[發(fā)明專利]圖像傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310009436.2
• 申請(qǐng)日: 2013-01-10
• 公開（公告）號(hào): CN103022069A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苗田樂(lè);方娜;田犁;陳杰;汪輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海中科高等研究院
• 主分類號(hào): H01L27/146
• 分類號(hào): H01L27/146;H01L27/148
• 代理公司: 上海一平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31266
• 代理人: 成春榮;竺云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及大動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器。

背景技術(shù)

圖像傳感器是構(gòu)成數(shù)字?jǐn)z像頭的主要部件之一，被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼成像、航空航天以及醫(yī)療影像等領(lǐng)域。

圖像傳感器根據(jù)元件的不同，可分為CCD（Charge?Coupled?Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary?Metal-Oxide?Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）兩大類。

CCD圖像傳感器除了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)外，還廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀，以及工業(yè)領(lǐng)域等。值得一提的是，在醫(yī)學(xué)中為診斷疾病或進(jìn)行顯微手術(shù)等而對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行的拍攝中，也大量應(yīng)用了CCD圖像傳感器及相關(guān)設(shè)備。在天文攝影與各種夜視設(shè)備中，也廣泛應(yīng)用到CCD圖像傳感器。CMOS圖像傳感器正在數(shù)碼相機(jī)、PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信產(chǎn)品等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)范圍是反應(yīng)圖像傳感器的性能的重要參數(shù)之一，它表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，就越能顯示非常暗以及非常亮的圖像，所能表現(xiàn)的圖像層次也就越豐富，所包含的色彩空也越廣。換句話說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍越大，能同時(shí)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。

因此，近年來(lái)，如何提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，提高圖像質(zhì)量，成為一個(gè)十分重要的課題。

目前有一些解決方案用于提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，例如采用電容耦合的方法來(lái)提高浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)（簡(jiǎn)稱“FD區(qū)”）的電容。但這種方式的缺點(diǎn)在于需要長(zhǎng)的設(shè)定時(shí)間，因此總體效果不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一圖像傳感器，使得能夠更好地提高動(dòng)態(tài)范圍。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開了一種圖像傳感器，置于半導(dǎo)體襯底表面，至少包括：第一感光結(jié)構(gòu)、第二感光結(jié)構(gòu)、開關(guān)晶體管、比較器、像素讀出電路，其中：所述開關(guān)晶體管連接于所述第一感光結(jié)構(gòu)和第二感光結(jié)構(gòu)之間，用于控制所述第一感光結(jié)構(gòu)和第二感光結(jié)構(gòu)的連接狀態(tài)；所述比較器的兩輸入端分別連接參考電位和第二感光結(jié)構(gòu)，輸出端連接所述開關(guān)晶體管柵極；所述像素讀出電路與第二感光結(jié)構(gòu)連接，讀出感光信號(hào)。

優(yōu)選地，所述第一感光結(jié)構(gòu)、第二感光結(jié)構(gòu)均為PN結(jié)感光晶體管，且第一感光結(jié)構(gòu)、第二感光結(jié)構(gòu)的N型摻雜區(qū)分別作為開關(guān)晶體管的兩有源區(qū)。

優(yōu)選地，所述第一感光結(jié)構(gòu)的阱容量大于所述第二感光結(jié)構(gòu)的阱容量。

優(yōu)選地，所述第二感光結(jié)構(gòu)的感光面積大于所述第一感光結(jié)構(gòu)的感光面積。

優(yōu)選地，所述參考電位為第二感光結(jié)構(gòu)曝光飽和時(shí)的電壓值。

優(yōu)選地，所述第二感光結(jié)構(gòu)的電位小于參考電位時(shí)，所述比較器輸出高電平，所述開關(guān)晶體管導(dǎo)通；所述第二感光結(jié)構(gòu)的電位大于或等于參考電位時(shí)，所述比較器輸出低電平或無(wú)信號(hào)輸出，所述開關(guān)晶體管截止。

優(yōu)選地，所述像素讀出電路讀出感光信號(hào)時(shí)，所述開關(guān)晶體管的開關(guān)狀態(tài)不發(fā)生改變。

優(yōu)選地，所述像素讀出電路為4T型像素讀出電路，包括轉(zhuǎn)移晶體管、放大器晶體管、復(fù)位晶體管和選擇晶體管。

優(yōu)選地，所述第二感光結(jié)構(gòu)的N摻雜區(qū)作為所述轉(zhuǎn)移晶體管的一有源區(qū)，所述轉(zhuǎn)移晶體管的另一有源區(qū)為浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。

優(yōu)選地，所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)連接有并聯(lián)電容。

本發(fā)明提供的圖像傳感器與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于：

由于有兩個(gè)阱容量不同的感光結(jié)構(gòu)進(jìn)行互補(bǔ)，并且通過(guò)比較器在第二感光結(jié)構(gòu)的光生電壓達(dá)到預(yù)定門限時(shí)（對(duì)應(yīng)強(qiáng)光的情況）接通兩個(gè)感光結(jié)構(gòu)，從而在強(qiáng)光下該圖像傳感器的感光結(jié)構(gòu)具有更大的總體阱容量，防止飽和現(xiàn)象的發(fā)生，由此提高了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的上限。

與此同時(shí)，由于第二感光結(jié)構(gòu)阱容量較小，在較弱的光入射時(shí)產(chǎn)生更容易生產(chǎn)顯著的光生電壓，相對(duì)于第一感光結(jié)構(gòu)（或者第一和第二感光結(jié)構(gòu)連通的整體）對(duì)弱光檢測(cè)能力更強(qiáng)，由此擴(kuò)展了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的下限。

具有較小阱容量的第二感光結(jié)構(gòu)的感光面積還可以制備得比第一感光結(jié)構(gòu)的感光面積大，從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)弱光的檢測(cè)能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒(méi)有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。