專利名稱：影像傳感器及具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器，特別涉及一種具有較小面 積的CMOS影像傳感器的像素讀出電路(pixel readout circuit)，以及一種具有回授(或 切換)電容的像素讀出電路。
背景技術(shù)：
CMOS影像傳感器是一種擷取影像的電子裝置，例如用于照相機(jī)中，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換 為電荷，再將其轉(zhuǎn)換為電壓并讀取出來。圖IA顯示了無源像素傳感器(passive pixel sensor，PPS)，其為傳統(tǒng)CMOS影像傳感器的一種。為了便于說明，在圖中僅顯示了像素陣列 當(dāng)中的二個(gè)像素。每一像素含有一個(gè)光電二極管(Photodiode)D及存取晶體管(或開關(guān)) Ma。。。字線(例如WL1)連接至同一行的像素，而位線(例如BL)則連接至同一列的像素。位 于每一位線BL的末端有放大器10。圖IB顯示了有源像素傳感器(active pixel sensor, APS)的像素電路。每一個(gè) 像素包含一個(gè)光電二極管D及三個(gè)晶體管-MrSt、Msf、Msel，因此這類傳感器一般稱為CMOS影 像傳感器的3T像素電路。當(dāng)晶體管Mret被重置信號RST開啟(turn on)時(shí)，會將光電二極 管D重置為重置參考電壓(例如電源Vdd)。晶體管Msf作為源極追隨器(source follower), 其可用以緩沖或放大光電二極管D的累積(integrated)光信號。當(dāng)晶體管Msel被字線信 號WL開啟時(shí)，則允許像素信號的讀取。由于3T像素電路中的各個(gè)源極追隨器Msf及晶體管 Mrst會將噪聲隨機(jī)分散，因此可以減輕無源像素傳感器的條紋缺陷。然而，3T像素電路的光 電二極管D卻具有有高漏電流。再者，即使條紋缺陷減輕了，然而晶體管Mrst會產(chǎn)生KT/CP 噪聲，其中，雜散電容值Cp非常小，因此KT/CP噪聲的值會很大。圖IC例示了有源像素傳感器的另一種像素電路。每一像素包含一個(gè)光電二極管 D及四個(gè)晶體管(Mtx、Mrst, Msf、Msel)，因此這類傳感器一般稱為CMOS影像傳感器的4T像素 電路。4T像素電路的配置及功能類似于3T像素電路，然而當(dāng)額外的晶體管Mtx被傳送信號 TX開啟時(shí)，可用以傳送光電二極管D的累積光信號。此4T像素電路可用于執(zhí)行關(guān)聯(lián)雙重取 樣(correlated double sampling,⑶S)以避免像素之間因工藝變動差異所產(chǎn)生的差異特 性。此外，當(dāng)浮動擴(kuò)散(floating diffusion,FD)區(qū)域的容量夠大時(shí)，光電二極管可充分地 將累積電荷傳送出去。因此，關(guān)聯(lián)雙重取樣(CDS)可將0/(；噪聲完全去除，使得時(shí)間相關(guān) (temporal)噪聲位準(zhǔn)變得很低，且光電二極管所造成的暗(dark)電流也很少。圖IC的像素電路會占用相當(dāng)?shù)男酒娣e，因此，并不適于現(xiàn)代的高密度CMOS影像 傳感器。鑒于此，因此亟需提出一種CMOS影像傳感器的像素讀出電路，用以有效降低CMOS 影像傳感器的像素陣列的面積。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的之一是實(shí)質(zhì)地降低CMOS影像傳感器的像素陣列的面積。本發(fā)明的另一目的在于提出一種CMOS影像傳感器的像素電路，用以減低雜散電
4容，且不會犧牲其效能及共用于CMOS影像傳感器的像素?cái)?shù)目。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例之一，使用至少二傳送晶體管以分別傳送相對應(yīng)光電探測器的 累積光信號至第一節(jié)點(diǎn)。浮動擴(kuò)散區(qū)域連接至第一節(jié)點(diǎn)。使用重置晶體管以重置第一節(jié)點(diǎn) 使其為第二節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)重置電壓；且使用源極追隨器以緩沖累積光信號。其中，重置晶體管 及源極追隨器共用于該至少二光電探測器。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，電容連接于第一節(jié)點(diǎn) 與第二節(jié)點(diǎn)之間，用以減小有效電容的影響。


