CN106686327B - 一种实现三转换增益的像素单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现三转换增益的像素单元结构，至少包括：光电二极管，传输管，复位管，源极跟随管和增益控制管，传输管的漏极、源极跟随管的栅极、复位管的源极共同连接于悬浮漏极，增益控制管与悬浮漏极并联设置，增益控制管设有第一、第二控制端；通过在不同光照条件下在第一、第二控制端上进行不同的电压偏置，使悬浮漏极具有三种不同的电容值，从而实现像素单元在三种转换增益之间的切换，并得到高质量的图像输出，同时满足了CMOS图像传感器对高灵敏度和大动态范围的需求。

Description

一种实现三转换增益的像素单元结构

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可实现三转换增益的CMOS图像传感器像素单元结构。

背景技术

通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。按照制造工艺和工作原理的不同，图像传感器又可以分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件，最常用像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。

在图像传感器芯片性能的各种评价指标中，灵敏度和动态范围是其中重要的两个项目；但同时两者又是矛盾的，在一定的输出摆幅下，灵敏度高则意味着动态范围变小，动态范围大则造成灵敏度降低。我们希望图像在低照度时能够有灵敏的响应，则需要高灵敏度的像素单元；同时在高照度的情况下像素单元不饱和，则需要高动态范围的像素单元。但普通像素单元只能满足这两个性能中的一个，而不能同时具有高灵敏度和高动态范围。和灵敏度直接对应的像素单元指标为转换增益，即电子转换为电压的比例关系，转换增益越高则灵敏度越高，其动态范围就较小，反之亦然。为了同时满足低照度下的高灵敏度和高照度下的高动态范围，我们需要对像素单元的结构进行调整。

请参阅图1，图1是一种常规双转换增益CMOS图像传感器像素单元的电路结构原理图。如图1所示，已有的CMOS图像传感器像素单元通常采用双转换增益的结构，其电路结构包括光电二极管PD，传输管TXA、复位管RST、源极跟随管SF、行选管RS和增益控制管DCG。其中，光电二极管负责将光子转换为电子；传输管负责将光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极16，悬浮漏极将电荷信号转换为电压信号，因此悬浮漏极电容的大小就直接决定了像素单元的转换增益；通过在悬浮漏极并联一个增益控制管，可以通过控制增益控制管来控制悬浮漏极的电容大小，实现在两种转换增益之间的切换；悬浮漏极转换出的电压信号通过源极跟随管放大输出；行选管控制每一行信号的输出。

请参阅图2，图2是一种常规双转换增益CMOS图像传感器像素单元的版图结构示意图。如图2所示，其为与图1中常规双转换增益像素单元对应的版图结构，其中包括用于形成光电二极管10的有源区、传输管17、悬浮漏极16、复位管15、源极跟随管14、行选管13和增益控制管12。增益控制管通过金属连线和悬浮漏极相连，其电容值和原有悬浮漏极的电容为并联关系。其中增益控制管通过其控制端11接电源或接地，来进行高低转换增益之间的切换。

请参阅图3，图3是一种常规双转换增益像素单元的光响应特性曲线示意图。如图3所示，其为与图1中常规双转换增益像素单元对应的光响应特性曲线，其横轴为照度，代表了入射光的强度，纵轴为输出信号，输出信号随照度的增加而增加，照度到达一定的量时输出信号饱和，即照度继续增加但输出信号不变，输出信号能达到的最大值代表输出摆幅；输出摆幅取决于像素单元的工作电压和晶体管的阈值电压，因此一般是一个固定的值；输出信号的斜率代表了像素单元的灵敏度，像素单元能够响应的最大照度和最小照度之比即为动态范围。

从图3可见，在输出摆幅一定的条件下，如果灵敏度上升，即响应曲线斜率变大，会造成动态范围变小；反之，如果动态范围增加，则会造成斜率变小，即灵敏度下降。

通过使用双转换增益的像素单元，当图2中的增益控制管控制端接高电位时，增益控制管的电容值最小，因此悬浮漏极处于电容最小状态，其灵敏度最高，对应图3中高转换增益的响应曲线；当图2中的增益控制管控制端接低电位时，增益控制管的电容值最大，因此悬浮漏极处于电容最大状态，其灵敏度最低，对应图3中低转换增益的响应曲线。通过使用双转换增益的像素单元，可以同时输出高灵敏度和低灵敏度两种数据，通过数据处理，可以有效增加像素单元的灵敏度和动态范围。

但上述常规双转换增益的像素单元只有高低两种转换增益模式，缺少中间状态的转换增益曲线，影响了像素单元成像的使用范围和成像的细腻度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种实现三转换增益的像素单元结构，可同时满足CMOS图像传感器对高灵敏度和大动态范围的需求，从而可以使图像传感器在不同照度条件下都能得到高质量的图像。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种实现三转换增益的像素单元结构，至少包括：光电二极管，传输管，复位管，源极跟随管和增益控制管，所述传输管的漏极、源极跟随管的栅极、复位管的源极共同连接于悬浮漏极，增益控制管与悬浮漏极并联设置；其中，增益控制管设有第一、第二控制端，通过在不同光照条件下在第一、第二控制端上进行不同的电压偏置，以使悬浮漏极具有三种不同的电容值，从而实现像素单元在三种转换增益之间的切换。

