DE102006008886A1 - Halbleiterbildaufnahmechip und Bildsensorbauelement - Google Patents

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DE102006008886A1
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English (en)
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Kang-Bok Suwon Lee
Jae-seob Anyang Roh
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/745Circuitry for generating timing or clock signals
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterbildaufnahmechip (200) mit einem Chipsubstrat, einem aktiven Pixelsensor mit einem aktiven Pixelfeld, einem digitalen Eingang/Ausgang und einer Mehrzahl von Steuerschaltungen (203, 204, 205) und auf ein zugehöriges Bildsensorbauelement. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Transistoren des aktiven Pixelfelds (201) sämtliche Transistoren vom N-Typ oder vom P-Typ, und wenigstens eine der Steuerschaltungen arbeitet unter der Steuerung eines Timingsignals, welches extern an den digitalen Eingang/Ausgang anlegbar ist. DOLLAR A Verwendung z. B. für Halbleiterbildsensorsysteme in Computern, Kameras und Mobiltelefonen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterbildaufnahmechip gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein zugehöriges Bildsensorbauelement.
  • Bestimmte Typen von Bildsensoren verwenden Fotoumwandlungselemente, wie Fotodioden, um einfallendes Licht zu erfassen und das Licht in elektrische Ladung zu konvertieren, welche zur Bildverarbeitung verwendet werden kann. Beispiele umfassen als ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) ausgeführte Bildsensoren (CCD-Bildsensoren) und als Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) ausgeführte Bildsensoren (CIS). Allgemein ist ein CCD-Bildsensor aus einem Feld von Fotodetektoren aufgebaut, welche elektrisch mit vertikalen ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs) verbunden sind, die als analoges Schieberegister wirken. Die vertikalen CCDs versorgen ein horizontales CCD, welches wiederum einen Ausgabeverstärker treibt. Im Gegensatz dazu ist ein CIS-Bauelement typischerweise durch ein Feld von Fotodetektoren mit Zugriffsbauelementen, z.B. Transistoren, zur Verbindung mit Wortleitun gen und Bitleitungen charakterisiert. Die Wortleitungen sind mit einer Zeilendecoderschaltung verbunden und die Bitleitungen sind über Spaltenverstärker, welche einen Ausgabeverstärker treiben, mit einer Spaltendecoderschaltung verbunden.
  • Insbesondere kann, im Vergleich mit bildgebenden CCD-Bauelementen, die Herstellung des Steuerschaltungsaufbaus, der mit CIS-Bauelementen assoziiert ist, leichter an CMOS-Herstellungstechniken angepasst werden. Daher nimmt die Bedeutung von CIS-Bauelementen in jüngerer Zeit zu.
  • Trotzdem sind CMOS-Herstellungstechniken nicht besonders gut an die Bildung eines aktiven Pixelfeldes von CIS-Bauelementen angepasst. Entsprechend werden Teile des Steuerschaltungsaufbaus von CIS-Bauelementen oder die gesamten Steuerschaltungen auf einem Chip ausgebildet, welcher von dem Chip getrennt ist, der das aktive Pixelfeld enthält, wobei analoge Signalschaltungen vorhanden sind, welche eine Kommunikation zwischen den beiden Chips ermöglichen. Solche analogen Schnittstellen sind jedoch anfällig für Fehler, die durch Signalverschlechterungen und Rauschen verursacht werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterbildaufnahmechip der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Bildsensorbauelement anzugeben, welche die oben genannten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zumindest teilweise vermeiden.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Halbleiterbildaufnahmechip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Bildsensorbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 oder 10.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines CMOS-Bildsensors (CIS),
  • 2 ein schematisches Schaltbild eines CIS-Bildaufnahmechips,
  • 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise des CIS-Bildchips gemäß 2,
  • 4 und 5 Schaltbilder von beispielhaften aktiven Einheitspixeln des Bildaufnahmechips von 2,
  • 6 ein schematischer Querschnitt eines Teils eines aktiven Einheitspixels und von MOS-Schaltungen eines Bildaufnahmechips nach Art von 2,
  • 7 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren CIS-Bildsensors und
  • 8 ein schematisches Blockdiagramm eines elektronischen Gerätes mit einem CIS-Bildsensor.
