CN102820313B

CN102820313B - Cmos图像传感器

Info

Publication number: CN102820313B
Application number: CN201210333161.3A
Authority: CN
Inventors: 田犁; 汪辉; 陈杰; 方娜; 苗田乐
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102820313A

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器，至少包括半导体衬底及位于所述半导体衬底中的多个像素单元，其中，各该像素单元至少包括第一感光器件、第二感光器件、像素读出电路、及隔离结构。相较于现有的CMOS图像传感器而言，本发明在传统的CMOS图像传感器中增加的第二感光器件，使本发明的感光器件的输出响应曲线为非线性，对应同样的输出电压摆幅而言，增大了CMOS图像传感器可以感知光的最大范围，即照明水平的最大值，从而提高了图像传感器的动态范围；同时本发明保持现有的CMOS图像传感器的像素读出电路的连接方式，保证了CMOS图像传感器的捕获图像质量。

Description

CMOS图像传感器

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种CMOS图像传感器，特别涉及一种提高动态范围的CMOS图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。

CMOS图像传感器一般由感光器件和CMOS信号处理电路（包括像素读出电路）构成。目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器（APS），根据其包括的晶体管的数目主要划分为：包括复位晶体管（ResetTransistor,RST）、源跟随晶体管（SourceFollowerTransistor,SF）和行选择晶体管（RowSelect,RS）的三管CMOS图像传感器（3T型）、及包括复位晶体管（RST）、源跟随晶体管（SF）、行选择晶体管（RS）和转移晶体管（TransferTransistor,TX）的四管CMOS图像传感器（4T型）两大类。

图1显示为现有的3T型CMOS图像传感器的像素单元的等效电路结构图，至少包括：感光器件D1、复位晶体管M1、源跟随晶体管M2、行选择晶体管M3，其中，图1中，作为感光器件D1的光电二极管（PhotoDiode，PD）D1，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管D1包括P型区和N型区，所述P型区接地。

图1所示的像素单元的工作原理是：开始工作时，首先将复位晶体管M1栅极加高电平，使其导通，使所述感光器件（光电二极管）D1反偏并会清除其全部累积的电荷，实现复位；而后开始曝光，有入射光照射时，所述感光器件（光电二极管）D1作为光电子收集区域，产生电子空穴对，即进行光电转换；在完成曝光之后，通过源跟随晶体管M2和行选择晶体管M3将电信号读出，因此，输出电信号的电压（输出电压）值就反映了光信号的强弱。

人工图像捕获的主要问题之一是许多自然场景具有超宽的光照范围（照明水平的范围），CMOS图像传感器的动态范围和其质量有着同等意义，即动态范围决定着CMOS图像传感器的质量。图像传感器的动态范围通常定义为图像传感器能够检测到的最高信号量和最低信号量的比值。

目前，提高CMOS图像传感器的动态范围通常采用的方法是：多次曝光（积分）的方式或采用高动态范围的图像传感器像素单元。

对于多次曝光（积分）的方式而言，当CMOS图像传感器采用多次曝光（积分）的方式进行工作时，分长短两次曝光时间的模式用于分别采集暗光信号和亮光信号，最后通过后端信号处理得到更大的动态范围。换言之，当设置的曝光时间较短时图像传感器感知光强较强的光，设置曝光时间较长时图像传感器感知光强较弱的光，并在完成几幅图像采集之后，通过后端的数字算法进行融合得到高动态范围的CMOS图像传感器。不过，现有的这种多次曝光的方法的存在如下缺点：一方面，由于涉及到多次曝光（积分），因此获取高动态范围图像的周期大大加长，并且不适合于运动物体图像方面的采集；另一方面，由于要采集多幅图像，图像传感器后端需要大量的存储空间进行图像存储以便进行图像处理，同时大量的读写操作使得整个系统的功耗受到严重的影响。

对于采用高动态范围的CMOS图像传感器像素单元而言，像素单元的感光器件工作在LOG模式时（即对光信号进行对数编码，感光器件对于光的响应为LOG曲线)，将CMOS图像传感器的输出响应曲线从线性的改变为非线性的，因此，在感光器件的输出电压摆幅是限制动态范围的主要因素时，对应同样的输出电压摆幅，非线性的输出响应曲线与线性的输出响应曲线相比较，前者提高了CMOS图像传感器能够感知光的最大范围（照明水平的最大值），实现更宽的光照范围（照明水平的范围），提高了CMOS图像传感器的动态范围，因此对光信号的对数编码可允许更宽的动态范围。

