CN104135631A - 一种cmos图像传感器像素 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器像素，包括第一光电二极管、第二光电二极管，第一光电二极管和第二光电二极管分别连接有第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管共用一个漂浮有源区。第一光电二极管和第二光电二极管的上方分别设有第一微透镜和第二微透镜。第一光电二极管和第二光电二极管的上方与第一微透镜和第二微透镜的下方之间设有彩色滤光片。压缩强光照明时的像素感光灵敏度，拓展像素的感光动态范围，能克服线性图像传感器动态范围小的缺点，采集到更多高照明环境的图像细节信息。

Description

一种CMOS图像传感器像素

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种CMOS图像传感器像素。

背景技术

图像传感器使用感光像素阵列中的感光元件采集图像信息，将像素图像信号转换为像素光电信号，再经过图像信号处理操作还原每个像素的真实图像信息。

现有技术中的图像传感器像素，以CMOS图像传感器像素为例，一个像素只设置有一个感光元件，如图1所示；图1中，101为光电二极管，102为电荷传输晶体管，103为漂浮有源区，104为复位晶体管，105为源跟随晶体管，106为选择晶体管，Vdd为电源电压。图1中的像素结构中，只使用一个光电二极管，光电二极管上方的切面结构，如图2所示。

图2为图1所示切线位置的切面结构示意图；其中201为光电二极管，与图1中的101对应，置于半导体基体中，202为绝缘介质层，203为彩色滤光片，204为微透镜，STI为浅槽隔离区。由此可知，现有技术中的光电二极管上方只设置一个微透镜。

上述图像传感器像素采集图像信息的过程是，光线从204上方入射，依次穿过204、203、202，到达201，光电二极管接收外界入射的光线，产生光电电荷；开启晶体管102，将光电二极管中的光电电荷转移至漂浮有源区103后，由晶体管105所探测到的103区内的电势变化信号经输出端读取并保存。其中，在103区内的光电电荷量与入射光照量成正比，103区在电荷转移前后的电荷变化信息被晶体管105探测到并转换为电势变化，此电势变化量，即信号量，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。

上述线性传感器所探测到的光照量范围小，特别是高照明环境下无法辨认出实物信息，不能够采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号，在业内称为动态范围小，从而降低了传感器的输出图像品质。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出图像品质高的CMOS图像传感器像素。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的CMOS图像传感器像素，包括第一光电二极管、第二光电二极管，所述第一光电二极管和第二光电二极管分别连接有第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管共用一个漂浮有源区。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素，由于包括两个光电二极管和电荷传输晶体管，两个电荷传输晶体管共用一个漂浮有源区，压缩强光照明时的像素感光灵敏度，拓展像素的感光动态范围，能克服线性图像传感器动态范围小的缺点，采集更多高照明环境的图像细节信息。

附图说明

图1是现有技术中的CMOS图像传感器像素结构示意图。

图2是现有技术中的CMOS图像传感器像素切面示意图。

图3是本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素结构示意图。

图4是本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素切面示意图。

图5是本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素感光时的势阱示意图。

图6是本发明实施例提供的CMOS图像传感器像素的光电响应示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的CMOS图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是：

包括第一光电二极管、第二光电二极管，所述第一光电二极管和第二光电二极管分别连接有第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管共用一个漂浮有源区。

所述第一光电二极管和第二光电二极管的上方分别设有第一微透镜和第二微透镜。

所述第一光电二极管和第二光电二极管的上方与所述第一微透镜和第二微透镜的下方之间设有彩色滤光片。

所述第一光电二极管的面积小于或等于第二光电二极管的面积。

所述第二微透镜平面面积是第一微透镜平面面积的0.2～0.8倍。

所述第一电荷传输晶体管的栅极与第二电荷传输晶体管的栅极相互连接，所述第一电荷传输晶体管的漏极端与第二电荷传输晶体管的漏极端相互连接。

所述彩色滤光片为红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片中的其中一种。

所述第一光电二极管和第二光电二极管为Pin型光电二极管、部分Pin型光电二极管或多晶硅栅型光电二极管。

所述第一光电二极管和第二光电二极管为N型光电二极管或P型光电二极管。

本发明的CMOS图像传感器像素，压缩强光照明时的像素感光灵敏度，拓展像素的感光动态范围，能克服线性图像传感器动态范围小的缺点。

本发明的CMOS图像传感器像素中，第一光电二极管先饱和，第二光电二极管后饱和，第一光电二极管饱和前像素的感光灵敏度高于饱和后的感光灵敏度；因此，本发明的图像传感器像素压缩了强光照明像素的感光灵敏度，拓展了像素的动态范围。采用本发明像素的图像传感器采集到了更多高照明环境的图像细节信息。

具体实施例：

为了提高图像传感器输出图像的质量，本发明从改善现有技术中的图像传感器像素结构入手，本发明像素结构中设置两个光电二极管，两个光电二极管的面积可以相同也可以不相同，并且两个光电二极管上方分别设置微透镜，两个微透镜的平面面积不相同，因此所汇集的光照量不同，则两个光电二极管中一个会先于令一个饱和。其中一个光电二极管先饱和前，像素的感光灵敏度较高；而饱和后，饱和光电二极管就不会继续收集光电电荷，只有未饱和光电二极管会收集光电电荷，所以，像素的整体感光灵敏度会降低。

