隨著工藝的發展，CMOS影象感測器的效能已經趕上或超越CCD，再加上CMOS影象感測器在工藝上能很大程度與傳統CMOS晶片相容，它已經成為相機的主流感測器型別。由於只能硬體的迅猛發展，很多應用場景都將碰到CMOS感測器，因此本文從基礎出發，介紹CMOS影象感測器的畫素結構。

1.影象感測器整體架構

　　CMOS影象感測器本質是一塊晶片，主要包括：感光區陣列（Bayer陣列，或叫畫素陣列）、時序控制、模擬訊號處理以及模數轉換等模組（如圖1）。其中，各模組的作用分別為：

• 畫素陣列：完成光電轉換，將光子轉換為電子。
• 時序控制：控制電訊號的讀出、傳遞。
• 模擬訊號處理（ADC）：對訊號去噪。（如用CDS去除reset noise、fpn等）
  圖1.1 CMOS感測器示例

其中，畫素陣列佔整個晶片的面積最大，畫素陣列是由一個個畫素組成，它對應到我們看到每張圖片中的每個畫素。每個畫素包括感光區和讀出電路（後面小節會詳細討論），每個畫素的訊號經由模擬訊號處理後，交由ADC進行模數轉換後即可輸出到數字處理模組。畫素陣列的訊號讀出如下（參考圖1.2）：

1. 每個畫素在進行reset，進行曝光。
2. 行掃描暫存器，一行一行的啟用畫素陣列中的行選址電晶體。
3. 列掃描暫存器，對於每一行畫素，一個個的啟用畫素的列選址電晶體。
4. 讀出訊號，並進行放大。

2.影象感測器畫素結構

　　CMOS感測器上的主要部件是畫素陣列，這是其與傳統晶片的主要區別。每個畫素的功能是將感受到的光轉換為電訊號，通過讀出電路轉為數字化訊號，從而完成現實場景數字化的過程。畫素陣列中的每個畫素結構是一樣的，如圖2.1是典型的前照式畫素結構，其主要結構包括：

1. On-chip-lens:該結構可以理解為在感光元件上覆蓋的一層微透鏡陣列，它用來將光線聚集在畫素感光區的開口上。可以增加光電轉化效率，減少相鄰畫素之間的光訊號串擾。
2. Color filter：該結構是一個濾光片，包括紅/綠/藍三種，分別只能透過紅色、綠色、藍色對應波長的光線。該濾光片結構的存在，使得每個畫素只能感應一種顏色，另外的兩種顏色分量需要通過相鄰畫素插值得到，即demosaic演算法。
3. Metal wiring：可以為金屬排線，用於讀出感光區的訊號（其實就是畫素內部的讀出電路）。
4. Photodiode：即光電訊號轉換器，其轉換出的電訊號會經過金屬排線讀出。 圖2.1 畫素結構

其中，Photodiode和Metal wiring對CMOS感測器的效能影響最大（比如光電轉換效率，讀出噪聲等），也是目前主流感測器廠商注重提高的工藝。為了方便敘述，下面將Photodiode和Metal wiring簡稱為Pixel（即包括每個畫素內的感光區域和讀出電路）。

2.1 Passive Pixel

　　最簡單的Pixel結構只有一個PN接面作為photodiode感光，以及一個與它相連的reset電晶體作為一個開關（如圖2.2）。它的工作方式如下：

1. 在開始曝光之前，該畫素的行選擇地址會上電（圖中未畫出），從而RS會啟用，連通PN接面與column bus。同時列選擇器會上電，此時PN接面會被載入高反向電壓（例如3.3 V）。在Reset（即PN接面內電子空穴對達到平衡）完成後，RS將會被停止啟用，停止PN接面與column bus的連通。
2. 在曝光時間內，PN接面內的矽在吸收光線後，會產生電子-空穴對。由於PN接面內電場的影響，電子-空穴對會分成兩個電荷載體，電子會流向PN接面的n+$n^{+}$端，空穴會流向PN接面的p-substrate。因此，經過曝光後的的PN接面，其反向電壓會降低。
3. 在曝光結束後，RS會被再次啟用，讀出電路會測量PN接面內的電壓，該電壓與原反向電壓之間的差，就是PN接面接受到的光訊號。（在主流sensor設計中，電壓差與光強成正比關係）
4. 在讀出感光訊號後，會對PN接面進行再次reset，準備下次曝光。 圖2.2 畫素結構

這種畫素結構，其讀出電路完全位於畫素外面，稱為Passive Pixel。Passive Pixel的讀出電路簡單，整個Pixel的面積可以大部分用於構造PN接面，所以其滿阱電容一般會高於其他結構。但是，由於其訊號的讀出電路位於Pixel外面，它受到電路噪聲的影響比Active Pixel（下一節會介紹）大。Passivel Pixel噪聲較大有2個主要原因：

1. 相對讀出電路上的寄生電容，PN接面的電容相對較小。代表其訊號的電壓差相對較小，這導致其對電路噪聲很敏感。
2. 如圖2.3(b)，PN接面的訊號，先經過讀出電路，才進行放大。這種情況，注入到讀出訊號的噪聲會隨著訊號一起放大。 圖2.3 Active Pixel和Passive Pixel噪聲注入對比

2.2 Active Pixel

　　Active Pixel指的是在畫素內部有訊號讀出電路和放大電路的畫素結構。如圖2.3(a)，訊號傳出Pixel之前，就已經讀出並放大，這減少了讀出訊號對噪聲的敏感性。隨著工藝的發展，基於Active Pixel的CMOS感測器在暗電流和噪聲表現上有很大提升，Active Pixel結構隨之成為了CMOS感測器的主流設計。

