基于多次曝光技术的大动态范围CMOS图像传感器研究

发布时间：2017-03-23 17:16

  本文关键词：基于多次曝光技术的大动态范围CMOS图像传感器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着CMOS技术的发展,CMOS图像传感器逐渐达到甚至超过了CCD图像传感器的性能水平,并凭借其低成本、低功耗、易集成等特性广泛应用于各种成像领域。CMOS图像传感器的动态范围通常在60~70dB,但汽车影像、安防监控等应用领域的环境光线范围在100dB以上,普通传感器无法同时获取场景中的明暗细节。传统多次曝光技术可以有效提升传感器的动态范围,但同时会带来高数据率和大数据量的问题。本文针对这一挑战,主要研究采用多次曝光技术的大动态范围CMOS图像传感器的像素设计、时序优化和图像融合技术。本文分析了大动态范围CMOS图像传感器像素的基本原理,基于0.18μm CMOS图像传感器专用工艺平台,提出了两次掺杂光电二极管来构建光电二极管内部电场;提出非均匀掺杂传输管沟道和传输栅结构来建立具有梯度电势分布的电荷传输通道。这两种结构消除了阻碍电荷转移的势垒和势阱,从而提升电荷转移效率,最终达到增强光电转化能力和提升动态范围的目的。针对多次曝光技术所带来的读出速率升高的挑战,提出紧凑式读出技术,通过行间交叉读出长短曝光信号扩展了单个像素的读出时间,读出速率可下降到1/3以下。基于四管有源像素结构,通过传输管对PD电荷容量调制,实现像素内长短曝光信号融合,像素输出即为大动态范围图像信号,无需外部存储或处理,大大缓解了多次曝光技术的高数据率和大数据量问题。本文主要创新点如下:1.提出了一种非均匀掺杂栅极技术来改善像素的电荷转移效率。这种技术能够改善传输管栅下电势分布,消除势垒或势阱,从而促进电荷顺利从PD转移到FD。仿真和实验结果表明,像素能够实现完全的电荷转移和零拖尾。2.提出了一种采用紧凑式读出的多次曝光技术,通过将不同行的长短曝光信号进行交叉读出,扩展了单个像素的数据读出时间,从而缓解了传统多次曝光技术所带来的高读出速率问题。与传统的滚筒式多次曝光相比,本方案能够延长268%的像素读出时间。3.提出了一种能够在像素内实现长短曝光信号融合的技术。相比于传统多次曝光技术,该技术在像素内同时完成长短曝光信号的积分,只需一次读出就能够获得大动态范围信号,无需额外的数据存储和处理。基于此像素内信号融合技术制作的一款传感器样片动态范围由51.59dB扩展到91.53dB。
【关键词】：CMOS图像传感器 有源像素 电荷转移 大动态范围 动态范围扩展 多次曝光
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 图像传感器概述10-14
• 1.1.1 图像传感器的发展10-13
• 1.1.2 大动态范围图像传感器13-14
• 1.2 大动态范围图像传感器的研究现状14-20
• 1.2.1 多灵敏度14-15
• 1.2.2 对数光响应15
• 1.2.3 阱容量调整15-17
• 1.2.4 饱和探测17-19
• 1.2.5 多次曝光技术19-20
• 1.2.6 其他方案20
• 1.3 大动态范围CMOS图像传感器的研究意义20-21
• 1.4 本论文的内容安排和主要创新点21-23
• 1.5 本章小结23-24
• 第二章 CMOS图像传感器24-41
• 2.1 CMOS图像传感器架构24-26
• 2.2 光电探测器件26-30
• 2.2.1 光在硅体的吸收26-27
• 2.2.2 PN结光电二极管27-29
• 2.2.3 光栅29-30
• 2.2.4 雪崩击穿光电二极管30
• 2.3 CMOS图像传感器中的像素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 采用钳位光电二极管的 4T有源像素34-35
• 2.4 4T有源像素评价指标35-40
• 2.4.1 转移效率36
• 2.4.2 量子效率36-37
• 2.4.3 灵敏度37-38
• 2.4.4 满阱容量38-39
• 2.4.5 暗电流39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 大动态范围像素设计41-80
• 3.1 CMOS图像传感器专用工艺41-43
• 3.1.1 光电二极管形成SEN和SEN242
• 3.1.2 传输管沟道调整CPI1和VTNH42
• 3.1.3 复位晶体管阈值调整RSVT42-43
• 3.1.4 防穿通注入APT43
• 3.1.5 表面钳位层CPI243
• 3.2 快速完全电荷转移设计43-68
• 3.2.1 电荷非完全转移原因43-46
• 3.2.2 PD与传输管沟道的工艺调整46-63
• 3.2.3 非均匀掺杂栅极63-68
• 3.3 复位晶体管设计68-71
• 3.4 防穿通设计71-73
• 3.5 版图设计73-75
• 3.5.1 PD与传输管设计73-74
• 3.5.2 FD设计74
• 3.5.3 暗电流考虑74-75
• 3.5.4 非感光区域隔离75
• 3.6 像素测试结果75-77
• 3.7 应用测试结果77-79
• 3.8 本章小结79-80
• 第四章 用于多次曝光的紧凑读出技术80-92
• 4.1 多次曝光技术80-84
• 4.1.1 滚筒读出时序工作原理80-81
• 4.1.2 多次曝光技术81-84
• 4.2 紧凑读出方案84-89
• 4.2.1 工作原理85-88
• 4.2.2 适用条件88-89
• 4.3 测试结果和讨论89-91
• 4.3.1 测试结果89-90
• 4.3.2 应用讨论90-91
• 4.4 本章小结91-92
• 第五章 像素内长短曝光融合技术92-118
• 5.1 传输栅对PD阱容量的调制作用92-94
• 5.2 像素内长短曝光融合技术原理94-96
• 5.3 量化分析96-99
• 5.4 传输管栅压VTX_G与VPD_MID关系分析99-102
• 5.4.1 亚阈值阶段99-101
• 5.4.2 线性阶段101
• 5.4.3 复位阶段101-102
• 5.5 噪声特性分析102-105
• 5.5.1 随机噪声103-104
• 5.5.2 固定模式噪声104
• 5.5.3 信噪比104-105
• 5.6 仿真结果105-106
• 5.7 样片设计106-110
• 5.8 测试结果与讨论110-117
• 5.8.1 光响应特性110-112
• 5.8.2 噪声特性112-113
• 5.8.3 VTX_G与VPD_MID关系113-114
• 5.8.4 动态范围扩展结果114-117
• 5.8.5 应用讨论117
• 5.9 本章小结117-118
• 第六章 总结与展望118-120
• 6.1 论文工作总结118-119
• 6.2 后续工作展望119-120
• 参考文献120-131
• 发表论文和参加科研情况说明131-133
• 致谢133-134

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