新型CMOS圖像傳感器原理及設計

金屬氧化物半導體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。

1 CMOS有源像素傳感器

近來CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因為與CCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易實現包括其他邏輯電路在內的SoC(System on Chip)產品，而這在CCD中卻很難實現。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產品的生產設備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結構。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixel Sensor，APS)的功能結構圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(Photo Diode Array)。

四場效應管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、復位管T2、轉移管T1、源跟隨器T3和行選通開關管T4組成，如圖2所示。

轉移管T1被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過復位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴散區(qū)相連。與3T結構的APS相比，減少了與T3的柵極相關的漏電流效應。源跟隨器T3的作用是實現對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號與列總線相連。其工作過程是：首先進入“復位狀態(tài)”，T2打開，對光敏二極管復位；然后進入“取樣狀態(tài)”，T2關閉，光照射到光敏二極管上產生光生載流子，并通過源跟隨器T3放大輸出；最后進入“讀出狀態(tài)”，這時行選通管T4打開，信號通過列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點，但像素單元結構復雜，填充系數降低，填充系數一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數，APS在像素的上方設置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

由APS陣列所獲得的圖像信息，經過圖1中列模數轉換器(Column ADC)轉換為數字信號后，再經過一系列的后續(xù)處理過程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數據結構。