专利名称：影像传感器及具有高转换增益的低噪声像素读出电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器，特别涉及一种具有较小面 积的CMOS影像传感器的像素读出电路(pixel readout circuit)，以及一种具有回授(或 切换)电容的像素读出电路。
背景技术：
CMOS影像传感器是一种撷取影像的电子装置，例如用于照相机中，将光强度转换 为电荷，再将其转换为电压并读取出来。图IA显示了无源像素传感器(passive pixel sensor，PPS)，其为传统CMOS影像传感器的一种。为了便于说明，在图中仅显示了像素阵列 当中的二个像素。每一像素含有一个光电二极管(Photodiode)D及存取晶体管(或开关) Ma。。。字线(例如WL1)连接至同一行的像素，而位线(例如BL)则连接至同一列的像素。位 于每一位线BL的末端有放大器10。图IB显示了有源像素传感器(active pixel sensor, APS)的像素电路。每一个 像素包含一个光电二极管D及三个晶体管-MrSt、Msf、Msel，因此这类传感器一般称为CMOS影 像传感器的3T像素电路。当晶体管Mret被重置信号RST开启(turn on)时，会将光电二极 管D重置为重置参考电压(例如电源Vdd)。晶体管Msf作为源极追随器(source follower), 其可用以缓冲或放大光电二极管D的累积(integrated)光信号。当晶体管Msel被字线信 号WL开启时，则允许像素信号的读取。由于3T像素电路中的各个源极追随器Msf及晶体管 Mrst会将噪声随机分散，因此可以减轻无源像素传感器的条纹缺陷。然而，3T像素电路的光 电二极管D却具有有高漏电流。再者，即使条纹缺陷减轻了，然而晶体管Mrst会产生KT/CP 噪声，其中，杂散电容值Cp非常小，因此KT/CP噪声的值会很大。图IC例示了有源像素传感器的另一种像素电路。每一像素包含一个光电二极管 D及四个晶体管(Mtx、Mrst, Msf、Msel)，因此这类传感器一般称为CMOS影像传感器的4T像素 电路。4T像素电路的配置及功能类似于3T像素电路，然而当额外的晶体管Mtx被传送信号 TX开启时，可用以传送光电二极管D的累积光信号。此4T像素电路可用于执行关联双重取 样(correlated double sampling,⑶S)以避免像素之间因工艺变动差异所产生的差异特 性。此外，当浮动扩散(floating diffusion,FD)区域的容量够大时，光电二极管可充分地 将累积电荷传送出去。因此，关联双重取样(CDS)可将0/(；噪声完全去除，使得时间相关 (temporal)噪声位准变得很低，且光电二极管所造成的暗(dark)电流也很少。图IC的像素电路会占用相当的芯片面积，因此，并不适于现代的高密度CMOS影像 传感器。鉴于此，因此亟需提出一种CMOS影像传感器的像素读出电路，用以有效降低CMOS 影像传感器的像素阵列的面积。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的之一是实质地降低CMOS影像传感器的像素阵列的面积。本发明的另一目的在于提出一种CMOS影像传感器的像素电路，用以减低杂散电
4容，且不会牺牲其效能及共用于CMOS影像传感器的像素数目。根据本发明实施例之一，使用至少二传送晶体管以分别传送相对应光电探测器的 累积光信号至第一节点。浮动扩散区域连接至第一节点。使用重置晶体管以重置第一节点 使其为第二节点的预设重置电压；且使用源极追随器以缓冲累积光信号。其中，重置晶体管 及源极追随器共用于该至少二光电探测器。根据本发明另一实施例，电容连接于第一节点 与第二节点之间，用以减小有效电容的影响。
图IA显示了传统无源像素传感器。图IB显示了传统有源像素传感器的3T像素电路。图IC显示了传统有源像素传感器的4T像素电路。图2A显示了本发明实施例的互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器的四晶体管 (4T)像素电路，其被四个像素所共用(shared) (4S)。图2B显示了本发明另一实施例的CMOS影像传感器的四晶体管(4T)像素电路，其 被四个像素所共用(4S)。图3A显示了本发明又一实施例的CMOS影像传感器的四晶体管(4T)像素电路，其 被四个像素所共用(4S)。图3B显示了图3A的相关时序图。图3C显示了图3A的放大器的简化等效方块图、回授电容及关联双重取样(⑶S) 电路。图3D显示了图3A在重置阶段的简化等效方块图。图3E显示了图3A的放大器、回授电容在累积阶段的简化等效方块图。
