[發明專利]CMOS圖像傳感器的光電信號處理電路及方法

有效

• 申請號: 200710043668.4
• 申請日: 2007-07-11
• 公開（公告）號: CN101345828A
• 公開（公告）日: 2009-01-14
• 發明（設計）人: 黃碧珍;萬濤濤;任曉慧;曹慶紅
• 申請（專利權）人: 上海銳晶電子科技有限公司
• 主分類號: H04N5/335
• 分類號: H04N5/335
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 逯長明

技術領域

本發明涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，特別涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的光電信號處理電路及光電信號處理方法。

背景技術

圖像傳感器是用于將光學圖像轉換成電信號的半導體器件，包括電荷耦合器件(CCD，Charge?Coupled?Device)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。

一般的CCD圖像傳感器包括將光信號轉換成電信號的光敏二極管陣列，多個垂直的電荷耦合器件，形成在以矩陣型配置對準的各垂直光敏二極管之間，并垂直地傳送產自各光敏二極管的電荷。水平電荷耦合器件，用于水平地傳送由各垂直電荷耦合器件傳送的電荷，以及讀出放大器，用于檢測和輸出水平傳送的電荷。電荷耦合器件的缺陷在于驅動方法復雜、高功耗以及需要多級光刻處理的復雜制造工藝。另外，在電荷耦合器件中，難以將諸如控制電路、信號處理器、以及模數轉換器這樣的互補電路集成到單芯片器件中，因而，阻礙了利用這種圖像傳感器的緊湊型產品的發展，例如，數字照相機和數字攝像機。

而與此相對地，CMOS圖像傳感器采用了利用控制電路和信號處理電路作為外圍電路的CMOS技術，還采用了允許利用與排列的像素的數量對應設置的MOS晶體管順序檢測輸出而由此檢測圖像的開關技術。另外，CMOS圖像傳感器利用了CMOS制造技術。因而，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有以下優勢：1)與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器工藝成本較低。2)CMOS圖像傳感器可以通過單一的電源操作，使得其耗電比CCD圖像傳感器低。3)CMOS圖像傳感器可以將信號處理電路在電路集成到傳感器芯片上，從而面積更小。

現有的CMOS圖像傳感器通常包括3管結構和4管結構。4管像素單元的結構，通常包括三個晶體管和一個用于吸收入射光并轉換為光電流的光敏二極管，如圖1所示，4管CMOS圖像傳感器包括光敏二極管PD、第一晶體管T1、第二晶體管T2、第三晶體管T3和第四晶體管T4。光敏二極管正極接地、負極與第四晶體管T4的源極相連；第一晶體管T1的源極與第四晶體管T4的漏極相連、第一晶體管T1的柵極接收復位信號(RST)、漏極與第二晶體管T2的漏極相連且與外圍電源電路相連以提供像素電壓VDDPIX；第二晶體管T2的柵極與第一晶體管T1的源極相連、源極與第三晶體管T3的漏極相連；第三晶體管T3的柵極接收行使能信號(ENX)、源極與電壓采樣電路相連；第四晶體管T4的柵極與傳輸門相連。其中，第一晶體管T1的作用是提供復位功能。第二晶體管T2的作用是作為跟隨器。第三晶體管T3的作用是接收行使能信號。第四晶體管T4的作用是作為傳輸管。第一晶體管T1和第四晶體管T4一起導通時將像素電壓VDDPIX轉移給光敏二極管PD，第三晶體管T3和第四晶體管T4一起導通時是將光敏二極管PD上的電荷轉移到電壓采樣電路的電容上。但是，4管結構工藝實現過程比較復雜，并且由于CMOS圖像傳感器的光敏性受光敏二極管所占的表面區域與CMOS圖像傳感器的整個表面區域的比值度影響，因而像素單元的MOS管數量如果較多，就會使每個像素單元的實際感光面積較小，從而影響圖像質量。

相應地，現有的3管像素單元的結構，如圖2所示，包括光敏二極管PD、復位管T1、跟隨管T2和使能管T3，光敏二極管正極接地，負極與復位管T1的源極相連；復位管T1的柵極接收復位信號(RST)、漏極與跟隨管T2的漏極相連且與外圍電源電路相連以提供像素電壓VDDPIX；跟隨管T2的柵極與光敏二極管的負極相連、源極與使能管T3的漏極相連；使能管T3的柵極接收行使能信號(ENX)、源極與電壓采樣電路相連。復位管T1的作用是提供復位功能，主要使光敏二極管PD的電壓復位。跟隨管T2的作用是作為跟隨器。使能管T3的作用是當接收到行使能信號為高時，將光敏二極管PD兩端電壓輸送給采樣電路。相對于采用4管結構的CMOS圖像傳感器來說，3管結構的CMOS圖像傳感器的感光面積會更大。

在例如專利號為ZL?02120295.8的中國專利中還能發現更多關于CMOS圖像傳感器的信息。