CN102544050A

CN102544050A - 电荷存储单元以及图像传感器像素电路

Info

Publication number: CN102544050A
Application number: CN2011104449745A
Authority: CN
Inventors: 汪辉; 丁毅岭; 陈杰; 方娜; 田犁
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供了一种电荷储存单元，具有一输入端和一输出端，所述电荷储存单元包括曝光控制晶体管、输出晶体管和相变电阻：所述曝光控制晶体管的漏/源极为所述电荷储存单元的输入端，源/漏极连接至所述相变电阻的第一端；所述相变电阻的第二端接地；所述输出晶体管的漏/源极连接至曝光控制晶体管的漏/源极与感光二极管的负极的共连接端，源/漏极为所述电荷存储单元的输出端，栅极接输出控制信号。本发明的优点在于，相变电阻会在非晶状态和晶体状态间切换，因此能够储存光信号，最后通过外加的驱动电流读出电压信号。并且相变材料的状态不会随外界温度或者辐照产生变化，并且相变材料本身具有不挥发性、功耗低、读写速度快的优点。

Description

电荷存储单元以及图像传感器像素电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电荷存储单元以及图像传感器像素电路。

背景技术

CMOS图像传感器是一种使用CMOS制造工艺制造的、将图像的光学信号转换为电信号以供传输和处理的半导体器件。CMOS图像传感器一般由感光区域和信号处理电路构成。目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器（APS），其中又分为三管图像传感器（3T）和四管图像传感器（4T）两大类。

对于传统的3T型像素电路，为了提高传感器的动态范围，会采用分长短两次曝光时间的模式，分别采集暗光信号和亮光信号，最后通过后端信号处理得到更大的动态范围。

附图1所示是现有技术中二次曝光的3T型图像传感器的像素电路结构，包括感光二极管D0，复位晶体管M1、放大晶体管M2、行选择晶体管M3、曝光控制晶体管M4和电容C。感光二极管D0的正极接地，负极接复位晶体管M1的源极，复位晶体管M1的漏极接工作电压Vdd，栅极接复位控制信号；放大晶体管M2的栅极接感光二极管的正极与复位晶体管M1的源极的共连接端，漏极接工作电压Vdd，源极接行选择晶体管M3的漏极；行选择晶体管M3的源极为输出端，栅极接行选控制信号。曝光控制晶体管M4的漏极接感光二极管D0的正极与复位晶体管M1的源极的共连接端，源极接电容C的第一端，电容C的第二端接地，曝光控制晶体管M4的栅极接曝光控制信号。

这种结构的像素比起传统的3T型图像传感器，多了一个电荷储存单元，由曝光控制晶体管M4和电容C组成。在第一曝光结束后，打开曝光控制晶体管M4，将信号保存在电容C上，第二次曝光则直接通过放大管读出，并结合第一次曝光保存在电容C上的电荷，这样就能将前后两次曝光后的信号读出，提高其动态范围。但是附图1所示的结构会存在电容C中的电荷泄露的问题，不能长时间保存图像，同时对于外界的干扰会比较敏感，特别是在辐照情况下，数据很容易发生错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电荷存储单元以及图像传感器像素电路，保证像素电路掉电之后仍能保持像素的电信号不丢失，并在恢复供电之后能够读出掉电前的像素信号。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电荷储存单元，具有一输入端和一输出端，所述电荷储存单元包括曝光控制晶体管、输出晶体管和相变电阻：所述曝光控制晶体管的漏/源极为所述电荷储存单元的输入端，源/漏极连接至所述相变电阻的第一端；所述相变电阻的第二端接地；所述输出晶体管的漏/源极连接至曝光控制晶体管的漏/源极与感光二极管的负极的共连接端，源/漏极为所述电荷存储单元的输出端，栅极接输出控制信号。

可选的，所述相变电阻包括相变材料层，可编程体、绝缘体以及加热体，所述可编程体嵌入在相变材料层的表面，所述加热体设置在可编程体的暴露表面，所述绝缘体包裹所述加热体。

可选的，所述相变电阻设置在形成晶体管的半导体衬底表面的布线层中。

本发明进一步提供了一种图像传感器像素电路，包括一感光二极管，进一步包括上述的电荷储存单元，所述电荷存储单元的输入端连接至感光二极管的负极，输出端连接至信号线。

可选的，进一步包括复位晶体管、放大晶体管、和行选择晶体管，感光二极管的正极接地，负极接复位晶体管的源极，复位晶体管的漏极接工作电压，栅极接复位控制信号；放大晶体管的栅极接感光二极管的正极与复位晶体管的源极的共连接端，漏极接工作电压，源极接行选择晶体管的漏极；行选择晶体管的源极为输出端，栅极接行选控制信号。

