CN102447851B - 高填充系数的双cmos图像传感器像素单元及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元及其工作方法，其中像素单元仅由一个P+/N-Well/P-sub结构的二极管（N1）、一个源极跟随晶体管（M11）和一个选择晶体管（M12）组成；对应像素阵列工作方法包括：重置：施加高正电压的选择控制信号（Φ11）和重置控制信号（Φ12），以激活P+/N-Well/P-sub结构的二极管为节点充电；光集成：在一个固定光照集成时间内将Φ11和Φ12都置为低正电压，所述二极管中N-Well/P-sub部分积聚光产生载流子，所述节点放电；读出：在光集成后，只将Φ11改置为高正电压，对应所述载流子的光感信号通过M11和M12被列总线读出。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高填充系数的双互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器像素单元及其工作方法。
背景技术
图像传感技术已深入现代人的生活，如：照相、摄影等。而CMOS图像传感器（CIS）基于自身低成本、低功耗、高集成能力的优势，逐步替代了电荷耦合元件（CCD）图像传感器。CIS的特性主要由分辨率、填充系数、暗电流、时间噪声、固定图形噪声、灵敏度、响应率、量子效率、动态范围和信噪比决定的。伴随着当今集成电路的集成密度和复杂程度的增长，减小像素单元尺寸成为驱动CIS发展竞争的主要动力，但这造成的灵敏度、信噪比、填充系数等的特性退化，为像素单元设计带来了巨大的挑战。填充系数作为像素特性的重要参数，对保证高质量像素品质有着决定性意义。在传统3T-APS（threetransistor active pixel structure,三晶体管有源像素结构）结构的基础上，顺应尺寸缩小趋势，对像素单元的晶体管进行优化设计，有效提高填充系数是本发明的目的。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元及其工作方法，在与3T-APS结构同等尺寸时能有效提高填充系数。
本发明的第一个技术问题这样解决：构建一种高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元，电连接偏置电压、偏置电流、重置控制信号和选择控制信号，其特征在于，包括：
仅一个P+/N-Well/P-sub结构的二极管，P+端电连接所述重置控制信号，用于控制所述二极管中P+/N-Well部分导通或截止；
仅一个源极跟随晶体管和一个选择晶体管，它们的射极互连，其中：
源极跟随晶体管，基极电连接所述P+/N-Well/P-sub结构的二极管，集电极电连接所述偏置电压；
选择晶体管，基极电连接所述选择控制信号，集电极通过读出总线电连接所述偏置电流，用于读出光感信号。
按照本发明提供的双CMOS图像传感器像素单元，N×M个所述双CMOS图像传感器像素单元构成像素阵列，N、M是大于1的自然数。
按照本发明提供的双CMOS图像传感器像素单元，所述像素阵列包括N个行重置控制信号、N个行选择控制信号和M条列读出总线。
本发明的另一个技术问题这样解决：构建一种双CMOS图像传感器像素单元的像素阵列工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
401）重置：对指定像素列施加高正电压的选择控制信号和高正电压的重置控制信号，以激活P+/N-Well/P-sub结构的二极管为节点充电；
402）光集成：在一个固定光照集成时间内将所述选择控制信号和所述重置控制信号都置为低正电压，所述二极管中N-Well/P-sub部分积聚光产生载流子，所述节点放电；
403）读出：在光集成后，只将所述选择控制信号改置为高正电压，对应所述载流子的光感信号通过源跟随晶体管和选择晶体管被列总线读出。
按照本发明提供的像素阵列工作方法，该工作方法还包括重复所述步骤401）～403）。
本发明提供的高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元及其工作方法，结构简单、控制便捷、填充系数高，本发明对经典的3T-APS电路结构进行变动从而形成2T-APS结构，充分利用P+/N-Wel/P-sub结构的二极管的物理特性，对像素单元和特性进行了有效的优化控制，不仅满足像素单元尺寸不断减小的需求，还相较3T-APS结构单元更为稳定，同时有效提高了填充系数、降低关态漏电流。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：
