CMOS光电探测器都是基于PN结光电二极管的工作原理。当光电二极管反向偏置时(反向电压小于雪崩击穿电压)，与入射光强度成比例的电流分量将流经二极管。这种电流成分通常称为光电流。由于光电流随光强线性增加，可以使用光电二极管来构建光电探测器。这种光电检测结构的抽象表示如下。

(a)光电探测器示例示意图(b)光电流值随时间的变化

　一、CMOS光电探测器的工作原理:

　在曝光周期开始时，复位开关闭合，以将光电二极管反向偏置到电压VD。接下来，打开开关，产生与入射光强度成比例的光电流。电流在Fian到Pian的范围内，太小，无法直接测量。如果我们将光电二极管暴露在光线下一段时间，色调和电流将在二极管电容CD上积分。储存的电荷为我们提供了更强的累积信号，更容易测量。此外，组合平均过程使得累积信号更忠实地表示测量的光强度，尤其是在处理弱信号或噪声信号时。

　请注意，阱容量Qwell设置了CD可以容纳的电荷的上限。超过一定的光强，二极管就会饱和，积累的电荷就等于最大值，如上图所示。因此，必须仔细选择积分周期。

　另一个应该考虑的非理想效应是，除了光电流之外，另一个称为暗电流的电流分量流经二极管。暗电流是在没有光的情况下产生的电流。该电流分量必须最小化，以使器件的灵敏度最大化。

　二、CMOS图像传感器的框图:

　二维光电探测器阵列用于探测入射光的强度。由光电探测器产生的电荷被转换成电压信号，该电压信号通过“行选择”和“列选择”开关阵列被传输到输出放大器。ADC用于将放大的信号数字化。为了执行读出，给定行的像素值被并行传送到一组存储电容器(下面未示出)，然后这些传送的像素值被顺序读出。

　上图是APS(主动像素传感器)的架构。在APS设备中，每个像素位置不仅包含光电二极管，还包含放大器。称为PPS(无源像素传感器)的更简单的架构没有将放大器集成到像素中。在DPS(数字像素传感器)设备中，每个像素都有自己的模数转换器和存储块。因此，DPS架构中的像素输出与光强度成比例的数字值。