[发明专利]CMOS图像传感器的像素单元及CMOS图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的像素单元及CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器的作用是将光学图像转化为相应的电信号。图像传感器分为互补金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor imagesensor，简称CMOS传感器)和电荷耦合器件图像传感器（Charge-coupledDevice image sensor，简称CCD图像传感器）。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。

全局快门像素技术是指成像阵列中的所有像素都会同时开始或停止曝光。传统上，全局快门像素技术主要用于CCD图像传感器。由于CMOS图像传感器的不断普及，且由于机器视觉、电影制作、工业、汽车和扫描应用要求必须以高图像品质捕捉快速移动的物体，图像传感器供应商已经致力于克服在CMOS图像传感器上使用全局快门像素技术的相关传统障碍。对于CMOS图像传感器来说，全局快门实施方案包括有增加像素级存储器。

请参考图1，现有的全局快门CMOS图像传感器的像素单元具有如图1所示的俯视结构，在一个像素单元中，包括有一个将光信号转化为电信号的光电转换元件例如光电二极管PD，一个用于存储电荷的电荷存储元件如存储二极管SD，一个接收来自电荷存储元件的电荷的浮置扩散区FD，其中，在光电二极管PD和存储二极管SD之间设置有传第一传输晶体管GS，在存储二极管SD和浮置扩散区FD之间设置有第二传输晶体管Tx，并且，在图1中光电二极管PD左侧还包括有第一复位晶体管GR，在浮置扩散区FD右侧还包括有第二复位晶体管Rx。请参考图2，图2为根据图1所示的像素单元电路信号的时序图。从图2中可以看出，现有的CMOS图像传感器的像素单元工作过程是：第一复位晶体管GR打开（对应图中的高电位），使得光电二极管PD可以将上一工作周期残留的电荷移除，从而使得光电二极管PD自身回复到高电位，然后关闭第一复位晶体管GR。在第一复位晶体管GR关闭的时间内，首先光电二极管PD进行曝光以积累电荷，这段时间为电荷积分时间T2。然后曝光停止，此时第一传输晶体管GS即打开，以将光电二极管PD中积累的电荷传输到存储二极管SD中。电荷一旦从光电二极管PD传输到存储二极管SD中，第一传输晶体管GS即关闭，此时，要准备将电荷从存储二极管SD传输到浮置扩散区FD，但是在开始传送之前，必须对浮置扩散区FD进行复位，以防止噪声。所以此时要打开第二复位晶体管Rx，将浮置扩散区FD复位之后，再将第二复位晶体管Rx关闭，随即打开第二传输晶体管Tx，使得电荷从存储二极管SD传输到浮置扩散区FD，浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过输出端Output读出，该读出的压降即为输出信号。为了保证能够连接不断进输出信号，在下一周期电荷积分时间T2结束之前，必须完成对浮置扩散区FD的复位以及电荷从存储二极管SD到浮置扩散区FD的传输，正如图2中所示，电荷积分时间T2（此处的电荷积分时间T2是指可用于电荷积分的最大时间范围，实际电荷积分时间可以在该范围内选择任意值）大于或者等于第二复位晶体管Rx打开一次的时间加第二传输晶体管Tx打开一次的时间。通常第二传输晶体管Tx打开一次的时间较长，这就使得电荷积分时间T2较长，因而整个像素单元的工作周期T1也就较长，这意味着CMOS图像传感器的速度较慢。由于第二传输晶体管Tx限制了图像传感器的速度，因此即使缩短实际电荷积分时间，也无法提高图像传感器的整体速度，因此不适用于拍摄高速运动的物体。

发明内容

为解决背景技术中提到的现有CMOS图像传感器的像素单元工作周期长，不能很好地运用于拍摄高速运动的物体的问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器的像素元件，包括：

用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；

用于存储由所述光电转换元件所产生电荷的多个电荷存储元件，所述电荷存储元件彼此间相互并联；

用于接收来自相互并联的所述电荷存储元件的电荷的浮置扩散区；

每个所述光电转换元件与所述电荷存储元件之间设置有第一传输晶体管；

每个所述电荷存储元件与所述浮置扩散区之间设置有第二传输晶体管。