DE102005007330A1

DE102005007330A1 - CMOS-Bildsensor mit reduziertem 1/f-Rauschen

Info

Publication number: DE102005007330A1
Application number: DE102005007330A
Authority: DE
Inventors: Boyd A. S. Sunnyvale Fowler
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: US20050248673A1; GB2414132B; JP2005322901A; US7432968B2; TW200537919A; CN1697492A; DE102005007330B4; GB2414132A; GB0508457D0; CN100542222C

Abstract

Ein CMOS-Bildsensor umfasst eine Mehrzahl von Pixelschaltungen. Jede Pixelschaltung umfasst eine Mehrzahl von Transistoren. Der Bildsensor umfasst eine Steuerung zum Steuern einer Operation der Mehrzahl von Pixelschaltungen, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um zu bewirken, dass zumindest einer der Transistoren in jeder Pixelschaltung in einen Akkumulationsmodus versetzt und dann von dem Akkumulationsmodus in einen Starkinversionsmodus umgeschaltet wird, wodurch ein 1/f-Rauschen der Pixelschaltungen reduziert wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf CMOS-Bildsensoren und bezieht sich insbesondere auf einen CMOS-Bildsensor mit reduziertem 1/f-Rauschen.

Ein Typ Bildsensor des Stands der Technik ist ein Aktivpixelsensor- (APS-) Bildsensor. APS-Bildsensoren werden üblicherweise unter Verwendung einer Komplementär-Metalloxid-Halbleiter- (CMOS-) Verarbeitungstechnologie hergestellt und werden üblicherweise auch als CMOS-Bildsensoren bezeichnet. CMOS-Bildsensoren erfassen Licht durch ein Umwandeln einfallenden Lichts (Photonen) in eine elektronische Ladung (Elektronen) über den photoelektrischen Effekt. Farb-CMOS-Bildsensoren werden üblicherweise durch ein Beschichten jedes einzelnen Pixels mit einer Filterfarbe (z. B. Rot, Grün und Blau) hergestellt. CMOS-Bildsensoren umfassen üblicherweise einen Photosensor (z. B. Photodiode) und mehrere CMOS-Transistoren für jedes Pixel. Einige CMOS-Bildsensoren stellen eine integrierte Analog-Digital-Umwandlung und Vollzeitgebungssteuerung auf einer einzelnen integrierten Schaltung bereit.

Existierende CMOS-Bildsensoren umfassen Drei-Transistor- (3T-) und Vier-Transistor- (4T-) Pixelimplementierungen. Pixelimplementierungen mit mehr als vier Transistoren wurden ebenso entwickelt. Die Pixelschaltungen in diesen Bildsensoren umfassen üblicherweise einen Source-Folger-Transistor, der verwendet wird, um die Photodiodenspannung auf einer Spaltenleitung zwischenzuspeichern. In CMOS-Bildsensoren mit festgelegten 4T-Photodiodenpixelimplementierungen wird ein Leserauschen üblicherweise durch das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors dominiert. Das 1/f-Rauschen, das auch als Funkelrauschen bezeichnet wird, weist eine Spektraldichte auf, die umgekehrt proportional zu der Fre quenz (f) ist. Das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors ist ebenso ein Faktor bei 3T-Pixelimplementierungen, obwohl das 1/f-Rauschen üblicherweise nicht dominant ist. Vielmehr wird in 3T-Pixelimplementierungen das Leserauschen üblicherweise durch ein „kTC"-Rauschen dominiert, was das Rauschen ist, das einem Rücksetzen des Pixels auf einen Rücksetzpegel zugeordnet ist. Trotzdem liefert das 1/f-Rauschen von dem Source-Folger-Transistor einen wesentlichen Beitrag zu dem Gesamtrauschen in 3T-Pixelimplementierungen.

Existierende Techniken zum Reduzieren des 1/f-Rauschens eines Transistors umfassen ein Erhöhen der Größe des Transistors oder ein Modifizieren des CMOS-Prozesses. Aufgrund von Pixelgrößenbeschränkungen in CMOS-Bildsensoren jedoch kann die Größe des Source-Folger-Transistors üblicherweise nicht erhöht werden. Eine Modifizierung des CMOS-Vorgangs ist üblicherweise komplex und keine lebensfähige Option.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen CMOS-Bildsensor, ein Verfahren oder einen APS-Bildsensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Ausgabe wird durch einen CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 oder einen APS-Bildsensor gemäß Anspruch 16 gelöst.

