專利名稱：用于去除水平噪聲的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器；并且，更具體地，涉及一種具有高分辨率的圖像傳感器，用于去除互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器或體電荷調(diào)制器件(bulk charge modulated device，BCMD)圖像傳感器中的水平噪聲。
背景技術(shù)：
一般而言，傳統(tǒng)圖像傳感器主要用在由352像素×288像素組成的CIF水平或由640像素×480像素組成的VGA水平中。最近，圖像傳感器市場中主要交易的是高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器。由于圖像傳感器的分辨率高于一兆-像素，已出現(xiàn)了未在傳統(tǒng)CIF水平和VGA水平中顯示的新問題。
通常，在圖像傳感器中所發(fā)生的噪聲可主要分為垂直噪聲和水平噪聲。由固定模式噪聲(FPN)所引起的垂直噪聲可主要通過相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)來去除。另一方面，發(fā)生在高分辨率圖像傳感器中的水平噪聲是由每個(gè)負(fù)載晶體管的柵和漏之間的寄生電容所引起的。因此，去除水平噪聲是困難的。
圖1是示出發(fā)生于正在研發(fā)中的1.3兆-像素產(chǎn)品中的水平噪聲的圖片。
如圖1中所示，水平噪聲出現(xiàn)于根據(jù)水平方向的屏幕上的亮對象區(qū)域中。水平噪聲的發(fā)生是因?yàn)槲挥诎▽?yīng)于所述亮對象的預(yù)定像素的行中的像素小于位于上面或下面的對應(yīng)于所述亮對象的預(yù)定像素的行中的相鄰像素。
水平噪聲發(fā)生在高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器中是因?yàn)橛善秒娏鞑僮鞯呢?fù)載晶體管增加高于傳統(tǒng)負(fù)載晶體管，以致由此增加了負(fù)載晶體管的柵極和漏極之間的總寄生電容。
該結(jié)構(gòu)問題可通過增加所述偏置電流來改善，但是每個(gè)列模擬總線的電流也相應(yīng)增加，以致由此減小了像素的動(dòng)態(tài)范圍并使光學(xué)特性惡化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種圖像傳感器，用于通過調(diào)節(jié)圖像傳感器的讀出電路中有源晶體管以及與所述有源晶體管形成電流鏡的負(fù)載晶體管的大小來去除水平噪聲。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種圖像傳感器，包括像素陣列，包括多個(gè)位于每行或列的單元像素；位于每行或列的模擬總線，用于傳遞所述像素陣列的輸出信號；以及讀出電路，用于讀取加載于所述模擬總線上的像素陣列的輸出信號，其中所述讀出電路包括多個(gè)第一晶體管，具有連接到列模擬總線的漏極和連接到供給電壓的源極；以及第二晶體管，具有連接到所述第二晶體管的柵極和所述第一晶體管的柵極的漏極，及連接到所述供給電壓的源極，其中，所述第二晶體管的大小大于所述第一晶體管的大小。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種圖像傳感器，包括像素陣列，包括多個(gè)位于每行或列的單元像素；位于每行或列的模擬總線，用于傳遞所述像素陣列的輸出信號；以及讀出電路，用于讀取加載于所述模擬總線上的像素陣列的輸出信號，其中所述讀出電路包括多個(gè)第一晶體管，具有連接到列模擬總線的漏極和連接到供給電壓的源極；以及第二晶體管，具有連接到所述第二晶體管的柵極和所述第一晶體管的柵極的漏極，及連接到所述供給電壓的源極，其中，第二電流的量大于第一電流的量。


根據(jù)下面結(jié)合附圖給出的優(yōu)選實(shí)施例的描述，本發(fā)明的以上和其它目的及特征將變得顯而易見，在附圖中
圖1是示出發(fā)生于正在研發(fā)中的1.3兆-像素產(chǎn)品中的水平噪聲的圖片；圖2是描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的具有m×n像素陣列的圖像傳感器的框圖；圖3是說明當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶1時(shí)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)(floating diffusion node)電壓和偏置電壓的時(shí)序圖；圖4是示出圖3中所示的偏置電壓的放大時(shí)序圖；圖5是說明當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶5時(shí)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電壓和偏置電壓的時(shí)序圖；圖6A是示出當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶1時(shí)的水平噪聲的圖片；并且圖6B是示出當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶5時(shí)的水平噪聲的圖片。
