CN109936714B - 一种高灵敏度长曝光时间像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度长曝光时间像素结构，该像素结构中设置额外的势阱和溢出开关；转移开关打开后，当浮置扩散节点的势阱不能容纳光电二极管中电荷时，多余的光电荷通过溢出开关被导入到新增加的势阱中，新势阱能够不断容纳来自光电二极管中的光电荷。像素不需要复位过程，不需要等待信号读出后对光电二极管复位，电荷转移结束后像素就开始曝光，像素的最大曝光时间为一个行时。本发明直接省去复位步骤，从而节省了复位时间和信号读出时间。同时相比独立曝光时间像素，其电路结构更加简单，极大地方便了像素版图设计和相应的时序控制。
Description
技术领域
本发明属于集成电路CMOS图像传感器技术领域，具体涉及一种线阵高灵敏度长曝光时间像素结构。
背景技术
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器是一种高效光电转换器件，其有源像素结构包括光电二极管PD、复位开关RST、传输开关TG、浮置扩散节点FD、放大器Av及输出总线COL，结构如图1所示。
线阵图像传感器采用推扫模式，即传感器沿一个方向逐行扫描物体。每次曝光只采集物体的一维图像，最后把多次扫描的一维图像拼接成二维图像。其像素操作时序如图2所示，其中曝光过程分解为复位、积累、转移和读出四个步骤。在复位阶段，传输开关TG和复位开关RST被拉至高电位后同时导通，高电位Vpix清空光电二极管PD中的电荷。复位结束后传输开关TG被拉至低电位关断，光电二极管开始积累光生电荷。在电荷转移阶段，像素把复位开关RST拉至低电位关断，然后把传输开关TG拉到高电位导通，使光电二极管PD中的光电荷向浮置扩散节点FD中转移。转移结束后关闭传输开关TG。信号读出阶段，浮置扩散节点FD中信号经放大器Av放大后被转移到采样保持电路S/H存储，之后像素开始下一帧图像曝光。
传感器行时定义为扫描一行图像所需时间，行时的倒数定义为行频，其表示传感器扫描物体的速度，在图2中，像素的总曝光时间被限制在复位结束与转移结束之间。一般行频越快，行时和曝光时间也越短。传输开关TG复位光电二极管PD的波形如图3所示：传输开关TG电位开始上升开启时间、处于高电位保持时间及下降关断时间。一般电位达到高电平的50％以上才能使TX开启。同时为了保证光电二极管PD中电子被清空，高电平保持时间需要足够的宽度。实际应用中，在高速扫描或快速拍照应用中，需要尽可能提高行频。但在像素操作中，传输开关TG即复位PD又转移PD电荷至FD，两者占用的时间严重制约较快行频条件下曝光时间的增加。
因此为了保证传感器对光信号有足够响应能力，需增大曝光时间在行时中的比重。工程中在像素中增加额外的转移栅TG2，进行PD的复位操作，其结构和操作时序如图4、图5所示。
当传输开关TG1关闭后，像素无需等待信号读出，可直接通过转移栅TG2形成的通路复位光电二极管PD，将光电荷信号的读出时间与复位时间合并，但复位时间仍然制约曝光时间的提升。同时额外的电路导致像素版图和控制时序变的更加复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高灵敏度长曝光时间像素结构，该像素结构直接省去复位步骤，节省了复位时间和信号读出时间，并且电路结构简单。
为了解决上述技术问题，本发明的高灵敏度长曝光时间像素结构包括光电二极管PPD、传输开关TG、浮置扩散节点FD、放大器Av、输出总线COL，其特征在于还包括溢出开关OG1；所述的像素采用P型掺杂外延层，溢出开关OG1采用N型MOS管，光电二极管PPD为N型；溢出开关OG1的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点FD，栅极施加正向偏压VOG1；当正向偏压VOG1为高电平时溢出开关OG1正常开启，低电平时高于溢出开关OG1的关断电压，使溢出开关OG1处于半开状态；设溢出开关OG1开启的阈值电压为VTH，溢出开关OG1的电势Vog1＝VOG1-VTH；当正向偏压VOG1为低电平时溢出开关OG1的电势Vog1始终低于光电二极管的最低电势Vpin。
进一步，本发明还包括第二溢出开关OG2；所述第二溢出开关OG2的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点FD，栅极接正向偏压VOG2；设第二溢出开关OG2开启的阈值电压为VTH，则第二溢出开关OG2的电势Vog2＝VOG2-VTH；Vog2始终低于光电二极管的最低电势Vpin。
本发明还可以采用下述技术方案：
