CN108777772A - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器具有形成在半导体基底上的多个排成行和列的像素单元，每个所述像素单元包括：一个或多个光电二极管；一个或多个传输晶体管，分别连接到各自的光电二极管，用于将电信号转移到浮动扩散区域；复位晶体管，连接到所述浮动扩散区域；源极跟随晶体管，其栅极连接到所述浮动扩散区域，对所述浮动扩散区域的电信号放大输出。所述源极跟随晶体管栅极的一端覆盖所述浮动扩散区域的一部分，形成重叠区域；所述源极跟随晶体管的栅极和所述浮动扩散区域共享一连接点，形成电连接。本发明提出的图像传感器能有效减少所述浮动扩散区域的电容，提高像素电路的转换增益，降低图像噪声。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种实现高转换增益低噪声的图像传感器设计。
背景技术
CMOS图像传感器应用于各领域中，随着技术的发展和进步，具有较低功耗，高度集成及尺寸更小的图像传感器芯片是应用发展的方向。在多个应用领域中，例如智能手机、微型监控装置、数字照相机等，用于图像输出的传感器芯片越来越趋于小型化。在图像传感器设计、制造和加工过程中，为降低成本，减小芯片设计面积，需考虑电路最优化设计，以降低像素电路的图像噪声。
图像传感器的像素电路设计中通常采用光电二极管经光电效应将包含图像信息的光信号转换到电信号，通过传输晶体管将电荷转移到浮动扩散区域(FD)，浮动扩散区域电容值较大则像素电路的转换增益降低。为提高像素电路的转换增益，降低图像噪声，需进一步降低浮动扩散区域的电容。
为进一步降低图像传感器像素电路浮动扩散区域的电容，提高转换增益，降低图像噪声，本发明提出一种改进的图像传感器像素电路结构，能有效改善现有图像传感器像素电路中浮动扩散区域的电容，同时能进一步改进像素电路的设计。
发明内容
本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器包括多个排成行和列的像素单元，每个所述像素单元包括：
一个或多个光电二极管，置于半导体基底中，用于将包含图像信息的光信号经光电效应转换为电信号；
一个或多个传输晶体管，分别连接到所述一个或多个光电二极管，用于将光电二极管输出的电荷转移到浮动扩散区域FD(floating diffusion)，所述多个光电二极管和所述多个传输晶体管构成共享结构，连接并共享所述浮动扩散区域；
复位晶体管，连接在第一电压源和所述浮动扩散区域FD之间，用于根据复位控制信号重置所述浮动扩散区域FD的电压；
放大晶体管，栅极连接到所述浮动扩散区域FD，用于对所述浮动扩散区域的电信号进行放大输出；
进一步地，所述放大晶体管为源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极连接到所述浮动扩散区域FD；
所述源极跟随晶体管的栅极的一端设置为覆盖所述浮动扩散区域FD的一部分，形成重叠区域；所述源极跟随晶体管的栅极和所述浮动扩散区域FD共享一连接点，形成电连接；
外围电路，用于对所述多个像素单元输出的图像信号进行控制和处理；
进一步地，所述多个光电二极管和所述多个传输晶体管分别为两个，构成共享结构，每个光电二极管分别连接到各自的传输晶体管，所述多个传输晶体管连接到并共享所述浮动扩散区域；
进一步地，所述图像传感器包括一双转换增益控制单元，连接在所述浮动扩散区域FD及所述复位晶体管之间，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管及电容，所述电容为器件电容或寄生电容；所述寄生电容为所述复位晶体管和所述双转换增益控制晶体管的连接点的寄生电容；
进一步地，所述图像传感器包括一防溢出晶体管，连接到所述一个或多个光电二极管，用于对所述一个或多个光电二极管进行满阱控制；
进一步地，所述源极跟随晶体管的漏极连接到所述复位晶体管的漏极，并连接到所述第一电压源，采用此种连接方式时，所述图像传感器还包括一行选择晶体管，所述行选择晶体管根据行选择控制信号选择输出像素信息；
进一步地，所述源极跟随晶体管的漏极连接到第二电压源，所述第二电压源为固定电压源，此种连接方式时，所述第一电压源可为可变电压源；
进一步地，所述图像传感器还包括一全局曝光单元，所述全局曝光单元连接到所述源极跟随晶体管的源极输出端，所述全局曝光单元包括信号存储单元和全局曝光输出单元；所述信号存储单元包括第一控制晶体管和第一电容，及第二控制晶体管和第二电容；全局曝光输出单元包括一放大晶体管，所述放大晶体管可为源极跟随晶体管；