具體實(shí)施例方式
下文中，將參考附圖來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器。
圖2是描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的具有n×m像素陣列的圖像傳感器的框圖。
參考圖2，所述圖像傳感器包括像素陣列和讀出電路250。
像素陣列包括列模擬總線201和單元像素202。像素陣列還包括n×m矩陣。該m是列數(shù)而該n是行數(shù)。讀出電路250通過列模擬總線201與單元像素202連接并從單元像素202獲取數(shù)據(jù)。
高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器通常包括n×m像素陣列，其中列數(shù)，即m，大于1024。因此，大于1024列的單元像素沿行的方向設(shè)置。圖像傳感器包括在每列的相關(guān)雙采樣(CDS)塊(未示出)，其包括CDS電路。當(dāng)圖像傳感器讀取像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)，沿像素陣列的一行排列的像素?cái)?shù)據(jù)被同時(shí)或在相同時(shí)鐘循環(huán)傳遞到CDS塊的CDS電路。CDS電路的輸出信號響應(yīng)于列地址被依次傳遞到模擬信號處理器(未示出)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的是，圖2中所示的結(jié)構(gòu)是基于行的掃描方法。
另一方面，基于列的掃描方法包括行模擬總線，而不是列模擬總線。這樣，在掃描期間若一列被選擇，則該所選列的像素?cái)?shù)據(jù)通過行模擬總線輸出。
單元像素202被提供有作為光電檢測器(PD)來工作的光電二極管及四個(gè)晶體管。
PD響應(yīng)于輸入的光而產(chǎn)生光電荷。所述四個(gè)晶體管是傳遞晶體管Tx、重置晶體管Rx、驅(qū)動(dòng)晶體管Dx和選擇晶體管Sx。傳遞晶體管Tx將由PD收集的光電荷傳遞到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD。重置晶體管Rx將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電位設(shè)置為一合理值并通過輸出存儲于浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD中的電荷來重置浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓。驅(qū)動(dòng)晶體管Dx通過將浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電位施加至柵極而作為源跟隨器緩沖放大器來工作。選擇晶體管Sx作為開關(guān)而工作以將施加至驅(qū)動(dòng)晶體管Dx的柵極的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電位傳遞到列模擬總線201。
對于更多有關(guān)圖像傳感器工作的細(xì)節(jié)，電位像素的工作如下。
首先，通過接通重置晶體管Rx來重置浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓。通過接通選擇晶體管Sx來選擇所需單元像素202。測量從驅(qū)動(dòng)晶體管Dx輸出的第一輸出電壓V1。
接下來，傳遞晶體管Tx被接通。在此，集合在PD中的所有光電荷被傳遞至浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD。傳遞晶體管Tx被關(guān)斷。從驅(qū)動(dòng)晶體管Dx輸出的第二輸出電壓V2被測量。
第一輸出電壓V1與第二輸出電壓V2之間的電壓差被產(chǎn)生。該電壓差(V1-V2)是基于所述光電荷而產(chǎn)生的并且是像素?cái)?shù)據(jù)的凈值(purevalue)。
在此，與列模擬總線201連接的讀取電路250用于讀取第一輸出電壓V1和第二輸出電壓V2，并且包括CDS電路的CDS塊用于對由讀取電路250所讀取的第一輸出電壓V1和第二輸出電壓V2進(jìn)行采樣。
