【摘要】：CCD和CMOS是主流的兩種圖像傳感器,其成像性能隨著對(duì)它們內(nèi)部噪聲源研究的深入和噪聲抑制方法的創(chuàng)新而不斷提升�？梢�,對(duì)圖像傳感器進(jìn)行噪聲分析是必要的。垂直電荷成像器件(VPS)作為一種新型的圖像傳感器,其噪聲過大的問題極大地限制了成像質(zhì)量,改善噪聲性能迫在眉睫。而目前并沒有研究人員對(duì)VPS進(jìn)行過系統(tǒng)的噪聲分析,抑制噪聲就更無從談起了。因此,對(duì)VPS進(jìn)行噪聲分析有極其重要的意義,有利于新一代圖像傳感器的發(fā)展。本文首先分析了 VPS器件級(jí)上的噪聲源,以器件工作原理和陣列連接方式為基礎(chǔ),通過軟件仿真、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試等一系列方法確定了 VPS器件具有49%的擴(kuò)散串?dāng)_、33.2e-的暗電流、108μV的讀出噪聲和嚴(yán)重的FPN。最后從VPS系統(tǒng)讀出電路的工作原理出發(fā),分析了讀出電路中存在的噪聲源,用理論計(jì)算確定了讀出電容的復(fù)位噪聲和ADC的量化噪聲,通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了讀出電路中各控制信號(hào)對(duì)讀出噪聲的影響,確定了各控制信號(hào)的最佳的脈沖時(shí)長和彼此間的間隔時(shí)長,在減小噪聲的前提下提高了成像的幀率。通過本文對(duì)VPS噪聲的系統(tǒng)分析,確定了影響VPS成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素有VPS器件的暗電流、陣列的串?dāng)_、讀出電容的復(fù)位噪聲、ADC的量化噪聲和系統(tǒng)的FPN。其中,復(fù)位噪聲和量化噪聲可分別通過增大讀出電容和減小斜坡電源步進(jìn)來進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,FPN可通過均場校正等算法消去,而暗電流和串?dāng)_既是噪聲最嚴(yán)重的部分,又是最難以抑制的因素,極大地制約了圖像質(zhì)量的提升�；趯�(duì)VPS噪聲的深入研究,探索了抑制暗電流和串?dāng)_的方案,為接下來進(jìn)一步抑制噪聲、增強(qiáng)VPS成像質(zhì)量提供了理論依據(jù),指明了研究改善的方向。
【圖文】：

噪比、減小噪聲、增大動(dòng)態(tài)范圍等方面性能是圖像傳感器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。逡逑在二十世紀(jì)八十年代中期，可見光波段的圖像傳感器市場基本被電荷耦合器逡逑件（Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｏｕｐｌｅｄ邋Ｄｅｖｉｃｅ，邋ＣＣＤ）所占據(jù)，而更早出現(xiàn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)逡逑體（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ邋Ｍｅｔａｌ邋Ｏｘｉｄｅ邋Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，邋ＣＭＯＳ）器件最初是用來進(jìn)行混逡逑合紅外探測的⑴。但隨著標(biāo)準(zhǔn)ＣＭＯＳ集成電路制造工藝的不斷發(fā)展、ＣＭＯＳ圖逡逑像傳感器（ＣＭＯＳ邋Ｉｍａｇｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ．邋ＣＩＳ）結(jié)構(gòu)從ＣＭＯＳ－ＰＰＳ到ＣＭＯＳ－ＡＰＳ等的不斷演逡逑進(jìn)，ＣＩＳ的性能有了長足的提高，同時(shí)由于其成本的巨大優(yōu)勢，在消費(fèi)市場領(lǐng)域逡逑占據(jù)了主導(dǎo)權(quán)。逡逑至今，在天文觀測、醫(yī)學(xué)影像和軍事監(jiān)控等對(duì)成像質(zhì)量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，逡逑高端ＣＣＤ仍然獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但是在移動(dòng)終端、安防監(jiān)控和數(shù)碼相機(jī)等更加關(guān)注性逡逑價(jià)比的消費(fèi)領(lǐng)域中，ＣＩＳ己經(jīng)成為主流。逡逑ＣＩＳ能夠大規(guī)模取代ＣＣＤ的一個(gè)很重要的原因在于ＣＭＯＳ有源像素傳感器逡逑（ＣＭＯＳ－ＡＰＳ）的發(fā)明。在ＣＭＯＳ－ＡＰＳ之前，首個(gè)商用的ＣＭＯＳ傳感器就是無逡逑源感器（ＣＭＯＳ－ＰＰＳ）。逡逑

代結(jié)構(gòu)工作時(shí)感光電荷是在垂直方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)移的，所以命名為垂直電荷轉(zhuǎn)移成逡逑像器件［３２】（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ－ｃｈａｒｇｅ－ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ邋Ｐｉｘｅｌ邋Ｓｅｎｓｏｒ，，簡稱邋ＶＰＳ）。現(xiàn)今，ＶＰＳ邋己逡逑經(jīng)發(fā)展到第二代了，其基本結(jié)構(gòu)如圖２．１所示。逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ邋Ｇａｔｅ逡逑ＯＮＯ逡逑Ｆｌｏａｔｉｎｇ邋Ｇａｔｅ逡逑Ｔｕｎｎｅｌ邋Ｏｘｉｄｅ逡逑ＭＯＳ－Ｃ邐ＳＴＩ邋ＭＯＳ－Ｔ逡逑Ｐ－Ｓｕｂ逡逑圖２．１邋ＶＰＳ基本結(jié)構(gòu)二維示意圖逡逑從圖２．１中可以看出，ＶＰＳ由形成在同一邋Ｐ型半導(dǎo)體襯底（后續(xù)稱為ＰＷ）逡逑上方的浮柵ＭＯＳ電容和浮柵晶體管構(gòu)成。其中，ＭＯＳ電容實(shí)現(xiàn)ＶＰＳ的感光功逡逑能，晶體管實(shí)現(xiàn)ＶＰＳ的讀取功能。ＭＯＳ電容和晶體管在襯底中通過淺槽隔離區(qū)逡逑（ＳＴＩ）隔開，兩者的襯底上方依次為隧穿氧化層（Ｔｕｎｎｅｌ邋Ｏｘｉｄｅ）、浮柵、柵間逡逑電介質(zhì)層（Ｏｘｉｄｅ－Ｎｉｔｒｉｄｅ－Ｏｘｉｄｅ，０Ｎ０）和控制柵。浮柵和控制柵極由ＭＯＳ電逡逑容和晶體管共用，并且浮柵晶體管在垂直于紙面方向的襯底中還設(shè)有源極和漏極。逡逑２．１．２邐ＶＰＳ工作原理逡逑作為一個(gè)新型的可見光波段的成像器件，ｖｐｓ必須能夠完成光生電子的探測逡逑７逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN386;TP212

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本文編號(hào)：2673165