CN1748412A - 具有宽的动态范围的光图像接收器件 - Google Patents

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Abstract

在此提供了一种在CMOS工艺中具有高灵敏度和高速灵敏度以及宽的动态范围的光图像接收器件的制造。所述图像接收器件除了通常的三晶体管和光接收部分的结构外还包括用于特殊目的的电容晶体管。所述电容晶体管具有分别连接至电容节点和浮动扩散节点的第一和第二源/漏端，并且响应于预定的电容控制信号被选通。在所述CMOS光图像接收器件中，浮动扩散节点被激励至超过外部电源电压。由此，浮动扩散节点的电子势能在初始状态远大于光接收部分的最大电压。因此，该CMOS有源像元在光强较弱的区域具有相当高的灵敏度。此外，由于在光强较强的区域灵敏度会降低，因此其动态范围可以极大的增加。

Description

具有宽的动态范围的光图像接收器件
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，特别涉及一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的像元(pixel)结构。
背景技术
图像传感器通过利用半导体器件能够对外界能量(例如光子)作出反应的特征来捕获图像。自然界中存在的物体产生的光在其波长中具有本征能量值。图像传感器的像元探测到物体产生的光，并将探测到的光转化为电学值。
包含于图像传感器的像元中的光电二极管通常具有P-I-N(P型半导体-本征半导体-N型半导体)结构，以使量子效率最大化。P-I-N结构的优点在于它可以通过注入具有低于其它N型区浓度的杂质以形成宽耗尽区。在该耗尽区中可以形成强的电场。由此，由入射至耗尽区的光子产生的电子空穴对并不复合，反而相互分离。即，由于电子进入光电二极管而空穴耗尽于光电二极管之外，因此电子被完全俘获。然而，除了耗尽区以外，在平衡区内还形成微弱的电场。由此，因为由入射至平衡区的光子产生的电子空穴对高度趋于复合，所以俘获电子的可能性(即量子效率)被显著降低。结果，为了提高量子效率，增加耗尽区的尺寸以及增加光电二极管的尺寸是有利的。
图1显示了传统的3晶体管CMOS有源像元，其中示出了光电二极管的截面，同时示出了其它元件的电子符号。在传统的3晶体管CMOS有源像元中，构成光电二极管的一个侧结的N-型杂质层11与N型浮动扩散层13相接触。也就是说，由于浮动扩散层13起到光电二极管的电容的作用，因此光电二极管的实际电容部分是N？型杂质层11所产生的电容部分与N型浮动扩散层13所产生的电容部分之和。因此，采用传统3晶体管CMOS有源像元的图像传感器的灵敏度被劣化。
同时，由于浮动扩散层13的N型杂质进入N？型杂质层11，因此耗尽层的尺寸减小。由此，即使外部输入电压提高，临界电压即阻断电压(pinningvoltage)VPIN(在此临界电压VPIN下，不能形成耗尽层)将降低至低于外部电源电压VDD。然而在这种情况下，CMOS有源像元的工作范围将减小。
发明内容
                        技术问题
为了解决上述和/或其它问题，本发明提供了一种CMOS有源像元，其使得即使在低的电压范围内图像传感器也可以工作，并且提高了图像的灵敏度。
                        技术方案
根据本发明一种方案，一种CMOS有源像元包括：光电二极管，其根据接收到的光子产生信号电荷；电容节点，其接收由所述光电二极管产生的所述信号电荷；复位晶体管，其响应于预定的复位控制信号的有效(activation)来复位所述电容节点；浮动扩散节点，其选通预定的驱动晶体管；驱动晶体管，其由所述浮动扩散节点的电压电平控制；选择晶体管，其响应于预定的行选择信号以将由所述驱动晶体管传输的电压传输至相应的数据线；电容晶体管，其具有分别连接至所述电容节点和所述浮动扩散节点的第一和第二源/漏端，并且响应于预定的电容控制信号的有效被选通。
