CMOS发展与现状

1、CMOS图像传感器的发展和现状1 .引言20世纪60年代末，美国贝尔研究所提出固态成像器件的概念以来，固态成像器件发展迅速。 在早期的70年代，电荷耦合器件(CCD )、电荷注入器件(CID )、光电二极管阵列(PDA )得到了发展。 其中，CCD的发展特别快，到90年代，CCD技术已经成熟。 但是，随着照相机的应用的广泛，缺点也开始陆续出现。 例如，CCD光接收元件阵列难以与驱动电路和信号处理电路单片集成，难以处理模拟和数字的功能，这些功能包含模拟/数字转换器、精密放大器、存储器、运算单元等元件的功能的CCD阵列的驱动脉冲由此，CMOS图像传感器除了是其中的一种之外还开发了固体图像传感器技术

2、。 初期的CMOS图像传感器取决于当时的工艺水平，画质差，分辨率低，噪声高，光的灵敏度不足。 相比之下，CCD在这些方面具有优异的性能。 因此，初始图像传感器市场一直是CCD设备的世界。 近年来，随着集成电路的设计和制造过程的发展，CMOS传感器的上述缺陷得到克服或改善，其固有优势开始出现，CMOS传感器开始迅速占领市场，其研究也再次成为焦点。CMOS传感器的发展历史CMOS图像传感器的开发包括三个阶段： CMOS无源像素传感器(CMOS- PPS，无源像素传感器)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS- APS，有源像素传感器)阶段1. CMOS无源像素传感器自1967年Weckler首次提

3、出光电二极管型无源像素结构以来。 那个构造几乎没有变化。 如图2所示，无源像素结构由反偏压的光电二极管和开关管构成。 开关管接通后，光电二极管与垂直的列线连接。 位于列线端部的电荷积分放大器读出电路使列线电压保持恒定，以降低KTC噪声。 当读出了累积在光电二极管中的信号电荷时，将其电压复位为列线电压电平，并且与光信号成比例的电荷通过电荷积分放大器被转换为电压输出。单管光电二极管无源像素可以具有给定的像素尺寸的最高设计填充系数，或者可以在给定的设计填充系数下设计最小的像素尺寸。 另外，无源像素传感器的量化效率也高。 然而，被动像素传感器具有高读出噪声，这是主要的缺陷。2 .有源像素传感器有源像素

4、传感器向像素内导入缓冲器或放大器，改善像素的性能。 与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数的代表值为20%30%。通过增加有效放大器管来降低读取噪声，并且读取速度也加快。 有源像素传感器的驱动能力强，列线分布参数的影响相对小，因此，有利于像素阵列大的器件的制作，另外，有源放大器仅在读出状态下动作，因此，CMOS有源像素传感器的消耗功率比CCD图像传感器的消耗功率大3 .数字像素传感器被动像素传感器和主动像素传感器的像素读出都是模拟信号，一般被称为模拟像素传感器。 近年来，美国斯坦福提出一种新的CMOS图像传感器结构的数字像素传感器(DPS )，其中ADC (模拟到数字转换

5、器)和存储器单元集成到像素单元中。 由于这种配置的像素单元被作为数字信号读出，以及其他电路是数字逻辑电路，所以数字像素传感器的读出速度非常快，高效电子快门并且非常适于高速的应用，而不是像读出模拟信号的过程中的那样此外，由于DPS利用了数字电路的优点，随着CMOS工艺的进步，分辨率容易提高，性能也很快达到CCD图像传感器，实现了系统的单片集成。CMOS传感器的发展现状1 .国内发展现状国内西安交通大学、华北工学部、中国科学院微电子研究中心、北京思比科微电子公司、文萨科技香港有限公司、联想企业集团等部门很快开展了CMOS图像传感器的设计，研究也取得了一定成果。 其中，西安交通大学开元微电子科技有限

6、公司于1998年3月开发了中国第一个CMOS彩色微摄像芯片，近年来，致力于高集成度的草色摄像芯片M60等专用摄像芯片的研究与开发。 北京思比科2011年推出了1200万像素CMOS图像传感器SP8AC08。 这个芯片是中国第一个突破1200万像素级的国产高端芯片，打破了海外制造商在这个领域的长期技术垄断。 2012年末，中芯国际宣布，该公司在背光式CMOS图像传感器的开发中取得了突破，第一个测试芯片在微弱的光环境下也能获得良好的图像效果。 中芯国际于2013年与合作伙伴生产该芯片。 中芯国际背光处理技术的成功扩大了该公司的CMOS图像传感器产品线，包括500万像素以上的手机相机和高性能摄像机。

7、 但是，国内目前CMOS图像传感器和国际水平还存在差异。2 .海外发展现状豪威科技宣布将于2008年6月领先业界生产背光式(BSI)CMOS传感器。 与背光式CMOS传感器改变方向，首先将光输入光电二极管，增加受光量，显着提高低照度下的摄影效果。 那个最新的OV9740，采用1.75微米的OmniBSI背面照度技术，是数字影像技术小型化的关键。 传感器中配备的高性能信号处理器实现了1300mV/lux-sec的低照度灵敏度。 另外，还具有键自动增益控制、自动曝光控制、自动白平衡、伽马校正、像素缺陷校正、图像边缘强调、校正镜头等各种功能。 OmniVision的微800万像素CMOS传感器OV8

8、850的像素尺寸达到了1.1微米。 塞浦路斯取得专利的技术能够显着提高填充因子，使标准CMOS硅芯片的最大部分面积变成感光区域。 2010年，赛普勒斯半导体公司推出了230万像素的VITA2000和530万像素的VITA500两种图像传感器。 新传感器具有一系列精密的功能，包括管线式、触发式全局快门模式和常规线曝光模式，VITA2000的速度最高可达到92帧/秒(FPS )，VITA5000达到75FPS。 Aptina最近发布了两种新型CMOS图像传感器。 具体型号为AR1011HS和AR1820HS，AR1011HS是1英寸CX格式的图像传感器。 整体像素输出值达到1000万像素，单位像素

9、尺寸为3.4m。 该产品支持独特的DR-Pix技术，并支持60fps连拍、每秒120帧的1080p视频录制和慢动作播放等功能。 AR1820HS也是支持背光技术的1800万像素CMOS传感器，物理尺寸为1/2.3英寸。 支持A-PixHS技术，连拍速度约24张/秒，支持高品质的高清视频录像功能。4 .结语CMOS的发展非常快，从当初CCD传感器垄断的市场开始，到现在为止CMOS传感器和CCD传感器分别有千秋。 目前，CMOS传感器的噪声逐渐减少，图像质量逐渐提高，加上其固有的低功耗、高集成度、高速特征。 正在成为图像传感器的主流。 随着多媒体、数字电视、电视通信产品的增加，CMOS图像传感器的应用前景一定会更加广阔。参考文献1 .江文杰、曾学文、设施建华.光电技术M .北京：科学出版社，2009，219-2222 .李继军、杜云刚、张丽