CN104394339B - 一种实现cmos图像传感器像素单元自动合并的结构和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，所含器件有：光电二极管、传输管、复位管、悬浮漏极、源极跟随管、行选管和信号输出线；光电二极管与传输管一一对应连接组成像素单元，器件的连接与常规CMOS图像传感器相同，其特征在于，还包含与输出管和信号输出线相连的控制管。本发明提供了实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的方法，暗光条件下，由某一光电二极管收集的信号经输出管、悬浮漏极和源极跟随管输送至控制管栅极，打开控制管，实现其余光电二极管信号的同时输出。本发明所提供的结构和实现方法完全基于现有技术，却优于现有技术，保证了像素单元在暗光下的得到足够的输出信号，提高了像素单元在暗光条件下的灵敏度，这也保证了本发明的实用性。

Description

一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构和实现 方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构和实现方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件CCD和互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅应用于微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子等领域，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的使用。

常规的CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件，通常包括：实现光电转换的感光单元光电二极管；用于光电二极管复位的复位管；用于将光电二极管中的电子传输到悬浮漏极的传输管；将电荷信号转换为电压信号的悬浮漏极；将经转换得到的电压再进行放大的源极跟随管，选择信号输出的行选管和其所连接的信号输出线。

CMOS图像传感器中，光电二极管的面积占整个像素单元的面积定义为填充因子。像素单元的灵敏度与填充因子成正比。

由于市场CMOS图像传感器对高分辨率的追求，需要在同样大小的芯片上制造更多的像素单元。于是，单个像素单元的尺寸越来越小，同样其中的光电二极管的面积也相应缩小，但这种小尺寸的像素单元直接影响了其对图像的灵敏度。为了在像素单元尺寸缩小的情况下降低尺寸缩小对灵敏度的影响，同时提高像素单元的填充因子，就需要缩小单个像素单元的尺寸的同时尽量增加光电二极管的面积。

如图1所示，为业界现有的像素单元的版图，其结构为感光的像素单元部分由四个光电二极管：P1、P2、P3和P4，以及各自连接的传输管构成。每个光电二极管以及所连接的传输管组成一个像素单元。这四个像素单元共享晶体管：复位管R1、源极跟随管S1、行选管C1和信号输出线L1以及悬浮漏极F1，其中复位管R1、源极跟随管S1、行选管C1均为N型晶体管，悬浮漏极F1通过金属连线同源极跟随管S1的栅极和漏极相连。现有技术是通过共享晶体管，达到增加光电二极管的面积，提高像素单元灵敏度的效果。

上述现有的像素单元，其工作过程为：首先，打开复位管和传输管，对光电二极管进行复位；接着，关断复位管和传输管，对像素单元进行曝光；然后，由光电二极管完成光电转换，将接受的光线转换成电子；随后，打开传输管，将光电二极管中的电子传输到传输管的悬浮漏极；并通过该悬浮漏极将电荷信号转换为电压信号；最后，将电压信号通过源极跟随管进行放大，再通过选中相应的行选管，将电压信号经由行选管连接的信号输出线输出。如图1所示的共享晶体管的四个像素单元的输出便是由传输管O1、传输管O2、传输管O3和传输管O4的依次打开进行光电二极管的复位和光电信号的输出。

众所周知，光电二极管较之普通二极管不同，是在反向电压作用下工作的。没有光照时，反向电流，即暗电流，极其微弱；有光照时，反向电流，即光电流，得以迅速增大。光的强度越大，光电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化。如图1版图所示，当强光照射光电二极管P1，产生了光电流，由传输管O1送入共享悬浮漏极F1，于是悬浮漏极F1处于高电位，高电位再传输至源极跟随管S1的栅极和漏极，使源极跟随管S1开启并导通，结果使得经源极跟随管S1放大的信号从该管源极跟随管S1通过接触孔C1经由信号输出线输出。此时，源极跟随管S1的源极电位处于低值。

如上所述，现有技术的像素单元能够在强光下正常工作，但是在暗光下，或者在光线照度偏暗的条件下，其灵敏度就会因为追求小尺寸而减少感光面积发生明显衰减。而暗光下的响应也是像素单元最重要的技术指标之一。如图1所示的现有的像素单元结构，即使通过共享晶体管的方法提高光电二极管的填充因子，其在暗光下的灵敏度较难满足使用需要。为了提高像素单元在暗光下的灵敏度，保证像素单元在低照度和高照度下都有较好的响应，本发明提出了一种CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构和实现方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，提高像素单元在暗光下的灵敏度，保证像素单元在不同照度条件下都有较好的响应，以提升图像质量。

