DE19637790A1 - Pixelsensorzelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf aktive Pixelsensorzellen.
Konventionelle bildgebende Schaltungen beruhen auf ladungsge
koppelten Komponenten (CCD) zum Umsetzen einer Lichtpixelenergie in ein
elektrisches Signal, das die Intensität der Lichtenergie repräsentiert.
Im allgemeinen verwenden CCDs ein Photogate zum Sammeln der Lichtenergie
und eine Serie von Elektroden, die an dem Photogate gesammelte Ladung zu
einem Ausgangsleseknoten transferieren.
Obwohl CCDs viele Stärken einschließlich einer hoher Empfind
lichkeit und eines hohen Füllfaktors haben, unterliegen sie jedoch auch
einer Anzahl von Nachteilen. Unter diesen Nachteilen, die begrenzte Le
seraten und beschränkte Dynamikbereiche umfassen, ist am bemerkenswerte
sten die Schwierigkeit, CCDs in auf CMOS basierenden Mikroprozessoren zu
integrieren.
Um die Beschränkungen der auf CCD basierenden bildgebenden
Schaltungen zu überwinden, verwenden jüngere bildgebende Schaltungen ak
tive Pixelsensorzellen, um ein Lichtenergiepixel in ein elektrisches Si
gnal umzusetzen. Bei aktiven Pixelsensorzellen ist typischerweise ein
konventionelles Photogate mit einer Anzahl aktiver Transistoren kombi
niert, die zusätzlich zur Bildung eines elektrischen Signals für Ver
stärkung, Lesesteuerung und Rücksetzsteuerung sorgen.
Eine solche aktive Pixelsensorzelle umfaßt ein Photogate, ei
nen Rücksetztransistor, ein Transfergate zwischen der Source des Rück
setztransistors und dem Photogate. Zusätzlich umfaßt die Zelle auch ei
nen Lesetransistor, dessen Gate mit der Source des Rücksetztransistors
verbunden ist, und einen Zeilenzugrifftransistor.
Die Wirkungsweise dieser aktiven Pixelsensorzelle läuft in
zwei Stufen ab: Bildintegration, während welcher die Lichtenergie von
dem Photogate gesammelt wird, und Signalauslesen, während welchem die
gesammelte Energie in ein elektrisches Signal umgesetzt und ausgelesen
wird.
Während einer Bildintegration liegt eine positive Spannung an
dem Photogate an, während eine kleinere positive Spannung an das Trans
fergate angelegt wird. Unter diesen Bedingungen treffen Lichtenergiepho
tonen auf das Substrat unter dem Photogate, was seinerseits eine Anzahl
von Elektronen/Lochpaaren erzeugt. Infolge der an dem Photogate anlie
genden positiven Spannung sammeln sich die durch das Licht erzeugten
Elektronen unter dem Photogate. Gleichzeitig liegt eine positive Span
nung an dem Gate des Rücksetztransistors, um das Übersteuern zu vermei
den, indem er Überschußladung ermöglicht, zum Drain des Rücksetztransi
stors zu fließen. Zusätzlich ist der Zeilenzugrifftransistor ausgeschal
tet.
Nach der Bildintegration wird die aktive Pixelsensorzelle aus
gelesen, indem zunächst der Zeilenzugrifftransistor entsperrt wird. Da
nach wird die Source des Rücksetztransistors durch einen kurzen Impuls
seines Gates mit einer positiven Spannung rückgesetzt. Dies setzt die
Source des Rücksetztransistors auf eine Anfangsspannung. Danach wird das
Photogate mit einem Impuls auf niedrig (0 V) gesetzt, um die unter dem
Photogate gespeicherte Signalladung zu der Source des Rücksetztransi
stors zu transferieren, der seinerseits den durch den Lesetransistor
fließenden Strom moduliert.
