CN1825913A - 用于减少分配噪声的cmos图像传感器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施例的一种CMOS图像传感器包括：单元像素，包括由转移控制信号控制的转移晶体管；以及转移控制信号控制器，用于控制所述转移控制信号的上升和下降时间，其中为减少分配噪声，充分增加所述转移控制信号的下降时间。

Description

用于减少分配噪声的CMOS图像传感器
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器；而更具体而言，涉及一种通过延长施加到转移晶体管的栅极的转移控制信号的下降时间来减少分配噪声的CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器是把光图像转换成电信号的半导体装置。图像传感器分为电荷耦合器件(下文中，称作CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(下文中，称作CMOS)图像传感器。
CCD图像传感器包括至少一个电容器。这些电容器排列得彼此很接近，而电荷载流子存储于所述电容器中并转移到其上。
相比之下，CMOS图像传感器包括通过CMOS工艺制造的多个单元像素。每个所述单元像素包括一个光电二极管和三或四个MOS晶体管，用于驱动所述单元像素的。CMOS图像传感器采用CMOS技术，所述CMOS技术使用控制电路和信号处理电路作为外围电路。基于像素数量来形成MOS晶体管，而且使用MOS晶体管来依次检测输出数据。
在制造所述各种图像传感器的过程中，为提高光灵敏度，已进行了很多尝试。例如，CMOS图像传感器包括用于感测光的光电二极管和用于将所感测的光处理成电数据信号的CMSO逻辑电路。为了提高光灵敏度，已进行了增加填充因子的尝试。填充因子含义表示光电二极管相对于图像传感器总面积的比率。
图1是示出CMOS图像传感器的单元像素的电路图，其中单元像素包括4个晶体管。
图1的单元像素使用亚-微米CMOS外延工艺形成，以便提高光灵敏度并减少单元像素间的串扰效应。
如图1所示，图像传感器的单元像素包括构造一个PNP结、一个PNPN结等的光电二极管PD、转移晶体管Tx、浮动扩散节点FD、复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。光电二极管PD接收来自一个对象的光，以产生对应的电子-空穴对，即光生电荷。当转移晶体管TX导通时，转移晶体管TX将在光电二极管PD处累积的光生电荷转移到浮动扩散节点FD。当转移晶体管TX导通时，浮动扩散节点FD接收从转移晶体管TX转移的光生电荷。复位晶体管RX响应于复位信号将浮动扩散节点FD的电压复位到电源电压VDD电平。导通驱动晶体管的栅极的量随着对应于从浮动扩散节点FD转移的光生电荷的电信号而变化，以使驱动晶体管DX输出的电信号与光生电荷的量成比例。基于选择信号导通的选择晶体管SX输出单元像素通过驱动晶体管DX输出的信号。
如图1中所示，参考号LX表示负载晶体管。浮动扩散节点FD具有预定的电容量Cfd。
下面将详细描述从图1中所示的单元像素获取输出电压VOUT的操作原理。
首先，关断转移晶体管TX、复位晶体管RX和选择晶体管SX。此时，光电二极管PD处于全耗尽状态。开始光集成以收集光电二极管PD处的光生电荷。
当复位晶体管RX导通时，浮动扩散节点FD的电压被复位。然后，选择晶体管导通。此时，测量处于复位操作的单元像素的第一输出电压V1。所测的值表示浮动扩散节点FD的电压的DC电平移动。
在适当的光聚集时间后，转移晶体管TX导通，使得光电二极管PD处的所有光生电荷转移到浮动扩散节点FD。然后，转移晶体管TX关断。此时，测量由转移到浮动扩散节点FD的电荷所引起的第二输出电压V2。
