专利名称：Cmos图像传感器全局曝光像素单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器全局曝光
像素单元。
背景技术：
CMOS图像传感器已广泛应用于军事和民用领域，如军事侦察、空间遥感成像、飞行器导航、数码照相机、安防监控及自动控制等。CMOS图像传感器在军、民市场都大有取代 CCD的趋势。对于CMOS图像传感器来说，通常有两种曝光方式滚动曝光(Rolling Shutter) 和全局曝光(GlcAal Shutter)。采用全局曝光方式的CMOS图像传感器更有利于高速运动物体的成像。在现有技术中，全局曝光CMOS图像传感器主要采用专利号为US 7，129,979B1 的美国专利中的五管(5T)像素单元。五管全局曝光像素单元主要存在以下几个缺点(1)信号读出时无法实现真正的相关双采样(CDQ，从而不能有效的消除转换节点(FD)的复位噪声，导致像素的读出噪声较大。现有的工业级全局曝光CMOS图像传感器噪声在30 100个电子，而高端全局曝光CXD的噪声为1 10个电子。(2)转换节点(FD)的漏电较大，使得后读出的像素单元不能保存完整的信号电荷，恶化了图像的质量。(3)由于转换节点(FD)紧邻感光器件光电二极管，对光照比较敏感，因此易于受光照影响，避光效率(Shutter efficiency)较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是为了解决CMOS图像传感器中现有全局曝光像素噪声大的问题，提供一种低噪声、大动态范围、小像素面积、高避光效率的CMOS图像传感器全局曝光像素单元。该像素噪声低，动态范围大，电路结构简单易于实现，只占用很小的像素面积，避光效率高，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。( 二 )技术方案为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管1、信号读出电路2、信号放大电路3、信号采样保持电路4和信号输出电路5，其中所述光电二极管1，用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；所述信号读出电路2，用于读出光电转换完成后所述光电二极管1中的电信号，并将其保存在节点FD，所述节点FD的信号被所述信号放大电路3放大；所述信号放大电路3，含有一个运算放大器，用于对所述节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给所述信号采样保持电路4 ；
所述信号采样保持电路4，用于对所述信号放大电路3的输出信号进行采样保持；所述信号输出电路5，用于采样所述信号采样保持电路4中采样保持的信号，并输
出ο上述方案中，所述光电二极管1的正极接地，输出端连接于所述信号读出电路2的输入端，采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。上述方案中，所述信号读出电路2含有一个传输管及一个复位管，当所述传输管与所述复位管同时导通时所述光电二极管1被复位；当所述传输管关断，所述复位管导通时，所述节点FD被复位；当所述传输管导通，所述复位管关断时，所述光电二极管1中存储的信号电荷经所述传输管传送到所述节点FD。所述复位管为N型MOS管或P型MOS管。上述方案中，对于所述信号放大电路3含有的运算放大器，当需要放大所述节点 FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。上述方案中，所述信号采样保持电路4含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，其中第一采样保持电容，用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号；第二采样保持电容，用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样(CDQ来降低节点FD的复位噪声。所述第一采样保持电容和所述第二采样保持电容均采用MOS电容、MIM电容或PIP电容。上述方案中，所述信号输出电路5含有一个源随管及一个行选通管，其输出端接后续的信号处理电路，且该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成源极跟随读出电路。所述行选通管在行选控制信号的控制下将采样所述信号采样保持电路 4中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输出给后续信号处理电路。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点及有益效果(1)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，含有一个运算放大器对节点FD所存储的信号进行放大，其增益A >1，因此可以降低像素中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，从而降低了像素的总噪声，提高了动态范围。(2)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号，而第二采样保持电容用于采样保持节点FD 的复位信号，可以在后续信号处理电路中实现相关双采样来降低节点FD的复位噪声及像素间的非均勻性。因此降低了像素的总噪声，提高了动态范围。(3)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容 CS及第二采样保持电容CR可以取得远大于节点FD的寄生电容，两个采样保持电容自身的复位噪声小，进一步降低了像素的总噪声，提高了动态范围。(4)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容 CS及第二采样保持电容CR可以取得远大于节点FD的寄生电容，漏电较小，能更好地保存信号的完整性。