一種3t cmos像素單元結(jié)構(gòu)及其信號(hào)采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全新結(jié)構(gòu)的3TCMOS圖像傳感器像素單元結(jié)構(gòu)及其信號(hào)采集方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是相機(jī)的重要組成部分，是通過CMOS或者C⑶圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)的。
[0003]常規(guī)的CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實(shí)現(xiàn)感光的核心器件，通常包括:實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的感光單元光電二極管和一系列作用為傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大、控制的外圍電路。
[0004]CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)包括:填充因子和輸出電壓幅度。填充因子的大小直接決定了像素的感光能力，光電二極管的面積越大，讀出晶體管的面積越小，感光的靈敏度就越高。
[0005]為了提高像素單元填充因子和提高輸出范圍，優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍，現(xiàn)有技術(shù)使用了包括:利用軟件在圖像拍攝完成后進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理;從硬件上改變像素單元結(jié)構(gòu)等手段。業(yè)界目前主流的CMOS像素單元結(jié)構(gòu)是4T像素單元電路，即每個(gè)像素單元由一個(gè)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的針感光二極管(pinned d1de)和4個(gè)晶體管組成的作用分別為傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大、控制的外圍電路構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中晶體管外圍電路占用了較大的單元面積，影響了像素單元填充因子的進(jìn)一步提高。同時(shí)由晶體管作為輸出信號(hào)的源跟隨器，也限制了整個(gè)像素單元的動(dòng)態(tài)范圍以及線性度的提升。
[0006]為進(jìn)一步改善像素單元填充因子，優(yōu)化信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍以及線性度，同時(shí)其制造還必須與常規(guī)集成電路工藝兼容，以實(shí)現(xiàn)有效管控合格率并降低生產(chǎn)成本，需要開發(fā)一種新的CMOS像素單元結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是改善CMOS像素單元的填充因子，優(yōu)化信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍以及線性度。
[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種3TCMOS像素單元結(jié)構(gòu)，所述單元結(jié)構(gòu)包括一個(gè)釘扎感光二極管PPD，復(fù)位開關(guān)管Ml和光電信號(hào)傳輸管M2，其特征在于，還包括浮柵晶體管M3，復(fù)位開關(guān)管Ml完成單元結(jié)構(gòu)復(fù)位，感光二極管PPD收集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過光電信號(hào)傳輸管M2傳輸至與浮柵晶體管M3相連的FD點(diǎn)，并通過浮柵晶體管M3輸出；
[0009]可選的，浮柵晶體管M3為輸出信號(hào)緩沖器，同時(shí)通過對(duì)控制柵CG外加寫入或擦除電壓，改變浮柵FG的閾值，實(shí)現(xiàn)像素單元信號(hào)有選擇的輸出；
[0010]可選的，所述復(fù)位開關(guān)管Ml的漏極接復(fù)位電壓輸入端Vreset，柵極接像素復(fù)位控制端Vrst，源極接光電信號(hào)傳輸管M2源極-FD節(jié)點(diǎn)；光電信號(hào)傳輸管M2的漏極與釘扎光電二極管PH)的陰極相連，柵極與像素單元傳輸管控制端Vtx相連;浮柵晶體管M3的漏極接VDD，控制柵極CG同時(shí)連接像素單元輸出控制端Vrot和光電信號(hào)傳輸管M2的源極-H)節(jié)點(diǎn)，源極為像素單元的輸出端，輸出信號(hào)Vciut ；
[0011]優(yōu)選的，所述浮柵晶體管控制柵CG的寫入電壓為8?9V，擦除電壓為0V;
[0012]為了解決上述問題，本發(fā)明還提出一種3TCMOS像素單元的信號(hào)采集方法，所述像素單元由一個(gè)釘扎感光二極管PPD和包含復(fù)位開關(guān)管Ml、光電信號(hào)傳輸管M2以及浮柵晶體管M3的外圍電路組成，所述浮柵晶體管M3為輸出信號(hào)緩沖器，同時(shí)對(duì)其控制柵CG外加寫入或擦除電壓可以改變其浮柵FG閾值，實(shí)現(xiàn)像素單元信號(hào)有選擇的輸出采集，其步驟包括:
[0013]步驟1:復(fù)位開關(guān)管Ml和光電信號(hào)傳輸管M2開啟，釘扎感光二極管PH)復(fù)位；
[0014]步驟2:光電信號(hào)傳輸管M2關(guān)斷，釘扎感光二極管PPD曝光，積分時(shí)間開始，然后復(fù)位開關(guān)管Ml關(guān)斷，接著像素單元輸出控制端Vr?的電壓跳變至寫入電壓，浮柵晶體管M3通過控制柵CG降低浮柵FG的閾值電壓，浮柵晶體管M3管源漏導(dǎo)通；