  • In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Bildsensor 1000 veranschaulicht, der einen ersten und einen zweiten Halbleiterchip 200 und 400 beinhaltet, die operativ über eine digitale Schnittstelle 500 gekoppelt sind. Der erste Chip 200 ist ein Bildaufnahmechip, welcher Bildsensoren und zugehörige Steuerschaltungen umfasst, während der zweite Chip 400 ein Bildverarbeitungschip ist, der im Wesentlichen Bildsignalverarbeitungs- und Timingschaltungen umfasst. Ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, können die Chips 200 und 400 z.B. nebeneinander oder übereinander angeordnet werden, beispielsweise auf einer Leiterplatte (PCB) oder dergleichen.
  • Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Bildaufnahmechip 200 in diesem Beispiel ein aktives Pixelsensorfeld (APS-Feld) 201, eine vertikale Abtast-/Treiberschaltung 202, eine korrelierte Doppelabtastschaltung (CDS-Schaltung) 203, einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 204, eine Rampensteuerschaltung 205, eine Zwischenspeicherschaltung 206, eine horizontale Abtastschaltung 207 und einen Ausgabepuffer 208.
  • Der Bildverarbeitungschip 400 umfasst im gezeigten Beispiel einen Bildsignalprozessor (ISP) 402 und einen Timing- bzw. Zeitsteuerungsgenerator 401. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, werden digitale Steuersignale über die digitale Schnittstelle 500 vom Bildverarbeitungschip 400 zum Bildaufnahmechip 200 übertragen, und digitale Ausgabesignale Dout werden über die digitale Schnittstelle 500 vom Bildaufnahmechip 200 zum Bildverarbeitungschip 400 übertragen.
  • Ein detailliertes Beispiel für den Bildaufnahmechip 200 von 1 ist in 2 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den 1 und 2 gleichartige Elemente. Wie aus 2 ersichtlich ist, besteht das APS-Feld 201 im Wesentlichen aus einem Feld von aktiven Einheitspixeln, welche in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Zeilen der aktiven Pixel sind mit Zeilenleitungen, z.B. Wortleitungen, des Felds 201 verbunden, und die Spalten sind mit Spaltenleitungen, z.B. Bitleitungen, des Felds 201 verbunden. Zudem zeigt 2 allgemein eine Vorladeschaltung und eine Anzahl von Vorladetransistoren, welche mit jeder Bitleitung des APS-Felds 201 verbunden sind.
  • Es sei angemerkt, dass die vertikale Abtast-/Treiberschaltung 202 aus 1 in 2 nicht dargestellt ist, um eine unübersichtliche Darstellung in 2 zu vermeiden. Es ist dem Fachmann jedoch geläufig, dass die vertikale Abtast-/Treiberschaltung 202 auf vertikale Abtaststeuersignale reagiert, um die Zeilenleitungen des in 2 dargestellten APS-Felds 201 zu treiben.
  • Die CDS-Schaltung 203 ist mit Spaltenleitungen des APS-Felds 201 verbunden und arbeitet gesteuert von digitalen Steuersignalen SH1 und SH2. Die Funktionsweise der CDS-Schaltung 203 ist dem Fachmann geläufig. Kurz gesagt versorgen die dargestellten Transistoren, deren Gates mit dem Steuersignal SH1 verbunden sind, die Bitleitungen mit einer Vorspannung, während die dargestellten Transistoren, deren Gates mit dem Steuersignal SH2 verbunden sind, die Zeilenleitungen des APS-Felds 201 während eines Lesevorgangs auswählen.
  • Durch die Rampensteuerschaltung 205 wird eine Rampenspannung Vramp angelegt. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Rampensteuerschaltung 205 allgemein einen Rücksetzblock 205a, einen Rampenspannungsgenerator 205b und eine Steigungssteuerschaltung 205c.
  • Der Rücksetzblock 205a der Rampensteuerschaltung 205 umfasst einen Transistor 301 und reagiert auf ein Rampenrücksetztaktsignal RAMP_RST_CLK, um die Rampenspannung auf eine Vorspannung Vbias zurückzusetzen.
