CMOS图像传感器简史,看CMOS传感器发展趋势

2017-06-19 14:41:04 来源:半导体行业观察
标签:
CMOS   CCD   PIN

 

在过去的十年里,CMOS图像传感器(CIS)技术取得了令人瞩目的进展,图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来,CIS技术取得了巨大的商业成功。

包括科学家和市场营销专家在内的许多人,早在15年前就预言,CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备,就像20世纪80年代中期CCD设备取代了视频采集管一样。尽管CMOS在成像领域占有牢固的地位,但它并没有完全取代CCD设备。

另一方面,对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序,而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术,并对未来的发展前景进行了展望。

图像传感器的定义和用途
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异

• “模拟”CCD执行光子到电子的转换。

• “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换

图像传感器用于数码相机和成像设备,将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。

CIS vs. CCD

今天,有两种不同的技术用于数字图像采集(图1):

• 电荷耦合器件(CCD)是线性传感器,其输出与接收到的光子数量直接相关。

• 互补金属氧化物半导体(CMOS,或CMOS图像传感器CIS)是一种较新的并行读出技术。

这两种类型的成像设备都将光转化为电子(或电荷),随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动,直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构,其中每个像素都可以单独寻址,或者作为一个组并行地读出(参见图1)。

 


CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降,数码相机已经变得非常便宜和普及。

在表1中,我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点,在不同的应用中各显其能(用绿色表示)。

 


表1:CCD与CMOS架构比较(来源:e2V)


CIS中的关键组件

CMOS图像传感器有四个主要组件(见图2):

1光电二极管(PD)

2 像素设计

3 彩色滤光片(CF)

4 微透镜

光电二极管(PD)用于捕捉光,一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管,它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。最后,微透镜从CIS的非活性部分收集光,并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。

 


图2:CIS中的关键组件(来源:IBM,FSI)


CIS性能参数
有许多参数可用于评估图像传感器的性能。我们使用三个主要指标对这些参数进行分类:

1像素布局:像素数,像素间距,像素填充因子

2像素物理:量子效率,阱容量,动态范围,转换增益,暗电流

3像素读数:信噪比,帧速率,线性度,功耗,位深度,调制传递函数,快门效率

(4)背面照度(BSI)技术与前面照度(FSI)技术

高级CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构,以便在保持或增强电—光性能的同时减小像素尺寸。较小的像素通常会带来更高的分辨率、更小的器件,以及更低的功耗和成本。理想情况下,缩小像素尺寸的任何新CIS架构都不应该降低性能或图像质量。一种较新的CIS架构背面照度(BSI)技术,是常用的前面照度(FSI)技术的有前途的替代方案(见图3)。

 


图3:::FSI vs. BSI


BSI技术涉及到将图像传感器倒置,并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面,以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路,从而具有更高的量子效率(1)(QE)和较低的串扰(2)(见图4)。

 


图4:串扰


(1)QE =转换成为电子的光子的百分比

(2)电子串扰=相邻像素之间的电荷(电子或空穴,取决于像素类型)的扩散。它由于底层的电子机制(扩散和漂移)而在硅材料中发生

 

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
手机厂商赶紧抢人,大学生研发5G芯片可“通全球”

当下移动通信将迎来5G时代,然而不同国家划分的5G通信频段各不相同,这就可能出现出国后5G手机失灵现象。如何解决这一问题?

克服模拟CMOS危害静电及过压,这样就可以了

对于模拟CMOS(互补对称金属氧化物半导体)而言,两大主要危害是静电和过压(信号电压超过电源电压)。了解这两大危害,用户便可以有效应对。

这种古法制作CPU,我和我的小伙伴都惊呆了
这种古法制作CPU,我和我的小伙伴都惊呆了

从无到有(make something from scratch)一直是工程师的浪漫,例如自行调配出操作系统、自己写系统核心等(如 Linux)。然而在家从无到有打造出“一颗”CPU 就没听过了吧?

三星Galaxy S9国内发布会回顾:它就是黑科技综合体
三星Galaxy S9国内发布会回顾:它就是黑科技综合体

2018年3月6日三星在中国广州发布了今年的年度旗舰Galaxy S9/S9+,并邀请井柏然作为三星手机中国区品牌代言人,朱亚文为三星手机中国首席AI官,凸显其对这部旗舰手机的重视和信心。

一文看懂CMOS工艺流程
一文看懂CMOS工艺流程

选择合适的衬底,或者外延片,本流程是带外延的衬底;

更多资讯
伟迪捷推出灵活、方便的远程激光打码机控制解决方案

伟迪捷知道提供一个用户交互位置对于监控生产线上的激光打码机而言非常重要。

激光雷达传感器有不足,何不试试远红外线传感器?
激光雷达传感器有不足,何不试试远红外线传感器?

据外媒报道,远红外线传感器在性能表现方面逐步展露头角,本文将从激光雷达传感器的不足之处、远红线传感器的性能优势等方面展开,预计该产品将助推完全自动驾驶车辆的应用及推广。

激光器到底是个什么玩意儿,一文带你了解

激光器是一种能发射激光的装置,按工作介质分,激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类,近来还发展了自由电子激光器,大功率激光器通常都是脉冲式输出。

智能手机饱和了,MEMS还能寻找哪些新出路?

过去十年,智能手机快速增长,尤其是在近两年极大地带动了MEMS市场的发展,但是随着智能手机市场走向饱和,业界一直在预测:MEMS的下一个增长点在哪里?尤其是对于那些一直专注消费市场的芯片公司,开拓新的市场才能找到新的增长机会。意法半导体副总裁MEMS传感器产品部总经理 Andrea Onetti 表示,“下一波MEMS产业浪潮可能在工业和

不需要进行二次手术了?美科学家发明一种可自然降解的应变及压力传感器

在英国《自然·电子学》杂志14日在线发表的一篇动物研究论文中,美国科学家介绍了一种可移植、可伸展的应变及压力传感器,可以在有效使用期结束后自然降解。

Moore8直播课堂
电路方案