垂直电荷成像器件（VPS）及其系统的噪声研究

发布时间：2020-05-20 20:34

【摘要】：CCD和CMOS是主流的两种图像传感器,其成像性能随着对它们内部噪声源研究的深入和噪声抑制方法的创新而不断提升。可见,对图像传感器进行噪声分析是必要的。垂直电荷成像器件(VPS)作为一种新型的图像传感器,其噪声过大的问题极大地限制了成像质量,改善噪声性能迫在眉睫。而目前并没有研究人员对VPS进行过系统的噪声分析,抑制噪声就更无从谈起了。因此,对VPS进行噪声分析有极其重要的意义,有利于新一代图像传感器的发展。本文首先分析了 VPS器件级上的噪声源,以器件工作原理和阵列连接方式为基础,通过软件仿真、理论计算和实验测试等一系列方法确定了 VPS器件具有49%的扩散串扰、33.2e-的暗电流、108μV的读出噪声和严重的FPN。最后从VPS系统读出电路的工作原理出发,分析了读出电路中存在的噪声源,用理论计算确定了读出电容的复位噪声和ADC的量化噪声,通过统计学的实验方法验证了读出电路中各控制信号对读出噪声的影响,确定了各控制信号的最佳的脉冲时长和彼此间的间隔时长,在减小噪声的前提下提高了成像的帧率。通过本文对VPS噪声的系统分析,确定了影响VPS成像质量的关键因素有VPS器件的暗电流、阵列的串扰、读出电容的复位噪声、ADC的量化噪声和系统的FPN。其中,复位噪声和量化噪声可分别通过增大读出电容和减小斜坡电源步进来进行相应的优化,FPN可通过均场校正等算法消去,而暗电流和串扰既是噪声最严重的部分,又是最难以抑制的因素,极大地制约了图像质量的提升。基于对VPS噪声的深入研究,探索了抑制暗电流和串扰的方案,为接下来进一步抑制噪声、增强VPS成像质量提供了理论依据,指明了研究改善的方向。
【图文】：

电路图,像素,电路,图像传感器

噪比、减小噪声、增大动态范围等方面性能是图像传感器进一步发展的趋势。逡逑在二十世纪八十年代中期，可见光波段的图像传感器市场基本被电荷耦合器逡逑件（Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｏｕｐｌｅｄ邋Ｄｅｖｉｃｅ，邋ＣＣＤ）所占据，而更早出现的互补金属氧化物半导逡逑体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ邋Ｍｅｔａｌ邋Ｏｘｉｄｅ邋Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，邋ＣＭＯＳ）器件最初是用来进行混逡逑合红外探测的⑴。但随着标准ＣＭＯＳ集成电路制造工艺的不断发展、ＣＭＯＳ图逡逑像传感器（ＣＭＯＳ邋Ｉｍａｇｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ．邋ＣＩＳ）结构从ＣＭＯＳ－ＰＰＳ到ＣＭＯＳ－ＡＰＳ等的不断演逡逑进，ＣＩＳ的性能有了长足的提高，同时由于其成本的巨大优势，在消费市场领域逡逑占据了主导权。逡逑至今，在天文观测、医学影像和军事监控等对成像质量有严格要求的领域，逡逑高端ＣＣＤ仍然独领风骚。但是在移动终端、安防监控和数码相机等更加关注性逡逑价比的消费领域中，ＣＩＳ己经成为主流。逡逑ＣＩＳ能够大规模取代ＣＣＤ的一个很重要的原因在于ＣＭＯＳ有源像素传感器逡逑（ＣＭＯＳ－ＡＰＳ）的发明。在ＣＭＯＳ－ＡＰＳ之前，首个商用的ＣＭＯＳ传感器就是无逡逑源感器（ＣＭＯＳ－ＰＰＳ）。逡逑

方向图,控制栅极,浮栅,电压

代结构工作时感光电荷是在垂直方向上进行转移的，所以命名为垂直电荷转移成逡逑像器件［３２】（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ－ｃｈａｒｇｅ－ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ邋Ｐｉｘｅｌ邋Ｓｅｎｓｏｒ，，简称邋ＶＰＳ）。现今，ＶＰＳ邋己逡逑经发展到第二代了，其基本结构如图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逦ＳＴＩ邋ＭＯＳ－Ｔ逡逑Ｐ－Ｓｕｂ逡逑图２．１邋ＶＰＳ基本结构二维示意图逡逑从图２．１中可以看出，ＶＰＳ由形成在同一邋Ｐ型半导体衬底（后续称为ＰＷ）逡逑上方的浮栅ＭＯＳ电容和浮栅晶体管构成。其中，ＭＯＳ电容实现ＶＰＳ的感光功逡逑能，晶体管实现ＶＰＳ的读取功能。ＭＯＳ电容和晶体管在衬底中通过浅槽隔离区逡逑（ＳＴＩ）隔开，两者的衬底上方依次为隧穿氧化层（Ｔｕｎｎｅｌ邋Ｏｘｉｄｅ）、浮栅、栅间逡逑电介质层（Ｏｘｉｄｅ－Ｎｉｔｒｉｄｅ－Ｏｘｉｄｅ，０Ｎ０）和控制栅。浮栅和控制栅极由ＭＯＳ电逡逑容和晶体管共用，并且浮栅晶体管在垂直于纸面方向的衬底中还设有源极和漏极。逡逑２．１．２逦ＶＰＳ工作原理逡逑作为一个新型的可见光波段的成像器件，ｖｐｓ必须能够完成光生电子的探测逡逑７逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TP212

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