高动态范围图像传感器像素电路的制作方法

1.本技术属于传感器领域，尤其涉及一种高动态范围图像传感器像素电路。


背景技术：

2.图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造互补型金属氧化物半导体(complementary metaloxide semiconductor，cmos)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。
3.图像传感器像素电路工作原理通常为采用光电二极管将接收到的光信号转换为光电电荷信号，光电二极管在曝光过程中所能收集到最多光电电荷量称为电荷饱和容量，电荷饱和容量越高，像素采集到物体信息的动态范围就会越高。相关技术的图像传感器像素电路中，光电二极管的光电响应通常是线性关系，称为线性图像传感器；光电二极管随着曝光量的增加，很快达到饱和状态，很难收集到强光环境的图像信息，采集到的图像信息动态范围一般低于80db。在自然界中，人的眼睛对弱光敏感，即感知弱光时灵敏度高；而对强光不敏感，即感知强光时灵敏度低。人眼睛对光线的感知特征为对数曲线关系，这种关系有效提高了眼睛感知光线的能力，其动态范围可达100db以上。由此可见，与人眼睛相比，上述线性图像传感器采集图像的能力显然欠佳。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种高动态范围图像传感器像素电路，旨在解决传统的高动态范围图像传感器像素电路存在的感光动态范围较低的缺陷。
5.本技术实施例提供了一种高动态范围图像传感器像素电路，包括：
6.光电转换元件，配置为在曝光周期内接收光信号以产生电荷；
7.电荷存储转移电路，与所述光电转换元件连接，配置为对所述电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将所述积分电荷信号输出；
8.其中，所述电荷存储转移电路根据电荷调制信号对所述电荷进行存储以生成所述积分电荷信号，所述电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系；
9.释放电路，与所述光电转换元件以及所述电荷存储转移电路的输入端连接，配置为至少在生成所述积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷；
10.电信号读出电路，与所述电荷存储转移电路的输出端相连接，配置为根据控制选择信号将所述积分电荷信号转换为电信号，以得到图像信号。
11.本技术实施例还提供了一种上述高动态范围图像传感器像素电路的操作方法，包括：
12.在曝光过程中输入所述电荷调制信号，电荷存储转换电路根据所述电荷调制信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号；所述电荷调制信号与所述曝光时间之间成基数大于
1的对数关系；
13.在输入所述电荷调制信号的过程中，输入所述弱关闭信号，以使释放电路至少在生成所述积分电荷信号的过程中根据所述弱关闭信号释放所述光电转换元件产生的部分电荷；
14.输入控制选择信号，以使电荷存储转移电路根据所述控制选择信号将所述积分电荷信号输出，以得到图像信号。
15.本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于释放电路至少在生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；将强光照射的光电转换元件中的电荷，通过释放电路释放一部分电荷，且电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系，强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变，故增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围，增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围调节的灵活性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本技术一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种结构示意图；
18.图2为本技术一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种示例电路原理图；
19.图3为对应图2的高动态范围图像传感器像素电路的部分版图；
20.图4为本技术一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的在曝光周期内晶体管栅极电压配置示意图；
21.图5为本技术一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路工作在强光照射时的势阱示意图；
22.图6为本技术一实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路中光电二极管在曝光周期内的电荷和电势示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
