Кіріспе
Интегралды схемадан тұратын бейне сенсоры Активті пикселдік сенсор (APS) - бұл Питер Дж. В. Нобль 1968 жылы ойлап тапқан бейне сенсоры, онда әрбір пикселдік сенсордың бірлік жасушасында фотодетектор (әдетте тігілген фотодиод) және бір немесе бірнеше белсенді транзистор бар. CMOS сенсорлары қосарланған құрылғы (CCD) бейне сенсорларын зарядтаудың баламасы ретінде пайда болды және ақыр соңында 2000-жылдардың ортасына қарай оларды сатып алды. Активті пикселдік сенсор термині бейне сенсорға қарама-қарсы жеке пикселдік сенсордың өзіне қатысты қолданылады. Бұл жағдайда бейне сенсорды кейде белсенді пикселдік сенсорлы бейнелеуші немесе белсенді пикселдік бейне сенсор деп атайды.
An active pixel sensor (APS) is an image sensor, which was invented by Peter J. W. Noble in 1968, where each pixel sensor unit cell has a photodetector (typically a pinned photodiode) and one or more active transistors. CMOS sensors emerged as an alternative to charge coupled device (CCD) image sensors and eventually outsold them by the mid 2000s. The term active pixel sensor is also used to refer to the individual pixel sensor itself, as opposed to the image sensor. In this case, the image sensor is sometimes called an active pixel sensor imager, or active pixel image sensor.
Өмірбаян
Металл оксидті жартылай өткізгіш (МОҚ) технологиясын зерттеу кезінде Уиллард Бойл мен Джордж Э. Смит электр зарядын шағын МОҚ конденсаторда сақтауға болатынын түсінді, ол 1969 жылы ойлап тапқан зарядты жұп құрылғысының (СКД) негізгі құрылыс блогына айналды. CCD технологиясының бір мәселесі - оқуда зарядтың мүлдем мінсіз берілуіне деген қажеттілігі, бұл "олардың сәулеленуіне төзімділік береді. "жұмсақ", аз жарық жағдайында қолдануға қиын, үлкен матрицалар көлемінде өндіруге қиын, чип электроникасына біріктіруге қиын, төмен температурада қолдануға қиын, кадр жылдамдығында қолдануға қиын және толқын ұзындығы жауаптарын кеңейтетін кремний емес материалдарда өндіруге қиын". RCA лабораториясында зерттеу тобы, оның ішінде Пол К. Веймер, В. С. Пайк және Г. Садасив 1969 жылы фотодетектор үшін фотожелісті пленкамен, жұқа пленкалы транзисторларды (TFT) пайдалана отырып, сканерлеу схемалары бар қатты күйдегі бейне сенсорін ұсынды. 1981 жылы Ричард Ф. Лион оптикалық тышқанның қолдануы үшін төмен резолюциялы "негізінен цифрлық" N арналы MOSFET (NMOS) визуализаторының пикселдік күшейткіші көрсетілді. APS-ке байланысты бейне сенсор технологиясының тағы бір түрі - гибридті инфрақызыл фокустық жазықтық массиві (IRFPA), содан кейін 1982 жылы А. Кохоно, Э. Ода және К. Араймен бірге Тераньши мен Ишихара жариялады, оған анти-бломинг құрылымы қосылды. Тіркелген фотодиод - фотодетектор құрылымы, кішігірім кідіріс, кішігірім шу, жоғары кванттық тиімділік және кішігірім қараңғы ток. Фотодиодтар массивіне пиксельдер p n тұйықтамасы, интеграцияланған конденсатор және MOSFET-тер таңдау транзисторлары ретінде кіреді. 1968 жылы Г. Веклер фотодиодтар массивін ұсынды, ол CCD-ден бұрын пайда болған. Питер Дж. В. Нобл 1968 жылы ұсынған пикселдік таңдау транзисторлары бар бейне сенсор элементтері бар. MOS пассивті пиксельдік сенсор фотодиодтың интегралды зарядын оқу үшін пикселдегі қарапайым коммутаторды қолданды. Пиксельдер екі өлшемді құрылымда орналастырылды, бір қатардағы пиксельдермен ортақ қосылған кіру желісі және бағанмен ортақ шығарылатын желісі бар. Әр бағананың соңында транзистор болды. Пассивті пиксельдік сенсорлар көптеген шектеулерден зардап шекті, мысалы, қатты шу, баяу оқу және масштабталудың болмауы. Алғашқы (1960-1970 жылдар) фотодиодтар массивтері әр пикселдің ішінде таңдау транзисторларымен, чиптік мультиплексерлік схемалармен бірге іс жүзінде үлкен болды. Фотодиодтар массивтерінің шуы да өнімділікті шектейтін болды, өйткені фотодиодтың оқу шинасының сыйымдылығы оқу шуының деңгейін арттырды. Корреляциялық қос үлгі алу (CDS) сыртқы жады жоқ фотодиодтық массивпен де қолданылмайды. 