（微电子学与固体电子学专业论文）高速cis时钟发生电路及驱动电路设计.pdf

摘要 高速监控是图像传感器的重要应用领域，它要求传感器具有高速全并行曝光 的性能。传统的四管像素虽然可以通过相关双采样降低噪声，但是无法实现高速 全并行曝光，不适用于高速监控。本文研究了可实现高速全并行曝光的五管像素 结构，此结构可根据工作环境选择高速和低噪声的工作模式下，分别满足低噪声 和高速的应用要求。 c m o s 图像传感器系统是一个多时钟域的系统，需要不同频率的时钟信号驱 动电路工作。本文采用自顶向下的设计方法，设计了用于实现时钟倍频，具有较 宽输出频率范围、低噪声、可集成的标准c m o s 工艺锁相环系统。为c m o s 图 像传感器系统提供多频率时钟信号，满足系统的工作要求。 随着工艺尺寸的缩小，电源电压的降低，像素复位过程中电压损失越来越显 著。暗光条件下复位时间过长，非完全复位会产生图像拖影问题，使图像信息产 生失真。本文针对上述问题设计了一种用于改善c m o s 图像传感器像素复位特 性的电荷泵电路。采用开关电容电荷泵结构提高像素复位电压；在较高栅压下复 位管处于线性区工作，加速复位，消除非完全复位带来的图像拖影问题；同时可 扩展信号摆幅，提高动态范围，满足低电源电压应用要求。 关键词：c m o s 图像传感器，五管像素，电荷泵，锁相环 a b s t r a c t h i g h s p e e dm o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fi m a g es e n s o r ，w h i c ha s k s f o rt h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e dg l o b a ls h u t t e r i n g c o n v e n t i o n a l 4 tp i x e lc a n r e d u c en o i s et h r o u g hc d s ，b u tc a n n o ti m p l e m e n th i g h s p e e dg l o b a ls h u t t e r i n g ，s oi ti s n o ta v a i l a b l ef o rh i g h s p e e dm o n i t o r i n g t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ec o n f i g u r a t i o no f5 t p i x e lt h a tc a ni m p l e m e n th i g h s p e e dg l o b a ls h u t t e r i n g ，a n dt h i sp i x e ic a n w o r ka t h i g h s p e e dm o d ea n dl o w n o i s em o d eb a s e s o nt h es u r r o u n d i n g s ，m e e t i n gt h e r e q u i r e m e n t so f h i g h s - p e e da n d l o w n o i s er e s p e c t i v e l y c m o si m a g es e n s o r ( c i s ) s y s t e mi sam u l t i - c l o c kf i l e ds y s t e m ，w h i c hr e q u i r e s d i f f e r e n tf r e q u e n c yc l o c ks i g n a l st od r i v et h ec i r c u i t st ow o r k u s i n gt h et o p d o w n m e t h o d t h et h e s i sp r e s e n t sap l ls y s t e m ，w h i c h i su s e df o rc l o c kf r e q u e n c y m u l t i p l y i n ga n df e a t u r e sw i d eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g e ，l o wp h a s en o i s ea n dc a n b e i n t e g r a t e di ns o cs y s t e m t h i sp l lp r o v i d e sc i s w i t hm u l t i c l o c ks i g n a l sa n dm e e t s t h ed e m a n d so f c i ss y s t e m w i t ht h em i n i m i z a t i o no ff e a t u r et e c h n o l o g ya n dt h