CN206023945U - 图像传感器、成像像素和成像系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及图像传感器、成像像素和成像系统。要解决的一个技术问题是提供改进的图像传感器、成像像素和成像系统。所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括一个阵列的像素，其中所述一个阵列的像素中的像素包括：浮动扩散区；耦接到所述浮动扩散区的光电二极管；耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间的电荷转移晶体管；以及包括反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p‑沟道增益晶体管和n‑沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。通过本实用新型，可以获得改进的图像传感器、成像像素和成像系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及包含具有有源复位的像素的固态图像传感器阵列。
背景技术
现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括光敏区，所述光敏区接收入射光子(光)并将光子转变为电信号。有时，图像传感器被设计为使用联合图象专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。
图像传感器可通过以下方式来感测光：将碰撞光子转换成积聚(收集)到传感器像素中的电子或空穴。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压然后被提供给传感器的输出端子。在电荷到电压转换完成并且所得信号从像素转移出去之后，像素可被复位以便准备积累新的电荷。然而，使像素复位可能产生kTC复位噪声。
因此，可能希望提供最大限度地降低像素kTC复位噪声的改善像素。
实用新型内容
本实用新型要解决的一个技术问题是提供改进的图像传感器、成像像素和成像系统。
根据本实用新型的一个方面，提供了图像传感器。所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括一个阵列的像素，其中所述一个阵列的像素中的像素包括：浮动扩散区；耦接到所述浮动扩散区的光电二极管；耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间的电荷转移晶体管；以及包括反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
在一个实施例中，其中所述像素还包括源极跟随器晶体管。
在一个实施例中，其中所述源极跟随器晶体管被耦接到所述浮动扩散区。
在一个实施例中，其中所述像素还包括像素寻址晶体管。
在一个实施例中，其中所述像素为背侧照明像素。
在一个实施例中，其中所述光电二极管形成于衬底中，所述像素还包括在所述衬底的背侧上形成的滤色器和微透镜。
在一个实施例中，其中所述像素为前侧照明像素。
在一个实施例中，其中所述光电二极管形成于衬底中，所述像素还包括在所述衬底的前侧上形成的滤色器和微透镜。
在一个实施例中，其中所述有源复位电路被配置成将所述浮动扩散区复位到参考电压。
在一个实施例中，其中所述反相放大器被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后被关断。
在一个实施例中，其中所述p-沟道增益晶体管被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后放大来自所述浮动扩散区的信号。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种成像像素，所述成像像素包括：浮动扩散区；以及包括反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
在一个实施例中，其中所述有源复位电路被配置成将所述浮动扩散区复位到参考电压。
在一个实施例中，其中所述p-沟道增益晶体管被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后放大来自所述浮动扩散区的信号。
在一个实施例中，其中所述像素还包括源极跟随器晶体管。
在一个实施例中，其中所述源极跟随器晶体管被耦接到所述浮动扩散区。
在一个实施例中，其中所述像素还包括像素寻址晶体管。
根据本实用新型的又另一方面，提供了一种成像系统，所述成像系统包括：中央处理单元；存储器；镜头；输入-输出电路；以及成像设备，其中所述成像设备包括：一个阵列的像素，其中所述一个阵列的像素中的每个像素包括浮动扩散区和具有反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
