專利名稱：具有改善信噪比的有源像素傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種圖像傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及適用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的有源像素傳感器(APS)單元。
本發(fā)明要求2004年6月8日于韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的，申請(qǐng)?zhí)枮镹O.10-2004-0041859的韓國專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容包含于本申請(qǐng)，在此作為參考。
背景技術(shù)：
通常，CMOS圖像傳感器(以下稱為“CIS”)包括許多APS單元，其中每個(gè)APS單元都對(duì)應(yīng)于一圖像像素。每個(gè)APS單元從外部光源接收光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
圖(FIG.)1是說明傳統(tǒng)APS單元的電功能的電路圖。圖1的APS單元包括光電二極管PD，電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1，復(fù)位晶體管M2，低選擇晶體管M3，電流轉(zhuǎn)移晶體管M4，和擴(kuò)散電容器Cd。
當(dāng)光電二極管PD被光信號(hào)照射時(shí)，它從所接收的光信號(hào)吸收光子并生成電荷。電荷典型地以電荷對(duì)的形式被生成，電荷對(duì)包括出射的(exited)的電子和空穴，但是術(shù)語“電荷”一直被用于分別表示電荷對(duì)，電子或者空穴。在圖示的例子中，由光電二極管PD生成的空穴易于立即漂移到連接到光電二極管PD第一端(例如，P型電極)的(第一)低電源電壓(例如，地(GND)電位)。反之，由光電二極管PD產(chǎn)生的電子易于保留(即，電子的電荷被聚積)在光電二極管PD的第二端(例如，N型電極)，因?yàn)樵谔囟?lì)條件下，光電二極管PD的電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1的組合形成顯像電荷的能量勢(shì)壘(energybarrier)。
通常，能力勢(shì)壘高到足以捕獲靠近光電二極管PD第二端(N型電極)的PD中的電子。然而，當(dāng)預(yù)定的電壓VTG施加于電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1的柵極時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1被導(dǎo)通，能量勢(shì)壘的高度被降低。響應(yīng)于能力勢(shì)壘高度的降低，由光電二極管PD產(chǎn)生的電子可以通過和穿過電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1。
復(fù)位晶體管M2的第一端被連接到(第二)高電源電壓VDD上，第二端被連接到電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1的第二端。當(dāng)復(fù)位信號(hào)VReset被施加于復(fù)位晶體管M2的柵極時(shí)，顯現(xiàn)在電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1第二端的電壓躍遷到一預(yù)定電平。
低選擇晶體管M3能將相應(yīng)于由光電二極管PD生成的電荷量的電壓傳送到電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵極，并選通去往電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的供電電流。也就是說，高電源電壓VDD被連接到低選擇晶體管M3的第一端，低選擇晶體管M3的第二端被連接到電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的第一端，低選擇信號(hào)VRS被用于選通通過低選擇晶體管M3的電流流動(dòng)。
電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵級(jí)被共同連接到電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1的第二端和復(fù)位晶體管M2的第二端。相應(yīng)于顯現(xiàn)在電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵極的電壓的當(dāng)前Vout從電流轉(zhuǎn)移晶體管M4的第二端輸出。
圖1中所示的擴(kuò)散電容Cd是顯現(xiàn)在電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1的第二端與基底(未示出)之間的浮動(dòng)電容，在該基底上形成傳統(tǒng)的APS單元。擴(kuò)散電容Cd被有意識(shí)地引入電路中，或者在電荷轉(zhuǎn)移晶體管M1和復(fù)位晶體管M2的制造過程中自然地形成。在有意引入的地方，擴(kuò)散電容Cd可以使用許多不同的制造技術(shù)來形成。然而，無論怎樣形成或者為什么被形成，擴(kuò)散電容Cd都易于捕獲或保持由光電二極管PD產(chǎn)生的電子。
在前述的方式中，光子(例如，關(guān)于光的)信號(hào)被接收并由如圖1所示的APS單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。隨后，所得到的電信號(hào)可以以各種方式來處理，以生成表示接收到的光信號(hào)的圖像數(shù)據(jù)。典型地，多個(gè)APS單元產(chǎn)生像素圖像數(shù)據(jù)的相應(yīng)陣列。這個(gè)圖像數(shù)據(jù)的陣列可以以各種方式來操作，并用于在顯示器上生成可視圖像。為了提高所得到的可視圖像質(zhì)量，可以增加APS單元的數(shù)量。也就是說，像素(和相應(yīng)的APS單元)的數(shù)量越多，所得到的可視圖像的分辨率越高。然而，除非組成CIS的總面積被增加到可以容納更多的APS單元，否則，改善的可視圖像像素要求獨(dú)立APS單元尺寸相應(yīng)的減小。這樣，一旦給出限定的或者固定的CIS面積，則改善的圖像質(zhì)量要求APS單元的數(shù)量的增加，并且因此要求APS單元尺寸的相應(yīng)減小。
