引言

　　在2003年底以前，固體(ti) 圖像傳(chuan) 感器還分為(wei) CCD型和CMOS型，但是2003年底日本的尼康公司改寫(xie) 了這個(ge) 曆史，在其2003年7月發布的D2H鏡頭轉換式反單數字相機中使用了一種新型的固體(ti) LBCAST JFET圖像傳(chuan) 感器（Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array Junction Field Effect Transistor）。可以說是CCD與(yu) CMOS技術優(you) 勢融合的產(chan) 物，充分體(ti) 現了CMOS低耗電量和CCD高速數據讀取的優(you) 勢，尺寸為(wei) 23.3mm×15.5mm，對角線長28.4mm，總像素數為(wei) 426萬(wan) （2560×1664），有效像素數為(wei) 410萬(wan) ，像素間隔為(wei) 9.4μm。

1 JFET和MOSFET

　　場效應管主要有結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（IGFET，由於(yu) 其柵極為(wei) 金屬鋁故通常又稱為(wei) MOSFET），具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗低、熱穩定性高、抗輻射能力強等優(you) 點。它們(men) 的區別在於(yu) 導電機構和電流控製原理根本不同，JFET是利用耗盡區的寬度變化來改變導電溝道的寬窄以控製漏極電流；MOSFET則是用半導體(ti) 表麵的電場效應、電感應電荷的多少去改變導電溝來控製電流。它們(men) 性質的差異是：JFET往往運用在功放輸入級（前級），MOSFET則用在功放末級（輸出級）。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，因PN結反向電流增大，其阻值會(hui) 顯著下降，漏極電流也較大。

2 LBCAST JFET的特點

　　在追求高帶寬、低功耗的圖像傳(chuan) 感器競爭(zheng) 中，CMOS圖像傳(chuan) 感器在設計中展現出比CCD更優(you) 勢的特點：尺寸小、係統成本低，在確何產(chan) 品品質的前提下功耗也低。但噪聲成為(wei) CMOS成功路上最大的障礙，將導致圖像質量的下降。這也是噪聲問題必須得以解決(jue) 的原因之一。而LBCAST JFET有著眾(zhong) 多優(you) 點，這除了與(yu) 放大器采用JFET有關(guan) 外，還與(yu) 其內(nei) 部結構及工作特點有關(guan) 。

2．1 LBCAST JFET的讀數方式

　　目前CCD和CMOS常用的讀數方式：順序電荷轉移方式與(yu) X-Y導址和傳(chuan) 輸方式。圖1（a）為(wei) 傳(chuan) 統Interline CCD圖像傳(chuan) 感器通常采用的順序電荷轉移方式由光信號轉換成的電信號首先被傳(chuan) 送到列轉移寄存器，最後再輸出到圖像處理單元，因此速度受到限製。此外從(cong) 理論上講，由於(yu) 順序電荷轉移方式需要連續、高速的驅動轉換寄存器，這就需要較多的電功率。圖1（b）為(wei) CMOS圖像傳(chuan) 感器通常使用的X-Y尋址和傳(chuan) 輸方式，在這種方式中，每一個(ge) 像素都有自己的放大器，通過列掃描和行掃描來傳(chuan) 遞信號，並輸出給圖像處理單元。它有獨立的數據傳(chuan) 輸線路，因此能達到很高的速度，但是如果仔細觀察其輸出圖像，就能夠發現在分開的線上容易出現圖像失真。

　　JFET圖像傳(chuan) 感器亦采用X-Y尋址和傳(chuan) 輸方式，數據通過兩(liang) 條信號線按不同的顏色讀出，這樣一來讀取圖像的速度更快，同時具有可以隨意提取高密度像素數據的優(you) 點。JFET圖像傳(chuan) 感器的數據分配線用顏色的方法（綠、藍和紅）代替了用區域的方式，在提高操作速度的同時也提高了圖像質量，解決(jue) 了輸出圖像在分開的線上容易再現失真這一問題。

　　JFET圖像傳(chuan) 感器根據顏色分離信號源；所有的綠色信號通過一條線輸出，而所有的藍色和紅色信號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的影響，確保了圖像質量。由於(yu) 人眼對綠色特別敏感，因此綠色信號線隻處理綠色信號，而且在圖像銳化和設置圖像對比度的綠色也特別重要。在讀第一行數據時，應用列左邊的數據線（上麵輸出G信號，下麵輸出B信號），再接著讀第二行數據，此時應用列右邊的數據線（上麵輸出G信號，下麵輸出R信號），依次繼續進行（圖2），那麽(me) 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於(yu) 這個(ge) 原理設計的。

