[发明专利]具有扩展动态范围的数字像素

权利要求书

1.一种像素单元，包括：

第一半导体层，其包括光电二极管和一个或更多个晶体管器件，所述一个或更多个晶体管器件被配置成将所述光电二极管生成的电荷转换成模拟信号，所述光电二极管占据所述第一半导体层中的第一区域；以及

第二半导体层，其包括被配置成将所述模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件占据所述第二半导体层中的第二区域；

其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层沿着轴线形成堆叠结构；并且

其中，所述第一区域和所述第二区域沿着所述轴线至少部分地重叠。

2.根据权利要求1所述的像素单元，

其中，所述第一半导体层包括第一表面和第二表面；

其中，所述第一半导体层包括布置在所述第二表面上的一个或更多个第一金属互连线；

其中，所述第二半导体层包括面向所述第二表面的第三表面；

其中，所述第二半导体层包括布置在所述第三表面上的一个或更多个第二金属互连线；并且

其中，所述像素单元还包括一个或更多个第三金属互连线，以提供所述一个或更多个第一金属互连线与所述一个或更多个第二金属互连线之间的电连接。

3.根据权利要求2所述的像素单元，其中，所述第一表面被配置成接收光子。

4.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括与所述第二半导体层不同的掺杂分布。

5.根据权利要求4所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括掺杂梯度，以在所述第一半导体层的第一表面和第二表面之间引入电场。

6.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层具有与所述第二半导体层不同的厚度。

7.根据权利要求6所述的像素单元，其中，所述第一半导体的厚度基于与预定频率相关联的光子的目标量子效率来被配置。

8.根据权利要求1所述的像素单元，

其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第一晶体管，所述第一晶体管具有与所述光电二极管耦合的源极端子、被配置为电容器的漏极端子、以及栅极端子，所述栅极端子可操作来控制所述光电二极管生成的电子流向所述电容器；

其中，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括数模转换器，所述数模转换器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压生成所述一个或更多个数字信号。

9.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述数模转换器包括计数器、存储器和电压比较器；

其中，所述存储器被配置成存储由所述计数器输出的一个或更多个计数值；并且

其中，所述电压比较器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压来控制所述一个或更多个计数值在所述存储器处的存储，以生成所述一个或更多个数字信号。

10.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述栅极端子被控制成当存储在所述光电二极管处的电荷量超过阈值时允许电子从所述光电二极管流到所述电容器。

11.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第二晶体管，所述第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在所述电容器处的电荷。

12.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第二晶体管，所述第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在所述电容器和所述光电二极管处的电荷。