一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路制造技术

本发明专利技术涉及一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路，其技术特点是：第二晶体管的源极与第三晶体管的漏极相连接，第三晶体管的源极连接模拟列输出总线上；第二晶体管的栅极、第五晶体管的源极及光电二极管的负极共同连接到比较器的一输入端，比较器的输出端连接第一晶体管的漏极，第一晶体管的源极连接第一反相器，第一反相器的输出端与第二反相器及与非门的一个输入端相连接，该与非门的输出端与第五晶体管的栅极相连接；第二反相器的输出端连接计数器，计数器的输出端连接到三态控制开关上，该三态控制开关的输出端连接到数字列输出总线上。本发明专利技术通过对满阱电荷进行多次转移计数复位，实现CMOS图像传感器单像素内满阱容量的超大扩展功能。

A circuit to expand the pixel full well capacity of CMOS image sensor

【技术实现步骤摘要】
一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路
本专利技术属于半导体光电探测
，尤其是一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路。
技术介绍
当前图像传感器主要有CCD和CMOS两种。早期由于工艺水平的限制，CMOS图像传感器存在噪声高、感光度低等问题，而相对于CMOS图像传感器较晚专利技术的CCD图像传感器开始迅速发展并普遍应用于军用、航空航天、民用与工业等各个领域。但随着CMOS工艺的进步，CMOS图像传感器凭借其低功耗、低成本、高集成度、抗辐射干扰性强等优点，于九十年代开始迅猛发展，并已基本达到了CCD图像传感器的特性水平。与CCD的MOS电容结构不同，当前常见的CMOS图像传感器很多都依靠光电二极管进行光电转换以及电荷收集，分为无源和有源两种。由于无源像素性能较差，真正应用研究中少有大的突破，因此，有源像素的出现凭借其优越性很快取代了无源像素结构。而常见的有源像素主要有3T和4T以及基于此两种结构的改进型结构。传统3T结构的满阱容量增加严重依赖于像素面积的扩展，导致其满阱容量在像素尺寸的制约下难以实现超大扩展，造成其在实际应用中，在较强光强下，较长的曝光时间内容易造成势阱饱和，难以在高强背景光下实现物体的探测以及大动态范围成像，进而致使其很难满足一些特种场合下的实际应用需求。目前，最有代表性的CMOS图像传感器像素单元的满阱容量扩展方式主要是在像素内集成大容量电容，将光电二极管电容存储的满阱电荷通过传输栅转移至扩展电容中。利用此种方式，韩国光州科学技术学院通过对二极管的满阱电荷在像素内通过三次转移，将满阱容量扩展至100ke；日本的东北大学利用相似方式，逐步将满阱容量由70ke至100ke再扩展到当前的200ke，并且有较好的鲁棒性，同时将面积限制在7um以下。但是，上述方式获得的满阱容量依旧远远无法满足某些特定应用对超大阱容量的需求，例如，应用于全天时星敏探测的CMOS图像传感器，白昼期间，相对于星光，天空背景强度极强，很容易造成图像传感器电荷饱和，需要满阱容量达到Me级别才能实现昼间探测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路，其将相关逻辑电路集成于像素单元中，通过对光电二极管存储的满阱电荷进行转移计数复位的方式，实现CMOS图像传感器像素满阱容量的扩展。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路，包括五个晶体管、光电二极管、与非门、比较器、计数器和三态控制开关，所述第二晶体管、第五晶体管、第四晶体管的漏极与电压端相连接，所述第二晶体管的源极与第三晶体管的漏极相连接，第三晶体管的栅极连接列选电路控制信号，第三晶体管的源极连接模拟列输出总线上；第二晶体管的栅极、第五晶体管的源极及光电二极管的负极共同连接到比较器的一输入端，该光电二极管的正极接地，比较器的另一输入端接参考电压，比较器的输出端连接第一晶体管的漏极，第一晶体管的栅极连接光电二极管内电荷读出时的复位与计数停止信号，第一晶体管的源极连接第一反相器，该第一反相器的输出端与第二反相器及与非门的一个输入端相连接，该与非门的另一输入端连接光电二极管曝光前低电平复位信号，该与非门的输出端与第五晶体管的栅极相连接；第二反相器的输出端连接计数器，该计数器同时连接计数器复位信号，计数器的输出端连接到三态控制开关上，该三态控制开关控制端与第四晶体管的源极相连接，第四晶体管的栅极与列选信号相连接，该三态控制开关的输出端连接到数字列输出总线上。进一步，所述晶体管为NMOS晶体管。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术通过对满阱电荷进行多次转移计数复位，并且基于3T有源像素结构，将相关电路集成于单个像素单元内，进而实现CMOS图像传感器单像素内满阱容量的超大扩展功能，与传统扩展方法相比，满阱容量可以提升多个数量级。