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1、第 20 卷第 1 期 半 导 体 光 电 Vol . 20 No. 11999 年 2 月 Semico nductor Op toelect ro nics Feb. 1999CMOS 图 像 传 感 器 发 展 现 状 赵 文 伯 刘 俊 刚(重庆光电技术研究所 ,重庆 400060)摘 要 :关键词 :文章主要介绍了 CMO S 图像传感器的结构 、 单元电路 、 发展背景及其发展现状 。CMO S 图像传感器 有源像素传感器中图法分类号 : TP732Recent progress in research on CMOS image sensorZHAO Wenbo L IU J u
2、ngang( Chongqing Optoelectron ics Research Institute , Chongqing 400060 , CHN)Abstract : The current architect ure of CMO S senso r and circuit s fo r pixels are described. Thehisto rical backgro und and recent develop ment tendency in t his field are p resented.Key words : CMO S , Image Senso r ,Ac
3、tive Pixel Senso r即 CMO S 图像传感器 。到 80 年 代 中 期 , CMO S 技 术 逐 渐 成 熟 。 90 年 代 初期 ,可 为 数 字 系 统 设 计 百 万 个 或 更 多 晶 体 管 。采 用标准 CMO S 技 术 生 产 实 用 像 元 尺 寸 质 量 高 的固体图像传感器已成为可能 。 已能够制作出尺寸比 可见光波长小的 CMO S 晶体 管 结 构 ,可 以 在 一 个 像元 内集成 多 个 晶 体 管 。 采 用 CMO S 技 术 可 以 将 图像传感器阵列 、 驱动和控制电路 、 信号处理电路 、 模 / 数转换器 、 全数字接口电路等完
4、全集成在一起 ,可以 实现单芯片成像系统 。 这种片上摄像机用标准逻辑引 言170 年代初期 ,随着 MO S 技术的 成 熟 ,三 种 典 型的 固体图像 传 感 电 荷 耦 合 器 件 ( CCD) 、 电 荷 注 入 器件 ( C ID) 、 光敏二 极 管 阵 列 ( PDA) 得 到 了 发 展 。 到 80 年代中期 ,基于这三种固体图像传感器技术的 摄 像机 逐 渐 投 放 市 场 。 在 这 三 种 固 体 图 像 传 感 器 中 ,CCD 发展最为迅速 。 到 90 年 代 初 , CCD 技 术 已比较成熟 ,在微光下 ,具有每个像元几个电子的成像 能 力 ,且 CCD 技
5、术已得到非常广泛的应 用 。 目 前 出 售的每种摄录机和 PC 相机都是基于 CCD 技术 。随 着 CCD 应用范围的扩大 ,其缺点逐 渐 显 露 出 来 。 CCD 光敏 单 元 阵 列 难 与 驱 动 电 路 及 信 号 处 理电路单片集成 ,不易处理一些模拟和数字功能 ,这些 功能包括模 / 数转换器 、 精密放大器 、 存贮器 、 运算单 元 等元件的 功 能 ; CCD 阵 列 驱 动 脉 冲 复 杂 , 需 要 使 用 相对高的工作 电 压 ,不 能 与 深 亚 微 米 超 大 规 模 集 成 ( VL S I) 技术兼容 。 为此 ,人 们 又 开 发 了 另 外 几 种固体
