专利名称：用于电荷转移元件的信号电荷转换器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及成像系统中的电荷转移元件，例如CCD(电荷耦合器件)，更具体地说，涉及一种将来自电荷转移元件的信号电荷转换成具有增强的灵敏度的电压的信号电荷转换器。
背景技术：
图1显示了成像系统100的示例，该成像系统100包括光电二极管阵列，例如示例的光电二极管102。每个光电二极管积累信号电荷，该信号电荷指示在光电二极管的像素位置的照射强度。沿着每列的光电二极管设置垂直的BCCD(埋层(buried)电荷耦合器件)，包括用于第一列的第一垂直BCCD 104、用于第二列的第二垂直BCCD 106以及用于最后一列的最后垂直BCCD 108。
每个垂直BCCD将信号电荷从该列的光电二极管转移到水平BCCD 110。该水平BCCD 110将信号电荷从垂直BCCD转移到输出电路112(如图1中虚线轮廓所示)。输出电路112将来自水平BCCD 110的信号电荷转换成电压，Vout。
在输出电路112内，输出MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)114连接在水平BCCD 110与电荷聚集区116之间。另外，复位MOSFET118耦接在复位电压Vreset源和电荷聚集区116之间。电荷聚集区116通常是高掺杂的结(junction)，用于聚集来自水平BCCD 110的信号电荷。对输出MOSFET 114进行偏置，以便将来自最后级的水平BCCD 110的信号电荷转移到电荷聚集区116的电荷节点120。
开启复位MOSFET 118，用于将电荷聚集区116的电荷节点120重置(reset)到复位电压Vreset。在复位MOSFET 118的栅极上施加RESET控制信号。当来自水平BCCD 110的信号电荷正被聚集在电荷聚集区116时，复位MOSFET 118通常保持关闭。
信号转换器122连接到电荷聚集区116，用于将聚集在区116的信号电荷转换成相应的电压Vout。这样的电压Vout的电平指示聚集在区116的信号电荷的数量，由此表示对应于这样的信号电荷的照射强度。
图2显示了按照现有技术的信号转换器122(虚线轮廓)的示例性实现。在图1、2、3、4和5中具有相同参考标记的元件表示具有类似结构和功能的元件。图2的信号转换器122包括包含第一源极跟随器级133的第一驱动器MOSFET 132和第一负载MOSFET 134。此外，第二驱动器MOSFET 136和第二负载MOSFET 138b包含第二源极跟随器级139。并且，第三驱动器MOSFET 140和第三负载MOSFET 142包含第三源极跟随器级143。
在每个源极跟随器级内，各个驱动器MOSFET的源极连接到各个负载MOSFET的漏极。各个驱动器MOSFET 132、136和140的漏极连接到高偏压VDD，以及负载MOSFET 134、138和142的源极连接到低偏压GND。负载MOSFET 134、138和142的栅极连接到栅极偏置电压，在图2的示例中栅极偏置电压是GND。
第一驱动器MOSFET 132的栅极连接到电荷聚集区116。每个后续驱动器MOSFET的栅极连接到前一个驱动器MOSFET的源极。因此，第二驱动器MOSFET136的栅极连接到第一驱动器MOSFET 132的源极，以及第三驱动器MOSFET 140的栅极连接到第二驱动器MOSFET 136的源极。对于图2中每个对应的源极跟随器级，每个驱动器MOSFET的栅极是输入端，每个驱动器MOSFET的源极是输出端。第三驱动器MOSFET 140的源极提供信号转换器122的输出电压Vout。
再次参照图2，第一驱动器MOSFET 132被实施为增强型的MOSFET，而其它每个MOSFET 134、136、138、140和142被实施为耗尽型的MOSFET。通常，增强型的MOSFET在VGS＝0V时不导通，而耗尽型的MOSFET具有在源极和漏极之间注入形成的导电通道，其在VGS＝0V时导通。
信号转换器122的灵敏度SV是指示信号转换器122的质量的特征。信号变换器122的灵敏度SV由以下公式计算SV＝CE×AVtotalCE是电荷转移效率，而AVtotal是通过信号转换器122的三个源极跟随器级133、139和143的总的电压增益。因此，AVtotal通过下面公式计算AVtotal＝AV1st×AV2nd×AV3rdAV1st是第一源极跟随器级133的电压增益，AV2nd是第二源极跟随器级139的电压增益，AV3rd是第三源极跟随器级143的电压增益。
任何源极跟随器级的电压增益AV可由以下公式计算AV＝gm/(gm+gds+gmb)
对于源极跟随器级的驱动器MOSFET来说，gm是跨导，gds是通道的电导，gmb是背栅跨导。驱动器MOSFET的跨导gm通常由以下公式计算gm＝[2μoxCox(W/L)ID]1/2对于驱动器MOSFET来说，μox是电荷迁移率，Cox是栅极电容，W是栅级宽度，L是栅级长度，ID是漏极电流。
此外，电荷转移效率CE由以下公式计算CE＝q/CS＝q/[CFD+CGS+CGD+CG]q是电子电荷，参照图1和2，CS是电荷聚集区116的存储节点120处的总电容。图3显示了输出MOSFET 114、电荷聚集区116、复位MOSFET 118以及第一驱动器MOSFET 132的布局示例。这样的组件连接到电荷聚集区116的存储节点120。
输出MOSFET 114包括设置在漏极154和源极156之间的栅极152。复位MOSFET 118包括设置在漏极160和源极154之间的栅极158。此外，第一驱动器MOSFET 132包括设置在漏极164和源极166之间的栅极162。因此，存储节点120处的总电容CS包括CFD，是浮动扩散结116的电容；CGS，是复位MOSFET 118的栅极158与源极154之间的交叠电容(即，在图3中虚线轮廓所示的交叠区域172内)；CGD，是输出MOSFET 114的栅极152与漏极154之间的交叠电容(即，在图3中虚线轮廓所示的交叠区域174内)；CG，是第一驱动器MOSFET 132的栅极电容。