圖IA顯示了傳統(tǒng)無源像素傳感器。圖IB顯示了傳統(tǒng)有源像素傳感器的3T像素電路。圖IC顯示了傳統(tǒng)有源像素傳感器的4T像素電路。圖2A顯示了本發(fā)明實(shí)施例的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器的四晶體管 (4T)像素電路，其被四個(gè)像素所共用(shared) (4S)。圖2B顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的CMOS影像傳感器的四晶體管(4T)像素電路，其 被四個(gè)像素所共用(4S)。圖3A顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的CMOS影像傳感器的四晶體管(4T)像素電路，其 被四個(gè)像素所共用(4S)。圖3B顯示了圖3A的相關(guān)時(shí)序圖。圖3C顯示了圖3A的放大器的簡化等效方塊圖、回授電容及關(guān)聯(lián)雙重取樣(⑶S) 電路。圖3D顯示了圖3A在重置階段的簡化等效方塊圖。圖3E顯示了圖3A的放大器、回授電容在累積階段的簡化等效方塊圖。
具體實(shí)施例方式圖2A顯示了本發(fā)明實(shí)施例的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器的四晶體管 (4T)像素電路，其被四個(gè)像素所共用(shared) (4S)。本實(shí)施例可降低CMOS影像傳感器的像 素陣列的整體面積，或者可挪出較多的空間給光電二極管。在本實(shí)施例(及本說明書中的 其他實(shí)施例)中，像素電路被四個(gè)像素所共用，但不限定于四個(gè)；再者，本發(fā)明的像素電路 也不限定于含有四個(gè)晶體管(4T)，例如也可以為5T或更多的晶體管。在例示的4T 4S像素 電路中，四像素所對應(yīng)的四個(gè)光電探測器(photodetector)(例如釘扎光電二極管(pinned photodiode)) D1-D4分別連接至傳送晶體管Mtxl-Mtx4。在本實(shí)施例中，傳送晶體管Mtxl-Mtx4為 η型金屬氧化半導(dǎo)體(NMOS)晶體管。光電二極管D1-D4被反向偏壓，亦即，將其陽極接地而 陰極則連接至傳送晶體管Mtxl-Mtx4的源/漏極之一。傳送晶體管Mtxl-Mtx4的另一源/漏極 連接在一起，再連接至浮動擴(kuò)散(floating diffusion)區(qū)域FD (或第一節(jié)點(diǎn))及源極追隨 器Msf (例如為NMOS晶體管)的柵極。雖然4T4S像素電路中光電二極管D1-D4所累積電荷Q可大幅增加，但是，位線BL 所讀出的電壓(Q/Cp xAsf，其中Cp為節(jié)點(diǎn)P的雜散電容，Asf為源極追隨器Msf的增益，一般 值為0.8-0. 9)則會受到共用像素所產(chǎn)生的雜散電容所影響。為了讓像素電壓最大化，Cp的 有效電容值必須保持于最小，但又必須大到足以容納光電二極管D1-D4所傳送來的電荷。這種設(shè)計(jì)上的矛盾使得在最佳化電容Cp的同時(shí)卻也限制了共用于一個(gè)電路的像素?cái)?shù)目。為 了解決此問題，因而提出以下的實(shí)施例。圖2B顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器的4T 4S像素電路，其包含四個(gè)晶體管(4T)，且被四個(gè)像素所共用(shared) (4S)。在本實(shí)施例中， 傳送晶體管Mtxl-Mtx4連接在一起，再連接至浮動擴(kuò)散區(qū)域FD (或第一節(jié)點(diǎn))及源極追隨器 Msf (例如為NMOS晶體管)的柵極。電容Cf連接于浮動擴(kuò)散區(qū)域FD與節(jié)點(diǎn)S (第二節(jié)點(diǎn)) 之間。電容Cp為有效電容，其至少包含浮動擴(kuò)散區(qū)域FD的擴(kuò)散電容、源極追隨器Msf的柵極 電容及各像素的雜散電容。在節(jié)點(diǎn)S與地之間，源極追隨器Mst串聯(lián)于行選擇晶體管Msel(例 如NMOS晶體管)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道串聯(lián)的源極追隨器Msf、行選擇晶體管Msel的順 序調(diào)換后并不會影響其功能。重置晶體管Mret位于節(jié)點(diǎn)S與浮動擴(kuò)散區(qū)域FD之間。電源 電路或電流源20連接于電源Vdd與節(jié)點(diǎn)S之間。