圖像傳感器陣列技術(shù)概述

1、CCD和 CMOS的顯示排列技術(shù)技術(shù)評(píng)論序言這篇文章提供了；一個(gè) CCD（雙向交換裝置）和CMOS（預(yù)置的金屬化學(xué)半導(dǎo)體）的 顯示排列技術(shù)綱要。CCD已經(jīng)存在近30年并且針對(duì)非常廣大的領(lǐng)域已經(jīng)很成熟。現(xiàn)在已經(jīng)有穩(wěn)定的裝置在生產(chǎn)。然而CCD還存在許多缺點(diǎn)。如成本，復(fù)合動(dòng)力提供和所能支持的 電子學(xué)。CMOS所代表的排列在另一個(gè)方面，仍然處在初期，但它在飛速發(fā)展并且提供許多潛在的利益將超過CCD。這篇序言提供了CCD和CMOS排列技術(shù)的綱要，并且包括圖片捕捉和映象排列中讀取的解釋。也涵蓋了諸如工作情況特性，成本因素和未來圖像排列技術(shù)，這個(gè)序言不提供色彩傳感器，色彩過濾器，色彩插入等細(xì)節(jié)，并且這個(gè)題目

2、將成為一個(gè)特殊的報(bào)告。CCD解釋：CCD是威廉和喬治在1970年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的。這個(gè)想法起始于搜索磁性隔離存儲(chǔ)器，隨著許多偉大的發(fā)明，Smith引述到：“我們就像一個(gè)小時(shí)發(fā)明了交換機(jī)?！痹?8年間，CCD發(fā)現(xiàn)了屬于自己的廣闊市場(chǎng)，包括傳真機(jī)，復(fù)制機(jī)，照相機(jī)，掃描儀，甚至兒童玩具。 CCD包括數(shù)千計(jì)的感光器件和象素，它們能夠?qū)λ邮盏墓饩€進(jìn)行電子均衡交換，典型的:象素既是一個(gè)單行也是兩個(gè)尺寸格子，在特別應(yīng)用上，一般用于指定型號(hào)的CCD，平板掃描儀.舉例：用于線性排列的CCD，他必須在捕捉一個(gè)復(fù)合尺寸圖像以建立最終兩個(gè)尺寸圖像時(shí)革新CCD實(shí)物成像(數(shù)字照相機(jī))。另一個(gè)方面，一般用于CCD領(lǐng)域，

3、這樣在單向曝光范圍內(nèi)允許兩個(gè)滿尺寸圖像被捕捉。CCD一個(gè)基本參數(shù)是分解過程，它能等同于整個(gè)建立光感裝置的象素，第一區(qū)域CCD排列之一：是1974年Fairchild制造，用100x100分解。當(dāng)今，最大的商用裝置是將近9000x7000或甚至6300萬象素，另一些參數(shù)像CCD特性將會(huì)研討的更詳細(xì)。CCD是集成電路并且今后將會(huì)像計(jì)算機(jī)一樣。然而，為了光能垂直射在硅板上，以小塊玻璃被插在板子上，常規(guī)的集成電路通常壓縮在一個(gè)小黑塑料體以此來必要的提供機(jī)械強(qiáng)度，這樣也防止光線照射，并且每個(gè)象素被看作一個(gè)MOS電容器，它能把光轉(zhuǎn)換成電，并且讀出先前存貯的資料。CCD舉例：接下來將解釋更多CCD參數(shù)設(shè)置，

4、它的應(yīng)用如下圖，下表展示三個(gè)不同裝置的比較，包括各自的象素屬性，轉(zhuǎn)換方式用來解釋其次部分。CCD基本原理上面所述，每個(gè)象素建立一個(gè)CCD基本的MOS電容器 ，它有兩種形式：表面溝和埋溝，他們的不同僅細(xì)微在他們的制造上，埋溝電容器提供主要有利條件。因此，幾乎所有今天的CCD制造都有這種結(jié)構(gòu)，埋溝電容器的圖解部分在圖表1，這個(gè)建立在P-TYPE硅裝置等同于形式在表層的N-TYPE層，下一個(gè)，一個(gè)小的二氧化硅層是隨著金屬電機(jī)產(chǎn)生的。正電壓對(duì)電機(jī)反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的PN結(jié)偏差和由此引發(fā)在電機(jī)下電位流動(dòng)直接形成的N-TYPE硅，入射的光線在消耗處產(chǎn)生電極洞對(duì)，并且由于應(yīng)用電壓，電子向N-TYPE硅層遷移并且形成電

