TWI400944B - 影像感測器 - Google Patents

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Description

影像感測器
本發明係關於一種影像感測器，尤指一種使用矽豐氧化矽(silicon rich oxide)材料之影像感測器。
一般影像感測器利用各畫素內建之放大元件將光電轉換的訊號放大之後，各畫素再利用XY定址的方式進行選擇以取出訊號之電壓值。由於畫素內建放大元件，當光電元件受光照射後會產生光電荷之感測訊號，經由內部放大器予以放大，如此該感測訊號由內部傳遞至外部控制電路時，較不易受到雜訊的影響。由電路架構而言，影像感測器的靈敏度至少取決於三個因子。第一影響因子是光感測元件的面積大小，基本上，相同照度下之光感測元件的面積正比於感測電荷量；當面積增加時，光感測器產生的電荷量也隨之增加。第二影響因子是積分電容值的大小，理論上，在相同的儲存電荷量下，電容器兩端的電壓反比於電容值的大小；亦即當電容值增加時，電容兩端的電壓將被降低。第三影響因子是感測放大電路的增益。
因此，本發明之一目的在於提供一種影像感測器。
本發明係提供一種影像感測器，包含一光感測元件、一第一電晶體及一第二電晶體。該光感測元件具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線。該第一電晶體具有一第一端電性連接於一第一控制線，一控制端電性連接於該第一端，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端。該第二電晶體具有一第一端電性連接於一電壓源，一控制端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一第二端電性連接於一輸出線。
本發明另提供一種影像感測器，包含一光感測元件、二極體及一源極追隨器。該光感測元件具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線。該二極體具有一第一端電性連接於一控制線，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端。該源極追隨器具有一輸入端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一輸出端電性連接於一輸出線，用來輸出該光感測元件所產生之感測電壓。
本發明另提供一種使用影像感測器感測亮度變化之方法，該影像感測器包含一光感測元件具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線，一第一電晶體具有一第一端電性連接於一控制線，一控制端電性連接於該第一端，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端；以及一第二電晶體，具有一第一端電性連接於一電壓源，一控制端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一第二端電性連接於一輸出線，該方法包含：該控制線傳輸一高準位電壓將該第一電晶體導通，以重置該光感測元件之電壓準位；該控制線傳輸一低準位電壓將該第一電晶體關閉，使該光感測元件感應光線產生一電壓差；以及該選擇線傳輸該高準位電壓以將該電壓差經由該第二電晶體傳輸至該輸出線。
請參考第1圖，第1圖為本發明之影像感測器30之第一實施例之示意圖。影像感測器30包含一第一電晶體21、一光感測元件22、一第二電晶體24及一參考電流源25。在本發明中，光感測元件22可為一金屬層、一矽豐氧化矽(silicon rich oxide)層及一透明金屬層所形成之電容，用來作為光偵測器及積分電容使用，其中透明金屬層之材料例如氧化銦錫(ITO)。光感測元件22之一端電性連接於列選擇線S2，光感測元件22之另一端電性連接於第一電晶體21之源極及第二電晶體24之閘極；第一電晶體21之閘極與汲極電性連接形成一個二極體元件，並由重置訊號線S1所控制；第二電晶體24之汲極電性連接於電壓源VDD，第二電晶體24之閘極電性連接於光感測元件22及第一電晶體21之源極，形成一個源極隨耦器(source follower)當作電荷-電壓放大電路，第二電晶體24之源極電性連接於列輸出線S3。參考電流源25電性連接於列輸出線S3，參考電流源25係根據一參考電壓VREF來提供輸出電流。
請參考第2圖，第2圖為本發明之影像感測器30之操作時序圖。影像感測器30之操作時序大致可分為重置階段T0、積分階段T1及讀取階段T2。影像感測器30之操作說明如下列6個步驟：
