DE69835989T2 - Aktiver Pixelbildsensor mit gemeinsam genutztem Verstärker-Auslesesystem - Google Patents

Aktiver Pixelbildsensor mit gemeinsam genutztem Verstärker-Auslesesystem Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiter-Fotosensoren und -Bilderzeugungsgeräte und insbesondere auf als aktive Pixelsensoren (APS) bekannte Bilderzeugungsgeräte auf Halbleiterbasis.
  • Aktive Pixelsensoren (APS) sind Halbleiter-Bilderzeugungsgeräte, bei denen jedes Pixel eine Lichtsensoreinrichtung mit zugehörigen aktiven Schaltungselementen enthält. Bei diesen aktiven Schaltungselementen handelt es sich normalerweise um Mittel zum Ausführen einer Pixel-Rückstellfunktion oder um Mittel für die Übertragung einer Ladung, Mittel zur Spannungsumwandlung oder um der Verstärkung dienende Schaltungselemente. APS-Geräte arbeiten in der Weise, dass jede Zeile oder Reihe des Bilderzeugungsgeräts mittels eines Spaltenauswahlsignals (analog einer Wort- bzw. Bitzeile in Speichergeräten) ausgewählt und dann ausgelesen wird. Es wurden bereits Geräte beschrieben, bei denen alle diese Komponenten vollständig innerhalb der Grenzen eines einzigen Pixels angeordnet sind.
  • Durch die Anordnung dieser aktiven Schaltungselement-Komponenten in jedem Pixel verringert sich jedoch der Füllfaktor des Pixels, weil sie Raum beanspruchen, der sonst für den Fotodetektor zur Verfügung stehen würde. Dies reduziert die Empfindlichkeit und das Sättigungssignal des Sensors, was wiederum die fotografische Empfindlichkeit und den Dynamikbereich des Sensors verringert – Leistungsparameter, die für eine gute Bildqualität von ausschlaggebender Bedeutung sind. Außerdem bedeutet die Anordnung dieser aktiven Schaltungselemente innerhalb des Pixels eine Einschränkung hinsichtlich der Mindestgröße der Pixel mit nachteiligen Folgen für Größe und Kosten des Bildsensors.
  • Für den Bau hoch auflösender APS-Geräte mit kleinen Pixeln ist der Einsatz von Submikrometer-CMOS-Verfahren nötig, um den Pixelbereich, der dem Reihenauswahltransistor und anderen Teilen des Verstärkers im Pixel zur Verfügung steht, minimieren zu können. Im Grunde braucht man einen technologisch höher entwickelten und teureren Prozess, um ein APS-Gerät derselben Auflösung und Empfindlichkeit im Vergleich mit einem Standard-CCD-Sensor zu realisieren. Allerdings haben APS-Geräte im Vergleich mit CCD-Sensoren Vorteile in Bezug auf den Betrieb mit nur einer 5V-Stromversorgung, den geringeren Stromverbrauch, die x-y-Adressierbarkeit, die Bildfensterdarstellung und die Möglichkeit der effektiven Integration der Signalverarbeitungselektronik auf dem Chip.
  • US-A-4 636 865 beschreibt einen Halbleiter-Bildsensor mit einer Anzahl von in Form einer Matrix zwischen Reihenleitungen und Spaltenleitungen angeordneten Pixeln, wobei aufeinander folgende Pixel zur Ableitung eines Bildsignals mittels eines x-y-Adressierverfahrens ausgelesen werden, jedes Pixel aus einem selbstleitenden statischen Induktionstransistor und einem Steuertransistor besteht, der einen mit einem Gatter des statischen Induktionstransistors verbundenen Source-Drain-Kanal aufweist, wobei der Steuertransistor während einer horizontalen Austastperiode selektiv leitend geschaltet wird, um überschüssige, im Gatter des statischen Induktionstransistors gespeicherte fotoelektrische Träger durch den Source-Drain-Kanal abzuleiten. JP 63 261 744 A beschreibt ein Gerät zur Herstellung eines Halbleiter-Bilderfassungsgeräts mittels CMD-Lichtempfangselementen, das in der Lage ist, die Dichte der Bildelemente zu verbessern, indem jede Gatterelektrode einer Vielzahl benachbarter Lichtempfangselemente mittels eines Gatterkontakts mit einer Gatterleitung verbunden und der vom Gatterkontaktelement eingenommene Raum verringert wird.
