CN102695008A - 大尺寸像素电荷快速转移的cmos图像传感器像素结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。为在大尺寸像素下，实现光生电荷的快速、完全的转移，从而提高图像传感器的性能，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及光电二极管PPD和浮空扩散节点FD组成，设置的浮空扩散节点FD为n个，每个浮空扩散节点FD都带有自身的复位管RST，n个浮空扩散节点FD之间通过导线相连，然后共同依次连接源跟随器、选择管，每个浮空扩散节点FD分别通过各自的传输管TX连接到光电二极管PPD。本发明主要应用于CMOS图像传感器的设计制造。

Description

大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构

技术领域

本发明涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、低成本和高集成度的优点，并且由于其制造流程与标准CMOS工艺兼容，CMOS图像传感器得以迅速发展，现已成为研究的热点。

使用表面箝位光电二极管(Pinned Photodiode)的四管像素(4T)是当前CMOS图像传感器的主流。由传输管(TX)、复位管(RST)、源跟随器(SF)、选择管(SEL)以及光电二极管(PPD)和浮空扩散节点(FD)组成。图1是4T像素的基本结构示意图。在P型衬底a上，由N埋层b与表面高掺杂的P型箝位层c构成的箝位光电二极管PPD结构。d为传输管栅极，其开闭控制着由PPD产生的光生电子向浮空扩散节点e区中的转移，f为复位管的栅极。g为源跟随器。h为选择管。

4T像素简要工作原理如下：

首先通过d、f打开使得N埋层内部电子被耗尽，这时N埋层b将处于空阱状态，而浮空扩散节点e也将处于高电位。此时浮空扩散节点的电位通过源跟随器g，选择管h，作为相关双采样(CDS)的第一个信号被输出至总线。

其次，关断d、f，PPD在光的激励下将逐渐产生光生电子，经过一定的积分时间(即曝光时间)，积累了足够多的光生电子，这时打开d，N埋层中的电子将转移至浮空扩散节点e中，浮空扩散节点将转移来的光生电子转换为相应的电压信号，经过源跟随器g，最后通过选择管h将光信号作为相关双采样(CDS)的第二个信号转移至总线。

最后，两个CDS的输入信号由后续电路做差，得到表征相应光信号的模拟值，交由后续的ADC转化为数字量，经过处理之后得到所需要的图像。

通常，在消费类电子产品中，为了更好的提高产品的性价比、缩小产品的体积，增加便携性，更多的会考虑使用小像素的设计方案。而现今关注的热点是小像素下的背光技术。

但是大像素也有着小像素不可替代的优势。同等条件下大像素的阱容量更大，更适合于使用在低照度的情况下，例如深海、外太空、夜视等领域。另一方面，对大像素而言，由于光生电子的增多，各种噪声对像素本身的影响相对减小，像素本身的信噪比相对小像素而言大大提高。因此大像素也有着自身不可替代的优势，对大像素的研究同样有着重要的实际意义。

对于像素而言，光电二极管(PPD)中的光生电荷能否完全、快速的转移到FD，是一个很重要的问题。如果光生电荷不能在转移时间内完全转移，那么残留在PPD内部的电荷将会留在下一帧的时候输出，将图像信息延迟到下一幅图像，严重影响着成像质量，尤其在捕捉移动目标或用于特定传感器(例如时间延迟积分型图像传感器)中将会变得异常突出。因此，提高电荷转移效率是大尺寸像素设计中需要考虑的重要问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，在大尺寸像素下，实现光生电荷的快速、完全的转移，从而提高图像传感器的性能，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及光电二极管PPD和浮空扩散节点FD组成，浮空扩散节点FD为n个，均布在光电二极管PPD地周围，每个浮空扩散节点FD都带有自身的复位管RST，n个浮空扩散节点FD之间通过导线相连，然后共同依次连接源跟随器、选择管，每个浮空扩散节点FD分别通过各自的传输管TX连接到光电二极管PPD。

所述浮空扩散节点FD为2个，设置在光电二极管PPD箝位层的两端位置。

本发明的技术特点及效果：

本发明提出了一种能够提高大尺寸像素电荷转移效率的像素结构，通过引入多个传输管与浮空节点，可等效拓宽电子由光电二极管向浮空扩散节点转移的通道；多个传输管与浮空节点以光电二极管的中心点为中心，近似对称摆放，可缩短电子转移的距离。使用该结构，可使电子转移效率增加。本发明涉及的方法并未引入复杂的电路设计，仅对像素结构进行了优化，不需引入附加的光刻板和离子注入，实现简单。