25.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.一种相关技术的图像传感器像素电路中，为了提高采集图像信息的动态范围，通常在光电二极管中采用杂质离子高剂量注入的方法，进而增加光电二极管的电荷饱和容量，但其缺点是光电二极管完全耗尽电势升高，容易产生图像拖影，并且暗电流也会增加。提升采集图像信息动态范围的另一相关技术为在像素中设置高转换增益和低转换增益两种模式技术，分别来应对弱光和强光环境的图像采集，虽然这两种模式可以根据光照环境来回切换，但像素工作过程中同一时间只能使用两种模式中的其中一种，因此弱光和强光光照图像细节信息不能够同时兼得。
28.图1示出了本技术较佳实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
29.上述高动态范围图像传感器像素电路包括光电转换元件11、电荷存储转移电路12、释放电路13以及电信号读出电路14。
30.光电转换元件11，配置为在曝光周期内接收光信号以产生电荷；
31.电荷存储转移电路12，与光电转换元件11连接，配置为对电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将积分电荷信号输出；
32.其中，电荷存储转移电路12根据电荷调制信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号，电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系；
33.释放电路13，与光电转换元件11以及电荷存储转移电路12的输入端连接，配置为至少在生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件 11产生的部分电荷；
34.电信号读出电路14，与电荷存储转移电路12的输出端相连接，配置为根据控制选择信号将积分电荷信号转换为电信号，以得到图像信号。
35.其中，光电转换元件11的输出端可以为光电转换元件11的负极，例如，光电转换元件11选择为光电二极管。从而光电转换元件11在曝光周期内接收光信号而产生的电荷为负电荷，提高了电荷的迁移率。
36.具体实施中，电信号读出电路14还配置为根据清除信号清除光电转换元件 11中的电荷。
37.通过电信号读出电路14根据清除信号清除光电转换元件11中的电荷，使得每次获取图像信号时清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。
38.当电信号读出电路14至少清除光电转换元件11中的电荷时释放电路13 还配置为根据抗电荷串扰控制信号转移光电转换元件11中的电荷；其中，抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据弱关闭信号释放光电转换元件11产生的部分电荷时对应的控制电压。
39.通过释放电路13清除光电转换元件11中的电荷，进一步地清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据弱关
闭信号释放光电转换元件11产生的部分电荷时对应的控制电压，故防止了释放电路13电势变化导致地干扰。
40.本发明实施例还提供一种高动态范围图像传感器像素电路的操作方法，包括步骤101a、101b和步骤102。
41.步骤101a：在曝光过程中输入电荷调制信号，电荷存储转换电路根据电荷调制信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号；电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系；
42.步骤101b：在输入电荷调制信号的过程中，输入弱关闭信号，以使释放电路13至少在生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件11 产生的部分电荷；
43.步骤102：输入控制选择信号，以使电荷存储转移电路12根据控制选择信号将积分电荷信号输出，以得到图像信号。
44.作为示例而非限定，步骤101a和步骤101b之前还包括步骤100a。
45.步骤100a：在开始曝光前输入清除信号，电信号读出电路14根据清除信号清除光电转换元件11中的电荷；曝光开始。
46.在执行步骤100a过程中，高动态范围图像传感器像素电路的操作方法还包括步骤100b。
47.步骤100b：输入抗电荷串扰控制信号，释放电路13根据抗电荷串扰控制信号清除光电转换元件11中的电荷；
48.其中，抗电荷串扰控制信号对应的控制电压等于根据弱关闭信号释放光电转换元件11产生的部分电荷时对应的控制电压。
49.具体实施中，步骤102可以包括步骤a1至步骤a2。
50.步骤a1：输入控制选择信号，电荷存储转移电路12根据控制选择信号将积分电荷信号输出，光电转换元件11根据控制选择信号将光电转换元件11中的电荷输出；
51.步骤a2：电信号读出电路14根据积分电荷信号和光电转换元件11中的电荷输出电信号。
52.具体实施中，步骤a1之前可以包括步骤a0。
53.步骤a0：输入复位控制信号，电信号读出电路14根据复位控制信号输出复位信号。
54.具体实施中，在执行步骤102过程中，高动态范围图像传感器像素电路的操作方法还包括步骤102b：
55.步骤102b：停止曝光，输入电荷释放信号，释放电路13根据电荷释放信号输出清除光电转换元件11中的电荷；其中，在将积分电荷信号输出的过程中保持输入电荷释放信号。电荷释放信号的电势可以为弱关闭信号的电势或者抗电荷串扰晶体管处于开启状态时的沟道电势。
