CMOS图像传感器研究

视频信息处理与传输课程研究报告CMOS图像传感器研究班级：电子1003班姓名：学号：时间：2013-10-10摘要：20世纪90年代以来，随着超大规模集成（VLSI）技术的发展，CMOS图像传感器显示出强劲的发展势头。简要介绍了CMOS图像传感器的发展历程及工作原理，比较了CMOS图像传感器与CCD的特点，综述了CMOS图像传感器的应用领域及市场份额，最后对CMOS图像传感器的发展趋势进行了展望。关键词：光电子学；传感器；CMOS图像传感器；CCD图像传感器是将光信号转换为电信号的装置。目前，应用最为广泛的图像传感器主要有电荷藕合器件CCD（charge一CoupledDeviee）图像传感器和互补金属氧化物场效应管CMOS（ComplementaryMetalOxideSemieonduetor））图像传感器。随着半导体制造工艺技术不断发展，CMOS图像传感器显示出强劲地发展势头，并且被广泛地应用到数码电子产品、视频电子邮件、汽车尾视、医疗设备、保安监控、可视通信、眼膜识别、工业视频监控、视觉玩具等社会生活和工业生产的方方面面。特别是数码产品例如数码相机、照相手机的图像传感器可望由CCD快速转换到CMOS，市场前景广阔，所以对CMOS图像传感器的研究与开发具有较高的市场价值。1CMOS图像传感器发展历程Fossum在他的论文中描述了CMOS和CCD图像传感器的发展历史，简要描述如下：1963年-Morriosn发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。1964年-IBM的Hortonet.al发表了scanistor，这是一种通过电阻网络寻址的一维光电二极管阵列扫描器，这种扫描器产生与入射光能量成线性比例关系的输出脉冲电压。1966年-西屋公司的Schuster和Strull报道了像元分辨率为50x50的单片光敏晶体管成像阵列器：MOS阵列集成电路（MOSAICS，MosOxideSemieonductorAraryIntgeratedCirouits）。这种光电晶体管都能产生与入射光强成比例的信号，其输出与瞬时入射光能量成正比关系，不进行任何积分操作，因此其灵敏度相对较低。由于技术水平的限制，这种结构需要外部电路才能实现扫描读出操作。1967年-仙童公司的RUDOLPHH.DYCK和GENEP.WCKLER提出了一种新的固态光电传感器工作模式：基于光电二极管的光子通量积分工作模式。在这种工作模式中，光电二极管首先被反向偏置，然后转为开路状态，入射光子产生的光电流将使NP结电容上进行积分；积分结束时，对积分电容上的电压进行采样，该采样值与复位状态下的采样值之差即与入射光强度成正比。1968年-英国的PETERJ.W.NOBLE提出了“自扫描硅图像探测器阵列结构”的概念，描述了表面光敏二极管和埋沟道光敏二极管的结构，讨论了用于读出信号的电荷积分放大器对基本的金属氧化物半导体阵列集成电路技术进行了改进，使之工作在积分模式下，这是第一个有源像素设计方案，使用了MOS源级跟随器作为像元信号读出缓冲器。根据此技术制作的10x10自扫描阵列最大帧频为500帧/秒，像元大小为100pmx100pm。1970年-世界上第一块CCD图像传感器在贝尔实验室诞生。较低的固定模式噪声是CCD比其他固态成像器件获得更多关注的主要原因。CCD像元的尺寸小、刻画精度高、噪声低、结构简单等特点使得CCD在工业、科学研究等领域得到了成功应用，在固态成像领域占据主导地位长达30年。1970年代和1980年代-CCD技术得到了迅速发展，其量子效率、填充率、暗电流、电荷传输效率、读出速率、读出噪声荷动态范围等性能参数有了显著进展，在各个领域得到了广泛应用；这一阶段CMOS图像传感器与CCD相比处于完全的劣势，只有Hitaehi和Matsushita两个公司继续研究CMOS图像传感器。Hitaehi公司开发了三代CMOS图像传感器，并于1980年率先推出了基于MCOS图像传感器的便携式摄像机。1985年，Hitachi将一个CMOS图像传感器与一个CCD水平一位寄存器集成在一起。