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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiter-Fotosensoren
und insbesondere auf als aktive Pixelsensoren (APS) bekannte Bilderzeugungsgeräte.
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APS
sind Halbleiter-Bilderzeugungsgeräte, bei denen jedes Pixel eine
Lichterfassungseinrichtung, Reset-Einrichtung, Ladungs/Spannungs-Wandlereinrichtung
sowie einen Verstärker oder
einen Teil eines solchen aufweist. APS-Geräte wurden bisher so betrieben,
dass jeweils eine Zeile oder Reihe des Bilderzeugungsgeräts ausgewählt und
dann mittels eines Spaltenauswahlsignals ausgelesen wird (analog
zu Wort- und Bit-Zeilen in Speichergeräten). Dabei erfolgte die Reihenauswahl
bei bekannten Geräten
in der Weise, dass man in jedes Pixel einen Reihenauswahl-Transistor
integrierte, der zum Aktivieren der betreffenden Reihe eingeschaltet wird
(s. 1). Da dieser Transistor in jedem Pixel vorgesehen
ist, reduziert er den Fullfaktor des betreffenden Pixels, weil er
ja Raum, der sonst für
den Fotodetektor zur Verfügung
stünde,
oder Ladungsspeicherraum einnimmt. Dies vermindert die Empfindlichkeit
und das Sättigungssignal
des Sensors.
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Für die Herstellung
von APS-Geräten
für kleine
Pixel und hohe Auflösung
sind CMOS-Verfahren im Submikron-Bereich nötig, um den für den Reihenauswahl-Transistor
und andere Teile des Verstärkers
im Pixel benötigten
Raum minimieren zu können.
Im Vergleich mit einem Standard-CCD-Sensor erfordert die Herstellung
eines APS-Geräts
gleicher Auflösung
und Empfindlichkeit ein technologisch fortschrittlicheres und teureres
Verfahren. Allerdings weisen APS-Geräte gegenüber CCD-Sensoren die Vorteile
des Betriebes mit nur einer 5 V-Versorgung, des
geringeren Stromverbrauchs, der X-Y-Adressierbarkeit, des Bild-Windowing
und der Möglichkeit
auf, die Signalverarbeitungselektronik effektiv auf dem Chip zu
integrieren.
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Die
US-Patentanmeldung 5 144 447 beschreibt ein Halbleiter-Bilderzeugungsgerät mit Pixel-Verstärkern. Die
höhere
Bildauflösung
des Geräts
führt zu
einer um mindestens 2 Millionen höheren Pixelzahl. Wird ein Halbleiter-Bilderzeugungsgerät mit einer
so hohen Pixelzahl mit Pixelverstärkern ausgestattet, ergeben
sich verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Stromquelle und
einer Versorgungsleitung und auch ein Problem bezüglich des
Pixelverstärkertyps
des Halbleiter-Bilderzeugungsgeräts
an sich.
US-A-5 144
447 beschreibt ein Halbleiter-Bilderzeugungsgerät, bei dem
durch Unterdrückung
eines Spannungsabfalls der Versorgung und den Ausgleich von Schwankungen
der Ausgabe der Pixelverstärker
Rauschen oder dergleichen verhindert wird und ein Bild oder eine
Bildqualität
mit hoher Bildauflösung
erzeugt werden kann.
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Eine
Möglichkeit,
einen Bildsensor mit der Empfindlichkeit eines CCD-Geräts und den
Vorteilen eines APS-Geräts
zu schaffen, besteht darin, den Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des APS-Geräts
zu verbessern. Die Erfindung löst
diese nach dem Stand der Technik bekannten Probleme durch Vereinfachung
der für
die Adressierung des Bilderzeugungsgeräts verwendeten Schaltungen.
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiter-Fotosensoren
und Bilderzeugungsgeräte, insbesondere
Bilderzeugungsgeräte
der als aktive Pixelsensoren (APS) bezeichneten Art. Sie besteht aus
einem neuen Reihenselektionsverfahren, bei dem dadurch nicht mehr
für jedes
Pixel ein separater Reihenselektions-Transistor oder ein separates
Gate benötigt
wird, dass bei Aufrechterhaltung der Fähigkeit, Reihen des APS-Geräts selektiv
zu adressieren, in einem Fall kein separater Reihenselektions-Bus und
in einem anderen Fall kein Reihenselektions-Transistor mehr benötigt wird.