在一个实施例中，其中所述一个阵列的像素中的每个像素包括源极跟随器晶体管。
在一个实施例中，其中所述一个阵列的像素中的每个像素包括像素寻址晶体管。
本实用新型的一个有益效果是提供了改进的图像传感器、成像像素和成像系统。
附图说明
图1为在全局快门传感器中使用的示例性像素的电路图。
图2为示出在图1的像素中的浮动扩散节点的复位过程中生成kTC复位噪声的等效电路图。
图3为根据本实用新型的实施例的具有全局快门能力和有源复位电路的像素的电路图。
图4为根据本实用新型的实施例的示出在图3的像素中的浮动扩散节点的复位过程中生成kTC复位噪声的等效电路图。
图5是根据本实用新型的实施例的系统的框图，该系统采用图3和图4的实施例。
具体实施方式
图像传感器可通过以下方式来感测光：将碰撞光子转换成积聚(收集)到传感器像素中的电子或空穴。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压然后被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。像素可具有并入的缓冲放大器，通常为源极跟随器(SF)，该源极跟随器驱动用合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。
在电荷到电压的转换完成并且所得信号从像素被转移出去之后，像素被复位以便准备积累新的电荷。在使用浮动扩散(FD)作为电荷检测节点的像素中，复位通过导通复位晶体管来实现，该复位晶体管将FD节点导电性连接到电压参考，该电压参考通常为SF漏极节点。该步骤移除收集的电荷；然而，该步骤会生成kTC复位噪声。该kTC复位噪声可通过相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现所需的低噪声性能。利用CDS概念的CMOS图像传感器可在像素中包括三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移(TX)晶体管。可以在若干光电二极管中共享像素电路晶体管中的一些，这也减小了像素尺寸。
在设计成以全局快门(GS)模式操作的图像传感器中，可将第二存储二极管添加到像素中。在全局快门传感器中使用的具有存储二极管的像素的简化电路图100在图1中示出。具有存储二极管的像素的简化电路图100表示全局快门像素的简化示意图，该全局快门像素具有通过电荷转移晶体管105(Tx1)耦接到电荷存储钉扎二极管106(SD)的钉扎光电二极管107(PD)。可对于所有像素同时将入射光生成的电荷从传感器阵列中的光电二极管107全局转移到存储二极管106。然后通过经由电荷转移晶体管104(Tx2)将电荷转移到浮动扩散电荷检测节点101来以按顺序的方式逐行从二极管106读出电荷。转移的电荷导致该节点上的电位改变，并且该改变由源极跟随器晶体管102感测。SF晶体管102的源极经由寻址晶体管103(SX)连接到传感器阵列列感测线108，该传感器阵列列感测线将像素信号(Vout)递送到阵列周边以用于进一步处理。在电荷感测完成之后，FD节点101通过瞬时导通复位晶体管114(RS)而复位。然而，该类型的复位可导致该节点上生成kTC复位噪声。因此，可能必须使用CDS信号读出技术来使其对信号的有害影响最小化。CDS电荷检测方案由以下方式组成：在电荷转移之前读出节点101上的电位，然后在电荷转移之后再次读出节点101上的电位。然后通过位于阵列周边处的电路将这两个值彼此相减，从而产生没有kTC复位噪声的信号。可分别通过线110、111、112和113将像素控制信号(φRS、φSX、φtx1和φtx2)从对应驱动电路位于其中的阵列的周边递送到对应晶体管的栅极。电源由列Vdd总线109提供给像素。
为了实现该概念，需要将像素区消耗电荷存储二极管106并入到每个像素，使像素尺寸增大。这可能增加图像传感器的尺寸。该概念的另一个可能的缺点是当用于背侧照明(BSI)应用中时二极管106的遮光不足的问题。这可能导致较差的像素快门效率。
图2示出简化电路图200，其示出在FD节点101的复位过程中kTC复位噪声的生成。在该图中，复位晶体管114由电阻器202表示。由该电阻器生成的对应噪声电压由电压源203表示。FD节点由其等效电容201(Cfd)表示，该等效电容应当被复位到电压参考204。然而，由于电阻器中生成的噪声，电容器Cfd上的复位电压从不等于参考电压204，却包括每次该节点复位时不同的随机误差电压。该复位误差的均方根(RMS)值的平方通过在整个频谱上对电阻器噪声功率谱密度进行积分来计算如下：
结果是以噪声电压写出的kTC复位噪声公式。在该公式中，Cfd为浮动扩散区的等效电容，T为绝对温度，k为玻耳兹曼常数，Rn为电阻，ω为角频率，并且<vn 2>为均方根值的平方，称为电压方差。在该公式中要注意的一点是结果不取决于电阻Rn的值。当转换成该节点上通过复位生成的等效电荷时，该结果变成kTC噪声公式：
