像素结构、图像传感器及电子设备制造技术

本实用新型专利技术提供一种像素结构、图像传感器及电子设备，像素结构包括阵列排布的多个像素单元，像素单元包括：第一光电转换元件；第一传输晶体管，耦接至第一浮动扩散区，用于将第一光电转换元件累积的电荷转移至第一浮动扩散区；第二光电转换元件，第二光电转换元件的灵敏度小于第一光电转换元件的灵敏度；第二传输晶体管，耦接至第二浮动扩散区，用于将第二光电转换元件累积的电荷转移至第二浮动扩散区；读出电路，耦接至第一浮动扩散区和第二浮动扩散区，用于对第一浮动扩散区和第二浮动扩散区的电压信号进行读出。本实用新型专利技术可实现图像传感器兼容识别高亮信息和弱光信息的目的，提高动态范围，并通过布局设计整体提高图像传感器的性能。的性能。的性能。

【技术实现步骤摘要】
像素结构、图像传感器及电子设备


[0001]本技术属于图像传感领域，特别是涉及一种像素结构、图像传感器及电子设备。

技术介绍

[0002]图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD(电荷耦合元件)和CMOS(金属氧化物半导体元件)两大类。随着CMOS集成电路制造工艺特别是CMOS图像传感器设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器已经逐渐取代CCD图像传感器成为主流。CMOS图像传感器相比较具有工业集成度更高、功率更低等优点。
[0003]现有标准图像传感器具有大致60dB至70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度的动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用了高动态范围(HDR)技术来增大所捕获的动态范围。增大动态范围的最常见技术为将用标准(低动态范围)图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性高动态图像，所述单个线性高动态范围图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。然而，现有技术难以在兼顾图像传感器性能的同时使得动态范围得以有效提升。另外，有时需要拍摄具有闪烁的环境，如汽车上配备了多种车载装置，其中包括用于识别交通标志的图像传感器，其中，交通标志中包括闪烁频率极高的LED灯构成的信号灯。传统的车载用图像传感器通过采用单一像素进行识别，在面对弱光信息和高亮信息时无法兼容识别，造成对交通标志的误判，进而可能造成重大的交通事故。
[0004]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种像素结构、图像传感器及电子设备，用于解决现有技术中传统图像传感器动态范围难以对弱光信息和高亮信息兼容识别的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本技术提供一种像素结构，所述像素结构包括阵列排布的多个像素单元，所述像素单元包括：第一光电转换元件；第一传输晶体管，耦接至第一浮动扩散区，用于将所述第一光电转换元件累积的电荷转移至所述第一浮动扩散区；第二光电转换元件，所述第二光电转换元件的灵敏度小于所述第一光电转换元件的灵敏度；第二传输晶体管，耦接至第二浮动扩散区，用于将所述第二光电转换元件累积的电荷转移至所述第二浮动扩散区；读出电路，耦接至所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区，用于对所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区的电压信号进行读出。
[0007]本技术还提供一种图像传感器，所述图形传感器包括如上任一项方案所述的像素结构。
[0008]本技术还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的图像传感器。
[0009]本技术还提供一种图像传感器的控制方法，适用于如上任意一项方案所述的图像传感器，所述控制方法包括：
[0010]读出第一像素的信息，所述第一像素包括所述第一光电转换元件及所述第一传输晶体管，读出所述第一像素的信息具体包括：复位第一像素中的存储区域，并量化得到第一复位信号；传输第一光电转换元件对应的图像信息，并量化得到第一图像采样信号；