Durch Anwendung eines Verfahrens zum Erzeugen von Reihenselektions-Signalen
für aktive
Pixelsensoren mit den Schritten: Bereitstellen eines aktiven Pixelsensors mit
einer Vielzahl von in Spalten und Reihen angeordneten Pixeln und
Selektieren von Reihen des aktiven Pixelsensors durch Anlegen einer
Versorgungsspannung an die Versorgung der Pixelverstärker in einer
vorgegebenen auszuwählenden
Reihe und Abschalten der Versorgungsspannung der Versorgung der
pixeleigenen Verstärker
nicht ausgewählter
Reihen.
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Die
Erfindung ist in den unabhängigen
Ansprüchen
beschrieben. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie weniger Halbleiterplatz
für Steuerschaltungen
benötigt
und damit mehr Raum für
den Fotodetektor verbleibt, wodurch sich der Füllfaktor verbessert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines bekannten Pixels für einen
aktiven Pixelsensor;
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2 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer einzelnen Spalte des
in 1 dargestellten aktiven Pixelsensors;
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3A eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen aktiven Pixelsensors;
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3B einen
anderen Aufbau des aktiven Pixelsensors;
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3C einen
anderen Aufbau des aktiven Pixelsensors;
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4 eine
vereinfachte Spaltendarstellung für 3A;
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5 eine
vereinfachte Spaltendarstellung für 3B;
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6 eine schematische Darstellung mit außerhalb
der Pixelanordnung liegenden Reihenselektionsschaltern;
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6B ein
als Selektionsschalter verwendetes CMOS-Transmissions-Gate.
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Zum
besseren Verständnis
wurden gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren soweit wie möglich mit
denselben Bezugsziffern bezeichnet.
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In 1 ist
ein bekanntes APS-Pixel dargestellt. Das Pixel 10 umfasst
einen Fotodetektor 12, der in herkömmlicher Weise entweder aus
einer Fotodiode oder einem Photogate bestehen kann, ein Übertragungs-Gate 14,
eine Floating Diffusion 16, einen Reset-Transistor 17 mit
Reset-Gate 19 neben dem Reset-Drain 18, einen
Reihenselektrions-Transistor 21 mit einem Reihenselektions-Gate 23 und
einen Signal-Transistor 25. In diesem Fall sind drei Transistoren
und vier Busleitungen je Pixel vorhanden. Die Pixel sind in einer
Anordnung (X-Spalten und Y-Reihen) angeordnet und bilden so einen Bildsensor
aus. Im Fotodetektor 12 erzeugte Elektronen werden auf
die mit dem Gate 26 des Signal-Transistors 25 verbundene
Floating Diffusion 16 übertragen.
Durch Auswahl der gewünschten
Reihe (Einschalten des Reihenselektions-Transistors 21 durch Anlegen
einer "Einschaltspannung" an das Reihenselektions-Gate 26)
und anschließende
Auswahl der einzelnen Spalten wird dieses Signal ausgelesen. Alle
anderen Reihen werden durch Anlegen des entsprechenden Signals an
das Reihenselektions-Gate 26 der betreffenden Reihen "abgeschaltet". Damit wird bei
Auswahl einer bestimmten Spalte (die Einzelheiten dieses Vorgangs
sind für
die Erfindung nicht relevant) das auf der betreffenden Leitung anliegende
Signal bestimmt, durch das der Reihenselektions-Transistor 21 eingeschaltet
wird.
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2 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer einzelnen Spalte.
Die Schaltung ist als Sourcefolger-Schaltung mit parallel geschalteten selektierbaren
Signal-Transistoren und einem Last-Transistor je Spalte ausgebildet.
