[发明专利]图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及大动态范围的图像传感器。

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。

动态范围是反应图像传感器的性能的重要参数之一，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。

因此，近年来，如何提高图像传感器的动态范围，提高图像质量，成为一个十分重要的课题。

目前有一些解决方案用于提高图像传感器的动态范围，例如采用电容耦合的方法来提高浮动扩散区（简称“FD区”）的电容。但这种方式的缺点在于需要长的设定时间，因此总体效果不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一图像传感器，使得能够更好地提高动态范围。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种图像传感器，置于半导体衬底表面，至少包括：第一感光结构、第二感光结构、开关晶体管、比较器、像素读出电路，其中：所述开关晶体管连接于所述第一感光结构和第二感光结构之间，用于控制所述第一感光结构和第二感光结构的连接状态；所述比较器的两输入端分别连接参考电位和第二感光结构，输出端连接所述开关晶体管栅极；所述像素读出电路与第二感光结构连接，读出感光信号。

优选地，所述第一感光结构、第二感光结构均为PN结感光晶体管，且第一感光结构、第二感光结构的N型掺杂区分别作为开关晶体管的两有源区。

优选地，所述第一感光结构的阱容量大于所述第二感光结构的阱容量。

优选地，所述第二感光结构的感光面积大于所述第一感光结构的感光面积。

优选地，所述参考电位为第二感光结构曝光饱和时的电压值。

优选地，所述第二感光结构的电位小于参考电位时，所述比较器输出高电平，所述开关晶体管导通；所述第二感光结构的电位大于或等于参考电位时，所述比较器输出低电平或无信号输出，所述开关晶体管截止。

优选地，所述像素读出电路读出感光信号时，所述开关晶体管的开关状态不发生改变。

优选地，所述像素读出电路为4T型像素读出电路，包括转移晶体管、放大器晶体管、复位晶体管和选择晶体管。

优选地，所述第二感光结构的N掺杂区作为所述转移晶体管的一有源区，所述转移晶体管的另一有源区为浮动扩散区。

优选地，所述浮动扩散区连接有并联电容。

本发明提供的图像传感器与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

由于有两个阱容量不同的感光结构进行互补，并且通过比较器在第二感光结构的光生电压达到预定门限时（对应强光的情况）接通两个感光结构，从而在强光下该图像传感器的感光结构具有更大的总体阱容量，防止饱和现象的发生，由此提高了图像传感器的动态范围的上限。

与此同时，由于第二感光结构阱容量较小，在较弱的光入射时产生更容易生产显著的光生电压，相对于第一感光结构（或者第一和第二感光结构连通的整体）对弱光检测能力更强，由此扩展了图像传感器的动态范围的下限。

具有较小阱容量的第二感光结构的感光面积还可以制备得比第一感光结构的感光面积大，从而进一步加强对弱光的检测能力。

附图说明

图1是本发明提供的图像传感器结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。