[發明專利]全局快門像素單元及其信號采集方法和制造方法

有效

• 申請號: 201410635682.3
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104333719B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 趙宇航;任錚;李琛;顧學強;周偉;溫建新
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H01L27/146
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙)31275
• 代理人: 吳世華,林彥之

技術領域

本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及一種全局快門像素單元及其信號采集方法和制造方法。

背景技術

如今，CMOS傳感器獲得因其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素單元尺寸被廣泛用作成像設備。CMOS圖像傳感器通常采用兩種曝光方式：滾動曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)。傳統的4T像素單元像元通常屬于滾動曝光像元(Rolling Shutter Pixel)，對于其組成的CMOS圖像傳感器的像素單元陣列來說，不同行(列)的像素單元的曝光時間并不同時開始或終止，這一非同時性對于普通成像設備應用來說沒有問題，但是對于高幀率拍攝圖像時，則會引起明顯的圖像失真與變形。因此，當進行高速運動物體的成像時，需要通過全局快門的像素單元來實現。

圖1顯示了現有技術的8T全局快門像素單元的電路圖。如圖所示，整個像素單元包括8個NMOS晶體管，分別為傳輸晶體管M1、復位晶體管M2、第一源跟隨器M3、預充電晶體管M4、開關晶體管M5、開關晶體管M6、第二源跟隨器M7以及行選通管M8。像素單元還包括兩個MOS電容C1和C2。控制信號TX、RST、PC、S1、S2、RS分別控制傳輸晶體管M1、復位管M2、預充電管M4、開關晶體管M5、M6和行選通管M8的打開和關閉。8T全局快門像素單元的工作原理如下：

首先將控制信號TX/RST同時置高，使得傳輸晶體管M1、復位晶體管M2同時打開，此時，電源電壓VDD對感光二極管進行充電復位，同時懸浮節點FD(即第一晶體管M3的柵極)進行復位。之后，將TX信號置低使第一晶體管M1關閉，感光二極管開始處于曝光狀態。將控制信號PC，S1，S2置高，晶體管M4、M5、M6打開，電容C1和C2均存儲復位信號。接著將開關晶體管M6關閉，復位信號存儲于電容C2中。將傳輸晶體管M1打開，完成曝光過程。再將開關晶體管M5打開，將感光二極管的信號存儲到C1電容中后再次關閉開關晶體管M5。之后進行信號的輸出，首先開關晶體管M6保持關閉，電容C2存儲的復位信號Vreset輸出；然后將開關晶體管M6打開，此時電容C1中存儲的感光二極管信號Vsignal與電容C2電容中存儲的復位信號Vreset進行混合，使得電容C2中存儲的信號變為＝1/2(Vreset+Vsignal)并再次輸出。而這兩次輸出信號之差Vout＝1/2(Vreset-Vsignal)即為像素單元的像素信號。

傳統的8T全局像元用于存儲信號的電容C1、C2主要采用MOS電容，由于信號需要在電容上存儲較長的一段時間(10毫秒以上)，一方面要求電容的容值較高，在20fF以上，另一方面要求電容對地的漏電較小，在10pA左右。為減小漏電，MOS電容的柵氧厚度往往較大，這就導致為了達到足夠的電容容值，需要使用較大面積的MOS電容。而MOS電容占據較大的像素單元面積必然會造成在像素單元總面積不變的情況下不得不減小像素單元內光電二極管的感光面積，也就減小了像素單元的填充因子。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種具有高像素單元填充因子的全局快門像素單元。