CN103152531B - 用于抗辐射cmos图像传感器的有源像素结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，有补偿管M14的栅极连接补偿信号，复位管M11的栅极连接复位信号，选通管M13的栅极连接选通信号，补偿管M14的源极、复位管M11的漏极和晶体管M12的漏极均连接电源VDD，补偿管M14的漏极、复位管M11的源极、晶体管M12的栅极和光电二极管PD的N极连在一起，晶体管M12的源极连接选通管M13的漏极，选通管M13的源极连接电流源I的输入端，电流源I的输出端接地，所述的光电二极管PD的P端接地。本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，可以降低PD自身暗电流对图像质量的影响。同时，本发明的像素可以在总剂量辐照强度较大环境下正常工作，即使有源像素能够工作在强辐照的环境下。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源像素。特别是涉及一种用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构。
背景技术
无论在航天工程、国防建设都需要具有抗辐射性能的集成电路，CMOS图像传感器和CCD图像传感器是现阶段常用的两大类图像传感器。由于CMOS图像传感器，在抗辐照的性能方面优于CCD像素；CMOS抗辐照图像传感器在航天和国防领域有着广泛的应用前景。但是在辐照条件下，通用CMOS的图像传感器中像素的暗电流会随着辐照强度成指数增长。通过抗辐照加固设计可以增加像素的抗辐照特性，但是由于种种原因，该技术一直对外保密。在辐照条件下，普通结构的有源像素（包括3T、4T和其他类型的像素），会产生暗电流。暗电流的大小与总剂量辐照强度和单粒子的位移损伤有关，暗电流的大小随着辐照强度成指数关系增长。在辐照条件下，照射在PN结上电磁波包括有主要有可见光和总剂量辐照。在一般的辐照环境下，总剂量辐照的能量要大于可见光，总剂量辐照射线的量子效率要大于可见光。因此总剂量辐照引起的暗电流要大于可见光引起的暗电流，同时远远大于PD管自身的暗电流。对于通用图像传感器，在0.5KGy的总剂量辐照强度下，总剂量辐照引起的暗电流可以完全淹没由可见光强产生的电流。因此，CMOS图像传感器的用于像素需要经过特殊设计才可以用于强辐照环境下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够削弱甚至消除辐照所产生的暗电流的影响，使有源像素能够工作在强辐照环境下的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构。
本发明所采用的技术方案是：一种用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，包括有光电二极管PD、复位管M11、晶体管M12和选通管M13，还设置有补偿管M14和电流源I，其中，所述的补偿管M14的栅极连接补偿信号，复位管M11的栅极连接复位信号，选通管M13的栅极连接选通信号，补偿管M14的源极、复位管M11的漏极和晶体管M12的漏极均连接电源VDD，补偿管M14的漏极、复位管M11的源极、晶体管M12的栅极和光电二极管PD的N极连在一起，晶体管M12的源极连接选通管M13的漏极，选通管M13的源极连接电流源I的输入端，电流源I的输出端接地，所述的光电二极管PD的P端接地。
所述的晶体管M13的源极为输出信号端。
所述的补偿信号是由补偿信号产生电路产生，所述的补偿信号产生电路包括有N个晶体管M1～MN、N个光电二极管PD1～PDN和一个缓冲器F，其中，每一个晶体管的漏极对应连接一个光电二极管的N极，所述的N个晶体管M1～MN的源极均连接电源VDD，N个晶体管M1～MN的栅极和漏极连接在一起，并与所述的N个光电二极管PD1～PDN的N极一起连接缓冲器F的输入端，所述的N个光电二极管PD1～PDN的P极均接地，缓冲器F的输出端连接有源像素结构的补偿管M14的栅极，来为其提供电流偏置。
所述的N个晶体管M1～MN是P型MOS晶体管。
本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，可以降低PD自身暗电流对图像质量的影响。同时，本发明的像素可以在总剂量辐照强度较大环境下正常工作，即使有源像素能够工作在强辐照的环境下。
附图说明
图1是本发明的抗辐照有源像素的电路原理图；
图2是本发明的抗辐照有源像素的信号产生电路原理图；
图3是抗辐照有源像素的二维截面示意图；
图4是抗辐照有源像素补偿信号产生电路基本单元的二维截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构做出详细说明。