图1为2T-APS结构等效电路示意图；
图2为2×2的2T-APS像素阵列等效电路示意图；
图3为2×2的2T-APS像素阵列的操作时间示意图；
图4为2×2的2T-APS像素阵列的测试版图示意图；
图5为2T-APS像素单元的结构示意图。
具体实施方式
首先，说明本发明所提供的能提高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元的具体结构和操作机理：
㈠单元结构
该像素单元，具体结构如图1所示，只由一个P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1、一个源极跟随晶体管M11和一个选择晶体管M12组成；像素单元的功能运行由像素单元外的偏置电流i1保证；每个像素单元需要一个连接二极管N1的P+端的重置控制信号Φ12和一个连接选择晶体管M12基极的选择控制信号Φ11；
其中，P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1被用作重置和光传感：①实现3T-APS重置晶体管的功能，并且置于传感N-Well/P-sub管正上方，节省了重置电路的面积；②P+/N-Well/P-sub结构中P+/N-Well部分和N-Well/P-sub部分等效两个背靠背的二极管完成了传感功能。
㈡操作机理
由该像素单元组成的像素阵列中每个像素单元每完成一次操作需要经过以下三个阶段：重置阶段、光集成时间段和信号选择读出阶段。
上述三个阶段的具体操作规范分别为：
①重置阶段：重置控制信号Φ12为高，选择控制信号Φ11为高，P+/N-Well结构的二极管N1导通，源极跟随晶体管M11的输入节点被置为重置电压；
②光集成时间段：在一个固定的光集成时间段内，重置控制信号Φ12为低，选择控制信号Φ11为低，P+/N-Well结构的二极管N1截止，选择晶体管M12截止，N-Well/P-sub结构的二极管N1积聚光产生载流子，其连接源极跟随晶体管M11基极的节点放电；
③读出：在光集成时间后，重置控制信号Φ12为低，选择控制信号Φ11为高，选择晶体管M12导通，感应节点的电压信号，通过源跟随晶体管M11和选择晶体管M12被列总线读出。
第二，说明本发明像素单元结构的核心和关键：
㈠本发明的2T-APS像素单元中，P+/N-Well结构的二极管在重置阶段为正偏压，光集成时间段为反偏压，借助这偏压转换以提高填充系数，但这重置二极管的开关特性会导致输出特性上的一个突变，以致像素单元动态范围减小。这个输出特性上的电压损失可以通过调节像素单元中P+区的面积加以控制，P+区域面积越大，压降越高。为保证最小电压损失、最大动态范围，P+区域越小越好，但是这将以二极管灵敏度为代价。
㈡本发明的2T-APS结构其结构稳定，但动态范围减小，可在重置阶段增加自举技术、改善***电路来增大动态范围。传统3T-APS结构的阈值损失主要来源于NMOS重置晶体管和源跟随晶体管，值为2VT，而本发明的2T-APS结构的阈值损失为（VT+Von），其中，Von为3T-APS结构中重置二极管的开启电压，VT为NMOS的开启电压。
第三，结合本发明具体实施例进一步详细说明，但本发明包括但不限于以下实施例。
实施例1
采用了0.35um厚度尺寸的AMIS（安森美半导体）CMOS技术和规则，这样每个像素单元只需要一个多晶硅层和五个金属层的2T-APS测试结构，每个像素单元尺寸为7um×7um。
该实施例芯片具体采用最简单的2×2像素单元的2T-APS像素阵列，其等效电路如图2所示，对应版图如图4所示。
该像素阵列芯片的每个像素单元电路结构，等效电路如图1所示，其中：N1是由一个P+/N-Well/P-sub结构的二极管，其P+端电连接重置控制信号Φ12；M11是源极跟随晶体管，基极电连接所述P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1，集电极电连接偏置电压Vdd1；M12是选择晶体管，射极电连接所述源极跟随晶体管M11的射极，基极电连接选择控制信号Φ11，集电极通过列读出总线电连接偏置电流i1，用于读出光感信号。
该像素单元对应的物理结构如图5所示，图中，STI是浅槽隔离层（Shallow trench insulator），Guard ring是保护环。
