CMOS图像传感器：片上电子照相机外文翻译资料

CMOS图像传感器：片上电子照相机

Eric R. Fossum

摘要：CMOS有源像素传感器（APS）在性能上可与电荷耦合器件（CCD）技术相媲美，并且在片上功能，系统功耗降低，成本和小型化方面均具有优势。 本文讨论了CMOS图像传感器的要求及其历史发展。 审查并讨论了用于像素，模拟信号链和片上模数转换的CMOS器件和电路。

1. 介绍

如今，有许多具有非常不同特性的电子相机。便携式摄像机是最著名的电子照相机，可以以每秒30帧的电视分辨率捕获图像。数字“静态”电荷耦合器件（CCD）摄像机以较慢的帧速率捕获更高分辨率的图像（例如1280 * 1024像素）。这些相机虽然目前在消费者应用中价格昂贵，但预计价格会迅速下降。单色低分辨率（例如30万像素）CCD相机非常便宜。 星载高分辨率科学CCD相机占据了光谱的另一端。

数码电子相机的新市场正在兴起，尤其是在用于文件捕获和视觉通信的计算机外围设备中。如果可以使照相机的成本足够低（例如每个照相机100美元或更低），则可以预期大多数个人计算机将至少具有一个照相机外围设备。甚至更便宜的相机也可以找到汽车和娱乐应用。相机的无线应用将需要超低功耗操作。很小的相机（例如，小于10 cm ^ 3）也将允许新的市场。

尽管应用广泛，但所有数码电子相机都具有相同的基本功能。这些是1）光子，即透镜的光学收集；2）光子，即滤光片的波长判别；3）用于将光子转换成电子的检测器，例如光电二极管；4）一种读出检测器例如CCD的方法； 5）传感器的定时，控制和驱动电子设备；6）用于相关双采样，色彩处理等的信号处理电子设备；7）模数转换；8）接口电子设备。在基于CCD的系统中，这些功能通常消耗几瓦的功率（例如1-5 W），因此是摄录机电池的主要消耗。电子设备和电源的体积和质量限制了系统可实现的微型化水平。

在过去的五年中，人们对CMOS图像传感器的兴趣与日俱增。引起这种兴趣的主要原因是客户对小型化，低功耗且经济高效的成像系统的需求。基于CMOS的图像传感器为集成大量VLSI电子芯片提供了潜在的机会，并降低了组件和封装成本。现在可以简单地设想一个具有集成定时和控制电子设备，传感器阵列，信号处理电子设备，模数转换器（ADC）和全数字接口的单芯片相机。这样的摄像头芯片将以标准逻辑电源电压工作，并消耗以数十毫瓦[1]，[2]为单位的功率。本文回顾了CMOS图像传感器技术和实现单芯片相机成像系统的路线图。

1. 历史背景

在CMOS有源像素传感器（APS）和CCD之前，有MOS图像传感器。在1960年代，使用NMOS，PMOS和双极工艺成功开发固态图像传感器的小组很多。例如，在1963年，莫里森（Morrison）报告了一种结构（现在称为计算传感器），该结构允许使用光电导效应确定光斑的位置[3]。1964年，IBM报道了这种扫描仪[4]。扫描器使用通过电阻网络寻址的n-p-n结阵列来产生与本地入射光强度成比例的输出脉冲。1966年，西屋（Westinghouse）报道了一个50 * 50的单片光电晶体管阵列[5]。所有这些传感器都具有与瞬时本地入射光强度成比例的输出信号，并且没有对光信号进行任何有意的积分。结果，这些设备的灵敏度很低，因此它们需要在像素内进行增益以增强其性能。

1967年，Fairchild的Weckler建议以光子通量积分模式运行p-n结[6]。来自结的光电流集成在反向偏置的p-n结电容上。建议使用PMOS开关读取积分电荷。可以使用串联电阻将显示为电流脉冲的信号电荷转换为电压脉冲。1968年报道了一个100 * 100元素的光电二极管阵列[7]。后来，韦克勒将该设备称为Reticon，并成立了Reticon，以将传感器商业化。

同样在1967年，RCA报告了一种使用CdS / CdSe TFT和photocon0018-9383 / 97 $ 10.001997 IEEE 1690 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL的薄膜晶体管（TFT）固态图像传感器。44号 1997年10月10日，导管[8] 180 * 180元素阵列包括用于顺序寻址像素的自扫描互补逻辑电路。据报道，还有一个电池供电的无线摄像机已被构造来演示该阵列。

当时英国的Plessey也很活跃。在1968年的开创性论文中，来宝（Noble）描述了自扫描硅图像检测器阵列的几种配置[9]。描述了表面光电二极管和掩埋光电二极管（以减少暗电流）。来宝（Noble）还讨论了一种用于电荷读出的电荷积分放大器，类似于后来其他人使用的电荷积分放大器。此外，据报道，在像素中首次使用MOS源极跟随晶体管进行读出缓冲。张伯伦在1969年报告了传感器的改进模型和描述[10]。固定模式噪声（FPN）的问题在1970年由Fry，Noble和Rycroft [11]发表。

