专利名称：影像传感器的像素单元和箝位电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器，特别涉及一种可增加感光面积的CMOS影像传感器。
背景技术：
互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器是一种用以撷取影像的电子装置，其将光强度转换为电荷，再将其转换为电压并读取出来。图1显示一种传统四晶体管GT)影像传感器的像素单元，其包含一个光电二极管D及四个晶体管-Mtx、MrSt、Msf、Msel。当重置晶体管M t被重置信号R导通时，可进行电压重置。源极随耦器Msf可用以缓冲或放大光电二极管D的累积(integrated)光信号。当传送晶体管Mtx被传送信号T开启时，可用以传送光电二极管D的累积光信号。当选择晶体管Msel被字线信号WL开启时，则允许光信号自位线 BL读取。传统4T像素单元会占用相当的晶片面积，因此，并不适于现代的高密度CMOS影像传感器。鉴于此，亟需提出一种新颖的CMOS影像传感器，用以有效降低CMOS影像传感器的面积，或者增加感光面积。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种互补金属氧化半导体(CMOS) 影像传感器，其具有传统4T像素单元的功能，但是却省略了选择晶体管，因而可增加感光面积。再者，根据本发明实施例的另一特征，使用箝位器以改善检测强光时所产生的暗阳 (dark sun)现象。根据本发明实施例所揭露的影像传感器的像素单元，其包含传送闸、源极随耦器、 重置晶体管及光检测器。重置晶体管受控于字线开关，输出则连接至浮动扩散区(FD)以控制源极随耦器。光检测器通过传送间及源极随耦器以传送光信号至位线。在实施例中，第一电源经由电源开关产生第二电源，用以提供电源给重置晶体管和源极随耦器。在另一实施例中，第一电源提供电源给源极随耦器，该第一电源通过调节器产生第二电源，其经由第二电源开关以提供电源给重置晶体管。根据本发明实施例所揭露的影像传感器的箝位电路，其包含第一电源、第二电源、 箝位器及偏压晶体管。第二电源是将第一电源通过电源开关所产生。箝位器受控于箝位电压。偏压晶体管和箝位器串联于第二电源和地之间。其中，箝位器和偏压晶体管之间的节点电连接至位线。在另一实施例中，第二电源是将第一电源通过调节器所产生。此外，还包含第二电源开关，周期性对第一电源进行取样保持，以提供给调节器。箝位器受控于箝位电压，其经由调整第二电源所得到。在又一实施例中，更包含复制元件，其组成元件相应于箝位器及偏压晶体管，该复制元件的内部节点提供回授电压。此外，还包含比较器，其比较参考电压与该回授电压，用以提供箝位电压给箝位器。
图1显示一种传统四晶体管GT)影像传感器的像素单元。图2A显示本发明第一实施例的互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器。图2B显示图2A的主要信号波形。图3显示本发明第二实施例的CMOS影像传感器。图4显示本发明第三实施例的CMOS影像传感器。
具体实施例方式图2A显示本发明第一实施例的互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器。为便于说明起见，仅显示与本发明实施例相关的主要电路架构。在本实施例中，每一个像素单元20包含光检测器(例如光电二极管)PD、传送闸 TX、重置晶体管RST和源极随耦器SF。相较于传统四晶体管GT)像素单元，本实施例省略了选择晶体管，因而可增加感光面积，然而仍具传统4T像素单元的功能。其中，重置晶体管 (例如N型MOS晶体管)RST的漏极D电连接至源极随耦器(例如N型MOS晶体管)SF的漏极D ；重置晶体管RST的源极S电连接至源极随耦器SF的栅极(亦即，浮动扩散区FD)；重置晶体管RST的栅极G连接至字线(word line)，其由字线开关21所控制；光电二极管PD 的阳极接地，而阴极则通过传送闸TX电连接至浮动扩散区FD ；源极随耦器SF的源极S连接至位线(bit line)，再进一步连接至关联双重取样(correlated double sampling，CDS) 电路。