АРХИТЕКТУРА ДАТЧИКА ИЗОБРАЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОДНОГО ИЛИ БОЛЕЕ УСТРОЙСТВ С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ
ARCHITECTURE OF IMAGE SENSOR WITH APPLICATION OF ONE OR MORE DEVICES WITH FLOATING GATE

Область техники
Изобретение относится к технологии датчиков изображения. В частности настоящее изобретение относится к архитектуре датчика изображения с применением одного или более устройств с плавающим затвором.
Уровень техники
Датчики изображения КМОП (Комплиментарный Металоксидный Полупроводник) и ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью) нашли широкое применение как в потребительских продуктах, так и в промышленных. Подобные применения включают в себя отдельные цифровые камеры, автомобильные дисплеи для вождения в темное время, периферийное компьютерное оборудование, интегрированные в сотовые телефоны, камеры и т.п.
Для захвата изображения в мобильной технологии чаще используются датчики изображения КМОП. Потребительские ожидания, однако, привели рынок к использованию матриц датчиков изображения КМОП с высоким разрежением, тем самым, вызвав ряд проблем у разработчиков датчиков изображения. Во-первых, ограничения по размерам, налагаемые мобильными технологиями, требуют размещения большего количества пикселей на единицу площади матрицы. Размер пикселя, следовательно, должен быть уменьшен по сравнению с обычными пикселями КМОП. Такое уменьшение размера пикселя имеет результатом соответствующее уменьшение динамического диапазона и чувствительности пикселя. Во-вторых, время считывания изображения для таких матриц датчиков изображения с высоким разрешением увеличивается вместе с увеличением количества пикселей, применяемых в матрице. Для уменьшения деградации изображения, вызываемой этим увеличением времени считывания, должен использоваться механизм электронного глобального затвора. Пиксели, где применяется электронный глобальный затвор, однако, требуют большого количества компонентов, что приводит к соответствующему уменьшению коэффициента пиксельного заполнения.
Соответственно настоящие изобретатели определили необходимость в улучшенной архитектуре пикселя, которая направлена на устранение одного или более из этих недостатков.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, где одинаковые ссылочные номера обозначают идентичные или функционально схожие элементы во всех отдельных видах, и которые объединены с нижеизложенных подробным описанием и формируют часть спецификации, служат для дополнительной иллюстрации различных вариантов осуществления и для разъяснения различных принципов и преимуществ согласно настоящему изобретению.
Фиг.1 - системная структурная схема примера осуществления схемы получения изображения;
Фиг.2 - пример принципиальной схемы одного варианта осуществления усовершенствованной архитектуры пикселя;
Фиг.3 - иллюстративная принципиальная схема показанной на Фиг.2 архитектуры пикселя, работающей в режиме стирания;
Фиг.4 - иллюстративная принципиальная схема показанной на Фиг.2 архитектуры пикселя, работающей в режиме экспозиции;
Фиг.5 - иллюстративная принципиальная схема показанной на Фиг.2 архитектуры пикселя, работающей в режиме сохранения данных;
Фиг.6 - иллюстративная принципиальная схема показанной на Фиг.2 архитектуры пикселя, работающей в режиме чтения;
Фиг.7 - пример расположения компонентов архитектуры пикселя с Фиг.2 в монолитной подложке;
Фиг.8 и 9 - иллюстрации примера сотового телефона с камерой, в которой применяется схема получения изображения, показанная на Фиг.1.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что элементы на чертежах проиллюстрированы для простоты и ясности, и необязательно, чтобы они были вычерчены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на чертежах могут быть увеличены относительно других элементов, чтобы облегчить понимание вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует систему получения изображения, обозначенную как целое номером 60, в которой применяется матрица 65 изображения, содержащая множество схем 70 пикселей, построенных согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения. Как показано, схемы 70 пикселей расположены в матрице 65 во множестве рядов и столбцов. Каждый ряд схем 70 пикселей может быть адресован по отдельности, и, при желании, выходные сигналы из активированного ряда могут быть считаны одновременно.
В этом примере осуществления электромагнитное излучение 75 от источника изображения направляется через линзу 80 и накладку 85 матрицы на фоточувствительные компоненты отдельных схем 70 пикселей. Накладка 85 матрицы может быть построена так, чтобы выбранные пиксели подвергались воздействию только для определенных длин волн в спектре электромагнитного излучения 75. Например, накладка 85 матрицы может селективно подвергать предопределенные пиксели 70 в матрице 65 только воздействию красного, зеленого или синего света, чтобы генерировать цветное изображение.
