6-6 图像传感器在线视频

这一小节我们介绍图像传感器

近几年来

图像传感器变得越来越重要

原因是在很多应用领域

这种传感器都有大量的应用需求

目前有两种获得数字图像的技术

一种是电荷耦合器件

或者说CCD

另一种是互补金属氧化物

半导体图像传感器

或者说CMOS图像传感器

这两种传感器都是利用

光子与半导体硅材料的相互作用

将光子信号转化为电信号

都是有上百万个

光探测器单元的阵列

每一个单元

称为一个像素

如果我们仔细考察各种半导体

光传感器中

光信号转化为电信号的过程

我们可以把这个过程

分成两步

首先是将入射光子

转化为电子空穴对

然后再将电子空穴对

转化为电压信号

对于CCD和CMOS图像传感器而言

它们的第一步是一样的

第二步

CCD是在读取电路的输出端

把电荷转换为电压信号

而CMOS图像传感器

是在每一个像素里面

就把电荷转换成了电压信号

CCD是在1969年

由George Smith

和Willard Boyle

在贝尔实验室发明的

当时发明这个器件的初衷

是用来存储计算机的数据

而不是捕捉图像的

由于这项发明

这两位科学家荣获了

2009年的诺贝尔物理学奖

CCD由光敏元件阵列

和电荷转移器件集合而成

它的基本工作的过程

是电荷的产生 存储 转移

和检测

电荷存储单元

是金属氧化物半导体电容

也就是MOS电容

左边的图是P型衬底MOS电容的

结构原理图

当向氧化层表面的电极

施加正偏压时

P型硅衬底中

形成耗尽区

也就是形成一个势阱

可以存储电子

耗尽区的深度

随正偏压的升高而加大

其中的少数载流子电子

就会被吸收到

最高正偏压电极下的区域内

CCD的信号电荷

由光注入而形成

不同像素单元的入射光的波长

与功率不同

因此 产生了光生载流子的数目

也各不相同

由光生注入产生的电荷

可以在CCD阵列的

相邻MOS势阱之间进行转移

直到将电荷转移到阵列之外的

电荷放大器

并转为电压信号

左边的图描述了一种

CCD电荷转移的三相控制方法

三相控制是在CCD阵列的

每一个像素上

有三个电极

Phase1 Phase2和Phase3

依次在三个电极上施加相位

不同的控制脉冲

Φ1 Φ2 Φ3

当CCD有光注入时

给Phase1施加高电压

在Phase1下方就会形成势阱

光生载流子被储存在

这个势阱里面

当Phase2加上同样的电压时

由于两个势阱间间隔很近

相互耦合

原来在Phase1下的电荷

将在Phase1和Phase2

两个电极下进行分布

当Phase1再回到低电位时

电荷就将全部流到Phase2

下面的势阱中

然后我们再继续升高

Phase3的电位

将Phase2的电位降低

电荷就从Phase2转到了Phase3

下面的势阱中

这样就使得Phase1下面

获得的光生电荷

转移到了Phase3下面

随着控制脉冲的分配

少数载流子

就可以从CCD的一端

转移到最终端

终端的输出二极管

收集了少数载流子

送入放大器处理

便实现了电荷信号

到电压信号的转换

CCD图像传感器

具有灵敏度高 噪声低的优点

但是它的缺点是制造工艺

与存储器 处理器等

通用的集成电路工艺

不完全兼容

使得它的制造成本相对较高

另外CCD的信号读出方式

要求必须读出所有的像素的信号

它不支持阵列中区域像素

信号的读取

这也降低了传感器的工作速度

同时CCD图像传感器

需要很多其他的支持芯片

增加了系统的复杂性

尺寸 成本以及功耗

CMOS图像传感器

是从1990年代早期开始发展的

它利用了传统的半导体芯片的

制造工艺

在CMOS图像传感器的像素中

利用光敏二极管作为

光信号检测传感器

在像素内就直接将光信号

转换成了电压信号

其他的支持电路

可以放置在光敏二极管的旁边

或者植入在同一颗芯片上

使得CMOS图像传感器的制造工艺

比CCD要便宜了很多

同时也降低了整个图像传感器

系统的复杂度

成本和功耗

此外 CMOS图像传感器

它允许随机地读取像素信息

使得CMOS图像传感器

具有很高的工作速度

CMOS图像传感器的成像质量

在很大程度上取决于

其像素的种类

典型的CMOS像素有无源像素

有源像素和数字像素三种

在无源像素中

只有一个光敏二极管

和一个MOS晶体管

