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互補金屬氧化物半導體

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互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)

目錄

什麼是互補金屬氧化物半導體

  互補金屬氧化物半導體是一種已大量使用的光集成器件,它可以把更多的功能(如像素陣列、計時邏輯、採樣電路、放大器、參考電壓等)集合成一體,故價格低廉,原理和功能與CCD接近,在精度要求不高的普及型場合得到了廣泛的應用。近年來,CMOS光電成像器件已成為固體成像器件研究開發的熱點。

互補金屬氧化物半導體的像素結構[1]

  CMOS成像器件的像素電路分為無源像素型(PPS)和有源像素型(APS)。CMOS像素結構主要有光電二極體型無源像素結構、光電二極體型有源像素結構和光柵型有源像素結構。

  (1)無源像素結構

  單管的光電二極體無源像素,允許在給定的像元尺寸下有最高的設計填充繫數,或者在給定的設計填充繫數下可以設計出最小的像元尺寸。由於填充繫數高和沒有許多CCD中的多晶硅疊層,無源像素結構量子效率較高。但是,由於傳輸線電容較大,CMOS無源像素感測器讀出的雜訊較高,這是個致命的弱點。

  (2)光電二極體型有源像素結構

  在像元內引入緩衝器或放大器,可以改善像元的性能,這種像元內有有源放大器的感測器稱為有源像素感測器。CMOS有源像素感測器的功耗比CCD(電荷耦合器)小。與無源像素結構相比,有源像素結構的填充繫數小,其填充繫數的典型值為20%-30%,接近於行間轉移CCD(電荷耦合器)。

  (3)光柵型有源像素結構

  光柵型有源像素型CMOS主要應用於高性能科學成像和低光照條件下成像,讀出雜訊較低。

  (4)其他像素結構

  CMOS還有其他像素結構以滿足不同的需求。如在有些情況下,感測器非線性輸出是人們所希望的。當光信號被壓縮時,非線性輸出可以增大動態範圍。

互補金屬氧化物半導體成像器件的總體結構[1]

  圖所示為CMOS光電成像器件的總體結構框圖。它們一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、模擬信號處理器構成,更高級的CMOS光電成像器件,還集成有模/數(A/D)轉換。

Image:互补金属氧化物半导体.jpg

  行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器或解碼器,定時和控制電路的作用是限制信號讀出模式、設定積分時間、控制數據輸出率等,而在片模擬信號處理器具有完成信號積分、放大、取樣和保持、相關雙取樣等功能。在片模擬/數字轉換器是在片數字成像系統所必需的。

  CMOS光電成像器件可以是整個成像陣列有一個A/D或幾個A/D(每種一個顏色),也可以是成像陣列每列各有一個A/D。

  CMOS光電成像器件圖像信號有幾種讀出模式:

  ①整個陣列逐行掃描讀出模式,這是一種普遍的讀出模式;

  ②視窗讀出模式,這種模式僅讀出感興趣視窗內像元的圖像信息,因此增加了感興趣視窗內信號的讀出率;

  ③跳躍讀出模式,這種模式是每隔一個(或幾個)像元讀出,這種讀出模式以降低解析度為代價,允許圖像有選擇性取樣,以增加讀出速率。

  此外,將跳躍讀出模式與視窗讀出模式結合,可實現電子全景攝像、傾斜攝像和可變焦攝像。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 徐艷芳.印刷應用光學.印刷工業出版社,2007.9
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