具有高功能动态性的CMOS有源像素

摘要

本发明涉及一种CMOS型有源像素结构(1)，包括：至少一个光电二极管(10)，其特征在于，还包括用于读取曝光时光电二极管(10)的演化阶段中的任何偏置电压的装置。

说明书

本发明涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)集成技术，其应用具有低电耗的电子器件族。

本发明尤其涉及CMOS像素(pixel)。

利用CMOS集成技术可以制造具有良好的分辨率和适当的图像质量的单片相机的芯片。这些单片相机主要用于移动设备，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、或便携式电脑。这些相机照出的图像主要用于在屏幕或者互联网上观看。

该类照相机非常经济的方面引起对有关于人工观看模式的应用的持续增长的兴趣，例如智能车辆气囊、高速公路上的汽车的侧面和纵向检查、敏感区域的视频监控等。很容易想到，对于该类应用，通常是在不很理想的照明条件下拍照的，大大超出此类低成本CMOS传感器给定的动态范围，从而使得它们不能在功能动态性(functionaldynamics)方面提供可接受的响应。

在使用这一的相机的过程中的一个主要困难在于相同场景的照明水平的变化程度。该变化在强照明区域和弱照明区域之间可能很容易超过120dB。具有线性响应的常规的CCD/CMOS相机可能对此很难适应，且通常产生全饱和图像或部分饱和图像，引起相应的信息丢失和导致不稳定的观看系统。

第二个困难在于动态场景中的光线的变化程度和比率。常规相机产生的自动曝光控制系统不能对此适当地响应，因此产生全饱和或部分饱和。

这些饱和现象对于观看系统的适当工作极其有害。

利用在强照明时敏感度下降的非线性光电响应来生成具有扩展功能动态性的有源像素结构，有很多方法来解决该问题。

文献EP1354360描述了一种有源像素结构，其具有基于利用光电体系内的光电二极管的对数响应。

在标准CMOS技术领域中，光电二极管通常形成有由N扩散到P型衬底内的PN结。在光电工作模式下，该光电二极管在开路中产生负电压，该电压的绝对值与光电二极管的照明水平的对数成比例。进行切换(switch)后，可以在该光电二极管中产生短路，以模拟正常照明时的暗条件。通过读取光电二极管在开路和短路时产生的电压差，可以抑制读取链(read-out chain)中的附加偏移噪声，从而获得干净的图像。

实现了文献EP1354360中描述的像素结构的典型电路提供了非常高的功能动态性和满意的图像质量。然而，该像素结构仍然存在一些缺陷。

实际上，首先，其缺少物理上的紧凑，该缺少是因为在相同像素内同时强制存在NMOS和PMOS晶体管，这需要绝缘情况，使得损失了大部分有用的表面区域。此时，表面区域的损失增加了像素的尺寸，减少了光电二极管的尺寸并且因此还降低了光电性能。

接下来，在该结构内，光电二极管仅仅工作在光电模式下。此时，因为强对数压缩，该工作模式产生具有非常低的幅度的输出信号，从而限制了在白天照明时可以获得的信噪比。

最后，短路跳转晶体管在其截止时具有一些剩余电导。该现象对于亚微米CMOS技术的产品很重要。

另外，如果文献EP1354360描述了一种利用了对数区域的有源像素结构，其不同于大部分现有的有源像素，而是相反地利用了光电二极管复位后光电二极管上的电压变化的线性区域。这是因为工作在混合或对数部分的光电二极管会在阵列内造成光电问题，因此通常防止光电二极管进入这些区域。

此时，变化范围的完全利用依靠线性区域产生了强幅度的信号，依靠混合和对数区域产生了扩展的功能动态性。实际上，在线性区域，图像信号的相关噪声被强烈地减小，以使得获得的图像具有好的质量；然而，动态范围仍然很小。相反地，混合和对数区域强烈地压缩图像信号的幅度，以至于几乎完全消除所述信号的饱和，但是图像信号的低幅度和负极性造成图像信号难于被读取。因此，将关注于结合这三个区域，以便于同时获得好的图像质量和扩展的动态范围。

