CN106105181A - 具有降低的暗电流以及低功耗的图像捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在具有有源像素的行和列的矩阵的图像传感器中进行图像捕获的方法，所述传感器在处于零电势(Vss)的第一电源端子和处于正电源电势(Vdd)的第二电源端子之间被供电。每个像素包括光电二极管，以及用于将光生成的电荷传输到电荷储存节点的栅极。传输栅极在电荷积分时段通过电荷泵变为负电势(VNEG)，并且其在传输时间窗口期间接收对所有像素公共的传输控制信号(TRA)。传输或重新初始化控制信号顺序地至少包括第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中，在第一阶段期间，信号从负电势(VNEG)变为正传输电势，在第二阶段期间，信号从正传输电势变为由第一电源端子提供的零电势，在有限时段的第三阶段期间，信号保持在零电势，在第四阶段期间，信号从零电势返回至由电荷泵提供的负电势。涉及电源电势的事实会限制在当传输结束时必须重新建立负电势VNEG的电荷泵中的电流流入。
Description
技术领域
本发明涉及具有有源像素的电子图像传感器。
背景技术
这些传感器使用成行和成列的像素阵列，在每个像素中具有感光元件和多个晶体管。
像素的一个有利的组成是例如图1所示出的组成，其具有：
-自偏压(或者“钉扎(pinned)”)光电二极管PH，
-电荷储存节点ND，其相当于电容器，
-传输晶体管T1，其用于将光电二极管与储存节点隔离，或者与之相反，允许电荷从光电二极管传输到储存节点，并且在该传输后测量储存节点的电势，
-晶体管T2，其用于读取电荷，配置成电压跟随器模式，晶体管T2的栅极连接到储存节点，以便允许储存节点的电势传输到晶体管的源极，
-晶体管T3，其用于复位储存节点，允许储存节点的电势被设定为测量该参考电势的参考值，以便进行在存在来自光电二极管的电荷时和在不存在来自光电二极管的电荷时储存节点的电势的差分测量；
-像素选择晶体管T4，其受行寻址导体SEL控制，允许读取晶体管T2的源极的电势传输至列导体COL；行导体SEL对于相同行像素的全部像素是公共的；列导体COL对于相同列的全部像素是公共的，
-最后，可选择的是附加晶体管T5，其可以具有两个如下功能中的一个和/或另一个：在过于强烈的照明的情况下朝向抗晕光漏极排空光电二极管内的过量电荷，或者通过完全排空朝向漏极的累积电荷以便复位光电二极管的电势，从而在新的积分周期开始之前为其恢复空电势；晶体管T5是可选的，并允许积分时间的开始对于所有被限定的像素是公共的。
将会注意到的是，使用术语“晶体管”，以促进在电路图(例如，图1中的图)方面的理解。然而，在像素的物理组成中，不必以传统方式形成这些晶体管，其独立于像素的其它元件，具有源极区，漏极区，将源极与漏极分离的沟道区，以及在沟道的顶部的隔离栅极。在像素的实际物理组成中，特定的晶体管通过可向其施加控制电势的隔离栅极而实际形成。因此，例如传输晶体管T1通过与衬底隔离的传输栅极而形成，衬底设置在位于光电二极管PH和形成电荷储存节点的N+型扩散区之间的区域上；晶体管T1的源极为光电二极管；晶体管的漏极为电荷储存节点。类似地，晶体管T5利用隔离栅极来形成，其一侧靠近光电二极管(形成晶体管的源极)，并且其另一侧靠近电荷排空漏极(形成晶体管的漏极)。
在现有技术的传感器中，通常有被称为暗电流的存在，换句话说，即使在没有照明的情况下仍出现杂散电荷的流动，而没有照明应当导致不出现电荷。这些杂散电荷降低了信号/噪声比例，并且在测量低光照条件时是尤其不利的。
