Aktiv pixelsensor - Active-pixel sensor

En aktiv pixelsensor ( APS ) er en billedsensor, hvor hver pixelsensorenhedens celle har en fotodetektor (typisk en fastgjort fotodiode ) og en eller flere aktive transistorer . I en metal-oxid-halvleder (MOS) aktiv-pixelsensor bruges MOS-felt-effekt-transistorer (MOSFET'er) som forstærkere . Der er forskellige typer APS, herunder den tidlige NMOS APS og den meget mere almindelige komplementære MOS (CMOS) APS, også kendt som CMOS -sensoren , som er meget udbredt i digitale kamerateknologier såsom mobiltelefonkameraer , webkameraer , mest moderne digitale lommekameraer, de fleste digitale spejlreflekskameraer (DSLR'er) og spejlfri kameraer med udskifteligt objektiv (MILC'er). CMOS-sensorer dukkede op som et alternativ til billedfølere til ladningskoblede enheder (CCD) og solgte dem til sidst i midten af ​​2000'erne.

CMOS billedsensor.

Udtrykket 'aktiv pixelsensor' bruges også til at referere til den enkelte pixelsensor selv, i modsætning til billedsensoren. I dette tilfælde er billedsensoren undertiden kaldes en aktiv pixel-sensor imager , eller aktiv-pixel billedsensor .

Historie

Baggrund

Yderligere oplysninger: Billedføler § Historik

Mens de undersøgte teknologi inden for metaloxid-halvleder (MOS), indså Willard Boyle og George E. Smith , at en elektrisk ladning kunne lagres på en lille MOS-kondensator , som blev den grundlæggende byggesten i ladningspar-enheden (CCD), som de opfandt i 1969. Et problem med CCD -teknologi var, at det krævede behovet for næsten perfekt ladningsoverførsel, som ifølge Eric Fossum "gør deres stråling 'blød', vanskelig at bruge under dårlige lysforhold, vanskelig at fremstille i store array-størrelser, vanskelige at integrere med on-chip elektronik , vanskelige at bruge ved lave temperaturer, vanskelige at bruge ved høje billedhastigheder og vanskelige at fremstille i ikke- silicium materialer, der forlænger bølgelængderespons. "

På RCA Laboratories foreslog et forskerhold, herunder Paul K. Weimer , WS Pike og G. Sadasiv, i 1969 en solid-state billedsensor med scanningskredsløb ved hjælp af tyndfilmstransistorer (TFT'er), med fotokonduktiv film, der blev brugt til fotodetektoren . En "hovedsagelig digital" NOS-kanal MOSFET (NMOS) billedbehandler med lav opløsning med intra-pixelforstærkning, til en optisk museapplikation , blev demonstreret af Richard F. Lyon i 1981. En anden type billedsensorteknologi, der er relateret til APS er hybrid infrarødt brændplanplan array (IRFPA), designet til at fungere ved kryogene temperaturer i det infrarøde spektrum . Enhederne er to chips, der sættes sammen som en sandwich: en chip indeholder detektorelementer fremstillet i InGaAs eller HgCdTe , og den anden chip er typisk lavet af silicium og bruges til at aflæse fotodetektorerne. Den nøjagtige oprindelsesdato for disse enheder er klassificeret, men de var i brug i midten af ​​1980'erne.

Et nøgleelement i den moderne CMOS -sensor er den fastgjorte fotodiode (PPD). Det blev opfundet af Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki og Yasuo Ishihara på NEC i 1980 og derefter offentligt rapporteret af Teranishi og Ishihara med A. Kohono, E. Oda og K. Arai i 1982 med tilføjelse af en antiblomstrende struktur. Den fastgjorte fotodiode er en fotodetektorstruktur med lav forsinkelse , lav støj , høj kvanteeffektivitet og lav mørk strøm . Den nye fotodetektorstruktur, der blev opfundet på NEC, fik navnet "fastgjort fotodiode" (PPD) af BC Burkey på Kodak i 1984. I 1987 begyndte PPD at blive inkorporeret i de fleste CCD -sensorer og blev en fastgørelse i forbrugerelektroniske videokameraer og derefter digitale stillkameraer . Siden da har PPD været brugt i næsten alle CCD -sensorer og derefter CMOS -sensorer.

