基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器及信号读出方法与流程

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器及其信号读出方法。

背景技术：

随着现代信息技术的发展，图像获取和处理技术也得到了相应的提高，图像传感器作为图像处理的基本设备，正日益广泛地应用于各个领域。

以半导体技术和工艺为基础的电子图像传感器主要包括电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器(CIS)两种。其中CIS由于采用标准CMOS工艺，易于与电路进行集成制造，具有低功耗、低成本等一系列优点，近年来获得了越来越广泛的应用，尤其在专业摄像等领域开始占据主导地位。

动态范围(DR)是CIS的一项重要指标，用于标定图像传感器所能处理的光强范围，该范围用分贝(dB)做单位。提高动态范围一方面需要降低CIS的最小可探测光强，即提高弱光下像素信噪比。另一方面需提高像素的最大可探测光强，其主要受像素积分电容大小(即阱容量)影响。

传统CIS像素电路使用光电探测器势阱容量有限，当光强增大到一定程度，最大输出信号出现饱和；而当光强较弱时，光电探测器产生的光生电流过小而容易被环境噪声所湮灭。所以，一般CIS的动态范围较低，尚达不到自然界光强的范围。

为了提高CMOS图像传感器动态范围，目前常用以下几种技术：(1)提高势阱容量，即增大积分电容C_ph。(2)多次采样技术，即通过多次曝光对同一场景进行采样，此种方式需要较为复杂的外部读取和存储电路，且不适合高速摄影场景。(3)多探测器像素，即在一个像素单元中集成两个光电二极管，一个用于弱光条件，一个用于强光条件，但其电路结构复杂，且没有从根本上解决势阱容量问题，增加DR的能力有限。(4)对数响应技术。对数模式CIS工作在连续方式，像素中DP连接一个栅漏极短接的MOS管做负载。当MOS管工作在亚阈值区域时具有近似对数电流电压关系，使得输入信号与光强的对数成正比，从而扩展DR。但由于亚阈值MOS管性能受工艺影响很大，导致CIS固定模式噪声(FPN)很大；(5)线性对数复合模式，这种技术结合了线性模式和对数模式的优点，可以在低中等光强条件下得到信噪比较高的图像，同时在强光条件下能保持较高的动态范围。该方法的缺点是需要非常复杂的电路来进行线性和对数模式的判别和转换。

此外还有其他较为复杂的方式来提高动态范围，但目前为止还没有一种理想的方法出现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于两次电荷转移技术的高动态范围图像传感器，和标准商业CMOS工艺完全兼容。目的在于在像素单元结构内，通过判断入射光的强弱从而产生两路复位信号RST和两路电荷转移控制信号TG，使得在弱光下具有良好的线性响应，而在强光下进行两次电荷转移从而获得良好的线性响应且保持非饱和状态，进而获得图像传感器动态范围的增强。

本发明所述的基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器，包括光电转换模块、行列读出控制模块、相关双采样电路、列放大器及模数转换器；相关双采样电路对光电转换模块读出的数据进行采样，并滤除一部分系统噪声，列放大器将相关双采样电路采集到的模拟数据进行放大，由行列读出控制送给模数转换器进行数字化。

所述的光电转换模块由一个M×N阵列的像素单元组成(M、N均为正偶数)，每个像素单元由4T(Transistor)像素、比较器模块、锁存器模块及二选一多路选择器模块组成；在外部光信号的作用下，像素单元产生随光强变化的像素信号，实际上就是起到将光信号转换成电信号的作用；4T像素输出信号连接到比较器的反向输入端，而比较器的正向输入端连接的是参考电压Vref；比较器的输出连接到锁存器Latch上，每一次比较器输出跳转时，都能锁存住数字码；锁存器的输出连接到二选一多路选择器，用以根据光强信息产生复位信号RST和电荷转移信号TG。

