[发明专利]衬底电压调制型图像传感器像素单元及阵列、操作方法

权利要求书

1.衬底电压调制型图像传感器像素单元，包括场效应管和三极管，其特征在于，所述场效应管衬底的掺杂类型与所述三极管的基极的掺杂类型相同，但与所述场效应管的源极和漏极的掺杂类型相反；所述场效应管衬底与所述三极管的基极相连，所述三极管的发射极连接所述场效应管的源极和漏极中的一个，作为像元源极；所述三极管的集电极连接所述场效应管的源极和漏极中的另一个，作为像元漏极；所述场效应管的栅极外接电压，作为像元栅极。

2.根据权利要求1所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元，其特征在于，所述三极管为寄生三极管，所述场效应管衬底作为所述三极管的基极，所述场效应管的源极和漏极中的一个作为所述三极管的集电极，所述场效应管的源极和漏极中的另一个作为所述三极管的发射极。

3.根据权利要求1所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元，其特征在于，所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构，所述选址场效应管用于感应光生载流子，所述状态场效应管用于选通，两个场效应管的衬底都与所述三极管的基极相连；所述选址场效应管的源极与所述三极管的发射极和集电极中的一个相连，作为像元源极；所述状态场效应管的漏极与所述三极管的发射极和集电极中的另一个相连，作为像元漏极；所述选址场效应管的漏极与所述状态场效应管的源极相连；所述选址场效应管的栅极作为像元栅极，所述状态场效应管的栅极作为像元状态栅极。

4.如权利要求1至3之一所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元的操作方法，其特征在于，该操作方法由所述三极管的基极收集光生载流子，并配合所述三极管的发射极和集电极实现复位，所述场效应管通过衬底电压的调制效应实现像素信号的读出；具体步骤如下：

光生载流子的复位：所述三极管的发射极和集电极加偏压，所述三极管浮空的基极内的多子被部分排出，所述三极管的发射极和集电极恢复至接近零偏的常态，由于所述三极管中的两个二极管的单向导电性，所述被排出的基极多子无法从电极得到补充，完成光生载流子的复位；

曝光与光生载流子的收集：所述三极管的基极在完成复位操作后，处于一个非平衡态，受到光照后产生的电子空穴对中一种载流子作为基极区域的多子被存储在基极与发射极、集电极形成的PN结电容内，另一种载流子则从所述发射极和集电极流走，完成光生载流子的收集；

光信号的读出：所述三极管在收集光生载流子后，该区域的电势产生相应的变化，同时所述场效应管的衬底电压与所述三极管基极电压相等，因此，所述场效应管衬底电压与所述收集的光生载流子数目相关；在所述场效应管栅极加电压并且在场效应管的源极或漏极连接相应负载，通过所述场效应管输出端的电压或电流表征所述光生载流子数目，完成光信号读出。

5.根据权利要求4所述的操作方法，其特征在于，当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，所述状态场效应管用于感应光生载流子，所述选址场效应管用于选通；在所述曝光与光生载流子收集过程中，所述选址场效应管关闭；在所述光信号的读出过程中，所述被选中像素的选址场效应管和状态场效应管均导通。

6.如权利要求1至3之一所述的衬底电压调制型图像传感器像素单元的阵列，其特征在于，多个所述像素单元排布成阵列，其中，同行所述像素单元的像元栅极相连构成所述阵列的选通字线；

同行所述像素单元的像元源线相连构成所述阵列的复位字线；或者，同行奇数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第一复位字线，且同行偶数列所述像素单元的像元源极相连构成所述阵列的第二复位字线；

同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；

当所述场效应管包括由选址场效应管和状态场效应管组成的串联结构时，同列所述像素单元的像元漏极相连构成所述阵列的读出位线；同行所述像素单元的像元状态栅极相连构成所述阵列的状态字线。

7.如权利要求1至3之一所述衬底电压调制型图像传感器像素单元的器件，其特征在于，该器件包括所述像素单元、衬底、像素全隔离结构和场效应晶体管，所述像素全隔离结构将所述衬底分割为多个独立的区域，单个独立区域为所述像素单元的衬底。