CN101212580A

CN101212580A - Cmos图像传感器

Info

Publication number: CN101212580A
Application number: CNA2007101610989A
Authority: CN
Inventors: 张炳琸
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2008-07-02
Also published as: KR100829383B1; US20080157151A1

Abstract

本发明的实施例涉及CMOS图像传感器。详细地，CMOS图像传感器可具有改进的灵敏度。该CMOS图像传感器包括在半导体衬底上的光电二极管，包括连接到光电二极管的栅极、第一接地电极以及连接到电流检测器的第二电极的驱动晶体管，连接在光电二极管和栅极之间以将光电二极管中生成的电压或电荷施加到栅极的转移晶体管，在第二电极和电流检测器之间的可选的选择晶体管，以及连接到电力线的、被配置成复位光电二极管的可选的复位晶体管。因此，该CMOS图像传感器可无实质性衰减地读取光电检测器的输出。

Description

CMOS图像传感器

背景技术

一般而言，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体装置。图像传感器可被分类成电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器：在电荷耦合器件(CCD)图像传感器中，各个金属氧化物硅(MOS)电容器被彼此紧密地放置使得电荷载体被存储在电容器中或从电容器排出；CMOS图像传感器采用开关模式(switching mode)通过向各像素提供预定数量的MOS晶体管来顺序检测像素输出，该CMOS图像传感器使用CMOS技术以及使用如控制电路和信号处理电路的外围装置来制造。

将有关对象的信息转换成电信号的CMOS图像传感器包括信号处理芯片，该信号处理芯片在一个芯片上具有光电二极管、放大器、A/D转换器、内部电压发生器、定时发生器以及数字逻辑。因此，该CMOS图像传感器在空间、功率以及成本降低方面特别有优势。CCD是通过专门的处理来制造的。然而，该CMOS图像传感器通过在廉价的硅片上使用CMOS处理可被大量制造，并且在集成度方面有优势。

在CMOS图像传感器中，光通过存储在光电二极管中的电荷被转换成电信号。当由于黑暗入射光量不足时，减少的电荷量被存储在光电二极管中，所以输出信号可能不能从噪声中辨别出。

发明内容

示例性CMOS图像传感器可包括在半导体衬底上的光电二极管；包括连接到光电二极管的栅极、第一接地电极以及连接到电流检测器的第二电极的驱动晶体管；连接在光电二极管和栅极之间的转移晶体管，被配置成将在光电二极管中生成的电压或电荷施加到栅极；在第二电极和电流检测器之间的可选的选择晶体管；以及连接到电力线的被配置成复位光电二极管的可选的复位晶体管。

附图说明

图1是示出具有四个晶体管的电压检测型CMOS图像传感器的单元像素的电路图；以及

图2是示出根据本发明实施例的电流检测型CMOS图像传感器的单元像素的等效电路图。

图3是CMOS图像传感器的部分电路的示意图。

图4是CMOS图像传感器的部分电路的示意图。

具体实施方式

图1是示出根据实施例的具有四个晶体管的电压检测型CMOS图像传感器的单元像素的电路图。

如图1所示，电压检测型CMOS图像传感器包括光电检测器100、转移晶体管101、复位晶体管103、驱动晶体管104以及选择晶体管105。光电检测器100包括从光能(例如，光)生成电荷的光电二极管，且转移晶体管Tx 101在其栅极接收使能或读信号并且当该使能或读信号有效时，将在光电检测器100中收集的电荷运送到浮动扩散区FD 102。复位晶体管103通过在其栅极接收复位信号、设置FD区102的电压到期望的电平(例如，VDD)以及排出FD区102的电荷来复位FD区102。驱动晶体管104在其栅极接收FD区102的电压，并因此用作源极跟随器(以及可选地，缓冲放大器)，且选择晶体管105响应寻址函数(其可在CMOS图像传感器的其它地方生成和/或执行)输出来自驱动晶体管Dx104的电压。

当要被读取的单元像素的选择晶体管105和转移晶体管101接通时，电压检测型CMOS图像传感器可读取光电检测器100的电压。在这种状态下，当复位晶体管103接通时，光电检测器100的电压被初始化。然后，如果从光电检测器100的电压减去该初始化的电压(或从初始化的电压减去光电检测器100的电压)，作为结果的值变为与上次复位后在光电检测器100中累积的光量成比例的电压值。这种读取和比较复位前和复位后的电压的方案可有效消除在图像传感器的单元像素中由装置变化所引起的不利影响。

由于驱动晶体管104用作源极跟随器，该驱动晶体管104的漏极电压随光电检测器100的输出电压增加而增加(或随光电检测器100的电荷量的减少而减少)。因为该驱动晶体管104的本体(body)被固定到地GND，体效应随该驱动晶体管104的源电压增加而增加，所以该驱动晶体管104的门限电压增加。因此，光电检测器100中的电压变化，特别是光电检测器100中的小电压可能不会被直接转移到驱动晶体管104的漏极。

本发明的实施例可通过将光电检测器的电压转换成电流并输出该电流来提供具有改进的灵敏度的CMOS图像传感器。

在下文中，将结合附图详细说明根据其它实施例的CMOS图像传感器。

图2是示出根据其它实施例的电流检测型CMOS图像传感器的单元像素的等效电路图。

如图2所示，该电流检测型CMOS图像传感器包括光电检测器200、转移晶体管201、复位晶体管203、驱动晶体管204、以及选择晶体管205。该光电检测器200包括由光能生成电荷的光电二极管，且转移晶体管201在其栅极接收信号并将在光电检测器200中收集的电荷转移到FD区202。复位晶体管203通过在其栅极接收复位信号、设置FD区202的电压到期望的电平(例如，VDD或地)以及排出FD区202的电荷来复位FD区202。可替选地，复位晶体管203的与FD区202相对的端子可被耦合到不同的功率轨(power rail)(例如，VCC)或基准电压，诸如VCC/2(使驱动晶体管204处于相对线性响应范围的电压)。驱动晶体管204在其栅极从FD区202接收信号并用作源极跟随器(以及可选地，缓冲放大器)，且选择晶体管205响应寻址函数(其可在CMOS图像传感器的其它地方生成和/或执行)输出来自驱动晶体管Dx 204的电压。

为了提高CMOS图像传感器的灵敏度，驱动晶体管204的源极接地，且电流检测器206连接到驱动晶体管204的漏极以测量单元像素的电流输出，使得当读取光电检测器200的输出电压时可减少、避免或防止体效应。

由于CMOS图像传感器具有上述结构，来自单元像素的输出信号以电流形式，而不是电压的形式发送。因此，与输出信号是电压的形式的情况相比，该输出信号相对于芯片中的噪声具有强的特性，所以该输出信号可在放大器中以高比率放大，从而可相对容易地检测存储在光电检测器200中(甚至在低电平情况下)的光电荷的微小的差别。

此外，因为与以电压的形式读取输出信号的情况相比，在电流检测的情况下，通过加或减预定的值容易实现DC电平调整，所以可容易地实现模拟电路设计。例如，该电流检测器可以是传统模拟或数字电流检测器(在后者情况，该检测器还可包括模数转换器[ADC])。

在上述驱动晶体管204的情况下，与栅极电压的平方成比例的电流流过在饱和状态的驱动晶体管204，因此在黑暗的状态下(例如，在光电检测器200的高压状态)可容易读取微小的值。

根据相关的电压检测型CMOS图像传感器，由于恒定电流在驱动晶体管204的源极中流动，光电检测器200的电压必须高于该驱动晶体管204的门限电压以确保电流源(current source)的操作。然而，根据电流检测型CMOS图像传感器(例如，如图2所示)，由于即使当驱动晶体管204的栅极电压低于该驱动晶体管204的门限电压时仍然有漏极电流流过，光电检测器200的输出值可被读取。结果，基本上光电检测器200的所有输出电压可被读取，并且像素的噪声门限比电压检测型图像传感器小得多。

为了将输出值从电流转换成电压，如图3所示，CMOS图像传感器可包括电流-电压转换器208以及用于输出检测电压(例如，作为单比特或多比特数字信号)的电压检测器210。在可替代实施例中，传统的模数转换器可代替输出框206′(参见图3)。如图4所述，具有(例如，与驱动晶体管204)相同的电流-电压特性的MOSFBT以二极管(例如，其栅极与漏极相连的晶体管208′)的形式构造，并且电流Vout被提供给二极管208′，使得可(例如，在电压检测器210中)获得该光电检测器的电压。还可通过CMOS图像传感器中的信号处理逻辑对电压检测器210的输出进行处理以生成图像数据文件，用于随后在图像查看终端(例如，计算机监视器、便携式电话或PDA显示屏、机动车辆中的查看屏等)上显示。

