测量4管像素单元cmos图像传感器钉扎电压的方法
【专利摘要】本发明公开了一种像素单元的钉扎光电管的钉扎电压的测量方法，包括：将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，同时打开传输晶体管及复位晶体管，以清空钉扎光电管中的电荷；保持传输晶体管及复位晶体管同时打开的状态下，将复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷引入光电管中；之后关闭传输晶体管和复位晶体管；保持钉扎光电管的电荷量不变，将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，依次打开复位晶体管和传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复上述步骤，获得控制电压与像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定钉扎光电管的钉扎电压。本发明能够方便、高效、准确地测量4管像素单元的CMOS图像传感器的钉扎电压值。
【专利说明】测量4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种4管像素单元图像传感器的钉扎电压的测量方法。
【背景技术】
[0002]CMOS图像传感器的性能，伴随着从最初的无源像素结构到现在被广泛使用的有源像素结构，有了很大的提升。但是被应用很久的3管有源像素结构，还是存在着暗电流和噪声的缺陷。为了进一步提高CMOS图像传感器的性能，采用钉扎光电管和传输晶体管的4管像素单元由于其更低的复位噪声和暗电流，正在被越来越多的使用。与此同时，为了实际判定器件性能和图像传感器输出电压幅值，能够准确并方便测量4管像素单元的光电管钉扎电压正在成为迫切要求。
[0003]4管像素单元中采用的钉扎光电管不是传统的由单个pn结简单构成的光电管，可以直接测量电压或者电流输出，而是由2个pn结背对背，由彼此的耗尽区拼接成一个完全耗尽的区域组成的存储电荷的光电管，因此没有办法直接测量其电压值或者完全耗尽时的钉扎电压值，而光电管的钉扎电压值直接影响到像素单元的满阱电荷量和输出信号范围。虽然通过器件仿真可以提供光电管的钉扎电压参考值，但通常的测试方法可能需要专门设计光电管的特殊测试结构来测量工作在电荷域的钉扎电压值，这种测试方法在方便性和快捷性上有所欠缺。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种能够方便、高效、准确地测量4管像素单元的CMOS图像传感器的钉扎电压值的测量方法。
[0005]为达成上述目的，本发明提供一种4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，所述4管像素单元包括所述钉扎光电管，传输晶体管，悬浮点，复位晶体管，源跟随器和选通管，所述测量方法包括:步骤S1:将所述复位晶体管的漏极电压连接至供电电压，同时打开所述传输晶体管及所述复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷；步骤S2:保持所述传输晶体管及所述复位晶体管同时打开的状态下，将所述复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中；之后关闭所述传输晶体管和所述复位晶体管；步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将所述复位晶体管的漏极电压连接至所述供电电压，依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复进行步骤SI至步骤S3，获得所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定所述钉扎光电管的钉扎电压。
[0006]可选的，其特征在于，所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线的拐点所对应的控制电压为所述钉扎光电管的钉扎电压。
[0007]可选的，所述拐点为所述像素单元的输出电压开始保持不变的点。
[0008]可选的，步骤S3中通过保持无入射光的暗室条件及电荷积累时间的控制以保持所述钉扎光电管的电荷量不变，所述电荷积累时间为步骤S2中所述传输晶体管关闭至步骤S3中所述传输晶体管打开的时间。
[0009]可选的，所述电荷积累时间小于5微秒。
[0010]可选的，所述悬浮点的电势与所述控制电压基本相同。
[0011]可选的，步骤S3中依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压的步骤包括:打开所述复位晶体管并进行第一次采样，以读取所述像素单元的第一输出电压；打开所述传输晶体管并进行第二次采样，以读取所述像素单元的第二输出电压；根据所述第一输出电压和所述第二输出电压读出所述像素单元的输出电压。
[0012]可选的，当所述控制电压小于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量由所述控制电压决定；步骤S3中所述像素单元的输出电压与所述控制电压成反比；当所述控制电压大于等于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量为O ;步骤S3中所述像素单元的输出电压不变。
[0013]可选的，在重复进行步骤SI至S3时，所述控制电压从初始电压逐渐增加。
[0014]可选的，所述初始电压接近0V。
[0015]本发明的4管像素单元的图像传感器钉扎电压的测量方法的有益效果在于，充分利用现有的像素单元结构，通过对复位晶体管漏极电压控制以及复位晶体管和传输晶体管的时序控制，准确方便地测量4管像素单元的图像传感器的钉扎电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明一实施例的测量4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的基本测试结构。
