stringtranslate.com

Датчик с активным пикселем

Активно -пиксельный датчик ( APS ) — это датчик изображения , который был изобретен Питером Дж. В. Ноблом в 1968 году, в котором каждая ячейка пиксельного датчика имеет фотодетектор (обычно закрепленный фотодиод ) и один или несколько активных транзисторов . [1] [2] В активно-пиксельном датчике на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) в качестве усилителей используются полевые МОП-транзисторы (МОП-транзисторы) . Существуют различные типы APS, включая ранние NMOS APS и теперь гораздо более распространенные комплементарные МОП (КМОП) APS, также известные как датчики КМОП . Датчики КМОП используются в цифровых камерах, таких как камеры сотовых телефонов , веб-камеры , большинство современных цифровых карманных камер, большинство цифровых однообъективных зеркальных камер (DSLR), беззеркальных камер со сменной оптикой (MILC), [ требуется ссылка ] и безлинзовых системах формирования изображений для ячеек. [3]

Датчики КМОП появились как альтернатива датчикам изображения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и в конечном итоге к середине 2000-х годов превзошли их по продажам. [4]

Датчик изображения КМОП .

Термин «датчик с активными пикселями» также используется для обозначения отдельного датчика пикселей, в отличие от датчика изображения. [5] В этом случае датчик изображения иногда называют датчиком изображения с активными пикселями , [6] или датчиком изображения с активными пикселями . [7]

История

Фон

Исследуя технологию металл-оксид-полупроводник (МОП), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе , который стал основным строительным блоком прибора с зарядовой связью (ПЗС), который они изобрели в 1969 году. [8] [9] Проблема с технологией ПЗС заключалась в необходимости почти идеальной передачи заряда при считывании, что «делает их радиационную [устойчивость?] „мягкой“, трудной для использования в условиях низкой освещенности, трудной для производства в массивах больших размеров, трудной для интеграции с электроникой на кристалле , трудной для использования при низких температурах, трудной для использования при высокой частоте кадров и трудной для производства из некремниевых материалов , которые расширяют диапазон длин волн». [1]

В RCA Laboratories исследовательская группа, включавшая Пола К. Ваймера , У. С. Пайка и Г. Садасива, в 1969 году предложила твердотельный датчик изображения со сканирующими схемами, использующими тонкопленочные транзисторы (TFT), с фотопроводящей пленкой, используемой для фотодетектора . [10] [11] В 1981 году Ричард Ф. Лайон продемонстрировал «в основном цифровой» N-канальный MOSFET (NMOS) датчик изображения с низким разрешением и внутрипиксельным усилением для применения в оптической мыши . [12] Другим типом технологии датчиков изображения, связанным с APS, является гибридная инфракрасная решетка фокальной плоскости (IRFPA), [1] разработанная для работы при криогенных температурах в инфракрасном спектре . Устройства представляют собой два чипа, которые собраны вместе как сэндвич: один чип содержит элементы детектора, изготовленные из InGaAs или HgCdTe , а другой чип обычно изготовлен из кремния и используется для считывания фотодетекторов. Точная дата создания этих устройств засекречена, но они уже использовались к середине 1980-х годов. [ необходима цитата ]

Ключевым элементом современного КМОП-датчика является закрепленный фотодиод (PPD). [2] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихарой ​​в NEC в 1980 году, [2] [13] а затем публично представлен Тераниши и Исихарой ​​с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением антиблуминговой структуры . [2] [14] Закрепленный фотодиод представляет собой структуру фотодетектора с малой задержкой , низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [2] Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, была названа «закрепленным фотодиодом» (PPD) BC Burkey из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начал использоваться в большинстве ПЗС-датчиков, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем и цифровых фотокамер . С тех пор PPD использовался почти во всех ПЗС-датчиках, а затем и в КМОП-датчиках. [2]

Пассивно-пиксельный датчик

Предшественником APS был пассивный пиксельный датчик (PPS), тип фотодиодной матрицы (PDA). [2] Пассивный пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET . [15] В фотодиодной матрице пиксели содержат pn-переход , встроенный конденсатор и MOSFET в качестве транзисторов выбора . Фотодиодная матрица была предложена Г. Веклером в 1968 году, до появления ПЗС. [1] Это стало основой для PPS, [2] который имел элементы датчика изображения с транзисторами выбора в пикселях, предложенными Питером Дж. В. Ноблом в 1968 году, [16] [2] [10] и Саввасом Г. Чемберленом в 1969 году. [17]

