ES2708700T3

ES2708700T3 - Matriz de imagen con características mejoradas de ruido

Info

Publication number: ES2708700T3
Application number: ES11763195T
Authority: ES
Inventors: Boyd Fowler
Original assignee: BAE Systems Imaging Solutions Inc
Current assignee: BAE Systems Imaging Solutions Inc
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: EP2556661A2; EP2556661A4; WO2011123206A3; US9426390B2; WO2011123206A2; IL221762A; EP2556661B1; US20110216231A1

Abstract

Una celda de píxeles que comprende: un fotodiodo (27, 172): un nodo (28, 54) de difusión flotante; una puerta (152) de transferencia que acopla dicho fotodiodo a dicho nodo de difusión flotante en respuesta a una primera señal de puerta; una etapa de salida que genera una señal relacionada con una carga en dicho nodo de difusión flotante; caracterizado porque la celda de píxeles comprende además una puerta (191) de protección entre dicha puerta (152) de transferencia y dicho nodo (28) de difusión flotante, en donde dicha puerta de protección, mantenida a un potencial constante, protege dicho nodo de difusión flotante del campo eléctrico creado cuando la puerta de transferencia se enciende y apaga.

Description

DESCRIPCION

Matriz de imagen con caractensticas mejoradas de ruido

Antecedentes de la invencion

La fotograffa digital basada en sensores de imagenes CMOS ha reemplazado la pelmula para la mayona de las aplicaciones. El sensor de imagenes CMOS tfpico consiste en una matriz de celdas de pfxeles dispuestas en una matriz rectangular de celdas que tienen una pluralidad de filas y columnas de celdas de pfxeles. Cada celda de pixel incluye un fotodiodo que convierte los fotones recibidos durante una exposicion a una carga que tiene una magnitud que es proporcional a la luz recibida. La carga almacenada se acopla a una lmea de bits compartida por todas las celdas de pfxeles en la columna. El circuito de acoplamiento tfpicamente incluye cuatro transistores. Tres de estos estan relacionados con el restablecimiento del fotodiodo entre exposiciones y el acoplamiento del pixel a la lmea de bits correspondiente cuando se debe leer el pixel. El cuarto transistor esta tfpicamente conectado como un seguidor de la fuente y proporciona la ganancia necesaria para impulsar la capacitancia de la lmea de bits. Este transistor no proporciona ganancia de voltaje. La ganancia de voltaje necesaria para proporcionar una senal suficiente para convertir con un convertidor analogico a digital es proporcionada por un amplificador separado asociado con cada una de las lmeas de bits.

Si bien este diseno ha proporcionado la base para numerosas camaras exitosas, los niveles de ruido asociados con el diseno son menos que optimos. En condiciones de luz alta, el ruido asociado con los pfxeles es un problema menor ya que otras fuentes de ruido, como el ruido de digitalizacion introducido por el convertidor analogico a digital o el ruido de disparo, son mas grandes que el ruido de lectura de cada pixel. Sin embargo, a niveles de luz bajos, el ruido de lectura se vuelve significativo y limita los niveles de luz mas bajos que se pueden utilizar para formar una imagen. Idealmente, el ruido de lectura en el sistema debe ser menor que la senal generada por un electron en el fotodiodo. Cada foton que se convierte en el fotodiodo genera un electron; por lo tanto, una vez que el ruido de lectura sea significativamente menor que un electron, el ruido estara dominado por el ruido estadfstico de la acumulacion de electrones. Desafortunadamente, las matrices CMOS actuales tienen un ruido que es del orden de la senal generada por 2-10 electrones RMS, y por lo tanto, hay espacio para una mejora significativa. El documento US 2005/0040393 muestra un pixel de imagenes con almacenamiento de carga controlado por puerta y el documento US2006/0138489 divulga un pixel activo con un transistor de transferencia de puerta acoplado.

