CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑(4)

CMOS图像传感器的基本原理及设计

电荷输出。

图1

图2 图3

高性能CMOS APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室（JPL）在1994年首次研制成功,像素数为128×128,像素尺寸为40μm×40μm,管芯尺寸为6.8mm×6.8mm,采用1.2μmCMOSn阱工艺试制,动态范围为72dB,固定图形噪声小于0.15％饱和信号水平。固定图形噪声小于0.15％饱和信号水平。1997年***东芝公司研制成功了640×480像素光敏二极管型CMOS　APS,其像素尺寸为5.6μm×5.6μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列。2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用0.18μmCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS　APS[10],像素尺寸为5μm×5μm,管芯尺寸为22mm×22mm,这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固体摄像器件。有关CMOS APS的工作原理、发展现状及其应用,笔者已作过详细介绍[6]～[8]。

因为光敏面没有多晶硅叠层,PD CMOS APS的量子效率较高,它的读出噪声由复位噪声限制,典型值为75均方根电子～100均方根电子。PD CMOS APS的每个像素采用3个晶体管,典型的像元间距为15μm。PD CMOS APS适宜于大多数低性能应用。

5．2．2 光栅型CMOS APS(PG CMOS APS)的像素结构

1993年由JPL最早研制成功PG CMOS APS并用于高性能科学成像的低光照明成像。 PG CMOS APS结合了CCD和X　Y寻址的优点,其结构如图3所示。

光栅信号电荷积分在光栅（PG）下,浮置扩散点（A）复位（电压为VDD）,然后改变光栅脉冲,收集在光栅下的信号电荷转移到扩散点,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,PG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。

光栅型CMOS　APS每个像素采用5个晶体管,典型的像素间距为20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工艺将允许达到5μm的像素间距。浮置扩散电容的典型值为10－14F量级,产生20μV/e的增益,读出噪声一般为10均方根电子～20均方根电子,已有读出噪声为5均方根电子的报道。

CMOS图像传感器的设计分为两大部分,即电路设计和工艺设计,CMOS图像传感器的性能好坏,不仅与材料、工艺有关,更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。这对设计人员提出更高的要求,设计人员面要宽,在设计中,不但要懂电路、工艺、系统方面的知识,还要有较深的理论知识。这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代。计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便,但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定。如果用户装有Windows95的系统,那么就要确定图像系统不是Windows98的。如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像,那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器。现在还存在许多非标准的接口系