CN114640808A - 基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器 - Google Patents

基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器 Download PDF

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Abstract

基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，属于半导体光电方向图像传感器领域。通过控制像素工作过程中的时序信号和调整工艺制造结构的方式控制像素电路中复位晶体管的工作方式，使得复位晶体管在像素工作过程中的复位阶段起到复位作用，在像素积分阶段复位晶体管形成二极管连接起到电荷补偿作用。本发明的复位晶体管复用技术使得像素电路在弱光下保持低噪声和线性关系，在强光下由光电二极管流到FD点的光生电荷形成的电流与复位晶体管形成的二极管中的导通电流将达到动态平衡，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系。使用该像素结构的图像传感器，积分过程中复位晶体管能够构成电荷补偿通路，极大的拓展动态范围。

Description

基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器
技术领域
本发明属于半导体光电方向图像传感器领域，具体涉及一种基于复位晶体管复用技术实现高动态范围像素结构的图像传感器。
背景技术
随着CMOS图像传感器发展至今，现有技术已经能够满足人们生产生活中的大部分的应用。但是在某些特殊的技术领域，对图像传感器的性能指标却有着更高的要求。在很多领域存在着对图像传感器的动态范围高要求的应用场景。动态范围是检测信号中最大值与最小值的比，在图像传感器中即最大的光照度和最小的光照度的比值，常以对数的形式表示以分贝为单位。比如在汽车视觉系统中图像传感器是驾驶辅助系统的重要组成部分，汽车视觉系统的主要包括前视、后视、侧视、内视等。以前视为例，夜视、车道偏离预警、碰撞预警、交通标志识别等应用要求视觉系统在各种天气、路况、不同光线条件下，能够清晰识别车道线、车辆、障碍物、交通标志等。所有这些功能要求图像传感器的动态范围足够高，为后级图像处理系统提供丰富的细节信息。高动态范围图像传感器可以使得真实场景中非常暗和非常亮的区域的细节信息都可以同时成像，可以在复杂的路况下，比如面向阳光行车、进出隧道、夜间行车没有路灯或路灯很暗等，都能提供高质量、精确、可靠的路况场景信息，这在行车安全上起着至关重要的作用。
目前提高图像传感器动态范围的方法主要包括：1、阱容量调节技术。阱容量表示像素中所能容纳的最多电荷数，主要由像素中钳位光电二极管(PPD)的电荷存储能力和浮动扩散区域(FD)电容决定。提高FD点电容虽然会增大阱容量，但会降低电荷转换增益，因此可通过调节FD点电容来实现增大阱容量。但该技术提高动态范围有限，因为PPD本身电荷容纳能力限制了动态范围；2、双光电二极管像素。此种方法是在一个像元中放置两个光电二极管，分别在弱光和强光下起作用。主要是模拟人眼中有两种感光细胞，这两种细胞的感光度不同，就能获得大的动态范围。那么在CMOS图像传感器的中，可以在一个像素中同时集成具有高低灵敏度探测能力的两个光电探测器来模拟人眼这种机制来实现大动态范围。在明亮条件下，低灵敏度的光电探测器工作，而在暗环境下，高灵敏度的光电探测器工作。这种方式设计的像素电路结构及时序操作都很复杂，而且会占用很大的版图面积。3、多次曝光和采样。多次曝光技术是一种对目标场景进行长短不同多次曝光，并将多次曝光得到的图像合成为一幅图像的动态范围扩展技术。此种方式更多的依赖于对后续图像数据的处理，而且只适用于对静止的景物进行高动态范围的成像。4、多级横向溢出栅开关结构。该结构的工作方式是通过对时序的控制可以在不同的曝光量的情况下打开横向溢出栅开关，通过打开横向溢出栅的开关可以增加像素电路结构中的电荷存储区，使得电荷可以重新分配到FD区和电荷存储区，进而像素电路不易发生饱和的情况。此结构需要在像素电路结构中增加多级横向溢出开关晶体管和电容，大大的增加了像素的尺寸，应用范围受限。5、饱和探测。此方法是通过检测积分信号或者积分电荷，当其达到某一阈值就将像素复位，再继续探测，如此重复进行，最后输出未饱和的信号和记录下的复位次数，可以在满阱容量受限的条件下，实现高的动态范围。这种图像传感器动态范围主要取决于暗电流水平和计数时钟的频率此种实现高动态范围的方法操作复杂，所需晶体管数目较多，不适于大规模像素阵列。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器。目的在于通过调整像素中复位晶体管的连接方式，使得复位晶体管在像素工作过程中的复位阶段起到复位的作用，在像素积分阶段，通过控制外部时序信号使复位晶体管形成二极管连接起到电荷补偿的作用。本发明所述的复位晶体管复用技术使得像素电路在弱光下保持低噪声和线性关系，在强光下实现光强和信号成对数关系，在像素的积分过程中复位晶体管能够构成电荷补偿通路，极大的拓展动态范围。
本发明的技术方案：
基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，复位晶体管的复用通过以下两种方式实现：