56.通过曝光前和停止曝光后清除光电转换元件11中的电荷，提高了图像信号的获取精度。
57.具体实施中，复位控制信号、抗电荷串扰控制信号、电荷调制信号、控制选择信号以及电荷释放信号可以由控制逻辑输出。
58.在一种实施方式中，生成所述积分电荷信号的过程中：
59.传输晶体管的栅极电压＜0＜释放电路的弱关闭信号对应的抗电荷串扰晶体管的
栅极电压＜电源正极电压；或者，传输晶体管的栅极电压＜释放电路的弱关闭信号对应的抗电荷串扰晶体管的栅极电压＜0＜电源正极电压；或者，0 ＜传输晶体管的栅极电压＜释放电路的弱关闭信号对应的抗电荷串扰晶体管的栅极电压＜电源正极电压。
60.进一步示例中，在生成积分电荷信号的过程中：
61.电荷传输晶体管的沟道电势《释放电路中的抗电荷串扰晶体管处于弱关闭状态时的沟道电势《所述光电转换元件完全耗尽时的电势《电容调制晶体管的沟道电势《浮动扩散区的复位电势《电源正极电势。
62.图2示出了本发明实施例提供的高动态范围图像传感器像素电路的一种示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
63.电信号读出电路14包括复位晶体管103、源跟随晶体管104以及像素选择晶体管105。
64.复位晶体管104的源极以及源跟随晶体管105的栅极共同连接至电信号读出电路14输入端，电信号读出电路14输入端作为积分电荷信号输入端；
65.复位晶体管104的栅极连接至复位信号控制线，以作为电信号读出电路14 的复位控制信号的输入端；复位晶体管104的漏极连接至第一电源vdd，源跟随晶体管105的漏极连接至第二电源，第一电源vdd及第二电源为相同或不同的电源；源跟随晶体管105的源极与像素选择晶体管106的漏极连接，像素选择晶体管106的源极连接至电信号读出电路14输出端，电信号读出电路14 输出端作为电信号的输出端；像素选择晶体管的栅极连接至像素选择信号控制线，以作为电信号读出电路的像素选择控制信号的输入端。
66.电荷存储转移电路12包括电荷传输晶体管102和电荷存储控制器件107。
67.电荷传输晶体管102的源极与电荷存储控制器件107的第一端连接至电荷存储转移电路12的电荷输入端，电荷输入端连接至光电转换元件11的输出端，电荷传输晶体管102的漏极连接至电荷存储转移电路12的积分电荷信号输出端；电荷传输晶体管102的栅极连接至控制选择信号控制线，以作为控制选择信号输入端。电荷存储控制器件107的第二端连接至电荷输入信号控制线，以作为电荷调制信号输入端。
68.释放电路13包括电荷释放晶体管106。抗电荷串扰晶体管的源极连接光电转换元件11的输出端，抗电荷串扰晶体管的漏极连接控制电源，抗电荷串扰晶体管的栅极连接抗电荷串扰晶体管控制线。在一示例中，通过控制线给电荷释放晶体管106在曝光阶段输入弱关闭信号，曝光之前输入抗串扰控制信号，在读出阶段输出电荷释放信号。其中，抗串扰控制信号对应的控制电压和弱关闭信号对应的控制电压相等且小于电荷释放信号对应的控制电压。
69.光电转换元件11包含但不限于掩埋型光电二极管(pinned photodiode)、多晶硅栅型光电二极管(photogate photodiode)、电流辅助型光电器件(currentassistance photodiode)；电荷存储控制器件包含但不限于mos晶体管型电容、多晶硅栅-绝缘体-多晶硅栅型电容、金属-绝缘体-金属型电容。其中，基于抗电荷串扰晶体管控制线控制抗电荷串扰晶体管的沟道电势小于光电二极管的完全耗尽电势且大于所述电荷传输晶体管的沟道电势，以释放部分电荷。
70.电荷存储控制器件包括电容调制晶体管；电容调制晶体管的栅极为电荷存储控制器件的第二端，电容调制晶体管的源极和电容调制晶体管的漏极为电荷存储控制器件的第
一端；
71.其中，电容调制晶体管的栅极的电位与曝光时间之间成基数大于1的对数关系。
72.如图3所示，在高动态范围图像传感器像素电路的版图中，电容调制晶体管的栅极位于光电二极管上方，并且位于电荷传输晶体管102与释放电路13之间。
73.以下结合工作原理对图2和图3所示的作进一步说明：
74.高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号的一帧操作流程，包含三个阶段：像素复位阶段、光电电荷收集阶段和光电信号输出阶段。
75.像素复位阶段为高动态范围图像传感器像素电路采集光电信号一帧操作中的第一阶段，具体操作是复位晶体管103和电荷传输晶体管102给予高电位脉冲操作，清除光电二极管101中的电荷，随后电荷释放晶体管106栅极置为低电位vanti(即输入弱关闭信号，置为弱关闭状态)，开始曝光。
76.在第二阶段光电电荷收集阶段，电荷传输晶体管102和电荷释放晶体管106及电容调制晶体管107的栅极电位配置情况，如图4所示，纵轴为电位值，横轴为曝光时间t，曝光周期为t。在图4中，在曝光周期t内，电荷传输晶体管102保持为关闭状态，其栅极电位配置为vtx，如图4中203所示；电荷释放晶体管106保持为弱关闭状态，其栅极电位配置为vanti，如图2中202所示；在曝光周期t内，电容调制晶体管107的栅极端电位vsg从0v逐渐升高为电源正极电压vdd，如图2中的201曲线所示；电容调制晶体管107的栅极端电位vsg与曝光时间t之间成基数大于1的对数关系。电荷传输晶体管102的栅极端电位vtx、电荷释放晶体管106的栅极端电位vanti、电源地0v以及电源正极电压vdd的关系如下式所示：
