一种CMOS图像传感器像素单元及其信号传输方法与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种cmos图像传感器像素单元及其信号传输方法。

背景技术：

随着cmos集成电路工艺的发展，电子产品在日常生活中的应用越来越广泛，图像传感器作为电子产品的信息采集端口，为日常生活、交通、航空航天研究、ai智能应用等各个领域的发展提供了必不可少的技术支持。在实际应用中，高帧率的图像传感器能够提供更为精确实时的图像信息，能在智能驾驶、快速识别、精确捕捉等领域发挥重要作用。

然而，当前cmos图像传感器的像素规模不断加大，使得图像传感器的数据量呈现数量级增加，对于高清细节捕捉以及大数据图像处理，现有的cmos图像传感器需要增加存储芯片来实现芯片内大量数据存储，这必然会增加芯片的设计和制造难度。此外，当前的cmos图像传感器的信号以数字信号形式存储，存储电路的规模由像素规模和模数转化电路量化位数决定，使得存储电路的规模较大，占用较大面积，增大芯片成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种cmos图像传感器像素单元。

为达成上述目的，本发明提供一种cmos图像传感器像素单元，包括：

光电二极管，用于将接收的光信号转换为模拟电信号；

信号读取电路，与所述光电二极管相连，所述信号读取电路包括传输管、复位管、以及存储单元，其中所述存储单元包括阻变式存储器以及控制所述阻变式存储器读写的逻辑电路；所述传输管的漏极、所述复位管的源极以及所述逻辑电路连接于悬浮扩散区；以及

控制单元，用于控制所述传输管、复位管、逻辑电路的通断以及所述阻变式存储器的下电极的电压，以使所述阻变式存储器相应存储所述光电二极管复位后和曝光后所输出的模拟电信号。

优选地，所述阻变式存储器的上电极和下电极为外延生长于硅衬底上的任意两层金属。

优选地，所述阻变式存储器的上电极与所述逻辑电路相连，所述阻变式存储器的下电极与外部电压相连。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述cmos图像传感器像素单元的信号传输方法，包括以下步骤：

s1：打开所述传输管和复位管，使所述光电二极管处于复位状态；将所述阻变式存储器的下电极电压设置为第一电压；

s2：关断所述传输管，所述光电二极管开始曝光；

s3：将所述阻变式存储器的下电极电压调高至第二电压，所述第二电压与所述阻变式存储器上电极电压的差小于所述阻变式存储器电阻状态发生变化的阈值电压；

s4：关断所述复位管，所述悬浮扩散区的电压值保持第一采样电压；

s5：将所述第一采样电压写入所述阻变式存储器的上电极并保持；

s6：读出所述阻变式存储器的第一阻值，所述第一阻值对应所述第一采样电压；

s7：打开所述传输管，使所述悬浮扩散区的电压降低至第二采样电压；

s8：关断所述传输管；

s9：将所述第二采样电压写入所述阻变式存储器并保持；

s10：读出所述阻变式存储器的第二阻值，所述第二阻值对应所述第二采样电压。

优选地，步骤s5包括：

s51：控制所述逻辑电路，将所述第一采样电压写入所述阻变式存储器，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至第三电压值，且所述第三电压值与所述阻变式存储器上电极电压的差大于所述阈值电压；

s52：将所述阻变式存储器的下电极电压调高至所述第二电压，以使所述阻变式存储器的上电极和下电极电压差小于所述阈值电压；

步骤s9包括：

s91：控制所述逻辑电路，将所述第二采样电压写入所述阻变式存储器，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至所述第三电压值；

s92：将所述阻变式存储器的下电极电压调高至所述第二电压，以使所述阻变式存储器的上电极和下电极电压差小于所述阈值电压。

优选地，所述信号传输方法还包括步骤：

s11：打开所述传输管和复位管，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至所述第一电压

优选地，所述逻辑电路包括行选管，所述行选管的漏极与所述悬浮扩散区连接、源极与多个所述阻变式存储器的上电极连接，所述控制单元控制所述行选管的通断。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述cmos图像传感器像素单元的信号传输方法，包括以下步骤：