Resumen de la invencion

La presente invencion incluye una celda de pfxeles como se menciona en la reivindicacion 1. La celda de pfxeles incluye un fotodiodo que esta conectado a un nodo de difusion flotante por una puerta de transferencia que acopla el fotodiodo al nodo de difusion flotante en respuesta a una primera senal de puerta. Un electrodo de proteccion protege al nodo de difusion flotante de la primera senal de la puerta. Una etapa de salida genera una senal relacionada con una carga en el nodo de difusion flotante. En un aspecto de la invencion, el fotodiodo esta conectado al nodo de difusion flotante por un canal enterrado, y el electrodo de proteccion incluye un electrodo que cubre el canal y se coloca entre la puerta de transferencia y el nodo de difusion flotante. El electrodo de proteccion se mantiene a un potencial que evita que la carga se acumule debajo del electrodo de proteccion cuando la difusion flotante esta en el segundo potencial. En otro aspecto de la invencion, la etapa de salida incluye un amplificador de transimpedancia capacitivo que tiene una ganancia mayor que uno.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 es un diagrama de bloques de una matriz de formacion de imagenes CMOS de la tecnica anterior.

La figura 2 es un dibujo esquematico de una celda de pfxeles tfpica de la tecnica anterior.

La figura 3 es una vista desde arriba de un fotodiodo fijado de la tecnica anterior.

Las figuras 4A y 4B son graficos de la energfa potencial vista por un fotoelectron a lo largo de la lmea 4-4 que se muestra en la figura 3.

La figura 5 es una vista desde arriba de un fotodiodo fijado y el nodo de difusion flotante de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.

Las figuras 6A y 6B son graficos de la energfa potencial vista por un fotoelectron a lo largo de la lmea 6-6 que se muestra en la figura 5.

La figura 7 es un dibujo esquematico del pixel 200.

La figura 8 es un dibujo esquematico de otra realizacion de un pixel de acuerdo con la presente invencion.

Descripcion detallada de las realizaciones preferidas de la invencion

La manera en que la presente invencion proporciona sus ventajas puede entenderse mas facilmente con referencia a la figura 1, que es un diagrama de bloques de un matriz de imagenes CMOS de la tecnica anterior. La matriz de imagenes 40 se construye a partir de una matriz rectangular de celdas 41 de pfxeles. Cada celda de pixel incluye un fotodiodo 46 y un circuito de interfaz 47. Los detalles del circuito de interfaz dependen del diseno de pfxeles en particular. Sin embargo, todos los circuitos de pfxeles incluyen una puerta que esta conectada a una lmea 42 de fila que se utiliza para conectar ese pixel a una lmea 43 de bits. La fila espedfica que se habilita en cualquier momento esta determinada por una direccion de bit que se ingresa a un decodificador 45 de fila.

Las diversas lmeas de bits terminan en un circuito 44 de procesamiento de columna que normalmente incluye amplificadores de sentido y decodificadores de columna. Cada amplificador sensorial lee la senal producida por el pixel que esta actualmente conectado a la lmea de bits procesada por ese amplificador sensorial. Los amplificadores sensoriales pueden generar una senal de salida digital utilizando un convertidor analogico a digital (ADC). En un momento dado, se lee una celda de un solo pixel. La columna espedfica que se lee esta determinada por una direccion de columna que es utilizada por un decodificador de columna para conectar el amplificador de sentido/salida ADC de esa columna a los circuitos que son externos a la matriz de imagenes.

Con referencia ahora a la figura 2, que es un dibujo esquematico de una celda de pfxeles tfpica de la tecnica anterior. La celda 20 de pfxeles incluye un fotodiodo 27 fijado que esta acoplado a un nodo 28 de difusion flotante por la puerta 21. Durante la exposicion de la matriz de imagenes a la imagen que se esta grabando, la carga se acumula en el fotodiodo 27. La carga acumulada se transfiere al nodo 28 aplicando una senal a la puerta 21. La carga transferida al nodo 28 se convierte a voltaje por la capacitancia parasita asociada con la puerta del transistor 23, que esta conectada como un seguidor de la fuente. El transistor 23 proporciona la ganancia necesaria para controlar la lmea 26 de bits cuando la celda 20 de pfxeles esta conectada a esa lmea de bits a traves de una senal en la lmea 25 de seleccion de fila que esta acoplada a la puerta del transistor 24. Antes de transferir la carga del fotodiodo 27 al nodo 28, el potencial en la puerta 28 se restablece a un potencial predeterminado a traves del transistor 22. Sin embargo, hay pequenas variaciones en la carga final en el nodo 28 despues del reinicio.

