CN101556962B - 包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器和操作该图像传感器的方法。所述图像传感器包括：光电转换装置；感应晶体管，具有连接到浮置扩散区的第一栅极以及与第一栅极分开的第二栅极，其中，在浮置扩散区中存储从光电转换装置产生的电荷；重置晶体管，连接到浮置扩散区并重置浮置扩散区的电势；控制电压源，将控制电压提供到第二栅极；列输出线，连接到感应晶体管的源极。

Description

包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及操作方法
技术领域
本发明涉及一种包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及其操作方法，更具体地讲，涉及一种包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及其操作方法，其中，当由于入射到像素的强光导致感应晶体管没有导通时，通过将电压施加到另一栅极来导通感应晶体管，从而图像传感器测量入射到像素的光强度。
背景技术
图像传感器是将检测到的光转换为电信号的光电转换装置。传统的图像传感器包括按阵列布置在半导体基底上的多个单位像素。每个单位像素包括光电二极管和多个晶体管。光电二极管响应检测到的外部光产生光电荷，晶体管根据产生的光电荷的量来输出电信号。
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器包括可以控制并处理光信号的控制装置，使用CMOS制造技术来制造所述控制装置。CMOS图像传感器的制造工艺简单，信号处理装置可以与光电二极管一起制造成单个芯片。
已经开展了增加CMOS图像传感器的动态范围的研究。具体地讲，在图像传感器中，当光入射到图像传感器时，连接到感应晶体管的栅极的浮置扩散区的电势降低，并且栅极电压降低得低于阈值电压，因此没有检测到感应电压，并且因此，不能获得光强度。为了测量这种低于阈值电压的感应晶体管的光强度，可以使用对数电路。然而，在这种情况下，晶体管的数量增加，并且对数电路的线性低。因此，难以正确地测量强光的光强度。
因此，需要开发一种具有宽的动态范围的CMOS图像传感器以测量强光的光强度。
发明内容
为了解决上面和/或其它的问题，本发明提供了一种包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器。
本发明还提供了一种操作包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：光电转换装置；感应晶体管，具有连接到浮置扩散区的第一栅极以及与第一栅极分开的第二栅极，其中，在浮置扩散区中存储从光电转换装置产生的电荷；重置晶体管，连接到浮置扩散区并重置浮置扩散区的电势；控制电压源，将控制电压提供到第二栅极；列输出线，连接到感应晶体管的源极。
图像传感器还可以包括列选择晶体管，所述行选择晶体管包括连接到感应晶体管的源极的漏极和连接到列输出线的源极，并在像素阵列中选择包括感应晶体管的行。图像传感器还可以包括传输晶体管，所述传输晶体管形成在浮置扩散区和光电转换装置之间，将从光电转换装置产生的电荷传输到浮置扩散区。
感应晶体管的漏极可以连接到外部输入电压。
第一栅极和第二栅极可以在晶体管沟道上分隔开。
第一栅极的一部分可以与第二栅极的一部分结合，并且在第一栅极和第二栅极之间***介电层。
第一栅极和第二栅极可以设置在晶体管沟道的两侧上以彼此面对，或可以垂直设置。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：重置浮置扩散区的电势；将光照射到光电转换装置上；当在逐渐增加施加到第二栅极的电压的同时感应晶体管导通时，确定提供到第二栅极的第一栅极电压；计算第一电压；通过第一栅极电压计算照射到光电转换装置上的光的强度。
计算第一栅极电压的步骤可以包括通过参照预先准备的查找表来得到根据第一电压的第一栅极电压。
确定第一电压的步骤可以包括当从列输出线测量的列电流大于参考电流时确定感应晶体管导通。
根据本发明的又一方面，提供了包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：重置浮置扩散区的电势；将光照射到光电转换装置上；将第二电压施加到第二栅极；确定感应晶体管是否导通；当在感应晶体管没有导通的情况下，通过逐渐增加施加到第二栅极的电压而导通感应晶体管时，测量提供到第二栅极的第三电压；计算第一栅极电压；通过第一栅极电压的值来计算照射到光电转换装置上的光的强度。
确定感应晶体管是否导通的步骤可以包括确定从列输出线测量的输出电流是否大于参考电流，如果输出电流大于参考电流，则使用输出电流计算第一栅极电压。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的上面和其它特征和优点将变得更明显，附图中：
图1是根据本发明实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的示意性剖视图；
图2是图1的图像传感器的等效电路图；