Einer der Hauptvorteile einer solchen aktiven Pixelsensorzelle
besteht zusätzlich zu der Verstärkung und verringerten Größe darin, daß
der Herstellungsprozeß völlig einem CMOS-Prozeß entspricht, da nur MOS-
Transistoren verwendet werden. Zwar ist diese Zelle kleiner als konven
tionelle CCDs, doch besteht nach wie vor ein Bedürfnis, die Größe der
aktiven Pixelsensorzelle zu verringern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine aktive Pixelsensorzelle zu
schaffen, die kleiner ist als die oben geschilderte und gleichwohl in
CMOS-Technik herstellbar.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem
Patentanspruch 1; die Unteransprüche definieren zweckmäßige Weiterbil
dungen dieses Konzepts bzw. den Ablauf der Steuerung bei einem Lesevor
gang.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erge
ben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der auf die beigefügten
Zeichnungen bezuggenommen wird.
Fig. 1 zeigt im Teilquerschnitt eine aktive Pixelsensorzelle
gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ist ein Querschnittsdiagramm einer Zelle von drei akti
ven Pixelsensorzellen.
Fig. 1 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer aktiven Pixelsen
sorzelle 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Man erkennt, daß die Zel
le 100 eine p-Wanne 112 enthält, die in einem Halbleitersubstrat 110 vom
n-leitenden Typ ausgebildet ist, und einen Pixeltransistor 14, der in
der p-Wanne 112 ausgebildet ist. Der Pixeltransistor 114, der die Bild
information für ein einzelnes Pixel ausgibt, umfaßt im Abstand voneinan
der eine Sourceregion 116 und eine Drainregion 118 sowie eine zwischen
Drain- und Sourceregion 116, 118 ausgebildete Kanalregion 120. Zusätz
lich umfaßt der Pixeltransistor 116 eine Schicht aus Dielektrikummateri
al, ausgebildet über der Kanalregion 120, und ein leitendes Gate, das
über der Schicht aus Dielektrikummaterial 122 ausgebildet ist.
Die Zelle 100 umfaßt ferner eine p-Wanne 130, die in dem
Halbleitersubstrat 110 in einem Abstand von der Wanne 112 ausgebildet
ist, so daß eine Wannenregion 132 definiert wird, die zwischen den
Wannen 112 und 130 liegt. Eine Schicht 134 aus dielektrischem Material
ist über der Kanalregion 130 ausgebildet, und ein leitendes Gate 136
ist über der Schicht aus dielektrischem Material gebildet.
Im Betrieb wird vor der Bildintegration die Spannung an der
p-Wanne 112 rückgesetzt. Die Spannung an der p-Wanne 112 wird rückge
setzt, indem man mit Vorteil von dem p-Transistor Gebrauch macht, der
zwischen den p-Wannen 112 und 130 ausgebildet ist. Indem man eine nega
tive Spannung Vbb an die p-Wanne 130 anlegt, eine Rücksetzspannung Vre
set an das leitende Gate 136, die hinreichend ist, um einen leitenden
Kanal zu erzeugen, und eine Spannung an das Gate des Pixeltransistors
114, die ausreicht, um den Transistor 114 abzuschalten, fällt die Span
nung an der p-Wanne 112 auf einen Wert, der etwa gleich der negativen
Spannung Vbb ist. Nachdem die Spannung auf der p-Wanne 112 abgefallen
ist, läßt man die p-Wanne 112 floaten, indem man die Rücksetzspannung
Vreset abschaltet, was seinerseits den leitenden Kanal zwischen den
p-Wannen 112 und 130 eliminiert. Demgemäß wird die Sperrschicht zwischen
p-Wanne 112 und n-Substrat 110 anfänglich rückwärts vorgespannt, indem
die Spannung an der p-Wanne 112 relativ zu der Spannung am Substrat 110
abgesenkt wird, die mit einer positiven Spannung Vcc verbunden ist.
