CMOS图像传感器及其发展趋势.pdf

维普资讯
光机电研究診を
CMOS图像传感器及其发展趋势
倪景华,黄其煜
(上海交通大学微电子学院,上海200240
摘要:本文简要介绍了CMOS图像传感器的发展历程及工作原理,对CCD图像传感器与CMOS图像传感
器的优缺点进行了比較,指出了CMOS图像传感器的技术优势,并讨论了CMOS图像传感器的发展趋势。
关键词:互补金属氧化物半导体;CCD图像传感器;CMOS图像传感器
中图分类号:TN386
CMOS Image Sensor and Its Development Trend
NI Jing-hua, HUANG Oi-yu
(School of Microelectronics, Shanghaijiao Tong University, Shanghai 200240, Chin
Abstract: The development history and principle of CMOS image sensor is described. The advantages of CMOS im-
age sensor are discussed with comparison to CCD image sensor. The current development and tendency of CMOS
Image sensor are presented
Keywords: CMOS; CCD; CIS
件( Charge- Coupled Device,CD)和互补金属氧化物
1弓
场效应管( Complementary Metal Oxide Semiconductor,
现代人类生活中,人们迫切需要获取各类信CMOS)图像传感器。
息,其中以视觉器官为渠道获取的图像信息居多。
自从上世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出
据统计,人们所获取的信息,80%以上是通过视觉固态成像器件概念后,固体图像传感器便得到了迅速
器官得到的。随着半导体技术水平的不断提高,图发展,成为传感技术中的一个重要分支,它是PC机
像传感器( Image Sensor)作为目前视觉信息获取的
多媒体不可缺少的外设,也是监控设备中的核心器
种基础器件,因其能实现信息的获取、转换和视觉件。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器与电
功能的扩展,给出直观、多层次、内容丰富的可视荷耦合器件(CCD)图像传感器的研究几乎是同时起
图像信息,而在现代社会生活中得到越来越广泛的步,但由于受当时工艺水平的限制,CMOS图像传感
应用。目前,图像传感器主要分2类,电荷耦合器器图像质量差、分辦率低、噪声降不下来和光照灵敏
33
May 2008
维普资htp/www.eqvip.eom
机胞研笼
//E cstc h Firm
度不够,因而没有得到重视和发展。而由于CCD可以进行研究。普遍意义上的CMOS图像传感器的研究
在较大面积上有效、均匀地收集和转移所产生的电荷是从80年代早期开始,而从实验室走向产品化则是
并低噪声地测量,因此在过去20年,CCD器件一直在90年代早期。CMOS图像传感器的研发大致经历
主宰着图像传感器市场。但是最近]0年,由于集成电了3个阶段:CMOS无源像素传感器(CMOS-PS,
路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器 Passive Pixel Sensor)阶段、CMOS有源像素传感器
过去存在的缺点现在都可以找到办法克服,而且它(CMOS-APS, Active Pixel Sensor)阶段和CMOS数字
固有的诸如像元内放大、列并行结构,以及深亚微像素传感器(CMOS-DPS, Digital Pixel Sensor)阶段。
米CMOS处理等独特的优点更是CCD器件所无法比
WORD
VDO
拟的,而且与CCD技术相比,CMOS技术集成度
RDSET
高、采用单电源和低电压供电、成本低和技术门槛
低。低成本、单芯片、功耗低和设计简单等优点使
BIT
WORD
CMOS图像传感器在保安监视系统、可视电话、可拍(a)无源像素传感器()有源像素传感器()数字像素传感器
BIT
照手机、玩具、汽车和医疗电子等低端像素产品领域
中大出风头。这些方面的应用驱动了CMOS图像传感
图1CMOS图象传感器像素结构
器市场的快速增长,使它再次成为研究的热点。
2.1无源像素图像传感器
70年代初,CMOS传感器在美国航空航天局
在上世纪60年代后期,C. Weckler就提出了无
(NASA)的 Jet Propulsion[ aboratory(JPL)制造成功。
源像素传感器结枃的CMOS图像传感器。这种结
80年代末,英国爱丁堡大学成功试制出了世界第
构至今几乎没有发生较大变化,它的无源像素结构
1块单片CMOS型图像传感器件。1995年,像元数为
如图1(a)所示:它包括1个光电二极管和1个MOS
128x128的高性能CMOS有源像素图像传感器由JPL
首先研制成功。1997年,英国爱丁堡 VLSI Version
开关管。光电二极管用于将入射的光信号转换为电
信号;MOS开关管的导通与否取决于器件像元阵列
司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。就在这
的控制电路。在每一曝光周期开始时,MOS开关管
年,实用CMOS技术的特征尺寸达到了0.35um
处于关断状态,直至光敏单元完成预定时间的光电
东芝研制成功了光电二极管型APS( Active Pixel Sen
积分过程,MOS开关管才转入导通状态;此时,光
sor),其像元尺寸为5.6umx5.6m,具有彩色滤色膜
电二极管与垂直的列线连通,光敏单元中积累的与
和微透镜阵列。2000年,日本东芝公司和美国斯坦福
光信号成正比的光生电荷被送往列线,由位于列线
大学采用0.35m技术开发的CMOS-APS已成为开
末端的电荷积分放大器转换为相应的电压量输出
发超微型CMO§摄像机的主流产品。目前在国内,中
(电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数,
芯国际也已经量产了应用0.18um技术的CMOS图
像传器。制造工艺的进步和新产品的不断推出预
并减小像元复位噪声);当光电二极管中存储的信号
电荷被读出时,再由控制电路往列线加上一定的复
示着CMOS图像传感器的时代即将到来。
位电压使光敏电源恢复初始状态,随即再将MOS开
2CMOS图像传感器CIS的结构及工关管关断以备进入下一个曝光周期。在此结构下
作原理
还可以采用另外一个开关管以实现二维的X-Y寻
址
MOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60
由于PPS像元结构简单、面积很小,所以在给
年代,但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能定的单元尺寸下,可设计出最高的填充系数(FiI
34光机电信息
May 2008