[發明專利]全局曝光方式的圖像傳感器像素結構及其工作方法

有效

• 申請號: 201410554303.8
• 申請日: 2014-10-17
• 公開（公告）號: CN104269422A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 郭同輝;曠章曲
• 申請（專利權）人: 北京思比科微電子技術股份有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L21/77
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

技術領域

本發明涉及一種圖像傳感器像素，尤其涉及一種全局曝光方式的圖像傳感器像素結構及其工作方法。

背景技術

圖像傳感器采用感光像素陣列采集圖像信號，然后進行后續信號處理得以保存圖像或將圖像輸出到電子屏幕上。圖像傳感器采集圖像信號的方式有兩種：滾動曝光方式和全局曝光方式。現有技術中的圖像傳感器一般采用滾動曝光方式采集圖像信息，像素陣列中的第一行像素開始曝光，然后是第二行、第三行、...，直至最后一行，然后再逐行讀取像素采集到的光電信號；滾動曝光方式的圖像傳感器，適用于采集靜態環境下的圖像。滾動曝光方式的圖像傳感器采集動態的實物時，由于每行像素的曝光時間段都不相同，第一行像素采集圖像信號時的實物位置與最后一行像素采集圖像信號時的實物位置可能會相差很大，例如拍照快速運動的風扇、汽車等，會發現采集的圖像發生了扭曲、畸變。全局曝光方式的圖像傳感器采集圖像時，像素陣列中的每個像素都同時曝光，曝光完畢后，再逐個讀取像素采集到的圖像信號，由此可見，全局曝光方式的圖像傳感器，像素陣列中的每個像素采集圖像信號時，運動的實物可看作是靜止不動的。所以全局曝光方式的圖像傳感器，適合采集運動實物的圖像。

在現有技術中，CMOS圖像傳感器一般采用四晶體管像素(4T)結構。如圖1所示，是采用CMOS圖像傳感器4T有源像素結構的示意圖，包括虛線框內的切面示意圖和虛線框外的電路示意圖兩部分。4T有源像素的元器件包括：光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復位晶體管103、漂浮有源區FD、源跟隨晶體管104、選擇晶體管105、列位線106；其中光電二極管區域101置于半導體基體中，STI為淺槽隔離區，N+區為晶體管源漏有源區；Vtx為電荷傳輸晶體管102的柵極端，Vrst為復位晶體管103的柵極端，Vsx為選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線，產生光電信號；開啟電荷傳輸晶體管102，將光電二極管中的光電信號轉移至漂浮有源區FD區后，由源跟隨晶體管104所探測到的漂浮有源區FD勢阱內電勢變化信號經列位線106讀取并保存。

若全局曝光方式的圖像傳感器使用4T像素結構，可以將像素陣列中的每個像素光電二極管采集到的光電電荷至漂浮有源區FD，然后再逐個讀取。但現有技術中的漂浮有源區FD設置有接觸孔，并且N+區硅表面因缺陷和應力引起較大的漏電，致使漂浮有源區FD不適合存儲光電電荷太長時間，否則會使后讀取的像素信號失真。因此，現有技術中的像素不適合用于全局曝光方式的圖像傳感器。

發明內容

本發明的目的是提供一種適合用于存儲光電電荷較長時間的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構及其工作方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構，包括置于半導體基體中的光電二極管、第一電荷傳輸晶體管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區還包括第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設有晶體管電容；

所述晶體管電容的溝道位于N型離子區中，所述晶體管電容的源漏有源區的硅表面設置有P+型保護層，所述P+型保護層的下方為N型離子區。

本發明的上述的全局曝光方式的圖像傳感器像素結構的工作方法，包括步驟：

a、光電二極管復位操作，開啟復位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續1us～10us后，關閉復位晶體管、第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管，像素開始曝光；

b、晶體管電容復位操作，像素曝光結束前，開啟復位晶體管、第二電荷傳輸晶體管，同時第一電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，晶體管電容的柵極處于低電平，時間持續1us～10us后，關閉復位晶體管、第二電荷傳輸晶體管；

c、轉移光電電荷操作，復位晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，將晶體管電容的柵極從低電平置為高電平，開啟第一電荷傳輸晶體管，時間持續1us～10us，將光電二極管中的光電電荷轉移至晶體管電容后，關閉第一電荷傳輸晶體管，晶體管電容的柵極保持高電平，等待進一步操作，等待時間為0s～1s；

d、漂浮有源區的復位操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，晶體管電容的柵極處于高電平，開啟復位晶體管，時間持續1us～10us，關閉復位晶體管，然后讀取漂浮有源區的復位信號；