本發(fā)明涉及用于電磁式傳感器的讀出電路的結(jié)構(gòu)。

在本文中，通過“電磁式傳感器”意指包括用于讀出像素的電路的電磁輻射傳感器，其中，每個像素包括至少一個用于發(fā)出代表該像素所暴露至的輻射的電信號的光電二極管。這種傳感器由半導(dǎo)體襯底(例如硅的)制備，光電二極管形成在所述半導(dǎo)體襯底中。旨在利用的輻射可以例如是可見光圖譜內(nèi)的輻射，然而，這并不構(gòu)成限制。

通過讀出電路讀取每個光電二極管所發(fā)出的電信號(為此目的，通常各個讀出電路分別專用于每個光電二極管)。讀出電路也形成在硅半導(dǎo)體襯底中。

本發(fā)明發(fā)現(xiàn)混合式傳感器中的的有益應(yīng)用。

當(dāng)光電二極管形成在不同于結(jié)合讀出電路的第二襯底的第一襯底中時(且因此其半導(dǎo)體材料可以不同于第一襯底的材料)，傳感器被稱為“混合式”。

這尤其為這樣的情況：當(dāng)讀出電路形成在硅襯底中時(這對應(yīng)于對于這些讀出電路來說最常見的配置)，同時光電二極管通常形成在另一材料的襯底中(例如銦鎵砷(InGaAs))，所述材料使得能夠形成對適合于夜視的波長敏感的光電二極管，而在硅襯底中的光電二極管則對該波長不敏感。

對于混合式傳感器而言，第一襯底的每個光電二極管通過焊接類型(例如銦珠)的連接而連接至第二襯底的讀出電路。圖1a和圖1b顯示了根據(jù)倒裝芯片技術(shù)的這種混合的可能配置的示例。根據(jù)該技術(shù)，第一襯底32的面31(光電二極管33形成在該面處)和第二襯底35的面34(讀出電路36形成在該面處)彼此面對。在圖1a示出的第一示例中，第一襯底32的光電二極管33中的每個通過銦珠37而連接至讀出電路36，同時在圖1b示出的第二示例中，通過離開第二襯底35的銅柱38并且通過在該柱38和光電二極管33之間的焊接39而形成連接。

背景技術(shù)：

來自光電二極管的信號的讀出在以給定的頻率實現(xiàn)，該給定的頻率通常對于所有的光電二極管是同一頻率。例如對于視頻應(yīng)用，該頻率可以是50或60赫茲。對于快速或超快獲取應(yīng)用，該頻率則更高。

因此，光電二極管的讀出通過“周期”來完成，每個周期對應(yīng)于像素的積分時間，即，對應(yīng)于這樣的時間，在該時間期間，光電二極管產(chǎn)生的電荷(根據(jù)光電二極管的性質(zhì)而由電子或空穴的電荷形成)積累在光電二極管中或讀出電路中，以及對應(yīng)于像素的讀出時間。

在CMOS技術(shù)中，光電二極管的讀出電路可以通過不同的方式實現(xiàn)。其尤其可以是“直接注入”(DI)，“電容跨阻抗放大器”(CTIA，Capacitive Trans–Impedance Amplifier)或“每像素源跟隨器”(SFP，source follower per pixel)類型。讀出電路的這三種類型示出在圖2a至2c中。

圖2a示出了在混合式配置中的直接注入類型的用于讀出像素的電路的電氣圖的示例。與晶體管22相關(guān)聯(lián)的放大器23經(jīng)由在第一襯底(光電二極管20形成在其上)和第二襯底(讀出電路形成在其上)之間的混合式觸點21而將施加至光電二極管20上的偏壓穩(wěn)定化。初始化晶體管24受到初始化信號RST的控制，以便在晶體管22的輸出施加初始化電壓V_RST。積分電容器25適合于對光電二極管20發(fā)出的光電流進行積分。緩沖放大器26使得能夠?qū)⒃谠摲e分電容器25的端子上的電壓信號IM經(jīng)由選擇開關(guān)27而發(fā)送至掃描多路復(fù)用總線28。

