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1、CMOS 图像传感器及噪声研究综述 13210720146 刘宗宗 摘要 目前 图像传感器市场主要有 CMOS 图像传感器和 CCD 图像传感器 CCD 图像 传感器由于其较高的填充因子FF Fill Factor 和较低的固定模式躁声FPN Fix Pattern Noise 已经得到广泛的应用 但因其存在着多电压 高功耗 低速度 难 与CMOS 集成等缺点 限制了它的应用 特别是在要求低电压低功耗的移动设备 中应用 CMOS 图像传感器上世纪 60年代就已经出现 但因工艺和技术原因 存 在严重的噪声问题 性能不够完善严重影响图像质量还被废弃 但自20世纪90 年代以来进人世纪年代 由于对小
2、型化 低功耗和低成本成像系统消费需要的增 加 芯片制造技术和信号处理技术的发展 为新一代低噪声 优质图像和高彩色还 原度的 CMOS 传感器的开发铺平了道路 CMOS 传感器的性能因此大大提高 CMOS 图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点 但在光线较暗条件下 CMOS 图像传感器的噪声问题比较突出 这与器件和 工艺本身关系较大 对于CMOS 图像传感器噪声的研究有助于解决其不足 以保 证其优势可以发挥 无论是对噪声的抑制 还是对器件工艺改进的引导都有较大 意义 图像传感器市场比较大 对于兴起的CMOS 图像传感器研发也是具有实际 意义的 本综述首先对目前 CMOS 图像传感器所用的技术
3、和原理进行了研究介绍 然 后分别从 CMOS 本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声 进行了研究介绍 最后自己分析了减小噪声的大致方向 一 CMOS图像传感器主流结构 CMOS 图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代 但当时由于大规模集成 电路工艺的限制未能进行研究 普遍意义上的 CMOS 图像传感器的研究是从80 年代早期开始 而从实验室走向产品化则是在90年代早期 CMOS 图像传感器的 研发大致经历了 3个阶段 CMOS 无源像素传感器 CMOS PPS Passive Pixel Sensor 阶段 CMOS 有源像素传感器 CMOS APS Active Pix
4、el Sensor 阶段和 CMOS 数字 像素传感器 CMOS DPS Digital Pixel Sensor 阶段 图 1 CMOS 图像传感器像素结构 无源像素传感器 PPS 像元结构简单 面积很小 所以在给定的单元尺寸下 可设计出最高的 填充系数 FiFactor FF 又称 孔径系数 即像元中有效光敏单元面积与像元总 面积之比 在给定的设计填充系数下 单元尺寸可设计的最小 并且 由于填 充系数高和没有类似许多CCD 中的多晶硅层叠 无源像素结构可获得较高的 量 子效率 即光生电子与入射光子数量之比 从而有利于提高器件的灵敏度 但是这种结构存在着 2个方面的不足 其一 各像元中开关管
5、的导通阈值难 以完全匹配 所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致 其输出信号仍会形 成某种相对固定的特定图形 也就是所谓的 固有模式噪声 Fixed Pattern Noise FPN 致使PPS 的读出噪声很大 典型值为 250个均方根电子 较大的固有模式噪 声的存在是其致命的弱点 其二 光敏单元的驱动能量相对较弱 当图像传感器 规模不断增大后 总线上电容相应增加传感器读出速度大幅降低 故而列线不宜 过长以期减小其分布参数的影响 受多路传输线寄生电容及读出速率 的限制 PPS 难以向大型阵列发展 有源像素传感器 这种结构相对无源像素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管 于是减 小了读出噪
