專利名稱：可消除像素噪聲的對數(shù)極式互補式金氧半導體影像傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器(logarithmic mode CMOS image sensor)，且特別是有關于一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲(in-pixel fixed patternv noise)的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器。
相對地，互補式金氧半導體影像傳感器卻具有高量子效率(quantum efficiency)、低讀出噪聲(read noise)、高動態(tài)范圍(dynamicrange)以及隨機存取(random access)等特性，且百分之百與互補式金氧半導體工藝兼容。也就是電荷耦合元件于上述的缺點在互補式金氧半導體影像傳感器上都看不見了，且金氧半導體工藝技術的演進勢必將大大降低互補式金氧半導體影像傳感器的成本、像素尺寸以及消耗功率。故近年來，互補式金氧半導體影像傳感器，在低價位的許多感測應用上已成為電荷耦合元件的替代品。
對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器即是互補式金氧半導體影像傳感器中的其中一種，請參考

圖1。對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器主要由NMOS晶體管101，103，105以及光二極管107所構成。此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器主要為利用晶體管101的柵極直接接到最高電壓Vdd，此時晶體管101柵極與源極間的電壓差與漏極電流形成對數(shù)關系，這使得輸出電壓Vout與光二極管接受的照光強度也形成對數(shù)關系，而此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器因此而具有很高的動態(tài)范圍，即影像對比非常強烈。不過，其也具有在作讀出電壓時，由于工藝技術使得臨界電壓不匹配，而造成固定噪聲非常之大的困擾。此外，本領域技術人員可知，此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器并無法作相關雙取樣(Correlated Double Sampling，簡稱CDS)來消除固定噪聲。
本發(fā)明則是針對對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器本身，臨界電壓不匹配所造成固定噪聲的缺點，也是此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器最大的缺點而提出。
本發(fā)明提出一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，包括第一MOS晶體管、第二MOS晶體管、第三MOS晶體管、第四MOS晶體管、光二極管以及電流源裝置。其中第一MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，第一晶體管的柵極端與第一連接端耦接于第一節(jié)點，且第一節(jié)點耦接一個最高電壓。第二MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，第二MOS晶體管的柵極端與第一MOS晶體管的第二連接端耦接于第二節(jié)點，且第二MOS晶體管的第一連接端也耦接最高電壓。第三MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，第三MOS晶體管的柵極端耦接一個列選擇信號，且第三MOS晶體管的第一連接端耦接第二MOS晶體管的第二連接端，而第三MOS晶體管的第二連接端為一個電壓輸出端。第四MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，第四MOS晶體管的柵極端耦接一控制信號，且第四MOS晶體管的第一連接端耦接第二節(jié)點。光二極管具有第一連接端以及第二連接端，光二極管的第一連接端耦接第四MOS晶體管的第二連接端，且光二極管的第二連接端耦接地。
在本發(fā)明的較佳實施例中，第一MOS晶體管、第二MOS晶體管、第三MOS晶體管以及第四MOS晶體管均為N信道MOS晶體管。值得注意的是，第四MOS晶體管也可為P信道MOS晶體管。
對應于上述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，本發(fā)明提出一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的操作方法，其包括當?shù)谒腗OS晶體管接受控制信號以致能(enable)時，此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作信號電壓取樣。而當?shù)谒腗OS晶體管接受控制信號以禁能(disable)時，此對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作負載電壓取樣。
綜上所述，本發(fā)明僅通過增加一個MOS晶體管，使得對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器可以有效消除內(nèi)在像素的固定噪聲。
101，103，105，201，203，205，211NMOS晶體管107，207光二極管109，209電流源裝置此數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的工作原理如下首先要定義的是，Vg201代表NMOS晶體管201的柵極電壓、Vs201代表NMOS晶體201的源極電壓、Vth201代表NMOS晶體201的臨界電壓...以此類推，I209則代表電流源裝置209所提供的電流。
