Cmos器件原理與應(yīng)用ppt課件

1、CMOS器件,組員: xxxxxxxx,報告內(nèi)容,背景介紹 基本原理 基本流程 現(xiàn)有應(yīng)用,報告內(nèi)容,背景介紹 基本原理 基本流程 現(xiàn)有應(yīng)用,選題背景,1.CMOS圖像傳感器； 2.組員情況,xx 激光技術(shù),xx 光電 技術(shù),xx 光學(xué) 測量,組內(nèi)分工： xx：CMOS的原理 xx：CMOS的應(yīng)用 xx：CMOS的未來,報告內(nèi)容,背景介紹 基本原理 基本流程 現(xiàn)有應(yīng)用,CMOS的產(chǎn)生,CMOS英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體 每個CMOS單元都可以看作是一個光電二極管。 無數(shù)個CMOS單元加上處理線路構(gòu)成CMOS圖像傳

2、感器,1969年,貝爾實驗室發(fā)明CCD 1970年,CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進實驗室JPL制造成功， 80年代末，英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型圖像傳感器件,發(fā)展歷程,CMOS圖像傳感器能夠快速發(fā)展 一是基于CMOS技術(shù)的成熟, 二是得益于固體圖像傳感器技術(shù)的研究成果。 1967年以前報道的圖像傳感器都產(chǎn)生與瞬間入射光強成比例的信號, 不能輸出任何有意義的積分光生信號，靈敏度低, 像元內(nèi)需要有信號增益。1-3 1967年, Weckler提出了以光子通量積分模式工作的p-n結(jié), 并提出了采用PMOS開關(guān)讀出積分電荷的方法。4 1968年, Noble報道了首次用

3、于像元內(nèi)信號讀出緩沖的MOS源跟隨晶體管。5 70年代和80年代, 人們熱衷于發(fā)展CCD, 僅有日立、三菱等幾個研究機構(gòu)從事MOS圖像傳感器的研究。1970年,CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進實驗室JPL制造成功;80年代末,英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型圖像傳感器件 90年代以來, 英國愛丁堡VLSI version公司首次將CMOS商品化, 噴氣推進實驗室 (JPL) 研究開發(fā)的高性能CMOS圖像傳感器；此后CMOS圖像傳感器的性能逐步得到提升,發(fā)展歷程,到目前為止，在開發(fā)CMOS圖象傳感器中所采用的先進的關(guān)鍵技術(shù)可歸納如下: 相關(guān)雙取樣(Cd)電路技術(shù) 微透鏡陣

4、列制備技術(shù) 彩色濾波器陣列技術(shù) 數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù) 抑制噪聲電路技術(shù) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(AID)技術(shù) 亞微米和深亞微米光刻技術(shù),光電效應(yīng),光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電 。 光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出,光電效應(yīng),按照光生載流子的理論，光子進入到半導(dǎo)體中，當光子能量超過帶隙能量時就會產(chǎn)生電子空穴對。在電場的作用下，電子和空穴會被分開，其中電子會在電勢阱中被收集，空穴則會被遺棄。光在入射到感光區(qū)的時，會發(fā)生光電效應(yīng)，也就是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，半導(dǎo)體價帶中受束縛的電子在接

5、受光的能量后會躍遷到導(dǎo)帶，成為能夠自由移動的電子,硅的能帶圖,可見光范圍:400700nm,可見光=700時，Eph=1.77eV,近紅外=1100時, Eph=1.12eV,人體紅外波長 =9.65m時, Eph=0.13eV,光電二極管,擴散：空穴從P到N，電子從N到P，形成從N指向P 的空間電荷區(qū),漂移：在內(nèi)建電場作用下，空穴和電子做的運動，方向與擴散相反,形成穩(wěn)定的內(nèi)場,反向偏置（外場與內(nèi)場方向一致）時，擴散受到抑制，漂移占主導(dǎo) 光照時，光生電子被拉到N區(qū),光生空穴被拉到P區(qū)，形成光電流，光電流大小正比于入射光功率，對于確定的PN結(jié)來說，光電流大小正比于入射光強,CMOS器件的產(chǎn)生,圖