在本實(shí)施例中，電流源20由二串聯(lián)ρ型金 屬氧化半導(dǎo)體(PMOS)晶體管P"所組成。PMOS晶體管P"的柵極給予適當(dāng)?shù)钠珘?未示 出)。圖2B的4T 4S像素電路的操作共分為下列三個(gè)階段。首先，在重置階段，重置晶 體管Mret被重置信號RST開啟，傳送晶體管Mtxl-Mtx4也分別被傳送信號TX1-4開啟。因此， 光電二極管D1-D4被重置為“釘扎(pinning)電壓”，其值小于節(jié)點(diǎn)S的預(yù)設(shè)參考電壓，其又 小于電源VDD，因此光電二極管D1-D4被完全耗盡(cbpleted)。在本實(shí)施例中，電流源20將 電源Vdd下拉至預(yù)設(shè)值，用以提供所需的重置參考電壓給光電二極管D1-D415接下來，在累積 (integration或accumulation)階段，重置晶體管Mrst及傳送晶體管Mtxl-Mtx4關(guān)閉(turned off)，接著照射光線于光電二極管D1-D4。光電二極管D1-D4的跨壓將隨著照射光線強(qiáng)度的增 加而降低(放電)。在第三階段，重置晶體管Mret重被開啟一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)浮動擴(kuò)散 區(qū)域FD被重置為上述的預(yù)設(shè)電壓，接著開啟行選擇晶體管Msel以讀取重置(或暗(dark)) 電壓。接下來，傳送晶體管Mtxl-Mtx4其中一個(gè)被開啟(并保持行選擇晶體管Msel的開啟)，用 以讀取FD的光電二極管D1-D4W累積光信號。重置電壓與累積光信號的差值(該差值由外 部電路所產(chǎn)生，本圖中未示出，但將于以下討論)將被用于執(zhí)行關(guān)聯(lián)雙重取樣(correlated double sampling，⑶S)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，如果不需要執(zhí)行關(guān)聯(lián)雙重取樣(⑶S)， 則上述第三步驟中浮動擴(kuò)散區(qū)域FD的重置就可以省略。光電二極管D1-D4可以依據(jù)特別目的而予以作特殊的配置。例如，在一個(gè)實(shí)施例 中，光電二極管Di、D2、D3、D4分別用以檢測紅光(R)、綠光(G)、紅光(R)、綠光(G)。在操作 時(shí)，傳送信號TX1、TX3同時(shí)開啟傳送晶體管Mtxl、Mtx3，而傳送信號TX2、TX4則同時(shí)開啟傳送 晶體管Mtx2、Mtx4。此操作一般稱為像素階層的“電荷重合(binning)”。因此，可以有效增加 (倍增)紅光及綠光的檢測面積，因而得以增強(qiáng)低亮度環(huán)境下的工作效能。若在像素內(nèi)使用 回授電容，則可讓更多像素來進(jìn)行電荷重合，更為增強(qiáng)低亮度環(huán)境下的工作效能。圖3A顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器的四晶 體管(4T)像素電路，其被四個(gè)像素所共用(shared) (4S)。在本實(shí)施例中，光電二極管D1-D4, 傳送晶體管Mtxl-Mtx4、電容Cp和圖2B相同，因此省略其相關(guān)說明。在電源Vdd與地之間，源 極追隨器Msf串聯(lián)于行選擇晶體管Msel (例如NMOS晶體管)。涵蓋源極追隨器Msf的放大器30在浮動擴(kuò)散區(qū)域FD (或第一節(jié)點(diǎn))接收輸入電壓。 放大器30的輸出節(jié)點(diǎn)V?；厥谶B接至回授電容Cf的第二端。重置晶體管M,st位于FD與放大器30的輸出之間。在本實(shí)施例中，放大器30為標(biāo)準(zhǔn)差分放大器。放大器30也可以采用 其他組成形式，只要其提供反相信號及具有足夠的開回路增益，以符合所需的閉回路增益 精確度。圖3A的像素電路的操作共分為下列三階段。圖3B顯示了相關(guān)時(shí)序圖，圖3C顯示 了放大器30的簡化等效方塊圖、回授電容Cf及關(guān)聯(lián)雙重取樣(⑶S)電路32。首先，在重置 階段，重置晶體管M t在時(shí)間、被重置信號RST開啟，傳送晶體管Mtxl-Mtx4也分別被傳送信 號TX開啟。因此，光電二極管Di-隊(duì)被重置為“釘扎(pinning)電壓”，其值小于參考電壓 Vesto圖3D顯示了圖3A在重置階段的簡化等效方塊圖。此階段的總電荷Q1等于電容Cp的 電荷(亦即，(Vkst-O) *CP)?？傠姾蒕1可表示為 接下來，在累積(integration或accumulation)階段，重置晶體管Mrst及傳送晶體 管Mtxl-Mtx4關(guān)閉(turned off)，接著照射光線于光電二極管D1-D4。