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新型CMOS圖像傳感器原理及應(yīng)用

作者: 時間:2012-01-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/161196.htm

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點,所以在過去15年里它一直主宰著市場。與之相反,過去存在著像素大,信噪比小,分辨率低這些缺點,一直無法和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CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因為與CCD相比,CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性,而且容易實現(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,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)。

四場效應(yīng)管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、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被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3,并通過復(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的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖,改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號與列總線相連。其工作過程是:首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”,T2打開,對光敏二極管復(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,并通過源跟隨器T3放大輸出;最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”,這時行選通管T4打開,信號通過列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點,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)過圖1中列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Column ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,再經(jīng)過一系列的后續(xù)處理過程,得到輸出如圖4所示的幀圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

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