[發明專利]CMOS圖像傳感器

有效

• 申請號: 201110457596.4
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102523391A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 孫濤;陳杰;汪輝;方娜;田犁
• 申請（專利權）人: 上海中科高等研究院
• 主分類號: H04N5/341
• 分類號: H04N5/341;H04N5/355;H04N5/374
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明屬于半導體領域，特別是涉及CMOS圖像傳感器。

背景技術

眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。

近年來，CMOS傳感器在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額正不斷的擴大。CMOS傳感器的需求成長速度可達到CCD傳感器的七倍，其中，照相手機和數碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。顯然，人們如此看好CMOS圖像傳感器的成長前景是基于這樣一個事實：與壟斷該領域長達30多年的CCD技術相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提升的品質要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優良的系統集成等。此外，CMOS圖像傳感器還造就了一些迄今為止尚不能以經濟的方式來實現的新穎應用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標準在起作用，包括：應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區別稍帶幾分任意性，因為這些標準的重要程度將由于應用的不同(消費、工業或汽車)而發生變化。

現有的CMOS圖像傳感器根據其讀出方式大致可以分為PPS、APS和DPS三種。無源式像素結構(Passive?Pixel?Sensor，簡稱PPS)，為最早出現的結構。如圖1所示，它包括一個光電二極管(Photodiode)和一個行選(Row-select)晶體管，光電二極管本質上是一個由P型半導體和N型半導體組成的PN結，它可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS電容并聯。讀出時，打開行選晶體管，電荷通過該列的積分器進行積分，最后將電壓讀出。有源式像素結構(Active?Pixel?Sensor，簡稱APS)，其結構通常包括一個復位(Reset)晶體管、一個源跟隨器(Source?follower)、一個行選(Row-select)晶體管和一個光電二極管(Photodiode)(4T結構為Pinned?Diode和一個傳輸管)。APS讀出方式具體可以分為兩種：V-APS和C-APS，如圖2a所示，V-APS方式將像素電容上的電壓讀出，如圖2b所示，C-APS方式將像素電容上的電荷讀出并進行積分得到電壓。

雙模CMOS圖像傳感器通常包括C-APS和PPS兩種讀出方式，但現有的雙模CMOS圖像傳感器要么電路復雜，導致圖像傳感器的填充因子(Fill?factor)比較小，要么邏輯過于復雜。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種CMOS圖像傳感器，以通過一個邏輯控制簡單的電路提高CMOS圖像傳感器的動態范圍以及拍攝幀率。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種CMOS圖像傳感器，連接一預設有一光強閥值的外部光強檢測裝置，所述CMOS圖像傳感器至少包括：感光器件，用于將光信號轉換成信號電荷；雙模讀出電路，連接于所述感光器件，包括：第一電容，其第一端連接于所述感光器件的輸出端、第二端接地，用于存儲所述感光器件所產生的信號電荷；第一晶體管，其柵極連接于所述外部光強檢測裝置、漏極連接于所述第一電容、源極作為輸出端，用于在光強檢測大于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷輸出；第二晶體管，其柵極連接于所述第一電容、漏極連接于所述外部光強測試裝置、源極作為輸出端，用于在光強檢測小于預設的光強閥值時，將所述第一電容存儲的信號電荷放大并輸出；積分電路，連接于所述第一晶體管及第二晶體管的輸出端，用于將信號電荷轉換為電壓信號輸出；第三晶體管，其漏極連接于直流電源，源極連接于所述光電二極管，柵極連接于一快門裝置，用于實現快門功能。

在本發明的CMOS圖像傳感器中，所述感光器件為光電二極管或光門，其中，所述光電二極管為PN結光電二極管或Pinned光電二極管。優選地，所述感光器件為光電二極管，所述光電二極管的正極端接地，負極端連接所述第一電容。

在本發明的CMOS圖像傳感器中，所述第三晶體管對所有像素添加同樣的快門信號以實現所有的像素同時曝光。

在本發明的CMOS圖像傳感器中，還包括重置晶體管，其柵極用于輸入復位控制信號，漏極連接于直流電源，源極連接于所述第一電容。

在本發明的CMOS圖像傳感器中，還包括轉移晶體管，其柵極用于輸入轉移信號，漏極連接于所述光電二極管的正極輸出端，源極連接于所述第一電容，用于將所述光電二極管產生的電荷轉移至所述第一電容并實現相關雙采樣。