[發明專利]CMOS圖像傳感器

有效

• 申請號: 201210333161.3
• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN102820313A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 田犁;汪輝;陳杰;方娜;苗田樂
• 申請（專利權）人: 上海中科高等研究院
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;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

本發明屬于半導體技術領域，涉及一種CMOS圖像傳感器，特別涉及一種提高動態范圍的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。

CMOS圖像傳感器一般由感光器件和CMOS信號處理電路（包括像素讀出電路）構成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器（APS），根據其包括的晶體管的數目主要劃分為：包括復位晶體管（Reset?Transistor,?RST）、源跟隨晶體管（Source?Follower?Transistor,?SF）和行選擇晶體管（Row?Select,?RS）的三管CMOS圖像傳感器（3T型）、及包括復位晶體管（RST）、源跟隨晶體管（SF）、行選擇晶體管（RS）和轉移晶體管（Transfer?Transistor,?TX）的四管CMOS圖像傳感器（4T型）兩大類。

圖1顯示為現有的3T型CMOS圖像傳感器的像素單元的等效電路結構圖，至少包括：感光器件D1、復位晶體管M1、源跟隨晶體管M2、行選擇晶體管M3，其中，圖1中，作為感光器件D1的光電二極管（Photo?Diode，PD）D1，用于在曝光時進行光電轉換，將接收到的光信號轉換成電信號，所述光電二極管D1包括P型區和N型區，所述P型區接地。

圖1所示的像素單元的工作原理是：開始工作時，首先將復位晶體管M1柵極加高電平，使其導通，使所述感光器件（光電二極管）D1反偏并會清除其全部累積的電荷，實現復位；而后開始曝光，有入射光照射時，所述感光器件（光電二極管）D1作為光電子收集區域，產生電子空穴對，即進行光電轉換；在完成曝光之后，通過源跟隨晶體管M2和行選擇晶體管M3將電信號讀出，因此，輸出電信號的電壓（輸出電壓）值就反映了光信號的強弱。

人工圖像捕獲的主要問題之一是許多自然場景具有超寬的光照范圍（照明水平的范圍），CMOS圖像傳感器的動態范圍和其質量有著同等意義，即動態范圍決定著?CMOS?圖像傳感器的質量。圖像傳感器的動態范圍通常定義為圖像傳感器能夠檢測到的最高信號量和最低信號量的比值。

目前，提高CMOS圖像傳感器的動態范圍通常采用的方法是：多次曝光（積分）的方式或采用高動態范圍的圖像傳感器像素單元。

對于多次曝光（積分）的方式而言，當CMOS圖像傳感器采用多次曝光（積分）的方式進行工作時，分長短兩次曝光時間的模式用于分別采集暗光信號和亮光信號，最后通過后端信號處理得到更大的動態范圍。換言之，當設置的曝光時間較短時圖像傳感器感知光強較強的光，設置曝光時間較長時圖像傳感器感知光強較弱的光，并在完成幾幅圖像采集之后，通過后端的數字算法進行融合得到高動態范圍的CMOS圖像傳感器。不過，現有的這種多次曝光的方法的存在如下缺點：一方面，由于涉及到多次曝光（積分），因此獲取高動態范圍圖像的周期大大加長，并且不適合于運動物體圖像方面的采集；另一方面，由于要采集多幅圖像，圖像傳感器后端需要大量的存儲空間進行圖像存儲以便進行圖像處理，同時大量的讀寫操作使得整個系統的功耗受到嚴重的影響。

對于采用高動態范圍的CMOS圖像傳感器像素單元而言，像素單元的感光器件工作在LOG模式時（即對光信號進行對數編碼，感光器件對于光的響應為LOG曲線)，將CMOS圖像傳感器的輸出響應曲線從線性的改變為非線性的，因此，在感光器件的輸出電壓擺幅是限制動態范圍的主要因素時，對應同樣的輸出電壓擺幅，非線性的輸出響應曲線與線性的輸出響應曲線相比較，前者提高了CMOS圖像傳感器能夠感知光的最大范圍（照明水平的最大值），實現更寬的光照范圍（照明水平的范圍），提高了CMOS圖像傳感器的動態范圍，因此對光信號的對數編碼可允許更寬的動態范圍。

圖2顯示的是采用高動態范圍的CMOS圖像傳感器像素單元的等效電路結構圖，至少包括：感光器件D1、負載晶體管M4、源跟隨晶體管M2、行選擇晶體管M3。圖2與圖1的不同之處在于：負載晶體管M4的柵極始終連接至高電平，使感光器件D1連接的負載晶體管M4的電流等于感光器件D1產生的電流，實現感光器件D1的輸出電壓為連續時間對數輸出，提高了CMOS圖像傳感器的動態范圍，另外，由于圖2所示的像素單元不需要積分，因此該像素單元允許在空間和時間域真正隨機獲取。但是，由于這種非積分像素單元改變了原有的像素讀出電路中的晶體管的連接方式，降低了CMOS圖像傳感器的捕獲圖像質量，一般所示捕獲圖像的對比度較小、信噪比較低。

發明內容