高动态范围图像传感器像素的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高动态范围图像传感器像素，该像素由光电二极管、转移控制开关、至少一个高动态晶体管构成的高动态控制结构、复位开关、放大器以及行选开关组成；所述复位开关的一端接电源电压，另一端通过高动态控制结构连接到节点；转移控制开关的两端分别接到光电二极管的负极和节点，光电二极管的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点和行选开关。本发明利用高动态晶体管的沟道来存储第二次转移的电子，相比于现有技术的5晶体管像素，该像素中减少了一个大电容，节省像素面积的同时简化了版图连线，可充分提高填充因子，提升量子效率。
【专利说明】高动态范围图像传感器像素
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体图像感测【技术领域】，具体涉及一种高动态范围图像传感器像素。
【背景技术】
[0002]为提高图像传感器动态范围，发明了5晶体管图像传感器像素，典型5晶体管图像传感器像素架构如图1所示。该像素高动态工作原理为:
[0003]1.在曝光开始之前，闭合复位开关RST、高动态控制晶体管HDR和转移控制开关TX,清空光电二极管H)中的电子；
[0004]2.断开TX，像素开始曝光。
[0005]3.曝光结束之前，断开RST，在像素电压输出端采集一个低增益复位电压值；
[0006]4.断开HDR，在像素电压输出端采集一个高增益复位电压值；
[0007]5.打开TX，结束曝光，光生电子转移至FD中；
[0008]6.断开TX之后，在像素电压输出端采集一个高增益信号电压值；
[0009]7.闭合HDR，使FD端并联一个大电容Cl ；
[0010]8.再次闭合后断开TX，使第一次没有转移完全的电子转移至具有大电容的FD，在像素电压输出端采集一个低增益信号电压值；
[0011]通过后续信号处理，综合两幅高低增益图像，可以得到一副高动态范围图像。
[0012]这种典型5晶体管像素中的Cl为一个MOS晶体管电容器，第二次电子转移时，将电子存储在晶体管的栅上，存储电荷的数量决定信号电压大小。由于该像素采用一个大电容Cl存储第二次转移的电子，像素面积较大，同时版图连线较复杂。
【发明内容】
[0013]本发明要解决的技术问题是提供一种在节省像素面积的同时简化了版图连线的高动态范围图像传感器像素，该像素可充分提高填充因子，提升量子效率。
[0014]为了解决上述技术问题，本发明的高动态范围图像传感器像素由光电二极管、转移控制开关、至少一个高动态晶体管构成的高动态控制结构、复位开关、放大器以及行选开关组成；所述复位开关的一端接电源电压VD1，另一端通过高动态控制结构连接到节点；转移控制开关的两端分别接到光电二极管的负极和节点，光电二极管的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点和行选开关。
[0015]所述高动态控制结构由一个高动态晶体管构成；高动态晶体管的漏极接复位开关，源极连接到节点。
[0016]所述高动态控制结构由多个高动态晶体管构成，每个高动态晶体管与相邻的高动态晶体管之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管的漏极接复位开关，最后一个高动态晶体管的源极连接到节点。
[0017]理论上高动态晶体管的栅宽越宽，栅长越长，沟道中可以容纳的电子数越多，像素动态范围越高。但是实际上，较大的高动态晶体管会占用像素的有效感光面积，影响光电二极管容纳光生电子的能力。如果光电二极管可容纳的电子很少，那么经过第二次转移，可能无法达到9_。因此本发明采用下述方法确定高动态晶体管的栅极面积:
[0018]当高动态控制结构由一个高动态晶体管构成时，该高动态晶体管的栅极面积S满足式(I);
[0019]Qfflax/ (AVfflaxXCox) ^ S<A (I)
[0020]A为单个像素的面积。考虑到较大的HDR晶体管占用像素内有效感光面积，要保证感光面积足够大，S的最大值通常不可超过单个像素面积的百分之60%，即:
[0021]Qfflax/ (AVfflaxXCox) ^ S<0.6XA (2)
[0022]其中Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，AVfflax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
[0023]综合考虑像素的有效感光面积和光电二极管容纳光生电子的能力，高动态晶体管的栅极面积S优选满足式(3)
[0024]Qfflax/ ( Δ Vfflax X Cox )≤ S ≤ 2 X Qfflax/ ( Δ Vfflax XCox) (3)
[0025]当高动态控制结构由多个高动态晶体管构成时，所有高动态晶体管的栅极面积之和S’满足式(2)；
[0026] Q-/ (AV-XCox)≤ S，〈A (4)
[0027]其中A为单个像素的面积，Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，AVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
[0028]综合考虑像素的有效感光面积和光电二极管容纳光生电子的能力，所有闻动态晶体管HDR的栅极面积S’优选满足式(5)
[0029]Qfflax/ ( AVfflaxXCox)≤ S，≤ 2XQfflax/ ( AVfflaxXCox) (5)
[0030]该像素高动态工作原理如下:
[0031]1.在曝光开始之前，闭合复位开关RST、高动态控制结构中的各高动态晶体管和转移控制开关TX，清空光电二极管ro中的电子；
[0032]2.断开转移控制开关TX，像素开始曝光。
[0033]3.曝光结束之前，断开复位开关RST，在像素电压输出端采集一个低增益复位电压值；
[0034]4.断开高动态控制结构中的各高动态晶体管，在像素电压输出端采集一个高增益复位电压值；
[0035]5.打开转移控制开关TX，结束曝光，光生电子转移至FD中(第一次光生电子转移)；
[0036]6.断开转移控制开关TX之后，在像素电压输出端采集一个高增益信号电压值；
[0037]7.闭合高动态控制结构中的各高动态晶体管；
[0038]8.再次闭合后断开转移控制开关TX，使第一次没有转移完全的电子转移至各高动态晶体管的沟道中(第二次光生电子转移)，在像素电压输出端采集一个低增益信号电压值；
[0039]通过后续信号处理，综合两幅高低增益图像，可以得到一副高动态范围图像。真实世界场景的动态范围接近180dB，人眼能够响应的动态范围可达140dB，而普通CMOS图像传感器的动态范围只有50?70dB左右，无法记录高动态自然场景。本发明所述的图像传感器架构一般可以达到90dB至IlOdB的高动态范围。
[0040]本发明利用HDR晶体管的沟道来存储第二次转移的电子，相比于现有技术的5晶体管像素，该像素中减少了一个大电容，节省像素面积的同时简化了版图连线，可充分提高填充因子，提升量子效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0042]图1为现有技术的5晶体管图像传感器像素结构示意图。
[0043]图2为本发明的高动态范围图像传感器像素实施例1结构示意图。
[0044]图3为晶体管HDR的立体结构示意图。
[0045]图中:1.栅极2.衬底3.漏极4.源极
[0046]图4为本发明的高动态范围图像传感器像素实施例2结构示意图。
[0047]图5为本发明实施例2的具体结构示意图。
【具体实施方式】
[0048]实施例1
[0049]如图2所示，本发明的高动态范围图像传感器像素由光电二极管H)、转移控制开关TX、由一个高动态晶体管HDR构成的高动态控制结构、复位开关RST、放大器以及行选开关SEL组成；所述复位开关RST的一端接电源电压VDl，另一端连接到高动态晶体管HDR的漏极，高动态晶体管HDR的源极连接到节点FD ;转移控制开关TX的两端分别接到光电二极管H)的负极和节点FD，光电二极管H)的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点FD和行选开关SEL。
[0050]当第二次转移的电子存储在沟道时，存储的电荷量为Q，在栅电容的作用下将引起源极、漏极和沟道的电位变化M。该AV即为第二次转移的信号值，其值等于低增益复位电压值与低增益信号电压值之差。
[0051]Q=Q I+Q2
[0052]其中，Ql为第一次转移至FD中的电子数，Q2为第二次转移的电子数。
[0053]第二次转移的电子数与光电二极管的曝光量(表征曝光时间内入射光子的个数)有关，曝光量H为光照强度E (单位W/m2)和曝光时间texp (单位为s:秒)的乘积。光照强度越大，曝光时间越长，在光电二极管中产生的电子数越多。
[0054]第一次打开TX，光电二极管中产生的电子转移至FD中。如果曝光量较小，光电二极管中产生的电子较少，为Q1，可以全部转移至FD，光电二极管被清空。第二次打开TX之前，闭合高动态晶体管HDR，FD中电子转移至高动态晶体管HDR沟道中。第二次打开TX后，由于光电二极管已被清空，没有额外电子转移至高动态晶体管HDR沟道中，高动态晶体管HDR中的电子数仍为第一次转移的Ql。Ql较小，可以产生一个较小的信号值AV。
[0055]如果曝光量较大，光电二极管中产生的电子较多，在第一次转移后，FD被电子填满，仍有大部分电子未从光电二极管中转移出。第二次打开TX之前，闭合高动态晶体管HDR, FD中电子转移至高动态晶体管HDR沟道中。第二次打开TX后，除第一次转移的电子Ql，还将有额外电子Q2从光电二极管转移至高动态晶体管HDR沟道中。
[0056]对于一个特定面积的高动态晶体管HDR，该高动态晶体管HDR可以容纳的极限电子数为Qsat_HDR。对于一个特定面积的光电二极管，其可以容纳的极限电子数为Qsat_PD。如果Qsat_PD小于Qsat_HDR,经过第二次转移,光电二极管中的电子可以完全转移至高动态晶体管HDR沟道中，总电子数没有达到Qsat_HDR，可以得到第二次转移的信号值AV ;如果Qsat_PD大于Qsat_HDR，经过第二次转移，高动态晶体管HDR沟道中电子数达到Qsat_HDR，第二次转移的信号值即为极限电位变化AVlimit。
[0057]对于一个像素而言，第二次转移可达到的电位变化的最大值由像素工艺参数与后端处理电路的处理能力共同决定，本领域技术人员可以根据像素工艺参数与后端处理电路的处理能力得到一个估计值作为第二次光生电子转移信号的最大期望值AVmaxt5 AVmax小于AVlimit。第二次转移后沟道内可存储的电荷量Q的最大值由像素的动态范围决定，本领域技术人员可以根据用户对动态范围的需求设定一个估计值作为第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值Qmax。本发明分别根据式(1-1)、(1-2)确定高动态晶体管HDR的栅极面积S的最小值和最大值:
[0058]Smin=ffXL(rnin)=Qmax/ (Cox* AVmax) (1-1)
[0059]Smax=WXL(min) =2XQmax/ (Cox* AVmax) (1-2)
[0060]其中W为HDR栅宽，L为HDR栅长(如图3所示);Cox为单位面积栅氧电容，当传感器制造工艺被确定之后，该参数随之确定(其具体数值可通过本领域公知的方法测定)。
