專利名稱：圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及成像器件，尤其涉及圖像傳感器、增大圖像傳感器電荷-電壓增益的方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度增長，因此，其關(guān)鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CXD (電荷耦合圖像傳感器)、CM0S傳感器(互補(bǔ)型金屬氧化物圖像傳感器)。CMOS圖像傳感由于功耗小、轉(zhuǎn)換速率快，尺寸小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)成像器件領(lǐng)域。現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)主要分為兩種，分別為3T結(jié)構(gòu)和4T結(jié)構(gòu)。3T結(jié)構(gòu)的像素每一個像素包括一個復(fù)位管、一個行選通管和一個源跟隨管。4T結(jié)構(gòu)的像素比3T結(jié)構(gòu)的像素增加了一個傳輸管。對于4T像素結(jié)構(gòu)，每一個像素總是需要一個傳輸管，傳輸管使像素的可控性更好，可以有效地降低熱噪聲和暗電流。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器的像素排列示意圖，參考圖1和圖2，每一個像素包括感光二極管PD、傳輸管TX、復(fù)位管RST、源跟隨管SF和行選通管(圖中未示)，其中傳輸管TX的漏極為浮置擴(kuò)散區(qū)，傳輸管TX的源極為感光二極管，源跟隨管的漏極連接電源電壓Vdd，復(fù)位管RST的漏極連接輸入電壓Vin。其工作原理為:(I)傳輸管TX打開前，對浮置擴(kuò)散區(qū)FD進(jìn)行復(fù)位操作，具體為:傳輸管TX保持關(guān)閉，復(fù)位管RST先打開，然后關(guān)閉，使浮置擴(kuò)散區(qū)FD充電，此時在源跟隨管SF的源極讀出輸出電壓Vout作為信號參考電壓Vrf ； (2)浮置擴(kuò)散區(qū)的復(fù)位完成后，傳輸管TX打開，傳輸管TX打開過程中復(fù)位管RST繼續(xù)保持關(guān)閉，感光二極管ro采集光生電荷，由感光二極管ro采集到的光生電荷進(jìn)入到浮置擴(kuò)散區(qū)FD，然后關(guān)閉傳輸管TX，在源跟隨管的源極讀取輸出電壓Vout作為采樣電壓Vsample。Vrf與Vsample之間的電壓差值Vsignal，為與入射光信號對應(yīng)的電信號，用于后續(xù)還原成像。更多關(guān)于CMOS圖像傳感器的內(nèi)容可以參考2003年8月20日公開的第1437388A號的中國專利文獻(xiàn)。然而，現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器性能不好。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決的問題是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器性能不好。為解決上述問題，本實(shí)用新型提供一種圖像傳感器，包括輸入電源，輸入導(dǎo)線，多個呈陣列排布的像素，每一列像素列包括:一個或多個像素；每一列像素共用輸入電源、輸入導(dǎo)線、共用信號輸出端；[0009]每一個像素包括:第一源跟隨管，第一源跟隨管源極與所述信號輸出端電連接；浮置擴(kuò)散區(qū)，與所述第一源跟隨管的柵極電連接；感光二極管；傳輸管，其漏極為所述浮置擴(kuò)散區(qū)，其源極為所述感光二極管；所述圖像傳感器還包括多個電壓補(bǔ)償電路，每一列像素對應(yīng)一個電壓補(bǔ)償電路，每個電壓補(bǔ)償電路包括輸入端和輸出端，所述輸入端用于與所述輸入電源電連接，所述輸出端與所述第一源跟隨管漏極電連接，電壓補(bǔ)償電路的作用為:使圖像傳感器工作時所述電壓補(bǔ)償電路輸出端輸出電壓的變化趨勢和所述信號輸出端電壓的變化趨勢相同。可選的，還包括選通電路，用于選通工作的像素?？蛇x的，每一列像素中每個像素第一源跟隨管漏極共用輸入導(dǎo)線并與電壓補(bǔ)償電路輸出端電連接?？