CMOS系列(1)内部结构
<摘要>
CMOS图像传感器的模块框图如下
像素结构
像素（Pixel）是图像传感器的最小感光单元，像素阵列排列在一起形成了图像传感器的感光区域。
CIS 中一个像素点由五部分组成
- 硅感光区，捕获光子，激发光生电子
- 势阱，用电场捕获、存储光生电子
- 电路，将电荷数量变换为电压信号，以及复位、选择、读出逻辑
- 滤光膜，选择性透过三种波长中的一种，用于感知颜色
- 微透镜，将入射光线会聚到感光区（随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例的下降，使用微透镜来改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域）
像素类型/像素技术
主要分为 FSI（前照式，左图）和 BSI（背照式，右图）两种。在 BSI 基础上的改良还有 Stack（堆栈式）和 Quad Bayer 阵列（四合一像素技术）。
前照式的金属布线层在 CFA 和光电二极管的中间，光线从金属控制线之间进入，到达光敏二极管时会有损失，背照式则将金属布线层放在了光电二极管的下面，光线透过彩色滤波片后可直接进入到光电二极管，不仅增大了进光量，且有效抑制了光线射入角变化引起的感光度下降，在低照条件下的成像亮度和清晰度都比 FSI 有更大的优势。如今，背照式已成为中高端 CIS 的主流技术。
堆栈式（stack）：堆栈式是在背照式上的一种改良，是将所有的线路层挪到感光元件的底层，使开口面积得以最大化，同时缩小了芯片的整体面积。对产品小型化有帮助。另外，感光元件周边的逻辑电路移到底部之后，理论上看逻辑电路对感光元件产生的效果影响就更小，电路噪声抑制得以优化，整体效果应该更优。相同像素的堆栈式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆栈式的生产工艺更复杂，良率更低，成本更高。
Quad Bayer 阵列（四合一像素技术）：将四个同色像素排列在一起，形成一个大的像素。
像元电路结构
根据像素的不同结构，CMOS 图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式，APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了 DPS（digital pixel sensor）的概念。
无源像素被动式传感器（PPS）：由用于感光的光电二极管和选择开关（RS：Row Select）组成，select 信号选择像素读取光电二极管上的电荷。由于没有放大器，信号必须直接传输到读取线路，这会导致噪声大、信号衰减较快，影响图像质量，适用于早期的 CCD 传感器。PPS 单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但灵敏度低、读出噪声大。因此不利于向大型阵列发展，限制了应用，很快被 APS 代替。
工作方式：
- 开始曝光前，像素的行选择地址会上电，于是 RS 使能，连通 PN 结与列选择器（column bus），同时列选择器会上电，使 PN 结上加高反向电压（如 3.3 V），短暂延时后 PN 结内电子空穴对达到平衡，于是 reset 操作完成，RS 信号失效，隔断 PN 结与 column bus 的连通。
- 开始曝光时，PN 结内的硅在吸收光子激发出电子-空穴对。受 PN 结内电场的影响，电子会流向 PN 结的 n+端，空穴会流向 PN 结的 p-substrate。因此，曝光后的的 PN 结反向电压会降低。
- 曝光结束后，RS 再次使能，读出电路会测量 PN 结内的电压，该电压与原反向电压之间的差值即正比于 PN 结接受到的光子数。
- 在读出感光信号后，会对 PN 结进行再次 reset，准备下次曝光。
有源像素主动式传感器（APS）：由光电二极管、用于清空像素电荷的复位二极管和用于提高信号强度提高图像质量的放大晶体管构成。由于具有信号放大功能，集成有源像素通常用于 CMOS 图像传感器，相比被动像素，其图像质量更高、噪声更低。APS 比 PPS 具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低。
以其中的 3T 结构为例，其工作方式为：
