专利名称：包括三个晶体管的单位像素和包括该单位像素的像素阵列的制作方法
技术领域：
光电二极管PD包括连接到接地电压GND的一个端子(terminal)并 响应于图像信号生成电荷。电荷传输晶体管M1包括连接到光电二极管PD 的另一个端子的端子以及施加以电荷传输控制信号TX的4册极。重置晶体 管M2包括连接到供电电压VDD的端子、连接到电荷传输晶体管Ml的另一 个端子的另一个端子以及施加以重置控制信号RE的栅极。转换晶体管M3 包括连接到供电电压VDD的端子以及同时连接到电荷传输晶体管Ml的另 一个端子和重置晶体管M2的另一个端子的栅极。这里，电荷传输晶体管 Ml和重置晶体管M2之间的共同端子被称作浮动扩散区域。转换晶体管M3 生成与聚集在所述浮动扩散区域中的电荷相对应的转换电压PIX-0UT。像 素选择晶体管M4响应于像素选择控制信号SEL来执行转换电压PIX-OUT 的切换。参考电压VI和比较电压V2之间的差异被作为与像素所检测到的图像
6信号相对应的检测电压进行处理。如以上所描述的，生成与图傳Z言号相对应的电荷并输出与所生成的电 荷相对应的转换电压的像素电路使用至少四个MOS晶体管。根据本发明的另一方面，提供了一种像素阵列，其具有根据本发明 的多个单位像素被二维排列的结构，并且包括一个或多个重置供电电路， 所述重置供电电路响应于像素选择信号而输出两个或多个不同的供电电压，其中多个单位像素的各部分共享从所述重置供电电路输出的电压。
重置供电电路410包括两个开关元件M4和M5。第四开关元件M4响 应于第一控制信号Sl对第二供电电压VDD执行开关操作，而第五开关元 件M5响应于第二控制信号S2对第一供电电压GND执行开关操作。第一供 电电压GND比第二供电电压VDD相对降低，并且这可才艮据开关元件的电子 特性而发生变化。例如，当通过使用N型MOS晶体管来实现所述两个开关 元件M4和M5，并且分别施加到其栅^L的两个控制信号Sl和S2为逻辑高 电平状态时，所述开关导通。
37第四开关元件M4响应于施加到其栅极的控制信号Sl将连接到第四开 关元件M4的端子的第二供电电压VDD变换为连接到其另一个端子的预充 电/重置线P/R。第五开关元件M5响应于施加到其4册;〖及的控制信号S2将 连接到第五开关元件M5的端子的第一供电电压GND变换为连接到其另一 个端子的预充电/重置线P/R。重置控制器M2具有连接到预充电/重置线线P/R的一个端子，具有连 接到电荷传输单元M1的另一个端子的另一个端子，可净皮实现为具有施加 以重置控制信号的栅极的N型M0S晶体管，并且将彼此不同并通过预充电 /重置线线P/R提供的的两个或更多供电电压VDD和GND提供到其另 一个 端子VC。这里，所述另一个端子VC通常被称为浮动扩散区域。电压转换器M3具有连接到第二供电电压VDD的端子，可被实现为具 有同时连接到电荷传输单元Ml的另 一个端子和重置控制器M2的另 一个端 子的栅极的N型M0S晶体管，并且输出对应于电荷传输单元Ml和重置控 制器M2之间的共同端子VC中所聚集的电荷而确定的转换电压PIX-0UT。现在，将参考图5和6对图4所示的单位像素450的预充电和重置操 作进行描述。这里，假设在第一控制信号S1使能时，通过预充电/重置线 线P/R输出第二供电电压VDD，而当第二控制信号S2使能时，输出第一 供电电压GND。图5图示了当第一控制信号使能时图4所示的电路的操作状态。参见图5，由于第二供电电压VDD被提供到重置控制器M2的端子， 所以当重置控制器M2导通时，电荷传输单元M1、重置控制器M2和电压 转换器M3之间的共同节点VC以对应于第二供电电压VDD的电平的电荷进 行预充电。图7是图4中使用的控制信号的波形图。图8图示了根据一个实施例的表示图4所示的重置供电电路和单位像 素之间的连接关系的像素阵列。
