（微电子学与固体电子学专业论文）低电压大动态范围cmos图像传感系统的研究.pdf

摘要 摘要 在电子技术迅速发展，计算机网络广泛应用的今天，图像传感系统作为人 类感知外界信息的一种途径，成为当前以及未来市场关注的对象。作为传统的 图像传感系统，c c d 具有图像质量高，噪声小等优点，但其生产成本也偏高，同 时不宜同外围电路集成。近年来，c m o s 图像传感系统以功耗低、易于与外围电 路集成、可靠性高、制造成本低等优点逐渐取代c c d ，成为了市场的主流和研究 热点。 本文对目前应用比较多的几种c m o s 图像传感系统的像素结构进行了分析， 根据在低电压环境下应用的需要，设计出一种新型的像素结构，能有效地提高 低电压下图像传感系统的动态范围。目前c m o s 图像传感系统在噪声抑制方面还 有需要改进的地方。文中提出了一种采用单电容的相关双采样结构，在减少版 图面积的同时有效抑制像素端输出的噪声。在模数转换器部分，从设计的灵活 性、工作频率、功耗以及像素填充因子等多方面综合考虑，采用了列级a d c 的 结构。比较器部分采用了级联结构，并且应用了失调校准技术。 基于s m i c o 3 5 微米l p 4 mn 阱c m o s 工艺，最终设计结果为：a d c 的分辨率 为7 位；每列像素共用一个a d c ，单个像素的面积为1 5 a m x l 5 a m ，填充因子达 到4 0 。c m o s 图像传感系统的模拟电路部分功耗小于1 2 0 m w ，动态范围是7 9 d b ， 采样速率是每秒3 0 帧。 关键词：c m o s 图像传感系统大动态范围低功耗相关双采样 堕型l 一一 ab s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l t e c h n o l o g ya n dt h eb r o a d a p p l i c a t i o no fn e t w o r k , i m a g es e n s o rs y s t e mh a sb e c a m et h ef o c u s o fm ep r e s e n t 趾d m t u r em a r k e ta sa ni m p o r t a n tw a y b yw h i c hp e o p l ec o n t a c t 、) i ，i t l lt h e i re n v i m f m l e n t s u c u 蚰a g es e n s o rs y s t e m , a sat r a d i t i o n a lo n e ，h a sg o o dp e 墒n n a n c ea n dl o 惯 n o i s e h o w e v e r ，t h ec o s to f c c di sh i g ha n di ti sd i f f i c u l tt oi n t e g 阳胞c c d 嘶m o u t s i d e c i r c u l t si nac h i p d u r i n gr e c e n ty e a r s ，c m o si m a g e s e n s o rs y s t e mh a sg o t 觚 1 m p o r t a n tr o l emt h em a r k e ta n dt h er e s e a r c hf i e l di ns t e a do fc c d b e e a u s e “s c 胁徼t e n s t i c so fl o w 棚w e r ，e a s i n e s st oi n t e g r a t ew i t ht h es u r r o u n d i n g c i r c u i t s ，h i 吐 r e l i a b i l i t ya n dl o w - c o s tt op r o d u c e 。 1 量1 i sa r t i c l ea n a l y s e ss e v e r a lk i n d s o f p i x e ls t r u c t u r eo f c i s s ( c m o s i m a g es e n s o r s y s t 锄_ ) ，a n dd e s i g nan e wk i n do fp i x e lw h i c hc a l le f f e c t i v e l yi n c r e a s et h e d y n a i i l i c r a n g emt h ea p p l i c a t i o no fl o w - v o l t a g e c o m p a r e dw i t hc c d ，c i s s s t i l lh a sm u c ht o d ot oe n h a n c ei t sp e