一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，该方法通过在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态，然后在仿真环境中采用准直光源入射，调用光注入模型，实现光产生过程的模拟，再设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量，最后改变光强，重复提取光生载流子数目随积分时间的变化曲线，直到满阱容量与前一次光强条件下的满阱容量相同时停止提取，即实现了不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟。本发明专利技术可以直观地看出不同光强对满阱容量的影响。量的影响。量的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法


[0001]本专利技术涉及图像传感器像素单元仿真
，具体涉及一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法。

技术介绍

[0002]互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器的满阱容量代表可存储在光电二极管势阱内的最大电荷量，是衡量CMOS图像传感器感光能力的重要指标。对于多位数字图像传感器，当光强足够大或曝光时间足够长的情况下，图像的灰度值总会达到一个定值，即满阱容量。
[0003]之前关于满阱容量的研究中，很少考虑满阱容量与不同光强之间的关系。但从最近的研究中发现，光强对满阱容量存在极大的影响，认为除非指定光强，否则不能对满阱容量进行定义。这些结论对于CMOS图像传感器的表征和设计至关重要，如果不同的光强对应不同的满阱容量，则不考虑光强的情况下得到的满阱容量和由满阱容量确定的动态范围、信噪比、灵敏度等参数的评估结果都可能存在极大的误差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，该方法通过在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态，然后在仿真环境中采用准直光源入射，调用光注入模型，实现光产生过程的模拟，再设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量，最后改变光强，重复提取光生载流子数目随积分时间的变化曲线，直到满阱容量与前一次光强条件下的满阱容量相同时停止提取，即实现了不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟。本专利技术可以直观地看出不同光强对满阱容量的影响。
[0005]本专利技术所述的一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，按下列步骤进行：
[0006]a、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
[0007]b、在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用TCAD软件中的Ray Tracing光注入模型，实现光产生过程的模拟；
[0008]c、设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量；
[0009]d、改变光强，重复步骤c，直到满阱容量与前一次光强条件下的满阱容量相同时，停止提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，即得到不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟。
[0010]本专利技术所述的一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，具体操作按下列步骤进行：
[0011]a、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
[0012]b、TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，设置参数X.ORIGIN和Y.ORIGIN，确定光源的位置；参数ANGLE，指定光束相对于X轴的传播方向；参数MIN.WINDOW和MAX.WINDOW共同指定光线的入射范围，在Atlas模块中，光束会根据器件的几何形状，在指定的入射范围内自动分割成一系列的光线，光入射后，调用光注入模型(Ray Tracing模型)，通过公式(1)
‑
(5)实现光产生过程的模拟；
[0013]模型中光产生速率G，即硅中的电子
‑
空穴对的产生速率表示为：
[0014][0015][0016]P为射线强度因子，包含了反射、透射，以及光线路径上的材料吸收造成的损伤。η0是内量子效率，表示每个光子产生的载流子对的数目。y是射线的相对距离，h是普朗克常数，λ是波长，c是光速。α为吸收系数，k为光折射率的虚部；
[0017]仿真过程中，将G耦合到泊松方程，电流连续性方程中，对相应网格点处的光强和载流子浓度进行瞬态求解：
[0018][0019][0020][0021]式中ψ为静电势，ε为Si介电常数，ρ为局部空间电荷密度。局部空间电荷密度是所有移动电荷和固定电荷的总和，包括电子、空穴和电离杂质。n和p是电子和空穴浓度,q是单位电荷量，J
n
、J
p
是电子和空穴电流密度,μ
n
和μ
p
为电子和空穴迁移率，D
n
和D
p
分别是电子和空穴扩散系数。n
ie
为有效本征载流子浓度，T
L
为晶格温度；
[0022]c、设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量；
[0023]d、改变光强，重复步骤c，直到满阱容量与前一次光强条件下的满阱容量相同时，停止提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，即实现了不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟。
[0024]本专利技术所述的一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，适用于任意型号CMOS图像传感器辐照前后满阱容量的测试。本专利技术可以直观地看出不同光强对满阱容量的影响。
[0025]因此本专利技术适用于需要掌握CMOS图像传感器性能的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
[0026]图1为不同光强下光生载流子数目随积分时间的变化曲线。
具体实施方式
[0027]实施例
[0028]a、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
[0029]b、TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，设置参数X.ORIGIN和Y.ORIGIN，确定光源的位置；参数ANGLE，指定光束相对于X轴的传播方向；参数MIN.WINDOW和MAX.WINDOW共同指定光线的入射范围，在Atlas模块中，光束会根据器件的几何形状，在指定的入射范围内自动分割成一系列的光线，光入射后，调用光注入模型(Ray Tracing模型)，通过公式(1)
‑
(5)实现光产生过程的模拟；模型中光产生速率G，即硅中的电子
‑
空穴对的产生速率表示为：
[0030][0031][0032]P为射线强度因子，包含了反射、透射，以及光线路径上的材料吸收造成的损伤。η0是内量子效率，表示每个光子产生的载流子对的数目，y是射线的相对距离，h是普朗克常数，λ是波长，c是光速，α为吸收系数，k为光折射率的虚部；
[0033]仿真过程中，将G耦合到泊松方程，电流连续性方程中，对相应网格点处的光强和载流子浓度进行瞬态求解:
[0034][0035][0036][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同光强对CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，其特征在于按下列步骤进行：a、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；b、在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用TCAD软件中的Ray Tracing 光注入模型，实现光产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：李豫东，冯婕，傅婧，文林，郭旗，
申请(专利权)人：中国科学院新疆理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：