方式一、所述的第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：如图1所示，一个钳位光电二极管1，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管1中；一个电荷转移控制晶体管2，用于将钳位光电二极管1中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管3，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器4和行选晶体管5用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值。像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。其中钳位光电二极管1的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管2的源极。电荷转移控制晶体管2的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点。复位晶体管3的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点。源极跟随器4的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管5的漏极相连。行选晶体管5栅极的控制信号SEL来自于图像传感器的行控制模块，源极与列总线相连。
此像素电路结构的时序如图2所示。第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路开始工作时，对像素进行复位操作，电荷转移控制晶体管2和复位晶体管3分别导通一次，此时VPX电压为V_high，第一个TX脉冲结束之后，像素开始积分，此时把VPX从V_high变为V_low，把RST电压从VDD变为V_low，使得VPX和RST两点的电压同时变成V_low，复位晶体管3的栅极和漏极电压相等，因此在积分过程中复位晶体管3变成了二极管连接的形式。在弱光(0.001lux到1lux)下，复位晶体管3形成的二极管不起作用。在光强很强(1lux)或者积分时间很长时(100ms)，光电二极管中积累的光生电荷会超过光电二极管的满阱容量，光电二极管中多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点使得FD点电压下降，当FD点的电压值下降到比V_low的电压小时，复位晶体管3形成的二极管将处于正偏状态，正电荷可通过复位晶体管3流入FD点，等效增大了FD点的满阱容量。当光强继续增强，或者积分时间继续增加，由光电二极管流到FD点的光生电荷形成的电流与复位晶体管3形成的二极管中的导通电流将达到动态平衡，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系。通过调整时序控制复位晶体管3的连接方式，使得在积分过程中复位晶体管3处于二极管连接的形式，可以实现在强光下入射光强与信号电压呈对数关系，可以扩展动态范围。
方式二、所述的第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：如图3所示，钳位光电二极管1、电荷转移控制晶体管2、复位晶体管3、源极跟随器4和行选晶体管5，钳位光电二极管1，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管1中；电荷转移控制晶体管2，用于将钳位光电二极管1中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管3，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器4和行选晶体管5用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值。像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。其中钳位光电二极管1的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管2的源极。电荷转移控制晶体管2的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点。复位晶体管3的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点，将复位晶体管3的衬底连接至VCC电位。源极跟随器4的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选择晶体管5的漏极相连。行选择晶体管5栅极的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连。
进一步地，本发明所述的图像传感器像素单元的剖面结构图如图4所示。钳位光电二极管1由从下至上的P-sub衬底401和PDN区403以及比P-sub衬底401掺杂浓度高的PDP区402构成，PDN区403的掺杂浓度可以恰好使得PDN区完全耗尽。PDP区402的存在可以减小暗电流，形成具有一定内建电势的光电二极管，有利于后续电荷的转移。电荷转移控制晶体管2的一端与钳位光电二极管1相连，一端接重掺杂的N区404。像素电路中的复位晶体管3用深N阱工艺(Deep-Nwell)，将复位晶体管3做在N-well区405中并使用Deep-Nwell区409在N-well区405下方进行隔离，这样可以达到较好的隔离效果。复位晶体管的源极407为重掺杂的N区，与FD点相连，复位晶体管的漏极408为重掺杂的N区连接VPX信号。复位晶体管3的衬底为Deep-Nwell上面的P-Well区410通过重掺杂的P区406接到VCC电位，VCC电位设置根据时序给定。当FD点电位下降到一定程度时，复位晶体管3的衬底和源极可形成一个正向导通的PN结。像素中的其余两个晶体管源极跟随器4和行选晶体管5均采用标准的NMOS管或者低阈值电压的NMOS进行制作。