图3给出了采用标准4管(4T)结构的像素单元结构示意图，在P型衬底(P-sub)上通过扩散或注入工艺生长N阱区(n-well)以及重掺杂的N+区(n+)，N阱区上通过离子注入生长重掺杂的p+区。在两个N阱区n-well、n+之间通过干氧法氧化制备栅氧层，并在栅氧层上淀积多晶硅层，形成TG栅。具体连接方式为：M1、SF管的漏端同时与模拟电源Vdd相连，复位信号RST接至M1管的栅极，M1管的源端与SF管的栅极以及TG栅一侧的n+区浮置节点FD相连，SF管的源端连接M2管的一端，M2管的另一端与并行信号总线Signal Bus相连，行选信号RS接至M2管的栅极。其中，晶体管M1和M2作为开关管使用，SF为源跟随器，Vdd为电源电压。

P型衬底为硅Si，掺杂材料为硼B，掺杂浓度为1×10¹⁶/cm³～5×10¹⁶/cm³

重掺杂P区的掺杂材料为硼B，掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁶/cm³。

当行选择信号RS给出时，M2管开启，将SF源端的电压传输至并行信号总线Signal Bus上。电路进行复位操作时，M1管和TG栅均打开，将TG栅一侧n+区浮置节点FD复位至Vdd-V_TH1，同时清空TG栅另一侧p+、n区积累的光生电荷。TG 栅与M1管关断后，电路进入积分状态，C_PD(光电二极管的结电容)上的电压由Vdd开始下降，其存储电荷的多少与光强有关。当需要读出时，TG栅再次打开，将存储在C_PD上的电荷转移至TG一侧的n+区之中。SF管的源端电压同样将跟随n+区浮置节点FD电平的变化，将像素信号传输至并行信号总线Signal Bus上，读取周期完毕，M2管断开。

基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器的信号读出方法，具体步骤如下:

步骤一：电路进行复位操作，M1管和TG栅均打开，将TG栅一侧n+区浮置节点FD复位至Vdd-V_TH1，同时清空TG栅另一侧p+n区积累的光生电荷；

步骤二：TG栅与M1管关断，电路进入积分状态，到达t₀时，TG栅打开，存储在光电二极管PD中的光生电荷转移到浮置节点FD中；

步骤三：电荷转移完成后，源跟随器的源端电压V_S与比较器正向输入端的参考电压V_ref比较：

如果电压V_S大于参考电压V_ref，则可判断出入射光为弱光，直到积分结束都不会再有电荷转移，浮置节点FD的电压保持不变，t₂时刻，源跟随器的输出电压V_S被采集并转换，之后开启下一帧，重复以上步骤；

如果电压V_S小于参考电压V_ref，则可判断入射光为强光，在时刻t₁，传输栅TG打开，存储在光电二极管PD中的光生电荷转移到浮置节点FD中，同时晶体管M1被复位，然后TG栅和复位管M1关闭，电路进入积分工作模式；在时刻t₂，传输栅TG再次打开，此时源跟随器SF的输出点电压被采集并转换，之后开启下一帧，重复以上步骤；

其中：V_TH1为晶体管M1的阈值电压，C_PD为光电二极管的结电容，t₀为第一次电荷转移发生的时刻，t₁为第二次电荷转移发生的时刻，t₂为整个积分过程结束的时刻。

图4给出了本次发明所提出的针对4T像素CMOS图像传感器动态范围增强的转换算法。其中P_ref代表像素刚好达到饱和时所对应的光强，而P_max代表着像素所能够探测到的最大光强，V_ref＝I_ref·t₀·C_pd为比较器正向输入端的参考电压。Q_FD为浮置节点FD内存储的电荷量，Q_full代表像素的满阱容量，Q_ref＝P_ref·t₀为参考电荷量。 t₂＝t₀+T_int。

图5给出了本发明所提出的动态范围增强算法所对应的转换时序图，当以恒定光强照射时，光电二极管将会产生大小为I_ph的光电流。电路进行复位操作时，M1管和TG栅均打开，同时清空TG栅左侧p+n区积累的光生电荷，晶体管M1将浮置节点FD复位到Vdd-V_TH1，在转换开始时，TG栅与M1管关断，电路进入积分状态，C_PD上的电压开始下降。经过一个短暂的积分时间t₀之后，传输栅TG打开，存储在光电二极管PD中的光生电荷迅速转移到浮置节点FD中。

