专利名称：Cmos图像传感器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像传感器，特别是涉及一种具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法。
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CXD (Charge CoupledDevice,电荷稱合兀件)和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件)两大类。CXD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。CXD图像传感器和CMOS图像传感器都是采用光电二极管收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的电荷。对于这种采用光电二极管的图像传感器，当没有入射光时仍然有输出电流，即“暗电流”，来自光电二极管的暗电流可能作为被处理图像中的噪声出现，从而减低画面质量。因此暗电流的大小是表征传感器性能的重要参数之一。目前，用于CMOS图像传感器的光电探测器主要有光电二极管和光栅晶体管两类。光电二极管具有版图结构简单、均匀性良好，填充系数大，以及增益高等优点，因而被广泛使用。但是基于标准CMOS工艺制作的光电二极管存在较大的PN结漏电流，因而存在噪声大，灵敏度低以及动态范围小的问题。动态范围是另外一个重要参数，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。为了得到较高的动态范围，一般集中在对浮动扩散区容量或光学传感区阱容量的提高上，但通过控制电路模块来提高动态范围的方法比较少见。鉴于此，如何提出一种CMOS图像传感器，在不改变现有标准CMOS工艺的条件下得到较高的动态范围，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高动态范围的CMOS图像传感器及其工作方法，用于解决现有技术中工艺改进复杂以及动态范围小的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的转移晶体管、以及连接所述浮动扩散区的复位晶体管，所述图像传感器还包括控制模块，具有第一输入端、第二输入端以及输出端；所述第一输入端连接一参考电位Vref ;所述第二输入端连接所述浮动扩散区，且第二输入端的电位即为所述浮动扩散区的电位Vfd ；泄放晶体管，其栅极与所述控制模块的输出端相连接，其源极连接所述光学传感区，其漏极连接所述衬底；当浮动扩散区的电位Vfd小于参考电位VMf时，所述控制模块输出一电压Vei，使所述泄放晶体管导通或部分导通；当浮动扩散区的电位Vfd大于或等于参考电位Vref时，所述控制模块无输出信号或输出一电压ve2，使所述泄放晶体管截止。可选地，所述光学传感区为PN结形成的感光二极管、PIN 二极管或光门。所述控制模块为模数转换模块、比较器、或多路选择器。可选地，所述参考电位V,ef大于或等于所述浮动扩散区饱和时的电位。可选地，所述控制模块的输出电压|Vei|大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压IVthI,输出电压vG2小于所述泄放晶体管的阈值电压IVthI。可选地，所述控制模块的输出电压Vgi为O. 7V、1.8V或3. 3V。此外，本发明还提供上述CMOS图像传感器的工作方法，所述工作方法包括I)将所述浮动扩散区复位到一电压值Vd后，对所述光学传感区进行曝光，然后将转移晶体管打开；2)所述控制模块比较浮动扩散区电压Vfd与参考电压Vref值，如果Vfd彡Vref,则直接进行正常的读出，所述控制模块无信号输出，或输出一电压Ve2以关闭所述泄放晶体管；否则如果vFD<vMf，则判定所述光学传感区饱和；接着将转移晶体管关闭，此时控制模块输出一电压Vei使所述泄放晶体管导通或部分导通；3)重复步骤I)、步骤2)至Vfd彡Vref,并进行读出。可选地，所述电压Ive2I小于所述泄放晶体管的阈值电压|vth|，所述IveiI大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压IVthU可选地，在所述步骤3)中，所述控制模块比较浮动扩散区电压Vfd与参考电压Vref值时，如果仍然Vfd < VMf，则判定所述光学传感区仍饱和；接着将转移晶体管关闭，所述控制模块输出电SVen，且IvenI^vei I，并重复步骤I)、步骤2)至Vfd ^ Vref0可选地，所述泄放晶体管的输出电压|Vei|为O. 7V、1.8V或3. 3V，IVenI为1.8V或3. 3V。可选地，所述参考电位V,ef为
