专利名称：一种高动态范围的像素单元及图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器领域，尤其涉及一种高动态范围的像素单元及图像传感器。
背景技术：
近年来，CMOS图像传感器产业高速发展，图像传感器厂商推出性能优越并且芯片面积较小的产品。这对像素单元提出了更高的要求，要求图像传感器在小尺寸像素下实现高动态范围、高灵敏度、低噪声等特性。但是小像素对于图像传感器高动态技术指标制约显著，因此在高动态范围的图像传感器中采用大尺寸像素，导致芯片的性价比难以提高。现有的图像传感器电路都具有一个像素阵列单元，由多个像素单元构成。通常地， 一个CMOS有源像素单元包含了 3至4个MOS晶体管和一个光电二极管，具有4个MOS晶体管和一个光电二极管结构的图像传感器为4T结构图像传感器。如今4T结构的像素单元系统广泛应用于CMOS图像传感器当中。传统的4T结构CMOS图像传感器像素单元电路如图1所示，在4T结构的CMOS图像传感器中，每个像素单元都包含传输门晶体管TX、复位晶体管RST、源跟随晶体管SF、行选通晶体管RS及用于感受光信号的光电二极管PD，FD为浮置扩散节点，Vout为输出端。复位晶体管RST具有施加复位信号RST的栅极，连接到浮置扩散节点FD的一个电极，和连接到VDD的另一电极；源跟随晶体管SF具有连接到浮置扩散节点的栅极和与VDD端相连的一个电极；行选通晶体管RS具有输入行选择信号RS的栅极、串联连接到源跟随晶体管SF的一个电极以及连接到输出端Vout的另一电极；传输门晶体管TX具有连接到浮置扩散节点 FD的一个电极和输入转换信号TX使得当读出存储电荷时转换存储电荷的栅极；光电二级管FD连接在传输门晶体管TX和接地端之间。图中VDD是外部提供给整个像素单元的工作电压，控制电路提供信号分别控制复位晶体管RST、传输门晶体管TX、行选通晶体管RS的导通与截止来实现后端电路对输出信号的采集。传统4T结构CMOS图像传感器利用光电二极管PD本身存储电荷，存储电荷的能力低、动态范围小。图2中是传统4T结构像素单元光电子积累并传输的示意图，图加表示光电二极管PD对光信号采集结束，传输门晶体管TX导通前，电子在光电二极管PD中积累完成；图2b 中传输门晶体管TX导通，电子转移到浮置扩散节点FD，浮置扩散节点FD区域电压降低。图3为传统4T结构像素单元的布图，包括复位晶体管301、传输门晶体管302、光电二极管303、源跟随晶体管305、行选通晶体管306。复位晶体管301位于VDD和浮动扩散节点之间；传输门晶体管302位于浮动扩散节点和光电二极管303之间；光电二级管303 接地；源跟随晶体管305位于VDD和行选通晶体管306之间；行选通晶体管306位于光电二极管303 —侧并连接输出端；所述传输门晶体管302和行选通晶体管306分别位于光电二级管相对的两侧。为了解决传统4T结构CMOS图像传感器存储电荷的能力低、动态范围小的技术问
3题，现有技术还提供了一种采用5T结构的CMOS图像传感器，在传统4T结构图像传感器的光电二极管周围设置MOS电容以形成5T结构的像素单元，并具有单独的控制信号对MOS电容进行控制。但5T结构的图像传感器对复位晶体管和行选通晶体管这两个MOS管的栅极利用不足，添加了一个控制单元产生控制信号控制MOS电容，增加了金属走线的难度；像素单元的填充比也有所减小；并且MOS电容需要单独的控制电路，也导致了芯片面积的增加。
发明内容
本发明为解决现有高动态范围的图像传感器像素单元版图走线难度大、芯片面积较大的技术问题，提供一种不需要额外增加MOS电容控制信号来提高动态范围的像素单元及图像传感器。一种高动态范围的像素单元，具有4T结构；所述像素单元的复位晶体管栅极部分与光电二极管区域重叠构成第一电荷存储栅；行选通晶体管栅极部分与光电二级管区域重叠构成第二电荷存储栅。进一步的，所述4T结构的像素单元包括复位晶体管、传输门晶体管、光电二极管、源跟随晶体管、行选通晶体管；所述复位晶体管位于VDD和浮动扩散节点之间；传输门晶体管位于浮动扩散节点和光电二极管之间；光电二级管接地；源跟随晶体管位于VDD和行选通晶体管之间；行选通晶体管位于光电二极管一侧并连接输出端；所述传输门晶体管和行选通晶体管分别位于光电二级管相对的两侧。