[发明专利]通过双重转换增益栅极复位的图像像素

说明书

技术领域

本发明一般涉及成像装置，且更明确来说，涉及增加成像装置的填充因数和电荷存储容量以及复位图像像素。

背景技术

通常，数字成像器阵列包括像素单元的焦面阵列，所述单元的每一单元包括光电传感器(例如，光电门、光电导体或光电二极管。在CMOS成像器中，读出电路连接到每一像素单元，所述像素单元通常包括源极跟随器输出晶体管。光电传感器将光子转换为电子，而所述电子通常被转移到连接到源极跟随器输出晶体管的栅极的浮动扩散区。可包括用于将电荷从光电传感器转移到浮动扩散区的电荷转移装置(例如，晶体管)。另外，此类成像器像素单元通常具有用于在电荷转移之前将浮动扩散区复位到预定电荷电平的晶体管。行选择晶体管将源极跟随器晶体管的输出选通为像素输出信号。

在例如美国专利第6,140,630号、美国专利第6,376,868号、美国专利第6,310,366号、美国专利第6,326,652号、美国专利第6,204,524号以及美国专利第6,333,205中描述了一种成像电路的例示性CMOS成像电路、其处理步骤以及各种CMOS元件的功能的详细说明。所述专利的每一者均受让与Micron Technology公司且整体上以引用的方式并入本文中。

参照分别图解说明常规CMOS成像器像素单元100的俯视图及剖面图的图1及图2，当入射光187照射光电二极管光电传感器120的表面时，光电二极管的p-n结中产生电子/空穴对(在n型累积区122及p+表面层123的边界处表示)。所产生的电子(光电荷)收集在光电二极管120的n型累积区122中。光电荷通过转移晶体管106从初始电荷累积区122移动到浮动扩散区110。浮动扩散区110处的电荷通常由源极跟随器晶体管108转换为像素输出电压且随后通过行选择晶体管109输出到列输出线111上。

如图1中针对像素单元100所示的常规CMOS成像器设计提供大约百分之五十的填充因数，这意味着在将光转换到载流子时仅利用了一半的像素100。如图所示，只有单元100的一小部分包含光电传感器(光电二极管)120。像素单元100的剩余部分包括显示为衬底101中的STI区的隔离区102；耦合到转移晶体管106的转移栅极106′的浮动扩散区110；及用于具有各自栅极107′、108′、109′的复位107、源极跟随器108以及行选择109晶体管的源极/漏极区115。此外，随着总像素面积不断缩小(因需要的比例缩放所致)，产生利用最小量表面积的高灵敏度光电传感器及/或针对像素单元的非光敏组件找到关于像素阵列的更高效布局以提供增加的光敏区域变得越来越重要。

另外，常规存储节点(例如，浮动扩散区110)具有有限量的电荷存储容量。一旦达到了所述容量，像素单元100的效率将变低。一旦超出了电荷存储容量，将出现有害现象，由此“过量”电荷逸出到像素单元100的其它部分或逸出到相邻的像素单元，这是有害的。

因此，需要及期望一种具有改进的填充因数及电荷存储容量的高效像素单元阵列构架。

发明内容

本发明提供一种具有改进的填充因数及电荷存储容量的高效像素单元阵列架构。

通过提供具有具备双重转换增益的像素的成像器在本发明的各种例示性实施例中实现上述及其它特征和优点。每一像素具有耦合于两个浮动扩散区之间的双重转换增益元件。当启动时，所述双重转换增益元件接通存储元件以增加像素的电荷存储容量。像素复位电路耦合到所述第二浮动扩散区。为复位所述第一浮动扩散区和所述存储元件，在复位操作期间启动所述双重转换增益元件。

本发明还提供共享的像素配置，其中两个或两个以上像素共享双重转换增益元件、存储元件以及复位和读出组件以便除增加像素电荷存储容量外还增加像素填充因数。

附图说明

根据下文参照附图所提供的对本发明例示性实施例的详细说明，本发明的前述及其他优点和特征将变得更为明了，其中：

图1图解说明常规的CMOS成像器像素单元；

图2是图1中所图解说明的CMOS成像器像素单元的剖面图；

图3图解说明根据本发明的实施例构造的例示性CMOS成像器像素单元；

图4是图解说明图3中所图解说明的像素单元的例示性操作的时序图；

图5图解说明根据本发明的实施例构造的例示性四路共享CMOS成像器像素电路；

图6是图解说明图5中所图解说明的像素电路的例示性操作的时序图；

图7图解说明根据本发明的实施例构造的例示性两路共享CMOS成像器像素电路；

图8显示根据本发明的实施例构造的成像器；及