Eine Form der vorliegenden Erfindung liefert einen CMOS-Bildsensor, der eine Mehrzahl von Pixelschaltungen umfasst. Jede Pixelschaltung umfasst eine Mehrzahl von Transistoren. Der Bildsensor umfasst eine Steuerung zum Steuern einer Operation der Mehrzahl von Pixelschaltungen, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um zu bewirken, dass zumindest einer der Transistoren jeder Pixelschaltung in einen Akkumulationsmodus versetzt wird und dann von dem Akkumulationsmodus in einen Starkinversionsmodus umgeschaltet wird, wodurch das 1/f-Rauschen der Pixelschaltungen reduziert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm, das eine Drei-Transistor- (3T-) Pixelschaltung des Stands der Technik für einen CMOS-Bildsensor darstellt;

2 ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung des Stands der Technik für einen CMOS-Bildsensor darstellt;

3 ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten eines Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

4 ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung mit reduziertem 1/f-Rauschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

5 ein Zeitdiagramm, das die Zeitgebung von Steuersignalen für die Pixelschaltung aus 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und

6 ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung mit reduziertem 1/f-Rauschen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen zur Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es wird darauf verwiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb in keinem einschränkenden Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Drei-Transistor- (3T-) Pixelschaltung 100 des Stands der Technik für einen CMOS-Bildsensor darstellt. Die Pixelschaltung 100 umfasst Transistoren 102, 106 und 108 und eine Photodiode 104. Die Transistoren 102, 106 und 108 sind üblicherweise NMOS-Feldeffekttransistoren (-FETs). Das Drain des Transistors 102 ist mit einer Spannungsversorgungsleitung 101 (V_DD) verbunden. Das Gate des Transistors 102 ist mit einer RÜCKSETZEN-Leitung 103 verbunden. Die Source des Transistors 102 ist mit der Photodiode 104 und mit dem Gate des Transistors 106 verbunden. Zusätzlich dazu, dass die Photodiode 104 mit der Source des Transistors 102 verbunden ist, ist dieselbe außerdem mit Masse verbunden. Das Drain des Transistors 106 ist mit der Spannungsversorgungsleitung 101 (V_DD) verbunden. Die Source des Transistors 106 ist mit dem Drain des Transistors 108 verbunden. Das Gate des Transistors 108 ist mit einer ZEILE-Leitung 105 verbunden. Die Source des Transistors 108 ist mit einer SPALTE-Leitung 107 verbunden. Die Körper (Substrate) der Transistoren 102, 106 und 108 sind mit Masse verbunden.
Der Transistor 102 ist ein Rücksetztransistor, der zum Rücksetzen der Spannung der Photodiode 104 verwendet wird. Der Transistor 106 ist ein Source-Folger-Transistor zum Erfassen und Zwischenspeichern der Photodiodenspannung. Der Transistor 108 ist ein Auswahltransistor, der zur Auswahl der Pixelschaltung 100 verwendet wird. Pixelinformationen von einem CMOS-Bildsensor werden üblicherweise in Zeilen abgetastet. Zur Auswahl einer Zeile von Pixeln wird die ZEILE-Leitung 105 für die Pixelschaltungen 100 in der erwünschten Zeile in einen Hochzustand gesetzt. Zum Rücksetzen einer Zeile von Pixeln wird die RÜCKSETZEN-Leitung 103 für die ausgewählte Zeile von Pixelschaltungen 100 in einen Hochzustand gesetzt.
Pixelinformationen für die Pixelschaltung 100 werden üblicherweise in drei Phasen erzeugt und abgetastet: (1) Rücksetzen, (2) Integration und (3) Auslesen. Während der Rücksetzphase wird die Pixelschaltung 100 durch ein Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 in einen Hochzustand (z. B. oberhalb V_DD) rückgesetzt. Das Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 in einen Hochzustand schaltet den Transistor 102 ein und setzt die Spannung über die Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert. Die RÜCKSETZEN-Leitung 103 wird dann in einen Niedrigzustand (z. B. Masse) gesetzt, wodurch der Transistor 