1987年，Hitachi研究了实现片上不同曝光控制技术和室内照明闪烁压缩技术。后来，Hitachi放弃了CMOS图像传感器研发计划。1990年-英国爱丁堡大学的研究人员（PeterDenyer研究小组，后来创建了VLSI图像技术公司）研发了高性能的单片成像系统，这种系统的主要特点是成本低，而并非追求性能。1990年，VVL公司报道了一款集成的无源像素传感器（PPS）阵列，该阵列有一个大的容性列总线负载，因此限制了其体积和传感器的工作速度。1992年-NASA的喷气推进实验室开始研制CMOS有源像素传感器（CMOSActviePixelSensor，简称CMOS-APS）。1993年，一块像元分辨率为128x128的CMOS有源像素传感器研制成功。1995年-低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。由于可以很方便地与现有的超大规模集成电路技术集成在一起，并具有其低功耗、低成本和抗辐射性能等优点，CMOS图像传感器开始获得商业上的成功并迅速得到了广泛应用和迅速普及。1998年~1999年-OmniVision、Canon、Photobit、Fillfaetory、Kodak、NationalSemieonduetor、Micron等公司纷纷进入CMOS图像传感器制造领域，推出了多种规格的产品，广泛应用在民用、工业等领域。2000年-美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用0.18um的CMOS工艺研制成功了4096x4096像元的CMOS图像传感器，像元尺寸5umx5um，芯片尺寸22mmx22mm，这是迄今为止世界上最高集成度，最高分辨率的CMOS图像传感器，采用了Foveon公司的专利技术FoveonX3。2000年到目前，CMOS图像传感器技术仍然在不断发展，更多更好的CMOS图像传感器产品面世，为图像传感系统提供了更多选择。目前进入MCOS图像传感器生产和研究领域的公司主要有OmniVisino、Fi11factory、Hyundai、NEC、Mitsubishi、Sharp、STM、Toshiba、Sony、Canon、Fillfaetory、Foveon、Hewlett-Paekard、AgilentTeehnolgies、NationalSemieonduetor、Chrontel、Kodak、Dalsa、PhotonVision、Mieron、TSMC（台积电）、EelcVsioin（宜霖科技）、中星公司等，研究机构主要有JPL实验室（美国）、IMEc研究所（比利时）、York大学（加拿大）、Waterloo大学（加拿大）、Stanford大学（美国）、VLSI实验室（以色列）、香港大学、中科院微电子技术中心等。由于受到各国科学研究部门的高度重视，再加上CMOS工艺的日益成熟和大规模集成电路制造技术的发展，近年来CMOS图像传感器发展很快，国外各大公司和科研机构已经开发出多种类型的CMOS图像传感器和以CMOS图像传感器为核心的摄像系统，目前CMOS图像传感器像元结构技术和工艺比较成熟，已经实现了大规模量产，包括指纹识别、二维条码识别所需的高集成度CMOS图像传感器、各种分辨率的CMOS图像传感器和基于这些CMOS图像传感器的摄像机和数码相机等都已面世。在未来的CMOS图像传感器中，像元性能的提升将通过制造工艺的进步、像元布局和电路结构的优化设计等实现，如：低压驱动掩埋光电二极管型CMOS图像传感器、低噪声高画质CMOS图像传感器（索尼的“DRSCAN”噪声消除技术和抑制暗电流的“HAD”结构）、轨对轨CMOS-APS、将模数转换器集成在每一个像素单元里的数字像元传感器、动态范围达125dB的CMOS图像传感器、ADP图像传感器、集成图像处理功能的CMOS图像传感器等。尽管C.Clark，0.Yadid-Pecht，E.R.Fossum，P.Salomon，E.Dennison等人预言将来的科学级CMOS图像传感器将取代CCD现在的统治地位。