高动态范围图像传感器像素结构的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型公开了一种高动态范围图像传感器像素结构，像素结构包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管，以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件。像素采用两次曝光方式采集光电信号，第一次长时间曝光方式采集的光电电荷，被转移到晶体管电容器件中储存起来，第二次短时间曝光方式采集的光电电荷和在晶体管电容器件中储存的光电电荷一同转移到漂浮有源区，然后进行光电信号读取操作。因此，本实用新型扩展了图像传感器的感光动态范围。
【专利说明】高动态范围图像传感器像素结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种图像传感器，特别涉及一种高动态范围图像传感器像素结构。
【背景技术】
[0002]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)图像传感器和CCD (电荷耦合型器件)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。
[0003]现有技术中的图像传感器像素一般采用CMOS图像传感器四晶体管像素结构，如图1所示。四晶体管有源像素的元器件包括:光电二极管101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，源跟随晶体管104和选择晶体管105，以及列位线106，漂浮有源区fd(FloatingDiffusing)，其中Cfd表征漂浮有源区fd的寄生电容，rx、tx、sx分别为复位晶体管103、电荷传输晶体管102、选择晶体管105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，产生光电电荷，光电二极管101积分完毕时，开启电荷传输晶体管102，将光电电荷从光电二极管101转移至漂浮有源fd后关闭电荷传输晶体管102，此光电电荷被源跟随晶体管104探测到，并转换为光电电势信号，同时开启选择晶体管105，通过列位线106将光电电势信号读出。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，则源跟随晶体管104在FD处所探测到的信号量也与光照量成正比关系。
[0004]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。
[0005]为了提升图像传感器采集的图像的动态范围，现有技术采用了两帧图像合成一帧图像的技术，其中采集一帧图像信息时的曝光时间长，采集另一帧图像信息时的曝光时间短，长时间曝光的图像可清晰地分辨出暗光实物的信息，短时间曝光的图像可清晰地分辨出强光实物的信息，长时间曝光和短时间曝光的两帧图像合并成的一帧图像可以很好地分辨出暗光实物和强光实物的信息，因此采用两帧图像合成一帧图像的技术有效提高了图像传感器采集图像的能力。但是，两帧图像合并成一帧图像的技术存在一个明显的缺陷，在采集第二帧图像信息时，必须把第一帧图像信号存储在存储器中，等待第二帧图像信号采集完毕后，再提取出来，做下一步信号处理；存储一帧的图像信号，需要大量的存储器单元，例如，500万像素的图像传感器，需要在芯片中制作500万个存储器单元，这大大增加了芯片面积，提高了芯片生产成本，并且还增加了芯片工作功耗。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种高效的、提高图像传感器像素感光动态范围的高动态范围图像传感器像素结构。
[0007]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]本实用新型的高动态范围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、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件；
[0009]所述第一电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与漂浮有源区相连；
[0010]所述第二电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与第三电荷传输晶体管的源极相连；所述第三电荷传输晶体管的漏极与漂浮有源区相连；
[0011]所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且与第二电荷传输晶体管的漏极相连。
[0012]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高动态范围图像传感器像素结构，由于像素结构中设置有晶体管电容器件，像素可采用两次曝光方式采集光电信号，第一次长时间曝光方式采集的光电电荷，被转移到晶体管电容器件中储存起来，第二次短时间曝光方式采集的光电电荷和在晶体管电容器件中储存的光电电荷一同转移到漂浮有源区，然后进行光电信号读取操作。因此，本实用新型扩展了图像传感器的感光动态范围，并且不需要在芯片中制作存储第一次曝光采集的图像信号的存储器阵列，进而节省了芯片生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为现有技术的图像传感器像素结构电路示意图。
[0014]图2为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构的电路示意图。
[0015]图3为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行存储第一次光电二极管曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件之前的示意图。
[0016]图4为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行存储第一次光电二极管曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件时的示意图。
[0017]图5为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行存储第一次光电二极管曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件完毕后的示意图。