Схема 90 выбора ряда используется, чтобы активировать считывание схем 70 пикселей в заданном ряде матрицы 65 изображения. Выходные сигналы из схем 70 пикселей в активированном ряде предоставляются в схему 95 считывания столбца. Схема 95 считывания столбца может быть построена множеством различных образов. Например, схема 95 считывания столбца может содержать одну схему Коррелированных Двойных Выборок (КДВ), которая селективно считывает отдельные столбцы в матрице 65, когда один ряд матрицы выбирается посредством схемы 90 выбора ряда. В альтернативном примере осуществления может использоваться множество схем КДВ, так что каждый столбец матрицы 65 (или даже меньше, чем все столбцы) может быть одновременно считан соответствующей схемой КДВ. В других примерах осуществления могут использоваться схемы, предоставляющие одно считывание с каждой схемы 70 пикселя в течение одного цикла чтения, таким образом, устраняя необходимость в схеме КДВ. Предпочтительно аналоговые сигналы из схем 70 пикселей преобразуются схемой 95 считывания столбца в цифровой формат, который тогда систематизируется в кадр изображения посредством устройством 100 захвата кадра. Тайминги для различных операций, выполняемых системой 60, предпочтительно, координируются схемой 105 генератора такта и тайминга или т.п. Устройство 100 захвата кадра может само выполнять некоторое количество рутинных процедур обработки изображения (то есть компрессию изображения, улучшение и т.п.) или предоставлять данные изображения на выход 114 для обработки одной или более дополнительными системами.
Один вариант осуществления схемы 70 пикселя, подходящей для использования в матрице 65 изображения системы 60, показан на Фиг.2. По существу схема 70 пикселя состоит из полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором, фоточувствительного полупроводникового устройства 117 и схемы 120 управления пикселя. Полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором включает в себя сток 125, исток 130, управляющий затвор 135 и плавающий затвор 140. В проиллюстрированном примере осуществления фоточувствительное полупроводниковое устройство 117 может быть фотодиодом со штырьковыми выводами, которое расположено для экспозиции электромагнитному излучению от изображения, которое нужно детектировать. Фотодиод 117 проиллюстрированного примера осуществления включает в себя анод 145 и катод 150.
Схема 120 управления пикселя соединена так, чтобы переводить полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором и фотодиод 117 во множество управляемых режимов. Эти управляемые режимы включают в себя, по меньшей мере, режим стирания и режим экспозиции. В режиме стирания, по меньшей мере, часть электрического заряда удаляется с плавающего затвора 110 полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором. В течение режима стирания напряжение на фотодиоде 117 может также быть повышенным. Таким образом, как полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором, так и фотодиод 117 приводятся в исходное состояние.
В режиме экспозиции плавающий затвор 140 полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором, по меньшей мере, частично заряжается под влиянием напряжения на контакте фоточувствительного полупроводникового устройства 117. В проиллюстрированном примере осуществления плавающий затвор 140 заряжается, по меньшей мере, частично под влиянием напряжения на аноде 145 фотодиода 117. Напряжения на аноде 145 зависит от степени, в которой фотодиод 117 подвергается электромагнитному излучению от источника изображения. В частности на фотодиоде 117 будет иметь место падение напряжения, которое соответствует воздействию электромагнитного излучения. Чем больше это воздействие, которое испытывает фотодиод 117, тем больше падение напряжения, которое будет иметь место на фотодиоде 117, тем самым, уменьшая напряжение на управляющем затворе 135.
Схема 120 управления пикселя может также перевести фотодиод 117 и полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором в режим сохранения данных. В режиме сохранения данных заряд на плавающем затворе 140, полученный в течение режима экспозиции, сохраняется. Примечательно, что заряд на плавающем затворе 140 остается, как правило, постоянным, даже, несмотря на то, что падение напряжения на фотодиоде 117 может меняться. Например, после того как плавающий затвор 140 был заряжен в течение режима экспозиции, заряд может сохраняться на плавающем затворе 140 почти бесконечно, даже если фотодиод 117 продолжает подвергаться воздействию электромагнитного излучения от источника изображения.
T
GS
Схема 120 управления пикселя может также перевести фотодиод 117 и полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором в режим чтения, чтобы эффективно воспринять заряд, созданный на плавающем затворе 140 в течение режима экспозиции. В проиллюстрированном примере осуществления заряд на плавающем затворе 140 меняет пороговое напряжение V полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором. Следовательно, между управляющим затвором 135 и истоком 130 полупроводникового устройства 135 с плавающим затвором может быть предоставлено предопределенное напряжение V, чтобы создать ток 155 между стоком 125 и истоком 130, который соответствует заряду на плавающем затворе 140.
