CN117692800A - 一种探测器像素单元、图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子并；传输栅，用于将所述电子传输至浮动扩散节点；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅以不同相位接收到的所述电子；复位管，用于对所述像素单元在复位时段进行复位，其中所述复位管为场效应管；如此，可以减小像素单元的KTC噪声，提升像素阵列的性能。

Description

一种探测器像素单元、图像传感器

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测器像素单元、图像传感器。

背景技术

在探测技术领域越来越多的技术不断被推出，为了保证图像或者测距等应用领域的高效快速探测的目标信息，探测信息的获得效率也越来越受到关注，探测器的像素单元对于光的吸收率将直接影响探测器获得的图像质量或者测距过程中数据的准确性，通常这类型的探测器包含光电转化元件，其可将入射光转化成电信号，可以大致分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)两种类型，其中CMOS是将电荷转化为每个单位像素的电压，并通过切换操作从信号线输出信号，通过上述两种光电转化器件的至少一种转化形成的光生电荷需要通过器件内部传输到浮动扩散节点上输出，近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步。

为了获得高效的测量结果和芯片更高的集成化，比较多采用两抽头或者以上的方式来实现测距，可以按照相位测距算法获得目标物的距离信息，例如最简单的采用两相位方法、或者还可以采用三相位四相位方法甚至是5相位方案进行距离信息的获得，此处以一种四相位的算法为例，但是并不局限于四相位的算法。

现有技术的像素单元中使用MOS管作为复位管，MOS结构为少子器件，KTC噪声比较大，影响像素阵列的性能，如果提高像素阵列的性能是亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测器像素单元，以解决现有像素单元中KTC噪声较大的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子并；传输栅，用于将所述电子传输至浮动扩散节点；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅以不同相位接收到的所述电子；复位管，用于对所述像素单元在复位时段进行复位，其中所述复位管为场效应管。

可选的所述复位管包括第一P掺杂区域与第二P掺杂区域，其中所述第一P掺杂区域与第二P掺杂区域之间设置有N掺杂区域。

可选的，还包括电源电压VDD，所述复位管的源极与所述浮动扩散节点连接，所述复位管的漏极与所述电源电压VDD连接。

可选的，所述复位管处于0V以上的高电平。

可选的，，所述复位管处于0V时对所述像素单元进行复位。

可选的，所述复位管处于-2.8V以下的低电平。

第二方面，本申请实施例提供了一种包含由第一方面探测器像素单元组成的接收阵列的图像传感器，包含由多个如权利要求1所述的探测器像素单元组成的接收阵列。

本申请的有益效果是：

一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子并；传输栅，用于将所述电子传输至浮动扩散节点；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅以不同相位接收到的所述电子；复位管，用于对所述像素单元在复位时段进行复位，其中所述复位管为场效应管；如此，可以减小像素单元的KTC噪声，提升像素阵列的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种像素单元的等效电路图；

图2为本申请实施例提供的一种像素单元的切面图；

图3为本申请实施例提供的另一种像素单元的等效电路图；

图4为本申请实施例提供的另一种像素单元的切面图；

图5为本申请实施例提供的一种像素单元的工作时序图；

图6为本申请实施例提供的另一种像素单元的工作时序图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为本申请实施例提供的一种像素单元的等效电路图，如图1所示像素单元电路，包括光电原件PD；浮动扩散节点FDA、FDB，传输栅TG。其中电元件PD可以是将施加到其上的光转换为电荷的元件。光电元件PD可以将光转换为电信号。具体地，光电元件PD可以感测光。光电元件PD可以基于感测到的光产生电子空穴对(EHP)。通过施加到调制栅的栅极电压形成耗尽区，并且由于耗尽区，EHP的电子和空穴被分离。经分离的电子累积在调制栅下方，调制栅连接到传输栅TG的源极，浮动扩散节点FDA、FDB连接到TG的漏极。浮动扩散节点FD连接到源极跟随器SF的栅极，电源电压VDD连接到源极跟随器SF的漏极，选择晶体管SEL连接到源极跟随器SF的源极。由浮动扩散节点FD的电压确定源极跟随器SF的源极电压。由从调制栅发送的电子量分别确定浮动扩散节点FD的电压。电源电压VDD连接到复位管RST的漏极，浮动扩散节点FDA、FDB连接到复位管RST的源极。当基于浮动扩散节点FD的电压执行像素信息的检测，随后复位管RST的栅极被复位信号激活时，复位管RST将浮动扩散节点FD的电压复位到电源电压VDD。

