DE69930206T2 - Photodiode mit aktivem pixelsensor und gemeinsamen reset-und reihenauswahlsignalmitteln - Google Patents

Photodiode mit aktivem pixelsensor und gemeinsamen reset-und reihenauswahlsignalmitteln Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Halbleiter-Photosensoren und -Bildwandler, die als "Active Pixel Sensors" (APS) bezeichnet werden und jedem Pixel zugeordnete, aktive Schaltungselemente aufweisen, insbesondere Halbleiterbildwandler, die Photodioden als 4-Transistor-Pixel mit korrelierter Doppelabtastung (CDS/Correlated Double Sampling) verwenden.
  • Active Pixel Sensors sind Halbleiterbildwandler, in denen jedes Pixel die typischen Halbleiter-Pixelelemente enthält, u.a. lichtempfindliche Mittel, Rückstellmittel, Mittel zur Umwandlung von Ladung in Spannung und zudem alle Teile eines Verstärkers. Die in dem Pixel gesammelte Photoladung wird in dem Pixel in eine entsprechende Spannung oder einen entsprechenden Strom umgewandelt, wie in der Technik in diversen Veröffentlichungen besprochen, z.B. in „Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?", SPIE Band 1900-08-8194-1133 Juli 1993, von Eric Fossum. APS-Vorrichtungen werden bislang in einer Weise betrieben, bei der jede Zeile oder Reihe des Bildwandlers mit einem Spaltenauswahlsignal ausgewählt und dann ausgelesen wird, wie von E. Fossum in "Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?", SPIE Band 1900-08-8194-1133 Juli 1993 und von R. H. Nixon, S. E. Kemeny, C. O. Staller und E. R. Fossum in "128 × 128 CMOS Photodiode-type Active Pixel Sensor with On-chip Timing, Control and Signal Chain Electronics" Proceedings of the SPIE Band 2415, Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V, Papier 34 (1995) beschrieben. Die Auswahl der Reihen und Spalten innerhalb eines Active Pixel Sensors erfolgt analog zur Auswahl von Wörtern und Bits in Speichervorrichtungen. Hier wäre die Auswahl einer ganzen Reihe analog zur Auswahl eines Wortes, und das Auslesen einer der Spalten des Active Pixel Sensors wäre analog zur Auswahl oder Aktivierung einer einzelnen Bit-Zeile innerhalb des Wortes. Herkömmliche Photodioden nach dem Stand der Technik weisen Architekturen mit 4 unterschiedlichen Transistorkonstruktionen auf, wobei die 4 Transistoren (4T) üblicherweise Transistoren für Transfer, Zeilenauswahl, Reset und Sourcefolger (Source Follower Amplifier) sind. Zwar bietet diese Architektur den Vorteil, dass sie Vorrichtungen mit aktiven Pixelsensoren bereitstellt, die eine korrelierte Doppelabtastung durchzuführen vermögen und nur schwaches Leserauschen aufweisen, aber diese 4T-Pixel ermöglichen keinen hohen Füllfaktor. Unter dem Füllfaktor wird der Prozentsatz der Pixelfläche verstanden, der dem Photosensor zugewiesen ist. Da die 4 Transistoren und ihre zugeordneten Kontaktflächen und Signalbusse in jedem Pixel angeordnet sind und da die Kontaktflächen üblicherweise aufgrund der notwendigen Überlagerung und Beabstandung der verschiedenen Schichten einen großen Bereich der Pixelfläche verbrauchen, reduziert sich der Füllfaktor des Pixels aufgrund der großen Fläche, die andernfalls für den Photodetektor verwenden werden könnte. Die Verbindung dieser Komponenten mit dem entsprechenden Timing-Signal erfolgt über Metallbusse, die die gesamte Pixelreihe kreuzen. Diese Metallbusse sind optisch opak und können Bereiche des Photodetektors verdecken, damit sie in die Pixelteilung hineinpassen. Auch dies reduziert den Füllfaktor des Pixels. Eine Reduzierung des Füllfaktors bewirkt eine Reduzierung der Empfindlichkeit und des Sättigungssignals des Sensors. Dies beeinträchtigt die fotografische Empfindlichkeit und den Dynamikbereich des Sensors, also Leistungskriterien, die zur Erzielung einer guten Bildqualität wichtig sind.
  • Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die 3T-Pixel (auf 3 Transistoren basierende Pixel) verwenden, haben einen höheren Füllfaktor als 4T-Pixel, aber diese 3T-Pixel können nicht ohne weiteres korrelierte Doppelabtastungen durchführen. Sensoren, die eine korrelierte Doppelabtastung mit 3T-Pixeln durchführen, lesen üblicherweise zunächst ein Bildfeld, welches einen Rückstellwert für jedes Pixel auf dem Sensor umfasst, aus und speichern es dann. Als nächstes wird ein Signalfeld erfasst und ausgelesen. Der im Speicher gespeicherte Rückstellwert muss dann von dem Signalfeld an jedem Pixel subtrahiert werden, um einen Pixelsignalwert zu erhalten, der in Beziehung zu dem Pixelrückstellwert vor der Integration gesetzt wird. Dies erfordert ein zusätzliches Feld in dem Speicher des Bebilderungssystems sowie einen zusätzlichen Schritt in der digitalen Signalverarbeitungskette, was sich nachteilig auf Geschwindigkeit, Größe und Kosten des System auswirkt.
  • US-A-5 539 461 beschreibt ein Layout für aktive Pixelsensoren, in dem sich benachbarte Reihen einen Signalbus teilen, wodurch eine Reihe von Steuerleitungen für den Betrieb der Pixel elektronik wegfallen kann. EP-A-0 865 197 und JP-A-10 093 070 beschreiben Layouts für aktive Pixelsensoren, die ebenfalls die Anzahl der Steuerleitungen reduzieren.
  • 1 zeigt ein typisches Photodioden-APS-Pixel nach dem Stand der Technik. Das in 1 gezeigte Pixel ist ein 4-Transistor-Pixel, das folgendes umfasst: eine Photodiode (PD), einen Transfer-Transistor (TG); eine Floating-Diffusion (FD); einen Reset-Transistor mit Reset-Gate (RG); einen Reihenauswahl-Transistor mit Reihenauswahl-Gate (RSG); einen Sourcefolger-Eingabesignaltransistor (SIG); einen Reihenauswahl-Signalbus (RSSB); einen Reset-Gate-Signalbus (RGSB) und einen Transfer-Gate-Signalbus (TGSB). Es werden zwei benachbarte Pixel gezeigt, von denen jedes identische, aber getrennte Transistoren und Reihensteuerungs-Signalbusse für RG, TG und RSG umfasst. Wie vorstehend dargelegt, weisen diese 4-Transistor-Pixel wegen des zusätzlichen Transistors je Pixel nur ein schwaches Ausleserauschen bei korrelierer Doppelabtastung auf. Die zur Implementierung des 4. Transistors benötigte Fläche reduziert jedoch den Füllfaktor des Pixels im Vergleich zum 3-Transistor-Pixel.
  • Es besteht in der Technik Bedarf nach einer alternativen Pixelarchitektur, die einen höheren Füllfaktor sowie die Fähigkeit zur Durchführung einer korrelierten Doppelabtastung aufweist, ohne dass Vollbilder der Bilddaten erfasst und gespeichert werden müssen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Photodiode mit aktiver Pixelarchitektur bereit, die zur korrelierten Doppelabtastung fähig ist. So wird die Funktionalität eines 4-Transistor-Pixels genutzt, während der zusätzliche Reihenauswahltransistor wegfallen kann. Möglich wird dies, indem die RG-Steuersignale in einer Reihe mit den Reihenauswahlmitteln einer benachbarten Reihe gemeinsam genutzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen aktiven Pixelsensor als Photodiode mit echter korrelierter Doppelabtastung (CDS) unter Verwendung von nur 3 Transistoren bereit, was einen hohen Füllfaktor ermöglicht. Die daraus resultierenden Vorteile sind ein hoher Füllfaktor und niedrigeres Rauschen. Nachteile sind nicht bekannt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm für zwei benachbarte Pixel nach der Architektur gemäß dem Stand der Technik für eine Photodiode mit aktivem Pixelsensor;
