aps畫素的原理和結構
作者：中國科學院電子學研究所羅昕
上次談到aps畫素是cmos成像器的關鍵技術，所以我
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aps畫素是如何工作和構成的。最簡單也是最基本的aps畫素是由三個電晶體和乙個光電二極體構成的，因此被稱為3t-aps。如圖2所示意，(c)為單個畫素的電路原理圖。
其中trst是重置開關電晶體，由reset訊號控制工作在開關狀態；tsf是乙個源極跟隨器工作**性狀態，其源極s輸出電壓跟隨著光電二極體pd上的電壓變化，其增益略小於1；tsel是乙個選擇開關，由訊號select控制，把這個畫素的輸出電壓選擇到列輸出共享匯流排column output上；還有乙個光電二極體pd，用於實現光電轉換功能。在大多數情況下，aps畫素中所有的電晶體都只採用單一的nmos管。這是為了避免在本來就有限的畫素面積內，為pmos電晶體而不得不使用佔據較大面積的雙阱結構。
aps的**過程如圖(a)所示意。在一次**開始的時候，首先要通過reset訊號開啟重置開關trst，把光電二極體pd反向偏置到vrst - vth電壓上，vth為電晶體trst的飽和電壓降。這個反偏的重置電壓使光電二極體pn結兩側分別聚集了正電荷-空穴和負電荷-電子，也就是說pn結電容充電，其電荷量為：
qrst = cpd * ( vrst–vth )
其中cpd為反偏的光電二極體pn結電容。當trst完成重置而關閉後，pd結點成為懸浮狀態。然後當入射光照射這個pn結時，光量子激發pn結上充電的電子-空穴對復合，pn結電容上的電荷量隨**時間的延長，從qrst值開始下降。
因為這時pd結點是懸浮的，所以pn結電容上的電壓值也隨電荷量的下降而下降：
dvpd = dqpd / cpd。
dqpd及其對應的dvpd的下降速率(斜率)隨入射光的強度而不同。在相同的**時間內，pd結點電壓vpd隨著電荷量qpd而降低，由源極跟隨器tsf輸出電壓vout，選擇訊號select控制開關管tsel，使vout電壓選擇輸出到列共享匯流排column output上去，實現了對應於光照強度的模擬電壓訊號輸出的匯出。
3t-aps畫素的原理和結構示意圖
對應於圖(c)畫素電路原理的版圖標意於圖(b)，圖中不包括所有的工藝層和一些輔助的版圖結構，尺寸也並未按比例畫出。這類結構通常稱為l型畫素，因為其垂直和水平共享導線被安排在畫素上互相垂直的兩個相鄰邊緣內側。在畫素版圖的水平方向，有重置和選擇兩個控制訊號；在版圖的垂直方向，有畫素的列輸出共享匯流排和電源線。
在這個版圖中所示意的情況中，為了簡化結構重置電壓vrst簡單地用vdd電壓來替代，並與列共享輸出匯流排一起佈線在金屬1層；而水平方向的重置和選擇訊號，被佈線在金屬2層。版圖中光電二極體的面積決定了畫素的光電轉換效率，光電二極體pd的面積apd與整個畫素面積apixel的比例被稱為畫素的填充係數(ff)，這是衡量畫素效能的重要引數之一。
ff = apd/ apixel
在入射光照射下，載流子的復合不僅發生pn結的面積上，即apd的n有源區與p-sub襯底接觸的底面積上，同時也發生在二極體的邊緣上。因此pd的n有源區周邊長度也非常重要，改進pd的形狀以增加其邊緣長度，也可以提高感測器的光電轉換效率。
在圖(b)示意的畫素版圖上，pd的n有源區延長部分形成了三個nmos電晶體，從左到右依此為trst、tsf和tsel。金屬1通過穿孔連線到有源區的vdd，由trst和tsf兩個電晶體共享有源面積連線它們的漏極d。源極跟隨器tsf的源極與選擇開關tsel的漏共享有源區，而tsel的源極經過垂直的金屬1列匯流排輸出到output。
為了改進cmos成像器的影象質量，往往增加aps畫素的有源器件數。4t-aps可以大幅度提高光電訊號的訊雜比；5t和6t等多電晶體畫素結構可以用於實現全域性快門功能和防止影象開花。但是在特定的畫素尺寸下，這些增加的電晶體面積，會擠占光電二極體的面積，從而降低畫素的ff。
尤其在微小尺寸如2.2×2.2微公尺以下畫素設計中，過低ff將降低感測器的靈敏度和動態範圍。
所以往往要權衡增加的電晶體為影象質量和功能上帶來的改進，與各方面效能要求的滿足，甚至3t-aps的結構在某些場合也還是可考慮的。下一期話題我們將討論aps畫素陣列結構。
APS所需材料
aps審核材料準備 1.註冊證明 註冊後請列印出該證明，本人簽字並貼上6 個月以內的2 寸證件照。2.匯款單影印件 請在影印件空白處註明 匯款人的中文姓名和拼音，匯款時間 金額和匯出城市 3.申請人身份證影印件 如有護照，也需提供護照影印件 4.小學畢業證書 證明的影印件 無需公證 5.初中畢業證書...
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