Sensor de píxeles activos

Un sensor de píxeles activos ( APS ) es un sensor de imagen , que fue inventado por Peter JW Noble en 1968, donde cada celda unitaria del sensor de píxeles tiene un fotodetector (normalmente un fotodiodo pin ) y uno o más transistores activos . ^{[1] [2]} En un sensor de píxeles activos de metal-óxido-semiconductor (MOS), los transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) se utilizan como amplificadores . Hay diferentes tipos de APS, incluyendo el APS NMOS temprano y el APS MOS complementario (CMOS) ahora mucho más común , también conocido como sensor CMOS . Los sensores CMOS se utilizan en tecnologías de cámaras digitales como cámaras de teléfonos móviles , cámaras web , la mayoría de las cámaras digitales de bolsillo modernas, la mayoría de las cámaras réflex digitales de lente única (DSLR), cámaras de lentes intercambiables sin espejo (MILC), ^{[ cita requerida ]} e imágenes sin lentes para células. ^[3]

Los sensores CMOS surgieron como una alternativa a los sensores de imagen con dispositivo de carga acoplada (CCD) y finalmente los superaron en ventas a mediados de la década de 2000. ^[4]

El término sensor de píxeles activos también se utiliza para referirse al sensor de píxeles individual en sí, en contraposición al sensor de imagen. ^[5] En este caso, el sensor de imagen a veces se denomina sensor de píxeles activos [ ^6] o sensor de imágenes de píxeles activos ^[7] .

Mientras investigaban la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS), Willard Boyle y George E. Smith se dieron cuenta de que una carga eléctrica podía almacenarse en un pequeño condensador MOS , que se convirtió en el bloque de construcción básico del dispositivo de carga acoplada (CCD), que inventaron en 1969. ^{[8] [9]} Un problema con la tecnología CCD era su necesidad de una transferencia de carga casi perfecta en la lectura, lo que "hace que su radiación [¿tolerancia?] sea 'suave', difícil de usar en condiciones de poca luz, difícil de fabricar en tamaños de matriz grandes, difícil de integrar con la electrónica en chip , difícil de usar a bajas temperaturas, difícil de usar a altas velocidades de cuadro y difícil de fabricar en materiales que no sean de silicio que extiendan la respuesta de longitud de onda". ^[1]

En RCA Laboratories , un equipo de investigación que incluía a Paul K. Weimer , WS Pike y G. Sadasiv propuso en 1969 un sensor de imagen de estado sólido con circuitos de escaneo que utilizaban transistores de película delgada (TFT), con película fotoconductora utilizada para el fotodetector . ^{[10] [11]} Richard F. Lyon demostró en 1981 un generador de imágenes MOSFET de canal N (NMOS) "principalmente digital" de baja resolución con amplificación intrapíxel, para una aplicación de ratón óptico . ^[12] Otro tipo de tecnología de sensor de imagen que está relacionada con el APS es la matriz de plano focal infrarrojo híbrido (IRFPA), ^[1] diseñada para operar a temperaturas criogénicas en el espectro infrarrojo . Los dispositivos son dos chips que se juntan como un sándwich: un chip contiene elementos detectores hechos de InGaAs o HgCdTe , y el otro chip generalmente está hecho de silicio y se usa para leer los fotodetectores. La fecha exacta del origen de estos dispositivos es secreta, pero ya se utilizaban a mediados de la década de 1980. ^{[ cita requerida ]}

Un elemento clave del sensor CMOS moderno es el fotodiodo pinned (PPD). ^[2] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980, ^{[2] [13]} y luego reportado públicamente por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti- floración . ^{[2] [14]} El fotodiodo pinned es una estructura de fotodetector con bajo retardo , bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . ^[2] La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo pinned" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego en las cámaras digitales fijas . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS. ^[2]

El precursor del APS fue el sensor de píxeles pasivos (PPS), un tipo de matriz de fotodiodos (PDA). ^[2] Un sensor de píxeles pasivos consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . ^[15] En una matriz de fotodiodos, los píxeles contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . G. Weckler propuso una matriz de fotodiodos en 1968, anterior al CCD. ^[1] Esta fue la base del PPS, ^[2] que tenía elementos de sensor de imagen con transistores de selección en el píxel, propuestos por Peter JW Noble en 1968, ^{[16] [2] [10]} y por Savvas G. Chamberlain en 1969. ^[17]

