圖像傳感器中的電荷傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【專利說(shuō)明】圖像傳感器中的電荷傳輸
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]《專利合作條約》下的本專利申請(qǐng)要求于2013年3月6日提交的且名稱為“ChargeTransfer in Image Sensors”的美國(guó)非臨時(shí)性專利申請(qǐng)13/787，094的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容全文以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明整體涉及圖像傳感器，并且更具體地，涉及圖像傳感器中的電荷傳輸。
【背景技術(shù)】
[0004]在圖像傳感器中，電荷頻繁地需要在多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間傳輸。例如，在全局快門互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器中，由入射光子累積在光電二極管中的電荷可能需要從該光電二極管向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)傳輸，然后，接下來(lái)向浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)傳輸，以用于全局快門讀出。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸電荷，頻繁設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，使得在操作期間，電荷要傳輸?shù)降墓?jié)點(diǎn)(即，目的節(jié)點(diǎn))比電荷傳輸自的節(jié)點(diǎn)(即，源節(jié)點(diǎn))具有更大電勢(shì)?？蓪⒕w管耦接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，該晶體管控制節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)域的電勢(shì)，使得能夠響應(yīng)于向晶體管的輸入門提供的傳輸信號(hào)來(lái)生成和消除勢(shì)皇。在消除兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的勢(shì)皇時(shí)，電荷通常會(huì)流向具有更高電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)，直到該節(jié)點(diǎn)“充滿”，并且任何剩余的電荷可能會(huì)溢出到其他節(jié)點(diǎn)中。于是，為了從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)完全傳輸電荷，目的節(jié)點(diǎn)可能需要具有比源節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)更大的電勢(shì)，大出的量等于或超過(guò)要傳輸?shù)碾姾傻牧?。換言之，目的節(jié)點(diǎn)可能需要足夠的阱容量，以保持來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的電荷，而不在消除節(jié)點(diǎn)之間的勢(shì)皇時(shí)往回與源節(jié)點(diǎn)共享電荷。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的完全電荷傳輸，于是為連續(xù)的節(jié)點(diǎn)增大電勢(shì)，其中每個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)之間的電勢(shì)的增大一般等于或大于像素的滿阱容量。
[0006]然而，為每個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)增大電勢(shì)通常需要向圖像傳感器提供更高電源電壓。更高的電源電壓可能導(dǎo)致更高的功率消耗，可能需要專業(yè)化工藝來(lái)制造，和/或可能需要減輕靜電釋放問(wèn)題。另選地，并不利用更高的電源電壓來(lái)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得更高電勢(shì)，可以降低節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換增益。然而，降低轉(zhuǎn)換增益可能導(dǎo)致圖像傳感器操作中噪聲更大且靈敏度更低。