本发明的目的在于提供至少一种像素结构，其具有非常高的功能动态性，所述像素结构不仅具有大的物理紧凑度，还能够显著提高信噪比。

为此目的，根据本发明，提供了一种CMOS型的有源像素结构，其包括至少一个光电二极管，其特征在于，其包括用于读取在曝光过程中在光电二极管的时间相关变化阶段中的任何极性的电压的装置。这给予了所述像素结构非常高的功能动态性，使得公认地提高信噪比。

有利的但是可选的，所述结构包括如下特征中的至少一个：

-用于读取任何极性电压的装置包括读取晶体管，

-所述结构包括缓冲放大器，该缓冲放大器包括读取晶体管和充电晶体管，

-读取晶体管具有负阈值电压，

-充电晶体管位于像素结构的内部，

-充电晶体管位于像素结构的外部，

-读取晶体管的阈值电压小于穿过光电二极管的最大负电压，

-所述结构包括可用于将缓冲放大器的输出信号发送到通信总线上的装置，

-用于将缓冲放大器的输出信号发送到通信总线上的装置为连接到选择信号的第四晶体管，

-所述结构进一步包括电容性耦合电容器，其串联在光电二极管和缓冲放大器之间，

-所述结构包括用于在像素内的耦合电容器上建立电压的装置，

-建立装置为安装在缓冲放大器和正电压源之间的电阻器，

-所述电阻器包括作为二极管连接的NMOS晶体管，

-所述NMOS晶体管的漏极和栅极连接到两个不同的供电源，

-建立装置在紫外线辐射下将正电荷注入到连接到缓冲放大器的耦合电容器的板内，

-建立装置通过隧道效应将正电荷注入到连接到缓冲放大器的耦合电容器的板内，

-光电二极管被作为耦合电容器的板中的一个使用，

-所述结构包括复位晶体管，其能够通过施加负电压而截止，以及

-前述的晶体管为相同类型，为NMOS或PMOS，而且读取晶体管为耗尽型NMOS晶体管。

根据本发明，还提供一种操作根据本发明所述的像素的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用零复位信号(RAZ)来导通复位晶体管，在拍照前将光电二极管复位到初始电压V；截止复位晶体管并且使得光电二极管在曝光期间在照明下变化；在曝光结束时用选择信号SEL来进行第一次读取；以及在重新导通复位晶体管期间或在紧随重新导通复位晶体管之后，进行第二次读取。

有利地，但可选地，该用于操作像素的方法在光电二极管复位之后，利用光电二极管上的电压的变化的以下区域：

-线性区域，

-对数区域，

-混合区域。

通过如下单纯示例性的且非限制性的，且参照附图给出的描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得更加明显，其中：

