CN104218047B - 高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，第二复位晶体管与光电二极管相连；N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与漂浮有源区的N+区相连。像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用四晶体管像素(4T)结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器4T有源像素结构的示意图，包括虚线框内的切面示意图和虚线框外的电路示意图两部分。4T有源像素的元器件包括：光电二极管区域101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，漂浮有源区FD，源跟随晶体管104，选择晶体管105，列位线106；其中101置于半导体基体中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，其中FD区由N+区组成；Vtx为102的栅极端，Vrst为103的栅极端，Vsx为105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至漂浮有源区FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经106读取并保存。
图2示出了图1虚线框内器件部分，在进行光电电荷转移操作时的势阱示意图。图2所示，201为光电二极管区101的势阱，202为FD区势阱，Vpin1为光电二极管的完全耗尽电势，Vrst1为FD区的复位电势；其中Cpd1为201的电容，Cfd1为202的电容。由图2所示，201区中的光电电荷能够被完全转移至202的条件是：Cpd1*Vpin1<＝Cfd1*(Vrst1-Vpin1)，即Vpin1<＝Cfd1*Vrst1/(Cpd1+Cfd1)，其中Vrst1-Vpin1为FD区电压信号摆幅；由此可见，201区的饱和电荷量Cpd1*Vpin1受到Vpin1最高值的限制，即像素的饱和电荷量受到像素工作电势的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效提高像素的饱和容量，提升图像传感器输出的图像品质的高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的高饱和容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连；
所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连。
本发明的上述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，包括步骤：
a、进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后关闭第二复位晶体管，像素开始曝光；
b、像素曝光结束前，开启第一复位晶体管做漂浮有源区复位操作，然后关闭第一复位晶体管，读取复位信号；
c、转移光电二极管中的光电电荷至漂浮有源区操作，开启电荷传输晶体管，将一部分光电电荷转移到N型离子区，然后关闭电荷传输晶体管，N型离子区中的光电电荷转移至漂浮有源区，重复电荷传输晶体管的开启关闭操作，直至光电二极管中的光电电荷完全转移至漂浮有源区，像素曝光周期结束；其中电荷传输晶体管的开启关闭操作大于等于1次；
d、读取漂浮有源区中的光电信号。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法，由于在电荷传输晶体管沟道和漂浮有源区区域设置了N型离子区，电荷传输晶体管沟道与漂浮有源区N+区之间形成势垒，配合本发明像素的工作方法，电荷传输晶体管多次开启关闭的操作，可以将光电二极管高电势区的电荷转移至漂浮有源区N+区。因此，本发明的像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
附图说明
图1是现有技术的图像传感器的像素结构示意图。
图2是现有技术的图像传感器像素在进行电荷转移操作时的势阱示意图。
图3是本发明的图像传感器的像素结构示意图。
图4是本发明的图像传感器像素工作的时序控制示意图。
图5是本发明的图像传感器像素工作时，曝光开始时的势阱示意图。
图6是本发明的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作前的势阱示意图。
图7是本发明的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，开启电荷传输晶体管时的势阱示意图。
图8是本发明的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，未完全关闭电荷传输晶体管时的势阱示意图。
图9是本发明的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作，完全关闭电荷传输晶体管时的势阱示意图。
图10是本发明的图像传感器像素工作时，转移光电电荷操作完毕时的势阱示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的高饱和容量的图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是：
包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连；
所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连。
所述第二复位晶体管的源极端为光电二极管区，漏极端与电源电压相连。
所述N型离子区与所述电荷传输晶体管沟道交叠部分大于等于0.1μm，并且在所述漂浮有源区中的宽度大于等于0.1μm。
所述N型离子区的深度小于等于0.2μm。
所述漂浮有源区的N+区与电荷传输晶体管栅极的距离大于等于0.1μm。
所述N型离子区的N型离子浓度为1E+15Atom/cm3～1E+16Atom/cm3。
所述光电二极管的完全耗尽电势不受像素工作电势的限制，最高为电源电压。
本发明的上述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其较佳的具体实施方式是：
包括步骤：
a、进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后关闭第二复位晶体管，像素开始曝光；
b、像素曝光结束前，开启第一复位晶体管做漂浮有源区复位操作，然后关闭第一复位晶体管，读取复位信号；
c、转移光电二极管中的光电电荷至漂浮有源区操作，开启电荷传输晶体管，将一部分光电电荷转移到N型离子区，然后关闭电荷传输晶体管，N型离子区中的光电电荷转移至漂浮有源区，重复电荷传输晶体管的开启关闭操作，直至光电二极管中的光电电荷完全转移至漂浮有源区，像素曝光周期结束；其中电荷传输晶体管的开启关闭操作大于等于1次；
d、读取漂浮有源区中的光电信号。