Se utiliza un procedimiento conocido como muestreo doble correlacionado para compensar estas variaciones. El potencial en el nodo 28 se mide luego conectando la celda 20 de pfxeles a la lmea 26 de bits. Despues de medir este potencial de inicio, la carga acumulada en el fotodiodo 27 se transfiere al nodo 28 y el potencial del nodo 28 se mide de nuevo conectando la celda 20 de pfxeles a la lmea 26 de bits. La diferencia en la senal entre las dos mediciones potenciales es el valor de intensidad de luz que se reporta para el pixel 20.

Este procedimiento de muestreo doble correlacionado depende de la posibilidad de que el nodo 28 no se altere entre el momento en que se mide el potencial de restablecimiento y el tiempo que mide el potencial resultante de la transferencia de carga del fotodiodo 27 al nodo 28. Desafortunadamente, la senal en la puerta 31 esta acoplada capacitivamente al nodo 28 por una capacitancia parasita mostrada en 29. Como esta capacitancia es pequena, el nodo 28 ve dos picos de polaridad opuesta que resultan de la diferenciacion de la senal 31 por el capacitor 29. La porcion ascendente de la senal 31 genera un pico, y la porcion descendente genera el otro. Si los bordes anterior y posterior de la senal 31 fueran identicos, estas senales se cancelanan y, por lo tanto, no danan como resultado una alteracion significativa en el potencial del nodo 28. Desafortunadamente, en la practica, los bordes anterior y posterior de la senal 31 no son identicos, y por lo tanto, se produce un cambio neto en el voltaje de reinicio del nodo 28. Esta variacion da lugar a ruido en la imagen.

La presente invencion reduce este ruido al proporcionar una estructura que protege al nodo 28 de la senal generada por el condensador 29. Con referencia ahora a la figura 3, que es una vista desde arriba de un fotodiodo fijado de la tecnica anterior. El fotodiodo 150 tiene una larga y estrecha region 172 de conversion de luz, que se construye a partir de un implante tipo n en un sustrato de tipo por ejemplo la region 172 de conversion de luz esta dopada de modo que la energfa potencial de un electron atrapado en la region 172 es mayor que la de un electron en el nodo 28.

La region 172 de conversion de luz esta conectada al nodo 28 de difusion flotante discutido anteriormente por un canal 162 enterrado. Una puerta 152 aplica un potencial al canal 162 que crea o elimina una barrera al flujo de electrones de la region 172 de conversion de luz al nodo 28.

Con referencia ahora a las figuras 4A y 4B, que son graficos de la energfa potencial vista por un fotoelectron a lo largo de la lmea 4-4 que se muestra en la figura 3 cuando se aplican diferentes voltajes de puerta a la puerta 152. Como puede verse en la figura 4A, la region 172 de conversion de luz forma un pozo potencial cuando el potencial en la puerta 152 se establece en un valor. Los fotoelectrones que se generan dentro de una region de almacenamiento de carga quedan atrapados en esa region de almacenamiento de carga hasta que el potencial en la puerta 152 se altera como se muestra en la figura 4B. En ese punto, los electrones fluiran hacia el nodo 28, ya que la energfa potencial de los electrones en la region 172 de conversion de luz esta por encima de la de los electrones en el nodo 28.