(5)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，含有一个运算放大器对节点FD所存储的信号进行放大，其增益A >1，降低了信号采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，因此可以采用较小的第一采样电容和第二采样电容，像素面积小，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。(6)本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其中的第一采样保持电容和第二采样保持电容可以采用MOS电容、MIM电容或PIP电容，它们对光照不敏感，像素的避光效率高。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的结构示意图；图2为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图；图3为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图；图4为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图；图5为依照本发明第二个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。如图1所示，图1为本发明提供的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的结构示意图，该全局曝光像素单元包括依次连接的光电二极管1、信号读出电路2、信号放大电路3、 信号采样保持电路4和信号输出电路5。其中，光电二极管1用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号，该电信号可被信号读出电路2读出。光电二极管1可采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。信号读出电路2含有一个传输管及一个复位管，用于读出光电转换完成后光电二极管中的电信号，并将其保存在节点FD，节点FD的信号被信号放大电路3放大。当传输管与复位管同时导通时光电二极管1被复位；当传输管关断，复位管导通时，节点FD被复位； 当传输管导通，复位管关断时，光电二极管1中存储的信号电荷经传输管传送到节点FD。复位管既可以为N型MOS管，也可以为P型MOS管。信号放大电路3含有一个运算放大器，对节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给信号采样保持电路。当需要放大节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。两种工作模式，降低了运算放大器的功耗。该运算放大器工作在放大模式下的增益A > 1，降低了信号采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容的复位噪声，因此可以采用较小的第一采样电容和第二采样电容，减小了像素面积，适合于大规模全局曝光CMOS图像传感器。信号采样保持电路4含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容，用于对信号放大电路的输出信号进行采样保持，然后传送给信号输出电路。第一采样保持电容用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号，而第二采样保持电容用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样(CDQ来降低节点 FD的复位噪声。第一采样保持电容和第二采样保持电容可以采用MOS电容、MIM电容或PIP 电容，它们对光照不敏感，因此大大提高了像素的避光效率。第一采样保持电容和第二采样保持电容取值远大于节点FD的寄生电容，两个采样保持电容自身的复位噪声小，并且它们漏电较小，能更好地保存信号的完整性。信号输出电路5含有一个源随管及一个行选通管。该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成了源极跟随读出电路。行选通管在行选控制信号的控制下将采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输送给后续信号处理电路。下面通过具体实施例并结合附图对本申请进行详细的描述实施例1 如图2所示，图2为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的电路图。光电二极管1由一个掩埋层光电二极管PPD组成。信号读出电路2由一个N 型MOS传输管Mtc及一个P型MOS复位管Mkst组成。信号放大电路3由两个P型MOS管M1, M2组成，这两个P型MOS管构成一个运算放大器。信号采样保持电路4由第一 P型MOS开关管Msi，第二 P型MOS开关管Ms2，第一采样保持电容CS及第二采样保持电容CR组成。信号输出电路5由一个N型MOS源随管Msf及一个N型MOS行选通管Msa组成。像素外电流源IS构成了信号输出电路5的负载。图2所示的全局曝光像素单元电路的连接关系如下掩埋层光电二极管PPD的正极接地，掩埋层光电二极管PPD的负极接N型MOS传输管Mtc的漏极，N型MOS传输管Mtc的栅极接电荷传输控制信号TG，N型MOS传输管Mtc的源极、P型MOS复位管Mkst的漏极、P型 MOS管M1的栅极相互连接于节点FD，P型MOS复位管Mkst的源极接复位电压VK，P型MOS复位管Mkst的栅极接复位控制信号RST，P型MOS管M1的源极接电源电压VDD，P型MOS管M1 的漏极、P型MOS管M2的源极、第一 P型MOS开关管Msi的漏极相互连接，P型MOS管M2的栅极接运算放大器的使能控制信号BP，P型MOS管M2的漏极接地，第一 P型MOS开关管Msi 的栅极接第一采样保持控制信号Si，第一 P型MOS开关管Msi的源极、第二 P型MOS开关管 Ms2的漏极、第一采样保持电容CS的上极板相互连接，第一采样保持电容CS的下极板接地， 第二 P型MOS开关管Ms2的栅极接第二采样保持控制信号S2，第二 P型MOS开关管Ms2的源极、N型MOS源随管Msf的栅极、第二采样保持电容CR的上极板相互连接，第二采样保持电容 CR的下极板接地，N型MOS源随管Msf的漏极接电源电压VDD，N型MOS源随管Msf的源极接 N型MOS行选通管Msa的漏极，N型MOS行选通管MSEl的栅极接行选控制信号SEL，N型MOS 行选通管Msa的源极、后续信号处理电路中用于接收像素单元输出信号的电路的输入端及像素外电流源IS的输入端相互连接于输出节点OUT，像素外电流源IS的输出端接地。
