CMOS图像传感器简史，看CMOS传感器发展趋势

在过去的十年里，CMOS图像传感器（CIS）技术取得了令人瞩目的进展，图像传感器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。

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，CMOS图像传感器将完全取代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CMOS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）。

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。

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）。

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）。

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

BSI流程
使用BSI架构制作CMOS图像传感器需要许多工艺步骤。两种不同的BSI工艺流程Si-Bulk（图5）和SOI（图6）如下所示：

图5：BSI Si-Bulk简化流程

图6：BSI SOI工艺流程（来源：Yole）

CIS的全局快门（GS）与滚动快门（RS）
"滚动快门"（RS）是一个技术术语，指的是图像传感器扫描图像的方式。如果传感器采用RS，则表示从传感器的一侧（通常是顶部）到另一侧依次逐行扫描图像。通常，CMOS图像传感器在RS模式下工作，其中曝光和快门操作逐行（或逐列）执行。

"全局快门"（GS）也是一个技术术语，指的是可以同时扫描图像的整个区域的传感器。在GS传感器中，使用所有像素同时捕获图像。GS架构包括一个存储器结构和附加的MOS晶体管，以提供额外的功能。今天，大多数CIS成像器采用GS模式来避免失真和伪像，如寄生光敏感度（见图7）。使用GS功能的CMOS图像传感器用于各种领域，包括广播、汽车、无人机和监控应用。