r f o r m a n c e a g a i n s tn o i s e i nt h ea r t i c l e ，an e w c d s ( c o 仃e l a t e d d o u b l es a m p l e ) s t r u c t u r ew i t hs i n g l e - c a p a c i t a n c eh a s b e e nb r o u g h t f o n l l ，i tr e d u c e st h e a r e ao f l a y o u ta n dc a nr e s t r a i nt h e n o i s eo f p i x e l e f f e c t i v e l y i nt h ep a no f a d c ，c o l u m n p 锄1 1 e la d ch a sb e e nc h o s e na c c o r d i n gt ot h ef l e x i b i l i t yo f d e s i g r t , 、o 越n g 雠q u e n c y ， p o w e r - c o s ta n dt h ef i l lf a c t o r a m u l t i - s t a g ec o m p a r a t o ri sd e s i g n e d ，w h i c hi s c o m p o s e do f3p r e a m p l i f i e r sa n dao u t p u tc i r c u i t a no f f s e tc a n c e l l a t i o nt e c l l i l i q u ei s a p p l i e dt o o t h ec i s sh a sb e e nd e s i g n e di ns m i c0 3 5 u r n lp 4 mn w e l ls 伽d a r dc m d s p r o c e s s t h er e s o l u t i o no fa d ci s7 - b i t , t h ep i x e l si no n ec o l u m ns h a r eo n e a d ca i l d 也ea r e ao fo l i ep i x e li s 1 5 g m x1 5 , u r n ，t h e 觚f a c t o ri s4 0 t h ep o w e rc o s to f t 1 1 e a n a l o gc i r c u i t1 sl e s st h a n1 2 0 m wa n dt h ed y n a m i cr a n g ei s 7 9 d b t h ec i s sc 觚 d e a lw i t h3 0p i c t u r e sp e rs e c o n d k 叼m r d s ：c m o si m a g es e n s o rs y s t e m l a r g ed y n a m i cr a n g el o wp o w e rc d s 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口 硕士专业学位口 高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 第一章引言 第一章引言 第一节图像传感系统发展概述 随着大规模集成电路制造技术的迅速发展，图像传感系统越来越受到人们 的重视，显示出强劲的发展势头。图像传感系统可以应用于闭路监控、工业监 控、可视门铃、可视电话、汽车后视、视觉玩具、消防类电子产品、图像识别、 数码相机、p c 多媒体技术等方面。可以说，现代社会的发展是不可能离开图像 传感系统的。 图像传感系统是指由负责光电信号转换的图像传感器部分，负责模拟信号 和数字信号转换的a d 部分以及时钟电路等外围电路所组成的系统。 目前，应用最广泛的图像传感系统有c c d 和c m o s 图像传感系统【l 】。 图1 1 图象传感器的发展 在c m o s 和c c d 诞生之前，已经出现了m o s 图像传感系统。6 0 年代，有 许多研究机构采用n m o s ，p m o s 或双极工艺技术研究固体图像传感系统，并 取得了不同程度的成功。1 9 6 3 年，莫瑞森报道了一种光导效应测定光斑位置的 结构。1 9 6 4 年，i b m 报道了通过一个电阻网络寻址的n - p n 结阵列扫描器，这 种扫描器产生与入射光强成比例的输出脉冲。1 9 6 6 年，威斯丁豪斯报道了一种 5 0 5 0 的光电晶体管的集成电路。1 9 6 7 年，仙童公司的威克提出了以光子通量 积分模式工作的p r t 结，光电流收集在反向偏置的p n 结电容中，并提出采用 p m o s 开关读出积分电荷的方法。