（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器中前级处理电路的研究.pdf

中文摘要 本论文是天津市科委重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传 感器设计”研究工作的一部分。主要研究c m o s 图像传感器系统中前级处理电 路，前级处理电路( 预处理电路) 是指在图像信号进行模数转换之前，对信号的 所进行一系列预处理的电路，如光信号的读出、放大、消噪等。前级处理电路不 仅影响图像传感器系统的动态范围，而且也极大地影响着系统功能的扩展。 本论文着重阐述了前级处理电路中各模块的电路设计，包括像素内读出电 路、列读出电路以及功能强大的可编程增益放大器。首先分析介绍了有源像素单 元内读出电路的基本概念以及基本结构和工作原理，主要从增大动态范围以及填 充因子( 光敏感度) 的设计角度考虑，实现电路设计，并对流片后的像素单元测 试结果进行了细致分析。接着分析改进了传统的利用双采样技术消除像素内固定 模式噪声( f p n ) 的列读出电路，通过增加失调电压补偿过程将列f p n 从毫伏级 降为微伏级，再将芯片测试结果与仿真结果进行分析比较，验证电路功能，并进 一步介绍了双采样技术在列读出电路中的功能扩展，包括时间双采样与空间双采 样。最后分析比较了可编程增益放大器的几种电容阵列编码方式，设计了一种采 用新的三级流水线结构以及运用多种编码方式的可编程增益放大器，并对三级电 路具体形式以及电路中的核心模块运算放大器进行了细致分析，最后通过电路仿 真验证该系统在2 0 m 采样速率下实现以1 8 d b 为步长的1 2 8 个线性增益步进，并 具有较低的功耗以及良好的线性度。 本论文独创性的工作包括：设计具有较大填充因子( 4 7 ) 的像素单元电路， 并成功流片测试，正确有效的实现光电转换以及信号读出；在较小列宽s u m 以及 较小功耗1 6 5 u w 的限制下，设计能够有效抑制固定模式噪声的列读出电路，并 成功流片测试完成功能验证；设计了一种采用新的三级流水线结构的可编程增益 放大器，并采用多种电容阵列编码方式，降低电路功耗( 3 3 m v ) ，缩小芯片面积。 关键词：c m o s 图像传感器动态范围固定模式噪声双采样 失调电压补偿可编程增益放大器 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tap a r to fr e s e a r c hw o r ko na p a r a m o u n tp r o j e c tt o t a c k l e i nt i a n j i n s c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i t t e e h i g hp e r f o r m a n c eh i g h d y n a m i cc m o si m a g es e n s o rd e s i g n i tf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fp r e c e d i n gs t a g e c i r c u i t ，w h i c hi sd e f i n e da st h ec k c u i tt op r e t r e a tt h ei m a g e s i g n a l b e f o r e a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o ni n c l u d e ds i g n a lr e a d o u tc k c u i t , a m p l i f i e r , n o i s er e d u c t i o n c i r c u i te t c t h ep r e c e d i n gs t a g ec i r c u i tn o to n l ya f f e c t st h ed y n a m i cr a n g eo fi m a g e s e n s o r , b u ta l s oi n f l u e n c e st h es p r e a dt h es y s t e mf u n c t i o n s t h ea r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h ec i r c u i td e s i g no ft h em o d u l e si np r e c e d i n gs t a g e c i r c u i ti n c l u d e dt h er e a d o u tc i r c u i ti np i x e lc e l l ，c o l u m nr e a d o u tc i r c u i ta n dp o w e r f u l p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ( p