CN102394239A - Cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供3T、4T式CMOS图像传感器。3T式CMOS图像传感器的像素单元包括：光电转换元件；用于执行复位功能且分别位于光电转换元件两侧的第一、第二复位晶体管；用于检测光电转换元件产生的电信号的浮置扩散区；与浮置扩散区连接以将检测到的电信号进行放大的源跟随晶体管；用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管。4T式CMOS图像传感器在3T式CMOS图像传感器的基础上还包括用于将光电转换元件内部电荷转移至浮置扩散区的传输晶体管。本发明通过增设一复位晶体管，能保证光电转换元件内部残余电荷能被完全清除，解决了现有技术中光电转换元件内部残余电荷无法完全清除的问题，从而能获得较好的图像处理效果。

Description

CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。目前，传统的图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器、互补金属氧化物(CMOS)图像传感器。由于CMOS图像传感器具有低功耗和高信噪比的优点，因此在图像传感器领域应用比较广泛。

CMOS图像传感器通常分为3T式图像传感器、4T式图像传感器，由于3T式图像传感器与4T式图像传感器的基本原理相同，下面以图1所示的4T式图像传感器的像素单元的电路图(同时可参照图2，图2为图1所示图像传感器像素单元局部结构的剖视图)为例，对4T式图像传感器的结构及其工作原理进行说明。

如图1所示，4T式CMOS图像传感器包括：用于将光信号转化为电信号的光电二极管PD、用于将光电二极管PD内部电荷转移至浮置扩散区FD的传输晶体管M1、用于执行复位功能的复位晶体管M2、与浮置扩散区FD连接以将检测到的电信号进行放大的源跟随晶体管M3、用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管M4。如图2所示，传输晶体管M1位于光电二极管PD与复位晶体管M2之间，传输晶体管M1与复位晶体管M2之间形成有浮置扩散区FD，浮置扩散区FD分别用作传输晶体管M1的漏极、复位晶体管M2的源极，光电二极管PD与浮置扩散区FD之间的阱区用作传输晶体管M1的沟道。4T式CMOS图像传感器的工作原理为：首先，在光电二极管PD接受光照之前，将像素单元上次图像处理后残留在光电二极管PD内部的电荷清除，以避免残留在光电二极管PD内部的电荷混入下一次图像信息中，具体做法如下：向复位晶体管M2输入复位信号Reset，以控制复位晶体管M2开启，此时浮置扩散区FD被置于高电位，传输晶体管M1开启，则传输晶体管M1的沟道导通，位于高电位状态下的浮置扩散区FD会产生电场，在电场的作用下光电二极管PD内部积累的电荷会通过传输晶体管M1的沟道运动至浮置扩散区FD，以达到清除光电二极管PD残留电荷的目的。一段时间之后，控制复位晶体管M2关闭，此时，传输晶体管M1也会关闭。然后，使光电二极管PD开始接受光照，接受光照之后，光电二极管PD会产生电荷，随着光照时间加长，光电二极管PD产生的电荷越来越多。向传输晶体管M1输入信号Tx，控制传输晶体管M1开启，则传输晶体管M1的沟道导通，光电二极管PD产生的电荷通过传输晶体管M1的沟道运动至浮置扩散区FD。浮置扩散区FD接收电荷之后其电压值会发生变化，通过源跟随晶体管M3，这个电压变化值在选择晶体管M4的输出端out被读取，此读取的电压变化值即为像素单元输出信号。

如上所述，在CMOS图像传感器的像素单元进行下一次图像处理之前需将光电转换元件内部积累的电荷清除，以避免电荷会混入下次图像信息中，造成图像信息出错或图像信息失真等后果。但是，上述CMOS图像传感器在实际工作过程中常常会出现这样一种不良后果：光电转换元件内部积累的电荷不能被完全清除，以致产生图像信息出错或图像信息失真等缺陷。尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸比较大时，这种缺陷会更为严重或发生频率更为频繁。

