TWI238528B - Simplified transistor structure for active pixel sensor and image sensor module - Google Patents

Description

1238528 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種像素感測器，特別是指一種以互 補式金氧半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ;CMOS)製程製作的主動式像素感測器及具有該等像素感 測器之影像感測模組。 【先前技術】 目前影像感測裝置的種類，除了有發展較久之CCD影 像感測技術，亦有以互補式金氧半導體（CM〇s)方式製成 CMOS影像感測技術，而CM〇s影像感測技術除了可應用 在光學式滑鼠上，亦大量應用在包括數位相機、影像電話 、第二代手機系統等各方面，因此已成為影像科技發展的 主流。 現有的CMOS影像感測技術是以像素陣列（pixe：1 幻 的形式組成CMOS影像感測器（Image sens〇r)，而像素陣列 則是由許多像素（Pixel)單元排列而成，一般像素單元主要可 區分為被動式像素感測器（Passive pixe】 Sens〇r)或主動式像 素感測态（Active Pixel Sensor)，分別介紹如下·· 如圖1所不，顯示一被動式像素感測器8，其具有一光 二極體（Photo diode)81及一電晶體（丁咖如糾挪，由於 僅具有-電晶體，可簡稱為1T結構之被動式像素感測器8 。其感測原理是由光二極體81受外部光線7激發而對應產 生光電荷’而透過一列輸出訊號8〇1可控制電晶體Μ的開 關與否’當電晶體82開啟_)時，則各像素感測器8輸出 1238528 行‘出訊號802，最後再讀取夂— 訊號放大及類比數位轉換等心仃“出訊號8G2,則經過 的影像信號。 、…’便可得到像素陣列整體 =，在it結構之被動式像素感測器s中，由於 _ 有的讀出線路易產生寄生電容，宴 致有較高的雜訊輸出，故未有廣泛之應用，因此有了主動 式像素感測器的發展。 動 如圖2所示’說明了一種 一像辛雎列Q1 , 動式衫像感測模組9,具有 “:： 列定址電路92、-行解碼器心―時序 的像及—放大器95。其中，像素陣列91具有心N 二素感測器：？’·列定址電路92用以緩衝輸出列選擇信 ^ ^重置^ 9〇2’來控制每一列的該等像素感應器 及用以將接收到的外部光線（圖未示）轉換為電荷輪 ^更新’物碼器93則接收每—行電荷輸出的 號烟進行解碼後由放大器心口以輸出；至於時序產生: 路94則是對於列定址電路％之列選擇信號_、重置

之輸出’以及對於行解碼器93之行掃描信號则料 序的控制。 T 如圖3、4所示，分別顯示了目前主動式像素感測器的 二種類型’兹分別依其具有之電晶體的數量區分為3T結構 及4T結構之像素感測器3、4，並介紹如下： 如圖3所示，說明3T結構之像素感測器3，具有—光 二極體PA及三個電晶體，該等電晶體依其作用分別稱之為 重置（ReS叫電晶體匕、一隨搞（Source foll〇wer)電晶體7 6 1238528