直到最近，FPN一直被认为是MOS和CMOS图像传感器的主要问题。1970年，当CCD首次发表时[12]，它相对于FPN的相对自由度是其被许多其他形式的固态图像传感器采用的主要原因之一。CCD像素的简单性提供了更小的像素尺寸，也为其在业界中的应用做出了贡献。

自CCD诞生以来，研发的主要重点一直是CCD传感器性能。便携式摄像机市场推动了CCD技术的惊人进步。准则包括量子效率，光学填充因子（用于检测的像素的分数），暗电流，电荷转移效率，拖影，读出速率，滞后，读出噪声以及全阱，即动态范围。降低成本和光学组件的愿望推动了像素尺寸的稳定减小。 HDTV和科学应用推动了阵列尺寸的增加。最近，重点放在改进的CCD功能上，例如电子快门，低功率和简化的电源电压。有几篇关于将CMOS与CCD集成在一起以提高CCD功能的报道[13] – [15]，但是除了某些线阵列以外，由于成本和驱动大电容负载的困难，这种努力并未取得成果。

尽管在1970年代和1980年代开发CCD时付出了巨大的努力，但在上述性能标准方面，MOS图像传感器只是偶尔地进行了调查，并且与CCD相比没有优势[16]。在1970年代末和1980年代初，日立和松下公司继续开发适用于便携式摄像机应用的MOS图像传感器[17]，[18]，其中包括单芯片彩色成像器[19]。MOS传感器中的时间噪声开始落后于CCD所达到的噪声，到1985年，日立将MOS传感器与CCD水平移位寄存器组合在一起[20]。1987年，日立推出了一种简单的片上技术，以实现可变的曝光时间和室内照明的闪烁抑制[21]。但是，也许是由于残留的时间噪声，尤其是在弱光条件下尤为重要，因此日立放弃了将MOS应用于传感器的方法。

有趣的是，在CCD的1980年代后期占主导地位的同时，有两个相关领域开始偏离CCD的使用范围。第一个是混合红外焦平面阵列，最初使用CCD作为读出多路复用器。由于CCD的局限性，特别是在低温操作和电荷处理方面，开发了CMOS读出多路复用器，与CCD多路复用器相比，既增加了功能，又提高了性能[22]。第二个领域是高能物理粒子/光子顶点检测器。该领域的许多工人最初还使用CCD来检测和读出粒子和光子产生的电荷。但是，CCD的辐射敏感性和CMOS提供的增强功能（例如[23]）导致此应用后来放弃了CCD技术。

不过，在1990年代初期，两次独立的努力导致CMOS图像传感器开发的复苏。第一步是创建功能强大的单芯片成像系统，其中低成本而不是性能是驱动因素。这项努力是由苏格兰爱丁堡大学（后来成为VVL）和瑞典林雪平大学（后来成为IVP）的独立研究人员带头的。第二次独立的努力源于NASA对下一代深空探测航天器的高度小型化，低功耗仪器成像系统的需求。这样的成像系统是由性能而不是成本驱动的。后一项工作由美国喷气推进实验室（JPL）领导，随后将该技术转让给AT＆T贝尔实验室，柯达，美国国家半导体和其他几家主要美国公司，并成立了Photobit。努力的汇聚已导致CMOS图像传感器的显着进步和CMOS APS的发展。在读取噪声，动态范围和响应度方面，它在性能上与CCD相当，但功能大大增强，系统功耗大大降低（10-50 mW），并且具有降低系统成本的潜力。

对CMOS图像传感器的最新发展作出贡献的是CMOS技术的稳定，指数级改进。最小特征尺寸减小的速度已经超过了CCD技术的类似改进（见图1）。此外，传感器像素的大小受光学物理和光学成本的限制，这使得CCD在大多数应用中固有的像素大小优势无处可寻。片上信号处理（和片外DSP）的最新进展也将CMOS图像传感器FPN降低到了可接受的水平。此外，从模拟成像和显示系统到与PC捆绑在一起的数码相机的过渡，使得数字FPN校正对系统的影响可忽略不计。

在CMOS中实现像素的主要方法有三种：1）无源像素；2）光电二极管型有源像素，和3）光电门型有源像素。这些在下面描述。还有几种在CMOS中制造p-n结光电二极管的方法[24]，但是通常在n阱工艺中p / p Epi衬底上的n个二极管给出了最令人满意的结果。

1. 整体架构

CMOS图像传感器的整体架构如图2所示。图像传感器由像素阵列组成，通常逐行选择逻辑逐行选择像素。它可以是移位寄存器或解码器。像素被读出到垂直列总线，垂直总线将选定的像素行连接到一组模拟信号处理器（ASP）。这些ASP的功能包括电荷积分，增益，采样和保持，相关双采样和FPN抑制。