2、本专利技术将存储的大量满阱电荷信息进行数字读出，读出信号精度高，抗干扰性强，并且便于信号直接快速的处理与存储。附图说明图1是本专利技术的探测器像素单元结构图；图2是本专利技术的探测器像素单元满阱扩展时序图图1中，PD为光电二极管，M1、M2、M3、M4、M5均为NMOS晶体管；M1为读出控制开关，M2与M3构成模拟信号读出源跟随器，M3受列选电路控制信号SEL1控制，M5为光电二极管复位开关，M4控制三态开关的使能信号，受列选信号SEL2控制，Vref为比较器的参考电压，用于判断二极管是否满阱，N为与非门，Qn(n＝1,2,3,4)为计数器输出计数，RP为光电二极管曝光前低电平复位信号，RC为光电二极管内电荷读出时的复位与计数停止信号，RD为计数器复位信号，Vout为二极管存储电荷的模拟输出，X、Y为相应位置节点；图2中，tn为曝光前(或信号读出后)复位时间，tc1、tc2、tc3…tcn分别为单次满阱转移计数时间，ts为曝光期间满阱后复位时间，tr为像素数据读出时间，td为数据读出后复位时间，tp为曝光时间，t为单帧成像时间。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步详述。本专利技术是对CMOS图像传感器3T有源像素结构进行的改进，其电路结构如图1所示，包括五个NMOS晶体管M1～M5、光电二极管PD、与非门N、比较器、计数器、三态控制开关。所述晶体管M2、M5、M4的漏极与电压端VDD相连接，所述晶体管M2的源极与晶体管M3的漏极相连接，晶体管M3的源极输出Vout连接模拟列输出总线上，晶体管M3的栅极连接列选电路控制信号SEL1；晶体管M2的栅极、晶体管M5的源极及光电二极管PD的负极共同作为节点Y并连接到比较器的一输入端(负)，光电二极管PD的正极接地；比较器的另一输入端(+)接参考电压，比较器的输出端连接晶体管M1的漏极，晶体管M1的栅极连接光电二极管内电荷读出时的复位与计数停止信号RC，晶体管M1的源极连接第一反相器，该第一反相器的输出端与第二反相器及与非门N的一个输入端相连接，该与非门N的另一输入端连接光电二极管曝光前低电平复位信号RP，该与非门N的输出端作为节点X与晶体管M5的栅极相连接；第二反相器的输出端连接计数器，该计数器同时连接计数器复位信号，计数器的输出端Qn(n＝1,2,3,4)连接到三态控制开关上，该三态控制开关控制端与晶体管M4的源极相连接，该晶体管M4的栅极与列选信号SEL2相连接，该三态控制开关的输出端连接到数字列输出总线上。本专利技术提出的CMOS图像传感器满阱容量扩展方法，通过将比较器与计数器集成于单个像素内部，用于实现对二极管满阱的复位控制与计数存储功能，同时通过源跟随器读出最后的光电二极管内存储的电荷信息，最终输出包括探测信息的模拟和数字两种信号。如图2所示，本专利技术的工作过程为：(1)曝光前对图像传感器进行复位，主要包括将Rp置为低电平通过与非门产生高电平信号导通M5对光电二极管的复位以及通过RD对计数器的复位。(2)开始探测，在曝光过程中，光电二极管在复位期间节点Y处的电压被拉高，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路，其特征在于：包括五个晶体管、光电二极管、与非门、比较器、计数器和三态控制开关，所述第二晶体管、第五晶体管、第四晶体管的漏极与电压端相连接，所述第二晶体管的源极与第三晶体管的漏极相连接，第三晶体管的栅极连接列选电路控制信号，第三晶体管的源极连接模拟列输出总线上；第二晶体管的栅极、第五晶体管的源极及光电二极管的负极共同连接到比较器的一输入端，该光电二极管的正极接地，比较器的另一输入端接参考电压，比较器的输出端连接第一晶体管的漏极，第一晶体管的栅极连接光电二极管内电荷读出时的复位与计数停止信号，第一晶体管的源极连接第一反相器，该第一反相器的输出端与第二反相器及与非门的一个输入端相连接，该与非门的另一输入端连接光电二极管曝光前低电平复位信号，该与非门的输出端与第五晶体管的栅极相连接；第二反相器的输出端连接计数器，该计数器同时连接计数器复位信号，计数器的输出端连接到三态控制开关上，该三态控制开关控制端与第四晶体管的源极相连接，第四晶体管的栅极与列选信号相连接，该三态控制开关的输出端连接到数字列输出总线上。/n

【技术特征摘要】
1.一种扩展CMOS图像传感器像素满阱容量的电路，其特征在于：包括五个晶体管、光电二极管、与非门、比较器、计数器和三态控制开关，所述第二晶体管、第五晶体管、第四晶体管的漏极与电压端相连接，所述第二晶体管的源极与第三晶体管的漏极相连接，第三晶体管的栅极连接列选电路控制信号，第三晶体管的源极连接模拟列输出总线上；第二晶体管的栅极、第五晶体管的源极及光电二极管的负极共同连接到比较器的一输入端，该光电二极管的正极接地，比较器的另一输入端接参考电压，比较器的输出端连接第一晶体管的漏极，第一晶体管的栅极连接光电二极管内电荷读出时的复位与计数停止信号，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：史再峰，王子菊，徐江涛，高静，程明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12