CN102623474A - 像素面积减小的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于从图像传感器中的一行像素读出电荷的方法，其中所述行中的每个像素包括光电探测器、浮动扩散，以及所述图像传感器中的每个列输出线被连接到负载晶体管，该方法包括：断开负载晶体管；将所述列输出线设置到第一电压电平；通过对将被读出的所述行中的像素中的重置晶体管施以脉冲来对所述浮动扩散进行重置，其中对所述重置晶体管施以脉冲将所述列输出线上的第一电压电平传输到所述浮动扩散；接通所述负载晶体管，并将所述列输出线设置到第二电压电平；以及从所述行中的像素读出信号。

Description

像素面积减小的图像传感器
本申请是于2009年9月15日提交的申请号为200880008428.3且发明名称为“像素面积减小的图像传感器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及CMOS有源像素图像传感器的领域，并且更特别地，涉及减小像素的尺寸。
背景技术
图1示出了典型的CMOS有源像素图像传感器100。图像传感器100的基本组件是光敏像素130的阵列。行解码器电路105选择一整行像素130，将通过相关双采样（CDS）电路125采样该整行像素130。模数转换器115扫描通过（scan across）列解码器并且数字化存储在CDS 125中的信号。模数转换器115可以是每列具有一个转换器的类型（并行）或具有一个高速转换器以串行地数字化每一列的类型。数字化的数据可以直接从图像传感器100输出，或者可能存在用于缺陷校正、滤色插值、图像缩放和其它特殊效果的集成图像处理120。定时发生器（timing generator）110控制行和列解码器以采样整个像素阵列或仅采样像素阵列的一部分。
图2示出了用于CMOS图像传感器的许多不同可能的示意图中的一个。示出了像素阵列的四个像素130（为了清楚仅标记了一个）。每个像素130具有在两个光电二极管150和151之间共享的电路。可以在美国专利5,625,210、5,841,159、5,949,061、6,107,655、6,160,281、6,423,994和6,657,665中可以发现这一类型的像素和其它变型。
光电二极管150和151分别通过传输门152和153连接到共同共享浮动扩散155。采样光电二极管150的过程开始于接通电源（VDD）158以及也接通重置晶体管154，以将浮动扩散155电压设置到电源158的电压。然后，断开重置晶体管154，并且由输出晶体管156采样的信号电平被驱动到输出信号线157上。接着，传输门153被接通以将来自光电二极管150的光生（photo-generated）信号电荷传输到浮动扩散155。现在，输出晶体管156将驱动该信号电平电压到输出信号线157上。刚好在重置之后的第一信号减去传输门153被施以脉冲（pulse）之后的信号的差，与在光电二极管150中的电子的数目成比例。
以相同的方式通过传输门152采样第二光电二极管151。示出的该像素130是两者共享的像素，因为两个光电二极管150和151共享共同的浮动扩散155。在图3中示出了如何可以在硅衬底上物理地制造两者共享的像素的示例。在图3中的编号组件对应于图2中的示意性符号。多晶硅晶体管传输门是152和153；重置晶体管栅极是154，输出晶体管栅极是156。金属线将浮动扩散接触155连接在一起。重置154和输出156晶体管共享到电源线的共同扩散连接158。
图3 的像素布局的缺点是如何减小像素的尺寸。在不存在相邻像素之间的电子泄漏的风险的情况下，两个相邻像素之间的间隙160不能进一步缩小。晶体管栅极154和156的尺寸不能缩小，因为电源的操作电压确定它们的尺寸。减小电源电压不是有吸引力的选项，因为这也将减小能够被光电二极管收集的光电子的最大数目。
本发明将解决该缺点和其它缺点，因为本发明公开了一种在无需减小重置和输出晶体管栅极（gate）的尺寸的情况下减小像素尺寸的方法。
发明内容
本发明旨在克服了上述一个或多个问题。简单概述之，根据本发明的一个方面，本发明在于一种图像传感器，该图像传感器包括布置在衬底上的多个像素，每个像素包括：至少一个光敏区域，其响应于入射光而收集电荷；电荷到电压转换节点，其用于感测来自该至少一个光敏区域的电荷并且将该电荷转换为电压；放大器晶体管，其具有连接到输出节点的源极、连接到电荷到电压转换节点的栅极以及连接到电源节点的至少一部分的漏极；以及重置晶体管，其连接输出节点和电荷到电压转换节点。
有益效果
本发明允许在不减小晶体管几何结构的尺寸的情况下减小图像传感器像素尺寸。
附图说明
图1是现有技术的有源像素图像传感器；
图2是图1的像素的示意图；
图3是图1的平面图（顶视图）；
图4是本发明的多个像素的示意图；
