本文關(guān)鍵詞：基于多次曝光技術(shù)的大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展,CMOS圖像傳感器逐漸達到甚至超過了CCD圖像傳感器的性能水平,并憑借其低成本、低功耗、易集成等特性廣泛應用于各種成像領(lǐng)域。CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍通常在60~70dB,但汽車影像、安防監(jiān)控等應用領(lǐng)域的環(huán)境光線范圍在100dB以上,普通傳感器無法同時獲取場景中的明暗細節(jié)。傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)可以有效提升傳感器的動態(tài)范圍,但同時會帶來高數(shù)據(jù)率和大數(shù)據(jù)量的問題。本文針對這一挑戰(zhàn),主要研究采用多次曝光技術(shù)的大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器的像素設計、時序優(yōu)化和圖像融合技術(shù)。本文分析了大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器像素的基本原理,基于0.18μm CMOS圖像傳感器專用工藝平臺,提出了兩次摻雜光電二極管來構(gòu)建光電二極管內(nèi)部電場;提出非均勻摻雜傳輸管溝道和傳輸柵結(jié)構(gòu)來建立具有梯度電勢分布的電荷傳輸通道。這兩種結(jié)構(gòu)消除了阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘和勢阱,從而提升電荷轉(zhuǎn)移效率,最終達到增強光電轉(zhuǎn)化能力和提升動態(tài)范圍的目的。針對多次曝光技術(shù)所帶來的讀出速率升高的挑戰(zhàn),提出緊湊式讀出技術(shù),通過行間交叉讀出長短曝光信號擴展了單個像素的讀出時間,讀出速率可下降到1/3以下�；谒墓苡性聪袼亟Y(jié)構(gòu),通過傳輸管對PD電荷容量調(diào)制,實現(xiàn)像素內(nèi)長短曝光信號融合,像素輸出即為大動態(tài)范圍圖像信號,無需外部存儲或處理,大大緩解了多次曝光技術(shù)的高數(shù)據(jù)率和大數(shù)據(jù)量問題。本文主要創(chuàng)新點如下:1.提出了一種非均勻摻雜柵極技術(shù)來改善像素的電荷轉(zhuǎn)移效率。這種技術(shù)能夠改善傳輸管柵下電勢分布,消除勢壘或勢阱,從而促進電荷順利從PD轉(zhuǎn)移到FD。仿真和實驗結(jié)果表明,像素能夠?qū)崿F(xiàn)完全的電荷轉(zhuǎn)移和零拖尾。2.提出了一種采用緊湊式讀出的多次曝光技術(shù),通過將不同行的長短曝光信號進行交叉讀出,擴展了單個像素的數(shù)據(jù)讀出時間,從而緩解了傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)所帶來的高讀出速率問題。與傳統(tǒng)的滾筒式多次曝光相比,本方案能夠延長268%的像素讀出時間。3.提出了一種能夠在像素內(nèi)實現(xiàn)長短曝光信號融合的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)多次曝光技術(shù),該技術(shù)在像素內(nèi)同時完成長短曝光信號的積分,只需一次讀出就能夠獲得大動態(tài)范圍信號,無需額外的數(shù)據(jù)存儲和處理�；诖讼袼貎�(nèi)信號融合技術(shù)制作的一款傳感器樣片動態(tài)范圍由51.59dB擴展到91.53dB。
【關(guān)鍵詞】：CMOS圖像傳感器 有源像素 電荷轉(zhuǎn)移 大動態(tài)范圍 動態(tài)范圍擴展 多次曝光
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP212;TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 圖像傳感器概述10-14
• 1.1.1 圖像傳感器的發(fā)展10-13
• 1.1.2 大動態(tài)范圍圖像傳感器13-14
• 1.2 大動態(tài)范圍圖像傳感器的研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 多靈敏度14-15
• 1.2.2 對數(shù)光響應15
• 1.2.3 阱容量調(diào)整15-17
• 1.2.4 飽和探測17-19
