CN115866426B - 基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，包括源极跟随器和行选择管，一号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经一号光电二极管接地，二号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经二号光电二极管接地，三号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经三号光电二极管接地，四号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经四号光电二极管接地；复位管一端连接至浮动扩散节点，另一端连接电压源；横向溢出集成电容一端接地，另一端经依次串联的电容控制栅、电荷存储栅、浮动扩散栅连接至浮动扩散节点。本发明经过一次曝光即可获得微弱光、中强度光和高强度光场景的信息，获得高分辨率和高动态范围的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中可实现高动态范围性能的像素结构，更具体的说，是涉及一种基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构。
背景技术
图像传感器作为人眼所看到图像的记录设备，高质量的成像效果一直是图像传感器的研究重点。随着图像传感器的发展，应用场景不断拓展，图像传感器芯片中的像素设计特别重要，尤其是对动态范围的要求越来越高。随着半导体工艺的提升，芯片尺寸有不断缩小的趋势，这就需要其中的像素尺寸也相应缩小，而在小尺寸光电二极管中实现高满阱容量从而实现高动态范围非常困难。在曝光量很大的情景下，很难只利用光电二极管达到收集所有光生电荷的需求，横向溢流集成电容(Lateral Overflow Integration Capacitor，LOFIC)技术的出现，可以用来收集曝光量很大时的多余电荷，是对拓展动态范围的一种优化方法，成为CMOS图像传感器发展的方向之一。
对于LOFIC像素而言，像素结构是基于4管(4T)有源像素结构进行的优化而来，都有电荷收集区和电荷-电压转换节点。不同的是，4T像素只能利用光电二极管作为电荷收集区中积累的光生电荷，在电荷-电压转换节点转化为信号读出，溢流电荷会在电荷-电压转换节点的复位阶段被清空；而LOFIC像素在4T像素基础上增加一个横向溢流集成电容，用于收集曝光量很大的场景下的溢流电荷，相当于获得比普通4T像素更大的满阱容量，从而扩大成像的动态范围。所以LOFIC像素拓展了光照很强的场景时的成像范围，而如何兼顾微弱光、中强度光场景下的成像质量，对其进行优化设计具有重要意义。因此，从不同的应用场景出发，为了获得高分辨率和高动态范围的图像，利用LOFIC像素设计多种模式复用的像素结构具有重要研究价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，该像素结构应用在不同光照场景下以拓展动态范围，利用四像素共享设计，结合LOFIC技术和栅下电荷存储技术，可实现像素结构按照时序在多种模式下工作，并顺次输出不同工作模式的电荷-电压转换信号，经过一次曝光即可获得微弱光、中强度光和高强度光场景的信息，获得高分辨率和高动态范围的成像质量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，包括源极跟随器和行选择管，所述源极跟随器一端连接电压源，一端经行选择管连接至列总线，另一端连接至浮动扩散节点，所述浮动扩散节点还分别连接有一号传输栅、二号传输栅、三号传输栅、四号传输栅、复位管、横向溢出集成电容；所述一号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经一号光电二极管接地，所述二号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经二号光电二极管接地，所述三号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经三号光电二极管接地，所述四号传输栅一端连接至浮动扩散节点，另一端经四号光电二极管接地；所述复位管一端连接至浮动扩散节点，另一端连接电压源；所述横向溢出集成电容一端接地，另一端经依次串联的电容控制栅、电荷存储栅、浮动扩散栅连接至浮动扩散节点。
所述一号传输栅、二号传输栅、三号传输栅、四号传输栅均采用转移晶体管，所述浮动扩散栅、电容控制栅、复位管、源极跟随器、行选择管均采用晶体管，所述电荷存储栅采用栅控存储晶体管。
