這一次，我們來(lái)聊聊CIS里最最關(guān)鍵的一個(gè)部分：像素！可以說(shuō)幾乎所有CIS的性能指標(biāo)最終都由像素設(shè)計(jì)的好壞而決定。這么說(shuō)吧：讀出電路的設(shè)計(jì)決定了一個(gè)圖像傳感器的性能下限，而像素的設(shè)計(jì)決定了一個(gè)圖像傳感器的性能上限！

　　像素的種類(lèi)可以是非常多的，比如可見(jiàn)光最常用的就是3T，4T，5T像素，如果還要加入更多的功能，比如全局快門(mén)（GS，Global Shutter），高動(dòng)態(tài)（HDR，High Dynamic Range）等就要加入更多的晶體管；X光用于做Photon Counting的CTIA-based pixel；用于Event sensor的DVS pixel；用于3D成像的常作dToF（direct time-of-flight）的SPAD像素，常作iToF（indirect time-of-flight）的demodulation pixel；再比如紅外的direct injection， CTIA等，bolometer使用測(cè)電阻的pixel；另外還有 TDI pixel，CCD的2/3/4-phase pixel 等等等等。

　　大的類(lèi)別我們就有幾十種像素，如果把所有人類(lèi)設(shè)計(jì)過(guò)的像素都列出來(lái)，可能幾百上千種，所以我們是不可能把所有這些像素全講一遍的。這個(gè)世界上絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器（》95%）都是基于可見(jiàn)光的2D成像，所以我們這里只重點(diǎn)介紹3/4/5T像素。如果大家有機(jī)會(huì)進(jìn)入不同的公司工作，或者做全定制設(shè)計(jì)，再去接觸更多好玩的東西。

　　首先我們來(lái)了解一個(gè)概念：快門(mén) Shutter?？扉T(mén)決定了像素的進(jìn)光方式和進(jìn)光量，這也就決定了成像質(zhì)量。快門(mén)可以分為機(jī)械快門(mén)（Mechanical Shutter）和電子快門(mén)（Electronical Shutter），而電子快門(mén)里又可分為卷簾快門(mén)（Rolling Shutter）和全局快門(mén)（Global Shutter）。機(jī)械快門(mén)是由兩塊shutter blade組成，曝光前，第一塊blade把整個(gè)sensor遮住，然后通常來(lái)說(shuō)是有上至下將blade移開(kāi)，開(kāi)始曝光，隨后第二塊blade再?gòu)纳现料乱瞥?，將sensor整個(gè)擋住，曝光結(jié)束。這兩個(gè)blade的移動(dòng)速度是非常非?？斓模畈欢嗫梢赃_(dá)到35km/h，所以一個(gè)35mm的全畫(huà)幅相機(jī)，blade可以讓sensor在差不多1/400s內(nèi)開(kāi)始或結(jié)束曝光，所以可以說(shuō)所有的機(jī)械快門(mén)都是“近似”全局快門(mén)的。

　　那么機(jī)械快門(mén)如何實(shí)現(xiàn)更快的曝光時(shí)間呢？這個(gè)比較“簡(jiǎn)單”，就是在第一塊blade還沒(méi)有完全打開(kāi)的時(shí)候，第二塊blade就已經(jīng)開(kāi)始向下移進(jìn)行遮擋，當(dāng)然這個(gè)也是有極限的，最快大概就在1/8000s這個(gè)樣子，想要更快的速度，那就需要電子快門(mén)了。如下圖，你就可以看到電子快門(mén)中卷簾快門(mén)和全局快門(mén)的區(qū)別。對(duì)于卷簾快門(mén)來(lái)說(shuō)，每一行像素的曝光時(shí)間都至少間隔了一行像素的讀取時(shí)間，比如我們讀取一行需要10us，我們有1000行像素，那么第一行像素和最后一行像素曝光開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間就間隔了差不多10ms，這樣在拍攝運(yùn)動(dòng)物理時(shí)，圖像就會(huì)有明顯的失真了；相應(yīng)的，全局快門(mén)指的就是所有的像素都具有相同的曝光開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間了。

