擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，還包括晶體管電容器件，晶體管電容器件的柵極與光電二極管的正極相連接，其源漏極外接可控電勢；弱光照射時(shí)，晶體管電容不起作用，像素的感光靈敏度高；強(qiáng)光照射時(shí)，晶體管電容添加到光電二極管中，像素的感光靈敏度降低。因此，本發(fā)明壓縮了強(qiáng)光照射像素的感光靈敏度，擴(kuò)展了像素的動態(tài)范圍。
【專利說明】擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，特別涉及一種擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動手機(jī)、醫(yī)療器械、汽車和其他應(yīng)用場合。特別是制造CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質(zhì)有了更高的要求。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，CMOS圖像傳感器一般采用線性光電響應(yīng)功能的像素結(jié)構(gòu)。如圖1所示，CMOS圖像傳感器采用三晶體管的有源像素，在本領(lǐng)域中也稱為3T有源像素，3T有源像素的元器件包括:光電二極管101，復(fù)位晶體管102，源跟隨晶體管103和選擇晶體管104，及列位線105 ;光電二極管101的正極端Vpd與復(fù)位晶體管102的源極和源跟隨晶體管103的柵極相連，Vrst為復(fù)位晶體管102的柵極端，Vsx為選擇晶體管104的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線，產(chǎn)生光電信號；開啟選擇晶體管104,將由源跟隨晶體管103探測到的光電二極管101勢阱內(nèi)電勢變化信號經(jīng)列位線105讀取并保存。其中，在光電二極管101中產(chǎn)生的光電電荷量與入射光照量成正比,光電二極管101勢阱內(nèi)光電電荷的變化被源跟隨晶體管103探測到并轉(zhuǎn)換為電勢變化，一個(gè)光電電荷轉(zhuǎn)換為電勢的量稱為光電轉(zhuǎn)換增益；光電電荷量變化時(shí)，轉(zhuǎn)換增益保持不變，則源跟隨晶體管103在光電二極管101處所探測到的電勢信號也與光照量成線性正比關(guān)系。
[0004]該類圖像傳感器的光電響應(yīng)是線性的，在本領(lǐng)域內(nèi)被稱為線性傳感器。線性傳感器不易采集到高照明環(huán)境的實(shí)物信息，從而降低了傳感器的輸出圖像品質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高效的、高感光動態(tài)范圍的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，還包括晶體管電容器件，所述晶體管電容器件的柵極與所述光電二極管的正極相連，所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且外接可控電勢。
[0008]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，由于還包括晶體管電容器件，晶體管電容器件的柵極與光電二極管的正極相連接，其源漏極外接可控電勢；弱光照射時(shí)，晶體管電容不起作用，像素的感光靈敏度高；強(qiáng)光照射時(shí)，晶體管電容添加到光電二極管中，像素的感光靈敏度降低。因此，本發(fā)明壓縮了強(qiáng)光照射像素的感光靈敏度，擴(kuò)展了像素的動態(tài)范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的三晶體管(3T)有源像素的電路示意圖；
[0010]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的電路示意圖；
[0011]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的光電二極管的勢阱示意圖；
[0012]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)受到弱光照射時(shí)的光電二極管勢阱示意圖。
[0013]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)光照射時(shí)的光電二極管勢阱示意圖。
[0014]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)曲線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0016]本發(fā)明的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0017]包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，還包括晶體管電容器件，所述晶體管電容器件的柵極與所述光電二極管的正極相連，所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且外接可控電勢。
[0018]所述光電二極管為N型光電二極管，所述晶體管電容器件為P型晶體管。
[0019]所述晶體管電容器件的閾值電壓為-0.7V?0V。
[0020]所述晶體管電容器件的電容值大于等于IfF。
[0021]所述晶體管電容器件的源漏極外接電勢大于等于0.7V。
[0022]在三晶體管圖像傳感器中，為了提高采集到的圖像品質(zhì)，本發(fā)明從優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)入手，在現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，添加一 P型MOS晶體管電容器件，并且晶體管電容器件的柵極與N型光電二極管的正極相連，其源漏極外接可控電勢。本發(fā)明的圖像傳感器像素，弱光照射時(shí)，像素積分完畢后，光電二極管收集到的光電電荷量少，光電二極管的勢阱電勢高，即晶體管電容器件的柵極電勢高，其柵極與源漏極之間的電勢差大于其閾值電壓，使得晶體管電容器件工作在截至區(qū)，因此晶體管電容器件的電容無效，光電二極管勢阱中的光電電荷轉(zhuǎn)換增益保持不變，與現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素的光電轉(zhuǎn)換增益相同，所以弱光照射的像素的感光靈敏度保持較高的水平；強(qiáng)光照射時(shí)，像素積分完畢后，光電二極管收集到的光電電荷量多，光電二極管的勢阱電勢低，即晶體管電容器件的柵極電勢低，其柵極與源漏極之間的電勢差小于其閾值電壓，使得晶體管電容器件工作在線性區(qū)，因此晶體管電容器件的電容達(dá)到了其穩(wěn)定設(shè)計(jì)值，此電容加入到光電二極管中，此時(shí)的光電二極管勢阱中的電容為晶體管電容器件電容與光電二極管原始電容之和，其光電電荷轉(zhuǎn)換增益與總電容成反比關(guān)系，因此降低了光電電荷的光電轉(zhuǎn)換增益，進(jìn)而降低了像素的感光靈敏度，推遲了像素的感光飽和時(shí)間，擴(kuò)展了像素的動態(tài)范圍。
