CN102984473B - 图像传感器及增大其电荷-电压增益的方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及增大其电荷-电压增益的方法，图像传感器包括多个呈阵列排布的像素；每一列像素共用输入电源、输入导线、共用信号输出端；每一个像素包括：第一源跟随管，第一源跟随管源极与信号输出端电连接；浮置扩散区，与第一源跟随管的栅极电连接；感光二极管；传输管，其漏极为浮置扩散区，其源极为感光二极管；图像传感器还包括多个电压补偿电路，每一列像素对应一个电压补偿电路，每个电压补偿电路包括输入端和输出端，输入端用于与输入电源电连接，输出端与第一源跟随管漏极电连接，电压补偿电路的作用为：使图像传感器工作时电压补偿电路输出端输出电压的变化趋势和信号输出端电压的变化趋势相同。本方案可以提高图像传感器的性能。

Description

图像传感器及增大其电荷-电压增益的方法

技术领域

本发明涉及成像器件，尤其涉及图像传感器、增大图像传感器电荷-电压增益的方法。

背景技术

随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，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增长，因此，其关键零部件——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CCD（电荷耦合图像传感器）、CMOS传感器（互补型金属氧化物图像传感器）。

CMOS图像传感由于功耗小、转换速率快，尺寸小等优点被广泛应用于数码相机、光学成像器件领域。现有的CMOS图像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为现有技术中4T结构的CMOS图像传感器中像素的电路结构示意图，图2为现有技术中CMOS图像传感器的像素排列示意图，参考图1和图2，每一个像素包括感光二极管PD、传输管TX、复位管RST、源跟随管SF和行选通管(图中未示)，其中传输管TX的漏极为浮置扩散区，传输管TX的源极为感光二极管，源跟随管的漏极连接电源电压Vdd，复位管RST的漏极连接输入电压Vin。其工作原理为：（1）传输管TX打开前，对浮置扩散区FD进行复位操作，具体为：传输管TX保持关闭，复位管RST先打开，然后关闭，使浮置扩散区FD充电，此时在源跟随管SF的源极读出输出电压Vout作为信号参考电压Vrf；(2)浮置扩散区的复位完成后，传输管TX打开，传输管TX打开过程中复位管RST继续保持关闭，感光二极管PD采集光生电荷，由感光二极管PD采集到的光生电荷进入到浮置扩散区FD，然后关闭传输管TX，在源跟随管的源极读取输出电压Vout作为采样电压Vsample。Vrf与Vsample之间的电压差值Vsignal，为与入射光信号对应的电信号，用于后续还原成像。

更多关于CMOS图像传感器的内容可以参考2003年8月20日公开的第1437388A号的中国专利文献。

然而，现有技术的CMOS图像传感器性能不好。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的CMOS图像传感器性能不好。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括输入电源，输入导线，多个呈阵列排布的像素，每一列像素列包括：一个或多个像素；每一列像素共用输入电源、输入导线、共用信号输出端；

每一个像素包括：第一源跟随管，第一源跟随管源极与所述信号输出端电连接；浮置扩散区，与所述第一源跟随管的栅极电连接；感光二极管；传输管，其漏极为所述浮置扩散区，其源极为所述感光二极管；

所述图像传感器还包括多个电压补偿电路，每一列像素对应一个电压补偿电路，每个电压补偿电路包括输入端和输出端，所述输入端用于与所述输入电源电连接，所述输出端与所述第一源跟随管漏极电连接，电压补偿电路的作用为：使图像传感器工作时所述电压补偿电路输出端输出电压的变化趋势和所述信号输出端电压的变化趋势相同。

可选的，还包括选通电路，用于选通工作的像素。

可选的，每一列像素中每个像素第一源跟随管漏极共用输入导线并与电压补偿电路输出端电连接。

可选的，所述电压补偿电路为第二源跟随管，所述第二源跟随管的漏极为所述电压补偿电路的输入端，所述第二源跟随管的源极为所述电压补偿电路的输出端，所述第二源跟随管的栅极与所述信号输出端电连接。

