專利名稱：具有電子快門的影像感應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具電子快門的影像感應器。
現(xiàn)今影像感應器方面，有充電耦合單元(CCD)(CHARGE COUPLE DRIVE)以及由MOS影像感應陣列(IMAGE SENSOR ARRAY)等不同的型式，該充電耦合單元(CCD)將各像素感光所形成的電荷送入至充電耦合單元(CCD)進行儲存，然后再依序由CCD的輸出端以串行方式送出，而在上述將各像素感應的電荷在同一瞬間送入至CCD內(nèi)，即形成一種如同「電子快門」的動作，以在正確時間點取得正確的信號。而對于MOS影像感應陣列的結構，主要是省略掉CCD的結構，以下即以形成如

圖11的僅4x3像素的影像感應器為例說明，其實際構造上，大致為一類似于動態(tài)存儲器有整齊排列的像素90，各像素90以感光二極管91以及控制晶體管92組成，通過一垂直掃描電路96以及一水平掃描電路95形成多數(shù)字元線93(WORD LINE)以及多數(shù)位元線94T(BIT LINE)，此電路的動作方式上，即過垂直與水平掃描電路96、95依序?qū)Ω鱾€感光二極管91進行掃描，將各感光二極管91因受光而形成的感應電荷經(jīng)控制晶體管92饋送至相應的位元線94處，以使輸出端98可依序送出各像素受光所得的電荷信號，然后通過外部電路轉(zhuǎn)換為影像信號。
此MOS影像感應陣列雖然有著便于制造、低耗電及成本較為低廉的優(yōu)點，但缺乏CCD的電子快門的作用，亦即在像素90的控制晶體管92僅令感光二極管91的電荷傳送至位元線94上而已，并非作為儲存電荷之用，而在控制晶體管92導通的期間，除了將感光二極管91的電荷送出外，其他的像素則不斷地感應外界光線變化，所以為了取得正確的影像，必須使每個像素依序感光并依序讀出電荷，使得每個像素感光的時間長度相同，因此僅適用于靜態(tài)或是影像變化緩慢的場合(如監(jiān)視攝影機…等)，對于影像快速變化的場合，則無從達成，而此項缺陷即無法提供快門使現(xiàn)今MOS影像感應陣列無法取代CCD的原因之一。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種使MOS影像感應器兼具快門效果，以擴大此類影像感應器的運用層面的具電子快門的影像感應器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種具電子快門的影像感應器，其特征在于它包括一上層板，僅需導電材料構成；一下層板，可由硅材料構成具有吸引光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾傻淖饔?；一重置開關，為串接在下層板與一基準電壓之間；一取樣/保持開關，為串接于上層板而形成輸出信號，通過兩開關呈特定時序啟閉動作，可在下層板呈浮接狀態(tài)進行感光及累積電荷，并于下層板連接基準電壓之際，使電荷轉(zhuǎn)換至上層板處，而再由上層板送出感應的電荷，而在該電荷轉(zhuǎn)換期間構成如同電子快門的作用。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上層板可由透明材料構成。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上層板可由復晶硅構成。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上、下層板可由一MOS晶體管的柵極以及硅基底取代。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的MOS晶體管可將其源/漏極并聯(lián)連接形成下層板的電極接點。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的MOS晶體管可將其源/漏極以及與其基底并聯(lián)連接形成下層板的電極接點。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一實際電容器串接一感光二極管構成。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一MOS晶體管串接一感光二極管構成。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一二極管與一感光二極管構成。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該輸出信號更可通過一放大晶體管與位元線連接，構成主動影像感應器。
所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于更可在輸出信號上串接一相同于感光儲存單元的寄生或等效二極管相同面積及相同端電壓的補償二極管，以正確地讀出感應電荷。
由于采用了上述的技術解決方案，本發(fā)明改變MOS影像感應器各像素的基本構造而形成一感光儲存單元，巧妙地于此單元的兩端連接控制開關，通過控制開關的時序控制，即形成電荷感應及儲存的作用，亦即形成如同電子快門的作用般，以解決MOS影像感應器無法適用于影像快速變化場合的限制。
以下結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結構特征及目的。