g a ) f i r s t , i ti n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h e o r y a b o u tt h er e a d o u tc i r c u i ti na c t i v ep i x e lc e l l ，a n dd e s i g nt h ec i r c u i tt oe x p a n dt h e d y n a m i cr a n g ea n df i l lf a c t o r ( p h o t o - s e n s i t i v i t y ) ，a n da n a l y s et h ec h i pt e s tr e s u l t s e c o n d l y , t h ec o l u m nr e a d o u tc i r c u i ts t r u c t u r e ，w h i c hu s e dd o u b l es a m p l i n gt e c h n i q u e t oe l i m i n a t et h ef i x e dp a t t e r nn o i s e ( f p n ) f r o mp i x e lc e l l ，i si m p r o v e db yo f f s e t c o m p e n s a t i o nt or e d u c et h ec o l u m nf p nf r o mm i l i v o l tt om i c r o v o l t t h e ni tc o m p a r e s t h ec h i pt e s tr e s u l t 诵t ht h es i m u l a t i o nr e s u l tt oc o n f i r mi t sf u n c t i o n i na d d i t i o n i t i n t r o d u c eo t h e ra p p l i c a t i o n so fd o u b l es a m p l i n gt e c h n i q u ei ni m a g es e n s o r , s u c h 嬲 s p m i a ld o u b l es a m p l i n ga n dt e m p o r a ld o u b l es a m p l i n g f u r t h e r m o r e ，i ta n a l y s e sa n d c o m p a r e st h es e v e r a lc a p a c i t o ra r r a yc o d i n gi np g a ，a n dd e s i g nan e wt h r e es t a g e s p i p e l i n es y s t e ms t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n tc o d i n ge a c hs t a g e ，a n dc a r e f u l l ya n a l y s e sa n d d e s i g n se a c hs t a g ec i r c u i ta n do p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h e p g aa c h i e v e s1 2 8l i n e a rg a i ns t e p s 、丽m1 8d bg a i ne a c hs t e pi n2 0m s a m p l i n g s c l o c k ，a n di th a sag o o dl i n e a r i t yw i t h1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ec r e a t i v ew o r ko ft h i sa r t i c l ei n c l u d e ：d e s i g na c t i v ep i x e lr e a d o u tc i r c u i tw i t h h i g hf i l lf a c t o r ( 4 7 ) w h i c hw a ss u c c e s s f u l l yt a p e do u t d e s i g nac o l u m nr e a d o u t c i r c u i tw i t hf p nr e d u c t i o n 晰ml o wp o w e rc o n s u m p t i o n ( 1 6 5 州) i ns m a l lc o l u m n p i t c h ( 8u m ) ，i ti sa l s os u c c e s s f u l l yt a p e do u tt oc o n f i r mt h ef u n c t i o n d e s i g na