[发明专利]高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，特别涉及一种高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法。

背景技术

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CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)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。

现有技术中的图像传感器像素一般采用CMOS图像传感器四晶体管像素结构，如图1所示。四晶体管有源像素的元器件包括：光电二极管101，电荷传输晶体管102，复位晶体管103，源跟随晶体管104和选择晶体管105，以及列位线106，漂浮有源区fd(Floating Diffusing)，其中Cfd表征漂浮有源区fd的寄生电容，rx、tx、sx分别为复位晶体管103、电荷传输晶体管102、选择晶体管105的栅极端，Vdd为电源电压。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电电荷，光电二极管101积分完毕时，开启电荷传输晶体管102，将光电电荷从光电二极管101转移至漂浮有源fd后关闭电荷传输晶体管102，此光电电荷被源跟随晶体管104探测到，并转换为光电电势信号，同时开启选择晶体管105，通过列位线106将光电电势信号读出。其中，在光电二极管101中产生的光电信号量与入射光照量成正比，则源跟随晶体管104在FD处所探测到的信号量也与光照量成正比关系。

该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。线性传感器所探测到的光照量范围小，特别是高照明环境下无法辨认出实物信息，不能够采集从暗光线环境变化到强光线环境下的全部信号，在业内称为动态范围小，从而降低了传感器的输出图像品质。

为了提升图像传感器采集的图像的动态范围，现有技术采用了两帧图像合成一帧图像的技术，其中采集一帧图像信息时的曝光时间长，采集另一帧图像信息时的曝光时间短，长时间曝光的图像可清晰地分辨出暗光实物的信息，短时间曝光的图像可清晰地分辨出强光实物的信息，长时间曝光和短时间曝光的两帧图像合并成的一帧图像可以很好地分辨出暗光实物和强光实物的信息，因此采用两帧图像合成一帧图像的技术有效提高了图像传感器采集图像的能力。但是，两帧图像合并成一帧图像的技术存在一个明显的缺陷，在采集第二帧图像信息时，必须把第一帧图像信号存储在存储器中，等待第二帧图像信号采集完毕后，再提取出来，做下一步信号处理；存储一帧的图像信号，需要大量的存储器单元，例如，500万像素的图像传感器，需要在芯片中制作500万个存储器单元，这大大增加了芯片面积，提高了芯片生产成本，并且还增加了芯片工作功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、提高图像传感器像素感光动态范围的高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高动态范围图像传感器像素结构，包括置于半导体基体中的光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、漂浮有源区，还包括第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、以及置于第二电荷传输晶体管与第三电荷传输晶体管之间的晶体管电容器件；

所述第一电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与漂浮有源区相连；

所述第二电荷传输晶体管的源极与光电二极管相连，其漏极与第三电荷传输晶体管的源极相连；所述第三电荷传输晶体管的漏极与漂浮有源区相连；

所述晶体管电容器件的源漏极相互连接在一起，并且与第二电荷传输晶体管的漏极相连。

本发明的上述的高动态范围图像传感器像素结构的操作方法，包括步骤：

a、开始第一次光电二极管曝光操作，对光电二极管进行复位，第二电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、选择晶体管保持关闭状态，开启复位晶体管、第一电荷传输晶体管，将光电二极管中的电荷清除完毕后，关闭复位晶体管和第一电荷传输晶体管，光电二极管开始曝光；

b、进行晶体管电容器件复位操作，第一电荷传输晶体管、第二电荷传输晶体管、选择晶体管保持关闭状态，开启复位晶体管、第三电荷传输晶体管，将晶体管电容器件复位完毕后，关闭复位晶体管、第三电荷传输晶体管；

c、存储第一次光电二极管曝光的光电电荷操作，晶体管电容器件复位操作之后，第一电荷传输晶体管、第三电荷传输晶体管、选择晶体管、复位晶体管保持关闭状态，开启第二电荷传输晶体管，将光电二极管收集到的光电电荷转移至晶体管电容中储存起来，然后关闭第二电荷传输晶体管，第一次光电二极管曝光操作结束；