发明内容

本发明要解决的问题是CMOS图像传感器的光电转换元件内部残余的电荷不能完全被清除，以致造成图像信息出错或图像信息失真等后果。

为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器，其包括若干像素单元，至少一个所述像素单元包括：

用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；

用于执行复位功能且分别位于所述光电转换元件两侧的第一复位晶体管、第二复位晶体管；

用于检测所述光电转换元件产生的电信号的浮置扩散区；

与所述浮置扩散区连接以将检测到的所述电信号进行放大的源跟随晶体管；

用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管；

所述光电转换元件的阴极与所述第一复位晶体管的源极、第二复位晶体管的源极连接；

所述第一复位晶体管的源极与所述源跟随晶体管的栅极连接；

所述源跟随晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接；

所述选择晶体管的源极作为像素单元输出信号的输出端。

可选的，所述像素单元形成在半导体衬底的外延层上。

可选的，所述光电转换元件为埋藏型光电二极管，其包括：用作光电二极管阴极的第一掺杂区、位于所述第一掺杂区上并用作光电二极管阳极的第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反。

可选的，所述第二复位晶体管包括第二复位晶体管的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区，所述光电转换元件的第一掺杂区用作第二复位晶体管源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极连接。

可选的，所述浮置扩散区设置在所述光电转换元件与所述第一复位晶体管之间，并与所述光电转换元件的第一掺杂区连接，所述浮置扩散区用作所述第一复位晶体管源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第一复位晶体管的源极连接。

为解决上述问题，本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括若干像素单元，至少一个所述像素单元包括：

用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；

用于执行复位功能且分别位于所述光电转换元件两侧的第一复位晶体管、第二复位晶体管；

用于检测所述光电转换元件产生的电信号的浮置扩散区；

用于将所述光电转换元件内部电荷转移至所述浮置扩散区的传输晶体管；

与所述浮置扩散区连接以将检测到的所述电信号进行放大的源跟随晶体管；

用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管；

所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极及所述传输晶体管的源极连接；

所述传输晶体管的漏极与所述第一复位晶体管的源极连接；

所述第一复位晶体管的源极与所述源跟随晶体管的栅极连接；

所述源跟随晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接；

所述选择晶体管的源极作为像素单元输出信号的输出端。

可选的，所述像素单元形成在半导体衬底的外延层上。

可选的，所述光电转换元件为埋藏型光电二极管，其包括：用作光电二极管阴极的第一掺杂区、位于所述第一掺杂区上并用作光电二极管阳极的第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反。

可选的，所述第二复位晶体管包括第二复位晶体管的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区，所述光电转换元件的第一掺杂区用作第二复位晶体管源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极连接。

可选的，所述传输晶体管设置在所述光电转换元件与所述第一复位晶体管之间。

可选的，所述光电转换元件的第一掺杂区用作所述传输晶体管的源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述传输晶体管的源极连接。

可选的，所述浮置扩散区设置在所述传输晶体管与所述第一复位晶体管之间，所述浮置扩散区分别用作所述传输晶体管的漏极、所述第一复位晶体管的源极，以实现所述传输晶体管的漏极与所述第一复位晶体管的源极连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

传统CMOS图像传感器的像素单元只有一个复位晶体管，复位时无法将光电转换元件内部残余电荷完全清除，造成下一次图像处理时出现图像失真等缺陷。本发明中的CMOS图像传感器的像素单元中增设一复位晶体管，即像素单元中有两个复位晶体管，并使两个复位晶体管位于光电转换元件的两侧，这样，图像传感器复位时能保证光电转换元件内部残余电荷能被完全清除，解决了现有技术中光电转换元件内部残余电荷无法完全清除的问题，从而能获得较好的图像处理效果。尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸较大时这种优势更为明显。