Los sensores de píxeles pasivos se estaban investigando como una alternativa de estado sólido a los dispositivos de imágenes de tubo de vacío . ^{[ cita requerida ]} El sensor de píxeles pasivos MOS usaba solo un interruptor simple en el píxel para leer la carga integrada del fotodiodo. ^{[ 18 ]} Los píxeles se disponían en una estructura bidimensional, con un cable de habilitación de acceso compartido por los píxeles en la misma fila y un cable de salida compartido por la columna. Al final de cada columna había un transistor. Los sensores de píxeles pasivos sufrían muchas limitaciones, como alto ruido , lectura lenta y falta de escalabilidad . ^{[ cita requerida ]} Las primeras matrices de fotodiodos (década de 1960 y 1970) con transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en chip , eran imprácticamente grandes. El ruido de las matrices de fotodiodos también era una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura del fotodiodo daba como resultado un mayor nivel de ruido de lectura. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco se podía utilizar con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . En la década de 1970, no era posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico debido a la tecnología de microlitografía limitada en ese momento. ^[1] Debido a que el proceso MOS era tan variable y los transistores MOS tenían características que cambiaban con el tiempo ( inestabilidad Vth ), la operación del dominio de carga del CCD era más fabricable y tenía un mayor rendimiento que los sensores de píxeles pasivos MOS. ^{[ cita requerida ]}

El sensor de píxeles activos consta de píxeles activos, cada uno de los cuales contiene uno o más amplificadores MOSFET que convierten la carga fotogenerada en un voltaje, amplifican el voltaje de la señal y reducen el ruido. ^[15] El concepto de un dispositivo de píxeles activos fue propuesto por Peter Noble en 1968. Creó matrices de sensores con amplificadores de lectura MOS activos por píxel, esencialmente en la configuración moderna de tres transistores: la estructura de fotodiodo enterrado, el transistor de selección y el amplificador MOS. ^{[19] [16]}

El concepto de píxel activo MOS fue implementado como el dispositivo de modulación de carga (CMD) por Olympus en Japón a mediados de la década de 1980. Esto fue posible gracias a los avances en la fabricación de dispositivos semiconductores MOSFET , con la escala de MOSFET alcanzando niveles de micrones más pequeños y luego submicrones durante la década de 1980 hasta principios de la década de 1990. ^{[1] [20]} El primer APS MOS fue fabricado por el equipo de Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. El término sensor de píxeles activos (APS) fue acuñado por Nakamura mientras trabajaba en el sensor de píxeles activos CMD en Olympus. ^[21] El generador de imágenes CMD tenía una estructura APS vertical, que aumenta el factor de relleno (o reduce el tamaño del píxel) al almacenar la carga de la señal debajo de un transistor NMOS de salida . Otras empresas japonesas de semiconductores pronto siguieron con sus propios sensores de píxeles activos durante fines de la década de 1980 hasta principios de la década de 1990. Entre 1988 y 1991, Toshiba desarrolló el sensor de "transistor de superficie flotante de doble compuerta ", que tenía una estructura APS lateral, en la que cada píxel contenía una fotopuerta MOS de canal enterrado y un amplificador de salida PMOS . Entre 1989 y 1992, Canon desarrolló el sensor de imagen almacenada en la base (BASIS), que utilizaba una estructura APS vertical similar al sensor de Olympus, pero con transistores bipolares en lugar de MOSFET. ^[1]

A principios de los años 90, las empresas estadounidenses comenzaron a desarrollar sensores de píxeles activos MOS prácticos. En 1991, Texas Instruments desarrolló el sensor CMD masivo (BCMD), que se fabricó en la sucursal japonesa de la empresa y tenía una estructura APS vertical similar al sensor CMD de Olympus, pero era más complejo y utilizaba transistores PMOS en lugar de NMOS. ^[2]

A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, el proceso CMOS estaba bien establecido como un proceso de fabricación de semiconductores estable y bien controlado y era el proceso de base para casi todos los microprocesadores y la lógica . Hubo un resurgimiento en el uso de sensores de píxeles pasivos para aplicaciones de imágenes de gama baja, ^[22] mientras que los sensores de píxeles activos comenzaron a usarse para aplicaciones de alta función de baja resolución, como la simulación de retina ^[23] y los detectores de partículas de alta energía. Sin embargo, los CCD continuaron teniendo un ruido temporal y un ruido de patrón fijo mucho más bajos y fueron la tecnología dominante para aplicaciones de consumo como videocámaras , así como para cámaras de transmisión , donde estaban desplazando a los tubos de las cámaras de video .

