CN1791185A - 互补金属氧化物半导体图像传感器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其操作方法。所述CMOS图像传感器包括具有像素矩阵的像素阵列单元，其中每个像素包括电荷转移元件，用于将在光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件；和行驱动单元，用于在所述光电转换元件的电荷累积周期的部分期间将电压提供给电荷转移元件，其中所提供的电压使得所述电荷转移元件具有负电势。

Description

互补金属氧化物半导体图像传感器及其操作方法

本申请要求于2004年11月5日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号为10-2004-0089905的优先权，其公开在此整体并入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其操作方法。更具体地，本发明涉及一种具有改善的暗电流特性的CMOS图像传感器及其操作方法。

背景技术

图像传感器已被应用于各种领域，例如机器视觉、机器人技术、基于卫星的仪器、交通、导航和制导。典型地，图像传感器具有组成图像帧的二维阵列的像素。

像素包括能够累积对应于所吸收的光量的电荷的光电转换元件。也就是，当光子与在半导体基底上形成的光电转换元件的表面碰撞时，产生自由载荷子并且被收集在光电转换元件中。读出所收集的载荷子并且随后通过各种过程将其转移到输出电路，从而再现图像。

代表性的图像传感器是电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。CCD具有较低的噪声电平，并且产生比CMOS图像传感器更好的图像质量。然而，CMOS图像传感器可被容易地操作并且采用各种扫描技术。而且，信号处理电路可被集成在单个芯片上，从而能够使产品小型化，并且与CMOS处理的兼容性可以减少制造成本。另外，CMOS图像传感器的功耗非常低，因此，在具有有限的电池容量的产品中可以容易地采用CMOS图像传感器。因此，CMOS图像传感器被广泛使用。

CMOS图像传感器可以以各种结构来制造，但是通常具有四个晶体管和一个光电二极管，下文将其称作“4Tr结构”。4Tr结构是使用普通CMOS制造处理制造的。然而，4Tr结构产生相对大的暗电流。

暗电流是即使当物体未曝露于像素阵列单元时产生的输出信号。也就是，暗电流是噪声。不管是否存在将被记录的图像，都产生暗电流。

过大的暗电流使得区分明和暗比较困难，因此减小了动态范围。而且，不均匀和过多的暗电流产生“白缺陷”，这产生了比正常更大的信号。因此，期望减小暗电流的改进技术。

发明内容

本发明提供了一种具有改善暗电流特性的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

本发明也提供了一种操作具有改善暗电流特性的CMOS图像传感器的方法。

在查看了下列描述的基础上，本发明的上述特征对于本领域的普通技术人员将变得明显。

根据本发明的一方面，提供了一种CMOS图像传感器，包括：具有像素矩阵的像素阵列单元，其中每个像素包括电荷转移元件，用于将在光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件；和行驱动单元，用于在所述光电转换元件的电荷累积周期的部分期间将电压提供给电荷转移元件，其中所提供的电压使得所述电荷转移元件具有负电势。

根据本发明的另一方面，提供了一种操作CMOS图像传感器的方法，包括：在光电转换元件的电荷累积周期的部分期间将电压提供给电荷转移元件，其中所提供的电压使得电荷转移元件具有负电势；和激活所述电荷转移元件，并且将在光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件。

附图说明

通过参考附图来详细描述示例性实施例，本发明的上面和其他特征将变得更加明显，其中：

图1图解说明了根据本发明实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方框图；

图2示出了图1的CMOS图像传感器的像素的电路图；

图3示出了图1的CMOS图像传感器的像素的示意平面图；

图4示出了沿图3所示的IV-IV’线截取的横截面图；

图5A和5B示出了图解说明图1的CMOS图像传感器的电荷转移元件的特性的视图；

图6示出了图1的CMOS图像传感器的耦合部件的电路图；

图7示出了图6的耦合部件的时序图；

图8示出了图1的CMOS图像传感器的时序图；

图9示出了图1的CMOS图像传感器的示意图和电势图；和

图10示出了图解说明图1的CMOS图像传感器的特性的视图。

具体实施方式

通过参考优选实施例和附图的下列详细描述将更容易地理解本发明的特征和及其实现方法。然而，本发明可以以许多种不同的形式来体现，并且不应当被曲解为限于此处所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，是为了使本公开更透彻和完整，并且对于本领域的普通技术人员来说将全面地传达本发明的概念，并且本发明将由所附权利要求来定义。整个说明书中相同的附图标记表示相同的元件。

