[发明专利]金属氧化物半导体图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及双模金属氧化物半导体图像传感器技术。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。

现有的CMOS图像传感器根据其读出方式大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(Active Pixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。

PPS又称为被动式像素传感器，它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

PPS为最早出现的结构，如图1所示，它包括一个感光二极管(Photodiode)和一个行选(Row-select)晶体管，读出时，打开行选晶体管，电荷通过该列的积分器进行积分，最后将电压读出。

APS又称为主动式像素传感器，APS结构通常包括一个复位(Reset)晶体管、一个源跟随器(Source follower)、一个行选(Row-select)晶体管和一个感光二极管(Photodiode)(4T结构为Pinned Diode和一个传输管)。几乎在CMOS PPS像素传感器发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

感光二极管积累的电荷通常很小，很容易受到杂波干扰。对于PPS来说，像素内部没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样(固定图形噪波FPN)而影响整个图像的质量。而APS与PPS相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将感光二极管积累的电荷转换成电压进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填充因子(Fill factor)相对较低，填充因子是指像素上的感光区域相对于像素表面积的大小，一般在25％-35％之间。

APS读出方式具体又可以分为两种：V-APS和C-APS。如图2所示，V-APS方式是将像素电容上的电压读出；如图3所示，C-APS方式是将像素电容上的电荷读出并进行积分得到电压。

双模CMOS图像传感器通常包括C-APS和PPS两种读出方式，但本发明的发明人发现，现有技术中的双模CMOS图像传感器要么电路复杂，导致图像传感器的填充因子比较小，要么控制逻辑过于复杂。因此，目前亟需一种能够实现双模读取功能，可以有效提高图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单的图像传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属氧化物半导体图像传感器，可以有效地提高图像传感器的动态范围，并且电路结构和逻辑控制都比较简单。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种金属氧化物半导体图像传感器，包括：感光器件、第一金属氧化物半导体MOS管、第二MOS管、第三MOS管和积分电路；

感光器件的一端接地，另一端与第二MOS管的栅极连接，用于将光信号转换成电信号；

第一MOS管的栅极与第一控制信号连接，源漏极中的一极与第二MOS管的栅极连接，另一极与积分电路的输入端连接；

第二MOS管源漏极中的一极与偏置电压连接，另一极与积分电路的输入端连接；