En 1993, el primer sensor APS práctico que se fabricó con éxito fuera de Japón se desarrolló en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA , que fabricó un sensor APS compatible con CMOS. Tenía una estructura APS lateral similar al sensor Toshiba, pero se fabricó con transistores CMOS en lugar de PMOS. ^[1] Fue el primer sensor CMOS con transferencia de carga intrapíxel . ^[2]

En 1999, Hyundai Electronics anunció la producción comercial de un sensor de imagen CMOS en color de 800x600 basado en píxeles 4T con un fotodiodo fijado de alto rendimiento con ADC integrados y fabricado en un proceso DRAM de 0,5 um de referencia.

Los sensores CMOS de Photobit encontraron su camino hacia las cámaras web fabricadas por Logitech e Intel , antes de que Photobit fuera comprada por Micron Technology en 2001. El mercado inicial de sensores CMOS fue liderado inicialmente por fabricantes estadounidenses como Micron y Omnivision, lo que permitió a Estados Unidos recuperar brevemente una parte del mercado general de sensores de imagen de Japón, antes de que el mercado de sensores CMOS finalmente llegara a ser dominado por Japón, Corea del Sur y China. ^[24] El sensor CMOS con tecnología PPD fue avanzado y refinado aún más por RM Guidash en 1997, K. Yonemoto y H. Sumi en 2000, e I. Inoue en 2003. Esto llevó a que los sensores CMOS lograran un rendimiento de imagen a la par con los sensores CCD, y luego superaran los sensores CCD. ^[2]

En el año 2000, los sensores CMOS se utilizaban en una variedad de aplicaciones, incluidas cámaras de bajo costo, cámaras de PC , fax , multimedia , seguridad , vigilancia y videoteléfonos . ^[25]

La industria del video cambió a cámaras CMOS con la llegada del video de alta definición (video HD), ya que la gran cantidad de píxeles requeriría un consumo de energía significativamente mayor con sensores CCD, que se sobrecalentarían y agotarían las baterías. ^[24] Sony en 2007 comercializó sensores CMOS con un circuito de conversión A/D de columna original, para un rendimiento rápido y de bajo ruido, seguido en 2009 por el sensor CMOS retroiluminado (sensor BI), con el doble de sensibilidad que los sensores de imagen convencionales. ^[26]

Los sensores CMOS tuvieron un impacto cultural significativo, lo que llevó a la proliferación masiva de cámaras digitales y teléfonos con cámara , lo que impulsó el auge de las redes sociales y la cultura del selfie , e impactó en los movimientos sociales y políticos de todo el mundo. ^[24] Para 2007, las ventas de sensores CMOS de píxeles activos habían superado los sensores CCD, y los sensores CMOS representaban el 54% del mercado mundial de sensores de imagen en ese momento. Para 2012, los sensores CMOS aumentaron su participación al 74% del mercado. A partir de 2017, los sensores CMOS representan el 89% de las ventas globales de sensores de imagen. ^[27] En los últimos años, ^{[ ¿cuándo? ]} la tecnología del sensor CMOS se ha extendido a la fotografía de formato medio y Phase One fue la primera en lanzar un respaldo digital de formato medio con un sensor CMOS construido por Sony.

En 2012, Sony presentó el sensor BI CMOS apilado . ^[26] Se han llevado a cabo varias actividades de investigación en el campo de los sensores de imagen. Una de ellas es el sensor de imagen cuántica (QIS), que podría suponer un cambio de paradigma en la forma en que recopilamos imágenes con una cámara. En el QIS, el objetivo es contar cada fotón que llega al sensor de imagen y proporcionar una resolución de menos de 1 millón a 1000 millones o más de fotoelementos especializados (llamados jots) por sensor, y leer planos de bits de jots cientos o miles de veces por segundo, lo que da como resultado terabits/s de datos. La idea del QIS está en sus inicios y puede que nunca se haga realidad debido a la complejidad innecesaria que se necesita para capturar una imagen ^[28].