s1：打开所述传输管和复位管，使所述光电二极管处于复位状态；将所述阻变式存储器的下电极电压设置为第一电压；

s2：关断所述传输管，所述光电二极管开始曝光；

s3：将所述阻变式存储器的下电极电压调高至第二电压，所述第二电压与所述阻变式存储器上电极电压的差小于所述阻变式存储器电阻状态发生变化的阈值电压；

s4：关断所述复位管，所述悬浮扩散区的电压值保持第一采样电压；

s5：将所述第一采样电压写入所述阻变式存储器的上电极并保持；

s6：读出所述阻变式存储器的第一阻值，所述第一阻值对应所述第一采样电压；

s7：打开所述传输管，使所述悬浮扩散区的电压降低至第二采样电压；

s8：关断所述传输管；

s9：将所述第二采样电压写入所述阻变式存储器并保持；

s10：读出所述阻变式存储器的第二阻值，所述第二阻值对应所述第二采样电压。

优选地，步骤s5包括：

s51：打开所述行选管，将所述第一采样电压写入所述阻变式存储器，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至第三电压值，且所述第三电压值与所述阻变式存储器上电极电压的差大于所述阈值电压；

s52：关断所述行选管，将所述阻变式存储器的下电极电压调高至所述第二电压，以使所述阻变式存储器的上电极和下电极电压差小于所述阈值电压；

步骤s9包括：

s91：打开所述行选管，将所述第二采样电压写入所述阻变式存储器，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至所述第三电压值；

s92：关断所述行选管，将所述阻变式存储器的下电极电压调高至所述第二电压，以使所述阻变式存储器的上电极和下电极电压差小于所述阈值电压。

优选地，所述信号传输方法还包括步骤s11：打开所述传输管和复位管，将所述阻变式存储器的下电极电压调低至所述第一电压。

相较于现有技术，本发明的cmos图像传感器像素单元利用阻变式存储器替代占用面积较大的晶体管器件，由于阻变式存储器在两层金属之间生长，不占用有源区面积，可以增大填充率，提高图像传感器的灵敏度。此外，将曝光得到的电压信号直接存储在阻变式存储器中，也可以进一步提高图像传感器的信号传输速率。

附图说明

图1所示为本发明第一实施例的cmos图像传感器像素单元的电路结构示意图；

图2所示为本发明第一实施例的cmos图像传感器像素单元信号传输的时序控制图；

图3所示为本发明第二实施例的cmos图像传感器像素单元的电路结构示意图；

图4所示为本发明第二实施例的cmos图像传感器像素单元信号传输的时序控制图。

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1-4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。

实施例一

请参阅图1，其所示为本发明一实施例的cmos图像传感器像素单元的电路结构示意图。cmos图像传感器像素单元包括光电二极管pd，信号读取电路和控制单元。其中，光电二极管pd用于将接收的光信号转换为模拟电信号；信号读取电路与光电二极管pd相连，包括传输管nm0、复位管nm1、以及存储单元。存储单元包括阻变式存储器rram以及逻辑电路。传输管nm0控制光电二极管电荷信号的传输，复位管nm1控制电信号的复位。逻辑电路控制阻变式存储器rram的信号写入和读出，阻变式存储器rram根据写入电压信号的不同，呈现不同的阻值，实现对不同电压信号的存储。本实施例中，阻变式存储器为多值阻变式存储器。

如图所示，光电二极管的阳极和地gnd相连，阴极和传输管nm0的源极相连；传输管nm0的漏极和复位管nm1的源极相连，同时连接到逻辑电路，这个连接点为悬浮扩散区；复位管nm1的漏极与电源vdd相连。阻变式存储器rram为三明治结构，由上电极、下电极以及电阻转变层三层组成，上电极和下电极是在硅衬底上外延生长的任两层金属，电阻转变层是在这两层金属之间生长的特殊材料。当阻变式存储器rram上下电极电压差大于阈值电压时，rram的阻值随rram两端电压差变化，其中rram两端电压差越大，rram的阻值越小；而当rram两端电压小于阈值电压时，rram的阻值保持之前的阻值不变。这里所说的阈值电压即为使rram电阻状态发生变化的电压值，也称为转变电压。本实施例中，逻辑电路与rram的上电极金属层相连，因此此金属层的电压由光电二极管的工作情况决定，rram的下电极金属层的电位与外部电压相连，两层金属层之间的阻值即为rram的阻值。