图2显示的是采用高动态范围的CMOS图像传感器像素单元的等效电路结构图，至少包括：感光器件D1、负载晶体管M4、源跟随晶体管M2、行选择晶体管M3。图2与图1的不同之处在于：负载晶体管M4的栅极始终连接至高电平，使感光器件D1连接的负载晶体管M4的电流等于感光器件D1产生的电流，实现感光器件D1的输出电压为连续时间对数输出，提高了CMOS图像传感器的动态范围，另外，由于图2所示的像素单元不需要积分，因此该像素单元允许在空间和时间域真正随机获取。但是，由于这种非积分像素单元改变了原有的像素读出电路中的晶体管的连接方式，降低了CMOS图像传感器的捕获图像质量，一般所示捕获图像的对比度较小、信噪比较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器，用于保证CMOS图像传感器的捕获图像质量的同时，提高CMOS图像传感器的动态范围。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CMOS图像传感器至少包括：半导体衬底及位于所述半导体衬底中的多个像素单元，其中，各该像素单元包括：

感光器件，将光信号转换成电信号，至少包括第一感光器件和一端与其连接的第二感光器件，所述的第二感光器件的另一端连接在工作电源上，其中，所述的第二感光器件的有效感光区的面积小于所述第一感光器件的有效感光区的面积，所述的第二感光器件将第一感光器件产生的部分电信号导出；

像素读出电路，与所述第一感光器件和第二感光器件的连接点相连接，以将所述第一感光器件产生的电信号读出。

可选地，所述第一感光器件为感光二极管或光电门。

可选地，所述第二感光器件为PIN型感光二极管或光电门，其中，所述PIN型感光二极管的本征区I区域的长度小于其内的少子的扩散长度。

可选地，所述第一感光器件为PN结型感光二极管，所述第二感光器件为PIN型感光二极管，且所述第一感光器件的重掺杂N型区与第二感光器件的重掺杂P型区相连接。

可选地，所述半导体衬底的材料为硅、锗、或硅锗。

可选地，所述半导体衬底为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底，所述顶层半导体层的材料为硅、锗、或硅锗。

可选地，所述的感光器件、像素读出电路及隔离结构均位于所述顶层半导体层中。

可选地，所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管。

可选地，所述CMOS图像传感器还包括位于所述半导体衬底中、且位于所述感光器件和像素读出电路的各相邻器件之间的隔离结构。

可选地，所述隔离结构为浅沟道隔离或绝缘介质隔离。

如上所述，本发明的CMOS图像传感器，具有以下有益效果：本发明中感光器件包括第一感光器件及与一端其相连的第二感光器件，所述第二感光器件的另一端连接在工作电源（V_dd）上，所述的第二感光器件的有效感光区的面积小于所述第一感光器件的有效感光区的面积，且该第二感光器件和第一感光器件的连接点与CMOS图像传感器的像素读出电路相连接；相较于现有的CMOS图像传感器而言，本发明在传统的CMOS图像传感器中增加的第二感光器件，使本发明的感光器件的输出响应曲线为非线性（传统的CMOS图像传感器的输出响应曲线为线性），对应同样的输出电压摆幅而言，增大了CMOS图像传感器可以感知光的最大范围（照明水平的最大值），从而提高了图像传感器的动态范围；同时本发明保持现有的CMOS图像传感器的像素读出电路的连接方式，保证了CMOS图像传感器的捕获图像质量。

附图说明

图1和图2显示为现有技术中的CMOS图像传感器的像素单元的等效电路结构示意图。

图3显示为本发明CMOS图像传感器的在实施例中像素单元的结构示意图。

图4显示为本发明CMOS图像传感器的在实施例中像素单元的等效电路结构示意图。

图5显示为本发明CMOS图像传感器的在实施例中感光器件的输出响应曲线与现有技术中CMOS图像传感器中感光器件的输出响应曲线的比较示意图，其中，输出响应曲线为照明水平（单位：lux·second，勒克斯·秒）与输出电压（单位：V）的关系图。

