專利名稱：高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種圖像傳感器，特別是涉及ー種高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是構(gòu)成數(shù)字?jǐn)z像頭的主要部件之一，被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼成像、航空航天以及醫(yī)療影像等領(lǐng)域。圖像傳感器根據(jù)元件的不同，可分為CXD (Charge CoupledDevice,電荷稱合兀件)和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體元件)兩大類。CXD圖像傳感器除了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)外，還廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀，以及エ業(yè)領(lǐng)域等。值得ー提的是，在醫(yī)學(xué)中為診斷疾病或進(jìn)行顯微手術(shù)等而對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行的拍攝中，也大量應(yīng)用了 CCD圖像傳感器及相關(guān)設(shè)備。在天文攝影與各種夜視設(shè)備中，也廣 泛應(yīng)用到CCD圖像傳感器。CMOS傳感器具有高度集成化、成本低、功耗低。単一工作電壓、局部像素可編程隨即讀取等優(yōu)點(diǎn)，可適用與數(shù)碼相機(jī)、PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信產(chǎn)品等領(lǐng)域。CXD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都是采用光電ニ極管收集入射光，并將其轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行圖像處理的電荷。對(duì)于這種采用光電ニ極管的圖像傳感器，當(dāng)沒(méi)有入射光時(shí)仍然有輸出電流，即“暗電流”，來(lái)自光電ニ極管的暗電流可能作為被處理圖像中的噪聲出現(xiàn)，從而減低畫(huà)面質(zhì)量。因此暗電流的大小是表征傳感器性能的重要參數(shù)之一。動(dòng)態(tài)范圍是另外ー個(gè)重要參數(shù)，它表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，就越能顯示非常暗以及非常亮的圖像，所能表現(xiàn)的圖像層次也就越豐富，所包含的色彩空也越廣。換句話說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍越大，能同時(shí)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。隨著應(yīng)用的需要，CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍有待進(jìn)ー步提高。一般，攝像場(chǎng)景有較寬的照度范圍(約120dB)，而典型的CMOS有源像素圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍(約65 75dB)難于滿足寬動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用的需要，因而，近年來(lái)，如何提高CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍成為研究的熱點(diǎn)。為了得到較高的動(dòng)態(tài)范圍，一般集中在對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)容量的提高上或光學(xué)傳感區(qū)阱容量的提高上，但對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行改進(jìn)以提高動(dòng)態(tài)范圍的方法比較少見(jiàn)。本發(fā)明從提高光學(xué)傳感區(qū)容量和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)容量?jī)煞矫嫱瑫r(shí)入手，可以很明顯的提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，而又不增加光學(xué)傳感區(qū)容量和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的面積，保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中提聞動(dòng)態(tài)范圍エ藝復(fù)雜以及暗電流大的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，至少包括ー襯底，形成于所述襯底上的光學(xué)傳感區(qū)、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、連接于所述光學(xué)傳感區(qū)與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的第一轉(zhuǎn)移晶體管，所述圖像傳感器還包括
第一電容，與所述光學(xué)傳感區(qū)并聯(lián)；在所述光學(xué)傳感區(qū)曝光時(shí)，所述第一電容存儲(chǔ)部分該光學(xué)傳感區(qū)產(chǎn)生的光生載流子；第二電容，與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)；在從所述光學(xué)傳感區(qū)向所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)移電荷時(shí)，所述第二電容存儲(chǔ)部分轉(zhuǎn)移的電荷。 可選地，所述光學(xué)傳感區(qū)為PN結(jié)感光二極管、PIN感光二極管或光門(mén)?？蛇x地，所述圖像傳感器還包括源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和行選擇晶體管；所述源跟隨晶體管的柵極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、第二電容以及復(fù)位晶體管的源極相連接；所述源跟隨晶體管及復(fù)位晶體管的漏極連接電源電壓Vd ;所述行選擇晶體管的漏極連接所述源跟隨晶體管的源極，該行選擇晶體管的源極作為信號(hào)輸出端?？蛇x地，所述圖像傳感器還包括第二轉(zhuǎn)移晶體管，連接于所述第一電容和所述光學(xué)傳感區(qū)之間。 可選地，所述圖像傳感器還包括一時(shí)序控制單元，分別向所述第二轉(zhuǎn)移晶體管的柵極、復(fù)位晶體管的柵極、第一轉(zhuǎn)移晶體管的柵極以及行選擇晶體管的柵極輸出時(shí)序控制信號(hào)，控制第一轉(zhuǎn)移晶體管、第二轉(zhuǎn)移晶體管、行選擇晶體管以及復(fù)位晶體管選通或關(guān)閉。可選地，所述圖像傳感器還包括與所述第一電容、第二電容并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電容。