每個(gè)APS單元占用面積的減少必然要求獨(dú)立APS單元的光接收部分的尺寸減小，(以下APS單元的這些部分將被稱為“光接收部件”，而不管它們實(shí)際的性質(zhì)和組成)。不幸的是，當(dāng)光接收部件的面積被減少時(shí)，更少的光被接收，并且所得到的電子數(shù)量也減少了。這種生成電子的減少降低了從外部提供的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的總效率。該微弱的電信號(hào)以降低的信噪比為特征，并且所得到圖像的質(zhì)量也被降低了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于CIS的有源像素傳感器(APS)單元，其中由具有相對(duì)減少了表面面積的光接收部件生成的電荷，通過電荷放大器而被放大。在一個(gè)實(shí)施例中，APS單元包括光接收部件，以接收光信號(hào)并生成關(guān)于所接收的光信號(hào)的、包含有電子和空穴的電荷。APS單元也包括電荷放大部件，以接收并放大由光接收單元生成的電荷或空穴。
在相關(guān)的實(shí)施例中，光接收部件包括至少一個(gè)光電二極管，其具有連接到第一電源電壓的第一端，和連接到電荷放大部件的第二端。在這點(diǎn)上，第一電源電壓可以是根據(jù)APS單元總體設(shè)計(jì)及其組成元件的類型的高電源電壓或者低電源電壓。
在一個(gè)相關(guān)的實(shí)施例中，電荷放大部件包括雙級(jí)晶體管，其包括連接到第二電源電壓的第一端，連接到光接收部件第二端的基極，和輸出相應(yīng)于從光接收部件接收的電子和空穴的放大形式的電流的第二端。這里，第二電源電壓又可以是由如總體設(shè)計(jì)規(guī)定的高電源電壓或低電源電壓。
在另一個(gè)實(shí)施例中，APS單元還包括連接在第二電源電壓和電荷放大部件之間的單元選擇部件，單元選擇部件響應(yīng)低選擇信號(hào)以供給電流給電荷放大部件。例如，單元選擇部件可以包括，MOS晶體管，其具有連接到第二電源電壓的第一端，連接到電荷放大部件的第二端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極。
在又一個(gè)實(shí)施例中，APS單元還包括復(fù)位部件，其包括連接到電荷放大部件第二端的第一端，和連接到復(fù)位電源電壓的第二端，復(fù)位部件響應(yīng)施加于該復(fù)位部件的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位電荷放大部件的輸出。復(fù)位電源電壓可以是低電源電壓、高電源電壓、或者低電源電壓和閾值電壓的組合電壓。復(fù)位部件可以包括MOS晶體管，其包括連接到復(fù)位電源電壓的第一端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
在又一個(gè)實(shí)施例中，APS單元還包括連接在光接收部件和電荷放大部件之間的電荷轉(zhuǎn)移部件，其響應(yīng)電荷傳送信號(hào)，把電子或者空穴從光接收部件傳送到電荷放大部件。電荷轉(zhuǎn)移部件可以包括MOS晶體管，其具有連接到光接收部件的第一端，連接到電荷放大部件的第二端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極。
在另一個(gè)相關(guān)的實(shí)施例中，光接收部件包括多個(gè)光接收部件。同樣地，電荷轉(zhuǎn)移部件也包括多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移設(shè)備，響應(yīng)多個(gè)控制信號(hào)，以傳送由多個(gè)光接收部件之一各自生成的電子或空穴。多個(gè)光接收部件中的每一個(gè)都包括光電二極管，并且多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移部件設(shè)備中的每一個(gè)可以包括MOS晶體管。
各種各樣的P型或N型設(shè)備和/或電路可以被用于實(shí)施電荷放大部件、單元選擇部件、電荷轉(zhuǎn)移部件、復(fù)位部件和相關(guān)的電流轉(zhuǎn)移部件。相關(guān)于實(shí)施前述內(nèi)容的元件的設(shè)計(jì)選擇，可以作出相應(yīng)的電源選擇。


根據(jù)參照附圖的幾個(gè)示范性的實(shí)施例，以下將對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的描述。貫穿這個(gè)附圖，相同的參考數(shù)字表示相同的元件。在附圖中圖1是傳統(tǒng)有源像素傳感器(APS)單元的電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的APS單元的方框圖；圖3是圖2的APS單元的詳細(xì)方框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元的方框圖；圖5是圖4的APS單元的詳細(xì)方框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖；和圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。
具體實(shí)施例方式
在一個(gè)方面，本發(fā)明專注于從具有更小尺寸有源像素傳感器(APS)單元的CMOS圖像傳感器(CIS)獲得提高的圖像質(zhì)量的需求。也就是說，整體尺寸減小的APS單元允許具有更密集像素陣列的CIS的實(shí)現(xiàn)。更密集像素陣列能夠提供提高的圖像分辨率-假設(shè)從所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)的信噪比保持足夠高。從而，在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種適用于輸出具有高信噪比電信號(hào)的APS單元。
