本實用新型涉及圖像傳感器，并且更具體地講，涉及包含具有有源復位的像素的固態(tài)圖像傳感器陣列。

背景技術：

現(xiàn)代電子設備(諸如移動電話、相機和計算機)通常使用數(shù)字圖像傳感器。圖像傳感器(有時稱為成像器)可由二維圖像感測像素陣列形成。每個像素包括光敏區(qū)，所述光敏區(qū)接收入射光子(光)并將光子轉變?yōu)殡娦盘?。有時，圖像傳感器被設計為使用聯(lián)合圖象專家組(JPEG)格式將圖像提供給電子設備。

圖像傳感器可通過以下方式來感測光：將碰撞光子轉換成積聚(收集)到傳感器像素中的電子或空穴。在完成積聚周期之后，收集到的電荷被轉換成電壓，該電壓然后被提供給傳感器的輸出端子。在電荷到電壓轉換完成并且所得信號從像素轉移出去之后，像素可被復位以便準備積累新的電荷。然而，使像素復位可能產生kTC復位噪聲。

因此，可能希望提供最大限度地降低像素kTC復位噪聲的改善像素。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的一個技術問題是提供改進的圖像傳感器、成像像素和成像系統(tǒng)。

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了圖像傳感器。所述圖像傳感器具有像素陣列，所述像素陣列包括一個陣列的像素，其中所述一個陣列的像素中的像素包括：浮動擴散區(qū)；耦接到所述浮動擴散區(qū)的光電二極管；耦接在所述光電二極管和所述浮動擴散區(qū)之間的電荷轉移晶體管；以及包括反相放大器的有源復位電路，其中所述反相放大器包括p-溝道增益晶體管和n-溝道負載晶體管，并且其中所述有源復位電路還包括耦接在所述反相放大器的輸出和所述浮動擴散區(qū)之間的復位晶體管。

在一個實施例中，其中所述像素還包括源極跟隨器晶體管。

在一個實施例中，其中所述源極跟隨器晶體管被耦接到所述浮動擴散區(qū)。

在一個實施例中，其中所述像素還包括像素尋址晶體管。

在一個實施例中，其中所述像素為背側照明像素。

在一個實施例中，其中所述光電二極管形成于襯底中，所述像素還包括在所述襯底的背側上形成的濾色器和微透鏡。

在一個實施例中，其中所述像素為前側照明像素。

在一個實施例中，其中所述光電二極管形成于襯底中，所述像素還包括在所述襯底的前側上形成的濾色器和微透鏡。

在一個實施例中，其中所述有源復位電路被配置成將所述浮動擴散區(qū)復位到參考電壓。

在一個實施例中，其中所述反相放大器被配置成在所述浮動擴散區(qū)被復位到所述參考電壓之后被關斷。

在一個實施例中，其中所述p-溝道增益晶體管被配置成在所述浮動擴散區(qū)被復位到所述參考電壓之后放大來自所述浮動擴散區(qū)的信號。

根據(jù)本實用新型的另一方面，提供了一種成像像素，所述成像像素包括：浮動擴散區(qū)；以及包括反相放大器的有源復位電路，其中所述反相放大器包括p-溝道增益晶體管和n-溝道負載晶體管，并且其中所述有源復位電路還包括耦接在所述反相放大器的輸出和所述浮動擴散區(qū)之間的復位晶體管。

在一個實施例中，其中所述有源復位電路被配置成將所述浮動擴散區(qū)復位到參考電壓。

在一個實施例中，其中所述p-溝道增益晶體管被配置成在所述浮動擴散區(qū)被復位到所述參考電壓之后放大來自所述浮動擴散區(qū)的信號。

在一個實施例中，其中所述像素還包括源極跟隨器晶體管。

在一個實施例中，其中所述源極跟隨器晶體管被耦接到所述浮動擴散區(qū)。

在一個實施例中，其中所述像素還包括像素尋址晶體管。

根據(jù)本實用新型的又另一方面，提供了一種成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括：中央處理單元；存儲器；鏡頭；輸入-輸出電路；以及成像設備，其中所述成像設備包括：一個陣列的像素，其中所述一個陣列的像素中的每個像素包括浮動擴散區(qū)和具有反相放大器的有源復位電路，其中所述反相放大器包括p-溝道增益晶體管和n-溝道負載晶體管，并且其中所述有源復位電路還包括耦接在所述反相放大器的輸出和所述浮動擴散區(qū)之間的復位晶體管。