  • Die Steigungssteuerschaltung 205c umfasst eine Kette von Widerständen 304, 305 und 306, entsprechende Überbrückungstransistoren 307, 308 und 309 und einen als Diode verschalteten Transistor 310. Ein Rampensteigungssteuersignal RAMP_SLOPE_CTRL wird an die Gates der Überbrückungstransistoren 307 bis 309 angelegt, um den Pegel einer Gatespannung zu setzen, welche an den Rampenspannungsgenerator 205b angelegt wird.
  • Die durch die Steigungsteuerschaltung 205c gesetzte Gatespannung wird an das Gate eines Transistors 302 des Rampenspannungsgenerators 205b angelegt. Wie aus 2 ersichtlich ist, überbrückt der Transistor 302 ein kapazitives Element 303, wobei der Überbrückungswiderstand von der an den Transistor 302 angelegten Gatespannung abhängig ist. Auf diese Weise kann die Entladesteigung der Rampenspannung Vramp gesteuert werden.
  • Der ADC 204 umfasst allgemein eine Mehrzahl von Komparatoren 204a. Jeder Komparator 204a vergleicht eine Zeilenleitungsspannung V0 bis Vn-1 mit der Rampenspannung Vramp, um ein Vergleichssignal C0 bis Cn-1 auszugeben. Jedes Vergleichssignal C0 bis Cn-1 weist abhängig davon, ob die entsprechende Zeilenleitungsspannung V0 bis Vn-1 niedriger oder höher als die Rampenspannung Vramp ist, einen hohen oder niedrigen logischen Pegel auf.
  • Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, werden ein Zählersignal COUNTER und die Vergleichssignale C0 bis Cn-1 an entsprechende Zwischenspeicherschaltungen (Latch) angelegt, welche in einem Zwischenspeicherblock 206 angeordnet sind. Der Zwischenspeicherblock 206 arbeitet gesteuert von der horizontalen Abtastschaltung 207 als Schieberegister, dessen Timing, d.h. Zeitsteuerung, von einem Abtasttaktsignal SCAN_CLK gesteuert wird. Die vom Zwischenspeicherblock 206 erzeugten Daten werden temporär im Pufferblock 208 gespeichert und dann als Ausgabedaten DATA_OUT ausgegeben.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf das Zeitablaufdiagramm von 3 die Art beschrieben, wie die Rampensteuerschaltung 205 und der ADC 204 verwendet werden, um die Zeilenleitungsspannungen des aktiven Pixelsensorfelds 201 zu lesen. Zur Vereinfachung zeigt 3 die Funktionsweise, welche mit der ersten Zeilenleitung des APS-Felds 201 assoziiert ist, die mit dem ersten Komparator 204a des ADC 204 verbunden ist.
  • Vor der Aktivierung des Steuerfreigabesignals CTN_EN, das in 2 nicht dargestellt ist, ist das Rampenrücksetztaktsignal RAMP_RST_CLK auf hohem Logikpegel. Daher ist der Transistor 301 der Rücksetzschaltung 205a leitend geschaltet und die Rampenspannung Vramp liegt auf dem Pegel der Vorspannung Vbias. Dann wird das Steuerfreigabesignal CTN_EN aktiviert, das Rampenrücksetztaktsignal RAMP_RST_CLK nimmt den niedrigen Logikpegel an und das Zählersignal COUNTER wird aktiviert. Dadurch wird der Transistor 301 sperrend geschaltet und die Rampenspannung Vramp fällt mit einer Steigung ab, welche mit der durch das kapazitive Element 303 und den Transistor 302 bestimmten Entladungsrate korrespondiert. Die Ausgabe des Komparators 204a nimmt den hohen Logikpegel an, wenn die Rampenspannung Vramp unter die Bitleitungsspannung V0 abfällt, wobei die Zählerzwischenspeicherdaten zu diesem Zeitpunkt gehalten werden. Daher repräsentiert der Zählerwert die Bitleitungsspannung V0, wie dem Fachmann klar.