图1图解说明了根据本发明实施例的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方框图。

参考图1，CMOS图像传感器1包括像素阵列单元10、行驱动单元20、双相关取样器(CDS)50、和模数转换器(ADC)60。行驱动单元20包括驱动信号提供部件30和耦合部件40。

像素阵列单元10包括像素矩阵。多个像素吸收从物体反射的光，并且将所吸收的光转换为电信号。像素阵列单元10从行驱动单元20接收多个驱动信号，该驱动信号包括像素选择信号ROW、复位信号RST、和电荷转移信号TG。经由垂直信号线12将所述电信号提供给CDS 50。

行驱动单元20从控制器(未示出)接收定时信号和控制信号，并且将用于对多个像素的读出操作的驱动信号提供给像素阵列单元1O。对于像素矩阵，通常以行状态(row-wise)的方式提供驱动信号。

行驱动单元20包括驱动信号提供部件30和耦合部件40。驱动信号提供部件30将像素选择信号ROW和复位信号RST提供给像素阵列单元10，并且它以行状态的方式将电荷转移处理信号TGX提供给耦合部件40。

像素选择信号ROW是用于控制像素阵列单元10中的选择元件的信号。例如，经由第i像素选择信号线14将像素选择信号ROW提供给第i行的选择元件。

复位信号RST是用于控制像素阵列单元10中的复位元件的信号。例如，经由第i复位信号线16将复位信号RST提供给第i行的复位元件。

电荷转移处理信号TGX被提供给耦合部件40并且被转换为电荷转移信号TG，用于控制像素阵列单元10中的电荷转移元件(参见图2的130)。

耦合部件40接收电荷转移处理信号TGX，并且将电荷转移信号TG提供给像素阵列单元10中的电荷转移元件。电荷转移信号TG是通过对电荷转移处理信号TGX的负升压(boosting)而产生的，并且包括使得电荷转移元件具有负电势的电压。最好，耦合部件40将逻辑“高”电荷转移处理信号TGX提供给像素阵列单元10，然而它负升压逻辑“低”电荷转移处理信号TGX。当然，即使当电荷转移处理信号TGX是逻辑“高”时，它可以被负升压。然而，电荷转移元件不应在阈值电压之下。

CDS 50经由垂直信号线12接收在像素阵列单元10中产生的电信号，并且对接收到的电信号保持和取样。也就是，CDS 50对预定的参考电压电平(下文称作“噪声电平”)和电信号的电压电平(下文称作“信号电平”)执行双取样，并且输出差值。CDS 50负责抑制由像素阵列单元10和垂直信号线12产生的噪声。放大器(未示出)从CDS 50接收上述的电压差，并且输出具有适当增益的模拟信号，其中使用可编程增益放大来实现适当的增益。

ADC 60从放大器接收模拟信号，并且输出数字信号以进行偏移校正。所述数字信号被锁存元件(未示出)锁存，并且数据选择元件(未示出)将锁存的信号提供给复用器(未示出)。该复用器连续地排列接收到的信号，并且将连续排列的信号提供给图像信号处理器(未示出)。

图2示出了图1的CMOS图像传感器的像素的电路图，和图3示出了图1的CMOS图像传感器的像素的示意平面图。图4示出了沿图3所示的IV-IV’线的横截面图。图5A和5B示出了图解说明图1的CMOS图像传感器的电荷转移元件的特性的视图。

首先，参考图2和3，CMOS图像传感器的像素100包括光电转换元件110、电荷检测元件120、电荷转移元件130、复位元件140、放大元件150、和选择元件160。