在一個實施例中，其中所述一個陣列的像素中的每個像素包括源極跟隨器晶體管。

在一個實施例中，其中所述一個陣列的像素中的每個像素包括像素尋址晶體管。

本實用新型的一個有益效果是提供了改進的圖像傳感器、成像像素和成像系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為在全局快門傳感器中使用的示例性像素的電路圖。

圖2為示出在圖1的像素中的浮動擴散節(jié)點的復位過程中生成kTC復位噪聲的等效電路圖。

圖3為根據(jù)本實用新型的實施例的具有全局快門能力和有源復位電路的像素的電路圖。

圖4為根據(jù)本實用新型的實施例的示出在圖3的像素中的浮動擴散節(jié)點的復位過程中生成kTC復位噪聲的等效電路圖。

圖5是根據(jù)本實用新型的實施例的系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)采用圖3和圖4的實施例。

具體實施方式

圖像傳感器可通過以下方式來感測光：將碰撞光子轉換成積聚(收集)到傳感器像素中的電子或空穴。在完成積聚周期之后，收集到的電荷被轉換成電壓，該電壓然后被提供給傳感器的輸出端子。在互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器中，電荷到電壓的轉換直接在像素本身中完成，并且模擬像素電壓通過各種像素尋址和掃描方案被轉移到輸出端子。模擬信號還可在到達芯片輸出之前在芯片上被轉換成數(shù)字等同物。像素可具有并入的緩沖放大器，通常為源極跟隨器(SF)，該源極跟隨器驅動用合適的尋址晶體管連接到像素的感測線。

在電荷到電壓的轉換完成并且所得信號從像素被轉移出去之后，像素被復位以便準備積累新的電荷。在使用浮動擴散(FD)作為電荷檢測節(jié)點的像素中，復位通過導通復位晶體管來實現(xiàn)，該復位晶體管將FD節(jié)點導電性連接到電壓參考，該電壓參考通常為SF漏極節(jié)點。該步驟移除收集的電荷；然而，該步驟會生成kTC復位噪聲。該kTC復位噪聲可通過相關雙采樣(CDS)信號處理技術從信號移除，以便實現(xiàn)所需的低噪聲性能。利用CDS概念的CMOS圖像傳感器可在像素中包括三個晶體管(3T)或四個晶體管(4T)，其中一個用作電荷轉移(TX)晶體管?？梢栽谌舾晒怆姸O管中共享像素電路晶體管中的一些，這也減小了像素尺寸。

在設計成以全局快門(GS)模式操作的圖像傳感器中，可將第二存儲二極管添加到像素中。在全局快門傳感器中使用的具有存儲二極管的像素的簡化電路圖100在圖1中示出。具有存儲二極管的像素的簡化電路圖100表示全局快門像素的簡化示意圖，該全局快門像素具有通過電荷轉移晶體管105(Tx1)耦接到電荷存儲釘扎二極管106(SD)的釘扎光電二極管107(PD)?？蓪τ谒邢袼赝瑫r將入射光生成的電荷從傳感器陣列中的光電二極管107全局轉移到存儲二極管106。然后通過經由電荷轉移晶體管104(Tx2)將電荷轉移到浮動擴散電荷檢測節(jié)點101來以按順序的方式逐行從二極管106讀出電荷。轉移的電荷導致該節(jié)點上的電位改變，并且該改變由源極跟隨器晶體管102感測。SF晶體管102的源極經由尋址晶體管103(SX)連接到傳感器陣列列感測線108，該傳感器陣列列感測線將像素信號(V_out)遞送到陣列周邊以用于進一步處理。在電荷感測完成之后，F(xiàn)D節(jié)點101通過瞬時導通復位晶體管114(RS)而復位。然而，該類型的復位可導致該節(jié)點上生成kTC復位噪聲。因此，可能必須使用CDS信號讀出技術來使其對信號的有害影響最小化。CDS電荷檢測方案由以下方式組成：在電荷轉移之前讀出節(jié)點101上的電位，然后在電荷轉移之后再次讀出節(jié)點101上的電位。然后通過位于陣列周邊處的電路將這兩個值彼此相減，從而產生沒有kTC復位噪聲的信號。可分別通過線110、111、112和113將像素控制信號(φ_RS、φ_SX、φ_tx1和φ_tx2)從對應驅動電路位于其中的陣列的周邊遞送到對應晶體管的柵極。電源由列Vdd總線109提供給像素。

為了實現(xiàn)該概念，需要將像素區(qū)消耗電荷存儲二極管106并入到每個像素，使像素尺寸增大。這可能增加圖像傳感器的尺寸。該概念的另一個可能的缺點是當用于背側照明(BSI)應用中時二極管106的遮光不足的問題。這可能導致較差的像素快門效率。