图4显示了在Ohki等人的美国专利第5,432,364号中公开的信号转换器的一可替换实施方式122A。这样的信号转换器122A对三个源极跟随器级使用具有对应的三个负载MOSFET 134、138和142的三个驱动器MOSFET 132、136和140。此外，第一驱动器MOSFET 132的漏极经过电阻182连接到VDD，而第二负载MOSFET 138的源极经过电阻184连接到GND。第一和第三负载MOSFET 134和142的源极经过电容器186一起连接到GND。栅极偏置电压源188和栅极偏置电容器190连接到负载MOSFET 134、138和142的栅极。
图4的信号转换器122A的操作类似于图2的信号转换器122。但是，参照图4和5，第一驱动器MOSFET 132的栅极电介质192比第二驱动器MOSFET136的栅极电介质194薄。图5显示了第一和第二驱动器MOSFET 132和136的剖面图，如美国专利第5,432,364号中所述。
参照图5，第一和第二驱动器MOSFET 132和136形成在P阱196中。第一驱动器MOSFET 132由栅极132A、漏极132B和源极132C组成，以及第二驱动器MOSFET 136由栅极136A、漏极136B和源极136C组成。互连结构198将第一驱动器MOSFET 132的源极132C连接到第二驱动器MOSFET 136的栅极136A。
参照图4和5，在信号转换器122A中使第一驱动器MOSFET 132的栅极电介质192的厚度降低于其它MOSFET的栅极电介质的厚度，例如低于第二驱动器MOSFET 136的栅电介质的厚度，以便降低1/f噪声。此外在此情况下，由于第一驱动器MOSFET 132的跨导gm增加，所以第一源极跟随器级的电压增益AV1st增加。
但是，由于栅极电介质192的降低的厚度增加了第一驱动器MOSFET 132的栅极电容CG，所以有害地降低了电荷转移效率。因此，现有技术的信号转换器122A的整体灵敏度没有必然的增强，并且仅通过降低第一驱动器MOSFET132的栅极电介质192的厚度甚至可能导致变差。
然而，增加信号转换器的整体灵敏度可产生更高质量的成像系统。因此，期望信号转换器具有增加的整体灵敏度，以提高成像系统的质量。
发明内容
因此，在本发明的一般方面中，降低第一驱动器FET之后的至少一个后续驱动器FET的栅极电介质厚度，以增强信号转换器的整体灵敏度。
在本发明的实施例中，用于将信号电荷转转成电压的信号转换器包括接收信号电荷的第一驱动器FET。此外，后续驱动器FET连接到第一驱动器FET的输出端，以及后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于信号转换器的至少一个其它FET的栅极电介质厚度。在本发明的一示例性典型实施例中每个驱动器FET都被配置成源极跟随器。
在本发明的一个实施例中，第一驱动器FET用于第一级，后续驱动器FET用于第一级之后的第二级。在此情况下，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一驱动器FET的栅极电介质厚度，或基本上等于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。可选择地，第一驱动器FET的栅极电介质厚度下降，甚至小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。
在本发明的另一个实施例中，第一驱动器FET用于第一级，后续驱动器FET用于第三级，该第三级经过具有第二驱动器FET的第二级连接到第一级。在此情况下，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一驱动器FET的栅极电介质厚度，或基本上等于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。可选择地，第一驱动器FET的栅极电介质厚度下降，甚至小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。在本发明的另一实施例中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一和第二驱动器FET的相同的栅极电介质厚度。
在本发明的又一个实施例中，最后驱动器FET连接到后续驱动器FET的输出端，以产生输出电压。在此情况下，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于最后驱动器FET的栅极电介质厚度，或基本上等于最后驱动器FET的栅极电介质厚度。可选择地，最后驱动器FET的栅极电介质厚度下降，甚至小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。在本发明的另一个实施例中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一和最后驱动器FET的相同的栅极电介质厚度。
在本发明的再一个实施例中，每个驱动器FET连接到各自的负载FET。在此情况下，在本发明的一个实施例中，每个驱动器FET具有相同的栅极电介质厚度，该厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
在本发明的另一个实施例中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度，或者小于所有负载FET的每个各自的栅极电介质厚度。
本发明的如此实施例的信号转换器可以有利地用于根据信号电荷产生电压，该信号电荷是由光电二极管成像系统的CCD(电荷耦合器件)输出的。
以此方式，降低第一级驱动器FET之后的至少一个后续驱动器FET的栅极电介质厚度。如此降低至少一个后续驱动器FET的栅极电介质厚度能增加总的电压增益AVtotal，而不会降低信号转换器的电荷转移效率。因此，增强了信号转换器的整体灵敏度。
