CN102523393B

CN102523393B - 金属氧化物半导体图像传感器

Info

Publication number: CN102523393B
Application number: CN201110457475.XA
Authority: CN
Inventors: 孙涛; 汪辉; 陈杰; 方娜; 田犁
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Hebei Scotland Medical Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102523393A

Abstract

本发明涉及图像传感器领域，公开了一种金属氧化物半导体图像传感器。本发明中，通过金属氧化物半导体图像传感器结构实现了双模读取的功能，可以有效地扩展图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单。通过相关双采样，能够有效地降低噪声，大大提高读出信号的S/N比。在环境光线比较强的情况下，使用PPS模式进行读取，不经放大将电荷直接读取出来，可以防止因光线太强而导致C-APS饱和的情形；在环境光线比较弱的情况下，使用C-APS模式进行读取，通过不同的偏置实现可变增益读取，从而大大扩展了金属氧化物半导体图像传感器的动态范围。

Description

金属氧化物半导体图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及双模金属氧化物半导体图像传感器技术。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。

现有的CMOS图像传感器根据其读出方式大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(ActivePixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。

PPS又称为被动式像素传感器，它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

PPS为最早出现的结构，如图1所示，它包括一个感光二极管(Photodiode)和一个行选(Row-select)晶体管，读出时，打开行选晶体管，电荷通过该列的积分器进行积分，最后将电压读出。

APS又称为主动式像素传感器，APS结构通常包括一个复位(Reset)晶体管、一个源跟随器(Source follower)、一个行选(Row-select)晶体管和一个感光二极管(Photodiode)(4T结构为Pinned Diode和一个传输管)。几乎在CMOS PPS像素传感器发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

感光二极管积累的电荷通常很小，很容易受到杂波干扰。对于PPS来说，像素内部没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样(固定图形噪波FPN)而影响整个图像的质量。而APS与PPS相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将感光二极管积累的电荷转换成电压进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填充因子(Fill factor)相对较低，填充因子是指像素上的感光区域相对于像素表面积的大小，一般在25％-35％之间。

APS读出方式具体又可以分为两种：V-APS和C-APS。如图2所示，V-APS方式是将像素电容上的电压读出；如图3所示，C-APS方式是将像素电容上的电荷读出并进行积分得到电压。

双模CMOS图像传感器通常包括C-APS和PPS两种读出方式，但本发明的发明人发现，现有技术中的双模CMOS图像传感器要么电路复杂，导致图像传感器的填充因子比较小，要么控制逻辑过于复杂。因此，目前亟需一种能够实现双模读取功能，可以有效提高图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单的图像传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属氧化物半导体图像传感器，可以有效地提高图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种金属氧化物半导体图像传感器，包括：感光器件、第一金属氧化物半导体MOS管、第二MOS管、第三MOS管和积分电路；

感光器件的一端接地，另一端与第二MOS管的栅极连接，用于将光信号转换成电信号；

第一MOS管的栅极与第一控制信号连接，源漏极中的一极与第二MOS管的栅极连接，另一极与积分电路的输入端连接；

第二MOS管源漏极中的一极与偏置电压连接，另一极与积分电路的输入端连接；

第三MOS管的栅极与第二控制信号连接，源漏极中的一极与电源连接，另一极与第二MOS管的栅极连接；

积分电路用于将输入的电荷或者电流转换为电压信号输出。

在另一优选例中，感光器件是感光二极管，传感器还包括第四MOS管；

第四MOS管的栅极与第三控制信号连接，源漏极中的一极与感光器件的非接地端连接，另一极与第二MOS管的栅极连接，第四MOS管与第二MOS管栅极相连的电极和半导体衬底之间构成一PN结电容，即第一电容，第四MOS管用于将感光器件上的光生电荷转移至第一电容，并实现相关双采样。

