图像传感器

摘要

一种图像传感器包含光感测元件、第一晶体管及第二晶体管。该光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于选择线。该第一晶体管具有第一端电性连接于第一控制线，控制端电性连接于该第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端。该第二晶体管具有第一端电性连接于电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于输出线。其中该光感测元件使用硅丰氧化硅的材料，使该光感测元件可用来感测亮度变化，同时具有积分电容的特性，可作为电平提升使用。

权利要求

1.一种图像传感器，包含：

光感测元件，具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线；

第一晶体管，具有第一端电性连接于第一控制线，控制端电性连接于该第一晶体管的第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端；以及第二晶体管，具有第一端电性连接于电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于一输出线；

其中，该光感测元件包含：

金属层，电性连接于该第一晶体管的第二端；

透明金属层，电性连接于该选择线；以及硅丰氧化硅层，形成于该金属层及该透明金属层之间。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包含：电流源，电性连接于该输出线。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中该电流源包含：第三晶体管，具有第一端电性连接于该输出线，控制端电性连接于第二控制线，以及第二端电性连接于参考电压源。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中该电流源还包含：电容，具有第一端电性连接于该输出线，以及第二端电性连接于该参考电压源。

5.一种图像传感器，包含：

光感测元件，具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线；

二极管，具有第一端电性连接于控制线，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端；以及源极跟随器，具有输入端电性连接于该光感测元件的第一端，以及输出端电性连接于一输出线，用来输出该光感测元件所产生的感测电压；

其中，该光感测元件包含：

金属层，电性连接于该二极管的第二端；

透明金属层，电性连接于该选择线；以及硅丰氧化硅层，形成于该金属层及该透明金属层之间。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，还包含：电流源，电性连接于该输出线。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，还包含：电压源，电性连接于该源极跟随器。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中该源极跟随器包含：晶体管，具有漏极电性连接于该电压源，栅极电性连接于该光感测元件的第一端，以及源极电性连接于该输出线。

9.一种使用图像传感器感测亮度变化的方法，该图像传感器包含光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线，第一晶体管具有第一端电性连接于一控制线，控制端电性连接于该第一晶体管的第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端；以及第二晶体管，具有第一端电性连接于电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于一输出线，该方法包含：该控制线传输高电平电压将该第一晶体管导通，以重置该光感测元件的电压电平；

该控制线传输低电平电压将该第一晶体管关闭，使该光感测元件感应光线产生电压差；以及该选择线传输该高电平电压以将该电压差经由该第二晶体管传输至该输出线。

说明书

图像传感器

技术领域

[0001] 本发明是关于一种图像传感器，尤指一种使用硅丰氧化硅(silicon richoxide)材料的图像传感器。

背景技术

[0002] 一般图像传感器利用各像素内建的放大元件将光电转换的信号放大之后，各像素再利用XY寻址的方式进行选择以取出信号的电压值。由于像素内建放大元件，当光电元件受光照射后会产生光电荷的感测信号，经由内部放大器予以放大，如此该感测信号由内部传递至外部控制电路时，较不易受到噪声的影响。由电路架构而言，图像传感器的灵敏度至少取决于三个因子。第一影响因子是光感测元件的面积大小，基本上，相同照度下的光感测元件的面积正比于感测电荷量；当面积增加时，光传感器产生的电荷量也随之增加。第二影响因子是积分电容值的大小，理论上，在相同的储存电荷量下，电容器两端的电压反比于电容值的大小；亦即当电容值增加时，电容两端的电压将被降低。第三影响因子是感测放大电路的增益。

发明内容

[0003] 因此，本发明的一目的在于提供一种图像传感器。

[0004] 本发明提供一种图像传感器，包含光感测元件、第一晶体管及第二晶体管。该光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线。该第一晶体管具有第一端电性连接于第一控制线，一控制端电性连接于该第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端。该第二晶体管具有第一端电性连接于电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于一输出线。

