低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)研究

楊敏

摘 要：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是目前電壓控制的一種放大器件，在CMOS圖像傳感器中扮演著重要的角色，尤其是由其所構(gòu)成的圖像傳感器具有良好的經(jīng)濟(jì)性、功耗低、體積小等優(yōu)勢，更是成為今后固定微光器件發(fā)展的主流趨勢。本文將從光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長時間積分技術(shù)、低噪聲技術(shù)圍繞低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)展開研究，旨在為其更好的應(yīng)用提供幫助。

關(guān)鍵詞：低照度；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；圖像傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.251

0 前言

盡管微光成像技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)前多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是因真空微光器件仍然為其主流，使得夜視成像效果欠佳，所以提高圖像傳感器的靈敏度、獲得更加高清的可見光圖像成為當(dāng)務(wù)之急。CMOS圖像傳感器為CMOS電路與圖像傳感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，自上個世紀(jì)末誕生以來得到了跨越式發(fā)展。由于其能夠獨(dú)立完成復(fù)雜的光電信號處理，將其應(yīng)用于圖像傳感技術(shù)中可滿足上述要求。因而本文針對低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)展開的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)研究

靈敏度為衡量低照度CMOS圖像傳感器應(yīng)用價值的重要參照指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中靈敏度受到量子效率和光敏面面積大小等因素制約，可見光的波長一般在770納米～390納米之間，其穿透深度與波長存在著密切的關(guān)聯(lián)性，一般情況下可見光波長越大，其穿透深度越深[1]。所以通過加深光電二極管結(jié)構(gòu)區(qū)域則能夠?qū)崿F(xiàn)提高波長較長的可見光光子吸收效率，從而產(chǎn)生沖擊力更強(qiáng)的光電流信號。當(dāng)前普遍開展的光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)的研究正是基于此點(diǎn)內(nèi)容而開展的。

2 像元面積優(yōu)化技術(shù)研究

上文已經(jīng)敘述，靈敏度與光敏面面積大小息息相關(guān)，換而言之低照度CMOS圖像傳感器中像元感光面積亦能夠直接影響圖像傳感器的靈敏度，所以提高像元感光面積成為提升低照度CMOS圖像傳感器靈敏度最直接、最有效的手段之一。但是要想實(shí)現(xiàn)該目的卻需要注意一下幾個前提：首先，像元面積的增大勢必會導(dǎo)致整個芯片面積以及光學(xué)系統(tǒng)體積的增大，成本隨之提高。另一方面，像元面積的增大還會導(dǎo)致整個元器件尺寸以及所處位置發(fā)生改變，此時就需要重新對整個低照度CMOS圖像傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以此方面內(nèi)容將會成為今后研究的重要內(nèi)容之一。

3 微光楔技術(shù)研究

低照度CMOS圖像傳感器整合了大量的信號處理器，使得多路功能得到了顯著增強(qiáng)，但是隨之而來的問題則是填充因子數(shù)量不足，使得其僅能夠維持在30%左右，此時靈敏度處于一個較低的問題，也是限制低照度CMOS圖像傳感器進(jìn)一步在多個領(lǐng)域使用的關(guān)鍵因素之一。基于此，本文認(rèn)為提高填充因子將可以直接解決該問題，而具體的舉措可通過以下兩種手段實(shí)現(xiàn)：其一，將微透鏡置入光敏面上移增強(qiáng)入射光的能量聚焦，借助于微透鏡所具有的反射功能、透射損失率的優(yōu)勢來提高填充因子數(shù)量，可將其由原來的30%提升至70%。其二，利用微光楔技術(shù)。該技術(shù)充分利用了反射技術(shù)，利用高反射率將照射入像元面積的可見光經(jīng)反射以進(jìn)入光點(diǎn)二極管的光敏面之中，從而大幅增加了低照度CMOS圖像傳感器的可見光量子利用率，在理論上該技術(shù)能夠?qū)⑻畛湟蜃犹岣咧?00%且不會增加傳感器元器件體積，所以本文著重推薦應(yīng)用微光楔技術(shù)。

4 長時間積分技術(shù)研究

低照度CMOS圖像傳感器突出的優(yōu)勢在于能夠于像元內(nèi)對接收到的光線信號進(jìn)行處理，而光電流積分則是當(dāng)前提高輸出光電信號幅度和降低信噪比最有效的手段。鑒于其主要是通過利用幀時間實(shí)現(xiàn)上述目的，所以提高延長光電流積分時間在理論上有助于提高光電信號的輸出幅度，比如一般情況下的低照度CMOS圖像傳感器幀頻在50Hz，幀時間20ms，此時間已經(jīng)涵蓋了積分時間和讀出時間且二者之間存在著明顯的互補(bǔ)性，若是將讀出時間降低至100μs以下，則積分時間隨之延長，在理論上可達(dá)到19.9ms極限數(shù)值[2]。

5 低噪聲技術(shù)研究

上述光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長時間積分技術(shù)的研究主要是基于提高輸出信號幅度視角出發(fā)，但是不可否認(rèn)的是低照度CMOS圖像傳感器在運(yùn)行時信噪比亦會對其帶來嚴(yán)重影響，所以提高信噪比顯得尤為重要。既往采取的優(yōu)化電路設(shè)計(jì)能夠收獲一定的降噪效果，但是在實(shí)際應(yīng)用中因研發(fā)成本較高并不具有推廣使用價值。為此，本文建議可從低噪聲技術(shù)著手，利用列級信號處理的方式來實(shí)現(xiàn)提高低照度CMOS圖像傳感器信噪比的目的，即：將高增益的列級放大器與多重采樣技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在獲得更為理想的輸出信號時有效抑制由此所帶來的噪聲，從而將信噪比控制在亞電子數(shù)噪聲水平。由于其電壓增益在1以下，晶體管產(chǎn)生的噪聲被電路增益抑制[3]。此項(xiàng)技術(shù)在2012年就已經(jīng)得到了實(shí)際驗(yàn)證，低照度CMOS圖像傳感器獲取的影響更為清晰，所以將其廣泛推廣使用已經(jīng)具備了較高的可操作性及可行性。

6 結(jié)論

綜上所述，低照度CMOS圖像傳感器所具有的優(yōu)勢將會日益凸顯，但是其在實(shí)際應(yīng)用中所暴露出的輸出信號幅度及信噪比低的問題同樣不容忽視，而上述兩個問題也是限制低照度CMOS圖像傳感器獲取的夜間成像效果欠佳的“罪魁禍?zhǔn)住保虼吮疚脑谔岣咻敵鲂盘柗戎兄胤治隽斯怆姸O管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長時間積分技術(shù)，旨在大幅提高輸出信號幅度，以獲取更為理想的成像效果。而在提高信噪比方面則是著重圍繞低噪聲技術(shù)加以分析，最終認(rèn)定上述五種技術(shù)的研究有助于提高低照度CMOS圖像傳感器的實(shí)際應(yīng)用價值，值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖軍，劉靜，薛院院等.CMOS圖像傳感器總劑量輻照效應(yīng)及加固技術(shù)研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2017，05（01）：1-7.

[2]黃洛俊，康恒，程嵩等.超臨界CO_2清洗技術(shù)在CMOS圖像傳感器中的應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2017，11（04）：273-278.

[3]聞超，韓本光，汪西虎等.一種CMOS圖像傳感器4T-APS像素電路線性化技術(shù)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，24（02）：31-33.