有源像素传感器和有源像素传感器阵列

摘要

一种CMOS有源像素传感器，其包括：光电二极管、传输晶体管、复位晶体管、叉指型源极跟随器晶体管和选择晶体管，其中，所述光电二极管响应入射光产生电荷，所述传输晶体管将存储在所述光电二极管中的电荷传输至感测节点，所述复位晶体管耦合至电源电压，其对所述感测节点的电压进行复位，使所述感测节点基本上具有电源电压的电平，所述叉指型源极跟随器晶体管对所述感测节点的电压进行放大，所述选择晶体管响应于选择信号将所述叉指型源极跟随器晶体管的源电极电压传输至内部电路，因此，可以增大所述源极跟随器晶体管的沟道长度，并降低由源极跟随器晶体管引起的MOS器件噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及有源像素传感器，更具体来讲涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器。

背景技术

有源像素传感器(APS)将光图像转换为电信号，其广泛应用于数字照相机、具有照相机的移动电话和视觉系统等。

将有源像素传感器划分为电荷耦合器件(CCD)型和互补金属氧化物半导体(CMOS)型。CCD型比CMOS型具有更低的噪声和更高的图像质量。此外，与CMOS型相比，CCD型在制造成本和功率消耗方面具有缺陷。可以采用半导体制造工艺制造CMOS型，因此可以将CMOS型容易地集成到具有放大块和信号处理块的外围系统当中。与CCD型相比，CMOS型具有降低的制造成本、更高的处理速度和降低的功率消耗。

CMOS有源像素传感器通常具有3晶体管构造和4晶体管构造。在4晶体管构造当中，CMOS有源像素传感器包括一个光电二极管和四个MOS晶体管。这里，在四个MOS晶体管的控制下感测在光电二极管上汇集的光生电荷。在3晶体管构造当中，CMOS有源像素传感器包括一个光电二极管和三个MOS晶体管。这里，在三个MOS晶体管的控制下感测在光电二极管上汇集的光生电荷。

图1是说明具有4晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器的电路图。参照图1，CMOS有源像素传感器100具有4晶体管构造，其包括光电二极管PD、传输晶体管M11、复位晶体管M12、源极跟随器晶体管M13和选择晶体管M14。

在复位晶体管M12的栅极电压RG增大且复位晶体管M12开启时，感测节点，即浮置扩散节点FD，的电势增大直至电源电压VDD的电平。源极跟随器晶体管M13和选择晶体管M14对浮置扩散节点FD的电势进行抽样，抽样电势为参考电势。

在光累积期间，当光线入射到光电二极管PD上时，响应于入射光产生电子孔穴对(EHP)。在光累积阶段结束后，当传输晶体管M11的栅极电压TG增大时，在光电二极管PD中累积(或存储)的电荷被传输至浮置扩散节点FD。当与传输的电荷量基本成正比的浮置扩散节点FD的电势显著降低时，源极跟随器晶体管M13的源极电势发生改变。

当选择晶体管M14的栅极电压SEL增大时，选择晶体管M14开启，源极跟随器晶体管M13的源极电压作为输出电压Vout输出。通过测量参考电势与输出电压Vout之间的差值完成光感测。之后重复复位操作。

图2是说明具有3晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器的电路图。参照图2，CMOS有源像素传感器200具有3晶体管构造，其包括光电二极管PD、传输晶体管M21、复位晶体管M22和源极跟随器晶体管M23。

具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器200可以不包括图1所示的传输晶体管M11。此外，具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器200不包括图1所示的选择晶体管M14，并且其采用动态电压源电压DVD。

当浮置扩散节点复位时动态电压源电压DVD升高为高电源电压，并得到感测，否则，动态电压源电压DVD保持低电源电压。通过动态电压源电压DVD执行选择晶体管的功能。

在复位晶体管M22的栅极电压RG增大且复位晶体管M22开启，与此同时动态电压源电压DVD具有高电源电压时，感测节点，即浮置扩散节点FD的电势增大直至高电源电压的电平。源极跟随器晶体管M23对浮置扩散节点FD的电势抽样，并将抽样电势输出至内部电路。抽样电势为参考电势。之后，动态电压源电压DVD降低至低电源电压。