权利要求
1.一种CMOS图像传感器，至少包括一衬底，形成于所述衬底上的光学传感区、浮动扩散区、连接于所述光学传感区与浮动扩散区之间的转移晶体管、以及连接所述浮动扩散区的复位晶体管，其特征在于，所述图像传感器还包括 控制模块，具有第一输入端、第二输入端以及输出端；所述第一输入端连接一参考电位Vref;所述第二输入端连接所述浮动扩散区，该第二输入端的电位即为所述浮动扩散区的电位V ； 泄放晶体管，其栅极与所述控制模块的输出端相连接，其源极连接所述光学传感区，其漏极连接所述衬底； 当浮动扩散区的电位Vfd小于参考电位Vm时，所述控制模块输出一电压Vei，使所述泄放晶体管导通或部分导通； 当浮动扩散区的电位Vfd大于或等于参考电位Vref时，所述控制模块无输出信号或输出一电压\2，使所述泄放晶体管截止。
2.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器，其特征在于所述光学传感区为PN结形成的感光二极管、PIN 二极管或光门。
3.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器，其特征在于所述控制模块为模数转换模块、比较器、或多路选择器。
4.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器，其特征在于所述参考电位VMf大于或等于所述浮动扩散区饱和时的电位。
5.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器，其特征在于所述控制模块的输出电压Ivgi大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压|va|，输出电压|vG2小于所述泄放晶体管的阈值电压IvthU
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于所述控制模块的输出电压Vgi 为 O. 7VU. 8V 或 3. 3V。
7.—种如权利要求I 6中任一项所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括 1)将所述浮动扩散区复位到一电压值Vd后，对所述光学传感区进行曝光，然后将转移晶体管打开； 2)所述控制模块比较浮动扩散区电压Vfd与参考电压VMf的值，如果Vfd^ Vref,则直接进行正常的读出，所述控制模块无信号输出，或输出一电压Ve2以关闭所述泄放晶体管；否则如果VFD<VMf，则判定所述光学传感区饱和；接着将所述转移晶体管关闭，此时控制模块输出一电压Vei使所述泄放晶体管导通或部分导通； 3)重复步骤I)、步骤2)至Vfd彡VMf，并进行读出。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述电压|Ve2小于所述泄放晶体管的阈值电压IVthI，所述IveiI大于或等于所述泄放晶体管的阈值电压IvthU
9.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于在所述步骤3)中，所述控制模块比较浮动扩散区电压Vfd与参考电压Vref值，如果仍然Vfd < Vref,则判定所述光学传感区仍饱和；接着将转移晶体管关闭，所述控制模块输出电压Ven，且IvenIyveiI,并重复步骤I)、步骤2)至Vfd彡Vref。
10.根据权利要求7或9所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述泄放晶体管的输出电压I Vgi I为O. 7V、I. 8V或3. 3V, | Vgu |为I. 8V或3. 3V。
11.根据权利要求7或9所述的CMOS图像传感器的工作方法，其特征在于，所述参考电位VMf为
全文摘要
本发明提供一种CMOS图像传感器及其工作方法，所述图像传感器包括衬底以及在所述衬底上形成的光学传感区、浮动扩散区、转移晶体管、复位晶体管以及泄放晶体管，该图像传感器还具有一控制模块。此外，所述图像传感器的工作方法为所述控制模块通过比较参考电位Vref和浮动扩散区的电压值VFD，来判定所述浮动扩散区是否饱和，并根据饱和程度选择性地输出不同的电压值作为所述泄放晶体管的栅压，以控制该泄放晶体管的开关状态和打开程度，从而将所述光学传感区过多的光生载流子泄放掉，提高了所述图像传感器的动态范围。
文档编号H04N5/351GK102843524SQ20121036279
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者苗田乐, 方娜, 田犁, 汪辉, 陈杰 申请人:上海中科高等研究院