專利名稱：一種有源像素、高動態(tài)范圍圖像傳感器及操作有源像素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源像素、高動態(tài)范圍圖像傳感器及操作有源像素的方法，屬于圖像傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車等場合。特別是制造CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器普遍采用如圖I所示的結(jié)構(gòu)，采用的是CMOS圖像 傳感器四晶體管的有源像素，在本領(lǐng)域中也稱為4T有源像素。4T有源像素的元器件包括光電二極管101，傳輸晶體管102，復(fù)位晶體管103，源跟隨晶體管104和行選擇晶體管105。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號，開啟晶體管102，將光電信號傳輸至漂浮節(jié)點(diǎn)FD(Floating Diffusing)后關(guān)閉晶體管102，此光電信號被源跟隨晶體管104探測到，同時(shí)開啟行選擇晶體管105，通過列位線106將信號讀出。其中，在光電二極管101中產(chǎn)生的光電信號量與入射光照量成正比，則晶體管104在FD處所探測到的信號也與光照量成正比關(guān)系。該類圖像傳感器的光電響應(yīng)是線性的，在本領(lǐng)域內(nèi)被稱為線性傳感器。線性傳感器所探測到的光照量范圍小，特別是高照明環(huán)境下無法辨認(rèn)出實(shí)物信息，不能夠采集從暗光線環(huán)境變化到強(qiáng)光線環(huán)境下的全部信號，從而降低了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的線性圖像傳感器技術(shù)中存在的不能夠采集從暗光線環(huán)境變化到強(qiáng)光線環(huán)境下的全部信號，從而導(dǎo)致傳感器的輸出圖像品質(zhì)較低的問題，進(jìn)而提供了一種有源像素、高動態(tài)范圍圖像傳感器及操作有源像素的方法。為此，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案一種有源像素，包括設(shè)置于半導(dǎo)體基體中的感光元件、設(shè)置于所述感光元件與第一漂浮節(jié)點(diǎn)之間的第一傳輸晶體管、連接所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)的第一復(fù)位晶體管、連接所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，所述有源像素還包括設(shè)置于所述感光元件與第二漂浮節(jié)點(diǎn)之間的第二傳輸晶體管；連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)的第二復(fù)位晶體管；連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)的輔助電容。一種操作有源像素的方法，所述有源像素包括感光元件、第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管、第二傳輸晶體管、第二復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、輔助電容、行選擇晶體管和列位線；所述方法包括同時(shí)開啟所述第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管和第二復(fù)位晶體管，清除所述感光元件勢阱中的電荷；關(guān)閉所述第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管和第二復(fù)位晶體管，控制所述感光元件開始曝光；在所述感光元件曝光結(jié)束前，開啟所述第一復(fù)位晶體管和行選擇晶體管，對所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位操作，所述復(fù)位操作完畢后關(guān)閉所述第一復(fù)位晶體管，并讀取復(fù)位信號;讀取復(fù)位信號操作后，開啟所述第一傳輸晶體管，將所述感光兀件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)，所述感光元件曝光結(jié)束；轉(zhuǎn)移電荷完畢后，關(guān)閉所述第一傳輸晶體管，并讀取光電信號；關(guān)閉所述行選擇晶體管，讀取光電信號操作完畢。本發(fā)明提供了一種高動態(tài)圖像傳感器及其有源像素，該傳感器采用了可以根據(jù)入射光照量而自動地釋放強(qiáng)光照的感光元件內(nèi)過多的光電電荷的像素；與弱光照環(huán)境比較，在強(qiáng)光照環(huán)境下，感光元件勢井中過多的光電電荷通過第二傳輸晶體管釋放到第二漂浮節(jié)點(diǎn)，從而壓縮了傳感器高曝光量時(shí)的光電響應(yīng)曲線，因此提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，進(jìn)而提高了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的四晶體管(4T)有源像素的示意圖；圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
