CMOS图像传感器结构类型

CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理,不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的CMOS像素阵列,是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连,行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上,位线末端是多路选择器,按照各列独立的列编址进行选择。

根据像素的不同结构,CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器(PPS)和有源像素主动式传感器(APS)。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型,现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

无源像素被动式传感器

PPS出现得最早,结构也最简单,使得CMOS图像传感器走向实用化,其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时,光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出,光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点,但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展,所以限制了应用,很快被APS代替

光敏二极管像素单元

光敏二极管像素单元是由光敏二极管,复位管,源跟随和行选通开关管组成,此外还有电荷溢出门管M3,M3的作用是增加电路的灵敏度,用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷,它的栅极接约1V的恒定电压,在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位,同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲,改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电,因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此,APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点,但像素单元结构复杂,填充系数降低,填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是:首先进入“复位状态”,复位管打开,对光敏二极管复位;然后进入“取样状态”,复位管关闭,光照射到光敏二极管上产生光生载流子,并通过源跟随器放大输出;最后进入“读出状态”,这时行选通管打开,信号通过列总线输出。

光栅型APS

光栅型APS是由美国喷气推进实验室(JPL)首先推出的。其中感光结构由光栅PG和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端,它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管,一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时,在光栅PG处产生电荷;与此同时,复位管打开,对势阱复位;然后复位管关闭,行选通管打开,复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来,之后传输门TX打开,光照产生的电信号通过势阱并被读出,前后两次的信号差就是真正的图像信号。


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