5、像素電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目前，已設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有：空隙積累二極管（HAD）型結(jié)構(gòu)、光電二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)、對數(shù)變換積分電路型結(jié)構(gòu)、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結(jié)構(gòu)、低壓驅(qū)動(dòng)掩埋光電二極管（LV－BPD）型結(jié)構(gòu)、深P阱光電二極管型結(jié)構(gòu)、針型光電二極管（PPD）結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)等。

　　5．1CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOS PPS）的結(jié)構(gòu)自從1967年Weckler首次提出以來實(shí)質(zhì)上一直沒有變化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。

　　單管的PD CMOS PPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)，或者在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，可以設(shè)計(jì)出最小的像素尺寸。另外一個(gè)開關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的X Y尋址。由于填充系數(shù)高且沒有許多CCD中多晶硅疊層，CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)的量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS? PPS讀出噪聲較高，典型值為250個(gè)均方根電子，這是致命的弱點(diǎn)。

　　5．2 CMOS APS的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，科學(xué)家很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能。雖然CMOS圖像傳感器的成像裝置將光子轉(zhuǎn)換為電子的方法與CCD相同，但它不是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，而是由晶體三極管作為電荷感應(yīng)放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個(gè)放大器，每個(gè)像素只有一個(gè)作為閾值電流值開關(guān)的三極管。開關(guān)像素中的電荷為放大器充電，其過程類似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱為PPS。PPS的結(jié)構(gòu)很簡單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒有很多的多晶硅層覆蓋，其量子效率很高，但是PPS的讀取干擾很高，只適應(yīng)于小陣列傳感器。

　　在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。CMOS APS的填充系數(shù)比CMOS PPS的小，集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。與CMOS PPS相比，CMOS－APS的填充系數(shù)較小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20％～30％，接近內(nèi)線轉(zhuǎn)換CCD的值。

　　5．2．1 光敏二極管CMOS APS（PD CMOS APS）的像素結(jié)構(gòu)

　　1968年，Noble描述了PD CMOS APS。后來，這種像素結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)。PD CMOS APS的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　高性能CMOS APS由美國哥倫比亞大學(xué)電子工程系和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在1994年首次研制成功，像素?cái)?shù)為128×128，像素尺寸為40μm×40μm，管芯尺寸為6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工藝試制，動(dòng)態(tài)范圍為72dB，固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號(hào)水平。固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號(hào)水平。1997年***東芝公司研制成功了640×480像素光敏二極管型CMOS APS，其像素尺寸為 5.6μm×5.6μm，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年美國Foveon公司與美國國家半導(dǎo)體公司采用0.18μmCMOS工藝研制成功 4096×4096像素CMOS APS［10］，像素尺寸為5μm×5μm，管芯尺寸為22mm×22mm，這是迄今為止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固體攝像器件。有關(guān)CMOS APS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過詳細(xì)介紹［6］～［8］。

　　因?yàn)楣饷裘鏇]有多晶硅疊層，PD CMOS APS的量子效率較高，它的讀出噪聲由復(fù)位噪聲限制，典型值為75均方根電子～100均方根電子。PD CMOS APS的每個(gè)像素采用3個(gè)晶體管，典型的像元間距為15μm。PD CMOS APS適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。

　　5．2．2 光柵型CMOS APS（PG CMOS APS）的像素結(jié)構(gòu)

　　1993年由JPL最早研制成功PG CMOS APS并用于高性能科學(xué)成像的低光照明成像。PG CMOS APS結(jié)合了CCD和X Y尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　光柵信號(hào)電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴(kuò)散點(diǎn)（A）復(fù)位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號(hào)電壓水平之差就是傳感器的輸出信號(hào)。

　　當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時(shí)，PG與轉(zhuǎn)移柵（TX）之間要恰當(dāng)交疊。在光柵與轉(zhuǎn)移柵之間插入擴(kuò)散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴(kuò)散橋要引起大約100個(gè)電子的拖影。

　　光柵型CMOS APS每個(gè)像素采用5個(gè)晶體管，典型的像素間距為20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工藝將允許達(dá)到5μm的像素間距。浮置擴(kuò)散電容的典型值為10－14F量級，產(chǎn)生20μV/e的增益，讀出噪聲一般為10均方根電子～20均方根電子，已有讀出噪聲為5均方根電子的報(bào)道。

　　CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即電路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計(jì)和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。這對設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)人員面要寬，在設(shè)計(jì)中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識(shí)，還要有較深的理論知識(shí)。這個(gè)時(shí)代對設(shè)計(jì)者來說是一個(gè)令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標(biāo)用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有Windows95的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是Windows98的。如果你只是為了獲取并存儲(chǔ)大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個(gè)能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無法存儲(chǔ)的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅供數(shù)字相機(jī)所使用可裝卸存儲(chǔ)介質(zhì)就包括 PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲(chǔ)器及軟磁盤。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來所在的工作環(huán)境，對樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評估。

　　5．3 CCD和CMOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設(shè)計(jì)上各不相同，對于CCD圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除設(shè)計(jì)光敏感部分（即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設(shè)計(jì)提供信號(hào)和圖像處理的功能電路，即信號(hào)讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在 CCD圖像傳感器的外圍;而CMOS圖像傳感器則不同，特別是CMOS APS可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時(shí)集成在同一基片上，制作成高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功耗低，雖然開始有人認(rèn)為光照靈敏度不如CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來由于改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，使CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與CCD圖像傳感器進(jìn)行競爭的條件，21世紀(jì)，CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領(lǐng)域的佼佼者。到那時(shí)，單芯片攝像機(jī)和單芯片數(shù)碼相機(jī)將進(jìn)入千家萬戶。這些都得益于 CMOS APS為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖4

　　所示。圖5示出CMOS數(shù)碼相機(jī)的框圖，從中可見數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　6結(jié)語

　　CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊等市場的增加，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設(shè)計(jì)提供了另一選擇方案，它把電荷轉(zhuǎn)換成電壓所需的晶體管裝在每個(gè)像素內(nèi)。在這種器件內(nèi)均不必進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移， 因?yàn)閿?shù)據(jù)讀取是在單個(gè)像素內(nèi)完成的。與CCD圖像傳感器相比，這種器件有很成熟的CMOS集成電路工藝，在降低成本方面有潛力。預(yù)期CMOS APS在許多非科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)將最終替代CCD圖像傳感器。