有源像素及圖像傳感器及其控制時序的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有源像素及圖像傳感器及其控制時序，有源像素包括置于半導體基體中的第一感光元件、位于第一感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的第一復位晶體管，還包括連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，有源像素還包括第二感光元件，第二感光元件通過輔助電容與所述漂浮節(jié)點連接，所述第二感光元件還連接有第二復位晶體管?？梢愿鶕?jù)圖像傳感器及像素上的入射光照量自動地調(diào)節(jié)漂浮節(jié)點處的電容量；與低照明環(huán)境比較，在高照明環(huán)境下，漂浮節(jié)點處的電容增大從而使得漂浮節(jié)點的信號飽和容量增加，則提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，同時也增大了信噪比。
【專利說明】有源像素及圖像傳感器及其控制時序
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種有源像素及圖像傳感器及其控制時序。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應用于數(shù)碼相機、移動手機、醫(yī)療器械、汽車和其他應用場合。特別是制造CMOS (互補型金屬氧化物半導體)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。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器像素的漂浮節(jié)點處一般都采用固定電容，如圖1所示，是采用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,開啟傳輸晶體管102，將光電信號傳輸至漂浮節(jié)點FD(Floating Diffusing)后關(guān)閉傳輸晶體管102，此光電信號被源跟隨晶體管104探測到，同時開啟行選擇晶體管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在漂浮節(jié)點FD處所探測到的信號也與光照量成正比關(guān)系。
[0004]上述現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器的光電響應是線性的，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)境下無法辨認出實物信息，不能夠采集從暗光線環(huán)境變化到強光線環(huán)境下的全部信號，在業(yè)內(nèi)稱為動態(tài)范圍小，從而降低了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種漂浮節(jié)點處電容具有可自動調(diào)節(jié)功能的有源像素及圖像傳感器及其控制時序，解決現(xiàn)有技術(shù)不能采集從暗光線環(huán)境變化到強光線環(huán)境下的全部信號的問題，擴大圖像傳感器及像素的動態(tài)范圍。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的有源像素，包括置于半導體基體中的第一感光元件、位于所述第一感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的第一復位晶體管，還包括連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，所述有源像素還包括第二感光元件，所述第二感光元件通過輔助電容與所述漂浮節(jié)點連接，所述第二感光元件還連接有第二復位晶體管；
[0008]所述第二感光元件用于測試入射光照量；
[0009]所述第二復位晶體管用于在曝光開始前清除所述第二感光元件勢阱中的電荷；
[0010]所述輔助電容用于根據(jù)所述第二感光元件所接收到的光照量而自動調(diào)整其大小。
[0011]本發(fā)明的圖像傳感器，在垂直和水平方向上以矩陣方式排列若干有源像素，所述有源像素為上述的有源像素。[0012]本發(fā)明的上述的有源像素的控制時序，包括步驟:
[0013]首先，同時開啟所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，清除所述第一感光兀件和第二感光兀件勢講中的電荷；
[0014]然后，關(guān)閉所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，所述第一感光元件和第二感光元件開始曝光；
[0015]曝光結(jié)束時，清除所述漂浮節(jié)點的電荷后，將所述第一感光元件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至所述漂浮節(jié)點；
[0016]所述漂浮節(jié)點的電容量通過所述第二感光元件接收到的入射光照量控制所述輔助電容的源漏電勢高低而自動調(diào)節(jié)。
[0017]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的有源像素及圖像傳感器及其控制時序，由于有源像素還包括第二感光元件，第二感光元件通過輔助電容與漂浮節(jié)點連接，第二感光元件還連接有第二復位晶體管，可以根據(jù)圖像傳感器及像素上的入射光照量自動地調(diào)節(jié)漂浮節(jié)點處的電容量；與低照明環(huán)境比較，在高照明環(huán)境下，漂浮節(jié)點處的電容增大從而使得漂浮節(jié)點的信號飽和容量增加，則提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍，同時也增大了信噪比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為現(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；
