CN101438576A - 使用光电二极管的cmos图像传感器像素 - Google Patents

使用光电二极管的cmos图像传感器像素 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器，包括：积累对应于接收的入射光的电荷的光敏区域；用于传输来自光敏区域的所有或一部分电荷的传输门；具有被施加到传输门的、随时间过去增加的电压的电压供给；用于接收所述来自光敏区域的所有或一部分电荷并将所述电荷转换成电压的浮动扩散；用于接收并放大来自浮动扩散的信号的放大器；用于探测来自放大器的电压脉冲的脉冲探测器；和用于计数增加的电压的启动之间的时钟周期直到从探测器接收到表示从光敏区域到浮动扩散的电荷传输的启动的信号为止的计数器。

Description

使用光电二极管的CMOS图像传感器像素
技术领域
本发明总体上涉及图像传感器领域，更具体地说，涉及这样的CMOS图像传感器，其中图像信号在从像素阵列输出之后立即被转换成数字信号。
背景技术
CMOS图像传感器的趋势之一是像素尺寸的持续按比例缩小。目前的CMOS图像传感器都具有相同或相近的结构：在每个像素中的光敏器件例如光电二极管FD和光电门用于将光信号转换成电信号、将电荷转换成电压的浮动扩散(FD)电容器、和从大输出总线电容缓冲浮动扩散电容并将电信号发出像素阵列的放大器。像素输出信号摆幅初步由FD电容确定并且电荷数量可以被PD捕获。电荷的最大数量与光电二极管的尺寸成比例。为了保持传感器性能，需要大的PD尺寸和PD尺寸与像素尺寸之间的最小比率(>30％)或填充因子，其限制了像素尺寸的进一步减小。在本发明中，光电二极管电势，而不是浮动扩散处的电压，用作图像信号并被转换成数字信号使得像素尺寸和填充因子的降低都可以被实现而不会影响传感器性能。
发明内容
本发明目的在于克服上述问题中的一个或多个。简而言之，根据本发明的一个方面，本发明包括图像传感器，该图像传感器包括积累对应于接收的入射光的电荷的光敏区域；用于传输来自光敏区域的所有或一部分电荷的传输门；具有被施加到传输门的、随时间过去增加的电压的电压供给；用于接收所述来自光敏区域的所有或一部分电荷并将所述电荷转换成电压的浮动扩散；用于接收并放大来自浮动扩散的信号的放大器；用于探测来自放大器的电压脉冲的脉冲探测器；和用于计数增加的电压的启动之间的时钟周期直到从探测器接收到表示从光敏区域到浮动扩散的电荷传输的启动的信号为止的计数器。
由下面的优选实施例和所附权利要求的详细描述，并且参考附图，本发明的这些和其他方面、目的、特征和优点将得到更清楚地理解和认识。
本发明的有利效果
本发明具有下列优点：高速处理、低功耗和低噪声。它还消除了非线性影响和像素放大器中的阈值变化。它还消除了像素之间的浮动扩散变化。
附图说明
图1是本发明的像素阵列及其相关电路的图示；
图2是图1的像素和模数转换器的详细视图；
图3是图2的时序图；
图4a以示意形式示出本发明的图像传感器；
图4b示出本发明的截面图；
图4c示出图4b的阱势(well potential)图，用于清楚地示出本发明的概念；以及
图5是本发明的数字照相机，用于说明本发明的图像传感器的典型商用实施例。
具体实施方式
参考图1，示出本发明的图像传感器15的像素阵列10，该像素阵列10具有多个像素20和多个模数转换器30，该多个模数转换器30用于以预定方式接收并存储来自该多个像素20的信号。模数转换器阵列25连接到像素阵列10的输出。多个列模数转换器30包括模数转换器阵列25。多个脉冲探测器40分别连接到像素总线95(如图2所示)的输出，并且多个计数器50分别连接到该多个脉冲探测器40。
为了清楚地理解，注意上述本发明的装置限制了模拟电路的用途(为了噪声和功耗降低的目的)并且最大化地利用数字电路的优点。还注意，图2仅示出了本发明的一个像素及其相关电路，用于说明本发明的该多个像素的代表性像素，以便于清楚理解。应当理解，本发明包括多个这样的像素；例如，图1的像素阵列10、如图2所示，像素20由光敏区域或光电二极管60构成，该光敏区域或光电二极管60积累对应于接收的入射光的电荷。传输门(TG)70将电荷从光电二极管60传输到电荷到电压转换区域或浮动扩散(CFD)80，其将电荷转换成电压信号。复位晶体管(RG)90为浮动扩散(CFD)80和像素输出列总线95设置参考电压，所述像素输出列总线95将通过闭合开关S1连接到脉冲探测器40的输入。放大器或放大晶体管(M2)100接收并放大来自浮动扩散(CFD)80的信号。行选择晶体管110选择像素的特定行以输出到像素总线95。
