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DE202016105510U1 - Pixel mit Global Shutter und hohem Dynamikumfang - Google Patents

Pixel mit Global Shutter und hohem Dynamikumfang Download PDF

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DE202016105510U1
DE202016105510U1 DE202016105510.5U DE202016105510U DE202016105510U1 DE 202016105510 U1 DE202016105510 U1 DE 202016105510U1 DE 202016105510 U DE202016105510 U DE 202016105510U DE 202016105510 U1 DE202016105510 U1 DE 202016105510U1
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Abstract

Bilderzeugendes Pixel, umfassend: eine obere Substratschicht; eine untere Substratschicht; eine Floating-Diffusion-Region; eine Fotodiode in der oberen Substratschicht, die mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist; eine Verschaltungsschicht, die zwischen der oberen Substratschicht und der unteren Substratschicht angeordnet ist und die obere Substratschicht mit der unteren Substratschicht verbindet; und einen ersten Speicherkondensator in der unteren Substratschicht.

Description

  • HINTERGRUND
  • Dies betrifft allgemein Bilderzeugungssysteme, und genauer Bilderzeugungssysteme mit Global-Shutter-Funktionalität.
  • Moderne elektronische Vorrichtungen wie Mobiltelefone, Kameras und Computer verwenden häufig digitale Bildsensoren. Bilderzeuger (d. h. Bildsensoren) weisen häufig eine zweidimensionale Anordnung von Bildsensorpixeln auf. Jedes Pixel weist in der Regel einen Lichtsensor auf, beispielsweise eine Fotodiode, um auftreffende Photonen (Licht) zu empfangen und die Photonen in elektrische Signale umzuwandeln.
  • Herkömmliche Bildsensoren werden auf einem Halbleitersubstrat unter Verwendung einer Technologie, die einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) nutzt, oder einer Technologie, die eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (charge-coupled device, CCD) nutzt, hergestellt. Bei CMOS-Bildsensoren kann ein rollender Verschluss bzw. Rolling Shutter oder ein globaler Verschluss bzw. Global Shutter verwendet werden. Bei einem Global Shutter kann jedes Pixel bzw. jeder Bildpunkt im Bildsensor gleichzeitig ein Bild aufzeichnen, während bei einem Rolling Shutter Pixelreihen jeweils nacheinander ein Bild aufzeichnen können. Bei CMOS-Bildsensoren mit Global Shutter ist in der Regel in jedes Pixel eine Ladungsspeicherregion integriert, um Ladung aus der Fotodiode bis zum Auslesen zu speichern. Jedoch sind diese Pixel möglicherweise nicht in der Lage, Bilder mit hohem Dynamikumfang (high dynamic range, HDR) zu erfassen, wodurch die Funktionalität des Bildsensors beschränkt wird. Außerdem sind diese Pixel möglicherweise nicht in der Lage, Bilder anhand von Verfahren zu erfassen, die korrelierte Doppelabtastungstechniken (correlated double sampling, CDS) nutzen. Dadurch können die Pixel stärker verrauschen und die Bildqualität des Bildsensors kann leiden.
  • Daher wäre es von Vorteil, verbesserte CMOS-Bildsensoren mit Global-Shutter-Funktionalität schaffen zu können.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bilderzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das einen Bildsensor aufweisen kann, der Bildpixel mit einem Global Shutter aufweist.
  • 2 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bildpixels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das mindestens einen Speicherkondensator für einen Global Shutter verwendet.
  • 3 ist ein der Veranschaulichung dienendes Zeitsteuerungsdiagramm für die Durchführung von Bildabtastungen mit einem Pixel wie dem Pixel in 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein der Veranschaulichung dienendes Zeitsteuerungsdiagramm für das Auslesen von Bildabtastungen mit einem Pixel wie dem Pixel in 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Ablaufschema zur Veranschaulichung von Schritten, die angewendet werden können, um ein Pixel mit Speicherkondensatoren zu betätigen, um CDS- und Nicht-CDS-Abtastungen zu erhalten.
  • 6 ist ein Ablaufschema zur Veranschaulichung von Schritten, die angewendet werden können, um ein Pixel mit Speicherkondensatoren zu betätigen, um mehrere CDS-Abtastungen zu erhalten.
  • 7 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bildpixels mit mehreren Substratschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zeigt, wie eine Verschaltungsschicht zwischen einem Source-Folgertransistor und einem Abtasttransistor angeordnet sein kann.
  • 8 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bildpixels mit mehreren Substratschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zeigt, wie eine Verschaltungsschicht zwischen einem Source-Folgertransistor und einer Floating-Diffusion-Region angeordnet sein kann.
  • 9 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bildpixels mit mehreren Substratschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zeigt, wie eine Verschaltungsschicht zwischen einem Übertragungstransistor und einer Floating-Diffusion-Region angeordnet sein kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Elektronische Vorrichtungen wie Digitalkameras, Computer, Mobiltelefone und andere elektronische Vorrichtungen weisen Bildsensoren auf, die einfallendes Bildlicht einfangen, um ein Bild aufzuzeichnen. Die Bildsensoren können Anordnungen bzw. Arrays aus bilderzeugenden Pixeln aufweisen. Die Pixel der Bildsensoren können lichtempfindliche Elemente wie Fotodioden aufweisen, die das einfallende Licht in Bildsignale umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln aufweisen (z. B. hunderte oder tausende oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise hunderttausende oder Millionen von Pixeln (z. B. Megapixel) aufweisen. Bildsensoren können eine Steuerschaltung aufweisen, beispielsweise eine Schaltung zum Betätigen der Bildpixel und eine Ausleseschaltung zum Auslesen von Bildsignalen, die der elektrischen Ladung entsprechen, die von den lichtempfindlichen Elementen erzeugt wird.
  • 1 ist eine Skizze zur Veranschaulichung eines Bilderzeugungssystems, das einen Bildsensor mit Global Shutter verwendet. Das Bilderzeugungssystem 10 von 1 kann eine tragbare elektronische Vorrichtung wie eine Kamera, ein Mobiltelefon, eine Videokamera oder eine andere Bilderzeugungsvorrichtung sein, die digitale Bilddaten aufzeichnet. Ein Kameramodul 12 kann verwendet werden, um einfallendes Licht in digitale Bilddaten umzuwandeln. Das Kameramodul 12 kann eine oder mehrere Linsen 14 und einen oder mehrere entsprechende Bildsensoren 16 aufweisen. Ein Bildsensor 16 kann ein Bildsensormikrochip mit einer Anordnung von Bildpixeln 30 sein. Die Bildpixel 30 können jeweils ein Verschluss- bzw. Shutter-Element aufweisen, um zu steuern, wann das Bildpixel aufgeladen wird.
