RU2537697C2 - Формирователь сигналов изображения и система камеры - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к формирователям сигналов изображения. Техническим результатом является уменьшение эффективной емкости затвора усиливающего транзистора без изменения площади затвора для значительного уменьшения общей паразитной емкости. Результат достигается тем, что элемент 200 изображения содержит скрытый фотодиод 111, усиливающий транзистор 114 и передаточный транзистор 112. Передаточный транзистор 112 передает заряд, полученный за счет фотоэлектрического преобразования с помощью фотодиода 111, к затвору усиливающего транзистора 114. Усиливающий транзистор 114 формирует схему истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора 114, выходом - истоковая область. Усиливающий транзистор 114 сформирован во второй полупроводниковой подложке 206, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки 202, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор. Подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 18 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к формирователю сигналов изображения, такому как CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - комплементарный металлооксидный полупроводник, КМОП) датчику изображения и системе камеры.

Уровень техники

В последние годы интенсивная деятельность в области измерения и визуализации микроскопического света и свечения, испускаемого биологическими телами, проводилась в области медицины и биотехнологии.

Для такого формирования изображения требуется гораздо более высокая чувствительность и более низкий шум, чем те, что обеспечивают обычные формирователи сигналов изображения. В электромагнитном приборе с зарядовой связью (EM-CCD), например, используется возможность умножения аналогового заряда.

С другой стороны, патентный документ 1 предлагает формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов с разделением по времени.

Эта технология предназначена для определения присутствия или отсутствия фотона, падающего на фотодиод, за каждый заданный период времени в качестве двоичной величины, и компилирования результатов, полученных при повторении этого процесса множество раз, чтобы получить данные для формирования двухмерного изображения.

То есть, такой формирователь сигналов изображения воспринимает сигнал от фотодиода в каждый заданный период времени. Когда один или более фотонов попадают на фотодиод в течение этого периода, счетчик, подключенный к каждому из элементов изображения, увеличивается на единицу, независимо от числа падающих фотонов.

Когда частота попадания фотонов на фотодиод является случайной величиной по оси времени, действительное количество падающих фотонов и их расчетное количество согласуются с распределением Пуассона. Поэтому, когда частота попадания фотонов является низкой, действительное количество падающих фотонов и их расчетное количество находятся приблизительно в линейном соотношении. С другой стороны, когда частота попадания фотонов на фотодиод является высокой, это соотношение может быть скорректировано.

Такой формирователь сигналов изображения особенно подходит для визуализации микроскопического света благодаря возможности полностью устранить шум считывания.

Такой подсчет фотонов, главным образом, реализуется путем умножения заряда.

Например, патентный документ 1 предполагает, что лавинно-пролетный диод используется для умножения заряда. Лавинно-пролетный диод преобразует фотон, падающий на фотоприемную поверхность, в фотоэлектрон и дополнительно ускоряет фотоэлектрон через поле высокого напряжения, чтобы повторить генерирование вторичных электронов за счет столкновений, таким образом умножая сигнальный заряд.

Это обеспечивает существенно больший уровень сигнала для обнаружения падающего фотона.

Формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов, слабо реагирует на изменение чувствительности устройства при переходе от одного устройства к другому. Поэтому поверхность датчика изображения может быть сформирована с помощью таких формирователей сигналов изображения.

Предполагается, что использование такого формирователя сигналов изображения возможно в разнообразных вариантах применения, включая рентгенологию с ультранизким воздействием рентгеновскими лучами в сочетании со сцинтиллятором.

Патентный документ 1

Выложенная заявка №1995-67043 на патент Японии

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

В этой связи, обычное умножение заряда с помощью электронного ускорения требует чрезвычайно высокого напряжения, таким образом требуется специальный процесс производства полупроводников.

Кроме того, если умножение заряда осуществляется для каждого элемента изображения, например с помощью лавинно-пролетного диода, то использование высокого напряжения создает трудности для электрической изоляции элемента изображения от соседних элементов. В результате, эта технология не подходит для миниатюризации элементов изображения.

С другой стороны, умножение аналогового сигнала во время его передачи приводит к созданию нового шума. Это также приводит к значительным вариациям между устройствами.

Возможное решение описанной выше проблемы состоит в том, чтобы обеспечить усилитель в каждом элементе изображения, вместо умножения заряда, таким образом, чтобы сигнал высокого уровня мог быть получен от единственного фотоэлектрона, за счет уменьшения входной емкости усилителя до максимально возможной степени.

Фиг.1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, имеющего усилитель.

Схема РХ1 элемента изображения включает в себя фотодиод 1, передаточный транзистор 2, перезагрузочный транзистор 3, усиливающий транзистор 4, накопительный узел 5 и узел 6 плавающей диффузии (FD).

Затвор передаточного транзистора 2 соединен к передаточной линии 7, а затвор перезагрузочного транзистора 3 соединен с линией 8 перезагрузки. Затвор усиливающего транзистора 4 соединен с узлом 6 FD.

В схеме РХ1 элемента изображения свет, падающий на кремниевую подложку элемента изображения, генерирует электронно-дырочные пары. Электроны в этих парах сохраняются в накопительном узле 5 с помощью фотодиода 1.

Электроны передаются к узлу 6 FD, когда передаточный транзистор 2 включается в заданный момент времени, таким образом приводя в действие затвор усиливающего транзистора 4.

Это позволяет произвести считывание сигнального заряда как сигнала на выходе 9 элемента изображения, который является истоком усиливающего транзистора 4. Выход 9 элемента изображения действует как истоковый повторитель, когда он заземлен через непоказанную цепь постоянного тока или резистивный элемент.

При включении перезагрузочного транзистора 3 одновременно и параллельно с передаточным транзистором 2, он извлекает электроны из фотодиода 1 и вводит их в источник питания, таким образом перезагружая элемент изображения в погашенное состояние перед накоплением электронов, т.е. в состояние, соответствующее отсутствию падающих фотонов.

Для уменьшения емкости узла 6 FD имеется установившаяся практика уменьшать емкость диффузионного слоя узла 6 FD или емкость провода, соединяющего диффузионный слой передаточного транзистора и затвор усиливающего транзистора 4, с использованием новых идей, касающихся схемы и этапов производства.

Однако одни только эти уменьшения емкости потерпели неудачу в достижении существенных эффектов, и являются недостаточными для того, чтобы обеспечить обнаружение единичного фотоэлектрона.

Емкость узла 6 FD включает в себя емкость провода и емкость диффузионного слоя, как было описано ранее.

Однако, даже предполагая, что эти емкости уменьшены за счет новых идей касающихся схемы и технологического процесса микромоделирования полупроводников, в конечном итоге остается емкость затвора усиливающего транзистора 4. Эта емкость составляет большую часть паразитной емкости узла 6 FD.

Чем больше усиливающий транзистор 4 уменьшается в размере, тем больше становится выходной случайный шум, таким образом ограничивая степень, до которой этот участок может быть миниатюризирован.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение формирователя сигналов изображения и системы камеры, которые могут радикально уменьшить эффективную емкость затвора усиливающего транзистора без изменения площади затвора для значительного уменьшения общей паразитной емкости.

Решение проблем

Формирователь сигналов изображения, согласно первому аспекту настоящего изобретения, включает в себя матрицу элементов изображения. Множество элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, расположены в виде матрицы в секции матрицы элементов изображения. Каждый элемент изображения содержит скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и передаточный транзистор. Передаточный транзистор передает заряд, полученный с помощью фотодиода в результате фотоэлектрического преобразования, к затвору усиливающего транзистора. Усиливающий транзистор формирует схему истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его истоковая область. Усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор. Подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована с помощью изолирующей пленки от первой полупроводниковой подложки и находится в «плавающем» состоянии.

Система камеры, согласно второму аспекту настоящего изобретения, включает в себя формирователь сигналов изображения, оптику, адаптированную для формирования сюжетного изображения на формирователе сигналов изображения, и процессор, адаптированный для обработки сигналов изображения от формирователя сигналов изображения. Формирователь сигналов изображения включает в себя матрицу элементов изображения. Множество элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, расположены в виде матрицы в секции матрицы. Каждый элемент изображения содержит скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и передаточный транзистор. Передаточный транзистор передает заряд, полученный фотодиодом в результате фотоэлектрического преобразования, к усиливающему транзистору. Усиливающий транзистор формирует схему истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его исток. Усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор. Подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована с помощью изолирующей пленки от первой полупроводниковой подложки и находится в «плавающем» состоянии.