6、声并且它的读出速度也较快 由于有源像元的驱动能力较强 列线分 布参数的影响相对较小 因而有利于制作像元阵列较大的器件 另外 由于有源 放大管仅在读出状态下才工作 所以CMOS 有源像素传感器的功耗比CCD 图像传 感器的还小 这种结构的APS 量子效率比较高 由于采用了新的消噪技术 输出 图形信号质量比以前有许多提高 读出噪声一般为75 100个电子 而像元本身 具备的行选功能 对二维图像输出控制电路的简化颇有益处 但是 有源像素传感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小 填充系数 Fill Factor 的代价 APS 像元结构复杂 与 PPS 像元结构相比 无源像 元的孔径效率多
7、在 60 80 之间 其填充系数较小 设计填充系数典型值为 20 30 与行间转移 CCD 接近 因而需要一个较大的单元尺寸 为了补偿有 源像素填充系数不高引起的不足 CMOS 器件往往借用 CCD 制造工艺中现有的 微 透镜 技术就是在器件芯片的常规制作工序完成后 再利用光刻技术在每个像 元的表面直接制作一个微型光学透镜借以对入射光进行会聚 使之集中投射于 像元的光敏单元 从而可将有源像元的有效填充系数提高2 3倍 提高信号质量 深亚微米技术的采用将会大幅提高填充率 数字像素图像传感器 上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号 于 是它们又通称为模拟像素传感器 近年来
8、美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS 图像传感器结构一数字像素传感器 DPS 在像素单元里集成了ADC Analog to Digital Convertor 和存储单元 如图 1 c 所示 由于这种结构的像素单元读出为 数字信号 其它电路都为数字逻辑电路 因此数字像素传感器的读出速度极快 具有电子快门的效果 非常适合高速应用 而且它不像读出模拟信号的过程 不 存在器件噪声对其产生干扰 另外 由于DPS 充分利用了数字电路的优点 因此 易于随着 CMOS 工艺的进步而提高解析度 性能也将很快达到并超过CCD 图像传 感器 并且实现系统的单片集成 数字像素图像传感器的主要缺点在于因为增加 了像素
9、单元内的晶体管数目而需要较大的像素单元面积 而且随着芯片加工工艺 的不断发展 接口电压在不断降低 漏电流也在不断增加 DPS 的设计和制造也 面临着较大的挑战 目前 这种传感器还处于研究阶段 以上介绍了 3种不同类型的图像传感器结构 其中发展最快的是 CM0S APS 这种类型的图像传感器器件已经进入商品化和实用化阶段 但是对全面改善 CM0S APS 性能的研究工作还在深入进行 CMOS 图像传感器能够快速发展 一 是基于固体图像传感器技术的研究成果 二是得益于CMOS 集成电路工艺技术的 成熟 在 CMOS 取代CCD 的进程中 生产工艺将是弥补CMOS 图像质量和亮度不足 的关键 4T
10、APS 结构 上一节介绍了 3种不同传感器结构 其中主流为APS 结构 这其中 3T APS 和 4T APS 是最常用的 3T APS 像素由于自身结构的关系 暗电流不能得到很好的控 制 性能难以满足较高的要求为满足需要 4T APS 像素结构应运而生 它比 3T APS 像素有更小的噪声 更好的性能同时要求控制部分更加复杂 在 像素的各种结构中 像素有很高的填充因子 但其对 噪声的抑制能力较差 而 及更复杂的 像素结构由于其较低的 很难在超大规模 中应用 APS 像素结构是目前 s的主流结构之一 该结构有利于相关双采 样 技术 的运用 有效抑制噪声 并且有较高的 利于扩展动态范围 常应用于
11、大阵 列的 设计中 像素结构如图 所示 该结构由钳位光电二 极管 传输管 复位 管 源极跟随器 和行选管 组成 图 2 型 像素结构示意图 二 CIS噪声分析 噪声一直是限制 CMOS 图像传感器占领市场的重要因素之一 目前用于科学 研究的高性能 CCD 能达到的噪声水平为3 5个电子 而 CMOS 图像传感器则为 300 500个电子 CMOS 图像传感器的主要噪声来源有像素光敏单元的光电二极管 场效应管 及图像传感器工作时产生的其它噪声 其中光电二极管产生的噪声有热噪声 散 粒噪声 产生复合噪声及电流噪声 MOS场效应管 包括放大器中的场效应管和 用于行列选址模拟开关的场效应管 引起的噪声
