像素单元及其成像方法和成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供像素单元及其成像方法和成像装置。像素单元包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，耦合在电容第二极和浮动扩散区域之间，对电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；及源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域，放大输出所述像素信号。

Pixel unit and its imaging method and imaging device

The invention provides a pixel unit, an imaging method and an imaging device thereof. The pixel unit includes: the first photodiode, the first transfer transistor, coupled to the floating diffusion region and transfer the charge generated by the first photodiode to the floating diffusion region; the second photodiode, the second transfer transistor, coupled to the floating diffusion region, and transfer the charge generated by the second photodiode to floating. The moving area of the second photodiode is different from that of the first photodiode; the capacitor, whose first pole is coupled to the specified voltage; the gain control transistor is coupled to the capacitance and the floating diffusion region between the second pole and the floating diffusion region; the reset crystal is controlled. The body tube, coupled to the second pole of the capacitor and the gain control transistor, resets the coupling point potential of the second pole of the capacitor and the gain control transistor through the reset control signal; and the source following transistor, coupled to the floating diffusion region, amplifies the output of the pixel signal.

【技术实现步骤摘要】
像素单元及其成像方法和成像装置
本专利技术涉及成像领域，特别地涉及一种像素单元及其成像方法和成像装置。
技术介绍
对于图像质量的要求一直以来不断地提高。特别是不借助结构复杂的硬件而获取高质量的图像更是成为目前成像领域研发工作的努力方向。例如，在如卡片式相机的便携式成像装置上获取高分辨率高质量的照片。成像装置一般具有像素阵列。像素阵列中的每一个像素单元包括感光器件，例如光电二极管、光开关等。每个感光器件接收光的能力不同。这种能力的不同反映到成像装置上使成像装置具有不同的光动态范围，即成像装置可接收光的范围。当成像装置的光动态范围小于外界光强度的变化时，外界的景象就无法完全反映到所获取的图像中。本领域中一直希望能够有一种简便的方式能够解决这一问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，根据本专利技术的一个方面，提出一种像素单元，包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号。如上所述的像素单元，进一步包括一行选择晶体管，耦合于所述源极跟随晶体管输出端，根据行选择控制信号对像素单元进行行输出控制。如上所述的像素单元，其特征在于，所述增益控制晶体管通过控制所述电容是否电耦合到所述浮动扩散区域来改变所述浮动扩散区域的电容。如上所述的像素单元，其特征在于，耦合至所述电容第一极的指定电压为固定电压或可变电压。如上所述的像素单元，其特征在于，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述增益控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。根据本专利技术的另一个方面，提出一种成像装置，包括：像素单元阵列，其包括排列成行和列的多个像素单元，其中，每个所述像素单元包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号；以及，外围电路，其控制所述像素单元阵列，并对所述像素单元阵列输出的图像信号进行量化和处理。如上所述的成像装置，增益控制晶体管通过控制所述电容是否电耦合到所述浮动扩散区域来改变所述浮动扩散区域的电容。如上所述的成像装置，进一步包括行选择晶体管，耦合于所述源极跟随晶体管输出端，根据行选择控制信号对像素单元进行行输出控制。如上所述的成像装置，其中耦合至所述电容第一极的指定电压为固定电压或可变电压。如上所述的成像装置，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述增益控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。根据本专利技术的另一个方面，提出一种在如上像素单元的成像方法，包括：在第一转换增益模式中，获得浮动扩散区域的第一复位电压；在第二转换增益模式中，获得浮动扩散区域的第二复位电压，其中，所述第二转换增益不同于所述第一转换增益；在第二转换增益模式中，获得浮动扩散区域的第二信号电压；在第一转换增益模式中，获得浮动扩散区域的第一信号电压；基于所述第一复位电压和第一信号电压通过双相关运算获得第一有效信号；基于所述第二复位电压和第二信号电压通过双相关运算获得第二有效信号。如上所述的方法，其中，所述第一信号电压和第二信号电压来自同一光电二极管。本专利技术提出的内容，所述增益控制晶体管对电容和浮动扩散区域进行有效隔离，通过增大电容值以获取更大的高转换增益/低转换比例；通过设置感光面积不同的光电二极管，从而获得更大动态范围的图像。同时，本专利技术技术方案使得浮动扩散区域的寄生电容相对较小，高转换增益相对较大，能有效提高电路的噪声性能。附图说明下面，将结合附图对本专利技术的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：图1是一种成像装置的结构的示意图；图2是依据本专利技术的一个实施例的像素单元的示意图；图3是根据本专利技术的一个实施例的像素单元读取过程的时序示意图；图4是根据本专利技术的实施例的成像方法的流程图；以及图5是根据本专利技术的一个实施例的系统的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。术语“像素”一词指含有感光器件或用于将电磁信号转换成电信号的其他器件的电子器件。为了说明的目的，图1描述了一种代表性成像装置，其包含一个像素阵列。图1表示了一种成像装置的结构的示意图。图1所示的成像装置100，例如CMOS成像装置，包括像素阵列110。像素阵列110包含排列成行和列的多个像素。像素阵列110中每一列像素由列选择线选择性地接通，且每一行像素分别由行选择线选择性地输出。逻辑控制单元140对各功能单元进行逻辑控制，行驱动单元120和列驱动单元130对读取的像素单元的行和列进行控制。所读取的像素连接到列A/D转换单元150。经列A/D转换单元150输出的像素信息传输到图像处理单元160进行信号处理，输出图像信息。图2是依据本专利技术的一个实施例的像素单元的示意图。像素200包括复位晶体管201、增益控制晶体管202、电容Ca、第一转移晶体管203、第一光电二极管PD1、第二转移晶体管204、第二光电二极管PD2、源极跟随晶体管205和行选择晶体管206。第一光电二极管PD1连接到第一转移晶体管203的源极。第一转移晶体管203的栅极可以耦合信号TX1控制，以使得第一转移晶体管203可以响应于信号TX1。当TX1控制第一转移晶体管至“on”状态时，第一光电二极管PD1中积累的电荷被转移到浮动扩散区域FD中。第二光电二极管PD2连接到第二转移晶体管204的源极。第二转移晶体管205的栅极可以耦合信号TX2控制，以使得第二转移晶体管204可以响应于信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号。

