漏電流對CMOS探測器成像品質(zhì)的影響分析

唐慶博 唐超 張恒浩

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

遙感器設(shè)計技術(shù)

漏電流對CMOS探測器成像品質(zhì)的影響分析

唐慶博 唐超 張恒浩

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

CMOS探測器近年來在工業(yè)、民用、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而漏電流對 CMOS探測器成像品質(zhì)影響的研究卻較少。文章針對CMOS探測器在低讀出速率時造成圖像噪聲過大的原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)CMOS探測器的漏電流是產(chǎn)生該種圖像噪聲主要成因，并對不同讀出速率下的像質(zhì)進行了試驗分析。理論和試驗結(jié)果表明：在較低的讀出速率時，CMOS探測器的漏電流產(chǎn)生的噪聲過大，導致圖像噪聲的增大，影響了像質(zhì)。因此，設(shè)計CMOS相機時應(yīng)重點考慮低讀出速率時，CMOS探測器漏電流對像質(zhì)的影響，必要時要增加緩存，以便獲得更好的像質(zhì)。文章將為CMOS探測器在低速讀出應(yīng)用、設(shè)計提供一定的參考。

漏電流 圖像探測器 圖像噪聲 讀出速率 空間相機

0 引言

互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）探測器是一種新發(fā)展的固體圖像傳感器，其工作過程為：光子信號由光敏單元轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，經(jīng)過后續(xù)的放大、AD 轉(zhuǎn)換等過程轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號[1]。相對于CCD探測器而言，CMOS探測器具有空間抗輻射能力強、動態(tài)范圍大、讀出速度快、成本低、體積小、質(zhì)量輕、集成度高、功耗低等優(yōu)點，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學、工業(yè)、天文觀測等諸多領(lǐng)域[1-4]。CMOS探測器的每個光敏二極管都搭配了放大器，該放大器很容易受到供電或相鄰電路干擾等影響，帶來噪聲，同時放大增益的不同也會引起很大的固定模式噪聲，因此，與CCD相比，CMOS 探測器往往存在更大的噪聲[2]。文獻[1]、文獻[4-15]對CMOS探測器的噪聲產(chǎn)生原因進行了廣泛的研究和分析，本文主要研究CMOS探測器漏電流對圖像噪聲的影響。

1 漏電流的機理

CMOS探測器的漏電流[3-4]是指光電探測器產(chǎn)生的與半導體光電效應(yīng)無關(guān)的電流，它可能是由于熱激發(fā)或其他機制產(chǎn)生的空穴電子對形成的。漏電流由于多種原因產(chǎn)生，文獻[16-19]總結(jié)分析了CMOS探測器中漏電流產(chǎn)生的原因，如圖1所示。

圖1中I1是pn結(jié)反向偏置漏電流；I2是亞閾值漏電流；I3是氧化通道漏電流；I4是由于熱載流子注入引起的柵極漏電流；I5是由于柵極導致漏電流（GIDL）；I6是漏源之間通道穿過的漏電流。其中，I2、I5、I6電流是在關(guān)閉狀態(tài)的漏電流，而I1、I3電流在開和關(guān)狀態(tài)時均會產(chǎn)生；I4電流在關(guān)閉狀態(tài)時產(chǎn)生，但是主要發(fā)生在轉(zhuǎn)變時晶體管偏置狀態(tài)。CMOS探測器的漏電流為上述各種因素產(chǎn)生的漏電流的總和。

漏電流與暗電壓的關(guān)系如圖2所示，圖中ID是漏電流密度；VD是探測器暗電壓；VG是采樣晶體管電壓。

為研究漏電流對 CMOS探測器的影響，在設(shè)計CMOS相機時，CMOS探測器選用ONSEMI公司2k×2k CMOS 芯片 LUPA4000。根據(jù)LUPA 4000的手冊，像元結(jié)構(gòu)6T，每個像元包含光敏二極管、復(fù)位晶體管、采樣晶體管、存儲單元、2個放大器和行選通開關(guān)。圖 3為 LUPA 4000的 6T 像元結(jié)構(gòu)的等效電路的示意圖。CMOS探測器的像元結(jié)構(gòu)，尤其是采樣晶體管對于圖像噪聲會產(chǎn)生影響，采樣晶體管在圖3中用紅色圓圈標識。

根據(jù)LUPA 4000的器件手冊 ，LUPA 4000探測器暗電壓約為1.3V，因此，相當于采樣晶體管的VD為1.3V，VG=0V，如圖2點劃線所示。故此可以估計出采樣晶體管上的漏電流密度約為ID=3×10-10A/cm2。

根據(jù)漏電流及圖像讀出的時間關(guān)系計算漏電流產(chǎn)生的噪聲[8]

式中 N為漏電流產(chǎn)生的圖像噪聲；ID為漏電流密度；A為CMOS探測器像元的面積；T為圖像讀出第一個像素與最后一個像素的時間差；q為單個電子的電荷量；CE為單個電子對應(yīng)的DN值。

