CN115278126A - 一种像素单元，图像传感器和探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。通过控制浮动扩散电容上的电压，在光照强度比较大时，对浮动扩散电容施加高电压，提高该浮动扩散电容的满阱容量，用于提高该图像传感器的动态范围；相应的，在光照强度比较弱时，对浮动扩散电容施加高电压，降低该浮动扩散电容的满阱容量，避免功耗的浪费。

Description

一种像素单元，图像传感器和探测装置

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，特别涉及一种像素单元和图像传感器。

背景技术

图像传感器是将光电子转换为电信号的装置，图像传感器中包括像素阵列，像素阵列是多个像素单元的二维阵列。一般地，像素单元包括光电二极管和用于控制光电二极管的其他晶体管。三维图像传感器可以通过接收目标物体的光信号，对接收到的光信号进行处理，得到目标物的图像和目标物的距离。

对于接收到的光信号，三维图像传感器需要将光信号转换为电信号并对该电信号存储后进行处理。一般的，图像传感器中的像素单元都设置浮动扩散电容(FloatingDiffusion，FD)用于存储该电信号。但是，当目标物体在强光下时，图像传感器接收到的光信号过强，导致其转换的电信号过多，导致FD的存储容量无法为图像传感器提供足够的满阱容量(Full well capacity，FWC)，满阱容量的减少导致图像传感器的信噪比、灵敏度等都有所降低。

因此，开发一种能够提供更高动态范围的三维图像传感器是设计中亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种像素单元，图像传感器和探测装置，以提高现有图像传感器满阱容量较小的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

第二方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，其特征在于，包括：像素阵列和处理电路，像素阵列由多个像素单元组成，所述像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；

浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

第三方面，本申请实施例提供了一种探测装置，其特征在于，包括：发射模块，用于发射探测信号；接收模块，用于所述接收探测信号；所述接收模块包括图像传感器，所述图像传感器，包括：像素阵列，由多个像素单元组成，所述像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压；图像处理模块，用于处理所述图像传感器接收到的信号。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

可选地，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的一种像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

可见，本申请通过控制浮动扩散电容上的电压，在光照强度比较大时，对浮动扩散电容施加高电压，提高该浮动扩散电容的满阱容量，用于提高该图像传感器的动态范围；相应的，在光照强度比较弱时，对浮动扩散电容施加高电压，降低该浮动扩散电容的满阱容量，避免功耗的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种现有技术的图像传感器探测单元构成示意图；

图2为本申请实施例提供的一种像素单元的电路图；

图3为本申请实施例提供的又一种像素单元的电路图；

图4为本申请实施例提供的一种图像传感器的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种探测装置的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为本申请实施例提供的一种现有技术的图像传感器探测装置构成示意图。

如图1所示，现有的图像传感器一般采用的4T结构，其中101为光电二极管单元，也就是返回光信号可以在二极管单元的光电转化区转为光生电荷(包括电子、空穴等，为了高效传输一般的光生电荷指光生电子，此处也不限定具体实现一定为光生电子)，102传输栅一般可以为晶体管类型此处不做限定，在102的栅极施加控制信号，二极管内产生的光生电荷可以被转移至浮动扩散电容103中，当读出晶体管105的栅极被施加电压之后浮动扩散节点中的光生电荷可被转移至读出电路，进而通过后续的电路处理输出对应的信息，其中104为复位晶体管用于执行对传感器单元的复位，106为行选晶体管用于传递行选信息，当某一行被选中时行选晶体管的栅极可被高位的控制信号控制，该行的电信号即可被读出至后续的电路并输出。

如前所述，为了提高该图像传感器中的浮动扩散电容103的满阱容量，本申请实施例通过改变施加在浮动扩散电容103的电压，即在光照强度大的时候，提高施加在浮动扩散电容103的电压，用以提高满阱电容，在光照强度小的时候，降低施加在浮动扩散电容103的电压，用于减小功耗。

改变施加在浮动扩散电容103的电压，可以是在浮动扩散电容103上设置有多个复位晶体管，该多个复位晶体管分别连接不同复位电压，即给浮动扩散电容103上提供多个晶体管，多个晶体管分别连接不同的复位电压，也可以是改变浮动扩散电容103上连接的一个复位晶体管，该复位晶体管的复位电压可以变化。下面，分别结合图2和图3对本申请实施例进行详细说明。

如图2所示是像素单元的结构，包括光电二极管201，传输晶体管202(TranstionGate，TG)，第一复位(Reset，RS)晶体管203，第二复位(Reset High，RSH)晶体管204，源极跟随器206(Source Follow，SF)，选通晶体管207(Select Transition，SEL)，和浮动扩散电容205(Floating Diffusion，FD)。

当光电二极管201接收到光信号时，会产生光电效应并生成光电子，此时，传输晶体管202为导通状态，光电子被存储至浮动扩散电容205，当选通晶体管207导通时，存储至浮动扩散电容205上的电信号被传导至选通晶体管207的源极，即选通晶体管207有输出电流。