在光累积期间，当光线入射到光电二极管PD上时，响应于入射光产生电子孔穴对(EHP)。在光累积阶段之后，当传输晶体管M21的栅极电压TG增大时，在光电二极管PD中累积(或存储)的电荷被传输至浮置扩散节点FD。当浮置扩散节点FD的电势与传输的电荷量基本成正比地降低，同时动态电压源电压DVD具有高电源电压时，源极跟随器晶体管M23的源极电压发生改变。源极跟随器晶体管M23的源极电压作为输出电压Vout被输出至内部电路。之后，如图1所述重复复位操作。

有源像素传感器基于浮置扩散节点FD的电势变化感测信号。即通过测量参考电势与输出电压Vout之间的差值完成光感测。

分辨率是数字照相机和具有数字照相机的移动电话中的重要因素。因此，像素尺寸是重要的设计因素。此外，随着像素尺寸的减小，难以将像素传感器的图像质量保持在预定像素质量以上。具体来讲，CMOS有源像素传感器受限于由CMOS有源像素传感器的特征导致的光学对称结构和像素中晶体管尺寸的降低，因此CMOS有源像素传感器非常易于受到噪声的干扰。

发明内容

本发明的示范性实施例提供了采用叉指型(fingered type)源极跟随器晶体管的，具有4晶体管构造的互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器。

本发明的示范性实施例还提供了采用叉指型源极跟随器晶体管的，每个传感器具有4晶体管的构造的CMOS有源像素传感器阵列。

本发明的示范性实施例还提供了采用叉指型源极跟随器晶体管的，具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器。

本发明的示范性实施例还提供了采用叉指型源极跟随器晶体管的，具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器阵列。

在一些示范性实施例中，CMOS有源像素传感器包括：响应入射光产生电荷的光电二极管；用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的传输晶体管；耦合至电源电压，用于对感测节点的电压进行复位，从而使其基本上具有电源电压的电平的复位晶体管；用于放大感测节点的电压的叉指型源极跟随器晶体管；以及用于响应选择信号将叉指型源极跟随器晶体管的源电极电压传输至内部电路的选择晶体管。

叉指型源极跟随器晶体管可以具有漏电极和栅电极，漏电极可以耦合至电源电压，栅电极可以是折叠的(folded)，并且可以耦合至感测节点的电压。选择晶体管可以串联耦合在电源电压和叉指型源极跟随器晶体管的漏电极之间。选择晶体管可以串联耦合至叉指型源极跟随器晶体管的源电极。

在其他示范性实施例中，CMOS有源像素传感器包括：响应入射光产生电荷的光电二极管；用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的传输晶体管；用于有选择地提供第一电源电压和第二电源电压的动态电压源；耦合至动态电压源，用于对感测节点的电压进行复位，从而使感测节点具有第一电源电压的复位晶体管；以及漏电极耦合至动态电压源的叉指型源极跟随器晶体管，所述叉指型源极跟随器晶体管通过栅电极接收感测节点的电压，从而将感测节点的电压放大并将放大的电压传输至内部电路。

在感测节点的电压复位时，动态电压源可以提供第一电源电压，经放大的感测节点电压被传输至内部电路；否则动态电压源可以提供第二电源电压。叉指型源极跟随器晶体管的漏电极可以耦合至动态电压源，叉指型源极跟随器晶体管的栅电极可以是折叠的，并且感测节点的电压可以耦合至叉指型源极跟随器晶体管的栅电极。

在另外一些示范性实施例中，CMOS有源像素传感器阵列包括：用于响应入射光产生电荷的多个光电二极管；用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的多个传输晶体管，所述传输晶体管分别对应于所述光电二极管；耦合至电源电压，用于对感测节点的电压进行复位，从而使其具有电源电压的电平的复位晶体管；用于放大感测节点的电压的叉指型源极跟随器晶体管；以及用于响应选择信号将叉指型源极跟随器晶体管的源电极电压传输至内部电路的选择晶体管。