本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，工作过程如下：
首先，依次对一号光电二极管、二号光电二极管、三号光电二极管、四号光电二极管、浮动扩散节点、横向溢出集成电容、电荷存储栅复位，随后除电荷存储栅一直置于高电平用于收集溢流电荷外，其他晶体管均置于低电平，进入曝光阶段，当曝光结束后，行选信号上升为高电平，进入信号的读出阶段；将浮动扩散栅和电容控制栅置于高电平；随后，将浮动扩散栅和电容控制栅置于低电平，电荷存储栅继续保持高电平，对浮动扩散节点进行一次复位后进入单像素模式信号的读出，即依次导通一号传输栅、二号传输栅、三号传输栅、四号传输栅，一号传输栅、二号传输栅、三号传输栅、四号传输栅导通前后分别读取四组复位电平HR1-HR4和信号电平HS1-HS4；其中，在HR1、HS1信号读完后，导通浮动扩散栅，将这部分一号光电二极管的电荷转移存储在电荷存储栅处，二号光电二极管和三号光电二极管的电荷同理；四组信号通过相关双采样CDS进行量化，得到中强度光场景下的高分辨信号；
完成单像素模式信号的读出后，将电荷存储栅置于低电平、浮动扩散栅置于高电平；采样信号S1即为共享模式1的信号电平，而共享模式1的复位电平R1与HR4相同；S1与R1通过相关双采样CDS进行量化，得到微弱光场景下的高增益、高灵敏信号；
随后，将浮动扩散栅、电荷存储栅和电容控制栅置于高电平，使得横向溢出集成电容、电荷存储栅与浮动扩散节点连通，进行共享模式2的信号读出；同时导通一号传输栅、二号传输栅、三号传输栅、四号传输栅，将一号光电二极管、二号光电二极管、三号光电二极管、四号光电二极管内可能残留的电荷实现全部转移，并读取信号电平S2，最后导通一次复位管，读取复位电平R2；S2和R2通过增量复位采样DRS进行量化，得到高强度光下的低增益、高饱和信号。
所述共享模式1指当四个光电二极管积累的光生电荷非常少量时，将这些电荷转移到浮动扩散节点合并为一个信号读出，应用于微弱光场景中；所述单像素模式指当四个光电二极管积累的光生电荷相对较多但还没有达到其满阱时，则采用四个信号单独读出的方式，应用于中强度光场景中；所述共享模式2指当四个光电二极管积累的光生电荷非常多而溢出至浮动扩散节点和横向溢出集成电容时，则将所有电荷合并为一个高饱和信号读出，应用于高强度光场景中。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
四像素共享LOFIC结构相比于传统单像素结构具有更多的工作模式，通过时序控制和模式切换，拓展动态范围和应用场景，同时共享结构减小了像素面积，适应当今芯片尺寸不断缩小的趋势。多模式复用型LOFIC像素结构对四像素共享结构做出优化，经过一次曝光即可获得单像素模式和两种共享模式的信号，所有工作模式信号在一组工作时序下顺次输出，从而使像素结构在更加广泛的应用场景中实现了模式的复用，兼顾了分辨率和动态范围。
附图说明
图1为一种CMOS图像传感器的LOFIC像素结构示意图；
图2为图1示出的LOFIC像素结构的工作时序图；
图3为一种四像素共享LOFIC像素结构示意图；
图4为图3所示四像素共享LOFIC像素结构的工作模式图；
图5为图3所示四像素共享LOFIC像素结构的工作时序图(一)；
图6为图3所示四像素共享LOFIC像素结构的工作时序图(二)；
图7为本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构示意图；
图8为本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构的工作时序图；
图9为本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构的关键电势图。
附图标记：PPD钳位光电二极管，TG传输栅，SG电荷溢流管，Cs横向溢流集成电容，RST复位管，CFD浮动扩散节点FD的寄生电容，SF源极跟随器，SEL行选择管，VDD电压源，PD1一号光电二极管，PD2二号光电二极管，PD3三号光电二极管，PD4四号光电二极管，TG1一号传输栅，TG2二号传输栅，TG3三号传输栅，TG4四号传输栅，FD浮动扩散节点，CG电容控制栅，ST电荷存储栅，FG浮动扩散栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
动态范围是CMOS图像传感器的一项关键性能指标，用于表征图像传感器能检测到的光强范围。LOFIC技术是一种利用横向溢流集成电容实现高动态范围性能的重要手段，附图1为现有的一种CMOS图像传感器的LOFIC像素结构。如附图1所示，所述像素结构包括：。