  • Während Bildaufzeichnungsoperationen kann die Linse 14 Licht aus einer Szene bzw. einem Bildmotiv auf eine Bildpixelanordnung im Bildsensor 16 fokussieren. Der Bildsensor 16 kann entsprechende digitale Bilddaten an einer Steuerschaltung, beispielsweise einer Speicher- und Verarbeitungsschaltung 18 bereitstellen.
  • Die Schaltung 18 kann einen oder mehrere integrierte Schaltkreise bzw. Mikrochips (z. B. Bildverarbeitungsschaltkreise, Mikroprozessoren, Speichervorrichtungen wie einen frei adressierbaren Speicher und einen Festspeicher usw.) aufweisen und kann unter Verwendung von Komponenten implementiert sein, die vom Kameramodul 12 getrennt vorliegen und/oder die einen Teil des Kameramoduls 12 bilden (z. B. Schaltkreise, die einen Teil eines Bildsensoren 16 aufweisenden integrierten Schaltkreises oder eines integrierten Schaltkreises innerhalb eines den Bildsensoren 16 zugeordneten Moduls 12 bilden). Bilddaten, die vom Kameramodul 12 aufgezeichnet wurden, können unter Verwendung der Verarbeitungsschaltung 18 weiterverarbeitet und/oder gespeichert werden. Verarbeitete Bilddaten können nach Wunsch unter Verwendung kabelgebundener und/oder kabelloser Kommunikationswege, die mit der Verarbeitungsschaltung 18 verbunden sind, an externen Geräten (z. B. einem Computer oder einer anderen Vorrichtung) bereitgestellt werden. Die Verarbeitungsschaltung 18 kann verwendet werden, um die Betätigung bzw. die Ansteuerung der Bildsensoren 16 zu steuern.
  • 2 ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung eines Bildpixels 30. Entsprechend der Darstellung in 2 kann das Pixel 30 ein lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Photodiode 20 aufweisen. Eine positive Versorgungsspannung Vaa kann an positiven Spannungsversorgungsanschlüssen 22 und 23 zugeführt werden. Einfallendes Licht kann von der Fotodiode 20 gesammelt werden, nachdem es eine Farbfilterstruktur durchlaufen hat. Die Fotodiode 20 erzeugt eine Ladung (z. B. Elektronen) als Reaktion auf den Empfang auftreffender Photonen. Welche Ladungsmenge von der Fhotodiode 20 gesammelt wird, hängt von der Intensität des auftreffenden Lichts und der Belichtungsdauer (oder Integrationszeit) ab.
  • Das Pixel 30 kann eine Floating-Diffusion-Region und einen Reset-Transistor zum Zurücksetzen der Ladung an der Floating-Diffusion-Region aufweisen. Bevor ein Bild erfasst wird, kann ein Reset-Transistor 26 (RST1) eingeschaltet werden, um einen Ladungsspeicherknoten 28 (auch als Floating-Diffusion-Region FD1 bezeichnet) auf Vaa zurückzusetzen. Der Reset-Transistor 26 kann ausgeschaltet werden, nachdem FD1 zurückgesetzt wurde, um eine Ladungsspeicherung in FD1 zu gestatten.
  • Ladung, die in der Photodiode 20 erzeugt wird, kann in der Ladungsspeicherregion 28 (FD1) gespeichert werden. Das Pixel 30 kann ein Übertragungsgatter (einen Übertragungstransistor) 38 aufweisen. Der Übertragungstransistor 38 (38) kann eingeschaltet werden, um Ladung aus der Photodiode 20 auf eine Floating-Diffusion-Region 28 zu übertragen. Die Floating-Diffusion-Region 28 kann eine dotierte Halbleiterregion sein (z. B. eine Region in einem Siliciumsubstrat, die durch Ionenimplantation, Störstellendiffusion oder einen anderen Dotierungsprozess dotiert worden ist).
  • Das Pixel 30 kann auch einen Source-Folgertransistor 40 (SF1) aufweisen, der am Anschluss 23 mit der Versorgungsspannung Vaa verbunden ist. SF1 kann auch mit einem Abtasttransistor 42 (SAMP) verbunden sein.
  • Das Pixel 30 kann eine Anzahl von Kondensatoren aufweisen, beispielsweise Kondensatoren 52, 54, 56 und 58 (C1, C2, C3 bzw. C4). Die Kondensatoren 52, 54, 56 und 58 können verwendet werden, um Ladung aus FD1 zu speichern. Jeder Kondensator kann einem entsprechenden Transistor zugeordnet sein. Zum Beispiel kann ein Transistor 60 (S1) dem Speicherkondensator 52 zugeordnet sein, ein Transistor 62 (S2) kann dem Speicherkondensator 54 zugeordnet sein, ein Transistor 64 (S3) kann dem Speicherkondensator 56 zugeordnet sein und ein Transistor 66 (S4) kann dem Speicherkondensator 58 zugeordnet sein.
  • Eine zusätzliche Floating-Diffusion-Region 68 (FD2) und ein zusätzlicher Reset-Transistor 70 (RST2) können im Pixel 30 bereitgestellt sein. Der Reset-Transistor 70 kann auf gültig gesetzt werden, um die Floating-Diffusion-Region 68 mit einem Spannungsversorgungsanschluss 74 zu verbinden, wodurch die Ladung an FD2 zurückgesetzt werden kann. Die Floating-Diffusion-Region 68 kann eine dotierte Halbleiterregion sein (z. B. eine Region in einem Siliciumsubstrat, die durch Ionenimplantation, Störstellendiffusion oder einen anderen Dotierungsprozess dotiert worden ist).
  • Das Pixel 30 kann auch eine Ladungsausleseschaltung aufweisen. Die Ladungsausleseschaltung kann einen Zeilenauswahltransistor 76 (RS) und einen Source-Folgertransistor 78 (SF2) aufweisen. SF2 kann mit einem Spannungsversorgungsanschluss 79 verbunden sein. Der Transistor 76 kann ein Gatter aufweisen, das von einem Zeilenauswahlsignal gesteuert wird. Wenn das Zeilenauswahlsignal auf gültig gesetzt wird, wird der Transistor 76 eingeschaltet und ein entsprechendes Signal Vout (z. B. ein Ausgangssignal mit einem absoluten Wert, der proportional ist zur Ladungsmenge am Floating-Diffusion-Knoten 68) wird auf einem Ausgabeweg 80 verschickt.
