Active-Pixel-Sensor

Ein Active-Pixel-Sensor (APS) ist ein Bildsensor wo jeweils Pixel Sensoreinheitszelle hat a Fotodetektor (normalerweise a Fast Photodiode) und eine oder mehrere aktive Transistoren.[1][2] In einem Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Active-Pixel-Sensor, MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden als verwendet Verstärker. Es gibt verschiedene Arten von APs, einschließlich der frühen Nmos APs und die viel häufiger Komplementäre Mos (CMOS) APs, auch bekannt als die CMOS -Sensor, was weit verbreitet ist in Digitalkamera Technologien wie Handykameras, Webkameras, modernste Digital -Taschenkameras, die meisten Digitale Reflexkameras für ein Linsen (DSLRS) und Spiegellose austauschbare Objektivkameras (Milcs). CMOS -Sensoren wurden als Alternative zu Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) Bildsensoren und verkaufte sie schließlich Mitte der 2000er Jahre.

CMOs Bildsensor.

Der Begriff Aktiver Pixelsensor wird auch verwendet, um sich auf den einzelnen Pixelsensor selbst im Gegensatz zum Bildsensor zu beziehen.[3] In diesem Fall wird der Bildsensor manchmal als als bezeichnet aktiver Pixelsensor -Imagator,[4] oder Active-Pixel-Bildsensor.[5]

Geschichte

Hintergrund

Weitere Informationen: Bildsensor § Historie

Während der Forschung Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Technologie, Willard Boyle und George E. Smith erkannte, dass eine elektrische Ladung auf einem winzigen gelagert werden könnte MOS -Kondensator, was der grundlegende Baustein der Ladungskupplung Gerät (CCD), das sie 1969 erfunden haben.[6][7] Ein Problem mit der CCD -Technologie war das Bedürfnis nach nahezu perfektem Ladungstransfer im Lesen, das laut, lautet Eric Fossum, insbesondere über die Eignung von CCD -Sensoren für zukünftige Weltraummissionen zu schreiben. " [Toleranz?] 'weich', schwer zu bedienen unter schlechten Lichtverhältnissen, schwer in großen Array -Größen herzustellen, schwer zu integrieren On-Chip Elektronikbei niedrigen Temperaturen schwer zu bedienen, schwer zu bedienen bei hohe Bildratenund schwer zu produzieren in nichtSilizium Materialien, die die Wellenlängenreaktion erweitern. "[1]

Bei RCA -Labors, ein Forschungsteam einschließlich Paul K. WeimerW.S. Pike und G. Sadasiv im Jahr 1969 schlugen a vor a fester Zustand Bildsensor mit Scan -Schaltungen verwendet Dünnfilmtransistoren (TFTS), mit photokondekt Film verwendet für die Fotodetektor.[8][9] Eine niedrige Auflösung "meist digital" N-Kanal-MOSFET (NMOS) Imager mit Intra-Pixel-Amplifikation für eine optische Maus Anwendung wurde nach demonstriert von Richard F. Lyon 1981.[10] Eine andere Art von Bildsensor -Technologie, die mit den APs zusammenhängt, ist das Hybrid Infrared Focal Ebene Array (IRFPA).[1] entworfen für den Betrieb bei kryogen Temperaturen in der Infrarotspektrum. Die Geräte sind zwei Chips, die wie ein Sandwich zusammengestellt werden: Ein Chip enthält Detektorelemente in Ingaas oder Hgcdteund der andere Chip besteht normalerweise aus Silizium und wird verwendet, um die Fotodetektoren vorzulesen. Das genaue Herkunftsdatum dieser Geräte wird klassifiziert, sie wurden jedoch Mitte der 1980er Jahre verwendet.

