[发明专利]高动态范围图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，特别是涉及一种高动态范围的图像传感器。

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CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

CCD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传感器具有高度集成化、成本低、功耗低。单一工作电压、局部像素可编程随即读取等优点，可适用与数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域。

CCD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。

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。随着应用的需要，CMOS图像传感器的动态范围有待进一步提高。一般，摄像场景有较宽的照度范围（约120dB），而典型的CMOS有源像素图像传感器的动态范围（约65～75dB）难于满足宽动态范围应用的需要，因而，近年来，如何提高CMOS图像传感器的动态范围成为研究的热点。

为了得到较高的动态范围，一般集中在对浮动扩散区容量的提高上或光学传感区阱容量的提高上，但对两者同时进行改进以提高动态范围的方法比较少见。本发明从提高光学传感区容量和浮动扩散区容量两方面同时入手，可以很明显的提高图像传感器的动态范围，而又不增加光学传感区容量和浮动扩散区的面积，保持了图像传感器的高集成度和低的暗电流水平。

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高动态范围的图像传感器，用于解决现有技术中提高动态范围工艺复杂以及暗电流大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的高动态范围图像传感器，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第一转移晶体管，所述图像传感器还包括：

第一电容，与所述光学传感区并联；在所述光学传感区曝光时，所述第一电容存储部分该光学传感区产生的光生载流子；

第二电容，与所述浮动扩散区并联；在从所述光学传感区向所述浮动扩散区转移电荷时，所述第二电容存储部分转移的电荷。

可选地，所述光学传感区为PN结感光二极管、PIN感光二极管或光门。

可选地，所述图像传感器还包括源跟随晶体管、复位晶体管和行选择晶体管；所述源跟随晶体管的栅极与所述浮动扩散区、第二电容以及复位晶体管的源极相连接；所述源跟随晶体管及复位晶体管的漏极连接电源电压Vd；所述行选择晶体管的漏极连接所述源跟随晶体管的源极，该行选择晶体管的源极作为信号输出端。

可选地，所述图像传感器还包括第二转移晶体管，连接于所述第一电容和所述光学传感区之间。

可选地，所述图像传感器还包括一时序控制单元，分别向所述第二转移晶体管的栅极、复位晶体管的栅极、第一转移晶体管的栅极以及行选择晶体管的栅极输出时序控制信号，控制第一转移晶体管、第二转移晶体管、行选择晶体管以及复位晶体管选通或关闭。

可选地，所述图像传感器还包括与所述第一电容、第二电容并联的一个或多个电容。

可选地，所述图像传感器具有三种工作模式：第一工作模式下，所述第二转移晶体管始终关闭，处于截止工作状态；第二工作模式下，所述第二转移晶体管始终打开，处于导通工作状态；第三工作模式下，所述光学传感区曝光过程中，所述第二转移晶体管打开，而当所述第一传转移晶体管打开进行像素读出时，该第二转移晶体管关闭。