讀取電路250包括有源晶體管MF和多個(gè)負(fù)載晶體管ML<m:0>。每個(gè)負(fù)載晶體管ML<m:0>通過列模擬總線201與每個(gè)單元像素202連接。有源晶體管MF位于每行并與負(fù)載晶體管ML<m:0>形成電流鏡。
同時(shí)，傳統(tǒng)讀出電路被設(shè)計(jì)為使負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比為1∶1。在此，負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比表示負(fù)載晶體管ML的大小與有源晶體管MF的大小之比。因此，在負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比為1∶1的情況下，相同的電流流動(dòng)在列模擬總線201上。
在上述操作中，每個(gè)PD的電壓由鄰近的光的亮度來確定。例如，暴露于亮光的PD具有低電壓而暴露于暗光的PD具有高電壓。
浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓通過單元像素202的每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管Dx以及讀出電路250的每個(gè)負(fù)載晶體管ML<m:0>而具有源跟隨器結(jié)構(gòu)。每個(gè)列模擬總線201的輸出電壓Vout由浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓以及在負(fù)載晶體管ML<m:0>上流動(dòng)的偏置電流Ibias來確定。
圖3是說明當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶1時(shí)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電壓和偏置電壓的時(shí)序圖。
參考圖3，如圖2中所述，首先，通過接通重置晶體管Rx來重置浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓。通過接通選擇晶體管Sx來選擇所需的單元像素，并且響應(yīng)于圖3中的寫重置信號的激勵(lì)周期(activation period)來測量從驅(qū)動(dòng)晶體管Dx輸出的第一輸出電壓V1。這里，如圖3中所示，第一輸出電壓V1是大約2.1V。
接下來，傳遞晶體管Tx在預(yù)定時(shí)間之后被接通。集合在PD中的所有光電荷被傳遞到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD，并且從驅(qū)動(dòng)晶體管Dx輸出的第二輸出電壓V2響應(yīng)于圖3中的寫信號的激勵(lì)周期而得以測量。這里，如圖3中所示，第二輸出電壓V2是大約1.9V、1.2V或0.9V。
然后，有可能通過計(jì)算第一輸出電壓V1和第二輸出電壓V2之間的電壓差來獲得像素?cái)?shù)據(jù)的凈值。
在以上陳述中，作為負(fù)載晶體管ML<m:0>的柵極工作電壓的偏置電壓Vbias僅受構(gòu)成讀出電路的有源晶體管MF的偏置電流Ibias的影響。另外，偏置電壓Vbias在每個(gè)列模擬總線的輸出電壓Vout將第一輸出電壓V1改變成第二輸出電壓期間根據(jù)交迭電容(overlap capacitance)而變化。在此，所述交迭電容是與負(fù)載晶體管ML的漏極連接的列模擬總線與負(fù)載晶體管ML<m:0>的柵極之間的寄生電容Cp。因此，在對第二輸出電壓V2，即圖3中的T_READ進(jìn)行采樣時(shí)，偏置電壓Vbias不能得到穩(wěn)定以致由此在屏幕上出現(xiàn)水平噪聲。
也就是說，如上所述，水平噪聲發(fā)生在高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器中是因?yàn)樨?fù)載晶體管ML<m:0>的柵和漏之間的寄生電容Cp<m:0>的數(shù)量被增加。
圖4是示出圖3中所示的偏置電壓的放大時(shí)序圖。
如圖4中所示，在列模擬總線處的輸出電壓Vout的變化較高時(shí)，偏置電壓Vbias的變化變得較高。而且，在偏置電壓Vbias的變化較高時(shí)，偏置電壓Vbias變得較低。在偏置電壓Vbias較低時(shí)，在負(fù)載晶體管ML<m:0>的源-漏流動(dòng)的偏置電流Ibias變得較小。在偏置電流Ibias降低時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管Dx的柵-源電壓Vgs減小。
因此，基于第一輸出電壓V1和第二輸出電壓V2之間電壓差的具有水平噪聲的預(yù)定像素的采樣值小于正常像素。結(jié)果，水平噪聲出現(xiàn)在屏幕上。
