像素单元及图像传感器的制作方法

1.本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种像素单元及图像传感器。


背景技术：

2.cmos图像传感器(cis)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。cis性能主要取决于像素单元的性能，要获得更高的动态范围和低照成像质量，就需要进一步降低像素单元的噪声。目前普遍应用的四管像素单元的输出晶体管的类型均为n型，由于其源极跟随特性，增益小于1，对像素单元的噪声无抑制作用。
3.目前，主要有两种方式降低像素单元的噪声，第一种是通过增大输出晶体管的尺寸降低像素单元的噪声，但这会使像素单元里感光二极管的面积减小，降低了感光效率；第二种是通过增加像素输出端的电容以进行低通滤波，这可以将像素输出路径的带宽降至很低以达到滤除噪声的效果，但这也导致像素单元的整体面积增大，使得像素信号的建立时间变长。
4.因此，本发明提出了一种像素单元及图像传感器，以在几乎对像素单元的面积没有影响的前提下抑制像素单元的噪声。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种像素单元及图像传感器，以解决现有技术中由于抑制像素单元的噪声所带来的整体面积增大、像素信号建立时间变长的问题。
6.第一方面，本发明提供一种像素单元，包括：感光单元、传输单元和噪声处理单元；所述感光单元生成光电子；当所述传输单元导通时，所述光电子通过所述传输单元传输至浮置扩散区；所述噪声处理单元用于根据所述浮置扩散区的电位变化输出像素信号、以及增强像素单元的输出增益。
7.其有益效果在于：本发明通过所述噪声处理单元增加了像素单元的输出增益，进而降低了像素单元的噪声，并且当像素单元的输出增益增加时，其输出端的电容会得到有效降低，相比于背景技术中通过增加像素单元输出端的电容以得到滤除噪声的目的来说，降低了像素单元的整体面积，使得像素信号的建立时间变短。
8.可选地，所述噪声处理单元，包括：放大单元、分压单元以及滤波单元；所述放大单元根据所述浮置扩散区的电位变化输出所述像素信号；所述分压单元用于在所述像素单元的复位阶段拉低所述浮置扩散区和所述感光二极管的电位；所述放大单元与所述分压单元、滤波单元配合用于增强所述像素单元的输出增益，以降低所述像素单元的噪声；所述滤波单元用于提高像素信号输出的稳定性。其有益效果在于：本发明在像素单元的复位阶段，浮置扩散区和光电二极管的通过分压单元被拉至低电位，会降低像素单元的整体功耗。
9.可选地，所述放大单元包括：复位晶体管、放大晶体管和选通晶体管，所述复位晶体管、放大晶体管和所述选通晶体管均为p型晶体管；所述复位晶体管的源极以及所述放大晶体管的栅极均连接所述浮置扩散区，所述复位晶体管的漏极和所述选通晶体管的漏极均
连接所述分压单元的一端、所述滤波单元的一端，所述复位晶体管的栅极接收所述复位信号，所述复位晶体管根据所述复位信号对所述浮置扩散区的电位进行复位；所述放大晶体管的漏极连接所述选通晶体管的源极，所述放大晶体管的源极连接所述电源；所述选通晶体管的栅极接收读取方式控制信号，所述选通晶体管用于根据所述读取方式控制信号控制所述像素单元所在的像素阵列的读取方式。其有益效果在于：本发明所提供的复位晶体管、放大晶体管和选通晶体管均为p型晶体管，可以设计为同一尺寸，有利于降低像素信号的偏移，另采用以p型晶体管为主的设计可以避免像素单元的工作电压超过像素单元的电源电压，省去了传统图像传感器中的高压电荷泵。
10.可选地，所述分压单元包括至少一个电阻，所述像素单元的输出增益等于所述分压单元的有效电阻值与所述放大晶体管的跨导的乘积。其有益效果在于：本发明所提供的像素单元通过分压单元取缔了现有技术中通常会在像素单元的输出线路上设置的电流源，在一定程度上降低了像素单元的面积。
11.可选地，所述分压单元还包括至少一个开关，通过控制所述分压单元中的全部所述开关的导通状态，实现对所述分压单元的有效电阻值的调节。
12.可选地，所述滤波单元包括至少一个滤波电容，所述滤波单元的有效电容值的取值范围为1pf—10pf。其有益效果在于：在本发明所提供的像素单元中，因为增益扩大了，所以需要用到的滤波电容减小了，如果达到与现有技术相同的噪声的情况下，所用到的滤波电容的尺寸会大大降低，进一步节省了面积。
13.第二方面，本发明提供一种图像传感器，包括：如第一方面中任一项所述的像素单元以及如第二方面所述的像素单元的读出电路。
14.关于上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的描述。
附图说明
15.图1为一种四管像素单元的读出电路结构示意图；
16.图2为一种四管像素单元的工作时序示意图；
17.图3为本发明提供的一种像素单元的结构示意图；
18.图4为本发明提供的一种像素单元的工作时序示意图。
具体实施方式