為了概括前述的某些討論，APS單元在光接收部件，例如光電二極管中生成電子和空穴，該光電二極管接收外部供給的光信號(hào)。由光接收部件接收的“光信號(hào)”可以包括一個(gè)或更多從整個(gè)電磁頻譜中選擇的信號(hào)。更具體地，光信號(hào)可以包括一個(gè)或更多具有可視光波長、或者紅外線(或近紅外線)波長的信號(hào)。在APS單元中，由光接收部件生成的電子通過電荷轉(zhuǎn)移晶體管被傳送到擴(kuò)散電容器，并且改變顯現(xiàn)在電流轉(zhuǎn)移晶體管柵極的電壓。
隨后的多個(gè)實(shí)施例以揭示本發(fā)明的制作和使用的形式和例子被示出。然而，與各種實(shí)施例相關(guān)而說明和描述的所有元件，不應(yīng)當(dāng)以某種方式被認(rèn)為對(duì)于本發(fā)明是必不可少的或必須遵循的。例如，分立單元選擇部件、電荷轉(zhuǎn)移部件、復(fù)位部件、和電流轉(zhuǎn)移部件可以有利地包含于給定的設(shè)計(jì)，或者從給定的設(shè)計(jì)中省略。
鑒于前述內(nèi)容，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種改進(jìn)的APS單元，其中由光接收部件生成的電子或空穴在施加于電流轉(zhuǎn)移晶體管的柵極之前被放大，從而提高了信噪比。圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的APS單元的這個(gè)實(shí)施例的方框圖。圖2中的示范性的APS單元通常包括光接收部件210和電荷放大部件220。該示范性的APS單元也可以包括單元選擇部件230。貫穿于整個(gè)說明書使用的術(shù)語“部件”應(yīng)當(dāng)被廣泛地解釋為意指電路、電路部分、電路元件、電設(shè)備、光設(shè)備、和/或電光設(shè)備。
光接收部件210接收光信號(hào)并生成電子和空穴的電荷對(duì)。電荷對(duì)通常在光接收部件210中、與來自所接收的光信號(hào)的照射該部件的光子數(shù)量成比例地產(chǎn)生。因此，具有相對(duì)更小尺寸的光接收部件接收更少量的光，更少的光子，相應(yīng)的生成更少的電荷對(duì)。盡管如此，電荷放大部件220接收并放大由光接收部件210生成的電子或空穴。單元選擇部件230響應(yīng)控制APS單元操作的低選擇信號(hào)VRS將從電源電壓VDD接收的電流供給電荷放大部件220。
電荷放大部件220可以適用于放大電荷或空穴，其中任何一個(gè)可以從光接收部件210傳送到電荷放大部件220。根據(jù)連接到光接收部件210的電壓源的類型來選擇將要被傳送的電荷類型。例如，當(dāng)光接收部件210包括光電二極管，而低電源電壓(例如，GND)被連接到光接收部件210的P型電極上時(shí)，由光接收部件210生成的空穴將移向低電源電壓。作為進(jìn)一步的結(jié)果，由光接收部件210生成地電子被傳送到電荷放大部件220。例如，上述內(nèi)容可以使用與關(guān)于圖1的上述電路一致的電路來完成。然而，在這個(gè)上下文內(nèi)必須做出規(guī)定，以放大由光接收部件210生成的電子。
圖3是示出了圖2的APS單元在某些補(bǔ)充細(xì)節(jié)上的詳細(xì)方框圖。圖3的APS單元包括光接收部件310、電荷轉(zhuǎn)移部件320、電荷放大部件330、單元選擇部件340、電流轉(zhuǎn)移部件350、和復(fù)位部件360。
光接收部件310接收光信號(hào)并相應(yīng)于所接收的光信號(hào)來生成電荷，即，空穴和電子。電荷轉(zhuǎn)移部件320響應(yīng)電荷傳送信號(hào)VTG將電子或空穴傳送到電荷放大部件330。電荷放大部件330接收并放大由光接收部件310生成的已傳送電荷。單元選擇部件340響應(yīng)低選擇信號(hào)VRS，將從電源電壓VDD提供的電流供給電荷放大部件330。實(shí)際上，低選擇信號(hào)VRS確定APS何時(shí)被選擇用于操作。當(dāng)APS單元響應(yīng)低選擇信號(hào)VRS而被選擇時(shí)，電流轉(zhuǎn)移部件350輸出相應(yīng)于由電荷放大部件330放大的已傳送電荷的電流。
復(fù)位部件360響應(yīng)復(fù)位信號(hào)VReset，將電流轉(zhuǎn)移部件350的輸出復(fù)位到預(yù)定值。復(fù)位電源電壓被連接到復(fù)位部件360，并且最好是顯現(xiàn)在APS單元內(nèi)的高電平電源電壓或低電平電源電壓?？蛇x擇地，復(fù)位電源電壓可以是低電源電壓和MOS晶體管的閾值電壓的某種電壓組合。使用的復(fù)位電源電壓的實(shí)際類型將根據(jù)由APS單元使用的雙極晶體管和/或MOS晶體管的類型，以及來自電荷放大部件330輸出電壓值來確定。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元方框圖。圖4的APS單元包括光接收部件410和電荷轉(zhuǎn)移部件420，還可以包括單元選擇部件430。
光接收部件410接收光信號(hào)，并根據(jù)所接收的光信號(hào)來生成電荷對(duì)。電荷放大部件420從光接收部件410接收電子或空穴，并使用電源電壓VDD來放大它們。單元選擇部件430響應(yīng)低選擇信號(hào)VRS，傳送由電荷放大部件420放大的電荷。
圖5是說明圖4的APS單元在某些補(bǔ)充細(xì)節(jié)上的詳細(xì)方框圖。圖5的APS單元包括光接收部件510、電荷轉(zhuǎn)移部件520、電荷放大部件530、單元選擇部件540、電流轉(zhuǎn)移部件550、和復(fù)位部件560。
光接收部件510接收光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收的光信號(hào)的電荷。電荷轉(zhuǎn)移部件520響應(yīng)電荷傳送信號(hào)VTC，將由光接收部件510生成的電子或空穴傳送給電荷放大部件530。電荷放大部件530使用電源電壓VDD來放大所接收的電荷。單元選擇部件540響應(yīng)低選擇信號(hào)VRS，傳送放大的電荷給電流轉(zhuǎn)移部件550。當(dāng)APS單元響應(yīng)低選擇信號(hào)VRS被選擇時(shí)，電流轉(zhuǎn)移部件550輸出相應(yīng)于該電荷的電流。
