高动态范围图像传感器像素制造技术

本发明专利技术涉及一种高动态范围图像传感器像素，该像素由光电二极管、转移控制开关、至少一个高动态晶体管构成的高动态控制结构、复位开关、放大器以及行选开关组成；所述复位开关的一端接电源电压，另一端通过高动态控制结构连接到节点；转移控制开关的两端分别接到光电二极管的负极和节点，光电二极管的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点和行选开关。本发明专利技术利用高动态晶体管的沟道来存储第二次转移的电子，相比于现有技术的5晶体管像素，该像素中减少了一个大电容，节省像素面积的同时简化了版图连线，可充分提高填充因子，提升量子效率。

High dynamic range image sensor pixel

The invention relates to a high dynamic range image sensor pixel, the pixel of the photodiode, transfer control switch, comprising at least one high dynamic transistor high dynamic control structure, reset switch, amplifier and row selection switch; one end of the reset switch is connected with the power supply voltage, the other end is connected to the node with high dynamic control the structure and node metastasis; negative control both ends of switch to the photodiode cathode respectively, photoelectric diode grounding; amplifier input and output are respectively connected with the node and line selection switch. The invention uses high dynamic transistor channel to store second transfer, the 5 transistor pixel compared to the existing technology, the pixel is reduced in a large capacitor, save the pixel area and simplify the layout lines, can fully improve the filling factor, enhance the quantum efficiency.

【技术实现步骤摘要】
高动态范围图像传感器像素
本专利技术属于半导体图像感测
，具体涉及一种高动态范围图像传感器像素。
技术介绍
为提高图像传感器动态范围，专利技术了5晶体管图像传感器像素，典型5晶体管图像传感器像素架构如图1所示。该像素高动态工作原理为：1.在曝光开始之前，闭合复位开关RST、高动态控制晶体管HDR和转移控制开关TX，清空光电二极管PD中的电子；2.断开TX，像素开始曝光。3.曝光结束之前，断开RST，在像素电压输出端采集一个低增益复位电压值；4.断开HDR，在像素电压输出端采集一个高增益复位电压值；5.打开TX，结束曝光，光生电子转移至FD中；6.断开TX之后，在像素电压输出端采集一个高增益信号电压值；7.闭合HDR，使FD端并联一个大电容C1；8.再次闭合后断开TX，使第一次没有转移完全的电子转移至具有大电容的FD，在像素电压输出端采集一个低增益信号电压值；通过后续信号处理，综合两幅高低增益图像，可以得到一副高动态范围图像。这种典型5晶体管像素中的C1为一个MOS晶体管电容器，第二次电子转移时，将电子存储在晶体管的栅上，存储电荷的数量决定信号电压大小。由于该像素采用一个大电容C1存储第二次转移的电子，像素面积较大，同时版图连线较复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种在节省像素面积的同时简化了版图连线的高动态范围图像传感器像素，该像素可充分提高填充因子，提升量子效率。为了解决上述技术问题，本专利技术的高动态范围图像传感器像素由光电二极管、转移控制开关、至少一个高动态晶体管构成的高动态控制结构、复位开关、放大器以及行选开关组成；所述复位开关的一端接电源电压VD1，另一端通过高动态控制结构连接到节点；转移控制开关的两端分别接到光电二极管的负极和节点，光电二极管的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点和行选开关。所述高动态控制结构由一个高动态晶体管构成；高动态晶体管的漏极接复位开关，源极连接到节点。所述高动态控制结构由多个高动态晶体管构成，每个高动态晶体管与相邻的高动态晶体管之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管的漏极接复位开关，最后一个高动态晶体管的源极连接到节点。理论上高动态晶体管的栅宽越宽，栅长越长，沟道中可以容纳的电子数越多，像素动态范围越高。但是实际上，较大的高动态晶体管会占用像素的有效感光面积，影响光电二极管容纳光生电子的能力。如果光电二极管可容纳的电子很少，那么经过第二次转移，可能无法达到Qmax。因此本专利技术采用下述方法确定高动态晶体管的栅极面积：当高动态控制结构由一个高动态晶体管构成时，该高动态晶体管的栅极面积S满足式（1）；Qmax/（ΔVmax×Cox）≤S<A(1)A为单个像素的面积。考虑到较大的HDR晶体管占用像素内有效感光面积，要保证感光面积足够大，S的最大值通常不可超过单个像素面积的百分之60%，即：Qmax/（ΔVmax×Cox）≤S<0.6×A（2）其中Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，ΔVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。综合考虑像素的有效感光面积和光电二极管容纳光生电子的能力，高动态晶体管的栅极面积S优选满足式（3）Qmax/（ΔVmax×Cox）≤S≤2×Qmax/（ΔVmax×Cox）(3)当高动态控制结构由多个高动态晶体管构成时，所有高动态晶体管的栅极面积之和S’满足式（2）；Qmax/（ΔVmax×Cox）≤S’<A（4）其中A为单个像素的面积，Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，ΔVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。综合考虑像素的有效感光面积和光电二极管容纳光生电子的能力，所有高动态晶体管HDR的栅极面积S’优选满足式（5）Qmax/（ΔVmax×Cox）≤S’≤2×Qmax/（ΔVmax×Cox）（5）该像素高动态工作原理如下：1.在曝光开始之前，闭合复位开关RST、高动态控制结构中的各高动态晶体管和转移控制开关TX，清空光电二极管PD中的电子；2.断开转移控制开关TX，像素开始曝光。3.曝光结束之前，断开复位开关RST，在像素电压输出端采集一个低增益复位电压值；4.断开高动态控制结构中的各高动态晶体管，在像素电压输出端采集一个高增益复位电压值；5.打开转移控制开关TX，结束曝光，光生电子转移至FD中（第一次光生电子转移）；6.断开转移控制开关TX之后，在像素电压输出端采集一个高增益信号电压值；7.闭合高动态控制结构中的各高动态晶体管；8.再次闭合后断开转移控制开关TX，使第一次没有转移完全的电子转移至各高动态晶体管的沟道中（第二次光生电子转移），在像素电压输出端采集一个低增益信号电压值；通过后续信号处理，综合两幅高低增益图像，可以得到一副高动态范围图像。真实世界场景的动态范围接近180dB，人眼能够响应的动态范围可达140dB，而普通CMOS图像传感器的动态范围只有50～70dB左右，无法记录高动态自然场景。本专利技术所述的图像传感器架构一般可以达到90dB至110dB的高动态范围。本专利技术利用HDR晶体管的沟道来存储第二次转移的电子，相比于现有技术的5晶体管像素，该像素中减少了一个大电容，节省像素面积的同时简化了版图连线，可充分提高填充因子，提升量子效率。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1为现有技术的5晶体管图像传感器像素结构示意图。图2为本专利技术的高动态范围图像传感器像素实施例1结构示意图。图3为晶体管HDR的立体结构示意图。图中：1.栅极2.衬底3.漏极4.源极图4为本专利技术的高动态范围图像传感器像素实施例2结构示意图。图5为本专利技术实施例2的具体结构示意图。具体实施方式实施例1如图2所示，本专利技术的高动态范围图像传感器像素由光电二极管PD、转移控制开关TX、由一个高动态晶体管HDR构成的高动态控制结构、复位开关RST、放大器以及行选开关SEL组成；所述复位开关RST的一端接电源电压VD1，另一端连接到高动态晶体管HDR的漏极，高动态晶体管HDR的源极连接到节点FD；转移控制开关TX的两端分别接到光电二极管PD的负极和节点FD，光电二极管PD的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点FD和行选开关SEL。当第二次转移的电子存储在沟道时，存储的电荷量为Q，在栅电容的作用下将引起源极、漏极和沟道的电位变化ΔV。该ΔV即为第二次转移的信号值，其值等于低增益复位电压值与低增益信号电压值之差。Q=Q1+Q2其中，Q1为第一次转移至FD中的电子数，Q2为第二次转移的电子数。第二次转移的电子数与光电二极管的曝光量（表征曝光时间内入射光子的个数）有关，曝光量H为光照强度E（单位W/m2）和曝光时间texp（单位为s：秒）的乘积。光照强度越大，曝光时间越长，在光电二极管中产生的电子数越多。第一次打开TX，光电二极管中产生的电子转移至FD中。如果曝光量较小，光电二极管中产生的电子较少，为Q1，可以全部转移至FD，光电二极管被清空。第二次打开TX之前，闭合高动态晶体管HDR，FD中电子转移至高动态晶体管HDR沟道中。第二次打开TX后，由于光电二极管已被清空，没有额外电子转移至高动态晶体管H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高动态范围图像传感器像素，其特征在于由光电二极管(PD)、转移控制开关(TX)、高动态控制结构、复位开关(RST)、放大器以及行选开关(SEL)组成；所述复位开关(RST)的一端接电源电压VD1，另一端通过高动态控制结构连接到节点(FD)；转移控制开关(TX)的两端分别接到光电二极管(PD)的负极和节点(FD)，光电二极管(PD)的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点(FD)和行选开关(SEL)；高动态控制结构由一个高动态晶体管(HDR)构成，且该高动态晶体管(HDR)的漏极接复位开关(RST)，源极连接到节点(FD)；或者高动态控制结构由多个高动态晶体管(HDR)构成，每个高动态晶体管与相邻的高动态晶体管之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管的漏极接复位开关(RST)，最后一个高动态晶体管的源极连接到节点(FD)。