及一列選擇（Row select)電晶體& D 像素感測為3運作之原理，是在電晶體&接收一高準位 之重置信號301時，電晶體&呈開啟（〇N)狀態，並將前次 由光一極體’收集的光電荷清除；接著，電晶體心接收低 準位之重置信號301使其呈關閉（〇FF)狀態，光二極體仙3仍 受外部光線7激發而對應產生光電荷，並將光電荷轉換為 電壓輸出’且開始放電€ Va值降低；接著由電晶體匕使電 壓位準平移，使電晶體㈣啟而接收—列選擇信號3〇232後： 出’如此-來，便可藉由每次讀取各像素感測器3之行輸 出訊號303，再以重置信號3〇1輸入來更新健存電荷以不: 得到新的信號。 一其中’開啟電晶體懷式，是對電晶體&之閘極輸入 ㈣輯準位的重置信號301以給予光二極體％逆向偏舞 此光二極體喻形成一空乏區(Depiet_ Re—: 错由光照可使該空乏區内吸收光子而產生電流。 =曝光㈣’電晶體^關閉時’光二極體叫因接受 二樹7照射而產生-與其光源強度呈-定比例之電子 电洞對’且該電子電洞對會分 从，， 王尤一極體户A的二端 ，:=壓降低’而在電晶體㈣時，由其源極可得： 伟V2;其後’仍保持電晶體匕之開啟，且再 ，屯曰曰以,開啟，並亦由f晶體&之源極㈣—起始曝 屡V】，若將終止曝光電M V2與起始曝^: ，便可換算為實際的曝光電壓值。 ]—者相減 由於3T結構之像素感測器3以重置㈣式更 1238528 信號3〇3 8以重置 新及讀取信號，由於電晶體&可防止讀出之行浐 與v』互干擾，因此相較於被動式的像素感7J器出 信號80 1直接重置之雜訊為低。 如圖4所示，4T結構之像素感 〇口 4具有一光二極轉 仙4、一電容心及四個電晶體，該等 ^ ^ 依其作用分別稱 之為一轉移t晶體7；,、一重置電晶體

