CN102740009B - 图像传感器及其像素读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器及其像素读出方法。本发明中，在传统CMOS图像传感器结构上增加了一个传输管，掺杂形成两个浮动扩散区，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。采用长/短曝光的方式，一幅图像使用较长时间的曝光，一幅图像使用较短时间的曝光，再将两幅图像进行合成，从而捕捉图像的亮细节和暗细节，提高图像传感器的动态范围。分别获取外部闪光器件发光和不发光阶段的图像，然后进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。采用相关双采样技术，即将先后两次读取的信号相减，可以达到消除噪声的目的。

Description

图像传感器及其像素读出方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种带全局快门的双浮动扩散区结构的金属氧化物半导体图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件（Charge-Coupled Device，简称“CCD”）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”）图像传感器。

现有的CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列。

根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器（Passive Pixel Sensor，简称“PPS”）、有源式像素传感器（ActivePixel Sensor，简称“APS”）和数字像素传感器（Digital Pixel Sensor，简称“DPS”）三种类型。

根据一个像素单元电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。

如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括：一个光电二极管（Photo Diode，简称“PD”）10，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体（NMetal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”）管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10的N型区相连；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图2中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M1的源极即所述感应节点N1。

本发明的发明人发现，现有技术中，图像传感器中只包括一个浮动扩散区，所拍摄的图像容易出现拖影，图像质量不够高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器及其像素读出方法，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种图像传感器，包括：控制器和多个像素区域；

每个像素区域中包括第一浮动扩散区和第二浮动扩散区，分别通过第一传输管和第二传输管与感光器件连接；

控制器用于控制第一传输管和第二传输管周期性地打开和关闭，在打开第一传输管时关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通；在关闭第一传输管时打开第二传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通。

本发明的实施方式还公开了一种图像传感器的像素读出方法，用于如上文所述的图像传感器，方法包括以下步骤：

控制器控制第一传输管和第二传输管周期性地打开和关闭N个周期，在打开第一传输管时关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通；在关闭第一传输管时打开第二传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通，其中，N为大于1的整数；

读出第一浮动扩散区上的信号；

读出第二浮动扩散区上的信号；

将第一浮动扩散区上的信号和第二浮动扩散区上的信号进行合成后输出。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在传统CMOS图像传感器结构上增加了一个传输管，掺杂形成两个浮动扩散区，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。

进一步地，采用长/短曝光的方式，一幅图像使用较长时间的曝光，一幅图像使用较短时间的曝光，再将两幅图像进行合成，从而捕捉图像的亮细节和暗细节，提高图像传感器的动态范围。

进一步地，分别获取外部闪光器件发光和不发光阶段的图像，然后进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。

进一步地，在外部闪光器件发光的情况下，信号更容易饱和，第一浮动扩散区用于保存外部闪光器件发光时的图像信息，将外部闪光器件的发光时间设定为小于50％，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。

进一步地，第一浮动扩散区用来保存较长曝光时间或外部闪光器件发光时的图像信息，将第一浮动扩散区的阱容量做的比第二浮动扩散区大，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。

进一步地，采用相关双采样技术，即将先后两次读取的信号相减，可以达到消除噪声的目的。

附图说明

图1是现有技术中一种3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的电路结构示意图；

图2是现有技术中一种4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的电路结构示意图；

图3是本发明第一实施方式中一种图像传感器的电路结构示意图；

图4是本发明第三实施方式中一种图像传感器的像素读出方法的流程示意图；

图5是本发明第三实施方式中一种图像传感器的工作时序图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种图像传感器。图3是该图像传感器的电路结构示意图。

该图像传感器包括：控制器和多个像素区域。

具体地说，如图3所示，每个像素区域中包括第一浮动扩散区FD1和第二浮动扩散区FD2，分别通过第一传输管TX1和第二传输管TX2与感光器件PD连接。

控制器用于控制第一传输管TX1和第二传输管TX2周期性地打开和关闭，在打开第一传输管TX1时关闭第二传输管TX2，将感光器件PD与第一浮动扩散区FD1连通；在关闭第一传输管TX1时打开第二传输管TX2，将感光器件PD与第二浮动扩散区FD2连通。

在传统CMOS图像传感器结构上增加了一个传输管TX，掺杂形成两个浮动扩散区FD1和FD2，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。