[0015]步驟3:像素單元輸出控制端Vr?關(guān)斷；
[0016]步驟4:復(fù)位開關(guān)管Ml打開，光電信號(hào)傳輸管M2的源極FD節(jié)點(diǎn)因充電而電位抬高至復(fù)位電壓V reset \
[0017]步驟5:釘扎感光二極管pro曝光積分時(shí)間結(jié)束，復(fù)位開關(guān)管Mi關(guān)斷，同時(shí)以浮柵晶體管M3作為緩沖器輸出Vreset信號(hào)，進(jìn)行第一次Vout米樣；
[0018]步驟6:光電信號(hào)傳輸管M2開啟后即關(guān)斷，將釘扎感光二極管PPD采集并轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)Vslgnal傳遞給FD節(jié)點(diǎn)，并以浮柵晶體管M3作為緩沖器輸出Vslgnal信號(hào)，進(jìn)行第二次Vout米樣；
[0019]步驟7:像素單元輸出控制端Vr?的電壓跳變至擦除電壓，浮柵晶體管M3通過控制柵提高浮柵FG的閾值電壓，浮柵晶體管M3管源漏關(guān)斷；
[0020]步驟8:復(fù)位開關(guān)管Ml和光電信號(hào)傳輸管M2開啟；
[0021]可選的，步驟2中浮柵晶體管M3通過控制柵減小浮柵FG的閾值電壓至OV實(shí)現(xiàn)源漏導(dǎo)通；
[0022]可選的，步驟7中浮柵晶體管M3通過控制柵提高浮柵FG的閾值電壓至大于2V實(shí)現(xiàn)源漏關(guān)閉。
[0023]現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)的4T結(jié)構(gòu)的CMOS像素單元是有一個(gè)釘扎感光二極管PH)以及由4個(gè)常規(guī)晶體管組成的外圍電路構(gòu)成的，如圖1所示，其基本元件包括:
[0024]I) I個(gè)感光二極管ro;
[0025]2)M1:行選晶體管ROW;
[0026]3)M2:源跟隨晶體管；
[0027]4)M3:復(fù)位晶體管RX;
[0028]5)M4:讀出開關(guān)晶體管TX;
[0029]其中，復(fù)位開關(guān)管M3的漏極接復(fù)位電壓輸入端，柵極接像素復(fù)位控制端RX，源極接讀出開關(guān)晶體管源極M4的源極;讀出開關(guān)晶體管源極M4的漏極與感光二極管的陰極相連，柵極與像素單元傳輸管控制端TX相連;源跟隨晶體管M2的漏極接高電位，柵極同時(shí)連接復(fù)位開關(guān)管M3的源極和讀出開關(guān)晶體管源極M4的源極，源極與行選晶體管Ml的漏極相連;行選晶體管Ml的柵極接行選端R0W，源極為像素單元的輸出端，輸出信號(hào)。
[0030]當(dāng)源跟隨晶體管M2與行選晶體管Ml同時(shí)開啟時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。
[0031]比較可知，本發(fā)明結(jié)構(gòu)使用3個(gè)晶體管替代現(xiàn)有技術(shù)中由4個(gè)晶體管組成的像素單元的外圍電路結(jié)構(gòu):即使用浮柵晶體管替代源跟隨晶體管和行選晶體管。
[0032]已知浮柵晶體管特性為:改變浮柵晶體管的控制柵CG的電壓可以對(duì)與之連接浮柵FG進(jìn)行寫入或擦除的操作，從而改變其浮柵FG的閾值，實(shí)現(xiàn)浮柵晶體管源漏之間的關(guān)斷或?qū)ā?br>[0033]本發(fā)明實(shí)際是提供了一種性能較現(xiàn)有4T結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的3T結(jié)構(gòu)的CMOS像素單元。本發(fā)明結(jié)構(gòu)節(jié)省了一個(gè)專用晶體管，減少了外圍電路的面積，節(jié)省了像素的有效面積，提高了入射光的利用率，從而提高了填充因子。外圍電路面積的減小意味著相同面積里能用于感光的面積增加。這樣，像素單元的感光能力就得以改善，擴(kuò)大了感光器件的動(dòng)態(tài)范圍。
[0034]本發(fā)明通過把緩沖輸出用晶體管做成浮柵結(jié)構(gòu)，利用浮柵晶體管特性，通過改變閾值電壓來控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了像素單元信號(hào)有選擇的輸出采集。使用常規(guī)晶體管作為輸出信號(hào)緩沖器的源跟隨器，其閾值電壓通常在0.4V以上，考慮到襯偏效應(yīng)則會(huì)更高，某些情況下襯偏效應(yīng)接近IV左右。改用浮柵控制后，閾值電壓降為接近0V，使像素的輸出范圍提高了50%，使最后得到的圖像動(dòng)態(tài)范圍大大提高
[0035]本發(fā)明所使用的浮柵晶體管，其制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中傳統(tǒng)的Flashmemory工藝完全兼容。因此，可以分享大規(guī)模集成電路生產(chǎn)成熟、嚴(yán)格、卓爾有效的品質(zhì)管理，實(shí)現(xiàn)合格率提升和生產(chǎn)成本降低的雙贏局面。
【附圖說明】
[0036]圖1是為傳統(tǒng)的4TCMOS像素單元結(jié)構(gòu)電路示意圖。
[0037]圖2是本發(fā)明的像素單元結(jié)構(gòu)電路示意圖。
[0038]圖3是本發(fā)明的像素單元信號(hào)采集時(shí)序示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0040]其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0041 ]本發(fā)明提供一種3T CMOS像素單元，所述單元結(jié)構(gòu)包括一個(gè)釘扎感光二極管PPD，復(fù)位開關(guān)管Ml和光電信號(hào)傳輸管M2和浮柵晶體管M3，其中浮柵晶體管作為輸出信號(hào)緩