CN103139499B - 具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器，属于图像传感器领域。该有源像素少包括置于半导体基体中的感光元件，连接感光元件的电荷传输晶体管，复位晶体管，源跟随晶体管，行选择晶体管以及晶体管电容和漂浮有源区，其中，晶体管电容的源漏极与漂浮有源区连接，晶体管电容的栅极与外部输入电压相连。在低照明环境下，晶体管电容的栅氧层电容部分不加入漂浮有源区电容行列；在高照明环境下，大量光电电荷使得漂浮有源区电势降低，致使晶体管电容的栅氧层电容部分加入漂浮有源区电容行列。因此，本发明的有源像素有效推迟了高照明时图像传感器的饱和时间，传感器采集到高照明时更多的实物细节信息。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS（互补型金属氧化物半导体）图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用线性光电响应功能的像素结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器四晶体管的有源像素，在本领域中也称为4T有源像素。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，源跟随晶体管104和行选择晶体管105，及列位线106；VTX为晶体管102的栅极端，VRX为晶体管103的栅极端，VSX为晶体管105的栅极端，FD为漂浮有源区，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经106读取并保存。其中，在FD区内的光电电荷量与入射光照量成正比，FD势阱内光电电荷量的变化被晶体管104探测到并转换为电势变化，一个光电电荷转换为电势的量称为光电转换增益；光电电荷量变化时，转换增益保持不变，则晶体管104在FD处所探测到的电势信号也与光照量成正比关系。
该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。在户外环境中，线性传感器不易采集到高照明环境的实物信息，从而降低了传感器的输出图像品质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有可变转换增益的图像传感器有源像素及图像传感器，采用降低高照明环境时传感器像素的光电转换增益来达到延迟像素饱和时间的目的，解决现有技术不易采集户外高照明环境的实物信息，从而提升图像传感器输出的图像品质。
解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种具有可变转换增益的图像传感器有源像素，包括：置于半导体基体中的感光元件，连接所述感光元件的电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管、晶体管电容和漂浮有源区，所述晶体管电容的源漏极与漂浮有源区连接，所述晶体管电容的栅极连接外部输入电压。
上述有源像素中，所述感光元件采用光电二极管。
上述有源像素中，所述光电二极管采用：PIN型光电二极管，部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
上述有源像素中，所述光电二极管采用：N型光电二极管或P型光电二极管。
上述有源像素中，当所述有源像素的感光元件为P型光电二级管，各晶体管为P型晶体管时，所述外部输入电压为低电位；
当所述有源像素的感光元件为N型光电二级管，各晶体管为N型晶体管时，所述外部输入电压为高电位。
上述有源像素中，在低照明环境时，所述有源像素的晶体管电容工作在截止区，仅晶体管电容的栅源交叠电容部分加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益变高，像素灵敏度高。
上述有源像素中，在高照明环境时，所述有源像素的晶体管电容工作在线性区，晶体管电容的栅源交叠电容和栅氧层电容部分同时加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益变低，像素灵敏度低。
本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用本发明的有源像素。
本发明的有益效果是：通过使本发明有源像素的晶体管电容的源漏极与漂浮有源区连接，晶体管电容的栅极外部输入电压相连的方式，使得该有源像素，在低照明时，仅晶体管电容的栅源交叠电容部分加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益高，传感器的灵敏度高；高照明时，晶体管电容的栅源交叠电容和栅氧层电容部分同时加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益低，像素灵敏度低。因此，本发明的有源像素压缩了高照明时的像素光电响应曲线，推迟了像素饱和时间，传感器采集到了高照明时更多的实物信息，有效提升了图像传感器输出的图像品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是现有技术的CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的电路示意图；
图2是本发明实施例的4T有源像素的电路示意图；
图3是本发明实施例的4T有源像素的漂浮有源区势阱示意图；
图4是本发明实施例的4T有源像素在低照明环境下光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图；