可選地，所述圖像傳感器具有三種工作模式第一工作模式下，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管始終關(guān)閉，處于截止工作狀態(tài)；第二工作模式下，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管始終打開(kāi)，處于導(dǎo)通工作狀態(tài)；第三工作模式下，所述光學(xué)傳感區(qū)曝光過(guò)程中，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)，而當(dāng)所述第一傳轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)進(jìn)行像素讀出時(shí)，該第二轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉?？蛇x地，所述圖像傳感器還包括一模式選擇單元，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據(jù)工作環(huán)境擇一選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由時(shí)序控制單元產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序。可選地，所述圖像傳感器還包括第三轉(zhuǎn)移晶體管，連接于所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)和所述第二電容之間。如上所述，本發(fā)明提供的高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，具有以下有益效果該圖像傳感器至少包括光學(xué)傳感區(qū)、與該光學(xué)傳感區(qū)連并聯(lián)的第一電容、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、以及與該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的第二電容。本發(fā)明通過(guò)分別增加與所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的兩個(gè)電容，等效提高了該光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的阱容量，從而在不增加所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)面積的基礎(chǔ)上，明顯地提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器可根據(jù)設(shè)定選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ?，在提高?dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，降低了弱光及普通光照環(huán)境下暗電流的影響，在多種工作環(huán)境下均可高質(zhì)量成像。


圖I顯示為本發(fā)明提供的一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明提供的另一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明I襯底
10光學(xué)傳感區(qū)11浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)
具體實(shí)施例方式以下由特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。請(qǐng)參閱圖I。須知，本說(shuō)明書(shū)所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說(shuō)明書(shū)所掲示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所掲示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說(shuō)明書(shū)中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語(yǔ)，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或 調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。實(shí)施例如圖I所示，本發(fā)明提供ー種高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，至少包括ー襯底1，形成于所述襯底上的光學(xué)傳感區(qū)10、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11、第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl、第二轉(zhuǎn)移晶體管T2、復(fù)位晶體管T3、第一電容Cl、第二電容C2、源跟隨晶體管T4、以及行選擇晶體管T5 ;進(jìn)ー步地，所述圖像傳感器還包括一時(shí)序控制單元(未示出)。所述襯底I可以為單晶或非晶的半導(dǎo)體材料，或絕緣體上硅(SOI )，本實(shí)施例中暫選為單晶硅襯底，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可選為鍺、硅鍺、或神化鎵等III - V族化合物。所述光學(xué)傳感區(qū)10用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即在光照射下產(chǎn)生光生載流子電子-空穴對(duì)，并收集所述電子或空穴。本實(shí)施例中所述光學(xué)傳感區(qū)10為PN結(jié)光電ニ極管，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可為PIN光電ニ極管或光柵等光敏半導(dǎo)體器件。所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11用于接收從所述光學(xué)傳感區(qū)10傳輸過(guò)來(lái)的光生載流子，并作為像素輸出區(qū)；所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl連接于所述光學(xué)傳感區(qū)10和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11之間，用于控制所述光學(xué)傳感區(qū)10收集的光生載流子傳輸?shù)剿龈?dòng)擴(kuò)散區(qū)11 ；所述第一電容Cl與所述光學(xué)傳感區(qū)10并聯(lián)，用于在所述光學(xué)傳感區(qū)10曝光時(shí)存儲(chǔ)部分該光學(xué)傳感區(qū)10產(chǎn)生的光生載流子。