CN100399806C - 在积分周期内传输门具有正电压的图像传感器及像素 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种像素及图像传感器，其具有两种工作模式：正常模式和低光照模式。本发明基于图像传感器上的光照量在正常模式和低光照模式之间选择。一旦光照水平被确定，通过将光照水平与一个阈值进行比较，便可确定以正常模式或以低光照模式工作。在低光照模式，复位晶体管(3T像素)或传输晶体管(4T像素)产生正偏置。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明所涉及的图像传感器采用一种在低光照条件下能在光电二极管积分周期内保持正的传输门(或3T像素中的复位门)电压的像素。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
对于图像传感器而言，限制“热像素”是一个永恒的挑战。所谓的“热像素”是那些在没有入射光线时仍然输出信号的像素。热像素的问题在较长的积分周期(如较长的曝光时间)时尤其严重。热像素问题与暗电流密切相关。如下文的进一步详细描述，在四晶体管(4T)像素的结构中，据认为传输晶体管的传输门下方的区域是暗电流的主要来源。
限制暗电流的一个方法是在传输门采用负电势。如果传输门保持负电势，空穴将会累积在传输门。这会淬灭产生的电子，从而显著减小了暗电流和热像素的影响。然而，将负电势应用于传输门将会降低抗浮散(anti-blooming)的性能。在负电势的情况下，传输门被完全关闭。在图像阵列的任何像素上有明亮的入射光源时，那么那些像素上产生的光电荷(photocharge)不会从传输门流动到漂浮节点，从而也不会从那里通过复位晶体管到达Vdd漏极。相反地，所产生的较大量的光电荷会流向邻近的光电二极管，导致图像上出现较大的白点(即“浮散”(blooming))。
另一方面，如果传输门保持正电势，就会有一条通过传输晶体管到达Vdd漏极的简便通道，因为传输晶体管被部分打开。然而，在这种情况下，光电二极管的阱容量将减小。
发明内容
为了解决上述问题，一方面，本发明提供了一种针对4T或4T以上的有源像素，其包括：
形成于半导体基体上的感光元件；以及
形成于该感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管，该传输晶体管选择性地将信号从该感光元件传输至该漂浮节点，其中，该传输晶体管在积分周期内第一工作模式下向正电压方向偏置。
上述有源像素中，感光元件可为光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。其中，传输晶体管在积分周期内第二工作模式下被关闭；而且，在入射光照量较低时采用第一工作模式，在入射光照量正常时采用第二工作模式。
上述的像素可进一步包括由漂浮节点控制的放大晶体管，该放大晶体管将放大的信号值输出到列位线。
上述的像素还可进一步包括可将漂浮节点恢复到参考电压的复位晶体管。
上述的像素中，传输晶体管可以向正电压方向偏置，使得其在积分周期内被部分开启。
上述的像素可以被集成于一CMOS图像传感器内，而且可以为4T、5T、6T或7T像素结构的一部分。
本发明还提供了另一种针对3T的有源像素，其包括：
形成于半导体基体上并连接到一节点的感光元件；以及
一连接于该节点与一参考电压之间的复位晶体管，该复位晶体管可将所述该复位至该参考电压，该复位晶体管在积分周期内第一种工作模式下向正电压方向偏置。其中，复位晶体管在积分周期内第二工作模式下被关闭。
另一方面，本发明提供了一种操作图像传感器像素的方法，该像素包括感光元件、形成于感光元件与一漂浮节点之间的并将信号从感光元件传输至漂浮节点的传输晶体管以及由位于漂浮节点的信号调整的放大晶体管，该方法包括：
确定入射光照量；
如果光照量较低，在积分周期内部分地将传输晶体管开启；以及
如果光照量正常，在所述积分周期内基本上将传输晶体管关闭。
类似地，本发明的又一实施方式提供了一种操作图像传感器3T像素的方法，该像素包括连接到节点的感光元件、形成于节点与一参考电压之间的复位晶体管以及由位于节点的信号调整的放大晶体管，该方法包括：
确定入射光照量；
如果光照量较低，在积分周期内部分地将复位晶体管开启；以及
如果光照量正常，在积分周期内基本上将复位晶体管关闭。
本发明的有益效果是：本发明的像素在低光照模式，其复位晶体管或传输晶体管产生正偏置，这样既限制了暗电流，又不会使阱容量减小，从而提高了图像的质量。
附图说明
图1是三晶体管(3T)有源像素的示意图。