2．2 JFET的功能

　　LBCAST JFET中提取像素數據的晶體(ti) 管是JFET，且每個(ge) 像素中都包含一對電荷積累部分（即感光元件）與(yu) 檢測放大用的JFET晶體(ti) 管，可實現光電轉換、存儲(chu) 和放大。而CMOS圖像傳(chuan) 感器中的放大器是MOSFET放大器。在照相機快門關(guan) 閉是一刹所光接收結束，用於(yu) 轉移的MOSFET柵極打開，同時所有存儲(chu) 的電荷被轉移到JFET柵極。此外，JFET柵極就相當於(yu) 量杯，通過JFET可以讀出有多少光荷被轉移到這個(ge) “杯子”中。JFET柵極電壓隨著從(cong) 光電二極管轉移來的電荷而升高。此時JFET使得信號電壓相應升高，並將其作為(wei) 列信號線讀取的數據輸出。在圖像信號讀出以後，JFET柵極會(hui) 送電荷給MOSFET使其複位，這樣就可以控製JFET柵極的開與(yu) 關(guan) 。換句話說，JFET的功能就好比是像素開關(guan) ，當需要讀取信號時將其閉合即可。與(yu) CMOS圖像傳(chuan) 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、次品率降低。

2．3 內(nei) 部結構特點分析

　　在LBCAST JFET中，由於(yu) 電荷積累部分采用橫向嵌入方式，因此，JFET成為(wei) 夾在Gate（開關(guan) ）當中的通道構造，成為(wei) 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，對於(yu) 一個(ge) 給定的信號，LBCAST使用量杯雖然較小，卻提供了一個(ge) 比較大的電壓增量和高的分辨率。其次，在CMOS圖像傳(chuan) 感器中，信號是經過溝道到矽的表麵；而在LBCAST中，信號的傳(chuan) 輸是通過內(nei) 部溝道，因此大噪聲幾乎降低到以前水平的1/3，同時暗電流特別小，可以有效抑製暗噪聲。另一方麵，像素信號雙通道同時提取，可以實現高速處理。在結構方麵，LBCAST攝像像素的布線構造比CMOS少一個(ge) 金屬層，同時布線密度也比較低，層間連接孔也比較少。由此實現了結構簡單、製造故障少、成品率高等目標。

　　JFET傳(chuan) 感器像素選擇開關(guan) 由3個(ge) 晶體(ti) 管組成：轉移、JFET和複位。而CMOS傳(chuan) 感器則由4個(ge) 晶體(ti) 管組成，第4個(ge) 晶體(ti) 管用做像素選擇。因此LBCAST有著比CMOS簡單的結構，較高的效率，並且因為(wei) 單位麵積的光電二極管可以增加，也就提高了其功能性。內(nei) 部連線（包括非透明層）結構也很簡單，適合於(yu) 一個(ge) 多晶矽層和2個(ge) 材料層。而CMOS在組成上的設計卻包括四層。需要的層數越少，光電二極管與(yu) 微透鏡的距離就越短，通過BPD（Burie d PhotoDiode）、內(nei) 部FPN（Fixed Pattern Noise）等技術，LBCCAST傳(chuan) 感器可有效降低暗光線下拍攝的圖像噪聲。它類似於(yu) CMOS的雙通道讀取方式可提高數據讀出速率，非常貼近光敏單元的微透鏡在提高光效率同時有效改善了畫麵中央和邊角的一致性。LBCAST JFET像素結構圖如圖3所示，LBCAST JFET像素剖麵圖如圖4所示。

3 結束語

　　新開發的LBCAST JFET傳(chuan) 感器的主要目標是重視“速度”。它的總像素並非很高，僅(jin) 有400萬(wan) 。因此Nikon將應用於(yu) LBCAST JFET圖像傳(chuan) 感器的D2H照相機定位於(yu) 新聞報道與(yu) 體(ti) 育攝影等方麵。

　　LBCAST和CMOS相比具有更高靈敏度和低噪音效果，並且結構簡單、製造故障少、成品率高。由於(yu) 它結構簡單，因此可以采用與(yu) CMOS相同的製造工藝，預計將來製造成本可以大幅度降低，應用前景十分看好。#p#分頁標題#e#