アクティブピクセルセンサー
CMOSアクティブピクセルイメージセンサー

アクティブピクセルセンサー（APS）は、各ピクセルセンサーユニットセルが光検出器（通常はピン留めされたフォトダイオード）と1つ以上のアクティブトランジスタを持つ画像センサーです。[ 1 ] [ 2 ]金属酸化膜半導体（MOS）アクティブピクセルセンサーでは、 MOS電界効果トランジスタ（MOSFET）が増幅器として使用されます。APSには、初期のNMOS APSや現在でははるかに一般的な相補型MOS（CMOS）APS（CMOSセンサーとも呼ばれる）など、さまざまな種類があります。CMOSセンサーは、携帯電話のカメラ、ウェブカメラ、ほとんどの最新のデジタルポケットカメラ、ほとんどのデジタル一眼レフカメラ（DSLR）、ミラーレス一眼カメラ（MILC ）などのデジタルカメラ技術で使用され、 [ 3 ]血球などのレンズレスイメージングにも使用されています。

CMOS センサーは電荷結合素子(CCD) イメージセンサーの代替として登場し、2000 年代半ばまでに CCD イメージセンサーの売上を上回りました。

アクティブピクセルセンサーという用語は、イメージセンサーではなく、個々のピクセルセンサー自体を指す場合にも使用されます。この場合、イメージセンサーはアクティブピクセルセンサーイメージャー[ 4 ]またはアクティブピクセルイメージセンサー[ 5 ]と呼ばれることもあります。

歴史

背景

ウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスは、金属酸化物半導体（MOS）技術を研究していた際に、小さなMOSコンデンサに電荷を蓄えることができることを発見しました。このコンデンサは、 1969年に彼らが発明した電荷結合素子（CCD）の基本的な構成要素となりました。[ 6 ] [ 7 ]

CCD技術における主な課題の一つは、読み出し時にほぼ完璧な電荷転送に依存していたことです。この制約により、いくつかの欠点が生じました。例えば、放射線耐性が比較的低いこと、低照度条件での性能が低いこと、大規模アレイの製造が困難であること、オンチップエレクトロニクスとの統合が限られていること、低温での効率が低下すること、高フレームレートでの制約があること、そして波長応答を拡張するために非シリコン材料を用いた製造が困難であることなどです。[ 1 ]

RCA研究所では、ポール・K・ワイマー、WS・パイク、G・サダシフらの研究チームが1969年に、薄膜トランジスタ（TFT）を使った走査回路と光検出器に光導電膜を使った固体画像センサを提案した。[ 8 ] [ 9 ]光学式マウスに応用できる、低解像度で「ほぼデジタル」のNチャネルMOSFET（NMOS）イメージャーとピクセル内増幅回路は、1981年にリチャード・F・リヨンによって実証された。[ 10 ] APSに関連する別のタイプの画像センサ技術は、ハイブリッド赤外線焦点面アレイ（IRFPA）[ 1 ]で、赤外線スペクトルの極低温で動作するように設計されている。このデバイスはサンドイッチのように組み合わされた2つのチップで、1つのチップにはInGaAsまたはHgCdTeで作られた検出器素子が含まれ、もう1つのチップは通常シリコンで作られ、光検出器の読み出しに使われる。これらの装置の正確な起源は機密指定されているが、1980 年代半ばには使用されていた。

現代のCMOSセンサーの重要な要素は、ピンフォトダイオード（PPD）です。[ 2 ]これは、1980年にNECの寺西信一、白木博光、石原康夫によって発明され、 [ 2 ] [ 11 ]その後、1982年に寺西と石原がA. Kohono、E. Oda、K. Araiとともに、アンチブルーミング構造を追加して公表しました。 [ 2 ] [ 12 ]ピンフォトダイオードは、低遅延、低ノイズ、高量子効率、低暗電流の光検出器構造です。 NECで発明されたこの新しい光検出器構造は、1984年にコダックのB.C. Burkeyによって「ピンフォトダイオード」（PPD）と名付けられました。 1987年には、PPDがほとんどのCCDセンサーに組み込まれるようになり、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラに欠かせないものとなりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーに使われるようになりました。[ 2 ]

パッシブピクセルセンサー

APSの前身は、フォトダイオードアレイ（PDA）の一種であるパッシブピクセルセンサー（PPS）でした。[ 2 ]パッシブピクセルセンサーは、増幅せずに読み出されるパッシブピクセルで構成され、各ピクセルはフォトダイオードとMOSFETスイッチで構成されています。[ 13 ]フォトダイオードアレイでは、ピクセルにはpn接合、集積コンデンサ、および選択トランジスタとしてMOSFETが含まれています。フォトダイオードアレイは、CCDよりも前に1968年にG. Wecklerによって提案されました。[ 1 ]これは、ピクセル内選択トランジスタを備えたイメージセンサー要素を備えたPPSの基礎となり、[ 2 ] 1968年にPeter JW Nobleによって提案され、 [ 14 ] [ 2 ] [ 8 ]、1969年にSavvas G. Chamberlainによって提案されました。 [ 15 ]

