CN101894195B - 确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法和改善残像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法和改善残像的方法，包括：建立光电二极管耗尽区的电路模型；对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数。所述真实RC时间常数可以用于优化复位晶体管的复位脉冲时间宽度和传输晶体管的传输脉冲宽度，改善CMOS图像传感器的残像。

Description

确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法和改善残像的方法

技术领域

本发明涉及图像传感器，特别涉及确定CMOS图像传感器的光电二极管的耗尽区时间常数的方法和改善CMOS图像传感器残像的方法。

背景技术

图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等。

通常CMOS图像传感器包括像素单元和外围单元，所述像素单元包括一个光电二极管和3个或4个MOS晶体管，简称3T型像素、4T型像素。以4T型像素单元为例进行说明。请参考图1，图1为现有的4T型CMOS图像传感器的像素单元结构示意图，所述像素单元包括光电二极管15、复位晶体管11、传输晶体管12、放大晶体管13和选择晶体管14。光电二极管15主要用于光电转换，将输入的光信号转换为电信号；传输晶体管12用于将在光电二极管15转换的电信号传输至放大晶体管13；放大晶体管13用于将所述电信号放大，选择晶体管14用于将所述电信号输出；复位晶体管11用于对光电二极管15进行复位。

所述像素单元的光电转换过程包括：曝光前，复位晶体管11和传输晶体管12分别接收复位脉冲和传输脉冲而导通，复位晶体管11对光电二极管15的阴极复位，使得光电二极管15的耗尽区完全耗尽，光电二极管15的阴极具有预定电压；然后，复位晶体管11和传输晶体管12关断，曝光开始，光电二极管15的耗尽区接收光信号，产生光生载流子，光电二极管15的阴极电压随着光信号的强度下降；然后曝光结束，传输晶体管12接收传输脉冲而导通，将所述光生载流子转移出去；然后，所述光生载流子经过放大晶体管13和选择晶体管14输出。

参考图1，由于光电二极管15的耗尽区具有较大耗尽电阻，所述耗尽电阻与光电二极管的耗尽电容使得光电二极管在工作时具有RC延迟效应。在复位晶体管11和传输晶体管12导通，对光电二极管15进行复位时，如果复位脉冲和传输脉冲的时间宽度小于所述光电二极管15真实的RC时间常数，则光电二极管15不能完全复位，使得上一次光电转换过程的光生载流子残留在耗尽区中，与下一次光电转换产生的光生载流子一起，形成残像；在传输晶体管12导通，对光电二极管15耗尽区的光生载流子进行传输时，如果传输脉冲的时间宽度小于所述RC时间常数，则光电二极管15耗尽区的光生载流子无法全部转移去除，残留在耗尽区中，与下一次光电转换产生的光生载流子一起，形成残像。并且现有技术的复位晶体管的复位脉冲宽度和传输晶体管的传输脉冲宽度设置不合理时，现有的CMOS图像传感器也具有残像。

发明内容

本发明解决的问题是提供了一种方法，能够获得光电二极管耗尽区的真实的RC时间常数，利用所述真实的RC时间常数，合理设置CMOS图像传感器的复位脉冲和传输脉冲的时间宽度，改善了CMOS图像传感器的残像现象。

为解决上述问题，本发明提供了一种确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，包括：

建立光电二极管耗尽区的电路模型；

对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；

将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数。

可选地，所述建立光电二极管耗尽区的电路模型包括：

在预定电压下对光电二极管耗尽区进行测试，获得预定电阻值和预定电容值；

将所述耗尽区划分为至少两个子耗尽区；

建立耗尽区的电路模型，所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，不同RC单元间的子电阻依次串联于所述输入端和输出端之间，所有RC单元的子电容的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻的一端，所述RC单元的子电容的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述电容公共端电连接。

