一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构

摘要

本发明公开了一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，包括M个像素单元以及控制单元，每一个像素单元包括感光单元及读出电路，感光单元包括光电二极管和N个传输管；其中，每一像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，且至少M‑N+1个像素单元的每一个，其其余的N‑1个传输管分别与其他N‑1个像素单元的读出电路相连；至少M‑N+1个像素单元的每一个，其读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N‑1个传输管相连，用以一次读出N个像素单元的光生信号；控制单元控制M个读出电路依特定顺序读出信号，以使至少M‑N+1个像素单元的光生信号均依次被读出N次。本发明能提高低光照情况下的光灵敏度和信噪比。

权利要求

1.一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，包括：

M个像素单元以及控制单元，每一所述像素单元包括感光单元及读出电路，所述感光单元包括光电二极管和N个传输管；所述读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管；其中，每一所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，且至少M-N+1个所述像素单元中的每一个，其N个传输管的其余的N-1个分别与其他N-1个像素单元的读出电路相连；

至少M-N+1个所述像素单元中的每一个，其读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连，用以一次读出N个所述像素单元的光生信号；

所述控制单元控制M个所述读出电路依特定顺序读出信号，以使所述至少M-N+1个像素单元的光生信号均被读出N次，其中N为大于1的正整数，M为大于等于N的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述传输管根据所述控制单元发出的信号打开或关闭，以使所述M个像素单元其中一个的读取电路读取信号时，该读取电路相连的所述传输管同时导通，且其余所述传输管截止。

3.根据权利要求1所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述M-N+1个像素单元中，第k个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第k-1个，第k-2个，…，第k-(N-1)个像素单元的读出电路相连，其中k为小于等于M且大于等于N的整数。

4.根据权利要求1所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，每一个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与其他N-1个像素单元的读出电路相连；每一个所述像素单元的读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连；所述控制单元控制M个所述读出电路依特定顺序读出信号，以使每一所述像素单元的光生信号均依次被读出N次。

5.根据权利要求4所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，第i个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第i-1个，第i-2个，…，第i-N+1个像素单元的读出电路相连，其中i为小于等于M且大于等于N的整数；

第j个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第j-1个，第j-2个，……第1个像素单元的读出电路以及第M个，第M-1个，…，第M-(N-j)+1个像素单元的读出电路相连，其中j为小于N的正整数。

6.根据权利要求3或5所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，M为N的整倍数。

7.根据权利要求6所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述M个像素单元的读出电路分为N组，每一组具有M/N个读出电路，对于同一组的所述读出电路其相连的传输管以及所对应的像素单元完全不同，所述特定顺序为使所述N组读出电路依次读取信号N次，且每一组的所述读出电路依次读取所述M个像素单元的光生信号。

8.根据权利要求7所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，同一组所述读出电路中的M/N个读出电路分别为第p个像素单元的读出电路，第p+N个像素单元的读出电路，……，第p+(M/N-1)*N个像素单元的读出电路，其中p为大于等于1小于等于N的正整数。

9.根据权利要求7所述的一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，N为4的整倍数。

说明书

一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构。

背景技术

[0002] CMOS图像传感器，由于其不断改善的光学和电学性能，已被广泛应用于手机，数码相机，电子显微镜等，消费电子类和科学应用场合。特别是在光照条件不良的情况下，仍旧实现高清图像捕捉的需求，正在成为这些应用场合的趋势。因此，也对高性能图像传感器有了更加迫切的要求，尤其是实现图像传感器在低光照下的高光灵敏度和信噪比。

[0003] 目前的CMOS图像传感器技术中，有采用减小读出电路的读出噪声的方式来提高图像的信噪比，也有在读出噪声不变的情况下，通过增加像素结构的感光面积填充比，来提高光灵敏度。前者需要对读出电路做比较大的调整，或者需要通过改变制造工艺来降低像素结构中的源跟随器噪声，工作量和成本较大。后者则通过2个或者4个像素单元共用读出电路的结构，在版图上来提高感光面积在像素结构中的填充比。这种做法需要使用至少两根独立的信号线来输出光信号，因为共用的读出电路需要分别输出各个像素单元上的信号，同一读出电路也需要被使用多次，增加了复杂性。同时光电荷量增加的幅度也不是很大。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种能够在保持电路读出噪声不变的情况下使每一个像素单元上的光电荷大幅倍增，来实现高光灵敏度高分辨率的CMOS图像传感器像素结构。