光电转换元件110收集在吸收从物体反射的光之后产生的电荷。光电转换元件110可以是光电二极管、光电晶体管、光电门、管脚光电二极管(PPD)。

浮动扩散(FD)区可被用作电荷检测元件120。电荷检测元件120接收在光电转换元件110中收集的电荷。由于电荷检测元件120具有寄生电容，因此电荷被累积地收集。电荷检测元件120电连接到放大元件150的栅极，以便控制放大元件150。

电荷转移元件130将电荷从光电转换元件110转移到电荷检测单元120。电荷转移元件130通常由一个晶体管组成，并且由电荷转移信号TG控制。

复位元件140周期性地复位电荷检测元件120。复位元件140的源极连接到电荷检测元件120，并且复位元件140的漏极连接到Vdd。复位元件140响应复位信号RST而被驱动。

放大元件150与像素100外部的恒定电流发生器(未示出)结合用作源极跟随缓冲放大器(source follower buffer amplifier)，并且响应电荷检测元件120的电压而将可变电压输出至垂直信号线12。放大元件150的源极连接到选择元件160的漏极，并且放大元件150的漏极连接到Vdd。

选择元件160以行状态的方式选择将被读出的像素，并且响应像素选择信号ROW而被驱动。选择元件160的源极连接到垂直信号线12。

电荷转移元件130、复位元件140和选择元件160的各个驱动信号线18、16和14在行方向上(在水平方向上)延伸，从而属于相同行的像素被同时驱动。

参考图4，CMOS图像传感器的像素包括半导体基底102、器件隔离区106、光电转换元件110、电荷检测元件120、和电荷转移元件130。为了图解方便，将PPD图解为光电转换元件110。

半导体基底102主要是P型基底，并且包括有源(active)区和器件隔理区。尽管未示出，但是P型外延层可以形成于半导体基底102上，和/或隔离的阱区可以形成于半导体基底102上以形成光电转换元件110、电荷转移元件130、以及其他元件。

器件隔离区106限定半导体基底102的有源区。典型地，器件隔离区106可以是FOX(场效氧化)区或者STI(浅沟隔离)区，它是通过LOCOS(LOCal硅氧化物)处理而形成的。

光电转换元件110收集在吸收光之后产生的电荷，并且它包括N⁺型光电二极管112和P⁺管脚(P⁺-pinning)层114。通常，光电二极管112和管脚层114是通过两种不同的离子注入处理形成的。首先，通过N⁺掺杂物离子注入成比外围源极和漏极区更深的深度来形成光电二极管112。其次，通过离子注入高量的低能P⁺杂质在光电二极管112上形成管脚层114。当然，掺杂浓度和位置可以根据工艺流程设计来变化，因此本发明不限于上述内容。

在传统的CMOS图像传感器中，光电二极管的表面损坏是由暗电流引起的。光电二极管的表面损坏主要由悬垂的硅粘结物(dangling silicon bond)引起，但是也可以例如在栅极或隔离物的形成期间由与蚀刻压力相关的缺陷引起。根据本发明的至少一个实施例，在半导体基底102中深深地形成光电二极管112，并且在光电二极管112上形成管脚层114。因此，可以减少暗电流产生，并且可以极大地便于光生成的电荷的转移。

电荷检测元件120可以主要由N⁺掺杂物的离子注入来形成，并且它经由电荷转移元件130来接收在光电转换元件110中收集的电荷。

电荷转移元件130可以是具有低阈值电压(Vth)的增强型晶体管或者耗尽型晶体管，其被用来减少当发射过多光时可能发生在光电转换元件110中的溢出和激增现象。

也就是，在使用低阈值电压的增强型晶体管的情况下，即使将逻辑“低”信号施加到电荷转移元件130的栅极时，也可以通过在阈值电压之上的预定电压来形成沟道。因此，在光电转换元件110中产生的电荷(多于预定量)可以流入电荷检测元件120。这里，可以通过将P⁺掺杂物的离子注入半导体基底102的表面108来形成沟道，其对应于电荷转移元件130。