Passiv-pixel sensor

Forløberen til APS var den passive-pixelsensor (PPS), en type fotodiodearray (PDA). En passiv-pixelsensor består af passive pixels, der udlæses uden forstærkning , hvor hver pixel består af en fotodiode og en MOSFET- switch. I et fotodiodearray, pixel indeholder en pn-overgang , integreret kondensator , og MOSFETs som udvælgelse transistorer . En fotodioderække blev foreslået af G. Weckler i 1968, forud for CCD. Dette var grundlaget for PPS, der havde billedsensorelementer med in-pixel selektionstransistorer, foreslået af Peter JW Noble i 1968 og af Savvas G. Chamberlain i 1969.

Passive-pixelsensorer blev undersøgt som et solid-state- alternativ til billedbehandlingsenheder i vakuumrør . MOS-passive-pixelsensoren brugte kun en simpel switch i pixlen til at aflæse den fotodiodeintegrerede ladning. Pixels blev opdelt i en todimensionel struktur, med en adgangsaktiveret ledning delt med pixels i samme række, og udgangstråd delt med kolonne. For enden af ​​hver søjle var der en transistor. Passive pixelsensorer led af mange begrænsninger, såsom høj støj , langsom aflæsning og mangel på skalerbarhed . Tidlige fotodioderarrays var komplekse og upraktiske, hvilket krævede selektionstransistorer at blive fremstillet inden for hver pixel sammen med on-chip multiplexerkredsløb . Den støj af fotodiodearray var også en begrænsning til ydeevne, som fotodioden udlæsning bus kapacitans resulterede i forøget støjniveau. Korreleret dobbelt sampling (CDS) kunne heller ikke bruges med en fotodioderække uden ekstern hukommelse . Det var ikke muligt at fremstille aktive pixelsensorer med en praktisk pixelstørrelse i 1970'erne på grund af begrænset mikrolithografiteknologi dengang. Fordi MOS-processen var så variabel, og MOS-transistorer havde egenskaber, der ændrede sig over tid ( Vth ustabilitet), var CCD's ladningsdomæne-drift mere fremstillelig end MOS-passive pixelsensorer.

Aktiv pixelsensor

Den aktive pixelsensor består af aktive pixels, der hver indeholder en eller flere MOSFET- forstærkere, der konverterer den fotogenererede ladning til en spænding, forstærker signalspændingen og reducerer støj. Konceptet med en aktiv-pixel-enhed blev foreslået af Peter Noble i 1968. Han skabte sensorarrays med aktive MOS-udlæsningsforstærkere pr. Pixel, i det væsentlige i den moderne tre-transistorkonfiguration: den nedgravede fotodiode-struktur, selektionstransistor og MOS-forstærker.

Den MOS aktiv-pixel konceptet blev gennemført som enhed gebyret modulation (CMD) af Olympus i Japan i midten af 1980'erne. Dette blev muliggjort af fremskridt inden for fremstilling af MOSFET- halvlederenheder , hvor MOSFET-skalering nåede mindre mikron og derefter sub-mikroniveauer i løbet af 1980'erne til begyndelsen af ​​1990'erne. Den første MOS APS blev fremstillet af Tsutomu Nakamuras team på Olympus i 1985. Udtrykket aktiv pixelsensor (APS) blev opfundet af Nakamura, mens han arbejdede på CMD aktiv-pixelsensoren i Olympus. CMD-billedbehandleren havde en lodret APS-struktur, som øger fyldfaktoren (eller reducerer pixelstørrelsen) ved at lagre signalladningen under en output- NMOS- transistor. Andre japanske halvledervirksomheder fulgte snart med deres egne aktive pixelsensorer i slutningen af ​​1980'erne til begyndelsen af ​​1990'erne. Mellem 1988 og 1991 udviklede Toshiba sensoren " double-gate floating surface transistor", som havde en lateral APS-struktur, hvor hver pixel indeholdt et nedgravet kanal MOS-fotogat og en PMOS- udgangsforstærker. Mellem 1989 og 1992 udviklede Canon den baselagrede billedsensor (BASIS), som brugte en lodret APS-struktur, der ligner Olympus-sensoren, men med bipolare transistorer frem for MOSFET'er.

