CN112399106A - 一种基于半浮栅的4t像素结构 - Google Patents

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Abstract

一种基于半浮栅的4T像素结构，包含一个半浮栅器件MSFG，三个开关管和一个电容；半浮栅器件用于收集信号电荷；电容类似于传统4T像素中的光电转换区，可以是任意类型的电容，据具体设计而定，用于将半浮栅器件输出的电流信号转换为电压信号；三个开关管可以是任意类型的开关管，据具体设计而定，分别用作源极跟随器MSF、复位管MRST和选择管MSEL；其中源极跟随器用于信号放大，复位管用于对电容中的信号进行复位；选择管用于通过时序控制像素阵列行信号的输出；该结构解决了传统4T像素光电探测区和光电转换区见的电压分配问题，且相对基于半浮栅器件的1T像素结构而言，可以实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声像素设计。

Description

一种基于半浮栅的4T像素结构
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种基于半浮栅，能够实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声的4T像素设计。
背景技术
自上世纪60年代无源像素图像传感器发明至今，CMOS图像传感器经历了从无源像素图像传感器、3T有源像素图像传感器、4T有源像素图像传感器、数字像素图像传感器的发展历程。
无源像素结构包括一个光电二极管和一个开关管，优点是结构简单、填充因子高。缺点是拖尾严重、噪声大。
3T有源像素结构包括一个光电二极管和三个开关管，优点是积累的信号电荷可以实现无破坏输出，相对无源像素而言信噪比更高。缺点是复位噪声大，且光电探测区同时作为光电转换区，限制了像素满阱容量和转换增益的设计。
有源像素结构包括一个光电二极管和四个开关管，优点是传输栅的引入将光电探测区和光电转换区隔离成为两个区域，从而解决了3T有源像素中满阱容量与转换增益间的折中问题，并且使得相关双采样得以实现，从而消除了像素中的复位噪声。缺点是光电二极管、光电转换区之间的电压分配难以设计、填充因子相对较低等。
数字像素结构比较复杂，其在像素内部引入数模转换器，优点是可以实现高速图像传感器设计，缺点是填充因子很低。
目前，虽然4T像素结构最为常用，但是随着工艺尺寸的不断缩小，传统4T像素光电探测区和光电转换区间的电压分配问题愈加突出，大幅度限制了像素的进一步发展。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于半浮栅的4T像素结构，解决了传统4T像素光电探测区和光电转换区见的电压分配问题，且相对基于半浮栅器件的1T像素结构而言，可以实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声像素设计。
一种基于半浮栅的4T像素结构，如图1所示，包含一个半浮栅器件MSFG，三个开关管和一个电容；其中半浮栅器件用于收集信号电荷；电容类似于传统4T像素中的光电转换区，可以是任意类型的电容，据具体设计而定，电容用于将半浮栅器件输出的电流信号转换为电压信号；三个开关管可以是任意类型的开关管，据具体设计而定，分别用作源极跟随器MSF、复位管MRST和选择管MSEL；其中源极跟随器用于信号放大，复位管用于对电容中的信号进行复位；选择管用于通过时序控制像素阵列行信号的输出。
本发明中半浮栅MSFG栅极接控制线号CG，源极接固定电压，漏极同时接复位管源极/漏极、源极跟随器MSF栅极以及电容一端；复位管MRST漏极/源极接电源，源极/漏极同时接电容、MSFG漏极以及MSF栅极；电容一端接地，另一端同时接MSFG漏极、复位管源极/漏极以及MSF栅极；源极跟随器MSF的栅极同时连接复位管源极/漏极、电容以及MSFG漏极，漏极/源极接电源，源极/漏极接选择管MSEL的漏极/源极；MSEL的源极/漏极接列总线，漏极/源极接源极跟随器；上述所有开关管，若为NMOS管则衬底接地，若为PMOS管则衬底接电源。
本发明提出的像素结构的工作时序如图2所示，包含5个时序信号：CG为MSFG控制时序；S为MSFG源极一直保持1.6V左右的电压；D为MSFG漏极；RST为复位管MRST的控制时序；SEL为选择管MSEL的控制时序。而图2中的标号1、2、3、4、5分别表示像素的5个工作阶段：阶段1为半浮栅器件MSFG的复位阶段，旨在对MSFG进行复位；阶段2为像素曝光阶段，旨在对像素进行曝光，MSFG收集信号电荷；阶段3为电容复位阶段，该阶段位于像素曝光后期，旨在对电容进行复位；阶段4为像素复位信号读出阶段，旨在将复位信号读出到读出电路；阶段5为像素光信号读出阶段，旨在将光信号读出到读出电路。因此，该像素结构的工作原理为：先对半浮栅MSFG复位，然后曝光，曝光期间完成对电容的复位以及复位信号的读出，曝光完成后读出电容中的光信号，即完成本发明提出的像素结构的一个工作周期。本发明提出的像素结构的工作时序并不局限于图2所示的时序设计，可以根据具体设计更改。
一种基于半浮栅的4T像素结构，相对于传统4T像素而言，由于半浮栅的引入，解决了传统4T像素中光电二极管与光电转换区间的电压分配问题，从而使得新型4T像素结构可以实现高满阱容量、高转换增益、大输出摆幅设计；新型4T像素结构中的光电转换区可以采用PIP电容等其他类型电容实现，从而可以加大像素设计选择范围，有助于针对性提高像素性能；本结构还可以实现相关双采样技术，从而实现更低噪声像素设计。
附图说明
图1 基于半浮栅的4T像素原理图；
图2 像素工作时序图；
图3 像素实例原理图；
图4 滚筒式传感器控制时序。
具体实施方式
为进一步明确本发明的目的、技术方案以及优势，以下结合实例给出本发明的具体实施方案。该实例中：
如图3所示，半浮栅器件MSFG采用NMOS管，宽长比为(1.2μm)/(0.6μm)；复位管MRST采用NMOS管，宽长比为(0.45μm)/(0.4μm)；源极跟随器MSF采用NMOS管，宽长比为(0.45μm)/(0.6μm)；选择管MSEL采用NMOS管，宽长比为(0.45μm)/(0.4μm)；电容采用PIP型电容结构，电容值采用1.6fF。
时序设计部分：第1阶段采用2μs，第2阶段采用4μs，第3阶段采用4μs，第4阶段采用4μs，第5阶段采用2μs，则像素工作周期为16μs。即如图4所示，采用滚筒式曝光方式，则第1行像素的工作时序为：第2μs至第3μs对半浮栅器件MSFG以及电容C进行复位，第4μs至第14μs进行像素曝光，且第8μs至11μs对电容进行复位，第12μs至15μs读出复位信号。最后，在第16μs至17μs期间读出光信号。第2行像素控制时序相对第1行而言，延迟一个像素周期时间，而其他行像素控制时序以此类推。
以上设计实例仅用以进一步说明本发明的技术方案，而非对发明内容进行限制。