可选的，还包括：复位管，与所述浮置扩散区电连接。

可选的，所述图像传感器为4T结构或5T结构的CMOS图像传感器。

本发明还提供一种增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其中，图像传感器包括多个呈阵列排布的像素，每一列像素列包括：一个或多个像素；每一列像素共用输入导线、信号输出端；每一个像素包括：第一源跟随管，第一源跟随管源极与所述信号输出端电连接；浮置扩散区，与所述第一源跟随管的栅极电连接；感光二极管；传输管，其漏极为所述浮置扩散区，其源极为所述感光二极管；

所述方法包括：

所述传输管打开前，向所述第一源跟随管的漏极输入第一电压；

所述传输管打开后，向所述第一源跟随管的漏极输入第二电压，所述第二电压相对于所述第一电压的变化趋势与传输管开关前后所述信号输出端的电压变化趋势相同。

可选的，每列像素列中每个像素第一源跟随管漏极通过所述输入导线电连接；所述第一电压、第二电压通过所述输入导线输入给第一源跟随管漏极。

可选的，所述第一电压、第二电压的大小需确保所述第一源跟随管工作在电流饱和区。

可选的，所述图像传感器还包括：复位管，与所述浮置扩散区电连接。

可选的，所述图像传感器为4T结构或5T结构的CMOS图像传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本技术方案的CMOS图像传感器，在现有技术的基础上每列像素增加了电压补偿电路，电压补偿电路的输入端与每列像素共用的输入电源电连接，电压补偿电路的输出端与第一源跟随管的漏极电连接。电压补偿电路的作用为：使图像传感器工作时电压补偿电路输出端输出电压的变化趋势和每列像素共用的信号输出端电压的变化趋势相同。这样，传输管打开后用于补偿第一源跟随管漏极的电压与浮置扩散区电压的电压差在传输管开关前后的差值所需的电荷就会小于现有结构所需电荷，因此产生相同电荷电压增益所需的总电荷数目就会相应减少，同理相同的光生电荷，产生的电荷-电压增益就会更大，也就可以提高CMOS图像传感器的性能。

在具体实施例中，电压补偿电路为第二源跟随管，可以非常简单的实现电压补偿电路，而且，也不会对制造CMOS图像传感器的方法增加太多工艺。

附图说明

图1为现有技术中4T结构的CMOS图像传感器中像素的电路结构示意图；

图2为现有技术中CMOS图像传感器的像素排列示意图；

图3为本发明具体实施例4T结构的CMOS图像传感器中像素的电路结构示意图；

图4为本发明具体实施例CMOS图像传感器的像素阵列示意图；

图5为显示像素结构的CMOS图像传感器中像素阵列示意图。

具体实施方式

图像传感器的电荷-电压增益是影响其性能的重要参数，等量的光生电荷产生的增益电压越大，则输出信号中表示图像信息的信号就越强，即图像传感器的性能越好。发明人经过研究发现，造成现有技术的CMOS图像传感器性能不好的原因为：

参考图1，现有技术的CMOS图像传感器，在传输管TX打开，感光二极管PD积累的光生电荷进入浮置扩散区FD后，浮置扩散区FD的电压Vfd受到光生电荷的影响，相比传输管打开前，浮置扩散区FD的电压Vfd发生变了化，而电源电压Vdd保持恒定；传输管打开前浮置扩散区FD的电压为Vfd1，传输管打开后浮置扩散区FD的电压为Vfd2，因此传输管开关前后Vdd与Vfd之间的电压差有一个数值为ΔV[ΔV=(Vdd-Vfd2)-(Vdd-Vfd1)=Vfd1-Vfd2]的变化，该电压差的变化会消耗一部分的光生电荷来补偿，该部分的光生电荷进入源跟随管SF，进而减少了用于电压增益的光生电荷数，相应的源跟随管源极读出的采样电压Vsample减小，则参考电压Vrf与采样电压Vsample之间的电压差值Vsignal减小，即与入射光信号对应的电信号减小，因此图像传感器的性能就会受到影响。