1970 жылдары пикселдер көлеміне сәйкес белсенді пикселдік сенсорларды жасау мүмкін болмады, себебі сол кезде микролитография технологиясы шектеулі еді. Алғашқы MOS APS 1985 жылы Цутому Накамураның командасы Olympus-та жасаған. Активті пикселдік сенсор (APS) термині Накамура Olympus компаниясында CMD белсенді пикселдік сенсормен жұмыс істеген кезде пайда болды. CMD бейнелеушіде тік APS құрылымы болды, ол сигнал зарядын шығыс NMOS транзисторы астында сақтау арқылы толтыру коэффициентін арттырады (немесе пиксел өлшемін азайтады). Жапондық жартылай өткізгіш компаниялары 1980 жылдардың аяғы мен 1990 жылдардың басында өздерінің белсенді пикселдік сенсорларын шығарды. 1988-1991 жылдар аралығында Тошиба "қос қақпалы жүзбелі бет транзисторын" әзірледі, оның бойында APS құрылымы бар, әр пикселде көмілген арна MOS фотогейт және PMOS шығыс күшейткіші бар. 1989 және 1992 жылдар аралығында Canon Olympus сенсорларына ұқсас тік APS құрылымын қолданған, бірақ MOSFET-тер емес, биполярлы транзисторларды қолданған базалық сақталған бейне сенсорін (BASIS) жасады. белсенді пиксельдік сенсорлар төменгі ажыратылымдағы жоғары функционалдық қолданбалар үшін, мысалы, торшалы сезімталдығын және жоғары энергиялы бөлшектер детекторлары үшін пайдаланыла бастады. Алайда, CCD-де уақыт шашылымы мен тұрақты үлгідегі шудың деңгейі төмен болды және олар видеокамералар сияқты тұтынушылар үшін, сондай-ақ бейнекамералар түтіктерін алмастыратын телерадиокамералар үшін басым технология болды. 1993 жылы Жапониядан тыс жерде сәтті жасалған алғашқы практикалық APS НАСА-ның реактивті қозғалтқыш зертханасында (JPL) жасалды, ол CMOS-ке үйлесімді APS жасады. Оның жақтық APS құрылымы Toshiba сенсорына ұқсас, бірақ PMOS транзисторларынан гөрі CMOS-пен жасалды. PPD технологиясымен CMOS сенсорды 1997 жылы R. M. Guidash, 2000 жылы K. Yonemoto және H. Sumi, ал 2003 жылы I. Inoue жетілдірді. Бұл...
Passive pixel sensors were being investigated as a solid state alternative to vacuum tube imaging devices. The MOS passive pixel sensor used just a simple switch in the pixel to read out the photodiode integrated charge. Pixels were arrayed in a two dimensional structure, with an access enable wire shared by pixels in the same row, and output wire shared by column. At the end of each column was a transistor. Passive pixel sensors suffered from many limitations, such as high noise, slow readout, and lack of scalability. Early (1960s–1970s) photodiode arrays with selection transistors within each pixel, along with on chip multiplexer circuits, were impractically large. The noise of photodiode arrays was also a limitation to performance, as the photodiode readout bus capacitance resulted in increased read noise level. Correlated double sampling (CDS) could also not be used with a photodiode array without external memory. It was not possible to fabricate active pixel sensors with a practical pixel size in the 1970s, due to limited microlithography technology at the time. The first MOS APS was fabricated by Tsutomu Nakamura's team at Olympus in 1985. The term active pixel sensor (APS) was coined by Nakamura while working on the CMD active pixel sensor at Olympus. The CMD imager had a vertical APS structure, which increases fill factor (or reduces pixel size) by storing the signal charge under an output NMOS transistor. Other Japanese semiconductor companies soon followed with their own active pixel sensors during the late 1980s to early 1990s. Between 1988 and 1991, Toshiba developed the "double gate floating surface transistor" sensor, which had a lateral APS structure, with each pixel containing a buried channel MOS photogate and a PMOS output amplifier. Between 1989 and 1992, Canon developed the base stored image sensor (BASIS), which used a vertical APS structure similar to the Olympus sensor, but with bipolar transistors rather than MOSFETs. while active pixel sensors began being used for low resolution high function applications such as retina simulation and high energy particle detectors. However, CCDs continued to have much lower temporal noise and fixed pattern noise and were the dominant technology for consumer applications such as camcorders as well as for broadcast cameras, where they were displacing video camera tubes. In 1993, the first practical APS to be successfully fabricated outside of Japan was developed at NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), which