图3是示出传统的感应晶体管的V-I曲线的曲线图；
图4是示出根据第二栅极电压从列输出线输出的电流的曲线图；
图5是示出根据本发明实施例的图像传感器的感应晶体管的导通电压的测量结果的曲线图；
图6是示出第一栅极电压和第二栅极电压之间关系的曲线图；
图7是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的等效电路图；
图8是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的示意性剖视图；
图9是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的示意性剖视图；
图10是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器的示意性剖视图。
具体实施方式
现在，将参照其中示出了本发明的示例性实施例的附图来更充分地描述根据本发明实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及其操作方法。
图1是根据本发明的实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器100的示意性剖视图。
参照图1，图像传感器100包括作为光电转换装置的光电二极管PD、重置晶体管Rx和感应晶体管110。
感应晶体管110包括源极112和漏极113，源极112和漏极113在p型半导体基底111上彼此分开并掺杂有n型掺杂物。晶体管沟道114可以形成在源极112和漏极113之间。介电层(未示出)形成在晶体管沟道114上，彼此分隔开的第一栅极115和第二栅极116形成在介电层上。浮置扩散区FD连接到第一栅极115，控制电压源120连接到第二栅极116。外部电压Vdd连接到漏极113，列输出线130(未示出，将在后面描述)连接到源极112。
图2是图1的图像传感器100的等效电路图。相同的标号用于表示与图1的元件基本相同的元件，并且不会重复对它们的描述。
参照图1和图2，图像传感器100还可以包括行选择晶体管Sx。行选择晶体管Sx的漏极连接到感应晶体管110的源极112，行选择晶体管Sx的源极连接到列输出线130。
现在，将参照图1和图2来描述图像传感器100的操作原理。
首先，通过导通重置晶体管Rx将浮置扩散区FD的电势重置为外部电压Vdd。
当光照射到光电二极管PD上时，在光电二极管PD中形成电子-空穴对，并且电子-空穴对中的电子移动到浮置扩散区FD。当积聚在浮置扩散区FD中的电荷的量增加时，连接到浮置扩散区FD的第一栅极115的电压降低。
因此，如果入射到光电二极管PD的光强，则第一栅极电压会被降低得低于感应晶体管110的阈值电压，因此，感应晶体管110不会导通。因此，即使行选择晶体管Sx导通，也不能从列输出线130检测到电流Icol，因此，不能测量光的强度。
图3示出了传统的感应晶体管的Vg-Id曲线。
参照图3，在栅极电压Vg低于阈值电压Vth的阶段I中，没有测量到漏电流Id。此外，在栅极电压Vg增加得大于饱和电压Vsat的阶段III中，因为几乎没有光入射在光电二极管PD上，所以虽然栅极电压Vg接近外部电压Vdd，但是漏电流Id的变化也非常小。
在阶段II中，栅极电压Vg与漏电流Id具有线性关系。在本实施例中，如果将感应晶体管110的阈值电压施加到第二栅极116，则第一栅极115的根据电压的漏电流Id的特性遵循图3的曲线图。
如图3中所示，如果第一栅极电压Vg处于阶段II，则可以通过测量的漏电流Id来确定光的强度。然而，在第一栅极电压Vg低于阈值电压Vth的第阶段I中，不能正确测量漏电流Id，因此，不会正确地确定光的强度。
图4是示出根据第二栅极电压V2的电压的从列输出线130输出的电流Icol的变化的曲线图。
参照图4，在第一栅极电压固定的状态下，如果没有将电压施加到第二栅极116，则感应晶体管110不会导通，因此，没有从列输出线130检测到电流Icol。
当第二栅极电压V2逐渐增加时，没有从列输出线130检测到电流Icol直到感应晶体管110导通，并且第二栅极电压V2达到第一电压V2_th，然后感应晶体管110导通，电流Icol的检测开始，并且电流Icol随第二电压V2连续地增加。随着第一栅极电压降低，第一电压V2_th变大。通过第一电压V2_th和第一栅极电压之间的关系可以确定第一栅极电压，因此，可以测量图3的阶段I中的光强度。因此，可以增加具有感应晶体管110的图像传感器100的动态范围。
图5是示出根据本发明实施例的图像传感器100的感应晶体管110的导通电压的测量结果的曲线图。
参照图5，在感应晶体管110中，第一栅极115和第二栅极116分别具有22nm的宽度并且在第一栅极115和第二栅极116之间的宽度为10nm，在这样的感应晶体管110中，第一栅极电压固定为0.075V。当施加到第二栅极116的控制电压V2增加时，感应晶体管110在大约0.2V的控制电压处导通。图5示出了当将控制电压V2施加到第二栅极116同时第一栅极电压固定时的具有两个栅极的感应晶体管110的导通电压。
图6示出了第一栅极电压和第二栅极电压之间的关系。