Boyd Fowler de OmniVision es conocido por su trabajo en el desarrollo de sensores de imagen CMOS. Sus contribuciones incluyen el primer sensor de imagen CMOS de píxeles digitales en 1994; el primer sensor de imagen CMOS lineal científico con ruido de lectura RMS de un solo electrón en 2003; el primer sensor de imagen CMOS de área científica de varios megapíxeles con alto rango dinámico simultáneo (86 dB), lectura rápida (100 cuadros/segundo) y ruido de lectura ultrabajo (1,2 e-RMS) (sCMOS) en 2010. También patentó el primer sensor de imagen CMOS para radiografías dentales intraorales con esquinas recortadas para una mayor comodidad del paciente. ^{[29] [30]}

A finales de la década de 2010, los sensores CMOS habían reemplazado en gran medida, si no completamente, a los sensores CCD, ya que los sensores CMOS no solo se pueden fabricar en líneas de producción de semiconductores existentes, lo que reduce los costos, sino que también consumen menos energía, solo por nombrar algunas ventajas. (ver a continuación)

Los dispositivos HV-CMOS son un caso especial de sensores CMOS ordinarios utilizados en aplicaciones de alto voltaje (para la detección de partículas de alta energía ) como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , donde es necesario un alto voltaje de ruptura de hasta ~30-120 V. ^[31] Sin embargo, estos dispositivos no se utilizan para conmutación de alto voltaje. ^{[31] Los HV-CMOS se implementan típicamente mediante una zona de agotamiento dopada n de ~10 μm de profundidad (n-well) de un transistor en un sustrato} de oblea tipo p . ^[31]

Los píxeles APS resuelven los problemas de velocidad y escalabilidad del sensor de píxeles pasivos. Generalmente consumen menos energía que los CCD, tienen menos retraso de imagen y requieren instalaciones de fabricación menos especializadas. A diferencia de los CCD, los sensores APS pueden combinar la función de sensor de imagen y las funciones de procesamiento de imagen dentro del mismo circuito integrado . Los sensores APS han encontrado mercados en muchas aplicaciones de consumo, especialmente teléfonos con cámara . También se han utilizado en otros campos, incluida la radiografía digital , la adquisición de imágenes de ultra alta velocidad militar, las cámaras de seguridad y los ratones ópticos . Los fabricantes incluyen Aptina Imaging (una empresa independiente de Micron Technology , que compró Photobit en 2001), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony y Foveon , entre otros. Los sensores APS de tipo CMOS suelen ser adecuados para aplicaciones en las que el empaquetado, la gestión de la energía y el procesamiento en chip son importantes. Los sensores de tipo CMOS se utilizan ampliamente, desde la fotografía digital de alta gama hasta las cámaras de los teléfonos móviles. ^{[ cita requerida ]}

Una ventaja principal de un sensor CMOS es que normalmente es menos costoso de producir que un sensor CCD, ya que los elementos de captura y detección de imágenes se pueden combinar en el mismo circuito integrado, lo que requiere una construcción más sencilla. ^[32]

Un sensor CMOS también suele tener un mejor control del blooming (es decir, del sangrado de la carga fotográfica desde un píxel sobreexpuesto a otros píxeles cercanos).

En los sistemas de cámaras de tres sensores que utilizan sensores separados para resolver los componentes rojo, verde y azul de la imagen junto con prismas divisores de haz, los tres sensores CMOS pueden ser idénticos, mientras que la mayoría de los prismas divisores requieren que uno de los sensores CCD sea una imagen reflejada de los otros dos para leer la imagen en un orden compatible. A diferencia de los sensores CCD, los sensores CMOS tienen la capacidad de invertir el direccionamiento de los elementos del sensor. Existen sensores CMOS con una velocidad de película de 4 millones de ISO. ^[33]

Dado que un sensor CMOS normalmente captura una fila a la vez en aproximadamente 1/60 o 1/50 de segundo (según la frecuencia de actualización), puede resultar en un efecto de " obturador rotatorio ", donde la imagen está sesgada (inclinada hacia la izquierda o hacia la derecha, según la dirección de la cámara o el movimiento del sujeto). Por ejemplo, al seguir un automóvil que se mueve a alta velocidad, el automóvil no se distorsionará, pero el fondo parecerá inclinado. Un sensor CCD de transferencia de fotogramas o un sensor CMOS de "obturador global" no tienen este problema; en cambio, capturan la imagen completa de una sola vez en un almacenamiento de fotogramas.