需要说明的是，在光电二极管201接收光信号之前，对浮动扩散电容205进行复位，如上所述，晶体管203和晶体管204是对浮动扩散电容205进行复位的复位晶体管。

当被测物体处于强背景光下，即光电二极管201接收到的光信号较大，生成的光生电子很多的情况下，即该电子多于浮动扩散电容205的满阱容量时，使用较高电压对该浮动扩散电容205进行复位，即复位晶体管204开通，根据Q＝C*V可知，此时，浮动扩散电容205满阱容量最大。

当被测物体处于弱背景光下，即光电二极管201接收到的光信号较小，生成的光生电子较少的情况下，使用低电压对该浮动扩散电容205进行复位，即复位晶体管203开通，此时浮动扩散电容205满阱容量较小，像素电路的功耗较小。

因此，如图2所示的本申请实施例提供的像素电路，可以更好的工作在强背景光下，同时，在弱背景光下的功耗更小，即本申请实施例提供了一种高动态范围的图像传感器的像素电路。

如图3是本申请的另一种实施例提供的像素单元，包括光电二极管301，传输晶体管302(Transtion Gate，TG)，复位(Reset，RS)晶体管303，源极跟随器304(Source Follow，SF)，选通晶体管305(Select Transition，SEL)，和浮动扩散电容306(FloatingDiffusion，FD)。

当光电二极管301接收到光信号时，会产生光电效应并生成光电子，此时，传输晶体管302为导通状态，光电子被存储至浮动扩散电容306，当选通晶体管305导通时，存储至浮动扩散电容306上的电信号被传导至选通晶体管305的源极，即选通晶体管305有输出电流。

需要说明的是，在光电二极管301接收光信号之前，对浮动扩散电容302进行复位，如上所述，晶体管303是对浮动扩散电容306进行复位的复位晶体管。

当被测物体处于强背景光下，即光电二极管301接收到的光信号较大，生成的光生电子很多的情况下，即该电子多于浮动扩散电容306的满阱容量时，向晶体管303的源极电压VB施加高电压，即此时施加在浮动扩散电容306的是高电压；当被测物体处于弱背景光下，即光电二极管301接收到的光信号较小，生成的光生电子较少的情况下，向晶体管303的源极电压VB施加低电压，即此时施加在浮动扩散电容306的是低电压。

根据根据Q＝C*V可知，此时，浮动扩散电容306的满阱容量可随着晶体管303的源极电压VB的变化而变化。即，当被测物体处于强背景光下，施加在浮动扩散电容306的是高电压时，满阱容量最大。当被测物体处于弱背景光下，施加在浮动扩散电容306的是低电压时，满阱容量最小。

因此，本申请实施例提供了一种满阱容量可调的像素电路，可以更好的工作在强背景光下，同时，在弱背景光下的功耗更小，即本申请实施例提供了一种高动态范围的图像传感器的像素电路，相比于实施例一的像素电路，其晶体管数目更少，可集成的规模更多。

此外，本申请实施例还提供了一种图像传感器，包括：像素阵列和处理电路，像素阵列由多个像素单元组成，像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储光生电子，其中，光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，浮动扩散电容的一端连接可变电压。

需要说明的是，浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，复位晶体管对浮动扩散电容进行复位，复位电压可变。

本申请实施例还提供了一种探测装置，包括：发射模块，用于发射探测信号；接收模块，用于接收探测信号；接收模块包括图像传感器，图像传感器，包括：像素阵列，由多个像素单元组成，像素单元，包括：光电二极管，用于生成光生电子；传输晶体管，用于控制光生电子的传输；浮动扩散电容，用于存储光生电子，其中，光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，浮动扩散电容的一端连接可变电压；图像处理模块，用于处理图像传感器接收到的信号。

可选地，浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，复位晶体管对浮动扩散电容进行复位，复位电压可变。

可选地，浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：浮动扩散电容连接多个复位晶体管，多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

浮动扩散电容的一端连接可变电压，还可以包括：浮动扩散电容连接多个复位晶体管，多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

需要说明的是，术语“包括”、“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包括，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种像素单元，其特征在于，包括：

光电二极管，用于生成光生电子；

传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；

浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，

其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

4.一种图像传感器，其特征在于，包括：

像素阵列和处理电路；

所述像素阵列由多个像素单元组成，所述像素单元，包括：

光电二极管，用于生成光生电子；

传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；

浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，

其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

7.一种探测装置，其特征在于，包括：

发射模块，用于发射探测信号；

接收模块，用于接收所述探测信号；

所述接收模块包括图像传感器，所述图像传感器，包括：

像素阵列，由多个像素单元组成，所述像素单元，包括：

光电二极管，用于生成光生电子；

传输晶体管，用于控制所述光生电子的传输；

浮动扩散电容，用于存储所述光生电子，

其中，所述光电二极管通过传输晶体管连接至浮动扩散电容，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压。

8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容与复位晶体管的一端相连，所述复位晶体管对所述浮动扩散电容进行复位，所述复位电压可变。

9.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述浮动扩散电容的一端连接可变电压，包括：

所述浮动扩散电容连接多个复位晶体管，所述多个复位晶体管的源极分别连接不同的电压。

Images