Введение

Сенсор изображения, состоящий из интегральной схемы Активный пиксельный сенсор (APS) - это сенсор изображения, который был изобретен Питером Дж. У. Ноблом в 1968 году, где каждая ячейка пиксельного сенсора имеет фотодетектор (обычно прикрепленный фотодиод) и один или несколько активных транзисторов. CMOS-датчики появились как альтернатива зарядке связанных устройств (CCD) датчиков изображения и в конечном итоге превзошли их к середине 2000-х годов. Термин "активный пиксельный датчик" также используется для обозначения самого отдельного пиксельного датчика, в отличие от датчика изображения. В этом случае датчик изображения иногда называют активным датчиком изображения пикселя или активным датчиком изображения пикселя.

Предыстория

Исследуя технологию полупроводников металлических оксидов (MOS), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном конденсаторе MOS, который стал основным строительным блоком устройства зарядной пары (CCD), которое они изобрели в 1969 году. Проблема с технологией CCD заключалась в необходимости почти идеальной передачи заряда при чтении, что "делает их радиационную [терпимость?] "мягкие", трудно использовать при слабом освещении, трудно изготовить в больших размерах массивов, трудно интегрировать с электронной микросхемой, трудно использовать при низких температурах, трудно использовать при высоких частотах кадров и трудно изготовить из некремниевых материалов, которые расширяют длину волны". В лабораториях RCA исследовательская группа, включающая Пола К. Ваймера, В. С. Пайка и Г. Садасива, в 1969 году предложила создать датчик изображения в твердом состоянии с сканирующими схемами с использованием тонкопленочных транзисторов (TFT), с фотопроводящей пленкой, используемой для фотодетектора. Низкое разрешение "в основном цифровой" N-канальный MOSFET (NMOS) с внутрипиксельной амплификацией для оптического мыши было продемонстрировано Ричардом Ф. Лионом в 1981 году. Другой тип технологии датчика изображения, связанный с APS, - это гибридный инфракрасный фокусный плоскостной массив (IRFPA), а затем публично сообщенный Тераньси и Ишихарой с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением анти-цветящейся структуры. Прикрепленный фотодиод представляет собой фотодетекторную структуру с низким лагом, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. В фотодиодном массиве пиксели содержат p n-соединение, интегрированный конденсатор и MOSFET в качестве селекционных транзисторов. Фотодиодный массив был предложен Г. Веклером в 1968 году, предшествуя CCD. В 1968 году Питер Дж. У. Нобл предложил пассивные пиксельные датчики в качестве альтернативы вакуумным трубкам. Пассивный сенсор MOS использовал простой выключатель в пикселе для считывания интегрированного заряда фотодиода. Пиксели были расположены в двухмерной структуре, с проводом доступа, разделенным пикселями в одном ряду, и выходной проводом, разделенным колонкой. В конце каждой колонки был транзистор. Пассивные пиксельные датчики испытывали много ограничений, таких как высокий уровень шума, медленное считывание и отсутствие масштабируемости. Ранние (1960-е - 1970-е годы) фотодиодные массивы с транзисторами выбора внутри каждого пикселя, наряду с мультиплексорами на чипе, были непрактически большими. Шум фотодиодных массивов также был ограничением производительности, поскольку емкость вычислительной шины фотодиода привела к увеличению уровня шума считывания. Коррелированный двойной отбор проб (CDS) также не может использоваться с фотодиодным массивом без внешней памяти. В 1970-х годах из-за ограниченных возможностей микролитографии в то время было невозможно изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя. Первый MOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. Термин активный пиксельный датчик (APS) был придуман Накамурой во время работы над CMD активным пиксельным датчиком в Olympus. CMD-изображение имело вертикальную структуру APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя), сохраняя заряд сигнала под выходной транзистором NMOS. Другие японские компании полупроводников вскоре последовали за ними с их собственными активными пиксельными датчиками в конце 1980-х - начале 1990-х годов. В период с 1988 по 1991 год компания Toshiba разработала датчик "транзистор плавающей поверхности с двойными воротами", который имел боковую структуру APS, причем каждый пиксель содержал скрытый канал MOS и усилитель вывода PMOS. В период с 1989 по 1992 год Canon разработала базовый сенсор сохраненного изображения (BASIS), который использовал вертикальную структуру APS, аналогичную сенсору Olympus, но с биполярными транзисторами, а не MOSFET. в то время как активные пиксельные датчики начали использоваться для высокофункциональных приложений с низким разрешением, таких как моделирование сетчатки и детекторы частиц высокой энергии. Однако CCD по-прежнему имели гораздо меньший временный шум и шум с фиксированной структурой и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры, а также для радиовещательных камер, где они вытесняли трубки видеокамер. В 1993 году первая пра�...

