微光照条件下CMOS图像传感器设计研究

Low-light-level (LLL) image sensor is the core of LLL night vision technology. Under LLL condition, physical mechanism of photoelectric, charge multiplication mechanism and high SNR readout method of the LLL image sensor are there basic theory problems to be solved. Research contents of this project includes: physical mechanism and mathematical model of the collection, transfer for photo-generated charges in pixels under LLL condition; improve quantum efficiency and the SNR of photoelectric device in pixel through collision ionization charge multiplier mechanism, and develop the method of photoelectric device structure and process; improve the image signal SNR through multi-sampling mechanism en readout circuit. A complete mathematical model of LLL image sensor will be set up, and the design and optimization of the corresponding theory about high quantum efficiency of photoelectric components and precision of the readout circuit will be accomplished based on standard CMOS technology. Innovation achievements of photoelectric response physical model, the core charge multiplication device and LLL image sensor readout circuit will be achieved which will provide feasible theoretical guidance and technical source to the new generation LLL image sensor.

微光夜视技术的核心是微光图像传感器。微弱光照条件下像素光电响应物理机理、像素内光生电荷倍增机制和高信噪比读出方法是目前微光图像传感器发展亟待解决的三个基础理论问题。本项目研究内容包括：基于标准CMOS 工艺平台，研究微弱光照条件下像素光生电荷的收集、转移的物理机理与数学模型；研究在像素中通过电离电荷碰撞倍增机制提高光电器件的量子效率和信噪比的方法，以及相应的光电器件结构和工艺实现方法；研究通过多次曝光采样机制，在读出电路领域实现图像信号信噪比提升的理论和方法。建立一个完整的微光图像传感器数学模型，完成与上述理论相对应的高量子效率光电器件和高精度读出电路的设计和优化。最终在光电响应物理模型、核心电荷倍增器件与读出电路上突破微光图像传感器的发展瓶颈，并取得创新成果，为新一代微光图像传感器设计提供可行的理论指导和技术来源。

本项目以CMOS图像传感器应用于微光条件下面临的基本问题为核心，基于标准CMOS 工艺平台，研究微弱光照条件下像素光生电荷的收集、转移的物理机理与数学模型；研究在像素中通过电离电荷碰撞倍增机制提高光电器件的量子效率和信噪比的方法，以及相应的光电器件结构和工艺实现方法；研究通过多次曝光采样机制，在读出电路领域实现图像信号信噪比提升的理论和方法。本项目建立了完整的微光图像传感器数学模型，并完成与上述理论相对应的高量子效率光电器件和高精度读出电路的设计和优化。本项目在传感器模型和像素结构研究中提出了基于CMOS工艺埋沟型CCD结构，实现了电荷在硅体内转移；提出了适用于微光探测的半浮栅1T有源像素结构，在该像素与传统4T有源像素结构相比可达到更高的填充因子和光敏度。在传感器系统和高信噪比读出电路设计中，提出了粗细量化结合的低功耗数字域累加方案，将像素阵列分成粗量化像素阵列和细量化像素阵列。粗量化像素阵列负责量化高位，细量化阵列负责量化低位，当不同像素对相同物体曝光，只有低K-bit数字码发生变化，高M-bit保持不变，最后完整的量化码值由粗量化高位和细量化低位组成，这样降低了数据总量，从而节省功耗；针对高精度Cyclic ADC中失配电容和有限运放增益的问题，提出了数字域补偿阈值点电压的校准方案，校准时需要断开ADC外部输入，接入测试信号来提取误差参数，同时将误差参数存储在存储器里，在正常转换输入信号时，调用相应的误差来补偿输出；提出了一种适合微光图像传感器的低功耗高精度采用硬件复用技术的拓展量化电路，ADC的运行过程分为粗量化和细量化两个阶段。在粗量化阶段，电路以二阶增量型∑-Δ ADC的结构工作，实现高有效位并产生余误差电压。接着在细量化阶段，电路通过硬件复用转变为两级Cyclic ADC结构，量化余误差电压，从而得到低有效位。将两部分结合，得到最终数字输出，拓展量化技术的应用，显著减少了转换时间，提升了转换速率。