パッシブピクセルセンサーは、真空管撮像装置に代わる固体の代替として研究されていました。MOSパッシブピクセルセンサーは、ピクセル内の単純なスイッチのみを使用してフォトダイオードの蓄積電荷を読み出しました。[ 16 ]ピクセルは2次元構造に配列され、アクセスイネーブル配線は同じ行のピクセルで共有され、出力配線は列で共有されました。各列の端にはトランジスタがありました。パッシブピクセルセンサーには、ノイズが高い、読み出しが遅い、スケーラビリティがないなど、多くの制限がありました。初期（1960年代～1970年代）のフォトダイオードアレイは、各ピクセル内に選択トランジスタを備え、オンチップマルチプレクサ回路を備えていましたが、サイズが大きすぎて実用的ではありませんでした。フォトダイオードアレイのノイズも性能の制限となり、フォトダイオード読み出しバス容量によって読み出しノイズレベルが上昇しました。相関二重サンプリング（CDS）も外部メモリなしではフォトダイオードアレイでは使用できませんでした。 1970年代には、当時のマイクロリソグラフィー技術が限られていたため、実用的なピクセルサイズのアクティブピクセルセンサーを製造することは不可能でした。 [ 1 ] MOSプロセスは非常に変動しやすく、MOSトランジスタの特性は時間の経過とともに変化します（Vthの不安定性）。そのため、CCDのチャージドメイン動作は、MOSパッシブピクセルセンサーよりも製造しやすく、パフォーマンスも高くなりました。

アクティブピクセルセンサー

アクティブピクセルセンサーは、アクティブピクセルで構成され、各アクティブピクセルには、光で生成された電荷を電圧に変換し、信号電圧を増幅し、ノイズを低減する1つ以上のMOSFETアンプが含まれています。 [ 13 ]アクティブピクセルデバイスの概念は、1968年にピーターノーブルによって提案されました。彼は、基本的に現代の3トランジスタ構成（埋め込みフォトダイオード構造、選択トランジスタ、およびMOSアンプ）で、ピクセルごとにアクティブMOS読み出しアンプを備えたセンサーアレイを作成しました。[ 17 ] [ 14 ]

MOSアクティブピクセルのコンセプトは、 1980 年代半ばに日本のオリンパスによって電荷変調デバイス (CMD) として実装されました。これは MOSFET半導体デバイス製造の進歩によって可能になり、1980 年代から 1990 年代初頭にかけてMOSFET のスケーリングはより小さなミクロンレベル、さらにサブミクロンレベルに達しました。 [ 1 ] [ 18 ]最初の MOS APS は、1985 年にオリンパスの中村努のチームによって製造されました。アクティブピクセルセンサー(APS) という用語は、オリンパスで CMD アクティブピクセルセンサーに取り組んでいたときに中村によって造られました。[ 19 ] CMD イメージャーは垂直 APS 構造で、出力NMOSトランジスタの下に信号電荷を保存することでフィルファクターを増加 (またはピクセルサイズを縮小) します。他の日本の半導体企業も、 1980 年代後半から 1990 年代初頭にかけて独自のアクティブピクセルセンサーを発表しました。 1988年から1991年にかけて、東芝は「ダブルゲート浮遊表面トランジスタ」センサーを開発しました。これは横型APS構造で、各ピクセルには埋め込みチャネルMOSフォトゲートとPMOS出力アンプが搭載されていました。1989年から1992年にかけて、キヤノンはベースストア型イメージセンサー（BASIS）を開発しました。これはオリンパス製センサーと同様の縦型APS構造を採用していますが、 MOSFETではなくバイポーラトランジスタを採用しています。[ 1 ]

1990年代初頭、アメリカの企業は実用的なMOSアクティブピクセルセンサーの開発を開始しました。1991年、テキサス・インスツルメンツはバルクCMD（BCMD）センサーを開発しました。これは同社の日本支社で製造されたもので、オリンパスCMDセンサーに類似した垂直APS構造を有していましたが、より複雑で、NMOSトランジスタではなくPMOSトランジスタを採用していました。[ 2 ]

