КМОП-ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 2005 года по МПК H01L27/14 H04B10/06 

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 или фотодиод (см. A.Theuwissen, E.Roks, "Building a Better Mousetrap", Photonics spectra, No2, pp.29-32, 2001; а также А.Стемпковский, В.Шилин, "КМОП-фотодиодные СБИС перспективная элементная база однокристальных систем приема и обработки информации", Электроника: Наука, Технологии, Бизнес, №2, стр.14-20, 2003 г.). Сущность изобретения: КМОП-фотоприемная ячейка содержит два элемента, каждый из которых содержит фотодиод, затвор связи, имеющий зарядовую связь с фотодиодом, затвор хранения, имеющий зарядовую связь с затвором связи, затвор передачи, имеющий зарядовую связь с затвором хранения, n⁺-область, подключенную к шине питания и имеющую зарядовую связь с дополнительно включенным затвором передачи, кроме того, имеется МОП-транзистор восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух МОП-транзисторах. Кроме того, затворы хранения обоих элементов соединены между собой, а затворы связи и затвор передачи одного элемента соединены соответственно с затворами передачи и затвором связи другого элемента, и затвор связи одного элемента подключен к затвору управляющего транзистора восстановления и управляющему импульсу.

Целью настоящего изобретения является реализация в КМОП-фотоприемной ячейке операции аналогового вычитания сигналов изображения двух данных элементов.

Изобретение поясняется фиг.1, на которой представлена КМОП-фотоприемная ячейка. На фиг.1 представлена схема КМОП-фотоприемной ячейки, состоящей из двух элементов (пикселей). Каждый элемент содержит фотодиод 1, 2, затвор связи 4, 7, имеющий зарядовую связь с фотодиодом, затвор хранения 5, 8, имеющий зарядовую связь с затвором связи, затвор передачи 6, 9, имеющий зарядовую связь с затвором хранения, n⁺-область 10, 11, подключенную к шине питания и имеющую зарядовую связь с дополнительно включенным затвором передачи 6, 9. Также имеются управляющие МОП-транзисторы: транзистор восстановления 3, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, транзистор 12 и транзистор выборки строк 13, образующие вход истокового повторителя, выход которого подключен к шине столбца Ш_с. К шине столбца подключен общий (для всех пикселов столбца) нагрузочный транзистор 14. Кроме того затворы хранения 5, 8 обоих элементов соединены между собой и подключены к истоку управляющего транзистора 3, а затвор связи 4, 7 и затвор передачи 6, 9 одного элемента соединены соответственно с затворами передачи 9, 6 и затвором связи 7, 4 другого элемента, и затвор связи 4 подключен к затвору управляющего транзистора восстановления 3.

Работа изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена диаграмма работы КМОП-фотоприемной ячейки.

На фиг.2 обозначено: Е - напряжение питания, Ф_в1 - импульсное напряжение, управляющее затвором транзистора 3, дополнительно включенными затворами связи 4, передачи 9, Ф_в2 - импульсное напряжение, управляющее дополнительно включенными затворами передачи 6 и связи 7, Ф_сч - напряжение на затворе транзистора 13, соответствующее сигналу Ф_сч, U_ф - напряжение на фотодиоде, U₀ - пороговое напряжение восстанавливающего МОП-транзистора, U_шс - напряжение на шине столбца.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии в фотодиодах накоплены сигнальные заряды. Поступает импульс Ф_в1, напряжение на затворах 4, 9 восстанавливается до исходного уровня, заряд Q₁, накопленный на фотодиоде 1, через канал затвора связи 4 сбрасывается в канал под затвором хранения 5, и потенциал на фотодиоде 1 восстанавливается до значения U_Ф1-U₀, открывается восстанавливающий транзистор 3, который восстанавливает потенциалы затворов 5, 8 до исходного уровня. После окончания импульса транзистор 3 закрывается, фотодиод 1 начинает накапливать сигнальный заряд следующего кадра, а затворы 5, 8 переходят в плавающий режим. Поступает импульс Ф_в2, восстанавливающий потенциалы затворов 6, 7. Заряд Q₂, накопленный на фотодиоде 2, через образующийся канал под затвором связи поступает в канал под затвором 8. В результате на плавающем узле формируется изменение потенциала U, пропорциональное разности зарядов U₁-U₂. Потенциал на фотодиоде 2 восстанавливается до значения U_Ф2-U₀. После окончания сигнала фотодиод 2 начинает накапливать сигнальный заряд. В это время поступает сигнал выборки строки Ф_сч, информация из ячейки, усиленная по мощности истоковым повторителем, передается на шину столбца. Затворы 6, 9 необходимы для экстракции заряда из затворов хранения в n⁺-область.

Поставленная цель достигается тем что, в схеме, состоящей из двух элементов с фотодиодами, имеется управляющий транзистор восстановления, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах, в каждый элемент дополнительно включены затвор связи, имеющий зарядовую связь с фотодиодом, затвор хранения, который контактирует с каналом затвора связи, затвор передачи, связанный с затвором хранения, n⁺-область, подключенная к шине питания и имеющая зарядовую связь с дополнительно включенным затвором передачи.

Изобретение относится к полупроводниковым ИС для создания фоточувствительных цифровых и аналоговых устройств. Технический результат заключается в реализации операции аналогового вычитания сигналов изображения двух соседних элементов. Технический результат достигается тем, что в схеме, состоящей из двух элементов с фотодиодами (ФД) (1, 2) имеется восстанавливающий МОП-транзистор (Т) (3), сток которого подключен к шине питания (Е), а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух транзисторах (12, 13), в каждый элемент дополнительно включены затворы связи (4, 7), хранения (5, 8), передачи (6, 9), имеющие в каждом элементе между собой и с ФД (1, 2) зарядовую связь, а также n⁺-область (10, 11), подключенная к (Е) и имеющая зарядовую связь с затвором передачи (6, 9), а затворы хранения двух элементов соединены между собой и подключены к истоку Т (3), затворы связи (4) и передачи (6) одного элемента соединены соответственно с затворами передачи (9) и связи (7) другого элемента, и затвор связи (4) одного элемента подключен к затвору Т (3). 2 ил.

КМОП-фотоприемная ячейка, содержащая два элемента с фотодиодами, восстанавливающий МОП-транзистор, сток которого подключен к шине питания, а исток - к входу истокового повторителя, построенного на двух МОП-транзисторах, отличающаяся тем, что в каждый элемент включены дополнительные компоненты: затвор связи, имеющий зарядовую связь с фотодиодом, затвор хранения, имеющий зарядовую связь с затвором связи, затвор передачи, имеющий зарядовую связь с затвором хранения, n⁺ - область, подключенная к шине питания и имеющая зарядовую связь с дополнительно включенным затвором передачи, а затворы хранения двух элементов соединены между собой и подключены к истоку восстанавливающего МОП-транзистора, затвор связи и затвор передачи одного элемента соединен соответственно с затвором передачи и затвором связи другого элемента и затвор связи одного элемента подключен к затвору восстанавливающего МОП-транзистора.