42 稱雷晶轉T 一列選擇電晶體 '，其中，電晶體 43 42 ^及 '之作用因為 契3丁“冓之像素感測器3所具有的電晶體… 能類似，不再贅述。 32 33功 、4興3了結構的不同處在於，打結構之像素感挪 …了電晶體。及電容C/，且光二極體叫是連接電晶體 端’電晶體〜之另-端則與電晶體4、&及電容c，並 ^，另外，4T結構具有的光二極體％之結構與3了結構農 有的光二極體％不同，因為是ΡΝρ結構，所以光二極體 叫具有箝制電壓之作用’可以使光二極體％之起始曝光電 ㈣以維持而不致受到雜訊干擾，因此4Τ結構之像素感剛 ^ 4對抗雜訊的較果更好。 一-田像素感測裔4在運作時，是對電晶體心之閘極輸入— 南避輯信㉟VDD以給予光二極體叫適當的逆向偏壓，如此 t光二極體中便會形成空乏區，由於光二極體"^是pNp ’、。冓使得空乏區因為增加電壓而變大，最後導致空乏區 佔滿鲨個N型區，電壓因此不能夠再進入而有了箝制電壓 的效果，且藉由光照可使該空乏區内吸收光子而產生電荷 累積。 1238528 及電It十算：素感測器4的曝光量時’是先開啟電晶體& "" 使光二極體耶4箝制在一固定的電壓位準，苴 ’使光二極體叫開始經由接收外部光線 進仃曝光；欲讀出資料時，則開啟電晶體；，將電容 之位準奋兩$ A ^ ^ C / vB，之“二 固定位準Vb，’並先讀出該位準為 丁別出心虎403;接著’再將電晶體，41打開，該光二 由方tJ!便藉由電荷井深設計，由電晶體以專至電容c,，而 '电谷&可蓄積電壓，因此可得到—新 VB^V,-gp e Η , , Vb ，位準 B即疋曝光㈣值。如此透過對電晶體&輸入重置信 =彻使其不斷更新，以及由電晶體&的電屋位準平移作 二輸：列選擇信號402使電晶體&開啟，如此一來，便 可错由每次讀取各像素感測器3之行輸出訊號303，再以重 置信號30!輸入來更新儲存電荷以不斷得到新的信號。 整體而言，目前主動式像素感測器具有下述缺點： 】·在3Τ結構中，由於光二極體叫係電連接至電晶體 L之源極’並透過此電晶體&而被重新設定其逆向偏壓，因 此，當該電晶體Γ3,或光二極體％有漏電流知一⑽叫 之狀況發生時，就會影響該起始曝光電壓％及終止曝光電 壓V2的電屡準位。另外’逆向偏麼經過重置電晶體侧 發的基體效應(Body effect)而產生的壓降及其本身的障壁電 位的衰減，亦會降低起始曝光„ v]，而相料減少影像 動態範圍，影響影像品質。 2.在4T結構中，主要是利用電晶體&隔離光二極體 户A及重置電晶體匕之源極以減少漏電流，但由於需要4個 9 1238528 電晶體，故使得其開口率（Aperture ratio)，亦即透光比率會 降低，這是因為在像素感測器4的單位面積之中，若愈多 電晶體則其所佔面積比例增加，導致可透光之面積比例相 對降低，因此使得像素陣列整體所能透光的面積亦隨之降 低0 3. 電晶體本身的特性容易產生KTC雜訊，難以消除。 4. 光照射在光二極體時，在光二極體中的pN接面的 工乏區會分離出電子電洞對而產生光電流，而不同波長的 光線會在不同深度的PN接面被吸收。例如：短波長的光會 在接近表面的空乏區吸收，長波長的光會在較深的空乏區 吸收’由於PN接面的空乏區多在光二極體的較深處，因此 才目較於波長較長的紅光，目前的像素感測器對於波長較短 的藍光的偵測靈敏度較為不佳。 【發明内容】 ，一〜〇丄A Η羚稱之被動 素感測器讀取信號雜訊過高，以及3丁及4丁結構之主 素感測器具有之電晶體雜訊及透光率不佳等°缺點， 提（、種具有低雜訊及透光率佳的簡化電晶體結構之主 式像2測器及具有該等像素感測器之影像感測模組。 人―^，本發明簡化電晶體結構之主動式像素感測器^ 、37光敏元件、一第一電晶體及-第二電晶體，其中q ::::用以感光後將一光信號轉換為一電氣信號，並: : 置㈣後更新該電氣信號；該第一電晶體電心 〜…件’係用以將該電氣信號放大並轉換為—輪幻」 10 1238528 號；該第二雷曰4 电日曰體電連接該第一恭 狄生丨I汾“V ,丨.，、 ^ ^ 控制該輸出信號之輪出。^外一電晶體，並依一選擇信號 本發明影像感測模組 各該像素感測器具有一〃 旻數主動式像素感測器， 電晶體，其中y該井:光敏元件、一第一電晶體及一第二 一電氣信號，並在钱用以感光後將—光信號轉換為 第-電晶體電連=敏—:r:虎後更〜 亚轉換為一輸出信號 …5旒放大 ，並依-列選擇脚制 '…體電連接該第-電晶體 感測器呈矩陣式排列，且 如出，各該像素 置信號之傳輸線，各列之像素42感測器共用傳送該重 送該列選擇Η卢之列偉於、怎々為亦共同輕接一用以傳 接一行傳輸蝮 “丁之像素感测器則共同耦 关订得季月』線將机號用以傳送該行輸出信號。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合麥考圖式之二較佳實施例的詳 楚的呈現。 r 將可清 如圖5所示，為本發明簡化雷 、 〜5間化包日日體結構之主動式傻去 感測器2的第—較佳實施例，該較佳實施例包含—光斂 (Photosensitive)元件 21、一重置二極體 2 一細 23、一第二電晶體24。 电日日體 其中·，光敏元件2〗及重置二極體22均為光二極體 (Photo diode)之結構，其適於在一曝光時段間，將一外立- 線7轉換為一電氣信號；光敏元件21是盘舌罢_ 、里直一極體 22 11 1238528 相並如且依據一重置信號201之恭愿里/ 光時段的起始與終止；第一電…二4位的大小控制曝 並轉換為日月旦23用以將電氣信號放大 广換為-輪出信號’在本較佳實施例中，第“ 疋一源極隨輕器（Source foll〇wer)，且有 电日日月且 L ;電流增益大及電厂堅增益接近1等特性。第一電：

