CN106534725A - 全局像素电路、图像传感器及信号采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全局像素电路、图像传感器及信号采集方法，采用量子点光敏电阻作为感光元件实现可见光和短波红外的探测，同时，本发明的全局硅工艺量子点像素电路中，FD节点和量子点光敏电阻分别采用彼此独立的两个电平复位管，一个对电容MOS管进行复位，另一个对信号存储电容进行复位。该像素能够将曝光之后获取的信号电平存储在电容MOS管中，在信号读出阶段再将其采样读出，从而实现了全局曝光。

Description

全局像素电路、图像传感器及信号采集方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种全局硅工艺量子点像素电路及信号采集方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其可以基于电荷耦合器件(CCD)技术、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感技术或基于量子点的光电探测技术进行制备得到。
量子点是纳米尺寸的半导体晶粒，它具有禁带宽度随尺寸可调的的特性，其光吸收特性也是随之可调。通过选择合适的量子点材料和尺寸，可以采用溶液法制备对可见光或红外高灵敏度的量子点膜，工艺简单。量子点制备的光电探测器具有灵敏度高，波段易调制、工艺简单成本低等优势，市场前景广阔。同硅基的CMOS图像传感器比较，对于短波红外的检测，量子点具有成本低和性能优良的特点。
为了在硅片上实现光电集成，在过去的几十年，人们开展了大量硅基发光材料和器件的研究工作，如在硅衬底上集成III-V族发光材料，或者制作多孔硅等。然而，硅衬底上集成发光材料的重要因素是晶格匹配问题以及发光调制问题，而利用量子点则不需要考虑晶格匹配并且发光波长可通过粒径调控，如果能够在硅基上制作出量子点光敏电阻，并且结合业已成熟的CMOS图像传感技术，将能够制造价格更为低廉，感光波段更为宽广，灵敏度更高的硅基图像传感器。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种全局硅工艺量子点像素电路及信号采集方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种全局硅工艺量子点像素电路，至少包括：量子点光敏电阻、信号存储电容复位MOS管以及信号读取电路单元；信号读取电路单元包括：复位开关管(M1)、传输管(M2)、源跟随器(M3)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)；其中，
量子点光敏电阻的一端接参考电平(Vqd)，另一端与复位开关管(M1)的源极相连；
信号存储电容复位MOS管的漏极与电源(VDD)相连，信号存储电容复位MOS管的栅极与信号输入端(QDreset)相连，信号存储电容复位MOS管的源极与量子点光敏电阻的所述另一端以及MOS电容(M5)的栅极相连接；
复位开关管(M1)的漏极接复位电压(Vreset)，复位开关管(M1)的栅极接像素输入端(RX)，复位开关管(M1)的源极接传输管(M2)的源极于一节点(FD)，传输管(M2)的栅极与像素单元输入端(TG)相连，以及传输管(M2)的漏极与量子点光敏电阻的所述另一端相连；MOS电容(M5)的栅极与传输管(M2)的漏极相连，MOS电容(M5)的源极和漏极与参考电平(Vqd)相连，MOS电容(M5)的体电容接地；源跟随器(M3)的漏极接电源(VDD)，源跟随器(M3)的栅极与节点(FD)相连，源跟随器(M3)的源极与行选开关管(M4)的漏极相连；行选开关管(M4)的栅极与行选输入端(RS)相连，行选开关管(M4)的源极作为整个全局硅工艺量子点像素电路的输出端；其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。
优选地，所述MOS电容(M5)作为电平复位管。
优选地，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种图像传感器，采用上述的全局硅工艺量子点像素电路。
为了达到上述目的，一种采用上述的全局硅工艺量子点像素电路所进行的信号采集方法，包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端(RX)和信号输入端(QDreset)置为高电平，复位开关管(M1)和MOS电容(M5)开启；接着，将行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和行选开关管(M4)关断，然后将信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；再将信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断，此时，全局硅工艺量子点像素电路开始曝光，并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；
步骤03：像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，节点(FD)保持在复位电平；
步骤04：像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)和行选输入端(RS)置为低电平，复位开关管(M1)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；将再将像素单元输入端(TG)置为高电平，传输管(M2)开启，此时，信号存储电容复位MOS管上的电荷通过传输管(M2)传递到节点(FD)，节点(FD)被下拉至信号电平；
步骤05：将像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)和MOS电容(M5)关断；再将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，对节点(FD)上的信号电平进行采样；
步骤06：将像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，节点(FD)保持在信号电平；
步骤07：将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；再将信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，对节点(FD)进行复位，将节点(FD)拉至复位电平；
