CN106937062B - 图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法 - Google Patents

图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器包括第一量子点像素、第一读出电路单元、第二量子点像素和第二读出电路单元，所述第一背栅电极通过第一栅控电压调整所述第一量子点层中量子点中的光敏电流，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素。在本发明提供的图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法中，其中第一量子点像素具有背栅电极，通过栅控电压调整第一量子点像素中量子点层中的光敏电流，在第一量子点像素与第二量子点像素共同工作下，同时进行曝光处理并得到不同的输出信号，从而在不同光强下依然得到高质量的图像，提升了图像传感器的动态范围。

Description

图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法。
背景技术
图像传感器是把光学图像信息转化成电信号的器件，传统的固态图像传感器可包括CCD(电荷耦合装置)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器两大类。其中CMOS图像传感器由于在像素阵列中采用了有源像素传感器，且采用CMOS集成电路工艺制程，可将像素阵列光敏结构和其他CMOS模拟、数字电路集成到同一块芯片上。高度集成不但减少整机芯片数量，降低整机功耗和封装成本，而且芯片内部直接信号连接还有利于信号传输的质量和速度，从而提高图像转换的质量。因此，CMOS图像传感器是市场上的主流技术。
目前，新兴的图像传感器采用量子点(quantum dot)材料制成，其探测波长随量子点大小可调，同时具有较高的响应度，如现有技术中的图像传感器，通过接触电极收集量子点的电荷信息，从而获得图像信息。相比传统CMOS图像传感器，量子点图像传感器具有灵敏度高，串扰小，填充率高，快门速度快等优势。在图像传感器中的一个重要指标是动态范围，动态范围小则感光范围小，在高光强是容易过曝光，通常传感器的光电响应度灵敏度越高，则低光成像越好，但高光强越容易过曝光。
因此，图像传感器的动态范围不足是本领域技术人员需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法，以解决现有技术中图像传感器的动态范围不足问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器包括第一量子点像素、第一读出电路单元、第二量子点像素和第二读出电路单元，所述第一量子点像素包括第一量子点层、第一背栅电极、第一电容和第一接触电极，所述第一背栅电极通过第一栅控电压调整所述第一量子点层中量子点中的光敏电流，所述第一电容连接所述第一接触电极，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素，所述第一读出电路单元包括第一传输管，所述第一传输管的源极连接所述第一接触电极，所述第二量子点像素包括第二量子点层、第二背栅电极、第二电容和第二接触电极，所述第二背栅电极通过第二栅控电压调整所述第二量子点像素中量子点中的光敏电流，所述第一栅控电压大于或小于所述第二栅控电压，所述第二电容连接所述第二接触电极，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素，所述第二读出电路单元包括第二传输管，所述第二传输管的源极连接所述第二接触电极，所述第一传输管的栅极和所述第二传输管的栅极均接入一传输控制信号。
可选的，在所述图像传感器中，所述第一读出电路单元还包括第一行选择管，所述第一行选择管的源极连接所述第一传输管的漏极，所述第一行选择管的栅极连接到第一行信号，所述第二读出电路单元还包括第二行选择管，所述第二行选择管的源极连接所述第二传输管的漏极，所述第二行选择管的栅极连接到第二行信号。
可选的，在所述图像传感器中，所述第一读出电路单元还包括第一源随器，所述第一源随器的栅极连接所述第一传输管的漏极，所述第一源随器的漏极连接所述第一行选择管的源极，所述第二读出电路单元还包括第二源随器，所述第二源随器的栅极连接所述第二传输管的漏极，所述第二源随器的漏极连接所述第二行选择管的源极，所述第一源随器的源极和所述第二源随器的源极均连接到一源随电压源。
可选的，在所述图像传感器中，所述第一读出电路单元还包括第一复位管，所述第一复位管的漏极连接所述第一传输管的源极，所述第二读出电路单元还包括第二复位管，所述第二复位管的漏极连接所述第二传输管的漏极，所述第一复位管的栅极和所述第二复位管的栅极均连接到一重置信号，所述第一复位管的源极和所述第二复位管的源均连接到一重置电压源。
本发明还包括一种图像传感器的像素信号采集方法，图像传感器包括：第一量子点像素，所述第一量子点像素包括第一量子点层、第一背栅电极、第一电容和第一接触电极，所述第一背栅电极通过第一栅控电压调整所述第一量子点层中光敏电流，所述第一电容连接所述第一接触电极；第一读出电路单元，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素，所述第一读出电路单元包括第一传输管，所述第一传输管的源极连接所述第一接触电极；第二量子点像素，所述第二量子点像素包括第二量子点层、第二背栅电极、第二电容和第二接触电极，所述第二背栅电极通过第二栅控电压调整所述第二量子点像素中量子点中的光敏电流，所述第一栅控电压大于或小于所述第二栅控电压，所述第二电容连接所述第二接触电极；第二读出电路单元，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素，所述第二读出电路单元包括第二传输管，所述第二传输管的源极连接所述第二接触电极，所述第一传输管的栅极和所述第二传输管的栅极均接入一传输控制信号；所述第一读出电路单元还包括第一行选择管，所述第一行选择管的源极连接所述第一传输管的漏极，所述第一行选择管的栅极连接到第一行信号，所述第二读出电路单元还包括第二行选择管，所述第二行选择管的源极连接所述第二传输管的漏极，所述第二行选择管的栅极连接到第二行信号；所述第一读出电路单元还包括第一复位管，所述第一复位管的漏极连接所述第一传输管的漏极，所述第二读出电路单元还包括第二复位管，所述第二复位管的漏极连接所述第二传输管的漏极，所述第一复位管的栅极和所述第二复位管的栅极均连接到一重置信号，所述第一复位管的源极和所述第二复位管的源极均连接到一重置电压源；
所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
打开第一复位管、第一传输管、第二复位管和第二传输管，使第一电容和第二电容充满电荷，然后关闭第一复位管、第一传输管、第二复位管和第二传输管；
曝光，使得第一电容中的电荷和第二电容中的电荷流失，通过第一背栅电极调整第一量子点像素中量子点层中的光敏电流；
打开第一复位管和第二复位管，再打开第一行选择管和第二行选择管，得到第一复位信号和第二复位信号；
打开第一传输管和第二传输管，使第一电容中的电荷以及第二电容中的电荷重新分配，再读出第一采样信号和第二采样信号。
可选的，在所述图像传感器的像素信号采集方法中，在曝光时，还通过第二背栅电极调整第二量子点像素中量子点层的光敏电流。
可选的，在所述图像传感器的像素信号采集方法中，将所述第一复位信号和所述第一采样信号做差分输出得到第一输出信号，将所述第二复位信号和所述第二采样信号做差分输出得到第二输出信号。
综上所述，在本发明提供的图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法中，所述图像传感器具有两类量子点像素，其中第一量子点像素具有背栅电极，通过栅控电压调整第一量子点像素中量子点层中的光敏电流，在第一量子点像素与第二量子点像素共同工作下，同时进行曝光处理并得到不同的输出信号，从而在不同光强下依然得到高质量的图像，提升了图像传感器的动态范围。
附图说明
图1是本发明实施例的图像传感器的电路连接示意图；
图2是本发明实施例的图像传感器的第一量子点像素的剖示图；
图3是本发明实施例的图像传感器的像素信号采集方法的工作时序示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。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。
如图1所示，本发明提供一种图像传感器，包括第一量子点像素QD1、第一读出电路单元、第二量子点像素QD2和第二读出电路单元，所述第一量子点像素QD1包括第一量子点层、第一背栅电极和第一接触电极，所述第一背栅电极通过第一栅控电压Vgqd调整所述第一量子点层中的光敏电流，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素QD1，所述第一读出电路单元包括第一传输管T4(Transfer Gate，TG)，所述第一传输管T4的源极连接所述第一接触电极，所述第二量子点像素QD2包括第二量子点层和第二接触电极，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素QD2，所述第二读出电路单元包括第二传输管T8，所述第二传输管T8的源极连接所述第二接触电极，所述第一传输管T4的栅极和所述第二传输管T8的栅极均接入一传输控制信号TX。
进一步的，所述第一读出电路单元还包括第一行选择管T3(Row Selector，RS)，所述第一行选择管T3的源极连接所述第一传输管T4的漏极，所述第一行选择管T3的栅极连接到第一行信号ROW1，通过第一行信号ROW1来控制第一量子点像素测得信号的输出，所述第二读出电路单元还包括第二行选择管T7，所述第二行选择管T7的源极连接所述第二传输管T8的漏极，所述第二行选择管T7的栅极连接到第二行信号ROW2，通过第二行信号ROW2来控制第二量子点像素测得信号的输出。
其中，所述第一读出电路单元还包括第一源随器T2(Source Follower，SF)，经过第一源随器T2的输入电压和输出电压的大小及相位均一样，由于源随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，实现了阻抗的转换，这样提高电路带负载的能力，所述第一源随器T2的栅极连接所述第一传输管T4的漏极，所述第一源随器T2的漏极连接所述第一行选择管T3的源极。同理，所述第二读出电路单元还包括第二源随器T6，所述第二源随器T6的栅极连接所述第二传输管T8的漏极，所述第二源随器T6的漏极连接所述第二行选择管T7的源极，所述第一源随器T2的源极和所述第二源随器T6的源极均连接到一源随电压源，通过同一源随电压源提供相同的源随电压。
针对不同的功能，所述第一读出电路单元还包括第一复位管T1(Reset)，所述第一复位管T1的漏极连接所述第一传输管T4的漏极，所述第二读出电路单元还包括第二复位管T5，所述第二复位管T5的漏极连接所述第二传输管T8的漏极，所述第一复位管T1的栅极和所述第二复位管T6的栅极均连接到一重置信号RX，通过同一重围信号RX使第一量子点像素QD1和第二量子点像素QD2同步被复位，所述第一复位管T1的源极和所述第二复位管T5的源极均连接到一重置电压源，通过同一重置电压源提供相同的重置电压。在本实施例中，源随电压源和重置电压源都采用的电源电压Vdd。
可选的，所述第一量子点像素QD1还包括第一电容Cap1，所述第一电容Cap1连接所述第一接触电极，所述第二量子点像素QD2还包括第二电容Cap2，所述第二电容Cap2连接所述第二接触电极，通过电容增加存储的电荷使接触电极具有更宽的电压范围，从而提高量子点像素的动态范围，即可实现更长时间的曝光需求以及更高的对比度变化。
可选的，所述第二量子点像素QD2具有第二背栅电极，所述第二背栅电极通过第二栅控电压调整所述第二量子点像素QD2中量子点中的光敏电流，进一步提高图像传感器的动态范围。
可选的，所述第一栅控电压Vgqd大于或小于所述第二栅控电压，通过设置不同大小的栅控电压，栅控电压既可以是正电压也可以是负电压，从而应对不同场景以及复杂的明暗变化，提高图像质量。
如图2所示，本实施例的第一量子点像素QD1的结构示意图，包括第一量子点层10、第一背栅电极20和第一接触电极30，通过第一接触电极30读取第一量子点层10的电压信息，通过第一栅控电20极调整第一量子点层10中量子点中的光敏电流。同理，在本实施例中，具有第二背栅电极的第二量子点像素QD2可与第一量子点像素QD1具有相同的结构。
本发明还提供图像传感器的像素信号采集方法，所述图像传感器采用上述图像传感器，结合图1和图3所示，图3中描述图像传感器的工作时序，所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
开始复位，在t1时刻，传输控制信号TX和重置信号RX均为高电平，打开第一复位管T1、第一传输管T4、第二复位管T5和第二传输管T8，使第一电容Cap1和第二电容Cap2充满电荷，即使第一量子点像素QD1的电位端V1和第二量子点像素QD2的电位端V3同时被复位，电位端V1和电位端V3的电压接近电源电压Vdd，然后关闭第一复位管T1、第一传输管T4、第二复位管T5和第二传输管T8；
进行曝光，使得第一量子点像素QD1和第二量子点像素QD2的光生电流使第一电容Cap1中的电荷和第二电容Cap2中的电荷流失，即电位端V1的电荷和电位端V3的电荷逐渐向低压端Gnd泄漏，电位端V1的电压和电位端V3的电压逐渐下降，如图3中Ts为有效曝光时间段，此时，通过第一背栅电极调整第一量子点像素QD1中量子点层中的光敏电流，调整电位端V1的电压下降速度，从而实现调整第一量子点像素QD1的动态范围，使图像传感器具有较大的动态范围；
复位信号读取，在t2时刻，重置信号RX为高电平，打开第一复位管T1和第二复位管T5，使电位端V2的电压和电位端V4的电压接近电源电压Vdd，再通过第一行信号ROW1打开第一行选择管T3以及通过第二行信号ROW2打开第二行选择管T7，在输出端Vout1得到第一复位信号和在输出端Vout2得到第二复位信号；
采样信号读取，在t3时刻，传输控制信号TX为高电平，打开第一传输管T4和第二传输管T8，使第一电容Cap1中的电荷以及第二电容Cap2中的电荷重新分配，即电位端V2积累的电荷在电位端V1进行重新分配，电位端V4积累的电荷在电位端V3进行重新分配，使得电位端V2和电位端V4的电压下降，再通过第一行信号ROW1打开第一行选择管T3以及通过第二行信号ROW2打开第二行选择管T7，在输出端Vout1得到第一采样信号和在输出端Vout2得到第二采样信号。
可选的，在曝光时，通过第二背栅电极调整第二量子点像素QD2中量子点层中的光敏电流，进一步提高图像传感器的动态范围。
通过图像传感器的像素信号采集方法得到的数据，将所述第一复位信号和所述第一采样信号做差分输出得到第一输出信号，即将第一采样信号与第二输出信号的数值相减可消除器件内的噪声得到第一输出信号，将所述第二复位信号和所述第二采样信号做差分输出得到第二输出信号，即将第一采样信号与第二输出信号的数值相减可消除器件内的噪声得到第一输出信号，从而得到最后的与入射光线性相关的输出信号。
实际工作时，当光线照射量子点层将产生光敏电流，并能从接触电极两端检测出来，电流大小将于光强成正比，为了调整量子点灵敏度，可以在图像传感器的背栅电极上加不同的电压，电压会影响光生载流子的迁移率从而影响光敏电流的大小。在完成上述曝光输出的信号测量后，将根据适当信号处理和算法来得到最后的图像。对于动态范围要求较高的场景，可适当选择不同读出电路单元中的输出Vout1和输出Vout2作为最后的有效信号。例如，可以通过改变第一栅控电压Vgqd，提高图像传感器的灵敏度，则输出Vout1信号对应的是高灵敏度信号，此时，对于光强较弱的像素单元，可选择输出Vout1的信号以得到较好的图像质量，同样，对应光强较强的像素单元，或选择输出Vout2的信号以得到较好的图像质量，从而在总体上提升了图像传感器的动态范围。当以采用两个带背栅电极的图像传感器，可以进一步通过设置不同的栅控电压，提高其中一个量子点像素的信号灵敏度的同时，进一步降低另一个量子点像素的灵敏度，可以进一步提高图像传感器的动态范围。
在本发明的图像传感器中，第一/第二复位管、第一/第二源随器、第一/第二行选择管、第一/第二传输管均为诸如MOS管或场效应管(FET)等开关器件，开关器件的栅极所连接的重置信号、行信号及传输控制信号均为通过电路连接的控制信号，其中重置电压源和源随电压源均为提供的一电压源，本发明中各器件的连接方式均为芯片中可实现的多层金属互联线的布线方式，关于开关器件的源极和漏极均为本领域的常规描述，在此基本上的变换及开关器件的不同选择，均表明本发明的技术内容。
综上所述，在本发明提供的图像传感器及图像传感器的像素信号采集方法中，所述图像传感器具有两类量子点像素，其中第一量子点像素具有背栅电极，通过栅控电压调整第一量子点像素中量子点层中的光敏电流，在第一量子点像素与第二量子点像素共同工作下，同时进行曝光处理并得到不同的输出信号，从而在不同光强下依然得到高质量的图像，提升了图像传感器的动态范围。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
第一量子点像素，所述第一量子点像素包括第一量子点层、第一背栅电极、第一电容和第一接触电极，所述第一背栅电极通过第一栅控电压调整所述第一量子点层中光敏电流，所述第一电容连接所述第一接触电极；
第一读出电路单元，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素，所述第一读出电路单元包括第一传输管，所述第一传输管的源极连接所述第一接触电极；
第二量子点像素，所述第二量子点像素包括第二量子点层、第二背栅电极、第二电容和第二接触电极，所述第二背栅电极通过第二栅控电压调整所述第二量子点像素中量子点中的光敏电流，所述第一栅控电压大于或小于所述第二栅控电压，所述第二电容连接所述第二接触电极；
