CN113394239A - 图像传感器、指纹识别模组及电子装置 - Google Patents

图像传感器、指纹识别模组及电子装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种图像传感器、指纹识别模组及电子装置。所述图像传感器包括：像素阵列，包含多个像素单元包含：浮置扩散区域，等效地具有浮置扩散电容；复位选择晶体管，耦接于所述浮置扩散区域与第一参考电压间；光电二极管；传输晶体管，耦接于所述光电二极管与所述浮置扩散区域间；源跟随晶体管，耦接至所述浮置扩散区域及所述第一参考电压，用以依据所述源跟随晶体管的电压增益以及所述浮置扩散区域的电压产生输出电压；行选择晶体管，耦接于所述源跟随晶体管；以及电容单元，耦接至所述浮置扩散区域，其中所述电容单元的容值受所述浮置扩散区域的电压影响，当所述浮置扩散区域的电压越高，所述电容单元的容值越高。

Description

图像传感器、指纹识别模组及电子装置
技术领域
本申请涉及一种传感器，尤其涉及一种图像传感器及相关指纹识别模组及电子装置。
背景技术
图像传感器可用来撷取图像，但图像传感器普遍地存在有入射光线强度和感测结果之间呈非线性关系的问题。特别是进行机器视觉应用(例如指纹辨识)时，若图像传感器线性度不够，需利用额外的硬体或软替进行线性度校正，造成成本剧烈地上升。
因此，如何以较低的成本来提升图像传感器的线性度，已成为本领域急需解决的问题之一。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种图像传感器、指纹识别模组及电子装置，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括：像素阵列，包含排列为多行与多列的多个像素单元，其中各像素单元包含：浮置扩散区域，等效地具有浮置扩散电容；复位选择晶体管，耦接于所述浮置扩散区域与第一参考电压间；光电二极管，耦接于第二参考电压；传输晶体管，耦接于所述光电二极管与所述浮置扩散区域间，用以在所述光电二极管及所述浮置扩散区域间进行栅控；源跟随晶体管，耦接至所述浮置扩散区域及所述第一参考电压，用以依据所述源跟随晶体管的电压增益以及所述浮置扩散区域的电压产生输出电压；行选择晶体管，耦接于所述源跟随晶体管；以及电容单元，耦接至所述浮置扩散区域，其中所述电容单元的容值受所述浮置扩散区域的电压影响，当所述浮置扩散区域的电压越高，所述电容单元的容值越高。
本申请的一实施例公开了一种指纹识别模组，包括所述的图像传感器。
本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括所述的指纹识别模组。
本申请的图像传感器、指纹识别模组及电子装置，可以提升提升图像传感器的线性度。
附图说明
图1中绘示了像素阵列中之一像素单元。
图2中绘示了浮置扩散电容主要的寄生电容成分。
图3为本申请的图像传感器的像素阵列中的一像素单元的第一实施例的示意图。
图4为图3的像素单元的电容单元的第一实施例的示意图。
图5为图3的像素单元的电容单元的第二实施例的示意图。
图6为图3的像素单元的电容单元的第三实施例的示意图。
图7为本申请的图像传感器的像素阵列中的一像素单元的第二实施例的示意图。
图8为图7的像素单元以及图1的像素单元100的线性度的测试数据。
图9为本申请的图像传感器的像素阵列中的一像素单元为二-共享像素的实施例的示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
本申请对图像传感器进行了改良，具体来说，本申请提出的实施例中，可在像素阵列中利用简单的电路来改善图像传感器的线性度，即提升了感测结果和入射光线强度之间的线性关系。在最主要的实施例中，针对每一像素单元仅额外增加一颗晶体管，便可改善所在的像素单元的线性度，因此可大幅地降低为了提高线性度所必须付出的成本。
本申请提出的图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包含排列为多行与多列的多个像素单元。图1中绘示了所述像素阵列中之一像素单元100，包含光电二极管102、传输晶体管104、浮置扩散区域FD、复位选择晶体管106、源跟随晶体管108以及行选择晶体管110。其中光电二极管102的阳极耦接于第二参考电压V2，光电二极管102的阴极耦接于传输晶体管104的漏极。传输晶体管104的源极耦接于浮置扩散区域FD，传输晶体管104的栅极耦接至信号TX，用以在光电二极管102及浮置扩散区域FD间依据信号TX进行栅控。浮置扩散区域FD等效地具有浮置扩散电容112。复位选择晶体管106耦接于浮置扩散区域FD与第一参考电压V1间，复位选择晶体管106的栅极耦接至信号RST。源跟随晶体管108的栅极耦接至浮置扩散区域FD，源跟随晶体管108的漏极耦接至第一参考电压V1，源跟随晶体管108的源极耦接至行选择晶体管110，且源跟随晶体管108具有电压增益G，使源跟随晶体管108能依据浮置扩散区域FD的电压VFD产生输出电压VPO于行选择晶体管110的源极，电压VPO与电压VFD的关系式可表示为：