通过考虑使用附图表示的随后的本发明的详细描述，将会更好地理解本发明的这些和其它方面和优点。
图1显示了根据现有技术的光电二极管成像系统的方框图；
图2显示了根据现有技术的图1的输出电路内的信号转换器的示例性实施方式的电路图；图3显示了根据现有技术的图1的输出电路中的元件的布局；图4显示了如现有技术所述的另一种实施方式的信号转换器的电路图；图5显示了根据现有技术的图4的信号转换器内的第一和第二驱动器MOSFET的剖面图；图6显示了根据本发明实施例的具有增强灵敏度的信号转换器的电路图；图7、8、9、10、11、12、13、14和15显示了根据本发明实施例的图6的信号转换器内的MOSFET的剖面图，所述MOSFET具有各种可能的栅极电介质厚度；图16显示了根据本发明的另一个实施例的图6的信号转换器内的MOSFET的可选剖面图，其具有形成在绝缘的P阱内的第一驱动器MOSFET；图17显示了按照本发明另一个实施例的图6的信号转换器内的MOSFET的可选剖面图，其中每个具有分段合并在一起的驱动器MOSFET的源极和负载MOSFET的漏极；图18显示了根据本发明另一个实施例的具有增强灵敏度的信号转换器的可选电路图；以及图19显示了根据本发明另一个实施例的使用图6的信号转换器的成像系统。
此处所引用的附图是为了举例说明的清楚性而绘制的，并没有严格地按照比例绘制。图1至19中具有相同附图标记的元件表示具有类似结构和功能的元件。
具体实施例方式
参照图6，按照本发明实施例的信号转换器202将聚集在电荷聚集区204处的信号电荷转换成具有增强灵敏度的电压Vout。在本发明的一个实施例中，图6的电荷聚集区204通常被形成为高掺杂结，类似于图1、2、3和4的电荷聚集区116。或者，可以使用任何其它类型的电荷聚集区来实施本发明。
在本发明的一个实施例中，信号转换器202包括第一源极跟随器级206、第二源极跟随器级208和第三源极跟随器级210。第一源极跟随器级206包括第一驱动器MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)212和第一负载MOSFET 214。第二源极跟随器级208包括第二驱动器MOSFET 216和第二负载MOSFET 218。第三源极跟随器级210包括第三驱动器MOSFET 220和第三负载MOSFET 222。
第一驱动器MOSFET 212具有连接到高偏置电压VDD的漏极、连接到第一负载MOSFET 214的漏极的源极、以及连接到电荷聚集区204的栅极。此外，第一负载MOSFET 214具有连接到栅极偏置电压VGG的栅极以及经过第一负载电阻R1接地的源极。
类似地，第二驱动器MOSFET 216具有连接到高偏置电压VDD的漏极和连接到第二负载MOSFET 218的漏极的源极。此外，第二驱动器MOSFET 216的栅极连接到第一源极跟随器级206的输出端(即，第一驱动器MOSFET 212的源极)。而且，第二负载MOSFET 218具有连接到栅极偏置电压VGG的栅极以及经过第二负载电阻R2接地的源极。
此外，第三驱动器MOSFET 220具有连接到高偏置电压VDD的漏极和连接到第三负载MOSFET 222的漏极的源极。此外，第三驱动器MOSFET 220的栅极连接到第二源极跟随器级208的输出端(即，第二驱动器MOSFET 216的源极)。而且，第三负载MOSFET 222具有连接到栅极偏置电压VGG的栅极以及经过第三负载电阻R3接地的源极。第三源极跟随器级210的输出端提供输出电压Vout。
通常，使用三个源极跟随器级206、208和210，这是因为最后一级210的第三驱动器MOSFET 220被制成具有以足够速度驱动负载电容224的大小。例如，典型的负载电容CL大约是10pF(皮法)，为了有足够的速度驱动这样的负载电容，第三驱动器MOSFET 220的宽度大约是1000微米。
另一方面，期望最前级206的第一驱动器MOSFET 212的尺寸和由此的栅极电容被最小化，以使信号转换器202的电荷转移效率最大。第二驱动器MOSFET 216通过将来自第一驱动器MOSFET 212的电流放大提供给第三驱动器MOSFET 220，而在第一驱动器MOSFET 212和第三驱动器MOSFET 220之间平滑地过渡(smoothly transition)。
再次参照图6，第一驱动器MOSFET 212被实施成增强型的MOSFET，而每个其它的MOSFET 214、216、218、220和222被实施成耗尽型的MOSFET。通常，增强型的MOSFET在VGS＝0V时不导通，而耗尽型的MOSFET具有在源极和漏极之间注入形成的导电通道，其在VGS＝0V时导通。
图7显示了本发明示例性实施例中的图6的信号转换器202的MOSFET212、214、216、218、220和222的剖面图。MOSFET 212、214、216、218、220和222是形成在例如为硅晶片的半导体衬底232的P阱230中的N沟道MOSFET。
再次参照图7，第一驱动器MOSFET 212包括栅极212A、栅极电介质212B、漏极212C和源极212D。第一负载MOSFET 214包括栅极214A、栅极电介质214B、漏极214C、源极214D和作为耗尽型的MOSFET的注入导电通道214E。互连结构234将第一驱动器MOSFET 212的源极212D连接到第一负载MOSFET214的漏极214C。
类似地，第二驱动器MOSFET 216包括栅极216A、栅极电介质216B、漏极216C、源极216D和作为耗尽型的MOSFET的注入导电通道216E。第二负载MOSFET 218包括栅极218A、栅极电介质218B、漏极218C、源极218D和作为耗尽型的MOSFET的注入导电通道218E。互连结构236将第二驱动器MOSFET216的源极216D连接到第二负载MOSFET 218的漏极218C。
