像素结构、传感器及信号采集方法与流程

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种多量子点共享读出电路的像素结构、传感器及信号采集方法。

背景技术：

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其可以基于电荷耦合器件(CCD)技术、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感技术或基于量子点的光电探测技术进行制备得到。

量子点是纳米尺寸的半导体晶粒，它具有禁带宽度随尺寸可调的的特性，其光吸收特性也是随之可调。通过选择合适的量子点材料和尺寸，可以采用溶液法制备对可见光或红外高灵敏度的量子点膜，工艺简单。量子点制备的光电探测器具有灵敏度高，波段易调制、工艺简单成本低等优势，市场前景广阔。同硅基的CMOS图像传感器比较，对于短波红外的检测，量子点具有成本低和性能优良的特点。

为了在硅片上实现光电集成，在过去的几十年，人们开展了大量硅基发光材料和器件的研究工作，如在硅衬底上集成III-V族发光材料，或者制作多孔硅等。然而，硅衬底上集成发光材料的重要因素是晶格匹配问题以及发光调制问题，而利用量子点则不需要考虑晶格匹配并且发光波长可通过粒径调控，如果能够在硅基上制作出量子点光敏电阻，并且结合业已成熟的CMOS图像传感技术，将能够制造价格更为低廉，感光波段更为宽广，灵敏度更高的硅基图像传感器。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种多量子点共享读出电路的像素结构、传感器及信号采集方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种像素单元结构，至少包括：多个量子点光敏电阻、多个信号存储电容复位MOS管和一个信号读取电路单元；其中，

多个量子点光敏电阻与多个信号存储电容复位MOS管之间一一对应连接，一个量子点光敏电阻对应连接一个信号存储电容复位MOS管作为一个并联单元；每个并联单元中，量子点光敏电阻的一端接参考电平Vqd，另一端与对应的另一端与复位开关管M1的源极相连，且信号存储电容复位MOS管的源极、漏极与参考电平Vqd相连，信号存储电容复位MOS管的栅极与传输管M2的漏极相连，信号存储电容复位MOS管的体电容接地；

信号读取电路单元包括：复位开关管(M1)、多个传输管(M2)、源跟随器(M3)、行选开关管(M4)和多个像素单元输入端；其中，复位开关管(M1)的栅极接像素输入端(RX)，复位开关管(M1)的源极接每个传输管(M2)的源极至一节点(FD)，复位开关管(M1)的漏极接复位电压(Vreset)；每个传输管(M2)的漏极对应连接一个量子点光敏电阻的一端以及对应连接一个信号存储电容复位MOS管的栅极，每个传输管(M2)的栅极与对应的一个像素单元输入端(TG)相连；源跟随器(M3)的漏极接电源(VDD)，源跟随器(M3)的源极接行选开关管(M4)的漏极，源跟随器(M3)的栅极与节点(FD)相连；行选开关管(M4)的栅极与行选输入端(RS)相连，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元结构的输出端；

其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。

优选地，量子点光敏电阻的数量、信号存储电容复位MOS管的数量、传输管(M2)的数量相同。

优选地，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。

为了达到上述目的，一种图像传感器，采用上述任一项所述的像素单元结构。

为了达到上述目的，一种采用上述的像素单元结构所进行的信号采集方法，包括以下步骤：

步骤01：将像素输入端(RX)和多个像素单元输入端(TG)置为高电平，复位开关管(M1)和多个传输管(M2)开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位；

步骤02：将其中一个像素单元输入端(TG)置为高电平，其它像素单元输入端(TG)置为低电平，将其它像素单元输入端(TG)对应的传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)和所述其中一个像素单元输入端(TG)对应的传输管(M2)开启，其它像素单元输入端(TG)对应的其它传输管(M2)关断；再将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，对所开启的传输管(M2)对应连接的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管开始曝光，并且开始对量子点光敏电阻流出的电流进行积分；然后，若对所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管都开始曝光，并且都开始对所对应的量子点光敏电阻流出的电流进行积分执行步骤04；若没有，则执行步骤03；