从输出电压V1和输出电压V2的差获得作为光生电荷的转移结果的输出电压VOUT。即除了噪声，输出电压VOUT单纯是信号电压。该方法称作互相关双采样(CDS)。
转移晶体管TX将光生电荷转移到浮动扩散节点FD。同时，当施加到转移晶体管的栅极的转移控制信号从逻辑电平“高”下降到逻辑电平“低”时，即，当其从导通状态改变成关断状态时，转移晶体管TX存在若干问题。
最大的问题是注入到浮动扩散节点FD的电荷所引起的分配噪声，其由于转移控制信号的短的下降时间而发生。
图2是描述CMOS图像传感器的能量图，集中在转移晶体管TX上，而图3是说明转移晶体管TX导通时电子移动的能量图。
如图所示，当转移晶体管TX处于关断状态时，光生电荷在光电二极管PD处累积。当转移晶体管TX导通时，光生电荷沿路径“A”从光电二极管PD转移到浮动扩散节点FD。
图4是描述当转移晶体管TX关断时施加于转移晶体管TX的转移控制信号的下降时间短的情况下电子移动的能量图。
在转移晶体管TX关断后，在浮动扩散节点FD中累积的光生电荷转换成电信号。当转移晶体管TX关断时，存在于转移晶体管TX下的沟道电子可在任意方向移动。
由于浮动扩散节点FD的电压高于光电二极管PD的电压，理论上正确的是，沟道电子从光电二极管PD移动到浮动扩散节点FD，如图4中的路径“B”所示的。然而，由于转移晶体管TX的关断时间很短，不是所有的沟道电子都能移动到浮动扩散节点FD。即，一些沟道电子返回光电二极管PD，如图4中的路径“C”所示的。
该现象在像素中不同地发生。因而，当从外部看时，看起来发生了噪声。该现象称作分配噪声。由于分配噪声被视为屏幕上的噪声，其作为降低图像传感器性能的一个因素而其作用。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器，用于减少施加于转移晶体管栅极的转移控制信号的短下降时间所引起的分配噪声。
根据本发明的一个方面，提供有一种CMOS图像传感器，包括：单元像素，包括由转移控制信号控制的转移晶体管；以及转移控制信号控制器，用于控制所述转移控制信号的上升和下降时间，其中为减少分配噪声，充分增加所述转移控制信号的下降时间。
根据本发明的另一方面，提供有一种CMOS图像传感器，包括：以列×行的形式排列的多个单元像素，每个包括由转移控制信号控制的转移晶体管；以及转移控制信号控制器，用于控制所述转移控制信号的上升和下降时间；以及多个电容性部分，连接在地电压和公共节点之间，所述公共节点连接在所述转移控制信号控制器的输出端子和所述转移晶体管的栅极之间，以籍此在包含于相同行的单元像素中的所述转移晶体管关断时增加所述转移晶体管的下降时间，其中多个单元像素设置在由单个转移控制信号控制器所控制的同一行中。
附图说明
从以下结合附图给出的优选实施例的描述中，本发明的以上以及其它目的和特征将变得显而易见，其中：
图1是示出一种CMOS图像传感器的单元像素的电路图，其中单元像素有4个晶体管；
图2是描述所述CMOS图像传感器的能量图，集中于转移晶体管上；
图3是图示当所述转移晶体管导通时电子移动的能量图；
图4是描述当转移晶体管TX关断时转移控制信号的下降时间短的情况下电子移动的能量图；
图5是示出当转移控制信号的下降时间增加时电子移动的能量图；
图6是图示一种用于驱动单元像素的转移晶体管的CMOS类型驱动器、单元像素的结构以及所述CMOS类型驱动器的下降时间的图；
图7A到7C是描述根据本发明的第一实施例的一种用于控制施加到转移晶体管的栅极的转移控制信号的驱动器的电路图；
图8A到8C是图示根据本发明的所述第一实施例的所述转移晶体管的仿真中的下降时间的变化的时序图；
图9到10是描述根据本发明的第二实施例的一种用于驱动单元像素的转移晶体管的CMOS类型驱动器的图；
图11A到11C是根据本发明的第三实施例的一种用于驱动转移晶体管的驱动器的电路图；
图12A到12C是描述图11A到11C中所示的驱动器的布局。