本发明的高灵敏度长曝光时间像素结构包括光电二极管PPD、传输开关TG、浮置扩散节点FD、放大器Av、输出总线COL，其特征在于还包括溢出开关OG1；所述的像素采用N型掺杂外延层，溢出开关OG1采用P型MOS管，光电二极管PPD为P型；溢出开关OG1的漏极接负电压-VDDPIX，源极接浮置扩散节点FD，栅极施加反向偏压-VOG1；当反向偏压-VOG1为低电平时溢出开关OG1正常开启，高电平时低于溢出开关OG1的关断电压，使溢出开关OG1处于半开状态；设溢出开关OG1开启的阈值电压为-VTH，溢出开关OG1的电势Vog1＝-VTH+VOG1；当反向偏压-VOG1为低电平时溢出开关OG1的电势Vog1始终高于光电二极管的最高电势Vpin。
本发明在像素中设计额外的势阱和溢出开关；转移开关打开后，当浮置扩散节点的势阱不能容纳光电二极管中电荷时，多余的光电荷通过溢出开关被导入到新增加的势阱中，新势阱能够不断容纳来自光电二极管中的光电荷。因此本发明中像素不需要复位过程，像素不需要等待信号读出后对光电二极管复位，电荷转移结束后像素就开始曝光，像素的最大曝光时间为一个行时。
本发明直接省去复位步骤，从而节省了复位时间和信号读出时间。同时相比独立曝光时间像素，其电路结构更加简单，极大地方便了像素版图设计和相应的时序控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是现有技术的CMOS有源像素结构示意图。
图2是现有技术的像素时序图。
图3是现有技术的转移开关脉冲波形图。
图4是现有技术的独立曝光时间像素结构示意图。
图5是现有技术的独立曝光时间像素时序图。
图6是现有技术像素电荷转移时的电势分布图。
图7是本发明实施例1的像素结构示意图。
图8是本发明实施例1的像素结构中电势分布图。
图9是本发明实施例1的像素操作时序图。
图10是本发明实施例2的像素结构示意图。
图11是本发明实施例2的像素结构中电势分布图。
图12是本发明实施例2的像素操作时序图。
图13是本发明实施例3的像素结构中电势分布图。
具体实施方式
电势是静电场的标势，其中电势越高的地方，电子电势能越低，电子也更倾向于向高电势地方流动。普通像素结构中，电荷转移阶段，光电二极管PD和浮置扩散节点FD的电子的势能关系如图6所示。光电二极管的电势低于浮置扩散节点FD的电势，对电子来说，电子的在光电二极管中电势能高，光电二极管PD中光电荷向浮置扩散节点FD中转移，当浮置扩散节点FD的容量小于光电二极管PD的电荷量时，传输开关TG关断后光电二极管PD中仍然残留光电荷。因此在采集下一帧图像时需要清空上一帧残留的光电荷。
针对电荷残留问题，本发明在像素中设计额外的势阱和溢出开关。以实施例1为例，其电势分布如图8所示。该势阱电容必须足够大，保证其能够完全容纳光电二极管PPD中的光生电荷，同时溢出开关VOG1和势阱电势始终低于PPD的最低电势，如此可以保证传输开关TG打开后光电二极管PPD中的光电荷总能向外流出。当光生电荷较少时，浮置扩散节点FD完全可以收集浮置扩散节点PPD中光电荷。当浮置扩散节点FD的势阱不能容纳PPD中电荷时，多余的光电荷通过溢出开关被导入到新增加的势阱中，新势阱能够不断容纳来自PPD中的光电荷。因此本发明中像素不需要复位过程，像素不需要等待信号读出后对PPD复位，电荷转移结束后像素就开始曝光，像素的最大曝光时间为一个行时。
实施例1
如图7所示，本发明的高灵敏度长曝光时间像素结构在现有技术4T像素结构基础上采用溢出开关OG1替代原有的复位开关RST；整个结构包括光电二极管PPD、传输开关TG、浮置扩散节点FD、源级跟随器SF、行选开关SEL、输出总线COL及溢出开关OG；所述溢出开关OG1的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点FD，栅极施加正向偏压VOG1；转移开关TX的两端分别接到光电二极管PPD的负极和浮置扩散节点FD，光电二极管PPD的正极接地；放大器SF的输入和输出分别接浮置扩散节点FD和行选开关SEL；行选开关SEL的另一端连接输出总线COL；放大器SF的漏极连接正电压VDDPIX。
所述的像素采用P型掺杂外延层，溢出开关OG1采用N型MOS管正电压VDDPIX作为无穷势阱Vwell。为了满足需求，溢出开关OG1栅极施加正向偏压VOG1。当正向偏压VOG1为高电平时应保证溢出开关OG1的正常开启，低电平应略高于溢出开关OG1的开启电压VTH，，使溢出开关OG1处于半开状态。如图8所示，设溢出开关OG1栅极施加的正向偏压为VOG1，开启的阈值电压为VTH，溢出开关OG1的电势Vog1＝VOG1-VTH；当正向偏压VOG1为低电平时溢出开关OG1的电势Vog1始终低于光电二极管的最低电势为Vpin。同时本实施例中用正电压VDDPIX做电子溢出的势阱(无穷势阱Vwell)，保证电势始终保持在VDDPIX，其能够吸收任何从光电二极管PPD中溢出的电子。
