2. CCD圖像傳感器

2.1 像素結(jié)構(gòu)

2.1.1 表面溝道

有了以上的材料學(xué)方面的知識基礎(chǔ)，CCD圖像傳感器的基本原理就很好理解了，CCD圖像傳感器中的像素最主要的結(jié)構(gòu)為金屬氧化物半導(dǎo)體電容，由P型半導(dǎo)體和二氧化硅組合而成，其中二氧化硅為絕緣體，如下所示：
圖（a）中，在金屬電極上施加正電壓，P型半導(dǎo)體中的“空穴”被排斥，在表面區(qū)域形成耗盡層；
圖（b）中，當光子通過光電轉(zhuǎn)換獲得信號電荷后，信號電荷將被吸引到硅和二氧化硅的交界面；
圖（c）中展示的表面電勢的分布，電勢這個概念是相對信號電荷而言，哪里電勢越低哪里對信號電荷的吸引能力越強，因此金屬電極上施加的正電壓就形成了一個勢阱。

2.1.2 掩埋溝道

以上結(jié)構(gòu)電荷是附著在表面上，因此我們稱之為表面溝道，由于硅表面的晶格極不規(guī)則，在硅表面的禁帶引入了高密度的載流子陷阱能級，這又被稱為表面態(tài)或界面態(tài)，而通過在P型半導(dǎo)體和二氧化硅中間添加N型半導(dǎo)體就可以進一步構(gòu)建掩埋溝道，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

掩埋溝道的電勢分布如下圖所示：
圖（a）中，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成了一個PN結(jié)，根據(jù)前文的分析，PN結(jié)中會形成內(nèi)部電場，使得N型半導(dǎo)體的電勢要低于P型半導(dǎo)體的電勢；
圖（b）中，同樣在金屬電極上施加正電壓，N型半導(dǎo)體中的自由電子會附著在表面，使得表面電勢增高，而P型半導(dǎo)體中的“空穴”會被排斥到基底中，因此圖中從表面往基底方向，電勢會先下降后上升；
圖（c）中，當光子入射產(chǎn)生信號電荷后，信號電荷理所當然會存儲在電勢最低處，由此避免了將信號電荷存儲于表面，避免了表面態(tài)的發(fā)生。

掩埋溝道除了避免表面態(tài)的發(fā)生這一優(yōu)勢之外，其另外兩個優(yōu)勢是：
（1）通過價帶鉗位抑制電荷轉(zhuǎn)移時表面暗電流的影響；
（2）可以增強電荷傳輸溝道的邊緣場效益；
關(guān)于第（2）點，在2.3節(jié)中會對邊緣場效應(yīng)進行解釋，關(guān)于第（1）點，我們在此進行簡單討論，如下圖所示：

在進行光電轉(zhuǎn)換時在金屬電極上施加的是正電壓，而在進行信號電荷轉(zhuǎn)移時金屬電極上施加的是負電壓，這就是所謂價帶鉗位。其原理如上圖（a）所示，P型半導(dǎo)體中的“空穴”會在負電壓的作用下注入N型半導(dǎo)體并最終附著在N型報道體的表面上，由此會出現(xiàn)如圖（b）中所示的陰影部分，該部分電勢極低，因此對于表面產(chǎn)生的暗電流有很好的抑制作用。

2.2 信號電荷轉(zhuǎn)移

2.2.1 局部轉(zhuǎn)移過程

以上就講了說明CCD圖像傳感器單個像素的主要構(gòu)造，通過光電轉(zhuǎn)換獲得電子后存儲在勢阱中，而整個CCD圖像傳感器是有許多像素組成的，接下來討論的問題是如何將像素收集的電子運轉(zhuǎn)出來并轉(zhuǎn)換為圖像信號。接下來我們將電子稱之為信號電荷，那么信號電荷的局部轉(zhuǎn)移過程如下圖所示：

轉(zhuǎn)移過程主要分為三個階段：自激漂移、熱擴散和邊緣場效應(yīng)，其中
圖（a）展示的不考慮邊緣場效應(yīng)下自激漂移的過程，自激漂移是由信號電荷之間的靜電排斥作用引起的；
圖（b）展示的不考慮邊緣場效應(yīng)下熱擴散的過程，在不考慮邊緣場效應(yīng)的情況下，熱擴散決定電荷傳輸性能，因為剩余電荷最終會減少至幾個電子；
圖（c）展示的邊緣場效應(yīng)，其是由兩個電極之間的電壓差引起的，并且加快了最后階段的電荷轉(zhuǎn)移，是電荷轉(zhuǎn)移的最重要驅(qū)動力。

