CN112565638A - 一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法，包括传输门、光电子存储阱、浮动扩散电容、源极跟随器、复位晶体管和行选晶体管，源极跟随器采用JFET管，传输门的一端连接到光电子存储阱的一端，传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点；复位晶体管的另一端连接到复位漏极，源级跟随器的源极连接到行选晶体管的源极；行选晶体管的漏极连接到一个电流源上；本发明的优点在于：采用JFET管有效减小浮动扩散节点的电容，增大转换增益，从而降低读出噪声，不会限制帧频，适用于帧频较高的量子图像传感器。
Description
技术领域
本发明涉及量子图像传感器领域，更具体涉及一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法。
背景技术
量子图像传感器(Quanta Image Sensor，QIS)是第三代固态图像传感器技术，具有空间过采样、时间过采样和单光子计数的特点，能够解决由于器件尺寸和电源电压降低导致的CMOS图像传感器动态范围、信噪比降低等问题。量子图像传感器的应用前景十分广泛，比如微光成像、高速摄像、大动态成像和高分辨率成像。量子图像传感器具有数十亿个微小的专用像素，称为子像素。为了实现单光子计数功能，子像素需要在积分期间累积光电子并根据收集到的光电子数量，输出一位或多位比特值。与普通CMOS图像传感器像素相比，一个子像素的满阱容量较小，约为1-200个电子。要想实现单光子计数，必须以高帧速率扫描子像素阵列，以最小化单个子像素接收多于一个光子的机会。在收集二进制数据之后，使用图像处理将空间和时间域上的记录数据组合成反映光子通量的图像像素。
入射光子在硅中被吸收并产生电子-空穴对，并且这些光电子在被转移到子像素中的浮动扩散(Floating Diffusion，FD)电容之后被测量为QIS中的电压信号。由光电子产生的电压信号是
其中Qe是电子电荷，CFD是浮动扩散节点电容。在子像素读出信号过程中，子像素中的源极跟随器会引入读出噪声。起主要作用的是1/f噪声(闪烁噪声)，一般认为这是由于源极跟随器通道附近的Si-SiO2界面陷阱相关的俘获和再发射导致的载流子数波动引起的。
读出噪声越小，子像素对光电子数量的量化也就越精确。误码率直接受读出噪声影响，并且随量子光强的变化而略有不同，如图1所示，为了使不同量子曝光的误码率小于0.1％，最好将读取噪声降低到0.15e-或更低。另外，量子图像传感器子像素的转换增益为其接收到光电子后产生的电压值与光电子的电荷之间的比值。转换增益越大，读出噪声越小。为了减少读出噪声，一种方法是使用雪崩倍增来增加信号。这种方法已应用于电荷耦合器件，单光子雪崩二极管等。然而，雪崩倍增的使用具有许多缺点，例如需要高电场和工作电压，导致像素尺寸大，暗计数率高，制造难度大和可靠性问题。另一种方法是通过减小浮动扩散节点的电容来增加转换增益。
中国专利申请号CN202010659009.9，公开了一种图像传感器像素电路，包括：电荷生成单元，用于将入射的光信号转换成电信号，其包括有光电二极管以及多个曝光控制晶体管；电荷存储单元，连接电荷生成单元，被配置为存储所述电信号；电荷传输单元，连接电荷存储单元，被配置为将电信号传输至读出单元；读出单元，被配置为将电荷存储单元的电信号作为像素传输以及读取像素的信号；其中，所述光电二极管产生的信号通过多个曝光控制晶体管分别得到多个电信号，通过多个曝光控制晶体管交替地将光电二极管累积的电荷存储至对应的电荷存储单元；所述第一、第二、第三电荷传输单元连接同一个读出单元；所述读出单元包括复位晶体管、源极跟随晶体管、选择晶体管和浮置扩散节点；所述第一、第二、第三电荷存储单元的存储电荷依次通过第一、第二、第三电荷传输单元分时传送至同一个浮置扩散节点；其通过使用相关双采样，通过在每个积分时段结束时从像素的信号电压去除像素的参考电压(比如被重置后的像素电压)，从而可降低噪声，虽然其通过增大转换增益减小读出噪声，但是其主要针对的是增益控制晶体管，关闭增益控制管，转换增益较大，与常规像素一致；而打开增益控制管，转换增益变小，其次其消除噪声采用相关双采样操作，而相关双采样操作一般需要较长的读出时间，这会限制帧频，并不适用于帧频较高的量子图像传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术通过增大转换增益减小读出噪声的图像传感器像素电路，不适用于帧频较高的量子图像传感器的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，包括传输门、光电子存储阱、浮动扩散电容、源极跟随器、复位晶体管和行选晶体管，所述源极跟随器采用JFET管，传输门的一端连接到光电子存储阱的一端，传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点；复位晶体管的另一端连接到复位漏极，光电子存储阱的另一端、浮动扩散电容的另一端以及源级跟随器的漏极均连接到地，源级跟随器的源极连接到行选晶体管的源极；行选晶体管的栅极接收行选控制信号，行选晶体管的漏极连接到一个电流源上。