图2是四晶体管(4T)有源像素的示意图
图3是图2中4T有源像素的操作方法流程图。
图4是采用本发明的有源像素及方法形成的图像传感器。
图5是在正常光照条件下传输晶体管(4T像素)或复位晶体管(3T像素)的工作计时图。
图6是在低光照条件下传输晶体管(4T像素)或复位晶体管(3T像素)的工作计时图。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节以实现对本发明具体实施方式的透彻理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1显示了使用三晶体管的CMOS(互补金属氧化物半导体)有源像素。在本领域中也叫做3T有源像素。感光元件101输出用来调整放大晶体管105的信号。该信号被“放置”于连接到放大晶体管105的门的节点处。因此，放大晶体管105为源极随偶结构。感光元件101可为下列各种器件之一，包括但不限于光电门(photogate)、光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管等。
在积分周期(也称为曝光或积累周期)，感光元件101捕捉入射到像素上的光线，并输出可表示入射到感光元件101上光线量的信号。该信号(其为感光元件101产生的电荷的积累)被储存于连接到放大晶体管105的门的节点A处。随后，储存于节点A的信号被用于调整放大晶体管105。在积分周期后，复位晶体管103被用于在下一个积分周期开始之前将节点A恢复到一个参考电压。最后，行选择晶体管107用以定位像素并选择性地在列位线109上读出信号。
图2与图1中的3T有源像素在许多方面相似，只是其包括一个额外的、用于将感光元件101输出的信号传输至漂浮节点B的传输晶体管201。这种结构设计也叫做四晶体管或4T像素。工作时，在积分周期内，因为传输晶体管201关闭，感光元件101产生电荷并保持在该感光元件处。在积分周期之后，传输晶体管201被打开(利用传输门)，将信号传输到漂浮节点B。在信号被传输到漂浮节点B后，传输晶体管201再一次被关闭以开始下一个积分周期。因此，传输晶体管201周期性地打开和关闭，从而将每个积分周期的信号传输到漂浮节点B。
漂浮节点B上的信号随后被用于调整放大晶体管105。而且，在通过列位线109读取信号之后，复位晶体管103将漂浮节点B恢复到一个参考电压，在本实施方案中，该参考电压为Vdd。
本发明可同样地用于以上所述的3T或4T设计，也可用于5T、6T以及其它被固态图像传感器采用的设计。特别地，本发明可以使像素(即图像传感器)具有二种工作模式。在低光照条件下，传输门(4T、5T、6T及其它任何具有传输门的像素设计的情况)上保持较小的正电压。在正常光照条件下，像素正常工作，传输门上的电压大约为0.0伏特。同样地，对于3T像素，在低光照条件下，复位晶体管103的复位门上保持较小的正电压。在正常光照条件下，像素正常工作，复位门上的电压为0.0伏特。
本发明有源像素的结构基本上与图1或2中所示的结构相同。不过，正如下文的详细描述，图像传感器及图像传感器内的有源像素是如此控制的，使得其工作时在不同的光照条件下像素表现不同。
请参考图3，其显示了本发明的方法流程图。首先，在方框301中，对入射到图像传感器(即像素)的光照水平进行检测。这可用任何已知的方法来实现。例如，可以检测图像传感器输出的亮度大小。本领域的普通技术人员都知道，几乎每个图像传感器都设计有自动增益控制和曝光控制的电路。通过确定像素的信号输出的大小，就可以确定周围光照的水平。另外，可以检测被处理过的图像传感器的输出，以确定相应的周围光照情况。再者，还可以采用一个设置在图像传感器的图像区域之外的专门光敏感装置，来监测图像传感器上的入射光线的数量。
接下来，在方框303内，将方框301内确定的光照水平与一阈值进行比较，例如在一实施方案中采用了比较电路。该阈值是在“低光照水平”工作模式和“正常光照水平”工作模式之间进行转换的触发器。阈值所对应的精确点可依据设计的考虑、参数和图像传感器的特性而变化，甚至可以依照图像传感器使用者的判断而予以调整。无论如何变化，阈值都是用来在“低光照水平”和“正常光照水平”工作模式之间划定界限。同理，其它类型的触发器也可以用来在“低光照水平”和“正常光照水平”工作模式之间进行转换。在“低光照水平”和“正常光照水平”工作模式之间进行转换的精确机制并非本发明的关键。
