CMOS光电图像传感器课件

CMOS光电图像传感器CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）图像传感器出现于1969年,是一种用传统的芯片制造工艺将光敏阵列、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上制成器件，它结构简单、处理功能多、成品率高，价格低廉，有着广阔的应用前景。

CMOS图像传感器主要由光电二极管、MOS场效应管、放大器与开关等电路构成。因此，先学习MOS场效应管的基本原理。9.1MOS与CMOS场效应管9.1.1MOS场效应管的基本结构图9-1MOS管的工艺结构MOS场效应管（MOSFET）是一种单极性半导体器件。由衬底、源极S、漏极D和栅极G组成。其结构如图9-1所示，用轻渗杂的P型硅为衬底，在其上生成N+型源区S和N+型漏区D；

两个N+型区之间的部分称为沟道，沟道的长度为L，宽度为W；因此，这种场效应管又称为N沟道场效应管。

MOS场效应管的物理模型结构如图9-2所示，随着Ug的增高，反型层厚度增加，导电能力也增强。

图9-2MOS场效应管的结构表明栅极电压对源、漏电极间电流的控制能力，即MOS场效应管具有双极性晶体管中，基极电流控制集电极电流的特点。在场效应管中漏极电流被栅极电位Ug控制。

图9-3所示为MOS场效应管导电机构的立体剖面示意图，由图可以清楚地看出反型沟道层与耗尽层的分布情况。图9-3MOS场效应管导电机构剖面示意图图中栅极下面紧贴氧化层的一层是反型的沟道层，其中电子密度很大；再下一层是耗尽层，而且在两个N+区的下面也形成耗尽层，使它们彼此连接在一起，形成导电沟道。

9.1.2场效应管的主要性能参数1.阈值电压Uth2.伏安特性3.频率特性4.开关特性5.噪声9.2CMOS图像传感器的原理与结构9.2.1CMOS图像传感器的组成图9-10CMOS器件原理图CMOS图像传感器的组成原理框图如图9-10所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；

图9-11CMOS传感器原理图

图9-11为CMOS图像传感器输出信号的过程，在Y方向地址译码器的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关，信号被送到列线上，再通过X方向地址译码器的控制，输送到放大器。

在CMOS图像传感器芯片上，还可以设置其他数字处理电路。例如，自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制等处理电路。甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。

9.2.3CMOS图像传感器的工作流程CMOS图像传感器的典型工作流程图如图9-19所示，

图9-19CMOS传感器工作流程9.2.4CMOS图像传感器的辅助电路图9-21CMOS传感器非均匀性校正电路9.3CMOS图像传感器的特性参数1．光谱性能与量子效率图9-29CMOS像敏单元光谱响应曲线

如图9-29所示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范围为350～1100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度达到0.4A/W。

2．填充因子

定义填充因子为光敏面积对全部像敏单元所占面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等影响很大。

提高填充因子的方法有以下两种。

图9-30微透镜的作用（1）采用微透镜法（2）采用特殊的像元结构

图9-31所示为一种填充率较高的CMOS图像传感器的像敏单元结构，它的表面有光电二极管和其他电路，二者隔离。图9-31高填充率的CMOS像敏单元结构

在光电二极管的N+区下面增加N区，用于接收扩散的光电子；在电路N+的下面设置一个P+静电阻挡层，用于阻挡光电子进入其他电路。3．输出特性与动态范围CMOS图像传感器有4种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数特性模式和γ校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图9-33所示为4种输出模式的曲线。

（1）线性输出模式

线性输出模式的输出与光强成正比，适用于要求进行连续测量的场合。它的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。

图9-334种输出模式关系(2)双斜率输出模式

双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当信号很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；当信号增强后，改用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而可以扩大动态范围。

（3）对数输出模式

对数输出模式的动态范围非常大，可达几个数量级，使得无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对其镜头的光圈进行调节。（4）校正模式

校正模式的输出规律如下： （9-21）式中，U为信号输出电压，E为入射光照，为常数，为校正因子。由于为小于1的系数，它使输出信号的随照度E的增长速度减缓。

4．噪声CMOS图像传感器的噪声来源于光敏像元中的光电二极管、用于放大器的场效应管和行、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有共性又有个性。

