本文關(guān)鍵詞： CMOS圖像傳感器 四管有源像素 電荷傳輸模型 鉗位光電二極管 傳輸柵 浮空節(jié)點 RTS噪聲　出處：《天津大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來CMOS圖像傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,它已被廣泛應(yīng)用于消費類電子、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域,其性能指標(biāo)已然超越傳統(tǒng)的CCD型圖像傳感器。雖然絕大部分CMOS圖像傳感器依然基于經(jīng)典的CMOS有源像素結(jié)構(gòu),但是針對不同領(lǐng)域的高端應(yīng)用來說,其有源像素需要千差萬別的針對性優(yōu)化,因此學(xué)術(shù)界從未停止過對于經(jīng)典CMOS有源像素結(jié)構(gòu)的深層次物理機理研究。近年來,經(jīng)典CMOS有源像素結(jié)構(gòu)的各種細(xì)化性能及相應(yīng)理論層出不迭,但其中大部分理論僅能解釋相應(yīng)的一種現(xiàn)象,甚至不同理論之間存在矛盾關(guān)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(shè)計了一款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(chǔ)上,最終建立了一套完整的電荷傳輸模型以及相應(yīng)的噪聲模型。它深刻揭示了CMOS有源像素設(shè)計中各個變量的折中關(guān)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(jié)構(gòu),提出了一個較為完整的電荷傳輸模型。首先,該模型可以準(zhǔn)確地描述電荷在鉗位光電二極管與電荷電壓轉(zhuǎn)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雜濃度、結(jié)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(zhuǎn)換節(jié)點電容及復(fù)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、Feedforward效應(yīng)、長曝空間噪聲、滿阱容量設(shè)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(zhuǎn)移的方法。它成功地解釋了像素內(nèi)電荷非完全轉(zhuǎn)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(xì)的理論分析。本方法尤其可以區(qū)分出不是十分明顯的電荷非完全轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,可用于指導(dǎo)傳輸柵開啟時間的設(shè)計。3、基于CMOS有源像素內(nèi)源跟隨器隨機電報噪聲的機制,提出了一種基于蒙特卡洛方法的數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型。本模型成功地解釋了面陣CMOS圖像傳感器中隨機電報噪聲的統(tǒng)計特性,最終提出了一種利用空間域累加的方法來降低該噪聲對圖像傳感器成像質(zhì)量的影響。
[Abstract]:In recent years, CMOS image sensor technology has been rapid development, it has been widely used in consumer electronics, industry, medical, aerospace and other fields, Although most of the CMOS image sensors are still based on the classical CMOS active pixel structure, but for high-end applications in different fields, The active pixels need a wide variety of targeted optimization, so the academic community has never stopped studying the deep physical mechanism of classical CMOS active pixel structure. The thinning performance and corresponding theory of classical CMOS active pixel structure are not overlapping, but most of the theories can only explain the corresponding phenomenon, and even there are contradictory relations among different theories. Therefore, it is necessary to study the mechanism of CMOS active pixels at a deeper level. Aiming at the challenge of this theoretical research, a face matrix CMOS image sensor is designed for active pixel testing and analysis. On the basis of deep analysis and research on the existing theories, a set of complete charge transfer model and corresponding noise model are established, which deeply reveal the eclectic relationship of various variables in the design of CMOS active pixels. A series of non-ideal characteristics of active pixels are successfully explained. The main innovations of this paper include: 1. Based on the active pixel structure of CMOS image sensor, a relatively complete charge transfer model is proposed. The model can accurately describe the flow of charge between the clamped photodiode and the charge voltage conversion node, and successfully explains the doping concentration, junction depth, area, barrier height in the transmission gate region, and the size of the transmission gate, including the doping concentration of the clamp photodiode, the junction depth, the area of the junction, and the transmission gate size. The effects of gate opening time, charge-voltage conversion node capacitance and reset voltage on charge transmission can also be explained by this model, which can also explain the Pinning voltage test curve of pixels and the Feedforward effect. A series of problems such as full well capacity design. 2. Time domain noise analysis based on charge transfer theory. A method is proposed to judge whether the charge is completely transferred or not by means of the output mean-variance curve of the pixel, which successfully explains the effect of the phenomenon of non-complete charge transfer in the pixel on the noise of the output signal. The theory of charge transfer noise is analyzed in detail. In particular, this method can distinguish the phenomenon of incomplete charge transfer, which is not very obvious. It can be used to guide the design of transmission gate opening time. 3, based on the mechanism of random Telegraph noise of CMOS active pixel inner source follower, This paper presents a mathematical statistical model based on Monte Carlo method, which successfully explains the statistical characteristics of random Telegraph noise in a plane array CMOS image sensor. Finally, a spatial cumulation method is proposed to reduce the influence of the noise on the image quality of the image sensor.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1528752