附图说明

图1四管(4T)像素基本结构。

图2本发明两个FD结构示意图。图中的连线及连线连接的箭头表示：通过导线将两个FD连接，并经过之后的SF输出到列总线。

图3本发明两个FD结构等效电路图。

具体实施方式

本发明提出了一种能够提高大尺寸像素电荷转移效率的像素结构，通过引入多个传输管，以及对应的浮空扩散节点(FD)，可等效拓宽电子转移的通道；多个传输管以光电二极管的中心点为对称中心，近似对称摆放，可缩短电子转移的距离。使用该结构，可使电子转移效率增加。

本发明涉及的像素需要使用大面积，大阱容量的光电二极管(PPD)，例如10μm×10μm的PPD。由于阱容量大，单次曝光产生的光生电子较多，例如十万以上的光生电子，如果仅仅使用一个传输管(TX)用来转移电子，一个浮空扩散节点(FD)用来收集电子，电荷完全转移要比使用小面积、小阱容量光电二极管(PPD)的像素困难得多。而多个FD的结构，对于每个FD而言转移的光生电荷减少很多，此时电荷的完全转移变得相对容易，可以大大减小电荷完全转移所需的时间。本发明涉及的像素中每一个光电二极管(PPD)周围都将有n个浮空扩散节点(FD)，均布在PPD周围，每个FD都带有自身的复位管，而这n个FD之间通过导线相连。然后共同连接其后的源跟随器、选择管。

像素工作时，与单个FD相同，n个FD旁边的复位管给各自的FD复位，使FD具有相对高的电位，此时n个FD共同连接在源跟随器栅极，经过行选管输出为CDS的第一个信号。然后像素开始曝光，曝光结束之后，电荷开始转移。此时，n个TX管全部同时打开，电子可以向每一个FD方向转移。之后由于所有的FD通过导线连在了源跟随器的栅极，因此与单个FD相同，光生电荷通过多个FD转变为相应的电信号，输出为CDS的第二个信号。随后与传统单FD结构相同，进行CDS输出，AD量化后成像。

与单个FD的像素结构相比，多FD的结构，为光生电子的转移提供了多个通道，对于大阱容量的大像素而言，光生电子不再需要向一个方向移动，而具有了更多的选择，因此电荷可以更完全的转移，避免出现图像拖尾。

同时，由于是多FD结构，与单个FD相比，相同阱容量大小，电荷完全转移的条件下，转移速度将大大提高，理想情况下，转移时间变为单FD结构的1/n。这样在大像素的应用领域，可以实现高速转移，大幅度提高帧频。

对本发明涉及的方式进行进一步的详细说明如下：

对于本发明涉及的像素，给出一种典型的实施方式，如图2所示：每个像素中具有一个箝位光电二极管(PPD)；两个浮空扩散节点(FD)，分布在光电二极管(PPD)的两端，两个FD各自具有一个复位管；一个源跟随器；一个选择管。图3为两个FD结构的等效电路图。由图可知，同一个PPD，经过两个相同的传输管，连接至两个相同的浮空扩散节点FD1、FD2，FD1、FD2分别由自身的复位管RSVT1、RSVT2进行复位。两个FD通过导线连接至源跟随器SF的栅极，经由选择管，输出至列总线。

当像素工作时，首先由两个复位管分别给FD复位，FD1、FD2通过导线连接至源跟随器栅极后，经过后续连接输出CDS第一个信号。然后对像素进行曝光处理，光电二极管中产生大量的光生电荷。然后两个FD与PD之间的传输管接高电平打开，PPD中的光生电子分别向两个FD中转移，致使FD电位降低，通过源跟随器栅极输出CDS第二个信号。与单FD结构相比，由于多了一个电荷转移的通道，因此每个FD需要接收的光生电子数量大大减小，提高了电荷转移的能力，避免了图像拖尾的发生，提高图像的成像质量。同时，所需要的转移时间也会大大缩短，转移速度将变为单个FD结构的2倍，提高了图像传感器的帧频。

Claims (2)

1.一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及光电二极管PPD和浮空扩散节点FD组成，其特征是，浮空扩散节点FD为n个，均布在光电二极管PPD周围，每个浮空扩散节点FD都带有自身的复位管RST，n个浮空扩散节点FD之间通过导线相连，然后共同依次连接源跟随器、选择管，每个浮空扩散节点FD分别通过各自的传输管TX连接到光电二极管PPD。

2.如权利要求1所述的大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，其特征是，所述浮空扩散节点FD为2个，设置在光电二极管PPD箝位层的两端位置。

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