Цель изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора без изменения площади затвора для значительного уменьшения общей паразитной емкости.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема, иллюстрирующая пример элемента изображения, содержащего усилитель.

Фиг.2 - схема, иллюстрирующая пример датчика изображения (формирователя сигналов изображения) со структурой КМОП, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 - временная диаграмма для перезагрузки, сохранения заряда в элементе изображения и считывания заряда из элемента изображения, показанного на фиг.3.

Фиг.5 - схема, иллюстрирующая пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 - схема, иллюстрирующая пример компоновки секции элементов изображения, содержащей элементы изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3 и 4.

Фиг.7 - первая последовательность этапов способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 - вторая последовательность этапов способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.9 - третья иллюстрация способа формирования элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.10 - принципиальная схема, иллюстрирующая пример измерительной схемы, обладающей свойством самореферирования.

Фиг.11 - временная диаграмма для описания примера операции считывания с использованием измерительной схемы с самореферированием, показанной на фиг.10, в качестве примера использован элемент изображения, показанный на фиг.3.

Фиг.12 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.13 - схема, иллюстрирующая пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.14 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.15 - схема, иллюстрирующая пример конфигурации элемента изображения, согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Фиг.16 - схема, иллюстрирующая пример системы камеры, в которой применяется полупроводниковый формирователь сигналов изображения, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Ниже приведено описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.

Следует отметить, что описание приводится в следующем порядке:

1. Описание основных характеристик формирователя сигналов изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

2. Первый вариант осуществления изобретения (пример первой конфигурации формирователя сигналов изображения).

3. Второй вариант осуществления изобретения (пример второй конфигурации формирователя сигналов изображения).

4. Третий вариант осуществления изобретения (пример третьей конфигурации формирователя сигналов изображения).

5. Четвертый вариант осуществления изобретения (пример четвертой конфигурации формирователя сигналов изображения).

6. Пятый вариант осуществления изобретения (система камеры).

1. Описание основных характеристик формирователя сигналов изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения

В настоящих вариантах осуществления изобретения оптимальная конфигурация формирователя сигналов изображения (датчика изображения со структурой КМОП) как полностью цифрового датчика изображения, использующего подсчет фотонов, материализована с перспективой в направлении достижения быстрого параллельного считывания.

Во-первых, каждый элемент изображения выводит данные о присутствии или отсутствии падающего фотона за время определенного периода в виде электрического сигнала. Измерительная схема принимает результат этого вывода множество раз в пределах периода кадра, и определяет каждый результат как одно или два двоичных значения. Формирователь сигналов изображения компилирует результаты, чтобы генерировать, например, данные уровня серого для каждого элемента изображения.

Основываясь на этой базовой конфигурации, формирователь сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеет характерные конфигурации, описанные ниже.

Формирователь сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеет конфигурацию, которая позволяет осуществить радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора, сформированного с полевым транзистором (FET, ПТ) без изменения площади его затвора, основываясь на составляющих компонентах емкости узла FD элемента изображения.

В настоящих вариантах осуществления изобретения последующие варианты применяются с акцентированием внимания на том факте, что емкость в значительной степени зависит от коэффициента усиления истокового повторителя и поведения подложек.

В первом варианте осуществления изобретения выход истокового повторителя и подложки усиливающего транзистора соединяются в элементе изображения, используя скрытый фотодиод, таким образом подавляя эффект смещения подложки и приводя коэффициент усиления ближе к единице. Затем потенциалы затвора усиливающего транзистора и подложки модулируются вместе.

Это гарантирует эффективное радикальное уменьшение емкости затвора усиливающего транзистора.

Кроме того, схема, осуществленная в первом варианте осуществления изобретения, которая сохраняет увеличение по площади минимальным образом, хотя в то же время принимает приведенную выше конфигурацию.

Во втором варианте осуществления изобретения усиливающий транзистор имеет структуру SOI (структура типа "кремний на диэлектрике") в элементе изображения, использующем скрытый фотодиод, таким образом устанавливая саму подложку в плавающее состояние.

В такой структуре подложка является полностью обедненной. В результате ее потенциал модулируется в соответствии с потенциалом истока.

В то же самое время подавляется эффект смещения подложки, приводя коэффициент усиления ближе к единице. Емкость затвора усиливающего транзистора может быть эффективно радикально уменьшена, основываясь на том же самом принципе.

Настоящие варианты осуществления изобретения, имеющие вышеописанную конфигурацию, способствуют радикальному уменьшению входной емкости усиливающего транзистора элемента изображения, таким образом обеспечивая обнаруживаемый выход элемента изображения, даже с единственным фотоном.

Это дает возможность применить формирователь сигналов изображения, использующий подсчет фотонов с разделением времени, таким образом позволяя обеспечить обработку изображения микроскопического луча света и крупномасштабную обработку изображения с множеством формирователей сигналов изображения, расположенных параллельно в ряд.

Кроме того, увеличение площади, занимаемой группой схем, за исключением фотодиода, сохраняется на минимуме, благодаря оптимальной конфигурации схемы, таким образом поддерживая высокое значение относительного отверстия.

Кроме того, настоящее изобретение может обеспечить значительно улучшенную чувствительность, даже когда оно применяется к традиционному формирователю сигналов изображения типа КМОП.

Ниже будет приведено подробное описание датчика изображения типа КМОП, т.е. формирователя сигналов изображения, согласно настоящим вариантам осуществления изобретения, имеющим приведенные выше характеристики.

2. Первый вариант осуществления изобретения

Фиг.2 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации датчика изображения (формирователя сигналов изображения) со структурой КМОП, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Структура общей конфигурации

Настоящий датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя секцию 110 матрицы элемента изображения, секцию 120 измерительной схемы, группу 130 выходной сигнальной линии, группу 140 передаточной линии и секцию 150 схемы для определения результата компиляции.

В настоящем датчике 100 изображения типа КМОП одна измерительная схема находится в совместном использовании среди множества элементов изображения, как описывается позже.

Поэтому блоки с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения формируются в настоящем датчике 100 изображения типа КМОП, при этом каждый из них имеет множество элементов изображения DPX в той же самой колонке и используется той же самой схемой выборки.

Кроме того, датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя возбуждающую схему 170 для рядов матрицы и группу 180 управления линией ряда, адаптированных запускать элементы изображения DPX секции 110 матрицы элемента изображения таким образом, что электрические сигналы выводятся из элементов изображения DPX к выходным линиям 131 сигнала.

В секции 110 матрицы элемента изображения множество цифровых элементов изображения DPX расположены в форме матрицы, имеющей ряды и колонки.

Каждый из цифровых элементов изображения DPX имеет элемент фотоэлектрического преобразования, который способен выводить электрический сигнал в ответ на падающий фотон.

Затем формируются блоки с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения, каждый блок с множеством элементов изображения DPX в той же самой колонке и той же самой схемой выборки, как описано ранее.

Датчик 100 изображения типа КМОП включает в себя блок CBLK схемы. Тот же самый блок CBLK определяет электрический сигнал, передаваемый через каждую выходную линию 131 сигнала как двоичное значение за каждый заданный период, и компилирует результаты для каждого элемента изображения множество раз, чтобы генерировать двухмерные данные обработки изображения.

Датчик 100 изображения типа КМОП компилирует результаты измерения множество раз для множества элементов изображения и для каждого из множества блоков с номерами от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения в настоящих вариантах осуществления изобретения, таким образом устанавливая количество фотонов, падающих на секцию 110 матрицы элементов изображения, используемую в качестве фотоприемной секции.

Датчик 100 изображения типа КМОП способен дополнительно расширять динамический диапазон подсчета фотонов с помощью суммирования результатов подсчета множества элементов изображения.

Секция 110 матрицы элементов изображения, секция 120 измерительной схемы, и секция 150 схемы для определения результата компиляции располагаются в блоке CBLK схемы.

