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淺談CMOS成像器連載之二:APS像素的原理和結(jié)構(gòu)

發(fā)布時(shí)間:2013-1-9 11:30    發(fā)布者:絕對(duì)好文
關(guān)鍵詞: CMOS成像
作者:Luo Xin

上次談到APS像素是CMOS成像器的關(guān)鍵技術(shù),所以我們首先了解APS像素是如何工作和構(gòu)成的。最簡(jiǎn)單也是最基本的APS像素是由三個(gè)晶體管和一個(gè)光電二極管構(gòu)成的,因此被稱為3T-APS。如圖2所示意,(C)為單個(gè)像素的電路原理圖。其中Trst是重置開關(guān)晶體管,由Reset信號(hào)控制工作在開關(guān)狀態(tài);Tsf是一個(gè)源極跟隨器工作在線性狀態(tài),其源極S輸出電壓跟隨著光電二極管PD上的電壓變化,其增益略小于1;Tsel是一個(gè)選擇開關(guān),由信號(hào)Select控制,把這個(gè)像素的輸出電壓選擇到列輸出共享總線Column Output上;還有一個(gè)光電二極管PD-Photodiode,用于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能。在大多數(shù)情況下,APS像素中所有的晶體管都只采用單一的NMOS管。這是為了避免在本來就有限的像素面積內(nèi),為PMOS晶體管而不得不使用占據(jù)較大面積的雙阱結(jié)構(gòu)。



APS的曝光過程如圖2(A)所示意。在一次曝光開始的時(shí)候,首先要通過Reset信號(hào)開啟重置開關(guān)Trst,把光電二極管PD反向偏置到Vrst - Vth電壓上,Vth為晶體管Trst的飽和電壓降。這個(gè)反偏的重置電壓使光電二極管PN結(jié)兩側(cè)分別聚集了正電荷 - 空穴和負(fù)電荷 - 電子,也就是說PN結(jié)電容充電,其電荷量為:

Qrst = CPD * ( Vrst–Vth )

其中CPD為反偏的光電二極管PN結(jié)電容。當(dāng)Trst完成重置而關(guān)閉后,PD結(jié)點(diǎn)成為懸浮狀態(tài)。然后當(dāng)入射光照射這個(gè)PN結(jié)時(shí),光量子激發(fā)PN結(jié)上充電的電子 - 空穴對(duì)復(fù)合,PN結(jié)電容上的電荷量隨曝光時(shí)間的延長(zhǎng),從Qrst值開始下降。因?yàn)檫@時(shí)PD結(jié)點(diǎn)是懸浮的,所以PN結(jié)電容上的電壓值也隨電荷量的下降而下降:

dVPD = dQPD / CPD。

dQPD及其對(duì)應(yīng)的dVPD的下降速率(斜率)隨入射光的強(qiáng)度而不同。在相同的曝光時(shí)間內(nèi),PD結(jié)點(diǎn)電壓VPD隨著電荷量QPD而降低,由源極跟隨器Tsf輸出電壓Vout,選擇信號(hào)Select控制開關(guān)管Tsel,使Vout電壓選擇輸出到列共享總線Column Output上去,實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于光照強(qiáng)度的模擬電壓信號(hào)輸出的導(dǎo)出。

對(duì)應(yīng)于圖2(C)像素電路原理的版圖示意于圖2(B),圖中不包括所有的工藝層和一些輔助的版圖結(jié)構(gòu),尺寸也并未按比例畫出。這類結(jié)構(gòu)通常稱為L(zhǎng)型像素,因?yàn)槠浯怪焙退焦蚕韺?dǎo)線被安排在像素上互相垂直的兩個(gè)相鄰邊緣內(nèi)側(cè)。在像素版圖的水平方向,有重置Reset和選擇 Select兩個(gè)控制信號(hào);在版圖的垂直方向,有像素的列輸出(Column Output)共享總線和電源線。在這個(gè)版圖中所示意的情況中,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)重置電壓Vrst簡(jiǎn)單地用Vdd電壓來替代,并與列共享輸出總線Column Output一起布線在金屬1層;而水平方向的重置Reset和選擇Select信號(hào),被布線在金屬2層。版圖中光電二極管的面積決定了像素的光電轉(zhuǎn)換效率,光電二極管PD的面積APD與整個(gè)像素面積Apixel的比例被稱為像素的填充系數(shù)Fill Factor (FF):

FF = APD / Apixel

填充系數(shù)Fill Factor - FF是衡量像素性能的重要參數(shù)之一。

在入射光照射下,載流子的復(fù)合不僅發(fā)生PN結(jié)的面積上,即APD的N有源區(qū)與P-Sub襯底接觸的底面積上,同時(shí)也發(fā)生在二極管的邊緣上。因此PD的N有源區(qū)周邊長(zhǎng)度也非常重要,改進(jìn)PD的形狀以增加其邊緣長(zhǎng)度,也可以提高傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率。

在圖2(B)示意的像素版圖上,PD的N有源區(qū)延長(zhǎng)部分形成了三個(gè)NMOS晶體管,從左到右依此為Trst、Tsf和Tsel。金屬1通過穿孔連接到有源區(qū)的Vdd,由Trst和Tsf兩個(gè)晶體管共享有源面積連接它們的漏極D。源極跟隨器Tsf的源極與選擇開關(guān)Tsel的漏共享有源區(qū),而Tsel的源極經(jīng)過垂直的金屬1列總線輸出到Output。

為了改進(jìn)CMOS成像器的圖像質(zhì)量,往往增加APS像素的有源器件數(shù)。4T-APS可以大幅度提高光電信號(hào)的信噪比;5T和6T等多晶體管像素結(jié)構(gòu)可以用于實(shí)現(xiàn)全局快門Global Shutter功能和防止圖像開花Blooming。但是在特定的像素尺寸下,這些增加的晶體管面積,會(huì)擠占光電二極管的面積,從而降低像素的填充系數(shù)FF。尤其在微小尺寸如2.2 x 2.2微米以下像素設(shè)計(jì)中,過低FF將降低傳感器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。所以往往要權(quán)衡增加的晶體管為圖像質(zhì)量和功能上帶來的改進(jìn),與各方面性能要求的滿足,甚至3T-APS的結(jié)構(gòu)在某些場(chǎng)合也還是可考慮的。
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