[0005] 本发明还提供一种图像传感器，包含光感测元件、二极管及源极跟随器。该光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线。该二极管具有第一端电性连接于一控制线，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端。该源极跟随器具有一输入端电性连接于该光感测元件的第一端，以及一输出端电性连接于一输出线，用来输出该光感测元件所产生的感测电压。

[0006] 本发明还提供一种使用图像传感器感测亮度变化的方法，该图像传感器包含光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线，第一晶体管具有第一端电性连接于一控制线，控制端电性连接于该第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端；以及第二晶体管，具有第一端电性连接于电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于一输出线，该方法包含：该控制线传输高电平电压将该第一晶体管导通，以重置该光感测元件的电压电平；该控制线传输低电平电压将该第一晶体管关闭，使该光感测元件感应光线产生电压差；以及该选择线传输该高电平电压以将该电压差经由该第二晶体管传输至该输出线。

附图说明

[0007] 图1为本发明的图像传感器的第一实施例的示意图。

[0008] 图2为本发明的图像传感器的操作时序图。

[0009] 图3为图像传感器的元件剖面图。

[0010] 图4为本发明的图像传感器的第二实施例的示意图。

[0011] 图5为本发明的图像传感器的第三实施例的示意图。

[0012] [主要元件标号说明]

[0013] 30、50、60 图像传感器 21、51 第一晶体管

[0014] 22、52、62 光感测元件 65 积分电容器

[0015] 24、54、64 第二晶体管 55、66 第三晶体管

[0016] 25、55、65 参考电流源 61 二极管

[0017] 211、241 栅极 212、242 漏极

[0018] 213、243 源极 31 基底

[0019] 32 栅极氧化层 33 第一绝缘层

[0020] 34 第二绝缘层

[0021] T0 重置阶段 T1 积分阶段

[0022] T2 读取阶段 VDD 电压源

[0023] VREF 参考电压 VSS 低电平电压

[0024] S1 重置信号线 S2 列选择线

[0025] S3 行输出线

具体实施方式

[0026] 请参考图1，图1为本发明的图像传感器30的第一实施例的示意图。图像传感器30包含第一晶体管21、光感测元件22、第二晶体管24及参考电流源25。在本发明中，光感测元件22可为金属层、硅丰氧化硅(silicon richoxide)层及一透明金属层所形成的电容，用来作为光检测器及积分电容使用，其中透明金属层的材料例如氧化铟锡(ITO)。光感测元件22的一端电性连接于列选择线S2，光感测元件22的另一端电性连接于第一晶体管21的源极及第二晶体管24的栅极；第一晶体管21的栅极与漏极电性连接形成一个二极管元件，并由重置信号线S1所控制；第二晶体管24的漏极电性连接于电压源VDD，第二晶体管24的栅极电性连接于光感测元件22及第一晶体管21的源极，形成一个源极跟随器(source follower)当作电荷-电压放大电路，第二晶体管24的源极电性连接于列输出线S3。参考电流源25电性连接于列输出线S3，参考电流源25根据一参考电压VREF来提供输出电流。

[0027] 请参考图2，图2为本发明的图像传感器30的操作时序图。图像传感器30的操作时序大致可分为重置阶段T0、积分阶段T1及读取阶段T2。图像传感器30的操作说明如下列6个步骤：

[0028] 步骤1：当重置信号S1在低电平(VSS)时，光感测元件22的节点A3电位处于浮接(floating)状态。当重置信号S1由低电平(VSS)转换至高电平(VREF)时，图像传感器30进入重置阶段T0，第一晶体管21所形成的二极管元件将因元件操作在顺向偏压而被导通，在重置信号S1为高电平(VREF)的阶段内，此时光感测元件22的节点A3将因二极管操作在顺向偏压而被充电至电压电平(VREF-Vth)，其中Vth为第一晶体管21的临界电压值。