Секция 120 измерительной схемы включает в себя измерительные схемы 121-0, 121-1, 121-2, 121-3 и более, взаимодействующие с блоками элементов изображения с номерами от 160-0 до 160-3 и более секции 110 матрицы элементов изображения.

Измерительная схема 121-0 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-0, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-0 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-00 до DPX-p0.

То есть, элементы изображения от DPX-00 до DPX-p0 совместно используют единую измерительную схему 121-0.

Следует отметить, что количество элементов изображения в каждом из блоков 160 элементов изображения (от 160-0 до 160-3 и более) устанавливается, например, на значение 128. В этом случае p принимает любое значение от 0 до 127, а блок 160-0 элементов изображения включает в себя элементы изображения от DPX-00 до DPX-1270.

Измерительная схема 121-1 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-1, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-1 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-01, DPX-11 до DPX-p1.

То есть, элементы изображения от DPX-01 до DPX-p1 совместно используют единую измерительную схему 121-1.

Блок 160-1 элементов изображения включают в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-01 до DPX-1271.

Измерительная схема 121-2 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-2, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-2 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-02 до DPX-p2.

То есть, элементы изображения от DPX-02 до DPX-p2 совместно используют единую измерительную схему 121-2.

Блок 160-2 элементов изображения включают в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-02 до DPX-1272.

Измерительная схема 121-3 имеет вход, подключенный к выходной сигнальной линии 131-3, к которой подключены выходы всех элементов изображения, составляющих блок 160-3 элементов изображения, т.е. элементов изображения от DPX-03, DPX-13, до DPX-p3.

То есть, элементы изображения от DPX-03 до DPX-p3 совместно используют единую измерительную схему 121-3.

Блок 160-3 элементов изображения включает в себя, например, 128 элементов изображения от DPX-03 до DPX-1273.

В секции 120 измерительной схемы измерительные схемы расположены таким образом, что множество элементов изображения совместно используют измерительную схему в других непоказанных блоках элементов изображения.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции способна компилировать результаты определения измерительных схем со 121-0 по 121-3 множество раз, чтобы генерировать, например, двухмерные данные обработки изображения, имеющие уровень серого.

Альтернативно, секция 150 схемы для определения результата компиляции суммирует результаты подсчета множества элементов изображения, таким образом позволяя осуществить обработку изображения с широким динамическим диапазоном за счет обработки группы этих элементов изображения, как модуля фотоприемной поверхности. То есть, секция 150 схемы для определения результата компиляции способна устанавливать количество фотонов, падающих на секцию 110 матрицы элементов изображения, используемую в качестве фотоприемной секции, компилируя результаты определения множество раз для множества элементов изображения, и для каждого из множества блоков от 160-0 до 160-3 и более элементов изображения в настоящих вариантах осуществления изобретения.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции включает в себя регистры от 151-0 до 151-3, схему 152 выборки, схему 153 подсчета и память 154.

Регистры от 151-0 до 151-3 удерживают определенные значения измерительных схем со 121-0 по 121-3, переданных через передающие линии со 141-0 по 141-3.

Схема 152 выборки последовательно выбирает выходные значения регистров от 151-0 до 151-3, чтобы поставлять определенные значения, удерживаемые регистрами от 151-0 до 151-3, к схеме 153 подсчета.

Схема 153 подсчета вычисляет определенные значения множества элементов изображения (четыре элемента изображения в этом примере), которые считываются через выборку ряд за рядом и передаются через схему 152 выборки, сохраняя подсчитанные результаты для каждого элемента изображения в памяти 154.

Альтернативно, схема 153 подсчета суммирует подсчитанные результаты множества элементов изображения и сохраняет полученные результаты сложения в памяти 154.

Схема 153 подсчета загружает ранее считанные данные элементов изображения из памяти 154.

Секция 150 схемы для определения результата компиляции, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения, включает в себя единую схему 153 подсчета, которая используется совместно среди множества регистров от 152-0 до 152-3.

Другими словами, схема 153 подсчета используется совместно среди множества измерительных схем со 121-0 по 121-3 в датчике 100 изображения типа КМОП, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения.

Датчик 100 изображения типа КМОП, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, сконфигурирован таким образом, чтобы включать в себя характерные конфигурации, описанные ранее.

То есть, датчик 100 изображения типа КМОП сконфигурирован таким образом, что каждая измерительная схема используется совместно и циклически доступна для множества элементов изображения, таким образом позволяя использовать более мелкие элементы изображения, в то же время гарантируя сохранение времени облучения.

Кроме того, датчик 100 изображения типа КМОП сконфигурирован таким образом, что схема подсчета используется совместно множеством измерительных схем, таким образом позволяя обеспечить гибкую оптимизацию между масштабом схемы и скоростью обработки.

Более того, датчик 100 изображения типа КМОП способен расширить динамический диапазон при подсчете фотонов за счет суммирования результатов подсчета множества элементов изображения.

Характеристики, относящиеся к цифровому элементу изображения

Здесь будет приведено описание примера конфигурации цифрового элемента DPX изображения.

Каждый из цифровых элементов DPX изображения (в дальнейшем могут быть просто определены как элементы изображения) имеет элемент фотоэлектрического преобразования и выход электрического сигнала в ответ на воздействие падающего фотона.

Датчик 100 изображения типа КМОП как формирователь сигналов изображения способен не только выполнять возврат в исходное положение, но также и считывать элементы DPX изображения. В результате, тот же самый датчик 100 может перезагрузить и считать элементы DPX изображения с произвольным согласованием по времени.

Элементы DPX изображения возвращаются в исходное состояние при отсутствии падающих фотонов. Каждый из элементов DPX изображения, предпочтительно, должен включать в себя линзу и, в случае необходимости, цветной фильтр на их фотоприемной поверхности.

Хотя эти базовые характеристики элементов изображения подобны характеристикам обычных элементов изображения, их выходной сигнал необязательно должен быть точным или линейным, каким должен быть аналоговый выход.

Здесь будет приведено описание примера конфигурации цифрового элемента изображения.

Фиг.3 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.3 иллюстрирует пример схемы элемента изображения, в которой элемент DPX изображения включает в себя три транзистора.

В модуле элемента изображения, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения, усиливающий транзистор сформирован с полевым транзистором, имеющим канал p-типа (МОП-транзистор с каналом p-типа).

Модуль DPXA элемента изображения включает в себя фотодиод 111, передающий транзистор 112 с каналом n-типа, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа, усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа, узел 115 для хранения и узел 116 плавающей диффузии (FD).

Передающий транзистор 112 с каналом n-типа имеет электрод затвора, который присоединен к передаточной линии 181, используемой как линия управления для ряда. Перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа имеет электрод затвора, который присоединен к перезагрузочной линии 182, используемой как линия управления для ряда.

Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод затвора, который присоединен к узлу 116 FD, а его истоковый электрод 114S присоединен к выходной сигнальной линии 131.

В настоящем первом варианте осуществления изобретения усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет истоковый электрод 114S, который присоединен к подложке, являющейся МОП-структурой с каналом p-типа. Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод 114D стока, который присоединен к опорному потенциалу VSS (например, к земле GND-ground).

В модуле DPX 10 элемента изображения свет, падающий на кремниевую подложку элемента изображения, генерирует электронно-дырочные пары. Электроны в этих парах сохраняются в узле 115 для хранения с помощью фотодиода 111.

Электроны передаются к узлу 116 FD, когда передающий транзистор 112 с каналом n-типа включается в соответствии с заданным распределением по времени, таким образом возбуждая затвор усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа.

С другой стороны, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа, который имеет электрод стока, присоединенный к источнику VDD питания, используется для возврата элемента изображения в исходное положение.

Усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа имеет электрод 114D стока, который присоединен к земле, а его истоковый электрод 114S присоединен к подложке, являющейся МОП-структурой с каналом p-типа. Истоковый электрод 114S дополнительно присоединен к выходной сигнальной линии 131.

Выходная сигнальная линия 131 совместно используется множеством элементов изображения, расположенных в направлении колонок. Выходная сигнальная линия 131 подключается к источнику питания через цепь 190 постоянного тока. Это позволяет усиливающему транзистору 114 с каналом p-типа действовать в качестве истокового повторителя.

