[發(fā)明專利]高填充系數(shù)的CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110354390.9
• 申請(qǐng)日: 2011-11-10
• 公開（公告）號(hào): CN102420946A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何進(jìn);蘇艷梅;張東維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深港產(chǎn)學(xué)研基地
• 主分類號(hào): H04N5/374
• 分類號(hào): H04N5/374;H04N5/3745;H04N5/378
• 代理公司: 深圳市惠邦知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 44271
• 代理人: 滿群

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(CMOS)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，減小像素單元尺寸成為驅(qū)動(dòng)CIS發(fā)展競爭的主要?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，N×M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)?，直至下個(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1T-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)。

附圖說明

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)說明：

圖1為1T-APS結(jié)構(gòu)等效電路示意圖；

圖2為2×21T-APS像素陣列等效電路示意圖；

圖3為2×21T-APS像素陣列的操作時(shí)間示意圖；

圖4為2×21T-APS像素陣列的測(cè)試版圖示意圖；

圖5為1T-APS像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

首先，說明本發(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N1和一個(gè)源極跟隨晶體管M1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；