高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，像素結(jié)構(gòu)包括光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管，以及置于第二電荷傳輸晶體管與第三電荷傳輸晶體管之間的晶體管電容器件。像素采用兩次曝光方式采集光電信號(hào)，第一次長時(shí)間曝光方式采集的光電電荷，被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件中儲(chǔ)存起來，第二次短時(shí)間曝光方式采集的光電電荷和在晶體管電容器件中儲(chǔ)存的光電電荷一同轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)，然后進(jìn)行光電信號(hào)讀取操作。因此，本實(shí)用新型擴(kuò)展了圖像傳感器的感光動(dòng)態(tài)范圍。
【專利說明】高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種圖像傳感器，特別涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場合。特別是制造CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器和CCD (電荷耦合型器件)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素一般采用CMOS圖像傳感器四晶體管像素結(jié)構(gòu)，如圖1所示。四晶體管有源像素的元器件包括:光電二極管101，電荷傳輸晶體管102，復(fù)位晶體管103，源跟隨晶體管104和選擇晶體管105，以及列位線106，漂浮有源區(qū)fd(FloatingDiffusing)，其中Cfd表征漂浮有源區(qū)fd的寄生電容，rx、tx、sx分別為復(fù)位晶體管103、電荷傳輸晶體管102、選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電電荷，光電二極管101積分完畢時(shí)，開啟電荷傳輸晶體管102，將光電電荷從光電二極管101轉(zhuǎn)移至漂浮有源fd后關(guān)閉電荷傳輸晶體管102，此光電電荷被源跟隨晶體管104探測到，并轉(zhuǎn)換為光電電勢信號(hào)，同時(shí)開啟選擇晶體管105，通過列位線106將光電電勢信號(hào)讀出。其中，在光電二極管101中產(chǎn)生的光電信號(hào)量與入射光照量成正比，則源跟隨晶體管104在FD處所探測到的信號(hào)量也與光照量成正比關(guān)系。
[0004]該類圖像傳感器的光電響應(yīng)是線性的，在本領(lǐng)域內(nèi)被稱為線性傳感器。線性傳感器所探測到的光照量范圍小，特別是高照明環(huán)境下無法辨認(rèn)出實(shí)物信息，不能夠采集從暗光線環(huán)境變化到強(qiáng)光線環(huán)境下的全部信號(hào)，在業(yè)內(nèi)稱為動(dòng)態(tài)范圍小，從而降低了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。
[0005]為了提升圖像傳感器采集的圖像的動(dòng)態(tài)范圍，現(xiàn)有技術(shù)采用了兩幀圖像合成一幀圖像的技術(shù)，其中采集一幀圖像信息時(shí)的曝光時(shí)間長，采集另一幀圖像信息時(shí)的曝光時(shí)間短，長時(shí)間曝光的圖像可清晰地分辨出暗光實(shí)物的信息，短時(shí)間曝光的圖像可清晰地分辨出強(qiáng)光實(shí)物的信息，長時(shí)間曝光和短時(shí)間曝光的兩幀圖像合并成的一幀圖像可以很好地分辨出暗光實(shí)物和強(qiáng)光實(shí)物的信息，因此采用兩幀圖像合成一幀圖像的技術(shù)有效提高了圖像傳感器采集圖像的能力。但是，兩幀圖像合并成一幀圖像的技術(shù)存在一個(gè)明顯的缺陷，在采集第二幀圖像信息時(shí)，必須把第一幀圖像信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，等待第二幀圖像信號(hào)采集完畢后，再提取出來，做下一步信號(hào)處理；存儲(chǔ)一幀的圖像信號(hào)，需要大量的存儲(chǔ)器單元，例如，500萬像素的圖像傳感器，需要在芯片中制作500萬個(gè)存儲(chǔ)器單元，這大大增加了芯片面積，提高了芯片生產(chǎn)成本，并且還增加了芯片工作功耗。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種高效的、提高圖像傳感器像素感光動(dòng)態(tài)范圍的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、以及置于第二電荷傳輸晶體管與第三電荷傳輸晶體管之間的晶體管電容器件；
[0009]所述第一電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與漂浮有源區(qū)相連；
[0010]所述第二電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與第三電荷傳輸晶體管的源極相連；所述第三電荷傳輸晶體管的漏極與漂浮有源區(qū)相連；
[0011]所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且與第二電荷傳輸晶體管的漏極相連。
[0012]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于像素結(jié)構(gòu)中設(shè)置有晶體管電容器件，像素可采用兩次曝光方式采集光電信號(hào)，第一次長時(shí)間曝光方式采集的光電電荷，被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件中儲(chǔ)存起來，第二次短時(shí)間曝光方式采集的光電電荷和在晶體管電容器件中儲(chǔ)存的光電電荷一同轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)，然后進(jìn)行光電信號(hào)讀取操作。因此，本實(shí)用新型擴(kuò)展了圖像傳感器的感光動(dòng)態(tài)范圍，并且不需要在芯片中制作存儲(chǔ)第一次曝光采集的圖像信號(hào)的存儲(chǔ)器陣列，進(jìn)而節(jié)省了芯片生產(chǎn)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)電路示意圖。