优选地，所述增益控制管为一MOS电容，其栅极与复位管的源极、悬浮漏极并联设置，所述第一、第二控制端分别为MOS电容的源、漏极，通过在第一、第二控制端上进行高、低不同的电压偏置，以改变增益控制管的电容，从而改变像素单元悬浮漏极的总电容。

优选地，所述增益控制管的栅极与复位管的源极、悬浮漏极通过金属连线进行连接。

优选地，所述第一、第二控制端通过接触孔和金属连线进行引出。

优选地，通过在第一、第二控制端上进行高、低四种不同的电压偏置，使增益控制管具有高、中、低三种不同大小的电容。

优选地，还包括行选管，其漏极连接源极跟随管的源极，用于控制每一行电压信号的输出。

优选地，所述行选管的源极作为整个像素单元的输出端。

优选地，所述行选管的源极还连接一尾电流，用于为像素单元提供激励，其输出端接地。

优选地，所述复位管的漏极接电源电压、栅极接复位控制信号，传输管的源极与光电二极管的阴极相连、栅极接传输控制信号，源极跟随管的漏极接电源电压，行选管的栅极接行选控制信号。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在CMOS图像传感器像素单元的结构中使用具有两个控制端的增益控制管，可在两个控制端上进行高低四种不同的电压配置，形成三种不同的电容值，可对应适用于高、中、低三种不同的照度条件；通过在不同光照条件下进行增益控制管MOS电容两个控制端不同电压配置的组合，可使像素单元对不同的照度都有符合要求的响应特性，并得到高质量的图像输出，同时满足了CMOS图像传感器对高灵敏度和大动态范围的需求。

附图说明

图1是一种常规双转换增益CMOS图像传感器像素单元的电路结构原理图；

图2是一种常规双转换增益CMOS图像传感器像素单元的版图结构示意图；

图3是一种常规双转换增益像素单元的光响应特性曲线示意图；

图4是本发明一较佳实施例的一种实现三转换增益的像素单元结构的电路结构原理图；

图5是本发明一较佳实施例的一种实现三转换增益的像素单元结构的版图结构示意图；

图6-图9是在增益控制管两个控制端上进行不同电压配置时的状态示意图；

图10是基于图4的一种实现三转换增益的像素单元结构得到的光响应特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例的一种实现三转换增益的像素单元结构的电路结构原理图。如图4所示，本发明的一种实现三转换增益的像素单元结构，可包括：光电二极管PD，传输管TXA，复位管RST，源极跟随管SF、行选管RS和增益控制管22。

请参阅图4。传输管的源极与光电二极管的阴极相连、栅极接传输控制信号；复位管的漏极接电源电压V_pix、栅极接复位控制信号；源极跟随管的漏极接电源电压V_pix、源极接行选管的漏极；行选管的栅极接行选控制信号、源极作为整个像素单元的输出端Pix out；所述传输管的漏极、源极跟随管的栅极、复位管的源极共同连接于悬浮漏极27。

所述光电二极管用于将光子转换为电子，传输管用于将光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极，悬浮漏极将电荷信号转换为电压信号，并通过源极跟随管放大输出，行选管用于控制每一行电压信号的输出。

所述行选管的源极还可连接一尾电流，用于为像素单元提供激励，其输出端接地。

请参阅图4。与悬浮漏极还并联设置有增益控制管22。同图1中的常规双转换增益的像素单元相比，本发明提供的三转换增益的像素单元的所述增益控制管具有两个控制端，即第一控制端21和第二控制端23。

请参阅图5，图5是本发明一较佳实施例的一种实现三转换增益的像素单元结构的版图结构示意图。如图5所示，本发明提供的增益控制管22采用一个两端接出的MOS电容结构；其中，增益控制管22的MOS电容栅极与复位管26的源极、悬浮漏极27并联设置，增益控制管设有第一、第二控制端21、23，其与图4中的第一控制端21和第二控制端23对应。所述第一、第二控制端分别为增益控制管MOS电容的源极、漏极。

进行上述像素单元结构的制作时，首先根据图像传感器对性能的需求，按照图5的版图结构进行像素单元结构的设计。

然后进行像素单元的制备，可包括：

使用一P型或N型衬底，在该P型或N型衬底上采用CMOS工艺形成光电二极管20、传输管28、悬浮漏极27、复位管26、源极跟随管25、行选管24和增益控制管22。其中，可将增益控制管22的栅极和复位管26的源极、悬浮漏极27通过金属连线并联在一起，并将增益控制管的第一、第二控制端21、23通过接触孔和金属连线进行引出。