步驟1：當重置訊號S1在低準位(VSS)時，光感測元件22之節點A3電位處於浮接(floating)狀態。當重置訊號S1由低準位(VSS)轉換至高準位(VREF)時，影像感測器30進入重置階段T0，第一電晶體21所形成的二極體元件將因元件操作在順向偏壓而被導通，在重置訊號S1為高準位(VREF)之階段內，此時光感測元件22之節點A3將因二極體操作在順向偏壓而被充電至電壓準位(VREF-Vth)，其中Vth為第一電晶體21之臨界電壓值。
步驟2：當重置訊號S1由高準位(VREF)轉換至低準位(VSS)時，第一電晶體21所形成的二極體元件將因元件操作在逆向偏壓而被關閉，此時光感測元件22之二端的電壓差為(VREF-Vth)-VSS，並且光感測元件22之節點A3電位將處於浮接狀態，此時影像感測器30將進入積分階段T1。
步驟3：當影像感測器30在積分階段T1時，光感測元件22之節點A3電位將隨著照光強度而改變。當光感測元件22受光照射時，光感測元件22之節點A3將產生光電荷；這些光電荷會中和光感測元件22之節點A3之儲存電荷，造成光感測元件22兩端電壓差變小，當照光強度愈大時，光感測元件22之節點A3電位之下降的愈大，例如當Lux B＞Lux A時，節點A3電位之下降斜率mB＞mA。
步驟4：由於第一電晶體21所形成的二極體元件因元件操作在逆向偏壓而被關閉，因此光感測元件22之節點A3電位仍處於浮接狀態，當列選擇訊號S2由低準位(VSS)轉換至高準位(VREF)時，節點A3因為光感測元件22(具有電容特性)兩端電位差不會瞬間變化的特性，節點A3電位將被提升電壓值(VREF-VSS)。
步驟5：當光感測元件22之節點A3因為光感測元件22具有電容的特性而被提升電壓值(VREF-VSS)，此時節點A3的電壓值將足夠開啟源極隨耦器之第二電晶體24。
步驟6：當源極隨耦器的第二電晶體24開啟時，行輸出線S3之訊號(即節點A4)將會輸出光感測元件22之節點A3被提升後之電壓準位減去第二電晶體24之起始臨界電壓Vth，舉例來說，在照光強度Lux A時為VA-Vth或是在照光強度Lux B時為VB-Vth。
請參考第3圖，第3圖為影像感測器30之元件剖面圖。第一電晶體21及一第二電晶體24形成於基底31上，第一電晶體21、一第二電晶體24及光感測元件22之間包含一閘極氧化層32、一第一絕緣層53及一第二絕緣層34。第一電晶體21為NMOS電晶體，包含一閘極211、一源極212及一汲極213；第二電晶體24為NMOS電晶體，包含一閘極241、一源極242及一汲極243。光感測元件22包含一金屬層221、一矽豐氧化矽層222及一透明金屬層223。
請參考第4圖，第4圖為本發明之影像感測器50之第二實施例之示意圖。影像感測器50包含一第一電晶體51、一光感測元件52、一第二電晶體54及一第三電晶體55。在本實施例中，利用第三電晶體55來取代參考電流源25。行輸出線S3電性連接於第三電晶體55之汲極，第三電晶體55之閘極由訊號線Vb所控制，第三電晶體55之源極電性接於參考電壓源VREF。
請參考第5圖，第5圖為本發明之影像感測器60之第三實施例之示意圖。影像感測器60包含一二極體61、一光感測元件62、一第二電晶體64、一取樣電容65及一第三電晶體66。在本實施例中，利用取樣電容65及第三電晶體66來取代參考電流源25。此外，二極體61也取代了第一電晶體21。行輸出線S3電性連接於與第三電晶體65之汲極與取樣電容65之一端，第三電晶體65之閘極由訊號線REST2所控制，第三電晶體65之源極電性連接於取樣電容65之另一端，並電性連接於參考電壓源VREF。
綜上所述，本發明之影像感測器包含一光感測元件、一第一電晶體及一第二電晶體。該光感測元件具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線。該第一電晶體具有一第一端電性連接於一第一控制線，一控制端電性連接於該第一端，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端。該第二電晶體具有一第一端電性連接於一電壓源，一控制端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一第二端電性連接於一輸出線。其中該光感測元件使用矽豐氧化矽之材料，使該光感測元件可用來感測亮度變化，同時具有積分電容之特性，可作為位準提升使用。因此，本發明之影像感測器使用二顆電晶體及矽豐氧化矽之光感測元件，可簡化電路結構。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
30、50、60．．．影像感測器
21、51．．．第一電晶體
22、52、62．．．光感測元件
65．．．積分電容器
24、54、64．．．第二電晶體
55、66．．．第三電晶體