在另一些示范性实施例中，CMOS有源像素传感器阵列包括：用于响应入射光产生电荷的多个光电二极管；用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的多个传输晶体管，所述传输晶体管分别对应于所述光电二极管；用于有选择地提供第一电源电压和第二电源电压的动态电压源；耦合至动态电压源，用于对感测节点的电压进行复位，从而使感测节点具有由动态电压源提供的第一电源电压的复位晶体管；以及漏电极耦合至动态电压源的叉指型源极跟随器晶体管，所述叉指型源极跟随器晶体管通过栅电极接收感测节点的电压，从而将输入的感测节点电压放大并将放大的电压传输至内部电路。

在另一些示范性实施例中，CMOS有源像素传感器包括：感测节点；与感测节点通过信号联系，用于响应入射光产生电荷的光电二极管；以及与感测节点通过信号联系，用于将感测节点的电压放大的叉指型源极跟随器晶体管。

所述CMOS有源像素传感器可以进一步包括与感测节点通过信号联系(in signal communication with)，用于对感测节点的电压电平进行复位的复位晶体管。

所述CMOS有源像素传感器可以进一步包括下述元件中的至少一个：与光电二极管通过信号联系，用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的传输晶体管；与叉指型源极跟随器晶体管通过信号联系，用于响应选择信号传输叉指型源极跟随器晶体管的源电极电压的选择晶体管；或与叉指型源极跟随器晶体管通过信号联系，用于有选择地将第一电源电压和第二电源电压提供至叉指型源极跟随器晶体管的漏电极的动态电压源。

复位晶体管可以耦合至电源电压，用于将感测节点的电压复位至电源电压的电平。

所述电源电压可以基本上为静态电压，所述CMOS有源像素传感器可以进一步包括下述元件中的至少一个：与光电二极管通过信号联系，用于将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点的传输晶体管；或与叉指型源极跟随器晶体管通过信号联系，用于响应选择信号传输叉指型源极跟随器晶体管的源电极电压的选择晶体管。

所述电源电压可以是动态电压，所述CMOS有源像素传感器可以进一步包括用于将第一电源电压和第二电源电压有选择地提供至叉指型源极跟随器晶体管的漏电极的动态电压源。

附图说明

通过参照附图，对本发明的示范性实施例予以详细说明，本发明的示例实施例将变得更加明显，其中：

图1是说明具有4晶体管构造的常规互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器的电路图；

图2是说明具有3晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器的电路图；

图3是说明根据本发明的示范性实施例采用叉指型源极跟随器晶体管的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器的电路图；

图4是说明可以被用作根据本发明的示范性实施例的CMOS有源像素传感器的源极跟随器晶体管的叉指型晶体管的平面图；

图5是说明根据本发明的示范性实施例采用叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器的电路图；

图6A是说明在硅衬底上实施的图1所示的具有4晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器的平面图；

图6B是说明根据本发明的示范性实施例采用在硅衬底上实施的叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器的平面图；

图7是说明根据本发明的示范性实施例具有共享结构的有源像素传感器阵列的电路图；

图8A是说明具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列的平面图；

图8B是说明具有如图8A所示的2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列的电路图；

图9A是说明根据本发明的示范性实施例具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列的平面图；以及

图9B是说明根据本发明的示范性实施例具有如图9A所示的4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列的电路图。

具体实施方式

本发明的示范性实施例是针对具有叉指型源极跟随器晶体管和降低的器件噪声的互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器提供的。应当理解本文所公开的具体结构和功能细节只是用于对本发明的示例实施例予以说明；此外，本发明的示例实施例可以体现在很多备选的形式当中，不应被视为局限于这里所列举的本发明的示例实施例。

