專(zhuān)利名稱(chēng)：高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
在圖像傳感器成像時(shí)，由于圖像傳感器中不同像素單元感應(yīng)的光線(xiàn)強(qiáng)度不同，其所生成的圖像具有亮區(qū)域與暗區(qū)域。范圍從亮區(qū)域到暗區(qū)域的圖像可被表現(xiàn)的亮度等級(jí)通 常被稱(chēng)為圖像的動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍越高，其所成像的圖像能夠表現(xiàn)的亮度等級(jí)就越聞?，F(xiàn)有的圖像傳感器采用了許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。一種方法是采用具有電荷撇取操作的曝光時(shí)間控制方法來(lái)延伸動(dòng)態(tài)范圍其在讀取光電感應(yīng)區(qū)中的感應(yīng)電荷之前，會(huì)在圖像傳感器的轉(zhuǎn)移晶體管或水平溢出晶體管上加載撇取電壓，以將光電感應(yīng)區(qū)中的一部分感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移出去，從而減少光電感應(yīng)區(qū)中暫存的感應(yīng)電荷量。這相當(dāng)于增加了光電感應(yīng)區(qū)存儲(chǔ)電荷的能力。然而，在采用這些方法的圖像傳感器中，由于制作工藝誤差，每個(gè)像素單元中轉(zhuǎn)移晶體管或水平溢出晶體管的特性可能具有差異。這導(dǎo)致不同像素單元所撇取的感應(yīng)電荷量可能存在差異。這種差異會(huì)引入圖像噪聲，從而降低圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要提供一種能夠減少圖像噪聲的高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法。為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法。該圖像傳感器的每個(gè)像素單元包括光電感應(yīng)區(qū)、轉(zhuǎn)移柵極以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其中所述轉(zhuǎn)移柵極用于控制電荷由所述光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，所述驅(qū)動(dòng)方法包括下述步驟a.感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中累積電荷；b.在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，以使得所述轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于所述光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低；c.繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷；d.在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載與所述撇取電壓相同的讀取電壓，以生成中間讀出信號(hào)；e.在所述轉(zhuǎn)移柵極加載開(kāi)啟電壓以使得所述光電感應(yīng)區(qū)中的電荷全部轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并生成完全讀出信號(hào)；f.基于所述中間讀出信號(hào)與所述完全讀出信號(hào)確定所述像素單元的輸出信號(hào)。對(duì)于上述方面的驅(qū)動(dòng)方法，步驟b的撇取操作以及步驟d的讀取操作會(huì)引入對(duì)應(yīng)于像素單元轉(zhuǎn)移特性的誤差，并且由于步驟d中的讀取電壓與撇取電壓相同，其所引入的誤差可與步驟b中引入的誤差相抵消，從而避免了由于不同像素單元轉(zhuǎn)移特性差異所帶來(lái)的圖像噪聲。在一個(gè)實(shí)施例中，重復(fù)執(zhí)行所述步驟b與C，以在所述轉(zhuǎn)移柵極上依次加載多個(gè)使得所述勢(shì)壘高度遞增的撇取電壓；以及所述步驟d進(jìn)一步包括在所述轉(zhuǎn)移柵極上依次加載多個(gè)與所述多個(gè)撇取電壓分別相等的讀取電壓，所述多個(gè)讀取電壓使得所述勢(shì)壘的高度遞減，并生成對(duì)應(yīng)的多個(gè)中間讀出信號(hào)。多次撇取操作可以進(jìn)一步增強(qiáng)圖像傳感器光電感應(yīng)區(qū)感應(yīng)電荷的能力。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于所述步驟b中勢(shì)壘高度遞增的撇取電壓，所述步驟c中累積電荷的時(shí)間遞減。步驟c中累積電荷的時(shí)間越短，光電感應(yīng)區(qū)所能夠感應(yīng)的光線(xiàn)強(qiáng)度越聞，從而提聞了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟f包括確定所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率；比較所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率；以所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率的最大值確定所述像素單元的輸出信號(hào)。通過(guò)比較中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率，可以使得圖像傳感器能夠響應(yīng)不同強(qiáng)度的外部光線(xiàn)所生成的感應(yīng)電荷而相應(yīng)動(dòng)作。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟d還包括在加載所述讀取電壓之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；所述步驟e還包括在加載所述開(kāi)啟電壓之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟d之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。本發(fā)明的以上特性及其他特性將在下文中的實(shí)施例部分進(jìn)行明確地闡述。


通過(guò)參照附圖閱讀以下所作的對(duì)非限制性實(shí)施例的詳細(xì)描述，能夠更容易地理解本發(fā)明的特征、目的和優(yōu)點(diǎn)。其中，相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的裝置。圖Ia與圖Ib示出了一種圖像傳感器的像素單元結(jié)構(gòu)；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法100的流程；圖3示出了一種用于實(shí)現(xiàn)圖2中驅(qū)動(dòng)方法100的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖；圖4a至圖4c示出了應(yīng)用圖3中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的像素單元中電荷轉(zhuǎn)移情況；圖5示出了另一種用于實(shí)現(xiàn)圖2中驅(qū)動(dòng)方法100的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法200的流程；圖7不出了一種用于實(shí)現(xiàn)圖6中驅(qū)動(dòng)方法200的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖；圖8a至圖8b示出了應(yīng)用圖7中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的像素單元中電荷轉(zhuǎn)移情況。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)討論實(shí)施例的實(shí)施和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，所討論的具體實(shí)施例僅僅示范性地說(shuō)明實(shí)施和使用本發(fā)明的特定方式，而非限制本發(fā)明的范圍。圖Ia與圖Ib示出了一種圖像傳感器的像素單元結(jié)構(gòu)，其中圖Ia是該像素單元的電路示意圖；圖Ib是該像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖Ia所示，該像素單元包括光電二極管11、轉(zhuǎn)移晶體管12、復(fù)位晶體管13、源跟隨晶體管14以及行選擇晶體管15。其中，光電二極管11稱(chēng)接于第一參考電位VSS(例如公共電壓端或負(fù)向電源端)與轉(zhuǎn)移晶體管12的源極之間，用于感應(yīng)光強(qiáng)變化而在其中累積感應(yīng)電荷。