Ein Schlüsselelement des modernen CMOS -Sensors ist das Fast Photodiode (PPD).[2] Es wurde von erfunden von Nobukazu TeranishiHiromitsu Shiraki und Yasuo Ishihara bei NEC 1980,,[2][11] und dann öffentlich von Teranishi und Ishihara mit A. Kohono, E. Oda und K. Arai im Jahr 1982 berichtetBlühen Struktur.[2][12] Die festgespannte Fotodiode ist a Fotodetektor Struktur mit niedrig Verzögerung, niedrig Lärm, hoch Quanteneffizienz und tief dunkle Strömung.[2] Die neue Fotodetektorstruktur, die bei NEC erfunden wurde, erhielt den Namen "Pinned Photodiode" (PPD) von B.C. Burkey bei Kodak 1984. 1987 wurde die PPD in die meisten CCD -Sensoren eingebaut und wurde zu einer Festung in Unterhaltungselektronik Videokameras und dann Digital noch Kameras. Seitdem wird die PPD in fast allen CCD -Sensoren und dann in CMOS -Sensoren verwendet.[2]

Passiv-Pixel-Sensor

Der Vorläufer des APS war der passive Pixelsensor (PPS), eine Art von Art von Fotodiodenarray (PDA).[2] Ein passiver Pixelsensor besteht aus passiven Pixeln, die ohne vorgelesen werden Verstärkungmit jedem Pixel aus a Fotodiode und ein Mosfet Schalter.[13] In einem Fotodiodenarray enthalten Pixel a P-N Junction, integriert Kondensator, und MOSFets als Auswahl Transistoren. Ein Photodiodenarray wurde 1968 von G. Weckler vor dem CCD vorgeschlagen.[1] Dies war die Grundlage für die PPS,[2] die Bildsensorelemente mit In-Pixel-Auswahltransistoren hatten, die von Peter J.W. Noble im Jahr 1968,[14][2][8] und von Savvas G. Chamberlain im Jahr 1969.[15]

Passive-Pixel-Sensoren wurden als untersucht fester Zustand als Alternative Vakuumrohr-Bildgebungsgeräte. Der MOS Passive-Pixel-Sensor verwendete nur einen einfachen Schalter im Pixel, um die integrierte Photodiodenladung vorzulesen.[16] Die Pixel wurden in einer zweidimensionalen Struktur mit einem von Pixel in derselben Zeile geteilten Zugangskabel und einem nach Säulen gemeinsam genutzten Ausgangsdraht angeordnet. Am Ende jeder Säule befand sich ein Transistor. Passive-Pixel-Sensoren litten unter vielen Einschränkungen, wie z. B. hoch Lärm, langsame Anzeige und Mangel an Skalierbarkeit. Early (1960er bis 1970er Jahre) Photodioden-Arrays mit Selektionstransistoren in jedem Pixel zusammen mit On-Chip Multiplexer Schaltungen waren unpraktisch groß. Das Lärm von Photodioden-Arrays war auch eine Einschränkung für die Leistung, da die Kapazität des Fotodioden-Lese-Busses zu einem erhöhten Lead-Nr-Niveau führte. Korrelierte Doppelabtastung (CDs) konnte auch nicht mit einem Fotodiodenarray ohne extern verwendet werden Erinnerung. Es war nicht möglich zu fabrizieren Active-Pixel-Sensoren mit einer praktischen Pixelgröße in den 1970er Jahren aufgrund begrenzter Mikrolithographie Technologie zu dieser Zeit.[1] Weil der MOS -Prozess so variabel war und MOS -Transistoren Eigenschaften hatten, die sich im Laufe der Zeit änderten (Vth Instabilität), der Ladungsdomänenbetrieb des CCD war herstelliger und höherer Leistung als MOS-PISTIVE-PIXEL-Sensoren.

Active-Pixel-Sensor

Der Active-Pixel-Sensor besteht aus aktiven Pixeln, die jeweils einen oder mehrere enthalten Mosfet Verstärker die die foto generierte Ladung in eine Spannung umwandeln, die Signalspannung verstärken und das Rauschen reduzieren.[13] Das Konzept eines aktiven Pixelgeräts wurde 1968 von Peter Noble vorgeschlagen. Er erstellte Sensorarrays mit aktiven MOS-Anzeigern pro Pixel, in der modernen Drei-Transistor-Konfiguration: dem vergrabenen Photodiodenstruktur, dem Auswahltransistor und dem MOS-Verstärker.[17][14]

