СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ КМОП-ФОТОДИОДА, ВЫПОЛНЯЮЩЕГО ВЗВЕШИВАНИЕ ВХОДНОГО СИГНАЛА
METHOD OF MAKING CMOS PHOTODIODE STRUCTURE, WHICH WEIGHS OUTPUT SIGNAL

Изобретение относится к области полупроводниковых ИС и может быть использовано при создании аналоговых и цифровых фотоприемных устройств.
В настоящее время известны фотоприемные ИС, производящие операции обработки изображений (пространственную фильтрацию) на аппаратном уровне. Каждый фотоприемный элемент данных ИС содержит: фоточувствительный элемент, принимающий входной оптический сигнал и преобразующий его в электрический сигнал; электрические схемы, преобразующие полученный входной электрический сигнал согласно заданной операции обработки изображения; электрические схемы управления и формирования выходного электрического сигнала. Варианты технических решений описаны в [1], [2], [3].
Ближайшими аналогами являются, например, технические решения, примененные в КМОП фотоприемных ИС, производящих операции обработки изображений (пространственную фильтрацию), описанные в [4], [5]. В данных ИС фоточувствительным элементом является фотодиод, а операции пространственной фильтрации над сигналом, формируемым фотодиодом, производятся с помощью специальных аналоговых и цифровых электрических схем, которые либо входят в электрическую схему отдельного фотоприемного элемента [4], либо расположены вне матричного массива фотоприемных элементов [5]. Данные электрические схемы занимают часть площади кристалла ИС или часть площади фотоприемного элемента. В аналоговой форме каждый пространственный фильтр, обрабатывающий сигналы заданного набора соседствующих фоточувствительных элементов, реализуется с помощью индивидуальной электрической схемы. Это вызывает ограничение числа пространственных фильтров, реализуемых одной матрицей фотоприемных элементов, и, соответственно, числа операций обработки входного оптического сигнала, выполняемых одной фотоприемной ИС, а также ограничение разрешающей способности фотоприемной ИС.
Основной операцией при реализации пространственного фильтра в аналоговой форме является операция взвешивания входного оптического сигнала с коэффициентами, соответствующими коэффициентам пространственного фильтра.
Предлагается способ организации структуры фотодиода КМОП фотоприемного элемента, позволяющий реализовать несколько пространственных фильтров с помощью одной электрической схемы, отличающийся тем, что фотодиод организуют в виде совокупности N отдельных диффузионных областей (сегментов) в подложке противоположного типа проводимости; между всеми сегментами фотодиода на поверхности подложки формируют тонкий подзатворный окисел, на котором создают затворные электроды так, что пары сегментов образуют МОП-транзисторные структуры, причем у всех МОП-транзисторных структур существует хотя бы одна диффузионная область, которая принадлежит одновременно двум МОП-транзисторным структурам. Емкости всех сегментов фотодиода должны соотноситься в строго заданных пропорциях или быть равны друг другу. При электрическом объединении сегментов с помощью МОП-транзисторных структур (что соответствует их параллельному включению относительно подложки) емкость группы объединенных сегментов будет равна сумме емкостей входящих в нее сегментов.
На стадии восстановления потенциала фотодиода МОП-транзисторы, образованные сегментами фотодиода, открыты путем приложения отпирающего управляющего напряжения ко всем затворам МОП-транзисторов, образованных сегментами фотодиода. После завершения стадии восстановления потенциалы всех сегментов фотодиода равны друг другу.
На стадии накопления информационного заряда все МОП-транзисторы, образованные сегментами фотодиода, открыты; генерируемый падающим излучением сигнальный заряд перераспределяется между сегментами. Все сегменты фотодиода по окончании стадии накопления будут иметь одинаковый потенциал, в то время как величины информационных зарядов, сохраняемых в каждом сегменте фотодиода, будут пропорциональны величинам их емкостей.
Взвешивание входного сигнала производится следующим образом: с помощью внешних управляющих сигналов закрывают транзисторы, образованные сегментами фотодиода так, чтобы сформировать группы из различного числа электрически объединенных сегментов.
При этом согласно изложенному выше условию заданного соотношения емкостей сегментов фотодиода (или их равенства) информационные заряды сформированных изолированных групп сегментов фотодиода будут пропорциональны суммарным емкостям сегментов этих групп. Отношение значений информационных зарядов сформированных изолированных групп сегментов будет равно отношению значений емкостей этих групп:
i
j
где Q и Q - сигнальные заряды i-го и j-го сегментов;
i
j
Cи С - суммарные емкости i-й и j-й групп сегментов (соответственно).
i
j
Весовой коэффициент h, с которым взвешивается сигнальный заряд Qотносительно сигнального заряда Q, равен:
j
∑
Для реализации пространственных фильтров в качестве С берется полная емкость фотодиода C, равная сумме емкостей всех сегментов фотодиода.
Таким образом, описанный выше способ построения фотодиода позволяет создать фотоприемные элементы, обеспечивающие:
1. Взвешивание входного оптического сигнала с произвольными весовыми коэффициентами.
2. Реализацию в аналоговой форме с помощью одной электрической схемы несколько пространственных фильтров для обработки входного оптического сигнала.
3. Уменьшение доли площади фотоприемного элемента СБИС, занимаемой электрической схемой, производящей взвешивание входного оптического сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. J.H.Hakkarainen, H-S Lee, "A 40×40 CCD/CMOS Absolute-Value-of-Difference Processor for Use in a Stere Vision System", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.208, No7, 1993.
2. US 5521857 (G06G 7/12, опубл. 28.05.1996, всего 10 стр.).
3. M.Barbaro, L.Raffo, "A Low-Power Inegrated Smart Sensor with on-Chip Real-Time Image Processing Capabilities", EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2005:7, p.p.1062-1070.
4. Патент РФ № 2252466 «КМОП-фотоприемная ячейка с обработкой сигналов» (приоритет 08.09.3003 г., заявка № 2003127173).
5. S.Getzlaff, J.Schreiter, A.Graupner, and R.Schiiffhy, "A System-On-Chip Realization of a CMOS Image Sensor with Programmable Analog Image Preprocessing", In Proc. IEEE International “Symposium on Circuits and Systems ISCAS' 2001, 2001.