步骤03：将所有的像素单元输入端(TG)置为低电平，步骤02中所开启的传输管(M2)关断；重复步骤02，直至对所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管都开始曝光，并且都开始对所对应的量子点光敏电阻流出的电流进行积分；

步骤04：将像素输入端(RX)、所有的像素单元输入端(TG)置为低电平，复位开关管(M1)和所有的传输管(M2)关断；再将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；此时，节点(FD)处于第一复位电平；

步骤05：将所有的像素单元输入端(TG)置为低电平，所有的传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启；此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样，从而得到第一个复位电平采样结果；

步骤06：将其中一个像素单元输入端(TG)置为高电平，该其中一个像素单元输入端(TG)对应的传输管(M2)开启；将像素输入端(RX)和其它的传输管(M2)置为低电平，复位开关管(M1)和其它的传输管(M2)关断；此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管(M2)传递给了节点(FD)，从而使得节点(FD)处于第一个信号电平状态；

步骤07：将所有的像素单元输入端(TG)置为低电平，所有的传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启；此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样，从而得到第一个信号电平采样结果；若得到所有的传输管(M2)开启时所的对应的信号电平的采样，则执行步骤10；若没有，则执行步骤08；

步骤08：将所有的像素单元输入端(TG)置为低电平，步骤02中所述的其它传输管(M2)关断；将步骤02中所述的其中一个像素单元输入端(TG)置为高电平，复位开关管(M1)开启，所有传输管(M2)关断；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，节点(FD)被重新置位；

步骤09：重复步骤04至步骤07，直至得到所有的传输管(M2)开启时所的对应的信号电平的采样；

步骤10：将所有的像素单元输入端(TG)置为高电平，所有的传输管(M2)开启；将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断；此时，整个像素单元结构的输出端处于高阻态，所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管均被复位，节点(FD)被复位。

优选地，所述像素单元输入端(TG)的数量、传输管(M2)的数量、量子点光敏电阻的数量、信号存储电容复位MOS管的数量相同。

优选地，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。

本发明的像素结构中，多个量子点光敏电阻和多个信号存储电容复位MOS管共享了一组信号读取电路，从而节省了像素单元面积，提高了填充因子。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的像素结构的电路示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的对像素结构进行信号采集时序示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1-2和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例的一种像素单元结构，量子点光敏电阻的数量、信号存储电容复位MOS管的数量、传输管M2的数量相同，均为两个。其具体包括：两个量子点光敏电阻1-1、1-2、两个信号存储电容复位MOS管2-1、2-2和一个信号读取电路单元3；量子点光敏电阻1-1、1-2可以包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。

两个量子点光敏电阻1-1、1-2与两个信号存储电容复位MOS管2-1、2-2之间一一对应连接，量子点光敏电阻1-1对应连接信号存储电容复位MOS管2-1作为一个并联单元，量子点光敏电阻1-2对应连接信号存储电容复位MOS管2-2作为一个并联单元；每个并联单元中，量子点光敏电阻1-1的一端接参考电平Vqd，另一端与复位开关管M1的源极相连，且信号存储电容复位MOS管2-1的源极、漏极与参考电平Vqd相连，信号存储电容复位MOS管2-1的栅极与对应的传输管M2-1的漏极相连，信号存储电容复位MOS管2-1的体电容接地；量子点光敏电阻1-2的一端接参考电平Vqd，另一端与对应的信号存储电容复位MOS管2-2的源极相连，且信号存储电容复位MOS管2-2的源极、漏极与参考电平Vqd相连，信号存储电容复位MOS管2-2的体电容接地。

信号读取电路单元包括：复位开关管M1、两个传输管M2-1、M2-2，源跟随器M3、行选开关管M4和多个像素单元输入端TG-1、TG-2；其中，复位开关管M1的栅极接像素输入端RX，复位开关管M1的源极连接传输管M2-1和M2-2的源极至一节点FD，复位开关管M1的漏极接复位电压Vreset；传输管M2-1的漏极对应连接量子点光敏电阻1-1的一端以及对应连接信号存储电容复位MOS管2-1的栅极，传输管M2-2的漏极对应连接量子点光敏电阻1-2的一端以及对应连接信号存储电容复位MOS管2-2的栅极。