附图说明

图1是现有一种4T式CMOS图像传感器的像素单元的电路图。

图2是图1所示图像传感器的像素单元局部结构的剖视图。

图3是本发明CMOS图像传感器的实施例一中CMOS图像传感器的像素单元的电路图。

图4是图3所示图像传感器的像素单元局部结构的剖视图。

图5是本发明CMOS图像传感器的实施例二中CMOS图像传感器的像素单元的电路图。

图6是图5所示图像传感器的像素单元局部结构的剖视图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有CMOS图像传感器在实际工作过程中经常会产生这样一种不良后果：光电转换元件内部残余的电荷不能被完全清除，以致产生图像信息出错或图像信息失真等缺陷。尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸比较大时，这种缺陷会更为严重或发生频率更为频繁。发明人经过分析后发现产生这种后果的原因是：结合图1(现有一种4T式CMOS图像传感器的像素单元的电路图)、图2(现有一种图像传感器的像素单元局部结构的剖视图)所示，向复位晶体管M2输入复位信号Reset以控制复位晶体管M2开启，此时浮置扩散区FD被置于高电位，传输晶体管M1开启，因此传输晶体管M1的沟道导通，位于高电位状态下的浮置扩散区FD会产生电场，在电场的作用下光电二极管PD内部积累的电荷会通过传输晶体管M1的沟道运动至浮置扩散区FD，以达到清除光电二极管PD内部残留电荷的目的。但是，光电二极管PD中距离浮置扩散区FD越远位置(图2中光电二极管PD的左侧)，其电势就会越低，当光电二极管PD中某一位置的电势很低以致不能驱使光电二极管PD中的电荷运动时，此时即使复位晶体管M2有执行复位功能，光电二极管PD内部依然会有部分电荷残留在它的内部，而且像素单元进行下一次图像处理工作时，残留的电荷会混入图像信息中，以致造成图像信息出错或图像信息失真等缺陷。尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸较大时，光电二极管PD与浮置扩散区FD之间的距离就会较大，光电二极管PD中左侧位置的电势就会越低，以致不能驱使光电二极管PD中的电荷运动，从而产生电荷残留的问题。因此，当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸越大时这种缺陷会更为严重或发生频率更为频繁。

为能解决上述技术问题，本发明的大体思路是：在CMOS图像传感器的像素单元中增设一复位晶体管，即像素单元中有两个复位晶体管，并使两个复位晶体管位于光电转换元件的两侧，这样，当图像传感器复位时，能保证光电转换元件内部残余电荷能被完全清除(尤其能更好的清除光电转换元件两侧的电荷)，解决了现有技术中光电转换元件内部残余电荷无法完全清除的问题，尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸较大时这种优势更为明显。

本发明提供了两个实施例，其中实施例一是用来说明一种3T式CMOS图像传感器，实施例二是用来说明一种4T式CMOS图像传感器。下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图3是本发明一种3T式CMOS图像传感器的像素单元的电路图，图4是图3所示图像传感器的像素单元局部结构的剖视图。下面将图3与图4结合起来对实施例一进行详细说明。

3T式CMOS图像传感器由多个像素单元组成，如图3、图4所示，至少其中一个像素单元包括：用于将光信号转化为电信号的光电转换元件11；用于执行复位功能且分别位于光电转换元件11两侧的第一复位晶体管12、第二复位晶体管13；用于检测光电转换元件11产生的电信号的浮置扩散区FD、与浮置扩散区FD连接以将检测到的电信号进行放大的源跟随晶体管14；用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管15。

其中，图3所示的CMOS图像传感器的像素单元的电路图中第一复位晶体管12、第二复位晶体管13、源跟随晶体管14、选择晶体管15及光电转换元件11的连接关系如下：

光电转换元件11的阳极接地，其阴极连接第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的源极。第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的栅极接复位信号Reset，第一复位晶体管12的源极与源跟随晶体管14的栅极连接，第一复位晶体管12的漏极、第二复位晶体管13的漏极及源跟随晶体管14的漏极接高电平VDD。源跟随晶体管14的源极与选择晶体管15的漏极连接，选择晶体管15的栅极接选择信号Select，其源极作为输出端out。

下面对上述各晶体管及光电转换元件11的结构及其连接关系的实施方式进行说明。

在本实施例中，如图4所示，像素单元可形成在半导体衬底16的外延层17上，且外延层17进行了P型杂质掺杂，以形成各晶体管的沟道。外延层具有很多优点，如纯度高、晶格缺陷少等。因此，形成在外延层上的像素单元具有更好的电学性能。

光电转换元件11有多种，本实施例中优选为常用的埋藏型光电二极管(Burried Photodiode)。它包括：第一掺杂区111、位于第一掺杂区111上的第二掺杂区112。其中，第一掺杂区111用作光电二极管11的阴极，第二掺杂区112用作光电二极管11的阳极。第一掺杂区111的掺杂类型与第二掺杂区112的掺杂类型相反。本实施例中以包括N型杂质的第一掺杂区111、包括P型杂质的第二掺杂区112为例。