根據(jù)NMOS晶體在次臨界電壓(sub-threshold)區(qū)時的漏極電流公式，可得電流I為I=I0·Ecp[Vg201-Vs201-Vth201nVT]----(1)]]>其中，I0為Vg201-Vs201＝0V時，流經(jīng)NMOS晶體管201的漏電流。VT為熱電壓(thermal voltage，相當于KT/q)。由(1)式可推得nVTln[II0]=Vg201-Vs201-Vth201,]]>即Vs201=Vg201-Vth201-nVTln[II0].]]>其中，Vg201相當于最高電壓Vdd，故Vs201=Vdd-Vth201-nVTln[II0]----(2)]]>而NMOS晶體管203操作在飽和區(qū)(saturation region)，很明顯地，NMOS晶體管203的漏極電流相當于電流源裝置209所提供的電流I209，因此，電流I209等于NMOS晶體管203的源極電流。根據(jù)NMOS晶體管飽和區(qū)的源極電流公式可得NMOS晶體管203的源極電流為12KP203(Vg203-Vs203-Vth203)2,]]>相當于電流I209，即I209=12KP203(Vg203-Vs203-Vth203)2.]]>故推得2I209KP203=Vg203-Vs203-Vth203.]]>又，在理想狀況下，Vs203相當于此數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout。故Vout=Vs203=Vg203-Vth203-2I209KP203----(3)]]>其中，Kp203為NMOS晶體管203的元件參數(shù)。由于Vs201＝Vg203，因此將第(2)式帶到第(3)式，可得Vout=Vdd-Vth201-nVTln[II0]-Vth203-2I209KP203----(4)]]>當光二極管207接受弱光照射(NMOS晶體管201操作在次起始區(qū)(sub-threshold region))，且NMOS晶體管211接收控制信號控制為禁能(OFF)時，電流I，也就是節(jié)點1的反偏漏電流Irev1。因此光二極管207接受弱光照射且NMOS晶體管211禁能時，對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout11，即對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作相關雙取樣(Correlated DoubleSampling，簡稱CDS)時的負載電壓，為Vout11=Vdd-Vth201-nVTln[Irev1I0]-Vth203-2I209KP203----(5)]]>當光二極管207接受弱光照射，且NMOS晶體管211接收控制信號控制為致能(ON)時，電流I相當于光二極管207照光時所產(chǎn)生的光電流IP1加上節(jié)點1所產(chǎn)生的反偏漏電流Irev1(此為光二極管不照光時所產(chǎn)生的漏電流)。因此光二極管207接受弱光照射且NMOS晶體管211致能時，對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout12，即對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器時作CDS時的信號電壓，為Vout12=Vdd-Vth201-nVTln[IP1+Irev1I0]-Vth203-2I209KP203----(6)]]>故當光二極管207接受弱光照射時，NMOS晶體管211受控制信號致能或禁能，以配合CDS電路對負載電壓與信號電壓取樣并相減，而得到純的信號電壓，此純信號電壓為|Vout12-Vout11|=nVTln[IP1+Irev1Irev1]----(7)]]>同樣地，當光二極管207接受強光照射(NMOS晶體管201操作在飽和區(qū)(saturation region))，且NMOS晶體管211接收控制信號控制為禁能(OFF)時，電流I，也就是節(jié)點1的反偏漏電流Irev1。因此光二極管207接受強光照射且NMOS晶體管211禁能時，對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout21為Vout21=Vdd-Vth201-nVTln[Irev1I0]-Vth203-2I209KP203----(8)]]>當光二極管207接受強光照射，且NMOS晶體管211接收控制信號控制為致能(ON)時，對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout22為Vout22=Vdd-Vth201-2Ip1+Irev1KP201-Vth203-2I209KP203----(9)]]>故當光二極管207接受強光照射時，NMOS晶體管211受控制信號致能或禁能，以配合CDS電路對重置電壓與信號電壓取樣并相減，而得到純的信號電壓，故此純信號電壓為|Vout22-Vout21|=2Ip1+Irev1I0-nVTln[Irev1I0]----(10)]]>由上述第(7)式以及第(10)式可知，臨界電壓變異(Thresholdvoltage variation)消除，故可消除因臨界電壓不匹配而造成的固定噪聲(fixed pattern noise，簡稱FPN)。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的此較佳實施例中，與光二極管207所接收光的照度成對數(shù)關系的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的輸出電壓Vout，通過列選擇信號控制，以通過NMOS晶體管輸出給相關雙取樣電路作取樣并作信號電壓與負載電壓相減時，由于對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器中各晶體管臨界電壓不匹配的消除，而改善了最后輸出電壓的品質。
此外，值得注意的是，最高電壓Vdd為根據(jù)可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的工藝技術而有所不同，如0.25μm工藝時，最高電壓Vdd為2.5伏特、0.35μm工藝時，最高電壓Vdd為3.3伏特或0.5μm工藝時，最高電壓Vdd為5伏特。
綜合上述，本發(fā)明僅通過增加一個MOS晶體管，使得對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器在作相關雙相取樣時，可以有效消除其輸出電壓輸出時，內(nèi)在像素所產(chǎn)生的臨界電壓變異以及固定噪聲，使得其輸出電壓，也就是其輸出的影像品質大大改善。
權利要求