es t e p - d o w no fp o w e rv o l t a g e ， v o l t a g el o s s e s h a v eb e c o m em o r ea n dm o r eo b v i o u s u n d e rl o wi l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n s ，r e s e tt i m ei ss ol o n gt h a ti n c o m p l e t er e s e tc o n t r i b u t e st oi m a g el a g ，w h i c h i nt u r nl e a d st oi m a g ed i s t o r t i o n t oo v e r c o m et h ea b o v ep r o b l e m ，t h i st h e s i sa d o p t sa c h a r g ep u m pc i r c u i t t oi m p r o v et h er e s e tp i x e lc h a r a c t e r i s t i co fc i s as w i t c h c a p a c i t o rp u m pa r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e dt or a i s ep i x e l r e s e tv o l t a g e t h e r e f o r e ，u n d e r h i g h e rg a t ev o l t a g et h er e s e tt r a n s i s t o rw o r k si nl i n e a rr e g i o na n dr e s e ts p e e di s e n h a n c e d a sar e s u l t ，i m a g el a gi n c u r r e db yi n c o m p l e t er e s e ti se l i m i n a t e da n ds i g n a l s w i n ga n dd y n a m i cr a n g e a lee n l a r g e d h e n c el o wv o l t a g es u p p l ya p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t sa l em e t k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r , 5 tp i x e l ，c h a g ep u m p ，p h a s el o c k e dl o o p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝各位触黼飙7 刈觚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇p 沙弛 跏躲概是 签字日期：1 伊弋年月5 日签字日期：加尸年多月r 日 第一章绪论 1 1c i s 概述 第一章绪论 消费类电子以及监控领域的巨大需求，使得图像传感器的研究具有巨大的市 场前景。目前广泛使用的图像传感器主要有以下两种：c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 图像传感器和c m o s 图像传感器( c m o si m a g es e n s o r ，c l s ) j 。 采用c c d 技术的图像传感器暗电流小、光灵敏度高、信噪比高、像素尺寸小、 量子效率高，因此在过去的几十年，c c d 一直是图像传感器的主流技术【2 j 。而c i s 存在着像素尺寸大、信噪比小、分辨率低、灵敏度低等缺点一直发展较慢。 然而，c c d 图像传感器存在着驱动电路和信号处理电路很难与成像阵列单 片集成、需要较高的工作电压、采用特殊的制造工艺、成品率低等缺点，很难适 应现代社会对图像传感器多功能、低功耗和低成本的需求。 随着c m o s 工艺的进步和c m o s 有源像素的诞生，c m o s 图像传感器在暗 电流、噪声、填充因子和动态范围方面的不足被大大改进，并以其低成本、低功 耗、易集成和读取灵活等优点广泛应用于数码产品、医学、工业监控等诸多领域， 逐步取代c c d 图像传感器的主流地位1 3 j 。 1 2c i s 主要指标 1 2 1 工艺与电源电压 目前主流的c i s 的工艺尺寸为0 1 8 9 m 0 1 3 i x r n ，电源电压为3 3 v 1 3 v 。图 像传感器的工艺发展速度落后于数字电路，较低的电源电压会严重影响像素和模 拟电路的工作，进而影响图像传感器性能。因此通常采用多电源电压工艺，像素 部分采用高电源电压，保证输出良好的图像信息，处理电路部分采用较低的电源 电压，充分利用小尺寸工艺带来的、高速度、低功耗等好处。 