参照图6，分别示出了第一感应晶体管的特性曲线G1和第二感应晶体管的特性曲线G2，其中，第一感应晶体管中的第一栅极115和第二栅极116分别具有40nm的宽度，并且第一栅极115和第二栅极116之间的宽度为10nm，第二感应晶体管中的第一栅极115和第二栅极116分别具有22nm的宽度，并且第一栅极115和第二栅极116之间的宽度为10nm。
在特性曲线G1中，第一感应晶体管的阈值电压Vth1与第一栅极电压V1和第二导通电压V2相同，为大约0.29V。
在特性曲线G2中，第二感应晶体管的阈值电压Vth2与第一栅极电压V1和第二导通电压V2相同，为大约0.12V。
在第一感应晶体管和第二感应晶体管中，可以看出当第一栅极115的电压降低时，第二栅极116的导通电压增加。因此，在未知的第一栅极电压处，如果感应晶体管110导通，则知道第二栅极116的导通电压，并且可以通过参照图6的特性曲线来确定第一栅极电压。
可以根据诸如感应晶体管110的尺寸的物理特性来改变图6的曲线图，因此，预先准备感应晶体管110的特性曲线图。图6的曲线图可以被用作查找表。
现在，将参照附图来详细描述根据本发明实施例的图像传感器100的操作方法。
首先，通过导通重置晶体管Rx将浮置扩散区FD的电势重置为外部电压Vdd。
当光照射到光电二极管PD上时，在光电二极管PD中形成电子-空穴对，电子-空穴对中的电子移动到浮置扩散区FD并存储在浮置扩散区FD中。连接到浮置扩散区FD的第一栅极115的电压根据积聚在浮置扩散区FD中的电荷的量而降低。
然后，通过导通行选择晶体管Sx来选择像素阵列的一行。
在逐渐增加从控制电压源120施加到第二栅极116的控制电压的同时，从列输出线130测量列电流Icol。如果列电流Icol大于预定的参考电流，则感应晶体管110被认为导通，并确定施加到第二栅极116的第二电压。参考电流为考虑到列电流Icol处的噪声的最小电流。
然后，参照预先准备的感应晶体管110的特性曲线(参照图6)或查找表通过第二电压来确定第一栅极电压。可以通过第一栅极电压来计算照射到光电二极管PD上的光的强度。
现在将参照附图来描述根据另一实施例的操作图像传感器100的方法。
首先，通过导通重置晶体管Rx将浮置扩散区FD的电势重置为外部电压Vdd。
当光照射到光电二极管PD上时，在光电二极管PD中形成电子-空穴对，电子-空穴对中的电子移动到浮置扩散区FD并存储在浮置扩散区FD中。连接到浮置扩散区FD的第一栅极115的电压根据积聚在浮置扩散区FD中的电荷的量而降低。
从控制电压源120将例如感应晶体管110的阈值电压的预定的电压施加到第二栅极116。通过导通行选择晶体管Sx来选择像素阵列的一行。
然后，确定感应晶体管110是否导通。
如果感应晶体管110没有导通，则不能从列输出线测量输出电压。在逐渐增加从控制电压源120施加到第二栅极116的控制电压的同时，感应晶体管110导通。如果感应晶体管110导通，则确定此时施加到第二栅极116的控制电压。
然后，通过预先准备的查找表来得到根据控制电压的第一栅极电压。通过第一栅极电压来测量照射到光电二极管PD上的光的强度。
当从列输出线130测量的输出电压大于预定的电压时，感应晶体管110被确定为导通。
在确定感应晶体管110为导通的过程中，如果感应晶体管110被确定为导通，则从列输出线130测量列电流Icol。可以通过列电流Icol来计算第一栅极电压。
在上面的实施例中，图像传感器100具有三个晶体管，然而，本发明不限于此。例如，可以将上面描述的操作方法通过采用具有两个栅极的感应晶体管110来应用于具有两个晶体管而不具有行选择晶体管Sx的图像传感器。
图7是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管110的图像传感器200的等效电路图。相同的标号用于表示与图2的元件基本相同的元件，并且不会重复对它们的描述。
参照图7，与图2的图像传感器100相比，图像传感器200还包括光电二极管PD和浮置扩散区FD之间的传输晶体管Tx，因此，图像传感器200一共包括四个晶体管。
当传输晶体管Tx导通时，在光电二极管PD中产生的电荷被传输到浮置扩散区FD。图像传感器200的其它元件的操作与图2的图像传感器100的操作基本相同，因此，不会重复对它们的详细描述。
图8是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管310的图像传感器300的示意性剖视图。相同的标号用于表示与图1的元件基本相同的元件，并且不会重复对它们的描述。
参照图8，当图像传感器300与图1的图像传感器100相比时，两个栅极315和316的一部分彼此结合(couple)。第二栅极316的一部分通过在第一栅极315上方延伸从而与第一栅极315的一部分重叠。当将控制电压施加到第二栅极316时，具有结合的栅极315和316的感应晶体管310可以在低于图1的感应晶体管110的控制电压处导通。图像传感器300的其它元件的操作与图1的图像传感器100的操作基本相同，因此，不会重复对它们的详细描述。
图9是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器400的示意性剖视图。相同的标号用于表示与图1的元件基本相同的元件，并且不会重复对它们的描述。