　　在開(kāi)始講解像素之前，我們解決上一講提到的如何收集光產(chǎn)生的電子的問(wèn)題，下圖是一個(gè)4T像素剖面圖。現(xiàn)代sensor基本都是使用pinned-photodiode（PPD）來(lái)收集電子的。PPD的結(jié)構(gòu)就是有一個(gè)深度大致到1～2um深度的N-type layer，然后從硅表面到10～100nm深度內(nèi)有一層摻雜濃度較高的pinning層，這一層pinning層和sub一起需要能讓整個(gè)N摻雜層fully depleted，這個(gè)時(shí)候PPD內(nèi)的電勢(shì)就無(wú)法再升高了，即pinned，此時(shí)的電壓即稱(chēng)為pinning voltage，它的范圍一般在0.6～1.2V之間。

　　Pinning voltage的選擇，可以影響像素的很多性能，比如full well，dark current等等，所以如何進(jìn)行pinning voltage的選擇對(duì)各廠家來(lái)說(shuō)是保密的，所以我也就不多說(shuō)了。另外，因?yàn)閜inning層比較淺，所以他的離子注入能量大概在10～20keV左右，而對(duì)于PPD層，他的離子注入能量范圍就比較寬了，大概在50～500keV左右，而對(duì)于某些需要深PPD的像素，其注入能量可能高達(dá)幾個(gè)MeV，而且PPD的離子注入也可能需要多次進(jìn)行，比如50keV一次，100keV一次，200keV一次，每次摻雜的濃度也不盡相同，而這些摻雜具體該怎么做，對(duì)最后的性能影響很大，所以就需要做TCAD仿真了，這個(gè)仿真你有實(shí)力（有錢(qián)&有人）的話，可以自己做；或者在foundry廠的輔助下做。

　　這里再說(shuō)一下，當(dāng)你從foundry廠拿回芯片以后，怎么確定pinning voltage做的對(duì)不對(duì)呢？一般foundry會(huì)有自己的test structure去測(cè)試這個(gè)，當(dāng)然你也可以自己做一個(gè)test structure，而最常用的方法就是做一個(gè)基于PPD doping（P+ Pinning&N- PPD）的JFET，然后不斷source和drain的電壓，看什么時(shí)候測(cè)不到電流了，就說(shuō)明整個(gè)PPD已經(jīng)fully depleted，這個(gè)時(shí)候的電壓就是pinning voltage。這種測(cè)試方法，其實(shí)也是有一定誤差的，當(dāng)然也有其他辦法去測(cè)，但是我覺(jué)得這些討論相對(duì)就比較學(xué)術(shù)了，這里就也不展開(kāi)了。工程，就是用最簡(jiǎn)單的方法找到最優(yōu)的近似 ，你說(shuō)呢？

　　當(dāng)有了N-doped PPD層之后，就會(huì)在其周?chē)纬蒬epletion region，這個(gè)depletion region的深度有多少，也是非常重要的。這是為什么呢？如圖所示，如果光進(jìn)入到打depletion region才被吸收，產(chǎn)生的電子就會(huì)被立即掃入到PPD層中而儲(chǔ)存在那里，空穴也會(huì)被掃出到sub里；但是如果光子是在sub里被吸收的，產(chǎn)生的電子就會(huì)在sub里隨機(jī)移動(dòng)，他的終結(jié)方式有三種：

　　1）進(jìn)入到該像素depletion region，從而被掃入到該像素PPD儲(chǔ)存起來(lái)；

　　2）進(jìn)入到旁邊像素的depletion region，而被旁邊像素當(dāng)作正常信號(hào)儲(chǔ)存起來(lái)，這樣就會(huì)降低MTF，圖像質(zhì)量下降，這個(gè)現(xiàn)象在越小的像素里越明顯，所以你可以看到現(xiàn)在手機(jī)里的像素的都會(huì)加入DTI（deep trench isolation），就是為了減小這個(gè)串?dāng)_；