圖2示出簡化電路圖200，其示出在FD節(jié)點101的復位過程中kTC復位噪聲的生成。在該圖中，復位晶體管114由電阻器202表示。由該電阻器生成的對應噪聲電壓由電壓源203表示。FD節(jié)點由其等效電容201(C_fd)表示，該等效電容應當被復位到電壓參考204。然而，由于電阻器中生成的噪聲，電容器Cfd上的復位電壓從不等于參考電壓204，卻包括每次該節(jié)點復位時不同的隨機誤差電壓。該復位誤差的均方根(RMS)值的平方通過在整個頻譜上對電阻器噪聲功率譜密度進行積分來計算如下：

結果是以噪聲電壓寫出的kTC復位噪聲公式。在該公式中，C_fd為浮動擴散區(qū)的等效電容，T為絕對溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)，R_n為電阻，ω為角頻率，并且<v_n²>為均方根值的平方，稱為電壓方差。在該公式中要注意的一點是結果不取決于電阻R_n的值。當轉換成該節(jié)點上通過復位生成的等效電荷時，該結果變成kTC噪聲公式：

在該公式中，<Q_n>為等效電荷RMS噪聲，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，并且C_fd為浮動擴散區(qū)的等效電容。為了從信號消除該復位噪聲，因此需要讀取FD節(jié)點上的電壓兩次，一次在電荷轉移之前，并且第二次在電荷轉移之后，如前所述。這是CDS讀出方案的實質。然而，除了較長讀出時間和額外的功率消耗之外，還可能必須在陣列的周邊處設計具有低噪聲的信號存儲和減法電路，因為信號減法也可能潛在地增加噪聲。

示于圖3中的像素電路與圖1的像素相比通過使用具有負反饋的像素內放大器減小圖像傳感器陣列的尺寸以使像素kTC復位噪聲最小化。該概念在設計全局快門CMOS圖像傳感器(其中電荷可存儲在FD節(jié)點上)以及所有類似應用(其中電荷被積聚到FD節(jié)點上，并且CDS信號讀取方案不能容易地實施)中具有優(yōu)點。

具體地講，示于圖3中的像素可用于其中電荷可積聚或存儲在浮動擴散區(qū)上的應用中，在如結合圖1和圖2所述進行復位時，所述浮動擴散將生成較大kTC復位噪聲。圖3的像素使用另一種類型的復位，其中將具有負反饋的電壓增益放大器直接集成到像素電路中以使該kTC復位噪聲最小化。多種類型的CMOS圖像傳感器陣列可利用該有源復位概念。例如，全局快門圖像傳感器，其中來自光電二極管的電荷被同時轉移到FD節(jié)點上，電荷在該FD節(jié)點處等待順序掃描。該概念的其他應用為堆疊芯片傳感器(其中芯片堆疊在FD節(jié)點處實現(xiàn))、具有高動態(tài)范圍(HDR)的非常小的三晶體管(3T)像素、具有非常大的像素的醫(yī)學應用設備(其中不易將電荷轉移到FD)，以及根據(jù)半導體塊中電荷生成的深度進行顏色感測的多級光電二極管結構(其中標準四晶體管(4T)電荷轉移像素結構難以實施或者不便于使用)。這些例子僅僅是示例性的。用于最小化kTC復位噪聲的有源復位電路可以任何所需像素并且在任何所需應用中使用。

圖3示出具有全局快門能力和有源復位電路(有源復位ckt)的像素的簡化電路圖300。光電二極管307(PD)從襯底的背側或從襯底的前側收集并且積聚由撞擊在設備上的光子生成的電子。在二極管中積累了足夠電荷之后，電荷經由電荷轉移晶體管308被轉移到FD節(jié)點301上，電荷在該FD節(jié)點處等待掃描。在用轉移晶體管308(Tx)轉移電荷之前，F(xiàn)D節(jié)點可被復位到一定的預定電壓參考。SF晶體管302的柵極也被連接到節(jié)點301以在電荷被轉移到該節(jié)點上時感測電位變化。SF晶體管302(SF)的源極經由像素尋址晶體管303(SX)連接到傳感器陣列列感測線313，該傳感器陣列列感測線將感測到的像素信號(V_out)遞送到陣列周邊以用于進一步處理。SF漏極被連接到陣列漏極列偏置線309。像素行控制線310、311和312將必要的操作信號(分別為φ_SX、φ_RX和φ_tx)遞送到所選行的像素。線310可控制行尋址晶體管303，線312可控制從PD到FD的電荷轉移，并且線311可控制所選行中的所有像素的像素復位。生成這些操作信號的驅動器位于陣列周邊處。