传输管M2-1的栅极与对应的像素单元输入端TG-1相连，传输管M2-2的栅极与对应的像素单元输入端TG-2相连；源跟随器M3的漏极接电源VDD，源跟随器M3的源极接行选开关管M4的漏极，源跟随器M3的栅极与节点FD相连；行选开关管M4的栅极与行选输入端RS相连，行选开关管M4的源极作为整个像素单元结构的输出端；

其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。

本实施例还提供了一种图像传感器，其采用本实施例的上述像素单元结构。

本实施例还提供了一种采用本实施例的上述像素单元结构所进行的信号采集方法，如图2所示，为本实施例的对像素结构进行信号采集时序示意图，图2中，Exp time表示曝光时间，TG time表示两组像素单元输入端TG-1和TG-2之间的曝光开始的间隔时间，请结合图1和图2，本实施例的信号采集方法包括以下步骤：

步骤01：将像素输入端RX和多个像素单元输入端TG置为高电平，复位开关管M1和多个传输管M2开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位；

具体的，这里将像素输入端RX和像素单元输入端TG-1、TG-2置为高电平，复位开关管M1和传输管M2-1和M2-2开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，信号存储电容复位MOS管和量子点光敏电阻复位。

步骤02：将其中一个像素单元输入端TG置为高电平，其它像素单元输入端TG置为低电平，将其它像素单元输入端TG对应的传输管M2关断；将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1和所述其中一个像素单元输入端TG对应的传输管M2开启，其它像素单元输入端TG对应的其它传输管M2关断；再将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，对所开启的传输管M2对应连接的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管开始曝光，并且开始对量子点光敏电阻流出的电流进行积分；然后，若对所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管都开始曝光，并且都开始对所对应的量子点光敏电阻流出的电流进行积分执行步骤04；若没有，则执行步骤03；

具体的，将像素单元输入端TG-1置为低电平，将像素单元输入端TG-1对应的传输管M2-1关断；将像素输入端RX置为高电平，像素单元输入端TG-2置为高电平，复位开关管M1和像素单元输入端TG-2对应的传输管M2-2开启，像素单元输入端TG-1对应的传输管M2-1关断；再将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，对所开启的传输管M2-2对应连接的量子点光敏电阻1-2和信号存储电容复位MOS管2-2开始曝光，并且开始对量子点光敏电阻1-2流出的电流进行积分；此时，由于传输管M2-1对应连接的量子点光敏电阻1-1和信号存储电容复位MOS管2-1还未开始曝光，并且开始对量子点光敏电阻1-1流出的电流还未开始积分，则执行步骤03；

步骤03：将所有的像素单元输入端TG置为低电平，步骤02中所开启的传输管M2关断；重复步骤02，直至对所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管都开始曝光，并且都开始对所对应的量子点光敏电阻流出的电流进行积分；

具体的，将像素单元输入端TG-1和TG-2置为低电平，步骤02中所开启的传输管M2-2关断；接下来，该进行对量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管的曝光，并且对所对应的量子点光敏电阻流出的电流的积分，则重复步骤02，具体包括：

将像素单元输入端TG-2置为低电平，将像素单元输入端TG-2对应的传输管M2-2关断；将像素输入端RX置为高电平，像素单元输入端TG-1置为高电平，复位开关管M1和像素单元输入端TG-1对应的传输管M2-1开启，像素单元输入端TG-2对应的传输管M2-2关断；再将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，对所开启的传输管M2-1对应连接的量子点光敏电阻1-1和信号存储电容复位MOS管2-1开始曝光，并且开始对量子点光敏电阻1-1流出的电流进行积分；此时，由于传输管M2-1对应连接的量子点光敏电阻1-1和信号存储电容复位MOS管2-1、以及传输管M2-2对应连接的量子点光敏电阻1-2和信号存储电容复位MOS管2-2都开始曝光和积分，则执行步骤04；