另外，由AMIS CMOS技术和规则进一步确定最小N-Well的间距充当了芯片中像素阵列的保护环（Guard ring），并按最小可能区域在芯片中制定P+/N-Well管。
将该像素阵列芯片放在探针台（Probe Station HP4156）上，在无外界光源干扰的环境下，在芯片上方放置光源，并连接示波器测试芯片输出电压。其中，芯片控制信号由任意波形发生器提供，为保证像素单元的读出和截止操作都正确地运行，像素阵列的工作电信号控制时序如图3（图中SHS1是任意波形发生器提供的芯片前端控制信号，SHR1是任意波形发生器提供的芯片后端端控制信号）所示，包括以下具体过程：
T4～T5时间段（重置阶段），选择控制信号Φ11为高电平，重置控制信号Φ12为高电平，为像素单元的重置阶段，P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1中P+/N-Well部分导通，其连接源极跟随晶体管M11基极的节点电压被重置；
T5时刻后（光集成时间段），重置控制信号Φ12置为低电平，开始进入光集成时间段，选择控制信号Φ11置为低电平，P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1中连接源极跟随晶体管M11基极的节点存储光生载流子；
光集成时间段后（读出阶段），选择控制信号Φ11置为高电平，重置控制信号Φ12电压依旧为低电平，选择随晶体管M12导通，P+/N-Well/P-sub结构的二极管N1中连接源极跟随晶体管M11基极的节点的电平通过源跟随晶体管M11被列总线读出。
如此三阶段周期往复。
经过上述实验过程，结果表明：该2T-APS结构像素单元的填充系数为38%，相较于经典同尺寸3T-APS结构的填充系数的20%-30%，提高了8%-18%；突变电压降为300mV左右，电压动态范围为1.7V，比传统3T-APS的2.2V减小了22%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种高填充系数的双CMOS图像传感器像素单元，电连接偏置电压(Vdd1)、偏置电流(i1)、重置控制信号(Φ12)和选择控制信号(Φ11)，其特征在于，仅由一个P+/N-Well/P-sub结构的二极管(N1)、一个源极跟随晶体管(M11)和一个选择晶体管(M12)组成，其中：
P+/N-Well/P-sub结构的二极管(N1)，P+端电连接所述重置控制信号(Φ12)，用于控制所述二极管(N1)中P+/N-Well部分导通或截止；
源极跟随晶体管(M11)，基极电连接所述P+/N-Well/P-sub结构的二极管(N1)，集电极电连接所述偏置电压(Vdd1)；
选择晶体管(M12)，基极电连接所述选择控制信号(Φ11)，集电极通过读出总线电连接所述偏置电流(i1)，用于读出光感信号；
源极跟随晶体管(M11)的射极和选择晶体管(M12)的射极互连。
2.根据权利要求1所述双CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，N×M个所述双CMOS图像传感器像素单元构成像素阵列，N、M是大于1的自然数。
3.根据权利要求2所述双CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述像素阵列包括N个行重置控制信号、N个行选择控制信号和M条列读出总线。
4.基于权利要求1所述双CMOS图像传感器像素单元的像素阵列工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
401)重置：对指定像素列施加高正电压的选择控制信号(Φ11)和高正电压的重置控制信号(Φ12)，以激活P+/N-Well/P-sub结构的二极管(N1)为节点充电；
402)光集成：在一个固定光照集成时间内将所述选择控制信号(Φ11)和所述重置控制信号(Φ12)都置为低正电压，所述二极管(N1)中N-Well/P-sub部分积聚光产生载流子，所述节点放电；
403)读出：在光集成后，只将所述选择控制信号(Φ11)改置为高正电压，对应所述载流子的光感信号通过源极跟随晶体管(M11)和选择晶体管(M12)被列总线读出。
5.根据权利要求4所述像素阵列工作方法，其特征在于，该工作方法还包括重复所述步骤401)～403)。
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