可变转换增益的图像传感器像素的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可变转换增益的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的第一光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区、第二光电二极管、第二复位晶体管、电容、开关晶体管；开关晶体管的漏极端与所述漂浮有源区相连，源极端与所述电容的一极端相连，栅极端与所述第二光电二极管相连；电容的另一极端与漂浮有源区相连；第二复位晶体管的源极端与所述第二光电二极管相连，漏极端与电源相连。采用降低高照明环境时传感器像素的光电转换增益来达到延迟像素饱和时间的目的，解决现有技术不易采集户外高照明环境的实物信息，从而提升图像传感器输出的图像品质。
【专利说明】可变转换增益的图像传感器像素
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种图像传感器像素，尤其涉及一种可变转换增益的图像传感器像素。
【背景技术】
[0002]图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS (互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
[0003]在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用线性光电响应功能的像素结构。如图1所示，是CMOS图像传感器像素，在本领域中也称为4T(四晶体管)有源像素。4Τ有源像素的元器件包括:光电二极管101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，源跟随晶体管104和行选择晶体管105，及列位线106 ；VTX为晶体管102的栅极端，VRX为晶体管103的栅极端，VSX为晶体管105的栅极端，FD为漂浮有源区，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经106读取并保存。其中，在FD区内的光电电荷量与入射光照量成正比，FD势阱内光电电荷量的变化被晶体管104探测到并转换为电势变化，一个光电电荷转换为电势的量称为光电转换增益；光电电荷量变化时，转换增益保持不变，则晶体管104在FD处所探测到的电势信号也与光照量成正比关系。
[0004]该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。在户外环境中，线性传感器不易采集到高照明环境的实物信息，从而降低了传感器的输出图像品质。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种输出图像品质高、适合户外高照明环境的可变转换增益的图像传感器像素。
[0006]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]本实用新型的可变转换增益的图像传感器像素，包括置于半导体基体中的第一光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括置于半导体基体中的第二光电二极管、第二复位晶体管、电容、开关晶体管；
[0008]所述开关晶体管的漏极端与所述漂浮有源区相连，源极端与所述电容的一极端相连，栅极端与所述第二光电二极管相连；
[0009]所述电容的另一极端与漂浮有源区相连；
[0010]所述第二复位晶体管的源极端与所述第二光电二极管相连，漏极端与电源相连。
[0011]由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素，由于在漂浮有源区连接了第二光电二极管、第二复位晶体管、电容、开关晶体管，采用降低高照明环境时传感器像素的光电转换增益来达到延迟像素饱和时间的目的，解决现有技术不易采集户外高照明环境的实物信息，从而提升图像传感器输出的图像品质。特别适合户外高照明环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是现有技术的CMOS图像传感器像素的电路示意图。
[0013]图2是本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素的电路示意图。
[0014]图3是本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素工作的时序控制示意图。