步骤04：将像素输入端RX、所有的像素单元输入端TG置为低电平，复位开关管M1和所有的传输管M2关断；再将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；此时，节点FD处于第一复位电平；

具体的，将像素输入端RX、所有的像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，复位开关管M1和所有的传输管M2-1、M2-2关断；再将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；此时，节点FD处于第一复位电平Vreset 1。

步骤05：将所有的像素单元输入端TG置为低电平，所有的传输管M2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样C1，从而得到第一个复位电平采样结果；

具体的，将所有的像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，所有的传输管M2-1、M2-2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样C1，从而得到第一个复位电平采样结果。

步骤06：将其中一个像素单元输入端TG置为高电平，该其中一个像素单元输入端TG对应的传输管M2开启；将像素输入端RX和其它的传输管M2置为低电平，复位开关管M1和其它的传输管M2关断；此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管M2传递给了节点FD，从而使得节点FD处于第一个信号电平状态；

具体的，将像素单元输入端TG-1置为高电平，像素单元输入端TG-1对应的传输管M2-1开启；将像素输入端RX和传输管M2-2置为低电平，复位开关管M1和传输管M2-2关断；此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻1-1的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管M2-1传递给了节点FD，从而使得节点FD处于第一个信号电平状态；

步骤07：将所有的像素单元输入端TG置为低电平，所有的传输管M2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样C2，从而得到第一个信号电平采样结果；若得到所有的传输管M2开启时所的对应的信号电平的采样，则执行步骤10；若没有，则执行步骤08；

具体的，将像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，所有的传输管M2-1、M2-2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样C2，从而得到第一个信号电平采样结果；然后，由于还没有得到传输管M2-2开启时所的对应的信号电平的采样，则执行步骤08；

步骤08：将所有的像素单元输入端TG置为低电平，步骤02中所述的其它传输管M2关断；将步骤02中所述的其中一个像素单元输入端TG置为高电平，复位开关管M1开启，所有传输管M2关断；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，节点FD被重新置位；

具体的，将所有的像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，传输管M2-1关断；将像素单元输入端TG-1置为高电平，复位开关管M1开启，所有传输管M2-1、M2-2关断；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，节点FD被重新置位；

步骤09：重复步骤04至步骤07，直至得到所有的传输管M2开启时所的对应的信号电平的采样；

具体的，接下来对传输管M2-2开启时所的对应的信号电平的采样，重复步骤04-07，具体包括：

步骤04'，将像素输入端RX、所有的像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，复位开关管M1和所有的传输管M2-1、M2-2关断；再将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；此时，节点FD处于第二复位电平(Vreset 2)。

步骤05'，将像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，传输管M2-1、M2-2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第三次采样C3，从而得到第二个复位电平采样结果。

步骤06'，将像素单元输入端TG-2置为高电平，像素单元输入端TG-2对应的传输管M2-2开启；将像素输入端RX和传输管M2-1置为低电平，复位开关管M1和传输管M2-1关断；此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻1-2的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管M2-2传递给了节点FD，从而使得节点FD处于第二个信号电平状态；

步骤07'，将像素单元输入端TG-1、TG-2置为低电平，传输管M2-1、M2-2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启；此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第四次采样C4，从而得到第二个信号电平采样结果；然后，由于已经得到传输管M2-1、M2-2开启时所的对应的信号电平的采样，则执行步骤10；

步骤10：将所有的像素单元输入端TG置为高电平，所有的传输管M2开启；将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断；此时，整个像素单元结构的输出端处于高阻态，所有的量子点光敏电阻和信号存储电容复位MOS管均被复位，节点FD被复位。

具体的，将像素单元输入端TG-1、TG-2置为高电平，传输管M2-1和M2-1开启；将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断；此时，整个像素单元结构的输出端处于高阻态，所有的量子点光敏电阻1-1、1-2和信号存储电容复位MOS管2-1、2-2均被复位，节点FD被复位。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。