提供的CMOS圖像傳感器的七晶體管(7T)有源像素的不意圖；圖3是圖2中7T有源像素工作的時(shí)序控制示意圖；圖4是圖2中7T有源像素工作時(shí)曝光開始前的勢阱示意圖；圖5是圖2中7T有源像素工作在弱光照環(huán)境下曝光結(jié)束前的勢阱示意圖；圖6是圖2中7T有源像素工作在強(qiáng)光照環(huán)境下曝光結(jié)束前的勢阱示意圖；圖7是圖2中7T有源像素工作時(shí)的光電相應(yīng)曲線示意圖；圖8是采用本發(fā)明有源像素的圖像傳感器示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。在現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質(zhì)的圖像，本發(fā)明從改善4T像素的光電響應(yīng)性質(zhì)入手，壓縮高照明環(huán)境時(shí)的光電響應(yīng)靈敏度曲線，釋放感光元件工作在強(qiáng)光照時(shí)的過多光電電荷，推遲像素的飽和時(shí)間，從而使傳感器探測到了更多強(qiáng)光照環(huán)境下的實(shí)物細(xì)節(jié)信息，因此提升了傳感器輸出圖像的品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)上 述擴(kuò)大傳感器動態(tài)范圍的技術(shù)目的，本具體實(shí)施方式
提供了一種CMOS圖像傳感器的七晶體管(7T)有源像素，如圖2所示，包括設(shè)置于半導(dǎo)體基體中的感光元件201，設(shè)置于感光元件I與第一漂浮節(jié)點(diǎn)FDl之間的一號第一傳輸晶體管202，設(shè)置于第一漂浮點(diǎn)FDl與列位線206之間二號第一傳輸晶體管203、三號第一傳輸晶體管204和四號第一傳輸晶體管205、第一復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管，列位線206作為輸出光電信號的通道，Vdd為電源，TX為一號第一傳輸晶體管202的柵極端，RXl為二號第一傳輸晶體管203的柵極端，SX為四號第一傳輸晶體管205的柵極端；該有源像素還包括第二傳輸晶體管207、第二復(fù)位晶體管208和晶體管輔助電容209，第二傳輸晶體管207的源極端與感光元件201連接，第二傳輸晶體管207的漏極端和柵極端與第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2連接；第二復(fù)位晶體管208的源極端與第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2相接，第二復(fù)位晶體管208的漏端與電源Vdd相接，第二復(fù)位晶體管208的柵極端為RX2 ;晶體管輔助電容209的源漏極端與第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2連接，晶體管輔助電容209的柵極端與電源Vdd連接。為了更清楚地說明本發(fā)明的實(shí)施原理，本具體實(shí)施方式
提供的有源像素中采用PIN型光電二極管，且光電電荷為N型電子，所有晶體管為N型CMOS器件。其中，若晶體管柵極端為高電壓，例如Vdd，表示開啟此晶體管；若柵極端為低電壓，例如GND，表示關(guān)閉此
晶體管。本具體實(shí)施方式
提供的有源像素的時(shí)序控制過程如圖3所示，圖3中示出了控制像素器件一個(gè)周期內(nèi)的時(shí)序操作，時(shí)序RX1、TX、RX2和SX分別表征第一復(fù)位晶體管、第一傳輸晶體管、第二復(fù)位晶體管和行選擇晶體管的柵極端電壓隨時(shí)間t的變化操作；時(shí)序SH表征通過列位線讀取信號的操作。在圖3中，在tl時(shí)刻開啟第一復(fù)位晶體管、第一傳輸晶體管和第二復(fù)位晶體管，對光電二極管進(jìn)行復(fù)位操作；在t2時(shí)刻關(guān)閉第一復(fù)位晶體管、第一傳輸晶體管和第二復(fù)位晶體管，復(fù)位操作完畢，光電二極管開始曝光；曝光結(jié)束前，在t3時(shí)刻開啟第一復(fù)位晶體管和行選擇晶體管，對第一漂浮節(jié)點(diǎn)FDl進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作完畢后關(guān)閉第一復(fù)位晶體管，復(fù)位操作完畢；第一漂浮節(jié)點(diǎn)FDl復(fù)位操作完畢后，在t4時(shí)刻SH時(shí)序進(jìn)行讀取復(fù)位信號操作，此信號記為信號I ;讀取信號I操作完畢后，在t5時(shí)刻開啟第一傳輸晶體管，將光電二極管勢阱中的光電電荷轉(zhuǎn)移至第一漂浮節(jié)點(diǎn)FD1，在t6時(shí)刻關(guān)閉第一傳輸晶體管，電荷轉(zhuǎn)移操作完畢，同時(shí)光電二極管曝光結(jié)束，從時(shí)刻至t6時(shí)刻的時(shí)間為傳感器曝光周期T ;電荷轉(zhuǎn)移操作完畢后，在t7時(shí)刻SH時(shí)序進(jìn)行讀取光電信號操作，此信號記為信號2 ;讀取信號2操作完畢后，關(guān)閉行選擇晶體管，此時(shí)，讀取傳感器行信號周期操作完畢。為了更清楚地說明本發(fā)明的實(shí)施方法，采用傳感器像素工作過程中勢阱示意圖來闡述實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍功能的原理。