互补金属氧化物半导体图像传感器像素内电荷转移 基础概念：像素内的电荷隔离与存储 在一个典型的CMOS图像传感器像素中，光电二极管（PD）负责将入射光子转换为电子（电荷）。然而，在曝光期间生成的这些电荷并不能永久停留在光电二极管内，需要一个临时的“容器”来存储它们，直到被读出。这个临时存储结构通常是一个与光电二极管相邻的 浮置扩散区 。FD是一个通过栅极电容与外界隔离的区域，能够暂时储存电荷并产生与之成比例的电压信号。 核心机制：电荷的定向移动 像素内电荷转移的核心目的，是将光电二极管中积累的信号电荷，高效、完整地移动到浮置扩散区进行电压转换和后续读出。这个过程是通过精确控制像素内几个 金属氧化物半导体场效应晶体管 的栅极电压来实现的。 关键结构 ：除了光电二极管和浮置扩散区，最重要的结构是 传输晶体管 。它的源极连接光电二极管，漏极连接浮置扩散区。当传输栅极被施加高电压（打开）时，会在其下方的半导体中形成一个导电沟道，成为电荷从光电二极管流向浮置扩散区的“桥梁”。 电势引导 ：在电荷转移前，通过复位操作将浮置扩散区的电势预先置为一个较高的参考电平。而曝光结束后，光电二极管区域因积累了负电子（以N型衬底为例）而电势较低。当传输栅极打开，两者之间形成的电势差（“下坡”）成为驱动电荷移动的主要动力。 详细过程：四步操作序列 电荷转移是像素读出周期的一个关键步骤，通常遵循以下序列： 复位 ：首先，复位晶体管打开，将浮置扩散区的电压复位到一个已知的基准电压（如电源电压VDD），然后关闭复位晶体管，使FD处于“浮置”状态。 转移前采样 ：读出此时浮置扩散区的电压，作为“复位电平”信号。这个电平包含了FD本身的噪声（如复位噪声）。 电荷转移 ：此时，给传输晶体管栅极施加一个强脉冲电压，使其充分打开。光电二极管中积累的信号电荷在电势差的驱动下，通过传输栅下方的沟道，全部流入浮置扩散区。 转移后采样 ：电荷转移完成后，关闭传输晶体管。信号电荷的注入改变了浮置扩散区的电压（电压下降）。再次读出此时的电压，作为“信号电平”。信号电平与复位电平的差值，即为与光强成比例的有效图像信号。 技术挑战与优化 不完全转移 ：如果传输栅极电压不足或脉冲时间太短，可能导致部分电荷残留在光电二极管中，造成图像拖影或信号非线性。优化传输栅的结构设计和驱动时序至关重要。 转移噪声 ：在电荷通过传输栅沟道时，可能会受到界面缺陷的捕获和释放，引入随机噪声。需要通过半导体工艺优化来减少硅-二氧化硅界面缺陷。 * . 全局快门实现 ：要实现全局快门（所有像素同时曝光和转移），每个像素都需要一个独立的存储节点（通常是一个额外的 存储二极管 或 存储电容 ）。曝光结束后，所有像素的信号电荷被 同时 从光电二极管转移到各自的存储节点暂存，然后再逐行从存储节点转移到浮置扩散区进行读出。这里的“像素内电荷转移”实际上包含了从PD到存储节点，以及从存储节点到FD的两次关键转移，对转移效率和速度要求极高。 高级应用与影响 高速摄影 ：极快的电荷转移速度是捕捉高速运动画面而不产生模糊的基础。 高动态范围成像 ：通过在一次曝光中分时进行多次电荷部分转移，可以在像素内实现多曝光数据融合，扩展动态范围。 全局快门成像 ：如上所述，高效的像素内电荷转移链是实现高性能全局快门、消除果冻效应的核心技术前提。其转移完整性直接决定了图像的均匀性和动态范围。 背面照度技术 ：在BSI结构中，光电二极管更靠近芯片背面，而传输栅等晶体管在正面。优化电荷从背面的PD向正面FD的垂直转移路径，是BSI传感器设计的核心挑战之一。