CMOS图像传感器中的噪声来源分析

时间：2022-09-21 00:00:00 各种常见的离散传感器传感器击穿原因 va传感器传感器红外晶体二极管 20nnsvu2k传感器 j4k07999传感器

CMOS 图像 传感器中的噪声源分析

载流子的随机涨落是半导体设备噪声的主要来源，噪声图像传感器的灵敏度不仅会恶化成像质量，还会决定本文将图像传感器中的噪声定义为所有使图像或信号恶化的波动CMOS例如，总结图像传感器中的噪声源。

文章目录

CMOS图像传感器中的噪声源分析
- 像素结构(Pixel Structure)
- - 微透镜阵列(MicroLens)
  - 彩色滤光阵列(Color Filter Array)
  - 复位(Reset Operation)
  - 电荷检测(Charge Detection)
  - 满肼容量(Full-Well Capacity)
- 传感器外设( Sensor Peripherals)
- - X-Y寻址(X-Y Address)
  - 读出电路(Readout circuits)
- 暗电流(Dark Current)
- 噪声(Noise)
- - 噪声的颜色
  - - 白噪声和有色噪声
    - 有色噪声和色噪声
  - 复位噪声(Reset Noise)
  - 热噪声(Thermal Noise)
  - 读出噪声(Readout Noise)
  - $1 / f$ 噪声(1/f Noise)
  - - 长程相关性
  - 量化噪声(Quantization noise)
  - 列固定噪声(Column Fixed Pattern Noise)
  - 散粒噪声(Shot Noise)
- Summery
- Reference

像素结构(Pixel Structure)

以3T-APS(3 Transistor-Active Pixel Sensor)为例，CMOS说明中像素结构的细节 (CMOS图像传感器的像素可视为由光电二极管、光电二极管复位开关、信号放大器、输出电路组成)。APS它可以在每个像素中实现一个独立的放大器，这是一个简单的原极跟随它(Source Follower)，有源像素的优点之一是抑制了信号读出路径上产生和引入的噪声。

立体图像素结构

像素结构截面图

微透镜阵列(MicroLens)

先进的制造工艺在减少像素尺寸和增加像素总数方面非常有效，但传感器捕获光的能力(Light Sensitivity)随着像素尺寸的下降而减小。像素中的感光区(Photosensitive Area)面积 $A_{pd}$ 与像素面积(Pixel Area) $A_{pix}$ 填充因子之间的比率被定义为填充因子(Fill Factor)：
$FF=\frac{A_{pd} }{A_{pix} }$
从像素结构的截面图可以看出，如果不考虑微透镜对光线的汇聚作用，填充因子由遮光层(Light Shield)的开口面积决定，3T-APS中有三个晶体管(复位晶体管、源跟随器晶体管、行选择晶体管)，且这些晶体光需要被遮光层所覆盖，如果使用更多的晶体管，比如4T-APS、6-APS，遮光层的覆盖面积会增大，同时填充因子也会相应降低。为了更好地将光线汇聚到光电二极管上，一般选择在芯片上放置一个简单的片上微透镜阵列，可以有效地提高填充因子。除了增加灵敏度之外，微透镜还有助于减少传感器中的漏光，降低CCD和CMOS图像传感器中由于少数载流子扩散而造成的像素间的串扰(Cross Talk)。微型透镜对提高传感器的感光度起着非常重要的作用，但值得一提的是在入射光位置不同时，其从成像透镜到图像传感器的角度也不同，会导致镜头阴影(Lens Shading)产生。

微透镜对光的汇聚作用

微透镜导致镜头阴影

图像传感器一般而言是单色传感器，对敏感波长范围内的光产生响应，对于消费领域内的图像传感器来说，可以在光敏二极管上覆盖彩色滤光阵列，用以实现色彩信息分离。最常用的彩色滤光模式为"Bayer Pattern"，由于人眼视觉系统主要从绿色光谱部分获得视觉细节，即是，视觉亮度差异与绿色有关，而颜色感知与红色和蓝色有关，因此，所以“Bayer Pattern”当中的绿色滤光器是红色或蓝色滤光器的两倍(或者说，绿色的采样率是红、蓝的两倍)。

复位(Reset Operation)

复位类似于清零的操作，如果是卷帘式曝光(Rolling Shutter)，需要在每行曝光之前或者信号读出之后进行复位。3T-APS CMOS的复位操作通常是通过给 $M_{RS}$ 栅极加高电平，电压为 $V_{dd}$ ，当复位信号有效时，复位管工作在饱和区，在复位管源端的光电二极管阴极节点电压将快速上升到 $V_{dd}-V_{th}$ ， $V_{th}$ 为阈值电压，此时复位管进入压阈值区，至慢慢关断。以上复位操作为软复位，由于完成复位需要的时间相对较长，容易出现复位不彻底，最终造成图像滞后(Image Lag)；相反，在硬复位中，栅极施加的电压大于 $V_{dd}$ ， $M_{RS}$ 始终高于阈值，就能够很快地完成复位动作，从而抑制图像滞后，但这种方式的 $k_{B}TC$ 噪声相对较大。
每行复位到读出的时间间隔即是每行的曝光时间。

