專利名稱：Cmos圖像傳感器的制作方法
CMOS圖像傳感器技術領域
本發(fā)明屬于半導體領域，特別是涉及CMOS圖像傳感器。
技術背景
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器。
近年來，CMOS傳感器在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額正不斷的擴大。CMOS傳感器的需求成長速度可達到CCD傳感器的七倍，其中，照相手機和數碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。顯然，人們如此看好CMOS圖像傳感器的成長前景是基于這樣一個事實與壟斷該領域長達30多年的CXD技術相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提升的品質要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS 圖像傳感器還造就了一些迄今為止尚不能以經濟的方式來實現的新穎應用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標準在起作用，包括應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因為這些標準的重要程度將由于應用的不同(消費、工業(yè)或汽車)而發(fā)生變化。
現有的CMOS圖像傳感器根據其讀出方式大致可以分為PPS、APS和DPS三種。無源式像素結構(Passive Pixel Sensor，簡稱PPS)，為最早出現的結構。如圖1所示，它包括一個光電二極管(Photodiode)和一個行選(Row-select)晶體管，光電二極管本質上是一個由P型半導體和N型半導體組成的PN結，它可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS 電容并聯。讀出時，打開行選晶體管，電荷通過該列的積分器進行積分，最后將電壓讀出。有源式像素結構(Active Pixel Sensor，簡稱APS)，其結構通常包括一個復位(Reset)晶體管、一個源跟隨器(Source follower)、一個行選(Row-select)晶體管和一個光電二極管 (Photodiode) (4T結構為Pinned Diode和一個傳輸管)。APS讀出方式具體可以分為兩種 V-APS和C-APS，如圖加所示，V-APS方式將像素電容上的電壓讀出，如圖2b所示，C-APS方式將像素電容上的電荷讀出并進行積分得到電壓。
雙模CMOS圖像傳感器通常包括C-APS和PPS兩種讀出方式，但現有的雙模CMOS 圖像傳感器要么電路復雜，導致圖像傳感器的填充因子(Fill factor)比較小，要么邏輯過于復雜。發(fā)明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種CMOS圖像傳感器，以通過一個邏輯控制簡單的電路提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍以及拍攝幀率。
為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，連接一預設有一光強閥值的外部光強檢測裝置，所述CMOS圖像傳感器至少包括感光器件，用于將光信號轉換成信號電荷；雙模讀出電路，連接于所述感光器件，包括第一電容，其第一端連3接于所述感光器件的輸出端、第二端接地，用于存儲所述感光器件所產生的信號電荷；第一晶體管，其柵極連接于所述外部光強檢測裝置、漏極連接于所述第一電容、源極作為輸出端，用于在光強檢測大于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷輸出；第二晶體管，其柵極連接于所述第一電容、漏極連接于所述外部光強測試裝置、源極作為輸出端， 用于在光強檢測小于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷放大并輸出；積分電路，連接于所述第一晶體管及第二晶體管的輸出端，用于將信號電荷轉換為電壓信號輸出；第三晶體管，其漏極連接于直流電源，源極連接于所述光電二極管，柵極連接于一快門裝置，用于實現快門功能。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，所述感光器件為光電二極管或光門，其中，所述光電二極管為PN結光電二極管或Pirmed光電二極管。