CMOS芯片

Leadleo.com 客服电话：400-072-5588 CMOS芯片头豹词条报告系列 黄 黄元·共创作者 2023-06-30未经平台授权，禁止转载 版权有问题？点此投诉 制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业/其他电子设备制造 工业制品/工业制造 行业： CMOS芯片 CMOS图像传感器 关键词： 行业定义 CMOS全称是ComplementaryMetal－… AI访谈 行业分类 CMOS芯片主要生产为CMOS传感器，根据CMOS… AI访谈 行业特征 目前，CMOS传感器（CIS）的技术迭代趋势涵盖高像素… AI访谈 发展历程 CMOS芯片行业 目前已达到4个阶段 AI访谈 产业链分析 上游分析中游分析下游分析 AI访谈 行业规模 CMOS芯片行业规模暂无评级报告 AI访谈数据图表 政策梳理 CMOS芯片行业相关政策6篇 AI访谈 竞争格局 CMOS传感器行业行业壁垒较高，龙头企业占据巨大市场… AI访谈数据图表 摘要CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）技术是目前集成电路制造中广泛采用的技术之一。CMOS的制造技术和一般计算机芯片差别较小，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，其产品已被广泛应用在智能手机、安防监控、机器视觉、汽车电子等众多科技应用领域，并促进行业向更加智能化和信息化方向发展。 CMOS芯片行业定义[1] CMOS全称是ComplementaryMetal－Oxide－Semiconductor。中文学名为互补金属氧化物半导体，这是一种为集成电路供电的技术。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存系统引导所需的大量资料。在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS型图像传感器及互补金属氧化物场效应管，其工作原理是，外界光照射到像素阵列后，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷，最后转换成数字图像输出。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常 见的数码产品，其感光元件主要就是CMOS。CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像信号转变为数字信号输出。[2] [1]1：https://gongkong.… 2：维科电子工程网，中国… [2]1：https://ee.ofweek.… 2：维科电子工程网 CMOS芯片行业分类[3] CMOS芯片主要生产为CMOS传感器，根据CMOS传感器技术工艺分类为前照式、背照式和堆栈式，其主要差别在感光元件的位置不同。在传统的FSI前照式的感光元件中，感光二极管位于电路晶体管的后方，进光量往往会因为遮挡受到影响。所谓背照式CMOS就是将它转掉方向，让光线首先进入到感光二极管，从而增大感光量，显著提高低照度下的拍摄图片效果。背照式CMOS数字传感器得益于电子器件的制作工艺升级。首先在传感器的微透镜的性能上提升，以至于光线通过微透镜之后，入射到感光面上的角度更加接近垂直，而且微透镜产生的色散眩光等不良效果会减弱很多，光线到达背照式感光器的效果比到达传统的前照式感光器的效果更好。第二就是大像素下依旧具有高速的处理能力，对于CCD来说,CCD在像素的时候速度较难提高，这一点上CMOS传感 器在提高大像素帧率的情况下，不增加噪点。 根据CMOS图像传感器的安装位置分类 前照式结构 （FSI） 传统的CMOS是“前照式”结构，一般的CMOS像素都由以下几部分构成：片上透镜（microlenses）、彩色滤光片（On-chipcolorfilters）、金属排线（电路层）、光电二极管（Photodiodes）以及基板。当光线射入像素，经过片上透镜和彩色滤光片后，先通过金属排线层，最后光线才被光电二极管接收。金属是不透光且反光的，在金属排线的这层光线就会被部分阻挡和反射掉，由于工艺限制，光在穿过金属电路层后，到达光电二极管时只有70%或更少；这种反射还有可能串扰旁边的像素，导致颜色失真。 CMOS芯片分类 背照式结构 （BSI） 背照式CMOS传感器将电路层放到光电二极管后面，光线就能直接照到光电二极管上，光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管，光线利用率极高，能更好的利用照射入的光线，在低照度环境下成像质量更好。采用背面照度技术（BSI），灵敏度显著增强、图像性能更好。数码产品体积愈来愈小，图像传感器要想不断提供更高的分辨率，就要缩小像素的体积，但这将会导致性能的降低。BSI可以成功解决这个难题，并将CMOS成像的灵敏性提高到一个新的水平。BSI传感器将透镜安装在传感器的后面和硅基上，而不是在传感器的前面。（如果安装在前面，接线会限制光的吸收。）这种配置能增强光的敏感性和吸收性能，而且能将更好的图像像素配置在体积更小的CMOS图像传感器上，也使得其更适合活动图像的应用。 堆栈式结构 （Stacked） 堆栈式结构将光电二极管和像素晶体管封装在分离的基片上，一个堆叠在另一个上面。相比之下，在传统的堆叠式CMOS图像传感器中，光电二极管和像素晶体管并排位于同一基片上。堆栈式CMOS传感器采用独立优化光电二极管和像素晶体管层的架构，使饱和信号量相比于传统图像传感器增加约一倍，扩大动态范围。传输门(TRG)以外的像素晶体管，包括复位晶体管(RST)、选择晶体管(SEL)和放大晶体管(AMP)，都处于无光电二极管分布这一层，放大晶体管（AMP）的尺寸可以增加。通过增加放大晶体管尺寸，能大幅降低夜间和其他昏暗场景下图像容易产生的噪点问题。 [3]1：中国知网 [4]1：https://www.toshi… 2：https://juejin.cn/p… 3：https://www.sony.… 4：中国知网，稀土掘金技… CMOS芯片行业特征[5] 目前，CMOS传感器（CIS）的技术迭代趋势涵盖高像素、高帧率以及高成像三个层面。CMOS传感器技术指标包含光学尺寸、像素尺寸、帧率等多个指标，从不同层面促进CMOS传感器的发展。像素尺寸、光学尺寸和总像素数对CMOS传感器的成像质量起着决定性作用。帧率影响CMOS图像传感器的流畅程度；成像效果包括信噪比、动态环境感知等，反映图像信号的处理能力。CMOS传感器的特点在于功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强、接口方便、可控性好等方面。为实现高成像效果，多家CMOS传感器厂商朝向全局快门、高动态感知等 方面进行技术研发。 [6 1高像素 像素尺寸、光学尺寸和总像素数对CMOS传感器的成像质量起着决定性作用，市场对更高质量图像和更小尺寸设备的需求的不断增加，创新、突破和进步也在不断涌现。 大多数移动设备，如手机、平板电脑和笔记本电脑等，都至少装有一个或多个摄像头传感器。这些设备上拍摄的图像的质量好坏是由传感器中一种名为“像素”的电子机制决定的，而传感器是将光信号转换成电信号的关键部件。在众多的图像质量指标中，最具代表性的是被称为“图像信噪比（Signal-to-NoiseRatio，简称SNR）”的定义和测量过程。为了获得较高的图像信噪比，需要增加信号项和降低噪声项，而这些项主要取决于满阱容量、灵敏度、像素暗噪声、读出电路噪声和像素串扰等像素性能指标。在明亮条件下，满阱容量和像素串扰是影响图像信噪比的主要因素；而在黑暗条件下，灵敏度、像素暗噪声、读出电路噪声和像素串扰则是影响图像信噪比的主要因素。因此，从技术角度来看，在黑暗条件下获得较为理想的图像信噪比，即更佳的图像质量，就更为困难，这是因为需要控制并改进许多像素的性能指标。在过去的十年里，市场对更高分辨率传感器的需求不断提高，同时推动企业不断致力于开发出更小的像素。 2高帧率 帧率影响CMOS图像传感器的流畅程度；成像效果包括信噪比、动态环境感知等，反映了图像信号的处理能力。 全局快门CMOS成像传感器在当今的机器视觉领域十分常见，因为它拥有与CCD传感器和卷帘快门传感器相同的光学性能，同时还具备众多优势。全局快门CMOS传感器目前主要是在较低分辨率的市场中取代CCD和卷帘快门传感器。在高分辨率市场中，主要采用的技术仍然是CCD，但这些市场也有转向CMOS的需求，因为这可以简化摄像头设计和操作，同时提高帧率并导入全局快门技术。艾迈斯半导体当前的CMV系列产品采用8T像素结构，具有真正的相关双采样(CDS)和流水线式全局快门，可提供从VGA到20Mp的多种分辨率。其新产品：CMV50000。CMV50000是一款47.5Mp的成像传感器，在全分辨率35mm光学尺寸(36.43×27.62mm)下帧率可达30fps。该传感器基于CMV早期产品成熟技术，具有更高性能和更多功 能。高分辨率、全局快门和高帧率使CMV50000成为高端机器视觉应用的理想之选，在众多厂商中脱颖而 出。借助高分辨率，可以选择提高总检测区域大小或选择获取更多可见细节。与艾迈斯半导体4MpCMV4000传感器相比，CMV50000的检测区域大小或细节能力提高了约12倍。低噪声结合4倍模拟增益使其在低照的环境下能够显示更多的细节。 3高成像 随着CMOS集成电路工艺的不断发展和完善，CMOS图像传感器性能日益增强。CMOS图像传感器将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片内，不仅减少了成像系统的体积，而且其功耗也大大降低。 高光谱成像技术是遥感对地观测技术的前沿领域,是在成像光谱学的基础上发展而来的一种光学遥感技术,能实现空间信息、光谱信息和辐射信息的综合观测。国内外的星用高光谱成像系统大多选择CCD探测器作为关键器件,但功耗、体积等问题制约了其向小型化、低成本发展。随着半导体工艺和电路的快速发展,CMOS图像传感器(CIS)在系统集成、读出方式、速度、功耗和抗辐射等方面取得了极大的技术进步。为了满足载荷小型化、低成本、低功耗等要求,具有高帧频和全局曝光技术特点的CMOS图像传感器成为高光谱成像发展的方向。对于车载电子系统而言，电路系统设计不仅要满足极其苛刻的EMC测试和稳定性要求，而且还要满足整体设计体积小和功耗低等需求。CMOS图像传感器芯片也需要选用车载级的产品，车载级图像传感器芯片具有良好的集成性、小体积、低功耗并且将光敏元阵列、驱动电路、信号处理电路、模／数转换器和接口电路等完全集成其中，从而大大地降低了系统设计难度。同时，它也满足了车载成像系统长期稳定工作的要求。 [5]1：格科微招股说明书，SK… [6]1：SK海力士 CMOS芯片发展历程[7] CMOS图像传感器（CMOSIMAGESENSOR，即CIS），其功能是把光学图像信号转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（包括可见光和不可见光），转换为按时序串行输出的电信号—图像信号，然后再将图像信号送去进行图像处理，以再现原入射的光辐射图像。自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器得到迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控设备中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音 低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。 由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更