CN205159324U - 图像传感器像素电路及处理器系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及图像传感器像素电路及处理器系统。本实用新型的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。一种图像传感器像素电路包括：光电二极管，响应于图像光产生电荷；浮动扩散节点；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；放大晶体管，具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端子和耦合到像素输出节点的漏极端子；以及反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散节点之间，其中所述放大晶体管被配置为以大于单位的增益提供转移的电荷，并且所述反馈电容器被配置以将负电压反馈提供到所述浮动扩散节点。相对于常规的设计，像素可以具有增加的存储容量和动态范围。

Description

图像传感器像素电路及处理器系统
技术领域
本实用新型涉及固态图像传感器阵列(例如，互补金属氧化物半导体CMOS阵列)，而更具体地，涉及具有内置可变增益反馈放大器电路的像素的图像传感器。像素可以具有亚微米尺寸并且可以从像素形成于其上的像素衬底的背面或正面被照明。
背景技术
通常的图像传感器通过将冲击的光子转化为集成(收集)到传感器像素中的电子(或空穴)来感测光。一旦完成每个集成周期，收集到的电荷被转化为电压信号，所述电压信号被供应到相应的与图像传感器相关联的输出端子。通常，电荷到电压的转化直接在像素内执行，而作为结果的模拟像素电压信号通过各种像素寻址和扫描方案转移到输出端子。在传递到芯片外之前，模拟电压信号有时可以在芯片上转化为数字等效物。每个像素包括缓冲放大器(即，源极跟随器)，其驱动经由各自的寻址晶体管连接到像素的输出感测线。
然而，这样的布置包括像素内的低于单位(unity)增益放大器(即，小于1的增益，其中输出具有比输入更小的幅度)。这使连接到像素的信号线容易受到各种噪声和干扰拾取，这是此现有技术的几个缺点之一。在电荷到电压的转化完成之后并且作为结果的信号从像素转移出之后，在随后的集成周期开始之前，重置像素。在包括用作电荷检测节点的浮动扩散(FD)的像素中，此重置操作通过瞬间开启重置晶体管来完成，所述重置晶体管将浮动扩散节点连接到电压参考(通常为像素电流漏极节点)用于漏去(或者移除)任何转移到FD节点上的电荷。然而，如本领域已熟知的，使用重置晶体管从浮动扩散节点移除电荷产生热kTC重置噪声。此kTC重置噪声必须使用相关双采样(CDS)信号处理技术来移除，以达成期望的低噪声性能。利用CDS的典型的CMOS图像传感器需要每个像素至少四个晶体管(4T)。具有钉扎的(pinned)光电二极管的4T像素电路的例子可以在Lee(美国专利号5625210)中找到，其作为引用并入此处。
图1示出了CMOS传感器中的像素100的简化的电路图。像素电路100具有双路共享光电二极管方案，其中两个光电二极管共享单个浮动扩散节点。具体地，光电二极管101(PD1)和102(PD2)共享公共的浮动扩散(FD)电荷检测节点114，源极跟随器(SF)晶体管103连接到所述浮动扩散(FD)电荷检测节点114。源极跟随器晶体管103的漏极端子连接到Vdd列偏置线109，而源极跟随器晶体管103的源极端子通过寻址晶体管104连接到列输出信号(读出)线108。电荷检测节点114通过重置晶体管105重置，所述重置晶体管105也连接到Vdd列偏置线109。来自光电二极管101和102的电荷通过电荷转移晶体管106和107转移到浮动扩散节点114上。重置晶体管栅极105由在行控制线110上接收的重置控制信号控制，电荷转移晶体管栅极106和107由分别在行线112和113上接收的转移控制信号控制，而寻址晶体管栅极104由在行寻址线111上接收的行选择控制信号控制。如图1所示，清楚的是，每对像素光电二极管必须耦合到总共五个晶体管(即，每个光电二极管2.5个晶体管)。常规的布置(诸如图1的布置)涉及由源极跟随器103的缓冲放大器产生的低于单位增益放大，使信号线108容易受到噪声和干涉拾取的影响，其可以使由像素产生的最终图像信号失真。