Das Mos Das Active-Pixel-Konzept wurde als Ladungsmodulationsvorrichtung (CMD) implementiert Olymp in Japan Mitte der 1980er Jahre. Dies wurde durch Fortschritte in MOSFET ermöglicht Herstellung von Halbleitervorrichtungen, mit MOSFET -Skalierung kleiner erreichen Mikron und dann Sub-Micron Niveaus in den 1980er bis frühen 1990er Jahren.[1][18] Das erste MOS -APS wurde 1985 von Tsutomu Nakamuras Team bei Olympus hergestellt. Der Begriff Aktiver Pixelsensor (APS) wurde von Nakamura geprägt, während er am Olympus am CMD Active-Pixel-Sensor arbeitete.[19] Der CMD-Imager hatte eine vertikale APS Nmos Transistor. Andere Japaner Halbleiterfirmen Bald folgten ihre eigenen aktiven Pixelsensoren in den späten 1980er bis frühen 1990er Jahren. Zwischen 1988 und 1991,, Toshiba entwickelte die ""Doppelgate schwebend Oberflächentransistor-Sensor mit einer lateralen APS PMOs Ausgangsverstärker. Zwischen 1989 und 1992,, Kanon entwickelte den basisgeführten Bildsensor (Basis), der eine vertikale APS-Struktur ähnelte, die dem Olympussensor ähnelte, aber mit Bipolare Transistoren eher als MOSFets.[1]

In den frühen neunziger Jahren begannen amerikanische Unternehmen, praktische MOS -Active -Pixel -Sensoren zu entwickeln. 1991, Texas Instrumente entwickelte den Bulk CMD (BCMD) -Sensor, der in der japanischen Niederlassung des Unternehmens hergestellt wurde und eine vertikale APS -Struktur ähnelte, die dem Olympus -CMD -Sensor ähnelte, jedoch komplexer und eher PMOS als NMOS -Transistoren verwendete.[2]

CMOS -Sensor

In den späten 1980er bis frühen 1990er Jahren die CMOs Der Prozess war als gut kontrollierter Stall gut etabliert Semiconductor -Herstellungsprozess und war der Grundprozess für fast alle Logik und Mikroprozessoren. Bei der Verwendung von passiven Pixelsensoren für Low-End-Bildgebungsanwendungen gab es eine Wiederbelebung.[20] Während Active-Pixel-Sensoren für hochfunktionsarme Anwendungen mit niedriger Auflösung wie Retina-Simulation verwendet wurden[21] und energiereiche Partikeldetektoren. CCDs hatten jedoch weiter Camcorder sowie für die Sendung Kameras, wo sie verdrängten Videokamera -Röhren.

1993 wurden die ersten praktischen APs, die außerhalb Japans erfolgreich hergestellt werden, entwickelt wurden NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), das eine CMOS -kompatible APs mit seiner Entwicklung geführt hat, angeführt von Eric Fossum. Es hatte eine laterale APS -Struktur ähnlich dem Toshiba -Sensor, wurde jedoch eher mit CMOs als mit PMOS -Transistoren hergestellt.[1] Es war der erste CMOS -Sensor mit Intra-Pixel Ladungstransfer.[2]

Fossum, der bei JPL arbeitete, leitete die Entwicklung eines Bildsensors, der die Intra-Pixel-Ladungsübertragung zusammen mit einem In-Pixel-Verstärker verwendete, um wahr zu erreichen Korrelierte Doppelabtastung (CDS) und niedriger zeitlicher Rauschoperation sowie On-Chip-Schaltungen zur Reduzierung von Rauschen mit Festpattern. Er veröffentlichte auch einen umfangreichen Artikel von 1993, in dem die Entstehung von APS -Imaglern als kommerzieller Nachfolger von CCDs vorhergesagt wurde.[1] Der aktive Pixelsensor (APS) wurde in diesem Artikel weitgehend durch Fossum definiert. Er klassifizierte zwei Arten von APS -Strukturen, die lateralen APs und die vertikalen APs. Er gab auch einen Überblick über die Geschichte der APS -Technologie, von den ersten APS -Sensoren in Japan bis zur Entwicklung des CMOS -Sensors bei JPL.[1]

Im Jahr 1994 schlug Fossum eine Verbesserung des CMOS -Sensors vor: die Integration des Fast Photodiode (PPD). Ein CMOS -Sensor mit PPD -Technologie wurde erstmals 1995 von einem Joint JPL und hergestellt Kodak Team, das Fossum zusammen mit P.P.K. Lee, R.C. Gee, R. M. Guidash und T.H. Lee enthielt.[2] Zwischen 1993 und 1995 entwickelte das Jet Propulsion Laboratory eine Reihe von Prototypengeräten, die die wichtigsten Merkmale der Technologie validierten. Obwohl diese Geräte primitiv sind, zeigten diese Geräte eine gute Bildleistung mit hoher Lesegeschwindigkeit und geringem Stromverbrauch.