所述电容控制信号在所述复位控制信号被无效(inactivate)之前是无效的，并且在所述复位控制信号无效(inactivation)之后被有效(activate)。
根据本发明的另一种方案，提供了一种CMOS有源像元。所述CMOS有源像元的结构基本上与上述优选实施方案的结构相同。但是设置了电容以替代电容晶体管，所述电容的一端公共连接至所述电容节点和所述浮动扩散节点，另一端电连接至预定的电容控制信号。
                        有益效果
如上所述，在根据本发明的CMOS有源像元中，对驱动晶体管进行驱动的浮动扩散节点被激励至超过外部电源电压。由此，浮动扩散节点的电子势能在初始状态远大于光电二极管的阻断电压。因此，根据本发明的CMOS有源像元在光强较弱的区域具有相当高的灵敏度。此外，由于在光强较强的区域灵敏度会降低，因此其动态范围可以极大的增加。
                        附图说明
通过参照附图对优选实施方案进行的详细描述，本发明的上述和其它特征及优点将更加清楚，其中：
图1是显示了传统的3晶体管CMOS有源像元的视图，其中示出了光电二极管的截面，同时示出了其它元件的电子符号；
图2是显示了使用根据本发明的优选实施方案的CMOS有源像元的图像传感器的电路图；
图3是与图2的优选实施方案相关的信号的时序图；
图4是描述了图2所示的CMOS有源像元的截面的视图，其中示出了光电二极管的截面以及关于各区域的电子势能，同时示出了其它元件的电子符号；
图5是显示了与传统的CMOS有源像元相比，根据本发明的优选实施方案的CMOS有源像元的效果的曲线图；
图6是图2的CMOS有源像元的一个改型的电路图；
图7是根据本发明的另一个优选实施方案的4晶体管CMOS有源像元的电路图；
图8是与图7的CMOS有源像元相关的信号的时序图；
图9是描述了图7所示的CMOS有源像元的一部分的视图，其中示出了光电二极管的截面以及关于各区域的电子势能，同时示出了其它元件的电子符号。
                    本发明的实施方式
参照图2，一种根据本发明的优选实施方案的CMOS有源像元20包括光电二极管PH、电容节点MC、复位晶体管27，浮动扩散节点FD、驱动晶体管28、选择晶体管29以及电容晶体管TCAP。
光电二极管PH根据接受到的光子产生信号电荷。优选地，光电二极管PH具有P-I-N结构，也就是通过注入形成在P阱或者P型衬底中的N型杂质来形成杂质层从而在PN结的边界处形成本征半导体层。由于具有上述P-I-N结构的光电二极管PH在N型杂质层的上边界表面和下边界表面处都形成PN结，因此量子效率得到了提高。
电容节点MC接收由光电二极管PH产生的信号电荷。复位晶体管27由预定的复位控制信号GRX选通。当复位控制信号GRX为“高”以待被有效时，滞留在电容节点MC处的电荷被输出至外部电源电压VDD。由此，当复位控制信号GRX被有效时，光电二极管PH区域的势能变为基态并且被初始化。
驱动晶体管28由浮动扩散节点FD选通。即，驱动晶体管28由浮动扩散节点FD的电平控制。最后，传输至数据线DL的电平被确定。
响应于预定的行选择信号GSX，选择晶体管29将传输自驱动晶体管28的电压传输至对应于CMOS有源像元20的列的数据线DL。行选择信号GSX是用于选择包括CMOS有源像元20的行的信号。当行选择信号GSX被有效时，在同一行中的所有CMOS有源像元的数据被传输至数据线DL。