  • Die verschiedenen oben beschriebenen Steuer- und Taktsignale werden über die digitale Schnittstelle 500 vom Bildverarbeitungschip 400 zugeführt, wie in 1 schematisch angedeutet.
  • 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Realisierung des jeweiligen aktiven Pixels aus 2. Eine Fotodiode PD des aktiven Pixels erfasst einfallendes Licht und wandelt das erfasste Licht in eine elektrische Ladung um. Die elektrische Ladung wird von der Fotodiode PD über einen Übertragungstransistor TR1 selektiv zu einem floatenden Diffusionsbereich FD übertragen. Der Übertragungstransistor TR1 wird von einem Übertragungsgatesignal TG gesteuert. Der floatende Diffusionsbereich FD ist mit einem Gate eines Treibertransistors TR3 verbunden, welcher als Sourcefolgerverstärker zum Puffern einer Ausgabe spannung wirkt. Die Ausgabespannung wird über einen Auswahltransistor TR4 selektiv zu einer Ausgabeleitung VOUT übertragen, d.h. zu einer Zeilenleitung des APS-Felds 201 aus 2. Der Auswahltransistor TR4 wird von einem Auswahlsignal SEL gesteuert. Ein Rücksetztransistor TR2 wird von einem Rücksetzsignal RG gesteuert und setzt im floatenden Diffusionsbereich FD gesammelte Ladungen auf einen Referenzpegel, z.B. auf VCC, zurück.
  • 5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer modifizierten Realisierung des jeweiligen aktiven Pixels aus 2. In diesem Fall wird die elektrische Ladung von der Fotodiode PD direkt an das Gate des Treibertransistors TR3 angelegt. Wie im Beispiel von 4 wird die Ausgabespannung über den Auswahltransistor TR4, der vom Auswahlsignal SEL gesteuert wird, selektiv zur Ausgabeleitung VOUT übertragen. Ebenfalls wird, wie im Beispiel von 4, der Rücksetztransistor TR2 vom Rücksetzsignal RG gesteuert, um von der Fotodiode PD gesammelte Ladungen auf den Referenzpegel, z.B. VCC, zurückzusetzen.
  • Die Schaltung mit vier Transistoren gemäß 4 und die Schaltung mit drei Transistoren gemäß 5 repräsentieren nicht alle möglichen Konfigurationen der aktiven Pixel, welche in erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden können. Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen aktiven Pixelstrukturen beschränkt, so dass auch andere Konfigurationen realisiert werden können, z.B. eine Konfiguration mit fünf Transistoren.
  • Wie oben ausgeführt ist, wird die elektrische Kommunikation zwischen dem Bildaufnahmechip 200 und dem ISP 400 unter Verwendung der digitalen Schnittstelle 500 bereitgestellt. Dies wird im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Ausbilden der CDS 203, der Rampensteuerschaltung 205, des ADC 204, der Zwischenspeicherschaltung 206 und des Ausgabepuffers 208 auf dem gleichen Halbleiterchip 200 wie das APS-Feld 201 umgesetzt. Die Analog/Digital-Wandlung der Ausgabe des APS-Felds 201 wird auf dem Chip 200 ausgeführt. Dadurch kann eine digitale Signalübertragung zwischen den Chips 200 und 400 mit einer niedrigeren Frequenz als eine analoge Signalübertragung durchgeführt werden. Daher ermöglicht die Erfindung eine effektive Reduzierung von Datenverzerrungen und Rauschproblemen und damit eine erhöhte Auflösung des CIS-Bauelements.
  • Zudem können die Bauelemente der aktiven Pixelsensoren des APS-Felds 201 sämtlich als Transistoren entweder vom N-Kanaltyp oder vom P-Kanaltyp ausgeführt werden, wobei im Hinblick auf die Transistorgeschwindigkeit Transistoren vom N-Kanaltyp vorzuziehen sind. Für den Fall, dass jedes aktive Pixel gemäß 4 konfiguriert ist, sind beispielsweise die Transistoren TR1 bis TR4 von jedem aktiven Pixel des gesamten APS-Felds 201 alle als Transistoren vom N-Kanaltyp oder alle als Transistoren vom P-Kanaltyp ausgeführt. Entsprechend sind für den Fall, dass jedes aktive Pixel gemäß 5 ausgeführt ist, die Transistoren TR2 bis TR4 von jedem aktiven Pixel des gesamten APS-Felds 201 alle als Transistoren vom N-Kanaltyp oder alle als Transistoren vom P-Kanaltyp ausgeführt. Die CMOS-Herstellung ist nicht ideal an die Ausbildung des APS-Felds 201 angepasst. Daher wird die Herstellung des CIS durch die Ausführung des gesamten APS-Felds 201 mit entweder nur N-Kanal- oder nur P-Kanal-Bauelementen flexibler.
