[发明专利]像素单元读出电路及其方法、像素阵列读出电路及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件技术领域，特别是涉及一种像素单元读出电路及其读出方法和像素阵列读出电路及其读出方法。

背景技术

图像传感器能够捕捉图像信号，并将其转换为电信号，在终端设备上进行显示。目前图像传感器芯片已经在消费类电子、军工、医疗成像和航空航天等领域得到了广泛的应用。传统的图像传感器分为电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）两大类型。其中CMOS图像传感器能与现有的超大规模集成电路工艺相兼容，且功耗低，集成度高，易于功能扩展，因此成为一种比较主流的技术。

公开号为CN101707202A的中国专利披露了一种半浮栅晶体管（Semi-Floating-Gate Transistor，SFGT），它是一种新型的半导体器件，能够用作感光元件，基本结构如图1所示。

所述半浮栅晶体管包括：形成在两浅沟槽隔离STI501之间的半导体衬底500中的漏区514、源区511、位于漏区514和源区511中间的沟道512、源区514一侧的浅沟槽隔离STI501与沟道512之间的的阱区503，以及位于阱区503中的反掺杂区502。所述阱区503的掺杂类型与漏区514相同，且漏区514/源区511的掺杂浓度大于阱区503的掺杂浓度；所述反掺杂区502的掺杂类型与阱区503相反。

所述沟道512和所述阱区503、反掺杂区502靠近所述沟道512一侧的上方形成有第一层绝缘膜506，所述第一层绝缘膜506上形成有半浮栅区505。其中半浮栅区505的掺杂类型与漏区514相反，且通过第一层绝缘膜506中的窗口504与所述反掺杂区502相接触。

所述半浮栅区505上还覆盖有第二层绝缘膜509，所述第二层绝缘膜509上形成有控制栅极507。

其中，所述阱区503、漏区514和反掺杂区502、半浮栅区505构成感光二极管，能够在反偏时接受光照，产生光生电流，对半浮栅区505进行充电，改变半浮栅区505的电势，导致晶体管的阈值电压变化。

半浮栅晶体管用作感光元件时，首先对反掺杂区502和阱区503组成的光电二极管施加正偏电压，进行复位操作，清空半浮栅区505上的电荷；随后对光电二极管施加反偏电压，使其进入曝光状态，光生电荷被收集到半浮栅区505，其电压升高，因此整个半浮栅晶体管的阈值电压Vth下降，光照强度越大，半浮栅区505电压上升越多，阈值电压Vth下降的程度也越大；在读出阶段，对控制栅电极507和漏端电极513分别施加一定的正电压，则会有电流经漏区514流向源区511。通过读取源电极510的电流值的大小，反映出光照的强弱，从而达到感光的功能。

如图2所示为图1所示的半浮栅晶体管作为感光器件的等效电路。如图2中所示，半浮栅晶体管作为感光器件由一包含了半浮栅区403的MOS晶体管402和一感光二极管404所组成。

如图3所示为传统的基于CMOS器件的像素单元的结构示意图。与传统的基于CMOS器件的3T像素结构（3个晶体管加一个感光二极管）相比，基于半浮栅晶体管的像素单元仅需要一个晶体管就可以完成复位、曝光和读出的操作，因此大大提高了像素的填充因子（感光区域面积与像素总面积之比），增加了图像传感器的灵敏度和分辨率。

另外，基于半浮栅晶体管的像素阵列PIXEL ARRAY如图4所示，包括若干行若干列，图中仅示出第j列，第j+列，第i行和第i+1行，其它列或者行按图示规律排列。其中，每一列像素或者每一行像素至少包括一个像素单元PIXEL，每个像素单元PIXEL包括一半浮栅晶体管，同一行的所有像素单元PIXEL中的半浮栅晶体管的控制栅电压VG相连，同一行的所有漏极电压VD全都相连，所述控制栅电压VG和漏极电压VD作为像素阵列的输入电压信号；同一列的所有像素单元PIXEL的源极全都互相连接，作为像素阵列PIXEL ARRAY曝光后的读出信号。

如图4所示的像素阵列PIXEL ARRAY在读取每一列像素的输出电流信号I（j）时，通常都需要模数转换器（ADC），以将模拟信号转换为一定的数字信号量。一般的，ADC的功耗大，电路结构复杂，因此通常都是图像传感器芯片中功耗的主要部分，且会占据相当大的芯片面积，抵消了半浮栅晶体管像素单元高填充因子的优点，增加了成本。且传统的像素单元读出信号大多为电压信号，可以直接采用ADC进行模数转换；而半浮栅晶体管像素单元的读出信号为电流信号，其读出信号的处理电路更为复杂，面积和功耗都更大。