CMOSセンサー

1980年代後半から1990年代初頭にかけて、CMOSプロセスは十分に管理された安定した半導体製造プロセスとして確立され、ほぼすべてのロジックおよびマイクロプロセッサのベースラインプロセスとなりました。ローエンドの画像アプリケーションではパッシブピクセルセンサーの使用が再び増加し、[ 20 ]、網膜シミュレーション[ 21 ]や高エネルギー粒子検出器などの低解像度で高機能なアプリケーションではアクティブピクセルセンサーが使用され始めました。しかし、CCDは時間ノイズと固定パターンノイズがはるかに低く、カムコーダーなどの民生用アプリケーションや放送用カメラで主流の技術であり、ビデオカメラの管に取って代わりました。

NASAジェット推進研究所の初期のプロトタイプCMOS-APS

CMOSアクティブピクセルセンサーは、金属酸化膜半導体（MOS）イメージセンサーの一種で、1992年に三菱電機によって開発されました[ 22 ]。また、1993年にはNASAジェット推進研究所によって開発されました[ 23 ]。これは、東芝がPMOS技術を用いて開発したアクティブピクセルセンサーの後継機です。東芝のセンサーと同様の横型APS構造を有していましたが、PMOSトランジスタではなくCMOSトランジスタで製造されていました[ 1 ] 。これは、ピクセル内電荷転送方式を採用した最初のCMOSセンサーでした[ 2 ] 。

1999 年、現代エレクトロニクスは、ADC を統合した高性能ピンフォトダイオードを備え、ベースライン 0.5 um DRAM プロセスで製造された 4T ピクセルに基づく 800 x 600 カラー CMOS イメージ センサーの商用生産を発表しました。

PhotobitのCMOSセンサーは、 LogitechやIntel製のウェブカメラに採用され、その後Photobitは2001年にMicron Technologyに買収された。初期のCMOSセンサー市場は、MicronやOmnivisionなどの米国メーカーが主導し、一時的に米国がイメージセンサー市場の一部を日本から奪還したが、その後CMOSセンサー市場は日本、韓国、中国が独占するようになった。[ 24 ] PPD技術を採用したCMOSセンサーは、1997年にRM Guidash、2000年にK. YonemotoとH. Sumi、2003年にI. Inoueによってさらに進化・改良された。これにより、CMOSセンサーはCCDセンサーと同等の撮像性能を実現し、後にCCDセンサーを上回るようになった。[ 2 ]

2000年までに、CMOSセンサーは低価格カメラ、 PCカメラ、ファックス、マルチメディア、セキュリティ、監視、ビデオ電話など、さまざまな用途に使用されるようになりました。[ 25 ]

高解像度ビデオ（HDビデオ）の登場により、ビデオ業界はCMOSカメラに移行した。これは、CCDセンサーではピクセル数が多くなり、消費電力が大幅に増加して過熱し、バッテリーを消耗するからである。[ 24 ]ソニーは2007年に独自のカラムA/D変換回路を搭載したCMOSセンサーを商品化し、高速で低ノイズの性能を実現した。続いて2009年には、従来のイメージセンサーの2倍の感度を持つCMOS裏面照射型センサー（BIセンサー）を商品化した。 [ 26 ]

CMOSセンサーは大きな文化的影響を与え、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話が大量に普及し、ソーシャルメディアや自撮り文化の台頭を後押しし、世界中の社会的、政治的運動に影響を与えました。[ 24 ] 2007年までには、CMOSアクティブピクセルセンサーの売上がCCDセンサーを上回り、CMOSセンサーは当時の世界のイメージセンサー市場の54％を占めました。 2012年までには、CMOSセンサーは市場の74％までシェアを拡大​​しました。 2017年現在、CMOSセンサーは世界のイメージセンサー販売の89％を占めています。[ 27 ]近年、CMOSセンサー技術は中判写真撮影にも広がり、Phase Oneはソニー製CMOSセンサーを搭載した中判デジタルバックを初めて発売しました。

2012年、ソニーは積層型CMOS BIセンサーを発表しました。[ 26 ]画像センサーの分野では、いくつかの研究活動が進行中です。その1つが量子画像センサー（QIS）で、カメラで画像を収集する方法にパラダイムシフトをもたらす可能性があります。QISでは、画像センサーに当たるすべての光子をカウントし、センサーあたり100万から10億個以上の特殊な光素子（ジョットと呼ばれる）の解像度を提供し、ジョットのビットプレーンを毎秒数百または数千回読み出すことで、テラビット/秒のデータを実現することを目標としています。QISのアイデアはまだ初期段階であり、画像をキャプチャするために必要な不必要な複雑さのために、実現しない可能性があります。[ 28 ]