因此，能够提供改进的图像传感器像素是期望的。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种图像传感器像素电路，包括：光电二极管，响应于图像光产生电荷；浮动扩散节点；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；放大晶体管，具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端子和耦合到像素输出节点的漏极端子；以及反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散节点之间，其中所述放大晶体管被配置为以大于单位的增益提供转移的电荷，并且所述反馈电容器被配置以将负电压反馈提供到所述浮动扩散节点。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：重置晶体管，与所述反馈电容器并联耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散节点之间，其中所述重置晶体管被配置以将所述浮动扩散节点重置到重置电压。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：列读出线，耦合到列偏置电流源；以及像素寻址晶体管，耦合在所述像素输出节点和所述列读出线之间。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：预充电电容器，耦合在所述浮动扩散节点和预充电总线之间。
根据一个实施例，所述重置晶体管包括n沟道重置晶体管，而所述放大晶体管包括p沟道放大晶体管。
根据一个实施例，所述p沟道放大晶体管具有耦合到列偏置电压线的源极端子。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：所述半导体衬底中的p型掺杂外延层；所述半导体衬底中的n型掺杂阱区，其中所述p沟道放大晶体管形成于所述n型掺杂阱区内；以及所述半导体衬底中的p+型退化掺杂电子阻挡层，将所述n型掺杂阱区与所述p型掺杂外延层分开。
根据一个实施例，所述重置晶体管包括p沟道重置晶体管，并且所述放大晶体管包括n沟道放大晶体管。
根据一个实施例，所述放大晶体管包括n沟道放大晶体管，并且其中所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：所述半导体衬底中的n型掺杂外延层；所述半导体衬底中的p型掺杂阱区，其中所述n沟道放大晶体管形成于所述p型掺杂阱区内；以及所述半导体衬底中的n+型退化掺杂电子阻挡层，将所述p型掺杂阱区与所述n型掺杂外延层分开。
根据一个实施例，所述反馈电容器具有取决于所述放大晶体管的栅极端子和所述放大晶体管的漏极端子之间的电势差的可变电容。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：像素隔离区，选自由下列组成的组中：浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离区被配置为将所述光电二极管与所述半导体衬底上的其它光电二极管隔离。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成于具有相对的正面和背面的半导体衬底上，其中所述光电二极管被配置以响应于通过所述半导体衬底的背面接收的图像光而产生所述电荷。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，其中所述半导体衬底耦合到额外的半导体衬底，其中用于所述图像传感器像素电路的偏置电流源形成于所述额外的半导体衬底上，并且其中所述像素输出节点通过导电通孔耦合到所述额外的半导体衬底上的所述偏置电流源。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，包括：光敏区；电荷存储区，被配置以存储由所述光敏区产生的电荷；以及晶体管，具有耦合到所述电荷存储区的栅极和耦合到像素输出节点的漏极，其中所述晶体管被配置以向转移到所述像素输出节点的信号提供大于单位的增益。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路包括：负电压反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述电荷存储区之间。
根据一个实施例，所述负电压反馈电容器具有取决于所述晶体管的所述栅极和所述漏极之间的电势差的可变电容。
根据一个实施例，所述图像传感器像素电路还包括：行选择晶体管，耦合在所述像素输出节点和列读出线之间；以及重置晶体管，耦合在所述像素输出节点和所述电荷存储区之间。
根据一个实施例，所述晶体管包括第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述行选择晶体管包括第二p沟道MOSFET，并且所述重置晶体管包括n沟道MOSFET。