蛇x的，所述電壓補(bǔ)償電路為第二源跟隨管，所述第二源跟隨管的漏極為所述電壓補(bǔ)償電路的輸入端，所述第二源跟隨管的源極為所述電壓補(bǔ)償電路的輸出端，所述第二源跟隨管的柵極與所述信號輸出端電連接?？蛇x的，還包括:復(fù)位管，與所述浮置擴(kuò)散區(qū)電連接?？蛇x的，所述圖像傳感器為4T結(jié)構(gòu)或5T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):本技術(shù)方案的CMOS圖像傳感器，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上每列像素增加了電壓補(bǔ)償電路，電壓補(bǔ)償電路的輸入端與每列像素共用的輸入電源電連接，電壓補(bǔ)償電路的輸出端與第一源跟隨管的漏極電連接。電壓補(bǔ)償電路的作用為:使圖像傳感器工作時電壓補(bǔ)償電路輸出端輸出電壓的變化趨勢和每列像素共用的信號輸出端電壓的變化趨勢相同。這樣，傳輸管打開后用于補(bǔ)償?shù)谝辉锤S管漏極的電壓與浮置擴(kuò)散區(qū)電壓的電壓差在傳輸管開關(guān)前后的差值所需的電荷就會小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所需電荷，因此產(chǎn)生相同電荷電壓增益所需的總電荷數(shù)目就會相應(yīng)減少，同理相同的光生電荷，產(chǎn)生的電荷-電壓增益就會更大，也就可以提高CMOS圖像傳感器的性能。在具體實(shí)施例中，電壓補(bǔ)償電路為第二源跟隨管，可以非常簡單的實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償電路，而且，也不會對制造CMOS圖像傳感器的方法增加太多工藝。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器的像素排列示意圖；圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施例4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型具體實(shí)施例CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖；圖5為顯示像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素陣列示意圖。
具體實(shí)施方式
圖像傳感器的電荷-電壓增益是影響其性能的重要參數(shù)，等量的光生電荷產(chǎn)生的增益電壓越大，則輸出信號中表示圖像信息的信號就越強(qiáng)，即圖像傳感器的性能越好。發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，造成現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器性能不好的原因?yàn)?[0025]參考圖1，現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器，在傳輸管TX打開，感光二極管H)積累的光生電荷進(jìn)入浮置擴(kuò)散區(qū)FD后，浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓Vfd受到光生電荷的影響，相比傳輸管打開前，浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓Vfd發(fā)生變了化，而電源電壓Vdd保持恒定；傳輸管打開前浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓為Vfdl，傳輸管打開后浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓為Vfd2，因此傳輸管開關(guān)前后Vdd與Vfd之間的電壓差有一個數(shù)值為Λ V [ Λ V= (Vdd-Vf d2) - (Vdd-Vfdl) =Vfdl-Vfd2]的變化，該電壓差的變化會消耗一部分的光生電荷來補(bǔ)償，該部分的光生電荷進(jìn)入源跟隨管SF，進(jìn)而減少了用于電壓增益的光生電荷數(shù)，相應(yīng)的源跟隨管源極讀出的采樣電壓Vsample減小,貝U參考電壓Vrf與采樣電壓Vsample之間的電壓差值Vsignal減小，即與入射光信號對應(yīng)的電信號減小，因此圖像傳感器的性能就會受到影響。