为了解决上述问题，本发明提出一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，所含器件有：光电二极管、传输管、复位管、悬浮漏极、源极跟随管、行选管和信号输出线；光电二极管与传输管一一对应连接组成像素单元，器件的连接与常规CMOS图像传感器相同，其特征在于，还包含与传输管和信号输出线相连的控制管；

可选的，所述结构中光电二极管的个数大于等于4，传输管的个数与光电二极管相同，控制管的个数为传输管的个数减1；

优选的，所述控制管均为N型晶体管；

优选的，所述控制管的开启电压较像素单元最高输出电压低0.1V～0.3V；

优选的，所述控制管共用栅极，与信号输出线相连；所述控制管的漏极分别连接高电压；所述控制管的源极分别与传输管一一相连，仅一个传输管除外；

优选的，高电压为电源电压。

为了解决上述问题，本发明提出一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构的方法，暗光条件下，控制管漏极接高电压，所述结构中有且仅有一个传输管不与控制管相连，其特征在于，与该传输管相连的光电二极管收集的信号经该传输管、悬浮漏极、源极跟随管和信号输出线输送至控制管栅极，打开控制管；

可选的，所述控制管共用栅极，实现同时打开或同时关闭；

优选的，所述控制管同时打开后，对应的传输管将各自光电二极管收集的信号同时输出，实现自动合并；

可选的，所述控制管漏极所接高电压为电源电压。

现有技术的图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常使用互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器芯片这一大类。

常规的CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件，通常包括：实现光电转换的感光单元光电二极管；用于光电二极管复位的复位管；用于将光电二极管中的电子传输到悬浮漏极的传输管；将电荷信号转换为电压信号的悬浮漏极；将经转换得到的电压再进行放大的源极跟随管，选择信号输出的行选管和其所连接的信号输出线。

CMOS图像传感器中，光电二极管的面积占整个像素单元的面积定义为填充因子。像素单元的灵敏度与填充因子成正比，为了提高像素单元的填充因子就需要尽量增加光电二极管的面积。但由于CMOS图像传感器对高分辨率的要求，需要在同样大小的芯片上需要有更多的像素单元，也就意味着像素单元的尺寸越来越小，也就是其中的光电二极管的面积相应缩小。这是以牺牲灵敏度为代价的。业界为了降低像素单元尺寸缩小对灵敏度的影响，提出小尺寸像素单元的设计版图，如图1所示。

图1中，四个像素单元为一组，它们的感光部分别为光电二极管P1、光电二极管P2、光电二极管P3和光电二极管P4，它们分别连接各自的传输管。但4个像素单元却共享同一个的悬浮漏极、复位管、源极跟随管、行选管和信号输出线，这一整套信号转换、放大、选择和输送的功能晶体管。通过共享晶体管，避免了大尺寸像素单元中每个像素单元单独有一套功能晶体管的设计，省略芯片面积，达到增加光电二极管的面积，提高填充因子，提高像素单元灵敏度的目的。

以四个像素单元的现有小尺寸像素单元为例，其常规工作模式是：首先通过打开复位管R1和传输管O1～O4，对光电二极管P1～P4进行复位，接着关断复位管和传输管，对光电二极管P1～P4进行曝光。正常光照下，光电二极管完成光电转换，接着按P1到P4的顺序依次打开对应的传输管O1到O4，将光电二极管中的电子传输到悬浮漏极F1，再通过悬浮漏极将电荷信号转换为电压信号，电压信号通过源极跟随管S1进行放大，再通过选中行选管C1，将电压信号通过信号输出线L1输出。

按照图1所示电路，正常光照条件下光电信号的输出电压低于暗光条件的输出电压，即像素单元最高输出电压发生在暗光下。

总所周知，像素单元的灵敏度取决于光电二极管的面积和悬浮漏极的电容值。当悬浮漏极的电容一定时，像素单元的灵敏度仅取决于光电二极管的面积。由此可见，现有技术中，悬浮漏极的电容一定的条件下，输出的信号由四个光电二极管依次单一输出时，信号的强弱和稳定性完全是由单个光电二极管决定的，也就是由该光电二极管的感光面积决定的。这对于为了追求高分辨率而缩小光电二极管感光面积的小尺寸像素单元设计，其缺陷显而易见。当光照条件较差，或者由强光转为暗光，现有技术的小尺寸像素单元明显容易受到光照强弱的影响，尤其在暗光条件下，感光的灵敏度显著下降。

