CN102354698A

CN102354698A - 实现高动态cmos图像传感器的方法

Info

Publication number: CN102354698A
Application number: CN2011102985061A
Authority: CN
Inventors: 饶金华; 巨晓华; 周雪梅
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102354698B

Abstract

一种实现高动态CMOS图像传感器的方法，CMOS图像传感器为4T结构的CMOS图像传感器；包括：向复位晶体管输入第一时序脉冲信号，控制复位晶体管在有脉冲信号时开启以使浮置扩散区复位；向浮置扩散区所在的阱区输入第二时序脉冲信号，第二时序脉冲信号的脉冲时间与第一时序脉冲信号的脉冲时间相同，第二时序脉冲信号与外界光强匹配，以使浮置扩散区的结电容为随外界光强变化的可变电容。以此来达到随着外界的光强调整浮置扩散区的结电容的目的，以实现高动态CMOS图像传感器。

Description

实现高动态CMOS图像传感器的方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及实现高动态CMOS图像传感器的方法。

背景技术

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件一图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device image sensor，简称CCD图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor image sensor，简称CMOS图像传感器)。

现有的CMOS传感器的像素结构主要分为两种，分别为3T结构和4T结构。3T结构的像素每一个像素包括一个复位管、一个行选通管和一个源跟随管。4T结构的像素比3T结构的像素增加了一个传输管。对于4T像素结构，每一个像素总是需要一个传输管，传输管使像素的可控性更好，可以有效地降低热噪声和暗电流。

图1为现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图，参考图1，现有的4T结构的CMOS图像传感器包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4。4T结构图像传感器的工作原理为：传输晶体管M1用来将感光二极管PD的光生电荷传输到浮置扩散区FD，复位晶体管M2用来对浮置扩散区FD复位，源跟随晶体管M3用来将浮置扩散区FD的电信号放大输出。其工作过程是：复位晶体管M2开启，将浮置扩散区FD置为高电位；然后关断复位晶体管M2，打开传输晶体管M1，将感光二极管PD中的光生电荷传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out读出，该读出的压降即为输出信号。

在图像传感器的实际应用中，发现外界光强会因为天气、环境的变化而发生变化，特别是在外界环境变化比较频繁的场合，外界光强会频繁的发生变化。在外界光强较强时，光生电荷数量ΔQ也较多，如果浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏小，有可能无法容纳感光二极管所有的光生电荷，使信号丢失。并且浮置扩散区FD产生的压降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd过大，有可能会超出电路的设计范围。在外界光强较弱时，光生电荷数量ΔQ较少，如果浮置扩散区FD的结电容C_fd相对偏大，则浮置扩散区FD产生的压降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd过小，使信号无法读出。这两种情况都会造成图像信号不稳定。

为了使CMOS图像传感器可以应用于高动态的环境，并且图像信号可以相对稳定，目前已有的解决方法是在4T结构中增加了电容Cs和晶体管M5，参考图2，该电容Cs与浮置扩散区FD自身的结电容Cj为并联关系，则总的浮置扩散区FD的电容Cfd＝Cs+Cj，电容Cs的开启通过晶体管M5控制。当外界光强较强时，可以控制M5开启，使电容Cs工作，此时ΔVfd＝ΔQ/(Cs+Cj)；当外界光强较弱时，可以控制M5关断，使电容Cs不工作，此时ΔVfd＝ΔQ/Cj，以此减小ΔVfd的波动范围，从而获得比较稳定的输出信号，使CMOS图像传感器可以工作在高动态环境下。

然而，在4T结构的CMOS图像传感器中增加晶体管M5和电容Cs会减小像素单元的填充率(fill factor)。现有技术中，有许多关于CMOS图像传感器的专利以及专利申请，例如2007年7月4日公开的公开号为CN1992305A的中国专利申请文件，然而均没有解决以上的技术问题。

发明内容

现有的发明解决的问题是现有技术中为了实现高动态CMOS图像传感器，而使在CMOS图像传感器像素单元的填充率减小。

为解决上述问题，本发明提供一种实现高动态CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器为4T结构的CMOS图像传感器，包括复位晶体管、传输晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管，所述传输晶体管和复位晶体管之间为浮置扩散区，所述浮置扩散区位于阱区内；包括：