此外，第三驱动器MOSFET 220包括栅极220A、栅极电介质220B、漏极220C、源极220D和作为耗尽型的MOSFET的注入导电通道220E。第三负载MOSFET 222包括栅极222A、栅极电介质222B、漏极222C、源极222D和作为耗尽型的MOSFET的注入导电通道222E。互连结构238将第三驱动器MOSFET220的源极220D连接到第三负载MOSFET 222的漏极222C。
再次参照图7，在本发明的一个实施例中，降低第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质216B的厚度(即，栅极电介质厚度)，使其小于每个其它MOSFET212、214、218、220和222的栅极电介质厚度。类似于上述图2中的信号转换器122，图6的信号转换器202的灵敏度SV由以下公式计算SV＝CE×AVtotalCE是电荷转移效率，AVtotal是通过三个源极跟随器级206、208和210的总的电压增益。因此，AVtotal通过下面公式计算AVtotal＝AV1st×AV2nd×AV3rdAV1st是第一源极跟随器级206的电压增益，AV2nd是第二源极跟随器级208的电压增益，AV3rd是第三源极跟随器级210的电压增益。
任何源极跟随器级的电压增益AV可由以下公式计算
AV＝gm/(gm+gds+gmb)对于源极跟随器级的驱动器MOSFET，gm是跨导，gds是通道的电导，gmb是背栅跨导。驱动器MOSFET的跨导gm通常由以下公式计算gm＝[2μoxCox(W/L)ID]1/2对于驱动器MOSFET，μox是电荷迁移率，Cox是栅极电容，W是栅极宽度，L是栅极长度，ID是漏极电流。
此外，参照图6和19，信号转换器202是成像系统300内使用的输出电路302的一部分。参照图1和19，图19中的光电二极管102阵列和CCD(电荷耦合器件)104、106、108和110的操作类似于如上参照图1所述的。此外，图19的输出电路302中的输出MOSFET 114和复位MOSFET 118的操作类似于如上参照图1所述的。
信号转换器202的电荷转移效率CE由以下公式计算CE＝q/CS＝q/[CFD+CGS+CGD+CG]q是电子电荷，参照图6和19，CS是电荷聚集区204的存储节点205处的总电容。类似于参照图1和4所述的，图6和19的存储节点205的总电容CS包括CFD，浮动扩散结204的电容；CGS，复位MOSFET 118的栅极与源极之间的交叠电容；CGD，输出MOSFET 114的栅极与漏极之间的交叠电容；CG，第一驱动器MOSFET 212的栅极电容。
在图7的实施例中，降低第二MOSFET 216的栅极电介质216B的厚度，以便增加第二源极跟随器级208的电压增益AV2nd。因此，增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。但是，降低第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质的厚度不会影响信号转换器202的电荷转移效率CE。因此，图7实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal比现有技术的整体灵敏度有所增加。
参照图8，对于本发明另一个实施例，降低第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B的厚度，使其基本上与第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质216B的厚度相同。因此，第一和第二驱动器MOSFET 212和216的栅极电介质厚度基本上相同，并且都小于每个其它MOSFET 214、218、220和222的栅极电介质厚度。
在此情况下，增加了第一和第二级206和208每级的电压增益AV1st和AV2nd，从而增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。随着第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低，信号转换器202的电荷转移效率CE也降低了。但是，总的电压增益AVtotal的增加可以比电荷转移效率CE的这种降低多出一些，所以图8实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
参照图9，对于本发明另一个实施例，降低第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B的厚度，使其甚至小于第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质216B的厚度。因此，第一和第二驱动器MOSFET 212和216的栅极电介质厚度小于每个其它MOSFET 214、218、220和222的栅极电介质厚度。此外，第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低甚至超过第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质厚度。
在此情况下，图9中的第一级206的电压增益的增加甚至超过图8中的实施例。因此，图9中的信号转换器202的总电压增益AVtotal的增加甚至超过了图8中的实施例。但是，随着第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的进一步降低，图9中的信号转换器202的电荷转移效率CE的进一步降低也超过了图8中的实施例。然而，总的电压增益AVtotal的进一步增加可以比电荷转移效率CE的这种进一步降低多出一些，所以图9实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