[0007]圖像傳感器像素設(shè)計(jì)中一些近期改進(jìn)包括圖像傳感器像素中附加的節(jié)點(diǎn)一一例如，通過(guò)讓兩個(gè)或更多硅芯片堆疊在一起來(lái)形成圖像傳感器。硅芯片之間的互連可能需要附加的觸點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，以用于在硅芯片之間傳輸?shù)碾姾?。附加的?jié)點(diǎn)加劇了對(duì)增大后續(xù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)例可以采取圖像傳感器像素的形式。圖像傳感器像素可以包括第一電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和第二電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。傳輸電路可以耦接于第一電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和第二電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間，傳輸電路具有鄰近第一電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)并被配置為具有第一電勢(shì)的第一區(qū)域。傳輸電路還可以具有鄰近第二電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)并被配置為具有更高的第二電勢(shì)的第二區(qū)域。輸入節(jié)點(diǎn)可被配置為基于向所述輸入節(jié)點(diǎn)提供的傳輸信號(hào)來(lái)控制所述第一電勢(shì)和第二電勢(shì)。
[0009]本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)例可以采取集成電路的形式，該集成電路具有配置為存儲(chǔ)電荷的第一節(jié)點(diǎn)和耦接至第一節(jié)點(diǎn)并被配置為從第一節(jié)點(diǎn)接收電荷的第二節(jié)點(diǎn)。該集成電路還可以包括將第一節(jié)點(diǎn)耦接至第二節(jié)點(diǎn)的傳輸電路。傳輸電路可以包括具有第一可變電勢(shì)的存儲(chǔ)區(qū)域和具有第二可變電勢(shì)的勢(shì)皇，該第一可變電勢(shì)被配置為由傳輸信號(hào)控制，該第二可變電勢(shì)也被配置為由所述傳輸信號(hào)控制。
[0010]本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)例可以采取一種在圖像傳感器像素中從具有第一電勢(shì)的第一節(jié)點(diǎn)向具有第二電勢(shì)的第二節(jié)點(diǎn)傳輸電荷的方法的形式。該方法可以包括:響應(yīng)于傳輸信號(hào)，增大鄰近所述第一節(jié)點(diǎn)的勢(shì)皇的第三電勢(shì)，使得所述第三電勢(shì)大于所述第一電勢(shì)。該方法還可以包括:響應(yīng)于所述傳輸信號(hào)，增大耦接于所述勢(shì)皇和所述第二節(jié)點(diǎn)之間的存儲(chǔ)區(qū)域的第四電勢(shì)，使得所述第四電勢(shì)大于所述第三電勢(shì)。該方法還可以包括:響應(yīng)于所述傳輸信號(hào)，降低所述存儲(chǔ)區(qū)域的所述第四電勢(shì)，使得所述第四電勢(shì)小于所述第二電勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1A為包括一個(gè)或多個(gè)相機(jī)的電子設(shè)備的前透視圖。
[0012]圖1B為圖1A的電子設(shè)備的后透視圖。
[0013]圖2為圖1A的電子設(shè)備的簡(jiǎn)化的框圖。
[0014]圖3為沿圖1A中的線3-3截取的圖1A的電子設(shè)備的簡(jiǎn)化的示意截面圖。
[0015]圖4A為針對(duì)電子設(shè)備的相機(jī)的圖像傳感器架構(gòu)的簡(jiǎn)化圖。
[0016]圖4B為圖4A的像素架構(gòu)的放大視圖，示出了單個(gè)像素。
[0017]圖5為像素單元的簡(jiǎn)化示意圖。
[0018]圖6A為圖像傳感器像素的一部分的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化的示意截面圖。
[0019]圖6B為圖6A中所示的圖像傳感器像素部分的簡(jiǎn)化的電勢(shì)量變曲線。
[0020]圖6C為圖6A中所示圖像傳感器像素部分的簡(jiǎn)化電勢(shì)量變曲線。
[0021]圖7A到7C為圖6A中所示圖像傳感器像素部分的簡(jiǎn)化的電勢(shì)量變曲線，示出了其操作情況。
[0022]圖8為示出了圖6A中所示圖像傳感器像素部分的操作的時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]臟
[0024]在本文公開(kāi)的一些實(shí)施例中，公開(kāi)了用于從圖像傳感器像素的一個(gè)節(jié)點(diǎn)向圖像傳感器像素另一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸電荷的裝置和方法。通常，圖像傳感器中節(jié)點(diǎn)之間的電荷傳輸是利用由傳輸門分開(kāi)的具有不同電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。電荷要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)需要大于源節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)?？梢蚤_(kāi)啟傳輸門，這導(dǎo)致電荷“落”向具有更高電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)，非常像由于重力作用于水使水從水罐落到玻璃杯中那樣。對(duì)于其中電荷需要沿超過(guò)2個(gè)節(jié)點(diǎn)串行傳輸?shù)膱D像傳感器，由于需要為每個(gè)后續(xù)的節(jié)點(diǎn)/區(qū)域連續(xù)升高電勢(shì)，這種操作可能是挑戰(zhàn)性的。