轉(zhuǎn)移晶體管12的漏極與復(fù)位晶體管13的源極以及源跟隨晶體管104的柵極相連，該轉(zhuǎn)移晶體管12的柵極用于接收轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX，在轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX的控制下，轉(zhuǎn)移晶體管12相應(yīng)導(dǎo)通或關(guān)斷，從而使得光電二極管11中感應(yīng)電荷被讀出到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。復(fù)位晶體管13的漏極連接到第二參考電位VDD (例如正向電源端)，其柵極用于接收復(fù)位控制信號(hào)RST，在該復(fù)位控制信號(hào)RST的控制下，復(fù)位晶體管13相應(yīng)導(dǎo)通或關(guān)斷，從而選擇向源跟隨晶體管14的柵極提供復(fù)位電壓。在圖Ia中，由于復(fù)位晶體管13的漏極耦接到第二參考電位VDD，則該復(fù)位電壓即等于第二參考電位VDD。源跟隨晶體管14的漏極連接到第二參考電位VDD，其源極連接到行選擇晶體管15的漏極，用于將轉(zhuǎn)移晶體管12獲得的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。行選擇晶體管15的源極與位線(xiàn)BL相連，其柵極用于接收列選擇信號(hào)RS，在該行選擇信號(hào)RS的控制下，行選擇晶體管15相應(yīng)打開(kāi)或閉合，從而使得源跟隨晶體管14的漏極被選擇地耦接到位線(xiàn)BL，進(jìn)而將源跟隨晶體管14轉(zhuǎn)換的信號(hào)由位線(xiàn)BL輸出。圖Ib示出了該像素單元一部分的結(jié)構(gòu)。如圖Ib所示，該像素單元形成在襯底21中，該襯底21中具有相互分離的光電感應(yīng)區(qū)22以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23，其中光電感應(yīng)區(qū)22與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23的導(dǎo)電類(lèi)型相同，并且不同于襯底21的導(dǎo)電類(lèi)型。襯底21與光電感應(yīng)區(qū)22 共同構(gòu)成了光電二極管。在光電感應(yīng)區(qū)22與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23之間的襯底21上具有轉(zhuǎn)移柵極24，其與光電感應(yīng)區(qū)22、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23以及襯底21共同構(gòu)成了轉(zhuǎn)移晶體管。在圖像傳感器運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)移柵極24用于接收轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，并響應(yīng)于該轉(zhuǎn)移控制信號(hào)而在其下的襯底21表面形成導(dǎo)電溝道，從而控制電荷由光電感應(yīng)區(qū)22轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23中。可以理解，轉(zhuǎn)移控制信號(hào)的電壓值不同，襯底21表面的導(dǎo)電溝道中載流子的濃度也不同，因而轉(zhuǎn)移晶體管開(kāi)啟的幅度也不同。這樣，可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)移控制信號(hào)的電壓值來(lái)改變由光電感應(yīng)區(qū)22轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)23中的電荷的量。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，該圖像傳感器還耦接到信號(hào)處理電路，該信號(hào)處理電路通常采用開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu)來(lái)獲取圖像傳感器像素單元輸出的信號(hào)，并對(duì)所獲取的信號(hào)進(jìn)行處理。例如，該信號(hào)處理電路可以采用相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample)方式來(lái)采樣像素單元的復(fù)位電壓以及電荷讀出信號(hào)(該電荷讀出信號(hào)與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷量相關(guān))，并對(duì)該復(fù)位電壓與圖像信號(hào)的差進(jìn)行放大?？梢岳斫猓撔盘?hào)處理電路也可以采用其他適合信號(hào)采樣及處理機(jī)制來(lái)獲得反映浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)存儲(chǔ)電荷變化的信號(hào)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法100的流程。該驅(qū)動(dòng)方法可以用于驅(qū)動(dòng)圖Ia及圖Ib所示的圖像傳感器。如圖2所示,該驅(qū)動(dòng)方法100包括執(zhí)行步驟S102,感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中累積電荷；執(zhí)行步驟S104，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，以使得所述轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于所述光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低；執(zhí)行步驟S106，繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷；執(zhí)行步驟S108，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載與所述撇取電壓相同的讀取電壓，以生成中間讀出信號(hào)；執(zhí)行步驟S110，在所述轉(zhuǎn)移柵極加載開(kāi)啟電壓以使得所述光電感應(yīng)區(qū)中的電荷全部轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并生成完全讀出信號(hào)；以及執(zhí)行步驟S112，基于所述中間讀出信號(hào)與所述完全讀出信號(hào)確定所述像素單元的輸出信號(hào)。 對(duì)于上述方面的驅(qū)動(dòng)方法，步驟S 104的撇取操作以及步驟S108的讀取操作均會(huì)引入對(duì)應(yīng)于像素單元轉(zhuǎn)移特性的誤差，并且由于步驟S108中的讀取電壓與撇取電壓相同，其所引入的誤差可與步驟S104中引入的誤差相抵消，從而避免了由于不同像素單元轉(zhuǎn)移特性差異所帶來(lái)的圖像噪聲。因而，采用該驅(qū)動(dòng)方法得到得圖像傳感器的輸出信號(hào)的質(zhì)量顯著提高。
圖3示出了一種用于實(shí)現(xiàn)圖2中驅(qū)動(dòng)方法100的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。圖4a至圖4c示出了在不同光線(xiàn)強(qiáng)度下，應(yīng)用圖3中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的像素單元中電荷轉(zhuǎn)移情況；其中，圖4a是在較高光線(xiàn)強(qiáng)度下的電荷轉(zhuǎn)移情況，圖4b是中等光線(xiàn)強(qiáng)度下的電荷轉(zhuǎn)移情況，圖4c是較低光線(xiàn)強(qiáng)度下的電荷轉(zhuǎn)移情況。需要說(shuō)明的是，這里所稱(chēng)的較強(qiáng)或較弱的光線(xiàn)強(qiáng)度與圖像傳感器感應(yīng)光線(xiàn)的速率以及撇取電壓的大小有關(guān)。接下來(lái)，先參考圖2、圖3以及圖4a，對(duì)本實(shí)施例的圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行詳述。如圖3所示，首先，復(fù)位晶體管的柵極接收高電平的復(fù)位控制信號(hào)RSTl，這使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通，從而向源跟隨晶體管的柵極提供復(fù)位電壓。此時(shí)光電感應(yīng)區(qū)暫未感光。在復(fù)位晶體管加載復(fù)位控制信號(hào)RSTl的同時(shí)，轉(zhuǎn)移柵極上被加載轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX1。該轉(zhuǎn)移控制信號(hào)首先加載一個(gè)高電平的開(kāi)啟電壓31，以使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)與光電感應(yīng)區(qū) 被復(fù)位，例如被復(fù)位到正向電源電位，以便于光電感應(yīng)區(qū)累積電荷。在復(fù)位控制信號(hào)處于高電平之后，圖像傳感器像素單元中的光電感應(yīng)區(qū)開(kāi)始感應(yīng)外部光線(xiàn)，并在其中累積電荷％。