摘 要：  文章主要介紹了CMOS 圖像傳感器的結構、單元電路、發(fā)展背景及其發(fā)展現(xiàn)狀。

　　1  引言

　　70 年代初期，隨著MOS 技術的成熟，三種典型的固體圖像傳感---電荷耦合器件（CCD） 、電荷注入器件（CID） 、光敏二極管陣列（PDA） 得到了發(fā)展。

　　到80 年代中期，基于這三種固體圖像傳感器技術的攝像機逐漸投放市場。在這三種固體圖像傳感器中，CCD 發(fā)展為迅速。到90 年代初，CCD 技術已比較成熟，在微光下，具有每個像元幾個電子的成像能力，且CCD 技術已得到非常廣泛的應用。目前出售的每種攝錄機和PC 相機都是基于CCD 技術。

　　隨著CCD 應用范圍的擴大，其缺點逐漸顯露出來。CCD 光敏單元陣列難與驅動電路及信號處理電路單片集成，不易處理一些模擬和數(shù)字功能，這些功能包括模/ 數(shù)轉換器、精密放大器、存貯器、運算單元等元件的功能；CCD 陣列驅動脈沖復雜，需要使用相對高的工作電壓，不能與深亞微米超大規(guī)模集成（VLSI） 技術兼容。為此，人們又開發(fā)了另外幾種固體圖像傳感器技術，其中，引人注目有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴藴实腃MOS 技術來生產圖像傳感器，即CMOS 圖像傳感器。

　　到80 年代中期，CMOS 技術逐漸成熟。90 年代初期，可為數(shù)字系統(tǒng)設計百萬個或更多晶體管。

　　采用標準CMOS 技術生產實用像元尺寸質量高的固體圖像傳感器已成為可能。已能夠制作出尺寸比可見光波長小的CMOS 晶體管結構，可以在一個像元內集成多個晶體管。采用CMOS 技術可以將圖像傳感器陣列、驅動和控制電路、信號處理電路、模/數(shù)轉換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。這種片上攝像機用標準邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦的功率。

　　本文將介紹CMOS 圖像傳感器的歷史背景，描述其基本結構，像元電路及其發(fā)展現(xiàn)狀。

　　2  歷史背景

　　CMOS 圖像傳感器能夠快速發(fā)展， 一是基于CMOS 技術的成熟，二是得益于固體圖像傳感器技術的研究成果。到1997 年，已有采用0. 15μm 設計規(guī)則，試制成功了集成度高達8. 8 ×109 個元件的集成電路的報道，實用CMOS 技術的特征尺寸已達到0. 35μm.

　　在CMOS 圖像傳感器和CCD 像感器誕生之前，已經(jīng)有MOS 像感器了。60 年代，有許多研究機構采用NMOS ,PMOS 或雙極工藝技術研究固體圖像傳感器， 并取得了不同程度的成功。1963 年，Morrison 報道了一種用光導效應測定光斑位置的結構。1964 年， IBM 報道了通過一個電阻網(wǎng)絡尋址的n - p - n 結陣列掃描器，這種掃描器產生與入射光強成比例的輸出脈沖。1966 年，西屋公司報道了一個（50 ×50） 元的單片式光敏晶體管陣列。以上這些傳感器都產生與瞬間入射光強成比例的信號，不能輸出任何有意義的積分光生信號。結果這些器件的靈敏度低，像元內需要有信號增益。

　　1967 年，仙童公司的Weckler 提出了以光子通量積分模式工作的p - n 結，光電流收集在反向偏置的p - n 結電容中，并提出了采用PMOS 開關讀出積分電荷的方法。1968 年，仙童首次報道了（100 ×100） 元的光敏二極管陣列。

　　也是在1967 年，RCA 報道了（180 ×180） 元的CdS/ CdSe 薄膜晶體管（ TFT） 和光敏電阻陣列，這種陣列包含有以順序尋址像元的自掃描互補邏輯電路。還首次報道了電池驅動的無線攝像機，這種攝像機研制出來證明了自掃描圖像傳感器陣列的功能。