I begyndelsen af ​​1990'erne begyndte amerikanske virksomheder at udvikle praktiske MOS aktive pixelsensorer. I 1991 udviklede Texas Instruments bulk CMD -sensoren (BCMD), som blev fremstillet på virksomhedens japanske afdeling og havde en lodret APS -struktur svarende til Olympus CMD -sensoren, men var mere kompleks og brugte PMOS frem for NMOS -transistorer.

CMOS sensor

I slutningen af ​​1980'erne til begyndelsen af ​​1990'erne var CMOS- processen veletableret som en velkontrolleret stabil halvlederfremstillingsproces og var basisprocessen for næsten alle logiske og mikroprocessorer . Der var en genopblussen i brugen af ​​passive-pixelsensorer til billedbehandlingsapplikationer, mens aktive pixelsensorer begyndte at blive brugt til højopløselige højfunktionsapplikationer såsom nethindenimulering og partikeldetektorer med høj energi. Imidlertid havde CCD'er fortsat meget lavere tidsmæssig støj og fastmønsterstøj og var den dominerende teknologi til forbrugerapplikationer såsom videokameraer samt til broadcast- kameraer , hvor de fortrængte videokamera-rør .

I 1993, at de første praktiske APS med held fremstillet uden for Japan blev udviklet på NASA 's Jet Propulsion Laboratory (JPL), som fremstillede en CMOS kompatible APS, med dets udvikling ledet af Eric Fossum . Det havde en lateral APS -struktur svarende til Toshiba -sensoren, men var fremstillet med CMOS frem for PMOS -transistorer. Det var den første CMOS-sensor med intra-pixel ladningsoverførsel.

Fossum, der arbejdede hos JPL, ledede udviklingen af ​​en billedsensor, der brugte intra-pixel ladningsoverførsel sammen med en in-pixel forstærker til at opnå ægte korreleret dobbelt sampling (CDS) og lav tidsmæssig støjdrift og on-chip kredsløb til faste -støjreduktion af mønstre. Han offentliggjorde også en omfattende artikel fra 1993, der forudsagde fremkomsten af ​​APS -imagere som den kommercielle efterfølger for CCD'er. Den aktive pixelsensor (APS) blev bredt defineret af Fossum i dette papir. Han klassificerede to typer APS -strukturer, den laterale APS og den lodrette APS. Han gav også et overblik over APS -teknologiens historie, fra de første APS -sensorer i Japan til udviklingen af ​​CMOS -sensoren hos JPL.

I 1994 foreslog Fossum en forbedring af CMOS -sensoren: integrationen af ​​den fastgjorte fotodiode (PPD). En CMOS -sensor med PPD -teknologi blev først fremstillet i 1995 af et fælles JPL- og Kodak -team, der omfattede Fossum sammen med PPK Lee, RC Gee, RM Guidash og TH Lee. Mellem 1993 og 1995 udviklede Jet Propulsion Laboratory en række prototype -enheder, som validerede de vigtigste funktioner i teknologien. Selvom de var primitive, viste disse enheder god billedydelse med høj aflæsningshastighed og lavt strømforbrug.

I 1995 blev Fossum og hans daværende kone, dr. Sabrina Kemeny, frustreret over det langsomme tempo i teknologiens adoption, med til at stifte Photobit Corporation for at kommercialisere teknologien. Det fortsatte med at udvikle og kommercialisere APS-teknologi til en række applikationer, såsom webkameraer, højhastigheds- og motion capture-kameraer, digital radiografi , endoskopi (pille) kameraer, digitale spejlreflekskameraer (DSLR'er) og kameratelefoner. Mange andre små billedsensorvirksomheder kom også til liv kort tid efter på grund af tilgængeligheden af ​​CMOS -processen, og alle tog hurtigt den aktive pixelsensor -tilgang til sig.