图2为本申请实施例提供的一种像素单元的切面图，如图2所示像素单元包括RST、VDD、TG、FDA、FDB。如图2所示在外延Epi上包含有P阱(Pwell)，在P阱里面设置有FDA以及FDB，P阱的顶部设置有RST，同时VDD也设置在P阱内，和FDA，FDB分别处于P阱的两侧；在像素单元的顶部设置有栅TG。其中各个部分的工作原理与上述实施例类似这里就不再赘述。如图2所示的像素单元中RST可使用MOS管来实现。

在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。这就构成了一个N沟道(NPN型)增强型MOS管，同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管，这里只是为了示意说明并不做具体限制。增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压VGS＝0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道(没有电流流过)，所以这时漏极电流ID＝0。

此时若在栅-源极间加上正向电压，即VGS>0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT(一般约为2V)时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。

传统的器件根据主要导电载流子一般分为多子和少子器件，少子器件主要包括二极管，BJT，晶闸管，GTO，MOS管等，这些器件导通的时候电流至少经过一个PN节，并且电子和空穴同时导电，其都是进入对应的PN区的少数载流子，最终形成电流。多子器件主要有MOSFET，肖特基二极管等，这些器件都是半导体中的多数载流子导电，且一般只有一种载流子导电。

少子器件其管压降是负温度系数，温度越高其漏电流也越大；而多子导通压降为正温度系数，温度升高使得N型(或者P型)半导体中的粒子运动频率加快，从而阻力加大，压降升高，KTC噪声比较大。

场效应管(JFET)在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区(N区一般做得很薄)，形成了两个PN结。在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两个P区连起来，就构成了一个场效应管。从N型区引出的两个电极分别为源极S和漏极D，从两个P区引出的电极叫栅极G，很薄的N区称为导电沟道。结型场效应管分类：N沟道和P沟道两种。JFET为多子器件。

在上述实施例中的RST使用JFET来实现可以减小器件的KTC噪声。

图3为本申请实施例提供的另一种像素单元的等效电路图。如图3所示像素单元电路，包括光电原件PD；浮动扩散节点FDA、FDB，传输栅TG。其中电元件PD可以是将施加到其上的光转换为电荷的元件。光电元件PD可以将光转换为电信号。具体地，光电元件PD可以感测光。光电元件PD可以基于感测到的光产生电子空穴对(EHP)。通过施加到调制栅的栅极电压形成耗尽区，并且由于耗尽区，EHP的电子和空穴被分离。经分离的电子累积在调制栅下方，调制栅连接到传输栅TG的源极，浮动扩散节点FDA、FDB连接到TG的漏极。浮动扩散节点FD连接到源极跟随器SF的栅极，电源电压VDD连接到源极跟随器SF的漏极，选择晶体管SEL连接到源极跟随器SF的源极。由浮动扩散节点FD的电压确定源极跟随器SF的源极电压。由从调制栅发送的电子量分别确定浮动扩散节点FD的电压。电源电压VDD连接到复位管RST的漏极，浮动扩散节点FDA、FDB连接到复位管RST的源极。当基于浮动扩散节点FD的电压执行像素信息的检测，随后复位管RST的栅极被复位信号激活时，复位管RST将浮动扩散节点FD的电压复位到电源电压VDD。如图3所示其中RST是通过JFET实现的。

图4为本申请实施例提供的另一种像素单元的切面图，如图4所示像素单元包括RST、VDD、TG、FDA、FDB。如图2所示在外延Epi上包含有P阱(Pwell)，在P阱里面设置有FDA以及FDB，P阱的顶部设置有RST，同时VDD也设置在P阱内，和FDA，FDB分别处于P阱的两侧；在像素单元的顶部设置有栅TG。其中各个部分的工作原理与上述实施例类似这里就不再赘述。如图4所示的像素单元中RST可使用JFET管来实现，其中RST在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区(N区一般做得很薄)，形成了两个PN结。