向所述复位晶体管输入第一时序脉冲信号，控制所述复位晶体管在有脉冲信号时开启以使所述浮置扩散区复位；

向所述浮置扩散区所在的阱区输入第二时序脉冲信号，所述第二时序脉冲信号的脉冲时序与所述第一时序脉冲信号的脉冲时序相同，所述第二时序脉冲信号的大小以及正负与外界光强匹配，以使所述浮置扩散区的结电容为随外界光强变化的可变电容。

可选的，在所述浮置扩散区为N型掺杂区、所述阱区为P型阱区时，所述第一时序脉冲信号为正脉冲信号；

在所述外界光强大于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为正脉冲信号；在所述外界光强小于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为负脉冲信号；在所述外界光强等于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为零。

可选的，在所述浮置扩散区为P型掺杂区、所述阱区为N型阱区时，所述第一时序脉冲信号为负脉冲信号；

在所述外界光强大于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为负脉冲信号；在所述外界光强小于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为正脉冲信号；在所述外界光强等于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为零。

可选的，还包括：向所述传输晶体管输入第三时序脉冲信号，控制所述传输晶体管在有脉冲信号时开启，以使感光二极管收集的光生电荷传入所述浮置扩散区。

可选的，还包括：在感光二极管收集的光生电荷传入所述浮置扩散区后，控制所述行选通晶体管开启，所述行选通晶体管通过源所述源跟随晶体管读出输出信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本技术方案通过在浮置扩散区所在的阱区施加第二时序脉冲信号，且该第二时序脉冲信号的时序与施加在复位晶体管上的第一时序脉冲信号的时序相同，而且第二时序脉冲信号强度与外界光强匹配，这样调整阱区和浮置扩散区之间的电压差，由于浮置扩散区和阱区的掺杂类型相反，两者间的电压差的变化将使浮置扩散区和阱区之间形成随电压差变化的可变电容，也就是引起浮置扩散区结电容的变化，以此来达到随着外界的光强调整浮置扩散区的结电容的目的，以获得具有稳定的输出信号的高动态CMOS图像传感器。而且由于不需要增加辅助结构，例如现有技术中的电容Cs和晶体管M5，所以不会降低像素的填充率。

附图说明

图1是现有技术的一种CMOS图像传感器的电路结构示意图；

图2是现有技术的另一种CMOS图像传感器的电路结构示意图；

图3是利用图1所示的CMOS图像传感器没有实现高动态CMOS图像传感器的读取电路时序图；

图4是利用图1所示的CMOS图像传感器实现高动态CMOS图像传感器的读取电路时序图。

具体实施方式

本发明实现高动态CMOS图像传感器在不改变图1所示的现有的4T结构CMOS图像传感器的前提下，即不利用在图1所示的现有技术的基础上增加晶体管M5和电容Cs即图2所示的结构，而是在图1所示的现有的4T结构CMOS图像传感器的基础上，根据外界光强的变化，在浮置扩散区所在的阱区上施加与外界光强匹配的脉冲信号，通过改变浮置扩散区和阱区之间的电势差来改变浮置扩散区的结电容，以此可以使浮置扩散区的结电容根据外界光强的变化而变化，从而实现高动态的CMOS图像传感器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

为了使本发明的目的更显而易见，首先说明现有技术中利用图1所示的4T结构的CMOS图像传感器的详细工作原理。

参考图1，现有技术的4T结构的图像传感器包括：位于基底10内的阱区11；位于基底10内的第一掺杂区12，第一掺杂区12上形成有第二掺杂区13，该第二掺杂区13与第一掺杂区12掺杂类型相反，两者形成埋藏型感光二极管PD，所述感光二极管PD与所述阱区11相邻；位于所述阱区11上的第一栅极结构，所述第一栅极结构包括第一栅介质层(图中未标号)、位于所述第一栅介质层上的第一栅极21，位于所述阱区11内、所述第一栅极21两侧的第三掺杂区14，所述第三掺杂区14的掺杂类型与第一掺杂区12的掺杂类型相同；所述第一栅极结构和第三掺杂区14形成复位晶体管M2；位于所述阱区11上、感光二极管PD和第三掺杂区14之间的第二栅极结构，所述第二栅极结构包括第二栅介质层(图中未标号)、位于所述第二栅介质层上的第二栅极22；所述第二栅极结构、和相邻的第三掺杂区14组成传输晶体管M1；所述第二栅极结构和第一栅极结构之间的第三掺杂区14为浮置扩散区FD。源跟随晶体管M3的栅极与浮置扩散区FD电连接，行选通晶体管M4与源跟随晶体管M3电连接。