[0011]读出第二像素的信息，所述第二像素包括所述第二光电转换元件及所述第二传输晶体管，读出所述第二像素的信息具体包括：传输第二光电转换元件对应的图像信息，并量化得到第二图像采样信号；其中，基于所述第一复位信号及所述第一图像采样信号得到所述第一像素的第一实际图像信号，基于所述第二图像采样信号得到所述第二像素的第二实际图像信号。
[0012]如上所述，本技术的像素结构、图像传感器、电子设备及控制方法，具有以下有益效果：
[0013]本技术采用具有不同灵敏度的第一光电转换元件和第二光电转换元件，第一光电转换元件的灵敏度高(如大面积)，其主要用于获取弱光信息，第二光电转换元件的灵敏度低(如小面积)，其主要用于获取高亮信息，从而实现图像传感器兼容识别高亮信息和弱光信息的目的，提高动态范围。
[0014]本技术通过对像素结构的布局设计，可以有效减少信号噪声，提高读出精度，同时，可以减少大面积的第一光电转换元件的电子向小面积的第二光电转换元件的泄漏，整体提高图像传感器的性能。
附图说明
[0015]所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0016]图1显示为本技术实施例1的像素结构的电路原理示意图。
[0017]图2及图3显示为本技术实施例1的像素结构的布局结构示意图。
[0018]图4显示为实施例1中读出第二像素以及低增益模式下读出第一像素的时序图。
[0019]图5显示为实施例1中读出第二像素以及高增益模式下读出第一像素的时序图。
[0020]图6显示为实施例1中均在低增益和高增益模式下读出第一像素以及读出第二像素时先读出图像信号后读出复位信号的时序图。
[0021]图7显示为实施例1中均在低增益和高增益模式下读出第一像素以及读出第二像素时先读出复位信号后读出图像信号的时序图。
[0022]图8显示为本技术实施例2的像素结构的电路原理示意图。
[0023]图9及图10显示为本技术实施例2的像素结构的布局结构示意图。
[0024]图11显示为实施例2中均在低增益和高增益模式下读出第一像素以及读出第二像素时先读出图像信号后读出复位信号且设置开关晶体管的时序图。
[0025]图12显示为实施例2中均在低增益和高增益模式下读出第一像素以及读出第二像素时先读出复位信号后读出图像信号且设置及不设置开关晶体管的时序图。
[0026]元件标号说明
[0027]100、400第一像素
[0028]200、500第二像素
[0029]300、600第三像素
[0030]PD1、PD3第一光电转换元件
[0031]TX1、TX3第一传输晶体管
[0032]PD2、PD4第二光电转换元件
[0033]TX2、TX4第二传输晶体管
[0034]RST1第一复位晶体管
[0035]SF1第一源跟随晶体管
[0036]SEL1第一行选择晶体管
[0037]RST2第二复位晶体管
[0038]SF2第二源跟随晶体管
[0039]SEL2第二行选择晶体管
[0040]DCG1、DCG2增益控制晶体管
[0041]C1、C2电容
[0042]SUB衬底接触
[0043]SW开关晶体管
[0044]RST3复位晶体管
[0045]SF3源跟随晶体管
[0046]SEL3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种像素结构，其特征在于，所述像素结构包括阵列排布的多个像素单元，所述像素单元包括：第一光电转换元件；第一传输晶体管，耦接至第一浮动扩散区，用于将所述第一光电转换元件累积的电荷转移至所述第一浮动扩散区；第二光电转换元件，所述第二光电转换元件的灵敏度小于所述第一光电转换元件的灵敏度；第二传输晶体管，耦接至第二浮动扩散区，用于将所述第二光电转换元件累积的电荷转移至所述第二浮动扩散区；读出电路，耦接至所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区，用于对所述第一浮动扩散区和所述第二浮动扩散区的电压信号进行读出。