讀出周期包括：

1)借助于初始化晶體管24來初始化積分電容器25，

2)將所述光電二極管20產(chǎn)生的光電電荷積分進入電容器25，

3)經(jīng)由開關(guān)27的控制而讀出在電容25的端子上的電壓信號IM。

讀出的結(jié)果可以直接地輸出至讀出電路從而得到利用，或者可以存儲在存在于每個像素中的存儲器，以便隨后得到利用。

然而，積分電容器25和光電二極管20的重置形成所謂的“KTC”電子噪聲，關(guān)于對該噪聲具有影響的量，K指示玻爾茲曼常數(shù)，T指示開爾文溫度，而C指示積分電容器25的電容。在初始化之后，在積分電容器25中的剩余電荷具有隨機變化，其二次平均具有值

因此，該KTC噪聲通過在積分電容器25的端子上的電壓相對于重置電壓V_RST的偏差表達。

為了抑制該開關(guān)噪聲，開發(fā)了結(jié)合兩次在像素的輸出處的電壓的讀出的策略。這因此是相關(guān)雙讀出，也被稱為CDS(其為“相關(guān)雙采樣”的縮寫)。

在通過設(shè)定為參考電勢而使電容器已被重置為初始階段(重置，有時將為簡便而使用該術(shù)語，并且應(yīng)被認為是等價的)之后，立即在周期的開始獲得第一讀出。該第一讀出給出在電容器中的初始電荷量的第一讀取值。

當(dāng)對電容器充電并且需要讀取積分電荷的積累的值時，第二讀出在周期結(jié)束時獲得。

當(dāng)執(zhí)行兩次讀出并且周期結(jié)束時，比較和計算裝置確立兩次讀取值之間的差值。該差值給出在積分時間期間電容器積分的光電二極管所產(chǎn)生的電荷的量。

這些已知類型的電路和方法因此使得能夠通過對每個光電二極管和對每個周期計算在周期的開始的讀出和在周期的結(jié)束的讀出之間的差值來確定在積分周期期間從光電二極管進入電容器的積分電荷的量的值。

然而，在光電二極管的讀出電路中存在噪聲的其它來源?，F(xiàn)在，對于大多數(shù)這些噪聲，在第一讀出和第二讀出之間不存在相關(guān)性。因此，不僅沒有抑制這些其它噪聲，并且它們的光譜功率密度還提高至兩倍。

對于CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)讀出電路，所謂的1/f電子噪聲是在例如晶體管的所有有源部件中的主要噪聲。該1/f噪聲的功率譜密度隨頻率減小。因此，在低的頻率，1/f噪聲很大。現(xiàn)在，像素的工作周期的頻率為約50Hz，其展現(xiàn)出大的1/f噪聲，這限制了相關(guān)雙采樣的效率。

為了相對于直接注入而減小該1/f噪聲，提出另一種類型的電路，即所謂的CTIA“電容跨導(dǎo)放大器(Capacitive Trans–impedance Amplifier)”，圖2b示出了其示意性的示例。

其原理類似于直接注入電路的原理，其中對相似的元件指定相同的附圖標(biāo)記。來自光電二極管20的光生電流通過設(shè)置有電容反饋的運算放大器而積分至電容器25中。通過借助于并聯(lián)連接的初始化晶體管24而清空電容器25中的電荷，從而完成初始化。借助于運算放大器29的大的增益來維持光電二極管20的偏壓。

該配置的基本原理為：電容反饋減弱低頻噪聲，并且因此提高其相關(guān)雙采樣的效率。其讀出順序與利用直接注入的像素的讀出順序相同：第一讀出在重置之后進行，而第二讀出在積分時間之后進行，圖像信號通過這兩次采樣之間的差值形成。

盡管像素很復(fù)雜，但是1/f噪聲仍然很大。實際上，對于很小的電容值(5-10fF)，最佳的讀出電路CTIA不能將噪聲降低為低于對應(yīng)于40至50電子的電荷的噪聲水平。在這樣的配置中，電路的動態(tài)范圍非常低，并且當(dāng)曝光變得過強時，很容易飽和。