本发明所述的像素电路工作时序如图5所示，像素工作过程中首先复位晶体管3导通一次，同时电荷转移控制晶体管2打开一次，VCC设置为GND，此时复位晶体管3的连接方式为正常的NMOS管，可以将FD点电位复位到VPX，复位操作结束之后，像素开始积分，RST电压降为GND、TX电压降为GND、VCC电压升高至V_low，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST。此时复位晶体管3的衬底P-Well区410与复位晶体管的源极407形成了一个二极管。弱光(0.001lux到1lux)时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管3形成的二极管不起作用，像素结构与标准4T像素方案相同，随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管2流向FD点使得FD点电压下降，当FD点电压下降到与VCC电压基本相等时会使得复位晶体管3形成的二极管导通，消耗FD点的电子，等效增大FD点的满阱容量。当光强过强(超过1lux)，或者积分时间较长(大于100ms)时，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管3形成的二极管导通的电流达到平衡状态，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系。积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG。积分结束后再一次将复位晶体管3导通一次，复位晶体管3导通同时将VCC电压降为GND，此时电荷转移控制晶体管2处于关闭状态，RST结束时读一次FD点的电压值，作为线性模式的复位值LIN_RST，随后电荷转移控制晶体管2再导通一次，再读一次FD点的电压值，作为线性模式的信号值LIN_SIG。对数模式和线性模式都分别做了两次采样，先采复位值再采信号值，因此对数模式和线性模式都可以做CDS，可以消除像素电路产生的噪声。
本发明所述的复位晶体管复用的高动态范围像素的工艺结构中采用Deep-Nwell结构，Deep-Nwell在制造中会占用很大的面积，因此采用2个或4个像素公用一个Deep-Nwell的形式，可以节省空间、减小像素的面积。
进一步地，所述的基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，是本发明所述的复位晶体管复用的高动态范围像素的工艺结构中，2个像素公用一个Deep-Nwell的电路如图6所示。
是指在第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器的基础上，图6为2个像素共用一个Deep-Nwell的电路结构图，复位晶体管3和第二复位晶体管6分别为2个像素的复位晶体管，漏极同时连接到VPX，源极分别连接到第一个像素的FD点FD1和第二个像素的FD点FD2。
相应的，图7为2个像素共用一个Deep-Nwell的剖面图，RST1和RST2分别表示2个像素的复位晶体管，两个复位晶体管同时做在一个P-Well区410中，共享一个Deep-Nwell区409，第二复位晶体管6与复位晶体管3公用一个漏极为复位晶体管的漏极408，并且连接到VPX，第一个像素的复位晶体管的源极407连接到第一个像素的FD点FD1，第二复位晶体管的源极411连接到第二个像素的FD点FD2。
相应的时序控制方法：2个像素公用一个Deep-Nwell的电路，每一个像素工作对应的时序都与第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程相同。
进一步地，所述的第四种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，是图8为4个像素共用一个Deep-Nwell的电路结构，RST1、RST2、RST3和RST4分别为4个像素的复位晶体管，漏极同时连接到VPX，源极分别连接到第一个像素的FD点FD1、第二个像素的FD点FD2、第三个像素的FD点FD3、第四个像素的FD点FD4。
相应的时序控制方法：4个像素公用一个Deep-Nwell的电路，每一个像素工作对应的时序都与第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程相同。
本发明的创新点在于，与现有技术的高动态范围图像传感器技术相比，如：双光电二极管、多级横向溢出栅开关结构等，为了实现高动态范围都需要在像素电路中增加晶体管或者电容，从而扩大图像传感器的动态范围，本发明所述的复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器电路结构简单，只在标准的4T或5T像素电路结构基础上，将复位晶体管在像素电路的复位阶段用作复位管，在像素的积分过程中构成电荷补偿通路，从而增大图像传感器的动态范围。
本发明的创新点在于，与传统的低动态范围图像传感器像素结构相比较，本发明所述的基于复位管复用技术的高动态范围图像传感器像素结构，在像素电路构成上不会增加像素电路中的器件的个数，不改变电路结构，通过调整像素各个管的工作时序和工作电压来实现高动态便可以在传统的图像传感器像素结构的基础上进一步的扩展图像传感器的动态范围。
