一種高動態範圍的像素單元及圖像傳感器的製作方法
2023-04-23 17:42:11
專利名稱：一種高動態範圍的像素單元及圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器領域，尤其涉及一種高動態範圍的像素單元及圖像傳感器。
背景技術：
近年來，CMOS圖像傳感器產業高速發展，圖像傳感器廠商推出性能優越並且晶片面積較小的產品。這對像素單元提出了更高的要求，要求圖像傳感器在小尺寸像素下實現高動態範圍、高靈敏度、低噪聲等特性。但是小像素對於圖像傳感器高動態技術指標制約顯著，因此在高動態範圍的圖像傳感器中採用大尺寸像素，導致晶片的性價比難以提高。現有的圖像傳感器電路都具有一個像素陣列單元，由多個像素單元構成。通常地， 一個CMOS有源像素單元包含了 3至4個MOS電晶體和一個光電二極體，具有4個MOS電晶體和一個光電二極體結構的圖像傳感器為4T結構圖像傳感器。如今4T結構的像素單元系統廣泛應用於CMOS圖像傳感器當中。傳統的4T結構CMOS圖像傳感器像素單元電路如圖1所示，在4T結構的CMOS圖像傳感器中，每個像素單元都包含傳輸門電晶體TX、復位電晶體RST、源跟隨電晶體SF、行選通電晶體RS及用於感受光信號的光電二極體PD，FD為浮置擴散節點，Vout為輸出端。復位電晶體RST具有施加復位信號RST的柵極，連接到浮置擴散節點FD的一個電極，和連接到VDD的另一電極；源跟隨電晶體SF具有連接到浮置擴散節點的柵極和與VDD端相連的一個電極；行選通電晶體RS具有輸入行選擇信號RS的柵極、串聯連接到源跟隨電晶體SF的一個電極以及連接到輸出端Vout的另一電極；傳輸門電晶體TX具有連接到浮置擴散節點 FD的一個電極和輸入轉換信號TX使得當讀出存儲電荷時轉換存儲電荷的柵極；光電二級管FD連接在傳輸門電晶體TX和接地端之間。圖中VDD是外部提供給整個像素單元的工作電壓，控制電路提供信號分別控制復位電晶體RST、傳輸門電晶體TX、行選通電晶體RS的導通與截止來實現後端電路對輸出信號的採集。傳統4T結構CMOS圖像傳感器利用光電二極體PD本身存儲電荷，存儲電荷的能力低、動態範圍小。圖2中是傳統4T結構像素單元光電子積累並傳輸的示意圖，圖加表示光電二極體PD對光信號採集結束，傳輸門電晶體TX導通前，電子在光電二極體PD中積累完成；圖2b 中傳輸門電晶體TX導通，電子轉移到浮置擴散節點FD，浮置擴散節點FD區域電壓降低。圖3為傳統4T結構像素單元的布圖，包括復位電晶體301、傳輸門電晶體302、光電二極體303、源跟隨電晶體305、行選通電晶體306。復位電晶體301位於VDD和浮動擴散節點之間；傳輸門電晶體302位於浮動擴散節點和光電二極體303之間；光電二級管303 接地；源跟隨電晶體305位於VDD和行選通電晶體306之間；行選通電晶體306位於光電二極體303 —側並連接輸出端；所述傳輸門電晶體302和行選通電晶體306分別位於光電二級管相對的兩側。為了解決傳統4T結構CMOS圖像傳感器存儲電荷的能力低、動態範圍小的技術問
3題，現有技術還提供了一種採用5T結構的CMOS圖像傳感器，在傳統4T結構圖像傳感器的光電二極體周圍設置MOS電容以形成5T結構的像素單元，並具有單獨的控制信號對MOS電容進行控制。但5T結構的圖像傳感器對復位電晶體和行選通電晶體這兩個MOS管的柵極利用不足，添加了一個控制單元產生控制信號控制MOS電容，增加了金屬走線的難度；像素單元的填充比也有所減小；並且MOS電容需要單獨的控制電路，也導致了晶片面積的增加。
發明內容
本發明為解決現有高動態範圍的圖像傳感器像素單元版圖走線難度大、晶片面積較大的技術問題，提供一種不需要額外增加MOS電容控制信號來提高動態範圍的像素單元及圖像傳感器。一種高動態範圍的像素單元，具有4T結構；所述像素單元的復位電晶體柵極部分與光電二極體區域重疊構成第一電荷存儲柵；行選通電晶體柵極部分與光電二級管區域重疊構成第二電荷存儲柵。進一步的，所述4T結構的像素單元包括復位電晶體、傳輸門電晶體、光電二極體、源跟隨電晶體、行選通電晶體；所述復位電晶體位於VDD和浮動擴散節點之間；傳輸門電晶體位於浮動擴散節點和光電二極體之間；光電二級管接地；源跟隨電晶體位於VDD和行選通電晶體之間；行選通電晶體位於光電二極體一側並連接輸出端；所述傳輸門電晶體和行選通電晶體分別位於光電二級管相對的兩側。