1 2 2 像素尺寸与分辨率 图像传感器的分辨率指的是像素总数，标准格式包括：q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) ， c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) ，v g a ( 6 4 0 4 8 0 ) ，s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 和超百万像 1 第一章绪论 素的非标准格式( 大于1 0 2 4 x 1 0 2 4 ) ，非标准格式一般用在数码相机上。分辨率是 c i s 的一项重要的性能指标，代表了一个c i s 分辨图像细节的能力，它直接决定了 图像的清晰度和色彩饱和度【4 】。分辨率取决于c i s 中像素单元的数量，像素数量 越多，它的分辨能力就越高。随着c m o s 工艺水平的提高，c i s 的像素单元尺寸 做的越来越小，分辨率将越来越大。目前，像素单元尺寸已达到2 2 i _ u n x 2 2 9 m ， 像素阵列更是达到百万、千万像素级。但小像素尺寸会降低传感器的灵敏度和信 噪比。因此像素尺寸大小是清晰度和光灵敏度与动态范围的折衷，在设计时根据 应用的不同选取。 1 2 3 填充因子 填充因子指光敏面积占像素总面积的比例。大的填充因子可以带来大光响应 灵敏度和高信噪比。可以用增大像素面积和减小像素内部处理电路的技术来增大 填充因子，但增大像素面积会限制图像传感器分辨率，因此设计中一般是在像素 面积一定的条件下最大限度的降低像素内部处理电路的面积。一般商业化的产品 要求填充因子大于4 0 。微透镜技术的发展使得较小的感光面积获得较好的图像 效果成为可能，极大地推进了c i s 的发展 1 2 4 动态范围 c i s 的动态范围定义为最大非饱和信号与最小可测信号的比值。其值通常用 分贝( d b ) 表示。动态范围越大则图像传感器的能探测的光强范围越大，性能越好。 最大非饱和信号通常定义为像素满阱容量或像素最大输出电压摆幅。c i s 最小可 测信号通常为噪声的均方根，因此最小可测信号受噪声限制。在低照度应用时， 高的背景噪声电平可能淹没信号电平而使目标难以探测【5 】。 1 2 5 最大帧频与功耗 最大帧频是指c i s 每秒输出的最高帧数，普通应用的c i s 一般要求达n 3 0 帧 秒，监控类的一般要求1 0 0 帧秒以上，用于超高速监控的甚至要求在上千帧每秒。 功耗是图像传感器正常采集图像时单位时间消耗的能量。降低功耗可以延长电池 供电时间，防止芯片过热引起失效。对于便携式产品，降低功耗非常重要。 2 第一章绪论 1 3 研究的背景与意义 c m o s 图像传感器主要有三大发展趋势【6 1 ： 改善深亚微米c m o s 工艺，以提高成像质量。 在改良的深亚微米c m o s 工艺基础上发展新技术。 应用于高速领域的高帧频c m o s 图像传感器。 高帧频的c m o s 图像传感器可广泛应用于机器视觉 7 1 、运动分析、安防、交 通监控【8 1 、数字电影等各个领域，具有很高的研究价值。 在高速监控、安全防护等应用中，主要有两种典型应用环境：光照充足条件 下，要对监控对象进行高帧率的图像捕获，实时的反应监控对象的运动情况；低 光照条件下( 气象条件恶劣的白天或光照不足的晚上) ，电子成像器件的内在噪声 开始对图像的质量产生明显的影响，此时需要监控传感器对噪声进行相应的消减 和抑制，以获得更为清晰可见的监控照片和视频。 矿n o 图1 1 四管像素结构 v o u t 上述条件决定于c m o s 有源像素的结构设计。传统的四管像素( 图1 1 ) 虽 然可以通过相关双采样降低噪声，但是无法实现高速全并行曝光，所以无法同时 满足上述两种要求。因此通过灵活的曹像素设计来同时实现高速全并行曝光、大 动态范围等处理能力日益成为c m o s 图像传感器研究和开发的热点。 与四管像素相比较，五管像素结构中加入了全局曝光管m 5 ，由t 5 信号控制， t 5 在整个像素阵列中为全局信号，如图1 2 所示。四管结构只能将曝光操作和 读出操作串加起来，这样就会大大降低帧频。而采用了五管的结构则可以克服上 述问题，可以很好的控制曝光起始时间。其次，五管结构通过t 5 开关对前一帧 进行复位，这样可以去除前一帧的影子，这对于动态图像很有意义。 随着工艺尺寸的缩小，电源电压的降低，像素复位过程中电压损失越来越显 引9 | 。暗光条件下复位时间过长，非完全复位会产生图像拖影问题，使图象信息 产生失真1 1 0 j 。本文针对此问题设计了一种用于改善c m o s 图像传感器像素复位 特性的电荷泵电路。采用开关电容电荷泵结构提高像素复位电压；在较高栅压下 第一章绪论 图1 2 五管像素结构 ( 4 2 v ) 复位管处于线性区工作，加速复位，消除非完全复位带来的图像拖影问 题；同时可扩展信号摆幅，提高动态范围，满足低电源电压应用要求。 c m o s 图像传感器系统是一个多时钟域的系统，需要不同频率的时钟信号来 驱动电路工作，石英晶体振荡器一般只能输出几十兆赫兹的频率，而且输出频率 单一，系统集成性差，成本也较高。