根據(jù)光線(xiàn)強(qiáng)度的不同，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1的量也不同。光強(qiáng)越高，光電感應(yīng)區(qū)中所累積的電荷Q1也越多。同時(shí)，累積于光電感應(yīng)區(qū)中的電荷Q1使得光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)降低。在累積電荷持續(xù)時(shí)間T1之后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓32，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl變?yōu)檩^高電平。該撇取電壓32使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。在本文中，轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟是指轉(zhuǎn)移晶體管工作于可變電阻區(qū)，也即轉(zhuǎn)移晶體管的柵源電壓高于其閾值電壓，但該柵源電壓又低于使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)的電壓。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)頂部的電勢(shì)時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1中的一部分經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在這部分電荷轉(zhuǎn)移之后，殘留于光電感應(yīng)區(qū)中的電荷Q2使得光電感應(yīng)區(qū)頂部的電勢(shì)等于轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)。從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷被浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)接收，并暫存在其中。然而，由于復(fù)位控制信號(hào)RSTl仍保持使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通的高電平，這使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中暫存的電荷被抽走?？梢钥闯?，通過(guò)上述撇取操作，光電感應(yīng)區(qū)中感應(yīng)生成的電荷中的過(guò)量電荷，會(huì)被從該像素單元中撇取出去，從而等效于增加了光電感應(yīng)區(qū)的存儲(chǔ)空間。需要說(shuō)明的是，由于制造工藝誤差，圖像傳感器中不同像素單元的器件特性，特別是轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移特性可能具有差別。例如，對(duì)于同一撇取電壓，轉(zhuǎn)移晶體管的開(kāi)啟程度不同，這使得不同像素單元所轉(zhuǎn)移的過(guò)量電荷可能略有差別。也就是說(shuō)，上述撇取操作具有于對(duì)應(yīng)于各個(gè)像素單元的撇取誤差。在完成撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)持續(xù)時(shí)間T2，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的電荷增量示為q3。之后，復(fù)位控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，這使得復(fù)位晶體管截止。接著，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與撇取電壓相同的讀取電壓33，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl變?yōu)檩^高電平。該讀取電壓33使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)頂部的電勢(shì)，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。由于讀取電壓33等于撇取電壓，因而轉(zhuǎn)移晶體管在該讀取操作中的開(kāi)啟程度應(yīng)與其在撇取操作中的開(kāi)啟程度相當(dāng)。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中在撇取操作之后繼續(xù)累積的電荷增量Q3經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。正如前述，不同像素單元的轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移特性不同。類(lèi)似于撇取操作，轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移特性的差異同樣會(huì)使得讀取操作中轉(zhuǎn)移晶體管的開(kāi)啟程度不同。然而，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，其中的轉(zhuǎn)移晶體管在讀取操作時(shí)的開(kāi)啟程度與其在撇取操作時(shí)的開(kāi)啟程度相當(dāng)，這使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)底部的勢(shì)壘高度與撇取操作結(jié)束時(shí)的勢(shì)壘高度相等。因此，僅有在第二次感光過(guò)程中繼續(xù)累積的電荷增量Q3會(huì)被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。換言之，不同像素單元的讀取誤差恰好可以與其自身撇取操作的撇取誤差相抵消，從而使得轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電荷量不存在由于轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移特性差異而帶來(lái)的誤差。在讀取操作之后，從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷Q3被接收并存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RSTl是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q3不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q3被所耦接的采樣單元所讀出，并生成中間讀出信號(hào)。可以理解，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷量Q3不同，該中間讀出信號(hào)的大 小也不同。基于該中間讀出信號(hào)和/或標(biāo)識(shí)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)未存儲(chǔ)感應(yīng)電荷時(shí)的復(fù)位電壓，即可確定浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所轉(zhuǎn)移的電荷量的大小。最后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載高電平的開(kāi)啟電壓34，該開(kāi)啟電壓34使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)，并使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)未累積電荷時(shí)的電勢(shì)(即光電感應(yīng)區(qū)底部的電勢(shì))。光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷被全部轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)存儲(chǔ)的電荷量為電荷增量Q3與電荷Q2的和，也即，除了被撇取的電荷Q1的一部分電荷，在光電感應(yīng)區(qū)中所感應(yīng)的所有電荷均被存儲(chǔ)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。類(lèi)似地，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成全部讀出信號(hào)。可以看出，在上述操作完成后，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，可以得到反映其在第二次感光操作中累積的電荷增量Q3的中間讀出信號(hào)，以及反映除去被撇取電荷外的全部電荷量的全部讀出信號(hào)。由于第二次感光操作的時(shí)間可以確定，因而每個(gè)像素單元累積電荷(即感應(yīng)光線(xiàn))的速率可以確定。每個(gè)像素單元累積電荷的速率即反映了在該像素單元所感應(yīng)的光線(xiàn)的強(qiáng)度。累積電荷速率越高，光線(xiàn)強(qiáng)度越高。