一部分暗电流是由于在光电二极管的区域N和绝缘硅氧化物之间的界面缺陷造成的，绝缘硅氧化物围绕光电二极管以便将其与相邻光电二极管绝缘。该绝缘氧化物，通常被称作为首字母缩写STI(针对“浅沟槽隔离”)，其包含在除了如下两个通道以外的包围整个光电二极管的表面沟槽内：这两个通道分别为，需要被保留以便将电荷从光电二极管(晶体管T1)传输到储存节点的通道，以及需要被保留以便在复位工作(晶体管T5)期间排空来自光电二极管的电荷的通道。界面缺陷会俘获电子；这些电子被随后释放出来并且在电荷从光电二极管传输到储存节点的时刻被吸引至储存节点；为此，它们在照明时将被视为有用的电荷，而它们在没有照明时实际上为杂散电荷。
为了尽可能限制这种效应，已经提出了在(N型的)光电二极管区域和填充有绝缘体的沟槽之间插入P型的区域的构思。该P区域与在其中形成有光电二极管的P型的硅的有源层接触。P区域包围光电二极管的N区域，并且防止N区域与隔离沟槽直接接触。P区域用作与隔离沟槽反应以便使杂散电荷中和的无源层。然而，在工业处理中，不可能在P型区域出现时将其放置在传输晶体管T1或晶体管T5的栅极(其由多晶硅制成)之下；其中的原因是P型的注入在实践中必须在栅极的形成以后进行，并且因此不可能在栅极下注入P型杂质；然而，由氧化硅制成的隔离沟槽在栅极之下延伸，并且其将优选地在这里通过P区域使它们无源，像其他的地方一样。
因此，在晶体管T1和T5的栅极之下的半导体区域仍与氧化硅直接接触，并且依据上面已阐述的原理而可能产生不利的暗电流。
传输晶体管T1的栅极可以在光生电荷的积分期间维持为轻微的负电势(大约-0.7伏)，而不是零电势。该电压将允许空穴被吸引和累积在栅极之下；然后，在氧化物/硅界面处被俘获的电子与这些移动空穴再结合并消失，因此消除了这样的风险：在电荷从光电二极管传输到储存节点期间，不期望的电子进入储存节点。
然而，为了产生该负电压，而集成电路在0伏到3至5伏的正电压之间上电，则必须使用电荷泵。电荷泵具有较低的效率，其效率低于50％，有时甚至低于30％。因此，它们消耗的电流远大于它们所供应的电流。
在被称为“全局快门”模式(换言之，具有全局曝光时间)的传感器的工作的一个模式中，传输阶段针对传感器的所有像素是同时的。像素阵列的所有传输栅极同时被激活，用于将来自光电二极管的电荷传输到存储节点。对于具有两百万像素的传感器，在电荷泵所需以便在传输脉冲结束时将电势恢复至-0.7伏的电流可以超过80毫安，并且这是控制脉冲下降时间被强制为至少300纳秒的附带条件，以使过渡不太突然。用于使并联连接的所有传输栅极的等效电容放电的、由电荷泵供应的80毫安可以对应于由于电荷泵的较低效率的250毫安的总电流消耗。
发明内容
为了解决暗电流的问题而在传输栅极从高状态切换到低状态(反之亦然)的时刻不产生非常高的电流需求的难题，本发明的构思为在三个分开的阶段执行到低状态的这种切换，三个分开的阶段为：从正电压到零(传感器的一个电源端子的电势)的通道、之后在零处稳定的通道、然后从零到由电荷泵提供的负电压的通道。在传输脉冲期间积累在传输栅极中的大部分电荷首先放电至为零伏(接地)的电源端子中，而并非是电荷泵中；电荷泵仅提供从0伏到较小负电压(例如，-0.7伏)的传输晶体管的栅极的通道。
