專利名稱：高填充系數(shù)的cmos圖像傳感器像素單元及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高填充系數(shù)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q圖像傳感器像素單元及其工作方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感技術(shù)已深入現(xiàn)代人的生活，如照相、攝影等。而CMOS圖像傳感器(CIS) 基于自身低成本、低功耗、高集成能力的優(yōu)勢(shì)，逐步替代了電荷耦合元件(CCD)圖像傳感器。CIS的特性主要由分辨率、填充系數(shù)、暗電流、時(shí)間噪聲、固定圖形噪聲、靈敏度、響應(yīng)率、 量子效率、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比決定的。伴隨著當(dāng)今集成電路的集成密度和復(fù)雜程度的增長(zhǎng)， 減小像素單元尺寸成為驅(qū)動(dòng)CIS發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)的主要?jiǎng)恿?，但這造成的靈敏度、信噪比、填充系數(shù)等的特性退化，為像素單元設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。填充系數(shù)作為像素特性的重要參數(shù)， 對(duì)保證高質(zhì)量像素品質(zhì)有著決定性意義。在傳統(tǒng)3T-APS (three transistor active pixel structure，三晶體管有源像素結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合尺寸縮小趨勢(shì)，對(duì)像素單元的晶體管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高填充系數(shù)是本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是，如何提供一種高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，在與3T-APS結(jié)構(gòu)同等尺寸時(shí)能有效提高填充系數(shù)。本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題這樣解決構(gòu)建一種高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，電連接偏置電壓、偏置電流和控制信號(hào)，其特征在于，包括僅一個(gè)P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管，P+端電連接所述控制信號(hào)，用于清零、重置、置零和截止；僅一個(gè)源極跟隨晶體管，基極電連接所述P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管，射極通過(guò)讀出總線電連接所述偏置電流，集電極電連接所述偏置電壓，用于讀出光感信號(hào)。按照本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感器像素單元，NXM個(gè)所述CMOS圖像傳感器像素單元構(gòu)成像素陣列，N、M是大于1的自然數(shù)。按照本發(fā)明提供的CMOS圖像傳感器像素單元，所述像素陣列包括N個(gè)行控制信號(hào)和M條列讀出總線。本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題這樣解決構(gòu)建一種基于所述CMOS圖像傳感器像素單元的像素陣列工作方法，其特征在于，包括以下步驟402)重置在指定像素列施加高的正電壓，以激活P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管為節(jié)點(diǎn)充電；403)讀出在重置過(guò)程完成后，將控制信號(hào)置零，在一個(gè)固定光照集成時(shí)間后，光感信號(hào)將通過(guò)源極跟隨晶體管被讀出；404)置零在讀出操作后，施加高負(fù)電壓的控制信號(hào)，使源極跟隨晶體管失效，并通過(guò)P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管的結(jié)電容將感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電荷釋放至零；
405)截止將控制信號(hào)置零，這將使CMOS圖像傳感器像素單元輸出被截?cái)啵敝料聜€(gè)重置操作開始。按照本發(fā)明提供的像素陣列工作方法，該工作方法還包括步驟401)清零在像素陣列開始運(yùn)作時(shí)，對(duì)全體CMOS圖像傳感器像素單元施加一個(gè)負(fù)的偏置電壓，清楚內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的電荷。