1 9 6 8 年，仙童公司首次报道了1 0 0 1 0 0 元的 第一章引言 光敏二极管阵列。同样在1 9 6 8 年，诺贝尔提出了有源像素c m o s 电路，并且采 用了工作在积分方式的输出放大器来实现信号的读出，他的做法已经和现代的 c m o s 图像传感系统非常接近了。1 9 7 0 年，c c d 问世。它的低固定模式噪声特 性使得它在众多形式的固体图像传感系统中脱颖而出，得到了广泛的应用。直 到8 0 年代，c c d 一直应用在绝大多数领域，人们大力研究c c d ，而c m o s 则 很少有人问津，研发的力度也很小。人们往往比较c c d 和c m o s 的图像性能， 而这对于c m o s 是不公平的。 7 0 年代末8 0 年代初，东芝为了制造便携式录像机重新开始了c m o s 图像 传感系统的研究工作，因为对于这个应用来说分辨率并不是最重要的，而信号 的读取速度要求却很高。1 9 8 2 年n h k 成功地把时序控制电路与c m o s 图像传 感器集成在同一块芯片上，使得噪声的影响变得更小，c m o s 长久以来在噪声 控制上的劣势得到了改变。1 9 8 5 年，东芝把传统的c c d 上的移位寄存器与c m o s 图像传感器结合在了一起。9 0 年代初期，爱丁堡大学成功设计出一种多功能的 c m o s 图像传感系统，而低功耗是它的最突出的优点。1 9 9 0 年v v l 报道了一种 无源像素阵列，但是由于列向的电路负载电容很大，这种电路只能应用在面积 比较小的情况下，并且电路读出的速度也受比较大的限制。与c c d 相比，噪声 与失配效应影响着c m o s 的图像质量，然而c m o s 图像传感系统节能的特性以 及与芯片集成的灵活性使得它越来越受到人们的重视。终于在1 9 9 5 年前后，由 于一系列关于c m o s 图像传感系统的成功作品的问世，c m o s 终于以低廉的制 造成本、与其他系统集成的灵活性、以及防辐射的能力，在手机、p d a 、玩具 和摄像头等方面得到了广泛的应用。c m o s 图像传感系统过去存在着像素大、 信噪比小、分辨率低这些缺点，一直无法和c c d 技术抗衡。但是随着大规模集 成电路技术的不断发展，过去c m o s 图像传感系统制造工艺中不易解决的技术 难关现己都能找到相应解决的途径，从而大大改善c m o s 图像传感系统的图像 质量。目前c m o s 单元面积的像素数已可与c c d 单元面积的像素数相比，从而 使c m o s 图像传感系统也可以做到高分辨率。如果再考虑到c m o s 图像传感系 统具有体积小、功耗低、高集成度这些过去没有得到充分发挥的优点，在今后 都能得到充分发挥，那么一个崭新的图像技术时代即将来临。 第二节c m o s 与c o d 图像传感系统的比较 2 第一章引言 1 2 1c c d 电路的工作原理 典型的c c d 图像传感系统的结构如图1 2 1 2 1 ： _ _ _ 高速电荷转移 图1 2c c d 结构 c c d 工作时，入射到像元表面的光子产生的光电子以电荷的形式通过竖直 ( 并行) 和水平( 串行) 埋沟c c d 移位寄存器被送到单读出结点，在结点处，利用浮置 扩散技术将电荷量转换成电压。c c d 是用2 、3 或者4 相时钟控制靠得很近的 m o s 电容构成的动态模拟( 电荷) 移位寄存器。当时钟为高电位时，电容工作 在深耗尽区。电荷传输( 从一个电容至下一个电容) 的速度必须足够高以避免 漏电流的影响，但是也不能太快以确保高的传输效率。 c c d 的主要限制来自于它的工作需要几乎完美的电荷传输效率。假设每一 次的电荷传输效率用r l 表示，则在n 次转移后所剩下的电荷用r in 表示。对于一 个大小为1 0 2 4 1 0 2 4 的c c d 阵列，为了使信号损失小于2 ，r l 的值必须要大 于0 9 9 9 9 9 。这样高的r l 以及c c d 读取信号的方式很大程度上限制了信号读出 的速度。对于c c d 电路，随机读取、窗口方式读取以及对不同的部分设定不同 的信号积分时间是很难做到的事情。由于c c d 的制造工艺主要是为了得到比较 大的r l 以实现比较高的性能，c c d 的生产工艺和c m o s 是不兼容的。因此c c d 电路很难和周围的电路集成在一起，这样就造成了生产成本的提高以及电路要 占用更大的面积，而且分立的各部分电路同时工作的可靠性也不如全集成的电 路高。并且c c d 也不适合在低温的环境下工作。c c d 电路一般需要3 相或者4 相的时钟电路，并且由于具有大的电容，所以还得需要很高的工作电压( 最高 可达1 5 v ) ，因此c c d 电路加上片上的放大器电路功率可达1 - 2 w ，如果算上片 第一章引言 下的时钟电路部分则通常能达到1 0 w 的功率3 1 ，不适合在诸如手机等移动终端 上应用。 虽然具有不少缺点，但是c c d 电路凭借高灵敏度、大动态范围、信噪比高、 以及良好的线性特性曲线，目前仍然在市场上占有一席之地，与c m o s 共同占 领了所有的市场份额。 