图像传感装置及其操作方法
【专利摘要】本发明提供一图像传感装置及其操作方法，所述图像传感装置至少包括：像素阵列和读出电路，其中，所述像素阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括i×j个像素单元，其中，i为行数，j为列数，i≥2，j≥2，同一行像素单元的控制栅接同一条字线，漏极接同一条控制线，同一列像素单元的源极接位线，每个子阵列中的像素单元在预定的字线和控制线电压作用下同时感光，并产生i×j个像素单元的输出电流，由位线输出至读出电路；读出电路用于汇集并平均化所述输出电流，并将平均化后的电流转换为电压输出至外部电路。本发明不但克服了像素单元曝光时间不均匀的问题，还减弱了图像的散粒噪声，提高了图像的视觉效果。
【专利说明】图像传感装置及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感技术，特别是涉及图像传感装置及其操作方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷稱合元件(Charge-Coupled Device,简称CO))和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称 CMOS)图像传感器。
[0003]无论是CXD还是CMOS图像传感器，都是通过逐个扫描每个像素的方式读出感光信号，当光照射到一个像素单元上时，诸如光电二极管之类的光敏装置被充电到一个对应于入射到该像素上的光量的电平。一旦电荷被存储在该光敏装置上，该电荷可用来产生表示相应光级(light level)的电脉冲。该电脉冲通常表示为电压，可根据已知的模拟和数字处理方法进行处理和存储。
[0004]但是图像传感器在感光阶段，由光和电的基本性质所引起的噪声，如电流，是由电子或空穴粒子的集合，定向运动所形成。因这些粒子运动的随机性而形成的噪声叫做散粒噪声，CCD或CMOS图像传感器的读出方法对于那些存在噪声信号的像素单元，在读出阶段会同时将噪声信号读出，从而降低了图像的质量。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一图像传感装置及其操作方法，用于解决现有技术中像素单元曝光时间不均匀，图像传感时散粒噪声较大，从而影响图像真实性的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一图像传感装置及其操作方法，所述图像传感装置至少包括:像素阵列和读出电路，其中，
[0007]所述像素阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括iXj个像素单元，其中，i为行数，j为列数，i ^ 2, j ^ 2，所述像素单元除了包括控制栅、源极和漏极，还包括半浮栅，所述半浮栅的掺杂类型与源极、漏极的掺杂类型相反；所述半浮栅以栅氧化层为间隔的覆盖所述像素单元沟道区表面，并部分延伸至漏极表面，且与漏极接触并形成一嵌入式感光元件，所述感光元件通过感光采集发光器件的发光信号；
[0008]同一行像素单元的控制栅极接同一条字线，漏极接同一条控制线，同一列像素单元的源极接位线，每个子阵列中的像素单元在预定的字线和控制线电压作用下同时感光，并产生iX j个像素单元的输出电流I，由位线输出至所述读出电路；
[0009]所述读出电路用于汇集并平均化所述输出电流I，并将平均化后的电流I/(iX j)转换为电压输出至外部电路。
[0010]优选地，每条位线的末端设有一开关晶体管，连接所述读出电路。
[0011]优选地，所述读出电路包括一电流镜、一电压产生器和一模数转换器，其中，
[0012]所述电流镜用于将子阵列中iX j个像素单元的输出电流I平均化为I/(iX j);[0013]所述电压产生器连接所述电流镜和模数转换器，用于将所述电流镜的输出电流I/(iXj)转换为电压，并输出至所述模数转换器；