  • In einer typischen Bildpixelanordnungskonfiguration sind zahlreiche Zeilen und Spalten von Pixeln 30 vorhanden. Jede Spalte der Pixel 30 kann einem Spaltenausleseweg, beispielsweise einer Ausgangsleitung 80 zugeordnet sein (z. B. kann jedes Bildpixel 30 in einer Spalte über einen zugeordneten Zeilenauswahltransistor 76 mit der Ausgangsleitung 80 verbunden sein). Das Zeilenauswahlsignal kann auf gültig gesetzt werden, um das Signal Vout aus einem ausgewählten Bildpixel in den Ausleseweg 80 auszulesen. Bilddaten Vout können zur weiteren Verarbeitung in die Verarbeitungsschaltung 18 eingespeist werden. Die Schaltung von 2 dient nur der Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann das Pixel 30 eine andere Pixelschaltung aufweisen.
  • Zum Beispiel, obwohl dies nicht dargestellt ist in 2, kann das Pixel 30 einen Pixel-Reset-Transistor aufweisen, der zwischen die Fotodiode 20 und einen Spannungsversorgungsanschluss geschaltet ist. Diese Art eines Pixel-Reset-Transistors kann die Fotodiode 20 auf die Versorgungsspannung zurücksetzen, wenn er eingeschaltet wird, und der Photodiode gestatten, durch Licht erzeugte Ladung zu akkumulieren, wenn er ausgeschaltet wird.
  • Falls gewünscht, kann das Pixel 30 auch mit einem zusätzlichen Transistor ausgestattet werden, der verwendet wird, um einen Modus mit dualem Umwandlungsgewinn zu implementieren. Genauer kann das Pixel 30 in einem Modus mit hohem Umwandlungsgewinn und in einem Modus mit niedrigem Umwandlungsgewinn betätigbar sein. Wenn der zusätzliche Transistor außer Kraft gesetzt wird, wird das Pixel 30 in einen Modus mit hohem Umwandlungsgewinn versetzt. Wenn der zusätzliche Transistor in Kraft gesetzt wird, wird das Pixel 30 in einen Modus mit niedrigem Umwandlungsgewinn versetzt. Der zusätzliche Transistor kann mit einem Kondensator verbunden sein. Wenn der zusätzliche Transistor eingeschaltet wird, kann der Kondensator eingeschaltet und in Betrieb genommen werden, um eine zusätzliche Kapazität für Floating-Diffusion FD bereitzustellen. Dies hat einen niedrigeren Umwandlungsgewinn für das Pixel 30 zur Folge. Wenn der zusätzliche Transistor ausgeschaltet wird, wird die zusätzliche Belastung des Kondensators entfernt und das Pixel kehrt zu einer Konfiguration mit relativ höherem Umwandlungsgewinn für das Pixel zurück.
  • In 2 sind die positiven Spannungsversorgungsanschlüsse 22, 23, 74 und 79 alle als separate Einheiten dargestellt. Man beachte, dass dieses Beispiel nur der Veranschaulichung dient. Falls gewünscht, kann auch nur ein Spannungsversorgungsanschluss oder es können deren zwei, drei oder vier bereitgestellt werden. Es kann mehr als eine Leitung mit irgendwelchen oder mit allen Spannungsversorgungsanschlüssen in dem Pixel verbunden sein. Die Spannungsversorgungsanschlüsse können jeweils die gleiche Versorgungsspannung bereitstellen oder sie können nach Wunsch unterschiedliche Versorgungsspannungen bereitstellen.
  • Während der Betätigung des Pixels 30 können die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 verwendet werden, um Ladung aus der Floating-Diffusion 28 zu speichern. Wenn der Abtasttransistor 42 auf gültig gesetzt ist, kann Ladung aus der Floating-Diffusion 28 in einem Speicherkondensator gespeichert werden. Ein Speicherkondensator kann dadurch, dass der Transistor, der dem gewünschten Speicherkondensator zugeordnet ist, auf gültig gesetzt wird, dafür ausgewählt werden, Ladung aus der Floating-Diffusion 28 zu speichern. Zum Beispiel kann S1 eingeschaltet werden, während RST2, S2, S3 und S4 jeweils ausgeschaltet werden. In diesem Beispiel kann eine Ladung von FD1 in C1 gespeichert werden, wenn SAMP eingeschaltet wird. In einem anderen Beispiel können S2 und SAMP eingeschaltet werden, während RST2, S1, S3 und S4 jeweils ausgeschaltet werden, um Ladung in C2 zu speichern. In einem noch anderen Beispiel können S3 und SAMP eingeschaltet werden, während RST2, S1, S2 und S4 alle ausgeschaltet werden, um Ladung in C3 zu speichern. Schließlich können S4 und SAMP eingeschaltet werden, während RST2, S1, S2 und S3 alle ausgeschaltet werden, um Ladung in C4 zu speichern. Anhand dieses Schemas können verschiedene Abtastungen der Ladung aus FD1 gleichzeitig im Pixel 30 gespeichert werden. Zum Beispiel können Abtastungen gleichzeitig in C1, C2, C3 und C4 gespeichert werden.
  • Wenn eine Auslesung der in den Speicherkondensatoren gespeicherten Ladung gewünscht wird, können der entsprechende Transistor (z. B. S1, S2, S3 oder S4) und der Zeilenauswahltransistor 76 auf gültig gesetzt werden. Zum Beispiel kann RST2 kurz eingeschaltet werden, um FD2 zurückzusetzen. Anschließend können S1 und RS eingeschaltet werden. Dann kann die Ladung aus C1 von FD2 abgetastet werden und über die Ausgangsleitung 80 ausgegeben werden. Ebenso wird durch individuelles Gültigsetzen von S2, S3 oder S4 die Ladung an C2, C3 oder C4 abgetastet. Der Abtasttransistor 42 kann während der gesamten Auslesung des Pixels ausgeschaltet sein.
  • Die Pixelausgestaltung gemäß der Darstellung in 2 bietet zahlreiche Vorteile. Ladung aus verschiedenen Abtastungen kann in den Speicherkondensatoren gespeichert werden. Dies kann die Implementierung eines globalen Verschlusses bzw. Global Shutter ermöglichen. Bei einem Global Shutter akkumulieren alle Pixel in einem Bildsensor gleichzeitig Ladung. Bei Bildsensoren mit komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) kann die Ladung dann in einer Ladungszwischenspeicherregion gespeichert werden, bevor sie ausgelesen wird. In 2 sind mehrere Ladungszwischenspeicherregionen vorgesehen. Dadurch kann es möglich sein, mit einem Global Shutter Bilder mit hohem Dynamikumfang bzw. hohem Kontrast (die mindestens zwei Abtastungen mit unterschiedlichen Integrationszeiten erfordern) zu erhalten.