Bei dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung wie folgt moduliert:
Nach dem ersten Kirchhoffschen Gesetz muss der Strom I gleich I' sein. I' wird durch die Source-zu-Gate-Spannung
(Vgs) des Last-Transistors bestimmt. Mit
der Änderung
von Vin wird sich auch I ändern, da
sich Vgs des Signal-Transistors ändert. Damit
I gleich I' bleibt,
muss Vgs konstant bleiben und sich somit
Vs des Signal-Transistors, nämlich V0, entsprechend ändern. Bei eingeschaltetem
ROWST2 und im übrigen abgeschalteten ROWSTs
ist I2 einfach gleich I, da alle anderen
Ströme
gleich 0 sind, weil ja jene Pfade zu VDD durch die betreffenden
ROWSTs effektiv abgeschaltet sind.
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Die
Erfindung schafft eine Möglichkeit
der selektiven Verbindung der gewünschten Reihe mit dem Ausgabeknoten
und der Abschaltung aller anderen Reihen, ohne dass hierzu im ersten
Fall ein separater Reihenselektions-Bus und im zweiten Fall jeweils
ein Reihenselektions-Transistor
je Pixel erforderlich ist. Praktische Ausführungsformen der neuen Pixelarchitekturen
sind in 3A, 3B und 3C dargestellt;
zwar sind auch andere praktische Ausführungsformen möglich, die
in 3A und 3B dargestellten
Ausführungsformen
der Erfindung sind jedoch bevorzugt.
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In 3A weist
das Pixel 30 einen Fotodetektor (PD) 22, ein Übertragungs-Gate
(TG) 24, eine Floating Diffusion (FD) 26, einen
Reset-Transistor (RS) 27 mit einem Reset-Gate (RG) 29 und
einem Reset-Drain (RD) 28, den Reihenselektions-Transistor
(ROWST) 31, den Signal-Transistor 35 und die Reihenselektions-Signalleitung
(ROWSIG) 33 auf. Anders als das in 1 dargestellte
bekannte Gerät weist
es keinen separaten Reihenselektions-Bus auf. Erforderlich sind
nur drei Busleitungen je Pixel, d. h. die für TG 24, RG 29,
ROWSIG 33, gegenüber
den vier Bussen des bekannten Pixels.
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Bei
der erfindungsgemäßen Pixelarchitektur erfolgt
die Reihenselektion durch Anlegen der Versorgungsspannung VDD an
die gewünschte
ROWSIG 33 und Anlegen von OV oder des entsprechenden "Abschaltsignals" an die übrigen ROWSIGs. 4 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spalte. Dabei ist
die Schaltungsausbildung dieselbe wie im Stand der Technik, so dass
die Modulation von Vo in gleicher Weise erfolgt mit der Ausnahme,
dass die selektive Verbindung und Abschaltung durch Schalten der
Versorgungsspannung VDD zum Drain des Signal-Transistors und zum
Gate des Reihenselektions-Transistors erfolgt und kein separater
Reihenselektions-Gate-Bus erforderlich ist. Bei dieser neuen Architektur
erfolgt die Reihenselektion mit nur einem Bus je Reihe, nämlich ROWSIG,
anstelle der zwei Busse VDD und RSG. Der bisher für RSG verwendete
Bereich kann jetzt für
den PD verwendet werden, was den Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des Pixels verbessert.
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Das
in 3B dargestellte Pixel weist einen Fotodetektor
(PD) 22, ein Übertragungs-Gate
(TG) 24, eine Floating Diffusion (FD) 26, einen
Reset-Transistor 27 mit einem Reset-Gate 29 und
einem Reset-Drain 28, einen Signal-Transistor (SIG) 45 und
eine Reihenselektions-Signalleitung (ROWSIG) 33 auf. Es
enthält
keinen separaten Reihenselektions-Transistor (ROWST) 31 und
auch keinen Reihenselektions-Bus. Erforderlich sind nur 2 Transistoren
und 3 Busleitungen je Pixel.
