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CMOS
图像传感器及噪声研究综述
刘宗宗
摘要
目前，
图
像传感器市场主要有
CMOS
图像传感器和
CCD
图像传感器。
CCD
图像<
/p>
传感器由于其较高的填充因子
FF(Fill
< br>Factor)
和较低的固定模式躁声
FPN(Fix
Pattern Noise)
已经得到广泛的应用，但因其存
在着多电压，高功耗，低速度，难
与
CMOS
< br>集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备
中应用。<
/p>
CMOS
图像传感器上世纪
60
年代就已经出现，但因工艺和技术原因，存
在严重的噪声问题，性能不够
完善严重影响图像质量还被废弃。但自
20
世纪
90
年代以来进人世纪年代
,
由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增
加
, <
/p>
芯片制造技术和信号处理技术的发展
,
为
新一代低噪声、
优质图像和高彩色还
原度的
CMOS
传感器的开发铺平了道路
,
CMOS
传感器的性能因此大大提高
,
CMOS
图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点。
<
/p>
但在光线较暗条件下，
CMOS
图像传感
器的噪声问题比较突出，这与器件和
工艺本身关系较大。对于
C
MOS
图像传感器噪声的研究有助于解决其不足，以保
证其优势
可以发挥，
无论是对噪声的抑制，
还是对器件工艺改进的引导都
有较大
意义。图像传感器市场比较大，对于兴起的
CMOS
图像传感器研发也是具有实际
意义的。
<
/p>
本综述首先对目前
CMOS
图像传感器所
用的技术和原理进行了研究介绍，然
后分别从
CMOS
本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声
进行了研
究介绍，最后自己分析了减小噪声的大致方向。
一
CMOS
图像传感器主流结构
CMOS
图像传感器的概念最早出现
在
20
世纪
60
年代，但当时由于大规模集成
电路工艺的限制未能进行研究
。普遍意义上的
CMOS
图像传感器的
研究是从
80
年代早期开始，而从实验室走向产品化则是在
90
年代早期。
CMOS
< br>图像传感器的
研发大致经历了
3
个阶段：
CMOS
无源像素传感器
(C
MOS
—
PPS
。
Passive Pixel Sensor)
阶段、
CM
OS
有源像素传感器
(CMOS
—
APS
，
Active Pixel Se
nsor)
阶段和
CMOS
数字
像素传感器
(CMOS
—
DPS
，
Digital
Pixel Sensor)
阶段。
图
1
CMOS
图像传感器像素结构
无源像素传感器
PPS
像元结构简单、面积很小。所以在给定的单元尺寸下，可设计
出最高的
填充系数
(FiFactor
．
FF
又称“孔径系数”
，即像元中
有效光敏单元面积与像元总
面积之比
)
；在给定的设计填充系数下，单元尺寸可设计的最小。并且，由于填
充系数高和没有类似
许多
CCD
中的多晶硅层叠，无源像素结构可获得较高的“量<
/p>
子效率”
(
即光生电子与入射光子数量之
比
)
，从而有利于提高器件的灵敏度。
但是这种结构存在着
2
个方面的不足：其一
，各像元中开关管的导通阈值难
以完全匹配，
所以即使器件所接
受的入射光线完全均匀一致，
其输出信号仍会形
成某种相对固定
的特定图形，
也就是所谓的
“固有模式噪声”
< br>(Fixed Pattern Noise
，
FPN)
，致使
PPS
的读出噪声很大，典型值
为
250
个均方根电子，较大的固有模式噪
声的存在是其致命的弱点；
其二．
光敏单元的驱动能量相对
较弱，
当图像传感器
规模不断增大后，
总线上电容相应增加传感器读出速度大幅降低，
故而列线不宜
过
长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率
的限制，
PPS
难以向大型阵列发展。
有源像素传感器
这种结构相对无源像素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管，
于是减
小了读出噪声并且它的读出速度也较快；
由于有源像元的驱动能
力较强，
列线分
布参数的影响相对较小，
因而有利于制作像元阵列较大的器件；
另外，
由于有源
放大管仅在读出状态下才工作，所以
CMOS
有源像素传感器的功耗比
CCD
图像传
感器的还小。这种结构的
APS
量子效率比较高，由于采用了新
的消噪技术，输出
图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为
75
～
100
个电子。而像元本身
具备的行选功能，对二维图像输出控制电路的简化颇有益处。
但是，
有源像素传感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元