　　3）再次跟其他的空穴recombine，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能量大約等于禁帶1.12eV的光子，這個(gè)光子有可能直接射出，或者在硅里經(jīng)過(guò)一定的距離后再次產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)，這樣就有很大概率，這個(gè)電子就丟掉了，導(dǎo)致QE降低。但是除非是某些科學(xué)級(jí)應(yīng)用，我們的epitaxy厚度只會(huì)做到3～5um左右，電子大概率還是會(huì)被PPD存儲(chǔ)起來(lái)的。那么如果光子是在MOS管的P well中被吸收的呢？那么電子就有可能直接進(jìn)入FD（floating diffusion）中，這就會(huì)影響CIS中，特別是全局快門(mén)中，一個(gè)很重要的指標(biāo)PLS（Parasitic Light Sensitivity）。根據(jù)以上討論，可以發(fā)現(xiàn)，我們希望PPD下的整個(gè)epi也都是depletion region，這樣產(chǎn)生的電子立馬就會(huì)進(jìn)入到正確的pixel中。所以你看，epi的選擇也是很重要的。

　　下面就來(lái)解決我們上一講中提到的問(wèn)題：為什么要用外延層呢？這里我說(shuō)幾個(gè)比較重要的原因。

　　首先bulk wafer在生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免的會(huì)引入不少雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)呢，就會(huì)成為產(chǎn)生dark current的源頭。啥叫dark current？就是在無(wú)光照條件下，我們這個(gè)反偏的PN結(jié)中會(huì)產(chǎn)生并存儲(chǔ)的電子數(shù)量。Dark current產(chǎn)生的原因有很多，我們這里先不展開(kāi)了，這里說(shuō)下有個(gè)主要原因就是各種雜質(zhì)，或者表面態(tài)會(huì)在禁帶中，特別是禁帶中央，引入額外的能級(jí)，這樣電子更容易躍遷，即Shockley-Read-Hall（SHR）效應(yīng)。

　　而使用epi呢，就能較好的控制雜質(zhì)濃度。這里再補(bǔ)充一個(gè)小知識(shí)，就是gettering工藝，就是為了將epi中的雜質(zhì)量減到最小。gettering在image sensor中用的很多，但在其他地方確不常見(jiàn)。不同的工藝廠，gettering方法不盡相同，比如引入oxygen precipitates等，取決于工藝廠的gettering方法，有的廠會(huì)讓你在版圖中某塊區(qū)域加個(gè)特別的層指示gettering位置，而有的廠則不會(huì)。Gettering的基本原理就是故意引入一些晶格缺陷或摻雜，當(dāng)Fe， Cu， W的等金屬原子在硅片中游移時(shí)，就會(huì)被這些gettering sites鎖住，這樣就不會(huì)與正常的硅晶格產(chǎn)生作用，造成雜質(zhì)能級(jí)。

　　其次bulk wafer的摻雜濃度不易控制，而我們從前面的討論可以看到，襯底的摻雜濃度影響了depletion region的深度，為了保證芯片性能一致性，我們就希望很好的控制襯底的濃度。一般的應(yīng)用，我們的襯底濃度水平會(huì)在10^15~16 /cm3，襯底電阻率大概是1～10 Ohm*cm，我們叫 Low-Res epi；而某些應(yīng)用當(dāng)我們需要depletion region比較深時(shí)，我們就會(huì)使用摻雜濃度在10^12~13 /cm3的epi，此時(shí)電阻率大概是500～5000 Ohm*cm，我們叫 High-Res epi，但是這里要注意，越低的摻雜越不好控制其一致性。

　　那么為什么外延層的厚度一般是3～5um呢？這個(gè)就跟我們前一講說(shuō)的absorption length相關(guān)了。以我們?nèi)搜垤`敏度最高的555nm的光來(lái)說(shuō)，其在硅中absorption length大約為1.6um。那么對(duì)于3um的epi，85%的光子都能被吸收；對(duì)于4um的epi，92%的光子都能被吸收；對(duì)于5um的epi，96%的光子都能被吸收。所以你看，在epi厚度大于5um后，意義就不大了。當(dāng)然對(duì)于科學(xué)級(jí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我們希望QE越大越好，比如對(duì)于800nm的光，其absorption length大約是12um，所以我們epi能有12um后，就能吸收63%的光子了。