優(yōu)選地，所述感光器件為光電二極管，所述光電二極管的正極端接地，負極端連接所述第一電容。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，所述第三晶體管對所有像素添加同樣的快門信號以實現所有的像素同時曝光。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，還包括重置晶體管，其柵極用于輸入復位控制信號，漏極連接于直流電源，源極連接于所述第一電容。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，還包括轉移晶體管，其柵極用于輸入轉移信號， 漏極連接于所述光電二極管的正極輸出端，源極連接于所述第一電容，用于將所述光電二極管產生的電荷轉移至所述第一電容并實現相關雙采樣。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，還包括并聯于所述第一電容的一個或多個電容， 用于存儲所述光電二極管所產生的電荷。
在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，所述積分電路包括運算放大器及第二電容，其中，所述運算放大器的第一輸入端與所述雙模讀出電路的輸出端相連、第二輸入端接地，所述第二電容的第一端連接于所述運算放大器的第一輸入端、第二端連接于所述運算放大器的第一輸入端。
如上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器，具有以下有益效果所述CMOS圖像傳感器包括光電二極管、雙模讀出電路、以及積分電路。本發(fā)明通過一個邏輯控制簡單的電路提高 CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍以及拍攝幀率。在環(huán)境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來。而在環(huán)境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置實現可變增益讀取。從而大大提高了 CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。全局快門可以使得所有像素(Pixel)同時感光，從而大大提高了拍攝的幀率，也具有拍攝高速運動的物體的能力。


圖1顯示為現有技術中的PPS結構CMOS傳感器電路示意圖加顯示為現有技術中的V-APS結構CMOS傳感器電路示意圖2b顯示為現有技術中的C-APS結構CMOS傳感器電路示意圖3顯示為本發(fā)明的CMOS傳感器電路示意圖如 圖4b顯示為本發(fā)明的CMOS傳感器的具體結構示意圖5顯示為本發(fā)明CMOS傳感器的工作時序示意圖。
元件標號說明
1P型襯底
21淺溝道隔離槽
22第三晶體管
23光電二極管
24 轉移晶體管
25第一電容
26重置晶體管
27第一晶體管
28第二晶體管
29N 阱具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖3至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
實施例1
請參閱圖3，如圖所示，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，連接一預設有一光強閥值的外部光強檢測裝置，所述CMOS圖像傳感器至少包括感光器件，用于將光信號轉換成信號電荷，所述感光器件為光電二極管或光門，其中，所述光電二極管為PN結光電二極管或Pirmed光電二極管。在本實施例中，所述感光器件采用光電二極管(PD)23，所述光電二極管(PD) 23的正極端接地，負極端連接所述第一電容(FD)25。雙模讀出電路，連接于所述光電二極管(PD) 23，包括第一電容(FD) 25，其第一端連接于所述光電二極管(PD) 23 的輸出端、第二端接地，用于存儲所述光電二極管(PD) 23所產生的信號電荷；第一晶體管 (VPPS) 27，所述第一晶體管(VPPS) 27具有連接于所述外部光強檢測裝置的柵極272、連接于所述第一電容(FD)25的漏極271、以及連接于所述積分電路的源極273，用于在光強檢測大于預設的光強閥值時，將所述第一電容(FD) 25存儲的信號電荷輸出；第二晶體管 (VAPS) 28，所述第二晶體管(VAPi5U8具有連接于所述第一電容(FD) 25的柵極觀2、連接于所述外部光強測試裝置的漏極觀1、以及連接于所述積分電路的源極，用于在光強檢測小于預設的光強閥值時，將所述第一電容(FD) 25存儲的信號電荷放大并輸出。積分電路，連接于所述第一晶體管(VPPS) 27及第二晶體管(VAPi5U8的輸出端，用于將信號電荷轉換為電壓信號輸出；第三晶體管(GS) 22，其漏極221連接于直流電源，源極連接于所述光電二極管 (PD) 23，柵極222連接于一快門裝置，用于實現快門功能。