fabricated a CMOS compatible APS. It had a lateral APS structure similar to the Toshiba sensor, but was fabricated with CMOS rather than PMOS transistors. The CMOS sensor with PPD technology was further advanced and refined by R. M. Guidash in 1997, K. Yonemoto and H. Sumi in 2000, and I. Inoue in 2003. This led to CMOS sensors achieve imaging performance on par with CCD sensors, and later exceeding CCD sensors. The video industry switched to CMOS cameras with the advent of high definition video (HD video), as the large number of pixels would require significantly higher power consumption with CCD sensors, which would overheat and drain batteries. CMOS sensors went on to have a significant cultural impact, leading to the mass proliferation of digital cameras and camera phones, which bolstered the rise of social media and selfie culture, and impacted social and political movements around the world. In recent years, the CMOS sensor technology has spread to medium format photography with Phase One being the first to launch a medium format digital back with a Sony built CMOS sensor. In 2012, Sony introduced the stacked CMOS BI sensor. Boyd Fowler of OmniVision is known for his work in CMOS image sensor development. His contributions include the first digital pixel CMOS image sensor in 1994; the first scientific linear CMOS image sensor with single electron RMS read noise in 2003; the first multi megapixel scientific area CMOS image sensor with simultaneous high dynamic range (86 dB), fast readout (100 frames/second) and ultra low read noise (1.2e RMS) (sCMOS) in 2010. He also patented the first CMOS image sensor for inter oral dental X rays with clipped corners for better patient comfort. By the late 2010s CMOS sensors had largely if not completely replaced CCD sensors, as CMOS sensors can not only be made in existing semiconductor production lines, reducing costs, but they also consume less power, just to name a few advantages. (see below)
HV-CMOS
HV CMOS құрылғылары - бұл жоғары кернеуде қолданылатын (жоғары энергиялы бөлшектерді анықтау үшін) кәдімгі CMOS сенсорларының арнайы түрі, мысалы CERN үлкен адронлы коллайдерінде ~30 120V-ға дейінгі жоғары сыну кернеуі қажет. Мұндай құрылғылар жоғары кернеуді қосу үшін пайдаланылмайды. CMOS сенсорлары әдетте гүлденуді (яғни, ашылған пикселден басқа жақын орналасқан пикселдерге фотозарядтың қан кетуін) жақсырақ бақылайды. Кескіннің қызыл, жасыл және көк компоненттерін сәуле бөлуші призмалармен бірлесіп ажырату үшін жеке сенсорларды қолданатын үш сенсорлы камера жүйелерінде үш CMOS сенсорлары бірдей болуы мүмкін, ал көпшілік бөлуші призмалар CCD сенсорларының бірі басқа екеуінің айналысуын талап етеді. суретті үйлесімді тәртіппен оқу үшін. CCD сенсорларынан айырмашылығы CMOS сенсорлары сенсор элементтерінің адрестелуін кері қайтаруға қабілетті. 4 миллион ISO фильм жылдамдығы бар CMOS сенсорлары бар.
CMOS-тің CCD-мен салыстырғанда кемшіліктері
CMOS сенсоры әдетте бір ретті шамамен 1/60 немесе 1/50 секунд ішінде түсіреді (жаңарту жылдамдығына байланысты), бұл "ерілістейтін жапқыш" әсеріне әкелуі мүмкін, онда сурет бұрылады (камераның немесе субъектінің қозғалысына байланысты солға немесе оңға еңкейтіледі). Мысалы, жылдамдықпен қозғалып бара жатқан машинаны іздегенде, машина бұрмаланбайды, бірақ фон еңкейгендей болады. Фреймді беру CCD сенсоры немесе "глобалды затвор" CMOS сенсоры мұндай проблемаға ұшырамайды; оның орнына ол бүкіл суретті бірден кадрлар қоймасына түсіреді. CCD сенсорларының ұзақ уақыттан бері пайдасы - олардың шудың төмендеуімен суреттерді түсіру мүмкіндігі. CMOS технологиясының жақсаруымен бұл артықшылық 2020 жылы жабылып, қазіргі заманғы CMOS сенсорлары CCD сенсорларын жеңе алады. CMOS пиксельдеріндегі белсенді схемалар жарыққа сезімтал емес беттің бір бөлігін алады, бұл құрылғының фотондарды анықтау тиімділігін төмендетеді (микролинзалар мен артқа жарық беретін сенсорлар бұл мәселені жеңілдете алады). Бірақ кадрларды беру CCD-де кадрларды сақтау түйіндері үшін сезімтал емес аумақтың жартысы бар, сондықтан салыстырмалы артықшылықтар сенсорлардың қандай түрлерін салыстырып жатқанына байланысты.