电荷转移完成之后，源跟随器的源端电压V_S通过比较器与参考电压V_REF比较。如果电压V_S大于参考电压V_ref，则可判断出入射光为弱光，直到积分结束都不会再有电荷转移，浮置节点FD的电压保持不变。在t₂时刻，源跟随器的输出电压V_S被采集并转换，V_s2＝V_FD2-V_GS2，其中V_FD2为积分结束时刻浮置节点的电压，而V_GS2为源跟随器M2管的栅源电压。浮置节点的复位电压V_s1＝Vdd-V_TH1-V_GS2，其中V_TH1为晶体管M1的阈值电压。

此时，弱光的光强可以被表示为

如果电压V_S小于参考电压V_ref，则可判断出入射光为强光，在积分时刻t₁，传输栅TG打开，同时晶体管M1被复位。紧接着TG栅和复位管M1关闭，电路进入积分工作模式。在积分时刻t₂，传输栅TG再次打开，采集此时源跟随器M2的输出点电压V′_S2＝V_FD1-V_GS2，其中V_FD1为积分结束时刻浮置节点的电压。

此时，强光的光强可以被表示为

采用动态范围增强方法之前，像素可以探测到的最大光强为

而采用了动态范围增强算法时，像素可以探测到的最大光强为

因此，图像传感器的动态范围被增强了k-bit，

当k＝8时，动态范围增强理论上能够达到48.16dB。

图像传感器的信噪比(SNR)可以表示为

其中，i_ph为光电流,i_d为暗电流，为输入噪声功率。

与现有技术相比，本发明所述的高动态范围图像传感器具有以下优点：

1、在整个光强范围内都保持了线性响应，输出DN(Digital Number)值正比于入射光强度，大大简化了后续数字信号的处理过程。

2、光电探测器是由4T像素构成，可以使用相关双采样技术很大程度上降低系统噪声，具有较高的填充因子和简单的结构，无论在强光还是弱光下响应速度都非常快。

3、直接可以在像素内部使用简单的电路实现入射光强弱的判断，无需后续复杂电路的图像处理。

4、采用新的像素电路读出算法，通过改变调整K值，可以实现很高的动态范围增强。

附图说明

图1传统的图像传感器的系统架构示意图；

图2本发明的基于两次电荷转移的图像传感器的像素结构示意图；

图3本发明的4T结构的像素单元连接示意图；

图4本发明的CIS动态范围增强的转换算法示意图；

图5本发明的CIS动态范围增强的时序示意图；

图6本发明的CIS信噪比与入射光强的关系；

从图6中可以看出，本发明采用了0.18um 1P4M标准CIS工艺，相比于传统4T像素读出方式，仅仅增加了一次光强判断以及电荷转移的操作，在不需要进行比较时，比较器偏置电压拉低从而节省功耗，通过这种信号读出方法，CMOS图像传感器的动态范围实现了8bit的增强，由61.15dB增强到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步地说明。

本发明所述的图像传感器和标准CMOS工艺完全兼容，下面基于0.18μm 1P4M标准CIS工艺，基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器，包括光电转换模块、行列读出控制模块、相关双采样电路、列放大器及模数转换器；相关双采样电路对光电转换模块读出的数据进行采样，并滤除一部分系统噪声，列放大器将相关双采样电路采集到的模拟数据进行放大，由行列读出控制送给模数转换器进行数字化。

所述的光电转换模块由一个M×N阵列的像素单元组成，其中，M、N均为正偶数，每个像素单元由4T像素、比较器模块、锁存器模块及二选一多路选择器模块组成；在外部光信号的作用下，像素单元产生随光强变化的像素信号，实际上就是起到将光 信号转换成电信号的作用；4T像素输出信号连接到比较器的反向输入端，而比较器的正向输入端连接的是参考电压V_ref；比较器的输出连接到锁存器上，每一次比较器输出跳转时，都能锁存住数字码；锁存器的输出连接到二选一多路选择器，用以根据光强信息产生复位信号RST和电荷转移信号TG。