[0005] 为达成上述目的，本发明提供一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，包括：M个像素单元以及控制单元，每一所述像素单元包括感光单元及读出电路，所述感光单元包括光电二极管和N个传输管；所述读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管；其中，每一所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，且至少M-N+1个所述像素单元中的每一个，其N个传输管的其余的N-1个分别与其他N-1个像素单元的读出电路相连；至少M-N+1个所述像素单元中的每一个，其读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连，用以一次读出N个所述像素单元的光生信号；所述控制单元控制M个所述读出电路依特定顺序读出信号，以使所述至少M-N+1个像素单元的光生信号均被读出N次，其中N为大于1的正整数，M为大于等于N的正整数。

[0006] 可选的，所述传输管根据所述控制单元发出的信号打开或关闭，以使所述M个像素单元其中一个的读取电路读取信号时，该读取电路相连的所述传输管同时导通，且其余所述传输管截止。

[0007] 可选的，所述M-N+1个像素单元中，第k个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第k-1个，第k-2个，…，第k-N+1个像素单元的读出电路相连，其中k为小于等于M且大于等于N的整数。

[0008] 可选的，每一个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与其他N-1个像素单元的读出电路相连；每一个所述像素单元的读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连；所述控制单元控制M个所述读出电路依特定顺序读出信号，以使每一所述像素单元的光生信号均依次被读出N次。

[0009] 可选的，第i个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第i-1个，第i-2个，…，第i-N+1个像素单元的读出电路相连，其中i为小于等于M且大于等于N的整数；第j个所述像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余N-1个传输管分别与第j-1个，第j-2个，……第1个像素单元的读出电路以及第M个，第M-1个，…，第M-(N-j)+1个像素单元的读出电路相连，其中j为小于N的正整数。

[0010] 可选的，M为N的整倍数。

[0011] 可选的，所述M个像素单元的读出电路分为N组，每一组具有M/N个读出电路，对于同一组的所述读出电路其相连的传输管以及所对应的像素单元完全不同，所述特定顺序为使所述N组读出电路依次读取信号N次，且每一组的所述读出电路依次读取所述M个像素单元的光生信号。

[0012] 可选的，同一组所述读出电路中的M/N个读出电路分别为第p个像素单元的读出电路，第p+N个像素单元的读出电路，……，p+(M/N-1)*N个像素单元的读出电路，其中p为大于等于1小于等于N的正整数。

[0013] 可选的，N为4的整倍数。

[0014] 本发明的CMOS图像传感器像素结构的有益效果在于，能够在维持高分辨率和不增加读出噪声的情况下，通过把信号增强数倍，大幅度提高CMOS图像传感器在低光照情况下的光灵敏度和信噪比。

附图说明

[0015] 图1是本发明一实施例的CMOS图像传感器像素单元的示意图。

[0016] 图2是本发明一实施例的CMOS图像传感器像素结构的示意图。

具体实施方式

[0017] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

[0018] 本发明提供了一种高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，其包括M个像素单元及控制单元，每一个像素单元包括一个感光单元及一个读出电路，其中感光单元包括光电二极管和N个传输管；读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管。其中，每一个像素单元的N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，且至少M-N+1个像素单元的每一个，其N个传输管中的一个与该像素单元的读出电路相连，其余的N-1个分别与其他N-1个像素单元的读出电路相连。进一步的，至少M-N+1个像素单元的每一个，其读出电路与该像素单元的其中一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连，用以一次读出N个像素单元的光生信号，因此至少M-N+1个读出电路所读出的信号增强了N倍。此外，控制单元控制M个读出电路依特定顺序读出信号，以使至少M-N+1个像素单元的光生信号均依次被读出N次，由此整个读出过程仍可以保持图像的高分辨率。其中N为大于1的正整数，M为大于等于N的正整数。

[0019] 以下将结合图1及图2具体说明本发明的一较佳实施例。

[0020] 请参见图1，每一个像素单元包括一个感光单元及一个读出电路，其中读出电路包括1个悬浮节点(Floating Diffusion Node)，1个复位管(Reset)，1个源跟随器(Source Follower)和1个行选通管(Row Selector)；感光单元包括光电二极管，如钉扎光电二极管P1，和N个控制电荷传输的传输管。在本实施例中，光电二极管P1可由4个传输管(TX_1_1，TX_1_2，TX_1_3，TX_1_4)控制电荷传输至4个不同的读出电路结构。其中一个传输管TX_1_2连接光电二极管P1和对应该像素单元的读出电路的源跟随器栅极，其余三个TX_1_1，TX_1_3，TX_1_4可连接至其他像素单元的读出电路的源跟随器栅极上，从而可实现光电荷的多次读出。此外，光电二极管P1所对应的读出电路除了连接传输管TX_1_2以外，也连接其他3个不同像素单元的传输管。