因此，基于該中間讀出信號(hào)，即可確定圖像傳感器的輸出信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，第二次感光的時(shí)間T2可以根據(jù)應(yīng)用需要的不同來(lái)設(shè)置。特別地，時(shí)間T2可以取一個(gè)較小的時(shí)間值，以使得在此期間累積的電荷量不會(huì)占滿(mǎn)光電感應(yīng)區(qū)的存儲(chǔ)空間。這使得像素單元能夠感應(yīng)較強(qiáng)光強(qiáng)的光線(xiàn)，從而使得圖像傳感器具有較高的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)光線(xiàn)強(qiáng)度較弱時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷量較低，這可能使得在加載撇取電壓時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)仍高于轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)，因而撇取操作時(shí)不會(huì)有電荷從光電感應(yīng)區(qū)撇出。在這種情況下，圖像傳感器輸出信號(hào)的確定方式不同于前述光線(xiàn)強(qiáng)度較高時(shí)的處理。接下來(lái)，結(jié)合圖4b，對(duì)中等光強(qiáng)下圖像傳感器像素單元的響應(yīng)情況進(jìn)行說(shuō)明。如圖4b所示，在復(fù)位控制信號(hào)處于高電平之后，圖像傳感器像素單元中的光電感應(yīng)區(qū)開(kāi)始感應(yīng)外部光線(xiàn)，并在其中累積電荷Q1。之后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl變?yōu)檩^高電平。該撇取電壓使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。然而由于所累積的電荷Q1較少，因而撇取電壓加載后，轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)仍低于光電感應(yīng)區(qū)頂部的電勢(shì)時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1不會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中，因而也就不存在由于撇取操作而引入的誤差。在完成撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的電荷增量示為q2。在兩次累積電荷之后，光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)繼續(xù)下降，并下降到加載撇取電壓對(duì)應(yīng)的電勢(shì)之下。之后，復(fù)位控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，這使得復(fù)位晶體管截止。
接著，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與撇取電壓相同的讀取電壓，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXI變?yōu)檩^高電平。該讀取電壓使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。光電感應(yīng)區(qū)中在撇取操作之后繼續(xù)累積的電荷增量Q2中的一部分電荷經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移特性存在差異，這會(huì)使得讀取操作中轉(zhuǎn)移晶體管的開(kāi)啟程度不同。這樣，該讀取操作會(huì)使得轉(zhuǎn)移電荷引入轉(zhuǎn)移特性差異。在讀取操作之后，從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷增量Q2的一部分被接收并存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RSTl是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成中間讀出信號(hào)?？梢岳斫?，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷量不同，該中間讀出信號(hào)的大小也不同?；谠撝虚g讀出信號(hào)和/或復(fù)位電壓，即可確定浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所轉(zhuǎn)移的電荷量的大小。最后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載高電平的開(kāi)啟電壓，該開(kāi)啟電壓使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)，并使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)未累積電荷時(shí)的電勢(shì)。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷被全部轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。這樣，電荷增量Q2的另一部分以及第一次感光操作時(shí)生成的電荷Q1被轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，從而使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)存儲(chǔ)的電荷量為電荷Q1與電荷Q2的和，也即，除了被撇取的電荷Q1的一部分電荷，在光電感應(yīng)區(qū)中所感應(yīng)的所有電荷均被存儲(chǔ)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。類(lèi)似地，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成全部讀出信號(hào)。此外，由于電荷增量Q2被全部轉(zhuǎn)移且沒(méi)有因撇取而損失，因而不同轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移特性差異被消除?？梢钥闯觯谏鲜霾僮魍瓿珊?，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，可以得到反映其在兩次感光操作中累積的電荷量％與Q2和的全部讀出信號(hào)。由于兩次感光操作的時(shí)間可以確定，因而每個(gè)像素單元累積電荷(即感應(yīng)光線(xiàn))的速率可以確定。因此，基于該全部讀出信號(hào)，即可確定圖像傳感器的輸出信號(hào)。最后，結(jié)合圖4c，對(duì)較弱光強(qiáng)下圖像傳感器像素單元的響應(yīng)情況進(jìn)行說(shuō)明。如圖4c所示，在復(fù)位控制信號(hào)處于高電平之后，圖像傳感器像素單元中的光電感應(yīng)區(qū)開(kāi)始感應(yīng)外部光線(xiàn)，并在其中累積電荷Qp之后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl變?yōu)檩^高電平。該撇取電壓使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。然而由于所累積的電荷Q1較少，因而撇取電壓加載后，轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)仍低于光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1不會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中，因而也就不存在由于撇取操作而引入的誤差。