オムニビジョン社のボイド・ファウラー氏は、CMOSイメージセンサー開発における功績で知られています。彼の貢献には、1994年の世界初のデジタルピクセルCMOSイメージセンサー、2003年の世界初の単一電子RMS読み出しノイズを備えた科学用リニアCMOSイメージセンサー、そして2010年の世界初のマルチメガピクセル科学用領域CMOSイメージセンサー（高ダイナミックレンジ（86dB）、高速読み出し（100フレーム/秒）、超低読み出しノイズ（1.2e-RMS）を同時に実現）などがあります。また、患者の快適性向上のため、コーナーをカットした口腔内歯科X線撮影用CMOSイメージセンサーの特許も取得しています。[ 29 ] [ 30 ]

2010 年代後半までに、CMOS センサーは CCD センサーを完全にではないにせよ大部分にとって代わりました。これは、CMOS センサーが既存の半導体生産ラインで製造できるためコストが削減されるだけでなく、消費電力も少ないなど、いくつかの利点があるためです。(下記参照)

HV-CMOS

HV-CMOSデバイスは、 CERN大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のような高電圧アプリケーション（高エネルギー粒子の検出など）で使用される一般的なCMOSセンサーの特殊な例です。CERN大型ハドロン衝突型加速器では、最大30～120Vの高い耐圧が求められます。ただし、このようなデバイスは高電圧スイッチングには使用されません。HV-CMOSは通常、p型ウェハ基板上にトランジスタの深さ約10μmのnドープ空乏層（nウェル）を形成することで実現されます。[ 31 ]

CCDとの比較

APS ピクセルは、パッシブ ピクセル センサーの速度とスケーラビリティの問題を解決します。一般に、APS ピクセルは CCD よりも消費電力が少なく、画像遅延が少なく、特殊な製造施設を必要としません。CCD とは異なり、APS センサーは、画像センサー機能と画像処理機能を同じ集積回路内に組み合わせることができます。APS センサーは、多くの消費者向けアプリケーション、特にカメラ付き携帯電話で市場を開拓しています。また、デジタルラジオグラフィー、軍事用の超高速画像取得、セキュリティ カメラ、光学式マウスなどの他の分野でも使用されています。製造元には、 Aptina Imaging ( 2001 年に Photobit を買収したMicron Technologyからの独立したスピンアウト)、 Canon、Samsung、STMicroelectronics、東芝、OmniVision Technologies、Sony、Foveonなどがあります。CMOS タイプの APS センサーは、パッケージング、電力管理、およびオンチップ処理が重要なアプリケーションに一般的に適

CCDと比較したCMOSの利点

CCD画像に咲く

CMOSセンサーの主な利点は、画像キャプチャーと画像センシングの要素を同じIC上に統合することができ、構造が簡単なため、CCDセンサーよりも製造コストが低くなることです。[ 32 ]

CMOS センサーは通常、ブルーミング (つまり、露出オーバーのピクセルから他の近くのピクセルへの光電荷の漏れ) をより適切に制御できます。

3センサーカメラシステムでは、ビームスプリッタープリズムと組み合わせて画像の赤、緑、青の成分を分離するために別々のセンサーを使用します。3つのCMOSセンサーは同一のセンサーで構成できますが、ほとんどのスプリッタープリズムでは、画像を互換性のある順序で読み出すために、CCDセンサーの1つが他の2つのセンサーの鏡像になっている必要があります。CCDセンサーとは異なり、CMOSセンサーはセンサー素子のアドレス指定を反転させることができます。ISO感度400万のCMOSセンサーも存在します。[ 33 ]

CCDと比較したCMOSの欠点

ローリングシャッターによる歪み。2枚のシャッターブレードは本来同じ直線を形成するはずですが、手前のシャッターブレードではそうではありません。この歪みは、フレームのプログレッシブ読み出しと並行して、手前のシャッターブレードの光学的な位置がフレーム内で下がっていくことで生じています。

CMOSセンサーは通常、約1/60秒または1/50秒（リフレッシュレートによって異なります）で1行ずつ画像を撮影するため、ローリングシャッター効果（画像が歪む、カメラの方向や被写体の動きに応じて左右に傾く）が発生する可能性があります。例えば、高速で移動する車を追尾する場合、車自体は歪まないものの、背景が傾いて見えることがあります。フレーム転送CCDセンサー、または「グローバルシャッター」CMOSセンサーではこの問題は発生しません。代わりに、画像全体をフレームメモリに一度に取り込みます。

CCDセンサーの長年の利点は、低ノイズで画像を撮影できることでした。[ 34 ] CMOS技術の進歩により、この利点は2020年時点ではなくなり、最新のCMOSセンサーはCCDセンサーよりも優れた性能を発揮できるようになりました。[ 35 ]

