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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，晶体管的数量增力口， 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。
技术实现思路
为了解决上面和/或其它的问题，本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术的一方面，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 二栅极之间插入介电层。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。根据本专利技术的另一方面，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。根据本专利技术的又一方面，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5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 一才册才及电压。附图说明通过结合附图对本专利技术示例性实施例的详细描述，本专利技术的上面和其它特征和优点将变得更明显，附图中图1是根据本专利技术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2是图1的图像传感器的等效电路图3是示出传统的感应晶体管的V-I曲线的曲线图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5是示出根据本专利技术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7是根据本专利技术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8是根据本专利技术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9是根据本专利技术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10是根据本专利技术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。具体实施例方式现在，将参照其中示出了本专利技术的示例性实施例的附图来更充分地描述 根据本专利技术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是根据本专利技术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IOO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IOO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,行选才奪晶体管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:U,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4册极电压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与本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
KR 2008-4-11 10-2008-00338811、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。2、 如权利要求1所述的图像传感器，还包括行选择晶体管，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。3、 如权利要求2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。4、 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。5、 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。6、 如权利要求5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插入介电层。7、 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。8、 如权利要求7所述的图像传感器，其中，第一栅极和第二栅极垂直设置。9、 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...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛光洙，朴星一，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]