2.2.2 持續(xù)轉(zhuǎn)移過程

以上說明了信號電荷的局部轉(zhuǎn)移過程，接下來討論信號電荷的持續(xù)轉(zhuǎn)移過程，如下圖所示是兩項CCD的工作方式：

如下圖所示是四項CCD工作方式：

兩者工作方式其實大同小異，都是通過給金屬電極輸入步進電壓使得信號電荷持續(xù)移動，但是兩項CCD傳輸速度更快，而四項CCD傳輸能力更強。

2.2.3 完整轉(zhuǎn)移過程

接下來進一步討論一個完整的CCD圖像傳感器信號電荷轉(zhuǎn)移過程，如下圖所示：

圖（a）是全幀轉(zhuǎn)移CCD（FTCCD）的結(jié)構(gòu)。其工作流程是：在曝光過程中，信號電荷積累在成像區(qū)域的光電二極管中，曝光完成后，信號電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)域中，最后再通過水平CCD一行一行進行輸出。這種結(jié)構(gòu)最大的缺陷是會發(fā)生漏光現(xiàn)象，這是由于信號電荷在向成像區(qū)域轉(zhuǎn)移時，轉(zhuǎn)移期間生成的信號電荷會疊加到其中。
圖（b）是 行間轉(zhuǎn)移CCD（ITCCD）的結(jié)構(gòu)。其工作流程是與FTCCD不同的是：在曝光完成后，信號電荷可以以極快地速度轉(zhuǎn)移到垂直CCD，從而減小了漏光現(xiàn)象的發(fā)生。
圖（c）是幀行間轉(zhuǎn)移CCD（FIT）的結(jié)構(gòu)。其工作流程是FTCCD和ITCCD的結(jié)合，其優(yōu)勢是高漏光抑制，但是其面積大且功耗大，因此只在特殊相機中使用。

2.3 進一步優(yōu)化

以上完成了所有CCD圖像傳感器的基本原理的介紹，接下來介紹若干CCD圖像傳感器的優(yōu)化技術(shù)

2.3.1 P阱優(yōu)化

如下圖是2.1節(jié)中介紹的掩埋溝道的三維示意圖，前文中介紹了掩埋溝道可以避免表面態(tài)并通過帶價鉗位減小表面暗電流的影響。但是出了表面的暗電流，在P型半導(dǎo)體基底中同樣會有熱擴散產(chǎn)生的暗電流，此外，當光線非常強烈是會有高光溢出效應(yīng)，這些對最終的成像都會有影響。

在掩埋溝道的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計P阱結(jié)構(gòu)可以有效抑制基底中的暗電流以及高光溢出效應(yīng)，P阱結(jié)構(gòu)如下圖所示：

由圖（a）可以看出，P阱結(jié)構(gòu)就是在掩埋溝道的基礎(chǔ)上添加了N型半導(dǎo)體作為襯底，構(gòu)成第二個PN結(jié)，在金屬電極上施加正電壓可以后電勢分布圖如圖（b）所示，暗電流相關(guān)的電荷會通過P阱與信號電荷隔離開，由此減少了暗電流的影響。此外，當光線足夠強烈時，多余的信號電荷會越過P阱進入N型半導(dǎo)體的襯底中，由此抑制了高光溢出效應(yīng)。

2.3.2 像元交叉陣列結(jié)構(gòu)CCD

如下圖（a）是行間轉(zhuǎn)移CCD的版圖，如果實現(xiàn)隔行掃描需要采用雙層多晶硅工藝制作，而如果實現(xiàn)逐行掃描則需要采用三層多晶硅工藝制作。

如上圖（b）所示就是對版圖設(shè)計的優(yōu)化，成為像元交叉陣列結(jié)構(gòu)CCD其空間利用效率更高且可以平穩(wěn)地傳輸大量信號電荷。

3. CMOS圖像傳感器

3.1 像素結(jié)構(gòu)

3.1.1 基本結(jié)構(gòu)

CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)可以分為有源像素和無源像素，所有有源指的是像素內(nèi)部有信號放大功能，反之則是無源。如下圖所示分別是有源和無源像素的結(jié)構(gòu)：