19.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。其中，在本技术实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
20.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一
个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
21.在本技术实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
22.图1示出了一种cis标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于cis，它由光电二极管pd1、传输晶体管mtg1、复位晶体管mrst1、放大晶体管msf1、选通晶体管msel1组成。光电二极管pd1会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。传输晶体管mtg1作用是转移光电二极管pd1内的光电子。当传输信号tx1为高电位时，所述传输晶体管mtg1导通，会将光电二极管pd1内的光电子转移到浮置扩散区fd1上。复位晶体管mrst1作用是在复位信号rx1为高电位时，对浮置扩散区fd1的电位进行复位。当sel1信号为高电位时，所述选通晶体管msel1导通，所述放大晶体管msf1、所述选通晶体管msel1与到地的电流源形成通路，此时放大晶体管msf1跟随浮置扩散区fd1电位的变化作为像素单元的像素信号pix_out1以进行输出。
23.图2为图1所示的四管像素单元的工作时序，分为复位(rst)、曝光(exp)、信号读取(read)。在rst阶段，传输信号tx1、复位信号rx1为高电位，所述传输晶体管mtg1和所述复位晶体管mrst1均导通，浮置扩散区fd1复位且其电位被拉高到电源电压vdd1。之后，复位信号rx1、传输信号tx1变为低电位，进入exp阶段，浮置扩散区pd1感光并积累电子。然后，进入read阶段，sel1信号为高电位，复位信号rx1先为高电位，对浮置扩散区fd1的电位进行复位之后，复位信号rx1再拉为低电位，传输信号tx1保持为低电位，此时所述放大晶体管ms1f受控于浮置扩散区fd1电位并输出复位信号vrst1。之后，传输信号tx1拉为高电位，并将光电二极管pd上的电子转移到浮置扩散区fd，此时所述放大晶体管msf受控于浮置扩散区fd1的电位并输出积分信号vsig1，vrst1-vsig1的差值即是光电二极管pd1上光电子对应的模拟电压量。复位信号vrst1、积分信号vsig1的电位由模数转换器(adc)电路转换为数字量并进行减法操作，得到光电二极管pd1上光电子实际对应的数字量。若adc为12位，adc参考电压范围为vref，则最终输出为dout＝vrst1-vsig1
×212
/vref。
24.为了实现发明目的，本发明提供一种像素单元，包括：感光单元、传输单元和噪声处理单元；所述感光单元生成光电子；当所述传输单元导通时，所述光电子通过所述传输单元传输至浮置扩散区；所述噪声处理单元用于根据所述浮置扩散区的电位变化输出像素信号、以及增强像素单元的输出增益。
25.本发明通过所述噪声处理单元增加了像素单元的输出增益，进而降低了像素单元的噪声，并且当像素单元的输出增益增加时，其输出端的电容会得到有效降低，相比于背景技术中通过增加像素单元输出端的电容以得到滤除噪声的目的来说，降低了像素单元的整
体面积，使得像素信号的建立时间变短。
26.在一些实施例中，所述噪声处理单元，包括：放大单元、分压单元以及滤波单元；所述放大单元根据所述浮置扩散区的电位变化输出所述像素信号；所述分压单元用于在所述像素单元的复位阶段拉低所述浮置扩散区和所述感光二极管的电位；所述放大单元与所述分压单元、滤波单元配合用于增强所述像素单元的输出增益，以降低所述像素单元的噪声；所述滤波单元用于提高像素信号输出的稳定性。本发明在像素单元的复位阶段，浮置扩散区和光电二极管的通过分压单元被拉至低电位，会降低像素单元的整体功耗。
27.在一些实施例中，所述放大单元包括：复位晶体管、放大晶体管和选通晶体管，所述复位晶体管、放大晶体管和所述选通晶体管均为p型晶体管；所述复位晶体管的源极以及所述放大晶体管的栅极均连接所述浮置扩散区，所述复位晶体管的漏极和所述选通晶体管的漏极均连接所述分压单元的一端、所述滤波单元的一端，所述复位晶体管的栅极接收所述复位信号，所述复位晶体管根据所述复位信号对所述浮置扩散区的电位进行复位；所述放大晶体管的漏极连接所述选通晶体管的源极，所述放大晶体管的源极连接所述电源；所述选通晶体管的栅极接收读取方式控制信号，所述选通晶体管用于根据所述读取方式控制信号控制所述像素单元所在的像素阵列的读取方式。本发明所提供的复位晶体管、放大晶体管和选通晶体管均为p型晶体管，可以设计为同一尺寸，有利于降低像素信号的偏移，另采用以p型晶体管为主的设计可以避免像素单元的工作电压超过像素单元的电源电压，省去了传统图像传感器中的高压电荷泵。可选地，所述选通晶体管根据所述读取方式控制信号控制所述像素单元所在的像素阵列的读取方式，包括控制所述像素单元所在的像素单元的读取方式是按照一行一行或者一列一列的进行读取，所述选通晶体管在保证读取方式的前提下控制其所在的像素单元的导通或断开，即传输信号或者不传输信号。