1 2 2c m o s 图像传感系统的工作原理 目前，c m o s 图像传感系统己发展成为两大类，即c m o s 无源像素图像传 感系统、c m o s 有源像素图像传感系统。无源像素像元内只有光电二极管。有 源像素电路是在无源像素电路的基础上引入一个有源放大器组成的。 c m o s 图像传感系统每个像素在光照后产生与光强成正比的电荷量，随后 电荷被转化为电压。在行选择信号与列选择信号的配合下，每个像素产生的电 压信号都被送到a d c 转换为数字量，保存在寄存器中。在时钟信号的控制下这 些数字量被读出，完成图像的采集。c m o s 图像传感系统的主要贡献是将探测 器、电荷、电压转换以及提供缓冲和寻址的晶体管都集成到像元内，由于入射 光子转换为信号电荷后，信号电荷到电压的转换直接在每个像元中完成，因此 c m o s 的特点是大部分工作都是在电压域内进行。整个像元的行信号是以低速 并行采样，而列信号的多路转换是在阵列底部完成，如图1 - 3 所示。与c c d 相 比，这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力，同 时避免了c c d 中大量电荷转移很长距离的情况。为了能够探测低通量信号，大 部分c m o s 图像传感系统都是在电荷积分模式下工作，光电开关和光电二极管 都可以用于光子探测。电荷与电压的转换由探测器电容完成，其转换增益取决 于光电二极管的面积和像元尺寸。 4 第一章引言 蔫速读。户 图1 3c m o s 图像传感系统的结构 1 2 3c m o s 图像传感系统的优势 f c m o s 图像传感系统有以下几方面的优势【4 】： ( 1 ) 系统整合性 c m o s 图像传感系统采用标准的半导体制程制作，因此可将感测组件所需的 外围电路( 如时钟，控制，多路选择，a d 转换、影像压缩、计算机接口等) ，一起 制作在一片硅芯片上，甚至可将相机所有的电路，整合在单一个芯片上，制成 所谓的单芯片相机，不但可降低系统的成本及组装所需的时间，亦可缩小系统 的体积及复杂度。 ( 2 ) 低功耗 c c d 像素由m o s 电容构成，读取电荷信号时需要使用电压相当大( 5 1 5 v ) 的时 序信号，才能有效地实现电荷传递的功能。因此使用c c d 的取像系统，除了多 个电源外，c c d 的外围电路也会消耗相当大的功率。c m o s 像素传感器则只需要 单一个5 v ( 或3 3 v ) 电源，能大幅提高电源的效率。 ( 3 ) 随即区域读取 c m o s 像素传感器各像素感光所产生电荷后，经放大器转换成电压信号，此 信号可用行、列式的电极读出，因此可以选择随机读取传感器上任何区域的信 号，可增加取像的灵活性。c c d 像素传感器则无此功能。 ( 4 ) 防止过曝 第一章引言 c c d 的过曝是指某个像素受到强光照射时，因电位井内积存的电荷饱和而扩 散到邻近像素的现象。c m o s 像素之间各自独立，不会发生过曝的现象。 ( 5 ) 智能型像素 a c t i v ep i x e lc m o s 像素传感器像素上的电路除了基本的信号转换及放大功 能外，还可以将一些简单的影像处理功能如边缘辨识、移动侦测等做在电路里， 构成所谓的智能型像素，可简化系统结构及增加信号处理的速度。 c m o s 像素传感系统的发展伴随半导体产业的精进，短短不过十年的光景， 虽然在图像质量及感光度仍然无法与c c d 媲美，但是以其省电、体积小的优势， 在着重成本、画质要求较低的产品应用市场，如p cc a m e r a ，t vc a m e r a ，t o yd s c 等领域，c c d 己经陆续被c m o s 所取代。据市场调研公司c a h n e r si n s t a tg r o u p 预测，未来几年内，基于c m o s 图像传感系统的影像产品将达到5 0 以上，也就 是说，到时c m o s 图像传感系统将取代c c d 而成为市场的主流。可见，c m o s 摄 像机的市场前景非常广阔。 第三节选题意义以及论文内容安排 c m o s 图像传感系统的发展正如上文所述，非常迅速。但是，在发展的过程 中必然会遇到如何改善c m o s 图像传感系统在噪声，动态范围这些传统劣势方面 的问题。如果把c m o s 图像传感系统的光照敏感度再提高5 到1 0 倍，把噪声进 一步降低，c m o s 图像传感系统的图像水平就可以相当于甚至略微超过c c d 的图 像水平，同时保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点。如果 达到这样的水平，c m o s 图像传感系统就可以完全取代c c d 。 目前流行的c m o s 图像传感系统芯片主要有美国o m n i v i s i o n 公司的0 v 5 0 1 7 和美光公司出品的m t 9 m 1 1 1 。