复位电压和数据电压分别响应于复位采样信号RSH和数据采样信号DSH而从数据线DL的电压采样，并且分别被存储在第一电容C1和第二电容C2中。通过比较器40对存储的复位电压和数据电压进行比较，并且产生第一输出信号VOUT1和第二输出信号VOUT2。
根据本发明的优选实施方案的CMOS有源像元20进一步包括电容晶体管TCAP。优选地，电容晶体管TCAP具有分别连接至电容节点MC和浮动扩散节点FD的第一和第二源/漏端，并且它是由预定的电容控制信号GCX选通的NMOS晶体管。由此，当电容控制信号GCX为“高”以待被有效时，电容晶体管TCAP被导通从而形成电容。
图3是与图2的优选实施方案相关的信号的时序图。如图3所示，电容控制信号GCX在复位控制信号GRX的无效点t1和t1？附近是无效的。即，电容控制信号GCX在复位控制信号GRX无效之前在t2和t2？点被无效至“低”并且在复位控制信号GRX无效之后被在t3和t3？点被有效至“高”。根据电容控制信号GCX的时序，由电容晶体管TCAP形成的电容元件可以将浮动扩散节点FD的电压提高至高于外部电源电压VDD。结果，如图4所示，浮动扩散节点FD的电子势能与施加了外部电源电压VDD的区域的电子势能相比被提高了h1，由于电子势能的单位是-eV，因此该电子势能在图中显示得较低。
如图4所示，处于初始状态的电容晶体管区域B和浮动扩散节点区域C的电子势能高于光电二极管区域A的电子势能。因此，产生自光电二极管区域A的信号电荷被移动到区域B和区域C。由此，即使当电子在光电二极管区域A被俘获时，光电二极管区域A的电子势能也不会被降低。即，光电二极管区域A中的耗尽区没有增加。因而，CMOS有源像元的灵敏度在低电压下非常高。这种现象一致持续直至电容晶体管区域B和浮动扩散节点区域C的电子势能与光电二极管区域A的电子势能相等。
在电容晶体管区域B和浮动扩散节点区域C的电子势能与光电二极管区域A的电子势能相等后，由于不但电容晶体管区域B和浮动扩散节点区域C而且光电二极管区域A都基本上起电容的作用，因此灵敏度降低并且动态范围增加。
图5是显示了与传统的CMOS有源像元相比，根据本发明的优选实施方案的CMOS有源像元的效果的曲线图。在图5中，横轴表示入射到光电二极管PH上的光，即光子的数量，而纵轴表示图4的浮动扩散节点区域B的电子势能。另外，实线表示本发明的电子势能，而虚线表示传统技术的电子势能。参照图5，在浮动扩散节点区域B的电子势能变至阻断电压VPIN之前，相对于光能的本发明的电子势能的斜率陡于传统技术中的电子势能。然而，在浮动扩散节点区域B的电子势能变至阻断电压VPIN后，相对于光能的本发明的电子势能的斜率缓于传统技术中的电子势能。
由此，根据本发明的CMOS有源像元在光强较弱的区域以非常高的灵敏度作出反应，并且在光强较强的区域，由于灵敏度会降低，因此其具有非常宽的动态范围。
图6显示了图2的CMOS有源像元的一个改型实施例。图6的改型实施例的结构与图2中所示的优选实施方案的结构基本相同。但是它用电容CAP替换了图2的电容晶体管TCAP。电容CAP的一端被公共连接到电容节点MC和浮动扩散节点FD。电容CAP的另一端连接电容控制信号GCX。
图6的改型实施例的时序图与图3的时序图相同。图6的改型实施例的效果与图2的优选实施方案的效果几乎相同。故在此省略对图6的相关信号的时序和效果的详细描述。
本发明的CMOS有源像元的特有特征可被应用于4晶体管CMOS有源像元。图7是根据本发明的另一个优选实施方案的4晶体管CMOS有源像元的电路图。图7的4晶体管CMOS有源像元的结构与传统的4晶体管CMOS有源像元的结构几乎相同。
为了便于说明，这里只描述图7的当前优选实施方案和图3的优选实施方案之间不同的结构特征。在图7的当前优选实施方案中，浮动扩散节点FD被电连接至电容节点MC。由此，浮动扩散节点FD和电容节点MC为相同的节点。预定的传输晶体管T11被设置在光电二极管PH和电容节点MC之间。这是4晶体管CMOS有源像元的一个特有的特征，其防止了光电二极管PH与浮动扩散节点FD之间的接触。