  • Die Patentanmeldung EP 0 862 219 beschreibt einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Pixeln aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mit mindestens zwei benachbarten Pixeln, wobei die Pixel jeweils einen im Substrat ausgebildeten Fotodetektor aufweisen und in den benachbarten Pixeln eine von den benachbarten Pixeln gemeinsam genutzte elektrische Funktion integriert ist. Bei der elektrischen Funktion kann es sich um ein Datenübertragungs-Gatter, ein Rückstell-Gatter, ein Reihenauswahl-Gatter, ein Verstärker-Drain, einen Ausgabemodus, einen schwimmenden Diffusionsabschnitt, ein Rückstell-Drain, ein seitliches Überlaufgatter, ein Überlauf-Drain oder einen Verstärker handeln, die sich mehrere Pixel teilen, um Raum zu sparen.
  • Die Patentanmeldung EP 0 757 476 beschreibt eine Halbleiter-Bildaufnahmevorrichtung. Zur Ausbildung eines Multifunktionssensors mit der Möglichkeit, in einem Pixelbereich beliebig Addition und Nichtaddition auszuführen, wird eine Halbleiter-Bildaufnahmevorrichtung bereitgestellt, bei der durch ein fotoelektrisches Umwandlungsgerät erzeugte Ladungen über einen Übertragungsschalter an einen schwimmenden Diffusionsabschnitt übertragen werden und eine Veränderung des elektrischen Potentials des schwimmenden Diffusionsabschnitts durch einen Source Follower ausgegeben wird. Über den Übertragungsschalter sind einige fotoelektrische Umwandlungsgeräte mit einem schwimmenden Diffusionsabschnitt verbunden. Dabei ist für wenige Pixel jeweils eine Source Follower-Gruppe ausgebildet. Das fotoelektrische Umwandlungsgerät wird durch ein MOS-Transistorgatter und eine Sperrschicht unter dem Gatter ausgebildet.
  • Die Veröffentlichung von KAWASHIMA H. et al., Dezember 05/08 1993, S. 575–578, XP000481683, Institute of Electrical and Electronics Engineers, ISBN: 0-7803-1451-4, beschreibt einen verstärkten MOS-Bildsensor mit 250 K Pixeln im ¼ Zoll-Format, der mit einem CMOS-Verfahren arbeitet, um eine Verringerung der Pixelgröße zu erreichen, bei gleichzeitiger vertikaler Mischung von zwei Leitungen und hoher Empfindlichkeit.
  • Ein typisches bekanntes APS-Pixel ist in 1 dargestellt. Das Pixel besteht aus einem Fotodetektor 14, der aus entweder einer Fotodiode oder einer Foto-Gate-Technologie, einem Übertragungsgatter 15, einem schwimmenden Diffusionsabschnitt 16, einem Rückstell-Transistor 18 mit Rückstell-Gatter 19, einem Reihenauswahl-Transistor 8 mit einem Reihenauswahl-Gatter 9 und einem Signaltransistor 7, bestehend aus einem Source Follower-Verstärker, aufgebaut ist. Die Unterbringung aller dieser Komponenten in einem Pixel führt zu einer Verringerung des Füllfaktors, der Empfindlichkeit und der Mindestgröße des Pixels.
  • Gemäß 2A in Verbindung mit 2B besteht eine Möglichkeit, einen Bildsensor mit der Empfindlichkeit eines CCD und den Vorteilen eines APS-Geräts auszustatten, darin, den Füllfaktor und die Empfindlichkeit eines APS-Geräts zu verbessern, indem man die Größe des den Komponenten eines einzigen Pixels zugewiesenen Bereichs unter Aufrechterhaltung der gewünschten Merkmale und der Funktionalität der Pixel-Architektur verringert.
  • Unter Bezugnahme auf 2A in Verbindung mit 2B beschreibt US-A-6 160 281 mit dem Titel "Aktiver Pixelsensor mit gemeinsam genutzten Pixelfunktionen", erteilt an Guidash, eine Möglichkeit der Erhöhung von Füllfaktoren bei APS-Geräten. Dieses bekannte Gerät nach Guidash beschreibt die gemeinsame Nutzung verschiedener, normalerweise in einem aktiven Pixelsensor verwendeter Komponenten. Gemäß der Beschreibung trägt die gemeinsame Nutzung des schwimmenden Diffusionsabschnitts, des Source Follower-Verstärkers, des Reihenauswahl-Transistors und des Rückstell-Transistors durch zwei Fotodetektoren und Übertragungsgatter benachbarter Reihen hier zur Erhöhung des Füllfaktors der Pixel-Architektur bei. Das bei Guidash angewandte Grundkonzept zur Erhöhung des Füllfaktors besteht darin, dass während des Betriebes des Sensors jeweils eine Reihe gleichzeitig ausgelesen wird. Entsprechend konnte Guidash mit einem schwimmenden Diffusionsabschnitt 26 und nur einem Verstärker 27 für die in zwei benachbarten Reihen vorhandenen Pixel auskommen, anstatt wie bei dem in 1 dargestellten APS-Gerät einen für jedes Pixel zu benötigen. Da jeweils nur eine Reihe gleichzeitig ausgelesen wird, ist es möglich, für zwei benachbarte Pixel in getrennten Reihen jeweils nur einen schwimmender Diffusionsabschnitt 26, einen Rückstell-Transistor 28, einen Reihenauswahl-Transistor 29 und einen Signal-Transistor 27 (normalerweise einen Source Follower-Transistor) zu verwenden.
