[发明专利]基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元

权利要求书

1.基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元，其特征在于，复位晶体管的复用通过以下两种方式实现：

方式一、第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：一个钳位光电二极管(1)，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管(1)中；一个电荷转移控制晶体管(2)，用于将钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管(3)，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器(4)和行选晶体管(5)用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值；像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管；其中钳位光电二极管(1)的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点；复位晶体管(3)的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点；源极跟随器(4)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管(5)的漏极相连；行选晶体管(5)栅极的控制信号SEL来自于图像传感器的行控制模块，源极与列总线相连；

第一种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路开始工作时，对像素进行复位操作，电荷转移控制晶体管(2)和复位晶体管(3)分别导通一次，此时VPX电压为V_high，第一个TX脉冲结束之后，像素开始积分，此时把VPX从V_high变为V_low，把RST电压从VDD变为V_low，使得VPX和RST两点的电压同时变成V_low，复位晶体管(3)的栅极和漏极电压相等，因此在积分过程中复位晶体管(3)变成了二极管连接的形式；在弱光下，复位晶体管(3)形成的二极管不起作用；在光强很强或者积分时间很长时，光电二极管中积累的光生电荷会超过光电二极管的满阱容量，光电二极管中多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点使得FD点电压下降，当FD点的电压值下降到比V_low的电压小时，复位晶体管(3)形成的二极管将处于正偏状态，正电荷能通过复位晶体管(3)流入FD点，等效增大了FD点的满阱容量；当光强继续增强，或者积分时间继续增加时，由光电二极管流到FD点的光生电荷形成的电流与复位晶体管(3)形成的二极管中的导通电流将达到动态平衡，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系；通过调整时序控制复位晶体管(3)的连接方式，使得在积分过程中复位晶体管(3)处于二极管连接的形式，能够实现在强光下入射光强与信号电压呈对数关系，能够扩展动态范围；

方式二、第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素单元的电路结构包括：钳位光电二极管(1)、电荷转移控制晶体管(2)、复位晶体管(3)、源极跟随器(4)和行选晶体管(5)，钳位光电二极管(1)，用于接收外部的光信号，并将光子转换为电荷存储在钳位光电二极管(1)中；电荷转移控制晶体管(2)，用于将钳位光电二极管(1)中积累的光生电荷按照时序的需求转移到FD点；复位晶体管(3)，用于在像素复位操作阶段将FD点电压复位到VPX；源极跟随器(4)和行选晶体管(5)用于将FD点的电压值输出到列总线col_bus上，用于后续图像传感器读出电路读取像素的信号值；像素中的各个晶体管均采用NMOS晶体管；其中钳位光电二极管(1)的阳极接GND，阴极接电荷转移控制晶体管(2)的源极；电荷转移控制晶体管(2)的栅极的控制信号TX来自于图像传感器的行控制模块，漏极连接到FD点；复位晶体管(3)的漏极接VPX，栅极控制信号RST来自于行控制模块，源极连接到FD点，将复位晶体管(3)的衬底连接至VCC电位；源极跟随器(4)的栅极与FD点相连，漏极接至VDD，源极与行选晶体管(5)的漏极相连；行选晶体管(5)栅极的控制信号SEL来自于行控制模块，源极与列总线相连；

钳位光电二极管(1)由从下至上的P-sub衬底(401)和PDN区(403)以及比P-sub衬底(401)掺杂浓度高的PDP区(402)构成，PDN区(403)的掺杂浓度能够恰好使得PDN区完全耗尽；PDP区(402)的存在能够减小暗电流，形成具有内建电势的光电二极管；电荷转移控制晶体管(2)的一端与钳位光电二极管(1)相连，一端接重掺杂的N区(404)；像素电路中的复位晶体管(3)用深N阱工艺，将复位晶体管(3)做在N-well区(405)中并使用Deep-Nwell区(409)在N-well区(405)下方进行隔离；复位晶体管(3)的源极(407)为重掺杂的N区，与FD点相连，复位晶体管的漏极(408)为重掺杂的N区连接VPX信号；复位晶体管(3)的衬底为Deep-Nwell上面的P-Well区(410)，通过重掺杂的P区(406)接到VCC电位，VCC电位设置根据时序给定；当FD点电位下降到一定程度时，复位晶体管(3)的衬底和源极能形成一个正向导通的PN结；像素中的其余两个晶体管源极跟随器(4)和行选晶体管(5)均采用标准的NMOS管或者低阈值电压的NMOS进行制作；

第二种基于复位晶体管复用技术的高动态范围图像传感器像素工作过程中首先复位晶体管(3)导通一次，同时电荷转移控制晶体管(2)打开一次，VCC设置为GND，此时复位晶体管(3)的连接方式为正常的NMOS管，能够将FD点电位复位到VPX，复位操作结束之后，像素开始积分，RST电压降为GND、TX电压降为GND、VCC电压升高至V_low，读一次FD点的电压值，此时为对数模式的复位值LOG_RST；此时复位晶体管(3)的衬底P-Well区(410)与复位晶体管(3)的源极(407)形成了一个二极管；弱光时在积分时间内FD点电压不会发生变化，复位晶体管(3)形成的二极管不起作用，像素结构与标准4T像素方案相同，随着光强的增加或者积分时间的延长，积分过程中光电二极管中产生的电荷会超过光电二极管的满阱容量，多余的光生电荷会通过电荷转移控制晶体管(2)流向FD点使得FD点电压下降，当FD点电压下降到与VCC电压基本相等时会使得复位晶体管(3)形成的二极管导通，消耗FD点的电子，等效增大FD点的满阱容量；当光强超过1lux，或者积分时间大于100ms时，光电二极管内多余的光生电荷流向FD点而形成的电流与复位晶体管(3)形成的二极管导通的电流达到平衡状态，此时FD点电荷将不再随积分时间变化，而只和光强成对数关系；积分结束前读一次FD的电压值，作为对数模式的信号值LOG_SIG；积分结束后再一次将复位晶体管(3)导通一次，复位晶体管(3)导通同时将VCC电压降为GND，此时电荷转移控制晶体管(2)处于关闭状态，RST结束时读一次FD点的电压值，作为线性模式的复位值LIN_RST，随后电荷转移控制晶体管(2)再导通一次，再读一次FD点的电压值，作为线性模式的信号值LIN_SIG；对数模式和线性模式都分别做了两次采样，先采复位值再采信号值，因此对数模式和线性模式都能够做CDS，能够消除像素电路产生的噪声。