CMOS光電圖像傳感器課件

CMOS光電圖像感測器CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）圖像感測器出現(xiàn)於1969年,是一種用傳統(tǒng)的晶片製造工藝將光敏陣列、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、記憶體、數(shù)字信號(hào)處理器和電腦介面電路等集成在一塊矽片上製成器件，它結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高，價(jià)格低廉，有著廣闊的應(yīng)用前景。

CMOS圖像感測器主要由光電二極體、MOS場效應(yīng)管、放大器與開關(guān)等電路構(gòu)成。因此，先學(xué)習(xí)MOS場效應(yīng)管的基本原理。9.1MOS與CMOS場效應(yīng)管9.1.1MOS場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)圖9-1MOS管的工藝結(jié)構(gòu)MOS場效應(yīng)管（MOSFET）是一種單極性半導(dǎo)體器件。由襯底、源極S、漏極D和柵極G組成。其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，用輕滲雜的P型矽為襯底，在其上生成N+型源區(qū)S和N+型漏區(qū)D；

兩個(gè)N+型區(qū)之間的部分稱為溝道，溝道的長度為L，寬度為W；因此，這種場效應(yīng)管又稱為N溝道場效應(yīng)管。

MOS場效應(yīng)管的物理模型結(jié)構(gòu)如圖9-2所示，隨著Ug的增高，反型層厚度增加，導(dǎo)電能力也增強(qiáng)。

圖9-2MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)表明柵極電壓對源、漏電極間電流的控制能力，即MOS場效應(yīng)管具有雙極性電晶體中，基極電流控制集電極電流的特點(diǎn)。在場效應(yīng)管中漏極電流被柵極電位Ug控制。

圖9-3所示為MOS場效應(yīng)管導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的立體剖面示意圖，由圖可以清楚地看出反型溝道層與耗盡層的分佈情況。圖9-3MOS場效應(yīng)管導(dǎo)電機(jī)構(gòu)剖面示意圖圖中柵極下麵緊貼氧化層的一層是反型的溝道層，其中電子密度很大；再下一層是耗盡層，而且在兩個(gè)N+區(qū)的下麵也形成耗盡層，使它們彼此連接在一起，形成導(dǎo)電溝道。

9.1.2場效應(yīng)管的主要性能參數(shù)1.閾值電壓Uth2.伏安特性3.頻率特性4.開關(guān)特性5.雜訊9.2CMOS圖像感測器的原理與結(jié)構(gòu)9.2.1CMOS圖像感測器的組成圖9-10CMOS器件原理圖CMOS圖像感測器的組成原理框圖如圖9-10所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管積體電路，而且這兩部分是集成在同一矽片上的。像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，並可分別由兩個(gè)方向的地址解碼器進(jìn)行選擇；

圖9-11CMOS感測器原理圖

圖9-11為CMOS圖像感測器輸出信號(hào)的過程，在Y方向地址解碼器的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)，信號(hào)被送到列線上，再通過X方向地址解碼器的控制，輸送到放大器。

在CMOS圖像感測器晶片上，還可以設(shè)置其他數(shù)字處理電路。例如，自動(dòng)曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制等處理電路。甚至於將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件製作在一起形成多種功能的器件。

9.2.3CMOS圖像感測器的工作流程CMOS圖像感測器的典型工作流程圖如圖9-19所示，

圖9-19CMOS感測器工作流程9.2.4CMOS圖像感測器的輔助電路圖9-21CMOS感測器非均勻性校正電路9.3CMOS圖像感測器的特性參數(shù)1．光譜性能與量子效率圖9-29CMOS像敏單元光譜回應(yīng)曲線

如圖9-29所示為CMOS圖像感測器的光譜回應(yīng)特性曲線。由圖可見，其光譜範(fàn)圍為350～1100nm，峰值回應(yīng)波長在700nm附近，峰值波長回應(yīng)度達(dá)到0.4A/W。

2．填充因數(shù)

