图像传感器阵列技术概述

1、CCD和 CMOS的显示排列技术技术评论序言这篇文章提供了；一个 CCD（双向交换装置）和CMOS（预置的金属化学半导体）的 显示排列技术纲要。CCD已经存在近30年并且针对非常广大的领域已经很成熟。现在已经有稳定的装置在生产。然而CCD还存在许多缺点。如成本，复合动力提供和所能支持的 电子学。CMOS所代表的排列在另一个方面，仍然处在初期，但它在飞速发展并且提供许多潜在的利益将超过CCD。这篇序言提供了CCD和CMOS排列技术的纲要，并且包括图片捕捉和映象排列中读取的解释。也涵盖了诸如工作情况特性，成本因素和未来图像排列技术，这个序言不提供色彩传感器，色彩过滤器，色彩插入等细节，并且这个题目

2、将成为一个特殊的报告。CCD解释：CCD是威廉和乔治在1970年在贝尔实验室发明的。这个想法起始于搜索磁性隔离存储器，随着许多伟大的发明，Smith引述到：“我们就像一个小时发明了交换机。”在28年间，CCD发现了属于自己的广阔市场，包括传真机，复制机，照相机，扫描仪，甚至儿童玩具。 CCD包括数千计的感光器件和象素，它们能够对所接收的光线进行电子均衡交换，典型的:象素既是一个单行也是两个尺寸格子，在特别应用上，一般用于指定型号的CCD，平板扫描仪.举例：用于线性排列的CCD，他必须在捕捉一个复合尺寸图像以建立最终两个尺寸图像时革新CCD实物成像(数字照相机)。另一个方面，一般用于CCD领域，

3、这样在单向曝光范围内允许两个满尺寸图像被捕捉。CCD一个基本参数是分解过程，它能等同于整个建立光感装置的象素，第一区域CCD排列之一：是1974年Fairchild制造，用100x100分解。当今，最大的商用装置是将近9000x7000或甚至6300万象素，另一些参数像CCD特性将会研讨的更详细。CCD是集成电路并且今后将会像计算机一样。然而，为了光能垂直射在硅板上，以小块玻璃被插在板子上，常规的集成电路通常压缩在一个小黑塑料体以此来必要的提供机械强度，这样也防止光线照射，并且每个象素被看作一个MOS电容器，它能把光转换成电，并且读出先前存贮的资料。CCD举例：接下来将解释更多CCD参数设置，

4、它的应用如下图，下表展示三个不同装置的比较，包括各自的象素属性，转换方式用来解释其次部分。CCD基本原理上面所述，每个象素建立一个CCD基本的MOS电容器 ，它有两种形式：表面沟和埋沟，他们的不同仅细微在他们的制造上，埋沟电容器提供主要有利条件。因此，几乎所有今天的CCD制造都有这种结构，埋沟电容器的图解部分在图表1，这个建立在P-TYPE硅装置等同于形式在表层的N-TYPE层，下一个，一个小的二氧化硅层是随着金属电机产生的。正电压对电机反转导致的PN结偏差和由此引发在电机下电位流动直接形成的N-TYPE硅，入射的光线在消耗处产生电极洞对，并且由于应用电压，电子向N-TYPE硅层迁移并且形成电

5、位空穴，负极变换也是这样由直接均衡的入射光线导致。一旦曝光时间（也就是结合时间）过去，电荷将会在转变数值相对那个陷入势井转移.Figure 1 - Buried Channel Capacitor CCD Pixel图2为埋沟电容器的实例，此图展示了沟道阻塞，它是有许多P型半导体区域产生的大量参杂，此外，一层厚的氧化物，这层氧化物加上此区域上沟道阻塞目的为让电子从一个象素扩散到另一个象素达到最小值。Figure 2 Practical Buried ChannelCapacitor (From SITe94)电荷读出过程 电荷读出分两个阶段，第一阶段是电荷从数组表面射入，第二阶段是电荷从开始端

6、读出并数字化。 下面为电荷转移过程，每个象素都会像各个阶段一样分成许多不动的区域，第三阶段传感器倾向于从主导到高效的绝大部分情形和高容错度，尽管是有着一，二，四阶段存在，拿第三阶段传感器举例，1和2的结合时期是保持状态，第三阶段是阻塞状态，在结合期最后，当是时候从数组中捕捉图像，接下来的过程就会发生，1阶段将发生在阻塞状态，它将会影响1和2阶段的电荷全部转移到2阶段，3阶段将会是保持状态，它将会均匀地到2阶段的电荷分布到2和3阶段。然后，2阶段将发生阻塞状态。强制将电荷从2阶段转移到3，这个过程将会循环，如图（9），电荷将会从两象素转到一个象素，整个过程如图4。Figure 3 - Charg