Как показано, схема 120 управления пикселя включает в себя транзисторный переключатель 160 и диод 165. Транзисторный переключатель 160 может быть полевым транзистором, таким как MOSFET (полевой транзистор с МОП-структурой) или т.п., имеющим сток 170, исток 175 и управляющий затвор 180. Управляющий затвор 180 соединен так, чтобы принимать сигнал считывания ряда из, например, схемы 90 выбора ряда с Фиг.1. Сток 170 и исток 175 MOSFET 160, соответственно, соединены с катодом 150 и анодом 145 фотодиода 117. Диод 165 включает в себя анод 180, который соединен с узлом 182, включающим в себя исток 175 MOSFET 160 и управляющий затвор 135 полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором. Диод 165 также включает в себя катод 185, который соединен, чтобы принимать сигнал сброса/стирания. Различные компоненты, используемые для генерации уровней рабочего напряжения на стоке 170, стоке 125 и истоке 130, не проиллюстрированы на Фиг.3, но они могут быть с легкостью спроектированы специалистами в данной области техники на основании изложенного здесь подробного описания различных управляемых режимов.
Фиг. 3-6 иллюстрируют архитектуру 70 пикселя с Фиг.2 в различных режимах работы, описанных выше. Установлены примеры уровней напряжения для работы в этих режимах. Тем не менее, очевидно, что конкретные уровни напряжения, необходимые для работы архитектуры 70 пикселя в различных режимах, будут зависеть от характеристик отдельных применяемых устройств.
Фиг.3 иллюстрирует архитектуру 70 пикселя в режиме стирания. В этом режиме, на стоках 170 и 125, а также на истоке 130 возбуждается напряжение +8 В, тогда как сигнал считывания ряда на затворе 180 и сигнал сброса/стирания на катоде 185 приводятся к значению напряжения -8 В. Вследствие этого полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором и MOSFET 160 переводятся в непроводящее состояние, так что ток 155 и ток 195 примерно равны нулю. Диод 165 подвергается прямому смещению, чтобы разрядить плавающий затвор 140. По меньшей мере, часть результирующего тока разряда обозначена стрелкой 200. Дополнительно фотодиод 117 заряжается в исходное состояние, где падение напряжения на нем составляет примерно 15,2 В постоянного напряжения.
Фиг.4 иллюстрирует архитектуру 70 пикселя в режиме экспозиции. В этом режиме на стоке 125 и на катоде 185 возбуждается напряжение +8 В, тогда как сигнал считывания ряда на затворе 180 и напряжение на исток 130 приводятся к значению 0 В. Вследствие этого MOSFET 160 и диод 165 переводятся в непроводящее состояние, так что ток 195 и ток 200 примерно равны нулю. Дополнительно уровни напряжения на стоке 170 и катоде 150 повышаются до уровня "напряжения программирования" в +12 В. Фотодиод 117 подвергается электромагнитному излучению 75, которое вызывает соответствующее падение напряжения между катодом 150 и анодом 145. Напряжение на управляющем затворе 135 отражает это падение напряжения и, следовательно, соответствует количеству электромагнитного излучения, детектированного на фотодиоде 117. Это напряжение управляющего затвора в свою очередь определяет количество заряда, генерируемого на плавающем затворе 140 в течение режима экспозиции.
Фиг.5 иллюстрирует архитектуру 70 пикселя в режиме сохранения данных. В этом режиме на стоке 125 и на катоде 18 возбуждается напряжение +8 В, тогда как сигнал считывания ряда на затворе 180 и напряжение на истоке 130 приводятся к значению 0 В. Вследствие этого MOSFET 165 и диод 165 переводятся в непроводящее состояние, так что ток 195 и ток 200 примерно равны нулю. Уровень напряжения на катоде 150 фотодиода 117 уменьшается до +8 В, тем самым, предотвращая дальнейшее накопление заряда на плавающем затворе 140. Сверх того, цепь стока 125 размыкается или иным образом соединяется на нагрузку с высоким полным сопротивлением, чтобы предотвратить прохождение тока через полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором. Ток 155, следовательно, примерно равен нулю. В этом состоянии заряд на плавающем затворе 140 может сохраняться относительно постоянным в течение длительного периода времени. Поскольку заряд на плавающем затворе 140 может удерживаться в отдельных схемах 70 пикселей матрицы 65 изображения, требования к обработке изображения, накладываемые на периферийные схемы (в случае их присутствия), могут быть смягчены. Стоимость и сложность любых таких периферийных схем обработки изображения, следовательно, могут быть уменьшены, при желании.