面积和减小
“填充系数
(Fill Factor)
”的代价。
APS
像元结构复杂，与
PPS
像元结构相比
(
无源
像
元的孔径效率多在
60
％～
80
％之间
)
，其填充
系数较小，设计填充系数典型值为
20
％～
30
％，与行间转移
CCD
接近，
因而需要一个较大的单元尺寸。为了补偿有
源像素填充系数不高引起的不足，
CMOS
器件往往借用
CCD
制造工艺中现有的
“微
透镜”技术
就是在器件芯片的常规制作工序完成后，再利用光刻技术在每个像
元的表面直接制作一个微型光学透镜
借以对入射光进行会聚
，使之集中投射于
像元的光敏单元，
从而可将有源像元的有效填
充系数提高
2
～
3
倍，
提高信号质量。
深亚微米技术的采用将会大幅提高填充
率。
数字像素图像传感器
上面提到的无源
像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，
于
是它
们又通称为模拟像素传感器。
近年来，
美国斯坦福大学提出了一
种新的
CMOS
图像传感器结构一数字像素传感器
(DPS)
，在像素单元里集成了
ADC(Anal
og
—
to
—
Digital Convertor)
和存储单元，如图
1(
c)
所示。由于这种结构的像素单元读出为
数字信号，其它电路
都为数字逻辑电路，因此数字像素传感器的读出速度极快，
具有电子快门的效果，
非常适合高速应用，
而且它不像读出模拟信号的过程，
不
存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于
DPS
充分利用了数字电路的优点，因此
易于随着
CMOS
工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过
C
CD
图像传
感器，
并且实现系统的单片
集成。
数字像素图像传感器的主要缺点在于因为增加
了像素单元
内的晶体管数目而需要较大的像素单元面积，
而且随着芯片加工工艺
的不断发展，接口电压在不断降低，漏电流也在不断增加，
DPS
< br>的设计和制造也
面临着较大的挑战。目前，这种传感器还处于研究阶段。
以上介绍了
3
种不同
类型的图像传感器结构，
其中发展最快的是
CM0S
—
APS
。
这种类型的图
像传感器器件已经进入商品化和实用化阶段，但是对全面改善
CM0S
< br>—
APS
性能的研究工作还在深入进行。
CMOS
图像传感器能够快速发展，一
是基于固体图像
传感器技术的研究成果，二是得益于
CMOS
集成电路工艺技术
的
成熟。在
CMOS
取代
CCD
的进程中．生产工艺将是弥补
CMOS
图像质量和亮度不足
的关键。
4T-APS
结构
上一节
介绍了
3
种不同传感器结构，其中主流为
APS
结构。这其中
3T-APS
和
4T-APS
是最常用的。
3T-AP
S
像素由于自身结构的关系
,
暗电流不能得到很好的控
制
,
性能难以满足较高的要求为满足需要
,4T-APS
像素结构应运而生
,
它比
3T-APS
像素有更小的噪声
,
更好的性能同时要求控制部分更加复杂。
在ＣＩＳｓ像素的各种结构中，
３Ｔ像素有很高的填充因子
（Ｆｉｌｌ
Ｆ
ａｃｔ
ｏｒ，ＦＦ）
，但其对ＫＴ／Ｃ噪声的抑制能力较差；而５Ｔ及更复杂的
像素结构由于其较低的ＦＦ，很难在超大规模ＣＩＳｓ中应用．
４Ｔ－
APS
像素结构是目前ＣＩＳ
s
的主流结构之一，该结构有利于相关双采
样（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ<
/p>
Ｄｏｕｂｌｅ
Ｓａｍｐｌｉｎｇ，ＣＤＳ）技术
的运用，有效抑制噪声，并且有较高的ＦＦ，利于扩
展动态范围，常应用于大阵
列的ＣＩＳｓ设计中．
４Ｔ－ＡＰＳ
像素结构如图１所示，
该结构由钳位光电二
极管（Ｐｉｎｎｅｄ
－Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＰＰＤ）
、传输管ＭＴＧ、复位
管Ｍ
ＲＳＴ、源极跟随器ＭＳＦ和行选管ＭＲＳ组成。
图
2
Ｐｉｎｎｅｄ型４Ｔ－ＡＰＳ像素结构示意图
二
CIS
噪声分析
噪声一直是限制
CMOS
图像传感器占领市场的重要因素之
一。目前用于科学
研究的高性能
CCD
能达到的噪声水平为
3
～
5
个电子，而
CMOS
图像传感器则为
300-500
个电子。
CMOS
图像传感器的主要噪声来源有像素光敏单元的光电二极管，场效应管
及图像传感器工作时产生的其它噪声。
其中光电二极管产生的噪声有热噪声
，
散
粒噪声，产生复合噪声及电流噪声。
MOS
场效应管，包括放大器中的场效应管和
用于行列选址模
拟开关的场效应管，
引起的噪声主要有热噪声，
诱生栅极噪声及
电流噪声。而光敏阵列和
MOS
场效应
管构成的
CMOS
图像传感器在工作中，还会
< br>引进其它的噪声，比如复位噪声（
KTC
噪声）和空间噪
声等。
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