[0017]图2是本发明一实施例的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法的时序图。
[0018]图3a至3c所示为根据本发明一实施例的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，不同复位晶体管漏极电压所对应的钉扎光电管、传输晶体管和悬浮点之间的电势关系图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0020]以下将结合图1及图2具体说明本发明的一较佳实施例。
[0021]CMOS图像传感器钉扎电压的基本测试结构如图1所示。测试结构包括I个钉扎光电管(Pinned Photodiode, PPD) I, I 个传输晶体管(Transfer Gate, TG) 2,1 个悬浮点(Floating Diffusion Node, FD) 3,1 个复位晶体管(Reset) 4,1 个源跟随器(SourceFollower, SF) 5和I个选通晶体管(Row Selector, RS)6。钉扎光电管使用p型半导体衬底、注入到该P型衬底中的η型阱及注入到该η型阱中的ρ+层而建构。传输晶体管2、复位晶体管4、源跟随器5和选通晶体管6均包含源极、漏极与栅极。钉扎光电管I连接至传输晶体管2的源极。传输晶体管2的漏极在悬浮点3处耦合至复位晶体管4的源极以及源跟随器5的栅极。源跟随器5的源极连接至选通晶体管6的漏极。选通晶体管6的源极连接至输出端Vout，源跟随器的漏极连接至芯片供电电压Vdd。
[0022]与现有技术的4T像素单元的图像传感器不同的是，本发明的测试结构中，复位晶体管4的漏极由控制电压Vreset单独控制。
[0023]本发明根据该测试结构进行的钉扎电压的测量方法包括以下步骤:
[0024]步骤S1:将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，同时打开传输晶体管及复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷；
[0025]步骤S2:保持传输晶体管及复位晶体管同时打开的状态下，将复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从悬浮点引入钉扎光电管中；然后，关闭传输晶体管和复位晶体管；
[0026]步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，依次打开复位晶体管和传输晶体管，读出像素单元的输出电压；
[0027]重复进行步骤SI至步骤S3，获得控制电压与像素单元的输出电压的关系曲线，根据该关系曲线确定钉扎光电管的钉扎电压。
[0028]以下将结合图2和图3a至图3c详细说明根据本发明的测试结构进行4T单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法。
[0029]首先，在每次测试开始时，为防止钉扎光电管I上已存在的多余电荷对后续测试的影响，需先将复位晶体管4的漏极连接至芯片供电电压VddJn 3.3V。也即是此时复位晶体管4的控制电压Vreset的值为供电电压Vdd。之后，同时打开传输晶体管2和复位晶体管4 (TG和RST为高电平)，由于悬浮点3上的电势基本等于电压Vreset的电压值(即供电电压Vdd的电压值，为3.3V)，因此悬浮点3上的电势最高，并通过打开着的复位晶体管连接至Vdd，钉扎光电管I上的多余电荷会因为电势差流至悬浮点并被清空。
[0030]然后，在第一次测试时，在保持传输晶体管2和复位晶体管4仍同时打开的情况下，马上拉低复位晶体管控制电压Vreset的电压至一个非常低的初始电压值，如图2中所示的VI，初始电压值Vl接近0V。当Vreset等于Vl时，钉扎光电管1、传输晶体管2和悬浮点3之间的电势关系如图3a所示，斜线区域表示电荷。由于初始电压值Vl接近0V，当然也低于钉扎光电管I的钉扎电压值V_pinning,因此电荷会从悬浮点3反向流入钉扎光电管1，被钉扎光电管I接收。钉扎光电管I接收的电荷量由复位晶体管4的漏极电压Vl决定。
[0031]之后，关闭传输晶体管2和复位晶体管4，这样由复位晶体管4漏极电压Vl引入的电荷就被存储在钉扎光电管I中，如图3a所示。为了确保存储在钉扎光电管I中的由复位晶体管4漏极电压Vl引入的电荷数量不变从而能够被准确读出，应在传输晶体管2关闭后保持无光照的黑暗条件使钉扎光电管本身不发生光电转换而产生新的电荷；此外传输晶体管2关闭至下一次打开之间的电荷积累时间(图2中Integration Time)也应尽量短暂，较佳的电荷积累时间为小于5微秒,如此可认为传输晶体管2关闭后存储在钉扎光电管I上的电荷量保持不变。
[0032]接下来，将控制电压Vreset重新拉高至Vdd，同时按照正常读出像素单元信号的时序，依次打开复位晶体管4和传输晶体管2，并采样2次。具体来说，如图2所示，在打开复位晶体管4之后打开传输晶体管2之前进行第一次采样(Sample_rst)并读出第一输出电压，在打开传输晶体管2之后进行第二次米样(Sample_tg)并读出相应的第二输出电压，将两次采样结果的第一输出电压和第二输出电压相减，就能够将通过控制电压Vl引入至钉扎光电管I的电荷以像素单兀输出电压的形式读出，输出电压为Sigl。
[0033]在进行第二次测试时，重复第一次测试过程中，将复位晶体管4的漏极电压拉高为供电电压Vdd以及同时打开传输晶体管2和复位晶体管4以清空钉扎光电管I上多余电荷的操作。之后在传输晶体管2和复位晶体管4仍同时打开的情况下，将复位晶体管4的控制电压Vreset的值拉低至V2，V2仍小于光电管钉扎电压值V_pinning，但V2>V1。此时，钉扎光电管1、传输晶体管2和悬浮点3之间的电势关系如图3b所示。同样的，由控制电压V2决定电荷量的电荷由悬浮点3，通过打开的传输晶体管2，反向流入钉扎光电管I中。但是，相对于第一次测试中的初始电压值VI，由于此时的控制电压V2和光电管钉扎电压之间的差值较小，由悬浮点3流入钉扎光电管I的电荷量也相对于第一次测试而言减小了。之后，在确保传输晶体管2关闭后存储在钉扎光电管I上的由控制电压V2所决定的电荷量保持不变的情况下，通过重新拉高控制电压Vreset至Vdd，依次打开复位晶体管4和传输晶体管2，读出像素单元的输出电压Sig2，Sig2也较Sigl小。
