CMOS图像传感器发展现状

　　摘 要：  文章主要介绍了CMOS 图像传感器的结构、单元电路、发展背景及其发展现状。

　　1  引言

　　70 年代初期，随着MOS 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（CID） 、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（VLSI） 技术兼容。为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术，其中，引人注目有发展潜力的是采用标准的CMOS 技术来生产图像传感器，即CMOS 图像传感器。

　　到80 年代中期，CMOS 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CMOS 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CMOS 晶体管结构，可以在一个像元内集成多个晶体管。采用CMOS 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电源电压工作，仅消耗几十毫瓦的功率。

　　本文将介绍CMOS 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。

　　2  历史背景

　　CMOS 图像传感器能够快速发展， 一是基于CMOS 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. 15μm 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，实用CMOS 技术的特征尺寸已达到0. 35μm.

　　在CMOS 图像传感器和CCD 像感器诞生之前，已经有MOS 像感器了。60 年代，有许多研究机构采用NMOS ,PMOS 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，Morrison 报道了一种用光导效应测定光斑位置的结构。1964 年， IBM 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，并提出了采用PMOS 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（ TFT） 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Noble 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MOS 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 Noble 和Ryceoft 在一篇文章中探讨了固定图形噪声（ FPN） .直到目前，固定图形噪声仍被看作是MOS 和CMOS 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MOS 图像传感器的研究。日立公司开发了三代MOS 像感器，并率先推出了基于MOS 像感器技术的摄录机。

　　后来，也许是残余的热噪声的原因，日立终放弃了在MOS 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CMOS 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CMOS 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NASA 对高度小型化、低功耗成像系统的需要。他们在CMOS图像传感器研究方面取得了令人满意的结果，并推动了CMOS 图像传感器的快速发展[3 ] .近来，CMOS 图像传感器已成为固体图像传感器研究开发热点。

　　3  总体结构

　　CMOS 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、列选通逻辑、定时和控制电路，在片模拟信号处理器（ASP） 构成。

　　更的CMOS 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

　　CMOS 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，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Δ 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，CMOS 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） ,也可以是成像阵列每列各有一个ADC.

　　CMOS 图像传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  像元电路

　　CMOS 图像传感器像元电路分为无源像素传感器（PPS） 和有源像素传感器（APS） .APS 引入一个有源放大器。CMOS 图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构和光栅型有源像素结构。

　　4. 1  无源像素结构

　　光敏二极管型无源像素结构自从1967 年Weckler 首次提出以来实质上一直没有变化。无源像素结构如图2 ,它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小KTC 噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。

图2  光敏二极管型无源像素结构图

　　单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有的设计填充系数；或者在给定的设计填充系数下，可以设计出的像元尺寸。另外一个开关管也可以采用，以实现二维的X - Y 寻址。由于填充系数高和没有许多CCD 中的多晶硅叠层，无源像素结构量子效率较高。但是，由于传输线电容较大，CMOS 无源像素传感器读出噪声较高，典型值为250 个均方根电子，这是其致命的弱点。

　　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CMOS 有源像素传感器的功耗比CCD 的还小。具有优异性能的非CMOS 有源像素传感器也得到发展，例如电荷调制器件（CMD） , 已发展到（2 048 ×2 048） 元的规模，但这些器件需要特殊的生产工艺。

　　与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20 %~30 % ,接近于内线转移CCD 的。

　　4. 2. 1  光敏二极管型有源像素结构

　　1968 年，Noble 描述了光敏二极管型有源像素传感器（ PD - APS） .后来，这种像素结构有所改进。光敏二极管型有源像素结构如图3 .

图3  光敏二极管型有源像素结构图

　　高性能CMOS 有源像素图像传感器由喷气推进实验室在1995 年首先研制成功，像元数为（128 ×128） 元，具有在片定时和控制、相关双取样和双Δ取样电路，采用1. 2μm CMOS n 阱工艺试制。器件动态范围达到了72 dB ,固定图形噪声小于0. 15 %饱和信号水平[4 ] .1997 年，东芝研制成功了（640 ×480） 元光敏二极管型APS ,其像元尺寸为5. 6μm ×5. 6μm ,具有彩色滤色膜和微透镜阵列[3 ] .同年，VLSI 影像公司研制成功了用于静态摄像的（800 ×1 000） 元CMOS 光敏二极管型APS[3 ] .