El acoplamiento capacitivo que da lugar a los problemas de ruido discutidos anteriormente es el acoplamiento capacitivo entre la puerta 152 y el nodo 28. La presente invencion se basa en la observacion de que este acoplamiento puede reducirse colocando una puerta de proteccion entre la puerta 152 y el nodo 28. Con referencia ahora a las figuras 5-7, que ilustran una celda de pfxeles segun una realizacion de la presente invencion. La figura 5 es una vista desde arriba de un fotodiodo 190 fijado y el nodo de difusion flotante de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Las figuras 6A y 6B son graficos de la energfa potencial vista por un fotoelectron a lo largo de la lmea 6-6 que se muestra en la figura 5. La figura 7 es un dibujo esquematico del pixel 200. Para simplificar la siguiente discusion, los elementos de la celda 200 de pixel que sirven funciones analogas a las funciones servidas por los elementos de la celda 20 de pixel discutidos anteriormente con respecto a las figuras 2 y 3 han recibido las mismas designaciones numericas y no se trataran mas aqm.

Consulte primero la figura 5. El fotodiodo 172 fijado tiene una puerta 152 de transferencia colocada adyacente al mismo. En la presente invencion, una segunda puerta 191 que se denominara puerta de proteccion se coloca adyacente a la puerta 152 de transferencia. La puerta 191 de proteccion se mantiene a un potencial constante y, por lo tanto, protege el nodo 28 del campo electrico creado cuando la puerta 152 se activa y desactiva. El potencial de proteccion se elige de modo que el potencial de proteccion no interfiera con la transferencia de fotoelectrones desde el fotodiodo 172 fijado al nodo 28. Haciendo referencia a la figura 6A el voltaje de polarizacion, Vb, en la puerta 191 de proteccion se establece en un valor tal que la energfa 193 potencial como se ve por un fotoelectron bajo la puerta 191 de proteccion es menor que la energfa potencial en el fotodiodo 172 fijado cuando no hay electrones atrapados en ella, es decir, la energfa potencial mostrada en 192. La tension de polarizacion tambien se establece de modo que la energfa potencial de un fotoelectron en la puerta 192 sea mayor que la de un electron en el nodo 28 de difusion flotante cuando el numero maximo de fotoelectrones esta presente en el nodo 28. Por lo tanto, la puerta 192 no interfere con la transferencia de electrones del fotodiodo fijado al nodo 28 cuando el potencial en la puerta 152 se establece para liberar los electrones que se han acumulado en el fotodiodo fijado como se muestra en la figura 6B.

Para asegurar que todos los electrones acumulados en el fotodiodo 172 se transfieran al nodo 28, la puerta 19.1 de proteccion debe colocarse lo suficientemente cerca de la puerta 152 de transferencia asegure que la parte del campo de la franja de la puerta 191 de proteccion entre la puerta 152 de transferencia y la puerta 191 de proteccion sea suficiente para asegurar que no haya un pozo de energfa potencial entre las dos puertas. Dicho pozo podna atrapar una porcion de los electrones acumulados en el fotodiodo 172 durante la transferencia de estos electrodos desde el fotodiodo 172 al nodo 28.

La discusion anterior utiliza la energfa potencial de los fotoelectrones para explicar la funcion del electrodo de proteccion y su potencial. En la practica, dado que los electrones estan cargados negativamente, el fotodiodo se ajusta a un potencial cercano al suelo. El nodo de difusion flotante se restablece a Vdd antes de la transferencia de carga desde el fotodiodo. La carga que se transfiere a la difusion flotante hace que el nodo de difusion flotante disminuya su potencial en una cantidad determinada por la capacidad del nodo de difusion flotante y la cantidad de carga que se transfiere. En la practica, hay una cantidad maxima de carga que se transferira, que corresponde a la exposicion mas alta para la cual esta disenado el fotodiodo. Por lo tanto, la difusion flotante estara a un potencial entre Vdd y un Vmin potencial mmimo despues de que la carga se transfiera al nodo de difusion flotante. De acuerdo con lo anterior, la puerta de proteccion debe establecerse a un potencial entre el suelo y Vmin para asegurar que toda la carga acumulada se transferira al nodo de difusion flotante para cualquier exposicion consistente con el diseno de la matriz de imagenes.

