Cmos器件原理与应用

CMOS器件组员:xxxxxxxx报告内容•背景介绍•基本原理•基本流程•现有应用报告内容•背景介绍•基本原理•基本流程•现有应用选题背景•1.CMOS图像传感器；•2.组员情况。xx激光技术xx光电技术xx光学测量组内分工：xx：CMOS的原理xx：CMOS的应用xx：CMOS的未来报告内容•背景介绍•基本原理•基本流程•现有应用CMOS的产生•CMOS英文全名ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体•每个CMOS单元都可以看作是一个光电二极管。•无数个CMOS单元加上处理线路构成CMOS图像传感器。1969年,贝尔实验室发明CCD1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件.发展历程•CMOS图像传感器能够快速发展•一是基于CMOS技术的成熟,二是得益于固体图像传感器技术的研究成果。•1967年以前报道的图像传感器都产生与瞬间入射光强成比例的信号,不能输出任何有意义的积分光生信号，灵敏度低,像元内需要有信号增益。[1-3]•1967年,Weckler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,并提出了采用PMOS开关读出积分电荷的方法。[4]•1968年,Noble报道了首次用于像元内信号读出缓冲的MOS源跟随晶体管。[5]•70年代和80年代,人们热衷于发展CCD,仅有日立、三菱等几个研究机构从事MOS图像传感器的研究。1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功;80年代末,英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件•90年代以来,英国爱丁堡VLSIversion公司首次将CMOS商品化,喷气推进实验室(JPL)研究开发的高性能CMOS图像传感器；此后CMOS图像传感器的性能逐步得到提升。发展历程•到目前为止，在开发CMOS图象传感器中所采用的先进的关键技术可归纳如下:•相关双取样(Cd)电路技术•微透镜阵列制备技术•彩色滤波器阵列技术•数字信号处理(DSP)技术•抑制噪声电路技术•模拟数字转换(AID)技术•亚微米和深亚微米光刻技术光电效应•光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。•光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。光电效应按照光生载流子的理论，光子进入到半导体中，当光子能量超过带隙能量时就会产生电子空穴对。在电场的作用下，电子和空穴会被分开，其中电子会在电势阱中被收集，空穴则会被遗弃。光在入射到感光区的时，会发生光电效应，也就是把光信号转换成电信号，半导体价带中受束缚的电子在接受光的能量后会跃迁到导带，成为能够自由移动的电子。硅的能带图可见光范围:400~700nm可见光λ=700时，Eph=1.77eV近红外λ=1100时,Eph=1.12eV人体红外波长λ=9.65μm时,Eph=0.13eV光电二极管扩散：空穴从P到N，电子从N到P，形成从N指向P的空间电荷区漂移：在内建电场作用下，空穴和电子做的运动，方向与扩散相反形成稳定的内场反向偏置（外场与内场方向一致）时，扩散受到抑制，漂移占主导光照时，光生电子被拉到N区,光生空穴被拉到P区，形成光电流，光电流大小正比于入射光功率，对于确定的PN结来说，光电流大小正比于入射光强CMOS器件的产生图像传感器CCDCMOS有源像素(APS)数字像素(DPS)PG型PPD型PD型集成电路计算机信息数字图像领域无源像素(PPS)CMOS图像传感器总体结构像素单元——PD型有源像素PN结作为光电二极管三个晶体管：复位管M0是NMOS，一边接VDD另一边接电荷感应节点N1放大器M1也是NMOS，放大光电二极管的电压选择管M2当行选信号开启时用于控制读出到列总线TG：传输栅光门PG:多晶硅栅，它是用来产生电势阱（耗尽区）来进行收集光生电子，信号电荷在PG下积分。读出：先对浮置储存节点进行复位，此时它的电压值会通过源跟随器被读出。当PG打开时，电荷被传递到浮置储存节点，此时电压会有变化，新的电压值会被读出，复位电压与信号传递后电压的差值就是像素的差值，这种读出方法也叫做相关双采样。像素单元——PG型有源像素像素单元——PPD型有源像素PPD主要由P+NP-结构组成，当施加在N层上的电压提高的时候，两个PN结的耗尽区会相互延展，当到达某一特定电压时，耗尽区相接触，器件不会再提取更多的载流子，器件完全耗尽。之后，器件内的电势保持不变。感光操作：在积分阶段，光生载流子存储在耗尽区会使得PPD电势降低。读取时：FD会先复位至VDD。此复位电压对于CDS是第一次读取。然后传输栅TG开启，全部光电荷传输到FD。CCD•CCD是于1969年由美国贝尔实验室的维拉•波义耳(WillardS.Boyle)和乔治•史密斯（GeorgeE.Smith）所发明的。•2009年诺贝尔物理学奖揭晓，科学家维拉•博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治•史密斯（GeorgeE.Smith)因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD”获此殊荣。CMOS与CCD的比较CCDCMOS全称电荷耦合装置ChargeCoupledDevice互补金属氧化物半导体ComplementaryMetalOxideSemiconductor灵敏度同样面积下较高感光开口小低成本高低分辨率高传统技术较低噪声比低高耗电量高低反应速度慢快制造工具特殊订制机台可以使用内存或处理器制造机报告内容•背景介绍•基本原理•基本流程•现有应用CMOS图像传感器的工作流程•（1）初始化•初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。