本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器，在現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器的基礎(chǔ)上增加了電壓補(bǔ)償電路，該電壓補(bǔ)償電路的作用是將信號輸出端即源跟隨管源極的輸出電壓的變化趨勢反饋至源跟隨管的漏極，使源跟隨管漏極的電壓變化趨勢和信號輸出端輸出電壓的變化趨勢相同。這種情況下:傳輸管開關(guān)前后Vdd與Vfd之間的電壓差的變化值A(chǔ)V’ =(Vsfd2-Vfd2)_ (Vsfdl-Vfdl) =Vfdl-Vfd2+Vsfd2-Vsfdl，Vsfdl 和 Vsfd2 分別為傳輸管開關(guān)前后源跟隨晶體管漏極的輸入電壓Vsfd。由于Vfd和Vsfd的變化趨勢相同，因此AV’〈AV，因此減小了傳輸管開關(guān)前后Vdd與Vfd之間的電壓差的變化，相應(yīng)的也就可以減小由于該電壓差的變化而消耗的光生電荷數(shù)，增大采樣信號，因此可以提高圖像傳感器的性能。為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型。但是本實(shí)用新型能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本實(shí)用新型內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本實(shí)用新型不受下面公開的具體實(shí)施方式
的限制。本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器，可以是4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，也可以為5T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的可以利用本實(shí)用新型的CMOS圖像傳感器。下面重點(diǎn)以4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器為例說明。圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施例中4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本實(shí)用新型具體實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的像素陣列示意圖，圖5為顯示像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素陣列示意圖。參考圖3、圖4和圖5，本實(shí)用新型具體實(shí)施例的CMOS圖像傳感器包括多個呈陣列排布的像素pixel，每一列像素列包括:一個或多個像素pixel ;每一列像素共用輸入電源(圖中未示出)、共用輸入導(dǎo)線21、共用信號輸出端；輸入電源的電壓為Vdd，信號輸出端的輸出電壓為Vout。其中，每一個像素pixel包括:第一源跟隨管SF1，第一源跟隨管SFl源極與信號輸出端電連接；浮置擴(kuò)散區(qū)FD，與所述第一源跟隨管SFl的柵極電連接；感光二極管ro，傳輸管TX，傳輸管TX的漏極為浮置擴(kuò)散區(qū)FD，傳輸管TX的源極為感光二極管。傳輸管TX的柵極上連接開關(guān)信號，用于傳輸管TX的導(dǎo)通、關(guān)閉。參考圖4，CMOS圖像傳感器還包括:多個電壓補(bǔ)償電路23，每一列像素對應(yīng)一個電壓補(bǔ)償電路，每個電壓補(bǔ)償電路包括輸入端和輸出端，電壓補(bǔ)償電路23的輸入端與輸入電源電連接，輸出端與第一源跟隨管SFl的漏極電連接。電壓補(bǔ)償電路23的作用為:使圖像傳感器工作時電壓補(bǔ)償電路23的輸出端輸出電壓的變化趨勢和信號輸出端電壓Vout的變化趨勢相同。也就是在傳輸管TX打開前后，電壓補(bǔ)償電路23的輸出端輸出電壓的變化趨勢和信號輸出端電壓Vout的變化趨勢相同。