DE60212328T2

DE60212328T2 - Verbesserung in aktiven Bildsensoren

Info

Publication number: DE60212328T2
Application number: DE60212328T
Authority: DE
Inventors: Robert Henderson; Jed Hurwitz
Original assignee: STMicroelectronics Ltd Great Britain; SGS Thomson Microelectronics Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Ltd Great Britain
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2022-04-06
Also published as: US7253837B2; DE60212328D1; EP1351492B1; EP1351492A1; US20040027470A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Aktivpixel-Bildsensoren, die zur Implementierung in CMOS-Technologie geeignet sind.
Wie wohl bekannt ist, weisen Bildsensoren dieser Art den Vorteil auf, dass sie im Gegensatz zu CCD-Bildsensoren, die spezielle Herstellungseinrichtungen erfordern und typischerweise wegen des Bereichs der erforderlichen Energiequellen als Mehrfachchips implementiert werden, durch herkömmliche CMOS-Technologie als einzelne Chips gefertigt werden können.
Die Qualität der durch Aktivpixel-CMOS-Sensoren produzierten Bilder ist jedoch schlechter als die der CCD-Vorrichtungen. Ein Grund hierfür ist die Anwesenheit von Fliegengittereffekt (Fixed Pattern Noise = FPN), das Pixel-zu-Pixel-FPN und vertikales FPN umfasst. FPN ist insbesondere vorhanden, wenn Doppelstichprobenprüfung (die manchmal als korrelierte Doppelstichprobenprüfung bezeichnet wird) verwendet wird, um andere Geräuschquellen zu reduzieren.
US 6,115,066 offenbart einen CMOS-Bildsensor, der mit korrelierter Doppelstichprobenprüfung des Pixels bereitgestellt wird, wobei die erste Probe stellvertretend für den Rücksetzgrad ist und die zweite Probe indikativ für die Menge an Licht ist, die auf dem bestimmten Pixel augenblicklich vorliegt. Die erste Probe wird von der zweiten Probe subtrahiert, um eine Pixelausgangsspannung bereitzustellen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, FPN in Aktivpixel-Doppelstichprobenprüfungsbildsensoren zu reduzieren.
Die Erfindung stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Bildsensor gemäß Anspruch 7 bereit.
Bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein Schaltbild eines Teils eines Bildsensors ist;
2 ein Zeitsteuerungsschaubild ist, das eine Betätigung des Stands der Technik der Schaltung aus 1 darstellt; und
3 ein ähnliches Schaubild ist, das die Betätigung der Schaltung aus 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
1 zeigt ein Pixel 10 einer bekannten Dreitransistorpixelmatrix. Jedes Pixel beinhaltet eine photoempfindliche Diode 12 und Transistoren M1, M2, M3. Eine Rücksetzspannung wird in dieser Ausführungsform auf der Linie VRT pro Spalte zugeführt, aber horizontale VRT-Linien können ebenfalls verwendet werden.
Jede Spalte weist eine Ausgangsschaltung 14 auf, die mit der Spalte über die Linie Vx verbunden ist und Doppelstichprobenprüfungskondensatoren Cs umfasst. Eine Stromquelle zieht einen I-Bias-Strom durch den Pixelquellenfolgerpufferverstärker 16.
2 zeigt die Zeitsteuerung, die erforderlich ist, um diese Schaltung in einem typischen rollenden Blendenbelichtungsmodus zu betätigen. Die Spannung Vpix des Pixels 10 wird periodisch durch das Pulsieren des Rücksetzungshochs auf die Referenzspannung VRT zurückgesetzt. Wenn das Pixel 10 von der Rücksetzung freigesetzt wird, beginnt es mit der Integration von photogeneriertem Strom auf der Kapazität der Photodiode 12.