拖影，是指一种显示器的故障现象，故障表现为：显示的字体、图片或窗口等，后面拖有黑色的横条纹，视故障的严重程度，条纹可长可短。

TX1管和TX2管用于将PD上的电荷转移到两个掺杂形成的PN结电容（即浮动扩散区）FD1和FD2。在这里FD1和FD2的阱容量可以相等，也可以不相等。

在每个周期中包括两个阶段：第一传输管TX1打开阶段和第一传输管TX1关闭阶段，也就是第二传输管TX2关闭阶段和第二传输管TX2打开阶段。

在本实施方式中，优选地，在每个第一传输管打开和关闭的周期里，第一传输管打开时间所占比例大于50％；第一浮动扩散区的阱容量大于第二浮动扩散区的阱容量。

当然，这只是一种优选的实施方式，在本发明的其它某些实施方式中，第一传输管打开时间所占比例也可以不大于50％，第一浮动扩散区的阱容量也可以不大于第二浮动扩散区的阱容量。

采用长/短曝光的方式，一幅图像使用较长时间的曝光，一幅图像使用较短时间的曝光，再将两幅图像进行合成，从而捕捉图像的亮细节和暗细节，提高图像传感器的动态范围。第一浮动扩散区用来保存较长曝光时间时的图像信息，将第一浮动扩散区的阱容量做的比第二浮动扩散区大，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。

每个像素区域中还包括第一开关管S1和第二开关管S2。

第一浮动扩散区FD1和第二浮动扩散区FD2分别通过第一开关管S1和第二开关管S2与像素读出电路连接。

像素读出电路中包括放大管Amp和行选择管RS。放大管Amp与第一和第二浮动扩散区连接，用于对来自第一和第二浮动扩散区的信号进行放大后，通过行选择管RS输出。

第一浮动扩散区FD1和第二浮动扩散区FD2分别通过第一开关管S1和第二开关管S2与放大管Amp连接。

每个像素区域中还包括一个复位管RST，该复位管RST与第一和第二浮动扩散区连接，用于对第一和第二浮动扩散区进行复位。

在本实施方式中，感光器件PD为光电二极管，用于将光信号转换为电荷信号，PD可以是PN结感光二极管、PIN光电二极管等本征半导体结构或者光电门。

每个像素区域中还包括：一个起全局快门作用的金属氧化物半导体管GS，该金属氧化物半导体管GS源漏极中的一极与电源VDD连接，另一极与感光器件PD的负极连接，栅极与全局快门信号连接。

本发明第二实施方式涉及一种图像传感器。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：

图像传感器还包括外部闪光器件，该外部闪光器件可为LED发光器件，控制器还用于控制外部闪光器件LED周期性地发光与不发光，在外部闪光器件LED发光阶段，打开第一传输管TX1并关闭第二传输管TX2，将感光器件PD与第一浮动扩散区FD1连通。在外部闪光器件LED不发光阶段打开第二传输管TX2并关闭第一传输管TX1，将感光器件PD与第二浮动扩散区FD2连通。

分别获取外部闪光器件LED发光和不发光阶段的图像，然后进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。

外部闪光器件LED由脉冲信号控制。当LED为高电平时，即在LED发光阶段，TX1管导通，将曝光时的图像信息保存到电容FD1；当LED为低电平时，即在LED不发光阶段，TX2管导通，这时将自然光下的图像信息保存到FD2。

优选地，在外部闪光器件LED的每个发光和不发光的周期里，发光时间所占比例小于50％。

在外部闪光器件发光的情况下，信号更容易饱和，第一浮动扩散区用于保存外部闪光器件发光时的图像信息，将外部闪光器件的发光时间设定为小于50％，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。

本发明第三实施方式涉及一种图像传感器的像素读出方法。图4是该图像传感器的像素读出方法的流程示意图。该图像传感器的像素读出方法用于如上文所述的图像传感器。图5是该图像传感器的一种工作时序图。

具体地说，如图4所示，该图像传感器的像素读出方法包括以下步骤：

在步骤401中，控制器控制第一传输管TX1和第二传输管TX2周期性地打开和关闭N个周期，在打开第一传输管TX1时关闭第二传输管TX2，将感光器件PD与第一浮动扩散区FD1连通；在关闭第一传输管TX1时打开第二传输管TX2，将感光器件PD与第二浮动扩散区FD2连通，其中，N为大于1的整数。

此后进入步骤402，读出第一浮动扩散区FD1上的信号。

具体地说，步骤402中还包括以下子步骤：

打开第一开关管S1，复位管RST将第一浮动扩散区FD1复位，复位之后立刻采样，得到第一采样信号，然后关闭第一开关管S1；

第一浮动扩散区FD1上的信号导出之后，再次打开第一开关管S1，再一次采样，得到第二采样信号，然后再关闭第一开关管S1；

将第二采样信号减去第一采样信号，得到第一浮动扩散区FD1上的信号。

首先，复位管RST将FD1复位，复位之后读出电路立刻采样，也就是模数转换器（Analog Digital Converter，简称“ADC”）进行采样，将FD1上的信号导出之后ADC再一次采样。随后将两次读取的信号相减，从而达到消除噪声的目的。