元件标号说明

1半导体衬底

10顶层半导体层

20绝缘埋层

30支撑衬底

11第一感光器件

12第二感光器件

111、121重掺杂P型区（P+区）

112、122重掺杂N型区（N+区）

123本征区I区域

13像素读出电路

M1复位晶体管

M2源跟随晶体管

M3行选择晶体管

M4负载晶体管

14隔离结构

15引线

D1感光器件

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

现有的提高CMOS图像传感器的动态范围通常采用的方法是：多次曝光（积分）的方式或采用高动态范围的图像传感器像素单元。但是，现有的这种多次曝光（积分）的方法的存在如下缺点：一方面，由于涉及到多次曝光（积分），因此获取高动态范围图像的周期大大加长，并且不适合于运动物体图像方面的采集；另一方面，由于要采集多幅图像，图像传感器后端需要大量的存储空间进行图像存储以便进行图像处理，同时大量的读写操作使得整个系统的功耗受到严重的影响。如图2所示的采用非积分像素单元提高CMOS图像传感器的动态范围的方法中，虽然提高了动态范围，不过由于改变了原有的像素读出电路中的晶体管的连接方式，因此降低了CMOS图像传感器的捕获图像质量，一般所示捕获图像的对比度较小、信噪比较低。

有鉴于此，本发明的CMOS图像传感器中感光器件包括第一感光器件及与一端其相连的第二感光器件，所述第二感光器件的另一端连接在工作电源（V_dd）上，所述的第二感光器件的有效感光区的面积小于所述第一感光器件的有效感光区的面积，且该第二感光器件和第一感光器件的连接点与CMOS图像传感器的像素读出电路相连接；相较于现有的CMOS图像传感器而言，本发明在传统的CMOS图像传感器中增加的第二感光器件，使本发明的感光器件的输出响应曲线为非线性（传统的CMOS图像传感器的输出响应曲线为线性），对应同样的输出电压摆幅而言，增大了CMOS图像传感器可以感知光的最大范围（照明水平的最大值），从而提高了图像传感器的动态范围；同时本发明保持现有的CMOS图像传感器的像素读出电路的连接方式，保证了CMOS图像传感器的捕获图像质量。

如图3至图5所示，本发明提供一种CMOS图像传感器，至少包括半导体衬底1及位于所述半导体衬底1中的多个像素单元，其中，各该像素单元至少包括感光器件、像素读出电路13、及隔离结构14。

如图3所示，在本实施例中，所述半导体衬底1为具有支撑衬底30、位于所述支撑衬底30之上的绝缘埋层20、及位于所述绝缘埋层20之上的顶层半导体层10的半导体衬底1，所述多个像素单元位于顶层半导体层10中，其中，所述顶层半导体层10的材料为硅，但并不局限于此，所述顶层半导体层10的材料还可为锗、或硅锗。需要说明的是，在另一实施例中，所述半导体衬底还可以是普通半导体衬底，其中，所述普通半导体衬底的材料为硅、锗、或硅锗，例如体硅是硅材料的普通半导体衬底。

所述感光器件位于所述半导体衬底1中（在本实施例中位于所述半导体衬底1的顶层半导体层10中），将光信号转换成电信号，至少包括第一感光器件11和与一端其连接的第二感光器件12，所述的第二感光器件的另一端连接在工作电源（V_dd）上。其中，所述第一感光器件11为PN结型感光二极管、PIN型感光二极管或光电门；所述第二感光器件12为PIN型感光二极管或光电门；所述的第二感光器件12的有效感光区的面积小于所述第一感光器件11的有效感光区的面积；所述的第二感光器件12将第一感光器件11产生的部分电信号导出，以使第一感光器件11曝光（积分）时不易饱和，以提高所述感光器件输出电压饱和时对应的照明水平的最大值（能够感知光的最大范围），从而实现更宽的光照范围（照明水平的范围），提高本发明CMOS图像传感器的动态范围。

在本实施例中，如图3及图4所示，所述第一感光器件11为PN结型感光二极管（PD），其重掺杂第二半导体类型区位于重掺杂第一半导体类型区的顶部，具体地，所述第一半导体类型为N型，所述第二半导体类型为P型，即PN结型感光二极管的重掺杂P型区（P+区）111位于重掺杂N型区（N+区）112的顶部，但并不局限于此，在另一实施例中，所述第一半导体类型为P型，所述第二半导体类型为N型。