[0014]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
[0015]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件之前的示意圖。
[0016]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件時(shí)的示意圖。
[0017]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件完畢后的示意圖。
[0018]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)之前的示意圖。
[0019]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)時(shí)的示意圖。
[0020]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)完畢后的示意圖。
[0021]圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)移第二次光電二極管曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)時(shí)的示意圖。
[0022]圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)移第二次光電二極管曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)完畢后的示意圖。
[0023]圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素的光電響應(yīng)曲線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]本實(shí)用新型的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0026]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、以及置于第二電荷傳輸晶體管與第三電荷傳輸晶體管之間的晶體管電容器件；
[0027]所述第一電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與漂浮有源區(qū)相連；
[0028]所述第二電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與第三電荷傳輸晶體管的源極相連；所述第三電荷傳輸晶體管的漏極與漂浮有源區(qū)相連；
[0029]所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且與第二電荷傳輸晶體管的漏極相連。
[0030]所述晶體管電容器件的柵極端外接電勢。
[0031]所述晶體管電容器件為低閾值晶體管。
[0032]所述晶體管電容器件的電荷容量大于等于光電二極管的電荷容量，所述漂浮有源區(qū)的電荷容量大于等于2倍的光電二極管的電荷容量，所述光電二極管的電荷容量大于等于 1000e-o
[0033]所述晶體管電容器件的電勢值大于等于-0.7V，其閾值電壓范圍為-0.7V?0.5V。
[0034]本實(shí)用新型的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的操作方法，包括步驟:
[0035]a、開始第一次光電二極管曝光操作，對(duì)光電二極管進(jìn)行復(fù)位，第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、選擇晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管、第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管和第一電荷傳輸晶體管，光電二極管開始曝光；
[0036]b、進(jìn)行晶體管電容器件復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、選擇晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管、第三電荷傳輸晶體管，將晶體管電容器件復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管、第三電荷傳輸晶體管；
[0037]c、存儲(chǔ)第一次光電二極管曝光的光電電荷操作，晶體管電容器件復(fù)位操作之后，第一電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、選擇晶體管、復(fù)位晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管，將光電二極管收集到的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容中儲(chǔ)存起來，然后關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管，第一次光電二極管曝光操作結(jié)束；
[0038]d、開始第二次光電二極管曝光操作，第一次光電二極管曝光的光電電荷存儲(chǔ)操作完畢后，光電二極管開始第二次曝光；
[0039]e、讀取復(fù)位電勢信號(hào)操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、選擇晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管，漂浮有源區(qū)復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管，開啟選擇晶體管，復(fù)位電勢信號(hào)經(jīng)由列位線被后續(xù)電路讀取并保存，選擇晶體管保持開啟狀態(tài)；
