CN109120836A - 图像传感器像素电路及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器像素电路及其工作方法，图像传感器像素电路包括：主光电二极管；附光电二极管；传输晶体管，传输晶体管的源级与主光电二极管连接，传输晶体管的漏极连接第一浮空扩散点；第一附加晶体管；第二附加晶体管；第一电容，第一电容具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；第二电容，第二电容具有第二端，第二端与第四源漏极连接且适于与附光电二极管电学连接；复位晶体管，复位晶体管的漏极与电源线连接，所述复位晶体管的源极连接第一浮空扩散点或第二源漏极；列读出线，列读出线适于读出第一浮空扩散点的电位信息。所述图像传感器像素电路的动态范围得到有效提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器像素电路及其工作方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。其中CMOS图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。
然而，现有的图像传感器的性能有待提高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种图像传感器像素电路及其工作方法，以有效的提高图像传感器像素电路的动态范围。
为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器像素电路，包括：主光电二极管；附光电二极管；传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述主光电二极管连接，所述传输晶体管的漏极连接第一浮空扩散点；第一附加晶体管，第一附加晶体管具有第一源漏极和第二源漏极，第一源漏极连接第一浮空扩散点；第二附加晶体管，第二附加晶体管具有第三源漏极和第四源漏极；第一电容，第一电容具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；第二电容，第二电容具有第二端，第二端与第四源漏极连接且适于与所述附光电二极管电学连接；复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与电源线连接，所述复位晶体管的源极连接第一浮空扩散点或第二源漏极；列读出线，所述列读出线适于读出第一浮空扩散点的电位信息。
可选的，所述主光电二极管的感光面积大于所述附光电二极管的感光面积。
可选的，所述附光电二极管的感光面积为所述主光电二极管的感光面积的5％～20％。
可选的，所述第一电容的电容值与第一浮空扩散点的电容的比值为16～40；所述第二电容的电容值与第一浮空扩散点的电容的比值为16～40。
可选的，所述第一电容的电容值为8fF～32fF；所述第二电容的电容值为8fF～32fF；所述第一浮空扩散点的电容为0.8fF～1.6fF。
可选的，所述复位晶体管的源极与第二源漏极连接且与第一浮空扩散点不连接。
可选的，所述复位晶体管的源极与第一浮空扩散点连接且与第二源漏极不连接。
可选的，所述第二端与所述附光电二极管连接。
可选的，还包括：附加传输晶体管，所述附加传输晶体管的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管的源级与所述附光电二极管连接。
可选的，所述第一电容还具有与所述第一端相对的第三端，第三端接地；所述第二电容还具有与所述第二端相对的第四端，第四端接地。
可选的，还包括：源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的栅极与第一浮空扩散点连接，所述源跟随晶体管的漏极与电源线连接；选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源极连接，所述选择晶体管的源极与所述列读出线连接。
可选的，第一源漏极为第一附加晶体管的源级，且第二源漏极为第一附加晶体管的漏极；或者，第一源漏极为第一附加晶体管的漏极，且第二源漏极为第一附加晶体管的源级；第三源漏极为第二附加晶体管的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管的漏极；或者，第三源漏极为第二附加晶体管的漏极，且第四源漏极为第二附加晶体管的源级。
本发明还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，包括：提供上述任意一项所述的图像传感器像素电路；进行曝光时序步骤，在曝光时序步骤中，复位晶体管、传输晶体管和第二附加晶体管处于断开状态，第一附加晶体管处于导通状态；进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；所述读出时序步骤包括：在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于断开状态下，导通所述传输晶体管，使主光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点进行第一充电；进行第一充电后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一信号数据采集；进行第一信号数据采集后，在第一附加晶体管处于导通状态且第二附加晶体管处于断开状态下，导通传输晶体管，使主光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点和第一电容进行第二充电；进行第二充电后，在第一附加晶体管处于导通状态且第二附加晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第二信号数据采集；进行第二信号数据采集后，进行第一复位操作，在第一复位操作中，复位晶体管和第一附加晶体管处于导通状态，传输晶体管和第二附加晶体管处于断开状态；进行第一复位操作后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第三信号数据采集。
可选的，所述读出时序步骤还包括：在进行第一充电之前，在所述第一附加晶体管、第二附加晶体管、复位晶体管和传输晶体管均处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一基准数据采集；根据第一基准数据采集得到的数据与第一信号数据采集得到的数据之差，获取第一有效信号数据。
可选的，进行第一复位操作后，且在进行第三信号数据采集之前，所述读出时序步骤还包括：在复位晶体管、传输晶体管和第二附加晶体管均处于断开状态、且第一附加晶体管处于导通状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第二基准数据采集；根据第二基准数据采集得到的数据与第二信号数据采集得到的数据之差，获取第二有效信号数据。
可选的，所述读出时序步骤还包括：进行第三信号数据采集后，进行第二复位操作；在第二复位操作中，复位晶体管、第一附加晶体管和第二附加晶体管均处于导通状态，传输晶体管处于断开状态；进行第二复位操作后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态、且复位晶体管和传输晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第三基准数据采集；根据第三基准数据采集得到的数据与第三信号数据采集得到的数据之差，获取第三有效信号数据。
可选的，还包括：在进行曝光时序步骤之前，进行清空步骤；在清空步骤中，复位晶体管、传输晶体管、第二附加晶体管和第一附加晶体管均处于导通状态，选择晶体管处于断开状态。
可选的，所述图像传感器像素电路还包括：附加传输晶体管，所述附加传输晶体管的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管的源级与所述附光电二极管连接；所述读出时序步骤还包括：在进行第一复位操作后，且在进行第三信号数据采集之前，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下、且在传输晶体管处于断开状态下，导通附加传输晶体管，使附光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点、第一电容和第二电容进行第三充电；在曝光时序步骤中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第三信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的图像传感器像素电路的工作方法中，在进行曝光时序步骤中，所述第一附加晶体管处于导通状态，因此当主光电二极管在过曝的情况下，主光电二极管中的光生电子会通过传输晶体管溢出至第一浮空扩散点和第一电容。由于在进行曝光时序步骤中，第二附加晶体管处于断开状态，且附光电二极管的面积小于主光电二极管的面积，因此进行曝光时序步骤中，附光电二极管中的光生电子不会溢出至第一电容和第一浮空扩散点。在第一附加晶体管和第二附加晶体管均处于断开状态下进行第一充电，使主光电二极管中的光生电子转移至第一浮空扩散点，且附光电二极管中的光生电子不被转移至第一电容和第一浮空扩散点。由于第一浮空扩散点的满阱电容较小，因此第一信号数据采集得到的数据用于表征图像在暗处的信息。在第一附加晶体管处于导通状态且第二附加晶体管处于断开状态下进行第二充电，第二充电使主光电二极管中的光生电子转移至第一浮空扩散点和第一电容。由于第一浮空扩散点和第一电容共同的满阱电容大于第一浮空扩散点的满阱电容，因此在主光电二极管在曝光的情况下，第一浮空扩散点的寄生电容和第一电容有足够的电容空间存储来自主电二极管产生的光生电子，因此第二信号数据采集得到的数据可表征的图像亮度大于第一信号数据采集得到数据可表征的图像亮度。进行第二信号数据采集后，进行第一复位操作，第第一复位操作清除了第一浮空扩散点和第一电容中存储的来自主光电二极管中的光生电子，为存储来来自附光电二极管中的光生电子做准备。第一复位操作后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第三信号数据采集，此时，由于第二附加晶体管和第一附加晶体管导通，因此附光电二极管中的光生电子会存储在第一电容、第二电容以及第一浮空扩散点。由于附光电二极管的面积小于主光电二极管的面积，因此附光电二极管产生的光生电子较少。由于附光电二极管产生的光生电子较少，且第一浮空扩散点、第一电容和第二电容共同的满阱电容大于第一浮空扩散点和第一电容共同的满阱电容，因此第一浮空扩散点的寄生电容、第一电容和第二电容有足够的电容空间存储来附光电二极管的光生电子，因此第三信号数据采集得到的数据可表征的图像亮度大于第二信号数据采集得到数据可表征的图像亮度。综上，使得图像传感器像素电路的动态范围得到提高。
附图说明
图1是一种图像传感器像素电路的示意图；
图2是本发明一实施例中图像传感器像素电路的示意图；
图3是本发明图像传感器像素电路的工作流程图；
图4是图2中图像传感器像素电路的时序图；
图5是本发明另一实施例中图像传感器像素电路的示意图；
图6是图5中图像传感器像素电路的时序图；
图7是本发明又一实施例中图像传感器像素电路的示意图；
图8是本发明又一实施例中图像传感器像素电路的示意图；
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术的图像传感器像素电路的性能较差。
图像传感器像素电路的动态范围指的是：在同一幅画面中所能探测的最亮光与最暗光的比值。高动态范围的图像传感器件像素电路需要应用在同时存在很暗和很亮的环境中。
目前，业界主流的获取高动态范围的图像传感器像素电路采用的方法是多次曝光技术，具体的，多次曝光的曝光时间具有长短差异，之后，将多次曝光读出的数据进行融合，获得一帧具有超高动态范围的图像。然而，该技术的缺陷是：无法免疫LED的频闪现象，表现在：当使用多次曝光技术，在进行短曝光时，该短曝光的过程很可能落在LED不发光的时间段，从而导致频闪现象。
为了克服频闪现象，提出一种图像传感器像素电路，请参考图1，包括：光电二极管；传输晶体管Ptx，所述传输晶体管Ptx的源级与所述光电二极管的正向连接端连接；第一浮空扩散点sfd，第一浮空扩散点sfd与传输晶体管Ptx的漏极连接；附加晶体管Pss，附加晶体管Pss源极与第一浮空扩散点sfd连接；第二浮空扩散点lfd，第二浮空扩散点lfd与附加晶体管Pss的漏极连接；复位晶体管Prst，复位晶体管Prst的漏极与电源线vdd连接，复位晶体管Prst的源极与第二浮空扩散点lfd连接；电容C，电容C的一端与第二浮空扩散点lfd连接，电容C的另一端与地线连接；源跟随晶体管Psf，源跟随晶体管Psf的栅极与第一浮空扩散点sfd连接，所述源跟随晶体管Psf的漏极与电源线vdd连接；选择晶体管Psel，所述选择晶体管Psel的漏极与所述源跟随晶体管Psf的源极连接，所述选择晶体管Psel的源极与所述列读出线bL连接。
对于图1中的图像传感器像素电路，每一帧曝光的时间相同，且曝光采用长曝光时间，这样克服了频闪现象。
对于图1中的图像传感器像素电路，按照时序，首先读出暗处的信息，该数据为第一数据，具体的，光电二极管的光电子转移到第一浮空扩散点sfd上后，在第一浮空扩散点sfd产生电压变化，第一浮空扩散点sfd的电位通过选择晶体管Psel和源跟随晶体管Psf被读出，获得第一数据；按照时序，读出亮处的信息，该数据为第二数据，具体的，光电二极管的光电子通过传输晶体管Ptx和附加晶体管Pss转移到电容C、第二浮空扩散点lfd和第一浮空扩散点sfd，主要由电容C和第一浮空扩散点sfd存储第二数据对应的来自光电二极管的光电子，在第一浮空扩散点sfd产生电压变化，第一浮空扩散点sfd的电位通过选择晶体管Psel和源跟随晶体管Psf被读出，获得第二数据。通过对第一数据和第二数据进行融合，得到一个画面图像，该画面图像的动态范围较高。
图1中的图像传感器像素电路，当电容C的电容值与第一浮空扩散点sfd的寄生电容的比值为16～32时，所述图像传感器像素电路的动态范围能达90dB至100dB。
然而，在实际中，电容C与第一浮空扩散点的电容的大小比值无法取到很高的数值，原因包括：由于电容C制作在一个像素中，电容C占据的面积有限，因此电容C无法做到很大；若电容C与第一浮空扩散点的电容的大小比值很大，如达到100，那么第一数据与第二数据的过渡区域的信噪比过小，导致第二数据和第一数据融合后的图像质量下降。
综上，由于电容C与第一浮空扩散点的电容的大小比值的提高受到限制，因此图像传感器像素电路的动态范围的提高受到限制。实际应用中需要获得超过120dB动态范围的图像传感器像素电路，例如：在隧道环境、全天候监控环境或车载领域中时，需要超高动态范围的图像传感器像素电路。
为了解决上述问题，本发明提供一种图像传感器像素电路，包括：主光电二极管；附光电二极管；传输晶体管，传输晶体管的源级与所述主光电二极管连接，传输晶体管的漏极连接第一浮空扩散点；第一附加晶体管，第一附加晶体管具有第一源漏极和第二源漏极，第一源漏极连接第一浮空扩散点；第二附加晶体管，第二附加晶体管具有第三源漏极和第四源漏极；第一电容，第一电容具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；第二电容，第二电容具有第二端，第二端与第四源漏极连接且适于与附光电二极管电学连接；复位晶体管，复位晶体管的漏极与电源线连接，复位晶体管的源极连接第一浮空扩散点或第二源漏极；适于读出第一浮空扩散点的电位信息的列读出线。所述图像传感器像素电路的动态范围得到有效的提高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本实施例提供一种图像传感器像素电路，请参考图2，包括：
主光电二极管100；
附光电二极管110；
传输晶体管120，所述传输晶体管120的源级与所述主光电二极管100连接，所述传输晶体管120的漏极连接第一浮空扩散点SFD1；
第一附加晶体管130，第一附加晶体管130具有第一源漏极和第二源漏极，第一源漏极连接第一浮空扩散点SFD1；
第二附加晶体管140，第二附加晶体管140具有第三源漏极和第四源漏极；
第一电容150，第一电容150具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；
第二电容160，第二电容160具有第二端，第二端与第四源漏极连接且与所述附光电二极管110连接；
复位晶体管170，所述复位晶体管170的漏极与电源线VDD连接，所述复位晶体管170的源极与第二源漏极连接；
列读出线BL1，所述列读出线BL1适于读出第一浮空扩散点SFD1的电位信息。
所述主光电二极管100的感光面积大于所述附光电二极管110的感光面积。在相同的曝光时间内，主光电二极管100产生的光生电子的数量远多于附光电二极管110产生的光生电子的数量。
在一个实施例中，所述附光电二极管110的感光面积为所述主光电二极管100的感光面积的5％～20％。
所述主光电二极管100的正向连接端与传输晶体管120的源级连接，所述主光电二极管100的负向连接端接地。
所述附光电二极管110的负向连接端接地，所述附光电二极管110的正向连接端连接第二端。
所述第一电容150具有相对的第一端和第三端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接，第三端与接地。所述第二电容160具有相对的第二端和第四端，第二端与第四源漏极连接且与所述附光电二极管110的正向连接端连接，第四端接地。
所述图像传感器像素电路还包括：源跟随晶体管180，所述源跟随晶体管180的栅极与第一浮空扩散点SFD1连接，所述源跟随晶体管180的漏极与电源线VDD连接；选择晶体管190，所述选择晶体管190的漏极与所述源跟随晶体管180的源极连接，所述选择晶体管190的源极与所述列读出线BL1连接。
本实施例中，第一电容150的电容值与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容值的比值的要求较低，第一电容150占据的面积较小，第一电容150很容易制作在一个像素中，其次，利于对后续第二有效信号数据和第一有效信号数据的融合，第二有效信号数据和第一有效信号数据融合后的图像质量较好。
本实施例中，第一电容150的大小与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容大小的比值为16～40，如16～32。
本实施例中，第二电容160的电容值与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容值的比值的要求较低，第二电容160占据的面积较小，第二电容160很容易制作在一个像素中。
其次，第一电容150的电容值与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容值的比值的要求较低，第二电容160的电容值与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容值的比值的要求较低，因此利于对后续第三有效信号数据和第二有效信号数据的融合，第三有效信号数据和第二有效信号数据融合后的图像质量较好。
所述第二电容160的电容值与第一浮空扩散点SFD1的寄生电容值的比值为16～40，如16～32。
具体的，在一个实施例中，所述第一电容150的电容值为8fF～32fF；所述第二电容的电容值为8fF～32fF；所述第一浮空扩散点SFD1的寄生电容为0.8fF～1.6fF。
第一源漏极为第一附加晶体管130的源级，且第二源漏极为第一附加晶体管130的漏极；或者，第一源漏极为第一附加晶体管130的漏极，且第二源漏极为第一附加晶体管130的源级。本实施例中，第一源漏极为第一附加晶体管130的源级，且第二源漏极为第一附加晶体管130的漏极。
第三源漏极为第二附加晶体管140的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管140的漏极；或者，第三源漏极为第二附加晶体管140的漏极，且第四源漏极为第二附加晶体管140的源级。本实施例中，第三源漏极为第二附加晶体管140的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管140的漏极。
本实施例中，所述复位晶体管170的源极与第二源漏极连接且与第一浮空扩散点SFD1不连接。
本实施例中，所述图像传感器像素电路具有第二浮空扩散点LFD11和第三浮空扩散点LFD12。所述第二浮空扩散点LFD11与复位晶体管170的源极、第二源漏极、第一端以及第三源漏极连接。第三浮空扩散点LFD12与第四源漏级和第二端连接且与附光电二极管110连接。
本实施例还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，请参考图3，包括以下步骤：
S01：提供上述的图像传感器像素电路；
S02：进行曝光时序步骤，在曝光时序步骤中，复位晶体管170、传输晶体管120和第二附加晶体管140处于断开状态，第一附加晶体管130处于导通状态；
S03：进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；所述读出时序步骤包括：在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于断开状态下，导通所述传输晶体管120，使主光电二极管100中的电荷对第一浮空扩散点SFD1进行第一充电；进行第一充电后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第一信号数据采集；进行第一信号数据采集后，在第一附加晶体管130处于导通状态且第二附加晶体管140处于断开状态下，导通传输晶体管120，使主光电二极管100中的电荷对第一浮空扩散点SFD1和第一电容150进行第二充电；进行第二充电后，在第一附加晶体管130处于导通状态且第二附加晶体管140处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第二信号数据采集；进行第二信号数据采集后，进行第一复位操作，在第一复位操作中，复位晶体管170和第一附加晶体管130处于导通状态，传输晶体管120和第二附加晶体管140处于断开状态；进行第一复位操作后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于导通状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第三信号数据采集。
图4为图2中图像传感器像素电路的时序图。
V(RSEL1)是选择晶体管190的栅极的时序信号，当V(RSEL1)为高电平时，选择晶体管190导通，当V(RSEL1)为低电平时，选择晶体管190断开。
V(RST1)是复位晶体管170的栅极的时序信号，当V(RST1)为高电平时，复位晶体管170导通，当V(RST1)为低电平时，复位晶体管170断开。
V(TG11)是传输晶体管120的栅极的时序信号，当V(TG11)为高电平时，传输晶体管120导通，当V(TG11)为低电平时，传输晶体管120断开。
V(SS11)是第一附加晶体管130的栅极的时序信号，当V(SS11)为高电平时，第一附加晶体管130导通，当V(SS11)为低电平时，第一附加晶体管130断开。
V(SS21)是第二附加晶体管140的栅极的时序信号，当V(SS21)为高电平时，第二附加晶体管140导通，当V(SS21)为低电平时，第二附加晶体管140断开。
本实施例中，还包括：在进行曝光时序步骤之前，进行清空步骤；在清空步骤中，复位晶体管170、传输晶体管120、第二附加晶体管140和第一附加晶体管130均处于导通状态，选择晶体管190处于断开状态。
所述清空步骤使主光电二极管100中的电子和附光电二极管110中的电子清空。
在曝光时序步骤中，复位晶体管170、传输晶体管120和第二附加晶体管140处于断开状态，第一附加晶体管130处于导通状态，选择晶体管190处于断开状态。
进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤，在读出时序步骤中，选择晶体管190处于导通状态。
所述读出时序步骤包括：在所述第一附加晶体管130、第二附加晶体管140、复位晶体管170和传输晶体管120均处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第一基准数据采集。
在读出时序步骤的起始时刻至第一基准数据采集的终结时刻，所述传输晶体管120、复位晶体管170和第二附加晶体管140一直处于断开状态。
所述读出时序步骤包括：第一基准数据采集之后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于断开状态下，导通所述传输晶体管120，使主光电二极管100中的电荷对第一浮空扩散点SFD1进行第一充电；进行第一充电后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第一信号数据采集。
在第一充电中，所述传输晶体管120处于导通状态，所述复位晶体管170处于断开状态，第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于断开状态下。
在第一信号数据采集中，所述传输晶体管120、复位晶体管170、第一附加晶体管130和第二附加晶体管140均处于断开状态下。
根据第一基准数据采集得到的数据与第一信号数据采集得到的数据之差，获取第一有效信号数据。
所述读出时序步骤还包括：进行第一信号数据采集后，在第一附加晶体管130处于导通状态且第二附加晶体管140处于断开状态下，导通传输晶体管120，使主光电二极管100中的电荷对第一浮空扩散点SFD1和第一电容150进行第二充电；进行第二充电后，在第一附加晶体管130处于导通状态且第二附加晶体管140处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第二信号数据采集。
在主读出时序步骤的起始时刻至第二信号数据采集的终结时刻，所述复位晶体管170处于断开状态。
在第二充电中，复位晶体管170处于断开状态，传输晶体管120处于导通状态，所述第一附加晶体管130处于导通状态，第二附加晶体管140处于断开状态。
在第二信号数据采集中，传输晶体管120处于断开状态，第一附加晶体管130处于导通状态，第二附加晶体管140处于断开状态，复位晶体管170处于断开状态。
所述读出时序步骤还包括：进行第二信号数据采集后，进行第一复位操作，在第一复位操作中，复位晶体管170和第一附加晶体管130处于导通状态，传输晶体管120和第二附加晶体管140处于断开状态；进行第一复位操作后，在复位晶体管170、传输晶体管120和第二附加晶体管140均处于断开状态、且第一附加晶体管130处于导通状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第二基准数据采集。
在读出时序步骤的起始时刻至第二基准数据采集的终止时刻，所述第二附加晶体管140处于断开状态。
根据第二基准数据采集得到的数据与第二信号数据采集得到的数据之差，获取第二有效信号数据。
所述读出时序步骤还包括：进行第二基准数据采集后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于导通状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第三信号数据采集。
在第三信号数据采集中，所述复位晶体管170和传输晶体管120处于断开状态。
所述读出时序步骤还包括：进行第三信号数据采集后，进行第二复位操作；在第二复位操作中，复位晶体管170、第一附加晶体管130和第二附加晶体管140均处于导通状态，传输晶体管120处于断开状态；进行第二复位操作后，在第一附加晶体管130和第二附加晶体管140处于导通状态、且复位晶体管170和传输晶体管120处于断开状态下，所述列读出线BL1对第一浮空扩散点SFD1的电位信息进行第三基准数据采集。
在第二充电的终止时刻至第三基准数据采集的终止时刻，所述传输晶体管120处于断开状态。在第一复位操作的终止时刻至第二复位操作的起始时刻，所述复位晶体管170处于断开状态。
根据第三基准数据采集得到的数据与第三信号数据采集得到的数据之差，获取第三有效信号数据。
将第三有效信号数据、第二有效信号数据和第一有效信号数据进行融合，得到一帧完整的图像。
本实施例中，第一有效数据与第二有效数据的倍率等于(C1+CSFD1)/CSFD1。在将第一有效数据和第二有效数据融合时，需要将第二有效数据乘以(C1+CSFD1)/CSFD1后得到的数据与第一有效数据融合。C1为第一电容的电容值。CSFD1为第一浮空扩散点的寄生电容值。
本实施例中，第二有效数据与第三有效数据的倍率等于C2为第一电容的电容值，S1为主光电二极管100的感光面积，S2为附光电二极管110的感光面积。
在将第二有效数据与第三有效数据融合时，需要将第三有效数据乘以后得到的数据与第二有效数据融合。
本实施例中，曝光时序步骤可采用较长的曝光时间，因此能避免频闪现象。
本发明另一实施例还提供一种图像传感器像素电路，请参考图5，图5中的图像传感器像素电路与图3中图像传感器像素电路的区别在于：图5中的图像传感器像素电路还包括：附加传输晶体管121，所述附加传输晶体管121的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管121的源级与附光电二极管110连接。
本实施例中的第三浮空扩散点LFD13，第三浮空扩散点LFD13与第四源漏级和第二端连接且与附加传输晶体管121的漏极连接。
所述附加传输晶体管121的作用包括：利用附加传输晶体管121的源级与附光电二极管进行电学连接，附光电二极管中的光生电子通过附加传输晶体管转移至第二电容，这样避免需要在附光电二极管上直接形成导电插塞与第二电容的进行电学连接，避免因需要形成导电插塞而对附光电二极管产生的刻蚀损伤，因此减少了附光电二极管的缺陷，降低了附光电二极管中的暗电流。
关于本实施例中与前一实施例中相同的内容，不再详述。
相应的，本实施例还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，本实施例中的工作方法参照前一实施例。本实施例中的工作方法与前一实施例中的工作方法的区别在于：所述读出时序步骤还包括：在进行第一复位操作后，且在进行第三信号数据采集之前，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下、且在传输晶体管处于断开状态下，导通附加传输晶体管，使附光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点、第一电容和第二电容进行第三充电。
在第三充电中，复位晶体管处于断开状态。
在曝光时序步骤中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第三信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态。
本实施例中，在曝光时序步骤的起始时刻至第三充电的起始时刻，附加传输晶体管处于断开状态。
关于本实施的工作方法与前一实施例中工作方法中相同的部分，不再详述。
图6为图5中图像传感器像素电路的时序图。
V(TG12)是附加传输晶体管121的栅极的时序信号，当V(TG12)为高电平时，附加传输晶体管121导通，当V(TG12)为低电平时，附加传输晶体管121断开。
关于图6中V(RSEL1)、V(RST1)、V(TG11)、V(SS11)和V(SS21)的信号和图4一致，不再详述。
本发明另一实施例还提供一种图像传感器像素电路，本实施例中与图3中图像传感器像素电路的区别在于：所述复位晶体管的源极与第一浮空扩散点连接且与第二源漏极不连接。
本实施例的图像传感器像素电路，请参考图7，包括：主光电二极管200；附光电二极管210；传输晶体管220，所述传输晶体管220的源级与所述主光电二极管200连接，所述传输晶体管220的漏极连接第一浮空扩散点SFD2；第一附加晶体管230，第一附加晶体管230具有第一源漏极和第二源漏极，第一源漏极连接第一浮空扩散点SFD2；第二附加晶体管240，第二附加晶体管240具有第三源漏极和第四源漏极；第一电容250，第一电容250具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；第二电容260，第二电容260具有第二端，第二端与第四源漏极连接且与所述附光电二极管210连接；复位晶体管270，所述复位晶体管270的漏极与电源线VDD连接，所述复位晶体管270的源极与第一浮空扩散点SFD2连接且与第二源漏极不连接；列读出线BL2，所述列读出线BL2适于读出第一浮空扩散点SFD2的电位信息。
所述主光电二极管200的正向连接端与传输晶体管220的源级连接，所述主光电二极管200的负向连接端接地。所述附光电二极管210的负向连接端接地，所述附光电二极管210的正向连接端连接第二端。
所述主光电二极管200的感光面积与附光电二极管210的感光面积之间的关系参照图1对应的实施例，不再详述。
第一电容250具有相对的第一端和第三端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接，第三端与接地。所述第二电容260具有相对的第二端和第四端，第二端与第四源漏极连接且与所述附光电二极管210的正向连接端连接，第四端接地。
所述图像传感器像素电路还包括：源跟随晶体管280，所述源跟随晶体管280的栅极与第一浮空扩散点SFD2连接，所述源跟随晶体管280的漏极与电源线VDD连接；选择晶体管290，所述选择晶体管290的漏极与所述源跟随晶体管280的源极连接，所述选择晶体管290的源极与所述列读出线BL2连接。
第一电容250、第二电容260和第一浮空扩散点SFD2的电容参照前述实施例，不再详述。
第一源漏极为第一附加晶体管230的源级，且第二源漏极为第一附加晶体管230的漏极；或者，第一源漏极为第一附加晶体管230的漏极，且第二源漏极为第一附加晶体管230的源级。本实施例中，第一源漏极为第一附加晶体管230的漏级，且第二源漏极为第一附加晶体管230的源极。
第三源漏极为第二附加晶体管240的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管240的漏极；或者，第三源漏极为第二附加晶体管240的漏极，且第四源漏极为第二附加晶体管240的源级。本实施例中，第三源漏极为第二附加晶体管140的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管140的漏极。
本实施例中，所述图像传感器像素电路具有第二浮空扩散点LFD21和第三浮空扩散点LFD22。所述第二浮空扩散点LFD21与第二源漏极、第一端以及第三源漏极连接。第三浮空扩散点LFD22与第四源漏级和第二端连接且与附光电二极管110连接。
本实施例中，所述复位晶体管270的源极与第一浮空扩散点SFD2连接且与第二源漏极不连接，好处包括：使第一浮空扩散点被复位晶体管复位后的电位提高，从而使得在第一基准数据采集、第二基准数据采集和第三基准数据采集中，列读出线BL1读出的基准电位分别提高。这样第一有效信号数据的数据范围扩大，第二有效信号数据的数据范围扩大，第二有效信号数据的数据范围扩大，进一步提高了动态范围。
参考图7中图像传感器像素电路的工作方法参照参考图2中图像传感器像素电路的工作方法，不再详述。
本发明又一实施例还提供一种图像传感器像素电路，请参考图8，图8中的图像传感器像素电路与图7中图像传感器像素电路的区别在于：图8中的图像传感器像素电路还包括：附加传输晶体管221，所述附加传输晶体管221的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管221的源级与附光电二极管210连接。
本实施例中的第三浮空扩散点LFD22，第三浮空扩散点LFD22与第四源漏级和第二端连接且与附加传输晶体管221的漏极连接。
所述附加传输晶体管221的作用包括参照所述附加传输晶体管121的作用，不再详述。
关于本实施例中与前一实施例中相同的内容，不再详述。
相应的，本实施例还提供一种图像传感器像素电路的工作方法，图8中图像传感器像素电路的工作方法参照图5中图像传感器像素电路的工作方法。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种图像传感器像素电路，其特征在于，包括：
主光电二极管；
附光电二极管；
传输晶体管，所述传输晶体管的源级与所述主光电二极管连接，所述传输晶体管的漏极连接第一浮空扩散点；
第一附加晶体管，第一附加晶体管具有第一源漏极和第二源漏极，第一源漏极连接第一浮空扩散点；
第二附加晶体管，第二附加晶体管具有第三源漏极和第四源漏极；
第一电容，第一电容具有第一端，第一端与第二源漏极连接且与第三源漏极连接；
第二电容，第二电容具有第二端，第二端与第四源漏极连接且适于与所述附光电二极管电学连接；
复位晶体管，所述复位晶体管的漏极与电源线连接，所述复位晶体管的源极连接第一浮空扩散点或第二源漏极；
列读出线，所述列读出线适于读出第一浮空扩散点的电位信息。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述主光电二极管的感光面积大于所述附光电二极管的感光面积。
3.根据权利要求2所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述附光电二极管的感光面积为所述主光电二极管的感光面积的5％～20％。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述第一电容的电容值与第一浮空扩散点的电容的比值为16～40；所述第二电容的电容值与第一浮空扩散点的电容的比值为16～40。
5.根据权利要求4所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述第一电容的电容值为8fF～32fF；所述第二电容的电容值为8fF～32fF；所述第一浮空扩散点的电容为0.8fF～1.6fF。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述复位晶体管的源极与第二源漏极连接且与第一浮空扩散点不连接。
7.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述复位晶体管的源极与第一浮空扩散点连接且与第二源漏极不连接。
8.根据权利要求6或7所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述第二端与所述附光电二极管连接。
9.根据权利要求6或7所述的图像传感器像素电路，其特征在于，还包括：附加传输晶体管，所述附加传输晶体管的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管的源级与所述附光电二极管连接。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，所述第一电容还具有与所述第一端相对的第三端，第三端接地；所述第二电容还具有与所述第二端相对的第四端，第四端接地。
11.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，还包括：源跟随晶体管，所述源跟随晶体管的栅极与第一浮空扩散点连接，所述源跟随晶体管的漏极与电源线连接；选择晶体管，所述选择晶体管的漏极与所述源跟随晶体管的源极连接，所述选择晶体管的源极与所述列读出线连接。
12.根据权利要求1所述的图像传感器像素电路，其特征在于，第一源漏极为第一附加晶体管的源级，且第二源漏极为第一附加晶体管的漏极；或者，第一源漏极为第一附加晶体管的漏极，且第二源漏极为第一附加晶体管的源级；
第三源漏极为第二附加晶体管的源级，且第四源漏极为第二附加晶体管的漏极；或者，第三源漏极为第二附加晶体管的漏极，且第四源漏极为第二附加晶体管的源级。
13.一种图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至12任意一项所述的图像传感器像素电路；
进行曝光时序步骤，在曝光时序步骤中，复位晶体管、传输晶体管和第二附加晶体管处于断开状态，第一附加晶体管处于导通状态；
进行曝光时序步骤后，进行读出时序步骤；
所述读出时序步骤包括：在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于断开状态下，导通所述传输晶体管，使主光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点进行第一充电；进行第一充电后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一信号数据采集；进行第一信号数据采集后，在第一附加晶体管处于导通状态且第二附加晶体管处于断开状态下，导通传输晶体管，使主光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点和第一电容进行第二充电；进行第二充电后，在第一附加晶体管处于导通状态且第二附加晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第二信号数据采集；进行第二信号数据采集后，进行第一复位操作，在第一复位操作中，复位晶体管和第一附加晶体管处于导通状态，传输晶体管和第二附加晶体管处于断开状态；进行第一复位操作后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第三信号数据采集。
14.根据权利要求13所述的图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述读出时序步骤还包括：在进行第一充电之前，在所述第一附加晶体管、第二附加晶体管、复位晶体管和传输晶体管均处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第一基准数据采集；根据第一基准数据采集得到的数据与第一信号数据采集得到的数据之差，获取第一有效信号数据。
15.根据权利要求13所述的图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，在进行第一复位操作后，且在进行第三信号数据采集之前，所述读出时序步骤还包括：在复位晶体管、传输晶体管和第二附加晶体管均处于断开状态、且第一附加晶体管处于导通状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第二基准数据采集；根据第二基准数据采集得到的数据与第二信号数据采集得到的数据之差，获取第二有效信号数据。
16.根据权利要求13所述的图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述读出时序步骤还包括：进行第三信号数据采集后，进行第二复位操作；
在第二复位操作中，复位晶体管、第一附加晶体管和第二附加晶体管均处于导通状态，传输晶体管处于断开状态；进行第二复位操作后，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态、且复位晶体管和传输晶体管处于断开状态下，所述列读出线对第一浮空扩散点的电位信息进行第三基准数据采集；根据第三基准数据采集得到的数据与第三信号数据采集得到的数据之差，获取第三有效信号数据。
17.根据权利要求13所述的图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，还包括：在进行曝光时序步骤之前，进行清空步骤；在清空步骤中，复位晶体管、传输晶体管、第二附加晶体管和第一附加晶体管均处于导通状态，选择晶体管处于断开状态。
18.根据权利要求13所述的图像传感器像素电路的工作方法，其特征在于，所述图像传感器像素电路还包括：附加传输晶体管，所述附加传输晶体管的漏极与所述第二端连接，所述附加传输晶体管的源级与所述附光电二极管连接；
所述读出时序步骤还包括：在进行第一复位操作后，且在进行第三信号数据采集之前，在第一附加晶体管和第二附加晶体管处于导通状态下、且在传输晶体管处于断开状态下，导通附加传输晶体管，使附光电二极管中的电荷对第一浮空扩散点、第一电容和第二电容进行第三充电；
在曝光时序步骤中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第一信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二充电中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第二信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态；在第三信号数据采集中，所述附加传输晶体管处于断开状态。
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