Пикселдер
Стандартты CMOS APS пиксел фотодетектордан (пингтелген фотодиодтан) тұрады. Пинтелген фотодиод бастапқыда желіаралық CCD-де оның төмен қараңғы ток пен жақсы көк респонсіясына байланысты қолданылған. Ал трансферлік қақпамен біріктірілгенде, зарядты толық тасымалдауға мүмкіндік береді. Пикселдік зарядтың ауысуын пайдалану корреляциялық қос үлгі алуды (CDS) пайдалануға мүмкіндік беру арқылы шуды төмендетуге мүмкіндік береді. Noble 3T пикселін кейде әлі де пайдаланады, өйткені өндіріс талаптары күрделі емес. 3T пикселінің элементтері 4T пикселінің элементтерімен бірдей, бірақ көшіру қақпасы мен фотодиодтан басқа. Қайта орнатылған транзистор, Mrst, жүретін диффузияны VRST-ге қайта орнату үшін коммутатор ретінде әрекет етеді, бұл жағдайда Msf транзистордың қақпасы ретінде бейнеленеді. Қайта орнатылған транзистор қосылған кезде фотодиод электрмен жабдықтау жүйесіне, VRST-ға, қосылып, барлық интегралды зарядты тазартады. Қайта орнатылған транзистор n типті болғандықтан, пиксель жұмсақ қайта орнату режимімен жұмыс істейді. MSF транзисторы буфер (яғни, көзді жалғаушы) ретінде жұмыс істейді, бұл пикселдің кернеуін жинақталған зарядты алып тастамай-ақ байқауға мүмкіндік беретін күшейткіш. Оның қуат көзі, VDD, әдетте қайта орнату транзисторының қуат көзіне байланады. Msel деп аталатын транзистор пикселдер массивінің бір жолын электронды жүйемен оқуға мүмкіндік береді. Пиксельдердің басқа да жаңалықтары, мысалы 5T және 6T пиксельдері де бар. Қосымша транзисторларды қосу арқылы, жалпыға ортақ дөңгелекті затворқа қарағанда, жаппай затвор сияқты функцияларды жүзеге асыруға болады. Пиксель тығыздықтарын арттыру үшін ортақ қатар, төрт жол және сегіз жолмен ортақ оқу және басқа архитектураларды қолдануға болады. 3T белсенді пикселінің нұсқасы - Дик Меррилл ойлап тапқан Foveon X3 сенсоры. Бұл құрылғыда үш фотодиод жазық өндіріс әдістерін қолдана отырып, бір-біріне үстіне қойылады, әр фотодиодтың өз 3Т схемасы болады. Әрбір қатпар өзінен төменгі қатпар үшін сүзгі ретінде әрекет етеді, ол содан кейінгі қабаттарда сіңірілген жарықтың спектрін ауыстырады. Әрбір қабатты детектордың жауаптарын ажырату арқылы қызыл, жасыл және көк сигналдарды қайта құруға болады.
Массив
Пиксельдердің екі өлшемді массиві қатарлар мен бағандарда ұйымдастырылады. Берілген жолдағы пиксельдер қайта орнатылған сызықтарды бөліседі, сондықтан бір уақытта бүкіл жол қайта орнатылады. Әр пикселдің қатардағы таңдауыш сызықтары да бірге байланады. Кез келген бағанадағы әрбір пикселдің шығыстары біріктіріледі. Бір уақытта тек бір жол таңдалғандықтан, шығыс желісі үшін бәсекелестік болмайды. Қосымша күшейткіш схемасы әдетте бағаналық негізде жасалады.
Өлшемі
Пиксельдік сенсордың өлшемі жиі биіктік пен ені бойынша, сонымен қатар оптикалық форматта беріледі.
Жақсы және тік құрылымдар
Активті пикселдік сенсор (APS) құрылымдарының екі түрі бар, олар - бүйірлік APS және тік APS. Мұнда Cpix пикселдік сақтау сыйымдылығы болып табылады, сондай-ақ ол "Оқу" адрестік импульсін TAMP шлюзіне ON OFF ауысу үшін сыйымдылықпен қосарлауға қолданылады. Мұндай пикселдік оқу схемалары аз сыйымдылықтағы фотоөткізгіш детекторлармен, мысалы, аморфты селенмен жақсы жұмыс істейді.
