CN101986431A - 四晶体管cmos图像传感器及其设计方法 - Google Patents

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刘宪周
韦敏侠
周雪梅
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Abstract

本发明提供了一种四晶体管CMOS图像传感器及其设计方法。根据本发明的四晶体管CMOS图像传感器包括光敏二极管、复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体器和行选通开关晶体管，其中所述转移晶体管具有埋入式沟道；并且所述转移晶体管的埋入式沟道的深度可以调节。根据本发明的四晶体管CMOS图像传感器及其设计方法能够有效地消除图像残余现象。

Description

四晶体管CMOS图像传感器及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种接触式图像传感器，具体地说涉及一种四晶体管CMOS图像传感器；并且，本发明还涉及该四晶体管CMOS图像传感器的相应设计方法。
背景技术
当今，金属氧化物半导体元件(CMOS)图像传感器在在可见光成像领域得到了广泛应用。传统的CMOS图像传感器采用三晶体管(3T)像素结构，但由于自身结构的关系，整体性能难以满足较高的要求，四晶体管(4T)像素结构应运而生，它比3T像素有更小的噪声，更好的性能。
四晶体管(4T)CMOS图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位晶体管T2、转移晶体管T1、源跟随晶体器T3和行选通开关晶体管T4组成。
转移晶体管T1被用来将光敏二极管连接至源跟随晶体器T3，并通过复位晶体管T2与VDD相连。源跟随晶体器T3的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善成像系统的噪声问题。行选通开关晶体管T4是用来将信号与列总线相连。电路的工作过程是：电路首先进入“复位状态”，复位晶体管T2打开，对光敏二极管复位；然后电路进入“取样状态”，复位晶体管T2关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随晶体器T3放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通晶体管T4打开，信号通过列总线输出。
但是，传统的四晶体管CMOS图像传感器中存在图像残余现象。图像残余现象是，光强度突然改变的情况下，残留图像仍存留在随后的图像中的现象。图像残余通常是由于当复位晶体管T2的栅极接通时，累积信号电荷向悬浮扩散的转移不足而造成的。而且，还存在其它一些造成图像残余现象的原因，例如不适当的定时设定以及不适当的电路设计。
因此，希望提供一种能够有效地消除图像残余现象的新的四晶体管CMOS图像传感器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够有效地消除图像残余现象的新的四晶体管CMOS图像传感器以及相应的设计方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种四晶体管CMOS图像传感器，包括光敏二极管、复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体器和行选通开关晶体管，所述转移晶体管具有埋入式沟道。
在上述四晶体管CMOS图像传感器中，所述转移晶体管的埋入式沟道的深度可以调节。
在上述四晶体管CMOS图像传感器中，所述光敏二极管的输入端接地，所述光敏二极管的输出端连接至转移晶体管的源极；所述转移晶体管的栅极连接至转移控制信号，所述转移晶体管的漏极连接至所述复位晶体管的漏极，所述复位晶体管的栅极连接至所述复位控制信号，所述复位晶体管的源极连接至电源电压；所述源跟随晶体器的源极连接至电源电压，所述源跟随晶体器的栅极连接至所述转移晶体管的漏极以及所述复位晶体管的漏极，所述源跟随晶体器的漏极连接至所述行选通开关晶体管的源极；所述行选通开关晶体管的栅极连接至所述行选通控制信号，并且所述行选通开关晶体管的漏极连接至列总线。
在上述四晶体管CMOS图像传感器中，所述复位晶体管、所述转移晶体管、所述源跟随晶体器、和所述行选通开关晶体管均为NMOS晶体管。
根据本发明的第二方面，提供了一种四晶体管CMOS图像传感器设计方法，所述四晶体管CMOS图像传感器包括光敏二极管、复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体器和行选通开关晶体管，其中，所述四晶体管CMOS图像传感器设计方法包括将所述转移晶体管设计成具有埋入式沟道。
在上述四晶体管CMOS图像传感器设计方法中，将所述转移晶体管的埋入式沟道的深度设计为可以调节。
在上述四晶体管CMOS图像传感器设计方法中，将所述光敏二极管的输入端接地，将所述光敏二极管的输出端连接至转移晶体管的源极；将所述转移晶体管的栅极连接至转移控制信号，将所述转移晶体管的漏极连接至所述复位晶体管的漏极，将所述复位晶体管的栅极连接至所述复位控制信号，将所述复位晶体管的源极连接至电源电压；将所述源跟随晶体器的源极连接至电源电压，将所述源跟随晶体器的栅极连接至所述转移晶体管的漏极以及所述复位晶体管的漏极，将所述源跟随晶体器的漏极连接至所述行选通开关晶体管的源极；将所述行选通开关晶体管的栅极连接至所述行选通控制信号，并且将所述行选通开关晶体管的漏极连接至列总线。
在上述四晶体管CMOS图像传感器设计方法中，将所述复位晶体管、所述转移晶体管、所述源跟随晶体器、和所述行选通开关晶体管设计为NMOS晶体管。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器的电路结构图。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器所采用的转移晶体管的器件结构。
图3示意性地示出了根据现有技术的四晶体管CMOS图像传感器的栅极接通时的能带示图
图4示意性地示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器的栅极接通时的能带示图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
现在将参考图1至图4来描述本发明的优选实施例。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器的电路结构图，该具体的电路结构与现有技术的电路结构总体上类似。
