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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich der Halbleiterbildsensoren
und insbesondere aktive Pixelsensoren (APS).
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APS
sind Halbleiterbildwandler, bei denen jedes Pixel ein Lichtsensormittel,
Ladungs-Spannungs-Umwandlungsmittel, Rücksetzmittel und sämtliche
oder einige Teile eines Verstärkers
beinhaltet. Diese haben einige Vorteile gegenüber ladungsgekoppelten Bildwandlern
(CCD), u. a. einheitlicher Betrieb mit 5 V Versorgungsspannung,
X-Y-Adressierbarkeit und Signalverarbeitung auf dem Chip.
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APS
sind Halbleiterbildwandler, bei denen jedes Pixel ein Lichtsensormittel,
Ladungs-Spannungs-Umwandlungsmittel, Rücksetzmittel und sämtliche
oder einige Teile eines Verstärkers
beinhaltet. Wegen des Konzepts, das zum Rücksetzen der Pixel dient, werden
APS-Vorrichtungen bislang in einer Weise betrieben, bei der jede
Zeile oder Reihe des Bildwandlers in einem anderen Zeitintervall
als die übrigen
Zeilen oder Reihen integriert, rückgestellt und
ausgelesen wird. Wenn man den gesamten Bildwandler auslesen würde, würde jede
Zeile die Szene zu einem anderen Zeitpunkt erfasst haben. Da die Lichtbedingungen
möglicherweise
oder tatsächlich vorübergehend
schwanken, und da sich zudem Motive in der Szene möglicherweise
bewegen, kann dieses Leseverfahren Zeilenartefakte in der resultierenden
Darstellung des Bildwandlers erzeugen. Dies schränkt die Verwendbarkeit von
APS-Vorrichtungen in Anwendungen ein, in denen hochwertige Bewegt- oder
Stehbilder erforderlich sind.
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Zudem
macht es dieses Arbeitsverfahren (Rücksetzen und Auslesen jeweils
einer Zeile) erforderlich, dass jede Spalte der Vorrichtung einen
separaten Klemm- und einen Abtastverstärker aufweist. Es ist häufig die
physische Größe dieses
Verstärkers in
dem verwendeten Herstellungsprozess dieser Vorrichtung, die die
Pixelgröße des Sensors
beschränkt. Um
hoch auf lösende
APS-Vorrichtungen mit kleinen Pixeln zu bauen, ist es notwendig, sub-μm-CMOS-Prozesse zu verwenden,
um dieselbe Auflösung
und Empfindlichkeit der APS-Vorrichtung im Vergleich zu einem standardmäßigen, ladungsgekoppelten
Sensor (CCD) zu erzielen. Die kleinste Pixelgröße einer APS-Vorrichtung beträgt üblicherweise
das 15-fache bis 20-fache der kleinsten Merkmalsgröße der verwendeten
Prozesstechnologie, verglichen mit dem 5-fachen bis 10-fachen für eine CCD-Vorrichtung.
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Aus
der vorausgehenden Erörterung
sollte deutlich werden, dass in der Technik Bedarf nach APS-Vorrichtungen
zur Bereitstellung eines Rücksetzmechanismus
besteht, der die Fähigkeit
bietet, alle Pixel gleichzeitig zurückzusetzen, ebenso wie wahlweise
jeweils ein Pixel zurückzusetzen.
Zudem besteht in der Technik Bedarf nach einem Schaltungsentwurf,
der simultane und gleiche Integrationszeiten jedes Pixels bereitstellt
und die Verwendung eines einzigen Klemm- und Abtastverstärkers pro Vorrichtung
anstatt pro Spalte ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemeinen den Bereich der Halbleiterfotosensoren
und -bildwandler, insbesondere Bildwandler, die als aktive Pixelsensoren
(APS) nach Anspruch 1 und 3 bezeichnet werden. Sie besteht aus einer
neuen Pixelarchitektur und einem neuen Rücksetzverfahren, das die Fähigkeit
verleiht, die gesamte Vorrichtung, jeweils eine Reihe oder beliebige
einzelne Pixel separat zurückzusetzen.
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1 zeigt
ein APS-Pixel nach dem Stand der Technik. Die Pixel sind in einem
Array (X-Spalten und Y-Reihen) angeordnet, um einen Bildsensor zu bilden.
