[发明专利]高动态范围图像传感器像素

说明书

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种高动态范围图像传感器像素。

背景技术

为提高图像传感器动态范围，发明了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。

发明内容

本发明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，本发明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Q_max。因此本发明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）；

Q_max/（ΔV_max×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：

Q_max/（ΔV_max×Co_x）≤S<0.6×A  （2）

其中Q_max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，ΔV_max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）

Q_max/（ΔV_max×Cox）≤S≤2×Q_max/（ΔV_max×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）；

Q_max/（ΔV_max×Co_x）≤S’<A  （4）

其中A为单个像素的面积，Q_max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，ΔV_max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。