КМОП-ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК 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, № 12, pp.2131-2142, 1996; A. Theuwissen, E. Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, № 2, pp.29-32, 2001).

Основным прототипом является КМОП-приемник изображения, в котором в качестве фоточувствительного элемента используется фотодиод (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, № 5, pp.846-853, 2001; а также А. Стемпковский, В. Шилин, "КМОП-фотодиодные СБИС перспективная элементная база однокристалльных систем приема и обработки информации", Электроника: Наука. Технологии, Бизнес, №2, стр.14-20, 2003 г.). КМОП-фотоприемная ячейка с обработкой сигналов содержит четыре фотоприемных элемента, каждый из которых содержит фотодиод и восстанавливающий МОП-транзистор, и вход истокового повторителя, кроме того в ячейку дополнительно включены: суммирующая n⁺-область, дополнительный транзистор восстановления и две схемы с многозатворными МОП-структурами, каждая из которых содержит две двухзатворные структуры, затвор связи и инжектирующую n⁺-область, зарядовосвязанную с каналами первых двух затворов данных структур, причем в первой схеме: первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду первого элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду четвертого элемента; во второй схеме: первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду второго элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду третьего элемента; затвор связи в каждой схеме включен между вторыми затворами структуры и суммирующей n⁺-областью, выход которой подключен ко входу истокового повторителя и к истоку дополнительного транзистора восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя.

Целью настоящего изобретения является реализация в КМОП-фотоприемной ячейке функции выделения контуров на изображении. Изобретение поясняется фиг.1, на которой представлена КМОП-фотоприемная ячейка с обработкой сигналов.

На фиг.1 представлена схема КМОП-фотоприемной ячейки с обработкой сигнала, состоящей из суммирующей n⁺-области 15, входа истокового повторителя и четырех фотоприемных элементов (пикселей А, В, С, D). Каждый элемент содержит фотодиод 5, 6, 7, 8, восстанавливающий транзистор 1, 2, 3, 4. Кроме того схема содержит дополнительный транзистор восстановления 9 и две схемы с многозатворными МОП-структурами, каждая из которых содержит две двухзатворные структуры, затвор связи 13, 14, и инжектирующую n⁺-область 20, 21, зарядовосвязанную с каналами первых двух затворов данных структур 16, 17, 22, 23, причем в первой схеме: первый затвор 16 первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор 19 второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду 5 первого элемента А, а первый затвор 20 второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор 18 первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду 8 четвертого элемента D; во второй схеме: первый затвор 22 первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор 25 второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду 6 второго элемента В, а первый затвор 23 второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор 24 первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду 7 третьего элемента С; затвор связи 13, 14 в каждой схеме включен между вторыми затворами структуры 18, 19, 24, 25 и суммирующей n⁺-областью 15, выход которой подключен ко входу истокового повторителя и к истоку дополнительного транзистора восстановления 9, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя, транзистор 10 и транзистор выборки строк 11, образующие вход истокового повторителя, выход которого подключен к шине столбца Ш_c. К шине столбца подключен общий (для всех пикселов столбца) нагрузочный транзистор 12.

Работа схемы поясняется фиг.2, на которой представлена временная диаграмма работы КМОП-фотоприемной ячейки с обработкой сигналов, и фиг.3, на которой представлены многозатворная МОП-структура (а) и распределение поверхностного потенциала после инжекции (б) и экстракции (в) зарядов.

На фиг.2 обозначено: Е - напряжение питания, Фв - импульсное напряжение, управляющее затворами восстанавливающих МОП-транзисторов 1, 2, 3, 4 и дополнительного транзистора восстановления 9, Фu - управляющее импульсное напряжение на p-n-переходе, Фs - импульсное напряжение на затворах связи 13, 14, Фсч - напряжение на затворе транзистора Т4, соответствующее сигналу Фсч, U₁₆,₁₈ - напряжение на узле 16,18, U₁₇,₁₉ - напряжение на узле 17, 19, ΔUa - изменение потенциала в двухзатворной структуре 16, 19, ΔUd - изменение потенциала в двухзатворной структуре 17, 18, Qa - зарядовый пакет на элементе A, Qd - зарядовый пакет на элементе D, U₁₅ - напряжение узла 15.

На фиг.3 обозначено: Фu - управляющее импульсное напряжение на р-n-переходе, Ua - напряжение на затворе 16, 19, Ud - напряжение на затворе 17, 18, Фs - импульсное напряжение на затворах связи 13, 14.