下面以四晶体管像素结构为例，加以详细阐述：

本发明的图像传感器像素，如图3所示；图3中，301为第一光电二极管，302为第二光电二极管，303为301对应的电荷传输晶体管，304为302对应的电荷传输晶体管，305为漂浮有源区，306为复位晶体管，307为源跟随晶体管，308为选择晶体管；其中，Vdd为电源电压，切线1位置和切线2位置为位置标记。图3中，303和304晶体管的栅极相互连接在一起，303的源极端为301，304的源极端为302，303和304的漏极端共用305；光电二极管301的平面的面积小于等于光电二极管302的平面面积，因此，301所能容纳的电荷量小于等于302所能容纳的电荷量，在相同光照量情况下，301更容易先达到饱和。

图4示出的是图3所示切线1位置的纵向切面结构图，401为对应301的光电二极管，402为对应302的光电二极管，401和402都置于半导体基体中，403为绝缘介质层，404为彩色滤光片，405为401上方的微透镜，406为402上方的微透镜，STI为浅槽隔离区。其中，405的平面面积大于406的平面面积，406的平面面积是405平面面积的0.2～0.8倍，所以405比406能够汇聚到更多的光线；401的平面面积小于等于402的平面面积，402比401能容纳更多光电电荷；404的彩色滤光片，为红色、绿色、蓝色滤光片中的其中一种。

本发明的图像传感器像素在收集光电电荷时的势阱示意图如图5所示。图5所示的势阱为图3所示的切线2位置的势阱，其中501为第一光电二极管的势阱示意图，与301和401对应；502为第二光电二极管的势阱示意图，与302和402对应；505为漂浮有源区的势阱示意图，与305对应。图5中，光线从上方入射，分别被405或406接受汇聚，405的平面面积比406的平面面积大，所以405比406能接受到更多的光线；光线依次穿过图4所示的404和403层，最终到达光电二极管区域，入射光被光电二极管吸收，转换化为光电电荷。501区，由于接受到了较多的入射光，产生了较多的光电电荷，501势阱区被电荷填满，所以像素继续曝光时501不再收集光电电荷；502势阱区，接受的入射光照量比501少，并且502区能容纳的电荷数量比501区多，所以502需要更多的像素曝光量才能饱和。501饱和前，像素的灵敏度等于501和502的灵敏度之和；501饱和后，502可继续曝光收集光电电荷，此时像素的感光灵敏度等于502的灵敏度。

本发明图像传感器像素的光电响应特性如图6所示。图6中，水平轴为像素的曝光量，此曝光量等于第一光电二极管和第二光电二极管的曝光量之和；竖直轴为像素的信号量，此信号量等于第一光电二极管和第二光电二极管收集到电荷量之和。图6中，示出了本发明像素中的第一光电二极管和第二光电二极管的光电响应曲线关系图，也示出了本发明的像素和现有技术的像素的光电响应曲线关系图。本发明像素中的第一光电二极管灵敏度高，在像素曝光量为E1时饱和，第二光电二极管灵敏度低，在像素曝光量E2处饱和，第一光电二极管和第二光电二极管合成的像素的光电响应曲线在E2处饱和；现有技术中的像素响应曲线与本发明像素的响应曲线在曝光小于E1时重合在一起，现有技术中的像素光电响应曲线在曝光量Er处饱和。由此可见，本发明的像素拓展的像素曝光量范围是Er～E2，此曝光区间，现有技术中的传感器像素是不能探测到的，而本发明的像素可以探测到此区域的图像信息。因此，本发明的图像传感器像素拓展了感光动态范围，采用本发明像素的图像传感器采集到了更多高照明环境的图像细节信息，因而提升了图像传感器采集的图像品质。

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 (9)

1.一种CMOS图像传感器像素，其特征在于，包括第一光电二极管、第二光电二极管，所述第一光电二极管和第二光电二极管分别连接有第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管，所述第一电荷传输晶体管和第二电荷传输晶体管共用一个漂浮有源区。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管和第二光电二极管的上方分别设有第一微透镜和第二微透镜。

3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管和第二光电二极管的上方与所述第一微透镜和第二微透镜的下方之间设有彩色滤光片。

4.根据权利要求3所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管的面积小于或等于第二光电二极管的面积。

5.根据权利要求4所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第二微透镜平面面积是第一微透镜平面面积的0.2～0.8倍。

6.根据权利要求5所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第一电荷传输晶体管的栅极与第二电荷传输晶体管的栅极相互连接，所述第一电荷传输晶体管的漏极端与第二电荷传输晶体管的漏极端相互连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的图像传感器像素，其特征在于，所述彩色滤光片为红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片中的其中一种。

8.根据权利要求1至6任一项所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管和第二光电二极管为Pin型光电二极管、部分Pin型光电二极管或多晶硅栅型光电二极管。

9.根据权利要求1至6任一项所述的图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管和第二光电二极管为N型光电二极管或P型光电二极管。