另一方面，在使用耗尽型晶体管的情况下，即使当电荷转移元件130处于无效状态，也存在沟道。因此，在光电转换元件110中产生的电荷(多于预定量)可以经由电荷转移元件130流入电荷检测元件120，就象在具有低阈值电压的上述增强型晶体管中一样。这里，可以通过在表面108中的N-掺杂物的离子注入来形成沟道。

然而，使用具有低阈值电压的增强型晶体管和耗尽型晶体管可以导致更容易生成暗电流。电荷可以通过光产生，但是也可以通过热能产生。具体地，因为如上所述在半导体基底102的表面108上存在悬垂的硅粘结物，因此在价带和导带之间存在多个中带隙(midgap)或陷阱(trap)层。因此，甚至通过R-G中心生成低热量也能够容易地产生电荷。为此，即使当未曝露于光时，在电荷转移元件130中也能够产生电荷。所产生的电荷甚至在电荷转移元件130的未激活状态下也可以经由仍存在的沟道移动，从而导致暗电流产生。

正电荷(即，空穴)注入到对应于电荷转移元件130的半导体基底102的表面108可以减少暗电流生成。空穴与负电荷的重新组合可以暂时减少电荷生成。在这一点上，如果能够在半导体基底102的表面108中注入空穴的电压、即使得充电转移元件130具有负电势的电压被周期性地提供给电荷转移元件130，则可以将暗电流影响减少到可以忽略的水平。

最好是，将使得电荷转移元件130具有负电势的电压周期性地提供给电荷转移元件130。然而，在光电转换元件110的电荷累积周期的部分期间，可以将使得电荷转移元件130具有负电势的电压暂时地提供给电荷转移元件130。这里，短语“电荷累积周期”表示除了电荷转移元件130激活时将电荷转移到电荷检测元件120的周期以外的所有周期。为了在整个电荷累积周期将使得电荷转移元件130具有负电势的电压施加到电荷转移元件130，需要传统的CMOS图像传感器的结构改变。在这一点上，如上参考图1所述，根据本发明实施例的CMOS图像传感器的行驱动单元20执行电荷转移处理信号的负升压，并且将使得电荷转移元件130具有负电势的电压提供给像素阵列单元10。

下文中，将参考图5A和5B来描述所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压。

图5A图解说明了当具有低阈值电压的增强型晶体管被用作电荷转移元件时、被施加到电荷转移元件的栅极的电荷转移信号TG与电荷转移元件的电势之间的关系。

即使当电荷转移信号TG是逻辑“低”时，电荷转移元件具有正电势(阈值电压以上的预定电压Δ)，这导致形成预定沟道。在光电转换元件的电荷累积周期期间，将使得电荷转移元件具有负电势的电压施加到电荷转移元件。最好，该电压是0V，并且用于该电压的保持周期Δt在大约100纳秒到10微秒的范围内。在电荷累积周期期间，施加该电压至少一次。然而，因为电荷转移信号TG的逻辑“高”周期是恒定的，因此该电压的施加次数随着保持周期Δt的增加而减少。

图5B图解说明了当耗尽型晶体管被用作电荷转移元件时、被施加到电荷转移元件的栅极的电荷转移信号TG与电荷转移元件的电势之间的关系。

当电荷转移信号TG是逻辑“低”时，形成沟道。当电荷转移元件处于未激活状态时，将使得电荷转移元件具有负电势的电压施加到电荷转移单元。最好，该电压是负的(-Δ)，并且对于该电压的保持时间Δt大约是100纳秒到10微秒的范围内。在电荷累积周期期间施加该电压至少一次。然而，因为电荷转移信号TG的逻辑“高”周期是恒定的，因此该电压的施加次数随着保持周期Δt的增加而减少。

图6示出了图1的CMOS图像传感器的耦合部件的电路图和图7是图6的耦合部件的时序图。

参考图6和7，升压控制信号(boost control signal)BSTX是对于像素阵列单元10中以行状态的方式排列的所有像素的公共信号。电荷转移信号TG是对于属于像素阵列单元10的每行的像素的公共信号。像素阵列单元10由N行组成。为了便于图解说明，将说明第i行的电荷转移处理信号TGX(i)和电荷转移信号TG(i)。