Photobits CMOS -sensorer fandt vej til webkameraer fremstillet af Logitech og Intel , før Photobit blev købt af Micron Technology i 2001. Det tidlige CMOS -sensormarked blev i første omgang ledet af amerikanske producenter som Micron og Omnivision, hvilket gjorde det muligt for USA kortvarigt at generobre et del af det samlede billedsensormarked fra Japan, før CMOS -sensormarkedet til sidst blev domineret af Japan, Sydkorea og Kina. CMOS -sensoren med PPD -teknologi blev yderligere avanceret og forfinet af RM Guidash i 1997, K. Yonemoto og H. Sumi i 2000 og I. Inoue i 2003. Dette førte til, at CMOS -sensorer opnåede billedydelse på niveau med CCD -sensorer og senere overstiger CCD -sensorer.

I 2000 blev CMOS-sensorer brugt i en række forskellige applikationer, herunder billige kameraer, pc-kameraer , fax , multimedie , sikkerhed , overvågning og videofoner .

Videoindustrien skiftede til CMOS-kameraer med fremkomsten af HD-video (HD-video), da det store antal pixels ville kræve et betydeligt højere strømforbrug med CCD-sensorer, hvilket ville overophedes og tømme batterier. Sony i 2007 kommercialiserede CMOS-sensorer med et originalt kolonne A/D-konverteringskredsløb, for hurtig støjsvag ydeevne, efterfulgt i 2009 af CMOS bagbelyst sensor (BI-sensor), med dobbelt så følsomhed som konventionelle billedsensorer og går ud over det menneskelige øje.

CMOS -sensorer fortsatte med at have en betydelig kulturel indvirkning, hvilket førte til massespredning af digitale kameraer og kameratelefoner , hvilket forstærkede stigningen i sociale medier og selfie -kultur og påvirkede sociale og politiske bevægelser rundt om i verden. I 2007 havde salget af CMOS aktive pixelsensorer overgået CCD-sensorer, hvor CMOS-sensorer tegnede sig for 54% af det globale billedsensormarked på det tidspunkt. I 2012 øgede CMOS -sensorer deres andel til 74% af markedet. Fra 2017 tegner CMOS -sensorer sig for 89% af det globale billedsensorsalg. I de senere år har CMOS-sensorteknologien spredt sig til fotografering i mellemformat, hvor fase 1 var den første til at lancere en mellemformat digital bagside med en Sony-bygget CMOS-sensor.

I 2012 introducerede Sony den stablede CMOS BI -sensor. Fossum forsker nu i Quanta Image Sensor (QIS) teknologi. QIS er en revolutionerende ændring i den måde, vi indsamler billeder på i et kamera, der bliver opfundet i Dartmouth. I QIS er målet at tælle hver foton, der rammer billedsensoren, og at levere en opløsning på 1 milliard eller flere specialiserede fotoelementer (kaldet jots) pr. Sensor, og at aflæse jot bit -fly hundredvis eller tusinder af gange i sekundet i terabit/sek. af data.

Boyd Fowler fra OmniVision er kendt for sit arbejde med udvikling af CMOS -billedsensorer. Hans bidrag inkluderer den første CMOS-billedsensor med digital pixel i 1994; den første videnskabelige lineære CMOS-billedsensor med enkeltelektron RMS-læsstøj i 2003; den første multi-megapixel videnskabelige område CMOS billedsensor med samtidig højt dynamisk område (86dB), hurtig udlæsning (100 billeder/sekund) og ultralav læsestøj (1.2e-RMS) (sCMOS) i 2010. Han patenterede også den første CMOS-billedsensor til inter-oral tandrøntgen med afklippede hjørner for bedre patientkomfort.