控制单元用于控制传输管nm0、复位管nm1、逻辑电路的通断以及阻变式存储器rram的下电极的电压(即外部电压)，以使阻变式存储器相应存储光电二极管复位后和曝光后所输出的模拟电信号。本实施例中，传输管nm0的栅极接tx信号，复位管nm1的栅极接rx信号，控制单元控制tx信号、rx信号，从而控制各晶体管的通断。

图2所示为本实施例的cmos图像传感器像素的单元的信号传输时序控制图。接下来将结合图2对cmos图像传感器像素的单元的信号传输方法加以说明。

在t0时刻，rx信号和tx信号均为高电压，传输管和复位管都打开，光电二极管处于复位状态，此时与rram的下电极相连的外部电压vb保持第一电压值v1，此时rram的阻值记为复位阻值r0。

t1时刻，tx信号由高电压变为低电压，传输管关断，此时光电二极管开始曝光。

t2时刻，将外部电压vb调高至第二电压值v2，且第二电压值v2与rram上电极电压差小于rram的阈值电压，此时rram的阻值r_rram保持复位阻值r0不变。

t3时刻，rx信号由高电压变为低电压，复位管关断，此时复位结束，悬浮扩散区的电压值vfd保持第一采样电压，第一采样电压也称为复位电压。

t4时刻，控制逻辑电路，将悬浮扩散区的第一采样电压值写入rram的上电极，即va＝vfd；将外部电压vb调低至第三电压值v3，且第三电压值v3与rram上电极的电压差大于rram的阈值电压。此时rram上下电极电压差的变化导致rram的阻值变化至第一阻值r1，第一阻值即能表征第一采样电压的大小，即rram完成对第一采样电压的信号采样；

t5时刻，调高外部电压vb至第二电压v2，保证rram上下电极的电压差小于rram的阈值电压，则此时rram的阻值r_rram保持第一阻值不变。

由此，通过对rram的逻辑电路进行读出操作读出rram的阻值就能够得到对应的第一采样电压。

t6时刻，tx信号由低电压变为高电压，传输管导通，光电二极管在曝光阶段产生的电荷传输到悬浮扩散区，悬浮扩散区电压vfd降低至第二采样电压。

t7时刻，tx信号由高电压变为低电压，传输管关断，悬浮扩散区的电位保持第二采样电压不变，光电二极管电荷完成输出。

t8时刻，控制逻辑电路，将悬浮扩散区的第二采样电压值写入rram的上电极，将外部电压vb调低至第三电压值v3，且第三电压值与rram上电极电压差大于rram的阈值电压。此时rram两端电压差变化导致rram的阻值变化至第二阻值r2，第二阻值r2即能表征第二采样电压的大小，rram完成对第二采样电压的采样。

t9时刻，调高外部电压vb至第二电压v2，保证rram两端电压差小于rram的阈值电压，则此时rram的阻值保持第二阻值r2不变。

通过对逻辑电路进行读出操作读出rram的阻值即得到对应的第二采样电压。

此外，在t10时刻，还可将rx信号和tx信号由低电压变为高电压，传输管和复位管导通，调低外部电压至第二电压值v2，使得电路回到复位状态，为下一次曝光做准备。

实施例二

请参阅图3，其所示为本发明实施例的cmos图像传感器像素单元的电路结构示意图。cmos图像传感器像素单元包括光电二极管pd，信号读取电路和控制单元。其中，光电二极管pd用于将接收的光信号转换为模拟电信号；信号读取电路与光电二极管pd相连，包括传输管nm0、复位管nm1、行选管nm2以及阻变式存储器rram。传输管nm0控制光电二极管电荷信号的传输，复位管nm1控制电信号的复位，行选管nm2控制阻变式存储器rram的信号写入和读出，阻变式存储器rram根据写入电压信号的不同，呈现不同的阻值，实现对不同电压信号的存储。本实施例中，阻变式存储器为多值阻变式存储器。