　　圖2.4展示了基於PN接面的Active Pixel結構，也成為3T畫素結構（每個畫素包含3個三極體）。在這種結構中，每個畫素包含一個PN接面作為感光元件，一個復位三極體RST，一個行選擇器RS，以及一個訊號放大器SF。其工作方式和Passive Pixel類似：

1. 復位。給PN接面載入反向電壓，或者說啟用RST給PN接面進行復位。復位完成後，不再導通RST。
2. 曝光。和在Passive Pixel中一樣，光子打到PN接面及矽基，被吸收後產生電子-空穴對。這些電子空穴對通過電場移動後，減小PN接面上的反向電壓。
3. 讀出。在曝光完成後，RS會被啟用，PN接面中的訊號經過運放SF放大後，讀出到column bus。
4. 迴圈。讀出訊號後，重新復位，曝光，讀出，不斷的輸出影象訊號。 圖2.4 PN接面畫素結構

基於PN接面的Active Pixel流行與90年代中期，它解決了很多噪聲問題。但是由PN接面復位引入的kTC噪聲，並沒有得到解決。為了解決復位kTC噪聲，減小暗電流，引入了基於PPD結構（Pinned Photodiode Pixel）的畫素結構。PPD pixel包括一個PPD的感光區，以及4個電晶體，所以也稱為4T畫素結構（如圖2.5）。PPD的出現，是CMOS效能的巨大突破，它允許相關雙取樣（CDS）電路的引入，消除了復位引入的kTC噪聲，運放器引入的1/f噪聲和offset噪聲。

　　仔細對比圖2.4和2.5，發現示意圖右邊的結構基本一致。但他們的功能有明顯差異，對於PPD，右邊部分電路只是訊號讀出電路。讀出電路與光電轉換結構通過TX完全隔開，這樣可以將光感區的設計和讀出電路完全隔離開，有利於各種訊號處理電路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD感光區的設計採用的是p-n-p結構，減小了暗電流。PPD畫素的工作方式如下： 1. 曝光。光照射產生的電子-空穴對會因PPD電場的存在而分開，電子移向n區，空穴移向p區。 2. 復位。在曝光結束時，啟用RST，將讀出區（n+$n^{+}$區）復位到高電平。 3. 復位電平讀出。復位完成後，讀出復位電平，其中包含運放的offset噪聲，1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲，將讀出的訊號儲存在第一個電容中。 4. 電荷轉移。啟用TX，將電荷從感光區完全轉移到n+$n^{+}$區用於讀出，這裡的機制類似於CCD中的電荷轉移。 5. 訊號電平讀出。接下來，將n+$n^{+}$區的電壓訊號讀出到第二個電容。這裡的訊號包括：光電轉換產生的訊號，運放產生的offset，1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲 6. 訊號輸出。將儲存在兩個電容中的訊號相減（如採用CDS，即可消除Pixel中的主要噪聲），得到的訊號在經過模擬放大，然後經過ADC取樣，即可進行數字化訊號輸出。

PPD畫素結構有如下優點： - 讀出結構（n+$n^{+}$區）的kTC噪聲完全被CDS消除。 - 運放器的offset和1/f噪聲，都會因CDS得到明顯改善。 - 感光結構因復位引起的kTC噪聲，由於PPD電荷的全轉移，變的不再存在。 - 光敏感度，它直接取決於耗盡區的寬度，由於PPD的耗盡區一直延伸到近Si−SiO2$Si-Si{O}_2$介面，PPD的光感度更高。 - 由於p-n-p的雙結結構，PPD的電容更高，能產生更高的動態範圍。 - 由於Si−SiO2$Si-Si{O}_2$介面由一層p+$p^{+}$覆蓋，減小了暗電流。

由於PPD畫素結構在暗電流和噪聲方面的優異表現，近年來市面上的CMOS感測器都是以PPD結構為主。但是，PPD結構有4個電晶體，有的設計甚至有5個，這大大降低了畫素的填充因子（即感光區佔整個像素面積的比值），這會影響感測器的光電轉換效率，進而影響感測器的噪聲表現。在PPD結構中，畫素的感光區和讀出電路由TX電晶體隔開，相鄰畫素減可以共用讀出電路（如圖2.6）。圖2.6所示的2x2畫素共享讀出電路，一共有7個電晶體，平均一個畫素1.75個電晶體。這樣可以大大減少每個畫素中讀出電路佔用的面積，可以提高填充因子，這樣可以使得像素面積更小（比如1微米）。然而，由於這2x2個畫素的結構不再一致，會導致固定模式噪聲的出現（FPN），這需要在後續影象處理中消除。

3.總結

　　本文主要介紹了以下三個方面：

1. CMOS影象感測器的整體架構。闡明瞭其基本模組：畫素整列、讀出電路、模擬訊號處理以及模數轉換模組。
2. CMOS影象感測器的PN接面畫素結構。這裡主要介紹了CMOS在發展初期的以中畫素結構，但是它存在高暗電流和噪聲的問題，在90年代中期始終無法與CCD在高階成像領域競爭。
3. CMOS影象感測器的PPD畫素結構。介紹了PPD畫素中感光區域與讀出電路的分離，從而使得CDS能用於影象訊號的讀出，引發了CMOS影象感測器的變革。這大大減少了CMOS感測器的噪聲和暗電流，使得CMOS感測器趕上並超越CCD，成為相機感測器的主流。
4. 介紹了PPD畫素結構共享讀出電路的方式。由於PPD讀出電路複雜，減小了畫素的感光區填充因子，引入了讀出電路共享方式。該技術能夠進一步減少畫素的面積，目前已知的有1微米大小的畫素。

文中主要介紹了畫素結構的基礎，後續會繼續更新一些CMOS感測器的知識。

參考文獻

[2] Junichi Nakamura etc. Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. 2006. Taylor & Francis