附圖簡要說明圖1A是本發(fā)明具電子快門的影像感應器的示意圖。
圖1B是圖1A的控制信號時序圖。
圖2是本發(fā)明的第一實施例。
圖3是本發(fā)明的第二實施例。
圖4是本發(fā)明的第三實施例。
圖5是本發(fā)明的第四實施例。
圖6是本發(fā)明的第五實施例。
圖7是本發(fā)明的第六實施例。
圖8是本發(fā)明的第七實施例。
圖9A是本發(fā)明的第八實施例圖。
圖9B是圖9A的控制信號時序圖。
圖10A是本發(fā)明的第九實施例圖。
圖10B是本發(fā)明的第十實施例圖。
圖11是現(xiàn)有MOS影像感應陣列的結構示意圖。
如圖1A所示，本發(fā)明的MOS影像感應陣列的各像素內(nèi)部是使用一感光儲存單元10以及兩開關(RST)、(SH)構成，其中，該感光儲存單元10是由一上層電極板11以及一下層硅材料12以一適當間隔距離配置而成，由外界光線可進入至下層硅材料12處而使其感光與形成電荷(e-)，該下層硅材料12是串接一重置開關RST而與一基準電壓(V1)連接，該上層電極板11是串接一取樣/保持開關SH而與MOS影像感應陣列的各字元線(BL)連接，以形成信號輸出路徑，而巧妙地令前述兩開關呈不同時序地接通或斷開，即可依序?qū)ο袼剡M行重置、感光、電荷轉(zhuǎn)換(儲存)與輸出電荷的動作。
可配合如圖1B的兩開關的動作時序示意圖所示，在t1時間，使兩開關(RST)、(SH)均呈接通(高電平)時，在位元線BL送入一V2電壓，故而使此感光儲存單元10的兩端放電至V2與V1的電壓值，以形成對感光儲存單元10進行重置(RESET)的動作，在上述對感光儲存單元10放電完成后，則在t2期間，僅令重置開關RST斷開，此時，由于下層硅材料12是呈浮接(f1oating)狀態(tài)，故可接收外界光線且在內(nèi)部吸引住受光產(chǎn)生的光電子(e-)，并同時在上層電極板11感應生成與下層硅材料12光電子相關的正電荷(此階段稱的為感光階段(frame integration))，在t3期間，令重置開關RST恢復接通，使下層硅材料12連接至V1基準電壓，并同時令取樣/保持開關SH轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)(令上層電極板11呈浮接狀態(tài))，此時，則可令感應的正電荷儲存于上層電極板11處(此時即稱之為電荷轉(zhuǎn)換(儲存)階段)，在最后的t4時段，令取樣/保持開關SH恢復呈接通狀態(tài)，而使上層電極板11的正電荷讀出至位元線BL上(即讀出電荷階段)。
而在上述電荷轉(zhuǎn)換(儲存)的期間(t3時段)，除了可將下層硅材料12所累積的光電子，通過電容耦合使上層電極板11儲存相關的正電荷外，亦由于此時已將下層硅材料12予以連接至V1電壓(非浮接狀態(tài))，縱使外界光線送入產(chǎn)生光電子，即直接由參考電壓源V1處吸收掉，故使得該下層硅材料12呈不累積感光電子的截止狀態(tài)，即可防止過度感光，至于感光時間的長度則由第二B圖中Δt的大小來決定，此舉，即相對于此感光儲存單元，有著如同電子快門的作用，其僅在前述Δt期間感光，而在其他時段均呈截止不累積感光電荷的狀態(tài)，在此時亦由于感光電荷已轉(zhuǎn)換儲存于上層電極板11處，故不致造成電荷消失的困擾，故而上述簡單的構造，即提供MOS影像感應器各像素具有如同CCD元件般的快門效果，而使其可解決MOS影像感應器無法擷取快速移動影像的缺陷。
而依照上述本發(fā)明的影像感應器的架構，其感光儲存單元10的上層電極板11可由復晶硅柵極構成，而下層硅材料12則可由MOS晶體管的硅基底達成，故而實際運用上，可使用如圖2所示，以MOS晶體管20取代，而將MOS晶體管20的源/漏極(S)、(D)短路做為其電極接點或是使用如圖3的第二實施例所示，令電極接點更連接至MOS晶體管的基底亦可達成，此外，亦可如圖四、五、六所示，以一實際的電容器30或以一MOS晶體管20甚至以一實際的二極管50形成前述的轉(zhuǎn)換儲存功能，然后再串接一感光二極管40形成感光的功能，亦可構成此感光儲存單元，而圖八、九是表示將感光二極管40反向連接的變化實施例，效果均相同并無差異。
而在圖1A的基本架構下，亦可增加如圖9A中的放大晶體管60，使其成為主動影像感應器，再經(jīng)由位元線BL讀出電壓或電流信號(動作時序如圖9B所示)。
另外，考慮圖1A或圖9A的感光儲存單元10的非線性效應，如同此感光儲存單元的下方串接一等效二極管，可以圖10A的虛線所示的等效二極管(D1)來模擬的情況下，此等效二極管(D1)即如同一可隨電壓而改變的可變電容(Cd1)，可能造成信號讀出誤差，針對此問題，則可通過如圖10A的外部電路予以校正，位在圖10A右側(cè)部位即為錯誤校正電路，而位在中段位置的運算放大器81以及開關(φ1)僅為一信號讀出回路，可配合參看圖10B的控制信號時序圖所示，開關(φ1)除了在t4(讀出電荷)期間為開路，其余時段均呈短路，以令感光儲存單元10上端均處于V2電壓狀態(tài)，而僅在欲讀出電荷時，經(jīng)切換為開路狀態(tài)，以使感光儲存單元10上的電荷(QCm)轉(zhuǎn)移至電容(C1)上，以形成輸出電壓(Vy)，該位在圖面右側(cè)的以虛線框區(qū)域中的補償二極管Dec即做為錯誤校正之用，與位在圖面最右側(cè)的運算放大器82、開關(φ2)以及電容(C3)形成一完整的錯誤校正電路。