可选地，所述划分为沿耗尽区的长度方向划分。

可选地，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数包括：

对所述电路模型施加测试电压进行仿真，获得所述电路模型的电阻值和电容值，所述电阻值与电容值的乘积为电路模型的仿真RC时间常数。

可选地，所述测试电压的电压值与预定电压的电压值相同。

相应地，本发明还提供一种改善残像的方法，包括：

建立光电二极管耗尽区的电路模型；

对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；

将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数；

根据所述光电二极管耗尽区的真实RC时间常数，确定传输晶体管的脉冲时间常数和复位晶体管的脉冲时间常数。

可选地，所述建立光电二极管耗尽区的电路模型包括：

在预定电压下对光电二极管耗尽区进行测试，获得预定电阻值和预定电容值；

将所述耗尽区划分为至少两个子耗尽区；

建立耗尽区的电路模型，所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，所述子电阻串联于所述输入端和输出端之间，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述不同RC单元的子电容的一端电连接。

可选地，所述划分为沿耗尽区的长度方向划分。

可选地，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数包括：

对所述电路模型施加测试电压进行仿真，获得所述电路模型的电阻值和电容值，所述电阻值与电容值的乘积为电路模型的仿真RC时间常数。

可选地，所述测试电压的电压值与预定电压的电压值相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

建立光电二极管耗尽区的电路模型，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数，将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数，所述光电二极管RC时间常数准确反应了光电二极管的RC延迟效应，用所述真实RC时间常数设置CMOS图像传感器的复位晶体管的复位脉冲宽度和传输晶体管的传输脉冲宽度，减少了CMOS图像传感器的残像。

附图说明

图1为现有的4T型CMOS图像传感器的像素单元结构示意图。

图2是现有的光电二极管结构示意图。

图3是本发明的确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法流程示意图。

图4是本发明一个实施例的光电二极管的耗尽区划分结构示意图。

图5是本发明一个实施例的耗尽区电路模型示意图。

具体实施方式

发明人发现，现有技术通常在预定电压下，测试光电二极管的耗尽电阻的电阻值以及耗尽电容的电容值，且将所述耗尽电阻的电阻值和耗尽电容的电容值的乘积作为光电二极管的RC时间常数，这样获得的光电二极管的RC时间常数与真实RC时间常数有偏差。基于所述RC时间常数设置的CMOS图像传感器的复位脉冲时宽度和传输脉冲宽度与真实RC时间常数有偏差，若复位脉冲时间宽度和传输脉冲宽度小于真实RC时间常数，会造成CMOS图像传感器的残像。

为了说明现有技术获得的光电二极管的RC时间常数与真实RC时间常数之间具有偏差，请参考图2，为现有的光电二极管结构示意图。现有的光电二极管包括：

半导体衬底20，所述半导体衬底20的导电类型为P型；位于半导体衬底20内的掺杂阱21，所述掺杂阱21的导电类型为N型。所述半导体衬底20与掺杂阱21构成光电二极管的PN结。所述深掺杂阱21作为光电二极管的阴极，所述半导体衬底20作为光电二极管的阳极。半导体衬底20与掺杂阱21的交界面附近为光电二极管的耗尽区25。

沿所述掺杂阱21的深度方向(图2中OB方向)，所述耗尽区25具有一定宽度W；垂直于所述掺杂阱21的深度方向(图2中OA方向)，所述耗尽区25具有一定的长度L。

为了增大有效感光面积，光电二极管的长度L尺寸设计较大。发明人发现，光电二极管的工作时的电压通常施加在掺杂阱21的一侧。所述电压可以是复位时的复位电压或传输时的传输电压。

工作时，光电二极管15的阳极通常接地，阴极接复位电压或传输电压，光电二极管15的PN结反偏，其耗尽区25的宽度与两端的电压成正比。耗尽区25的两端的电压越大，耗尽区25的宽度W越大。

沿着长度L方向，自掺杂阱22施加电压的一侧至另一侧，光电二极管15耗尽区25上的电压逐渐降低。因此，沿着光电二极管15长度L方向，耗尽区25的宽度逐渐减小，因此，沿长度L方向的耗尽电阻也减小。如果在预定电压下，测试的耗尽电阻和耗尽电容的乘积，作为光电二极管的RC时间常数，将会与光电二极管的真实RC时间常数产生较大偏差。