  • Optional kann der gesamte Chip 200 aus lediglich N-Kanal- oder lediglich P-Kanal-Bauelementen aufgebaut werden, wodurch die Flexibilität des Herstellungsprozesses weiter vergrößert wird.
  • Der Bildverarbeitungschip 400 kann andererseits in herkömmlicher CMOS-Technologie gebildet werden.
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils eines entsprechenden Bildverarbeitungschips für den Fall, dass die Transistoren von jedem aktiven Pixel sämtlich als Transistoren vom N-Kanaltyp ausgeführt sind. Unter Bezugnahme auf 6 umfasst der Bildaufnahmechip 200 in diesem Fall ein n-leitendes Substrat 331, d.h. vom N-Typ, welches einen aktiven Pixelsensorbereich (APS-Bereich) 330a und einen peripheren Schaltungsbereich 330b umfasst. Der APS-Bereich 330a umfasst das APS-Feld 201 des Bildaufnahmechips 200 gemäß 2, während der periphere Schaltungsbereich andere Elemente des Bildaufnahmechips 200 enthält. Der periphere Schaltungsbereich 330b umfasst beispielsweise die CDS 203, den ADC 204 und/oder die Rampensteuerschaltung 205 von 2.
  • 6 zeigt einen Teil des vorher beschriebenen aktiven Pixels gemäß 4. Wie aus 6 ersichtlich ist, ist das aktive Pixel im Wesentlichen in einer ersten p-leitenden Mulde 332, d.h. vom P-Typ, des APS-Bereichs 330a angeordnet. Unter gemeinsamer Bezugnahme auf 4 und 6 ist die Fotodiode PD durch einen Fotodiodenbereich N-PD vom N-Typ konfiguriert, welcher unter einer Pinningschicht PPD vom P-Typ in der ersten P-Mulde 332 angeordnet ist. Negative Ladungen werden im N-Fotodiodenbereich N-PD akkumuliert, wenn Licht auf die Oberfläche des Substrats 331 fällt.
  • Der floatende Diffusionsbereich FD vom N-Typ ist zwischen dem Gate des Übertragungstransistors TR1 und dem Gate des Rücksetztransistors TR2 angeordnet. Zusätzlich ist der floatende Diffusionsbereich FD elektrisch mit dem Gate des Treibertransistors TR3 verbunden. Der Treibertransistor TR3 und der Auswahltransistor TR4 sind in Reihe zwischen der Spannung VCC und der Spannung VOUT eingeschleift. Zudem sind, wie dargestellt ist, die Kanäle des Rücksetztransistors TR2, des Treibertransistors TR3 und des Auswahltransistors TR4 in einer zweiten Mulde 333 vom P-Typ angeordnet, die sich innerhalb der ersten P-Mulde 332 befindet. Allgemein weist die zweite P-Mulde 333 eine höhere Störstellenkonzentration als die erste P-Mulde 332 auf.
  • Zur Veranschaulichung zeigt 6 einen NMOS-Transistor, der ein Gatesignal G1 empfängt, und einen PMOS-Transistor, der ein Gatesignal G2 empfängt. Der NMOS-Transistor und der PMOS-Transistor sind beide im peripheren Schaltungsbereich 330b angeordnet und der NMOS-Transistor ist in einer P-Mulde 334 des Substrats 331 vom N-Typ ausgebildet.
