專利名稱：一種高動態(tài)范圍的像素單元及圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種高動態(tài)范圍的像素單元及圖像傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，圖像傳感器廠商推出性能優(yōu)越并且芯片面積較小的產(chǎn)品。這對像素單元提出了更高的要求，要求圖像傳感器在小尺寸像素下實現(xiàn)高動態(tài)范圍、高靈敏度、低噪聲等特性。但是小像素對于圖像傳感器高動態(tài)技術(shù)指標(biāo)制約顯著，因此在高動態(tài)范圍的圖像傳感器中采用大尺寸像素，導(dǎo)致芯片的性價比難以提高?，F(xiàn)有的圖像傳感器電路都具有一個像素陣列單元，由多個像素單元構(gòu)成。通常地， 一個CMOS有源像素單元包含了 3至4個MOS晶體管和一個光電二極管，具有4個MOS晶體管和一個光電二極管結(jié)構(gòu)的圖像傳感器為4T結(jié)構(gòu)圖像傳感器。如今4T結(jié)構(gòu)的像素單元系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于CMOS圖像傳感器當(dāng)中。傳統(tǒng)的4T結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器像素單元電路如圖1所示，在4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中，每個像素單元都包含傳輸門晶體管TX、復(fù)位晶體管RST、源跟隨晶體管SF、行選通晶體管RS及用于感受光信號的光電二極管PD，F(xiàn)D為浮置擴(kuò)散節(jié)點，Vout為輸出端。復(fù)位晶體管RST具有施加復(fù)位信號RST的柵極，連接到浮置擴(kuò)散節(jié)點FD的一個電極，和連接到VDD的另一電極；源跟隨晶體管SF具有連接到浮置擴(kuò)散節(jié)點的柵極和與VDD端相連的一個電極；行選通晶體管RS具有輸入行選擇信號RS的柵極、串聯(lián)連接到源跟隨晶體管SF的一個電極以及連接到輸出端Vout的另一電極；傳輸門晶體管TX具有連接到浮置擴(kuò)散節(jié)點 FD的一個電極和輸入轉(zhuǎn)換信號TX使得當(dāng)讀出存儲電荷時轉(zhuǎn)換存儲電荷的柵極；光電二級管FD連接在傳輸門晶體管TX和接地端之間。圖中VDD是外部提供給整個像素單元的工作電壓，控制電路提供信號分別控制復(fù)位晶體管RST、傳輸門晶體管TX、行選通晶體管RS的導(dǎo)通與截止來實現(xiàn)后端電路對輸出信號的采集。傳統(tǒng)4T結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器利用光電二極管PD本身存儲電荷，存儲電荷的能力低、動態(tài)范圍小。圖2中是傳統(tǒng)4T結(jié)構(gòu)像素單元光電子積累并傳輸?shù)氖疽鈭D，圖加表示光電二極管PD對光信號采集結(jié)束，傳輸門晶體管TX導(dǎo)通前，電子在光電二極管PD中積累完成；圖2b 中傳輸門晶體管TX導(dǎo)通，電子轉(zhuǎn)移到浮置擴(kuò)散節(jié)點FD，浮置擴(kuò)散節(jié)點FD區(qū)域電壓降低。圖3為傳統(tǒng)4T結(jié)構(gòu)像素單元的布圖，包括復(fù)位晶體管301、傳輸門晶體管302、光電二極管303、源跟隨晶體管305、行選通晶體管306。復(fù)位晶體管301位于VDD和浮動擴(kuò)散節(jié)點之間；傳輸門晶體管302位于浮動擴(kuò)散節(jié)點和光電二極管303之間；光電二級管303 接地；源跟隨晶體管305位于VDD和行選通晶體管306之間；行選通晶體管306位于光電二極管303 —側(cè)并連接輸出端；所述傳輸門晶體管302和行選通晶體管306分別位于光電二級管相對的兩側(cè)。為了解決傳統(tǒng)4T結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器存儲電荷的能力低、動態(tài)范圍小的技術(shù)問
3題，現(xiàn)有技術(shù)還提供了一種采用5T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，在傳統(tǒng)4T結(jié)構(gòu)圖像傳感器的光電二極管周圍設(shè)置MOS電容以形成5T結(jié)構(gòu)的像素單元，并具有單獨的控制信號對MOS電容進(jìn)行控制。但5T結(jié)構(gòu)的圖像傳感器對復(fù)位晶體管和行選通晶體管這兩個MOS管的柵極利用不足，添加了一個控制單元產(chǎn)生控制信號控制MOS電容，增加了金屬走線的難度；像素單元的填充比也有所減?。徊⑶襇OS電容需要單獨的控制電路，也導(dǎo)致了芯片面積的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有高動態(tài)范圍的圖像傳感器像素單元版圖走線難度大、芯片面積較大的技術(shù)問題，提供一種不需要額外增加MOS電容控制信號來提高動態(tài)范圍的像素單元及圖像傳感器。一種高動態(tài)范圍的像素單元，具有4T結(jié)構(gòu)；所述像素單元的復(fù)位晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域重疊構(gòu)成第一電荷存儲柵；行選通晶體管柵極部分與光電二級管區(qū)域重疊構(gòu)成第二電荷存儲柵。進(jìn)一步的，所述4T結(jié)構(gòu)的像素單元包括復(fù)位晶體管、傳輸門晶體管、光電二極管、源跟隨晶體管、行選通晶體管；所述復(fù)位晶體管位于VDD和浮動擴(kuò)散節(jié)點之間；傳輸門晶體管位于浮動擴(kuò)散節(jié)點和光電二極管之間；光電二級管接地；源跟隨晶體管位于VDD和行選通晶體管之間；行選通晶體管位于光電二極管一側(cè)并連接輸出端；所述傳輸門晶體管和行選通晶體管分別位于光電二級管相對的兩側(cè)。進(jìn)一步的，該像素單元還包括給復(fù)位晶體管施加復(fù)位信號、行選通晶體管施加行選擇信號、傳輸門晶體管施加轉(zhuǎn)換信號的控制單元。進(jìn)一步的，所述控制單元產(chǎn)生的復(fù)位信號和行選擇信號具有有效的重疊部分。