То есть, сигнальный заряд, переданный к узлу 116 FD, выводится как сигнал к выходной сигнальной линии 131.

Ниже будет дано отдельное описание сохранения заряда в элементе изображения и считывание заряда из схемы, согласно настоящему варианту осуществления изобретения.

Фиг. с 4(А) по 4(D) являются временными диаграммами для перезагрузки, сохранения заряда в элементе изображения и для считывания заряда из элемента изображения, показанной на фиг.3.

Фиг.4(А) иллюстрирует потенциал сигнала перезагрузочной линии 182, фиг.4(В) показывает потенциал сигнала передаточной линии 181, фиг.4(С) показывает потенциал узла 116 FD, а фиг.4(D) показывает потенциал истокового электрода 114 S усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа.

Перед тем как сохранять заряд, сначала элемент изображения устанавливается в исходное положение.

Когда элемент изображения установлен в исходное положение, перезагрузочная линия 182 и передаточная линия 181 подтягиваются к верхнему уровню. Этот уровень запускает перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа и передающий транзистор 112 с каналом n-типа.

Эта операция передает напряжение истока, составляющее 1.8 V к узлу 115 для хранения.

В результате потенциал узла 115 для хранения повышается, вызывая выделение электронов, сохраняемых в узле.

В частности, в структуре HAD (Hole-Accumulation Diode - диод с накоплением дырок), узел 115 для хранения формируется с тонким слоем n-типа, вставленным в виде сандвича между слоями p-типа. Электроны этого слоя полностью разряжаются, таким образом полностью истощая узел 115 для хранения.

Затем передаточная линия 181 понижается до нижнего уровня. Это выключает передающий транзистор 112 с каналом n-типа, переводя узел 115 для хранения в плавающее состояние и инициируя новый цикл хранения заряда.

Во время хранения заряда, с другой стороны, перезагрузочная линия 182 поддерживается на высоком уровне, удерживая перезагрузочные транзисторы 113 с каналом n-типа невыбранных элементов изображения.

В результате, узел 116 FD, подключенный к затвору усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа, поддерживается на уровне напряжения истока.

Это поддерживает усиливающие транзисторы 114 с каналом p-типа невыбранных элементов изображения в выключенном состоянии.

Далее будет приведено описание считывания сохраняемого заряда.

Во-первых, перезагрузочная линия 182 в выбранном ряду понижается до низкого уровня, выключая перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа.

В это время узел 116 FD соединен с затвором перезагрузочного транзистора 113 с каналом n-типа. Это вызывает изменение потенциала узла 116 FD, например, с уровня 1.8 В до 0.8 В, переводя тот же самый узел 116 в плавающее состояние. В результате усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа включается.

Здесь усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа и выходная сигнальная линия 131, подключенные к цепи 190 постоянного тока, создают схему истокового повторителя. Потенциал Vfd узла 116 FD, используемый как входной для схемы истокового повторителя, и потенциал Vsl выходной сигнальной линии 131, используемый как выход выходной сигнальной линии 131, находятся в соответствии, близком к линейному, с коэффициентом изменения, близким к единице.

То есть, обозначая ток цепи 190 постоянного тока буквой i, в идеале следует придерживаться следующего уравнения:

[Уравнение 1]

i=(1/2)*β*(Vfd-Vth-Vsl)²//β является постоянной.

Здесь выражение (Vfd-Vth-Vsl) является неизменным. Поэтому изменение в потенциале Vfd узла 116 FD отражается на потенциале Vsl выходной сигнальной линии 131 с коэффициентом усиления, близким к единице.

То есть, когда усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа включается, изменение в потенциале узла 116 FD отражается на изменении в потенциале выходной сигнальной линии 131.

Здесь заряд считывается первый раз. Потенциал, появляющийся на выходной сигнальной линии 131, временно удерживается измерительной схемой 121.

Далее передаточная линия 181 подтягиваются к верхнему уровню, включая передающий транзистор 112 с каналом n-типа. В результате узел 116 FD присоединяется к передаточной линии 181, приводя к тому, что потенциал того же самого узла 116 поднимается. Это приводит к тому, что электроны, сохраняемые в узле 115 для хранения, перетекают в узел 116 FD.

В это время, если потенциал узла 116 FD достаточно высокий, то все электроны, сохраняемые в узле 115 для хранения, перетекают в узел FD, таким образом полностью истощая узел 115 для хранения.

Затем передаточная линия 181 понижает свой потенциал до низкого уровня, выключая передающий транзистор 112 с каналом n-типа. В результате потенциал узла 116 FD падает за счет заряда сигнала, по сравнению с тем, который существовал до того, как была приведена в действие передаточная линия.

То есть, в отсутствии падающего фотона потенциал возвращается до уровня около 0.8 В. Однако, если в результате падения фотонов были генерированы фотоэлектроны, потенциал падает в соответствии с количеством фотоэлектронов. В результате потенциал падает, например, до уровня 0.7 В. Это отражается в выходной сигнальной линии 131, использующейся как выход истокового повторителя.

Здесь заряд считывается во второй раз. Сигнал, удерживаемый измерительной схемой 121, сравнивается с текущим считываемым сигналом, чтобы определить присутствие или отсутствие падающего фотона.

Период экспонирования каждого элемента изображения является периодом между операцией выхода в исходное состояние и операцией считывания. Если более точно, то время экспонирования начинается в тот момент, когда передающий транзистор 112 с каналом n-типа выключается после операции выхода в исходное состояние, и заканчивается в тот момент, когда передающий транзистор 112 с каналом n-типа включается для выполнения операции (Т3) считывания.

Во время этого периода, если заряд проявляется в результате воздействия падающего фотона на фотодиод 111, этот заряд обнаруживается измерительной схемой 121 как разница из сигнала, считанного второй раз.

В описанной выше конфигурации элемента изображения, подложка усиливающих транзисторов 114 с каналом p-типа, составляющих истоковый повторитель, присоединяется к их истоковому выходу. Это гарантирует, что подложка является свободной от эффекта смещения подложки, таким образом приближая коэффициент усиления ближе к единице.

В то же самое время потенциалы затвора и подложки усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа модулируются вместе, таким образом приближая эффективную емкость затвора усиливающего транзистора 114 с каналом p-типа в узле 116 FD близко к нулю и содействуя значительному уменьшению его общей паразитной емкости.

То есть, перемещение самого незначительного количества фотоэлектронов к узлу 116 FD обеспечивает для элемента изображения большую выходную амплитуду.

Следует отметить, что в обычном истоковом повторителе присоединение истокового выхода усиливающего транзистора к его подложке в действительности было обычной практикой для увеличения выходного коэффициента усиления.

Однако в настоящем варианте осуществления изобретения соединение выполнено таким образом, чтобы уменьшить емкость узла FD элемента изображения до предельного минимума, позволяя обнаружить в высшей степени микроскопический заряд, например такой маленький, какой соответствует одному фотону.

Для того чтобы сделать это, фотодиод 111, имеющий большую паразитную емкость, не имеет емкостной связи с узлом 116 FD.

Если более точно, то фотодиод 111 и узел 116 FD изолированы с помощью передающего транзистора 112. Кроме того, фотодиод 111 является, например, скрытым фотодиодом, что является типичным примером структуры HAD (Hole Accumulation Diode - диода с накоплением дырок).

В такой структуре операция возврата в исходное положение разгружает все электроны из узла 115 для хранения фотодиода 111, таким образом полностью истощая узел 115 для хранения. В результате его потенциал поднимается, например, только до 0.4 В.

То же самое справедливо во время операции считывания. Когда весь заряд передается к узлу 116 FD, в результате включения передающего транзистора 112, то между фотодиодом 111 и узлом 116 FD поддерживается разность потенциалов, таким образом предотвращая образование емкостной связи между этими двумя компонентами.

Уменьшение емкости узла FD до предельного минимума, как описано выше, приводит к большим вариациям емкости в самом узле при производстве.

Поэтому, если выход элемента изображения обрабатывается как аналоговые данные, эта вариация переводится «как есть» в вариацию сигнала.

Однако, если присутствие или отсутствие падающего фотона для отдельного периода определяется как двоичное значение, и если эти результаты компилируются, чтобы получить уровень серого цвета при обработке изображения, то вариация в емкости узла 116 FD не отражается на результирующем сигнале до тех пор, пока гарантируется уровень сигнала, являющийся достаточным для определения.