根据一个实施例，所述晶体管包括第一n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述行选择晶体管包括第二n沟道MOSFET，而所述重置晶体管包括p沟道MOSFET。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种处理器系统，包括：中央处理器；存储器；输入/输出电路；以及成像设备。其中所述成像设备包括：像素阵列，具有至少一个像素电路，以及透镜，将图像聚焦到所述像素阵列上。其中所述少一个像素电路包括：光电二极管，响应于图像光产生电荷；浮动扩散区；电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；p沟道增益晶体管，具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端子和耦合到像素输出节点的漏极端子；反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散区之间，其中所述p沟道增益晶体管被配置为以大于1的增益提供转移的电荷，并且所述反馈电容器被配置以将负电压反馈提供到所述浮动扩散节点；以及n沟道重置晶体管，与所述反馈电容器并联耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散区之间。
本实用新型的一个优点是可以允许相对于常规的成像系统的增加的存储容量和动态范围。
附图说明
图1是常规的图像传感器像素的简化的电路图，具有共享相同的像素电路的两个光电二极管，所述像素电路包括两个转移栅极、源极跟随器晶体管、寻址晶体管和重置晶体管。
图2是根据本实用新型的实施例，图像传感器像素的例示性电路图，具有共享公共的浮动扩散区的两个光电二极管，具有p沟道增益晶体管、p沟道寻址晶体管、n沟道重置晶体管、预充电电容器和用于改进图像传感器像素的噪声敏感性的可变反馈电容器。
图3是根据本实用新型的实施例，由具有图2中所示的类型的电路的图像传感器像素的选择的行执行的读出序列的例示性时序图
图4是根据本实用新型的实施例，像素电路和相应的部分像素剖面的例示性图，示出图2中所示的类型的增益和寻址晶体管可以如何放置到像素衬底的微型n阱区内。
图5是根据本实用新型的实施例，像素电路和图2中所示的类型的图像传感器像素的相应的部分像素剖面的例示性图，进一步例示增益晶体管的p型掺杂漏极延伸部分可以如何形成用于依据检测到的电子的数量控制放大器增益的可变电容。
图6是根据本实用新型的实施例，图2到图5中所示的类型的p沟道增益晶体管的栅极之下的电势分布的例示性图，例示了空穴可以如何依据漏极准费密(quasifermi)能级的位置流动。
图7是根据本实用新型的实施例的例示性曲线，示出图2中所示的类型的像素的像素输出电压与从相应的光电二极管接收的输入电子的数量的相关性，其中曲线中的转折点可以依据图5中所示的类型的p型掺杂漏极延伸的掺杂级。
图8是根据本实用新型的实施例的例示性图，示出了图2到图7中所示的类型的p沟道型MOSFET晶体管的漏极之下的完全耗尽微型n阱中的偏置电势的例示性图和能带图。
图9是根据本实用新型的实施例的每个共享的浮动扩散区像素拓扑结构四个光电二极管的例示性布局图，其中p沟道MOSFET增益晶体管和p沟道MOSFET寻址晶体管位于光电二极管行之间的STI区中。
图10是根据本实用新型的实施例，采用图2到图9的图像传感器像素的处理器系统的框图。
具体实施方式
图2中示出了具有带有可调增益的内置放大器电路的例示性图像传感器像素的简化的电路图。如图2中所示的，像素电路200可以包括共享相同的像素电路200的第一光电二极管219(PD1)和第二光电二极管218(PD2)。此示例仅仅是例示性的，并且如果期望的话，像素200可以包括任四个或更多的共享公共的电荷检测电路的光电二极管。电荷转移晶体管220可以将第二光电二极管218连接到公共的(共享的)浮动扩散节点(此处有时被称为电荷储存节点、电荷检测节点、电荷储存区、浮动扩散区或浮动扩散结区)201。电荷转移晶体管221可以将第一光电二极管219连接到浮动扩散节点201。转移晶体管220和221的栅极可以分别在行控制线214和215上接收来自行控制电路(为了简明的目的未示出)的控制信号。
电荷检测节点201可以连接到预充电电容器216(具有电容Cp)。电容器216可以耦合在节点201和用于接收控制信号的行控制线212之间。反馈电容器207(具有可变电容Cf)、p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)202(此处有时被称为增益晶体管202、放大晶体管202或放大器晶体管202)的栅极端子和n沟道MOSFET重置晶体管206的源极端子可以耦合到电荷储存节点201。浮动扩散节点201可以具有如电容器217表示的等效的电容Cn。p沟道MOSFET晶体管202的漏极端子、n沟道MOSFET重置晶体管206的漏极端子、反馈电容器207和p沟道MOSFET寻址晶体管205可以耦合到电路输出节点204(有时被称为像素输出节点204)。寻址晶体管205可以将输出节点204连接到列感测线208，列感测线208对于相应的像素阵列的那列中的所有像素是公共的并且将选择的像素输出信号传递到阵列的周围。