優(yōu)選地，所述第三晶體管(GQ 22對所有像素添加同樣的快門信號以實現所有的像素同時曝光。
在本實施例中，所述CMOS傳感器還包括還包括用于將所述第一電容(FD) 25存儲的信號電荷清零的重置晶體管(RST) 26，其柵極261用于輸入復位控制信號，漏極262連接于直流電源，源極連接于所述第一電容(FD)25 ；還包括轉移晶體管(TX)24，所述轉移晶體管(TX)M形成于一襯底中，其柵極用于輸入轉移信號，第一端連接于所述光電二極管 (PD) 23的正極輸出端，第二端與所述襯底形成所述第一電容(FD)25，用于將所述光電二極 (PD) 23管產生的電荷轉移至所述第一電容(FD) 25并實現相關雙采樣。優(yōu)選地，所述CMOS 傳感器還包括并聯于所述第一電容(FD)25的一個或多個電容，用于存儲所述光電二極管 (PD) 23所產生的電荷。
進步一地，所述積分電路包括運算放大器(OPA)及第二電容(Cf)，其中，所述運算放大器(OPA)的反相輸入端與所述雙模讀出電路的輸出端相連，同相輸入端接地，所述第二電容(Cf)的第一端連接于所述運算放大器(OPA)的反相輸入端，第二端連接于所述運算放大器(OPA)的輸出端。
請參閱圖4a，如圖所示，具體地，所述CMOS傳感器包括形成于P型襯底1兩端的淺溝道隔離槽21，所述第三晶體管(GS) 22用于實現快門功能，其源漏極均形成于所述P型襯底1中，柵極222位于源漏極之間且形成于所述P型襯底1表面，漏極221且連接于直流電源，柵極222連接于一快門裝置；所述光電二極管(PD) 23形成于P型襯底1中，采用Pirmed 結構且連接于所述第三晶體管(GS) 22的源極，用于將光信號轉換成信號電荷；所述轉移晶體管(TX)M的源漏極均形成于所述P型襯底1中，柵極Ml位于源漏極之間且形成于所述P 型襯底1表面，其柵極241用于輸入轉移信號，漏極連接于所述光電二極管(PD) 23，源極與所述P型襯底1形成所述第一電容(FD) 25，所述轉移晶體管(TX) M用于將所述光電二極管 (PD) 23產生的電荷轉移至所述第一電容(FD) 25并實現相關雙采樣；所述第一電容(FD) 25 為所述轉移晶體管(TX)M的源極與所述P型襯底1共同形成，用于存儲通過所述轉移晶體管(TX)M轉移的所述光電二極管(PD)23所產生的信號電荷，在另一實施例中，所述第一電容(FD) 25可單獨制作于所述襯底1中，還可以包括并聯于所述第一電容(FD) 25的一個或多個電容，用于存儲所述光電二極管(PD) 23所產生的電荷；所述重置晶體管(RST) 26的源漏極均形成于所述P型襯底1中，柵極261位于源漏極之間且形成于所述P型襯底1表面， 其柵極261用于輸入復位控制信號，漏極262連接于直流電源，源極連接于所述第一電容 (FD)25，用于將所述第一電容(FD) 25存儲的信號電荷清零；所述第一晶體管(VPPS) 27形成于N阱四中，其漏極271通過連線與所述第一電容(FD) 25相連，柵極272連接于所述外部光強檢測裝置用以輸入控制信號、源極273連接于所述積分電路，其中，所述N阱四形成于所述P型襯底1中；所述第二晶體管(VAPQ 28形成于所述N阱四中，其源極273與所述第一晶體管(VPPS) 27共用，其柵極282通過連線連接于所述第一電容(FD) 25，其漏極連接于所述外部光強測試裝置用以添加偏置電壓以實現放大功能、另一極連接于所述積分電路。
圖5顯示為本發(fā)明CMOS傳感器的工作時序示意圖。在復位(reset)階段，所述重置晶體管(RST)沈的柵極261加高電平，轉移晶體管(TX) M的柵極Ml加低電平，漏極沈2 接通電源將第一電容(FD)25上的電荷清除，復位完成。在感光階段，如果檢測到環(huán)境光較強，則使用PPS讀出方式，轉移晶體管(TX) M的柵極241加高電平，所述第一晶體管(VPPS) 的柵極272加高電平，第一電容(FD)上的電荷在積分電容上積分得到電壓，接著再將電壓讀出。如果檢測到環(huán)境光比較弱，則使用C-APS方式讀出，轉移晶體管(TX)M的柵極241 加高電平，所述第二晶體管(VAPi5U8與外部光強檢測裝置的連接端加偏置電壓，第一電容 (FD) 25上的電壓直接加在所述第二晶體管(VAPi5U8的柵極觀2，所述第二晶體管(VAPS)觀的跨導由這兩個電壓差也就是柵源電壓控制，可以表示為gm= μ *C。X*W/L*(Vss-Vt)，其中， Cox表示MOS管柵氧化層單位表面積電容，W為MOS管的寬，L為MOS管的長，Vgs表示柵源電壓，Vt為閥值電壓；電流在積分電容上積分得到電壓，之后將電壓讀出到ADC或者其他處理電路。在快門階段，通過對所有像素(pixel)加同樣地快門信號，所有的像素可以實現同時曝光，從而可以達到很高的幀率，也具有拍攝高速運動物體的能力。
