有源像素传感器

有源像素传感器（APS）是一种图像传感器，其中每个像素传感器单元电池具有光电检测器（典型的是钉扎光电二极管）和一个或多个有源晶体管。在金属氧化物半导体(MOS)有源像素传感器中，MOS场效应晶体管(MOSFET)用作放大器。有不同类型的APS，包括早期的NMOSAPS和更常见的互补MOS(CMOS)APS，也称为CMOS传感器，广泛用于数码相机技术，例如手机相机、网络相机、大多数现代数码袖珍相机、大多数数码单镜头反光相机(DSLR)和无反光镜可互换镜头相机(MILC)。CMOS传感器作为电荷耦合器件(CCD)图像传感器的替代品出现，并最终在2000年代中期超过了它们。

有源像素传感器由有源像素组成，每个像素包含一个或多个MOSFET放大器，可将光生电荷转换为电压、放大信号电压并降低噪声。有源像素器件的概念是由PeterNoble在1968年提出的。他创建了每个像素带有有源MOS读出放大器的传感器阵列，基本上采用现代三晶体管配置：埋入式光电二极管结构、选择晶体管和MOS放大器。

80年代中期，日本的奥林巴斯将MOS有源像素概念作为电荷调制器件(CMD)实施。这得益于MOSFET半导体器件制造的进步，在1980年代至1990年代初期，MOSFET的缩放比例达到了更小的微米和亚微米水平。1985年，TsutomuNakamura的团队在奥林巴斯制造了xxx个MOSAPS。术语有源像素传感器(APS)是中村在奥林巴斯研究CMD有源像素传感器时创造的。CMD成像器具有垂直APS结构，它通过将信号电荷存储在输出NMOS晶体管下来增加填充因子（或减小像素尺寸）。在1980年代末至1990年代初，其他日本半导体公司很快也推出了自己的有源像素传感器。1988年至1991年间，东芝开发了“双栅浮置表面晶体管”传感器，该传感器具有横向APS结构，每个像素包含一个埋沟道MOS光电门和一个PMOS输出放大器。1989年至1992年间，佳能开发了基础存储图像传感器（BASIS），它采用类似于奥林巴斯传感器的垂直APS结构，但具有双极晶体管而不是MOSFET。

1990年代初期，美国公司开始开发实用的MOS有源像素传感器。1991年，德州仪器开发了bulkCMD（BCMD）传感器，该传感器在该公司的日本分公司制造，具有类似于奥林巴斯CMD传感器的垂直APS结构，但更复杂，使用PMOS而不是NMOS晶体管。

标准的CMOSAPS像素由一个光电探测器（固定光电二极管）、一个浮动扩散和所谓的4T单元组成，该单元由四个CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管组成，包括一个传输门、复位门、选择门和源极跟随器读出晶体管。由于其低暗电流和良好的蓝色响应，钉扎光电二极管最初用于行间传输CCD，并且当与传输门耦合时，可以将电荷从钉扎光电二极管完全转移到浮动扩散（进一步连接到读出晶体管）消除滞后。通过启用相关双采样(CDS)，像素内电荷转移的使用可以提供更低的噪声。由于制造要求不那么复杂，有时仍会使用Noble3T像素。除了传输门和光电二极管之外，3T像素包括与4T像素相同的元件。复位晶体管Mrst用作将浮动扩散复位到VRST的开关，在这种情况下，它表示为Msf晶体管的栅极。当复位晶体管导通时，光电二极管有效地连接到电源VRST，清除所有累积电荷。由于复位晶体管是n型，像素在软复位中运行。读出晶体管Msf充当缓冲器（特别是源极跟随器），这是一个放大器，可以在不移除累积电荷的情况下观察像素电压。其电源VDD通常与复位晶体管VRST的电源相连。选择晶体管，Msel，允许读出电子设备读取像素阵列的单行。像素的其他创新，如5T和6T像素也存在。通过添加额外的晶体管，可以实现全局快门等功能，而不是更常见的卷帘快门。为了增加像素密度，可以采用共享行、四路和八路共享读出等架构。3T有源像素的一个变体是DickMerrill发明的FoveonX3传感器。在该设备中，三个光电二极管使用平面制造技术相互堆叠,每个光电二极管都有自己的3T电路。每个连续层都充当其下方层的过滤器，从而改变连续层中吸收光的光谱。通过对每个分层检测器的响应进行去卷积，可以重建红色、绿色和蓝色信号。

典型的二维像素阵列被组织成行和列。给定行中的像素共享重置线，以便一次重置整行。一行中每个像素的行选择线也连接在一起。任何给定列中每个像素的输出都绑定在一起。由于在给定时间只选择了一行，因此不会发生对输出行的竞争。进一步的放大器电路通常以列为基础。

像素传感器的尺寸通常以高度和宽度给出，但也以光学格式给出。

有源像素传感器(APS)结构有两种类型，横向APS和垂直APS。EricFossum将横向APS定义如下：

横向APS结构被定义为具有一部分像素区域用于光电检测和信号存储，另一部分用于有源晶体管的结构。与垂直集成的APS相比，这种方法的优势在于制造工艺更简单，并且与最先进的CMOS和CCD器件工艺高度兼容。

Fossum定义垂直APS如下：

垂直APS结构通过将信号电荷存储在输出晶体管下方来增加填充因子（或减小像素尺寸）。