对于CMOS有源传感器的分析与研究

[摘要]CMOS图像传感器是一种新的摄像器件。具有结构紧凑、供电简单、成本低廉等优点。本文认识比较其CMOS图像传感器的优越性,分析感光结构性能和CMOS有源像素传感器APS列选电路的研究。

[关键词]CMOS 有源像素传感器 注入光敏器件

1 概述

CMOS图像传感器是一个包括图像阵列、逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的新型图像传感元件,发展迅速。与传统CCD不同,其最大特点是可直接在像素级获得图像的数字信号。根据感光单元结构不同,可分为无源像素传感器PPS和有源像素传感器APS。

2 CMOS和CCD图像传感器的比较

2.1结构比较

CCD图像传感器每一像素有一光电检测器,将入射光转化为电荷,电荷由控制单元移出,然后通过读取电路将电荷读出,转换为数字信号进行处理。CMOS图像传感器的每一个像素能将所有元件集成在一片芯片上使用X-Y阵列。行芯片内输出的数字信号可直接进行处理。

2.2信号读取过程

CCD的3种读出方法:全帧传输法;帧传输法;隔行传输法。CMOS图像传感器中,光敏元的垂直开关依次接通,给光敏二极管加偏压,光入射到光敏二极管上,产生电子空穴对,将已被偏压充电的结电容放电,形成比例电信号。

2.3功耗比较

CCD大电容器件需要三种电源供电,驱动功耗大,需要多个时钟驱动。而CMOS电路只需单一电压供电。功耗只有CCD的1/10左右。

2.4集成度比较

CMOS可将放大器、模数转换和数字信号处理电路等都集成在一块芯片上。而CCD器件需3～8个芯片组合,同时还需多路非标准供电电源。

2.5图像扫描、灵敏度和抗辐射性比较

图像扫描时,CCD采用串行连续扫描,CMOS采用并行扫描同时放大。灵敏度方面,在像素尺寸相同情况下,CMOS图像传感器灵敏度低于CCD。抗辐射性方面,CMOS图像传感器抗辐射能力大十多倍。

3感光单元的结构与分析

CMOS图像传感器的核心部分是感光阵列,由感光单元构成。目前的更好用的注入光敏器件结构:在n型硅片上先用硼扩散形成两个相邻的p型区。在右边小面积的p型区上扩散磷形成n型区,做成一个npn型三极管。左边受光p-n结,右边输出三极管。把受光p-n结与放大器相互分开又耦合,有利于提高灵敏度和探测率。

注入电流主要由p-n区的空穴电流组成,垂直于结面流入n区。一部分流入长度很短的耦合区。进入耦合区的空穴以扩散的形式继续向前运动,被推进到输出三极管的集电结附近,随后被推进输出三极管进行放大,最后以电流形式输出。发挥注入光敏器件的优点,输出电流减少暗电流会呈数量级下降,光敏器件信噪比大幅度提高,有利于CMOS图像传感器图像质量的提高。

图1 CMOS门控型APS的列选电路

4 CMOS门控型APS的列选电路

CMOS成像电路与CCD比较,缺点就是噪声大,图像质量比不上CCD。要设计合适的电路,消除不必要噪声对保证良好图像质量至关重要。CMOS图像传感器以X-Y方式读出,误差使输出源跟随器不匹配,将引入固定图像噪声。在对列选电路进行分析后,将得出一种消除噪声的优化方案。图1所示,为门控APS的列选电路图。图中T4、T5组成两个抽样保持开关,而T6为负载管。在行选通的情况下,当T4的栅极电压为正时,T4导通,输出信号就对C1充电,当T4的脉冲过去后,T4断开,信号电压就保持在C1上。T5和C2的组合也如此。若列选通脉冲Y为正时,表示该列像素选通,分别输出VO1、VO2。把图1上面的列选电路称为I号列选择器,下面的列选电路称为Ⅱ号列选择器。这两个部分,它们必须具有对称性,即制备的工艺和对应元件的性能参数必须相同。称为双取样输出电路,它采用了两次相关抽样技术。在像元电荷的信号到来之前,我们先用I号、Ⅱ号列选择器对其进行采样,得到输出信号VO1′、VO2′,缓存在C3、C4中。像元电荷的信号到来后,我们再用Ⅱ号列选择器对其进行采样,得到的输出信号VO2′′,VO2′′与VO2′累积缓存于C4中。再开启T14、T16,则两个输出信号。再经过后面的处理,得到的差值就是原来的信号。

门控型APS的工作过程是一个信号的相关双采样,复位噪声、1/f噪声和固定图像噪声都受到了有效的抑制,其读出噪声为10～20个电子,但它的工艺不能算完全的CMOS工艺,而且由于多晶硅覆盖层的引入,使其量子效率比较低。就目前来说,整体性能优势并不十分突出。我认为注入光敏器件,运用它的灵敏度、抑制噪声等方面的优点,再结合双采样输出方式的优点。一方面由于转换后信号中不含反向饱和电流,使CMOS图像传感器的灵敏度大大提高,另一方面在进行X-Y选择之前进行信号放大处理,有利于提高信噪比,消除噪声干扰,而且采用双取样输出方式,将会有效抑制固定图像噪声的影响,顺利优化该方案。

5 未来发展趋势

目前只有少数公司拥有成熟的CCD技术,而CMOS采用标准半导体制造工艺,以其集成度高和价格低廉的技术特点将吸引厂商进行新技术研发以提高其整体性能,扩大应用市场。但CCD高质量仍占主导地位,CMOS则以高集成度、低功耗、体积小、成本低、高动态范围等优点受青睐。虽然目前CMOS图像传感器尚无取代CCD之势,但将来它必将在成像技术领域称霸。

参考文献:

[1]饶睿坚.CMOS图像传感芯片的成像技术.西安:微电子学,2001,31(4).[2]金湘亮.基于CMOS工艺的图像传感技术研究与进展.北京:半导体技术,2002,8(27).[3]严国荣.CMOS型成像技术的开发与应用.深圳:电声技术,2001,(9).[4]宋勇.CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状.北京:仪表仪器学报,2001,6.[5]何民才.只要是注入电流一定能抽取.武汉:半导体光电,2000.[6]过玉清.CMOS图像传感器.上海:集成电路应用,2000,(2).[7]谈新权,何永泰.CMOS图像传感器及其应用.武汉:激光与红外,2001,2(31).

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