  • Das in 2 dargestellte Gerät erlaubt zwar die gemeinsame Nutzung von Komponenten und erhöht die Füllfaktoren in aktiven Pixelsensoren, gestattet aber nicht die Kombination von Funktionen zwischen Reihen und Spalten und damit auch nicht die Erhöhung des Füllfaktors, die sich aus einer solchen Architektur ergeben würde.
  • Aus der vorstehenden Erläuterung dürfte ohne weiteres ersichtlich sein, dass in dem besprochenen Fachgebiet weiterhin ein Bedarf an einer APS-Architektur besteht, die die Kombination von elektrischen Funktionen für Reihen- und Spalten-Pixel und die sich daraus resultierende Verbesserung des Füllfaktors ermöglicht.
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Überwindung der vorstehend beschriebenen Probleme bei bekannten APS-Geräten. Die Erfindung ist in den beiliegenden Ansprüchen definiert. Sie besteht aus einer neuartigen Pixel- und Spalten-Schaltungsarchitektur, die ein Pixel mit höherem Füllfaktor oder ein kleineres Pixel ermöglicht. Dadurch, dass sich benachbarte Spalten und benachbarte Reihen bestimmte Komponenten teilen, können Komponenten von vier (4) einzelnen Fotodetektoren und Übertragungs-Gattern statt von zwei (2) gemeinsam genutzt werden. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, den Füllfaktor weiter zu verbessern und die Mindestpixelgröße weiter zu verringern, indem die vorstehend genannten Komponenten jetzt zusätzlich noch von zwei Fotodetektoren und Übertragungs-Gattern in benachbarten Spalten gemeinsam genutzt werden, so dass sich jetzt vier einzelne Fotodetektoren und Übertragungs-Gatter diese Komponenten teilen, wobei gleichzeitig die Möglichkeit der selektiven Adressierung bestimmter Pixel des APS-Geräts erhalten bleibt.
  • Diese und andere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den beiliegenden Ansprüchen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und erkennbar.
    • Hoher Füllfaktor, hohe Empfindlichkeit und hohes Sättungssignal bei gleicher Pixelgröße.
    • Kostengünstiges Gerät durch kleinere Pixel- und Gerätegröße bei gleichem Füllfaktor.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1A eine Draufsicht eines bekannten Pixels;
  • 1B eine schematische Darstellung des in 1A dargestellten Pixels:
  • 2A eine Draufsicht eines bekannten Pixels mit gemeinsam genutzter Funktionalität;
  • 2B eine schematische Darstellung des bekannten Pixels mit gemeinsam genutzter Funktionalität gemäß 2A;
  • 3A eine Draufsicht der Pixelarchitektur mit gemeinsam genutzter Funktionalität gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3B eine schematische Darstellung der in 3A dargestellten Pixelarchitektur; und
  • 4 ein Taktdiagramm der erfindungsgemäßen Arbeitsweise.
  • Zur Erleichterung des Verständnisses wurden soweit wie möglich zur Bezeichnung gleicher Elemente in den Figuren jeweils dieselben Bezugsziffern verwendet.
  • Die Erfindung betrifft eine Pixelarchitektur, bei der durch die gemeinsame Nutzung von Funktionen durch benachbarte Pixel eine kleinere Pixelgröße erreicht werden kann, was zu einer kleineren Gesamtgröße des Sensors führt, ohne dass sich der Füllfaktor gegenüber größeren Sensorgeräten verringert. Auf diese Weise erhält man ein kostengünstiges Gerät mit derselben Pixelgröße wie bei vorhandenen bekannten Geräten und einen höheren Füllfaktor mit höherer Empfindlichkeit und höherem Sättigungssignal.