HV-CMOS

HV CMOS-устройства являются специальным случаем обычных датчиков CMOS, используемых в приложениях высокого напряжения (для обнаружения высокоэнергетических частиц), таких как Большой адронный коллайдер CERN, где необходимо высокое разрывное напряжение до ~ 30 120 В. Однако такие устройства не используются для переключения высокого напряжения. CMOS-датчик также обычно имеет лучший контроль над цветом (то есть, кровотечением фотозарядки от сверхэкспонированного пикселя в другие близлежащие пиксели). В трех сенсорных системах камер, которые используют отдельные датчики для разрешения красного, зеленого и синего компонентов изображения в сочетании с призмами расщепления луча, три датчика CMOS могут быть идентичными, тогда как большинство призмов расщепления требуют, чтобы один из датчиков CCD был зеркальным изображением других двух, чтобы прочитать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратить адресацию датчиков. Существуют CMOS-датчики со скоростью пленки ISO 4 миллиона.

Недостатки CMOS по сравнению с CCD

Поскольку датчик CMOS обычно захватывает ряд за раз примерно за 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту "катушки затвора", когда изображение искажено (наклонено влево или вправо, в зависимости от направления движения камеры или объекта). Например, при отслеживании автомобиля, движущегося на высокой скорости, автомобиль не будет искажен, но фон будет выглядеть наклонным. У датчика CCD с передачей кадров или датчика CMOS с "глобальным затворами" нет этой проблемы; вместо этого он захватывает все изображение сразу в хранилище кадров. Преимуществом датчиков CCD является их способность снимать изображения с меньшим уровнем шума. С улучшением технологии CMOS это преимущество закрылось к 2020 году, с современными CMOS-датчиками, способными превзойти CCD-датчики. Активная схема в пикселях CMOS занимает некоторую площадь поверхности, которая не чувствительна к свету, снижая эффективность обнаружения фотонов устройства (микролинзы и датчики обратного освещения могут смягчить эту проблему). Но CCD передачи кадров также имеет около половины нечувствительной площади для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются.

Пиксель

Стандартный пиксель CMOS APS состоит из фотодетектора (прикрепленного фотодиода). Прикрепленный фотодиод первоначально использовался в межлинейных передачах CCD из-за его низкого темного тока и хорошего синего ответа, и в сочетании с передаточными воротами позволяет полностью передавать заряд от прикрепленного фотодиода к плавающей диффузии (которая далее соединена с воротами транзистора считывания), устраняя задержку. Использование внутрипиксельной передачи заряда может обеспечить снижение шума, позволяя использовать коррелированный двойной отбор проб (CDS). Пиксель Noble 3T все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. Пиксель 3T содержит те же элементы, что и пиксель 4T, за исключением шлюза передачи и фотодиода. Транзистор сброса, Mrst, действует как переключатель для сброса плавающей диффузии на VRST, который в этом случае представлен в виде шлюза транзистора Msf. Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключен к источнику питания, VRST, очищая весь интегрированный заряд. Поскольку транзистор сброса является типа n, пиксель работает в режиме мягкой сбросы. Транзистор считывания, Msf, действует как буфер (в частности, последователь источника), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания, VDD, обычно привязан к источнику питания транзистора сброса VRST. Транзистор выбора, Msel, позволяет читать один ряд пиксельного массива с помощью электронной системы считывания. Существуют и другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T и 6T. Добавляя дополнительные транзисторы, возможно выполнение таких функций, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного ролинг-закрывателя. Для увеличения плотности пикселей могут использоваться совместные строки, четырехсторонние и восьмисторонние совместные считывания и другие архитектуры. Вариантом 3T-активного пикселя является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом. В этом устройстве три фотодиода расположены друг на друге с использованием методов плоского изготовления, каждый фотодиод имеет свою собственную 3T-схему. Каждый слой служит фильтром для слоя, расположенного ниже, смещая спектр поглощаемого света в последовательных слоях. Деконволируя ответ каждого слойного детектора, можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы.