进一步地，所述全局曝光输出单元还包括一行选择晶体管；
进一步地，所述图像传感器为FSI(Frontside Illumination，前照式)或BSI(Backside Illumination，背照式)图像传感器。
本发明所提出的图像传感器，将像素电路中放大晶体管的栅极设置覆盖浮动扩散区域FD的一部分，构成重叠区域，能有效减小浮动扩散点的电容，从而提高像素电路的转换增益，降低图像噪声。同时，放大晶体管的栅极和浮动扩散区域FD共享连接点形成电连接，进一步减少电路中金属连线，优化电路设计方案，能有效减小芯片设计面积，降低生产成本。
附图说明
图1为现有技术中4T图像传感器像素电路结构图；
图2为现有技术中浮动扩散区域FD与源极跟随晶体管连接的截面示意图；及
图3为本发明给出的浮动扩散区域FD与源极跟随晶体管连接的截面示意图。
具体实施方式
以下根据本发明所给出的各个附图对本发明内容进行详细的说明。图1是现有技术中的4T结构的图像传感器像素电路，如图中所示，传输晶体管TX将光电二极管PD将光电效应产生的电荷转移到浮动扩散区域FD，源极跟随晶体管SF的栅极连接到浮动扩散区域FD，对浮动扩散区域FD的电压信号放大输出至列线(pixel out)，复位晶体管RST根据复位控制信号对浮动扩散区域FD的电压进行复位。
图2是现有的图像传感器装置中浮动扩散区域FD和源极跟随晶体管SF的栅极连接的截面示意图。如图中所示，浮动扩散区域FD与源极跟随晶体管SF的栅极通过金属连线M1相连接到各自端的连接点，以建立连接将浮动扩散区域FD的电压信号通过源极跟随晶体管SF的栅极放大输出。在像素电路的设计中，金属线M1一定程度上增加了设计的繁冗度。同时，浮动扩散区域FD的沟道过宽，会导致其电容值较大，电容值大则电路的转换增益小，电路噪声会大。
图3是本发明所提出的图像传感器装置中浮动扩散区域FD和源极跟随晶体管SF的栅极连接的截面示意图。如图中所示，源极跟随晶体管SF的栅极在电路设计上采用其一端覆盖浮动扩散区域FD的一部分，形成重叠区域。此种电路设计方式使得浮动扩散区域FD的沟道因源极跟随晶体管栅极的部分覆盖其电容值减小，能有效提高像素电路的转换增益，降低图像噪声。在本发明给出的实施例中，浮动扩散区域FD的连接点和源极跟随晶体管SF的栅极连接点为共享同一连接点，进一步节省了电路设计中金属线M1的布线，避免了现有技术中采用多个连接点及金属线相连接所带来的问题，例如金属布线占用设计面积问题，连接点多在电路设计中会占用更大的面积等。此种设计布置方式，能有效降低图像传感器装置的芯片设计面积，从而进一步降低生产成本。
本发明引用的上述图例及具体实施方案的说明，仅给出某一示例的图像传感器像素电路，其给出的示例电路结构并不构成对本发明所适用的像素电路设计方案的限制。
根据一具体应用实施例，本发明所提出的技术方案可适用的像素电路可以为如图1所示像素电路中进一步包含双转换增益控制DCG单元的电路(未给出附图)，DCG单元包括DCG控制晶体管和电容，DCG控制晶体管连接在像素电路的复位控制晶体RST和浮动扩散区域FD之间，电容可以为器件电容也可以不采用器件电容，直接利用复位晶体管RST和DCG控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。此种像素电路设计能进一步增强图像传感器的转换增益，提高图像传感器输出的动态范围。
根据另一具体应用实施例，本发明所提出的技术方案可适用的图像传感器可以为采用共享结构的像素电路，如采用多个光电二极管PD分别连接到各自的传输晶体管TX，构成共享结构，连接到浮动扩散区域FD并共享该浮动扩散区域FD。其中，比较典型的应用为两个光电二极管PD1和PD2分别连接到传输晶体管TX1和TX2，构成两个共享的结构，连接至并共享浮动扩散区域FD。采用共享结构的图像传感器包含但不限于两个光电二极管和两个传输晶体管的电路，还可以根据具体应用和设计包含其他多路共享的情形。
根据再一具体应用实施例，本发明所提出的技术方案可适用的图像传感器可以为包含全局曝光单元的像素电路结构。在具体的实施例中，全局曝光单元连接到图1中所示的像素电路中源极跟随晶体管SF的源极输出端，实现图像传感器像素电路的全局曝光读出模式。全局曝光单元可包括信号存储单元和全局曝光输出单元；信号存储单元可包括第一控制晶体管和第一电容，及第二控制晶体管和第二电容。在典型应用中，第一控制晶体管连接到源极跟随晶体管SF的源极输出端，其输出端连接至第二控制晶体管，第一电容的一极连接到第一控制晶体管和第二控制晶体管的连接点，另一极接地。第二控制晶体管的输出连接到全局曝光输出单元，第二电容的一极连接到第二控制晶体管的输出端，另一极接地。全局曝光输出单元包括一放大晶体管，在某些具体应用中，全局曝光输出单元中还包含一行选择晶体管，用于根据行选择控制信号，选择输出全局曝光单元的信号输出至列线。