102 ausgeschaltet wird und die Integrationsphase beginnt. Während die RÜCKSETZEN-Leitung 103 in einem Niedrigzustand ist, integriert die Pixelschaltung 100 die Menge auf die Photodiode 104 fokussierten Lichts und die Photodiode 104 entlädt sich von dem Rücksetzpegel nach unten. Am Ende der Integrationsphase ist die ZEILE-Leitung 105 üblicherweise in einen Hochzustand gesetzt, um die Auslesephase zu beginnen. Das Setzen der ZEILE-Leitung 105 in einen Hochzustand schaltet den Transistor 108 ein und leitet die Integrationsspannung auf der Photodiode 104 auf die SPALTE-Leitung 107. Während der Auslesephase werden die Rücksetzspannung und die Integrationsspannung üblicherweise von der SPALTE-Leitung 107 gelesen. Das durch jede Pixelschaltung 100 erzeugte Bildsignal ist üblicherweise die Differenz zwischen der Rücksetzspannung und der Spannung auf der Photodiode 104 nach der Integrationsperiode (d. h. die Integrationsspannung).
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 200 des Stands der Technik für einen CMOS-Bildsensor darstellt. Wie in 2 gezeigt ist, ist die 4T-Pixelschaltung 200 üblicherweise auf die gleiche Art und Weise wie die in 1 gezeigte 3T- Pixelschaltung 100 konfiguriert, mit der Ausnahme, dass ein vierter Transistor 202 in Serie zu der Photodiode 104 hinzugefügt wurde. Die Source des Transistors 202 ist mit der Source des Transistors 102 und mit dem Gate des Transistors 106 verbunden. Das Gate des Transistors 202 ist mit einer TX- (ÜBERTRAGUNGS-) Leitung 201 verbunden. Das Drain des Transistors 202 ist mit der Photodiode 104 verbunden. Der Transistor 202 ist üblicherweise ein NMOS-FET. Die Körper (Substrate) der Transistoren 102, 106, 108 und 202 sind mit Masse verbunden.
Die 4T-Pixelschaltung 200 verwendet üblicherweise die gleichen drei Phasen (d. h. Rücksetzen, Integration und Auslesen) wie die 3T-Pixelschaltung 100 (1). Während der Rücksetzphase wird die Pixelschaltung 200 durch ein Setzen der RÜCKSETZEN-Leitung 103 und der TX-Leitung 201 in einen Hochzustand (z. B. oberhalb der V_DD) rückgesetzt. Ein Setzen der Leitungen 103 und 201 in einen Hochzustand bewirkt, dass die Transistoren 102 und 202 eingeschaltet werden, und setzt die Spannung über die Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert. Die RÜCKSETZEN-Leitung 103 und die TX-Leitung 201 werden dann in einen Niedrigzustand (z. B. Masse) gesetzt, wodurch die Transistoren 102 und 202 ausgeschaltet werden, und die Integrationsphase beginnt. Während der Integrationsphase entlädt die Photodiode 104 sich von dem Rücksetzpegel nach unten. Am Ende der Integrationsphase wird die TX-Leitung 201 in einen Hochzustand gesetzt, um die Auslesephase zu beginnen. Das Setzen der TX-Leitung 201 in einen Hochzustand schaltet den Transistor 202 ein und bewirkt, dass die Ladung auf der Photodiode 104 auf die parasitäre Kapazität an dem mit dem Gate des Transistors 106 verbundenen Knoten übertragen wird. Die TX-Leitung 201 wird dann in einen Niedrigzustand gesetzt, wodurch der Transistor 202 ausgeschaltet wird, und die ZEILE-Leitung 105 wird in einen Hochzustand gesetzt. Das Setzen der ZEILE-Leitung 105 in einen Hochzustand überträgt die Integrationsspannung auf die SPALTE-Leitung 107.
Wie oben beschrieben ist, ist das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors (z. B. Transistor 106 in den 1 und 2) in CMOS-Bildsensoren ein wesentlicher, wenn auch nicht dominanter Faktor des Gesamtleserauschens des Sensors. Mehrere unterschiedliche physische Mechanismen tragen vermutlich zu dem 1/f-Rauschen in MOSFETs bei. Ein derartiger Mechanismus, von dem man glaubt, dass er die wichtigste Rolle spielt, ist das Vorliegen von Fallen bzw. Traps (Oberflächenfallen) an der Halbleiter-Oxid- (z. B. Si-SiO₂-) Grenzfläche eines MOSFET-Bauelements. Ein Einfangen und Freilassen von Elektronen durch die Oberflächenfallen kann zu Elektronenanzahlvariationen und einem entsprechenden 1/f-Rauschen führen.