在该公式中，<Qn>为等效电荷RMS噪声，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，并且Cfd为浮动扩散区的等效电容。为了从信号消除该复位噪声，因此需要读取FD节点上的电压两次，一次在电荷转移之前，并且第二次在电荷转移之后，如前所述。这是CDS读出方案的实质。然而，除了较长读出时间和额外的功率消耗之外，还可能必须在阵列的周边处设计具有低噪声的信号存储和减法电路，因为信号减法也可能潜在地增加噪声。
示于图3中的像素电路与图1的像素相比通过使用具有负反馈的像素内放大器减小图像传感器阵列的尺寸以使像素kTC复位噪声最小化。该概念在设计全局快门CMOS图像传感器(其中电荷可存储在FD节点上)以及所有类似应用(其中电荷被积聚到FD节点上，并且CDS信号读取方案不能容易地实施)中具有优点。
具体地讲，示于图3中的像素可用于其中电荷可积聚或存储在浮动扩散区上的应用中，在如结合图1和图2所述进行复位时，所述浮动扩散将生成较大kTC复位噪声。图3的像素使用另一种类型的复位，其中将具有负反馈的电压增益放大器直接集成到像素电路中以使该kTC复位噪声最小化。多种类型的CMOS图像传感器阵列可利用该有源复位概念。例如，全局快门图像传感器，其中来自光电二极管的电荷被同时转移到FD节点上，电荷在该FD节点处等待顺序扫描。该概念的其他应用为堆叠芯片传感器(其中芯片堆叠在FD节点处实现)、具有高动态范围(HDR)的非常小的三晶体管(3T)像素、具有非常大的像素的医学应用设备(其中不易将电荷转移到FD)，以及根据半导体块中电荷生成的深度进行颜色感测的多级光电二极管结构(其中标准四晶体管(4T)电荷转移像素结构难以实施或者不便于使用)。这些例子仅仅是示例性的。用于最小化kTC复位噪声的有源复位电路可以任何所需像素并且在任何所需应用中使用。
图3示出具有全局快门能力和有源复位电路(有源复位ckt)的像素的简化电路图300。光电二极管307(PD)从衬底的背侧或从衬底的前侧收集并且积聚由撞击在设备上的光子生成的电子。在二极管中积累了足够电荷之后，电荷经由电荷转移晶体管308被转移到FD节点301上，电荷在该FD节点处等待扫描。在用转移晶体管308(Tx)转移电荷之前，FD节点可被复位到一定的预定电压参考。SF晶体管302的栅极也被连接到节点301以在电荷被转移到该节点上时感测电位变化。SF晶体管302(SF)的源极经由像素寻址晶体管303(SX)连接到传感器阵列列感测线313，该传感器阵列列感测线将感测到的像素信号(Vout)递送到阵列周边以用于进一步处理。SF漏极被连接到阵列漏极列偏置线309。像素行控制线310、311和312将必要的操作信号(分别为φSX、φRX和φtx)递送到所选行的像素。线310可控制行寻址晶体管303，线312可控制从PD到FD的电荷转移，并且线311可控制所选行中的所有像素的像素复位。生成这些操作信号的驱动器位于阵列周边处。
在电压信号被感测并且被阵列周边电路处理之后，FD节点301被复位以重建预定电压参考。该复位通过根据本实用新型实施例的有源复位电路来实现，该有源复位电路由p-沟道晶体管304和复位晶体管306组成，其中p-沟道晶体管具有由n-沟道晶体管305形成的恒定电流负载。p-沟道晶体管304和恒定电流负载305代表反相放大器。晶体管304的栅极被连接到FD节点301，并且出现在该节点上的任何复位电压误差因此被放大并且经由在此处用作反馈电阻器的复位晶体管306反相反馈到节点301上以补偿该复位误差。FD节点301因此总是接近相同的预定参考电压被复位，其中消除了大多数kTC复位噪声。在节点301的有源复位完成之后，可通过关断电流负载晶体管305来关闭该放大器。这通过将适当的信号施加到晶体管栅极314来实现。该步骤节省传感器功率。
p-沟道晶体管304可使用空穴导电，而n-沟道晶体管305可使用电子导电。p-沟道晶体管304可为p-沟道增益晶体管，而n-沟道晶体管305可为n-沟道负载晶体管。p-沟道增益晶体管304可通过以下方式而用作放大器：采用相对较小的输入信号，并且产生与输入信号成比例的相对较大的输出信号。n-沟道晶体管305可被耦接到电压参考。如果n-沟道晶体管305被接通，则复位晶体管306可被耦接到参考电压。在浮动扩散区被复位之后，n-沟道负载晶体管305可被断开以节省电能。
本实用新型实施例存在其他变型形式。例如，可以从像素消除SF晶体管302并且还使用晶体管304作为信号的放大器。
图3的像素布置与图1的像素相比具有较优复位噪声性能。用于噪声评价的简化等效电路图400示于图4中。在该图中，复位晶体管306已被具有等效电压噪声发生器402的电阻器403替换。复位晶体管306可被相对较慢地关断以使放大器和电路反馈具有足够的时间来反应。在该过程期间，晶体管306在最终被完全关断时表现为接近无穷大的高值电阻器。晶体管404和405中生成的噪声已被添加到该模型中并且由等效散粒噪声发生器408来表示。放大器输出阻抗由负载电阻RL 407表示。在进行与前述类似的计算后，当有源复位在其完成的最终阶段时，FD节点301上的电压噪声的RMS值的平方的结果如下：