第一复位晶体管12、第二复位晶体管13分别位于光电二极管11的两侧。其中，第二复位晶体管13位于光电二极管11的一侧(图4中左侧)，以使其能够清除光电二极管11内部距离第一复位晶体管12较远位置的电荷。其包括第二复位晶体管13的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区132。为了实现图像传感器尺寸最小化等优点，可使光电二极管11的第一掺杂区111用作第二复位晶体管13的源极。并且，通过这种结构还可实现光电二极管11的阴极与第二复位晶体管13的源极连接。具有这种结构的第二复位晶体管13中，第三掺杂区132、光电二极管11分别位于第二复位晶体管13的栅极两侧。第三掺杂区132的掺杂类型与光电二极管11的第一掺杂区111的掺杂类型相同，第三掺杂区132及第一掺杂区111之间的外延层区域作为第二复位晶体管13的沟道。当第二复位晶体管13开启时，其沟道导通，光电二极管11内部的电荷可以通过此沟道运动至第三掺杂区132，从而将内部电荷清除。可通过以下方式将运动至第三掺杂区132的电荷导走：第三掺杂区132连接至金属互连线，金属互连线接地。

第一复位晶体管12位于光电二极管11的另一侧(图4中右侧)，且光电二极管11与第一复位晶体管12之间设置有浮置扩散区FD，以使光电二极管11内部的电荷可运动至浮置扩散区FD，从而实现第一复位晶体管12的复位功能。并且浮置扩散区FD与光电二极管11的第一掺杂区111连接，以使光电二极管11内部的电荷可以运动至浮置扩散区FD，从而使浮置扩散区FD可以检测光电二极管11产生的电信号。

为了将检测到的电信号进行放大，源跟随晶体管14与浮置扩散区FD需连接，具体来说，如图4所示，是源跟随晶体管14的栅极与浮置扩散区FD连接。为了实现图像传感器尺寸最小化等优点，可使浮置扩散区FD用作第一复位晶体管12的源极。并且，通过这种结构还可实现光电二极管11的阴极与第一复位晶体管12的源极连接，同时实现第一复位晶体管12的源极与源跟随晶体管14的栅极连接。光电二极管11内部的电荷可运动至浮置扩散区FD，浮置扩散区FD接收电荷之后其电压值会发生变化，因此源跟随晶体管14能检测浮置扩散区FD的电压变化，选择晶体管15通过源跟随晶体管14能读取此电压变化值并从其输出端out输出此电压变化值，以得到像素单元的输出信号。

上述3T式CMOS图像传感器的像素单元的工作原理如下：

在光电二极管11接受光照之前，将像素单元上次图像处理后残留在光电二极管11内部的电荷完全清除，以避免残留在光电二极管11的电荷混入下一次图像信息中，具体做法如下：向第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的栅极输入高电平复位信号Reset，以控制第一复位晶体管12、第二复位晶体管13开启，此时光电二极管11由于没有接受光照反向电流很小，使第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的源极电压接近于高电平VDD。由于源跟随晶体管14的栅极与第一复位晶体管12的源极连接，因此，源跟随晶体管14也开启。且由于源跟随晶体管14的栅极与浮置扩散区FD连接，因此，浮置扩散区FD也位于高电平状态，位于高电位状态下的浮置扩散区FD会产生电场，在电场的作用下光电二极管11内部距离浮置扩散区FD较近的电荷会运动至浮置扩散区FD；另一方面，由于第二复位晶体管13开启且位于高电平状态，光电二极管11内部距离浮置扩散区FD较远的电荷会通过第二复位晶体管13的沟道运动至第二复位晶体管13的第三掺杂区132，以达到完全清除光电二极管11内部残留电荷的目的。此时源跟随晶体管14的源极接近于高电平VDD，选择晶体管15的栅极接高电平选择信号Select，从而使选择晶体管15的源极输出端out的电压接近于高电平。