[0014]所述模数转换器用于将电压信号转换为数字信号，并输出至外部电路。
[0015]优选地，所述电压产生器包括一运算放大器和一电阻，其中，
[0016]所述运算放大器的同相输入端连接所述电流镜，反相输入端连接公共接地端，输出端连接所述模数转换器；
[0017]所述电阻连接所述运算放大器的同相输入端和输出端。
[0018]优选地，所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的沟道宽长比为第二晶体管的沟道宽长比为的iX j倍。
[0019]优选地,所述子阵列为方阵，i和j满足i=j。
[0020]相应地，本发明还提供了一种图像传感装置的读出方法，所述方法包括:
[0021]步骤1:导通第m、m+l...m+1-Ι行和第η、n+l...n+j-Ι列的像素单元,截断像素阵列中的其他像素单元，所述读出电路将所述导通的像素单元的读出电流汇集并平均化，作为第m+1行和第n+1列的像素单元的读出电流，转换为电压输出至外部电路；
[0022]步骤2:按照步骤I读出第m+1行和第n+2列的像素单元，直至读出第m+1行所有像素单元；
[0023]步骤3:按照步骤I和2读出第m+2行所有像素单元，直至读完所述像素阵列中的所有像素单元。
[0024]优选地，所述像素阵列边缘的像素单元不读出。
[0025]优选地，所述像素单元的操作时序为:
[0026]复位阶段:所述像素单元的控制栅极置于高电平，漏极置于低电平，所述像素单元的嵌入式感光元件正偏，半浮栅中的电荷排出，电压恢复到初始值；
[0027]曝光阶段:所述像素单元的控制栅极置于低电平，漏极置于高电平，嵌入式感光元件反向击穿，所述像素单元的阈值电压降低；
[0028]读出阶段:所述像素单元的控制栅极和漏极置于中间电平，所述像素单元导通，读出电流；
[0029]截断阶段:所述像素单元的控制栅极和漏极均置于零，所述像素单元截断。
[0030]如上所述，本发明的图像传感装置及其操作方法，具有以下有益效果:
[0031]首先，本发明采用了包括控制栅、源极、漏极和半浮栅的半浮栅晶体管作为像素单元，并通过电流读出电路将多个像素单元的读出电流汇聚到某一节点，在该节点实现多个电流的自动相加，节省了对读出信号进行求和的步骤，简化了图像传感装置的整体面积。
[0032]其次，本发明通过将某个像素单元与周围多个像素单元的电流求和，再求平均电流值，将该平均电流值作为该像素单元的感光信号，这种电流读出方法不但克服了像素单元曝光时间不均匀的问题，而且还减弱了图像的散粒噪声。
[0033]再次，噪声的分布如果集中在图像的某一部分，会严重影响视觉效果，而对电流求平均值的方法能够减小方差，因此该方法可以让散粒噪声在图像中的分布更加均匀，提高图像的视觉效果。
【专利附图】
【附图说明】[0034]图1显示为本发明的图像传感装置的示意图。
[0035]图2显示为本发明中像素单元的示意图。
[0036]图3显示为本发明中像素单元中的电容分布示意图。
[0037]图4显示为本发明像素阵列中第2行各个像素单元的读出时序。
[0038]图5显示为本发明像素阵列中第i行和第i+Ι行各个像素单元的读出时序。
[0039]图6显示为本发明像素阵列中第M-1行各个像素单元的读出时序。
[0040]元件标号说明
[0041]Vg 控制栅极电压
[0042]Vd 漏极电压
[0043]Ml 第一 N型晶体管
[0044]M2 第二 N型晶体管
[0045]ADC 模数 转换器
[0046]100 像素阵列
[0047]200 读出电路
[0048]Td 开关晶体管
[0049]F1、F2 子阵列
[0050]Rf 电阻
[0051]L 运算放大器
[0052]I 控制栅
[0053]2 半浮栅
[0054]3 源极
[0055]4 衬底
[0056]5 漏极
[0057]7 扩散区
[0058]8 嵌入式感光元件
【具体实施方式】
[0059]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0060]请参阅图1本发明的图像传感装置的示意图。