Im Jahr 1995 war Fossum und seine damalige Frau Dr. Sabrina Kemeny, die von dem langsamen Tempo der Einführung der Technologie frustriert war, die Photobit Corporation mitbegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren.[17] Es entwickelte und kommerzialisierte die APS -Technologie weiterhin für eine Reihe von Anwendungen wie Web -Cams, hohe Geschwindigkeits- und Motion -Capture -Kameras. Digitale Radiographie, Endoskopie (Pille) Kameras, Digitale Reflexkameras für ein Linsen (DSLRS) und Kamera-Phones. Viele andere kleine Image -Sensorunternehmen haben sich aufgrund der Zugänglichkeit des CMOS -Prozesses auch kurz danach zum Leben erwiesen und alle schnell den aktiven Pixelsensoransatz übernommen.

Die CMOS -Sensoren von Photobit fanden ihren Weg in Webcams, die von hergestellt wurden Logitech und Intel, bevor Photobit von gekauft wurde von Mikron -Technologie Im Jahr 2001 wurde der frühe CMOS -Sensormarkt zunächst von amerikanischen Herstellern wie Micron und Omnivision geleitet, die es den Vereinigten Staaten ermöglichte Japan, Südkorea und China.[22] Der CMOS -Sensor mit PPD -Technologie wurde 1997 von R. M. Guidash, K. Yonemoto und H. Sumi im Jahr 2000 und I. Inoue im Jahr 2003 weiterentwickelt und verfeinert überschreiten CCD -Sensoren.[2]

Bis 2000 wurden CMOS-Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich kostengünstiger Kameras, PC -Kameras, Fax, Multimedia, Sicherheit, Überwachung, und Video Handys.[23]

Die Videbranche wechselte mit dem Aufkommen zu CMOS -Kameras Hochdefinitionsvideo (HD -Video), da die große Anzahl von Pixeln bei CCD -Sensoren einen signifikant höheren Stromverbrauch erfordern würde, was Batterien überhitzt und abtropfen würde.[22] Sony 2007 kommerzialisierte CMOS Hinter-illuminierter Sensor (BIS -Sensor), wobei die doppelte Empfindlichkeit herkömmlicher Bildsensoren und über das menschliche Auge hinausgeht.[24]

CMOS Digitalkameras und Kamera -Telefone, was den Aufstieg von gestärkten sozialen Medien und Selfie Kultur und wirkte sich auf soziale und politische Bewegungen auf der ganzen Welt aus.[22] Bis 2007 hatten der Verkauf von CMOS-Active-Pixel-Sensoren CCD-Sensoren übertroffen, wobei die CMOS-Sensoren zu dieser Zeit 54% des globalen Bildsensorenmarktes ausmachten. Bis 2012 erhöhten CMOS -Sensoren ihren Anteil auf 74% des Marktes. Ab 2017 machen CMOS -Sensoren 89% des weltweiten Imagesensorenumsatzes aus.[25] In den vergangenen Jahren,[wenn?] Die CMOS-Sensor-Technologie hat sich auf mittelformatige Fotografie mit der Fotografie ausgebreitet Phase Eins Als erster startete ein digitaler Mittelformat mit einem von Sony gebauten CMOS-Sensor.

2012 stellte Sony die vor gestapelte CMOs BI -Sensor.[24] Fossum führt nun Forschung zur Quanta Image Sensor (QIS) -Technologie durch.[26] Das QIS ist eine revolutionäre Änderung in der Art und Weise, wie wir Bilder in einer Kamera sammeln, die in Dartmouth erfunden wird. In der QIs ist es das Ziel, jedes Photon zu zählen, das den Bildsensor trifft, und eine Auflösung von 1 Milliarde oder mehr spezialisierteren Photoelementen (JOTS) pro Sensor bereitzustellen und JOT -Bitflugzeuge Hunderte oder tausendmal pro Sekunde vorzulesen in Terabits/Sekunden von Daten.[27]

