇大、省略、或僅為示意圖。另，組成元件的尺寸亦不完全反映實際元件之大小。 (實施例) 圖1係根據一第一實施例之一畫素與一畫素陣列的電路圖。 圖2係根據一第二實施例之一畫素與一畫素陣列的電路圖。 根據本發明一實施例，一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器係包括一光電轉換裝置；一電容器，其係用以聚集在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷；以及一開關元件，其係用以輸出該電容器之一電位。該開關元件係包含有一轉移開關元件，其係用以將在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器。該電容器係由該轉移開關元件之多時脈來作為一儲存裝置。 又，根據本發明一實施例，一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器可包括一光電轉換裝置；一電容器，其係用以聚集在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷；一可變電容器(variable capacitor)連接於該電容器，且其電容係根據該電容器之電位而變動；以及一開關元件，其係用以輸出該電容器之電位。 上述之實施例可以被，但不限於，應用於一寬動態範圍(Wide Dynamic Range，WDR)畫素、一畫素陣列與包含其之影像感測器。 該光電轉換裝置可包含有一光電二極體、一光閘(photogate)等等，而該電容器可為一浮動擴散(Floating Diffusion，FD)區域；然而，其並不限制於上述之說明。 該開關元件可包含有一轉移開關元件於該光電轉換裝置與該電容器之間，以將在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器；一重置開關元件(reset switching element)於一電源電壓線(power voltage line)和該電容器之間，以重置該電容器之電位；以及一輸出開關元件(output switching element)連接於該電源電壓線之上，以輸出該電容器之電位。然而，該開關元件並不限制於此。 舉例而言，該轉移開關元件可包含有一移轉電晶體(transfer transistor，Tx)，該重置開關元件可包含有一重置電晶體(reset transistor，Rx)，而該輸出開關元件可包含有一源極跟隨驅動電晶體(source follower driving transistor，Dx)；然而，其並不限制於此。 該可變電容器係與該電容器電性連接，且該可變電容器可以是，但不限制於，一變容器(varactor capacitor)。 舉例而言，根據本發明一實施例，一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器可包括一光電轉換裝置形成於一基板之上；一電晶體設置於該基板上光電轉換裝置之一側上；一電容器形成於該電晶體之一側上；以及一變容器形成於該電容器之上。在此處，該變容器(Vcap)可為自偏壓。 雖然VTr-CIS係被繪示於圖1中作為一實例，但其並不限制於此。舉例而言，該電晶體可包含有一移轉電晶體(TX)於光電轉換裝置之一側，一重置電晶體(RX)於移轉電晶體(TX)之一側，一源極跟隨驅動電晶體(DX)，以及一選擇電晶體(select transistor，SX)等等；然而，並不限制於此。 根據本實施例，當FD區域之電位增加時，可連接該變容器以增加其電容。舉例而言，在圖1中，在畫素中的變容器可由下述方法實現：在連接一節點(node)連接至一P-Sub基板時，把變容器(Vcap)之另一節點連接至電容器，例如，至該FD區域或源極跟隨(SF)驅動電晶體(DX)。 又，圖2係為一電容器共享結構(capacitor-shared structure)。 根據一實施例，光電轉換裝置可包括一第一光電轉換裝置以及一第二光電轉換裝置。開關元件係包含有一第一轉移開關元件，其係用以將在該第一光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器；以及一第二轉移開關元件，其係用以將在該第二光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至該電容器。該第一轉移開關元件與該第二轉移開關元件可彼此連接，以與該電容器及可變電容器電性分享(electrically shared)。 舉例而言，根據一實施例，提供一第一移轉電晶體(TX1)與一第二移轉電晶體(TX2)。該第一移轉電晶體(TX1)與第二移轉電晶體(TX2)係共享該FD區域，且該變容器(Vcap)具有兩節點：FD節點與P-sub節點，以正常運作。在這種方式下，本實施例可被應用於任何共享結構如4-共享(shared)、6-共享、及8-共享結構。 舉例而言，根據本實施例，相對於在FD區域之電位改變，變容器係被用來自動產生額外的電容，而無需外部的偏壓控制，故在低亮度的情況下仍可保持其敏感度，且在高亮度的情況下該FD區域之電容可被提升；由此，可表現出理想的寬動態範圍線性對數(Lin-Log，linear-log)敏感度。 圖3係根據一實施例繪示畫素陣列中變容器特徵之實際測量數值之範例。 在本實施例中，該變容器可為，但不限制於，一PMOS變容器(PMOS varactor capacitor)。 如圖3所示，當偏壓降低時，電容值會增加數倍。而根據此原則，在PMOS的情況下，P-sub電子需被集中於一電子通道之周圍，於約3 V至約1 V(也就是幾乎等於平帶電壓(flat band voltage))。