實施例2
請參閱圖3，如圖所示，本實施例中的CMOS傳感器的基本電路如實施例1。
請參閱圖4b，如圖所示，具體地，所述CMOS傳感器包括形成于P型襯底1’兩端的淺溝道隔離槽21’，所述第三晶體管(GS) 22’用于實現快門功能，其源漏極均形成于所述P 型襯底1’中，柵極222’位于源漏極之間且形成于所述P型襯底1’表面，漏極221’且連接于直流電源，柵極222，連接于一快門裝置；所述光電二極管(PD) 23 ’形成于P型襯底1’中， 采用Pirmed結構且連接于所述第三晶體管(GS) 22’的源極，用于將光信號轉換成信號電荷；所述轉移晶體管(TX) 24’的源漏極均形成于所述P型襯底1’中，柵極Ml’位于源漏極之間且形成于所述P型襯底1’表面，其柵極Ml’用于輸入轉移信號，漏極連接于所述光電二極管(PD) 23 ’，源極與所述P型襯底1，形成所述第一電容(FD) 25 ’，在其它實施例中，所述第一電容(FD)25’可單獨制作于所述襯底1’中，還可以包括并聯于所述第一電容(FD)25’ 的一個或多個電容，所述轉移晶體管(TX)24’用于將所述光電二極管(PD)23’產生的電荷轉移至所述第一電容(FD) 25’并實現相關雙采樣；所述第一電容(FD) 25’為所述轉移晶體管(TX) 24’的源極與所述P型襯底1’共同形成，用于存儲通過所述轉移晶體管(TX)24’轉移的所述光電二極管(PD) 23’所產生的信號電荷，在另一實施例中，可以還包括并聯于所述第一電容(FD) 25’的一個或多個電容，用于存儲所述光電二極管(PD)23’所產生的電荷；所述重置晶體管(RST) 26’的源漏極均形成于所述P型襯底1’中，柵極位于源漏極之間且形成于所述P型襯底1’表面，其柵極用于輸入復位控制信號，漏極沈2’連接于直流電源，源極連接于所述第一電容(FD) 25’，用于將所述第一電容(FD)25’存儲的信號電荷清零；所述第二晶體管(VAPS) 27’形成于所述P型襯底1’中，其與所述重置晶體管共用同一漏極271’且其漏極271’連接于所述外部光強測試裝置用以添加偏置電壓以實現放大功能，其柵極272，通過連線連接于所述第一電容(FD) 25，，其源極273，連接于所述積分電路。 所述第一晶體管(VPPS) 282’形成于所述P型襯底1’中，其與所述第二晶體管(VAPS) 27’ 共用同一源極273，，且其源極273，連接于所述積分電路，柵極282，連接于所述外部光強檢測裝置用以輸入控制信號、其漏極觀1’通過連線與所述第一電容(FD) 25’相連。
圖5顯示為本實施例CMOS傳感器的工作時序示意圖。其基本時序如實施例1， 其中，在復位(reset)階段，所述重置晶體管(RST) 26’的柵極加高電平，轉移晶體管 (TX) 24'的柵極Ml，加低電平，漏極271，接通電源將第一電容(FD)25，上的電荷清除，復位完成。在使用C-APS方式讀出階段，轉移晶體管(TX)M’的柵極Ml’加高電平，所述第二晶體管(VAPQ27’與所述重置晶體管(RST) 26’共用的漏極271’上加偏置電壓，第一電容(FD)25’上的電壓直接加在所述第二晶體管(VAPQ27’的柵極272’，電流在積分電容上7積分得到電壓，之后將電壓讀出到ADC或者其他處理電路。
綜上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器包括光電二極管、雙模讀出電路、以及積分電路。本發(fā)明通過一個邏輯控制簡單的電路提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍以及拍攝幀率。在環(huán)境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來。 而在環(huán)境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置實現可變增益讀取。從而大大提高了 CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。