7、e TransferFigure 4 - Charge Transfer; Alternative Representation(From Oregon97)第二阶段读出发生在每排象素转移之后，在最上排的象素的附加部分将读出寄存器，当电荷从一排象素转到另个排时，电荷将会从上排象素转移到读出寄存器，从这点看，电荷转入读出寄存器的作用是转移饱和到读出阶段，因此完成从模拟到数字的转换过程图5。Figure 5 - Charge Readout转移和读出过程在线性和区域数组中的应用，如前，一个单独的转移将伴随读出阶段，对区域数组CCDs，转移和读出阶段必须对每个象素循环，直到所有的图像都读出，这个对读

8、出过程的描述总是变化的，然而，需要依靠总的结构体系装置。区域数组CCD的构造区域数组CCD的构造分四个类别：满帧，帧转移，分帧，联帧。如图6Figure 6 - Area Array CCD Architectures 全帧图像直接从图像域感应器转移到读出寄存器，然而，因此只有单个排能在特定时间转移到读出寄存器（必须包含在读出转移阶段）其余的图像转移将等待，在此期间，没有被读出的图像将继续报告图像信息，问题是信息可能会和以前提供的有出入，这使图像某点变亮或变暗，另个问题是遇到的高速应用。在此情形，结合期将会是图像报告和从数组中结合图像所用时间的百分之几，此影响使图像将会低对比度，因此费力不讨好

9、。解决办法之一是使用力学挡板，一旦图像被捕捉就把光线遮挡住。帧转移一个帧转移装置的大小要与图像数组部分一致才能遮光，接着结合期，捕捉图像被迅速转移到邻近阶段部分，直到其他部分被捕捉，开始的部分控制着该阶段，如前所述转移到读出寄存器，运用此技术同时进行图像捕捉和读出过程，这样大大增强了结合期的应用时间来达到高帧速率。然而，图像捕捉技术还只在数组表面处理，如前所述还是需要机械遮挡板解决问题。分帧转移这类装置就像大部分帧转移装置一样，在分成两部分的状态除外，每一部分都会定位在图像处理部分，此先进之处在于它允许图像转移到图像处理部分只用一半时间。联运转移一个联运转移装置有被光遮挡寄存器分开的光敏感分子

10、，在结合期的末期，所有的光感分子同时把他们的累计电荷向邻近存储器转移。然后遮光寄存器转移电荷到读出寄存器，在期间，图像分子开始捕捉下一个点。为了使影响达到最小，显微镜经常直接放在图像数组部分，镜片盖住光感和光遮挡部件，使新进的光焦点在光感区域部分。逐行和渐进扫描 图像采集模式的光感数组能逐行或渐进扫描，逐行技术大部分被用来作为PAL和NTSC标准，来减少图像传送的带宽。此模式下，帧被分割成两个半帧：一个奇半帧由所有的奇半帧行组成，二偶半帧由所有偶半帧行组成，半帧由奇半帧记录在T1，另一半由偶半帧在T2记录，这意味着它通过循环来建立一个完整的图像，就如PAL它应用在50HZ，图像捕捉在每秒25的

11、速率，一个主要的缺点是逐行记忆当源变化时会发生冲突。当两帧被分开20ms时，两物体的状态会随着他们的改变而改变，当它们重新结合产生最终图像时会产生模糊，图7为一个移动的手展示了此问题，渐进扫描模式传感会一下子读出整个的。这样使捕捉图像而不发生模糊成为可能。Figure 7 - Moving Hand Captured With anInterlaced CameraCCD性能特性 在充满理念的世界，CCD将会展现完美的图像转换，然而事实上，CCD并不完美，它存在许多问题和限制。 充分因素充分因素使每个象素基本的百分比，它通过光感应，理论上，充分因素应该是100。然而，却总是达不到，光晕控制特性

12、和CMOS传感器，附加控制电子学，每个象素都占用空间，并且这些区域不感光，减少充分因素来降低感光数组。暗流噪声暗流可被定义为装置在绝对零度上任何温度都不会像CCD象素那样积聚的电荷，在任何温度，电子空穴对任意移动或重新组合在硅二氧化硅接口，对此，一些电子将会在CCD集合并在输出入口，出现干扰信息。对暗流的主要来源为：二氧化硅接口产生，CCD消耗部分产生，电子从中性层向CCD井扩展，前两个源支配暗流，此外，产生速率能使所占空间偏向数组导致固有噪声。对低噪声水平的应用：举例天体摄影，暗流源能被冷却的 CCD减少，要比高温来的好。冷却的好坏取决于结合期和最小信噪比。量子效率，（QE），QE是衡量入射

13、光子探测效率的一些入射光可能部吸收反射光或是来自不集合区域。量子效率是通过每个光子对电子预期的入射次数的探测电子数率。明显波长的光子一般是一个电子空穴对，这样明显光线的QE是探测电子被入射光分裂的数率。这里有很多技术用于发展CCD的量子效率。其中之一是CCD从背面照明。相对也有前端的。在前端照明装置，入射光必须通过门结构来产生单独电子，光子会在这层吸收并且这样对最终信号无影响。吸收过程也要依据波长。这个作用使得蓝光变少和UV反谱反应。为了增加短波回应，消薄硅衬底的技术发展起来，因此，CCD从背面照明，并且这样光子不必通过门结构。已花费进十年来完善消薄过程，主要的问题还是消不统一。两边薄中间厚将