　　再增加厚度還有沒(méi)有意義呢？其實(shí)意義也不大了，因?yàn)楸旧韺?duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，absoprtion length就很大，epi厚度要增加非常多才能對(duì)QE有一個(gè)比較大的提升，這樣就會(huì)增加成本，另外就是把depletion region深度做到10um以上也是頗有難度的，因此將epi厚度增加到10um以上，對(duì)QE幫助不大，但會(huì)增加像素間的crosstalk，這樣就劃不來(lái)了。

　　對(duì)于dark current，我想再補(bǔ)充一點(diǎn)兒以此讓大家明白這個(gè)指標(biāo)的重要性。相信熟悉電路的大家都知道，一般對(duì)于nA級(jí)別以下的漏電流來(lái)說(shuō)，我們一般就不怎么關(guān)心了，因?yàn)榭煽氐腛N電流大多情況下也到uA級(jí)別了。而對(duì)于我們的像素來(lái)說(shuō)，如果他的漏電流能到fA級(jí)別，我們的像素都廢掉了。1fA啥意思？1fA～6000e-/s，我們整個(gè)PPD可能也只能存10ke-，如果曝光1秒鐘，這還沒(méi)光照呢，我們整個(gè)PPD就快滿了，那還感個(gè)啥光呢。

　　另外我們知道對(duì)于流過(guò)二極管的電流，他會(huì)產(chǎn)生shot noise，這對(duì)于dark current也是一樣的，因?yàn)樵硎遣畈欢嗟模艽笠徊糠侄际怯捎跓釋?dǎo)致的，所以如果我們有100e-的dark current流過(guò)了，這里就會(huì)有10e-的dark current shot noise，那么我們想要的single-photon imaging就不可能了。像一些科學(xué)級(jí)應(yīng)用，比如說(shuō)天文臺(tái)吧，我們常常需要曝光高達(dá)幾分鐘，甚至幾小時(shí)，那怎么辦呢？最常用也最有效的方法就是降溫。

　　通常來(lái)說(shuō)，dark current每降低5～10度會(huì)降低一倍。假如我們的像素在20C時(shí)dark current有30e-/s，那么如果我們能將溫度降到 -30C，dark current的doubling temperature有5C的話，那么他就能降到0.03e-/s，這樣即使曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)，也只有100e-的暗電流流過(guò)了。當(dāng)然真實(shí)情況不會(huì)像我說(shuō)的這么理想，在溫度降到一定程度，降低dark current 的有效程度就越來(lái)越低了，另外溫度越低，降溫也越困難，需要的功耗也越大，而且其他的電學(xué)性能也會(huì)受到影響，所以一般最低也就做到 -40～-50C。為了降低dark current，我們?cè)趌ayout上也要注意，首先就是在STI附近，要用P+層將其包起來(lái)（所謂的passivation），不讓他和PPD接觸，我們都知道SiO2和Si接觸，就會(huì)產(chǎn)生表面態(tài)，而這也是產(chǎn)生dark current的源頭之一；另外，在畫(huà)PPD的active層時(shí)，不要出現(xiàn)90度角，盡量用45度角，因?yàn)槭褂?5度角生產(chǎn)出來(lái)的PPD的邊界也就越圓滑，STI造成的machnical stress也就越低，這樣dark current自然也就越低。

　　再講一個(gè)關(guān)于像素比較general的一個(gè)知識(shí)，就是像素中我們是不做silicide的！大家都知道，我們做silicide的主要目的就是降低金屬和硅的接觸電阻以及增強(qiáng)可靠性。但是silicide最大的問(wèn)題就是他是金屬和硅的化合物，他是不透光的！如果我們是個(gè)前照的sensor，那整個(gè)PPD就被silicide給遮住了，那還整個(gè)啥?。蝗绻潜痴漳?？也是有一定問(wèn)題的。因?yàn)閟ilicide還是有可能會(huì)引入金屬雜質(zhì)，silicide和硅接觸的地方也會(huì)產(chǎn)生表面態(tài)，這些都是增加dark current的源頭；另外對(duì)于前照我們都不用silicide了，使用背照的時(shí)候我們也沒(méi)必要畫(huà)蛇添足來(lái)增加成本。