p沟道MOSFET晶体管202的源极端子可以耦合到列线203，通过列线203将偏置电压Vdd提供到所述阵列的那列中的所有相应的晶体管。重置晶体管206可以在行控制线209上接收来自行控制电路的重置控制信号而寻址晶体管205可以在行控制线210上接收来自行控制电路的的行选择(寻址)控制信号。信号输出列线208的电容由列电容器211(例如，具有电容Cc)表示。输出列线208可以耦合到恒定电流源212。电流源212可以提供电流偏置到选择的像素200。像素阵列到周围或到下面的承载图像处理电路其余部分的芯片的连接由通孔连接222表示。
像素电路200的操作可以通过图3中示出的简化的时序图300来理解。为了简明的目的，此图仅示出从所述阵列的给定选择的行中的共享光电二极管中的一个(例如，图2的光电二极管219)读出的信号。如图3中所示，像素信号读出操作由为像素阵列的选择的行的像素开启p沟道MOSFET行选择晶体管205开始。这可以通过在时刻t1将波形301施加到寻址晶体管205的栅极来完成。接着在时刻t2通过将部分阶跃信号305施加到电荷转移晶体管221的栅极，然而，这并没有开始从光电二极管到电荷检测节点201的电荷转移。此阶跃降低了转移栅极221上的电压摆幅，该电压摆幅降低了从此栅极到浮动扩散节点201的馈通。这操作对电路操作是有益的，因为转移栅极通常由相当大的负偏置来偏置以在栅极之下积累空穴并因此将来自此栅极之下的区域中的硅硅二氧化物交界状态的暗电流的产生最小化。部分阶跃信号305消除此偏置并且为之后时刻的电荷转移准备栅极。
在接下来的步骤中，像素重置可以通过在时刻t3将信号302施加到重置晶体管206的栅极来释放。在此步骤之后可以通过在时刻t4通过预充电电容器216将预充电脉冲303施加到电荷检测节点201。此步骤是重要的，因为其将像素输出降低到其最小值水平并且因此为信号提供必要的输出电压摆幅裕度。像素输出信号Vout可以在由相关双采样(CDS)参照脉冲R在时刻t5给定的一定的稳定时间过去之后被取样，正如由波形304所表示的。在此步骤之后可以在时刻t6通过施加完整的电荷转移脉冲(波形305)从选择的像素光电二极管219进行电荷转移。这使像素输出摆动得更高，因此部分补偿之前引入到浮动扩散节点201的预充电信号。因此，清楚的是，预充电的电平应该用来自光电二极管的期望的电荷信号的电平来补偿。还清楚的是，由于来自像素输出204通过反馈电容器207负反馈的动作，浮动扩散节点201上的电压摆幅是最小的。浮动扩散节点201上的低的电压摆幅是此像素内放大器概念的另一个优势，其允许具有更高的钉扎电压的钉扎光电二极管的设计和操作，并因此相对于常规的像素增加其电荷储存容量。
像素输出电平可以在由CDS电路在时刻t7经脉冲S的一定的稳定时间过去之后被再次取样，正如由波形306所表示的。读出序列可以通过如下操作完成：在时刻t8开启重置晶体管206(波形302)，在时刻t9将转移栅极221偏置截止到的其钉扎电平(波形305)，而最终在时刻t10关闭预充电脉冲和像素寻址晶体管(波形301和303)。
在常规的图像传感器像素(诸如图1中所示的类型)中，源极跟随器晶体管是n沟道型晶体管。在本实用新型中，如图3中所例示的，其中形成像素内的放大器电路(例如，内置于像素内的放大器)，放大在浮动扩散节点201上检测到的信号的晶体管是优选地具有p型掺杂多晶硅栅极的p沟道MOSFET晶体管(例如，如与图1中的n沟道源极跟随器晶体管相对)。出于这个原因，形成如图4中所示的微型的n型阱区405会是必要的。微型n型阱405可以是像素衬底中的微量n型掺杂区，并且此处有时可以被称为微型n阱、微型的n阱或简单地称为像素的n阱。像素衬底可以是p型掺杂外延层403。p沟道MOSFET晶体管202可以在此微型n阱区405内形成。
图4示出简化的设备剖面400和具有内置放大器电路的像素(诸如图2的像素电路200)的电路示意图。具体地，图4的示例示出了电荷转移晶体管413(例如，对应于图2的晶体管221)、光电二极管412(例如，对应于光电二极管219)、重置晶体管414(对应于重置晶体管206)和预充电电容器416(对应于电容器216)的简化的示意图，以及相应的内置(像素内)放大器晶体管栅极410(对应于晶体管202)和相应的寻址晶体管栅极411(对应于晶体管205)的简化的设备剖面。