具体实施例方式图2A显示了本发明实施例的互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器的四晶体管 (4T)像素电路，其被四个像素所共用(shared) (4S)。本实施例可降低CMOS影像传感器的像 素阵列的整体面积，或者可挪出较多的空间给光电二极管。在本实施例(及本说明书中的 其他实施例)中，像素电路被四个像素所共用，但不限定于四个；再者，本发明的像素电路 也不限定于含有四个晶体管(4T)，例如也可以为5T或更多的晶体管。在例示的4T 4S像素 电路中，四像素所对应的四个光电探测器(photodetector)(例如钉扎光电二极管(pinned photodiode)) D1-D4分别连接至传送晶体管Mtxl-Mtx4。在本实施例中，传送晶体管Mtxl-Mtx4为 η型金属氧化半导体(NMOS)晶体管。光电二极管D1-D4被反向偏压，亦即，将其阳极接地而 阴极则连接至传送晶体管Mtxl-Mtx4的源/漏极之一。传送晶体管Mtxl-Mtx4的另一源/漏极 连接在一起，再连接至浮动扩散(floating diffusion)区域FD (或第一节点)及源极追随 器Msf (例如为NMOS晶体管)的栅极。虽然4T4S像素电路中光电二极管D1-D4所累积电荷Q可大幅增加，但是，位线BL 所读出的电压(Q/Cp xAsf，其中Cp为节点P的杂散电容，Asf为源极追随器Msf的增益，一般 值为0.8-0. 9)则会受到共用像素所产生的杂散电容所影响。为了让像素电压最大化，Cp的 有效电容值必须保持于最小，但又必须大到足以容纳光电二极管D1-D4所传送来的电荷。这种设计上的矛盾使得在最佳化电容Cp的同时却也限制了共用于一个电路的像素数目。为 了解决此问题，因而提出以下的实施例。图2B显示了本发明另一实施例的互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器的4T 4S像素电路，其包含四个晶体管(4T)，且被四个像素所共用(shared) (4S)。在本实施例中， 传送晶体管Mtxl-Mtx4连接在一起，再连接至浮动扩散区域FD (或第一节点)及源极追随器 Msf (例如为NMOS晶体管)的栅极。电容Cf连接于浮动扩散区域FD与节点S (第二节点) 之间。电容Cp为有效电容，其至少包含浮动扩散区域FD的扩散电容、源极追随器Msf的栅极 电容及各像素的杂散电容。在节点S与地之间，源极追随器Mst串联于行选择晶体管Msel(例 如NMOS晶体管)。本领域技术人员可以知道串联的源极追随器Msf、行选择晶体管Msel的顺 序调换后并不会影响其功能。重置晶体管Mret位于节点S与浮动扩散区域FD之间。电源 电路或电流源20连接于电源Vdd与节点S之间。在本实施例中，电流源20由二串联ρ型金 属氧化半导体(PMOS)晶体管P"所组成。PMOS晶体管P"的栅极给予适当的偏压(未示 出)。图2B的4T 4S像素电路的操作共分为下列三个阶段。首先，在重置阶段，重置晶 体管Mret被重置信号RST开启，传送晶体管Mtxl-Mtx4也分别被传送信号TX1-4开启。因此， 光电二极管D1-D4被重置为“钉扎(pinning)电压”，其值小于节点S的预设参考电压，其又 小于电源VDD，因此光电二极管D1-D4被完全耗尽(cbpleted)。在本实施例中，电流源20将 电源Vdd下拉至预设值，用以提供所需的重置参考电压给光电二极管D1-D415接下来，在累积 (integration或accumulation)阶段，重置晶体管Mrst及传送晶体管Mtxl-Mtx4关闭(turned off)，接着照射光线于光电二极管D1-D4。光电二极管D1-D4的跨压将随着照射光线强度的增 加而降低(放电)。在第三阶段，重置晶体管Mret重被开启一段时间，在这段时间内浮动扩散 区域FD被重置为上述的预设电压，接着开启行选择晶体管Msel以读取重置(或暗(dark)) 电压。接下来，传送晶体管Mtxl-Mtx4其中一个被开启(并保持行选择晶体管Msel的开启)，用 以读取FD的光电二极管D1-D4W累积光信号。