[0061]需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0062]如图1所示，所述图像传感装置至少包括:像素阵列100和读出电路200，其中，
[0063]所述像素阵列100包括多个子阵列，每个子阵列包括iXj个像素单元，其中，i为行数，j为列数，i^2,j^2,同一行像素单元的控制栅极接同一条字线，漏极接同一条控制线，同一列像素单元的源极接位线，每个子阵列中的像素单元在预定的字线和控制线电压作用下同时感光，并产生iXj个像素单元的输出电流I，由位线输出至所述读出电路200 ；
[0064]所述读出电路200用于汇集并平均化所述输出电流I，并将平均化后的电流I/(iXj)转换为电压输出至外部电路。
[0065]需要说明的是，像素阵列100具有MX N个像素单元，其中，M为行，N为列，所述像素阵列100又包括多个子阵列，每个子阵列包括iXj个像素单元，相邻的两个或更多个子阵列之间具有重合的像素单元。
[0066]以i=j=3为例说明，如图1所示,子阵列Fl包括3X3=9个像素单元,分别是位于坐标点(I, D、(I, 2)、(I, 3)、(2，I)、(2，2)、(2，3)、(3，I)、(3，2)和(3，3)上的像素单元，子阵列F2包括3X3=9个像素单元，分别是位于坐标点(I, 2)、(I, 3)、(I, 4)、(2，2)、(2，3)、(2，4)、(3，2)、(3，3)和(3，4)上的像素单元，子阵列Fl和子阵列F2之间重合的像素单元为位于坐标点(I, 2)、(I, 3)、(2，2)、(2，3)、(3，2)和(3，3)上的像素单元。
[0067]需要说明的是，子阵列的行数和列数可以为大于等于2的任意整数，例如i=2，j=3 ；i=4, j=3o优选地,所述子阵列为方阵，i和j满足i=j。更优选地，i=j=3,即子阵列包括9个像素单元。
[0068]本【具体实施方式】中，如图2所示，像素单元包括控制栅1、源极掺杂区3、漏极掺杂区5外，还包括半浮栅2，所述半浮栅2的掺杂类型与源极掺杂区3和漏极掺杂区5的掺杂类型相反；所述半浮栅2以栅氧化层为间隔的覆盖所述像素单元沟道区表面，并部分延伸至漏极掺杂区5表面，并在所述漏极掺杂区5内位于半浮栅2下方的区域形成一与半浮栅2掺杂类型形同的扩散区7，且与漏极掺杂区5接触并形成一嵌入式感光元件8，所述感光元件8通过感光采集发光器件的发光信号。该发光器件可为有机发光二极管或其他发光器件。
[0069]需要说明的是，本发明的像素单元是在普通MOS晶体管基础上发展起来的，本发明的像素单元可以通过控制其控制栅和漏极电压实现自身阈值电压的改变。下面以普通MOS晶体管为比较对象说明本发明的像素单元对晶体管阈值电压的调控原理:
[0070]普通MOS晶体管沟道的导电性是受栅电压调控的，当栅极电压超过阈值电压时，栅下的半导体表面就会反型(η型半导体变为P型半导体或者相反)，感生出导电电荷。栅电压越大，沟道中的积累的导电电荷数量就越多。图2为本发明像素单元的示意图，像素单元包括控制栅极1、半浮栅2、源极掺杂区3、衬底4和漏极掺杂区5。作为较佳实施方式，像素单元结构置于P型衬底4或P型阱区内，其源极掺杂区3、漏极掺杂区5均为N型掺杂，其半浮栅2为P型掺杂的多晶硅结构。需要指出的是，半浮栅2以栅氧化层为间隔覆盖所述像素单元沟道区表面，并部分延伸至漏极掺杂区5表面，并在半浮栅2与漏极掺杂区5接触的区域形成一较浅的P型扩散区7，该P型扩散区位于漏极掺杂区5内靠近衬底4表面并与半浮栅2接触的区域，该P型掺杂的半浮栅2及P型扩散区7与N型掺杂的漏极掺杂区5即形成一嵌入式感光兀件8,所述嵌入式感光兀件8为一 PN结感光二极管,其上表面并不被控制栅I所覆盖。所述嵌入式感光元件8可对发光器件的发光信号进行感光，并采集感光后的信号。需要说明的是，在部分半浮栅2与衬底4之间、控制栅极I与半浮栅2及衬底4之间均间隔设置有栅氧化层或其他类似的绝缘结构，此为本领域技术人员所熟知的惯用技术，在此不作赘述。[0071]图3为本发明中有源矩阵发光器件的像素驱动电路的像素单元中栅电容分布示意图。