25、55、65．．．參考電流源
61．．．二極體
211、241．．．閘極
212、242．．．汲極
213、243‧‧‧源極
31‧‧‧基底
32‧‧‧閘極氧化層
33‧‧‧第一絕緣層
34‧‧‧第二絕緣層
T0‧‧‧重置階段
T1‧‧‧積分階段
T2‧‧‧讀取階段
VDD‧‧‧電壓源
VREF‧‧‧參考電壓
VSS‧‧‧低準位電壓
S1‧‧‧重置訊號線
S2‧‧‧列選擇線
S3‧‧‧行輸出線
第1圖為本發明之影像感測器之第一實施例之示意圖。
第2圖為本發明之影像感測器之操作時序圖。
第3圖為影像感測器之元件剖面圖。
第4圖為本發明之影像感測器之第二實施例之示意圖。
第5圖為本發明之影像感測器之第三實施例之示意圖。
30．．．影像感測器
21．．．第一電晶體
22．．．光感測元件
24．．．第二電晶體
25．．．參考電流源
VDD．．．電壓源
VREF．．．參考電壓
S1．．．重置訊號線
S2．．．選擇線
S3．．．行輸出線

Claims (7)

  1. 一種影像感測器，包含：一光感測元件，具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線；一第一電晶體，具有一第一端電性連接於一第一控制線，一控制端電性連接於該第一端，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端；一第二電晶體，具有一第一端電性連接於一電壓源，一控制端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一第二端電性連接於一輸出線；以及一電流源，電性連接於該輸出線，具有：一第三電晶體，具有一第一端電性連接於該輸出線，一控制端電性連接於一第二控制線，以及一第二端電性連接於一參考電壓源；以及一電容，具有一第一端電性連接於該輸出線，以及一第二端電性連接於該參考電壓源。
  2. 如請求項1所述之影像感測器，其中該光感測元件包含：一金屬層，電性連接於該第一電晶體之第二端；一透明金屬層，電性連接於該選擇線；以及一矽豐氧化矽(silicon rich oxide)層，形成於該金屬層及該透明金屬層之間。
  3. 一種影像感測器，包含：一光感測元件，具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線；一二極體，具有一第一端電性連接於一第一控制線，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端；一源極追隨器(source follower)，具有一輸入端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一輸出端電性連接於一輸出線，用來輸出該光感測元件所產生之感測電壓；以及一電流源，電性連接於該輸出線，具有：一第一電晶體，具有一第一端電性連接於該輸出線，一控制端電性連接於一第二控制線，以及一第二端電性連接於一參考電壓源；以及一電容，具有一第一端電性連接於該輸出線，以及一第二端電性連接於該參考電壓源。
  4. 如請求項3所述之影像感測器，更進一步包含：一電壓源，電性連接於該源極追隨器。
  5. 如請求項4所述之影像感測器，其中該源極追隨器包含：一第二電晶體，具有一汲極電性連接於該電壓源，一閘極電性連接於該光感測元件之第一端，以及一源極電性連接於該輸出線。
  6. 如請求項3所述之影像感測器，其中該光感測元件包含：一金屬層，電性連接於該第一電晶體之源極；一透明金屬層，電性連接於該選擇線；以及一矽豐氧化矽(silicon rich oxide)層，形成於該金屬層及該透明金屬層之間。
  7. 一種使用影像感測器感測亮度變化之方法，該影像感測器包含一光感測元件具有一第一端，以及一第二端電性連接於一選擇線，一第一電晶體具有一第一端電性連接於一第一控制線，一控制端電性連接於該第一端，以及一第二端電性連接於該光感測元件之第一端；一第二電晶體，具有一第一端電性連接於一電壓源，一控制端電性連接於該光感測元件之第一端，以及一第二端電性連接於一輸出線；以及一電流源，電性連接於該輸出線，其包含一第三電晶體，具有一第一端電性連接於該輸出線，一控制端電性連接於一第二控制線，以及一第二端電性連接於一參考電壓源；以及一電容，具有一第一端電性連接於該輸出線，以及一第二端電性連接於該參考電壓源，該方法包含：該控制線傳輸一高準位電壓將該第一電晶體導通，以重置該光感測元件之電壓準位；該控制線傳輸一低準位電壓將該第一電晶體關閉，使該光感測元件感應光線產生一電壓差；以及該選擇線傳輸該高準位電壓以將該電壓差經由該第二電晶體傳 輸至該輸出線。
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