为克服这些缺点，设计了用于实现时钟倍频， 具有较宽输出频率范围、低噪声、可集成的标准c m o s 工艺锁相环系统。为c m o s 图像传感器系统提供多频率时钟信号，满足系统的工作要求。 此外由于部分信号的负载为整个像素阵列( 如t 5 信号) ，因此还需要为传感 器设计合适的驱动电路，以满足不同工作环境下的要求。 1 4 论文的组织结构 本论文共分为六章进行阐述。 第一章主要针对选题背景及意义，简要介绍了c i s 概况及主要指标，结合本 设计的应用场合提出了文章的研究主旨，并简单叙述了整个设计的工作内容：第 二章扼要地介绍了像素的基础知识，分析了五管像素的工作原理：第三章基于数 学模型详细地讨论了锁相环系统的环路特点和响应特性，最后较详尽地对锁相环 各组成模块及整个环路表现出的噪声特性进行了理论上的分析推导，为降低系统 噪声提供了指导：第四章根据设计参数和环路特性，在对锁相环的各组成单元( 包 含鉴频鉴相器( p f d ) 、电荷泵( c p ) 、低通滤波器( l p f ) 、压控振荡器( v c o ) 、 分频器( d i v i d e r ) 进行功能分析和优化考虑后进行了晶体管级电路的设计和仿真， 最终对环路系统进行了整体仿真：第五章主要介绍了用于改善复位特性的电荷泵 电路的设计以及c i s 的行选列选电路的设计：第六章对所做的工作进行了总结并 对今后的工作提出展望。 4 第二章有源像素基础 第二章有源像素基础 光电探测器是利用光电效应将光信号转换为电信号的器件，它是外部场景信 息与内部处理电路的接口，直接决定了图像传感器的性能。在标准c m o s 工艺 中，一般采用对可见光谱具有较高灵敏度的p n 结寄生光电二极管探测光信号。 光电二极管输出电压与入射光强近似成线性。寄生光电二极管有很多缺陷，如噪 声、暗电流等，可以采用优化工艺和特殊的电路设计来改善c m o s 光电探测器 和图像传感器性能。 2 1 光电转换 2 1 1 半导体光电效应 半导体光电效应是半导体材料与光的相互作用，当入射光的光子能量锄大 于半导体的禁带宽度e g 时，价带中的电子可以被激发到导带上，在导带中产生自 由电子，在价带中产生自由空穴。在这种情况下，吸收谱在禁带宽度e g 对应的波 长k 处发生陡变，如图2 1 所示。 7 一 h = h v 吸收 ( a ) 激发生成电子空穴对 ( b ) 吸收谱在波长为礁处陡变 图2 1 理想的半导体光电效应 光子的能量锄为： = 枷= h c 2 ( 2 - 1 ) 其中，h 是普朗克常数，是入射光的频率，c 是真空中的光速，九是入射光波 长，x = c v ，从而可以得到e p h ( e v ) = 1 2 4 k ( ! a r n ) 。硅的禁带宽度e g 约为1 1 2 4 e v ，对 应的吸收最长波长约为1 1 0 0 n m ，处于红外区。紫光的波- 长为4 0 0 n m ，锄为3 1 e v ； 5 第二章有源像素基础 红光的波长为7 0 0 n m ，砌为1 7 7 e v i 引，整个可见光区的光子都能激发半导体硅产 生载流子。 硅材料为间接带隙半导体，其实际能带结构如图2 2 所示【1 2 1 ，其导带和价带 之间的最小能带间隙对应不同的晶格动量，对于最小能量跃迁需要同时改变电子 的动量。附加的动量是通过声子来传递的，声子的动量与电子的动量相当，所以 它不能被忽略，而光子的动量比电子的动量小得多，可以忽略不计。因此间接跃 迁同时依赖于电子与光子，电子和晶格的相互作用，因此是二级过程，发生间接 跃迁的几率比直接跃迁的几率要小得多，因此间接跃迁的吸收系数远小于直接跃 迁的吸收系数。 图2 2 半导体硅的能带结构图 2 1 2 吸收系数以及穿透深度 吸收系数是指在一定波长的入射光照射下，半导体材料吸收的光所占的比 例。当光线以强度五。照射半导体材料时，光强的变化与吸收系数的关系为： 以 ) = - a l , ( x ) d x ( 2 2 ) 其中，a 是吸收系数，x 是半导体体内到表面的距离，式中的负号代表随着x 增大光强在减小。该微分方程解的边界条件为：在半导体表面x = o 处，五俐= ， 求解此方程就可以得到朗伯吸收定律： l ( x ) = 乞p 一 ( 2 3 ) 由于跃迁几率取决于光子的能量，吸收系数0 【的大小与光子能量有关，吸收 系数a 随着波长的变化可以达到几个数量级。光的穿透深度定义为光强减弱为表 面光强的l e 时的深度，根据式2 3 可知光的穿透深度等于吸收系数的倒数。半导 体硅材料中光的吸收系数和穿透深度随入射光波长的关系如图2 3 所示。红光的 穿透深度超过1 0 1 u n ，远大于蓝光的0 2 9 m ，绿光的穿透能力在红光和蓝光之间【2 1 。 6 第二章有源像素基础 光的吸收系数曲线斜率取决于价带与导带之间的跃迁。硅为间接跃迁半导体，吸 收系数曲线开始处斜率相对小【1 引。硅光电探测器是适合探测可见光区和近红外区 的。在可见光谱范围内，硅的吸收系数比直接跃迁半导体要小l 2 个数量级，因 此硅材料需要更厚的吸收区f 4 j 。 吸收系数穿透深度 (era1)(urn) 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 0 。