  • In 3a in Verbindung mit 3b ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Form einer physischen Realisation der neuen Pixelarchitektur dargestellt. Weitere besondere physische Ausführungsformen sind möglich und für den Fachmann ohne weiteres vorstellbar. Die in 3a und 3b dargestellte, allgemein mit 30 bezeichnete neue Architektur sieht die gemeinsame Nutzung elektrischer Funktionen durch die Pixel 11, 12, 21 und 22 vor, d.h. die in benachbarten Reihen angeordneten Pixel 11, 12 und 21, 22 und in benachbarten Spalten angeordneten Pixel 11, 21 und 12, 22. 3a zeigt eine Draufsicht der Pixelarchitektur 30, 3b eine schematische Darstellung des in 3a dargestellten Geräts. Wie zu erkennen ist, sieht die Pixelarchitektur 30 einen gemeinsam genutzten schwimmenden Diffusionsabschnitt 41 zwischen den reihenbenachbarten Pixeln 11, 12 in Reihe 1 und einen gemeinsam genutzten schwimmenden Diffusionsabschnitt 42 zwischen den reihenbenachbarten Pixeln 21, 22 vor. Der Verstärker 32 ist vorzugsweise als Source Follower-Transistor ausgebildet, den sich alle vier Pixel 11, 12, 21 und 22 teilen, ebenso wie den Reihenauswahl-Transistor 34 und den Rückstell-Transistor 36.
  • Wie in 3a und 3b zu erkennen ist, dient der Reihenauswahl-Signalbus 35 beiden Reihen 1, 2, und der Spaltenausgabe-Bus 37 dient beiden Spalten a, b. Die Bildsignaltrennung wird erreicht durch separate Übertragungsgatter 51, 52, 61 und 62 für jedes der benachbarten Pixel 11, 12, 21 und 22, separate Übertragungsgatter-Busse für jedes zweite Pixel innerhalb einer Reihe und einen 1:2 Spaltenbus-Demultiplexer für jedes Spaltenpaar.
  • In 4 ist ein Taktdiagramm für eine Funktionsweise dieser neuen Architektur in Verbindung mit 3a und 3b dargestellt. Der Bildsensor 30 wird in seinem Rückstellzustand angefahren, wobei alle Übertragungsgatter TG1b 51, TG1a 52, TG2b 61 und TG2a 62 sowie das Rückstellgatter 37 eingeschaltet sind. Die Integration der Reihe 1 beginnt durch Ausschalten von TGa1 52, womit die Integration der ungeraden Pixel in Reihe 1, einschließlich des Pixels 12, beginnt. Eine vorgegebene Zeit später wird das Übertragungsgatter TG1b 51 ausgeschaltet, womit die Integration der geraden Pixel in der Reihe 1, einschließlich des Pixels 12 – siehe Darstellung – beginnt. Nach Integration der Reihe 1 während der gewünschten Zeitdauer werden das Zeilenauswahl-Gatter 35 und der Transistor 81 der Spalte 1 eingeschaltet (der Transistor 91 der Spalte B ist ausgeschaltet). Dann wird der Rückstellpegel des schwimmenden Diffusionsabschnitts 41 durch Ausschalten des Rückstell-Gatters 37 und Abfragen von SHR 82 ausgelesen. Anschließend wird das Übertragungs-Gatter TGa1 52 eingeschaltet und die Signalladung vom Fotodetektor PD1a 72 auf den schwimmenden Diffusionsabschnitt 41 übertragen. Danach wird der Signalpegel für die Fotodetektoren der ungeraden Reihen in Reihe 1 durch Abfragen von SHS 83 ausgelesen. Während der Übertragung der integrierten Ladung des Pixels 12 konnte der Fotodetektor Pdb1 71 des Pixels 11 weiter integrieren. Die Übertragung der integrierten Ladung des Pixels 11 erfolgt, wenn der Transistor 81 der Spalte A abgeschaltet und der Transistor 91 der Spalte B eingeschaltet wird. Dann wird das Rückstell-Gatter 37 erneut eingeschaltet, wodurch der schwimmende Diffusionsabschnitt 41 zurückgestellt wird. Anschließend wird der Rückstellpegel durch Abfragen von SHR ausgelesen. Danach wird das Übertragungs-Gatter Tgb1 51 zum richtigen Zeitpunkt eingeschaltet, wobei dieser so bestimmt wird, dass Pda1 72 und Pdb1 71 dieselbe Integrationszeit haben. Dann wird die Signalladung des Fotodetektors PDB2 in Pixel 11 auf den schwimmenden Diffusionsabschnitt 41 übertragen (dies geschieht für alle geradzahligen Fotodetektoren der Reihe 1). Anschließend wird der Signalpegel durch Abfragen von SHS 83 ausgelesen. Nachdem alle Pixel der Reihe 1 in die Signal- und Rückstell-Kondensatorengruppe ausgelesen wurden, folgt das Auslesen der Leitungen in derselben Weise wie für bekannte CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen beschrieben. Derselbe Vorgang erfolgt nun für die Reihe 2, wobei alle Signale dieselben sind mit der Ausnahme, dass jetzt die Übertragungs-Gatter 62 TG2a und TG2b 61 zur Anwendung kommen. Anschließend wird das Verfahren für die weiteren Reihenpaare des Geräts durchgeführt. Von der Konzeption her könnte man diesen Vorgang für jede Reihe auch als Spaltensprung-Abtast-Halte-Verfahren bezeichnen.
