[发明专利]一种高动态范围的像素单元及图像传感器

说明书

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2a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303一侧并连接输出端；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。