测量4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的方法技术

本发明专利技术公开了一种像素单元的钉扎光电管的钉扎电压的测量方法，包括：将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，同时打开传输晶体管及复位晶体管，以清空钉扎光电管中的电荷；保持传输晶体管及复位晶体管同时打开的状态下，将复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷引入光电管中；之后关闭传输晶体管和复位晶体管；保持钉扎光电管的电荷量不变，将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，依次打开复位晶体管和传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复上述步骤，获得控制电压与像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定钉扎光电管的钉扎电压。本发明专利技术能够方便、高效、准确地测量4管像素单元的CMOS图像传感器的钉扎电压值。

【技术实现步骤摘要】
测量4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的方法
本专利技术涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种4管像素单元图像传感器的钉扎电压的测量方法。
技术介绍
CMOS图像传感器的性能，伴随着从最初的无源像素结构到现在被广泛使用的有源像素结构，有了很大的提升。但是被应用很久的3管有源像素结构，还是存在着暗电流和噪声的缺陷。为了进一步提高CMOS图像传感器的性能，采用钉扎光电管和传输晶体管的4管像素单元由于其更低的复位噪声和暗电流，正在被越来越多的使用。与此同时，为了实际判定器件性能和图像传感器输出电压幅值，能够准确并方便测量4管像素单元的光电管钉扎电压正在成为迫切要求。4管像素单元中采用的钉扎光电管不是传统的由单个pn结简单构成的光电管，可以直接测量电压或者电流输出，而是由2个pn结背对背，由彼此的耗尽区拼接成一个完全耗尽的区域组成的存储电荷的光电管，因此没有办法直接测量其电压值或者完全耗尽时的钉扎电压值，而光电管的钉扎电压值直接影响到像素单元的满阱电荷量和输出信号范围。虽然通过器件仿真可以提供光电管的钉扎电压参考值，但通常的测试方法可能需要专门设计光电管的特殊测试结构来测量工作在电荷域的钉扎电压值，这种测试方法在方便性和快捷性上有所欠缺。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种能够方便、高效、准确地测量4管像素单元的CMOS图像传感器的钉扎电压值的测量方法。为达成上述目的，本专利技术提供一种4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，所述4管像素单元包括所述钉扎光电管，传输晶体管，悬浮点，复位晶体管，源跟随器和选通管，所述测量方法包括:步骤S1:将所述复位晶体管的漏极电压连接至供电电压，同时打开所述传输晶体管及所述复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷；步骤S2:保持所述传输晶体管及所述复位晶体管同时打开的状态下，将所述复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中；之后关闭所述传输晶体管和所述复位晶体管；步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将所述复位晶体管的漏极电压连接至所述供电电压，依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复进行步骤SI至步骤S3，获得所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定所述钉扎光电管的钉扎电压。可选的，其特征在于，所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线的拐点所对应的控制电压为所述钉扎光电管的钉扎电压。可选的，所述拐点为所述像素单元的输出电压开始保持不变的点。可选的，步骤S3中通过保持无入射光的暗室条件及电荷积累时间的控制以保持所述钉扎光电管的电荷量不变，所述电荷积累时间为步骤S2中所述传输晶体管关闭至步骤S3中所述传输晶体管打开的时间。可选的，所述电荷积累时间小于5微秒。可选的，所述悬浮点的电势与所述控制电压基本相同。可选的，步骤S3中依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压的步骤包括:打开所述复位晶体管并进行第一次采样，以读取所述像素单元的第一输出电压；打开所述传输晶体管并进行第二次采样，以读取所述像素单元的第二输出电压；根据所述第一输出电压和所述第二输出电压读出所述像素单元的输出电压。可选的，当所述控制电压小于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量由所述控制电压决定；步骤S3中所述像素单元的输出电压与所述控制电压成反比；当所述控制电压大于等于所述钉扎电压时，步骤S2中从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中的电荷量为O ;步骤S3中所述像素单元的输出电压不变。可选的，在重复进行步骤SI至S3时，所述控制电压从初始电压逐渐增加。可选的，所述初始电压接近0V。本专利技术的4管像素单元的图像传感器钉扎电压的测量方法的有益效果在于，充分利用现有的像素单元结构，通过对复位晶体管漏极电压控制以及复位晶体管和传输晶体管的时序控制，准确方便地测量4管像素单元的图像传感器的钉扎电压。【附图说明】图1是本专利技术一实施例的测量4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的基本测试结构。图2是本专利技术一实施例的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法的时序图。图3a至3c所示为根据本专利技术一实施例的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，不同复位晶体管漏极电压所对应的钉扎光电管、传输晶体管和悬浮点之间的电势关系图。【具体实施方式】为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进一步说明。当然本专利技术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专利技术的保护范围内。此外，本专利技术利用示意图进行了详细的表述，在详述本专利技术实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本专利技术的限定。以下将结合图1及图2具体说明本专利技术的一较佳实施例。CMOS图像传感器钉扎电压的基本测试结构如图1所示。测试结构包括I个钉扎光电管(Pinned Photodiode, PPD) I, I 个传输晶体管(Transfer Gate, TG) 2,1 个悬浮点(Floating Diffusion Node, FD) 3,1 个复位晶体管(Reset) 4,1 个源跟随器(SourceFollower, SF) 5和I个选通晶体管(Row Selector, RS)6。钉扎光电管使用p型半导体衬底、注入到该P型衬底中的η型阱及注入到该η型阱中的ρ+层而建构。传输晶体管2、复位晶体管4、源跟随器5和选通晶体管6均包含源极、漏极与栅极。钉扎光电管I连接至传输晶体管2的源极。传输晶体管2的漏极在悬浮点3处耦合至复位晶体管4的源极以及源跟随器5的栅极。源跟随器5的源极连接至选通晶体管6的漏极。选通晶体管6的源极连接至输出端Vout，源跟随器的漏极连接至芯片供电电压Vdd。与现有技术的4T像素单元的图像传感器不同的是，本专利技术的测试结构中，复位晶体管4的漏极由控制电压Vreset单独控制。本专利技术根据该测试结构进行的钉扎电压的测量方法包括以下步骤:步骤S1:将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，同时打开传输晶体管及复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷；步骤S2:保持传输晶体管及复位晶体管同时打开的状态下，将复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从悬浮点引入钉扎光电管中；然后，关闭传输晶体管和复位晶体管；步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将复位晶体管的漏极电压连接至电源电压，依次打开复位晶体管和传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复进行步骤SI至步骤S3，获得控制电压与像素单元的输出电压的关系曲线，根据该关系曲线确定钉扎光电管的钉扎电压。以下将结合图2和图3a至图3c详细说明根据本专利技术的测试结构进行4T单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法。首先，在每次测试开始时，为防止钉扎光电管I上已存在的多余电荷对后续测试的影响，需先将复位晶体管4的漏极连接至芯片供电电压VddJn 3.3V。也即是此时复位晶体管4的控制电压Vreset的值为供电电压Vdd。之后，同时打开传输晶体管2和复位晶体管4 (TG和RST为高电平)，由于悬浮点3上的电势基本等于电压Vreset的电压值(即供电电压Vdd的电压值，为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，所述4管像素单元包括所述钉扎光电管，传输晶体管，悬浮点，复位晶体管，源跟随器和选通管，所述测量方法包括：步骤S1：将所述复位晶体管的漏极电压连接至供电电压，同时打开所述传输晶体管及所述复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷；步骤S2：保持所述传输晶体管及所述复位晶体管同时打开的状态下，将所述复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中；之后关闭所述传输晶体管和所述复位晶体管；步骤S3：保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将所述复位晶体管的漏极电压连接至所述供电电压，依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压；重复进行步骤S1至步骤S3，获得所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定所述钉扎光电管的钉扎电压。