另一配置為所謂的SFP配置(“每像素源跟隨器”)，其圖2c顯示了示例性實施方案。該配置旨在減少晶體管的數(shù)量以便減少1/f噪聲源的數(shù)量。

其工作周期與用于讀出像素的電路Di或CTIA的工作周期相同，并且對這些電路中的相似的元件指定相同的附圖標(biāo)記。在像素讀出電路SFP中，來自光電二極管20的光生電流的積分直接地在包括數(shù)個寄生電容的光電二極管的積分電容器25上實現(xiàn)。光電二極管20的強電容值減小了讀取為電壓的信號的幅度。該讀出電路的噪聲最終將增加至光電二極管20的噪聲水平限制為若干電子。例如，用于讀出像素的電路CTIA可以利用5fF的積分電容器的電容工作，而因此對于具有320μV的幅度的讀出噪聲來說，該噪聲水平等價于10個電子的電荷。在SFP像素讀出電路中，積分電容器可能很難小于20fF。在這種情況下，讀出噪聲320μV表現(xiàn)為等價于40個電子的噪聲。

在這個電路中的每個中的相關(guān)雙采樣的另一缺陷在于：第一讀出發(fā)生在積分周期的開始，而第二讀出發(fā)生在積分周期的結(jié)束。兩次讀出因此相隔可以與周期時間相比的相當(dāng)長的時間。每個周期的兩次讀出相隔的時間實際上對應(yīng)于積分時間，其等于周期時間(以在重置時間內(nèi))?，F(xiàn)在，在這兩次讀出之間，除了KTC噪聲之外的電子噪聲可能干擾測量(例如1/f噪聲)，而這可能隨后通過其在兩次讀出之間的變化而導(dǎo)致錯誤的電荷值(該值由兩次讀取值之間的差值推算)。這是一種不利影響，并且由于對應(yīng)于低的頻率，周期時間很長，因此該不利影響將變得更嚴重。作為例證，由于該限制而尤其受到影響的是在低光度視景中的應(yīng)用，這種應(yīng)用需要長的周期時間，具有約50Hz的頻率。

這些已知電路和方法的另一限制在于，他們需要將在周期開始時讀取的值存儲在存儲器中，從而隨后在周期結(jié)束時進行比較和減法運算。因此，需要存儲器(例如外部存儲器，或者相反，在每個像素讀出電路中)以用于在積分時間期間存儲第一采樣。

專利申請US2007/0285545具有這樣的有源像素，其中，光電二極管連接至用于從有源像素收集電荷的節(jié)點，所述節(jié)點維持在恒定電壓并且形成具有恒定偏壓的晶體管的漏極，從而電荷被傳遞至電荷積分節(jié)點。然而該配置需要專用的晶體管，并且不能適當(dāng)?shù)睾谋M積分區(qū)域，從而使隨后的電荷的檢測變差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在使得能夠在沒有這些限制和缺陷的情況下進行。為此目的，提出一種讀出電路結(jié)構(gòu)，其形成在第一類型的半導(dǎo)體襯底上，并且旨在根據(jù)連續(xù)的電荷積分周期來測量從在襯底的外部的電荷源接收到的電荷，所述結(jié)構(gòu)包括：

·注入二極管，其在襯底中通過第一PN結(jié)形成，所述第一PN結(jié)包括襯底的第二類型的第一摻雜區(qū)域，所述第一摻雜區(qū)域用于從所述外部的電荷源接收電荷，并且所述注入二極管配置為用于將從外部的電荷源接收到的電荷注入到襯底中，

·收集二極管，其在襯底中由第二PN結(jié)形成，所述第二PN結(jié)包括隱埋在襯底中的第二類型的第二摻雜區(qū)域，并且所述收集二極管能夠在襯底中收集通過注入二極管而注入的電荷的至少一部分，并且能夠在積分周期期間積累這些電荷，

·電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)，其配置為用于恢復(fù)在所述收集二極管中積累的電荷，

·用于通過將所述電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電勢改變回至初始電勢而在每個積分周期結(jié)束時初始化電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的裝置。

該結(jié)構(gòu)有益地單獨或根據(jù)其技術(shù)上可能的任意組合而采用下述特征來完成：

-電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)包括浮動擴散節(jié)點，所述浮動擴散節(jié)點由襯底中的連接至輸出器件的第二類型的摻雜區(qū)域形成；

-用于初始化電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的裝置包括初始化晶體管，所述初始化晶體管的柵極與襯底電絕緣，位于所述擴散節(jié)點和參考電勢源之間，并且適合于被控制為用于將所述擴散節(jié)點的電勢改變至所述初始電勢；

-結(jié)構(gòu)包括MOS類型的轉(zhuǎn)移晶體管，所述轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移柵極位于所述隱埋二極管和所述浮動擴散節(jié)點之間，在襯底上方并且與襯底電絕緣，并且所述轉(zhuǎn)移柵極可以被控制為用于將在第二摻雜區(qū)域中收集的電荷轉(zhuǎn)移至浮動擴散節(jié)點；

