高动态图像传感器像素结构及时序控制方法技术

本发明专利技术提供了高动态图像传感器像素结构及时序控制方法，属于半导体光电方向图像传感器领域。所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管与源极跟随器的输入端FDH点相连。FDH点同时与低增益传输晶体管相连，并与FDL点连接。FDL点分别与复位晶体管、超高动态范围控制二极管相连，复位晶体管与低增益传输晶体管的漏极相连，用于保证FDL点被复位至V

Pixel structure and timing control method of high dynamic image sensor

【技术实现步骤摘要】
高动态图像传感器像素结构及时序控制方法
本专利技术属于半导体光电方向图像传感器领域，具体为一种具有复合光电响应的高动态范围图像传感器像素，以及与其相对应的时序控制方法。
技术介绍
目前典型的CMOS图像传感器采用4T像素结构，如图1所示。集成了一个钳位光电二极管1作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3的输入FD相连。FD点同时与复位晶体管4相连，可通过该晶体管被VPIX电压复位。工作时首先高增益传输晶体管2关闭，钳位光电二极管1在外界光照下积累电荷；然后FD点被复位晶体管4复位到VPIX，源极跟随器3进行第一次读信号操作；最后，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光电荷在电势差的作用下转移到FD点，产生信号电压，通过源极跟随器3进行第二次读信号操作，得到信号电压。后续电路通过对两次读出的信号做差，从而获得最终的输出信号。选通管5的作用是将源极跟随器3与外部信号读出链相连。该像素结构可以极大的改善暗电流，降低噪声，同时可采用相关双采样技术来获得小的读出电路噪声，因此可得到较好的微光探测性能。图2所示是该像素结构对应的光电响应曲线。图2中的光强范围约为0.001lux到1lux，此时的光强定义为弱光。可见随着光强的增加，输出信号电压随之线性增加。然而，该像素结构所能得到的动态范围较低，一般来说只能为60-70dB左右。为了获得更好的暗光特性，有必要提高像素的电荷转换增益，从而压缩输入等效噪声。由图1可知，电荷转换增益由FD点的总电容来决定，减小FD点的电容值即可获得较高的电荷转换增益。然而，降低FD点电容会导致像素满阱容量的减小，从而影响到像素的动态范围。如图2所示，随着光强信号的增加，信号电压很快就进入饱和，导致此结构像素的动态范围较低。为了提高如上像素的动态范围，同时还能够维持在较低光强下的电荷转换增益，具有高低增益结构的像素结构被提出来，典型结构如图3所示。钳位光电二极管1作为光电探测元件，通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3相连。FDH点同时通过低增益传输晶体管6与复位晶体管4相连。选通管5的作用是将源极跟随器3与外部信号读出链相连。工作时首先高增益传输晶体管2断开，钳位光电二极管1在外界光照下积累电荷；然后FDH点被复位晶体管4通过低增益传输晶体管6复位到VPIX，源极跟随器3进行第一次读信号操作；接下来，高增益传输晶体管2导通，钳位光电二极管1产生的光电荷在电势差的作用下转移到FDH点，产生信号电压，通过源极跟随器3进行第二次读信号操作，得到信号电压。然后高增益传输晶体管2关闭，低增益传输晶体管6导通，将FDH点与FDL点相连，提高了像素电容；最后再经过源极跟随器3进行读信号操作。该像素结构对动态范围的提升如图4所示。图4中的光强范围约为0.001lux到几十lux。光强范围在～1lux到～100lux时的光强定义为强光，大于100lux的光强定义为超强光。像素的第一次电荷转移过程，用于电荷存储的节点只有FDH，通过优化电路结构，使得该点电容值较小，可以实现弱光下的高增益；像素的第二次电荷转移过程，FDH与FDL两个节点的电容同时用于电荷储存，可获得较大的电容，实现在高光强下的低增益。两次电荷转移对应的光电响应曲线如图4所示。可见采用该种方法可以使得动态范围扩大20～30dB以上。上述专利技术存在的问题是虽然通过两次电荷转移提高了动态范围，但由于像素面积、填充比的限制，FDL点电容有限，不能容纳更多的电荷，从而限制了动态范围。限于像素面积，像素钳位光电二极管1的满阱容量也受到限制，当光强过强，或者积分时间过长时，像素钳位光电二极管1被电荷填满，输出信号OUT会饱和。即使FDL点电容足够大，也无法获得正确的信号电压。因此，提高动态范围有限。
技术实现思路
本专利技术涉及一种提高图像传感器动态范围的像素结构，以及与之相应的各个控制端的控制时序。本专利技术的目的在于像素电荷转移过程完成后再进行一次动态范围拓展过程，像素中增加的光生电荷控制机制，使得最后像素电势与光强的对数成比例，进一步增加了图像传感器动态范围，使之继续提升至少40dB以上。高动态图像传感器像素结构，如图5所示。所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管1作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管2与源极跟随器3的输入端FDH点相连；FDH点同时与低增益传输晶体管6相连，并与FDL点连接；FDL点分别与复位晶体管4、超高动态范围控制二极管7相连，复位晶体管4与低增益传输晶体管6的漏极相连，用于保证FDL点被复位至VPIX电压；选通管5与源极跟随器3的源极相连，用于将源极跟随器3与外部信号读出链相连；超高动态范围控制二极管7的阴极与FDL点相连，阳极接在电压VC上。进一步的，高动态图像传感器像素结构中，高增益传输晶体管2的控制信号为高增益传输信号TXH；源极跟随器3的控制信号为高增益传输晶体管2的输出FDH，并与低增益传输晶体管6的输出相连；低增益传输晶体管6的控制信号为低增益传输信号TXL；复位晶体管4的控制信号为复位电压RST；选通管5的控制信号为行选择信号SEL；VC控制超高动态范围控制二极管7的工作状态，当VC为低电平时，超高动态范围控制二极管7处于反偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压小于VC时，则超高动态范围控制二极管7工作在正偏状态。当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压大于等于VC时，超高动态范围控制二极管(7)仍工作在反偏状态。进一步的，对于低增益传输晶体管6，像素在第一次电荷转移过程时，低增益传输晶体管6处于关断状态，FDH点的寄生电容为CFDH，像素的电荷-电压转换增益与CFDH成反比，从而提高在弱光下的信噪比；像素在第二次电荷转移过程时，低增益传输晶体管6处于导通状态，将FDL和FDH两个节点连接在一起，扩大了电容值，使得此阶段像素的电荷-电压转化增益变为CFDH+CFDL，从而扩展了动态范围；像素在动态范围拓展过程时，低增益传输晶体管6处于导通状态，将超高动态范围控制二极管7与钳位光电二极管1连接在一起，在光强更强时像素能够正常工作，能够进一步扩展像素的动态范围。进一步的，对于高增益传输晶体管2，像素在第一次电荷转移过程时，高增益传输晶体管2导通一次，将钳位光电二极管1产生的光生电荷转移到节点FDH处；像素在第二次电荷转移过程时，高增益传输晶体管2再导通一次，将钳位光电二极管1势阱中剩余的电荷转移到由FDL和FDH两个节点所共同形成的电容中；像素在动态范围拓展过程时，高增益传输晶体管2处于导通状态，与低增益传输晶体管6一同将超高动态范围控制二极管7与钳位光电二极管1连接在一起，在光强更强时使得像素仍能够正常工作，扩展了像素的动态范围。进一步的，对于超高动态范围控制二极管7，像素在第一次电荷转移过程时，VC为低电平，超高动态范围控制二极管7处于反偏状态，这时由于低增益传输晶体管6、复位晶体管4都处于关断状态，超高动态范围控制二极管7不与FDH发生联系；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高动态图像传感器像素结构，其特征在于，所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管(1)作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管(2)与源极跟随器(3)的输入端FDH点相连；FDH点同时与低增益传输晶体管(6)相连，并与FDL点连接；FDL点分别与复位晶体管(4)、超高动态范围控制二极管(7)相连，复位晶体管(4)与低增益传输晶体管(6)的漏极相连，用于保证FDL点被复位至V