附图2为附图1示出的LOFIC像素结构的工作时序图。结合附图1及附图2，所述像素结构的工作过程如下：
首先，将复位管RST、传输栅TG、电荷溢流管SG置于高电平，对钳位光电二极管PPD、浮动扩散节点FD(也称为“电荷-电压转换节点”)和横向溢流集成电容Cs进行复位操作。
接着，将复位管RST、传输栅TG、电荷溢流管SG置于低电平，像素进入曝光阶段。在曝光期间，当光强相对较弱时，钳位光电二极管PPD吸收光而积累光生电荷，且所积累的电荷不会超过其满阱容量。当光强相对较强时，由于浮动扩散节点FD、横向溢流集成电容Cs与钳位光电二极管PPD的电势差，所积累的电荷超过钳位光电二极管PPD的满阱容量后，多余的电荷便会溢出到浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs中。
曝光阶段结束后，将行选择管SEL置于高电平，进入信号读出阶段。t1时刻先采样一次浮动扩散节点FD的复位电平R1，随后导通传输栅TG，将钳位光电二极管PPD中积累的电荷第一次转移到浮动扩散节点FD，关断传输栅TG后t2时刻采样一次浮动扩散节点FD的信号电平S1。经过这个过程，如果光强相对较弱，则钳位光电二极管PPD中积累的电荷可以完全转移到浮动扩散节点FD，信号电平S1和复位电平R1通过相关双采样(Correlated DoubleSample，CDS)进行量化，得到弱光下的高增益、高灵敏信号。
接着，将电荷溢流管SG置于高电平，使浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs导通形成一个更大的电荷容器，随后再次将传输栅TG置于高电平，将钳位光电二极管PPD中积累的电荷第二次转移到浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs，关断传输栅TG后t3时刻采样一次浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs的信号电平S2。随后复位管RST置于高电平，对浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs进行复位操作，复位管RST关断后t4时刻采样一次浮动扩散节点FD加横向溢流集成电容Cs的复位电平R2。如果光强相对较强，则钳位光电二极管PPD中积累的电荷第一次转移时无法完全转移到浮动扩散节点FD，经过第二次转移这个过程，电荷完全转移到浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs与溢流电荷合并，信号电平S2和复位电平R2通过增量复位采样(Delta Reset Sample，DRS)进行量化，得到强光下的低增益、高饱和信号。
上述为现有的一种CMOS图像传感器的LOFIC像素的结构和工作原理，通过两种工作模式可以获得低光下的高灵敏信号和高光下的高饱和信号。然而为保证动态范围的扩展，每个像素都需要一个横向溢流集成电容，且电容值需求较大，将占用较大的像素面积。
针对这个问题，附图3所示的四像素共享LOFIC像素结构更适用于小尺寸像素的设计，所述像素结构包括：一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4、一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4、电荷溢流管SG、横向溢流集成电容Cs、复位管RST、浮动扩散节点FD的寄生电容CFD、源极跟随器SF以及行选择管SEL。其中，一号传输栅TG1一端经一号光电二极管PD1接地，另一端连接至浮动扩散节点FD；二号传输栅TG2一端经二号光电二极管PD2接地，另一端连接至浮动扩散节点FD；三号传输栅TG3一端经三号光电二极管PD3接地，另一端连接至浮动扩散节点FD；四号传输栅TG4一端经四号光电二极管PD4接地，另一端连接至浮动扩散节点FD；电荷溢流管SG一端分别经复位管RST、横向溢流集成电容Cs连接电压源VDD、地，另一端连接至浮动扩散节点FD；浮动扩散节点FD的寄生电容CFD一端接地，另一端连接至浮动扩散节点FD；源极跟随器SF一端连接电压源VDD，一端经行选择管SEL连接至列总线，另一端连接至浮动扩散节点FD。
此四像素共享LOFIC像素结构实现了电荷溢流管SG、复位管RST、源极跟随器SF、行选择管SEL四个晶体管、浮动扩散节点FD、横向溢流集成电容Cs的共用。采用四像素共享LOFIC结构不仅有利于解决像素尺寸的问题，而且可以在结构基础上通过时序设计，使四个像素既可以独立工作又可以合并工作，与附图1的经典LOFIC像素结构相比会有更多的工作模式。