前者的像素阵列大小为3 8 4 2 8 8 ，分为1 6 1 6 的子 块，每个子块的大小为2 4 x1 8 ，帧频为5 0 ，像素尺寸为11 z m x11 l m ，动态范围 是4 2 d b 。后者的像素阵列大小为6 4 0 x4 8 0 ，帧频为3 0 ，像素尺寸是7 z m x7 z m ， 动态范围是3 7 d b 。 这两种图像传感系统在电脑摄像头，手机摄像头以及p d a 上得到了广泛的 应用，具有功耗低，噪声小的特点。但是它们对环境的光照度要求也比较高， 在高照度的情况下成像效果差，限制了这些设备的应用环境。 改进c m o s 图像传感系统在高光照度环境下的性能，就要增加它的动态范围。 6 第一章引言 本文就在实验的基础上提出了一种提高c m o s 图像传感系统动态范围的像素结 构，同时降低了c m o s 图像传感系统的工作电压，在保证图像传感系统性能的同 时减小了功耗。使得该种传感器可以工作在对电源电压要求比较高的移动手持 设备上，如：手机，笔记本电脑，掌上电脑等等。同时设计出适合在低电压下 工作的单电容噪声抑制电路，让图像传感系统可以获得比较好的图像质量，在 性能上进一步向c c d 靠近。运用c a d e n c e 公司的c o m p o s e rs p e c t r e 和v i r t u o s o 对电路进行了仿真验证和版图设计，设计结果基本达到了性能指标要求。与目 前流行的c m o s 图像传感系统相比，本设计的最大优势是可以工作在更高的照度， 更低的电压下。在对图像传感系统的尺寸和帧速要求不高的应用下，具有优势。 c m o s 图像传感系统主要由图1 4 所示几部分组成。 像素摩j阿 口日口 图1 4c m o s 图像传感系统的主要组成部分 像素阵列是由一定行数和列数的像素组成，阵列的大小决定传感器的分辨 率。这部分电路负责把光信号转换为与之对应的电信号。本文对单个像素设计 了一种新结构，扩大了动态范围。 像素阵列所转换的电信号需要后续的电路来读出，这部分电路一般由电压 跟随器和消噪电路组成。本文在消噪电路上做出了改进，设计出单电容的相关 双采样电路。与传统的双电容结构相比，节省了版图面积。 读出电路由两部分组成：第一部分是与光电二极管连接的电压跟随器，第 二部分是接在电压跟随器后面的相关双采样电路。它的输出信号作为模数转换 器的输入信号，用来实现图像信号的数字化。本文按照设计要求对模数转换器 的类型进行了选取，并采用温度码控制阶梯电压产生电路，格雷码控制寄存器， 在保证阶梯波形的线性度的同时节省了版图面积。 7 第一章引言 时钟电路是决定c m o s 图像传感系统能否正常工作的重要因素，本文的设计 指标是3 0 帧每秒。对各个部分所需要的时钟进行了分析和仿真。 论文的主要内容安排如下： 第一章引言，介绍了图像传感系统的两种最重要的类型：c m o s 图像传感系 统和c c d 图像传感系统。介绍了这两种图像传感系统的发展历史，现状以及未 来的发展趋势，从而引出本设计的选题目的。 第二章介绍c m o s 图像传感器的类型以及光电二极管的工作原理。 第三章对像素部分做了设计。提出带有对称源随器的像素结构，介绍了两 种典型的电路设计，分析了它们的优缺点。在此基础上设计了新型的电路。最 后部分对c m o s 图像传感系统中主要的噪声类型做了介绍，介绍了现在比较流行 的相关双采样噪声抑制电路并且设计一种新型的电路。 第四章介绍c m o s 图像传感系统中的a d c 部分的设计。本文选取的是列级a d c 的结构，这样在不影响像素电路填充因子的前提下获得了比较大的电路设计自 由度。对a d c 的类型做了介绍。比较器的设计采用级联结构以满足性能需要。 给出了计数器模块的v e r i l o g 代码，对图像传感系统的时序做出分析，并用 m o d e l s i m 仿真。 第五章根据规则和面积需要，绘制了电路的版图。 最后一章是结论，对论文整体做出了总结，并指出有待改进的地方。 8 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 第一节c m o s 图像传感器的类型 目前，c m o s 图像传感器已发展成为两大类：c m o s 无源像素图像传感器，c m o s 有源像素图像传感器。无源像素图像传感器由光电二极管构成。有源像素电路 在这个基础上引入一个有源放大器。 2 1 1 无源像素工作方式 1 9 6 7 年威克首次提出了光电二极管型无源像素结构酬6 1 ，无源像素8 1 出现 得最早，结构也最简单，使得c m o s 图像传感器走向实用化。其结构原理如图2 1 所示： 图2 1 无源像素结构 每一个像素单元是由一个反向偏置的光电二极管和一个开关管构成。当开 关管导通，光电二极管中光照产生的电荷传送到了列线。