　　那么不加silicide有沒(méi)有什么潛在問(wèn)題呢？有的。大家應(yīng)該知道金屬直接跟硅接觸的話，不一定是Ohmic contact，而有可能是Schottky contact，所以對(duì)于FD和MOS管需要與金屬直接接觸的地方，我們一定要保證摻雜濃度還是足夠高的，以保證形成歐姆接觸，所以這些地方的摻雜也是比較重要的。不加silicide當(dāng)然會(huì)增加一些接觸電阻，但其實(shí)這個(gè)是關(guān)系不大的，想想MOS管的溝道電阻一般都在kOhm級(jí)別，所以這里增加一些接觸電阻關(guān)系不大的。

　　以上這些是對(duì)所有的像素設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，都比較通用的一些概念。下面我們對(duì)3T， 4T， 5T像素分別作出說(shuō)明：

　　3T像素的剖面圖與電路圖如下：

　　觀察3T像素電路圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，3T像素是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全局快門(mén)的，因?yàn)槲覀兪菬o(wú)法關(guān)閉PPD的，一旦RST管關(guān)斷，像素便開(kāi)始積累光子（如下時(shí)序圖）。讀取每行像素時(shí)，我們先讀取FD上的信號(hào)電平S，然后給一個(gè)RST脈沖，將像素復(fù)位，然后立馬讀取復(fù)位電平R，用 R-S 我們即可知道之前我們積累了多少光子。這里首先有個(gè)問(wèn)題，我們能不能只讀S，而不讀R呢？可以，但很不好。這個(gè)主要原因就是：像素間的SF的閾值會(huì)有variation，我們用 R-S 的主要目的就是要消掉這個(gè)variation。那么我們能不能先把所有像素的R信號(hào)讀出來(lái)并作記錄，然后以后所有的圖像都只讀S，然后再去用之前得到的R減S呢？可以，但不是很好。因?yàn)闇囟纫坏┳兞?，Vth就變了，那這種off-chip calibration就不奏效了，但是讀取一行像素的時(shí)間都在us級(jí)別，這么短的時(shí)間，溫度幾乎是不會(huì)改變的。

　　3T像素還有一個(gè)問(wèn)題，就是我們只能先讀S，再讀R，所以他只是DS（double sampling），而不是CDS（correlated DS），最終讀取的信號(hào)R-S中就含有因像素復(fù)位引入的kTC噪聲，我們通常稱(chēng)這個(gè)為reset noise。如果vdd電壓較低，復(fù)位電平可以等于vdd，我們就稱(chēng)為hard reset，此時(shí)噪聲即為sqrt（kT/C）；而如果vdd電壓比較高，復(fù)位電平就只能到達(dá)Vrst-Vth，我們稱(chēng)為soft reset，此時(shí)的噪聲為sqrt（kT/2C），因?yàn)榇藭r(shí)相當(dāng)于電子只能朝一個(gè)方向任意流動(dòng)，所以噪聲會(huì)減小，但soft reset有個(gè)比較大的問(wèn)題就是他的最終穩(wěn)定的電壓值是與復(fù)位之前FD上的電壓值和復(fù)位時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)了，這里就可能產(chǎn)生image lag的問(wèn)題，所以后來(lái)人們又發(fā)明了hard-soft reset，當(dāng)然還有更復(fù)雜的active reset。但這些方法，包括3T像素本身，現(xiàn)在都用的不多了，我們就不再做詳細(xì)介紹了，大家有個(gè)了解就行了。