在本实施例中，如图3及图4所述，所述第二感光器件12为PIN型感光二极管（PIN-PD），包括重掺杂第二半导体类型区、重掺杂第一半导体类型区、及位于二者之间的本征区I区域，具体地，所述第一半导体类型为N型，所述第二半导体类型为P型，即图3中本征区I区域123位于重掺杂P型区（P+区）121及重掺杂N型区（N+区）122之间，且所述PIN型感光二极管的本征区I区域长度小于其内的少子（空穴）的扩散长度，以保证所述少子（空穴）漂移时未被完全复合。

需要说明的是，如图3所示，在本实施例中，所述第一感光器件11为PN结型感光二极管，所述第二感光器件12为PIN型感光二极管，且所述第一感光器件11的重掺杂N型区与第二感光器件12的重掺杂P型区通过引线15相连接，所述的第二感光器件12将第一感光器件11产生的部分电信号导出，换言之，所述第一感光器件11（PD）在曝光过程中生成的部分漏电流经过第一感光器件11的N+区112、引线15传输至第二感光器件12中，并通过第二感光器件12导出至与第二感光器件12的N+区122相连的V_dd，为所述第一感光器件11（PD）的漏电流提供另一条通路，其中，所述第一感光器件11（PD）的漏电流原有的一条通路为通过所述复位晶体管M1至V_dd的通路。由于存在第二感光器件12（PIN-PD），因此使所述第一感光器件11曝光（积分）时不易饱和，从而提高了输出电压饱和时对应的照明水平的最大值（能够感知光的最大范围），从而实现更宽的光照范围（照明水平的范围），提高本发明CMOS图像传感器的动态范围。

需要进一步说明的是，所述的第二感光器件12的有效感光区（主要是本征区I区域123）的面积小于所述第一感光器件11的有效感光区的面积，以保证所述第二感光器件12（PIN型感光二极管，PIN-PD）的漏电流不要过大，避免其影响感光器件在曝光（积分）时对光信号进行对数编码的效果，即避免其影响像素单元的感光器件工作在LOG模式下。

所述像素读出电路13为三管像素读出电路（3T）、四管像素读出电路（4T）或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路，均位于所述半导体衬底1中。本实施例中，如图3所示，所述半导体衬底1为具有绝缘埋层的半导体衬底，所述像素读出电路13位于所述具有绝缘埋层的半导体衬底1的顶层半导体层10中，使其MOS晶体管全耗尽，电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能；如图3及图4所示，所述像素读出电路13为三管像素读出电路（3T），包括连接所述第一感光器件11N+型区112的复位晶体管（ResetTransistor,RST）M1、连接所述复位晶体管（RST）M1、及所述第一感光器件11N+型区112的源跟随晶体管（SourceFollower）M2，以及连接所述源跟随晶体管（SF）M2的行选择晶体管（RowSelect,RS）M3，图3中，仅以一个晶体管的结构示意图以图示所述像素读出电路13中的均为NMOS晶体管的复位晶体管M1、源跟随晶体管M2和行选择晶体管M3，其中，所述第二感光器件12P+型区121也连接至所述第一感光器件11N+型区112（如图3所示），换言之，所述像素读出电路13与所述第一感光器件11和第二感光器件12的连接点相连接，同时，所述第一感光器件11P+型区111接地，所述第二感光器件12的N+型区122接V_dd（所述电源V_dd为一正电源），所述复位晶体管（RST）M1、源跟随晶体管（SF）M2的漏极也接V_dd，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端，将第一感光器件11的光生电压信号输出。

需要说明的是，在另一实施例中，所述像素读出电路为四管像素读出电路（4T）时，所述像素读出电路还包括连接于所述第一感光器件与复位晶体管（RST）之间的、及连接于所述第一感光器件与源跟随晶体管（SF）之间的转移晶体管（TransferTransistor,TX）（具体电路结构未图示）；所述像素读出电路13还可以或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路，在此不一一赘述。

所述隔离结构14位于所述半导体衬底1中且位于所述感光器件和像素读出电路13的各相邻器件之间，所述隔离结构14为浅沟道隔离（ShallowTrenchIsolation，STI）或绝缘介质隔离。本实施例中，如图3所示，所述半导体衬底1为具有绝缘埋层的半导体衬底，则所述隔离结构14位于所述具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层10中，且位于所述感光器件和像素读出电路13的各相邻器件之间；同时所述隔离结构14为硅岛隔离结构，是绝缘介质隔离中的一种。