CMOSピクセルのアクティブ回路は、光に感応しない領域を表面上に占めるため、デバイスの光子検出効率が低下します（マイクロレンズや裏面照射型センサーはこの問題を軽減できます）。しかし、フレーム転送型CCDはフレームストアノードの非感応領域も約半分を占めるため、比較対象となるセンサーの種類によって相対的な優位性は異なります。

建築

ピクセル

3トランジスタアクティブピクセルセンサー

標準的なCMOS APS ピクセルは、光検出器(ピン留めフォトダイオード)、[ 2 ]フローティング拡散部、および転送ゲート、リセットゲート、選択ゲート、ソースフォロワ読み出しトランジスタを含む 4 つのCMOS (相補型金属酸化膜半導体)トランジスタで構成されるいわゆる 4T セルで構成されています。 [ 36 ]ピン留めフォトダイオードは、暗電流が低く青色応答が優れているため、もともとインターライン転送 CCD で使用されていました。転送ゲートと組み合わせると、ピン留めフォトダイオードから浮遊拡散部 (読み出しトランジスタのゲートにさらに接続) への完全な電荷転送が可能になり、遅延がなくなります。ピクセル内電荷転送を使用すると、相関二重サンプリング(CDS) を使用できるため、ノイズを低減できます。製造要件がそれほど複雑ではないため、Noble 3T ピクセルが今でも時々使用されています。リセットトランジスタ M rst は、フローティングディフュージョンを V RSTにリセットするスイッチとして機能します。この場合、これは M sfトランジスタのゲートとして表されます。リセットトランジスタがオンになると、フォトダイオードは実質的に電源 V RSTに接続され、蓄積された電荷がすべてクリアされます。リセットトランジスタはn 型であるため、ピクセルはソフトリセットで動作します。読み出しトランジスタ M sf は、蓄積された電荷を除去せずにピクセル電圧を観察できる増幅器であるバッファ (具体的にはソースフォロワ) として機能します。その電源 V DDは、通常、リセットトランジスタ V RSTの電源に接続されます。選択トランジスタ M sel により、ピクセルアレイの 1 行を読み出し電子機器で読み取ることができます。5T ピクセルや 6T ピクセルなど、ピクセルの他の革新的な機能も存在します。トランジスタを追加することで、より一般的なローリングシャッターではなく、グローバルシャッターなどの機能が可能になります。ピクセル密度を高めるために、行共有、4方向および8方向共有読み出しなどのアーキテクチャを採用できます。3Tアクティブピクセルの派生型として、ディック・メリルが発明したFoveon X3センサーがあります。このデバイスでは、3つのフォトダイオードが平面製造技術を用いて積層されています。各フォトダイオードはそれぞれ独自の3T回路を備えています。各層は下層のフィルタとして機能し、吸収された光のスペクトルをシフトさせます。各層検出器の応答をデコンボリューションすることで、赤、緑、青の信号を再構成できます。

配列

典型的な2次元ピクセル配列は、行と列で構成されています。特定の行のピクセルはリセットラインを共有しているため、一度に1行全体がリセットされます。行内の各ピクセルの行選択ラインも同様に相互接続されています。特定の列の各ピクセルの出力は相互接続されています。一度に選択される行は1行のみであるため、出力ラインの競合は発生しません。さらに、増幅回路は通常、列ごとに配置されます。

サイズ

ピクセル センサーのサイズは、高さと幅で示されることが多いですが、光学形式で示されることもあります。

横方向と縦方向の構造

アクティブピクセルセンサー（APS）構造には、横型APSと縦型APSの2種類があります。[ 1 ]エリック・フォッサムは横型APSを次のように定義しています。

横型APS構造とは、画素領域の一部を光検出と信号蓄積に、残りの部分をアクティブトランジスタに用いる構造を指します。このアプローチの利点は、垂直統合型APSと比較して、製造プロセスが簡素化され、最先端のCMOSおよびCCDデバイスプロセスとの互換性が高いことです。[ 1 ]

Fossum は垂直 APS を次のように定義しています。

垂直APS構造は、信号電荷を出力トランジスタの下に蓄えることでフィルファクタを増加させる（またはピクセルサイズを縮小する）。[ 1 ]

