CMOS圖像傳感器的過(guò)去，現在和未來(lái)

　　在過(guò)去的十年里，CMOS圖像傳感器(CIS)技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。自從在手機中引入相機以來(lái)，CIS技術(shù)取得了巨大的商業(yè)成功。

　　包括科學(xué)家和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)專(zhuān)家在內的許多人，早在15年前就預言，CMOS圖像傳感器將完全取代CCD成像設備，就像20世紀80年代中期CCD設備取代了視頻采集管一樣。盡管CMOS在成像領(lǐng)域占有牢固的地位，但它并沒(méi)有完全取代CCD設備。

　　另一方面，對CMOS技術(shù)的驅動(dòng)極大地提升了整個(gè)成像市場(chǎng)。CMOS圖像傳感器不僅創(chuàng )建了新的產(chǎn)品應用程序，而且還提高了CCD成像設備的性能。本文介紹了CMOS圖像傳感器技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)，并對未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

　　圖像傳感器的定義和用途

　　圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉換成電子信號的電子設備。轉換的方法因圖像傳感器的類(lèi)型而異

　　 “模擬”CCD執行光子到電子的轉換。

　　 “數字”CMOS圖像傳感器(CIS)執行光子到電壓的轉換

　　圖像傳感器用于數碼相機和成像設備，將相機或成像設備接收到的光線(xiàn)轉換為數字圖像。

　　CIS vs. CCD

　　今天，有兩種不同的技術(shù)用于數字圖像采集(圖1)：

　　 電荷耦合器件(CCD)是線(xiàn)性傳感器，其輸出與接收到的光子數量直接相關(guān)。

　　 互補金屬氧化物半導體(CMOS，或CMOS圖像傳感器CIS)是一種較新的并行讀出技術(shù)。

　　這兩種類(lèi)型的成像設備都將光轉化為電子(或電荷)，隨后即可處理成電子信號。CCD的設計目的是將電荷逐個(gè)像素地移動(dòng)，直到它們到達專(zhuān)用讀出區域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進(jìn)行放大。更高級的CIS技術(shù)提供了一個(gè)并行讀出架構，其中每個(gè)像素都可以單獨尋址，或者作為一個(gè)組并行地讀出(參見(jiàn)圖1)。

　　CMOS傳感器的制造成本遠低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價(jià)格下降，數碼相機已經(jīng)變得非常便宜和普及。

　　在表1中，我們展示了CCD和CMOS架構的主要區別。 每個(gè)都有獨特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應用中各顯其能(用綠色表示)。

　　表1：CCD與CMOS架構比較(來(lái)源：e2V)

　　CIS中的關(guān)鍵組件

　　CMOS圖像傳感器有四個(gè)主要組件(見(jiàn)圖2)：

　　1光電二極管(PD)

　　2 像素設計

　　3 彩色濾光片(CF)

　　4 微透鏡

　　光電二極管(PD)用于捕捉光，一般用于實(shí)現這一功能的是PIN二極管或PN結器件。最廣泛實(shí)現的像素設計被稱(chēng)為“有源像素傳感器”(APS)。通常使用3—6個(gè)晶體管，它們可以從大型電容陣列中獲得或緩沖像素。彩色濾光片用于分離反射光的紅、綠、藍(RGB)成分。最后，微透鏡從CIS的非活性部分收集光，并將其聚焦到光電二極管。微透鏡通常具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡。

　　圖2：CIS中的關(guān)鍵組件(來(lái)源：IBM，FSI)

　　CIS性能參數

　　有許多參數可用于評估圖像傳感器的性能。我們使用三個(gè)主要指標對這些參數進(jìn)行分類(lèi)：

　　1像素布局：像素數，像素間距，像素填充因子

　　2像素物理：量子效率，阱容量，動(dòng)態(tài)范圍，轉換增益，暗電流

　　3像素讀數：信噪比，幀速率，線(xiàn)性度，功耗，位深度，調制傳遞函數，快門(mén)效率

　　(4)背面照度(BSI)技術(shù)與前面照度(FSI)技術(shù)

　　高級CMOS圖像傳感器制造商正在尋求新的架構，以便在保持或增強電—光性能的同時(shí)減小像素尺寸。較小的像素通常會(huì )帶來(lái)更高的分辨率、更小的器件，以及更低的功耗和成本。理想情況下，縮小像素尺寸的任何新CIS架構都不應該降低性能或圖像質(zhì)量。一種較新的CIS架構背面照度(BSI)技術(shù)，是常用的前面照度(FSI)技術(shù)的有前途的替代方案(見(jiàn)圖3)。

　　圖3::：FSI vs. BSI

　　BSI技術(shù)涉及到將圖像傳感器倒置，并將彩色濾光片和微透鏡應用于像素的背面，以便傳感器可以通過(guò)背面收集光線(xiàn)。 BSI具有深光電二極管和短光路，從而具有更高的量子效率(1)(QE)和較低的串擾(2)(見(jiàn)圖4)。

　　圖4：串擾

　　(1)QE =轉換成為電子的光子的百分比

　　(2)電子串擾=相鄰像素之間的電荷(電子或空穴，取決于像素類(lèi)型)的擴散。它由于底層的電子機制(擴散和漂移)而在硅材料中發(fā)生