图5为本申请实施例提供的一种像素单元的工作时序图。如图5所示横轴表示时间，纵轴表示信号的大小。第一时间段可以被称为重置时间段(reset)。在重置时间段期间，浮置扩散节点FD中的电荷可被释放重置时间段期间，可从包括在图1至图4所示的像素单元释放电荷。为此，重置控制信号RST、传输栅TG中的每个可具有高电平(例如2.8V)；第一调制栅PGA、第二调制栅PGB、以及行选信号SEL中的每个可具有低电平(例如0V)。

第二时间段被称为积分时间段(integration)。在积分时间段光电元件用于感测由反射对象反射的照射光的一部分，并收集随后的电荷。此外收集的电荷可被存贮在存储节点。如果输栅TG处于高电平。当第一调制栅PGA处于高电平的状态时，可以第一相位差0°收集电荷，所述电荷并通过传输栅TG被转移到第一浮置扩散节点FDA。当第二调制栅PGB处于高电平的状态时，可以第二相位差180°收集电荷，所述电荷并通过传输栅TG被转移到第二浮置扩散节点FDB。其中第一，第二调制栅与相位差0°，90°，180°，270°的对应关系并不具体限制，只是为了示意说明。

第三时间段被称为读出时间段。在读出时间段，如果传输栅TG处于低电平。当第一调制栅PGA以及第二调制栅PGB处于高电平状态时。基于重置状态下的浮动扩散节点FD产生的重置信号可被输出到位线。为此，选择信号SEL可具有高电平，并且由源极跟随器晶体管SF产生的重置信号可被输出到位线。重置信号以及将在后续步骤中读取的图像信号可用于相关双采样操作。

图6为本申请实施例提供的另一种像素单元的工作时序图。如图6所示横轴表示时间，纵轴表示信号的大小。第一时间段可以被称为重置时间段(reset)。在重置时间段期间，浮置扩散节点FD中的电荷可被释放重置时间段期间，可从包括在图1至图4所示的像素单元释放电荷。为此，重置控制信号RST、传输栅TG中的每个可具有高电平(例如0V)；第一调制栅PGA、第二调制栅PGB、以及行选信号SEL中的每个可具有低电平(例如2.8V)。

第二时间段被称为积分时间段(integration)。在积分时间段光电元件用于感测由反射对象反射的照射光的一部分，并收集随后的电荷。此外收集的电荷可被存贮在存储节点。如果输栅TG处于高电平。当第一调制栅PGA处于高电平的状态时，可以第一相位差0°收集电荷，所述电荷并通过传输栅TG被转移到第一浮置扩散节点FDA。当第二调制栅PGB处于高电平的状态时，可以第二相位差180°收集电荷，所述电荷并通过传输栅TG被转移到第二浮置扩散节点FDB。其中第一，第二调制栅与相位差0°，90°，180°，270°的对应关系并不具体限制，只是为了示意说明。

第三时间段被称为读出时间段。在读出时间段，如果传输栅TG处于低电平。当第一调制栅PGA以及第二调制栅PGB处于高电平状态时。基于重置状态下的浮动扩散节点FD产生的重置信号可被输出到位线。为此，选择信号SEL可具有高电平，并且由源极跟随器晶体管SF产生的重置信号可被输出到位线。重置信号以及将在后续步骤中读取的图像信号可用于相关双采样操作。

通过上述的实施例可以看出，本申请的像素单元使用场效应管作为RST管，可以有效降低KTC噪声。在实际使用中都是使M*N个像素单元组成的探测器阵列来进行探测的，每个像素单元的KTC噪声的降低，就有利于图像传感器阵列的性能提升。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子并；传输栅，用于将所述电子传输至浮动扩散节点；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅以不同相位接收到的所述电子；复位管，用于对所述像素单元在复位时段进行复位，其中所述复位管为场效应管。

2.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述复位管包括第一P掺杂区域与第二P掺杂区域，其中所述第一P掺杂区域与第二P掺杂区域之间设置有N掺杂区域。

3.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，还包括电源电压VDD，所述复位管的源极与所述浮动扩散节点连接，所述复位管的漏极与所述电源电压VDD连接。

4.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述复位管处于0V以上的高电平。

5.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述复位管处于0V时对所述像素单元进行复位。

6.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述复位管处于-2.8V以下的低电平。

7.一种图像传感器，包含由多个如权利要求1所述的探测器像素单元组成的接收阵列。