可选的，进一步包括传输晶体管，所述感光二极管进一步是通过传输晶体管的源极和漏极连接至复位晶体管的源极，以及连接至电荷存储单元的输入端。

本发明的优点在于，相变电阻会在非晶状态和晶体状态间切换，随着感光二极管提供的光电压的形成不同的阻值，电压越大，阻值越小，因此能够储存光信号，最后通过外加的驱动电流读出电压信号。因为电阻值确定之后，相变材料的状态不会随外界温度或者辐照产生变化，并且相变材料本身具有不挥发性、功耗低、读写速度快的优点。

进一步地，将相变电阻设置于半导体衬底的表面的布线层中，因此在辐射环境中不会受到由于辐射所致的衬底硅中载流子积累而对器件电学性能造成的影响，故能应用于宇宙空间等场合。

附图说明

附图1所示是现有技术中二次曝光的3T型图像传感器的像素电路结构；

附图2是本发明第一具体实施方式所述图像传感器像素电路的电路图；

附图3是附图2所示相变电阻与形成晶体管的半导体衬底之间的位置关系示意图，以及相变电阻的结构示意图；

附图4是本发明第二具体实施方式所述图像传感器像素电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的电荷存储单元以及图像传感器像素电路的具体实施方式做详细说明。

如无特殊说明，本具体实施方式所称“接”和“连接”均指电学连接，意指前后两端口在电学上是导通的。

首先结合附图介绍本发明所述电荷存储单元以及图像传感器像素电路的第一具体实施方式。

附图2所示是本具体实施方式所述像素电路的电路图，包括感光二极管D0、复位晶体管M1、放大晶体管M2、行选择晶体管M3以及电荷储存单元U1。所述电荷存储单元U1的输入端连接至感光二极管的负极D0，输出端连接至信号线。电荷储存单元U1具有一输入端和一输出端，所述电荷储存单元U1包括曝光控制晶体管M4、输出晶体管M5和相变电阻R0。所述曝光控制晶体管M4的漏极为所述电荷储存单元U1的输入端，源极连接至所述相变电阻R0的第一端；所述相变电阻R0的第二端接地；所述输出晶体管M5的漏极连接至曝光控制晶体管M4的漏极与感光二极管D0的负极的共连接端，源极为所述电荷存储单元U1的输出端，栅极接输出控制信号。

附图2所示的电路图是在传统的3T型像素电路基础上添加的电荷存储单元U1。复位晶体管M1、放大晶体管M2和行选择晶体管M3构成典型的3T型像素电路。感光二极管D0的正极接地，负极接复位晶体管M1的源极，复位晶体管M1的漏极接工作电压Vdd，栅极接复位控制信号；放大晶体管M2的栅极接感光二极管的正极与复位晶体管M1的源极的共连接端，漏极接工作电压Vdd，源极接行选择晶体管M3的漏极；行选择晶体管M3的源极为输出端，栅极接行选控制信号。

工作时，先打开复位晶体管M1，复位感光二极管D0，然后打开曝光控制晶体管M4，复位相变电阻R0。第一次曝光后打开曝光控制晶体管M4，将信号写入相变电阻R0，使相变电阻R0中的相变材料由非晶转化为多晶，阻值降低。然后继续进行第二次曝光，感光二极管D0第二次曝光的信号通过放大晶体管M2和行选择晶体管M3直接读出到信号线，而第二次曝光同时关闭曝光控制晶体管M4并打开输出晶体管M5，使相变电阻R0第一端的电压信号通过TX3读出到信号线。读出完毕后需要对相变电阻R0进行复位操作，复位操作是通过控制复位晶体管M1在工作电压Vdd处得到一个短而强的电压脉冲，将相变电阻R0重置为高阻态。

在本具体实施方式中，所述相变电阻R0设置在形成晶体管的半导体衬底表面的布线层中，附图3是附图2所述相变电阻R0与形成晶体管的半导体衬底300之间的位置关系示意图，以及相变电阻R0的结构示意图。所述相变电阻R0包括相变材料层311，可编程体312、绝缘体313以及加热体314，所述可编程体312嵌入在相变材料层311的表面，所述加热体314设置在可编程体312的暴露表面，所述绝缘体313包裹所述加热体314。不同强度的电流经过加热体314到达可编程体312后，利用电流的局部焦耳热效应，改变周围的可写入容量。在经过强电流和快速冷却后，相变材料层311被冷却成非晶体状态，导致电阻率增大。若恢复相变材料层311的晶体状态，使材料的电阻率变小，只需要施加中等强度的电流，脉冲时间较长。所述相变电阻R0还包括上电极331和下电极332，分别与相变材料层311和加热体314接触，以形成和外界的电学连接。上述三层堆叠结构以及上下电极均设置在半导体衬底300表面的布线层中，并通过金属引线351与曝光控制晶体管M4和形成电学连接，通过金属引线352接地（详细的连接关系请参考附图2所示的电路图）。需要指出的是，附图3的目的仅在于表明三者之间的位置关系，故对曝光控制晶体管M4仅绘制出结构轮廓，并未作详细绘示。上述设置方式的优点在于，将相变电阻R0设置于半导体衬底300的表面的布线层中，因此在辐射环境中不会受到由于辐射所致的衬底硅中载流子积累而对器件电学性能造成的影响，故能应用于宇宙空间等场合。