28.在一些实施例中，所述分压单元包括至少一个电阻，所述像素单元的输出增益等于所述分压单元的有效电阻值与所述放大晶体管的跨导的乘积。本发明所提供的像素单元通过分压单元取缔了现有技术中通常会在像素单元的输出线路上设置的电流源，在一定程度上降低了像素单元的面积。
29.在一些实施例中，所述分压单元还包括至少一个开关，通过控制所述分压单元中的全部所述开关的导通状态，实现对所述分压单元的有效电阻值的调节。
30.在一些实施例中，所述滤波单元包括至少一个滤波电容，所述滤波单元的有效电容值的取值范围为1pf—10pf。可选地，所述滤波电容的有效电容值为1、2、3、5、7、9、10。在本发明所提供的像素单元中，因为增益扩大了，所以需要用到的滤波电容减小了，如果达到与现有技术相同的噪声的情况下，所用到的滤波电容的尺寸会大大降低，进一步节省了面积。
31.由于本发明采用了pmos管作为像素单元的放大晶体管，为了对该放大器进行复位，需要将放大晶体管的输入和输出短接。而又因为浮置扩散区电位比较高，此处复位晶体管需为pmos管，才能形成良好短接。pmos管的栅极连接浮置扩散区，并从漏极进行输出，这样才能形成共源放大结构。而选通晶体管也采用p型晶体管是为了保证在版图设计上的一致性，可以将选通晶体管、放大晶体管设计为同一个尺寸，有利于降低像素信号的偏移，或者说是减小不同像素信号的随机偏差。另外，采用以pmos为主的设计，可以避免像素单元的工作电压超过像素单元的电源电压，省去了传统图像传感器中的高压电荷泵。
32.为了进一步说明本技术的发明内容在此进行具体示例，如图3示出的像素单元，与图1示出的像素单元的不同之处在于，图3所用的复位晶体管、选通晶体管以及放大晶体管由nmos替换为pmos。放大晶体管msf2栅依然接浮置扩散区fd2，其漏极接选通晶体管msel2的源极，选通晶体管msel2的漏极与复位晶体管的漏极相接，复位晶体管mrx2跨接于浮置扩散区fd2与电阻rs之间。放大晶体管msf2、选通晶体管msel2与电阻rs形成到地的通路，以确定像素信号的电位。结合图4的时序进一步说明，在像素单元的复位阶段rst，传输信号tx2为高电位，复位信号rx2为低电位，读取方式控制信号sel2为高电位，浮置扩散区fd2和光电二极管pd2均被电阻rs拉至低电位。选通晶体管msel2、放大晶体管msf2断开。进入曝光阶段exp，传输信号tx2变低电位，复位信号rx2为高电位，读取方式控制信号sel2为高电位，光电二极管pd2感光并积累电子。进入读阶段read，复位信号rx2为低电位以对浮置扩散区fd2复位，将复位电位vrst2进行输出。此后，读取方式控制信号sel2变低，选通晶体管msel2导通，传输信号tx2为高电位，以将积分信号传至浮置扩散区fd2，此时放大晶体管msf2、选通晶体管msel2构成共源放大结构，并输出积分电位vsig2，复位电位、积分电位的差值用于生成图像信息。由于在积分信号转换过程中，放大晶体管msf2和选通晶体管msel2形成了一个开环的放大晶体管结构，增益为av＝gm
×
rs，其中gm为放大晶体管msf2的跨导，所述放大晶体管msf2的宽长比为现有技术中像素单元的放大晶体管1-2倍，不会对像素单元的整体面积造成很大影响。电阻rs取缔了现有技术中像素单元输出线上的电流源，能够降低1％-5％的面积。
33.根据电阻rs的阻值、放大晶体管msf2的跨导gm的值，可以确定该增益值。传统像素电路的kt/c噪声可以写为其中c
fd
为浮置扩散区fd2对地的电容，k为波尔兹曼常数，k的取值为1.38
×
10-23j/k，t为开氏温度，常温下t的取值为290k。
34.而本发明提出的像素单元的噪声可以写为：
[0035][0036]
可见，提出的像素单元的噪声可以降低倍。考虑到像素单元对于像素信号的输出范围与模数转换器adc输入范围匹配的问题，增益av设置不能过大，一般可以设计为5～20，例如可以设计为5、6、7、8.5、10、12、13、15、16、19、20。若av＝16，那么在达到相同噪声情况下，提出的像素单元可以使输出滤波电容cs的值缩小16倍，进一步节省了面积。相比于现有技术通过增大像素单元的面积或者增大像素单元输出端的电容来实现滤除噪声的目的，本发明在保证滤除噪声的效果的同时，降低了像素单元的整体面积以及滤波电容的值。
[0037]
基于上述实施例所提供的像素单元以及基于上述实施例所提供的像素单元的读出电路，本发明提供一种图像传感器，包括：如基于上述实施例所提供的像素单元以及基于上述实施例所提供的像素单元的读出电路。
[0038]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何在本技术实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。