CN204069153U - 有源像素结构及图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种有源像素结构及图像传感器，有源像素结构包括置于半导体基体中的第一感光元件、位于第一感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的第一复位晶体管，还包括连接漂浮节点的源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，有源像素还包括第二感光元件，第二感光元件通过辅助电容与所述漂浮节点连接，所述第二感光元件还连接有第二复位晶体管。可以根据图像传感器及像素上的入射光照量自动地调节漂浮节点处的电容量；与低照明环境比较，在高照明环境下，漂浮节点处的电容增大从而使得漂浮节点的信号饱和容量增加，则提高了图像传感器的动态范围，同时也增大了信噪比。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种图像传感器，尤其涉及一种有源像素结构及图像传感器。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
在现有技术中，CMOS图像传感器像素的漂浮节点处一般都采用固定电容，如图1所示，是采用CMOS图像传感器四晶体管的有源像素，在本领域中也称为4T有源像素。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101、传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和行选择晶体管105。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号，开启传输晶体管102，将光电信号传输至漂浮节点FD(Floating Diffusing)后关闭传输晶体管102，此光电信号被源跟随晶体管104探测到，同时开启行选择晶体管105，通过列位线106将信号读出。其中，在光电二极管101中产生的光电信号量与入射光照量成正比，则晶体管104在漂浮节点FD处所探测到的信号也与光照量成正比关系。
上述现有技术中的图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。线性传感器所探测到的光照量范围小，特别是高照明环境下无法辨认出实物信息，不能够采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号，在业内称为动态范围小，从而降低了传感器的输出图像品质。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种漂浮节点处电容具有可自动调节功能的有源像素结构及图像传感器，解决现有技术不能采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号的问题，扩大图像传感器及像素的动态范围。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型的有源像素，包括置于半导体基体中的第一感光元件、位于所述第一感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的第一复位晶体管，还包括连接漂 浮节点的源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，所述有源像素还包括第二感光元件，所述第二感光元件通过辅助电容与所述漂浮节点连接，所述第二感光元件还连接有第二复位晶体管；
所述第二感光元件用于测试入射光照量；
所述第二复位晶体管用于在曝光开始前清除所述第二感光元件势阱中的电荷；
所述辅助电容用于根据所述第二感光元件所接收到的光照量而自动调整其大小。
本实用新型的图像传感器，在垂直和水平方向上以矩阵方式排列若干有源像素，所述有源像素为上述的有源像素。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的有源像素结构及图像传感器，由于有源像素还包括第二感光元件，第二感光元件通过辅助电容与漂浮节点连接，第二感光元件还连接有第二复位晶体管，可以根据图像传感器及像素上的入射光照量自动地调节漂浮节点处的电容量；与低照明环境比较，在高照明环境下，漂浮节点处的电容增大从而使得漂浮节点的信号饱和容量增加，则提高了图像传感器的动态范围，同时也增大了信噪比。
附图说明
图1为现有技术的CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的示意图；