　　這里可能有人質(zhì)疑了，我們其實(shí)可以做CDS啊？可以先把R信號(hào)用ADC讀取出來(lái)，然后積分，再將S信號(hào)用ADC讀取出來(lái)，片外再用R-S啊。這樣是可以，但是很明顯數(shù)據(jù)量加倍了，然后還有一個(gè)問(wèn)題就是CDS的R，S間隔時(shí)間太長(zhǎng)（積分時(shí)間～ms級(jí)），CDS的有效性就會(huì)大打折扣了。因?yàn)槲覀兪褂肅DS不光只是因?yàn)樗梢韵齬eset noise，還因?yàn)檫@么做可以減小SF管的flicker noise，如果CDS的間隔太長(zhǎng)，就不那么有效了。另外間隔時(shí)間太長(zhǎng)后，SF的Vth也可能因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生變化。

　　4T像素的電路圖如下

　　4T像素相對(duì)于3T像素最大的優(yōu)勢(shì)就是在于他能夠做CDS（如下時(shí)序圖）。在讀取每一行像素時(shí)，我們先將FD進(jìn)行復(fù)位，然后讀取復(fù)位電平R，再給入TG脈沖，隨后讀取信號(hào)電平S，即可用 R-S 得到CDS之后的信號(hào)。因此，如今的4T像素在RS下是可以做到讀出噪聲《1e-的！

　　此外4T像素還能夠?qū)崿F(xiàn)全局快門(mén)（如下時(shí)序圖）。我們可先將所有像素的R電平用ADC讀出，接著同時(shí)翻轉(zhuǎn)所有像素的TX，再將所有像素的S電平用ADC讀出。我們可以看到，這并不是一個(gè)很完美的全局快門(mén)。首先數(shù)據(jù)量還是加倍了，另外CDS的間隔時(shí)間也較長(zhǎng)，F(xiàn)D上的dark current的積累時(shí)間大約是總積分時(shí)間的一半，所以除非將溫度降到很低，這樣的全局快門(mén)的讀出噪聲還是會(huì)比較高的。我們還可以看到4T全局快門(mén)的像素積分時(shí)間也是無(wú)法小于讀取像素兩次所需時(shí)間的，導(dǎo)致這樣的全局快門(mén)應(yīng)用有限。

　　當(dāng)然，我們也可以采取類(lèi)似3T的讀取方式以減小數(shù)據(jù)量（如下圖所示），因?yàn)榧尤肓薚X，還是可以實(shí)現(xiàn)全局快門(mén)的，但這樣便沒(méi)有了CDS的優(yōu)勢(shì)了。

　　4T像素中，PD中引入了一層P+摻雜，即Pinned photodiode，通過(guò)P+的引入抑制了PD表面由于Si/SiO2晶格不匹配的缺陷而產(chǎn)生的暗電流，減小了FPN。同時(shí)通過(guò)將N層接正，可以將PD完全耗盡，增加耗盡層寬度，提高PD的滿阱容量。加入了傳輸門(mén)用以控制電荷由PD到FD的運(yùn)輸，提高傳輸門(mén)上的電壓可以將PD中電荷完全轉(zhuǎn)移至FD，但過(guò)高的電壓會(huì)增加晶體管的制造難度。FD區(qū)域?yàn)镹+區(qū)域，與復(fù)位管的漏極（Drain）、源跟隨管的柵極（Gate）連接。

--插入一段4T的介紹--原文鏈接：

https://blog.csdn.net/WANGCHONGCH/article/details/118273652

　　下面給出了4T像素的時(shí)序圖。

　　時(shí)刻t1，復(fù)位、行選、傳輸門(mén)晶體管打開(kāi)，將PD、FD中電子完全耗盡，由復(fù)位管流向Vdd。

　　時(shí)刻t2，傳輸門(mén)晶體管關(guān)閉，光生載流子在PD內(nèi)積累，。

　　時(shí)刻t3，復(fù)位、行選晶體管打開(kāi)，源跟隨管將FD上的電壓信號(hào)放大，信號(hào)再經(jīng)由行選晶體管進(jìn)入列輸出總線。

