01 4T传感器详解

现在我们常见的传感器一般都是4T传感器，其内部结构如下图所示：

我们先来简单看一下结构。

a 存放电子的PPD和FD

在讲解4T之前，需要看两个存放电子的位置——PPD和FD，如下图所示。

i PIN光电二极管PPD

先看PIN光电二极管PPD（Pinned Photodiode）。

在Sensor中会使用埋藏式光电二极管BPD（Buried Photodiode）进行感光，实现外界入射光线到电子的转换：

而PPD则是BPD的特例，在N区上增加了一层接地的P+层（上图红框中的p++）。

这样的设计有能够保证电子完全转移不留下残影，抑制暗噪声等优点（如下图所示，图源网络），也逐渐成为设计的主流。

在曝光时，光子在PPD上产生光电反应，由光子转换成电子；并被存放在PPD中的N阱中（上图中的n-well）。

ii 浮置扩散放大器FD

简单来说，FD是一个电荷转电压的区域。

曝光时的电荷转移到FD后，在这里被转换成电压。曝光入射的光子越多，产生的电子越多，进而转换出来的电压也会越大。换句话说，只要在这里读取电压采样，就能知道入射的光强。

b 4T：四个晶体管结构

接下来简单说说晶体管——这里的4T，指的是4个晶体管，即这四个位置：

简单讲一下这四个晶体管都是干啥的。

i 转移栅TX/TG

在上面的讲解中我们提到，PPD感光产生的电子是存放在PPD的N阱中；而电荷转电压的位置则是在FD处。

而在这里的转移栅（TX/TG），就是起到了控制电荷转移的阀门的作用。

感光结束后，需要采集光强信息时，转移栅工作，将电荷转移到FD处转换成电压，再读取电压值，即可知道光强的大小。

ii 复位RST

顾名思义，RST指的是Reset。

简单点来说，当我们需要清空FD里存放的电子（有时也会连PPD一起清除）时，就需要操作RST。

如果这里的清除不干净，那么下次的测量就会受到影响。

打个比方就是，使用量杯测量液体时，需要把容器内部的液体清空再进行测量，否则上次的测量就会对这次的测量带来影响。

iii 源跟随器SENSE/SF

在上面我们讲到，浮置扩散放大器FD的作用是将电荷转换成电压。

但是这里的电压没有什么驱动能力，因此需要经过一个SF来进行有源缓冲，将这个电压变化原样复制出来，供给后面的读出电路进行读出。

打个比方，FD就像有一定高度的水的杯子。

SF的用途是，不论后端给什么样的容器，都会从自来水管中接水，让容器中水的高度和杯子中水的高度一致，而又不会影响原杯子的水量。

iv 列选RS（Row Select）

最后说剩下的列选RS。

这个从名字上看就比较直接——通过这个开关读取某一列的信息。

我们来看这张CMOS的示意图，其中的行选就是这里的RS：

可以看到，CMOS一次读出一行数据。

当我们需要读出第一行数据的时候，我们接通第一行的RS，依次读出这行中每个像素的SF电压值，完成一行曝光。

之后，关闭这行的RS，打开下一行的RS，再依次读出，实现逐行曝光。

这就是CMOS的逐行曝光——果冻效应

02 其他结构的CMOS

接下来我们讲讲3T结构的CMOS。

a 3T CMOS

这里讲的是早期的3T CMOS，和JFET Sensor不是一个东西。

我们先来说说早期的3T CMOS。

顾名思义，3T CMOS比4T CMOS少一只晶体管，如下图第一行所示：

我们可以看到，3T CMOS只有复位、源跟随器和行选三只管子。

在读取光强信息时，3T CMOS的源跟随器直接读取光电二极管储存的电荷。这种设计虽然能省一只晶体管，但是没办法进行二次采样（CDS），噪声、暗电流和残影等问题都比4T CMOS要大得多。

同时，4T CMOS带来的PPD FD分离，完全转移和完全放电等特点，也是3T CMOS做不到的。

b 5T、6T 甚至更高的CMOS

事实上，5T、6T 甚至更高的CMOS的信息比较少。

不过，常见的说法是，随着晶体管的增加，Sensor能实现的功能也会越多。

例如，可以实现全局复位、全局快门（电荷暂存）等功能。

当然，CMOS的晶体管越多，功能越强大，对应的需要的工艺、成本也需要更高。