CN1652345A - 像素间采用共享晶体管的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少了晶体管数量的CMOS传感器阵列，其中，单个像素是由销接光电二极管和传输晶体管所形成的。输出节点通过传输晶体管接收光电二极管所发出的信号，该输出节点由多个像素所共享。此外，复位晶体管耦合在可选择的低压轨Vss或高压参考电压Vref与输出节点之间。输出晶体管的栅极耦合到输出节点上。复位晶体管和输出晶体管都由多个像素所共享。

Description

像素间采用共享晶体管的CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种具有在读出时允许共享输出晶体管的像素体系结构的CMOS图像传感器。
背景技术
集成电路技术使计算机、控制系统、通讯和图像等许多领域发生了巨大的变化。在图像领域中，互补金属-氧化物-半导体(CMOS)有源像素图像传感器已在电荷耦合成像器件涉及的应用中占领了相当大的领域。正如Lee等在U.S.P.5,625,210中所指出的那样，有源像素传感器是一种有源器件电子图像传感器，如晶体管，其与每个像素都相关。该有源像素传感器的优点是能够凭借CMOS制造技术将信号处理和检测电路集合在同一集成电路中。
有源像素的常规设计是基本的三晶体管CMOS有源像素，其包括光电二极管、用于使光电二极管电压复位的复位晶体管、用于放大的源极随耦器(source follower)以及将光电二极管电压缓冲到垂直列数据总线的行选择晶体管。然而，该三晶体管像素由于复位操作而缺抑制噪声的能力，如kTC噪声，此外，该三晶体管像素对于蓝光没有好的响应。
另一个通用的有源像素传感器结构包括四个晶体管和销接光电二极管(pinned photodiode)。该销接光电二极管由于它对蓝光有较好的敏感度，以及在暗电流密度和图像滞后方面具有一定优势，使它深受欢迎。通过P+区将二极管表面势能栓接(“Pinning”)到P阱或P衬底(GND)，可以减少暗电流。因为销接光电二极管的特定特性，必须结合一个上述三晶体管设计中所不需的传输晶体管。
然而，销接光电二极管的一个缺点是每一个像素需要四个晶体管。因此，一兆像素的图像传感器仅是图像阵列就需要四百万个晶体管。当高分辨率的图像传感器变得普及化后，加上对高集成密度的需求，就有必要在实现销接光电二极管像素的同时限制所需晶体管的数量。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种可以大大减少晶体管总数量的CMOS传感器阵列。
上述本发明的目的可以通过以下技术方案来实现的：
一种CMOS传感器阵列，其包括：
多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在半导体衬底中，每一有源像素包括：(a)销接光电二极管；和(b)传输该销接光电二极管所发出的信号的传输晶体管；
多个输出节点，每一输出节点由至少两个像素所共享且用于接收该至少两个像素所发出的信号；
与上述多个输出节点相关联的多个复位晶体管，每一复位晶体管由上述至少两个像素所共享且耦合在参考电压和相关的输出节点之间；以及
与上述多个输出节点相关联的多个输出晶体管，每一输出晶体管由上述至少两个像素所共享，该输出晶体管的栅极耦合到上述相关的输出节点上。
该CMOS传感器阵列还可以进一步包括处理电路以接收输出晶体管的输出信号，以及I/O电路以输出该CMOS传感器阵列的输出晶体管像素关闭时的输出信号。该输出节点可以共享相同列中相邻行的像素。该输出晶体管可以在没有使用行选择晶体管的前提下而与列输出数据线相连。
另一方面，本发明也提供一种可以大大减少所需晶体管总数量的器件，该器件包括：
形成在半导体衬底上的第一销接光电二极管；
设置在该第一销接光电二极管和输出节点之间的第一传输晶体管，该第一销接光电二极管和该第一传输晶体管组合形成第一光传感像素；
形成在半导体衬底上的第二销接光电二极管；
设置在该第二销接光电二极管和上述输出节点之间的第二传输晶体管，该第二销接光电二极管和该第二传输晶体管组合形成第二光传感像素；
通过参考电压和上述输出节点耦合的复位晶体管；以及
耦合到上述输出节点上的输出晶体管。
优选地，上述的参考电压是在低压参考电压Vss或高压参考电压Vrcf之间选择的。
在上述器件中，第一光传感像素可以位于图像阵列的第一行，第二光传感像素可以位于图像阵列中、与该第一行相邻的第二行。
更优选地，上述器件中，输出晶体管是在没有使用行选择晶体管的前提下与列输出数据线相连的。
上述器件还可以进一步包括：形成在半导体衬底上的第三销接光电二极管；以及设置在该第三销接光电二极管和上述输出节点上的第三传输晶体管，该第三销接光电二极管和该第三传输晶体管组合形成第三光传感像素。
在本发明中，复位晶体管可以在传输第一或第二光电二极管的信号前，将输出节点的电压复位到低电压状态，而输出晶体管可以具有耦合到输出节点上的栅极。