在本实施例中，第一电源AVDD经由电源开关22产生第二电源PVDD，其可控制切换为高准位或低准位。第二电源PVDD提供电源给重置晶体管RST和源极随耦器SF的漏极 D0图2B显示图2A的主要信号波形。首先，在时间tl和t2之间，关闭第二电源PVDD， 使其为低准位，且通过所有行的字线开关21导通所有行的重置晶体管RST，因而使得所有源极随耦器SF的栅极G皆被放电至低准位。随后，开启第二电源PVDD，使其为高准位。接着，在时间t3至t4之间，导通欲读取行的重置晶体管RST和传送闸TX，用以重置相应的光电二极管PD。随后，让光电二极管PD进行光检测。在时间t5至t6之间，导通所欲读取行的重置晶体管RST，以重置浮动扩散区FD， 并由关联双重取样(CDS)电路进行第一次的取样保持(sample/hold)。接着，在时间t7和 t8之间，导通所欲读取行的传送闸TX，让光电二极管PD的检测电压传送至关联双重取样 (CDS)电路进行第二次的取样保持。通过关联双重取样(CDQ，可补偿每一像素之间的差异性。根据以上的操作控制，即可如传统4T像素单元般依序读取每一行的光检测电压，但并不需要使用传统4T像素单元的选择晶体管。上述像素单元20 (或者传统的像素单元)在检测强光(例如太阳光)时，在传送闸TX未导通之前，浮动扩散区FD即可能发生放电现象，造成后续读取的误差，使得原本极亮区域会局部变暗，一般称为暗阳(dark sun或black sun)现象。为了改善暗阳问题，本实施例还包含箝位器(例如N型MOS晶体管)CLAMP,其和偏压晶体管(例如N型MOS晶体管)BIAS串联在第二电源PVDD和地之间，而箝位器CLAMP和偏压晶体管BIAS之间的节点则电连接至位线(亦即，源极随耦器SF的源极S)。此外，还可
6串联箝位致能开关CLAMP_EN，当其为闭合(close)时，则开启箝位功能；当其为开断(open) 时，则关闭箝位功能。上述箝位器CLAMP也可配合使用于传统像素单元，例如传统4T像素单元。箝位器CLAMP的栅极G连接至箝位调整电阻CLAMP_ADJ以接收箝位电压，流过该箝位调整电阻CLAMP_ADJ的电流系由定电流源23所提供。由于跨于箝位调整电阻CLAMP_ ADJ的压降为固定值，因而在读取像素单元20时可避免暗阳现象。上述第一实施例的像素单元20于读取每一列之前皆须进行放电，此造成功率的消耗，也使得图框(frame)速率无法提高。此外，对于上述第一实施例的箝位器CLAMP，当第一电源AVDD有变动时，箝位器CLAMP之栅极所接收之箝位电压却是一固定值。换句话说， 箝位器CLAMP无法动态地跟随(track)第一电源AVDD的变动。鉴于此，本发明第二实施例提出一种互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器，用以改善上述议题。如同第一实施例，本实施例的像素单元30及箝位器CLAMP也可分别独立使用。本实施例的像素单元30和前一实施例的像素单元20的组成元件相同，不同的是， 在本实施例中，第一电源AVDD通过调节器(regulat0r)31以产生第二电源FDVDD。在本实施例中，调节器31包含运算放大器，其反相输入端连接至输出端，而非反相输入端则接收第二电源调整电阻FDVDD_ADJ所提供的调整电压。再者，调整电压经由第二电源开关FDVDD_ SH，依图框周期以进行取样保持。因此，由于调节器31在固定时间即对第一电源AVDD进行取样，因此，使得所产生的第二电源FDVDD可以跟随(track)第一电源AVDD的变动。此外， 由于调节器31在同一图框期间保持于固定值，因此不会因第一电源AVDD的变动而产生噪声。在本实施例中，第二电源FDVDD经由电源开关32以提供电源给重置晶体管RST 的漏极D，使得重置晶体管RST在重置期间被导通时，让浮动扩散区FD被重置为第二电源 FDVDD的准位。此外，第一电源AVDD则提供电源给源极随耦器SF的漏极D。