图像传感器及其像素读出方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器及其像素读出方法。本发明专利技术中，在传统CMOS图像传感器上增加了一个传输管和集成发光二极管结构，掺杂形成两个浮动扩散区，分别获取发光二极管发光和不发光阶段的图像，然后进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。在发光二极管发光的情况下，信号更容易饱和，将发光二极管的发光时间设定为小于50％，或者将第一浮动扩散区的阱容量做的比第二浮动扩散区大，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。采用相关双采样技术，可以达到消除噪声的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，特别涉及ー种集成发光二极管的双浮动扩散区结构的金属氧化物半导体图像传感器。
技术介绍
众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷稱合元件(Charge-Coupled Device,简称“CO)”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称 “CMOS”)图像传感器。现有的CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素単元电路阵列。 根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor,简称 “PPS”)、有源式像素传感器(Active Pixel Sensor,简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。根据ー个像素単元电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。如图I所示，为ー种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括一个光电ニ极管(Photo Diode,简称“PD”)10,用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电ニ极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。一个复位晶体管Ml，用于在曝光前对所述光电ニ极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图I中，所述复位晶体管Ml选用ー个N型金属-氧化物-半导体(N Metal-Oxide-Semiconductor,简称“NM0S”)管,所述复位晶体管Ml的源极和所述光电ニ极管10的N型区相连；所述复位晶体管Ml的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管Ml导通并将所述光电ニ极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电ニ极管10反偏并会清除所述光电ニ极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管Ml也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电ニ极管10产生的电信号进行放大。在图I中，所述放大晶体管M2选用ー NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电ニ极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图I中，所述行选择晶体管M3选用ー NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。如图2所示，为ー种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电ニ极管10产生的电信号输入到所述感应节点NI。在图2中，所述转移晶体管M4选用ー NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电ニ极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管Ml的源极即所述感应节点NI。本专利技术的专利技术人发现，现有技术中，图像传感器中只包括ー个浮动扩散区，所拍摄的图像容易出现拖影，图像质量不够高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式公开了ー种图像传感器，包括控制器、发光二极管和多个像素区域； 每个像素区域中包括第一浮动扩散区和第二浮动扩散区，分别通过第一传输管和第二传输管与感光器件连接；控制器用于控制发光二极管周期性地发光和不发光，并在发光二极管发光阶段打开第一传输管并关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通，在发光二极管不发光阶段打开第二传输管并关闭第一传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通。本专利技术的实施方式还公开了一种图像传感器的像素读出方法，用于如上文所述的图像传感器，方法包括以下步骤控制器控制发光二极管周期性地发光和不发光N个周期，并在发光二极管发光阶段打开第一传输管并关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通，在发光二极管不发光阶段打开第二传输管并关闭第一传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通，其中，N为大于I的整数；读出第一浮动扩散区上的信号；读出第二浮动扩散区上的信号；将第一浮动扩散区上的信号和第二浮动扩散区上的信号进行合成后输出。本专利技术实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于在传统CMOS图像传感器结构上增加了一个传输管和集成发光二极管结构，掺杂形成两个浮动扩散区，分别获取发光二极管发光和不发光阶段的图像，然后进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，在提高图像传感器动态范围的同时减小了拖影。第一浮动扩散区上的信号，即为发光二极管发光情况下的图像信号；第二浮动扩散区上的信号，即为发光二极管不发光、自然光照射情况下的图像信号；通过将发光和不发光情况下得到的图像进行合成，可以同时获得图像的亮细节和暗细节，达到提高对比度的目的。进ー步地，在发光二极管发光的情况下，信号更容易饱和，第一浮动扩散区用于保存发光二极管发光时的图像信息，将发光二极管的发光时间设定为小于50%，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。进ー步地，在发光二极管发光的情况下，信号更容易饱和，第一浮动扩散区用来保存发光二极管发光时的图像信息，将第一浮动扩散区的阱容量做的比第二浮动扩散区大，第一浮动扩散区不会很容易就饱和。进ー步地，采用相关双采样技术，即将先后两次读取的信号相减，可以达到消除噪声的目的。附图说明图I是现有技术中ー种3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；图2是现有技术中ー种4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；图3是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器的结构示意图；图4是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器的工作时序图；·图5是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器的工作时序图；图6是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器的结构示意图；图7是本专利技术第一实施方式中ー种图像传感器的电路结构不意图；图8是本专利技术第二实施方式中一种图像传感器的像素读出方法的流程示意图；图9是本专利技术第二实施方式中一种图像传感器的工作时序图。具体实施例方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进ー步地详细描述。本专利技术第一实施方式涉及ー种图像传感器。图3是该图像传感器的结构示意图。具体地说，如图3所示，该图像传感器包括控制器、发光二极管LED和多个像素区域。每个像素区域中包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括控制器、发光二极管和多个像素区域； 每个像素区域中包括第一浮动扩散区和第二浮动扩散区，分别通过第一传输管和第二传输管与感光器件连接； 所述控制器用于控制发光二极管周期性地发光和不发光，并在发光二极管发光阶段打开第一传输管并关闭第二传输管，将感光器件与第一浮动扩散区连通，在发光二极管不发光阶段打开第二传输管并关闭第一传输管，将感光器件与第二浮动扩散区连通。2.根据权利要求I所述的图像传感器，其特征在于，所述控制器控制发光二极管周期 性地发光和不发光的过程中，在每个发光和不发光的周期里，发光时间所占比例为50%。3.根据权利要求I所述的图像传感器，其特征在于，所述控制器控制发光二极管周期性地发光和不发光的过程中，在每个发光和不发光的周期里，发光时间所占比例小于50%。4.根据权利要求I至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，第一浮动扩散区的阱容量大于第二浮动扩散区的阱容量。5.根据权利要求I所述的图像传感器，其特征在于，每个像素区域中还包括一个复位管和一个放大管； 所述复位管与第一浮动扩散区和第二浮动扩散区连接，用于对第一浮动扩散区和第二浮动扩散区进行复位； 所述放大管与第一浮动扩散区和第二浮动扩散区连接，用于对来自第一浮动扩散区和第二浮动扩散区的信号进行放大后输出。6.根据权利要求I所述的图像传感器，其特征在于，所述感光器件为光电二极管。7.根据权利要求I所述的图像传感器，其特征在于，所述发光二极管包括 依次制作在衬底上的缓冲区层、N型基于GaN的化合物半导体层、掺杂了的InxGal-xN层和P...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，汪辉，田犁，方娜，陈杰，苗田乐，
申请(专利权)人：上海中科高等研究院，
类型：发明
国别省市：