I slutningen af ​​2010'erne havde CMOS -sensorer stort set hvis ikke fuldstændig udskiftet CCD -sensorer, da CMOS -sensorer ikke kun kan laves i eksisterende halvlederproduktionslinjer, hvilket reducerer omkostningerne, men de bruger også mindre strøm, for blot at nævne nogle få fordele. ( se nedenfor )

Sammenligning med CCD'er

APS-pixels løser problemerne med hastighed og skalerbarhed i den passive pixelsensor. De bruger generelt mindre strøm end CCD'er, har mindre billedforsinkelse og kræver mindre specialiserede produktionsfaciliteter. I modsætning til CCD'er kan APS -sensorer kombinere billedsensorfunktionen og billedbehandlingsfunktionerne inden for det samme integrerede kredsløb . APS -sensorer har fundet markeder i mange forbrugerapplikationer, især kameratelefoner . De er også blevet brugt på andre områder, herunder digital radiografi , militær ultrahastighedsbilledoptagelse, sikkerhedskameraer og optiske mus . Producenterne omfatter blandt andet Aptina Imaging (uafhængig spinout fra Micron Technology , der købte Photobit i 2001), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony og Foveon . CMOS-type APS-sensorer er typisk velegnede til applikationer, hvor emballage, strømstyring og on-chip-behandling er vigtige. CMOS-sensorer bruges i vid udstrækning, fra avanceret digital fotografering til mobiltelefonkameraer.

Fordele ved CMOS sammenlignet med CCD

Blomstrer i et CCD -billede

En primær fordel ved en CMOS -sensor er, at det typisk er billigere at producere end en CCD -sensor, da billedoptagelses- og billedfølerelementerne kan kombineres til den samme IC med en enklere konstruktion påkrævet.

En CMOS-sensor har også typisk bedre kontrol over blomstringen (det vil sige blødning af fotoladning fra en overeksponeret pixel til andre pixel i nærheden).

I kamerasystemer med tre sensorer, der bruger separate sensorer til at løse billedets røde, grønne og blå komponenter i forbindelse med strålesplitterprismer, kan de tre CMOS-sensorer være identiske, hvorimod de fleste splitterprismer kræver, at en af ​​CCD-sensorerne har at være et spejlbillede af de to andre for at læse billedet op i en kompatibel rækkefølge. I modsætning til CCD -sensorer har CMOS -sensorer evnen til at vende adresseringen af ​​sensorelementerne. CMOS -sensorer med en filmhastighed på ISO 4 millioner findes.

Ulemper ved CMOS sammenlignet med CCD

Forvrængning forårsaget af en rullende lukker

Da en CMOS -sensor typisk fanger en række ad gangen inden for cirka 1/60 eller 1/50 sekund (afhængigt af opdateringshastighed) kan det resultere i en " rullende lukker " -effekt, hvor billedet er skævt (vippes til venstre eller højre, afhængigt af kameraets retning eller motivbevægelse). For eksempel, når du sporer en bil, der kører med høj hastighed, vil bilen ikke blive forvrænget, men baggrunden ser ud til at være vippet. En frame-transfer CCD-sensor eller "global lukker" CMOS-sensor har ikke dette problem; i stedet fanger det hele billedet på én gang i en rammebutik.

En mangeårig fordel ved CCD-sensorer har været deres evne til at tage billeder med lavere støj . Med forbedringer i CMOS -teknologi er denne fordel lukket fra 2020, med moderne CMOS -sensorer til rådighed, der kan overgå CCD -sensorer.

Det aktive kredsløb i CMOS-pixels tager et vist område på overfladen, som ikke er lysfølsomt, hvilket reducerer enhedens fotodetekteringseffektivitet (bagbelyste sensorer kan afhjælpe dette problem). Men frame-transfer CCD har også omkring det halve ikke-følsomme område til rammelagerne, så de relative fordele afhænger af, hvilke typer sensorer der sammenlignes.

Arkitektur

Pixel

En tre-transistor aktiv pixelsensor.

