大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)CMOS圖像傳感器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，為提出一種可編程大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)有源像素傳感器。為此，本發(fā)明專利技術(shù)采取的技術(shù)方案是，大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)CMOS圖像傳感器，結(jié)構(gòu)是，復(fù)位開關(guān)SRST連接復(fù)位電壓Vrst和PD，用于對PD進(jìn)行復(fù)位；傳輸開關(guān)STX連接PD和浮空節(jié)點(diǎn)FD，以實(shí)現(xiàn)像素的雙采樣；設(shè)置有兩個(gè)串連的對數(shù)NMOS晶體管MLOG1、MLOG2，MLOG1漏極接電源電壓，MLOG1柵極接參考電壓VLOG，MLOG1源級與MLOG2漏極相連，MLOG2柵極與MLOG2漏極相連，MLOG1源級連接到FD。本發(fā)明專利技術(shù)主要應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)制造。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種采用線性-對數(shù)響應(yīng)的CMOS有 源像素圖像傳感器。 技術(shù)背景 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖 像傳感器具有低功耗、低成本、與CMOS工藝兼容的優(yōu)勢，是當(dāng)今成像系統(tǒng)的主流。3T有源像 素是CMOS圖像傳感器的基本像素結(jié)構(gòu)。 參考圖1，基于3T結(jié)構(gòu)的像素包括用于感光的光電二極管ro，復(fù)位管MRST，源級跟 隨器MSF和行選管MSEL。ro是由重?fù)诫s的P+鉗位層、N埋層和P型硅襯底構(gòu)成，ro與源級 跟隨器柵極相連。 假設(shè)在初始狀態(tài)時(shí)，首先對ro通過MRST進(jìn)行復(fù)位操作，ro中N層處于完全耗盡 的狀態(tài)。像素曝光階段，產(chǎn)生的光載流子在N埋層中收集，積累的電荷通過ro的寄生電容 轉(zhuǎn)化為電壓，VPD逐漸下降，反映出光照的強(qiáng)弱。曝光結(jié)束后，MSEL打開，vro信號通過MSF 和MSEL傳到讀出總線。 根據(jù)4T有源像素的工作原理可知，隨著光強(qiáng)的增大，在曝光時(shí)間內(nèi)ro收集到的電 荷就越多，得到的像素電壓也就越大，圖像傳感器的光照響應(yīng)近似為線性，如圖2所示。 在弱光條件下，當(dāng)光強(qiáng)低于一定極限值時(shí)，PD內(nèi)收集的光生電荷很少，低于像素本 身的噪聲值，無法得到有效的像素輸出，傳感器輸出有效信號所需的光強(qiáng)大小定義為最小 可探測光強(qiáng)Pmin。當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí)，達(dá)到滿阱，此時(shí)多余的電荷無法再被收集，造成高光強(qiáng) 信息的丟失，傳感器可以輸出的最大非飽和光強(qiáng)大小定義為Pmax。得到線性響應(yīng)的像素動(dòng) 態(tài)范圍為：
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對線性響應(yīng)像素動(dòng)態(tài)范圍有限的問題，本專利技術(shù)目的是 提出一種可編程大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)有源像素傳感器。為此，本專利技術(shù)采取的技術(shù)方 案是，大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)CMOS圖像傳感器，結(jié)構(gòu)是，復(fù)位開關(guān)SRST連接復(fù)位電壓 Vrst和ro，用于對ro進(jìn)行復(fù)位；傳輸開關(guān)STX連接ro和浮空節(jié)點(diǎn)FD，以實(shí)現(xiàn)像素的雙采 樣；設(shè)置有兩個(gè)串連的對數(shù)NM0S晶體管ML0G1、ML0G2, ML0G1漏極接電源電壓，ML0G1柵極 接參考電壓VL0G，ML0G1源級與ML0G2漏極相連，ML0G2柵極與ML0G2漏極相連，ML0G1源 級連接到FD ;設(shè)置有基準(zhǔn)電流源leal和校準(zhǔn)開關(guān)Seal，Seal連接FD與leal，leal另一端 接地，用于固定模式噪聲的消除；FD接輸出M0S管柵極，輸出M0S管漏極接電源電壓，輸出 M0S管源級通過開關(guān)Ssel進(jìn)行輸出。 