新型固體LBCAST JFET圖像傳感器

　　摘要：尼康公司的D2H單反數字相機中使用了一種新型的固體圖像傳感器LBCASTJFET。該器件在讀數方式、內部結構等方面有了較大改進，與CCD、CMOS圖像傳感器比較具有瞬時啟動、高靈敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪聲等特色。
　　　　
　　引言
　　
　　在2003年底以前，固體圖像傳感器還分為CCD型和CMOS型，但是2003年底日本的尼康公司改寫了這個歷史，在其2003年7月發布的D2H鏡頭轉換式反單數字相機中使用了一種新型的固體LBCASTJFET圖像傳感器（LateralBuriedChargeAccumulatorandSensingTransistorarrayJunctionFieldEffectTransistor）。可以說是CCD與CMOS技術優勢融合的產物，充分體現了CMOS低耗電量和CCD高速數據讀取的優勢，尺寸為23.3mmtimes;15.5mm，對角線長28.4mm，總像素數為426萬（2560times;1664），有效像素數為410萬，像素間隔為9.4mu;m。
　　
　　1、JFET和MOSFET
　　
　　場效應管主要有結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（IGFET，由于其柵極為金屬鋁故通常又稱為MOSFET），具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗低、熱穩定性高、抗輻射能力強等優點。它們的區別在于導電機構和電流控制原理根本不同，JFET是利用耗盡區的寬度變化來改變導電溝道的寬窄以控制漏極電流；MOSFET則是用半導體表面的電場效應、電感應電荷的多少去改變導電溝來控制電流。它們性質的差異是：JFET往往運用在功放輸入級（前級），MOSFET則用在功放末級（輸出級）。但是在有些工作條件下，MOSFET的輸入電阻不夠高，難以滿足要求，而且在高溫工作時，因PN結反向電流增大，其阻值會顯著下降，漏極電流也較大。　　
　　2、LBCASTJFET的特點
　　
　　在追求高帶寬、低功耗的圖像傳感器競爭中，CMOS圖像傳感器在設計中展現出比CCD更優勢的特點：尺寸小、系統成本低，在確何產品品質的前提下功耗也低。但噪聲成為CMOS成功路上zui大的障礙，將導致圖像質量的下降。這也是噪聲問題必須得以解決的原因之一。而LBCASTJFET有著眾多優點，這除了與放大器采用JFET有關外，還與其內部結構及工作特點有關。
　　
　　2．1LBCASTJFET的讀數方式
　　
　　目前CCD和CMOS常用的讀數方式：順序電荷轉移方式與X-Y導址和傳輸方式。圖1（a）為傳統InterlineCCD圖像傳感器通常采用的順序電荷轉移方式由光信號轉換成的電信號首先被傳送到列轉移寄存器，zui后再輸出到圖像處理單元，因此速度受到限制。此外從理論上講，由于順序電荷轉移方式需要連續、高速的驅動轉換寄存器，這就需要較多的電功率。圖1（b）為CMOS圖像傳感器通常使用的X-Y尋址和傳輸方式，在這種方式中，每一個像素都有自己的放大器，通過列掃描和行掃描來傳遞信號，并輸出給圖像處理單元。它有獨立的數據傳輸線路，因此能達到很高的速度，但是如果仔細觀察其輸出圖像，就能夠發現在分開的線上容易出現圖像失真。
　　
　　JFET圖像傳感器亦采用X-Y尋址和傳輸方式，數據通過兩條信號線按不同的顏色讀出，這樣一來讀取圖像的速度更快，同時具有可以隨意提取高密度像素數據的優點。JFET圖像傳感器的數據分配線用顏色的方法（綠、藍和紅）代替了用區域的方式，在提高操作速度的同時也提高了圖像質量，解決了輸出圖像在分開的線上容易再現失真這一問題。
　　
