【正文】 與深亞微米超大規(guī)模集成 (VLSI)技術兼容； ④ 圖像信息不能隨機讀取 ， 而這種隨機讀取對很多應用是不可少的 。于是 ， CMOS （ Complementary MetalOxideSemiconductor互補性 … ） 圖像傳感器技術被開發(fā) 。 隨著 CMOS工藝技術的發(fā)展 ， 生產(chǎn)高質(zhì)量 、 低成本的固體圖像傳感器已成為可能 。 CMOS技術可以將圖像傳感器陣列 、 驅(qū)動和控制電路 、 信號處理電路 、 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起 ， 實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng) 。 這種片上攝像機用標準邏輯電源電壓工作 ， 僅消耗幾十毫瓦的功率 ， 所以功耗極低 。 這種成像技術將推動下一代成像系統(tǒng)的發(fā)展 。 上世紀 7080年代 ， CCD像感器因固定圖形噪聲很小而被廣泛用于多種固體圖像傳感器中 。 但當時的 MOS圖像傳感器雖經(jīng)日立 、 三菱等幾個研究機構的努力 ， 最終因殘余熱噪聲原因而被迫放棄 。 90年代以后 ， 蘇格蘭愛丁堡大學和瑞典 Linkoping大學的研究人員分別進行了低成本的單芯片成像系統(tǒng)開發(fā) ， 他們在 CMOS圖像傳感器研究方面取得了令人滿意的結果 ， 并推動了 CMOS圖像傳感器的快速發(fā)展 。 近來 ， CMOS圖像傳感器已成為固體圖像傳感器研究開發(fā)熱點 。 一、 CMOS圖像傳感器結構 CMOS圖像傳感器的總體結構框圖如圖。 由光敏單元陣列 、行選通邏輯 、 列選通邏輯 、 定時和控制電路 、 在片模擬信號處理器 (ASP)構成 。 更高級的還集成有在片模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 器件采用單一 5V電源 。 行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，或譯碼器。定時和控制電路限制信號讀出模式、設定積分時間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號處理器完成信號積分、放大、取樣和保持、相關雙取樣、雙 Δ取樣等功能。光敏元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后以模擬或數(shù)字信號輸出。 二、像元結構 CMOS基本類型分： 無源像素 傳感器和 有源像素 傳感器。 無源像素 結構如圖。它由一個反向偏置的 光電二極管和一個開關管構成 ，沒有信號放大作用。 (PPS)結構 PPS像元結構簡單 ， 單元尺寸內(nèi)有高的設計填充系數(shù) k（有效光敏面積與單元面積之比 ） ， 或 k一定可以設計出最小的像元尺寸 。 PPS的致命弱點是讀出噪聲大 （ 主要是固定圖形噪聲 ， 一般有 250個均方根電子 ） 。 由于多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制 ， 它難以向大型陣列發(fā)展。 當開關管開啟，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小 KTC噪聲。當光敏二極管存貯的信號電荷被讀取時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 (APS)結構 在 像元內(nèi)引入 緩沖器或放大器可以改善像元的性能。像元內(nèi)含有 有源放大器 的傳感器稱 有源像素 傳感器。 由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以 CMOS有源像素傳感器的功耗比 CCD的還小。與無源像素結構相比，有源像素結構的填充系數(shù)小，其設計填充系數(shù)典型值為20%～ 30%，與 CCD接近。隨著 CMOS技術的發(fā)展，幾何設計尺寸日益減小，填充系數(shù)不是限制 APS潛在性能的因素。 APS主要有光電二極管型 (PDAPS)和光柵型 (PGAPS)。 PDAPS結構如圖。 每個像元有三個晶體管和一個光電二極管。源跟隨器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并具有增益。因為光敏面沒有多晶硅疊層，光敏二極管型 APS量子效率較高，所以它的讀出 噪聲由復位噪聲限制，典型值為 (75～ 100)個均方根電子 . 光柵型有源像素 （ PGAPS） 傳感器最早用于高性能科學成像和低光照成像 。 