【技术特征摘要】
1.一种高动态范围图像传感器像素，其特征在于由光电二极管(PD)、转移控制开关(TX)、高动态控制结构、复位开关(RST)、放大器以及行选开关(SEL)组成；所述复位开关(RST)的一端接电源电压VD1，另一端通过高动态控制结构连接到节点(FD)；转移控制开关(TX)的两端分别接到光电二极管(PD)的负极和节点(FD)，光电二极管(PD)的正极接地；放大器的输入和输出分别接节点(FD)和行选开关(SEL)；高动态控制结构由一个高动态晶体管(HDR)构成，且该高动态晶体管(HDR)的漏极接复位开关(RST)，源极连接到节点(FD)；或者高动态控制结构由多个高动态晶体管(HDR)构成，每个高动态晶体管与相邻的高动态晶体管之间通过漏极和源极相接，第一个高动态晶体管的漏极接复位开关(RST)，最后一个高动态晶体管的源极连接到节点(FD)。2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器像素，其特征在于所述高动态晶体管(HDR)的栅极面积S满足式(1)：Qmax/(ΔVmax×Cox)≤S<A(1)A为单个像素的面积，Qmax为设定的第二次光生电子转移后沟道内存储电荷量的最大期望值，ΔVmax为第二次光生电子转移信号的最大期望值，Cox为单位面积栅氧电容。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里·约翰尼斯·米尔普，周泉，马成，王欣洋，
申请(专利权)人：长春长光辰芯光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22