因此，尽管本发明易于做出各种修改和备选形式，本文将参照附图所示的实例对本发明的具体实施例予以说明。此外，应当理解的是，本文的目的不是将本发明局限于所公开的具体形式，相反，其覆盖所有落在本发明的精神和范围内的修改、等价要素和备选方案。在对附图的说明当中可以始终采用类似的附图标记表示类似的元件。

应当理解，尽管本文可能采用第一、第二等术语描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将某一元件与另一元件区分开。例如，在不背离本发明的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，类似地，也可以将第二元件称为第一元件。正如本文所采用的，术语“和/或”包括一个或更多相关列举项目的任何和所有组合。

应当理解的是，在称一元件“连接”或“耦合”至另一元件时，其可能直接连接或耦合至另一元件或可能存在插入元件。相反，在称一元件“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在插入元件。应当以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其他词语(即“在……之间”与“直接位于……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。

本文所采用的术语的目的仅在于描述具体的实施例，而不是对本发明进行限制。正如这里所采用的，单数形式“一”、“该”也意在包括复数形式，除非上下文明确指出其他情况。应当进一步理解的是，在用于本说明书中时，术语“包括”指定了所述部件、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他部件、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。

除非另行定义，本文中所采用的所有术语(包括技术和科学术语)与本发明所属的技术领域中的普通技术人员通常理解的含义相同。应当进一步理解的是，本文中的术语，诸如那些在通常使用的词典中定义的术语，应当被解释为具有与在相关技术的语境下一致的含义，而不应理解为理想化的或过于正式的含义，除非在本文中这样明确定义。

在下文中，将对由互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素传感器可能产生的各种噪声类型予以说明。可以由表达式1表示由像素产生的瞬时随机噪声。

<表达式1>

(总噪声)²＝(暗电流散粒噪声)²+(像素光子散粒噪声)²+(MOS器件噪声)²…

暗电流散粒噪声与由光电二极管的泄漏电流引起的噪声相关。像素光子散粒噪声为固有噪声，因为，检测光子的过程是一种遵循泊松分布的随机过程。MOS器件噪声是由像素的晶体管引起的噪声，其作为热噪声、闪烁噪声等出现。

可以包含在像素中的晶体管的数目是3或4。源极跟随器晶体管对噪声最敏感。复位晶体管只对感测节点的电势进行复位，使得感测节点大致具有预定电源电压的电平，传输晶体管只将存储在光电二极管中的电荷传输至感测节点。此外，源极跟随器晶体管接收感测节点的电压，从而对感测节点的电压进行放大，并将放大的感测节点的电压传输至内部电路。在源极跟随器晶体管引起的噪声被直接传输至内部电路，由此导致了图像质量的劣化。因此，降低可能在源极跟随器晶体管引起的热噪声和闪烁噪声是重要的。

热噪声和闪烁噪声分别由表达式2和表达式3表示。

<表达式2>

(热噪声)²≈4×k×T×R，

(k＝玻尔兹曼常数＝1.38×10^-23J/K，T＝绝对温度，R＝电阻，其中R正比于MOS晶体管的沟道长度，反比于MOS晶体管的沟道宽度)

<表达式3>

(K＝过程常数，C_ox＝每单位面积的栅极氧化物的电容，W＝MOS晶体管的沟道宽度，L＝MOS晶体管的沟道长度，f＝工作频率)

如表达式2和3所示，MOS器件的热噪声和闪烁噪声随着晶体管沟道宽度的增大而相应地降低。此外，在使晶体管的沟道宽度保持大于预定宽度时，不能进一步减小像素尺寸。具体来讲，由于CMOS有源像素传感器必须在保持光学对称结构的同时增大晶体管的沟道宽度，因此不可能减小像素尺寸。