復(fù)位部件560響應(yīng)復(fù)位信號(hào)VReset，將電流轉(zhuǎn)移部件550的輸出復(fù)位到預(yù)定值。由復(fù)位部件560使用的復(fù)位電源電壓可以是APS單元內(nèi)的高電平電源電壓或低電源電壓?？蛇x擇地，復(fù)位電源電壓可以是低電源電壓和MOS晶體管的閾值電壓的電壓組合。復(fù)位電源電壓的類型是與在APS單元內(nèi)使用的雙極晶體管和/或MOS晶體管的類型相關(guān)地，以及與電荷放大部件330的輸出來確定的。
在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，由光接收部件210、310、410和510生成的電荷對(duì)包括電子和空穴，然而，電荷放大部件220、330、420、，和530通常僅放大電子或空穴。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D6到11中說明的示范性的電路，描述根據(jù)本發(fā)明的APS單元的附加實(shí)施例。如圖6到11所示，這些特定電路將在所選擇示范性的電流轉(zhuǎn)移晶體管M64，M74，M84，M94，M104和M114，以及擴(kuò)散電容Cd6到Cd11的范圍內(nèi)描述。然而，本發(fā)明并不限制于在此描述的教導(dǎo)性的實(shí)例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的APS單元可以被各式各樣地構(gòu)造。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖6的APS單元包括光電二極管PD6、N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M61、N型電荷選擇MOS晶體管M62、PNP型電荷放大雙極晶體管PNP6、N型復(fù)位MOS晶體管M63、N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M64、和擴(kuò)散電容Cd6。
低電源(GND)被連接到光電二極管PD6的P型電極上，一接收到光信號(hào)，電荷對(duì)就在光電二極管PD6中生成。來自這些電荷對(duì)的電子易于聚集在光電二極管PD6的N型電極附近。N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M61的第一端被連接到光電二極管PD6的N型電極上，并且電荷傳送信號(hào)VTG被施加于N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M61的柵極。高電平電源電壓VDD被連接到N型單元選擇MOS晶體管M62，低選擇信號(hào)VRS被施加于N型單元選擇MOS晶體管M62的柵極。PNP型電荷放大雙極晶體管PNP6的第一端被連接到N型單元選擇MOS晶體管M62的第二端，并且它的基底被連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M61的第二端。N型復(fù)位MOS晶體管M63是耗盡型晶體管，其第一端被連接到電源，其電壓等于電壓Vss+Vth，其是低電源電壓Vss和閾值電壓Vth的電壓組合。復(fù)位MOS晶體管M63的第二端被連接到PNP型電荷放大雙極晶體管PNP6的第二端。復(fù)位信號(hào)VReset被施加于N型MOS晶體管M63的柵極。低電源電壓Vss可以等于或小于地電壓GND。
高電平電源電壓VDD被連接到N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M64的第一端，當(dāng)顯現(xiàn)于PNP型電荷放大雙極晶體管PNP6的第二端的電壓被施加于N型MOS晶體管M64的柵極時(shí)，MOS晶體管M64輸出電流。相應(yīng)于輸出電流的電壓是由連接到N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M64的第二端的附加電路(未示出)來確定的。擴(kuò)散電容Cd6可以通過對(duì)許多傳統(tǒng)制造技術(shù)之一的有意識(shí)的應(yīng)用來提供。然而，代替有意地制造擴(kuò)散電容Cd6，在漏/源電極和柵電極之間的重疊區(qū)域的自然出現(xiàn)的寄生電容可以被用作擴(kuò)散電容Cd6。
N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M64與擴(kuò)散電容Cd6的結(jié)構(gòu)和操作，與圖7到11中的用于電流傳送的N型MOS晶體管M74，M84，M94，M104和M114，以及擴(kuò)散電容Cd7，Cd8，Cd9，Cd10，和Cd11的結(jié)構(gòu)和操作是相同的。因而，關(guān)于這些元件的專門描述出于簡(jiǎn)潔的考慮將被省略。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖7的APS單元包括光電二極管PD7，N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M71，N型單元選擇MOS晶體管M72，PNP型電荷放大雙極晶體管PNP7，P型復(fù)位MOS晶體管M73，用于電流傳送的P型MOS晶體管M74，和擴(kuò)散電容Cd7。
低電源電壓(GND)被連接到光電二極管PD7的P型電極上，光電二極管PD7的N型電極接收光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收到光信號(hào)的電荷。N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M71的第一端被連接到光電二極管PD7的N型電極上，并且電荷傳送信號(hào)VTG被施加于N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M71的柵極。高電平電源電壓VDD被連接到N型單元選擇MOS晶體管M72的第一端，并且低選擇信號(hào)VRS被施加于N型單元選擇MOS晶體管M72的柵極。PNP型電荷放大雙極晶體管PNP7的第一端被連接到N型單元選擇MOS晶體管M72的第二端，并且它的基極被連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M71的第二端。低電源電壓(GND)被連接到P型復(fù)位MOS晶體管M73的第一端，P型復(fù)位MOS晶體管M73的第二端被連接到PNP型電荷放大雙極晶體管PNP7的第二端，并且復(fù)位信號(hào)VReset被施加于P型復(fù)位MOS晶體管M73的柵極。
