[发明专利]CMOS图像传感器、像素单元及其控制方法

说明书

本发明实施例提供一种CMOS图像传感器、像素单元及其控制方法，像素单元包括适于输出第一帧模拟信号的全局曝光结构和扩展结构，扩展结构适于耦接全局曝光结构而输出第二帧模拟信号，并且包括第一控制晶体管、第三电容、第二控制晶体管、第四电容、第三控制晶体管、第五电容，其中，第三电容的存储容量大于第一存储节点的存储容量，第一控制晶体管使第三电容选择性地与第一存储节点并联。本发明实施例的技术方案扩展了像素单元的动态范围。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器、像素单元及其控制方法。

背景技术

图像传感器是一种将光信号转化成为电信号的半导体器件。图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器两大类。由于CMOS图像传感器具有功耗小、成本低、易于其它器件集成等优点，已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。

图像传感器的动态范围是图像传感器一项很重要的指标参数。动态范围表示图像传感器在同一幅图像中同时能探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围。一般用dB来表示，公式如下：

其中P_max表示可探测的最大光强，P_min表示可探测的最小光强。一般图像传感器的动态范围在60-70dB之间，人眼的动态范围在100-120dB之间，高动态范围图像传感器对于兼顾暗处细节和亮处细节非常重要。

图像传感器的满阱容量(Full Well Capacity，FWC)是指像素所能收集并容纳的最大的电子的数量。对于一般线性响应图像传感器来讲，可探测的最大光强对应满阱容量，最小光强对应图像底噪噪声电子数，所以动态范围也可用满阱容量/底噪噪声电子数来表示。一般来讲，图像传感器的满阱越大，动态范围越高。

CMOS图像传感器的像素单元通常包含一个光电二级管和多个晶体管，根据CMOS图像传感器的像素单元包含晶体管的数目，CMOS图像传感器的像素单元的全局曝光结构包括5晶体管(5T)型、8晶体管(8T)型、9晶体管(9T)型等。

如图1所示，5T型全局曝光CMOS图像传感器的像素单元由抗光晕晶体管(Anti-Blooming)、传输晶体管TX、复位晶体管RST、源跟随器晶体管SF(Source Follower)、行选择管SEL，共5个晶体管组成，还包括光电二极管PPD(Pinned Photodiode)、存储节点FD。

包括5T全局曝光结构的像素单元存在技术缺陷。例如，寄生光感效应大。5T全局曝光结构的像素单元使用FD点为信号暂存节点，这个节点通常是PN结，上面覆盖金属用来减小寄生光感效应。这个节点临近PPD，如果覆盖过金属面积过大，会遮盖到正常感光的PPD上，从而影响PPD的感光效果；5T全局曝光结构的像素单元，先读取复位模拟信号再读取曝光模拟信号，两次不是相关的采样，不能实现相关双采样，因此相减并不能消除掉复位噪声，输出图像的噪声很大。

为了克服上述技术缺陷，现有技术提供了包括两级源极跟随器(即第一级源极跟随器和第二级源极跟随器)的全局曝光结构，该全局曝光结构还包括光电转换元件、传输晶体管、复位晶体管、存储节点FD、第一电容和第二电容。这种全局曝光结构可以实现相关双采样，即，在像素单元曝光后，先读出存储节点FD的复位电平，再读出存储节点FD的采样电平，量化后，将复位量化数据和和采样量化数据相减，由于两次采样产生的复位噪声是相关的，因此可以消除复位噪声。

具有两级源极跟随器的全局曝光结构包括8T型全局曝光结构(其具有8个晶体管)和9T型全局曝光结构(其具有9个晶体管)等。

如图2所示，9T型全局曝光结构的像素单元由传输晶体管TX、复位晶体管RST、第一级源跟随器晶体管SF1、第二级源跟随器晶体管SF2、隔离晶体管AMS、放电晶体管Bias、开关晶体管SWR和SWS、行选择晶体管SEL，共9个晶体管组成，还包括光电二极管PPD、两个采样电容Cr、Cs。