Wenn die Spannung an der p-Wanne 112 rückgesetzt worden ist,
ist der nächste Schritt der Beginn der Bildintegration. Während der
Bildintegration treffen Photonen auf die Oberfläche der p-Wanne 112 und
erzeugen eine Anzahl von Elektronen/Lochpaaren. Die Anzahl der erzeugten
Elektronen/Lochpaare ist eine Funktion der Intensität der empfangenen
Lichtenergie.
Die lichterzeugten Elektronen werden ihrerseits zu der Sperr
schicht zwischen der p-Wanne 112 und dem n-Substrat 110 gezogen, wo in
folge der zunehmenden Energie der Elektronen viele dieser Träger in das
Substrat 110 hinüber diffundieren. Dieser Verlust an Elektronen hebt
seinerseits das Potential der p-Wanne 112.
Mit dem Potentialanstieg der p-Wanne 112 fällt infolge des so
genannten "Korpuseffekts" die Schwellenspannung des Pixeltransistors
114. Im Ergebnis wird, wenn der Pixeltransistor 114 gelesen wird, die
Höhe des Ausgangsstromes von der Drain-Region 118 etwa proportional der
Potentialänderung der p-Wanne 112 sein, welche ihrerseits proportional
der Anzahl von Photonen ist, die auf die Oberfläche der p-Wanne 112 auf
trafen.
Wenn beispielsweise die Source-Region an Masse liegt, wird ei
ne Lesespannung von etwa 1 V an die Drainregion 118 angelegt, und
eine Zugriffsspannung Vrow wird an das leitende Gate 124 angelegt, wobei
der Ausgangsstrom von dem Pixeltransistor 114 eine erste Höhe bei schwa
chen Lichtbedingungen und eine viel größere Höhe bei hellen Lichtbedin
gungen haben wird.
Wenn darüberhinaus die p-Wanne 112 extrem hellem Licht ausge
setzt wird, sorgt die Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung automatisch
für eine Anti-Übersteuerungskontrolle, welche das maximale Potential be
grenzt, das von der p-Wanne 112 erreicht werden kann, wenn die p-Wanne
112 in Vorwärtsrichtung relativ zur Source 116 vorgespannt wird.
Obwohl die maximale Spannung, die die p-Wanne 112 erreichen
kann, begrenzt ist, ist die Minimumspannung, auf die die p-Wanne 112
rückgesetzt werden kann, nur begrenzt durch die Spannung Vbb, die an der
p-Wanne 130 anliegt. Im Ergebnis erreicht, wenn Vbb auf einen Wert von 5
V negativ gesetzt wird, beispielsweise die Zelle 100 einen Dynamikbe
reich von annähernd 5,7 V. Wenn Vbb beispielsweise auf 10 V nega
tiv gesetzt wird, liefert die aktive Pixelsensorzelle 100 einen Dynamik
bereich von annäherend 10,7 V. Demgemäß ermöglicht die vorliegende
Erfindung einen großen Dynamikbereich, der einstellbar ist.
Ein weiterer Vorteil bei der Anwendung der vorliegenden Erfin
dung besteht darin, daß durch Verändern des Dotierungsniveaus und des
Dotierungsprofils der p-Wanne 112 die Schwellenspannung des Transistors
sich empfindlicher oder linearer relativ zu dem p-Wannenpotential verän
dern kann, das in Reaktion auf die empfangene Lichtenergie ansteigt. Im
Ergebnis ermöglicht eine solche aktive Pixelsensorzelle 100, die Höhe
des Ausgangsstromes vom Pixeltransistor 114 auf die Photointensität des
empfangenen Lichtes maßzuschneidern.