  • Wie oben ausgeführt, kann der periphere Schaltungsbereich 330b CMOS-Schaltungen umfassen, wie sie z.B. in 6 dargestellt sind. Alternativ kann der gesamte Bildaufnahmechip, wie ebenfalls oben ausgeführt, aus lediglich N-Kanal- oder lediglich P-Kanal-Bauelementen aufgebaut werden. In diesem Fall kann der periphere Schaltungsbereich 330b aus lediglich N-Kanal- oder lediglich P-Kanal-Bauelementen aufgebaut sein.
  • 7 zeigt schematisch einen weiteren erfindungsgemäßen Bildsensor 1000a. Wie aus 7 ersichtlich ist, umfasst der Bildsensor 1000a in diesem Beispiel einen ersten und einen zweiten Halbleiterchip 200a und 400a, welche operativ über eine digitale Schnittstelle 500a gekoppelt sind. Der erste Chip 200a ist ein Bildaufnahmechip, der Bildsensoren und zugehörige Steuerschaltungen umfasst, während der zweite Chip 400a ein Bildverarbeitungschip ist, der im Wesentlichen Bildsignalverarbeitungs- und Zeitsteuerschaltungen umfasst. Ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, können die Chips 200a und 400a nebeneinander oder übereinander angeordnet werden, beispielsweise auf einer Leiterplatte (PCB) oder dergleichen.
  • Wie weiter aus 7 ersichtlich ist, umfasst der Bildaufnahmechip 200a ein aktives Pixelsensorfeld (APS-Feld) 201, eine korrelierte Doppelab tastschaltung (CDS-Schaltung) 203, einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 204 und eine Rampensteuerschaltung 205.
  • Der Bildverarbeitungschip 400a umfasst einen Bildsignalprozessor (ISP) 402, einen Timinggenerator 401, eine vertikale Abtast-/Treiberschaltung (VSD-Schaltung) 202, eine Zwischenspeicherschaltung 206 und eine horizontale Abtastschaltung (HS) 207. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden digitale Steuersignale über die digitale Schnittstelle 500a vom Bildverarbeitungschip 400a zum Bildaufnahmechip 200a übertragen, und digitale Ausgabesignale Dout werden über die digitale Schnittstelle 500a vom Bildaufnahmechip 200a zum Bildverarbeitungschip 400a übertragen. Die Ausführungsform gemäß 7 unterscheidet sich jedoch von der Ausführungsform von 1 dadurch, dass die vertikale Abtast-/Treiberschaltung (VSD-Schaltung) 202, die Zwischenspeicherschaltung 206 und die horizontale Abtastschaltung (HS) 207 im Bildverarbeitungschip 400a und nicht im Bildaufnahmechip 200a angeordnet sind. Da die Funktionsweise der Ausführungsform gemäß 7 im Wesentlichen gleich der oben beschriebenen Funktionsweise der Ausführungsform gemäß 1 ist, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezüglichen obigen Ausführungsformen zu 1 verwiesen.
  • Die elektrische Kommunikation zwischen dem Bildaufnahmechip 200a und dem ISP 400 wird unter Verwendung der digitalen Schnittstelle 500a bereitgestellt. Wie im Ausführungsbeispiel von 1 wird die Analog/Digital-Wandlung der Ausgabe des APS-Felds 201 auf dem Chip 200a ausgeführt. Dadurch kann eine digitale Signalübertragung zwischen den Chips 200a und 400a mit einer niedrigeren Frequenz als eine analoge Signalübertragung durchgeführt werden. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung auch in diesem Fall eine effektive Reduzierung von Datenverzerrungen und Rauschproblemen und damit eine erhöhte Auflösung des CIS-Bauelements.
  • Wie bei der Ausführungsform von 1 können auch im Beispiel von 7 die Bauelemente der aktiven Pixelsensoren des APS-Felds 201 sämtlich als Transistoren entweder vom N-Kanaltyp oder vom P-Kanaltyp ausgeführt werden, wobei im Hinblick auf die Transistorgeschwindigkeit Transistoren vom N-Kanaltyp vorzuziehen sind. Daher wird die Herstellung auch dieser CIS durch die Ausführung des gesamten APS-Felds 201 mit lediglich N-Kanal- oder lediglich P-Kanal-Bauelementen flexibler.
