CN102856340B - 高动态范围图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高动态范围图像传感器，至少包括光学传感区、与该光学传感区并联的第一电容、浮动扩散区、以及与该浮动扩散区并联的第二电容。本发明通过分别增加与所述光学传感区和浮动扩散区并联的电容，等效提高了该光学传感区和浮动扩散区的阱容量，从而在不增加所述光学传感区和浮动扩散区面积的基础上，明显地提高图像传感器的动态范围，同时又保持了图像传感器的高集成度和低的暗电流水平。此外，该图像传感器还包括控制第一电容连接关系的第二转移晶体管和模式选择单元，可根据设定选择适当的工作模式，在提高动态范围的同时，降低了弱光环境下暗电流的影响，在多种工作环境下均可高质量成像。

Description

高动态范围图像传感器

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，特别是涉及一种高动态范围的图像传感器。

背景技术

图像传感器是构成数字摄像头的主要部件之一，被广泛应用于数码成像、航空航天以及医疗影像等领域。图像传感器根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。值得一提的是，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。在天文摄影与各种夜视设备中，也广泛应用到CCD图像传感器。CMOS传感器具有高度集成化、成本低、功耗低。单一工作电压、局部像素可编程随即读取等优点，可适用与数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域。

CCD图像传感器和CMOS图像传感器都是采用光电二极管收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的电荷。对于这种采用光电二极管的图像传感器，当没有入射光时仍然有输出电流，即“暗电流”，来自光电二极管的暗电流可能作为被处理图像中的噪声出现，从而减低画面质量。因此暗电流的大小是表征传感器性能的重要参数之一。

动态范围是另外一个重要参数，它表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，就越能显示非常暗以及非常亮的图像，所能表现的图像层次也就越丰富，所包含的色彩空也越广。换句话说，动态范围越大，能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。随着应用的需要，CMOS图像传感器的动态范围有待进一步提高。一般，摄像场景有较宽的照度范围（约120dB），而典型的CMOS有源像素图像传感器的动态范围（约65～75dB）难于满足宽动态范围应用的需要，因而，近年来，如何提高CMOS图像传感器的动态范围成为研究的热点。

为了得到较高的动态范围，一般集中在对浮动扩散区容量的提高上或光学传感区阱容量的提高上，但对两者同时进行改进以提高动态范围的方法比较少见。本发明从提高光学传感区容量和浮动扩散区容量两方面同时入手，可以很明显的提高图像传感器的动态范围，而又不增加光学传感区容量和浮动扩散区的面积，保持了图像传感器的高集成度和低的暗电流水平。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一高动态范围的图像传感器，用于解决现有技术中提高动态范围工艺复杂以及暗电流大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的高动态范围图像传感器，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的第一转移晶体管，所述图像传感器还包括：

第一电容，与所述光学传感区并联；在所述光学传感区曝光时，所述第一电容存储部分该光学传感区产生的光生载流子；

第二电容，与所述浮动扩散区并联；在从所述光学传感区向所述浮动扩散区转移电荷时，所述第二电容存储部分转移的电荷。

可选地，所述光学传感区为PN结感光二极管、PIN感光二极管或光门。

可选地，所述图像传感器还包括源跟随晶体管、复位晶体管和行选择晶体管；所述源跟随晶体管的栅极与所述浮动扩散区、第二电容以及复位晶体管的源极相连接；所述源跟随晶体管及复位晶体管的漏极连接电源电压Vd；所述行选择晶体管的漏极连接所述源跟随晶体管的源极，该行选择晶体管的源极作为信号输出端。

可选地，所述图像传感器还包括第二转移晶体管，连接于所述第一电容和所述光学传感区之间。

可选地，所述图像传感器还包括一时序控制单元，分别向所述第二转移晶体管的栅极、复位晶体管的栅极、第一转移晶体管的栅极以及行选择晶体管的栅极输出时序控制信号，控制第一转移晶体管、第二转移晶体管、行选择晶体管以及复位晶体管选通或关闭。

可选地，所述图像传感器还包括与所述第一电容、第二电容并联的一个或多个电容。

可选地，所述图像传感器具有三种工作模式：第一工作模式下，所述第二转移晶体管始终关闭，处于截止工作状态；第二工作模式下，所述第二转移晶体管始终打开，处于导通工作状态；第三工作模式下，所述光学传感区曝光过程中，所述第二转移晶体管打开，而当所述第一传转移晶体管打开进行像素读出时，该第二转移晶体管关闭。