[0021] 请参见图2，其所示为本发明一较佳实施例的CMOS图像传感器像素结构的示意图，可实现像素单元信号倍增的读出过程。CMOS图像传感器像素结构包括16个像素单元，每个像素单元中传输管的个数为4，可由控制单元(图中未示)直接发出控制信号至传输管的栅极以控制其导通或截止。读出电路由S1，S2，S3，S4，…，S14，S15，S16简化表示，光电二极管由P1，P2，P3，P4，…，P14，P15，P16简化表示。传输管由TX表示，其中如第三个像素单元中的第3个传输管由TX_3_3来表示，依此类推。

[0022] 在本实施例中，至少13个像素单元的4个传输管中的一个与其自身对应的读出电路相连，其余3个传输管与和该像素单元相邻的像素单元所对应的读出电路相连。具体来说，第16个像素单元的4个传输管分别和读出电路S16，S15，S14和S13相连，第15个像素单元的4个传输管分别和读出电路S15，S14，S13和S12相连，以此类推，第4个像素单元的4个传输管分别和读出电路S4，S3，S2和S1相连。而第3个像素单元则通过3个传输管分别和读出电路S3，S2和S1相连；第2个像素单元则通过2个传输管分别和读出电路S2和S1相连；第1个像素单元则仅通过1个传输管和其对应的读出电路S1相连。因此，光电二极管P4～P16这13个光电二极管所储存的信号均可被四个读出电路读出，从而当依次进行各读出电路的信号读出时，这些像素单元的信号也就能够被读出4次。

[0023] 另一方面，上述连接方式中，读出电路S1～S13与包括其自身对应的像素单元及与该像素相邻的其他3个不同的像素单元相连，因此通过控制传输管的开启和关闭，可使得读出电路S1同时读出光电二极管P1，P2，P3，P4的合并信号，读出电路S2同时读出光电二极管P2，P3，P4，P5的合并信号，……，读出电路S13同时读出光电二极管P13，P14，P15，P16的合并信号。如此一来，S1～S13中每一个读出电路一次读取了4个相邻像素单元上的电荷，实现了信号4倍增强。

[0024] 以下将详细说明本实施例的信号读出过程。

[0025] 在本实施例中，16个像素单元的读出电路分为4组，每一组包括4个读出电路，对于同一组的读出电路其相连的传输管所对应的像素单元完全不同，并且4组读出电路相连的传输管及所对应的像素单元也都不同。在进行信号读出时，4组读出电路依次读取信号，且每一组的4个读出电路依次读取信号，如此一来，至少13个像素单元中的每一个像素单元，其光生信号可分别由4组读出电路依次读出，从而实现信号被读出4次。具体来说，本实施例中第一组包含读出电路S1，S5，S9和S13；第二组包含读出电路S2，S6，S10和S14；第三组包含读出电路S3，S7，S11和S15；第四组包含读出电路S4，S8，S12和S16。

[0026] 首先描述一个读出电路的读出过程，其以该读出电路(如S1)可读取信号的4个光电二极管为一个单位(如光电二极管P1，P2，P3，P4)，同时打开对应这4个光电二极管且连接至该读取电路的4个传输管(如TX_1_1，TX_2_1，TX_3_1，TX_4_1)，通过读出电路S1的源跟随器读出所有光电荷。

[0027] 接下来将描述整个像素结构的读出过程。

[0028] 在第一次读出过程中，通过每次同时打开要进行信号读取的读出电路其相连的4个传输管，先通过S1读出存储在P1，P2，P3，P4上的光电荷，再通过S5读出存储在P5，P6，P7，P8上的光电荷，接着通过S9读出存储在P9，P10，P11，P12上的光电荷，再通过S13读出存储在P13，P14，P15，P16上的光电荷，这样16个像素单元中所有的光电荷被读出了一次。这第一次的读出过程，可以用如下数学表达式简单描述为：

