CN111669521B - 水平区转移栅倾斜设置的ccd结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，包括光敏区像元阵列、水平区、输出节点前直流栅、输出节点和片上放大器，所述水平区对应每列光敏区像元分别设有至少两个水平区转移栅，所述输出节点前直流栅及各水平区转移栅均相对于光敏区像元阵列的垂直方向同向倾斜相同的角度。本发明中，水平区转移栅倾斜设置，能够在不改变水平区转移栅的电荷存贮容量的情况下减少水平区转移栅的有效栅宽，从而提高水平区的电荷转移效率；通过减小输出节点前直流栅与复位栅之间的间距，能够调整浮置扩散节点区域的面积，使电荷转换因子达到要求；本发明无需改变光敏区像元的结构，能够适用所有的CCD类型，实现简单，应用范围广。

Description

水平区转移栅倾斜设置的CCD结构
技术领域
本发明涉及CCD领域，特别涉及一种水平区转移栅倾斜设置的CCD结构。
背景技术
CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)是一种使用电荷耦合原理的固态半导体成像器件，CCD的基本结构是相邻的金属-氧化物-半导体(Metal OxideSemiconductor，MOS)结构，当合适的波长照射到半导体中，半导体内部便会产生光生电荷。当相邻的MOS结构彼此靠近时，如果在MOS结构上加上合适时序的电压，电荷便能在MOS结构中存贮和转移，最终光生电荷转移到信号读出区域将电荷转化为电压信号并实现信号的放大并供后续信号处理。
如图1所示，为现有技术的CCD结构示意图，在CCD中，每个水平区转移栅由于转移栅下势阱的存在而存储电荷包，电荷转移效率定义为一次转移后到达下一个转移栅下势阱中的电荷量与原来势阱中电荷量之比，电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数，当给定转移速度时，有效栅宽是电荷转移效率的直接决定因素，有效栅宽越小，电荷转移效率越高。如图2所示，现有技术的H1转移栅沿竖直方向设置，其水平宽度L即为有效栅宽，如果要减少有效栅宽，就必须减少水平宽度L，从而会减少转移栅的电荷存贮容量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种通过水平区转移栅倾斜设置提高水平区电荷转移效率的CCD结构。
本发明的技术方案如下：
一种水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，包括光敏区像元阵列、水平区、输出节点前直流栅、输出节点和片上放大器，所述光敏区像元阵列包括多个光敏区像元，所述输出节点包括输出复位栅、复位漏和浮置扩散节点区域，所述水平区对应每列光敏区像元分别设有至少两个水平区转移栅，至少两个所述水平区转移栅中的一个为承接电极，用于承接对应列的光敏区像元转移来的光生电荷，所述输出节点前直流栅及各水平区转移栅均相对于光敏区像元阵列的垂直方向同向倾斜相同的角度,所述输出节点前直流栅及各水平区转移栅倾斜的角度大于0°，且小于90°。
进一步的，所述水平区转移栅和输出节点前直流栅远离光敏区像元的一端向输出节点的方向倾斜。
进一步的，所述浮置扩散节点区域的面积与电荷转换因子相适配。
进一步的，所述水平区对应每列光敏区像元分别设有H1转移栅和H2转移栅两个水平区转移栅，所述H1转移栅为承接电极。
进一步的，各水平区转移栅的结构均相同。
有益效果：本发明中，水平区转移栅倾斜设置，能够在不改变水平区转移栅的电荷存贮容量的情况下减少水平区转移栅有效栅宽，从而提高水平区的电荷转移效率；通过减小输出节点前直流栅与复位栅之间的间距，能够调整浮置扩散节点区域的面积，使电荷转换因子达到要求；本发明无需改变光敏区像元的结构，能够适用所有的CCD类型，实现简单，应用范围广。
附图说明
图1为现有技术的CCD结构示意图；
图2为现有技术的H1转移栅及光敏区对应列像元的局部结构示意图；
图3为本发明实施例的H1转移栅及光敏区对应列像元的局部结构示意图；
图4为本发明实施例的结构示意图。
图中：1.光敏区像元，2.水平区，4.片上放大器，21.H1转移栅，22.H2转移栅，23.输出节点前直流栅，31.浮置扩散节点区域，32.复位栅，33.复位漏。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图3和图4所示，本发明水平区转移栅倾斜设置的CCD结构的优选实施例包括光敏区像元1阵列、水平区2、输出节点前直流栅23、输出节点和片上放大器4，所述光敏区像元1阵列包括多个光敏区像元1，所述输出节点包括输出复位栅32、复位漏33和浮置扩散节点区域31，浮置扩散节点区域31为输出节点前直流栅23与复位栅32之间的区域。所述水平区2对应每列光敏区像元1分别设有至少两个水平区转移栅，本实施例以对应每列光敏区像元1分别设有H1转移栅21和H2转移栅22两个水平区转移栅为例进行说明，但并不限于两个水平区转移栅的情况，对应每列光敏区像元1也可设置多于两个水平区转移栅。所述H1转移栅21为承接电极，用于承接光敏区像元1转移来的光生电荷，所述输出节点前直流栅23及各水平区转移栅均相对于光敏区像元阵列的垂直方向同向倾斜相同的角度，优选为所述水平区转移栅和输出节点前直流栅23远离光敏区像元1的一端向输出节点的方向倾斜角度α，0＜α＜90°。所述浮置扩散节点区域31的面积与电荷转换因子相适配。