Boyd Fowler von Omnivision ist bekannt für seine Arbeit in der Entwicklung von CMOS -Bildsensor. Seine Beiträge umfassen den ersten CMOS-Bildsensor für digitale Pixel im Jahr 1994; Der erste wissenschaftliche lineare CMOS-Bildsensor mit Einzelelektronen-RMS im Jahr 2003 liest Rauschen; Der erste Multi-Megapixel-CMOS-Bildsensor mit gleichzeitiger CMOS-Bildsensor Hoher Dynamikbereich (86 dB), schnelle Auslesung (100 Frames/Sekunde) und Ultra-Low-Lesegeräusch (1,2E-RMS) (SCMOS) im Jahr 2010. Er patentierte auch den ersten CMOS-Bildsensor für interrorale Zahnröntgenrahlen mit abgeschnittenen Ecken für besseren Patientenkomfort.[28][29]

In den späten 2010er Jahren hatten CMOS -Sensoren weitgehend, wenn nicht sogar die CCD -Sensoren vollständig ersetzt, da CMOS -Sensoren nicht nur in vorhandenen Halbleiterproduktionslinien hergestellt werden können, was die Kosten senkt, sondern auch weniger Strom verbraucht, um nur einige Vorteile zu nennen. (siehe unten))

HV-CMOs

HV-CMOS-Geräte sind ein Spezialfall von gewöhnlichen CMOS-Sensoren, die in Hochspannungsanwendungen verwendet werden (zur Erkennung von Hochenergiepartikel) Wie Cern Large Hadron Collider wo eine hohe Breakdown-Spannung bis zu ~ 30-120 V erforderlich ist.[30] Solche Geräte werden jedoch nicht zum Hochspannungsschalter verwendet.[30] HV-CMOs werden typischerweise durch ~ 10 µm tiefe N-dotierte Abbauzone (N-Well) eines Transistors auf einem P-Typ implementiert Wafer Substrat.[30]

Vergleich mit CCDs

APS-Pixel lösen die Geschwindigkeits- und Skalierbarkeitsprobleme des passiven Pixelsensors. Sie verbrauchen im Allgemeinen weniger Strom als CCDs, haben weniger Bildverzögerung und benötigen weniger spezielle Fertigungsanlagen. Im Gegensatz zu CCDs können APS Integrierter Schaltkreis. APS -Sensoren haben vor allem in vielen Verbraucheranwendungen Märkte gefunden Kamera -Telefone. Sie wurden auch in anderen Bereichen einschließlich Digital verwendet Radiographie, militärische Ultrahoch -Hochgeschwindigkeitsbild -Akquisition, Sicherheitskameras, und optische Mäuse. Zu den Herstellern gehören Aptina Bildgebung (unabhängiger Spinout von Mikron -Technologie, der 2001 Photobit gekauft hat), Kanon, Samsung, Stmicroelectronics, Toshiba, Omnivisionstechnologien, Sony, und Foveon, unter anderen. APS-Sensoren vom Typ CMOS sind in der Regel für Anwendungen geeignet, bei denen Verpackungen, Stromverwaltung und On-Chip-Verarbeitung wichtig sind. CMOS-Typsensoren werden weit verbreitet, von High-End-digitalen Fotografie bis hin zu Mobilfunkkameras.

Vorteile von CMOs im Vergleich zu CCD

Blühen in einem CCD -Bild

Ein primärer Vorteil eines CMOS -Sensors besteht darin, dass er in der Regel kostengünstiger zu produzieren ist als ein CCD -Sensor, da die Elemente zum Aufnehmen und Bild von Bildempfängern auf demselben IC kombiniert werden können, wobei eine einfachere Konstruktion erforderlich ist.[31]

Ein CMOS-Sensor hat typischerweise auch eine bessere Kontrolle über das Blühen (dh die Blutung von Photo-Gebühren aus einem überexponierten Pixel in andere nahe gelegene Pixel).

Im Drei-Sensor-Kamerasysteme die separate Sensoren verwenden, um die roten, grünen und blauen Komponenten des Bildes in Verbindung mit Strahlsplitter -Prismen zu beheben, können die drei CMOS[zweifelhaft – diskutieren] Ein Spiegelbild der anderen beiden, um das Bild in einer kompatiblen Reihenfolge auszulesen. Im Gegensatz zu CCD -Sensoren können CMOS -Sensoren die Adresorelemente umkehren. CMOS -Sensoren mit a Filmgeschwindigkeit von ISO 4 Millionen existieren. [32]

