[发明专利]一种基于半浮栅的4T像素结构

说明书

一种基于半浮栅的4T像素结构，包含一个半浮栅器件Msubgt;SFG/subgt;，三个开关管和一个电容；半浮栅器件用于收集信号电荷；电容类似于传统4T像素中的光电转换区，可以是任意类型的电容，据具体设计而定，用于将半浮栅器件输出的电流信号转换为电压信号；三个开关管可以是任意类型的开关管，据具体设计而定，分别用作源极跟随器Msubgt;SF/subgt;、复位管Msubgt;RST/subgt;和选择管Msubgt;SEL/subgt;；其中源极跟随器用于信号放大，复位管用于对电容中的信号进行复位；选择管用于通过时序控制像素阵列行信号的输出；该结构解决了传统4T像素光电探测区和光电转换区见的电压分配问题，且相对基于半浮栅器件的1T像素结构而言，可以实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声像素设计。

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种基于半浮栅，能够实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声的4T像素设计。

背景技术

自上世纪60年代无源像素图像传感器发明至今，CMOS图像传感器经历了从无源像素图像传感器、3T有源像素图像传感器、4T有源像素图像传感器、数字像素图像传感器的发展历程。

无源像素结构包括一个光电二极管和一个开关管，优点是结构简单、填充因子高。缺点是拖尾严重、噪声大。

3T有源像素结构包括一个光电二极管和三个开关管，优点是积累的信号电荷可以实现无破坏输出，相对无源像素而言信噪比更高。缺点是复位噪声大，且光电探测区同时作为光电转换区，限制了像素满阱容量和转换增益的设计。

有源像素结构包括一个光电二极管和四个开关管，优点是传输栅的引入将光电探测区和光电转换区隔离成为两个区域，从而解决了3T有源像素中满阱容量与转换增益间的折中问题，并且使得相关双采样得以实现，从而消除了像素中的复位噪声。缺点是光电二极管、光电转换区之间的电压分配难以设计、填充因子相对较低等。

数字像素结构比较复杂，其在像素内部引入数模转换器，优点是可以实现高速图像传感器设计，缺点是填充因子很低。

目前，虽然4T像素结构最为常用，但是随着工艺尺寸的不断缩小，传统4T像素光电探测区和光电转换区间的电压分配问题愈加突出，大幅度限制了像素的进一步发展。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于半浮栅的4T像素结构，解决了传统4T像素光电探测区和光电转换区见的电压分配问题，且相对基于半浮栅器件的1T像素结构而言，可以实现高满阱容量、大输出摆幅、低噪声像素设计。

一种基于半浮栅的4T像素结构，如图1所示，包含一个半浮栅器件M_SFG，三个开关管和一个电容；其中半浮栅器件用于收集信号电荷；电容类似于传统4T像素中的光电转换区，可以是任意类型的电容，据具体设计而定，电容用于将半浮栅器件输出的电流信号转换为电压信号；三个开关管可以是任意类型的开关管，据具体设计而定，分别用作源极跟随器M_SF、复位管M_RST和选择管M_SEL；其中源极跟随器用于信号放大，复位管用于对电容中的信号进行复位；选择管用于通过时序控制像素阵列行信号的输出。