Una ventaja de larga data de los sensores CCD ha sido su capacidad para capturar imágenes con menos ruido . ^[34] Con las mejoras en la tecnología CMOS, esta ventaja se cerró a partir de 2020, con sensores CMOS modernos disponibles capaces de superar a los sensores CCD. ^[35]

Los circuitos activos de los píxeles CMOS ocupan una parte de la superficie que no es sensible a la luz, lo que reduce la eficiencia de detección de fotones del dispositivo ( las microlentes y los sensores retroiluminados pueden mitigar este problema). Pero el CCD de transferencia de fotogramas también tiene aproximadamente la mitad del área no sensible para los nodos de almacenamiento de fotogramas, por lo que las ventajas relativas dependen de qué tipos de sensores se comparen. ^{[ cita requerida ]}

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El píxel APS CMOS estándar consta de un fotodetector ( fotodiodo pinned ), ^[2] una difusión flotante y la denominada celda 4T que consta de cuatro transistores CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor ) , que incluyen una compuerta de transferencia , una compuerta de reinicio, una compuerta de selección y un transistor de lectura seguidor de fuente. ^[36] El fotodiodo pinned se utilizó originalmente en CCD de transferencia entre líneas debido a su baja corriente oscura y buena respuesta azul, y cuando se acopla con la compuerta de transferencia, permite una transferencia de carga completa desde el fotodiodo pinned a la difusión flotante (que está además conectado a la compuerta del transistor de lectura) eliminando el retraso. El uso de transferencia de carga intrapíxel puede ofrecer un ruido más bajo al permitir el uso de muestreo doble correlacionado (CDS). El píxel Noble 3T todavía se utiliza a veces ya que los requisitos de fabricación son menos complejos. El píxel 3T comprende los mismos elementos que el píxel 4T excepto la compuerta de transferencia y el fotodiodo. El transistor de reinicio, M _rst , actúa como un interruptor para reiniciar la difusión flotante a V _RST , que en este caso se representa como la compuerta del transistor M _sf . Cuando se enciende el transistor de reinicio, el fotodiodo se conecta efectivamente a la fuente de alimentación, V _RST , borrando toda la carga integrada. Dado que el transistor de reinicio es de tipo n , el píxel funciona en reinicio suave. El transistor de lectura, M _sf , actúa como un búfer (específicamente, un seguidor de fuente ), un amplificador que permite observar el voltaje del píxel sin eliminar la carga acumulada. Su fuente de alimentación, V _DD , generalmente está vinculada a la fuente de alimentación del transistor de reinicio V _RST . El transistor de selección, M _sel , permite que la electrónica de lectura lea una sola fila de la matriz de píxeles. También existen otras innovaciones de los píxeles, como los píxeles 5T y 6T. Al agregar transistores adicionales, son posibles funciones como el obturador global, a diferencia del obturador rodante más común. Para aumentar la densidad de píxeles, se pueden emplear lecturas compartidas de filas, de cuatro y ocho direcciones, y otras arquitecturas. Una variante del píxel activo 3T es el sensor Foveon X3 inventado por Dick Merrill . En este dispositivo, se apilan tres fotodiodos uno sobre el otro utilizando técnicas de fabricación plana., cada fotodiodo tiene su propio circuito 3T. Cada capa sucesiva actúa como un filtro para la capa inferior, desplazando el espectro de luz absorbida en capas sucesivas. Al deconvolucionar la respuesta de cada detector en capas, se pueden reconstruir las señales roja, verde y azul. ^{[ cita requerida ]}