[0072]如图3所示，像素单元可以看作在普通晶体管的栅电容介质中插入了一个电极(即半浮栅2)，这样就把原来的栅电容分割成了两个电容Cgl和Cg2的串联。通过在半浮栅2上注入电荷可以改变像素单元的阈值电压，调控沟道的导电性。它的调控阈值电压的原理可以理解为:像素单元具有初始阈值电压Vth，当像素单元开始工作时，在半浮栅2上注入的电荷会通过半浮栅2与晶体管沟道之间的栅电容Cg2在晶体管沟道一侧感应出沟道电荷，半浮栅2上的正电荷越多，沟道中感应的负电荷也越多，N型沟道的导电性越强。这种效果等效到控制栅1，与半浮栅2充电之前相比，控制栅I只需加较小的栅电压就可以在沟道中感应出等量的沟道电荷，达到相同的导电效果，这样在形式上像素单元的阈值电压就降低了。需要说明的是，发光器件的光线强度与像素单元的半浮栅中存入的电荷成正比，即光线强度越大，像素单元曝光时存入的电荷也越多。
[0073]同一行像素单元的控制栅极接同一条字线，漏极接同一条控制线，同一列像素单元的源极接位线，通过字线和控制线分别对像素单元施加相应的电压，使得像素单元进行感光，产生电流，如图1所示，VG(i)表示像素阵列100中第i行的各个像素单元的栅极电SVG。每条位线的末端设有一开关晶体管，连接所述读出电路200，如图1所示，Td(J)表示第j列的开关晶体管。在需要对某一子阵列进行读出操作时，开关晶体管导通，该开关晶体管所在的子阵列的相应的列中的像素单元的电流读出至读出电路200，而不包括在该子阵列中的列所对应的开关晶体管截断。
[0074]需要说明的是，所述读出电路200包括一电流镜、一电压产生器和一模数转换器，其中，
[0075]所述电流镜用于将子阵列中iX j个像素单元的输出电流I平均化为I/(iX j);
[0076]所述电压产生器连接所述电流镜和模数转换器，用于将所述电流镜的输出电流I/(iXj)转换为电压，并输出至所述模数转换器；
[0077]所述模数转换器用于将电压信号转换为数字信号，并输出至外部电路。
[0078]所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的沟道宽长比为第二晶体管的沟道宽长比为的iXj倍。
[0079]所述电压产生器包括一运算放大器L和一电阻Rf，其中，
[0080]所述运算放大器L的同相输入端连接所述电流镜，反相输入端连接公共接地端，输出端连接所述模数转换器；
[0081]所述电阻Rf连接所述运算放大器L的同相输入端和输出端。
[0082]以第一晶体管和第二晶体管均为N型为例说明。如图1所示，第一 N型晶体管Ml和第二N型晶体管M2的栅极连接在一起，源极也连接在一起，所以，第一N型晶体管Ml的栅源电压Vgsl和第二 N型晶体管M2的栅源电压Vgs2之间的关系为:Vgsl=Vgs2。流入第一 N型晶体管Ml的漏源电流IQ=KNeX (ff/L)0X (Vgsl-Vth)2,第二N型晶体管M2的漏源电流I1=KneX (ff/L)! X (Vgs2-Vth)2，考虑到第一 N型晶体管Ml和第二 N型晶体管M2是在同一工艺条件下制作的，其本征导电因子K/相同，阈值电压Vth也相同。在本发明实施例中，第一 N型晶体管Ml的沟道宽长比为第二 N型晶体管M2的沟道宽长比为的iXj倍，因此:
【权利要求】
1.一种图像传感装置，其特征在于，所述图像传感装置至少包括:像素阵列和读出电路， 其中， 所述像素阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括i X j个像素单元，其中，I为行数，j为列数，i > 2，j > 2，所述像素单元除了包括控制栅、源极和漏极，还包括半浮栅，所述半浮栅的掺杂类型与源极、漏极的掺杂类型相反；所述半浮栅以栅氧化层为间隔的覆盖所述像素单元沟道区表面，并部分延伸至漏极表面，且与漏极接触并形成一嵌入式感光元件，所述感光元件通过感光采集发光器件的发光信号；同一行像素单元的控制栅极接同一条字线，漏极接同一条控制线，同一列像素单元的源极接位线，每个子阵列中的像素单元在预定的字线和控制线电压作用下同时感光，并产生iXj个像素单元的输出电流I，由位线输出至所述读出电路； 所述读出电路用于汇集并平均化所述输出电流I，并将平均化后的电流I/(iX j)转换为电压输出至外部电路。
