КМДП-ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 2005 года по МПК H01L31/113 H01L27/14 

Изобретение относится к области полупроводниковых ИС и может быть использовано для создания фоточувствительных устройств.

Известны КМОП-фотоприемники, содержащие в каждом пикселе фотодиод и управляющие МОП-транзисторы (см. H.S.Wong, "Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers", IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 43, No 12, pp.2131-2142, 1996; L.G.Mcllrath, "A Low-Power Low-Noise Ultrawide-Dynamic-Range CMOS Imager with Pixel-Parallel A/D Conversion", IEEE, J. of SSC, vol. 36, No 5, pp.846-853, 2001).

Основным прототипом является КМОП-приемник изображения, в котором в качестве фоточувствительного элемента используется затвор (см. A.Theuwissen, Е.Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, No 2, pp.29-32, 2001). Пиксел этого приемника содержит фоточувствительный затвор и управляющие МОП-транзисторы: транзистор восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах, транзистор связи, исток которого контактирует с каналом фоточувствительного затвора. Пиксел работает следующим образом: в начале цикла накопления кадра через транзистор восстановления и транзистор связи происходит восстановление потенциала плавающего узла и потенциала под фоточувствительным затвором (ФЗ). После того как транзистор связи и транзистор восстановления закрываются, в обедненном слое (канале) под ФЗ происходит накопление заряда, фотогенерированного падающими фотонами. В конце цикла накопления заряд через открытый транзистор связи передается в плавающий узел, его потенциал понижается и поступает на истоковый повторитель, который усиливает его по мощности и передает на шину столбца. Далее при накоплении следующего кадра процесс повторяется. Недостатком данного КМОП-фотоприемника является невозможность реализации в пикселе операции межкадрового вычитания, позволяющей выделить движущиеся фрагменты изображения.

Техническим результатом изобретения является реализация выделениея движущихся фрагментов на изображении непосредственно в фокальной плоскости кристалла.

Этот результат достигается тем что, в схеме, состоящей из фоточувствительного затвора и управляющих МОП-транзисторов: транзистора восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах, и транзистора связи, исток которого контактирует с каналом фоточувствительного затвора, а сток подключен к дополнительному источнику питания, исток восстанавливающего транзистора подключен к фоточувствительному затвору, причем управляющие импульсы, поступающие на затворы восстанавливающего транзистора и транзистора связи, обеспечивают экстракцию зарядов двух соседних кадров из канала фоточувствительного затвора.

На фиг.1 представлена схема КМОП-фотоприемника. Он содержит фоточувствительный затвор ФЗ и управляющие МОП-транзисторы: транзистор восстановления Т1, транзистор связи Т2, транзистор Т3 и транзистор выборки строк Т4, образующие вход истокового повторителя, выход которого подключен к шине столбца Ш_C. К шине столбца подключен общий (для всех пикселов столбца) нагрузочный транзистор Т_C. Схема имеет основной Е и дополнительный E₁ источники питания, на затворы Т1, Т2 и Т3 подаются управляющие импульсы: восстановления Ф_В потенциала плавающего узла ПУ, экстракции заряда из канала фоточувствительного затвора Ф_В1, считывания строки Ф_сч.

На фиг.2 показана временная диаграмма работы пиксела фотоприемника для двух кадров накопления. На фиг.2 обозначено: ΔU_H - изменение потенциала, обусловленное поступлением заряда нечетного кадра, ΔU_Ч - изменение потенциала, обусловленное поступлением заряда четного кадра, Е - напряжение питания, Ф_В - импульсное напряжение на затворе транзистора Т1, Ф_В1 - импульсное напряжение на затворе транзистора Т2, Ф_сч - напряжение на затворе транзистора Т4, соответствующее сигналу Ф_сч, U_Ф3 - напряжение на фоточувствительном затворе ФЗ, Q - заряд, накапливаемый в канале под фоточувствительным затвором ФЗ, U_шc - напряжение на шине столбца.

В режиме интегрирования изображения импульс, управляющий транзистором восстановления Т1, имеет низкий уровень, и этот транзистор закрыт, так же закрыт и транзистор связи Т2, фоточувствительный затвор находится в плавающем режиме и под ним накапливаются фотогенерированные сигнальные электроны. После окончания процесса накопления заряда нечетного кадра поступает Ф_В1, транзистор Т2 открывается и накопленный под фоточувствительным затвором ФЗ заряд экстрагируется из канала, завершая тем самым цикл накопления нечетного кадра. Напряжение на фоточувствительном затворе увеличивается пропорционально накопленному заряду. Далее происходит накопление заряда следующего кадра, напряжение на фоточувствительном затворе уменьшается. Напряжение в конце стадии накопления второго кадра будет соответствовать величине

U_Ф3=Е₁+ΔU_H-ΔU_Ч

Заряд Q линейно зависит от светового потока. После завершения этапа накопления приходит сигнал выборки строки Ф_сч информация из ячейки, усиленная по мощности истоковым повторителем, выдается на шину столбца. Коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя ниже 1.

После окончания режима считывания сигнал выборки строки Ф_сч становится равным нулю и транзистор Т4 закрывается. Поступает импульс восстановления Ф_В, открывается транзистор Т1 и восстанавливает потенциал фоточувствительного затвора до исходного уровня.

Изобретение относится к области полупроводниковых ИС и может быть использовано для создания фоточувствительных цифровых и аналоговых устройств. Техническим результатом настоящего изобретения является выделение движущихся фрагментов на изображении непосредственно в фокальной плоскости кристалла за счет реализации межкадрового вычитания. Сущность: в схеме КМОП-фотоприемника, содержащего фоточувствительный затвор и управляющие МОП-транзисторы: транзистор восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах, транзистор связи, исток которого контактирует с каналом фоточувствительного затвора, исток восстанавливающего транзистора подключен к фоточувствительному затвору, а сток транзистора связи - к дополнительному источнику питания. Управляющие импульсы, поступающие на вход восстанавливающего транзистора, и затвор транзистора связи обеспечивают экстракцию зарядов двух соседних кадров из канала фоточувствительного затвора. 2 ил.

КМОП-фотоприемник, содержащий фоточувствительный затвор и управляющие МОП-транзисторы: транзистор восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах, и транзистор связи, исток которого контактирует с каналом фоточувствительного затвора, отличающийся тем, что исток восстанавливающего транзистора подключен к фоточувствительному затвору, а сток транзистора связи подключен к дополнительному источнику питания, причем управляющие импульсы, поступающие на затворы восстанавливающего транзистора и транзистора связи, обеспечивают экстракцию зарядов двух соседних кадров из канала фоточувствительного затвора.