CN1437262A - 混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构及其电位读取方法 - Google Patents
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Abstract
一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构及其电位读取方法，其运用由光二极管及光栅极体所组成的照光区来接收光源的照射，并经过控制光栅极体的栅极电压操作来改变其灵敏度，再多次读取其电位变化，并利用不同时间读取的不同运作条件的电位具有相同的暗电流与固定噪声的特性，求取其差值以消除其暗电流及固定噪声，求取其和以提供于低照度时，拥有较高的灵敏度，而于高照度时，拥有较低的灵敏度，以增加其动态范围。
Description
技术领域
本发明是有关于一种互补式金氧半影像传感器结构及其电位读取方法，且特别是有关于一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构及其电位读取方法。
背景技术
一直以来，图像总是人们最易于接受的信息表达方式，也正由于如此，人们致力于观察图像、保存图像的研究，以致有关图像的装置与器材十分丰富而多元，就如掌上型彩色摄影机、防盗监视用黑白摄影机、数字相机、传真机及医学用传感器等，这些影像处理器材都少不了要应用影像感测器件，而由于互补式金氧半影像传感器的高稳定度、高灵敏度、低工作电压、低耗电力、高阻抗及不受强磁影响等诸多优点，因此将其广泛应用于其中，然而，若将其与电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)做比较，则虽然其具有价格低廉并易在同一芯片上与其它控制电路、模拟转数字电路及数字信号处理电路整合在一起，达到所谓的System On a Chip(SOC)的目的，但却因其较高的暗电流而无法应用于低照度的环境，也无法拥有很长的曝光时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，并配合其电位读取方法，以消除其暗电流(Dark current)及固定噪声(Fixed pattern noise)，并可提供于低照度时，拥有较高的灵敏度(Sensitivity)，而于高照度时，拥有较低的灵敏度，以增加其动态范围。
本发明提供一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其包括：照光区、重置晶体管、源极随藕器晶体管以及输出选择晶体管。其中照光区由P型阱上的N型掺杂接面形成的光二极管围绕光栅极体的栅极所组成，其用来接收光源的照射，并依据光源的强度反应其照光电位，且其灵敏度可经过控制光栅极体的栅极电压操作来改变。重置晶体管用来重置此照光电位至重置准位。源极随藕器晶体管用来提供照光电位的输出电流，以读取此照光电位。输出选择晶体管用来选择是否读取此照光电位。而其中的重置晶体管、源极随藕器晶体管以及输出选择晶体管为一N-MOS晶体管。
本发明提供一第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，此影像传感器至少包括：照光区及重置晶体管。照光区由光二极管及光栅极体组合而成，其用以接收光源的照射，并依据光源的强度反应其照光电位，且其灵敏度可经过控制光栅极体的栅极电压操作来改变。重置晶体管用来重置照光电位至重置准位。其电位读取方法包括下列步骤：首先导通重置晶体管，以重置照光电位至重置准位；再来关闭重置晶体管；然后将光栅极体加上电压，以激活光栅极体的运作；再读取光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位；再一次导通重置晶体管，以重置照光电位至重置准位；然后关闭重置晶体管；再读取光二极管单独运作时的照光电位；最后求取光二极管单独运作时的照光电位以及光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位间的差值，以消除其中的暗电流及固定噪声。
本发明另提供一第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，此影像传感器至少包括：照光区及重置晶体管。照光区由光二极管及光栅极体组合而成，其用以接收光源的照射，并依据光源的强度反应其照光电位，且其灵敏度可经过控制光栅极体的栅极电压操作来改变。重置晶体管用来重置照光电位至重置准位。其电位读取方法包括下列步骤：首先导通重置晶体管，以重置照光电位至重置准位；再来关闭重置晶体管，并读取重置准位；然后读取光二极管单独运作时的照光电位；再求取重置准位以及光二极管单独运作时的照光电位间之差作为第一结果值；然后将光栅极体加上电压，以激活光栅极体的运作；再读取光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位；之后求取重置准位以及光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位间之差作为第二结果值；最后求取第一结果值及第二结果值之和，使可提供于低照度时，拥有较高的灵敏度，而于高照度时，拥有较低的灵敏度，以增加其动态范围。
由上述说明可知，应用本发明所提供的一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，配合本发明所提供的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，因两次读取的照光电位均含有相同的暗电流及固定噪声，故于求取其照光电位间的差值时，将可完全消除其中的暗电流及固定噪声；另外，若配合本发明所提供的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，则可运用当光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位于高照度时将达饱和的特性，将两次读取的照光电位相加后，将能提供于低照度时，拥有较高的灵敏度，而于高照度时，拥有较低的灵敏度，以增加其动态范围。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。