圖8是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖8的APS單元包括光電二極管PD8，P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M81，P型單元選擇MOS晶體管M82，NPN型電荷放大雙極晶體管NPN8，P型復(fù)位MOS晶體管M83，P型電流傳送MOS晶體管M84，和擴(kuò)散電容Cd8。
低電源電壓(GND)被連接到光電二極管PD8的N型電極上，它的P型電極接收光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收的光信號(hào)的電荷。P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M81的第一端被連接到光電二極管PD8的P型電極上，并且電荷傳送信號(hào)VTG被施加于P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M81的柵極。低電源電壓(GND)被連接到P型單元選擇MOS晶體管M82的第一端，并且低選擇信號(hào)VRS被施加于P型單元選擇MOS晶體管M82的柵極。NPN型電荷放大雙極晶體管NPN8的第一端被連接到P型單元選擇MOS晶體管M82的第二端，并且它的基極被連接到P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M81的第二端。高電平電源電壓VDD被連接到P型復(fù)位MOS晶體管M83，第二端被連接到NPN型電荷放大雙極晶體管NPN8的第二端，并且復(fù)位信號(hào)VReset被施加于P型復(fù)位MOS晶體管M83的柵極。圖9是根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖9的APS單元包括多個(gè)光電二極管PD91到PD94，多個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911到M914，N型單元選擇MOS晶體管M92，PNP型電荷放大雙極晶體管PNP9，N型復(fù)位MOS晶體管M93，N型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M94，和擴(kuò)散電容Cd9。
低電源電壓(GND)被連接到多個(gè)光電二極管PD91到PD94的P型電極上，它們各自的N型電極接收各自的光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收到的光信號(hào)的電荷。各個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911到M914的第一端被連接到多個(gè)光電二極管PD91到PD94中的一個(gè)的相應(yīng)N型電極上。相應(yīng)的電荷傳送信號(hào)VTG1到VTG4被施加于多個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911到M914各自的柵極上。
現(xiàn)在將對(duì)多個(gè)光電二極管PD91到PD94與多個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911到M914之間的關(guān)系在某些補(bǔ)充細(xì)節(jié)上進(jìn)行描述。在所示出的例子中，光電二極管PD91被連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911。其它光電二極管PD92到PD94被各自連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M912到M914。
高電平電源電壓VDD被連接到N型單元選擇MOS晶體管M92的第一端，并且低選擇信號(hào)VRS被施加于N型單元選擇MOS晶體管M92的柵極。PNP型電荷放大雙極晶體管PNP9的第一端被連接到N型單元選擇MOS晶體管M92的第二端，并且它的基極被共同連接到多個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M911到M914中的每一個(gè)。N型復(fù)位MOS晶體管M93是耗盡型晶體管，其第一端被連接到具有等于低電源電壓Vss和閾值電壓Vth之組合的電壓(Vss+Vth)的電源。N型復(fù)位MOS晶體管M93的第二端被連接到PNP型電荷放大雙極晶體管PNP9的第二端。復(fù)位電壓VReset被施加于N型復(fù)位MOS晶體管M93的柵極。
圖10是根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖10的APS單元包括光電二極管PD10，N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M101，N型單元選擇MOS晶體管M102，PNP型電荷放大雙極晶體管PNP10，N型復(fù)位MOS晶體管M103，N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M104，和擴(kuò)散電容Cd10。
低電源電壓(GND)被連接到光電二極管PD10的P型電極上，它的N型電極接收光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收到的光信號(hào)的電荷。N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M101的第一端被連接到光電二極管PD10的N型電極上，并且電荷傳送信號(hào)VTG被施加于N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M101的柵極。高電平電源電壓VDD被連接到PNP型電荷放大雙極晶體管PNP10的第一端，并且它的基極被連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M101的第二端。N型單元選擇MOS晶體管M102的第一端被連接到PNP型電荷放大雙極晶體管PNP10的第二端，并且低選擇信號(hào)VRS被施加于N型單元選擇MOS晶體管M102的柵極。N型復(fù)位MOS晶體管M103是耗盡型晶體管，其第一端被連接到電源，該電源的電壓(Vss+Vth)等于低電源電壓Vss和閾值電壓Vth的電壓組合。N型復(fù)位MOS晶體管M103的第二端被連接到N型單元選擇MOS晶體管M102的第二端。復(fù)位信號(hào)VReset被施加于N型復(fù)位MOS晶體管M103的柵極。
圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的APS單元的電路圖。圖11的APS單元包括光電二極管PD11，P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M111，NPN型電荷放大雙極晶體管NPN11，P型單元選擇MOS晶體管M112，P型復(fù)位MOS晶體管M113，P型電流轉(zhuǎn)移MOS晶體管M114，和擴(kuò)散電容Cd11。
低電源電壓(GND)被連接到光電二極管PD11的N型電極上，光電二極管PD11的P型電極接收光信號(hào)，并生成相應(yīng)于所接收到的光信號(hào)的電荷。P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M111的第一端被連接到光電二極管PD11的P型電極上，并且電荷傳送信號(hào)VTG被施加于P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M111的柵極。低電源電壓(GND)被連接到NPN型電荷放大雙極晶體管NPN11的第一端，并且NPN型電荷放大雙極晶體管NPN11的基極被連接到P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管M111的第二端。P型單元選擇MOS晶體管M112的第一端被連接到NPN型電荷放大雙極晶體管NPN11的第二端，并且低選擇信號(hào)VRS被施加于P型單元選擇MOS晶體管M112的柵極。高電源電壓VDD被連接到P型復(fù)位MOS晶體管M113的第一端，P型復(fù)位MOS晶體管M113的第二端被連接到用于單元選擇的P型MOS晶體管M112的第二端，復(fù)位信號(hào)VReset被施加于P型復(fù)位MOS晶體管M113的柵極。
如在前述實(shí)施例中的各種描述，根據(jù)本發(fā)明的APS單元響應(yīng)所接收的光信號(hào)，在光接收部件中生成電荷。然后這些電荷在電荷放大部件中被放大，從而提高所得到電信號(hào)的信噪比。同樣地，即使獨(dú)立光接收部件的表面積被減少以增加關(guān)于確定尺寸的圖像傳感器的光接收部件的數(shù)目，從組成的光接收部件的輸出而最終得到的圖像，可以保持高質(zhì)量，或者實(shí)際上被改善。也就是說，本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中提供一種減小相對(duì)尺寸的光接收部件，其輸出具有高信噪比的電信號(hào)。
本發(fā)明已經(jīng)參照示范性教導(dǎo)的實(shí)施例，進(jìn)行了詳細(xì)的展示和描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，在形式和細(xì)節(jié)上的各種變化可以被作出，而不脫離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種有源像素傳感器單元，包括光接收部件，用于接收光信號(hào)，并與所接收的光信號(hào)相關(guān)地生成包含有電子和空穴的電荷；和電荷放大部件，用于接收并放大由光接收部件生成的電子或空穴。
2.權(quán)利要求1的有源像素傳感器單元，其中所述光接收部件包括至少一個(gè)光電二極管，其具有連接到第一電源電壓的第一端和連接到電荷放大部件的第二端。
3.權(quán)利要求2的有源像素傳感器單元，其中所述第一電源電壓是高電源電壓或低電源電壓。
4.權(quán)利要求2的有源像素傳感器單元，其中所述電荷放大部件包括雙極晶體管，其包括連接到第二電源電壓的第一端；連接到光接收部件的第二端的基極；和輸出相應(yīng)于從光接收部件接收的電子或空穴的放大形式的電流的第二端。
5.權(quán)利要求4的有源像素傳感器單元，其中所述第二電源電壓是高電源電壓或低電源電壓。
6.權(quán)利要求5的有源像素傳感器單元，還包括單元選擇部件，連接在第二電源電壓和電荷放大部件之間，該單元選擇部件響應(yīng)低選擇信號(hào)向電荷放大部件提供電流。
7.權(quán)利要求6的有源像素傳感器單元，其中所述單元選擇部件包括MOS晶體管，具有連接到第二電源電壓的第一端，連接到電荷放大部件的第二端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極。
8.權(quán)利要求6的有源像素傳感器單元，還包括復(fù)位部件，其包括連接到雙極晶體管第二端的第一端，和連接到復(fù)位電源電壓的第二端，復(fù)位部件響應(yīng)施加于復(fù)位部件的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位電荷放大部件的輸出。
9.權(quán)利要求8的有源像素傳感器單元，其中所述復(fù)位電源電壓是低電源電壓、高電源電壓、或者是低電源電壓和閾值電壓的組合電壓。
10.權(quán)利要求9的有源像素傳感器單元，其中所述復(fù)位部件包括MOS晶體管，所述MOS晶體管包括連接到復(fù)位電源電壓的第一端、和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
11.權(quán)利要求6的有源像素傳感器單元，還包括電荷轉(zhuǎn)移部件，連接在光接收部件和電荷放大部件之間，并響應(yīng)電荷傳送信號(hào)，從光接收部件將電子或空穴傳送到電荷放大部件。
12.權(quán)利要求11的有源像素傳感器單元，其中所述電荷轉(zhuǎn)移部件包括MOS晶體管，其具有連接到光接收部件的第一端、連接到電荷放大部件的第二端和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極。
13.權(quán)利要求6的有源像素傳感器單元，其中所述光接收部件包括多個(gè)光接收部件；和電荷轉(zhuǎn)移部件包括響應(yīng)于每一個(gè)傳送電子或空穴的多個(gè)控制信號(hào)的多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移設(shè)備，其中電子或空穴是由多個(gè)光接收部件之一分別生成的。