然而，因為電子是少數載子，故其並不容易填滿電子通道周圍；也因此，造成較低位準之金屬氧化物半導體電容器(MOSCAP)。然而，當電壓超過平帶電壓時，電洞(也就是多數載子)係被聚集。在此情況下，通道載子(channel carriers)之外形輪廓變得非常尖銳，進而增加MOSCAP。 C(v)=C0 +C1 xtanh(VGB -VC1 /NC1 ) ……方程式1 如方程式1所示，總電容(overall capacitance)係由雙曲正切函數tanh(VGB )來算出。在此情況下，因為在一般的MOSCAP中，沒有源/汲極接面電容(source/drain junction capacitance)，故顯示了其在閘極偏壓方面之主要特徵，進而增加可控性(controllability)。 在本實施例中，該變容器可為，但不限制於，一PMOS變容器；然而，並不限制於此。 在變容器為一PMOS變容器之情況下，因為一P-sub基板係經歷P型摻雜，則接面摻雜(junction doping)或多晶矽閘極(poly gate doping)摻雜亦可輕易地進行。 圖4係根據光照度繪示輸出訊號之敏感度曲線圖。 大部分現有的WDR係由額外加入一電容器至一RF區域來擴大；這可以增加可偵測光之強度，但會對其敏感度造成損害。 在此同時，於本實施例中，使用變容器之方法係在低亮度下得以維持高敏感度，且僅在高亮度下能增加FD CAP。這得以對數單位(Log scale)增加其電容，且進而達成對數單位輸出。依此，能夠實現最理想之Lin-Log單位敏感度。 圖5係根據習知技藝繪示一浮動擴散電位圖。圖6係根據一實施例繪示在一畫素和一畫素陣列中一變容器之自偏壓。 在本實施例中，為求達到電荷轉移(charge dumping)之完全傳送(full transfer)，而不發生電荷共享狀況，FD電位之頂部需大於FD電位之底部。 圖5係根據習知技藝繪示在一般正常情況下之FD電位。相反地，圖6係根據一實施例繪示在一畫素陣列中一變容器自偏壓的範例圖。圖6係顯示在電子填滿變容器之FD節點造成電位降低時，電容器之電容自動地改變。在圖5和圖6中，高亮度為約1 V，而低亮度為約2.5 V；然而，並不限制於此。 圖7和圖8係根據一實施例繪示一畫素陣列之讀取程序(read out timing)圖。 根據習知技藝，使用一雙捕捉結構之一影像感測器對各影像均需要讀取至少兩次，因此，無法達到高訊框率。 根據本實施例，開關元件係包含有轉移開關元件，以將在光電轉換裝置中被轉換而來之電荷轉移至電容器；且該電容器係由使用可變電容器之該轉移開關元件之多時脈來作為一儲存裝置。 舉例而言，當自偏壓的電容器被使用於本實施例中時，FD區域可由Tx多時脈來作為一儲存裝置，且光電二極體之電子可由此被讀取數次，進而以一多捕捉之形式實現一影像。 舉例而言，根據本實施例，FD節點可被額外使用作為一種記憶裝置。因此，經由移轉電晶體(Tx)之多時脈，在訊框率不變之情況下，就算是在很小的光電二極體中，一影像還是可以一多捕捉之形式(multi-capture manner)被實現。 根據本實施例，在光電二極體(PD)更新(refresh)後，當電子資訊(electron information)填滿於FD區域時，光電二極體(PD)在重置及訊號讀取週期(reset and signal readout cycle)(也就是多捕捉週期(multi-capture cycle))被清空。為此，光電二極體(PD)實際的電容看似增加，進而擴大高亮度下之動態範圍。 且由此，根據本實施例，變容器甚至可由移轉電晶體(TX)之多時脈來使FD區域作為一儲存裝置。 根據本發明，提供一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法；其係可使多捕捉得以實現，同時就算在一小型光電二極體中，仍可維持其訊框率。 舉例而言，根據本實施例，FD節點可被額外使用作為一種記憶裝置。因此，經由移轉電晶體(Tx)之多時脈，在訊框率不變之情況下，就算是在很小的光電二極體中，一影像還是可以一多捕捉之形式被實現。 又，可提供一種畫素、畫素陣列與包含其之影像感測器、及驅動畫素陣列之方法；包括一自偏壓之變容器。 舉例而言，根據本實施例，相對於FD區域之電位改變下，變容器係被使用以自動產生額外的電容，而無需外部的偏壓控制，故在低亮度的情況下仍可保持其敏感度，且在高亮度的情況下該FD區域之電容可被提升；由此，可表現出理想的寬動態範圍線性對數敏感度。 上述之特定特徵、結構或特性是包含在本發明之至少一實施例中，但不必然限制於一單一實施例。另外，當結合任何實施例來描述一特定特徵、結構或特性時，結合該等實施例之其他者來實現此特徵、結構或特性是在熟習此項技術者之能力範圍內。 雖然參考實施例之許多說明性實施例來描述實施例，但應理解，熟習此項技術者可想出將落入本發明之原理的精神及範疇內的眾多其他修改及實施例。因此，本發明之原理的範疇應由所附之專利範圍之範疇來定義。 Dx．．．源極跟隨驅動電晶體 Rx．．．重置電晶體 Sx．．．選擇電晶體 Tx．．．移轉電晶體 Vcap．．．變容器 TX1．．．第一移轉電晶體 TX2．．．第二移轉電晶體 圖1係根據一第一實施例之一畫素與一畫素陣列的電路圖； 圖2係根據一第二實施例之一畫素與一畫素陣列的電路圖； 圖3係根據一實施例繪示畫素陣列中變容器特徵之實際測量數值之範例； 圖4係根據光照度繪示輸出訊號之敏感度曲線圖； 圖5係根據習知技藝繪示一浮動擴散電位圖； 圖6係根據一實施例繪示在一畫素和一畫素陣列中一變容器之自偏壓；以及 圖7和圖8係根據一實施例繪示一畫素陣列之讀取程序圖。 |
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