1.一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，該傳感器包括一第一MOS晶體管，具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第一晶體管的柵極端與第一連接端耦接于一第一節(jié)點，且該第一節(jié)點耦接一最高電壓；一第二MOS晶體管，具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第二MOS晶體管的柵極端與該第一MOS晶體管的第二連接端耦接于一第二節(jié)點，且該第二MOS晶體管的第一連接端耦接該最高電壓；一第三MOS晶體管，具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第三MOS晶體管的柵極端耦接一列選擇信號，且該第三MOS晶體管的第一連接端耦接該第二MOS晶體管的第二連接端，而該第三MOS晶體管的第二連接端為一電壓輸出端；一第四MOS晶體管，具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第四MOS晶體管的柵極端耦接一控制信號，且該第四MOS晶體管的第一連接端耦接該第二節(jié)點；以及一光二極管，具有第一連接端以及第二連接端，該光二極管的第一連接端耦接該第四MOS晶體管的第二連接端，且該光二極管的第二連接端耦接地。
2.如權利要求1所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器更包括一電流源裝置，具有第一連接端以及第二連接端，該電流源裝置的第一連接端耦接該第三MOS晶體管的第二連接端，且該電流源裝置的第二連接端耦接地。
3.如權利要求1所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，該第一MOS晶體管、該第二MOS晶體管、該第三MOS晶體管以及該第四MOS晶體管均為一N信道MOS晶體管。
4.如權利要求1所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，該第四MOS晶體管為一P信道MOS晶體管。
5.如權利要求1所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，在一理想情況下，該第二晶體管的第二連接端的電壓與該電壓輸出端的電壓相等。
6.如權利要求3所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，其特征是，該最高電壓介于5伏特與該N信道NOS晶體管的一臨界電壓之間。
7.一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的操作方法，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器包括一第一MOS晶體管、一第二MOS晶體管、一第三MOS晶體管、一第四MOS晶體管、一光二極管以及一電流源裝置；其中該第一MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第一晶體管的柵極端與第一連接端耦接于一第一節(jié)點，且該第一節(jié)點耦接一最高電壓；該第二MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第二MOS晶體管的柵極端與該第一MOS晶體管的第二連接端耦接于一第二節(jié)點，且該第二MOS晶體管的第一連接端耦接該最高電壓；該第三MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第三MOS晶體管的柵極端耦接一列選擇信號，且該第三MOS晶體管的第一連接端耦接該第二MOS晶體管的第二連接端，而該第三MOS晶體管的第二連接端為一電壓輸出端；該第四MOS晶體管具有柵極端、第一連接端以及第二連接端，該第四MOS晶體管的柵極端耦接一控制信號，且該第四MOS晶體管的第一連接端耦接該第二節(jié)點；該光二極管具有第一連接端以及第二連接端，該光二極管的第一連接端耦接該第四MOS晶體管的第二連接端，且該光二極管的第二連接端耦接地；該電流源裝置具有第一連接端以及第二連接端，該電流源裝置的第一連接端耦接該第三MOS晶體管的第二連接端，且該電流源裝置的第二連接端耦接地；其特征是，其操作方法包括該第四MOS晶體管接受該控制信號以致能時，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作一信號電壓取樣；以及該第四MOS晶體管接受該控制信號以禁能時，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作一負載電壓取樣。
8.如權利要求7所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的操作方法，其特征是，該信號電壓為當該第四MOS晶體管致能時，該電壓輸出端的電壓，該負載電壓為當該第四MOS晶體管禁能時，該電壓輸出端的電壓。
9.如權利要求7所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的操作方法，其特征是，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作該信號電壓以及該負載電壓取樣時，該第二晶體管的第二連接端的電壓與該電壓輸出端的電壓相等。
10.如權利要求7所述的可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器的操作方法，其特征是，該對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器作該信號電壓以及該負載電壓取樣時，該最高電壓介于5伏特與該N信道NOS晶體管的一臨界電壓之間。
全文摘要
一種可消除內(nèi)在像素固定噪聲的對數(shù)極式的互補式金氧半導體影像傳感器，具有第一至第四晶體管、光二極管以及電流源。其中第一晶體管柵極端與第一連接端耦接于第一節(jié)點，第一節(jié)點耦接最高電壓。第二晶體管柵極端與第一晶體管第二連接端耦接于第二節(jié)點，且第二晶體管的第一連接端耦接最高電壓。第三晶體管柵極端耦接列選擇信號，且第三晶體管第一連接端耦接第二晶體管第二連接端，而第三晶體管第二連接端為電壓輸出端。第四晶體管柵極端耦接控制信號，且第四晶體管第一連接端耦接第二節(jié)點。光二極管第一連接端耦接第四晶體管第二連接端，且光二極管第二連接端耦接地。電流源第一連接端耦接第三晶體管第二連接端，且電流源第二連接端耦接地。
文檔編號H04N5/335GK1469485SQ0212622
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月16日 優(yōu)先權日2002年7月16日
發(fā)明者賴良維, 金雅琴 申請人:雙漢科技股份有限公司