Eine Form der vorliegenden Erfindung reduziert das 1/f-Rauschen der Source-Folger-Transistoren in Pixelschaltungen eines CMOS-Bildsensors durch ein dynamisches Passivieren der Oberflächenfallen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Oberflächenfallen dynamisch durch ein Versetzen des Source-Folger-Transistors in einen Akkumulationsmodus (tritt z. B. auf, wenn die Gatespannung (V_g) minus der Volumenspannung (V_b) kleiner als ein Volt ist), bevor derselbe in einem Starkinversionsmodus (z. B. V_gs > V_th) betrieben wird, passiviert. Für eine NMOS-Vorrichtung werden in dem Starkinversionsmodus negative Ladungen (Elektronen) zu der Kanalregion angezogen, die einen n-Typ-Kanal zwischen der Source und dem Drain bildet, eine Leitung kann zwischen der Source und dem Drain auftreten.
In dem Akkumulationsmodus eines NMOS-Transistors werden positive Ladungen (Löcher) zu der Kanalregion angezogen und nur ein Leckstrom kann zwischen der Source und dem Drain fließen. Während der Source-Folger-Transistor in dem Akkumulationsmodus ist, passivieren die Löcher, die zu der Oberfläche der Vorrichtung getrieben werden, die Oberflächenfallen. Nachdem die Oberflächenfallen passiviert sind, wird der Source-Folger-Transistor in dem Starkinversionsmodus betrieben. Die Oberflächenfallen bleiben für einen Zeitraum, nachdem zu dem Starkinversionsmodus geschaltet wird, passiviert, wodurch das 1/f-Rauschen des Source-Folger-Transistors reduziert wird, während die Oberflächenfallen passiviert bleiben. So wird das 1/f-Rauschen in dem Starkinversionsmodus reduziert, indem zuerst der Source-Folger-Transistor in den Akkumulationsmodus versetzt wird, unmittelbar bevor der Transistor in dem Starkinversionsmodus betrieben wird.
Techniken zum Umschalten des Source-Folger-Transistors zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus in Pixelschaltungen eines CMOS-Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind unten detaillierter Bezug nehmend auf die 3 – 6 beschrieben.
3 ist ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten eines Bildsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Bildsensor 300 ein Aktivpixelsensor- (APS-) Bildsensor, der hierin auch als ein CMOS-Bildsensor bezeichnet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Bildsensor 300 mit einer einzelnen integrierten Schaltung implementiert, die eine integrierte Analog-Digital-Umwandlung und Zeitgebungssteuerung bereitstellt.
Der Bildsensor 300 umfasst ein Pixelarray 302, Zeilendecodierer 304, Spaltenverstärker 306, Spaltendecodierer 308, eine Steuerung 310, einen Verstärker mit programmierbarem Gewinn (PGA) 312 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 314. Das Pixelarray 302 umfasst eine Mehrzahl von Pixelschaltungen (Pixeln) 303, wobei jede Pixelschaltung 303 ein Pixel Bildinformationen bereitstellt. Die Pixelschaltungen 303 in dem Pixelarray 302 sind in eine Mehrzahl von Zeilen und eine Mehrzahl von Spalten (z. B. 480 × 640) organisiert.
Die Steuerung 310 ist mit dem Pixelarray 302, den Zeilendecodierern 304, den Spaltenverstärkern 306, dem Spaltendeco dierer 308, dem Verstärker mit programmierbarem Gewinn 312 und dem Analog-Digital-Wandler 314 verbunden. Die Steuerung 310 erzeugt Steuersignale zum Steuern der Operation des Sensors 300, einschließlich Signale zum Einleiten, Beibehalten und Anhalten von Bilderfassungsvorgängen.
Bei einer Form der Erfindung umfassen die Spaltenverstärker 306 einen Spaltenverstärker für jede Spalte von Pixeln 303 in dem Array 302 und Pixelinformationen aus dem Pixelarray 302 werden in Zeilen abgetastet. Die Abtastzeit für jede Zeile von Pixeln wird als ein Zeilenabtastintervall bezeichnet. Eine Zeile von Pixeln 303 in dem Pixelarray 302 wird durch Zeilendecodierer 304 ausgewählt. Zur Auswahl einer Zeile von Pixeln beaufschlagen die Zeilendecodierer 304 eine ZEILE-Leitung für die Pixelschaltungen 303 in der erwünschten Zeile mit einem Hochzustand. Zum Rücksetzen einer Zeile von Pixeln beaufschlagen die Zeilendecodierer 304 eine RÜCKSETZEN-Leitung für eine ausgewählte Zeile von Pixelschaltungen 303 mit einem Hochzustand. Die Zeilendecodierer 304 werden durch die Steuerung 310 gesteuert, die den Zeilendecodierern 304 anzeigt, wann die ZEILE-Leitung und die RÜCKSETZEN-Leitung in einen Hochzustand oder Niedrigzustand zu setzen sind.