[0019]圖2為本發(fā)明實施例中CMOS圖像傳感器的四晶體管(4T)有源像素的示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例中4T有源像素工作的時序控制示意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明實施例中有源像素中的漂浮節(jié)點電容隨入射光照量的變化關(guān)系示意圖。
[0022]圖5是采用本發(fā)明實施例中有源像素的圖像傳感器示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0024]本發(fā)明的有源像素，其較佳的【具體實施方式】是:
[0025]包括置于半導體基體中的第一感光元件、位于所述第一感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的第一復位晶體管，還包括連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，所述有源像素還包括第二感光元件，所述第二感光元件通過輔助電容與所述漂浮節(jié)點連接，所述第二感光元件還連接有第二復位晶體管；
[0026]所述第二感光元件用于測試入射光照量；
[0027]所述第二復位晶體管用于在曝光開始前清除所述第二感光元件勢阱中的電荷；
[0028]所述輔助電容用于根據(jù)所述第二感光元件所接收到的光照量而自動調(diào)整其大小。
[0029]所述第一感光元件和第二感光元件包括以下任一種或多種元件: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硅柵型光電二極管。
[0030]所述輔助電容為能用于作為MOS晶體管工作的晶體管電容。
[0031]所述輔助電容的源漏端與所述第二感光元件連接、柵極與所述漂浮節(jié)點連接。
[0032]本發(fā)明的圖像傳感器，在垂直和水平方向上以矩陣方式排列若干有源像素，其較佳的【具體實施方式】是:
[0033]所述有源像素為上述的有源像素。
[0034]本發(fā)明的上述的有源像素的控制時序，其較佳的【具體實施方式】是:
[0035]包括步驟:
[0036]首先，同時開啟所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，清除所述第一感光兀件和第二感光兀件勢講中的電荷；
[0037]然后，關(guān)閉所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，所述第一感光元件和第二感光元件開始曝光；
[0038]曝光結(jié)束時，清除所述漂浮節(jié)點的電荷后，將所述第一感光元件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至所述漂浮節(jié)點；
[0039]所述漂浮節(jié)點的電容量通過所述第二感光元件接收到的入射光照量控制所述輔助電容的源漏電勢高低而自動調(diào)節(jié)。
[0040]本發(fā)明在CMOS圖像傳感器中，為了獲得高品質(zhì)的圖像，從改善4T像素的光電響應性質(zhì)入手，壓縮高照明環(huán)境時的光電響應靈敏度曲線，增大像素的漂浮節(jié)點FD處的光電電荷飽和容量，推遲像素的飽和時間，擴大傳感器的動態(tài)范圍。例如，在低照明環(huán)境時，漂浮節(jié)點FD的電容為1.2fF，漂浮節(jié)點FD的電壓擺幅為IV，那么電荷飽和容量為7491，恰好飽和時對應的光照量為Q1 ;若在高照明環(huán)境時，F(xiàn)D的電容增大為2fF，則電荷飽和容量增大為12484，恰好飽和時對應的光照量為Q2 ;從而傳感器像素所能探測到照明范圍增大到原來的
1.67 (Q2A)1 = 12484/7491 = 1.67)倍，即動態(tài)范圍擴大到原來的1.67倍。以此方式工作的圖像傳感器像素探測到了高照明環(huán)境下的更多實物細節(jié)信息，從而提升了傳感器輸出的圖像品質(zhì)。
[0041]具體實施例:
[0042]如圖2所示，在圖1所示四晶體管像素的基礎(chǔ)上添加了部分元器件，輔助晶體管(電容)203的柵端與漂浮節(jié)點FD相連，其源漏端SD與第二光電二極管201相連，第二復位晶體管202可在曝光開始前做出清除第二光電二極管201中電荷的操作；電容Ca表示輔助晶體管203的輔助電容，電容Ca包括器件源漏交疊電容Cv和器件柵氧電容Cx兩部分；電容Cf表示電容Ca之外的其他部分漂浮節(jié)點FD寄生電容；其中FD的總電容Cfd等于Ca電容與Cf電容的和。
[0043]本實施例中，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。圖2中，所標注的TX為傳輸晶體管102的柵極，RX為第一復位晶體管103的柵極，SX為行選擇晶體管105的柵極，AUX為第二復位晶體管202的柵極，Vdd為電源電壓，106為列位線作為輸出光電信號的通道。其中，若柵極為高電壓，例如Vdd,表不開啟此晶體管；若柵極為低電壓，例如gnd,表示關(guān)閉此晶體管。
[0044]實施本實施例的像素時序控制示意圖如圖3所示，時序301所完成的操作是，曝光開始前，同時清除第一光電二極管101和第二光電二極管201勢阱中的電子，勢阱電勢升高，稱為復位光電二極管；具體操作是，在h時刻將TX、RX和AUX同時由低電平置為高電平，開啟晶體管102、103和202，同時SX保持低電平，T01時段后，在&時刻將TX、RX和AUX同時置為低電平，關(guān)閉晶體管102、103和202，SX保持低電平，時序301操作完成，第一和第二光電二極管同時開始曝光。[0045]第二個時序302所完成的操作是，曝光結(jié)束前清除FD處的電子，F(xiàn)D電勢升高，稱為復位FD ;具體操作是，在t2時刻將RX由低電平置為高電平，開啟晶體管103，同時TX、AUX和SX保持低電平，T23時段后，在t3時刻將RX置為低電平，TX、AUX和SX保持低電平，時序302操作完成。時序操作302完成后，在t3與t4時間段內(nèi)，完成讀取復位信號的操作，在這里不做細節(jié)闡述。