Standard CMOS APS pixel består i dag af en fotodetektor ( pinned fotodiode ), en flydende diffusion, og den såkaldte 4T celle bestående af fire CMOS (komplementær metal-oxid-halvleder ) transistorer , herunder en overførsel gate , reset gate, udvælgelse gate og kildefølger-udlæsningstransistor. Den fastgjorte fotodiode blev oprindeligt brugt i overførsels -CCD'er på grund af dens lave mørke strøm og gode blå respons, og når den er koblet til overførselsporten, tillades fuldstændig ladningsoverførsel fra den fastgjorte fotodiode til den flydende diffusion (som yderligere er forbundet til porten til den udlæste transistor) eliminerer forsinkelse. Brugen af ​​intrapixel ladningsoverførsel kan tilbyde lavere støj ved at muliggøre brug af korreleret dobbelt sampling (CDS). Noble 3T -pixel bruges stadig nogle gange, da fremstillingskravene er mindre komplekse. 3T -pixlen omfatter de samme elementer som 4T -pixelen undtagen overførselsporten og fotodioden. Nulstillingstransistoren, M rst , fungerer som en switch til at nulstille den flydende diffusion til V RST , som i dette tilfælde er repræsenteret som porten til M sf -transistoren. Når nulstillingstransistoren er tændt, er fotodioden effektivt forbundet til strømforsyningen, V RST , og fjerner al integreret ladning. Da nulstillingstransistoren er af n-typen , fungerer pixelen i blød nulstilling. Udlæsningstransistoren, M sf , fungerer som en buffer (specifikt en kildefølger ), en forstærker, som gør det muligt at observere pixelspændingen uden at fjerne den akkumulerede ladning. Dens strømforsyning, V DD , er typisk knyttet til strømforsyningen til nulstillingstransistoren V RST . Udvælgelsestransistoren, M sel , tillader en enkelt række af pixelarrayet at blive læst af den udlæste elektronik. Andre innovationer af pixels, såsom 5T og 6T pixels, findes også. Ved at tilføje ekstra transistorer er funktioner som global lukker i modsætning til den mere almindelige rullelukker mulige. For at øge pixeltætheden kan delt række, fire-vejs og otte-vejs delt oplæsning og andre arkitekturer anvendes. En variant af den 3T aktive pixel er Foveon X3 -sensoren opfundet af Dick Merrill . I denne enhed er tre fotodioder stablet oven på hinanden ved hjælp af plane fremstillingsteknikker , hvor hver fotodiode har sit eget 3T -kredsløb. Hvert successivt lag fungerer som et filter for laget under det, der forskyder spektret af absorberet lys i successive lag. Ved at dekonvolvere responsen på hver lagdelt detektor kan røde, grønne og blå signaler rekonstrueres.

Array

Et typisk todimensionalt array af pixels er organiseret i rækker og kolonner. Pixels i en given række deler nulstillingslinjer, så en hel række nulstilles ad gangen. Rækkemarkeringslinjerne for hver pixel i en række er også bundet sammen. Outputene for hver pixel i en given kolonne er bundet sammen. Da der kun vælges en række på et givet tidspunkt, opstår der ingen konkurrence om outputlinjen. Yderligere forstærkerkredsløb er typisk på søjlebasis.

Størrelse

Størrelsen på pixelsensoren er ofte angivet i højde og bredde, men også i det optiske format .

Laterale og lodrette strukturer

Der er to typer af aktive pixelsensors (APS) strukturer, den laterale APS og den lodrette APS. Eric Fossum definerer den laterale APS således:

En lateral APS -struktur er defineret som en, der har en del af pixelområdet, der bruges til fotodetektion og signallagring, og den anden del bruges til den eller de aktive transistor (er). Fordelen ved denne fremgangsmåde sammenlignet med en vertikalt integreret APS er, at fremstillingsprocessen er enklere og meget kompatibel med state-of-the-art CMOS- og CCD-enhedsprocesser.

Fossum definerer den lodrette APS således:

En lodret APS-struktur øger fyldfaktoren (eller reducerer pixelstørrelsen) ved at lagre signalladningen under udgangstransistoren.

