[发明专利]CMOS图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别是CMOS图像传感器。

背景技术

电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件是两种常见的基于半导体的图像成像器。CCD经常用于图像采集，特别是用于小尺寸成像应用，其也能够处理小像素尺寸的大型格式以及采用低噪声电荷域处理技术。然而，CCD图像成像器也存在多种缺点。例如，CCD图像成像器易受辐射损坏的影响；随着时间表现出破坏性读出；需要良好的光遮蔽以避免图像拖尾(smear)，并且它们具有高功率耗散。此外，CCD阵列尽管提供高性能，但是由于部分采取了不同的处理技术以及具有高电容，从而难以与CMOS处理集成，这使片上驱动和信号处理电子器件与CCD阵列的集成复杂化。尽管已经存在一些将片上信号处理与CCD阵列集成的尝试，但是这些尝试尚未完全地成功。由于CCD通过从像素到像素的线电荷转移来转移图像，因此在存取和处理单个像素或者多组像素之前，需要将整个阵列读取到存储器中，存在时间延迟，而且在电荷转移期间，从像素到像素的不完整电荷转移也会造成图像拖尾。

基于CCD技术中的固有限制，CMOS图像传感器已经获得广泛接受以及作为低成本的成像器件得以应用。全兼容的CMOS传感器技术使得图像阵列与关联的处理电路能够高度集成，有益于许多数字应用，例如相机、扫描仪、机器视觉系统、交通工具导航系统、视频电话、计算机输入设备、监视系统、自动聚焦系统、星象跟踪仪、运动检测系统、图像稳定系统和用于高分辨率电视的数据压缩系统。

CMOS图像传感器较CCD成像器而言，其优点在于：CMOS传感器具有低电压工作和低功率消耗；CMOS图像传感器兼容于集成的片上电子器件，例如控制逻辑和定时、图像处理以及信号调节如A/D转换等；CMOS图像传感器允许对图像数据进行随机存取；由于可以使用标准CMOS处理技术，CMOS图像传感器与传统的CCD相比具有更低的制作成本。此外，由于在读出期间一次仅需要一行像素为有源并且在图像采集期间没有从像素到像素的电荷转移以及关联的切换。CMOS图像传感器实现了低功率消耗。电子器件的片上集成使得在数字领域中实现许多信号调节功能以及实现减少系统尺寸和成本成为可能。

CMOS图像传感器电路包括像素单元的焦平面阵列、读出电路和成像器。其中，每个像素单元包括在衬底上方且用于积累衬底的下部的光生电荷的光电管(photogate)、光电导体或者光电二极管；读出电路用于连接到各像素单元，至少包括形成于衬底中的输出场效应晶体管和形成于衬底上且与光电管、光电导体或者光电二极管相邻的电荷转移部分，该电荷转移部分具有连接到输出晶体管的栅极的感测节点，所述感测节点通常是浮动扩散(FD)节点；成像器可以包括用于将电荷从衬底的下部转移到浮动扩散节点的至少一个电子器件，例如晶体管，和用于在电荷转移之前将节点重置为预定电势电平的一个器件，通常也是晶体管。

在CMOS图像传感器中，像素单元的有源元件能够实现以下一些必要功能：(1)光子到电荷的转换；(2)积累图像电荷；(3)在将电荷转移到浮动扩散节点之前将浮动扩散节点重置为已知状态；(4)选择用于读出的像素；以及(5)输出和放大表示像素电荷的信号。在浮动扩散节点处的电荷，通常由源极跟随器输出晶体管转换成像素输出电压。CMOS图像传感器像素的光敏元件通常是耗尽型p-n结光电二极管或者在光电管之下的场致耗尽区(field induced depletion region)。对于光电二极管，可以通过在读出时完全地耗尽光电二极管来消除图像滞后。在通过引用而结合于此的美国专利第6,654,057号中提供了对CMOS图像传感器的更详细的描述。

发明内容

本发明的实施例显著地减少暗噪声并且提高CMOS图像传感器的总信噪比。该实施简单并且需要对标准CMOS工艺最少的修改而且没有造成单元尺寸的增加。

在一个实施例中，一种CMOS图像传感器件包括：光电二极管，用于将所接收的光信号转化为电信号；转移电荷单元，用于与所述光电二极管耦接；浮动扩散区，用于通过所述转移电荷单元与所述光电二极管相连接；重置晶体管和源极跟随器晶体管，分别连接至所述浮动扩散区。

可选的，所述CMOS图像传感器件还包括：行选择晶体管，耦合于所述源极跟随器晶体管，用于选通对应像素进行输出。

可选的，所述CMOS图像传感器至少包括四个晶体管，所述转移电荷单元为转移晶体管。

可选的，所述转移晶体管耦合所述源极跟随器晶体管的栅极和所述光电二极管。