因此，本发明提供了一种用于在具有有源像素的行和列的矩阵的图像传感器中捕获图像的方法，所述传感器在处于零电势的第一电源端子和处于正电源电势的第二电源端子之间上电，其中，每个像素包括：形成在有源半导体层内处于零参考电势的光电二极管，用于将从光电二极管由光线产生的电荷传输到电荷储存节点的电荷传输栅极，以及可选地用于将光电二极管的电势复位的栅极，所述方法包括将电荷从矩阵的所有像素的光电二极管全局传输到相应储存节点的步骤，并且可选地包括使所有光电二极管复位的步骤，其特征是，在电荷积分时间的主要部分期间通过电荷泵将负电势施加至传输栅极和/或复位栅极，并且其在传输时间窗口期间接收对所有像素公共的传输或复位控制信号，传输或复位控制信号顺序地至少包括第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中，在第一阶段期间，信号从负电势变为正传输电势，在第二阶段期间，信号从正传输电势变为由第一电源端子提供的零电势，在有限时段的第三阶段期间，信号保持在零电势，在第四阶段期间，信号从零电势返回至由电荷泵提供的负电势。
电荷泵用作在积分时间期间维持负电势，但是其并不受在该阶段中高电流需求的影响。在第二和第三阶段期间，不使用电荷泵。然后其用作驱动电势在传输控制信号结束时从零变为负电势，但是电势差随后低于在第一阶段的正电势和最终负电势之间存在的差异。由于电容性放电而引起的电流需求因此降低。电流需求的增益与电压中的这两个差异成比例。
例如，正电势为3.3伏，而负电势为-0.7伏。电流消耗中的增益为4伏/0.7伏、大约5.7的比例。
从正电势到零电势的通道不由电荷泵来执行，但是电容性放电电流直接流入为零电势的电源端子。电荷泵的低效率因此并非是该阶段中的问题。
在一个实施方案中，仅仅传输脉冲(或复位脉冲)的下降沿经历了经由零电势的通道的阶段，所述零电势由第一电源端子直接提供。
在另一个实施方案中，出于对称的原因，将相同的形状赋予传输脉冲的上升沿，其中具有从由电荷泵提供的负电势到由第一电源端子提供的零电势的上升阶段，处于该电势的有限时段的阶段，以及从零电势到提供电荷传输的正电势的上升阶段。
设想将负电压施加至传输栅极的传感器在如下出版物中进行了描述：US2008296630、US8,163591、US 2009/0219418、以及Bongki Mheen,Young-Joo Song和Albert J.P.Theuwissen的“用于增加的阱电容和受抑制的暗电流的四晶体管CMOS图像像素的负偏压操作”。
附图说明
通过阅读下面的描述并参照所附附图所呈现的内容，本发明的其他特点和优势将显而易见，其中：
-已经描述的图1示出了具有五个晶体管的常规像素的电路图；
-图2示出了像素的通常工作的时序图；
-图3A和图3B示出了根据本发明的针对光电二极管的传输或复位控制脉冲的形状的一个可能的示例；
-图4A和图4B示出了根据本发明的针对光电二极管的传输或复位控制脉冲的理论形状；
-图5A和图5B示出了考虑到电荷泵的恢复时间的控制脉冲的实际形状；
-图6示出了根据本发明的传感器的工作的时序图；
-图7示出了用于产生传输或复位信号的电路；
-图8示出了在图7中的电路中使用的信号。
具体实施方式
图2示出了具有5个晶体管的像素的常规工作的时序图，所述像素利用第五晶体管来触发积分周期的开始(在被称为“全局快门”模式的模式中的工作)。“全局快门”模式中的工作将可能不存在晶体管T5，但是积分时间将不可调，并且积分时间将等于周期FR。
该工作与帧周期FR一样是周期性的。在设置晶体管T5时，帧起始于将复位脉冲GR同时施加至对于所有像素的晶体管T5的栅极。脉冲清空已通过光电二极管中的光进行积分的电荷。脉冲GR的结束标志着积分时间Ti的开始，这对所有像素是公共的。该时间的结束将由施加至传输晶体管T1的栅极的传输脉冲TRA的结束来限定；对于在全局快门模式中所有像素公共的该脉冲将积分电荷从光电二极管传输到储存节点ND。
在积分时间期间，在脉冲TRA之前，复位电势电平(线RST)施加至晶体管T3的栅极，以便清空可能包含在储存节点内的电荷。有必要在传输脉冲之前中断该信号。
