第二章为 CMOS 传感器的工作原理分析，介绍了 CMOS 传感器的种类和结构，然后通 过光生伏特效应分析了 PN 光电二极管的工作原理，接下来介绍了主要噪声及产生机理。

第三章为 CMOS 传感器的整体模块设计，介绍了 AD620、CD4051 的工作原理以及单片 机 STM32F103 的 datasheet，利用 C 语言进行编程，以控制单片机实现整个多光电探测器信 号同步控制与采集，即采用 PD、N 型 MOS 管等元件设计实现像素为 8×8 的 CMOS 传感器工 作。并给出了电路原理图及 PCB 设计图。

第四章为硬件电路及芯片搭建，KEIL5 源文件烧写到 STM32 上后运行仿真，采集相应数 并分析及作图，最后在 MATLAB 中以三维图像呈现。意在仿照 CMOS 图像传感器对光学信 号进行采集处理。

最后一章为对论文工作总结。

2 CMOS 图像传感器的工作原理

2。1 CMOS 图像传感器的类别

CMOS 芯片组成

由图 2。1 可知，CMOS 传感器除了与 CCD 同样拥有感光元件 pixel array、行列存储移位 器以及电荷放大器，还添加了用于处理模拟信号的单元、A/D 模数转换器以及图像信号处理、 时序电路等单元。

在分类上，按照感光元件差别，CMOS 传感器可分为 MOS 管光栅型和光电二极管型， 按像素上电路不同的复杂度可分为有源像素（Active Pixel Sensor，APS）型和无源像素（Passive Pixel Sensor，PPS）结构[8]。如今的研究主流是光电二极管感光元的 APS 型 CIS，因此对光栅 型及 PPS 型只做如下的简要介绍：

2。1。1 光栅型 CMOS 图像传感器

光栅型图像传感器（Photogate CMOS Image Sensor，PG CIS）的光栅部分有 Poly，SiO2 ， p-sub。PG 工作于深耗尽态，即给 Poly 加上正电压，将会有耗尽层于 P 型衬底上部形成，随 电压增大，电子将多于带电离受主而形成反型层，基于这个原理，如果 Poly 突然接收较大电 压，耗尽层中的 v 电子产生低于 v 电压变化，无法及时建立反型层，为了维持电中性，大量受主由耗 尽层向半导体内部延生产生。来*自~优|尔^论:文+网www.youerw.com +QQ752018766*

光栅工作在深耗尽的状态，当 PG CMOS Image Sensor 受光照时，耗尽层中随之形成的光 生电子空穴对会以迟缓的 v 复合，并一直累积增加。此时，将输出节点的浮置扩散（Floating Diffusion Output Node，FD）复位到 VDD1，接着改变光栅脉冲，让加在 PG 的电压值低于 FD， 形成的电压差使得光生载流子从耗尽层中以缓慢的 v 向 FD 扩散，FD 处的电位下降到 VDD2。

通过比较 FD 处的 VDD1 复位电压水平）与 VDD2（信号电压水平）之差，就可以得出与光强 度为正比的输出信号[9]。

由结构图 2。2 可看出，光栅型像素的双层多晶硅工艺略为复杂。可以在 PG 和 TX 之间需 要插入扩散桥（Diffusion Bridge）来实现单层 Poly[10]，但是 Diffusion Bridge 会引起电子拖影； 其次 Poly 会选择吸收光，特别是多层覆盖之后，量子效率明显降低，影响光响应，尤其是蓝 光。但是其读出噪声得到了较好的抑制（10~20 均方根电子）。