[发明专利]采用相关双取样的光传感器

说明书

技术领域

本公开涉及图像传感器的光电检测器领域，以及具体来说涉及采用相关双取样的系统和方法。

背景技术

光电检测器通常使用吸收入射光并且响应于所吸收光而产生自由电子或电子/空穴对的材料。自由电子的数量取决于入射到材料上的光量以及光电检测器用来产生自由电子的材料的效率。

通过光电检测器阵列所产生的任何图像的细节通过各光电检测器的精度以及光电检测器的总数来确定，通常根据兆像素来表述。对于许多应用，市场需求在越来越小尺寸封装中具有不断增加的细节的照相装置。为了提供图像传感器的更大细节以及提供更小图像传感器，必须使各像素处的光电检测器更小。随着各像素变小，它在特定时间间隔中能够产生的自由电子的数量降低。更少数量的自由电子降低光电检测器的精度，并且还增加噪声的影响。

任何半导体装置遭受泄漏电流和其他影响，其使少量自由电子持续产生并且经过材料传送。自由电子的数量较少，但是它们可出现在半导体电路和结构中的几乎任何位置。当这些自由电子与来自光电检测器的自由电子相混合时，泄漏电子引起光电检测器的视在输出中的看似随机的变化。当光电检测器较大并且产生大输出时，噪声则较小并且可忽略。但是，来自具有更少电子输出的更小像素的结果可受到噪声电子显著影响。

基于光电二极管的成像器是用于大和小照相装置系统的图像传感器的主要类型。这些图像中的像素在尺寸上已经减小，以实现用于小装置(例如蜂窝电话、保安照相装置和便携照相装置)的更高分辨率照相装置。当前~1 μm尺寸的像素在可制造性以及产生可接受地大于噪声阈值的信号的能力方面临近极限。更小尺寸的像素还对更长波长不太灵敏，因为像素尺寸接近正在被测量的光的波长。

其他类型的成像器使用量子点或有机膜作为活性元素，以将入射光转换为自由电子。在量子点示例中，点例如作为在膜中分散的胶体被施加到表面。所生成的自由电子然后使用与电路系统(其可在常规硅衬底中形成)所耦合的电极来测量。量子点膜或量子膜可制作成使得像素将光转换为自由电子/空穴对，从而改进特别是对更长波长的灵敏度。但是，与量子膜像素关联的电荷收集和读出电路系统也产生更多噪声。

附图说明

通过附图、作为举例而不是限制来图示实施例，附图中，相同参考标号表示相似元件。

图1是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的光电检测器电路的简图。

图2是按照实施例的图1的电路的示例操作周期的时序图。

图3是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的备选光电检测器电路的简图。

图4是按照实施例的图3的电路的示例操作周期的时序图。

图5是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的另一个备选光电检测器电路的简图。

图6是按照实施例的图5的电路的示例操作周期的时序图。

图7是按照实施例的光电检测器电路的定时的过程流程图。

图8是按照实施例的具有多个光电检测器和电路的图像传感器的框图。

图9是按照实施例的结合交互视频呈现的计算装置的框图。

具体实施方式

如本文所述，校正光电检测器电路中的高读取噪声。这使用读出电路和方法(其允许包括复位噪声的相关噪声被补偿)进行。这些技术在量子膜和有机传感器中特别有用，但是也可应用于将电荷转换元件与像素电路系统分离的其他光电检测器系统。

量子点膜可配置成充当电荷生成器。当充分能量的光子碰撞膜中的量子点时，释放电子/空穴对。如果没有电场被施加到膜的区域，则电子和空穴将快速重组。膜可连接到电荷存储元件、例如电容器。存储元件能够用来施加电场以收集自由电子，以及存储所产生电荷。

多种不同的电路配置能够用来将电子收集到存储元件中，并且确定所收集的电荷量。在一个示例中，复位晶体管首先接通，以便从存储元件排放任何积聚电荷，并且将那个存储结点设置成已知电压。复位晶体管然后关断，以便从光电检测器收集电子。

可选转移晶体管然后接通，以便将存储元件连接到光电检测器的量子膜。虽然不作要求，但是转移晶体管实现曝光的电子控制，其在一些应用中是有用的。当膜连接到存储元件时，在膜中生成的任何电荷则扫入存储元件中，从而降低存储结点上的电压。存储结点上的电压与膜中的释放电子的数量(其与膜已经吸收的光子的数量成比例)成比例地降低。转移晶体管然后关断，以便将存储元件与膜隔离，并且停止电荷的收集。为了得到光电检测器的幅度或照明值，读取存储元件处的电压。