在该公式中，A表示有源复位电路放大器的增益，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，Cfd为浮动扩散区的等效电容，Rf为复位晶体管306的电阻，RL为与放大器输出阻抗相关联的负载电阻，并且<vc 2>为均方根值的平方，称为电压方差。由于反馈电阻(Rf)在复位全部完成之后变得无穷大，所以就节点301上的噪声电荷而言的噪声的等效值如下：
在该公式中，A表示有源复位电路放大器的增益，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，Cfd为浮动扩散区的等效电容，并且<Qn>为等效RMS噪声电荷。因此清楚的是，取决于像素内放大器增益，有源复位将显著减小像素kTC复位噪声。
图3和图4中描述的有源像素复位的主要优点是其简便性、其以最小复位噪声来复位已被积聚或存储在FD上的电荷的能力，以及其对额外像素区的相对较小的需求。这使该概念特别适于背侧照明(BSI)全局快门传感器应用，适于堆叠芯片应用(其中芯片到芯片连接在FD节点处实现)，并且适于堆叠光电二极管，该光电二极管根据其在硅块中生成的深度来感测电荷。
示于图3中的像素电路设计因此使用有源像素复位，该有源像素复位在FD节点处使用具有负反馈的放大器来直接减小复位噪声。当该概念应用于全局快门像素时，其优点是显而易见的，因为对于电荷存储无需额外的大钉扎二极管。该情况下的电荷可存储在非常小的FD节点上。另外，无需CDS电荷存储电容器和信号减法，特别是当试图直接在像素本身中进行CDS操作时。然而，CDS操作仍可用于具有像素内有源复位的传感器中以消除由晶体管阈值的差异造成的像素与像素的复位参考差异。
图5以简化形式示出包括成像设备570的典型处理器系统574。成像设备570可包括在图像传感器上形成的像素阵列572。像素阵列572可包括像素，诸如图3中示出的那些。处理器系统574是具有数字电路的示例性系统。在不进行限制的前提下，处理器系统574可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及其他采用成像设备的系统。
处理器系统574可以是数字静态或视频摄像机系统，其可包括镜头(诸如镜头586)，该镜头用于在快门释放按钮588被按下时，将图像聚焦到像素阵列(诸如像素阵列572)上。处理器系统574可包括中央处理单元，诸如中央处理单元(CPU)584。CPU 584可以是微处理器，它控制相机功能和一个或多个图像流功能，并通过总线(诸如总线580)与一个或多个输入/输出(I/O)设备576通信。成像设备570还可通过总线580与CPU 584通信。系统574可包括随机存取存储器(RAM)578和可移动存储器582。可移动存储器582可包括通过总线580与CPU 584通信的闪存存储器。可移动存储器582可被存储在外部设备上。尽管总线580被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线或桥接器或其他用于互连系统组件的通信路径。
在本实用新型的各种实施例中，图像传感器可具有包括一系列像素的像素阵列。像素阵列中的像素可包括浮动扩散区，耦接到浮动扩散区的光电二极管，以及耦接在光电二极管和浮动扩散区之间的转移晶体管。像素还可包括具有反相放大器的有源复位电路。反相放大器可包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管。有源复位电路还可包括耦接在反相放大器输出和浮动扩散区之间的复位晶体管。
像素还可包括耦接到浮动扩散区的源极跟随器晶体管。像素还可包括像素寻址晶体管。像素可为背侧照明像素或前侧照明像素。在像素为背侧照明的实施例中，光电二极管可形成于衬底中，并且微透镜和滤色器可形成在衬底的背侧上。在像素为前侧照明的实施例中，光电二极管可形成于衬底中，并且微透镜和滤色器可形成在衬底的前侧上。有源复位电路可被配置成将浮动扩散区复位到参考电压。反相放大器可被配置成在浮动扩散区被复位到参考电压之后被关断。p-沟道增益晶体管可被配置成在浮动扩散区被复位到参考电压之后放大来自浮动扩散区的信号。
在本实用新型的各种实施例中，系统可包括中央处理单元、存储器、镜头、输入-输出电路和成像设备。成像设备可包括一系列像素，其中每个像素包括浮动扩散区和具有反相放大器的有源复位电路。反相放大器可包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管。有源复位电路还可包括耦接在反相放大器输出和浮动扩散区之间的复位晶体管。