本发明提出了一种有源像素的暗电流消除的电路结构，该电路结构可以抑制甚至消除暗电流，尤其对较大暗电流的像素，效果更加明显。对于传统的三管P型衬底有源像素来说，包括光电二极管、复位管、源跟随管和选通管。复位管漏极接电源，源极接光电二极管的N端，光电二极管的P端接地。源跟随管的漏极接电源，栅极接复位管的源极，源极接选通管的漏极。四管有像素是在光电二极管的N端和复位管之间又接了一个晶体管，该晶体被称为传输管。该方法适合三管、四管等结构的像素，衬底掺杂可以使P型也可以是N型。在像素正常工作模式下，流过光电二极管中的电流包括光电二极管自身产生的暗电流，由辐照引起的暗电流和可见光强引起的光生电流。在强辐照环境下，为了实时地补偿像素的暗电流，需要在像素中加入一个PMOS晶体管，该PMOS晶体管的源极接VDD，漏极接光电二极管的N极，PMOS管的栅极加上一个合适的补偿信号，该补偿信号控制流过PMOS管源漏之间的电流，使该电流的大小等于PD管中所有暗电流的总和，包括PD管自身产生的暗电流和辐照引起的暗电流。
如图1所示，本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，包括有光电二极管PD、补偿管M14、复位管M11、晶体管M12、选通管M13和电流源I，其中，所述的补偿管M14的栅极连接补偿信号，复位管M11的栅极连接复位信号，选通管M13的栅极连接选通信号，补偿管M14的源极、复位管M11的漏极和晶体管M12的漏极均连接电源VDD，补偿管M14的漏极、复位管M11的源极、晶体管M12的栅极和光电二极管PD的N极连在一起，晶体管M12的源极连接选通管M13的漏极，选通管M13的源极连接电流源I的输入端，电流源I的输出端接地，所述的光电二极管PD的P端接地。所述的晶体管M13的源极为输出信号端。
图1中，流过补偿管M14源漏之间的电流成为IDark，流过光电二极管PD的电流是IDark+ISignal，光电二极管PD可以接受可见光和总剂量辐照。该结构像素与传统的3T像素相比，多了P型补偿管M14和一个输入补偿信号。在辐照条件下，补偿管M14中流过的电流与总剂量辐照引起的暗电流相等，可以实时地对光电二极管PD进行暗电流补偿。流过光电二极管PD中的暗电流与流过补偿管M14的电流相等。在一定范围的暗电流，都可以进行实时补偿。由于工艺的限制，电流镜中PMOS晶体管阈值电压会有一定的失配。阈值电压的失配会造成像素之间补偿电流的差异，如果该差异电流的大小远大于光电二极管PD自身的暗电流，则该差异电流是影响图像质量的主要因素，那么这种方法在该条件下会有其局限性。在辐照条件下，APS图像传感器的暗电流会很大，要远大于补偿PMOS晶体管失配造成的电流差异，本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构可以有效地消除有源像素的暗电流。
本发明提出的像素结构还需要一个额外的补偿信号电压产生电路来为像素中的补偿管M14提供电流偏置。该电路可以集成在CMOS图像传感器芯片上。可以把一些像素阵列的正上方用铝板覆盖，该铝板可以滤除可见光，但不能阻挡总剂量辐照射线（X实现、β实现和γ射线等）的穿透。为了减少总剂量辐照在铝板中的能量损失，要把铝板的厚度做的尽可能薄。
如图2的示，所述的补偿信号是由补偿信号产生电路产生，所述的补偿信号产生电路包括有N个晶体管M1～MN、N个光电二极管PD1～PDN和一个缓冲器F，所述的N个晶体管M1～MN是P型MOS晶体管。其中，每一个晶体管的漏极对应连接一个光电二极管的N极，所述的N个晶体管M1～MN的源极均连接电源VDD，N个晶体管M1～MN的栅极和漏极连接在一起，并与所述的N个光电二极管PD1～PDN的N极一起连接缓冲器F的输入端，所述的N个光电二极管PD1～PDN的P极均接地，缓冲器F的输出端连接有源像素结构的补偿管M14的栅极，来为其提供电流偏置。
由于在补偿信号产生电路中的光电二极管只接受总剂量辐照，光电二极管PD1～PDN中流过电流包括PD管自身的暗电流和辐照引起的电流，不包括可见光强引起的暗流。因为所有的光电二极管PD1～PDN和所有的PMOS晶体管M1～MN是串联的，而且缓冲器输入端是高阻，所以流过光电二极管PD1～PDN的暗电流与流过PMOS晶体管M1～MN中的电流相等。流过PMOS晶体管M1～MN管中的电流可以通过电流镜镜像到像素中的。图1中的补偿管M14正是为了镜像该电流而加入的晶体管。增加光电二极管和PMOS晶体管的数量可以减小失配。
对于P型衬底的有源像素来说，需要在像素中先做一个N阱，再在N阱中做一个PMOS管，为了减小PMOS管阈值电压的适配，PMOS管的面积不能太小。对于深亚微米的工艺来说，总剂量对PMOS管和NMOS管阈值电压的影响很小，但会造成NMOS管的漏电流增大很多，所以NMOS晶体管要做成环形栅结构。对于N型衬底的CMOS工艺来说，只需要在像素中多加入一个P管，其他部分和通用像素结构一样。