图1a为根据现有技术的光接收器的视图，其具有光电模式的光电二极管，

图1b为根据现有技术的设置有光接收器的像素结构，

图2为图示了光电二极管在复位后的电压变化的曲线，

图3a和3b是根据本发明的第一实施例的像素结构的两个视图，

图4a和4b分别是示出了根据本发明的第一和第二实施例的像素操作的两个时序图，

图5是根据本发明的第二实施例的像素结构的视图，

图6a、6b、6c、6d和6e是根据本发明的第二实施例的五个可选情况的像素结构的五个视图，

图7a和7b是根据本发明的第二实施例的两个其他可选情况的像素结构的两个视图，

图8a是根据本发明的第二实施例的另一个可选情况的像素结构的视图，

图8b是根据本发明的第二实施例的又一个可选情况的像素结构的局部视图，

图9是典型的晶体管的视图，以及

图10是像素结构的阵列布局的视图。

参照图3a-4a，我们将描述本发明的第一实施例。

根据本发明的第一实施例，像素结构1包括：

-光电二极管10，其具有结电容C_PD，这是通过N型扩散到P型衬底中形成的，

-晶体管20，包括至少一个NMOS(N金属氧化物半导体)型复位晶体管T1，

-用于读取当光电二极管10被照亮时该光电二极管10中的任何极性的电压的装置。

耗尽型N晶体管具有负阈值电压T_s——该阈值电压T_s为在晶体管的称为“栅极”G的一个电极处的电压，其他两个电极称为“源极”S和“漏极”D——这使得当电压大于T_s时，并且尤其是在栅极G和源极S之间施加在区间[T_s；0]内的负电压时，晶体管保持“导通”。当光电二极管10在对数区域变化时，可能出现的负电压相对为低：其绝对值不会超过0.7V。因此，量级为-1V的阈值电压T_s使得光电二极管10的电压在其随时间的整个变化范围内都能够被读出，并且能够通过这样的耗尽晶体管转换为纯正电压，这可以供常规的读取电路利用。

将光电二极管10反偏压来使用。在拍照之前，在像素外部或内部的发生器产生反向初始电压V_init来对复位晶体管T1供电，这在光电二极管10中建立了该初始反向电压V_init。该操作称为“初始化光电二极管或零复位(RAZ)光电二极管”。

在可选实施例中，初始电压V_init是可编程的。因此，其能够确定光电二极管10的使用范围，该使用范围可以在线性区域开始，或者在混合区域或对数区域中开始(对照图2)，这取决于其承受的光度以及遵循该复位的其使用条件。

接下来，在称为曝光期T_exp的期间，晶体管T1被截止，以便在光电二极管10内感应的光电电流I_λ被照亮，逐渐将电压释放到光电二极管10内。光电二极管10中的初始电压和在曝光结束时获得的电压之间的变化形成了像素1的输出信号。光电二极管10的电压曲线见图2。

光电二极管的时间相关变化范围被分为两个主要区域，定义如下。

如果光强度相对为低，在曝光期结束时，光电二极管保持反偏压。这就是说，光电二极管上的电压保持为正：其中C_PD为光电二极管的结电容，T_exp为曝光时间。因此，这种情况表明光电二极管正工作在线性区域中。

如果相反地光非常强烈，光电二极管将完全放电，而光电二极管上的电压此时变为负：其中k为玻尔兹曼常数，q为元电荷，T为光电二极管的绝对工作温度，I_s表示当二极管在完全没有光的情况下被反向偏置时观察到的反向电流，也称为光电二极管的结的饱和电流。光电二极管上的电压与光强度的对数成比例。这种情况表明光电二极管工作在对数区域。

在曝光后，光电二极管10的电压V_PD因此变为：如果光电二极管10保持在线性区域，那么如果光电二极管进入对数区域，那么

MOS跟随器(follower)30——也称为缓冲放大器——连接在复位晶体管T1和光电二极管10之间。其包括用于读取光电二极管10中的任何极性的电压的装置。这些读取装置包括读取耗尽型NMOS晶体管T2。跟随器30还包括晶体管T3，具有充电功能的晶体管T3包括在像素1内。可选的，晶体管T3位于像素1外部。将充电T3放置在像素1内的布局比将其放置在像素1外部更加稳定。

这里，读取耗尽型NMOS晶体管T2在其导通的整个范围内被使用，以转换光电晶体管10上读取的电压的电平，以便获得形成输出信号的电压，该输出信号可以被使用该输出信号的电路利用。

为了将跟随器30的输出信号在通信总线40上传输，跟随器30可选地通过被称为选择晶体管的第四晶体管T4连接到总线40上，第四晶体管被连接到晶体管T4的栅极的选择信号SEL导通。该选择机制使得能够到达像素阵列中的一个确定像素。在曝光结束时，通过该SEL信号来获得第一读取L1。该读取给出了光电二极管10的最终电压加上由电压跟随器30提供的转换偏移部分V_offset。

在曝光期结束时，复位晶体管T1被重新导通。在复位晶体管T1的重新导通期间进行第二读取L2，或者在复位晶体管T1的重新导通结束时立即进行第二读取L2。该读取L2给出了光电二极管10的初始电压加上电压跟随器30的偏移部分V_offset。