如图4中所示的，晶体管栅极410和411都放置在微型n阱区405内。晶体管栅极410和411通常通过硅二氧化物层或其它适合的隔离器(诸如氧化物层和氮化物层的组合)与外延衬底403隔离。图2的浮动扩散电荷检测节点201示出为节点425，其也可以具有与其连接的反馈电容器(例如，电容器207)(为了简明的目的未示出)。放大p沟道MOSFET晶体管410可以具有连接到Vdd列偏置线426(对应于图2的线203)的相应的源极端子407。线426可以连接到n+掺杂区406，n+掺杂区406提供偏置电压到微型n阱区405。微型n阱区405可以是电子移动电荷部分耗尽或电子移动电荷完全耗尽的。p沟道MOSFET晶体管410可以具有由区域408示出的漏极端子，其与寻址晶体管(栅极411)的漏极是公共的(共享的)。区域409可以是寻址晶体管411的源极端子并且可以连接到公共的信号列线423(对应于线208)，所述信号列线423将信号提供到阵列周围或在使用了芯片堆叠技术的情况下通过通孔424提供到载体芯片。晶体管控制信号可以分别通过行线417、418、419和420提供到像素。放大器电路可以由位于传感器阵列周围处或载体芯片上的电流源421(对应于电流源212)偏置。列感测线可以具有如电容器422(对应于电容器211)表示的电容Cb，其也可以包括通孔电容。
p+型退化掺杂p阱(RPW)层404可以放置在部分耗尽或完全耗尽的微型n阱405之下，以防止外延层403的基体(bulk)中的光产生电子进入微型n阱405中。这些电子因此转移流进光电二极管412，这为了简明的目的在图中仅概要地示出。在图像传感器像素从衬底的背面(例如，从图4的底部)被照明的情况下，硅衬底401可以包括置于背面表面以使交界状态产生的暗电流最小化的p+型掺杂层402。
此示例仅仅是例示性的。在另一适合的布置中，寻址晶体管411可以是n沟道型晶体管。在光电二极管中收集的是空穴而不是电子的情况下，所有层和结的掺杂以及相应的偏置电压可以倒转。例如，这导致外延层是n型掺杂的，RPW层变为RNW层并且是通过n+型掺杂的退化掺杂，微型n阱变为微型p阱，而所有其余的结变为相反的极性。
图5中示出了具有内置放大器电路的像素另一适合的布置。如图5中所示，图500可以与图4中的图400相似，所有以数字501开始且以525结尾的所有元件对应于图4的以数字401开始且以425结尾的元件(例如，元件525对应于元件425，元件414对应于元件514，等等)。图5的布置和图4的布置之间的差别在于p沟道MOSFET增益放大器晶体管510的结构，其中p型掺杂延伸区526已被添加到衬底。此延伸在晶体管电流路径中形成，但是可以替代地沿着垂直于图画页的方向远离晶体管沟道电流地放置。而在另一适合的布置中，可以形成完全独立的电容改变结构通过适合的布线连接到增益晶体管510的漏极端子以及相应的栅极端子。
漏极延伸区526可以提供可变电压依从反馈电容(Varicap)，其依据从光电二极管512转移到浮动扩散节点525上的电子的数量改变放大器增益。由于通过预充电电容器516将预充电脉冲应用到浮动扩散节点525，p沟道MOSFET增益晶体管输出电压可以变为更低的电平。此动作增加增益晶体管栅极510和其漏极端子508之间的电压差，因此完全耗尽p型掺杂延伸526。当延伸526是空穴完全耗尽的时，栅极到漏极电容(反馈电容Cf)是低的，并且因此放大器增益是高的。当更大量的电荷转移到浮动扩散节点525上时，增益晶体管漏极电压增加而漏极延伸526又开始汇入空穴。这增加了反馈电容Cf的大小，并且结果是减小放大器增益(例如，与图2的晶体管202相关联的增益)。因此，通过选择正确的掺杂级、适合的掺杂分布和漏极延伸526的尺寸，可以控制像素的电荷到电压转移特性，诸如，可以为输出电压设计非线性转移功能。
这样的非线性分段转移功能特性的示例在图7的曲线700中示出。在图7的示例中，选择延伸526的掺杂级使得当2000电子已经转移到浮动扩散节点525时，电荷到电压转化特性从400μV/e变化到120μV/e。此效果增加像素的动态范围。现在，如果保持400μV/e的转化因子不变，那么为给定的像素输出电压摆幅检测12000电子而不是仅仅5000电子是可能的。电荷到电压转化因子的高值对于低光电平信号的检测是期望的。这概念因此对低电平信号保持高敏感度，并且同时容纳高电平信号。这特性因此延伸图像传感器的动态范围。
为了像素可变增益说明的完整性的目的，在图6中示出p沟道MOSFET增益晶体管202/410/510的沿着沟道区602的简化的电势分布图600。对于低电平信号，漏极准费密能级在电平603处，在此处延伸526完全耗尽。对于高电平信号，对于从光电二极管转移的更大量的电子，准费密能级移动到位置604处并且漏极延伸又变为未耗尽的。这增加了栅极到漏极电容Cf，因此改变像素内放大器增益。p沟道MOSFET晶体管的源极保持在恒定的Vdd电平601处。
在图8中示出p沟道MOSFET增益晶体管202/410/510的漏极之下的完全耗尽的微型n阱内各种偏置电势和相应的能带图的示例。如图8中所示的，图800代表微型n阱区405/505中的空穴的各种偏置电势和势垒。晶体管漏极之下的简化的能带图由曲线801代表。晶体管源极和漏极的结深度表示为Xj802。微型n阱区中的n型掺杂注入剂仅用于形成空穴803的势垒，因此逼迫空穴从源极沿着晶体管沟道(垂直于图的图画平面)流到漏极。足够高的势垒因此防止晶体管的漏极和源极短路到地电平(RPW区)。当施加电流偏置时出现在晶体管漏极上的电压电平示出为空穴的准费密能级电势Vd804。微型n阱的参考偏置由电子的准费密能级电势Vdd805表示。微型n阱深度表示为区Xmin806。因此，清楚的是，完全耗尽的微型n阱的并入对于像素不呈现任何问题，不占用任何额外的有价值的像素面积，并且不导致任何诸如电子的注入或额外的暗电流的产生之类的问题，所述额外的暗电流的产生会添加到光电二极管暗电流并因此使整体图像传感器性能降级。微型n阱也可以仅仅是移动电子电荷部分耗尽的(图8的示例中未示出)。
