新型固体LBCAST JFET图像传感器

摘要：尼康公司的D2H单反数字相机中使用了一种新型的固体图像传感器LBCAST JFET。该器件在读数方式、内部结构等方面有了较大改进，与CCD、CMOS图像传感器比较具有瞬时启动、高灵敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪声等特色。 关键词：LBCAST JFET 图像传感器 X-Y寻址 像素开关 颜色分离 噪声 引言 在2003年底以前，固体图像传感器还分为CCD型和CMOS型，但是2003年底日本的尼康公司改写了这个历史，在其2003年7月发布的D2H镜头转换式反单数字相机中使用了一种新型的固体LBCAST JFET图像传感器（Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array Junction Field Effect Transistor）。可以说是CCD与CMOS技术优势融合的产物，充分体现了CMOS低耗电量和CCD高速数据读取的优势，尺寸为23.3mm%26;#215;15.5mm，对角线长28.4mm，总像素数为426万（2560%26;#215;1664），有效像素数为410万，像素间隔为9.4μm。 1 JFET和MOSFET 场效应管主要有结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET，由于其栅极为金属铝故通常又称为MOSFET），具有输入阻抗高、噪声低、功耗低、热稳定性高、抗辐射能力强等优点。它们的区别在于导电机构和电流控制原理根本不同，JFET是利用耗尽区的宽度变化来改变导电沟道的宽窄以控制漏极电流；MOSFET则是用半导体表面的电场效应、电感应电荷的多少去改变导电沟来控制电流。它们性质的差异是：JFET往往运用在功放输入级（前级），MOSFET则用在功放末级（输出级）。但是在有些工作条件下，MOSFET的输入电阻不够高，难以满足要求，而且在高温工作时，因PN结反向电流增大，其阻值会显著下降，漏极电流也较大。 2 LBCAST JFET的特点 在追求高带宽、低功耗的图像传感器竞争中，CMOS图像传感器在设计中展现出比CCD更优势的特点：尺寸小、系统成本低，在确何产品品质的前提下功耗也低。但噪声成为CMOS成功路上最大的障碍，将导致图像质量的下降。这也是噪声问题必须得以解决的原因之一。而LBCAST JFET有着众多优点，这除了与放大器采用JFET有关外，还与其内部结构及工作特点有关。 2．1 LBCAST JFET的读数方式 目前CCD和CMOS常用的读数方式：顺序电荷转移方式与X-Y导址和传输方式。图1（a）为传统Interline CCD图像传感器通常采用的顺序电荷转移方式由光信号转换成的电信号首先被传送到列转移寄存器，最后再输出到图像处理单元，因此速度受到限制。此外从理论上讲，由于顺序电荷转移方式需要连续、高速的驱动转换寄存器，这就需要较多的电功率。图1（b）为CMOS图像传感器通常使用的X-Y寻址和传输方式，在这种方式中，每一个像素都有自己的放大器，通过列扫描和行扫描来传递信号，并输出给图像处理单元。它有独立的数据传输线路，因此能达到很高的速度，但是如果仔细观察其输出图像，就能够发现在分开的线上容易出现图像失真。 JFET图像传感器亦采用X-Y寻址和传输方式，数据通过两条信号线按不同的颜色读出，这样一来读取图像的速度更快，同时具有可以随意提取高密度像素数据的优点。JFET图像传感器的数据分配线用颜色的方法（绿、蓝和红）代替了用区域的方式，在提高操作速度的同时也提高了图像质量，解决了输出图像在分开的线上容易再现失真这一问题。 JFET图像传感器根据颜色分离信号源；所有的绿色信号通过一条线输出，而所有的蓝色和红色信号通过另外一条线输出，这样可以使图像不受输出放大器波动的影响，确保了图像质量。由于人眼对绿色特别敏感，因此绿色信号线只处理绿色信号，而且在图像锐化和设置图像对比度的绿色也特别重要。在读第一行数据时，应用列左边的数据线（上面输出G信号，下面输出B信号），再接着读第二行数据，此时应用列右边的数据线（上面输出G信号，下面输出R信号），依次继续进行（图2），那么可以看到R：G：B比率是1：2：1，通常彩色滤波器的比率也是基于这个原理设计的。 2．2 JFET的功能 LBCAST JFET中提取像素数据的晶体管是JFET，且每个像素中都包含一对电荷积累部分（即感光元件）与检测放大用的JFET晶体管，可实现光电转换、存储和放大。而CMOS图像传感器中的放大器是MOSFET放大器。在照相机快门关闭是一刹所光接收结束，用于转移的MOSFET栅极打开，同时所有存储的电荷被转移到JFET栅极。此外，JFET栅极就相当于量杯，通过JFET可以读出有多少光荷被转移到这个“杯子”中。JFET栅极电压随着从光电二极管转移来的电荷而升高。此时JFET使得信号电压相应升高，并将其作为列信号线读取的数据输出。在图像信号读出以后，JFET栅极会送电荷给MOSFET使其复位，这样就可以控制JFET栅极的开与关。换句话说，JFET的功能就好比是像素开关，当需要读取信号时将其闭合即可。与CMOS图像传感器相比，JFET的路径简化很多，这样使使得速度极大提高、可靠性增强、次品率降低。 2．3 内部结构特点分析 在LBCAST JFET中，由于电荷积累部分采用横向嵌入方式，因此，JFET成为夹在Gate（开关）当中的通道构造，成为理想的增幅放大元件，和CMOS相比具有更高的灵敏度和更低的噪声。 首先，对于一个给定的信号，LBCAST使用量杯虽然较小，却提供了一个比较大的电压增量和高的分辨率。其次，在CMOS图像传感器中，信号是经过沟道到硅的表面；而在LBCAST中，信号的传输是通过内部沟道，因此大噪声几乎降低到以前水平的1/3，同时暗电流特别小，可以有效抑制暗噪声。另一方面，像素信号双通道同时提取，可以实现高速处理。在结构方面，LBCAST摄像像素的布线构造比CMOS少一个金属层，同时布线密度也比较低，层间连接孔也比较少。由此实现了结构简单、制造故障少、成品率高等目标。 JFET传感器像素选择开关由3个晶体管组成：转移、JFET和复位。而CMOS传感器则由4个晶体管组成，第4个晶体管用做像素选择。因此LBCAST有着比CMOS简单的结构，较高的效率，并且因为单位面积的光电二极管可以增加，也就提高了其功能性。内部连线（包括非透明层）结构也很简单，适合于一个多晶硅层和2个材料层。而CMOS在组成上的设计却包括四层。需要的层数越少，光电二极管与微透镜的距离就越短，通过BPD（Burie d PhotoDiode）、内部FPN（Fixed Pattern Noise）等技术，LBCCAST传感器可有效降低暗光线下拍摄的图像噪声。它类似于CMOS的双通道读取方式可提高数据读出速率，非常贴近光敏单元的微透镜在提高光效率同时有效改善了画面中央和边角的一致性。LBCAST JFET像素结构图如图3所示，LBCAST JFET像素剖面图如图4所示。 3 结束语 新开发的LBCAST JFET传感器的主要目标是重视“速度”。它的总像素并非很高，仅有400万。因此Nikon将应用于LBCAST JFET图像传感器的D2H照相机定位于新闻报道与体育摄影等方面。 LBCAST和CMOS相比具有更高灵敏度和低噪音效果，并且结构简单、制造故障少、成品率高。由于它结构简单，因此可以采用与CMOS相同的制造工艺，预计将来制造成本可以大幅度降低，应用前景十分看好。