在积分时间Ti之后，一行接一行地读取像素，选择信号(线SEL)连续地施加至每一行，以便限定其被读取的时间。该信号在图2中仅示出一行，其施加至晶体管T4的栅极。在读取电路(未示出)中执行该读取，所述读取电路位于像素的每一列的底部并且连接到各个列导体COL。所述读取电路尤其包括由脉冲shs和shr控制的采样电路，其用作分别对在传输脉冲TRA之后的列导体的有用电势电平以及在复位之后的电势电平进行采样。通过在每个周期的两个采样之间的差异来进行测量。
针对给定行(其由施加至该行的脉冲信号SEL来限定)的读取阶段连续地包括：采样脉冲shs的生成、晶体管T3的栅极上的脉冲rst(其用于复位讨论中的行的像素的储存节点)的生成、以及采样脉冲shr的生成。采样信号的差异通过模-数转换器(未示出)进行转换。
在现有技术中，所需的用于复位光电二极管的传输信号TRA和信号GR对于所有像素而言是公共的，并且通常为起始于零伏参考电压的脉冲，零伏为其中形成有光电二极管的有源半导体层的电势；这些脉冲在较短时间内取正值，并且它们允许储存在光电二极管中的电荷被清空。
然后，传输控制或复位控制信号具有如图3A所示的矩形形状(从零到正传输电势)，当传感器在两个电源端子Vss(零)和Vdd(正)之间上电时，其可以为Vdd。Vdd通常为3.3伏。
正如上文所解释的，如果在积分阶段将控制信号保持在稍微负电压(例如为-0.7伏)，并且如果将上升沿和下降沿强制为具有最小时段以便防止过高电流需求的情况下，脉冲的形状可以为如图3B中的那样。边沿的最小时段例如为300纳秒，并且信号TRA或GR的总时段可以为大约1微秒。
根据本发明，将不同形状赋予传输或复位控制信号的轮廓，如图4A所示，在该信号处于其较高正电平的时刻和其返回至其较低负电平的时刻之间，施加在有限时段内通过电源零电势的信号通道。传输或复位控制信号因此可以分解为至少第一阶段、第二阶段、第三阶段以及第四阶段，其中，在第一阶段期间，信号从负电势变为正传输电势(并且在那里优选地保持数百纳秒的周期)；在第二阶段期间，信号从正传输电势变为由第一电源端子提供的零电势；在有限时段的第三阶段期间，其保持在零电势；在第四阶段期间，其从零电势返回由电荷泵提供的负电势。
其中信号保持在零电势的周期可以较短。对于允许矩阵的所有晶体管的栅极电容放电至零而言，其必须足够长；大约一百纳秒将会足够用。
可选地，出于信号形式的对称和简化的原因，对于在信号处于其较低负电平的时刻和其到达其较高正电平的时刻之间的有限时段，通过电源零电势的通道也在第一阶段期间施加，如图4B所示。
达到正电势的渐进式上升倾斜度优选地(并未必须地)在第一阶段提供，以便限制电流需求；类似地，从正电势的渐进式下降倾斜度优选地在第二阶段提供。然后，上升沿和下降沿可以在100和400纳秒之间持续。可选地，相似的下降或上升倾斜度也可以在第四阶段(从零下降到-0.7伏)提供，并且也可以从负电势上升到零电势。
在提供并激活复位晶体管T5时，如图4A和图4B所示的控制信号的形状可以用于传输控制信号TRA并用于复位控制信号GR，以便限定积分时间的开始。这些形状也可以仅用于这两个信号中的一个，而另一个不包括用于保持电源零电势的阶段。如图4A和图4B所示的信号形状为示出的理论形状，以便简化说明。实际形状更加通常地为将在下文进行解释的如图5A和图5B所示的那些形状，这是因为由电荷泵产生的电压(例如，理论上为-0.7伏)花费特定时间来返回至其标称值，该标称值起始于开启电荷泵的时刻。