p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e rw i t l ln e wt h r e ep i p e l i n es t a g e sa n dm i x e dc a p a c i t o r a r r a yc o d i n g ，w h i c ha c h i e v eh i g hl i n e a r i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds m a l la r e a k e yw o r d s - c m o s i m a g es e n s o r d y n a m i cr a n g e ，f i x e dp a a e mn o i s e ， d o u b l es a m p l i n g ，o f f s e tc o m p e n s a t i o n ，p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞鲞盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：林礅太 签字日期：抄占年工月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：林吮氐 签字日期：p ，年上月厂1e t 导师躲坛 爿 导师签名取 彳 签字日期：叫万年1 月j 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1c m o s 图像传感器发展概述 过去，由于c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 图像传感器具有光照灵敏度高、 噪声低、像元尺寸小等优点，而c m o s 图像传感器存在着像元尺寸大、信噪比 小、分辨率低、灵敏度低等缺点，所以c c d 图像传感器一直主宰着图像传感器 市场。但c c d 图像传感器有如下缺点：l 、c c d 工艺与制作集成电路普遍采用 的平面工艺不兼容，因此驱动电路和信号处理电路很难与成像阵列单片集成。2 、 像元间电荷转移要求严格准确，时钟脉冲复杂。3 、需要高电压工作。4 、成品率 低，成本高，图像信息不能随机读取【1 1 。为克服这些缺点，国外开展了c m o s 图像传感器的研制。随着标准c m o s 大规模集成电路技术的不断发展，过去 c m o s 图像传感器制造工艺中的技术难关都找到了相应解决的途径，从而大大促 进了c m o s 图像传感器发展。所谓c m o s 图像传感器，就是利用成熟的c m o s 工艺制作光敏像素单元，因此可以把光电接收器和放大、读出、a d 转换等电路 集成在单个芯片上。随着c m o s 工艺技术的发展，采用标准的c m o s 工艺生产 高质量、低成本的c m o s 图像传感器已成为可能。 c m o s 图像传感器是图像信号接收设备，因此有着广泛的应用范围。c m o s 图像传感器比c c d 图像传感器有低功耗、低噪声、宽动态范围、宽光谱灵敏度、 体积小，价格便宜等优势，适用于微型数码相机、便携式可视电话、p c 机电脑 眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安全监控、汽车防盗、等领域。c m o s 图像传 感器还可用于军事侦察、制导、卫星等方面 2 1 。 随着c m o s 工艺和固体图像传感器技术的不断完善，c m o s 图像传感器发 展很快，国外各大公司和科研机构已经开发出多种类型的c m o s 图像传感器和 以c m o s 图像传感器为核心的摄像系统。目前在美国、加拿大、日本研发的厂 商有i n t e l 、t i 、r o c k w e l l 、t o s h i b a 、v l s iv i s i o n 及p h o t o b i t 等公司。因此c m o s 图像传感器将会在许多领域取代c c d 图像传感器，并开拓出更广阔的市场，从 而大大扩展视频图像技术的应用范围。 第一章绪论 1 - 2c m o s 图像传感器的历史、现状和市场前景 1 9 7 0 1 9 9 7 c c d 主导 1 9 9 2 - 现在c m o s 有源像素研究( p l ) 图1 2 硅图像传感器发展史中的里程碑 图像传感器的发展历史如图1 2 所示：1 9 6 5 1 9 7 0 年，m m ，f a i r c h i l d 等公 司开发了双极和m o s 光电二极管阵列。1 9 7 0 年，贝尔实验室发明了c c d 技术。 c c d 技术由于具有低噪声、高一致性、低暗电流、高敏感度和高量子效率等优 点，直到今天仍然主宰着固态图像传感器的市场。从1 9 8 5 年到1 9 9 1 年，v l s i v i s i o n 等公司开发了无源像素图像传感器。从1 9 9 2 年到现在，有源像素图像传 感器迅速发展。