[发明专利]实现高动态CMOS图像传感器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及实现高动态CMOS图像传感器的方法。

背景技术

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件一图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device image sensor，简称CCD图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor image sensor，简称CMOS图像传感器)。

现有的CMOS传感器的像素结构主要分为两种，分别为3T结构和4T结构。3T结构的像素每一个像素包括一个复位管、一个行选通管和一个源跟随管。4T结构的像素比3T结构的像素增加了一个传输管。对于4T像素结构，每一个像素总是需要一个传输管，传输管使像素的可控性更好，可以有效地降低热噪声和暗电流。

图1为现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图，参考图1，现有的4T结构的CMOS图像传感器包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4。4T结构图像传感器的工作原理为：传输晶体管M1用来将感光二极管PD的光生电荷传输到浮置扩散区FD，复位晶体管M2用来对浮置扩散区FD复位，源跟随晶体管M3用来将浮置扩散区FD的电信号放大输出。其工作过程是：复位晶体管M2开启，将浮置扩散区FD置为高电位；然后关断复位晶体管M2，打开传输晶体管M1，将感光二极管PD中的光生电荷传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out读出，该读出的压降即为输出信号。

在图像传感器的实际应用中，发现外界光强会因为天气、环境的变化而发生变化，特别是在外界环境变化比较频繁的场合，外界光强会频繁的发生变化。在外界光强较强时，光生电荷数量ΔQ也较多，如果浮置扩散区FD的结电容Cfd相对偏小，有可能无法容纳感光二极管所有的光生电荷，使信号丢失。并且浮置扩散区FD产生的压降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd过大，有可能会超出电路的设计范围。在外界光强较弱时，光生电荷数量ΔQ较少，如果浮置扩散区FD的结电容C_fd相对偏大，则浮置扩散区FD产生的压降ΔV_fd＝ΔQ/C_fd过小，使信号无法读出。这两种情况都会造成图像信号不稳定。

为了使CMOS图像传感器可以应用于高动态的环境，并且图像信号可以相对稳定，目前已有的解决方法是在4T结构中增加了电容Cs和晶体管M5，参考图2，该电容Cs与浮置扩散区FD自身的结电容Cj为并联关系，则总的浮置扩散区FD的电容Cfd＝Cs+Cj，电容Cs的开启通过晶体管M5控制。当外界光强较强时，可以控制M5开启，使电容Cs工作，此时ΔVfd＝ΔQ/(Cs+Cj)；当外界光强较弱时，可以控制M5关断，使电容Cs不工作，此时ΔVfd＝ΔQ/Cj，以此减小ΔVfd的波动范围，从而获得比较稳定的输出信号，使CMOS图像传感器可以工作在高动态环境下。

然而，在4T结构的CMOS图像传感器中增加晶体管M5和电容Cs会减小像素单元的填充率(fill factor)。现有技术中，有许多关于CMOS图像传感器的专利以及专利申请，例如2007年7月4日公开的公开号为CN1992305A的中国专利申请文件，然而均没有解决以上的技术问题。

发明内容

现有的发明解决的问题是现有技术中为了实现高动态CMOS图像传感器，而使在CMOS图像传感器像素单元的填充率减小。

为解决上述问题，本发明提供一种实现高动态CMOS图像传感器的方法，所述CMOS图像传感器为4T结构的CMOS图像传感器，包括复位晶体管、传输晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管，所述传输晶体管和复位晶体管之间为浮置扩散区，所述浮置扩散区位于阱区内；包括：