图2为本实用新型实施例中CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的示意图；
图3为本实用新型实施例中4T有源像素工作的时序控制示意图；
图4是本实用新型实施例中有源像素中的漂浮节点电容随入射光照量的变化关系示意图。
图5是采用本实用新型实施例中有源像素的图像传感器示意图。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
本实用新型的有源像素结构，其较佳的具体实施方式是：
包括置于半导体基体中的第一感光元件、位于所述第一感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的第一复位晶体管，还包括连接漂浮节点的源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，所述有源像素还包括第二感光元件，所述第二感光元件通过辅助电容与所述漂浮节点连接，所述第二感光元件还连接有第二复位晶体管；
所述第二感光元件用于测试入射光照量；
所述第二复位晶体管用于在曝光开始前清除所述第二感光元件势阱中的电荷；
所述辅助电容用于根据所述第二感光元件所接收到的光照量而自动调整其大小。
所述第一感光元件和第二感光元件包括以下任一种或多种元件：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
所述辅助电容为能用于作为MOS晶体管工作的晶体管电容。
所述辅助电容的源漏端与所述第二感光元件连接、栅极与所述漂浮节点连接。
本实用新型的图像传感器，其较佳的具体实施方式是：
在垂直和水平方向上以矩阵方式排列若干有源像素，所述有源像素为上述的有源像素结构。
本实用新型的有源像素结构的控制时序，包括步骤：
首先，同时开启所述传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，清除所述第一感光元件和第二感光元件势阱中的电荷；
然后，关闭所述传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，所述第一感光元件和第二感光元件开始曝光；
曝光结束时，清除所述漂浮节点的电荷后，将所述第一感光元件中的光电电荷转移至所述漂浮节点；
所述漂浮节点的电容量通过所述第二感光元件接收到的入射光照量控制所述辅助电容的源漏电势高低而自动调节。
本实用新型在CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，从改善4T像素的光电响应性质入手，压缩高照明环境时的光电响应灵敏度曲线，增大像素的漂浮节点FD处的光电电荷饱和容量，推迟像素的饱和时间，扩大传感器的动态范围。例如，在低照明环境时，漂浮节点FD的电容为1.2fF，漂浮节点FD的电压摆幅为1V，那么电荷饱和容量为7491，恰好饱和时对应的光照量为Q1；若在高照明环境时，FD的电容增大为2fF，则电荷饱和容量增大为12484，恰好饱和时对应的光照量为Q2；从而传感器像素所能探测到照明范围增大到原来的1.67(Q2/Q1＝12484/7491＝1.67)倍，即动态范围扩大到原来的1.67倍。以此方式工作的图像传感器像素探测到了高照明环境下的更多实物细节信息，从而提升了传感器输出的图像品质。
具体实施例：
如图2所示，在图1所示四晶体管像素的基础上添加了部分元器件，辅助晶体管(电容)203的栅端与漂浮节点FD相连，其源漏端SD与第二光电二极管201相连，第二复位晶体管202可在曝光开始前做出清除第二光电二极管201中电荷的操作；电容CA表示辅助晶体管203的辅助电容，电容CA包括器件源漏交叠电容CV和器件栅氧电容CX两部分；电容CF表示电容CA之外的其他部分漂浮节点FD寄生电容；其中FD的总电容CFD等于CA电容与CF电容的和。
本实施例中，像素中采用PIN型光电二极管，且光电电荷为N型电子，所有晶体管为N型CMOS器件。图2中，所标注的TX为传输晶体管102的栅极，RX为第一复位晶体管103的栅极，SX为行选择晶体管105的栅极，AUX为第二复位晶体管202的栅极，Vdd为电源电压，106为列位线作为输出光电信号的通道。其中，若栅极为高电压，例如Vdd，表示开启此晶体管；若栅极为低电压，例如gnd，表示关闭此晶体管。
实施本实施例的像素时序控制示意图如图3所示，时序301所完成的操作是，曝光开始前，同时清除第一光电二极管101和第二光电二极管201势阱中的电子，势阱电势升高，称为复位光电二极管；具体操作是，在t0时刻将TX、RX和AUX同时由低电平置为高电平，开启晶体管102、103和202，同时SX保持低电平，T01时段后，在t1时刻将TX、RX和AUX同时置为低电平，关闭晶体管102、103和202，SX保持低电平，时序301操作完成，第一和第二光电二极管同时开始曝光。