在另一个适合的布置中，n沟道MOSFET重置晶体管206可以由p沟道MOSFET晶体管替代。在此情况下，重置栅极脉冲的极性必须倒转。此处的优势在于微型n阱对于像素中所有的电路晶体管是公共的，除了转移栅极晶体管。这对于一些晶体管设计规则缓和可以具有优势。
为了完整性的目的，在图9中示出了4路共享的像素光电二极管拓扑结构的示例(例如，其中四个光电二极管共享相同的像素电路的布置)。如图9中所示的，图900代表简化的像素顶视图(不按比例)。活动的光电二极管区由区域901示出并且可以包括大概位于像素光电二极管的中心的反圆顶(anti-dome，AD)注入剂和RPW补偿开口区910。光电二极管区901可以通过浅槽隔离(STI)区899与相邻像素的相似区域隔离。这示例仅仅是例示性的，并且如果期望的话，可以在活动的像素部分之间形成其它任何类型的像素隔离(诸如适合的注入剂或深槽隔离DTI)。
电荷转移栅极由区域902示出，所述区域902与通过金属布线总线连接在一起的n+型掺杂浮动扩散区911交界。转移栅极可以具有注入下面的区域912，其形成改进电荷转移效率的电荷阱。n沟道MOSFET重置晶体管、p沟道MOSFET增益晶体管和p沟道MOSFET寻址晶体管放置在位于光电二极管行之间的STI隔离的主干区903中。p+型掺杂的p沟道MOSFET增益晶体管源极端子和漏极端子分别由区域907和908示出。晶体管源极端子连接到相邻的n+型掺杂区916，其为由注入掩模开口913界定的微型n阱区提供偏置接触。
p沟道MOSFET增益晶体管栅极由区域905示出。像素寻址晶体管栅极由区域914示出，而此晶体管的p+型掺杂的漏极由区域915示出，其中输出信号被感测。此晶体管的源极与p沟道MOSFET增益晶体管908的漏极是共享的(公共的)。相似地，n沟道MOSFET重置晶体管具有n+型源极掺杂区906，但是其漏极区连接到浮动扩散区911。n沟道MOSFET重置晶体管栅极由区域904示出。为了简明的目的，已经省略像素布线的细节。然而，接触通孔909的放置由黑圈表示。用于形成完全耗尽的或部分耗尽的微型n阱的掩模由虚线913所界定的区域表示。图9中示出的4路共享的PD布局的主要优势是不那么迫切地需要晶体管设计规则和较大的光电二极管面积，因此导致像素中的更大的电荷储存容量。
因此描述了此新颖的图像传感器阵列的优选实施例，本公开的说明细节因此旨在是例示性的而不是局限，所述新颖的图像传感器阵列具有具备内置放大电路的亚微米尺寸的像素，所述内置放大电路的增益由负电压反馈控制，其可能依据感测的从光电二极管转移到的电子的数量而改变。注意到，本领域技术人员可以在上述教导的启示下做出修改和改变。因此，应理解，可以在公开的本实用新型的具体实施例中做出改变，所述改变应在由所附权利要求定义的本实用新型的范围和精神内。
图10示出了典型的处理器系统1000的简化形式，诸如电子照相机，包括成像设备，诸如成像设备1001(例如，成像设备1001，诸如包括如上文联系图1到图9描述的具有像素内放大晶体管和反馈电容器的背面照明的全局快门像素的图像传感器)。处理器系统1000是示例性的具有数字电路的系统，可以包括成像设备1001。在没有限制的情况下，这样的系统可以包括计算机系统、静态或视频照相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星体追踪系统、动作检测系统、图像稳定系统以及其它采用成像设备的系统。
处理器系统1000(其可以是数字静态或摄像照相机系统)可以包括透镜，诸如用于当按压快门释放按钮1097时将图像聚焦到像素阵列上的透镜1096。处理器系统1000可以包括中央处理单元，诸如中央处理单元(CPU)1095。CPU1095可以是微处理器，其控制照相机功能和一个或多个图像流功能，并且在总线(诸如总线1093)上与一个或多个输入/输出(I/O)设备1091通信。成像设备1001也可以在总线1093上与CPU1095通信。系统1000可以包括随机访问存储器(RAM)1092和可移除存储器1094。可移除存储器1094可以包括在总线1093上与CPU1095通信的闪速存储器。在具有或不具有存储器储存的情况下，成像设备1001可以与CPU1095在单个集成电路上或在不同芯片上结合。尽管总线1093被例示为的单个总线，其可以是一个或多个总线或桥接器或其它用于互连系统组件的通信路径。
