Beeldsensor met een versterkerschakeling per pixel, vervaardigd in een CMOS-proces. Verbruikt weinig stroom en laat integratie van randschakelingen toe; de standaard in onder meer smartphonecamera's.
Japanse benaming: CMOSイメージセンサー
“CMOS-beeldsensor” komt voor in 7 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Beeldsensoren en optische componenten.
Vakgebied: Beeldsensoren en optische componenten
De fotodiode van elke pixel absorbeert licht en verzamelt elektronen in verhouding tot de belichting; de quantumefficiëntie voor zichtbaar licht is meestal ongeveer 50–80%. In de gangbare pixel met vier transistors (4T) verplaatst een transfertransistor deze lading naar een klein knooppunt, de floating diffusion (FD), buffert een sourcevolgerversterker de FD-spanning naar een kolomlijn, verbindt een selectietransistor de rij en maakt een resettransistor de FD leeg. De conversieversterking is q/C_FD, ongeveer 160 µV per elektron bij een knooppunt van 1 fF. Naburige pixels delen vaak de FD en de uitleestransistors om oppervlak te besparen.
Grensvlaktoestanden aan het silicium/oxide-oppervlak genereren donkerstroom. De pinned fotodiode begraaft het n-type verzamelgebied onder een zwaar gedoteerde p+-oppervlaktelaag, die deze toestanden met gaten vult en die stroom onderdrukt. Het begraven gebied raakt ook volledig gedepleteerd, zodat de ladingsoverdracht volledig is en image lag wordt vermeden. Het uitlezen gebruikt correlated double sampling (CDS): de FD wordt direct na de reset bemonsterd en nogmaals na de overdracht, en het verschil verwijdert kTC-resetruis en versterkeroffset, waardoor de leesruis daalt tot enkele elektronen of minder. Kolomparallelle ADC's digitaliseren het signaal vervolgens op de chip.
In een front-side-illuminated sensor (FSI) moet licht door openingen tussen de metalen bedradingslagen gaan voordat het de fotodiode bereikt, wat intensiteit en hoektolerantie kost. Een backside-illuminated sensor (BSI) dunt de wafer tot enkele micrometers en ontvangt licht vanaf de kant tegenover de bedrading, wat de gevoeligheid hoog houdt bij pixels rond 1 µm; dit werd de standaard in smartphonecamera's. Gestapelde sensoren gaan nog verder en bonden de pixelwafer op een aparte logicawafer met ADC's en beeldverwerking. Epitaxiale siliciumsubstraten worden gebruikt voor pixelgebieden met weinig defecten.
Een charge-coupled device (CCD) schuift ladingspakketjes over de chip naar één uitgangsversterker, wat meerdere klokspanningen en meer vermogen vergt. Een CMOS-beeldsensor versterkt in elke pixel en leest rijen uit via kolomschakelingen, zodat hij minder vermogen verbruikt, sneller uitleest en timing, ADC's en verwerking op dezelfde die integreert. Het rij-voor-rij uitlezen veroorzaakt rolling-shuttervervorming bij snelle beweging, wat global-shutterpixels vermijden met opslag in de pixel. Pixels met dual conversion gain schakelen extra FD-capaciteit bij om zowel donkere als heldere scènes te dekken.
Antwoord: A. Fotodiode
In de pixel van een beeldsensor absorbeert de fotodiode licht en vormt elektron-gatparen, en slaat gedurende de belichting elektronen op in verhouding tot de hoeveelheid licht. Bij een CMOS-beeldsensor wordt die lading met transistoren in de pixel omgezet in een spanning en uitgelezen. Het aandeel dat van één foton één elektron maakt (kwantumrendement) bedraagt voor zichtbaar licht circa 50 tot 80%. Een led zet elektriciteit om in licht en een zenerdiode is voor een constante spanning.
Antwoord: B. Het licht bereikt de fotodiode zonder door de bedradingslagen te gaan, zodat de gevoeligheid gemakkelijk hoger kan zijn
Bij frontzijdebelichting gaat het licht door de openingen tussen de vele bedradingslagen boven de fotodiode, waardoor het door de bedrading werd geblokkeerd of gereflecteerd. Bij achterzijdebelichting wordt de wafer tot enkele µm gedund en komt het licht van de zijde tegenover de bedradingslagen binnen, zodat licht efficiënt wordt opgevangen en ook schuin invallend licht beter wordt verwerkt. Sony bracht het in 2009 op de markt en omdat de gevoeligheid ook bij kleine pixels van circa 1 µm behouden blijft, is het de standaard geworden in smartphonecamera's.
Een CCD verplaatst lading over de chip naar één gedeelde uitgangsversterker, terwijl een CMOS-beeldsensor lading in elke pixel omzet in spanning en die rij voor rij uitleest. CMOS-sensoren verbruiken minder vermogen en integreren ADC's en logica, en daarom domineren ze in telefoons en de meeste camera's.
BSI staat voor backside illumination: de wafer wordt gedund en het licht komt van de achterkant binnen, zodat het de fotodiodes bereikt zonder door de metalen bedradingslagen te gaan, wat de gevoeligheid van kleine pixels verbetert.
Daarbij wordt de floating diffusion één keer na de reset en één keer na de ladingsoverdracht uitgelezen, waarna de twee van elkaar worden afgetrokken. Resetruis (kTC) en versterkeroffsets komen in beide samples voor en vallen weg, zodat het werkelijke signaal overblijft.
Bij een CMOS-beeldsensor wordt die lading met transistoren in de pixel omgezet in een spanning en uitgelezen.
Welk element zet in elke pixel van een CMOS-beeldsensor lic…Een CMOS-beeldsensor heeft per pixel een versterkertransistor en kan met een gangbaar CMOS-proces worden gemaakt, dus AD-omzetters en beeldverwerkingsschakelingen zijn gemakkelijk op dezelfde of een gestapelde chip te integreren, de spanning en het vermogen zijn laag en het uitlezen is snel.
Welke uitspraak over een algemeen kenmerk van CMOS-beeldsen…In smartphonecamera's wordt de CMOS-beeldsensor gebruikt, die met hetzelfde CMOS-proces als logica kan worden gemaakt, weinig vermogen verbruikt en uitleesschakelingen, AD-omzetters en beeldverwerking in dezelfde behuizing kan integreren.
Welke beeldsensor wordt vooral gebruikt in de camera's van …Fotodiode CMOS Zenerdiode Backside-illuminated (BSI) Pinned photodiode Grensvlaktoestanden (interface traps) Donkerstroom Bayerpatroon CCD-beeldsensor Correlated double sampling (CDS)