Пассивные пиксельные датчики исследовались как твердотельная альтернатива устройствам формирования изображений на вакуумных трубках . [ требуется цитата ] Пассивный пиксельный датчик МОП использовал всего лишь простой переключатель в пикселе для считывания интегрированного заряда фотодиода. [18] Пиксели были выстроены в двумерную структуру с проводом разрешения доступа, общим для пикселей в одной строке, и выходным проводом, общим для столбца. В конце каждого столбца находился транзистор. Пассивные пиксельные датчики страдали от многих ограничений, таких как высокий шум , медленное считывание и отсутствие масштабируемости . [ требуется цитата ] Ранние (1960–1970-е годы) фотодиодные матрицы с транзисторами выбора в каждом пикселе, а также схемы мультиплексора на кристалле были непрактично большими. Шум фотодиодных матриц также был ограничением производительности, поскольку емкость шины считывания фотодиода приводила к увеличению уровня шума чтения. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не могла использоваться с фотодиодной матрицей без внешней памяти . В 1970-х годах было невозможно изготовить датчики с активными пикселями с практичным размером пикселя из-за ограниченности технологии микролитографии того времени. [1] Поскольку процесс МОП был настолько изменчивым, а характеристики МОП-транзисторов менялись со временем ( нестабильность Vth ), работа зарядового домена ПЗС была более технологичной и более производительной, чем у пассивных пиксельных датчиков МОП. [ необходима цитата ]

Датчик с активным пикселем

Датчик с активным пикселем состоит из активных пикселей, каждый из которых содержит один или несколько усилителей MOSFET , которые преобразуют фотогенерированный заряд в напряжение, усиливают напряжение сигнала и снижают шум. [15] Концепция устройства с активным пикселем была предложена Питером Ноблом в 1968 году. Он создал матрицы датчиков с активными усилителями считывания MOS на пиксель, по сути, в современной трехтранзисторной конфигурации: скрытая фотодиодная структура, транзистор выбора и усилитель MOS. [19] [16]

Концепция активных пикселей MOS была реализована в качестве устройства модуляции заряда (CMD) компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых устройств MOSFET , при этом масштабирование MOSFET достигло меньших микронных, а затем и субмикронных уровней в течение 1980-х и начала 1990-х годов. [1] [20] Первый MOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. Термин «датчик активных пикселей» (APS) был придуман Накамурой во время работы над датчиком активных пикселей CMD в Olympus. [21] У CMD-визуализатора была вертикальная структура APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет хранения заряда сигнала под выходным NMOS- транзистором. Другие японские полупроводниковые компании вскоре последовали их примеру со своими собственными датчиками активных пикселей в конце 1980-х и начале 1990-х годов. В период с 1988 по 1991 год Toshiba разработала датчик « плавающий поверхностный транзистор с двойным затвором », который имел боковую структуру APS, в которой каждый пиксель содержал фотозатвор MOS с зарытым каналом и выходной усилитель PMOS . В период с 1989 по 1992 год Canon разработала датчик изображения с базовым хранилищем (BASIS), который использовал вертикальную структуру APS, похожую на датчик Olympus, но с биполярными транзисторами вместо MOSFET. [1]

В начале 1990-х годов американские компании начали разрабатывать практические датчики с активными пикселями MOS. В 1991 году Texas Instruments разработала датчик bulk CMD (BCMD), который был изготовлен в японском филиале компании и имел вертикальную структуру APS, похожую на датчик Olympus CMD, но был более сложным и использовал транзисторы PMOS, а не NMOS. [2]

КМОП-сенсор

К концу 1980-х — началу 1990-х годов процесс КМОП был хорошо зарекомендовавшим себя как хорошо контролируемый стабильный процесс производства полупроводников и был базовым процессом для почти всех логических схем и микропроцессоров . Наблюдался всплеск использования пассивных пиксельных датчиков для низкоуровневых приложений обработки изображений [22] , в то время как активные пиксельные датчики начали использоваться для приложений с низким разрешением и высокими функциями, таких как моделирование сетчатки [23] и детекторы частиц высокой энергии. Однако ПЗС продолжали иметь гораздо более низкий временной шум и шум фиксированного шаблона и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как камкордеры , а также для вещательных камер , где они вытесняли трубки видеокамер .