本发明的创新点在于，与传统的图像传感器像素结构相比较，传统的图像传感器的复位晶体管的衬底接GND。本发明将复位晶体管的p衬底连接到VCC电位，并通过改变复位晶体管3的工艺制作结构来实现这一连接方式，本发明所采用的新型连接方式在强光或者积分时间长时，光电二极管中的多余光生电荷会通过传输控制晶体管流向FD点，使得FD点电压下降，复位晶体管3形成的二极管会发生正向导通，使得信号电压和光强大小成对数关系，进而提高动态范围。RST形成的二极管，在弱光下时反偏不起作用，不会影响像素在低光强下的工作性能。
本发明的创新点在于，与传统的图像传感器像素结构相比较，传统的像素电路中的RST用标准的MOS管工艺制作而成，将NMOS直接制作在P-Sub上，本发明的复位晶体管3由于加入了VCC电压所以需要将复位晶体管3放置在P-Well中，并用NWell和Deep-Nwell，进行隔离。本发明所述的工艺制造方式可以使得复位晶体管3变为真正的二极管结构，有助于提高电路性能。
附图说明
图1是复位晶体管复用技术高动态范围像素电路结构1。
图2是复位晶体管复用技术高动态范围像素结构1时序。
图3是复位晶体管复用技术高动态范围像素电路结构2。
图4是复位晶体管复用技术高动态范围像素结构2剖面图。
图5复位晶体管复用技术高动态范围像素结构2时序。
图6复位晶体管复用技术高动态范围像素电路结构3。
图7复位晶体管复用技术高动态范围像素结构3剖面图。
图8复位晶体管复用技术高动态范围像素电路结构4。
图9实施例1像素时序图。
图10实施例2像素时序图。
图11实施例3版图结构。
图12是实施例4像素结构电路图。
图13是实施例4像素结构时序图。
图中：1钳位光电二极管，2电荷转移控制晶体管，3复位晶体管，4源极跟随器，5行选晶体管，6第二复位晶体管，7第三复位晶体管，8第四复位晶体管，9高动态范围晶体管。401P-sub衬底，402PDP区，403PDN区，404N区，405N-well区，406重掺杂的P区，407复位晶体管的源极，408复位晶体管的漏极，409Deep-Nwell区，410P-Well区，411第二复位晶体管的源极，501第二P-Well区，502第二Deep-Nwell区，503Pixel-1，504Pixel-2，505Pixel-3，506Pixel-4。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的复位晶体管复用技术的图像传感器像素单元的电路结构图如图1所示，其构成有一个钳位光电二极管1，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管1中；一个电荷转移控制晶体管2，用于将钳位光电二极管中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管3，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器4和行选晶体管5用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值。像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。其中钳位光电二极管1的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管2的源极。电荷转移控制晶体管2的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点。复位晶体管3的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点。源极跟随器4的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选择晶体管5的漏极相连。行选晶体管5的栅极的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连。
实施例所述的复位晶体管复用技术高动态范围图像传感器像素结构，在具体实施过程中的时序以及信号电压设置如图9所示。像素开始工作时，对像素进行复位操作，电荷转移控制晶体管2和复位晶体管3分别导通一次，此时VPX电压为2.6V，第一个TX脉冲结束之后，像素开始积分，此时把VPX从2.6V变为1.5V，把RST电压从VDD(3.3V)变为1.5V，使得VPX和RST两点的电压同时变成1.5V，复位晶体管3的栅极和漏极电压相等，因此在积分过程中复位晶体管3变成了二极管连接的形式。在弱光下，复位晶体管3形成的二极管不起作用。在光强很强或者积分时间很长时，光电二极管中积累的光生电荷会超过光电二极管的满阱容量，光电二极管中多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管2流向FD点使得FD点电压下降，当FD点的电压值下降到比1.5V电压小时，复位晶体管3形成的二极管将处于正偏状态，正电荷可通过复位晶体管3流入FD点，等效增大了FD点的满阱容量。当光强过强，或者积分时间较长时，由光电二极管流到FD点的光生电荷形成的电流与复位晶体管3形成的二极管中的导通电流将达到动态平衡，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系。本发明通过调整时序控制复位晶体管3的连接方式，使得在积分过程中复位晶体管3处于二极管连接的形式，可以实现在强光下入射光强与信号电压呈对数关系，可以扩展动态范围。
实施例2
实现本发明的复位晶体管复用技术的4T结构图像传感器像素电路如图3所示。
