CMOS發(fā)展與現(xiàn)狀

1、CMOS圖像傳感器的發(fā)展與現(xiàn)狀一.引言自上世紀(jì) 60 年代末期， 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念以來，固體圖像傳感器得到了迅速的發(fā)展。在早期的 70 年代時(shí)期，電荷耦合器件（CCD）電荷注入器件（CID光敏二極管陣列（PDA得到了 發(fā)展。而這其中，CC選展尤為迅速，到90年代時(shí)，CCD技術(shù)已經(jīng) 比較成熟。然而，隨著CCD的應(yīng)用開始廣泛起來，其缺點(diǎn)也開始逐 一顯露。例如：CCD光敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片 集成 ,不易處理一些模擬和數(shù)字功能,這些功能包括模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、 精密放大器、存貯器、運(yùn)算單元等元件的功能；CCD陣列驅(qū)動(dòng)月沖復(fù)雜，需 要使用相對(duì)高的工作電壓，不能與深亞微米

2、超大規(guī)模集成（VLSI技術(shù)兼 容。因此，人們又開發(fā)了另外幾種固體圖像傳感器技術(shù)，CMOS圖像傳 感器便是其中的一種。早期的CMOS圖像傳感器，受制于當(dāng)時(shí)的工藝 水平，其圖像質(zhì)量差、分辨率、低噪聲高、光照靈敏度不夠。相比之下，CC疏這些方面有著出色的性能。因而早期的圖像傳感器市場一 直是CCD器件的天下。而近年來，隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造工藝的 發(fā)展，CMOS傳感器的上述缺陷得到了克服或改進(jìn)，而其固有的優(yōu)勢 開始體現(xiàn)出來，這使得CMOS傳感器開始迅速占領(lǐng)市場，具研究也再 次成為了熱點(diǎn)。二.CMOS傳感器發(fā)展歷史CMOS圖像傳感器的研發(fā)大致經(jīng)歷了 3個(gè)階段：CMOS無源像素傳感器(CMOS- PPS

3、,Passive Pixel SensOr)段、CMOS 有源像素傳感 器(CMOS- APS, Active Pixel Senso階段和 CMOS數(shù)字像素傳感器 (CMOS- DPS, Digital Pixel Senso階段。1. CMOS無源像素傳感器自從1967年Weckler首次提出光敏二極管型無源像素結(jié)構(gòu)以來。其結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生變化。無源像素結(jié)構(gòu)如圖2,它由一個(gè)反向偏置的 光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管開啟，光敏二極管與垂直的 列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為 一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀取時(shí)，其 電壓被復(fù)位到列線電

4、壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷 積分放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。圖2光敏二極管型無源像素結(jié)構(gòu)圖單管的光敏二極管型無源像素允許在給定的像元尺寸下有最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)；或者在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，可以設(shè)計(jì)出最小的像元 尺寸。止匕外，無源像素傳感器的量子效率也很高。但是，無源像素傳 感器的讀出噪聲較高，這是其主要缺陷。2. 有源像素傳感器有源像素傳感器在象元內(nèi)引入了緩沖器或者放大器，以此改善象元的性能。與無源像素結(jié)構(gòu)相比 ,有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小 ,其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%30%。由于增加了有源放大管, 于是減小了讀出噪聲并且它的讀出速度也較快。 由于有源像素傳感器驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)， 列線

5、分布參數(shù)的影響相對(duì)較小 , 因而有利于制作像元陣列較大的器件; 另外 , 由于有源放大管僅在讀出狀態(tài)下才工作, 所以 CMOS 有源像素傳感器的功耗比CCD 圖像傳感器的還小。3. 數(shù)字像素傳感器無源像素傳感器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號(hào),它們通稱為模擬像素傳感器。近年來, 美國斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器(DPS), 在像素單元里集成了 ADC(Analog- to- DigitalConvertor)和存儲(chǔ)單元。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào), 其它電路都為數(shù)字邏輯電路 , 因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快,具有電子快門的效果,非常適合高速

6、應(yīng)用 , 而且它不像讀出模擬信號(hào)的過程, 不存在器件噪聲對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外，由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，因此 易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度，性能也將很快達(dá)到并超 過 CCD 圖像傳感器, 并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。三.CMOS傳感器發(fā)展現(xiàn)狀1 .國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)的西安交通大學(xué)、華北工學(xué)院、中國科學(xué)院微電子研究中心、北京思比科微電子公司、 文嘩科技香港有限公司、 聯(lián)想企業(yè)集團(tuán)等單位較早展開了 CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)，研究，也取得了一定的成果。其中，西安交通大學(xué)開元微電子科技有限公司于 1998 年 3 月研制成功我國第一塊 CMOS彩色微型攝像芯片，近年來致力于高集成度草色攝像

