CN117278877A - 高灵敏度和高一致性的红外像素结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高灵敏度和高一致性的红外像素结构，包括红外探测二极管、注入开关S1和S4、复位开关S2、S5和S7、转移开关S3和S6、行选开关S8、源随器SF、PD1节点积分电容C1、PD2节点电容C2以及像素面阵列线COL；该像素电路解决了传统的DI型像素电路在边积分边读出的模式下，FD节点电容和PD节点电容之间存在电荷分配而导致的低灵敏度问题。该高一致性DI像素电路在ITR的读出模式下，具有大满阱的优势；而IWR的读出模式具有高灵敏度和高帧频的优势。

Description

高灵敏度和高一致性的红外像素结构

技术领域

本发明属于图像采集与信息处理技术领域，涉及一种高灵敏度和高一致性的红外像素结构。

背景技术

近年来，红外成像技术由于精度高受环境限制小等优势广泛应用于深空探测等领域，目前的红外成像系统主要由红外像素和读出电路组成，其中红外像素电路是红外图像传感器中最为关键一环，决定了光信号转换为电信号的准确度。

根据电路结构，像素电路可分为自积分型(SI)、直接注入型(DI)、缓冲直接注入型(BDI)、电容跨阻放大器型(CTIA)这四大类。对于超大面阵的红外焦平面读出电路，需要控制像素电路的填充因子、功耗和动态范围，因此常常采用DI型像素结构。通常DI像素电路在全局曝光下，可具有两种读出方式，分别为先积分后读出(ITR)和边积分边读出(IWR)。但是，传统的DI像素电路结构由于PD点电容和FD点电容存在电荷分配，所以会存在输出信号偏小的灵敏度问题。并且由于PD点电容值和FD点电容值差距较大的而存在像素间一致性差的问题。这些问题的存在对于超大面阵的红外读出电路是难以接受的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度和高一致性的红外像素结构，该结构采用了双PD点技术，解决了图像传感器在边积分边读出的模式下，PD节点电容和FD节点电容之间存在电荷分配导致的灵敏度差和PD节点电容值与FD节点电容值相差较大而产生像素阵列中像素间的一致性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，高灵敏度和高一致性的红外像素结构，包括红外探测二级管，红外探测二极管的正极连接偏压公共端VCOM，红外探测二极管的负极连接开关S1和开关S4的源级，注入开关S1的漏极、开关S2的漏极、开关S3的漏极及电容C1的上极板相连并汇聚至PD1节点；开关S4的漏极、开关S5的漏极、开关S6的漏极及电容C2的上极板相连并汇聚至PD2节点，开关S2的源极、开关S5的源极、开关S7的源极及源随器SF的漏极接电源电压VDD，开关S3的源极、开关S6的源极、开关S7的漏极及源随器SF的栅极相连并汇聚至FD节点，源随器SF的源极接开关S8的漏极，电容C1的下极板与电容C2的下极板均接地电压GND，开关S8的源极接列线COL。

本发明的特点还在于：

红外探测二极管采用碲镉汞材料，红外探测二极管采集红外信号并转化为光电流。

开关S1、S4、S8及源随器SF均为N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管；开关S2、S3、S5、S6、S7均为P沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管。

开关S1、S4、S8及源随器SF所用MOS管均为NMOS管，开关S2、S3、S5、S6和S7所用MOS管均为PMOS管。

采用ITR读出方式或IWR读出方式读出一帧开关动作。

ITR读出方式读出一帧开关动作步骤如下：

步骤1，开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7导通，开关S8断开，将红外探测器和电容C1、C2复位，C1、C2中存储复位电压V_RST；

步骤2，开关S1、S3、S4和S6导通，其余开关均断开，电容C1、C2中存储信号电压V_SIG；

步骤3，读出信号，开关S1、S3、S4、S6和S8导通，其余开关均断开，读出V_SIG到列线COL；

步骤4，开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8导通，电容C1、C2中存储复位电压V_RST并读出到列线COL。

IWR读出方式读出一帧开关动作步骤如下：

步骤1，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号操作，开关S1、S2、S6、S8导通，其余开关均断开，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号电压到列线COL；