12、主要有热噪声 诱生栅极噪声及 电流噪声 而光敏阵列和MOS场效应管构成的 CMOS 图像传感器在工作中 还会 引进其它的噪声 比如复位噪声 KTC 噪声 和空间噪声等 图 3 CMOS 图像传感器在信号传递过程中产生的的各种噪声示意图 时间噪声分析 在噪声分析过程中 我们可以用时间域随机过程和空间域随机过程来描述CMOS图像传 感器信号传送过程中产生的各种噪声 在图像最终输出的信号中我们得到的是时空域统一的 图像噪声 关于时间噪声随光强变化而变化的趋势我们在第四小节的三维噪声模型实验来验证 时间噪声也称为随机噪声 在这一部分我们主要考虑的时间噪声有热噪声 散粒噪声 复位 噪声 低频噪声等 1
13、热噪声 热噪声是由于光电器件中电子的随机热振动产生的 存在于任何电子器件和电阻中 比 如场效应管的导电沟道电阻 在场效应管中 电子的随机运动导致沟道电势的起伏 栅极电 压的波动 从而产生热噪声 它是一种白噪声 1928 年 奈奎斯特提出了热噪声的均方电 压表达式为 fKTURMS4 2 其中 K 是玻尔兹曼 Boltzmann 常数 T 是器件的绝对工作温度 f 为带宽 热噪声 可以通过降低器件工作温度来抑制 2 散粒噪声 散粒噪声服从泊松分布 是由于光电传感器件工作时所加的偏置电流中的电子越 过光电二极管的PN 结时所产生的 散粒噪声的电流均方值为 fqIiRMS 0 2 2 其中 q 为单
14、个电子电荷量 0 I 为所加的偏置电流的值 由式中我们可以看出 散 粒噪声的大小与偏置电流的值成正比 降低散粒噪声的一个方法是减小偏置电流 但 是可能会引起光电响应度的降低和光电响应非线性的升高 3 产生复合噪声 产生复合噪声是光电子器件所特有的噪声 是由于光生载流子的产生和复合围绕 一个均值涨落 引起电流起伏 从而形成噪声 产生复合噪声的表达式如下 22 2 0 2 02 1 4fI i 其中 为光生载流子产生率 是载流子寿命 为测量频率 4 1 f 噪声 1 f 噪声也称低频噪声 电流噪声 产生的原因比较复杂 光敏元件中的低 频噪声是由于器件工艺杂质或缺陷损伤引起的 而在场效应管中 则与M
15、OS 管 的表面状态相关 因其大小与频率成正比 所以叫 1 f 噪声 它的电流均方值为 f fkI inf 2 其中 和k 都是常数 I 为器件中的电流 由式中我们可以看出 低频噪声的大小于工作频率成反比 因此提高工作频率可以减小低频噪声 但是 由于CMOS 传感器帧频的限制 CMOS 器件的工作频率不可能很高 低频噪声是 不可避免的 空间噪声分析 空间噪声有固定模式噪声 FPN 光响应非均匀性 热图案噪声等 空间 噪声是由制作工艺缺陷或者材料掺杂浓度等原因引起的 且不随时间改变的固有 噪声 其中 暗电流不均匀引起的固定模式噪声和像素缺陷引起的光响应非均匀性 PRNU 属于模式噪声 固定模式噪
16、声和光响应非均匀性都与时间无关 FPN 与光 照无关 PRNU 则是与光照相关的变量 通常采用相关双采样电路来对固定模式噪声来进行抑制 即将两次分别采样 得到的积分和复位信号求差 从而消除了放大和复位电路引入的噪声 本底噪声分析 在 像素中 本底噪声是制约动态范围的一个主要因素 通常 将暗光条件下限制图像质量的噪声称为本底噪声 主要包括暗电流的散粒噪声 源极跟随器 的 噪声和热噪声 散粒噪声 研究表明 暗散粒噪声的电子数为暗电子数的平方根 即 darkdarkshat nn 式中 表示由暗电流产生的散粒噪声的均方根电子 数 为了减小暗散粒噪声来抑制本底噪声 需要减小暗电流 研究表明 暗电流主要来自于 周边的各种复合中心 减小暗电流在工艺方面的主 要工作就是尽可能减少这些复合中心的出现 或者将其与光电荷收集区隔离开 来 以阻止复合中心产生的暗电流被收集 噪声及热噪声 在 结构像素中 采样所得的复位信号和光信号中 噪声的相关性 为 即两次 采样包含同样大小的 噪声分量 故而 技术能 完全消除该噪声分量 然而 对于源极跟随器 的热噪声 由于两次采样的 相关性小于 故不能被完全消除 1 f 噪