Массив

Типичный двухмерный массив пикселей организован в ряды и столбцы. Пиксели в данном ряду делятся линиями сброса, так что вся строка сбросается за один раз. Линии выбора ряда каждого пикселя в ряду также связаны друг с другом. Выходы каждого пикселя в любом заданном столбце связаны друг с другом. Поскольку в данный момент времени выбирается только одна строка, не возникает конкуренции за выходную линию. Дальнейшие схемы усилителя обычно на колонной основе.

Размер

Размер датчика пикселей часто указывается в высоте и ширине, а также в оптическом формате.

Боковые и вертикальные конструкции

Существует два типа активных пиксельных датчиков (APS), боковые APS и вертикальные APS. Здесь Cpix - это емкость хранения пикселей, а также используется для емкостного соединения адресующего импульса "Читания" с воротами TAMP для переключения ON OFF. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с фотопроводниковыми детекторами низкой емкости, такими как аморфный селен.

Варианты конструкции

Было предложено и сфабриковано много различных дизайнов пикселей. Стандартный пиксель использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество, наиболее плотно упакованных транзисторов, возможных для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы предоставить больше места для фотодетектора. Высокое количество транзисторов влияет на фактор заполнения, то есть на процент площади пикселей, чувствительных к свету. Размер пикселей может быть обменен на желаемые качества, такие как снижение шума или уменьшение задержки изображения. Шум - это мера точности, с которой может быть измерен падающий свет. Отставание возникает, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, т.е. пиксель не полностью сброшен. Различие напряжения и шума в мягком сбросе (регулируемом напряжении врат) пикселя равняется , но задержка изображения и шум фиксированного шаблона могут быть проблематичными. В электронах rms шум является жестким сбросом Пиксель через жесткий сброс приводит к шуму Джонсона-Найквиста на фотодиоде или , но предотвращает задержку изображения, иногда желательный компромисс. Один из способов использования жесткого сброса - заменить Mrst транзистором типа p и инвертировать полярность сигнала RST. Наличие устройства типа p уменьшает коэффициент заполнения, поскольку требуется дополнительное пространство между устройствами p и n; он также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве слива переполнения, что является обычно используемым преимуществом FET сброса типа n. Другой способ достижения жесткого сброса, с FET типа n, заключается в снижении напряжения VRST относительно напряжения RST. Это уменьшение может уменьшить площадь для зарядки или полную мощность зарядки, но не влияет на коэффициент заполнения, если VDD не будет направлен по отдельному проводу с его исходным напряжением.

Комбинации жесткого и мягкого сброса

Такие методы, как сброс с помощью флеш-резайта, псевдо-сброс с помощью флэша и сброс с помощью сбора из твердого в мягкий, объединяют мягкий и твердый сброс. Подробности этих методов различаются, но основная идея одна и та же. Сначала выполняется жесткий сброс, устраняя задержку изображения. Затем выполняется мягкое сброс, вызывающее сброс низкого уровня шума без добавления задержки. Псевдо-сброс вспышки требует отделения VRST от VDD, в то время как другие два метода добавляют более сложную схему колонки. В частности, сброс псевдо-вспышки и сброс твердости на мягкую добавляют транзисторы между пиксельными источниками питания и фактическим VDD. В результате уменьшается пространство для головы, не влияя на фактор заполнения.

Активный сброс

Более радикальная конструкция пикселей - это пиксель активного сброса. Активный сброс может привести к значительно более низким уровням шума. Компромисс - это сложная схема сброса, а также гораздо более крупный пиксель или дополнительная схема уровня колонки.