14、导致不统一回应，“署片效应”。光晕光晕所结合期产生的，一个势井填满电子，这经常发生在高光物体成像过程（周围曝光是均匀的）当势井溢出时，电子流进入周围势井，这样将产生一个饱和象素区域，如果光晕控制不好，组合图像将遭受大面积曝光。为解决光晕发展了很多技术，一个普遍的方案是用侧面溢漏技术，图8说明。一般，他们工作在散热器溢出状态下，当势井被填满，任何堆积的电子都不会流向周围象素，反光晕系统的一个缺点是填满的部分经常减少，典型的是从100下降到78。Figure 8 Schematic of LODs 电荷转换效率（CET）-它是每个阶段转换过程中电子流失的百分数。现代埋沟CCD的CTE达到了99.9

15、99%，另一个电荷转换机制是接近读出寄存器的列承担的转换要少于相对的列。网效应是图片质量在行宽过程中变大，CET效应和非线性图象质量在行上将产生CCD行限制因素。CMOS成像的介绍CMOS或金属氧化物半导体，图象传感器已接近CCDs，但只有最近商业传感器芯片才开始应用，这些装置在喷气发动机实验室里得到实行。在1993年，他们制造一个性能科学度比CCD高的CMOS传感器。这一部分将提供CMOS图象传感器概述，和一些相对CCD高光技术的优缺点。CMOS传感器和CCD一样按照光感格栅原理。每个都能对入射光产生电子信号，然而，每个技术的这一过程都是不同的。以前，一个CCD像素在某时某期时以P-N结产生

16、势井电荷。每个CMOS像素另一方面，由一个光电二极管，一个电容器和三个晶体管组成。在结合期开始时，电容器将会被电压充电，当结合期开始时，电容中的电荷慢慢的流向光电二极管，流向速率与入射光的多少成正比，在结合期最后，电荷保留在电容中读出并数字化。图9展现了现有像素使用加压图象的例子。这使得其他的电路原理成为可能。举例:电容在结合期充电，相反就放电。Figure 9 - Active CMOS Pixel Structure (From Hurwitz97)CMOS Dectector类型CMOS图象传感器典型的类型有两种：消极像素和积极像素。消极放大器装置在每个像素列底部都有一个电荷放大器，每个

17、像素都有个单独的晶体管。（除了光电二极管和电容器）这个转换器是用作电荷放大器的像素开关目录，积极像素行在每个像素执行放大器。（如图9）两探测器的不同如图10Figure 10 - Passive and Active Pixel CMOS Arrays 尽管只是个图表，这个高光图实际是消极像素类型，每个像素部分由额外的感光传感器组成。作用是最大减少每个像素的填充因素，为解决这个问题，显微镜直接用语对每个像素提高入射光的聚焦。读出过程消极和积极像素在图象读出上用的是相同的技术。每个传感器的列是连续的时钟。这使得开关或电容放大器在输出端轮流转换电荷，一个读出寄存器在输出端用到一个连续的数模转换器要

18、比CCD简单。传感器的连续时钟允许整个图像渐进的从列中读出。然而，它也可能限制到传感器的时钟，这将使得行读出小水平条，在每个列打出像素的开始和结尾，可获得一个图象的明显区域，这些相关的小数量像素使得读出的速度增加；用这个技术，一些制造商要求速度达到百万桢每秒。集成制造CMOS行比CCD另一个先进的是高水平的集成制造。这使得有能力包括时间逻辑，暴光控制，数模转换和在暗箱通过传感器建立完整信号芯片的压缩电路学。这个技术可行却不便宜，在用CCD集成过程，大多数CCD基于的暗箱要用到几个芯片。这个做的结果是要用5个不同的提供电源，结果导致高功耗，在用单独的芯片，使用CMOS内部的低功耗装置，功率能达到

19、CCD的100倍。另一个先进的功能性是CMOS传感器能“在酥饼上”检测。也就是每个个人装置在高价产品尖端阶段使用。然而，在生产多功能CMOS传感器时有许多缺点。首先，在生产调和传感器和副装置的大型模具要高投入。此外，在嵌入前言的知识产权也是很困难的，新技术需要新的芯片支持，因此多功能芯片还是受欢迎的。最后，每个图象传感器函数技术需要不同的制造过程。举例：一些人制造存储片和一些人制造数模转转换器。因此，多功能CMOS传感器的制造商必须要用到混合近似法。这样相比要困难些。价格条件这将涉及90%到95%现在制造电脑或其他电子产品用到的CMOS技术，芯片的制造价格高达上百万美圆，但他们需要大量的提供制造的芯片，平均下来价格就非常的低了，尤其是和其他技术相比。CMOS生产线已达到8英寸口径，未来将达到12英寸。此外CMOS尺寸特点已达到0.4到0.2微米。CCD的典型尺寸是4到6英寸，它的特点尺寸达到0.6微米，这将导致大生产周期和低价格的对比。运行描述CMOS成像仍处在不成熟阶段，尽管它比CCD有