VPO＝V1-VFD*G (1)
行选择晶体管110的栅极耦接至信号RSEL，并依据信号RSEL选择性地输出输出电压VPO。
浮置扩散电容112是浮置扩散区域FD处所看到的所有寄生电容的总和。图2绘示了浮置扩散电容112主要的寄生电容成分，如图2所示，浮置扩散电容112主要的来源包含：传输晶体管104的栅源交叠电容(overlap capacitance)1121、复位选择晶体管106的栅源交叠电容1122、源跟随晶体管108的栅源交叠电容1127、源跟随晶体管108的栅漏交叠电容1126、源跟随晶体管108的等效栅源电容1128、浮置扩散区域FD的侧壁与衬底交界形成的结电容(junction capacitance)1123、浮置扩散区域FD的底部与衬底交界形成的结电容1124、以及连接浮置扩散区域FD和源跟随晶体管108的栅极的金属线造成的寄生电容1125。
为了分析影响图像传感器的线性度并有效地补偿之，本申请首先依据上述的多种寄生电容的特性，将上述的多种寄生电容区分为三种类型。其中第一类型的寄生电容包含浮置扩散区域FD的侧壁与衬底交界形成的结电容1123以及浮置扩散区域FD的底部与衬底交界形成的结电容1124。结电容1123和结电容1124的共通特性在于其容值受浮置扩散区域FD的电压影响，当浮置扩散区域FD的电压越高，结电容1123和结电容1124的容值越低。其原因在于由于结电容1123和结电容1124皆与耗尽层(depletion region)的厚度成反比，而耗尽层的厚度受浮置扩散区域FD的电压影响，且浮置扩散区域FD的电压越高，耗尽层的厚度越大，因此浮置扩散区域FD的电压越高，结电容1123和结电容1124的容值皆越低。
换句话说，所述第一类型的寄生电容的特性在于其容值受浮置扩散区域FD的电压影响，当浮置扩散区域FD的电压越高，所述第一类型的寄生电容的容值越低；当浮置扩散区域FD的电压越低，所述第一类型的寄生电容的容值越高。也就是说，所述第一类型的寄生电容对感测结果和入射光线强度之间的线性关系有不良的影响。
所述三种类型中的第二类型寄生电容包含源跟随晶体管108的栅源交叠电容1127以及源跟随晶体管108的等效栅源电容1128。基于米勒效应(Miller Effect)，电容1127以及电容1128会随源跟随晶体管108的电压增益G改变而改变。具体来说，电容1127以及电容1128的容值与电压增益G成正比。换句话说，所述第二类型的寄生电容的特性在于其容值受电压增益G的影响，当电压增益G越高，所述第二类型的寄生电容的容值越高；当电压增益G越低，所述第二类型的寄生电容的容值越低。
由于源跟随晶体管108的电压增益G和源跟随晶体管108的阈值电压(thresholdvoltage)有关，又当浮置扩散区域FD的电压越大时，源跟随晶体管108的体效应(bodyeffect)越严重，造成阈值电压越大，使源跟随晶体管108的电压增益G不是固定值。因此也就是说，所述第二类型的寄生电容对感测结果和入射光线强度之间的线性关系也有不良的影响。
所述三种类型中的第三类型寄生电容包含传输晶体管104的栅源交叠电容1121、复位选择晶体管106的栅源交叠电容1122、源跟随晶体管108的栅漏交叠电容1126以及金属线造成的寄生电容1125。所述第三类型寄生电容的容值不受浮置扩散区域FD的电压以及源跟随晶体管108的电压增益G影响。更进一步来说，所述第三类型寄生电容的容值不受浮置扩散区域FD的电压影响，因此在入射光线强度改变时，所述第三类型寄生电容的容值可视为定值，对感测结果和入射光线强度之间的线性关系不会有不良的影响。
因此，本申请提出以图3的方式来减轻或消除所述三种类型中的所述第一类型寄生电容带来的影响。由于所述第一类型的寄生电容的特性在于其容值受浮置扩散区域FD的电压影响，当浮置扩散区域FD的电压越高，所述第一类型的寄生电容的容值越低；当浮置扩散区域FD的电压越低，所述第一类型的寄生电容的容值越高，因此图3提出的像素单元300的实施例中，和图1的像素单元100相比，多了电容单元312，其具有和所述第一类型的寄生电容相反的特性，藉以抵销浮置扩散区域FD的电压对所述第一类型的寄生电容造成的影响。具体而言，电容单元312耦接至浮置扩散区域FD，其中电容单元312的容值也受浮置扩散区域FD的电压影响，但电容单元312被浮置扩散区域FD影响的方式和所述第一类型的寄生电容被浮置扩散区域FD影响的方式相反，即当浮置扩散区域FD的电压越高，电容单元312的容值越高；当浮置扩散区域FD的电压越低，电容单元312的容值越低。