本发明的CMOS图像传感器，在现有的CMOS图像传感器的基础上增加了电压补偿电路，该电压补偿电路的作用是将信号输出端即源跟随管源极的输出电压的变化趋势反馈至源跟随管的漏极，使源跟随管漏极的电压变化趋势和信号输出端输出电压的变化趋势相同。这种情况下：传输管开关前后Vdd与Vfd之间的电压差的变化值ΔV’=(Vsfd2-Vfd2)-(Vsfd1-Vfd1)=Vfd1-Vfd2+Vsfd2-Vsfd1，Vsfd1和Vsfd2分别为传输管开关前后源跟随晶体管漏极的输入电压Vsfd。由于Vfd和Vsfd的变化趋势相同，因此ΔV’<ΔV，因此减小了传输管开关前后Vdd与Vfd之间的电压差的变化，相应的也就可以减小由于该电压差的变化而消耗的光生电荷数，增大采样信号，因此可以提高图像传感器的性能。

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。

本发明的CMOS图像传感器，可以是4T结构的CMOS图像传感器，也可以为5T结构的CMOS图像传感器，以及本领域技术人员公知的可以利用本发明的CMOS图像传感器。下面重点以4T结构的CMOS图像传感器为例说明。

图3为本发明具体实施例中4T结构的CMOS图像传感器中像素的电路结构示意图，图4为本发明具体实施例的CMOS图像传感器的像素阵列示意图，图5为显示像素结构的CMOS图像传感器中像素阵列示意图。

参考图3、图4和图5，本发明具体实施例的CMOS图像传感器包括多个呈阵列排布的像素pixel，每一列像素列包括：一个或多个像素pixel；每一列像素共用输入电源（图中未示出）、共用输入导线21、共用信号输出端；输入电源的电压为Vdd，信号输出端的输出电压为Vout。

其中，每一个像素pixel包括：第一源跟随管SF1，第一源跟随管SF1源极与信号输出端电连接；浮置扩散区FD，与所述第一源跟随管SF1的栅极电连接；感光二极管PD，传输管TX，传输管TX的漏极为浮置扩散区FD，传输管TX的源极为感光二极管。传输管TX的栅极上连接开关信号，用于传输管TX的导通、关闭。

参考图4，CMOS图像传感器还包括：多个电压补偿电路23，每一列像素对应一个电压补偿电路，每个电压补偿电路包括输入端和输出端，电压补偿电路23的输入端与输入电源电连接，输出端与第一源跟随管SF1的漏极电连接。电压补偿电路23的作用为：使图像传感器工作时电压补偿电路23的输出端输出电压的变化趋势和信号输出端电压Vout的变化趋势相同。也就是在传输管TX打开前后，电压补偿电路23的输出端输出电压的变化趋势和信号输出端电压Vout的变化趋势相同。

参考图4、图5，在本发明具体实施例中，每一列像素共用输入导线21，所述电压补偿电路23的输入端通过所述输入导线21与所述输入电源电连接；每一列像素共用信号输出线22，第一源跟随管SF1的源极、信号输出端均与信号输出线22电连接，即第一源跟随管SF1的源极输出的电压通过信号输出线22输出至信号输出端。并且，第一源跟随管SF1的漏极、所述电压补偿电路的输出端通过所述输入导线21电连接，也就是说，电压补偿电路23的输出端输出的电压通过输入导线21输出至第一源跟随管SF1的漏极。

参考图4，在本发明具体实施例中，CMOS图像传感器还包括选通电路24，用于选通工作的像素。通过选通电路24的作用，每列像素列同时只有一个像素工作。关于该选通电路24的具体结构为公知技术，在此不做赘述。

