Understanding CMOS Image Sensor(12) _像素密度

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3T结构的经典版图设计如下所示。

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3T结构的工作方式是，
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 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 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。
2.4 PPD结构
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（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。

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PPD结构的经典版图设计如下所示。

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另有高人的见解也值很得学习。
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噪声和噪声。它的工作方式如下：
1. 曝光。
2. 复位。曝光结束时使能RST ，将读出区（n+区）复位到高电平。
3. 读复位电平。读出n+区的电平，其中包含运放的噪声， 1/f噪声以及复位引入的kTC噪声，将读出的信号存储在第一个电容中。
4. 电荷转移。使能TX ，将电荷从感光区完全转移到n+区准备读出，这里的机制类似于CCD中的电荷转移。
5. 读信号电平。将n+区的电压信号读出到第二个电容。这里的信号包括：光电转换产生的信号，运放产生的， 1/f噪声以及复位引入的kTC噪声。
6. 信号输出。将存储在两个电容中的信号相减（如采用CDS ，即可消除Pixel中的主要噪声），得到的信号在经过模拟放大，然后经过ADC采样，即可进行数字化信号输出。
PPD像素结构有如下优点：
- 读出结构（n+区）的kTC噪声完全被CDS消除。
- 运放器的和1/f噪声，都会因CDS得到明显改善。
- 感光结构因复位引起的kTC噪声，由于PPD电荷的全转移，变的不再存在。
- 光敏感度，它直接取决于耗尽区的宽度，由于PPD的耗尽区一直延伸到近Si?SiO2界面， PPD的光感度更高。
- 由于p-n-p的双结结构， PPD的电容更高，能产生更高的动态范围。
- 由于Si?SiO2界面由一层p+覆盖，减小了暗电流。
2.5 PPD共享结构
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。

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图中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，由于这2x2个像素的结构不再一致，会导致固定模式噪声（FPN）的出现，需要在后续ISP处理中消除。