CN102957880A - 一种有源像素、高动态范围图像传感器及操作有源像素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有源像素、高动态范围图像传感器及操作有源像素的方法，相应的有源像素包括：设置于感光元件与第二漂浮节点之间的第二传输晶体管；连接所述第二漂浮节点的第二复位晶体管；连接第二漂浮节点的辅助电容。相应的操作有源像素的方法包括：清除感光元件势阱中的电荷，控制感光元件开始曝光；开启第一复位晶体管和行选择晶体管，对第一漂浮节点进行复位操作，复位操作完毕后关闭第一复位晶体管，并读取复位信号；开启第一传输晶体管，将感光元件中的光电电荷转移至第一漂浮节点，感光元件曝光结束；关闭第一传输晶体管，并读取光电信号；关闭行选择晶体管，读取光电信号操作完毕。本发明提高了图像传感器的动态范围及输出图像品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源像素、高动态范围图像传感器及操作有源像素的方法，属于图像传感技术领域。
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、汽车等场合。特别是制造CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，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图像传感器普遍采用如图1所示的结构，采用的是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，开启晶体管102，将光电信号传输至漂浮节点FD(Floating Diffusing)后关闭晶体管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FD处所探测到的信号也与光照量成正比关系。
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，从而降低了传感器的输出图像品质。
发明内容
本发明为解决现有的线性图像传感器技术中存在的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，从而导致传感器的输出图像品质较低的问题，进而提供了一种有源像素、高动态范围图像传感器及操作有源像素的方法。为此，本发明提供了如下的技术方案：
一种有源像素，包括：设置于半导体基体中的感光元件、设置于所述感光元件与第一漂浮节点之间的第一传输晶体管、连接所述第一漂浮节点的第一复位晶体管、连接所述第一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：
设置于所述感光元件与第二漂浮节点之间的第二传输晶体管；
连接所述第二漂浮节点的第二复位晶体管；
连接所述第二漂浮节点的辅助电容。
一种操作有源像素的方法，所述有源像素包括感光元件、第一传输晶体管、第一复位晶体管、第二传输晶体管、第二复位晶体管、源跟随晶体管、辅助电容、行选择晶体管和列位线；所述方法包括：
同时开启所述第一传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，清除所述感光元件势阱中的电荷；
关闭所述第一传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，控制所述感光元件开始曝光；
在所述感光元件曝光结束前，开启所述第一复位晶体管和行选择晶体管，对所述第一漂浮节点进行复位操作，所述复位操作完毕后关闭所述第一复位晶体管，并读取复位信号；
读取复位信号操作后，开启所述第一传输晶体管，将所述感光元件中的光电电荷转移至所述第一漂浮节点，所述感光元件曝光结束；转移电荷完毕后，关闭所述第一传输晶体管，并读取光电信号；
关闭所述行选择晶体管，读取光电信号操作完毕。
本发明提供了一种高动态图像传感器及其有源像素，该传感器采用了可以根据入射光照量而自动地释放强光照的感光元件内过多的光电电荷的像素；与弱光照环境比较，在强光照环境下，感光元件势井中过多的光电电荷通过第二传输晶体管释放到第二漂浮节点，从而压缩了传感器高曝光量时的光电响应曲线，因此提高了图像传感器的动态范围，进而提高了传感器的输出图像品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的CMOS图像传感器的四晶体管(4T)有源像素的示意图；
图2是本发明的具体实施方式提供的CMOS图像传感器的七晶体管(7T)有源像素的示意图；
图3是图2中7T有源像素工作的时序控制示意图；
图4是图2中7T有源像素工作时曝光开始前的势阱示意图；
图5是图2中7T有源像素工作在弱光照环境下曝光结束前的势阱示意图；
图6是图2中7T有源像素工作在强光照环境下曝光结束前的势阱示意图；
图7是图2中7T有源像素工作时的光电相应曲线示意图；