步骤08：将像素输入端(RX)和行选输入端(RS)置为高电平，复位开关管(M1)和行选开关管(M4)开启；将信号输入端(QDreset)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和MOS电容(M5)关断；此时，对节点(FD)的复位电平进行采样。
优选地，所述步骤02中的曝光为全局曝光，所述步骤02至所述步骤04均在全局曝光中。
优选地，所述MOS电容(M5)作为电平复位管。
本发明的全局硅工艺量子点像素电路、图像传感器及信号采集方法，采用量子点光敏电阻通过调节量子点尺寸即能够使可见光和短波红外的探测，同时，本发明的全局硅工艺量子点像素电路中，FD节点和量子点光敏电阻分别采用彼此独立的两个电平复位管，一个是电容MOS管M5，另一个是信号存储电容复位MOS管，来实现全局曝光，并且将每个像素的信号电平存储在电容MOS管M5中，从而实现了对可见光和短波红外的信号转换，提高了该电路的探测灵敏度和灵活性。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的全局硅工艺量子点像素电路示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的全局硅工艺量子点像素电路的信号采集时序示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1-2和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，本实施例中一种全局硅工艺量子点像素电路，至少包括：量子点光敏电阻01、信号存储电容复位MOS管02以及信号读取电路单元03；信号读取电路单元3包括：复位开关管M1、传输管M2、源跟随器M3、行选开关管M4和MOS电容M5。
量子点光敏电阻01的一端接参考电平Vqd，另一端与复位开关管M1的源极相连；本实施例中，量子点光敏电阻01包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
信号存储电容复位MOS管02的漏极与电源VDD相连，信号存储电容复位MOS管02的栅极与信号输入端QDreset相连，信号存储电容复位MOS管02的源极与量子点光敏电阻01的另一端以及与MOS电容M5的栅极相连接；
本实施例中，MOS电容M5作为电平复位管；复位开关管M1的漏极接复位电压Vreset，复位开关管M1的栅极接像素输入端RX，复位开关管M1的源极接传输管M2的源极于一节点FD，传输管M2的栅极与像素单元输入端TG相连，以及传输管M2的漏极与量子点光敏电阻的上述另一端相连；MOS电容M5的栅极与传输管M2的漏极相连，MOS电容M5的源极与参考电平Vqd相连，MOS电容M5的漏极与参考电平Vqd相连，MOS电容M5的体电容接地；源跟随器M3的漏极接电源VDD，源跟随器M3的栅极与节点FD相连，源跟随器M3的源极与行选开关管M4的漏极相连；行选开关管M4的栅极与行选输入端RS相连，行选开关管M4的源极作为整个全局硅工艺量子点像素电路的输出端；
曝光时，信号读取电路单元03在曝光时间内将量子点光敏电阻01流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻01上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻01的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻01的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。
本实施例中，还提供了一种图像传感器，其采用本实施例上述的全局硅工艺量子点像素电路进行曝光。
本实施例还提供了一种采用本实施例的全局硅工艺量子点像素电路所进行的信号采集方法，包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端RX和信号输入端QDreset置为高电平，复位开关管M1和MOS电容M5开启；接着，将行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2和行选开关管M4关断，然后将信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1开启；再将信号输入端QDreset、行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2、行选开关管M4和MOS电容M5关断，此时，全局硅工艺量子点像素电路开始曝光，并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；这里的曝光可以为全局曝光，则步骤02至步骤04均在全局曝光中。
步骤03：像素输入端RX、信号输入端QDreset、行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，复位开关管M1、传输管M2、行选开关管M4和MOS电容M5关断；此时，节点FD保持在复位电平；
步骤04：像素输入端RX、信号输入端QDreset和行选输入端RS置为低电平，复位开关管M1、行选开关管M4和MOS电容M5关断；将再将像素单元输入端TG置为高电平，传输管M2开启，此时，信号存储电容复位MOS管上的电荷通过传输管M2传递到节点FD，节点FD被下拉至信号电平；
步骤05：将像素输入端RX、信号输入端QDreset和像素单元输入端TG置为低电平，复位开关管M1、传输管M2和MOS电容M5关断；再将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启，此时，对节点(FD)上的信号电平进行采样；
步骤06：将像素输入端RX、信号输入端QDreset、行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，复位开关管M1、传输管M2、行选开关管M4和MOS电容M5关断；此时，节点FD保持在信号电平；
步骤07：将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1开启；再将信号输入端QDreset、行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2、行选开关管M4和MOS电容M5关断；此时，对节点FD进行复位，将节点FD拉至复位电平；
步骤08：将像素输入端RX和行选输入端RS置为高电平，复位开关管M1和行选开关管M4开启；将信号输入端QDreset和像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2和MOS电容M5关断；此时，对节点FD的复位电平进行采样。