本發(fā)明提供的高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 控制便捷、填充系數(shù)高，本發(fā)明對(duì)經(jīng)典的3T-APS電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行變動(dòng)從而形成IT-APS結(jié)構(gòu)， 充分利用P+/N-Wel/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管的物理特性，對(duì)像素單元和特性進(jìn)行了有效的優(yōu)化控制，不僅為滿足像素單元尺寸不斷見效的需求，還有效提高了填充系數(shù)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1為IT-APS結(jié)構(gòu)等效電路示意圖；圖2為2X21T-APS像素陣列等效電路示意圖；圖3為2X21T-APS像素陣列的操作時(shí)間示意圖；圖4為2X21T-APS像素陣列的測(cè)試版圖示意圖；圖5為IT-APS像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式首先，說(shuō)明本發(fā)明所提供的能提高CMOS圖像傳感器填充系數(shù)的像素單元的具體單元結(jié)構(gòu)和操作機(jī)理( 一 )單元結(jié)構(gòu)該像素單元，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，只由一個(gè)P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管附和一個(gè)源極跟隨晶體管Ml組成；像素單元的功能運(yùn)行由像素單元外的偏置電流I保證；每個(gè)像素單元只需要一個(gè)連接P+端的控制信號(hào)Φ1 ；其中，P+/N-ffell/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管附被用作重置和讀出管(Active Reset/ Readout Diode)。( 二)操作機(jī)理由該像素單元組成的像素陣列中每個(gè)像素單元每完成一次操作需要經(jīng)過(guò)以下五個(gè)階段清零(Clear)、重置(Reset)、讀出(Readout)、置零(Set)、截止(Cutoff)。上述五個(gè)階段的具體操作規(guī)范分別為①清零在像素陣列工作時(shí)，對(duì)所有單元施加一個(gè)負(fù)的高偏置電壓，清除單元內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的電荷；②重置在指定像素列(Assigned Row)施加高的正電壓，以激活P+/N_Well/ P-sub結(jié)構(gòu)的二極管，從而為像素節(jié)點(diǎn)充電；③讀出在重置過(guò)程完成后，將控制信號(hào)置零，在一個(gè)固定光照集成時(shí)間(fixed light integration time)后，光感信號(hào)將通過(guò)Ml被讀出；④置零在讀出操作后，施加高的負(fù)偏置電壓的控制信號(hào)，使Ml失效，并通過(guò)P+/ N-ffell/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管結(jié)電容將感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電荷釋放至零；
⑤截止將控制信號(hào)置零，這將使單元輸出被截?cái)?，直至下個(gè)重置操作開始。第二，結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明包括但不限于以下實(shí)施例。實(shí)施例1本實(shí)施例采用了 0. 35um厚度尺寸的AMIS (安森美半導(dǎo)體)CMOS技術(shù)和規(guī)則，這樣每個(gè)像素單元只需要一個(gè)多晶硅層和五個(gè)金屬層的IT-APS測(cè)試結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素單元平面尺寸為7umX7um。該實(shí)施例芯片具體采用最簡(jiǎn)單的2X2像素單元的IT-APS像素陣列，其等效電路如圖2所示，對(duì)應(yīng)版圖如圖4所示。該像素陣列芯片的每個(gè)像素單元電路結(jié)構(gòu)，等效電路如圖1所示，其中m是由一個(gè)P+/N-Well/P-SUb結(jié)構(gòu)的二極管，其P+端電連接控制信號(hào)；Ml是源極跟隨晶體管，基極電連接所述P+/N-Well/P-Sub 二極管，射極通過(guò)列讀出總線電連接偏置電流，集電極電連接偏置電壓Vdd，用于讀出光感信號(hào)。該像素單元對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中，STI是淺槽隔離層(Shallow trench insulator), Φ reset是重置階段需要外加的負(fù)電壓，VDD是該像素單元的工作電壓。另外，由AMIS CMOS技術(shù)和規(guī)則進(jìn)一步確定最小N-Well的間距充當(dāng)了芯片中像素陣列的保護(hù)環(huán)，并按最小可能區(qū)域在芯片中制定P+/N_Well管。將該像素陣列芯片放在探針臺(tái)(Probe Station HP4156)上，在無(wú)外界光源干擾的環(huán)境下，在芯片上方放置光源，并連接示波器測(cè)試芯片輸出電壓。其中，芯片控制信號(hào)由任意波形發(fā)生器提供，其中重置階段，需要外加-6V的負(fù)高電平才能有效地關(guān)斷源跟隨晶體管。為保證像素單元的讀出和截止操作都正確地運(yùn)行，像素陣列的工作電信號(hào)控制時(shí)序如圖3所示，包括以下具體過(guò)程Tl T2時(shí)間段，控制信號(hào)Φ 1置為正高電平，控制信號(hào)Φ2置為低電平“0”，第一電壓輸出Ui為正高電平，為像素單元1重置階段；Τ2 Τ3時(shí)間段，Φ1和Φ2都置為低電平“0”，U1由正高電平逐漸變?yōu)榈碗娖?