参照图9，与图1的图像传感器100不同，图像传感器400包括安装在晶体管沟道114上的栅极415和安装在晶体管沟道114下的栅极416。绝缘层440形成在第二栅极416和p型半导体基底111之间。图像传感器400的操作与图1的图像传感器100的操作基本相同，因此，不会重复对它们的详细描述。
图10是根据本发明另一实施例的包括具有两个栅极的感应晶体管510的图像传感器500的示意性剖视图。相同的标号用于表示与图1的元件基本相同的元件，并且不会重复对它们的描述。
参照图10，与图1的图像传感器100不同，图像传感器500包括分别垂直安装在晶体管沟道514两侧的两个栅极515和516。源极512、漏极513和晶体管沟道514垂直形成在基底(未示出)上。
此外，图像传感器500的操作与图1的图像传感器100的操作基本相同，因此，不会重复对它们的描述。
由于即使入射到像素的光强，根据本发明的图像传感器也可以显示宽的动态范围，所以图像传感器可以实现正确的图像。
在根据本发明的操作图像传感器的方法中，可以利用图像传感器来有效地实现宽的动态范围。
虽然已经参照本发明的示例性实施例来具体示出和描述的本发明，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的如权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以在其中做出各种形式和细节上的改变。

Claims (17)

1.一种图像传感器，包括：
光电转换装置；
感应晶体管，具有连接到浮置扩散区的第一栅极以及与第一栅极分开的第二栅极，其中，在浮置扩散区中存储从光电转换装置产生的电荷；
重置晶体管，连接到浮置扩散区并重置浮置扩散区的电势；
控制电压源，将控制电压提供到第二栅极；
列输出线，连接到感应晶体管的源极；
行选择晶体管，所述行选择晶体管包括连接到感应晶体管的源极的漏极和连接到列输出线的源极，并在像素阵列中选择包括感应晶体管的行。
2.如权利要求1所述的图像传感器，还包括传输晶体管，所述传输晶体管形成在浮置扩散区和光电转换装置之间，将从光电转换装置产生的电荷传输到浮置扩散区。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，感应晶体管的漏极连接到外部输入电压。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第一栅极和第二栅极在晶体管沟道上分隔开。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中，第一栅极的一部分与第二栅极的一部分结合，并且在第一栅极和第二栅极之间***介电层。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第一栅极和第二栅极设置在晶体管沟道的两侧上以彼此面对。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其中，第一栅极和第二栅极垂直设置。
8.一种操作如权利要求1所述的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：
重置浮置扩散区的电势；
将光照射到光电转换装置上；
当在逐渐增加施加到第二栅极的电压的同时感应晶体管导通时，确定提供到第二栅极的第一电压；
计算第一栅极电压；
通过第一栅极电压计算照射到光电转换装置上的光的强度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，计算第一栅极电压的步骤包括通过参照预先准备的查找表来得到根据第一电压的第一栅极电压。
10.如权利要求8所述的方法，其中，确定第一电压的步骤包括当从列输出线测量的列电流大于参考电流时确定感应晶体管导通。
11.如权利要求8所述的方法，其中，第一栅极和第二栅极在晶体管沟道上分隔开。
12.如权利要求8所述的方法，其中，第一栅极的一部分与第二栅极的一部分结合，并且在第一栅极和第二栅极之间***介电层。
13.如权利要求8所述方法，其中，第一栅极和第二栅极设置在晶体管沟道的两侧上以彼此面对。
14.如权利要求13所述的方法，其中，第一栅极和第二栅极垂直设置。
15.一种操作如权利要求1所述的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：
重置浮置扩散区的电势；
将光照射到光电转换装置上；
将第二电压施加到第二栅极；
确定感应晶体管是否导通；
当在感应晶体管没有导通的情况下，通过逐渐增加施加到第二栅极的电压而导通感应晶体管时，测量提供到第二栅极的第三电压；
计算第一栅极电压；
通过第一栅极电压的值来计算照射到光电转换装置上的光的强度。
16.如权利要求15所述的方法，其中，确定感应晶体管是否导通的步骤包括确定从列输出线测量的输出电流是否大于参考电流，如果输出电流大于参考电流，则使用输出电流计算第一栅极电压。
17.如权利要求15所述的方法，其中，计算第一栅极电压的步骤包括通过参照预先准备的查找表来得到根据第三电压的第一栅极电压。
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