本发明所述的像素电路工作时序如图10所示，像素工作过程中首先复位晶体管导通一次，同时转移控制栅打开一次，VCC设置为0V，此时复位晶体管3的连接方式为正常的NMOS管，可以将FD点电位复位到VPX(2.7V)，复位操作结束之后，像素开始积分，RST电压降为0V、TXV电压降为0V、VCC电压升高1.5V，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST。此时复位晶体管3的衬底(P)与源端(N)形成了一个二极管。弱光时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管3形成的二极管不起作用，像素结构与标准的4T像素结构相同；随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管2流向FD点，使得FD点的电压下降，当FD点电压下降到一定的程度时会使得复位晶体管3形成的二极管导通，消耗FD点的电子，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管3形成的二极管导通的电流达到平衡状态。积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG。积分结束后再一次将复位晶体管3导通一次，复位晶体管3导通的同时将VCC电压降为0V，此时电荷转移控制晶体管2处于关闭状态，RST结束时读一次FD点的电压值，作为线性模式的复位值LIN_RST，随后电荷转移控制晶体管2再导通一次，再读一次FD点的电压值，作为线性模式的信号值LIN_SIG。对数模式和线性模式都分别做了两次采样，先采复位值再采信号值，因此对数模式和线性模式都可以做CDS，可以消除像素电路产生的噪声。
实施例3
实施例3的复位晶体管复用高动态范围图像传感器像素的电路结构如图8所示。为尽量减小像素尺寸，在实际像素设计过程中4个像素共享一个Deep-Nwell的版图设计如图11所示，将四个像素Pixel-1503、Pixel-2504、Pixel-3505和Pixel-4506的复位晶体管RST1、RST2、RST3和RST4制作在同一个P-Well区501中，该P-Well被N-Well和Deep-Nwell区502包围，每个像素中除了复位晶体管以外的钳位光电二极管、电荷转移控制晶体管、源极跟随器、行选晶体管等都分别放置在Pixel-1503、Pixel-2504、Pixel-3505和Pixel-4506的区域。这种版图设计方式可以在尽量的缩小版图面积、减小像素尺寸的情况下达到所设计的高动态范围的目的。
实施例4
实现本发明的复位晶体管复用技术的5T图像传感器像素实例电路如图12所示。
实施例4所述的高动态像素结构由钳位光电二极管1、电荷转移控制晶体管2、复位晶体管3、高动态范围晶体管9、源极跟随器4、行选晶体管5组成，像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管。其中，钳位光电二极管1的P端接GND，N端接电荷转移控制晶体管2的源极。电荷转移控制晶体管2的栅极的控制信号TX来自于行控制模块，漏极连接到FD。复位晶体管3的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到高动态范围晶体管9的漏极，将复位晶体管3的衬底连接至VCC，高动态范围晶体管9的栅极控制信号HDR来自于行控制模块，源极连接到FD点。源极跟随器4的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管5的漏极相连。行选晶体管5的栅端的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连。加入高动态范围晶体管9，可以使得像素积分阶段线性部分和对数部分光强区域重叠，从而保证整个光强范围内都能维持较高的信噪比。
实施例4所述的复位晶体管复用技术高动态图像传感器像素结构的时序如图13所示，其时序控制方法步骤如下：
步骤一，复位操作
像素进入复位状态，复位晶体管3、电荷转移控制晶体管2和高动态范围晶体管9的栅极控制信号RST、TX、HDR同时给高电平3.3V，VCC接0V，此时复位晶体管3为标准的MOS管连接方式，FD点被复位到VPX为2.7V，然后电荷转移控制晶体管2和复位晶体管3的栅极控制信号电压降为0V，像素进入积分阶段，高动态范围晶体管9的栅极控制信号HDR持续3.3V的高电平；
步骤二，积分过程
复位操作结束后，电荷转移控制晶体管2的栅极控制信号TX为低电平0V，像素进入积分阶段，钳位光电二极管1内开始积累光生电荷，积分时间Tint内，高动态范围晶体管9持续高电平3.3V，进入积分时间后，VCC电压从0V上升到1.5V，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST；此时复位晶体管3的衬底与源端形成了一个二极管。弱光时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管3形成的二极管不起作用，像素结构与标准4T像素方案相同，随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管2流通到FD点，使得FD点的电压下降，当FD点电压下降到一定的程度时会使得复位晶体管3形成的二极管导通，消耗FD点的电子，等效增大了FD点的满阱容量。当光强过强，或者积分时间较长时，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管3形成的二极管导通的电流达到平衡状态，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系。积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG；积分结束之后，复位晶体管3导通一次，导通结束后在高动态范围晶体管9的栅极控制信号HDR为高电平时图像传感器读出电路可以采样一次低增益的复位值RSTL，随后HDR信号电压降为0V，图像传感器的读出电路可以采样一次高增益的复位值RSTH，随后像素电路积分阶段结束。
