CN103929600B - 高灵敏度cmos图像传感器共享型像素结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，包括多个光电二极管及相同数量的电荷传输晶体管及第一漂浮有源区，还包括一个复位晶体管、一个源跟随晶体管、一个行选择晶体管和第二漂浮有源区，所述第一漂浮有源区与第二漂浮有源区之间通过一个开关晶体管隔开。源跟随晶体管探测第二漂浮有源区的电势信号，第二漂浮有源区的寄生电容不随共享像素数量变化，有效提高了共享型像素的光电转换增益，可有效提高采用共享型像素结构的CMOS图像传感器的感光灵敏度。

Description

高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
现有技术中的CMOS图像传感器，特别是采用小面积像素单元的CMOS图像传感器，一般使用共享型像素结构，例如两个像素共享，四个像素共享，或更多个像素共享。采用像素共享的重要原因，是节省晶体管，以便扩大光电二极管的面积，进而提高像素的感光灵敏度；但是这种提高感光灵敏度的方式，却牺牲了漂浮有源区的光电转换增益，因为共享结构中的每个像素的电荷传输晶体管都与漂浮有源区相连接，进而增加了漂浮有源区的寄生电容，共享的像素数量越多，漂浮有源区的寄生电容越大，所以光电转换增益越低；像素的光电转换增益越低，感光灵敏度越低，这恰与采用扩大光电二级面积的方法来提高感光灵敏度的初衷相违背。
现有技术中的图像传感器，以CMOS图像传感器四晶体管四个像素共享结构(4T4S)为例，如图1所示，101～104分别为四个像素的光电二极管，105～108分别为对应四个光电二极管的电荷传输晶体管，109为复位晶体管，110为源跟随晶体管，111为行选择晶体管，112为列位线，FD为漂浮有源区；其中FD电容部分，C1为FD与各电荷传输晶体管栅极的栅源交叠电容，C2为FD与109的栅源交叠电容，C3和C4分别为FD与110的栅漏和栅源交叠电容，Cm4为FD连线金属寄生电容，4Caa为FD有源区体电容。
由图1所示，可得出FD的总电容为：
CFD4＝4C1+C2+C3+C4+Cm4+4Caa
等式中的4C1和4Caa中的系数4与共享型结构中的像素数量相等，Cm4正比于像素数量。因此可推算N个像素共享结构中的FD区的寄生总电容为:
CFDn＝nC1+C2+C3+C4+Cmn+nCaa
上述等式中的n越大，像素平均节省的晶体管越多，进而像素的光电二极管扩大的面积越多，像素灵敏度就会越高；但是，等式中的n越大，漂浮有源区总电容CFDn越高，从而降低了光电转换增益，像素的感光灵敏度越低，这与采用扩大光电二极管面积的方法来提高感光灵敏度的初衷相违背。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，通过采用开关晶体管隔离出小寄生电容的漂浮有源区方法，使像素的光电转换增益不受共享的像素数量影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，包括多个光电二极管及相同数量的电荷传输晶体管及第一漂浮有源区，还包括一个复位晶体管、一个源跟随晶体管、一个行选择晶体管和第二漂浮有源区，所述第一漂浮有源区与第二漂浮有源区之间通过一个开关晶体管隔开。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，由于使用开关晶体管将寄生电容较大的第一漂浮有源区与寄生电容较小的第二漂浮有源区隔开，源跟随晶体管探测第二漂浮有源区的电势信号,第二漂浮有源区的寄生电容不随共享像素数量变化，有效提高了共享型像素的光电转换增益，可有效提高采用共享型像素结构的CMOS图像传感器的感光灵敏度。
附图说明
图1为现有技术的CMOS图像传感器的四晶体管四个像素共享结构(4T4S)的电路示意图。
图2为本发明实施例中的CMOS图像传感器的四个像素共享结构的电路示意图。
图3为本发明实施例中的共享型像素在光电转移操作时的势阱示意图一。
图4为本发明实施例中的共享型像素在光电转移操作时的势阱示意图二。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其较佳的具体实施方式是：
包括多个光电二极管及相同数量的电荷传输晶体管及第一漂浮有源区，还包括一个复位晶体管、一个源跟随晶体管、一个行选择晶体管和第二漂浮有源区，所述第一漂浮有源区与第二漂浮有源区之间通过一个开关晶体管隔开。
所述开关晶体管的漏极与所述第二漂浮有源区相连、源极与所述第一漂浮有源区相连。
所述源跟随晶体管的栅极与所述第二漂浮有源区相连，所述源跟随晶体管用于探测所述第二漂浮有源区的电势信号变化。
该高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构中，共享型像素包含的像素数量大于或等于两个。
所述第二漂浮有源区的寄生总电容不随共享像素包含的数量的变化而变化。
在进行光电电荷转移操作时，所述第一漂浮有源区的电势高于所述光电二极管完全耗尽电势0V～0.3V。
所述第一漂浮有源区包括晶体管源漏有源区或者光电二极管工艺的有源区。
所述光电二极管包括Pin型光电二极管、部分Pin型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
本发明的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，由于使用开关晶体管将寄生电容较大的第一漂浮有源区与寄生电容较小的第二漂浮有源区隔开，源跟随晶体管探测第二漂浮有源区的电势信号，第二漂浮有源区的寄生电容不随共享像素数量变化，有效提高了共享型像素的光电转换增益，可有效提高采用共享型像素结构的CMOS图像传感器的灵敏度。
具体实施例：
在本发明的实施例中，以CMOS图像传感器四像素共享结构为例，此像素结构中采用Pin型N型光电二极管，像素中的晶体管采用N型晶体管。