Una matriz de píxeles bidimensional típica se organiza en filas y columnas. Los píxeles de una fila determinada comparten líneas de reinicio, de modo que se reinicia una fila completa a la vez. Las líneas de selección de fila de cada píxel de una fila también están vinculadas entre sí. Las salidas de cada píxel de una columna determinada están vinculadas entre sí. Dado que solo se selecciona una fila a la vez, no se produce competencia por la línea de salida. Los demás circuitos de amplificación suelen estar basados ​​en columnas. ^{[ cita requerida ]}

El tamaño del sensor de píxeles se expresa a menudo en altura y anchura, pero también en formato óptico . ^{[ cita requerida ]}

Existen dos tipos de estructuras de sensores de píxeles activos (APS): el APS lateral y el APS vertical. ^[1] Eric Fossum define el APS lateral de la siguiente manera:

Una estructura APS lateral se define como aquella en la que una parte del área de píxeles se utiliza para la fotodetección y el almacenamiento de señales, y la otra parte se utiliza para el o los transistores activos. La ventaja de este enfoque, en comparación con un APS integrado verticalmente, es que el proceso de fabricación es más simple y es altamente compatible con los procesos de dispositivos CMOS y CCD de última generación. ^[1]

Fossum define el APS vertical de la siguiente manera:

Una estructura APS vertical aumenta el factor de relleno (o reduce el tamaño del píxel) al almacenar la carga de la señal debajo del transistor de salida. ^[1]

Para aplicaciones como la obtención de imágenes digitales de rayos X de gran superficie , también se pueden utilizar transistores de película fina (TFT) en la arquitectura APS. Sin embargo, debido al mayor tamaño y la menor ganancia de transconductancia de los TFT en comparación con los transistores CMOS, es necesario tener menos TFT por píxel para mantener la resolución y la calidad de la imagen a un nivel aceptable. Se ha demostrado que una arquitectura APS/PPS de dos transistores es prometedora para APS utilizando TFT de silicio amorfo . En la arquitectura APS de dos transistores de la derecha, se utiliza T _AMP como un amplificador conmutado que integra funciones tanto de M _sf como de M _sel en el APS de tres transistores. Esto da como resultado una reducción de la cantidad de transistores por píxel, así como una mayor ganancia de transconductancia de píxel. ^[37] Aquí, C _pix es la capacitancia de almacenamiento de píxeles, y también se utiliza para acoplar capacitivamente el pulso de direccionamiento de la "Lectura" a la compuerta de T _AMP para la conmutación ON-OFF. Estos circuitos de lectura de píxeles funcionan mejor con detectores fotoconductores de baja capacitancia, como el selenio amorfo .

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Se han propuesto y fabricado muchos diseños de píxeles diferentes. El píxel estándar utiliza la menor cantidad de cables y la menor cantidad de transistores, y lo más compacta posible, para un píxel activo. Es importante que los circuitos activos de un píxel ocupen el menor espacio posible para dejar más espacio para el fotodetector. Un elevado número de transistores perjudica el factor de relleno, es decir, el porcentaje del área del píxel que es sensible a la luz. El tamaño del píxel se puede negociar a cambio de cualidades deseables, como la reducción del ruido o la reducción del retraso de la imagen. El ruido es una medida de la precisión con la que se puede medir la luz incidente. El retraso se produce cuando quedan rastros de un fotograma anterior en fotogramas futuros, es decir, el píxel no se reinicia por completo. La variación del ruido de voltaje en un píxel de reinicio suave (regulado por voltaje de compuerta) es , pero el retraso de la imagen y el ruido de patrón fijo pueden ser problemáticos. En electrones rms, el ruido es .${\displaystyle V_{n}^{2}=kT/2C}$${\displaystyle N_{e}={\frac {\sqrt {kTC/2}}{q}}}$