然后，光电二极管11开始接受光照，接受光照之后，光电二极管11会产生电荷，随着光照时间加长，光电二极管11产生的电荷越来越多，其反向电流越来越大，因此其阴极电压越来越低。此时，复位信号Reset控制第一复位晶体管12、第二复位晶体管13关闭。因此，源跟随晶体管14的源极电压及选择晶体管15的源极电压也随着减小，在选择晶体管15的源极输出端out读取其电压减小值，此电压减小值即为像素单元输出信号。

实施例二

图5是本发明一种4T式CMOS图像传感器的像素单元的电路图，图6是图5所示图像传感器的像素单元局部结构的剖视图。下面将图5与图6结合起来对实施例二进行详细说明。

4T式CMOS图像传感器由多个像素单元组成，如图5、图6所示，至少其中一个像素单元包括：用于将光信号转化为电信号的光电转换元件11；用于执行复位功能且分别位于光电转换元件11两侧的第一复位晶体管12、第二复位晶体管13；用于检测光电转换元件11产生的电信号的浮置扩散区FD；用于将光电转换元件11内部电荷转移至浮置扩散区FD的传输晶体管18；与浮置扩散区FD连接以将检测到的电信号进行放大的源跟随晶体管14；用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管15。

其中，图5所示的CMOS图像传感器的像素单元的电路图中第一复位晶体管12、第二复位晶体管13、源跟随晶体管14、选择晶体管15、传输晶体管18及光电转换元件11的连接关系如下：

光电二极管11的阳极接地，其阴极连接传输晶体管18的源极及第二复位晶体管13的源极。传输晶体管18的栅极接传输信号Tx，传输晶体管18的漏极连接第一复位晶体管12的源极。第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的栅极接复位信号Reset，第一复位晶体管12的源极与源跟随晶体管14的栅极连接，第一复位晶体管12的漏极、第二复位晶体管13的漏极及源跟随晶体管14的漏极接高电平VDD。源跟随晶体管14的源极与选择晶体管15的漏极连接，选择晶体管15的栅极接选择信号Select，其源极作为输出端out。

下面对上述各晶体管及光电转换元件11的结构及其连接关系的实施方式进行说明。

在本实施例中，如图6所示，像素单元可形成在半导体衬底16的外延层17上，且外延层17进行了P型杂质掺杂，以形成各晶体管的沟道。外延层具有很多优点，如纯度高、晶格缺陷少等。因此，形成在外延层上的像素单元具有更好的电学性能。

光电转换元件11有多种，本实施例中优选为常用的埋藏型光电二极管(Burried Photodiode)。它包括：第一掺杂区111、位于第一掺杂区111上的第二掺杂区112。其中，第一掺杂区111用作光电二极管11的阴极，第二掺杂区112用作光电二极管11的阳极。第一掺杂区111的掺杂类型与第二掺杂区112的掺杂类型相反。本实施例中以包括N型杂质的第一掺杂区111、包括P型杂质的第二掺杂区112为例。

第一复位晶体管12、第二复位晶体管13分别位于光电二极管11的两侧。其中，第二复位晶体管13位于光电二极管11的一侧(图6中左侧)，以使其能够清除光电二极管11内部距离第一复位晶体管12较远位置的电荷。其包括第二复位晶体管13的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区132。为了实现图像传感器尺寸最小化等优点，可使光电二极管11的第一掺杂区111用作第二复位晶体管13的源极。并且，通过这种结构还可实现光电二极管11的阴极与第二复位晶体管13的源极连接。具有这种结构的第二复位晶体管13中，第三掺杂区132、光电二极管11分别位于第二复位晶体管13的栅极两侧。第三掺杂区132的掺杂类型与光电二极管11的第一掺杂区111的掺杂类型相同，第三掺杂区132及第一掺杂区111之间的外延层区域作为第二复位晶体管13的沟道。当第二复位晶体管13开启时，其沟道导通，光电二极管11内部的电荷可以通过此沟道运动至第三掺杂区132，从而将内部电荷清除。可通过以下方式将运动至第三掺杂区132的电荷导走：第三掺杂区132连接至金属互连线，金属互连线接地。