-電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)包括

·存儲器，其由第二類型的摻雜區(qū)域形成，以及

·浮動擴散節(jié)點，其由連接至輸出器件的第二類型的摻雜區(qū)域形成，

所述存儲器在襯底中形成在隱埋二極管和浮動擴散節(jié)點之間；

-輸出器件連接在外部的電荷源和注入二極管之間，以便允許在注入二極管的端子上的電壓的讀出，并且因此獲得在外部的電荷源和注入二極管之間通過的電流的對數(shù)讀出；

-所述結(jié)構(gòu)包括約束區(qū)，所述約束區(qū)由形成在襯底中的第一類型的摻雜區(qū)域形成，所述約束區(qū)在襯底的深度中延伸為至少面對構(gòu)成注入二極管的第一摻雜區(qū)域；

約束區(qū)進一步向著襯底的表面延伸至注入二極管的外圍；

所述結(jié)構(gòu)包括形成在襯底中的第一類型的摻雜區(qū)域，所述第一類型的摻雜區(qū)域包圍初始化裝置的第二類型的摻雜區(qū)域，所述第二類型的摻雜區(qū)域連接至參考電勢源，并且所述第一類型的摻雜區(qū)域延伸至屬于電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的第二類型的摻雜區(qū)域；

整個電荷恢復(fù)組件包括多個第二類型的第二摻雜區(qū)域，所述多個第二摻雜區(qū)域隱埋在襯底中，并各自與所述襯底形成隱埋二極管，所述電荷恢復(fù)組件能夠在襯底中捕獲通過共用注入二極管注入的電荷的至少一部分，并且能夠在電荷積分周期期間積累這些電荷；

-注入二極管是利用彼此電性連接的多個第二類型的第一摻雜區(qū)域形成的。

-隱埋收集二極管的第二摻雜區(qū)域配置為在至電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)束時完全耗盡。

本發(fā)明涉及一種用于操作根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的讀出電路結(jié)構(gòu)的方法，其中

-在初始化所述電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)之后并且在將電荷從隱埋二極管轉(zhuǎn)移至所述電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)之前，進行電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)處的電壓的第一讀出，以及

-在將電荷從隱埋二極管轉(zhuǎn)移至所述電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)之后，進行電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)處的電壓的第二讀出，

圖像信號對應(yīng)于在第一讀出和第二讀出之間的差值。

本發(fā)明還涉及一種包括多個根據(jù)本發(fā)明的讀出電路結(jié)構(gòu)的陣列讀出電路。

本發(fā)明還涉及一種混合式傳感器，其包括第一襯底和第二襯底，其中在第一襯底上形成根據(jù)本發(fā)明的讀出電路，而在第二襯底上形成對電磁輻射敏感的元件的陣列，所述對電磁輻射敏感的元件的陣列形成外部的電荷源，例如光電二極管。讀出電路和敏感元件的陣列可以通過根據(jù)倒裝芯片技術(shù)的配置中的連接而連接。

附圖說明

借助于涉及參考附圖而以非限制性示例給出并解釋的根據(jù)本發(fā)明的實施方案和選擇形式的下述說明，本發(fā)明將得到更好的理解，其中：

圖1a和圖1b已在上文進行評論，其示出根據(jù)倒裝芯片技術(shù)的混合式傳感器的可能配置的示例；

圖2a、圖2b和圖2c已在上文進行評論，其示出了屬于現(xiàn)有技術(shù)的在CMOS技術(shù)中的光電二極管的讀出電路的示例；

圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的可能實施方案的讀出電路結(jié)構(gòu)；

圖4示意性地示出圖3的結(jié)構(gòu)的工作周期；

圖5至圖9示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的可能實施方案的讀出電路結(jié)構(gòu)；

在附圖中，對相似的元件指定相同的附圖標(biāo)記。

具體實施方式

下述說明在第一階段參考形成在P型半導(dǎo)體襯底上的讀出電路結(jié)構(gòu)而進行。然而，本發(fā)明并不限制于該實施方案，該實施方案僅具有說明的性質(zhì)。

