[發明專利]低功耗高動態范圍的圖像傳感器像素結構及操作方法

有效

• 申請號: 202011506974.9
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112689105B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 湯華蓮;崔兆春;劉偉峰;莊奕琪;張麗
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04N5/369
• 分類號: H04N5/369;H04N5/355
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發明公開了一種低功耗高動態范圍圖像傳感器像素結構及操作方法，其包括光電二極管(1)、電荷傳輸晶體管(2)、復位晶體管(3)、源跟隨晶體管(4)、選擇晶體管(5)、采樣電容復位晶體管(6)、模式控制晶體管(7)、擴展電容C1和漂浮有源區FD。光電二極管通過電荷傳輸晶體管與FD相連；復位晶體管的漏極接電源線，源極接FD；源跟隨晶體管的柵極接FD，漏極接電源線，源極接選擇晶體管的漏極；擴展電容C1通過模式控制晶體管與FD相連；采樣電容復位晶體管的漏極與選擇晶體管的源極及后級電路的采樣電容C2相連。本發明降低了圖像傳感器的功耗，擴展了動態范圍，可用于在復雜環境下長時間工作的監控設備。

技術領域

本發明屬于固態圖像傳感器技術領域，更進一步涉及一種低功耗高動態范圍圖像傳感器像素結構及操作方法，可用于在復雜環境下長時間工作的監控設備。

背景技術

圖像傳感器是利用光電器件將光信號轉換為電信號的一種高端技術元件，被廣泛地應用于視頻監控領域。當監控設備在復雜環境下長時間工作時，需要圖像傳感器具有較低的功耗和較高的動態范圍。當前在CMOS圖像傳感器中普遍采用的是4管圖像傳感器像素結構4T-APS。如圖1所示，該4管圖像傳感器像素結構包括：光電二極管1、電荷傳輸晶體管2、復位晶體管3、源跟隨晶體管4和選擇晶體管5；Tx為電荷傳輸晶體管2的柵極端，Reset為復位晶體管3的柵極端，Sel為選擇晶體管5的柵極端，FD為漂浮有源區，VDD為電源線，Vout為信號輸出端，ibias為偏置電流源。光電二極管1接收外界入射的光線，產生光生電荷；開啟電荷傳輸晶體管，將光電二極管1中的光生電荷轉移至漂浮有源區FD后，漂浮有源區FD內電荷量的變化被源跟隨晶體管4探測到并轉換為電勢變化經信號輸出端Vout讀取并保存。其中，光電二極管1中的光生電荷與入射光照量成正比，漂浮有源區FD內電荷量的變化被源跟隨晶體管4探測到并轉換為電勢變化，此電勢變化量與入射光照量成正比關系。由于這種結構的漂浮有源區FD內能夠存儲的光電荷量較少，且源跟隨晶體管4由恒定電流源ibias偏置，因此這種像素結構存在動態范圍小，功耗大的缺點，難以滿足監控設備在復雜環境下長時間工作的要求。

北京思比科微電子技術股份有限公司在其申請的專利文獻“高動態范圍圖像傳感器像素結構及其操作方法”(申請號201410797654.1，申請公開號CN 104469195 A，公開日為2014.12.18)中公開了一種高動態范圍圖像傳感器結構，該結構包括光電二極管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區，還包括第一電荷傳輸晶體管、第二電荷傳輸晶體管、第三電荷傳輸晶體管，以及置于第二電荷傳輸晶體管與第三電荷傳輸晶體管之間的晶體管電容器件。像素采用兩次曝光方式采集光電信號，第一次長時間曝光方式采集的光生電荷，被轉移到晶體管電容器件中儲存起來，第二次短時間曝光方式采集的光生電荷和在晶體管電容器件中儲存的光生電荷被一同轉移到漂浮有源區，然后進行光電信號讀取操作。該結構的不足之處在于：增大動態范圍的同時導致單個像素結構復雜，增大了像素面積也增加了功耗。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足提出一種低功耗高動態范圍的圖像傳感器像素結構及操作方法，以在增大像素動態范圍的同時減小了像素的功耗。

實現本發明目的的技術方案如下：

1.一種低功耗高動態范圍的圖像傳感器像素結構，包括電荷傳輸晶體管2、復位晶體管3、源跟隨晶體管4、選擇晶體管5、漂浮有源區FD和置于半導體基體中的光電二極管1，其特征在于，還包括采樣電容復位晶體管6、模式控制晶體管7和擴展電容C1；

所述采樣電容復位晶體管6，其漏極與選擇晶體管5源極以及后級電路的采樣電容C2相連，源極與地相連，用于清空后級采樣電容C2；

所述模式控制晶體管7，其漏極與漂浮有源區FD相連，源極與擴展電容C1連接，用于控制圖像傳感器像素的工作模式，該所述擴展電容C1的另一端與地相連。