[0023]具體實(shí)施例:
[0024]本發(fā)明實(shí)施例的三晶體管圖像傳感器像素的電路示意圖，如圖2所示。圖2中，201為光電二極管,202為復(fù)位晶體管,203為源跟隨晶體管,204為選擇晶體管,205為列位線，206為晶體管電容器件；其中，VPD為光電二極管201的正極端，并且與晶體管電容器件206的柵極端相連，與源跟隨晶體管203的柵極端相連，與復(fù)位晶體管202的源極端相連，VRX為復(fù)位晶體管202的柵極端，VSX為選擇晶體管204的柵極端，Vdd為電源電壓；所述晶體管電容器件206的源漏極相互連接在一起，并且外接可控電勢Vet。所述光電二極管201為N型光電二極管，所述晶體管電容器件206為P型MOS晶體管，所述晶體管電容器件206的閾值電壓為-0.7V?0V，所述晶體管電容器件206的電容值大于等于IfF，所述晶體管電容器件206的源漏極外接電勢大于等于0.7V，所述光電二極管201所使用的半導(dǎo)體基體為P型半導(dǎo)體基體。
[0025]本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素中的光電二極管的勢阱示意圖，如圖3所示，301勢阱區(qū)為光電二極管201的原始勢阱，302勢阱區(qū)為晶體管電容器件206的勢阱，301勢阱區(qū)的電容為Cpd，302勢阱區(qū)的電容為Cap，其中Ccap大于等于IfF，Vreset為301勢阱區(qū)的最高電勢值，Vth為晶體管電容器件206的閾值電壓，其中Vth的范圍為-0.7V?0V。
[0026]本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素，受到弱光照射時(shí)，像素積分時(shí)間結(jié)束，其光電二極管的勢阱示意圖，如圖4所示。光電二極管201所收集到的少量光電電荷，僅存儲在301勢阱區(qū)，光電電荷的光電轉(zhuǎn)換增益反比于Cpd，與現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素的光電轉(zhuǎn)換增益相同；所述弱光照射時(shí)的像素感光靈敏度正比與光電轉(zhuǎn)換增益，因此，像素的感光靈敏度與現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素的感光靈敏度相同，保持在較高的水平。
[0027]本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素，受到強(qiáng)光照射時(shí)，像素積分時(shí)間結(jié)束，其光電二極管的勢阱示意圖，如圖5所示。光電二極管201所收集到的大量光電電荷,不但存儲在301勢阱區(qū)，并且也存儲在了 302勢阱區(qū)，光電電荷的光電轉(zhuǎn)換增益反比于Cpd和Ccap電容之和，低于現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素的光電轉(zhuǎn)換增益；所述強(qiáng)光照射時(shí)的像素感光靈敏度正比與光電轉(zhuǎn)換增益，因此，與現(xiàn)有技術(shù)中的三晶體管圖像傳感器像素的感光靈敏度相比，本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素的感光靈敏度低。所以，本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素，壓縮了強(qiáng)光照射像素的感光靈敏度，推遲了像素的飽和時(shí)間。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例的三晶體管圖像傳感器像素的光電響應(yīng)曲線示意圖，如圖6所示。圖6中，水平軸為像素的曝光量，豎直軸為像素光電信號量，其中光電信號量單位為伏特。所述光電相應(yīng)曲線，分為兩段:高轉(zhuǎn)換增益區(qū)和低轉(zhuǎn)換增益區(qū)，高轉(zhuǎn)換增益區(qū)部分對應(yīng)于弱光照射的像素，其中A點(diǎn)位置標(biāo)記的是圖4所示情況；低轉(zhuǎn)換增益區(qū)部分對應(yīng)于強(qiáng)光照射的像素，其中B點(diǎn)位置標(biāo)記的是圖5所示情況。高轉(zhuǎn)換增益區(qū)和低轉(zhuǎn)換增益區(qū)連接點(diǎn)處的光電電勢信號為Vreset-Vct-Vth，與圖5所示的電勢點(diǎn)Vct+Vth對應(yīng)，此點(diǎn)像素曝光量為Ect ；圖6所示Vsat為像素的信號飽和量,Esatl為現(xiàn)有技術(shù)中三晶體管圖像傳感器像素飽和時(shí)的曝光量，Esat2為本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素飽和時(shí)的曝光量。本發(fā)明的三晶體管圖像傳感器像素的動態(tài)范圍從Esatl擴(kuò)展到了 Esat2。由此可見，本發(fā)明三晶體管圖像傳感器像素，壓縮了強(qiáng)光照射像素的感光靈敏度，擴(kuò)展了像素的動態(tài)范圍。
[0029]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括置于半導(dǎo)體基體中的光電二極管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管，其特征在于，還包括晶體管電容器件，所述晶體管電容器件的柵極與所述光電二極管的正極相連，所述晶體管電容器件的源漏極相互連接在一起，并且外接可控電勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電二極管為N型光電二極管，所述晶體管電容器件為P型晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容器件的閾值電壓為-0.7V?0V。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容器件的電容值大于等于IfF。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擴(kuò)展動態(tài)范圍的三晶體管圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述晶體管電容器件的源漏極外接電勢大于等于0.7V。
【文檔編號】H04N5/374GK104394338SQ201410725887
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】郭同輝, 曠章曲 申請人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司