测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置及方法，在光电二极管的电荷收集区域与电压测量表相连接，电荷传输晶体管的漏极端与可调电源相连接。将电荷传输晶体管置为开启状态，可调电源从0V开始扫描电压到可调电源的最高电压，电压测量表读出值会从0V开始跟随可调电源电压的变化，当跟随到一定数值时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表所测到的最高值，此最高值为图像传感器像素的完全耗尽电压值。能够方便、高效、准确地测量图像传感器像素单元中的光电二极管管完全耗尽电压。
【专利说明】测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像传感器测量技术，尤其涉及一种测量图像传感器像素完全耗 尽电压的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 图像传感器使用感光像素采集图像的光信息，感光像素中的光电二极管将光信号 转换为电信号，光电二极管接受到的光量越多所产生的电信号量越强。所述电信号量使用 光电电荷量来衡量，光电二极管能容纳的电荷量多少与其电压摆幅有关系。众所周知，电荷 电量=电容X电压，对于面积相同的像素单元，电容值差别较小，所以电荷电量的多少主要 取决于电压参数。
[0003] 现有技术中的图像传感器像素一般采用N型光电二极管，N型光电二极管上层为 P+型Pin层，中间是收集光电电荷的N型区域，下层是P型外延层，上中下组成PN、NP型两 个pn结。所述N型区域容纳电荷量的能力，与其电压摆幅成正比关系；所述N型区域的最 低电压为GND(地）电位，最高电压为完全耗尽电压，所以N型区域容纳电荷量的能力与完 全耗尽电压成正比；完全耗尽的意思是，所述N型区的电荷已经完全被清除，即使外部再提 高电压清除电荷，此N型区的电压也不会变化。
[0004] 现有技术中的图像传感器像素，光电二极管的完全耗尽电压不能太低，否则电荷 容量过低会影响动态范围；光电二极管的完全耗尽电压不能太高，否则光电二极管中的光 电电荷不能够被完全转移而造成浪费。目前还没有一种合理有效的方法用来测定光电二极 管的完全耗尽电压，以方便并更有效地设计出高质量的图像传感器像素，来提高传感器采 集图像的质量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够方便、高效、准确地测量图像传感器像素单元中的 光电二极管管完全耗尽电压的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置及方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，所述图像传感器像素包含光 电二极管、电荷传输晶体管，所述光电二极管的电荷收集区域与电压测量表相连接，所述电 荷传输晶体管的漏极端与可调电源相连接。
[0008] 本发明的上述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置实现测量图像传感器 像素完全耗尽电压的方法，包括步骤：
[0009] 将所述电荷传输晶体管置为开启状态，所述可调电源从0V开始扫描电压到可调 电源的最高电压，所述电压测量表读出值会从0V开始跟随可调电源电压的变化，当跟随到 一定数值时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表所测到的最高值，此最高 值为图像传感器像素的完全耗尽电压值。
[0010] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的测量图像传感器像 素完全耗尽电压的装置及方法，由于光电二极管的电荷收集区域与电压测量表相连接，电 荷传输晶体管的漏极端与可调电源相连接。将电荷传输晶体管置为开启状态，可调电源从 0V开始扫描电压到可调电源的最高电压，所述电压测量表读出值会从0V开始跟随可调电 源电压的变化，当跟随到一定数值时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表 所测到的最高值，此最高值为图像传感器像素的完全耗尽电压值。能够方便、高效、准确地 测量图像传感器像素单元中的光电二极管管完全耗尽电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明实施例提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置的结构示 意图；
[0012] 图2a是本发明提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法中，可调电源电 压小于完全耗尽电压时的势阱示意图；
[0013] 图2b是本发明提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法中，可调电源电 压等于完全耗尽电压时的势阱示意图；
[0014] 图2c是本发明提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法中，可调电源电 压大于完全耗尽电压时的势阱示意图；
