2024年6月5日发(作者：昌承德)
CMOS图像传感器的发展与现状
一.引言
自上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念以来，固体图像传感
器得到了迅速的发展。在早期的70年代时期，电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、
光敏二极管阵列(PDA)得到了发展。而这其中，CCD发展尤为迅速，到90年代时，CCD
技术已经比较成熟。然而，随着CCD的应用开始广泛起来，其缺点也开始逐一显露。例如：
CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成,不易处理一些模拟和数字功能,
这些功能包括模/数转换器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能;CCD阵列驱动
脉冲复杂,需要使用相对高的工作电压,不能与深亚微米超大规模集成(VLSI)技术兼容。因此,
人们又开发了另外几种固体图像传感器技术,CMOS图像传感器便是其中的一种。早期的
CMOS图像传感器，受制于当时的工艺水平，其图像质量差、分辨率、低噪声高、光照灵
敏度不够。相比之下，CCD在这些方面有着出色的性能。因而早期的图像传感器市场一直
是CCD器件的天下。而近年来，随着集成电路设计与制造工艺的发展，CMOS传感器的
上述缺陷得到了克服或改进，而其固有的优势开始体现出来，这使得CMOS传感器开始迅
速占领市场，其研究也再次成为了热点。
二．CMOS传感器发展历史
CMOS 图像传感器的研发大致经历了 3 个阶段: CMOS 无源像素传感器 (CMOS-
PPS,Passive Pixel Sensor) 阶段、CMOS 有源像素传感器(CMOS- APS, Active Pixel
Sensor) 阶段和 CMOS 数字像素传感器(CMOS- DPS, Digital Pixel Sensor) 阶段。
1. CMOS 无源像素传感器
自从1967年Weckler首次提出光敏二极管型无源像素结构以来。其结构基本没有发
生变化。无源像素结构如图2,它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关
管开启,光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线
电压为一常数,并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时,其电压被复位到
列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。
单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数;或者
在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像元尺寸。此外，无源像素传感器的量子效率
也很高。但是，无源像素传感器的读出噪声较高，这是其主要缺陷。
2. 有源像素传感器
有源像素传感器在象元内引入了缓冲器或者放大器，以此改善象元的性能。与无源像
素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其设计填充系数典型值为20%~30%。
由于增加了有源放大管, 于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快。由于有源像
素传感器驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小, 因而有利于制作像元阵列较大的
器件; 另外, 由于有源放大管仅在读出状态下才工作, 所以 CMOS 有源像素传感器的功
耗比 CCD 图像传感器的还小。
3. 数字像素传感器
无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号,它们通称为模拟像素传
感器。近年来, 美国斯坦福大学提出了一种新 的 CMOS 图 像 传 感 器 结 构 —数 字
像 素 传 感 器(DPS), 在像素单元里集成了 ADC(Analog- to- DigitalConvertor) 和存
储单元。由于这种结构的像素单元读出为数字信号, 其它电路都为数字逻辑电路, 因此数字
像素传感器的读出速度极快,具有电子快门的效果, 非常适合高速应用, 而且它不像读出模
拟信号的过程, 不存在器件噪声对其产生干扰。另外, 由于 DPS 充分利用了数字电路的优
点, 因此易于随着 CMOS 工艺的进步而提高解析度,性能也将很快达到并超过 CCD 图像
传感器, 并且实现系统的单片集成。
三．CMOS传感器发展现状
1.国内发展现状
国内的西安交通大学、华北工学院、中国科学院微电子研究中心、北京思比科微电子
公司、文哗科技香港有限公司、联想企业集团等单位较早展开了CMOS图像传感器的设计，
研究，也取得了一定的成果。其中，西安交通大学开元微电子科技有限公司于 1998 年 3
月研制成功我国第一块 CMOS 彩色微型摄像芯片，近年来致力于高集成度草色摄像芯片
M60 等专用摄像芯片的研究和开发。北京思比科于2011年推出1200万像素CMOS图
像传感器 SP8AC08，该芯片为中国首款突破千万像素级的国产高端芯片，打破了国外厂