參考圖4、圖5，在本實(shí)用新型具體實(shí)施例中，每一列像素共用輸入導(dǎo)線21，所述電壓補(bǔ)償電路23的輸入端通過所述輸入導(dǎo)線21與所述輸入電源電連接；每一列像素共用信號輸出線22,第一源跟隨管SFl的源極、信號輸出端均與信號輸出線22電連接，即第一源跟隨管SFl的源極輸出的電壓通過信號輸出線22輸出至信號輸出端。并且，第一源跟隨管SFl的漏極、所述電壓補(bǔ)償電路的輸出端通過所述輸入導(dǎo)線21電連接，也就是說，電壓補(bǔ)償電路23的輸出端輸出的電壓通過輸入導(dǎo)線21輸出至第一源跟隨管SFl的漏極。參考圖4，在本實(shí)用新型具體實(shí)施例中，CMOS圖像傳感器還包括選通電路24，用于選通工作的像素。通過選通電路24的作用，每列像素列同時只有一個像素工作。關(guān)于該選通電路24的具體結(jié)構(gòu)為公知技術(shù)，在此不做贅述。參考圖3、圖4和圖5，本實(shí)用新型具體實(shí)施例中，電壓補(bǔ)償電路23為第二源跟隨管SF2，所述第二源跟隨管SF2的漏極作為電壓補(bǔ)償電路的輸入端，與輸入電源電連接；第二源跟隨管的SF2的源極為電壓補(bǔ)償電路的輸出端，通過輸入導(dǎo)線21與所述第一源跟隨管SFl的漏極電連接，第二源跟隨管的SF2的源極輸出的電壓代替現(xiàn)有技術(shù)中的電源電壓作為第一源跟隨管SFl的電源電壓；第二源跟隨管SF2的柵極與所述第一源跟隨管SFl的源極電連接，也就相當(dāng)于將信號輸出端的輸出電壓Vout連接到第二源跟隨管SF2的柵極，將信號輸出端的輸出電壓Vout的變化反饋至第二源跟隨管SF2，經(jīng)第二源跟隨管SF2將該變化反饋至第一源跟隨管SFl。參考圖3，本實(shí)用新型具體實(shí)施例中，CMOS圖像傳感器的像素為4T結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器還包括:復(fù)位管RST，與所述浮置擴(kuò)散區(qū)FD電連接，具體的連接方式為:復(fù)位管RST的漏極連接輸入電壓Vin，源極與浮置擴(kuò)散區(qū)FD電連接，柵極上連接開關(guān)信號(圖中未標(biāo)號)，用于復(fù)位管RST的導(dǎo)通、關(guān)閉。本實(shí)用新型具體實(shí)施例的4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的工作原理與現(xiàn)有技術(shù)相同。采用該實(shí)施例的CMOS圖像傳感器后，在第一源跟隨管SFl的基礎(chǔ)上有增加了一個第二源跟隨管SF2，第一源跟隨管SFl的源極除用于輸出電壓外，還作為第二源跟隨管SF2的柵極電壓，輸入電源的電壓Vdd直接連接在第二源跟隨管SF2的漏極，此時第一源跟隨晶體管SFl的輸入端電壓變?yōu)榈诙锤S管SF2的輸出電壓Vsfd。此種結(jié)構(gòu)下，在傳輸管打開操作時，浮置擴(kuò)散區(qū)的電壓Vfd的變化，會通過信號輸出端所連接的第二源跟隨管SF2作用，引起第一源跟隨晶體管的輸入端電壓Vsfd也隨信號輸出端的輸出電壓Vout變化，其中信號輸出端的輸出電壓Vout跟隨浮置擴(kuò)散區(qū)的電壓Vfd沿相同趨勢變化。假設(shè)這種新的結(jié)構(gòu)下，傳輸管開關(guān)前后第一源跟隨晶體管的輸入端電壓Vsfd分別為Vsfdl和Vsfd2，傳輸管開關(guān)前后浮置擴(kuò)散區(qū)FD的電壓分別為Vfdl和Vfd2，則傳輸管開關(guān)前后Vsfd與Vfd之間的電壓差有一個數(shù)值為 Λ V’ [ Λ V’ = (Vsfd2-Vfd2) - (Vsfdl-Vfdl) =Vfdl-Vfd2+Vsfd2-Vsfdl]，由于Vsfd隨Vfd沿相同趨勢一同變化，因此AV’〈AV，這樣用于補(bǔ)償AV’所需的電荷就會小于一般結(jié)構(gòu)所需電荷，因此產(chǎn)生相同電荷電壓增益所需的總電荷數(shù)目就會相應(yīng)減少，同理相同的光生電荷，產(chǎn)生的電荷-電壓增益就會更大，相應(yīng)的也就可以提高CMOS圖像傳感器的性能。[0039]另一方面，參考圖2，現(xiàn)有技術(shù)中，在像素布局中，同一列像素的源跟隨管SF的漏極統(tǒng)一連接到輸入導(dǎo)線11，源極統(tǒng)一連接到信號輸出線12。位于同一列的像素的輸入導(dǎo)線