图5是图4的平面图（顶视图）；
图6是通过图5晶体管的水平横截面；
图7是具有图4的像素的本发明的图像传感器；以及
图8是具有本发明的图像传感器的照相机。
具体实施方式
在详细讨论本发明之前，有益的是注意本发明优选地用于但不限于CMOS有源像素传感器。有源像素传感器指的是在像素中的有源电元件，更具体地是放大器，CMOS指的是互补型金属氧化硅类型的电组件，诸如晶体管，其与像素相关但通常不在像素中，并且当晶体管的源极/漏极是一种掺杂剂类型（例如p型）并且与其相配的晶体管是相反的掺杂剂类型（n型）时形成。CMOS设备包括一些优点，其中一个优点是消耗较小的功率。
为了减小像素尺寸，有必要改变像素中的晶体管的操作。在图4中示出了本发明的像素的示意图。该像素235与现有技术的主要差别是重置晶体管212被连接在浮动扩散218和输出信号线242之间。现有技术将重置晶体管连接到电源线（VDD）234。尽管该示意图没有减少晶体管的总数，但是它确实允许电源线（VDD）234扩散在两个像素235和236之间共享。这在图5中更明确地示出。
返回来参考图4，现在将详细描述每个像素。像素235将被用作代表性的像素。在这点上，像素235包括两个光敏区或光电二极管232和233，每个用于响应于入射光来收集电荷。为了清楚应该注意的是，也可以使用PIN（pinned）光电二极管，因为应该理解该功能部件主要需要仅响应于光而收集电荷。传输门214将来自光电二极管232的电荷传输到电荷到电压转换节点或感测节点218。输出晶体管或放大器210（优选地为源跟随器）经由其栅极连接到感测节点218，并且放大器210感测在感测节点218上的信号并经由其源极将信号输出到输出总线242上。放大器210的漏极连接到电源（VDD）234。该连接包括将漏极连接到电源节点234的至少一部分。该部分优选地包括电源节点234的一半或基本一半。放大器220以相同的方式连接并且被连接到电源234的剩余部分。像素235共享感测节点218、放大器210和重置晶体管212，但是包括响应于入射光而收集电荷的单独的光电二极管233和将电荷传输到感测节点218的传输门216。
相邻的像素236包括与像素235相同的组件，但是为了清楚用不同的编号表示。在这点上，像素236包括光电二极管237、传输门224、感测节点或浮动扩散228、放大器220和重置晶体管222。像素236共享浮动扩散228、放大器220和重置晶体管222，但是包括单独的光电二极管238和传输门226。
在图5中，附图标记对应于图4中的附图标记。VDD扩散234在两个输出晶体管210和220之间被共享。重置晶体管栅极212和222允许浮动扩散218和228通过输出242和243被重置到一电压。像素235（如图4所示）包括如下所述的连续空间顺序：电荷到电压转换节点218、重置晶体管212的重置栅极、输出节点242、放大器晶体管210的栅极和电源节点234的至少一部分。相邻的像素236（也如图4所示）包括如下所述的连续空间顺序：电源节点234的剩余部分、放大器晶体管220的栅极、输出节点243、重置晶体管222的重置栅极和电荷到电压转换节点228。
返回来参考图4，从光电二极管232和237的行读出电荷的过程开始于激活浮动扩散218和228。这通过断开恒定电流耗散负载（constant current sink load）晶体管240和241（见图4底部）来完成。断开负载晶体管240和241，开关230和231可以被设置到VHigh电压设定。现在，当接通重置晶体管212和222时，浮动扩散218和228将被设置到VHigh电压。接着，重置晶体管212和222被断开，并且开关230和231被设置到断开设置。然后，电流耗散负载(current sink load)晶体管240和241被接通，从而输出晶体管210和220将驱动输出线242和243到表示对应于光电信号的零电子的浮动重置电平的电压。接着，传输门214和224被施以脉冲接通和断开以将来自光电二极管232和237的光生电荷传输到浮动扩散218和228。现在，输出晶体管210和220将驱动输出线242和243到对应于在光电二极管232和237中生成的电子的数目的电压电平。该电压电平和重置电压电平之间的差与光电二极管中的电荷的量成比例。
为了读出下一光电二极管233和238的行，通过激活浮动扩散218和228来重复该过程。这通过断开恒定电流耗散负载晶体管240和241来完成。断开负载晶体管240和241，开关230和231可以被设置到VHigh电压设定。现在，当接通重置晶体管212和222时，浮动扩散218和228将被设置到VHigh电压。接着，重置晶体管212和222被断开，并且开关230和231被设置到断开设置。然后，电流耗散负载晶体管240和241被接通，从而输出晶体管210和220将驱动输出线242和243到表示对应于光电信号的零电子的浮动重置电平的电压。接着，传输门216和226被施以脉冲接通和断开以将来自光电二极管233和238的光生电荷传输到浮动扩散218和228。现在，输出晶体管210和220将驱动输出线242和243到对应于在光电二极管233和238中生成的电子的数目的电压电平。该电压电平和重置电压电平之间的差与光电二极管中的电荷的量成比例。
