[发明专利]4T CMOS成像器像素中的暗电流和溢出抑制方法和设备

说明书

技术领域

本发明大体上涉及半导体装置，且更确切地说，涉及成像器像素中的暗电流和溢出抑制。

背景技术

CMOS图像传感器正越来越多地被用作成本相对较低的成像装置。CMOS图像传感器电路包含像素单元的焦平面阵列，其中每个像素单元包含光电转换装置，例如光电门、光电导体或光电二极管，光电二极管在用于积累光产生的电荷的衬底内具有相关联的电荷积累区。每个像素单元可包含用于将电荷从电荷积累区转移到感测节点的晶体管，和用于在电荷转移之前将感测节点重设成预定电荷电平的晶体管。像素单元还可包含：源极跟随器晶体管，用于接收并放大来自感测节点的电荷；以及接入晶体管，用于控制从所述源极跟随器晶体管读出单元内含物。

在CMOS图像传感器中，像素单元的有源元件执行以下必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)积累图像电荷；(3)将电荷转移到读出节点；(4)将感测节点重设成已知状态；(5)选择像素以供读出；和(6)输出并放大来自感测节点的表示像素电荷的信号。

上述类型的CMOS图像传感器一般参见以下文献：Nixon等人所著的“256×256CMOS Active Pixel Sensor Camera-on-a-Chip，”(IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.31(12)，第2046页到2050页(1996))；和Mendis等人所著的“CMOS Active Pixel ImageSensors，”(IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.41(3)，第452页到453页(1994))。参看转让给Micron Technology，Inc.的第6,140,630号、第6,177,333号、第6,204,524号、第6,310,366号、第6,326,652号和第6,333,205号美国专利，所述专利的内容以引用的形式并入本文中。

图1A中展示典型的四晶体管(4T)CMOS成像器像素150。像素150包含光电转换装置100(其可实施为带引脚的光电二极管)、转移晶体管110、浮动扩散区FD、重设晶体管120、源极跟随器晶体管130和行选择晶体管180。当通过转移栅极控制信号TX激活转移晶体管110时，光电转换装置100通过转移晶体管110连接到浮动扩散区FD。

重设晶体管120连接在浮动扩散区FD与像素电源电压Vpix之间。用重设控制信号RST激活重设晶体管120，如此项技术已知，所述重设晶体管120将浮动扩散区FD重设成像素电源电压Vpix电平。

源极跟随器晶体管130的栅极连接到浮动扩散区FD，且源极跟随器晶体管130连接在阵列电源电压Vaa与行选择晶体管180之间。源极跟随器晶体管130将存储在浮动扩散区FD处的电荷转换成电输出电压信号PIX OUT。行选择晶体管可受行选择信号SEL控制，用以将源极跟随器晶体管130及其输出电压信号PIX OUT选择性地连接到像素阵列的列线190。

图1B说明图1A中所说明的像素150的读出和光电荷汇集操作的简化时序图。图1B说明第一读出周期181，其中读出像素150的先前存储的光电荷。在这个第一读出周期181期间，脉冲重设控制信号RST以激活重设晶体管120，所述重设晶体管120将浮动扩散区FD重设成像素电源电压Vpix电平。当SEL信号为高时，脉冲采样与保持重设信号SHR，以便在采样与保持电路(图1A或1B中未图示)的采样与保持电容器上存储重设信号Vrst(对应于重设浮动扩散区FD)。接着，将转移控制信号TX激活，以便允许将来自光电转换装置100的光电荷转移到浮动扩散区FD。当SEL信号保持高时，脉冲采样与保持像素信号SHS，以便将来自像素150的像素信号Vsig存储在采样与保持电路的另一采样与保持电容器上。

在汇集周期191期间，将重设控制信号RST、转移控制信号TX和采样与保持信号SHR、SHS设置成接地电位GRND。在汇集周期191期间，光电转换装置基于入射在光电转换装置上的光积累光电荷。在汇集周期191之后，开始第二读出周期171。在第二读出周期171期间，读出像素150的在汇集周期191中积累的光电荷(如上文针对周期181所描述的)。