图像传感器像素阵列的尺寸包括标准格式q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 像素) ， c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) ，v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) ，s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) ) 和超百万 像素的非标准格式( 1 0 2 4 1 0 2 4 ) ，非标准格式一般用在数码相机上1 2 j 。 由于c m o s 集成电路工艺技术的成熟和固体图像传感器技术的不断发展， c m o s 图像传感器发展很快，国外各大公司、院校和科研机构纷纷加入c m o s 图像传感器研制和生产的行业，已经开发出多种类型的c m o s 图像传感器和以 c m o s 图像传感器为核心的摄像器件。到目前为止，国外从事c m 0 s 图像传感 器研制和生产的有美国航空航天局( n a s a ) 喷气推进实验室( j p l ) ，斯坦福 大学、哈佛大学、洛克威尔半导体系统公司、p h o t o b i t 公司、摩托罗拉公司、贝 尔实验室、柯达公司、哥伦比亚大学、加利福尼亚大学、o m n i v i s i o n 、i n t e l 公司、 以色列t o w e r 半导体公司、p h i l i p s 半导体公司，比利时大学微电子中心( i m e c ) 、 f r a u n h o f e r 微电子大学、h a r v a r d 大学，英国v l s i s i o n 、日本丰桥技术科学大 学、英国大学、意大利帕维亚大学电子工程系、韩国现代电子集团、安捷伦科技 有限公司( 惠普子公司) 、p i n k h i l l 公司等等。美国贝尔实验室研制的2 5 6 像元x 2 5 6 像元c m o s 有源像素传感器( c m o s - a p s ) 的像元尺寸为2 0 u m x 2 0 u m 在单一 5 v 电压下工作，动态范围可达7 2 d b 。英国爱丁堡v l s i 视频有限公司生产7 8 5 像元x 5 8 6 像元c m o s 图像传感器。美国航空航天局喷气推进实验室设计并制造 用于彩色相机的1 0 2 4 像元1 0 2 4 像元c m o s a p s 。在国内，西安交通大学、浙 第一章绪论 江大学、中科院等单位也开展了c m o s 图像传感器的研制和应用开发工作，但 都处于起步阶段。 c m o s 图像传感器与c c d 图像传感器相比，功耗低，体积小，集成度高， 价格低、噪声低、动态范围宽、宽光谱灵敏度、能大批量生产、容易实现商品化， 适用于超微型数码相机、便携式可视电话、p c 机电脑眼、可视门铃、扫描仪、 摄像机、手表式相机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹认证等 图像领域。例如，目前我国的可视门铃或可视电话都是c c d 非隐蔽式的，随着 治安要求的不断提高，为确保门外或室内外的摄像系统不被破坏，在室内外安装 隐蔽式摄像系统将成为家用消费系统的主流趋势。c m o s 图像传感器的功耗小， 配以高效可充电电池，即使全天候工作，也不会引起电路过热、导致图像质量变 差。而c m o s 图像传感器还有一个优点，光谱敏感范围在近红外光波b i ，可见光 的灵敏度高出5 倍6 倍，配以适当红外照明，具有更好的夜视功能，这对侦破 和反犯罪活动非常有用。再加上c m o s 图像传感器耗电量小，成本低，像素缺 陷率低等优势，只要开发出c c d 图像传感器技术可以达到的应用领域的c m o s 图像传感器产品，就可以方便地取代c c d 图像传感器的市场。 1 3 选题目的及意义 c m o s 图像传感器中，前级处理电路( 预处理电路) 主要是指信号进行模数 转换之前的处理电路，包括像素读出电路以及一些放大消噪等各种电路。c m o s 图像传感器中的固定模式噪声( f p n ) 成为制约性能的主要因素【3 l 。因此为了提高 系统动态范围，需要尽力消除固定模式噪声，而噪声的消除主要是集中在前级电 路中。同时为了扩展系统动态范围，扩展系统功能，许多技术如双采样技术，边 缘探测，运动探测，色彩平衡，g a m m a 校正等都是通过前级处理电路中实现的 因此由于前级处理电路在c m o s 图像传感器中的重要作用，前级处理电路 的设计直接决定了系统的性能。目前本课题组正在开展“高性能大动态范围 c m o s 图像传感器设计”这一项目，在完成前级处理电路的基本功能的基础上， 有必要对前级处理电路进行多方面的研究，以提高系统性能，扩展系统功能。本 论文主要针对有源像素以及其读出电路进行了多方面的研究，包括有源像素内的 读出电路，列消噪电路，双采样技术在图像传感器中的应用以及功能强大的可编 程增益放大器等电路。本论文的研究可以为整个c m o s 图像传感器设计项目提 高系统性能，扩展功能打下良好的基础。 第二章c 8 0 s 图像传感器中有源像素电路的设计 第二章c m o s 图像传感器中有源像素电路的设计 在c m o s 图像传感器中，位于信号流最前端的电路就是光探测器，实现的 功能是进行有效的光电转换。