已经说明了例示成像系统的各种实施例，所述成像系统(例如，图像传感器像素阵列)具有内置的放大电路和负电压反馈电容器，以允许相对于常规的成像系统的增加的光电二极管容量和动态范围。所述阵列可以包括按行和列布置的若干图像传感器像素。
每个图像传感器像素可以包括响应于图像光产生电荷的光电二极管、浮动扩散节点和被配置以将产生的电荷从光电二极管转移到浮动扩散节点的电荷转移晶体管。放大晶体管(此处有时被称为增益晶体管)可以具有耦合到浮动扩散节点的栅极端子、耦合到像素输出节点的漏极端子和耦合到偏置电压列线的源极端子。反馈电容器可以耦合在像素输出节点和浮动扩散节点之间并且可以被配置以向浮动扩散节点提供负电压反馈。放大晶体管可以被配置以提供具有大于单位增益(例如，大于1的增益，使得浮动扩散节点处的信号具有比像素输出节点处的信号的更小的量)的转移的电荷。
像素可以包括与反馈电容器并联耦合到像素输出节点和浮动扩散节点之间的重置晶体管，被配置以将浮动扩散节点重置到重置电压和/或从浮动扩散节点漏去溢出(overflow)的电荷。像素输出节点可以通过像素寻址(行选择)晶体管耦合到列读出线。列偏置电流源可以通过列读出线耦合到像素。预充电电容器可以耦合在浮动扩散节点和预充电总线之间。如果期望的话，重置晶体管可以包括n沟道重置晶体管，而放大晶体管和寻址晶体管每个可以包括相应的p沟道放大晶体管。例如，重置晶体管可以包括p沟道MOSFET，而放大晶体管和寻址晶体管可以包括相应的n沟道MOSFET。在另一个适合的布置中，重置晶体管可以包括p沟道MOSFET，而放大晶体管和寻址晶体管包括各自的n沟道MOSFET。
像素衬底可以包括p型掺杂外延层和其内形成p沟道放大晶体管和寻址晶体管的n型掺杂阱区(或者其内形成n沟道放大晶体管和寻址晶体管的p型掺杂阱区)。半导体衬底中的p+型退化掺杂电子阻挡层可以将n型掺杂阱区与p型掺杂外延层分开(或者n+型退化掺杂电子阻挡层可以将p型掺杂阱区与n型掺杂外延层分开)。
如果要求的话，反馈电容器可以具有取决于放大晶体管的栅极和放大晶体管的漏极之间的电势差的可变电容。像素可以形成于还包括中央处理器、存储器、输入/输出电路和透镜的系统中。
上述内容仅仅例示本实用新型的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下做出各种修改。上述实施例可以单独实现或者组合地实现。

Claims (20)

1.一种图像传感器像素电路，其特征在于包括：
光电二极管，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散节点；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；
放大晶体管，具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端子和耦合到像素输出节点的漏极端子；以及
反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散节点之间，其中所述放大晶体管被配置为以大于单位的增益提供转移的电荷，并且所述反馈电容器被配置以将负电压反馈提供到所述浮动扩散节点。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
重置晶体管，与所述反馈电容器并联耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散节点之间，其中所述重置晶体管被配置以将所述浮动扩散节点重置到重置电压。
3.根据权利要求2所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
列读出线，耦合到列偏置电流源；以及
像素寻址晶体管，耦合在所述像素输出节点和所述列读出线之间。
4.根据权利要求2所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
预充电电容器，耦合在所述浮动扩散节点和预充电总线之间。
5.根据权利要求2所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述重置晶体管包括n沟道重置晶体管，而所述放大晶体管包括p沟道放大晶体管。
6.根据权利要求5所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述p沟道放大晶体管具有耦合到列偏置电压线的源极端子。
7.根据权利要求5所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：
所述半导体衬底中的p型掺杂外延层；
所述半导体衬底中的n型掺杂阱区，其中所述p沟道放大晶体管形成于所述n型掺杂阱区内；以及
所述半导体衬底中的p+型退化掺杂电子阻挡层，将所述n型掺杂阱区与所述p型掺杂外延层分开。
