一种像素单元及其时序控制方法与流程

1.本发明涉及半导体图像感测技术领域，尤其涉及一种像素单元及其时序控制方法。


背景技术：

2.目前，cmos图像传感器(cmos image sensor，cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。随着cis应用要求的不断提高，cis不仅要具有较高的图像质量和稳定性，而且还需要具有一定的性价比，以便降低整体方案成本。目前应用最普遍的是四管像素单元的结构，该结构易于实现，能提供较好的感光特性。但是四管像素单元的结构包括四个晶体管，所以会占用一定的面积，而且由于版图排布、走线的限制，使得感光二极管的发光效率很难进一步提升。虽然可以通过改进工艺提高发光效率和灵敏度，但这往往会带来加工工艺成本的提高。
3.为此，亟需提供一种新的像素单元以改善上述问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种的像素单元及其时序控制方法，用以提高感光二极管的感光效率，提升转换增益和发光效率。
5.第一方面，本发明提供一种像素单元，该像素单元包括：感光二极管pd的阴极连接至传输管mtx的一端，感光二极管pd的阳极接地，感光二极管pd用于响应于光信号而生成电荷；传输管mtx的另一端连接至浮空节点，传输管mtx用于将感光二极管pd的电荷传输到浮空节点；复位管mrx的一端连接至浮空节点，复位管mrx的另一端连接至行选通信号sel，复位管mrx用于将像素单元复位，行选通信号sel提供复位管mrx的电源输入；放大管msf的栅极连接至浮空节点，放大管msf的一端连接至电源电压，放大管msf的另一端连接至像素单元输出总线，放大管msf用于放大电压并输出放大后的电压。
6.本发明提供的像素单元的有益效果在于：将传统四管像素单元中的选通管去掉，简化为三管像素单元，使得感光二极管面积有一定扩大，有利于提高转换增益，在不改变工艺条件的情况下，实现了感光效率和转换增益的提升。
7.可选地，所述放大管msf在空间上临近所述传输管mtx设置。
8.可选地，所述像素单元还包括驱动电路，所述驱动电路与所述传输管mtx的栅极和复位管mrx的栅极均连接，所述驱动电路用于驱动所述传输管mtx和复位管mrx。
9.可选地，所述放大管msf为源跟随管。
10.第二方面，本发明还提供了一种图像传感器，包括上述第一方面任意一种可能的像素单元构成的像素阵列。其有益效果可以参见上述描述。
11.第三方面，本发明提供一种像素单元的时序控制方法，该方法包括：在第一时刻，打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，复位像素单元；之后在第二时刻关断传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，并曝光，所述感光二极管pd感光并积累电荷；
12.在第三时刻，打开复位管mrx和放大管msf，复位像素单元；
13.在第四时刻，关断复位管mrx和放大管msf，读取浮空节点fd的复位电位vrst；
14.在第五时刻，打开传输管mtx，之后在第六时刻关断传输管mtx，读取浮空节点fd的积分电位vsig；
15.在第七时刻，打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，复位像素单元。
16.可选地，所述方法还包括：像素单元输出总线输出的电压dout＝(vrst-vsig)
×2n
/vref，其中，n为模数转换器的位宽，vref为参考电压范围。
17.本发明提供的像素单元的时序控制方法可以在利用三管像素单元有效地收集从光电转换部溢出的电荷，从而收集是所有曝光时间段的光生电子。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术提供的一种像元单元的电路结构示意图；
20.图2为现有技术提供的一种像素单元的时序控制方法流程示意图；
21.图3为现有技术提供的单位像素的电路版图设计示意图；
22.图4为本发明实施例提供的一种像元单元的电路结构示意图；
23.图5为本发明实施例提供的一种像素单元的时序控制方法流程示意图；
24.图6为本发明实施例提供的一种操作时序下的信号波形示意图；
25.图7为本发明实施例提供的单位像素的电路版图设计示意图。
具体实施方式
26.目前cis标准的四管像素单元的电路结构如图1所示，该结构普遍应用于行曝光方式cis，它由感光二极管(photo diode，pd)、传输管mtx、复位管mrx、放大管msf、行选通管msel组成。感光二极管会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。mtx作用是转移pd内的光电子，当传输信号tx为高电压时，mtx导通，会将pd内的光电子转移到浮空节点fd上。复位管mrx作用是在复位信号rx为高电位时，对像素单元进行复位。当选通信号sel为高电位msel导通时，放大管msf和行选通管msel与到地的电流源形成通路，此时放大管msf本质上为一个源极跟随器，跟随fd电位的变化并最终由像素单元输出总线pix_out输出。
27.图2为四管像素单元的操作时序，分为复位(rst)阶段、曝光(exp)阶段、信号读取(read)阶段。
28.在像素单元处于复位阶段时，传输信号tx和复位信号rx均为高电平，传输管mtx和复位管mrx均导通，fd复位且其电位被拉高到电源电压vdd。之后，复位信号rx和传输信号tx切换为低电平，像素单元进入曝光阶段，pd感光并积累电子。
29.之后，进入信号读取阶段，行选通信号sel为高电平，复位信号rx先为高电平复位像素单元，之后复位信号rx再切换为低电平，传输信号tx保持为低电平，此时放大管msf受控于fd电位并通过像素单元输出总线pix_out输出复位电位“vrst”。
30.之后，传输信号tx切换为高电平，将pd上的电子转移到fd，此时放大管msf受控于fd电位并通过pix_out输出信号电位“vsig”。
31.图3为四管像素单元版图示意图，由于单元中有四个晶体管，所以出于省面积以及信号布线考虑，需要将传输管mtx外其余晶体管放在感光二极管pd右侧排开。浮空节点fd是通过金属连线使传输管mtx漏端与放大管msf的栅相连，但是距离相对较大，影响感光二极管的发光效率。