图3是利用图1所示的CMOS图像传感器没有实现高动态CMOS图像传感器的读取电路时序图，需要说明的是，图3中的时序电路图是图1中所示的第三掺杂区14为N型掺杂、阱区11为P型掺杂的时序电路图，在第三掺杂区14为P型掺杂、阱区11为N型掺杂时，时序电路图中传输晶体管和复位晶体管的脉冲信号的正负方向需要反相。

结合参考图1和图3，向复位晶体管M2输入时序脉冲信号Rst，有脉冲信号Vrst时(t1到t2时间)复位晶体管M2开启，浮置扩散区FD的电位Vfd被置为高电位Vfd1；然后，没有脉冲信号Vrst时，复位晶体管M2关断。向传输晶体管M1输入时序脉冲信号Tx，在复位晶体管M2关断后，在有脉冲信号Vtx时(t3到t4时间内)，传输晶体管M1打开，感光二极管PD中的光生电荷经传输晶体管传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd，ΔQ为转移到浮置扩散区FD的电荷数。t4时间之后，通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out读出输出信号。

在图像传感器的实际应用中，发现外界光强会因为天气、环境的变化而发生变化，特别是在外界环境变化比较频繁的场合，外界光强会频繁的发生变化。在外界光强较强时，光生电荷数量ΔQ也较多，如果浮置扩散区FD的电容Cfd相对偏小，有可能无法容纳所有的光生电荷，使信号丢失。并且产生的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd过大，有可能会超出电路的设计范围。在外界光强较弱时，光生电荷数量ΔQ较少，如果浮置扩散区FD的电容Cfd相对偏大，则产生的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd过小，使信号无法读出。这两种情况都会造成图像信号不稳定。

基于现有技术的图1所示的CMOS图像传感器，发明人发现，浮置扩散区FD和阱区11的掺杂类型相反，两者之间形成有耗尽区，两者之间的耗尽区宽度会根据电压差而改变，电压差越大耗尽区宽度越大，电压差越小耗尽区宽度越小，阱区和浮置扩散区之间的电容会随着耗尽区宽度的变化而变化，也就是会随着阱区和浮置扩散区之间的电压差变化而变化。本发明实现高动态CMOS图像传感器的方法不增加额外的辅助电路以实现高动态的图像传感器，通过对浮置扩散区所在的阱区施加随外界光强变化的时序脉冲信号，根据外界光强调整阱区和浮置扩散区之间的电压差，以使阱区和浮置扩散区之间形成随外界光强变化的可变电容，也就是浮置扩散区的结电容将随外界光强变化。

基于以上原理，本发明用于实现高动态CMOS图像传感器中使用的CMOS图像传感器为图1所示的4T结构的CMOS图像传感器，包括复位晶体管、传输晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管，所述传输晶体管和复位晶体管之间为浮置扩散区；所述高动态CMOS图像传感器通过增加阱区电压时序实现，无需增加辅助单元结构。

图4为利用图1所示的CMOS图像传感器实现高动态CMOS图像传感器的读取电路时序图，参考图4，本发明具体实施例中，基于图1所示的4T结构的CMOS图像传感器，并结合参考图1，实现高动态CMOS图像传感器的方法，包括：

向所述复位晶体管M2输入第一时序脉冲信号Rst，控制所述复位晶体管M2在有脉冲信号Vrst时开启以使所述浮置扩散区FD复位，在没有脉冲信号Vrst时所述复位晶体管M2关断；