[0040]f、轉(zhuǎn)移晶體管電容器件中的光電電荷操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管保持開啟狀態(tài)，開啟第三電荷傳輸晶體管，將晶體管電容器件中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢后，關(guān)閉第三電荷傳輸晶體管；
[0041]g、轉(zhuǎn)移第二次光電二極管曝光的光電電荷操作，第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管保持開啟狀態(tài)，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管收集到光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管，第二次光電二極管曝光操作結(jié)束；
[0042]h、讀取光電電荷信號(hào)操作，第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、復(fù)位晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管保持開啟狀態(tài)，光電電勢信號(hào)經(jīng)由列位線被后續(xù)電路讀取并保存，然后關(guān)閉選擇晶體管。
[0043]所述第一次光電二極管曝光時(shí)間大于等于10ms，所述第二次光電二極管曝光時(shí)間小于等于1ms0
[0044]在CMOS圖像傳感器中，為了提高采集到的圖像品質(zhì)，本實(shí)用新型從優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)及工作方法入手，在現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，添加第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管和晶體管電容器件；所述晶體管電容器件可以儲(chǔ)存光電二極管曝光產(chǎn)生的光電電荷，所以圖像傳感器像素可以曝光兩次，曝光兩次的光電電荷在讀取光電電荷信號(hào)前可以同時(shí)轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)，兩次曝光的時(shí)間可以不相等，為了達(dá)到擴(kuò)展圖像傳感器高動(dòng)態(tài)的目的，采用第一次光電二極管曝光的時(shí)間大于第二次光電二極管曝光的時(shí)間方式；本實(shí)用新型像素采用兩次曝光方式采集圖像信息，與現(xiàn)有技術(shù)中的兩幀圖像合成一幀圖像的技術(shù)的原理相同，都可以提高圖像傳感器采集圖像信息的能力。因此，本實(shí)用新型擴(kuò)展了圖像傳感器的感光動(dòng)態(tài)范圍，并且不需要在芯片中制作存儲(chǔ)第一次曝光采集的圖像信號(hào)的存儲(chǔ)器陣列，進(jìn)而節(jié)省了芯片生產(chǎn)成本。。
[0045]具體實(shí)施例:
[0046]本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)電路示意圖，如圖2所示。圖2中，201為光電二極管，202為第一電荷傳輸晶體管，203為復(fù)位晶體管，204為源跟隨晶體管，205為選擇晶體管，206為列位線，207為第二電荷傳輸晶體管，208為第三電荷傳輸晶體管，209為晶體管電容器件；其中，CD標(biāo)記第二電荷傳輸晶體管207的漏極端，并且CD端與第三電荷傳輸晶體管208的源極端相連；FD為漂浮有源區(qū)，電容CFD表征漂浮有源區(qū)FD區(qū)的寄生電容；所述光電二極管201同時(shí)與第一電荷傳輸晶體管202的源極端和第二電荷傳輸晶體管207的源極端相連接；所述漂浮有源區(qū)FD同時(shí)與第一電荷傳輸晶體管202的漏極端和第三電荷傳輸晶體管208的漏極端相連接；所述晶體管電容器件209的源漏極相互連接，并且與第二電荷傳輸晶體管207的漏極端CD相連接。圖2所示，TXl為第一電荷傳輸晶體管202的柵極端，TX2為第二電荷傳輸晶體管207的柵極端，TX3為第三電荷傳輸晶體管208的柵極端，RX為復(fù)位晶體管203的柵極端，SX為選擇晶體管205的柵極端，Vdd為電源電壓，Vct為晶體管電容器件209的柵極端。所述晶體管電容器件209的柵極端Vct外接電勢，外接電勢值大于等于-0.7V ;所述晶體管電容器件209為低閾值晶體管，其閾值電壓范圍為-0.7V?0.5V。所述晶體管電容器件209的電荷容量大于等于光電二極管201的電荷容量，所述漂浮有源區(qū)FD的電荷容量大于等于2倍的光電二極管201的電荷容量，所述光電二極管201的電荷容量大于等于1000e-。
[0047]本實(shí)用新型實(shí)施例的圖像傳感器像素的操作方法，詳細(xì)闡述如下:
[0048]首先，開始第一次光電二極管201曝光操作，對(duì)光電二極管201進(jìn)行復(fù)位，第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208、選擇晶體管205保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管203、第一電荷傳輸晶體管202，將光電二極管201中的電荷清除完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203和第一電荷傳輸晶體管202，光電二極管201開始曝光。
[0049]進(jìn)一步，進(jìn)行晶體管電容器件209復(fù)位操作，第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、選擇晶體管205保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管203、第三電荷傳輸晶體管208，將晶體管電容器件209復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203、第三電荷傳輸晶體管208。
[0050]進(jìn)一步，存儲(chǔ)第一次光電二極管201曝光的光電電荷操作，晶體管電容器件209復(fù)位操作之后，第一電荷傳輸晶體管202、第三電荷傳輸晶體管208、選擇晶體管205、復(fù)位晶體管203保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟第二電荷傳輸晶體管207，將光電二極管201收集到的光電電荷轉(zhuǎn)移至晶體管電容器件209中儲(chǔ)存起來，然后關(guān)閉第二電荷傳輸晶體管207，第一次光電二極管201曝光操作結(jié)束。