光柵型有源像素傳感器結合了 CCD和 XY尋址的優(yōu)點 ， PGAPS其結構如圖 : 每個像元采用 5個晶體管 ， 典型的像元間距為 20 最小特征尺寸 。 設置 TX管是為了采用單層多晶硅工藝 。 光生信號電荷積分在光柵 (PG)下 ， TX開啟前對浮置擴散節(jié)點(A)復位 (電壓為 VDD)， 然后 TX開啟 ， 收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴散節(jié)點 。 復位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳 感器的輸出信號，它由源跟隨器轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷狠敵觥? PGAPS可以設置 CDS電路和雙 Δ取樣（ DDS）電路，讀出噪聲小，可接近 CCD水平，目前已達到 5個均方根電子 . 另外 , APS還有對數(shù)傳輸像元、平方根傳輸像元、釘扎光電二極管像元等結構 , 這些像元結構用于專用圖像傳感器 . 三、 CMOS攝像機的應用 （ 1） 由于 CMOS節(jié)能及高度集成比 CCD強 ， 故在對功耗和小型化要求高的場合更具優(yōu)勢 ， 如在移動通信市場 ， 與手機進行集成 ， 成為可視電話 。 手機上裝一個 CMOS數(shù)字攝像機就可實現(xiàn)可視通信 。 這一市場目前在日本和美國已經(jīng)開始應用。 由于 CMOS攝像機的獨特優(yōu)點 ， 使 CMOS攝像機開拓了很多新的應用領域 ， 尤其在下列幾個方面的應用前景廣闊 。 （ 2） 目前通信市場的熱點是視頻通信 ， 如視頻 Email、可視電話 、 視像會議應用正在崛起 ， 這部分市場對圖像質(zhì)量要求不是很高 ， 因此適宜采用 CMOS攝像機 ， 如作為PC攝像機裝在手提電腦或 PDA或 PC機等類似的裝置上 ，即可實現(xiàn)視頻通信功能 。 隨著 CMOS圖像傳感器技術的不斷提高 ， 網(wǎng)絡視頻會議等應用的普及 ， PC攝像機的市場潛力巨大 。 （ 3） 目前 CMOS攝像機應用比較多的地方是在保安監(jiān)控領域 。 由于 CMOS攝像機可做到紐扣大小 ， 因此可用于保安監(jiān)視的隱型攝像 ， 如 OV0516微型黑白攝像機的尺寸就只有 16mmx16mmx12mm。 （ 5） 用于游戲市場 。 如現(xiàn)在已經(jīng)在索尼的 PS2和微軟的Xbox上開始應用 ， 預計互動游戲?qū)芸斓玫桨l(fā)展 。 （ 4） 作數(shù)碼相機 。 目前推出的 130萬像素的 CMOS圖像傳感器將在這一市場中取得較好的發(fā)展 ， 并已批量生產(chǎn) 。 （ 6） CMOS攝像機將象微控制器一樣 ， 在汽車上實現(xiàn)從無到有的市場增長 。 如可設計成汽車自動防撞系統(tǒng)和自動防出軌系統(tǒng) 。 此外司機還可以利用動態(tài)攝像全方位觀察車外的情況 ， 從而大大提高汽車運動的安全性 。 （ 7） CMOS的低成本將會使生物特征識別，如指紋識別儀等的價格大幅下降，并大大刺激其應用。 （ 8） CMOS攝像機在醫(yī)學領域?qū)⒂泻芎玫陌l(fā)展空間 。 如心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個小 “ 硅眼 ” ， 以在手術后的關鍵時刻監(jiān)視手術效果 。 美光公司曾設計 “ 藥丸式攝像機 ” ， 并成功地將一個超低功耗的微型 CMOS圖像傳感器放在一個特制藥丸內(nèi) ， 病人服下此藥丸后可讓醫(yī)生清楚地看到胃里的情況 ， 從而更好地實現(xiàn)治療 。 （ 9） 在一些需要高速更新的影像應用領域 ， CMOS技術比現(xiàn)有的 CCD技術更有優(yōu)勢 。 這使 CMOS攝像機在光學檢測設備和移動影像分析系統(tǒng)等領域有廣闊的應用空間 。 早期 CMOS比 CCD成像質(zhì)量差 ， 響應速度慢 ， 攝象機主要采用 CCD。 近年來 ， 采用有源象素結構提高了光電靈敏度 ， 減小了噪聲 ， 擴大了動態(tài)范圍 ， 使 CMOS的成像質(zhì)量與 CCD相接近 ， 而在功能 、 功耗 、 尺寸和價格方面要優(yōu)于 CCD。 總之 ， 一旦提高了 CMOS器件的光照靈敏度與信噪比 ， CMOS傳感器發(fā)展的空間將是無限的 。 課程小論文 就目前光電技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況；或你所了解的光電器件應用技術；或?qū)W習光電技術課程的體會 ， 寫一篇 800字左右的短文 。 （ 占課程成績的 10%）