如圖4示出了圖3中開始曝光前t2時(shí)刻時(shí)的像素勢阱關(guān)系，202、207和208分別為圖2中所不一號第一傳輸晶體管、第二傳輸晶體管和第二復(fù)位晶體管，401和402分別為光電二極管和第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2的勢阱示意圖；像素復(fù)位操作在t2時(shí)刻結(jié)束，光電二極管401的復(fù)位電勢為Vpin，第二傳輸晶體管207的溝道電勢為Vbn，第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2的復(fù)位電勢為VFD ;第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2FD2的電容為CFD2，光電二極管401的電容為CPD。圖5示出了在弱光照環(huán)境下圖3中所標(biāo)注的t5時(shí)刻時(shí)的像素勢阱關(guān)系示意圖，其中501為弱光照時(shí)的光電二極管所收集到的光電電荷情況，501勢阱收集到了光照產(chǎn)生的所有電荷，光電電荷沒有被釋放到附近502勢阱的FD2區(qū)。圖6示出了在強(qiáng)光照環(huán)境下圖3中所標(biāo)注的t5時(shí)刻時(shí)的像素勢阱關(guān)系示意圖，其中601為強(qiáng)光照時(shí)的光電二極管所收集到的光電電荷情況，602為第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2所收集到的電荷情況，此602勢阱內(nèi)的電荷是從601內(nèi)的部分電荷通過第二傳輸晶體管207的溝道釋放而得到的；在t5時(shí)刻，601勢阱電勢從曝光開始t2時(shí)刻的Vpin下降到Vbnl，602勢阱電勢從VFD2下降到VFD1。因此，601產(chǎn)生的光電電荷被分成了兩部分601勢阱內(nèi)的電荷和602勢阱內(nèi)的電荷，并且只有601內(nèi)的電荷在t5至t6時(shí)刻才會被轉(zhuǎn)移到第一漂浮節(jié)點(diǎn)FDl繼而被源跟隨晶體管探測到。圖7示出了本具體實(shí)施方式
提供的有源像素工作時(shí)的光電相應(yīng)曲線，坐標(biāo)X軸為光電二極管曝光量，坐標(biāo)Y軸為光電二極管所收集的光電電荷量。響應(yīng)曲線中所標(biāo)的A對應(yīng)弱光照環(huán)境，與圖5所示相同；響應(yīng)曲線中所標(biāo)的B對應(yīng)強(qiáng)光照環(huán)境，與圖6所示相同；Q為光電二極管所收集到最大的光電電荷容量，在業(yè)內(nèi)稱為飽和容量。由此可見，本具體實(shí)施 方式提供的的有源像素壓縮了高照明環(huán)境時(shí)的光電響應(yīng)靈敏度曲線，在低曝光量區(qū)域光電響應(yīng)曲線斜率Kl - I/CPD,在高曝光量區(qū)域光電響應(yīng)曲線斜率K2 - 1/(CPD+CFD2),光電響應(yīng)靈敏度曲線壓縮比為K1/K2 = (CPD+CFD2)/CPD，所以高曝光量光電響應(yīng)曲線壓縮率取決于第二漂浮節(jié)點(diǎn)FD2處的電容大小。圖7所示的41表示光電響應(yīng)曲線斜率為Kl時(shí)的光電二極管飽和曝光量，E2表示本發(fā)明的像素光電二極管飽和曝光量；由此可見，本具體實(shí)施方式
提供的有源像素探測光信號的范圍從41擴(kuò)大E2，動態(tài)范圍增大了 E2/41倍；因?yàn)橄袼夭杉搅烁鄰?qiáng)光照環(huán)境下的實(shí)物細(xì)節(jié)信息，所以提升了傳感器輸出的圖像品質(zhì)。本具體實(shí)施方式
提供的有源像素可用于CMOS圖像傳感器的傳感器陣列803，如圖8所示。圖8具體顯示了一種根據(jù)本發(fā)明形成的CMOS圖像傳感器，包括像素陣列控制電路801，像素矩陣陣列803，處理電路、記憶元件和輸入輸出電路804，以及邏輯與門電路802。每個(gè)組成元件形成于單獨(dú)的硅基體上，并采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝集成于一個(gè)獨(dú)立的芯片上。采用本具體實(shí)施方式
提供的技術(shù)方案，通過采用可以根據(jù)入射光照量而自動地釋放強(qiáng)光照的感光元件內(nèi)過多的光電電荷的像素；與弱光照環(huán)境比較，在強(qiáng)光照環(huán)境下，感光元件勢井中過多的光電電荷通過第二傳輸晶體管釋放到第二漂浮節(jié)點(diǎn)，從而壓縮了傳感器高曝光量時(shí)的光電響應(yīng)曲線，因此提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，進(jìn)而提高了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實(shí)施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種有源像素，包括設(shè)置于半導(dǎo)體基體中的感光元件、設(shè)置于所述感光元件與第一漂浮節(jié)點(diǎn)之間的第一傳輸晶體管、連接所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)的第一復(fù)位晶體管、連接所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，其特征在于，所述有源像素還包括: 