[0046]第三個時序303所完成的操作是，將第一光電二極管101產(chǎn)生的光電電子傳輸至FD ;具體操作是，在t4時刻將TX和SX由低電平置為高電平，開啟晶體管102和105，同時RX和AUX保持低電平，T45時段后，將TX和SX置回低電平置，關(guān)閉晶體管102和105，時序303操作完成，第一光電二極管101曝光結(jié)束。其中，在T45時段后期，由源跟隨晶體管104所探測到的光電信號通過列位線106被讀出電路讀出并記錄下來。曝光周期結(jié)束時，在第二光電二極管201中產(chǎn)生的光電電子量與入射光照量成正比,此光電電子量控制著晶體管203的源漏SD處的電勢。
[0047]實施本實施例的關(guān)鍵在于FD總電容Cfd在〖3時刻可跟隨入射光照量的多少而自動調(diào)節(jié)其電容量，如圖4所示。若光照量小于E1，光電二極管201中產(chǎn)生的電子少，輔助電容晶體管203的源漏端電勢高，此晶體管工作在截止區(qū)，電容CA只有Cv分量，則Cmin = CF+CV ；若光照量大于E2,光電二極管201中產(chǎn)生的電子多，降低了輔助電容晶體管203的源漏端電勢，晶體管203工作在強反型區(qū)，電容CA包括Cv和Cx兩部分，則Cmax = CF+CV+CX ;如光照量處于E1與E2之間，則晶體管203工作在弱反型區(qū)，隨著入射光照量的增加電容CA逐漸由Cv增大到Cv+Cx。FD電容量增大，在固定的電壓擺幅下，電子飽和容量也會增大同樣倍數(shù)，在這里假設(shè)光電二極管101產(chǎn)生的電子數(shù)量大于FD電子飽和容量，那么像素的動態(tài)范圍可以增大到原來的倍數(shù)( M)可表達為:
[0048]M = Cmax/Cmin
[0049]= (CF+CV+CX) / (CF+CV)
[0050]= I+Cx/ (CF+CV)
[0051]眾所周知，MOS晶體管工作在強反型區(qū)時，Cx遠大于Cv，若Cf也設(shè)計的合理，可假設(shè)Cx為1.2fF, Cf為IfF，Cv為0.2fF，那么像素的動態(tài)范圍可增大到原來的2倍。像素動態(tài)范圍的增大，像素采集到了更多的高照明環(huán)境下的細節(jié)信息，因而提高了傳感器輸出圖像的品質(zhì)。
[0052]上述有源像素可用于CMOS圖像傳感器的傳感器陣列403，如圖5所示。圖5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401，像素矩陣陣列403，處理電路、記憶元件和輸入輸出電路404，以及邏輯與門電路402。每個組成元件形成于單獨的硅基體上，并采用標準的CMOS制造工藝集成于一個獨立的芯片上。
[0053]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種有源像素，包括置于半導體基體中的第一感光元件、位于所述第一感光元件與漂浮節(jié)點之間的傳輸晶體管、連接漂浮節(jié)點的第一復位晶體管，還包括連接漂浮節(jié)點的源跟隨晶體管、行選擇晶體管和列位線，其特征在于，所述有源像素還包括第二感光元件，所述第二感光元件通過輔助電容與所述漂浮節(jié)點連接，所述第二感光元件還連接有第二復位晶體管； 所述第二感光元件用于測試入射光照量； 所述第二復位晶體管用于在曝光開始前清除所述第二感光元件勢阱中的電荷； 所述輔助電容用于根據(jù)所述第二感光元件所接收到的光照量而自動調(diào)整其大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述第一感光元件和第二感光元件包括以下任一種或多種元件: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硅柵型光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源像素，其特征在于，所述輔助電容為能用于作為MOS晶體管工作的晶體管電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3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感光元件連接、柵極與所述漂浮節(jié)點連接。
5.一種圖像傳感器，在垂直和水平方向上以矩陣方式排列若干有源像素，其特征在于，所述有源像素為權(quán)利要求1至4任一項所述的有源像素。
6.一種權(quán)利要求1至4任一項所述的有源像素的控制時序，其特征在于，包括步驟: 首先，同時開啟所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，清除所述第一感光元件和第二感光元件勢阱中的電荷； 然后，關(guān)閉所述傳輸晶體管、第一復位晶體管和第二復位晶體管，所述第一感光元件和第二感光元件開始曝光； 曝光結(jié)束時，清除所述漂浮節(jié)點的電荷后，將所述第一感光元件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至所述漂浮節(jié)點； 所述漂浮節(jié)點的電容量通過所述第二感光元件接收到的入射光照量控制所述輔助電容的源漏電勢高低而自動調(diào)節(jié)。
【文檔編號】H04N5/374GK104010142SQ201410262327
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】郭同輝, 陳杰, 劉志碧, 唐冕, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司