[0018]图6为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行转移晶体管电容器件中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区之前的示意图。
[0019]图7为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行转移晶体管电容器件中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区时的示意图。
[0020]图8为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行转移晶体管电容器件中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区完毕后的示意图。
[0021]图9为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行转移第二次光电二极管曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区时的示意图。
[0022]图10为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素结构在进行转移第二次光电二极管曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区完毕后的示意图。
[0023]图11为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素的光电响应曲线示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0025]本实用新型的高动态范围图像传感器像素结构，其较佳的【具体实施方式】是:
[0026]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、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件；
[0027]所述第一电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与漂浮有源区相连；
[0028]所述第二电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与第三电荷传输晶体管的源极相连；所述第三电荷传输晶体管的漏极与漂浮有源区相连；
[0029]所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且与第二电荷传输晶体管的漏极相连。
[0030]所述晶体管电容器件的栅极端外接电势。
[0031]所述晶体管电容器件为低阈值晶体管。
[0032]所述晶体管电容器件的电荷容量大于等于光电二极管的电荷容量，所述漂浮有源区的电荷容量大于等于2倍的光电二极管的电荷容量，所述光电二极管的电荷容量大于等于 1000e-o
[0033]所述晶体管电容器件的电势值大于等于-0.7V，其阈值电压范围为-0.7V?0.5V。
[0034]本实用新型的高动态范围图像传感器像素结构的操作方法，包括步骤:
[0035]a、开始第一次光电二极管曝光操作，对光电二极管进行复位，第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、选择晶体管保持关闭状态，开启复位晶体管、第一电荷传输晶体管，将光电二极管中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管和第一电荷传输晶体管，光电二极管开始曝光；
[0036]b、进行晶体管电容器件复位操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、选择晶体管保持关闭状态，开启复位晶体管、第三电荷传输晶体管，将晶体管电容器件复位完毕后，关闭复位晶体管、第三电荷传输晶体管；
[0037]c、存储第一次光电二极管曝光的光电电荷操作，晶体管电容器件复位操作之后，第一电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、选择晶体管、复位晶体管保持关闭状态，开启第二电荷传输晶体管，将光电二极管收集到的光电电荷转移至晶体管电容中储存起来，然后关闭第二电荷传输晶体管，第一次光电二极管曝光操作结束；
[0038]d、开始第二次光电二极管曝光操作，第一次光电二极管曝光的光电电荷存储操作完毕后，光电二极管开始第二次曝光；
[0039]e、读取复位电势信号操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、选择晶体管保持关闭状态，开启复位晶体管，漂浮有源区复位完毕后，关闭复位晶体管，开启选择晶体管，复位电势信号经由列位线被后续电路读取并保存，选择晶体管保持开启状态；
[0040]f、转移晶体管电容器件中的光电电荷操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、复位晶体管保持关闭状态，选择晶体管保持开启状态，开启第三电荷传输晶体管，将晶体管电容器件中的光电电荷转移至漂浮有源区完毕后，关闭第三电荷传输晶体管；
[0041]g、转移第二次光电二极管曝光的光电电荷操作，第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、复位晶体管保持关闭状态，选择晶体管保持开启状态，开启第一电荷传输晶体管，将光电二极管收集到光电电荷转移至漂浮有源区完毕后，关闭第一电荷传输晶体管，第二次光电二极管曝光操作结束；
[0042]h、读取光电电荷信号操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、复位晶体管保持关闭状态，选择晶体管保持开启状态，光电电势信号经由列位线被后续电路读取并保存，然后关闭选择晶体管。
[0043]所述第一次光电二极管曝光时间大于等于10ms，所述第二次光电二极管曝光时间小于等于1ms0