请参阅图2，为本实施例中的像素输入端RX、信号输入端QDreset、行选输入端RS和像素单元输入端TG四个信号端的电平升高和降低的时序图，信号输入端QDreset置为高电平，曝光开始，此时，像素输入端RX为高电平，行选输入端RS和像素单元输入端TG为低电平；然后，像素输入端RX置为低电平，像素单元输入端TG置为高电平，此时曝光结束，从信号输入端QDreset置为高电平至像素单元输入端TG置为高电平所历经的时间段为曝光时间段Exp_time；第一次采样C1开始，像素输入端RX、信号输入端QDreset和像素单元输入端TG置为低电平，行选输入端RS置为高电平，第一次采样C1结束后，像素输入端RX置为高电平、同时行选输入端RS置为低电平；第二次采样C2开始，行选输入端RS置为高电平，第二次采样C2结束后，行选输入端RS置为低电平，像素单元输入端TG置为高电平。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种全局硅工艺量子点像素电路，其特征在于，至少包括：量子点光敏电阻、信号存储电容复位MOS管以及信号读取电路单元；信号读取电路单元包括：复位开关管(M1)、传输管(M2)、源跟随器(M3)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)；其中，
量子点光敏电阻的一端接参考电平(Vqd)，另一端与复位开关管(M1)的源极相连；
信号存储电容复位MOS管的漏极与电源(VDD)相连，信号存储电容复位MOS管的栅极与信号输入端(QDreset)相连，信号存储电容复位MOS管的源极与量子点光敏电阻的所述另一端以及MOS电容(M5)的栅极相连接；
复位开关管(M1)的漏极接复位电压(Vreset)，复位开关管(M1)的栅极接像素输入端(RX)，复位开关管(M1)的源极接传输管(M2)的源极于一节点(FD)，传输管(M2)的栅极与像素单元输入端(TG)相连，以及传输管(M2)的漏极与量子点光敏电阻的所述另一端相连；MOS电容(M5)的栅极与传输管(M2)的漏极相连，MOS电容(M5)的源极和漏极与参考电平(Vqd)相连，MOS电容(M5)的体电容接地；源跟随器(M3)的漏极接电源(VDD)，源跟随器(M3)的栅极与节点(FD)相连，源跟随器(M3)的源极与行选开关管(M4)的漏极相连；行选开关管(M4)的栅极与行选输入端(RS)相连，行选开关管(M4)的源极作为整个全局硅工艺量子点像素电路的输出端；
其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终使光生电压的数值发生改变。
2.根据权利要求1所述的全局硅工艺量子点像素电路，其特征在于，所述MOS电容(M5)作为电平复位管。
3.根据权利要求1所述的全局硅工艺量子点像素电路，其特征在于，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
4.一种图像传感器，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的全局硅工艺量子点像素电路。
5.一种采用权利要求1所述的全局硅工艺量子点像素电路进行信号采集的方法，包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端(RX)和信号输入端(QDreset)置为高电平，复位开关管(M1)和MOS电容(M5)开启；接着，将行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和行选开关管(M4)关断，然后将信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；再将信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断，此时，全局硅工艺量子点像素电路开始曝光，并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；
步骤03：像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，节点(FD)保持在复位电平；
步骤04：像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)和行选输入端(RS)置为低电平，复位开关管(M1)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；将再将像素单元输入端(TG)置为高电平，传输管(M2)开启，此时，信号存储电容复位MOS管上的电荷通过传输管(M2)传递到节点(FD)，节点(FD)被下拉至信号电平；
步骤05：将像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)和MOS电容(M5)关断；再将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，对节点(FD)上的信号电平进行采样；
步骤06：将像素输入端(RX)、信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)、传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，节点(FD)保持在信号电平；
步骤07：将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；再将信号输入端(QDreset)、行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)、行选开关管(M4)和MOS电容(M5)关断；此时，对节点(FD)进行复位，将节点(FD)拉至复位电平；
步骤08：将像素输入端(RX)和行选输入端(RS)置为高电平，复位开关管(M1)和行选开关管(M4)开启；将信号输入端(QDreset)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和MOS电容(M5)关断；此时，对节点(FD)的复位电平进行采样。
6.根据权利要求5所述的信号采集的方法，其特征在于，所述步骤02中的曝光为全局曝光，所述步骤02至所述步骤04执行的同时全局硅工艺量子点像素电路一直处于全局曝光中。
7.根据权利要求5所述的信号采集的方法，其特征在于，所述MOS电容(M5)作为电平复位管。
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