位于列线末端的电荷 积分放大器保持列线电压为一常数，当光电二极管存贮的信号电荷被读取时， 其电压被复位到列线电压水平，与此同时，列线下端的积分放大器将该信号转 化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的l v 侈j j 关系。无源像 素单元结构简单，只有一个光电二极管和选通管，所以在给定的像元尺寸下有 9 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 最高的填充系数，同时也可实现二维寻址，而且由于填充系数高和没有许多c c d 中的多晶硅叠层，因此无源像素结构的量子效率高。但是，由于传输线电容较 大，无源像素c m o s 传感器读出噪声较高，典型值为2 5 0 个均方根电子，这是其 致命的弱点。因此无源像素不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被 有源像素代替。 2 1 2 有源像素工作方式 为克服无源像素结构的弱点，采用有源像素技术，使c m o s 图像传感器在成 像质量上接近了c c d 的水平。具体的说，有源像素技术是在每一个像素内集成 一个或多个放大器( 有源器件) ，使信号在像素内就得到放大。使用这种技术 c m o s 图像传感器灵敏度高，速度快，并具有良好的消除噪声功能，功耗比c c d 小。但是由于有源像素结构的像素内有三个晶体管和一个光电二极管，因此会 导致像素尺寸较大，填充系数小，其设计填充系数典型值为2 0 - 3 0 9 1 。 ( 1 ) 光电二极管型有源像素结构 诺贝尔在1 9 6 8 年【1 0 】描述了一种光电二极管型有源像素图像传感器。后来， 这种像素结构有所改进。这种像素结构如图2 2 所示。 v d d 复发电压 图2 2 有源像素结构 弼 凌 班 1 9 9 5 年1 1 1 喷气推进实验室首先研制成功高性能c m o s 有源像素图像传感器， 其像元数为1 2 8x1 2 8 元，具有片上集成定时和控制、相关双取样和双取样电 路，采用1 2 比m c m o sn 阱工艺试制。器件动态范围达到了7 2 d b ，固定模式噪声 1 0 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 小于0 1 5 饱和信号水平。1 9 9 7 年，东芝公司研制成功了6 4 0 x 4 8 0 元光敏二极 管型有源像素，其像元尺寸为5 6 a n x5 6 m a ，具有彩色滤色膜和微透镜阵列【l2 。 同年，v l s i 影像公司研制成功了用于静态摄像的8 0 0 1 0 0 0 像素c m o s 光电二极 管型有源像素。2 0 0 3 年，0 r l yy a d i d p e c h t 1 4 】等人采用一层多晶硅和3 层金 属层0 5 z m n 阱c m o s 工艺成功试制了光电二极管型有源像素，其中像素大小为 1 4 4 z m 1 4 4 z r n ，填充因子为3 7 ，动态范围为7 2 d b ，暗电流为0 6 1 n a c m 2 。 c m o s 光敏二极管型有源像素适宜于大多数中低性能应用。 ( 2 ) 光栅型有源像素传感器 光栅型有源像素传感器在19 9 3 年【1 5 】【17 】由喷气推进实验室最早研究成功，并 用于高性能科学成像和低光照成像。光栅型有源像素传感器结合了c c d 和x - y 寻址的优点，其结构如图2 3 所示： 图2 3 光栅型有源像素传感器 光生信号电荷积分在光栅下，输出前，浮置扩散节点( f d ) 复位( 电压为v d d ) ， 然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散节点。复位电压与信 号电压之差就是传感器的输出信号。1 9 9 6 年喷气推进实验室研制成功了2 5 6 x 2 5 6 元和2 0 4 8 2 0 4 8 元光栅型c m o s 有源像素，集成有相关双取样和双取样 电路，读出噪声为1 3 个均方根电子，暗电流密度为5 0 0p a c m 2 。2 0 0 3 年h s i u y u c h e n g 1 8 】等人采用0 3 5 1 m 工艺成功试制了像元面积为7 5 1 m x 7 5 z m ，动态范围 为8 0 d b 的光栅型c m o s 有源像素。 ( 3 ) 其他像素结构 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 在有些情况下，希望传感器具有非线性输出。当光信号被压缩时，非线性 输出可以增大内景动态范围。如平方根传输和对数传输，对数传输的像元输出 信号与光信号的对数成比例1 9 】。【2 1 1 。对数传输像元是非积分方式像元，它允许时 间和空间两方面都可以随机读出。 v o 图2 4 对数像素结构 列 读 出 图2 4 为传统的三个晶体管对数像元结构，包括光电二极管、负载晶体管、 源随器输入管及选通开关管。其优点在于动态范围高，缺点是填充因子低、图 像有拖尾。