TDI圖像傳感器橫向抗暈柵極電壓與滿阱容量關(guān)系研究
發(fā)布時(shí)間：2022-01-12 12:21
時(shí)間延時(shí)積分CMOS圖像傳感器（TDI-CIS）具有優(yōu)良的微光探測(cè)能力,可應(yīng)用于航空探測(cè)及衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。然而,在入射光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí),TDI-CIS容易出現(xiàn)光暈（Blooming）現(xiàn)象,影響觀測(cè)效果。首先分析了光暈產(chǎn)生的機(jī)理;然后基于兩種傳統(tǒng)的抗暈結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出一種具有沿垂直方向布局的長方形橫向抗暈柵的TDI-CIS;通過成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橫向抗暈柵極電壓與抗暈效果及滿阱容量（FWC）之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;最后通過實(shí)驗(yàn)得到所設(shè)計(jì)TDI-CIS的最優(yōu)抗暈柵極電壓值為2.1V。
【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2020,41(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
LABD結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)CCD圖像傳感器接收到強(qiáng)光信號(hào)，其收集的光生電子數(shù)超過FWC時(shí)會(huì)溢出到鄰近像素中。如圖1所示，手電筒發(fā)光區(qū)域光線過強(qiáng)，過剩的電子溢出到垂直方向上的鄰近像素，出現(xiàn)光暈現(xiàn)象，使得圖像中手電筒發(fā)光區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重失真[2]。光暈不僅嚴(yán)重影響成像效果，而且會(huì)導(dǎo)致光暈區(qū)圖像數(shù)據(jù)受到無法經(jīng)過后期處理恢復(fù)的永久性損傷。目前有兩種主流抗暈結(jié)構(gòu)，第一種為垂直抗溢出漏極（Vertical Anti-Blooming Drain,VABD）抗暈結(jié)構(gòu)，通過對(duì)襯底施加反向偏置電壓，使襯底勢(shì)壘小于鄰近Gate。當(dāng)產(chǎn)生的電子數(shù)達(dá)到FWC時(shí)，這個(gè)勢(shì)壘差將促使過剩電荷垂直地導(dǎo)入襯底（此時(shí)襯底充當(dāng)VABD）。這種設(shè)計(jì)不會(huì)影響填充系數(shù)，但會(huì)減小感光區(qū)的深度，從而影響傳感器對(duì)于長波光的吸收[3]。在此結(jié)構(gòu)中，由長波光激發(fā)在像素深處產(chǎn)生的光電子會(huì)直接被垂直抗溢出漏極吸收[4-6]。另一種為橫向抗溢出漏極（Lateral Anti-Blooming Drain,LABD）抗暈結(jié)構(gòu)，將抗溢出漏極和ABG集成到CCD像素中。當(dāng)ABG打開后，由于其下面勢(shì)壘小于鄰近Gate下的勢(shì)壘，溢出的電荷將流入LABD，從而達(dá)到抗暈的效果。但這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)占用傳感器有效像素區(qū)域，降低傳感器的填充系數(shù)和靈敏度。本文中，為了保證傳感器對(duì)于長波光的吸收，采用LABD設(shè)計(jì)。以上兩種結(jié)構(gòu)均是通過集成抗溢出漏極于像素結(jié)構(gòu)中，將過剩電荷導(dǎo)出以消除其對(duì)鄰近像素的影響�？挂绯雎O只會(huì)防止過剩電荷流入鄰近像素，并不會(huì)對(duì)其他像素造成影響。
本文設(shè)計(jì)的圖像傳感器像素原理圖如圖3所示，感光區(qū)域采用CCD工藝，在曝光時(shí)間內(nèi)，光生電子在CCD Gate下生成、存儲(chǔ)并傳遞，而后越過溢出柵（Overflow Gate,OG）傳輸至浮置節(jié)點(diǎn)電容（Floating Diffusion,FD）內(nèi)等待讀出。讀出電路采用CMOS工藝，在選擇開關(guān)SEL開啟后，F(xiàn)D內(nèi)的電荷經(jīng)源極跟隨器（Source Follower,SF）放大后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，而后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-Digital Converter,ADC）和可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）處理后以數(shù)字信號(hào)讀出。2.2 橫向抗暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]橫向抗彌散多光譜TDI CCD圖像傳感器[J]. 廖乃鏝,劉緒化,劉昌林,張明丹,李仁豪,李金,何達(dá). 半導(dǎo)體光電. 2019(01)
