CMOS 图像传感器

CMOS Image Sensor

把光电转换、像素寻址和片上读出组合为保留空间位置的成像阵列。

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约 1 分钟

先区分感光、积分、读出和图像处理，再理解PPD、背照与堆叠如何改善各个环节。

系统理解

约 2 分钟

CMOS图像传感器并非一组光电二极管的简单并联。每个像素收集局部光生电荷，由寻址和读出电路保留位置关系，再由后续电路完成转换与处理。

器件层关注储荷、表面状态和载流子收集；光学层关注入射路径和串扰；集成层关注像素与逻辑的工艺分工。任何单一结构都不能替代完整成像性能表征。

在光电二极管基础上建立从局部光电转换到二维成像阵列的结构图像。

常见误区

背面照明等于删除正面晶体管。
像素数量等于每个空间点独立测得的RGB数量。
填充因子就是外部量子效率。

工程深入

12 条结论

器件与光学

定义

图像传感器把光场变成位置相关的电信号

CMOS图像传感器由感光像素阵列及寻址、读出电路组成。单个光电二极管只完成局部光电转换；形成图像还需要保留像素位置，并把各位置的信号依次或并行读出。^{1, 2}

成立条件 这里讨论常规二维强度成像，不把传感器输出直接等同于已完成颜色校正的照片。

机制

有源像素的缓冲器隔离感光节点与列总线

有源像素在像素内设置晶体管缓冲，使感光节点不必直接驱动整列的大寄生电容。由此获得的读出优势来自电路结构，而不是光电二极管天然把光信号放大。^{3, 4}

成立条件 源跟随器主要提供缓冲，不能把“有源”理解为其电压增益一定大于1。

定义

钉扎光电二极管将储荷区埋在表面之下

典型电子收集型PPD在p型区域内形成n型储荷区，并在其表面设置与p型体区相连的浅p⁺钉扎层。储荷区、转移栅和浮动扩散节点共同决定电荷如何积分和读出。^{3, 4}

成立条件 层次按电子收集型结构说明；反极性实现不能机械套用同一掺杂标记。

公式

积分电荷与读出电压是两个转换环节

在未饱和且收集电流近似恒定时，积分得到的电子数可用光电流与暗电流之和乘曝光时间再除以元电荷估算。PPD像素先在储荷区积累电荷，再把它转移到FD读出；两处电容不应混为同一参数。^{3, 4}

N_e\approx\frac{(I_{\mathrm{ph}}+I_d)t}{q}

$N_e$: 积分收集的电子个数无量纲
$I_{\mathrm{ph}}$: 光电流大小单位 A
$I_d$: 暗电流大小单位 A
$t$: 积分时间单位 s
$q$: 元电荷单位 C

成立条件 Iph和Id表示收集到积分节点的电流大小；忽略复合损失、溢出、非线性及额外增益，电荷转移需另行保证。

机制

正面照明的布线层改变入射光的可达路径

正面照明像素的部分入射光需要穿过布线和介质构成的开口。遮挡、入射角与光学堆栈共同影响到达感光区的比例，因此不能只按硅结面积判断外部光响应。^{1, 3}

成立条件 不把某个历史器件的捕获百分比推广到所有像素；微透镜和光导会改变有效光路。

机制

背面照明改变光路而非移除读出晶体管

背面照明使光从减薄硅片的背面进入，晶体管和金属仍位于另一侧。它将光学入射路径与正面布线分开，但仍需控制有源层厚度、背面表面状态与像素间隔离。^{1, 4}

成立条件 背面减薄、背面钝化和隔离的具体工艺依器件而定，不宣称BSI无条件提高所有波长的量子效率。

边界

背面钝化是背照式器件的电学边界

背面照明让入射光接近背表面，背表面复合和电势边界必须受控；减薄并不自动消除表面缺陷。背面钝化与相应掺杂设计是收集短吸收深度光生载流子的组成部分。⁴

成立条件 不是完整制造配方；薄层掺杂、电荷和表面处理需结合具体材料、波段及工艺验证。

机制

像素串扰同时包含光路与载流子路径

光可能进入相邻像素，生成的载流子也可能在收集前扩散到邻近储荷区。遮光、微光学结构、掺杂电场与沟槽隔离分别作用于这些路径；一种结构不能代替所有串扰控制。^{1, 4}

成立条件 隔离改善与暗电流、填充因子、制造损伤等需共同权衡；不把所有串扰都归为读出噪声。

关联

堆叠像素芯片与逻辑芯片允许工艺分工

将感光像素与逻辑读出分置在堆叠芯片上，可分别选择适合感光和逻辑的工艺，再通过垂直互连连接。书中外围TSV的示例仅是一种架构，不能推成所有堆叠CIS都使用相同互连位置。¹