附图说明
图1A显示一种公知的光二极管金氧半影像传感器的结构示意图；
图1B显示一种公知的光栅极体金氧半影像传感器的结构示意图；
图2显示根据本发明较佳实施例的一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器的结构示意图；
图3A显示根据本发明较佳实施例的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取电路图；
图3B显示根据本发明较佳实施例的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取时序图；
图3C显示根据本发明较佳实施例的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取结果示意图；
图4A显示根据本发明较佳实施例的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取电路图；
图4B显示根据本发明较佳实施例的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取时序图；
图4C显示根据本发明较佳实施例的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取结果示意图。标号说明：
110照光区 120重置晶体管
130源极随藕器晶体管 140输出选择晶体管
150照光区 160重置晶体管
170源极随藕器晶体管 180输出选择晶体管
210照光区 220光二极管
230光栅极体 40光二极管
250重置晶体管 260源极随藕器晶体管
270输出选择晶体管 310晶体管SH1
320晶体管CL1 30电容C1
340电容C2 410晶体管SH2
420晶体管CL2 430电容C3
440电容C4 450晶体管SH3
460晶体管CL3 470电容C5
480电容C6
具体实施方式
请一起参考图1A和图1B，图1A显示一种公知的光二极管金氧半影像传感器的结构示意图；图1B显示一种公知的光栅极体金氧半影像传感器的结构示意图。由图中显示，公知的金氧半影像传感器的结构均包含有照光区110、150、重置晶体管120、160、源极随藕器晶体管130、170以及输出选择晶体管140、180。其中重置晶体管120、160用来重置照光区的照光电位至重置准位。源极随藕器晶体管130、170用来提供照光电位的输出电流，以读取此照光电位。输出选择晶体管140、180用来选择是否读取此照光电位。而不同的是光二极管金氧半影像传感器的照光区110为一光二极管，光栅极体金氧半影像传感器的照光区150为一光栅极体，此两种影像传感器虽各有其优劣，但均无法消除其暗电流。
请参考图2，其显示根据本发明较佳实施例的一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器的结构示意图，图中显示此混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构同样包括：照光区210、重置晶体管250、源极随藕器晶体管260以及输出选择晶体管270。其中照光区210由P型阱上的N型掺杂接面形成的光二极管220、240围绕光栅极体230的栅极所组成，其用来接收光源的照射，并依据光源的强度反应其照光电位，且其灵敏度可经过控制光栅极体230的栅极电压操作来改变。同样地，重置晶体管250用来重置此照光电位至重置准位，源极随藕器晶体管260用来提供照光电位的输出电流，以读取此照光电位，输出选择晶体管270用来选择是否读取此照光电位。而重置晶体管250、源极随藕器晶体管260以及输出选择晶体管270为一N-MOS晶体管。
请一起参考图2、图3A、图3B和图3C，图3A显示根据本发明较佳实施例的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取电路图；图3B显示其读取时序图；图3C则显示其读取结果示意图。由图3B中的读取时序可知，在1个照光期间(Integration Period)中，将会做两次重置动作，其中一次光栅极体230不加电压，使其不运作，以获得一较低灵敏度的照光电位差ΔV1＝Vres-Vout1＝Vs1+Vdark+VFPN，此照光电位将会包含暗电流Vdark和固定噪声VFPN，另一次光栅极体230加上电压3.3V，使其正常运作，以获得一较高灵敏度的照光电位差ΔV2＝Vres-Vout2＝Vs2+Vdark+VFPN，此照光电位同样包含暗电流Vdark和固定噪声VFPN，故知我们只要读取其差值ΔV2-ΔV1＝(Vres-Vout2)-(Vres-Vout1)＝(Vs2+Vdark+VFPN)-(Vs1+Vdark+VFPN)＝Vs2-Vs1，则可完全消除其中的暗电流Vdark和固定噪声VFPN，且其相关双取样电路(Correlated double sampling)如图3A的示意图所示并无须改变，其工作原理为当第一次重置后，将光栅极体加上电压，以激活光栅极体的运作，并于下一次重置前导通晶体管SH1 310及晶体管CL1 320，然后关闭晶体管CL1 320，则电容C1 330的跨压为Vout2＝Vres-(Vs2+Vdark+VFPN)，下一次重置后，光栅极体不加电压，以关闭光栅极体的运作，并于再下一次重置前关闭晶体管SH1 310，则电容C2 340的跨压为Vout1＝Vres-(Vs1+Vdark+VFPN)，而实际测得的输出则为电容C2 340的跨压减去电容C1 330的跨压为Vout1-Vout2＝(Vres-(Vs1+Vdark+VFPN))-(Vres-(Vs2+Vdark+VFPN))＝Vs2-Vs1，其为上述所需的结果值。