当要读取的单元像素的选择晶体管205和转移晶体管201接通时，该电流-电压检测型CMOS图像传感器可读取光电检测器200的输出。在这种状态，当复位晶体管203接通时，该光电检测器200的输出被初始化。然后，如果从光电检测器200的电压减去该初始化的电压(或反过来，这取决于在复位晶体管203的漏极的电压)，作为结果的值变成与上次复位后在光电检测器200所累积的光量成比例的电压。

读取并比较复位前和复位后的输出信号，使得可有效消除在单元像素中的由装置变化所引起的不利影响。也就是说，根据该电流-电压检测型CMOS图像传感器，光电检测器200的输出可被无衰减地读取，并以电流的形式发送，因此该输出信号相对于芯片中的噪声具有强的特性。

此外，由于噪声分量相对小，当输出信号小时，可以以高比率放大该输出信号。另外，由于该输出信号以电流的形式发送，随后级的模拟电路设计相对容易。

此外，基本上光电检测器200的所有值都可无衰减地发送，并且在低亮度时可精确读取光电检测器200的输出。

本发明的实施例可具有以下优点。第一，该CMOS图像传感器可无衰减地读取光电检测器的输出，且以电流的形式发送该光电检测器的输出，因此该输出信号相对于芯片中的噪声具有强的特性。此外，由于噪声分量相对小，当该输出信号小时，可以以高比率放大该输出信号。另外，由于该输出信号以电流的形式发送，随后级的模拟电路设计相对容易。

第二，基本上该光电检测器的所有值都能无明显衰减地发送，并且在低亮度时可精确读取该光电检测器的输出。

第三，该CMOS图像传感器以电流的形式输出光电检测器电荷，从而改进了该传感器的灵敏度及其动态范围。

在该说明书中任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等意味着结合该实施例说明的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。这些短语在该说明书中的不同地方的出现不一定都指同一个实施例。此外，当结合任何实施例对特定特征、结构或特性进行说明时，认为结合其它实施例来实现该特征、结构或特性在本领域技术人员的范围内。

虽然参照其许多示例性实施例说明了实施例，但是应理解本领域技术人员可设计落入说明书的原理的精神及范围内的许多其它修改和实施例。更特别地，在说明书、附图及所附权利要求的范围内可对部件和/或对象组合排列的布置进行变形以及修改。除了对组件和/或配置的变形以及修改之外，对本领域技术人员来说替选使用也是清楚的。

Claims

1.一种CMOS图像传感器，包括：

在半导体衬底上的光电二极管；

驱动晶体管，包括连接到所述光电二极管的输出的栅极，第一接地电极，以及连接到电流检测器的第二电极；以及

在所述光电二极管和所述栅极之间的转移晶体管，将在所述光电二极管中生成的电压或电荷施加到所述栅极。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括在所述第二电极和所述电流检测器之间的选择晶体管。

3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括复位晶体管，其连接到电力线并被配置成复位所述光电二极管。

4.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，还包括复位晶体管，其连接到电力线并被配置成复位所述光电二极管。

5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述光电二极管的输出是浮动扩散区。

6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，还包括复位晶体管，其连接到功率轨并被配置成复位所述浮动扩散区。

7.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中所述浮动扩散区也是在所述转移晶体管的输出与所述栅极之间的节点。

8.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述驱动晶体管的第二电极连接到二极管。

9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器，其中所述二极管包括晶体管，在该晶体管中栅极与漏极相互连接。

10.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述光电二极管的输出通过所述驱动晶体管被转换成电流。

11.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中当所述驱动晶体管的栅极电压小于所述驱动晶体管的门限电压时，漏极电流流动。

12.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中与栅极电压的平方成比例的电流在饱和状态的所述驱动晶体管中流动。

13.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述转移晶体管将来自所述光电二极管的电荷转移到浮动扩散区。

14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器，其中所述复位晶体管通过排出来自所述浮动扩散区的电荷来复位所述光电二极管。

15.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述驱动晶体管用作源极跟随器。

16.如权利要求15所述的CMOS图像传感器，其中所述驱动晶体管还用作缓冲放大器。

17.如权利要求8所述的CMOS图像传感器，其中所述二极管将所述驱动晶体管的输出电流转换成电压。