参照图10，对于本发明另一个实施例，降低第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质220B的厚度(即，栅极电介质厚度)，使其小于每个其它MOSFET212、214、216、218和222的栅极电介质厚度。在此情况下，增加了第三级210的电压增益AV3rd，从而增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。
但是，降低第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质厚度不影响信号转换器202的电荷转移效率CE。因此，图10实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal超过现有技术的整体灵敏度。
参照图11，对于本发明另一个实施例，也降低第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B的厚度，使其基本上与第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质220B的厚度相同。因此，第一和第三驱动器MOSFET 212和220的栅极电介质厚度基本上相同，并且都小于每个其它MOSFET 214、216、218和222的栅极电介质厚度。
在此情况下，增加了第一和第三级206和210每级的电压增益AV1st和AV3rd，从而增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。随着第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低，信号转换器202的电荷转移效率CE也降低。但是，总的电压增益AVtotal的增加可以比电荷转移效率CE的这种降低多出一些，所以图11实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
参照图12，对于本发明另一个实施例，降低第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B的厚度，使其甚至小于第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质220B的厚度。因此，第一和第三驱动器MOSFET 212和220的栅极电介质厚度小于每个其它MOSFET 214、216、218和222的栅极电介质厚度。此外，第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低甚至超过了第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质厚度。
在此情况下，图12中第一级206的电压增益的增加甚至超过了图11中的实施例。因此，图12中的信号转换器202的总电压增益AVtotal的增加甚至超过了图11中的实施例。但是，随着第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的进一步降低，图12中的信号转换器202的电荷转移效率CE的进一步降低也超过了图11中的实施例。然而，总的电压增益AVtotal的进一步增加可以比电荷转移效率CE的进一步降低多出一些，所以图12实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
参照图13，对于本发明另一个实施例，第二驱动器MOSFET 216的栅极电介质216B的厚度与第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质220B的厚度基本上相同，并被降低使其小于每个其它MOSFET 212、214、218和222的栅极电介质厚度。在此情况下，增加了第二和第三级208和210每级的电压增益AV2nd和AV3rd，从而增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。
但是，降低第二和第三驱动器MOSFET 216和220的栅极电介质厚度不影响信号转换器202的电荷转移效率CE。因此，图13实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal超过现有技术的整体灵敏度。此外，图12中降低第二和第三驱动器MOSFET 216和220两者的栅极电介质厚度所增加的信号转换器202的整体灵敏度，甚至超过图7或10实施例中只降低第二或第三驱动器MOSFET 216或220其中一个的栅极电介质厚度的情况。
参照图14，对于本发明另一个实施例，第一、第二和第三驱动器MOSFET212、216和220的栅极电介质212B、216B和220B的厚度基本上相同，并被降低使其小于每个负载MOSFET 214、218和222的栅极电介质厚度。在此情况下，增加了第一、第二和第三级206、208和210每级的电压增益AV1st、AV2nd和AV3rd，从而增加了信号转换器202的总的电压增益AVtotal。
随着图14中第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低，信号转换器202的电荷转移效率CE也降低。但是，总的电压增益AVtotal的增加可以比电荷转移效率CE的这种降低多出一些，使得图14实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
参照图15，对于本发明另一个实施例，第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低甚至超过图14中的实施例。因此，第一驱动器MOSFET212的栅极电介质厚度小于第二和第三驱动器MOSFET 216和220的相同的栅极电介质厚度。图15中第二和第三驱动器MOSFET 216和220的栅极电介质厚度仍然小于每个负载MOSFET 214、218和222的栅极电介质厚度。此外，第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的降低甚至超过了第二和第三驱动器MOSFET 216和220的栅极电介质厚度。