在另一优选例中，相关双采样通过以下方式实现：

先后两次采样，一次是在复位之后立刻采样，一次是在积分过程结束时采样，将两次采样结果相减，从而降低噪声。

在另一优选例中，第一电容是PN结电容并联一个独立的电容。

在另一优选例中，积分电路包括运算放大器和第二电容；

运算放大器的反相输入端作为积分电路的输入端，同相输入端接地，输出端作为积分电路的输出端；

第二电容的一端与运算放大器的反相输入端连接，另一端与运算放大器的输出端连接。

在另一优选例中，感光器件、第三MOS管和第四MOS管直接做在P型衬底上，第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共用一个N型掺杂区，利用该N型掺杂区和P型衬底组成的PN结的结电容作为第一电容；

在P型衬底上还有一个N阱，第一和第二MOS管均做在N阱中，第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极共用一个P型掺杂区。

在另一优选例中，在每个像素的四周有隔离槽，用于实现相邻像素间的电学隔离。

在另一优选例中，复位时，第二控制信号加高电平，第一、第三控制信号和偏置电压加低电平，将第一电容上的电荷清除，复位完成。

在另一优选例中，如果检测到环境光强超过预定门限，则使用无源式像素传感器读出方式，第一和第三控制信号加高电平，第二控制信号和偏置电压加低电平，第一电容上的电荷在第二电容上积分得到电压，再将电压读出。

在另一优选例中，如果检测到环境光强低于预定门限，则使用有源式像素传感器读出方式，第三控制信号加高电平，偏置电压加高电平，第一和第二控制信号加低电平，第一电容上的电压直接加在第二MOS管的栅极，电流在第二电容上积分得到电压，再将电压读出。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

通过金属氧化物半导体图像传感器结构实现了双模读取的功能，可以有效地提高图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单。

进一步地，采用相关双采样，能够有效地降低噪声，大大提高读出信号的S/N比。

进一步地，在环境光线比较强的情况下，使用PPS模式进行读取，不经放大将电荷直接读取出来，防止因光线太强而导致C-APS饱和的情形；在环境光线比较弱的情况下，使用C-APS模式进行读取，通过不同的偏置实现可变增益读取，从而大大扩展了金属氧化物半导体图像传感器的动态范围。

进一步地，在P型衬底上制做一个N阱，将实现APS中放大作用的MOS管和实现PPS的MOS管设置在N阱中，将传输MOS管和复位MOS管做在P型衬底上，可以利用CMOS的互补效果得到更优的性能。

进一步地，使用一个掺杂区，该掺杂区不但同时作为传输MOS管和复位MOS管的共用电极，还利用该掺杂区与衬底的PN结电容作为实现相关双采样的电容，进一步简化了制造工艺。

附图说明

图1是PPS型图像传感器的电路结构图；

图2是V-APS型图像传感器的电路结构图；

图3是C-APS型图像传感器的电路结构图；

图4是本发明第一实施方式中一种金属氧化物半导体图像传感器的电路结构图；

图5是本发明第二实施方式中一种金属氧化物半导体图像传感器的电路结构图；

图6是本发明第二实施方式中一种金属氧化物半导体图像传感器的工作时序图；

图7是本发明第三实施方式中一种金属氧化物半导体图像传感器的剖面图；

图8是本发明实施方式中全部采用NMOS实现的金属氧化物半导体图像传感器的剖面图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种金属氧化物半导体图像传感器。图4是该金属氧化物半导体图像传感器的电路结构图。

具体地说，如图4所示，该金属氧化物半导体图像传感器包括：感光二极管PD、第一MOS管PPS、第二MOS管APS、第三MOS管RST和积分电路。在本发明的其它某些实施方式中，也可以不用感光二极管PD，而是用其它类型的感光器件，如PIN、Photo gate等。

感光二极管PD的一端接地，另一端(或非接地端)与第二MOS管APS的栅极连接，用于将光信号转换成电信号。

第一MOS管PPS的栅极与第一控制信号VPPS连接，源漏极中的一极与第二MOS管APS的栅极连接，另一极与积分电路的输入端连接。

第二MOS管APS源漏极中的一极与偏置电压VAPS连接，另一极与积分电路的输入端连接。

第三MOS管RST的栅极与第二控制信号连接，源漏极中的一极与电源VDD连接，另一极与第二MOS管APS的栅极连接。

其中，第一MOS管PPS和第三MOS管RST起开关作用，第二MOS管APS起信号放大作用，第三MOS管RST作为复位MOS管。

积分电路包括运算放大器OP和第二电容CF，用于将输入的电荷或者电流转换为电压信号输出。

运算放大器OP的反相输入端作为积分电路的输入端，同相输入端接地，输出端作为积分电路的输出端。

第二电容CF的一端与运算放大器OP的反相输入端连接，另一端与运算放大器OP的输出端连接。

本具体实施方式中，通过3T结构的金属氧化物半导体图像传感器结构实现PPS和APS双模读取的功能，可以有效地扩展图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单。