一種采用上述高動態(tài)范圍像素單元的圖像傳感器，包括像素單元陣列，由多個具有高動態(tài)范圍的像素單元排列成矩陣構(gòu)成；行控制電路，控制像素單元陣列讀出圖像數(shù)據(jù)的行數(shù)；讀出單元，讀出像素單元陣列的模擬圖像數(shù)據(jù)；模擬處理單元，對模擬圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，將處理后的模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；數(shù)字圖像處理單元，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本發(fā)明像素單元中復(fù)位晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域重疊構(gòu)成第一電荷存儲柵，行選通晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域的重疊構(gòu)成第二電荷存儲柵，且利用復(fù)位信號控制第一電荷存儲柵，行選擇信號控制第二電荷存儲柵。增加了像素單元存儲電荷的能力，擴(kuò)大了像素單元的動態(tài)范圍，同時還減小了金屬走線的難度、增加了像素單元的填充比、及減小了像素單元的芯片面積。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的4T結(jié)構(gòu)像素單元電路示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)提供的4T結(jié)構(gòu)像素單元光電子積累并傳輸?shù)氖疽鈭D；圖3是現(xiàn)有技術(shù)提供的4T結(jié)構(gòu)像素單元電路布局示意圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的高動態(tài)范圍像素單元布局示意圖5是本發(fā)明實施例提供的控制單元產(chǎn)生的控制信號波形圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的控制單元控制像素單元工作的流程圖圖7是本發(fā)明實施例提供的像素單元光電子積累并傳輸?shù)氖疽鈭D；圖8是本發(fā)明實施例提供的等效電路結(jié)構(gòu)圖；圖9是本發(fā)明實施例提供的圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。像素單元的動態(tài)范圍是評估圖像傳感器工作時光電二極管產(chǎn)生的飽和信號和暗噪聲信號的一個量度，用公式(1)表示
權(quán)利要求
1.一種高動態(tài)范圍的像素單元，具有4T結(jié)構(gòu)；其特征在于所述像素單元的復(fù)位晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域重疊構(gòu)成第一電荷存儲柵；行選通晶體管柵極部分與光電二級管區(qū)域重疊構(gòu)成第二電荷存儲柵。
2.如權(quán)利要求1所述的高動態(tài)范圍的像素單元，其特征在于，所述4T結(jié)構(gòu)的像素單元包括復(fù)位晶體管、傳輸門晶體管、光電二極管、源跟隨晶體管、行選通晶體管；所述復(fù)位晶體管位于VDD和浮動擴(kuò)散節(jié)點之間；傳輸門晶體管位于浮動擴(kuò)散節(jié)點和光電二極管之間；光電二級管接地；源跟隨晶體管位于VDD和行選通晶體管之間；行選通晶體管位于光電二極管一側(cè)并連接輸出端；所述傳輸門晶體管和行選通晶體管分別位于光電二級管相對的兩側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的高動態(tài)范圍的像素單元，其特征在于該像素單元還包括給復(fù)位晶體管施加復(fù)位信號、行選通晶體管施加行選擇信號、傳輸門晶體管施加轉(zhuǎn)換信號的控制單元。
4.如權(quán)利要求3所述的高動態(tài)范圍的圖像傳感器，其特征在于所述控制單元產(chǎn)生的復(fù)位信號和行選擇信號具有有效的重疊部分。
5.一種采用如權(quán)利要求1所述的高動態(tài)范圍像素單元組成的圖像傳感器，其特征在于，包括像素單元陣列，由多個具有高動態(tài)范圍的像素單元排列成矩陣構(gòu)成；行控制電路，控制像素單元陣列讀出圖像數(shù)據(jù)的行數(shù)；讀出單元，讀出像素單元陣列的模擬圖像數(shù)據(jù)；模擬處理單元，對模擬圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，將處理后的模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；數(shù)字圖像處理單元，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高動態(tài)范圍的像素單元，具有4T結(jié)構(gòu)，所述像素單元的復(fù)位晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域重疊構(gòu)成第一電荷存儲柵；行選通晶體管柵極部分與光電二級管區(qū)域重疊構(gòu)成第二電荷存儲柵。本發(fā)明還提供了一種高動態(tài)范圍的圖像傳感器。本發(fā)明像素單元中復(fù)位晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域重疊構(gòu)成第一電荷存儲柵，行選通晶體管柵極部分與光電二極管區(qū)域的重疊構(gòu)成第二電荷存儲柵，且利用復(fù)位信號控制第一電荷存儲柵，行選擇信號控制第二電荷存儲柵。增加了像素單元存儲電荷的能力，擴(kuò)大了像素單元的動態(tài)范圍，同時還減小了金屬走線的難度、增加了像素單元的填充比、及減小了像素單元的芯片面積。
文檔編號H04N5/335GK102387316SQ20101027480
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者劉坤, 汪立, 胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司