相较于前一实施例，本实施例不需在每次读取之前对整个影像传感器阵列进行放电；相反的，仅需对于欲读取行，通过字线开关21导通重置晶体管RST，且通过电源开关32以提供电源给重置晶体管RST。因此，得以节省功率并提升图框速率。本实施例的箝位器CLAMP的电路组态类似于前一实施例，不同的是，本实施例的箝位器CLAMP的栅极G接收第二电源FDVDD经由箝位调整电阻CLAMP_ADJ调整后的箝位电压。流过箝位调整电阻CLAMP_ADJ的电流由定电流源33经由镜射(mirror)所提供。由于本实施例的第二电源FDVDD可跟随第一电源AVDD的变动，因此，本实施例的箝位器CLAMP 的箝位电压也可跟随第一电源AVDD的变动。此外，本实施例还使用偏压开关BIAS_SH，其依图框周期以进行取样保持。其操作和功能类似于前述的第二电源开关FDVDD_SH。图4显示本发明第三实施例的互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器。本实施例的像素单元40及箝位器CLAMP可分别独立使用。本实施例类似于第二实施例，不同的是，在本实施例中，对于箝位器CLAMP、箝位致能开关CLAMP_EN和偏压晶体管BIAS增加相对应的复制元件41，再以比较器42比较参考电压与复制元件41内部节点的回授电压(例如箝位器CLAMP和箝位致能开关CLAMP_EN之间的节点电压)。因此，可补偿各列的箝位器CLAMP 间的差异性。在本实施例中，比较器42的反相输入端接收回授电压，而非反相输入端则经由多工器(MUX) 43输入由能带间隙(bandgap)电流源44所产生的精准电压(亦即，跨于电阻的压降)。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效修改或变形，均应包含在所附的权利要求内。
权利要求
1.一种影像传感器的像素单元，包含传送闸；源极随耦器；重置晶体管，受控于字线开关，所述重置晶体管的输出连接至浮动扩散区(FD)，以控制所述源极随耦器；以及光检测器，通过所述传送间及所述源极随耦器以传送光信号至位线；其中，第一电源经由电源开关产生第二电源，用以提供电源给所述重置晶体管和所述源极随耦器。
2.如权利要求1所述的影像传感器的像素单元，其中，所述影像传感器为互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器。
3.如权利要求1所述的影像传感器的像素单元，其中，所述光检测器为光电二极管。
4.如权利要求1所述的影像传感器的像素单元，其中，所述重置晶体管和所述源极随耦器为N型MOS晶体管。
5.如权利要求4所述的影像传感器的像素单元，其中，所述重置晶体管的漏极电连接至所述源极随耦器的漏极，并连接至所述第二电源；所述重置晶体管的源极电连接至所述源极随耦器的栅极及所述浮动扩散区；所述重置晶体管的栅极连接至字线，其由所述字线开关所控制；所述光检测器的阳极接地，而阴极则通过所述传送间电连接至所述浮动扩散区；所述源极随耦器的源极连接至位线，再连接至关联双重取样(CDQ电路。
6.一种影像传感器的像素单元，包含传送闸；源极随耦器；重置晶体管，受控于字线开关，所述重置晶体管的输出连接至浮动扩散区(FD)，以控制所述源极随耦器；以及光检测器，通过所述传送间及所述源极随耦器以传送光信号至位线；其中，第一电源提供电源给所述源极随耦器；所述第一电源通过调节器产生第二电源， 其经由第二电源开关以提供电源给所述重置晶体管。
7.如权利要求6所述的影像传感器的像素单元，其中，所述影像传感器为互补金属氧化半导体(CM0Q影像传感器。
8.如权利要求6所述的影像传感器的像素单元，其中，所述光检测器为光电二极管。
9.如权利要求6所述的影像传感器的像素单元，其中，所述重置晶体管和所述源极随耦器为N型MOS晶体管。