具体实施方式
将参考附图详细描述根据本发明的示范性实施例的CMOS图像传感器。
由于分配噪声是由于施加到转移晶体管的栅极的转移控制信号的短下降时间所引起的，所以本发明集中于增加转移控制信号的下降时间上。
在增加所述下降时间的过程中，增加了用于产生允许沟道电子移动到高于光电二极管的浮动扩散节点的电场的时间余量。由于所述电场，所有的电子移动到浮动扩散节点，由此减少了分配噪声。
通常，下降时间“τ”限定为τ＝RC。因此，还要增加R和C的至少一个。
图5是示出当转移控制信号的下降时间增加时电子移动的能量图。
如图所示，如果下降时间增加，用于在沟道下产生电场的时间也增加了与所增加的下降时间一样多的时间。如路径“X”所指示的，所有的沟道电子根据电场的斜率移动到浮动扩散节点FD，由此防止发生分配噪声。
图6是图示一种用于驱动单元像素的转移晶体管的CMOS类型驱动器、单元像素的结构以及所述CMOS类型驱动器的下降时间的图。
如图所示，CMOS图像传感器包括多个单元像素P1到P1280以及CMOS类型的驱动器DRV。每个单元像素P1到P1280包括一个光电二极管、一个浮动扩散节点、一个转移晶体管、一个复位晶体管、一个驱动晶体管和一个选择晶体管。CMOS类型的驱动器DRV控制包含于单元像素中的转移晶体管TX1到TX1280的导通操作和关断操作。
作为CMOS类型驱动器DRV的一种实例，示出了CMOS反相器类型的驱动器。多个单元像素P1到P1280设置在单个行中。相应地，CMOS类型驱动器DRV同时控制设置在该单个行中的单元像素的多个转移晶体管TX1到TX1280。
在此，单个行中的1280个单元像素的设置是1.3M图像传感器。同样，在该实施例中，单元像素的复位晶体管和选择晶体管由每行中的一个驱动器来驱动。
下文中，将参考附图详细描述用于在转移晶体管关断时增加下降时间(τ)的实施例。
实施例1
第一实施例通过减少CMOS类型驱动器DRV的NMOS晶体管的W/L比来增加施加到转移晶体管栅极的转移控制信号的下降时间。
图7A到7C是描述根据本发明的第一实施例的一种用于控制转移晶体管的驱动器的电路图。
图7A中所示的CMOS反相器类型驱动器包括串联连接于电源电压VDD和地电压VSS之间的一个PMOS晶体管P和一个NMOS晶体管N。该CMOS反相器类型驱动器通过这两个晶体管的栅极来接收输入信号IN，以示出反相信号OUT。
假设NMOS晶体管N的W/L比为K，通过增加长度L或减少宽度W，可增加电阻，即减少电流，由此增加所述转移控制信号的下降时间。
同时，栅电极的宽度W与器件的设计规则有关。相应地，一种减少W/L比而不修改设计规则的方法是，当NMOS晶体管的宽度固定时，增加栅电极的长度。
参考图7B，通过串联连接2个晶体管N1和N2，可获得K的一半，即W/2L。这可增加NMOS晶体管的长度L并且对于布局设计中空间利用是足够的。
参考图7C，通过串联连接4个晶体管N1到N4，可获得K的四分之一，即W/4L。也就是说，通过串联连接所需要的数量的NMOS晶体管，可获得期望的下降时间。
图8A到8C是图示根据本发明的所述第一实施例的所述转移晶体管的仿真中的下降时间的变化的时序图。
参考图8A，当使用一个NMOS晶体管N使得W/L比为K时，下降时间为约4ns。
同时，由于施加到1.3M CMOS图像传感器中的转移晶体管栅极的转移控制信号的下降时间为2-3ns，与常规情况相比，图8A中的下降时间增加了。
参考图8B，当使用两个NMOS晶体管N1和N2使得W/L比为K的一半时，下降时间为约8ns。
参考图8C，当使用四个NMOS晶体管N1到N4使得W/L比为K的四分之一时，下降时间为约17.9ns。
实施例2
第二实施例通过增加电容器C来增加转移晶体管的下降时间(τ)。
图9和10是描述根据本发明的第二实施例的一种用于驱动转移晶体管的CMOS类型驱动器的图。