因此在前级电路中，首先要考虑的就是对光信号的 读出，也就是在像素单元内的读出电路的设计。 2 1 像素的基本概念 1 硅的光电效应 半导体光电效应描述半导体材料与光的相互作用。理想情况下，光子的能量 以大于半导体的带隙能量e o h 照射到半导体中时，半导体吸收光子能量产生电子 空穴对，激发价带中电子进入导带。在这种情况下，吸收谱在禁带宽度k 对应 的波长处发生了陡变，如图2 1 所示。光子的能量e 。h - b 、商c 瓜，这里h 是p l a i l l 【 常数，v 是光频率( h z ) ，c 是光速( m s ) ，是波长，因此有 e 曲( e v 产1 2 4 x ( u m ) t 4 1 。 2 吸收系数 ( a )( b ) 图2 - 1 理想的光电效应 吸收系数( e r l ) 穿透深度( m ) i ，概j 图2 - 2 吸收系数、穿透深度与波长的关系 第二章o l o s 图像传感器中有源像素电路的设计 光予在通过原子时，把电子从束缚状态激发到自由状态，完成光能向电能的 转化。当光子的能量大于带隙能量e 时，原子中价带的电子通过吸收光子可以 进入导带，这样光子在被吸收的同时也就生成了一对电子空穴对，而对于波长超 过九= h c 。e 。的光子，原子是不会吸收的。光子的波长与吸收效率和穿透深度 的关系如图2 - 2 所示。 光子吸收系数口决定光在一定波长情况下，照在一定的物质上时被吸收的光 的波长范围。因此一定波长的光照在光电探测器上时，产生电子空穴对以及产生 的光电流的大小是由光子吸收系数决定的。光的穿透深度是指光强变为表面光强 的1 e 时到表面的距离。由l a m b e r t b e e r s 定律 7 几力= 和” ( 2 - 1 ) 可知，光子吸收系数还决定光在半导体材料中的渗透深度，其中，厶是材料 表面的光强，y 是距离表面的距离。由图2 - 2 可以看出蓝光( 4 5 0 n m ) 和红光 ( 7 5 0 n m ) 的渗透深度分别为0 2 p m 和l o p m 。 3 量子效率 图2 - 3 p n 结剖面图 ) 藿 在耗尽区中，由于复合的速度远小于漂移速度，光生电子空穴对将被内部电 场收集，而所有在耗尽区外面的光生电子空穴对将被扩散区收集而不会漂移。在 图2 3 中( 1 ) 区中由于高的注入浓度导致高的复合率，使得载流子的寿命减少。 由于此区域中的光生载流子会减少被收集的电荷与光子的比例，即减小了量子效 率。当光的波长较短时，光子主要在( i ) 区被吸收，当光的波长比较长时，光 子会在硅中的各个方向渗透，而不只是向耗尽区，这减小了量子效率。由于在一 般的半导体材料中，少数载流子的扩散速度远小于载流子的漂移速度，因此( 2 ) 区的光生载流子的收集速度要比耗尽区的低。因此，由于载流子的扩散速度比较 慢，( 1 ) 区、( 2 ) 区的载流子复合较多，这使得量子效率降低。在高速时，( 1 ) 第二章c _ i o s 图像传感器中有源像素电路的设计 区、( 2 ) 区的载流子来不及扩散到耗尽区，也来不及漂移到扩散区，因此量子效 率也会降低，所以量子效率还依赖于工作的频率。 4 无源像素与有源像素 像素一般分为两种，一种是有源像素( a p s ) ，一种是无源像素( p p s ) 。无 源像素是指像素包括一个光电二极管和一个选择管。每列像素都有各自的电压积 分放大器读出电路，它可以保持读出时列信号电压保持不变。由于无源像素的结 构简单，像素内只有一个选择管，所以其填充因子( f i l lf a c t o r ) 很大，这使得量 子效率很高。但是无源像素主要的问题是：负载电容过大引起了读出速度慢和噪 声水平高。 有源像素是指在像素的每个像元里都有一个有源放大器。有源像素在像元内 使用电压跟随器以减小填充因子为代价来提高像素性能。由于电压跟随器的存 在，一般的像素的填充因子都很小，从而使得光转化为信号的能力减弱，但由于 每个像素的负载电容都很小，所以读出噪声水平很低，而且动态范围比较大，信 噪比( s n r ) 也较高。 5 光生电流的收集 v r ) 。司一i 一电场 图2 4 光电二极管( n + p 衬底) 的p n 结反偏能带图 及扩散电流和漂移电流 光电二极管的电子空穴对产生在三个区，如图2 _ 4 所示【5 1 。耗尽区内的光生 第二章例0 s 图像传感器中有源像素电路的设计 载流子被外加电场分离，然后漂移到电极，构成光生电流的漂移部分。距离耗尽 区小于扩散长度( k ，k ) 范围内产生的光生载流予被收集构成光电流的扩散部 分；距离耗尽区大于扩散长度的光生载流子在到达耗尽区之前就被复合掉了，对 光电流没有贡献。扩散长度( k ，p ) 是少数载流子指数分布的特征长度。扩散长 度由扩散和复合过程决定，电子为l 。= 见f 。( u r n ) ，空穴为l ，= d ，r ，( 岫) ， 这里的d b 和t p 分别是扩散系数和载流子寿命。扩散系数与迁移率遵守爱因斯 坦关系，d n , p = ( k t q ) t t n , p ( c m e s ) ，这里k t q 是热电压，室温下约为2 5 m v 。p 是 迁移率。载流子寿命q 与禁带中复合中心浓度成反比_ l _ ( 1 n t ) 。 