像素在线扫描模式下的时序如图9所示，在一个行时中，首先溢出开关OG1栅极施加的正向偏压VOG1被拉到高电平，使浮置扩散节点FD复位，然后打开行选开关SEL，随后将溢出开关OG1栅极施加的正向偏压VOG1被拉到低电平，读出FD复位信号，当转移开关TX打开，光电二极管PPD向浮置扩散节点FD中转移光生电荷，浮置扩散节点FD的电势阱被不断降低；当浮置扩散节点FD的电势低于Vog1，多余的电荷通过半开的溢出开关OG1被无穷势阱Vwell吸收。
实施例2
如图10所示，本实施例在实施例1的基础上，增加额外的第二溢出开关OG2；所述第二溢出开关OG2的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点FD，栅极接正向偏压V OG2；设第二溢出开关OG2开启的阈值电压为VTH，则第二溢出开关OG2的电势Vog2＝VOG2-VTH；如图11所示，Vog2始终低于光电二极管的最低电势为Vpin。同时本实施例中用正电压VDDPIX做电子溢出的势阱(无穷势阱Vwell)，保证电势始终保持在VDDPIX，其能够吸收任何从光电二极管PPD中溢出的电子。
像素在线扫描模式下的时序如图12所示，相比实施例1，第二溢出开关OG2栅极施加稳定可调的正向偏压，使得第二溢出开关OG2的电势Vog2始终处于一个稳定可调的状态；在光生电荷转移过程中，当浮置扩散节点FD的电势高于Vog2后，多余的电荷通过半开的第二溢出开关OG2被VDDPIX吸收。。但额外增加的溢出开关会增加版图设计的复杂度，甚至降低传感器的感光能力。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于所述的像素采用N型掺杂外延层，溢出开关OG1采用P型MOS管；光电二极管PPD的最高电势为Vpin。如图13所示，溢出开关OG1的漏极接负电压VDDPIX，栅极施加VOG1，保证溢出开关OG1处在完全导通和完全截止之间的状态；在N型掺杂外延层或N阱中，VDDPIX为N阱或外延层的电势Vwell。溢出开关OG1的电势Vog1＝VOG1-VTH，当反向偏压VOG1为高电平时，溢出开关OG1的电势Vog1始终高于光电二极管的最高电势为Vpin。
当转移开关TX打开，光电二极管PPD向浮置扩散节点FD中转移光生电荷(空穴)，浮置扩散节点FD的电势被不断升高。当浮置扩散节点FD的电势高于Vog1，多余的光生电荷通过半开的溢出开关OG1被无穷势阱Vwell吸收。
Claims (3)
1.一种高灵敏度长曝光时间像素结构，包括光电二极管(PPD)、传输开关(TG)、浮置扩散节点(FD)、放大器(Av)、输出总线(COL)，其特征在于还包括溢出开关(OG1)；所述的像素采用P型掺杂外延层，溢出开关(OG1)采用N型MOS管，光电二极管(PPD)为N型；溢出开关(OG1)的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点(FD)，栅极施加正向偏压VOG1；当正向偏压VOG1为高电平时溢出开关(OG1)正常开启，低电平时高于溢出开关(OG1)的关断电压，使溢出开关(OG1)处于半开状态；设溢出开关(OG1)开启的阈值电压为VTH，溢出开关(OG1)的电势Vog1＝VOG1-VTH；则正向偏压VOG1为低电平时溢出开关(OG1)的电势Vog1始终低于光电二极管的最低电势Vpin。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度长曝光时间像素结构，其特征在于还包括第二溢出开关(OG2)；所述第二溢出开关(OG2)的漏极接正电压VDDPIX，源极接浮置扩散节点(FD)，栅极接正向偏压VOG2；设第二溢出开关(OG2)开启的阈值电压为VTH，则第二溢出开关(OG2)的电势Vog2＝VOG2-VTH；Vog2始终低于光电二极管的最低电势Vpin。
3.一种高灵敏度长曝光时间像素结构，包括光电二极管(PPD)、传输开关(TG)、浮置扩散节点(FD)、放大器(Av)、输出总线(COL)，其特征在于还包括溢出开关(OG1)；所述的像素采用N型掺杂外延层，溢出开关(OG1)采用P型MOS管，光电二极管(PPD)为P型；溢出开关(OG1)的漏极接负电压-VDDPIX，源极接浮置扩散节点(FD)，栅极施加反向偏压-VOG1；当反向偏压-VOG1为低电平时溢出开关(OG1)正常开启，高电平时低于溢出开关(OG1)的关断电压，使溢出开关(OG1)处于半开状态；设溢出开关(OG1)开启的阈值电压为-VTH，溢出开关(OG1)的电势Vog1＝-VTH+VOG1；当反向偏压-VOG1为低电平时溢出开关(OG1)的电势Vog1始终高于光电二极管的最高电势Vpin。
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