  • 2 ein schematisches Diagramm für zwei benachbarte Pixel nach einer neuartigen Architektur für eine Photodiode mit aktivem Pixelsensor;
  • 3 ist ein Zeitablaufdiagramm für den Betrieb der in 2 gezeigten Pixel; und
  • 4 eine Draufsicht des in 2 gezeigten Pixels.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Photodioden-Pixelarchitektur für einen aktiven Pixelsensor (APS) gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in 2 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt die dem Erfinder bekannte beste Betriebsart. Andere physische Ausführungsbeispiele sind ebenfalls realisierbar, die Abwandlungen des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels sind, wie nachstehend besprochen wird. Die in 2 gezeigten Pixel 10 sind einzelne Pixel innerhalb einer Anordnung von Pixeln mit mehreren Reihen und Spalten. In 2 werden zwei in einer Reihe benachbarte Pixel 10 gezeigt, um darzustellen, wie die Signalleitungen in einer Reihe für andere Zwecke in einer benachbarten Reihe verwendet werden. Zum Zwecke der Darstellung des Zeitablaufs und des Betriebs enthält 2 zudem ein Beispiel der spaltenweisen analogen Signalverarbeitung zum Auslesen des Sensors. Die spaltenweise Signalverarbeitung ist die korrelierte Doppelabtastung, die unter der Steuerung der SHS- und SHR-Transistoren (Abtast-Halte-Signal- und Abtast-Halte-Reset-Transistoren) durchgeführt wird, die die Abtastung der Pixelsignalspannung durch die Signalkondensatoren Cs und der Pixel-Reset-Spannung durch den Reset-Kondensator Cr aktivieren.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst das Pixel 10: einen Photodiode-Photodetector 12 (PD), ein Transfer-Gate (TG) 23, eine Floating-Diffusion (FD) 25, einen Reset-Transistor 14 mit einem Reset-Gate 15 (RG), ein Reset-Drain 18 für den Reset-Transistor 14, einen Sourcefolger-Eingabesignaltransistor 21 (SIG), einen Transfer-Gate-Signalbus (TGSB) 26 und einen Reset-Gate-Signalbus (RGSB) 27. Der in 1 gezeigte Reihenauswahlbus und Reihenauswahl signalbus des Pixels nach dem Stand der Technik fällt weg, wobei der Reihenauswahlprozess auf neuartige Weise durchgeführt wird, wie nachfolgend beschrieben. Wie in 2 gezeigt, wird der Reset-Gate-Signalbus (RGSB) 27 einer gegebenen Reihe, die hier als Rowi bezeichnet wird, mit den Reset-Drains 18 der nächsten Reihe in der Lesefolge, die hier als Rowi+1 bezeichnet wird, verbunden. Die Komponenten von Transistor, Gate und Signalbus in den beiden Pixeln wurden ebenfalls mit tiefgestellten Ziffern versehen, um die zugehörige Reihe anzugeben.
  • Unter Bezugnahme auf 3, welche ein Zeitablaufdiagramm zur Beschreibung des Betriebs der 3-Transistor-Pixel 10 aus 2 darstellt, wird nachstehend der Betrieb der neuen Pixelarchitektur für 2 erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass der beschriebene Pixelbetrieb für eine vollständige Reihe aus Pixeln 10 im Zusammenhang mit dem standardmäßigen zeilenweisen Blendenbetrieb der CMOS-Aktivpixelsensoren erfolgt. Das Diagramm zeigt die Zeitabläufe für das Auslesen von 3 Reihen innerhalb des Sensors; Zeilei–1, Zeilei, und Zeilei+1. Jedes der Signale in dem Zeitablaufdiagramm wurde mit einer tiefgestellten Ziffer versehen, um die Zuordnung zu der betreffenden Reihe kenntlich zu machen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Pegel in dem Zeitablaufdiagramm relativ sind und auf jeden vorbestimmten Signalpegel gesetzt werden können, um eine optimierte Sensorleistung zu erzielen.