CMOS图像传感器的工作流程•（2）帧读出（YR）移位寄存器初始化•利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。CMOS图像传感器的工作流程•3）启动行读出•SYNC-YR指令可以启动行读出，从第一行（Y﹦0）开始，直至Y﹦Ymax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元。•（4）启动X移位寄存器•利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X﹦0起，至X﹦Xmax止；X移位寄存器存一幅图像信号。CMOS图像传感器的工作流程•（5）信号采集•A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集。•（6）启动下行读数•读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。•（7）复位•帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。CMOS图像传感器的工作流程•（8）输出放大器复位•用于消除前一个像敏单元信号的影响，由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位。•（9）信号采样/保持•为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲，该脉冲由脉冲信号SHY控制。报告内容•背景介绍•基本原理•基本流程•现有应用成像器件工业/科学用相机多光谱相机面阵相机扫描相机高速相机监控设备军用/民用相机数码相机数码摄像机医疗相机应用领域——成像器件数码相机•数码相机大部分使用的都是CMOS传感器。•日本相机生产厂家佳能、尼康，现在不销售CCD相机。工业相机•相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，市面上工业相机大多是基于CCD或CMOS芯片的相机。网址：型相机其种类繁多，分别针对不同的用途：以ImagingSource公司产品为例包括工业相机、显微镜用相机、OEM相机、自动对焦相机、变焦相机等国内工业相机/科技相机的生产厂家•北京凌云光技术有限公司•北京新锐视锋科技有限公司•北京凯视佳CatchBEST•深圳华用科技有限公司•深圳京杭科技有限公司•香港普密斯光学科技国际工业相机/科技相机的主要生产厂家ImagingSourceXimeaBaslerFRAMOSAVTe2vIMI-Tech丹麦JAIPointgreyMatroxMicrovisionLumenera日本ARTRAY德国英国韩国加拿大美国主要应用领域——光学干涉检测SG1G2M2M1光源1‘2‘212MCMOS6、光阑2、聚光镜1、激光器3、光阑4、反射镜7、准直物镜5、分束镜10、空气楔12、工作台9、支架11、待测面CMOS迈克尔逊干涉仪：斐索干涉仪：主要应用领域——无透镜鬼成像[6]参考文献：薛玉刚、万人钢、冯飞、姚银萍、张同意.三种不同结构的无透镜鬼成像实验研究[J].光子学报.1004-4213(2014)08-0823006-6主要应用领域——位置探测[7]𝑋=𝐼1−𝐼2+𝐼3−𝐼4𝐼1+𝐼2+𝐼3+𝐼4𝑌=𝐼1+𝐼2−𝐼3+𝐼4𝐼1+𝐼2+𝐼3+𝐼42431XY四象限位置探测：具体应用：静电悬浮位置反馈调节L.Hu,H.P.Wang,L.H.Li,andB.Wei,“ElectrostaticLevitationofPlantSeedsandFlowerBuds”,ChinesePhysicsLetters,2012,29(6)064101~4.(SCI)参考文献：结语•CMOS作为一个不断发展的成像器件，仍有进一步应用的潜力。•由于任务繁重、时间所限，小组内在阅读文献和相互交流总结的过程中有很多资料缺乏、逻辑混乱的部分。•在接下来的时间内，小组会将重点放在CMOS的应用和未来发展的内容上。参考文献•[1]S.Morrison,“Anewtypeofphotosensitivejunctiondevice,”Solid-StateElectronics,vol.5,pp.485-494(1963).•[2]J.Horton,R.Mazza,andH.Dym,“Thescanistor-asolidstateimagescanner,”Proc.IEEEvol.52,pp.1513-1528(1964).•[3]M.A.SchusterandG.Strull,“Amonolithicmosaicofphotonsensorsforsolidstateimagingapplications,”IEEETrans.ElectronDev.,vol.ED-13,pp.907-912(1966).•[4]G.P.Weckler.“Operationofp-njunctionphotodetectorsinaphotonfluxintegrationmode,”IEEEJ.Solid-stateCircuits,vol.SC-2,pp.65-73(1967).•[5]P.Noble,“Self-scannedsiliconimagedetectorarrays,”IEEETrans.ElectronDev.vol.ED-15(4),pp.202-209(1968).•[6]薛玉刚、万人钢、冯飞、姚银萍、张同意.三种不同结构的无透镜鬼成像实验研究[J].光子学报.1004-4213(2014)08-0823006-6•[7]L.Hu,H.P.Wang,L.H.Li,andB.Wei,“ElectrostaticLevitationofPlantSeedsandFlowerBuds”,ChinesePhysicsLetters,2012,29(6)064101~4.