Құрылыс нұсқалары
Көптеген пиксель дизайны ұсынылды және жасалды. Стандартты пиксел белсенді пиксел үшін мүмкіндігінше аз сымдарды және ең аз, тығыз жиналған транзисторларды пайдаланады. Пикселдегі белсенді схема фотодетекторға көбірек орын беру үшін мүмкіндігінше аз орын алуы маңызды. Транзисторлардың санының жоғары болуы толтыру факторына, яғни пикселдің жарыққа сезімтал аймағының пайызына әсер етеді. Пиксель өлшемін шуды азайту немесе кескіннің кідірілуін азайту сияқты қалаулы қасиеттерге айырбастауға болады. Шу - жарық сәулесін өлшеудің дәлдік өлшемі. Келесі кадрларда алдыңғы кадрдың іздері қалғанда, яғни пиксел толық қалпына келтірілмеген кезде кідіріс пайда болады. Жұмсақ қалпына келтіру (кешекті кернеуді реттейтін) пикселіндегі кернеу шуының ауытқуы 0, бірақ кескіннің кеудесі мен тұрақты үлгі шуы проблемалық болуы мүмкін. RMS электронды дыбыс қатты қалпына келтіріледі Пиксель қатты қалпына келтіру арқылы Johnson Nyquist дыбысын немесе , фотодиодта тудырады, бірақ кейде қолайлы компромисс болатын суретке кедергі келтіреді. Қатты қалпына келтірудің бір жолы Mrst-ті p түріндегі транзистормен ауыстыру және RST сигналының полярлығын терістеу. p түріндегі құрылғының болуы толтыру факторын азайтады, өйткені p және n құрылғыларының арасында қосымша орын қажет; сонымен қатар қайта орнату транзисторын ағып кетуге қарсы ағынды ретінде пайдалану мүмкіндігін жояды, бұл n түріндегі қайта орнату FET-тің жиі пайдаланылатын артықшылығы. Қатты қалпына келтірудің тағы бір жолы, n типті FET-пен, RST-нің қосылған кернеуіне қатысты VRST кернеуін төмендету. Бұл азайту бас кеңістікті немесе ұңғыманың толық зарядтау қуатын азайтуы мүмкін, бірақ VDD бастапқы кернеуімен бөлек сымға бағытталмаса, толтыру коэффициентіне әсер етпейді.
Hard reset The pixel via hard reset results in a Johnson–Nyquist noise on the photodiode of or , but prevents image lag, sometimes a desirable tradeoff. One way to use hard reset is replace Mrst with a p type transistor and invert the polarity of the RST signal. The presence of the p type device reduces fill factor, as extra space is required between p and n devices; it also removes the possibility of using the reset transistor as an overflow anti blooming drain, which is a commonly exploited benefit of the n type reset FET. Another way to achieve hard reset, with the n type FET, is to lower the voltage of VRST relative to the on voltage of RST. This reduction may reduce headroom, or full well charge capacity, but does not affect fill factor, unless VDD is then routed on a separate wire with its original voltage.
Қатты және жұмсақ қалпына келтірудің комбинациялары
Флеш-рестинг, псевдо-флеш-рестинг және қатты-жуық рестинг сияқты әдістер жұмсақ және қатты рестингті біріктіреді. Бұл әдістердің егжей-тегжейі әртүрлі, бірақ негізгі идеясы бірдей. Алдымен, кескінді ысырып тастау үшін, қатты қалпына келтіру жасалады. Бұдан кейін жұмсақ қалпына келтіру жасалады, бұл кідіріссіз төмен шуды қалпына келтіреді. Псевдо-жарық қалпына келтіру VRST-ді VDD-ден бөлуді талап етеді, ал басқа екі әдіс күрделірек бағаналық схемаларды қосады. Нақтырақ айтқанда, псевдо-жарық режегі және қатты-жуық режегі екеуі де пикселдік қуат көздері мен нақты VDD арасында транзисторларды қосады. Нәтижесінде толтыру факторына әсер етпей, кішігірім орын беріледі.
Белсенді қалпына келтіру
Пикселдердің радикалды дизайны - белсенді қайта орнату пикселі. Белсенді қайта қосу дыбыс деңгейін төмендетеді. Компромисстің күрделі қалпына келтіру схемасы, сондай-ақ әлдеқайда үлкен пиксель немесе қосымша баған деңгейі.