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Bei
dieser Architektur erfolgt die Reihenselektion durch Anlegen oder
Verbinden der Versorgungsspannung VDD an die bzw. mit der gewünschten
ROWSIG 33 und Floaten oder Abschalten der übrigen ROWSIGs. 5 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spalte. Dabei ist
die Schaltungsausbildung ähnlich
wie im Stand der Technik, so dass die Modulation von Vo in gleicher Weise
erfolgt mit der Ausnahme, dass die selektive Verbindung und Abschaltung
durch Schalten der Versorgungsspannung VDD zum Drain des Signal-Transistors 45 erfolgt
und nicht durch Schalten eines mit jedem Signal-Transistor 45 in
Reihe geschalteten separaten Transistors. Bei dieser neuen Architektur kann
der bisher für
die ROWST 31 (bei der Ausführungsform gemäß 3A)
verwendete Bereich jetzt für
PD 22 verwendet werden, was den Füllfaktor und die Empfindlichkeit
des Pixels verbessert. Auch könnte
der Füllfaktor
unverändert
bleiben und die Größe des Pixels
und des APS-Geräts
verringert werden.
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Neben
der Verbesserung des Füllfaktors bzw.
der Größe des Geräts bringt
die in 3B dargestellte Architektur
eine Verbesserung des Rauschverhaltens, und dies aus drei Gründen. Zunächst wird ein
etwa vorhandenes Geräusch
am Gate des ROWST 21 gemäß 1 hoch kapazitiv
in die Signalleitung eingekoppelt (da diese ja das Gate des Transistors
darstellt), wodurch eine Rauschkomponente im Signal erzeugt wird.
Bei der Erfindung ist die Reihenselektionsleitung der VDD-Bus, ein
weiteres Transistor-Gate ist nicht mit dem Signal-Transistor 45 gekoppelt.
Zweitens kann der SIG 45 jetzt vergrößert werden und einen Teil
des bisher vom ROWST 31 eingenommenen Raum einnehmen. Dadurch
vermindert sich das 1/f-Rauschen
des Signal-Transistors. Außerdem
fällt das
Musterrauschen aufgrund eines ungleichmäßigen Spannungsabfalls am ROWST 31 weg,
da dieser Transistor ja nicht mehr vorhanden ist.
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Die
schematische Darstellung in 6A zeigt
außerhalb
der Pixelanordnung liegende Reihenselektions-Schalter 60. 6B stellt
ein als Reihenselektions-Schalter 60 dienendes CMOS-Transmissions-Gate
dar. Die in 6A und 6B dargestellte
Verwendung eines CMOS-Transmissions-Gates
stellt eine Art dar, diesen Schalter auszubilden. Da gemäß 6A nur einer
dieser Reihenselektions-Schalter 60 je Reihe des Bilderzeugungsgeräts vorhanden
ist und diese Schalter außerhalb der
Bilderzeugungsanordnung angeordnet sind, ist die physische Größe der Schalter
nur in einer Dimension begrenzt (d. h. dass sie in dieser Dimension höchstens
gleich dem Pixelabstand sein kann), so dass eine große Ausbildung
möglich
ist, um den Einschaltwiderstand zu reduzieren, ohne den Füllfaktor des
Pixels zu beeinträchtigen.
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Eine
Abwandlung dieser Architektur ist in 3C dargestellt.
In diesem Fall sind das Reset-Drain
und das Sourcefolger-Drain voneinander getrennt, so dass die Versorgungsspannung
des Reset-Transistors zur Beherrschung des Überstrahleffekts von der Versorgungsspannung
des Sourcefolgers getrennt gesteuert werden kann. Der Füllfaktor wird
bei dieser Pixelarchitektur durch Kombination des Reset-Gate-Signalbus
und des Reset-Versorgungsbus verbessert. Diese Lösung ist auch bei der in 3A dargestellten
Pixelarchitektur einsetzbar.
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Die
Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass dem Fachmann Abänderungen
und Modifikationen möglich sind,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die
Erfindung mit den unterschiedlichsten Lichterfassungselementen,
etwa einer teilweise gepinnten Fotodiode, einer vollständig gepinnten
Fotodiode oder einem Photogate, durchführbar.