В 1993 году первый практический APS, успешно изготовленный за пределами Японии, был разработан в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), которая изготовила APS, совместимый с КМОП. Он имел боковую структуру APS, похожую на датчик Toshiba, но был изготовлен с использованием КМОП, а не PMOS-транзисторов. [1] Это был первый КМОП-датчик с внутрипиксельным переносом заряда. [2]

В 1999 году компания Hyundai Electronics объявила о коммерческом производстве цветного КМОП-датчика изображения разрешением 800x600 на основе пикселя 4T с высокопроизводительным закрепленным фотодиодом и интегрированными АЦП, изготовленного по базовому 0,5 мкм техпроцессу DRAM.

Датчики CMOS компании Photobit нашли свое применение в веб-камерах, производимых Logitech и Intel , до того, как Photobit была куплена компанией Micron Technology в 2001 году. Первоначально рынок датчиков CMOS возглавляли американские производители, такие как Micron и Omnivision, что позволило Соединенным Штатам на короткое время отвоевать часть общего рынка датчиков изображения у Японии, прежде чем рынок датчиков CMOS в конечном итоге стал доминировать между Японией, Южной Кореей и Китаем. [24] Датчик CMOS с технологией PPD был дополнительно усовершенствован и усовершенствован Р. М. Гуидашем в 1997 году, К. Ёнемото и Х. Суми в 2000 году и И. Иноуэ в 2003 году. Это привело к тому, что датчики CMOS достигли производительности изображения на уровне датчиков CCD, а позднее и превзошли датчики CCD. [2]

К 2000 году датчики CMOS использовались в различных приложениях, включая недорогие камеры, камеры для ПК , факсы , мультимедиа , системы безопасности , наблюдения и видеофоны . [25]

Видеоиндустрия перешла на камеры CMOS с появлением видео высокой четкости (HD-видео), поскольку большое количество пикселей потребовало бы значительно большего энергопотребления с датчиками CCD, что привело бы к перегреву и разрядке батарей. [24] В 2007 году Sony выпустила на рынок датчики CMOS с оригинальной схемой аналого-цифрового преобразования столбцов для быстрой работы с низким уровнем шума, а в 2009 году последовал датчик CMOS с задней подсветкой (BI-датчик), с чувствительностью, вдвое превышающей чувствительность обычных датчиков изображения. [26]

Датчики CMOS продолжали оказывать значительное культурное влияние, что привело к массовому распространению цифровых камер и камерофонов , что способствовало росту социальных сетей и культуры селфи , а также повлияло на социальные и политические движения по всему миру. [24] К 2007 году продажи датчиков CMOS с активными пикселями превзошли датчики CCD, при этом на датчики CMOS приходилось 54% мирового рынка датчиков изображения в то время. К 2012 году доля датчиков CMOS увеличилась до 74% рынка. По состоянию на 2017 год на датчики CMOS приходится 89% мировых продаж датчиков изображения. [27] В последние годы [ когда? ] технология датчиков CMOS распространилась на среднеформатную фотографию, и Phase One стала первой компанией, выпустившей среднеформатный цифровой задник с датчиком CMOS, созданным Sony.

В 2012 году Sony представила стекированный датчик CMOS BI. [26] В настоящее время проводится несколько исследований в области датчиков изображения. Одним из них является датчик изображения кванта (QIS), который может стать сдвигом парадигмы в том, как мы собираем изображения в камере. Цель QIS состоит в том, чтобы подсчитать каждый фотон, который попадает на датчик изображения, и обеспечить разрешение менее 1 миллиона до 1 миллиарда или более специализированных фотоэлементов (называемых джотами) на датчик, а также считывать плоскости бит джотов сотни или тысячи раз в секунду, что дает терабиты/сек данных. Идея QIS находится в зачаточном состоянии и может никогда не стать реальностью из-за необязательной сложности, которая необходима для захвата изображения [28]