6、像傳感器,CCD,CMOS,有源像素(APS,數(shù)字像素(DPS,PG型,PPD型,PD型,集成電路,計算機信息,數(shù)字圖像領(lǐng)域,無源像素(PPS,CMOS圖像傳感器總體結(jié)構(gòu),像素單元PD 型有源像素,PN結(jié)作為光電二極管 三個晶體管： 復(fù)位管M0是NMOS，一邊接VDD另一邊接電荷感應(yīng)節(jié)點N1 放大器M1也是NMOS，放大光電二極管的電壓 選擇管M2當行選信號開啟時用于控制讀出到列總線,TG：傳輸柵 光門PG:多晶硅柵，它是用來產(chǎn)生電勢阱（耗盡區(qū)）來進行收集光生電子，信號電荷在 PG 下積分。 讀出：先對浮置儲存節(jié)點進行復(fù)位，此時它的電壓值會通過源跟隨器被讀出。當 PG 打開時，電荷被傳遞到浮置

7、儲存節(jié)點，此時電壓會有變化，新的電壓值會被讀出，復(fù)位電壓與信號傳遞后電壓的差值就是像素的差值，這種讀出方法也叫做相關(guān)雙采樣,像素單元PG 型有源像素,像素單元PPD 型有源像素,PPD 主要由 P+NP-結(jié)構(gòu)組成， 當施加在 N 層上的電壓提高的時候，兩個 PN 結(jié)的耗盡區(qū)會相互延展，當?shù)竭_某一特定電壓時，耗盡區(qū)相接觸，器件不會再提取更多的載流子，器件完全耗盡。之后，器件內(nèi)的電勢保持不變。 感光操作：在積分階段，光生載流子存儲在耗盡區(qū)會使得 PPD 電勢降低。 讀取時：FD 會先復(fù)位至VDD 。此復(fù)位電壓對于 CDS 是第一次讀取。然后傳輸柵 TG 開啟，全部光電荷傳輸?shù)?FD,CCD,CCD

8、是于1969年由美國貝爾實驗室的維拉波義耳(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）所發(fā)明的。 2009年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，科學(xué)家維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith )因“發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲此殊榮,CMOS與CCD的比較,報告內(nèi)容,背景介紹 基本原理 基本流程 現(xiàn)有應(yīng)用,CMOS圖像傳感器的工作流程,1）初始化 初始化時要確定器件的工作模式，如：輸出偏壓、放大器的增益、取景器是否開通，并設(shè)定積分時間,CMOS圖像傳感器的工作流程,2）幀讀出（YR）移位寄存器初始

9、化 利用同步脈沖SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR為行啟動脈沖序列，不過在它的第一行啟動脈沖到來之前，有一消隱期間，在此期間內(nèi)要發(fā)送一個幀啟動脈沖,CMOS圖像傳感器的工作流程,3）啟動行讀出 SYNC-YR指令可以啟動行讀出，從第一行（Y0）開始，直至YYmax止；Ymax等于行的像敏單元減去積分時間所占去的像敏單元。 （4）啟動X移位寄存器 利用同步信號SYNC-X，啟動X移位寄存器開始讀數(shù)，從X0起，至XXmax止；X移位寄存器存一幅圖像信號,CMOS圖像傳感器的工作流程,5）信號采集 A/D轉(zhuǎn)換器對一幅圖像信號進行A/D數(shù)據(jù)采集。 （6）啟動下行讀數(shù) 讀完一行后