薄膜トランジスタ

2トランジスタアクティブ/パッシブピクセルセンサー

大面積デジタルX線画像などの用途では、薄膜トランジスタ（TFT）をAPSアーキテクチャで使用することもできます。しかし、TFTはCMOSトランジスタに比べてサイズが大きく、相互コンダクタンスゲインが低いため、画像の解像度と画質を許容レベルに維持するには、ピクセル上のTFTの数を減らす必要があります。2トランジスタAPS/PPSアーキテクチャは、アモルファスシリコンTFTを用いたAPSに有望であることが示されています。右側の2トランジスタAPSアーキテクチャでは、T AMPは3トランジスタAPSのM sfとM selの両方の機能を統合するスイッチドアンプとして使用されます。これにより、ピクセルあたりのトランジスタ数が削減され、ピクセル相互コンダクタンスゲインが増加します。[ 37 ]ここで、C pixはピクセル蓄積容量であり、「Read」のアドレスパルスをT AMPのゲートに容量結合してオン/オフ切り替えを行うためにも使用されます。このようなピクセル読み出し回路は、アモルファスセレンなどの低容量光伝導体検出器で最も効果的に機能します。

デザインのバリエーション

さまざまなピクセル設計が提案され、製造されてきました。標準的なピクセルでは、アクティブ ピクセルに可能な限り少ない配線と、最も密集したトランジスタを使用します。ピクセル内のアクティブ回路が占めるスペースをできるだけ小さくし、光検出器用のスペースを広くすることが重要です。トランジスタ数が多いと、フィル ファクタ、つまり光に敏感なピクセル領域の割合が低下します。ピクセル サイズは、ノイズ低減やイメージ ラグの低減などの望ましい品質と引き換えに得られます。ノイズは、入射光を測定できる精度の尺度です。ラグは、前のフレームの痕跡が将来のフレームに残っている場合、つまりピクセルが完全にリセットされていない場合に発生します。ソフト リセット (ゲート電圧制御) ピクセルの電圧ノイズ変動は ですが、イメージ ラグと固定パターン ノイズが問題になる場合があります。rms 電子では、ノイズは です。 Vn2＝けT/2C{\displaystyle V_{n}^{2}=kT/2C}北e＝けTC/2q{\displaystyle N_{e}={\frac {\sqrt {kTC/2}}{q}}}

ハード リセットハード リセットによるピクセルでは、またはのフォトダイオードでジョンソン ナイキスト ノイズが発生しますが、画像遅延を防ぐことができるため、場合によっては望ましいトレードオフとなります。ハード リセットを使用する 1 つの方法は、M rst をp 型トランジスタに置き換えて、RST 信号の極性を反転することです。p 型デバイスが存在すると、p デバイスと n デバイスの間に余分なスペースが必要になるため、フィル ファクタが低下します。また、リセット トランジスタをオーバーフロー アンチ ブルーミング ドレインとして使用する可能性もなくなります。これは、n 型リセット FET の一般的に利用されている利点です。n 型 FET を使用してハード リセットを実現するもう 1 つの方法は、RST のオン電圧に対して V RSTの電圧を下げることです。この低下により、ヘッドルーム、つまりフルウェル充電容量が減少する可能性がありますが、V DD が元の電圧で別の配線に配線されない限り、フィル ファクタには影響しません。 Vn2＝けT/C{\displaystyle V_{n}^{2}=kT/C}北e＝けTCq{\displaystyle N_{e}={\frac {\sqrt {kTC}}{q}}}

ハードリセットとソフトリセットの組み合わせ

フラッシュリセット、疑似フラッシュリセット、ハードツーソフトリセットなどの手法は、ソフトリセットとハードリセットを組み合わせたものです。これらの手法の詳細は異なりますが、基本的な考え方は同じです。まず、ハードリセットが実行され、画像ラグがなくなります。次に、ソフトリセットが実行され、ラグを追加することなく低ノイズのリセットが行われます。[ 38 ]疑似フラッシュリセットではV RST をV DDから分離する必要があり、他の2つの手法ではより複雑な列回路が追加されます。具体的には、疑似フラッシュリセットとハードツーソフトリセットはどちらも、ピクセル電源と実際のV DDの間にトランジスタを追加します。その結果、フィルファクターに影響を与えることなく、ヘッドルームが低くなります。

