CMOS有源像素電荷傳輸機(jī)理與噪聲研究.pdf

1、CMOS有源像素有源像素電荷傳輸機(jī)理與噪聲研究電荷傳輸機(jī)理與噪聲研究StudyofthegetransfermechanismnoiseinCMOSactivepixels一級(jí)學(xué)科：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)研究生：韓立鏹指導(dǎo)教師：姚素英教授天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院二零一六年五月摘要近年來(lái)CMOS圖像傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域，其性能指標(biāo)已然超越傳統(tǒng)的CCD型圖像

2、傳感器。雖然絕大部分CMOS圖像傳感器依然基于經(jīng)典的CMOS有源像素結(jié)構(gòu)，但是針對(duì)不同領(lǐng)域的高端應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其有源像素需要千差萬(wàn)別的針對(duì)性優(yōu)化，因此學(xué)術(shù)界從未停止過(guò)對(duì)于經(jīng)典CMOS有源像素結(jié)構(gòu)的深層次物理機(jī)理研究。近年來(lái)，經(jīng)典CMOS有源像素結(jié)構(gòu)的各種細(xì)化性能及相應(yīng)理論層出不迭，但其中大部分理論僅能解釋相應(yīng)的一種現(xiàn)象，甚至不同理論之間存在矛盾關(guān)系，因此更深層次的CMOS有源像素機(jī)理研究就顯得十分必要。本文針對(duì)這一理論研究的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)了一款

3、專門用于有源像素測(cè)試及分析的面陣型CMOS圖像傳感器，并在深入分析研究現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，最終建立了一套完整的電荷傳輸模型以及相應(yīng)的噪聲模型。它深刻揭示了CMOS有源像素設(shè)計(jì)中各個(gè)變量的折中關(guān)系，并成功解釋了有源像素中的一系列非理想特性。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：1、基于CMOS圖像傳感器有源像素結(jié)構(gòu)，提出了一個(gè)較為完整的電荷傳輸模型。首先，該模型可以準(zhǔn)確地描述電荷在鉗位光電二極管與電荷電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)之間的流動(dòng)，成功地解釋了包括鉗位光電二極管摻

4、雜濃度、結(jié)深、面積、傳輸柵區(qū)域勢(shì)壘高度、傳輸柵尺寸、傳輸柵開(kāi)啟時(shí)間、電荷電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容及復(fù)位電壓等因素對(duì)于電荷傳輸?shù)挠绊?；另外，此模型還可解釋像素Pinning電壓測(cè)試曲線、Feedfward效應(yīng)、長(zhǎng)曝空間噪聲、滿阱容量設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題。2、基于電荷傳輸理論的時(shí)域噪聲分析，提出了一種通過(guò)像素輸出均值方差曲線判斷電荷是否完全轉(zhuǎn)移的方法。它成功地解釋了像素內(nèi)電荷非完全轉(zhuǎn)移現(xiàn)象對(duì)于輸出信號(hào)噪聲的影響，對(duì)電荷傳輸噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。本方