如果在方框301内确定的光照水平低于阈值，则在方框307内，传输晶体管(或3T像素情况时的复位晶体管)在积分周期内向正电压偏转一定大小Vtx_lo_dark。在一实施方案中，Vtx_lo_dark为0.5伏特。然而，Vtx_lo_dark的精确值将会因制造图像传感器的具体工艺的不同(例如90纳米CMOS)而不同，并可以在稍高于0.0伏特与刚低于晶体管完全打开之间的电压变化。
在4T像素情况下，在将光电二极管信号传输到漂浮节点的读取周期内，传输晶体管偏转到Vtx_hi，其使传输晶体管完全打开。在某些实施方案中，Vtx_hi可以为1.3伏特、1.8伏特、2.3伏特、2.8伏特或3.3伏特。换言之，Vtx_hi是积分电路中晶体管的开启电压，具体的电压值会因为具体的积分电路而不同。一般地，Vtx_hi可简单地为积分电路电源轨道Vdd(Vdd power supply rail)。在其它实施方案中，如果采用自举或电荷泵电路(bootstrapping or charge pump circuit)，Vtx_hi甚至可能高于电源轨道Vdd。图6是传输晶体管控制计时的一实例。在积分周期601内，传输晶体管保持在Vtx_lo_dark。然后，在读取周期603内，传输晶体管偏转为Vtx_hi。应注意，在3T像素的情况下，上述计时控制适用于复位晶体管103。
然而，如果光照水平高于阈值，则在方框305，像素正常工作，Vtx_lo_norm为或接近0.0伏特。因此，传输晶体管(或3T像素的复位晶体管)在积分周期内保持在Vtx_lo_norm。在一个实施方案中，Vtx_lo_norm是0.0伏特。
在4T像素的情况下，在将光电二极管信号传输到漂浮节点的读取周期内，传输晶体管偏转为Vtx_hi，传输晶体管被完全打开。图5传输晶体管控制计时的一实例。图中可见，在积分周期501内，传输晶体管保持在Vtx_lo_norm。然后，在读取周期503内，传输晶体管偏转为Vtx_hi。应注意，在3T像素的情况下，上述计时控制适用于复位晶体管103。
此外，可以理解，Vrx_lo_dark、Vtx_lo_norm以及Vrx_hi的精确值可以随着具体设备和系统性能的不同而不同，也随着制造图像传感器的工艺不同而不同。然而，Vtx_lo_dark一般大于Vtx_lo_norm。
为了理解为什么上述的计时和电压偏置组合是有利的，可对像素工作做进一步分析。如果周围光照为正常(或非低光照)，图像传感器的增益一般为1.0。在这类情况下，因为积分周期相对较短，暗电流和热像素的产生不是重要问题。
然而，在低光照条件下，图像传感器增益增加，例如增加到1.5，因为传输晶体管或复位晶体管(3T像素)部分开启，所以图像浮散(blooming)增大。而且，因为增益大于1.0，所以总阱容量不会减小，而且图像传感器不会利用到光电二极管的总阱容量。例如，如果增益是2.0，因为在较高增益时的信号摆动限制，所以图像传感器仅仅有效地利用了光电二极管总阱容量的一半。因此，传输晶体管或复位晶体管(3T像素)部分在积分周期内“开启”，增益大于1.0，这不会减小图像传感器的信噪比。
暗电流和热像素密度缺陷也得以改善。在低光照条件下，正偏置所带来的传输门下电子产生的增长，导致了性能地改善。因为传输晶体管或复位晶体管(3T像素)“开启”，传输门下产生的电荷流向漂浮节点。作为读取计时的一部分，漂浮节点被复位，且当复位晶体管103开启以复位漂浮节点的电势时，所有这些产生的电荷通过复位晶体管103摆动到Vdd。这样，暗电流和热像素密度缺陷得以改善。在3T像素的情况下，复位晶体管部分开启，允许产生的电荷流到Vdd。
因此，如上面所述，按照本发明得到的像素及图像传感器具有二个工作模式：正常的模式和低光照模式。本发明可以依据图像传感器上的光照量从正常模式转换到低光照模式。图像传感器上的光照量可通过多种方法确定，而且任何确定光照水平的方法均可容易地应用于本发明。一旦光照水平被确定，通过将光照水平与一阈值进行比较，便可确定是以正常模式还是以低光照模式工作。在低光照模式时，复位晶体管(对于3T像素)或传输晶体管(对于4T像素)向正电压方向偏转(或偏置)。
上述有源像素可被用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列。图4显示了一种按本发明形成的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器包括传感器阵列1103、处理电路1105、输入/输出电路(I/O)1107、记忆元件1109和总线1111。优选地，每个组成元件可成形于单独的硅基体上，并采用标准的CMOS工艺集成制造于一个独立的芯片上。
传感器阵列1103可以采用基本上近似于本发明申请人所制造的图像传感器的传感器阵列，如OV5610或OV7640，只是要用本发明的有源像素进行替代。