【技术特征摘要】
1.一种4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，所述4管像素单元包括所述钉扎光电管，传输晶体管，悬浮点，复位晶体管，源跟随器和选通管，所述测量方法包括: 步骤S1:将所述复位晶体管的漏极电压连接至供电电压，同时打开所述传输晶体管及所述复位晶体管，以清空所述钉扎光电管中的电荷； 步骤S2:保持所述传输晶体管及所述复位晶体管同时打开的状态下，将所述复位晶体管的漏极电压连接至一控制电压，将一定量的电荷从所述悬浮点引入所述钉扎光电管中；之后关闭所述传输晶体管和所述复位晶体管； 步骤S3:保持所述钉扎光电管的电荷量不变，将所述复位晶体管的漏极电压连接至所述供电电压，依次打开所述复位晶体管和所述传输晶体管，读出像素单元的输出电压； 重复进行步骤SI至步骤S3，获得所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线，根据所述关系曲线确定所述钉扎光电管的钉扎电压。2.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述控制电压与所述像素单元的输出电压的关系曲线的拐点所对应的控制电压为所述钉扎光电管的钉扎电压。3.根据权利要求2所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，所述拐点为所述像素单元的输出电压开始保持不变的点。4.根据权利要求1所述的4管像素单元CMOS图像传感器钉扎电压的测量方法，其特征在于，步骤S3中通过保持无入射光的暗室条件及电荷积累时间的控制以保持所述钉扎光电管的电荷量不变，所述电荷积累时间为步骤S2中所述传输晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈佳明，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：