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1、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 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，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CC
2、D1970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。1-31967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。41968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
3、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VLSI version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(
4、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
5、子。,硅的能带图,可见光范围:400700nm,可见光=700时，Eph=1.77eV,近红外=1100时, Eph=1.12eV,人体红外波长 =9.65m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,CCD,CMOS,有源像素(APS),
6、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
7、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(Willa
8、rd S. Boyle)和乔治史密斯（George E. Smith）所发明的。2009年诺贝尔物理学奖揭晓，科学家维拉博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治史密斯（George E. 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,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
9、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（Y0）开始，直至YYmax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X0起，至XXmax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
10、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,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
11、、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：http:/,The Imaging Source DFK 23UV024型相机,其种类繁多，分别针对不同的用途：以Imaging Source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-T
12、ech,丹麦 JAI Pointgrey Matrox Microvision Lumenera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,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7,四象限位置探测：,具体应用：静电悬浮位置反馈调节,L. Hu,H. P. Wang, L. H. Li, and B. Wei, “Electrostatic Levitation
13、of Plant Seeds and Flower Buds”,Chinese Physics Letters, 2012, 29 (6) 0641014. (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, “A new type of photosensitive junction device,” Solid- State Electronics, vo
14、l. 5, pp. 485-494 (1963).2 J. Horton, R. Mazza, and H. Dym, “The scanistor - a solid state image scanner,” Proc. IEEE vol. 52, pp. 1513-1528 (1964). 3M.A.SchusterandG.Strull,“Amonolithicmosaicofphotonsensors forsolidstateimagingapplications,” IEEETrans.ElectronDev. ,vol. ED-13,pp.907-912(1966). 4 G.
15、 P. Weckler. “Operation of p-n junction photodetectors in a photon flux integration mode,” IEEE J. Solid-state Circuits, vol. SC-2, pp. 65-73 ( 1967). 5 P. Noble, “Self-scanned silicon image detector arrays,” IEEE Trans. Electron Dev. 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)08-0823006-67 L. Hu,H. P. Wang, L. H. Li, and B. Wei, “Electrostatic Levitation of Plant Seeds and Flower Buds”,Chinese Physics Letters, 2012, 29 (6) 0641014.,
