CMOS图像传感器的工作原理及研究

CMOS图像传感器的工作原理及研究

摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。

1 引言

自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能

CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。

2 技术原理

CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器芯片的结构如图1所示。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上（图2），位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

PPS[4,5]出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替

光敏二极管像素单元[6]如图4所示。它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器M1和行选通开关管M2组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V 的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作

用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，M1打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，M1关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器M2放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。

光栅型APS[7,8]是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的，其像素单元和读出电路如图5所示。其中感光结构由光栅PG 和传输门TX 构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管M1，一个源跟随器M2和一个行选通晶体管M3。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管M1打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管M3打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。

对数响应型CMOS-APS[9]拥有很高的动态范围，其像素单元结构如图6所示。它由光敏二极管、负载管M1、源跟随器M2和行选通管M3组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像

素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。

PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS[3]将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。这种传感器还处于研究阶段。

3 主要特点

表1给出CCD与CMOS图像传感器的性能比较，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势。

CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂，速度较慢。CMOS光电传感器[10,11] 经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。

CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的[12]。CCD器件的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个电荷存储区组成；CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需提供三相不同电压的电源和同步时钟控制电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻，

它最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字——模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统（CDS）、模数转换器（ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了器件的体积和重量。安捷伦科技[13]采用一种新型的业内标准——32针CLCC（陶瓷无引线芯片载体）研制出应用CMOS图像传感器的数码相机原型产品，只有30mm×30mm×2.5mm大小，非常适合工程监控和工厂自动化等领域。