向所述浮置扩散区FD所在的阱区11输入第二时序脉冲信号PW，所述第二时序脉冲信号PW的脉冲时序与所述第一时序脉冲信号Rst的脉冲时序相同，所述第二时序脉冲信号的大小以及正负与外界光强匹配，以使所述浮置扩散区的结电容为随外界光强变化的可变电容。

图4中的时序电路图是图1中所示的第三掺杂区14为N型掺杂、阱区11为P型掺杂的时序电路图，在第三掺杂区14为P型掺杂、阱区11为N型掺杂时，时序电路图中传输晶体管和复位晶体管的脉冲信号的正负方向需要反相。在第三掺杂区14为N型掺杂、阱区11为P型掺杂时，第一时序脉冲信号为正脉冲信号Vrst。施加在阱区11上的脉冲信号需要根据外界光强进行确定，在外界光强大于预定光强时，第二时序脉冲信号PW的脉冲信号为正脉冲信号，使阱区11和浮置扩散区FD之间的电势差减小，以此使浮置扩散区FD的结电容Cfd增大；在所述外界光强小于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为负脉冲信号，使阱区11和浮置扩散区FD之间的电势差增大，以此使浮置扩散区FD的结电容Cfd减小；在所述外界光强等于预定光强时，所述第二时序脉冲信号为零，也就是说，不用向阱区11施加脉冲信号。

其中，预定光强需要根据实际情况进行确定，例如可以为：在某强度或某范围强度的光强，阱区11施加的第二时序脉冲信号PW为零脉冲信号情况下，如果能够得到良好的输出信号，那么这个光强就是预定光强。当然，预定光强的也可以有不同的定义，根据实际设计需求进行确定。

图4中显示的第二时序脉冲信号为-V，表示的是外界光强小于预定光强的情形。第一时序脉冲信号Rst给复位晶体管M2施加正的脉冲信号Vrst，同时第二时序脉冲信号给阱区施加负的脉冲信号-V，此时(t1到t2)浮置扩散区FD的电压复位为Vfd1。t2时间后关闭第一时序脉冲信号Vrst和第二时序脉冲信号PW，此时(t2到t3)阱区11的电压复位为0，浮置扩散区FD的电压上升为Vfd1+V，浮置扩散区与阱区之间的电势差即为Vfd1+V。相对于没有对阱区施加-V的脉冲信号时，浮置扩散区与阱区之间的电势差为Vfd1，因此浮置扩散区与阱区之间的电势差增大，两者之间的耗尽区的宽度相应的随电势差的增大而增大，实现浮置扩散区FD的结电容相应减小。并且，在该实施例中，由于关闭第二时序脉冲信号后，浮置扩散区FD的电压上升为Vfd1+V，大于没有对阱区施加-V的脉冲信号时浮置扩散区与阱区之间的电势差为Vfd1，可以提高感光二极管中光生电荷向浮置扩散区转移的传输效率。

在感光二极管PD收集光生电荷完成后，向传输晶体管M1输入第三时序脉冲信号Tx，控制所述传输晶体管M1在有脉冲信号时开启，以使所述感光二极管PD收集的光生电荷传入所述浮置扩散区FD，在没有脉冲信号时所述传输晶体管关断。在传输晶体管M1开启后即t3之后，光生电荷经过传输晶体管M1向浮置扩散区FD转移，浮置扩散区FD的电压开始下降，在光生电荷转移完成后即t4时间之后，浮置扩散区FD产生的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd，ΔQ为光生电荷的数量。由于在外界光强小于预定光强、ΔQ较小时，在阱区11上施加了脉冲信号-V，结电容Cfd相应减小，可以使压降ΔVfd稳定。

在感光二极管PD收集的光生电荷传入所述浮置扩散区FD后，向行选通晶体管输入信号Ts控制所述行选通晶体管M4开启，所述行选通晶体管M4通过所述源跟随晶体管M3读出输出信号Vout。

以上为外界光强小于预定光强时的具体例子，其中脉冲信号-V的值也需要根据具体的外界光强进行确定。

由于在外界光强大于预定光强、ΔQ较大时，在阱区11上施加正脉冲信号，阱区11和浮置扩散区FD之间的电势差减小，阱区11和浮置扩散区FD之间的耗尽区宽度减小，浮置扩散区FD的结电容Cfd相应增大，因此浮置扩散区FD的压降ΔVfd＝ΔQ/Cfd，在ΔQ较大时，将Cfd变大，以此得到稳定的ΔVfd。正脉冲信号的大小也需要根据外界光强进行确定。