在強(qiáng)光條件下，由于與該光學(xué)傳感區(qū)10并聯(lián)的第一電容Cl的存在，所述光學(xué)傳感區(qū)10就不會(huì)很快的飽和，該光學(xué)傳感區(qū)10與其并聯(lián)的所述第一電容Cl所儲(chǔ)存的光生載流子總量遠(yuǎn)大于只有一個(gè)所述光學(xué)傳感區(qū)10時(shí)所能儲(chǔ)存的光生載流子量，因此相當(dāng)于增大了所述光學(xué)傳感區(qū)10的阱容量；所述第二電容C2與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11并聯(lián)，用于在從所述光學(xué)傳感區(qū)10向所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11轉(zhuǎn)移光生載流子時(shí)存儲(chǔ)部分轉(zhuǎn)移電荷。同樣的道理，在所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11連接ー個(gè)電容，在強(qiáng)光條件下曝光后進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移吋，由于有第二電容C2的存在，所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11就不會(huì)很快飽和，該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11與其并聯(lián)的第二電容C2所儲(chǔ)存的電荷總量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于只有一個(gè)所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11所能儲(chǔ)存的載流子量，因此，相當(dāng)于增大了所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11的阱容量。需要說(shuō)明的是，為了進(jìn)ー步増加所述光學(xué)傳感區(qū)10和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11的相對(duì)容量，還可以分別在所述第一電容Cl和第一電容C2上并聯(lián)ー個(gè)或多個(gè)電容。
所述第二轉(zhuǎn)移晶體管T2連接于所述第一電容Cl和所述光學(xué)傳感區(qū)11之間；所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl連接于所述光學(xué)傳感區(qū)10和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11之間，因此可知所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl和第二轉(zhuǎn)移晶體管T2具有ー個(gè)公共的有源端，當(dāng)所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl和第ニ轉(zhuǎn)移晶體管T2同時(shí)打開(kāi)時(shí)，以使存儲(chǔ)在所述第一電容Cl中的光生載流子與光學(xué)傳感區(qū)10的光生載流子一同經(jīng)由第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及與之并聯(lián)的第ニ電容C2中。所述時(shí)序控制單元(未示出)通過(guò)控制所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl和第二轉(zhuǎn)移晶體管T2之間相配合的開(kāi)啟與關(guān)閉，所述圖像傳感器相應(yīng)具有三種工作模式第一工作模式下，第二傳輸晶體管T2始終關(guān)閉，處于截止工作狀態(tài)，該模式應(yīng)用于弱光或普通光強(qiáng)環(huán)境中；第二工作模式下，第二傳輸晶體管T2始終打開(kāi)，處于導(dǎo)通工作狀態(tài)，該模式應(yīng)用于強(qiáng)光環(huán)境中；第三工作模式下，光學(xué)傳感區(qū)曝光過(guò)程中，第二傳輸晶體管T2打開(kāi)，而當(dāng)?shù)谝粋鬏斁w管Tl打開(kāi)時(shí)，第二傳輸晶體管T2關(guān)閉，該模式應(yīng)用于超強(qiáng)光強(qiáng)環(huán)境下。此外，所述圖像傳感器還進(jìn)一歩包括一模式選擇單元(未示出)，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據(jù)工作環(huán)境擇ー選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作
模式，并由所述時(shí)序控制單元產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序。所述源跟隨晶體管T4的柵極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11、第二電容C2以及復(fù)位晶體管T3的源極連接，該源跟隨晶體管T4和復(fù)位晶體管T3的漏極均連接至系統(tǒng)電壓源Vd ;所述源跟隨晶體管T4的作用是用于將轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及第ニ電容C2的光生載流子轉(zhuǎn)化為信號(hào)電平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大與緩沖，改善成像系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中的系統(tǒng)電壓源Vd是指在對(duì)圖像傳感器像素的一般半導(dǎo)體電路進(jìn)行正常操作的電源電壓。所述復(fù)位晶體管T3的作用為當(dāng)柵極施加復(fù)位信號(hào)Reset吋，將所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及第ニ電容C2復(fù)位,此時(shí),第一傳輸晶體管Tl關(guān)閉。所述行選擇晶體管T5的漏極連接所述源跟隨晶體管T4的源扱，該行選擇晶體管T5源極作為輸出端連接列總線(未示出);所述時(shí)序控制單元(未示出)分別向所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl的柵極、第二轉(zhuǎn)移晶體管T2的柵極、復(fù)位晶體管T3的柵極、以及行選擇晶體管T5的柵極發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，控制所述第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl、第二轉(zhuǎn)移晶體管T2、行選擇晶體管T5以及復(fù)位晶體管T3選通或關(guān)閉。為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明高動(dòng)態(tài)圖像傳感器的功效，下面對(duì)該圖像傳感器在三種エ作模式下的工作方法進(jìn)行說(shuō)明。第一種工作模式在普通光強(qiáng)環(huán)境下，第二傳輸晶體管T2始終關(guān)閉，處于截止エ作狀態(tài)。