最后通过在不同光照条件下，在增益控制管22的第一、第二控制端21、23上进行高、低四种不同的电压偏置，来实现增益控制管电容大小的改变，使增益控制管具有高、中、低三种不同大小的电容，由于增益控制管的电容和悬浮漏极并联，因此改变增益控制管22的电容即改变了像素单元悬浮漏极27的总电容，从而使悬浮漏极也具有三种不同的电容值，对应不同的照度环境，像素单元可以在三种不同的转换增益、灵敏度和动态范围之间切换。

请参阅图6-图9，图6-图9是在增益控制管两个控制端上进行不同电压配置时的状态示意图。所述增益控制管的第一、第二控制端可以分别接“1”即高电位，或“0”即低电位，因而其共有四种工作状态。如图6所示，当MOS电容的第一、第二控制端都接“0”(即第一控制端＝0，第二控制端＝0)时，其电容值最大；如图7所示，当MOS电容的第一、第二控制端都接“1”(即第一控制端＝1，第二控制端＝1)时，其源漏区的耗尽层(耗尽区)展宽到将MOS电容的下极板区域耗尽，使其电容的等效氧化层厚度增加，此时电容值最小；如图8所示，为第一控制端接“1”，第二控制端接“0”(即第一控制端＝1，第二控制端＝0)时的状态，以及如图9所示，为第一控制端接“0”，第二控制端接“1”(即第一控制端＝0，第二控制端＝1)，这两种状态都是在加高电位的控制端的源漏区产生耗尽层(耗尽区)，因此图8和图9中显示的电容值相同，都是介于图6所示的最大电容和图7所示的最小电容值之间的一个中间电容值。因此通过在第一控制端和第二控制端分别加上述四种不同的偏置组合，可以使MOS电容实现三种不同的电容值，因此可以实现三转换增益。

本发明通过在CMOS图像传感器像素单元的结构中使用具有两个控制端的增益控制管，并在第一、第二控制端上结合四种不同的电压配置，形成了三种不同的电容值，其光电响应曲线如图10所示。其中，图10中的低转换增益曲线对应图6中的电压配置，即MOS电容的两端(第一、第二控制端)为“0”时，其源漏区的耗尽层未展宽，其电容的等效氧化层厚度最薄，此时电容值最大，因此对应的转换增益最低，其灵敏度最低，但满阱最高，适用于高照度条件；图10中的高转换增益曲线对应图7中的电压配置，即MOS电容的两端为“1”时，其源漏区的耗尽层展宽到将MOS电容的下极板区域耗尽，其电容的等效氧化层厚度增加，此时电容值最小，对应的转换增益最高，其对应的灵敏度最高，因此适用于低照度条件；图10中的中转换增益曲线对应图8和图9中的MOS电容的电压配置，即MOS电容的两个增益控制端(第一、第二控制端)，一端接“1”、另一端接“0”时，接“1”一端的源漏区的耗尽层展宽到将MOS电容的下极板区域部分耗尽，其电容的等效氧化层厚度增加，此时电容值居中，对应的转换增益介于高转换增益和低转换增益之间，其对应中等灵敏度，因此适用于中等照度条件。

通过在不同光照条件下进行MOS电容两个增益控制端不同电压配置的组合，使像素单元对不同的照度都有符合要求的响应特性，后续再通过对三种输出值进行进一步的算法处理，即可得到高质量的图像输出，同时又满足了CMOS图像传感器对高灵敏度和大动态范围的需求。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，至少包括：光电二极管，传输管，复位管，源极跟随管和增益控制管，所述传输管的漏极、源极跟随管的栅极、复位管的源极共同连接于悬浮漏极，增益控制管与悬浮漏极并联设置；其中，增益控制管设有第一、第二控制端，通过在不同光照条件下在第一、第二控制端上进行不同的电压偏置，以使悬浮漏极具有三种不同的电容值，从而实现像素单元在三种转换增益之间的切换；其中，所述增益控制管为一MOS电容，其栅极与复位管的源极、悬浮漏极并联设置，所述第一、第二控制端分别为MOS电容的源、漏极，通过在第一、第二控制端上进行高、低不同的电压偏置，以改变增益控制管的电容，从而改变像素单元悬浮漏极的总电容。

2.根据权利要求1所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，所述增益控制管的栅极与复位管的源极、悬浮漏极通过金属连线进行连接。

3.根据权利要求1所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，所述第一、第二控制端通过接触孔和金属连线进行引出。

4.根据权利要求1所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，通过在第一、第二控制端上进行高、低四种不同的电压偏置，使增益控制管具有高、中、低三种不同大小的电容。

5.根据权利要求1所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，还包括行选管，其漏极连接源极跟随管的源极，用于控制每一行电压信号的输出。

6.根据权利要求5所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，所述行选管的源极作为整个像素单元的输出端。

7.根据权利要求5所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，所述行选管的源极还连接一尾电流，用于为像素单元提供激励，其输出端接地。

8.根据权利要求5所述的实现三转换增益的像素单元结构，其特征在于，所述复位管的漏极接电源电压、栅极接复位控制信号，传输管的源极与光电二极管的阴极相连、栅极接传输控制信号，源极跟随管的漏极接电源电压，行选管的栅极接行选控制信号。