请一起参考图2、图4A、图4B和图4C，图4A显示根据本发明较佳实施例的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法的读取电路图；图4B显示其读取时序图；图4C则显示其读取结果示意图。由图4B中的读取时序可知，在1个照光期间(Integration Period)中，将会做两次重置动作，其中一次光栅极体230不加电压，使其不运作，以获得一较低灵敏度的照光电位差ΔV1＝Vres-Vout1＝Vs1，另一次光栅极体230加上电压3.3V，使其正常运作，以获得一较高灵敏度的照光电位差ΔV2＝Vres-Vout2＝Vs2，此照光电位因具有较高的灵敏度，故当光源的照度较大时，照光电位已由重置准位下降至0V，造成饱和的情形，是故动态范围乃受限于重置准位，为改善其动态范围的限制，求取其和如图4C的Vs1+Vs2，并获得于低照度时，拥有较高的灵敏度，而于高照度时，拥有较低的灵敏度的特性，此种方式无法使用原先的相关双取样电路，而必须改变如图4A所示，其工作原理为当第一次重置后的下一次重置前导通晶体管SH2 410及晶体管CL2 420，然后关闭晶体管CL2 420，则电容C3 430的跨压为Vout1＝Vres-Vs1，下一次重置后，关闭晶体管SH2 410，则电容C4 440的跨压为Vres，故实际测得的输出为电容C4 440的跨压减去电容C3 430的跨压为Vres-(Vres-Vs1)＝Vs1，此时并将光栅极体加上电压，以激活光栅极体的运作，于再下一次重置前导通晶体管SH3 450及晶体管CL3 460，然后关闭晶体管CL3 460，则电容C5 470的跨压为Vout2＝Vres-Vs2，再下一次重置后，关闭晶体管SH3 450，则电容C6 480的跨压为Vres，故实际测得的输出为电容C6 480的跨压减去电容C5 470的跨压为Vres-(Vres-Vs2)＝Vs2，而我们只要求取其和即可得到期望的结果。
由上述说明可知，应用本较佳实施例的一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，配合本较佳实施例的第一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，因两次读取的照光电位均含有相同的暗电流及固定噪声，故于求取其照光电位间的差值时，将可完全消除其中的暗电流及固定噪声；另外，若配合本较佳实施例的第二种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，则可运用当光二极管与光栅极体同时运作时的照光电位于高照度时将达饱和的特性，将两次读取的照光电位相加后，将能提供于低照度时，拥有较高的灵敏度，而于高照度时，拥有较低的灵敏度，以增加其动态范围。
虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定为准。
Claims (7)
1.一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其特征在于：包括：
一照光区，用以接收一光源的照射，并依据该光源的强度反应一照光电位，其中该照光区由一光二极管及一光栅极体组合而成；
一重置晶体管，用以重置该照光电位至重置准位；
一源极随藕器晶体管，用以提供该照光电位的输出电流，以读取该照光电位；
一输出选择晶体管，用以选择是否读取该照光电位。
2.如权利要求1所述的混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其特征在于：其中该照光区由P型阱上的N型掺杂接面形成的该光二极管围绕该光栅极体的栅极所组成。
3.如权利要求2所述的混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其特征在于：其中该重置晶体管为N-MOS晶体管。
4.如权利要求2所述的混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其特征在于：其中该源极随藕器晶体管为N-MOS晶体管。
5.如权利要求2所述的混合照光区的互补式金氧半影像传感器结构，其特征在于：其中该输出选择晶体管为N-MOS晶体管。
6.一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，其特征在于：该影像传感器至少包括：一照光区，用以接收一光源的照射，并依据该光源的强度反应一照光电位，其中该照光区由一光二极管及一光栅极体组合而成；以及一重置晶体管，用以重置该照光电位至一重置准位，该方法包括下列步骤：
导通该重置晶体管，以重置该照光电位至该重置准位；
关闭该重置晶体管；
读取该光二极管单独运作时的该照光电位；
将该光栅极体加上电压，以激活该光栅极体的运作；
读取该光二极管与该光栅极体同时运作时的该照光电位；
求取该光二极管单独运作时的该照光电位以及该光二极管与该光栅极体同时运作时的该照光电位间的差值。
7.一种混合照光区的互补式金氧半影像传感器电位读取方法，其特征在于：该影像传感器至少包括：一照光区，用以接收一光源的照射，并依据该光源的强度反应一照光电位，其中该照光区由一光二极管及一光栅极体组合而成；以及一重置晶体管，用以重置该照光电位至一重置准位，该方法包括下列步骤：
导通该重置晶体管，以重置该照光电位至该重置准位；
关闭该重置晶体管，并读取该重置准位；
读取该光二极管单独运作时的该照光电位；
求取该重置准位以及该光二极管单独运作时的该照光电位间之差作为一第一结果值；
将该光栅极体加上电压，以激活该光栅极体的运作；
读取该光二极管与该光栅极体同时运作时的该照光电位；
求取该重置准位以及该光二极管与该光栅极体同时运作时的该照光电位间之差作为一第二结果值；
求取该第一结果值及该第二结果值之和。
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| CN101079967B (zh) * | 2006-02-24 | 2013-07-10 | 索尼株式会社 | 固态成像装置及其制造方法、以及摄像机 |
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2002
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| PB01 | Publication | ||
| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |