CN110534534A - 具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，所述图像传感器的双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管和电容，所述双转换增益晶体管具有不规则设计结构，其漏极有源区向多方向延伸，形成有源区连接电容；并且可通过在所述双转换增益晶体管的漏极有源区上设置一栅极结构，形成MOS电容，以进一步改善有源区连接电容。本发明提供的技术方案，通过改进像素单元中双转换增益晶体管设计结构布局以提高双转换增益控制单元的电容值，从而提高像素电路在高增益模式或低增益模式下转移存储的电荷量，改善图像传感器的转换增益，提升图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术，尤其涉及一种具有不规则设计结构的双转换增益晶体管的图像传感器技术内容，以有效提升图像传感器输出的动态范围。
背景技术
CMOS图像传感器广泛应用于各领域中，如常用的智能手机，数码相机，视频监控设备，无人机装置，以及人工智能等多种应用环境，其应用需求和发展日趋向小型化及集成化。像素阵列中的多个像素单元是图像传感器实现感光的主要部件，像素单元的转换增益(CG，conversion gain)是重要的评价指标之一，通过转换增益可以得出像素单元的其他性能指标。例如，量子效率，信噪比及动态范围等。在图像传感器设计应用中，通常采用双转换增益单元实现像素电路的高增益和低转换增益模式转换控制，低转换增益模式下，用于在高光照度环境中提供更大的电荷存储处理能力；高转换增益模式下，在低光照度环境中提供更高的灵敏度及更低的读取噪声。实现双转换增益的单元一般包括双转换增益晶体管及存储电容，电容值的大小可确定双转换增益单元中高增益或低增益模式下转移存储的电荷容量。
传统的图像传感器成像系统，行控制电路向所选像素行中的每个像素提供控制信号，所述控制信号控制该行中的每个像素以高增益模式或低增益模式运行。待成像的场景通常在整个图像像素的多个给定行内同时包括过亮部分和过暗部分。使用对整个像素行中的图像像素以高增益模式或者低增益模式操作进行控制的传统图像传感器执行图像捕获操作能导致给定像素行中的一些图像像素生成过分噪声的图像信号或过饱和的图像信号，所述图像信号在最终捕获图像中则生成的不能满足图像显示需求的图像伪色。在传统的图像传感器应用中，提供给像素行以将该行置于高增益模式或低增益模式的增益调整控制，以实现像素输出在合理值的范围。在具体设计中，可通过调整双转换增益控制单元的存储电容值以实现高增益模式或者低增益模式下转移存储电荷的容量，以进一步调整像素电路的增益控制。
发明内容
本发明基于上述问题及目的，提出一种具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，所述图像传感器包括设置于半导体基底上的按行和列布局设置的多个像素单元构成的像素阵列，每个所述像素单元包括：
光电二极管及传输晶体管，所述传输晶体管连接到所述光电二极管和浮动扩散点之间；所述光电二极管以一个方向布局设置，所述传输晶体管以一倾斜角度设置于所述光电二极管的角部位置，连接到所述浮动扩散点的区域；
复位晶体管及源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管连接到所述浮动扩散点区域，其布局设置在所述光电二极管的边侧位置并靠近所述浮动扩散点区域设置；
双转换增益控制单元，包括双转换增益晶体管和电容，其连接在所述复位晶体管和所述浮动扩散点之间；所述电容可以是器件电容或者是电路中连接点寄生电容；所述双转换增益晶体管具有不规则设计结构，其栅极以一倾斜角度面向所述像素单元的传输晶体管，靠近并连接到所述浮动扩散点；所述双转换增益晶体管的漏极有源区向多方向延伸，以实现连接到所述复位晶体管的源极，以及形成较长的有源区连接电容，提升电容值；
可选的，在连接所述双转换增益晶体管的有源区上设置一栅极结构，形成MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)电容，以提升电容值；
可选的，所述双转换增益晶体管的有源区上设置栅极的栅极电压可直接连接到所述双转换增益晶体管栅极端的控制信号线，或者连接到高电位电压信号，或VDD，以简化所述图像传感器像素电路布局设计；
可选的，所述图像传感器的像素单元还包括一行选择晶体管，所述行选择晶体管连接到所述源极跟随晶体管的源极输出端；所述行选择晶体管布局设置在所述源极跟随晶体管同一边侧位置；
上述本发明提出的技术方案，其设计结构及方案均适用于FSI(FrontsideIllumination，前照式)图像传感器或BSI(Backside Illumination，背照式)图像传感器设计。
本发明提出的图像传感器设计方案，其双转换增益晶体管的结构设计为不规则形状，且栅极面向并靠近浮动扩散点布局设置，其漏极向有源区延伸以获得更大的有源区连接电容，提升转移存储的电荷量。同时，在有源区连接上设置一栅极结构，形成MOS电容，以提高电容值，可有效提升像素电路的转换增益，及输出图像的动态范围，进一步提高图像传感器的性能。
附图说明
图1为图像传感器系统基本结构图；
图2A～2B为一应用例的图像传感器像素单元电路图；
图3A～3B为本发明提出的第一实施例中具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器像素单元布局；
图4A～4B为另一应用例的图像传感器像素单元电路图；及
图5A～5B为本发明提出的第二实施例中具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器像素单元布局。
具体实施方式
以下根据本发明给出的多个附图，结合多个实施例对本发明提出的技术方案进行详细的说明。图1为本发明给出的图像传感器系统基本结构框图。如图中所示，图像传感器系统100包括像素阵列101，所述像素阵列101具有包含于集成电路中的多个图像传感器像素单元(或像素单元块)。如图1中所示，在图像传感器系统100中，像素阵列101耦合到控制电路104和读出电路102，读出电路102耦合到功能逻辑单元103。
控制电路104可包括行解码器和具有所需时序电路的行驱动器，读出电路102可包括列解码器和具有所需时序电路的列驱动器。控制电路104和读出电路102还耦合到状态寄存器105。在一个应用例中，像素阵列101为一个图像传感器像素单元(例如，像素P1，P2，....，Pn)构成的二维阵列。如图1中所示，可以将每个像素排列行(如行R1至Ry)和列(如列C1至Cx)，以获取人、地点、物体等的图像数据。
在一个应用例中，每个像素获取其图像数据或者图像电荷后，图像数据根据状态寄存器105或者可编程的功能逻辑单元103设置的读出模式由读出电路102读出，然后传输到功能逻辑单元103。在某些应用例中，读出电路102可包括放大电路、模数转换电路(ADC)等。状态寄存器105可以包括一个数字编程的选择系统，例如配置，用以确定读出模式是通过滚动曝光还是通过全局曝光，以及确定在每种模式下施加的时序和信号电平。功能逻辑单元103可以仅存储图像数据，或者可以根据后期的图像效果处理图像数据(例如，裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或者其他方式)。在一个应用例中，读出电路102可以沿读出列(如图中所示)逐行读出图像数据，或者可采用其他技术方案(图中未示)读出图像数据，例如，串行读出或者并行读出所有的像素。在一个应用例中，控制电路104耦合到像素阵列101，以控制像素阵列101的可操作特性。控制电路104的操作可通过状态寄存器105的当前设置来确定。例如，控制电路104可产生一快门信号用于控制图像获取。在一个应用例中，快门信号可是滚动曝光信号，每一像素行、列或者组通过连续的采集窗口连续获取。
图2A和图2B为现有技术中基于一应用例的图像传感器像素单元电路图，如图2A和图2B中所示，光电二极管PD通过传输晶体管TX连接至浮动扩散点FD。双转换增益控制单元包括一具有不规则设计结构的双转换增益晶体管DCG和电容C，连接在复位晶体管RST和浮动扩散点FD之间。双转换增益控制单元用以根据控制实现像素电路的高增益模式和低增益模式之间的转换。电容C可以是器件电容连接到像素单元电路，或者是该连接点的寄生电容，可以在电路设计中根据具体设计和应用设置为器件电容或者是寄生电容的电容形态，多种电容形式均可满足双转换增益控制单元的设计需求。附图2A和2B给出的实施例电路图示中，包括一行选择晶体管RS，像素信号经源极跟随晶体管SF放大后经行选择晶体管RS选择输出到列线PIXOUT。在本实施例中，图2A中以双转换增益控制单元的电容为像素电路中连接点的寄生电容为应用实施例，图2B是以该电容为MOS电容为一应用实施例的像素电路。
图3A和图3B是本发明给出第一实施例中基于图2A和图2B给出像素电路的像素单元布局设计。图3A和图3B中仅给出图像传感器像素阵列中的四个像素单元的布局结构设计示意图，应当理解的是，本发明提出的图像传感器包括按行和列排列布置的多个像素单元构成的二维像素阵列。如图3A中所示，光电二极管PD以一方向布局设置，传输晶体管TX以一倾斜角度设置于光电二极管的角部位置，通常以倾斜45度角设置，但此角度值并不对本发明给出的发明内容，实施例描述以及附图所示构成限制。双转换增益晶体管DCG具有不规则设计结构，其栅极以一倾斜角度面向并连接至浮动扩散点布局设置，此倾斜角度一般采用45度倾斜设置。双转换增益晶体管DCG的漏极有源区向多方向延伸，如图中漏极的延伸区域所示，以实现连接到复位晶体管RST的源极，并且可以形成较长的有源区连接电容，作为双转换增益控制单元的电容，较长的有源区连接电容进一步提升电容值。图3B为本发明第一实施例的另一种应用设计方案，与图3A中给出的示例不同的是，在连接所述双转换增益晶体管延伸方向的有源区上设置一栅极结构，形成MOS电容，进一步提升有源区连接电容值。MOS电容的栅极电压直接连接到双转换增益晶体管栅极端的控制信号线，也可以连接到其他的高电位电压信号线，例如图中的PIXVDD。此种布置实现方式，在具体设计中布局结构及电路设计比较简单，不需要额外的栅极电压单独的连线，能有效节省设计及合理布局。双转换增益控制单元的电容C的电容值增大，能够低增益模式下提升存储电荷容量，进一步拉低增益，使得在高照度环境条件下切换到低增益模式以保证输出的图像信号避免出现过曝或过亮的情形。在高增益模式下，转移存储的电荷量能进一步提升增益，使得在低照度条件下输出避免出现图像过暗的问题。
图4A和图4B为本发明给出的第二实施例中相应的图像传感器像素单元电路，与图2A和图2B中给出的第一实施例方案不同之处是，本实施例的像素电路中去掉行选择晶体管RS，且复位晶体管RST的漏极连接的电源为可变电压Vref，通过可变电压Vref实现控制选择输出至列线PIXOUT。图5A和图5B对应于图4A和图4B给出电路的像素单元布局结构图。图5A中双转换增益控制单元的电容C以连接点的寄生电容为应用实施例，图5B中给出的双转换增益控制单元的电容C为MOS电容的设计形态。本发明第二实施例中给出的方案，双转换增益晶体管采用和第一实施例中相同的不规则结构设计方案，双转换增益晶体管DCG的漏极有源区向多方向延伸，以形成较长的有源区连接电容。图5B中给出的应用实施例，同样在连接双转换增益晶体管DCG漏极延伸方向的有源区上设置一栅极，形成MOS电容，进一步提升电容值。本发明给出的第二实施例方案，同样能够解决低增益模式下提升存储电荷容量，进一步拉低增益，使得在高照度环境条件下切换到低增益模式以保证输出的图像信号避免出现过曝或过亮的情形。在高增益模式下，转移存储的电荷量能进一步提升增益，使得在低照度条件下输出避免出现图像过暗的问题。
本发明给出的图像传感器的多个应用实施例设计方案，其双转换增益晶体管采用不规则设计结构，其漏极向有源区多个方向延伸，以提升连接电容的电容值，通过增大电容设计，调整低增益模式或高增益模式下所存储转移的电荷量，以进一步提升转换增益，满足图像传感器在高照度环境或低照度环境下输出高质量的图像，提升输出的动态范围，从而提高图像传感器的性能。
上述多个实施例中记载的内容，其提供的图像传感器设计方案及技术解决方案，均适用于FSI图像传感器或者是BSI图像传感器，其像素单元的布局结构设计方案不对上述两种图像传感器的应用够成限制。
本发明给出的各个实施例及附图，是为了说明的目的，在不背离本发明更广泛的主旨和范围下，不同形式的等效修改是可行的。根据上述详细的说明可对本发明实施例进行修改。用于权利要求中的术语不应解释为限定于本发明具体实施内容和权利要求部分中所揭露的具体实施例。相反地，权利要求中完整确定的范围应解释为根据权利要求解释确立的声明。本发明的说明书和附图应被看作是解释性的，而不是约束性的。
Claims (9)
1.一种具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其包括设置于半导体基底上的由多个像素单元按行和列排列设置构成的二维像素阵列，其特征在于，每个所述像素单元包括：
双转换增益控制单元，其包括双转换增益晶体管及电容；
所述双转换增益晶体管具有不规则设计结构，其栅极以一倾斜角度布局设置于所述像素单元的角部位置，所述双转换增益晶体管的漏极有源区向多方向延伸，形成有源区连接电容。
2.根据权利要求1所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述双转换增益晶体管的漏极有源区上设置一栅极结构，形成MOS电容。
3.根据权利要求2所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述双转换增益晶体管的漏极有源区上设置的栅极电压连接到所述双转换增益晶体管的栅极控制信号线或高电位信号。
4.根据权利要求1所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述像素单元包括一传输晶体管以一倾斜角度布局设置于光电二极管的角部。
5.根据权利要求4所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述双转换增益晶体管的栅极面向所述传输晶体管布局设置。
6.根据权利要求1所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述像素单元包括一复位晶体管，所述双转换增益晶体管的漏极有源区向多方向延伸，包括连接到所述复位晶体管的源极。
7.根据权利要求1所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述电容包括器件电容。
8.根据权利要求1至7所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，所述像素单元包括一行选择晶体管。
9.根据权利要求1所述的具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器为FSI图像传感器或BSI图像传感器。
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