10.如权利要求9所述的影像传感器的像素单元，其中，所述重置晶体管的漏极电连接至所述第二电源开关的输出；所述重置晶体管的源极电连接至所述源极随耦器的栅极及所述浮动扩散区；所述重置晶体管的栅极连接至字线，其由所述字线开关所控制；所述光检测器的阳极接地，而阴极则通过所述传送间电连接至所述浮动扩散区；所述源极随耦器的源极连接至位线，再连接至关联双重取样(CDQ电路；所述源极随耦器的漏极连接至所述第一电源。
11.一种影像传感器的箝位电路，包含第一电源及第二电源，所述第二电源是将所述第一电源通过电源开关所产生；箝位器，受控于箝位电压；及偏压晶体管，其和所述箝位器串联于所述第二电源和地之间； 其中，所述箝位器和所述偏压晶体管之间的节点电连接至位线。
12.如权利要求11所述的影像传感器的箝位电路，其中，所述箝位器为N型MOS晶体管，其栅极接收所述箝位电压。
13.如权利要求12所述的影像传感器的箝位电路，还包含 定电流源；以及箝位调整电阻，电连接至所述箝位器的栅极，其中，流过所述箝位调整电阻的电流由所述定电流源所提供。
14.如权利要求11所述的影像传感器的箝位电路，还包含箝位致能开关，其串联于所述箝位器和所述偏压晶体管，当所述箝位致能开关为闭合时，则开启所述箝位器的箝位功能，当所述箝位致能开关为开断时，则关闭所述箝位器的箝位功能。
15.一种影像传感器的箝位电路，包含第一电源及第二电源，所述第二电源是将所述第一电源通过调节器所产生； 第二电源开关，周期性对所述第一电源进行取样保持，以提供给所述调节器； 箝位器，受控于箝位电压，其经由调整所述第二电源所得到；以及偏压晶体管，其和所述箝位器串联于所述第二电源和地之间； 其中，所述箝位器和所述偏压晶体管之间的节点电连接至位线。
16.如权利要求15所述的影像传感器的箝位电路，其中，所述箝位器为N型MOS晶体管，其栅极接收所述箝位电压。
17.如权利要求16所述的影像传感器的箝位电路，还包含 定电流源；以及箝位调整电阻，电连接至所述箝位器的栅极，其中，流过所述箝位调整电阻的电流由所述定电流源经镜射所提供。
18.如权利要求15所述的影像传感器的箝位电路，还包含箝位致能开关，其串联于所述箝位器和所述偏压晶体管，当所述箝位致能开关为闭合时，则开启所述箝位器的箝位功能，当所述箝位致能开关为开断时，则关闭所述箝位器的箝位功能。
19.一种影像传感器的箝位电路，包含第一电源及第二电源，所述第二电源是将所述第一电源通过调节器所产生； 第二电源开关，周期性对所述第一电源进行取样保持，以提供给所述调节器； 箝位器，受控于箝位电压；偏压晶体管，其和所述箝位器串联于所述第二电源和地之间； 复制元件，其组成元件相应于所述箝位器及所述偏压晶体管，所述复制元件的内部节点提供回授电压；以及比较器，其比较参考电压与所述回授电压，用以提供所述箝位电压给所述箝位器； 其中，所述箝位器和所述偏压晶体管之间的节点电连接至位线。
20.如权利要求19所述的影像传感器的箝位电路，其中，所述箝位器为N型MOS晶体管，其栅极接收所述箝位电压。
21.如权利要求20所述的影像传感器的箝位电路，其中，所述参考电压由能带间隙电流源流经电阻所产生。
22.如权利要求19所述的影像传感器的箝位电路，还包含箝位致能开关，其串联于所述箝位器和所述偏压晶体管，当所述箝位致能开关为闭合时，则开启所述箝位器的箝位功能，当所述箝位致能开关为开断时，则关闭所述箝位器的箝位功能。
全文摘要
一种影像传感器的像素单元，包含传送闸、源极随耦器、重置晶体管及光检测器。重置晶体管受控于字线开关，输出则连接至浮动扩散区(FD)以控制源极随耦器。光检测器通过传送闸及源极随耦器以传送光信号至位线。在实施例中，第一电源经由电源开关产生第二电源，用以提供电源给重置晶体管和源极随耦器。在另一实施例中，第一电源提供电源给源极随耦器，该第一电源通过调节器产生第二电源，其经由第二电源开关以提供电源给重置晶体管。
文档编号H04N5/357GK102281406SQ201010203059
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者刘智民, 陈庆丰 申请人:英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司