前面的申请文件的描述仅是对本发明的介绍，不能认为是对本发明的限制。在本发明实施方案的基础上可能进行的变化或者修改，以及应用替换或者各种元件的等价替换方式将本领域的熟知的普通技术应用于本发明实施方案。这些方式以及对本发明实施方案的其它变换和修改都不算脱离本发明的范围和创作宗旨。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方案只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。
Claims (22)
1.一种有源像素，其包括：
形成于半导体基体上的感光元件；以及
形成于所述感光元件与一漂浮节点之间的传输晶体管；其中，在积分周期内，该传输晶体管具有向正电压方向偏置的第一工作模式和被关闭的第二工作模式；所述传输晶体管能将信号从所述感光元件传输至所述漂浮节点。
2.如权利要求1所述的像素，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
3.如权利要求1所述的像素，其中，在入射光照量低于设定的阈值时采用所述的第一工作模式。
4.如权利要求1所述的像素，其中，在入射光照量高于设定的阈值时采用所述的第二工作模式。
5.如权利要求1所述的像素，其进一步包括由所述漂浮节点控制的放大晶体管，其中，该放大晶体管将放大的信号值输出到列位线。
6.如权利要求1所述的像素，其进一步包括可将所述漂浮节点恢复到参考电压的复位晶体管。
7.如权利要求1所述的像素，其中，所述传输晶体管向正电压方向偏置，使得所述传输晶体管在所述的积分周期内被部分开启。
8.如权利要求1所述的像素，其中，所述的像素被集成于一CMOS图像传感器内。
9.如权利要求1所述的像素，其中，所述的像素为4T、5T、6T或7T像素结构的一部分。
10.一种有源像素，其包括：
形成于半导体基体上并连接到一节点的感光元件；以及
一连接于所述节点与一参考电压之间的复位晶体管，该复位晶体管可将所述节点复位至所述参考电压；其中，在积分周期内，所述复位晶体管具有向正电压方向偏置的第一工作模式和被关闭的第二工作模式。
11.如权利要求11所述的像素，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
12.如权利要求10所述的像素，其中，在入射光照量低于设定的阈值时采用所述的第一工作模式。
13.如权利要求10所述的像素，其中，在入射光照量高于设定的阈值时采用所述的第二工作模式。
14.如权利要求10所述的像素，其进一步包括由所述节点控制的放大晶体管，该放大晶体管将放大的信号值输出到列位线。
15.如权利要求10所述的像素，其中，所述的像素被集成于一CMOS图像传感器内。
16.一种操作图像传感器像素的方法，所述的像素包括感光元件、形成于所述感光元件与一漂浮节点之间的并将信号从所述感光元件传输至所述漂浮节点的传输晶体管以及由位于所述漂浮节点的信号调整的放大晶体管，所述方法包括：
确定入射光照量；
如果所述光照量低于设定的阈值，在积分周期内部分地将所述传输晶体管开启；以及
如果所述光照量高于设定的阈值，在所述积分周期内基本上将所述传输晶体管关闭。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述的放大晶体管将放大的信号值输出到列位线。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述的像素进一步包括可将所述漂浮节点恢复到参考电压的复位晶体管。
20.一种操作图像传感器像素的方法，所述像素包括连接到一节点的感光元件、形成于所述节点与一参考电压之间的复位晶体管以及由位于所述节点的信号调整的放大晶体管，所述方法包括：
确定入射光照量；
如果所述光照量低于设定的阈值，在积分周期内部分地将所述复位晶体管开启；以及
如果所述光照量高于设定的阈值，在所述积分周期内基本上将所述复位晶体管关闭。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述感光元件选自于光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或光电门。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述的放大晶体管将放大的信号值输出到列位线。
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