2024年6月5日发(作者：昌承德)
CMOS图像传感器的发展与现状
一.引言
自上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念以来，固体图像传感
器得到了迅速的发展。在早期的70年代时期，电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、
光敏二极管阵列(PDA)得到了发展。而这其中，CCD发展尤为迅速，到90年代时，CCD
技术已经比较成熟。然而，随着CCD的应用开始广泛起来，其缺点也开始逐一显露。例如：
CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成,不易处理一些模拟和数字功能,
这些功能包括模/数转换器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能;CCD阵列驱动
脉冲复杂,需要使用相对高的工作电压,不能与深亚微米超大规模集成(VLSI)技术兼容。因此,
人们又开发了另外几种固体图像传感器技术,CMOS图像传感器便是其中的一种。早期的
CMOS图像传感器，受制于当时的工艺水平，其图像质量差、分辨率、低噪声高、光照灵
敏度不够。相比之下，CCD在这些方面有着出色的性能。因而早期的图像传感器市场一直
是CCD器件的天下。而近年来，随着集成电路设计与制造工艺的发展，CMOS传感器的
上述缺陷得到了克服或改进，而其固有的优势开始体现出来，这使得CMOS传感器开始迅
速占领市场，其研究也再次成为了热点。
二．CMOS传感器发展历史
CMOS 图像传感器的研发大致经历了 3 个阶段: CMOS 无源像素传感器 (CMOS-
PPS,Passive Pixel Sensor) 阶段、CMOS 有源像素传感器(CMOS- APS, Active Pixel
Sensor) 阶段和 CMOS 数字像素传感器(CMOS- DPS, Digital Pixel Sensor) 阶段。
1. CMOS 无源像素传感器
自从1967年Weckler首次提出光敏二极管型无源像素结构以来。其结构基本没有发
生变化。无源像素结构如图2,它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关
管开启,光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线
电压为一常数,并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时,其电压被复位到
列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。
单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数;或者
在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像元尺寸。此外，无源像素传感器的量子效率
也很高。但是，无源像素传感器的读出噪声较高，这是其主要缺陷。
2. 有源像素传感器
有源像素传感器在象元内引入了缓冲器或者放大器，以此改善象元的性能。与无源像
素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其设计填充系数典型值为20%~30%。
由于增加了有源放大管, 于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快。由于有源像
素传感器驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小, 因而有利于制作像元阵列较大的
器件; 另外, 由于有源放大管仅在读出状态下才工作, 所以 CMOS 有源像素传感器的功
耗比 CCD 图像传感器的还小。
3. 数字像素传感器
无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号,它们通称为模拟像素传
感器。近年来, 美国斯坦福大学提出了一种新 的 CMOS 图 像 传 感 器 结 构 —数 字
像 素 传 感 器(DPS), 在像素单元里集成了 ADC(Analog- to- DigitalConvertor) 和存
储单元。由于这种结构的像素单元读出为数字信号, 其它电路都为数字逻辑电路, 因此数字
像素传感器的读出速度极快,具有电子快门的效果, 非常适合高速应用, 而且它不像读出模
拟信号的过程, 不存在器件噪声对其产生干扰。另外, 由于 DPS 充分利用了数字电路的优
点, 因此易于随着 CMOS 工艺的进步而提高解析度,性能也将很快达到并超过 CCD 图像
传感器, 并且实现系统的单片集成。
三．CMOS传感器发展现状
1.国内发展现状
国内的西安交通大学、华北工学院、中国科学院微电子研究中心、北京思比科微电子
公司、文哗科技香港有限公司、联想企业集团等单位较早展开了CMOS图像传感器的设计，
研究，也取得了一定的成果。其中，西安交通大学开元微电子科技有限公司于 1998 年 3
月研制成功我国第一块 CMOS 彩色微型摄像芯片，近年来致力于高集成度草色摄像芯片
M60 等专用摄像芯片的研究和开发。北京思比科于2011年推出1200万像素CMOS图
像传感器 SP8AC08，该芯片为中国首款突破千万像素级的国产高端芯片，打破了国外厂