Während einer Integrationsphase integrieren die Pixelschaltungen 303 die Menge von Licht, die auf ihre Photodioden gerichtet wird, und geben integrierte Spannungen (Vs) aus. Die Spaltenverstärker 306 wirken als analoger Zwischenspeicher, der die Ausgangssignale einer ausgewählten Zeile von Pixeln 303 abtastet und hält. Am Ende der Integrationsphase und während einer Auslesephase tasten die Spaltenverstärker 306 die integrierten Signalpegel (Vs) von einer ausgewählten Zeile von Pixeln 303 ab und tasten einen Rücksetzpegel (Vr), der durch die ausgewählte Zeile von Pixeln 303 ausgegeben wird, ab.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das durch jede Pixelschaltung 303 erzeugte Bildsignal die Differenz zwischen dem abgetasteten Rücksetzspannungspegel (Vr) und dem abgetasteten Integrationsspannungspegel (Vs), der nach der Integrationsperiode erhalten wird. Am Ende eines Zeilenabtastintervalls wird die Differenz zwischen den Rücksetzsignalpegeln (Vr) und den integrierten Signalpegeln (Vs) an den Ausgängen der Spaltenverstärker 306 gehalten. Während eines Spaltenverarbeitungsintervalls werden die Spaltenverstärker 306 sequentiell durch den Spaltendecodierer 308 ausgewählt, um den entsprechenden gehaltenen Pegel auszugeben.
Der Verstärker mit programmierbarem Gewinn 312 verstärkt die durch die Spaltenverstärker 306 ausgegebenen analogen Signale und gibt die verstärkten Signale an den Analog-Digital-Wandler 314 aus. Die Steuerung 310 steuert den Gewinn des Verstärkers 312. Der Analog-Digital-Wandler 314 digitalisiert die von dem Verstärker 312 empfangenen analogen Signale und gibt digitale Pixeldaten aus.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst jede Pixelschaltung 303 einen Source-Folger-Transistor, der konfiguriert ist, um zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus basierend auf durch die Steuerung 310 erzeugten Steuersignalen umgeschaltet zu werden, wie unten detaillierter Bezug nehmend auf die 4 – 6 beschrieben ist.
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 400 mit reduziertem 1/f-Rauschen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Pixelschaltung 400 stellt eines der Pixel 303 in dem Bildsensor 300 (3) gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Die Pixelschaltung 400 umfasst vier Transistoren 102, 106, 108 und 202, die auf die gleiche Art und Weise, die in 2 gezeigt ist, konfiguriert sind, mit der Ausnahme, dass der Körper (Substrat) des Transistors 106 in der Pixelschaltung 400 an eine KÖRPER-Leitung 109 und nicht an Masse gebunden ist, wie in 2 gezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Tran sistoren 102, 106, 108 und 202 NMOS-FETs. Bei einer Form der Erfindung ist die Photodiode 104 eine festgelegte („pinned") Photodiode, eine vergrabene Photodiode oder eine Standardphotodiode.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Source-Folger-Transistor 106 in der Pixelschaltung 400 ein NMOS-Oberflächenkanaltransistor. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Source-Folger-Transistor 106 in der Pixelschaltung 400 konfiguriert, um zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus basierend auf von der Steuerung 310 (3) empfangenen Steuersignalen umgeschaltet zu werden. Die Funktionsweise der Pixelschaltung 400 aus 4 ist unten Bezug nehmend auf 5 detaillierter beschrieben.
5 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitgebung von Steuersignalen 502 für die Pixelschaltung 400 aus 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Steuersignale umfassen ein RÜCKSETZEN-Signal 502A, ein TX- (ÜBERTRAGUNG-) Signal 502B, ein ZEILE-Signal 502C, ein KÖRPER-Signal 502D und ein V_DD-Signal 502E (kollektiv als Steuersignale 502 bezeichnet). Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 310 (3) konfiguriert, um die Steuersignale 502 zur Steuerung der Operation der Pixelschaltung 400 zu erzeugen. Das RÜCKSETZEN-Signal 502A stellt die Spannung über die Zeit auf der RÜCKSETZEN-Leitung 103 dar. Das TX-Signal 502B stellt die Spannung über die Zeit auf der TX-Leitung 201 dar. Das ZEILE-Signal 502C stellt die Spannung über die Zeit auf der ZEILE-Leitung 105 dar. Das KÖRPER-Signal 502D stellt die Spannung über die Zeit auf der KÖRPER-Leitung 109 dar. Das V_DD-Signal 502E stellt die Spannung über die Zeit auf der V_DD-Leistungsversorgungsleitung 101 dar.
Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet die Pixelschaltung 400 die gleichen drei Phasen wie die Pixelschaltungen 100 und 200 (d. h. Rücksetzen, Integration und Auslesen). Vier unterschiedliche Zeitpunkte 504 – 510 sind in 5 dargestellt. Zur Zeit 504, die der Rücksetzphase entspricht, sind das RÜCKSETZEN-Signal 502A und das TX-Signal 502B in einem Hochzustand (z. B. über V_DD) und das ZEILE-Signal 502C und das KÖRPER-Signal 502D sind in einem Niedrigzustand (z. B. Masse). So sind zur Zeit 504 die Transistoren 102, 106 und 202 an und der Transistor 108 ist aus. Während der Rücksetzphase ist die Spannung über die Photodiode 104 auf einen festen Anfangswert gesetzt.
Am Ende der Rücksetzphase wird V_DD 502E in einen Niedrigzustand gepulst, das RÜCKSETZEN-Signal 502A und das TX-Signal 502B werden in einen Niedrigzustand gesetzt, das KÖRPER-Signal 502D wird in einen Hochzustand gesetzt und die Integrationsphase beginnt. V_DD 502E wird in einen Niedrigzustand gepulst, um die Spannung an dem Gate des Transistors 106, der als schwebender bzw. floatender Diffusionsknoten bezeichnet wird, auf Masse zu ziehen. Zur Zeit 506, die der Integrationsphase entspricht, sind die Transistoren 102, 106, 108 und 202 aus und die Photodiode 104 entlädt sich von dem Rücksetzpegel nach unten. Der Transistor 106 ist aus, da das Hochsignal auf der KÖRPER-Leitung 109, die mit dem Körper des Transistors 106 gekoppelt ist, bewirkt, dass der Transistor 106 in einen Akkumulationsmodus getrieben wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die KÖRPER-Leitung 109 auf V_DD gesetzt, um den Transistor 106 in den Akkumulationsmodus zu treiben. Der Zeitraum, in dem der Transistor 106 aus ist sowie in dem Akkumulationsmodus ist, wird in 5 durch das Bezugszeichen 512 angezeigt, was dem Zeitraum entspricht, in dem die KÖRPER-Leitung 109 in einem Hochzustand ist. Die Länge der Integrationsphase kann variiert werden, was in 5 durch die Unterbrechung oder den Zwischenraum bei den Signalen 502A – 502E angezeigt ist.
Am Ende der Integrationsphase wird die KÖRPER-Leitung 109 in einen Niedrigzustand (z. B. Masse) gesetzt und die ZEILE-Leitung 105 wird in einen Hochzustand gesetzt, wo durch die Transistoren 106 und 108 eingeschaltet werden und bewirkt wird, dass der Transistor 106 in dem Starkinversionsmodus arbeitet. Der Zeitraum, in dem der Transistor 106 an ist und in dem Starkinversionsmodus arbeitet, ist in 5 durch das Bezugszeichen 514 angezeigt, was dem Zeitraum entspricht, in dem die KÖRPER-Leitung 109 in einem Niedrigzustand ist. Der Anfangsabschnitt des Zeitraums 514 entspricht der Auslesephase. Während der Auslesephase wird das RÜCKSETZEN-Signal 502A in einen Hochzustand gepulst, was den Transistor 102 einschaltet und bewirkt, dass eine Rücksetzspannung an die SPALTE-Leitung 107 ausgegeben wird, wo dieselbe durch Spaltenverstärker 306 (3) zur Zeit 508 abgetastet wird. Das TX-Signal 502B wird dann in einen Hochzustand gepulst, was den Transistor 202 einschaltet und bewirkt, dass die Integrationsspannung an die SPALTE-Leitung 107 ausgegeben wird, wo dieselbe durch Spaltenverstärker 306 zur Zeit 510 abgetastet wird. Am Ende der Auslesephase werden das RÜCKSETZEN-Signal 502A und das TX-Signal 502B in einen Hochzustand gesetzt und das ZEILE-Signal 502C wird in einen Niedrigzustand gesetzt, wodurch eine weitere Rücksetzphase beginnt, und der Vorgang wird wiederholt.