GS
Фиг.6 иллюстрирует архитектуру 70 пикселя в режиме чтения. В этом режиме на стоках 170 и 125, на затворе 180 и на катоде 185 возбуждается напряжение +8 В, тогда как на истоке 130 напряжение составляет 0 В. Это приводит к тому, что на управляющем затворе 135 возбуждается фиксированное напряжение, которое относительно истока 130 составляет примерно +8 В. По существу V примерно равно +8 В, а ток 155, протекающий через выход пикселя, соответствует заряду на плавающем затворе 140. Преобразование тока 155 в соответствующий цифровой сигнал может происходить в схеме 95 считывания столбца, которая может быть реализована множеством различных способов, которые будут очевидны специалистам в данной области техники.
Архитектура 70 пикселя с легкостью реализуется в монолитной подложке. В частности архитектура 70 пикселя может быть изготовлена, используя существующие процессы производства КМОП, чтобы формировать матрицу 65 изображения, показанную на Фиг.1. Фиг.7 представляется собой пример расположения компонентов архитектуры 70 пикселя в монолитной подложке. Тем не менее, очевидно, что могут применяться другие расположения. Сверх того, любой из периферийных компонентов, такой как схема 90 выбора ряда, схема 95 считывания столбца, устройство 100 захвата кадра и генератор 105 такта и тайминга с Фиг.1, может быть схожим образом интегрирован с матрицей 65 изображения в монолитной подложке.
Поскольку архитектура 70 пикселя централизована вокруг полупроводникового устройства 115 с плавающим затвором, пиксель, включающий в себя компоненты, необходимые для осуществления глобального сброса, может быть реализован с меньшим количеством компонентов по сравнению с архитектурой пикселя 5T (пять транзисторов). В конкретной архитектуре схемы пикселя, показанной на Фиг.2, в сочетании с фотодиодом 117 используются только два транзистора 115 и 160, а также один диод 165, что облегчает структуру 2T1D (два транзистора один диод). Используя полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором, становится возможным переводить схему 70 пикселя в различные управляемые режимы путем манипулирования уровнями напряжения, подаваемого на компоненты схемы пикселя, а не путем добавления вспомогательных переключающих транзисторов для выполнения тех же операций.
Уменьшение количества компонентов, применяемых для реализации схемы 70 пикселя, может быть использовано для достижения различных целей. Например, схема 70 пикселя может быть изготовлена так, что ее коэффициент заполнения будет сравним с таковыми обычных архитектур 3T (три транзистора) датчика изображения КМОП. Сверх того, схема 70 может быть реализована так, что она будет иметь значительно большую чувствительность и более широкий динамический диапазон по сравнению с архитектурами 4T и 5T датчика изображения КМОП. Как раскрыто в данном документе, в течение режима экспозиции в схеме 70 пикселя могут применяться высокие рабочие напряжения, тем самым, улучшая характеристику фотодиода 117 и делая ее сравнимой с характеристикой схожих датчиков изображения ПЗС.
Схема 70 пикселя может также быть реализована так, чтобы режим чтения был похож на способы считывания, применяемые в обычных датчиках изображения КМОП. Например, каждая схема 70 пикселя может быть адресована по отдельности, чтобы достичь тех же преимуществ кадрирования и субдискретизации, которые существуют в обычных датчиках КМОП, тем самым, устраняется необходимость в значительном объеме дополнительного проектирования соответствующих периферийных компонентов считывания. Сверх того, полупроводниковое устройство 115 с плавающим затвором не имеет проблемы утечки заряда, а также проблем рекомбинации заряда в результате излучения вне диапазона видимого света. Соответственно она не имеет проблем затухания, связанных с архитектурой 5T КМОП.
На Фиг. 8 и 9 показан один вариант осуществления сотового телефона 205, который может включать в себя камеру, в которой используется система 60 получения изображения. Как показано, телефон 205 включает в себя систему 210 камеры, клавиатуру 215, управляющие клавиши 220 и дисплей 225. Как упомянуто выше, система 60 получения изображения принимает электромагнитное излучение от источника изображения сквозь линзу 80. Полученное изображение может быть предоставлено во встроенную систему 230 обработки изображения или напрямую на дисплей 225 (то есть, для реализации функции видоискателя и т.п.). Обработанные изображения могут быть сохранены в устройстве 235 хранения изображений и предоставлены на дисплей 225 в ответ на пользовательские команды. Сверх того, изображения из устройства 235 хранения изображений могут быть считаны для предоставления в персональный компьютер или т.п. через линию 240 связи.
В рамках основных идей настоящего изобретения могут быть выполнены многочисленные модификации вышеописанной системы. Несмотря на то что настоящее изобретение было описано достаточно подробно со ссылкой на один или более конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в них могут быть выполнены изменения в рамках объема и сущности настоящего изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.