附图4为附图3示出的四像素共享LOFIC结构的工作模式图。结合附图3及附图4，所述像素结构的工作模式包括共享模式1、单像素模式和共享模式2。具体的讲，所述共享模式1指当四个光电二极管(一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4)积累的光生电荷非常少量时，将这些电荷转移到浮动扩散节点FD合并为一个信号读出，应用于微弱光场景中；所述单像素模式指当四个光电二极管(一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4)积累的光生电荷相对较多但还没有达到其满阱时，则采用四个信号单独读出的方式，应用于中强度光场景中；共享模式2指当四个光电二极管(一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4)积累的光生电荷非常多而溢出至浮动扩散节点FD和横向溢出集成电容Cs时，则将所有电荷合并为一个高饱和信号读出，应用于高强度光场景中。
在微弱光和中强度光下，一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4负责收集曝光阶段的光生电荷，一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4负责将一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4内收集的光生电荷转移至浮动扩散节点FD，复位管RST负责对浮动扩散节点FD以及一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4进行复位操作，源极跟随器SF负责将浮动扩散节点FD处的电压信号输出，行选择管SEL通过行选信号负责某一行的选通。此外，通过时序控制一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4的光电信号合并读出或者分别读出，即像素结构可以工作在共享模式1和单像素模式，用以区分微弱光和中强度光所对应的场景。
在高强度光下，一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4不足以完全收集曝光阶段的光生电荷，而多余电荷会发生溢流，经过一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4和电荷溢流管SG至FD和Cs两个节点处进行存储。在信号读出时，将SG管导通，TG负责将PD内收集的光生电荷转移至浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs，经电荷-电压转换和行选通后输出此高强度光信号。由于发生电荷溢流，四个像素的信号会发生混合，将其设计为合并读出，即像素结构工作在共享模式2，得到高强度光场景信息。
在设计四像素共享LOFIC结构后，经过工作时序分析，发现微弱光和高强度光信号可以通过一次曝光获得，因为这两种场景下都是将四个像素获得的信号合并读出，即共享模式1和共享模式2。而中强度光场景的信号为各PD积累光生电荷分别读出，即单像素模式无法与前两种通过一次曝光实现，只能通过切换工作模式，两次曝光获得所有场景信号。
附图5为四个像素的电荷单独读出的单像素模式工作时序，附图6为四个像素的电荷合并读出的共享模式1和共享模式2工作时序。结合附图3-附图6，所述像素结构的工作过程如下：
单像素模式下，与4T像素工作过程类似。首先依次对一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4、浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs复位，进入曝光阶段，当曝光结束后，行选信号上升为高电平，进入信号的读出阶段。在浮动扩散节点FD处得到一号光电二极管PD1的复位电平HR1，打开一号传输栅TG1，一号光电二极管PD1中的电荷转移到浮动扩散节点FD，得到一号光电二极管PD1的信号电平HS1，随后对浮动扩散节点FD复位，继续顺次获得二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4的复位电平和信号电平，分别做相关双采样CDS。单像素模式得到中强度光下的信号具有高分辨率的特点。