在電壓信號被感測并且被陣列周邊電路處理之后，F(xiàn)D節(jié)點301被復位以重建預定電壓參考。該復位通過根據(jù)本實用新型實施例的有源復位電路來實現(xiàn)，該有源復位電路由p-溝道晶體管304和復位晶體管306組成，其中p-溝道晶體管具有由n-溝道晶體管305形成的恒定電流負載。p-溝道晶體管304和恒定電流負載305代表反相放大器。晶體管304的柵極被連接到FD節(jié)點301，并且出現(xiàn)在該節(jié)點上的任何復位電壓誤差因此被放大并且經由在此處用作反饋電阻器的復位晶體管306反相反饋到節(jié)點301上以補償該復位誤差。FD節(jié)點301因此總是接近相同的預定參考電壓被復位，其中消除了大多數(shù)kTC復位噪聲。在節(jié)點301的有源復位完成之后，可通過關斷電流負載晶體管305來關閉該放大器。這通過將適當?shù)男盘柺┘拥骄w管柵極314來實現(xiàn)。該步驟節(jié)省傳感器功率。

p-溝道晶體管304可使用空穴導電，而n-溝道晶體管305可使用電子導電。p-溝道晶體管304可為p-溝道增益晶體管，而n-溝道晶體管305可為n-溝道負載晶體管。p-溝道增益晶體管304可通過以下方式而用作放大器：采用相對較小的輸入信號，并且產生與輸入信號成比例的相對較大的輸出信號。n-溝道晶體管305可被耦接到電壓參考。如果n-溝道晶體管305被接通，則復位晶體管306可被耦接到參考電壓。在浮動擴散區(qū)被復位之后，n-溝道負載晶體管305可被斷開以節(jié)省電能。

本實用新型實施例存在其他變型形式。例如，可以從像素消除SF晶體管302并且還使用晶體管304作為信號的放大器。

圖3的像素布置與圖1的像素相比具有較優(yōu)復位噪聲性能。用于噪聲評價的簡化等效電路圖400示于圖4中。在該圖中，復位晶體管306已被具有等效電壓噪聲發(fā)生器402的電阻器403替換。復位晶體管306可被相對較慢地關斷以使放大器和電路反饋具有足夠的時間來反應。在該過程期間，晶體管306在最終被完全關斷時表現(xiàn)為接近無窮大的高值電阻器。晶體管404和405中生成的噪聲已被添加到該模型中并且由等效散粒噪聲發(fā)生器408來表示。放大器輸出阻抗由負載電阻RL 407表示。在進行與前述類似的計算后，當有源復位在其完成的最終階段時，F(xiàn)D節(jié)點301上的電壓噪聲的RMS值的平方的結果如下：

在該公式中，A表示有源復位電路放大器的增益，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，C_fd為浮動擴散區(qū)的等效電容，R_f為復位晶體管306的電阻，R_L為與放大器輸出阻抗相關聯(lián)的負載電阻，并且<v_c²>為均方根值的平方，稱為電壓方差。由于反饋電阻(R_f)在復位全部完成之后變得無窮大，所以就節(jié)點301上的噪聲電荷而言的噪聲的等效值如下：

在該公式中，A表示有源復位電路放大器的增益，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，C_fd為浮動擴散區(qū)的等效電容，并且<Q_n>為等效RMS噪聲電荷。因此清楚的是，取決于像素內放大器增益，有源復位將顯著減小像素kTC復位噪聲。

圖3和圖4中描述的有源像素復位的主要優(yōu)點是其簡便性、其以最小復位噪聲來復位已被積聚或存儲在FD上的電荷的能力，以及其對額外像素區(qū)的相對較小的需求。這使該概念特別適于背側照明(BSI)全局快門傳感器應用，適于堆疊芯片應用(其中芯片到芯片連接在FD節(jié)點處實現(xiàn))，并且適于堆疊光電二極管，該光電二極管根據(jù)其在硅塊中生成的深度來感測電荷。

示于圖3中的像素電路設計因此使用有源像素復位，該有源像素復位在FD節(jié)點處使用具有負反饋的放大器來直接減小復位噪聲。當該概念應用于全局快門像素時，其優(yōu)點是顯而易見的，因為對于電荷存儲無需額外的大釘扎二極管。該情況下的電荷可存儲在非常小的FD節(jié)點上。另外，無需CDS電荷存儲電容器和信號減法，特別是當試圖直接在像素本身中進行CDS操作時。然而，CDS操作仍可用于具有像素內有源復位的傳感器中以消除由晶體管閾值的差異造成的像素與像素的復位參考差異。