第一复位晶体管12位于光电二极管11的另一侧(图6中右侧)。传输晶体管18设置在光电二极管11与第一复位晶体管12之间，以使光电二极管11内部的电荷可通过传输晶体管18，从而实现第一复位晶体管12的复位功能。在此结构基础上，为了实现图像传感器尺寸最小化等优点，可使光电二极管11的第一掺杂区111用作传输晶体管18的源极。并且，通过这种结构还可实现电二极管11的阴极与传输晶体管18的源极连接。

浮置扩散区FD设置在传输晶体管18与第一复位晶体管12之间，以使光电二极管11内部的电荷可通过传输晶体管18运动至浮置扩散区FD，从而使浮置扩散区FD可以检测光电二极管11产生的电信号。为了将检测到的电信号进行放大，源跟随晶体管14与浮置扩散区FD需连接，具体来说，如图6所示，是源跟随晶体管14的栅极与浮置扩散区FD连接。为了实现图像传感器尺寸最小化等优点，可使浮置扩散区FD分别用作传输晶体管18的漏极、第一复位晶体管12的源极。并且，通过这种结构还可实现传输晶体管18的漏极与第一复位晶体管12的源极连接，同时实现第一复位晶体管12的源极与源跟随晶体管14的栅极连接。

即，具有上述结构的传输晶体管18中，光电二极管11的第一掺杂区11、浮置扩散区FD分别用作传输晶体管18的源极、漏极，第一掺杂区11、浮置扩散区FD之间的外延层区域作为传输晶体管18的沟道。光电二极管11内部的电荷可通过传输晶体管18的沟道运动至浮置扩散区FD，浮置扩散区FD接收电荷之后其电压值会发生变化，因此源跟随晶体管14能检测浮置扩散区FD的电压变化，选择晶体管15通过源跟随晶体管14能读取此电压变化值并从其输出端输出此电压变化值，以得到像素单元的输出信号。

上述4T式CMOS图像传感器的像素单元的工作原理如下：

在光电二极管11接受光照之前，将像素单元上次图像处理后残留在光电二极管11内部的电荷完全清除，以避免残留在光电二极管11内的电荷混入下一次图像信息中，具体做法如下：向第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的栅极输入高电平复位信号Reset，以控制第一复位晶体管12、第二复位晶体管13开启，此时光电二极管11由于没有接受光照反向电流很小，使第一复位晶体管12、第二复位晶体管13的源极电压接近于高电平VDD，浮置扩散区FD也位于高电平状态。由于传输晶体管18的漏极与第二复位晶体管13的源极连接，因此，传输晶体管18也开启。位于高电位状态下的浮置扩散区FD会产生电场，在电场的作用下光电二极管11内部距离浮置扩散区FD较近的电荷会通过传输晶体管18的沟道运动至浮置扩散区FD；另一方面，由于第二复位晶体管13开启且位于高电平状态，光电二极管11内部距离浮置扩散区FD较远的电荷会通过第二复位晶体管13的沟道运动至第二复位晶体管13的第三掺杂区132，以达到完全清除光电二极管11内部残留电荷的目的。此时源跟随晶体管14的源极接近于高电平VDD，选择晶体管15的栅极接高电平选择信号Select，从而使选择晶体管15的源极输出端out的电压接近于高电平。

然后，光电二极管11开始接受光照，接受光照之后，光电二极管11会产生电荷，随着光照时间加长，光电二极管11产生的电荷越来越多，其反向电流越来越大，因此其阴极电压越来越低。复位信号Reset控制第一复位晶体管12、第二复位晶体管13关闭。此时，传输晶体管18也关闭，浮置扩散区FD依然位于高电平状态。当光电二极管11接受一段时间光照后，传输晶体管18的栅极接传输信号Tx以控制传输晶体管18开启。光电二极管11的内部电荷会通过传输晶体管18的沟道运动至浮置扩散区FD，使浮置扩散区FD的电压减小，因此，源跟随晶体管14的源极电压及选择晶体管15的源极电压也随着减小，在选择晶体管15的源极输出端out读取其电压减小值，此电压减小值即为像素单元输出信号。

