一种采用电荷分配和LOFIC技术的高动态范围像素设计与仿真

作     者：张玉增 高志远 徐江涛 

作者机构：天津大学微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验室 

出 版 物：《激光与光电子学进展》 (Laser & Optoelectronics Progress)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2022YFB3205101) 

主　　题：CMOS图像传感器 横向溢流集成电容 动态范围 电荷分配 像素 

摘      要：针对像素动态范围不足的问题，提出了一种采用电荷分配和横向溢流集成电容(LOFIC)技术的高动态范围像素结构。通过分裂LOFIC电容并增加光生电荷的直接溢流通路，将曝光期间收集的溢出电荷在分裂后的两个电容间按电容值进行分配，并对较大电容进行动态刷新，实现高光信号电压的压缩，提升了像素的满阱容量(FWC)和动态范围，调节电荷分配次数以及分裂后的电容比例可实现不同程度的动态范围扩展。本文基于110nm工艺设计了6μm×6μm的像素，高转换增益(HCG)为128μV/e-，总体LOFIC电容为31.36fF。仿真结果表明，当电容提升因子为7时，像素的满阱容量为1.43Me-，动态范围可达116.8dB，与传统LOFIC像素相比，动态范围扩展了16.6dB。这表明，电荷分配LOFIC像素能够在有限的电容条件下实现更高的动态范围。