参考图3、图4和图5，本发明具体实施例中，电压补偿电路23为第二源跟随管SF2，所述第二源跟随管SF2的漏极作为电压补偿电路的输入端，与输入电源电连接；第二源跟随管的SF2的源极为电压补偿电路的输出端，通过输入导线21与所述第一源跟随管SF1的漏极电连接，第二源跟随管的SF2的源极输出的电压代替现有技术中的电源电压作为第一源跟随管SF1的电源电压；第二源跟随管SF2的栅极与所述第一源跟随管SF1的源极电连接，也就相当于将信号输出端的输出电压Vout连接到第二源跟随管SF2的栅极，将信号输出端的输出电压Vout的变化反馈至第二源跟随管SF2，经第二源跟随管SF2将该变化反馈至第一源跟随管SF1。

参考图3，本发明具体实施例中，CMOS图像传感器的像素为4T结构，CMOS图像传感器还包括：复位管RST，与所述浮置扩散区FD电连接，具体的连接方式为：复位管RST的漏极连接输入电压Vin，源极与浮置扩散区FD电连接，栅极上连接开关信号（图中未标号），用于复位管RST的导通、关闭。

本发明具体实施例的4T结构的CMOS图像传感器的工作原理与现有技术相同。采用该实施例的CMOS图像传感器后，在第一源跟随管SF1的基础上有增加了一个第二源跟随管SF2，第一源跟随管SF1的源极除用于输出电压外，还作为第二源跟随管SF2的栅极电压，输入电源的电压Vdd直接连接在第二源跟随管SF2的漏极，此时第一源跟随晶体管SF1的输入端电压变为第二源跟随管SF2的输出电压Vsfd。此种结构下，在传输管打开操作时，浮置扩散区的电压Vfd的变化，会通过信号输出端所连接的第二源跟随管SF2作用，引起第一源跟随晶体管的输入端电压Vsfd也随信号输出端的输出电压Vout变化，其中信号输出端的输出电压Vout跟随浮置扩散区的电压Vfd沿相同趋势变化。假设这种新的结构下，传输管开关前后第一源跟随晶体管的输入端电压Vsfd分别为Vsfd1和Vsfd2，传输管开关前后浮置扩散区FD的电压分别为Vfd1和Vfd2，则传输管开关前后Vsfd与Vfd之间的电压差有一个数值为ΔV’[ΔV’=(Vsfd2-Vfd2)-(Vsfd1-Vfd1)=Vfd1-Vfd2+Vsfd2-Vsfd1]，由于Vsfd随Vfd沿相同趋势一同变化，因此ΔV’<ΔV，这样用于补偿ΔV’所需的电荷就会小于一般结构所需电荷，因此产生相同电荷电压增益所需的总电荷数目就会相应减少，同理相同的光生电荷，产生的电荷-电压增益就会更大，相应的也就可以提高CMOS图像传感器的性能。

另一方面，参考图2，现有技术中，在像素布局中，同一列像素的源跟随管SF的漏极统一连接到输入导线11，源极统一连接到信号输出线12。位于同一列的像素的输入导线11、信号输出线12相邻，两者距离较近，产生电容，该电容会对输出电压产生影响。

参考图4和图5，本发明具体实施例的CMOS图像传感器，在像素布局中，在一列上的第一源跟随管SF1的漏极统一连接到输入导线21，源极统一连接到信号输出线22。由于，本发明中，输入导线21上的输入电压即从第二源跟随管SF2的源极输出的电压和信号输出线22上的输出电压沿相同趋势变化，因此电源噪声通过输入导线21与信号输出线22之间电容对信号输出端的输出电压Vout的影响也会相应减小，从而可以进一步提高CMOS图像传感器的性能。

本发明具体实施例还提供一种增大图像传感器电荷-电压增益的方法，参考图3、图4和图5，该图像传感器包括多个呈阵列排布的像素pixel，每一列像素列包括：一个或多个像素pixel；每一列像素共用信号输出端、输入导线，信号输出端的输出电压为Vout。每一个像素pixel包括：第一源跟随管SF1，第一源跟随管SF1源极与所述信号输出端电连接；浮置扩散区FD，与所述第一源跟随管SF1的栅极电连接；感光二极管PD；传输管TX，传输管TX漏极为浮置扩散区FD，传输管TX源极为感光二极管PD。