So wird, wie oben beschrieben ist, bei einer Form der Erfindung der Source-Folger-Transistor 106 zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus umgeschaltet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Transistor 106 während der Rücksetz- und der Integrationsphase in dem Akkumulationsmodus betrieben und während der Auslesephase in dem Starkinversionsmodus betrieben. Durch ein Betreiben des Transistors 106 vor der Auslesephase in dem Akkumulationsmodus und ein darauffolgendes Umschalten des Transistors 106 für die Auslesephase in den Starkinversionsmodus wird das 1/f-Rauschen der Pixelschaltung 400 während der Auslesephase reduziert.
Die oben beschriebenen Techniken zum Umschalten des Source-Folger-Transistors 106 zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus sind ebenso auf eine 3T- Pixelschaltung 100, wie z. B. die in 1 gezeigte, anwendbar. Der Körper des Transistors 106 in der Pixelschaltung 100 z. B. kann auch an die KÖRPER-Leitung 109 gebunden sein und nicht an Masse gebunden sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen könnten die hierin beschriebenen Techniken auf Pixelschaltungen mit einer beliebigen Anzahl von Transistoren angewendet werden, einschließlich auf Pixelschaltungen mit mehr als vier Transistoren.
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vier-Transistor- (4T-) Pixelschaltung 600 mit reduziertem 1/f-Rauschen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Pixelschaltung 600 stellt eines der Pixel 303 in dem Bildsensor 300 (3) gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Die Pixelschaltung 600 umfasst vier Transistoren 102, 606, 108 und 202, die auf die gleiche Art und Weise, wie in 2 gezeigt ist, konfiguriert sind, mit der Ausnahme, dass der Transistor 106 in 2 durch den Transistor 606 ersetzt wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Transistoren 102, 606, 108 und 202 NMOS-FETs. Bei einer Form der Erfindung ist die Photodiode 104 eine festgelegte Photodiode, eine vergrabene Photodiode oder eine Standardphotodiode.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Source-Folger-Transistor 606 in der Pixelschaltung 600 ein NMOS-Oberflächenkanaltransistor mit einem Polysilizium-P+-Gate. Ein P+-Gate ist ein Gate, das stark p-Typ-dotiert ist (angezeigt durch das Plus-Zeichen). In herkömmlichen Pixelschaltungen, wie z. B. denjenigen, die in den 1 und 2 gezeigt sind, weisen die NMOS-Transistoren 102, 106, 108 und 202 üblicherweise alle N+-Gates auf, die stark dotierte n-Typ-Gates sind. In herkömmlichen Schaltungen mit PMOS-Transistoren umfassen die PMOS-Transistoren üblicherweise P+-Gates.
Das P+-Gate des NMOS-Transistors 606 in der Pixelschaltung 600 bewirkt, dass der Transistor 606 basierend auf von der Steuerung 310 (3) empfangenen Steuersignalen zwischen einem Akkumulationsmodus und einem Starkinversionsmodus umschaltet. Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet die Pixelschaltung 600 die gleichen Steuersignale 502 (5) wie die Pixelschaltung 400 (4), das KÖRPER-Signal 502D wird jedoch nicht für die Pixelschaltung 600 verwendet. Vielmehr ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Pixelschaltung 600 der Körper des Transistors 606 an Masse gebunden, wie dies auch bei den Körpern der Transistoren 102, 108 und 202 der Fall ist. Das KÖRPER-Signal 502D wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Pixelschaltung 600 nicht benötigt, da die Verwendung des P+-Gates in dem NMOS-Source-Folger-Transistor 606 das erwünschte Umschalten zwischen dem Akkumulationsmodus und dem Starkinversionsmodus zur Reduzierung des 1/f-Rauschens liefert.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele zu Zwecken einer Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt und beschrieben wurden, wird für Fachleute auf diesem Gebiet zu erkennen sein, dass eine breite Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Fachleute auf dem Gebiet der Mechanik, Elektromechanik, Elektrik und Computertechnik werden ohne weiteres erkennen, dass die vorliegende Erfindung in einer sehr breiten Vielzahl von Ausführungsbeispielen implementiert werden könnte. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiele abdecken. Deshalb ist explizit beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente derselben eingeschränkt sein soll.