  • Optional kann der gesamte Chip 200a aus lediglich N-Kanal- oder lediglich P-Kanal-Bauelementen aufgebaut werden, wodurch die Flexibilität des Herstellungsprozesses weiter vergrößert wird.
  • Der Bildverarbeitungschip 400a kann andererseits in herkömmlicher CMOS-Technologie gebildet werden.
  • 8 zeigt ein beispielhaftes prozessorbasiertes System mit einem CMOS-Bildaufnahmebauelement 542, das einen Bildsensor mit aktiven Einheitspixeln entsprechend den oben beschriebenen Beispielen der Erfindung umfasst. Das prozessorbasierte System ist beispielhaft für ein System, welches die Ausgabe eines CMOS-Bildaufnahmebauelements empfängt. Ohne Einschränkung können solche Systeme als Computersystem, Kamerasystem, Abtastsystem, maschinelles Bilderkennungssystem, Fahrzeugnavigationssystem, Videotelefon, Überwachungssystem, Autofokussystem, Sternverfolgungssystem, Bewegungserkennungssystem, Bildstabilisierungssystem, Mobiltelefon usw. ausgeführt sein, welche alle die vorliegende Erfindung nutzen können.
  • Unter Bezugnahme auf 8 umfasst dieses prozessorbasierte System im Wesentlichen eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 544, z.B. einen Mikroprozessor, welche über einen Bus 552 mit einem Eingabe- /Ausgabebauelement (I/O-Bauelement) 546 kommuniziert. Das CMOS-Bildaufnahmebauelement 542 erzeugt ein Ausgabebild aus Signalen, die von einem aktiven Pixelfeld eines Bildsensors zugeführt werden, und kommuniziert ebenfalls über den Bus 552 oder eine andere Kommunikationsverbindung mit dem System. Zudem kann das System einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM) 548 umfassen und im Falle eines Computersystems können periphere Einheiten wie ein Flashspeicherkartenschlitz 554 und eine Anzeige 556 vorhanden sein, welche ebenfalls über den Bus 552 mit der CPU 544 kommunizieren. Zudem können der Prozessor 544, das CMOS-Bildaufnahmebauelement 542 und der Speicher 548 optional in einem einzigen integrierten Schaltungschip (IC-Chip) integriert sein.

Claims (14)

  1. Halbleiterbildaufnahmechip mit – einem Chipsubstrat (331), – einem aktiven Pixelsensor (APS) mit einem Feld (201) aktiver Pixel, die Transistoren (TR1 bis TR4) aufweisen, – einem digitalen Eingang/Ausgang und – einer Mehrzahl von Steuerschaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Transistoren (TR1 bis TR4) des aktiven Pixelfelds (201) sämtlich Transistoren entweder vom N-Typ oder vom P-Typ sind und – wenigstens eine der Steuerschaltungen unter der Steuerung eines Timingsignals arbeitet, das extern an den digitalen Eingang/Ausgang anlegbar ist.
  2. Halbleiterbildaufnahmechip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (TR1 bis TR4) des aktiven Pixelsensors (APS) sämtlich Transistoren vom N-Typ sind.
  3. Halbleiterbildaufnahmechip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Transistoren der Steuerschaltungen sämtlich Transistoren vom N-Typ sind.
  4. Halbleiterbildaufnahmechip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Transistoren der Steuerschaltungen sowohl Transistoren vom N-Typ als auch solche vom P-Typ umfassen.
  5. Halbleiterbildaufnahmechip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen einen Analog/Digital-Wandler (204) umfassen, welcher operativ zwischen dem aktiven Pixelsensor (APS) und dem digitalen Eingang/Ausgang angeordnet ist.
  6. Halbleiterbildaufnahmechip nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (TR1 bis TR4) des aktiven Pixelsensors (APS) sämtlich Transistoren vom N-Typ sind und Transistoren des Analog/Digital-Wandlers (204) sämtlich Transistoren vom N-Typ sind.
