CMOS圖像傳感器的過去，現(xiàn)在和未來

　　在過去的十年里，CMOS圖像傳感器(CIS)技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，圖像傳感器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，CIS技術(shù)取得了巨大的商業(yè)成功。

　　包括科學(xué)家和市場營銷專家在內(nèi)的許多人，早在15年前就預(yù)言，CMOS圖像傳感器將完全取代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CMOS在成像領(lǐng)域占有牢固的地位，但它并沒有完全取代CCD設(shè)備。

　　另一方面，對CMOS技術(shù)的驅(qū)動(dòng)極大地提升了整個(gè)成像市場。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)，并對未來的發(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(參見圖1)。

　　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)。

　　表1：CCD與CMOS架構(gòu)比較(來源：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。

　　圖2：CIS中的關(guān)鍵組件(來源：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(見圖3)。

　　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)(見圖4)。

　　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