Claims (1)

1.一种基于半浮栅的4T像素结构，其特征在于：包含一个半浮栅器件MSFG，三个开关管和一个电容；其中半浮栅器件用于收集信号电荷；电容类似于传统4T像素中的光电转换区，可以是任意类型的电容，据具体设计而定，电容用于将半浮栅器件输出的电流信号转换为电压信号；三个开关管可以是任意类型的开关管，据具体设计而定，分别用作源极跟随器MSF、复位管MRST和选择管MSEL；其中源极跟随器用于信号放大，复位管用于对电容中的信号进行复位；选择管用于通过时序控制像素阵列行信号的输出；半浮栅MSFG栅极接控制线号CG，源极接固定电压，漏极同时接复位管源极/漏极、源极跟随器MSF栅极以及电容一端；复位管MRST漏极/源极接电源，源极/漏极同时接电容、MSFG漏极以及MSF栅极；电容一端接地，另一端同时接MSFG漏极、复位管源极/漏极以及MSF栅极；源极跟随器MSF的栅极同时连接复位管源极/漏极、电容以及MSFG漏极，漏极/源极接电源，源极/漏极接选择管MSEL的漏极/源极；MSEL的源极/漏极接列总线，漏极/源极接源极跟随器；上述所有开关管，若为NMOS管则衬底接地，若为PMOS管则衬底接电源。
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