MOS晶体管用于将光敏二极管的

输出电荷信号

输送到数据总线上

再由电荷放大器转化为电压信号

在有源像素中

可以包含一个光敏二极管

一个复位晶体管

一个晶体管放大器

和一个行选择晶体管

因此也称为三管像素

有源像素是目前应用最多的

像素结构

像素开始工作时

先通过复位晶体管打开

将光敏二极管的

反向偏置电压拉高

然后入射光波在光敏二极管中

产生光生载流子

从而使二极管的电容放电

降低了光敏二极管端口处的电位

晶体管放大器一般设置成

源极跟随器结构

将信号放大后

通过行选择晶体管

实现信号的输出

在三管像素的基础上

人们进一步发展的是四管像素

它是在三管像素的基础上

增加了浮空扩散点FD

和传输晶体管

使得电荷的收集和转移分离开

在四管像素中采用了前位型

光电二极管

也就是PPD

前位型光电二极管的结构

是在PN结光敏二极管的基础上

在PN结的N型表面

增加一层重掺杂的P+层

该前位层可以实现N型埋层的

完全包埋

避免了二氧化硅层中的

固定正电荷与界面态

对所收集光电子的复合作用

另外 两个PN结之间的N-区

可以实现完全耗尽

能够抑制像素的复位噪声

在前位型光电二极管

PPD和浮点控制点FD之间

有一个传输栅

即图上的TG

当传输栅TG处于低电平的时候

传输栅下面的势垒区

能够阻止前位二极管PPD中的

光增电子的逃逸

从而使得前位光电二极管

本身也成为一个势阱

第三类 数字像素

这种结构是由美国斯坦福大学

于近年提出的一种新型的

CMOS图像传感器

数字像素结构与有源像素结构的

不同点在于

它将模数转换单元ADC

和存储单位直接

内置于像素单元内部

使得像素单元直接输出

数字域的信号

从而更加适合高速运用的环境

该像素结构是一种划时代的

新的像素结构

但因为像素级的模数转换器

对工艺和电路实际的要求极高

目前这种结构离大规模的量产

还有比较大的距离

此外

我们现在使用的图像传感器

都是彩色图像传感器

实现彩色图像的获取

是通过在每个光电传感器上面

制作滤光透镜

使得每个光电传感器

只能敏感红 绿或者蓝色的

光波信号

从而实现对彩色图像的获取

这个图就是彩色图像传感器的工作原理

另外根据光子入射

像素方向的差异

可以将像素分为正照式像素

与背照式像素两种

其中正照式像素较为传统

光子在射入像素前

都必须经过绝缘层与金属布线层

因此 其衍射与窜扰也比较严重

而背照式像素结构

则利用结构上的改变

避免了光子的不必要损耗

其通过将正照结构中器件层

与金属层的整体翻转

将原本阻碍光路的金属布线层

挪至了光路的另一端

实现了像素对光子的高效利用

这种像素结构

不仅可以有效提升器件的灵敏度

与暗光表现

更消除了金属层的衍射效应

使得像素尺寸

可以进一步地缩小

下面我们对CCD和CMOS

图像传感器的性能进行一下

总结与比较

首先在灵敏度方面

CMOS的每个像素上

包含多个晶体管

因此实际的光敏器件的感光面积

要小于像素的面积

它的灵敏度比CCD要低

在分辨率方面

相同芯片尺寸的情况下

一般CMOS的像素面积较大

分辨率相对较低

在噪声方面

CMOS的每个像素

都有一个放大器

而放大器是模拟电路

因此很难做到性能完全一致

所以说相对于而言

CMOS的噪声会更大一些

在器件的速度方面

CMOS图像传感器允许随机地

读取像素信息

它的工作速度可以更高

在功耗方面

CCD中使每一个像素的电荷

移动时

所施加的外加电压都很高

一般需要达到12到18伏

因此功耗也比较大

同时 它需要比较高难度的

电源管理电路

相对的CMOS的功耗比较低

最后在成本方面

CMOS传感器用基本的

CMOS电路工艺制造

它可以在世界上任何一家

大的代工厂里边生产

因此成本比较低

而CCD需要特殊工艺制作

多种非标准的高电压时钟

以及电压偏置

它的成品率比较低

因而成本很高

所以CCD一般应用于专注于

高品质图像

高像素 高灵敏度的

照相机应用上

而传统上

CMOS图像传感器的图像质量

相对要差一点

分辨率较低

灵敏度也比较低

但是近年来

由于电路生产技术

光学设计等方面的不断进步

使得CMOS图像传感器

它的性能也获得了极大地提高

它在部分应用方面

已经达到了与CCD相近的水平

这一讲的内容就到这里

谢谢大家