步骤三，第一次电荷转移过程
积分时间结束后，高动态范围晶体管9的栅极控制信号HDR为低电平0V，电荷转移控制晶体管2导通一次，可以将钳位光电二极管1中积累的光生电荷通过电荷转移控制晶体管2流向FD点，FD点电压下降，其下降值与转移来的光生电荷成正比，其比例即为电荷转换增益。读取一次FD点的高增益信号值SIGH，FD点电压由源极跟随器4传递给列总线col_bus进行输出。
步骤四，第二次电荷转移过程
第一次电荷转移之后将高动态范围晶体管9导通一次，在高动态范围晶体管9导通期间内将电荷转移控制晶体管2再次导通，FD点的光生电荷可以通过电荷转移控制晶体管2先转移到FD点，然后钳位光电二极管1中剩余的光生电荷通过电荷转移控制晶体管2继续转移到FD和FDL点。读取FD点电压值为低增益的信号值SIGL，FD点电压由源极跟随器4传递给列总线col_bus进行输出。

Claims (4)

1.基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，其特征在于，复位晶体管的复用通过以下两种方式实现：
方式一、所述的第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：一个钳位光电二极管(1)，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管(1)中；一个电荷转移控制晶体管(2)，用于将钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管(3)，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器(4)和行选晶体管(5)用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值；像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管；其中钳位光电二极管(1)的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点；复位晶体管(3)的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点；源极跟随器(4)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选择晶体管(5)的漏极相连；行选择晶体管(5)栅极的控制信号SEL来自于图像传感器的行控制模块，源极与列总线相连；
第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路开始工作时，对像素进行复位操作，电荷转移控制晶体管(2)和复位晶体管(3)分别导通一次，此时VPX电压为V_high，第一个TX脉冲结束之后，像素开始积分，此时把VPX从V_high变为V_low，把RST电压从VDD变为V_low，使得VPX和RST两点的电压同时变成V_low，复位晶体管(3)的栅极和漏极电压相等，因此在积分过程中复位晶体管(3)变成了二极管连接的形式；在弱光下，复位晶体管(3)形成的二极管不起作用；在光强很强或者积分时间很长时，光电二极管中积累的光生电荷会超过光电二极管的满阱容量，光电二极管中多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点使得FD点电压下降，当FD点的电压值下降到比V_low的电压小时，复位晶体管(3)形成的二极管将处于正偏状态，正电荷可通过复位晶体管(3)流入FD点，等效增大了FD点的满阱容量；当光强继续增强，或者积分时间继续增加时，由光电二极管流到FD点的光生电荷形成的电流与复位晶体管(3)形成的二极管中的导通电流将达到动态平衡，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系；通过调整时序控制复位晶体管(3)的连接方式，使得在积分过程中复位晶体管(3)处于二极管连接的形式，可以实现在强光下入射光强与信号电压呈对数关系，可以扩展动态范围；
方式二、所述的第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：钳位光电二极管(1)、电荷转移控制晶体管(2)、复位晶体管(3)、源极跟随器(4)和行选晶体管(5)，钳位光电二极管(1)，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管(1)中；电荷转移控制晶体管(2)，用于将钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管(3)，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器(4)和行选晶体管(5)用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值；像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管；其中钳位光电二极管(1)的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点；复位晶体管(3)的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点，将复位晶体管(3)的衬底连接至VCC电位；源极跟随器(4)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管(5)的漏极相连；行选晶体管(5)栅极的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连；
