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CMOS圖像傳感器的過(guò)去,現(xiàn)在和未來(lái)

作者: 時(shí)間:2017-06-21 來(lái)源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察 收藏

  在過(guò)去的十年里,(CIS)技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展,的性能也得到了極大的改善。自從在手機(jī)中引入相機(jī)以來(lái),CIS技術(shù)取得了巨大的商業(yè)成功。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/360774.htm

  包括科學(xué)家和市場(chǎng)營(yíng)銷專家在內(nèi)的許多人,早在15年前就預(yù)言,將完全取代CCD成像設(shè)備,就像20世紀(jì)80年代中期CCD設(shè)備取代了視頻采集管一樣。盡管在成像領(lǐng)域占有牢固的地位,但它并沒(méi)有完全取代CCD設(shè)備。

  另一方面,對(duì)CMOS技術(shù)的驅(qū)動(dòng)極大地提升了整個(gè)成像市場(chǎng)。CMOS圖像傳感器不僅創(chuàng)建了新的產(chǎn)品應(yīng)用程序,而且還提高了CCD成像設(shè)備的性能。本文介紹了CMOS圖像傳感器技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù),并對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

  圖像傳感器的定義和用途

  圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的電子設(shè)備。轉(zhuǎn)換的方法因圖像傳感器的類型而異

   “模擬”CCD執(zhí)行光子到電子的轉(zhuǎn)換。

   “數(shù)字”CMOS圖像傳感器(CIS)執(zhí)行光子到電壓的轉(zhuǎn)換

  圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)和成像設(shè)備,將相機(jī)或成像設(shè)備接收到的光線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

  CIS vs. CCD

  今天,有兩種不同的技術(shù)用于數(shù)字圖像采集(圖1):

   電荷耦合器件(CCD)是線性傳感器,其輸出與接收到的光子數(shù)量直接相關(guān)。

   互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS,或CMOS圖像傳感器CIS)是一種較新的并行讀出技術(shù)。

  這兩種類型的成像設(shè)備都將光轉(zhuǎn)化為電子(或電荷),隨后即可處理成電子信號(hào)。CCD的設(shè)計(jì)目的是將電荷逐個(gè)像素地移動(dòng),直到它們到達(dá)專用讀出區(qū)域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進(jìn)行放大。更高級(jí)的CIS技術(shù)提供了一個(gè)并行讀出架構(gòu),其中每個(gè)像素都可以單獨(dú)尋址,或者作為一個(gè)組并行地讀出(參見(jiàn)圖1)。

CMOS圖像傳感器的過(guò)去,現(xiàn)在和未來(lái)


  CMOS傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價(jià)格下降,數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)變得非常便宜和普及。

  在表1中,我們展示了CCD和CMOS架構(gòu)的主要區(qū)別。 每個(gè)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在不同的應(yīng)用中各顯其能(用綠色表示)。

CMOS圖像傳感器的過(guò)去,現(xiàn)在和未來(lái)

  表1:CCD與CMOS架構(gòu)比較(來(lái)源:e2V)

  CIS中的關(guān)鍵組件

  CMOS圖像傳感器有四個(gè)主要組件(見(jiàn)圖2):

  1光電二極管(PD)

  2 像素設(shè)計(jì)

  3 彩色濾光片(CF)

  4 微透鏡

  光電二極管(PD)用于捕捉光,一般用于實(shí)現(xiàn)這一功能的是PIN二極管或PN結(jié)器件。最廣泛實(shí)現(xiàn)的像素設(shè)計(jì)被稱為“有源像素傳感器”(APS)。通常使用3—6個(gè)晶體管,它們可以從大型電容陣列中獲得或緩沖像素。彩色濾光片用于分離反射光的紅、綠、藍(lán)(RGB)成分。最后,微透鏡從CIS的非活性部分收集光,并將其聚焦到光電二極管。微透鏡通常具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡。

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  圖2:CIS中的關(guān)鍵組件(來(lái)源:IBM,F(xiàn)SI)

  CIS性能參數(shù)

  有許多參數(shù)可用于評(píng)估圖像傳感器的性能。我們使用三個(gè)主要指標(biāo)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分類:

  1像素布局:像素?cái)?shù),像素間距,像素填充因子

  2像素物理:量子效率,阱容量,動(dòng)態(tài)范圍,轉(zhuǎn)換增益,暗電流

  3像素讀數(shù):信噪比,幀速率,線性度,功耗,位深度,調(diào)制傳遞函數(shù),快門效率

  (4)背面照度(BSI)技術(shù)與前面照度(FSI)技術(shù)

  高級(jí)CMOS圖像傳感器制造商正在尋求新的架構(gòu),以便在保持或增強(qiáng)電—光性能的同時(shí)減小像素尺寸。較小的像素通常會(huì)帶來(lái)更高的分辨率、更小的器件,以及更低的功耗和成本。理想情況下,縮小像素尺寸的任何新CIS架構(gòu)都不應(yīng)該降低性能或圖像質(zhì)量。一種較新的CIS架構(gòu)背面照度(BSI)技術(shù),是常用的前面照度(FSI)技術(shù)的有前途的替代方案(見(jiàn)圖3)。

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  圖3:::FSI vs. BSI

  BSI技術(shù)涉及到將圖像傳感器倒置,并將彩色濾光片和微透鏡應(yīng)用于像素的背面,以便傳感器可以通過(guò)背面收集光線。 BSI具有深光電二極管和短光路,從而具有更高的量子效率(1)(QE)和較低的串?dāng)_(2)(見(jiàn)圖4)。

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  圖4:串?dāng)_

  (1)QE =轉(zhuǎn)換成為電子的光子的百分比

  (2)電子串?dāng)_=相鄰像素之間的電荷(電子或空穴,取決于像素類型)的擴(kuò)散。它由于底層的電子機(jī)制(擴(kuò)散和漂移)而在硅材料中發(fā)生


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