Una segunda fuente de ruido que limita el rendimiento del ruido de los pfxeles CMOS surge de la concentracion de la ganancia del sistema en un solo amplificador que normalmente esta conectado a una lmea de bits y compartido por todas las celdas de pfxeles en la lmea de bits. Como el seguidor de la fuente en las celdas de pfxeles no proporciona ganancia de voltaje, se necesita ganancia adicional para llevar los niveles de la senal a niveles consistentes con un procesamiento adicional, como la digitalizacion en un convertidor analogico a digital conectado a la lmea de bits o la amplificacion para transferencia a circuitos fuera de chip. El ruido generado en este amplificador puede ser una barrera importante para crear una matriz de imagenes de ruido ultra bajo. Este amplificador se denominara amplificador de lmea de bits en la siguiente discusion.

En un aspecto de la presente invencion, el seguidor de origen en cada pixel se reemplaza por un amplificador de transimpedancia que proporciona una porcion de la ganancia que normalmente es suministrada por el amplificador de lmea de bits. Como resultado, la cantidad de ganancia que debe proporcionar el amplificador de lmea de bits se reduce, lo que conduce a una reduccion general de los niveles de ruido que resulta de la amplificacion de la senal del fotodiodo. Con referencia ahora a la figura 8, que es un dibujo esquematico de otra realizacion de un pixel segun la presente invencion. En el pixel 50, el seguidor de origen ha sido reemplazado por un amplificador 51 capacitivo de transimpedancia. Antes de transferir la carga al nodo 54 de difusion flotante, el condensador 53 esta en cortocircuito aplicando una senal a la lmea 52. Esta operacion de reinicio del amplificador se lleva a cabo al mismo tiempo que la puerta 22 se coloca en el estado de conduccion antes de transferir la carga del fotodiodo 27. Despues de que se haya reiniciado el amplificador 51 de transimpedancia, el potencial en el nodo 54 se mide y almacena de manera analoga a la descrita anteriormente. La carga almacenada en el fotodiodo 27 se transfiere luego al nodo 54 de manera analoga a la descrita anteriormente. Esta carga se transfiere efectivamente al condensador 53 creando una senal de voltaje indicativa de la cantidad de carga transferida. Cuando el pixel 50 esta conectado a la lmea 26 de bits, la senal resultante se amplifica aun mas mediante el amplificador 61 de lmeas de bits.

La ganancia de voltaje total del sistema es el producto de los niveles de amplificacion proporcionados por los amplificadores 51 y 61, y por lo tanto, la cantidad de ganancia que debe proporcionar cada amplificador se reduce significativamente. Dado que el ruido de amplificacion es una funcion no lineal de la ganancia en cada etapa, el nivel global de ruido del sistema se reduce aun mas en esta realizacion en relacion con el nivel de ruido que se obtendna si solo se utilizara la puerta 191 de proteccion. Idealmente, las ganancias de los amplificadores 51 y 61 son sustancialmente iguales entre sf para minimizar el ruido de amplificacion general. Sin embargo, se pueden lograr mejoras significativas con el 20 por ciento de la ganancia en el pixel y el 80 por ciento de la ganancia en el amplificador de columna.

En las realizaciones descritas anteriormente, la interferencia entre la puerta de transferencia asociada con el fotodiodo fijado y el nodo de difusion flotante que recibe la carga acumulada por el fotodiodo durante la exposicion de la imagen se reduce significativamente al proporcionar un electrodo que protege al nodo de difusion flotante de la puerta de transferencia. La interferencia tambien podna reducirse separando el nodo de difusion flotante de la puerta de transferencia en una distancia que sea suficiente para reducir el acoplamiento a un nivel aceptable. Sin embargo, simplemente separando las dos estructuras presenta otros problemas. Primero, el aumento de la distancia aumenta el tamano del pixel y, por lo tanto, el coste de la matriz de imagenes. Segundo, un canal largo que separa las dos estructuras interfiere con la transferencia eficiente de carga entre el fotodiodo y el nodo de difusion flotante y la conversion de la carga a un nivel de voltaje que puede amplificarse efectivamente para proporcionar una senal de pixel que no esta dominada por el ruido en niveles de luz baja.