То есть, общий выход элемента изображения непосредственно отражает итоговую сумму падающих фотонов, причем вариации этой суммы не будут зависеть от производственного процесса.

В описанном выше примере операции включения/выключения усиливающего транзистора 114 управляются за счет соединения с затвором перезагрузочного транзистора 113.

Хотя это является эффективным для упрощения прокладывания проводов, сток 113D перезагрузочного транзистора 113 может быть, в случае необходимости, соответствующим образом приведен в действие.

Например, когда элемент изображения не выбран, сток 113D может быть поднят до высокого уровня, при этом узел 116 FD также поднимается до более высокого уровня.

Это полностью предотвращает любую утечку тока из усиливающего транзистора 114, когда элемент изображения не выбран, таким образом подавляя нежелательные помехи, генерируемые на выходной сигнальной линии невыбранным элементом изображения.

Фиг.5 является схемой, иллюстрирующей пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Элемент 200 изображения, показанный на фиг.5, включает в себя тонкий слой 201 n-типа, сформированный в виде пластины с эпитаксиальным слоем. Область 202 кармана p-типа для элемента изображения сформирована на слое 201 n-типа. Элементы, составляющие элемент изображения, сформированы в области 202 кармана p-типа.

В фотодиоде 111 слой 204 p-типа формируется на поверхности слоя 203 для хранения n-типа. В результате фотодиод 111 является так называемым «скрытым фотодиодом» со слоем для хранения заряда сигнала, вставленным в виде сандвича между двумя слоями противоположных типов проводимости в направлении вдоль глубины подложки.

В настоящем примере фотодиод 111 имеет структуру HAD (Hole-Accumulation Diode), в которой слой 203 для хранения n-типа вставлен в виде сандвича между слоем 204 p-типа на поверхности и карманом 202 p-типа подложки.

Передающий транзистор 112 является транзистором с каналом n-типа, использующим карман 202 p-типа в качестве подложки. Тот же самый транзистор 112 передает заряд, сохраняемый в фотодиоде 111, к затвору усиливающего транзистора 114 и узлу 116 FD, который включает в себя диффузионный слой 205 n-типа.

Усиливающий транзистор 114 является транзистором с каналом p-типа, использующим карман 206 n-типа, сформированный в кармане 202 p-типа, как и его подложка.

Карман 202 p-типа заземлен, тогда как карман 206 n-типа смещен вперед в любое время. Поэтому два кармана электрически изолированы один от другого.

Усиливающий транзистор 114 имеет заземленный сток 114D, при этом его исток 114S присоединен к подложке 206, являющейся карманом n-типа. В результате исток 114S формирует выход элемента изображения.

Кроме того, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа формируется в элементе 200 изображения. Перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа использует карман 202 p-типа в качестве подложки. Тот же самый транзистор 113 имеет сток 113D, который присоединен к источнику питания, или приводится в действие, в соответствии с предназначением, с помощью периферийной цепи в зависимости от того, выбран или нет элемент изображения.

Скрытая оксидная пленка 207 используется в качестве изолирующего слоя для элементов, причем она адаптирована таким образом, чтобы предотвращать утечку сигнала между карманом 206 n-типа и слоем 203 для хранения n-типа фотодиода 111. Скрытая оксидная пленка 207 покрывается высококонцентрированным слоем 208 p-типа на дне и боковой стороне.

Как описано выше, фотодиод 111 и передающий транзистор 112 с каналом n-типа формируются с использованием кармана 202 p-типа в качестве подложки.

Кроме того, усиливающий транзистор 114 с каналом p-типа формируется с использованием слоя 206, являющегося карманом n-типа, обеспеченным в кармане 202 p-типа, используемого в качестве подложки.

Структура элемента изображения, как описано выше, спроектирована таким образом, чтобы изолировать подложку усиливающего транзистора 114 от других элементов с минимальным использованием площади. Это позволяет осуществить соединение между истоковым выходом и подложкой усиливающего транзистора 114, таким образом способствуя значительному уменьшению эффективной паразитной емкости узла FD.

Фиг.6 является схемой, иллюстрирующей пример компоновки секции элемента изображения, имеющей элемент изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3 и 4.

Каждый из элементов 200А изображения включает в себя фотодиод 111, передающий транзистор 112, перезагрузочный транзистор 113 и усиливающий транзистор 114.

Активная область усиливающего транзистора 114 сформирована в кармане 206 n-типа, таким образом ионизировано изолируя активную область от подложек других элементов.

Далее будет дано описание способа производства элемента изображения, согласно настоящему первому варианту осуществления изобретения, со ссылками на фиг.7(А) и 7(В), 8(А) и 8(В), а также фиг.9.

Для того чтобы электрически изолировать усиливающий транзистор 114 от фотодиода 111 и передающего транзистора 112, в подложке формируются скрытый диффузионный слой 208 изоляции элемента от элемента, и секция изоляции в виде канавки/скрытой оксидной пленки 207.

В частности, как показано на фиг.7(А), скрытый диффузионный слой 208 изоляции элемента от элемента и секция изоляции в виде канавки/скрытой оксидной пленки 207 формируются на правом крае фигуры на главной стороне 211 тонкой эпитаксиальной подложки 210 n-типа.

Далее, как показано на фиг.7(В), бор для кармана 202 p-типа вводится (имплантируется) три раза на различные глубины.

При первой имплантации бор имплантируется глубоко, чтобы сформировать нижний участок 202-1 кармана 202 p-типа.

При второй имплантации бор имплантируется менее глубоко и выборочно, чтобы сформировать периферийный участок 202-2 кармана p-типа вокруг фотодиода 111. В это время бор не вводится в область фотодиода 111.

При третьей имплантации бор выборочно имплантируется в область около поверхности главной стороны 211, чтобы сформировать карман 203 p-типа. В это время бор не вводится в фотодиод 111 или карман 206 n-типа.

Далее, как показано на фиг.8(А), фосфор для кармана 206 n-типа имплантируется в область между скрытым диффузионным слоем 208 изоляции элемента от элемента и секции изоляции в виде канавки/скрытой оксидной пленки 207.

Кроме того, ион (фосфор) n-типа для регулировки концентрации имплантируется в область фотодиода 111, по мере необходимости.

Далее, как показано на фиг.8(В), ионы диффундируют и активизируются с помощью термической обработки, чтобы сформировать карман 202 p-типа, карман 206 n-типа, и фотодиод 111.

Далее, как показано на фиг.9, истоки (S), стоки (D) и затворы (G) усиливающего транзистора 114, перезагрузочного транзистора 113, и передающего транзистора 112, а также диффузионный слой p-типа для структуры HAD, формируются как верхние элементы.

Элемента изображения, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, производится как описано выше.

Далее будет дано описание общего принципа работы датчика 100 изображения типа КМОП, согласно первому варианту осуществления изобретения.

Как описано ранее, каждый из блоков 160 (один из блоков от 160-0 до 160-3 и более) элемента изображения включает в себя 128 цифровых элементов DPX изображения и схему выборки. Схема выборки выбирает один из 128 цифровых элементов DPX изображения, чтобы продолжать операции возврата в исходное положение и операции считывания.

В настоящем примере один из элементов изображения в блоке 160 элемента изображения выбирается согласно линиям 181 и 182 управления ряда, которые приводятся в действие возбуждающей схемой 170 для рядов.

Во время операции считывания присутствие или отсутствие фотона, падающего на выбранный элемент изображения, является выходом, как электрический сигнал по отношению к выходной сигнальной линии 131 (от 131-0 до 131-3 и более), таким образом сигнал определяется двоичным значением. Измерительная схема 121 (от 121-0 до 121-3) подтверждает «1» в присутствии падающего фотона, и «0» при его отсутствии, как установленное значение, и фиксирует это значение.

Установленное значение измерительной схемы 121 (от 121-0 до 121-3) сначала передается в регистр 151 (от 151-0 до 151-3).

Схема 153 подсчета совместно используется четырьмя блоками элементов изображения с номерами от 160-0 до 160-3. Та же самая схема 153 подсчета последовательно считает, через схему 152 выборки, установленные значения, которые считываются из четырех элементов изображения через последовательный выбор рядов.