总的收集系数( 收集载流子入射光子) 可以写成：舢删啪i l 硎。l - 1 d c p i c t i 。1 1 b l l k 。 这里t 1 却l c t 伽和1 1 呲分别代表耗尽区的收集系数和衬底的收集系数。由上面的讨 论可知t 1 d 印l c t i o 。 1 1 b m ，可以认为绝大部分的收集发生在耗尽区。然而实际并不如 此，对于长波入射光，吸收系数非常低( 有很大的穿透深度) ，因此在耗尽区吸 收( 和收集) 的比较少，收集系数较大的依赖扩散长度，这会导致低收集效率。 另一方面，对于短波长的入射光( 蓝光) ，大部分的吸收发生在耗尽区，因此有 较高的收集效率。由于先进的c m o s 工艺p n 结都比较浅，大部分入射光直接穿 透耗尽区，这种穿透效应对敏感度会有影响。对于垂直的光电二极管( n + p ) ，总 电流为： 山= + ( 2 - 2 ) 假定n + 层很薄，忽略光吸收和热生成暗电流，可以得到漂移电流密度为： 埘 ，d m = 一qfg ( x ) d x = q l 。( 1 一e x p ( - a w ) ) ( 2 3 ) 对于x w ，p 型半导体扩散方程为： 见可0 2 n p 一半+ g ( 删 ( 2 - 4 ) 这里d 。空穴扩散系数，是少子寿命，n p o 是少子平衡浓度。方程边界条件是： n p = n # x = o o ，n p = o x = w 解为： n p = n p o 一【加+ c le x p ( - - o x ) e x p ( w x ) l 。】+ c 1e x p ( - o o c ) ( 2 5 ) 这里厶= 瓜，c 1 = 去) 高，因此扩散电流密度为： 第二章c i 0 s 图像传感器中有源像素电路的设计 = 一以罄) = 砜而a l j e x p ( 吨矿) + 以。鲁 ( 2 - 6 ) 总电流密度： 儿吼o 1 _ 譬署】+ g ，。鲁 ， 一般条件下，第二项很小，光子电流密度正比于入射光子流，效率厶g 工。为： 州l - 譬等】 ( 2 8 ) 因此效率主要依赖c t w 的大小，a 是材料的参数，入射光波长较长时，q 减小导 致效率下降。w 依赖于二极管的掺杂水平和偏压，所以w 是设计参数，效率随 耗尽区宽度和波长的关系如图2 - 5 所示。由前面推导可知在短波长量子效率是不 变的，这是因为我们在推导过程中忽略了顶层n 区的吸收和热电流，而实际上， 由于短波长穿透深度小于顶层掺杂的厚度，短波段效率也减小。 耗尽区宽度( u m )波长 饯= i 舻c m ，i m 2l 叩m l n = 1 0 p m 。w = l u r e l 假定哦柚i 图2 - 5 效率随耗尽区宽度和波长的关系 6 光子流的积分 光电二极管的载流子积分模式早在1 9 6 7 年就已提出，其电路如图2 - 6 所示， 在二极管复位后，其电压是时间的函数。由于光电流较小，须通过一段时间积分 收集载流子：q “= f 咖。，用电容转换成电压为v = g c ，c 一般由二极 管本身电容和与该器件连接的电容组成。因为反向电流正比于光强l 0 ，所以v 随t i l l t 和l i o 的变化是近似线性的( p n 结偏压变化导致电容变化，影响线性) 。这 里电容的电流与光电流大小相等，方向相反，由于二极管隔离，忽略暗电流。 对于n + ps u b 二极管，电容为： c ( 矿) = d v c o d t = 一舢 ( 2 9 ) 第二章0 1 0 s 图像传感器中有源像素电路的设计 c j ( 伊罢错，； a 是二极管面积，n a 是衬底受主浓度。 一u = 罢( 2 峨以) - 【12 历糌 v o 是二极管内建电场，v 。是复位反偏压，因此有： 矿o ) _ 【= 一f 一乒i 习盯】2 i i p h o t o + i d 出i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) o 时间( ) 图2 6 光电二极管载流子积分电路图及电压随时间关系图 v ( t ) 是时间的函数，对a = ( 1 0 u m ) 2 ，v 。矿5 v ，n a = 1 0 1 6 c m - 3 ，i 口h 。t o = l p a ，其 曲线如图2 - 6 所示。在短时间内，电压随时间是线性变化的( 不包括暗电流) 。 这也正是我们所需要的线性关系。3 0 u m x 3 0 u m 的光电二极管在反偏压5 v 下电容 约为1 5 1 0 ”f ，对应的电荷存储是5 1 0 6 个电子，因为电压并不能达到5 v 和 0 v ，实际饱和值是由输出放大器的电压摆幅决定的。典型值是5 v 反偏电压下， 2 0 u m 2 二极管，电子数为3 7 1 0 5 个电子。典型的暗电流约为5 0 0 1 0 0 0 p a e m 2 ( 5 1 0 9 e s c m 2 ) ，对于2 0 m 2 像素暗电流为2 1 0 4 e s c m 2 ，因此经过2 0 秒之后， 暗电流产生的电子将把势阱填满，实际工作中最大的积分时间约为l o o m s 。 7 填充因子 填充因子指有效光敏面积与像素整体感光面积的比值，也就是与光电二极管 的面积有关。