CMOS图像传感器光电二极管解析模型研究及其应用

本文的内容是CMOS图像传感器(CIS)中光电二极管的建模和像素单元的Spice模型及其特性优化的研究。CIS以宽动态范围、高速度、高敏感度、高集成度、低成本等优势,在数码相机、移动电话、手提摄像机、数码单反相机、机器人视觉、安全侦查等领域崭露头角,领先CCD图像传感器,有广泛的应用潜力及开发前景。<br> 目前,针对CIS的研究主要分为两大部分:外围电路的设计和光电二极管特性的提高。外围电路的设计主要集中在如何提高转换效率、灵敏度、速度、动态范围,及如何降低噪声等电路特性;而提高光电二极管特性的研究主要集中在复合半导体材料和掺杂元素。但这些研究都主要基于数值仿真和实验,不仅效率低而且成本高。随着器件尺寸的不断缩小,像素结构和光电器件特性都有新的特点。因此,为了更为快速、更为有效地研究CIS,建立高效、准确的传感器紧凑模型对CIS的发展有着非常重大的意义。<br> 本论文对CIS像素单元的物理特性进行了初步研究,主要分为传感器模型和等效电路网络两部分。首先,针对传感器一一针扎光电二极管(。PPD)的光电转换特性,在泊松方程基础上,利用电流连续性方程,建立光激励的传感器模型,实现物理的、高精度的传感器模型模拟。其次,在相变存储器(PCM)项目的PN Diode驱动阵列建模的成功经验基础上,对电流通路进行了等效电阻网络建模,以实现像素单元内部等效电路的模型。最后实现CIS像素单元的直流特性模型并应用于快速Spice仿真。模型简单,执行效率高,适用于各种结构参数的变化,而且通过与器件数值模拟结果的比较,验证了模型的正确性。另外,针对高速、高频的电路应用,也有对应的非准静态的特性模型。<br> 在本论文发展的CIS像素单元紧凑模型的基础上,有望对其进行改进,做更精确、更有效、更全面的仿真和验证,并建立经过验证的统一的CIS的Spice集约模型及参数库。