Un canal largo aumenta la capacitancia asociada con la difusion flotante, ya que la carga transferida desde el fotodiodo se distribuira entre el nodo de difusion flotante y el fotodiodo a lo largo del canal. Dado que la conversion de carga a voltaje es inversamente proporcional a esta capacitancia, la senal de voltaje disponible en la entrada a la etapa de amplificacion se reduce significativamente. Este problema es evitado por las realizaciones mencionadas anteriormente por dos razones. Primero, cualquier aumento en la longitud del canal es relativamente pequeno, ya que la funcion de proteccion es proporcionada por el electrodo de proteccion, no por distanciarse de la puerta de transferencia del nodo de difusion flotante. En segundo lugar, el campo electrico intermedio creado por el potencial en el electrodo de proteccion evita que la carga se acumule bajo el electrodo de proteccion y, por lo tanto, toda la carga se mueve al nodo de difusion flotante.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda de pfxeles que comprende:

un fotodiodo (27, 172): un nodo (28, 54) de difusion flotante;

una puerta (152) de transferencia que acopla dicho fotodiodo a dicho nodo de difusion flotante en respuesta a una primera senal de puerta;

una etapa de salida que genera una senal relacionada con una carga en dicho nodo de difusion flotante; caracterizado porque la celda de pfxeles comprende ademas una puerta (191) de proteccion entre dicha puerta (152) de transferencia y dicho nodo (28) de difusion flotante, en donde dicha puerta de proteccion, mantenida a un potencial constante, protege dicho nodo de difusion flotante del campo electrico creado cuando la puerta de transferencia se enciende y apaga.

2. La celda de pfxeles de la reivindicacion 1, en la que dicho fotodiodo (27, 172) esta conectado a dicho nodo (28, 54) de difusion flotante por un canal (162) enterrado y en el que dicha puerta (191) de proteccion comprende un electrodo que cubre dicho canal y se posiciona entre dicha puerta de transferencia y dicho nodo de difusion flotante.

3. La celda de pfxeles de la reivindicacion 1, en la que dicha etapa de salida comprende un amplificador (51) de transimpedancia capacitiva que tiene una ganancia mayor que uno.

4. La celda de pfxeles de la reivindicacion 1, en la que dicho fotodiodo es un fotodiodo fijado.

5. Un sensor de imagen que comprende:

una matriz bidimensional de celdas de pfxeles CMOS organizadas como una pluralidad de filas y columnas, conectandose dichas celdas de pfxeles en cada columna a un bus de bits correspondiente, y conectandose cada una de dichas celdas de pfxeles en cada fila a una lmea de seleccion de fila (25) correspondiente, cada celda de pixel es como se reivindica en la reivindicacion 1;

en el que dicha etapa de salida acopla la senal de salida a dicho bus de bits correspondiente en respuesta a una senal de seleccion de fila en dicha lmea de seleccion de fila correspondiente a esa celda de pixel; y

en el que cada celda de pixel comprende ademas un decodificador (45) de fila que genera dicha senal de seleccion de fila en una lmea seleccionada de dichas lmeas de seleccion de fila en respuesta a una direccion de fila que esta acoplada a la misma.

6. El sensor de imagen de la reivindicacion 5, en el que dicho fotodiodo (27, 172) esta conectado a dicho nodo (28, 54) de difusion flotante mediante un canal (162) enterrado y en el que dicha puerta (191) de proteccion comprende un electrodo que cubre dicho canal y posicionado entre dicha puerta (152) de transferencia y dicho nodo de difusion flotante.

7. El sensor de imagen de la reivindicacion 5, en el que dicha etapa de salida comprende un amplificador (51) de transimpedancia capacitiva que tiene una ganancia mayor que uno.

8. El sensor de imagen de la reivindicacion 5, en el que dicho fotodiodo (27, 172) es un fotodiodo fijado.

9. El sensor de imagen de la reivindicacion 8, que comprende ademas un amplificador de columna conectado a uno de dichos buses de bits, dicho amplificador de columna tiene una ganancia sustancialmente igual a dicha ganancia de dicho amplificador (51) de transimpedancia.