可选地，所述图像传感器还包括一模式选择单元，所述模式选择单元为三路控制单元，根据工作环境择一选择所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由时序控制单元产生相应的控制时序。

可选地，所述图像传感器还包括第三转移晶体管，连接于所述浮动扩散区和所述第二电容之间。

如上所述，本发明提供的高动态范围的图像传感器，具有以下有益效果：

该图像传感器至少包括光学传感区、与该光学传感区连并联的第一电容、浮动扩散区、以及与该浮动扩散区并联的第二电容。本发明通过分别增加与所述光学传感区和浮动扩散区并联的两个电容，等效提高了该光学传感区和浮动扩散区的阱容量，从而在不增加所述光学传感区和浮动扩散区面积的基础上，明显地提高图像传感器的动态范围，同时又保持了图像传感器的高集成度和低的暗电流水平。此外，该图像传感器可根据设定选择适当的工作模式，在提高动态范围的同时，降低了弱光及普通光照环境下暗电流的影响，在多种工作环境下均可高质量成像。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种高动态范围图像传感器的结构示意图。

图2显示为本发明提供的另一种高动态范围图像传感器的结构示意图。

元件标号说明

1                 衬底

10                光学传感区

11                浮动扩散区

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例

如图1所示，本发明提供一种高动态范围的图像传感器，至少包括一衬底1，形成于所述衬底上的光学传感区10、浮动扩散区11、第一转移晶体管T1、第二转移晶体管T2、复位晶体管T3、第一电容C1、第二电容C2、源跟随晶体管T4、以及行选择晶体管T5；进一步地，所述图像传感器还包括一时序控制单元（未示出）。

所述衬底1可以为单晶或非晶的半导体材料，或绝缘体上硅（SOI），本实施例中暂选为单晶硅衬底，但并不限于此，在其它实施例中亦可选为锗、硅锗、或砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。

所述光学传感区10用于将光信号转变为电信号，即在光照射下产生光生载流子电子-空穴对，并收集所述电子或空穴。本实施例中所述光学传感区10为PN结光电二极管，但并不限于此，在其它实施例中亦可为PIN光电二极管或光栅等光敏半导体器件。

所述浮动扩散区11用于接收从所述光学传感区10传输过来的光生载流子，并作为像素输出区；所述第一转移晶体管T1连接于所述光学传感区10和浮动扩散区11之间，用于控制所述光学传感区10收集的光生载流子传输到所述浮动扩散区11；

所述第一电容C1与所述光学传感区10并联，用于在所述光学传感区10曝光时存储部分该光学传感区10产生的光生载流子。在强光条件下，由于与该光学传感区10并联的第一电容C1的存在，所述光学传感区10就不会很快的饱和，该光学传感区10与其并联的所述第一电容C1所储存的光生载流子总量远大于只有一个所述光学传感区10时所能储存的光生载流子量，因此相当于增大了所述光学传感区10的阱容量；所述第二电容C2与所述浮动扩散区11并联，用于在从所述光学传感区10向所述浮动扩散区11转移光生载流子时存储部分转移电荷。同样的道理，在所述浮动扩散区11连接一个电容，在强光条件下曝光后进行电荷转移时，由于有第二电容C2的存在，所述浮动扩散区11就不会很快饱和，该浮动扩散区11与其并联的第二电容C2所储存的电荷总量就远远大于只有一个所述浮动扩散区11所能储存的载流子量，因此，相当于增大了所述浮动扩散区11的阱容量。

