低壓4T-PPD 有源像素的設計與測試

徐文靜，陳杰，曠章曲，周莉，陳鳴，張成彬

（1 中國科學院微電子研究所，北京 100029）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

（3 上海韋爾半導體股份有限公司，上海 201210）

0 引言

CMOS 圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）主要應用于智能手機、安防監控及汽車領域，近年來逐步擴展到物聯網（Internet of Things，IoT）及人工智能（Artificial Intelligence，AI）領域。IoT 及AI 設備通常使用電池供電，一次充電往往需要使用一周甚至數周，這對CIS 的功耗提出了挑戰，因此開展超低功耗CIS的研究具有重要意義［1-2］。降低功耗最顯著的手段是降低電源電壓，CIS 讀出電路的電源電壓受限于像素陣列的電源電壓。四管鉗位光電二極管（Four Transistors Pinned Photodiode，4T-PPD）有源像素是當今CIS業界最廣泛采用的像素結構，其傳統實現方式電源電壓均大于2.8 V［3-4］。2016 年CHOI J 團隊對有源像素的時序進行了改進，使得4T-PPD 有源像素可以工作在0.9 V，但其讀出噪聲高達83e-rms，動態范圍僅有50 dB，只能滿足低品質成像［4］。

4T-PPD 有源像素設計的關鍵點在于光生電荷的轉移。在傳統高壓4T-PPD 電荷轉移特性的研究中，2003 年，FOSSUM E R 采用熱電子發射理論模擬了電荷從PPD 到電荷存儲節點（Floating Diffusion，FD）的轉移［5］；2016 年，HAN Liqiang 等在這一基礎上，加入了FD 向PPD 的反向電荷注入等非理想因素［6］；2019 年，CAPOCCIA R 等在上述基礎上加入了熱電子發射勢壘高度的估算［7］。然而，這些理論均不能完全適用于低壓4T-PPD，這是因為上述理論都假定光生電荷在PPD 內部是完全轉移的，然而，低壓4T-PPD 與高壓的最大區別是PPD 內部電荷的不完全轉移，當電壓下降時，PPD 內部遠離傳輸管的電子缺乏橫向電場，滯留在感光區域，造成圖像拖尾，從而會嚴重影響成像品質。

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