8.根据权利要求2所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述重置晶体管包括p沟道重置晶体管，并且所述放大晶体管包括n沟道放大晶体管。
9.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述放大晶体管包括n沟道放大晶体管，并且其中所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：
所述半导体衬底中的n型掺杂外延层；
所述半导体衬底中的p型掺杂阱区，其中所述n沟道放大晶体管形成于所述p型掺杂阱区内；以及
所述半导体衬底中的n+型退化掺杂电子阻挡层，将所述p型掺杂阱区与所述n型掺杂外延层分开。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述反馈电容器具有取决于所述放大晶体管的栅极端子和所述放大晶体管的漏极端子之间的电势差的可变电容。
11.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，所述图像传感器像素电路还包括：
像素隔离区，选自由下列组成的组中：
浅槽隔离区和深槽隔离区，其中所述像素隔离区被配置为将所述光电二极管与所述半导体衬底上的其它光电二极管隔离。
12.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成于具有相对的正面和背面的半导体衬底上，其中所述光电二极管被配置以响应于通过所述半导体衬底的背面接收的图像光而产生所述电荷。
13.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述图像传感器像素电路形成于半导体衬底上，其中所述半导体衬底耦合到额外的半导体衬底，其中用于所述图像传感器像素电路的偏置电流源形成于所述额外的半导体衬底上，并且其中所述像素输出节点通过导电通孔耦合到所述额外的半导体衬底上的所述偏置电流源。
14.一种图像传感器像素电路，形成于半导体衬底上，其特征在于包括：
光敏区；
电荷存储区，被配置以存储由所述光敏区产生的电荷；以及
晶体管，具有耦合到所述电荷存储区的栅极和耦合到像素输出节点的漏极，其中所述晶体管被配置以向转移到所述像素输出节点的信号提供大于单位的增益。
15.根据权利要求14所述的图像传感器像素电路，其特征在于包括：
负电压反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述电荷存储区之间。
16.根据权利要求15所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述负电压反馈电容器具有取决于所述晶体管的所述栅极和所述漏极之间的电势差的可变电容。
17.根据权利要求15所述的图像传感器像素电路，其特征在于还包括：
行选择晶体管，耦合在所述像素输出节点和列读出线之间；以及
重置晶体管，耦合在所述像素输出节点和所述电荷存储区之间。
18.根据权利要求17所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述晶体管包括第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述行选择晶体管包括第二p沟道MOSFET，并且所述重置晶体管包括n沟道MOSFET。
19.根据权利要求17所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述晶体管包括第一n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述行选择晶体管包括第二n沟道MOSFET，而所述重置晶体管包括p沟道MOSFET。
20.一种处理器系统，其特征在于包括：
中央处理器；
存储器；
输入/输出电路；以及
成像设备，其中所述成像设备包括：
像素阵列，具有至少一个像素电路，以及
透镜，将图像聚焦到所述像素阵列上，其中所述至少一个像素电路包括：
光电二极管，响应于图像光产生电荷；
浮动扩散区；
电荷转移晶体管，被配置为将所产生的电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；
p沟道增益晶体管，具有耦合到所述浮动扩散节点的栅极端子和耦合到像素输出节点的漏极端子；
反馈电容器，耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散区之间，其中所述p沟道增益晶体管被配置为以大于1的增益提供转移的电荷，并且所述反馈电容器被配置以将负电压反馈提供到所述浮动扩散节点；以及
n沟道重置晶体管，与所述反馈电容器并联耦合在所述像素输出节点和所述浮动扩散区之间。
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