需要说明的是，为了能更清楚的说明本发明，上述实施例中限定了外延层17、第一掺杂区111、第二掺杂区112的掺杂类型。在实际应用中，可根据需要对其掺杂类型作相应调整。另外，上述两个实施例中第一复位晶体管12、第二复位晶体管13、源跟随晶体管14、选择晶体管15、传输晶体管18的结构形式不应以本实施例中的结构为限定。其它的能实现上述晶体管及光电转换元件连接关系并能实现CMOS图像传感器功能的结构也在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

传统CMOS图像传感器的像素单元只有一个复位晶体管，复位时无法将光电转换元件内部残余电荷完全清除，造成下一次图像处理时出现图像失真等缺陷。本发明中的CMOS图像传感器的像素单元中增设一复位晶体管，即像素单元中有两个复位晶体管，并使两个复位晶体管位于光电转换元件的两侧，这样，图像传感器复位时能保证光电转换元件内部残余电荷能被完全清除，解决了现有技术中光电转换元件内部残余电荷无法完全清除的问题，从而能获得较好的图像处理效果。尤其是当CMOS图像传感器的像素单元的结构尺寸较大时这种优势更为明显。

上述通过实施例的说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。

Claims (12)

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括若干像素单元，至少一个所述像素单元包括：

用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；

用于执行复位功能且分别位于所述光电转换元件两侧的第一复位晶体管、第二复位晶体管；

用于检测所述光电转换元件产生的电信号的浮置扩散区；

与所述浮置扩散区连接以将检测到的所述电信号进行放大的源跟随晶体管；

用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管；

所述光电转换元件的阴极与所述第一复位晶体管的源极、第二复位晶体管的源极连接；

所述第一复位晶体管的源极与所述源跟随晶体管的栅极连接；

所述源跟随晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接；

所述选择晶体管的源极作为像素单元输出信号的输出端。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素单元形成在半导体衬底的外延层上。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电转换元件为埋藏型光电二极管，其包括：用作光电二极管阴极的第一掺杂区、位于所述第一掺杂区上并用作光电二极管阳极的第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反。

4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二复位晶体管包括第二复位晶体管的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区，所述光电转换元件的第一掺杂区用作第二复位晶体管的源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极连接。

5.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述浮置扩散区设置在所述光电转换元件与所述第一复位晶体管之间，并与所述光电转换元件的第一掺杂区连接，所述浮置扩散区用作所述第一复位晶体管的源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第一复位晶体管的源极连接。

6.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括若干像素单元，至少一个所述像素单元包括：

用于将光信号转化为电信号的光电转换元件；

用于执行复位功能且分别位于所述光电转换元件两侧的第一复位晶体管、第二复位晶体管；

用于检测所述光电转换元件产生的电信号的浮置扩散区；

用于将所述光电转换元件内部电荷转移至所述浮置扩散区的传输晶体管；

与所述浮置扩散区连接以将检测到的所述电信号进行放大的源跟随晶体管；

用于执行寻址功能并读取像素单元输出信号的选择晶体管；

所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极及所述传输晶体管的源极连接；

所述传输晶体管的漏极与所述第一复位晶体管的源极连接；

所述第一复位晶体管的源极与所述源跟随晶体管的栅极连接；

所述源跟随晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接；

所述选择晶体管的源极作为像素单元输出信号的输出端。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素单元形成在半导体衬底的外延层上。

8.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电转换元件为埋藏型光电二极管，其包括：用作光电二极管阴极的第一掺杂区、位于所述第一掺杂区上并用作光电二极管阳极的第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反。

9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二复位晶体管包括第二复位晶体管的栅极、用作第二复位晶体管漏极的第三掺杂区，所述光电转换元件的第一掺杂区用作第二复位晶体管的源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述第二复位晶体管的源极连接。

10.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述传输晶体管设置在所述光电转换元件与所述第一复位晶体管之间。

11.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光电转换元件的第一掺杂区用作所述传输晶体管的源极，以实现所述光电转换元件的阴极与所述传输晶体管的源极连接。

12.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述浮置扩散区设置在所述传输晶体管与所述第一复位晶体管之间，所述浮置扩散区分别用作所述传输晶体管的漏极、所述第一复位晶体管的源极，以实现所述传输晶体管的漏极与所述第一复位晶体管的源极连接。

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