基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構
2024-04-14 13:20:05
1.本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及cmos(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器中可實現高動態範圍性能的像素結構，更具體的說，是涉及一種基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構。
背景技術：
2.圖像傳感器作為人眼所看到圖像的記錄設備，高質量的成像效果一直是圖像傳感器的研究重點。隨著圖像傳感器的發展，應用場景不斷拓展，圖像傳感器晶片中的像素設計特別重要，尤其是對動態範圍的要求越來越高。隨著半導體工藝的提升，晶片尺寸有不斷縮小的趨勢，這就需要其中的像素尺寸也相應縮小，而在小尺寸光電二極體中實現高滿阱容量從而實現高動態範圍非常困難。在曝光量很大的情景下，很難只利用光電二極體達到收集所有光生電荷的需求，橫向溢流集成電容(lateral overflow integration capacitor，lofic)技術的出現，可以用來收集曝光量很大時的多餘電荷，是對拓展動態範圍的一種優化方法，成為cmos圖像傳感器發展的方向之一。
3.對於lofic像素而言，像素結構是基於4管(4t)有源像素結構進行的優化而來，都有電荷收集區和電荷-電壓轉換節點。不同的是，4t像素只能利用光電二極體作為電荷收集區中積累的光生電荷，在電荷-電壓轉換節點轉化為信號讀出，溢流電荷會在電荷-電壓轉換節點的復位階段被清空；而lofic像素在4t像素基礎上增加一個橫向溢流集成電容，用於收集曝光量很大的場景下的溢流電荷，相當於獲得比普通4t像素更大的滿阱容量，從而擴大成像的動態範圍。所以lofic像素拓展了光照很強的場景時的成像範圍，而如何兼顧微弱光、中強度光場景下的成像質量，對其進行優化設計具有重要意義。因此，從不同的應用場景出發，為了獲得高解析度和高動態範圍的圖像，利用lofic像素設計多種模式復用的像素結構具有重要研究價值。
技術實現要素：
4.本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提出了一種基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構，該像素結構應用在不同光照場景下以拓展動態範圍，利用四像素共享設計，結合lofic技術和柵下電荷存儲技術，可實現像素結構按照時序在多種模式下工作，並順次輸出不同工作模式的電荷-電壓轉換信號，經過一次曝光即可獲得微弱光、中強度光和高強度光場景的信息，獲得高解析度和高動態範圍的成像質量。
5.本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
6.本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構，包括源極跟隨器和行選擇管，所述源極跟隨器一端連接電壓源，一端經行選擇管連接至列總線，另一端連接至浮動擴散節點，所述浮動擴散節點還分別連接有一號傳輸柵、二號傳輸柵、三號傳輸柵、四號傳輸柵、復位管、橫向溢出集成電容；所述一號傳輸柵一端連接至浮動擴散節點，另一端經一號光電二極體接地，所述二號傳輸柵一端連接至浮動擴散節點，另一端經二號光電二極體接
地，所述三號傳輸柵一端連接至浮動擴散節點，另一端經三號光電二極體接地，所述四號傳輸柵一端連接至浮動擴散節點，另一端經四號光電二極體接地；所述復位管一端連接至浮動擴散節點，另一端連接電壓源；所述橫向溢出集成電容一端接地，另一端經依次串聯的電容控制柵、電荷存儲柵、浮動擴散柵連接至浮動擴散節點。
7.所述一號傳輸柵、二號傳輸柵、三號傳輸柵、四號傳輸柵均採用轉移電晶體，所述浮動擴散柵、電容控制柵、復位管、源極跟隨器、行選擇管均採用電晶體，所述電荷存儲柵採用柵控存儲電晶體。
8.本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構，工作過程如下：