首先参考图6，驱动信号提供部件30由控制器(未示出)管理，并且将电荷转移处理信号TGX(i)提供给耦合部件40。

耦合部件40包括升压调节器41和升压器42。升压器42包括升压电容器CBS(i)、反相器44和电阻器46。

升压调节器41将升压控制信号BSTX提供给升压器42。当电荷转移处理信号TGX(i)是逻辑“高”时，升压控制信号BSTX被维持为逻辑“低”，但是本发明不限于此。

耦合部件40接收升压控制信号BSTX，并且执行电荷转移处理信号TGX(i)的负升压。也就是，当升压控制信号BSTX是逻辑“低”时，耦合部件40将电荷转移处理信号TGX(i)直接提供给像素阵列单元10，而当升压控制信号BSTX是逻辑“高”时，耦合部件40负升压电荷转移处理信号TGX(i)。

当电荷转移处理信号TGX(i)是逻辑“高”时，对升压电容器CBS(i)充电。另一方面，当电荷转移处理信号TGX(i)是逻辑“低”时，节点E是0V，并且节点F是Vdd。这时，当升压控制信号BSTX转变为逻辑“高”时，节点F由反转器44转变为0V。节点E被负升压至相应的预定电压。这里，负升压的电压使得像素100中的电荷转移元件130具有负电势。

当从外部看接收电荷转移信号TG(i)的电荷转移元件时，这看起来象是在电荷转移元件上放置了具有几pF电容的加载电容器CTG(i)。因此，升压电容器CBS(i)和加载电容器CTG(i)执行电荷耦合。假设使得电荷转移元件具有负电势的电压是Vbs，则可以通过等式1来计算负升压的程度：

$\mathrm{Vbs}=\mathrm{Vdd}*\left\{\frac{\mathrm{CBS}\left(i\right)}{\mathrm{CBS}\left(i\right)+\mathrm{CTG}\left(i\right)}\right\}---\left(1\right)$

其中Vbs和Vdd是绝对值。

例如，当升压电容器CBS(i)的电容大于加载电容器CTG(i)的电容九倍时，90％的Vdd经受负升压。而且，当升压电容器CBS(i)的电容大于加载电容器CTG(i)的电容0.5倍时，大约33％的Vdd经受负升压。最好是，升压电容器CBS(i)的电容更高，因为随着电压Vbs的增加，注入了更多的空穴，这使得电荷转移元件具有负电势。最好是，将Vbs的绝对值调节为Vdd的绝对值的1/10，但是不限于此。

根据时间常数(τ)来调节电阻器46的大小。当时间常数增加时，升压电容器CBS(i)的充电和放电被延缓。因此，可以维持电压Vbs一段预定周期。在这一点上，最好是，充分地增加电阻器46的大小，但是不限于此。

图7说明了图6所示的耦合部件40的操作。参考图6和7，在时间t₁，升压控制信号BSTX是逻辑“低”，并且电荷转移处理信号TGX(i)转变为逻辑“高”。经由电阻器46将电荷转移处理信号TGX(i)转移到电荷转移元件，并且对升压电容器CBS(i)充电。

在时间t₂，升压控制信号BSTX转变为逻辑“高”，并且电荷转移处理信号TGX(i)被负升压，以便将电压提供给电荷转移元件，从而所提供的电压使得电荷转移元件具有负电势。

当电荷转移处理信号TGX(i)是逻辑“高”时，最好是，升压控制信号BSTX是逻辑“低”，但是不限于此。也就是，当电荷转移处理信号TGX是逻辑“高”时，它可以被负升压。然而，最好，电荷转移元件的电压没有减少到小于阈值电压。

图8示出了图1的CMOS图像传感器的时序图，而图9示出了图1的CMOS图像传感器的示意图和电势图，在图9的电势图中，操作之前的电势用虚线表示，操作后的电势用实线表示，并且电势向下增加。