復(fù)位期間，復(fù)位開關(guān)SRST和傳輸開關(guān)STX閉合，對光電二極管和浮空節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù) 位，復(fù)位電平Vrst = VDD ;曝光期間，復(fù)位開關(guān)SRST關(guān)斷、傳輸開關(guān)STX閉合，光電二極管產(chǎn) 生的光電流大小為Iph ;當(dāng)光照較低時(shí)，VFD電壓較高，對數(shù)管處于截止?fàn)顟B(tài)，在一定積分時(shí) 間內(nèi)，VFD隨著Iph線性下降；當(dāng)光照較高時(shí)，F(xiàn)D點(diǎn)電壓VFD持續(xù)下降，當(dāng)VFD〈VL0G-2VTH， 其中VTH為對數(shù)管閾值電壓，此時(shí)對數(shù)管導(dǎo)通，并且工作在亞閾值狀態(tài)。 在雙采樣期間，STX關(guān)斷，校準(zhǔn)開關(guān)Seal閉合，將基準(zhǔn)電流源leal接入浮空節(jié)點(diǎn)， 采樣得到校準(zhǔn)電平VFD2。 復(fù)位開關(guān)采用兩個(gè)串聯(lián)PM0S晶體管實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)晶體管源級和漏極相連，用于 削弱電荷注入效應(yīng)；傳輸開關(guān)米用傳輸門，傳輸門為一個(gè)NM0S晶體管和一個(gè)PM0S晶體管并 聯(lián)；校準(zhǔn)開關(guān)和行選各用一個(gè)NM0S晶體管組成。 與已有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)與效果： 在傳統(tǒng)線性像素基礎(chǔ)上提出線性-對數(shù)響應(yīng)像素，即保證了低光照下的分辨率， 同時(shí)提升了像素的動(dòng)態(tài)范圍。采用兩個(gè)對數(shù)管，擴(kuò)大了像素的輸出擺幅。采用校準(zhǔn)電流源 操作，進(jìn)行雙采樣，消除了像素間的固定模式噪聲。【附圖說明】 圖13T像素結(jié)構(gòu)。 圖2線性坐標(biāo)下線性像素輸出與光生電流Iph之間的關(guān)系曲線。 圖3大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)像素結(jié)構(gòu)。 圖4對數(shù)坐標(biāo)下線性-對數(shù)像素光照響應(yīng)曲線。 圖5 -種線性-對數(shù)像素的實(shí)現(xiàn)方式。【具體實(shí)施方式】 在本專利技術(shù)中，與傳統(tǒng)圖像傳感器相比，將動(dòng)態(tài)范圍較大的傳感器統(tǒng)稱為大動(dòng)態(tài)范 圍傳感器。 本專利技術(shù)提出的對數(shù)像素在傳統(tǒng)3T像素基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 本專利技術(shù)中采用復(fù)位開關(guān)SRST連接復(fù)位電壓Vrst和ro，對ro進(jìn)行復(fù)位。傳輸開 關(guān)STX連接ro和浮空節(jié)點(diǎn)FD，以實(shí)現(xiàn)像素的雙采樣。另外像素中增加了兩個(gè)串連的對數(shù) NM0S晶體管ML0G1、ML0G2。ML0G1漏極接電源電壓，柵極接參考電壓VL0G，源級與ML0G2漏 極相連，ML0G2柵極與漏極相連，源級連接到FD。另外包含一個(gè)基準(zhǔn)電流源leal和校準(zhǔn)開 關(guān)Seal，Seal連接FD與leal，leal另一端接地，用于固定模式噪聲的消除。像素的工作過 程如下： 復(fù)位期間，SRST和STX閉合，對光電二極管和浮空節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電平Vrst =VDD。曝光期間，SRST關(guān)斷、STX閉合，光電二極管產(chǎn)生的光電流大小為Iph。當(dāng)光照較低 時(shí)，VFD電壓較高，對數(shù)管處于截止?fàn)顟B(tài)，工作狀態(tài)與傳統(tǒng)3T像素相同，在一定積分時(shí)間內(nèi)， VFD隨著Iph線性下降。