TDI型CMOS图像传感器像素性能优化.doc

TDI型CMOS图像传感器像素性能优化由于CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比存在很大的优势，例如低功耗、低成本、数据随机存储以及高速成像等，使其市场占有份额大于CCD图像传感器。时间延迟积分型图像传感器是一种特殊的线阵图像传感器，但它优于普通线阵图像传感器，以二维像素阵列结构及动态扫描方式实现长的物体积分时间，提高了低照度环境下的光灵敏度和信噪比。时间延迟积分型图像传感器广泛应用于低照度环境下的物体探测领域，因此需要大的感光面积，低暗电流和高的电荷转移效率。对应用于时间延迟积分型CMOS图像传感中的大尺寸钳位四管有源像素，本文针对像素电荷转移和暗电流性能的提高进行了分析和优化设计。对于大尺寸像素的电荷转移问题，本文提出在N埋层和传输栅两处优化电荷转移。其中在N埋层处优化电荷转移包括两方面，一方面是在N埋层内插入P型层进行非均匀掺杂，另一方面是将光电二极管的版图优化为U型结构。与传统像素相比，两方面优化方案使电荷转移效率分别提高了2倍和3.3倍，转移时间也分别缩短到传统像素结构的26%和30%左右。对传统像素结构进行两方面同时优化，使电荷转移效率提高了9.5倍。对于传输栅的优化则是改变传输栅的结构，在像素电荷转移和积分期间加不同的工作电压，达到提高电荷转移效率的目的。通过仿真验证可以得出，优化后的传输栅结构与传统像素相比，电荷转移时间缩短了88ns。对于暗电流性能的提高，本文针对像素浅沟槽隔离处和表面P型注入层处由于存在SI/SIO2界面态而产生的暗电流进行了优化。并通过流片测试，分析对比了各处设计调整对减小暗电流的效果。综上，针对时间延迟积分型CMOS图像传感器中像素的电荷转移和暗电流的性能提高，本文提出的优化方案通过理论分析、仿真和流片测试验证了其有效性和正确性，为时间延迟积分型CMOS图像传感器的像素性能优化提供了一定的参考。