重置电压与累积光信号的差值(该差值由外 部电路所产生，本图中未示出，但将于以下讨论)将被用于执行关联双重取样(correlated double sampling，⑶S)。本领域技术人员可以知道，如果不需要执行关联双重取样(⑶S)， 则上述第三步骤中浮动扩散区域FD的重置就可以省略。光电二极管D1-D4可以依据特别目的而予以作特殊的配置。例如，在一个实施例 中，光电二极管Di、D2、D3、D4分别用以检测红光(R)、绿光(G)、红光(R)、绿光(G)。在操作 时，传送信号TX1、TX3同时开启传送晶体管Mtxl、Mtx3，而传送信号TX2、TX4则同时开启传送 晶体管Mtx2、Mtx4。此操作一般称为像素阶层的“电荷重合(binning)”。因此，可以有效增加 (倍增)红光及绿光的检测面积，因而得以增强低亮度环境下的工作效能。若在像素内使用 回授电容，则可让更多像素来进行电荷重合，更为增强低亮度环境下的工作效能。图3A显示了本发明又一实施例的互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器的四晶 体管(4T)像素电路，其被四个像素所共用(shared) (4S)。在本实施例中，光电二极管D1-D4, 传送晶体管Mtxl-Mtx4、电容Cp和图2B相同，因此省略其相关说明。在电源Vdd与地之间，源 极追随器Msf串联于行选择晶体管Msel (例如NMOS晶体管)。涵盖源极追随器Msf的放大器30在浮动扩散区域FD (或第一节点)接收输入电压。 放大器30的输出节点V。回授连接至回授电容Cf的第二端。重置晶体管M,st位于FD与放大器30的输出之间。在本实施例中，放大器30为标准差分放大器。放大器30也可以采用 其他组成形式，只要其提供反相信号及具有足够的开回路增益，以符合所需的闭回路增益 精确度。图3A的像素电路的操作共分为下列三阶段。图3B显示了相关时序图，图3C显示 了放大器30的简化等效方块图、回授电容Cf及关联双重取样(⑶S)电路32。首先，在重置 阶段，重置晶体管M t在时间、被重置信号RST开启，传送晶体管Mtxl-Mtx4也分别被传送信 号TX开启。因此，光电二极管Di-队被重置为“钉扎(pinning)电压”，其值小于参考电压 Vesto图3D显示了图3A在重置阶段的简化等效方块图。此阶段的总电荷Q1等于电容Cp的 电荷(亦即，(Vkst-O) *CP)。总电荷Q1可表示为 接下来，在累积(integration或accumulation)阶段，重置晶体管Mrst及传送晶体 管Mtxl-Mtx4关闭(turned off)，接着照射光线于光电二极管D1-D4。光电二极管D1-D4的跨压 将随着照射光线强度的增加而降低(放电)。图3E显示了图3A的放大器30、回授电容& 在累积阶段的简化等效方块图。此阶段的总电荷Q2等于电容Cp的电荷(亦即，(VKST-0)*Cp) 加上电容Cf的电荷(亦即，(Vest-V0) *Cf)。总电荷Q2可表示为 在第三阶段，重置晶体管Mret重被开启一段时间(时间t3与t4之间)，在这段时间 内浮动扩散区域FD被重置为上述的预设电压，接着开启行选择晶体管Msel以取样(sample) 及保持(hold)该重置(或暗(dark))电压，该取样/保持通过控制信号SHR闭合(close) 开关SW1来完成的。接下来，传送晶体管Mtxl-Mtx4其中一个在时间、被开启(并保持行选 择晶体管Msel的开启)，用以取样(sample)及保持(hold)浮动扩散区域FD的光电二极管 D1-D4的累积光信号(累积电荷为Qimg)，该取样/保持通过控制信号SHS闭合(close)开关 SW2来完成的。输出电压V。可以下式表示 因此，转换增益(conversion gain)可以由本实施例的回授电容Cf来控制，此可 避免受到浮动扩散区域FD电容及共用像素的杂散电容的影响。回授电容Cf可以根据需求 加以设计调整，用以增加输出电压V。范围以及像素敏感度。根据上述实施例，输出电压V。主要由回授电容Cf来控制，几乎不会受到杂散电容 的影响。因而，导体绕线几乎不会影响到输出电压。在一实施例中，此发明优点可用以增加 共用像素的数目而不会影响输出电压。在另一实施例中，可利用此发明优点以增加行(row) 的数目而不会影响输出电压，使得在帧(frame)当中进行不同时间的曝光，用以增加其动 态范围(dynamic range)。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；凡其它未脱离发 明所揭示的精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在所附权利要求范围内。