[0015]图4是本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素工作在弱光环境时的电路不意图。
[0016]图5是本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素工作在强光环境时的电路不意图。
[0017]图6是本实用新型实施例提供的可变转换增益的图像传感器像素工作的势阱示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0019]本实用新型的可变转换增益的图像传感器像素，其较佳的【具体实施方式】是:
[0020]包括置于半导体基体中的第一光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括置于半导体基体中的第二光电二极管、第二复位晶体管、电容、开关晶体管；
[0021]所述开关晶体管的漏极端与所述漂浮有源区相连，源极端与所述电容的一极端相连，栅极端与所述第二光电二极管相连；
[0022]所述电容的另一极端与漂浮有源区相连；
[0023]所述第二复位晶体管的源极端与所述第二光电二极管相连，漏极端与电源相连。
[0024]所述第一光电二极管为N型光电二极管，所述第二光电二极管为N型光电二极管。
[0025]所述电荷传输晶体管、第一复位晶体管、第二复位晶体管、开关晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管为N型晶体管。
[0026]所述电容是金属电容或晶体管电容。
[0027]所述第二复位晶体管的阈值电压为-0.2V?0.3V。
[0028]所述开关晶体管的阈值电压为OV?0.5V。
[0029]所述第二光电二极管不能被完全耗尽。
[0030]所述电容的电容值为0.5fF?8fF。
[0031]本实用新型的可变转换增益的图像传感器像素的工作方法，包括步骤:
[0032]a、像素复位操作，做开启第一复位晶体管、电荷传输晶体管、第二复位晶体管的操作，将第一光电二极管、第二光电二极管中的电荷清除；
[0033]b、像素曝光结束前，做一复位漂浮有源区的操作，即做开启第一复位晶体管的操作，将漂浮有源区的电荷清除，置为高电位；
[0034]C、漂浮有源区复位操作完成后，做读取像素的复位信号操作；
[0035]d、读取像素的复位信号操作完毕后，做开启电荷传输晶体管的操作，将第一光电二极管内的光电电荷转移到漂浮有源区。
[0036]e、第一光电二极管内的光电电荷转移到漂浮有源区完毕后，做读取像素的光电信号操作。
[0037]本实用新型的可变转换增益的图像传感器像素，采用降低高照明环境时传感器像素的光电转换增益来达到延迟像素饱和时间的目的，解决现有技术不易采集户外高照明环境的实物信息，从而提升图像传感器输出的图像品质。特别适合户外高照明环境。
[0038]本实用新型从改善4T像素的光电响应性质入手，降低高照明环境时的感光灵敏度，延迟像素的饱和时间，以便达到传感器采集更多高照明的实物细节信息的目的，从而提升传感器输出的图像品质。弱光照射时，开关晶体管导通，所述电容不会加入到漂浮有源区，像素的光电转换增益高；强光照射时，开关晶体管关闭，所述电容加入到漂浮有源区，像素的光电转换增益低。有效推迟了高照明时图像传感器的饱和时间，传感器采集到高照明时更多的实物细节信息，有效提升了图像传感器输出的图像品质。
[0039]具体实施例:
[0040]在现有技术的图像传感器像素的基础上对漂浮有源区引入了特殊的器件结构，如图2所示，101?106为现有技术的图像传感器像素器件，VTX、VRX、VSX分别为102、103、105的栅极端；201为第二光电二极管,202为开关晶体管,203为电容,204为第二复位晶体管，PD为202的栅极端，⑶为203的一极端，Vdd为电源，Vct为204的栅极端。如图2所示，201的电荷收集端与H)相连，204的源极端与H)相连，204的漏极端与Vdd相连；202的漏极端与FD相连，202的源极端与⑶相连；203的另一极端与FD相连。其中，101和201为N型光电二极管，102?105、202、204为N型晶体管；202和204为低阈值晶体管，202的阈值电压OV?0.5V，204的阈值电压为-0.2V?0.3V ;光电二极管101可以完全耗尽，但光电二极管201不能被完全耗尽，即201的电荷收集区域的电势可以达到204漏极端电势。所述电容203可以是晶体管电容，也可以是金属电容，203电容值的范围为0.5fF?8fF.