Das einfallende Licht erzeugt in dem Fotodetektor Elektronen. Diese
Elektronen werden auf die Floating Diffusion (gleitender Diffusor) übertragen, die
mit dem Gate von SIG verbunden ist. Dieses Signal wird ausgelesen,
indem die gewünschte
Reihe ausgewählt
wird (wobei das gewünschte
Reihenauswahlsignal eingeschaltet wird, indem eine „Einschalt-Spannung" an das Gate des
Reihenauswahltransistors angelegt wird), und indem dann jede Spalte
separat ausgewählt
wird. Der Signalpegel wird in einem Kondensator in einer Klemm-
und Abtastschaltung unten an jeder Spalte gespeichert. Die Floating
Diffusion wird dann zurückgesetzt,
indem der Reset für
diese Reihe eingeschaltet wird, indem die entsprechende Einschalt-Spannung
an das Reset-Gate angelegt wird. Der Rücksetzpegel wird dann in einem
separaten Kondensator in dem Klemm- und Abtastverstärker gespeichert und mit dem
Signalpegel differenziert, wodurch jedes Pixel versetzt gelöscht wird.
Dieser gesamte Vorgang wird für
die verbleibenden Reihen wiederholt, wobei jede Reihe dieselbe Integrationszeit
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Rücksetzmechanismus bereit, der
die Fähigkeit
aufweist, alle Pixel gleichzeitig oder jeweils ein Pixel zurückzusetzen.
Dieser Mechanismus stellt zudem simultane und gleiche Integrationszeiten
für jedes
Pixel bereit. Zudem ermöglicht
der erfindungsgemäße Rücksetzmechanismus
die Verwendung eines einzelnen Klemm- und Abtastverstärkers pro
Vorrichtung anstelle einer separaten Klemm- und Abtastvorrichtung für jede Spalte. 2A und 2B zeigen
zwei physische Ausführungsbeispiele
der neuen Pixelarchitekturen. Andere physische Ausführungsbeispiele sind
möglich.
Diese beiden werden zur Veranschaulichung herangezogen.
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In
der ersten Architektur (in 2A gezeigt) umfasst
das Pixel einen zusätzlichen
Reset-Transistor
mit einem Spalten-Reset-Gate. Das originale Reset-Gate in 1 ist
in der vorliegenden Erfindung ein Reihen-Reset-Gate, wie in 2A dargestellt.
Im Vergleich mit dem Pixel nach dem Stand der Technik ist es ist
mit einem zusätzlichen
Reset-Transistor versehen. In dieser Architektur muss sowohl am
Reihen-Reset-Gate als auch am Spalten-Reset-Gate eine Einschalt-Spannung
anliegen, um das Pixel zurückzusetzen.
Frame-Reset erfolgt durch simultanes Anlegen dieses Einschalt-Signals
an jedes Reihen-Reset-Gate und Spalten-Reset-Gate. Pixelweises Rücksetzen erfolgt, indem das
Spaltenauslesesignal als Spalten-Reset-Gate-Signal verwendet wird und indem das
Reihen-Reset-Gate-Einschaltsignal angelegt wird, nachdem der Signalpegel
des Pixels ausgelesen worden ist. Da das Reset-Signal für das Pixel
unmittelbar nach Auslesen des Signalpegels zur Verfügung steht,
ohne die übrigen
Pixel in dieser Reihe zurückzusetzen,
kann ein einzelner Klemm- und Abtastverstärker verwendet werden. Zudem
wurde eine Frame-Integration durchgeführt.
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2B zeigt
eine weitere Architektur, bei der das Reihen-Reset-Gate an den Drain
des Reset-Transistors
angelegt wird, und bei der das Spalten-Reset-Gate-Signal an das
Gate des Reset-Transistors
angelegt wird. Der Betrieb ist der gleiche wie der zuvor beschriebene,
mit dem Unterschied, dass ein Transistor anstelle von zwei Transistoren
verwendet wird, und dass weniger Fläche als bei der Architektur
in 1A verbraucht wird. Wenn getrennte
digitale und analoge VDD-Busse für
das Pixel nach dem Stand der Technik verwendet werden, hat die Architektur
aus 2B dieselbe Anzahl von Transistoren und Bussen
wie das Pixel nach dem Stand der Technik, so dass keine Einbußen des
Füllfaktors
entstehen, um die pixelweise Rücksetzung
zu erhalten.
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Diese
und weitere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden unter Berücksichtigung
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und
anhängenden
Ansprüche
sowie durch Bezug auf die anliegenden Zeichnungen besser verständlich und
verdeutlicht.