第二读出电路单元，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素，所述第二读出电路单元包括第二传输管，所述第二传输管的源极连接所述第二接触电极，所述第一传输管的栅极和所述第二传输管的栅极均接入一传输控制信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一读出电路单元还包括第一行选择管，所述第一行选择管的源极连接所述第一传输管的漏极，所述第一行选择管的栅极连接到第一行信号，所述第二读出电路单元还包括第二行选择管，所述第二行选择管的源极连接所述第二传输管的漏极，所述第二行选择管的栅极连接到第二行信号。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述第一读出电路单元还包括第一源随器，所述第一源随器的栅极连接所述第一传输管的漏极，所述第一源随器的漏极连接所述第一行选择管的源极，所述第二读出电路单元还包括第二源随器，所述第二源随器的栅极连接所述第二传输管的漏极，所述第二源随器的漏极连接所述第二行选择管的源极，所述第一源随器的源极和所述第二源随器的源极均连接到一源随电压源。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一读出电路单元还包括第一复位管，所述第一复位管的漏极连接所述第一传输管的漏极，所述第二读出电路单元还包括第二复位管，所述第二复位管的漏极连接所述第二传输管的漏极，所述第一复位管的栅极和所述第二复位管的栅极均连接到一重置信号，所述第一复位管的源极和所述第二复位管的源极均连接到一重置电压源。
5.一种图像传感器的像素信号采集方法，其特征在于，图像传感器包括：
第一量子点像素，所述第一量子点像素包括第一量子点层、第一背栅电极、第一电容和第一接触电极，所述第一背栅电极通过第一栅控电压调整所述第一量子点层中光敏电流，所述第一电容连接所述第一接触电极；
第一读出电路单元，所述第一读出电路单元连接所述第一量子点像素，所述第一读出电路单元包括第一传输管，所述第一传输管的源极连接所述第一接触电极；
第二量子点像素，所述第二量子点像素包括第二量子点层、第二背栅电极、第二电容和第二接触电极，所述第二背栅电极通过第二栅控电压调整所述第二量子点像素中量子点中的光敏电流，所述第一栅控电压大于或小于所述第二栅控电压，所述第二电容连接所述第二接触电极；
第二读出电路单元，所述第二读出电路单元连接所述第二量子点像素，所述第二读出电路单元包括第二传输管，所述第二传输管的源极连接所述第二接触电极，所述第一传输管的栅极和所述第二传输管的栅极均接入一传输控制信号；
所述第一读出电路单元还包括第一行选择管，所述第一行选择管的源极连接所述第一传输管的漏极，所述第一行选择管的栅极连接到第一行信号，所述第二读出电路单元还包括第二行选择管，所述第二行选择管的源极连接所述第二传输管的漏极，所述第二行选择管的栅极连接到第二行信号；
所述第一读出电路单元还包括第一复位管，所述第一复位管的漏极连接所述第一传输管的漏极，所述第二读出电路单元还包括第二复位管，所述第二复位管的漏极连接所述第二传输管的漏极，所述第一复位管的栅极和所述第二复位管的栅极均连接到一重置信号，所述第一复位管的源极和所述第二复位管的源极均连接到一重置电压源；
所述图像传感器的像素信号采集方法包括：
打开第一复位管、第一传输管、第二复位管和第二传输管，使第一电容和第二电容充满电荷，然后关闭第一复位管、第一传输管、第二复位管和第二传输管；
曝光，使得第一电容中的电荷和第二电容中的电荷流失，通过第一背栅电极调整第一量子点像素中量子点层中的光敏电流；
打开第一复位管和第二复位管，再打开第一行选择管和第二行选择管，得到第一复位信号和第二复位信号；
打开第一传输管和第二传输管，使第一电容中的电荷以及第二电容中的电荷重新分配，再读出第一采样信号和第二采样信号。
6.根据权利要求5所述图像传感器的像素信号采集方法，其特征在于，所述图像传感器的像素信号采集方法还包括：在曝光时，通过第二背栅电极调整第二量子点像素中量子点层中的光敏电流。
7.根据权利要求5所述图像传感器的像素信号采集方法，其特征在于，将所述第一复位信号和所述第一采样信号做差分输出得到第一输出信号，将所述第二复位信号和所述第二采样信号做差分输出得到第二输出信号。
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