图6示出了传感器的工作的常规时序图。类似于图2中所示的内容并且说明是相同的，差异如下：这里，在电荷积分时间期间，信号TRA和GR(或者这两个中的至少一个)的较低电势为负的；而传输控制信号和复位信号的形状至少包括从正电势朝向较低负电势的下降，在零电势下的有限(非零)时段的台阶，如参照图4A和图4B所描述的。传输(或复位)控制信号的时段可以大约为1毫秒。
应当注意的是，在图6中的图内，对于整个的电荷积分周期，传输控制信号的低电势为负的，并且在读取电荷期间(换言之，在用于选择连续行的信号SEL的期间)保持为较低。然而，如虚线所示，在读取阶段期间，传输控制信号可以复位至零电势。由于在读取期间没有征求电荷泵，因此没有干扰噪声被引入储存节点，干扰噪声与来自泵的高频切换的杂散信号相关联。在图6中，如图2所示，针对单个行，仅示出了选择信号sel以及读取信号shs、rst、shr；这些信号依次重复，以便执行不同行的选择和读取。
图7示出了连接传感器的相同行像素的所有像素的传输晶体管T1的栅极的行控制电路。该电路将为与控制连接到像素的一行的复位晶体管T5的栅极的行的电路相同的电路。每个控制电路主要包括功率放大器AMP和相关联的电压选择器。放大器AMP能够针对行的所有晶体管的栅极电容供应充电电流，通常最大电流为50至100毫安；放大器的输出电流受限的事实限定了针对施加至行的栅极的信号的上升倾斜度；例如，如果行电容为6皮法拉，则限制为100毫安的电流限定了大约250纳秒的上升或下降时间。
放大器AMP在高电压VHI和低电压VLO之间上电，高电压VHI可以为由传感器的常规正电源端子直接供应的电压Vdd(例如，3.3伏)，而低电压VLO由电压选择器VLOSEL供应。
电压选择器接收低电源电势Vss和负电势VNEG两者，低电源电势Vss由处于零电势的常规电源端子供应，负电势VNEG由电荷泵PCH供应；在其输出处，电压选择器根据在其控制输入d_VLO上接收的逻辑信号来供应电势Vss和VNEG中的一个或另一个。因此，放大器分别根据信号d_VLO的高或低的状态，或者通过两个电源端子而在Vdd和Vss之间上电，或者在Vdd和VNEG之间上电，或者在正电源端子和电荷泵的输出之间上电。如果所有的控制电路的每一个都分配到像素的一个单独的行，则电荷泵对这些电路而言是公共的。
此外，放大器AMP在输入处接收逻辑控制脉冲d_TRA，其由定序器(未示出)提供，并且该逻辑控制脉冲d_TRA产生用于传感器工作的各种周期信号。信号d_TRA表示在积分时间结束时传输的顺序。信号d_TRA的值为用于整个积分时间的低逻辑电平0；其仅针对在如图4A和4B所示的传输信号的全部时段而达到高逻辑电平1。当d_TRA处于低电平时，放大器在其输出处供应电压VLO，换句话说，供应Vss或VNEG。当d_TRA处于高逻辑电平时，放大器在其输出处供应电压VHI，换句话说，供应Vdd。
相同的解释对于信号GR也适用。
此外，定序器供应逻辑电平d_VLO，其旨在控制电压选择器VLOSEL。当信号d_VLO处于低电平时，电压选择器将-0.7伏的负电压VNEG供应至放大器。当d_VLO为高时，选择器供应Vss。
图8示出了控制信号d_VLO和d_TRA，以及由这些信号而获得的传输控制信号TRA。
当d_VLO和d_TRA处于低电平时，电荷泵将VNEG供应至放大器，而放大器将VNEG供应至栅极的行。对于整个积分时间Ti都是这样的。
当d_VLO达到高电平时，放大器接收来自传感器的低电源端子的电压Vss。放大器在其输出处供应Vss。