2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于：所述读出电路包括：第一复位晶体管，所述第一复位晶体管的源极端耦接至所述第一浮动扩散区，所述第一复位晶体管的漏极端耦接至第一电压端，用于重置所述第一浮动扩散区；第一源跟随晶体管，所述第一源跟随晶体管的栅极端连接至所述第一浮动扩散区，所述第一源跟随晶体管的漏极端耦接至第二电压端，所述第一源跟随晶体管的源极端耦接至第一输出列线；第二复位晶体管，所述第二复位晶体管的源极端耦接至所述第二浮动扩散区，所述第二复位晶体管的漏极端耦接至第三电压端，用于重置所述第二浮动扩散区；第二源跟随晶体管，所述第二源跟随晶体管的栅极端连接至所述第二浮动扩散区，所述第二源跟随晶体管的漏极端耦接至第四电压端，所述第二源跟随晶体管的源极端耦接至第二输出列线。3.根据权利要求2所述的像素结构，其特征在于：所述读出电路还包括增益控制晶体管，所述增益控制晶体管耦接于所述第一浮动扩散区与所述第一复位晶体管之间。4.根据权利要求2所述的像素结构，其特征在于：所述第一电压端、所述第二电压端、所述第三电压端及所述第四电压端为同一电压端；和/或，所述第一输出列线和所述第二输出列线为同一输出列线。5.根据权利要求2所述的像素结构，其特征在于：所述读出电路还包括：第一行选择晶体管，所述第一行选择晶体管的漏极端耦接至所述第一源跟随晶体管的源极端，所述第一行选择晶体管的源极端耦接至所述第一输出列线；第二行选择晶体管，所述第二行选择晶体管的漏极端耦接至所述第二源跟随晶体管的源极端，所述第二行选择晶体管的源极端耦接至所述第二输出列线。6.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于：所述第一光电转换元件、所述第一传输晶体管、所述第一浮动扩散区、所述第一复位晶体管、所述第一源跟随晶体管及所述第一行选择晶体管组成沿第一方向排布的第一像素，所述第二光电转换元件、所述第二传输晶体管、所述第二浮动扩散区、所述第二复位晶体管、所述第二源跟随晶体管及所述第二行选择晶体管组成沿所述第一方向排布的第二像素，多个所述第一像素呈阵列排布，多个所述第二像素呈阵列排布，其中，相邻的所述第一像素和所述第二像素中，选择在所述第一方向上的投影距离最短的所述第一行选择晶体管和第二行选择晶体管所对应的第一像素和第
二像素组成所述像素单元。7.根据权利要求6所述的像素结构，其特征在于：同一所述像素单元中，所述第一像素的所述第一源跟随晶体管与所述第二像素的间距小于所述第一像素的所述第一行选择晶体管与所述第二像素的间距。8.根据权利要求6所述的像素结构，其特征在于：每一所述第二光电转换元件设置于四个阵列排布的所述第一光电转换元件的中心位置，所述第二传输晶体管、所述第二复位晶体管、所述第二源跟随晶体管和所述第二行选择晶体管沿所述第一方向依次排布于相邻两所述第二光电转换元件之间，所述第一复位晶体管、所述第一源跟随晶体管、所述第一行选择晶体管排布于沿垂直于所述第一方向的第二方向上相邻两所述第二光电转换元件之间。9.根据权利要求8所述的像素结构，其特征在于：当所述像素单元还包括增益控制晶体管时，所述增益控制晶体管与所述第一复位晶体管沿所述第二方向共列排布，所述第一源跟随晶体管与所述第一行选择晶体管沿第二方向共列排布，且所述增益控制晶体管及所述第一复位晶体管靠近同一所述第一像素中的所述第一光电转换元件设置。10.根据权利要求9所述的像素结构，其特征在于：所述像素单元还包括衬底接触，所述衬底接触沿所述第二方向设置所述第一源跟随晶体管远离所述第一行选择晶体管的一侧。11.根据权利要求8所述的像素结构，其特征在于：在所述第二方向上，同一所述像素单元中的所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件的间距大于相邻所述像素单元中的所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件的间距；和/或，在所述第一方向上，同一所述像素单元中的所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件的间距等于相邻所述像素单元中的所述第一光电转换元件与所述第二光电转换元件的间距。12.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于：所述读出电路包括：复位晶体管，所述复位晶体管的源极端分别耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：张盛鑫，徐辰，
申请(专利权)人：思特威上海电子科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：