CN102843524B - Cmos图像传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器及其工作方法，所述图像传感器包括衬底以及在所述衬底上形成的光学传感区、浮动扩散区、转移晶体管、复位晶体管以及泄放晶体管，该图像传感器还具有一控制模块。此外，所述图像传感器的工作方法为所述控制模块通过比较参考电位V_ref和浮动扩散区的电压值V_FD，来判定所述浮动扩散区是否饱和，并根据饱和程度选择性地输出不同的电压值作为所述泄放晶体管的栅压，以控制该泄放晶体管的开关状态和打开程度，从而将所述光学传感区过多的光生载流子泄放掉，提高了所述图像传感器的动态范围。

Description

CMOS图像传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，特别是涉及一种具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法。

背景技术

图像传感器是构成数字摄像头的主要部件之一，被广泛应用于数码成像、航空航天以及医疗影像等领域。图像传感器根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。值得一提的是，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。在天文摄影与各种夜视设备中，也广泛应用到CCD图像传感器。CMOS图像传感器正在数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域得到日益广泛的应用。

CCD图像传感器和CMOS图像传感器都是采用光电二极管收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的电荷。对于这种采用光电二极管的图像传感器，当没有入射光时仍然有输出电流，即“暗电流”，来自光电二极管的暗电流可能作为被处理图像中的噪声出现，从而减低画面质量。因此暗电流的大小是表征传感器性能的重要参数之一。

目前，用于CMOS图像传感器的光电探测器主要有光电二极管和光栅晶体管两类。光电二极管具有版图结构简单、均匀性良好，填充系数大，以及增益高等优点，因而被广泛使用。但是基于标准CMOS工艺制作的光电二极管存在较大的PN结漏电流，因而存在噪声大，灵敏度低以及动态范围小的问题。

动态范围是另外一个重要参数，它表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，就越能显示非常暗以及非常亮的图像，所能表现的图像层次也就越丰富，所包含的色彩空也越广。换句话说，动态范围越大，能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。为了得到较高的动态范围，一般集中在对浮动扩散区容量或光学传感区阱容量的提高上，但通过控制电路模块来提高动态范围的方法比较少见。

鉴于此，如何提出一种CMOS图像传感器，在不改变现有标准CMOS工艺的条件下得到较高的动态范围，成为目前亟待解决的问题。

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具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法，用于解决现有技术中工艺改进复杂以及动态范围小的问题。

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，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的转移晶体管、以及连接所述浮动扩散区的复位晶体管，所述图像传感器还包括：

控制模块，具有第一输入端、第二输入端以及输出端；所述第一输入端连接一参考电位V_ref；所述第二输入端连接所述浮动扩散区，且第二输入端的电位即为所述浮动扩散区的电位V_FD；

泄放晶体管，其栅极与所述控制模块的输出端相连接，其源极连接所述光学传感区，其漏极连接所述衬底；

当浮动扩散区的电位V_FD小于参考电位V_ref时，所述控制模块输出一电压V_G1，使所述泄放晶体管导通或部分导通；

当浮动扩散区的电位V_FD大于或等于参考电位V_ref时，所述控制模块无输出信号或输出一电压V_G2，使所述泄放晶体管截止。

可选地，所述光学传感区为PN结形成的感光二极管、PIN二极管或光门。所述控制模块为模数转换模块、比较器、或多路选择器。

可选地，所述参考电位V_ref大于或等于所述浮动扩散区饱和时的电位。

可选地，所述控制模块的输出电压|V_G1|大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|，输出电压|V_G2|小于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|。

可选地，所述控制模块的输出电压|V_G1|为0.7V、1.8V或3.3V。

此外，本发明还提供上述CMOS图像传感器的工作方法，所述工作方法包括：

1）将所述浮动扩散区复位到一电压值V_d后，对所述光学传感区进行曝光，然后将转移晶体管打开；

2）所述控制模块比较浮动扩散区电压V_FD与参考电压V_ref值，如果V_FD≥V_ref，则直接进行正常的读出，所述控制模块无信号输出，或输出一电压V_G2以关闭所述泄放晶体管；否则如果V_FD＜V_ref,则判定所述光学传感区饱和；接着将转移晶体管关闭，此时控制模块输出一电压V_G1使所述泄放晶体管导通或部分导通；