图8是采用本发明有源像素的图像传感器示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有的CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，本发明从改善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，释放感光元件工作在强光照时的过多光电电荷，推迟像素的饱和时间，从而使传感器探测到了更多强光照环境下的实物细节信息，因此提升了传感器输出图像的品质。
为了实现上述扩大传感器动态范围的技术目的，本具体实施方式提供了一种CMOS图像传感器的七晶体管(7T)有源像素，如图2所示，包括：设置于半导体基体中的感光元件201，设置于感光元件1与第一漂浮节点FD1之间的一号第一传输晶体管202，设置于第一漂浮点FD1与列位线206之间二号第一传输晶体管203、三号第一传输晶体管204和四号第一传输晶体管205、第一复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管，列位线206作为输出光电信号的通道，Vdd为电源，TX为一号第一传输晶体管202的栅极端，RX1为二号第一传输晶体管203的栅极端，SX为四号第一传输晶体管205的栅极端；该有源像素还包括：第二传输晶体管207、第二复位晶体管208和晶体管辅助电容209，第二传输晶体管207的源极端与感光元件201连接，第二传输晶体管207的漏极端和栅极端与第二漂浮节点FD2连接；第二复位晶体管208的源极端与第二漂浮节点FD2相接，第二复位晶体管208的漏端与电源Vdd相接，第二复位晶体管208的栅极端为RX2；晶体管辅助电容209的源漏极端与第二漂浮节点FD2连接，晶体管辅助电容209的栅极端与电源Vdd连接。
为了更清楚地说明本发明的实施原理，本具体实施方式提供的有源像素中采用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。其中，若晶体管栅极端为高电压，例如Vdd，表示开启此晶体管；若栅极端为低电压，例如GND，表示关闭此晶体管。
本具体实施方式提供的有源像素的时序控制过程如图3所示，图3中示出了控制像素器件一个周期内的时序操作，时序RX1、TX、RX2和SX分别表征第一复位晶体管、第一传输晶体管、第二复位晶体管和行选择晶体管的栅极端电压随时间t的变化操作；时序SH表征通过列位线读取信号的操作。在图3中，在t1时刻开启第一复位晶体管、第一传输晶体管和第二复位晶体管，对光电二极管进行复位操作；在t2时刻关闭第一复位晶体管、第一传输晶体管和第二复位晶体管，复位操作完毕，光电二极管开始曝光；曝光结束前，在t3时刻开启第一复位晶体管和行选择晶体管，对第一漂浮节点FD1进行复位操作，复位操作完毕后关闭第一复位晶体管，复位操作完毕；第一漂浮节点FD1复位操作完毕后，在t4时刻SH时序进行读取复位信号操作，此信号记为信号1；读取信号1操作完毕后，在t5时刻开启第一传输晶体管，将光电二极管势阱中的光电电荷转移至第一漂浮节点FD1，在t6时刻关闭第一传输晶体管，电荷转移操作完毕，同时光电二极管曝光结束，从t2时刻至t6时刻的时间为传感器曝光周期T；电荷转移操作完毕后，在t7时刻SH时序进行读取光电信号操作，此信号记为信号2；读取信号2操作完毕后，关闭行选择晶体管，此时，读取传感器行信号周期操作完毕。
为了更清楚地说明本发明的实施方法，采用传感器像素工作过程中势阱示意图来阐述实现高动态范围功能的原理。如图4示出了图3中开始曝光前t2时刻时的像素势阱关系，202、207和208分别为图2中所示一号第一传输晶体管、第二传输晶体管和第二复位晶体管，401和402分别为光电二极管和第二漂浮节点FD2的势阱示意图；像素复位操作在t2时刻结束，光电二极管401的复位电势为Vpin，第二传输晶体管207的沟道电势为Vbn，第二漂浮节点FD2的复位电势为VFD；第二漂浮节点FD2FD2的电容为CFD2，光电二极管401的电容为CPD。
图5示出了在弱光照环境下图3中所标注的t5时刻时的像素势阱关系示意图，其中501为弱光照时的光电二极管所收集到的光电电荷情况，501势阱收集到了光照产生的所有电荷，光电电荷没有被释放到附近502势阱的FD2区。
图6示出了在强光照环境下图3中所标注的t5时刻时的像素势阱关系示意图，其中601为强光照时的光电二极管所收集到的光电电荷情况，602为第二漂浮节点FD2所收集到的电荷情况，此602势阱内的电荷是从601内的部分电荷通过第二传输晶体管207的沟道释放而得到的；在t5时刻，601势阱电势从曝光开始t2时刻的Vpin下降到Vbn1，602势阱电势从VFD2下降到VFD1。因此，601产生的光电电荷被分成了两部分：601势阱内的电荷和602势阱内的电荷，并且只有601内的电荷在t5至t6时刻才会被转移到第一漂浮节点FD1继而被源跟随晶体管探测到。
