2 像素类型 (Pixel type)
2.1 被动像素 （Passive pixel）
最简单的Pixel结构只有一个PN结作为感光结构，以及一个与它相连的reset晶体管（RS）作为一个开关，如下图所示。
开始曝光前，像素的行选择地址会上电，于是RS使能，连通PN结与列选择器（column bus），同时列选择器会上电，使PN结上加高反向电压（如3.3 V），短暂延时后PN结内电子空穴对达到平衡，于是reset 操作完成，RS 信号失效，隔断PN结与column bus的连通。
开始曝光时，PN结内的硅在吸收光子激发出电子-空穴对。受PN结内电场的影响，电子会流向PN结的n+端，空穴会流向PN结的p-substrate。因此，曝光后的的PN结反向电压会降低。
曝光结束后，RS再次使能，读出电路会测量PN结内的电压，该电压与原反向电压之间的差值即正比于PN结接受到的光子数。
在读出感光信号后，会对PN结进行再次reset，准备下次曝光。
当sensor 控制逻辑需要读出阵列中的某个特定像素时，需要发出该像素的行地址和列地址，地址会被两个译码器（address decoder）解析并激活该像素所在的行选择线和列选择线，使该像素的PN结电容经过RS三级管连接到输出放大器上，如下图所示。
这种像素结构因为读出电路完全位于像素外面所以称为Passive Pixel，其优点是PN结可以独占像素面积，缺点是噪声较大，主要有2个原因：
PN结的电容小于读出电路上的电容，所以对电路噪声很敏感。
PN结的信号需要先读出才进行放大，因此读出电路的噪声会被一起放大。
当RS使能且列选择器通高电平时，在电路原理上相当于对PN结的电容进行充电，但是充电后得到的电压值却有一定的随机性，一方面每个PN结的实际电容大小会服从一定的概率分布，结与结之间存在固定的偏差，这会构成一种固定模式噪声（Fixed Pattern Noise, FPN）；另一方面由于电路中存在暗电流噪声，即使是同一个结每次充电后得到的实际电压也不完全一样，这就构成了另一种模式的噪声，它与PN结的结构、温度和结电容大小都有关，称为kTC噪声。
2.2 像素kTC噪声
在研究PN结的噪声特性时可将其简化为下图所示的由电阻电容形成的低通滤波网络。
可以证明，由电子热运动引起的宽带热噪声经PN结滤波后反应在结电容上的输出噪声功率用kT/C描述，其中T为PN结温度，C为结电容，k为常系数，因此合称kTC噪声。
2.3 主动像素 （Active pixel）
目前主流的CMOS传感器都采用Active Pixel 结构设计。下图所示的Active Pixel 结构称为3T结构，每个像素包含一个感光PN结和3个晶体管，即一个复位管RST，一个行选择器RS，一个放大器SF。
3T结构的经典版图设计如下所示。
3T结构的工作方式是，
复位。使能RST给PN结加载反向电压，复位完成后撤销RST。
曝光。与Passive Pixel 原理相同。
读出。曝光完成后，RS会被激活，PN结中的信号被SF放大后读出。
循环。读出信号后，重新复位，曝光，读出，不断输出图像信号。
基于PN结的Active Pixel 流行与90年代中期，它解决了很多噪声问题。但是由PN结复位引入的kTC噪声却并没有得到解决。
2.4 PPD结构
为了解决复位kTC噪声，减小暗电流，在3T结构之后又出现了PPD结构（Pinned Photodiode Pixel），包括一个PN结感光区和4个晶体管，所以也称4T结构，它在3T结构的基础上增加了一个TX三极管起控制电荷转移的作用。
PPD结构的经典版图设计如下所示。
另有高人的见解也值很得学习。
PPD的出现是CMOS性能的巨大突破，它允许相关双采样（CDS）电路的引入，消除了复位引入的kTC噪声，运放器引入的1/f噪声和offset噪声。 它的工作方式如下：
1. 曝光。
2. 复位。 曝光结束时使能RST，将读出区（n+区）复位到高电平。
3. 读复位电平。读出n+区的电平，其中包含运放的offset噪声，1/f噪声以及复位引入的kTC噪声，将读出的信号存储在第一个电容中。
4. 电荷转移。使能TX，将电荷从感光区完全转移到n+区准备读出，这里的机制类似于CCD中的电荷转移。
5. 读信号电平。将n+区的电压信号读出到第二个电容。这里的信号包括：光电转换产生的信号，运放产生的offset，1/f噪声以及复位引入的kTC噪声。
6. 信号输出。将存储在两个电容中的信号相减（如采用CDS，即可消除Pixel中的主要噪声），得到的信号在经过模拟放大，然后经过ADC采样，即可进行数字化信号输出。
PPD像素结构有如下优点：
- 读出结构（n+区）的kTC噪声完全被CDS消除。
- 运放器的offset和1/f噪声，都会因CDS得到明显改善。
- 感光结构因复位引起的kTC噪声，由于PPD电荷的全转移，变的不再存在。
- 光敏感度，它直接取决于耗尽区的宽度，由于PPD的耗尽区一直延伸到近Si−SiO2界面，PPD的光感度更高。
- 由于p-n-p的双结结构，PPD的电容更高，能产生更高的动态范围。
- 由于Si−SiO2界面由一层p+覆盖，减小了暗电流。
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