如图所示，CMOS图像传感器包括多个单元像素P1到P1280和CMOS类型的驱动器DRV。每个单元像素P1到P1280包括一个光电二极管、一个浮动扩散节点、一个转移晶体管、一个复位晶体管、一个驱动晶体管和一个选择晶体管。CMOS类型的驱动器DRV控制包含于单元像素中的转移晶体管TX1到TX1280的导通操作和关断操作。
作为CMOS类型驱动器DRV的一种实例，示出了CMOS反相器类型的驱动器。多个单元像素P1到P1280设置在单个行中。相应地，CMOS类型驱动器DRV同时控制设置在单个行中的单元像素的多个转移晶体管TX1到TX1280。
在此，单个行中的1280个单元像素的设置是1.3M图像传感器。同样，在该实施例中，单元像素的复位晶体管和选择晶体管由每行中的一个驱动器来驱动。
即，为了增加施加到转移晶体管栅极的转移控制信号的下降时间(τ)，多个电容性部分D1到Dn连接在地电压VSS与驱动器DRV的输出端子和转移晶体管TX1到TX1280的栅极的公共节点之间。
每个电容性部分D1到Dn包括多个电容器C1到Cn和多个开关S1到Sn。同样，电容性部分D1到Dn可配置成各种结构。
多个电容器C1到Cn可具有彼此不同的电容，而多个开关S1到Sn可独立操作。
开关S1到Sn以及电容器C1到Cn可如图9和10中所示而配置，而且开关S1到Sn在数字电路中可任意控制。
此外，可同时应用增加电阻的方法和增加电容的方法二者。
实施例3
通过部分修改第一实施例的结构，布局可设计得更简单。
图11A到11C是根据本发明的第三实施例的一种用于控制转移晶体管的驱动器的电路图。
如图所示，CMOS反相器类型驱动器包括串联连接的一个PMOS晶体管P111和四个NMOS晶体管N111到N114。
尽管基本结构与图7C的结构相似，NMOS晶体管N111到N114的源极共同连接到地电压VSS，由此形成了一种电阻器。
在图11A中，NMOS晶体管N111到N114的源极共同连接到地电压VSS。在图11B中，NMOS晶体管N112到N114的源极共同连接到地电压VSS。在图11C中，没有NMOS晶体管的源极连接到地电压VSS。
在图11A到11C中，所述串联连接允许多少就形成多少NMOS晶体管，而且长度L可使用金属接触和金属线来控制。
相应地，在图11A中，W/L比为K；在图11B中，为K的一半；在图11C中，为K的四分之一。
这意味着可仅通过金属线和金属接触的部分修改来调整W/L比，不需修改栅电极。
图12A到12C是描述图11A到11C中所示的驱动器的布局。
参考图12A，NMOS晶体管N111的漏端子通过金属接触CT1连接到由金属线MB形成的输出端子OUT。NMOS晶体管N112到N114通过接触CT2到CT5连接到由金属线MB形成的地电压VSS。
参考图12B，NMOS晶体管N111的漏端子通过金属接触CT1连接到由金属线MA形成的输出端子OUT。NMOS晶体管N112到N114通过接触CT2到CT4连接到由金属线MB形成的地电压VSS。
此时，NMOS晶体管N111的源端子和NMOS晶体管N112的漏端子不连接到地电压VSS。
参考图12C，NMOS晶体管N111的漏端子通过金属接触CT1连接到由金属线MA形成的输出端子OUT。NMOS晶体管N114的源端子通过接触CT2连接到由金属线MB形成的地电压VSS。
此时，NMOS晶体管N111的源端子和NMOS晶体管N112的漏端子、NMOS晶体管N112的源端子和NMOS晶体管N113的漏端子、NMOS晶体管N113的源端子和NMOS晶体管N114的漏端子不连接到地电压VSS。
如上所述，在增加下降时间的过程中，增加了用于产生允许沟道电子移动到高于光电二极管的浮动扩散节点的电场的时间余量。由于所述电场，所有的电子移动到浮动扩散节点，由此减少了分配噪声。
尽管已描述的CMOS图像传感器具有4个晶体管和一个光电二极管，本发明并不限于该配置。即，本发明可应用到在单元像素中具有转移晶体管的所有种类的CMOS图像传感器。
