專利名稱：高填充系數(shù)的雙cmos圖像傳感器像素單元及工作方法
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)的雙互補金屬氧化物半導體(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，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、時間噪聲、固定圖形噪聲、靈敏度、響應(yīng)率、 量子效率、動態(tài)范圍和信噪比決定的。伴隨著當今集成電路的集成密度和復雜程度的增長， 減小像素單元尺寸成為驅(qū)動CIS發(fā)展競爭的主要動力，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，順應(yīng)尺寸縮小趨勢，對像素單元的晶體管進行優(yōu)化設(shè)計，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)的雙CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，在與3T-APS結(jié)構(gòu)同等尺寸時能有效提高填充系數(shù)。本發(fā)明的第一個技術(shù)問題這樣解決構(gòu)建一種高填充系數(shù)的雙CMOS圖像傳感器像素單元，電連接偏置電壓、偏置電流、重置控制信號和選擇控制信號，其特征在于，包括僅一個P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管，P+端電連接所述重置控制信號，用于控制所述二極管中P+/N-Well部分導通或截止；僅一個源極跟隨晶體管和一個選擇晶體管，它們的射極互連，其中源極跟隨晶體管，基極電連接所述P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管，集電極電連接所述偏置電壓；選擇晶體管，基極電連接所述選擇控制信號，集電極通過讀出總線電連接所述偏置電流，用于讀出光感信號。按照本發(fā)明提供的雙CMOS圖像傳感器像素單元，NXM個所述雙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)明提供的雙CMOS圖像傳感器像素單元，所述像素陣列包括N個行重置控制信號、N個行選擇控制信號和M條列讀出總線。本發(fā)明的另一個技術(shù)問題這樣解決構(gòu)建一種雙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401)重置對指定像素列施加高正電壓的選擇控制信號和高正電壓的重置控制信號，以激活P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管為節(jié)點充電；402)光集成在一個固定光照集成時間內(nèi)將所述選擇控制信號和所述重置控制信號都置為低正電壓，所述二極管中N-Well/P-sub部分積聚光產(chǎn)生載流子，所述節(jié)點放電；403)讀出在光集成后，只將所述選擇控制信號改置為高正電壓，對應(yīng)所述載流子的光感信號通過源跟隨晶體管和選擇晶體管被列總線讀出。按照本發(fā)明提供的像素陣列工作方法，該工作方法還包括重復所述步驟401) 403)。本發(fā)明提供的高填充系數(shù)的雙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)明對經(jīng)典的3T-APS電路結(jié)構(gòu)進行變動從而形成2T-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，對像素單元和特性進行了有效的優(yōu)化控制，不僅滿足像素單元尺寸不斷減小的需求，還相較3T-APS結(jié)構(gòu)單元更為穩(wěn)定，同時有效提高了填充系數(shù)、降低關(guān)態(tài)漏電流。


下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步對本發(fā)明進行詳細說明圖1為2T-APS結(jié)構(gòu)等效電路示意圖；圖2為2X2的2T-APS像素陣列等效電路示意圖；圖3為2 X 2的2T-APS像素陣列的操作時間示意圖；圖4為2X2的2T-APS像素陣列的測試版圖示意圖；圖5為2T-APS像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式首先，說明本發(fā)明所提供的能提高填充系數(shù)的雙CMOS圖像傳感器像素單元的具體結(jié)構(gòu)和操作機理( 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P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管Ni、 一個源極跟隨晶體管Mll和一個選擇晶體管M12組成；像素單元的功能運行由像素單元外的偏置電流il保證；每個像素單元需要一個連接二極管m的P+端的重置控制信號Φ 11 和一個連接選擇晶體管Μ12基極的選擇控制信號Φ 12 ；其中，P+/N_We 11/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管附被用作重置和光傳感①實現(xiàn)3T-APS重置晶體管的功能，并且置于傳感N-Well/P-sub管正上方，節(jié)省了重置電路的面積；②P+/ N-WelΙ/Ρ-sub結(jié)構(gòu)中P+/N-Well部分和N-Well/P-sub部分等效兩個背靠背的二極管完成了傳感功能。