本发明的CMOS传感器阵列不仅可以大大减少晶体管的总数量，而且具有低的漏电流和很好的噪声抑制能力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1是现有技术有源像素的示意图。
图2是图1所示现有技术有源像素的剖面示意图。
图3是现有技术图像传感器阵列中列部分的示意图。
图4是本发明CMOS图像传感器所形成的图像阵列中列部分的示意图。
图5是本发明CMOS图像传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种采用销接光电二极管的、平均每一有源像素所需晶体管少于四个的有源像素的设计。在下面的说明中，通过对本发明具体实施方式的描述，来了解本发明的诸多具体细节。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1和2是一个具有销接光电二极管103的现有技术有源像素101。销接光电二极管103是在P-型衬底上形成的N阱，并在N阱顶部形成一个P+区。传输门(transfer gate，也叫传输晶体管)控制信号从销接光电二极管103到输出节点107的传输。输出节点107连接到源极随耦器晶体管109(也叫驱动或输出晶体管)。这使得输出节点107的信号被放大，而且被加到列输出线111。行选择晶体管(SEL)被用来选择列输出111上读出的像素。行选择晶体管由行选择数据线控制，而且复位晶体管113被用来耗尽传感器节点上的信号。为了减少硅表面的漏电流和kTC噪声，通常光电二极管在硅表面处有固定的P+表面屏蔽层，而且处于完全耗尽状态。
图3是采用销接光电二极管像素的传感器阵列中列部分的示意图，在该示意图中，显示了阵列中的第一列和前三行。如图所示，列输出数据线111将行信号传送到读出电路(图未示)。每一像素的行选择(SEL)晶体管在某一时间被选择性地激活，以读出像素信号。如图中所示，三个像素需要十二个晶体管；以此类推，一个兆像素的阵列就需要四百万个晶体管来形成图像阵列。
本发明可减少实现销接光电二极管传感器阵列所需的晶体管数量。这种减少是通过在两个和两个以上相邻行像素之间共享源极随耦器晶体管109和复位晶体管实现的。共享晶体管可大大减少实现销接光电二极管图像传感器所需的晶体管总数量。
具体可参考图4，其显示了图像阵列的部分示意图。该部分具体显示了一单列(第一列)和四行的像素。与现有技术相反，该图中第一行和第二行相邻的像素共享一个源极随耦器晶体管和复位晶体管；类似地，第三行和第四行的相邻像素也共享一个源极随耦器晶体管和复位晶体管。此外，根据本发明，不需要行选择晶体管，而改为将源极随耦器晶体管的漏极直接与列输出数据线111相连。因此，这四个像素所需的晶体管总数量是八，平均每个像素仅仅需要两个晶体管，比图3所示现有技术中每一像素所需四个晶体管大大减少。
此外，尽管图中所示是两个像素共享一个共同的复位晶体管和源极随耦器晶体管，但是在一列中可以增加到或许三个甚至四个像素来进行共享，从而可节省更多的晶体管。不过，在图4所示的实施方案中，是相邻行的两个像素共享复位晶体管和源极随耦器晶体管。
另外，该复位晶体管的上部连接(漏极)与低压Vss或高压参考电压Vref相连接。下面可以看到，本发明中，复位晶体管将Vss或Vref施加在节点A上。在Vss或Vref之间的实际转换可用一个本领域一般技术人员所熟知的简单控制开关(图未示)很容易地予以实现。
因此，输出节点107(也就是节点A)在两个像素之间共享。以下解释说明本发明的具体实施方式。当第一行的信号被读出，复位晶体管被打开，以使高压参考电压Vref施加在节点A上。所有其它行的节点A’通过它们各自的复位晶体管被施加以低压Vss。因此，仅仅与该被读行相关联的节点A被施加以高压，而其它行的所有节点A’被施加以低压。
接下来，该被读行的复位晶体管被关闭，该行的传输门被打开。该光电二极管中累积的电荷就被传输到节点A，连同已施加在节点A上的高压，对该源极随耦器晶体管进行调制，此时相邻行(第二行)像素的传输门是关闭的。如此，第一行中像素的光电二极管所产生的信号修改了高压基点，且被源极随耦器放大，该信号被提供到列输出数据线111上。
一旦完成上述步骤，复位晶体管漏极电压就被转换至低压，该复位晶体管被打开，这样就将节点A复位到低参考电压，例如Vss。
读出接下来的行(第二行)时，重复上述程序，复位晶体管对节点A施加高压，然后打开第二行的传输门，第二行像素中的光电二极管的信号被传输至输出节点107，与高压混合。
此时，第一行像素的传输门是关闭的，第二行像素的输出节点107上的信号被源极随耦器放大，且该信号通过列输出数据线111被输出。值得注意的是，当读出第一行和第二行时，通过打开这些行的复位晶体管且保持这些复位晶体管漏极电压为低压，从而可使第三行和第四行(以及所有其它行)的节点A被一直保持在低参考压，例如Vss。
该图像传感器其余行的读出过程和第一行及第二行的读出一样，在每一瞬间，仅有一个行选择晶体管被打开。