第二个时序302所完成的操作是，曝光结束前清除FD处的电子，FD电势升高，称为复位FD；具体操作是，在t2时刻将RX由低电平置为高电平，开启晶体管103，同时TX、AUX和SX保持低电平，T23时段后，在t3时刻将RX置为低电平，TX、AUX和SX保持低电平，时序302操作完成。时序操作302完成后，在t3与t4时间段内，完成读取复位信号的操作，在这里不做细节阐述。
第三个时序303所完成的操作是，将第一光电二极管101产生的光电电子传输至FD；具体操作是，在t4时刻将TX和SX由低电平置为高电平，开启晶体管102和105，同时RX和AUX保持低电平，T45时段后，将TX和SX置回低电平置，关闭晶体管102和105，时序303操作完成，第一光电二极管101曝光结束。其中，在T45时段后期，由源跟随晶体管104所探测到的光电信号通过列位线106被读出电路读出并记录下来。曝光周期结束时，在第二光电二极管201中产生的光电电子量与入射光照量成正比，此光电电子量控制着晶体管203的源漏SD处的电势。
实施本实施例的关键在于FD总电容CFD在t3时刻可跟随入射光照量的多少而自动调节其电容量，如图4所示。若光照量小于E1，光电二极管201中产生的电子少，辅助电容晶体管203的源漏端电势高，此晶体管工作在截止区，电容CA只有CV分量，则Cmin＝CF+CV；若光照量大于E2，光电二极管201中产生的电子多，降低了辅助电容晶体管203的源漏端电势，晶体管203工作在强反型区，电容CA包括CV和CX两部分，则Cmax＝CF+CV+CX；如光照量处于E1与E2之间，则晶体管203工作在弱反型区，随着入射光照量的增加电容CA逐渐由CV增大到CV+CX。FD电容量增大，在固定的电压摆幅下，电子饱和容量也会增大同样倍数，在这里假设光电二极管101产生的电子数量大于FD电子饱和容量，那么像素的动态范围可以增大到原来的倍数(M)可表达为：
M＝Cmax/Cmin
＝(CF+CV+CX)/(CF+CV)
＝1+CX/(CF+CV)
众所周知，MOS晶体管工作在强反型区时，CX远大于CV，若CF也设计的合理，可假设CX为1.2fF，CF为1fF，CV为0.2fF，那么像素的动态范围可增大到原来的2倍。像素动态范围的增大，像素采集到了更多的高照明环境下的细节信息，因而提高了传感器输出图像的品质。
上述有源像素可用于CMOS图像传感器的传感器阵列403，如图5所示。图5具体显示了一种根据本实用新型形成的CMOS图像传感器，包括像素阵列控制电路401，像素矩阵阵列403，处理电路、记忆元件和输入输出电路404，以及逻辑与门电路402。每个组成元件形成于单独的硅基体上，并采用标准的CMOS制造工艺集成于一个独立的芯片上。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种有源像素结构，包括置于半导体基体中的第一感光元件、位于所述第一感光元件与漂浮节点之间的传输晶体管、连接漂浮节点的第一复位晶体管，还包括连接漂浮节点的源跟随晶体管、行选择晶体管和列位线，其特征在于，所述有源像素结构还包括第二感光元件，所述第二感光元件通过辅助电容与所述漂浮节点连接，所述第二感光元件还连接有第二复位晶体管。
2.根据权利要求1所述的有源像素结构，其特征在于，所述第一感光元件和第二感光元件包括以下任一种或多种元件：光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管或者多晶硅栅型光电二极管。
3.根据权利要求1所述的有源像素结构，其特征在于，所述辅助电容为晶体管电容。
4.根据权利要求3所述的有源像素结构，其特征在于，所述辅助电容的源漏端与所述第二感光元件连接、栅极与所述漂浮节点连接。
5.一种图像传感器，在垂直和水平方向上以矩阵方式排列若干有源像素，其特征在于，所述有源像素为权利要求1至4任一项所述的有源像素结构。
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| CN109842404A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-06-04 | 重庆鲁班机器人技术研究院有限公司 | 动态有源像素视觉传感器 |
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| CN109120834B (zh) * | 2018-10-31 | 2020-07-03 | 锐芯微电子股份有限公司 | 图像传感器像素电路及其工作方法 |
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