本发明源极跟随器采用JFET管且传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点，采用JFET管有效减小浮动扩散节点的电容，增大转换增益，从而降低读出噪声，不会限制帧频，适用于帧频较高的量子图像传感器。
进一步地，所述浮动扩散节点用作源极跟随器的栅极并集成在源极跟随器中，位于源极跟随器的浅P型沟道下方。
进一步地，所述传输门采用泵栅晶体管，所述泵栅晶体管的衬底连接到光电子存储阱的一端，泵栅晶体管的漏端连接到浮动扩散节点。
进一步地，所述复位晶体管采用穿通复位结构，具有N-P-N结，在穿通复位结构开启状态下，P区完全耗尽并发生穿通，产生浮动扩散节点与复位漏极之间的电流路径。
更进一步地，所述复位晶体管的穿通复位信号的脉冲宽度为100ns。
进一步地，所述行选晶体管的漏极连接1uA的电流源。
进一步地，所述复位漏极的关闭电压设置为1V，复位漏极的开启电压设置为2.5V。
进一步地，所述传输门的关闭电压设置为-0.5V，传输门的开启电压设置为2.5V。
进一步地，所述光电子存储阱的满阱容量为200个电子。
本发明还提供一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路的方法，所述方法包括：在电荷转移过程中，将若干个光电子由光电子存储阱转移到浮动扩散节点上，引起源极跟随器的栅极或浮动扩散电容的一端的电位变化，这种电位变化反过来调制源极跟随器的电流，JFET管用作源极跟随器并在饱和区域工作，其源极的电压与浮动扩散电容的一端的电位变化一致。
本发明的优点在于：
(1)本发明源极跟随器采用JFET管且传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点，采用JFET管有效减小浮动扩散节点的电容，增大转换增益，从而降低读出噪声，不会限制帧频，适用于帧频较高的量子图像传感器。
(2)本发明的浮动扩散节点用作源极跟随器的栅极并集成在源极跟随器中，不需要金属连接，减少浮动扩散节点的掺杂，产生更小的结电容，产生更大的转换增益，从而进一步减小读出噪声。
(3)本发明的传输门采用泵栅晶体管，泵栅晶体管结构可以有效降低与远端浮动扩散节点之间的重叠电容，从而产生更大的转换增益，进一步减小读出噪声。
附图说明
图1为不同的量子光强下，读出噪声与误码率的关系示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路的原理图；
图3为现有技术MOSFET源极跟随器的等效电容示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路中源极跟随器的等效电容示意图；
图5为本发明实施例所提供的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路中时序控制图；
图6为本发明实施例所提供的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路中电子转移示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，包括传输门Q1、光电子存储阱G1、浮动扩散电容C1、源极跟随器J1、复位晶体管Q2和行选晶体管Q3，所述源极跟随器J1采用JFET管，传输门Q1的一端连接到光电子存储阱G1的一端，传输门Q1的另一端、复位晶体管Q2的一端、浮动扩散电容C1的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点；复位晶体管Q2的另一端连接到复位漏极，光电子存储阱G1的另一端、浮动扩散电容C1的另一端以及源级跟随器的漏极均连接到地，源级跟随器的源极连接到行选晶体管Q3的源极；行选晶体管Q3的栅极接收行选控制信号，行选晶体管Q3的漏极连接到一个电流源I上。
作为本发明的进一步的改进，所述浮动扩散节点用作源极跟随器J1的栅极并集成在源极跟随器J1中，位于源极跟随器J1的浅P型沟道下方，JFET管具有P型沟道和N型栅极，源极由电流源I偏置，漏极偏置到地。同时复位晶体管Q2采用穿通复位结构，具有N-P-N结，在穿通复位结构开启状态下，P区完全耗尽并发生穿通，产生浮动扩散节点与复位漏极之间的电流路径。现有技术在具有MOSFET源极跟随器J1的像素中，浮动扩散节点通过金属线连接到源极跟随器J1的栅极。为了具有欧姆接触，浮动扩散节点需要重掺杂，这增加了浮动扩散结电容。而在本发明提出的结构中，由于浮动扩散节点集成在源极跟随器J1中，不需要金属连接，可以减少浮动扩散的掺杂，产生更小的结电容。
作为本发明的进一步的改进，所述传输门Q1采用泵栅晶体管，所述泵栅晶体管的衬底连接到光电子存储阱G1的一端，泵栅晶体管的漏端连接到浮动扩散节点。传输门Q1采用泵栅晶体管，泵栅晶体管结构可以有效降低与远端浮动扩散节点之间的重叠电容，从而产生更大的转换增益，进一步减小读出噪声。下面结合具体示例，详细介绍本发明的方案，在图5所示的时序控制下，将JFET管的漏极接地，源极接1uA的电流源I也即行选晶体管Q3的漏极连接1uA的电流源I，所述复位晶体管Q2的穿通复位信号的脉冲宽度为100ns。所述复位漏极的关闭电压设置为1V，复位漏极的开启电压设置为2.5V。所述传输门Q1的关闭电压设置为-0.5V，传输门Q1的开启电压设置为2.5V。所述光电子存储阱G1的满阱容量约为200个电子。如图6为电子转移示意图，在电荷转移过程中，将45个光电子由光电子存储阱G1转移到浮动扩散节点上，由转移电荷引起的浮动扩散电压变化约为73.7mV，所以子像素的转换增益约为1.65mV/e-，这对应0.1fF的浮动扩散节点总电容。现有采用MOSFET源极跟随器J1的浮动扩散总电容约为0.3fF，具体参阅文献《A Pump-Gate Jot Device With HighConversion Gain for a Quanta Image Sensor》。因此，本发明提出的降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路可以有效地减小浮动扩散电容C1，进而达到改进转换增益和减小量子图像传感器的读出噪声的目的。
