[发明专利]多重转换增益图像传感器的多电平复位电压

说明书

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且特定来说(但不具排他性)涉及互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。

背景技术

图像传感器已经变得随处可见。它们被广泛用于数码照相机、蜂窝式电话、安全相机，及医疗、汽车及其它应用。用于制造图像传感器及特定用于制造互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器的技术继续大步前进。举例来说，更高分辨率及更低功率消耗的需求已鼓励这些图像传感器的进一步小型化及集成。

图1A是解释说明图像传感器阵列内的四晶体管(“4T”)像素单元100的像素电路的电路图。像素单元100可被重复及组织到图像传感器阵列的行及列中。像素单元100包括光敏二极管101、传输晶体管102、复位晶体管103、源极跟随器(“SF”)晶体管104、行选择(“RS”)晶体管105及浮动扩散(“FD”)节点106。

操作期间，传输晶体管102接收传输信号TX，其导致传输晶体管102将积累在光敏二极管101中的电荷传输到FD节点106。复位晶体管103耦合在电源轨VDD与FD节点106之间以在复位信号RST的控制下使像素单元复位(举例来说，将FD节点106及光敏二极管101放电或充电到预设电压)。浮动扩散节点106耦合到SF晶体管104的栅极端子。SF晶体管104使其通道耦合在电源轨VDD与RS晶体管105之间。SF晶体管104作为源极跟随器操作，提供高阻抗连接到FD节点106。在信号RS的控制下RS晶体管105选择性将像素单元100的输出耦合到位线107(也被称为列读出线)。

图1B是图1A的像素单元100在正常操作期间的时序图110。正常操作时，通过暂时确立复位信号RST及传输信号TX而在复位相位期间使光敏二极管101及FD节点106复位。如图1B可见，在复位相位之后，通过取消确立传输信号TX及复位信号RST，及允许入射光来给光敏二极管101充电而开始集成相位。光敏二极管101的电压或电荷指示在集成周期期间光敏二极管101的入射光的强度。通过确立复位信号RST来使FD节点106复位到复位电压V_RST，在集成相位结束之前开始读出相位。V_RST约等于电源轨VDD减去复位晶体管103的阈值电压V_TH。浮动扩散节点106已被复位之后，行选择信号RS及采样信号SHR(采样-保持-复位)被确立，其通过RS晶体管105及位线107将FD节点106耦合到采样及保持电路(未图示)。复位电压V_RST经采样之后，采样信号SHR被取消确立。集成相位的结束发生在取消确立采样信号SHR之后。传输信号TX然后被确立来耦合光敏二极管101至浮动扩散节点106及SF晶体管104的栅极端子。随着在光敏二极管101上积累的光生电荷载子(例如，电子)被传输到FD节点106，由于电子是负电荷载子，FD节点106处的电压降低。电荷传输完成之后，传输信号TX被取消确立。传输信号TX被取消确立之后，采样信号SHS(采样保持信号)被确立且FD节点106处的电压V_SIG被采样。

当复位信号RST被确立时，在复位相位期间及读出相位的开始，复位晶体管103的通道区被反转且电子被注入通道。当复位信号RST被取消确立时，通道内的一些电荷将被注入到耦合到电源轨VDD的端子且其它电荷将被注入到耦合到FD节点106的端子。电荷注入到FD节点106降低了FD节点106的电势。

图1C是解释说明图1B中解释说明的时间周期期间的FD节点106处的电压的图表。复位相位期间(及当复位电压由采样及保持电路(未图示)采样时读出相位的开始)，复位信号RST被确立且FD节点106被复位来复位电压V_RST。如图1C可见，当复位信号RST被取消确立时，在FD节点106处的电压下降到电荷注入电压V_CI。复位电压V_RST与电荷注入电压V_CI之间的差是ΔV。复位信号RST的电压电平的增加可能导致ΔV的增加。FD节点106的电势下降使浮动扩散电压摆动减小且因此使像素单元100的转换增益减小。复位晶体管中的电荷注入可通过增加复位晶体管的通道长度而减少；然而，这增加像素单元100的尺寸或减少像素单元100的填充因数。电荷注入的有害效果也可以通过降低时钟速度而降低；然而，这导致更低速度的图像传感器。