[0061]实施例2
[0062]如图4所示，本发明的高动态范围图像传感器像素由光电二极管H)、转移控制开关TX、由多个高动态晶体管HDR构成的高动态控制结构、复位开关RST、放大器以及行选开关SEL组成；所述复位开关RST的一端接电源电压VDl ;高动态控制结构中的每个高动态晶体管HDR与相邻的高动态晶体管HDR之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管HDR的漏极接复位开关RST，最后一个高动态晶体管HDR的源极连接到节点FD ;转移控制开关TX的两端分别接到光电二极管H)的负极和节点FD，光电二极管H)的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点FD和行选开关SEL。
[0063]电子动态转移控制结构中所有高动态晶体管HDR的栅极面积之和S’满足式(2-1)、 (2-2):
[0064]Sniin, =WX L (min)=Q眶/ (Cox.Λ V眶)(2-1)
[0065]Smax，=WXL(min) =2XQmax/ (Cox.AVfflax) (2-2)
[0066]其中Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，AVfflax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
[0067]Qmax, Δ Vmax的设定同实施例1。
[0068]本发明所述的像素中，转移控制开关TX为NMOS结构，复位开关RST、高动态晶体管HDR和行选开关SEL可以选用NMOS晶体管或PMOS晶体管；放大器电路通常采用一级NMOS源跟随器的架构(如图5所示)，但也可以采取其他架构，比如PMOS源跟随器或多级源跟随器架构。
【权利要求】
1.一种高动态范围图像传感器像素，其特征在于由光电二极管(PD)、转移控制开关(TX)、至少一个高动态晶体管(HDR)构成的高动态控制结构、复位开关(RST)、放大器以及行选开关(SEL)组成；所述复位开关(RST)的一端接电源电压VD1，另一端通过高动态控制结构连接到节点(FD);转移控制开关(TX)的两端分别接到光电二极管(PD)的负极和节点(FD)，光电二极管(PD)的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点(FD)和行选开关(SEL)。
2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态控制结构由一个高动态晶体管(HDR)构成；高动态晶体管(HDR)的漏极接复位开关(RST)，源极连接到节点(FD)。
3.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态控制结构由多个高动态晶体管(HDR)构成，每个高动态晶体管与相邻的高动态晶体管之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管的漏极接复位开关(RST)，最后一个高动态晶体管的源极连接到节点(FD)。
4.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态晶体管(HDR)的栅极面积S满足式(I):
Qmax/ (AVfflaxXCox) ^ S<A (I) A为单个像素的面积，Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，AVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
5.根据权利要求4所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态晶体管(HDR)的栅极面积S满足式(2):
Qmax/ (AVfflaxXCox) ^ S<0.6XA (2)。
6.根据权利要求5所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述HDR晶体管的栅极面积S满足式(3);
Qmax/ ( Δ Vfflax X Cox )≤ S ≤ 2 X Qfflax/ ( Δ Vfflax XCox) (3) 其中为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
7.根据权利要求3所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态控制结构中所有HDR晶体管的栅极面积之和S’满足式(4)； Q-/ (AV-XCox)≤ S，〈A (4) 其中A为单个像素的面积，Qfflax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，AVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。
8.根据权利要求7所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态控制结构中所有HDR晶体管的栅极面积之和S’满足式(5)；
Qmax/ ( AVfflaxXCox) < S，< 2XQfflax/ ( AVfflaxXCox) (5)。
【文档编号】H04N5/355GK103873787SQ201410132938
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】阿德里·约翰尼斯·米尔普, 周泉, 马成, 王欣洋 申请人:长春长光辰芯光电技术有限公司