進一步的，該像素單元還包括給復位電晶體施加復位信號、行選通電晶體施加行選擇信號、傳輸門電晶體施加轉換信號的控制單元。進一步的，所述控制單元產生的復位信號和行選擇信號具有有效的重疊部分。一種採用上述高動態範圍像素單元的圖像傳感器，包括像素單元陣列，由多個具有高動態範圍的像素單元排列成矩陣構成；行控制電路，控制像素單元陣列讀出圖像數據的行數；讀出單元，讀出像素單元陣列的模擬圖像數據；模擬處理單元，對模擬圖像數據進行處理；模數轉換單元，將處理後的模擬圖像數據轉換成數字圖像數據；數字圖像處理單元，對數字圖像數據進行處理。本發明像素單元中復位電晶體柵極部分與光電二極體區域重疊構成第一電荷存儲柵，行選通電晶體柵極部分與光電二極體區域的重疊構成第二電荷存儲柵，且利用復位信號控制第一電荷存儲柵，行選擇信號控制第二電荷存儲柵。增加了像素單元存儲電荷的能力，擴大了像素單元的動態範圍，同時還減小了金屬走線的難度、增加了像素單元的填充比、及減小了像素單元的晶片面積。
圖1是現有技術提供的4T結構像素單元電路示意圖；圖2是現有技術提供的4T結構像素單元光電子積累並傳輸的示意圖；圖3是現有技術提供的4T結構像素單元電路布局示意圖；圖4是本發明實施例提供的高動態範圍像素單元布局示意圖5是本發明實施例提供的控制單元產生的控制信號波形圖；圖6是本發明實施例提供的控制單元控制像素單元工作的流程圖圖7是本發明實施例提供的像素單元光電子積累並傳輸的示意圖；圖8是本發明實施例提供的等效電路結構圖；圖9是本發明實施例提供的圖像傳感器結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。像素單元的動態範圍是評估圖像傳感器工作時光電二極體產生的飽和信號和暗噪聲信號的一個量度，用公式(1)表示
權利要求
1.一種高動態範圍的像素單元，具有4T結構；其特徵在於所述像素單元的復位電晶體柵極部分與光電二極體區域重疊構成第一電荷存儲柵；行選通電晶體柵極部分與光電二級管區域重疊構成第二電荷存儲柵。
2.如權利要求1所述的高動態範圍的像素單元，其特徵在於，所述4T結構的像素單元包括復位電晶體、傳輸門電晶體、光電二極體、源跟隨電晶體、行選通電晶體；所述復位電晶體位於VDD和浮動擴散節點之間；傳輸門電晶體位於浮動擴散節點和光電二極體之間；光電二級管接地；源跟隨電晶體位於VDD和行選通電晶體之間；行選通電晶體位於光電二極體一側並連接輸出端；所述傳輸門電晶體和行選通電晶體分別位於光電二級管相對的兩側。
3.如權利要求1所述的高動態範圍的像素單元，其特徵在於該像素單元還包括給復位電晶體施加復位信號、行選通電晶體施加行選擇信號、傳輸門電晶體施加轉換信號的控制單元。
4.如權利要求3所述的高動態範圍的圖像傳感器，其特徵在於所述控制單元產生的復位信號和行選擇信號具有有效的重疊部分。
5.一種採用如權利要求1所述的高動態範圍像素單元組成的圖像傳感器，其特徵在於，包括像素單元陣列，由多個具有高動態範圍的像素單元排列成矩陣構成；行控制電路，控制像素單元陣列讀出圖像數據的行數；讀出單元，讀出像素單元陣列的模擬圖像數據；模擬處理單元，對模擬圖像數據進行處理；模數轉換單元，將處理後的模擬圖像數據轉換成數字圖像數據；數字圖像處理單元，對數字圖像數據進行處理。
全文摘要
本發明提供了一種高動態範圍的像素單元，具有4T結構，所述像素單元的復位電晶體柵極部分與光電二極體區域重疊構成第一電荷存儲柵；行選通電晶體柵極部分與光電二級管區域重疊構成第二電荷存儲柵。本發明還提供了一種高動態範圍的圖像傳感器。本發明像素單元中復位電晶體柵極部分與光電二極體區域重疊構成第一電荷存儲柵，行選通電晶體柵極部分與光電二極體區域的重疊構成第二電荷存儲柵，且利用復位信號控制第一電荷存儲柵，行選擇信號控制第二電荷存儲柵。增加了像素單元存儲電荷的能力，擴大了像素單元的動態範圍，同時還減小了金屬走線的難度、增加了像素單元的填充比、及減小了像素單元的晶片面積。
文檔編號H04N5/335GK102387316SQ20101027480
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者劉坤, 汪立, 胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司