アクティブリセット

より革新的なピクセル設計はアクティブリセットピクセルです。アクティブリセットはノイズレベルを大幅に低減できます。ただし、リセット回路が複雑になり、ピクセルサイズが大きくなるか、列レベルの回路が追加されるというトレードオフがあります。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h i j k Fossum, Eric R. (1993年7月12日). 「アクティブピクセルセンサー：CCDは恐竜か？」 Blouke, Morley M. (編).電荷結合素子と固体光センサーIII . SPIE Proceedings. Vol. 1900. 国際光学・光技術協会. pp.  2– 14. Bibcode : 1993SPIE.1900....2F . CiteSeerX  10.1.1.408.6558 . doi : 10.1117/12.148585 . S2CID  10556755 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l Fossum, Eric R. ; Hondongwa, DB (2014). 「CCDおよびCMOSイメージセンサー用ピンフォトダイオードのレビュー」IEEE Journal of the Electron Devices Society . 2 (3): 33– 43. Bibcode : 2014IJEDS...2...33F . doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  3. ^ 「カメラセンサー：その機能と仕組み | FUJIFILM Exposure Center – USA」 . www.fujifilm-x.com . 2023年7月25日. 2025年8月31日閲覧。
  4. ^ Zimmermann, Horst (2000).統合シリコンオプトエレクトロニクス. Springer. ISBN 978-3-540-66662-2。
  5. ^ US 6133563、Clark, Lawrence T.、Beiley, Mark A.、Hoffman, Eric J.、「ソフト飽和回路を備えたセンサーセル」、2000年10月17日公開、Intel Corp.に譲渡。 
  6. ^ウィリアムズ、JB (2017). 『エレクトロニクス革命：未来の発明』 シュプリンガー. p. 245. ISBN 978-3-319-49088-5。
  7. ^ Sze, Simon Min ; Lee, Ming-Kwei (2012年5月). 「MOSコンデンサとMOSFET」 . 『半導体デバイス：物理と技術』 . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-470-53794-7. 2019年10月6日閲覧。
  8. ^ a b太田 潤 (2017).スマートCMOSイメージセンサーとその応用. CRC Press . p. 2. ISBN 9781420019155。
  9. ^ Paul K. Weimer、WS Pike、G. Sadasiv、FV Shallcross、L. Meray-Horvath (1969年3月). 「多素子自己走査モザイクセンサー」. IEEE Spectrum . 6 (3): 52– 65. Bibcode : 1969ITED...16..240W . doi : 10.1109/MSPEC.1969.5214004 . S2CID 51669416 . 
  10. ^ Lyon, Richard F. (1981年8月). 「光学式マウスとスマートデジタルセンサーのためのアーキテクチャ手法」(PDF) . HT Kung, R. Sproull, G. Steele (編). CMU Conference on VLSI Structures and Computations . ピッツバーグ: Computer Science Press. pp.  1– 19. doi : 10.1007/978-3-642-68402-9_1 . ISBN 978-3-642-68404-3. S2CID  60722329 .
  11. ^米国特許第4,484,210号: イメージラグを低減した固体撮像装置
  12. ^寺西直也;コホノ、A.石原裕也;小田E.新井和夫（1982）。 「インターラインCCDイメージセンサーの残像レスフォトダイオード構造」。1982 年の国際電子デバイス会議。 pp.  324–327。土井: 10.1109/IEDM.1982.190285。OCLC 5872168293。S2CID 44669969。  
  13. ^ a b Kozlowski, LJ; Luo, J.; Kleinhans, WE; Liu, T. (1998年9月14日). Pain, Bedabrata; Lomheim, Terrence S. (編). 「CMOS可視イメージャーにおけるパッシブピクセル方式とアクティブピクセル方式の比較」. Infrared Readout Electronics IV . 3360 : 101–110 . Bibcode : 1998SPIE.3360..101K . doi : 10.1117/12.584474 . S2CID 123351913 . 
  14. ^ a b Peter JW Noble (1968年4月). 「自己走査型シリコン画像検出器アレイ」. IEEE Transactions on Electron Devices . ED-15 (4). IEEE: 202– 209. Bibcode : 1968ITED...15..202N . doi : 10.1109/T-ED.1968.16167 .(ノーブル氏はその後、2015年に国際画像センサー協会から「画像センサーの黎明期への先駆的な貢献」に対して賞を受賞しました。)
  15. ^ Savvas G. Chamberlain (1969年12月). 「シリコン画像検出器アレイの光感度と走査」. IEEE Journal of Solid-State Circuits . SC-4 (6): 333– 342. Bibcode : 1969IJSSC...4..333C . doi : 10.1109/JSSC.1969.1050032 .
  16. ^ R. Dyck; G. Weckler (1968). 「画像センシング用シリコン光検出器集積アレイ」. IEEE Trans. Electron Devices . ED-15 (4): 196– 201. Bibcode : 1968ITED...15..196D . doi : 10.1109/T-ED.1968.16166 .
