[发明专利]全局快门像素单元及其信号采集方法和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种全局快门像素单元及其信号采集方法和制造方法。

背景技术

如今，CMOS传感器获得因其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素单元尺寸被广泛用作成像设备。CMOS图像传感器通常采用两种曝光方式：滚动曝光(Rolling Shutter)和全局曝光(Global Shutter)。传统的4T像素单元像元通常属于滚动曝光像元(Rolling Shutter Pixel)，对于其组成的CMOS图像传感器的像素单元阵列来说，不同行(列)的像素单元的曝光时间并不同时开始或终止，这一非同时性对于普通成像设备应用来说没有问题，但是对于高帧率拍摄图像时，则会引起明显的图像失真与变形。因此，当进行高速运动物体的成像时，需要通过全局快门的像素单元来实现。

图1显示了现有技术的8T全局快门像素单元的电路图。如图所示，整个像素单元包括8个NMOS晶体管，分别为传输晶体管M1、复位晶体管M2、第一源跟随器M3、预充电晶体管M4、开关晶体管M5、开关晶体管M6、第二源跟随器M7以及行选通管M8。像素单元还包括两个MOS电容C1和C2。控制信号TX、RST、PC、S1、S2、RS分别控制传输晶体管M1、复位管M2、预充电管M4、开关晶体管M5、M6和行选通管M8的打开和关闭。8T全局快门像素单元的工作原理如下：

首先将控制信号TX/RST同时置高，使得传输晶体管M1、复位晶体管M2同时打开，此时，电源电压VDD对感光二极管进行充电复位，同时悬浮节点FD(即第一晶体管M3的栅极)进行复位。之后，将TX信号置低使第一晶体管M1关闭，感光二极管开始处于曝光状态。将控制信号PC，S1，S2置高，晶体管M4、M5、M6打开，电容C1和C2均存储复位信号。接着将开关晶体管M6关闭，复位信号存储于电容C2中。将传输晶体管M1打开，完成曝光过程。再将开关晶体管M5打开，将感光二极管的信号存储到C1电容中后再次关闭开关晶体管M5。之后进行信号的输出，首先开关晶体管M6保持关闭，电容C2存储的复位信号Vreset输出；然后将开关晶体管M6打开，此时电容C1中存储的感光二极管信号Vsignal与电容C2电容中存储的复位信号Vreset进行混合，使得电容C2中存储的信号变为＝1/2(Vreset+Vsignal)并再次输出。而这两次输出信号之差Vout＝1/2(Vreset-Vsignal)即为像素单元的像素信号。

传统的8T全局像元用于存储信号的电容C1、C2主要采用MOS电容，由于信号需要在电容上存储较长的一段时间(10毫秒以上)，一方面要求电容的容值较高，在20fF以上，另一方面要求电容对地的漏电较小，在10pA左右。为减小漏电，MOS电容的栅氧厚度往往较大，这就导致为了达到足够的电容容值，需要使用较大面积的MOS电容。而MOS电容占据较大的像素单元面积必然会造成在像素单元总面积不变的情况下不得不减小像素单元内光电二极管的感光面积，也就减小了像素单元的填充因子。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有高像素单元填充因子的全局快门像素单元。