[发明专利]大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构

说明书

技术领域

本发明涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、低成本和高集成度的优点，并且由于其制造流程与标准CMOS工艺兼容，CMOS图像传感器得以迅速发展，现已成为研究的热点。

使用表面箝位光电二极管(Pinned Photodiode)的四管像素(4T)是当前CMOS图像传感器的主流。由传输管(TX)、复位管(RST)、源跟随器(SF)、选择管(SEL)以及光电二极管(PPD)和浮空扩散节点(FD)组成。图1是4T像素的基本结构示意图。在P型衬底a上，由N埋层b与表面高掺杂的P型箝位层c构成的箝位光电二极管PPD结构。d为传输管栅极，其开闭控制着由PPD产生的光生电子向浮空扩散节点e区中的转移，f为复位管的栅极。g为源跟随器。h为选择管。

4T像素简要工作原理如下：

首先通过d、f打开使得N埋层内部电子被耗尽，这时N埋层b将处于空阱状态，而浮空扩散节点e也将处于高电位。此时浮空扩散节点的电位通过源跟随器g，选择管h，作为相关双采样(CDS)的第一个信号被输出至总线。

其次，关断d、f，PPD在光的激励下将逐渐产生光生电子，经过一定的积分时间(即曝光时间)，积累了足够多的光生电子，这时打开d，N埋层中的电子将转移至浮空扩散节点e中，浮空扩散节点将转移来的光生电子转换为相应的电压信号，经过源跟随器g，最后通过选择管h将光信号作为相关双采样(CDS)的第二个信号转移至总线。

最后，两个CDS的输入信号由后续电路做差，得到表征相应光信号的模拟值，交由后续的ADC转化为数字量，经过处理之后得到所需要的图像。

通常，在消费类电子产品中，为了更好的提高产品的性价比、缩小产品的体积，增加便携性，更多的会考虑使用小像素的设计方案。而现今关注的热点是小像素下的背光技术。

但是大像素也有着小像素不可替代的优势。同等条件下大像素的阱容量更大，更适合于使用在低照度的情况下，例如深海、外太空、夜视等领域。另一方面，对大像素而言，由于光生电子的增多，各种噪声对像素本身的影响相对减小，像素本身的信噪比相对小像素而言大大提高。因此大像素也有着自身不可替代的优势，对大像素的研究同样有着重要的实际意义。

对于像素而言，光电二极管(PPD)中的光生电荷能否完全、快速的转移到FD，是一个很重要的问题。如果光生电荷不能在转移时间内完全转移，那么残留在PPD内部的电荷将会留在下一帧的时候输出，将图像信息延迟到下一幅图像，严重影响着成像质量，尤其在捕捉移动目标或用于特定传感器(例如时间延迟积分型图像传感器)中将会变得异常突出。因此，提高电荷转移效率是大尺寸像素设计中需要考虑的重要问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，在大尺寸像素下，实现光生电荷的快速、完全的转移，从而提高图像传感器的性能，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种大尺寸像素电荷快速转移的CMOS图像传感器像素结构，由传输管TX、复位管RST、源跟随器SF、选择管SEL以及光电二极管PPD和浮空扩散节点FD组成，浮空扩散节点FD为n个，均布在光电二极管PPD地周围，每个浮空扩散节点FD都带有自身的复位管RST，n个浮空扩散节点FD之间通过导线相连，然后共同依次连接源跟随器、选择管，每个浮空扩散节点FD分别通过各自的传输管TX连接到光电二极管PPD。

所述浮空扩散节点FD为2个，设置在光电二极管PPD箝位层的两端位置。

本发明的技术特点及效果：

本发明提出了一种能够提高大尺寸像素电荷转移效率的像素结构，通过引入多个传输管与浮空节点，可等效拓宽电子由光电二极管向浮空扩散节点转移的通道；多个传输管与浮空节点以光电二极管的中心点为中心，近似对称摆放，可缩短电子转移的距离。使用该结构，可使电子转移效率增加。本发明涉及的方法并未引入复杂的电路设计，仅对像素结构进行了优化，不需引入附加的光刻板和离子注入，实现简单。

附图说明

图1四管(4T)像素基本结构。

图2本发明两个FD结构示意图。图中的连线及连线连接的箭头表示：通过导线将两个FD连接，并经过之后的SF输出到列总线。

图3本发明两个FD结构等效电路图。

具体实施方式