最基本的APS像素是由三個晶體管和一個光電二極管構(gòu)成的，因此被稱為3T-APS。如圖2所示意，(C)為單個像素的電路原理圖。其中Trst是重置開關(guān)晶體管，由Reset信號控制工作在開關(guān)狀態(tài)；Tsf是一個源極跟隨器工作在線性狀態(tài)，其源極S輸出電壓跟隨著光電二極管PD上的電壓變化，其增益略小于1；Tsel是一個選擇開關(guān)，由信號Select控制，把這個像素的輸出電壓選擇到列輸出共享總線Column Output上；還有一個光電二極管PD，用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能。在大多數(shù)情況下，APS像素中所有的晶體管都只采用單一的NMOS管。這是為了避免在本來就有限的像素面積內(nèi)，為PMOS晶體管而不得不使用占據(jù)較大面積的雙阱結(jié)構(gòu)。  

APS的曝光過程如圖(A)所示意。在一次曝光開始的時候，首先要通過Reset信號開啟重置開關(guān)Trst，把光電二極管PD反向偏置到Vrst - Vth電壓上，Vth為晶體管Trst的飽和電壓降。這個反偏的重置電壓使光電二極管PN結(jié)兩側(cè)分別聚集了正電荷 - 空穴和負(fù)電荷 - 電子，也就是說PN結(jié)電容充電，其電荷量為：  

Qrst = CPD * ( Vrst–Vth )  

其中CPD為反偏的光電二極管PN結(jié)電容。當(dāng)Trst完成重置而關(guān)閉后，PD結(jié)點成為懸浮狀態(tài)。然后當(dāng)入射光照射這個PN結(jié)時，光量子激發(fā)PN結(jié)上充電的電子-空穴對復(fù)合，PN結(jié)電容上的電荷量隨曝光時間的延長，從Qrst值開始下降。因為這時PD結(jié)點是懸浮的，所以PN結(jié)電容上的電壓值也隨電荷量的下降而下降：  

dVPD = dQPD / CPD。  

dQPD及其對應(yīng)的dVPD的下降速率(斜率)隨入射光的強(qiáng)度而不同。在相同的曝光時間內(nèi)，PD結(jié)點電壓VPD隨著電荷量QPD而降低，由源極跟隨器Tsf輸出電壓Vout，選擇信號Select控制開關(guān)管Tsel，使Vout電壓選擇輸出到列共享總線Column Output上去，實現(xiàn)了對應(yīng)于光照強(qiáng)度的模擬電壓信號輸出的導(dǎo)出。 

3T-APS 像素的原理和結(jié)構(gòu)示意圖

對應(yīng)于圖(C)像素電路原理的版圖示意于圖(B)，圖中不包括所有的工藝層和一些輔助的版圖結(jié)構(gòu)，尺寸也并未按比例畫出。這類結(jié)構(gòu)通常稱為L型像素，因為其垂直和水平共享導(dǎo)線被安排在像素上互相垂直的兩個相鄰邊緣內(nèi)側(cè)。在像素版圖的水平方向，有重置和選擇兩個控制信號；在版圖的垂直方向，有像素的列輸出共享總線和電源線。在這個版圖中所示意的情況中，為了簡化結(jié)構(gòu)重置電壓Vrst簡單地用Vdd電壓來替代，并與列共享輸出總線一起布線在金屬1層；而水平方向的重置和選擇信號，被布線在金屬2層。版圖中光電二極管的面積決定了像素的光電轉(zhuǎn)換效率，光電二極管PD的面積APD與整個像素面積Apixel的比例被稱為像素的填充系數(shù)(FF)，這是衡量像素性能的重要參數(shù)之一。  

FF = APD/ Apixel  

在入射光照射下，載流子的復(fù)合不僅發(fā)生PN結(jié)的面積上，即APD的N有源區(qū)與P-Sub襯底接觸的底面積上，同時也發(fā)生在二極管的邊緣上。因此PD的N有源區(qū)周邊長度也非常重要，改進(jìn)PD的形狀以增加其邊緣長度，也可以提高傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率。  

在圖(B)示意的像素版圖上，PD的N有源區(qū)延長部分形成了三個NMOS晶體管，從左到右依此為Trst、Tsf和Tsel。金屬1通過穿孔連接到有源區(qū)的Vdd，由Trst和Tsf兩個晶體管共享有源面積連接它們的漏極D。源極跟隨器Tsf的源極與選擇開關(guān)Tsel的漏共享有源區(qū)，而Tsel的源極經(jīng)過垂直的金屬1列總線輸出到Output。  

為了改進(jìn)CMOS成像器的圖像質(zhì)量，往往增加APS像素的有源器件數(shù)。4T-APS可以大幅度提高光電信號的信噪比；5T和6T等多晶體管像素結(jié)構(gòu)可以用于實現(xiàn)全局快門功能和防止圖像開花。但是在特定的像素尺寸下，這些增加的晶體管面積，會擠占光電二極管的面積，從而降低像素的FF。尤其在微小尺寸如2.2×2.2微米以下像素設(shè)計中，過低FF將降低傳感器的靈敏度和動態(tài)范圍。所以往往要權(quán)衡增加的晶體管為圖像質(zhì)量和功能上帶來的改進(jìn)，與各方面性能要求的滿足，甚至3T-APS的結(jié)構(gòu)在某些場合也還是可考慮的。下一期話題我們將討論APS像素陣列結(jié)構(gòu)。