新型CMOS圖像傳感器原理及設(shè)計(jì)

金屬氧化物半導(dǎo)體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時(shí)起步的。CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過(guò)去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。與之相反，CMOS圖像傳感器過(guò)去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點(diǎn)，一直無(wú)法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過(guò)去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)已都能找到相應(yīng)解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。

1 CMOS有源像素傳感器

近來(lái)CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過(guò)去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因?yàn)榕cCCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實(shí)現(xiàn)包括其他邏輯電路在內(nèi)的SoC(System on Chip)產(chǎn)品，而這在CCD中卻很難實(shí)現(xiàn)。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備。這樣一來(lái)，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結(jié)構(gòu)。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixel Sensor，APS)的功能結(jié)構(gòu)圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(Photo Diode Array)。

四場(chǎng)效應(yīng)管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個(gè)像素由光敏二極管、復(fù)位管T2、轉(zhuǎn)移管T1、源跟隨器T3和行選通開關(guān)管T4組成，如圖2所示。

轉(zhuǎn)移管T1被用來(lái)將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過(guò)復(fù)位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴(kuò)散區(qū)相連。與3T結(jié)構(gòu)的APS相比，減少了與T3的柵極相關(guān)的漏電流效應(yīng)。源跟隨器T3的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來(lái)將信號(hào)與列總線相連。其工作過(guò)程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，T2打開，對(duì)光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，T2關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過(guò)源跟隨器T3放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時(shí)行選通管T4打開，信號(hào)通過(guò)列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數(shù)，APS在像素的上方設(shè)置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

由APS陣列所獲得的圖像信息，經(jīng)過(guò)圖1中列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Column ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)一系列的后續(xù)處理過(guò)程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。