3）重复步骤1）、步骤2）至V_FD≥V_ref，并进行读出。

可选地，所述电压|V_G2|小于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|，所述|V_G1|大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|。

可选地，在所述步骤3）中，所述控制模块比较浮动扩散区电压V_FD与参考电压V_ref值时，如果仍然V_FD＜V_ref，则判定所述光学传感区仍饱和；接着将转移晶体管关闭，所述控制模块输出电压V_G11，且|V_G11|>|V_G1|，并重复步骤1）、步骤2）至V_FD ≥V_ref。

可选地，所述泄放晶体管的输出电压|V_G1|为0.7V、1.8V或3.3V，|V_G11|为1.8V或3.3V。

可选地，所述参考电位V_ref为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_d-\frac{Q}{C},$

其中，V_d为电路工作电源电压，Q为所述浮动扩散区的满阱容量，C为所述浮动扩散区的等效电容。

如上所述，本发明的具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法，具有以下有益效果：

该图像传感器具有一控制模块和泄放晶体管，在曝光及读出过程中，所述控制模块通过比较参考电位V_ref和浮动扩散区的电压值，来判定所述浮动扩散区是否饱和，并根据饱和程度选择性地输出不同的电压值作为所述泄放晶体管的栅压，以控制所述泄放晶体管的打开情况，从而将曝光过程中所述光学传感区产生的过多的光生载流子通过该泄放晶体管转移，从而避免因所述浮动扩散区饱和造成的读出信号失真，实现强光条件下信号的正常读出，提高图像传感器的动态范围。

附图说明

图1显示为本发明提供的CMOS图像传感器的结构示意图。

图2显示为本发明提供的CMOS图像传感器的工作方法流程图。

元件标号说明

1                     衬底

10                    光学传感区

11                    浮动扩散区

12                    转移晶体管

13                    复位晶体管

14                    泄放晶体管

2                     控制模块

S1-S4                    步骤

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2。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。

实施例

如图1所示，本发明提供的具有高动态范围的CMOS图像传感器，至少包括一衬底1，形成于所述衬底1上的光学传感区10、浮动扩散区11、连接于所述光学传感区10与浮动扩散区11之间的转移晶体管12、连接所述浮动扩散区11的复位晶体管13，以及连接所述光学传感区10的泄放晶体管14；进一步地，所述CMOS图像传感器还包括一电路控制模块2，该控制模块2具有第一输入端、第二输入端以及输出端。

下面分别对该图像传感器的各个组成部分进行详细描述。

所述衬底1可以为单晶或非晶的硅、锗、硅锗等半导体材料，或绝缘体上硅（SOI），或砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物，本实施例中暂选为单晶P型单晶硅衬底。

所述光学传感区10用于将光信号转变为电信号，可在光照条件下产生光生载流子，即电子-空穴对，并收集光生载流子。本实施例中所述光学传感区10为PN结光电二极管，但并不限于此，在其它实施例中亦可为PIN光电二极管或光门等光敏半导体器件。

所述浮动扩散区11用于接收从所述光学传感区10通过所述传转移晶体管12传输的光生载流子，并作为像素输出区；所述转移晶体管12的源极与所述光学传感区10相连接，其漏极与所述浮动扩散区11相连接，用于控制所述光学传感区10收集的光生载流子传输到所述浮动扩散区11；所述复位晶体管13的源极连接所述浮动扩散区11，其漏极连接所述工作电压源Vd，当该复位晶体管13的栅极施加复位信号时，将所述浮动扩散区11复位，其中的光生载流子被清空；所述泄放晶体管14的栅极连接所述控制模块2的输出端，该泄放晶体管14的源极连接所述光学传感区10，漏极连接所述衬底1，在不同光强照射条件下，通过控制其栅极电压将所述光学传感区10过多的光生载流子泄放掉。