LUPA4000探測器的ID=3×10-10A/cm2，A=1.44×10-6cm2，q=1.602 189 2×10-19C/e-，CE=0.012 8DN/e-。當讀出速率為 4MHz，圖像從上部開始逐行掃描，圖像下部的最后一行結(jié)束掃描，讀出第一行與最后一行（全畫幅2 048×2 048）的時間差約為：T=2 047×1 024×250ns=524ms。根據(jù)式（1）探測器的像素漏電流積累的噪聲電荷與時間成正比，致使圖像下部相比于圖像上部積累了更多的圖像噪聲，故此圖像下部的噪聲比圖像上部的噪聲大。根據(jù)式（1），可以算出漏電流產(chǎn)生的噪聲為

即同一幅圖像中，圖像下部與圖像上部圖像噪聲大約相差為18.09DN。同理依據(jù)式（1）可以計算出，讀出速率為 10MHz、20MHz、25MHz的圖像噪聲，不同讀出速率時漏電流影響的圖像噪聲的理論分析結(jié)果，如表1所示。

表1 不同讀出速率漏電流影響的圖像噪聲Tab.1 Image noise influenced by the leakage current under different readout rates

2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上的分析，試驗溫度為23℃時，在4MHz、10MHz、20MHz和25MHz讀出速率下進行試驗。圖4為在讀出速率為4MHz時，實際采集的一幅圖像。在圖中上部和下部分別選取同樣大小的區(qū)域，選取的背景顏色大致相同的進行分析，如圖所示分別為區(qū)域1和區(qū)域2；圖4中可以看出，區(qū)域2及其附件區(qū)域的噪聲較大比區(qū)域1及其附件區(qū)域有更多的噪聲點；圖4的右側(cè)分別顯示出了區(qū)域1和區(qū)域2的噪聲，區(qū)域1中的噪聲為14.399DN，區(qū)域2中的噪聲為35.651DN。

采集暗場圖像，分別在圖像上部和下部取同樣大小的區(qū)域，進行分析，不同讀出速率下圖像噪聲試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，在讀出速率低時，由于漏電流的影響在圖像的下部產(chǎn)生較多的噪聲，從而使得圖像上部和圖像下部的噪聲分布不均勻；而讀出速率提高時，漏電流的影響較弱，圖像下部噪聲比圖像上部僅有小幅度的增加，整幅圖像的噪聲分布較一致。

將不同讀出速率、同一位置圖像上部和下部的圖像噪聲試驗數(shù)據(jù)和理論分析的結(jié)果進行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 圖像噪聲試驗結(jié)果和分析結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.2 Image noise experiment result and analysis result data

從表2中可以看出，理論分析與試驗結(jié)果的趨勢一致。圖像噪聲的產(chǎn)生是多方面的，包括熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等，漏電流噪聲只是圖像噪聲中的一種，所以理論分析比試驗結(jié)果略小，最大的差異為3.16DN。相機工作時，讀出速率高，CMOS探測器采集到的圖像，由于漏電流產(chǎn)生的圖像噪聲較小，其圖像上部和下部的差別會降低，圖像的一致性會更好，而且圖像的整體噪聲也較小。因此，在設(shè)計CMOS相機時，應(yīng)重點考慮圖像的讀出速率，可以增加緩存，如增加一片 SDRAM，提高圖像讀取速率。保證圖像上部和下部的一致性，也能夠明顯的降低圖像噪聲。

3 結(jié)束語

本文對漏電流對圖像噪聲的影響進行了理論分析，并進行了相關(guān)的試驗驗證。理論分析和試驗結(jié)果表明：由于CMOS探測器結(jié)構(gòu)的特殊性，如果CMOS探測器的圖像讀出速率較低，會造成CMOS探測器的漏電流增大，漏電流造成圖像噪聲過大，導致圖像噪聲在圖像上部和圖像下部不一致。故此，在設(shè)計CMOS相機時應(yīng)重點考慮降低圖像讀出速率對圖像噪聲的影響，必要時要增加緩存，以便獲得更好的像質(zhì)。

References)

[1]王慶有. 圖像傳感器技術(shù)[M]. 2版. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2012. WANG Qingyou. Image Sensor Technology[M]. 2nd ed. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2012. (in Chinese)

[2]王旭東, 葉玉堂. CMOS 與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢[J]. 電子設(shè)計工程, 2010, 18(11)： 178-181. WANG Xudong, YE Yutang. Comparative Research and Development Trend of CMOS and CCD Image Sensor [J]. Electronic Design Engineering, 2010, 18 (11)： 178-181. (in Chinese)

[3]BIGAS M, CABRUJA E, FOREST J, et al. Review of CMOS Image Sensors[J]. Microelectronics Journal, 2006, 37(5)：433-451.

[4]ElGAMAL A, ELTOUKHY H. CMOS Image Sensors[J]. IEEE Circuits and Devices Magazine, 2005, 21(3)： 6-20.