进一步的，该像素单元还包括给复位晶体管施加复位信号、行选通晶体管施加行选择信号、传输门晶体管施加转换信号的控制单元。进一步的，所述控制单元产生的复位信号和行选择信号具有有效的重叠部分。一种采用上述高动态范围像素单元的图像传感器，包括像素单元阵列，由多个具有高动态范围的像素单元排列成矩阵构成；行控制电路，控制像素单元阵列读出图像数据的行数；读出单元，读出像素单元阵列的模拟图像数据；模拟处理单元，对模拟图像数据进行处理；模数转换单元，将处理后的模拟图像数据转换成数字图像数据；数字图像处理单元，对数字图像数据进行处理。本发明像素单元中复位晶体管栅极部分与光电二极管区域重叠构成第一电荷存储栅，行选通晶体管栅极部分与光电二极管区域的重叠构成第二电荷存储栅，且利用复位信号控制第一电荷存储栅，行选择信号控制第二电荷存储栅。增加了像素单元存储电荷的能力，扩大了像素单元的动态范围，同时还减小了金属走线的难度、增加了像素单元的填充比、及减小了像素单元的芯片面积。
图1是现有技术提供的4T结构像素单元电路示意图；图2是现有技术提供的4T结构像素单元光电子积累并传输的示意图；图3是现有技术提供的4T结构像素单元电路布局示意图；图4是本发明实施例提供的高动态范围像素单元布局示意图5是本发明实施例提供的控制单元产生的控制信号波形图；图6是本发明实施例提供的控制单元控制像素单元工作的流程图图7是本发明实施例提供的像素单元光电子积累并传输的示意图；图8是本发明实施例提供的等效电路结构图；图9是本发明实施例提供的图像传感器结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。像素单元的动态范围是评估图像传感器工作时光电二极管产生的饱和信号和暗噪声信号的一个量度，用公式(1)表示
权利要求
1.一种高动态范围的像素单元，具有4T结构；其特征在于所述像素单元的复位晶体管栅极部分与光电二极管区域重叠构成第一电荷存储栅；行选通晶体管栅极部分与光电二级管区域重叠构成第二电荷存储栅。
2.如权利要求1所述的高动态范围的像素单元，其特征在于，所述4T结构的像素单元包括复位晶体管、传输门晶体管、光电二极管、源跟随晶体管、行选通晶体管；所述复位晶体管位于VDD和浮动扩散节点之间；传输门晶体管位于浮动扩散节点和光电二极管之间；光电二级管接地；源跟随晶体管位于VDD和行选通晶体管之间；行选通晶体管位于光电二极管一侧并连接输出端；所述传输门晶体管和行选通晶体管分别位于光电二级管相对的两侧。
3.如权利要求1所述的高动态范围的像素单元，其特征在于该像素单元还包括给复位晶体管施加复位信号、行选通晶体管施加行选择信号、传输门晶体管施加转换信号的控制单元。
4.如权利要求3所述的高动态范围的图像传感器，其特征在于所述控制单元产生的复位信号和行选择信号具有有效的重叠部分。
5.一种采用如权利要求1所述的高动态范围像素单元组成的图像传感器，其特征在于，包括像素单元阵列，由多个具有高动态范围的像素单元排列成矩阵构成；行控制电路，控制像素单元阵列读出图像数据的行数；读出单元，读出像素单元阵列的模拟图像数据；模拟处理单元，对模拟图像数据进行处理；模数转换单元，将处理后的模拟图像数据转换成数字图像数据；数字图像处理单元，对数字图像数据进行处理。
全文摘要
本发明提供了一种高动态范围的像素单元，具有4T结构，所述像素单元的复位晶体管栅极部分与光电二极管区域重叠构成第一电荷存储栅；行选通晶体管栅极部分与光电二级管区域重叠构成第二电荷存储栅。本发明还提供了一种高动态范围的图像传感器。本发明像素单元中复位晶体管栅极部分与光电二极管区域重叠构成第一电荷存储栅，行选通晶体管栅极部分与光电二极管区域的重叠构成第二电荷存储栅，且利用复位信号控制第一电荷存储栅，行选择信号控制第二电荷存储栅。增加了像素单元存储电荷的能力，扩大了像素单元的动态范围，同时还减小了金属走线的难度、增加了像素单元的填充比、及减小了像素单元的芯片面积。
文档编号H04N5/335GK102387316SQ20101027480
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者刘坤, 汪立, 胡文阁 申请人:比亚迪股份有限公司