11、信號輸出線12相鄰，兩者距離較近，產(chǎn)生電容，該電容會對輸出電壓產(chǎn)生影響。參考圖4和圖5，本實(shí)用新型具體實(shí)施例的CMOS圖像傳感器，在像素布局中，在一列上的第一源跟隨管SFl的漏極統(tǒng)一連接到輸入導(dǎo)線21，源極統(tǒng)一連接到信號輸出線22。由于，本實(shí)用新型中，輸入導(dǎo)線21上的輸入電壓即從第二源跟隨管SF2的源極輸出的電壓和信號輸出線22上的輸出電壓沿相同趨勢變化，因此電源噪聲通過輸入導(dǎo)線21與信號輸出線22之間電容對信號輸出端的輸出電壓Vout的影響也會相應(yīng)減小，從而可以進(jìn)一步提高CMOS圖像傳感器的性能。本實(shí)用新型雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本實(shí)用新型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實(shí)用新型技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種圖像傳感器，其特征在于，包括輸入電源，輸入導(dǎo)線，多個呈陣列排布的像素，每一列像素列包括:一個或多個像素；每一列像素共用輸入電源、輸入導(dǎo)線、共用信號輸出端; 每一個像素包括:第一源跟隨管，第一源跟隨管源極與所述信號輸出端電連接；浮置擴(kuò)散區(qū)，與所述第一源跟隨管的柵極電連接；感光二極管；傳輸管，其漏極為所述浮置擴(kuò)散區(qū)，其源極為所述感光二極管； 所述圖像傳感器還包括多個電壓補(bǔ)償電路，每一列像素對應(yīng)一個電壓補(bǔ)償電路，每個電壓補(bǔ)償電路包括輸入端和輸出端，所述輸入端用于與所述輸入電源電連接，所述輸出端與所述第一源跟隨管漏極電連接，電壓補(bǔ)償電路的作用為:使圖像傳感器工作時所述電壓補(bǔ)償電路輸出端輸出電壓的變化趨勢和所述信號輸出端電壓的變化趨勢相同。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，還包括選通電路，用于選通工作的像素。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，每一列像素中每個像素第一源跟隨管漏極共用輸入導(dǎo)線并與電壓補(bǔ)償電路輸出端電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述電壓補(bǔ)償電路為第二源跟隨管，所述第二源跟隨管的漏極為所述電壓補(bǔ)償電路的輸入端，所述第二源跟隨管的源極為所述電壓補(bǔ)償電路的輸出端，所述第二源跟隨管的柵極與所述信號輸出端電連接。
5.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，還包括:復(fù)位管，與所述浮置擴(kuò)散區(qū)電連接。
6.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器為4T結(jié)構(gòu)或5T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器。
專利摘要一種圖像傳感器包括多個呈陣列排布的像素；每一列像素共用輸入電源、輸入導(dǎo)線、共用信號輸出端；每一個像素包括第一源跟隨管，第一源跟隨管源極與信號輸出端電連接；浮置擴(kuò)散區(qū)，與第一源跟隨管的柵極電連接；感光二極管；傳輸管，其漏極為浮置擴(kuò)散區(qū)，其源極為感光二極管；圖像傳感器還包括多個電壓補(bǔ)償電路，每一列像素對應(yīng)一個電壓補(bǔ)償電路，每個電壓補(bǔ)償電路包括輸入端和輸出端，輸入端用于與輸入電源電連接，輸出端與第一源跟隨管漏極電連接，電壓補(bǔ)償電路的作用為使圖像傳感器工作時電壓補(bǔ)償電路輸出端輸出電壓的變化趨勢和信號輸出端電壓的變化趨勢相同。本方案可以提高圖像傳感器的性能。
文檔編號H04N5/374GK203014990SQ20122068604
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者趙立新 申請人:格科微電子(上海)有限公司