61参见图8，像素阵列800包括N个重置供电电路410-1至410-N (N 为整数)和单位像素组810至840，每个像素组中均在水平方向排列有M 个单位像素(M为整数)。图ll是与图8所示的像素阵列的操作相关联的信号的波形图。
13[74参见图11，第一个第一控制信号Sll、第一个第二控制信号S21、第 一个第一传输控制信号TX1和第 一个第 一重置控制信号RE1作为一组被使 能或无效。这里，其余的第一控制信号S12至S1N、其余的第二控制信号 S22至S2N、其余的传输控制信号TX2至TXN以及其余的重置控制信号RE2 至REN被无效。
[75通过使用在第一个第一控制信号Sll使能的时间间隔期间被使能的 第一传输控制信号和第一重置控制信号RE1,感应到像素所检测的图像信 号。当第一重置控制信号RE1在第一个第二控制信号S21在第一个第一控 制信号Sll无效之后被使能的时间间隔期间再次被使能时，在图像中存储 的所有电荷都祐」改电。这里，图示了电压V11和V12来区分在图4所示的 像素电路的共同节点VC处下降的电压，这两个电压之间的差被称作与提 取图像相对应的信号，并且接地电压为用于对所述共同节点VC中聚集的 电荷进行放电的供电电压。
[76接下来，通过使用在第二个第一控制信号S12被使能的时间间隔期间 使能的第二传输控制信号和第二重置控制RE2，感应到像素所检测的图像 信号。当第二重置控制信号RE2在第二个第二控制信号S22在第二个第一 控制信号S12无效之后被使能的时间间隔期间被使能时，在图像传感器中 存储的所有电荷都^Ri文电。
[77图12是与图9和IO所示的像素阵列的操作相关联的信号的波形图。
[78参见图12，第一控制信号Sll和第二控制信号S21在预定的时间间 隔期间交替使能或无效，并且与此相一致的是，传输控制信号TX和重置 控制信号RE随后纟皮4吏能。当一对传输控制信号TX1和重置控制信号RE 使能时，其余的控制信号TX2和TXN以及其余的控制信号RE2至REN被无 效。
[79依据所述信号进行操作的像素阵列的操作与参考图8至11所描述的 相同，所以省略了对其的详细描述。
[80虽然已经参考其示例性实施例特别示出和描述了本发明，但是本领域
技术人员将会理解的是，可以在其中进行各种形式和细节的变化而不会背 离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
工业实用性
[81如上所述，由于根据本发明的单位像素使用三个MOS晶体管，所以其
14优势在于能够减少单位像素的数目，并且能够减少包括多个单位像素的图 像传感器的整体面积。虽然使用了重置供电电路向所述单位像素提供供电 电压，但是多个单位像素共同使用单个重置供电电路，从而所减少的图像
传感器的妙极大于所增加的重置供电电路的面积。此外，能够将单位像素 中所聚集的电荷放电至接地电压，从而具有在先前步骤中所聚集的电荷随 后并不影响连续图像信号检测周期的优势。
权利要求
1. 一种单位像素，其包括光电二极管、电荷传输单元、重置控制器和电压转换器，并且输出与所接收的图像信号相对应的转换电压，其中所述光电二极管响应于图像信号而生成电荷，其中所述电荷传输单元响应于电荷传输控制信号将所述光电二极管所生成的电荷传输到所述电压转换器，其中所述重置控制器响应于重置控制信号向所述电荷传输单元和电压转换器之间的共同端子施加两个或更多不同的供电电压，并且其中所述电压转换器输出与在所述电荷传输单元和重置控制器之间的共同端子中聚集的电荷相对应的转换电压。
2.如权利要求1所述的单位像素，其中所述两个或更多不同的供电电压为第一供电电压和第二供电电 压，并且其中所述第一供电电压的电平相对低于所述第二供电电压的电平。