因此，发明人提供一种确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，参考图3，所述方法包括：

步骤S1，建立光电二极管耗尽区的电路模型；

步骤S2，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；

步骤S3，将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数。

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。

首先，建立光电二极管耗尽区的电路模型，所述电路模型用于后续在仿真系统中仿真，获得电路模型的仿真RC时间常数。所述建立光电二极管耗尽区的电路模型包括：

在预定电压下对光电二极管耗尽区进行测试，获得预定电阻值和预定电容值；

将所述耗尽区划分为至少两个子耗尽区；

建立耗尽区的电路模型，所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，不同RC单元间的子电阻依次串联于所述输入端和输出端之间，所有RC单元的子电容的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻的一端，所述RC单元的子电容的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述电容公共端电连接。

请参考图4，图4是本发明一个实施例的光电二极管的耗尽区划分结构示意图。所述耗尽区25具有长度L和宽度W。所述宽度W的方向与光电二极管的掺杂阱深度方向一致，所述长度L的方向与光电二极管的掺杂阱的宽度方向一致。

在预定电压下，对所述光电二极管耗尽区25进行测试，获得预定电阻值和预定电容值，其中测试耗尽区耗尽电阻的方法为四探针法，测试耗尽电容的方法为I-V曲线方法。所述预定电压的电压值与光电二极管所在的CMOS图像传感器的电源电压的电压值相等。本实施例中，所述电压值为3.3V。

参考图4，在获得所述光电二极管耗尽区25的预定电阻值和预定电容值后，将耗尽区25划分为至少两个子耗尽区。本发明所述的划分为沿光电二极管耗尽区25的长度方向划分，以便于建立电路模型。

本发明所述划分可以为等分或按比例划分。作为优选的实施例，将所述光电二极管耗尽区25进行等分，以便确定划分后的子耗尽区的电阻值和电容值。本实施例中，所述将所述光电二极管耗尽区25划分为7个分别是第一子耗尽区25a、第二子耗尽区25b、......依次类推，第七子耗尽区25g。每一子耗尽区具有相应的子耗尽区电阻和子耗尽区电容。所述子耗尽区的电阻值为预定电阻值的1/7，所述子耗尽区的电容值为预定电容值的1/7。

作为其他的实施例，所述划分为按比例划分，例如，沿所述光电二极管耗尽区25长度方向，将其划分为3个子耗尽区，所述子耗尽区的长度分别为所述光电二极管耗尽区长度的1/2、1/4、1/4，对应地，所述子耗尽区的电阻值分别为预定电阻值的1/2、1/4、1/4，所述子耗尽区的电容值分别为预定电容值的1/2、1/4、1/4。

然后，根据光电二极管耗尽区划分的结果，建立光电二极管耗尽区的电路模型。所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，不同RC单元间的子电阻依次串联于所述输入端和输出端之间，所有RC单元的子电容的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻的一端，所述RC单元的子电容的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述电容公共端电连接。

请参考图5，为本发明一个实施例的耗尽区电路模型示意图。所述电路模型包括输入端In和输出端Out。所述电路模型包括若干RC单元，所述RC单元的数目与光电二极管的子耗尽区数目对应。作为一个实施例，所述电路模型包括7个RC单元和平衡电容Ci。如图5所示，所述7个RC单元分别是第一RC单元40a、第二RC单元40b、第三RC单元40c、第四RC单元40d、第五RC单元40e、第六RC单元40f、第七RC单元40g，每一RC单元包括依次串联的子电阻R和子电容Cj。每一子电阻R的电阻值与子耗尽区的电阻值相等，每一子电容Cj的电容值与子耗尽区的电容值相等。所述第一RC单元40a至第七RC单元的子电阻R依次串联于所述输入端In和输出端out之间。所有RC单元的子电容Cj的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻R的一端，所有RC单元的子电容Cj的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容Ci一端电连接输出端out，另一端与所述电容公共端电连接，使得每一RC单元的子电阻R两端均串联一个电容。参考图5，第二RC单元40b的子电容Cj与第一RC单元40a的子电阻R电连接，第三RC单元40c的子电容Cj与第二RC单元40b的子电阻R电连接，第四RC单元40d的子电容Cj与第三RC单元40c的子电阻R电连接，第五RC单元40e的子电容Cj与第四RC单元40d的子电阻R电连接，第六RC单元40f的子电容Cj与第五RC单元40e的子电阻R电连接，第七RC单元40g的子电容Cj与第六RC单元40f的子电容40f电连接，第一RC单元40a的子电容Cj与输入端In电连接，所有RC单元的子电容Cj相互电连接。

