? CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，和電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器的原理相同。

? 炬豐科技在整理CMOS圖像傳感器的資料中發(fā)現(xiàn)：自從上世紀(jì)60年代末期，CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎同時起步，但由于受當(dāng)時工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發(fā)展。而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低、像素少等優(yōu)點(diǎn)一直主宰著圖像傳感器市場。由于集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無法比擬的，因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。

2．基本原理

? CMOS型和CCD型固態(tài)圖像傳感器在光檢測方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。CMOS圖像傳感器工作原理如圖1所示[3]。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器（PPS）和有源像素主動式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS概念。

?

（1）無源像素被動式傳感器（PPS）

? PPS的像素結(jié)構(gòu)包含一個光電二極管和一個場效應(yīng)管開關(guān)V，其像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為信號時序圖。當(dāng)V選通時，光電二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列選擇線，然后列選擇線下端的積分放大器將該信號轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光電二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號成一定的比例關(guān)系。無源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡單、尋址簡單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替。

?

（2）有源像素主動式傳感器（APS）

? APS像素結(jié)構(gòu)的基本電路如圖4所示。從圖上可以看出，場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號。圖5為上述過程的時序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號輸出。

?

（3）數(shù)字像素圖像傳感器（DPS）

? 上面提到的無源像素傳感器和器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。近年來，美國斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器（DPS），在像素單元里集成了ADC（Analog-to-DigitalConvertor）和存儲單元[4]。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號，其它電路都為數(shù)字邏輯電路，因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快，具有電子快門的效果，非常適合高速應(yīng)用，而且它不像讀出模擬信號的過程，不存在器件噪聲對其產(chǎn)生干擾。另外，由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，因此易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度，性能也將很快達(dá)到并超過CCD圖像傳感器，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。

3．性能指標(biāo)

? CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小、可將信號處理電路與MOS圖像傳感器集成在一個芯片上等優(yōu)點(diǎn)。但其圖像質(zhì)量（特別是低亮度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與CCD相比相對較低。表1列出CCD與CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)，從表中可見CMOS與CCD圖像傳感器各有特點(diǎn)，二者互為補(bǔ)充，不會出現(xiàn)誰消滅誰的結(jié)局)，在可預(yù)見的未來將并存發(fā)展，共同繁榮圖像傳感器市場。

?

4．研究進(jìn)展

? 視頻便攜式攝像機(jī)、掌上電腦、PDA和保安設(shè)備的巨大需求推動了CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用。其中以APS發(fā)展最為迅速，過去工藝中各種不易解決的技術(shù)問題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素數(shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達(dá)到CCD器件的高分辨率。

? 目前CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動態(tài)范圍、高靈敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的完善和發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也會不斷拓寬，全球CMOS圖像傳感器銷售量將逐年大幅度增長。

此文章來由炬豐科技提供，如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系作者報備

?