CN204217043U - 扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，还包括晶体管电容器件，晶体管电容器件的栅极与光电二极管的正极相连接，其源漏极外接可控电势；弱光照射时，晶体管电容不起作用，像素的感光灵敏度高；强光照射时，晶体管电容添加到光电二极管中，像素的感光灵敏度降低。因此，本实用新型压缩了强光照射像素的感光灵敏度，扩展了像素的动态范围。

Description

扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构

技术领域

本实用新型涉及一种图像传感器，特别涉及一种扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构。

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图像传感器一般采用线性光电响应功能的像素结构。如图1所示，CMOS图像传感器采用三晶体管的有源像素，在本领域中也称为3T有源像素，3T有源像素的元器件包括：光电二极管101，复位晶体管102，源跟随晶体管103和选择晶体管104，及列位线105；光电二极管101的正极端Vpd与复位晶体管102的源极和源跟随晶体管103的栅极相连，Vrst为复位晶体管102的栅极端，Vsx为选择晶体管104的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启选择晶体管104，将由源跟随晶体管103探测到的光电二极管101势阱内电势变化信号经列位线105读取并保存。其中，在光电二极管101中产生的光电电荷量与入射光照量成正比，光电二极管101势阱内光电电荷的变化被源跟随晶体管103探测到并转换为电势变化，一个光电电荷转换为电势的量称为光电转换增益；光电电荷量变化时，转换增益保持不变，则源跟随晶体管103在光电二极管101处所探测到的电势信号也与光照量成线性正比关系。

该类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。线性传感器不易采集到高照明环境的实物信息，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高效的、高感光动态范围的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，还包括晶体管电容器件，所述晶体管电容器件的栅极与所述光电二极管的正极相连，所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且外接可控电势。

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扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，由于还包括晶体管电容器件，晶体管电容器件的栅极与光电二极管的正极相连接，其源漏极外接可控电势；弱光照射时，晶体管电容不起作用，像素的感光灵敏度高；强光照射时，晶体管电容添加到光电二极管中，像素的感光灵敏度降低。因此，本实用新型压缩了强光照射像素的感光灵敏度，扩展了像素的动态范围。

附图说明

图1为现有技术的图像传感器的三晶体管(3T)有源像素的电路示意图；

图2为本实用新型实施例的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构的电路示意图；

图3为本实用新型实施例的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构的光电二极管的势阱示意图；

图4为本实用新型实施例的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构受到弱光照射时的光电二极管势阱示意图。

图5为本实用新型实施例的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构受到强光照射时的光电二极管势阱示意图。

图6为本实用新型实施例的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构的光电响应曲线示意图。

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。

本实用新型的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是：

包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，还包括晶体管电容器件，所述晶体管电容器件的栅极与所述光电二极管的正极相连，所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且外接可控电势。

所述光电二极管为N型光电二极管，所述晶体管电容器件为P型晶体管。

所述晶体管电容器件的阈值电压为-0.7V～0V。

所述晶体管电容器件的电容值大于等于1fF。

所述晶体管电容器件的源漏极外接电势大于等于0.7V。

在三晶体管图像传感器中，为了提高采集到的图像品质，本实用新型从优化像素结构入手，在现有技术中的三晶体管图像传感器像素结构基础上，添加一P型MOS晶体管电容器件，并且晶体管电容器件的栅极与N型光电二极管的正极相连，其源漏极外接可控电势。本实用新型的图像传感器像素，弱光照射时，像素积分完毕后，光电二极管收集到的光电电荷量少，光电二极管的势阱电势高，即晶体管电容器件的栅极电势高，其栅极与源漏极之间的电势差大于其阈值电压，使得晶体管电容器件工作在截至区，因此晶体管电容器件的电容无效，光电二极管势阱中的光电电荷转换增益保持不变，与现有技术中的三晶体管图像传感器像素的光电转换增益相同，所以弱光照射的像素的感光灵敏度保持较高的水平；强光照射时，像素积分完毕后，光电二极管收集到的光电电荷量多，光电二极管的势阱电势低，即晶体管电容器件的栅极电势低，其栅极与源漏极之间的电势差小于其阈值电压，使得晶体管电容器件工作在线性区，因此晶体管电容器件的电容达到了其稳定设计值，此电容加入到光电二极管中，此时的光电二极管势阱中的电容为晶体管电容器件电容与光电二极管原始电容之和，其光电电荷转换增益与总电容成反比关系，因此降低了光电电荷的光电转换增益，进而降低了像素的感光灵敏度，推迟了像素的感光饱和时间，扩展了像素的动态范围。

