本發(fā)明屬于半導(dǎo)體圖像感測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器及其信號讀出方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，圖像獲取和處理技術(shù)也得到了相應(yīng)的提高，圖像傳感器作為圖像處理的基本設(shè)備，正日益廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

以半導(dǎo)體技術(shù)和工藝為基礎(chǔ)的電子圖像傳感器主要包括電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器(CIS)兩種。其中CIS由于采用標準CMOS工藝，易于與電路進行集成制造，具有低功耗、低成本等一系列優(yōu)點，近年來獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其在專業(yè)攝像等領(lǐng)域開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

動態(tài)范圍(DR)是CIS的一項重要指標，用于標定圖像傳感器所能處理的光強范圍，該范圍用分貝(dB)做單位。提高動態(tài)范圍一方面需要降低CIS的最小可探測光強，即提高弱光下像素信噪比。另一方面需提高像素的最大可探測光強，其主要受像素積分電容大小(即阱容量)影響。

傳統(tǒng)CIS像素電路使用光電探測器勢阱容量有限，當(dāng)光強增大到一定程度，最大輸出信號出現(xiàn)飽和；而當(dāng)光強較弱時，光電探測器產(chǎn)生的光生電流過小而容易被環(huán)境噪聲所湮滅。所以，一般CIS的動態(tài)范圍較低，尚達不到自然界光強的范圍。

為了提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍，目前常用以下幾種技術(shù)：(1)提高勢阱容量，即增大積分電容C_ph。(2)多次采樣技術(shù)，即通過多次曝光對同一場景進行采樣，此種方式需要較為復(fù)雜的外部讀取和存儲電路，且不適合高速攝影場景。(3)多探測器像素，即在一個像素單元中集成兩個光電二極管，一個用于弱光條件，一個用于強光條件，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且沒有從根本上解決勢阱容量問題，增加DR的能力有限。(4)對數(shù)響應(yīng)技術(shù)。對數(shù)模式CIS工作在連續(xù)方式，像素中DP連接一個柵漏極短接的MOS管做負載。當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)域時具有近似對數(shù)電流電壓關(guān)系，使得輸入信號與光強的對數(shù)成正比，從而擴展DR。但由于亞閾值MOS管性能受工藝影響很大，導(dǎo)致CIS固定模式噪聲(FPN)很大；(5)線性對數(shù)復(fù)合模式，這種技術(shù)結(jié)合了線性模式和對數(shù)模式的優(yōu)點，可以在低中等光強條件下得到信噪比較高的圖像，同時在強光條件下能保持較高的動態(tài)范圍。該方法的缺點是需要非常復(fù)雜的電路來進行線性和對數(shù)模式的判別和轉(zhuǎn)換。

此外還有其他較為復(fù)雜的方式來提高動態(tài)范圍，但目前為止還沒有一種理想的方法出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于兩次電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的高動態(tài)范圍圖像傳感器，和標準商業(yè)CMOS工藝完全兼容。目的在于在像素單元結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過判斷入射光的強弱從而產(chǎn)生兩路復(fù)位信號RST和兩路電荷轉(zhuǎn)移控制信號TG，使得在弱光下具有良好的線性響應(yīng)，而在強光下進行兩次電荷轉(zhuǎn)移從而獲得良好的線性響應(yīng)且保持非飽和狀態(tài)，進而獲得圖像傳感器動態(tài)范圍的增強。

本發(fā)明所述的基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器，包括光電轉(zhuǎn)換模塊、行列讀出控制模塊、相關(guān)雙采樣電路、列放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；相關(guān)雙采樣電路對光電轉(zhuǎn)換模塊讀出的數(shù)據(jù)進行采樣，并濾除一部分系統(tǒng)噪聲，列放大器將相關(guān)雙采樣電路采集到的模擬數(shù)據(jù)進行放大，由行列讀出控制送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。