然而，像素单元在暗光下的响应是其最重要的技术指标之一，因此为了提高像素单元在暗光下的灵敏度，保证像素单元在低照度和高照度下都有较好的响应，本发明提出了一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构和方法。

本发明提出的实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，还是以四个像素单元的现有小尺寸像素单元为例。本发明在此常规像素单元的结构基础上增加了三个开启电压比像素单元最高输出电压低0.1V～0.3V的控制管A1～A3，如图2所示。这三个控制管共用一个栅极，该共用栅极通过金属与信号输出线相连，控制管的漏极通过金属与电源电压相连，控制管的源极分别和光电二极管P2～P4所对应的传输管O2～O4相连。特别指出的是，在正常工作模式中，第一个输出信号的光电二极管P1，其传输管O1没有控制管与之相连。

在正常光强条件下，本发明结构有强电流从光电二极管中输出，由于光电二极管是反向电压工作器件，所以此时通过接触孔CNT输送到信号输出线上电压较低，因此控制管A1～A3处于关断状态。四个光电二极管通过各自的传输管进行复位并依次顺序传输信号，像素单元处于常规工作模式。本发明结构同现有技术的小尺寸像素单元的感光效果相同。

当像素单元处于暗光条件下，常规工作模式中最先进行光电信号传输的光电二极管P1上得到的信号较小，因此在信号输出线上的电压较高。由图2的设计版图可知，由于控制管A1～A3共用的栅极和信号输出线通过金属相连，因此此时作用在共用栅极上的是高电压，大于控制管的开启电压，于是在信号输出线上的高电压的作用下，三个控制管得以同时打开。

开启后的控制管将漏极电源电压传输给与各自源极相连的对应传输管，使传输管也全部打开。这时传输管O2、传输管O3和传输管O4就可以将光电二极管P2、光电二极管P3和光电二极管P4上的光电信号同时传输到悬浮漏极F1进行电压转换，实现了三个像素单元的信号自动合并。由于合并后的信号同时来自三个光电二极管，因此比通常的信号提高了3倍，有效地提高了像素单元在暗光条件下的响应。

本发明提出的实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的方法就是增加接入：漏极被电源电压强制钳位在高电压，源极连接传输管的多个控制管，利用光电二极管在反向电压下工作的物理原理，等待暗光条件。利用暗光条件下，信号输出线带有的高电压开启所有控制管，完成所有传输管的信号输出至悬浮漏极，实现信号自动合并，提高信号强度。

与现有技术的常规CMOS图像传感器像素单元结构相比，本发明的技术方案具有以下优点：首先，本发明结构主要改善像素单元在暗光条件下的感光响应和灵敏度，在正常光照下，本发明与常规像素单元性能相同，因此本发明的像素单元结构优于现有技术。其次，本发明结构是通过增加几个控制晶体管实现信号自动合并，所增加的只是普通晶体管，主要技术指标仅有开启电压，只需利用现有工艺，不用添加步骤，便可以与传输管，行选管等同时完成，且晶体管尺寸可以缩小与上述功能晶体管一致，因此本发明的结构没有使工艺复杂化，没有更多占用芯片面积，没有降低像素单元的填充率。最后，也是更重要的是，本发明结构的实现方法简便，版图中采用的控制管共栅极设计和控制管漏极通过电源电压强制钳位，是本发明方法无需外加控制，可以自动根据光照情况选择工作模式，正常光照下的常规模式：依次进行信号输送；暗光条件下的自动合并输出模式。本发明所提供的结构和实现方法完全基于现有技术，却优于现有技术，保证了像素单元在暗光下的得到足够的输出信号，提高了像素单元在暗光条件下的灵敏度，这也保证了本发明的实用性。

附图说明

图1为常规的CMOS图像传感器像素单元的版图结构。

图2为本发明提出的CMOS图像传感器像素单元的版图结构。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