本发明第二实施方式涉及一种金属氧化物半导体图像传感器。图5是该金属氧化物半导体图像传感器的电路结构图。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：在电路结构中，还包括第四MOS管TX。

具体地说，如图5所示，

第四MOS管TX的栅极与第三控制信号连接，源漏极中的一极与感光二极管PD的非接地端相连，另一极与第二MOS管APS的栅极连接。其与第二MOS管APS栅极连接的一极为浮动扩散区(floating diffusion)，其与半导体衬底形成一PN结电容，即第一电容FD，用以存储光生电荷。

在本实施方式中，第一电容F D是PN结电容，因为不是独立的电容，所以在图5中以虚线表示。在本发明的其它某些实施方式中，有可能第一电容FD不够大，此时可以在PN结电容FD上并联一个独立的电容加以解决。

第四MOS管TX用于将感光二极管PD上的电荷转移至第一电容FD上，并实现相关双采样。第四MOS管TX作为传输MOS管。

采用相关双采样，能够有效地降低噪声，大大提高读出信号的S/N比。

相关双采样通过以下方式实现：

如图5所示的金属氧化物半导体图像传感器，通过4T结构的金属氧化物半导体图像传感器结构实现PPS和APS双模读取的功能，在环境光线比较强的情况下，使用PPS模式进行读取，不经放大将电荷直接读取出来，可以防止因光线太强而导致饱和的情形；在环境光线比较弱的情况下，使用C-APS模式进行读取，通过不同的偏置读取可变增益，从而大大扩展了金属氧化物半导体图像传感器的动态范围。

图6是该金属氧化物半导体图像传感器的工作时序图。

具体地说，如图6所示，

在复位(RES ET)阶段，RST加高电平，VPPS、TX和偏置电压VAPS加低电平，电源VDD将第一电容FD上的电荷清除，之后，复位完成。

图5所示的电路结构可以通过简单的逻辑控制实现PPS和APS双模读取的功能，如果检测到环境光强超过预定门限，则采用PPS读取模式(或方式)，VPPS和TX加高电平，RST和偏置电压VAPS加低电平，第一电容FD上的电荷在第二电容CF上积分得到电压，再将电压读出。这样在强光条件下，也不容易达到饱和状态，从而达到提高动态范围的效果。

如果检测到环境光强低于预定门限，则采用C-APS读取模式(或方式)，TX加高电平，偏置电压VAPS加高电平，VPPS和RST加低电平，第一电容FD上的电压直接加在第二MOS管APS的栅极，APS管的跨导由这两个电压差也就是栅源电压控制，可以表示为：

电流在第二电容CF上积分得到电压，之后再将电压读出到模数转换器(Analog to DigitalConverter，简称“ADC”)或者其他处理电路。这样可以实现放大读取，可以有效提高图像的亮度。在这里，VAPS可以根据需要加合适的偏置电压，从而达到可变增益的效果。

本发明第三实施方式涉及一种金属氧化物半导体图像传感器。第三实施方式在第二实施方式的基础上提出了一种优选的剖面图实现方式，如图7所示。

图7中，采用pinned diode结构的感光二极管PD(Pinned Photodiode)1、第三MOS管RST和第四MOS管TX直接做在P型衬底9上，第三MOS管RST的源极和第四MOS管TX的漏极共用一个N型掺杂区3，该N型掺杂区和P型衬底组成的PN结的结电容就是图5中的第一电容FD。使用一个掺杂区不但同时作为传输MOS管(第四MOS管)和复位MOS管(第三MOS管)的共用电极，还利用该掺杂区与衬底的PN结电容作为实现相关双采样的电容，进一步简化了制造工艺。

