測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置及方法，在光電二極管的電荷收集區(qū)域與電壓測量表相連接，電荷傳輸晶體管的漏極端與可調(diào)電源相連接。將電荷傳輸晶體管置為開啟狀態(tài)，可調(diào)電源從0V開始掃描電壓到可調(diào)電源的最高電壓，電壓測量表讀出值會從0V開始跟隨可調(diào)電源電壓的變化，當跟隨到一定數(shù)值時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表所測到的最高值，此最高值為圖像傳感器像素的完全耗盡電壓值。能夠方便、高效、準確地測量圖像傳感器像素單元中的光電二極管管完全耗盡電壓。
【專利說明】測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像傳感器測量技術(shù)，尤其涉及一種測量圖像傳感器像素完全耗 盡電壓的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器使用感光像素采集圖像的光信息，感光像素中的光電二極管將光信號 轉(zhuǎn)換為電信號，光電二極管接受到的光量越多所產(chǎn)生的電信號量越強。所述電信號量使用 光電電荷量來衡量，光電二極管能容納的電荷量多少與其電壓擺幅有關(guān)系。眾所周知，電荷 電量=電容X電壓，對于面積相同的像素單元，電容值差別較小，所以電荷電量的多少主要 取決于電壓參數(shù)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素一般采用N型光電二極管，N型光電二極管上層為 P+型Pin層，中間是收集光電電荷的N型區(qū)域，下層是P型外延層，上中下組成PN、NP型兩 個pn結(jié)。所述N型區(qū)域容納電荷量的能力，與其電壓擺幅成正比關(guān)系；所述N型區(qū)域的最 低電壓為GND(地）電位，最高電壓為完全耗盡電壓，所以N型區(qū)域容納電荷量的能力與完 全耗盡電壓成正比；完全耗盡的意思是，所述N型區(qū)的電荷已經(jīng)完全被清除，即使外部再提 高電壓清除電荷，此N型區(qū)的電壓也不會變化。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素，光電二極管的完全耗盡電壓不能太低，否則電荷 容量過低會影響動態(tài)范圍；光電二極管的完全耗盡電壓不能太高，否則光電二極管中的光 電電荷不能夠被完全轉(zhuǎn)移而造成浪費。目前還沒有一種合理有效的方法用來測定光電二極 管的完全耗盡電壓，以方便并更有效地設(shè)計出高質(zhì)量的圖像傳感器像素，來提高傳感器采 集圖像的質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠方便、高效、準確地測量圖像傳感器像素單元中的 光電二極管管完全耗盡電壓的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，所述圖像傳感器像素包含光 電二極管、電荷傳輸晶體管，所述光電二極管的電荷收集區(qū)域與電壓測量表相連接，所述電 荷傳輸晶體管的漏極端與可調(diào)電源相連接。
[0008] 本發(fā)明的上述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置實現(xiàn)測量圖像傳感器 像素完全耗盡電壓的方法，包括步驟：
[0009] 將所述電荷傳輸晶體管置為開啟狀態(tài)，所述可調(diào)電源從0V開始掃描電壓到可調(diào) 電源的最高電壓，所述電壓測量表讀出值會從0V開始跟隨可調(diào)電源電壓的變化，當跟隨到 一定數(shù)值時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表所測到的最高值，此最高 值為圖像傳感器像素的完全耗盡電壓值。
[0010] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的測量圖像傳感器像 素完全耗盡電壓的裝置及方法，由于光電二極管的電荷收集區(qū)域與電壓測量表相連接，電 荷傳輸晶體管的漏極端與可調(diào)電源相連接。將電荷傳輸晶體管置為開啟狀態(tài)，可調(diào)電源從 0V開始掃描電壓到可調(diào)電源的最高電壓，所述電壓測量表讀出值會從0V開始跟隨可調(diào)電 源電壓的變化，當跟隨到一定數(shù)值時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表 所測到的最高值，此最高值為圖像傳感器像素的完全耗盡電壓值。能夠方便、高效、準確地 測量圖像傳感器像素單元中的光電二極管管完全耗盡電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實施例提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0012] 圖2a是本發(fā)明提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法中，可調(diào)電源電 壓小于完全耗盡電壓時的勢阱示意圖；
[0013] 圖2b是本發(fā)明提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法中，可調(diào)電源電 壓等于完全耗盡電壓時的勢阱示意圖；