共享模式1和共享模式2下，与附图1的LOFIC像素结构工作过程类似。首先对一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4、浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs进行复位，进入曝光阶段，当曝光结束后，行选信号上升为高电平，进入信号的读出阶段。这两种模式下，一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4同步开关，即四像素同步工作，共享浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs进行信号的读出。信号电平S1和复位电平R1通过相关双采样CDS进行量化，得到微弱光场景下的高增益、高灵敏信号。信号电平S2和复位电平R2通过增量复位采样DRS进行量化，得到高强度光下的低增益、高饱和信号。
上述为四像素共享LOFIC结构及其工作原理，通过三种工作模式可以获得一帧高分辨图像和一帧高动态图像。然而由于结构内的共用部分限制，无法通过时序控制在一次曝光下获得所有信号，必须将单像素模式和共享模式分为两次曝光过程，因此无法同时实现高分辨率和高动态范围。
针对这个问题，本发明对四像素共享LOFIC结构做出优化设计，引入栅下电荷存储，提出一种基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，如图7所示，相当于增加一个电荷存储节点，可实现只通过一次曝光下即可同时获得单像素模式、共享模式1和共享模式2的所有场景信号，实现了一种多模式复用像素结构。在四像素共享LOFIC结构基础上，将连接浮动扩散节点FD和横向溢流集成电容Cs的电荷溢流管SG替换为可以进行电荷暂存的节点，包括浮动扩散栅FG、电荷存储栅ST、电容控制栅CG。
该像素结构包括：一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4、一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4、电容控制栅CG、电荷存储栅ST、浮动扩散栅FG、横向溢流集成电容Cs、复位管RST、源极跟随器SF以及行选择管SEL。其中，所述一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4均采用转移晶体管，所述浮动扩散栅FG、电容控制栅CG、复位管RST、源极跟随器SF、行选择管SEL均采用晶体管，所述电荷存储栅ST采用栅控存储晶体管。
具体地，所述一号传输栅TG1一端连接至浮动扩散节点FD，另一端经一号光电二极管PD1接地；所述二号传输栅TG2一端连接至浮动扩散节点FD，另一端经二号光电二极管PD2接地；所述三号传输栅TG3一端连接至浮动扩散节点FD，另一端经三号光电二极管PD3接地；所述四号传输栅TG4一端连接至浮动扩散节点FD，另一端经四号光电二极管PD4接地。所述复位管RST一端连接至浮动扩散节点FD，另一端连接电压源VDD。所述横向溢出集成电容Cs一端接地，另一端经依次串联的电容控制栅CG、电荷存储栅ST、浮动扩散栅FG连接至浮动扩散节点FD。所述源极跟随器SF一端连接电压源VDD，一端经行选择管SEL连接至列总线，另一端连接至浮动扩散节点FD。
在微弱光和中强度光下，一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4负责收集曝光阶段的光生电荷，一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4负责将一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4内收集的光生电荷转移至浮动扩散节点FD，复位管RST负责对浮动扩散节点FD以及一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4进行复位操作，源极跟随器SF负责将浮动扩散节点FD处的电压信号输出，行选择管SEL通过行选信号负责某一行的选通。在信号读出时，先进行一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4信号的单独读出，在单像素模式下获得中强度光场景的信息，浮动扩散栅FG既负责将一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3信号读出后的电荷转移至电荷存储栅ST处暂存，也负责将一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4的电荷在浮动扩散节点FD处合并读出，通过共享模式1获得微弱光场景信息。
