摘 要：尼康公司的D2H單反數(shù)字相機(jī)中使用了一種新型的固體圖像傳感器LBCAST JFET。該器件在讀數(shù)方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面有了較大改進(jìn)，與CCD、CMOS圖像傳感器比較具有瞬時啟動、高靈敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪聲等特色。
關(guān)鍵詞：LBCAST JFET 圖像傳感器 X-Y尋址 像素開關(guān) 顏色分離 噪聲
引 言
在2003年底以前，固體圖像傳感器還分為CCD型和CMOS型，但是2003年底日本的尼康公司改寫了這個歷史，在其2003年7月發(fā)布的D2H鏡頭轉(zhuǎn)換式反單數(shù)字相機(jī)中使用了一種新型的固體LBCAST JFET圖像傳感器（Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array Junction Field Effect Transistor）。可以說是CCD與CMOS技術(shù)優(yōu)勢融合的產(chǎn)物，充分體現(xiàn)了CMOS低耗電量和CCD高速數(shù)據(jù)讀取的優(yōu)勢，尺寸為23.3mm×15.5mm，對角線長28.4mm，總像素數(shù)為426萬（2560×1664），有效像素數(shù)為410萬，像素間隔為9.4μm。
1 JFET和MOSFET
場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET，由于其柵極為金屬鋁故通常又稱為MOSFET），具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗低、熱穩(wěn)定性高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它們的區(qū)別在于導(dǎo)電機(jī)構(gòu)和電流控制原理根本不同，JFET是利用耗盡區(qū)的寬度變化來改變導(dǎo)電溝道的寬窄以控制漏極電流；MOSFET則是用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)、電感應(yīng)電荷的多少去改變導(dǎo)電溝來控制電流。它們性質(zhì)的差異是：JFET往往運(yùn)用在功放輸入級（前級），MOSFET則用在功放末級（輸出級）。但是在有些工作條件下，MOSFET的輸入電阻不夠高，難以滿足要求，而且在高溫工作時，因PN結(jié)反向電流增大，其阻值會顯著下降，漏極電流也較大。
2 LBCAST JFET的特點(diǎn)
在追求高帶寬、低功耗的圖像傳感器競爭中，CMOS圖像傳感器在設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出比CCD更優(yōu)勢的特點(diǎn)：尺寸小、系統(tǒng)成本低，在確何產(chǎn)品品質(zhì)的前提下功耗也低。但噪聲成為CMOS成功路上最大的障礙，將導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。這也是噪聲問題必須得以解決的原因之一。而LBCAST JFET有著眾多優(yōu)點(diǎn)，這除了與放大器采用JFET有關(guān)外，還與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)有關(guān)。
2．1 LBCAST JFET的讀數(shù)方式
目前CCD和CMOS常用的讀數(shù)方式：順序電荷轉(zhuǎn)移方式與X-Y導(dǎo)址和傳輸方式。圖1（a）為傳統(tǒng)Interline CCD圖像傳感器通常采用的順序電荷轉(zhuǎn)移方式由光信號轉(zhuǎn)換成的電信號首先被傳送到列轉(zhuǎn)移寄存器，最后再輸出到圖像處理單元，因此速度受到限制。此外從理論上講，由于順序電荷轉(zhuǎn)移方式需要連續(xù)、高速的驅(qū)動轉(zhuǎn)換寄存器，這就需要較多的電功率。圖1（b）為CMOS圖像傳感器通常使用的X-Y尋址和傳輸方式，在這種方式中，每一個像素都有自己的放大器，通過列掃描和行掃描來傳遞信號，并輸出給圖像處理單元。它有獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸線路，因此能達(dá)到很高的速度，但是如果仔細(xì)觀察其輸出圖像，就能夠發(fā)現(xiàn)在分開的線上容易出現(xiàn)圖像失真。
JFET圖像傳感器亦采用X-Y尋址和傳輸方式，數(shù)據(jù)通過兩條信號線按不同的顏色讀出，這樣一來讀取圖像的速度更快，同時具有可以隨意提取高密度像素數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。JFET圖像傳感器的數(shù)據(jù)分配線用顏色的方法（綠、藍(lán)和紅）代替了用區(qū)域的方式，在提高操作速度的同時也提高了圖像質(zhì)量，解決了輸出圖像在分開的線上容易再現(xiàn)失真這一問題。