在完成撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的電荷增量示為q2。在兩次累積電荷之后，光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)繼續(xù)下降，但仍未下降到加載撇取電壓對(duì)應(yīng)的電勢(shì)之下。之后，復(fù)位控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑@使得復(fù)位晶體管截止。接著，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與撇取電壓相同的讀取電壓，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXI變?yōu)檩^高電平。該讀取電壓使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。光電感應(yīng)區(qū)中感應(yīng)的電荷未能經(jīng)轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。同樣地，該讀取操作也不會(huì)使得轉(zhuǎn)移電荷引入轉(zhuǎn)移特性差異。讀出操作所得到的中間讀出信號(hào)反映出所轉(zhuǎn)移的電荷為零。最后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載高電平的開(kāi)啟電壓，該開(kāi)啟電壓使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)，并使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)未累積電荷時(shí)的電勢(shì)。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中 累積的全部電荷，包括電荷Q1以及電荷增量Q2被全部轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成全部讀出信號(hào)?？梢钥闯?，在上述操作完成后，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，可以得到反映其在兩次感光操作中累積的電荷量％與Q2和的全部讀出信號(hào)。由于兩次感光操作的時(shí)間可以確定，因而每個(gè)像素單元累積電荷(即感應(yīng)光線(xiàn))的速率可以確定。因此，基于該全部讀出信號(hào)，即可確定圖像傳感器的輸出信號(hào)。從前述關(guān)于圖像傳感器的運(yùn)行說(shuō)明可以看出，在光線(xiàn)強(qiáng)度較低時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)累積電荷的速率較低，因而撇取操作可能不足以使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低到允許電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。因而在后續(xù)讀取操作時(shí)，中間讀出信號(hào)僅能夠反映繼續(xù)感光時(shí)電荷增量的一部分，而以該中間讀出信號(hào)確定的電荷累積速率會(huì)低于光電感應(yīng)區(qū)的實(shí)際累積速率。在此情況下，由于撇取操作實(shí)質(zhì)上并不會(huì)撇取電荷，全部讀出信號(hào)仍能夠準(zhǔn)確反映光電感應(yīng)區(qū)累積電荷的情況，因此，以全部讀出信號(hào)確定的電荷累積速率等于光電感應(yīng)區(qū)的實(shí)際累積速率。綜上，為了處理不同光照強(qiáng)度下圖像傳感器的響應(yīng)情況，可以通過(guò)下述步驟確定圖像傳感器各個(gè)像素單元的輸出信號(hào)確定中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率；比較中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率；以中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率的最大值確定像素單元的輸出信號(hào)。圖5示出了另一種用于實(shí)現(xiàn)圖2中驅(qū)動(dòng)方法100的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。如圖5所示，轉(zhuǎn)移柵極加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX2的時(shí)序與圖3所示的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl的時(shí)序相同，但復(fù)位晶體管加載的復(fù)位控制信號(hào)RST2的時(shí)序則不同于圖3所示的復(fù)位控制信號(hào)RSTl。具體地，在轉(zhuǎn)移柵極加載讀取電壓52之后并且在加載開(kāi)啟電壓53之前，復(fù)位控制信號(hào)RST2會(huì)具有一個(gè)高電平脈沖51，該高電平脈沖51使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通，即浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)被復(fù)位，從而將讀取操作中轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中的電荷抽走。這樣，當(dāng)開(kāi)啟電壓53被加載到轉(zhuǎn)移柵極上時(shí)，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)僅會(huì)存儲(chǔ)讀取操作之后仍保留在光電感應(yīng)區(qū)中的電荷，因而全部電荷信號(hào)不反映兩次累積過(guò)程中累積的電荷值，而是全部電荷信號(hào)與中間讀出信號(hào)共同反映兩次累積過(guò)程中累積的全部電荷值。因此，仍可基于全部電荷信號(hào)與中間讀出信號(hào)共同確定全部電荷的累積速率。在一些情況下，特別是外部光線(xiàn)在不同方向上的強(qiáng)度差異明顯時(shí)，圖像傳感器某些像素單元感應(yīng)的光線(xiàn)強(qiáng)度很低，但是另一些像素單元感應(yīng)的光線(xiàn)很高。為了提高圖像傳感器整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需要延長(zhǎng)圖像傳感器的感光時(shí)間，以使得感應(yīng)低光強(qiáng)方向的像素單元仍能夠累積足夠數(shù)量的電荷。同時(shí)，為了避免高光強(qiáng)方向的像素單元因感應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法區(qū)別光強(qiáng)等級(jí)，可以對(duì)該像素單元進(jìn)行多次撇取操作，以在每次撇取操作時(shí)從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移出電荷，從而等效地提高光電感應(yīng)區(qū)的電荷的存儲(chǔ)能力。相應(yīng)地，需要進(jìn)行多次對(duì)應(yīng)的讀取操作，并生成對(duì)應(yīng)于所轉(zhuǎn)移電荷的中間讀出信號(hào)。接下來(lái)，對(duì)采用多次撇取及讀取操作的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行說(shuō)明。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法200，其中進(jìn)行了兩次撇取操作以及讀取操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)實(shí)施例的不同，該驅(qū)動(dòng)方法也可以包括更多次的撇取和讀取操作。如圖6所示，該驅(qū)動(dòng)方法200包括執(zhí)行步驟S202，感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中累積電荷；執(zhí)行步驟S204，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載第一撇取電壓，以使得所述轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于所述光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低；執(zhí)行步驟S206，繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷；執(zhí)行步驟S208，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載第二撇取電壓， 以使得所述轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于所述光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，但高于加載第一撇取電壓時(shí)轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度；執(zhí)行步驟S210，繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷；執(zhí)行步驟S212，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載與所述第二撇取電壓相同的第一讀取電壓，以生成第一中間信號(hào)；執(zhí)行步驟S214，在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載與所述第一撇取電壓相同的第二讀取電壓，以生成第二中間讀出信號(hào)；執(zhí)行步驟S216，在所述轉(zhuǎn)移柵極加載開(kāi)啟電壓以使得所述光電感應(yīng)區(qū)中的電荷全部轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并生成完全讀出信號(hào)；以及執(zhí)行步驟S218，基于所述第一中間讀出信號(hào)、第二中間讀出信號(hào)以及所述完全讀出信號(hào)確定所述像素單元的輸出信號(hào)。在一些例子中，對(duì)應(yīng)于步驟S204以及S208中勢(shì)壘高度增加的撇取電壓，步驟S206以及步驟S210中光電感應(yīng)區(qū)累積電荷的時(shí)間遞減。