所述的光電轉(zhuǎn)換模塊由一個M×N陣列的像素單元組成(M、N均為正偶數(shù))，每個像素單元由4T(Transistor)像素、比較器模塊、鎖存器模塊及二選一多路選擇器模塊組成；在外部光信號的作用下，像素單元產(chǎn)生隨光強變化的像素信號，實際上就是起到將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的作用；4T像素輸出信號連接到比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端連接的是參考電壓Vref；比較器的輸出連接到鎖存器Latch上，每一次比較器輸出跳轉(zhuǎn)時，都能鎖存住數(shù)字碼；鎖存器的輸出連接到二選一多路選擇器，用以根據(jù)光強信息產(chǎn)生復(fù)位信號RST和電荷轉(zhuǎn)移信號TG。

圖3給出了采用標準4管(4T)結(jié)構(gòu)的像素單元結(jié)構(gòu)示意圖，在P型襯底(P-sub)上通過擴散或注入工藝生長N阱區(qū)(n-well)以及重摻雜的N+區(qū)(n+)，N阱區(qū)上通過離子注入生長重摻雜的p+區(qū)。在兩個N阱區(qū)n-well、n+之間通過干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TG柵。具體連接方式為：M1、SF管的漏端同時與模擬電源Vdd相連，復(fù)位信號RST接至M1管的柵極，M1管的源端與SF管的柵極以及TG柵一側(cè)的n+區(qū)浮置節(jié)點FD相連，SF管的源端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號總線Signal Bus相連，行選信號RS接至M2管的柵極。其中，晶體管M1和M2作為開關(guān)管使用，SF為源跟隨器，Vdd為電源電壓。

P型襯底為硅Si，摻雜材料為硼B(yǎng)，摻雜濃度為1×10¹⁶/cm³～5×10¹⁶/cm³

重摻雜P區(qū)的摻雜材料為硼B(yǎng)，摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁶/cm³。

當(dāng)行選擇信號RS給出時，M2管開啟，將SF源端的電壓傳輸至并行信號總線Signal Bus上。電路進行復(fù)位操作時，M1管和TG柵均打開，將TG柵一側(cè)n+區(qū)浮置節(jié)點FD復(fù)位至Vdd-V_TH1，同時清空TG柵另一側(cè)p+、n區(qū)積累的光生電荷。TG 柵與M1管關(guān)斷后，電路進入積分狀態(tài)，C_PD(光電二極管的結(jié)電容)上的電壓由Vdd開始下降，其存儲電荷的多少與光強有關(guān)。當(dāng)需要讀出時，TG柵再次打開，將存儲在C_PD上的電荷轉(zhuǎn)移至TG一側(cè)的n+區(qū)之中。SF管的源端電壓同樣將跟隨n+區(qū)浮置節(jié)點FD電平的變化，將像素信號傳輸至并行信號總線Signal Bus上，讀取周期完畢，M2管斷開。

基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：電路進行復(fù)位操作，M1管和TG柵均打開，將TG柵一側(cè)n+區(qū)浮置節(jié)點FD復(fù)位至Vdd-V_TH1，同時清空TG柵另一側(cè)p+n區(qū)積累的光生電荷；

步驟二：TG柵與M1管關(guān)斷，電路進入積分狀態(tài)，到達t₀時，TG柵打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷轉(zhuǎn)移到浮置節(jié)點FD中；

步驟三：電荷轉(zhuǎn)移完成后，源跟隨器的源端電壓V_S與比較器正向輸入端的參考電壓V_ref比較：

如果電壓V_S大于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為弱光，直到積分結(jié)束都不會再有電荷轉(zhuǎn)移，浮置節(jié)點FD的電壓保持不變，t₂時刻，源跟隨器的輸出電壓V_S被采集并轉(zhuǎn)換，之后開啟下一幀，重復(fù)以上步驟；

如果電壓V_S小于參考電壓V_ref，則可判斷入射光為強光，在時刻t₁，傳輸柵TG打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷轉(zhuǎn)移到浮置節(jié)點FD中，同時晶體管M1被復(fù)位，然后TG柵和復(fù)位管M1關(guān)閉，電路進入積分工作模式；在時刻t₂，傳輸柵TG再次打開，此時源跟隨器SF的輸出點電壓被采集并轉(zhuǎn)換，之后開啟下一幀，重復(fù)以上步驟；