本发明提供一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的方法，通过在常规像素单元上增加控制管来实现暗光条件下像素单元输出信号的自动合并，保证了像素单元在暗光下的高灵敏度，提高了图像质量。

实施例是以四个像素单元为例，该像素单元正常光照条件下的输出电压0.8V，而在暗光条件下，输出电压升高至最高值1V。

如图2所示，通过版图设计，在常规像素单元的结构基础上增加了三个控制管：控制管A1、控制管A2和控制管A3。三个控制管共用一个栅极G1。控制管共用栅极G1通过金属和信号输出线L1相连；控制管的漏极通过金属和电源电压相连。控制管A1的源极与连接光电二极管P2的传输管O2连接，控制管A2的源极与连接光电二极管P3的传输管O3连接，控制管A3的源极与连接光电二极管P4的传输管O4连接，而光电二极管P1的传输管O1没有控制管与之连接。

控制管的开启电压设计为>0.8V，即保证当像素单元在正常光照条件下，其输出电压0.8V时，控制管关闭，而在暗光条件下，像素单元的输出电压升至最高值1V时，控制管可以打开。

在正常的光照条件下，像素单元的工作过程和常规的像素单元相同，即四个像素单元的信号按从光电二极管P1到P4依次输出。此时，像素单元的输出电压为0.8V。

在暗光条件下，通过光电二极管P1的输出信号，经过传输管O1将光电二极管中的电子传输到悬浮漏极F1，再通过悬浮漏极将电荷信号转换为电压信号，电压信号通过源极跟随管S1进行放大，再通过选中行选管C1，将电压信号通过信号输出线L1输出。由于光电二极管P1在暗光照射下的输出信号较小，因此传送到信号输出线上时的电压较高，使输出电压升高至1V。由图2的设计版图可知，控制管A1～A3共用的栅极和信号输出线通过金属相连，因此此时作用在共用栅极上的电压与信号输出线是高电位：1V，大于控制管的开启电压。于是在信号输出线上的高电压的作用下，三个控制管得以同时打开。

开启后的控制管将漏极电源电压传输给与各自源极相连的对应传输管，使传输管也全部打开。这时传输管O2、传输管O3和传输管O4就可以将光电二极管P2、光电二极管P3和光电二极管P4上的光电信号同时传输到悬浮漏极F1进行电压转换，实现了三个像素单元的信号自动合并。由于合并后的信号同时来自三个光电二极管，因此比通常的信号提高了3倍，有效地提高了像素单元在暗光条件下的响应，保证了像素单元在暗光下的得到足够的输出信号，提高了图像质量。

以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (8)

1.一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，所含器件有：光电二极管、传输管、复位管、悬浮漏极、源极跟随管、行选管和信号输出线；光电二极管与传输管一一对应连接组成像素单元，其特征在于，还包含与传输管和信号输出线相连的控制管，所述控制管共用栅极，与信号输出线相连；所述控制管的漏极分别连接高电压；所述控制管的源极分别与传输管一一相连，仅第一个输出信号的光电二极管所对应的传输管没有控制管与之相连。

2.如权利要求1所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，其特征在于，所述结构中光电二极管的个数大于等于4，传输管的个数与光电二极管相同，控制管的个数为传输管的个数减1。

3.如权利要求2所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，其特征在于，所述控制管均为N型晶体管。

4.如权利要求1所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，其特征在于，所述控制管的开启电压较像素单元的高输出电压低，且两者相差范围在0.1V～0.3V之间。

5.如权利要求1所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并的结构，其特征在于，高电压为电源电压。

6.一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并结构的方法，其特征在于，暗光条件下，控制管共用栅极，与信号输出线相连；所述控制管的漏极分别连接高电压；所述控制管的源极分别与传输管一一相连，仅第一个输出信号的光电二极管所对应的传输管没有控制管与之相连；不与控制管相连的传输管所对应的光电二极管收集的信号经该传输管、悬浮漏极、源极跟随管和信号输出线输送至控制管栅极，同时打开或者关闭所有控制管。

7.如权利要求6所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并结构的方法，其特征在于，所述控制管同时打开后，对应的传输管将各自光电二极管收集的信号同时输出，实现自动合并。

8.如权利要求6所述的一种实现CMOS图像传感器像素单元自动合并结构的方法，其特征在于，所述控制管漏极所接高电压为电源电压。