而且，偏置電壓Vbias不能早于傳統(tǒng)CIF水平或VGA水平而穩(wěn)定的原因是，由偏置電流Ibias操作的、高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器的電容性負(fù)載增加成比傳統(tǒng)CIF水平或VGA水平高。即，在高于一兆-像素的高分辨率的圖像傳感器中，水平方向上的分辨率顯著增加，并且結(jié)果，包括有源晶體管MF的柵電容、所有負(fù)載晶體管ML<m:0>的柵電容以及每個(gè)偏置電壓Vbias節(jié)點(diǎn)的寄生電容Cp<m:0>的電容性負(fù)載被增加。
上述水平噪聲可通過增加流動(dòng)于構(gòu)成讀出電路的負(fù)載晶體管ML的偏置電流Ibias來去除。但是偏置電流Ibias的增加導(dǎo)致在每個(gè)列模擬總線的電流增加。因此，像素的動(dòng)態(tài)范圍減小并且光學(xué)特性惡化。
因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，讀出電路250中的有源晶體管MF的大小增加為A乘以ML_SIZE。因此，從有源晶體管MF的漏極流到源極的電流增加為A乘以偏置電流Ibias。其中，ML_SIZE是負(fù)載晶體管ML的大小，偏置電流Ibias是從負(fù)載晶體管ML的漏流到源的電流，并且A限定為大于1的實(shí)數(shù)。
特別是，讀出電路250的負(fù)載晶體管ML具有連接到列模擬總線201的漏極及連接到地電壓的源極。而且，有源晶體管MF具有連接到有源晶體管MF柵極和負(fù)載晶體管ML<m:0>柵極的漏極，及連接到地電壓的源。而且，當(dāng)前有源晶體管MF的大小大于負(fù)載晶體管ML的大小。本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的是晶體管的大小依賴于W/L比。
因此，偏置電壓Vbias得以迅速穩(wěn)定且水平噪聲得以解決而不影響光學(xué)特性，并且同時(shí)，在列模擬總線上流動(dòng)的偏置電流Ibias與在傳統(tǒng)圖像傳感器中水平相同。
圖5是說明當(dāng)負(fù)載晶體管和有源晶體管的大小比是1∶5時(shí)的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電壓和偏置電壓的時(shí)序圖。
更具體地，圖5是當(dāng)負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比是1∶5，即A為5時(shí)浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電壓和讀出電路中的偏置電壓的時(shí)序圖。
參考圖5，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓和偏置電壓Vbias比圖3的穩(wěn)定。即，在對第二輸出電壓V2，即圖3到5中的T_READ進(jìn)行采樣時(shí)，圖3的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓從1.9V擺動(dòng)到0.9V。另一方面，圖5的浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD的電壓僅變化成穩(wěn)定在大約0.9V。因此，在對第二輸出電壓V2，即圖3到5中的T_READ進(jìn)行采樣時(shí)，圖5的偏置電壓Vbias比圖3和4的穩(wěn)定。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，負(fù)載晶體管ML的大小比根據(jù)偏置電流Ibias及ML_SIZE來設(shè)置以使流動(dòng)于列模擬總線上的電流與以前相同。同時(shí)，有源晶體管MF的大小比被設(shè)置為A乘以ML_SIZE以由此將有源晶體管的電流設(shè)置為A乘以偏置電流Ibias的值。其中，A是大于1的實(shí)數(shù)。因此，偏置電壓Vbias得以迅速穩(wěn)定，并且水平噪聲得以解決而不影響光學(xué)特性。
圖6A和6B是將根據(jù)傳統(tǒng)讀出電路的水平噪聲與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的水平噪聲相比較的圖片。
更具體地，圖6A是在負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比為1∶1的情況下的圖片，而圖6B是根據(jù)本發(fā)明負(fù)載晶體管ML和有源晶體管MF的大小比為1∶5的情況下的圖片。