为使本领域技术人员进一步理解本发明CMOS图像传感器的具体实施方式，请参阅图3至图5，以下将详细说明本发明CMOS图像传感器的光电转换原理及相关工作过程：

如图4所示，第一感光器件11与第二感光器件12均加载反向电压，且如图3所示第一感光器件11为PN结型感光二极管，第二感光器件12为PIN型感光二极管。

对于PN结型感光二极管（PD）而言，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，其主要有源区（有效感光区）是势垒区；所述PN结型感光二极管具有单向导电性，工作时需加反向电压。在接反向电压后，根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。当无光照射至PN结型感光二极管时，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，从而在PN结型感光二极管（PD）中有很小的饱和反向漏电流（一般小于0.1微安），即暗电流，此时PN结型感光二极管截止。当PN结型感光二极管受到光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子，从而使少数载流子（光生载流子）的密度增加。这些光生载流子在反向电压下漂移，反向漏电流大大增加，形成光电流（也称为漏电流），换言之，使所述PN结型感光二极管的电势有所下降，同时所述光电流（也称为漏电流）的大小（电势下降的大小）随入射光强度的变化而变化，因此可以利用光照强弱来改变PN结型感光二极管中的光电流（也称为漏电流）大小。

PIN型光电二极管（PIN）是针对一般PN结型光电二极管的不足、在结构上加以改进而得到的一种光电二极管，其发光原理与PN结型光电二极管类似，不同之处在于：PIN型光电二极管是人为地把PN结的势垒区宽度加以扩展，采用较宽的本征半导体区（I区域）来取代PN结型光电二极管的势垒区，而成为了PIN结。PIN结光电二极管的有效感光区主要就是存在有电场的I区域作为势垒区，因此，产生光生载流子的有效感光区域增大了，扩散的影响减弱了，并且结电容也大大减小了，所以PIN型光电二极管光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。

PIN型器件和PN结器件的不同点：PIN型中P和N如图4所示，在传统3T型的CMOS图像传感器中增加了第二感光器件12（PIN）之后，使像素单元的感光器件的输出相应曲线为非线性特性的原因在于：

对于所述第二感光器件12（PIN-PD）而言，当有入射光照到感光器件时，在第二感光器件12（PIN-PD）内产生的漏电流并导出至V_dd，随着光照强度的增加，所述第二感光器件12（PIN-PD）的电阻减小，同时所述漏电流增加，抬高了所述第二感光器件12（PIN-PD）的电势；

对于第一感光器件11（PD）而言，当有入射光照到感光器件时，在所述第一感光器件11（PD）内产生的漏电流，且该漏电流通过两条通路进行漏电，以保证所述第一感光器件11（PD）在光照很强时也不易饱和，其中，一条漏电流通路为第一感光器件11（PD）通过所述复位晶体管M1至V_dd的通路，另一条漏电流通路为第一感光器件11（PD）通过第二感光器件12（PIN-PD）至V_dd的通路；随着光照强度的增加，所述第一感光器件11（PD）的漏电流也增加，抬高了所述第一感光器件11（PD）的电势，从而使所述第一感光器件11（PD）在光照很强时也不易饱和；

正是由于通过第二感光器件12（PIN-PD）至V_dd的另一条通路的存在（原因在于第二感光器件12（PIN-PD）自身的漏电流导出至V_dd，第一感光器件11通过第二感光器件的漏电流的大小与所述第二感光器件的漏电流的大小相匹配），从而使所述第一感光器件11（PD）在光照很强时也不易饱和，换言之，在传统的CMOS图像传感器中增加了第二感光器件12（PIN-PD）之后，第二感光器件12（PIN-PD）中的漏电流的存在，相当于对感光器件的光信号进行对数编码，即保证CMOS图像传感器的感光器件工作在LOG模式下，使CMOS图像传感器的输出相应曲线为非线性特性，请参阅图5。