[0044]在CMOS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及工作方法入手，在现有技术中的图像传感器像素结构基础上，添加第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管和晶体管电容器件；所述晶体管电容器件可以储存光电二极管曝光产生的光电电荷，所以图像传感器像素可以曝光两次，曝光两次的光电电荷在读取光电电荷信号前可以同时转移到漂浮有源区，两次曝光的时间可以不相等，为了达到扩展图像传感器高动态的目的，采用第一次光电二极管曝光的时间大于第二次光电二极管曝光的时间方式；本实用新型像素采用两次曝光方式采集图像信息，与现有技术中的两帧图像合成一帧图像的技术的原理相同，都可以提高图像传感器采集图像信息的能力。因此，本实用新型扩展了图像传感器的感光动态范围，并且不需要在芯片中制作存储第一次曝光采集的图像信号的存储器阵列，进而节省了芯片生产成本。。
[0045]具体实施例:
[0046]本实用新型实施例的图像传感器像素结构电路示意图，如图2所示。图2中，201为光电二极管，202为第一电荷传输晶体管，203为复位晶体管，204为源跟随晶体管，205为选择晶体管，206为列位线，207为第二电荷传输晶体管，208为第三电荷传输晶体管，209为晶体管电容器件；其中，CD标记第二电荷传输晶体管207的漏极端，并且CD端与第三电荷传输晶体管208的源极端相连；FD为漂浮有源区，电容CFD表征漂浮有源区FD区的寄生电容；所述光电二极管201同时与第一电荷传输晶体管202的源极端和第二电荷传输晶体管207的源极端相连接；所述漂浮有源区FD同时与第一电荷传输晶体管202的漏极端和第三电荷传输晶体管208的漏极端相连接；所述晶体管电容器件209的源漏极相互连接，并且与第二电荷传输晶体管207的漏极端CD相连接。图2所示，TXl为第一电荷传输晶体管202的栅极端，TX2为第二电荷传输晶体管207的栅极端，TX3为第三电荷传输晶体管208的栅极端，RX为复位晶体管203的栅极端，SX为选择晶体管205的栅极端，Vdd为电源电压，Vct为晶体管电容器件209的栅极端。所述晶体管电容器件209的栅极端Vct外接电势，外接电势值大于等于-0.7V ;所述晶体管电容器件209为低阈值晶体管，其阈值电压范围为-0.7V?0.5V。所述晶体管电容器件209的电荷容量大于等于光电二极管201的电荷容量，所述漂浮有源区FD的电荷容量大于等于2倍的光电二极管201的电荷容量，所述光电二极管201的电荷容量大于等于1000e-。
[0047]本实用新型实施例的图像传感器像素的操作方法，详细阐述如下:
[0048]首先，开始第一次光电二极管201曝光操作，对光电二极管201进行复位，第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208、选择晶体管205保持关闭状态，开启复位晶体管203、第一电荷传输晶体管202，将光电二极管201中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管203和第一电荷传输晶体管202，光电二极管201开始曝光。
[0049]进一步，进行晶体管电容器件209复位操作，第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、选择晶体管205保持关闭状态，开启复位晶体管203、第三电荷传输晶体管208，将晶体管电容器件209复位完毕后，关闭复位晶体管203、第三电荷传输晶体管208。
[0050]进一步，存储第一次光电二极管201曝光的光电电荷操作，晶体管电容器件209复位操作之后，第一电荷传输晶体管202、第三电荷传输晶体管208、选择晶体管205、复位晶体管203保持关闭状态，开启第二电荷传输晶体管207，将光电二极管201收集到的光电电荷转移至晶体管电容器件209中储存起来，然后关闭第二电荷传输晶体管207，第一次光电二极管201曝光操作结束。
[0051]图3示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行存储第一次光电二极管201曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件209之前的示意图。图3所示，301表示光电二极管201中的光电电荷储存区，其饱和容量为Qsat，302表示第一电荷传输晶体管202的开关不意图，307表不第一电荷传输晶体管207的开关不意图，308表示第三电荷传输晶体管208的开关示意图，309表示晶体管电容器件209的光电电荷储存区，310表示漂浮有源区FD区的光电电荷储存区。所述第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208处于关闭状态时，相应的开关302、开关307、开关308分别为断开状态；所述第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208处于开启状态时，相应的开关302、开关307、开关308分别为接通状态。图3所不，开关302、开关307、开关308分别为断开状态，光电二极管201曝光一段时间后，光电电荷储存区301区收集到光电电荷，其电荷最大量为Qsat。
[0052]图4为示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行存储第一次光电二极管201曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件209时的不意图。开关302和开关308为断开状态，开关307为接通状态，所述电荷储存区301区中的光电电荷通过接通的开关307被转移至电荷储存区309区。
[0053]图5示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行存储第一次光电二极管201曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到晶体管电容器件209完毕后的示意图。图5所示，开关302、开关308、开关307为断开状态，所述光电电荷储存区301区中的所有光电电荷已经被转移到光电电荷储存区309区，被储存起来，等待第二次光电二极管201曝光结束时，被提取使用；光电电荷储存器309区的电荷量等于图3所示光电电荷储存器301区的电荷量，其电荷最大量为Qsat。
[0054]进一步，开始第二次光电二极管201曝光操作，第一次光电二极管201曝光的光电电荷存储操作完毕后，光电二极管201开始第二次曝光。
[0055]进一步，读取复位电势信号操作，第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208、选择晶体管205保持关闭状态，开启复位晶体管203，漂浮有源区FD区复位完毕后，关闭复位晶体管203，开启选择晶体管205，复位电势信号经由列位线206被后续电路读取并保存，选择晶体管205保持开启状态。