定義填充因數(shù)為光敏面積對全部像敏單元所占面積之比，它對器件的有效靈敏度、雜訊、時(shí)間回應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等影響很大。

提高填充因數(shù)的方法有以下兩種。

圖9-30微透鏡的作用（1）採用微透鏡法（2）採用特殊的像元結(jié)構(gòu)

圖9-31所示為一種填充率較高的CMOS圖像感測器的像敏單元結(jié)構(gòu)，它的表面有光電二極體和其他電路，二者隔離。圖9-31高填充率的CMOS像敏單元結(jié)構(gòu)

在光電二極體的N+區(qū)下麵增加N區(qū)，用於接收擴(kuò)散的光電子；在電路N+的下麵設(shè)置一個(gè)P+靜電阻擋層，用於阻擋光電子進(jìn)入其他電路。3．輸出特性與動(dòng)態(tài)範(fàn)圍CMOS圖像感測器有4種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對數(shù)特性模式和γ校正模式。它們的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍相差很大，特性也有較大的區(qū)別。圖9-33所示為4種輸出模式的曲線。

（1）線性輸出模式

線性輸出模式的輸出與光強(qiáng)成正比，適用於要求進(jìn)行連續(xù)測量的場合。它的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍最小，而且線上性範(fàn)圍的最高端信噪比最大。

圖9-334種輸出模式關(guān)係(2)雙斜率輸出模式

雙斜率輸出模式是一種擴(kuò)大動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的方法。它採用兩種曝光時(shí)間，當(dāng)信號(hào)很弱時(shí)採用長時(shí)間曝光，輸出信號(hào)曲線的斜率很大；當(dāng)信號(hào)增強(qiáng)後，改用短時(shí)間曝光，曲線斜率便會(huì)降低，從而可以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。

（3）對數(shù)輸出模式

對數(shù)輸出模式的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍非常大，可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得無需對相機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行控制，也無需對其鏡頭的光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)。（4）校正模式

校正模式的輸出規(guī)律如下： （9-21）式中，U為信號(hào)輸出電壓，E為入射光照，為常數(shù)，為校正因數(shù)。由於為小於1的係數(shù)，它使輸出信號(hào)的隨照度E的增長速度減緩。

4．雜訊CMOS圖像感測器的雜訊來源於光敏像元中的光電二極體、用於放大器的場效應(yīng)管和行、列選擇等開關(guān)的場效應(yīng)管。這些雜訊既有共性又有個(gè)性。

(1)光敏器件的雜訊①熱雜訊（9-22）

②散粒雜訊

（9-23）

③產(chǎn)生複合雜訊（9-24）

④電流雜訊（9-25）

(3)CMOS圖像感測器中的工作雜訊(2)MOS場效應(yīng)管中的雜訊MOS場效應(yīng)管所引起雜訊的因素已在9.1.2節(jié)仲介紹，不再贅述。

CMOS圖像感測器在工作過程中，除去上述雜訊外，還要產(chǎn)生一些新的雜訊。

①複位雜訊②空間雜訊

空間雜訊包括暗電流不均勻直接引起的固定圖案雜訊（FPN），暗電流的產(chǎn)生與複合不均勻引起的雜訊，像元缺陷帶來的回應(yīng)不均勻引起的雜訊和圖像感測器中存在溫度梯度引起的熱圖案雜訊等。

（9-26）

5.空間傳遞函數(shù)圖9-34CMOS感測器的空間傳遞函數(shù)