现在将参考图1、4、8和9来描述使用光电二极管作为光电转换元件110的CMOS图像传感器1的操作。典型地，在像素阵列单元10上排列的像素100共同执行电荷积累。复位信号RST和像素选择信号ROW是对于属于像素阵列单元10的每行的像素的公共信号。也就是，属于一行的像素100接收特定的复位信号和特定的像素选择信号。

像素阵列单元由N行组成，并且所述行顺序表示为ROW(1)、...、ROW(i)、ROW(i+1)、...、ROW(N)。为了便于图解说明，根据ROW(i)和ROW(i+1)方面描述CMOS图像传感器1的操作。如上所述，像素选择信号ROW、复位信号RST、和电荷转移信号TG被由控制器(未示出)管理的的行驱动单元20提供给像素阵列单元10。像素阵列单元10接收这些信号，执行电荷累积，并且将所收集的电荷转移到电荷检测元件。电荷检测元件执行对噪声电平和信号电平的双取样。

参考图8和9，周期：0＜t＜t₁处于未选状态。也就是，像素选择信号ROW(i)和ROW(i+1)、复位信号RST(i)和RST(i+1)、电荷转移信号TG(i)和TG(i+1)是逻辑“低”。然而，由于具有低阈值电压(Vth)的增强型晶体管或耗尽型晶体管被用作电荷转移元件130来减少当发射过多光时在光电转换元件110中可以引起的过流现象，即使当电荷转移元件130未被激活，也形成了沟道。因此，所生成的电荷(多于预定量)可以经由电荷转移元件130流入电荷检测元件120。

在时间t₁，当像素选择信号ROW(i)转变为逻辑“高”时，选择元件160被激活。也就是，通过连接到被选像素100的垂直信号线12将要读出在电荷检测元件120中存储的电荷。同时，复位信号RST(i)转变为逻辑“高”，并且电荷检测元件120被复位为Vdd。在像素选择信号ROW(i)转变为逻辑“高”之后，复位信号RST(i)可以转变为逻辑“高”。

电荷转移信号TG(i)被转换为使得电荷转移元件130具有负电势的电压。因此，可以将空穴注入半导体基底102的表面108，从而减少暗电流生成。当光电转换单元110是管脚(pinned)光电二极管时，可以获得更多期望的效果。

使得电荷转移元件130具有负电势的电压根据电荷转移元件130的类型而变化。也就是，当耗尽型晶体管被用作电荷转移元件130时，该电压是负的，而当具有低阈值电压的增强型晶体管被用作电荷转移元件130时，该电压是0V。

最好，在范围从大约100纳秒到10微秒的周期期间，将电荷转移信号TG(i)提供给电荷转移元件130，作为使得电荷转移元件130具有负电势的电压。在电荷累积周期期间，将电荷转移信号TG(i)提供给电荷转移元件130至少一次。这里，电荷累积周期表示除了电荷转移元件130被激活时将电荷转移到电荷检测元件120的周期以外的所有周期。

在时间t₂，复位信号RST(i)和电荷转移信号TG(i)转变为逻辑“低”。当然，不必同时地转变复位信号RST(i)和电荷转移信号TG(i)。当复位信号RST(i)转变为逻辑“低”时，通过垂直信号线12读出偏移电平，即，噪声电平，其对于每个像素是不同的。尽管未示出，但是垂直信号线12的噪声电平在双相关取样器50中被取样保持脉冲(SHP)保持。

即使当电荷转移信号TG(i)转变为逻辑“低”时，注入到半导体基底的表面的空穴被维持一段预定周期，而不消失。因此，减少了暗电流产生，直到空穴消失。

在时间t₃，电荷转移信号TG(i)转变为逻辑“高”，并且激活电荷转移元件130。也就是，光电转换元件110中收集的电荷被转移到电荷检测元件120。这时，由于电荷检测元件120具有寄生电容，因此累积地存储了电荷。从而，电荷检测元件120的电势改变。这里，电荷转移元件130处于激活状态的周期被称作“转移周期”。

在时间t₄，电荷转移信号TG(i)转变为逻辑“低”。当充电转移信号TG(i)转变为逻辑“低”时，通过垂直信号线12读出电荷检测元件120的电势变化，即，信号电平。尽管未示出，但是垂直信号线12的信号电平在双相关取样器50中被取样保持脉冲(SHD)保持。