所述的4T像素如图3所示，4T结构中所有MOS管采用N管设计，像素积分电容由光电二极管结电容(p+和n-well)构成，浮置节点FD的电容由n+与p-sub结电容和源跟随器SF的栅电容构成。具体地，是在P型衬底上通过扩散或注入工艺生长N阱区以及重掺杂的N+区，N阱区上通过离子注入生长重掺杂的p+区；在两个N阱区、N+区之间通过干氧法氧化制备栅氧层，并在栅氧层上淀积多晶硅层，形成TG栅；具体连接方式为：M1、SF管的漏端同时与Vdd相连，复位信号RST接至M1管的栅极，M1管的源端与SF管的栅极以及TG栅一侧的n+区浮置节点FD相连，SF管的源端连接M2管的一端，M2管的另一端与并行信号总线相连，行选信号RS接至M2管的栅极；其中，晶体管M1和M2作为开关管使用，SF为源跟随器，Vdd为电源电压。

入射光采用600nm波长的单色光输入。器件P-sub掺杂浓度1×10¹⁶/cm³，N-well掺杂浓度1×10¹⁷/cm³，P+重掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³，N+重掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³，开关TG门为多晶硅栅，P型掺杂材料为硼B，N型掺杂材料为磷P。

实施例1：

基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器的信号读出方法，具体步骤如下:

步骤一：工作开始时，首先在复位期间，将传输栅控制信号TG和复位信号RST置为高电平3.3V，浮置节点FD被复位到2.3V，同时积分电容C_PD里的积分电荷完全转移进入浮置节点FD，读出此时源跟随器SF的源端电压V_s1。

步骤二：传输栅控制信号TG和复位信号RST拉为低电平，关断开关TG门和复位管M1，光电二极管进入积分工作模式。经过200ns(用于光强的判断)之后，再次打开TG门，积分电荷转移至浮置节点FD。

步骤三：通过比较器对像素输出点电压V_S与1.3V的参考电压V_ref进行比较。若比较器输出为低电平，则可判断此时入射光为弱光，通过二选一多路选择器MUX产生弱光对应的时序，即产生复位信号RST1和电荷转移信号TG1。从t0时刻即200ns时开始，电路进入长积分阶段，直到积分时间结束时刻t2即1.2ms时，TG门才再次打开，储存在光电二极管中的积分电荷转移到浮置节点FD中，源跟随器SF的栅端连接至节点FD上，其源端电压跟随栅压变化，此时读出源跟随器SF源端电压V_s2，由相关双采样电路采样之后由列放大器进行放大，再由模数转换器进行数字化。

实施例2：

基于两次电荷转移的高动态范围图像传感器的信号读出方法，具体步骤如下:

步骤一：工作开始时，首先在复位期间，将传输栅控制信号TG和复位信号RST置为高电平3.3V，浮置节点FD被复位到2.3V，同时积分电容C_PD里的积分电荷完全转移进入浮置节点FD，读出此时源跟随器SF的源端电压V_s1。

步骤二：传输栅控制信号TG和复位信号RST拉为低电平，关断开关TG门和复位管M1，光电二极管进入积分工作模式。经过200ns之后，再次打开TG门，积分电荷转移至浮置节点FD。

步骤三：通过比较器对像素输出点电压V_S与1.3V的参考电压V_ref进行比较，电荷转移完成之后再次开启复位管M1对光电二极管进行复位，随后关闭。若比较器输出为高电平，则可判断此时入射光为强光，通过二选一多路选择器MUX产生强光对应的时序，即产生复位信号RST2和电荷转移信号TG2。从t0时刻即200ns时开始，电路进入积分工作模式，到达积分时间t1时刻即1196ns时，再次打开传输栅控制信号TG和复位管M1，完成电荷的转移和复位操作。随后TG和RST被拉低至低电平，关闭TG门和复位管M1。之后进入到短积分阶段，在积分时间结束时刻t2即1.2ms时，TG门再次打开，储存在光电二极管中的积分电荷转移到浮置节点FD中，此时读出源跟随器SF源端电压V_S′₂，由相关双采样电路采样之后由列放大器进行放大，再由模数转换器进行数字化。

在不需要进行比较时，比较器偏置电压拉低从而节省功耗，通过这种信号读出方法，CMOS图像传感器的动态范围实现了8bit的增强，由61.15dB增强到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。