[发明专利]一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元及像素阵列有效

专利信息
申请号: 202011467149.2 申请日: 2020-12-14
公开(公告)号: CN112601037B 公开(公告)日: 2021-10-26
发明(设计)人: 胡绍刚;王宇婷;周桐;黄家;刘洋;于奇 申请(专利权)人: 电子科技大学
主分类号: H04N5/374 分类号: H04N5/374;H01L27/146
代理公司: 成都点睛专利代理事务所(普通合伙) 51232 代理人: 霍淑利
地址: 611731 四川省成*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 器件 图像 感存算 一体 像素 单元 阵列
【说明书】:

发明涉及一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元,用于对光强进行探测和运算并输出以电流表示的运算结果,包括用于感光并进行光电转换的传感浮栅晶体管以及用于存储和计算的存算浮栅晶体管;所述传感浮栅晶体管的源极与所述存算浮栅晶体管的漏极相连;传感浮栅晶体管和存算浮栅晶体管均采用浮栅MOSFET器件的结构。本发明通过使用一个传感浮栅晶体管完成传统CMOS有源像素传感器像素单元的全部功能,大幅度减少了像素单元面积,同时与另一个存算浮栅晶体管相连进行存储和计算过程,将感存算三个功能集成在了一个像素单元上,节约了像素单元的面积,降低了功耗和成本。本发明还涉及一种用于进行图像识别的感存算一体系统的像素阵列。

技术领域

本发明属于集成电路技术和图像传感技术领域,具体涉及一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元及像素阵列。

背景技术

目前常用的CMOS有源像素传感器(APS)的像素单元通常由四个器件组成:感光二极管,源跟随器MOSFET,以及用作开关和复位的MOSFET。CMOSAPS可以进行感光成像,在外部控制下选择读出以及复位。但由于每个像素单元由四个器件组成,像素单元的所占面积较大。为减小像素单元的面积,目前采用一个可擦写的浮栅MOSFET来替代这四个器件完成以上三种功能。

浮栅晶体管可以通过向浮栅上注入电子改变其阈值电压,这个过程被称为编程过程,有Fowler-Nordheim隧穿和热电子注入两种方式。在编程时要在控制栅上加正向偏压,使电子越过栅氧化层注入存储到浮栅上,器件的阈值电压大小也随之改变。擦除时需要电子做相反方向的运动,使浮栅上存储的电子从浮栅上回到衬底中,因此可以在控制栅上加上一个负偏压进行擦除。

由于浮栅晶体管也具有光电效应,在被光照射后,光子的能量会被衬底中的硅吸收,若光子的能量高于其禁带宽度1.12eV,则会激发出一个电子空穴对。在浮栅晶体管的控制栅上加一个正向偏压就可以使激发出的电子被收集到浮栅上,完成光电转换的过程。被收集到浮栅上的光电子越多,器件的阈值电压增加的就越大,阈值电压也就与光强成正比的关系。由于这种用于传感的浮栅晶体管对光电子的收集过程与传统的CCD相同,而且暗电流较小,可以替代传统的CMOSAPS。

器件的读出过程需要在控制栅上加一个高于阈值电压的正向偏压,且需要在漏极加一个正偏压,使器件工作,测量其电流大小。当传感浮栅晶体管被编程之后,其阈值电压ΔVth会发生变化,由于其变化量与浮栅上存储的电荷量的多少有关,也就是与光强有关。光照越强,器件ID-VG曲线向右的偏移量就越大,因此可以通过测量编程后一个特定的正向栅压Vtest下的电流大小来体现光强的大小(需在可测量范围内)。在可测量范围内,栅极加Vtest时,测出的电流越小则光强越强。

传感浮栅晶体管的擦除过程则与普通的浮栅晶体管相同,在控制栅上加一定的负向偏压使浮栅上存储的电子回到衬底中,使阈值电压恢复到初始状态。

然而其未将感存算集成到一个像素单元,从而增加了器件的成本和功耗。因此,亟需一种像素单元克服上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统CMOS有源像素传感器像素单元所需器件较多以及其未将感存算集成到一个像素单元的问题,提供一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元及像素阵列,该结构在使用一个传感浮栅晶体管代替现有的CMOS有源像素传感器的四个器件完成全部功能,大幅度减少像素单元面积的同时,另加入一个存算浮栅晶体管进行存储和计算过程,实现了将感存算集成在一个像素单元。

为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种基于浮栅器件的图像感存算一体像素单元,用于对光强进行探测和运算并输出以电流表示的运算结果,包括用于感光并进行光电转换的传感浮栅晶体管以及用于存储和计算的第一存算浮栅晶体管;

所述传感浮栅晶体管的源极与所述第一存算浮栅晶体管的漏极相连;

传感浮栅晶体管和存算浮栅晶体管均采用浮栅MOSFET器件的结构;

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