圖5以簡化形式示出包括成像設備570的典型處理器系統(tǒng)574。成像設備570可包括在圖像傳感器上形成的像素陣列572。像素陣列572可包括像素，諸如圖3中示出的那些。處理器系統(tǒng)574是具有數(shù)字電路的示例性系統(tǒng)。在不進行限制的前提下，處理器系統(tǒng)574可包括計算機系統(tǒng)、靜態(tài)或視頻攝像機系統(tǒng)、掃描儀、機器視覺、車輛導航、視頻電話、監(jiān)控系統(tǒng)、自動對焦系統(tǒng)、星體跟蹤器系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)、以及其他采用成像設備的系統(tǒng)。

處理器系統(tǒng)574可以是數(shù)字靜態(tài)或視頻攝像機系統(tǒng)，其可包括鏡頭(諸如鏡頭586)，該鏡頭用于在快門釋放按鈕588被按下時，將圖像聚焦到像素陣列(諸如像素陣列572)上。處理器系統(tǒng)574可包括中央處理單元，諸如中央處理單元(CPU)584。CPU 584可以是微處理器，它控制相機功能和一個或多個圖像流功能，并通過總線(諸如總線580)與一個或多個輸入/輸出(I/O)設備576通信。成像設備570還可通過總線580與CPU 584通信。系統(tǒng)574可包括隨機存取存儲器(RAM)578和可移動存儲器582。可移動存儲器582可包括通過總線580與CPU 584通信的閃存存儲器。可移動存儲器582可被存儲在外部設備上。盡管總線580被示為單總線，但該總線也可以是一個或多個總線或橋接器或其他用于互連系統(tǒng)組件的通信路徑。

在本實用新型的各種實施例中，圖像傳感器可具有包括一系列像素的像素陣列。像素陣列中的像素可包括浮動擴散區(qū)，耦接到浮動擴散區(qū)的光電二極管，以及耦接在光電二極管和浮動擴散區(qū)之間的轉移晶體管。像素還可包括具有反相放大器的有源復位電路。反相放大器可包括p-溝道增益晶體管和n-溝道負載晶體管。有源復位電路還可包括耦接在反相放大器輸出和浮動擴散區(qū)之間的復位晶體管。

像素還可包括耦接到浮動擴散區(qū)的源極跟隨器晶體管。像素還可包括像素尋址晶體管。像素可為背側照明像素或前側照明像素。在像素為背側照明的實施例中，光電二極管可形成于襯底中，并且微透鏡和濾色器可形成在襯底的背側上。在像素為前側照明的實施例中，光電二極管可形成于襯底中，并且微透鏡和濾色器可形成在襯底的前側上。有源復位電路可被配置成將浮動擴散區(qū)復位到參考電壓。反相放大器可被配置成在浮動擴散區(qū)被復位到參考電壓之后被關斷。p-溝道增益晶體管可被配置成在浮動擴散區(qū)被復位到參考電壓之后放大來自浮動擴散區(qū)的信號。

在本實用新型的各種實施例中，系統(tǒng)可包括中央處理單元、存儲器、鏡頭、輸入-輸出電路和成像設備。成像設備可包括一系列像素，其中每個像素包括浮動擴散區(qū)和具有反相放大器的有源復位電路。反相放大器可包括p-溝道增益晶體管和n-溝道負載晶體管。有源復位電路還可包括耦接在反相放大器輸出和浮動擴散區(qū)之間的復位晶體管。

在本實用新型的各種實施例中，像素可為背側照明的，并且可以全局快門模式操作。圖像傳感器像素也可為前側照明的。用于全局快門操作的像素電荷存儲位點可由浮動擴散形成，該浮動擴散較小并且不收集相當大數(shù)量的雜散電荷，這有助于傳感器的高快門效率。所述浮動擴散通過顯著減少kTC復位噪聲生成的有源復位電路來復位。有源復位電路可包括由具有n-溝道晶體管負載的p-溝道增益晶體管形成的像素內反相放大器，以及從放大器輸出連接到放大器輸入的反饋復位晶體管，其為FD節(jié)點。

前述內容僅是對本實用新型原理的示例性說明，因此本領域技術人員可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下進行多種修改。上述實施例可單獨地或以任意組合方式實施。