钳位光电二极管(1)由从下至上的P-sub衬底(401)和PDN区(403)以及比P-sub衬底(401)掺杂浓度高的PDP区(402)构成，PDN区(403)的掺杂浓度可以恰好使得PDN区完全耗尽；PDP区(402)的存在可以减小暗电流，形成具有一定内建电势的光电二极管；电荷转移控制晶体管(2)的一端与钳位光电二极管(1)相连，一端接重掺杂的N区(404)；像素电路中的复位晶体管(3)用深N阱工艺，将复位晶体管(3)做在N-well区(405)中并使用Deep-Nwell区(409)在N-well区(405)下方进行隔离；复位晶体管的源极(407)为重掺杂的N区，与FD点相连，复位晶体管的漏极(408)为重掺杂的N区连接VPX信号；复位晶体管(3)的衬底为Deep-Nwell上面的P-Well区(410)，通过重掺杂的P区(406)接到VCC电位，VCC电位设置根据时序给定；当FD点电位下降到一定程度时，复位晶体管(3)的衬底和源极可形成一个正向导通的PN结；像素中的其余两个晶体管源极跟随器(4)和行选晶体管(5)均采用标准的NMOS管或者低阈值电压的NMOS进行制作；
第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程中首先复位晶体管(3)导通一次，同时电荷转移控制晶体管(2)打开一次，VCC设置为GND，此时复位晶体管(3)的连接方式为正常的NMOS管，可以将FD点电位复位到VPX，复位操作结束之后，像素开始积分，RST电压降为GND、TX电压降为GND、VCC电压升高至V_low，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST；此时复位晶体管(3)的衬底P-Well区(410)与复位晶体管的源极(407)形成了一个二极管；弱光时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管(3)形成的二极管不起作用，像素结构与标准4T像素方案相同，随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点使得FD点电压下降，当FD点电压下降到与VCC电压基本相等时会使得复位晶体管(3)形成的二极管导通，消耗FD点的电子，等效增大FD点的满阱容量；当光强过强，或者积分时间较长时，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管(3)形成的二极管导通的电流达到平衡状态，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系；积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG；积分结束后再一次将复位晶体管(3)导通一次，复位晶体管(3)导通同时将VCC电压降为GND，此时电荷转移控制晶体管(2)处于关闭状态，RST结束时读一次FD点的电压值，作为线性模式的复位值LIN_RST，随后电荷转移控制晶体管(2)再导通一次，再读一次FD点的电压值，作为线性模式的信号值LIN_SIG；对数模式和线性模式都分别做了两次采样，先采复位值再采信号值，因此对数模式和线性模式都可以做CDS，可以消除像素电路产生的噪声。
2.根据权利要求1所述的基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，其特征在于，在第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器的基础上，是2个像素公用一个Deep-Nwell的电路；是指在第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器的基础上，复位晶体管(3)和第二复位晶体管(6)分别为2个像素的复位晶体管，漏极同时连接到VPX，源极分别连接到第一个像素的FD点FD1和第二个像素的FD点FD2；
RST1和RST2分别表示2个像素的复位晶体管，两个复位晶体管同时做在一个P-Well区(410)中，共享一个Deep-Nwell区(409)，第二复位晶体管(6)与复位晶体管(3)公用一个漏极为复位晶体管的漏极(408)，并且连接到VPX，第一个像素的复位晶体管的源极(407)连接到第一个像素的FD点FD1，第二复位晶体管的源极(411)连接到第二个像素的FD点FD2；
相应的时序控制方法：2个像素公用一个Deep-Nwell的电路，每一个像素工作对应的时序都与第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程相同。