Бойд Фаулер из OmniVision известен своей работой в области разработки датчиков изображения CMOS. Его вклад включает в себя первый цифровой пиксельный датчик изображения CMOS в 1994 году; первый научный линейный датчик изображения CMOS с одноэлектронным среднеквадратичным шумом чтения в 2003 году; первый многомегапиксельный научный датчик изображения CMOS с одновременно высоким динамическим диапазоном (86 дБ), быстрым считыванием (100 кадров/сек) и сверхнизким шумом чтения (1,2e-RMS) (sCMOS) в 2010 году. Он также запатентовал первый датчик изображения CMOS для интероральной дентальной рентгенографии со срезанными углами для лучшего комфорта пациента. [29] [30]

К концу 2010-х годов датчики КМОП в значительной степени, если не полностью, заменили датчики ПЗС, поскольку датчики КМОП не только могут изготавливаться на существующих линиях по производству полупроводников, что снижает затраты, но и потребляют меньше энергии, и это лишь некоторые из преимуществ (см. ниже).

HV-КМОП

Устройства HV-CMOS являются частным случаем обычных датчиков CMOS, используемых в высоковольтных приложениях (для обнаружения частиц высокой энергии ), таких как Большой адронный коллайдер CERN , где необходимо высокое напряжение пробоя до ~30-120 В. [31] Такие устройства, однако, не используются для высоковольтной коммутации. [31] Устройства HV-CMOS обычно реализуются с помощью n-легированной обедненной зоны (n-well) глубиной ~10 мкм транзистора на пластине-подложке p-типа . [ 31]

Сравнение с ПЗС

Пиксели APS решают проблемы скорости и масштабируемости пассивного пиксельного датчика. Они, как правило, потребляют меньше энергии, чем ПЗС, имеют меньшую задержку изображения и требуют меньше специализированных производственных мощностей. В отличие от ПЗС, датчики APS могут объединять функцию датчика изображения и функции обработки изображения в одной и той же интегральной схеме . Датчики APS нашли рынки во многих потребительских приложениях, особенно в камерофонах . Они также использовались в других областях, включая цифровую рентгенографию , сверхскоростную съемку изображений в военных целях, камеры безопасности и оптические мыши . Среди производителей Aptina Imaging (независимое ответвление от Micron Technology , которая приобрела Photobit в 2001 году), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony и Foveon , среди прочих. Датчики APS типа CMOS обычно подходят для приложений, в которых важны упаковка, управление питанием и обработка на кристалле. Датчики типа CMOS широко используются, от высококачественной цифровой фотографии до камер мобильных телефонов. [ необходима цитата ]

Преимущества КМОП по сравнению с ПЗС

Расцветание на ПЗС-изображении

Основным преимуществом КМОП-датчика является то, что его производство обычно обходится дешевле, чем производство ПЗС-датчика, поскольку элементы захвата изображения и элементы восприятия изображения могут быть объединены в одной и той же ИС, что упрощает конструкцию. [32]

КМОП-матрица обычно лучше контролирует засветку (то есть утечку фотозаряда из переэкспонированного пикселя в другие соседние пиксели).

В системах камер с тремя датчиками , которые используют отдельные датчики для разрешения красного, зеленого и синего компонентов изображения в сочетании с призмами-делителями луча, три датчика CMOS могут быть идентичными, тогда как большинство призм-делителей требуют, чтобы один из датчиков CCD был зеркальным отражением двух других для считывания изображения в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность реверсировать адресацию элементов датчика. Существуют датчики CMOS с чувствительностью пленки ISO 4 миллиона. [33]

Недостатки КМОП по сравнению с ПЗС

Искажение, вызванное скользящим затвором. Две лопасти должны образовывать одну и ту же прямую линию, что далеко не так с ближней лопастью. Преувеличенный эффект обусловлен тем, что оптическое положение ближней лопасти становится ниже в кадре одновременно с прогрессивным считыванием кадров.

Так как датчик CMOS обычно захватывает строку за раз в течение приблизительно 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту « скользящего затвора », когда изображение перекошено (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 казаться наклоненным. Датчик CCD с покадровым переносом или датчик CMOS с «глобальным затвором» не имеет этой проблемы; вместо этого он захватывает все изображение сразу в хранилище кадров.