1 9 9 6 年i m e c 的b a r td i e r i c k x 等人研制成功2 0 4 8x2 0 4 8 元c m o s 对 数像素图像传感器，像元间距7 5 z m ，采用0 5 z mc m o s 工艺。双结光电二极管 型像素是为内线转移c c d 发展的，具有量子效率高、暗电流小和读出噪声低等 特点。喷气推进实验室和柯达公司把双结光电二极管与c m o s 有源像素结合起 来，获得了高性能的图像传感器。具有浮栅传感放大器的光栅型c m o s 有源像素 由喷气推进实验室研制开发，片上集成有列并行a d c 。具有简单结构的浮栅像元 c m o s 有源像素由喷气推进实验室与奥林巴斯合作开发。 第二节像素中光电二极管的相关知识 ( 1 ) 光生电流的收集 对于光生电流，一般不直接应用。典型的光强为5 0 0 1 u x ( 1 5 0 ，0 0 0 光子u m 2 s ) ， 我们取吸收系数的平均值口= 5 x1 0 3c m ，刁= 1 ，总的光生电子数为7 5 x 1 0 1 6 e h p a i rp e r ( c m - 3 s ) 一般情况下，只有一种载流子被收集，对于1 0 甜册1 0 “掰1 z f 聊的 1 2 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 体积，收集电流为( 7 5 x 1 0 1 6 e l e c t r o n s s ) x q = 1 2 p a ，这样小的电流很难探测到， 因此必须对载流子存储一段时间以使合理的信号能够读出【2 2 1 。目前最常用的一 种收集光生电流的方法是采用m o s 电容【2 3 1 。如图2 5 所示： 光子 蟛 0 栅 o x 图2 5m o s 电容 电压圪把耗尽区中的空穴排出，这些空穴消失在衬底，而电子被收集到势 阱中。在我们看来，好像所有的收集仅发生在耗尽区，但是事实上并不是这样。 部分入射光会进入衬底，这些光产生的电子也有可能被收集。不过由于没有内 建电场的原因，在耗尽区之外的收集效率并不是那样高。但是电子的扩散速度 要比空穴高，并且足够的数量使得有相当一部分电子在复合之前进入了耗尽区。 事实上，即使耗尽区的宽度与电子的扩散长度相比非常短，也有相当数量的电 子空穴对产生在耗尽区之外。 长波光穿透深度较大，耗尽区吸收较少，吸收效率更多的依赖扩散长度， 而对短波光，更多的吸收发生在耗尽区。到目前为止，只讨论了有在耗尽区收 集电子空穴对所产生的光生电流部分，然而许多入射光子将进入衬底。电子的 巨大的数量足以抵消因为没有内建电场所带来的收集效率的损失，将有一部分 的电子在与空穴复合之前就到达了耗尽区，在那里它们被收集起来。图2 6 展 示了光电流在光电二极管中产生的三个区域， 1 3 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 图2 6 光电流的产生 首先，在耗尽区内产生的电子空穴对在外加电场的作用下被强制漂移到两 极，构成光生电流的漂移部分。在距离耗尽区长度小于电子或者空穴扩散长度 ( 厶，l 。) 的位置所产生的电子空穴对，扩散到耗尽区并在那里被收集，构成 光生电流的扩散部分。而在这个距离之外的电子或者空穴，在它们到达耗尽区 之前就被复合掉了，对光生电流几乎没有贡献。因为总的光电流是由扩散电流 和漂移电流两部分组成的，我们可以写成：厶= + ，我们假设p 层非常 薄以至于可以忽略它对载流子的吸收，并且我们忽略暗电流的影响，可以得到 漂移电流的表达式： = - qi g ( x ) d x = 一gi i o a e x p ( - a x ) d x = q l o 1 - e x p ( - a w ) 】 ( 2 1 ) 66 如果x 形，那么p 型半导体的扩散方程为： q 等一半+ g ( 加o ( 2 2 ) 这个方程的边界条件是： 见= p n o 石= o o ，见= 0 x = 矽 ( 2 3 ) 1 4 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 因此我们可以解得： 以= 见o - b o + c le x p ( - a x ) e x p ( w - x ) l 】+ c le x p ( 一a x ) ( 2 4 ) 其中g = 陪 嵩，最后矧扩散电流的方程为： = 矾 1 - 可e x p ( - a w ) + - 瞩。号 s ， 总的光生电流为： 厶= 矾j1 _ 等l + 织o + 矾【1 - e x p ( 川聊】 ( 2 6 ) ( 2 ) 光电二极管的积分工作方式 前面已经介绍了光e g - 极管受到光线照射后产生电流的原理，但是光线在 瞬时所产生的电流是很少的，只有几硝，所以利用瞬时产生的电流来作为光电 信号是不可行的。必须找到一种工作方式，使得光所产生的信号可以被后面的 电路探测出来。可以在一段时间内把光生电子收集起来，等信号强度足够大的 时候再进行信号的输出，这就是下面要介绍的光点二极管的积分工作方式。