5、位空穴，負(fù)極變換也是這樣由直接均衡的入射光線導(dǎo)致。一旦曝光時(shí)間（也就是結(jié)合時(shí)間）過去，電荷將會(huì)在轉(zhuǎn)變數(shù)值相對(duì)那個(gè)陷入勢(shì)井轉(zhuǎn)移.Figure 1 - Buried Channel Capacitor CCD Pixel圖2為埋溝電容器的實(shí)例，此圖展示了溝道阻塞，它是有許多P型半導(dǎo)體區(qū)域產(chǎn)生的大量參雜，此外，一層厚的氧化物，這層氧化物加上此區(qū)域上溝道阻塞目的為讓電子從一個(gè)象素?cái)U(kuò)散到另一個(gè)象素達(dá)到最小值。Figure 2 Practical Buried ChannelCapacitor (From SITe94)電荷讀出過程 電荷讀出分兩個(gè)階段，第一階段是電荷從數(shù)組表面射入，第二階段是電荷從開始端

6、讀出并數(shù)字化。 下面為電荷轉(zhuǎn)移過程，每個(gè)象素都會(huì)像各個(gè)階段一樣分成許多不動(dòng)的區(qū)域，第三階段傳感器傾向于從主導(dǎo)到高效的絕大部分情形和高容錯(cuò)度，盡管是有著一，二，四階段存在，拿第三階段傳感器舉例，1和2的結(jié)合時(shí)期是保持狀態(tài)，第三階段是阻塞狀態(tài)，在結(jié)合期最后，當(dāng)是時(shí)候從數(shù)組中捕捉圖像，接下來的過程就會(huì)發(fā)生，1階段將發(fā)生在阻塞狀態(tài)，它將會(huì)影響1和2階段的電荷全部轉(zhuǎn)移到2階段，3階段將會(huì)是保持狀態(tài)，它將會(huì)均勻地到2階段的電荷分布到2和3階段。然后，2階段將發(fā)生阻塞狀態(tài)。強(qiáng)制將電荷從2階段轉(zhuǎn)移到3，這個(gè)過程將會(huì)循環(huán)，如圖（9），電荷將會(huì)從兩象素轉(zhuǎn)到一個(gè)象素，整個(gè)過程如圖4。Figure 3 - Charg

7、e TransferFigure 4 - Charge Transfer; Alternative Representation(From Oregon97)第二階段讀出發(fā)生在每排象素轉(zhuǎn)移之后，在最上排的象素的附加部分將讀出寄存器，當(dāng)電荷從一排象素轉(zhuǎn)到另個(gè)排時(shí)，電荷將會(huì)從上排象素轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，從這點(diǎn)看，電荷轉(zhuǎn)入讀出寄存器的作用是轉(zhuǎn)移飽和到讀出階段，因此完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程圖5。Figure 5 - Charge Readout轉(zhuǎn)移和讀出過程在線性和區(qū)域數(shù)組中的應(yīng)用，如前，一個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)移將伴隨讀出階段，對(duì)區(qū)域數(shù)組CCDs，轉(zhuǎn)移和讀出階段必須對(duì)每個(gè)象素循環(huán)，直到所有的圖像都讀出，這個(gè)對(duì)讀

8、出過程的描述總是變化的，然而，需要依靠總的結(jié)構(gòu)體系裝置。區(qū)域數(shù)組CCD的構(gòu)造區(qū)域數(shù)組CCD的構(gòu)造分四個(gè)類別：滿幀，幀轉(zhuǎn)移，分幀，聯(lián)幀。如圖6Figure 6 - Area Array CCD Architectures 全幀圖像直接從圖像域感應(yīng)器轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，然而，因此只有單個(gè)排能在特定時(shí)間轉(zhuǎn)移到讀出寄存器（必須包含在讀出轉(zhuǎn)移階段）其余的圖像轉(zhuǎn)移將等待，在此期間，沒有被讀出的圖像將繼續(xù)報(bào)告圖像信息，問題是信息可能會(huì)和以前提供的有出入，這使圖像某點(diǎn)變亮或變暗，另個(gè)問題是遇到的高速應(yīng)用。在此情形，結(jié)合期將會(huì)是圖像報(bào)告和從數(shù)組中結(jié)合圖像所用時(shí)間的百分之幾，此影響使圖像將會(huì)低對(duì)比度，因此費(fèi)力不討好