本实施例的工作原理如下：
如图2和图3所示，以H1转移栅21为例对水平区转移栅倾斜设置后提高水平区2的电荷转移效率的原理进行说明，本实施例中，由于各H1转移栅21的水平宽度L及竖直高度h均与现有技术的CCD结构相同，因此，本实施例中水平区转移栅的电荷存贮容量与现有技术的CCD相同，但是，由于本实施例中H1转移栅21相对垂直方向倾斜角度α，因此，H1转移栅21的有效栅宽L′可表示为：
L′＝L·cos(α)
由于0＜α＜90°，因此L′＝Lcos(α)＜L。例如，当α＝60°时，L′＝0.5L，即水平区转移栅的有效栅宽减小为水平区转移栅水平宽度的1/2，可以看出，只要将水平区2的水平区转移栅倾斜一定角度，就可以减小有效栅宽，从而有效提高水平区2的电荷转移效率。
如图4所示，本实施例由于水平区转移栅的形状发生了变化，水平区2的信道边界(如图4中的虚线所示)也会改变，从而会改变浮置扩散节点区域31的面积，由于电荷转换因子CVF＝q/C，其中，q表示电子电荷量，其值为1.6×10-19，C表示节点电容，其值为浮置扩散节点区域31的电容加片上放大器4的部分电容，而浮置扩散节点区域31的电容与其面积正相关；可见，当片上放大器4的电容固定不变时，浮置扩散节点区域31的面积与CCD的电荷转换因子是相对应的，改变浮置扩散节点区域31的面积会导致节点电容值改变，进而改变CCD的电荷转换因子。因此，为使电荷转换因子保持不变，本实施例对输出节点前直流栅23与复位栅32之间的间距进行调整，从而使浮置扩散节点区域31的面积与电荷转换因子相对应。
工作时，复位漏33连接复位高电平RD，片上放大器4连接供电电源DD，各水平区转移栅分别连接对应的快态转移时序。各光敏区像元1的光敏区通过光电转换将接收的光信号转换为光生电荷并进行收集，同一列光敏区像元1形成一条垂直光生电荷转移沟道，光敏区收集的光生电荷通过垂直光生电荷转移沟道转移到水平区2与其对应的H1转移栅21(图1至图4中的箭头表示垂直光生电荷转移沟道中光生电荷的转移方向)，并在快态转移时序的控制下依次通过各水平区转移栅转移至输出节点前直流栅23，输出节点前直流栅23起开关控制作用，其开启或关闭由专用时钟驱动。
在开始工作时，复位栅32会短暂置为高电平，使浮置扩散节点区域31被设置为接近RD的高电平，之后复位栅32置为低电平；当输出节点前直流栅23开启时，光生电荷通过输出节点前直流栅23到达浮置扩散节点区域31，使浮置扩散节点区域31的电势下降，浮置扩散节点区域31的电势变化的差值被片上放大器4所感应并形成电压信号输出，供后续信号处理。
本发明中，水平区转移栅倾斜设置，能够在不改变水平区转移栅的电荷存贮容量的情况下减少水平区转移栅有效栅宽，从而提高水平区2的电荷转移效率；通过减小输出节点前直流栅23与复位栅32之间的间距，能够调整浮置扩散节点区域31的面积，使电荷转换因子达到要求；本发明无需改变光敏区像元1的结构，能够适用所有的CCD类型，实现简单，应用范围广。
而本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，包括光敏区像元阵列、水平区、输出节点前直流栅、输出节点和片上放大器，所述光敏区像元阵列包括多个光敏区像元，所述输出节点包括输出复位栅、复位漏和浮置扩散节点区域，其特征在于，所述水平区对应每列光敏区像元分别设有至少两个水平区转移栅，至少两个所述水平区转移栅中的一个为承接电极，用于承接对应列的光敏区像元转移来的光生电荷，所述输出节点前直流栅及各水平区转移栅均相对于光敏区像元阵列的垂直方向同向倾斜相同的角度,所述输出节点前直流栅及各水平区转移栅倾斜的角度大于0°，且小于90°；减小输出节点前的直流栅与复位栅之间的间距，使所述浮置扩散节点区域的面积与电荷转换因子相适配。
2.根据权利要求1所述的水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，其特征在于，所述水平区转移栅和输出节点前直流栅远离光敏区像元的一端向输出节点的方向倾斜。
3.根据权利要求1所述的水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，其特征在于，所述水平区对应每列光敏区像元分别设有H1转移栅和H2转移栅两个水平区转移栅，所述H1转移栅为承接电极。
4.根据权利要求1所述的水平区转移栅倾斜设置的CCD结构，其特征在于，各水平区转移栅的结构均相同。
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