图1所示的四晶体管CMOS图像传感器由光敏二极管、复位晶体管T2、转移晶体管T1、源跟随晶体器T3和行选通开关晶体管T4组成。其中，复位晶体管T2、转移晶体管T1、源跟随晶体器T3和行选通开关晶体管T4均为NMOS晶体管。
在图1所示的四晶体管CMOS图像传感器中，光敏二极管的输入端接地，光敏二极管的输出端接转移晶体管T1的源极；转移晶体管T1的栅极接转移控制信号T，转移晶体管T1的漏极接复位晶体管T2的漏极，复位晶体管T2的栅极接复位控制信号R，复位晶体管T2的源极接电源电压VDD；源跟随晶体器T3的源极接电源电压VDD，源跟随晶体器T3的栅极接转移晶体管T1的漏极以及复位晶体管T2的漏极，源跟随晶体器T3的漏极接行选通开关晶体管T4的源极；行选通开关晶体管T4的栅极接行选通控制信号S，行选通开关晶体管T4的漏极接列总线Out。
转移晶体管T1被用来将光敏二极管连接至源跟随晶体器T3，并通过复位晶体管T2与VDD相连。源跟随晶体器T3的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善成像系统的噪声问题。行选通开关晶体管T4是用来将信号与列总线相连。所示的电路的工作过程是：电路首先进入“复位状态”，复位晶体管T2打开，对光敏二极管复位；然后电路进入“取样状态”，复位晶体管T2关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随晶体器T3放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通晶体管T4打开，信号通过列总线输出。
但是，本发明与现有技术不同的是，本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器所采用的转移晶体管T1的器件结构与现有技术不同。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器所采用的转移晶体管T1的器件结构。其中，转移晶体管T1的器件结构采用了一种埋入式沟道，埋入式沟道指的是在沟道区深处(非表面处)进行例如离子注入，使反型层在远离表面处形成沟道。
发明人有利地发现，在传统的四晶体管CMOS图像传感器中，转移晶体管T1通常采用表面沟道晶体管(即，在晶体管表面形成沟道的晶体管)。从而，当栅极接通时，表面处的能量最低，这不利于电子从部分耗尽(PD)区域向外的转移。如果垂直于转移晶体管T1的沟道截取转移晶体管T1的截面图，可得到如图3所示的能带示图。可以看出表面处不具备最低能量，最低能量存在于部分耗尽区域的中部(完全耗尽)。当转移晶体管T1的栅极接通时，部分耗尽区域的电子应该首先穿过部分耗尽沟道的势垒，随后流入表面沟道，然后进入悬浮的扩散节点。这将限制晶体管的效率。
本发明采用埋入式沟道转移晶体管，其优势在于，电子应该首先穿过的第一个势垒(如图4的椭圆形虚线圈所示)低于现有技术情况下的相应势垒(如图3的椭圆形虚线圈所示)，所以电子更容易进入沟道。这样，有效地改善了现有技术中存在的图像残余现象。
图4示出了根据本发明实施例的四晶体管CMOS图像传感器的栅极接通时的能带示图，其中降低的势垒与埋入式沟道的深度有关。也就是说，本发明还可以通过调节埋入式沟道的深度，来调节势垒高度。
对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改变和变形。所描述的实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明；本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种四晶体管CMOS图像传感器，包括光敏二极管、复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体器和行选通开关晶体管，其特征在于，所述转移晶体管具有埋入式沟道。
2.根据权利要求1所示的四晶体管CMOS图像传感器，其特征在于，其中所述转移晶体管的埋入式沟道的深度可以调节。
3.根据权利要求1或2所示的四晶体管CMOS图像传感器，其特征在于，其中，所述光敏二极管的输入端接地，所述光敏二极管的输出端连接至转移晶体管的源极；所述转移晶体管的栅极连接至转移控制信号，所述转移晶体管的漏极连接至所述复位晶体管的漏极，所述复位晶体管的栅极连接至所述复位控制信号，所述复位晶体管的源极连接至电源电压；所述源跟随晶体器的源极连接至电源电压，所述源跟随晶体器的栅极连接至所述转移晶体管的漏极以及所述复位晶体管的漏极，所述源跟随晶体器的漏极连接至所述行选通开关晶体管的源极；所述行选通开关晶体管的栅极连接至所述行选通控制信号，并且所述行选通开关晶体管的漏极连接至列总线。
4.根据权利要求1或2所示的四晶体管CMOS图像传感器，其特征在于，其中，所述复位晶体管、所述转移晶体管、所述源跟随晶体器、和所述行选通开关晶体管均为NMOS晶体管。
5.一种四晶体管CMOS图像传感器设计方法，所述四晶体管CMOS图像传感器包括光敏二极管、复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体器和行选通开关晶体管，其特征在于，所述四晶体管CMOS图像传感器设计方法包括将所述转移晶体管设计成具有埋入式沟道。
6.根据权利要求5所示的四晶体管CMOS图像传感器设计方法，其特征在于，其中将所述转移晶体管的埋入式沟道的深度设计为可以调节。
7.根据权利要求5或6所示的四晶体管CMOS图像传感器设计方法，其特征在于，其中，将所述光敏二极管的输入端接地，将所述光敏二极管的输出端连接至转移晶体管的源极；将所述转移晶体管的栅极连接至转移控制信号，将所述转移晶体管的漏极连接至所述复位晶体管的漏极，将所述复位晶体管的栅极连接至所述复位控制信号，将所述复位晶体管的源极连接至电源电压；将所述源跟随晶体器的源极连接至电源电压，将所述源跟随晶体器的栅极连接至所述转移晶体管的漏极以及所述复位晶体管的漏极，将所述源跟随晶体器的漏极连接至所述行选通开关晶体管的源极；将所述行选通开关晶体管的栅极连接至所述行选通控制信号，并且将所述行选通开关晶体管的漏极连接至列总线。
8.根据权利要求5或6所示的四晶体管CMOS图像传感器设计方法，其特征在于，其中，将所述复位晶体管、所述转移晶体管、所述源跟随晶体器、和所述行选通开关晶体管设计为NMOS晶体管。
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