以下即說明如何達到修正錯誤的原理，首先是必須令Cm=C1=C2，且將該補償二極管Dec設計為相同于等效二極管(D1)的截面積大小，亦即令補償二極管Dec形成的等效電容(Cdec)相同于等效二極管(D1)的等效電容(Cd1)，當此兩二極管(D1)、(Dec)的端電壓亦設為相同的情況下，即可抵消該等效二極管(D1)所產(chǎn)生的信號誤差，而達到確實反應出實際的感應信號。
假設當圖10A中所有運算放大器81、82及所有開關(SH、φ瞠、φ莙)均在理想(IDEAL)狀態(tài)下，當t1期間，重置開關RST為接通V1電壓之際，則Vn1=V1，而在t2(圖像感光)期間，由于重置開關RST開路而使n1點呈浮接的狀態(tài)下，經(jīng)由感光儲存單元的作用，而使Vn1=Vx，故在該n1點的的感光電荷量Qn1=(Vx-V1)、(Cd1+Cm)………(1)于t3(電荷轉(zhuǎn)換)期間，于感光儲存單元10的儲存電容(Cm)處儲存的電荷QCm為QCm=Qn1(Cm/(Cd1+Cm))…(2)因C1=Cm，故Vy=(Qn1/(Cd1+Cm))+V2在上式中，由于等效二極管(D1)的等效電容(Cd1)會隨著PN結的偏壓而改變，亦即隨著Vn1的電壓而變化的現(xiàn)象，故導致輸出電壓(Vy)的變化量與入射光所產(chǎn)生的感應電荷Qn瞠成非線性關系，因此，將前述補償二極管Dec設計為相同于等效二極管(D1)的等效電容大小(透過面積設為相等)，且令此補償二極管Dec的端電壓(即V3-V2)亦設為相同于等效二極管(D1)的端電壓(V1-VSS)，即令Cd1=CDec，故而在t4的讀出電荷期間，該C2及CDec處的電荷為(Vy-V萚)、(C2+CDec)=(Qn1/(Cd1+Cm))、(C2+CDec)=Qn1，而在此時最終校正輸出電壓Vz=(Qn1/C3)+V3，由于C3及V3為常數(shù)，故使得輸出電壓Vz的變化量與入射光成線性關系，因此，即可達到校正因等效二極管(D1)所衍生的錯誤問題。
權利要求
1．一種具電子快門的影像感應器，其特征在于，它包括一上層板，僅需導電材料構成；一下層板，可由硅材料構成具有吸引光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾傻淖饔茫灰恢刂瞄_關，為串接在下層板與一基準電壓之間；一取樣/保持開關，為串接于上層板而形成輸出信號，通過兩開關呈特定時序啟閉動作，可在下層板呈浮接狀態(tài)進行感光及累積電荷，并于下層板連接基準電壓之際，令電荷轉(zhuǎn)換至上層板處，而再由上層板送出感應的電荷，而在該電荷轉(zhuǎn)換期間構成如同電子快門的作用。
2．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上層板可由透明材料構成。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上層板可由復晶硅構成。
4．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的上、下層板可由一MOS晶體管的柵極以及硅基底取代。
5．根據(jù)權利要求4所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的MOS晶體管可將其源/漏極并聯(lián)連接形成下層板的電極接點。
6．根據(jù)權利要求4所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于其感光儲存單元的MOS晶體管可將其源/漏極以及與其基底并聯(lián)連接形成下層板的電極接點。
7．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一實際電容器串接一感光二極管構成。
8．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一MOS晶體管串接一感光二極管構成。
9．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該感光儲存單元可由一二極管與一感光二極管構成。
10．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于該輸出信號更可通過一放大晶體管與位元線連接，構成主動影像感應器。
11．根據(jù)權利要求1所述的具電子快門的影像感應器，其特征在于更可在輸出信號上串接一相同于感光儲存單元的寄生或等效二極管相同面積及相同端電壓的補償二極管，以正確地讀出感應電荷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具電子快門的影像感應器,可經(jīng)由一上層電極板以及一下層硅材料形成一感光電容,在上層電極板處經(jīng)一取樣/保持開關形成輸出點,而硅材料處串接一重置開關而與一基準電壓連接,通過該兩開關時序關系的變化,依序?qū)Υ擞跋窀袘獑卧M行一連串的重置、感光、電荷轉(zhuǎn)換(儲存)以及讀出等動作,而在電荷轉(zhuǎn)換步驟中,更將硅材料所感光產(chǎn)生的電荷通過電容感應至上層電極板處,再由上層電極板位置讀出電荷,以形成具電子快門的效果。
文檔編號H04N5/225GK1217620SQ9712228
公開日1999年5月26日 申請日期1997年11月13日 優(yōu)先權日1997年11月13日
發(fā)明者秦旭沅 申請人:點晶科技股份有限公司