光電二極管D1-D4的跨壓 將隨著照射光線強(qiáng)度的增加而降低(放電)。圖3E顯示了圖3A的放大器30、回授電容& 在累積階段的簡化等效方塊圖。此階段的總電荷Q2等于電容Cp的電荷(亦即，(VKST-0)*Cp) 加上電容Cf的電荷(亦即，(Vest-V0) *Cf)?？傠姾蒕2可表示為 在第三階段，重置晶體管Mret重被開啟一段時(shí)間(時(shí)間t3與t4之間)，在這段時(shí)間 內(nèi)浮動擴(kuò)散區(qū)域FD被重置為上述的預(yù)設(shè)電壓，接著開啟行選擇晶體管Msel以取樣(sample) 及保持(hold)該重置(或暗(dark))電壓，該取樣/保持通過控制信號SHR閉合(close) 開關(guān)SW1來完成的。接下來，傳送晶體管Mtxl-Mtx4其中一個(gè)在時(shí)間、被開啟(并保持行選 擇晶體管Msel的開啟)，用以取樣(sample)及保持(hold)浮動擴(kuò)散區(qū)域FD的光電二極管 D1-D4的累積光信號(累積電荷為Qimg)，該取樣/保持通過控制信號SHS閉合(close)開關(guān) SW2來完成的。輸出電壓V。可以下式表示 因此，轉(zhuǎn)換增益(conversion gain)可以由本實(shí)施例的回授電容Cf來控制，此可 避免受到浮動擴(kuò)散區(qū)域FD電容及共用像素的雜散電容的影響?；厥陔娙軨f可以根據(jù)需求 加以設(shè)計(jì)調(diào)整，用以增加輸出電壓V。范圍以及像素敏感度。根據(jù)上述實(shí)施例，輸出電壓V。主要由回授電容Cf來控制，幾乎不會受到雜散電容 的影響。因而，導(dǎo)體繞線幾乎不會影響到輸出電壓。在一實(shí)施例中，此發(fā)明優(yōu)點(diǎn)可用以增加 共用像素的數(shù)目而不會影響輸出電壓。在另一實(shí)施例中，可利用此發(fā)明優(yōu)點(diǎn)以增加行(row) 的數(shù)目而不會影響輸出電壓，使得在幀(frame)當(dāng)中進(jìn)行不同時(shí)間的曝光，用以增加其動 態(tài)范圍(dynamic range)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明；凡其它未脫離發(fā) 明所揭示的精神下所完成的等效改變或修改，均應(yīng)包含在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種影像傳感器，包含至少二光電探測器；至少二傳送晶體管，用以分別傳送相對應(yīng)光電探測器的累積光信號至第一節(jié)點(diǎn)；浮動擴(kuò)散區(qū)域，連接至所述第一節(jié)點(diǎn)；重置晶體管，用以重置所述第一節(jié)點(diǎn)使其為第二節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)重置電壓；電容，連接于所述第一節(jié)點(diǎn)與所述第二節(jié)點(diǎn)之間，用以減小有效電容的影響；以及源極追隨器，用以緩沖傳送自傳送晶體管的累積光信號；其中所述的重置晶體管及源極追隨器共用于所述至少二光電探測器。
2.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，其中所述的光電探測器包含釘扎光電二極管 (pinned photodiode)0
3.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，還包含行選擇晶體管，用以驅(qū)動被選擇行的源極 追隨器。
4.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，還包含電源電路，連接于所述第二節(jié)點(diǎn)與電源之間。
5.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器，還包含放大器，用以接收所述第一節(jié)點(diǎn)的電壓，并 輸出電壓于所述第二節(jié)點(diǎn)。