在某些应用实施例中，采用本发明的技术方案的图像传感器的像素电路中还包含一防溢出晶体管，连接到像素电路中的光电二极管PD，以实现对像素电路的满阱控制。
本发明的技术方案所适用的图像传感器，包括FSI图像传感器，同样适用于BSI图像传感器。
本发明给出的实施例及附图，是为了说明的目的，在不背离本发明更广泛的主旨和范围下，不同形式的等效修改是可行的。根据上述详细的说明可对本发明实施例进行修改。用于权利要求中的术语不应解释为限定于本发明具体实施内容和权利要求部分中所揭露的具体实施例。相反地，权利要求中完整确定的范围应解释为根据权利要求解释确立的声明。本发明的说明书和附图应被看作是解释性的，而不是约束性的。
Claims (14)
1.一种图像传感器，具有形成在半导体基底上的多个排成行和列的像素单元，每个所述像素单元包括：
一个或多个光电二极管，用于在曝光过程中将包含图像信息的光信号经光电效应转换为电信号；
一个或多个传输晶体管，分别连接所述的一个或多个光电二极管，用于将所述电信号转移到浮动扩散区域；
复位晶体管，连接在第一电压源和所述浮动扩散区域之间，根据复位控制信号对所述浮动扩散区域进行复位；
源极跟随晶体管，其栅极连接到所述浮动扩散区域，对所述浮动扩散区域的电信号放大输出；
其中，所述源极跟随晶体管栅极的一端覆盖所述浮动扩散区域的一部分，形成重叠区域，所述源极跟随晶体管的栅极和所述浮动扩散区域共享一连接点，形成电连接。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个光电二极管和所述多个传输晶体管构成共享结构，连接并共享所述浮动扩散区域。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述多个光电二极管和所述多个传输晶体管分别为两个，每个光电二极管分别连接到各自的传输晶体管。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括一双转换增益控制单元，所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管及电容。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述电容为器件电容或寄生电容。
6.根据权利要求1或4所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括一防溢出晶体管，连接到所述一个或多个光电二极管。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述源极跟随晶体管的漏极连接到所述复位晶体管的漏极，连接至第一电压源。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述源极跟随晶体管的漏极连接到第二电压源，所述第二电压源为固定电压源。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第一电压源为可变电压源。
10.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括一行选择输出晶体管。
11.根据权利要求1或4所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括一全局曝光单元，所述全局曝光单元连接到所述源极跟随晶体管的源极输出端，所述全局曝光单元包括信号存储单元和全局曝光输出单元。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述信号存储单元包括第一控制晶体管和第一电容，及第二控制晶体管和第二电容。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述全局曝光输出单元包括一放大晶体管，连接到所述信号存储单元。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为FSI图像传感器或BSI图像传感器。
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