首先，將所述圖像傳感器的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及與之并聯(lián)的第二電容C2復(fù)位至電源電壓Vd，關(guān)閉第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl和第二轉(zhuǎn)移晶體管T2 ;然后對(duì)所述光學(xué)傳感區(qū)進(jìn)行曝光，在該光學(xué)傳感區(qū)產(chǎn)生光生載流子，并同時(shí)打開(kāi)第一轉(zhuǎn)晶體管Tl，將所述光學(xué)傳感區(qū)10產(chǎn)生的光生載流子轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11和第二電容C2，轉(zhuǎn)移電荷經(jīng)由源跟隨晶體管T4轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，可視作第一電容Cl不存在，避免了弱光及普通光照環(huán)境下，由于光學(xué)傳感區(qū)10并聯(lián)的第一電容Cl所引入的暗電流及噪聲，可進(jìn)ー步保障成像質(zhì)量，提高圖像傳感器信噪比。第二種工作模式在強(qiáng)光環(huán)境下，第二傳輸晶體管T2始終打開(kāi)，處于導(dǎo)通工作狀態(tài)。首先，將所述圖像傳感器的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及與之并聯(lián)的第二電容C2復(fù)位至電源電壓Vd，關(guān)閉第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl，打開(kāi)第二轉(zhuǎn)移晶體管T2 ;然后對(duì)所述光學(xué)傳感區(qū)10進(jìn)行曝光，在該光學(xué)傳感區(qū)10產(chǎn)生光生載流子，此時(shí)一部分光生載流子轉(zhuǎn)移至與所述光學(xué)傳感區(qū)10連并聯(lián)的第一電容Cl中；然后打開(kāi)第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl，將所述第一電容Cl和光學(xué)傳感區(qū)10中的光生載流子轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及第二電容C2中，轉(zhuǎn)移電荷經(jīng)由源跟隨晶體管T4轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，通過(guò)第二傳輸晶體管T2與光學(xué)傳感區(qū)10并聯(lián)的第一電容Cl提高了光學(xué)傳感區(qū)10的阱容量，可保證強(qiáng)光環(huán)境下，光學(xué)傳感區(qū)10不會(huì)處于飽和狀態(tài)，從而避免了圖像的失真，提高了該圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，進(jìn)一步保障了其在強(qiáng)光環(huán)境下的成像 質(zhì)量。第三工作模式在超強(qiáng)光強(qiáng)環(huán)境下，光學(xué)傳感區(qū)10曝光過(guò)程中，第二傳輸晶體管T2打開(kāi)，而當(dāng)?shù)谝粋鬏斁w管Tl打開(kāi)時(shí)，第二傳輸晶體管T2關(guān)閉。首先，將所述圖像傳感器的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及與之并聯(lián)的第二電容C2復(fù)位至電源電壓Vd，關(guān)閉第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl，打開(kāi)第二轉(zhuǎn)移晶體管T2 ;然后對(duì)所述光學(xué)傳感區(qū)10進(jìn)行曝光，在該光學(xué)傳感區(qū)10產(chǎn)生光生載流子，此時(shí)一部分光生載流子流入與所述光學(xué)傳感區(qū)10連并聯(lián)的第一電容Cl中；然后打開(kāi)第一轉(zhuǎn)移晶體管Tl，并同時(shí)關(guān)閉第二轉(zhuǎn)移晶體管T2，只將光學(xué)傳感區(qū)10中的光生載流子轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11及第二電容C2中，轉(zhuǎn)移電荷經(jīng)由源跟隨晶體管T4轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，由行選通晶體管T5輸出。該工作模式下，存儲(chǔ)在第二電容C2中的部分光生載流子并不讀出，通過(guò)讀出部分光生載流子的方式，避免了在超強(qiáng)光環(huán)境下像素讀出過(guò)程中浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11的飽和，進(jìn)一步保障成像質(zhì)量。需要說(shuō)明的是，所述圖像傳感器工作第三工作模式時(shí)，所述光學(xué)傳感區(qū)10在超強(qiáng)光下曝光時(shí)會(huì)飽和，一部分電荷載流子存儲(chǔ)在所述第一電容Cl中并沒(méi)轉(zhuǎn)移至所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11中，這樣會(huì)造成圖像失真，因此在后續(xù)圖像處理電路中會(huì)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和處理，還原成像結(jié)果，該技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，在此不再贅述。此外，本實(shí)施例中，為進(jìn)一步提高光學(xué)傳感區(qū)10及浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11的阱容量，第一電容Cl及第二電容C2還可有一個(gè)或多個(gè)電容與之并聯(lián)。進(jìn)一步地，如圖2所示，該圖像傳感器中，還可包括連接在浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11和第二電容C2之間的第三傳輸晶體管T6，其作用與第一傳輸晶體管Tl相同，用于控制浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)11和與之并聯(lián)的電容之間的連接狀態(tài)，可選擇只在需要的工作模式下連接，在弱光及普通光照環(huán)境中斷開(kāi)，從而進(jìn)一步減小由于電容器件引入帶來(lái)的噪聲，保障成像質(zhì)量，提高信噪比。綜上所述，本發(fā)明提供的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，包括光學(xué)傳感區(qū)、與該光學(xué)傳感區(qū)連并聯(lián)的第一電容、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、以及與該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的第二電容。