[0029] S1＝P1(TX_1_1)+P2(TX_2_1)+P3(TX_3_1)+P4(TX_4_1)

[0030] S5＝P5(TX_5_4)+P6(TX_6_3)+P7(TX_7_2)+P8(TX_8_1)

[0031] S9＝P9(TX_9_4)+P10(TX_10_3)+P11(TX_11_2)+P12(TX_12_1)

[0032] S13＝P13(TX_13_4)+P14(TX_14_3)+P15(TX_15_2)+P16(TX_16_1)

[0033] 括号中的内容表示通过同时打开哪几个传输管来传输电荷。

[0034] 如果把以逐个打开每个光电二极管上的一个传输管的方式，并依次通过S1，S2，S3，S4，……，S13，S14，S15，S16的源跟随器读出整个像素结构所需的时间设为一帧时间t，那么现在以4个像素单元为一个单位读出整个像素结构的时间则为1/4帧时间。且上述的读出过程中，一次通过每个读出电路的电荷量得到了增强。

[0035] 在第二次的读出过程中，第一次读出过程中已使用到的后3个相邻的像素单元会被重复使用到，并与其后面的一个像素单元，再组成一个连续的4个相邻像素单元的读出单位。在与第一次相同的光输入条件下，仍旧以4个相邻连续的像素单元为一个单位读出，又在1/4帧的时间内完成第二次读出过程。

[0036] 如图2中所示，通过同时打开4个相对应的传输管，通过S2读出存储在P2，P3，P4，P5上的光电荷，通过S6读出存储在P6，P7，P8，P9上的光电荷，通过S10读出存储在P10，P11，P12，P13上的光电荷，通过S14则读出存储在P14，P15，P16上的光电荷，也可用如下表达式表示为：

[0037] S2＝P2(TX_2_2)+P3(TX_3_2)+P4(TX_4_2)+P5(TX_5_1)

[0038] S6＝P6(TX_6_4)+P7(TX_7_3)+P8(TX_8_2)+P9(TX_9_1)

[0039] S10＝P10(TX_10_4)+P11(TX_11_3)+P12(TX_12_2)+P13(TX_13_1)

[0040] S14＝P14(TX_14_4)+P15(TX_15_3)+P16(TX_16_2)

[0041] 此时，P2～P16这15个像素单元均通过两组读出电路被读出两次。

[0042] 依次类推，在第三次读出过程中，第一次读出中所用到的后2个相邻的像素单元会再被使用到，并与其后面的2个像素单元，再组成一个连续的4个相邻像素单元的读出单位。如图2中所示，通过同时打开4个相对应的传输管，通过S3读出存储在P3，P4，P5，P6上的光电荷，通过S7读出存储在P7，P8，P9，P10上的光电荷，通过S11读出存储在P11，P12，P13，P14上的光电荷，通过S15则读出存储在P15，P16上的光电荷，也可用如下表达式表示为：

[0043] S3＝P3(TX_3_3)+P4(TX_4_3)+P5(TX_5_2)+P6(TX_6_1)

[0044] S7＝P7(TX_7_4)+P8(TX_8_3)+P9(TX_9_2)+P10(TX_10_1)

[0045] S11＝P11(TX_11_4)+P12(TX_12_3)+P13(TX_13_2)+P14(TX_14_1)

[0046] S15＝P15(TX_15_4)+P16(TX_16_3)

[0047] 此时，P3～P16这14个像素单元均通过三组读出电路被读出三次。

[0048] 在最后一次读出过程中，第一次读出中所用到的最后1个像素单元会被重复使用到，并与其后面的3个像素单元，组成一个连续的4个相邻像素单元的读出单位。如图2中所示，通过同时打开4个相对应的传输管，先通过S4读出存储在P4，P5，P6，P7上的光电荷，通过S8读出存储在P8，P9，P10，P11上的光电荷，通过S12读出存储在P12，P13，P14，P15上的光电荷，通过S16则只读出P16上的电荷，也可用如下表达式表示为：

[0049] S4＝P4(TX_4_4)+P5(TX_5_3)+P6(TX_6_2)+P7(TX_7_1)

[0050] S8＝P8(TX_8_4)+P9(TX_9_3)+P10(TX_10_2)+P11(TX_11_1)

[0051] S12＝P12(TX_12_4)+P13(TX_13_3)+P14(TX_14_2)+P15(TX_15_1)

[0052] S16＝P16(TX_16_4)

