[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

说明书

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，属于半导体光电方向图像传感器领域。通过控制像素工作过程中的时序信号和调整工艺制造结构的方式控制像素电路中复位晶体管的工作方式，使得复位晶体管在像素工作过程中的复位阶段起到复位作用，在像素积分阶段复位晶体管形成二极管连接起到电荷补偿作用。复位晶体管复用技术使得像素电路在弱光下保持低噪声和线性关系，在强光下由光电二极管流到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。使用该像素结构的图像传感器，积分过程中复位晶体管能够构成电荷补偿通路，极大的拓展动态范围。

技术领域

本发明属于半导体光电方向图像传感器领域，具体涉及一种基于复位晶体管复用技术实现高动态范围像素结构的图像传感器像素单元。

背景技术

随着CMOS图像传感器发展至今，现有技术已经能够满足人们生产生活中的大部分的应用。但是在某些特殊的技术领域，对图像传感器的性能指标却有着更高的要求。在很多领域存在着对图像传感器的动态范围高要求的应用场景。动态范围是检测信号中最大值与最小值的比，在图像传感器中即最大的光照度和最小的光照度的比值，常以对数的形式表示以分贝为单位。比如在汽车视觉系统中图像传感器是驾驶辅助系统的重要组成部分，汽车视觉系统的主要包括前视、后视、侧视、内视等。以前视为例，夜视、车道偏离预警、碰撞预警、交通标志识别等应用要求视觉系统在各种天气、路况、不同光线条件下，能够清晰识别车道线、车辆、障碍物、交通标志等。所有这些功能要求图像传感器的动态范围足够高，为后级图像处理系统提供丰富的细节信息。高动态范围图像传感器可以使得真实场景中非常暗和非常亮的区域的细节信息都可以同时成像，可以在复杂的路况下，比如面向阳光行车、进出隧道、夜间行车没有路灯或路灯很暗等，都能提供高质量、精确、可靠的路况场景信息，这在行车安全上起着至关重要的作用。

目前提高图像传感器动态范围的方法主要包括：1、阱容量调节技术。阱容量表示像素中所能容纳的最多电荷数，主要由像素中钳位光电二极管(PPD)的电荷存储能力和浮动扩散区域(FD)电容决定。提高FD点电容虽然会增大阱容量，但会降低电荷转换增益，因此可通过调节FD点电容来实现增大阱容量。但该技术提高动态范围有限，因为PPD本身电荷容纳能力限制了动态范围；2、双光电二极管像素。此种方法是在一个像元中放置两个光电二极管，分别在弱光和强光下起作用。主要是模拟人眼中有两种感光细胞，这两种细胞的感光度不同，就能获得大的动态范围。那么在CMOS图像传感器的中，可以在一个像素中同时集成具有高低灵敏度探测能力的两个光电探测器来模拟人眼这种机制来实现大动态范围。在明亮条件下，低灵敏度的光电探测器工作，而在暗环境下，高灵敏度的光电探测器工作。这种方式设计的像素电路结构及时序操作都很复杂，而且会占用很大的版图面积。3、多次曝光和采样。多次曝光技术是一种对目标场景进行长短不同多次曝光，并将多次曝光得到的图像合成为一幅图像的动态范围扩展技术。此种方式更多的依赖于对后续图像数据的处理，而且只适用于对静止的景物进行高动态范围的成像。4、多级横向溢出栅开关结构。该结构的工作方式是通过对时序的控制可以在不同的曝光量的情况下打开横向溢出栅开关，通过打开横向溢出栅的开关可以增加像素电路结构中的电荷存储区，使得电荷可以重新分配到FD区和电荷存储区，进而像素电路不易发生饱和的情况。此结构需要在像素电路结构中增加多级横向溢出开关晶体管和电容，大大的增加了像素的尺寸，应用范围受限。5、饱和探测。此方法是通过检测积分信号或者积分电荷，当其达到某一阈值就将像素复位，再继续探测，如此重复进行，最后输出未饱和的信号和记录下的复位次数，可以在满阱容量受限的条件下，实现高的动态范围。这种图像传感器动态范围主要取决于暗电流水平和计数时钟的频率此种实现高动态范围的方法操作复杂，所需晶体管数目较多，不适于大规模像素阵列。

发明内容