[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: 202010889771.6
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111918007B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 胡萬景;王林;黃金德
• 申請（專利權）人: 銳芯微電子股份有限公司
• 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: 陸磊

本發明實施例提供一種CMOS圖像傳感器、像素單元及其控制方法，像素單元包括適于輸出第一幀模擬信號的第一全局曝光結構和輸出第二幀模擬信號的第二全局曝光結構，第二全局曝光結構包括第二光電轉換元件、第二傳輸晶體管、第二復位晶體管、第三存儲節點、第三級源極跟隨器、第二隔離晶體管、第四存儲節點、第四級源極跟隨器、第二行選擇晶體管；其中，第二級源極跟隨器和第四級源極跟隨器為同一源極跟隨器，第一行選擇晶體管和第二行選擇晶體管為同一行選擇晶體管，第一光電轉換元件和第二光電轉換元件中的一者相比于另一者具有更大的感光面積。本發明實施例的技術方案擴展了像素單元的動態范圍。

技術領域

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

背景技術

圖像傳感器是一種將光信號轉化成為電信號的半導體器件。圖像傳感器分為互補金屬氧化物(CMOS)圖像傳感器和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器兩大類。由于CMOS圖像傳感器具有功耗小、成本低、易于其它器件集成等優點，已經廣泛應用于靜態數碼相機、數碼攝像機、醫療用攝像裝置和車用攝像裝置等。

圖像傳感器的動態范圍是圖像傳感器一項很重要的指標參數。動態范圍表示圖像傳感器在同一幅圖像中同時能探測到的最大光強信號和最小光強信號的范圍。一般用dB來表示，公式如下：

其中P_max表示可探測的最大光強，P_min表示可探測的最小光強。一般圖像傳感器的動態范圍在60-70dB之間，人眼的動態范圍在100-120dB之間，高動態范圍圖像傳感器對于兼顧暗處細節和亮處細節非常重要。

圖像傳感器的滿阱容量(Full Well Capacity，FWC)是指像素所能收集并容納的最大的電子的數量。對于一般線性響應圖像傳感器來講，可探測的最大光強對應滿阱容量，最小光強對應圖像底噪噪聲電子數，所以動態范圍也可用滿阱容量/底噪噪聲電子數來表示。一般來講，圖像傳感器的滿阱越大，動態范圍越高。

CMOS圖像傳感器的像素單元通常包含一個光電二級管和多個晶體管，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的全局曝光結構包括5晶體管(5T)型、8晶體管(8T)型、9晶體管(9T)型等。

如圖1所示，5T型全局曝光CMOS圖像傳感器的像素單元由抗光暈晶體管(Anti-Blooming)、傳輸晶體管TX、復位晶體管RST、源跟隨器晶體管SF (Source Follower)、行選擇管SEL，共5個晶體管組成，還包括光電二極管 PPD(Pinned Photodiode)、存儲節點FD。

包括5T全局曝光結構的像素單元存在技術缺陷。例如，寄生光感效應大。 5T全局曝光結構的像素單元使用FD點為信號暫存節點，這個節點通常是PN 結，上面覆蓋金屬用來減小寄生光感效應。這個節點臨近PPD，如果覆蓋過金屬面積過大，會遮蓋到正常感光的PPD上，從而影響PPD的感光效果；5T 全局曝光結構的像素單元，先讀取復位模擬信號再讀取曝光模擬信號，兩次不是相關的采樣，不能實現相關雙采樣，因此相減并不能消除掉復位噪聲，輸出圖像的噪聲很大。

為了克服上述技術缺陷，現有技術提供了包括兩級源極跟隨器(即第一級源極跟隨器和第二級源極跟隨器)的全局曝光結構，該全局曝光結構還包括光電轉換元件、傳輸晶體管、復位晶體管、存儲節點FD、第一電容和第二電容。這種全局曝光結構可以實現相關雙采樣，即在像素單元曝光后，先讀出存儲節點FD的復位電平，再讀出存儲節點FD的采樣電平，量化后，將復位量化數據和和采樣量化數據相減，由于兩次采樣產生的復位噪聲是相關的，因此可以消除復位噪聲。

具有兩級源極跟隨器的全局曝光結構包括8T型全局曝光結構(其具有8 個晶體管)和9T型全局曝光結構(其具有9個晶體管)等。