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Die
vorliegende Erfindung weist folgende Vorteile auf: Es wird ein Rücksetzmittel
bereitgestellt, das es ermöglicht,
alle Pixel gleichzeitig sowie pixelweise zurückzusetzen. Dies ermöglicht simultane und
gleiche Integrationszeiten für
jedes Pixel und ermöglicht
die Verwendung eines einzigen Klemm- und Abtastverstärkers pro
Vorrichtung statt pro Spalte.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung eines aktiven Pixelsensors nach dem Stand der Technik;
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2A ein
Diagramm eines aktiven Pixelsensors, welcher das erfindungsgemäße Rücksetzen einzelner
Pixel verwendet; und
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2B ein
alternatives Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Zum
besseren Verständnis
wurden, soweit möglich,
identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen,
die den verschiedenen Figuren gemeinsam sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Halbleiter-Fotosensoren
und -Bildwandler, insbesondere Bildwandler, die als aktive Pixelsensoren
(APS) bezeichnet werden. Sie besteht aus einer neuen Pixelarchitektur
und einem neuen Rücksetzverfahren,
das die Fähigkeit
ver leiht, die gesamte Vorrichtung, jeweils eine Reihe oder beliebige
einzelne Pixel separat zurückzusetzen.
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1 zeigt
ein APS-Pixel 10 nach dem Stand der Technik. Das Pixel 10 umfasst
einen Fotodetektor 11, bei dem es sich entweder um eine
Fotodiode oder ein Foto-Gate handeln kann, ein Transfer-Gate 13,
eine Floating Diffusion 15, einen Reset-Transistor 17 mit
einem Reset-Gate 16,
einen Reihen-Auswahl-Transistor 19 mit einem Reihen-Auswahl-Gate,
und einen Signaltransistor 5. Pixel, wie die in 1 gezeigten,
sind in einem Array (X-Spalten und Y-Reihen) angeordnet, um einen Bildsensor
zu bilden. Der Betrieb der Vorrichtung erfolgt in einer Weise, in
der einfallendes Licht Elektronen in dem Fotodetektor erzeugt. Diese
Elektronen werden dann für
die gewünschte
Reihe auf die Floating Diffusion übertragen, indem das Transfer-Gate 13 für diese
Reihe eingeschaltet wird. Dieses Signal wird ausgelesen, indem die
gewünschte
Reihe ausgewählt
und der gewünschte
Reihen-Auswahl-Transistor eingeschaltet wird, indem eine „Einschalt-Spannung" an das Gate für diesen
Reihen-Auswahl-Transistor 19 angelegt wird. Jede Reihe
für jede
Spalte innerhalb der Matrix wird auf diese Weise separat ausgewählt. Alle übrigen Reihen
werden „ausgeschaltet", indem das entsprechende
Signal an das Gate für
den jeweiligen Reihen-Auswahl-Transistor für diese Reihe angelegt wird.
Wenn eine bestimmte Spalte ausgewählt wird (die Details dieser
Operation sind nicht für
die vorliegende Erfindung relevant), wird das auf dieser Leitung
vorhandene Signal danach ermittelt, welche Reihe ausgewählt ist
(d. h. die Reihe, in der der Reihen-Auswahl-Transistor eingeschaltet
ist). Der Signalpegel wird in einem Kondensator in einer Klemm-
und Abtastschaltung unten an jeder Spalte gespeichert. Nachdem der Signalpegel
gespeichert worden ist, wird die Floating Diffusion 15 zurückgesetzt,
indem die entsprechende Einschaltspannung am Reset-Gate 16 des
entsprechenden Reset-Transistors 17 angelegt wird. Jedes Pixel
in dieser Reihe ist nun zurückgesetzt.
Der Rücksetzpegel
wird dann in einem separaten Kondensator in dem Klemm- und Abtastverstärker gespeichert
und mit dem Signalpegel differenziert, wodurch jedes Pixel versetzt
gelöscht
wird. Die gesamte Operation wird dann für die verbleibenden Reihen wiederholt.
Jede Reihe hat die gleiche Integrationszeit (Zeit zwischen Rücksetzen
und Übertragen), wird
aber zu einem anderen Zeitpunkt als jede der übrigen Reihen integriert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Rücksetzmechanismus bereit, der
die Fähigkeit
aufweist, alle Pixel gleichzeitig oder jeweils ein Pixel zurückzusetzen.
Die Fähigkeit,
alle Pixel zu einer Zeit zurückzusetzen,
ermöglicht
simultane und gleiche Integrationszeiten für jedes Pixel und ermöglicht die
Verwendung eines einzigen Klemm- und Abtastverstärkers pro Vorrichtung statt
pro Spalte. 2A und 2B zeigen
zwei physische Ausführungsbeispiele
der neuen Pixelarchitekturen. Andere physische Ausführungsbeispiele
sind möglich.
Diese beiden werden zur Veranschaulichung herangezogen.