[0053] 此时，P4～P16这13个像素单元均通过四组读出电路被读出4次。

[0054] 由于读出电路S1～S13每次读取的信号是4个光电二极管中的总电荷，信号强度因此增加4倍，之后可仅选取读出电路S1～S13读取的信号进行后续处理，以保证所处理的图像信号具有高光灵敏度和高分辨率。

[0055] 需要注意的是，在本实施例中，有3个像素单元其传输管并未全部使用到，其中第3个像素单元的1个传输管(TX_3_4)、第2个像素单元的2个传输管(TX_2_3，TX_2_4)、第1个像素单元的3个传输管(TX_1_2，TX_1_3，TX_1_4)未和其它读出电路相连。然而在一较佳实施例中，第3个像素单元可通过传输管TX_3_4和读出电路S16相连；第2个像素单元可通过传输管(TX_2_3，TX_2_4)和读出电路S15，S16相连；第1个像素单元则可通过传输管(TX_1_2，TX_1_3，TX_1_4)分别和读出电路S14，S15和S16相连。如此一来，在进行第二次读出过程时，通过S14读出存储在P14，P15，P16和P1上的光电荷；在第三次读出过程时，通过S15读出存储在P15，P16，P1，P2上的光电荷；在最后一次读出过程时，通过S16读出存储在P16，P1，P2，P3上的光电荷。这样，通过每个读出电路中的源跟随器所读出的信号都是4个光电二极管中的总电荷，且同样的，每一个像素单元的信号也都被读出了4次，信号被复制了4份，从而可直接对读出电路S1～S16读出的信号进行处理。

[0056] 相对于逐次通过S1，S2，S3，…，S14，S15，S16读出其相对应的光电二极管上的电荷的方法，本发明中每个读出电路也仅用到一次，读出噪声并未增加，而每个读出电路可以一次读出4个光电二极管上的电荷，信噪比得到了提高，技术效果可以通过如下公式推导。

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 其中，SNR代表信噪比，S代表每个光电二极管所产生的光信号，nS代表光信号噪声，nr代表读出电路噪声。

[0061] 由上式可知，相对逐个读出整个像素阵列上的每个光电二极管信号的方式，利用本发明的图像传感器像素结构读出信号的信噪比提高了12dB。

[0062] 同时，通过4次如上所述的读出过程，每个像素单元的信号都会被读出4次，在相同的光强和曝光时间下，通过4次读出之后的图像中的每个像素单元上的光信号也被同等复制4份之后增强了4倍。同样的，图像也可以维持高分辨率，不会因为一次使用4个图像像素单元读出而被损失。

[0063] 进一步的，在本实施例中每个像素单元采用4个传输管，并以每4个像素单元为一个单位于一个读出电路读出，也有利于在版图布局时，光电二极管和传输管排布的对称性。同时，以4的整倍数个像素单元为一个读出单位的结构(本实施例为4个)，也利于Bayer滤光片的排布，利于后续的图像处理和彩色图像拍摄。

[0064] 需要注意的是，图2所示的像素结构的排布和连接方式仅为本发明的一实施例，实际上在其他实施例中，像素单元的个数M为大于等于每个像素单元中传输管个数N，但并不限于为N的整倍数(如M＝N2)，而对于一个读出电路而言其读取的信号除了与其对应的像素单元的信号外，其他N-1个信号并不限于是与该对应像素单元相邻的像素单元的信号，也即是说，各像素单元的传输管与读出电路的连接关系可根据实际需求而定，只需要满足像素结构中至少有M-N+1个像素单元，其每一个像素单元的N个传输管分别与该像素单元的读出电路以及其它N-1个像素单元的读出电路相连，且每一个像素单元的读出电路与该像素单元的一个传输管以及其他不同像素单元的N-1个传输管相连，且所有读出过程完成时这M-N+1个像素单元的光生信号均被读出N次即可。

[0065] 综上所述，通过本发明的高光灵敏度CMOS图像传感器像素结构，在不增加读出噪声的情况下，可以将通过每个读出电路上的信号倍增，来提高在低光照情况下的信噪比。此外，在每次相同的光照条件下，通过将同一像素单元上的信号多次输出，图像也可以维持高分辨率。因此，采用本发明的技术方案可以大幅度提高CMOS图像传感器在低光照情况下的光灵敏度和信噪比，能够广泛应用于高分辨率，高光灵敏度的消费类数码相机和手机摄像头。

[0066] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。