月旦 主要是利用NM〇S電晶體之、W v p,, 包日日月旦之/及極接收一高準位電壓

Vdd，問極與光敏元件21、 與第二電晶體24·接。 接，而源極則 f 424係電連接第—電晶體23並依—列 1 2心邏輯準位的大小，控制是否送出行輸出信號2〇3 '、，弟一電晶體24在本較佳實施例中係為一 NMOS + 晶體，其難與第—電晶體23之源極電連接，祕則用: 接收列選擇信號2〇2，源極則用以送出行輸出信號加。 主動式像素感測器' 2是依下列方式操作的··首先，由 重置一極體22之陽極’輸入高準位的重置信号虎2〇1以給予 光2元件逆向偏壓，如此光敏元件2]中的州接面會形 成二乏區藉由光一可使該空乏區内吸收光子而產生電流 ，此外，由於重置二極體22本身亦是光二極體，因此亦會 因光照而產生電流，可於輸出端s〇ui得到一起始曝光電壓 V〗。 i 接著’輸入低電壓準位之重置信號201，光敏元件h 與重置二極體22開始曝光，接受外部光線7所照射而產生 一與該光源強度呈一定比例之電荷；當第二電晶體24之閘 極’得到一南（High)邏輯準位的列選擇信號202而開啟時， 12 1238528 則經由第一電晶體23之放大，而由輪出 曝光電ϋ輸出，若將起始得到一終止 V2兩電屋相減而得到1…;止曝光電1 如圖6所示，重置二極體;2之元 件21之η型雜質區中 兀結構’是由光敏元 空乏區’可吸收更多光子，進而 〃 *此而形成的 能力，更相對地提古了, W 光敏元件21之感光 又々日耵地徒阿了起始曝光電 態範圍，並提高了影像靈敏度。 1 Μ加了影像動 如圖7所示，係一影像感測模組2⑻ " 模组具有複數主動式像 像-像感測 矩陣式排列，且各列之像素感測器2共用;=:器2呈 之傳輸線；各列之像素感測器2亦共用傳、关 二虎2〇1 之傳輸線，該等傳輪線並與各 —^ &擇仏虎201 至於各行之像素感測器2則丑用傳:二24之難輕接； 輸線綱力， 如圖8所示，為本發明簡化電 ^器5的第二較佳實施例，該較佳實施例包含= 了光電晶體Μ及了選擇電晶體53，其中，除 其它之隨耗電二;牛結構與第—較佳實施例不同外，由於 之⑽電” 52及列選擇電晶體Μ構件，與重 : 述的第-電晶體23及第二電晶體24相同 ’故在此不再予以贅述。 13 1238528 如圖9所示，顯示光敏元件5i是一 pNpN之三井 (Triple Wdl)結構’除了可降低各像素感測器之間的交互作 用（C觀Talk)，其内部之pNpN接面形成的空乏區，可增 加光子的吸收效率’進而增加了光敏元件Η之感光能力， 更相對地提问了起始曝光電I v]，而增加了影像動態範圍 ，並提高了影像靈敏度，*藉由PNPN之-端，亦可簡單地 對光敏元件5 1予以充電。 歸、’内上|發明簡化電晶體結構之主動式像素感測 器2、5較一般習用的3丁及4T結構的像素感測器具有下述 優點： “ 1 · *方、主動式像素感測器2巾，該重置二極體是於 光敏兀件21之η型雜質區中產生之ρ型井而形成的，故其 將形成ΡΝΡ結構，經由内建的ρΝ二極體導通可容易 、。予適田的逆向偏壓至光二極體，也因此可消除3丁及4丁 結構中電晶體的基體效應，及提高了起始曝光電壓Vi，並 增加了影像動態範圍，提高了影像靈敏度。 2·由於是以重置二極體22取代電晶體之使用，因此可 避免一般電晶體在開啟/關閉時會產生的KTc雜訊。 3·由於主動式像素感測器2的重置二極體22是於光敏 兀件21中形成，而主動式像素感㈣器、5 $僅需一組光敏元 件5 1，且各主動式像素感測器2、5均只具有二個電晶體

