CMOS图像传感器噪声综述
CMOS图像传感器及噪声研究综述
宗宗
摘要
目前，图像传感器市场主要有CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CCD图像传感器由于其较高的填充因子FF(Fill Factor)和较低的固定模式躁声FPN(Fix Pattern Noise)已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，难与CMOS集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备中应用。CMOS图像传感器上世纪60年代就已经出现，但因工艺和技术原因，存在严重的噪声问题，性能不够完善严重影响图像质量还被废弃。但自20世纪90年代以来进人世纪年代,由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加, 芯片制造技术和信号处理技术的发展,为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路, CMOS传感器的性能因此大大提高, CMOS图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点。
但在光线较暗条件下，CMOS图像传感器的噪声问题比较突出，这与器件和工艺本身关系较大。对于CMOS图像传感器噪声的研究有助于解决其不足，以保证其优势可以发挥，无论是对噪声的抑制，还是对器件工艺改进的引导都有较大意义。图像传感器市场比较大，对于兴起的CMOS图像传感器研发也是具有实际意义的。
本综述首先对目前CMOS图像传感器所用的技术和原理进行了研究介绍，然
后分别从CMOS本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声进行了研究介绍，最后自己分析了减小噪声的大致方向。
一CMOS图像传感器主流结构
CMOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代，但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能进行研究。普遍意义上的CMOS图像传感器的研究是从80年代早期开始，而从实验室走向产品化则是在90年代早期。CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段：CMOS无源像素传感器(CMOS—PPS。Passive Pixel Sensor)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS—APS，Active Pixel Sensor)阶段和CMOS数字
像素传感器(CMOS—DPS，Digital Pixel Sensor)阶段。
图1 CMOS图像传感器像素结构
1.1 无源像素传感器
PPS像元结构简单、面积很小。所以在给定的单元尺寸下，可设计出最高的填充系数(FiFactor．FF 又称“孔径系数”，即像元中有效光敏单元面积与像元总面积之比)；在给定的设计填充系数下，单元尺寸可设计的最小。并且，由于填充系数高和没有类似许多CCD中的多晶硅层叠，无源像素结构可获得较高的“量子效率”(即光生电子与入射光子数量之比)，从而有利于提高器件的灵敏度。
但是这种结构存在着2个方面的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形
成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“固有模式噪声”(Fixed Pattern Noise，FPN)，致使PPS的读出噪声很大，典型值为250个均方根电子，较大的固有模式噪声的存在是其致命的弱点；其二．光敏单元的驱动能量相对较弱，当图像传感器规模不断增大后，总线上电容相应增加传感器读出速度大幅降低，故而列线不宜过长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，PPS难以向大型阵列发展。
1.2 有源像素传感器
这种结构相对无源像素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管，于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快；由于有源像元的驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小，因而有利于制作像元阵列较大的器件；另外，由于有源放大管仅在读出状态下才工作，所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD图像传感器的还小。这种结构的APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子。而像元本身具备的行选功能，对二维图像输出控制电路的简化颇有益处。
但是，有源像素传感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小“填充系数(Fill Factor)”的代价。APS像元结构复杂，与PPS像元结构相比(无源像元的孔径效率多在60％～80％之间)，其填充系数较小，设计填充系数典型值为20％～30％，与行间转移CCD接近，因而需要一个较大的单元尺寸。为了补偿有源像素填充系数不高引起的不足，CMOS器件往往借用CCD制造工艺中现有的“微透镜”技术就是在器件芯片的常规制作工序完成后，再利用光刻技术在每个像元的表面直接制作一个微型光学透镜借以对入射光进行会聚，使之集中投射于像元的光敏单元，从而可将有源像元的有效填充系数提高2～3倍，提高信号
质量。深亚微米技术的采用将会大幅提高填充率。
1.3 数字像素图像传感器
上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS 图像传感器结构一数字像素传感器(DPS)，在像素单元里集成了ADC(Analog—to —Digital Convertor)和存储单元，如图1(c)所示。由于这种结构的像素单元读出为数字信号，其它电路都为数字逻辑电路，因此数字像素传感器的读出速度极快，具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于DPS充分利用了数字电路的优点，因此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现系统的单片集成。数字像素图像传感器的主要缺点在于因为增加了像素单元的晶体管数目而需要较大的像素单元面积，而且随着芯片加工工艺的不断发展，接口电压在不断降低，漏电流也在不断增加，DPS的设计和制造也面临着较大的挑战。目前，这种传感器还处于研究阶段。
以上介绍了3种不同类型的图像传感器结构，其中发展最快的是CM0S—APS。这种类型的图像传感器器件已经进入商品化和实用化阶段，但是对全面改善CM0S—APS性能的研究工作还在深入进行。CMOS图像传感器能够快速发展，一是基于固体图像传感器技术的研究成果，二是得益于CMOS集成电路工艺技术的成熟。在CMOS取代CCD的进程中．生产工艺将是弥补CMOS图像质量和亮度不足的关键。
1.4 4T-APS结构
上一节介绍了3种不同传感器结构，其中主流为APS结构。这其中3T-APS和
4T-APS是最常用的。3T-APS像素由于自身结构的关系, 暗电流不能得到很好的控制, 性能难以满足较高的要求为满足需要,4T-APS 像素结构应运而生, 它比3T-APS像素有更小的噪声, 更好的性能同时要求控制部分更加复杂。
在ＣＩＳｓ像素的各种结构中，３Ｔ像素有很高的填充因子（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ，ＦＦ），但其对ＫＴ／Ｃ噪声的抑制能力较差；而５Ｔ及更复杂的像素结构由于其较低的ＦＦ，很难在超大规模ＣＩＳｓ中应用．４Ｔ－APS像素结构是目前ＣＩＳs的主流结构之一，该结构有利于相关双采样（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ，ＣＤＳ）技术的运用，有效抑制噪声，并且有较高的ＦＦ，利于扩展动态围，常应用于大阵列的ＣＩＳｓ设计中．４Ｔ－ＡＰＳ像素结构如图１所示，该结构由钳位光电二极管（Ｐｉｎｎｅｄ－Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＰＰＤ）、传输管ＭＴＧ、复位管ＭＲＳＴ、源极跟随器ＭＳＦ和行选管ＭＲＳ组成。
图2 Ｐｉｎｎｅｄ型４Ｔ－ＡＰＳ像素结构示意图