Затем результаты подсчета для каждого из элементов изображения сохраняются в памяти 154.

То есть, предварительно считанные данные элемента изображения загружаются из памяти 154 в схему 153 подсчета.

Здесь, когда «1» сохраняется в регистре 151 (от 151-0 до 151-3), то «1» добавляется в схему 153 подсчета. С другой стороны, когда «0» сохраняется в регистре 151, то подсчитанное значение схемы 153 подсчета не обновляется.

Затем значение схемы 153 подсчета записывается обратно в память 154, таким образом завершая подсчет для одного элемента изображения. Этот процесс последовательно повторяется для четырех элементов изображения.

Во время подсчета блок 160 (один из блоков от 160-0 до 160-3 и более) элемента изображения и измерительная схема 121 (одна из схем от 121-0 до 121-3) могут параллельно продолжать обработку операций считывания и определения для следующего ряда.

Такое цифровое считывание проводится, например, 1023 раза за период кадра, таким образом генерируя 10-битовые данные уровня серого для каждого элемента изображения.

В это время схема 153 подсчета имеет 10-битовую ширину. С другой стороны, память 154 имеет ширину, составляющую 5120 бит, поскольку каждый из (128 по 4) элементов изображения имеет 10-битовые данные.

То есть, настоящий датчик 100 изображения типа КМОП функционирует как фотосчетчик, имеющий упорядоченное расположение в виде матрицы в однозначно определяемой конфигурации.

Если динамический диапазон расширен за счет сложения результатов подсчета множества элементов изображения, то выполняется следующее управление. Например, когда модуль формирователя сигналов изображения включает в себя четыре-на-четыре элементов изображения, то данные элементов изображения в каждом из модулей формирователя сигналов изображения сохраняются с тем же самым адресом в памяти 154.

Это позволяет складывать подсчитываемые значения падающих фотонов для 16 элементов изображения в схеме 15 подсчета через память.

В это время общее подсчитанное значение увеличивается в 16 раз. В результате, схема 153 подсчета требует 14 бит.

С другой стороны количество адресов памяти 154 уменьшается до одной шестнадцатой или тридцать второй, с каждым адресом, сохраняющим 14-битовое значение. Поэтому память 154 требует, в общем, 448 бит.

Альтернативно, если подсчитывается только общее количество фотонов, падающих на всю фотоприемную поверхность, то память необязательно потребуется, поскольку схеме 153 подсчета нужно только удерживать данные.

В этом случае счетчик требует 19 бит, чтобы обрабатывать 10-битовые данные для 512 элементов изображения. Таким образом, требуемые размеры схемы 153 подсчета и памяти 154 изменяются в зависимости от варианта применения.

Альтернативно, если способности расположения в определенном порядке из двухмерной обработки изображения всех элементов изображения, в добавление к тому, что все элементы изображения переключаются согласно применению, то схема 153 подсчета должна иметь 14-битовую ширину, с 14 битами, которые сделаны доступными в памяти 154 для каждого из (128 по 4) элементов изображения. Кроме того, блок CBLK схемы должен быть способен обрабатывать добавочное количество до значения четыре на четыре элементов изображения.

Для того чтобы складывать все элементы изображения, блоку CBLK схемы нужно только добавить сначала четыре на четыре элементов изображения, с отдельным сумматором, обеспеченным в выходной схеме таким образом, чтобы этот сумматор суммировал множество выходных значений из памяти 154. В этом случае сумматору в выходной секции нужно только иметь одну шестнадцатую обрабатывающей способности, по сравнению с требуемой в том случае, когда преимущества, создающие преимущество, не выполнены, таким образом в этом случае не требуется высокоскоростная обработка.

В этой связи следует отметить, что когда данные считываются из цифровых элементов изображения, используемых в настоящем варианте осуществления изобретения, то следует, предпочтительно, использовать способность самостоятельного реферирования во время считывания таким образом, чтобы избежать вариаций в выходных значениях одного элемента изображения от другого.

Например, когда данные считываются из элементов изображения, схему считывания, как показано на фиг.10, следует использовать для обнаружения присутствия или отсутствия разницы между двумя частями считываемых данных, показанных на фиг.4, таким образом, чтобы определить присутствие или отсутствие единичного падающего фотона.

Фиг.10 является принципиальной схемой, иллюстрирующей пример измерительной схемы, имеющей способность к самостоятельному реферированию.

Измерительная схема 121А, показанная на фиг.10, включает в себя переключатели SW121, SW122, SW123 и SW124, конденсаторы С121, С122 и С123, инверторы IV121, IV122 и IV123, а также линию L121 питания смещенного сигнала OFFSET.

Переключатель SW121 имеет контакт «a», присоединенный к первым контактам конденсаторов С121 и С122, а также контакт «b», присоединенный к контакту SIG, который присоединен к выходной сигнальной линии.

Второй контакт конденсатора С121 присоединен к входному контакту инвертора IV121 и контакту «а» переключателя SW122.

Второй контакт конденсатора С122 присоединен к линии L121 питания смещенного сигнала OFFSET.

Выходной контакт инвертора IV121 присоединен к первому контакту конденсатора С123 и контакту «b» переключателя SW122.

Второй контакт конденсатора С123 присоединен к входному контакту инвертора IV122 и контактам «а» переключателей SW123 и SW124.

Выходной контакт инвертора IV122 присоединен к входному контакту инвертора IV123 и контакту «b» переключателя SW123.

Выходной контакт инвертора IV123 присоединен к контакту «b» переключателя SW124 и выходному контакту SAOUT.

Здесь будет приведено описание операции считывания, которая использует измерительную схему, имеющую функцию самостоятельного реферирования, проиллюстрированную на фиг.10, в которой в качестве примера используется элемент изображения, показанный на фиг.3.

Фиг. с 11(А) по 11(D) являются временными диаграммами для описания примера считывающей операции, использующей измерительную схему, имеющую способность к самостоятельному реферированию, показанную на фиг.10, используя в качестве примера элемент изображения, показанный на фиг.3.

Фиг.11(А) иллюстрирует включенное/выключенное состояния переключателя SW121, фиг.11(В) иллюстрирует включенное/выключенное состояния переключателей SW122 и SW123, фиг.11(С) иллюстрирует включенное/выключенное состояния переключателя SW124, а фиг.11(D) показывает смещенный сигнал OFFSET.

Сначала включаются (on) переключатели SW121, SW122 и SW123, после чего первый сигнал считывания подается к входному контакту SIG.

Затем переключатели SW122 и SW123 выключаются, чтобы удерживать уровень сигнала.

Затем второй сигнал считывания подается к входному контакту SIG, после чего переключатель SW121 выключаются.

Во время этого периода смещенный сигнал OFFSET поддерживается на уровне 0В.

Затем потенциал смещенного сигнала OFFSET немного увеличивается, таким образом добавляя смещенный потенциал к сигналу считывания через конденсатор С122.

Это позволяет обеспечить сравнение между выходом в исходном состоянии и тем, который получается при небольшом смещении, добавленном к сигналу считывания.

В присутствии фотона, падающего на элемент изображения, показанный на фиг.3, второй сигнал считывания имеет более низкий потенциал, чем первый сигнал, являясь причиной того, что «1» должна быть выведена к выходному контакту SAOUT.

При отсутствии фотона, падающего на элемент изображения, второй считывающий сигнал имеет более высокий потенциал, чем первый сигнал, являясь причиной того, что «0» должен быть выведен к выходному контакту SAOUT.

И на последнем этапе переключатель SW124 включается, чтобы фиксировать установленный результат.

Как описано выше, функция самостоятельного реферирования нейтрализует фиксированные помехи в каждом элементе изображения, вызванные вариациями порогового значения в усиливающем транзисторе каждого элемента изображения, таким образом позволяя осуществить точное определение сигнала как двоичного значения, даже в том случае, когда сигнал имеет чрезвычайно низкий уровень. Кроме того, приведенная выше последовательность нейтрализует помехи при перезагрузке «reset kTC».

Схема не ограничивается этими примерами. Вместо этого, сигнал перезагрузки, с добавлением смещения, может быть считан и сравнен со считанным сигналом для определения.