，為像素單?的集成階段；T3 T4時(shí)間段，Φ 1保持為低電平“0”，Φ 2置為負(fù)高電平，Ul為低電平，為像素單元1的讀出階段；Τ4 Τ5時(shí)間段，Φ 1置為正高電平，Φ 2置為低電平“0”，Ul為正高電平，為像素單元1的置零階段，像素單元3的重置階段；Τ5 Τ6時(shí)間段，Φ1和Φ2都置為低電平“0”，U1由正高電平逐漸變?yōu)榈碗娖?，為像素單?的截止階段，像素單元3的集成階段；T6 T7時(shí)間段，Φ1保持為低電平，Φ2置為負(fù)高電平，Ul為低電平，為像素單元 1的清零階段，像素單元3的讀出階段。如此周期往復(fù)。經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，結(jié)果表明該IT-APS像素單元的填充系數(shù)，比經(jīng)典同尺寸 3T-APS 高出了 22%。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元，電連接偏置電壓(Vddl)、偏置電流 (Il)和控制信號(hào)(Φ 1)，其特征在于，包括僅一個(gè)P+/N-Well/P-SUb結(jié)構(gòu)的二極管(Ni)，P+端電連接所述控制信號(hào)，用于清零、重置、置零和截止；僅一個(gè)源極跟隨晶體管(M1)，基極電連接所述P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管(m)， 射極通過(guò)讀出總線電連接所述偏置電流(II)，集電極電連接所述偏置電壓(Vddl)，用于讀出光感信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述CMOS圖像傳感器像素單元，其特征在于，NXM個(gè)所述CMOS圖像傳感器像素單元構(gòu)成像素陣列，N、M是大于1的自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述CMOS圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述像素陣列包括N 個(gè)行控制信號(hào)和M條列讀出總線。
4.基于權(quán)1所述CMOS圖像傳感器像素單元的像素陣列工作方法，其特征在于，包括以下步驟402)重置對(duì)指定像素列施加高正電壓的控制信號(hào)，以激活P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管為節(jié)點(diǎn)充電；403)讀出在重置過(guò)程完成后，將所述高正電壓的控制信號(hào)置零，在一個(gè)固定光照集成時(shí)間后，光感信號(hào)將通過(guò)源極跟隨晶體管被讀出；404)置零在讀出操作后，對(duì)指定像素列施加高負(fù)電壓的控制信號(hào)，使所述源極跟隨晶體管失效，并通過(guò)所述P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管的結(jié)電容將感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電荷釋放至零；405)截止將全部控制信號(hào)置零，使CMOS圖像傳感器像素單元輸出被截?cái)?，直至下一個(gè)所述重置開始。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述像素陣列工作方法，其特征在于，該工作方法還包括步驟401) 清零在像素陣列運(yùn)作時(shí)，對(duì)內(nèi)部全體CMOS圖像傳感器像素單元施加一個(gè)負(fù)的偏置電壓， 清除內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的電荷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，其中像素單元包括僅一個(gè)P+端電連接控制信號(hào)的P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管(N1)和僅一個(gè)射極連接讀出總線的源極跟隨晶體管(M1)；對(duì)應(yīng)像素陣列工作方法包括清零運(yùn)作時(shí)，對(duì)全體像素單元施加一個(gè)負(fù)電壓，清除內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電荷；重置在指定像素列施加高的正電壓，以激活N1為節(jié)點(diǎn)充電；讀出將控制信號(hào)置零，在一個(gè)固定光照集成時(shí)間后，光感信號(hào)將通過(guò)M1被讀出；置零在讀出操作后，施加高負(fù)電壓的控制信號(hào)，使M1失效，并通過(guò)N1的結(jié)電容將感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電荷釋放至零；截止將控制信號(hào)置零，這將使像素單元輸出被截?cái)?，直至下一個(gè)重置。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102420946SQ201110354390
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者何進(jìn), 張東維, 蘇艷梅 申請(qǐng)人:深港產(chǎn)學(xué)研基地