其中：V_TH1為晶體管M1的閾值電壓，C_PD為光電二極管的結(jié)電容，t₀為第一次電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生的時刻，t₁為第二次電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生的時刻，t₂為整個積分過程結(jié)束的時刻。

圖4給出了本次發(fā)明所提出的針對4T像素CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍增強的轉(zhuǎn)換算法。其中P_ref代表像素剛好達到飽和時所對應(yīng)的光強，而P_max代表著像素所能夠探測到的最大光強，V_ref＝I_ref·t₀·C_pd為比較器正向輸入端的參考電壓。Q_FD為浮置節(jié)點FD內(nèi)存儲的電荷量，Q_full代表像素的滿阱容量，Q_ref＝P_ref·t₀為參考電荷量。 t₂＝t₀+T_int。

圖5給出了本發(fā)明所提出的動態(tài)范圍增強算法所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換時序圖，當(dāng)以恒定光強照射時，光電二極管將會產(chǎn)生大小為I_ph的光電流。電路進行復(fù)位操作時，M1管和TG柵均打開，同時清空TG柵左側(cè)p+n區(qū)積累的光生電荷，晶體管M1將浮置節(jié)點FD復(fù)位到Vdd-V_TH1，在轉(zhuǎn)換開始時，TG柵與M1管關(guān)斷，電路進入積分狀態(tài)，C_PD上的電壓開始下降。經(jīng)過一個短暫的積分時間t₀之后，傳輸柵TG打開，存儲在光電二極管PD中的光生電荷迅速轉(zhuǎn)移到浮置節(jié)點FD中。

電荷轉(zhuǎn)移完成之后，源跟隨器的源端電壓V_S通過比較器與參考電壓V_REF比較。如果電壓V_S大于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為弱光，直到積分結(jié)束都不會再有電荷轉(zhuǎn)移，浮置節(jié)點FD的電壓保持不變。在t₂時刻，源跟隨器的輸出電壓V_S被采集并轉(zhuǎn)換，V_s2＝V_FD2-V_GS2，其中V_FD2為積分結(jié)束時刻浮置節(jié)點的電壓，而V_GS2為源跟隨器M2管的柵源電壓。浮置節(jié)點的復(fù)位電壓V_s1＝Vdd-V_TH1-V_GS2，其中V_TH1為晶體管M1的閾值電壓。

此時，弱光的光強可以被表示為

如果電壓V_S小于參考電壓V_ref，則可判斷出入射光為強光，在積分時刻t₁，傳輸柵TG打開，同時晶體管M1被復(fù)位。緊接著TG柵和復(fù)位管M1關(guān)閉，電路進入積分工作模式。在積分時刻t₂，傳輸柵TG再次打開，采集此時源跟隨器M2的輸出點電壓V′_S2＝V_FD1-V_GS2，其中V_FD1為積分結(jié)束時刻浮置節(jié)點的電壓。

此時，強光的光強可以被表示為

采用動態(tài)范圍增強方法之前，像素可以探測到的最大光強為

而采用了動態(tài)范圍增強算法時，像素可以探測到的最大光強為

因此，圖像傳感器的動態(tài)范圍被增強了k-bit，

當(dāng)k＝8時，動態(tài)范圍增強理論上能夠達到48.16dB。

圖像傳感器的信噪比(SNR)可以表示為

其中，i_ph為光電流,i_d為暗電流，為輸入噪聲功率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的高動態(tài)范圍圖像傳感器具有以下優(yōu)點：

1、在整個光強范圍內(nèi)都保持了線性響應(yīng)，輸出DN(Digital Number)值正比于入射光強度，大大簡化了后續(xù)數(shù)字信號的處理過程。

2、光電探測器是由4T像素構(gòu)成，可以使用相關(guān)雙采樣技術(shù)很大程度上降低系統(tǒng)噪聲，具有較高的填充因子和簡單的結(jié)構(gòu)，無論在強光還是弱光下響應(yīng)速度都非常快。