Схема работает следующим образом: в начале цикла накопления кадра поступает импульс восстановления Фв, открываются транзисторы 1, 2, 3, 4, 9 и происходит восстановление потенциалов на фотодиодах четырех элементов (А, В, С, D) и потенциала плавающего узла 15. После окончания Фв транзисторы восстановления закрываются и в фотодиодах накапливаются фотогенерированные сигнальные заряды. В конце цикла накопления потенциалы фотодиодов и связанных с ними плавающих затворов уменьшаются пропорционально накопленным в фотодиодах сигнальным зарядам. При уменьшении Фu до нижнего уровня из n⁺-областей 20, 21 в потенциальные ямы под затворами 16, 18, 17, 19, 22, 24, 23, 25 инжектируются заряды (Фиг.3б). Затем Фu повышается и из потенциальных ям происходит экстракция избыточных зарядов. Если Ua<Ud, то в потенциальной яме 18 остается заряд, пропорциональный разности Ud-Ua. В элементе 19 после экстракции заряд будет отсутствовать. Таким образом, в элементах первой схемы формируется суммарный заряд, пропорциональный модулю разности |Ud-Ua|. Аналогичные процессы протекают во второй схеме с многозатворными МОП-структурами. Затем поступает импульс Фs открываются каналы под затворами 13, 14 и в суммирующую n⁺-область 15 передаются заряды: из первой схемы с многозатворными МОП-структурами - пропорциональный модулю разности |Ud-Ua|, а из второй схемы - |Uc-Uв|. Потенциал суммирующей n⁺-области 15 и связанного с ней затвора транзистора 10 уменьшается на величину, пропорциональную |Ud-Ua|+|Uc-Uв|. Данная операция параллельно происходит во всех ячейках фоточувствительной секции КМОП-фотодиодной матрицы. Это соответствует выделению контуров на изображении по оператору Робертса.

Поставленная цель достигается тем, что в схеме, состоящей из четырех элементов с фотодиодами, имеются дополнительно включенные элементы: суммирующая n⁺-область, дополнительный транзистор восстановления и две схемы с многозатворными МОП-структурами, каждая из которых содержит две двухзатворные структуры, затвор связи и инжектирующую n⁺-область, связанную с первыми двумя затворами данных структур.

Использование: для создания фоточувствительных цифровых и аналоговых устройств. Технический результат изобретения: реализация в КМОП-фотоприемной ячейке функции выделения контуров на изображении. Сущность: в КМОП-фотоприемную ячейку с обработкой сигнала, состоящую из четырех элементов, каждый из которых содержит фотодиод и восстанавливающий МОП-транзистор, и вход истокового повторителя, дополнительно включены: суммирующая n⁺-область, дополнительный транзистор восстановления и две схемы с многозатворными МОП-структурами, каждая из которых содержит две двухзатворные структуры, затвор связи и инжектирующую n⁺-область, зарядовосвязанную с каналами первых двух затворов данных структур. В первой схеме: первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду первого элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду четвертого элемента. Во второй схеме: первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду второго элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду третьего элемента. Затвор связи в каждой схеме включен между вторыми затворами структуры и суммирующей n⁺-областью, выход которой подключен ко входу истокового повторителя и к истоку дополнительного транзистора восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя. 3 ил.

КМОП-фотоприемная ячейка с обработкой сигналов, содержащая четыре фотоприемных элемента, каждый из которых содержит фотодиод и восстанавливающий МОП-транзистор, и вход истокового повторителя, построенного на двух МОП-транзисторах, отличающаяся тем, что, с целью выделения контуров на изображении, в ячейку дополнительно включены следующие элементы: суммирующая n+-область, дополнительный МОП-транзистор восстановления и две схемы с многозатворными МОП-структурами, каждая из которых содержит две двухзатворные структуры, затвор связи и инжектирующую n+-область, зарядовосвязанную с каналами первых двух затворов данных структур, причем в первой схеме первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду первого элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду четвертого элемента; во второй схеме первый затвор первой многозатворной МОП-структуры и второй затвор второй многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду второго элемента, а первый затвор второй многозатворной МОП-структуры и второй затвор первой многозатворной МОП-структуры соединены и подключены к фотодиоду третьего элемента; затвор связи в каждой схеме включен между вторыми затворами структуры и суммирующей n+-областью, выход которой подключен ко входу истокового повторителя и к истоку дополнительного транзистора восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - ко входу истокового повторителя.