[发明专利]一种图像传感器像素结构及其操作方法有效
申请号: | 201410765148.4 | 申请日: | 2014-12-11 |
公开(公告)号: | CN104485342A | 公开(公告)日: | 2015-04-01 |
发明(设计)人: | 郭同辉;旷章曲 | 申请(专利权)人: | 北京思比科微电子技术股份有限公司 |
主分类号: | H01L27/146 | 分类号: | H01L27/146;H04N5/374 |
代理公司: | 北京凯特来知识产权代理有限公司 11260 | 代理人: | 郑立明;赵镇勇 |
地址: | 100085 北京市海*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 图像传感器 像素 结构 及其 操作方法 | ||
技术领域
本发明涉及图像传感器领域,特别涉及一种图像传感器像素结构及其操作方法。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展,使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
在现有技术中,随着市场的需求和半导体制作工艺精度尺寸不断缩小的进步,图像传感器的分辨率不断增加,而像素单元面积在不断减小,例如市场上已经出现了1.4um,1.1um,甚至0.9um的像素的图像传感器,但是图像传感器的像素面积越小饱和阱容量就会越低,从而影响了动态范围,使得使用小面积像素的图像传感器采集的图像效果不尽人意。例如,1.1um像素的阱电容约为0.5fF,其信号饱和阱容量范围一般为2500e-~3500e-,而0.9um像素的饱和容量可能会低至1500e-。
现有技术中的图像传感器像素一般采用CMOS图像传感器四晶体管像素结构,如图1所示。四晶体管有源像素的元器件包括:光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和选择晶体管105、以及列位线106、漂浮有源区fd(Floating Diffusing),其中Cfd表征漂浮有源区fd的寄生电容,rx、tx、sx分别为复位晶体管103、电荷传输晶体管102、选择晶体管105的栅极端,Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线,产生光电电荷,光电二极管101积分完毕时,开启电荷传输晶体管102,将光电电荷从光电二极管101转移至漂浮有源fd后关闭电荷传输晶体管102,此光电电荷被源跟随晶体管104探测到,并转换为光电电势信号,同时开启选择晶体管105,通过列位线106将光电电势信号读出。
现有技术中的小面积图像传感器像素,因为面积小,其饱和电荷容量被限制在电容有限的光电二极管器件及其像素的工作方式上;像素的面积越小,其饱和容量越低,其采集到的图像信息量就会越少,进而降低了图像传感器采集的图像品质。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的、提高图像传感器像素饱和容量的图像传感器像素结构及其操作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
本发明的图像传感器像素结构,包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区,还包括第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管,所述第一电荷传输晶体管与第二电荷传输晶体管之间设有电容;
所述第一电荷传输晶体管的源极与所述光电二极管相连,其漏极与所述电容和第二电荷传输晶体管的源极相连,所述第二电荷传输晶体管的漏极与所述漂浮有源区相连。
本发明的上述的图像传感器像素结构的操作方法,包括步骤:
a、复位光电二极管操作,开启复位晶体管,第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管,将光电二极管中的电荷清除完毕后,关闭复位晶体管,第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管,光电二极管开始积分;
b、第一次光电电荷转移操作,第二电荷传输晶体管处于关闭状态,光电二极管积分时长为t1时,开启第一电荷传输晶体管,将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后,关闭第一电荷传输晶体管;
c、第二次光电电荷转移操作,第二电荷传输晶体管处于关闭状态,光电二极管积分时长距第一次光电电荷转移操作t2时,开启第一电荷传输晶体管,将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后,关闭第一电荷传输晶体管;
d、第N次光电电荷转移操作,第二电荷传输晶体管处于关闭状态,光电二极管积分时长距第N-1次光电电荷转移操作tn时,开启第一电荷传输晶体管,将光电二极管中的光电电荷转移至电容完毕后,关闭第一电荷传输晶体管;
e、复位电势信号读取操作,光电二极管积分周期结束后,第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管处于关闭状态,开启复位晶体管,漂浮有源区复位完毕后,关闭复位晶体管,然后开启选择晶体管,复位电势信号经由列位线被后续电路读取并保存;
f、光电电势信号读取操作,复位电势信号读取操作完毕后,复位晶体管处于关闭状态,第一电荷传输晶体管处于关闭状态,开启第二电荷传输晶体管和选择晶体管,将储存在电容中的光电电荷转移至漂浮有源区完毕后,关闭第二电荷传输晶体管,光电电势信号经由列位线被后续电路读取并保存。
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H01L 半导体器件;其他类目中不包括的电固体器件
H01L27-00 由在一个共用衬底内或其上形成的多个半导体或其他固态组件组成的器件
H01L27-01 .只包括有在一公共绝缘衬底上形成的无源薄膜或厚膜元件的器件
H01L27-02 .包括有专门适用于整流、振荡、放大或切换的半导体组件并且至少有一个电位跃变势垒或者表面势垒的;包括至少有一个跃变势垒或者表面势垒的无源集成电路单元的
H01L27-14 . 包括有对红外辐射、光、较短波长的电磁辐射或者微粒子辐射并且专门适用于把这样的辐射能转换为电能的,或适用于通过这样的辐射控制电能的半导体组件的
H01L27-15 .包括专门适用于光发射并且包括至少有一个电位跃变势垒或者表面势垒的半导体组件
H01L27-16 .包括含有或不含有不同材料结点的热电元件的;包括有热磁组件的