Eine Zeile aktiver Pixelsensorzellen kann als Teil einer Ma
trix gebildet werden, indem man nur zusätzliche p-Wannen mit Pixeltran
sistoren zufügt. Fig. 2 zeigt in einem Querschnittsdiagramm eine Zeile
von drei aktiven Pixelsensorzellen. Wie in Fig. 2 gezeigt, braucht nur
eine p-Wanne 130 für jede Zeile von aktiven Pixelsensorzellen vorgesehen
zu werden. Wenn eine negative Spannung Vbb an die p-Wanne 130 angelegt
wird und eine Rücksetzspannung Vreset an alle leitenden Gates 136 in der
Zeile einwirkt, werden alle p-Wannen 112 in der Zeile auf die negative
Spannung Vbb gleichzeitig rückgesetzt.
Die aktive Pixelsensorzelle gemäß der Erfindung weist eine er
heblich verringerte Abmessung auf, da nur ein MOS-Transistor vorhanden
ist. Ferner gibt es eine automatisch wirkende Anti-Übersteuerungskon
trolle wie auch einen breiten Dynamikbereich. Da nur MOS-kompatible
Strukturen verwendet werden, ist die Zelle gemäß der Erfindung zusätz
lich ohne weiteres in übliche CMOS-Herstellprozesse integrierbar.
Modifikationen können von Fachleuten vorgenommen werden. Bei
spielsweise ist zwar die Wirkungsweise der Erfindung bezüglich p-Wannen
und einem n-Pixeltransistor beschrieben worden, doch können alternativ
auch n-Wannen und ein p-Pixeltransistor eingesetzt werden.
Claims (5)
1. In einem Halbleitersubstrat (110) eines ersten Leitfähigkeits
typs (n) ausgebildete aktive Pixelsensorzelle, bei der in dem Substrat
(110) eine erste Wannenregion (112) des zweiten Leitfähigkeitstyps (p)
ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Wannenregion
(112) ein Pixeltransistor (114) mit im Abstand voneinander angeordneter
Sourceregion (116) und Drainregion (118) des ersten Leitfähigkeitstyps
(n) mit einer zwischen beiden begrenzten ersten Kanalregion (120) sowie
mit einem über der ersten Kanalregion (120) ausgebildeten, von ihr durch
dielektrisches Material (122) getrennten leitenden Gate (124), an das
ein Zeilensignal anlegbar ist, daß eine zweite Wannenregion (130) des
zweiten Leitfähigkeitstyps (p) in dem Substrat (110) in einem eine zwei
te Kanalregion (132) definierenden Abstand von der ersten Wannenregion
(112) ausgebildet ist, und daß ein zweites leitendes Gate (136) über der
zweiten Kanalregion (132), von dieser durch dielektrisches Material
(134) getrennt, angeordnet ist, an das ein Rücksetzsignal anlegbar ist.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr
schicht zwischen der ersten Wannenregion (112) und dem Substrat (110)
eine Photodiode bildet.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in
einem gemeinsamen Substrat (110) eine Mehrzahl von ersten Wannenregionen
(112) mit Pixeltransistoren (114) nebeneinander angeordnet sind, daß der
Abstand benachbarter erster Wannenregionen (112) jeweils eine zweite Ka
nalregion (132) mit überlagertem, dielektrisch isoliertem und an ein
Rücksetzsignal anschließbaren Gate (136) definiert, und daß nur neben
einer der ersten Wannenregionen (112) eine zweite Wannenregion (130)
ausgebildet ist.
4. Verfahren zum Umsetzen von Lichtenergie in ein Pixelsignal
mittels einer Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch die Schritte:
- - Anlegen einer ersten Spannung an das Substrat (110),
- - Rücksetzen jeder ersten Wannenregion (112) auf eine Span nung, die kleiner ist als die erste Spannung, und
- - Anlegen einer Lesespannung an jedes erste leitende Gate (124) während einer vorbestimmten Zeit und nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach Rücksetzen jeder ersten Wannenregion (112).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Rücksetzen jeder ersten Wannenregion (112) das Anlegen einer zweiten
Spannung an die zweite Wannenregion (130) und das Anlegen einer Rück
setzspannung an jedes zweite leitende Gate (136) während einer vorbe
stimmten Zeitdauer umfaßt.
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