成立条件 本条只描述教材具体堆叠原理；面积缩减、栅数和工艺节点是案例参数，不作为普遍性能保证。

边界

Bayer像素采样不等于每点同时测得RGB

常规Bayer滤色阵列为不同像素分配不同光谱通道，再通过去马赛克估计缺失的颜色分量。像素总数不能直接解释为每个空间位置都有三次独立颜色测量。^{2, 3}

成立条件 仅针对所述滤色阵列，不覆盖三层感光、分光多芯片或单色传感器。

公式

几何填充因子与光学效率不是同一个量

几何填充因子是像素面积中感光器件占据的比例。微透镜和实际入射角会改变到达感光区的光量，因此不能把这一面积比直接当成外部量子效率。³

\mathrm{FF}=\frac{A_{\mathrm{pd}}}{A_{\mathrm{pixel}}}

$\mathrm{FF}$: 几何填充因子无量纲
$A_{\mathrm{pd}}$: 感光器件投影面积单位 m²
$A_{\mathrm{pixel}}$: 像素投影面积单位 m²

成立条件 面积在同一像素投影平面比较；不是由填充因子单独计算光谱响应。

边界

暗电流来自材料与界面而非场景亮度

暗电流可来自体区产生与扩散、耗尽区缺陷和界面态等路径。它会在没有入射光时积累电荷，其平均值、像素间分布和随机涨落是不同指标。^{2, 4}

成立条件 温度、曝光时间、偏置与缺陷状态必须一并给出；不能用统一倍增温度经验值替代实际表征。

出处

4 份资料 · 21 处引用

1
集成电路三维系统集成与封装工艺
- 第 13 章，第 417 页 支持：图像传感器把光场变成位置相关的电信号
- 第 13 章，第 417–418 页 支持：正面照明的布线层改变入射光的可达路径；背面照明改变光路而非移除读出晶体管；像素串扰同时包含光路与载流子路径
- 第 13 章，第 419–421 页 支持：堆叠像素芯片与逻辑芯片允许工艺分工
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §22.3.8–22.3.9，第 705–706 页 支持：图像传感器把光场变成位置相关的电信号
- §22.3.8–22.3.9，第 704–706 页 支持：Bayer像素采样不等于每点同时测得RGB
- §22.3.8–22.3.9，第 699 页 支持：暗电流来自材料与界面而非场景亮度
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3
CMOS Image Sensors
Abbas El Gamal; Helmy Eltoukhy · 2005
- CMOS Image Sensors，第 8–11 页 支持：有源像素的缓冲器隔离感光节点与列总线
- CMOS Image Sensors，第 8–9 页 支持：钉扎光电二极管将储荷区埋在表面之下
- CMOS Image Sensors，第 10–11 页 支持：积分电荷与读出电压是两个转换环节
- CMOS Image Sensors，第 9–14 页 支持：正面照明的布线层改变入射光的可达路径
- CMOS Image Sensors，第 7 页 支持：Bayer像素采样不等于每点同时测得RGB
- CMOS Image Sensors，第 7–9 页 支持：几何填充因子与光学效率不是同一个量
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4
A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors
Eric R. Fossum; Donald B. Hondongwa · 2014
- §III及相关图，第 35–37 页 支持：有源像素的缓冲器隔离感光节点与列总线
- §III及相关图，第 36–37 页 支持：钉扎光电二极管将储荷区埋在表面之下；像素串扰同时包含光路与载流子路径
- §III及相关图，第 33–37 页 支持：积分电荷与读出电压是两个转换环节
- §III及相关图，第 36 页 支持：背面照明改变光路而非移除读出晶体管；背面钝化是背照式器件的电学边界
- §III及相关图，第 39 页 支持：暗电流来自材料与界面而非场景亮度
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常见误区

器件与光学

#图像传感器把光场变成位置相关的电信号

#有源像素的缓冲器隔离感光节点与列总线

#钉扎光电二极管将储荷区埋在表面之下

#积分电荷与读出电压是两个转换环节

#正面照明的布线层改变入射光的可达路径

#背面照明改变光路而非移除读出晶体管

#背面钝化是背照式器件的电学边界

#像素串扰同时包含光路与载流子路径

#堆叠像素芯片与逻辑芯片允许工艺分工

#Bayer像素采样不等于每点同时测得RGB

#几何填充因子与光学效率不是同一个量

#暗电流来自材料与界面而非场景亮度

集成电路三维系统集成与封装工艺

The Physics of Semiconductors

CMOS Image Sensors

A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors

图像传感器把光场变成位置相关的电信号

有源像素的缓冲器隔离感光节点与列总线

钉扎光电二极管将储荷区埋在表面之下

积分电荷与读出电压是两个转换环节

正面照明的布线层改变入射光的可达路径

背面照明改变光路而非移除读出晶体管

背面钝化是背照式器件的电学边界

像素串扰同时包含光路与载流子路径

堆叠像素芯片与逻辑芯片允许工艺分工

Bayer像素采样不等于每点同时测得RGB

几何填充因子与光学效率不是同一个量

暗电流来自材料与界面而非场景亮度