也就是，在像素100中，噪声电平和信号电平经受连续取样。当然，可对信号电平的取样可以先于对噪声电平的取样。

根据上述操作，通过预定切换来控制噪声电平和信号电平的输出。因此，即使当使用相同的沟道时理论上也不产生固定的噪声电平。而且，由于噪声电平和信号电平被相继输出，因此即使不使用分离的存储器，也可以通过为差分电路的双相关取样器50来获得噪声电平和信号电平之间的差，从而简化所述系统。

在时间t₅，像素选择信号ROW(i)转变为逻辑“低”。在像素选择信号ROW(i+1)转变为逻辑“高”的同时，可以执行像素选择信号ROW(i)到逻辑低的转变，但是不限于此。在减少功耗的观点上，最好调节像素选择信号ROW(i)转变为逻辑“低”的时间，从而可以通过垂直信号线12读出信号电平。

这时，电荷转移信号TG(i)被转换为使得电荷转移元件130具有负电势的电压。因此，空穴被注入表面108，从而减少暗电流产生。由于在时间t₁注入的空穴在预定周期之后消失，因此在时间t₅提供使得电荷转移元件130具有负电势的电压。t₁与t₅之间的时间间隔是根据试验中使用的CMOS图像传感器来适当确定的。最好是，在时间t₁注入的空穴消失之前，施加使得电荷转移元件130具有负电势的电压。

然后，执行几个随后的处理，直到通过图像信号处理元件(未示出)完成图像显示。例如，双相关取样器50输出噪声电平和信号电平之间的差。因此，像素100和垂直信号线12的固定噪声电平减少。而且，模数转换器60接收从双相关取样器输出的模拟信号，并且输出数字信号。

在时间t₆，像素选择信号ROW(i+1)转变为逻辑“高”。随后的操作与在第i行的相同。也就是，复位信号RST(i+1)转变为逻辑“高”，并且电荷检测元件120被复位为Vdd。电荷转移信号TG(i+1)转变为使得电荷转移元件130具有负电势的电压，并且空穴被注入表面108。

在时间t₇，电荷转移信号TG(i+1)转变为逻辑“高”，并且在光电转换元件110中收集的电荷被转移到电荷检测元件120。电荷转移信号TG(i)被维持在逻辑“低”状态，而不被转换为使得电荷转移元件130具有负电势的电压，因为升压控制信号BSTX是对于所有行的公共信号，如上所述。

在这点上，当升压控制信号BSTX被设定为对于每行像素的公共信号时，独立于电荷转移信号TG(i)而驱动电荷转移信号TG(i+1)。也就是，除了电荷转移信号TG(i+1)是逻辑“高”的周期，电荷转移信号TG(i+1)被周期性地转换为使得电荷转移元件130具有负电势的电压。

尽管为了简单，上面的描述是关于独立像素读出模式的，其中独立地读出像素的信号，但是并不限于该模式。帧读出模式和场读出模式也是可能的。在帧读出模式中，在第一场中读出奇数(或偶数)线的信号，并且在第二场中读出偶数(或奇数)线的信号。在场读出模式中，同时读出两条相邻线的信号以便将电压相加，并且改变两条线的组合。

图10示出了图解说明图1的CMOS图像传感器的特性的视图。

参考图10，与传统CMOS图像传感器噪声电平G相比，根据本发明实施例的CMOS图像传感器1展现低噪声电平H。所述噪声包括光子散粒(shot)噪声、暗电流噪声、复位噪声、热噪声和其他噪声。由于CMOS图像传感器1可以减少暗电流产生，因此可以减少暗电流噪声电平。