图2所示电路的所有控制信号工作过程如图3所示，图3为依照本发明第一个实施例的CMOS图像传感器全局曝光像素单元的控制时序图。在图3中复位控制信号RST电位从高跳变为低，控制P型MOS复位管Mkst导通，将节点FD的电位设为复位电压Vr ；在复位控制信号RST电位从高跳变为低之后，电荷传输控制信号TG电位从低跳变为高，控制N型 MOS传输管Mtc导通，使得掩埋层光电二极管PPD全耗尽，完成掩埋层光电二极管PPD的复位。掩埋层光电二极管PPD经过充足的复位时间，电荷传输控制信号TG电位从高跳变为低， 控制N型MOS传输管Mtc关断，光子被掩埋层光电二极管PPD吸收，产生光电子，这些光电子被掩埋层光电二极管PPD收集，曝光开始。接着复位控制信号RST电位从低跳变为高，控制 P型MOS复位管Mkst关断，节点FD处于浮空状态。在一定的曝光时间后，第一采样保持控制信号Sl与第二采样保持控制信号S2的电位从高跳变为低，分别控制第一 P型MOS开关管Msi及第二 P型MOS开关管Ms2导通；然后复位控制信号RST电位再次从高跳变为低，控制P型MOS复位管Mkst导通，将节点FD的电位设为复位电压\，对节点FD复位；在P型MOS复位管Mkst导通期间，运算放大器的使能控制信号BP电位从高跳变为低，使得运算放大器工作于放大状态。复位控制信号RST电位再次从低跳变为高后，节点FD的复位完成，复位后节点FD 的电压为
权利要求
1.一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管(1)、信号读出电路O)、信号放大电路(3)、信号采样保持电路(4)和信号输出电路(5)，其中所述光电二极管(1)，用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；所述信号读出电路O)，用于读出光电转换完成后所述光电二极管(1)中的电信号，并将其保存在节点FD，所述节点FD的信号被所述信号放大电路( 放大；所述信号放大电路(3)，含有一个运算放大器，用于对所述节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给所述信号采样保持电路；所述信号采样保持电路G)，用于对所述信号放大电路(3)的输出信号进行采样保持；所述信号输出电路(5)，用于采样所述信号采样保持电路中采样保持的信号，并输出ο
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述光电二极管(1)的正极接地，输出端连接于所述信号读出电路( 的输入端，采用普通光电二极管或掩埋层光电二极管。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述信号读出电路( 含有一个传输管及一个复位管，当所述传输管与所述复位管同时导通时所述光电二极管(1)被复位；当所述传输管关断，所述复位管导通时，所述节点FD被复位；当所述传输管导通，所述复位管关断时，所述光电二极管(1)中存储的信号电荷经所述传输管传送到所述节点FD。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述复位管为N型MOS管或P型MOS管。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，对于所述信号放大电路C3)含有的运算放大器，当需要放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在放大模式；当不需放大所述节点FD的信号时，该运算放大器工作在休眠模式。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述信号采样保持电路(4)含有第一开关管、第二开关管、第一采样保持电容及第二采样保持电容， 其中第一采样保持电容，用于采样保持目标图像光信号转换成的电信号；第二采样保持电容，用于采样保持节点FD的复位信号，以在后续信号处理电路中实现相关双采样来降低节点FD的复位噪声。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述第一采样保持电容和所述第二采样保持电容均采用MOS电容、MIM电容或PIP电容。
8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述信号输出电路( 含有一个源随管及一个行选通管，其输出端接后续的信号处理电路，且该源随管、行选通管及位于该全局曝光像素单元外的电流源构成源极跟随读出电路。
9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器全局曝光像素单元，其特征在于，所述行选通管在行选控制信号的控制下将采样所述信号采样保持电路中第一采样保持电容及第二采样保持电容上保持的信号，并输出给后续信号处理电路。
全文摘要
本发明公开了一种CMOS图像传感器全局曝光像素单元，包括依次连接的光电二极管、信号读出电路、信号放大电路、信号采样保持电路和信号输出电路，光电二极管用于采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号；信号读出电路用于读出光电转换完成后光电二极管中的电信号，并将其保存在节点FD，节点FD的信号被所述信号放大电路放大；信号放大电路含有一个运算放大器，用于对节点FD所存储的信号进行放大，放大后的信号输出给信号采样保持电路；信号采样保持电路用于对信号放大电路的输出信号进行采样保持；信号输出电路用于采样信号采样保持电路中采样保持的信号并输出。利用本发明，解决了CMOS图像传感器中现有全局曝光像素噪声大的问题。
文档编号H04N5/378GK102447848SQ201210014829
公开日2012年5月9日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者吴南健, 周杨帆, 曹中祥, 李全良, 秦琦 申请人:中国科学院半导体研究所