互补金属氧化物半导体图像传感器 互补金属氧化物半导体图像传感器，简称CMOS图像传感器，是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件。其核心是利用CMOS工艺，将光敏单元和信号处理电路集成在同一芯片上。我们将从基础原理到高级特性，逐步解析其关键技术。 第一步：基本结构单元——像素 CMOS图像传感器最基本的感光单元称为“像素”。每个像素的核心是一个光电二极管，它负责将入射的光子转换为电子（光电效应）。与之前讨论的“图像传感器光电二极管”原理相同，光子能量激发半导体材料产生电子-空穴对，形成光电流。但CMOS像素的关键在于，它集成了额外的晶体管。一个典型的CMOS像素至少包含：光电二极管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和行选通晶体管。这些晶体管共同构成了一个“有源像素”，使得每个像素能独立进行光电转换和初步的信号放大与读出，这与早期无独立放大电路的被动像素结构有本质区别。 第二步：信号读出与相关双采样 当曝光结束后，需要读取每个像素产生的电荷信号。首先，复位晶体管打开，将光电二极管的电压复位到一个参考电平，并读出这个“复位电平”信号。然后，行选通晶体管打开，将光电二极管在曝光期间积累电荷所产生的“信号电平”传输到列总线。关键步骤在于“相关双采样”：电路会计算“信号电平”与“复位电平”的差值。这个差值才是真正的光信号，因为它能有效消除像素复位噪声和晶体管阈值电压不均匀性带来的固定图案噪声，显著提高信噪比。这个过程与“图像传感器读出电路”中的部分技术相关联。 第三步：片上集成与列并行处理 CMOS工艺的最大优势在于能够将模拟和数字电路高度集成。在传感器芯片上，除了像素阵列，通常还集成了： 列并行模数转换器：每一列或几列像素共享一个独立的ADC，实现对整行像素信号的同步、高速数字化转换，这大幅提升了读出速度，是CMOS相比CCD在速度上的主要优势之一。 时序控制逻辑：产生驱动所有晶体管开关的精密时钟信号。 数字信号处理器：进行初步的图像处理，如缺陷像素校正、镜头阴影校正等。 这种高度集成的特性，使得CMOS图像传感器能够实现更小的系统体积、更低的功耗和更低的成本。 第四步：关键性能参数与技术挑战 填充因子与微透镜：光电二极管本身并不占据像素的全部面积，被晶体管和金属连线占据的区域不感光，这导致了“填充因子”问题（与“图像传感器填充因子”相关）。为提高集光效率，在每个像素上方会制作一个微透镜，将入射光会聚到感光区域。更先进的技术如背照式结构，将电路层置于光电二极管下方，使填充因子接近100%。 噪声管理：CMOS传感器的噪声来源复杂，包括：光子散粒噪声（物理极限）、读出电路的热噪声、以及由CMOS晶体管特性决定的1/f噪声（低频噪声）。先进的制造工艺和电路设计（如更好的相关双采样、降噪晶体管）被用于抑制这些噪声。 动态范围扩展：指传感器能同时捕捉最亮和最暗细节的能力。扩展技术包括：对数响应像素、多斜率积分以及像素内电荷溢出控制结构等。 第五步：发展趋势与高级架构 堆叠式CMOS图像传感器：这是当前的主流发展方向。它将像素感光层和包含逻辑电路及存储器的处理层，通过硅通孔技术垂直堆叠在一起。这种结构允许像素层可以更专注于提高感光性能（如采用更大尺寸光电二极管），而处理层则可以集成更复杂的电路和存储器，实现更高的功能密度、更快的速度和更低的功耗。 全局快门与卷帘快门：正如“图像传感器全局快门”和“图像传感器卷帘快门”所述，全局快门能同时曝光所有像素，消除拍摄运动物体时的畸变，但对像素内电路设计要求更高，传统上CMOS更多采用卷帘快门。现在，通过改进像素设计，高性能的全局快门CMOS传感器已广泛应用。 事件驱动视觉传感器：一种仿生设计，每个像素异步工作，只报告亮度变化事件，而非传统帧图像。这种传感器具有极高的时间分辨率、极低的延迟和功耗，适用于机器人和高速视觉应用。 总结来说，CMOS图像传感器通过将光敏元件与复杂的CMOS处理电路单片集成，实现了高性能、低功耗和系统小型化。其核心技术路径从改进基本像素结构和读出方法，发展到利用堆叠等三维集成技术，持续推动着从智能手机到专业相机的整个成像领域的进步。