在P型衬底9上还有一个N阱5，第一MOS管PPS和第二MOS管APS均做在N阱5中，第一MOS管PPS的漏极和第二MOS管APS的漏极共用一个P型掺杂区7。在P型衬底上做一个N阱，将实现APS中放大作用的第二MOS管和实现PPS的第一MOS管做在N阱中，将起传输作用的第四MOS管和起复位作用的第三MOS管做在P型衬底上，可以利用CMOS的互补效果得到更优的性能。

在每个像素的四周有隔离槽2，用于实现相邻像素间的电学和/或光学隔离。隔离槽，一般用的是STI浅槽隔离。

第三MOS管RST的漏极4与电源VDD相连。N型掺杂区3直接与第一MOS管PPS的源极6以及第二MOS管APS的栅极相连，APS管的源极8加偏置电压VAPS。

这只是本发明的一个优选实施方式，在本发明的其它某些实施方式中，也可以采用其它的剖面图实现方式，例如，P型衬底可以换成N型衬底，N阱可以换成P阱，相应地将第三实施方式的NMOS换成PMOS，PMOS换成NMOS。又如，也可以不用N阱或P阱，第一、第二、第三和第四MOS管全部都用NMOS或PMOS来实现。再如，各个管的排列顺序也可以变化，例如可以不按TX、RST、PPS和APS的顺序排列，而是将TX和RST作为一组，将PPS和APS作为一组，两组并行排列或垂直排列等等。

在图8中示出了全部采用NMOS实现的一种剖面图。具体地说，如图8所示，采用pinned diode结构的感光二极管PD(Pinned Photodiode)81、第一MOS管PPS、第二MOS管APS、第三MOS管RST和第四MOS管TX都直接做在P型衬底89上，第三MOS管RST的源极和第四MOS管TX的漏极共用一个N型掺杂区83，该N型掺杂区和P型衬底组成的PN结的结电容就是图5中的第一电容FD。第二MOS管APS的源极与第三MOS管RST的漏极共用一个N型掺杂区84。第一MOS管PPS的漏极和第二MOS管APS的漏极共用一个N型掺杂区85。N型掺杂区83直接与第一MOS管PPS的源极86以及第二MOS管APS的栅极相连。在每个像素的四周有隔离槽82，用于实现相邻像素间的电学和/或光学隔离。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，包括：感光器件、第一金属氧化物半导体MOS管、第二MOS管、第三MOS管和积分电路；

积分电路用于将输入的电荷或者电流转换为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述感光器件是感光二极管，所述传感器还包括第四MOS管；

3.根据权利要求2所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述相关双采样通过以下方式实现：

4.根据权利要求2所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述第一电容是PN结电容并联一个独立的电容。

5.根据权利要求2所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述积分电路包括运算放大器和第二电容；

运算放大器的反相输入端作为所述积分电路的输入端，同相输入端接地，输出端作为所述积分电路的输出端；

6.根据权利要求2至5中任一项所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，感光器件、第三MOS管和第四MOS管直接做在P型衬底上，第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共用一个N型掺杂区，利用该N型掺杂区和P型衬底组成的PN结的结电容作为所述第一电容；

7.根据权利要求6所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，在每个像素的四周有隔离槽，用于实现相邻像素间的电学隔离。

8.根据权利要求7所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，复位时，第二控制信号加高电平，第一、第三控制信号和偏置电压加低电平，将第一电容上的电荷清除，复位完成。

9.根据权利要求8所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，如果检测到环境光强超过预定门限，则使用无源式像素传感器读出方式，第一和第三控制信号加高电平，第二控制信号和偏置电压加低电平，第一电容上的电荷在第二电容上积分得到电压，再将电压读出。

10.根据权利要求9所述的金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，如果检测到环境光强低于预定门限，则使用有源式像素传感器读出方式，第三控制信号加高电平，偏置电压加高电平，第一和第二控制信号加低电平，第一电容上的电压直接加在第二MOS管的栅极，电流在第二电容上积分得到电压，再将电压读出。