Das Lichtsignal wird nach einer gewissen Belichtungszeit erfasst. Das Lesesignal geht hoch und das Signal CDSSIG pulsiert, wodurch eine Probe des Quellenfolger-Ausgangs (Vpix – Vgsn) als Vsig genommen wird, wobei Vgsn das Gate-Source-Reset-Noise des Transistors M3 ist. Das Pixel 10 wird durch das erneute Pulsieren der Rücksetzung zurückgesetzt, und eine zweite Probe wird durch das Pulsieren von CDSBLK genommen. Die Spannung (VRT – Vgsn) wird als Vblk genommen. Das Differenzsignal Vdiff = (Vblk – Vsig) = (VRT – Vpix) wird dann durch den Rest des Ausleseschaltkreises (nicht gezeigt) verarbeitet.
Vdiff entfernt die Vorgangsvariationen von Vgsn zwischen Pixeln, die aus der Variation von Vtn in Transistoren M3 hervorgerufen werden. Um den photoempfindlichen Bereich des Sensors zu maximieren, befinden sich die in dem Pixel verwendeten Transistoren nahe der durch den Herstellungsvorgang erlaubten Mindestgröße. Die Vtn-Variation ist bekannterweise invers proportional zu der Quadratwurzel des Gatterbereichs. Standardabweichungen von mehreren zehn Milllivolt sind typisch.
Das Layout der Spaltenschaltungselemente wird herkömmlicherweise innerhalb einen zu den Pixeldimensionen passenden Abstand, typischerweise ungefähr 5 μm in gegenwartigen Halbleitervorgängen, ausgeführt. Die Dichte eines derartigen Layouts bedeutet, dass einige Parasitärkapazität zwischen den oberen Platten der Probenkapazitäten Cs unvermeidbar ist. Diese Parasitärkapazität wird in 1 als Cp angezeigt. Die Wirkung der Parasitärkapazität Cp auf die abgetasteten Spannungen wird nun analysiert.
Es sei angenommen, dass zu einer Zeit vor dem Auftreten der CDSSIG- und CDSBLK-Pulse Vsig und Vblk durch irgendein Mittel zu einer Spannung Vprch vorgeladen werden. CDSSIG pulsiert und bringt Vsig zu (Vpix – Vgsn). Der auf die Kapazität Cp angewendete Spannungsschritt ist (Vpix – Vgsn – Vprch), was verursacht, dass die obere Platte von Vblk auf folgende Spannung wechselt: Vblk = Vprch + Cp/Cs (Vpix – Vgsn – Vprch)
Während der CDSBLK-Phase ändert sich die Vblk-Spannung auf (VRT – Vgsn). Der Spannungsschritt auf die Kapazität Cp ist (VRT – Vgsn – Vprch – Cp/Cs(Vpix – Vgsn – Vprch)). Dies wird auf Vsig übertragen, die nicht länger durch das Pixel angetrieben wird. Unter Vernachlässigung der Ausdrücke in Cp²/Cs² ist die resultierende Spannung auf Vsig Vsig = (Vpix – Vgsn – Vprch) + Cp/Cs(VRT – Vgsn – Vprch)
Die Differenzspannung Vdiff ist dann Vdiff = (Vblk – Vsig) = VRT – Vpix – Cp/Cs(VRT – Vgsn – Vprch)
Der Fehlerausdruck Cp/Cs Vgsn weist eine von dem Vorgang abhängige Verteilung von bis zu mehreren Millivolt abhängig von Layout und Vt-Verstreuung auf. Dies steuert ein Pixel-zu-Pixel-FPN bei, was wichtig sein kann. Wenn Vprch zwischen den Spalten variiert, dann kann aus dem Ausdruck Cp/CsVprch eine vertikale FPN resultieren.
Die vorliegende Erfindung mindert dieses Problem durch Ändern der Zeitsteuerung, wobei eine Ausführungsform in 3 zu sehen ist.
CDSSIG und CDSBLK werden miteinander pulsiert, was beide Kondensatoren Cs bis (Vpix – Vgsn) vorlädt. Während des zweiten Zyklus pulsiert CDSBLK und lädt das aufladende Vblk zu (VRT – Vgsn) auf. Der Spannungsschritt über Cp ist nun (VRT – Vgsn) – (Vpix – Vgsn) = VRT – Vpix
Der Fehler wird an Vsig übertragen als Vsig = Vpix – Vgsn + Cp/Cs(VRT – Vpix)
Die durch die Auslesung verarbeitete Spannungsdifferenz ist Vdiff = (Cs + Cp)/Cs(VRT – Vpix)
Dies stellt einen kleinen Verstärkungsfehler für das ganze Bild statt für eine FPN-Quelle dar.
Ähnliche Zeitsteuerung kann an jede beliebige aktive Pixelmatrix unter Verwendung von Doppelstichprobenprüfung oder Doppellesung mit Speicherung oder Probenkondensatoren angewendet werden.
In einem Bildsensor kann unter Verwendung von verstifteten Viertransistor-Fotodiodenpixeln, wobei jeder Transistor ein Transfergatter umfasst, das gleiche Ergebnis erreicht werden:

(a) Anwenden eines Pixelrücksetzwerts an beide Kondensatoren,
(b) Anwenden einer Transfergatterspannung an das Pixel, um eine Pixelauslesespannung zu erhalten, und
(c) Anwenden der Pixelauslesespannung an einen der Kondensatoren.

Die Ausleseschaltung ist von der obigen Ausführungsform unverändert; nur die dann zurückgesetzte Sequenz des Signals wird umgekehrt. Dies entspricht dem Austausch von CDSSIG und CDSBLK in dem Zeitsteuerungsschaubild aus 3. Die Zeitsteuerung des Pixelrücksetzsignals würde kurz vor dem ersten Impuls von CDSSIG/CDSBLK auftreten, und ein Transfergatterimpuls würde zwischen dem ersten und dem zweiten CDSSIG-Impuls auftreten.
Die Erfindung ermöglicht folglich die Minderung von Fliegengittereffekt (Fixed Pattern Noise = FPN), das durch Varianzen in Schaltungselementen verursacht wird, die aus verfügbaren Herstellungsprozessen stammen. Simulationen legen nahe, dass die erzielbare Minderung die Produktion von CMOS-Aktivpixelsensoren, die eine mit CCD-Vorrichtungen vergleichbare Bildqualität ergeben würden, ermöglichen würde.

Claims

Ein Verfahren zum Betätigen eines Bildsensors, wobei der Bildsensor eine Matrix von aktiven Pixelelementen mit Pixelschaltmitteln (M1, M2) beinhaltet, die es ermöglichen, den Pixelzustand zu verändern, um einen ersten Pixelwert und einen zweiten Pixelwert bereitzustellen, wobei jede Pixelspalte eine Ausgangsschaltung (14) aufweist, die ein Paar Probenkondensatoren (Cs) und Probenschaltmittel beinhaltet, die in Verbindung mit den Pixelschaltmitteln (M1, M2) betätigbar sind, um an die Probenkondensatoren (Cs) Pixelspannungen anzulegen; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte beinhaltet: (a) Betätigen der Probenschaltmittel, um den ersten Pixelwert gleichzeitig auf beide Probenkondensatoren (Cs) anzuwenden; (b) Verändern des Pixelzustands; (c) Betätigen der Probenschaltmittel, um den zweiten Pixelwert auf einen der Kondensatoren (Cs) anzuwenden; und (d) Nutzen der Differenz der entstehenden Spannungen an den Kondensatoren (Cs) als Bildwert für das Pixel.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Pixelwert ein Lichtsignalwert ist, der zweite Pixelwert ein Rücksetzwert ist, und das Verändern des Pixelzustands das Anlegen einer Rücksetzspannung beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Pixel Dreitransistorpixel sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Pixelwert ein Rücksetzwert ist, der zweite Pixelwert ein Lichtsignalwert ist und das Verändern des Pixelzustands das Anlegen einer Transfergatterspannung an das Pixel beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Pixel verstiftete Fotodiodenpixel sind.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei Schritt (a) am Ende eines Zeitabstands vom Freisetzen des Pixels von einem vorherigen Rücksetzen ausgeführt wird, wobei der Zeitabstand so ausgewählt wird, dass er einen gewünschten Belichtungszeitraum bestimmt.
Ein Bildsensor, der eine Matrix von aktiven Pixelelementen beinhaltet, wobei jede Pixelspalte eine Ausgangsschaltung aufweist, die ein Paar Probenkondensatoren (Cs) und Probenschaltmittel beinhaltet, die die Probenkondensatoren (Cs) mit einer Spaltenausgangsleitung (Vx) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor ferner Zeitsteuerungsmittel beinhaltet, die angeordnet sind, um die Probenschaltmittel zu betätigen, um einen ersten Pixelwert gleichzeitig auf beide Probenkondensatoren (Cs) anzuwenden, um eine Spannung anzulegen, die den Pixelzustand verändert, und um die Schaltmittel zu betätigen, um einen zweiten Pixelwert auf einen der Probenkondensatoren (Cs) anzuwenden, und Differenziermittel beinhaltet, denen es ermöglicht ist, die Differenz der entstehenden Spannungen auf die Probenkondensatoren (Cs) als Bildwert für das Pixel zu nutzen.
Bildsensor gemäß Anspruch 7, wobei der Bildsensor eine Festkörper-CMOS-Vorrichtung ist.
Bildsensor gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei jedes Pixel ein Dreitransistorpixel ist, und wobei der erste Pixelwert ein Lichtsignalwert ist, die angelegte Spannung eine Rücksetzspannung ist und der zweite Pixelwert ein Rücksetzwert ist.
Bildsensor gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei jedes Pixel ein verstiftetes Viertransistor-Fotodiodenpixel ist, das ein Transfergatter aufweist, und wobei der erste Pixelwert ein Rücksetzwert ist, die angelegte Spannung eine an das Transfergatter angelegte Transferspannung ist und der zweite Pixelwert ein Lichtsignalwert ist.