2.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于:每条位线的末端设有一开关晶体管，连接所述读出电路。
3.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于:所述读出电路包括一电流镜、一电 压产生器和一模数转换器，其中， 所述电流镜用于将子阵列 中iX j个像素单元的输出电流I平均化为I/(iX j)； 所述电压产生器连接所述电流镜和模数转换器，用于将所述电流镜的输出电流I/(iXj)转换为电压，并输出至所述模数转换器； 所述模数转换器用于将电压信号转换为数字信号，并输出至外部电路。
4.根据权利要求3所述的图像传感装置，其特征在于，所述电压产生器包括一运算放大器和一电阻，其中， 所述运算放大器的同相输入端连接所述电流镜，反相输入端连接公共接地端，输出端连接所述模数转换器； 所述电阻连接所述运算放大器的同相输入端和输出端。
5.根据权利要求3所述的图像传感装置，其特征在于，所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的沟道宽长比为第二晶体管的沟道宽长比为的iX j倍。
6.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于，所述子阵列为方阵，i和j满足i=j。
7.—种权利要求1至6所述的图像传感装置的读出方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤1:导通第πι、πι+1...πι+?-1行和第n、n+l列的像素单元，截断像素阵列中的其他像素单元，所述读出电路将所述导通的像素单元的读出电流汇集并平均化，作为第m+1行和第n+1列的像素单元的读出电流，转换为电压输出至外部电路； 步骤2:按照步骤I读出第m+1行和第n+2列的像素单元，直至读出第m+1行所有像素单元； 步骤3:按照步骤I和2读出第m+2 行所有像素单元，直至读完所述像素阵列中的所有像素单元。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述像素阵列边缘的像素单元不读出。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:每条位线的末端设有一开关晶体管，连接所述读出电路，像素单元导通时，该像素单元所对应的位线上的开关晶体管导通，像素单元截断时，该像素单元所对应的位线上的开关晶体管截断。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:所述像素单元的操作时序为: 复位阶段:所述像素单元的控制栅极置于高电平，漏极置于低电平，所述像素单元的嵌入式感光元件正偏，半浮栅中的电荷排出，电压恢复到初始值； 曝光阶段:所述像素单元的控制栅极置于低电平，漏极置于高电平，嵌入式感光元件反向击穿，所述像素单元的阈值电压降低； 读出阶段:所述像素单元的控制栅极和漏极置于中间电平，所述像素单元导通，读出电流； 截断阶段:所述像素单元的 控制栅极和漏极均置于零，所述像素单元截断。
【文档编号】H04N5/374GK103888692SQ201410130089
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】汪辉, 黄成强, 章琦, 汪宁, 田犁, 方娜, 封松林 申请人:中国科学院上海高等研究院