在此情况下，图15中第一级206的电压增益的增加甚至超过图14中的实施例。因此，图15中的信号转换器202的总电压增益AVtotal的增加甚至超过了图14中的实施例。但是，随着第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质212B厚度的进一步降低，图15中信号转换器202的电荷转移效率CE的降低也超过了图14中的实施例。然而，总的电压增益AVtotal的进一步增加可以比电荷转移效率CE的进一步降低多出一些，使得图15实施例的信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
以此方式，对于图7至15所示的本发明的这些实施例，降低信号转换器202中设置在第一驱动器MOSFET 212之后的至少一个后续驱动器MOSFET 216和/或220的栅极电介质厚度。通过降低这样的栅极电介质厚度，增加了总的电压增益AVtotal，而不会影响电荷转移效率CE，所以与现有技术相比有利地增加了信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal。因此，优选的尽可能的降低至少一个后续驱动器MOSFET 216和/或220的栅极电介质厚度，但其会受到如此薄的栅极电介质的击穿电压的限制。
此外，可以使用不同于图7至15所示实施例的其它栅极电介质厚度关系来实施本发明。例如，与第二驱动器MOSFET 216相比可以进一步降低第三驱动器MOSFET 220的栅极电介质厚度，反之一样，使得MOSFET 216和220的所述栅极电介质厚度也可以小于每个其它MOSFET 212、214、218和222的各个栅极电介质厚度。对于本发明，通常降低设置在第一驱动器MOSFET 212之后的至少一个随后的MOSFET 216和/或220的栅极电介质厚度。
此外，在本发明图7至15的一些实施例中，降低第一驱动器MOSFET 212的栅极电介质厚度，对应的降低了电荷转移效率CE。但是，由于还降低了至少一个后续驱动器MOSFET 216和/或220的栅极电介质厚度，所以总的电压增益AVtotal的增加可以比电荷转移效率CE的这种降低多出一些，所以信号转换器202的整体灵敏度SV＝CE×AVtotal仍然超过现有技术的整体灵敏度。
前述的实施例只是示例性的并不是限制性的。例如，此处指出的或举例说明的任何的尺寸、数量和材料只是示例性的。此外，应当理解此处所用的例如“之后”和“随后”的术语和短语是指各部分结构关于其它部分的相对位置和方向，而不是指关于外部对象的任何具体绝对的方向是必需或要求的。
例如，尽管图6至15例举了三个源极跟随器级206、208和210，但是也可以使用居于之间的中间级来实施本发明。当降低设置在第一源极跟随器级206之后的至少一个后续驱动器MOSFET的栅极电介质厚度以便增加信号转换器的整体灵敏度时，通常可以实施本发明。
此外，也可以不同于图6至15所示实施例的其它方式来实施按照本发明的具有增强的整体灵敏度的信号转换器。例如，参照图16，对于本发明另一个实施例，在隔离的P阱402中形成第一驱动器MOSFET 212，P阱402与其中形成有其它MOSFET 214、216、218、220和222的P阱230分开。
在图16的实施例中，因为连接到电荷聚集区204的第一驱动器MOSFET212与其它MOSFET 214、216、218、220和222隔离，所以隔离的P阱402使信号转换器202具有较低的噪声。此外，可以降低隔离的P阱402的杂质浓度，以降低第一驱动器MOSFET 212的背栅跨导gmb，由此增加信号转换器202的总的电压增益AVtotal。图16的实施例类似于图7的实施例，但是对于第一驱动器MOSFET 212具有隔离的P阱402。此外，对于图8至15的任何其它实施例也可以形成用于第一驱动器MOSFET 212的隔离的P阱402。
参照图17，对于本发明另一个实施例，每个源极跟随器级206、208和210中的驱动器MOSFET的源极与负载MOSFET的漏极合并。因此，参照图7和17，第一驱动器MOSFET 212的源极212D和第一负载MOSFET 214的漏极214C合并成为一个结404。类似地，第二驱动器MOSFET 216的源极216D和第二负载MOSFET 218的漏极218C合并成为一个结406。此外，第三驱动器MOSFET 220的源极220D和第三负载MOSFET 222的漏极222C合并成为一个结406。
使用图17的实施例，对于每个源极跟随器级206、208和210，可以有利地不使用互连结构234、236和238来连接驱动器MOSFET的源极和负载MOSFET的漏极。此外，通过图17中这样的合并，可有利地降低驱动器MOSFET的源极以及负载MOSFET的漏极所占用的面积。
图18显示了按照本发明另一个实施例的信号转换器410。图18的信号转换器410类似于图6的信号转换器202。但是在图18中，负载MOSFET 214、218和222的源极经过同一个电阻RS一起接地。相反的在图6中，负载MOSFET214、218和222的每个源极分别经过电阻R1、R2和R3接地。无论如何，负载MOSFET源极处的电阻增加了负载MOSFET漏极处的有效负载电阻。
在图18的实施例中，对于每个源极跟随器级的较多的一致性操作，一个电阻RS的电阻值更容易控制。另一方面，由于是通过公共的电阻RS来连接源极跟随器级，所以图18所示的信号转换器410更容易产生噪声。因此，图6的信号转换器202可较好的工作在噪声环境中。
无论如何，图6至18示意性地显示了本发明的典型实施例。也可以使用此处没有具体示例和说明的其它实施例来实施本发明。本发明只限于随后的权利要求及其等价物所定义的范围。
本发明要求于2003年12月16日提交的35 U.S.C.§119下的韩国专利申请第P2003-0091868号的优先权，这里引用其全文作为参考。
权利要求