但从式( 2 1 2 ) y ( f ) = 。一f 棚。f 一2 9 s 。 _ 】2 中，由于 f 。o ci o a ，即由于光电流正比于入射光子流，输出电压中包括的二极管面积a 已被抵消，因此输出电压应与二极管面积无关。如果从w q ( a ) c ( a ) 角度计算， 同样由于q 和c 都正比于面积，因此可以认为收集电压与二极管面积无关。但 为何填充因子却是像素性能的重要指标呢? 第二章c m o s 图像传感器中有源像素电路的设计 这是由于在前面的分析中未考虑到像素之外的电容源和其他不希望的电荷 源。因此，首先考虑到电容包括产生于注入区底面( 面电容) 和侧面( 外围电容) ， 以0 5 u m 工艺为例，零偏电容是：c i a - 4 7 1 0 。4 f m 2 ，- - 3 2 l f f l o f m ，对于 3 0 u m 3 0 u m ，像素侧面积相当于总面积的0 0 8 ，但对7 u r n 7 u m 像素，上升为 0 3 ，从3 0 u r n 3 0 u r n 到7 u m 7 u m ，像素缩小到o 0 5 倍，但侧面电容仅缩小到 0 0 7 ，因此小像素比大像素产生的电压小，i 。i l o t i 以t o t a l 以o 0 5 0 0 7 = 0 7 倍缩小。 其次由于光电二极管总要与外界电路相连，比如在有源像素中，光电二极管 与缓冲放大管以及复位管相连，或者在无源像素中与列总线相连，因此都存在一 个不依赖于像素面积的固定电容。因此光照所产生的电压变为 = q ( 4 ) 【c 。k ( 爿) + c 0 女】 ( 2 - 1 3 ) 也就是它将随a 的下降而下降。再者，像素单元中存在非线性依赖于像素面积 的电荷源，包括来自于像素底面和侧面的暗电流、复位噪声，因此 - 【q ( a ) + q 邶。】，c 删( 4 ) ( 2 - 1 4 ) 也就是说随a 下降，像素输出的信噪比下降。 因此大的光敏面积就具有较好的光电转换灵敏度，同时大的光敏面积会有大的阱 电容，因此也就具有有较大的动态范围。但是，通常是后续处理电路制约着系统 的动态范围。 8 动态范围 动态范围是最大的非饱和输入信号( 输入信号摆幅) 和最小可测信号( 零输 入时输入端噪声的标准差) 的比值。宽动态范围的图像传感器可以探测到更宽光 强范围内的场景信息，因此可以探测到更多的图像细节。可以说动态范围是图像 传感器质量的重要指标。一般图像传感器的动态范围不能达到自然场景光强的范 围，特别是c m o s 图像传感器的读出噪声较大，因此动态范围更受到限制。因 此动态范围受到噪声的制约，所以消嗓是提高动态范围的有效方法。如果光强与 输出是成线性关系，那么动态范围与信噪比也就相等，即d r = s n i l 因此为了提高图像传感器图像质量，需要尽量扩展系统的动态范围。在像素 的输出信号处理电路中始终都贯穿这动态范围的概念，各个处理模块尽量最大化 自身的动态范围，保证系统有足够的动态范围。 第二章c m o s 图像传感器中有源像素电路的设计 2 2 有源像素的电路设计 2 21 有源像素电路结构及基本工作原理 卜茅vddj-一置j r o w p i x e l 7 图2 7 像素基本结构 三管有源像素基本结构如图2 7 所示，虚线内的部分为像素阵列中的一个像 素单元，它包括一个复位管，一个缓冲放大管，一个选通管，均为n m o s 晶体 管。m 3 ，m 4 为每列共用的像素偏置电路。r s t 是复位信号，s e l 为行选信号。 v o u t 输出直接接列放大器的采样电容。 电路的基本工作过程分四个阶段 第一阶段( 复位过程) ：即首先对像素进行复位，时序控制信号为r s t = i ， s e l = o ，将d i o d e 点电位复位至高电平，使得光电二极管反偏。 第二阶段( 积分过程) ：复位完成之后复位管开关管断开，即时序控制信号 为r s t = o ，s e l = o ，这时光电二极管在光照的作用下，产生光生电流，在光电流 的作用下，悬空的d i o d e 点的电压与积分时间成近似线性的关系下降。这个过程 就是积分过程，也就是像素的曝光过程。 第三阶段( 读出过程) ：经过一定的积分时间后，d i o d e 点的电压下降至与光 强成线性关系的电压值，这时时序控制信号变为r s t = o ，s e l = 1 ，开始读出过 程。即d i o d e 点的电压通过缓冲放大管( 源跟随器) ，再经输出选通管输出，送 到后续处理电路。 第四阶段( 下次积分的复位过程) ：本次信号读出完成之后，需要对此像素 单元进行下次积分的复位，也就是开始重复第一阶段的操作。如此周而复始，使 得像素不断的曝光输出。 第二章c 9 0 s 图像传感器中有源像素电路的设计 2 2 2 光电二极管的设计 由于光电二极管在c m o s 图像传感器中是作为光电转换器件，是整个系统 最重要的部件之一。在c m o s 工艺中( 包括n 阱和p 阱) ，有几个寄生的p n 结 器件可以作为光电二极管。图2 8 是p 衬底实现的3 种可能的光电二极管结构i s ： n + p 衬底光电二极管，p + n 阱光电二极管和n 阱p 衬底光电二极管。 