CMOS图像传感器原理：从光到像素读出

CMOS图像传感器如何把光变成信号

CMOS图像传感器把吸收的光转化为电荷，在曝光期间存储电荷，再读取各像素的电信号。在常见的四晶体管钉扎光电二极管像素中，电荷先积累在光电二极管内，再经过传输栅到达浮动扩散节点，使该节点电压变化。读出电路感知这一电压，并不是让原来的光生电子穿过源跟随器的栅极。[P1]

本文沿着这条信号路径，区分收光、电荷转移和电压读出，再说明前照式、背照式结构与同一像素任务之间的关系。

先跟踪电荷，再跟踪电压

概念图包含钉扎光电二极管PPD、传输栅TG、浮动扩散节点FD、复位晶体管RST、源跟随器SF和行选择SEL。它表示常见四晶体管像素，不代表所有CMOS传感器；共享像素结构可以复用部分读出器件。[P1]

曝光期间，被吸收的光子可以在硅中产生电子—空穴对，像素中的电场和势能分布帮助把信号电子收集到光电二极管。存储信号取决于收集到的电荷，不等于到达传感器表面的光子数：部分光被反射或在其他位置吸收，也不是每个生成的载流子都能贡献有效信号。[P1]

TG打开转移路径后，存储电荷进入FD。源跟随器通过绝缘栅感知FD电压，行选择则把读出路径接到列电路。图中的实线电荷转移箭头与虚线电压感知连接刻意分开，表示不同的物理作用。

按顺序理解像素读出

操作	发生的物理变化	读出所使用的信息
积分收光	信号电荷积累在PPD中	存储电荷还不是最终输出电压
复位并采样FD	RST建立FD的复位电平	参考样本
转移电荷	TG允许电荷从PPD进入FD	FD电压发生变化
采样信号电平	SF和SEL提供读取该电压的路径	可以比较信号样本与复位样本

在简单的小信号近似下，FD电压变化的幅度约等于转移电荷量除以FD的有效电容，正负号取决于电荷和电压约定。同样的转移电荷对应更大的电容时，电压变化更小。因此，转换增益与光电二极管的收光能力是不同指标。[P1]

相关双采样比较适当的复位样本和信号样本，可以抑制某些相关噪声分量，但不能消除光子散粒噪声或所有传感器噪声。具体能抵消什么，还取决于读出架构和时序。[P1]

钉扎光电二极管解决什么问题

PPD在埋藏区域存储电荷，表面处于钉扎状态。合理设计和工作的静电结构有助于控制与表面相关的暗电流，并实现有效电荷转移；它并不是一个任意接线的感光电容。[P1]

电荷还必须能够离开存储区。势垒、形状不合适的转移路径或陷阱可能留下残余电荷，造成图像拖尾。因此，收光好并不能单独证明图像质量好，转移结构与读出电路同样需要保存信号。[P1]

前照式与背照式

前照式结构让光从晶体管和互连所在的一侧进入；背照式BSI则从相对的一侧入射，并为这一光路准备晶圆结构。它改变了光路与正面布线的相对位置，却没有取消光电二极管、电荷转移和电读出的需求。[P1]

BSI性能仍取决于吸收、载流子收集、背面表面处理和像素隔离，不能简化为“移开金属就必然得到更好的传感器”。40nm BSI流程概览把这些概念接到制造过程；晶圆减薄与为何先键合再减薄解释其中两项集成任务，STI与DTI比较则区分隔离结构。

用传感器流程检查理解

打开40nm BSI课程概览，找到正面器件制造、互连、键合、背面减薄和背面处理。这是制造顺序，并不是像素曝光与读出的时序。把两者分开，可以避免一个常见混淆：晶圆减薄发生在制造阶段，电荷积分与转移则在传感器工作时重复进行。

回到概念图，分别跟踪PPD到FD的光生电荷路径，以及从FD到读出电路的电压感知路径。如果一种解释让光生电子穿过SF栅极，就混淆了两条路径；如果把所有降噪效果归因于BSI，就混淆了光学结构和读出行为。