  • Die Ausgestaltung des Pixels 30 kann auch die Implementierung einer korrelierten Doppelabtastung (CDS) mit einem Global Shutter ermöglichen. Wenn die Ladungsspeicherregionen zurückgesetzt werden (z. B. wenn FD1 und FD2 von den Reset-Transistoren RST1 und RST2 zurückgesetzt werden), kann Reset-Rauschen (das auch als kTC-Rauschen bezeichnet wird) auftreten. Um diesem Rauschen Rechnung zu tragen, kann die Ladung in einer Floating-Diffusion-Region nach dem Reset und vor der Übertragung von Ladung aus der Fotodiode abgetastet werden. Die Ladung an der Floating-Diffusion-Region kann nach der Übertragung von Ladung aus der Fotodiode erneut abgetastet werden. Der erste Abtastwert kann vom zweiten Abtastwert subtrahiert werden, um zu bestimmen, wie viel Ladung von der Fotodiode erzeugt wurde (durch Eliminieren der Ladung an der Floating-Diffusion-Region, die nicht mit einfallendem Licht assoziiert ist). Da das Pixel 30 mehrere Speicherkondensatoren aufweist, kann eine korrelierte Doppelabtastung angewendet werden. Zum Beispiel kann der Reset-Wert an einem ersten Speicherkondensator gespeichert werden und der Abtastwert kann an einem zweiten Speicherkondensator gespeichert werden.
  • Ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung der Betätigung des Pixels 30 in 2 ist dargestellt in 3. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 3 ist nur ein Beispiel, und es sei klargestellt, dass eine große Vielfalt anderer Zeitsteuerungspläne mit dem Pixel 30 verwendet werden kann.
  • Das Zeitsteuerungsdiagramm von 3 beginnt mit einer ersten Integrationszeit (tint1). Die Fotodiode 20 kann während tint1, ebenso wie während einer zweiten Integrationszeit (tint2) und einer dritten Integrationszeit (tint3), durch Licht erzeugte Ladung akkumulieren. Vor der Abtastung der Ladung aus der Fotodiode 20 können FD1 und FD2 durch Einschalten der Reset-Transistoren RST1 und RST2 zu Gültigsetzungszeiten 82 und 84 zurückgesetzt werden. Dadurch können FD1 und FD2 mit den Versorgungsspannungsanschlüssen 22 bzw. 74 verbunden werden und gewährleisten, dass keine überschüssige Ladung in den Floating-Diffusion-Regionen vorhanden ist. S1 kann zu einer Gültigsetzungszeit 88 ebenfalls auf gültig gesetzt werden.
  • Nach Zurücksetzen von FD1 und FD2 kann das Reset-Niveau an FD1 abgetastet werden. Um das Reset-Niveau an FD1 abzutasten, kann der Abtasttransistor SAMP zu einer Gültigsetzungszeit 86 auf gültig gesetzt werden. Da RST2, S2, S3 und S4 während der Gültigsetzungszeiten 86 und 88 alle ausgeschaltet sind, wird die Ladung aus FD1 in C1 gespeichert, wenn SAMP und S1 auf gültig gesetzt sind.
  • Nach dem Speichern des Reset-Niveaus im Speicherkondensator C1 kann der Reset-Transistor RST2 zur Gültigsetzungszeit 90 auf gültig gesetzt werden. Gleichzeitig kann S2 zur Gültigsetzungszeit 96 auf gültig gesetzt werden. Dann kann der Übertragungstransistor (TX) zur Gültigsetzungszeit 92 eingeschaltet werden. Dadurch wird Ladung aus der Fotodiode 20 auf FD1 übertragen. Das Ende der Gültigsetzungszeit 92 fällt mit dem Ende von tint1 und dem Anfang von tint2 zusammen. Unmittelbar nach der Gültigsetzungszeit 92 entspricht die Ladung an FD1 der Ladungsmenge, die während tint1 in der Fotodiode 20 akkumuliert worden ist. Dieser Wert kann dadurch ertastet werden, dass man den Abtasttransistor SAMP zur Gültigsetzungszeit 94 auf gültig setzt. Da RST2, S1, S3 und S4 während der Gültigsetzungszeiten 94 und 96 jeweils ausgeschaltet sind, wird die Ladung aus FD1 in C2 gespeichert, wenn SAMP und S2 auf gültig gesetzt sind.
  • Nach dem Speichern der tint1-Abtastung im Speicherkondensator C2 kann der Reset-Transistor RST2 zur Gültigsetzungszeit 98 auf gültig gesetzt werden, und S3 kann zur Gültigsetzungszeit 104 auf gültig gesetzt werden. Dann kann der Übertragungstransistor (TX) zur Gültigsetzungszeit 100 eingeschaltet werden. Dadurch wird Ladung aus der Fotodiode 20 auf FD1 übertragen. Das Ende der Gültigsetzungszeit 100 fällt mit dem Ende von tint2 und dem Anfang von tint3 zusammen. Gleich nach der Gültigsetzungszeit 100 entspricht die Ladung an FD1 der Ladungsmenge, die während tint2 in der Fotodiode 20 akkumuliert wurde. Dieser Wert kann dadurch ertastet werden, dass man den Abtasttransistor SAMP zur Gültigsetzungszeit 102 auf gültig setzt. Da RST2, S1, S2 und S4 während der Gültigsetzungszeiten 102 und 104 jeweils ausgeschaltet sind, wird die Ladung aus FD1 in C3 gespeichert, wenn SAMP und S3 auf gültig gesetzt sind.
  • Nach dem Speichern der tint2-Abtastung im Speicherkondensator C3 kann der Reset-Transistor RST2 zur Gültigsetzungszeit 106 auf gültig gesetzt werden und S4 kann zur Gültigsetzungszeit 112 auf gültig gesetzt werden. Dann kann der Übertragungstransistor (TX) zur Gültigsetzungszeit 108 eingeschaltet werden. Dadurch wird Ladung aus der Fotodiode 20 auf FD1 übertragen. Das Ende der Gültigsetzungszeit 108 fällt mit dem Ende von tint3 zusammen. Gleich nach der Gültigsetzungszeit 108 entspricht die Ladung an FD1 der Ladungsmenge, die während tint3 in der Fotodiode 20 akkumuliert wurde. Dieser Wert kann dadurch abgetastet werden, dass der Abtasttransistor SAMP und der Transistor S4 zur Gültigsetzungszeit 110 auf gültig gesetzt werden. Da RST2, S1, S2 und S3 während der Gültigsetzungszeiten 110 und 112 jeweils ausgeschaltet sind, wird die Ladung aus FD1 in C4 gespeichert, wenn SAMP und S4 auf gültig gesetzt sind.