3.如权利要求2所述的单位像素，其中所述第一供电电压为所述单位像素所使用的供电电压的最低供 电电压，并且其中所述第二供电电压为所述单位像素所使用的供电电压的最高供 电电压。
4.如权利要求1所述的单位像素，其中所述光电二极管是二极管，其包括连接到第一供电电压的一个端 子以及连接到电荷传输单元的另一个端子，其中所述电荷传输单元是开关元件，其包括连接到所述光电二极管的 另一个端子的一个端子；同时连接到所述重置控制器和电压转换器的另一 个端子，并且所述电荷传输单元相应于电荷传输控制信号导通或关闭，并 且其中所述重置控制器是开关元件，其包括独立连接到两个或更多供电 电压的一个端子和连接到所述电荷传输单元和电压转换器之间的共同端子的另一个端子，并且所述重置控制器响应于所述重置控制信号导通或关 闭。
5.如权利要求4所述的单位像素，其中与所述电荷传输单元相对应的开关元件是电荷传输MOS晶体管， 其包括作为漏极端子或源极端子的一个端子，作为源极端子或漏极端子的 另一个端子，以及施加以重置控制信号的栅极。
6. 如权利要求1所述的单位像素，其中所述电压转换器是电压传输 M0S晶体管，其包括连接到第二供电电压VDD的一个端子，输出转换电压 的另一个端子，以及同时连接到所述电荷传输单元和重置控制器的栅极。
7. —种多个如权利要求1所述的单位像素在其中二维排列的像素阵 列，包括一个或多个重置供电电路，所述重置供电电路响应于像素选择信 号而输出两个或多个不同的供电电压，其中多个单位像素的部分共享从所述重置供电电路输出的电压。
8. 如权利要求7所述的像素阵列，其中所述重置供电电路由所述像 素阵列中所包括的以行方向和列方向进行排列的多个单位像素的单位像 素所共享。
9.如权利要求7所述的像素阵列，其中所述重置供电电路包括响 应于像素选择信号输出第二供电电压的第一像素选择开关；和响应于与所述像素选择控制信号相位相反的信号输出第一供电电压 的第二像素选择开关。
10.如权利要求9所述的像素阵列，其中所述第一像素选择开关是第一选择MOS晶体管，其包括连接到第二供电电压的一个端子和施加以像素选择控制信号的栅极，其中所述第二像素选择开关是第二选择MOS晶体管，其包括连接到第 一供电电压的一个端子和施加以与所述像素选择控制信号相位相反的信 号的栅极，并且其中所述第一选择MOS晶体管和所述第二选择MOS晶体管的另一个端 子相互连接并且连接到相应的单位像素。
11.如权利要求7所述的像素阵列，其中所述两个或更多不同的供电电压为第一供电电压和第二供电电 压，并且其中所述第一供电电压的电平相对低于所述第二供电电压的电平。
12.如权利要求11所述的像素阵列，其中所述第 一供电电压为所述单位像素所使用的供电电压的最低供 电电压，并且其中所迷第二供电电压为所迷单位像素所使用的供电电压的最高供 电电压。
13. —种包括如权利要求1所述的单位像素以及如权利要求7所述的 重置供电电路中一个或多个的图像传感器。
全文摘要
提供了一种使用三个晶体管的单位像素以及包括所述单位像素的像素阵列。所述单位像素包括光电二极管、电荷传输单元、重置控制器和电压转换器。所述像素阵列具有根据本发明的多个单位像素被二维排列的结构，并且包括一个或多个重置供电电路，所述重置供电电路响应于像素选择信号而输出两个或更多不同的供电电压。多个单位像素的各部分共享从所述重置供电电路所输出的电压。
文档编号H04N5/335GK101513041SQ200780033528
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月10日 优先权日2006年9月11日
发明者李道永 申请人:(株)赛丽康