接着，在继续前进读出另一行像素之前，像素235和236中的晶体管必须被去激活（deactivate）。保持重置晶体管212和222处于接通状态将输出晶体管210和220的栅极和源极电压设置为相等的。当在表面沟道晶体管中栅极和源极电压相等时，该晶体管将处于断开状态。当输出晶体管210和220处于断开状态时，它们将不干扰读出其它图像传感器行的光电二极管。
通过共享共同的电源（VDD）扩散234，在图5中由晶体管占用的面积量被减少。与图3中的现有技术相比，在各晶体管之间少了一个接触并且少了一个隔离区域。这使得整个像素尺寸减小，同时维持相同的晶体管栅极尺寸并维持合理尺寸的光电二极管。
图6示出了通过晶体管栅极212、210、220和222的线的横截面。在硅衬底250上制造这些晶体管。
图4中的像素235示出了共享共同浮动扩散218的两个光电二极管232和233。CMOS图像传感器领域的技术人员将会容易观察到本发明可以应用于共享或不共享共同浮动扩散的任何数目的光电二极管，包括不共享光电二极管的情况。
图4还示出了定向在垂直方向上的VDD电源线234。电源线234也可以被水平定向或作为方形网格被定向在两个方向上。此外，如果VDD电源线234被水平定向，那么它可以被用来选择或取消选定要读出的行，如在美国专利5,949,061和6,323,476中那样。
图7示出了被合并在图像传感器300中的本发明的像素330。图像传感器300具有行解码器305以选择和取消选定要读出的行。它还具有用于采样每一列的输出线（line）的列解码器325以及用于数字化输出线上的信号的模数转换器315。定时发生器310控制行305和列325解码器的扫描。图像处理器310被用来校正行和列增益和偏移，以及缺陷校正、滤色插值或其它图像处理功能。
图8是具有本发明的图像传感器300的数字照相机400。
部件列表
100图像传感器
105行解码器电路
110定时发生器
115模数转换器
120图像处理
125相关双采样（CDS）电路
130光敏像素
150光电二极管
151光电二极管
152传输门
153传输门
154重置晶体管栅极
155浮动扩散
156输出晶体管栅极
157输出信号线
158电源线（VDD）
160间隙
210输出晶体管或放大器
212重置晶体管栅极
214传输门
216传输门
218浮动扩散或感测节点
220输出晶体管或放大器
222重置晶体管栅极
224传输门
226传输门
228浮动扩散或感测节点
230开关
231开关
232光电二极管
233光电二极管
234电源线（VDD）
235像素
236像素
237光电二极管
238光电二极管
240耗散负载晶体管
241耗散负载晶体管
242输出信号线
243输出信号线
250硅衬底
300图像传感器
305行解码器
310定时发生器
315模数转换器
320图像处理器
325列解码器
330光敏像素
400数字照相机。

Claims (4)

1.一种用于从图像传感器中的一行像素读出电荷的方法，其中所述行中的每个像素包括光电探测器、浮动扩散，以及所述图像传感器中的每个列输出线被连接到负载晶体管，该方法包括：
断开负载晶体管；
将所述列输出线设置到第一电压电平；
通过对将被读出的所述行中的像素中的重置晶体管施以脉冲来对所述浮动扩散进行重置，其中对所述重置晶体管施以脉冲将所述列输出线上的第一电压电平传输到所述浮动扩散；
接通所述负载晶体管，并将所述列输出线设置到第二电压电平；以及
从所述行中的像素读出信号。
2.如权利要求1中所述的方法，其中从所述行中的像素读出信号包括：
在所述行中的所述浮动扩散上读出重置信号；
通过对所述行中的传输门施以脉冲来将电荷从所述光电探测器传输到所述行中的所述浮动扩散；
在所述行中的所述浮动扩散上读出图像信号；以及
接通所述行中的像素中的所述重置晶体管。
3.如权利要求1所述的方法，其中将所述列输出线设置到第一电压电平包括将连接到所述列输出线的开关转到所述第一电压电平，并且其中将所述列输出线设置到所述第二电压电平包括将所述开关转到断开设置并且允许由具有耦合到所述浮动扩散的栅极的输出晶体管驱动所述列输出线。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述输出晶体管与所述行中的所述输出晶体管中的至少一个共享电源节点。
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