Давним преимуществом ПЗС-датчиков была их способность захватывать изображения с меньшим шумом . [34] Благодаря усовершенствованиям в технологии КМОП это преимущество исчезло к 2020 году, и появились современные КМОП-датчики, способные превзойти ПЗС-датчики. [35]

Активная схема в пикселях КМОП занимает некоторую область на поверхности, которая не чувствительна к свету, снижая эффективность обнаружения фотонов устройством ( микролинзы и датчики с задней подсветкой могут смягчить эту проблему). Но ПЗС с передачей кадров также имеет около половины нечувствительной области для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются. [ необходима цитата ]

Архитектура

Пиксель

Трехтранзисторный активный пиксельный датчик.

Стандартный пиксель CMOS APS состоит из фотодетектора ( закрепленного фотодиода ), [2] плавающей диффузии и так называемой ячейки 4T, состоящей из четырех транзисторов CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник ) , включая затвор переноса , затвор сброса, затвор выбора и транзистор считывания истокового повторителя. [36] Закрепленный фотодиод изначально использовался в ПЗС с межстрочным переносом из-за его низкого темнового тока и хорошего отклика в синем диапазоне, а в сочетании с затвором переноса обеспечивает полную передачу заряда от закрепленного фотодиода к плавающей диффузии (которая далее подключена к затвору считывающего транзистора), устраняя задержку. Использование внутрипиксельного переноса заряда может обеспечить более низкий уровень шума, позволяя использовать коррелированную двойную выборку (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 затвора переноса и фотодиода. Транзистор сброса, M rst , действует как переключатель для сброса плавающей диффузии до V RST , который в этом случае представлен как затвор транзистора M sf . Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключается к источнику питания, V RST , очищая весь интегрированный заряд. Поскольку транзистор сброса является n-типа , пиксель работает в режиме мягкого сброса. Транзистор считывания, M sf , действует как буфер (в частности, истоковый повторитель ), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания, V DD , обычно привязан к источнику питания транзистора сброса V RST . Транзистор выбора, M sel , позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют также другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T ​​и 6T . Добавляя дополнительные транзисторы, возможны такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного скользящего затвора . Для увеличения плотности пикселей можно использовать архитектуры с общими рядами, четырех- и восьмиканальным общим считыванием и другие. Вариантом активного пикселя 3T является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом . В этом устройстве три фотодиода укладываются друг на друга с использованием методов планарного изготовления, каждый фотодиод имеет свою собственную 3T схему. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя ниже, сдвигая спектр поглощенного света в последовательных слоях. Деконволюция отклика каждого слоистых детекторов позволяет реконструировать красные, зеленые и синие сигналы. [ необходима цитата ]

Множество

Типичный двумерный массив пикселей организован в строки и столбцы. Пиксели в данной строке совместно используют линии сброса, так что вся строка сбрасывается за раз. Линии выбора строки каждого пикселя в строке 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, конкуренции за выходную линию не происходит. Дальнейшая схема усилителя обычно строится на основе столбцов. [ необходима цитата ]

Размер

Размер пиксельного датчика часто указывается в высоте и ширине, а также в оптическом формате . [ необходима ссылка ]

Боковые и вертикальные конструкции

Существует два типа структур активных пиксельных датчиков (APS): латеральный APS и вертикальный APS. [1] Эрик Фоссум определяет латеральный APS следующим образом:

Боковая структура APS определяется как та, в которой часть площади пикселя используется для фотодетекции и хранения сигнала, а другая часть используется для активного транзистора(ов). Преимущество этого подхода по сравнению с вертикально интегрированной APS заключается в том, что процесс изготовления проще и в высокой степени совместим с современными процессами производства устройств CMOS и CCD. [1]

Фоссум определяет вертикальный АПС следующим образом:

Вертикальная структура APS увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет сохранения заряда сигнала под выходным транзистором. [1]