6.一種具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，包含 多個(gè)光電二極管，其被反向偏壓；多個(gè)傳送晶體管，其一端分別連接至相對應(yīng)光電二極管，另一端則連接一起至第一節(jié)占.^ w\ 浮動擴(kuò)散區(qū)域連接至所述第一節(jié)點(diǎn)，其中位于所述第一節(jié)點(diǎn)的有效電容包含所述浮動 擴(kuò)散區(qū)域的電容及所述光電二極管、傳送晶體管的雜散電容；重置晶體管，位于所述第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，用以重置所述第一節(jié)點(diǎn)使其為所述 第二節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)重置電壓；源極追隨器，其柵極連接至所述第一節(jié)點(diǎn)；行選擇晶體管，在所述第二節(jié)點(diǎn)與地之間，與所述源極追隨器相串聯(lián)； 電源電路，連接于電源與所述第二節(jié)點(diǎn)之間；以及電容，連接于所述第一節(jié)點(diǎn)與所述第二節(jié)點(diǎn)之間，用以減小所述有效電容的影響。
7.如權(quán)利要求6所述的具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，其中所述每一個(gè)光電 二極管的陽極接地，而陰極則連接至相對應(yīng)傳送晶體管的源/漏極之一。
8.如權(quán)利要求7所述的具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，其中所述傳送晶體管 的另一源/漏極連接一起，并接至所述第一節(jié)點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求6所述的具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，其中所述電源電路包 含二串聯(lián)的PMOS晶體管。
10.一種具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，包含 多個(gè)光電二極管，其被反向偏壓；多個(gè)傳送晶體管，其一端分別連接至相對應(yīng)光電二極管，另一端則連接一起至第一節(jié)占.^ \\\ 浮動擴(kuò)散區(qū)域連接至所述第一節(jié)點(diǎn)，其中位于所述第一節(jié)點(diǎn)的有效電容包含所述浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容及所述光電二極管、傳送晶體管的雜散電容；重置晶體管，位于所述第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，用以重置所述第一節(jié)點(diǎn)使其為所述 第二節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)重置電壓；源極追隨器，其柵極連接至所述第一節(jié)點(diǎn)；行選擇晶體管，在電源與地之間，與所述源極追隨器相串聯(lián)；放大器，連接至所述源極追隨器以接收所述第一接點(diǎn)的電壓，并輸出于所述第二節(jié)點(diǎn)；以及電容，連接于所述第一節(jié)點(diǎn)與所述第二節(jié)點(diǎn)之間，用以減小所述有效電容的影響。
11.如權(quán)利要求10所述的具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，其中所述每一個(gè)光 電二極管的陽極接地，而陰極則連接至相對應(yīng)傳送晶體管的源/漏極之一。
12.如權(quán)利要求11所述的具有高轉(zhuǎn)換增益的低噪聲像素讀出電路，其中所述傳送晶體 管的另一源/漏極連接一起，并接至所述第一節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
一種互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器的像素電路。使用至少二傳送晶體管以分別傳送相對應(yīng)光電探測器的累積光信號至第一節(jié)點(diǎn)。使用重置晶體管以重置第一節(jié)點(diǎn)使其為第二節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)重置電壓；且使用源極追隨器以緩沖累積光信號。在實(shí)施例中，電容連接于第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，用以減小有效電容的影響，該有效電容包含浮動擴(kuò)散區(qū)域的電容及光電探測器、傳送晶體管的雜散電容。
文檔編號H04N5/217GK101902583SQ200910141830
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者印秉宏, 林積劭, 米特拉·艾米特 申請人:英屬開曼群島商恒景科技股份有限公司