[0014] 圖2c是本發(fā)明提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法中，可調(diào)電源電 壓大于完全耗盡電壓時的勢阱示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法中，可調(diào)電源輸出 電壓值與電壓測量表讀出值的關(guān)系示意圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0017] 本發(fā)明的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其較佳的【具體實施方式】是：
[0018] 所述圖像傳感器像素包含光電二極管、電荷傳輸晶體管，所述光電二極管的電荷 收集區(qū)域與電壓測量表相連接，所述電荷傳輸晶體管的漏極端與可調(diào)電源相連接。
[0019] 所述光電二極管為N型光電二極管。
[0020] 所述光電二極管通過設(shè)置第一接觸孔與金屬線連接，所述金屬線的另一端與所述 電壓測量表連接。
[0021] 所述第一接觸孔與所述電荷傳輸晶體管之間的距離大于或等于0. 5倍的光電二 極管尺寸。
[0022] 所述第一接觸孔處不設(shè)置P+型pin層，所述第一接觸孔處使用N型離子注入，注 入?yún)^(qū)深度大于或等于〇. 2um，注入?yún)^(qū)離子濃度大于或等于lE+16Atom/cm3。
[0023] 所述N型離子是磷離子或砷離子。
[0024] 所述電荷傳輸晶體管為N型晶體管，其源極端為光電二極管、漏極端為N+有源區(qū)。
[0025] 所述電荷傳輸晶體管的漏極端通過設(shè)置第二接觸孔與金屬線相連接，所述金屬線 的另一端與所述可調(diào)電源相連接。
[0026] 本發(fā)明的上述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置實現(xiàn)測量圖像傳感器 像素完全耗盡電壓的方法，其較佳的【具體實施方式】是：
[0027] 包括步驟：
[0028] 將所述電荷傳輸晶體管置為開啟狀態(tài)，所述可調(diào)電源從0V開始掃描電壓到可調(diào) 電源的最高電壓，所述電壓測量表讀出值會從ον開始跟隨可調(diào)電源電壓的變化，當跟隨到 一定數(shù)值時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表所測到的最高值，此最高 值為圖像傳感器像素的完全耗盡電壓值。
[0029] 所述可調(diào)電源的最高電壓為2. 8V?3. 6V。
[0030] 本發(fā)明的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置及方法，在現(xiàn)有像素單元的基 礎(chǔ)上，在光電二極管區(qū)域添加一接觸孔及相應(yīng)金屬連線，并與外部一電壓測量表相連，通過 開啟電荷傳輸晶體管，連續(xù)掃描電荷傳輸晶體管的漏極端電壓，監(jiān)測電壓測量表的最高讀 出數(shù)值，方便而準確地確定了像素中光電二極管的完全耗盡電壓值。能夠方便、高效、準確 地測量圖像傳感器像素單元中的光電二極管管完全耗盡電壓。
[0031] 具體實施例：
[0032] 測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，101 為光電二極管電荷收集區(qū)域，此區(qū)域為Ν型離子注入?yún)^(qū)，102為Ν型離子注入?yún)^(qū)，103為Ρ+ 型Pin層，104為電荷傳輸晶體管，105為電荷傳輸晶體管的漏極區(qū)，106為電壓測量表，107 為可調(diào)電源。其中，102區(qū)的不設(shè)置P+型Pin層，并且102區(qū)的N型離子濃度大于等于 lE+16Atom/cm3，102區(qū)的深度大于等于0. 2um，此N型區(qū)的注入離子可以是磷離子，也可以 是砷離子，設(shè)置102區(qū)的目的是能夠更好使101區(qū)與外界金屬連接；所述102區(qū)距離104， 大于等于〇. 5倍的光電二極管尺寸，即102區(qū)需要遠離電荷傳輸晶體管104,102區(qū)位于圖1 中的光電二極管的左半側(cè)，以便使本發(fā)明所測量的完全耗盡電壓值更準確。圖1中的接觸 孔位于102區(qū)，所述接觸孔與金屬線相連，此金屬線的另一端與電壓測量表106相連，此金 屬線的電壓與光電二極管電荷收集區(qū)域101區(qū)的電壓相等，記作Vs。電荷傳輸晶體管104 的柵極端為TX，在測量像素的完全耗盡電壓的操作中，電荷傳輸晶體管被置為開啟狀態(tài)，即 TX與電源最高電壓相連接，電壓范圍為2. 8V?3. 6V，所述電荷傳輸晶體管104為N型晶體 管。105區(qū)也是使用一接觸孔與金屬線相連，此金屬線的另一端與一可調(diào)電源107相連，因 此105區(qū)的電壓與107的正極相等，記作Vd。所述101、102、103、105制作在半導(dǎo)體基體中， 所述半導(dǎo)體基體為P型外延層，即P-印i區(qū)。所述電壓測量表的正極端與102區(qū)相連，記作 Vs，負極端與GND (地電位）相連；所述107的正極端與105相連，記作Vd，負極端與GND相 連。圖1所示的像素，光電二極管區(qū)域，上層103區(qū)為光電二極管的正極，中間層101為光 電二極管的負極，下方的P-epi為光電二極管的正極，因此像素中的PN、NP型結(jié)構(gòu)組成了 N 型光電二極管結(jié)構(gòu)。