1 o 4 o 。5 o 6 o 7 o 8o 。91 o 波长l i j m ) 图2 3 吸收系数和穿透深度随波长的变化关系 2 1 3 光生载流子产生、复合 光生电子空穴对的产生率g 俐和入射光强厶，吸收系数仅之间的关系为： g ( x ) = r l a i , o e 一“ ( 2 - 4 ) 其中1 1 是内部量子效率，它描述半导体材料吸收光子时实际产生电子空穴对 的数量。从上式可以看出从半导体表面到内部，电子空穴对产生率呈指数下降。 实际上吸收系数伍和内部量子效率t 1 都是波长的函数，量子效率也称为光谱响应 度。因此计算g 俐时需要对波长九进行积分： g ( x ) 2f 刁( 五( 旯) ，i 。( a ) p 叫肋。砌 限s ) 吸收系数还与半导体的掺杂浓度有关，因此a 也愚的函数。在可见光范围 内，内部量子效率t 1 约为l ，即每吸收一个光子就产生一个电子空穴对。 总量子效率不仅取决于电子空穴对的产生数量，还决定于这些载流子是否能被有效的 收集。恒定光照下，独立的半导体处于平衡状态时内部的电子和空穴数目是一定的，也就是 存在复合来抵消不断生成的光生载流子。复合率( r ) 与电子空穴对的数量( n p ) 成正比例。为了 通过光生载流子来测量光信号，必须分离电子空穴对，并进行测量。由于半导体光电器件顶 部感光部位都有覆盖层，光信号在覆盖层将发生吸收和反射损失一部分，使光生载流子减少。 2 1 4 光生载流子收集 典型的光强为5 0 0 1 u x ( 1 5 0 ，0 0 0 光子岬2 s ) ，取吸收系数a 的典型值为 a = 5 x 1 0 3 c m ，量子效率1 1 = l ，在每立方厘米中每秒产生7 5 x 1 0 1 6 个电子。对于 第二章有源像素基础 l o 岬1 0 岬l 岬体积的半导体，收集到的电流为1 2 p a ，这样小的电流很难探测 到【2 1 ，为了能检测出光电流信号，必须采用电场对光生电子空穴对进行分离和收 集，并在收集端积累。 口p d e p l e t i o n 困n + 埘盯 口nd c p l 眈i o n 口p - s u t n r a l c d i 衔j s i o n 卜e | t m r i c 图2 4n + p 结光电二极管光生电荷的漂移运动和扩散运动 可用外加电场或( 在m o s 电容器栅极施加电场) 或半导体内建电场( p n 结 二极管内建电场) 来实现电子空穴对的分离。 光电二极管的电子空穴对产生在三个区，如图2 - 4 所示1 1 4 】。耗尽区内的光生 载流子被外加电场分离，然后漂移到电极，构成光生电流的漂移部分。距离耗尽 区小于扩散长度( l n ，l d ) 范围内产生的光生载流子被收集构成光电流的扩散部 分；距离耗尽区大于扩散长度的光生载流子在到达耗尽区之前就被复合掉了，对 光电流没有贡献。扩散长度( l n ，p ) 是少数载流子指数分布的特征长度。扩散长 度由扩散和复合过程决定，电子为l 。= d 。f 。( a m ) ，空穴为三，= d ，f ，( u r n ) ， 这里的d m 。和h 。分别是扩散系数和载流子寿命。扩散系数与迁移率遵守爱因斯 坦关系，d 几p = ( k t q ) i _ t n p ( c m 2 s ) ，这里k t q 是热电压，室温下约为2 6 m v 。p 是 迁移率。载流子寿命t 仉。与禁带中复合中心浓度成反比t 。= ( 1 n 。) 。 总的收集系数( 收集载流子入射光子) 可以写成：即t 渤l 啪l l e e t i o n = t c i e p l e t i o n - - ，7 b u l k 。 第二章有源像素基础 这里，：, l e 。1 。i o n 和叩b u l k 分别代表耗尽区的收集系数和衬底的收集系数。由上面的讨 论可知? d e p l e t i o n 7 b u l k ，可以认为绝大部分的收集发生在耗尽区。然而实际并不如 此，对于长波入射光，吸收系数非常低( 有很大的穿透深度) ，因此在耗尽区吸 收( 和收集) 的比较少，收集系数较大的依赖扩散长度，这会导致低收集效率。 另一方面，对于短波长的入射光( 蓝光) ，大部分的吸收发生在耗尽区，因此有 较高的收集效率。由于先进的c m o s 工艺p n 结都比较浅，大部分入射光直接穿 透耗尽区，这种穿透效应对敏感度会有影响。对于垂直的光e g - 极管吖p ) ，总 电流为： 厶耐= + ，够 ( 2 - 6 ) 假定n + 层很薄，忽略光吸收和热生成暗电流，可以得到漂移电流密度为： ，加口= 一q f g ( x ) d x = 牡。( 1 一e x p ( - a g o ) ( 2 7 ) 对于x w ，p 型半导体扩散方程为： 见娶一业+ g ( 加o ( 2 8 ) 呶 f 。 这里d 。空穴扩散系数，t 。是少子寿命，n p 0 是少子平衡浓度。方程边界条件是： n p 州p 0 x = ，n p = o x = w 解为： n j 口= n p o 一 p o + c le x p ( - t 耽) e x p ( w x ) l 。】