【技术特征摘要】
1.高动态图像传感器像素结构，其特征在于，所述的高动态图像传感器像素结构集成了一个钳位光电二极管(1)作为光电探测元件，反向偏置，阳极为p型接地，阴极通过高增益传输晶体管(2)与源极跟随器(3)的输入端FDH点相连；FDH点同时与低增益传输晶体管(6)相连，并与FDL点连接；FDL点分别与复位晶体管(4)、超高动态范围控制二极管(7)相连，复位晶体管(4)与低增益传输晶体管(6)的漏极相连，用于保证FDL点被复位至VPIX电压；选通管(5)与源极跟随器(3)的源极相连，用于将源极跟随器(3)与外部信号读出链相连；超高动态范围控制二极管(7)的阴极与FDL点相连，阳极接在电压VC上。


2.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，高动态图像传感器像素结构中，高增益传输晶体管(2)的控制信号为高增益传输信号TXH；源极跟随器(3)的控制信号为高增益传输晶体管(2)的输出FDH，并与低增益传输晶体管(6)的输出相连；低增益传输晶体管(6)的控制信号为低增益传输信号TXL；复位晶体管(4)的控制信号为复位电压RST；选通管(5)的控制信号为行选择信号SEL；VC控制超高动态范围控制二极管(7)的工作状态，当VC为低电平时，超高动态范围控制二极管(7)处于反偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压小于VC时，则超高动态范围控制二极管(7)工作在正偏状态；当VC为预设的动态范围调节电压时，且FDL电压大于等于VC时，超高动态范围控制二极管(7)仍工作在反偏状态。


3.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，对于低增益传输晶体管(6)，像素在第一次电荷转移过程时，低增益传输晶体管(6)处于关断状态，FDH点的寄生电容为CFDH，像素的电荷-电压转换增益与CFDH成反比，从而提高在弱光下的信噪比；像素在第二次电荷转移过程时，低增益传输晶体管(6)处于导通状态，将FDL和FDH两个节点连接在一起，扩大了电容值，使得此阶段像素的电荷-电压转化增益变为CFDH+CFDL，从而扩展了动态范围；像素在动态范围拓展过程时，低增益传输晶体管(6)处于导通状态，将超高动态范围控制二极管(7)与钳位光电二极管(1)连接在一起，在光强更强时像素能够正常工作，能够进一步扩展像素的动态范围。


4.根据权利要求1所述的高动态图像传感器像素结构，其特征在于，对于高增益传输晶体管(2)，像素在第一次电荷转移过程时，高增益传输晶体管(2)导通一次，将钳位光电二极管(1)产生的光生电荷转移到节点FDH处；像素在第二次电荷转移过程时，高增益传输晶体管(2)再导通一次，将钳位光电二极管(1)势阱中剩余的电荷转移到由FDL和FDH两个节点所共同形成的电容中；像素在动态范围拓展过程时，高增益传输晶体管(2)处于导通状态，与低增益传输晶体管(6)一同将超高动态范围控制二极管(7)与钳位光电二极管(1)连接在一起，在光强更强时使得像素仍能够正常工作，扩展了像素的动态范围。


5.根据权利要求1所述的高动...

【专利技术属性】
技术研发人员：常玉春，娄珊珊，吴妍岩，冯国林，张震，刘岩，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21