图3是说明采用叉指型源极跟随器晶体管的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器的电路图。参照图3，在采用叉指型源极跟随器晶体管的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器300中，叉指型(或折叠栅型)源极跟随器晶体管M33替代了图1所示的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器100中的源极跟随器晶体管M13。图3所示的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器300的操作可以类似于图1所示的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器100的操作。此外，在一个像素的晶体管当中对噪声最敏感的源极跟随器晶体管M33具有叉指型晶体管，因此，可以降低晶体管的各种固有噪声，例如热噪声和闪烁噪声。

将参照图4对采用了叉指型源极跟随器晶体管的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器300的优点进行说明。图4是说明可以被用作根据本发明的示范性实施例的CMOS有源像素传感器的源极跟随器晶体管的叉指型晶体管的平面图。

参照图4，叉指型晶体管400包括两个源极区域401、被两个源极区域401共享的漏极区域402和两个栅极区域403。两个源极区域401、漏极区域402和两个栅极区域403分别通过电极411、412和413耦合至外部电源。

叉指型晶体管400具有两个沿水平方向422排列的栅极区域403，而不是叉指型晶体管400的宽度沿纵向421增大，因此，叉指型晶体管400的沟道宽度呈双倍增长，而叉指型晶体管400的宽度则不沿纵向421增大。因此，即使限定叉指型晶体管400的宽度421不得增大至预定宽度以上，以保持CMOS有源像素传感器400的光学对称结构，也可以增大实施叉指型晶体管的宽沟道长度的布局自由度。

此外，与单个式晶体管相比，由于叉指型晶体管的栅电极是折叠的，叉指型晶体管400的栅电极的电阻降低了。在将叉指型晶体管400用作源极跟随器晶体管时，叉指型晶体管400的栅电极的低电阻可以忠实地感测感测节点的电压，即浮置扩散节点FD的电压。

叉指型晶体管400可以通过N型晶体管实施，在所述N型晶体管中源极区域401和漏极区域402为N型。或者，叉指型晶体管400可以通过P型晶体管实施，在所述P型晶体管中源极区域401和漏极区域402为P型。

图5是说明采用叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器的电路图。参照图5，在采用叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500中，叉指型源极跟随器晶体管M53替代了图2所示的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器200的源极跟随器晶体管M23。

具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500不具有选择晶体管，但是动态电压源DVD替代了选择晶体管的功能。此外，具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500可以省略图3所示的传输晶体管M31而不是选择晶体管。

图5所示的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500的操作可以类似于图2所示的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器200的操作。此外，在一个像素的晶体管当中对噪声最敏感的源极跟随器晶体管M33具有叉指型晶体管，因此，可以降低晶体管的各种固有噪声，例如热噪声和闪烁噪声的效应。

不仅是图5所示的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500和图3所示的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器300，其他构造的CMOS有源像素传感器也可以采用叉指型晶体管替代源极跟随器晶体管，以降低器件噪声的效应。例如，在构造方面可以进行这样的修改，即可以将图3所示的具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器300的选择晶体管M34耦合在源极跟随器晶体管M33和电源电压VDD之间。因此，对构造的上述修改可以提高金属线的有效性，可以增大晶体管的沟道长度，减少器件噪声。

此外，可以通过改变有源像素传感器的常规布局的金属布线完成叉指型晶体管对源极跟随器晶体管的替换。因此，可以增大制造工艺的兼容性。

例如，仅通过改变金属线，就可以容易地将具有4晶体管构造的CMOS有源像素传感器100改变成采用叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500。

图6A和图6B是说明可以将具有4晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器容易地改变成采用叉指型源极跟随器晶体管的具有3晶体管构造的CMOS有源像素传感器的平面图。

图6A是说明在硅衬底上实施的图1所示的具有4晶体管构造的常规CMOS有源像素传感器100的平面图。参照图6A，在第二金属线上形成位于浮置扩散节点FD和源极跟随器晶体管的栅极SF之间的连接线604，和选择晶体管的输出线(Vout)605。