关于该图像传感器的布局、像素结构可以参考上述实施例，该方法包括：

传输管打开前，向所述第一源跟随管SF1的漏极输入第一电压；

传输管打开后，向所述第一源跟随管的漏极输入第二电压，所述第二电压相对于所述第一电压的变化趋势与传输管开关前后所述信号输出端的电压变化趋势相同。

所述第一电压、第二电压的大小需确保所述第一源跟随管工作在电流饱和区。

参考图4和图5，每一列像素共用输入导线21；第一源跟随管漏极与所述输入导线电连接；所述第一电压、第二电压通过所述输入导线输入给第一源跟随管漏极。

所述图像传感器还包括：复位管，与所述浮置扩散区电连接。

可以通过在CMOS图像传感器中额外增加一个电压补偿电路例如以上描述的第二源跟随管，来实现对第一源跟随管的漏极输入第一电压、第二电压。但本发明的方法不限于通过额外增加电压补偿电路的方式来实现，也可以通过设定输入至第一源跟随管漏极的电压来实现，比如，通过设定第一源跟随管漏极的输入电压为变化值，而不是定值，根据传输管开关前后所述浮置扩散区的电压变化趋势来设定输入电压。也可以为：对第一源跟随管的漏极设定两个电源，第一电源和第二电源，第一电源的电压为第一电压，第二电源的电压为第二电压；传输管打开前，使用第一电源，传输管打开后切换至第二电源。

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 (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括输入电源，输入导线，多个呈阵列排布的像素，每一列像素包括：一个或多个像素；每一列像素共用输入电源、共用输入导线、共用信号输出端；

每一个像素包括：第一源跟随管，第一源跟随管源极与所述信号输出端电连接；浮置扩散区，与所述第一源跟随管的栅极电连接；感光二极管；传输管，其漏极为所述浮置扩散区，其源极为所述感光二极管；

所述图像传感器还包括多个电压补偿电路，每一列像素对应一个电压补偿电路，每个电压补偿电路包括输入端和输出端，所述输入端用于与所述输入电源电连接，所述输出端与所述第一源跟随管漏极电连接，电压补偿电路的作用为：使图像传感器工作时所述电压补偿电路输出端输出电压的变化趋势和所述信号输出端电压的变化趋势相同；

所述电压补偿电路为第二源跟随管，所述第二源跟随管的漏极为所述电压补偿电路的输入端，所述第二源跟随管的源极为所述电压补偿电路的输出端，所述第二源跟随管的栅极与所述信号输出端电连接。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括选通电路，用于选通工作的像素。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每一列像素中每个像素第一源跟随管漏极共用输入导线并与电压补偿电路输出端电连接。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：复位管，与所述浮置扩散区电连接。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为4T结构或5T结构的CMOS图像传感器。

6.一种增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其中，图像传感器包括多个呈阵列排布的像素，每一列像素包括：一个或多个像素；每一列像素共用输入导线、信号输出端；每一个像素包括：第一源跟随管，第一源跟随管源极与所述信号输出端电连接；浮置扩散区，与所述第一源跟随管的栅极电连接；感光二极管；传输管，其漏极为所述浮置扩散区，其源极为所述感光二极管；

其特征在于，所述方法包括：

所述传输管打开前，向所述第一源跟随管的漏极输入第一电压；

所述传输管打开后，向所述第一源跟随管的漏极输入第二电压，所述第二电压相对于所述第一电压的变化趋势与传输管开关前后所述信号输出端的电压变化趋势相同。

7.如权利要求6所述的增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其特征在于，每列像素中每个像素第一源跟随管漏极通过所述输入导线电连接；所述第一电压、第二电压通过所述输入导线输入给第一源跟随管漏极。

8.如权利要求6所述的增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其特征在于，所述第一电压、第二电压的大小需确保所述第一源跟随管工作在电流饱和区。

9.如权利要求6所述的增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其特征在于，所述图像传感器还包括：复位管，与所述浮置扩散区电连接。

10.如权利要求6所述的增大图像传感器电荷-电压增益的方法，其特征在于，所述图像传感器为4T结构或5T结构的CMOS图像传感器。