　　1968 年，英國Plessey 的Noble 在一篇文章中描述了幾種自掃描硅圖像傳感器陣列結構，描述了表面光敏二極管和埋溝道光敏二極管，討論了用于讀出的電荷積分放大器，還報道了首次用于像元內信號讀出緩沖的MOS 源跟隨晶體管。1969 年，Chamberlain 描述了改進的圖像傳感器模式和傳感器工作方式。1970 年，F(xiàn)ry Noble 和Ryceoft 在一篇文章中探討了固定圖形噪聲（ FPN） .直到目前，固定圖形噪聲仍被看作是MOS 和CMOS 像感器的主要問題。

　　1970 年，CCD 像感器誕生。它的固定圖形噪聲基本可以忽略，這是CCD 在多種固體圖像傳感器中被廣泛采用的主要原因之一。

　　70 年代和80 年代，當人們熱衷于發(fā)展CCD 的同時，僅有日立、三菱等幾個研究機構從事MOS 圖像傳感器的研究。日立公司開發(fā)了三代MOS 像感器，并率先推出了基于MOS 像感器技術的攝錄機。

　　后來，也許是殘余的熱噪聲的原因，日立終放棄了在MOS 像感器方面的努力。

　　80 年代后期，當CCD 在可見光成像方面唱主角的時候，混合式紅外焦平面陣列和高能物理粒子/光子極點探測器，卻避免使用CCD.混合式紅外焦平面陣列后來多采用CMOS 多路傳輸器作為信號讀出電路。

　　進入90 年代，由于對小型化、低功耗和低成本成像系統(tǒng)消費需要的增加，關于CMOS 圖像傳感器的研究工作開始活躍起來。蘇格蘭愛丁堡大學和瑞典Linkoping 大學的研究人員分別進行了低成本的單芯片成像系統(tǒng)開發(fā)，噴氣推進實驗室（J PL） 研究開發(fā)的高性能成像系統(tǒng)，其目標是滿足NASA 對高度小型化、低功耗成像系統(tǒng)的需要。他們在CMOS圖像傳感器研究方面取得了令人滿意的結果，并推動了CMOS 圖像傳感器的快速發(fā)展[3 ] .近來，CMOS 圖像傳感器已成為固體圖像傳感器研究開發(fā)熱點。

　　3  總體結構

　　CMOS 圖像傳感器的總體結構框圖如圖1 .它們一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路，在片模擬信號處理器（ASP） 構成。

　　更的CMOS 圖像傳感器還集成有在片模/ 數(shù)轉換器（ADC）。

圖1  CMOS 圖像傳感器總體結構

　　CMOS 圖像傳感器的光敏單元有無源像素結構和有源像素結構兩大類。后者主要有光敏二極管型和光柵型兩種，其他特殊結構還有對數(shù)傳輸型、釘扎光敏二極管型、浮柵放大器型等。行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，或是譯碼器。定時和控制電路限制信號讀出模式、設定積分時間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號處理器完成信號積分、放大、取樣和保持、相關雙取樣、雙Δ 取樣等功能。

　　在片模擬/ 數(shù)字轉換器是在片數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS 圖像傳感器可以是整個成像陣列有一個ADC 或幾個ADC（每種一個顏色） ,也可以是成像陣列每列各有一個ADC.

　　CMOS 圖像傳感器圖像信號有幾種讀出模式。

　　整個陣列逐行掃描讀出是一種普通的讀出模式。窗口讀出模式僅讀出感興趣窗口內像元的圖像信息，這種讀出模式增加了感興趣窗口內信號的讀出率。

　　跳躍讀出模式每隔一個（或兩個或更多） 像元讀出，這種讀出模式用降低分辨率為代價，允許圖像取樣，以增加讀出速率。跳躍讀出模式與窗口讀出模式結合，可實現(xiàn)電子全景攝像、傾斜攝像和可變焦攝像。