  • Diese Architektur ergibt einen hohen Füllfaktor und eine daraus resultierende sehr kleine Pixelgröße im Vergleich zu bekannten Geräten, da sich vier Fotodetektoren die aktiven Komponenten teilen. Um alle erforderlichen Übertragungs-Gatter bereitzustellen, ist eine zusätzliche Metallleitung je Reihe nötig, wobei diese jedoch sehr viel weniger Raum benötigt als die aktiven Komponenten des vorstehend erläuterten Systems mit einem Verstärker je Pixel und des Systems mit einem Verstärker für jeweils zwei Pixel. Je Spalte werden zusätzlich drei Takt- und Steuersignale und zwei zusätzliche Transistoren benötigt. Diese haben jedoch keinen Einfluss auf die Größe der Pixel- oder Bildanordnung, da sie in der CMOS-Logik außerhalb der Bildanordnung integriert sind. Neben dem zeitlichen Versatz der Bilderfassung auf Reihenbasis gibt es bei dieser Architektur auch einen zeitlichen Versatz der Bilderfassung von ungeraden und geraden Pixeln in einer gegebenen Reihe. Dieser Zeitversatz ist jedoch sehr kurz (insbesondere im Vergleich zum Zeitversatz zwischen den Reihen), in der Größenordnung von wenigen hundert Nanosekunden, und erzeugt keine Bilderzeugungsartefakte. Wegen der zusätzlichen Folge von Abtast- und Haltevorgängen (SHR und SHS-Abfragen) ist die minimale Leitungszeit bei dieser neuen Architektur geringfügig länger, wodurch sich die maximale Bildfrequenz bei Videoanwendungen geringfügig verringert.

Claims (1)

  1. Bildsensor mit einer Vielzahl von Pixeln, die in einer Serie von Reihen und Spalten angeordnet sind, mit: a) einem Substrat, das aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps besteht; b) mindestens vier Pixeln, die in zwei Reihen benachbarter Pixel und in zwei Spalten benachbarter Pixel (11, 12, 21 und 22) angeordnet sind, wobei die Reihen und Spalten auf dem Substrat ausgebildet sind; c) einem gemeinsamen ungeerdeten, schwimmenden Diffusionsabschnitt (41 und 42) zwischen den beiden Reihen benachbarter Pixel; d) einem Verstärker (32), den sich alle vier der gemeinsamen Pixel, die beiden Reihen benachbarter Pixel und die beiden Spalten benachbarter Pixel teilen; e) einem Transistor (34) zur Reihenauswahl, den sich alle vier der gemeinsamen Pixel, beide Reihen benachbarter Pixel und beide Spalten benachbarter Pixel teilen; f) einem Transistor (36) zur Rückstellung, den sich alle vier der gemeinsamen Pixel, beide Reihen benachbarter Pixel und beide Spalten benachbarter Pixel teilen; g) separaten Übertragungsgattern (51, 52, 61 und 62) für jedes der vier benachbarten Pixel; h) separaten Fotodetektoren (PD1a, PD1b, PD2a und PD2b) für jedes der vier benachbarten Pixel; und i) separaten Übertragungsgatterbussen für jedes übernächste Pixel innerhalb einer Reihe und einem 1:2 Spaltenbus-Demultiplexer für jedes Paar von Spalten.
DE69835989T 1997-08-15 1998-08-05 Aktiver Pixelbildsensor mit gemeinsam genutztem Verstärker-Auslesesystem Expired - Lifetime DE69835989T2 (de)

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