本發(fā)明通過(guò)分別增加與所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的電容，等效提高了該光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的阱容量，從而在不增加所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)面積的基礎(chǔ)上，明顯地提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器可根據(jù)設(shè)定選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ?，在提高?dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，降低了弱光及普通光照環(huán)境下暗電流的影響，在多種工作環(huán)境下均可高質(zhì)量成像。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán) 利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，至少包括一襯底，形成于所述襯底上的光學(xué)傳感區(qū)、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、連接于所述光學(xué)傳感區(qū)與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間的第一轉(zhuǎn)移晶體管，其特征在于，所述圖像傳感器還包括 第一電容，與所述光學(xué)傳感區(qū)并聯(lián)；在所述光學(xué)傳感區(qū)曝光時(shí)，所述第一電容存儲(chǔ)該光學(xué)傳感區(qū)產(chǎn)生的部分光生載流子； 第二電容，與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)；在從所述光學(xué)傳感區(qū)向所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)移電荷時(shí)，所述第二電容存儲(chǔ)部分轉(zhuǎn)移的電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述光學(xué)傳感區(qū)為PN結(jié)感光二極管、PIN感光二極管或光門(mén)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括第二轉(zhuǎn)移晶體管，連接于所述第一電容和所述光學(xué)傳感區(qū)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括源跟隨晶體管、復(fù)位晶體管和行選擇晶體管；所述源跟隨晶體管的柵極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、第二電容以及復(fù)位晶體管的源極相連接；所述源跟隨晶體管及復(fù)位晶體管的漏極連接電源電壓Vd ;所述行選擇晶體管的漏極連接所述源跟隨晶體管的源極，該行選擇晶體管的源極作為信號(hào)輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括一時(shí)序控制單元，分別向所述第二轉(zhuǎn)移晶體管的柵極、復(fù)位晶體管的柵極、第一轉(zhuǎn)移晶體管的柵極以及行選擇晶體管的柵極輸出時(shí)序控制信號(hào)，控制第一轉(zhuǎn)移晶體管、第二轉(zhuǎn)移晶體管、行選擇晶體管以及復(fù)位晶體管選通或關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括第三轉(zhuǎn)移晶體管，連接于所述第二電容和所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括分別與第一電容、第二電容并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求3 7任一項(xiàng)所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器具有三種工作模式第一工作模式下，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管始終關(guān)閉，處于截止工作狀態(tài)；第二工作模式下，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管始終打開(kāi)，處于導(dǎo)通工作狀態(tài)；第三工作模式下，所述光學(xué)傳感區(qū)曝光過(guò)程中，所述第二轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)，而當(dāng)所述第一傳轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)進(jìn)行像素讀出時(shí)，該第二轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器還包括模式選擇單元，所述模式選擇單元為三路控制單元，根據(jù)工作環(huán)境擇一選擇所述第一工作模式或第二工作模式或第三工作模式，并由時(shí)序控制單元產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，至少包括光學(xué)傳感區(qū)、與該光學(xué)傳感區(qū)并聯(lián)的第一電容、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、以及與該浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的第二電容。本發(fā)明通過(guò)分別增加與所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)的電容，等效提高了該光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的阱容量，從而在不增加所述光學(xué)傳感區(qū)和浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)面積的基礎(chǔ)上，明顯地提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又保持了圖像傳感器的高集成度和低的暗電流水平。此外，該圖像傳感器還包括控制第一電容連接關(guān)系的第二轉(zhuǎn)移晶體管和模式選擇單元，可根據(jù)設(shè)定選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ?，在提高?dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，降低了弱光環(huán)境下暗電流的影響，在多種工作環(huán)境下均可高質(zhì)量成像。
文檔編號(hào)H04N5/355GK102856340SQ20121036285
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者苗田樂(lè), 方娜, 田犁, 汪輝, 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院