本发明的高饱和容量的图像传感器像素及其工作方法，由于在电荷传输晶体管沟道和漂浮有源区区域设置了N型离子区，电荷传输晶体管沟道与漂浮有源区N+区之间形成势垒，配合本发明像素的工作方法，电荷传输晶体管多次开启关闭的操作，可以将光电二极管高电势区的电荷转移至漂浮有源区N+区。因此，本发明的像素的饱和电荷容量不受工作电势限制，进而有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
具体实施例：
实施例一：
图像传感器像素结构如图3所示，包含虚线框内的切面部分和虚线框外的电路部分示意图。图3中，301为光电二极管，302为电荷传输晶体管，303为第一复位晶体管，FD为漂浮有源区，304为源跟随晶体管，305为选择晶体管，306为列位线，307为第二复位晶体管，308为N型离子区；其中，STI为浅槽隔离区，N+区为晶体管源漏有源区，Vdd为电源电压；Vtx为302的栅极端，Vrst为303的栅极端，Vsx为305的栅极端，Vct为307的栅极端。图3所示，N型离子区308的一部分位于302的沟道处，一部分位于FD区，308与302沟道交叠部分大于等于0.1μm，308在FD有源区的宽度大于等于0.1μm，308的一侧与FD区的N+区相连，308区的深度小于等于0.2μm，308区的N型离子浓度为1E+15Atom/cm3～1E+16Atom/cm3。所述307的漏极端与电源电压Vdd相连，源极端为301区。所述电荷传输晶体管302的沟道与FD区N+区之间形成势垒，此势垒是由于N型离子区浓度较低而产生的。
实施例二：
图像传感器像素工作的时序控制示意图，如图4所示。图4仅示出了与本发明相关的时序控制图，其它时序未示出，其中，Vct为第二复位晶体管307的栅极时序，Vrst为第一复位晶体管303的栅极时序，Vtx为电荷传输晶体管302的栅极时序，SH时序表征采集像素信号的时序，其中SH高电平表示采集像素信号。上述Vct、Vrst、Vtx高电平脉冲表征开启相应晶体管操作，为低电平时表征关闭相应晶体管。图4所示，401表征清除光电二极管中电荷的操作，402表征FD复位操作，4031～403n表征光电电荷转移操作，其中n值大于等于1，404表征读取复位信号操作，405表征读取光电信号操作。所述401、402、403操作时对应的势阱示意图，如图5～图10所示。下面，结合示意图4～图10，详细地阐述本发明像素的工作方法及其工作原理。
本发明的图像传感器像素的工作方法，步骤如下：
首先，进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管307，将Vct置为高电平，清除光电二极管中301中的电荷，清除完毕后关闭第二复位晶体管307，将Vct置为低电平，像素开始曝光，如图4中401所示。清除301中电荷完毕时的势阱示意图，如图5所示，其中501为301的势阱，502为308的势阱，503为FD区N+区的势阱，504为电源Vdd势阱；Vpin2为501的完全耗尽电势，Vrst2为FD的复位电势，Cpd2为501的电容，Cfd2为503的电容。所述Vpin2不受工作电势限制，Vpin2最高可等于Vdd。
进一步，像素曝光结束前，开启第一复位晶体管303，即Vrst置为高电平，做漂浮有源区FD复位操作，然后关闭第一复位晶体管303，此操作如图4中的402所示。
进一步，读取复位信号操作，如图4中404所示。
进一步，转移光电电荷操作，即将501的中电荷转移至503区，此操作时序如图4中的403所示。转移电荷操作，是通过将302做至少1次开启关闭的动作实现的，所述转移光电电荷的原理图，如图6～图10所示。光电电荷转移前的势阱，如图6所示，501区由于光的照射，产生了大量光电电荷，302处于关闭状态，Vtx处于低电平。转移光电电荷操作，开启302，即将Vtx置为高电平，如图4中的403操作所示，对应的势阱示意图如图7所示，501中的光电电荷重新分配到501、502和302的沟道区中，由于502区与503区之间存在势垒，501与503处于断开状态；然后关闭302的操作中，302未完全关闭时的势阱示意图，如图8所示，此时，502区中存有光电电荷；302完全关闭时，势阱示意图如图9所示，存在502区的电荷，转移到503区中。如此，多次做302开启关闭的动作，最终将501区中的光电电荷全部转移至503区，像素曝光周期结束，此时的势阱示意图如图10所示。
最后，读取503区中的光电信号，如图4中的405操作所示。
本发明的图像传感器像素，结合本发明的像素工作方法，光电二极管的完全耗尽电势不受像素工作电势的制约，其最高值可以为电源电压，其饱和电荷容量最高可以为Cpd2*Vdd。因此，本发明有效提高了像素的饱和容量，提升了图像传感器输出的图像品质。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述高饱和容量的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括第二复位晶体管和N型离子区，所述第二复位晶体管与所述光电二极管相连；
所述N型离子区的一部分位于所述电荷传输晶体管沟道中，另一部分位于所述漂浮有源区中，并且与所述漂浮有源区的N+区相连；
所述高饱和容量的图像传感器像素的工作方法包括步骤：
a、进行光电二极管复位操作，即开启第二复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后关闭第二复位晶体管，像素开始曝光；
b、像素曝光结束前，开启第一复位晶体管做漂浮有源区复位操作，然后关闭第一复位晶体管，读取复位信号；
c、转移光电二极管中的光电电荷至漂浮有源区操作，开启电荷传输晶体管，将一部分光电电荷转移到N型离子区，然后关闭电荷传输晶体管，N型离子区中的光电电荷转移至漂浮有源区，重复电荷传输晶体管的开启关闭操作，直至光电二极管中的光电电荷完全转移至漂浮有源区，像素曝光周期结束；其中电荷传输晶体管的开启关闭操作大于等于1次；
d、读取漂浮有源区中的光电信号。
2.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述第二复位晶体管的源极端为光电二极管区，漏极端与电源电压相连。
3.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述N型离子区与所述电荷传输晶体管沟道交叠部分大于等于0.1μm，并且在所述漂浮有源区中的宽度大于等于0.1μm。
4.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述N型离子区的深度小于等于0.2μm。
5.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述漂浮有源区的N+区与电荷传输晶体管栅极的距离大于等于0.1μm。
6.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述N型离子区的N型离子浓度为1E+15Atom/cm3～1E+16Atom/cm3。
7.根据权利要求1所述的高饱和容量的图像传感器像素的工作方法，其特征在于，所述光电二极管的完全耗尽电势不受像素工作电势的限制，最高为电源电压。
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