Тонкопленочные транзисторы

Двухтранзисторный активно-пассивный пиксельный датчик

Для таких приложений, как цифровая рентгеновская съемка большой площади, тонкопленочные транзисторы (TFT) также могут использоваться в архитектуре APS. Однако из-за большего размера и меньшего коэффициента усиления крутизны TFT по сравнению с КМОП-транзисторами необходимо иметь меньшее количество TFT на пикселях для поддержания разрешения и качества изображения на приемлемом уровне. Было показано, что двухтранзисторная архитектура APS/PPS является перспективной для APS с использованием аморфных кремниевых TFT. В двухтранзисторной архитектуре APS справа T AMP используется в качестве коммутируемого усилителя, интегрирующего функции как M sf , так и M sel в трехтранзисторном APS. Это приводит к уменьшению количества транзисторов на пиксель, а также к увеличению коэффициента усиления крутизны пикселя. [37] Здесь C pix — это емкость хранения пикселя, и она также используется для емкостной связи адресного импульса «Read» с затвором T AMP для переключения ВКЛ-ВЫКЛ. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с фотопроводниковыми детекторами с низкой емкостью, такими как аморфный селен .

Варианты дизайна

Было предложено и изготовлено множество различных конструкций 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 оставить больше места для фотодетектора. Большое количество транзисторов ухудшает коэффициент заполнения, то есть процент площади пикселя, чувствительной к свету. Размер пикселя можно обменять на желаемые качества, такие как шумоподавление или уменьшенная задержка изображения. Шум является мерой точности, с которой можно измерить падающий свет. Задержка возникает, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, то есть пиксель не полностью сбрасывается. Дисперсия шума напряжения в пикселе с мягким сбросом (регулируемым напряжением затвора) составляет , но задержка изображения и фиксированный шум шаблона могут быть проблематичными. В среднеквадратичных электронах шум составляет .

Жесткий сброс 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 M rst транзистором p-типа и инвертировать полярность сигнала RST. Наличие устройства p-типа снижает коэффициент заполнения, так как требуется дополнительное пространство между p- и n-устройствами; это также устраняет возможность использования транзистора сброса в качестве стока с защитой от переполнения, что является широко используемым преимуществом полевого транзистора сброса n-типа. Другой способ достижения жесткого сброса с помощью полевого транзистора n-типа - снизить напряжение V RST относительно напряжения включения RST. Это снижение может уменьшить запас по мощности или полную зарядную емкость, но не влияет на коэффициент заполнения, если только V DD затем не будет проложен по отдельному проводу с его исходным напряжением. [ необходима цитата ]

Комбинации жесткого и мягкого сброса

Такие методы, как сброс с промывкой, сброс псевдо-флэш и сброс с жесткого на мягкий, объединяют мягкий и жесткий сброс. Детали этих методов различаются, но основная идея та же. Сначала выполняется жесткий сброс, устраняющий задержку изображения. Затем выполняется мягкий сброс, вызывающий сброс с низким уровнем шума без добавления какой-либо задержки. [38] Сброс псевдо-флэш требует разделения V RST от V DD , в то время как два других метода добавляют более сложную схему столбцов. В частности, сброс псевдо-флэш и сброс с жесткого на мягкий добавляют транзисторы между источниками питания пикселей и фактическим V DD . Результатом является меньший запас, не влияющий на коэффициент заполнения. [ необходима цитата ]