  • Nach dem Speichern der tint3-Abtastung im Speicherkondensator C4 kann jeder Speicherkondensator eine entsprechende Abtastung aufweisen. In C1 kann der Reset-Wert gespeichert sein, in C2 kann die tint1-Abtastung gespeichert sein, in C3 kann die tint2-Abtastung gespeichert sein und in C4 kann die tint3-Abtastung gespeichert sein. Die Abtastung des Pixels 30 kann global vonstattengehen, das heißt, jedes Pixel im Bildsensor 16 kann gleichzeitig dem Zeitsteuerungsdiagramm folgen, das dargestellt ist in 3. Bei dem Beispiel aus 3 ist dargestellt, dass tint1 länger ist als tint2 und tint3, während dargestellt ist, dass tint2 länger ist als tint3. Dies dient jedoch lediglich der Veranschaulichung.
  • 4 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm des Pixels 30 während der Auslesung einer Abtastung. Dieser Teil der Pixelansteuerung muss nicht vollkommen global sein. Zum Beispiel kann es sein, dass die Abtastungen jeder Pixelzeile nacheinander und nicht gleichzeitig gelesen werden. Entsprechend der Darstellung in 4 kann der Reset-Transistor RST2 zur Gültigsetzungszeit 120 auf gültig gesetzt werden, um FD2 zurückzusetzen. S1 kann zur Gültigsetzungszeit 122 ebenfalls auf gültig gesetzt werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C1 gespeichert ist. FD2 kann zur Gültigsetzungszeit 124 wieder zurückgesetzt werden. S2 kann zur Gültigsetzungszeit 126 ebenfalls eingeschaltet werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C2 gespeichert ist.
  • Nach dem Auslesen der Ladung, die im Speicherkondensator C1 und C2 gespeichert ist, kann FD2 zur Gültigsetzungszeit 128 zurückgesetzt werden. S1 kann zur Gültigsetzungszeit 130 ebenfalls auf gültig gesetzt werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C1 gespeichert ist. FD2 kann zur Gültigsetzungszeit 132 wieder zurückgesetzt werden. S3 kann zur Gültigsetzungszeit 134 ebenfalls eingeschaltet werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C3 gespeichert ist.
  • Nach der Auslesung der Ladungen, die im Speicherkondensator C1 und C3 gespeichert sind, kann FD2 zur Gültigsetzungszeit 136 zurückgesetzt werden. S1 kann zur Gültigsetzungszeit 138 ebenfalls auf gültig gesetzt werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C1 gespeichert ist. FD2 kann zur Gültigsetzungszeit 140 wieder zurückgesetzt werden. S4 kann zur Gültigsetzungszeit 142 ebenfalls eingeschaltet werden, um die Ladung auszulesen, die im Speicherkondensator C4 gespeichert ist.
  • Die Abtastung von C1 zu den Gültigsetzungszeiten 130 und 138 kann dazu beitragen, ein Rauschen zu eliminieren, das mit dem Reset-Wert der Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 assoziiert ist. Vor der Gültigsetzungszeit 122 kann C1 eine Ladung speichern, die mit dem Reset-Niveau von FD1 assoziiert ist (wie beschrieben in Verbindung mit 3). Die Abtastung von C1 zur Gültigsetzungszeit 122 ermöglicht die Verwendung eines Verfahrens, das eine korrelierte Doppelabtastung (CDS) beinhaltet, um einem Reset-Rauschen an FD1 Rechnung zu tragen. Nachdem C1 zur Gültigsetzungszeit 122 abgetastet worden ist, steht das Reset-Niveau von FD1 nicht mehr für eine Abtastung zur Verfügung. Es kann jedoch auch ein Rauschen vorhanden sein, das mit dem Reset der Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 und von FD2 assoziiert ist. Obwohl die Abtastung von C1 zu den Gültigsetzungszeiten 130 und 138 einem FD1-Reset-Rauschen keine Rechnung trägt, kann die Abtastung dabei helfen, dem Rauschen Rechnung zu tragen, das mit RST2 assoziiert ist. Jedoch können diese Abtastungen nach Wunsch auch weggelassen werden (z. B. können die Gültigsetzungszeiten 128, 130, 136 und 138 während der Auslesung weggelassen werden).
  • Bei dem Beispiel aus 2 sind vier Speicherkondensatoren dargestellt. Dies dient jedoch lediglich der Veranschaulichung. Falls gewünscht kann das Pixel 30 einen Speicherkondensator, zwei Speicherkondensatoren, drei Speicherkondensatoren, vier Speicherkondensatoren, fünf Speicherkondensatoren, sechs Speicherkondensatoren, sieben Speicherkondensator, acht Speicherkondensator oder mehr als acht Speicherkondensatoren aufweisen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird möglicherweise nur die erste Abtastung (aus der ersten Integrationszeit) auf Reset-Rauschen der ersten Floating-Diffusion-Region korrigiert. In diesen Ausführungsformen kann die längste Integrationszeit zuerst vollendet werden. Die längste Integrationszeit kann mit geringen Lichtstärken assoziiert sein und kann daher empfindlicher sein gegenüber Reset-Rauschen. Dadurch, dass die längste Integrationszeit zur ersten Integrationszeit gemacht wird, wird die empfindlichste Abtastung korrigiert. Die folgenden Abtastungen können weniger empfindlich sein für Reset-Rauschen, und wenn dem Reset-Rauschen keine Rechnung getragen wird, muss das die Bildqualität nicht wesentlich beeinträchtigen.
  • Die relativen Längen der Integrationszeiten von 3 dienen lediglich zur Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann die erste Integrationszeit die kürzeste Integrationszeit, die längste Integrationszeit oder eine dazwischenliegende Integrationszeit sein. Im Allgemeinen kann jede Integrationszeit jede gewünschte Länge aufweisen, und die Integrationszeiten können in jeder gewünschten Reihenfolge angeordnet werden. Außerdem dient die Abtastung des Reset-Niveaus für nur die erste Integrationsperiode lediglich der Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann ein Pixel mit vier Kondensatoren zwei Reset-Werte und zwei Abtastwerte abtasten (z. B. können zwei verschiedene Integrationsperioden und ihre entsprechenden Reset-Werte abgetastet werden).
