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作者：Luo Xin 上次談到APS像素是CMOS成像器的關鍵技術，所以我們首先了解APS像素是如何工作和構成的。最簡單也是最基本的APS像素是由三個晶體管和一個光電二極管構成的，因此被稱為3T-APS。如圖2所示意，（C）為單個像素的電路原理圖。其中Trst是重置開關晶體管，由Reset信號控制工作在開關狀態；Tsf是一個源極跟隨器工作在線性狀態，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是一個選擇開關，由信號Select控制，把這個像素的輸出電壓選擇到列輸出共享總線Column Output上；還有一個光電二極管PD-Photodiode，用于實現光電轉換功能。在大多數情況下，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，為PMOS晶體管而不得不使用占據較大面積的雙阱結構。 
APS的曝光過程如圖2（A）所示意。在一次曝光開始的時候，首先要通過Reset信號開啟重置開關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。這個反偏的重置電壓使光電二極管PN結兩側分別聚集了正電荷 - 空穴和負電荷 - 電子，也就是說PN結電容充電，其電荷量為： Qrst = CPD * ( Vrst–Vth ) 其中CPD為反偏的光電二極管PN結電容。當Trst完成重置而關閉后，PD結點成為懸浮狀態。然后當入射光照射這個PN結時，光量子激發PN結上充電的電子 - 空穴對復合，PN結電容上的電荷量隨曝光時間的延長，從Qrst值開始下降。因為這時PD結點是懸浮的，所以PN結電容上的電壓值也隨電荷量的下降而下降： dVPD = dQPD / CPD。 dQPD及其對應的dVPD的下降速率（斜率）隨入射光的強度而不同。在相同的曝光時間內，PD結點電壓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Select控制開關管Tsel，使Vout電壓選擇輸出到列共享總線Column Output上去，實現了對應于光照強度的模擬電壓信號輸出的導出。 對應于圖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構，尺寸也并未按比例畫出。這類結構通常稱為L型像素，因為其垂直和水平共享導線被安排在像素上互相垂直的兩個相鄰邊緣內側。在像素版圖的水平方向，有重置Reset和選擇 Select兩個控制信號；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。在這個版圖中所示意的情況中，為了簡化結構重置電壓Vrst簡單地用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，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換效率，光電二極管PD的面積APD與整個像素面積Apixel的比例被稱為像素的填充系數Fill Factor （FF）： FF = APD / Apixel 填充系數Fill Factor - FF是衡量像素性能的重要參數之一。 在入射光照射下，載流子的復合不僅發生PN結的面積上，即APD的N有源區與P-Sub襯底接觸的底面積上，同時也發生在二極管的邊緣上。因此PD的N有源區周邊長度也非常重要，改進PD的形狀以增加其邊緣長度，也可以提高傳感器的光電轉換效率。 在圖2（B）示意的像素版圖上，PD的N有源區延長部分形成了三個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的Vdd，由Trst和Tsf兩個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Tsel的漏共享有源區，而Tsel的源極經過垂直的金屬1列總線輸出到Output。 為了改進CMOS成像器的圖像質量，往往增加APS像素的有源器件數。4T-APS可以大幅度提高光電信號的信噪比；5T和6T等多晶體管像素結構可以用于實現全局快門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，會擠占光電二極管的面積，從而降低像素的填充系數FF。尤其在微小尺寸如2.2 x 2.2微米以下像素設計中，過低FF將降低傳感器的靈敏度和動態范圍。所以往往要權衡增加的晶體管為圖像質量和功能上帶來的改進，與各方面性能要求的滿足，甚至3T-APS的結構在某些場合也還是可考慮的。 |
