初学整理（一）CMOS图像传感器（CMOS image sensor, CIS）基本介绍

  • CCD与CMOS
  • CIS的基本结构与工作模式


CCD与CMOS

常用的图像传感器有电感耦合器件（Coupled Charge Device, CCD）与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器。工作原理：半导体的光生伏特效应（内光电效应）。

CCD的像素单元为多个MOS电容（下图）。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_ci


当MOS电容的栅压大于电容的阈值电压时，半导体内产生的光电荷会转移至栅极氧化层下进行积累，形成信号电荷包，通过栅压上的驱动脉冲将像素内的电荷包沿行传输，直至末端的电荷检测电路，输出电流或电压。因此，CCD传感器的像素可以同时曝光，再通过MOS电容进行信号存储，将电荷一列列地读出。

CCD优点：集成度高、功耗低。随着CMOS大规模集成电路（LSI）制造工艺的高速发展，CMOS图像传感器能够与芯片的功能电路集成，以实现智能CMOS图像传感器。同时CMOS图像传感器的集成度大幅提高，单位面积的像素数成倍增长。

所以相较于CCD，CMOS具有更优越的成像性能。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_传感器_02

CIS的基本结构与工作模式

CIS的基本结构如下图所示，由像素阵列、外围寻址电路与读出电路等模块构成，其中像素结构对CIS的实际成像性能影响最大。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_ci_03

CIS像素单元包括有光电探测器以及相应的控制电路。光电探测器包括有光电二极管（Photo diode, PD）、光栅、光电晶体管、雪崩光电二极管等，但光栅的灵敏度较差，量子效率低，并且对短波长响应率也较低。现在的CIS大多使用光电二极管进行光电探测。

根据CIS像素结构的发展历程大致可以分为三代：

  1. 无源像素传感器：PDX1、开关晶体管X1。优点：结构简单，填充因子大。缺点：拖影大、kBTC噪声大、列FPN（Fixed Patterned Noise）大。
  2. 3T-APS有源像素传感器：PDX1、复位晶体管X1、行选晶体管X1、源跟随晶体管X1。优点：高信噪比。缺点：kBTC噪声大、PD既是光探测区又是光转换区，满阱容量（Full well capacity, FWC）与转换增益（Conversion gain, CG）相互制约。
  3. 4T-APS有源像素传感器：PDX1、复位晶体管X1、行选晶体管X1、源跟随晶体管X1、传输门晶体管X1。优点：噪声低，电荷积累与电压转换分别在PD中与FD（Floating diffusion）中进行，可以分开设计。缺点：填充因子下降、存在图像滞后。
    有源器件与无源器件的区别就在于是否存在有源器件来放大每一个像素的信号。

注：

  1. kBTC噪声是由复位晶体管的复位动作所引入的噪声。
  2. 满阱容量（Full well capacity, FWC）：PD中可以积累的最大电荷数量，随PD的结电容CPD增加而增加。
  3. 转换增益（Conversion gain, CG）：一个电荷积累在PD中引起的电压变化，和CPD成反比。

下图所示为3T像素与4T像素的结构示意图。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_工作模式_04

3T像素中复位晶体管直接与N连接，通过源跟随晶体管将PD上的电压放大输出至选通管，再通过行选选通管，使信号由列输出总线输出。光生电子在PD中积累，同时经由PD进行信号转换。

4T像素中，PD中引入了一层P+掺杂，即Pinned photodiode，通过P+的引入抑制了PD表面由于Si/SiO2晶格不匹配的缺陷而产生的暗电流，减小了FPN。同时通过将N层接正，可以将PD完全耗尽，增加耗尽层宽度，提高PD的满阱容量。加入了传输门用以控制电荷由PD到FD的运输，提高传输门上的电压可以将PD中电荷完全转移至FD，但过高的电压会增加晶体管的制造难度。FD区域为N+区域，与复位管的漏极（Drain）、源跟随管的栅极（Gate）连接。

下面给出了4T像素的时序图。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_cis图像传感器芯片架构_05


时刻t1，复位、行选、传输门晶体管打开，将PD、FD中电子完全耗尽，由复位管流向Vdd。

时刻t2，传输门晶体管关闭，光生载流子在PD内积累，。

时刻t3，复位、行选晶体管打开，源跟随管将FD上的电压信号放大，信号再经由行选晶体管进入列输出总线。

时刻t4，复位管关闭、行选、传输门晶体管打开，PD中积累的电子转移至FD中，相应的电压信号被源跟随管放大，经由行选晶体管进入列输出总线。

待整个信号读写完毕，即可进入下一个读取周期，进行复位操作。下面给出了4T像素电荷转移过程中的电势图。

cis图像传感器芯片架构 cis 图像传感器_Ox_06

（a）PPD复位，对应于时刻t1，PD、FD中电荷向高电势转移，最后经由复位管至Vdd。

（b）PPD曝光，对应于时刻t2，电荷在PD中积累，PD电势下降，同时FD中由于，会存在电荷积累，使电势降低。

（c）FD复位，对应于时刻t3，将FD中积累的电荷清空，同时记录由源跟随管放大的信号VFD1。

（d）电荷转移，对应于时刻t4，电荷由PD转移至FD，再由源跟随管放大FD上的信号变化。

注：FD实际应该有一个最高势垒，而不是无限深势阱。

图片来自于：
[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/240675688?tt_from=weixin_moments
[2] 汪豪.CMOS图像传感器像元结构设计与优化[D].西安理工大学,2020.
[3] 丁坤. CMOS图像传感器光生电荷转移效率模拟研究[D]. 哈尔滨工程大学.

主要参考了：
[1] 汪豪.CMOS图像传感器像元结构设计与优化[D].西安理工大学,2020.
[2] Jun Ohta. 智能CMOS图像传感器与应用[M].
[3] 丁坤. CMOS图像传感器光生电荷转移效率模拟研究[D]. 哈尔滨工程大学.