根据本发明，可减少CMOS图像传感器中的分配噪声，由此改善CMOS图像传感器的性能。
本申请包含的主题涉及2005年2月24日提交于韩国专利局的韩国专利申请No.KR 2005-15520，其全部内容通过引用合并于此。
尽管已就具体实施例描述了本发明，但对本领域的普通技术人员显而易见的是，在不背离所附权利要求所披露的本发明的范围的前提下，可以进行各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种CMOS图像传感器，包括：
单元像素，包括由转移控制信号控制的转移晶体管；以及
转移控制信号控制器，用于控制转移控制信号的上升和下降时间，
其中为了减少分配噪声，充分增加所述转移控制信号的下降时间。
2.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述转移控制信号的下降时间比所述转移控制信号的上升时间的两倍长。
3.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述单元像素进一步包括一个光电二极管、一个复位晶体管、一个驱动晶体管和一个选择晶体管。
4.如权利要求3的CMOS图像传感器，其中所述转移控制信号控制器包括具有NMOS晶体管的CMOS类型的驱动器。
5.如权利要求4的CMOS图像传感器，其中当所述转移晶体管关断时，为了增加下降时间，减小所述NMOS晶体管的大小。
6.如权利要求5的CMOS图像传感器，其中所述NMOS晶体管的大小包括W/L比，其中W和L分别表示沟道宽度和沟道长度。
7.如权利要求6的CMOS图像传感器，其中为了减少所述转移晶体管的W/L比，增加所述沟道长度。
8.如权利要求7的CMOS图像传感器，其中所述CMOS类型的驱动器包括串联连接的多个NMOS晶体管以增加沟道长度。
9.如权利要求8的CMOS图像传感器，其中串联连接的所述NMOS晶体管的至少两个源极共同连接到地电压。
10.如权利要求9的CMOS图像传感器，其中所述NMOS晶体管的源极通过金属线共同连接到地电压。
11.如权利要求3的CMOS图像传感器，进一步包括连接在地电压和公共节点之间的多个电容性部分，所述公共节点连接在所述转移控制信号控制器的输出端子和所述转移晶体管的栅极之间，以由此增加所述转移晶体管的下降时间。
12.如权利要求11的CMOS图像传感器，其中每个所述电容性部分包括串联连接的一个电容器和一个开关。
13.如权利要求12的CMOS图像传感器，其中所述多个开关独立操作。
14.如权利要求12的CMOS图像传感器，其中所述多个电容器具有不同的电容。
15.如权利要求11的CMOS图像传感器，其中所述转移控制信号控制器包括CMOS类型的驱动器。
16.一种CMOS图像传感器，包括：
以列×行的形式设置的多个单元像素，每个包括由转移控制信号控制的转移晶体管；以及
转移控制信号控制器，用于控制所述转移控制信号的上升和下降时间；以及
多个电容性部分，连接在地电压和公共节点之间，所述公共节点连接在所述转移控制信号控制器的输出端子和所述转移晶体管的栅极之间，以籍此在包含于相同行的所述单元像素中的所述转移晶体管关断时增加所述转移晶体管的下降时间，
其中所述多个单元像素设置在由单个转移控制信号控制器所控制的同一行中。
17.如权利要求16的CMOS图像传感器，其中每个所述电容性部分包括串联连接的一个电容器和一个开关。
18.如权利要求17的CMOS图像传感器，其中所述多个开关独立操作。
19.如权利要求17的CMOS图像传感器，其中所述多个电容器具有不同的电容。
20.如权利要求16的CMOS图像传感器，其中所述转移控制信号控制器包括CMOS类型的驱动器。
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