这两个读取的值之间的差给出了像素1内的没有电压跟随器30偏移的图像信号。图4a给出了像素1的工作时序图。

在该实施例的情况中，像素结构1仅使用了单一类型的晶体管20。这抑制了对于绝缘情况的需要，其中在相同的像素1内同时有NMOS和PMOS晶体管时需要绝缘，并且这在像素1内的空间中提供了显著的增益。通过节省有用的表面区域这能够不减少光电二极管10且因此能够提高光电性能。

本发明的另一个目的是提供至少一种像素结构，其可以利用光电二极管的整个变化范围，这意味着除了可以利用线性区域，还可以利用光电二极管上的电压为负的混合和对数部分。

现在，利用单一类型的晶体管的紧凑像素通常仅读取照明的光电二极管的正电压。

因此本发明的另一个目的在于提供至少一种像素结构，其能够利用单一类型的晶体管来利用光电二极管的所有变化区域。

参照图4b-8b，我们将描述本发明的第二实施例。

根据本发明的该第二特定实施例，像素结构1包括：

-光电二极管10，其具有结电容C_PD，这是通过N型扩散到P型衬底中形成的，

-晶体管20，包括至少一个NMOS型复位晶体管T1，

-用于读取被照亮的光电二极管10中的任何极性的电压的装置，

-电容性耦合电容器50。

该第二像素结构1提出了利用光电二极管10的全部变化范围，其中不使用任何耗尽型NMOS晶体管T2。

像素1的操作与第一结构相同：通过导通晶体管T1将光电二极管10复位到参考电压，然后当晶体管T1被截止时，光电二极管10在曝光期放电，在曝光期结束时进行光电二极管10的电压的两个读取，一个读取是在重新导通晶体管T1之前而另一个是在重新导通晶体管T1之后或重新导通晶体管T1过程中。这两个读取的值之间的差给出了干净的图像信号，因为其不带有在像素1内的电压跟随器30的偏移。

相对于第一像素结构1，其区别在于如下事实：光电二极管10的阴极不是连接到读取耗尽型NMOS晶体管T2，而是通过电容性耦合电容器50耦合到具有正阈值电压T_s的常规读取NMOS型晶体管T2。因此在读取晶体管T2的输入处的电压是光电二极管10的电压和串联的电容50的电压的和。取决于电容器50内的电荷的数量和极性，能够将光电二极管10的电压转换到可由读取晶体管T2控制的范围内。在电容器50内建立合适的电荷量使得读取晶体管T2能够读取光电二极管10在其整个变化范围内的电压，以便获得的电压总是大于读取NMOS晶体管T2的阈值电压T_s。

提出了不同的方法来在像素1内的耦合电容器50上建立合适的电压。

第一个方法在图6a-6e中图示，包括：将读取晶体管T2的输入(栅极)通过电阻器60连接到值大于读取晶体管T2的阈值电压T_s的正电压，电阻器60包括NMOS晶体管TR并且连接到正电压源70。电阻器60为确定值R，使得时间常数RC例如比在曝光结束时的两个读取L1、L2之间的时间间隔大十倍，其中C为耦合电容器50的电容。以此方式，实际上在两个读取之间在电容器50上没有电荷损失，然后图像信号被可靠地重新传输到读取晶体管T2的输入。

可选地，如图6e所示，晶体管TR在其栅极被电压源72供电，而其漏极连接到电压源70。两个电压源70和72可以是相同电压或不同电压。

在该第一个方法的范围内，第一读取测量了在跟随器30的输出处的电压，该电压基本上等于V_DD-V_th，其中V_DD为供电电压70，V_th为晶体管TR的阈值电压。跟随器30的输出表示为：(V_DD-V_th)-V_offset。该读取的值接着存储在模拟或数字存储器中，存储器可以建立在包括像素的芯片上或者在像素外部的芯片上。