此后进入步骤403，读出第二浮动扩散区FD2上的信号。

具体地说，步骤403中还包括以下子步骤：

打开第二开关管S2，复位管RST将第二浮动扩散区FD2复位，复位之后立刻采样，得到第三采样信号，然后关闭第二开关S2；

第二浮动扩散区FD2上的信号导出之后，再次打开第二开关管S2，再一次采样，得到第四采样信号，然后再关闭第二开关管S2；

将第四采样信号减去第三采样信号，得到第二浮动扩散区FD2上的信号。

首先，复位管RST将FD2复位，复位之后读出电路立刻采样，也就是ADC进行采样，将FD2上的信号导出之后ADC再一次采样。随后将两次读取的信号相减，从而达到消除噪声的目的。

采用相关双采样技术，即将先后两次读取的信号相减，可以达到消除噪声的目的。

此后进入步骤404，将第一浮动扩散区FD1上的信号和第二浮动扩散区FD2上的信号进行合成后输出。

此后结束本流程。

本实施方式是与第一和第二实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一和第二实施方式互相配合实施。第一和第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一和第二实施方式中。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中（例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等）。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，简称“PAL”）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称“RAM”）、可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，简称“PROM”）、只读存储器（Read-Only Memory，简称“ROM”）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”）、磁盘、光盘、数字通用光盘（Digital Versatile Disc，简称“DVD”）等等。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：控制器和多个像素区域； 

每个像素区域中包括第一浮动扩散区和第二浮动扩散区，分别通过第一传输管和第二传输管与感光器件连接； 

所述控制器用于控制第一传输管和第二传输管周期性地打开和关闭，在打开第一传输管时关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通；在关闭第一传输管时打开第二传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通； 

还包括：一个起全局快门作用的金属氧化物半导体管，该金属氧化物半导体管源漏极中的一极与电源连接，另一极与感光器件的负极连接，栅极与全局快门信号连接。 

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括第一开关管和第二开关管； 

所述第一浮动扩散区和第二浮动扩散区分别通过第一开关管和第二开关管与像素读出电路连接。 

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，在每个第一传输管打开和关闭的周期里，第一传输管打开时间所占比例大于50％。 

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括外部闪光器件，所述控制器还用于控制外部闪光器件周期性地发光与不发光，在外部闪光器件发光阶段，打开第一传输管并关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通；在外部闪光器件不发光阶段打开第二传输管并关闭第一传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通。 

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，在外部闪光器件的每个发光和不发光的周期里，发光时间所占比例小于50％。 

6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像传感器，其特征在于，第一浮动扩散区的阱容量大于第二浮动扩散区的阱容量。 

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，每个像素区域中还包括一个复位管，该复位管与第一和第二浮动扩散区连接，用于对第一和第二浮动扩散区进行复位； 

所述感光器件为光电二极管。 

8.一种图像传感器的像素读出方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

控制器控制第一传输管和第二传输管周期性地打开和关闭N个周期，在打开第一传输管时关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通；在关闭第一传输管时打开第二传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通，其中，N为大于1的整数； 

读出第一浮动扩散区上的信号； 

读出第二浮动扩散区上的信号； 

将第一浮动扩散区上的信号和第二浮动扩散区上的信号进行合成后输出。 

9.根据权利要求8所述的图像传感器的像素读出方法，其特征在于，在所述读出第一浮动扩散区上的信号的步骤中，包括以下子步骤： 

打开第一开关管，复位管将第一浮动扩散区复位，复位之后立刻采样，得到第一采样信号，然后关闭第一开关管； 

第一浮动扩散区上的信号导出之后，再次打开第一开关管，再一次采样，得到第二采样信号，然后再关闭第一开关管； 

将第二采样信号减去第一采样信号，得到第一浮动扩散区上的信号； 

在所述读出第二浮动扩散区上的信号的步骤中，包括以下子步骤： 

打开第二开关管，复位管将第二浮动扩散区复位，复位之后立刻采样，得到第三采样信号，然后关闭第二开关管； 

第二浮动扩散区上的信号导出之后，再次打开第二开关管，再一次采样，得到第四采样信号，然后再关闭第二开关管； 

将第四采样信号减去第三采样信号，得到第二浮动扩散区上的信号。