图3是一个抗辐射CMOS图像传感器像素的实例。它是一个P型衬底的CMOS图像传感器，P型衬底100主要起到物理支撑作用，P型衬底中的右半部分做了一个N型掺杂区101和一个NMOS晶体管，N型掺杂区101是NMOS晶体管的源极，N+掺杂102是NMOS晶体管的漏极。该NMOS晶体管的栅极是复位信号的输入端，由二氧化层103、掺杂的多晶硅104和接触层105组成，二氧化层103在P型衬底的上表面，掺杂多晶硅104在二氧化层正上方，接触层105在掺杂多晶硅的正上方。在N型掺杂区的最左边有一个N+掺杂区107，它的正上方是接触层106。在P型衬底的左半部分是个N阱区112和一个P+掺杂区113。N阱中的最左侧做了一个N+掺杂115，N+掺杂的右侧是一个P+掺杂114，N+掺杂区115和P+掺杂区114通过金属线与电源相连接。N阱区的最右部分是一个P+掺杂110。P+掺杂区114、P+掺杂区110、二氧化层区111、多晶硅掺杂区109和接触层108构成一个PMOS晶体管，二氧化层区111在N阱的正上方，二氧化层区111在二氧化层区111的正上方，接触层108在多晶硅掺杂区109的正上方。P+掺杂区110和N+掺杂区107连接，同时与源跟随管Ma的栅极相连接。接触层108是补偿信号输入端。P+掺杂区113与地连接。源跟随管Ma的漏极与电源连接，源极与选通管Mb的漏极连接，选通管Mb的栅极是选通信号输入端，选通管的源极是信号输出端。
补偿信号产生电路与通用CMOS图像传感器的补偿信号产生电路有所不同。通用CMOS补偿信号的PD管正上填充是为了完全阻挡可见光。但对于该结构的补偿信号产生电路来说，不仅要阻挡可见光，同时不能阻挡总剂量辐照，需要在PD管的正上方填充上一层金属铝板，以阻挡可见光，但不能阻挡总剂量辐照射线X射线、γ射线和β射线，所以金属的厚度必须足够薄。同时铝板的上方不能有多余的填充物。即使铝板足够薄，也对总剂量辐照有一定的阻挡作用。可以通过调节PMOS管之间电流镜的放大倍数，使流过像素中补偿管的电流尽可能等于PD管中的暗电流。
在本发明中提出了一种补偿信号产生电路基本单元的设计方法，二维截面示意图如图4所示。该单元的物理支撑部分是P型衬底116，P型衬底116的右半部分是N型掺杂区117，N型掺杂去117的上方是两个二氧化层圆柱118和120，二氧化层圆柱118和120的正上方是铝板119。二氧化层圆柱118和120主要起到物理支撑作用，N型掺杂117的最左边是一个N+掺杂121。P型衬底116的左半部分做了一个N阱123和一个P+掺杂区126，P+掺杂区126在最左边，N阱123在P+掺杂区126的右侧，P+掺杂区126与地连接。N阱123中最左侧做了一个N+掺杂125，中间部分做了一个P+掺杂124，最右侧做了一个P+掺杂122。N+掺杂125与电源连接，P+掺杂124和P+掺杂122分别是PMOS晶体管的源极和漏极。N阱的上方有一二氧化层薄层127，它在P+掺杂124和P+掺杂122之间。二氧化层127的正上方是掺杂的多晶硅128。P+掺杂122、多晶硅128、N+掺杂121和缓冲器的输入端连接在一起，该节点的电压是补偿电路信号的输出端。
本发明的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素结构，在辐照强度较大的情况下，电路需要比较大的功耗，所以像素的阵列不能做的太大。550×550的像素阵列比较合适，像素阵列中间部分的512×512个像素是用来成像用的，其余像素是用于补偿信号产生电路中。由于在像素中加入了一个多余的PMOS晶体管，而且为了减少失配，PMOS晶体管的面积不能太小，一个像素可以做成36×36um2。
Claims (2)
1.一种用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素电路，包括有光电二极管PD、复位管M11、晶体管M12和选通管M13，其特征在于，还设置有补偿管M14和电流源I，其中，所述的补偿管M14的栅极连接补偿信号，复位管M11的栅极连接复位信号，选通管M13的栅极连接选通信号，补偿管M14的源极、复位管M11的漏极和晶体管M12的漏极均连接电源VDD，补偿管M14的漏极、复位管M11的源极、晶体管M12的栅极和光电二极管PD的N极连在一起，晶体管M12的源极连接选通管M13的漏极，选通管M13的源极连接电流源I的输入端，电流源I的输出端接地，所述的光电二极管PD的P端接地。
2.根据权利要求1所述的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素电路，其特征在于，所述的选通管M13的源极为输出信号端。
3. 根据权利要求1所述的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素电路，其特征在于，所述的补偿信号是由补偿信号产生电路产生，所述的补偿信号产生电路包括有N个晶体管M1～MN、N个光电二极管PD1～PDN和一个缓冲器F，其中，每一个晶体管的漏极对应连接一个光电二极管的N极，所述的N个晶体管M1～MN的源极均连接电源VDD，N个晶体管M1～MN的栅极和漏极连接在一起，并与所述的N个光电二极管PD1～PDN的N极一起连接缓冲器F的输入端，所述的N个光电二极管PD1～PDN的P极均接地，缓冲器F的输出端连接有源像素结构的补偿管M14的栅极，来为其提供电流偏置。
4．根据权利要求3所述的用于抗辐射CMOS图像传感器的有源像素电路，其特征在于，所述的N个晶体管M1～MN是P型MOS晶体管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140312 Termination date: 20210227 |