當(dāng)光照較高時(shí)，VFD持續(xù)下降，當(dāng)VFD〈VL0G-2VTH，其中VTH為對數(shù) 管閾值電壓，此時(shí)對數(shù)管導(dǎo)通，并且工作在亞閾值狀態(tài)。光電流Iph流經(jīng)兩個(gè)對數(shù)管，根據(jù) 晶體管相關(guān)理論，對于單個(gè)晶體管，有： 其中，ID為對數(shù)管的漏電流，ID = Iph，VT為熱電壓，10為晶體管飽和電流。一般 情況下，VDS大于幾個(gè)kT/e，公式（2)簡化為： 對于本專利技術(shù)的情況，采用兩個(gè)對數(shù)管得到的像素響應(yīng)為： 其中，VFD1稱為信號電平。 由（5)式可知，VFD與Iph成對數(shù)關(guān)系變化，擴(kuò)大了像素的動(dòng)態(tài)范圍，采用兩個(gè)對 數(shù)管增大了像素輸出擺幅。同時(shí)，VL0G為外部提供的參考電平，leal為外部提供的校準(zhǔn)電 流源，可根據(jù)不同光照環(huán)境進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳像素輸出響應(yīng)。 為了消除對數(shù)管的閾值電壓不同引起的像素間固定模式噪聲，在本專利技術(shù)中通過傳 輸開關(guān)實(shí)現(xiàn)雙米樣。 在雙采樣期間，STX關(guān)斷，校準(zhǔn)開關(guān)Seal閉合，將基準(zhǔn)電流源leal接入浮空節(jié)點(diǎn)， 采樣得到校準(zhǔn)電平VFD2 : 將校準(zhǔn)電平VFD2與之前得到的信號電平相減得到： 可以看到通過雙采樣技術(shù)，消除了晶體管閾值電壓的偏移，同時(shí)能夠有效消除像 素的固定模式噪聲。 如圖5所示，以3. 3v，0. 11 μ m制作工藝為例給出本專利技術(shù)的一種實(shí)施方式。所設(shè)計(jì) 圖像傳感器均采用3. 3V晶體管實(shí)現(xiàn)，電源電壓VDD = 3. 3V，復(fù)位電壓VRST = 3. 3V，對數(shù)參 考電壓VL0G = 3. 3V，基準(zhǔn)電流源leal = 1 μΑ，復(fù)位時(shí)間200ns，讀出采用50MHz時(shí)鐘。其 中復(fù)位開關(guān)采用兩個(gè)串聯(lián)PM0S晶體管實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)晶體管源級和漏極相連，用于削弱電 荷注入效應(yīng)。傳輸開關(guān)米用傳輸門，傳輸門為一個(gè)NM0S晶體管和一個(gè)PM0S晶體管并聯(lián)。校 準(zhǔn)開關(guān)和行選各用一個(gè)NM0S晶體管組成。【主權(quán)項(xiàng)】1. 一種大動(dòng)態(tài)范圍線性-對數(shù)響應(yīng)CMOS圖像傳感器，其特征是，結(jié)構(gòu)是，復(fù)位開關(guān) SRST連接復(fù)位電壓Vrst和ro，用于對ro進(jìn)行復(fù)位；傳輸開關(guān)STX連接ro和浮空節(jié)點(diǎn)FD， 以實(shí)現(xiàn)像素的雙本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種大動(dòng)態(tài)范圍線性?對數(shù)響應(yīng)CMOS圖像傳感器，其特征是，結(jié)構(gòu)是，復(fù)位開關(guān)SRST連接復(fù)位電壓Vrst和PD，用于對PD進(jìn)行復(fù)位；傳輸開關(guān)STX連接PD和浮空節(jié)點(diǎn)FD，以實(shí)現(xiàn)像素的雙采樣；設(shè)置有兩個(gè)串連的對數(shù)NMOS晶體管MLOG1、MLOG2，MLOG1漏極接電源電壓，MLOG1柵極接參考電壓VLOG，MLOG1源級與MLOG2漏極相連，MLOG2柵極與MLOG2漏極相連，MLOG1源級連接到FD；設(shè)置有基準(zhǔn)電流源Ical和校準(zhǔn)開關(guān)Scal，Scal連接FD與Ical，Ical另一端接地，用于固定模式噪聲的消除；FD接輸出MOS管柵極，輸出MOS管漏極接電源電壓，輸出MOS管源級通過開關(guān)Ssel進(jìn)行輸出。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐江濤，周益明，高志遠(yuǎn)，聶凱明，高靜，史再峰，
申請(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12