[发明专利]具有扩展动态范围的数字像素

说明书

公开了像素单元的示例。在一个示例中，像素单元可以包括第一半导体层，该第一半导体层包括光电二极管和被配置成将光电二极管生成的电荷转换成模拟信号的一个或更多个晶体管器件。像素单元还可以包括第二半导体层，该第二半导体层包括被配置成将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。第一半导体层和第二半导体层可以形成堆叠结构。在另一个示例中，像素单元可以包括光电二极管和电容器。像素单元可以在第一测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电耦合时测量存储在电容器处的电荷，以及在第二测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电隔离时测量存储在电容器处的电荷。

背景

本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元结构，该接口电路用于确定用于图像生成的光强度。

典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点(floating node)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，ADC可以将电压转换成表示入射光强度的数字值。传统上，电容器、缓冲器和ADC可以与光电二极管集成在同一半导体衬底上，其中ADC与光电二极管布置在同一侧，以减少布线和相关的寄生电容。

ADC生成的数字值反映了在某个周期内存储在浮置节点处的电荷数量，该数字值可以与入射光的强度相关。然而，相关程度会受到不同因素的影响。首先，光电二极管生成的电荷的速率可以与入射光强度直接相关，直到光电二极管达到饱和极限，超过该极限，生成的电荷的速率可能变得停滞，或者至少不会随光强度线性增加。此外，在浮置节点处收集的电荷也包括与入射光强度无关的噪声电荷。噪声电荷的一个来源可以是暗电流，暗电流可以是由于晶体缺陷在光电二极管的p-n结处和连接到电容器的其他半导体器件的p-n结处生成的漏电流。暗电流可以流入电容器，并增加与入射光强度不相关的电荷。噪声电荷的另一个来源可能是由于与其他电路的电容耦合。噪声电荷可以确定可测量光强度的下限，而饱和极限可以确定图像传感器的可测量光强度的上限。上限和下限之间的比率定义了动态范围，该动态范围可以决定图像传感器的操作光强度的范围。

可以基于由图像传感器阵列提供的强度数据来生成图像，每个图像传感器形成对应于图像像素的像素单元。像素单元阵列可以排列成行和列，每个像素单元生成电压，该电压表示与图像中的特定定位相关联的像素强度。阵列中包括的像素数量可以确定所生成图像的分辨率。电压可以由ADC转换成数字强度数据，并且图像可以基于每个像素的数字强度数据来被重建。

由于ADC的尺寸和有限的可用面积，不可能将专用ADC与像素阵列的每个像素单元放置在同一侧上。结果，一些像素单元可能不得不轮流访问ADC以生成数字强度数据。例如，提供一组ADC来同时处理由一行内每个像素单元生成的电压。但是相邻行的像素单元可能必须轮流访问该组ADC。在一个示例中，为了生成图像，可以以滚动快门(rollingshuttering)方式对像素阵列进行操作，其中每个像素行暴露于入射光以顺序生成强度数据。例如，图像传感器的一个像素行可以在曝光周期中暴露于入射光。行内的每个像素单元可以基于曝光周期期间光电二极管生成的电荷来生成电压，并将该电压转发给ADC。ADC可以生成表示该像素行接收的入射光强度的一组数字数据。在为一个像素行生成该组数字数据之后，下一个像素行可以在随后的曝光周期中暴露于入射光，以生成另一组数字强度数据，直到所有像素行都已经暴露于入射光并具有输出强度数据。在又一个示例中，不同行像素的曝光时间可以有一些重叠，但是每行像素仍然需要轮流将从光电二极管电荷生成的电压转换成数字数据。可以基于每个像素行的数字强度数据来生成图像。