6、图像传感器技术 ,其中 ,最引人注目最有发展潜 力的是采用标准的 CMO S 技术来生产图像传感器 ,1电源电压工作 ,仅消耗几十毫瓦的功率 。本 文将介绍 CMO S 图像 传 感 器 的 历 史 背 景 ,描 述其基本结构 ,像元电路及其发展现状 。历 史 背 景2CMO S 图 像 传 感 器 能 够 快 速 发 展 , 一 是 基 于CMO S 技术的成熟 ,二 是 得 益 于 固 体 图 像 传 感 器 技 术 的研究成果 。 到 1997 年 ,已有采用 0 . 15 m 设计 规则 ,试制成功了集成度高达 8 . 8 109 个 元 件 的 集 成 电路的报道 2 ,实用 CMO
7、 S 技 术 的 特 征 尺 寸 已 达 到 0 . 35 m 。 1998 - 07 - 13 收稿 ;1998 - 10 - 10 定稿半 导 体 光 电 1999 年 2 月12在 CMO S 图 像 传 感 器 和 CCD 像 感 器 诞 生 之前 ,已经有 MO S 像感器了 。 60 年代 ,有 许 多 研 究 机 构 采用 N MO S , PMO S 或 双 极 工 艺 技 术 研 究 固 体 图 像 传 感 器 , 并 取 得 了 不 同 程 度 的 成 功 。 1963 年 , Mo rriso n 报道了一种用光导效应测定光斑位 置 的 结构 。 1964 年 , IBM
8、 报道了通过一个电 阻 网 络 寻 址 的 n - p - n 结 阵 列 扫 描 器 ,这 种 扫 描 器 产 生 与 入 射 光 强成比例的输出脉冲 。 1966 年 ,西 屋 公 司 报 道 了 一 个 (50 50) 元的单片式光敏晶体管阵列 。 以上这些 传 感器都产生与 瞬 间 入 射 光 强 成 比 例 的 信 号 ,不 能输出任何有意义的积分光生信号 。 结果这些器件的 灵敏度低 ,像元内需要有信号增益 。1967 年 ,仙 童 公 司 的 Weckler 提 出 了 以 光 子 通 量积分模式工作的 p - n 结 ,光电流收集在反向偏置 的 p - n 结 电 容 中 ,并
9、 提 出 了 采 用 PMO S 开 关 读 出积 分电荷的方法 。 1968 年 ,仙 童 首 次 报 道 了 ( 100 100) 元的光敏二极管阵列 。也 是在 1967 年 , RCA 报 道 了 ( 180 180) 元 的 CdS/ CdSe 薄膜晶体管 ( TF T) 和光敏电阻阵列 ,这 种 阵 列包含 有 以 顺 序 寻 址 像 元 的 自 扫 描 互 补 逻 辑 电路 。 还首次报道 了 电 池 驱 动 的 无 线 摄 像 机 ,这 种 摄 像 机研制 出 来 证 明 了 自 扫 描 图 像 传 感 器 阵 列 的 功 能 。1968 年 ,英国 Plessey 的 No
10、ble 在一篇文章中描 述 了几种自扫描 硅 图 像 传 感 器 阵 列 结 构 ,描 述 了 表面 光敏二极管和 埋 沟 道 光 敏 二 极 管 ,讨 论 了 用 于 读 出 的电荷积分放 大 器 ,还 报 道 了 首 次 用 于 像 元 内 信 号 读 出 缓 冲 的 MO S 源 跟 随 晶 体 管 。 1969 年 , Chamberlain 描述 了 改 进 的 图 像 传 感 器 模 式 和 传 感 器 工作方式 。 1970 年 , Fry No ble 和 Ryceof t 在 一 篇文 章中探 讨 了 固 定 图 形 噪 声 ( F PN) 。 直 到 目 前 ,固 定图形噪
11、声仍被看作是 MO S 和 CMO S 像 感 器 的 主 要问题 。1970 年 ,CCD 像感器诞生 。 它的固定 图 形 噪 声 基 本可以忽略 ,这是 CCD 在多种固体图像 传 感 器 中被广泛采用的主要原因之一 。70 年代 和 80 年 代 ,当 人 们 热 衷 于 发 展 CCD 的 同时 ,仅有日立 、 三 菱 等 几 个 研 究 机 构 从 事 MO S 图 像 传感器的研 究 。 日 立 公 司 开 发 了 三 代 MO S 像 感 器 ,并率先推出了 基 于 MO S 像 感 器 技 术 的 摄 录 机 。 后来 ,也许是残余的热噪声的原因 ,日立最终放弃了 在 MO