參考圖3，讀出電路結(jié)構(gòu)形成在P型的半導(dǎo)體襯底1(P型襯底)上。襯底1具有形成讀出電路結(jié)構(gòu)的元件的不同摻雜區(qū)域。有源讀出電路結(jié)構(gòu)旨在測量從在襯底1的外部的電荷源2接收的電荷。該電荷源2為形成在第二襯底上的光電二極管，該第二襯底不同于其上形成讀出電路結(jié)構(gòu)的襯底1。尤其，該外部電荷源2可以在類似于圖1a和圖1b所示出的那些類型的混合式配置中那樣形成在第二襯底上。外部電荷源2還可以是不同于光電二極管的類型的電流源。

PN結(jié)形成在襯底1的第一摻雜區(qū)域4，以便從襯底1的外部的電荷源2接收電荷。襯底的第一摻雜區(qū)域4為N型摻雜的。電荷源2連接至注入PN結(jié)4，例如經(jīng)由通過焊接類型的連接而形成的混合式觸點3，類似于在圖1a和圖1b的示例中那樣。該PN結(jié)因此接收通過襯底1的外部的電荷源2產(chǎn)生的電流。

第一PN結(jié)正向偏置，從而能夠?qū)囊r底1的外部的電荷源2接收的電荷注入到襯底1中。第一PN結(jié)因此在襯底1中形成電荷注入二極管。圖3中的虛線的箭頭示出了通過注入二極管而將電荷注入到襯底1中。隨后，在二極管和與襯底形成PN結(jié)的摻雜區(qū)域之間將沒有區(qū)別。

對于P型襯底1和N型第一摻雜區(qū)域4而言，注入電荷為電子，而由此注入到襯底1中的自由電子的數(shù)量正比于注入時間和在光電二極管2和第一摻雜區(qū)域4之間流通的電流的乘積。

讀出電路的結(jié)構(gòu)包括第二PN結(jié)，所述第二PN結(jié)包括第二類型的第二摻雜區(qū)域6，第二摻雜區(qū)域6隱埋在襯底中并且與襯底形成隱埋收集二極管，所述隱埋收集二極管能夠收集襯底1中的通過注入二極管注入的電荷的至少一部分，并且能夠積累這些電荷用于電荷積分周期。

第二摻雜區(qū)域6和第一摻雜區(qū)域4之間的距離小于在使用的額定溫度下(例如20℃)電子在襯底1中的擴散長度，并且優(yōu)選為小于150μm。在第一摻雜區(qū)域4和第二摻雜區(qū)域6之間沒有晶體管：它們通過襯底1而隔開。電荷在第一摻雜區(qū)域4注入到襯底1中，并且擴散進入所述襯底1。電荷隨后由第二摻雜區(qū)域6收集。注入的電荷穿過襯底1的深度，從而由第二摻雜區(qū)域收集。

在該第二隱埋摻雜區(qū)域6周圍形成的PN結(jié)和耗盡區(qū)在第二隱埋摻雜區(qū)域6中的穿透深度取決于第二摻雜區(qū)域6的摻雜和偏壓。當(dāng)耗盡區(qū)侵入整個該第二摻雜區(qū)域6時，不再存在任何移動電荷，對于N型的第二摻雜區(qū)域6而言，即不存在自由電子。于是留存在該第二摻雜區(qū)域6中的僅有的電荷為固定電荷，對于第二N型而言為由摻雜原子所剩下的正電荷。

第二摻雜區(qū)域6隱埋在襯底1中，使得當(dāng)所述摻雜區(qū)域6沒有任何移動電荷時，在所述第二摻雜區(qū)域6和襯底1之間的結(jié)的空間電荷區(qū)(也稱作耗盡區(qū))不到達襯底1的表面。

就此而言，第一類型的摻雜表面區(qū)域5(在此情況下為P型)可以設(shè)置在隱埋收集二極管的摻雜區(qū)域6和襯底1的表面之間，以便防止耗盡區(qū)到達該表面。

Alex Krymski等人的文章“Estimates for Scaling of Pinned Photodiodes”，2005，IEEE Workshop on Charge–Coupled Devices and Advanced Image Sensors給出了就此而言的更多細節(jié)。