1 ) i r p _ s u b 扩散衬底结型光电二极管 w p 型扩散衬底结是一种由n扩散与p衬底构成的浅结光电二极管，_sub 它版图简单，不易受光刻变化引起的固定模式噪声的影响。p n 结由n 扩散和p 衬底形成( 如图2 8 左) 。由于在相同像素大小情况下，耗尽区比较宽，并且包 括了衬底光生载流子的贡献，该二极管的光谱响应( 效率) 优于p + n 阱( 扩散 阱) 二极管( 如图2 - 8 中) ，并且这种结构的衬底结的暗电流小于其它的结( 典 型暗电流为4 x 1 0 1 1 2 5 x 1 0 o a c m ) 。因此在传统c m o s 工艺条件下可用的光电 二极管中最广泛应用的结构。但该二极管容易受到c r o s s t a l k 、衬底扩散引起的噪 声和载流子泄漏的影响。由于衬底载流子作用，最大的量子效率发生在波长为 6 2 0 r i m 处，反应时间也大于p + n 阱。 幽幽 心竺竺堂j 虬+ 。i l 型j ? 图2 8 光电二极管结构：n + p 衬底( 左) ，p + n 阱( 中) ，p + n 衬底( 右) 2 ) v n j ei i 扩散阱结型光电二极管 p + nw e l l 扩散阱结由p 扩散和n 阱构成的浅结光电二极管，该二极管的光 谱响应相对于其他二极管是最差的。光谱响应较小的主要原因是p + n 阱结窄且 浅。阱外的产生的载流子电荷被n 阱p 衬底结屏蔽，不能被阱内的光电二极管 收集。然而n 阱p 衬底屏蔽可为二极管提供较好的隔离，因此相邻二极管之间 有较低的c r o s s t a l k 。由于二极管主要依赖耗尽区的光生载流子，而不需要衬底产 生的光生载流子扩散进入耗尽区，光电二极管的响应速度较快。由于在浅结处， 大部分的绿光被吸收，最大敏感度发生在$ 3 0 n m ( 绿光) 处。与其它的结相比， p + n 阱二极管的暗电流最大( 典型暗电流为4 x 1 0 d o a c m 2 ) 。 3 ) n _ w el i p _ s u b 阱一衬底结型光电二极管 第二章c i i o s 图像传感器中有源像素电路的设计 nw c l l ps u b 阱衬底结是由n 阱和p 衬底形成的深结光电二极管。由于它 的结构比较宽，比较深，使深入衬底的光生载流子得到很好的收集，因此有最好 的可见光光谱响应。阱结构的二极管的电容较低，这有利于提供高带宽。阱结构 二极管的缺点是对由少子扩散引起的衬底噪声和c r o s s t a l k 比较敏感。该结构有中 等的暗电流( 典型的暗电流为l x l o - 1 0 8 x 1 0 4 0 a c i i l 2 ) 。 因此，比较以上三种结构的光电二极管，从光电二极管的光谱响应如图2 9 所示以及噪声角度考虑，所以设计时选择n + p - s u b 扩散衬底结型光电二极管。 同时为了增大像素的填充因子，采用三管有源像素结构。三管有源像素单元由于 其像素内晶体管个数较少，从而可以使得光电二极管的曝光面积较大，同时尽量 减小像素内各个晶体管的尺寸，这样可以最大化像素的填充因子，但同时还得兼 顾动态范围以及驱动能力，具体设计分析见下文。 x i n m 】 图2 - 9c m o s 光电二极管结构模拟光谱响应【5 】 由前式，可得n + p s u b 衬底二极管的量子效率为： 一一2 鲁- 1 一而e - a 两( ；t ) w 】 协 ，= 厶斫+ 以知。是总的光电流( 从m 2 ) 。j d 栅和j d i 缸j 。分别是漂移电流和 扩散电流，w 是耗尽区宽度，如图2 - 4 所示。式2 1 5 表明效率极大的依赖w 的 值。吸收系数g t 是材料参数，我们不能控制，而耗尽区宽度w 是我们可以设计 的参数。在给定掺杂浓度下，我们可以通过控制偏压来改变w ，但是随着偏压 的上升，w 增加很慢，暗电流也随之上升。 式2 1 5 的近似关系很好的描述了图2 - 9 中t 1 ( 丸) 在长波波段的下降，是因 为有较小的吸收系数。”( 九) 在短波波段的下降是由于低的穿透深度导致的，这 第二章伽o s 图像传感器中有源像素电路的设计 可归结为热电流和n + p 衬底二极管的项部n + 掺杂区的吸收。光电流 i o h _ j m l a d 可以从量子效率的表达式中得出： i 砷= z “a d = g 卅a 耙 ( 2 - 1 6 ) 是波长，k 是入射光的强度( w m 2 ) ， 1 是量子效率，q 是电子电荷 ( 1 6 1 0 1 9 c ) ，h 是p l a n k 常数( 6 6 2 x 1 0 3 4 j s ) ，a 。是光电二极管的光敏面积，c 是 光速( 3 1 0 8 m s ) ，该式表明光电流和入射光强之间为线性关系。 2 2 3 像素中复位管的设计 复位管在复位阶段的工作原理相当于一个开关，在d i o d e 点处的电容上传送 电源电压。 工作原理如下图： 七c e 墨o ：j 现在假设v i 丑= v d d ，如图2 1 0 所示，由于这时m l 的栅极和漏极电位相同， m o s 管处于饱和区，因此我们得到： 警= = i 1 以警( 一一) 2 ( 2 - 1 7 ) 式中忽略了沟道长度调制效应。忽略体效应，并且在t = o 时，假设v 。n -