[5]WEERASINGHE C, LI W Q, KHARITONENKO I. Novel Color Processing Architecture for Digital Cameras with CMOS Image Sensors[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2005, 51(4)： 1092-1098.

[6]XU Jiangtao, YAO Suying, LI Binqiao, et al. Design, Analysis, and Optimization of a CMOS Active Pixel Sensor[J]. Chinese Journal of Semiconductors, 2006, 27(9)： 1548-1551.

[7]DURINI D, HOSTICKA B J. Photodetector Structures for Standard CMOS Imaging Applications[C]. Research in Microelectronics and Electronics Conference, 2007： 193-196.

[8]HAN S W, YOON E. Low Dark Current CMOS Image Sensor Pixel with Photodiode Structure Enclosed by P-well[J]. Electronics Letters, 2005, 42(20)： 1145-1146.

[9]GOIFFON V, VIRMONTOIS C, MAGNAN P, et al. Identification of Radiation Induced Dark Current Sources in Pinned Photodiode CMOS Image Sensors[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci, 2012, 59(4)： 918-926.

[10]GOW R D, RENSHAW D, FINDLATER K, et al. A Comprehensive Tool for Modeling CMOS Image Sensor-noise Performance[J]. IEEE Trans. Electron Devices, 2007, 54(6)： 1321-1329.

[11]JOSEPH D, COLLINS S. Modelling, Calibration and Correction of Nonlinear Illumination Dependent Fixed Pattern Noise in Logarithmic CMOS Image Sensors[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2002, 51(5)： 996-1001. [12]SNOEIJ M F, THEUWISSEN A J P, MAKINWA K A A, et al. A CMOS Imager with Column-level ADC Using Dynamic Column Fixed-pattern Noise Reduction[J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2006, 41(12)： 3007-3015.

[13]INOUE I, TANAKA N, YAMASHITA H. Low-leakage-current and Low-operating-voltage Buried Photodiode for a CMOS Imager[J]. IEEE Transaction on Electron Devices, 2003, 50(1)： 43-47.

[14]CLARK A T, GUERRINI N, ALLINSON N, et al. A 54mm×54mm-1.8 Megapixel CMOS Image Sensor for Medical Imaging[C]. Proceedings of Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008： 4540-4543.

[15]LAI L W, KING Y C. A Novel Logarithmic Response CMOS Image Sensor with High Output Voltage Swing and Inpixel Fixed Pattern Noise Reduction[C]. Proceedings of IEEE Asia-Pacific Conference on ASIC, 2002： 105-108.

[16]KAWAI N, KAWAHITO S. Measurement of Low-noise Column Read-out Circuits for CMOS Image Sensors[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2006, 53(7)： 1737-1739.

[17]XU Jiangtao, YAO Suying, LI Binqiao. Pixel and Column Fixed Pattern Noise Suppression Mechanism in CMOS Image Sensor[J]. Transactions of Tianjin University, 2006, 12(6)： 442-445.

[18]WATANABE T, PARK J H, AOYAMA S, et al. Effects of Negative-Bias Operation and Optical Stress on Dark Current in CMOS Image Sensors[J]. IEEE Trans, Electron Devices, 2010, 57(7)： 77-83.

[19]CHENG Y H, KING Y C. A CMOS Image Sensor with Dark-current Cancellation and Dynamic Sensitivity Operations[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2003, 50(1)： 91-95.

[20]LUPA4000 DATASHEET. NOIL1SM4000A LUPA4000： 4 Mega Pixel High Speed CMOS Sensor[EB/OL]. (2016-12)[2017-03]. http：//www.onsemi.cn/pub/Collateral/NOIL1SM4000A-D.PDF.

The Influence of the Leakage Current to CMOS Image Quality

TANG Qingbo TANG Chao ZHANG Henghao

（R&D Centre, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China）

CMOS image sensor is widely used in industrial, civil, aerospace and other fields in recent years. However, the influence of the leakage current to the CMOS image quality is less studied. According to the mechanism analysis of the CMOS sensor, it is found that the leakage current of the CMOS image sensor is the main reason of the image noise. The leakage current mechanism of CMOS image sensor is analyzed and image quality is analyzed under different readout rates. Theoretical and experimental results show that the image noise is increased at lower readout rates, because of the influence of the leakage current of the CMOS. And the results show that the image noise will increase at the bottom of image. Therefore, designing CMOS camera should consider the effects of low readout rate to image noise, and it is necessary to increase cache for obtaining better image quality. The study of this paper will provide strong guidance for CMOS design in low-speed readout applications.

leakage current; image sensor; image noise; readout rate; space camera

TN29

A

1009-8518(2017)03-0053-05

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.006

唐慶博，男，1979年生，2004年獲北京交通大學電力電子與電力傳動專業(yè)碩士學位，高級工程師。研究方向為空間目標識別及圖像預(yù)處理技術(shù)。E-mail：13910695360@163.com。

（編輯：王麗霞）

2017-03-17