[发明专利]包括三个晶体管的单位像素和包括该单位像素的像素阵列

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器中所包括的单位像素，尤其涉及使用三个晶体 管的单位像素。

背景技术

图1是图示出使用四个晶体管的常规互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器的单位像素实施例的电路图。

参见图1，单位像素100包括光电二极管PD、电荷传输晶体管M1、 重置晶体管M2、转换晶体管M3和像素选择晶体管M4。

光电二极管PD包括连接到接地电压GND的一个端子(terminal)并 响应于图像信号生成电荷。电荷传输晶体管M1包括连接到光电二极管PD 的另一个端子的端子以及施加以电荷传输控制信号TX的栅极。重置晶体 管M2包括连接到供电电压VDD的端子、连接到电荷传输晶体管M1的另一 个端子的另一个端子以及施加以重置控制信号RE的栅极。转换晶体管M3 包括连接到供电电压VDD的端子以及同时连接到电荷传输晶体管M1的另 一个端子和重置晶体管M2的另一个端子的栅极。这里，电荷传输晶体管 M1和重置晶体管M2之间的共同端子被称作浮动扩散区域。转换晶体管M3 生成与聚集在所述浮动扩散区域中的电荷相对应的转换电压PIX-OUT。像 素选择晶体管M4响应于像素选择控制信号SEL来执行转换电压PIX-OUT 的切换。

图2是图示出使用四个晶体管的常规CMOS图像传感器的另一单位像 素实施例的电路图。

参见图2，单位像素200包括光电二极管PD、电荷传输晶体管M1、 重置晶体管M2、转换晶体管M3和像素选择晶体管M4。

光电二极管PD包括连接到接地电压GND并响应于图像信号生成电荷 的端子。电荷传输晶体管M1包括连接到光电二极管PD的另一个端子的端 子和施加以电荷传输控制信号TX的栅极。重置晶体管M2包括连接到供电 电压VDD的端子、连接到电荷传输晶体管M1的另一个端子的另一个端子 以及施加以重置控制信号RE的栅极。转换晶体管M3响应于电荷传输晶体 管M1的另一个端子和重置晶体管M2的另一个端子的电压向转换晶体管 M3的端子输出转换电压PIX-OUT，其被施加到转换晶体管M3的栅极。像 素选择晶体管M4包括连接到供电电压VDD的端子、连接到转换晶体管M3 的另一个端子的另一个端子以及施加以像素选择控制信号SEL的栅极。

参见图1和2，常规的像素电路通过使用四个MOS晶体管检测图像信 号并且将所述图像信号转换为电压信号以便进行输出。假设图1和2中所 示的MOS晶体管为N型晶体管。因此，当向栅极施加高电平状态的信号时， 该MOS晶体管导通，而当向其施加的电平状态的信号时，该MOS晶体管关 闭。

此后，将参考图3对像素电路的操作进行描述。

图3是在图1和2中使用的信号的波形图。

参见图3，像素电路100或200准备通过像素选择控制信号SEL来输 出与光电二极管PD所检测的图像信号相对应的转换电压，所述像素选择 信号SEL首先变换为高电平状态。转换晶体管M3的栅极VA(也就是浮动 扩散区域VA)由重置控制信号RE利用供电电压VDD进行预充电，所述重 置控制信号RE在像素选择信号SEL之后变换为高电平状态。这里，在转 换晶体管M3的漏极和源极之间流动的电流量由施加到转换晶体管M3的供 电电压VDD所确定，并且由在所述漏极和源极之间流动的电流所输出的转 换电压PIX-OUT被设置为参考电压V1(P1)。

接下来，当传输控制信号TX处于高电平状态时，电荷传输晶体管M1 导通，并且在光电二极管PD所生成的电荷和预充电到节点VA的电荷之间 形成传导路径。当由电荷传输MOS晶体管M1的端子处的图像信号生成的 电荷所降低的电压和电荷传输MOS晶体管M1的另一个端子处的预充电电 荷所降低的电压之间出现差异时，电荷就通过所述传导路径进行移动。由 于所述电荷由图像信号所生成，所以预充电电荷的数量有所改变。在电荷 移动充分发生之后，传输控制信号TX变换为低电平状态，并且不再发生 电荷的移动。这里，在转换晶体管M3的栅极中聚集的电荷数量有所变化， 并且转换电压PIX-OUT由所测得的电荷数量变化来确定并被设置为比较 电压V2(P2)。

参考电压V1和比较电压V2之间的差异被作为与像素所检测到的图像 信号相对应的检测电压进行处理。