7、芯片 M60 等專用攝像芯片的研究和開發(fā)。北京思比科于2011年推出1200萬像素CMOS圖像傳感器SP8AC08該芯片為中國首款突破千萬像素級(jí)的國產(chǎn)高端芯片， 打破了國外廠家在該領(lǐng)域的長期技術(shù)壟斷。 2012 年年底，中芯國際宣布，該公司在背照式 CMOS圖像傳感器的開發(fā)中取得突破， 第一款測試芯片即使是在弱光環(huán)境下也能取得不錯(cuò)的圖像效果。中芯國際將于 2013 年與合作伙伴一起生產(chǎn)這款芯片。 中芯國際在背照式處理技術(shù)方面的成功將擴(kuò)大該公司的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品線，包括500萬或更高像素的手機(jī)攝像頭，以 及高性能視頻攝像頭。然而，國內(nèi)目前CMOS圖像傳感器與國際水平 依然有所差距。2 .國

8、外發(fā)展現(xiàn)狀豪威科技于 2008 年 6 月領(lǐng)先業(yè)界宣布投產(chǎn)背照式（BS）I CMOS傳感器，所謂背照式CMOS傳感器就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn) 入感光二極管， 從而增大感光量， 從而顯著提高低光照條件下的拍攝效果。其最新推出的OV9740采用了 1.75微米的OmniBSI背面照度技術(shù)， 能夠在提供更出色影像質(zhì)量的同時(shí)將其像素尺寸降低， 這是數(shù)字影像技術(shù)不斷小型化的關(guān)鍵。 傳感器配備的高性能信號(hào)處理器可以達(dá)到 1300mV/lux-sec 的低光照敏感度。還擁有電鍵自動(dòng)增益控制 ，自動(dòng)曝光控制， 自動(dòng)黑平衡， 伽馬校正， 像素缺陷校正， 圖像邊緣增強(qiáng)， 校正透鏡等多種功能。OmniVisi

9、on的微型800萬像素CMOS傳感器 OV8850,像素元尺寸達(dá)到1.1微米。賽普拉斯(FillFactory)S過其獲得 專利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)， 可以大幅度地提高填充因子， 這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。 2010 年賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出230萬像素的VITA2000和530萬像素的VITA500兩款圖像傳感器。新的傳感器具有一系列精密功能，包括流 水線式和觸發(fā)式全局快門(global shutter)模式以及傳統(tǒng)的行曝光模 式，VITA2000的速度最快可達(dá)92幀/每秒(FPS,而VITA5000則可 達(dá)到75FPS Aptina公司在近期公布了兩款

10、新型CMOS圖像傳感器， 具體型號(hào)為 AR1011H臣口 AR1820Hs AR1011HsM一枚1英寸CX格 式的圖像傳感器。總體像素輸出值達(dá)到了 1000 萬像素，而單位像素尺寸3.4微米。該產(chǎn)品支持特有的DR-Pi艱術(shù)，可以支持60fps連拍， 120幀/秒的1080P高清視頻錄制及慢動(dòng)作回放等功能。AR1820H她是一款支持背照射技術(shù)的1800萬像素CMOS傳感器，物理尺寸為1/2.3 英寸。它可以支持A-PixH被術(shù)，支持連拍速度達(dá)到了約 24張/秒， 還可以支持高質(zhì)量的高清視頻錄制功能。四結(jié)語CMOS的發(fā)展十分迅速，從當(dāng)初CC*感器獨(dú)占市場到如今 CMOS 傳感器與CC*感器各有千秋。如今CMOS傳感器噪聲逐漸減小， 成像質(zhì)量逐漸提高， 加上它所固有的低功耗， 高集成度， 高速的特點(diǎn)。 使得它逐漸成為圖像傳感器的主流。隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊產(chǎn)品的增加， CMOS 圖像傳感器的應(yīng)用前景一定會(huì)更加廣闊。參考文獻(xiàn)1 . 江文杰，曾學(xué)文，施建華 光電技術(shù) M. 北京：科學(xué)出版社，