[0033] 以下詳細闡述采用本發(fā)明實施例中的像素測量完全耗盡電壓的方法步驟。所述圖 像傳感器像素完全耗盡電壓的測量方法為，可調(diào)電源107從0V開始掃描電壓到電源最高電 壓，電壓測量表106讀出值會從0V開始跟隨可調(diào)電源107電壓的變化，當跟隨到一定數(shù)值 時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表所測到的最高值，此最高值為圖像 傳感器像素的完全耗盡電壓值。所述圖像傳感器像素完全耗盡電壓方法的像素勢阱示意 圖，如圖2a、2b、2c所示；本發(fā)明提供的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法中，可調(diào) 電源107輸出電壓值與電壓測量表106讀出值的關(guān)系示意圖，如圖3所示。
[0034] 圖2a所示的勢講示意圖，為對應(yīng)圖1所示的101區(qū)、102區(qū)、104晶體管溝道和105 區(qū)的勢阱關(guān)系圖。其中，Vpin標記完全耗盡電壓的位置；可調(diào)電源的正極端電壓Vd = VI， VI值較小，VI小于完全耗盡電壓；104的柵極端TX = Vdd，Vdd為電源最高電壓，電壓范圍 為2. 8V?3. 6V ;106所探測到的電壓值Vs = VI，此時電壓測量表106的讀出值跟隨可調(diào) 電源107的電壓值。如圖2a所示，101區(qū)、102區(qū)、104溝道和105的電勢持平相等。
[0035] 圖2b所示，為可調(diào)電源電壓等于完全耗盡電壓時的勢阱示意圖。圖2b所示，101 勢阱區(qū)的電荷恰好被完全耗盡，即101區(qū)沒有可移動的電荷；102區(qū)沒有被完全耗盡，因為 102區(qū)的最高電勢大于Vpin電壓。圖2b所示，可調(diào)電源的電壓Vd = V2,因為恰好完全耗 盡，所以101區(qū)的完全耗盡電壓Vpin = V2,即Vs = Vpin = V2。
[0036] 圖2c所示，為可調(diào)電源電壓大于完全耗盡電壓時的勢阱示意圖。圖2c中，可調(diào)電 源的電壓Vd = V3, V3大于Vpin電壓；因為，101區(qū)的電荷已經(jīng)被完全耗盡，所以101區(qū)的 電勢仍然等于Vpin電壓。因此，像素中的光電二極管所檢測到的最高電壓讀出值，即V2,為 完全耗盡電壓。
[0037] 結(jié)合圖2a?圖2c，所示的勢阱示意圖，可以得到圖3所示的Vd?Vs關(guān)系曲線 圖。圖3中，水平軸為Vd，即可調(diào)電源107的輸出電壓值；堅直軸為Vs，即電壓測量表的讀 出值。圖3中，示出的VI、V2、V3、Vpin為圖2a?圖2c中的所示的電壓值。圖3所示，VI 小于Vpin電壓，與圖2a對應(yīng)；V2恰好等于Vpin，與圖2b對應(yīng)；V3大于Vpin，與圖2c對應(yīng)。
[0038] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范 圍為準。
【權(quán)利要求】
1. 一種測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，所述圖像傳感器像素包含光電二極 管、電荷傳輸晶體管，其特征在于，所述光電二極管的電荷收集區(qū)域與電壓測量表相連接， 所述電荷傳輸晶體管的漏極端與可調(diào)電源相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述光電二極管為N型光電二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述光電二極管通過設(shè)置第一接觸孔與金屬線連接，所述金屬線的另一端與所述電壓測量表 連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述第一接觸孔與所述電荷傳輸晶體管之間的距離大于或等于〇. 5倍的光電二極管尺寸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述第一接觸孔處不設(shè)置P+型pin層，所述第一接觸孔處使用N型離子注入，注入?yún)^(qū)深度大 于或等于〇. 2um，注入?yún)^(qū)離子濃度大于或等于lE+16Atom/cm3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述N型離子是磷離子或砷離子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述電荷傳輸晶體管為N型晶體管，其源極端為光電二極管、漏極端為N+有源區(qū)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置，其特征在于，所 述電荷傳輸晶體管的漏極端通過設(shè)置第二接觸孔與金屬線相連接，所述金屬線的另一端與 所述可調(diào)電源相連接。
9. 一種權(quán)利要求8所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的裝置實現(xiàn)測量圖像傳 感器像素完全耗盡電壓的方法，其特征在于，包括步驟： 將所述電荷傳輸晶體管置為開啟狀態(tài)，所述可調(diào)電源從0V開始掃描電壓到可調(diào)電源 的最高電壓，所述電壓測量表讀出值會從0V開始跟隨可調(diào)電源電壓的變化，當跟隨到一定 數(shù)值時電壓測量表讀出值不再變化，此讀出值為電壓測量表所測到的最高值，此最高值為 圖像傳感器像素的完全耗盡電壓值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量圖像傳感器像素完全耗盡電壓的方法，其特征在于，所 述可調(diào)電源的最高電壓為2. 8V?3. 6V。
【文檔編號】G01R19/00GK104155500SQ201410415842
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司