需要说明的是，为了进一步增加所述光学传感区10和浮动扩散区11的相对容量，还可以分别在所述第一电容C1和第一电容C2上并联一个或多个电容。

所述第二转移晶体管T2连接于所述第一电容C1和所述光学传感区11之间；所述第一转移晶体管T1连接于所述光学传感区10和浮动扩散区11之间，因此可知所述第一转移晶体管T1和第二转移晶体管T2具有一个公共的有源端，当所述第一转移晶体管T1和第二转移晶体管T2同时打开时，以使存储在所述第一电容C1中的光生载流子与光学传感区10的光生载流子一同经由第一转移晶体管T1转移到所述浮动扩散区11及与之并联的第二电容C2中。所述时序控制单元（未示出）通过控制所述第一转移晶体管T1和第二转移晶体管T2之间相配合的开启与关闭，所述图像传感器相应具有三种工作模式：第一工作模式下，第二传输晶体管T2始终关闭，处于截止工作状态，该模式应用于弱光或普通光强环境中；第二工作模式下，第二传输晶体管T2始终打开，处于导通工作状态，该模式应用于强光环境中；第三工作模式下，光学传感区曝光过程中，第二传输晶体管T2打开，而当第一传输晶体管T1打开时，第二传输晶体管T2关闭，该模式应用于超强光强环境下。

此外，所述图像传感器还进一步包括一模式选择单元（未示出），所述模式选择单元为三路控制单元，根据工作环境择一选择所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由所述时序控制单元产生相应的控制时序。

所述源跟随晶体管T4的栅极与所述浮动扩散区11、第二电容C2以及复位晶体管T3的源极连接，该源跟随晶体管T4和复位晶体管T3的漏极均连接至系统电压源Vd；所述源跟随晶体管T4的作用是用于将转移至浮动扩散区11及第二电容C2的光生载流子转化为信号电平，同时实现对信号的放大与缓冲，改善成像系统的噪声问题。需要说明的是，本发明中的系统电压源Vd是指在对图像传感器像素的一般半导体电路进行正常操作的电源电压。所述复位晶体管T3的作用为当栅极施加复位信号Reset时，将所述浮动扩散区11及第二电容C2复位，此时，第一传输晶体管T1关闭。

所述行选择晶体管T5的漏极连接所述源跟随晶体管T4的源极，该行选择晶体管T5源极作为输出端连接列总线（未示出）；所述时序控制单元（未示出）分别向所述第一转移晶体管T1的栅极、第二转移晶体管T2的栅极、复位晶体管T3的栅极、以及行选择晶体管T5的栅极发出时序控制信号，控制所述第一转移晶体管T1、第二转移晶体管T2、行选择晶体管T5以及复位晶体管T3选通或关闭。

为了进一步阐述本发明高动态图像传感器的功效，下面对该图像传感器在三种工作模式下的工作方法进行说明。

第一种工作模式：在普通光强环境下，第二传输晶体管T2始终关闭，处于截止工作状态。

首先，将所述图像传感器的浮动扩散区11及与之并联的第二电容C2复位至电源电压Vd，关闭第一转移晶体管T1和第二转移晶体管T2；然后对所述光学传感区进行曝光，在该光学传感区产生光生载流子，并同时打开第一转晶体管T1，将所述光学传感区10产生的光生载流子转移至所述浮动扩散区11和第二电容C2，转移电荷经由源跟随晶体管T4转变为电压信号后，由行选通晶体管T5输出。

该工作模式下，可视作第一电容C1不存在，避免了弱光及普通光照环境下，由于光学传感区10并联的第一电容C1所引入的暗电流及噪声，可进一步保障成像质量，提高图像传感器信噪比。

第二种工作模式：在强光环境下，第二传输晶体管T2始终打开，处于导通工作状态。

首先，将所述图像传感器的浮动扩散区11及与之并联的第二电容C2复位至电源电压Vd，关闭第一转移晶体管T1，打开第二转移晶体管T2；然后对所述光学传感区10进行曝光，在该光学传感区10产生光生载流子，此时一部分光生载流子转移至与所述光学传感区10连并联的第一电容C1中；然后打开第一转移晶体管T1，将所述第一电容C1和光学传感区10中的光生载流子转移至浮动扩散区11及第二电容C2中，转移电荷经由源跟随晶体管T4转变为电压信号后，由行选通晶体管T5输出。

该工作模式下，通过第二传输晶体管T2与光学传感区10并联的第一电容C1提高了光学传感区10的阱容量，可保证强光环境下，光学传感区10不会处于饱和状态，从而避免了图像的失真，提高了该图像传感器的动态范围，进一步保障了其在强光环境下的成像质量。