在高强度光下，一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4不足以完全收集曝光阶段的光生电荷，而多余电荷会发生溢流，经过一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4、浮动扩散栅FG和电容控制栅CG溢流至浮动扩散节点FD、电荷存储栅ST、横向溢流集成电容Cs三处进行存储。在信号读出时，将浮动扩散栅FG、电荷存储栅ST和电容控制栅CG导通，溢流电荷得到合并，一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4负责转移一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4内收集的光生电荷，经电荷-电压转换和行选通后输出此高强度光信号。由于发生电荷溢流，四个像素的信号会发生混合，将其设计为合并读出，通过共享模式2获得高强度光场景信息。
附图8为附图7示出的基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构的工作时序图，附图9为基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构的关键电势图。结合附图4、附图7、附图8和附图9，本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构的工作过程如下：
首先，依次对一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4、浮动扩散节点FD、横向溢出集成电容Cs、电荷存储栅ST复位，随后除电荷存储栅ST一直置于高电平用于收集溢流电荷外，其他晶体管均置于低电平，进入曝光阶段，当曝光结束后，行选信号上升为高电平，进入信号的读出阶段。将浮动扩散栅FG和电容控制栅CG置于高电平，目的是先将溢出电荷转移到横向溢出集成电容Cs，以便于进行单像素模式；随后，将浮动扩散栅FG和电容控制栅CG置于低电平，电荷存储栅ST继续保持高电平，对浮动扩散节点FD进行一次复位后进入单像素模式信号的读出，即依次导通一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4，在一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4导通前后t1-t8时刻分别读取四组复位电平HR1-HR4和信号电平HS1-HS4。其中，在HR1、HS1信号读完后，导通浮动扩散栅FG，将这部分一号光电二极管PD1的电荷转移存储在电荷存储栅ST处；二号光电二极管PD2和三号光电二极管PD3的电荷同理(即在HR2、HS2信号读完后，导通浮动扩散栅FG，将这部分PD2的电荷转移存储在电荷存储栅ST处；在HR3、HS3信号读完后，导通浮动扩散栅FG，将这部分PD3的电荷转移存储在电荷存储栅ST处)。四组信号通过相关双采样CDS进行量化，得到中强度光场景下的高分辨信号。
t8时刻完成单像素模式信号的读出后，将电荷存储栅ST置于低电平、浮动扩散栅FG置于高电平，即将电荷存储栅ST处存储的一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3的电荷转移回浮动扩散节点FD，与四号光电二极管PD4的电荷合并。t9时刻采样信号S1即为共享模式1的信号电平，而共享模式1的复位电平R1与HR4相同。S1与R1通过相关双采样CDS进行量化，得到微弱光场景下的高增益、高灵敏信号。
随后，将浮动扩散栅FG、电荷存储栅ST和电容控制栅CG置于高电平，使得横向溢出集成电容Cs、电荷存储栅ST与浮动扩散节点FD连通，进行共享模式2的信号读出。同时导通一号传输栅TG1、二号传输栅TG2、三号传输栅TG3、四号传输栅TG4，将一号光电二极管PD1、二号光电二极管PD2、三号光电二极管PD3、四号光电二极管PD4内可能残留的电荷实现全部转移，并在t10时刻读取信号电平S2，最后导通一次复位管RST，t11时刻读取复位电平R2。S2和R2通过增量复位采样DRS进行量化，得到高强度光下的低增益、高饱和信号。
上述为本发明基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构及其工作原理，对四像素共享LOFIC结构做出优化设计，引入栅下电荷存储技术，通过一次曝光、多组读出的方式，实现了单像素模式、共享模式1和共享模式2三种工作模式的复用，从而在一组工作时序下顺次获得微弱光、中强度光和高强度光场景的信号。由此，有效拓展了像素的应用场景，可同时实现高分辨率和高动态范围，改善CMOS图像传感器的性能