14.權(quán)利要求13的有源像素傳感器單元，其中多個(gè)光接收部件的每一個(gè)都包括光電二極管，和其中多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移部件設(shè)備的每一個(gè)都包括MOS晶體管。
15.一種有源像素傳感器單元，包括光接收部件，用于接收光信號(hào)，并與所接收的光信號(hào)相關(guān)地生成包含有電子和空穴的電荷；和電荷放大部件，用于接收并放大由光接收部件生成的電子或空穴，該電荷放大部件被連接到第一電源電壓，并與接收的電子或空穴的放大形式相關(guān)地輸出電流或電壓。
16.權(quán)利要求15的有源像素傳感器單元，其中所述光接收部件包括至少一個(gè)光電二極管，其具有連接到第一電源電壓的第一端，和連接到電荷放大部件的第二端，其中第二電源電壓是根據(jù)包含有源像素傳感器單元的元件的類型而選擇的高電源電壓或低電源電壓。
17.權(quán)利要求15的有源像素傳感器單元，其中所述電荷放大部件包括雙極晶體管，其包括連接到第一電源電壓的第一端；連接到光接收部件的基極；輸出對(duì)應(yīng)于空穴或電子的放大形式的電流的第二端；和其中第一電源電壓是根據(jù)包含有源像素傳感器單元的元件的類型而選擇的高電源電壓或低電源電壓。
18.權(quán)利要求15的有源像素傳感器單元，還包括單元選擇部件，用于從電荷放大部件接收電流，并響應(yīng)低選擇信號(hào)而供給該電流。
19.權(quán)利要求18的有源像素傳感器單元，其中所述單元選擇部件包括MOS晶體管，其具有連接到電荷放大部件的第一端，和被供給低選擇信號(hào)的柵極。
20.權(quán)利要求18的有源像素傳感器單元，還包括復(fù)位部件，包括連接到電荷放大部件第二端的第一端，和連接到復(fù)位電源電壓的第二端，復(fù)位部件響應(yīng)預(yù)定的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位電荷放大部件的輸出，其中復(fù)位電源電壓是根據(jù)包含復(fù)位部件的元件的類型，而選擇的低電源電壓、高電源電壓、或者是低電源電壓和閾值電壓的組合電壓。
21.權(quán)利要求20的有源像素傳感器單元，其中所述復(fù)位部件包括MOS晶體管，其包括連接到復(fù)位電源電壓的第一端，被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
22.權(quán)利要求20的有源像素傳感器單元，還包括電荷轉(zhuǎn)移部件，連接在光接收部件和電荷放大部件之間，該電荷轉(zhuǎn)移部件響應(yīng)電荷傳送信號(hào)，將由光接收部件生成的空穴或電子傳送給電荷放大部件。
23.權(quán)利要求22的有源像素傳感器單元，其中所述電荷轉(zhuǎn)移部件包括MOS晶體管，其包括連接到光接收部件的第一端、連接到電荷放大部件的第二端、和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極。
24.權(quán)利要求22的有源像素傳感器單元，其中所述光接收部件包括多個(gè)光接收部件；和電荷轉(zhuǎn)移部件包括多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移部件，其響應(yīng)于多個(gè)控制信號(hào)而操作，每一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移部件被分別連接到光接收部件設(shè)備之一。
25.權(quán)利要求24的有源像素傳感器單元，其中多個(gè)光接收部件設(shè)備中的每一個(gè)都包括光電二極管；和其中每一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移部件包括MOS晶體管。
26.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括光電二極管，包括連接到低電源電壓的P型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)而聚積電荷的N型電極；N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管，包括連接到光電二極管N型電極上的第一端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極；N型單元選擇MOS晶體管，包括連接到高電源電壓的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；PNP型電荷放大雙極晶體管，包括連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的第一端，和連接到N型單元選擇MOS晶體管第二端的基極；和N型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到提供等于低電源電壓和閾值電壓的組合的電壓的電源端子的第一端，和連接到PNP型電荷放大雙極晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
27.權(quán)利要求26的有源像素傳感器單元，其中所述N型復(fù)位MOS晶體管是N型耗盡型MOS晶體管。
28.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括光電二極管，包括連接到低電源電壓的P型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)，聚積電荷的N型電極；N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管，包括連接到光電二極管N型電極上的第一端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極；N型單元選擇MOS晶體管，包括連接到高電源電壓的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；PNP型電荷放大雙極晶體管，包括連接到N型單元選擇MOS晶體管第二端的第一端，和連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的基極；和P型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到低電源電壓的第一端，和連接到PNP型電荷放大雙極晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
