一种图像传感器的制作方法

本技术涉及图像显示领域，尤其涉及一种图像传感器。

背景技术：

1、图像传感器用于画面的记录和保存，可以分为电荷耦合器件(charge coupleddevice，ccd)图像传感器和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，cmos)图像传感器。其中，互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal oxide semiconductor image sensor，cis)是利用器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例的电信号的一种功能器件。

2、动态范围(dynamic range，dr)是cis的关键性能参数之一。它用于指示cis能够在同一帧图像中同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围，动态范围越高，图像的对比度细节越清晰，越能够还原真实的图像信息。若要实现高动态范围，则需要实现高光不过曝，即需要使得图像传感器够吸收更多的光，存储更多的电子。而电容值越大，就能够存储和量化的电子数目越多，可吸收的光越多。由于目前的芯片设计追求更小的尺寸，导致小像素内的电容由于面积的限制难以实现更大的电容值，因此，如何提升图像传感器的动态范围是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种图像传感器，用于解决如何提升图像传感器的动态范围。

2、第一方面，本技术实施例提供一种图像传感器，所述图像传感器包括存储电容、浮动扩散电容、开关晶体管、像素单元和读出单元；其中，所述开关晶体管的第一端与所述存储电容的第一端耦接，所述开关晶体管的第二端与所述浮动扩散电容的第一端耦接，且所述开关晶体管和所述浮动扩散电容的耦接处形成浮动扩散节点，所述像素单元分别与电源端和所述浮动扩散节点耦接，所述读出单元分别与列总线、所述电源端和所述浮动扩散节点耦接，所述存储电容的第二端接地，所述浮动扩散电容的第二端接地；

3、所述像素单元，用于根据接收到的光信号产生信号电荷；将第一预设比例的溢出电荷泄放至所述电源端，并将未泄放的信号电荷传输至所述浮动扩散节点；其中，所述溢出电荷为溢出所述像素单元的信号电荷；

4、所述开关晶体管，用于导通或关断所述浮动扩散电容与所述存储电容之间的连接；

5、所述读出单元，用于读取所述浮动扩散节点的电压，并根据读取的电压输出像素信号。

6、由于在实际应用中，图像传感器受限于所在芯片的面积，无法通过扩大存储电容面积进一步扩大图像传感器的动态范围，本技术在信号电荷溢出光电二极管后，通过将第一预设比例的溢出电荷泄放至电源端，减少了溢出至存储电容的信号电荷的电荷数，相当于扩大了存储电容适用的溢出电荷量，扩大了像素的满阱容量，减弱了存储电容电压随溢出电荷积累而下降的速度，从而实现更大范围的光照强度的检测，即扩大了图像传感器的动态范围。

7、在一种可能的实施方式中，所述像素单元包括光电二极管、传输晶体管和第一晶体管；其中，所述光电二极管的阳极接地，所述光电二极管的阴极分别与所述传输晶体管的第一端和所述第一晶体管的第一端耦接，所述传输晶体管的第二端与所述浮动扩散节点耦接，所述第一晶体管的第二端与电源端耦接；

8、所述光电二极管，用于根据接收到的光信号产生信号电荷；

9、所述第一晶体管，用于将所述第一预设比例的溢出电荷泄放至所述电源端；

10、所述传输晶体管，用于导通所述光电二极管和所述浮动扩散节点之间的连接，将未泄放的信号电荷传输至所述浮动扩散节点。

11、基于上述方案，本技术通过设置第一晶体管实现溢出电荷按照第一预设比例泄放至电源端，且不影响溢出至存储电容的电荷进行量化处理。

12、在一种可能的实施方式中，所述像素单元还包括第二晶体管；其中，所述第二晶体管的第一端与所述光电二极管的阴极耦接，所述第二晶体管的第二端与所述存储电容耦接；

13、所述第二晶体管，用于将第二预设比例的溢出电荷泄放至所述存储电容。

14、基于上述方案，本技术通过在像素单元设置第二晶体管，将第二预设比例的溢出电荷泄放至存储电容，由于通过控制第一晶体管和第二晶体管的栅极电压和宽长比可以实现不同比例的选择性溢出，因此可以实现保持良好的线性度并实现对读出信号的准确量化。

15、在一种可能的实施方式中，所述存储电容为横向溢出集成电容。

16、在一种可能的实施方式中，所述图像传感器还包括复位晶体管，所述复位晶体管的第一端与所述浮动扩散节点耦接，所述复位晶体管的第二端与所述电源端耦接；

17、所述复位晶体管，用于对所述像素单元、所述浮动扩散电容和所述存储电容进行复位。

18、在一种可能的实施方式中，所述读出单元包括源极跟随晶体管和选择晶体管；其中，所述源极跟随晶体管的第一端与所述选择晶体管的第二端耦接，所述源极跟随晶体管的第二端与所述电源端耦接，所述源极跟随晶体管的控制端与所述浮动扩散节点耦接，所述选择晶体管的第一端与列总线耦接；

19、所述源极跟随晶体管，用于对所述浮动扩散节点的电压进行跟随；

20、所述选择晶体管，用于根据所述源极跟随晶体管跟随的电压输出像素信号。

21、在这一种可能的实施方式中，所述图像传感器还包括行驱动器，所述行驱动器分别与所述开关晶体管的控制端、所述复位晶体管的控制端、所述选择晶体管的控制端以及所述传输晶体管的控制端耦接；