第二读取以与本发明的第一实施例相同的方式实现：通过导通RAZ信号。当第二次导通RAZ信号时，光电二极管10上的电压被重新复位到V_init。这使得光电二极管10上的电压发生变化，如果光电二极管10保持在线性区域，那么变化为如果光电二极管10进入对数区域，那么变化为光电二极管10的电压的该正向变化还通过电容器50产生了在跟随器30的输入处的正向变化，该正向变化立即阻止了晶体管60。在电压跟随器30的输入处的变化值等于其中C_T表示在跟随器30的输入处的等效寄生电容，C为电容器50的电容。

在复位晶体管T1重新导通后在跟随器30的输出处的电压变化可以如下方式表示：

$(V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{th}})-V_{\mathrm{offset}}+\eta *\Delta V_{\mathrm{PD}}\frac{C}{C+C_T}$

其中η表示跟随器30的增益。完成该值的读取，但从第一个读取的值中减去该值：(V_DD-V_th)-V_offset。以此方式，获得图像信号：该信号与光电二极管10上的图像信号是线性的；换句话说，这两个信号之间的变化是保持的。

可选地，在形成集成晶体管20之后将电阻器60制成薄层。

第二个方法在图7a和7b中图示，包括：利用在电绝缘体中的点状导电性。该点状导电性来自不同的物理现象：

1.电离辐射，

2.冷电子的隧道效应，

3.热点子的效应。

在该情况中可以为电容器50增加电荷注射装置，其以受控(隐式或显式)方式在该电容器50内建立合适量的电荷。该电荷注入可以以两种方式完成：

1.通过在紫外线辐射下将正电荷注射到连接到电压跟随器30的电容器50的板51上，在耦合电容器50上建立偏移电压(图7a)，

2.通过隧道效应在连接到常规NMOS型电压跟随器30的电容器50的板51上注射正电荷，来在耦合电容器50上施加过电压(图7b)。

如图8a中所示，可以利用光电二极管10的阴极11，例如耦合电容器50的板51、53中的一个，来减小光电二极管10的暗电流(darknesscurrent)。为此，晶体管T1的源极S的N扩散与光电二极管10的N扩散融合。该物理布局抑制了光电二极管10上的欧姆接触的需要，从而防止了光电二极管10出现潜在的与构成接触有关的物理损坏，并减少了通过光电二极管的反向电流I_s。

可选地，电容器50可以具有晶体管20，晶体管20的漏极D或源极S或两者与光电二极管10的N扩散相接(见图8b)。

在本发明的两个特定实施例中，利用了光电二极管10的整个变化范围。

当光电二极管10在对数区域变化时，光电二极管10的负电压可能引起复位晶体管T1的不知不觉地导通，在得到的图像上造成固定或可变噪声，从而很大地降低了图像的质量。为了克服此缺陷，在曝光期间在晶体管T1的栅极G上施加负电压。该负电压抑制了晶体管T1的寄生传导以将其截止。该负电压可以由外部供电源提供，或者由设置在包括像素1的CMOS传感器内部的发生器提供。

在图10中图示了将本发明的像素结合到(m+1)行(n+1)列的二维阵列布局中。该图以非排他性的方式图示了一个特定实施例，其遵循对本发明的像素结构1的描述，本领域技术人员可以很容易地由其联想到其他设计。

该布局如下工作：通过将地址Y_i施加给选址电路Y来选择一行像素。该行像素Y_i的输出连接到列读取总线COL。通过导通信号L1将该行的输出采样并存储到模拟存储器MA1中。然后使能信号RAZ_G，也使得所选择的行Y_i的像素复位到零。通过信号L2将该行的输出采样到第二模拟存储器MA2中。一旦该行访问阶段完成，对地址X被应用到选址电路X。模拟存储器MA1和MA2的内容通过总线OB1和OB2被引导到差分放大器。该差分放大器产生一差值，其能够抑制读取中的偏移误差。

当然本发明不限于如上描述的特定实施例，而是可以扩展到与其精神吻合的所有可选方式。

可选地，非受限的和非排他性的，晶体管T1、T2、T3、T4和TR为PMOS型。