( 二)操作機理由該像素單元組成的像素陣列中每個像素單元每完成一次操作需要經(jīng)過以下三個階段重置階段、光集成時間段和信號選擇讀出階段。上述三個階段的具體操作規(guī)范分別為①重置階段重置控制信號Φ 11為高，選擇控制信號Φ 12為高，P+/N-ffell結(jié)構(gòu)的二極管W導通，源極跟隨晶體管Mll的輸入節(jié)點被置為重置電壓；②光集成時間段在一個固定的光集成時間段內(nèi)，重置控制信號Φ11為低，選擇控制信號Φ 12為低，P+/N-ffe 11結(jié)構(gòu)的二極管附截止，選擇晶體管Ml2截止，N-ffe 11/P-sub 結(jié)構(gòu)的二極管W積聚光產(chǎn)生載流子，其連接源極跟隨晶體管Mll基極的節(jié)點放電；③讀出在光集成時間后，重置控制信號Φ11為低，選擇控制信號Φ12為高，選擇晶體管M12導通，感應(yīng)節(jié)點的電壓信號，通過源跟隨晶體管Mll和選擇晶體管M12被列總線讀出。第二，說明本發(fā)明像素單元結(jié)構(gòu)的核心和關(guān)鍵(一 )本發(fā)明的2T-APS像素單元中，P+/N_Well結(jié)構(gòu)的二極管在重置階段為正偏壓，光集成時間段為反偏壓，借助這偏壓轉(zhuǎn)換以提高填充系數(shù)，但這重置二極管的開關(guān)特性會導致輸出特性上的一個突變，以致像素單元動態(tài)范圍減小。這個輸出特性上的電壓損失可以通過調(diào)節(jié)像素單元中P+區(qū)的面積加以控制，P+區(qū)域面積越大，壓降越高。為保證最小電壓損失、最大動態(tài)范圍，P+區(qū)域越小越好，但是這將以二極管靈敏度為代價。(二)本發(fā)明的2T-APS結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但動態(tài)范圍減小，可在重置階段增加自舉技術(shù)、改善外圍電路來增大動態(tài)范圍。傳統(tǒng)3T-APS結(jié)構(gòu)的閾值損失主要來源于NMOS重置晶體管和源跟隨晶體管，值為2VT，而本發(fā)明的2T-APS結(jié)構(gòu)的閾值損失為(VT+V。n)，其中，V。n 為3T-APS結(jié)構(gòu)中重置二極管的開啟電壓，Vt為NMOS的開啟電壓。第三，結(jié)合本發(fā)明具體實施例進一步詳細說明，但本發(fā)明包括但不限于以下實施例。實施例1采用了 0. 35um厚度尺寸的AMIS(安森美半導體)CMOS技術(shù)和規(guī)則，這樣每個像素單元只需要一個多晶硅層和五個金屬層的2T-APS測試結(jié)構(gòu)，每個像素單元尺寸為 7umX 7um。該實施例芯片具體采用最簡單的2X2像素單元的2T-APS像素陣列，其等效電路如圖2所示，對應(yīng)版圖如圖4所示。該像素陣列芯片的每個像素單元電路結(jié)構(gòu)，等效電路如圖ι所示，其中m是由一個P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管，其P+端電連接重置控制信號Φ 11 ；Mil是源極跟隨晶體管，基極電連接所述P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管Ni，集電極電連接偏置電壓Vddl ； M12是選擇晶體管，射極電連接所述源極跟隨晶體管Mll的射極，基極電連接選擇控制信號 Φ 12，集電極通過列讀出總線電連接偏置電流il，用于讀出光感信號。該像素單元對應(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), Guard ring 是保護環(huán)。另外，由AMIS CMOS技術(shù)和規(guī)則進一步確定最小N-Well的間距充當了芯片中像素陣列的保護環(huán)(Guard ring)，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(Probe Station HP4156)上，在無外界光源干擾的環(huán)境下，在芯片上方放置光源，并連接示波器測試芯片輸出電壓。其中，芯片控制信號由任意波形發(fā)生器提供，為保證像素單元的讀出和截止操作都正確地運行，像素陣列的工作電信號控制時序如圖3 (圖中SHSl是任意波形發(fā)生器提供的芯片前端控制信號，SHRl是任意波形發(fā)生器提供的芯片后端端控制信號)所示，包括以下具體過程T4 T5時間段(重置階段)，選擇控制信號Φ 12為高電平，重置控制信號Φ 11 為高電平，為像素單元的重置階段，P+/N-ffe 11/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管附中P+/N-Well部分4/4頁