Claims

CMOS-Bildsensor (300) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Pixelschaltungen (303), wobei jede Pixelschaltung eine Mehrzahl von Transistoren (102, 106, 108, 202) umfasst; und einer Steuerung (310) zum Steuern einer Operation der Mehrzahl von Pixelschaltungen (303), wobei die Steuerung konfiguriert ist, um zu bewirken, dass zumindest einer der Transistoren in jeder Pixelschaltung in einen Akkumulationsmodus versetzt und dann von dem Akkumulationsmodus in einen Starkinversionsmodus umgeschaltet wird, wodurch ein 1/f-Rauschen der Pixelschaltungen reduziert wird.
CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die in den Akkumulationsmodus versetzten Transistoren einen Transistor (106) umfassen, der als ein Source-Folger konfiguriert ist.
CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuerung (310) konfiguriert ist, um zumindest einen der Transistoren in jeder Pixelschaltung während der Rücksetz- und der Integrationsphase der Pixelschaltungen in den Akkumulationsmodus zu versetzen.
CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 3, bei dem die Steuerung konfiguriert ist, um zumindest einen der Transistoren in jeder Pixelschaltung während einer Auslesephase der Pixelschaltungen in den Starkinversionsmodus zu versetzen.
CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die in den Akkumulationsmodus versetzten Transistoren eine NMOS-Oberflächenkanalvorrichtung umfassen.
CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die in den Akkumulationsmodus versetzten Transistoren durch ein Erhöhen einer Spannung an einem Körper der Transistoren in den Akkumulationsmodus versetzt werden.
CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuerung (310) konfiguriert ist, um eine Spannung an einem Körper zumindest eines der Transistoren in jeder Pixelschaltung (303) zu variieren, um die Transistoren zwischen dem Akkumulationsmodus und dem Starkinversionsmodus umzuschalten.
CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Körper jedes der in den Akkumulationsmodus versetzten Transistoren mit Masse verbunden ist.
CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 8, bei dem jeder der in den Akkumulationsmodus versetzten Transistoren ein NMOS-Transistor mit einem stark dotierten p-Typ-Gate ist.
Verfahren zum Steuern von Pixelschaltungen (303) eines CMOS-Bildsensors (300), wobei jede Pixelschaltung einen Source-Folger-Transistor (106) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Treiben des Source-Folger-Transistors in einen Akkumulationsmodus; Umschalten des Source-Folger-Transistors von dem Akkumulationsmodus in einen Starkinversionsmodus; und Lesen von Signalen von den Pixelschaltungen, wenn die Source-Folger-Transistoren in dem Starkinversionsmodus betrieben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Source-Folger-Transistoren (106) während der Rücksetz- und der Integrationsphase der Pixelschaltungen in dem Akkumulationsmodus betrieben werden und während einer Auslesephase der Pixelschaltungen in dem Starkinversionsmodus betrieben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Source-Folger-Transistoren (106) durch ein Erhöhen einer Spannung an einem Körper der Source-Folger-Transistoren in den Akkumulationsmodus getrieben werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Source-Folger-Transistoren (106) durch ein Senden eines Steuersignals von einer Steuerung des Bildsensors an die Source-Folger-Transistoren in den Akkumulationsmodus getrieben werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Source-Folger-Transistoren (106) durch ein Variieren einer Spannung an einem Körper der Source-Folger-Transistoren in den Akkumulationsmodus getrieben und in den Starkinversionsmodus umgeschaltet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die Source-Folger-Transistoren (106) NMOS-Transistoren mit einem stark dotierten p-Typ-Gate und mit einem Körper, der mit Masse verbunden ist, sind.
Aktivpixelsensor- (APS-) Bildsensor mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Pixelschaltungen (303), wobei jede Pixelschaltung einen als Source-Folger konfigurierten Transistor umfasst; und einer Steuerung zum Umschalten der Source-Folger-Transistoren zwischen einem Akkumulationsmodus und ei nem Starkinversionsmodus, wodurch ein 1/f-Rauschen der Pixelschaltungen (303) während einer Auslesephase reduziert wird.
APS-Bildsensor gemäß Anspruch 16, bei dem die Source-Folger-Transistoren durch ein Erhöhen einer Spannung an einem Körper jedes der Source-Folger-Transistoren in den Akkumulationsmodus versetzt werden.
APS-Bildsensor gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem die Steuerung konfiguriert ist, um eine Spannung an einem Körper jedes der Source-Folger-Transistoren zu variieren, um die Source-Folger-Transistoren zwischen dem Akkumulationsmodus und dem Starkinversionsmodus umzuschalten.
APS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem ein Körper jedes der Source-Folger-Transistoren mit Masse verbunden ist.
APS-Bildsensor gemäß Anspruch 19, bei dem jeder der Source-Folger-Transistoren ein NMOS-Transistor mit einem stark dotierten p-Typ-Gate ist.