本申请并不特别限定电容单元312的实现方式，但在图4至图6中提出了以金属-氧化物-硅(MOS)电容器实现电容单元312的实施方式。图4的像素单元400提供了图3的像素单元300的电容单元312的第一实施例。在图4中，晶体管412的栅极耦接至浮置扩散区域FD，以及晶体管412的源极和漏极耦接至控制电压Vctl，晶体管412的体(body)耦接至第二参考电压V2。以图4方式连接的晶体管412形成的MOS电容器具有所需的特性，即当浮置扩散区域FD的电压越高，晶体管412形成的MOS电容器的容值越高；当浮置扩散区域FD的电压越低，晶体管412形成的MOS电容器的容值越低。在本实施例中，晶体管412形成的MOS电容器的容值受控制电压Vctl影响，也就是说，还可以可通过调整控制电压Vctl来使晶体管412形成的MOS电容器更好地来抵销浮置扩散区域FD对所述第一类型的寄生电容造成的影响。
应注意的是，晶体管412的连接方式有许多变化皆可达到类似的效果，例如图5的像素单元500提供了图3的像素单元300的电容单元312的第二实施例。图5和图4的差别仅在于晶体管412的体也耦接至控制电压Vctl。图6的像素单元600提供了图3的像素单元300的电容单元312的第三实施例。图6和图4的差别仅在于晶体管412的源极和漏极也耦接至第二参考电压V2，因此图6晶体管412形成的电容的电容值不能通过控制电压Vctl来被调整。
本申请还提出以图7的方式来减轻或消除所述三种类型中的所述第二类型寄生电容带来的影响。由于所述第二类型的寄生电容的特性在于其容值受电压增益G的影响，当电压增益G越高，所述第二类型的寄生电容的容值越高；当电压增益G越低，所述第二类型的寄生电容的容值越低，因此图7提出的像素单元700的实施例中，和图3的像素单元300相比，更包含晶体管714和晶体管716构成的电流镜、输出级源跟随晶体管718、输出级行选择晶体管720及偏压晶体管722。其中所述电流镜、输出级源跟随晶体管718和原本的源跟随晶体管108构成单增益缓冲器以取代源跟随晶体管108，所述单增益缓冲器具有固定的电压增益为1，并从输出级源跟随晶体管718的漏极产生输出电压VPO。也就是说，源跟随晶体管108的电压增益G被限制在1，因此图7的架构中，所述第二类型的寄生电容的容值可被限制在定值，不再对感测结果和入射光线强度之间的线性关系造成不良的影响。
其中晶体管714和晶体管716的源极耦接于第一参考电压V1，晶体管714的栅极耦接至晶体管716的栅极以及晶体管714的漏极。晶体管714的漏极耦接至源跟随晶体管108的漏极，晶体管716的漏极耦接至输出级源跟随晶体管718的漏极，输出级源跟随晶体管718的栅极耦接至输出级源跟随晶体管718的漏极，输出级源跟随晶体管718的源极接至输出级行选择晶体管720的漏极，输出级行选择晶体管720的源极耦接至行选择晶体管110的源极以及偏压晶体管722的漏极，输出级行选择晶体管720的栅极耦接至第一参考电压V1，偏压晶体管722的源极耦接至第二参考电压V2，偏压晶体管722的栅极耦接至偏压电压Vb。
应注意的是，能将源跟随晶体管108的电压增益G限制为定值的电路架构并不限于图7的作法。此外，在某些实施例中，所述图像传感器的所述像素阵列中的多个像素单元可共享输出级源跟随晶体管718、所述电流镜(晶体管714及晶体管716)、输出级行选择晶体管720以及偏压晶体管722。例如所述图像传感器的所述像素阵列中同一列的多个像素单元可共享图7中虚线右方的电路以节省晶片面积，同时降低像素间的差异造成的不良影响。即晶体管714的漏极耦接至所述像素阵列中同一列的多个像素单元各自的源跟随晶体管108的漏极，以及输出级行选择晶体管720的源极耦接至所述像素阵列中同一列的多个像素单元各自的行选择晶体管110的源极。
图8为图7的像素单元700以及图1的像素单元100的线性度的测试数据，其中横轴代表输出电压VPO的大小，纵轴代表归一化的线性误差。又曲线C1代表图7的像素单元700对应的结果；曲线C2代表图1的像素单元100对应的结果。可以看出当输出电压VPO改变时，曲线C1的线性误差变化较小；曲线C2的线性误差变化较剧烈。也就是说，图7的像素单元700的感测结果和入射光线强度之间的线性度较图1的像素单元100的感测结果和入射光线强度之间的线性度来得高。