導通，其連接源極跟隨晶體管Mll基極的節(jié)點電壓被重置；T5時刻后(光集成時間段)，重置控制信號Φ11置為低電平，開始進入光集成時間段，選擇控制信號Φ12置為低電平，P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管附中連接源極跟隨晶體管Mll基極的節(jié)點存儲光生載流子；光集成時間段后(讀出階段)，選擇控制信號Φ12置為高電平，重置控制信號 Φ11電壓依舊為低電平，選擇隨晶體管M12導通，P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管附中連接源極跟隨晶體管Mll基極的節(jié)點的電平通過源跟隨晶體管Mll被列總線讀出。如此三階段周期往復。經(jīng)過上述實驗過程，結(jié)果表明該2T-APS結(jié)構(gòu)像素單元的填充系數(shù)為38%，相較于經(jīng)典同尺寸3T-APS結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)的20% -30%，提高了 8% -18% ；突變電壓降為 300mV左右，電壓動態(tài)范圍為1. 7V，比傳統(tǒng)3T-APS的2. 2V減小了 22%。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，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)的雙CMOS圖像傳感器像素單元，電連接偏置電壓(Vddl)、偏置電流 (il)、重置控制信號(Φ11)和選擇控制信號(φ 12)，其特征在于，包括僅一個P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管(附)，P+端電連接所述重置控制信號(Φ 11)， 用于控制所述二極管(Ni)中P+/N-Well部分導通或截止；僅一個源極跟隨晶體管(Mil)和一個選擇晶體管(M12)，它們的射極互連，其中源極跟隨晶體管(M11)，基極電連接所述P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管(m)，集電極電連接所述偏置電壓(Vddl)；選擇晶體管(M12)，基極電連接所述選擇控制信號(Φ12)，集電極通過讀出總線電連接所述偏置電流(Vddl)，用于讀出光感信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙CMOS圖像傳感器像素單元，其特征在于，NXM個所述雙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所述雙CMOS圖像傳感器像素單元，其特征在于，所述像素陣列包括 N個行重置控制信號、N個行選擇控制信號和M條列讀出總線。
4.基于權(quán)1所述雙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401)重置對指定像素列施加高正電壓的選擇控制信號(Φ1》和高正電壓的重置控制信號(Φ11)，以激活P+/N-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的二極管(Ni)為節(jié)點充電；402)光集成在一個固定光照集成時間內(nèi)將所述選擇控制信號(Φ1》和所述重置控制信號(Φ11)都置為低正電壓，所述二極管(Ni)中N-Well/P-sub部分積聚光產(chǎn)生載流子，所述節(jié)點放電；403)讀出在光集成后，只將所述選擇控制信號(Φ1》改置為高正電壓，對應(yīng)所述載流子的光感信號通過源跟隨晶體管(Mil)和選擇晶體管(M12)被列總線讀出。
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，該工作方法還包括重復所述步驟401) 403)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高填充系數(shù)的雙CMOS圖像傳感器像素單元及其工作方法，其中像素單元僅由一個P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管(N1)、一個源極跟隨晶體管(M11)和一個選擇晶體管(M12)組成；對應(yīng)像素陣列工作方法包括重置施加高正電壓的選擇控制信號(Φ12)和重置控制信號(Φ11)，以激活P+/N-Well/P-sub結(jié)構(gòu)的二極管為節(jié)點充電；光集成在一個固定光照集成時間內(nèi)將Φ12和Φ11都置為低正電壓，所述二極管中N-Well/P-sub部分積聚光產(chǎn)生載流子，所述節(jié)點放電；讀出在光集成后，只將Φ12改置為高正電壓，對應(yīng)所述載流子的光感信號通過M11和M12被列總線讀出。
文檔編號H04N5/374GK102447851SQ201110441799
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者何進, 張東維, 蘇艷梅 申請人:深港產(chǎn)學研基地