[发明专利]具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器

说明书

本发明提供一种具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，所述图像传感器的双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管和电容，所述双转换增益晶体管具有不规则设计结构，其漏极有源区向多方向延伸，形成有源区连接电容；并且可通过在所述双转换增益晶体管的漏极有源区上设置一栅极结构，形成MOS电容，以进一步改善有源区连接电容。本发明提供的技术方案，通过改进像素单元中双转换增益晶体管设计结构布局以提高双转换增益控制单元的电容值，从而提高像素电路在高增益模式或低增益模式下转移存储的电荷量，改善图像传感器的转换增益，提升图像传感器的性能。

技术领域

本发明涉及图像传感器技术，尤其涉及一种具有不规则设计结构的双转换增益晶体管的图像传感器技术内容，以有效提升图像传感器输出的动态范围。

背景技术

CMOS图像传感器广泛应用于各领域中，如常用的智能手机，数码相机，视频监控设备，无人机装置，以及人工智能等多种应用环境，其应用需求和发展日趋向小型化及集成化。像素阵列中的多个像素单元是图像传感器实现感光的主要部件，像素单元的转换增益(CG，conversion gain)是重要的评价指标之一，通过转换增益可以得出像素单元的其他性能指标。例如，量子效率，信噪比及动态范围等。在图像传感器设计应用中，通常采用双转换增益单元实现像素电路的高增益和低转换增益模式转换控制，低转换增益模式下，用于在高光照度环境中提供更大的电荷存储处理能力；高转换增益模式下，在低光照度环境中提供更高的灵敏度及更低的读取噪声。实现双转换增益的单元一般包括双转换增益晶体管及存储电容，电容值的大小可确定双转换增益单元中高增益或低增益模式下转移存储的电荷容量。

传统的图像传感器成像系统，行控制电路向所选像素行中的每个像素提供控制信号，所述控制信号控制该行中的每个像素以高增益模式或低增益模式运行。待成像的场景通常在整个图像像素的多个给定行内同时包括过亮部分和过暗部分。使用对整个像素行中的图像像素以高增益模式或者低增益模式操作进行控制的传统图像传感器执行图像捕获操作能导致给定像素行中的一些图像像素生成过分噪声的图像信号或过饱和的图像信号，所述图像信号在最终捕获图像中则生成的不能满足图像显示需求的图像伪色。在传统的图像传感器应用中，提供给像素行以将该行置于高增益模式或低增益模式的增益调整控制，以实现像素输出在合理值的范围。在具体设计中，可通过调整双转换增益控制单元的存储电容值以实现高增益模式或者低增益模式下转移存储电荷的容量，以进一步调整像素电路的增益控制。

发明内容

本发明基于上述问题及目的，提出一种具有不规则设计结构双转换增益晶体管的图像传感器，所述图像传感器包括设置于半导体基底上的按行和列布局设置的多个像素单元构成的像素阵列，每个所述像素单元包括：

光电二极管及传输晶体管，所述传输晶体管连接到所述光电二极管和浮动扩散点之间；所述光电二极管以一个方向布局设置，所述传输晶体管以一倾斜角度设置于所述光电二极管的角部位置，连接到所述浮动扩散点的区域；

复位晶体管及源极跟随晶体管，所述源极跟随晶体管连接到所述浮动扩散点区域，其布局设置在所述光电二极管的边侧位置并靠近所述浮动扩散点区域设置；

双转换增益控制单元，包括双转换增益晶体管和电容，其连接在所述复位晶体管和所述浮动扩散点之间；所述电容可以是器件电容或者是电路中连接点寄生电容；所述双转换增益晶体管具有不规则设计结构，其栅极以一倾斜角度面向所述像素单元的传输晶体管，靠近并连接到所述浮动扩散点；所述双转换增益晶体管的漏极有源区向多方向延伸，以实现连接到所述复位晶体管的源极，以及形成较长的有源区连接电容，提升电容值；

可选的，在连接所述双转换增益晶体管的有源区上设置一栅极结构，形成MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)电容，以提升电容值；

可选的，所述双转换增益晶体管的有源区上设置栅极的栅极电压可直接连接到所述双转换增益晶体管栅极端的控制信号线，或者连接到高电位电压信号，或VDD，以简化所述图像传感器像素电路布局设计；