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
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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

 

 
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