更高级的CMOS图像传感器包含片上ADC。在图2中，ADC示为列并行ADC。也就是说，每列像素都有自己的ADC。ADC的数字输出（或ASP的模拟输出）通过列选择逻辑进行选择以进行读取，列选择逻辑可以是移位寄存器或解码器。时序和控制逻辑块也集成在芯片上。可使用VHDL等工具在高层轻松定义此数字模块，并使用自动综合和布局布线工具在片上实现该数字模块。

图2的CMOS图像传感器体系结构允许图像读取的几种模式。整个阵列的逐行扫描读出是常用的读出模式。窗口读出模式很容易实现，其中仅选择较小的像素区域进行读出。这增加了对感兴趣的窗口的访问率。在每隔第二（或第三等）像素被读出的情况下，跳过读出模式也是可能的。此模式允许对图像进行二次采样，以提高分辨率为代价来提高读取速度。跳过和窗口模式的组合允许实现电子平移，倾斜和缩放。

1. 像素电路

像素电路可分为无源像素和有源像素。有源像素传感器（APS）包含一个有源放大器。在CMOS中实现像素的主要方法有三种：光电二极管型无源像素，光电二极管型有源像素和光电门型有源像素。这些在下面描述：

1）被动像素法

自从Weckler在1967年首次提出[6]，[7]以来，光电二极管类型的无源像素方法几乎保持不变。无源像素的概念在下面的图3中显示。它由光电二极管和传输（访问）晶体管组成。当访问晶体管被激活时，光电二极管连接到垂直列总线。列总线底部的电荷积分放大器（CIA）读出电路可保持列总线上的电压恒定并降低kTC噪声[9]。当访问光电二极管时，光电二极管上的电压被重置为列总线电压，并且与光信号成正比的电荷被CIA转换为电压。对于特定的CMOS工艺，单晶体管光电二极管无源像素允许给定像素大小的最高设计填充因子，或给定设计填充因子的最小像素大小。有时会添加第二个选择晶体管以允许进行真寻址。无源像素的量子效率（收集的电子与入射光子之比）可能很高，这是因为填充因子较大，并且没有像许多CCD那样的多晶硅上覆层。这种无源像素是EG＆G Reticon，日立[17]，松下[18]以及最近爱丁堡大学和苏格兰VLSI Vision [25]，[26]，林雪平大学和瑞典IVP生产的阵列的基础。[27]–[29]和丰桥大学[30]。

大得多的像素已用于文档成像[31]。已演示了使用非晶硅并采用无源像素架构构造的页面大小的图像传感器,其动态范围为10^4–10^5。

无源像素的主要问题是其读出噪声水平和可伸缩性。与获得不到20个电子均方根的商用CCD相比，无源像素的读出噪声通常约为250个电子均方根,读取噪声。无源像素也不能很好地缩放到更大的阵列尺寸和/或更快的像素读出速率。这是因为增加的总线电容和更快的读出速度都会导致更高的读出噪声。无源像素的主要问题在于其读出噪声水平和可伸缩性。 与获得不到20个电子均方根的商用CCD相比,无源像素的读出噪声通常约为250个电子均方根,读取噪声。无源像素也不能很好地缩放到更大的阵列尺寸和/或更快的像素读出速率。这是因为增加的总线电容和更快的读取速度都会导致较高的读取噪声。

2)主动像素法

几乎在发明无源像素后就迅速认识到，在像素中插入缓冲/放大器可以潜在地改善像素的性能。在每个像素内具有有源放大器的传感器称为有源像素传感器或APS。由于每个放大器仅在读出期间被激活，因此功耗极小，通常小于CCD。已经开发出具有出色性能的非CMOS APS器件，例如电荷调制器件（CMD）[32]，但是这些器件[33]-[35]需要专门的制造工艺。通常，APS技术具有比CCD更高的潜在优势[36]，但易受残留FPN的影响，并且成熟度比CCD更低。

与使用像素内放大器的无源像素相比，CMOS APS以像素填充因子为代价来提高性能。像素通常设计为20–30％的填充系数，类似于行间传输（ILT）CCD。信噪比（S / N）和动态范围的净增加可以通过减少读取噪声来弥补光信号的损失。微透镜通常与低填充因子ILT CCD一起使用[37]，[38]，并且可以恢复一些丢失的光信号.简单的聚酰亚胺微透镜可以将入射光从像素的电路区域折射到检测器区域，但是微透镜材料的损耗以及CMOS APS对横向载流子收集的固有灵敏度意味着可以通过微透镜有效提高灵敏度两方面。

3)其他像素法

这种专为行间传输CCD而开发的固定光电二极管具有高量子效率（尤其是蓝色），低暗电流和低噪声读数的特点。JPL / Kodak已将固定的光电二极管与CMOS APS读出相结合，以实现高性能的像素响应[66]。

JPL

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