+ c le x p ( 一& x ) ( 2 9 ) 这甄= 瓜，c l = ( 每鑫，因此扩散电流密度为： 妒哦( 警k 。吼。矗唧( 删) 鸩。鲁协l o ) 总电流密度： 。舢一臀】+ 机i d n ( 2 - 1 1 ) 一般条件下，第二项很小，光子电流密度正比于入射光子流，效率厂槲q l ，。为： ( 2 1 2 ) 竺峨 “一+x 一1 9 一 i l 第二章有源像素基础 因此效率主要依赖a w 的大小，a 是材料的参数，入射光波长较长时，0 【减小导 致效率下降。w 依赖于二极管的掺杂水平和偏压，所以w 是设计参数，效率随 耗尽区宽度和波长的关系如图2 5 所示。由前面推导可知在短波长量子效率是不 变的，这是因为我们在推导过程中忽略了项层n 区的吸收和热电流，而实际上， 由于短波长穿透深度小于顶层掺杂的厚度，短波段效率也减小。 女毛尽区宽度波长 0 c = 1 0 4c m 一l n 2l ( 咔l m l n - - l i 舡m 转= l p mi 假定- c q k ) i 图2 5 效率随耗尽区宽度和波长的关系 2 2c m o s 有源像素结构 光电二极管电荷积分模式是将较小的光电流信号转换为可测量的电压信号 最常用的方法，其电路原理如图2 6 所示。 = g n d 图2 6 光电二极管载流子积分原理图 二极管复位到反向偏压v d d 后，r e s e t 信号断开，电容就通过光电流放电，其电 压是时间的函数。由于光电流较小，须通过一段时间积分收集载流子： q 训t - i p h o 幻t i f l t 用电容转换成电压为v = q 。o l l t c ，其中c 由二极管本身电容和与 该节点连接的其它电容组成。因为反向电流正比于光强如，所以啦f f 。，和厶的变 1 0 第二章有源像素基础 化是近似线性的，但是p n 结偏压改变会导致电容变化，从而影响线性度。由于 复位后光电二极管是独立的，且忽略暗电流的作用，电容的电流与光电流大小相 等，方向相反。那么，光电流表达式为： 复位后光电_ 2 - - 极管是独立的，且忽略暗电流的作用，电容的电流与光电流大小相 等，方向相反。那么，光电流表达式为： c ( 即掣一 ( 2 - 1 3 ) 对于n + p 2 极管，电容为： c c 啥詈【等】； a 是二极管面积，n a 是衬底受主浓度。将( 2 1 4 ) 式代入( 2 1 3 ) 式， 一f = 詈( 2 瞩 ) - 【1 2 x f 矿 - i v t ) + + g o ( 2 1 4 ) 可得： ( 2 1 5 ) v o 是二极管内建电场，v 删为复位后的反偏电压，因此有： 阶【厄一丽i p h o 菰j r ( 2 - 1 6 ) 因为光电流正比于入射光子流，即i d o ci 小，所以输出电压中包括的二极 管面积彳已被抵偿，即输出电压与光敏面积的大小无关。但考虑了寄生效应之后， 光敏面积对像素的光电响应性能会有很大的影响。目前c m o s 工艺中常用的像 素结构有三管有源像素、四管p p d 像素，以及可以适用于高速结构的无关像素 结构。 2 3 传统三管有源像素 c m o s 三管有源像素利用光电二极管将外界的光信号转化成电信号，然后由 后续的电路进行处理，如图2 - 7 ( a ) 所示，_ 2 - - 极管接收光照产生电子空穴对，在电 场作用下形成光电流，光电流与电场呈线性关系d 5 , 1 6 。c m o s 三管有源像素包括 n + p 光电二极管、复位管m r s 、缓冲放大管m r o 以及行选通管m s z l 。 三管像素的工作时序如图2 7 ( b ) ，首先对光电二极管复位( r s t = i ，s e l = i ) ， 像素输出电压为，j ： d 一2 - x 2 i b , # s o 。( w l ) ( 2 - 1 7 ) 第二章有源像素基础 & ，m m 脚_ 广1 - 一一 广1 ：o 积分时间岁： ( a ) 三管像素结构 ( b ) 三管像素工作时序 图2 7 三管像素结构与时序 所为的阈值电压；接着复位管断开( r s t = - 0 ，s e l = o ) ，光电二极管感光，曝光结 束后，艇z = l ，输出v s i g 值为 1 5 】： k i 。r i , d - - 2 v t k 岫一l 。省 ( 2 - 18 ) 其中h 咖为光照引起电压变化，噪声是影响图像传感器采集图像质量重要因素。 噪声可以分为与时间无关的f p n 和与每次采样相关的随机噪声。三管像素中复 位管和缓冲放大管的阈值电压所随像素的空间分布不同会有一些波动，在相同 光强下像素响应输出不同，导致图像中产生f p n ，可通过双采样技术消除。双采 样技术的原理是首先采样积分后的图像信号，然后采样复位信号，采用读出开关 电容放大器将两次采样信号作差f 埽】，消除由复位管以及缓冲放大管的闽值电压失 配引起的f p n 。最终得到的信号电压值为： = - z 。= k 慨础 ( 2 _ 1 9 ) 但三管像素内没有存储节点，不能存储复位电压。只能用本次采样信号和下 次复位电压做差，两个信号不具备相关性，因此双采样只能消除f p n ，不能消除 与时间相关的随机噪声，且光电二极管n + 表面暗电流较大。