9.首先，依次對一號光電二極體、二號光電二極體、三號光電二極體、四號光電二極體、浮動擴散節點、橫向溢出集成電容、電荷存儲柵復位，隨後除電荷存儲柵一直置於高電平用於收集溢流電荷外，其他電晶體均置於低電平，進入曝光階段，當曝光結束後，行選信號上升為高電平，進入信號的讀出階段；將浮動擴散柵和電容控制柵置於高電平；隨後，將浮動擴散柵和電容控制柵置於低電平，電荷存儲柵繼續保持高電平，對浮動擴散節點進行一次復位後進入單像素模式信號的讀出，即依次導通一號傳輸柵、二號傳輸柵、三號傳輸柵、四號傳輸柵，一號傳輸柵、二號傳輸柵、三號傳輸柵、四號傳輸柵導通前後分別讀取四組復位電平hr1-hr4和信號電平hs1-hs4；其中，在hr1、hs1信號讀完後，導通浮動擴散柵，將這部分一號光電二極體的電荷轉移存儲在電荷存儲柵處，二號光電二極體和三號光電二極體的電荷同理；四組信號通過相關雙採樣cds進行量化，得到中強度光場景下的高分辨信號；
10.完成單像素模式信號的讀出後，將電荷存儲柵置於低電平、浮動擴散柵置於高電平；採樣信號s1即為共享模式1的信號電平，而共享模式1的復位電平r1與hr4相同；s1與r1通過相關雙採樣cds進行量化，得到微弱光場景下的高增益、高靈敏信號；
11.隨後，將浮動擴散柵、電荷存儲柵和電容控制柵置於高電平，使得橫向溢出集成電容、電荷存儲柵與浮動擴散節點連通，進行共享模式2的信號讀出；同時導通一號傳輸柵、二號傳輸柵、三號傳輸柵、四號傳輸柵，將一號光電二極體、二號光電二極體、三號光電二極體、四號光電二極體內可能殘留的電荷實現全部轉移，並讀取信號電平s2，最後導通一次復位管，讀取復位電平r2；s2和r2通過增量復位採樣drs進行量化，得到高強度光下的低增益、高飽和信號。
12.所述共享模式1指當四個光電二極體積累的光生電荷非常少量時，將這些電荷轉移到浮動擴散節點合併為一個信號讀出，應用於微弱光場景中；所述單像素模式指當四個光電二極體積累的光生電荷相對較多但還沒有達到其滿阱時，則採用四個信號單獨讀出的方式，應用於中強度光場景中；所述共享模式2指當四個光電二極體積累的光生電荷非常多而溢出至浮動擴散節點和橫向溢出集成電容時，則將所有電荷合併為一個高飽和信號讀出，應用於高強度光場景中。
13.與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：
14.四像素共享lofic結構相比於傳統單像素結構具有更多的工作模式，通過時序控制和模式切換，拓展動態範圍和應用場景，同時共享結構減小了像素麵積，適應當今晶片尺寸不斷縮小的趨勢。多模式復用型lofic像素結構對四像素共享結構做出優化，經過一次曝光即可獲得單像素模式和兩種共享模式的信號，所有工作模式信號在一組工作時序下順次輸出，從而使像素結構在更加廣泛的應用場景中實現了模式的復用，兼顧了解析度和動態
範圍。
附圖說明
15.圖1為一種cmos圖像傳感器的lofic像素結構示意圖；
16.圖2為圖1示出的lofic像素結構的工作時序圖；
17.圖3為一種四像素共享lofic像素結構示意圖；
18.圖4為圖3所示四像素共享lofic像素結構的工作模式圖；
19.圖5為圖3所示四像素共享lofic像素結構的工作時序圖(一)；
20.圖6為圖3所示四像素共享lofic像素結構的工作時序圖(二)；
21.圖7為本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構示意圖；
22.圖8為本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構的工作時序圖；
23.圖9為本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構的關鍵電勢圖。
24.附圖標記：ppd鉗位光電二極體，tg傳輸柵，sg電荷溢流管，cs橫向溢流集成電容，rst復位管，c
fd
浮動擴散節點fd的寄生電容，sf源極跟隨器，sel行選擇管，vdd電壓源，pd1一號光電二極體，pd2二號光電二極體，pd3三號光電二極體，pd4四號光電二極體，tg1一號傳輸柵，tg2二號傳輸柵，tg3三號傳輸柵，tg4四號傳輸柵，fd浮動擴散節點，cg電容控制柵，st電荷存儲柵，fg浮動擴散柵。
具體實施方式
25.下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
26.動態範圍是cmos圖像傳感器的一項關鍵性能指標，用於表徵圖像傳感器能檢測到的光強範圍。lofic技術是一種利用橫向溢流集成電容實現高動態範圍性能的重要手段，附圖1為現有的一種cmos圖像傳感器的lofic像素結構。如附圖1所示，所述像素結構包括：。
27.附圖2為附圖1示出的lofic像素結構的工作時序圖。結合附圖1及附圖2，所述像素結構的工作過程如下：
28.首先，將復位管rst、傳輸柵tg、電荷溢流管sg置於高電平，對鉗位光電二極體ppd、浮動擴散節點fd(也稱為「電荷-電壓轉換節點」)和橫向溢流集成電容cs進行復位操作。