9、。解決辦法之一是使用力學(xué)擋板，一旦圖像被捕捉就把光線遮擋住。幀轉(zhuǎn)移一個(gè)幀轉(zhuǎn)移裝置的大小要與圖像數(shù)組部分一致才能遮光，接著結(jié)合期，捕捉圖像被迅速轉(zhuǎn)移到鄰近階段部分，直到其他部分被捕捉，開始的部分控制著該階段，如前所述轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，運(yùn)用此技術(shù)同時(shí)進(jìn)行圖像捕捉和讀出過程，這樣大大增強(qiáng)了結(jié)合期的應(yīng)用時(shí)間來達(dá)到高幀速率。然而，圖像捕捉技術(shù)還只在數(shù)組表面處理，如前所述還是需要機(jī)械遮擋板解決問題。分幀轉(zhuǎn)移這類裝置就像大部分幀轉(zhuǎn)移裝置一樣，在分成兩部分的狀態(tài)除外，每一部分都會(huì)定位在圖像處理部分，此先進(jìn)之處在于它允許圖像轉(zhuǎn)移到圖像處理部分只用一半時(shí)間。聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)移一個(gè)聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)移裝置有被光遮擋寄存器分開的光敏感分子

10、，在結(jié)合期的末期，所有的光感分子同時(shí)把他們的累計(jì)電荷向鄰近存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)移。然后遮光寄存器轉(zhuǎn)移電荷到讀出寄存器，在期間，圖像分子開始捕捉下一個(gè)點(diǎn)。為了使影響達(dá)到最小，顯微鏡經(jīng)常直接放在圖像數(shù)組部分，鏡片蓋住光感和光遮擋部件，使新進(jìn)的光焦點(diǎn)在光感區(qū)域部分。逐行和漸進(jìn)掃描 圖像采集模式的光感數(shù)組能逐行或漸進(jìn)掃描，逐行技術(shù)大部分被用來作為PAL和NTSC標(biāo)準(zhǔn)，來減少圖像傳送的帶寬。此模式下，幀被分割成兩個(gè)半幀：一個(gè)奇半幀由所有的奇半幀行組成，二偶半幀由所有偶半幀行組成，半幀由奇半幀記錄在T1，另一半由偶半幀在T2記錄，這意味著它通過循環(huán)來建立一個(gè)完整的圖像，就如PAL它應(yīng)用在50HZ，圖像捕捉在每秒25的

11、速率，一個(gè)主要的缺點(diǎn)是逐行記憶當(dāng)源變化時(shí)會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)兩幀被分開20ms時(shí)，兩物體的狀態(tài)會(huì)隨著他們的改變而改變，當(dāng)它們重新結(jié)合產(chǎn)生最終圖像時(shí)會(huì)產(chǎn)生模糊，圖7為一個(gè)移動(dòng)的手展示了此問題，漸進(jìn)掃描模式傳感會(huì)一下子讀出整個(gè)的。這樣使捕捉圖像而不發(fā)生模糊成為可能。Figure 7 - Moving Hand Captured With anInterlaced CameraCCD性能特性 在充滿理念的世界，CCD將會(huì)展現(xiàn)完美的圖像轉(zhuǎn)換，然而事實(shí)上，CCD并不完美，它存在許多問題和限制。 充分因素充分因素使每個(gè)象素基本的百分比，它通過光感應(yīng)，理論上，充分因素應(yīng)該是100。然而，卻總是達(dá)不到，光暈控制特性

12、和CMOS傳感器，附加控制電子學(xué)，每個(gè)象素都占用空間，并且這些區(qū)域不感光，減少充分因素來降低感光數(shù)組。暗流噪聲暗流可被定義為裝置在絕對(duì)零度上任何溫度都不會(huì)像CCD象素那樣積聚的電荷，在任何溫度，電子空穴對(duì)任意移動(dòng)或重新組合在硅二氧化硅接口，對(duì)此，一些電子將會(huì)在CCD集合并在輸出入口，出現(xiàn)干擾信息。對(duì)暗流的主要來源為：二氧化硅接口產(chǎn)生，CCD消耗部分產(chǎn)生，電子從中性層向CCD井?dāng)U展，前兩個(gè)源支配暗流，此外，產(chǎn)生速率能使所占空間偏向數(shù)組導(dǎo)致固有噪聲。對(duì)低噪聲水平的應(yīng)用：舉例天體攝影，暗流源能被冷卻的 CCD減少，要比高溫來的好。冷卻的好壞取決于結(jié)合期和最小信噪比。量子效率，（QE），QE是衡量入射