　　因为光敏面没有多晶硅叠层， 光敏二极管型APS 量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型值为（75~100） 个均方根电子。光敏二极管型有源像素每个像元采用三个晶体管，典型的像元间距为15 ×特征尺寸[3 ] .CMOS 光敏二极管型APS 适宜于大多数中低性能应用。

　　4. 2. 2  光栅型有源像素结构

　　光栅型有源像素传感器（ PG- APS） 在1993 年由喷气推进实验室早研究成功并用于高性能科学成像和低光照成像。光栅型有源像素传感器结合了CCD 和X - Y 寻址的优点，其结构图如4。

图4  光栅型有源像素结构图

　　光生信号电荷积分在光栅（ PG） 下，输出前，浮置扩散节点（ A ） 复位（电压为V DD） ,然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散节点。

　　复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。

　　当采用双层多晶硅工艺时，光栅与转移栅（ TX）之间要恰当交叠。在光栅与转移栅之间插入扩散桥，可以采用单层多晶硅工艺，这种扩散桥要引起大约100 个电子的拖影。1996 年，喷气推进实验室研制成功了（256 ×256） 元光栅型CMOS APS ,像元尺寸20. 4μm ,采用1. 2μm 单层多晶硅n 阱工艺，集成有相关双取样和双Δ 取样电路，读出噪声为13个均方根电子， 暗电流密度为500 pA/ cm2 。

　　（1 024 ×1 024） 元光栅型CMOS APS 已由喷气推进实验室和AT &T 联合研制成功，像元间距10μm ,采用0. 5μm 工艺技术。

　　光栅型APS 每个像元采用5 个晶体管，典型的像元间距为20 ×特征尺寸。采用0. 25 μm 工艺将允许达到5μm 的像元间距。浮置扩散电容典型值为10 f F 量级，产生20μV/ e - 的增益，读出噪声一般为（10~20） 个均方根电子，已有读出噪声为5 个均方根电子的报道。

　　4. 2. 3  其他像素结构

　　在有些情况下，传感器非线性输出是人们所希望的。当光信号被压缩时，非线性输出可以增大内景动态范围。对数传输是一种压缩方式，其像元输出的电信号与光信号的对数成比例。对数传输像元是非积分方式像元，它允许在时间和空间两方面都可以随机读出。（2 048 ×2 048） 元CMOS 对数像素图像传感器在1996 年由Danny Scheffer 等人研制成功， 像元间距7. 5 μm , 采用0. 5 μm CMOS 工艺。

　　钉扎光敏二极管型像素是为内线转移CCD 发展的，具有量子效率高、暗电流小和读出噪声低等特点。喷气推进实验室和柯达公司把钉扎光敏二极管与CMOS APS 结合起来，获得了高性能的图像传感器。具有浮栅传感放大器的光栅型CMOS APS 由喷气推进实验室研制开发， 片上集成有列平行ADC.具有简单结构的浮栅像元CMOS APS 由喷气推进实验室与奥林巴斯合作开发。

　　5  发展现状

　　研究开发CMOS 图像传感器的机构有很多，其中，以喷气推进实验室空间微电子技术中心的研究报道多。目前，很多研究机构主要在开发CMOSAPS ,有的已在传感器阵列上集成了模/ 数转换器。

　　各研究机构大多采用单层多晶硅双层金属布线n 阱工艺，有的已采用0. 5μm 工艺技术，光敏二极管以n 阱工艺p/ p + 外延衬底上制作的n + p 二极管效果。已证明CMOS APS 的噪声水平、量子效率、动态范围可与CCD 的相比拟。

　　部分CMOS APS 的发展状况见表1 .

表1  CMOS APS 发展现状

　　6  发展趋势

　　CMOS 图像传感器的前途是光明的。随着多媒体、数字电视、可视通信等市场的增加，CMOS 图像传感器应用前景更加广阔。在实现小单元尺寸方面，CMOS 图像传感器取得了快速的进步，已有5. 6μm ×5. 6μm 单元尺寸的报道。当采用0. 25μm 特征尺寸的工艺技术，将生产出高性能的CMOS 图像传感器。高性能单芯片CMOS 摄像机有希望在短期内出现，单芯片彩色CMOS 摄像机有望在今后两年内出现。

　　目前，人们主要致力于提高CMOS 图像传感器，尤其是CMOS APS 的综合性能，缩小单元尺寸，调整CMOS 工艺参数，将时钟和控制电路、信号处理电路、模/ 数转换器、图像压缩等电路与图像传感阵列完全集成在一起，并制作滤色片和微透镜阵列，以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。