  • Im Allgemeinen ist nur ein Speicherkondensator zum Abtasten einer Integrationszeit nötig, wenn dem FD1-Reset-Rauschen keine Rechnung getragen wird (für Nicht-CDS-Abtastungen), während zwei Speicherkondensatoren nötig sind, um eine Integrationszeit abzutasten und dem Reset-Rauschen Rechnung zu tragen (für CDS-Abtastungen). Es kann jede Kombination dieser Abtastungen verwendet werden, nur beschränkt davon, wie viele Kondensatoren in dem Pixel vorhanden sind. Wenn das Pixel 30 vier Kondensatoren aufweist, kann der Bildsensor beispielsweise verwendet werden, um Folgendes zu erhalten: vier Nicht-CDS-Abtastungen, eine CDS-Abtastung und zwei Nicht-CDS-Abtastungen (z. B. 3) oder zwei CDS-Abtastungen. Das Pixel 30 kann zwei Kondensatoren aufweisen. In diesen Ausführungsformen kann das Pixel 30 verwendet werden, um eine CDS-Abtastung oder zwei Nicht-CDS-Abtastungen zu erhalten. Das Pixel 30 kann drei Speicherkondensatoren aufweisen. In diesen Ausführungsformen kann das Pixel 30 verwendet werden, um drei Nicht-CDS-Abtastungen oder eine CDS-Abtastung und eine Nicht-CDS-Abtastung zu erhalten. Für ein Bild mit hohem Dynamikumfang (HDR) sind mindestens zwei Abtastungen nötig. Mehr Abtastungen können den Dynamikumfang des Bildes erhöhen. Dadurch, dass sie zwei Speicherkondensatoren benötigen, können die CDS-Abtastungen die Zahl der Abtastungen begrenzen, die durch ein bestimmtes Pixel erfasst werden können (wodurch möglicherweise der Dynamikumfang verringert wird), aber man erhält ein weniger verrauschtes Bild. Das konkrete Motiv, das abgebildet werden soll, oder die Vorlieben des Anwenders des Bilderzeugungssystems können vorgeben, welches Abtastschema verwendet wird.
  • Der Veranschaulichung dienende Verfahren zur Betätigung eines Bildpixels, beispielsweise des Bildpixels 30 von 2, sind dargestellt in 5 und 6. In 5 zeigt ein Ablaufschema Schritte zum Durchführen einer CDS-Abtastung und von zwei Nicht-CDS-Abtastungen in Speicherkondensatoren. Bei Schritt 502 in 5 kann die Fotodiode mit dem Akkumulieren der Ladung für eine erste Integrationszeit (z. B. tint1) beginnen. Bei Schritt 504 kann FD1 zurückgesetzt werden (z. B. unter Verwendung des Reset-Transistors 26). Nach dem Zurücksetzen bzw. dem Rest der Ladung an FD1 kann die Ladung an FD1 abgetastet werden und dann kann die Ladung bei Schritt 506 im Speicherkondensator C1 gespeichert werden. Bei Schritt 508 kann die Ladung aus der Fotodiode auf FD1 übertragen werden. Es kann auch eine Akkumulation der Ladung für eine zweite Integrationszeit (z. B. tint2) beginnen. Bei Schritt 510 kann die Ladung an FD1 (die während tint1 in der Fotodiode akkumuliert wurde) abgetastet werden und dann kann die Ladung im Kondensator C2 gespeichert werden. Bei Schritt 512 kann die Ladung aus der Fotodiode auf FD1 übertragen werden. Es kann auch eine Akkumulation der Ladung für eine dritte Integrationszeit (z. B. tint3) beginnen. Bei Schritt 514 kann die Ladung an FD1 (die während tint2 in der Fotodiode akkumuliert worden ist) abgetastet werden und die Ladung kann im Kondensator C3 gespeichert werden. Bei Schritt 516 kann die Ladung aus der Fotodiode auf FD1 übertragen werden. Bei Schritt 518 kann die Ladung an FD1 (die während tint3 in der Fotodiode akkumuliert worden ist) abgetastet werden und die Ladung kann im Kondensator C4 gespeichert werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Durchführung einer CDS-Abtastung (in den Kondensatoren C1 und C2) und von zwei Nicht-CDS-Abtastungen (in den Kondensatoren C3 bzw. C4).
  • In 6 zeigt ein Ablaufschema Schritte zur Durchführung von zwei CDS-Abtastungen in Speicherkondensatoren. Bei Schritt 602 in 6 kann die Fotodiode mit dem Akkumulieren der Ladung für eine erste Integrationszeit (z. B. tint1) beginnen. Bei Schritt 604 kann FD1 zurückgesetzt werden (z. B. unter Verwendung des Reset-Transistors 26). Nach dem Zurücksetzen bzw. dem Rest der Ladung an FD1 kann die Ladung an FD1 abgetastet werden und dann kann die Ladung bei Schritt 606 im Speicherkondensator C1 gespeichert werden. Bei Schritt 608 kann die Ladung aus der Fotodiode auf FD1 übertragen werden. Bei Schritt 610 kann die Ladung an FD1 abgetastet werden und die Ladung kann im Speicherkondensator C2 gespeichert werden. Bei Schritt 612 kann das Akkumulieren der Ladung für eine zweite Integrationszeit (z. B. tint2) beginnen. Bei Schritt 614 kann FD1 zurückgesetzt werden (z. B. unter Verwendung des Reset-Transistors 26). Nach dem Zurücksetzen der Ladung an FD1 kann die Ladung an FD1 abgetastet werden und die Ladung kann bei Schritt 616 im Speicherkondensator C3 gespeichert werden. Bei Schritt 618 kann die Ladung aus der Fotodiode auf FD1 übertragen werden. Bei Schritt 620 kann die Ladung an FD1 abgetastet werden und die Ladung kann im Speicherkondensator C4 gespeichert werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Durchführung von zwei CDS-Abtastungen, von denen eine in C1 und C2 gespeichert wird und von denen die andere in C3 und C4 gespeichert wird.
  • Die Fotodiode 20 kann in einem Substrat ausgebildet sein. Das Substrat kann ein Wafer sein, das heißt eine Schicht aus Halbleitermaterial wie beispielsweise Silicium. Das Substrat kann kristallines Silicium oder ein anderes gewünschtes Material sein. Die Fotodiode 20 kann aus einem n-dotierten Silicium gebildet sein. Das Substrat, das die Fotodiode 20 umgibt, kann p-dotiertes Silicium sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Fotodiode aus p-dotiertem Silicium gebildet sein und kann von n-dotiertem Silicium umgeben sein.