[0041]本实用新型的CMOS图像传感器像素工作的时序控制示意图，如图3所示。图3中，分别示出了 102、103、204晶体管栅极电压VTX、VRX、Vct时序控制图，SH时序表征读取信号的操作。所述VRX、VTX、Vct为高电平时,表示开启相应晶体管的操作,低电平时表示关闭相应晶体管；SH为高电平脉冲时表示读取信号的操作。为了清晰地表述本实用新型的特征，其它时序，如VSX时序未示出。
[0042]本实用新型像素的工作方法表述如下:
[0043]首先，进行像素复位操作，做开启第一复位晶体管103、电荷传输晶体管102、第二复位晶体管的操作204，将第一光电二极管101、第二光电二极管201中的电荷清除；如图3所示，301为VRX置为高电平操作，即开启103的操作；302为VTX置为高电平操作，即开启102的操作；303为Vct置为高电平操作，即开启204的操作。
[0044]进一步，像素曝光结束前，做一复位漂浮有源区的操作，即做开启第一复位晶体管103的操作，将漂浮有源区的电荷清除，置为高电位；如图3所示，304为VRX置为高电平操作，即开启103的操作。
[0045]进一步，漂浮有源区复位操作完成后，做读取像素的复位信号操作；如图3所示，305高电平脉冲表示读取复位信号shr的操作。
[0046]进一步，读取像素的复位信号操作完毕后，做开启电荷传输晶体管102的操作，将第一光电二极管101内的光电电荷转移到漂浮有源区。如图3所示，306为VTX置为高电平操作，即开启102的操作。
[0047]进一步，第一光电二极管101内的光电电荷转移到漂浮有源区完毕后，做读取像素的光电信号操作；如图3所示，307高电平脉冲表示读取光电信号shs的操作。
[0048]所述图像传感器像素的真实图像信号为shs与shr信号的差值信号。
[0049]为了更清晰地表述本实用新型的特征，下面结合本实用新型实施例阐述本实用新型像素的工作原理。本实用新型的像素特征是，降低强光环境下的光电转换增益，通过调整漂浮有源区的总电容值来实现，以下针对读取光电信号shs时的漂浮有源区电容情况来具体说明。本实用新型的像素工作在弱光环境下，在曝光结束时光电二极管201收集到的电荷少，与其连接的202栅极端电势高，则202处于开启状态，如图4所示。图4中，402表示202处于开启的状态，则⑶与FD连通，电容203实效。即像素受到弱光照射时，电容203的两极都与FD相连，此时电容203不会加入到H)的总电容。
[0050]本实用新型的像素工作在强光环境下，在曝光结束时光电二极管201收集到的电荷多，与其连接的202栅极端电势低，则202处于关闭状态，如图5所示。图5中，502表示202处于关闭的状态，则⑶与FD不连通，电容203有效。即像素受到强光照射时，电容203的一极端与FD相连，另一极端⑶独立并保持与FD断开。此时，电容203加入到FD的总电容。
[0051]上述图4和图5的像素工作状态，FD的电容势阱情况如图6所示。图6中，601为光电二极管101的势阱，602为FD寄生电容势阱，603为电容203的电容势阱，102处于关闭状态，Vreset为FD的复位电势。图4所示的像素工作状态的FD电容仅为602部分,此电容为Cfd，此时FD电容低，像素的光电转换增益高，感光灵敏度高；图5所示的像素工作状态的FD电容为602的Cfd和603的Ccap两部分的和，此时的FD电容高，像素的光电转换增益低，感光灵敏度低。本实用新型像素拓展的感光像素信号为603部分，拓展的信号量与Ccap值成正比，此部分信号拓展了像素的感光动态范围，传感器采集了更多高照明的实物细节信息。因此，本实用新型像素有效提升了传感器输出的图像品质。
[0052]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种可变转换增益的图像传感器像素，其特征在于，包括置于半导体基体中的第一光电二极管、电荷传输晶体管、第一复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，其特征在于，还包括置于半导体基体中的第二光电二极管、第二复位晶体管、电容、开关晶体管； 所述开关晶体管的漏极端与所述漂浮有源区相连，源极端与所述电容的一极端相连，栅极端与所述第二光电二极管相连； 所述电容的另一极端与漂浮有源区相连； 所述第二复位晶体管的源极端与所述第二光电二极管相连，漏极端与电源相连。
2.根据权利要求1所述的可变转换增益的图像传感器像素，其特征在于，所述第一光电二极管为N型光电二极管，所述第二光电二极管为N型光电二极管。
3.根据权利要求1所述的可变转换增益的图像传感器像素，其特征在于，所述电荷传输晶体管、第一复位晶体管、第二复位晶体管、开关晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管为N型晶体管。
4.根据权利要求1所述的可变转换增益的图像传感器像素，其特征在于，所述电容是金属电容或晶体管电容。
【文档编号】H04N5/374GK204031312SQ201420482170
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】郭同辉, 旷章曲 申请人:北京思比科微电子技术股份有限公司