本具体实施方式的相变电阻R0是制作在硅上的电介质中，分别采用两层金属作为相变电阻R0的上下电极。在室温环境中，基于第六族元素的某些金属（硫族化合物）的晶态和非晶态的稳定性非常好，其中GeSbTe是较佳的相变材料层311的选择。

写操作时，感光二极管D0上产生的光电压使相变存储器变成相应的阻值。读取时则通过打开输出晶体管M5，通过信号线的驱动电流读出相变电阻R0第一端的电压值。

复位时，电流经过加热体314到达硫化物的可编程体312，利用局部焦耳热效应，改变接触区周围的可写入容量。在经过强电流和快速冷却后，材料被冷却成非晶体状态，使得电阻率增大。切换到非晶体状态通常用时不足100ns，单元的热时间常量通常仅为几纳秒。

采用相变材料的存储单元中，可编程体312会在非晶状态和晶体状态间切换。随着感光二极管D0提供的光电压的形成不同的阻值，电压越大，阻值越小，因此能够储存光信号，最后通过外加的驱动电流读出电压信号。因为电阻值确定之后，相变材料的状态不会随外界温度或者辐照产生变化，并且相变材料本身具有不挥发性、功耗低、读写速度快的优点。

接下来结合附图介绍本发明所述电荷存储单元以及图像传感器像素电路的第二具体实施方式。

附图4所示是本具体实施方式所述像素电路的电路图，与前一具体实施方式不同的，本具体实施方式进一步包括传输晶体管M6，所述感光二极管D0进一步是通过传输晶体管M6的源极和漏极连接至复位晶体管M1的源极，以及连接至电荷存储单元U1的输入端。附图4所示的电路图是在传统的4T型像素电路基础上添加的电荷存储单元U1，在第一和第二曝光阶段需要打开传输晶体管M6以提高曝光效率。

关于本具体实施方式所示电路的原理以及优点，请参考前一具体实施方式的内容

以上有关晶体管的连接关系中，源极和漏极均可对调，原则上并不影响到正常的信号逻辑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电荷储存单元，其特征在于，具有一输入端和一输出端，所述电荷储存单元包括曝光控制晶体管、输出晶体管和相变电阻：所述曝光控制晶体管的漏/源极为所述电荷储存单元的输入端，源/漏极连接至所述相变电阻的第一端；所述相变电阻的第二端接地；所述输出晶体管的漏/源极连接至曝光控制晶体管的漏/源极与感光二极管的负极的共连接端，源/漏极为所述电荷存储单元的输出端，栅极接输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的电荷储存单元，其特征在于，所述相变电阻包括相变材料层，可编程体、绝缘体以及加热体，所述可编程体嵌入在相变材料层的表面，所述加热体设置在可编程体的暴露表面，所述绝缘体包裹所述加热体。

3.根据权利要求1所述的电荷储存单元，其特征在于，所述相变电阻设置在形成晶体管的半导体衬底表面的布线层中。

4.一种图像传感器像素电路，包括一感光二极管，其特征在于，进一步包括权利要求1所述的电荷储存单元，所述电荷存储单元的输入端连接至感光二极管的负极，输出端连接至信号线。

5.根据权利要求4所述的图像传感器像素电路，其特征在于，进一步包括复位晶体管、放大晶体管、和行选择晶体管，感光二极管的正极接地，负极接复位晶体管的源极，复位晶体管的漏极接工作电压，栅极接复位控制信号；放大晶体管的栅极接感光二极管的正极与复位晶体管的源极的共连接端，漏极接工作电压，源极接行选择晶体管的漏极；行选择晶体管的源极为输出端，栅极接行选控制信号。

6.根据权利要求5所述的图像传感器像素电路，其特征在于，进一步包括传输晶体管，所述感光二极管进一步是通过传输晶体管的源极和漏极连接至复位晶体管的源极，以及连接至电荷存储单元的输入端。

7.根据权利要求4所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述相变电阻包括相变材料层，可编程体、绝缘体以及加热体，所述可编程体嵌入在相变材料层的表面，所述加热体设置在可编程体的暴露表面，所述绝缘体包裹所述加热体。

8.根据权利要求4所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述相变电阻设置在形成晶体管的半导体衬底表面的布线层中。