  17. ^ Fossum, Eric R. (2013年12月18日). 「Camera-On-A-Chip: Saturnから携帯電話への技術移転」.テクノロジー＆イノベーション. 15 (3): 197– 209. doi : 10.3727/194982413X13790020921744 .
  18. ^ Fossum, Eric R. (2007). 「アクティブピクセルセンサー」(PDF) . S2CID 18831792 . 
  19. ^松本一也; 他 (1985). 「非破壊読み出しモードで動作する新型MOSフォトトランジスタ」.応用物理学会誌. 24 (5A): L323. Bibcode : 1985JaJAP..24L.323M . doi : 10.1143/JJAP.24.L323 . S2CID 108450116 . 
  20. ^レンショー、D.デナイアー、PB。ワン、G.ルー、M. (1990)。 「ASICイメージセンサー」。回路とシステムに関するIEEE国際シンポジウム。 pp.  3038–3041。土井: 10.1109/ISCAS.1990.112652。OCLC 5872149939。S2CID 57512087。  
  21. ^マホウォルド, ミシャ・A.; ミード, カーバー (1991年5月). 「シリコン網膜」. Scientific American . 264 (5): 76– 82. Bibcode : 1991SciAm.264e..76M . doi : 10.1038/scientificamerican0591-76 . PMID 2052936 . 
  22. ^ 「History」 .三菱電機. 2025年7月10日閲覧。
  23. ^ Eric R. Fossum (1993)、「アクティブピクセルセンサー：CCDは恐竜か？」Proc. SPIE Vol. 1900、p. 2～14、 Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III、Morley M. Blouke; Ed.
  24. ^ a b c「CMOSセンサーが携帯電話のカメラやHDビデオの撮影を可能にする」 NASAスピンオフNASA 2019年11月6日閲覧。
  25. ^ Veendrick, Harry (2000).ディープサブミクロンCMOS IC：基礎からASICまで(PDF) (第2版). Kluwer Academic Publishers . p. 215. ISBN 978-90-440-0111-2. 2020年12月6日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。2019年11月19日に閲覧。
  26. ^ a b「イメージング＆センシングテクノロジー」ソニーセミコンダクタソリューションズグループ、ソニー。 2020年5月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年11月13日閲覧。
  27. ^ 「CMOSイメージセンサーの売上高は記録的なペースを維持」 IC Insights 2018年5月8日。2018年5月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月6日閲覧。
  28. ^ 「Advanced image sensors and camera systems | Thayer School of Engineering at Dartmouth」 . engineering.dartmouth.edu . 2019年6月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  29. ^ US 7655918、Liu, Xinqiao & Fowler, Boyd、「歯科用途に適したCMOSイメージセンサー」、2010年2月2日公開、Fairchild Imaging Inc.に譲渡。 
  30. ^ 「Sensors Expo 2019: Who's Who In Sensor Tech」Fierce Electronics、2019年6月18日。 2020年6月25日閲覧。
  31. ^ Muenstermann, Daniel (2014). HV-CMOSデバイスの概要(PDF) . 第23回国際頂点検出器ワークショップ – CERN Indico経由.
  32. ^ Stefano, Meroli. 「CMOS vs CCDセンサー。明確な勝者は誰か？」 meroli.web.cern.ch . 2020年3月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年3月28日閲覧。
  33. ^ 「キヤノン：テクノロジー | CMOSセンサー」www.canon.com。
  34. ^ Dempster, Paul (2014年7月1日). 「CCDとCMOSセンサー」 .技術速報. 2020年3月28日閲覧。
  35. ^ 「CCDとCMOSイメージセンシングの違い」 www.testandmeasurementtips.com . 2020年3月28日閲覧。
  36. ^ Che-i Lin; Cheng-Hsiao Lai; Ya-Chin King (2004). 「高ダイナミックレンジ動作を実現する4トランジスタCMOSアクティブピクセルセンサー」. 2004 IEEE Asia-Pacific Conference on Advanced System Integrated Circuits 論文集. pp.  124– 127. doi : 10.1109/APASIC.2004.1349425 . ISBN 978-0-7803-8637-2. S2CID  13906445 .
  37. ^ Taghibakhsh, Farhad; Karim, Karim S. (2007). 「高解像度大面積デジタルX線画像のための2トランジスタアクティブピクセルセンサー」. 2007 IEEE International Electron Devices Meeting . pp.  1011– 1014. doi : 10.1109/IEDM.2007.4419126 . ISBN 978-1-4244-1507-6. S2CID  28540663 .
  38. ^ IEEE電子デバイス取引、第50巻、第1号、2003年1月

さらに読む

  • John L. Vampola (1993年1月). 「赤外線センサー用読み出し回路」. David L. Shumaker (編). 『赤外線および電気光学システムハンドブック 第3巻 電気光学部品』. 国際光工学協会. ISBN 978-0-8194-1072-6. DTIC ADA364023 .— CMOSイメージャアレイ設計に関する最初の書籍の1つ
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