图5中虚线所示的线性的输出响应曲线为现有技术中单独使用第一感光器件11（PD）作为感光器件的CMOS图像传感器（传统的CMOS图像传感器）的线性输出响应曲线，该虚线中，对应的饱和反向电压照明水平A值反映了现有技术中CMOS图像传感器能够感知光的最大范围（照明水平的最大值）；图5中实线所示的非线性的输出响应曲线为本发明中由第一感光器件11（PD）和第二感光器件12（PIN-PD）组成的感光器件的CMOS图像传感器的非线性的输出响应曲线，对应的饱和反向电压照明水平B值反映了本发明中CMOS图像传感器能够感知光的最大范围（照明水平的最大值），从而得出，相较于现有技术，对应同样的输出电压摆幅而言，本发明提高了CMOS图像传感器能够感知光的最大范围（照明水平的最大值），实现更宽的光照范围（照明水平的范围），提高了CMOS图像传感器的动态范围，因此保证CMOS图像传感器的感光器件工作在LOG模式下，可允许更宽的动态范围。

在本实施例中，CMOS图像传感器的具体工作过程是：

1）复位：对像素读出电路13中的复位晶体管M1的复位信号Reset提供高电平，使所述复位晶体管M1导通，将所述第一感光器件11（PD）内的电子全部吸入电源V_dd，清除所述第一感光器件11内的全部累积的电荷，实现复位；

2）曝光：感光器件（包括第一感光器件11和第二感光器件12）受到入射光光照后，光子照射到第一感光器件11的有效感光区、及第二感光器件12的有效感光区（主要是I区域123），并分别在各该有效感光区内生成电子-空穴对（光生载流子）形成漏电流；当光照比较弱时（光照强度小于5000lux），所述第二感光器件12（PIN）的有效感光区（主要是本征区I区域123）接受到的光强也相对较弱，因此产生的电子空穴对也就较少，从而使第一感光器件11（PD）的漏电流较少，因此图像传感器在低感光区域有更灵敏的响应；当光照很强时（光照强度大于10Klux），所述第二感光器件12（PIN-PD）的有效感光区（主要是本征区I区域123）会产生很多的电子空穴对，因此流过第二感光器件12（PIN-PD）的漏电流增大，此时相当于第一感光器件11（PD）的漏电流增加，从而使第一感光器件11（PD）不容易饱和，从而使本发明在光照条件比较强的条件下仍然可以工作；

3）将所述第一感光器件11有效感光区中的光生载流子，通过像素读出电路13中引线15连接至源跟随晶体管和行选择晶体管（图3中未画出源跟随晶体管和行选择晶体管具体电路结构，仅以晶体管的结构示意图图示像素读出电路）将光生电压信号输出。

综上所述，本发明CMOS图像传感器中，感光器件包括第一感光器件及与一端其相连的第二感光器件，所述第二感光器件的另一端连接在工作电源（V_dd）上，所述的第二感光器件的有效感光区的面积小于所述第一感光器件的有效感光区的面积，且该第二感光器件和第一感光器件的连接点与CMOS图像传感器的像素读出电路相连接；相较于现有的CMOS图像传感器而言，本发明在传统的CMOS图像传感器中增加的第二感光器件，使本发明的感光器件的输出响应曲线为非线性（传统的CMOS图像传感器的输出响应曲线为线性），对应同样的输出电压摆幅而言，增大了CMOS图像传感器可以感知光的最大范围（照明水平的最大值），从而提高了图像传感器的动态范围；同时本发明保持现有的CMOS图像传感器的像素读出电路的连接方式，保证了CMOS图像传感器的捕获图像质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器至少包括：半导体衬底及位于所述半导体衬底中的多个像素单元，其中，各该像素单元包括：

感光器件，将光信号转换成电信号，至少包括第一感光器件和一端与其连接的第二感光器件，所述的第二感光器件的另一端连接在工作电源上，其中，所述的第二感光器件的有效感光区的面积小于所述第一感光器件的有效感光区的面积，所述的第二感光器件将第一感光器件产生的部分电信号导出；所述第一感光器件为感光二极管或光电门；所述第二感光器件为PIN型感光二极管，其本征区I区域的长度小于其内的少子的扩散长度；

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述第一感光器件为PN结型感光二极管，所述第二感光器件为PIN型感光二极管，且所述第一感光器件的重掺杂N型区与第二感光器件的重掺杂P型区相连接。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底的材料为硅、锗、或硅锗。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底，所述顶层半导体层的材料为硅、锗、或硅锗。

5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述的感光器件、像素读出电路及隔离结构均位于所述顶层半导体层中。

6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管。

7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述CMOS图像传感器还包括位于所述半导体衬底中、且位于所述感光器件和像素读出电路的各相邻器件之间的隔离结构。

8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述隔离结构为浅沟道隔离或绝缘介质隔离。