图6B是说明在硅衬底上实施的，采用叉指型源极跟随器晶体管的，具有图5所示的3晶体管构造的CMOS有源像素传感器500的平面图。参照图6B，在第一金属线上形成复位晶体管的栅极RG的控制线606和传输晶体管的栅极TG的控制线607。在第二金属线上形成位于浮置扩散节点FD、源极跟随器晶体管的第一栅极SF1和第二栅极SF2之间的连接线608，和源极跟随器晶体管的输出线(Vout)609。

图6B所示的有源像素传感器500采用叉指型源极跟随器晶体管的第一栅极SF1和第二栅极SF2替代了图6A所示的有源像素传感器的源极跟随器晶体管的栅极SF和选择晶体管的栅极SEL。因此，根据本发明的示范性实施例，仅通过改变具有4晶体管构造的常规有源像素传感器100的第二金属线的金属布线就能够将具有4晶体管构造的常规有源像素传感器100改变成具有3晶体管构造的有源像素传感器500。因此，可以增大制造工艺的兼容性。

参照图6A和图6B所示的，根据本发明的示范性实施例形成具有3晶体管构造的有源像素传感器500的方法只示出了一个形成有源像素传感器500的方法的例子，其制造工艺与具有4晶体管构造的常规有源像素传感器100的制造工艺相兼容。

图7是说明根据本发明的示范性实施例具有共享结构的有源像素传感器阵列的电路图。参照图7，具有共享结构的像素传感器阵列700可以提高像素占空因数。将像素占空因数定义为光电二极管所占的面积与复位晶体管以及感测信号的其他晶体管所占的其他面积之比。

参照图7，具有有源像素传感器的像素阵列700包括多个像素。例如，图7示出了共享一个复位晶体管M75和一个源极跟随器晶体管M76的四个像素710、720、730和740。图7所示的像素阵列700示出了对图5所示的具有3晶体管构造的有源像素传感器500的修改。采用与上述相同的方式，图3所示的具有4晶体管构造的有源像素传感器300可以具有图7所示的具有共享结构的有源像素传感器阵列。

参照图7，有源像素传感器阵列700包括分别具有光电二极管和传输晶体管的四个像素710、720、730和740。第一像素710包括光电二极管PD1和传输晶体管M71。采用相同的方式，第二像素720、第三像素730和第四像素740具有与第一像素710相同的构造。

分别包含在有源像素传感器阵列700的像素710、720、730和740中的光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4，以及传输晶体管M71、M72、M73和M74共享复位晶体管M75和源极跟随器晶体管M76。此外，像素710、720、730和740共享浮置扩散节点FD。

因此，包含在有源像素传感器阵列700的像素710、720、730和740中的传输晶体管M71、M72、M73和M74依次将在相应的光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4中累积的光电子传输至浮置扩散节点FD。叉指型源极跟随器晶体管对浮置扩散节点FD的电压进行抽样，并将抽样电压作为输出电压Vout输出至内部电路。

此外，可以通过改变金属布线，将具有共享结构的常规有源像素传感器阵列改变成具有共享结构的叉指型源极跟随器有源像素传感器阵列，同时可以提高制造工艺的兼容性。

例如，仅通过改变金属布线，就能够容易地将具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列改变成具有4像素共享结构和4晶体管构造的叉指型源极跟随器有源像素传感器阵列。

图8A、8B、9A和9B是说明可以怎样将具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列容易地改变成具有4像素共享结构和4晶体管构造的叉指型源极跟随器有源像素传感器阵列的平面图和电路图。

图8A是说明具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列的平面图。参照图8A，具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列800包括两个光电二极管区域PD1和PD2，分别对应于光电二极管区域PD1和PD2的传输晶体管M81和M82，被两个光电二极管区域PD1和PD2共享的浮置扩散节点FD，用于对浮置扩散节点FD的电压进行复位的复位晶体管M83，以及对浮置扩散节点FD的电压进行抽样，并将抽样电压输出至内部电路的源极跟随器晶体管M84。