Nachteile von CMOs im Vergleich zu CCD

Verzerrung durch einen Rollverschluss. Die beiden Klingen sollten dieselbe gerade Linie bilden, was bei der Nahklinge liegt. Der übertriebene Effekt ist darauf zurückzuführen, dass die optische Position der Nahklinge im Rahmen gleichzeitig mit progressiver Rahmenübereinstimmung geringer wird.
Beachten Sie auch, dass eine Klinge des Schwanzrotors, das ein vertikales Bogensegment fegt, durch diesen Effekt stärker verzerrt ist als eine Klinge des Schwanzrotors, das ein horizontales Bogensegment fegt, obwohl er den gleichen fotografischen Aspekt teilt. (Unter der Annahme einer konsistenten Auslese -Progression könnte die clevere Hebelanalyse dieses Bildes das Rotationsgeschwindigkeitsverhältnis der beiden Wellensysteme ermitteln.)

Da ein CMOS -Sensor in der Regel eine Reihe gleichzeitig innerhalb von ungefähr 1/60 oder 1/50 Sekunde (abhängig von der Aktualisierungsrate) erfasst, kann dies zu einem "führen".Rolltor"Effekt, wo das Bild verzerrt ist (nach links oder rechts gekippt, abhängig von der Richtung der Kamera oder der Subjektbewegung). Wenn ein Auto mit hoher Geschwindigkeit verfolgt wird, wird das Auto nicht verzerrt, aber der Hintergrund wird angezeigt Um geneigt zu sein. Ein CCD-Sensor für Frame-Transfer oder CMOS-Sensor "Global Shutter" hat dieses Problem nicht. Stattdessen erfasst er das gesamte Bild gleichzeitig in einen Rahmenspeicher.

Ein langjähriger Vorteil von CCD-Sensoren war ihre Fähigkeit, Bilder mit niedrigeren aufzunehmen Lärm.[33] Mit Verbesserungen der CMOS -Technologie hat dieser Vorteil ab 2020 geschlossen, wobei moderne CMOS -Sensoren mit übertreibenden CCD -Sensoren in der Lage sind.[34]

Die aktiven Schaltkreise in CMOS-Pixeln benötigen einen Bereich auf der Oberfläche, der nicht lichtempfindlich ist, was die Photonenzetektionseffizienz des Geräts verringert (Mikrolensen und Hinter-illuminierte Sensoren kann dieses Problem mildern). Der Frame-Transfer-CCD verfügt jedoch auch über einen halben nicht sensitiven Bereich für die Rahmenspeicherknoten, sodass die relativen Vorteile davon abhängen, welche Arten von Sensoren verglichen werden.

Die Architektur

Pixel

Ein drei-transistorischer Active Pixel-Sensor.

Der Standard CMOs APS -Pixel besteht aus a Fotodetektor (Fast Photodiode),[2] a schwebend Diffusion und die sogenannte 4T-Zelle bestehend aus vier CMOs (komplementär Metal -Oxid -Jemonductor) Transistoren, einschließlich einer Übertragung Tor, Reset Gate, Auswahltor und Quell-Follower-Anzeigetransistor.[35] Die festgestellte Fotodiode wurde ursprünglich in Interline -Transfer -CCDs aufgrund ihres niedrigen dunklen Stroms und einer guten blauen Reaktion verwendet. Wenn sie mit dem Übertragungsgate gekoppelt sind, ermöglicht es eine vollständige Ladungsübertragung von der festgestellten Fotodiode auf die schwimmende Diffusion (die weiter an das Tor von von angeschlossen ist der Auslesetransistor) Eliminierung der Verzögerung. Die Verwendung von Intrapixel -Ladungsübertragung kann ein niedrigeres Rauschen bieten, indem die Verwendung von aktiviert wird Korrelierte Doppelabtastung (CDS). Das Noble 3T -Pixel wird manchmal noch verwendet, da die Herstellungsanforderungen weniger komplex sind. Das 3T -Pixel umfasst dieselben Elemente wie das 4T -Pixel mit Ausnahme des Übertragstors und der Fotodiode. Der Reset -Transistor, mRST, wirkt als Schalter, um die schwimmende Diffusion auf V zurückzusetzenRST, was in diesem Fall als Tor des m dargestellt wirdsf Transistor. Wenn der Reset -Transistor eingeschaltet ist, ist die Fotodiode effektiv mit der Stromversorgung verbunden, VRSTalle integrierten Ladungen räumen. Da der Reset -Transistor ist N-TypDas Pixel arbeitet in Soft Reset. Der Auslesetransistor, msf, wirkt als Puffer (speziell a Quellfolger), ein Verstärker, mit dem die Pixelspannung beobachtet werden kann, ohne die akkumulierte Ladung zu entfernen. Seine Stromversorgung, vDd, ist typischerweise mit der Stromversorgung des Resettransistors V gebundenRST. Der Auswahltransistor, mSelErmöglicht eine einzelne Zeile des Pixelarrays durch die Ausleseelektronik. Es gibt auch andere Innovationen der Pixel wie 5T- und 6T -Pixel. Durch Hinzufügen von zusätzlichen Transistoren, Funktionen wie Global Shutter im Gegensatz zu den gemeinsameren Rolltor, Sind möglich. Um die Pixeldichten, Shared-Rows, Vierwege und Achtwege zu erhöhen, können sie vorgelesen und andere Architekturen eingesetzt werden. Eine Variante des 3T -aktiven Pixels ist das Foveon X3 -Sensor erfunden von Dick Merrill. In diesem Gerät werden drei Fotodioden übereinander gestapelt Planare Herstellungstechniken, jede Fotodiode mit einer eigenen 3T -Schaltung. Jede aufeinanderfolgende Schicht wirkt als Filter für die Schicht darunter und verschiebt das Spektrum von absorbiertem Licht in aufeinanderfolgenden Schichten. Durch die Entfaltung der Reaktion jedes geschichteten Detektors können rote, grüne und blaue Signale rekonstruiert werden.