29.接著，將復位管rst、傳輸柵tg、電荷溢流管sg置於低電平，像素進入曝光階段。在曝光期間，當光強相對較弱時，鉗位光電二極體ppd吸收光而積累光生電荷，且所積累的電荷不會超過其滿阱容量。當光強相對較強時，由於浮動擴散節點fd、橫向溢流集成電容cs與鉗位光電二極體ppd的電勢差，所積累的電荷超過鉗位光電二極體ppd的滿阱容量後，多餘的電荷便會溢出到浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs中。
30.曝光階段結束後，將行選擇管sel置於高電平，進入信號讀出階段。t1時刻先採樣一次浮動擴散節點fd的復位電平r1，隨後導通傳輸柵tg，將鉗位光電二極體ppd中積累的電荷第一次轉移到浮動擴散節點fd，關斷傳輸柵tg後t2時刻採樣一次浮動擴散節點fd的信號電平s1。經過這個過程，如果光強相對較弱，則鉗位光電二極體ppd中積累的電荷可以完全轉移到浮動擴散節點fd，信號電平s1和復位電平r1通過相關雙採樣(correlated double sample，cds)進行量化，得到弱光下的高增益、高靈敏信號。
31.接著，將電荷溢流管sg置於高電平，使浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs導
通形成一個更大的電荷容器，隨後再次將傳輸柵tg置於高電平，將鉗位光電二極體ppd中積累的電荷第二次轉移到浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs，關斷傳輸柵tg後t3時刻採樣一次浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs的信號電平s2。隨後復位管rst置於高電平，對浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs進行復位操作，復位管rst關斷後t4時刻採樣一次浮動擴散節點fd加橫向溢流集成電容cs的復位電平r2。如果光強相對較強，則鉗位光電二極體ppd中積累的電荷第一次轉移時無法完全轉移到浮動擴散節點fd，經過第二次轉移這個過程，電荷完全轉移到浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs與溢流電荷合併，信號電平s2和復位電平r2通過增量復位採樣(delta reset sample，drs)進行量化，得到強光下的低增益、高飽和信號。
32.上述為現有的一種cmos圖像傳感器的lofic像素的結構和工作原理，通過兩種工作模式可以獲得低光下的高靈敏信號和高光下的高飽和信號。然而為保證動態範圍的擴展，每個像素都需要一個橫向溢流集成電容，且電容值需求較大，將佔用較大的像素麵積。
33.針對這個問題，附圖3所示的四像素共享lofic像素結構更適用於小尺寸像素的設計，所述像素結構包括：一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4、一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4、電荷溢流管sg、橫向溢流集成電容cs、復位管rst、浮動擴散節點fd的寄生電容c
fd
、源極跟隨器sf以及行選擇管sel。其中，一號傳輸柵tg1一端經一號光電二極體pd1接地，另一端連接至浮動擴散節點fd；二號傳輸柵tg2一端經二號光電二極體pd2接地，另一端連接至浮動擴散節點fd；三號傳輸柵tg3一端經三號光電二極體pd3接地，另一端連接至浮動擴散節點fd；四號傳輸柵tg4一端經四號光電二極體pd4接地，另一端連接至浮動擴散節點fd；電荷溢流管sg一端分別經復位管rst、橫向溢流集成電容cs連接電壓源vdd、地，另一端連接至浮動擴散節點fd；浮動擴散節點fd的寄生電容c
fd
一端接地，另一端連接至浮動擴散節點fd；源極跟隨器sf一端連接電壓源vdd，一端經行選擇管sel連接至列總線，另一端連接至浮動擴散節點fd。
34.此四像素共享lofic像素結構實現了電荷溢流管sg、復位管rst、源極跟隨器sf、行選擇管sel四個電晶體、浮動擴散節點fd、橫向溢流集成電容cs的共用。採用四像素共享lofic結構不僅有利於解決像素尺寸的問題，而且可以在結構基礎上通過時序設計，使四個像素既可以獨立工作又可以合併工作，與附圖1的經典lofic像素結構相比會有更多的工作模式。