Следует заметить, что приведенный выше пример измерительной схемы предполагает разделение по времени при подсчете фотонов за счет определения единственного фотона.

Однако конфигурация элемента изображения, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, также применима к обычному датчику изображения, спроектированному чтобы обрабатывать выход элемента изображения как аналоговый сигнал. В этом случае может быть достигнута значительно более высокая чувствительность.

Обычный датчик изображения должен обнаруживать разницу между первым и вторым считанными сигналами, являющимися аналоговыми сигналами, и преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Для того чтобы сделать это, линия смещенного сигнала, показанная на фиг.10, раскачивается в заданном диапазоне, чтобы измерить распределение во времени, в которое преобразуется выходной контакт SAOUT.

В это время измерительная схема служит в качестве аналого-цифрового преобразователя в большей степени, чем в качестве двоичной измерительной схемы.

3. Второй вариант осуществления изобретения

Фиг.12 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, согласно настоящему второму варианту осуществления изобретения.

Модуль 11С элемента изображения, согласно настоящему второму варианту осуществления изобретения отличается от модуля А элемента изображения, выполненного согласно первому варианту осуществления изобретения, тем что усиливающий транзистор 114В формируется с транзистором n-типа, который является больше полевым транзистором n-типа, чем полевым транзистором p-типа (МОП-транзистором с каналом p-типа).

Усиливающий транзистор 114В имеет сток, присоединенный к потенциалу VDD истока, а его исток присоединен к выходной сигнальной линии 131.

В настоящем втором варианте осуществления изобретения усиливающий транзистор 114В n-типа имеет подложку в виде МОП-структуры с каналом n-типа, находящейся в плавающем состоянии благодаря ее структуре SOI (технология "кремний на изоляторе"),

В единичном модуле DPXB элемента изображения фотон, падающий на кремниевую подложку элемента изображения, генерирует электронно-дырочные пары. Электроны в этих парах сохраняются в узле 115 для хранения с помощью фотодиода 111.

Электроны передаются к узлу 116 FD, поскольку передающий транзистор 112 n-типа включается в соответствии с заданным распределением во времени, таким образом приводя в действие затвор усиливающего транзистора 114В n-типа.

С другой стороны, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа приводит в действие управляющую линию 183, присоединенную к его стоку, таким образом удаляя электроны из фотодиода 111 и приводя элемент изображения в исходное состояние. Когда элемент изображения не выбран, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа выключает усиливающий транзистор 114В n-типа, таким образом изолируя элемент изображения от выходной сигнальной линии 131.

Сток усиливающего транзистора 114В n-типа присоединен к потенциалу VDD истока, а его исток присоединен к выходной сигнальной линии 131, как выход элемента изображения.

Здесь усиливающий транзистор 114В n-типа имеет структуру SOI (технология "кремний на изоляторе"). Его подложка находится в плавающем состоянии и имеет чрезвычайно маленькую паразитную емкость VD.

В таком транзисторе, как этот транзистор, канал является полностью истощенным. В результате потенциал подложки усиливающего транзистора 114В n-типа изменяется с изменением в потенциале истока, таким образом подавляя эффект смещения подложки и приводя коэффициент усиления ближе к единице.

Это обеспечивает значительно более маленькую эффективную емкость затвора усиливающего транзистора 114В n-типа.

Выходная сигнальная линия 131 совместно используется множеством элементов изображения, расположенных параллельно в направлении ряда, и соединенных с землей GND через схему 190 постоянного тока. Это позволяет усиливающему транзистору 114В n-типа действовать как истоковый повторитель.

То есть, сигнальный заряд, переданный к узлу 116 FD, является выходным, как сигнал к выходной сигнальной линии 131.

Фиг.13 является схемой, иллюстрирующей пример структуры в разрезе элемента изображения, согласно настоящему второму варианту осуществления изобретения.

В элементе 200 В изображения, показанной на фиг.13, область 202 кармана p-типа формируется на тонком слое 201 n-типа, и элементы, составляющие элемент изображения, формируются в области 202 кармана p-типа, как в первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5.

В фотодиоде 111 слой 204 p-типа формируется на поверхности слоя 203 для хранения n-типа. В результате фотодиод 111 является так называемым «скрытым фотодиодом».

Передающий транзистор 112 является транзистором n-типа, использующим область 202 кармана p-типа в качестве подложки. Передающий транзистор 112 передает заряд, сохраняемый в фотодиоде 111, к узлу FD.

Усиливающий транзистор 114 является транзистором n-типа, использующим слой 232 SOI ("кремний на изоляторе"), электрически изолированный от кармана 202 p-типа с помощью оксидной изолирующей пленки 231, в качестве подложки.

Оксидная изолирующая пленка 231 формируется, например, с помощью введения ионов кислорода в подложку, за которым следует термическая обработка. Сток усиливающего транзистора 114 присоединен к источнику питания, а его исток формирует выход элемента изображения.

Кроме того, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа формируется в элементе 200А изображения. Перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа использует карман 202 p-типа в качестве подложки. Сток 113D перезагрузочного транзистора 113 с каналом n-типа приводится в действие с помощью периферийной схемы, в зависимости от того, выбран или нет элемент изображения.

Скрытая оксидная пленка 207 изолирует слой 232 SOI ("кремний на изоляторе") от подложки в виде кармана 202 p-типа, вместе с оксидной изолирующей пленкой 231. Скрытая оксидная пленка 207 покрыта высококонцентрированным слоем 208 p-типа на нижней и боковой сторонах.

В результате слой 232 SOI ("кремний на изоляторе") находится в плавающем состоянии. Благодаря тому, что его паразитная емкость чрезвычайно мала, потенциал слоя 232 SOI изменяется вместе с изменением на выходе истока.

Это обеспечивает значительно более маленькую эффективную емкость затвора усиливающего транзистора 114 В n-типа, таким образом способствуя значительному уменьшению эффективной паразитной емкости узла 116 FD.

Следует заметить, что транзистор типа SOI, используемый в качестве усиливающего транзистора 114В, может быть пригоден в различных структурах, и может изготавливаться различными производственными способами.

То есть, до тех пор, пока транзистор типа SOI изолирован от кармана 202 p-типа, используемого в качестве подложки для фотодиода 111, и передающего транзистора 112, с помощью изолирующей пленки, причем подложка находится в плавающем состоянии, транзистор типа SOI может применяться в настоящем изобретении, независимо от структуры и способа производства.

4. Третий вариант осуществления изобретения

Фиг.14 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, согласно настоящему третьему варианту осуществления изобретения.

Модуль DPXC элемента изображения, согласно третьему варианту осуществления изобретения, отличается от модуля DPXA элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения, тем, что усиливающий транзистор 114С формируется с транзистором n-типа, который в большей степени является полевым транзистором n-типа, чем полевым транзистором p-типа (МОП-транзистором с каналом p-типа).

Сток усиливающего транзистора 114С n-типа присоединен к потенциалу VDD истока, а его исток присоединен к выходной сигнальной линии 131 и подложке, являющейся МОП-структурой с каналом n-типа.

Даже с усиливающим транзистором 114С n-типа его подложка электрически изолирована от подложки других элементов и присоединена к выходной сигнальной линии 131 на выходной стороне истокового повторителя.

Кроме того, перезагрузочный транзистор 113 с каналом n-типа имеет сток, присоединенный к управляющей линии 183.

Третий вариант осуществления изобретения обеспечивает те же самые эффекты, являющиеся преимуществами, как и первый вариант.

5. Четвертый вариант осуществления изобретения

Фиг.15 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации элемента изображения, согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Модуль DPXD элемента изображения, согласно настоящему четвертому варианту осуществления изобретения, отличается от модуля DPXA элемента изображения, согласно первому варианту осуществления изобретения, тем, что между усиливающим транзистором 114 и выходной сигнальной линией 131 добавлен транзистор 117 выборки.

Транзистор 117 выборки имеет сток, присоединенный к линии 184 выборки.

Это добавление транзистора выборки является преимуществом, состоящим в том, что он может изолировать невыбранный элемент изображения от выходной сигнальной линии 131, таким образом обеспечивая ее уменьшенную емкостную нагрузку.