Array

Eine typische zweidimensionale Array von Pixeln ist in Zeilen und Säulen organisiert. Pixel in einer bestimmten Zeile Freigabe von Zeilen, so dass jeweils eine ganze Reihe zurückgesetzt wird. Die Zeilenauswahlzeilen jedes Pixels in einer Reihe sind ebenfalls miteinander verbunden. Die Ausgänge jedes Pixels in einer bestimmten Spalte sind miteinander verbunden. Da zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Zeile ausgewählt wird, tritt keine Konkurrenz um die Ausgangslinie auf. Eine weitere Verstärkerschaltung erfolgt typischerweise auf Säulenbasis.

Größe

Die Größe des Pixelsensors wird häufig in Höhe und Breite angegeben, aber auch in der Optisches Format.

Laterale und vertikale Strukturen

Es gibt zwei Arten von APS-Strukturen (Active-Pixel Sensor), die lateralen APs und vertikalen APs.[1] Eric Fossum definiert die lateralen APs wie folgt:

Eine laterale APS -Struktur ist definiert als eine, die einen Teil des Pixelbereichs für Fotodetektion und Signalspeicher hat, und der andere Teil wird für den aktiven Transistor (s) verwendet. Der Vorteil dieses Ansatzes im Vergleich zu einem vertikal integrierten APs besteht darin, dass der Herstellungsprozess einfacher ist und mit hochmodernen CMO- und CCD-Geräteprozessen stark kompatibel ist.[1]

Fossum definiert die vertikalen APs wie folgt:

Eine vertikale APS-Struktur erhöht den Füllfaktor (oder reduziert die Pixelgröße), indem die Signalladung unter dem Ausgangstransistor gespeichert wird.[1]

Dünnfilmtransistoren

Ein zwei-transistorer aktiver/passiver Pixelsensor

Für Anwendungen wie großes Digital Röntgen Bildgebung, Dünnfilmtransistoren (TFTS) kann auch in der APS -Architektur verwendet werden. Aufgrund der größeren Größe und der niedrigeren Transkonduktanzgewinn von TFTs im Vergleich zu CMOS-Transistoren ist es jedoch erforderlich, weniger TFTs auf dem Pixel zu haben, um die Bildauflösung und -qualität auf akzeptabler Ebene aufrechtzuerhalten. Es wurde gezeigt Amorphes Silizium Tfts. In der Zwei-Transsistor-APS-Architektur rechts, tAMPERE wird als integrierende integrierende Funktionen von M in beide m eingeschaltetsf und MSel In den Drei-Transsistor-APs. Dies führt zu reduzierten Transistorzahlen pro Pixel sowie zu erhöhten Pixel -Transkonduktanzgewinn.[36] Hier, cPix ist die Pixelspeicherkapazität, und es wird auch verwendet, um den Adressierungsimpuls des "Lesens" zum Tor von T zu koppelnAMPERE Für Einschaltwechsel. Solche Pixel -Lese -Schaltkreise funktionieren am besten mit Phototakoneiterdetektoren mit niedriger Kapazität wie amorph Selen.