　　4  像元電路

　　CMOS 圖像傳感器像元電路分為無源像素傳感器（PPS） 和有源像素傳感器（APS） .APS 引入一個有源放大器。CMOS 圖像傳感器像元結構主要有光敏二極管型無源像素結構、光敏二極管型有源像素結構和光柵型有源像素結構。

　　4. 1  無源像素結構

　　光敏二極管型無源像素結構自從1967 年Weckler 首次提出以來實質上一直沒有變化。無源像素結構如圖2 ,它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關管構成。當開關管開啟，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC 噪聲。當光敏二極管存貯的信號電荷被讀取時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電壓輸出。

圖2  光敏二極管型無源像素結構圖

　　單管的光敏二極管型無源像素允許在給定的像元尺寸下有的設計填充系數(shù)；或者在給定的設計填充系數(shù)下，可以設計出的像元尺寸。另外一個開關管也可以采用，以實現(xiàn)二維的X - Y 尋址。由于填充系數(shù)高和沒有許多CCD 中的多晶硅疊層，無源像素結構量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS 無源像素傳感器讀出噪聲較高，典型值為250 個均方根電子，這是其致命的弱點。

　　4. 2  有源像素結構

　　幾乎在無源像素結構發(fā)明的同時，人們很快認識到在像元內引入緩沖器或放大器可以改善像元的性能。像元內有有源放大器的傳感器稱有源像素傳感。由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以CMOS 有源像素傳感器的功耗比CCD 的還小。具有優(yōu)異性能的非CMOS 有源像素傳感器也得到發(fā)展，例如電荷調制器件（CMD） , 已發(fā)展到（2 048 ×2 048） 元的規(guī)模，但這些器件需要特殊的生產工藝。

　　與無源像素結構相比，有源像素結構的填充系數(shù)小，其設計填充系數(shù)典型值為20 %~30 % ,接近于內線轉移CCD 的。

　　4. 2. 1  光敏二極管型有源像素結構

　　1968 年，Noble 描述了光敏二極管型有源像素傳感器（ PD - APS） .后來，這種像素結構有所改進。光敏二極管型有源像素結構如圖3 .

圖3  光敏二極管型有源像素結構圖

　　高性能CMOS 有源像素圖像傳感器由噴氣推進實驗室在1995 年首先研制成功，像元數(shù)為（128 ×128） 元，具有在片定時和控制、相關雙取樣和雙Δ取樣電路，采用1. 2μm CMOS n 阱工藝試制。器件動態(tài)范圍達到了72 dB ,固定圖形噪聲小于0. 15 %飽和信號水平[4 ] .1997 年，東芝研制成功了（640 ×480） 元光敏二極管型APS ,其像元尺寸為5. 6μm ×5. 6μm ,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列[3 ] .同年，VLSI 影像公司研制成功了用于靜態(tài)攝像的（800 ×1 000） 元CMOS 光敏二極管型APS[3 ] .

　　因為光敏面沒有多晶硅疊層， 光敏二極管型APS 量子效率較高，它的讀出噪聲由復位噪聲限制，典型值為（75~100） 個均方根電子。光敏二極管型有源像素每個像元采用三個晶體管，典型的像元間距為15 ×特征尺寸[3 ] .CMOS 光敏二極管型APS 適宜于大多數(shù)中低性能應用。

　　4. 2. 2  光柵型有源像素結構

　　光柵型有源像素傳感器（ PG- APS） 在1993 年由噴氣推進實驗室早研究成功并用于高性能科學成像和低光照成像。光柵型有源像素傳感器結合了CCD 和X - Y 尋址的優(yōu)點，其結構圖如4。

圖4  光柵型有源像素結構圖

　　光生信號電荷積分在光柵（ PG） 下，輸出前，浮置擴散節(jié)點（ A ） 復位（電壓為V DD） ,然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉移到擴散節(jié)點。