13、光子探測(cè)效率的一些入射光可能部吸收反射光或是來自不集合區(qū)域。量子效率是通過每個(gè)光子對(duì)電子預(yù)期的入射次數(shù)的探測(cè)電子數(shù)率。明顯波長(zhǎng)的光子一般是一個(gè)電子空穴對(duì)，這樣明顯光線的QE是探測(cè)電子被入射光分裂的數(shù)率。這里有很多技術(shù)用于發(fā)展CCD的量子效率。其中之一是CCD從背面照明。相對(duì)也有前端的。在前端照明裝置，入射光必須通過門結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生單獨(dú)電子，光子會(huì)在這層吸收并且這樣對(duì)最終信號(hào)無影響。吸收過程也要依據(jù)波長(zhǎng)。這個(gè)作用使得藍(lán)光變少和UV反譜反應(yīng)。為了增加短波回應(yīng)，消薄硅襯底的技術(shù)發(fā)展起來，因此，CCD從背面照明，并且這樣光子不必通過門結(jié)構(gòu)。已花費(fèi)進(jìn)十年來完善消薄過程，主要的問題還是消不統(tǒng)一。兩邊薄中間厚將

14、導(dǎo)致不統(tǒng)一回應(yīng)，“署片效應(yīng)”。光暈光暈所結(jié)合期產(chǎn)生的，一個(gè)勢(shì)井填滿電子，這經(jīng)常發(fā)生在高光物體成像過程（周圍曝光是均勻的）當(dāng)勢(shì)井溢出時(shí)，電子流進(jìn)入周圍勢(shì)井，這樣將產(chǎn)生一個(gè)飽和象素區(qū)域，如果光暈控制不好，組合圖像將遭受大面積曝光。為解決光暈發(fā)展了很多技術(shù)，一個(gè)普遍的方案是用側(cè)面溢漏技術(shù)，圖8說明。一般，他們工作在散熱器溢出狀態(tài)下，當(dāng)勢(shì)井被填滿，任何堆積的電子都不會(huì)流向周圍象素，反光暈系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是填滿的部分經(jīng)常減少，典型的是從100下降到78。Figure 8 Schematic of LODs 電荷轉(zhuǎn)換效率（CET）-它是每個(gè)階段轉(zhuǎn)換過程中電子流失的百分?jǐn)?shù)。現(xiàn)代埋溝CCD的CTE達(dá)到了99.9

15、99%，另一個(gè)電荷轉(zhuǎn)換機(jī)制是接近讀出寄存器的列承擔(dān)的轉(zhuǎn)換要少于相對(duì)的列。網(wǎng)效應(yīng)是圖片質(zhì)量在行寬過程中變大，CET效應(yīng)和非線性圖象質(zhì)量在行上將產(chǎn)生CCD行限制因素。CMOS成像的介紹CMOS或金屬氧化物半導(dǎo)體，圖象傳感器已接近CCDs，但只有最近商業(yè)傳感器芯片才開始應(yīng)用，這些裝置在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室里得到實(shí)行。在1993年，他們制造一個(gè)性能科學(xué)度比CCD高的CMOS傳感器。這一部分將提供CMOS圖象傳感器概述，和一些相對(duì)CCD高光技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。CMOS傳感器和CCD一樣按照光感格柵原理。每個(gè)都能對(duì)入射光產(chǎn)生電子信號(hào)，然而，每個(gè)技術(shù)的這一過程都是不同的。以前，一個(gè)CCD像素在某時(shí)某期時(shí)以P-N結(jié)產(chǎn)生

16、勢(shì)井電荷。每個(gè)CMOS像素另一方面，由一個(gè)光電二極管，一個(gè)電容器和三個(gè)晶體管組成。在結(jié)合期開始時(shí)，電容器將會(huì)被電壓充電，當(dāng)結(jié)合期開始時(shí)，電容中的電荷慢慢的流向光電二極管，流向速率與入射光的多少成正比，在結(jié)合期最后，電荷保留在電容中讀出并數(shù)字化。圖9展現(xiàn)了現(xiàn)有像素使用加壓圖象的例子。這使得其他的電路原理成為可能。舉例:電容在結(jié)合期充電，相反就放電。Figure 9 - Active CMOS Pixel Structure (From Hurwitz97)CMOS Dectector類型CMOS圖象傳感器典型的類型有兩種：消極像素和積極像素。消極放大器裝置在每個(gè)像素列底部都有一個(gè)電荷放大器，每個(gè)