  7. Halbleiterbildaufnahmechip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen folgende Komponenten umfassen: – eine korrelierte Doppeltabtastschaltung (203), welche Spannungen des aktiven Pixelsensors (APS) abtastet, – eine Rampensteuerschaltung (205), welche eine Rampenspannung (Vramp) steuert, – einen Analog/Digital-Wandler (204), welcher gesteuert von der Rampenspannung die von der korrelierten Doppelabtastschaltung (203) abgetasteten Spannungen in korrespondierende digitale Signale konvertiert, – eine horizontale Abtastschaltung (207), – eine Zwischenspeicherschaltung (206), welche die vom Analog/Digital-Wandler (204) ausgegebenen digitalen Signale gesteuert von der horizontalen Abtastschaltung (207) zwischenspeichert, und – einen Ausgabepuffer (208), welcher eine Ausgabe der Zwischenspeicherschaltung (206) puffert und dem digitalen Eingang/Ausgang ein gepuffertes Ausgabesignal (Dout) zur Verfügung stellt.
  8. Halbleiterbildaufnahmechip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen folgende Komponenten umfassen: – eine korrelierte Doppelabtastschaltung (203), welche Spannungen des aktiven Pixelsensors (APS) abtastet, – eine Rampensteuerschaltung (205), welche eine Rampenspannung (Vramp) steuert, und – einen Analog/Digital-Wandler (204), welcher gesteuert von der Rampenspannung die von der korrelierten Doppeltabtastschaltung (203) abgetasteten Spannungen in korrespondierende digitale Signale konvertiert und die digitalen Signale (Dout) dem digitalen Eingang/Ausgang zuführt.
  9. Bildsensorbauelement mit – einem ersten Halbleiterchip (200), der einen aktiven Pixelsensor (APS), einen digitalen Eingang/Ausgang und eine Mehrzahl von Steuerschaltungen umfasst, und – einem zweiten Halbleiterchip (400), dadurch gekennzeichnet, dass – eine digitale Schnittstelle (500) vorgesehen ist, die operativ zwischen dem digitalen Eingang/Ausgang des ersten Halbleiterchips (200) und dem zweiten Halbleiterchip (400) eingeschleift ist, und – der erste Halbleiterchip ein Halbleiterbildaufnahmechip (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist und/oder der zweite Halbleiterchip (400) einen Timinggenerator (401) aufweist, welcher ein Timingsignal dem digitalen Eingang/Ausgang des ersten Halbleiterbildchips (200) zur Verfügung stellt, und/oder einen Bildverarbeitungsschaltungsaufbau zur Ausgabe von Steuersignalen über die digitale Schnittstelle (500) an den ersten Halbleiterchip (200) umfasst,
  10. Bildsensorbauelement mit – einem ersten Halbleiterchip (200) mit einer Bildabtastschaltung, die einen aktiven Pixelsensor (APS) mit einem aktiven Sensorfeld (201) und einen Analog/Digital-Wandler (204) umfasst, und – einem zweiten Halbleiterchip (400) mit einem Bildsignalverarbeitungsschaltungsaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass – eine digitale Schnittstelle (500) vorgesehen ist, die den ersten Halbleiterchip (200) elektrisch mit dem zweiten Halbleiterchip (400) verbindet, und – Transistoren (TR1 bis TR4) des aktiven Sensorfelds (201) und des Analog/Digital-Wandlers (204) sämtlich Transistoren vom gleichen Leitungstyp sind.
  11. Bildsensorbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen einen Analog/Digital-Wandler (204) umfassen, welcher operativ zwischen dem aktiven Pixelsensor (APS) und dem digitalen Eingang/Ausgang angeordnet ist.
  12. Bildsensorbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterchip (400) einen Timinggenerator (401) umfasst.
  13. Bildsensorbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (TR1 bis TR4) des aktiven Sensorfelds (201) und des Analog/Digital-Wandlers (204) sämtlich Transistoren vom N-Typ sind.
  14. Bildbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterchip (400a) folgende Komponenten umfasst: – eine horizontale Abtastschaltung (207) und – eine Zwischenspeicherschaltung (206), welche die über die digitale Schnittstelle (500a) vom Analog/Digital-Wandler (204) ausgegebenen digitalen Signale gesteuert von der horizontalen Abtastschaltung (207) zwischenspeichert.
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