圖（a）是有源像素的基本結(jié)構(gòu)，圖中$\mathrm{P}\mathrm{D}$為光電二極管，${\mathbf{M}}_{\mathrm{R}\mathrm{S}}$為復(fù)位晶體管，${\mathbf{M}}_{\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{L}}$為線位選擇晶體管，${\mathbf{M}}_{\mathrm{R}\mathrm{D}}$為源極跟隨器晶體管，${\mathbf{V}}_{\mathrm{P}\mathrm{I}\mathrm{X}}$為光電二極管電壓，即入射光通過光電轉(zhuǎn)化后信號電荷在電容${\mathbf{C}}_{\mathrm{P}\mathrm{I}\mathrm{X}}$上累計的電壓，而${\mathbf{V}}_{\mathrm{P}\mathrm{I}\mathrm{X}\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}$為通過電容${\mathbf{C}}_{\mathrm{S}\mathrm{H}}$保持的輸出電壓。其中源極跟隨器是一種電壓緩沖器，具有電流放大能力但是不具備電壓放大能力。
圖（b）是無源像素的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對簡單但是噪聲較大，因此不適合大規(guī)模像素陣列。

以上是最基本的有源像素結(jié)構(gòu)，但是由于晶體管的特性，信號放大會發(fā)生一定程度上的失調(diào)波動而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生，晶體管${\mathbf{M}}_{\mathrm{R}\mathrm{D}}$是這種噪聲的主要來源，那么通過對電路進行改進可以抑制失調(diào)波動帶來的噪聲，改進結(jié)構(gòu)如下圖所示：

像素首先輸出 一個包含光生信號和放大器失調(diào)的信號${\mathbf{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{I}\mathrm{G}}$ ，這個信號讀出后被存儲在一個存儲單元中 。像素被復(fù)位后輸出一個僅包含放大器失調(diào)的信號${\mathbf{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{T}}$，這個信號再次被讀出井存儲在另一個存儲單元中。通過對兩次輸出做差，放大器的失調(diào)可以抵消 。 應(yīng)該指出的是，由暗電流的變化引起的失調(diào)不能被抑制 。

3.1.2 PN光電二極管

上述像素中最核心的部分是光電二極管，下面對光電二極管的典型結(jié)構(gòu)進行介紹，光電二極管分為PN光電二極管和鉗位光電二極管，其中PN光電二極管能提供更大的滿阱容量，而鉗位光電二極管具備更小的噪聲。如下圖所示是PN光電二極管的結(jié)構(gòu)：

PN光電二極管可以分為圖（a）所示的n+/p阱光電二極管和圖（b）所示的n阱/p襯底光電二極管。
圖（a）中，n+/p阱光電二極管在p阱區(qū)域內(nèi)形成一個高濃度的淺n+區(qū)，光電轉(zhuǎn)換發(fā)生在該結(jié)的耗盡區(qū)中，光電二極管適用于特征尺寸大于0.5~0.8微米的CMOS工藝。
圖（b）中，n阱/p襯底光電二極管中的n阱區(qū)域在低摻雜的p型外延層上形成，光電二極管的外圍通過p阱區(qū)域隔離。由于p型外延層的摻雜濃度非常低，耗盡層將會到達p型外延層的邊緣。因此，即使在高度集成的CMOS 工藝中也可以獲得較大的光轉(zhuǎn)換量 。光電二極管適用于特征尺寸小于0.5~0.8m的CMOS工藝。

PN光電二極管的根本問題是表面產(chǎn)生的暗電流和光電二極管復(fù)位時產(chǎn)生的熱噪聲:
表面產(chǎn)生的暗電流產(chǎn)生的原因在CCD圖像傳感器中有說明，可以通過引入掩埋型光電二極管和鉗位二極管的結(jié)構(gòu)加以抑制；
復(fù)位時產(chǎn)生的熱噪聲產(chǎn)生的原因是在導(dǎo)通狀態(tài)下，復(fù)位晶體管可以等效為一個電阻，因此整個光電二極管復(fù)位電路構(gòu)成了一個RC低通濾波電路，如下圖所示就會產(chǎn)生熱噪聲。該部分噪聲可以通過使用無損讀出實現(xiàn)復(fù)位降噪或者有源反饋復(fù)位噪聲校正加以抑制。

3.1.3 鉗位光電二極管

在n阱/p襯底光電二極管的基礎(chǔ)上進行改進就獲得鉗位光電二極管，如下圖是鉗位光電二極管的結(jié)構(gòu)：

在PN光電二極管中復(fù)位時是直接復(fù)位耗盡區(qū)的電荷，而在鉗位光電二極管中，復(fù)位是是復(fù)位浮置擴散（FD）節(jié)點，在圖中${\mathbf{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{D}}$對應(yīng)的就是n+區(qū)域。其流程是首先進行復(fù)位操作，讀取輸出電壓${\mathbf{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{S}\mathrm{T}}$，這時的輸出電壓是像素失調(diào)噪聲和復(fù)位噪聲，然后在進行信號電荷轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移完成后再次讀取輸出電壓${\mathbf{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{I}\mathrm{G}}$，這是的輸出電壓是實際的輸出電壓加上像素失調(diào)噪聲和復(fù)位噪聲，兩者相減像素失調(diào)噪聲和復(fù)位噪聲就被抵消，由此消除復(fù)位時產(chǎn)生的熱噪聲。