3、直接可以在像素內(nèi)部使用簡單的電路實現(xiàn)入射光強弱的判斷，無需后續(xù)復(fù)雜電路的圖像處理。

4、采用新的像素電路讀出算法，通過改變調(diào)整K值，可以實現(xiàn)很高的動態(tài)范圍增強。

附圖說明

圖1傳統(tǒng)的圖像傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明的基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明的4T結(jié)構(gòu)的像素單元連接示意圖；

圖4本發(fā)明的CIS動態(tài)范圍增強的轉(zhuǎn)換算法示意圖；

圖5本發(fā)明的CIS動態(tài)范圍增強的時序示意圖；

圖6本發(fā)明的CIS信噪比與入射光強的關(guān)系；

從圖6中可以看出，本發(fā)明采用了0.18um 1P4M標準CIS工藝，相比于傳統(tǒng)4T像素讀出方式，僅僅增加了一次光強判斷以及電荷轉(zhuǎn)移的操作，在不需要進行比較時，比較器偏置電壓拉低從而節(jié)省功耗，通過這種信號讀出方法，CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍實現(xiàn)了8bit的增強，由61.15dB增強到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步地說明。

本發(fā)明所述的圖像傳感器和標準CMOS工藝完全兼容，下面基于0.18μm 1P4M標準CIS工藝，基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器，包括光電轉(zhuǎn)換模塊、行列讀出控制模塊、相關(guān)雙采樣電路、列放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；相關(guān)雙采樣電路對光電轉(zhuǎn)換模塊讀出的數(shù)據(jù)進行采樣，并濾除一部分系統(tǒng)噪聲，列放大器將相關(guān)雙采樣電路采集到的模擬數(shù)據(jù)進行放大，由行列讀出控制送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。

所述的光電轉(zhuǎn)換模塊由一個M×N陣列的像素單元組成，其中，M、N均為正偶數(shù)，每個像素單元由4T像素、比較器模塊、鎖存器模塊及二選一多路選擇器模塊組成；在外部光信號的作用下，像素單元產(chǎn)生隨光強變化的像素信號，實際上就是起到將光 信號轉(zhuǎn)換成電信號的作用；4T像素輸出信號連接到比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端連接的是參考電壓V_ref；比較器的輸出連接到鎖存器上，每一次比較器輸出跳轉(zhuǎn)時，都能鎖存住數(shù)字碼；鎖存器的輸出連接到二選一多路選擇器，用以根據(jù)光強信息產(chǎn)生復(fù)位信號RST和電荷轉(zhuǎn)移信號TG。

所述的4T像素如圖3所示，4T結(jié)構(gòu)中所有MOS管采用N管設(shè)計，像素積分電容由光電二極管結(jié)電容(p+和n-well)構(gòu)成，浮置節(jié)點FD的電容由n+與p-sub結(jié)電容和源跟隨器SF的柵電容構(gòu)成。具體地，是在P型襯底上通過擴散或注入工藝生長N阱區(qū)以及重摻雜的N+區(qū)，N阱區(qū)上通過離子注入生長重摻雜的p+區(qū)；在兩個N阱區(qū)、N+區(qū)之間通過干氧法氧化制備柵氧層，并在柵氧層上淀積多晶硅層，形成TG柵；具體連接方式為：M1、SF管的漏端同時與Vdd相連，復(fù)位信號RST接至M1管的柵極，M1管的源端與SF管的柵極以及TG柵一側(cè)的n+區(qū)浮置節(jié)點FD相連，SF管的源端連接M2管的一端，M2管的另一端與并行信號總線相連，行選信號RS接至M2管的柵極；其中，晶體管M1和M2作為開關(guān)管使用，SF為源跟隨器，Vdd為電源電壓。