因此限制了图像质 量的提高【挎1 。并且只能采取滚筒式曝光方式，逐行启动各行的曝光，这在拍摄高 速运动物体时图像会发生扭曲【2 0 1 。 2 4 四管p p d 像素 2 4 1 四管p p d 像素结构及其时序 四管像素是在三管像素的基础上改进的而来的，该像素结构在光电二极管 的设计中采用了表面p i n n e d 技术，并增加了一个传输门管m t x ，如图2 - 8 ( a ) 所示。 像素由p i n n e d 光电二极管p d 、传输i q ( m t x ) 、复位管( m r s ) 、放大管( m r d ) 和选通 管( m s e l ) 组成。 第二章有源像素基础 v o t ) ( a ) 四管p p d 像素结构示意 ( b ) 四管像素工作时序 图2 8 四管像素结构与工作时序 四管p p d 像素区别于三管像素一个主要特点就是增加了传输门m a x ，这使 感光节点和信号敏感节点相分离，可对复位信号进行存储，在像素内部通过相关 双采样消除复位管的随机噪声。四管像素工作时序如图2 - 8 ( b ) 所示。s h l 和s h 2 是后续电路对复位信号和图像信号的采样保持操作。 t l 时刻行选信号s e l 信号置高，选通待读出的一行像素；同时复位信号r s t 置高，此时像素的储存节点将包含本像素复位噪声的电平诈d 储存在节点电容 上。 t 2 时刻复位信号r s t 置低，储存节点完全与像素电源d 和光电二极管实现 隔离，此时控制列读出的时钟信号s h l 置高，将v f d 经放大缓冲管m r d 进行读 出处理，最终得到包含像素本次复位引入的随机噪声的输出电平，并将信号存储 在电容上，定义该信号为v r s t 。此时由于传输门m a x 处于关断状态，光电二极 管电荷收集不受复位操作影响。 当像素复位信号读出操作结束之后，时钟信号s h l 置低，在t 3 时刻，信号 t x 置高，将传输门m a x 打开，此时传输门的势垒降低至p i n n e d 光电二极管的势 阱底以下，此时在p d 处聚集的光生电荷就在势场的作用下从p d 区向f d 区进 行转移，由于p p d 结构势阱底部高于传输门的势垒高度，可实现光生电荷的完 全转移，不受传输管势垒噪声的影响。由于晶体管收集的是光生电子，因此v f d 下降，最终达到稳定时v m 的变化值为： = q s i 。c 之 ( 2 - 2 0 ) 其中q s i 。代表f d 处收集的全部光生电荷数，c f o 代表f d 的节点电容。此储 存节点信号值经放大缓冲管m r d 传输到像素的输出节点上。 “时刻，控制列读出电路的时钟信号s h 2 置高，将此时像素输出信号采集， 定义该信号为蚝i g 。这个信号与复位时输出信号垛s t 含有复位噪声来源于同一 复位过程，因此它们是彼此相关的。通过后续的相关双采样电路，可以将这两个 第二章有源像素基础 值进行求差，从而消除复位噪声对图像的影响。 2 4 2 表面p i n n e d 技术的优点 表面p i n n e d 技术改善了原有结构暗电流过大的问题。通过在n + 区中注入” 层对其下的p n 结实现隔离，光生电荷的收集远离周期性结构受到破坏、容易产 生暗电流的半导体表面，从而极大地减小了暗电流。另外，p i n n e d 光电二极管在 c m o s 标准工艺下可以消除由于增加m a x 管引起的复位噪声。由于二级管势阱 底部高于传输门的势垒高度，电荷转移与m a x 势垒无关，工作机理如图2 - 9 所示。 瑚砌腑“ 如果四管结构像素采用普通酌光电二极管，当与光电管n + 区相连的复位管闭合 后，光生空穴在耗尽区势阱的作用下被扫到p 衬底中，被衬底吸收。光生电子则 在n + 收集，此时由于外部复位电平全部降落在耗尽区中，n + 能带结构处于“深 阱”状态，阱深远超过了标准c m o s 工艺中m o s 结构势垒电平变化的范围。如 果这时通过将m a x 打开，通过降低势垒令积累的电子“流入”储存节点之中，部分 光生电子无法越过m o s 势垒进入储存节点。根据复位噪声的理论，加入的传输 门管m a x 与复位管的作用相当，其势垒高度的波动会影响到电子向储存节点的 转移，这种波动可以等同于复位操作的开关噪声，带来图像质量的下降。 图2 8 所示的四管p p d 结构像素中采用表面p i n n e d 光电二极管( n 区上扩 散的p + 区) ，在减小n 与p 衬底所形成的p n 结表面暗电流的同时，在p + 区和 n 区之间形成了一个新的p n 结。这个结两侧均为高掺杂区，降低了原有p n 结 耗尽区的电势差，从而对n 区能带形成上拉作用，使其脱离“深阱”状态，于是在 n 区所聚集的电子有一个相对较高的势阱底部。设置m a x 开启后的势垒电平低 于势阱底部炸d ，这样n 区收集的电子就可以在电势差的作用下全部进储存节点， 如图2 - 9 中t = t 3 所示，m a x 势垒波动不影响电子向储存节点的转移过程，即m a x 不引入复位噪声。 上述分析表明，四管p p d 像素可以降低暗电流，同时消除传输门和复位管引 1 4 第二章有源像素基础 入的复位噪声。 