17、像素都有個(gè)單獨(dú)的晶體管。（除了光電二極管和電容器）這個(gè)轉(zhuǎn)換器是用作電荷放大器的像素開關(guān)目錄，積極像素行在每個(gè)像素執(zhí)行放大器。（如圖9）兩探測(cè)器的不同如圖10Figure 10 - Passive and Active Pixel CMOS Arrays 盡管只是個(gè)圖表，這個(gè)高光圖實(shí)際是消極像素類型，每個(gè)像素部分由額外的感光傳感器組成。作用是最大減少每個(gè)像素的填充因素，為解決這個(gè)問題，顯微鏡直接用語對(duì)每個(gè)像素提高入射光的聚焦。讀出過程消極和積極像素在圖象讀出上用的是相同的技術(shù)。每個(gè)傳感器的列是連續(xù)的時(shí)鐘。這使得開關(guān)或電容放大器在輸出端輪流轉(zhuǎn)換電荷，一個(gè)讀出寄存器在輸出端用到一個(gè)連續(xù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器要

18、比CCD簡(jiǎn)單。傳感器的連續(xù)時(shí)鐘允許整個(gè)圖像漸進(jìn)的從列中讀出。然而，它也可能限制到傳感器的時(shí)鐘，這將使得行讀出小水平條，在每個(gè)列打出像素的開始和結(jié)尾，可獲得一個(gè)圖象的明顯區(qū)域，這些相關(guān)的小數(shù)量像素使得讀出的速度增加；用這個(gè)技術(shù)，一些制造商要求速度達(dá)到百萬楨每秒。集成制造CMOS行比CCD另一個(gè)先進(jìn)的是高水平的集成制造。這使得有能力包括時(shí)間邏輯，暴光控制，數(shù)模轉(zhuǎn)換和在暗箱通過傳感器建立完整信號(hào)芯片的壓縮電路學(xué)。這個(gè)技術(shù)可行卻不便宜，在用CCD集成過程，大多數(shù)CCD基于的暗箱要用到幾個(gè)芯片。這個(gè)做的結(jié)果是要用5個(gè)不同的提供電源，結(jié)果導(dǎo)致高功耗，在用單獨(dú)的芯片，使用CMOS內(nèi)部的低功耗裝置，功率能達(dá)到

19、CCD的100倍。另一個(gè)先進(jìn)的功能性是CMOS傳感器能“在酥餅上”檢測(cè)。也就是每個(gè)個(gè)人裝置在高價(jià)產(chǎn)品尖端階段使用。然而，在生產(chǎn)多功能CMOS傳感器時(shí)有許多缺點(diǎn)。首先，在生產(chǎn)調(diào)和傳感器和副裝置的大型模具要高投入。此外，在嵌入前言的知識(shí)產(chǎn)權(quán)也是很困難的，新技術(shù)需要新的芯片支持，因此多功能芯片還是受歡迎的。最后，每個(gè)圖象傳感器函數(shù)技術(shù)需要不同的制造過程。舉例：一些人制造存儲(chǔ)片和一些人制造數(shù)模轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。因此，多功能CMOS傳感器的制造商必須要用到混合近似法。這樣相比要困難些。價(jià)格條件這將涉及90%到95%現(xiàn)在制造電腦或其他電子產(chǎn)品用到的CMOS技術(shù)，芯片的制造價(jià)格高達(dá)上百萬美圓，但他們需要大量的提供制造的芯片，平均下來價(jià)格就非常的低了，尤其是和其他技術(shù)相比。CMOS生產(chǎn)線已達(dá)到8英寸口徑，未來將達(dá)到12英寸。此外CMOS尺寸特點(diǎn)已達(dá)到0.4到0.2微米。CCD的典型尺寸是4到6英寸，它的特點(diǎn)尺寸達(dá)到0.6微米，這將導(dǎo)致大生產(chǎn)周期和低價(jià)格的對(duì)比。運(yùn)行描述CMOS成像仍處在不成熟階段，盡管它比CCD有