另一方面，曝光过度也会使景物较为明亮区域的CCD带有过量电子。一般来说 CCD 会忠实的反应其结果，就是曝光过度的白光！。不过，在极端情况下，CCD的电子会渗进邻近的电极当中，导致数字影像拖出长白光迹或变色光影。 CCD 色调范围与时脉运行

在准确地曝光下，CCD将比正片更能捕捉到宽广的影像色调范围。一个普通的 CCD 可以记录 250：1（8级光圈）左右的高反差场景。高档的 FF CCD 系统则可处理近1000：1的色调范围。不过，最终输出在相纸上的影像大约仅能再现出 32：1或5级光圈的色调范围。

除了 CCD 色调处理范围外，时脉运行也是控制 CCD 一个很重要的环节。我们本篇文章的（上）集中提过，CCD 的三种运作原理，在 IL 系列的CCD 中电荷必须透过缓存器的转移，才能运送至放大器重新计算这些电荷信息，变成实际的数字影像。这个过程主要是透过 CCD 的时脉（Cloxking）运行控制，主流设计大致分为三种：4、3、2相位（Phase）。 当光线照射CCD产生电子和电洞（如2.），并在上层的导电闸施以正电+V后，电子会集中在SiO2和Si之间。施电压后储存电子会进行排列，（如3.），当L1被施以正电压时，L2和L3为零电压时，电子会集中在Gate闸下。当扫瞄（Scan）讯号到达L2时，L1仍保持Vg，L3仍为零，此时

电子平均分布在 n/p Gate 之间。之后，重设讯号（Reset）到达，使L1恢复为零，电子就集中在 p Gate 下方。直到扫瞄讯号到达L3，p Gate 下的电子由左至右经由传导，抵达输出端。在扫瞄讯号到达L3后，下一轮的重设讯号又会将L3恢复为零，新周期又重新开始。此为「三阶段法」（three-phase），电子要到达输出端必须要经过三阶段：L1=Vg, L2=0, L3=0 / L1=Vg, L2=Vg, L3=0 / L1=0, L2=Vg, L3=0 。同样的二阶段和四阶段法，作用大致相同。

CMOS图像传感器的工作原理及研究

52RD.com 2005年5月28日 佚名 评论：2条 查看 我来说两句

摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。

1 引言

自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型 图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。 2 技术原理

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。CMOS图像传感器芯片的结构 [2]如图1所示。典型的CMOS像素阵列[3]，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（图2），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[4]，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。

PPS[4,5]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[6]如图4所示。它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器M1和行选通开关管M2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”，M1打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，M1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M2放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。

光栅型APS[7,8]是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的，其像素单元和读出电路如图5所示。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FD，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M1，一个源跟随器M2和一个行选通晶体管M3。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M1打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管M3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。

对数响应型CMOS-APS[9]拥有很高的动态范围，其像素单元结构如图6所示。它由光敏二极管、负载管M1、源跟随器M2和行选通管M3组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。