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1、个人资料整理仅限学习使用 CMOS 图像传感器的工作原理及研究 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 概
2、念。 个人资料整理仅限学习使用 PPS4,5 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
3、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
4、 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。 个人资料整理仅限学习使用 光栅型 APS7,8 是由美国喷气推进实验室图像传感器及正在开发的高分辨率12801024 图像传感器， Rockwell 半导体系统所研制的用于数字和视频领域的640480，800600，960720阵 列高分辨率CMOS 图像传感器，美国宇航局喷气实验室设计制造的含有10241024 阵列 CMOS 图像传感器的彩色相机
5、，Sunni 公司正在开发用于指纹识别和二维条形码识别的高集 成度 CMOS 图像传感器。 目前 CMOS 图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字 化、多功能化的方向发展22 。随着 CMOS 图像传感器技术的完善和发展，它的应用范围也 会不断拓宽，全球CMOS 图像传感器销售量将逐年大幅度增长。据In-Stat11,12的统计 和预测， 1997 年全球 CMOS 图像传感器销售总额为0.54 亿美元， 1998 年增至 2.18 亿美 元， 1999 年则达到了10.03 亿美元。 2000 年销售总额在1999 年的基础上翻了大约一番， 增至 20.58 亿美元
6、， 2001 年增至 36.78 亿美元，其中，2005 年 CMOS 图像传感器出货量占 所有图像传感器的比例将由2001 年的 23% 提高至 47% 。CMOS 图像传感器的价格也将从1999 年的 10 美元下跌至2004 年的 5美元以下。到2004 年，置入移动设备的CMOS 相机，在全 球市场将达到6000 万部，销售额达到3 亿美元。 专家们认为，21 世纪初全球CMOS 图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数 码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130 万像素至 200 万像素之下的产品中，将开始以CMOS 传感器为主流。2003 年全球个人电脑的发货量达 到 1.9 亿台，数码相机和PDA的销量将分别超过5400 万台和 1900 万台，移动电话的发货 量也达到4.18 亿台，其中有很多带有数码摄像装置。以小型化和低功耗CMOS 图像传感器 为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发 展。业界分析预测，在2004-2005 年，国际应用市场上CMOS 图像传感器将超越CCD图像传 感器，可以相信一个崭新的数字图像技术时代即将来临。