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，包括源极跟随器（SF）和行选择管（SEL），所述源极跟随器（SF）一端连接电压源（VDD），一端经行选择管（SEL）连接至列总线，另一端连接至浮动扩散节点（FD），其特征在于，所述浮动扩散节点（FD）还分别连接有一号传输栅（TG1）、二号传输栅（TG2）、三号传输栅（TG3）、四号传输栅（TG4）、复位管（RST）、横向溢出集成电容（Cs）；所述一号传输栅（TG1）一端连接至浮动扩散节点（FD），另一端经一号光电二极管（PD1）接地，所述二号传输栅（TG2）一端连接至浮动扩散节点（FD），另一端经二号光电二极管（PD2）接地，所述三号传输栅（TG3）一端连接至浮动扩散节点（FD），另一端经三号光电二极管（PD3）接地，所述四号传输栅（TG4）一端连接至浮动扩散节点（FD），另一端经四号光电二极管（PD4）接地；所述复位管（RST）一端连接至浮动扩散节点（FD），另一端连接电压源（VDD）；所述横向溢出集成电容（Cs）一端接地，另一端经依次串联的电容控制栅（CG）、电荷存储栅（ST）、浮动扩散栅（FG）连接至浮动扩散节点（FD）；
首先，依次对一号光电二极管（PD1）、二号光电二极管（PD2）、三号光电二极管（PD3）、四号光电二极管（PD4）、浮动扩散节点（FD）、横向溢出集成电容（Cs）、电荷存储栅（ST）复位，随后除电荷存储栅（ST）一直置于高电平用于收集溢流电荷外，其他晶体管均置于低电平，进入曝光阶段，当曝光结束后，行选信号上升为高电平，进入信号的读出阶段；将浮动扩散栅（FG）和电容控制栅（CG）置于高电平；随后，将浮动扩散栅（FG）和电容控制栅（CG）置于低电平，电荷存储栅（ST）继续保持高电平，对浮动扩散节点（FD）进行一次复位后进入单像素模式信号的读出，即依次导通一号传输栅（TG1）、二号传输栅（TG2）、三号传输栅（TG3）、四号传输栅（TG4），一号传输栅（TG1）、二号传输栅（TG2）、三号传输栅（TG3）、四号传输栅（TG4）导通前后分别读取四组复位电平HR1-HR4和信号电平HS1-HS4；其中，在HR1、HS1信号读完后，导通浮动扩散栅（FG），将这部分一号光电二极管（PD1）的电荷转移存储在电荷存储栅（ST）处，二号光电二极管（PD2）和三号光电二极管（PD3）的电荷同理；四组信号通过相关双采样CDS进行量化，得到中强度光场景下的高分辨信号；其中，所述单像素模式指当四个光电二极管积累的光生电荷相对较多但还没有达到其满阱时，则采用四个信号单独读出的方式，应用于中强度光场景中；
完成单像素模式信号的读出后，将电荷存储栅（ST）置于低电平、浮动扩散栅（FG）置于高电平；采样信号S1即为共享模式1的信号电平，而共享模式1的复位电平R1与HR4相同；S1与R1通过相关双采样CDS进行量化，得到微弱光场景下的高增益、高灵敏信号；其中，所述共享模式1指当四个光电二极管积累的光生电荷非常少量时，将这些电荷转移到浮动扩散节点（FD）合并为一个信号读出，应用于微弱光场景中；
随后，将浮动扩散栅（FG）、电荷存储栅（ST）和电容控制栅（CG）置于高电平，使得横向溢出集成电容（Cs）、电荷存储栅（ST）与浮动扩散节点（FD）连通，进行共享模式2的信号读出；同时导通一号传输栅（TG1）、二号传输栅（TG2）、三号传输栅（TG3）、四号传输栅（TG4），将一号光电二极管（PD1）、二号光电二极管（PD2）、三号光电二极管（PD3）、四号光电二极管（PD4）内可能残留的电荷实现全部转移，并读取信号电平S2，最后导通一次复位管（RST），读取复位电平R2；S2和R2通过增量复位采样DRS进行量化，得到高强度光下的低增益、高饱和信号；其中，所述共享模式2指当四个光电二极管积累的光生电荷非常多而溢出至浮动扩散节点（FD）和横向溢出集成电容（Cs）时，则将所有电荷合并为一个高饱和信号读出，应用于高强度光场景中。
2.根据权利要求1所述的基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构，其特征在于，所述一号传输栅（TG1）、二号传输栅（TG2）、三号传输栅（TG3）、四号传输栅（TG4）均采用转移晶体管，所述浮动扩散栅（FG）、电容控制栅（CG）、复位管（RST）、源极跟随器（SF）、行选择管（SEL）均采用晶体管，所述电荷存储栅（ST）采用栅控存储晶体管。
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