本实施例中，所述平衡电容Ci的电容值等于光电二极管耗尽区电容的1/n，所述n为光电二极管耗尽区划分的子耗尽区的数目。本实施例中，所述平衡电容Ci的电容值等于所述耗尽区子电容的1/7。

然后，对电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数。所述仿真为利用仿真软件进行，所述仿真软件包括SPICE软件。对所述电路模型施加测试电压进行仿真，获得所述电路模型的电阻值和电容值，所述电阻值与电容值的乘积为电路模型的仿真RC时间常数。所述测试电压的电压值等于所述预定电压的电压值。本实施中，所述测试电压的电压值为3.3v。

所述电路模型仿真获得的仿真RC时间常数与现有技术获得的光电二极管RC时间常数相比，更加接近真实RC时间常数。

接着，将所述仿真RC时间常数作为光电二极管的耗尽区真实RC时间常数。

最后，根据所述真实RC时间常数，设置CMOS图像传感器的传输晶体管的传输脉冲时间宽度和复位晶体管的复位脉冲时间宽度。所述传输脉冲时间宽度和复位脉冲时间宽度应等于或略大于光电二极管真实RC时间常数。本实施中，所述复位脉冲时间宽度和传输脉冲时间宽度为光电二极管真实RC时间常数的1.0～1.3倍。

在实际中，不同的CMOS图像传感器有不同的光电二极管，由于不同的光电二极管的掺杂阱掺杂浓度和工作电压不同，形成的耗尽区的宽度和长度不同，从而耗尽区的真实RC时间常数也不同，因此，需要对每一个CMOS图像传感器的光电二极管的RC时间常数分别计算，以确定光电二极管的RC时间常数接近真实的RC时间常数。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以作出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，其特征在于，包括：

在预定电压下对光电二极管耗尽区进行测试，获得预定电阻值和预定电容值；

将所述耗尽区划分为至少两个子耗尽区；

建立耗尽区的电路模型，所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，不同RC单元间的子电阻依次串联于所述输入端和输出端之间，所有RC单元的子电容的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻的一端，所述RC单元的子电容的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述电容公共端电连接；

对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数。

2.如权利要求1所述的确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，其特征在于，所述划分为沿耗尽区的长度方向划分。

3.如权利要求1所述的确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，其特征在于，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数包括：

对所述电路模型施加测试电压进行仿真，获得所述电路模型的电阻值和电容值，所述电阻值与电容值的乘积为电路模型的仿真RC时间常数。

4.如权利要求3所述的确定光电二极管的耗尽区时间常数的方法，其特征在于，所述测试电压的电压值与预定电压的电压值相同。

5.一种改善残像的方法，其特征在于，包括：

在预定电压下对光电二极管耗尽区进行测试，获得预定电阻值和预定电容值；

将所述耗尽区划分为至少两个子耗尽区；

建立耗尽区的电路模型，所述电路模型包括输入端、输出端、若干RC单元、平衡电容，所述RC单元的数目与子耗尽区的数目相同，所述RC单元包括依次串联的子电容和子电阻，不同RC单元间的子电阻依次串联于所述输入端和输出端之间，所有RC单元的子电容的一端对应电连接至不同RC单元的子电阻的一端，所述RC单元的子电容的另一端相互电连接，形成电容公共端，所述平衡电容一端电连接输出端，另一端与所述电容公共端电连接；

对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数；将所述仿真RC时间常数作为光电二极管耗尽区的真实RC时间常数；根据所述光电二极管耗尽区的真实RC时间常数，确定传输晶体管的脉冲时间常数和复位晶体管的脉冲时间常数。

6.如权利要求5所述的改善残像的方法，其特征在于，所述划分为沿耗尽区的长度方向划分。

7.如权利要求6所述的改善残像的方法，其特征在于，对所述电路模型进行仿真，获得所述电路模型的仿真RC时间常数包括：

对所述电路模型施加测试电压进行仿真，获得所述电路模型的电阻值和电容值，所述电阻值与电容值的乘积为电路模型的仿真RC时间常数。

8.如权利要求7所述的改善残像的方法，其特征在于，所述测试电压的电压值与预定电压的电压值相同。

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