[2]CCD圖像傳感器抗暈技術(shù)研究[J]. 武利翻. 傳感器世界. 2010(08)
[3]CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 武利翻. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2010(16)
[4]新型集成電路隔離技術(shù)——STI隔離[J]. 聞黎,王建華. 微納電子技術(shù). 2002(09)
本文編號(hào)：3584764
【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2020,41(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
LABD結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)CCD圖像傳感器接收到強(qiáng)光信號(hào)，其收集的光生電子數(shù)超過FWC時(shí)會(huì)溢出到鄰近像素中。如圖1所示，手電筒發(fā)光區(qū)域光線過強(qiáng)，過剩的電子溢出到垂直方向上的鄰近像素，出現(xiàn)光暈現(xiàn)象，使得圖像中手電筒發(fā)光區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重失真[2]。光暈不僅嚴(yán)重影響成像效果，而且會(huì)導(dǎo)致光暈區(qū)圖像數(shù)據(jù)受到無法經(jīng)過后期處理恢復(fù)的永久性損傷。目前有兩種主流抗暈結(jié)構(gòu)，第一種為垂直抗溢出漏極（Vertical Anti-Blooming Drain,VABD）抗暈結(jié)構(gòu)，通過對(duì)襯底施加反向偏置電壓，使襯底勢(shì)壘小于鄰近Gate。當(dāng)產(chǎn)生的電子數(shù)達(dá)到FWC時(shí)，這個(gè)勢(shì)壘差將促使過剩電荷垂直地導(dǎo)入襯底（此時(shí)襯底充當(dāng)VABD）。這種設(shè)計(jì)不會(huì)影響填充系數(shù)，但會(huì)減小感光區(qū)的深度，從而影響傳感器對(duì)于長波光的吸收[3]。在此結(jié)構(gòu)中，由長波光激發(fā)在像素深處產(chǎn)生的光電子會(huì)直接被垂直抗溢出漏極吸收[4-6]。另一種為橫向抗溢出漏極（Lateral Anti-Blooming Drain,LABD）抗暈結(jié)構(gòu)，將抗溢出漏極和ABG集成到CCD像素中。當(dāng)ABG打開后，由于其下面勢(shì)壘小于鄰近Gate下的勢(shì)壘，溢出的電荷將流入LABD，從而達(dá)到抗暈的效果。但這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)占用傳感器有效像素區(qū)域，降低傳感器的填充系數(shù)和靈敏度。本文中，為了保證傳感器對(duì)于長波光的吸收，采用LABD設(shè)計(jì)。以上兩種結(jié)構(gòu)均是通過集成抗溢出漏極于像素結(jié)構(gòu)中，將過剩電荷導(dǎo)出以消除其對(duì)鄰近像素的影響�？挂绯雎O只會(huì)防止過剩電荷流入鄰近像素，并不會(huì)對(duì)其他像素造成影響。
本文設(shè)計(jì)的圖像傳感器像素原理圖如圖3所示，感光區(qū)域采用CCD工藝，在曝光時(shí)間內(nèi)，光生電子在CCD Gate下生成、存儲(chǔ)并傳遞，而后越過溢出柵（Overflow Gate,OG）傳輸至浮置節(jié)點(diǎn)電容（Floating Diffusion,FD）內(nèi)等待讀出。讀出電路采用CMOS工藝，在選擇開關(guān)SEL開啟后，F(xiàn)D內(nèi)的電荷經(jīng)源極跟隨器（Source Follower,SF）放大后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，而后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-Digital Converter,ADC）和可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）處理后以數(shù)字信號(hào)讀出。2.2 橫向抗暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]橫向抗彌散多光譜TDI CCD圖像傳感器[J]. 廖乃鏝,劉緒化,劉昌林,張明丹,李仁豪,李金,何達(dá). 半導(dǎo)體光電. 2019(01)
[2]CCD圖像傳感器抗暈技術(shù)研究[J]. 武利翻. 傳感器世界. 2010(08)
[3]CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 武利翻. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2010(16)
[4]新型集成電路隔離技術(shù)——STI隔離[J]. 聞黎,王建華. 微納電子技術(shù). 2002(09)
本文編號(hào)：3584764
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