CMOS有源像素電荷傳輸機理與噪聲研究.pdf

1、CMOS有源像素有源像素電荷傳輸機理與噪聲研究電荷傳輸機理與噪聲研究StudyofthegetransfermechanismnoiseinCMOSactivepixels一級學科：電子科學與技術學科專業(yè)：微電子學與固體電子學研究生：韓立鏹指導教師：姚素英教授天津大學電子信息工程學院二零一六年五月摘要近年來CMOS圖像傳感器技術得到了飛速的發(fā)展，它已被廣泛應用于消費類電子、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領域，其性能指標已然超越傳統(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典的CMOS有源像素結構，但是針對不同領域的高端應用來說，其有源像素需要千差萬別的針對性優(yōu)化，因此學術界從未停止過對于經典CMOS有源像素結構的深層次物理機理研究。近年來，經典CMOS有源像素結構的各種細化性能及相應理論層出不迭，但其中大部分理論僅能解釋相應的一種現(xiàn)象，甚至不同理論之間存在矛盾關系，因此更深層次的CMOS有源像素機理研究就顯得十分必要。本文針對這一理論研究的挑戰(zhàn)，設計了一款

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

4、雜濃度、結深、面積、傳輸柵區(qū)域勢壘高度、傳輸柵尺寸、傳輸柵開啟時間、電荷電壓轉換節(jié)點電容及復位電壓等因素對于電荷傳輸?shù)挠绊?；另外，此模型還可解釋像素Pinning電壓測試曲線、Feedfward效應、長曝空間噪聲、滿阱容量設計等一系列問題。2、基于電荷傳輸理論的時域噪聲分析，提出了一種通過像素輸出均值方差曲線判斷電荷是否完全轉移的方法。它成功地解釋了像素內電荷非完全轉移現(xiàn)象對于輸出信號噪聲的影響，對電荷傳輸噪聲進行了詳細的理論分析。本方