　　時(shí)刻t4，復(fù)位管關(guān)閉、行選、傳輸門(mén)晶體管打開(kāi)，PD中積累的電子轉(zhuǎn)移至FD中，相應(yīng)的電壓信號(hào)被源跟隨管放大，經(jīng)由行選晶體管進(jìn)入列輸出總線。

　　待整個(gè)信號(hào)讀寫(xiě)完畢，即可進(jìn)入下一個(gè)讀取周期，進(jìn)行復(fù)位操作。

　　下面給出了4T像素電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的電勢(shì)圖。

　?。╝）PPD復(fù)位，對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t1，PD、FD中電荷向高電勢(shì)轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)由復(fù)位管至Vdd。

　　（b）PPD曝光，對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t2，電荷在PD中積累，PD電勢(shì)下降，同時(shí)FD中由于，會(huì)存在電荷積累，使電勢(shì)降低。

　　（c）FD復(fù)位，對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t3，將FD中積累的電荷清空，同時(shí)記錄由源跟隨管放大的信號(hào)VFD1。

　?。╠）電荷轉(zhuǎn)移，對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t4，電荷由PD轉(zhuǎn)移至FD，再由源跟隨管放大FD上的信號(hào)變化。

　　注：FD實(shí)際應(yīng)該有一個(gè)最高勢(shì)壘，而不是無(wú)限深勢(shì)阱。

　　為了解決4T像素只能有較長(zhǎng)積分時(shí)間的問(wèn)題，便引入了5T像素，其電路圖如下：

　　它和4T像素唯一的不同便是在PPD上增加了一個(gè)transfer gate，可命名為T(mén)XF。如下圖時(shí)序，在讀取像素信號(hào)的同時(shí)，我們可以翻轉(zhuǎn)所有像素的TXF信號(hào)，這樣像素的積分時(shí)間長(zhǎng)短便可任意改變了。這里再多說(shuō)一句，對(duì)于卷簾快門(mén)來(lái)說(shuō)，像素的積分時(shí)間能不能做到遠(yuǎn)小于所有像素的讀出時(shí)間呢？也是可以的！這里就留給大家思考一下該怎么做

　　此外，我再說(shuō)一下，設(shè)計(jì)一個(gè)好的4T像素的關(guān)鍵點(diǎn)在哪些地方：

　　1）PPD的pinning voltage選擇及版圖：有關(guān)QE， FW（Full Well） 及 dark current

　　2）TX的版圖設(shè)計(jì)： 有關(guān) dark current 及 Image lag

　　3）FD的摻雜及版圖：有關(guān) dark current，noise，conversion gain 及 PRNU

　　4）SF器件選擇及版圖：有關(guān)noise，linearity 及 FPN

　　我這里只是指出一些需要注意的點(diǎn)，但具體如何做選擇及設(shè)計(jì)，由于涉及的公司機(jī)密較多，因此不便給出，望大家見(jiàn)諒！另外，寫(xiě)這個(gè)系列的主要目的是想向初學(xué)者做一些CIS的基本知識(shí)介紹，吸引大家對(duì)這個(gè)行業(yè)感興趣，加入我們image sensor society這個(gè)大家庭：lol 而不是期望大家看完之后就能做出頂尖的設(shè)計(jì)

　　最后，我想給一個(gè)4T像素版圖的簡(jiǎn)單例子：

　　大家可以結(jié)合前面所講的，想想為什么4T像素的layout是長(zhǎng)這樣的？當(dāng)然，這個(gè)例子做的并不完美，也還是有些問(wèn)題的，這里只是讓大家有一個(gè)大致的概念。

　　希望這次講的能讓大家多少有些收獲吧！ 說(shuō)實(shí)話，講像素設(shè)計(jì)蠻難的，就這么5000來(lái)字，寫(xiě)到現(xiàn)在我斟酌了已經(jīng)7，8個(gè)小時(shí)了，想要讓講解盡量完備，而又不透漏一些設(shè)計(jì)上的機(jī)密，確實(shí)很難取舍。相信這里講的有大家所熟知的，可能也有一些不那么熟知的，總之能讓大家有收獲就好。

更多信息可以來(lái)這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<