可以在第一金属线上形成用于控制对应于第一光电二极管区域PD1的第一传输晶体管M81的栅极TG1的控制线811和用于控制对应于第二光电二极管区域PD2的第二传输晶体管M82的栅极TG2的控制线812。此外，可以在第一金属线上形成用于控制复位晶体管M83的栅极RG的控制线813。可以在第一金属线上形成用于连接源极跟随器晶体管的栅极SF、浮置扩散节点FD和复位晶体管的末端的连接线814。

此外，可以在第二金属线上形成用于将动态电压源电压DVD提供至源极跟随器晶体管的末端和复位晶体管的末端的电源线816，以及用于将源极跟随器晶体管的源极电压传输至内部电路的输出电压线(Vout)815。

金属线811至816没有越过光电二极管区域PD1和PD2，从而使金属线引起的光电二极管区域PD1和PD2的遮蔽最小化，因此可以增大暴露在光线之下的光电二极管区域PD1和PD2。即使在光电二极管之上形成了金属线的部分，也可以在光电二极管之上形成金属线的该部分，从而对每一光电二极管的相同区域和对称部分进行遮蔽。

图8B是说明如图8A所示具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列的电路图。参照图8B，该有源像素传感器阵列具有2像素共享结构，该共享结构是对图2所示的具有3晶体管构造的常规有源像素传感器200的修改。采用与图8A中相同的附图标记表示图8B中相同的元件。

在图8B所示的有源像素传感器阵列中，两个光电二极管PD1和PD2，以及分别对应于光电二极管PD1和PD2的传输晶体管M81和M82共享复位晶体管M83和源极跟随器晶体管M84。

图8B所示的有源像素传感器阵列的操作与图2所示的具有3晶体管构造的有源像素传感器的操作类似。当动态电压源电压DVD升高至高电源电压时，复位晶体管M83对浮置扩散节点FD的电势进行复位，从而使浮置扩散节点FD具有高电源电压。

当动态电压源电压DVD具有低电源电压时，第一传输晶体管M81开启，使得在对应于第一传输晶体管M81的第一光电二极管PD1中累积的光电子被传输至浮置扩散节点FD。之后，当动态电压源电压DVD升高至高电源电压时，源极跟随器晶体管M84对浮置扩散节点FD的电压进行抽样，抽样电压被作为输出电压Vout传输至内部电路。在第二光电二极管区域PD2和第二传输晶体管M82上执行与上述操作相同的操作。

图9A是说明具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列的平面图。图9A示出了，仅通过改变金属线，就能够将具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列800改变成具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列900。

参照图9A，具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列900包括四个光电二极管区域PD1、PD2、PD3和PD4，以及分别对应于光电二极管区域PD1、PD2、PD3和PD4的传输晶体管M91、M92、M93和M94。第一和第二光电二极管区域PD1和PD2共享第一浮置扩散节点FD1，第三和第四光电二极管区域PD3和PD4共享第二浮置扩散节点FD2。第一浮置扩散节点FD1通过金属线918电连接至第二浮置扩散节点FD2，因此，第一和第二浮置扩散节点FD1和FD2具有相同的电势。

此外，具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列900进一步包括对浮置扩散节点FD1和FD2的电压进行复位的复位晶体管M95、对浮置扩散节点FD1和FD2的电压进行抽样的源极跟随器晶体管M96，和将源极跟随器晶体管的源极电压输出至内部电路的选择晶体管M97。所述源极跟随器晶体管可以是叉指型晶体管。

参照图9A，具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列900与图3所示的有源像素传感器300不同，不同之处在于在源极跟随器晶体管M96和电源电压VDD之间耦合选择晶体管M97(参照图9B)。根据在硅衬底上实施的有源像素传感器的布局，可以提高金属线的有效性，增大晶体管的沟道长度，并可以降低器件噪声。

在图9A中，可以在第一金属线上形成用于控制对应于第一光电二极管区域PD1的第一传输晶体管M91的栅极TG1的控制线911和用于控制对应于第二光电二极管区域PD2的第二传输晶体管M92的栅极TG2的控制线912。此外，用于控制对应于第三光电二极管区域PD3的第三传输晶体管M93的栅极TG3的控制线913和用于控制对应于第四光电二极管区域PD4的第四传输晶体管M94的栅极TG4的控制线914也可以形成于第一金属线上。

