[发明专利]CMOS图像传感器

说明书

本发明提供一种CMOS图像传感器。所述CMOS图像传感器包括：PD，其阳极连接到地，其阴极连接到TG的源极；FD；Ca；所述TG，其源极连接到PD的阴极，其漏极连接到FD；SW，其源极连接到电源电压，其漏极连接到RS的源极和所述Ca；所述RS，其源极连接到SW的漏极和所述Ca，其漏极连接到所述FD；AMP，其栅极连接到所述FD，其源极连接到电源电压，其中PD设置在衬底上的第一行，所述AMP、SW和RS中的任意一种器件设置在衬底上的第二行，所述AMP、SW和RS的其余器件设置在衬底上的第三行。本发明的实现目的是缩小高动态范围像素的像素大小。

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及高动态范围互补型金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，简称CMOS)图像传感器及其像素结构。

背景技术

图1为一般CMOS图像传感器的像素电路的电路图；图2为所述像素电路设置在硅衬底表面上的俯视图。各缩写的含义如下：PD：光电二极管，用于将光转化为信号电子；TG：传输栅极，将信号电荷传递到FD；FD：浮动扩散器，其中信号电荷被转换为信号电压；Cfd：FD的电容；RS：重置栅极，用于设置FD的电压；AMP：放大器晶体管，将FD的信号电压转换为低阻抗输出信号；SL：选择器晶体管；ADC：模拟数字转换器。

图3为图1中像素电路的脉冲时序图；图4为所述像素电路设置在硅衬底上的沿着图2中A-B的横截面图；图5为与图3中的时序对应的电位图。参考图3至图5，在t1(TG和RS的第一脉冲的下降沿)时，PD中的电荷被清除并开始信号整合。Tint表示整合时段。如图3中左侧所示的波浪线，t1和t2之间的时间段比t2、t3和t4之间的时间段长得多。在t2附近时，信号电荷存储在PD中。在t3(RS的第二脉冲的下降沿)时，FD电压设置为基线电平，SL被导通，并且AMP将FD的信号电压转换为低阻抗输出信号。在ADC处，在通过导通TG(TG的第二脉冲)将信号电荷从PD传递到FD之后，将信号线电平转换为数字值作为基线电平(0_HG)(HG：高增益)，在t4时，将信号转换为数字值作为信号(Signal_HG)。从TG的第二脉冲的下降沿到ADC输出Signal_HG时需要一些时间。在这种结构中，信号电荷量受PD容量的限制，且所述电荷量不大。

图6为现有技术中放大信号电荷量的高动态范围CMOS图像传感器的像素电路。图7为设置在硅衬底表面上的像素电路的俯视图。如图6和图7所示，将SW和Ca添加到图1中的电路。各缩写的含义如下：SW：开关管，用于连接到RS并控制FD电容；Ca：附加电容。

图8为图6中像素电路的脉冲时序图；图9为所述像素电路设置在硅衬底上的沿着图7中A-B的横截面图；图10为与图8中的时序对应的电位图。例如，Ca由硅衬底上方的金属-绝缘体-金属电容器制成。参考图8至图10，在t1(TG的第一脉冲的下降沿)时，PD中的电荷被清除并开始信号整合。Tint表示整合时段。在t2附近时，信号电荷存储在PD、FD和Ca中。自t1之后，TG的栅极为低电平，RS的栅极为高电平，TG的阈值电平为高，RS的阈值电平为低，然后PD的溢出电荷通过TG从PD流向Ca和FD，如图10所示。信号被AD转换为LG(LG：低增益)信号，即ADC输出Signal_LG。然后清除Ca和FD处的信号，并且在t3时，FD电压被AD转换为HG信号的基线电平，即ADC输出0_HG。然后，将保留在PD处的信号传送到FD，并且在t4时，信号被AD转换为HG信号，即ADC输出Signal_HG。在该结构中，信号电荷量是PD和Ca的总容量。通过Ca获得大量的信号电荷。

比较图2和图7，由于附加的SW，使得高动态范围像素大于一般像素。

发明内容

提供了一种CMOS图像传感器，用于缩小高动态范围像素的像素大小。

根据第一方面，提供了一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括：