3.根据权利要求1所述的基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，其特征在于，在第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器的基础上，是4个像素共用一个Deep-Nwell的电路结构，RST1、RST2、RST3和RST4分别为4个像素的复位晶体管，漏极同时连接到VPX，源极分别连接到第一个像素的FD点FD1、第二个像素的FD点FD2、第三个像素的FD点FD3、第四个像素的FD点FD4；
相应的时序控制方法：4个像素公用一个Deep-Nwell的电路，每一个像素工作对应的时序都与第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程相同。
4.根据权利要求1所述的基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器，其特征在于，
在第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器的基础上，所述的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构由钳位光电二极管(1)、电荷转移控制晶体管(2)、复位晶体管(3)、高动态范围晶体管(9)、源极跟随器(4)、行选晶体管(5)组成，像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管；其中，钳位光电二极管(1)的P端接GND，N端接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于行控制模块，漏极连接到FD；复位晶体管(3)的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到高动态范围晶体管(9)的漏极，将复位晶体管(3)的衬底连接至VCC，高动态范围晶体管(9)的栅极控制信号HDR来自于行控制模块，源极连接到FD点；源极跟随器(4)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管(5)的漏极相连；行选晶体管(5)的栅端的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连；加入高动态范围晶体管(9)，可以使得像素积分阶段线性部分和对数部分光强区域重叠，从而保证整个光强范围内都能维持较高的信噪比；
时序控制方法步骤如下：
步骤一，复位操作
像素进入复位状态，复位晶体管(3)、电荷转移控制晶体管(2)和高动态范围晶体管(9)的栅极控制信号RST、TX、HDR同时给高电平VDD，VCC接GND，此时复位晶体管(3)为标准的MOS管连接方式，FD点被复位到VPX，然后电荷转移控制晶体管(2)和复位晶体管(3)的栅极控制信号电压降为GND，像素进入积分阶段，高动态范围晶体管(9)的栅极控制信号HDR持续VDD的高电平；
步骤二，积分过程
复位操作结束后，电荷转移控制晶体管(2)的栅极控制信号TX为低电平GND，像素进入积分阶段，钳位光电二极管(1)内开始积累光生电荷，积分时间Tint内，高动态范围晶体管(9)的栅极持续高电平VDD，进入积分时间后，VCC电压从GND上升到V_low，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST；此时复位晶体管(3)的衬底与源端形成了一个二极管；弱光时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管(3)形成的二极管不起作用，像素结构与标准4T像素方案相同，随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流通到FD点，使得FD点的电压下降，当FD点电压下降到一定的程度时会使得复位晶体管(3)形成的二极管导通，消耗FD点的电子，等效增大了FD点的满阱容量；当光强过强，或者积分时间较长时，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管(3)形成的二极管导通的电流达到平衡状态，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系；积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG；积分结束之后，复位晶体管(3)导通一次，导通结束后在高动态范围晶体管(9)的栅极控制信号HDR为高电平时图像传感器读出电路可以采样一次低增益的复位值RSTL，随后HDR信号电压降为GND，图像传感器的读出电路可以采样一次高增益的复位值RSTH，随后像素电路积分阶段结束；
步骤三，第一次电荷转移过程
积分时间结束后，高动态范围晶体管(9)的栅极控制信号HDR为低电平GND，电荷转移控制晶体管(2)导通一次，可以将钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点，FD点电压下降，其下降值与转移来的光生电荷成正比，其比例即为电荷转换增益；读取一次FD点的高增益信号值SIGH，FD点电压由源极跟随器(4)传递给列总线col_bus进行输出；
步骤四，第二次电荷转移过程
第一次电荷转移之后将高动态范围晶体管(9)导通一次，在高动态范围晶体管(9)导通期间内将电荷转移控制晶体管(2)再次导通，FD点的光生电荷可以通过电荷转移控制晶体管(2)先转移到FD点，然后钳位光电二极管(1)中剩余的光生电荷通过电荷转移控制晶体管(2)继续转移到FD和FDL点；读取FD点电压值为低增益的信号值SIGL，FD点电压由源极跟随器(4)传递给列总线col_bus进行输出。
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