在1968年4月的IEEE Transactions on Electron Devices第15卷第4期上，来自英国普莱西有限公司（The Plessey Co., Ltd.）艾伦·克拉克研究中心的研究员Peter J. W. Noble发表了一篇题为“自扫描硅图像探测器阵列”的开创性论文。这篇论文标志着固态图像传感器技术发展中的一个重要里程碑，详细阐述了硅基自扫描图像探测器阵列的设计原理、工作方式、电路实现以及未来潜力，为现代CCD和CMOS图像传感器技术奠定了早期基础。
该研究的学术背景可以追溯到集成电路的诞生和PN结光敏特性的发现。随着金属氧化物硅晶体管（Metal Oxide Silicon Transistor， MOST）的发展，实现全固态图像检测的可能性得以明确。在此之前，图像检测主要依赖于真空管技术，如摄像管。然而，当时的其他固态图像传感研究，如Weimar等人使用薄膜技术的工作，以及Weckler、Schuster等人探索光晶体管阵列的研究，都存在诸如器件间灵敏度差异大、工艺复杂或需要复杂外围电路等问题。Noble及其团队的研究目标旨在开发一种基于硅平面工艺、将扫描电路与光探测器矩阵集成制造的、性能更优的自扫描图像传感器阵列，以克服这些挑战。其核心目的在于描述图像探测器矩阵中每个“位”（bit）的基本工作原理，推导相应的操作公式，并阐述构建功能性二维阵列所需的电路，最终探讨将该原理扩展到更大阵列以及不同应用场景（如卡片阅读）的可能性。
研究的详细工作流程围绕光电二极管的设计、两种工作模式的探索以及自扫描电路的实现而展开。第一项核心工作是光电二极管的优化设计与表征。研究首先比较了两种不同的二极管结构：一种是传统的、由硼源漏扩散“意外”形成的较深深度的扩散二极管（约3微米），另一种是后来采用的、主要为电路控制目的设计的浅扩散二极管（约1.2微米）。研究发现两者具有相似的光学特性。为了优化二极管设计，研究团队对平面二极管进行了系统的理论分析和实验测量。理论分析部分，他们采用常规方法推导了理论量子效率与波长的关系曲线，并基于MacSwan的工作增加了对氧化物光学干涉效应的研究，从而实现对平面二极管的完整模拟，以优化特定波长下的性能。实验测量部分，他们开发了一套采用直流系统的单色仪分光成像系统和热电堆作为基准测量设备的测量装置（如图1所示），对封装在TO-5管壳中的平面二极管（结构如图2）进行测试。此外，研究还探索了一种“埋层二极管”（buried diode）结构（如图4），其设计理念是通过减小接触扩散周长与面积的比率来降低反向偏置漏电流，并通过将二极管埋置在合适的外延层下，使与每个二极管关联的MOST器件能够构建在二极管上方而非旁边，从而提升封装密度。这些优化工作使得表面二极管的漏电流在10伏反向偏压下达到皮安级别，足以满足大多数应用需求。
第二项核心工作是二极管操作原理与阵列集成模式的确定。由于典型50微米见方光电二极管产生的光电流非常微弱（几十皮安培），简单的多路复用方案无法有效读取。因此，研究采用了“积分模式”（integrating mode）操作：利用一个串联的MOST开关对二极管的自电容充电，当开关关闭后，二极管偏置电压的衰减速率取决于光能产生的载流子。研究推导了该模式下电压衰减速率与入射光功率、波长、量子效率和二极管电容的关系公式。团队对比了使用光电二极管与光晶体管的优劣，指出前者在器件间灵敏度一致性（在小阵列中测量差异仅为2.5%）、工艺简单性（仅需一次扩散）、以及更高良品率方面具有显著优势。
研究重点探讨了将积分模式整合到阵列中的两种根本不同方式，并深入分析了各自的空间噪声问题。第一种是“再充电采样”（recharge sample）方法。阵列中的每个“位”如图6所示的基本原理图，通过外围构建的MOSAIC环形计数器进行坐标扫描。在一帧时间结束时，通过闭合行开关和位开关对某个二极管采样。再充电电流从放大器的虚拟地流过二极管，产生的放大器输出电压与二极管电压衰减量成正比，信号增益为二极管电容与放大器反馈电容之比（Cd/Cf）。论文详细分析了这种方法面临的挑战：1) 杂散电容效应：在大阵列（如100x100）中，大量关闭开关的并联电容会出现在放大器输入端，为了信号不被丢失，放大器开环增益必须足够高且带宽足够宽，对放大器设计提出了苛刻要求。2) 空间噪声源：包括二极管电容阵列差异带来的增益变化、位开关（MOST）栅极-沟道电容在开关过程中注入的杂散电荷、以及随着阵列多路复用而变化的杂散电容和漏电流路径。虽然提出可通过在采样时间内分步操作（先快速充电后去除杂散电荷再采样）来部分克服，但综合考虑后认为，要获得高灵敏度和低空间噪声，需要极其精密的掩膜和制造技术。