图3展示了MOSFET源级跟随器的等效电容示意图，图4展示了本发明提出的JFET源级跟随器的等效电容示意图，图4的多个电容并联以后总电容较小，对比结果清楚地表明，采用JFET管作为源极跟随器J1的子像素可以大大降低总浮动扩散电容C1，进而减小了读出噪声。
本发明还提供一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路的方法，所述方法包括：在电荷转移过程中，将若干个光电子由光电子存储阱G1转移到浮动扩散节点上，引起源极跟随器J1的栅极或浮动扩散电容C1的一端的电位变化，这种电位变化反过来调制源极跟随器J1的电流，JFET管用作源极跟随器J1并在饱和区域工作，其源极的电压与浮动扩散电容C1的一端的电位变化一致。因为JFET管构建在P型衬底上，所以P型源必须与衬底隔离，以避免从源到体的短路电流。
通过以上技术方案，量子图像传感器子像素中的浮动扩散电容C1包括浮动扩散节点和源极跟随器J1的P型衬底之间的结电容，浮动扩散节点和传输门Q1之间的重叠寄生电容以及在浮动扩散节点和复位晶体管Q2之间的电容，源极跟随器J1的栅极电容和来自布线的金属间耦合电容。采用泵栅结构的子像素可以有效地降低了与远端浮动扩散的传输门Q1重叠电容，并在传输门Q1和浮动扩散区域中保持了电荷转移效率和特定的掺杂分布。在泵栅结构子像素的基础上，通过使用结型场效应管(Junction-Field Effect Transistor，JFET)作为像素内源极跟随器J1的方法，减小浮动扩散节点电容，可以进一步改善转换增益，从而降低读出噪声，使量子图像传感器的光子计数更加精确。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，包括传输门、光电子存储阱、浮动扩散电容、源极跟随器、复位晶体管和行选晶体管，所述源极跟随器采用JFET管，传输门的一端连接到光电子存储阱的一端，传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点；复位晶体管的另一端连接到复位漏极，光电子存储阱的另一端、浮动扩散电容的另一端以及源级跟随器的漏极均连接到地，源级跟随器的源极连接到行选晶体管的源极；行选晶体管的栅极接收行选控制信号，行选晶体管的漏极连接到一个电流源上。
2.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述浮动扩散节点用作源极跟随器的栅极并集成在源极跟随器中，位于源极跟随器的浅P型沟道下方。
3.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述传输门采用泵栅晶体管，所述泵栅晶体管的衬底连接到光电子存储阱的一端，泵栅晶体管的漏端连接到浮动扩散节点。
4.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述复位晶体管采用穿通复位结构，具有N-P-N结，在穿通复位结构开启状态下，P区完全耗尽并发生穿通，产生浮动扩散节点与复位漏极之间的电流路径。
5.根据权利要求4所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述复位晶体管的穿通复位信号的脉冲宽度为100ns。
6.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述行选晶体管的漏极连接1uA的电流源。
7.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述复位漏极的关闭电压设置为1V，复位漏极的开启电压设置为2.5V。
8.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述传输门的关闭电压设置为-0.5V，传输门的开启电压设置为2.5V。
9.根据权利要求1所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路，其特征在于，所述光电子存储阱的满阱容量为200个电子。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路的方法，其特征在于，所述方法包括：在电荷转移过程中，将若干个光电子由光电子存储阱转移到浮动扩散节点上，引起源极跟随器的栅极或浮动扩散电容的一端的电位变化，这种电位变化反过来调制源极跟随器的电流，JFET管用作源极跟随器并在饱和区域工作，其源极的电压与浮动扩散电容的一端的电位变化一致。
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