本申请用以减轻所述第一类型寄生电容和所述第二类型寄生电容的实施例亦可用于所述像素阵列中各像素单元为共享像素的情况，例如二-共享像素(two-sharedpixel)或四-共享像素(four-shared pixel)。图9为像素单元900的实施例的示意图，像素单元900和像素单元700的差别仅在于像素单元900为二-共享像素，和像素单元700相比，像素单元900额外包含另一光电二极管802的阳极耦接于第二参考电压V2，以及另一传输晶体管804，其漏极耦接于光电二极管802的阴极，其源极耦接于浮置扩散区域FD，传输晶体管804用以在光电二极管802及浮置扩散区域FD间进行栅控。
本申请还提供了一种指纹识别模组，包括所述图像传感器，所述图像传感器可包含上述的像素单元100/300/400/500/600/700/900。本申请还提供了一种电子装置，其包括所述、指纹识别模组。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims (13)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
像素阵列，包含排列为多行与多列的多个像素单元，其中各像素单元包含：
浮置扩散区域，等效地具有浮置扩散电容；
复位选择晶体管，耦接于所述浮置扩散区域与第一参考电压间；
光电二极管，耦接于第二参考电压；
传输晶体管，耦接于所述光电二极管与所述浮置扩散区域间，用以在所述光电二极管及所述浮置扩散区域间进行栅控；
源跟随晶体管，耦接至所述浮置扩散区域及所述第一参考电压，用以依据所述源跟随晶体管的电压增益以及所述浮置扩散区域的电压产生输出电压；
行选择晶体管，耦接于所述源跟随晶体管；以及
电容单元，耦接至所述浮置扩散区域，其中所述电容单元的容值受所述浮置扩散区域的电压影响，当所述浮置扩散区域的电压越高，所述电容单元的容值越高。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述浮置扩散电容是由多个寄生电容所贡献而产生，所述多个寄生电容包括第一类型寄生电容、第二类型寄生电容、以及第三类型寄生电容，其中所述第一类型寄生电容的容值受所述浮置扩散区域的电压影响，当所述浮置扩散区域的电压越高，所述第一类型寄生电容的容值越低；所述第二类型寄生电容的容值受所述源跟随晶体管的所述电压增益影响；以及所述第三类型寄生电容的容值不受所述浮置扩散区域的电压以及所述源跟随晶体管的所述电压增益影响。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述浮置扩散区域的所述电压对所述第一类型寄生电容的所述容值的影响被所述电容单元抵销。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述电容单元包括晶体管，其栅极耦接至所述浮置扩散区域，以及源极耦接至漏极。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中所述电容单元的所述晶体管的所述源极和所述漏极耦接至控制电压，所述电容单元的所述容值受所述控制电压影响。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其中所述电容单元的所述晶体管的体耦接至所述第二参考电压。
7.如权利要求5所述的图像传感器，其中所述电容单元的所述晶体管的体耦接至所述控制电压。
8.如权利要求4所述的图像传感器，其中所述电容单元的所述晶体管的所述源极、所述漏极和体耦接至所述第二参考电压。
9.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述像素阵列还包括：
输出级源跟随晶体管；
电流镜，耦接于所述第一参考电压、所述源跟随晶体管以及所述输出级源跟随晶体管；
输出级行选择晶体管，耦接于所述输出级源跟随晶体管；以及
偏压晶体管，耦接于所述行选择晶体管、所述输出级行选择晶体管及所述第二参考电压；
其中所述电流镜、所述源跟随晶体管以及所述输出级源跟随晶体管形成单增益缓冲器，使所述源跟随晶体管的所述电压增益保持为1。
10.如权利要求9所述的图像传感器，其中所述多个像素单元中同一列的像素单元共享所述输出级源跟随晶体管、所述电流镜、所述输出级行选择晶体管以及所述偏压晶体管。
11.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述各像素单元为二-共享像素，且所述各像素单元还包含：
另一光电二极管，耦接于第二参考电压；以及
另一传输晶体管，耦接于所述另一光电二极管与所述浮置扩散区域间，用以在所述另一光电二极管及所述浮置扩散区域间进行栅控。
12.一种指纹识别模组，其特征在于，包括：
如权利要求1至11中任一项所述的图像传感器。
13.一种电子装置，其特征在于，包括：
如权利要求12所述的指纹识别模组。
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