(1)光敏器件的噪声①热噪声（9-22）

②散粒噪声

（9-23）

③产生复合噪声（9-24）

④电流噪声（9-25）

(3)CMOS图像传感器中的工作噪声(2)MOS场效应管中的噪声MOS场效应管所引起噪声的因素已在9.1.2节中介绍，不再赘述。

CMOS图像传感器在工作过程中，除去上述噪声外，还要产生一些新的噪声。

①复位噪声②空间噪声

空间噪声包括暗电流不均匀直接引起的固定图案噪声（FPN），暗电流的产生与复合不均匀引起的噪声，像元缺陷带来的响应不均匀引起的噪声和图像传感器中存在温度梯度引起的热图案噪声等。

（9-26）

5.空间传递函数图9-34CMOS传感器的空间传递函数

利用像元尺寸b和像元间隔S等参数，推导出CMOS图像传感器的理论空间传递函数如图9-34所示（9-27）

（9-28）

由于CMOS图像传感器中存在空间噪声和串音，它实际的空间传递函数要降低些。

6．CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较表9-2CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数CMOS图像传感器CCD1填充率接近100%2暗电流（PA/M2）10~100103噪声电子数≤20≤504FPN（%）可在逻辑电路中校正＜15DRNU（%）＜101~106工艺难度小大7光探测技术可优化8像元放大器有无9信号输出行、列开关控制，可随机采样CCD为逐个像元输出，只能按规定的程序输出10ADC在同一芯片中可设置ADC只能在器件外部设置ADC11逻辑电路芯片内可设置若干逻辑电路只能在器件外设置12接口电路芯片内可以设有接口电路只能在器件外设置13驱动电路同一芯片内设有驱动电路只能在器件外设置，很复杂9.4典型CMOS图像传感器9.4.1IBIS46600型CMOS图像传感器1.图像传感器的原理结构6600型CMOS图像传感器的原理结构如图9-35所示，它是CMOS图像传感器的主要部分。它包括像敏单元阵列、X和Y向读出移位寄存器、二级采样、并行模拟输出放大器和列放大器。

6600型CMOS图像传感器像敏单元的结构如图9-36所示，它使用了三管（3T）有源技术，大幅度改善弱光灵敏度。

像元分布如图9-37所示。像敏单元总数为3014×2222，其中有效像元为3002×2210，在它周围设置两个单元宽的虚设单元环，它能接收光照。

光谱特性如图9-38所示。光谱响应是直接在像元上进行测量的，包含其中的不感光部分。响应波段在400～1000nm之间。

输出特性如图9-39所示。曲线的横坐标为CMOS像元所接收电子数目，曲线的纵坐标为输出信号的电压。

2.输出放大器

输出放大器的原理框图，主要由偏压调节电路、可调增益放大器和输出电路等三部分组成。

3.A/D转换器A/D转换器除具有一般的线性模数变换外，还具有γ模数转换（γ变换）功能，其输入电压范围由外部电阻决定。其特性参数为：①量化精度：10bits；②数据速率：20MHz；③转换时间：<50ns。

4.二次采样6600型CMOS图像传感器提供如表9-4所示的多种二次采样模式，目的是提高精度或感兴趣部分图像的采样速率。模式选择位应写入IMAGE_CORE寄存器。为了保存颜色信息，任何模式下每次均应读入2个相邻像元的数据。

表9-4CMOS图像传感器的特性参数模式位步骤模式A0002默认模式B0014跳过步骤2C0106跳过步骤4D0118跳过步骤6E1xx12跳过步骤10思考题与习题99.1在CMOS图像传感器的像元信号是通过什么方式输出的？CMOS图像传感器的地址译码器的作用是什么？9.2CMOS图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号吗？它受到的限制因数是什么？9.3何谓被动像敏单元结构与主动像敏单元结构？二者的差异是什么？主动像敏单元结构是如何克服被动像敏单元结构缺陷的？9.4何谓填充因子？提高填充因子的方法有几种？你能说明微透镜方法提高填充因子的原理吗？微透镜方法能够提高填充因子但是对图像的成像质量是否会造成负面影响？9.5CMOS图像传感器与CCD图像传感器的根本区别是什么？同样材料制成的两种图像传感器在光谱响应方