图像传感器基本结构及其噪声来源分析

图像传感器是嵌入式图像设备，比如手机、监控、单反相机等成像的基础，而噪声是评价成像质量的非常重要的指标之一，了解图像传感器的基本结构，进而理解传感器在成像过程产生的噪声的来源，对于认识降噪过程和设计降噪算法都是至关重要的。

IC Insights发布的2013年与2018年CMOS Sensor的市场销售占比

光电探测器的基本原理

注：关于光电探测器的基本原理这一部分，部分内容参考了上海交大义理林老师的研究生课程Waveguide Optics的课件《Semiconductor Background》

光电转换

一定通量的光子以高于半导体带隙能量$E_g$的能量进入半导体：
$$E_{photon}=h.v=\frac{h.c}{\lambda }\ge E_g$$
上式中$h、v、c、\lambda$分别为普朗克常量、光的频率、光速、波长。硅的带隙能量是1.1eV，带入上式可知，波长小于1100nm的光会被硅吸收，并且发生光信号到电信号的转换，当光波长大于1100nm时硅材料相当于是透明的。在厚度为$dx$(这里的$x$表示距离半导体表面的距离)的感光区域内，被硅材料吸收的光子数量与光通量$\Phi (x)$成正比。

带隙能量：带隙是电子的价带(较低能级)和导带(较高能级)之间的距离，代表将电子激发到导带所需的最小能量，带隙能量决定了半导体的导电性。

金属、半导体、绝缘体的带隙能量对比

金属、半导体、绝缘体的能带示意图

金属、半导体、绝缘体的电子跨越能带示意图

光通量在硅材料的传播过程中，因被吸收而导致光通量的变化过程表示为：
$$\frac{d\Phi (x)}{dx}=-\alpha .\Phi (x)$$
上式中$\alpha$为吸收系数，吸收系数与波长相关，假设半导体表面的光通量为${\Phi }_0$，则：
$$\Phi (x)={\Phi }_0.e^{-\alpha x}$$
光通量随着与半导体表面的距离的增加而指数衰减，被硅材料吸收的光子在半导体中产生电子空穴对。

光通量与深度的关系

穿透深度(吸收长度)：即是$\frac{1}{\alpha }$，代表光通量衰减至$\frac{1}{e}$时的深度，如上图，蓝光的穿透深度为0.42um，红光的穿透深度为2.44um

吸收系数与波长间的关系

吸收系数越大，越容易被硅材料吸收，穿透深度越小

PN结的光电效应

• P型半导体：将第$V$族元素掺入硅晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只需要很少的能量就能让它挣脱束缚成为自由电子

  
  
  B只有3个价电子，需要从Si中抢夺一个电子建立共价键，还剩余一个空穴

受主能级电离使导带空穴浓度增加

• N型半导体：将第$Ⅲ$族元素掺入硅晶体后，产生多余的空穴受到的束缚很弱，只需要很少的能量就能让它挣脱束缚成为自由空穴

  
  
  As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子
  
  
  施主杂质电离使导带电子浓度增加

  施主杂质：第$V$族元素失去电子称为施主杂质

  受主杂质：第$Ⅲ$族元素得到电子称为受主杂质

PN结的能带和电子分布

P型半导体和N型半导体结合在一起组成P-N结，P-N结内部由于存在多数载流子的梯度而产生扩散运动形成内部电场，而内部电场又会驱动载流子做相反方向的漂移运动

PN结示意图

半导体材料的光电效应是当光照射在半导体材料的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带(N型)的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴称光生载流子。

图像传感器的基本结构

以3T-APS(3 Transistor-Active Pixel Sensor)为例，CMOS中像素结构的细节进行说明 (CMOS图像传感器的像素可以看做是由一个光电二极管、光电二极管复位开关、信号放大器、输出电路组成)。APS可以实现在每个像素中都存一个独立的放大器，这个放大器就是一个简单的原极跟随器(Source Follower)，有源像素的优点之一是信号读出路径上产生和引入的噪声得到了抑制且读出效率高。

3T-APS 立体图

APS通过为每个像素添加一个放大器来显著提高传感器响应速度和信噪比

像素结构的截面图

微透镜阵列(Micro Lens)

先进的制成工艺在减小像素尺寸和增加像素总数方面卓有成效，但传感器捕获光的能力(Light Sensitivity)随着像素尺寸的下降而减小。将像素中感光区域面积(Photosensitive Area)$A_{pd}$与像素面积$A_{pix}$之间的比率定义为填充因子(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，会加重镜头阴影(Lens Shading)产生。

微透镜对光的汇聚作用

微透镜导致镜头阴影

彩色滤光阵列(Color Filter Array)

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)。当然除了使用CFA来对不同波段的颜色分量进行采样的方式，Sigma公司利用不同波长光的吸收长度的不同，开发了全色图像传感器Foveon X3，每个像素都可以同时感应到R、G、B三种波长的光，相比采用CFA的