第三工作模式：在超强光强环境下，光学传感区10曝光过程中，第二传输晶体管T2打开，而当第一传输晶体管T1打开时，第二传输晶体管T2关闭。

首先，将所述图像传感器的浮动扩散区11及与之并联的第二电容C2复位至电源电压Vd，关闭第一转移晶体管T1，打开第二转移晶体管T2；然后对所述光学传感区10进行曝光，在该光学传感区10产生光生载流子，此时一部分光生载流子流入与所述光学传感区10连并联的第一电容C1中；然后打开第一转移晶体管T1，并同时关闭第二转移晶体管T2，只将光学传感区10中的光生载流子转移至浮动扩散区11及第二电容C2中，转移电荷经由源跟随晶体管T4转变为电压信号后，由行选通晶体管T5输出。

该工作模式下，存储在第二电容C2中的部分光生载流子并不读出，通过读出部分光生载流子的方式，避免了在超强光环境下像素读出过程中浮动扩散区11的饱和，进一步保障成像质量。

需要说明的是，所述图像传感器工作第三工作模式时，所述光学传感区10在超强光下曝光时会饱和，一部分电荷载流子存储在所述第一电容C1中并没转移至所述浮动扩散区11中，这样会造成图像失真，因此在后续图像处理电路中会对输出信号进行补偿和处理，还原成像结果，该技术为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。

此外，本实施例中，为进一步提高光学传感区10及浮动扩散区11的阱容量，第一电容C1及第二电容C2还可有一个或多个电容与之并联。

进一步地，如图2所示，该图像传感器中，还可包括连接在浮动扩散区11和第二电容C2之间的第三传输晶体管T6，其作用与第一传输晶体管T1相同，用于控制浮动扩散区11和与之并联的电容之间的连接状态，可选择只在需要的工作模式下连接，在弱光及普通光照环境中断开，从而进一步减小由于电容器件引入带来的噪声，保障成像质量，提高信噪比。

综上所述，本发明提供的高动态范围图像传感器，包括光学传感区、与该光学传感区连并联的第一电容、浮动扩散区、以及与该浮动扩散区并联的第二电容。本发明通过分别增加与所述光学传感区和浮动扩散区并联的电容，等效提高了该光学传感区和浮动扩散区的阱容量，从而在不增加所述光学传感区和浮动扩散区面积的基础上，明显地提高图像传感器的动态范围，同时又保持了图像传感器的高集成度和低的暗电流水平。此外，该图像传感器可根据设定选择适当的工作模式，在提高动态范围的同时，降低了弱光及普通光照环境下暗电流的影响，在多种工作环境下均可高质量成像。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种高动态范围图像传感器，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的第一转移晶体管，其特征在于，所述图像传感器还包括：

第一电容，与所述光学传感区并联；在所述光学传感区曝光时，所述第一电容存储该光学传感区产生的部分光生载流子；

第二电容，与所述浮动扩散区并联；在从所述光学传感区向所述浮动扩散区转移电荷时，所述第二电容存储部分转移的电荷；

第二转移晶体管，连接于所述第一电容和所述光学传感区之间；

第三转移晶体管，连接于所述第二电容和所述浮动扩散区之间。

2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述光学传感区为PN结感光二极管、PIN感光二极管或光门。

3.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括源跟随晶体管、复位晶体管和行选择晶体管；所述源跟随晶体管的栅极与所述浮动扩散区、第二电容以及复位晶体管的源极相连接；所述源跟随晶体管及复位晶体管的漏极连接电源电压Vd；所述行选择晶体管的漏极连接所述源跟随晶体管的源极，该行选择晶体管的源极作为信号输出端。

4.根据权利要求3所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括一时序控制单元，分别向所述第二转移晶体管的栅极、复位晶体管的栅极、第一转移晶体管的栅极以及行选择晶体管的栅极输出时序控制信号，控制第一转移晶体管、第二转移晶体管、行选择晶体管以及复位晶体管选通或关闭。

5.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括分别与第一电容、第二电容并联的一个或多个电容。

6.根据权利要求3～5任一项所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述图像传感器具有三种工作模式：第一工作模式下，所述第二转移晶体管始终关闭，处于截止工作状态；第二工作模式下，所述第二转移晶体管始终打开，处于导通工作状态；第三工作模式下，所述光学传感区曝光过程中，所述第二转移晶体管打开，而当所述第一转移晶体管打开 进行像素读出时，该第二转移晶体管关闭。

7.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括模式选择单元，所述模式选择单元为三路控制单元，根据工作环境择一选择所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由时序控制单元产生相应的控制时序。