  • Die Fotodiode 20 kann von einer Passivierungsschicht, einer Farbfilterschicht, einer Planarisierungsschicht und einer Mikrolinse bedeckt sein. Die Passivierungsschicht und die Planarisierungsschicht können aus dielektrischen Materialien gebildet sein. Die Farbfilterschicht kann Teil eines größeren Farbfilter-Arrays sein. Beispielsweise kann jedes Pixel im Bildsensor 14 eine individuelle Farbfilterschicht aufweisen, die Teil des Farbfilter-Arrays ist. Der Bildsensor 14 kann ein Bayer-Farbfilter-Array aufweisen, bei dem einander vertikal und horizontal benachbarte Farbfilter in dem Array jeweils unterschiedliche Farben aufweisen. Das Bayer-Farbfilter-Array beinhaltet rote, grüne und blaue Farbfilter. Über der Fotodiode 20 kann ein einzelner roter, grüner, blauer, cyanfarbener, magentafarbener, gelber, Nahinfrarot-, Infrarot- oder Klarfarbfilter ausgebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der Farbfilter, der über der Fotodiode 20 ausgebildet ist, Bereiche, die farbiges Licht durchlassen, und Bereiche, die klar sind (d. h. die Licht im sichtbaren Spektrum durchlassen) aufweisen. Eine Mikrolinse kann über jedem Pixel im Bildsensor 14 ausgebildet sein. Jede Mikrolinse kann Licht zu einer entsprechenden Photodiode lenken.
  • Die Pixelschaltung im Pixel von 2 kann insgesamt in einem einzigen Substrat (z. B. einem einzelnen Wafer) ausgebildet sein. Jedoch können die Speicherkondensatoren C1, C2, C3 und C4 Raum in dem Substrat einnehmen und die Größe des Raums beschränken, der für die Fotodiode 20 zur Verfügung steht. Daher können in bestimmten Ausführungsformen zwei Substrate verwendet werden, um die Pixelschaltung von Pixeln wie dem Pixel 30 zu bilden. Bei der Substratschicht kann es sich um Siliciumwafer oder ein anderes gewünschtes Halbleitermaterial handeln.
  • Entsprechend der Darstellung in 7 kann eine obere Substratschicht 150 im Pixel 30 mit einer unteren Substratschicht 152 verbunden sein. Bei der oberen und der unteren Substratschicht 150 und 152 kann es sich um kristallines Silicium oder irgendein anderes gewünschtes Material handeln. Eine Verschaltungsschicht kann verwendet werden, um die obere Substratschicht 150 mit der unteren Substratschicht 152 zu verbinden. Die Verschaltungsschicht 154 kann aus einem leitenden Material wie Metall (z. B. Kupfer) gebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Verschaltungsschicht ein Lötmetall beinhalten. Die Verschaltungsschicht kann auch eine Siliciumdurchkontaktierung (through silicon via, TSV) sein.
  • Entsprechend der Darstellung in 7 kann die Verschaltungsschicht 154 den Source-Folgertransistor 40 (SF1) mit dem Abtasttransistor 42 (SAMP) verbinden. Die Verschaltungsschicht 154 kann direkt, ganz ohne dazwischen geschaltete Transistoren, mit SF1 und SAMP verbunden sein. Durch die Verschaltungsschicht kann die Fotodiode 20 größer sein als wenn sich die gesamte Pixelschaltung in einem einzigen Wafer befinden würde. Ein weiterer Vorteil der Verschaltungsschicht 154 besteht darin, dass sie als Reflektor für die Fotodiode 20 dienen kann. Wenn Photonen durch die Fotodiode 36 wandern, können manche von den Photonen von der Fotodiode absorbiert und in Ladung umgewandelt werden. Jedoch können manche Photonen durch die Fotodiode hindurch gelangen, ohne in Ladung umgewandelt zu werden. Diese Photonen können von der Verschaltungsschicht 154 weg reflektiert werden und nach oben zur Fotodiode reisen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit vergrößert, dass die Photonen von der Fotodiode in Ladung umgewandelt werden.
  • Die Verschaltungsschicht 154 muss nicht unbedingt zwischen den Transistoren 40 und 42 angeordnet sein. Zum Beispiel und gemäß der Darstellung in 8, kann die Verschaltungsschicht zwischen FD1 und SF1 angeordnet sein. Die Verschaltungsschicht 154 kann direkt, ganz ohne dazwischen geschaltete Transistoren, mit SF1 und FD1 verbunden sein. In einer noch anderen Ausführungsform kann die Verschaltungsschicht 154 zwischen FD1 und dem Übertragungstransistor 38 (TX) angeordnet sein, wie dargestellt in 9. Die Verschaltungsschicht 154 kann direkt, ganz ohne dazwischen geschaltete Transistoren, mit TX und FD1 verbunden sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann ein bilderzeugendes Pixel aufweisen: eine obere Substratschicht, eine untere Substratschicht, eine Floating-Diffusion-Region, eine Fotodiode in der oberen Substratschicht, die mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist, eine Verschaltungsschicht, die zwischen der oberen Substratschicht und der unteren Substratschicht angeordnet ist und die obere Substratschicht mit der unteren Substratschicht verbindet, und einen ersten Speicherkondensator in der unteren Substratschicht.
  • Das bilderzeugende Pixel kann auch einen Source-Folgertransistor, der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist, eine zusätzliche Floating-Diffusion-Region, einen zusätzlichen Source-Folgertransistor, der mit der zusätzlichen Floating-Diffusion-Region verbunden ist, und einen Abtasttransistor, der zwischen den Source-Folgertransistor und die zusätzliche Floating-Diffusion-Region geschaltet ist, aufweisen. Die Verschaltungsschicht kann zwischen dem Source-Folgertransistor und dem Abtasttransistor angeordnet sein. Die Floating-Diffusion-Region und der Source-Folgertransistor können in der oberen Substratschicht ausgebildet sein, und der Abtasttransistor, die zusätzliche Floating-Diffusion-Region und der zusätzliche Source-Folgertransistor können in der unteren Substratschicht ausgebildet sein. Das Bildpixel kann auch einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator aufweisen, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  • In anderen Ausführungsformen kann das bilderzeugende Pixel einen Source-Folgertransistor aufweisen, der in der unteren Substratschicht ausgebildet ist und der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist. Die Floating-Diffusion-Region kann in der oberen Substratschicht ausgebildet sein und die Verschaltungsschicht kann zwischen der Floating-Diffusion-Region und dem Source-Folgertransistor angeordnet sein. Das Bildpixel kann auch einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator aufweisen, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  • In einer noch anderen Ausführungsform kann das bilderzeugende Pixel einen Übertragungstransistor aufweisen, der in der oberen Substratschicht ausgebildet ist und mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist. Die Floating-Diffusion-Region kann in der unteren Substratschicht ausgebildet sein und die Verschaltungsschicht kann zwischen dem Übertragungstransistor und der Floating-Diffusion-Region angeordnet sein. Das Bildpixel kann auch einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator aufweisen, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann ein bilderzeugendes Pixel eine erste Floating-Diffusion-Region, eine Fotodiode, die mit der ersten Floating-Diffusion-Region verbunden ist, einen ersten Source-Folgertransistor, der mit der ersten Floating-Diffusion-Region verbunden ist, eine zweite Floating-Diffusion-Region, einen zweiten Source-Folgertransistor, der mit der zweiten Floating-Diffusion-Region verbunden ist, einen ersten Speicherkondensator, einen zweiten Speicherkondensator und einen dritten Speicherkondensator aufweisen.