35.附圖4為附圖3示出的四像素共享lofic結構的工作模式圖。結合附圖3及附圖4，所述像素結構的工作模式包括共享模式1、單像素模式和共享模式2。具體的講，所述共享模式1指當四個光電二極體(一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4)積累的光生電荷非常少量時，將這些電荷轉移到浮動擴散節點fd合併為一個信號讀出，應用於微弱光場景中；所述單像素模式指當四個光電二極體(一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4)積累的光生電荷相對較多但還沒有達到其滿阱時，則採用四個信號單獨讀出的方式，應用於中強度光場景中；共享模式2指當四個光電二極體(一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4)積累的光生電荷非常多而溢出至浮動擴散節點fd和橫向溢出集成電容cs時，則將所有電荷合併為一個高飽和信號讀出，應用於高強度光場景中。
36.在微弱光和中強度光下，一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極
管pd3、四號光電二極體pd4負責收集曝光階段的光生電荷，一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4負責將一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4內收集的光生電荷轉移至浮動擴散節點fd，復位管rst負責對浮動擴散節點fd以及一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4進行復位操作，源極跟隨器sf負責將浮動擴散節點fd處的電壓信號輸出，行選擇管sel通過行選信號負責某一行的選通。此外，通過時序控制一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4的光電信號合併讀出或者分別讀出，即像素結構可以工作在共享模式1和單像素模式，用以區分微弱光和中強度光所對應的場景。
37.在高強度光下，一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4不足以完全收集曝光階段的光生電荷，而多餘電荷會發生溢流，經過一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4和電荷溢流管sg至fd和cs兩個節點處進行存儲。在信號讀出時，將sg管導通，tg負責將pd內收集的光生電荷轉移至浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs，經電荷-電壓轉換和行選通後輸出此高強度光信號。由於發生電荷溢流，四個像素的信號會發生混合，將其設計為合併讀出，即像素結構工作在共享模式2，得到高強度光場景信息。
38.在設計四像素共享lofic結構後，經過工作時序分析，發現微弱光和高強度光信號可以通過一次曝光獲得，因為這兩種場景下都是將四個像素獲得的信號合併讀出，即共享模式1和共享模式2。而中強度光場景的信號為各pd積累光生電荷分別讀出，即單像素模式無法與前兩種通過一次曝光實現，只能通過切換工作模式，兩次曝光獲得所有場景信號。
39.附圖5為四個像素的電荷單獨讀出的單像素模式工作時序，附圖6為四個像素的電荷合併讀出的共享模式1和共享模式2工作時序。結合附圖3-附圖6，所述像素結構的工作過程如下：
40.單像素模式下，與4t像素工作過程類似。首先依次對一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4、浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs復位，進入曝光階段，當曝光結束後，行選信號上升為高電平，進入信號的讀出階段。在浮動擴散節點fd處得到一號光電二極體pd1的復位電平hr1，打開一號傳輸柵tg1，一號光電二極體pd1中的電荷轉移到浮動擴散節點fd，得到一號光電二極體pd1的信號電平hs1，隨後對浮動擴散節點fd復位，繼續順次獲得二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4的復位電平和信號電平，分別做相關雙採樣cds。單像素模式得到中強度光下的信號具有高解析度的特點。
