[发明专利]有源线性传感器

说明书

发明领域

本发明一般涉及固态成像器，尤其涉及具有更小、更高性能像素的CMOS成像器。

发明背景

有源像素是能够将光图像转换成电信号的半导体器件。有源像素可以被排列成矩阵和用于为摄像机以及照相机生成视频信号，或任何需要将入射辐射量化的地方。当入射辐射与光点交互作用时，电荷载流子被释放，并可以被收集用于检测。在光点中收集的载流子数目表示在给定时间段中撞击该点的入射光的量。

存在两种用于收集和检测光点中电荷载流子的基本器件，并具有多种变型。这两种基本设备是光电二极管和光控门。光电二极管的变型包括但不仅限于：针形、正-本征-负、金属半导体、异质结和雪崩光电二极管。光控门结构包括：电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)和它们的变型，包括虚拟相位、掩埋沟道，和使用选择掺杂剂的其它变型。选择掺杂剂用于控制电荷的收集和在光控门和检测节点之间和下面的传输。

因为与光电二极管和CID相比噪声较低，到目前为止CCD在固态成像器的使用中占主导地位。CCD成像器的低噪声优点的原因在于在像素位置上收集光子产生的电荷，然后将实际电荷耦合或转移到阵列外围上的放大器。这消除了对长多晶硅和金属总线的需要，它们的相关阻抗和电容将降低信号的质量。然而，CCD的低噪声要求以固定格式读取成像器，并且一旦电荷被读取其即被破坏。将所收集的来自像素的光子电荷耦合到外围的放大器(也称为CTE)的需要要求与工业标准CMOS或BiCMOS处理不兼容的专门处理步骤。

固态成像器件已经与CMOS技术并行发展，因此所有的成像器制造商开发了它们自己的专门处理步骤以使成像器性能特征和晶片产量最大。专门的硅晶片处理使成像器的价格保持相对较高。自1985年以来已经商业化生产线性有源像素传感器。从九十年代早期开始专门处理向工业标准CMOS处理的转变在继续。使用工业标准处理的优点包括：有竞争力的晶片处理价格和提供片上定时、控制和处理电路的能力。在1992年末，制造了512×512 CMOS兼容的每列带有前置放大器和CDS的CID成像器。该成像器可以被操作为随机存取512×512 CID，或者可以将所有列相加，并作为线性有源像素传感器使用。

在专利US5，471，515中公开了一种使用有源像素传感器的面阵列，其中光电二极管或光控门被耦合到输出源跟随器放大器，该输出源跟随器放大器又驱动相关双抽样(CDS)电路，其中CDS单元的两个输出又驱动两个以上的源跟随器电路，再被反馈到差分放大器中。其使用源跟随器电路，它们一般具有小于一的增益，并且各个源跟随器彼此不同。源跟随器增益的变化取决于FET阈值的变化。源跟随器增益的变化导致像素与像素增益的失配。而且，当CDS使用源跟随器对驱动它的输出时，有源像素传感器受每列CDS电路所导致增益变化的影响。最终的CDS信号和它的相应偏移可能具有不能用差分放大器校正的不同增益。而且，有源像素的源跟随器结构并不允许像素的装仓。

现有技术操作的电压模式并不允许装仓，这是对两个或更多像素信号的同时求和。

所需要的是具有CCD的低噪声水平、CID的随机存取和装仓、相同增益和来自所有像素响应的一种成像器件。

附图简要说明

图1是现有技术的双多晶硅有源像素传感器；

图2是根据本发明的有源列传感器；

图3是根据本发明的一个像素的实现；

图4是连接以与构成一个有源列传感器的每个像素的完整运算放大器合并的一个像素矩阵的示意图。

发明的详细说明

在讨论本发明图2的有源列传感器(ACS)电路和结合下面ACS的讨论描述之前，讨论如图1所示现有技术的典型双多晶硅有源像素传感器的结构是有用的。

在图1中，每个像素50具有一个光点60，该光点60具有被配置为源跟随器的输出FET53。源跟随器53用于驱动随后的信号调整电路，例如相关双抽样电路(CDS)55。通过源跟随器53的增益小于一。如果位于像素点50上的源跟随器具有一个给定增益，在同一列中的其它像素和它们的相应源跟随器可以具有相同的增益，也可以具有不同的增益。该技术依赖于阵列中所有FET的晶片处理具有相同的阈值。对于一个线性有源像素阵列，FET阈值在操作过程中变化100毫伏是正常的。