全局快門可以使得所有像素(pixel) 同時感光，從而大大提高了拍攝的幀率，也具有拍攝高速運動的物體的能力。所以，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，連接一預設有一光強閥值的外部光強檢測裝置，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器至少包括感光器件，用于將光信號轉換成信號電荷；雙模讀出電路，連接于所述感光器件的輸出端，包括第一電容，其第一端連接于所述感光器件的輸出端、第二端接地，用于存儲所述感光器件所產生的信號電荷；第一晶體管，其柵極連接于所述外部光強檢測裝置、漏極連接于所述第一電容、源極作為輸出端，用于在光強檢測大于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷輸出；第二晶體管，其柵極連接于所述第一電容、漏極連接于所述外部光強測試裝置、源極作為輸出端，用于在光強檢測小于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷放大并輸出；積分電路，連接于所述第一晶體管及第二晶體管的輸出端，用于將信號電荷轉換為電壓信號輸出；第三晶體管，其漏極連接于直流電源，源極連接于所述光電二極管，柵極連接于一快門裝置，用于實現快門功能。
2.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光器件為光電二極管或光門。
3.根據權利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述光電二極管為PN結光電二極管或Pirmed光電二極管。
4.根據權利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述感光器件為光電二極管，且所述光電二極管的正極端接地，負極端連接所述第一電容。
5.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述第三晶體管對所有像素添加同樣的快門信號以實現所有的像素同時曝光。
6.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于還包括重置晶體管，其柵極用于輸入復位控制信號，漏極連接于直流電源，源極連接于所述第一電容。
7.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于還包括轉移晶體管，其柵極用于輸入轉移信號，漏極連接于所述光電二極管的正極輸出端，源極連接于所述第一電容， 用于將所述光電二極管產生的電荷轉移至所述第一電容并實現相關雙采樣。
8.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于還包括并聯于所述第一電容的一個或多個電容，用于存儲所述光電二極管所產生的電荷。
9.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述積分電路包括運算放大器及第二電容，其中，所述運算放大器的第一輸入端與所述雙模讀出電路的輸出端相連、第二輸入端接地，所述第二電容的第一端連接于所述運算放大器的第一輸入端、第二端連接于所述運算放大器的第一輸入端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，包括光電二極管、雙模讀出電路、全局快門以及積分電路。本發(fā)明通過一個邏輯控制簡單的電路提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍以及拍攝幀率。在環(huán)境光線比較強的情況下，使用PPS模式進行讀取，不經放大將電荷直接讀取出來。而在環(huán)境光線比較弱的情況下，使用C-APS模式進行讀取，通過不同的偏置實現可變增益讀取。從而大大提高了CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。全局快門可以使得所有像素(pixel)同時感光，從而大大提高了拍攝的幀率，也具有拍攝高速運動的物體的能力。
文檔編號H04N5/355GK102523391SQ20111045759
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者孫濤, 方娜, 汪輝, 田犁, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院