41.共享模式1和共享模式2下，與附圖1的lofic像素結構工作過程類似。首先對一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4、浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs進行復位，進入曝光階段，當曝光結束後，行選信號上升為高電平，進入信號的讀出階段。這兩種模式下，一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4同步開關，即四像素同步工作，共享浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs進行信號的讀出。信號電平s1和復位電平r1通過相關雙採樣cds進行量化，得到微弱光場景下的高增益、高靈敏信號。信號電平s2和復位電平r2通過增量復位採樣drs進行量化，得到高強度光下的低增益、高飽和信號。
42.上述為四像素共享lofic結構及其工作原理，通過三種工作模式可以獲得一幀高分辨圖像和一幀高動態圖像。然而由於結構內的共用部分限制，無法通過時序控制在一次曝光下獲得所有信號，必須將單像素模式和共享模式分為兩次曝光過程，因此無法同時實現高解析度和高動態範圍。
43.針對這個問題，本發明對四像素共享lofic結構做出優化設計，引入柵下電荷存儲，提出一種基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構，如圖7所示，相當於增加一個電荷存儲節點，可實現只通過一次曝光下即可同時獲得單像素模式、共享模式1和共享模式2的所有場景信號，實現了一種多模式復用像素結構。在四像素共享lofic結構基礎上，將連接浮動擴散節點fd和橫向溢流集成電容cs的電荷溢流管sg替換為可以進行電荷暫存的節點，包括浮動擴散柵fg、電荷存儲柵st、電容控制柵cg。
44.該像素結構包括：一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4、一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4、電容控制柵cg、電荷存儲柵st、浮動擴散柵fg、橫向溢流集成電容cs、復位管rst、源極跟隨器sf以及行選擇管sel。其中，所述一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4均採用轉移電晶體，所述浮動擴散柵fg、電容控制柵cg、復位管rst、源極跟隨器sf、行選擇管sel均採用電晶體，所述電荷存儲柵st採用柵控存儲電晶體。
45.具體地，所述一號傳輸柵tg1一端連接至浮動擴散節點fd，另一端經一號光電二極體pd1接地；所述二號傳輸柵tg2一端連接至浮動擴散節點fd，另一端經二號光電二極體pd2接地；所述三號傳輸柵tg3一端連接至浮動擴散節點fd，另一端經三號光電二極體pd3接地；所述四號傳輸柵tg4一端連接至浮動擴散節點fd，另一端經四號光電二極體pd4接地。所述復位管rst一端連接至浮動擴散節點fd，另一端連接電壓源vdd。所述橫向溢出集成電容cs一端接地，另一端經依次串聯的電容控制柵cg、電荷存儲柵st、浮動擴散柵fg連接至浮動擴散節點fd。所述源極跟隨器sf一端連接電壓源vdd，一端經行選擇管sel連接至列總線，另一端連接至浮動擴散節點fd。
46.在微弱光和中強度光下，一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4負責收集曝光階段的光生電荷，一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4負責將一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4內收集的光生電荷轉移至浮動擴散節點fd，復位管rst負責對浮動擴散節點fd以及一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4進行復位操作，源極跟隨器sf負責將浮動擴散節點fd處的電壓信號輸出，行選擇管sel通過行選信號負責某一行的選通。在信號讀出時，先進行一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4信號的單獨讀出，在單像素模式下獲得中強度光場景的信息，浮動擴散柵fg既負責將一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3信號讀出後的電荷轉移至電荷存儲柵st處暫存，也負責將一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4的電荷在浮動擴散節點fd處合併讀出，通過共享模式1獲得微弱光場景信息。
47.在高強度光下，一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4不足以完全收集曝光階段的光生電荷，而多餘電荷會發生溢流，經過一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4、浮動擴散柵fg和電容控制柵