[0034]之后重复进行上述的测试过程，将控制电压Vreset不断增加，调节至不同的电压值，可以得到不同的像素单元的电压输出值。随着控制电压Vreset的上升，所读出的电压输出值也逐渐减小。
[0035]当复位晶体管4的控制电压Vreset调节至比光电管的钉扎电压大，如图2中所不的Vx时，由于悬浮点3的电势高于钉扎光电管I的钉扎电压，打开的传输晶体管2后控制电压Vreset没有办法再引入电荷至钉扎光电管I中,钉扎光电管I的电荷为空。因此，再继续增加控制电压Vreset的电压值，钉扎光电管I上的电势也不会再改变。也因此，在接下来的读出过程中，像素单元的输出电压也将保持恒定。
[0036]通过多次的上述的测试过程，最终可以绘制一条控制电压Vreset和像素单元输出电压Sigl，Sig2……的关系曲线。当复位晶体管漏极的控制电压Vreset小于光电管钉扎电压V_pinning时，控制电压与像素单元的输出电压成反比。而从复位晶体管漏极的控制电压Vreset等于光电管钉扎电压V_pinning开始，像素单元的输出电压开始保持不变而进入饱和区。因此，所绘制的曲线中像素单元的输出电压进入饱和区的拐点所对应的控制电压Vreset值也就是4管单元图像传感器的钉扎光电管的钉扎电压。因此，通过本发明的测试方法，充分利用现有的像素单元结构，通过对复位晶体管漏极电压控制以及复位晶体管和传输晶体管的时序控制，能够准确方便地测量4管单元图像传感器的钉扎电压，该钉扎电压可以用于验证4管图像像素单元的器件仿真结果，也可以用于估计图像传感器的输出电压幅值。
[0037]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
【权利要求】
1.一种4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，所述4管像素单元包括所述钉扎光电管，传输晶体管，悬浮点，复位晶体管，源跟随器和选通管，所述测量方法包括: 步骤S1:将所述复位晶体管的漏极电压连接至供电电压，同时打开所述传输晶体管及所述复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷； 步骤S2:保持所述传输晶体管及所述复位晶体管同时打开的状态下，将所述复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中；之后关闭所述传输晶体管和所述复位晶体管； 步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将所述复位晶体管的漏极电压连接至所述供电电压，依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压； 重复进行步骤SI至步骤S3，获得所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定所述钉扎光电管的钉扎电压。
2.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线的拐点所对应的控制电压为所述钉扎光电管的钉扎电压。
3.根据权利要求2所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述拐点为所述像素单元的输出电压开始保持不变的点。
4.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，步骤S3中通过保持无入射光的暗室条件及电荷积累时间的控制以保持所述钉扎光电管的电荷量不变，所述电荷积累时间为步骤S2中所述传输晶体管关闭至步骤S3中所述传输晶体管打开的时间。
5.根据权利要求4所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述电荷积累时间小于5微秒。
6.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述悬浮点的电势与所述控制电压基本相同。
7.根据权利要求6所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，步骤S3中依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压的步骤包括: 打开所述复位晶体管并进行第一次采样，以读取所述像素单元的第一输出电压； 打开所述传输晶体管并进行第二次采样，以读取所述像素单元的第二输出电压； 根据所述第一输出电压和所述第二输出电压读出所述像素单元的输出电压。
8.根据权利要求7所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，当所述控制电压小于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量由所述控制电压决定；步骤S3中所述像素单元的输出电压与所述控制电压成反比；当所述控制电压大于等于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量为O ;步骤S3中所述像素单元的输出电压不变。
9.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，在重复进行步骤SI至S3时，所述控制电压从初始电压逐渐增加。
10.根据权利要求9所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述初始电压接近0V。
【文档编号】G01R19/00GK103698582SQ201310746939
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】谈佳明 申请人:上海集成电路研发中心有限公司