步骤2，积分同时读出复位信号操作，开关S1、S7、S8打开，其余开关均断开，积分这一帧信号的同时，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；

步骤3，继续积分操作，开关S1打开，其余开关闭合，电容C1中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号；

步骤4，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号操作，开关S3、S4、S5、S8导通，其余开关均断开，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号电压到列线COL；

步骤5，积分同时读出复位信号操作，开关S4、S7、S8打开，其余开关均断开，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；

步骤6，继续积分操作，开关S4打开，其余开关闭合，电容C2中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号。

本发明的有益效果是，本发明提出一种避免积分电容与转移电容间出现电荷分配的高灵敏度和高一致性的DI型像素电路，电路规模小，适用于大面阵的红外读出电路。与传统的像素结构相比，本发明的方法首先可兼顾ITR和IWR两种读出模式，在全局曝光的同时，通过调整时序就完成满阱容量的变换，并且相比传统像素结构，在ITR的读出模式下具有大满阱容量的特点；在IWR的读出模式下具有高灵敏度、高一致性和高帧频的特点。

附图说明

图1是本发明高灵敏度和高一致性的红外像素结构的结构示意图；

图2(a)、2(b)是本发明高灵敏度和高一致性的红外像素结构的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明高灵敏度和高一致性的红外像素结构，如图1所示，包括红外探测二极管、注入开关S1和S4、复位开关S2、S5和S7、转移开关S3和S6、行选开关S8、源随器SF、PD1节点积分电容C1、PD2节点电容C2以及像素面阵列线COL。

实施例2

如图1所示，采用碲镉汞材料的红外探测二极管采集红外信号并转化为光电流。开关S1、S4、S8及SF均为N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管，栅极均接所对应的控制信号。复位开关S2、S5、S7和转移开关S3、S6均为P沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管，栅极均接所对应的控制信号，实现复位至电源电压，提升输出摆幅。C1、C2为积分电容(类型不限，电容值相等)，用来收集红外辐射所产生的电荷。

红外探测二极管的正极连接偏压公共端VCOM，其负极连接开关S1、S4源级，PD1节点为S1、S2、S3的漏极以及C1电容的上极板相接，PD2节点为S4、S5、S6的漏极以及C2电容的上极板相接，S2、S5、S7的源极和SF漏极接电源电压VDD，FD节点为S3和S6的源极与S7漏极以及SF的栅极相接，S8漏极接SF的源极，C1下极板与C2下极板均接地电压GND，S8源极接列线COL。其中MOS开关S1、S3、S4、S6和S8的源端和漏端可以互换。开关S1、S4、S8及源随器SF所用MOS管均为NMOS管，S2、S3、S5、S6和S7所用MOS管均为PMOS管。

实施例3

本发明高灵敏度和高一致性的红外像素结构的时序图如图2(a)、图2(b)所示，图2(a)为ITR模式读出时序图，图2(b)为IWR模式读出时序图。

ITR读出方式的灵敏度和高一致性的红外像素结构的工作方法如图2(a)所示，读出一帧开关动作步骤如下：步骤一，全局复位操作，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7开关导通，S8开关断开，将红外探测器和电容C1、C2复位，C1、C2中存储复位电压V_RST；步骤二，积分操作，S1、S3、S4和S6导通，其余开关均断开，C1、C2中存储信号电压V_SIG；步骤三，读出信号，S1、S3、S4、S6和S8开关导通，其余开关均断开，读出V_SIG到列线COL；步骤四，读出复位，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8开关导通，C1、C2中存储复位电压V_RST并读出到列线COL。

IWR读出方式的灵敏度和高一致性的红外像素结构的工作方法如图2(b)所示，读出一帧开关动作步骤如下：步骤一，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号操作，S1、S2、S6、S8开关导通，其余开关均断开，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号电压到列线COL；步骤二，积分同时读出复位信号操作，S1、S7、S8开关打开，其余开关均断开，积分这一帧信号的同时，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；步骤三，继续积分操作，S1开关打开，其余开关闭合，C1中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号。步骤四，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号操作，S3、S4、S5、S8开关导通，其余开关均断开，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号电压到列线COL；步骤五，积分同时读出复位信号操作，S4、S7、S8开关打开，其余开关均断开，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；步骤六，继续积分操作，S4开关打开，其余开关闭合，C2中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号。