3T-APS复位电路

电荷检测(Charge Detection)

CCD传感器在输出放大器中完成电荷检测，而CMOS传感器在像素中完成电荷检测，电压放大器连接势肼(Potential Well)以监测势肼电荷信号的变化，若有电荷 $Q_{sig}$ 进入肼中，会引起势肼电压(Potential Change)变化：
$\bigtriangleup V_{PD}=\frac{Q_{sig} }{C_{FD} }$
其中$C_{FD} $为放大器所连接到势肼的电容，并充当电荷到电压的转化电容，输出电压的变化如下：
$\bigtriangleup V_{out}=A_{V}\bigtriangleup V_{FD}$
$A_{V} $是电压放大器的增益。

电荷检测电路

满肼容量(Full-Well Capacity)

光电二极管工作在电荷积分(Charge-Integrating)模式下，势肼只有有限的电荷储存能力，光电二极管的电容能够积累的最大电荷量为“满肼容量”：
$N_{sat}=\frac{1}{q}\int_{V_{reset} }^{V_{max}}C_{PD}(V).dV[electrons]$
满肼容量决定了传感器动态范围的上限

传感器的外设( Sensor Peripherals)

X-Y寻址(X-Y Address)

在大多数CMOS图像传感器中，信号电荷在像素中被有源晶体管转化为电压或者电流，最终的视频信号是通过行、列扫描器对像素阵列进行光栅扫描获得的。一般情况下，行扫描器在每帧时间内产生一个行选择信号和一个复位脉冲并送入选定行的像素中，列扫描器在每个行周期扫描各列。正如“X-Y地址”的字面意思，像素信号是通过垂直扫描器(移位寄存器或者解码器)选通一行(Y)读出以及水平扫描器选通一列(X)读出的方式进行寻址。CMOS中两种常见的行扫描器是移位寄存器和解码器。CCD、CMOS图像传感器都是电荷积分型传感器，像素中的信号电荷在电荷积分开始前应当被复位，而不同的扫描方案导致了工作时序的不同，在CCD传感器中，电荷复位是通过垂直电荷转移电路当中实现的，这个过程在整个像素阵列中是同时发生的，而大多数CMOS图像传感器中，复位和信号读出是逐行进行的。CCD将光生电荷转移到CCD寄存器后端的电荷检测器放大，使得所有信号均通过同样的放大器读出，因此，放大器的失调保持恒定；而CMOS图像传感器一般在列输出线上有一个列放大器(Column Amplifier)，列放大器之间存在的差异，往往会造成图像的列固定噪声(Column Fixed Pattern Noise)。

CMOS图像传感器结构

读出电路(Readout circuits)

在大多数CMOS图像传感器中，同一行的像素被同时读出然后并行处理是非常流行的读出电路结构，同一行的像素的光电二极管所产生的电压同时被光电二极管所接的源跟随器读出然后并行处理，处理后的信号被存储在一个行存储器中，并按顺序读出，电荷积分时间逐行出现偏移。在这种结构中，一个像素只需要一个行选择脉冲，从而减少了用于传输像素控制脉冲的总线数量。最常见的读出结构中有源极跟随器→相关双采样(CDS)→列放大器(模拟放大)→ADC。

暗电流(Dark Current)

暗电流是在镜头无光线透过的条件下观测到的电流，是传感器成像过程中的一种非理想因素，暗电流会积分成为暗电荷并存储在势肼当中，同时暗电荷还是温度的函数，暗电荷的数量与积分时间成正比：
$N_{dark}=\frac{Q_{dark}}{q}=\frac{I_{dark}\cdot t}{q}$
其中 $q$ 为基元电荷， $t$ 为积分时间。暗电流对传感器成像质量的最显著的影响是降低了图像传感器成像的动态范围(Dynamic Range)，和势肼容量不同的是，暗电流决定的是图像传感器动态范围的下限，将图像传感器的动态范围做如下定义：
$DR=20log_{10}(\frac{S_{max}}{S_{min}})(dB)$

$S_{max}$ 由满肼容量决定， $S_{min}$ 由暗电流决定(Represents the Minimum Temporal Noise Value at Zero Exposure)。光电二极管中的暗电流有如下几个来源：

暗电流类型	依赖关系	描述
扩散电流	$\propto exp(-\frac{E_{g} }{k_{B}T } )$	随温度上升而指数增加；对偏置电压的依赖性比较弱，主要依赖偏置电压的平方根
生产-复合电流	$\propto \sqrt{V} exp(-\frac{E_{g} }{2k_{B}T } )$	随耗尽层宽度和本征载流子浓度的增加而增加；随载流子在深能级复合中心的寿命的增加而减少
带带隧穿电流	$\propto V^{2}exp(-\frac{a}{V} )$	与偏置电压呈指数关系(当掺杂浓度很大时，由于耗尽层宽度变薄而导致隧穿效应的反正)
缺陷辅助隧穿电流	$\propto exp(-\frac{a^{'} }{V} )^{2}$	与偏置电压呈指数关系
碰撞电离电流	$a\propto exp(-\frac{b}{V} )$

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