12、S 像感器方面的努力 。80 年代后 期 , 当 CCD 在 可 见 光 成 像 方 面 唱 主 角的时候 ,混合式红外焦平面阵列和高能物理粒子 / 光子极点探测器 ,却 避 免 使 用 CCD 。 混 合 式 红 外 焦平面阵列后 来 多 采 用 CMO S 多 路 传 输 器 作 为 信 号读出电路 。进 入 90 年 代 ,由 于 对 小 型 化 、 低 功 耗 和 低 成 本 成像系统消费需要的增 加 ,关 于 CMO S 图 像 传 感 器 的研究工作开始活跃起来 。 苏格兰爱丁堡大学和瑞 典 Linkoping 大学的研 究 人 员 分 别 进 行 了 低 成 本 的 单 芯片成像
13、 系 统 开 发 , 喷 气 推 进 实 验 室 (J PL ) 研 究 开 发的高性能成像 系 统 ,其 目 标 是 满 足 NA SA 对 高 度 小型化 、 低 功 耗 成 像 系 统 的 需 要 。 他 们 在 CMO S 图 像传感器研究 方 面 取 得 了 令 人 满 意 的 结 果 ,并 推 动 了 CMO S 图 像 传 感 器 的 快 速 发 展 3 。 近 来 , CMO S 图像传感器已成为固体图像传感器研究开发 热点 。总 体 结 构3CMO S 图像传感器的总 体 结 构 框 图 如 图 1 。 它们一般由光敏单 元 阵 列 、 行 选 通 逻 辑 、 列 选 通 逻
14、 辑 、 定 时和控制电路 ,在片模拟信 号 处 理 器 ( A SP) 构 成 。 更 高级的 CMO S 图像传感 器 还 集 成 有 在 片 模 / 数 转换器 (ADC) 。图 1 CMOS 图像传感器总体结构Fig. 1 The overall architect ure of a CMOS image sensorCMO S 图像传感器的光敏单元有无源像素结构和有源像素结构两大类 。 后者主要有光敏二极管型 和光栅型两种 ,其他特殊结构还有对数传输型 、 钉扎 光 敏二极管型 、 浮 栅 放 大 器 型 等 。 行 选 通 逻 辑 和 列 选 通逻辑可以 是 移 位 寄 存 器 ,
15、或 是 译 码 器 。 定 时 和 控制电路限制信号读出模式 、 设定积分时间 、 控制数据 输出率等 。 在 片 模 拟 信 号 处 理 器 完 成 信 号 积 分 、 放 大 、 取 样 和 保 持 、 相 关 双 取 样 、 双 取 样 等 功 能 。 在 片模拟 / 数字转 换 器 是 在 片 数 字 成 像 系 统 所 必 需 的 ,CMO S 图像传 感 器 可 以 是 整 个 成 像 阵 列 有 一 个 ADC 或几个 ADC (每种一个颜 色 ) ,也可以是成像阵第 20 卷第 1 期 赵文伯等 : CMOS 图像传感器发展现状 13列每列各有一个 ADC 。CMO S 图像传
16、感 器 图 像 信 号 有 几 种 读 出 模 式 。 整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读出模式 。 窗 口 读出模式仅读 出 感 兴 趣 窗 口 内 像 元 的 图 像 信 息 , 这 种读出模式增 加 了 感 兴 趣 窗 口 内 信 号 的 读 出 率 。跳跃读出模式每隔 一 个 ( 或 两 个 或 更 多 ) 像 元 读 出 , 这种读出模式用降低分辨率为代价 ,允许图像取样 , 以增加读出速率 。 跳跃读出模式与窗口读出模式结 合 ,可实现电子全景摄像 、 倾斜摄像和可变焦摄像 。4 . 2 有源像素结构几 乎 在 无 源 像 素 结 构 发 明 的 同 时 ,人 们 很 快 认 识到在像元内引入缓冲器或放大器可以改善像元的 性能 。 像元内有有源放大器的传感器称有源像素传 感 。 由于 每 个 放 大 器 仅 在 读 出 期 间 被 激 发 , 所 以CMO S 有源像素 传 感 器 的 功 耗 比 CCD 的 还 小 。 具 有优异性能 的 非