如图2所示，包括共享结构中四个像素的光电二极管201～204、四个像素中的电荷传输晶体管205～208、复位晶体管209、源跟随晶体管210、行选择晶体管211、列位线212、开关晶体管213；电荷传输晶体管205～208的栅极端分别为TX1、TX2、TX3和TX4，复位晶体管209和行选择晶体管211的栅极端为RX和SX，开关晶体管213的栅极端为TX，Vdd为电源电压；FD4为第一漂浮有源区，FD为第二漂浮有源区，C1为FD与TX的交叠电容，C2为FD与RX的交叠电容，C3和C4分别为FD与210的漏极和源极的交叠电容，Cm1为FD金属电容，Caa为FD有源区体电容。
从实施例附图2中，可以发现开关晶体管213将FD4与FD两个漂浮有源区隔开，源跟随晶体管210直接探测第二漂浮有源区FD的电势变化，第二漂浮有源区FD的寄生电容表达为：
CFD＝Cm1+Caa+C1+C2+C3+C4
因此，本实施列中的CFD表达式比在背景技术中阐述的传统4T4S结构的CFD4少了3C1+3Caa，并且根据设计经验Cm1会低于传统4T4S结构中的Cm4；从本实施例中的CFD表达式中可以得出：FD寄生电容CFD的值不随共享像素数量的变化而变化，CFD可以一直保持不共享4T像素结构的最小值不变。CFD值的大小决定了像素的光电转换增益C.G.，表达式为:
C.G.＝q/CFD
表达式中的q为一个电子电量6.02E－19库仑。像素的感光灵敏度正比于光电转换增益C.G.，因此本发明像素共享结构的像素，在保持着扩大光电二极管面积优点的同时，还保持着像素的光电转换增益不变的优点，并且光电转换增益值与非共享结构4T像素结构的光电转换增益值相同。所以本发明的共享像素结构的方法解决了传统共享像素光电转换增益降低的缺点，提高了共享型像素的感光灵敏度。
具体实施例的工作原理是：
实现本发明像素的工作方法有两种，如图3和图4所示的像素工作在光电电荷转移步骤时的势阱示意图。
图3所示，301～304分别表征共享型像素中的四个光电二极管的势阱，305～308分别表征共享型像素中的四个电荷传输晶体管，309为复位晶体管，313为开关晶体管，314表征第一漂浮有源区FD4的势阱，315表征第二漂浮有源区FD的势阱，316表征电源电压势阱；TXn为305～308的栅极端，其中n为1，2，3和4；TX和RX分别为313和309的栅极端；CFD表示像素的第二漂浮有源区的寄生电容。图3所示的势阱状态为像素工作在光电电荷转移的操作过程，其中305～308和313下面的虚线表示其栅极端为GND时，即晶体管处于关闭状态时的势垒示意图。
图3所示的第一漂浮有源区FD4的工作电势VFD4高于光电二极管的完全耗尽电势Vpin的范围为0V～0.3V，第一漂浮有源区的工艺采用传统CIS标准逻辑工艺。
第二种实现本发明像素结构电荷转移的操作势阱示意图如图4所示，401～404分别表征共享型像素中的四个光电二极管的势阱，405～408分别表征共享型像素中的四个电荷传输晶体管，409为复位晶体管，413为开关晶体管，414表征第一漂浮有源区FD4的势阱，415表征第二漂浮有源区FD的势阱，416表征电源电压势阱；TXn为405～408的栅极端，其中n为1，2，3和4；TX和RX分别为413和409的栅极端；CFD表示像素的第二漂浮有源区的寄生电容。图4所示的势阱状态为像素工作在光电电荷转移的操作过程，其中405～408和413下面的虚线表示其栅极端为GND时，即晶体管处于关闭状态时的势垒示意图。
图4所示的第一漂浮有源区FD4的工作电势Vpin4高于光电二极管的完全耗尽电势Vpin的范围为0V～0.3V，其中，FD4有源区采用的工艺类型与光电二极管的工艺类型相同，并且像素工作在电荷转移状态时，FD4已经被完全耗尽，其完全耗尽电势为Vpin4。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，包括多个光电二极管及相同数量的电荷传输晶体管及第一漂浮有源区，还包括一个复位晶体管、一个源跟随晶体管、一个行选择晶体管和第二漂浮有源区，其特征在于，所述第一漂浮有源区与第二漂浮有源区之间通过一个开关晶体管隔开。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，所述开关晶体管的漏极与所述第二漂浮有源区相连、源极与所述第一漂浮有源区相连。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，所述源跟随晶体管的栅极与所述第二漂浮有源区相连，所述源跟随晶体管用于探测所述第二漂浮有源区的电势信号变化。
4.根据权利要求3所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，该高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构中，共享型像素包含的像素数量大于或等于两个。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，所述第二漂浮有源区的寄生总电容不随共享像素包含的数量的变化而变化。
6.根据权利要求1至5任一项所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，在进行光电电荷转移操作时，所述第一漂浮有源区的电势高于所述光电二极管完全耗尽电势0V～0.3V。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，所述第一漂浮有源区包括晶体管源漏有源区或者光电二极管工艺的有源区。
8.根据权利要求6所述的高灵敏度CMOS图像传感器共享型像素结构，其特征在于，所述光电二极管包括Pin型光电二极管、部分Pin型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
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