- 复位。使能 RST 给 PN 结加载反向电压，复位完成后撤销 RST。
- 曝光。与 Passive Pixel 原理相同。
- 读出。曝光完成后，RS 会被激活，PN 结中的信号被 SF 放大后读出。
- 循环。读出信号后，重新复位，曝光，读出，不断输出图像信号。
基于 PN 结的 Active Pixel 流行与 90 年代中期，它解决了很多噪声问题。但是由 PN 结复位引入的 kTC 噪声却并没有得到解决。为了解决复位 kTC 噪声，减小暗电流，在 3T 结构之后又出现了 PPD 结构（Pinned Photodiode Pixel），包括一个 PN 结感光区和 4 个晶体管，所以也称 4T 结构，它在 3T 结构的基础上增加了一个 TX 三极管起控制电荷转移的作用。PPD 的出现是 CMOS 性能的巨大突破，它允许相关双采样（CDS）电路的引入，消除了复位引入的 kTC 噪声，运放器引入的 1/f 噪声和 offset 噪声。 PPD 结构有 4 个晶体管，有的设计甚至有 5 个，这大大降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感器的噪声表现。为了解决这个问题又出现了 PPD 共享结构，像素的感光区和读出电路由 TX 晶体管隔开，相邻像素之间可以共用读出电路，如下图所示。2x2 像素共享一个读出电路，一共使用 7 个晶体管，平均一个像素 1.75 个晶体管。这样可以大大减少每个像素中读出电路占用的面积，提高填充因子。美中不足的是，由于 2x2 个像素的结构不一致，会导致固定模式噪声（FPN）的出现，需要在后续 ISP 处理中消除。
彩色滤波阵列
像素结构中提到的滤光膜，指的是彩色滤波阵列 CFA。CIS 本身只能捕捉光线强度，无法感受光的波长（颜色）；CFA 用特定颜色的滤镜去除光谱中的一些成分，使每个像素只保留一种颜色成分。在传感器上叠加上一层有许多微型滤色器的矩阵，传感器只需要依据色彩矩阵记录下像素的光强即可，而后面的处理器通过三原色的光强就能拼配出色彩信息。
目前常用的图像传感器一般是「2×2 滤色阵列」，常见的有 RGGB / RYYB / RGBW 三种。
RGGB：从人眼的角度看，RGB 红绿蓝中的绿色 G 是最为敏感的，也更容易确定画面视觉细节，所以目前主流采用 RGGB，也称 Bayer 阵列。但由于自然界中绝大多数场景的光线成分不是这样分配的，直接导致整体进光量的损失，色彩信息也会有所浪费，因此需要后续处理。
- RYYB：黄光的波峰介于红光和绿光之间，黄色滤色器能兼并红光和绿光，提高整个传感器的感光，增大进光量，暗拍能力强。但黄色的增加使得红色和绿色的量产生变化，黄色通道需要结合红蓝通道与之加减等复杂的运算组合，分析猜出原本红绿成分的强度，处理不好就会产生明显色偏，考研厂商调校。另外，由于黄光的进光量远超于红光和蓝光，而单个像素可承载的能量又是有限的，所以在一些光线强烈的场景下：
- 如果优先考虑 R、B 的可承载量，那么 Y 就可能会溢出，亮处会形成过曝而略显苍白
- 如果优先满足 Y 的承载量，那么 R、B 通道就可能欠曝光，最终导致大光比环境下宽容度不够高
这些都可以通过 ISP 算法调校，这一阵列由华为提出，目前也基本只有华为在使用
- RGBW：RGBW 是仿照人眼视网膜感光细胞而设计的 CFA（人眼视网膜中拥有锥细胞和杆细胞两种独立运行的感光细胞：锥细胞用于感知颜色，主要在强光环境下工作，杆细胞用于感知光强，主要在暗光环境下工作），与 RYYB 类似，同样是提升进光量的思路，但把一个绿换成透明（white），去掉一个滤色器的传感器能用更多的通光量换来更大的感光，获得全域光（白光）的感知能力，暗拍能力增强；但 RGBW 的色彩普遍寡淡，且需要设计特定的 ISP 系统来匹配不同于普通 RGB 的成像逻辑，提高了厂商使用 RGBW 的门槛。
此外还有 RCCC，RCCB 等 CFA，C 表示 Clear 透传，可提高采光强度并使用专用的频带响应技术以提高图像的信噪比和可靠性。
没有 CFA 的传感器形式被称为 monochrome（MONO），即黑白传感器，MONO 传感器的层次过渡更加细腻，信噪比也更高。
CIS 经过 CFA 后每个像素只能感受单色光，此时存储的为 RAW DATA，要想将每个像素的 RAW DATA 还原成三基色，就需要 ISP 来处理。