然而，就目前的发展态势来看，在未来几年内，CCD仍将在高端应用中保持其领导地位，这是因为CCD的灵敏度、噪声特性和填充率等方面仍然具有相当的优势。可以预期的是，在中低端的应用领域，CMOS图像传感器将逐步占据统治地位。如最大的CMOS图像传感器制造商OmniVision公司的CMOS图像传感器出货量2003年已经达到1000万片，与Sony公司CCD的出货量持平，并且继续保持强劲的增长态势，其产品已经应用在机器视觉、机器人、数码相机等各个领域。其它制造商的CMOS图像传感器产量也在持续不断的增长当中，性能也在不断提高。为了在CMOS图像传感器技术领域占有一席之地，国内的一些研究机构也从20世纪末开始，逐步开展了CMOS图像传感器设计及其应用技术的研究。北京大学和武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同研制成功了具有自主知识产权的30万像素CMOS数码相机，并且已产品化。西安交通大学开元微电子科技有限公司己研制成功了369x287、768x574、640x480、512x512像素CMOS图像传感器，像素尺寸均为10.8ux10.8um，功耗为150~200mW，并且用该器件开发出了M-N型系列CMOS微型摄像机和可视电话。浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心通过“九五”国家重点攻关项目“数字式光电图像传感研究及应用”，对CMOS图像芯片的性能和应用进行了深入研究，并进行产品开发，其产品“CMOS成像系统用光学系列镜头”主要用于代替显微镜或望远镜上原有的目镜。联想、紫光、方正、网眼等国内知名TI公司也推出了多款基于MCOS图像传感器的数码相机。值得指出的是，北京中星科技有限公司在推出30~130万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水准的百万门级超大规模CMOS数码图像处理芯片“星光一号”，这是具有首款自主知识产权的百万门级大规模数码摄像芯片，2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片“星光二号”，首次将音频和视频固化一体并同步工作。进入20世纪80年代，CMOS技术更以其单元功耗低在超大规模IC中占有优势。目前，在中等工作速度（几十兆赫到几百兆赫的工作频率领域）下，CMOS技术在VLSI以至目前的ULSI领域中已成为基本的工艺技术，90%以上的数字集成电路采用CMOS工艺制造，这是CMOS图像传感器广泛应用的基础。2CMOS图像传感器工作原理CMOS图像传感器的工作过程一般可分为复位、光电变换、积分、读出几部分。2.1光电流的产生CMOS图像传感器的像元光敏区域本质上就是一个反向偏置的光电二极管PN结，入射光产生的光电流与反向饱和电流一起流过该PN结。入射光的光子是否对光电流有贡献取决于下面几个条件:•半导体吸收长度，l(λ)，是波长的函数，在可见光谱范围内，与光子能量成反比；•半导体的能带隙，决定最小光子能量，或半导体材料可以吸收的光波上限；•半导体表面的透过率。经过半导体吸收后的光通量可由下式表述：式中，x为光射入半导体的行程，Io为入射光通量。一般来说，具有较高能量，波长较短的光子更容易在半导体表面和离表面较近的地方被吸收。为了能够被半导体材料吸收，一个光子必须具有足够的能量以产生电子空穴对，将一个价带电子激发到导带中去所需的最小能量是由半导体的能带隙决定的，这就决定了可以被半导体吸收的光波长上限，对于硅材料，一般为1.1um。当光波长小于400mn时，光子在进入半导体材料之前就被表面吸收，对光电流也没有贡献。因此，基于硅材料的CMOS图像传感器其光谱响应范围一般为400mn~1100nm。产生的电子空穴对能否被吸收还取决于其产生的区域如果是在光电二极管耗尽区内部产生，电子和空穴将被电场分离，从而对光电流有所贡献。在耗尽区之外产生的电子空穴对将在半导体扩散，直到重新复合或者到达耗尽区而被分离