　　復位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳感器的輸出信號。

　　當采用雙層多晶硅工藝時，光柵與轉移柵（ TX）之間要恰當交疊。在光柵與轉移柵之間插入擴散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴散橋要引起大約100 個電子的拖影。1996 年，噴氣推進實驗室研制成功了（256 ×256） 元光柵型CMOS APS ,像元尺寸20. 4μm ,采用1. 2μm 單層多晶硅n 阱工藝，集成有相關雙取樣和雙Δ 取樣電路，讀出噪聲為13個均方根電子， 暗電流密度為500 pA/ cm2 。

　　（1 024 ×1 024） 元光柵型CMOS APS 已由噴氣推進實驗室和AT &T 聯(lián)合研制成功，像元間距10μm ,采用0. 5μm 工藝技術。

　　光柵型APS 每個像元采用5 個晶體管，典型的像元間距為20 ×特征尺寸。采用0. 25 μm 工藝將允許達到5μm 的像元間距。浮置擴散電容典型值為10 f F 量級，產生20μV/ e - 的增益，讀出噪聲一般為（10~20） 個均方根電子，已有讀出噪聲為5 個均方根電子的報道。

　　4. 2. 3  其他像素結構

　　在有些情況下，傳感器非線性輸出是人們所希望的。當光信號被壓縮時，非線性輸出可以增大內景動態(tài)范圍。對數(shù)傳輸是一種壓縮方式，其像元輸出的電信號與光信號的對數(shù)成比例。對數(shù)傳輸像元是非積分方式像元，它允許在時間和空間兩方面都可以隨機讀出。（2 048 ×2 048） 元CMOS 對數(shù)像素圖像傳感器在1996 年由Danny Scheffer 等人研制成功， 像元間距7. 5 μm , 采用0. 5 μm CMOS 工藝。

　　釘扎光敏二極管型像素是為內線轉移CCD 發(fā)展的，具有量子效率高、暗電流小和讀出噪聲低等特點。噴氣推進實驗室和柯達公司把釘扎光敏二極管與CMOS APS 結合起來，獲得了高性能的圖像傳感器。具有浮柵傳感放大器的光柵型CMOS APS 由噴氣推進實驗室研制開發(fā)， 片上集成有列平行ADC.具有簡單結構的浮柵像元CMOS APS 由噴氣推進實驗室與奧林巴斯合作開發(fā)。

　　5  發(fā)展現(xiàn)狀

　　研究開發(fā)CMOS 圖像傳感器的機構有很多，其中，以噴氣推進實驗室空間微電子技術中心的研究報道多。目前，很多研究機構主要在開發(fā)CMOSAPS ,有的已在傳感器陣列上集成了模/ 數(shù)轉換器。

　　各研究機構大多采用單層多晶硅雙層金屬布線n 阱工藝，有的已采用0. 5μm 工藝技術，光敏二極管以n 阱工藝p/ p + 外延襯底上制作的n + p 二極管效果。已證明CMOS APS 的噪聲水平、量子效率、動態(tài)范圍可與CCD 的相比擬。

　　部分CMOS APS 的發(fā)展狀況見表1 .

表1  CMOS APS 發(fā)展現(xiàn)狀

　　6  發(fā)展趨勢

　　CMOS 圖像傳感器的前途是光明的。隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通信等市場的增加，CMOS 圖像傳感器應用前景更加廣闊。在實現(xiàn)小單元尺寸方面，CMOS 圖像傳感器取得了快速的進步，已有5. 6μm ×5. 6μm 單元尺寸的報道。當采用0. 25μm 特征尺寸的工藝技術，將生產出高性能的CMOS 圖像傳感器。高性能單芯片CMOS 攝像機有希望在短期內出現(xiàn)，單芯片彩色CMOS 攝像機有望在今后兩年內出現(xiàn)。

　　目前，人們主要致力于提高CMOS 圖像傳感器，尤其是CMOS APS 的綜合性能，縮小單元尺寸，調整CMOS 工藝參數(shù)，將時鐘和控制電路、信號處理電路、模/ 數(shù)轉換器、圖像壓縮等電路與圖像傳感陣列完全集成在一起，并制作濾色片和微透鏡陣列，以期實現(xiàn)低成本、低功耗、高度集成的單芯片成像微系統(tǒng)。