在本实用新型的各种实施例中，像素可为背侧照明的，并且可以全局快门模式操作。图像传感器像素也可为前侧照明的。用于全局快门操作的像素电荷存储位点可由浮动扩散形成，该浮动扩散较小并且不收集相当大数量的杂散电荷，这有助于传感器的高快门效率。所述浮动扩散通过显著减少kTC复位噪声生成的有源复位电路来复位。有源复位电路可包括由具有n-沟道晶体管负载的p-沟道增益晶体管形成的像素内反相放大器，以及从放大器输出连接到放大器输入的反馈复位晶体管，其为FD节点。
前述内容仅是对本实用新型原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下进行多种修改。上述实施例可单独地或以任意组合方式实施。
Claims (20)
1.一种图像传感器，所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括一个阵列的像素，其特征在于：所述一个阵列的像素中的像素包括：
浮动扩散区；
耦接到所述浮动扩散区的光电二极管；
耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散区之间的电荷转移晶体管；以及
包括反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述像素还包括源极跟随器晶体管。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：所述源极跟随器晶体管被耦接到所述浮动扩散区。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：所述像素还包括像素寻址晶体管。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述像素为背侧照明像素。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于：所述光电二极管形成于衬底中，所述像素还包括在所述衬底的背侧上形成的滤色器和微透镜。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述像素为前侧照明像素。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于：所述光电二极管形成于衬底中，所述像素还包括在所述衬底的前侧上形成的滤色器和微透镜。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述有源复位电路被配置成将所述浮动扩散区复位到参考电压。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：所述反相放大器被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后被关断。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：所述p-沟道增益晶体管被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后放大来自所述浮动扩散区的信号。
12.一种成像像素，其特征在于：所述成像像素包括：
浮动扩散区；以及
包括反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
13.根据权利要求12所述的成像像素，其特征在于：所述有源复位电路被配置成将所述浮动扩散区复位到参考电压。
14.根据权利要求13所述的成像像素，其特征在于：所述p-沟道增益晶体管被配置成在所述浮动扩散区被复位到所述参考电压之后放大来自所述浮动扩散区的信号。
15.根据权利要求12所述的成像像素，其特征在于：所述像素还包括源极跟随器晶体管。
16.根据权利要求15所述的成像像素，其特征在于：所述源极跟随器晶体管被耦接到所述浮动扩散区。
17.根据权利要求16所述的成像像素，其特征在于：所述像素还包括像素寻址晶体管。
18.一种成像系统，其特征在于：所述成像系统包括：
中央处理单元；
存储器；
镜头；
输入-输出电路；以及
成像设备，其中所述成像设备包括：
一个阵列的像素，其中所述一个阵列的像素中的每个像素包括浮动扩散区和具有反相放大器的有源复位电路，其中所述反相放大器包括p-沟道增益晶体管和n-沟道负载晶体管，并且其中所述有源复位电路还包括耦接在所述反相放大器的输出和所述浮动扩散区之间的复位晶体管。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其特征在于：所述一个阵列的像素中的每个像素包括源极跟随器晶体管。
20.根据权利要求19所述的成像系统，其特征在于：所述一个阵列的像素中的每个像素包括像素寻址晶体管。
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