当外界光强等于预定光强时，则阱区11上施加的脉冲信号为0。

具体的，确定施加在阱区上的脉冲信号大小的方法可以为：模拟出外界光强与浮置扩散区的结电容之间的关系，以确定可以输出稳定的输出信号；再模拟出阱区上施加的脉冲信号大小与结电容之间的关系，将两种模拟结果结合，以确定外界光强与施加在阱区上的脉冲信号的大小的关系。在具体实施时，确定了外界光强与施加在阱区上的脉冲信号的大小的关系后，可以利用外界光强感应电路感应外界光强，再通过一控制电路控制施加在阱区上的脉冲信号。此处只是举例说明，不作为对本发明的限定。以上为所述浮置扩散区为N型掺杂区、所述阱区为P型阱区的具体实施例。在浮置扩散区为P型掺杂区、阱区为N型阱区时，第一时序脉冲信号为负脉冲信号；在外界光强大于预定光强时，第二时序脉冲信号为负脉冲信号；在外界光强小于预定光强时，第二时序脉冲信号为正脉冲信号；在外界光强等于预定光强时，第二时序脉冲信号为零。此种情形，本领域技术人员根据浮置扩散区为N型掺杂区、阱区为P型阱区的情形可以毫无疑问的推知，在此不做赘述。

本技术方案通过在浮置扩散区所在的阱区施加第二时序脉冲信号，且该第二时序脉冲信号的时序与施加在复位晶体管上的第一时序脉冲信号的时序相同，而且第二时序脉冲信号强度与外界光强匹配，这样调整阱区和浮置扩散区之间的电压差，由于浮置扩散区和阱区的掺杂类型相反，两者间的电压差的变化将使浮置扩散区和阱区之间形成随电压差变化的可变电容，也就是引起浮置扩散区结电容的变化，以此来达到随着外界的光强调整浮置扩散区的结电容的目的，以获得具有稳定的输出信号的高动态CMOS图像传感器。而且由于不需要增加辅助结构，所以不会降低像素的填充率。

并且，在具体实施例中，如果关闭第二时序脉冲信号后，浮置扩散区FD的电压大于没有对阱区施加第二时序脉冲信号时浮置扩散区与阱区之间的电势差为，可以提高感光二极管中光生电荷向浮置扩散区转移的传输效率。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种实现高动态CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器为4T结构的CMOS图像传感器，包括复位晶体管、传输晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管，所述传输晶体管和复位晶体管之间为浮置扩散区，所述浮置扩散区位于阱区内；

其特征在于，包括：

向所述浮置扩散区所在的阱区输入第二时序脉冲信号，所述第二时序脉冲信号的脉冲时序与所述第一时序脉冲信号的脉冲时序相同，所述第二时序脉冲信号与外界光强匹配，以使所述浮置扩散区的结电容为随外界光强变化的可变电容。

2.如权利要求1所述的实现高动态CMOS图像传感器的方法，其特征在于，在所述浮置扩散区为N型掺杂区、所述阱区为P型阱区时，所述第一时序脉冲信号为正脉冲信号；

3.如权利要求1所述的实现高动态CMOS图像传感器的方法，其特征在于，在所述浮置扩散区为P型掺杂区、所述阱区为N型阱区时，所述第一时序脉冲信号为负脉冲信号；

4.如权利要求1所述的实现高动态CMOS图像传感器的方法，其特征在于，还包括：向所述传输晶体管输入第三时序脉冲信号，控制所述传输晶体管在有脉冲信号时开启，以使感光二极管收集的光生电荷传入所述浮置扩散区。

5.如权利要求1所述的实现高动态CMOS图像传感器的方法，其特征在于，还包括：在感光二极管收集的光生电荷传入所述浮置扩散区后，控制所述行选通晶体管开启，所述行选通晶体管通过所述源跟随晶体管读出输出信号。