第三种核心工作是“电压采样”（voltage sampling）原理的提出与应用。鉴于再充电方法面临诸多噪声挑战，研究团队在首批构建的阵列中主要采用了电压采样原理。其基本单元如图11所示。二极管电容由MOST开关T1、T2充电，衰减的二极管电压由源极跟随器T3（输入阻抗极高，约10^15欧姆）监测。在一帧时间结束后，施加到T4、T5的采样脉冲将T3源极的电压（与二极管电压相关）转移到输出负载上。这样，二极管中的微小光电流就被转换为较大的输出电压信号。研究分析了该模式下的空间噪声来源：二极管本身的光响应差异小于2.5%；暗电流差异在25°C下等效于约±4x10^-8 W.cm^-2的光输入变化（可通过冷却显著降低）；最主要的噪声源来自放大用MOST管T3的阈值电压（Vgs(th)）和跨导（β）的阵列差异。当前技术水平下，暗电流噪声等效光输入变化可达10^-7 W.cm-2，通过改进采样技术和冷却，有望达到10^-9 W.cm-2的水平。
第四项核心工作是自扫描电路的设计与实现。自扫描功能通过两个环形计数器（X扫描和Y扫描）实现，它们基于动态两相逻辑（two phase dynamic）技术构建，本质上是一种改进的移位寄存器。单个移位位如图12所示，利用MOS管栅电容作为临时存储器。两个不重叠的时钟脉冲（Φ1, Φ2）控制数据移位。通过将所需长度的移位寄存器与一个逻辑门（如图13所示的10位环形计数器中的或非门）组合，可以实现循环单个逻辑“1”的环计数器模式。论文详细讨论了电路设计中的权衡考量，包括负载管与反相器管的宽长比设计以获取合适逻辑电平，以及时钟脉冲通过转移管栅-源电容耦合、存储节点因漏电导致的电压衰减等实际效应，最终的电路设计是所有因素折衷的结果。
研究的核心成果与结论基于上述工作流程，具体体现在一个已成功制造并测试的10x10自扫描阵列上。图14展示了该阵列的照片，其二极管间距为100微米，有效感光面积为40x40密耳，制作在70x70密耳的芯片上。该阵列工作在电压采样模式下，典型帧率为每秒50帧，最高可超过500帧/秒，最低可至10帧/秒（受限于动态逻辑的漏电）。驱动该阵列仅需一个11位和一个10位环形计数器，可自动产生帧和行同步脉冲，整个器件只需6根引线（相比之下，外部扫描需要22根），极大简化了系统。研究证实了该设计原理的可行性，并展示了其在低光照条件下的工作能力。
研究的结论清晰地总结了这项工作的意义。该论文成功描述并验证了自扫描硅图像探测器阵列的基本原理和实现方法。通过对比再充电和电压采样两种模式，深入剖析了固态图像阵列中空间噪声的关键来源，并提出了相应的分析和解决思路。实际构建的10x10阵列证明了将光探测器矩阵与MOS扫描电路单片集成的可行性，这种集成大幅减少了外部连接，为制造更大规模阵列（论文中展望了100x100阵列）铺平了道路。研究指明了通过改进采样技术、优化器件参数一致性以及冷却等手段，可以进一步提升阵列的灵敏度和信噪比。
这项研究的科学价值与应用价值十分显著。在科学上，它系统性地建立了硅基自扫描图像传感的理论框架和工程设计方法论，特别是对噪声机制的深刻分析，为后续相关研究提供了重要参考。在应用上，它直接推动了固态图像传感器向集成化、小型化、低功耗方向发展，为后来CCD和CMOS图像传感器的普及奠定了基础。论文末尾还提及了基于相同技术开发的其他器件，如图15所示的4x18矩阵卡片阅读芯片，展示了该技术在模式识别、位置传感等广阔领域的应用潜力。Noble指出，不应将这些技术仅仅视为传统器件的替代品，而应充分发挥想象力进行开拓，例如将光电二极管与逻辑电路结合以实现自适应的模式识别。
本研究的亮点和创新之处在于：1) 高度集成化设计：首次详细阐述了将MOS扫描电路与光电探测器矩阵单片集成的完整方案，显著减少了外围电路复杂性，这是迈向实用化固态相机的关键一步。2) 深入的噪声机理分析：不仅提出了两种操作模式，更难得的是对每种模式下的空间噪声来源（电容差异、电荷注入、漏电流变化、器件参数不均等）进行了详尽的理论推导和量化分析，体现了深刻的工程洞察力。3) 理论与实验紧密结合：从二极管量子效率的理论模拟与实验测量，到电路设计的参数权衡与最终阵列的实测验证，形成了完整的研究闭环。4) 前瞻性的视野：研究不仅解决了具体的技术问题，还对更大规模阵列的扩展、冗余设计、以及与新兴的“大规模集成”（LSI）技术的结合进行了展望，并预见了该技术在卡片阅读、模式识别等超越传统成像领域的应用。这些工作共同构成了早期固态成像技术领域一篇具有奠基性和指导性的重要文献。