22、所述行驱动器，用于：

23、当所述图像传感器应用于第一光照强度时，在曝光阶段ep1，控制所述开关晶体管导通；

24、在所述曝光阶段ep1后的溢出阶段os1，控制所述选择晶体管导通，以使所述读出单元读出溢出信号；

25、在所述溢出阶段os1后的溢出复位阶段or1，控制所述复位晶体管导通，以使所述读出单元读出溢出复位信号，并在读出所述溢出复位信号后，控制所述复位晶体管关断；

26、在所述溢出复位阶段or1后的复位阶段hr1，控制所述开关晶体管关断，以使所述读出单元读出第一复位信号；

27、在所述复位阶段hr1后的转换阶段hs1，控制所述传输晶体管导通，以使所述读出单元读出第一转换信号，并在读出所述第一转换信号后，控制所述传输晶体管关断；

28、在所述转换阶段hs1后的转换阶段ls1，控制所述传输晶体管和所述开关晶体管导通，以使所述读出单元读出第二转换信号，并在读出所述第二转换信号后，控制所述传输晶体管关断；

29、在所述转换阶段ls1后的复位阶段lr1，控制所述复位晶体管导通，以使所述读出单元读出第二复位信号，并在读出所述第二复位信号后，控制所述复位晶体管关断。

30、基于上述方案，当图像传感器应用于第一光照强度，比如高光照强度时，在曝光阶段ep1导通开关晶体管，连通浮动扩散节点和存储电容，信号电荷从光电二极管溢出，在溢出阶段os1，导通选择晶体管开始读出信号，将第一晶体管未泄放的电荷传输至浮动扩散节点和存储电容，进而读出溢出信号，相比于在溢出阶段os1再导通开关晶体管造成的电压损失和图像噪声问题，在曝光阶段即导通开关晶体管可以消除电压扰动；在溢出复位阶段or1，对浮动扩散节点和存储电容进行复位，读出溢出复位信号，在复位阶段hr1读出第一复位信号；在转换阶段hs1读出第一转换信号；在转换阶段ls1，读出第二转换信号；在复位阶段lr1，对浮动扩散节点和存储电容进行复位，读出第二复位信号。

31、在这一种可能的实施方式中，所述行驱动器还用于：

32、当所述图像传感器应用于第二光照强度时，在曝光阶段ep2后的复位阶段hr2，控制所述复位晶体管和所述开关晶体管导通，以使所述读出单元读出第三复位信号，并在读出所述第三复位信号后，控制所述复位晶体管和所述开关晶体管关断；

33、在所述复位阶段hr2后的转换阶段hs2，控制所述传输晶体管导通，以使所述读出单元读出第三转换信号，并在读出所述第三转换信号后，控制所述传输晶体管关断；

34、在所述转换阶段hs2后的转换阶段ls2，控制所述开关晶体管和所述传输晶体管导通，以使所述读出单元读出第四转换信号，并在读出所述第四转换信号后，控制所述传输晶体管关断；

35、在所述转换阶段ls2后的复位阶段lr2，控制所述复位晶体管导通，读出第四复位信号，并在读出所述第四复位信号后，控制所述传输晶体管和所述复位晶体管关断；

36、其中，所述第一光照强度大于所述第二光照强度。

37、基于上述方案，当图像传感器应用于第二光照强度，比如中光照强度时，由于光照强度较弱，因此不存在溢出电荷或者溢出电荷较少。图像传感器在复位阶段hr2对浮动扩散节点和存储电容进行复位，读出第三复位信号；在转换阶段hs2，导通开关晶体管，以使光电二极管中的电荷转移至浮动扩散节点，读出第三转换信号；在转换阶段ls2，导通开关晶体管，即将浮动扩散节点和存储电容连接导通，以使光电二极管中的电荷转移至浮动扩散节点和存储电容，读出第四转换信号；在复位阶段lr2，对浮动扩散节点和存储电容进行复位，读出第四复位信号。

38、在这一种可能的实施方式中，所述行驱动器还用于：

39、当所述图像传感器应用于第三光照强度时，在曝光阶段ep3后的复位阶段hr3，控制所述复位晶体管和所述开关晶体管导通，以使所述读出单元读出第五复位信号，并在读出所述第五复位信号后，控制所述复位晶体管和所述开关晶体管关断；

40、在所述复位阶段hr3后的转换阶段hs3，控制所述传输晶体管导通，以使所述读出单元读出第五转换信号，并在读出所述第五转换信号后，控制所述传输晶体管关断；

41、其中，所述第二光照强度大于所述第三光照强度。

42、基于上述方案，当图像传感器应用于第三光照强度，比如低光照强度时，由于光照强度很弱，信号电荷积累在光电二极管中，不存在溢出电荷。图像传感器在复位阶段hr3对浮动扩散节点进行复位，读出第五复位信号；在转换阶段hs3，导通开关晶体管，以使光电二极管中的电荷转移至浮动扩散节点，读出第五转换信号。

43、在这一种可能的实施方式中，所述图像传感器包括至少一个四像素结构，每个四像素结构包括四个像素单元。

44、基于上述方案，使得四个像素单元可以共用相同的复位晶体管、存储电容、开关晶体管和浮动扩散电容，进一步节省了芯片面积，因此可以设置更大面积的存储电容，另外，四像素结构相较于单像素单元，可以实现更大的满阱容量，扩大了图像传感器的动态范围。