当d_TRA后续达到高逻辑电平时，放大器的输出TRA以非零上升时间达到Vdd，该非零上升时间由可以在放大器的输出处供应的最大可能电流来限定。TRA随后对于信号d_TRA的时段而保持在Vdd。在信号d_TRA的结束时TRA以非零下降时间回到电平Vss，该非零下降时间由可以在放大器的输入处吸收的最大可能电流来限定。最后，可以看出，信号TRA在信号d_VLO的结束时慢慢回到负电压VNEG。这种缓慢的返回是因为这样的事实：电压VNEG是通过电荷泵供应的；电荷泵供应的仅仅是逐渐达到其请求的标称负电压的电压，这是因为其通过传感器的行的所有栅极经由所有放大器来进行充电。
如果期望对负电压返回到其标称值(例如，-0.7伏)进行加速，则可以设置与电荷泵PCH并联的一个或更多个其他电荷泵，电荷泵PCH仅在电压VNEG下降到超过极限值的绝对值的情况下进行工作。主电荷泵PCH在积分时间期间保持在-0.7伏的电平，其他的一个泵或多个泵仅在信号d_VLO的结束时进行工作。电荷泵的输出是并联连接的。以并联方式位于组件的输出处的电压调节器将主电荷泵的输出电压与设定值进行比较。如果差异过大的话，则调节器提供使辅助电荷泵工作的信号。
参照图7和图8的关于信号TRA的已经描述的所有内容也适用于复位信号GR。如果晶体管T5在积分时间期间必须提供抗晕光功能，则期望的是，在该时间周期内施加至晶体管T5的栅极的负电压，在半导体内施加比在传输晶体管的栅极下同时生成的势垒稍微低一些的势垒。这可以通过将晶体管T5的阈值电压提供为低于晶体管T1的阈值电压来实现。这可以通过针对这两个晶体管而使其具有栅极氧化物的不同沟道掺杂或不同厚度来获得。其也可以提供的是，在积分阶段期间施加至晶体管T5的栅极的负电压稍微高于(负的少一些)施加至晶体管T1的栅极的负电压。然而，其也可以是这样的情况：晶体管T5不用作抗晕光晶体管，并且提供了辅助抗晕光装置。
Claims (3)
1.一种用于捕获在具有有源像素的行和列的矩阵的图像传感器中的图像的方法，所述传感器在处于零电势(Vss)的第一电源端子和处于正电源电势(Vdd)的第二电源端子之间上电，其中，每个像素包括形成在有源半导体层内处于零参考电势的光电二极管(PH)，用于将由光电二极管的光产生的电荷传输到电荷储存节点(ND)的电荷传输栅极(T1)，以及潜在地用于将光电二极管的电势复位的栅极(T5)，所述方法包括将电荷从矩阵的所有像素的光电二极管全局地传输到相应的储存节点的步骤，并且可选地包括使所有光电二极管复位的步骤，其特征在于，在电荷积分时间(Ti)的主要部分期间通过电荷泵(PCH)将负电势(VNEG)施加至传输栅极和/或复位栅极，并且在传输时间窗口期间接收对所有像素公共的传输控制信号(TRA)或复位控制信号(GR)，传输或复位控制信号顺序地至少包括第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中，在第一阶段期间，信号从负电势(VNEG)变为正传输电势，在第二阶段期间，信号从正传输电势变为由第一电源端子提供的零电势，在有限时段的第三阶段期间，信号保持在零电势，在第四阶段期间，信号从零电势返回由电荷泵提供的负电势。
2.根据权利要求1所述的用于捕获图像的方法，其特征在于，在从负电势到正电势的上升期间，如同下降沿，将相同的形状赋予传输脉冲的上升沿，其中具有从由电荷泵提供的负电势到由第一电源端子提供的零电势的上升阶段，处于该电势的有限时段的阶段，以及从零电势到提供电荷传输的正电势的上升阶段。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的用于捕获图像的方法，其特征在于，在积分时间期间保持负电压来进行工作的所述电荷泵在电荷传输脉冲或复位脉冲结束时通过至少一个辅助电荷泵来进行辅助。
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