  • Das bilderzeugende Pixel kann auch einen Abtasttransistor aufweisen, der zwischen der zweiten Floating-Diffusion-Region und dem ersten Source-Folgertransistor angeordnet ist. Das bilderzeugende Pixel kann auch einen ersten Reset-Transistor, der zwischen der ersten Floating-Diffusion-Region und einem ersten positiven Spannungsversorgungsanschluss angeordnet ist, und einen zweiten Reset-Transistor, der zwischen der zweiten Floating-Diffusion-Region und einem zweiten positiven Spannungsversorgungsanschluss angeordnet ist, aufweisen. Das bilderzeugenden Pixel kann auch einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem ersten Speicherkondensator angeordnet ist, einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem zweiten Speicherkondensator angeordnet ist, und einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem dritten Speicherkondensator angeordnet ist, aufweisen. Das bilderzeugende Pixel kann auch einen Zeilenauswahltransistor aufweisen, der zwischen einer Ausgangsleitung und dem zweiten Source-Folgertransistor angeordnet ist.
  • Die erste Zeitspanne kann länger sein als die zweite Zeitspanne. Das bilderzeugenden Pixel kann auch einen ersten Source-Folgertransistor, der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist, eine zusätzliche Floating-Diffusion-Region und einen zweiten Source-Folgertransistor, der mit der zusätzlichen Floating-Diffusion-Region verbunden ist, aufweisen. Das bilderzeugenden Pixel kann auch einen Transistor aufweisen, der zwischen dem ersten Source-Folgertransistor und der zusätzlichen Floating-Diffusion-Region angeordnet ist, und das Abtasten der ersten Ladungsmenge an der Floating-Diffusion-Region und das Speichern der ersten Ladungsmenge im zweiten Speicherkondensator können das Einschalten des Transistors beinhalten.
  • Die obigen Ausführungen sollen nur der Veranschaulichung der Grundlagen der Erfindung dienen, und von einem Fachmann können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Bereich und Gedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (14)

  1. Bilderzeugendes Pixel, umfassend: eine obere Substratschicht; eine untere Substratschicht; eine Floating-Diffusion-Region; eine Fotodiode in der oberen Substratschicht, die mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist; eine Verschaltungsschicht, die zwischen der oberen Substratschicht und der unteren Substratschicht angeordnet ist und die obere Substratschicht mit der unteren Substratschicht verbindet; und einen ersten Speicherkondensator in der unteren Substratschicht.
  2. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Source-Folgertransistor, der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist; eine zusätzliche Floating-Diffusion-Region; einen zusätzlichen Source-Folgertransistor, der mit der zusätzlichen Floating-Diffusion-Region verbunden ist; und einen Abtasttransistor, der zwischen den Source-Folgertransistor und die zusätzliche Floating-Diffusion-Region geschaltet ist.
  3. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 2, wobei die Verschaltungsschicht zwischen dem Source-Folgertransistor und dem Abtasttransistor angeordnet ist.
  4. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 3, wobei die Floating-Diffusion-Region und der Source-Folgertransistor in der oberen Substratschicht ausgebildet sind und wobei der Abtasttransistor, die zusätzliche Floating-Diffusion-Region und der zusätzliche Source-Folgertransistor in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  5. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  6. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Source-Folgertransistor, der in der unteren Substratschicht ausgebildet ist und der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist, wobei die Floating-Diffusion-Region in der oberen Substratschicht ausgebildet ist, und wobei die Verschaltungsschicht zwischen der Floating-Diffusion-Region und dem Source-Folgertransistor angeordnet ist.
  7. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 6, ferner umfassend: einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  8. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Übertragungstransistor, der in der oberen Substratschicht ausgebildet ist und der mit der Floating-Diffusion-Region verbunden ist, wobei die Floating-Diffusion-Region in der unteren Substratschicht ausgebildet ist, und wobei die Verschaltungsschicht zwischen dem Übertragungstransistor und der Floating-Diffusion-Region angeordnet ist.
  9. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen zweiten und einen dritten Speicherkondensator, die in der unteren Substratschicht ausgebildet sind.
  10. Bilderzeugendes Pixel, umfassend: eine erste Floating-Diffusion-Region; eine Fotodiode, die mit der ersten Floating-Diffusion-Region verbunden ist; einen ersten Source-Folgertransistor, der mit der ersten Floating-Diffusion-Region verbunden ist; eine zweite Floating-Diffusion-Region; einen zweiten Source-Folgertransistor, der mit der zweiten Floating-Diffusion-Region verbunden ist; einen ersten Speicherkondensator; einen zweiten Speicherkondensator; und einen dritten Speicherkondensator.
  11. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 10, ferner einen Abtasttransistor umfassend, der zwischen der zweiten Floating-Diffusion-Region und dem ersten Source-Folgertransistor angeordnet ist.
  12. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen ersten Reset-Transistor, der zwischen der ersten Floating-Diffusion-Region und einem ersten positiven Spannungsversorgungsanschluss angeordnet ist; und einen zweiten Reset-Transistor, der zwischen der zweiten Floating-Diffusion-Region und einem zweiten positiven Spannungsversorgungsanschluss angeordnet ist.
  13. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem ersten Speicherkondensator angeordnet ist; einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem zweiten Speicherkondensator angeordnet ist; und einen Transistor, der zwischen dem Abtasttransistor und dem dritten Speicherkondensator angeordnet ist.
  14. Bilderzeugendes Pixel nach Anspruch 13, ferner einen Zeilenauswahltransistor umfassend, der zwischen einer Ausgangsleitung und dem zweiten Source-Folgertransistor angeordnet ist.
DE202016105510.5U 2015-10-07 2016-10-05 Pixel mit Global Shutter und hohem Dynamikumfang Active DE202016105510U1 (de)

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