一旦沒有自由電荷，第二摻雜區(qū)域6的電勢不再變化，但是可以總是吸引移動電荷載流子，在此情況下，對于第二N型摻雜區(qū)域而言，吸引電子。因此，如果在該第二摻雜區(qū)域6附近產(chǎn)生或注入自由電荷的載流子，則所述自由電荷的載流子會被吸引并固定在其中。第二摻雜區(qū)域6還可以在沒有任何初始剩余電荷的情況下起到積分器的作用。在電荷轉(zhuǎn)移之后的初始狀態(tài)下，加至第二摻雜區(qū)域6的電勢達到最大，并且在通過注入二極管注入的電荷的收集過程中逐漸減小。

因此，構(gòu)成隱埋收集二極管的第二類型的第二摻雜區(qū)域6配置為(經(jīng)由其位置、尺寸和摻雜劑濃度)在至電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電荷轉(zhuǎn)移完成時完全耗盡。應(yīng)當(dāng)注意到，隱埋收集二極管的第二摻雜區(qū)域6的完全耗盡方面能夠抑制KTC噪聲。

讀出電路結(jié)構(gòu)還包括電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)，其配置為用于恢復(fù)積累在所述收集二極管中的電荷。

類似于圖3所示的示例，該恢復(fù)結(jié)構(gòu)可以包括浮動擴散節(jié)點7，所述浮動擴散節(jié)點7通過襯底1中的N型摻雜區(qū)域形成并且連接至輸出器件8，所述N型摻雜區(qū)域比與襯底1形成隱埋收集二極管的N型第二摻雜區(qū)域6具有更大的摻雜劑的濃度。

電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)還包括MOS類型的轉(zhuǎn)移晶體管，其中，轉(zhuǎn)移柵極9位于所述隱埋收集二極管和所述浮動擴散節(jié)點7之間。柵極9在襯底1上方并且與襯底1電絕緣，并且可以受到轉(zhuǎn)移信號TX控制，以用于將積累在隱埋二極管的第二摻雜區(qū)域6中的電荷轉(zhuǎn)移至電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)，在此即浮動擴散節(jié)點7。

由此，如圖5所示，電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)還可以包括通過第二類型(即N型)的摻雜區(qū)域15形成的存儲器，所述摻雜區(qū)域15在襯底1中形成在隱埋收集二極管和連接至輸出器件8的浮動擴散節(jié)點7之間。該摻雜區(qū)域15與第二摻雜區(qū)域6一樣是隱埋的，并且為此目的，第一類型(即P型)的摻雜表面區(qū)域?qū)⑺鰮诫s區(qū)域15與襯底1的表面絕緣。由信號T₁控制的晶體管柵極16可以控制從隱埋收集二極管到存儲器的電荷的轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移晶體管的柵極9用于控制從存儲器到浮動擴散節(jié)點7的電荷的轉(zhuǎn)移。應(yīng)當(dāng)注意到，存儲器比第二摻雜區(qū)域6具有更大的N型摻雜劑濃度，但是小于浮動擴散節(jié)點7的摻雜劑濃度，以便具有用于允許電荷的轉(zhuǎn)移的特定電勢梯度。數(shù)個存儲器可以類似地設(shè)置在隱埋收集二極管和連接至輸出器件8的浮動擴散節(jié)點7之間。

輸出器件8(來源于在電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電壓的讀出的輸出信號可以通過輸出器件8傳輸)可以包括放大器26和連接至放大器26的選擇開關(guān)27，可以選擇性地控制所述選擇開關(guān)27以便將放大器26的輸出連接至多路復(fù)用總線28。

讀出電路結(jié)構(gòu)還包括，用于在電荷轉(zhuǎn)移之前初始化電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的裝置，通過將所述電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電勢減小至大于第二摻雜區(qū)域6完全耗盡時的電勢(稱作“夾斷電壓”)的初始電勢，從而當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管的柵極9允許積累在隱埋二極管的第二摻雜區(qū)域6中的電荷的轉(zhuǎn)移。

如同圖3所示的示例，用于初始化電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的裝置可以包括初始化晶體管，其中柵極10位于浮動擴散節(jié)點7和參考電勢VDD源之間。柵極10與襯底電絕緣，并且可以被控制為用于使所述浮動擴散節(jié)點7的電勢變?yōu)樗龀跏茧妱荨?/p>

該結(jié)構(gòu)可以包括形成在襯底1中的第一類型的摻雜區(qū)域12(P阱)，所述摻雜區(qū)域12包圍用于初始化電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的裝置的第二類型的摻雜區(qū)域11。該第二類型的摻雜區(qū)域11連接至參考電勢VDD源，并且第一類型的所述區(qū)域12延伸至屬于電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的第二類型的摻雜區(qū)域7，一般為浮動擴散節(jié)點7。