Следует заметить, что вышеописанные формирователи сигналов изображения, согласно вариантам с первого по четвертое осуществления изобретения, применимы как устройства формирования изображения для использования в цифровых камерах и портативных видеокамерах.

6. Пятый вариант осуществления изобретения

Фиг.16 является схемой, иллюстрирующей пример системы камеры, в которой применяется формирователь сигналов изображения, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг.16, настоящая система 300 камеры включает в себя устройство 310 формирования сигналов изображения, к которому можно применить датчик изображения типа КМОП (формирователь сигналов изображения), согласно настоящим вариантам осуществления изобретения.

Система 300 камеры включает в себя оптику, спроектированную таким образом, чтобы проводить падающий свет к области элемента изображения устройства 310 формирования сигналов изображения (формировать сюжетное изображение), например такую как объектив 320, адаптированный, чтобы фокусировать падающий свет (свет от изображения) на поверхность для формирования сигналов изображения таким образом, чтобы формировать изображение.

Кроме того, система 300 камеры включает в себя схему 330 (DRV) возбуждения и процессор 340 (PRC) для обработки сигналов. Схема 330 возбуждения приводит в действие устройство 310 формирования сигналов изображения. Процессор 340 для обработки сигналов обрабатывает сигнал, выходящий из устройства 310 формирования сигналов изображения.

Схема 330 возбуждения включает в себя непоказанный времязадающий генератор, адаптированный таким образом, чтобы генерировать множество сигналов для распределения времени, таких как время старта и тактовые импульсы, используемые для того чтобы возбуждать схемы, обеспеченные в устройстве 310 формирования сигналов изображения, таким образом приводя в действие устройство 310 формирования сигналов изображения с заданным распределением времени.

Кроме того, процессор 340 для обработки сигналов осуществляет заданную обработку сигнала, который является выходным сигналом из устройства 310 формирования сигналов изображения.

С другой стороны, сигнал изображения, обработанный процессором 340 для обработки сигналов, записывается на носитель записи, такой как память. Информация формирования изображения, записанная на носитель записи, является документально копируемой, например, принтером. Кроме того, сигнал изображения, обработанный процессором 340 для обработки сигналов, отображается как движущееся изображение на жидкокристаллическом дисплее или мониторе другого типа.

Как было описано ранее, включение вышеописанного элемента 100 формирования изображения, такого как устройство 310 формирования сигналов изображения, в устройство формирования изображения, такое как цифровая камера для неподвижных изображений, обеспечивает высокоточную камеру с низким потреблением энергии.

В этой связи следует отметить, что конфигурация, показанная на фиг.1, в которой одна измерительная схема используется совместно множеством элементов изображения, требуется в том случае, когда элементы изображения и измерительные схемы располагаются на той же самой полупроводниковой подложке. Однако в последние годы появились новые технологии, использующие соединение подложек, которые разработаны для того, чтобы обеспечить множественные слои полупроводников.

В таком случае может существовать вариант расположения измерительных схем для элементов изображения на нижележащем слое элементов изображения.

Даже в этом случае элементы изображения могут быть легко добавлены с помощью интегрированной схемы, составленной из счетчика и других схем, используемых совместно множеством измерительных схем, таким образом обеспечивая улучшенный динамический диапазон обработки изображения.

Описание ссылочных обозначений

100 - датчик изображения типа КМОП (формирователь сигналов изображения),

110 - секция матрицы элементов изображения, DPX - цифровые элементы изображения, DPXA-DPXD - элементы изображения,

111 - фотодиод,

112 - передающий транзистор,

113 - перезагрузочный транзистор,

114, 114В, 114С, 114D - усиливающие транзисторы,

115 - узел сохранения,

116 - узел плавающей диффузии (FD),

117 - транзистор выборки,

120 - измерительная схема,

121 - измерительная схема,

130 - группа выходных сигнальных линий,

131 - выходная сигнальная линия,

140 - группа передаточных линий,

141 - передаточная линия,

150 - секция схемы определения результата компиляции,

151 - регистры,

152 - схема выборки,

153 - схема подсчета,

154 - память,

160, 160В - блок элемента изображения,

170 - схема возбуждения ряда,

180 - группа линий управления рядами,

181, 182, 183, 184 - линии управления ряда,

200, 200В - элементы изображения,

300 - система камеры,

310 - устройство формирования сигналов изображения,

320 - объектив,

330 - схема (DRV) возбуждения,

340 - процессор (PRC) обработки сигналов.

Claims (7)

1. Формирователь сигналов изображения, содержащий:
матрицу элементов изображения с множеством элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, при этом каждый элемент изображения содержит:
скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и
передаточный транзистор, выполненный с возможностью передавать заряд, полученный фотодиодом при фотоэлектрическом преобразовании, к затвору усиливающего транзистора,
при этом усиливающий транзистор выполнен с возможностью формирования истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его исток,
причем усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор,
при этом подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована от первой полупроводниковой подложки с помощью изолирующей пленки и находится в «плавающем» состоянии.

2. Формирователь сигналов изображения по п.1, дополнительно содержащий:
измерительную схему,
при этом каждый элемент изображения выполнен с возможностью обнаруживать сигнал от одного фотона, а
измерительная схема выполнена с возможностью определять присутствие или отсутствие фотона, падающего на элемент изображения в заданный период времени.

3. Формирователь сигналов изображения по п.1, в котором
каждый элемент изображения содержит перезагрузочный транзистор, при этом перезагрузочный транзистор выполнен с возможностью:
отключать усиливающий транзистор от невыбранного элемента изображения и
устанавливать в исходное состояние фотодиод элемента изображения при отсутствии падающего фотона.

4. Формирователь сигналов изображения по п.1, в котором
фотодиод и передаточный транзистор сформированы в первой полупроводниковой подложке,
усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, сформированной в первой полупроводниковой подложке и имеющей другой тип проводимости,
при этом вторая полупроводниковая подложка соединена с истоком усиливающего транзистора.

5. Формирователь сигналов изображения по п.3, в котором
фотодиод, передаточный транзистор и перезагрузочный транзистор сформирован в первой полупроводниковой подложке,
усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, сформированной в первой полупроводниковой подложке и имеющей другой тип проводимости,
при этом вторая полупроводниковая подложка соединена с истоком усиливающего транзистора.

6. Формирователь сигналов изображения по п.1, дополнительно содержащий:
измерительную секцию, в которой размещено множество измерительных схем, каждая из которых выполнена с возможностью определять двоичным значением присутствие или отсутствие фотона, падающего на элемент изображения в заданный период времени, в ответ на электрический сигнал от этого элемента изображения; и
секцию схемы определения результата компиляции, выполненную с возможностью компилировать множество результатов измерения измерительных схем для каждого элемента изображения или каждой группы элементов изображения,
при этом секция схемы определения результата компиляции устанавливает количество фотонов, падающих на фотоприемную секцию путем подсчета фотонов, причем выполнена с возможностью компилировать результаты многократных измерений для множества элементов изображения.

7. Система камеры, содержащая:
формирователь сигналов изображения;
оптику, адаптированную для формирования сюжетного изображения на формирователе сигналов изображения; и
процессор сигналов, адаптированный для обработки выходных сигналов изображения от формирователя сигналов изображения,
при этом формирователь сигналов изображения содержит:
матрицу элементов изображения с множеством элементов изображения, каждый из которых выполнен с возможностью фотоэлектрического преобразования, при этом каждый элемент изображения содержит:
скрытый фотодиод, сформированный в полупроводниковой подложке, усиливающий транзистор и
передаточный транзистор, выполненный с возможностью передавать заряд, полученный фотодиодом при фотоэлектрическом преобразовании, к затвору усиливающего транзистора, при этом
усиливающий транзистор выполнен с возможностью формирования истокового повторителя, входом которого является затвор усиливающего транзистора, а выходом - его исток, причем
усиливающий транзистор сформирован во второй полупроводниковой подложке, по меньшей мере, электрически изолированной от первой полупроводниковой подложки, в которой сформированы скрытый фотодиод и передаточный транзистор, а
подложка усиливающего транзистора соединена с истоком усиливающего транзистора или изолирована от первой полупроводниковой подложки с помощью изолирующей пленки и находится в «плавающем» состоянии.

Images