除此之安外，因為鉗位光電二極管的表面被p+層隔離，因此抑制了表面產(chǎn)生的暗電流。

3.2 信號處理結(jié)構(gòu)

3.2.1 像素讀出結(jié)構(gòu)

像素讀出結(jié)構(gòu)分為像素串行讀出結(jié)構(gòu)、’列并行讀出結(jié)構(gòu)和像素并行讀出結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分別如下圖所示：

圖（a）為像素串行讀出結(jié)構(gòu)，行和列選擇脈沖一次選定一個像素，然后進行讀出和處理，并依次循環(huán)，積分時間逐個出現(xiàn)偏移；
圖（b）為列并行讀出結(jié)構(gòu)，同一行中的像素被同時讀出然后并行處理，處理后的信號被存儲在一個行存儲器中，并按順序讀出，積分時間逐行出現(xiàn)偏移；
圖（c）為像素并行讀出結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)中處理器單元 CPE）存在于每一個像素中，可以并行地進行圖像處理，這種結(jié)構(gòu)的缺點在于像素結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致像素尺寸大 、填充因子低 。

3.2.2 快門結(jié)構(gòu)

為了控制曝光時間，CMOS圖像傳感器需要額外的復(fù)位掃描，在讀出掃描信號進行掃描之前，這個復(fù)位掃描信號開始掃描像素陣列 。 復(fù)位脈沖和讀出脈沖之間的時間間隔決定了曝光時間 ，這個過程類似于機械卷簾式快門。 因此，對應(yīng)于 CCD 圖像傳感器的全局快門，這種快門 工作方式叫做卷簾式快門。具體實現(xiàn)如下圖所示：

4. 總結(jié)

這里直接引用原文中的一段文字：

自 從 20 世紀 90 年代初提出 CMOS 有源像素傳感器的概念以來，叫 CMOS 圖像傳感器技術(shù)的性能已經(jīng)發(fā)展到能夠與 CCD 技術(shù)相提并論的水平 。 早期的 CMOS 圖像傳感器由于暗電流的不均勻性，導(dǎo)致了較大的 FPN 。 許多懷疑者指出，即使 CMOS 圖像傳感器有很多優(yōu)良的特性，如低功耗、可以片上集成信號處理電路等，但是對于 CMOS 圖像傳感器而言，提高圖像質(zhì)量仍是一個很大的問題 。 然而，隨著鉗位光電二極管CCD技術(shù)的提出，CMOS 圖像質(zhì)量問題正迅速得到解決 。 將 CCD 有源像素結(jié)構(gòu)與片上信號處理電路結(jié)合，可以獲得比 CCD 圖像傳感器更低的暫態(tài)噪聲 。擁有大尺寸像素的高分辨率的 CMOS 圖像傳感器實際上已經(jīng)應(yīng)用到幾種數(shù)碼單反相機中，它們已經(jīng)被證實擁有著出色的圖像質(zhì)量 、更高速度的像素速率以及更低的功耗

此前，由于 CMOS 圖像傳感器的像素總是比 CCD 圖像傳感器大，因此，除了用于DSLR 領(lǐng)域外， CMOS 圖像傳感器（因其成本低）主要被用于低端數(shù)碼相機 。 近年來，由于更先進的加工技術(shù)和像素共享結(jié)構(gòu)的提出 ,CMOS 圖像傳感器的像素尺寸顯著地降低，隨著這些技術(shù)的改進， CMOS 圖像傳感器已成為緊湊型 DSC 和數(shù)碼單反相機領(lǐng)域有力的競爭者 。在另一方面， CCD 圖像傳感器也取得了長足的進步 。 除了固有的良好的圖像還原能力，近期的 CCD 圖像傳感器還具有多種特別適合 DSC 領(lǐng)域應(yīng)用的特點

以上就完成了所有總結(jié)，如有問題，歡迎指出~

此外，對圖像降噪算法感興趣的同學(xué)可以看考我的博客圖像降噪算法——圖像降噪算法總結(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的图像传感器与信号处理——详解CCD与CMOS图像传感器的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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