• 1.2.5 多次曝光技術(shù)19-20
• 1.2.6 其他方案20
• 1.3 大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器的研究意義20-21
• 1.4 本論文的內(nèi)容安排和主要創(chuàng)新點21-23
• 1.5 本章小結(jié)23-24
• 第二章 CMOS圖像傳感器24-41
• 2.1 CMOS圖像傳感器架構(gòu)24-26
• 2.2 光電探測器件26-30
• 2.2.1 光在硅體的吸收26-27
• 2.2.2 PN結(jié)光電二極管27-29
• 2.2.3 光柵29-30
• 2.2.4 雪崩擊穿光電二極管30
• 2.3 CMOS圖像傳感器中的像素30-35
• 2.3.1 3T有源像素31-32
• 2.3.2 4T有源像素32-34
• 2.3.3 采用鉗位光電二極管的 4T有源像素34-35
• 2.4 4T有源像素評價指標35-40
• 2.4.1 轉(zhuǎn)移效率36
• 2.4.2 量子效率36-37
• 2.4.3 靈敏度37-38
• 2.4.4 滿阱容量38-39
• 2.4.5 暗電流39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 第三章 大動態(tài)范圍像素設計41-80
• 3.1 CMOS圖像傳感器專用工藝41-43
• 3.1.1 光電二極管形成SEN和SEN242
• 3.1.2 傳輸管溝道調(diào)整CPI1和VTNH42
• 3.1.3 復位晶體管閾值調(diào)整RSVT42-43
• 3.1.4 防穿通注入APT43
• 3.1.5 表面鉗位層CPI243
• 3.2 快速完全電荷轉(zhuǎn)移設計43-68
• 3.2.1 電荷非完全轉(zhuǎn)移原因43-46
• 3.2.2 PD與傳輸管溝道的工藝調(diào)整46-63
• 3.2.3 非均勻摻雜柵極63-68
• 3.3 復位晶體管設計68-71
• 3.4 防穿通設計71-73
• 3.5 版圖設計73-75
• 3.5.1 PD與傳輸管設計73-74
• 3.5.2 FD設計74
• 3.5.3 暗電流考慮74-75
• 3.5.4 非感光區(qū)域隔離75
• 3.6 像素測試結(jié)果75-77
• 3.7 應用測試結(jié)果77-79
• 3.8 本章小結(jié)79-80
• 第四章 用于多次曝光的緊湊讀出技術(shù)80-92
• 4.1 多次曝光技術(shù)80-84
• 4.1.1 滾筒讀出時序工作原理80-81
• 4.1.2 多次曝光技術(shù)81-84
• 4.2 緊湊讀出方案84-89
• 4.2.1 工作原理85-88
• 4.2.2 適用條件88-89
• 4.3 測試結(jié)果和討論89-91
• 4.3.1 測試結(jié)果89-90
• 4.3.2 應用討論90-91
• 4.4 本章小結(jié)91-92
• 第五章 像素內(nèi)長短曝光融合技術(shù)92-118
• 5.1 傳輸柵對PD阱容量的調(diào)制作用92-94
• 5.2 像素內(nèi)長短曝光融合技術(shù)原理94-96
• 5.3 量化分析96-99
• 5.4 傳輸管柵壓VTX_G與VPD_MID關(guān)系分析99-102
• 5.4.1 亞閾值階段99-101
• 5.4.2 線性階段101
• 5.4.3 復位階段101-102
• 5.5 噪聲特性分析102-105
• 5.5.1 隨機噪聲103-104
• 5.5.2 固定模式噪聲104
• 5.5.3 信噪比104-105
• 5.6 仿真結(jié)果105-106
• 5.7 樣片設計106-110
• 5.8 測試結(jié)果與討論110-117
• 5.8.1 光響應特性110-112
• 5.8.2 噪聲特性112-113
• 5.8.3 VTX_G與VPD_MID關(guān)系113-114
• 5.8.4 動態(tài)范圍擴展結(jié)果114-117
• 5.8.5 應用討論117
• 5.9 本章小結(jié)117-118
• 第六章 總結(jié)與展望118-120
• 6.1 論文工作總結(jié)118-119
• 6.2 后續(xù)工作展望119-120
• 參考文獻120-131
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明131-133
• 致謝133-134

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