本发明高灵敏度和高一致性的红外像素结构的工作原理为：

本发明提出的高灵敏度和高一致性的红外像素结构具有ITR和IWR两种工作模式。

在ITR的工作模式下，图1中的C1和C2具有相同的作用，共同用来存储一帧的积分信号，其工作时序如图2(a)所示，与传统像素相一致。因此可以保证与传统像素相一致的满阱容量。

在IWR的工作模式下，图1中的C1和C2具有不同的作用。其中，C1电容用于存储这一帧的积分信号，C2电容用于存储下一帧的积分信号。如图2(b)所示，在积分下一帧信号的同时进行上一帧信号的读出，由于两个电容用于存储两帧不同的信号，避免了电容之间的电荷转移和电荷分配，因此，在相同的光电流条件下具有更大的输出电压，使红外像素具有更高的灵敏度。并且，由于C1和C2的电容值相等，相比于传统像素中存在两个电容值相差较大的电容，由本发明中提出的像素结构组成的阵列中不容易存在像素间不一致的问题，所以此DI像素具有高一致性的特点。

Claims (7)

1.高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：包括红外探测二级管，红外探测二极管的正极连接偏压公共端VCOM，红外探测二极管的负极连接开关S1和开关S4的源级，注入开关S1的漏极、开关S2的漏极、开关S3的漏极及电容C1的上极板相连并汇聚至PD1节点；开关S4的漏极、开关S5的漏极、开关S6的漏极及电容C2的上极板相连并汇聚至PD2节点，开关S2的源极、开关S5的源极、开关S7的源极及源随器SF的漏极接电源电压VDD，开关S3的源极、开关S6的源极、开关S7的漏极及源随器SF的栅极相连并汇聚至FD节点，源随器SF的源极接开关S8的漏极，电容C1下极板与电容C2下极板均接地电压GND，开关S8的源极接列线COL。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：所述红外探测二极管采用碲镉汞材料，红外探测二极管采集红外信号并转化为光电流。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：所述开关S1、S4、S8及源随器SF均为N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管；开关S2、S3、S5、S6、S7均为P沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：所述开关S1、S4、S8及源随器SF所用MOS管均为NMOS管，开关S2、S3、S5、S6和S7所用MOS管均为PMOS管。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：采用ITR读出方式或IWR读出方式读出一帧开关动作。

6.根据权利要求5所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：所述ITR读出方式读出一帧开关动作步骤如下：

步骤1，开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7导通，开关S8断开，将红外探测器和电容C1、C2复位，C1、C2中存储复位电压V_RST；

步骤2，开关S1、S3、S4和S6导通，其余开关均断开，电容C1、C2中存储信号电压V_SIG；

步骤3，读出信号，开关S1、S3、S4、S6和S8导通，其余开关均断开，读出V_SIG到列线COL；

步骤4，开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8导通，电容C1、C2中存储复位电压V_RST并读出到列线COL。

7.根据权利要求5所述的高灵敏度和高一致性的红外像素结构，其特征在于：所述IWR读出方式读出一帧开关动作步骤如下：

步骤1，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号操作，开关S1、S2、S6、S8导通，其余开关均断开，复位这一帧信号的同时读出上一帧信号电压到列线COL；

步骤2，积分同时读出复位信号操作，开关S1、S7、S8打开，其余开关均断开，积分这一帧信号的同时，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；

步骤3，继续积分操作，开关S1打开，其余开关闭合，电容C1中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号；

步骤4，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号操作，开关S3、S4、S5、S8导通，其余开关均断开，复位下一帧信号的同时读出这一帧信号电压到列线COL；

步骤5，积分同时读出复位信号操作，开关S4、S7、S8打开，其余开关均断开，将红外探测器FD点复位，并读出复位信号到列线COL；

步骤6，继续积分操作，开关S4打开，其余开关闭合，电容C2中存储信号电压，积分的同时，可继续读上一帧中下一行的信号。