Designvarianten

Es wurden viele verschiedene Pixelkonstruktionen vorgeschlagen und hergestellt. Das Standardpixel verwendet die wenigsten Drähte und die wenigsten und am engsten gepackten Transistoren für ein aktives Pixel. Es ist wichtig, dass die aktiven Schaltkreise in einem Pixel so wenig Platz wie möglich einnehmen, um mehr Platz für den Fotodetektor zu lassen. Hohe Transistor -Anzahl schadet Füllfaktor, dh den Prozentsatz des pixel -Bereichs, der für Licht empfindlich ist. Die Pixelgröße kann gegen wünschenswerte Eigenschaften wie Rauschreduzierung oder reduzierte Bildverzögerung gehandelt werden. Rauschen ist ein Maß für die Genauigkeit, mit der das einfallende Licht gemessen werden kann. Verzögerung tritt auf, wenn Spuren eines früheren Rahmens in zukünftigen Frames verbleiben, d. H. Das Pixel ist nicht vollständig zurückgesetzt. Die Varianz der Spannungsgeräuschvarianz in einem Pixel mit weichen Einflüssen (Gate-Spannung-reguliert) ist , aber Bildverzögerung und festes Musterrauschen können problematisch sein. In RMS -Elektronen ist das Rauschen .

Hart zurückgesetzt

Das Betrieb des Pixels über das Hard -Reset führt zu a Johnson -Nyquist -Lärm auf der Fotodiode von oder , aber verhindert die Bildverzögerung, manchmal einen wünschenswerten Kompromiss. Eine Möglichkeit, Hard Reset zu verwenden, ist ersetzt mRST mit einem P-Typ-Transistor und invertieren die Polarität des RST-Signals. Das Vorhandensein des P-Typs reduziert den Füllfaktor, da zwischen P- und N-Geräten zusätzlicher Speicherplatz erforderlich ist. Es entfernt auch die Möglichkeit, den Reset-Transistor als Überlauf-Anti-Blooming-Abfluss zu verwenden, was ein häufig ausgebeuteter Vorteil des N-Reset-FET vom N-Typ ist. Eine andere Möglichkeit, mit dem FET vom N-Typ hart zurückzutreten, besteht darin, die Spannung von V zu senkenRST relativ zum On-Volt der RST. Diese Reduzierung kann die Kopffreiheit oder die Ladungskapazität mit voller Hell verringern, wirkt sich jedoch nicht aus, es sei denn, V, es sei denn V.Dd wird dann mit seiner ursprünglichen Spannung auf einem separaten Draht verlegt.

Kombinationen von hartem und weichem Reset

Techniken wie Spülenreset, Pseudo-Flash-Reset und schwer zu beitreitendes Reset kombinieren weiche und harte Reset. Die Details dieser Methoden unterscheiden sich, aber die Grundidee ist gleich. Erstens wird ein hartes Reset durchgeführt, wodurch die Bildverzögerung beseitigt wird. Als nächstes erfolgt ein Soft -Reset, was zu einem geringen Rauschen zurückgesetzt wird, ohne eine Verzögerung hinzuzufügen.[37] Pseudo-Flash-Reset erfordert die Trennung von VRST von vDd, während die beiden anderen Techniken kompliziertere Säulenschaltung hinzufügen. Insbesondere Pseudo-Flash-Reset und schwer zu windem zurücksetzen beide Transistoren zwischen den Pixel-Netzteilen und dem tatsächlichen vDd. Das Ergebnis ist ein niedrigerer Kopffreiheit, ohne den Füllfaktor zu beeinflussen.

Aktives Reset

Ein radikaleres Pixeldesign ist das aktive Pixel. Der aktive Reset kann zu viel geringer Rauschpegel führen. Der Kompromiss ist ein kompliziertes Reset-System sowie eine viel größere Pixel- oder zusätzliche Schaltung auf Spaltenebene.

Siehe auch

Verweise

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Weitere Lektüre

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Externe Links