[发明专利]一种采用像素内参数调整技术的大动态范围像素结构

说明书

一种采用像素内参数调整技术的大动态范围像素结构，通过浅沟槽隔离栅进行不同像素间的隔离，自钳位光电二极管通过传输门与浮动扩散区连接，浮动扩散区另一端连接复位管和源跟随器，源跟随器通过参数放大开关连接行选管；不同的偏置电压源V1和V2与参数放大开关另一端连接，源跟随器与偏置电压源V1和V2之间的开关分别为K1、K2。该结构是一种以SF晶体管为参量放大器的像素内电荷调整电路，通过改变偏置电压放大或缩小光电信号，从而使得像素的最低可探测信号和最高非饱和信号都得到拓展，实现动态范围的提高。

技术领域

本发明属于CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种采用像素内参数调整技术的大动态范围像素结构。

背景技术

CMOS图像传感器被广泛应用于各种应用领域，如安全和监视系统、医学成像、卫星和恒星跟踪。许多应用都要求图像传感器在不同的光照条件下都能有良好的成像能力。

动态范围(DR)定义为最大非饱和输出信号电平和最小可检测输出信号电平的比值，这些要求可通过提高图像传感器的动态范围实现。在传统的4T像素中，由于每次曝光间隔只有很少的光生载流子，低光照时的图像对比度会降低。在高光照条件下，由于过量的载流子使光电二极管很快达到饱和，输出信号容易达到饱和。因此传统的4T像素动态范围很小，很难达到医学、监控等应用领域的要求。

为了突破传统CMOS图像传感器的限制，常采用以下几种方式提高动态范围：采用线性-对数压缩法，即低光下做线性响应，高光照条件下为对数响应，这种方法可以将DR提高几十倍，但是弱光区传感器为非线性响应，而且信噪比和灵敏度很低；饱和探测法，即对饱和后出的电荷积分，但额外的饱和探测电容会降低填充因子；多曝光度法是主流的DR增强方法，它在不改变像素结构的情况下，不同的曝光时间扫描后合成图像，但是它需要额外的存储单元和复杂的读出电路，且易导致图像模糊。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明一种采用像素内参数调整技术的大动态范围像素结构，是一种以SF晶体管为参量放大器的像素内电荷调整电路，通过改变偏置电压放大或缩小光电信号，从而使得像素的最低可探测信号和最高非饱和信号都得到拓展，实现动态范围的提高。

图1为本发明提出的采用像素内参数调整技术的大动态范围像素结构，该结构中通过浅沟槽隔离栅（101）进行不同像素间的隔离，自钳位光电二极管（102）通过传输门（103）与浮动扩散区（104）连接，浮动扩散区另一端连接复位管（105）和源跟随器（106），源跟随器通过参数放大开关（107）连接行选管（108）；不同的偏置电压源V1（111）和V2（112）与参数放大开关另一端连接，源跟随器与偏置电压源V1和V2之间的开关分别为K1（109）、K2（110）。传输门、复位管、源跟随器、行选管、参数放大开关、开关K1、K2均使用NMOS晶体管实现。传输门由传输信号TG控制，复位管由复位信号RST控制，参数放大开关由SPA信号控制，行选管由行选信号SEL控制，电源选择开关K1、K2由S1、S2信号控制。

自钳位光电二极管由表面嵌位层P+区、N-埋层及P型衬底构成，外界光信号入射到像素表面后被自钳位光电二极管吸收，发生本征吸收，产生光生电子-空穴对，光生电子在势垒区电场作用下吸引至N埋层中；传输门控制自钳位光电二极管的光生电子向浮动扩散区的转移，传输门的栅上加高压时开启，低压时关闭。浮动扩散区为重掺杂N+区，传输门开启后光生电子进入浮动扩散区，浮动扩散区与源跟随器的栅极相连接，参数放大开关被用来短接源跟随器的源极和漏极。