CIS图像传感器：从结构到工作原理的全面解析

CIS图像传感器：从结构到工作原理的全面解析

CIS（CMOS Image Sensor）图像传感器是现代成像技术的核心组件，广泛应用于智能手机、数码相机、安防监控等领域。本文将从结构到工作原理，全面解析CIS图像传感器的工作机制及其在现代电子设备中的重要应用。

什么是CIS图像传感器？

CIS（CMOS Image Sensor，互补金属氧化物半导体图像传感器）是一种广泛应用于智能手机、数码相机、安防监控和医疗影像等领域的图像传感器。与传统的CCD（电荷耦合器件）传感器相比，CIS具有低功耗、高集成度、低成本等优势，因此成为现代成像技术的主流选择。

CIS的核心功能是将光信号转换为电信号，再通过信号处理电路生成数字图像。它的主要特点包括：

• 高集成度：可在同一芯片上集成感光单元、信号放大、模数转换等功能。
• 低功耗：采用CMOS工艺，功耗远低于CCD。
• 高速读取：支持逐行或随机读取，适合高速摄影和视频拍摄。

CIS的结构组成

CIS的基本结构主要包括以下几个部分：

1. 微透镜阵列（Microlens Array）

• 位于传感器最上层，用于聚焦光线，提高光利用效率。
• 减少光线损失，提升传感器的灵敏度。

2. 彩色滤镜（Color Filter Array, CFA）

• 通常采用RGB（红、绿、蓝）拜耳阵列（Bayer Pattern），使每个像素仅感应特定颜色的光。
• 通过插值算法（Demosaicing）还原全彩图像。

3. 光电二极管（Photodiode, PD）

• 核心感光元件，负责将光子转换为电子（光电效应）。
• 一般采用PIN（P型-本征-N型）结构，提高量子效率。

4. 像素电路（Pixel Circuit）

• 包括复位晶体管（Reset Transistor）、源极跟随器（Source Follower）、选择晶体管（Select Transistor）、Transfer Gate、FD等。
• 电路负责信号放大、噪声抑制和数据读取。

5. 读出电路（Readout Circuit）

• 将模拟信号转换为数字信号（ADC，模数转换）。
• 可能包含相关双采样（CDS，Correlated Double Sampling）技术，降低噪声。

光电二极管的工作原理

光电二极管（Photodiode, PD）是CIS的核心感光元件，其工作原理基于光电效应：

1. 光子吸收：当光照射到PN结时，能量足够的光子会激发价带电子跃迁至导带，形成电子-空穴对。
2. 电荷分离：在耗尽层电场的作用下，电子向N区移动，空穴向P区移动，形成光电流。
3. 电荷积累：在曝光期间，电子被存储在光电二极管的势阱中，电荷量与光强和曝光时间成正比。

为了提高量子效率（QE），现代CIS通常采用：

• 背照式（BSI, Backside Illumination）：光线从芯片背面入射，减少金属布线对光的遮挡。
• 深沟槽隔离（DTI, Deep Trench Isolation）：减少像素间的串扰。

Pixel（像素）的结构

CIS的每个像素（Pixel）通常采用4T（4晶体管）结构，包括：

1. 光电二极管（PD）：感光部分，负责光电转换。
2. 复位晶体管（Reset Transistor, RST）：用于清除残留电荷，初始化像素。
3. 源极跟随器（Source Follower, SF）：放大信号，提高信噪比。
4. 选择晶体管（Select Transistor, SEL）：控制像素是否被读取。
5. 浮动扩散节点（FD）：临时存储电荷，并将其转换为电压信号。
6. TG：Transfer Gate，将PD区域的电荷传递到FD。

3T vs 4T结构：

• 3T结构（早期设计）：仅包含PD、RST、SF，噪声较大。
• 4T结构（主流设计）：增加传输晶体管（TX），减少噪声，提高灵敏度。

总结

CIS图像传感器凭借其高集成度、低功耗和优异的成像性能，已成为现代电子设备的核心组件。从结构上看，它由微透镜、滤光片、光电二极管和像素电路组成；从工作原理上看，它通过光电效应将光信号转换为电信号，再经过放大和数字化处理，最终输出高质量图像。随着背照式（BSI）、堆叠式（Stacked CIS）等技术的发展，CIS的性能仍在不断提升，未来将在自动驾驶、AR/VR、医学影像等领域发挥更大作用。