[发明专利]4T-4S步进和重复单位像素和包括该单位像素的图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器的单位像素，更具体地，涉及通过将四个单位像素合并成单个单位像素得到的4T-4S步进和重复单位像素和具有该单位像素的图像传感器。

背景技术

图像传感器是通过将多个单位像素布置在二维的阵列结构中得到的。在图像传感器的设计阶段在水平和竖直方向上重复地布置单位像素的过程称作步进和重复过程。在这个过程中，水平单位线是通过在水平方向上重复地布置单个类型的单位像素形成的，而竖直单位线是通过在竖直方向上重复地布置单位像素而从水平单位线的每个单位像素延伸的，从而实现单个图像传感器。

可以如下定义将在本发明中提到的4T单位像素、4T-2S单位像素和4T-4S单位像素。

4T单位像素包括单个光电二极管和图像信号转换电路，该图像信号转换电路具有用于处理从光电二极管检测到的图像信号的四个晶体管(即，4T)。

4T-2S单位像素是通过共享用于图像信号转换电路的晶体管(即，2S)通过将两个4T单位像素合并进单个单位像素得到的图像传感器单元。

4T-4S单位像素是通过共享用于图像信号转换电路的晶体管(即，4S)通过将四个4T单位像素合并进单个单位像素得到的图像传感器单元。

图1示出生成传统的4T-2S步进和重复单位像素的过程。

参见图1，在右侧示出的4T-2S步进和重复单位像素100是通过合并在左侧示出的两个4T单位像素10和20得到的。第一单位像素10包括单个光电二极管PD1和图像信号转换电路，该图像信号转换电路具有用于将从光电二极管PD1产生的图像信号转换成电信号的四个晶体管M11、M12、M13和M14。第二单位像素20具有与第一单位像素10类似的结构，但是它们的组件由不同的符号表示，以便将它们彼此区分。

在4T-2S步进和重复单位像素100中，复位晶体管M12或M22、转换晶体管M13或M23、选择晶体管M14或M24在两个4T单位像素10和20之间共享，两个4T单位像素10和20中的每个均具有四个晶体管。因此，如果两个4T单位像素共享复位晶体管、转换晶体管和选择晶体管，那么需要的复位晶体管、转换晶体管和选择晶体管的数量可以降低到三个，而如果两个4T单位像素是如在图1中所示分开布置的，那么需要六个晶体管。使用共同共享的两个传输晶体管M11和M21和三个晶体管MC2、MC3和MC4，4T-2S步进和重复单位像素100输出对应于在两个光电二极管PD1和PD2中产生的图像信号的转换电压。

在启用施加给传输晶体管M11和M21的栅极的传输控制信号Tx1或Tx2的任何一个之前，在预定时间点启用施加给复位晶体管MC2的栅极的复位信号Rx12。为此原因命名了在“Rx12”中的标号“12”。类似地，为了相同的原因命名了施加给选择晶体管MC4的栅极的选择信号Sx12的标号“12”。

如上所述，因为单个共同的图像信号转换电路是由两个单位像素共享的，所以使用在4T-2S步进和重复单位像素100中的两个光电二极管和五个晶体管M11、M21、MC2、MC3和MC4，将施加给两个单位像素的图像信号转换成电信号。因此，每个像素需要的晶体管的数量变成2.5。

当四个4T单位像素共同地共享单个图像信号转换电路时，每个像素需要的晶体管的数量降低到1.75。如果其它条件是相同的，与仅两个4T单位像素共同共享单个图像信号转换电路的上面情况比较，可以由光电二极管占用的面积增加。这将提高图像传感器的开口率。

图2是传统的4T-4S步进和重复单位像素的电路图。

参见图2，4T-4S步进和重复单位像素200包括：四个光电二极管PD0到PD3，用于产生对应于入射图像信号的图像电荷；四个传输晶体管M21到M24，用于转换从四个光电二极管产生的图像电荷；和共同的图像信号转换电路，具有用于将所检测的图像电荷转换成对应的电信号的三个晶体管M25、M26和M27。传输控制信号Tx01、Tx11、Tx00和Tx10分别施加到传输晶体管M21、M22、M23和M24的栅极。

考虑在图像传感器中的一般的光电二极管阵列，4T-4S步进和重复单位像素200是通过将两个用来从图像信号中检测绿色组分的光电二极管合并成单个单元得到的，一个光电二极管用来检测蓝色组分，而一个光电二极管用来检测红色组分。参见图2，用来检测绿色组分的两个光电二极管PD0和PD3是对角地布置的。用来检测蓝色组分的光电二极管PD1和用来检测红色组分的光电二极管PD2也是对角地布置的。