2 4 3 四管p p d 像素实现全并行曝光 上述的过程是逐行曝光的过程，在拍摄高速运动物体时，也存在着图像扭曲 失真的问题。经过适当的时序调整，可以使四管像素实现全并行曝光，以捕捉高 速运动物体的图像，时序如图2 1 0 所示。所需要做的改变是将行信号t x ，改为 全局信号，r s t 信号仍为行信号。 i 厂 厂 厂_ 1 n 一几 门 r 年i i f s ”。f 厂厂广厂 8 哪” 几r n丌 几n r 图2 1 0 四管像素实现并行曝光的时序 通过图2 1 0 的时序图可以看出，t x 既要作为p i n n e d 二极管复位通路的一部 分，又要作为全局曝光管使用，当第s 帧曝光结束后( 即图示a 点) ，外部双采样 电路开始对储存节点的电平信号进行双采样读出，直到最后一个像素p 4 洲，n ) 的 信号读出完毕后，t x 作为全局曝光管才能开始第s + i 帧的曝光。因此，四管像 素的全并行曝光实际上是采用“第s 帧曝光一第s 帧逐行读出一第s + l 帧曝光 一第s + i 帧逐行读出”的串行帧输出方式，其无法适应监控等领域高达上百帧每 秒甚至千帧每秒的高速图像传感的需要。且由于其t x 管全帧共用，位于读出信 号( r e a d o u t ) 前的复位信号无法一次输出到外部双采样电路中，外部双采样电路得 到的复位信号实际上是读出信号后专门为双采样而进行的复位操作所产生的复 位信号，其与读出信号之间没有时间相关性，因此也就无法消除r e s e t 噪声，使 得这种像素结构在大动态范围领域的应用受到了一定的限制。 寻l：=； 第二章有源像素基础 2 5 五管有源像素 与四管像素相比较，适用于高速全并行曝光的五管像素结构中加入了全局曝 光管m 5 ，由t 5 信号控制，t 5 在整个像素阵列中为共用信号，如图2 1 l 所示。 d 图2 1 1 五管像素结构 这使得像素的工作时需更加灵活，不仅可以实现高速全并行曝光工作模式，还可 以退回到适于暗光条件的低噪声工作模式，即满足高速和低噪声两种工作模式以 适应不同的需求。 当处于全并行曝光模式时，t 5 信号控制整个像素阵列同时进行曝光，各像素 曝光获得的光电信号通过t 4 信号的控制移入存储节点，再由行选控制信号和列 选控制信号控制从存储节点中逐行读出。工作时序如图2 1 2 所示，工作过程为： ( 1 ) t 5 信号控制m 5 导通，所有像素复位，m 5 关断后全部像素同时曝光； ( 2 ) 曝光完成后，t 4 信号控制所有像素的m 1 管同时导通，将光生电子转移 到存储节点。存储节点电压包含上一次r s t 复位引入的复位噪声。m 1 关断后， t 5 即可根据曝光时间要求控制下一次复位，像素阵列曝光下一帧图像； t 5 3 4 -一i r o w ( y ) ：r - 一 r o w ( v + 1 ) 1 厂一l 啪) i 厂l一 r s t ( y + 1 ) ：n 涵o u tl 1n厂r ， c o l e n ( x ) c o l e n ( x + 1 ) c o l e n ( x + 2 ) 一 n 几n 门n。 t 图2 1 2 五管像素并行曝光时序 1 6 第二章有源像素基础 ( 3 ) m i 关断之后，开始光电信号的逐行读出过程，行选信号选通某一行后， 列选信号选通，将光电信号读出。读出后列选关断，之后r s t 信号对存储节点 复位，对存储节点引入了复位噪声，列选信号再次导通，读出复位信号，将该次 复位信号与光电信号进行比较，但这两个信号所包含的噪声不具备时间相关性， 所以实现的只是双采样，并非相关双采样，只能消除固定模式噪声，不能消除随 机噪声； ( 4 ) 各行像素按照上述过程逐行读出信号，完成该帧图像信号的采集。 由上述过程可以看出，五管像素的工作过程是第s 帧曝光一第s 帧读出和第 s + i 帧曝光_ 第s + i 帧读出和第s + 2 帧曝光的流水线式帧输出方式。这种方式节 省了单独曝光的时间，大大提高帧频，使图像传感器满足高速监控领域的应用需 要。 当外部光强低于光强感测模块的比较阈值，或外部i o 强行插入中断指令选 择4 t 模式时，m 5 管将关闭，此时像素等效于四管像素，进行逐行曝光，能够 实现相关双采样实现低噪声，满足暗光条件下的需要。 通过以上对五管像素两种工作模式的分析，可知五管像素阵列可应用在不同 的工作环境中。但是当工作于全并行曝光工作模式时，不能实现相关双采样，复 位管引入的随机噪声不能有效消除，形成的图像质量会有所下降。而当工作于低 噪声工作模式时，就不能进行全并行曝光，成像速度会受到限制。 五管像素通过m 5 开关对前一帧图像复位，因此可有效去除前一帧图像的拖 影( i m a g el a g ) 。同时这种结构还可有效防止溢出发生( a n t i b l o o m i n g ) 。溢出是 指图像上一点的亮度过强，对周围的像素产生了溢出，造成这个像素周围的像素 也会变得比实际亮。在五管像素单元中，只要将m 5 开关的低电平值设得稍高于 零电位，例如2 0 0 m v ，这样使得开关m 5 一侧的势垒比开关m 1 一侧的势垒稍低， 泄漏了一部分溢出的电子，减轻了溢出电子对开关m 1 一侧势垒