圖4示出了如同在圖3中那樣，在第一類型為P型且第二類型為N型的情況下的讀出電路結(jié)構(gòu)的工作。在時刻t₀(其對應(yīng)于之前的積分周期的終點)，電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)(即浮動擴散節(jié)點7)借助于施加至初始化晶體管10的柵極的在高態(tài)的初始化信號RST而被初始化。初始化晶體管變?yōu)閷?dǎo)通的，并且浮動擴散節(jié)點7于是連接至參考電勢VDD源，從而將浮動擴散節(jié)點改變?yōu)槌跏茧妱?。該初始電勢具有足夠的電平，從而在電溝道將收集二極管連接至電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)時，能夠使通過隱埋收集二極管6收集的電荷進行全部轉(zhuǎn)移。

之后，在時刻t₁，施加至初始化晶體管10的柵極的初始化信號RST減小至低電平，從而初始化晶體管再次截止。

在時刻t₂，施加至轉(zhuǎn)移晶體管9的柵極的轉(zhuǎn)移信號TX改變至高電平，從而通過在轉(zhuǎn)移晶體管9的柵極下方的襯底建立電溝道，使積累在隱埋二極管的第二摻雜區(qū)域6中的電荷能夠轉(zhuǎn)移至由浮動擴散節(jié)點7形成的電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)。

在收集二極管的第二摻雜區(qū)域6中收集的電荷然后被完全轉(zhuǎn)移至浮動擴散節(jié)點7，從而第二摻雜區(qū)域6在該轉(zhuǎn)移結(jié)束時耗盡。如上所述，隱埋二極管的PN結(jié)的耗盡區(qū)完全覆蓋第二摻雜區(qū)域6。在第二摻雜區(qū)域6的電勢于是對應(yīng)于所謂的“夾斷電壓”電勢，其取決于摻雜劑的配置。

在時刻t₃，施加至轉(zhuǎn)移晶體管9的柵極的轉(zhuǎn)移信號TX改變至低電平，從而使轉(zhuǎn)移晶體管截止。然后可以開始新的周期，新的周期的時刻t₀’、t₁’、t₂’和t₃’分別對應(yīng)于時刻t₀、t₁、t₂和t₃。

經(jīng)由輸出器件8的信號的第一讀出形成在時刻t₁和t₂之間，而第二讀出在t₃之后進行。第一讀出給出關(guān)于重置電平(即在電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的初始化之后通過電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)得到的初始電勢電平)的信息。積分時間，即用于通過隱埋收集二極管6收集注入的電荷的時間，對應(yīng)于時刻t₃和t₃’之間的間隔。在第一讀出和第二讀出之間的電壓差給出所要的圖像信號。

應(yīng)當(dāng)注意到，在時刻t₀和t₁之間的間隔以及在時刻t₂至t₃之間的間隔非常短，為大約數(shù)納秒至最多數(shù)微妙，而積分時間大約為數(shù)毫秒。因此，由于第一讀出和第二讀出分別在電荷轉(zhuǎn)移之前和之后進行，而不像在前文所討論的現(xiàn)有技術(shù)的配置中那樣由積分時間相隔，所以確定電荷轉(zhuǎn)移操作允許相關(guān)雙采樣能夠在時間上彼此接近。因此與這些配置相比，減小了1/f噪聲的影響。

圖6顯示了類似于圖3中的讀出電路結(jié)構(gòu)的讀出電路結(jié)構(gòu)，然而其中存在通過形成在襯底1中的第一類型的摻雜區(qū)域形成的約束區(qū)13，所述約束區(qū)13在襯底1的深度中延伸至至少面對注入二極管的第一摻雜區(qū)域4。如所示出的，約束區(qū)13可以進一步向著襯底1的表面延伸至注入二極管的外圍。

該約束區(qū)13能將通過注入二極管注入的電荷約束在襯底1的區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)，這些電荷可以受到隱埋二極管的吸引。在圖4所示出的情形中，該約束區(qū)13對應(yīng)于深P阱，而該深P阱在注入二極管和隱埋二極管之間留下襯底1的自由區(qū)域。