图3包括图2的优选时序，并且包括用于施加到图2中引用的部件的时序信号的常见时序信号首字母缩写词-RS、TG、RG、SHR和Enable。现在参考图2和3，在集成(integration)期间由该多个光电二极管60捕获图像，并且在集成之后，通过施加“高”到行选择晶体管(RS)110的栅极来选择像素阵列10中的像素行以进行读出。然后，将脉冲电压施加到复位晶体管(RG)90的栅极以从浮动扩散(CFD)80清除电荷并且然后将浮动扩散(CFD)80复位到参考电压。在浮动扩散(CFD)80处的电压被放大器100放大并被发出到列总线95。利用在列总线95处的参考信号，时钟SHR从“高”变到“低”以闭合开关S1。SHR时钟还复位计数器50和脉冲探测器40。在SHR脉冲之后，启用时钟(enable clock)启动每列电路中的计数器以开始计数时钟周期的数目。初始电压V1施加到传输门并开始斜升(基本上是线性斜升)电压。在传输门电压斜变过程中，在浮动扩散(CFD)80处的电压被源极跟随器放大器100缓冲并通过列总线95被发出到模数转换器阵列25。每列模数转换器30中的脉冲探测器40开始监控像素输出电压。当探测到像素输出处的脉冲电压并且计数器50停止时，脉冲探测器输出从低变到高。注意，电压脉冲可以沿正方向或沿负方向。换句话说，脉冲探测器40设置在参考电压并且电压脉冲可以高于或低于该参考电压。所计数的时钟周期数目是每个相应列的原始数字化信号值。
当斜变传输门(TG)电压在TG门70下面产生足够电势时，积累在光电二极管60中的电荷开始从光电二极管60流向浮动扩散(CFD)80。注意，本发明使用浮动扩散80来感测电荷传输从光电二极管60的“开始”或“启动”，这与现有技术中感测光电二极管上的“整个”电荷相反。返回本发明的讨论，当电荷传输启动时电压变化产生在浮动扩散80处，并且该电压变化借助列总线95通过像素放大器(M2)100发出到列脉冲探测器40。该电压变化(正或负)触发脉冲探测器40以改变输出状态。计数器50的“启用(enable)”输入感测脉冲探测器40的输出的变化，然后停止计数。列计数器50的内容是原始像素数字输出。
参考图4a-4c，注意，为了清楚起见，现有技术探测电子数目。相比之下，本发明的图像传感器探测光电二极管的电荷电势，或者换句话说，它探测光电二极管的未填充势阱的深度。在像素阵列20中的光电二极管60上存在光的情况下，在光电二极管60中的电势阱121中产生并积累电荷。在光电二极管60和浮动扩散(CFD)80中间的像素中存在传输门(TG)70，该浮动扩散80用于将电荷转换成电压。当该电压高于传输门70的阈值电压时，施加在传输门(TG)70的栅极上的电压控制该栅极下面的电势并产生导电沟道。光电二极管60的势阱121和浮动扩散区域80被所述产生的传输门(TG)70的沟道连接。随着该栅电压的增加，栅极下面的电势降低。当传输门70下面的电势等于光电二极管60的阱121的电势时，积累在光电二极管60中的电荷开始从光电二极管60通过传输门(TG)70移动到扩散区域80。电荷从光电二极管60移动到浮动扩散(CFD)80将在浮动扩散(CFD)区域80处产生电压信号，然后该信号被发送到像素放大器(M2)100的输入。脉冲探测器40探测列总线95处的电压变化。电子从光电二极管60移动到浮动扩散80将触发列模数转换器30中的脉冲探测器40以改变其输出状态。脉冲探测器40输出状态的这种变化使计数器50停止并且原始数字代码产生在计数器50的输出处。该数字代码或数字信号代表由像素产生的图像信号。该原始数字代码包括不期望有的特性，例如噪声和偏移，它们可以在下面的数字处理阶段中被校正和校准，这是本领域技术人员公知的。
参考图5，示出数字照相机125，其中本发明的图像传感器15被设置用于说明本发明的优选商用实施例。
部件列表：
10  像素阵列
15  图像传感器
20  像素
25  模数转换器阵列
30  模数转换器
40  脉冲探测器
50  计数器
60  光敏区域或光电二极管
70  传输门(TG)
80  电荷到电压转换区域或浮动扩散(CFD)
90  复位晶体管(RG)
95  像素输出列总线
100 像素放大器或放大器晶体管(M2)
110 行选择晶体管
121 电势阱
125 数字照相机