Активный сброс

Более радикальная конструкция пикселя — это пиксель с активным сбросом. Активный сброс может привести к гораздо более низким уровням шума. Компромисс — сложная схема сброса, а также либо гораздо больший пиксель, либо дополнительная схема уровня столбца. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijk Fossum, Eric R. (12 июля 1993 г.). «Активные пиксельные датчики: динозавры ли CCDS?». В Blouke, Morley M. (ред.). Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III . Vol. 1900. International Society for Optics and Photonics. pp. 2–14. Bibcode :1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX  10.1.1.408.6558 . doi :10.1117/12.148585. S2CID  10556755. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  2. ^ abcdefghijklm Фоссум, Эрик Р .; Хондонгва, ДБ (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения ПЗС и КМОП». Журнал IEEE Общества электронных приборов . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  3. ^ Фан, Юань; Ю, Нинмэй; Ван, Руньлун; Су, Дун (28 марта 2017 г.). «Встроенный прибор для классификации белых кровяных клеток на основе метода теневой визуализации без линз». PLOS ONE . ​​12 (3): e0174580. Bibcode :2017PLoSO..1274580F. doi : 10.1371/journal.pone.0174580 . PMC 5370127 . PMID  28350891. 
  4. ^ Фоссум, Эрик Р. (1993). "Активные пиксельные датчики против приборов с зарядовой связью" (PDF) . Секция систем визуализации, Лаборатория реактивного населения, Калифорнийский технологический институт .
  5. ↑ US 5631704, Дикинсон, Александр Г.; Эйд, Эль-Сайед И. и Инглис, Дэвид А., «Активный пиксельный датчик и система формирования изображений с дифференциальным режимом», опубликовано 20 мая 1997 г., передано Lucent Technologies Inc. 
  6. ^ Циммерман, Хорст (2000). Интегрированная кремниевая оптоэлектроника . Springer. ISBN 978-3-540-66662-2.[ нужна страница ]
  7. ↑ US 6133563, Clark, Lawrence T.; Beiley, Mark A. & Hoffman, Eric J., «Ячейка датчика с мягкой схемой насыщения», опубликовано 17 октября 2000 г., передано Intel Corp. 
  8. ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретение будущего. Springer. стр. 245. ISBN 978-3-319-49088-5.
  9. ^ Sze, Simon Min ; Lee, Ming-Kwei (май 2012). "MOS Capacitor and MOSFET". Полупроводниковые приборы: физика и технология . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-470-53794-7. Получено 6 октября 2019 г. .
  10. ^ ab Ohta, Jun (2017). Интеллектуальные датчики изображения CMOS и их применение. CRC Press . стр. 2. ISBN 9781420019155.
  11. ^ Пол К. Ваймер ; WS Пайк; Г. Садасив; Ф. В. Шаллкросс; Л. Мерей-Хорват (март 1969). «Многоэлементные самосканирующиеся мозаичные датчики». IEEE Spectrum . 6 (3): 52–65. Bibcode : 1969ITED...16..240W. doi : 10.1109/MSPEC.1969.5214004. S2CID  51669416.
  12. ^ Lyon, Richard F. (август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология для интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; R. Sproull; G. Steele (ред.). CMU Conference on VLSI Structures and Computations . Pittsburgh: Computer Science Press. стр. 1–19. doi :10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN 978-3-642-68404-3. S2CID  60722329.
  13. ^ Патент США 4,484,210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  14. ^ Тераниши, Н .; Кохоно, А.; Исихара, Ю.; Ода, Э.; Арай, К. (1982). «Нет структуры фотодиода с задержкой изображения в межстрочном ПЗС-датчике изображения». 1982 Международная встреча по электронным устройствам . стр. 324–327. doi :10.1109/IEDM.1982.190285. OCLC  5872168293. S2CID  44669969.
  15. ^ ab Kozlowski, LJ; Luo, J.; Kleinhans, WE; Liu, T. (14 сентября 1998 г.). Pain, Bedabrata; Lomheim, Terrence S. (ред.). "Сравнение пассивных и активных пиксельных схем для КМОП-визуализаторов". Infrared Readout Electronics IV . 3360 : 101–110. Bibcode : 1998SPIE.3360..101K. doi : 10.1117/12.584474. S2CID  123351913.
  16. ^ ab Peter JW Noble (апрель 1968 г.). «Самосканирующиеся кремниевые матрицы детекторов изображения». Труды IEEE по электронным приборам . ED-15 (4). IEEE: 202–209. Bibcode : 1968ITED...15..202N. doi : 10.1109/T-ED.1968.16167.(В 2015 году Международное общество датчиков изображений вручило Ноблу награду за «Основополагающий вклад в развитие датчиков изображения на ранних этапах развития».)