[0015] 图3是本发明提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法中，可调电源输出 电压值与电压测量表读出值的关系示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0017] 本发明的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其较佳的【具体实施方式】是：
[0018] 所述图像传感器像素包含光电二极管、电荷传输晶体管，所述光电二极管的电荷 收集区域与电压测量表相连接，所述电荷传输晶体管的漏极端与可调电源相连接。
[0019] 所述光电二极管为N型光电二极管。
[0020] 所述光电二极管通过设置第一接触孔与金属线连接，所述金属线的另一端与所述 电压测量表连接。
[0021] 所述第一接触孔与所述电荷传输晶体管之间的距离大于或等于0. 5倍的光电二 极管尺寸。
[0022] 所述第一接触孔处不设置P+型pin层，所述第一接触孔处使用N型离子注入，注 入区深度大于或等于〇. 2um，注入区离子浓度大于或等于lE+16Atom/cm3。
[0023] 所述N型离子是磷离子或砷离子。
[0024] 所述电荷传输晶体管为N型晶体管，其源极端为光电二极管、漏极端为N+有源区。
[0025] 所述电荷传输晶体管的漏极端通过设置第二接触孔与金属线相连接，所述金属线 的另一端与所述可调电源相连接。
[0026] 本发明的上述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置实现测量图像传感器 像素完全耗尽电压的方法，其较佳的【具体实施方式】是：
[0027] 包括步骤：
[0028] 将所述电荷传输晶体管置为开启状态，所述可调电源从0V开始扫描电压到可调 电源的最高电压，所述电压测量表读出值会从ον开始跟随可调电源电压的变化，当跟随到 一定数值时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表所测到的最高值，此最高 值为图像传感器像素的完全耗尽电压值。
[0029] 所述可调电源的最高电压为2. 8V?3. 6V。
[0030] 本发明的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置及方法，在现有像素单元的基 础上，在光电二极管区域添加一接触孔及相应金属连线，并与外部一电压测量表相连，通过 开启电荷传输晶体管，连续扫描电荷传输晶体管的漏极端电压，监测电压测量表的最高读 出数值，方便而准确地确定了像素中光电二极管的完全耗尽电压值。能够方便、高效、准确 地测量图像传感器像素单元中的光电二极管管完全耗尽电压。
[0031] 具体实施例：
[0032] 测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置的基本结构如图1所示。图1中，101 为光电二极管电荷收集区域，此区域为Ν型离子注入区，102为Ν型离子注入区，103为Ρ+ 型Pin层，104为电荷传输晶体管，105为电荷传输晶体管的漏极区，106为电压测量表，107 为可调电源。其中，102区的不设置P+型Pin层，并且102区的N型离子浓度大于等于 lE+16Atom/cm3，102区的深度大于等于0. 2um，此N型区的注入离子可以是磷离子，也可以 是砷离子，设置102区的目的是能够更好使101区与外界金属连接；所述102区距离104， 大于等于〇. 5倍的光电二极管尺寸，即102区需要远离电荷传输晶体管104,102区位于图1 中的光电二极管的左半侧，以便使本发明所测量的完全耗尽电压值更准确。图1中的接触 孔位于102区，所述接触孔与金属线相连，此金属线的另一端与电压测量表106相连，此金 属线的电压与光电二极管电荷收集区域101区的电压相等，记作Vs。电荷传输晶体管104 的栅极端为TX，在测量像素的完全耗尽电压的操作中，电荷传输晶体管被置为开启状态，即 TX与电源最高电压相连接，电压范围为2. 8V?3. 6V，所述电荷传输晶体管104为N型晶体 管。105区也是使用一接触孔与金属线相连，此金属线的另一端与一可调电源107相连，因 此105区的电压与107的正极相等，记作Vd。所述101、102、103、105制作在半导体基体中， 所述半导体基体为P型外延层，即P-印i区。所述电压测量表的正极端与102区相连，记作 Vs，负极端与GND (地电位）相连；所述107的正极端与105相连，记作Vd，负极端与GND相 连。图1所示的像素，光电二极管区域，上层103区为光电二极管的正极，中间层101为光 电二极管的负极，下方的P-epi为光电二极管的正极，因此像素中的PN、NP型结构组成了 N 型光电二极管结构。
[0033] 以下详细阐述采用本发明实施例中的像素测量完全耗尽电压的方法步骤。所述图 像传感器像素完全耗尽电压的测量方法为，可调电源107从0V开始扫描电压到电源最高电 压，电压测量表106读出值会从0V开始跟随可调电源107电压的变化，当跟随到一定数值 时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表所测到的最高值，此最高值为图像 传感器像素的完全耗尽电压值。所述图像传感器像素完全耗尽电压方法的像素势阱示意 图，如图2a、2b、2c所示；本发明提供的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法中，可调 电源107输出电压值与电压测量表106读出值的关系示意图，如图3所示。
