[发明专利]一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法

说明书

本发明公开了一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法，包括传输门、光电子存储阱、浮动扩散电容、源极跟随器、复位晶体管和行选晶体管，源极跟随器采用JFET管，传输门的一端连接到光电子存储阱的一端，传输门的另一端、复位晶体管的一端、浮动扩散电容的一端以及源级跟随器的栅极全部连接到浮动扩散节点；复位晶体管的另一端连接到复位漏极，源级跟随器的源极连接到行选晶体管的源极；行选晶体管的漏极连接到一个电流源上；本发明的优点在于：采用JFET管有效减小浮动扩散节点的电容，增大转换增益，从而降低读出噪声，不会限制帧频，适用于帧频较高的量子图像传感器。

技术领域

本发明涉及量子图像传感器领域，更具体涉及一种降低量子图像传感器子像素读出噪声的电路及方法。

背景技术

量子图像传感器(Quanta Image Sensor，QIS)是第三代固态图像传感器技术，具有空间过采样、时间过采样和单光子计数的特点，能够解决由于器件尺寸和电源电压降低导致的CMOS图像传感器动态范围、信噪比降低等问题。量子图像传感器的应用前景十分广泛，比如微光成像、高速摄像、大动态成像和高分辨率成像。量子图像传感器具有数十亿个微小的专用像素，称为子像素。为了实现单光子计数功能，子像素需要在积分期间累积光电子并根据收集到的光电子数量，输出一位或多位比特值。与普通CMOS图像传感器像素相比，一个子像素的满阱容量较小，约为1-200个电子。要想实现单光子计数，必须以高帧速率扫描子像素阵列，以最小化单个子像素接收多于一个光子的机会。在收集二进制数据之后，使用图像处理将空间和时间域上的记录数据组合成反映光子通量的图像像素。

入射光子在硅中被吸收并产生电子-空穴对，并且这些光电子在被转移到子像素中的浮动扩散(Floating Diffusion，FD)电容之后被测量为QIS中的电压信号。由光电子产生的电压信号是

其中Qe是电子电荷，CFD是浮动扩散节点电容。在子像素读出信号过程中，子像素中的源极跟随器会引入读出噪声。起主要作用的是1/f噪声(闪烁噪声)，一般认为这是由于源极跟随器通道附近的Si-SiO2界面陷阱相关的俘获和再发射导致的载流子数波动引起的。

读出噪声越小，子像素对光电子数量的量化也就越精确。误码率直接受读出噪声影响，并且随量子光强的变化而略有不同，如图1所示，为了使不同量子曝光的误码率小于0.1％，最好将读取噪声降低到0.15e-或更低。另外，量子图像传感器子像素的转换增益为其接收到光电子后产生的电压值与光电子的电荷之间的比值。转换增益越大，读出噪声越小。为了减少读出噪声，一种方法是使用雪崩倍增来增加信号。这种方法已应用于电荷耦合器件，单光子雪崩二极管等。然而，雪崩倍增的使用具有许多缺点，例如需要高电场和工作电压，导致像素尺寸大，暗计数率高，制造难度大和可靠性问题。另一种方法是通过减小浮动扩散节点的电容来增加转换增益。

中国专利申请号CN202010659009.9，公开了一种图像传感器像素电路，包括：电荷生成单元，用于将入射的光信号转换成电信号，其包括有光电二极管以及多个曝光控制晶体管；电荷存储单元，连接电荷生成单元，被配置为存储所述电信号；电荷传输单元，连接电荷存储单元，被配置为将电信号传输至读出单元；读出单元，被配置为将电荷存储单元的电信号作为像素传输以及读取像素的信号；其中，所述光电二极管产生的信号通过多个曝光控制晶体管分别得到多个电信号，通过多个曝光控制晶体管交替地将光电二极管累积的电荷存储至对应的电荷存储单元；所述第一、第二、第三电荷传输单元连接同一个读出单元；所述读出单元包括复位晶体管、源极跟随晶体管、选择晶体管和浮置扩散节点；所述第一、第二、第三电荷存储单元的存储电荷依次通过第一、第二、第三电荷传输单元分时传送至同一个浮置扩散节点；其通过使用相关双采样，通过在每个积分时段结束时从像素的信号电压去除像素的参考电压(比如被重置后的像素电压)，从而可降低噪声，虽然其通过增大转换增益减小读出噪声，但是其主要针对的是增益控制晶体管，关闭增益控制管，转换增益较大，与常规像素一致；而打开增益控制管，转换增益变小，其次其消除噪声采用相关双采样操作，而相关双采样操作一般需要较长的读出时间，这会限制帧频，并不适用于帧频较高的量子图像传感器。