[发明专利]可变动态范围像素传感器单元、设计结构及方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及像素传感器单元、用于制造像素传感器单元的设计结构以及用于操作像素传感器单元的方法。更具体地说，本发明涉及带有增强的动态范围能力的像素传感器单元。

背景技术

固态传感器是在各种技术应用，尤其是在成像技术应用中广泛使用的光电子组件。最常见的是用作数码相机内的有源光捕获和成像元件的固态传感器。

可使用用于有源光捕获和成像元件的若干半导体技术中的任意一项技术制造固态图像传感器。电荷耦合器件(CCD)被认为是较传统的固态图像传感器光捕获和成像元件。互补金属氧化物半导体(CMOS)器件提供了另一用于在固态图像传感器内使用的基于半导体的有源光捕获和成像元件。基于CMOS半导体器件的固态图像传感器到目前为止通常是理想的，因为与其他类型的固态图像传感器相比，基于CMOS的固态图像传感器消耗的电力较少。此外，基于CMOS的固态图像传感器允许与基于CMOS的固态图像传感器组件同时地制造基于CMOS的电子支持电路组件。

虽然在光电子组件制造领域内，广义上的固态图像传感器和狭义上的CMOS图像传感器是理想的传感器，但是广义上的固态图像传感器和狭义上的CMOS图像传感器并非完全没有问题。具体而言，广义上的固态传感器和狭义上的固态图像传感器内通常希望诸如动态范围性能增强之类的性能增强，以便提供准确和高对比度的图像。

各种固态传感器结构和设计，以及用于制造这些固态传感器的方法在光电子领域中是公知的。

例如，Bock在美国公开第2004/0436784号中教导了包括宽动态范围以及其他特征的CMOS像素传感器单元。此特定CMOS像素传感器单元通过使用三相工作方法提供了宽动态范围。

此外，Boemler在美国公开第2005/0224843号、美国专利第7,091,531号和美国公开第2006/0243887号中教导了另一具有宽动态范围的CMOS像素传感器单元。此特定CMOS像素传感器单元通过使用具有可变电容的浮置扩散区来提供宽动态范围。

可以相信，随着固态传感器技术的进步，固态传感器(包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器以及具体地，还包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)将继续具有吸引力并继续具有重要性。因此，需要提供改进的性能(包括增强的动态范围能力)的固态传感器、用于制造固态传感器的设计结构、用于操作固态传感器的方法以及相关组件子结构。

发明内容

本发明包括一种包含列电路的像素传感器单元、一种用于制造包含所述列电路的所述像素传感器单元的设计结构以及一种用于操作包含所述列电路的所述像素传感器单元的方法。上述像素传感器单元、设计结构和方法中的每个都基于在操作像素传感器单元的不同电容加载阶段，针对存储在像素传感器单元内的浮置扩散区上的电荷使用多组数据点(即，基准数据点和信号数据点的对)，从而允许所述多组数据点(在从所述浮置扩散区读取到所述列电路时)提供可变的和更宽的像素传感器单元动态范围。

根据本发明的包含列电路的特定像素传感器单元包括：光电二极管，其与传输门晶体管的第一源极/漏极区域串联耦合。所述像素传感器单元还包括：浮置扩散区，其与所述传输门晶体管的第二源极/漏极区域串联耦合。所述像素传感器单元还包括：列电路输出端，其通过与所述浮置扩散区相连的源极跟随器晶体管的栅极与所述浮置扩散区耦合，所述源极跟随器晶体管与行选择晶体管串联耦合，所述行选择晶体管的源极/漏极区域提供所述列电路输出端。所述像素传感器单元还包括：列电路，其与所述列电路输出端相连。所述列电路包括至少两个通过门晶体管，所述通过门晶体管具有与所述列电路输出端并联连接的第一源极/漏极区域，每个通过门晶体管还具有与单独的数据存储电容器串联连接的第二源极/漏极区域。

用于制造包含所述列电路的像素传感器单元的特定设计结构包括体现在机器可读介质内的光电二极管，其与传输门晶体管的第一源极/漏极区域串联耦合。所述设计结构还包括：浮置扩散区，其与所述传输门晶体管的第二源极/漏极区域串联耦合。所述设计结构还包括：列电路输出端，其通过与所述浮置扩散区相连的源极跟随器晶体管的栅极与所述浮置扩散区耦合，所述源极跟随器晶体管与行选择晶体管串联耦合，所述行选择晶体管的源极/漏极区域提供所述列电路输出端。所述设计结构还包括：列电路，其与所述列电路输出端相连。所述列电路包括至少两个通过门晶体管，所述通过门晶体管具有与所述列电路输出端并联连接的第一源极/漏极区域，每个通过门晶体管还具有与单独的数据存储电容器串联连接的第二源极/漏极区域。