[发明专利]光学传感器

说明书

本发明涉及一种光学传感器，该光学传感器包括：一个或多个电荷转移像素(10)，每个电荷转移像素包括在照明时生成光电荷的掩埋式光电二极管(11)；转换元件(12)，该转换元件接收所述光电荷的至少一部分且趋向于将满足与光电荷的生成强度的非线性关系的电势强加于光电二极管上；以及电荷转移元件(14)，该电荷转移元件用于读取由光电二极管(11)存储的电荷，从而通过转移，在读取之后，在该光电二极管中剩余的电荷为零。

技术领域

本发明涉及CMOS技术中的包括一个或多个电荷转移像素的光学传感器，每个电荷转移像素包括在照明下生成光电流的光电二极管。

背景技术

目前，如图1所示，这种类型的像素包括收集由入射光辐射产生的电荷的掩埋式光电二极管PD以及用于读取由此收集的电荷的转移晶体管TX。转移晶体管的一个端子接触光电二极管且允许由光电二极管收集的电荷被转移到另一接收器件，诸如电容式节点FD，无论用于读取还是被存储在其中。掩埋式光电二极管通常由P型衬底中的N型掺杂阱组成，该P型衬底在其表面上覆盖有也为P型且经常为高浓度的薄掺杂层(也称为“钉扎层”)，从而空间电荷区ZCE不接触聚集所有种类的缺陷的硅表面。

图2示出被称为“4晶体管”或4T像素的普遍接受的结构。转移晶体管TX连接到由浮动扩散形成的电容式节点FD。在激活转移晶体管之前，经由由方波电压脉冲VRST控制的复位晶体管RST将电容式节点FD预充电到初始电压。在该复位操作之后，经由信号COL执行电容式节点FD的电压的第一次读出。在由转移晶体管TX的信号TX激活之后，执行第二次读出。这两次读出之间的差别表示从掩埋式光电二极管转移到电容式节点FD的电荷量。该差异读出允许消除由复位晶体管RST在电容式节点上的动作引起的噪声(称为KTC噪声)。在读出期间将信号SEL应用于选择晶体管SEL。

在这类已知结构中可预期的是确保从掩埋式光电二极管到电容式节点FD的完全电荷转移，从而在激活转移晶体管TX之后，在掩埋式光电二极管的掺杂区域中不存在移动电荷。具体地，如果将移动电荷不完全转移到电容式节点FD，则观察到与从掩埋式光电二极管转移的电荷的平方根成比例的附加噪声。在光电二极管中剩余的电荷引起后续图像中的条纹。

完全电荷转移取决于两个基本条件：

1)掩埋式光电二极管的阴极(使所有的移动电子涌到该阴极)的偏置电压，也称为“钉扎电压”或Vpin，以及

2)浮动扩散的预充电电压和电容。

因此，在通过转移晶体管TX的动作而从掩埋式光电二极管接收到电荷之后，需要将电容式节点FD的电压保持高于电压Vpin。

在像素具有线性响应的传统设计中，通常通过构造将电压Vpin设置在0.5V和1V之间。

图3示出利用具有等于1V的电压Vpin的掩埋式光电二极管的TCAD仿真的结果，以及可以观察到，当偏置电压达到这个值时，耗尽区占用所有阴极。

通过近似法，可以考虑到，在所考虑的情况中以自由电子的形式存储在掩埋式光电二极管中的移动电荷与光电二极管上的电压V_PD和电压Vpin之间的差成比例。当光电二极管上的电压变为等于电压Vpin时，移动电荷为零。

近似地，在光电二极管中存储的电荷Q_PD与(Vpin–V_PD)成比例且：

Q_PD＝C_PD(V_PD-Vpin)