假 设积分时间是t m ，光生电流是f 椭，那在积分时间内所累计的电荷就可以表示 为q c 0 胁= f 咖，对于这样一个电荷，如果转变为电压的形式，那利用起来就 很方便了，这往往通过一个电容来实现。这个电容通常是由二极管本身的电容 和连接到二极管上的其他器件的电容所组成。如图2 7 所示： r 燃lr v 钓 ”“”“跫 。上| i t 图2 7 光电二极管的工作原理 1 5 v o u t 二极管 g n d 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 二极管工作的时候，首先被复位至一个事先设计好的电压，这个电压作为 反偏压在二极管的内部形成了内建电势。经过一段时间，由光生电流和暗电流 所组成的电流使v 端的电压低于复位电压屹。因为反向电流正比于光强，如果 不考虑加在p n 结上的反偏电压的变化，认为电容c 是不变的，那么可以认为电 压的变化与光强和积分时间是具有线性关系的。对于一个3 0 比m x 3 0 t i n 的二极 管，如果加上5 v 的反偏电压，所形成的电容大小为1 5 x 1 0 - 1 3 f 。对应存储的电 荷为5 1 0 6 个电子。因为电压并不能达到5 ，和o v ，实际饱和值是由输出放大器 的电压摆幅决定的。在典型的情况下，对于一个加了5 v 电压，边长为2 0 u m 的 像素，能装下的电荷为3 7 x 1 0 5 个。典型的暗电流的大小为5 0 0 1 0 0 0 p a c m 2 ， 大概相当于5 x 1 0 9 e l e c t r o n s ( s c m 2 ) ，或者对于一个2 0 9 m 的像素来说相当于 2 x 1 0 4 e l e c t r o n s s ，所以暗电流添满这个电容大概需要2 0 秒的时间。通常情况 下积分时间为l o o m s ，尽量减小暗电流的影响。 ( 3 ) 填充因子瞄副 像素的填充因子无论对于c c d 或者c m o s 类型的图象传感器来说都是非常重 要的指标。电容并不只来自于像素面积，我们必须考虑像素之外的电容源和其 他不希望的电荷源。1 、产生于注入区底面( 面电容) 和侧面( 外围电容) 的电荷， 对于0 5 小工艺，零偏电容是：c 缸= 4 7 x 1 0 - 4 f m 2 ，c ，。= 3 2 x 1 0 - 1 0 f m 2 。对 于3 0 t i n x 3 0 比m ，像素侧面积相当于总面积的0 0 8 ，但对7 t m 7 聊像素，上 升为0 3 ，从3 0 u m 3 0 t i n 到7 聊7 所，像素缩d , n0 0 5 倍，但侧面电容仅 缩小到0 0 7 ，因此小像素比大像素产生的电压小，f 舭以0 o s o 0 7 = 0 7 倍缩小。2 、光电二极管与外界相连包括列总线和像素内电压缓冲器，因此存在 不依赖于像素面积固定电容，= q ( 彳) c 批( 彳) + c ，础】它随a 的下降而下降。 3 、其他非线性依赖于像素面积的电荷源，包括来自于像素底面和侧面的暗电流、 复位噪声 9 ( 么) + q o j e 删( 么) ，因此随彳下降，信噪比下降。大的光敏面积有 大的阱电容，因此有大的动态范围。通常最小可分辨信号的限制因素并不是像 素面积，而是后续处理电路。 第三节与c m o s 工艺兼容的光电二极管类型 图2 8 是目前三种与p - s u b 工艺兼容的光电二极管结构： 1 6 第二章c m o s 图像传感器的类型和工作原理 图2 8 光电二极管的三种结构 它们依次是1 1 + p s u b 二极管，p + n - w e l l 二极管和n - w e l l p s u b 二极管。前两 者是浅结二极管，后者是深结二极管。 ( 1 ) n + p s u b 二极管 这种是目前在所有与标准c m o s 工艺兼容的二极管类型中应用最广泛的二极 管结构，它的版图面积小，因此不容易受到因为光刻变化而引起的固定模式噪 声的影响。p n 结是在n 扩散区与p 型衬底之间形成的。由于在衬底所产生的载 流子对光电流做出的贡献以及相比其他结构拥有相对宽的耗尽区，这种类型的 二极管结构的光谱反应要好于p + n - w e l l 结构。然而n + p s u b 二极管容易受到色 度亮度干扰，衬底扩散引起的噪声以及载流子泄漏的影响。最大的量子效率大概 在旯为6 2 0 n m 时( 在这个波长时体衬底所产生的载流子做出的贡献是比较明显 的) ，由于这些载流子的作用，n + p s u b 二极管的反应时间要比p + n - w e l l 二极 管长。相比于其他几种结构，n + p s u b 二极管的暗电流也比较小，通常在 2 5 0 , u m 的光学窗e l 宽度下为4 x 1 0 _ 1 1 2 5 x 1 0 1 0 a c m 2 。 ( 2 ) p + n - w e l l 二极管 这种结是由p 扩散区和n 阱所形成的，这种结构的