此外，可以在第一金属线上形成用于控制复位晶体管M95的栅极电压RG的控制线921。还可以在第一金属线上形成用于控制选择晶体管M97的栅极电压SEL的控制线920。

可以在第一金属线上形成用于连接源极跟随器晶体管M96的栅极和浮置扩散节点FD的连接线916。也可以在第一金属线上形成用于连接源极跟随器晶体管M96的漏极的连接线919。

可以从第一金属线形成用于连接复位晶体管M95的末端和浮置扩散节点FD的连接线917。可以从第二金属线形成用于连接第一浮置扩散节点FD1和第二浮置扩散节点FD2的连接线918，第一浮置扩散节点FD1被第一和第二光电二极管区域PD1和PD2共享，第二浮置扩散节点FD2被第三和第四光电二极管区域PD3和PD4共享。可以从第二金属线形成用于连接选择晶体管M97和源极跟随器晶体管M96的漏极的连接线922。可以从第三金属线形成用于将源极跟随器晶体管M96的源极电压输出至内部电路的输出电压线(Vout)915。

因此，仅通过改变金属布线，就能够容易地将图8A所示的具有2像素共享结构和3晶体管构造的常规有源像素传感器阵列改变成图9A所示的具有4像素共享结构和4晶体管构造的叉指型源极跟随器有源像素传感器阵列。

图9B是说明图9A所示的具有4像素共享结构和4晶体管构造的有源像素传感器阵列的电路图。在图9B所示的有源像素传感器阵列中，四个光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4，以及分别对应于光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4的传输晶体管M91、M92、M93和M94共享复位晶体管M95、源极跟随器晶体管M96和选择晶体管M97。

此外，四个光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4，以及传输晶体管M91、M92、M93和M94共享浮置扩散节点FD。图9A所示的有源像素传感器阵列的布局独立示出了第一和第二浮置扩散节点FD1和FD2；此外，第一浮置扩散节点FD1通过金属线918电连接至第二浮置扩散节点FD2，因此第一和第二浮置扩散节点FD1和FD2具有相同的电势。因此，在图9B中，用一个浮置扩散节点FD表示第一和第二浮置扩散节点FD1和FD2。

图9B所示的有源像素传感器阵列的操作与图3所示的具有3晶体管构造的有源像素传感器的操作类似。图9B所示的具有4像素共享结构的有源像素传感器阵列与图3所示的具有4晶体管构造的有源像素传感器300不同，不同之处在于选择晶体管M97耦合在源极跟随器晶体管M96和电源电压VDD之间。复位晶体管M95对浮置扩散节点FD的电势复位，使得浮置扩散节点FD具有电源电压VDD。第一传输晶体管M91开启，从而使累积在对应于第一传输晶体管M91的第一光电二极管PD1中的光电子被传输至浮置扩散节点FD。之后，当选择晶体管M97开启，使得电源电压VDD电连接至源极跟随器晶体管M96的漏极时，源极跟随器晶体管M96对浮置扩散节点FD的电压进行抽样，抽样电压被作为输出电压Vout输出至内部电路。

在第二光电二极管PD2、第二传输晶体管M92、第三光电二极管区域PD3、第三传输晶体管M93、第四光电二极管区域PD4和第四传输晶体管M94上执行与上述操作相同的操作。

根据本发明的示例实施例，有源像素传感器的源极跟随器晶体管采用叉指型晶体管。因此，增大了源极跟随器晶体管的沟道宽度，并可以减小由源极跟随器晶体管导致的MOS器件噪声。

尽管已经对本发明的示例实施例及其优点进行了详细说明，但是本领域普通技术人员应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变、替换和修改。

本发明要求于2005年2月7日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请No.2005-11126的外国优先权，在此将其全文引入以供参考。