23 24及52、53，故其單位面積的透光率，將更較3T、4T 結構之像素單位面積透光率增大許多，即此像素2之感光 面積有效的增加，故更為提昇了其靈敏度。 14 1238528 4·光敏元件21之PN接面12由於較接近主動式像素 感測器2之表面，將可更為有效的感應波長較短的藍光， 而更為靈敏。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是-電路圖，說明目前的被動式像素感測器； 圖2疋冑路方塊圖，說明目前的主動式影像感測模 組’具有複數主動式像素_器所組成之像素陣列； 圖3是—電路圖’說明目前主動式像素感測器的二種 類型之一 .3T結構之像素感測器； 圖.4 m圖’說明目前主動式像素感測器的另一 種類型· 4T結構之像素感測器； 較佳貫施例中，重置二極 之n型雜質區中所形成一 圖6是一示意圖，說明第_ 體之元件結構，是由光敏元件21 P型井； -if Μ η ,μ Φ Β α 〈衫像感測模組，4 有複數間化θ電晶體結構之主動式像素感測器； :8、是一電路圖，說明本發明簡化電晶體結構d 式像π感測斋的第二較佳實施例’·及 15 1238528 圖9是一示意圖，說明第二較佳實施例中的光敏元件 是一 PNPN之三井結構。 16 1238528 【主要元件符號說明】 2、5…像素感測器 200……影像感測模組 201、 501重置信號 202、 502列選擇信號 2 1、5 1〜光敏元件 22........…重置二極體 23、 52 ‘第一電晶體 24、 53 、第二電晶體 7…………外部光線 S〇ut 1 .......輸出端 17

Claims (1)

1238528 十、申請專利範圍： 1 · 一種簡化電晶體結構之主動式像素感測器，包含· -光敏元件’用以感光後將_光信號轉換為—電氣 信號，並在讀取一重置信號後更新該電氣信號； / -第-電晶體’電連接該光敏元件，係用以將該電 氣信號放大並轉換為一輸出信號；及 一第二電曰曰曰體，電連接該第一電晶體，並依_選擇 信號控制該輸出信號之輸出。 2.依據申請專利範圍帛i項戶斤述之簡化電晶體結構之主動 式像素感測器，其中，該光敏元件係一 pNpN三井結構之 光二極體。 3 ·依據申w專利範圍第丨項所述之簡化電晶體結構之主動 式像素感測器，更包含一重置二極體，該重置二極體用 以知出”玄重置彳自號以更新該光敏元件之電氣信號。 4.依據申請專利範圍第3項所述之簡化電晶體結構之主動 式像素感測器，其中，該重置二極體係一光二極體。 依據申w專利範圍第3項所述之簡化電晶體結構之主動 式像素感測器，其中，該重置二極體是於該光敏元件之n 垔雜貝區中產生之P型井而形成的類pNp結構。 6 · 種影像感測模組，包含·· 複數主動式像素感測器，各該像素感測器具有一光 元件 弟一電晶體及一第二電晶體，其中，該光敏 元件用以感光後將一光信號轉換為一電氣信號，炎在讀 取重置化號後更新該電氣信號，該第一電晶體電連接 18 1238528 該光敏元件，係用以將該電氣信號放大並轉換為一輸出 信號，該第二電晶體電連接該第一電晶體，並依一列選 擇信號控制一行輸出信號之輸出； 各該像素感測器呈矩陣式排列，且各列之像素感測 器共用傳送該重置信號之傳輸線，各列之像素感測器亦 共同耦接一用以傳送該列選擇信號之列傳輸線，各行之 像素感測器則共同耦接一行傳輸線將訊號用以傳送該行 輸出信號。 19