本文主要介紹最先進(jìn)的CMOS圖像傳感器技術(shù)以及未來(lái)的發(fā)展。

圖像傳感器的定義和用途

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的電子設(shè)備。轉(zhuǎn)換的方法因圖像傳感器的類型而異

· “模擬”CCD執(zhí)行光子到電子的轉(zhuǎn)換。

· “數(shù)字”CMOS圖像傳感器（CIS）執(zhí)行光子到電壓的轉(zhuǎn)換

圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)和成像設(shè)備，將相機(jī)或成像設(shè)備接收到的光線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

CIS vs. CCD

今天，有兩種不同的技術(shù)用于數(shù)字圖像采集（圖1）：

· 電荷耦合器件（CCD）是線性傳感器，其輸出與接收到的光子數(shù)量直接相關(guān)。

· 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，或CMOS圖像傳感器CIS）是一種較新的并行讀出技術(shù)。

這兩種類型的成像設(shè)備都將光轉(zhuǎn)化為電子（或電荷），隨后即可處理成電子信號(hào)。CCD的設(shè)計(jì)目的是將電荷逐個(gè)像素地移動(dòng)，直到它們到達(dá)專用讀出區(qū)域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進(jìn)行放大。更高級(jí)的CIS技術(shù)提供了一個(gè)并行讀出架構(gòu)，其中每個(gè)像素都可以單獨(dú)尋址，或者作為一個(gè)組并行地讀出（參見(jiàn)圖1）。

CMOS傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價(jià)格下降，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)變得非常便宜和普及。

在表1中，我們展示了CCD和CMOS架構(gòu)的主要區(qū)別。 每個(gè)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中各顯其能（用綠色表示）。

表1：CCD與CMOS架構(gòu)比較（來(lái)源：e2V）

圖2：CIS中的關(guān)鍵組件（來(lái)源：IBM，F(xiàn)SI）

圖3::：FSI vs. BSI

BSI技術(shù)涉及到將圖像傳感器倒置，并將彩色濾光片和微透鏡應(yīng)用于像素的背面，以便傳感器可以通過(guò)背面收集光線。 BSI具有深光電二極管和短光路，從而具有更高的量子效率（1）（QE）和較低的串?dāng)_（2）（見(jiàn)圖4）。

圖4：串?dāng)_

（1）QE =轉(zhuǎn)換成為電子的光子的百分比

（2）電子串?dāng)_=相鄰像素之間的電荷（電子或空穴，取決于像素類型）的擴(kuò)散。它由于底層的電子機(jī)制（擴(kuò)散和漂移）而在硅材料中發(fā)生

BSI流程

使用BSI架構(gòu)制作CMOS圖像傳感器需要許多工藝步驟。兩種不同的BSI工藝流程Si-Bulk（圖5）和SOI（圖6）如下所示：

圖5：BSI Si-Bulk簡(jiǎn)化流程

圖6：BSI SOI工藝流程（來(lái)源：Yole）

CIS的全局快門（GS）與滾動(dòng)快門（RS）

 “滾動(dòng)快門”（RS）是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是圖像傳感器掃描圖像的方式。如果傳感器采用RS，則表示從傳感器的一側(cè)（通常是頂部）到另一側(cè)依次逐行掃描圖像。通常，CMOS圖像傳感器在RS模式下工作，其中曝光和快門操作逐行（或逐列）執(zhí)行。

“全局快門”（GS）也是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是可以同時(shí)掃描圖像的整個(gè)區(qū)域的傳感器。在GS傳感器中，使用所有像素同時(shí)捕獲圖像。GS架構(gòu)包括一個(gè)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和附加的MOS晶體管，以提供額外的功能。今天，大多數(shù)CIS成像器采用GS模式來(lái)避免失真和偽像，如寄生光敏感度（見(jiàn)圖7）。使用GS功能的CMOS圖像傳感器用于各種領(lǐng)域，包括廣播、汽車、無(wú)人機(jī)和監(jiān)控應(yīng)用。

圖7：滾動(dòng)（左）與全局（右）快門模式