　　JFET圖像傳感器根據顏色分離信號源；所有的綠色信號通過一條線輸出，而所有的藍色和紅色信號通過另外一條線輸出，這樣可以使圖像不受輸出放大器波動的影響，確保了圖像質量。由于人眼對綠色特別敏感，因此綠色信號線只處理綠色信號，而且在圖像銳化和設置圖像對比度的綠色也特別重要。在讀*行數據時，應用列左邊的數據線（上面輸出G信號，下面輸出B信號），再接著讀第二行數據，此時應用列右邊的數據線（上面輸出G信號，下面輸出R信號），依次繼續進行（圖2），那么可以看到R：G：B比率是1：2：1，通常彩色濾波器的比率也是基于這個原理設計的。
　　
　　2．2JFET的功能
　　
　　LBCASTJFET中提取像素數據的晶體管是JFET，且每個像素中都包含一對電荷積累部分（即感光元件）與檢測放大用的JFET晶體管，可實現光電轉換、存儲和放大。而CMOS圖像傳感器中的放大器是MOSFET放大器。在照相機快門關閉是一剎所光接收結束，用于轉移的MOSFET柵極打開，同時所有存儲的電荷被轉移到JFET柵極。此外，JFET柵極就相當于量杯，通過JFET可以讀出有多少光荷被轉移到這個“杯子”中。JFET柵極電壓隨著從光電二極管轉移來的電荷而升高。此時JFET使得信號電壓相應升高，并將其作為列信號線讀取的數據輸出。在圖像信號讀出以后，JFET柵極會送電荷給MOSFET使其復位，這樣就可以控制JFET柵極的開與關。換句話說，JFET的功能就好比是像素開關，當需要讀取信號時將其閉合即可。與CMOS圖像傳感器相比，JFET的路徑簡化很多，這樣使使得速度極大提高、可靠性增強、次品率降低。　　
　　2．3內部結構特點分析
　　
　　在LBCASTJFET中，由于電荷積累部分采用橫向嵌入方式，因此，JFET成為夾在Gate（開關）當中的通道構造，成為理想的增幅放大元件，和CMOS相比具有更高的靈敏度和更低的噪聲。
　　
　　首先，對于一個給定的信號，LBCAST使用量杯雖然較小，卻提供了一個比較大的電壓增量和高的分辨率。其次，在CMOS圖像傳感器中，信號是經過溝道到硅的表面；而在LBCAST中，信號的傳輸是通過內部溝道，因此大噪聲幾乎降低到以前水平的1/3，同時暗電流特別小，可以有效抑制暗噪聲。另一方面，像素信號雙通道同時提取，可以實現高速處理。在結構方面，LBCAST攝像像素的布線構造比CMOS少一個金屬層，同時布線密度也比較低，層間連接孔也比較少。由此實現了結構簡單、制造故障少、成品率高等目標。
　　
　　JFET傳感器像素選擇開關由3個晶體管組成：轉移、JFET和復位。而CMOS傳感器則由4個晶體管組成，第4個晶體管用做像素選擇。因此LBCAST有著比CMOS簡單的結構，較高的效率，并且因為單位面積的光電二極管可以增加，也就提高了其功能性。內部連線（包括非透明層）結構也很簡單，適合于一個多晶硅層和2個材料層。而CMOS在組成上的設計卻包括四層。需要的層數越少，光電二極管與微透鏡的距離就越短，通過BPD（BuriedPhotoDiode）、內部FPN（FixedPatternNoise）等技術，LBCCAST傳感器可有效降低暗光線下拍攝的圖像噪聲。它類似于CMOS的雙通道讀取方式可提高數據讀出速率，非常貼近光敏單元的微透鏡在提高光效率同時有效改善了畫面中央和邊角的一致性。LBCASTJFET像素結構圖如圖3所示，LBCASTJFET像素剖面圖如圖4所示。
　　
　　3、結束語
　　
　　新開發的LBCASTJFET傳感器的主要目標是重視“速度”。它的總像素并非很高，僅有400萬。因此Nikon將應用于LBCASTJFET圖像傳感器的D2H照相機定位于新聞報道與體育攝影等方面。
　　
　　LBCAST和CMOS相比具有更高靈敏度和低噪音效果，并且結構簡單、制造故障少、成品率高。由于它結構簡單，因此可以采用與CMOS相同的制造工藝，預計將來制造成本可以大幅度降低，應用前景十分看好。