32.为此，本发明将传统四管像素单元中的选通管去掉，简化为三管像素单元，使得感光二极管面积有一定扩大，并且版图排布上可以将放大管msf更靠近浮空节点，有利于提高转换增益，在不改变工艺条件的情况下，实现了感光效率和转换增益的提升。
33.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。
34.需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
35.本发明实施例提供一种图像传感器，包括至少一个像素单元构成的像素阵列。参见图4，所述像素单元包括感光二极管(photo diode，pd)、传输管mtx、复位管mrx和放大管msf。
36.其中，感光二极管pd的阴极连接至传输管mtx的一端，所述感光二极管pd的阳极接地，所述感光二极管pd用于响应于光信号而生成电荷。
37.传输管mtx的另一端连接至浮空节点fd，所述传输管mtx用于将所述感光二极管pd的电荷传输到所述浮空节点fd。
38.复位管mrx的一端连接至所述浮空节点fd，所述复位管mrx的另一端连接至行选通信号sel，所述复位管mrx用于复位像素单元，所述行选通信号sel提供所述复位管mrx的电源输入。
39.放大管msf的栅极连接至所述浮空节点，所述放大管msf的一端连接至电源电压，所述放大管msf的另一端连接至像素单元输出总线，所述放大管msf用于放大电压并输出放大后的电压。可选地，放大管为源跟随管(source follower，sf)。
40.可见，本实施例提出的三管像素单元电路，其特点是将传统结构中的选通管去掉，而复位管mrx漏端不再与电压电压vdd连接，而是直接接到行选通信号sel。行选通信号sel既作为选通管又作为复位管的电源输入。放大管msf管的源端直接接到像素单元输出pix_out总线上。当该像素不被选中时，由于行选通信号sel为低电平，可以使放大管msf管关闭，从而不会影响像素单元输出pix_out。
41.一种可能的实施例中，上述像素单元还包括驱动电路，所述驱动电路与所述传输管mtx的栅极和复位管mrx的栅极均连接，所述驱动电路用于驱动所述传输管mtx和复位管mrx。
42.值得说明的是，传输管mtx、复位管mrx和放大管msf可以为nmos管或pmos管。本技术中任意一个晶体管的一端为源极，另一端为漏极，或者任意一个晶体管的一端为漏极，另一端为源极。
43.基于上述像素单元，下面进一步结合图5示出了一种像素单元的时序控制方法流程示意图，包括如下步骤。
44.s501，在第一时刻，打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，复位像素单元；之后在第二时刻关断传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，并曝光，所述感光二极管pd感光并积累电荷。
45.s502，在第三时刻，打开复位管mrx和放大管msf，复位像素单元。
46.s503，在第四时刻，关断复位管mrx和放大管msf，读取浮空节点fd的复位电位vrst。
47.s504，在第五时刻，打开传输管mtx，之后在第六时刻关断传输管mtx，读取浮空节点fd的积分电位vsig。
48.s505，在第七时刻，打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，复位像素单元。
49.示例性地，结合图6来说，在t1时刻进入曝光阶段，直至t3时刻结束曝光阶，且在ti时刻，复位信号rx、行选通信号sel、传输信号tx变为高电平，即打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，使像素单元复位一次，之后在t2时刻再将复位信号rx、行选通信号sel、传输信号tx均切换为低电平，即关断传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，感光二极管pd开始曝光并积累电荷；在t3时刻进入信号读取阶段，直至t7时刻结束信号读取，在t3时刻先使复位信号rx、行选通信号sel从低电平切换为高电平对像素单元复位，即打开复位管mrx和放大管msf，复位像素单元。在t4时刻复位信号rx、行选通信号sel从高电平切换为低电平，即关断复位管mrx和放大管msf后再读出复位电位“vrst”，此后在t5时刻传输信号tx为高电平，即打开传输管mtx，在t6时刻传输信号tx再切换为低电平，再读出积分电位“vsig”。最后，在t7时刻进入复位阶段，直至t8时刻结束复位阶段，在t7时刻，复位信号rx、行选通信号sel、传输信号tx均从低电平切换为高电平，即打开传输管mtx、复位管mrx和放大管msf，复位像素单元。
50.之后，“vrst”和“vsig”电位由后续读取模数转换器(adc)电路转换为数字量并进行减法操作，得到感光二极管上光电子实际对应的数字量，即像素单元输出总线输出的电压dout＝(vrst-vsig)
×2n
/vref，其中，n为模数转换器的位宽，vref为参考电压范围。若模数转换器(adc)为12位，模数转换器(adc)参考电压范围为vref，则最终像素单元输出总线pix_out输出dout＝(vrst-vsig)
×212
/vref。
51.图6为提出的三管像素单元版图示意图。由于去掉了选通管msel，可以将放大管msf更靠近传输管mtx设置，这样就使得fd点寄生电容很小，该电容越小电荷转换为电子数就越多，也即转换增益(cg)就越高，使得像素的感光灵敏度提高。由于总晶体管数减少了，使像素单元内部走线减少，信号线走线更为灵活，这也使得pd有效面积有所提高，有助于提高量子效率(quantum efficiency，qe)。可以看到，提出的三管像素单元虽然省去了选通管，但是依然能实现四管像素的功能，并且比四管像素单元具有更高的感光效率、感光灵敏度。
52.综上，本发明的优点在于提供一种新的像素单元，该像素单元包括三个晶体管，使得感光二极管面积有一定扩大，并且版图排布上可以将放大管(sf)更靠近浮空节点，有利于提高转换增益，在不改变工艺条件的情况下，实现了感光效率和转换增益的提升。
53.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保
护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
55.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。