如图所示，光电二极管的阳极和地gnd相连，阴极和传输管nm0的源极相连；传输管nm0的漏极和复位管nm1的源极相连，同时连接到行选管nm2的漏极，这个连接点为悬浮扩散区；复位管nm1的漏极与电源vdd相连。阻变式存储器rram为三明治结构，由上电极、下电极以及电阻转变层三层组成，上电极和下电极是在硅衬底上外延生长的任两层金属，电阻转变层是在这两层金属之间生长的特殊材料。当阻变式存储器rram上下电极电压差大于阈值电压时，rram的阻值随rram两端电压差变化，其中rram两端电压差越大，rram的阻值越小；而当rram两端电压小于阈值电压时，rram的阻值保持之前的阻值不变。这里所说的阈值电压即为使rram电阻状态发生变化的电压值，也称为转变电压。本实施例中，行选管nm2的源极与rram的上电极金属层相连，因此此金属层的电压由光电二极管的工作情况决定，rram的下电极金属层的电位与外部电压相连，两层金属层之间的阻值即为rram的阻值。

控制单元用于控制传输管nm0、复位管nm1、行选管nm2的通断以及阻变式存储器rram的下电极的电压(即外部电压)，以使阻变式存储器相应存储光电二极管复位后和曝光后所输出的模拟电信号。本实施例中，传输管nm0的栅极接tx信号，复位管nm1的栅极接rx信号，行选管nm2的栅极接rsel信号，控制单元控制tx信号、rx信号、rsel信号，从而控制各晶体管的通断。

图4所示为本实施例的cmos图像传感器像素的单元的信号传输时序控制图。接下来将结合图4对cmos图像传感器像素的单元的信号传输方法加以说明。

在t0时刻，rx信号和tx信号均为高电压，传输管和复位管都打开，光电二极管处于复位状态，此时与rram的下电极相连的外部电压vb保持第一电压值v1，此时rram的阻值记为复位阻值r0。

t1时刻，tx信号由高电压变为低电压，传输管关断，此时光电二极管开始曝光。

t2时刻，将外部电压vb调高至第二电压值v2，且第二电压值v2与rram上电极电压差小于rram的阈值电压，此时rram的阻值r_rram保持复位阻值r0不变。

t3时刻，rx信号由高电压变为低电压，复位管关断，此时复位结束，悬浮扩散区的电压值vfd保持第一采样电压，第一采样电压也称为复位电压。

t4时刻，rsel信号由低电压变为高电压，行选管nm2导通，将悬浮扩散区的第一采样电压值写入rram的上电极，即va＝vfd；将外部电压vb调低至第三电压值v3，且第三电压值v3与rram上电极的电压差大于rram的阈值电压。此时rram上下电极电压差的变化导致rram的阻值变大至第一阻值r1，第一阻值即能表征第一采样电压的大小，rram完成对第一采样电压的信号采样；

t5时刻，rsel信号由高电压变为低电压，行选管nm2关断；调高外部电压vb至第二电压v2，保证rram上下电极的电压差小于rram的阈值电压，则此时rram的阻值r_rram保持第一阻值不变。读出rram的阻值就能够得到对应的第一采样电压。

t6时刻，tx信号由低电压变为高电压，传输管导通，光电二极管在曝光阶段产生的电荷传输到悬浮扩散区，悬浮扩散区电压vfd降低至第二采样电压。

t7时刻，tx信号由高电压变为低电压，传输管关断，悬浮扩散区的电位保持第二采样电压不变，光电二极管电荷完成传输。

t8时刻，rsel信号由低电压变高电压，行选管nm2导通，将悬浮扩散区的第二采样电压值写入rram的上电极，将外部电压vb调低至第三电压值v3，且第三电压值与rram上电极电压差大于rram的阈值电压。此时rram两端电压差变化导致rram的阻值变化至第二阻值r2，第二阻值r2即能表征第二采样电压的大小，rram完成对第二采样电压的采样。

t9时刻，rsel信号由高电压变低电压，行选管nm2关断；调高外部电压vb至第二电压v2，保证rram两端电压差小于rram的阈值电压，则此时rram的阻值保持第二阻值r2不变。读出rram的阻值即得到对应的第二采样电压。

此外，在t10时刻，还可将rx信号和tx信号由低电压变为高电压，传输管和复位管导通，调低外部电压至第二电压值v2，使得电路回到复位状态，为下一次曝光做准备。

综上所述，本发明的cmos图像传感器像素单元利用阻变式存储器替代占用面积较大的晶体管器件，由于阻变式存储器在两层金属之间生长，不占用有源区面积，可以增大填充率，提高图像传感器的灵敏度。此外，将曝光得到的电压信号直接存储在阻变式存储器中，也可以进一步提高图像传感器的信号传输速率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多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所述为准。