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Es
wird Bezug genommen auf 2A, in der eine erste Architektur
eines aktiven Pixelsensors 20 gezeigt wird, wie von der
vorliegenden Erfindung vorgesehen, der aus einem Fotodetektor 11,
einem Transfer-Gate 13 und einer Floating Diffusion 15 besteht,
wie in 1 gezeigt, und zudem einen zusätzlichen Reset-Transistor mit
einem Spalten-Reset-Gate 28 umfasst. Der originale Reset-Transistor 17 aus
der in 1 gezeigten Vorrichtung nach dem Stand der Technik
wird in der vorliegenden Erfindung als Reihen-Reset-Transistor 27 verwendet,
wie in 2A gezeigt, und weist ein Reihen-Reset-Gate 26 auf.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel
hat einen einzelnen Reihen-Reset-Transistor 27 mit einem
Reihen-Reset-Gate 26 und dem zugehörigen Reihen-Reset-Gate-Bus 25 für jede Reihe
und ein Spalten-Reset-Gate 28 mit einem entsprechenden
Bus für
jede Spalte. Es ist daher ein zusätzlicher Reset-Transistor in
dem Ausführungsbeispiel
vorhanden, wie in 2A gezeigt, verglichen mit dem
zuvor beschriebenen Pixel nach dem Stand der Technik.
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Die
in 2A gezeigte Architektur erfordert, dass sowohl
an dem Reihen-Reset-Gate 26 als auch an dem Spalten-Reset-Gate 28 eine
Einschalt-Spannung anliegt, um das Pixel zurückzusetzen. Frame-Reset erfolgt
durch simultanes Anlegen dieses Einschalt-Spannungs-Signals an sowohl
das Reihen-Reset-Gate 26 als auch an das Spalten-Reset-Gate 28.
Jedes Pixel wird dann für
eine vorbestimmte Zeitdauer integriert und die Signalelektroden werden
zur Floating Diffusion übertragen
und auf dieser gespeichert. Das Auslesen erfolgt durch Auswählen der
gewünschten
auszulesenden Reihe (d. h. Einschalten der entsprechenden Reihenauswahl 19) und
dann Auswählen
der auszulesenden Spalte. Das Spaltenauswahlsignal wird als Spalten-Reset-Gate-Einschaltsignal
genutzt. Der Signalpegel wird in einem Kondensator in einer Klemm-
und Abtastschaltung gespeichert, der unten an der Vorrichtung angeordnet
ist. Die ausgelesene Spalte wird im Multiplexverfahren an den Eingang
des Verstärkers angelegt.
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Nachdem
das Spaltensignal ausgelesen worden ist und das Spaltenauswahlsignal
weiterhin vorhanden ist, wird das Reihen-Reset-Gate 26 eingeschaltet
und das Pixel zurückgesetzt.
Dieser Rücksetzpegel
wird dann auf einem anderen Kondensator in dem Klemm- und Abtastverstärker gespeichert
und mit dem Signalpegel differenziert. Die gleiche Folge läuft mit
dem Rest der Spalten in dieser Reihe ab, da keines der anderen Pixel
bislang zurückgesetzt
worden ist. Dieses pixelweise Rücksetzen
erfolgt, weil das Spalten-Reset-Gate-Signal das Spalten-Lesesignal ist, und
durch anschließendes
Anlegen des Reihen-Reset-Gate-Einschaltsignals nach Auslesen des Signalpegels
des Pixels.
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Da
das Reset-Signal für
dieses Pixel unmittelbar nach Auslesen des Signalpegels zur Verfügung steht,
ohne die übrigen
Pixel in dieser Reihe zurückzusetzen,
kann ein einzelner Klemm- und
Abtastverstärker
verwendet werden. Zudem wurde eine Frame-Integration durchgeführt.
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2B zeigt
eine zweite bevorzugte Architektur, wobei bei dem aktiven Pixelsensor
(APS) 30 ein Reihen-Reset-Gate-Signal 36 an den
Drain des Reset-Transistors 37 angelegt wird, und wobei
das Spalten-Reset-Gate-Signal 38 an das Gate des Reset-Transistors 37 angelegt
wird. Der Betrieb ist der gleiche wie der zuvor für 2B beschriebene,
mit dem Unterschied, dass ein Transistor anstelle von zwei Transistoren
verwendet wird, und dass weniger Fläche als bei der Architektur
in 1 verbraucht wird. Wenn separate digitale und
analoge VDD-Busse für
das Pixel nach dem Stand der Technik verwendet werden, behält die Architektur
aus 2B den Füllfaktor
des Pixels nach dem Stand der Technik bei, während eine zusätzliche
Fähigkeit
bereitgestellt wird.