77.vtx《0《vanti《vdd(1)或
78.vtx《vanti《0《vdd(2)或
79.0《vtx《vanti《vdd(3)
80.光电二极管101在曝光周期内接收到光信号并转换为电荷，电荷收集在光电二极管101和电容调制晶体管107中。
81.第三阶段光电信号输出阶段，光电电荷收集阶段完毕后，开启像素选择晶体管105，电荷传输晶体管102给予高电位脉冲操作(输入控制选择信号)，光电二极管101和电容调制晶体管107中的电荷被转移到漂浮扩散有源区fd中，随后源跟随晶体管104读取漂浮扩散有源区fd中的光电信号，通过信号输出线output输出光电信号。其中，漂浮扩散有源区fd与电荷传输晶体管102的源极、复位晶体管104的源极以及源跟随晶体管105的栅极连接。
82.光电电荷收集阶段，强光照射下的像素的势阱示意图如图5所示，如5所示的是图3标有虚线ab位置的器件势阱状态。电荷释放晶体管106保持为弱关闭状态，栅极电位为vanti，其沟道电势为vanti_off；所示光电二极管101中的完全耗尽电势为vpin；电容调制晶体管107的栅极端电位为vsg，其沟道电势为vsg_channal，电荷存储控制器件107所贡献的电容值为csg，光电二极管101所贡献的电容值为cpd；电荷传输晶体管102的栅极端电位为vtx，其沟道电势为vtx_off；漂浮扩散有源区fd的复位电势为vrst，电源正极电势为vdd。上述各电势的大小关系，如下式所示：
83.vtx_off《vanti_off《vpin《vsg_channal《vrst《vdd(4)
84.因为vanti_off大于vtx_off，光电二极管101在强光照射下产生过多的电荷通过
电荷释放晶体管106的沟道溢出到电源正极端vdd。在像素曝光周期t内，电容调制晶体管107的栅极端vsg电位从0v逐渐升高为电源正极电压vdd，电容调制晶体管107的栅极端vsg电位变化与曝光时间t之间成基数大于1的对数关系。
85.光电电荷收集阶段，强光照射下，在曝光周期t内，图5所示的电势及光电电荷量与曝光时间t之间的关系曲线示意图，如图6所示。图6中，左侧纵轴为电荷量，横轴为曝光时间t，右纵轴为电势，401为光电二极管101和电容调制晶体管107收集到的总光电电荷量qpd与曝光时间t的关系曲线，402为vsg_channal与曝光时间t的关系曲线，403为光电二极管101通过电荷释放晶体管106的沟道向电源正极vdd溢出的光电电荷量qleak。
86.qpd_max为光电二极管101和电容调制晶体管107所能收集到的最大光电电荷量之和，qleak_max为光电二极管101通过电荷释放晶体管106的沟道向电源正极vdd溢出的最大光电电荷量，vsg_channal_max为电容调制晶体管107沟道的最高电势，vpin为光电二极管101的完全耗尽电势。
87.光电二极管101单位时间内接受到光子数量为n，光电二极管101的光电转换效率为k，则光电二极管101产生的光电电荷q表达式为：
88.q＝knt(t《＝t)(5)
89.光电二极管101和电容调制晶体管107所能收集到的电荷量qpd表达式为：
90.qpd＝cpd*(vpin-vanti_off) csg*(vsg_channal-vpin)(6)
91.光电二极管101通过电荷释放晶体管106的沟道向电源正极vdd溢出的光电电荷量qleak表达式为：
92.qleak＝q-qpd(7)
93.因为vsg与曝光时间t之间是基数大于1的对数关系，而vsg_channal与vsg成正比，所以vsg_channal与曝光时间t之间为类似基数大于1的对数关系，如图6中的402所示；由式6和式7可知，图6中的401曲线和403曲线为非线性曲线，401为类似基数大于1的对数关系曲线。
94.由此可见，光电二极管101和电容调制晶体管107共同收集光电电荷，总有效光电电荷量qpd为两者之和；在强光照射下，总有效光电电荷量qpd与曝光时间t之间成类似基数大于1的对数关系。由此可见，在强光照射下，光电二极管101的感光灵敏度受到压制，感光灵敏度降低。因此光电二极管101的光电响应为非线性模式，此类传感器称为非线性图像传感器。
95.因此，本发明非线性感光特征的高动态范围图像传感器像素电路，可有效拓展强光光照强度范围的信号采集，相对相关技术，有效提高了像素感光动态范围。
96.本发明实施例通过光电转换元件在曝光周期内接收光信号以产生电荷；电荷存储转移电路根据电荷调制信号对电荷进行存储以生成积分电荷信号，并根据控制选择信号将积分电荷信号输出；电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系；释放电路至少在生成积分电荷信号的过程中根据弱关闭信号释放光电转换元件产生的部分电荷；电信号读出电路根据像素选择控制信号将积分电荷信号转换为电信号，以得到图像信号；将强光照射的光电转换元件中的电荷，通过释放电路释放一部分电荷，且电荷调制信号与曝光时间之间成基数大于1的对数关系，强光照射的像素感光能力受到压制，感光灵敏度降低，而弱光照射的像素感光能力和灵敏度保持不变，故增加了高动态范围图像传感器像素电路感
光动态范围，增加了高动态范围图像传感器像素电路感光动态范围调节的灵活性。
97.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
98.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。