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(shí)啟動(dòng)、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(gè)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(shì)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(shì)，尺寸為23.3mm×15.5mm，對(duì)角線長28.4mm，總像素?cái)?shù)為426萬（2560×1664），有效像素?cái)?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(jí)（前級(jí)），MOSFET則用在功放末級(jí)（輸出級(jí)）。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(shí)，因PN結(jié)反向電流增大，其阻值會(huì)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(shì)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(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)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(dòng)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(gè)像素都有自己的放大器，通過列掃描和行掃描來傳遞信號(hào)，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(hào)線按不同的顏色讀出，這樣一來讀取圖像的速度更快，同時(shí)具有可以隨意提取高密度像素?cái)?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(shí)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(hào)源；所有的綠色信號(hào)通過一條線輸出，而所有的藍(lán)色和紅色信號(hào)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(dòng)的影響，確保了圖像質(zhì)量。由于人眼對(duì)綠色特別敏感，因此綠色信號(hào)線只處理綠色信號(hào)，而且在圖像銳化和設(shè)置圖像對(duì)比度的綠色也特別重要。在讀第一行數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用列左邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出G信號(hào)，下面輸出B信號(hào)），再接著讀第二行數(shù)據(jù)，此時(shí)應(yīng)用列右邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出G信號(hào)，下面輸出R信號(hào)），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(gè)原理設(shè)計(jì)的。
2．2 JFET的功能
LBCAST JFET中提取像素?cái)?shù)據(jù)的晶體管是JFET，且每個(gè)像素中都包含一對(duì)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(chǔ)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(shí)所有存儲(chǔ)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(gè)“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(shí)JFET使得信號(hào)電壓相應(yīng)升高，并將其作為列信號(hào)線讀取的數(shù)據(jù)輸出。在圖像信號(hào)讀出以后，JFET柵極會(huì)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(hào)時(shí)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(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)，LBCAST使用量杯雖然較小，卻提供了一個(gè)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(hào)是經(jīng)過溝道到硅的表面；而在LBCAST中，信號(hào)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(shí)暗電流特別小，可以有效抑制暗噪聲。另一方面，像素信號(hào)雙通道同時(shí)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(gè)金屬層，同時(shí)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(gè)晶體管組成：轉(zhuǎn)移、JFET和復(fù)位。而CMOS傳感器則由4個(gè)晶體管組成，第4個(gè)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(gè)多晶硅層和2個(gè)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(shí)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(bào)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。
