tdi型cmos图像传感器像素性能优化

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1、第一章绪论图像信息的光信号转化成电信号后，由后续的模数转换器、放大器、彩色处理和图像增强等操作进行处理，最后得到所需的图像。其中图像传感器是图像采集系统中的关键单元，高性能的图像传感器使采集到的图像质量高、噪声小。自动自动对焦曝光控制界面和后续处理彩微图色透像滤成像光学镜传放大和量化光阵感阵列器列图1-1电子成像系统的流程图应用于CIS中的光电探测部分通常包括下面几种，PN结(Photodiode,PD)、光栅(Photogate,PG)、光晶体管(Pototransistors,PTrs)和雪崩光电二极管(A

2、valanchephotodiode,APD)等。多晶硅栅SIO2耗尽区N-P型衬底P型衬底(a)(b)多晶硅栅SIO2P+P+P+N-N-P型衬底P型衬底(c)(d)图1-2光电探测结构(a)光栅(b)光电二极管(c)垂直型光晶体管(d)横向式光晶体管图1-2分别为光栅、光电二极管、垂直型光晶体管和横向式光晶体管的结构[3]图。在光电探测的种类中PTrs和APD是利用增益放大光生电信号的。PG由于多晶硅栅会阻挡一部分入射的光信号，使收集光信息区域内转化的电信号减2第一章绪论少，限制了量子效率的提高，因此广泛应

3、用于图像传感器中的光电探测结构为PD。而PD结构由于其表面直接与SI/SIO2界面接触，存在暗电流大的缺点，1995年由柯达公司将在CCD图像传感器中应用的表面钳位结构引入到CIS的光电探测结构中，最终得到钳位光电二极管结构(PinnedPhotodiode,PPD)。高掺杂的表面P+钳位层将SI/SIO2界面处的缺陷很好的与光收集区隔离开，因此很大程度上减小了暗电流的产生，同时表面钳位层可以保证PPD完全耗尽，减小噪声的同时提高了短波长的光响应。因此，现在应用于CIS中的光探测结构绝大部分均为PPD结构。图像

4、传感器中光电转换的基本单元为像素结构，根据像素内是否集成放大功能分为无源像素传感器(Passivepixelsensor,PPS)和有源像素传感器(Activepixelsensor,APS)。开始主要以PPS为主流，其结构简单，仅由一个PD和开关晶体管组成，因此填充因子大。但因其大的噪声导致信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)无法提高，使PPS的研究和发展受到限制。在PPS结构的基础上引入放大器，称为APS，使成像质量有很大提高。现有的APS根据像素内晶体管的数量主要分为三管像素(3T-

5、APS)、四管像素(4T-APS)、五管像素(5T-APS)等。VDDVDDVrstRSTVDDRSTTX列RSTTXMEM列列SFSEL输SEL输SFSEL输出出出信SF信信号号PD号PDFD线PDCMEM线线(a)(b)(c)图1-3像素结构(a)3T像素(b)4T像素(c)5T像素图1-3所示为3T、4T和5T像素结构图。3T-APS像素由PD、复位管MRS和选择管MSEL组成，由于其光收集区与光电转换区相同，导致满阱容量(FullWellCapacity,FWC)与转换增益之间存在折中问题，限制了像素性

6、能的提高。4T-APS在3T-APS的基础上将光收集区与光转换区分开，引入传输管MTG，光生电子在PD中积累，然后通过MTG转移至浮空扩散节点(FloatingDiffusion,FD)处，解决了3T像素的问题同时，4T像素可以通过FD读出像素内被复位清空的电信号和曝光积累的光信号，两次读出信号进行相关双采样(CorrelatedDoubleSampling,CDS)，可以消除复位噪声。5T像素是应用于高速图像传感器中的结构[4]，多增加了一个复位管，用于快速复位操作，但更多的晶体管就意味着更小的填充因子。因此

7、，当今广泛应用于CIS中的像素为钳位4T-PPD像素结构。3第一章绪论尽管CCD图像传感器早在1970年就发明出来，并且占领市场时间长。当然有它自身的优势所在，比如低噪声、更小的像素尺寸、低暗电流、高填充因子、[5]高灵敏度。但它同样存在无法忽视的缺陷，由于采用多个电源转移光生电荷，使CCD有很大的功耗，并且由于CCD的特殊工艺制造方法，它无法与其他模拟和数字控制电路集成在一起，增加了制造成本。随着科技的不断进步，CIS逐渐受到重视并发展迅速，以其单电源供电、低能量损耗、低成本及随机存贮等优势[2]在图像传感器

8、类中占有重要位置。由上面的讨论中可以看出CIS与CCD图像传感器有其各自的优势和限制，下面对其进行分析总结，如表1-1所示。表1-1CIS与CCD图像传感器性能比较性能CISCCD制造工艺兼容不兼容功耗单电源供电、功耗小多电源供电、功耗大集成度高低制造成本低高噪声大小灵敏度低高由于CCD自身的限制，90年代早期CIS开始逐渐占领市场，CIS最大的优势在于可以满足低功耗和可集成的要求，大