利用像元尺寸b和像元間隔S等參數(shù)，推導(dǎo)出CMOS圖像感測器的理論空間傳遞函數(shù)如圖9-34所示（9-27）

（9-28）

由於CMOS圖像感測器中存在空間雜訊和串音，它實(shí)際的空間傳遞函數(shù)要降低些。

6．CMOS圖像感測器與CCD圖像感測器的比較表9-2CMOS與CCD圖像感測器的性能比較序號(hào)參數(shù)CMOS圖像感測器CCD1填充率接近100%2暗電流（PA/M2）10~100103雜訊電子數(shù)≤20≤504FPN（%）可在邏輯電路中校正＜15DRNU（%）＜101~106工藝難度小大7光探測技術(shù)可優(yōu)化8像元放大器有無9信號(hào)輸出行、列開關(guān)控制，可隨機(jī)採樣CCD為逐個(gè)像元輸出，只能按規(guī)定的程式輸出10ADC在同一晶片中可設(shè)置ADC只能在器件外部設(shè)置ADC11邏輯電路晶片內(nèi)可設(shè)置若干邏輯電路只能在器件外設(shè)置12介面電路晶片內(nèi)可以設(shè)有介面電路只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一晶片內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路只能在器件外設(shè)置，很複雜9.4典型CMOS圖像感測器9.4.1IBIS46600型CMOS圖像感測器1.圖像感測器的原理結(jié)構(gòu)6600型CMOS圖像感測器的原理結(jié)構(gòu)如圖9-35所示，它是CMOS圖像感測器的主要部分。它包括像敏單元陣列、X和Y向讀出移位寄存器、二級(jí)採樣、並行模擬輸出放大器和列放大器。

6600型CMOS圖像感測器像敏單元的結(jié)構(gòu)如圖9-36所示，它使用了三管（3T）有源技術(shù)，大幅度改善弱光靈敏度。

像元分佈如圖9-37所示。像敏單元總數(shù)為3014×2222，其中有效像元為3002×2210，在它周圍設(shè)置兩個(gè)單元寬的虛設(shè)單元環(huán)，它能接收光照。

光譜特性如圖9-38所示。光譜回應(yīng)是直接在像元上進(jìn)行測量的，包含其中的不感光部分?；貞?yīng)波段在400～1000nm之間。

輸出特性如圖9-39所示。曲線的橫坐標(biāo)為CMOS像元所接收電子數(shù)目，曲線的縱坐標(biāo)為輸出信號(hào)的電壓。

2.輸出放大器

輸出放大器的原理框圖，主要由偏壓調(diào)節(jié)電路、可調(diào)增益放大器和輸出電路等三部分組成。

3.A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器除具有一般的線性模數(shù)變換外，還具有γ模數(shù)轉(zhuǎn)換（γ變換）功能，其輸入電壓範(fàn)圍由外部電阻決定。其特性參數(shù)為：①量化精度：10bits；②數(shù)據(jù)速率：20MHz；③轉(zhuǎn)換時(shí)間：<50ns。

4.二次採樣6600型CMOS圖像感測器提供如表9-4所示的多種二次採樣模式，目的是提高精度或感興趣部分圖像的採樣速率。模式選擇位應(yīng)寫入IMAGE_CORE寄存器。為了保存顏色資訊，任何模式下每次均應(yīng)讀入2個(gè)相鄰像元的數(shù)據(jù)。

表9-4CMOS圖像感測器的特性參數(shù)模式位步驟模式A0002默認(rèn)模式B0014跳過步驟2C0106跳過步驟4D0118跳過步驟6E1xx12跳過步驟10思考題與習(xí)題99.1在CMOS圖像感測器的像元信號(hào)是通過什麼方式輸出的？CMOS圖像感測器的地址解碼器的作用是什麼？9.2CMOS圖像感測器能夠像線陣CCD那樣只輸出一行的信號(hào)嗎？它受到的限制因數(shù)是什麼？9.3何謂被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)與主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)？二者的差異是什麼？主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)是如何克服被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)缺陷的？9.4何謂填充因數(shù)？提高填充因數(shù)的方法有幾種？你能說明微透鏡方法提高填充因數(shù)的原理嗎？微透鏡方法能夠提高填充因數(shù)但是對圖像的成像品質(zhì)是否會(huì)造成負(fù)面影響？9.5CMOS圖像感測器與CCD圖像感測器的根本區(qū)別是什麼？同樣材料製成的兩種圖像感測器在光譜回應(yīng)方