所述控制模块2具有第一输入端、第二输入端以及输出端，所述第一输入端连接一参考电位V_ref，所述第二输入端连接所述浮动扩散区11；所述第二输入端的电位即为所述浮动扩散区11的电位V_FD。所述控制模块2通过比较V_ref和V_FD的电压值，来判定所述浮动扩散11区是否饱和，并依据饱和程度选择性地输出不同的电压值作为所述泄放晶体管14的栅压，以控制该泄放晶体管14的打开程度，从而将所述光学传感区10过多的电荷泄放掉。当浮动扩散区11的电位V_FD小于参考电位V_ref时，所述控制模块2输出一电压V_G1，使所述泄放晶体管14导通或部分导通；当浮动扩散区11的电位V_FD大于或等于参考电位V_ref时，所述控制模块2无输出信号或输出一电压V_G2，使所述泄放晶体管14截止。

需要说明的是，所述参考电位V_ref大于或等于所述浮动扩散区11饱和时的电位；所述控制模块2的输出电压|V_G1|大于或等于所述泄放晶体管14的阈值电压|V_th|，输出电压|V_G2|小于所述泄放晶体管14的阈值电压|V_th|。本实施例中所述控制模块的输出电压|V_G1|的取值为为0.7V、1.8V或3.3V，但并不限于此，在其它实施例中亦可选取其它值。

需要进一步说明的是，本实施例中所述控制模块2为比较器，根据浮动扩散区11的电压V_FD与参考电位V_ref的比较结果，控制输出电压。但并不限于此，在其它实施例中亦可选为模数转换模块、选择器模块、模数转换模块与选择器模块的结合、比较器与模数转换器的结合、或者其它能够实现V_ref和V_FD电压比较功能的电路模块都是本发明所涉及的保护范围，上述可选控制模块的功能实现可根据现有技术中数模转换相关技术实现，在此不作赘述。

综上所述，本发明提供的具有控制模块和泄放晶体管的图像传感器中，所述控制模块可以检测浮动扩散区是否饱和，从而选择性的输出泄放晶体管的栅极电压，以控制所述泄放晶体管的开关状态及打开程度。该结构可以使CMOS图像传感器的光学传感区在不同的光照条件时具有不同的输出载流子总量，从而提高了CMOS图像传感器的动态范围。

此外，本发明提供一具有高动态范围的CMOS图像传感器的工作方法，如图2所示为所述图像传感器的工作方法流程图，所述工作方法包括以下步骤：

S1：外部总线向所述复位晶体管13发出复位信号Reset，将所述浮动扩散区11复位到一固定电压值V_d；然后对所述光学传感区10进行曝光，并同时将所述转移晶体管14打开，以将所述光学传感区10收集的光生载流子转移到所述浮动扩散区11中，此时浮动扩散区11具有电位V_FD。所述控制模块2比较浮动扩散区电压V_FD与参考电压V_ref值，如果V_FD≥V_th，则直接进行正常的读出，所述控制模块2无输出信号或输出一电压V_G2，使所述泄放晶体管14截止。否则，判定所述光学传感区10饱和，则进入下一步骤。

本领域技术人员所熟知的是，一般晶体管的阈值电压为0.7V，因此本发明中所述控制模块2输出的电压V_G2小于0.7V时认为所述泄放晶体管14是关闭的。但并不限于此，由于晶体管工艺差别可能造成其阈值电压稍有差别，因此本发明的的电压V_G2的值也随晶体管阈值电压的改变而变化。

S2：所述光学传感区10饱和时，将所述转移晶体管12关闭，此时控制模块2输出V_G1电压打开所述泄放晶体管14，并重复步骤S1。

S3：将所述转移晶体管12关闭，并提高所述控制模块2的输出电压V_G1到V_G11，该步骤中V_G11的电压值暂取为1.8V，但并不限于此，在其它实施例中亦可取其它值，例如1V、1.5V、2V、或2.5V等，以更大程度的打开所述泄放晶体管14，从而泄放过多的光生载流子，并重复步骤S1。

S4：将所述转移晶体管12关闭，并提高所述控制模块2输出电压V_G11到V_G12，以将所述泄放晶体管14处于几乎完全打开状态，接着进入步骤S1。本实施例中V_G12的值暂选为3.3V，该值通常足以将晶体管完全打开，但并不限于此，在其它实施例中亦可选用其它值。