圖7顯示了另一配置，其中，電荷恢復(fù)組件5包括多個第二類型的第二摻雜區(qū)域6，所述多個第二摻雜區(qū)域6隱埋在襯底1中，并各自與所述襯底形成隱埋二極管，所述電荷恢復(fù)組件能夠在襯底中捕獲通過共用注入二極管注入的電荷的至少一部分，并且能夠在電荷積分周期期間積累這些電荷。襯底1中的這些隱埋二極管6以相對于所述注入二極管的不同方向分布在注入二極管4周圍。

因而，由此使得通過注入二極管4注入的電荷可以在這些隱埋二極管6所設(shè)置在的方向上得到收集，從而損失更少，并且注入電荷的收集由此得到改善。

為了進一步改善在襯底1中電荷的注入和收集，注入二極管4可以形成有多個彼此電連接的第二類型的第一摻雜區(qū)域。優(yōu)選地，這些第一摻雜區(qū)域定位為鄰近于至少一個隱埋收集二極管6，即在小于在使用的額定溫度下(在例如20℃)的在襯底1中的電子的擴散長度的距離，優(yōu)選為小于150μm，或甚至100μm。

如在圖7所看到的，電荷恢復(fù)組件于是包括多個電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)(例如浮動擴散節(jié)點7)，多個電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)各自與隱埋二極管6相關(guān)聯(lián)，并且一起連接至用于輸送輸出信號的同一總線8。對于在電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)和隱埋二極管6之間的每個關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)移晶體管使得能夠控制從隱埋二極管到電荷恢復(fù)結(jié)構(gòu)的電荷的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移晶體管的柵極10受到相同的轉(zhuǎn)移信號TX的控制。

圖8顯示了讀出電路結(jié)構(gòu)的另一種可能性，其再次假定圖7的結(jié)構(gòu)，其中第一類型為N型而第二類型于是為P型。應(yīng)當(dāng)注意到，可以對參考圖3、圖5和圖6所討論的配置進行相同的修改。因此，襯底1在此為N型的，與襯底形成注入二極管的第一摻雜區(qū)域4為P型的，與襯底形成隱埋二極管的第二摻雜區(qū)域6為P型的，恢復(fù)結(jié)構(gòu)具有形成浮動擴散節(jié)點7的P型摻雜區(qū)域，而約束區(qū)13為N型的。

在這種情況下，通過襯底1的外部的光電二極管2注入的電荷載流子是空穴，其隨后由隱埋二極管收集，并隨后通過恢復(fù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)。

在該圖7中，指示了額外的特征，例如，第二輸出器件19連接在外部電荷源2和注入二極管4之間的用于電荷的注入的支路上。該第二輸出器件19包括放大器26a，所述放大器26a通過選擇開關(guān)27a而連接至多路復(fù)用總線28a，該多路復(fù)用總線28a可以不同于輸出器件8連接至的多路復(fù)用總線或者與輸出器件8連接至的多路復(fù)用總線一致。放大器26a的輸入阻抗非常大，理想地為無限大，等價于MOS晶體管柵極的輸入阻抗。

該第二輸出器件19使得能夠讀出在注入二極管的端子上的電壓，并且因此能夠經(jīng)由電壓和從外部電荷源2傳至注入二極管的電流之間的指數(shù)關(guān)系，而獲得由外部電荷源2產(chǎn)生并注入到襯底1中的電流的對數(shù)讀出。于是能夠獲得雙讀出模式：線性的和對數(shù)的，由于后者可以同時響應(yīng)于弱的和強的曝光，因此其改善了讀出電路結(jié)構(gòu)的動態(tài)范圍。

然而，在CMOS工廠中，P型晶片更加主流。為了能夠根據(jù)其中第一類型為N型而第二類型為P型的配置來制造像素讀出電路，可以在N型輕摻雜的阱(“LDN阱”，其代表“輕摻雜N型阱”)中實現(xiàn)該讀出電路結(jié)構(gòu)。

圖9顯示了這種示例，其中輕摻雜N型阱14形成在P型襯底1中，其中形成前述的全部摻雜區(qū)域。

本發(fā)明并不限于在附圖中所描述和示出的實施方案。然而，在不脫離本發(fā)明的保護范圍的情況下，修改仍然是可能的，尤其是從不同的元件的結(jié)構(gòu)的角度來說或者通過替換技術(shù)等價物。