1.一种用于将信号电荷转换成电压的信号转换器，包括接收信号电荷的第一驱动器FET；和连接到第一驱动器FET的输出端的后续驱动器FET，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于信号转换器的至少一个其它FET的栅极电介质厚度。
2.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中，后续驱动器FET用于第一级之后的第二级。
3.根据权利要求2所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。
4.根据权利要求2所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度基本上等于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。
5.根据权利要求2所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET的栅极电介质厚度小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。
6.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中后续驱动器FET用于第三级，该第三级经过具有第二驱动器FET的第二级连接到第一级。
7.根据权利要求6所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。
8.根据权利要求6所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度基本上等于第一驱动器FET的栅极电介质厚度。
9.根据权利要求6所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET的栅极电介质厚度小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。
10.根据权利要求6所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一和第二驱动器FET的相同的栅极电介质厚度。
11.根据权利要求1所述的信号转换器，还包括连接到后续驱动器FET的输出端的最后驱动器FET，用于产生输出电压。
12.根据权利要求11所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于最后驱动器FET的栅极电介质厚度。
13.根据权利要求11所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度基本上等于最后驱动器FET的栅极电介质厚度。
14.根据权利要求11所述的信号转换器，其中，最后驱动器FET的栅极电介质厚度小于后续驱动器FET的栅极电介质厚度。
15.根据权利要求11所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于第一和最后驱动器FET的相同的栅极电介质厚度。
16.根据权利要求11所述的信号转换器，其中，将每个驱动器FET连接到各自的负载FET。
17.根据权利要求16所述的信号转换器，其中，每个驱动器FET都具有相同的栅极电介质厚度，该相同的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
18.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，每个驱动器FET连接到各自的负载FET。
19.根据权利要求18所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
20.根据权利要求18所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于所有负载FET的每个各自的栅极电介质厚度。
21.根据权利要求18所述的信号转换器，其中，每个负载FET都经过各自的电阻接地。
22.根据权利要求18所述的信号转换器，其中，每个负载FET都经过同一个电阻一起接地。
23.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于信号转换器的所有其它FET的每个各自的栅极电介质厚度。
24.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET是增强型的MOSFET，以及其中信号转换器的所有其它FET是耗尽型的MOSFET。
25.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，每个驱动器FET都被配置成源极跟随器。
26.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，第一驱动器FET被形成在一绝缘的阱内。
27.根据权利要求1所述的信号转换器，其中，信号电荷是从CCD(电荷耦合器件)输出的。
28.一种用于将信号电荷转换成电压的信号转换器，包括多个级，每个级具有驱动器FET和负载FET，最前级接收信号电荷，以及每个随后级接收来自先前级的电压；以及用于增加电压增益而不会降低信号转换器的电荷转移效率的装置。
29.根据权利要求28所述的信号转换器，其中，每个驱动器FET都被配置成源极跟随器。
30.根据权利要求28所述的信号转换器，其中，每级的负载FET的源极经过各自的电阻接地。
31.根据权利要求28所述的信号转换器，其中，每级的负载FET的源极经过同一个电阻接地。
32.根据权利要求28所述的信号转换器，其中，最前级的驱动器FET被形成在一绝缘的阱内。