Tyndfilmstransistorer

En to/transistor aktiv/passiv pixelsensor

Til applikationer som f.eks. Stort område digital røntgenbillede kan tyndfilmstransistorer (TFT'er) også bruges i APS-arkitektur. På grund af den større størrelse og lavere transkonduktansforøgelse for TFT'er sammenlignet med CMOS-transistorer er det imidlertid nødvendigt at have færre on-pixel TFT'er for at opretholde billedopløsning og kvalitet på et acceptabelt niveau. En to-transistor APS/PPS-arkitektur har vist sig at være lovende for APS ved hjælp af amorfe silicium- TFT'er. I to-transistor APS-arkitekturen til højre bruges T AMP som en switch-forstærker, der integrerer funktioner for både M sf og M sel i tre-transistoren APS. Dette resulterer i reducerede transistortællinger pr. Pixel samt øget pixeltransconduktansforstærkning. Her er C pix pixel lagringskapacitans, og den bruges også til kapacitivt at koble adressepulsen for "Read" til porten til T AMP til ON-OFF switch. Sådanne pixelaflæsningskredsløb fungerer bedst med fotokonduktordetektorer med lav kapacitans, såsom amorft selen .

Design varianter

Mange forskellige pixeldesigner er blevet foreslået og fremstillet. Standardpixel er den mest almindelige, fordi den bruger de færreste ledninger og de færreste, mest tæt pakket transistorer, der er mulige for en aktiv pixel. Det er vigtigt, at det aktive kredsløb i en pixel fylder så lidt som muligt for at give mere plads til fotodetektoren. Højt transistortal gør ondt i fyldfaktoren, det vil sige procentdelen af ​​pixelområdet, der er følsomt over for lys. Pixelstørrelse kan byttes til ønskelige kvaliteter såsom støjreduktion eller reduceret billedforsinkelse. Støj er et mål for den nøjagtighed, hvormed det indfaldende lys kan måles. Forsinkelse opstår, når spor af en tidligere ramme forbliver i fremtidige rammer, dvs. at pixelen ikke nulstilles fuldstændigt. Spændingsstøjvariansen i en soft-reset (gate-voltage reguleret) pixel er , men billedforsinkelse og fast mønsterstøj kan være problematisk. I rms -elektroner er støjen .

Hård nulstilling

Betjening af pixel via hård nulstilling resulterer i en Johnson – Nyquist -støj på fotodioden på eller , men forhindrer billedforsinkelse, nogle gange en ønskelig afvejning. En måde at bruge hård nulstilling på er ved at udskifte første gang med en transistor af p-typen og invertere polariteten af ​​RST-signalet. Tilstedeværelsen af ​​enheden af ​​p-typen reducerer fyldfaktoren, da der kræves ekstra plads mellem p- og n-enheder; det fjerner også muligheden for at bruge nulstillingstransistoren som et overflow-anti-blomstrende afløb, hvilket er en almindeligt udnyttet fordel ved n-type reset FET. En anden måde at opnå hård nulstilling med FET af n-typen er at sænke spændingen på V RST i forhold til spændingen for RST. Denne reduktion kan reducere frihøjde eller fuld brønds opladningskapacitet, men påvirker ikke påfyldningsfaktoren, medmindre V DD derefter føres på en separat ledning med sin originale spænding.

Kombinationer af hård og blød nulstilling

Teknikker som skyllet nulstilling, nulstilling af pseudo-flash og nulstilling, der er hård til blød, kombinerer blød og hård nulstilling. Detaljerne i disse metoder er forskellige, men grundtanken er den samme. Først udføres en hård nulstilling, hvilket eliminerer billedforsinkelse. Dernæst udføres en blød nulstilling, hvilket forårsager en lav støjnulstilling uden at tilføje nogen forsinkelse. Nulstilling af pseudo-flash kræver adskillelse af V RST fra V DD , mens de to andre teknikker tilføjer mere kompliceret søjlekredsløb. Nærmere bestemt tilføjer pseudo-flash-nulstilling og hård-til-blød nulstilling begge transistorer mellem pixelstrømforsyningerne og den faktiske V DD . Resultatet er lavere frihøjde uden at påvirke fyldfaktoren.

Aktiv nulstilling

Et mere radikalt pixeldesign er den aktive nulstillede pixel. Aktiv nulstilling kan resultere i meget lavere støjniveau. Afvejningen er en kompliceret nulstillingsplan, såvel som enten en meget større pixel eller ekstra kredsløb på kolonniveau.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links