29.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括光電二極管，包括連接到低電源電壓的N型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)，聚積電荷的P型電極；P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管，包括連接到光電二極管P型電極上的第一端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極；P型單元選擇MOS晶體管，包括連接到低電源電壓的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；PNP型電荷放大雙極晶體管，包括連接到P型單元選擇MOS晶體管第二端的第一端，和連接到P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的基極；和P型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到高電源電壓的第一端，和連接到PNP型電荷放大雙極晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
30.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并響應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括多個(gè)光電二極管，每個(gè)光電二極管都包括連接到低電源電壓的P型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)，聚積電荷的N型電極；多個(gè)傳送電荷的N型MOS晶體管，每個(gè)N型MOS晶體管都包括連接到相應(yīng)光電二極管N型電極上的第一端，和被施加相應(yīng)電荷傳送信號(hào)的柵極；N型單元選擇MOS晶體管，包括連接到高電源電壓的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；PNP型電荷放大雙極晶體管，包括連接到N型單元選擇MOS晶體管第二端的第一端，和連接到每一個(gè)N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的基極；和N型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到提供等于低電源電壓和閾值電壓的組合的電壓的電源端子的第一端，和連接到PNP型電荷放大雙極晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
31.權(quán)利要求30的有源像素傳感器單元，其中所述N型復(fù)位MOS晶體管是N型耗盡型MOS晶體管。
32.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并響應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括光電二極管，包括連接到低電源電壓的P型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)，聚積電荷的N型電極；N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管，包括連接到光電二極管N型電極上的第一端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極；PNP型雙極晶體管，包括連接到低電源電壓的第一端，和連接到N型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的基極；N型單元選擇MOS晶體管，包括連接到PNP型電荷放大雙極晶體管第二端的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；和N型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到提供等于低電源電壓的電壓或等于低電源電壓與閾值電壓的組合的電壓的電源端子的第一端，和連接到N型單元選擇MOS晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
33.一種有源像素傳感器單元，用于接收外部提供的光信號(hào)，并對(duì)應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成電流或電壓信號(hào)，其包括光電二極管，包括連接到低電源電壓的N型電極，和響應(yīng)所接收的光信號(hào)，聚積電荷的P型電極；P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管，包括連接到光電二極管P型電極上的第一端，和被施加電荷傳送信號(hào)的柵極；NPN型電荷放大雙極晶體管，包括連接到低電源電壓的第一端，和連接到P型電荷轉(zhuǎn)移MOS晶體管第二端的基極；P型單元選擇MOS晶體管，包括連接到NPN型電荷放大雙極晶體管第二端的第一端，和被施加低選擇信號(hào)的柵極；和P型復(fù)位MOS晶體管，包括連接到高電源電壓的第一端、連接到P型單元選擇晶體管第二端的第二端，和被施加復(fù)位信號(hào)的柵極。
34.權(quán)利要求33的有源像素傳感器單元，其中所述N型復(fù)位MOS晶體管是N型耗盡型MOS晶體管。
全文摘要
提供一種有源像素傳感器(APS)單元，其使用電荷放大部件來放大由光接收部件生成的電荷，此后處理相應(yīng)于電荷的放大形式的輸出電流或電壓。光接收部件接收光信號(hào)，并相應(yīng)于所接收的光信號(hào)，生成空穴或電子，電荷放大部件接收并放大所述電子或空穴。
文檔編號(hào)H04N5/369GK1708099SQ20051007616
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者李德珉 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社