需要说明的是，所述复位电压值V_d与所述参考电压V_ref的关系式为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_d-\frac{Q}{C},$

其中，V_d为工作时的电源电压，Q为所述浮动扩散区10的满阱容量，C为所述浮动扩散区10的等效电容。

由上可知，一个特定的CMOS传感器的像素结构，其复位电压值和参考电压值均为定值。

综上所述，本发明提供的一种具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法中，该图像传感器具有一控制模块和泄放晶体管，该控制模块可以检测浮动扩散区是否饱和，从而选择性的输出泄放晶体管的栅极电压，以控制所述泄放晶体管的开关状态及打开程度；此外，所述图像传感器的工作方法为通过所述控制模块通过比较参考电位V_ref和浮动扩散区的电压值V_FD，来判定所述浮动扩散区是否饱和，并根据饱和程度选择性地输出不同的电压值作为所述泄放晶体管的栅压；所述栅压控制该泄放晶体管的打开程度，以将所述光学传感区的光生载流子部分泄放掉，从而提高了所述图像传感器的动态范围。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 (10)

1.一种CMOS图像传感器，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的转移晶体管、以及连接所述浮动扩散区的复位晶体管，其特征在于，所述图像传感器还包括：

控制模块，具有第一输入端、第二输入端以及输出端；所述第一输入端连接一参考电位V_ref；所述第二输入端连接所述浮动扩散区，该第二输入端的电位即为所述浮动扩散区的电位V_FD；

泄放晶体管，其栅极与所述控制模块的输出端相连接，其源极连接所述光学传感区，其漏极连接所述衬底；

当浮动扩散区的电位V_FD小于参考电位V_ref时，所述控制模块输出一电压V_G1，使所述泄放晶体管导通或部分导通；

当浮动扩散区的电位V_FD大于或等于参考电位V_ref时，所述控制模块无输出信号或输出一电压V_G2，使所述泄放晶体管截止；

所述参考电位V_ref大于或等于所述浮动扩散区饱和时的电位。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述光学传感区为PN结形成的感光二极管、PIN二极管或光门。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述控制模块为模数转换模块、比较器、或多路选择器。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述控制模块的输出电压|V_G1|大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|，输出电压|V_G2|小于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|。

5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述控制模块的输出电压|V_G1|为0.7V、1.8V或3.3V。

6.一种如权利要求1所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括：

1)将所述浮动扩散区复位到一电压值V_d后，对所述光学传感区进行曝光，然后将转移晶体管打开；

2)所述控制模块比较浮动扩散区电压V_FD与参考电压V_ref的值，如果V_FD≥V_ref，则直接进行正常的读出，所述控制模块无信号输出，或输出一电压V_G2以关闭所述泄放晶体管；否则如果V_FD＜V_ref,则判定所述光学传感区饱和；接着将所述转移晶体管关闭，此时控制模块输出一电压V_G1使所述泄放晶体管导通或部分导通；所述参考电位V_ref大于或等于所述浮动扩散区饱和时的电位；

3)重复步骤1)、步骤2)至V_FD≥V_ref，并进行读出。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述电压|V_G2|小于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|，所述|V_G1|大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压|V_th|。

8.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于：在所述步骤3)中，所述控制模块比较浮动扩散区电压V_FD与参考电压V_ref值，如果仍然V_FD＜V_ref，则判定所述光学传感区仍饱和；接着将转移晶体管关闭，所述控制模块输出电压V_G11，且|V_G11|>|V_G1|，并重复步骤1)、步骤2)至V_FD≥V_ref。

9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述泄放晶体管的输出电压|V_G1|为0.7V、1.8V或3.3V，|V_G11|为1.8V或3.3V。

10.根据权利要求6或8所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述参考电位V_ref为：

$V_{ref}=V_d-\frac{Q}{C},$

其中，V_d为电路工作电源电压，Q为所述浮动扩散区的满阱容量，C为所述浮动扩散区的等效电容。