設(shè)置于所述感光元件與第二漂浮節(jié)點(diǎn)之間的第二傳輸晶體管； 連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)的第二復(fù)位晶體管； 連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)的輔助電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源像素，其特征在于，所述感光元件包括光電二極管、PIN型光電二極管，部分PIN型光電二極管或者多晶娃柵型光電二極管中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源像素，其特征在于，所述第二傳輸晶體管的源極端連接所述感光元件，所述第二傳輸晶體管的漏極端連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源像素，其特征在于，所述第二復(fù)位晶體管的源極端連接第二漂浮節(jié)點(diǎn)，所述第二復(fù)位晶體管的漏極端連接電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源像素，其特征在于，所述輔助電容是一種用于作為MOS晶體管工作的晶體管電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有源像素，其特征在于，所述輔助電容的源漏端與所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)連接，所述輔助電容的柵極端與電源連接。
7.一種高動態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，在垂直和水平方向上以矩陣方式排列若干有源像素，所述有源像素是如權(quán)利要求I至6任意一項(xiàng)所述的有源像素。
8.一種操作有源像素的方法，所述有源像素包括感光元件、第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管、第二傳輸晶體管、第二復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、輔助電容、行選擇晶體管和列位線；其特征在于，所述方法包括 同時(shí)開啟所述第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管和第二復(fù)位晶體管，清除所述感光元件勢阱中的電荷； 關(guān)閉所述第一傳輸晶體管、第一復(fù)位晶體管和第二復(fù)位晶體管，控制所述感光元件開始曝光； 在所述感光元件曝光結(jié)束前，開啟所述第一復(fù)位晶體管和行選擇晶體管，對所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位操作，所述復(fù)位操作完畢后關(guān)閉所述第一復(fù)位晶體管，并讀取復(fù)位信號; 讀取復(fù)位信號操作后，開啟所述第一傳輸晶體管，將所述感光元件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至所述第一漂浮節(jié)點(diǎn)，所述感光元件曝光結(jié)束；轉(zhuǎn)移電荷完畢后，關(guān)閉所述第一傳輸晶體管，并讀取光電信號； 關(guān)閉所述行選擇晶體管，讀取光電信號操作完畢。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述感光元件包括光電二極管、PIN型光電二極管、部分PIN型光電二極管或者多晶娃柵型光電二極管中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種有源像素、高動態(tài)范圍圖像傳感器及操作有源像素的方法，相應(yīng)的有源像素包括設(shè)置于感光元件與第二漂浮節(jié)點(diǎn)之間的第二傳輸晶體管；連接所述第二漂浮節(jié)點(diǎn)的第二復(fù)位晶體管；連接第二漂浮節(jié)點(diǎn)的輔助電容。相應(yīng)的操作有源像素的方法包括清除感光元件勢阱中的電荷，控制感光元件開始曝光；開啟第一復(fù)位晶體管和行選擇晶體管，對第一漂浮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作完畢后關(guān)閉第一復(fù)位晶體管，并讀取復(fù)位信號；開啟第一傳輸晶體管，將感光元件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至第一漂浮節(jié)點(diǎn)，感光元件曝光結(jié)束；關(guān)閉第一傳輸晶體管，并讀取光電信號；關(guān)閉行選擇晶體管，讀取光電信號操作完畢。本發(fā)明提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍及輸出圖像品質(zhì)。
文檔編號H04N5/359GK102957880SQ20121047932
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者郭同輝, 曠章曲, 陳多金, 陳杰, 唐冕 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司