[0034] 图2a所示的势讲示意图，为对应图1所示的101区、102区、104晶体管沟道和105 区的势阱关系图。其中，Vpin标记完全耗尽电压的位置；可调电源的正极端电压Vd = VI， VI值较小，VI小于完全耗尽电压；104的栅极端TX = Vdd，Vdd为电源最高电压，电压范围 为2. 8V?3. 6V ;106所探测到的电压值Vs = VI，此时电压测量表106的读出值跟随可调 电源107的电压值。如图2a所示，101区、102区、104沟道和105的电势持平相等。
[0035] 图2b所示，为可调电源电压等于完全耗尽电压时的势阱示意图。图2b所示，101 势阱区的电荷恰好被完全耗尽，即101区没有可移动的电荷；102区没有被完全耗尽，因为 102区的最高电势大于Vpin电压。图2b所示，可调电源的电压Vd = V2,因为恰好完全耗 尽，所以101区的完全耗尽电压Vpin = V2,即Vs = Vpin = V2。
[0036] 图2c所示，为可调电源电压大于完全耗尽电压时的势阱示意图。图2c中，可调电 源的电压Vd = V3, V3大于Vpin电压；因为，101区的电荷已经被完全耗尽，所以101区的 电势仍然等于Vpin电压。因此，像素中的光电二极管所检测到的最高电压读出值，即V2,为 完全耗尽电压。
[0037] 结合图2a?图2c，所示的势阱示意图，可以得到图3所示的Vd?Vs关系曲线 图。图3中，水平轴为Vd，即可调电源107的输出电压值；坚直轴为Vs，即电压测量表的读 出值。图3中，示出的VI、V2、V3、Vpin为图2a?图2c中的所示的电压值。图3所示，VI 小于Vpin电压，与图2a对应；V2恰好等于Vpin，与图2b对应；V3大于Vpin，与图2c对应。
[0038] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【权利要求】
1. 一种测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，所述图像传感器像素包含光电二极 管、电荷传输晶体管，其特征在于，所述光电二极管的电荷收集区域与电压测量表相连接， 所述电荷传输晶体管的漏极端与可调电源相连接。
2. 根据权利要求1所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述光电二极管为N型光电二极管。
3. 根据权利要求2所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述光电二极管通过设置第一接触孔与金属线连接，所述金属线的另一端与所述电压测量表 连接。
4. 根据权利要求3所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述第一接触孔与所述电荷传输晶体管之间的距离大于或等于〇. 5倍的光电二极管尺寸。
5. 根据权利要求4所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述第一接触孔处不设置P+型pin层，所述第一接触孔处使用N型离子注入，注入区深度大 于或等于〇. 2um，注入区离子浓度大于或等于lE+16Atom/cm3。
6. 根据权利要求5所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述N型离子是磷离子或砷离子。
7. 根据权利要求1所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述电荷传输晶体管为N型晶体管，其源极端为光电二极管、漏极端为N+有源区。
8. 根据权利要求7所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置，其特征在于，所 述电荷传输晶体管的漏极端通过设置第二接触孔与金属线相连接，所述金属线的另一端与 所述可调电源相连接。
9. 一种权利要求8所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的装置实现测量图像传 感器像素完全耗尽电压的方法，其特征在于，包括步骤： 将所述电荷传输晶体管置为开启状态，所述可调电源从0V开始扫描电压到可调电源 的最高电压，所述电压测量表读出值会从0V开始跟随可调电源电压的变化，当跟随到一定 数值时电压测量表读出值不再变化，此读出值为电压测量表所测到的最高值，此最高值为 图像传感器像素的完全耗尽电压值。
10. 根据权利要求9所述的测量图像传感器像素完全耗尽电压的方法，其特征在于，所 述可调电源的最高电压为2. 8V?3. 6V。
【文档编号】G01R19/00GK104155500SQ201410415842
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】郭同辉, 旷章曲 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司