Reinicio completo El píxel mediante reinicio completo genera un ruido Johnson-Nyquist en el fotodiodo de o , pero evita el retraso de la imagen, que a veces es una compensación deseable. Una forma de utilizar el reinicio completo es reemplazar M _rst con un transistor de tipo p e invertir la polaridad de la señal RST. La presencia del dispositivo de tipo p reduce el factor de llenado, ya que se requiere espacio adicional entre los dispositivos p y n; también elimina la posibilidad de utilizar el transistor de reinicio como un drenaje anti-floración por desbordamiento, que es un beneficio comúnmente explotado del FET de reinicio de tipo n. Otra forma de lograr un reinicio completo, con el FET de tipo n, es reducir el voltaje de V _RST en relación con el voltaje de encendido de RST. Esta reducción puede reducir el espacio libre o la capacidad de carga de pozo completo, pero no afecta el factor de llenado, a menos que V _DD se enrute en un cable separado con su voltaje original. ^{[ cita requerida ]}${\displaystyle V_{n}^{2}=kT/C}$${\displaystyle N_{e}={\frac {\sqrt {kTC}}{q}}}$

Técnicas como el reinicio por vaciado, el reinicio pseudo-flash y el reinicio duro a suave combinan el reinicio suave y duro. Los detalles de estos métodos difieren, pero la idea básica es la misma. Primero, se realiza un reinicio duro, eliminando el retraso de la imagen. A continuación, se realiza un reinicio suave, lo que provoca un reinicio de bajo ruido sin agregar ningún retraso. ^[38] El reinicio pseudo-flash requiere separar V _RST de V _{DD , mientras que las otras dos técnicas agregan circuitos de columna más complicados. Específicamente, el reinicio pseudo-flash y el reinicio duro a suave agregan transistores entre las fuentes de alimentación de píxeles y el V DD} real . El resultado es un espacio libre menor, sin afectar el factor de relleno. ^{[ cita requerida ]}

Un diseño de píxeles más radical es el píxel de reinicio activo. El reinicio activo puede dar como resultado niveles de ruido mucho más bajos. La contrapartida es un esquema de reinicio complicado, así como un píxel mucho más grande o circuitos adicionales a nivel de columna. ^{[ cita requerida ]}

• Píxel sensible al ángulo
• Sensor retroiluminado
• Dispositivo acoplado por carga
• Matriz de captura de Fourier planar
• Sensor de imagen binaria sobremuestreado
• Categoría:Cámaras digitales con sensor de imagen CMOS

• John L. Vampola (enero de 1993). "Electrónica de lectura para sensores infrarrojos". En David L. Shumaker (ed.). Manual de sistemas electroópticos e infrarrojos, volumen 3: componentes electroópticos . Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica. ISBN 978-0-8194-1072-6.DTIC ADA364023 .— uno de los primeros libros sobre diseño de matrices de sensores de imágenes CMOS
• Mary J. Hewitt; John L. Vampola; Stephen H. Black; Carolyn J. Nielsen (junio de 1994). "Electrónica de lectura infrarroja: una perspectiva histórica". En Eric R. Fossum (ed.). Electrónica de lectura infrarroja II . Vol. 2226. Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica. págs. 108–119. Código Bibliográfico :1994SPIE.2226..108H. doi :10.1117/12.178474. S2CID  109585056. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
• Mark D. Nelson; Jerris F. Johnson; Terrence S. Lomheim (noviembre de 1991). "Procesos generales de ruido en matrices híbridas de plano focal infrarrojo". Ingeniería óptica . 30 (11). Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica: 1682–1700. Bibcode :1991OptEn..30.1682N. doi :10.1117/12.55996.
• Stefano Meroli; Leonello Servoli; Daniele Passeri (junio de 2011). "Uso de un generador de imágenes CMOS estándar como detector de posición para partículas cargadas". Física nuclear B: Suplementos de actas . 215 (1). Elsevier: 228–231. Bibcode :2011NuPhS.215..228S. doi :10.1016/j.nuclphysbps.2011.04.016.
• Martin Vasey (septiembre de 2009). "Pruebas de sensores de imagen CMOS: un enfoque integrado". Jova Solutions . San Francisco, CA.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Sensores CMOS .

• La cámara CMOS como sensor Tutorial que muestra cómo una cámara CMOS de bajo costo puede reemplazar sensores en aplicaciones robóticas
• Comparación de rendimiento entre sensores de píxeles activos CMOS APS y CCD
• Página web del inventor del sensor de imagen Peter JW Noble con artículos y un vídeo de la presentación de 2015
• Imagen que muestra la topología de los sensores FSI y BSI