Claims (16)

1.一种图像传感器，包括：
(a)积累对应于接收的入射光的电荷的光敏区域；
(b)用于传输来自光敏区域的所有或一部分电荷的传输门；
(c)具有被施加到传输门的随时间过去增加的电压的电压供给；
(d)用于接收所述来自光敏区域的所有或一部分电荷并将所述电荷转换成电压的浮动扩散；
(e)用于接收并放大来自浮动扩散的信号的放大器；
(f)用于探测来自放大器的电压脉冲的脉冲探测器；和
(g)用于计数增加的电压的启动之间的时钟周期直到从探测器接收到表示从光敏区域到浮动扩散的电荷传输的启动的信号为止的计数器。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述电压脉冲是正方向或是负方向。
3.如权利要求1所述的图像传感器，还包括用于复位浮动扩散和计数器的复位晶体管。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述光敏区域是光电二极管。
5.如权利要求1所述的图像传感器，还包括电连接到放大器用于启动读出的行选择晶体管。
6.一种成像装置，包括：
(a)积累对应于接收的入射光的电荷的光敏区域；
(b)用于传输来自光敏区域的所有或一部分电荷的传输门；
(c)具有被施加到传输门的随时间过去增加的电压的电压供给；
(d)用于接收所述来自光敏区域的所有或一部分电荷并将所述电荷转换成电压的浮动扩散；
(e)用于接收并放大来自浮动扩散的信号的放大器；
(f)用于探测来自放大器的电压脉冲的脉冲探测器；和
(g)用于计数增加的电压的启动之间的时钟周期直到从探测器接收到表示从光敏区域到浮动扩散的电荷传输的启动的信号为止的计数器。
7.如权利要求6所述的成像装置，其中所述电压脉冲是正方向或是负方向。
8.如权利要求6所述的成像装置，还包括用于复位浮动扩散和计数器的复位晶体管。
9.如权利要求6所述的成像装置，其中所述光敏区域是光电二极管。
10.如权利要求6所述的成像装置，还包括电连接到放大器用于启动读出的行选择晶体管。
11.一种操作图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
(a)通过具有容量的光敏区域积累对应于接收的入射光的电荷；
(b)通过传输门传输来自光敏区域的所有或一部分电荷；
(c)将随时间过去增加的电压施加到传输门；
(d)通过电荷收集部接收来自光敏区域的所有或一部分电荷并将所述电荷转换成电压；以及
(e)使用脉冲探测器和计数器来指示从光敏区域到电荷收集部的电荷传输的启动；其中输出数字信号代表所述容量的一部分，所述一部分基于与由电荷占据的容量的预定关系。
12.如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：基于所述预定关系提供未填充的容量作为所述容量的所述一部分。
13.如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：提供电荷收集区域作为浮动扩散。
14.如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：提供所述光敏区域作为光电二极管。
15.如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：提供电荷收集区域作为浮动扩散。
16.如权利要求11所述的方法，还包括提供所述电压脉冲是正方向或是负方向。
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