[發明專利]4T CMOS成像器像素中的暗電流和溢出抑制方法和設備

有效

• 申請號: 200680015171.5
• 申請日: 2006-05-02
• 公開（公告）號: CN101171828A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 約翰·拉德
• 申請（專利權）人: 美光科技公司
• 主分類號: H04N3/15
• 分類號: H04N3/15
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 王允方

技術領域

本發明大體上涉及半導體裝置，且更確切地說，涉及成像器像素中的暗電流和溢出抑制。

背景技術

CMOS圖像傳感器正越來越多地被用作成本相對較低的成像裝置。CMOS圖像傳感器電路包含像素單元的焦平面陣列，其中每個像素單元包含光電轉換裝置，例如光電門、光電導體或光電二極管，光電二極管在用于積累光產生的電荷的襯底內具有相關聯的電荷積累區。每個像素單元可包含用于將電荷從電荷積累區轉移到感測節點的晶體管，和用于在電荷轉移之前將感測節點重設成預定電荷電平的晶體管。像素單元還可包含：源極跟隨器晶體管，用于接收并放大來自感測節點的電荷；以及接入晶體管，用于控制從所述源極跟隨器晶體管讀出單元內含物。

在CMOS圖像傳感器中，像素單元的有源元件執行以下必要功能：(1)光子到電荷的轉換；(2)積累圖像電荷；(3)將電荷轉移到讀出節點；(4)將感測節點重設成已知狀態；(5)選擇像素以供讀出；和(6)輸出并放大來自感測節點的表示像素電荷的信號。

上述類型的CMOS圖像傳感器一般參見以下文獻：Nixon等人所著的“256×256CMOS?Active?Pixel?Sensor?Camera-on-a-Chip，”(IEEE?Journal?of?Solid-State?Circuits，Vol.31(12)，第2046頁到2050頁(1996))；和Mendis等人所著的“CMOS?Active?Pixel?ImageSensors，”(IEEE?Transactions?on?Electron?Devices，Vol.41(3)，第452頁到453頁(1994))。參看轉讓給Micron?Technology，Inc.的第6,140,630號、第6,177,333號、第6,204,524號、第6,310,366號、第6,326,652號和第6,333,205號美國專利，所述專利的內容以引用的形式并入本文中。

圖1A中展示典型的四晶體管(4T)CMOS成像器像素150。像素150包含光電轉換裝置100(其可實施為帶引腳的光電二極管)、轉移晶體管110、浮動擴散區FD、重設晶體管120、源極跟隨器晶體管130和行選擇晶體管180。當通過轉移柵極控制信號TX激活轉移晶體管110時，光電轉換裝置100通過轉移晶體管110連接到浮動擴散區FD。

重設晶體管120連接在浮動擴散區FD與像素電源電壓Vpix之間。用重設控制信號RST激活重設晶體管120，如此項技術已知，所述重設晶體管120將浮動擴散區FD重設成像素電源電壓Vpix電平。

源極跟隨器晶體管130的柵極連接到浮動擴散區FD，且源極跟隨器晶體管130連接在陣列電源電壓Vaa與行選擇晶體管180之間。源極跟隨器晶體管130將存儲在浮動擴散區FD處的電荷轉換成電輸出電壓信號PIX?OUT。行選擇晶體管可受行選擇信號SEL控制，用以將源極跟隨器晶體管130及其輸出電壓信號PIX?OUT選擇性地連接到像素陣列的列線190。

圖1B說明圖1A中所說明的像素150的讀出和光電荷匯集操作的簡化時序圖。圖1B說明第一讀出周期181，其中讀出像素150的先前存儲的光電荷。在這個第一讀出周期181期間，脈沖重設控制信號RST以激活重設晶體管120，所述重設晶體管120將浮動擴散區FD重設成像素電源電壓Vpix電平。當SEL信號為高時，脈沖采樣與保持重設信號SHR，以便在采樣與保持電路(圖1A或1B中未圖示)的采樣與保持電容器上存儲重設信號Vrst(對應于重設浮動擴散區FD)。接著，將轉移控制信號TX激活，以便允許將來自光電轉換裝置100的光電荷轉移到浮動擴散區FD。當SEL信號保持高時，脈沖采樣與保持像素信號SHS，以便將來自像素150的像素信號Vsig存儲在采樣與保持電路的另一采樣與保持電容器上。

在匯集周期191期間，將重設控制信號RST、轉移控制信號TX和采樣與保持信號SHR、SHS設置成接地電位GRND。在匯集周期191期間，光電轉換裝置基于入射在光電轉換裝置上的光積累光電荷。在匯集周期191之后，開始第二讀出周期171。在第二讀出周期171期間，讀出像素150的在匯集周期191中積累的光電荷(如上文針對周期181所描述的)。