  • Das Zeitablaufdiagramm beginnt zu einem Zeitpunkt, der mit τ0 bezeichnet ist, an dem die Integrationszeit für Reihei–1 abgelaufen ist und das Auslesen der Reihei–1 beginnt. Reihei–2 wurde abgewählt, RGi–2 und RGi–1 sind beide zum Zeitpunkt τ1 high, um die Floating-Diffusions in Reihei–1 (FDi–1) auf ~VDD oder auf ein anderes geeignetes, vorbestimmtes Potenzial zurückzustellen. Das Reset-Potenzial schaltet nun die Sourcefolge-Eingabetransistoren in Reihei–1 (SIGi–1) ein, wobei die Reihe zum Auslesen des Reset-Pegels der Floating-Diffusion ausgewählt wird, die am Cr abgetastet und gehalten wird, indem der SHR zum Zeitpunkt τ2 gepulst wird. Die Transfer-Gates für Rowi–1 (Tgi–1) werden zum Zeitpunkt τ3 gepulst, um die Signalladung von den Photodioden in Reihei–1 auf die Floating-Diffusions (FDi–1) der Reihei–1 zu übertragen. Die Signalpegel der Floating-Diffusions in Reihei–1 (FDi–1) liegen weiter auf einem Pegel, der die Reihei–1 zum Auslesen auswählt, und die Signalpegel dieser Floating-Diffusions (FDi–1) der Reihei–1 werden dann abgetastet und in den Signalkondensatoren Cs durch Pulsen der SHS-Transistoren zum Zeitpunkt τ4 gehalten. Jede Spalte in Reihei–1 wird dann differenzial durch den Spaltendifferenzverstärker 32 in dem Zeitraum ausgelesen, der in dem Zeitablaufdiagramm durch "Readout Rowi–1" zum Zeitpunkt r5 angegeben ist.
  • Nach Auslesen von Reihei–1, wird Reihei–1 durch Pulsen von RGi–1 abgewählt, während RGi–2 zum Zeitpunkt τ6 low bleibt. Dadurch wird die Spannung der Floating-Diffusions für Reihei–1 (FDi–1) auf einen Pegel gesetzt, der die Sourcefolgetransistoren für ROWi–1 (SIGi–1) abschaltet, wodurch die Sourcefolger für ROWi–1 von dem Ausgabesignalspaltenbus getrennt werden, wodurch Reihei–1 abgewählt wird. Als nächstes wird Reihei gewählt, indem RGi gepulst wird, während RGi–1 zum Zeitpunkt τ7 auf high gehalten wird. Wie zu sehen ist, bewirkt das erneute Pulsen von RGi–1 zum Zeitpunkt τ7 einfach das Rücksetzen der Floating-Diffusions für die vorher ausgelesene Reihe (FDi–1) auf eine niedrige Spannung, wodurch die Sourcefolger-Signaltransistoren für diese Reihe (SIGi–1) in einem nicht aktivierten Zustand verbleiben, wodurch die Floating-Diffusions für die zuvor ausgelesene Reihe (FDi–1) getrennt werden, was verhindert, dass diese mit der Ausgabe der aktuell ausgelesenen Reihe, in diesem Fall ROWi, kollidieren. Der Reset-Pegel für die Floating-Diffusions für ROWi (Fdi) werden durch Pulsen von SHR zum Zeitpunkt τ8 abgetastet und gehalten. TG wird dann "high" getastet, um die Signalladung von den Photodioden für ROWi (Pdi) auf die Floating-Diffusions für ROWi (FDi) zum Zeitpunkt τ9 zu übertragen, und der Signalpegel wird durch Pulsen von SHS zum Zeitpunkt τ10 abgetastet und gehalten. Das Auslesen von Rowi ist dann ähnlich wie für Reihei–1 abgeschlossen.
  • Dieser für ROWi–1 und ROWi beschriebene Prozess wird für Reihei+1 wiederholt. Reihei wird abgewählt, indem FDi zum Zeitpunkt τ11 auf eine niedrige Spannung gesetzt wird, indem RGi „high" gepulst wird, während RGi–1 "low" gehalten wird, wodurch der Sourcefolgertransistor für ROWi deaktiviert wird. Reihei+1 wird zurückgesetzt, wodurch Reihei+1 zum Zeitpunkt τ12 gewählt wird, weil Rgi zu diesem Zeitpunkt „high" ist, und Reihei+1 wird gewählt, während alle übrigen Reihen abgewählt sind; der Reset-Pegel wird zum Zeitpunkt τ13 durch Aktivieren von SHR abgetastet und gehalten; der Signalpegel wird von PDi+1 nach FDi+1 zum Zeitpunkt τ14 von TGi+1 übertragen; der Signalpegel wird dann zum Zeitpunkt τ15 abgetastet und gehalten; und zum Zeitpunkt τ16 wird Rowi+1 ausgelesen, wie zuvor beschrieben.
