[發明專利]CMOS圖像傳感器、像素單元及其控制方法

有效

• 申請號: 201310183417.1
• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103259985A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 羅文哲;王林;汪立
• 申請（專利權）人: 昆山銳芯微電子有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及圖像傳感器技術領域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器、像素單元及其控制方法。

背景技術

圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，圖像傳感器可分為CCD（Charge?Coupled?Device，電荷耦合元件）圖像傳感器和CMOS（Complementary?Metal-Oxide?Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）圖像傳感器兩大類。由于CMOS圖像傳感器具有功耗小、成本低、易于在標準生產線上生產等諸多優點，在各個領域得到了廣泛的應用。

根據曝光方式的不同，CMOS圖像傳感器可以分為逐行曝光的CMOS圖像傳感器和全局曝光的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器的像素單元通常包含一個光電二極管和多個晶體管，根據CMOS圖像傳感器的像素單元包含晶體管的數目，CMOS圖像傳感器的像素單元可以分為3晶體管（3T）型、4晶體管（4T）型和5晶體管（5T）型。

公開號為US6566697、發明名稱為Pinned?photodiode?five?transistor?pixel（一種五晶體管像素）的美國發明專利公開了一種5T型全局曝光的CMOS圖像傳感器的像素單元，具體結構如圖1所示。參考圖1，所述5T型全局曝光的CMOS圖像傳感器的像素單元包括1個光電二極管PPD和5個NMOS晶體管：復位晶體管M11、放大晶體管M12、選擇晶體管M13、傳輸晶體管M14、全局復位晶體管M15。

所述復位晶體管M11的源極作為存儲節點FD（又稱為浮空擴散區，Floating?Diffusion），用來暫存信號。所述復位晶體管M11的漏極、放大晶體管M12的漏極和全局復位晶體管M15的漏極均適于連接第一電源線Vdd，所述光電二極管PPD的陽極適于連接第二電源線Vss，所述第二電源線Vss提供的電壓低于所述第一電源線Vdd提供的電壓。通常，所述第一電源線提供的電壓是給CMOS圖像傳感器供電的電源電壓，所述第二電源線Vss提供的電壓為地線電壓。所述選擇晶體管M13的源極適于連接列選擇線Bitline。

所述復位晶體管M11適于在像素單元曝光前對所述存儲節點FD進行復位，使所述存儲節點FD由低電位達到預定的高電位；所述全局復位晶體管M15適于在像素單元曝光前對所述光電二極管PPD進行復位；所述光電二極管PPD適于在像素單元曝光時進行光電轉換，將接收到的光信號轉換為電信號；所述傳輸晶體管M14適于將所述光電二極管PPD轉換后的電信號傳輸至所述存儲節點FD；所述放大晶體管M12適于將從所述存儲節點FD接收到的電信號進行放大；所述選擇晶體管M13適于將放大后的電信號輸出至列選擇線Bitline。

圖2是圖1所示的像素單元的工作時序圖，其中，RST表示復位晶體管M11的柵極接收的復位控制信號，SEL表示所述選擇晶體管M13的柵極接收的行選擇信號，TX表示所述傳輸晶體管M14的柵極接收的傳輸信號，rst表示所述全局復位晶體管M15的柵極接收的全局復位信號。下面結合圖2對圖1所示的像素單元的工作過程進行簡要說明。

參考圖2，在一個工作周期開始時，所述復位控制信號RST為高電平信號，使所述復位晶體管M11導通，對所述存儲節點FD進行復位，將所述存儲節點FD充電至高電位；

在t₂₀時刻，所述全局復位信號rst由低電平信號切換為高電平信號，使所述全局復位晶體管M15導通，所述光電二極管PPD被復位；

在t₂₁時刻，所述全局復位信號rst由高電平信號切換為低電平信號，使所述全局復位晶體管M15截止，所述光電二極管PPD進行光電轉換，將光信號轉換為電信號；

在t₂₂時刻，所述光電二極管PPD光電轉換結束，所述傳輸信號TX由低電平信號切換為高電平信號，使所述傳輸晶體管M14導通，將所述光電二極管PPD進行光電轉換后的電信號傳輸至所述存儲節點FD，此時，所述存儲節點FD存儲的信號為曝光信號Vsig，t₂₁時刻至t₂₂時刻之間的時間即為所述光電二極管PPD的曝光時間，在所述曝光時間內，所述復位控制信號RST由高電平信號切換為低電平信號；

所述傳輸晶體管M14截止后，經過一段時間，所述行選擇信號SEL由低電平信號切換為高電平信號，使所述選擇晶體管M13導通，在t₂₃時刻，所述曝光信號Vsig被讀到所述列選擇線Bitline上；