[發明專利]一種基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構

在審

• 申請號: 202011243957.0
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112420759A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 曲楊;常玉春;梁紅偉;劉巖;婁珊珊;鐘國強;程禹;宋辰昱;曹伉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/374
• 代理公司: 大連格智知識產權代理有限公司 21238
• 代理人: 劉琦

1.一種基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構，其特征在于，包括：彩色信號收集單元、黑白信號收集單元、第三轉移晶體管TG3、復位晶體管RST、源極跟隨器SF和行選擇晶體管RS；

所述黑白信號收集單元，包括：第一鉗位光電二極管PPD1、第一轉移晶體管TG1和第一浮置擴散電容FD1；所述第一鉗位光電二極管PPD1無彩色濾光片；所述第一鉗位光電二極管PPD1反向偏置，所述第一鉗位光電二極管PPD1的陽極接地、陰極與第一轉移晶體管TG1漏極相接；所述第一轉移晶體管TG1的源極與第一浮置擴散電容FD1的第一端子相接；所述第一浮置擴散電容FD1的第二端子接地；

所述彩色信號收集單元，包括：第二鉗位光電二極管PPD2、第二轉移晶體管TG2和第二浮置擴散電容FD2；所述第二鉗位光電二極管PPD2有彩色濾光片；所述第二鉗位光電二極管PPD2反向偏置，所述第二鉗位光電二極管PPD2的陽極接地、陰極與第二轉移晶體管TG2漏極相接；所述第二轉移晶體管TG2的源極與第二浮置擴散電容FD2的第一端子相接；所述浮置擴散電容FD2的第一端子與第三轉移晶體管TG3的漏極相接；

所述轉移晶體管TG3的源極與第一浮置擴散電容FD1的第一端子相接，并與復位晶體管RST的源極和源極跟隨器SF的柵極相連；

所述復位晶體管RST的漏極與電源電壓VDD相連；

所述源極跟隨器SF的漏極與電源電壓VDD相連；所述源極跟隨器SF的源極與行選擇晶體管RS的漏極相連。

2.根據權利要求1所述的基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構，其特征在于，所述行選擇晶體管RS的源極與讀出電路相連。

3.根據權利要求1所述的基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構，其特征在于，所述第一浮置擴散電容FD1的電容為5至10fF。

4.根據權利要求1所述的基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構，其特征在于，所述第二浮置擴散電容FD2的電容為700至1000fF。

5.根據權利要求1所述的基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構，其特征在于，所述基于仿生視覺的CMOS圖像傳感器像素結構的工作時序控制過程：

第一步，在CMOS圖像傳感器像素結構開始曝光前，將復位晶體管RST的復位信號reset拉到高電平，開啟復位晶體管RST，同時將第三轉移晶體管TG3的控制信號TX3拉到高電平，此時第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2合并，將第一采樣信號Samp1拉高，讀取第一讀出信號Signal1，讀取完畢后拉低第一采樣信號Samp1；其中，第一讀出信號Signal1為第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2合并電容中的電荷信號；

第二步，將第三轉移晶體管TG3的控制信號TX3拉到低電平，合并電容被拆分成第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2，將第二采樣信號Samp2拉高，讀取第二讀出信號Signal2，讀取完畢后拉低第二采樣信號Samp2；其中，第二讀出信號Signal2為第一浮置擴散電容FD1中的電荷信號；

第三步，CMOS圖像傳感器像素結構開始曝光，第一鉗位光電二極管PPD1和第二鉗位光電二極管PPD2中收集光生電子；

第四步，曝光周期結束，分別將第一轉移晶體管TG1的控制信號TX1和第二轉移晶體管TG2的控制信號TX2拉到高電平，分別轉移光生電子到第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2中；隨后拉高第三采樣信號Samp3，讀取第一浮置擴散電容FD1的第三讀出信號Signal3，讀取完畢后拉低第三采樣信號Samp3，其中，第三讀出信號Signal3為第一浮置擴散電容FD1中的電荷信號；

第五步，將第一轉移晶體管TG1的控制信號TX1和第二轉移晶體管TG2的控制信號TX2拉到低電平，關斷第一轉移晶體管TG1和第二轉移晶體管TG2；將第三轉移晶體管TG3的控制信號TX3拉到高電平，將第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2中的電荷混合；拉高第四采樣信號Samp4，讀取第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2的合并電容的第四讀出信號Signal4，讀取完畢后拉低第四采樣信號Samp4，其中，第四讀出信號Signal4為第一浮置擴散電容FD1和第二浮置擴散電容FD2的合并電容的電荷信號；

第六步，重復第一步，開始下一次曝光。