步驟S206與S210中累積電荷的時(shí)間越短，光電感應(yīng)區(qū)所能夠感應(yīng)的光線(xiàn)強(qiáng)度越高，從而提高了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。圖7示出了一種用于實(shí)現(xiàn)圖6中驅(qū)動(dòng)方法200的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。圖8a至圖Sb示出了在不同光線(xiàn)強(qiáng)度下，應(yīng)用圖7中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的像素單元中電荷轉(zhuǎn)移情況；其中，圖8a是在較高光線(xiàn)強(qiáng)度下的電荷轉(zhuǎn)移情況，圖Sb是在較低光線(xiàn)強(qiáng)度下的電荷轉(zhuǎn)移情況。接下來(lái)，先參考圖6、圖7以及圖8a，對(duì)本實(shí)施例的圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行詳述。如圖7所示，首先，復(fù)位晶體管的柵極接收高電平的復(fù)位控制信號(hào)RST3，這使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通，從而向源跟隨晶體管的柵極提供復(fù)位電壓。此時(shí)光電感應(yīng)區(qū)暫未感光。在復(fù)位晶體管加載復(fù)位控制信號(hào)RST3的同時(shí)，轉(zhuǎn)移柵極上被加載轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3。該轉(zhuǎn)移控制信號(hào)首先加載一個(gè)高電平的開(kāi)啟電壓71，以使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)被復(fù)位為初始電位，即未存儲(chǔ)有感應(yīng)電荷的電位。在復(fù)位控制信號(hào)處于高電平之后，圖像傳感器像素單元中的光電感應(yīng)區(qū)開(kāi)始感應(yīng)外部光線(xiàn)，并在其中累積電荷W。累積于光電感應(yīng)區(qū)中的電荷Q1使得光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)降低。
在累積電荷持續(xù)時(shí)間T1之后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載第一撇取電壓72，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3變?yōu)檩^高電平。該第一撇取電壓72使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1中的一部分經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在這部分電荷轉(zhuǎn)移之后，殘留于光電感應(yīng)區(qū)中的電荷Q2使得光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)等于轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)。
從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷被浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)接收，并暫存在其中。然而，由于復(fù)位控制信號(hào)RST3仍保持使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通的高電平，這使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中暫存的電荷被抽走?？梢钥闯?，通過(guò)上述第一次撇取操作，光電感應(yīng)區(qū)中感應(yīng)生成的電荷中的過(guò)量電荷，會(huì)被從該像素單元中撇取出去，從而等效于增加了光電感應(yīng)區(qū)的存儲(chǔ)空間。在完成第一次撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)持續(xù)時(shí)間T2，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的第一電荷增量示為q3。之后，復(fù)位控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，這使得復(fù)位晶體管截止。接著，在轉(zhuǎn)移柵極上加載第二撇取電壓73，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX變?yōu)檩^高電平。該第二撇取電壓73使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)底部的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。其中，該第二撇取電壓73高于第一撇取電壓72。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中累積的第一電荷增量Q3中的一部分經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在這部分電荷轉(zhuǎn)移之后，殘留于光電感應(yīng)區(qū)中的電荷Q2以及第一電荷增量的剩余部分Q4使得光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)等于轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)。從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷被浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)接收，并暫存在其中。然而，由于復(fù)位控制信號(hào)RST3仍保持使得復(fù)位晶體管導(dǎo)通的高電平，這使得浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中暫存的電荷被抽走?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)上述第二次撇取操作，光電感應(yīng)區(qū)中感應(yīng)生成的電荷中的過(guò)量電荷，會(huì)被從該像素單元中撇取出去，從而等效于繼續(xù)增加了光電感應(yīng)區(qū)的存儲(chǔ)空間。在完成第二次撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)持續(xù)時(shí)間T3，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的第二電荷增量示為Q5。之后，復(fù)位控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，這使得復(fù)位晶體管截止。其中，時(shí)間T3短于時(shí)間T2。接著，對(duì)該像素單元進(jìn)行第一次讀取操作。具體地，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與第二撇取電壓相同的第一讀取電壓74，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX變?yōu)檩^高電平。該第一讀取電壓74使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。其由于第一讀取電壓74等于第二撇取電壓73，因而轉(zhuǎn)移晶體管在該讀取操作中的開(kāi)啟程度應(yīng)與其在第二次撇取操作中的開(kāi)啟程度相當(dāng)。光電感應(yīng)區(qū)中在第二次撇取操作之后繼續(xù)累積的第二電荷增量Q5經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在第一次讀取操作之后，從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷Q5被接收并存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RST3是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q5不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q5被所耦接的采樣單元所讀出，并生成第一中間讀出信號(hào)。對(duì)于每個(gè)像素單元而言，其中的轉(zhuǎn)移晶體管在第一次讀取操作時(shí)的開(kāi)啟程度與其在第二次撇取操作時(shí)的開(kāi)啟程度相當(dāng)，這使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度與第二次撇取操作結(jié)束時(shí)的勢(shì)壘高度相等。因此，僅有在第三次感光過(guò)程中繼續(xù)累積的電荷增量Q5會(huì)被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。