基于电荷补偿的对数响应高动态范围像素

本发明涉及cmos图像传感器像素，特别是涉及一种基于电荷补偿的对数响应高动态范围像素。

背景技术：

1、具有高动态范围的cmos图像传感器被广泛应用于航空航天、消费电子、工业相机、生物医疗等领域。提高动态范围的方法分为lofic、多重曝光、dcg技术以及大小pd同时曝光等。lofic虽结构简单且能有效收集到较多的光生电荷，但需要占用较大像素面积；多重曝光采用长短曝光交替方法有效提高了动态范围，但对于运动的物体解决能力有限且后续读出电路及相关算法的设计往往是较为复杂的；dcg技术在像素电路中引入了双转换节点，对于高增益节点减小电容容值以探测弱光，对于低增益节点并联一个mim电容以探测强光；大小pd技术虽利用等效满阱的方式显著提高了动态范围，但其多组信号的读出往往会带来信号转换节点信噪比的下降和较大的功耗损失。

2、许多特定的应用场合中，高动态范围cmos图像传感器往往被要求在弱光下保持较好的灵敏度的同时在强光的条件下有较高的动态范围，因此dcg技术是必不可少的组成部分，由于低增益节点电容大小的制约因素，传统dcg技术无法有效拓展较大光强下cmos图像传感器的动态范围。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有上述的技术中的缺陷，而提供一种具有dcg功能、基于电荷补偿的对数响应高动态范围像素，其在保留原dcg结构高增益节点的同时在低增益节点的n型掺杂上做了一层重p型掺杂以引入对数结构，实现了像素动态范围的扩大。

2、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

3、一种基于电荷补偿的对数响应高动态范围像素，基于4t像素结构实现，该4t像素结构的基础上设置一个传输管hdr和一个作为低增益节点的fd2节点，该fd2节点上外接一个mim电容c，将该4t像素拓展为拥有dcg的5t像素结构，以形成对数响应高动态范围像素；其中，传输管hdr的发射极接作为高增益节点的fd1节点而集电极接fd2节点，fd2节点接点复位管rst的发射极，复位管rst的集电极接vdd，mim电容c另一端接地；传输管tg的发射极接fd1节点，传输管tg的集电极接光电二极管pd，源级跟随器sf的集电极接地，源级跟随器sf的发射极接行选通管sel的集电极，行选通管sel的发射极接列输出线。

4、其中，在该fd2节点的n型掺杂的基础上额外注入一层重p型掺杂，该重p型掺杂、fd2节点的n型掺杂与衬底的轻p型掺杂形成p-n-p型结构，在重p型掺杂的p型层上外接一个小于复位电压的正向电压va；所述重p型掺杂不完全覆盖该fd2节点的表面。

5、其中，所述重p型掺杂的p型层的面积与n型掺杂的裸露的n型部分的面积为1:1。

6、其中，所述fd2节点的面积为fd1节点的1.5倍。

7、其中，光照较弱时，对数响应高动态范围像素利用fd1节点进行光电转换；像素在hcg模式，fd1节点电压下降；随着光功率逐渐增加，光电二极管pd产生的电子逐渐增加，像素fd1节点电容较小，打开传输管hdr将fd1节点和fd2节点相连，使像素存储的电荷量增加，使fd1节点和fd2节点的共同电压值逐渐下降，但高于外接电压va，此时像素工作在lcg模式；

8、光功率较大时，光电二极管pd产生的电子不断地由传输管tg溢流到fd1节点，装满fd1节点后会通过传输管hdr溢流到fd2节点，使fd2节点电压不断下降并小于外接电压va，使fd2节点n型区域和表面p型层所形成的pn结由反偏转为正偏；此时，fd2节点区域上结的正偏pn结表现为由fd2节点向外接电压va导出电子，让fd2节点电压上升，通过不断导走光电二极管pd转移的光生电子，使fd2节点电压下降减缓，从而以对数形式提高像素的动态范围。

9、其中，在光照较弱，像素利用fd1节点进行光电转换时，考虑fd1节点n区与衬底所形成的反偏二极管贡献的二极管反偏电流，fd1节点的电压方程表示为：

10、vfd1＝vrst1-vphoto1-vrevd1；

11、其中vfd1表示fd1节点电压，vrst1表示fd1节点的复位电压，vphoto1表示光生电子的引入带来的fd1节点电压下降值，vrevd1表示fd1节点n型区域和p型衬底所形成的反向pn结积累的电子带来的fd1节点电压下降值；其中，

12、vphoto1和vrev1的表达式如下所示：

13、

14、

15、其中，nph表示光生电荷数，q表示一个电子所带电量，cfd1表示fd1节点的节点电容，is表示fd1节点n区与衬底形成的反偏pn结所产生的反向饱和电流，vt为热电压，ttransfer表示传输管tg开启时间，即光生电子传输时间；nph由下式表示：

16、

17、其中，其中，η为ppd量子效率，l是光强，sppd表示ppd感光区域的面积，γ表示光强到光功率的转换参数，tint为曝光时间，hv表示一个光子能量。

18、其中，像素工作在lcg模式时，fd1节点和fd2节点的节点电压方程表示为：

19、vfd1fd2＝vrst12-vphoto12-vrevd12-vrevu12；

20、其中vfd1fd2表示fd1和fd2节点共同电压，vrst12表示fd1节点和fd2节点lcg模式共同的复位电压值，vphoto12表示光生电子的引入带来的fd1节点和fd2节点电压下降值，vrevd12表示fd1节点和fd2节点n型区域和p型衬底所形成的反向pn结积累的电子带来的fd1节点和fd2节点电压下降值，vrevu12表示fd1节点和fd2节点n型区域和表面p型层所形成的反向pn结积累的电子带来的fd1节点和fd2节点电压下降值。

21、其中，所述的vphoto12、vrevd12及vrevu12的表达式如式所示：

22、

23、

24、

25、其中，cfd1fd2表示fd1节点和fd2共同的节点电容。

26、其中，所述的fd2节点n型区域和表面p型层所形成的pn结由反偏转为正偏时，所述fd2节点区域电压如下式所示：

27、vfd2＝vrst2-vphoto2-vrevd2+vrevu2，

28、其中，vfd2表示fd2节点电压，vrst2表示fd2节点的复位电压值，vphoto2表示光生电子的引入带来的fd2节点电压下降值，vrevd2表示fd2节点n型区域和p型衬底所形成的反向pn结积累的电子带来的fd2节点电压下降值，vrevu2表示fd2节点n型区域和表面p型层所形成的反向pn结积累的电子导致其节点电压下降值。

29、其中，所述vphoto2、vrevd2及vrevu2的表达式如式所示：

30、

31、

32、

33、本发明的基于电荷补偿的对数响应高动态范围像素，将原有dcg像素和对数像素结合，保留原dcg像素的高增益节点(fd1节点)，同时在低增益节点(fd2节点)的n型掺杂表面加入重p型掺杂，fd2表面的重p型掺杂，fd2的n型掺杂与衬底的轻p型掺杂形成类似于ppd的p-n-p型结构，同时在重p型掺杂的p型层上外接一个小于复位电压的正向电压va，当fd2节点电压下降到va以下时该结正偏，向va导出大量电子，实现了像素高动态范围，可将cmos图像传感器动态范围提高到150db以上(传统dcg技术动态范围在100db以内)。