图5是本发明实施例的4T有源像素在高照明环境下光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图；
图6是本发明实施例的4T有源像素图像传感器的光电响应曲线示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
本发明实施例对漂浮有源区引入了特殊的像素结构从而形成一种新的4T有源像素，图2所示为该有源像素结构电路示意图，从图2中可以看出4T有源像素与目前的4T有源像素基本相同，不同的是，该有源像素中，201为晶体管电容，该晶体管电容的源漏极与漂浮有源区FD相连，该晶体管电容的栅极端VB与外部输入电压连接。这种结构的4T有源像素，在低照明时，仅晶体管电容的栅源交叠电容部分加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益高，传感器的灵敏度高；高照明时，晶体管电容的栅源交叠电容和栅氧层电容部分同时加入漂浮有源区电容行列，光电转换增益低，像素灵敏度低。该4T有源像素降低了高照明环境时的感光灵敏度，延迟像素的饱和时间，从而达到传感器采集更多高照明的实物细节信息的目的，提升了传感器输出的图像品质。
上述有源像素中，外部输入电压VB的电位值与该有源像素中使用的光电二极管和晶体管类型相关：若感光元件为P型光电二级管，像素中晶体管为P型晶体管，则外部输入电压VB为低电位；若感光元件为N型光电二级管，像素中晶体管为N型晶体管，则外部输入电压VB为高电位。
上述有源像素中的感光元件包括光电二极管，，如可采用：PIN型光电二极管，部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。光电二极管包括N型光电二极管和P型光电二极管。
下面感光元件为以感光元件采用N型光电二极管，以及像素中晶体管采用N型晶体管为例，加以细致描述本发明有源像素的优势。图3所示为本发明4T有源像素的势阱示意图，在图3中，301为光电二极管的势阱；302为FD区和晶体管电容201的栅源交叠电容组成的势阱，此部分电容为C2；303为FD区总电容势阱，其电容大小为C1，并且C1包含C2和晶体管电容201的栅氧层电容两部分；304为FD有源区接触孔；Vpin为301的完全耗尽电压；Vm为晶体管电容201的栅氧层电容加入FD有源区的源漏端最高电势，即为晶体管201的工作状态从截止区转换到线性区的临界电势，只有在FD区电势低于Vm时，晶体管电容201的栅氧层电容部分才会加入FD区总电容行列；Vreset为FD区复位电势。
图4所示为本发明的4T有源像素在低照明环境下光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图。在低照明环境下，少量的光电电荷只能被高电势势阱302收集，晶体管201工作在截止区，光电转换增益为CG2＝q/C2，其中q为一个电子的电量；因为C2为FD有源区电容和晶体管电容201的栅源交叠电容两部分组成，电容小，所以光电转换增益CG2高，灵敏度高。
图5所示，本发明的4T有源像素在高照明环境下光电电荷被转移至漂浮有源区完毕时的势阱示意图。在高照明环境下，大量的光电电荷填满了高电势势阱302区，而且FD区的电势值低于临界电势Vm，晶体管201工作在线性区，晶体管电容201的栅氧层电容部分加入FD区总电容行列，所以光电电荷同时也被收集在303区，因此光电转换增益为CG1＝q/C1。C1电容大，所以光电转换增益CG1低，灵敏度低。
为了更清晰地描述本发明的有源像素结构优势，图6示出了本发明图像传感器的光电响应曲线示意图。图6中，横轴为有源像素的曝光量，纵轴为传感器的光电电势信号量，高转换增益区的转换增益为CG2，低转换增益区的转换增益为CG1；Em为光电电荷填满302势阱区时的感光元件所需曝光量，此时的电势信号量为Vreset-Vm；Esat为本发明有源像素所能探测的最大信号量Vsat时的感光元件所需曝光量。图6中所标A点和B点分别对应低照明环境图4所示和高照明环境图5所示的有源像素的工作位置。
本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用本发明的有源像素。
图像传感器的有源像素感光灵敏度与其光电转换增益成正比关系，所以相对低照明环境本发明的有源像素有效降低了高照明环境时的感光灵敏度，压缩了高照明环境时的光电响应曲线，延迟了像素饱和时间，达到了传感器采集更多高照明的实物细节信息的目的，从而有效提升了传感器输出的图像品质。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种具有可变转换增益的图像传感器有源像素，包括：置于半导体基体中的感光元件，连接所述感光元件的电荷传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选择晶体管、晶体管电容和漂浮有源区，其特征在于，所述晶体管电容的源漏极与漂浮有源区连接，所述晶体管电容的栅极与外部输入电压相连；
当所述有源像素的感光元件为P型光电二级管，各晶体管为P型晶体管时，所述外部输入电压为低电位；
当所述有源像素的感光元件为N型光电二级管，各晶体管为N型晶体管时，所述外部输入电压为高电位；
在低照明环境时，所述有源像素的晶体管电容工作在截止区，仅晶体管电容的栅源交叠电容部分加入漂浮有源区电容行列；
在高照明环境时，所述有源像素的晶体管电容工作在线性区，晶体管电容的栅源交叠电容和栅氧层电容部分同时加入漂浮有源区电容行列。
2.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括按阵列方式排列的多个像素，各像素采用权利要求1所述的有源像素。
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