10、，發(fā)出指令，接著進行下一行讀數(shù)。 （7）復(fù)位 幀復(fù)位是用同步信號SYNC-YL控制的，從SYNC-YL開始至SYNC-YR出現(xiàn)的時間間隔便是曝光時間。為了不引起混亂，在讀出信號之前應(yīng)當確定曝光時間,CMOS圖像傳感器的工作流程,8）輸出放大器復(fù)位 用于消除前一個像敏單元信號的影響，由脈沖信號SIN控制對輸出放大器的復(fù)位。 （9）信號采樣/保持 為適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的工作，設(shè)置采樣/保持脈沖，該脈沖由脈沖信號SHY控制,報告內(nèi)容,背景介紹 基本原理 基本流程 現(xiàn)有應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域成像器件,數(shù)碼相機,數(shù)碼相機大部分使用的都是CMOS傳感器。 日本相機生產(chǎn)廠家佳能、尼康，現(xiàn)在不銷售CCD相機,工業(yè)相機,

11、相比于傳統(tǒng)的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，市面上工業(yè)相機大多是基于CCD或CMOS芯片的相機,網(wǎng)址：http:/,The Imaging Source DFK 23UV024型相機,其種類繁多，分別針對不同的用途： 以Imaging Source公司產(chǎn)品為例 包括工業(yè)相機、顯微鏡用相機、OEM相機、自動對焦相機、變焦相機等,國內(nèi)工業(yè)相機/科技相機的生產(chǎn)廠家,北京凌云光技術(shù)有限公司 北京新銳視鋒科技有限公司 北京凱視佳CatchBEST 深圳華用科技有限公司 深圳京杭科技有限公司 香港普密斯光學(xué)科技,國際工業(yè)相機/科技相機的主要生產(chǎn)廠家,Imaging

12、Source Ximea Basler FRAMOS AVT e2v IMI-Tech,丹麥 JAI Pointgrey Matrox Microvision Lumenera 日本 ARTRAY,德國,英國,韓國,加拿大,美國,主要應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)干涉檢測,邁克爾遜干涉儀,斐索干涉儀,主要應(yīng)用領(lǐng)域無透鏡鬼成像6,參考文獻：薛玉剛、萬人鋼、馮飛、姚銀萍、張同意. 三種不同結(jié)構(gòu)的無透鏡鬼成像實驗研究 J. 光子學(xué)報. 1004-4213(2014)08-0823006-6,主要應(yīng)用領(lǐng)域位置探測7,四象限位置探測,具體應(yīng)用： 靜電懸浮位置反饋調(diào)節(jié),L. Hu,H. P. Wang, L. H. Li,

13、 and B. Wei, “Electrostatic Levitation of Plant Seeds and Flower Buds”,Chinese Physics Letters, 2012, 29 (6) 0641014. (SCI,參考文獻,結(jié)語,CMOS作為一個不斷發(fā)展的成像器件，仍有進一步應(yīng)用的潛力。 由于任務(wù)繁重、時間所限，小組內(nèi)在閱讀文獻和相互交流總結(jié)的過程中有很多資料缺乏、邏輯混亂的部分。 在接下來的時間內(nèi)，小組會將重點放在CMOS的應(yīng)用和未來發(fā)展的內(nèi)容上,參考文獻,1 S.Morrison, “A new type of photosensitive junction

14、 device,” Solid- State Electronics, vol. 5, pp. 485-494 (1963). 2 J. Horton, R. Mazza, and H. Dym, “The scanistor - a solid state image scanner,” Proc. IEEE vol. 52, pp. 1513-1528 (1964). 3M.A.SchusterandG.Strull,“Amonolithicmosaicofphotonsensors forsolidstateimagingapplications,” IEEETrans.ElectronDev. ,vol. ED-13,pp.907-912(1966). 4 G. P. Weckler. “Operation of p-n junction photodetectors in a photon flux integration mode,” IEEE J. Solid-state Circuits, vol. SC-2, pp. 65-73 ( 1967). 5 P. Noble, “Self-scanned silicon image detector arrays,” IEEE Trans. Electron Dev. vol. ED-15(4), pp. 2