33.根据权利要求28所述的信号转换器，其中，最前级的驱动器FET被制成使栅极电容最小的尺寸；以及其中最后级的驱动器FET被制成供应足够的电流以驱动连接到最后级的输出端的负载的尺寸；以及其中中间级的驱动器FET被制成用于在最前级和最后级的驱动器FET之间进行电流放大的尺寸。
34.一种用于电荷转移元件的输出电路，包括用于聚集来自电荷转移元件的电荷以产生信号电荷的区域；用于将信号电荷转换成电压的信号转换器，该信号转换器包括接收信号电荷的第一驱动器FET；和连接到第一驱动器FET的输出端的后续驱动器FET，其中后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于信号转换器的至少一个其它FET的栅极电介质厚度；复位晶体管，用于导通时将所述区域重置到复位电压；和输出晶体管，用于导通时将来自电荷转移元件的电荷转移到所述区域。
35.根据权利要求34所述的输出电路，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中后续驱动器FET用于第一级之后的第二级。
36.根据权利要求34所述的输出电路，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中后续驱动器FET用于第三级，该第三级经过第二级连接到第一级。
37.根据权利要求34所述的输出电路，其中，信号转换器还包括连接到后续驱动器FET的输出端的最后驱动器FET，用于产生输出电压。
38.根据权利要求37所述的输出电路，其中，每个驱动器FET都连接到各自的负载FET。
39.根据权利要求38所述的输出电路，其中，每个驱动器FET都具有相同的栅极电介质厚度，该相同的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
40.根据权利要求34所述的输出电路，其中，每个驱动器FET都被配置成源极跟随器。
41.根据权利要求34所述的输出电路，其中，每个驱动器FET都连接到各自的负载FET。
42.根据权利要求41所述的输出电路，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
43.根据权利要求41所述的输出电路，其中，每个负载FET都经过各自的电阻接地。
44.根据权利要求41所述的输出电路，其中，每个负载FET经过同一个电阻一起接地。
45.根据权利要求34所述的输出电路，其中，第一驱动器FET是增强型的MOSFET，以及其中信号转换器的所有其它FET是耗尽型的MOSFET。
46.根据权利要求34所述的输出电路，其中，将第一驱动器FET形成在一绝缘的阱内。
47.根据权利要求34所述的输出电路，其中，电荷转移元件是CCD(电荷耦合器件)。
48.一种成像系统，包括光电二极管阵列，每个光电二极管聚集各自的信号电荷；至少一个电荷转移元件，被连接到光电二极管阵列，用于转移来自每个光电二极管的各个信号电荷；和连接到至少一个电荷转移元件的输出电路，该输出电路包括用于聚集从电荷转移元件转移的各个信号电荷的区域；和用于将聚集在所述区域的各个信号电荷转换成电压的信号转换器，该信号转换器包括用于接收各个信号电荷的第一驱动器FET；和连接到第一驱动器FET的输出端的后续驱动器FET，其中后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于信号转换器的至少一个其它FET的栅极电介质厚度。
49.根据权利要求48所述的成像系统，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中后续驱动器FET用于第一级之后的第二级。
50.根据权利要求48所述的成像系统，其中，第一驱动器FET用于第一级，以及其中后续驱动器FET用于经过第二级连接到第一级的第三级。
51.根据权利要求48所述的成像系统，其中，信号转换器还包括连接到后续驱动器FET的输出端的最后驱动器FET，用于产生输出电压。
52.根据权利要求51所述的成像系统，其中，将每个驱动器FET都连接到各自的负载FET。
53.根据权利要求52所述的成像系统，其中，每个驱动器FET都具有相同的栅极电介质厚度，该相同的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
54.根据权利要求48所述的成像系统，其中，每个驱动器FET都连接到各自的负载FET。
55.根据权利要求54所述的成像系统，其中，后续驱动器FET的栅极电介质厚度小于至少一个负载FET的栅极电介质厚度。
56.根据权利要求54所述的成像系统，其中，每个负载FET都经过各自的电阻接地。
57.根据权利要求54所述的成像系统，其中，每个负载FET都经过同一个电阻接地。
58.根据权利要求48所述的成像系统，其中，每个驱动器FET都被配置成源极跟随器。
59.根据权利要求48所述的成像系统，其中，第一驱动器FET是增强型的MOSFET，以及其中信号转换器的所有其它FET是耗尽型的MOSFET。
60.根据权利要求48所述的成像系统，其中，第一驱动器FET形成在一绝缘的阱内。
61.根据权利要求48所述的成像系统，其中，电荷转移元件是CCD(电荷耦合器件)。
62.根据权利要求48所述的成像系统，其中，所述输出电路还包括复位晶体管，用于导通时将所述区域复位到复位电压；和输出晶体管，用于导通时将来自电荷转移元件的各个信号电荷转移到所述区域，其中当输出晶体管导通时复位晶体管关闭。
全文摘要
一种用于将信号电荷转换成电压的信号转换器，包括用于接收信号电荷的第一级的第一驱动器FET。后续驱动器FET连接到第一驱动器FET的输出端，且减少了后续驱动器FET的栅极电介质厚度。后续驱动器FET用于第二级或用于第三级。后续驱动器FET的栅极电介质厚度的减少增加了电压增益AV
文档编号H04N5/335GK1674297SQ20041009977
公开日2005年9月28日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者卢宰燮, 李德炯, 南丁铉, 柳政澔, 金利泰, 孔海庆 申请人:三星电子株式会社