传输晶体管T11被预定的传输控制信号GTX选通。由此，当传输控制信号GTX被有效至“高”时，光电二极管PH被连接至电容节点MC。
图7的优选实施方案中的相关信号的时序图不同于与传统4晶体管CMOS有源像元的相关信号的时序图。
图8是与图7的CMOS有源像元相关的信号的时序图。如图8所示，传输控制信号GTX在复位控制信号GRX的无效点t4和t4？附近。即，传输控制信号GTX在复位控制信号GRX被无效之前在t5和t5？点被无效并且在复位控制信号GRX无效之后在t6和t6？点被有效。根据传输控制信号GTX的操作时序，通过由传输晶体管T11形成的电容，在浮动扩散节点FD中出现了电荷泵浦现象。结果，如图9所示，浮动扩散节点FD的电子势能可以具有比传统技术高h2的电子势能。
由于根据浮动扩散节点FD的电子势能的增加所产生的效果与参照图5所描述的效果几乎相同，因此在此将省略对其的描述。
虽然参照优选实施方案特别地示出并且描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离由所述权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种形式和细节上的变化。

Claims (5)

1.一种CMOS有源像元，包括：
光电二极管，其根据接收到的光子产生信号电荷；
电容节点，其接收由所述光电二极管产生的所述信号电荷；
复位晶体管，其响应于预定的复位控制信号的有效来复位所述电容节点；
浮动扩散节点，其选通预定的驱动晶体管；
所述驱动晶体管，其由所述浮动扩散节点的电压电平控制；
选择晶体管，其响应于预定的行选择信号以将由所述驱动晶体管传输的电压传输至相应的数据线；以及
电容晶体管，其具有分别连接至所述电容节点和所述浮动扩散节点的第一和第二源/漏端，并且响应于预定的电容控制信号的有效而被选通。
2.如权利要求1所述的CMOS有源像元，其中，所述电容控制信号在所述复位控制信号被无效之前是无效的，并且在所述复位控制信号无效之后被有效。
3.如权利要求1或2所述的CMOS有源像元，其中，所述光电二极管具有P-I-N(P型半导体-本征半导体-N型半导体)结构。
4.一种CMOS有源像元，包括：
光电二极管，其根据接收到的光子产生信号电荷；
电容节点，其接收由所述光电二极管产生的所述信号电荷；
复位晶体管，其响应于预定的复位控制信号的有效来复位所述电容节点；
浮动扩散节点，其选通预定的驱动晶体管；
所述驱动晶体管，其由所述浮动扩散节点的电压电平控制；
选择晶体管，其响应于预定的行选择信号以将由所述驱动晶体管传输的电压传输至相应的数据线；以及
电容，其一端公共地连接至所述电容节点和所述浮动扩散节点，其另一端电连接至预定的电容控制信号。
5.一种CMOS有源像元，包括：
光电二极管，其根据接收到的光子产生信号电荷；
传输晶体管，其响应于预定的传输控制信号的有效以将所述信号电荷提供至预定的电容节点；
所述电容节点，其接收由所述传输晶体管传输的所述信号电荷；
复位晶体管，其响应于预定的复位控制信号的有效来复位所述电容节点；
浮动扩散节点，其选通预定的驱动晶体管并且电连接至所述电容节点；
所述驱动晶体管，其由所述浮动扩散节点的电压电平控制；
选择晶体管，其响应于预定的行选择信号以将由所述驱动晶体管传输的电压传输至相应的数据线，
其中所述传输控制信号在所述复位控制信号被无效之前是无效的，并且在所述复位控制信号无效之后被有效。
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