而且，假设饱和电平是恒定的，这种噪声减少可以显著地增加被定义为饱和电平和噪声电平之间的差的动态范围。

另外，由于在电荷累积周期期间施加了使得电荷转移元件具有负电势的电压，因此暗电流减少，并且同时可以减少溢出和激增(blooming)现象。

CMOS图像传感器1的像素100可以使用作为载流子的负电荷和NMOS晶体管，或者它可以使用作为载流子的正电荷和PMOS晶体管。可以相应地改变电压的极性。

根据本发明实施例的CMOS图像传感器的像素可以包括信号处理芯片和/或透镜系统，并且它可以是电子装置中的内置部件。

在基本不背离本发明的原理的情况下，本领域的普通技术人员将理解，对于优选实施例可以作出许多变化和修改。因此，本发明的公开优选实施例是普通和描述意义上的使用，并不用于限制。

Claims (28)

1.一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，包括：

具有像素矩阵的像素阵列单元，其中每个像素包括电荷转移元件，用于将在光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件；和

行驱动单元，用于在所述光电转换元件的电荷累积周期的部分期间将电压提供给电荷转移元件，其中所提供的电压使得所述电荷转移元件具有负电势。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述电压被提供在电荷累积周期的大约100纳秒到10微秒的范围。

3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述行驱动单元在光电转换元件的电荷累积周期期间将所述电压提供给电荷转移单元至少一次，其中所提供的电压使得所述电荷转移元件具有负电势。

4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述电荷转移元件是增强型MOS场效应晶体管。

5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器，其中所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压是0伏。

6.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述电荷转移元件是耗尽型MOS场效应晶体管。

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压是负电压。

8.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中，在像素阵列单元的至少一行转移光电转换元件的电荷时，所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压不被提供给电荷转移元件。

9.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述行驱动单元包括：

驱动信号控制部件，用于提供电荷转移处理信号；和

耦合部件，其响应升压控制信号而负升压所述电荷转移处理信号，并且将使得电荷转移元件具有负电势的电压提供给电荷转移元件。

10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中所述升压控制信号是用于属于多行像素阵列单元的像素的公共信号。

11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中所述升压控制信号是用于属于每行像素阵列单元的像素的公共信号。

12.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其中所述耦合部件被电荷转移处理信号充电，并且包括响应升压控制信号泵激电荷的升压电容器。

13.如权利要求12所述的CMOS图像传感器，其中所述耦合部件还包括连接到升压电容器并且调节时间常数的电阻器。

14.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述光电转换元件是光电二极管、光电晶体管、光电门、管脚光电二极管、或者它们的组合。

15.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中每个像素还包括用于选择将被读取的像素的选择元件。

16.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中每个像素还包括用于复位电荷检测元件的复位元件。

17.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中每个像素还包括用于向垂直信号线输出与电荷检测元件的电势对应的信号的放大元件。

18.一种操作CMOS图像传感器的方法，包括：

在光电转换元件的电荷累积周期的部分期间将电压提供给电荷转移元件，其中所提供的电压使得电荷转移元件具有负电势；和

激活所述电荷转移元件，并且将在光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件。

19.如权利要求18所述的方法，其中在将电压提供给电荷转移元件的步骤中，所述电压被提供在电荷累积周期的大约100纳秒到10微秒的范围。

20.如权利要求18所述的方法，其中在将电压提供给电荷转移元件的步骤中，在光电转换元件的电荷累积周期期间将所提供的电压提供给电荷转移单元至少一次，其中所提供的电压使得所述电荷转移元件具有负电势。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述电荷转移元件是增强型MOS场效应晶体管。

22.如权利要求21所述的方法，其中所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压是0伏。

23.如权利要求18所述的方法，其中所述电荷转移元件是耗尽型MOS场效应晶体管。

24.如权利要求23所述的方法，其中所提供的使得电荷转移元件具有负电势的电压是负电压。

25.如权利要求18所述的方法，还包括：在将光电转换元件中收集的电荷转移到电荷检测元件之前，复位所述光电转换元件。

26.如权利要求18所述的方法，还包括：向垂直信号线输出与光电转换元件的电势对应的信号，其中所述电势是由向其转移电荷而形成的。

27.如权利要求18所述的方法，还包括：保持或取样像素的噪声电平和信号电平，并且输出预定的差电平信号。

28.如权利要求27所述的方法，还包括：将预定的差电平信号转换为数字信号。

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