在一实际的实施方案中，一组行像素的复位晶体管、源极随耦器晶体管和行选择晶体管的晶体管，通常是形成在图像阵列的区域，而这些区域是在实际的光电二极管和传输门像素区域以外。这样会增加像素的填充因数，并为读出电路运行提供了额外的平衡。
上述有源像素可用于CMOS图像传感器1101的传感器阵列中。图5显示了本发明CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器包括传感器阵列1103、处理电路1105、输入/输出设备(I/O)1107、存储器1109和数据总线1111。优选地，这些元件中的每个都是在单个的N-型半导体硅衬底上形成的，而且通过标准的CMOS工艺集成在单个的芯片上。
例如，除了像素由这里描述的有源像素代替以外，传感器阵列1103可能与本发明的申请人(美国加州，Sunnyvale，OmniVision Technologies，Inc.)制造的图像传感器阵列相似，如其模型OV7630、OV7920、OV7930、OV9620、OV9630、OV6910或OV7640。
更具体地说，传感器阵列1103包括多个排列成二维空间阵列的单个像素。在运行过程中，当图像被聚焦在传感器阵列1103时，传感器阵列1103可收集原始的图像数据。
处理电路1105通过总线1111接受原始图像数据，并开始信号处理。处理电路1105能执行一系列的预设定的程序指令(可存储在存储器1107中)，这些指令对于实现集成电路110的作用是必需的。处理电路1105可能是一个常规微处理器、DSP、FPGA或神经元电路。
尽管在此描述了本发明的优选实施方案，但可以注意到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，本发明可以有诸多变化。
本发明用一个优选的实施方案和几个变化的实施方案进行了描述。本领域的普通技术人员在阅读了上述的说明书后，在没有偏离上述基本概念的前提下，完全可以进行一些适当的改变、改进和等同物的替换。因此，本申请授权后的保护范围只由其权利要求书和其等同物所限定，而不受此处具体实施方案的限制。

Claims (13)

1、一种器件，其包括；
形成在半导体衬底上的第一销接光电二极管；
设置在该第一销接光电二极管和输出节点之间的第一传输晶体管，该第一销接光电二极管和该第一传输晶体管组合形成第一光传感像素；
形成在所述半导体衬底上的第二销接光电二极管；
设置在该第二销接光电二极管和所述输出节点之间的第二传输晶体管，该第二销接光电二极管和该第二传输晶体管组合形成第二光传感像素；
通过参考电压和所述输出节点耦合的复位晶体管；以及
耦合到所述输出节点上的输出晶体管。
2、如权利要求1所述的器件，其中，所述的参考电压是在低压参考电压Vss或高压参考电压Vref之间选择的。
3、如权利要求1所述的器件，其中，所述的第一光传感像素位于图像阵列的第一行，所述的第二光传感像素位于图像阵列中、与所述第一行相邻的第二行。
4、如权利要求1所述的器件，其中，所述的输出晶体管在没有使用行选择晶体管的前提下而与列输出数据线相连。
5、如权利要求1所述的器件，其还进一步包括：
形成在所述半导体衬底上的第三销接光电二极管；以及
设置在该第三销接光电二极管和所述输出节点上的第三传输晶体管，该第三销接光电二极管和该第三传输晶体管组合形成第三光传感像素。
6、如权利要求1所述的器件，其中，所述的复位晶体管在传输第一或第二光电二极管的信号前，将所述输出节点的电压复位到低电压状态。
7、如权利要求1所述的器件，其中，所述的输出晶体管具有耦合到所述输出节点上的栅极。
8、一种CMOS传感器阵列，其包括：
多个排列成行和列的有源像素，该有源像素形成在半导体衬底中，每一所述有源像素包括：(a)销接光电二极管；和(b)传输该销接光电二极管所发出的信号的传输晶体管；
多个输出节点，每一所述输出节点由至少两个像素所共享且用于接收该至少两个像素所发出的信号；
与所述多个输出节点相关联的多个复位晶体管，每一所述复位晶体管由所述至少两个像素所共享且耦合在参考电压和相关的输出节点之间；以及
与所述多个输出节点相关联的多个输出晶体管，每一所述输出晶体管由所述至少两个像素所共享，所述输出晶体管的栅极耦合到所述相关的输出节点上。
9、如权利要求8所述的CMOS传感器阵列，其中，所述的参考电压是在低压参考电压Vss或高压参考电压Vref之间选择的。
10、如权利要求8所述的CMOS传感器阵列，其还进一步包括处理电路，以接收所述输出晶体管的输出信号。
11、如权利要求10所述的CMOS传感器阵列，其还进一步包括I/O电路，以输出所述CMOS传感器阵列的输出晶体管像素关闭时的输出信号。
12、如权利要求9所述的CMOS传感器阵列，其中，所述输出节点共享相同列中相邻行的像素。
13、如权利要求9所述的CMOS传感器阵列，其中，所述输出晶体管在没有使用行选择晶体管的前提下而与列输出数据线相连。
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