參考圖6A和6B，圖6B的圖片中所示的水平噪聲比圖6A的圖片中所示的水平噪聲改進(jìn)得多。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，有源晶體管MF的大小比被設(shè)置為ML_SIZE。同時(shí)，負(fù)載晶體管ML的大小比被設(shè)置為ML_SIZE除以A的值。其中，A被限定為大于1的實(shí)數(shù)。這樣，有可能在列模擬總線上流動(dòng)一致的偏置電流Ibias。
在該情況下，應(yīng)該改變位于每列的負(fù)載晶體管ML<m:0>的所有結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)負(fù)載晶體管ML<m:0>被設(shè)計(jì)為指型(finger type)時(shí)，通過借助于任選地處理金屬接線來調(diào)節(jié)大小，有可能容易地實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。
如上所述，本發(fā)明的圖像傳感器通過調(diào)節(jié)圖像傳感器的讀出電路中的有源晶體管和與有源晶體管形成電流鏡的負(fù)載晶體管的大小比來去除水平噪聲。
另外，本發(fā)明可應(yīng)用于具有讀出電路的所有類型的圖像傳感器，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器或體電荷調(diào)制器件(BCMD)圖像傳感器。
本申請包含2004年10月30日在韓國專利局提交的韓國專利申請No.2004-87686和2005年9月9日在韓國專利局提交的韓國專利申請No.2005-84261相關(guān)的主題，其全部內(nèi)容在此引入作為參考。
盡管已針對特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可在如所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包括像素陣列，包括多個(gè)位于每行或列的單元像素；模擬總線，位于每行或列，用于傳遞所述像素陣列的輸出信號；以及讀出電路，用于讀取加載于所述模擬總線上的像素陣列的輸出信號，其中所述讀出電路包括多個(gè)第一晶體管，具有連接到列模擬總線的漏極和連接到供給電壓的源極；以及第二晶體管，具有連接到所述第二晶體管的柵極和所述第一晶體管的柵極的漏極，及連接到所述供給電壓的源極，其中，所述第二晶體管的大小大于所述第一晶體管的大小。
2.如權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中流經(jīng)所述第二晶體管的電流量相對大于流動(dòng)于所述第一晶體管上的電流量。
3.如權(quán)利要求2的圖像傳感器，其中所述第一晶體管位于每行而所述第二晶體管與所述第一晶體管形成電流鏡。
4.如權(quán)利要求2的圖像傳感器，其中所述第一晶體管位于每列而所述第二晶體管與所述第一晶體管形成電流鏡。
5.如權(quán)利要求2的圖像傳感器，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管是NMOS晶體管。
6.如權(quán)利要求2的圖像傳感器，其中所述供給電壓是地電壓。
7.一種圖像傳感器，包括像素陣列，包括多個(gè)位于每行或列的單元像素；模擬總線，位于每行或列，用于傳遞所述像素陣列的輸出信號；以及讀出電路，用于讀取加載于所述模擬總線上的像素陣列的輸出信號，其中所述讀出電路包括多個(gè)第一晶體管，具有連接到列模擬總線的漏極和連接到供給電壓的源極；以及第二晶體管，具有連接到所述第二晶體管的柵極和所述第一晶體管的柵極的漏極，及連接到所述供給電壓的源極，其中，第二電流的量大于第一電流的量。
8.如權(quán)利要求7的圖像傳感器，其中所述第一晶體管位于每行而所述第二晶體管與所述第一晶體管形成電流鏡。
9.如權(quán)利要求7的圖像傳感器，其中所述第一晶體管位于每列而所述第二晶體管與所述第一晶體管形成電流鏡。
10.如權(quán)利要求7的圖像傳感器，其中所述第一晶體管和所述第二晶體管是NMOS晶體管。
11.如權(quán)利要求7的圖像傳感器，其中所述供給電壓是地電壓。
全文摘要
在此公開的是一種用于去除水平噪聲的圖像傳感器。該圖像傳感器包括像素陣列，包括多個(gè)位于每行或列的單元像素；位于每行或列的模擬總線，用于傳遞所述像素陣列的輸出信號；以及讀出電路，用于讀取加載于所述模擬總線上的像素陣列的輸出信號，其中所述讀出電路包括多個(gè)第一晶體管，具有連接到列模擬總線的漏極和連接到供給電壓的源極；以及第二晶體管，具有連接到所述第二晶體管的柵極和所述第一晶體管的柵極的漏極，及連接到所述供給電壓的源極；其中，所述第二晶體管的大小大于所述第一晶體管的大小。
文檔編號H04N5/335GK1767599SQ200510117260
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月30日
發(fā)明者金永鎮(zhèn), 金南烈 申請人:美格納半導(dǎo)體有限會社