[0029] 步骤2：当重置信号S1由高电平(VREF)转换至低电平(VSS)时，第一晶体管21所形成的二极管元件将因元件操作在逆向偏压而被关闭，此时光感测元件22的二端的电压差为(VREF-Vth)-VSS，并且光感测元件22的节点A3电位将处于浮接状态，此时图像传感器30将进入积分阶段T1。

[0030] 步骤3：当图像传感器30在积分阶段T1时，光感测元件22的节点A3电位将随着照光强度而改变。当光感测元件22受光照射时，光感测元件22的节点A3将产生光电荷，这些光电荷会中和光感测元件22的节点A3的储存电荷，造成光感测元件22两端电压差变小，当照光强度愈大时，光感测元件22的节点A3电位的下降的愈大，例如当Lux B＞Lux A时，节点A3电位的下降斜率mB＞mA。

[0031] 步骤4：由于第一晶体管21所形成的二极管元件因元件操作在逆向偏压而被关闭，因此光感测元件22的节点A3电位仍处于浮接状态，当列选择信号S2由低电平(VSS)转换至高电平(VREF)时，节点A3因为光感测元件22(具有电容特性)两端电位差不会瞬间变化的特性，节点A3电位将被提升电压值(VREF-VSS)。

[0032] 步骤5：当光感测元件22的节点A3因为光感测元件22具有电容的特性而被提升电压值(VREF-VSS)，此时节点A3的电压值将足够开启源极跟随器的第二晶体管24。

[0033] 步骤6：当源极跟随器的第二晶体管24开启时，行输出线S3的信号(即节点A4)将会输出光感测元件22的节点A3被提升后的电压电平减去第二晶体管24的起始临界电压Vth，举例来说，在照光强度Lux A时为VA-Vth或是在照光强度Lux B时为VB-Vth。

[0034] 请参考图3，图3为图像传感器30的元件剖面图。第一晶体管21及第二晶体管24形成于基底31上，第一晶体管21、第二晶体管24及光感测元件22之间包含栅极氧化层
32、第一绝缘层33及第二绝缘层34。第一晶体管21为NMOS晶体管，包含栅极211、源极
212及漏极213；第二晶体管24为NMOS晶体管，包含栅极241、源极242及漏极243。光感测元件22包含金属层221、硅丰氧化硅层222及透明金属层223。

[0035] 请参考图4，图4为本发明的图像传感器50的第二实施例的示意图。图像传感器50包含第一晶体管51、光感测元件52、第二晶体管54及第三晶体管55。在本实施例中，利用第三晶体管55来取代参考电流源25。行输出线S3电性连接于第三晶体管55的漏极，第三晶体管55的栅极由信号线Vb所控制，第三晶体管55的源极电性接于参考电压源VREF。

[0036] 请参考图5，图5为本发明的图像传感器60的第三实施例的示意图。图像传感器60包含二极管61、光感测元件62、第二晶体管64、取样电容65及第三晶体管66。在本实施例中，利用取样电容65及第三晶体管66来取代参考电流源25。此外，二极管61也取代了第一晶体管21。行输出线S3电性连接于与第三晶体管65的漏极与取样电容65的一端，第三晶体管65的栅极由信号线REST2所控制，第三晶体管65的源极电性连接于取样电容65的另一端，并电性连接于参考电压源VREF。

[0037] 综上所述，本发明的图像传感器包含光感测元件、第一晶体管及第二晶体管。该光感测元件具有第一端，以及第二端电性连接于一选择线。该第一晶体管具有第一端电性连接于第一控制线，一控制端电性连接于该第一端，以及第二端电性连接于该光感测元件的第一端。该第二晶体管具有第一端电性连接于一电压源，控制端电性连接于该光感测元件的第一端，以及第二端电性连接于一输出线。其中该光感测元件使用硅丰氧化硅的材料，使该光感测元件可用来感测亮度变化，同时具有积分电容的特性，可作为电平提升使用。因此，本发明的图像传感器使用二颗晶体管及硅丰氧化硅的光感测元件，可简化电路结构。

[0038] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。