新型固体LBCAST JFET图像传感器

文章摘要：JFET图像传感器根据颜色分离信号源；所有的绿色信号通过一条线输出，而所有的蓝色和红色信号通过另外一条线输出，这样可以使图像不受输出放大器波动的影响，确保了图像质量。由于人眼对绿色特别敏感，因此绿色信号线只处理绿色信号，而且在图像锐化和设置图像对比度的绿色也特别重要。在读第一行数据时，应用列左边的数据线（上面输出G信号，下面输出B信号），再接着读第二行数据，此时应用列右边的数据线（上面输出G信号，下面输出R信号），依次继续进行（图2），那么可以看到R：G：B比率是1：2：1，通常彩色滤波器的比率也是基于这个原理设计的。2．2 JFET的功能LBCAST JFET中提取像素数据的晶体管是JFET

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JFET图像传感器根据颜色分离信号源；所有的绿色信号通过一条线输出，而所有的蓝色和红色信号通过另外一条线输出，这样可以使图像不受输出放大器波动的影响，确保了图像质量。由于人眼对绿色特别敏感，因此绿色信号线只处理绿色信号，而且在图像锐化和设置图像对比度的绿色也特别重要。在读第一行数据时，应用列左边的数据线（上面输出G信号，下面输出B信号），再接着读第二行数据，此时应用列右边的数据线（上面输出G信号，下面输出R信号），依次继续进行（图2），那么可以看到R：G：B比率是1：2：1，通常彩色滤波器的比率也是基于这个原理设计的。

2．2 JFET的功能

LBCAST JFET中提取像素数据的晶体管是JFET，且每个像素中都包含一对电荷积累部分（即感光元件）与检测放大用的JFET晶体管，可实现光电转换、存储和放大。而CMOS图像传感器中的放大器是MOSFET放大器。在照相机快门关闭是一刹所光接收结束，用于转移的MOSFET栅极打开，同时所有存储的电荷被转移到JFET栅极。此外，JFET栅极就相当于量杯，通过JFET可以读出有多少光荷被转移到这个“杯子”中。JFET栅极电压随着从光电二极管转移来的电荷而升高。此时JFET使得信号电压相应升高，并将其作为列信号线读取的数据输出。在图像信号读出以后，JFET栅极会送电荷给MOSFET使其复位，这样就可以控制JFET栅极的开与关。换句话说，JFET的功能就好比是像素开关，当需要读取信号时将其闭合即可。与CMOS图像传感器相比，JFET的路径简化很多，这样使使得速度极大提高、可靠性增强、次品率降低。

2．3 内部结构特点分析

在LBCAST JFET中，由于电荷积累部分采用横向嵌入方式，因此，JFET成为夹在Gate（开关）当中的通道构造，成为理想的增幅放大元件，和CMOS相比具有更高的灵敏度和更低的噪声。

首先，对于一个给定的信号，LBCAST使用量杯虽然较小，却提供了一个比较大的电压增量和高的分辨率。其次，在CMOS图像传感器中，信号是经过沟道到硅的表面；而在LBCAST中，信号的传输是通过内部沟道，因此大噪声几乎降低到以前水平的1/3，同时暗电流特别小，可以有效抑制暗噪声。另一方面，像素信号双通道同时提取，可以实现高速处理。在结构方面，LBCAST摄像像素的布线构造比CMOS少一个金属层，同时布线密度也比较低，层间连接孔也比较少。由此实现了结构简单、制造故障少、成品率高等目标。

    JFET传感器像素选择开关由3个晶体管组成：转移、JFET和复位。而CMOS传感器则由4个晶体管组成，第4个晶体管用做像素选择。因此LBCAST有着比CMOS简单的结构，较高的效率，并且因为单位面积的光电二极管可以增加，也就提高了其功能性。内部连线（包括非透明层）结构也很简单，适合于一个多晶硅层和2个材料层。而CMOS在组成上的设计却包括四层。需要的层数越少，光电二极管与微透镜的距离就越短，通过BPD（Burie d PhotoDiode）、内部FPN（Fixed Pattern Noise）等技术，LBCCAST传感器可有效降低暗光线下拍摄的图像噪声。它类似于CMOS的双通道读取方式可提高数据读出速率，非常贴近光敏单元的微透镜在提高光效率同时有效改善了画面中央和边角的一致性。LBCAST JFET像素结构图如图3所示，LBCAST JFET像素剖面图如图4所示。

3 结束语

新开发的LBCAST JFET传感器的主要目标是重视“速度”。它的总像素并非很高，仅有400万。因此Nikon将应用于LBCAST JFET图像传感器的D2H照相机定位于新闻报道与体育摄影等方面。

LBCAST和CMOS相比具有更高灵敏度和低噪音效果，并且结构简单、制造故障少、成品率高。由于它结构简单，因此可以采用与CMOS相同的制造工艺，预计将来制造成本可以大幅度降低，应用前景十分看好。

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