[0056]进一步，转移晶体管电容器件209中的光电电荷操作，第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、复位晶体管203保持关闭状态，选择晶体管205保持开启状态，开启第三电荷传输晶体管208，将晶体管电容器件209中的光电电荷转移至漂浮有源区FD区完毕后，关闭第三电荷传输晶体管208。
[0057]图6示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行转移晶体管电容器件209中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区FD区之前的示意图。图6所示，开关302、开关308、开关307为断开状态，光电电荷储存区309区中的光电电荷量为光电二极管201第一次曝光产生的光电电荷量，由于光电二极管201第二次曝光一段时间后，光电电荷储存区301区收集到光电电荷。
[0058]图7示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行转移晶体管电容器件209中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区FD区时的示意图。图7所示，开关302、开关307为断开状态，开关308为接通状态，所述电荷储存区309区中的光电电荷通过接通的开关308被转移至电荷储存区310区。
[0059]图8示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行转移晶体管电容器件209中的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区FD区完毕后的示意图。图8所示，开关302、开关307、开关308为断开状态，所述光电电荷储存区309区中的所有光电电荷已经被转移到光电电荷储存区310区，此时光电电荷储存器310区的电荷量等于图5所示光电电荷储存器309区的电荷量，其电荷最大量为Qsat。
[0060]进一步，转移第二次光电二极管201曝光的光电电荷操作，第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208、复位晶体管203保持关闭状态，选择晶体管205保持开启状态，开启第一电荷传输晶体管202，将光电二极管201收集到光电电荷转移至漂浮有源区FD区完毕后，关闭第一电荷传输晶体管202，第二次光电二极管201曝光操作结束。
[0061]图9示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行转移第二次光电二极管201曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区FD区时的示意图。图9所示，开关307、开关308为断开状态，开关302为接通状态，所述电荷储存区301区中的光电电荷通过接通的开关302被转移至电荷储存区310区。
[0062]图10示出了本实施例的高动态范围图像传感器像素，在进行转移第二次光电二极管201曝光的光电电荷操作时，光电电荷被转移到漂浮有源区FD区完毕后的示意图。图10所示，开关302、开关307、开关308为断开状态，所述光电电荷储存区301区中的所有光电电荷已经被转移到光电电荷储存区310区。此时，光电电荷储存区310区中的光电电荷量等于第一次光电二极管201曝光收集到的电荷量与第二次光电二极管201曝光收集到的电荷之和，其最大电荷量为2倍的Qsat。
[0063]进一步，读取光电电荷信号操作，第一电荷传输晶体管202、第二电荷传输晶体管207、第三电荷传输晶体管208、复位晶体管203保持关闭状态，选择晶体管205保持开启状态，光电电势信号经由列位线206被后续电路读取并保存，然后关闭选择晶体管205。
[0064]所述第一次光电二极管曝光时间大于等于10ms，所述第二次光电二极管曝光时间小于等于1ms0
[0065]图11为本实用新型实施例的高动态范围图像传感器像素的光电响应曲线示意图。图11所示，竖直轴为本实用新型像素的光电信号电荷量，水平轴为入射光强度，曲线I为第二次光电二极管201曝光的光电响应曲线，曲线2为第一次光电二极管201曝光的光电响应曲线，曲线3为本实用新型像素结构的光电二极管201两次曝光方式合并产生的光电响应曲线；其中，Esat为本实用新型图像传感器像素工作饱和时的入射光强，Qsat为光电二极管201的光电电荷饱和容量。由图11中的曲线3可知，入射光强度较低时，像素的感光灵敏度高；入射光强度较高时，像素的感光灵敏度低，这正是高动态范围图像传感器光电响应的特征。
[0066]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。
【权利要求】
1.一种高动态范围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、漂浮有源区，其特征在于，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件； 所述第一电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与漂浮有源区相连； 所述第二电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与第三电荷传输晶体管的源极相连；所述第三电荷传输晶体管的漏极与漂浮有源区相连； 所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且与第二电荷传输晶体管的漏极相连。
2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容器件的栅极端外接电势。
3.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器像素结构，其特征在于，所述晶体管电容器件为低阈值晶体管。
【文档编号】H04N5/369GK204258952SQ201420813868
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】郭同辉, 旷章曲 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司