  • Dieser Prozess wird für alle Reihen des Sensors wiederholt, bis der gesamte Frame oder die Frame-Auslesefolge abgeschlossen ist. Selbstverständlich könnte der Prozess zum Auswählen und Abwählen einer Reihe auch kombiniert werden, wenn der erste der beiden Reset-Gate-Impulse wegfällt und sich die benachbarten RG-Signale ausreichend überlagern, wie in 3 gezeigt. Die in 3 gezeigte Zeitsteuerung stellt die Betriebsart dar, die nach Auffassung des Erfinders für die Erfindung die beste ist.
  • Aus der vorliegenden Beschreibung des Betriebs wird deutlich, dass diese neue Photodioden-Pixelarchitektur mit 3 Transistoren ein Ausgabesignal mit echter korrelierter Doppelabtastung bereitstellt, ohne dass ein Reset-Frame gespeichert werden muss.
  • Die in 1 gezeigte Photodioden-Architektur mit aktiven Pixelsensoren nach dem Stand der Technik umfasste 4 Transistoren und 3 Reihensteuerungs-Signalbusse. Im Vergleich dazu umfasst die in 2 gezeigte neue Pixelarchitektur nur 3 Transistoren und 2 Reihensteuerungs-Signalbusse. Der Wegfall des 1 Transistors und Busses und der zugeordneten Kontaktflächen lässt mehr Pixelfläche, die dem Photodetektor zugeordnet werden kann. Dadurch wird ein wesentlich höherer Pixelfüllfaktor und somit eine höhere optische Empfindlichkeit erreicht.
  • 4 zeigt eine Draufsicht der neuen Pixelarchitektur, wie zuvor erläutert, um das Konzept der vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen. In 4 ist das Gate des Reset-Transistors in ROWi–1 (RGi–1) der Reset-Drain für den Reset-Transistor der nächsten in Folge auszulesenden Reihe ROWi.
  • Weitere Aspekte der vorliegende Erfindung umfassen die Erfindung, worin die Ladung zum Spannungsumwandlungsknoten eine Floating-Diffusion ist, und die Erfindung, worin der Verstärker ein Sourcefolgerverstärker ist.

Claims (2)

  1. Aktiver Pixelsensor mit einer Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten Pixeln, die aus dem aktiven Pixelsensor in einer sequentiellen Folge von Reihen auslesbar sind, wobei mindestens eine Vielzahl der Pixel umfasst: einen Fotodioden-Fotodetektor in der i-ten Reihe, der wirksam verbunden ist mit einem Knotenpunkt, an dem Ladung in Spannung umwandelbar ist; einen Rückstelltransistor, der demselben Pixel zugeordnet ist wie der Fotodioden-Fotodetektor und eine Source (Quelle) aufweist, die mit dem Knotenpunkt verbunden ist, an dem Ladung in Spannung umwandelbar ist; ein auf dem Rückstelltransistor vorgesehenes Rückstellgatter, das mit einem aktuellen Rückstellsteuerbus und einem Drain (Ablauf) auf dem Rückstelltransistor verbunden ist, der mit einem vorherigen Rückstellsteuerbus der i–1-ten Reihe verbunden ist; und einen Verstärker, der mit dem Knotenpunkt verbunden ist, an dem Ladung in Spannung umwandelbar ist.
  2. Aktiver Pixelsensor nach Anspruch 1, worin die Source (Quelle) des Rückstelltransistors auch der Knotenpunkt für die Spannungsumwandlung ist.
DE69930206T 1998-12-30 1999-12-01 Photodiode mit aktivem pixelsensor und gemeinsamen reset-und reihenauswahlsignalmitteln Expired - Lifetime DE69930206T2 (de)

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