【技术特征摘要】
2017.12.19 CN 20171137835201.一种像素单元，包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将第二光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域，其中所述第二光电二极管的感光面积与所述第一光电二极管的感光面积不同；电容，其第一极耦合至指定电压；增益控制晶体管，其耦合在所述电容第二极和浮动扩散区域之间，对所述电容和浮动扩散区域进行隔离控制；复位晶体管，耦合至所述电容的第二极和增益控制晶体管，经复位控制信号重置所述电容第二极和增益控制晶体管的耦合点电位；以及源极跟随晶体管，耦合至所述浮动扩散区域，其放大输出所述像素信号。2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，还包括一行选择晶体管，耦合于所述源极跟随晶体管输出端，根据行选择控制信号对像素单元进行行输出控制。3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述增益控制晶体管通过控制所述电容是否电耦合到所述浮动扩散区域来改变所述浮动扩散区域的电容。4.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，耦合至所述电容第一极的指定电压为固定电压或可变电压。5.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述电容为器件电容或所述复位晶体管和所述增益控制晶体管的连接点对地产生的寄生电容。6.一种成像装置，包括排列成行和列的多个像素单元阵列，其中，每个所述像素单元包括：第一光电二极管，第一转移晶体管，耦合至浮动扩散区域并将所述第一光电二极管产生的电荷转移到浮动扩散区域；第二光电二极管，第二转移晶体管，耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫要武，徐辰，邵泽旭，张正民，马伟剑，任冠京，石文杰，高哲，谢晓，
申请(专利权)人：思特威电子科技开曼有限公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛,KY