图7示出了本具体实施方式提供的有源像素工作时的光电相应曲线，坐标X轴为光电二极管曝光量，坐标Y轴为光电二极管所收集的光电电荷量。响应曲线中所标的A对应弱光照环境，与图5所示相同；响应曲线中所标的B对应强光照环境，与图6所示相同；Q为光电二极管所收集到最大的光电电荷容量，在业内称为饱和容量。由此可见，本具体实施方式提供的的有源像素压缩了高照明环境时的光电响应灵敏度曲线，在低曝光量区域光电响应曲线斜率K1∝1/CPD,在高曝光量区域光电响应曲线斜率K2∝1/(CPD+CFD2),光电响应灵敏度曲线压缩比为K1/K2＝(CPD+CFD2)/CPD，所以高曝光量光电响应曲线压缩率取决于第二漂浮节点FD2处的电容大小。图7所示的41表示光电响应曲线斜率为K1时的光电二极管饱和曝光量，E2表示本发明的像素光电二极管饱和曝光量；由此可见，本具体实施方式提供的有源像素探测光信号的范围从41扩大E2，动态范围增大了E2/41倍；因为像素采集到了更多强光照环境下的实物细节信息，所以提升了传感器输出的图像品质。
本具体实施方式提供的有源像素可用于CMOS图像传感器的传感器阵列803，如图8所示。图8具体显示了一种根据本发明形成的CMOS图像传感器，包括像素阵列控制电路801，像素矩阵阵列803，处理电路、记忆元件和输入输出电路804，以及逻辑与门电路802。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。
采用本具体实施方式提供的技术方案，通过采用可以根据入射光照量而自动地释放强光照的感光元件内过多的光电电荷的像素；与弱光照环境比较，在强光照环境下，感光元件势井中过多的光电电荷通过第二传输晶体管释放到第二漂浮节点，从而压缩了传感器高曝光量时的光电响应曲线，因此提高了图像传感器的动态范围，进而提高了传感器的输出图像品质。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种有源像素，包括：设置于半导体基体中的感光元件、设置于所述感光元件与第一漂浮节点之间的第一传输晶体管、连接所述第一漂浮节点的第一复位晶体管、连接所述第一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，所述有源像素还包括：
设置于所述感光元件与第二漂浮节点之间的第二传输晶体管；
连接所述第二漂浮节点的第二复位晶体管；
连接所述第二漂浮节点的辅助电容。
2.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述感光元件包括光电二极管、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中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述第二传输晶体管的源极端连接所述感光元件，所述第二传输晶体管的漏极端连接所述第二漂浮节点。
4.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述第二复位晶体管的源极端连接第二漂浮节点，所述第二复位晶体管的漏极端连接电源。
5.根据权利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述辅助电容是一种用于作为MOS晶体管工作的晶体管电容。
6.根据权利要求5所述的有源像素，其特征在于，所述辅助电容的源漏端与所述第二漂浮节点连接，所述辅助电容的栅极端与电源连接。
7.一种高动态范围图像传感器，其特征在于，在垂直和水平方向上以矩阵方式排列若干有源像素，所述有源像素是如权利要求1至6任意一项所述的有源像素。
8.一种操作有源像素的方法，所述有源像素包括感光元件、第一传输晶体管、第一复位晶体管、第二传输晶体管、第二复位晶体管、源跟随晶体管、辅助电容、行选择晶体管和列位线；其特征在于，所述方法包括：
同时开启所述第一传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，清除所述感光元件势阱中的电荷；
关闭所述第一传输晶体管、第一复位晶体管和第二复位晶体管，控制所述感光元件开始曝光；
在所述感光元件曝光结束前，开启所述第一复位晶体管和行选择晶体管，对所述第一漂浮节点进行复位操作，所述复位操作完毕后关闭所述第一复位晶体管，并读取复位信号；
读取复位信号操作后，开启所述第一传输晶体管，将所述感光元件中的光电电荷转移至所述第一漂浮节点，所述感光元件曝光结束；转移电荷完毕后，关闭所述第一传输晶体管，并读取光电信号；
关闭所述行选择晶体管，读取光电信号操作完毕。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感光元件包括光电二极管、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中的任意一种。
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