权利要求
一种影像传感器，包含至少二光电探测器；至少二传送晶体管，用以分别传送相对应光电探测器的累积光信号至第一节点；浮动扩散区域，连接至所述第一节点；重置晶体管，用以重置所述第一节点使其为第二节点的预设重置电压；电容，连接于所述第一节点与所述第二节点之间，用以减小有效电容的影响；以及源极追随器，用以缓冲传送自传送晶体管的累积光信号；其中所述的重置晶体管及源极追随器共用于所述至少二光电探测器。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述的光电探测器包含钉扎光电二极管 (pinned photodiode)0
3.如权利要求1所述的影像传感器，还包含行选择晶体管，用以驱动被选择行的源极 追随器。
4.如权利要求1所述的影像传感器，还包含电源电路，连接于所述第二节点与电源之间。
5.如权利要求1所述的影像传感器，还包含放大器，用以接收所述第一节点的电压，并 输出电压于所述第二节点。
6.一种具有高转换增益的低噪声像素读出电路，包含 多个光电二极管，其被反向偏压；多个传送晶体管，其一端分别连接至相对应光电二极管，另一端则连接一起至第一节占.^ w\ 浮动扩散区域连接至所述第一节点，其中位于所述第一节点的有效电容包含所述浮动 扩散区域的电容及所述光电二极管、传送晶体管的杂散电容；重置晶体管，位于所述第一节点与第二节点之间，用以重置所述第一节点使其为所述 第二节点的预设重置电压；源极追随器，其栅极连接至所述第一节点；行选择晶体管，在所述第二节点与地之间，与所述源极追随器相串联； 电源电路，连接于电源与所述第二节点之间；以及电容，连接于所述第一节点与所述第二节点之间，用以减小所述有效电容的影响。
7.如权利要求6所述的具有高转换增益的低噪声像素读出电路，其中所述每一个光电 二极管的阳极接地，而阴极则连接至相对应传送晶体管的源/漏极之一。
8.如权利要求7所述的具有高转换增益的低噪声像素读出电路，其中所述传送晶体管 的另一源/漏极连接一起，并接至所述第一节点。
9.如权利要求6所述的具有高转换增益的低噪声像素读出电路，其中所述电源电路包 含二串联的PMOS晶体管。
10.一种具有高转换增益的低噪声像素读出电路，包含 多个光电二极管，其被反向偏压；多个传送晶体管，其一端分别连接至相对应光电二极管，另一端则连接一起至第一节占.^ \\\ 浮动扩散区域连接至所述第一节点，其中位于所述第一节点的有效电容包含所述浮动扩散区域的电容及所述光电二极管、传送晶体管的杂散电容；重置晶体管，位于所述第一节点与第二节点之间，用以重置所述第一节点使其为所述 第二节点的预设重置电压；源极追随器，其栅极连接至所述第一节点；行选择晶体管，在电源与地之间，与所述源极追随器相串联；放大器，连接至所述源极追随器以接收所述第一接点的电压，并输出于所述第二节点；以及电容，连接于所述第一节点与所述第二节点之间，用以减小所述有效电容的影响。
11.如权利要求10所述的具有高转换增益的低噪声像素读出电路，其中所述每一个光 电二极管的阳极接地，而阴极则连接至相对应传送晶体管的源/漏极之一。
12.如权利要求11所述的具有高转换增益的低噪声像素读出电路，其中所述传送晶体 管的另一源/漏极连接一起，并接至所述第一节点。
全文摘要
一种互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器的像素电路。使用至少二传送晶体管以分别传送相对应光电探测器的累积光信号至第一节点。使用重置晶体管以重置第一节点使其为第二节点的预设重置电压；且使用源极追随器以缓冲累积光信号。在实施例中，电容连接于第一节点与第二节点之间，用以减小有效电容的影响，该有效电容包含浮动扩散区域的电容及光电探测器、传送晶体管的杂散电容。
文档编号H04N5/217GK101902583SQ200910141830
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者印秉宏, 林积劭, 米特拉·艾米特 申请人:英属开曼群岛商恒景科技股份有限公司