CMOS光电图像传感器课件.ppt

*CMOS光電圖像感測器CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）圖像感測器出現於1969年,是一種用傳統的晶片製造工藝將光敏陣列、放大器、A/D轉換器、記憶體、數字信號處理器和電腦介面電路等集成在一塊矽片上製成器件，它結構簡單、處理功能多、成品率高，價格低廉，有著廣闊的應用前景。CMOS圖像感測器主要由光電二極體、MOS場效應管、放大器與開關等電路構成。因此，先學習MOS場效應管的基本原理。9.1MOS與CMOS場效應管9.1.1MOS場效應管的基本結構圖9-1MOS管的工藝結構MOS場效應管（MOSFET）是一種單極性半導體器件。由襯底、源極S、漏極D和柵極G組成。其結構如圖9-1所示，用輕滲雜的P型矽為襯底，在其上生成N+型源區S和N+型漏區D；兩個N+型區之間的部分稱為溝道，溝道的長度為L，寬度為W；因此，這種場效應管又稱為N溝道場效應管。MOS場效應管的物理模型結構如圖9-2所示，隨著Ug的增高，反型層厚度增加，導電能力也增強。圖9-2MOS場效應管的結構表明柵極電壓對源、漏電極間電流的控制能力，即MOS場效應管具有雙極性電晶體中，基極電流控制集電極電流的特點。在場效應管中漏極電流被柵極電位Ug控制。圖9-3所示為MOS場效應管導電機構的立體剖面示意圖，由圖可以清楚地看出反型溝道層與耗盡層的分佈情況。圖9-3MOS場效應管導電機構剖面示意圖圖中柵極下麵緊貼氧化層的一層是反型的溝道層，其中電子密度很大；再下一層是耗盡層，而且在兩個N+區的下麵也形成耗盡層，使它們彼此連接在一起，形成導電溝道。9.1.2場效應管的主要性能參數1.閾值電壓Uth2.伏安特性3.頻率特性4.開關特性5.雜訊9.2CMOS圖像感測器的原理與結構9.2.1CMOS圖像感測器的組成圖9-10CMOS器件原理圖CMOS圖像感測器的組成原理框圖如圖9-10所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管積體電路，而且這兩部分是集成在同一矽片上的。像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，並可分別由兩個方向的地址解碼器進行選擇；圖9-11CMOS感測器原理圖圖9-11為CMOS圖像感測器輸出信號的過程，在Y方向地址解碼器的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關，信號被送到列線上，再通過X方向地址解碼器的控制，輸送到放大器。在CMOS圖像感測器晶片上，還可以設置其他數字處理電路。例如，自動曝光處理、非均勻性補償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制等處理電路。甚至於將具有運算和可編程功能的DSP器件製作在一起形成多種功能的器件。9.2.3CMOS圖像感測器的工作流程CMOS圖像感測器的典型工作流程圖如圖9-19所示，圖9-19CMOS感測器工作流程9.2.4CMOS圖像感測器的輔助電路圖9-21CMOS感測器非均勻性校正電路9.3CMOS圖像感測器的特性參數1．光譜性能與量子效率圖9-29CMOS像敏單元光譜回應曲線如圖9-29所示為CMOS圖像感測器的光譜回應特性曲線。由圖可見，其光譜範圍為350～1100nm，峰值回應波長在700nm附近，峰值波長回應度達到0.4A/W。2．填充因數定義填充因數為光敏面積對全部像敏單元所占面積之比，它對器件的有效靈敏度、雜訊、時間回應、模傳遞函數MTF等影響很大。提高填充因數的方法有以下兩種。圖9-30微透鏡的作用（1）採用微透鏡法（2）採用特殊的像元結構圖9-31所示為一種填充率較高的CMOS圖像感測器的像敏單元結構，它的表面有光電二極體和其他電路，二者隔離。圖9-31高填充率的CMOS像敏單元結構在光電二極體的N+區下麵增加N區，用於接收擴散的光電子；在電路N+的下麵設置一個P+靜電阻擋層，用於阻擋光電子進入其他電路。3．輸出特性與動態範圍CMOS圖像感測器有4種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對數特性模式和γ校正模式。它們的動態範圍相差很大，特性也有較大的區別。圖9-33所示為4種輸出模式的曲線。（1）線性輸出模式線性輸出模式的輸出與光強成正比，適用於要求進行連續測量的場合。它的動態範圍最小，而且線上性範圍的最高端信噪比最大。圖9-334種輸出模式關係(2)雙斜率輸出模式雙斜率輸出模式是一種擴大動態