JFET圖像傳感器根據(jù)顏色分離信號源；所有的綠色信號通過一條線輸出，而所有的藍(lán)色和紅色信號通過另外一條線輸出，這樣可以使圖像不受輸出放大器波動的影響，確保了圖像質(zhì)量。由于人眼對綠色特別敏感，因此綠色信號線只處理綠色信號，而且在圖像銳化和設(shè)置圖像對比度的綠色也特別重要。在讀第一行數(shù)據(jù)時，應(yīng)用列左邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出G信號，下面輸出B信號），再接著讀第二行數(shù)據(jù)，此時應(yīng)用列右邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出G信號，下面輸出R信號），依次繼續(xù)進(jìn)行（圖2），那么可以看到R：G：B比率是1：2：1，通常彩色濾波器的比率也是基于這個原理設(shè)計(jì)的。
2．2 JFET的功能
LBCAST JFET中提取像素數(shù)據(jù)的晶體管是JFET，且每個像素中都包含一對電荷積累部分（即感光元件）與檢測放大用的JFET晶體管，可實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、存儲和放大。而CMOS圖像傳感器中的放大器是MOSFET放大器。在照相機(jī)快門關(guān)閉是一剎所光接收結(jié)束，用于轉(zhuǎn)移的MOSFET柵極打開，同時所有存儲的電荷被轉(zhuǎn)移到JFET柵極。此外，JFET柵極就相當(dāng)于量杯，通過JFET可以讀出有多少光荷被轉(zhuǎn)移到這個“杯子”中。JFET柵極電壓隨著從光電二極管轉(zhuǎn)移來的電荷而升高。此時JFET使得信號電壓相應(yīng)升高，并將其作為列信號線讀取的數(shù)據(jù)輸出。在圖像信號讀出以后，JFET柵極會送電荷給MOSFET使其復(fù)位，這樣就可以控制JFET柵極的開與關(guān)。換句話說，JFET的功能就好比是像素開關(guān)，當(dāng)需要讀取信號時將其閉合即可。與CMOS圖像傳感器相比，JFET的路徑簡化很多，這樣使使得速度極大提高、可靠性增強(qiáng)、次品率降低。
2．3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析
在LBCAST JFET中，由于電荷積累部分采用橫向嵌入方式，因此，JFET成為夾在Gate（開關(guān)）當(dāng)中的通道構(gòu)造，成為理想的增幅放大元件，和CMOS相比具有更高的靈敏度和更低的噪聲。
首先，對于一個給定的信號，LBCAST使用量杯雖然較小，卻提供了一個比較大的電壓增量和高的分辨率。其次，在CMOS圖像傳感器中，信號是經(jīng)過溝道到硅的表面；而在LBCAST中，信號的傳輸是通過內(nèi)部溝道，因此大噪聲幾乎降低到以前水平的1/3，同時暗電流特別小，可以有效抑制暗噪聲。另一方面，像素信號雙通道同時提取，可以實(shí)現(xiàn)高速處理。在結(jié)構(gòu)方面，LBCAST攝像像素的布線構(gòu)造比CMOS少一個金屬層，同時布線密度也比較低，層間連接孔也比較少。由此實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、制造故障少、成品率高等目標(biāo)。
JFET傳感器像素選擇開關(guān)由3個晶體管組成：轉(zhuǎn)移、JFET和復(fù)位。而CMOS傳感器則由4個晶體管組成，第4個晶體管用做像素選擇。因此LBCAST有著比CMOS簡單的結(jié)構(gòu)，較高的效率，并且因?yàn)閱挝幻娣e的光電二極管可以增加，也就提高了其功能性。內(nèi)部連線（包括非透明層）結(jié)構(gòu)也很簡單，適合于一個多晶硅層和2個材料層。而CMOS在組成上的設(shè)計(jì)卻包括四層。需要的層數(shù)越少，光電二極管與微透鏡的距離就越短，通過BPD（Burie d PhotoDiode）、內(nèi)部FPN（Fixed Pattern Noise）等技術(shù)，LBCCAST傳感器可有效降低暗光線下拍攝的圖像噪聲。它類似于CMOS的雙通道讀取方式可提高數(shù)據(jù)讀出速率，非常貼近光敏單元的微透鏡在提高光效率同時有效改善了畫面中央和邊角的一致性。LBCAST JFET像素結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，LBCAST JFET像素剖面圖如圖4所示。
3 結(jié)束語
新開發(fā)的LBCAST JFET傳感器的主要目標(biāo)是重視“速度”。它的總像素并非很高，僅有400萬。因此Nikon將應(yīng)用于LBCAST JFET圖像傳感器的D2H照相機(jī)定位于新聞報道與體育攝影等方面。
LBCAST和CMOS相比具有更高靈敏度和低噪音效果，并且結(jié)構(gòu)簡單、制造故障少、成品率高。由于它結(jié)構(gòu)簡單，因此可以采用與CMOS相同的制造工藝，預(yù)計(jì)將來制造成本可以大幅度降低，應(yīng)用前景十分看好。(end)
