[发明专利]一种高动态范围的图像传感器

说明书

一种高动态范围的图像传感器，在常规的4T全局像元结构，即在1个传输晶体管、1个复位晶体管、1个源极跟随器和1个行选晶体管组成的像元结构基础上，增加1个抗晕晶体管、1个存储电荷控制晶体管、1个电容和1个电容信号传输管，形成一个7T1C的图像传感器结构。当光电二极管的信号较小时，通过传输晶体管传输信号到浮置扩散区并读出；当光电二极管的信号较大时，通过抗晕晶体管溢出并存储到电容上，再通过电容信号传输管传输到浮置扩散区并读出。本发明通过这种结构，可以大幅扩大可存储的满阱电荷，提高动态范围。

技术领域

本发明属于集成电路图像传感器技术领域，尤其涉及一种高动态范围的图像传感器。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器单元类别主要有电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS image sensor)器件。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及可与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用，包括消费电子、汽车电子、安防监控、工业监控、生物技术和医学等领域。

CMOS图像传感器包括由众多像素单元构成的像素阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等模块单元。像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。

请参阅图1，图1为现有技术中4T CMOS图像传感器像素单元电路的示意图。如图1所示，在现有技术中，最常见的4T(4Transistors)像素单元中通常包含由一个光电二极管(Photo Diode，PD，等效电容Cpd)和4个场效应NMOS晶体管组成的有源像素结构，4个NMOS晶体管分别是复位(Reset，RST，图中所示为M3)NMOS晶体管、传输(Transition Gate，TX，图中所示为M1)NMOS晶体管、源极跟随器(Source Follower，SF，图中所示为M4)以及行选择(RowSelect，SEL，图中所示为M2)NMOS晶体管。

其中，光电二极管PD连接在NMOS晶体管M1的源极和接地端之间，NMOS晶体管M1的栅极接TX信号；NMOS晶体管M3的源极接在电源VDD，NMOS晶体管M3的漏极接节点FD，NMOS晶体管M3的栅极接RST信号；NMOS晶体管M4的源极接在电源VDD，NMOS晶体管M4的漏极接NMOS晶体管M2的源极，NMOS晶体管M4的栅极接节点FD；NMOS晶体管M2的漏极为输出端VOUT，NMOS晶体管M4的栅极接节点SET信号。

在上述器件中，光电二极管是感光单元，基于入射光产生电子，实现对光线的收集和光电转换；传输晶体管M1通过其栅极控制将光电二极管PD产生的电子转移到浮置扩散区存储节点，再通过后续读出电路将电子转换为电压信号读出。

请参阅图2，图2为图1中所示的4T CMOS图像传感器像素单元电路的感光响应曲线示意图。如图2所示，其横坐标代表曝光量，纵坐标代表输出电压，感光响应曲线表示出输出电压随曝光量的增加线性增大，并在一定的曝光量时达到最大值。此后，即使曝光量增加，输出电压不再增大，趋于水平饱和状态。

然而，采用上述常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路，却无法很好地处理同时包括弱光和强光下的照明环境，这是由于对于上述现有的常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路，在器件选型确定后，光电二极管具有固定不变的电容，从而导致其转换增益是一定的。

也就是说，在强烈的光照下，上述常规的4T CMOS图像传感器像素单元电路很快就会达到饱和，从而导致图像传感器对强光和弱光的分辨不能兼顾。如果在提高强光区域的分辨能力，则弱光区域图像基本全黑无法分辨；如果提高弱光区域的分辨能力，则强光区域完全过曝光变成全白。这样，动态范围很小，直接影响了图像成像质量。

发明内容