入射光采用600nm波長的單色光輸入。器件P-sub摻雜濃度1×10¹⁶/cm³，N-well摻雜濃度1×10¹⁷/cm³，P+重摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³，N+重摻雜濃度為1×10¹⁹/cm³，開關(guān)TG門為多晶硅柵，P型摻雜材料為硼B(yǎng)，N型摻雜材料為磷P。

實施例1：

基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：工作開始時，首先在復(fù)位期間，將傳輸柵控制信號TG和復(fù)位信號RST置為高電平3.3V，浮置節(jié)點FD被復(fù)位到2.3V，同時積分電容C_PD里的積分電荷完全轉(zhuǎn)移進入浮置節(jié)點FD，讀出此時源跟隨器SF的源端電壓V_s1。

步驟二：傳輸柵控制信號TG和復(fù)位信號RST拉為低電平，關(guān)斷開關(guān)TG門和復(fù)位管M1，光電二極管進入積分工作模式。經(jīng)過200ns(用于光強的判斷)之后，再次打開TG門，積分電荷轉(zhuǎn)移至浮置節(jié)點FD。

步驟三：通過比較器對像素輸出點電壓V_S與1.3V的參考電壓V_ref進行比較。若比較器輸出為低電平，則可判斷此時入射光為弱光，通過二選一多路選擇器MUX產(chǎn)生弱光對應(yīng)的時序，即產(chǎn)生復(fù)位信號RST1和電荷轉(zhuǎn)移信號TG1。從t0時刻即200ns時開始，電路進入長積分階段，直到積分時間結(jié)束時刻t2即1.2ms時，TG門才再次打開，儲存在光電二極管中的積分電荷轉(zhuǎn)移到浮置節(jié)點FD中，源跟隨器SF的柵端連接至節(jié)點FD上，其源端電壓跟隨柵壓變化，此時讀出源跟隨器SF源端電壓V_s2，由相關(guān)雙采樣電路采樣之后由列放大器進行放大，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。

實施例2：

基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)范圍圖像傳感器的信號讀出方法，具體步驟如下:

步驟一：工作開始時，首先在復(fù)位期間，將傳輸柵控制信號TG和復(fù)位信號RST置為高電平3.3V，浮置節(jié)點FD被復(fù)位到2.3V，同時積分電容C_PD里的積分電荷完全轉(zhuǎn)移進入浮置節(jié)點FD，讀出此時源跟隨器SF的源端電壓V_s1。

步驟二：傳輸柵控制信號TG和復(fù)位信號RST拉為低電平，關(guān)斷開關(guān)TG門和復(fù)位管M1，光電二極管進入積分工作模式。經(jīng)過200ns之后，再次打開TG門，積分電荷轉(zhuǎn)移至浮置節(jié)點FD。

步驟三：通過比較器對像素輸出點電壓V_S與1.3V的參考電壓V_ref進行比較，電荷轉(zhuǎn)移完成之后再次開啟復(fù)位管M1對光電二極管進行復(fù)位，隨后關(guān)閉。若比較器輸出為高電平，則可判斷此時入射光為強光，通過二選一多路選擇器MUX產(chǎn)生強光對應(yīng)的時序，即產(chǎn)生復(fù)位信號RST2和電荷轉(zhuǎn)移信號TG2。從t0時刻即200ns時開始，電路進入積分工作模式，到達積分時間t1時刻即1196ns時，再次打開傳輸柵控制信號TG和復(fù)位管M1，完成電荷的轉(zhuǎn)移和復(fù)位操作。隨后TG和RST被拉低至低電平，關(guān)閉TG門和復(fù)位管M1。之后進入到短積分階段，在積分時間結(jié)束時刻t2即1.2ms時，TG門再次打開，儲存在光電二極管中的積分電荷轉(zhuǎn)移到浮置節(jié)點FD中，此時讀出源跟隨器SF源端電壓V_S′₂，由相關(guān)雙采樣電路采樣之后由列放大器進行放大，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。

在不需要進行比較時，比較器偏置電壓拉低從而節(jié)省功耗，通過這種信號讀出方法，CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍實現(xiàn)了8bit的增強，由61.15dB增強到了107.36dB只多消耗了5％的功耗。