換言之，不同像素單元的第一次讀取操作的讀取誤差恰好可以與其自身第二次撇取操作的撇取誤差相抵消，從而使得轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的電荷量不存在由于轉(zhuǎn)移晶體管轉(zhuǎn)移特性差異而帶來(lái)的誤差。再然后，對(duì)該像素單元進(jìn)行第二次讀取操作。具體地，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與第一撇取電壓相同的第二讀取電壓75，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX變?yōu)檩^高電平。該第二讀取電壓75使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)底部的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。其由于第二讀取電壓75等于第一撇取電壓72，因而轉(zhuǎn)移晶體管在該第二次讀取操作中的開(kāi)啟程度應(yīng)與其在第一次撇取操作中的開(kāi)啟程度相當(dāng)。光電感應(yīng)區(qū)中在第一次撇取操作之后累積的第一電荷增量的一部分Q4經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在第二次讀取操作之后，從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的第一電荷增量Q4被接收并存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RST是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q3不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷Q3被所耦接的采樣單 元所讀出，并生成第二中間讀出信號(hào)。最后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載高電平的開(kāi)啟電壓，該開(kāi)啟電壓使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)，并使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)未累積電荷時(shí)的電勢(shì)。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷被全部轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)存儲(chǔ)的電荷量為電荷Q5、電荷Q4以及Q2的和。類(lèi)似地，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成全部讀出信號(hào)?？梢钥闯?，在上述操作完成后，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，可以得到反映其在第三次感光操作中累積的電荷增量Q5的第一中間讀出信號(hào)，反映其在第二次感光操作中累積的電荷增量Q4的第一中間讀出信號(hào)，以及反映除去被撇取電荷外的全部電荷量的全部讀出信號(hào)。由于這幾次感光操作的時(shí)間可以確定，即Tl、T2以及T3，因而每個(gè)像素單元累積電荷(即感應(yīng)光線(xiàn))的速率可以確定。每個(gè)像素單元累積電荷的速率即反映了在該像素單元所感應(yīng)的光線(xiàn)的強(qiáng)度。累積電荷速率越高，光線(xiàn)強(qiáng)度越高。因此，基于該第一中間讀出信號(hào)或第二中間讀出信號(hào)，即可確定圖像傳感器的輸出信號(hào)。當(dāng)光線(xiàn)強(qiáng)度較弱時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷量較低，這可能使得在加載撇取電壓時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)仍高于撇取電壓的勢(shì)壘高度，即撇取操作中不會(huì)有電荷從光電感應(yīng)區(qū)撇出。因而圖像傳感器輸出電壓的確定方式與前述光線(xiàn)強(qiáng)度較高時(shí)的處理有所不同。接下來(lái)，結(jié)合圖Sb，對(duì)較低光強(qiáng)下圖像傳感器像素單元的響應(yīng)情況進(jìn)行說(shuō)明。如圖8b所示，在復(fù)位控制信號(hào)處于高電平之后，圖像傳感器像素單元中的光電感應(yīng)區(qū)開(kāi)始感應(yīng)外部光線(xiàn)，并在其中累積電荷Q1。之后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載第一撇取電壓72，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3變?yōu)檩^高電平。該第一撇取電壓72使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。然而由于所累積的電荷Q1較少，因而第一撇取電壓72加載后，轉(zhuǎn)移柵極仍低于光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)時(shí)，也即轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)仍低于光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷Q1不會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在完成第一次撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的第一電荷增量示為q2。
接著，在轉(zhuǎn)移柵極上加載第二撇取電壓73，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3變?yōu)檩^高電平。該第二撇取電壓73使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。然而由于所累積的電荷Q1以及Q2較少，因而第二撇取電壓73加載后，轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)仍低于光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷不會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在完成第二次撇取操作后，轉(zhuǎn)移柵極的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3恢復(fù)為低電平，轉(zhuǎn)移晶體管截止。光電感應(yīng)區(qū)繼續(xù)感應(yīng)光線(xiàn)，從而在其中繼續(xù)累積電荷，所累積的第二電荷增量示為q3。接著，對(duì)該像素單元進(jìn)行第一次讀取操作。具體地，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與第二撇取電壓73相同的第一讀取電壓74，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3變?yōu)檩^高電平。該第一讀取電壓74使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。光電感應(yīng)區(qū)中在第二撇取操作之后繼續(xù)累積的第二電荷增量Q3中的一部分電 荷經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。在第一次讀取操作之后，從光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的第二電荷增量Q3的一部分被接收并存儲(chǔ)在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RST3是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成第一中間讀出信號(hào)。再然后，對(duì)該像素單元進(jìn)行第二次讀取操作。具體地，在轉(zhuǎn)移柵極上加載與第一撇取電壓72相同的第二讀取電壓75，即轉(zhuǎn)移柵極上加載的轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX3變?yōu)檩^高電平。該第二讀取電壓75使得轉(zhuǎn)移柵極低于光電感應(yīng)區(qū)的電勢(shì)，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)移晶體管部分開(kāi)啟。光電感應(yīng)區(qū)中在第一次撇取操作之后繼續(xù)累積的第一電荷增量Q3中的一部分電荷、以及第一次讀取操作之后殘留在光電感應(yīng)區(qū)中的第二電荷增量Q2的剩余部分經(jīng)由轉(zhuǎn)移柵極轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。由于復(fù)位控制信號(hào)RST3是使得復(fù)位晶體管截止的低電平，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷不會(huì)經(jīng)由復(fù)位晶體管抽走。