  17. ^ Саввас Г. Чемберлен (декабрь 1969 г.). «Фоточувствительность и сканирование кремниевых детекторных матриц изображений». Журнал IEEE по твердотельным схемам . SC-4 (6): 333–342. Bibcode : 1969IJSSC...4..333C. doi : 10.1109/JSSC.1969.1050032.
  18. ^ Р. Дайк; Г. Веклер (1968). «Интегрированные матрицы кремниевых фотодетекторов для восприятия изображений». IEEE Trans. Electron Devices . ED-15 (4): 196–201. Bibcode : 1968ITED...15..196D. doi : 10.1109/T-ED.1968.16166.
  19. ^ Фоссум, Эрик Р. (18 декабря 2013 г.). «Камера на чипе: перенос технологий с Сатурна на ваш мобильный телефон». Технологии и инновации . 15 (3): 197–209. doi :10.3727/194982413X13790020921744.
  20. ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . S2CID  18831792.
  21. ^ Мацумото, Казуя и др. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5A): L323. Bibcode : 1985JaJAP..24L.323M. doi : 10.1143/JJAP.24.L323. S2CID  108450116.
  22. ^ Реншоу, Д.; Денайер, ПБ; Ван, Г.; Лу, М. (1990). «Датчики изображения ASIC». Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . стр. 3038–3041. дои : 10.1109/ISCAS.1990.112652. OCLC  5872149939. S2CID  57512087.
  23. ^ Маховальд, Миша А.; Мид, Карвер (май 1991 г.). «Кремниевая сетчатка». Scientific American . 264 (5): 76–82. Bibcode : 1991SciAm.264e..76M. doi : 10.1038/scientificamerican0591-76. PMID  2052936.
  24. ^ abc "CMOS Sensors Enable Phone Cameras, HD Video". NASA Spinoff . NASA . Получено 6 ноября 2019 г. .
  25. ^ Виндрик, Гарри (2000). Глубоко-субмикронные КМОП-ИС: от основ до ASIC (PDF) (2-е изд.). Kluwer Academic Publishers . стр. 215. ISBN 978-90-440-0111-2. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-12-06 . Получено 2019-11-19 .
  26. ^ ab "Imaging and Sensing Technology". Sony Semiconductor Solutions Group . Sony . Архивировано из оригинала 18 мая 2020 г. . Получено 13 ноября 2019 г. .
  27. ^ "Продажи датчиков изображения CMOS продолжают расти рекордными темпами". IC Insights . 8 мая 2018 г. Получено 6 октября 2019 г.
  28. ^ "Advanced image sensors and camera systems | Thayer School of Engineering at Dartmouth". engineering.dartmouth.edu . Архивировано из оригинала 6 июня 2019 г.
  29. ^ US 7655918, Liu, Xinqiao & Fowler, Boyd, «CMOS-датчики изображений, адаптированные для стоматологических применений», опубликовано 2010-02-02, передано Fairchild Imaging Inc. 
  30. ^ "Sensors Expo 2019: Who's Who In Sensor Tech". Fierce Electronics . 18 июня 2019 г. Получено 25 июня 2020 г.
  31. ^ abc Мюнстерманн, Даниэль (2014). Обзор устройств HV-CMOS (PDF) . 23-й международный семинар по вершинным детекторам – через CERN Indico.
  32. ^ Стефано, Мероли. «CMOS против CCD-сенсора. Кто явный победитель?». meroli.web.cern.ch . Получено 28 марта 2020 г. .
  33. ^ "Canon: Технология | Датчик CMOS". www.canon.com .
  34. ^ Демпстер, Пол (1 июля 2014 г.). "CCD и CMOS-датчики". Технические краткие сведения . Получено 28 марта 2020 г.
  35. ^ "Разница между ПЗС и КМОП-снимками". www.testandmeasurementtips.com . Получено 28 марта 2020 г. .
  36. ^ Che-i Lin; Cheng-Hsiao Lai; Ya-Chin King (2004). "Четырехтранзисторный датчик CMOS с активным пикселем и высоким динамическим диапазоном работы". Труды Азиатско-Тихоокеанской конференции IEEE 2004 года по усовершенствованным системным интегральным схемам . стр. 124–127. doi :10.1109/APASIC.2004.1349425. ISBN 978-0-7803-8637-2. S2CID  13906445.
  37. ^ Тагибахш, Фархад; Карим, Карим С. (2007). «Двухтранзисторный активный пиксельный датчик для цифровой рентгеновской визуализации большой площади с высоким разрешением». Международная конференция IEEE по электронным приборам 2007 г. С. 1011–1014. doi :10.1109/IEDM.2007.4419126. ISBN 978-1-4244-1507-6. S2CID  28540663.
  38. ^ IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, ТОМ 50, № 1, ЯНВАРЬ 2003 [ название отсутствует ] [ нужна страница ]

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме КМОП-сенсоры .