[0025]因此，在本公開(kāi)中，修改了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的一個(gè)傳輸門以創(chuàng)建一種從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)傳輸電荷而無(wú)需較大提升目的節(jié)點(diǎn)中電勢(shì)的機(jī)制。這種機(jī)制可能尤其有用的一個(gè)實(shí)例是用于在堆疊式管芯圖像傳感器中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸電荷，但本公開(kāi)不限于這一實(shí)例。修改的傳輸門包括兩個(gè)不同摻雜的區(qū)域一一其中最接近目的節(jié)點(diǎn)的區(qū)域的電勢(shì)大于最接近源節(jié)點(diǎn)的區(qū)域的電勢(shì)，從而形成都位于傳輸門下方的可變勢(shì)皇和微型存儲(chǔ)區(qū)域。在傳輸門和目的節(jié)點(diǎn)之間還形成虛擬勢(shì)皇?？勺儎?shì)皇和微型存儲(chǔ)區(qū)域的電勢(shì)部分地由施加到傳輸門的電壓控制。隨著施加到傳輸門的電壓升高，勢(shì)皇和微型存儲(chǔ)區(qū)域的電勢(shì)也升高，使得一些電荷從源節(jié)點(diǎn)流到微型存儲(chǔ)區(qū)域中。然后，降低施加到傳輸門的電壓，使得微型存儲(chǔ)區(qū)域中的電荷流到目的節(jié)點(diǎn)中?？赡苄枰獛状畏磸?fù)，因?yàn)槲⑿挖逶诿總€(gè)周期中僅可以傳輸總電荷的一部分。
[0026]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，將更詳細(xì)地論述圖像傳感器和用于結(jié)合該圖像傳感器的例示性電子設(shè)備。圖1A是包括一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器的電子設(shè)備100的前正視圖。圖1B是電子設(shè)備100的后正視圖。電子設(shè)備100可包括以下中的的任一者或全部:第一相機(jī)102、第二相機(jī)104、外殼106、顯示器110和輸入/輸出按鈕108。電子設(shè)備100可為基本上任何類型的電子或計(jì)算設(shè)備，諸如但不限于計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、智能電話、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)等。電子設(shè)備100還可包括通常是計(jì)算或電子設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部部件(未示出)，諸如但不限于一個(gè)或多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器部件、網(wǎng)絡(luò)接口等。將結(jié)合圖2來(lái)論述此類內(nèi)部部件的實(shí)例。
[0027]如圖1所不，夕卜殼106可形成電子設(shè)備100的內(nèi)部部件的外表面和保護(hù)性殼體，并且可以至少部分圍繞顯示器110。外殼106可以由可操作地連接在一起的一個(gè)或多個(gè)部件形成，例如前件和后件，或者可以由可操作地連接到顯示器110的單件形成。
[0028]輸入構(gòu)件108 (其可以是開(kāi)關(guān)、按鈕、電容傳感器或其他輸入機(jī)構(gòu))允許用戶與電子設(shè)備100交互。例如，輸入構(gòu)件108可以是用于改變音量、返回主屏幕等的按紐或開(kāi)關(guān)。電子設(shè)備100可以包括一個(gè)或多個(gè)輸入構(gòu)件108和/或輸出構(gòu)件，并且每個(gè)構(gòu)件可以具有單個(gè)輸入或輸出功能或多個(gè)輸入/輸出功能。
[0029]顯示器110可以操作地連接到電子設(shè)備100或可以連通地耦接至其。顯示器110可以為電子設(shè)備100提供視覺(jué)輸出和/或可以用于接收用戶對(duì)電子設(shè)備100的輸入。例如，顯示器110可以是多點(diǎn)觸摸電容式傳感屏，其可以檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)用戶輸入。
[0030]電子設(shè)備100還可以包括多個(gè)內(nèi)部部件。圖2是電子設(shè)備100的簡(jiǎn)化的框圖。電子設(shè)備100還可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器114、存儲(chǔ)或存儲(chǔ)器部件116、輸入/輸出接口 118、電源120，以及一個(gè)或多個(gè)傳感器122，下文將逐一加以論述。
[0031]處理器114可以控制電子設(shè)備100的操作。處理器114可以直接或間接與電子設(shè)備100的基本上所有的部件連通。例如，一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)總線124或其他通信機(jī)構(gòu)可以提供處理器114、相機(jī)102、104、顯示器110、輸入構(gòu)件108、傳感器122等之間的連通。處理器114可以是能夠處理、接收和/或發(fā)送指令的任何電子設(shè)備。例如