這樣，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成第二中間讀出信號(hào)。最后，在轉(zhuǎn)移柵極上加載高電平的開(kāi)啟電壓76，該開(kāi)啟電壓76使得轉(zhuǎn)移晶體管工作于飽和區(qū)，并使得轉(zhuǎn)移柵極的電勢(shì)高于光電感應(yīng)區(qū)未累積電荷時(shí)的電勢(shì)。這樣，光電感應(yīng)區(qū)中累積的電荷被全部轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。這樣，第一電荷增量Q2的剩余部分以及第一次感光操作時(shí)生成的電荷Q1被轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，從而使得在光電感應(yīng)區(qū)中所感應(yīng)的所有電荷均被存儲(chǔ)到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，也即浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)存儲(chǔ)的電荷量為電荷Q1、電荷Q2以及電荷Q3的和。類(lèi)似地，浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中所存儲(chǔ)的電荷被所耦接的采樣單元所讀出，并生成全部讀出信號(hào)。此外，由于電荷增量Q2的電荷被全部轉(zhuǎn)移且沒(méi)有損失，因而不同轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移特性差異被消除。可以看出，在上述操作完成后，對(duì)于每個(gè)像素單元而言，可以得到反映其在三次感光操作中累積的電荷量Q1A2以及Q3的和的全部讀出信號(hào)。由于三次感光操作的總時(shí)間可以確定，因而每個(gè)像素單元累積電荷(即感應(yīng)光線(xiàn))的速率可以確定。因此，基于該全部讀出信號(hào)，即可確定圖像傳感器的輸出信號(hào)?？梢岳斫?，在較弱光線(xiàn)強(qiáng)度下圖像傳感器的響應(yīng)情況可以參考圖4c以及圖8a至Sb的說(shuō)明，在此不再贅述。此外，從前述關(guān)于圖像傳感器的運(yùn)行說(shuō)明可以看出，在光線(xiàn)強(qiáng)度較低時(shí)，光電感應(yīng)區(qū)累積電荷的速率較低，因而撇取操作可能不足以使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低到允許電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。因而在后續(xù)讀取操作時(shí)，中間讀出信號(hào)僅能夠反映繼續(xù)累積電荷的一部分的值，而以該中間讀出信號(hào)確定的電荷累積速率會(huì)低于光電感應(yīng)區(qū)的實(shí)際累積速率。在此情況下，撇取操作實(shí)質(zhì)上并不會(huì)撇取電荷，全部讀出信號(hào)仍能夠準(zhǔn)確反映光電感應(yīng)區(qū)累積電荷的情況，因此，以全部讀出信號(hào)確定的電荷累積速率等于光電感應(yīng)區(qū)的實(shí)際累積速率。綜上，為了處理不同光照強(qiáng)度下圖像傳感器的響應(yīng)情況，可以通過(guò)下述步驟確定圖像傳感器各個(gè)像素單元的輸出信號(hào)確定多個(gè)中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率；比較多個(gè)中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率；以多個(gè)中間讀出信號(hào)與全部讀出信號(hào)的累積速率的最大值確定像素單元的輸出信號(hào)。 盡管在附圖和前述的描述中詳細(xì)闡明和描述了本發(fā)明，應(yīng)認(rèn)為該闡明和描述是說(shuō)明性的和示例性的，而不是限制性的；本發(fā)明不限于所上述實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法，所述圖像傳感器的每個(gè)像素單元包括光電感應(yīng)區(qū)、轉(zhuǎn)移柵極以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其中所述轉(zhuǎn)移柵極用于控制電荷由所述光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)方法包括下述步驟 a.感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中累積電荷； b.在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，以使得所述轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于所述光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低； c.繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在所述光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷； d.在所述轉(zhuǎn)移柵極上加載與所述撇取電壓相同的讀取電壓，以生成中間讀出信號(hào)； e.在所述轉(zhuǎn)移柵極加載開(kāi)啟電壓以使得所述光電感應(yīng)區(qū)中的電荷全部轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并生成完全讀出信號(hào)； f.基于所述中間讀出信號(hào)與所述完全讀出信號(hào)確定所述像素單元的輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于， 重復(fù)執(zhí)行所述步驟b與C，以在所述轉(zhuǎn)移柵極上依次加載多個(gè)使得所述勢(shì)壘高度遞增的撇取電壓；以及 所述步驟d進(jìn)一步包括在所述轉(zhuǎn)移柵極上依次加載多個(gè)與所述多個(gè)撇取電壓分別相等的讀取電壓，所述多個(gè)讀取電壓使得所述勢(shì)壘的高度遞減，并生成對(duì)應(yīng)的多個(gè)中間讀出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，對(duì)應(yīng)于所述步驟b中勢(shì)壘高度遞增的撇取電壓，所述步驟c中累積電荷的時(shí)間遞減。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述步驟f包括 確定所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率； 比較所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率； 以所述中間讀出信號(hào)與所述全部讀出信號(hào)的累積速率的最大值確定所述像素單元的輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于， 所述步驟d還包括在加載所述讀取電壓之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)； 所述步驟e還包括在加載所述開(kāi)啟電壓之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于， 在所述步驟d之前，復(fù)位所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)方法。圖像傳感器的每個(gè)像素單元包括光電感應(yīng)區(qū)、轉(zhuǎn)移柵極以及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，其中轉(zhuǎn)移柵極用于控制電荷由光電感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，該驅(qū)動(dòng)方法包括下述步驟a.感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在光電感應(yīng)區(qū)中累積電荷；b.在轉(zhuǎn)移柵極上加載撇取電壓，以使得轉(zhuǎn)移柵極相對(duì)于光電感應(yīng)區(qū)的勢(shì)壘高度降低；c.繼續(xù)感應(yīng)外部光線(xiàn)，以在光電感應(yīng)區(qū)中繼續(xù)累積電荷；d.在轉(zhuǎn)移柵極上加載與撇取電壓相同的讀取電壓，以生成中間讀出信號(hào)；e.在轉(zhuǎn)移柵極加載開(kāi)啟電壓以使得光電感應(yīng)區(qū)中的電荷全部轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并生成完全讀出信號(hào)；f.基于中間讀出信號(hào)與完全讀出信號(hào)確定像素單元的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H04N5/357GK102833495SQ20121029252
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者趙立新, 蔣珂瑋 申請(qǐng)人:格科微電子(上海)有限公司