cg溢流至浮動擴散節點fd、電荷存儲柵st、橫向溢流集成電容cs三處進行存儲。在信號讀出時，將浮動擴散柵fg、電荷存儲柵st和電容控制柵cg導通，溢流電荷得到合併，一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4負責轉移一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4內收集的光生電荷，經電荷-電壓轉換和行選通後輸出此高強度光信號。由於發生電荷溢流，四個像素的信號會發生混合，將其設計為合併讀出，通過共享模式2獲得高強度光場景信息。
48.附圖8為附圖7示出的基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構的工作時序圖，附圖9為基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構的關鍵電勢圖。結合附圖4、附圖7、附圖8和附圖9，本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構的工作過程如下：
49.首先，依次對一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4、浮動擴散節點fd、橫向溢出集成電容cs、電荷存儲柵st復位，隨後除電荷存儲柵st一直置於高電平用於收集溢流電荷外，其他電晶體均置於低電平，進入曝光階段，當曝光結束後，行選信號上升為高電平，進入信號的讀出階段。將浮動擴散柵fg和電容控制柵cg置於高電平，目的是先將溢出電荷轉移到橫向溢出集成電容cs，以便於進行單像素模式；隨後，將浮動擴散柵fg和電容控制柵cg置於低電平，電荷存儲柵st繼續保持高電平，對浮動擴散節點fd進行一次復位後進入單像素模式信號的讀出，即依次導通一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4，在一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4導通前後t1-t8時刻分別讀取四組復位電平hr1-hr4和信號電平hs1-hs4。其中，在hr1、hs1信號讀完後，導通浮動擴散柵fg，將這部分一號光電二極體pd1的電荷轉移存儲在電荷存儲柵st處；二號光電二極體pd2和三號光電二極體pd3的電荷同理(即在hr2、hs2信號讀完後，導通浮動擴散柵fg，將這部分pd2的電荷轉移存儲在電荷存儲柵st處；在hr3、hs3信號讀完後，導通浮動擴散柵fg，將這部分pd3的電荷轉移存儲在電荷存儲柵st處)。四組信號通過相關雙採樣cds進行量化，得到中強度光場景下的高分辨信號。
50.t8時刻完成單像素模式信號的讀出後，將電荷存儲柵st置於低電平、浮動擴散柵fg置於高電平，即將電荷存儲柵st處存儲的一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3的電荷轉移回浮動擴散節點fd，與四號光電二極體pd4的電荷合併。t9時刻採樣信號s1即為共享模式1的信號電平，而共享模式1的復位電平r1與hr4相同。s1與r1通過相關雙採樣cds進行量化，得到微弱光場景下的高增益、高靈敏信號。
51.隨後，將浮動擴散柵fg、電荷存儲柵st和電容控制柵cg置於高電平，使得橫向溢出集成電容cs、電荷存儲柵st與浮動擴散節點fd連通，進行共享模式2的信號讀出。同時導通一號傳輸柵tg1、二號傳輸柵tg2、三號傳輸柵tg3、四號傳輸柵tg4，將一號光電二極體pd1、二號光電二極體pd2、三號光電二極體pd3、四號光電二極體pd4內可能殘留的電荷實現全部轉移，並在t10時刻讀取信號電平s2，最後導通一次復位管rst，t11時刻讀取復位電平r2。s2和r2通過增量復位採樣drs進行量化，得到高強度光下的低增益、高飽和信號。
52.上述為本發明基於橫向溢流集成電容的多模式復用像素結構及其工作原理，對四像素共享lofic結構做出優化設計，引入柵下電荷存儲技術，通過一次曝光、多組讀出的方式，實現了單像素模式、共享模式1和共享模式2三種工作模式的復用，從而在一組工作時序下順次獲得微弱光、中強度光和高強度光場景的信號。由此，有效拓展了像素的應用場景，可同時實現高解析度和高動態範圍，改善cmos圖像傳感器的性能
53.儘管上面結合附圖對本發明的功能及工作過程進行了描述，但本發明並不局限於上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。