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CMOS图像传感器的过去,现在和未来

作者:时间:2017-06-21来源:半导体行业观察

  在过去的十年里,(CIS)技术取得了令人瞩目的进展,的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来,CIS技术取得了巨大的商业成功。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/360774.htm

  包括科学家和市场营销专家在内的许多人,早在15年前就预言,将完全取代CCD成像设备,就像20世纪80年代中期CCD设备取代了视频采集管一样。尽管在成像领域占有牢固的地位,但它并没有完全取代CCD设备。

  另一方面,对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序,而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术,并对未来的发展前景进行了展望。

  图像传感器的定义和用途

  图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异

   “模拟”CCD执行光子到电子的转换。

   “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换

  图像传感器用于数码相机和成像设备,将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。

  CIS vs. CCD

  今天,有两种不同的技术用于数字图像采集(图1):

   电荷耦合器件(CCD)是线性传感器,其输出与接收到的光子数量直接相关。

   互补金属氧化物半导体(CMOS,或CMOS图像传感器CIS)是一种较新的并行读出技术。

  这两种类型的成像设备都将光转化为电子(或电荷),随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动,直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构,其中每个像素都可以单独寻址,或者作为一个组并行地读出(参见图1)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来


  CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降,数码相机已经变得非常便宜和普及。

  在表1中,我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点,在不同的应用中各显其能(用绿色表示)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

  表1:CCD与CMOS架构比较(来源:e2V)

  CIS中的关键组件

  CMOS图像传感器有四个主要组件(见图2):

  1光电二极管(PD)

  2 像素设计

  3 彩色滤光片(CF)

  4 微透镜

  光电二极管(PD)用于捕捉光,一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管,它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。最后,微透镜从CIS的非活性部分收集光,并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

  图2:CIS中的关键组件(来源:IBM,FSI)

  CIS性能参数

  有许多参数可用于评估图像传感器的性能。我们使用三个主要指标对这些参数进行分类:

  1像素布局:像素数,像素间距,像素填充因子

  2像素物理:量子效率,阱容量,动态范围,转换增益,暗电流

  3像素读数:信噪比,帧速率,线性度,功耗,位深度,调制传递函数,快门效率

  (4)背面照度(BSI)技术与前面照度(FSI)技术

  高级CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构,以便在保持或增强电—光性能的同时减小像素尺寸。较小的像素通常会带来更高的分辨率、更小的器件,以及更低的功耗和成本。理想情况下,缩小像素尺寸的任何新CIS架构都不应该降低性能或图像质量。一种较新的CIS架构背面照度(BSI)技术,是常用的前面照度(FSI)技术的有前途的替代方案(见图3)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

  图3:::FSI vs. BSI

  BSI技术涉及到将图像传感器倒置,并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面,以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路,从而具有更高的量子效率(1)(QE)和较低的串扰(2)(见图4)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

  图4:串扰

  (1)QE =转换成为电子的光子的百分比

  (2)电子串扰=相邻像素之间的电荷(电子或空穴,取决于像素类型)的扩散。它由于底层的电子机制(扩散和漂移)而在硅材料中发生


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关键词: CMOS 图像传感器

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