具体实施例：

本实用新型实施例的三晶体管图像传感器像素的电路示意图，如图2所示。图2中，201为光电二极管，202为复位晶体管，203为源跟随晶体管，204为选择晶体管，205为列位线，206为晶体管电容器件；其中，VPD为光电二极管201的正极端，并且与晶体管电容器件206的栅极端相连，与源跟随晶体管203的栅极端相连，与复位晶体管202的源极端相连，VRX为复位晶体管202的栅极端，VSX为选择晶体管204的栅极端，Vdd为电源电压；所述晶体管电容器件206的源漏极相互连接在一起，并且外接可控电势Vct。所述光电二极管201为N型光电二极管，所述晶体管电容器件206为P型MOS晶体管，所述晶体管电容器件206的阈值电压为-0.7V～0V，所述晶体管电容器件206的电容值大于等于1fF，所述晶体管电容器件206的源漏极外接电势大于等于0.7V，所述光电二极管201所使用的半导体基体为P型半导体基体。

本实用新型的三晶体管图像传感器像素中的光电二极管的势阱示意图，如图3所示，301势阱区为光电二极管201的原始势阱，302势阱区为晶体管电容器件206的势阱，301势阱区的电容为Cpd，302势阱区的电容为Cap，其中Ccap大于等于1fF，Vreset为301势阱区的最高电势值，Vth为晶体管电容器件206的阈值电压，其中Vth的范围为-0.7V～0V。

本实用新型的三晶体管图像传感器像素，受到弱光照射时，像素积分时间结束，其光电二极管的势阱示意图，如图4所示。光电二极管201所收集到的少量光电电荷，仅存储在301势阱区，光电电荷的光电转换增益反比于Cpd，与现有技术中的三晶体管图像传感器像素的光电转换增益相同；所述弱光照射时的像素感光灵敏度正比与光电转换增益，因此，像素的感光灵敏度与现有技术中的三晶体管图像传感器像素的感光灵敏度相同，保持在较高的水平。

本实用新型的三晶体管图像传感器像素，受到强光照射时，像素积分时间结束，其光电二极管的势阱示意图，如图5所示。光电二极管201所收集到的大量光电电荷，不但存储在301势阱区，并且也存储在了302势阱区，光电电荷的光电转换增益反比于Cpd和Ccap电容之和，低于现有技术中的三晶体管图像传感器像素的光电转换增益；所述强光照射时的像素感光灵敏度正比与光电转换增益，因此，与现有技术中的三晶体管图像传感器像素的感光灵敏度相比，本实用新型的三晶体管图像传感器像素的感光灵敏度低。所以，本实用新型的三晶体管图像传感器像素，压缩了强光照射像素的感光灵敏度，推迟了像素的饱和时间。

本实用新型实施例的三晶体管图像传感器像素的光电响应曲线示意图，如图6所示。图6中，水平轴为像素的曝光量，竖直轴为像素光电信号量，其中光电信号量单位为伏特。所述光电相应曲线，分为两段：高转换增益区和低转换增益区，高转换增益区部分对应于弱光照射的像素，其中A点位置标记的是图4所示情况；低转换增益区部分对应于强光照射的像素，其中B点位置标记的是图5所示情况。高转换增益区和低转换增益区连接点处的光电电势信号为Vreset-Vct-Vth，与图5所示的电势点Vct+Vth对应，此点像素曝光量为Ect；图6所示Vsat为像素的信号饱和量，Esat1为现有技术中三晶体管图像传感器像素饱和时的曝光量，Esat2为本实用新型的三晶体管图像传感器像素饱和时的曝光量。本实用新型的三晶体管图像传感器像素的动态范围从Esat1扩展到了Esat2。由此可见，本实用新型三晶体管图像传感器像素，压缩了强光照射像素的感光灵敏度，扩展了像素的动态范围。

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 (2)

1.一种扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管，其特征在于，还包括晶体管电容器件，所述晶体管电容器件的栅极与所述光电二极管的正极相连，所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且外接可控电势。

2.根据权利要求1所述的扩展动态范围的三晶体管图像传感器像素结构，其特征在于，所述光电二极管为N型光电二极管，所述晶体管电容器件为P型晶体管。