[0051]圖3示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管201曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件209之前的示意圖。圖3所示，301表示光電二極管201中的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)，其飽和容量為Qsat，302表示第一電荷傳輸晶體管202的開關(guān)不意圖，307表不第一電荷傳輸晶體管207的開關(guān)不意圖，308表示第三電荷傳輸晶體管208的開關(guān)示意圖，309表示晶體管電容器件209的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)，310表示漂浮有源區(qū)FD區(qū)的光電電荷儲(chǔ)存區(qū)。所述第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)302、開關(guān)307、開關(guān)308分別為斷開狀態(tài)；所述第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208處于開啟狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)302、開關(guān)307、開關(guān)308分別為接通狀態(tài)。圖3所不，開關(guān)302、開關(guān)307、開關(guān)308分別為斷開狀態(tài)，光電二極管201曝光一段時(shí)間后，光電電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)收集到光電電荷，其電荷最大量為Qsat。
[0052]圖4為示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管201曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件209時(shí)的不意圖。開關(guān)302和開關(guān)308為斷開狀態(tài)，開關(guān)307為接通狀態(tài)，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)中的光電電荷通過接通的開關(guān)307被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)309區(qū)。
[0053]圖5示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行存儲(chǔ)第一次光電二極管201曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到晶體管電容器件209完畢后的示意圖。圖5所示，開關(guān)302、開關(guān)308、開關(guān)307為斷開狀態(tài)，所述光電電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)中的所有光電電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到光電電荷儲(chǔ)存區(qū)309區(qū)，被儲(chǔ)存起來，等待第二次光電二極管201曝光結(jié)束時(shí)，被提取使用；光電電荷儲(chǔ)存器309區(qū)的電荷量等于圖3所示光電電荷儲(chǔ)存器301區(qū)的電荷量，其電荷最大量為Qsat。
[0054]進(jìn)一步，開始第二次光電二極管201曝光操作，第一次光電二極管201曝光的光電電荷存儲(chǔ)操作完畢后，光電二極管201開始第二次曝光。
[0055]進(jìn)一步，讀取復(fù)位電勢信號(hào)操作，第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208、選擇晶體管205保持關(guān)閉狀態(tài)，開啟復(fù)位晶體管203，漂浮有源區(qū)FD區(qū)復(fù)位完畢后，關(guān)閉復(fù)位晶體管203，開啟選擇晶體管205，復(fù)位電勢信號(hào)經(jīng)由列位線206被后續(xù)電路讀取并保存，選擇晶體管205保持開啟狀態(tài)。
[0056]進(jìn)一步，轉(zhuǎn)移晶體管電容器件209中的光電電荷操作，第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、復(fù)位晶體管203保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管205保持開啟狀態(tài)，開啟第三電荷傳輸晶體管208，將晶體管電容器件209中的光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)完畢后，關(guān)閉第三電荷傳輸晶體管208。
[0057]圖6示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件209中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)之前的示意圖。圖6所示，開關(guān)302、開關(guān)308、開關(guān)307為斷開狀態(tài)，光電電荷儲(chǔ)存區(qū)309區(qū)中的光電電荷量為光電二極管201第一次曝光產(chǎn)生的光電電荷量，由于光電二極管201第二次曝光一段時(shí)間后，光電電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)收集到光電電荷。
[0058]圖7示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件209中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)時(shí)的示意圖。圖7所示，開關(guān)302、開關(guān)307為斷開狀態(tài)，開關(guān)308為接通狀態(tài)，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)309區(qū)中的光電電荷通過接通的開關(guān)308被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)310區(qū)。
[0059]圖8示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行轉(zhuǎn)移晶體管電容器件209中的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)完畢后的示意圖。圖8所示，開關(guān)302、開關(guān)307、開關(guān)308為斷開狀態(tài)，所述光電電荷儲(chǔ)存區(qū)309區(qū)中的所有光電電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到光電電荷儲(chǔ)存區(qū)310區(qū)，此時(shí)光電電荷儲(chǔ)存器310區(qū)的電荷量等于圖5所示光電電荷儲(chǔ)存器309區(qū)的電荷量，其電荷最大量為Qsat。
[0060]進(jìn)一步，轉(zhuǎn)移第二次光電二極管201曝光的光電電荷操作，第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208、復(fù)位晶體管203保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管205保持開啟狀態(tài)，開啟第一電荷傳輸晶體管202，將光電二極管201收集到光電電荷轉(zhuǎn)移至漂浮有源區(qū)FD區(qū)完畢后，關(guān)閉第一電荷傳輸晶體管202，第二次光電二極管201曝光操作結(jié)束。
[0061]圖9示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行轉(zhuǎn)移第二次光電二極管201曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)時(shí)的示意圖。圖9所示，開關(guān)307、開關(guān)308為斷開狀態(tài)，開關(guān)302為接通狀態(tài)，所述電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)中的光電電荷通過接通的開關(guān)302被轉(zhuǎn)移至電荷儲(chǔ)存區(qū)310區(qū)。
[0062]圖10示出了本實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素，在進(jìn)行轉(zhuǎn)移第二次光電二極管201曝光的光電電荷操作時(shí)，光電電荷被轉(zhuǎn)移到漂浮有源區(qū)FD區(qū)完畢后的示意圖。圖10所示，開關(guān)302、開關(guān)307、開關(guān)308為斷開狀態(tài)，所述光電電荷儲(chǔ)存區(qū)301區(qū)中的所有光電電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到光電電荷儲(chǔ)存區(qū)310區(qū)。此時(shí)，光電電荷儲(chǔ)存區(qū)310區(qū)中的光電電荷量等于第一次光電二極管201曝光收集到的電荷量與第二次光電二極管201曝光收集到的電荷之和，其最大電荷量為2倍的Qsat。
[0063]進(jìn)一步，讀取光電電荷信號(hào)操作，第一電荷傳輸晶體管202、第二電荷傳輸晶體管207、第三電荷傳輸晶體管208、復(fù)位晶體管203保持關(guān)閉狀態(tài)，選擇晶體管205保持開啟狀態(tài)，光電電勢信號(hào)經(jīng)由列位線206被后續(xù)電路讀取并保存，然后關(guān)閉選擇晶體管205。
[0064]所述第一次光電二極管曝光時(shí)間大于等于10ms，所述第二次光電二極管曝光時(shí)間小于等于1ms0
[0065]圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素的光電響應(yīng)曲線示意圖。圖11所示，豎直軸為本實(shí)用新型像素的光電信號(hào)電荷量，水平軸為入射光強(qiáng)度，曲線I為第二次光電二極管201曝光的光電響應(yīng)曲線，曲線2為第一次光電二極管201曝光的光電響應(yīng)曲線，曲線3為本實(shí)用新型像素結(jié)構(gòu)的光電二極管201兩次曝光方式合并產(chǎn)生的光電響應(yīng)曲線；其中，Esat為本實(shí)用新型圖像傳感器像素工作飽和時(shí)的入射光強(qiáng)，Qsat為光電二極管201的光電電荷飽和容量。由圖11中的曲線3可知，入射光強(qiáng)度較低時(shí)，像素的感光靈敏度高；入射光強(qiáng)度較高時(shí)，像素的感光靈敏度低，這正是高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器光電響應(yīng)的特征。
[0066]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區(qū)，其特征在于，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管、以及置于第二電荷傳輸晶體管與第三電荷傳輸晶體管之間的晶體管電容器件； 所述第一電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與漂浮有源區(qū)相連； 所述第二電荷傳輸晶體管的源極與光電二極管相連，其漏極與第三電荷傳輸晶體管的源極相連；所述第三電荷傳輸晶體管的漏極與漂浮有源區(qū)相連； 所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且與第二電荷傳輸晶體管的漏極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容器件的柵極端外接電勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容器件為低閾值晶體管。
【文檔編號(hào)】H04N5/369GK204258952SQ201420813868
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司