CIS|一种0.64μm用于读取噪声和低照度信噪比增强的共享3x3图像传感器
引言
本文演示了pixel size为0.64μm的108Mega像素的CMOS图像传感器，其使用先进的nonacell结构技术来最大限度地提高微光性能。本文采用了一种新的9电荷和（9S）方法，并将用于确定信噪比（SNR）的操作方法和参数与传统的3电荷和3电压平均（3S3A）进行了比较。为了验证我们提出的方法，我们检查对比了图像特性，定量分析了由于产生的信号和转换增益效应而引起的器件性能的增强。与3S3A相比，9S的读取噪声降低了45%，并且在弱光操作条件下证实了SNR值的提高。
1. Introduction
近年来，CMOS图像传感器（CIS）作为一种移动应用受到了极大的关注，因为它被认为是选择移动设备的重要特征之一。出于这个原因，CIS性能的改进是持续需要的，并且正在进行各种努力来提高质量。对高分辨率的需求正在增加，例如，由于透镜模块的光学格式的限制，像素尺寸应该缩小。亚微米像素于2018年首次量产。最近，0.64μm像素是量产中最小的像素。然而，随着像素尺寸的缩小，诸如全阱容量（FWC）、灵敏度和信噪比（SNR）之类的特性不可避免地降低。作为解决这个问题的一种方法，已经提出并广泛使用了诸如2x2、3x3等的像素求和方法。
3x3nona binning手册发布是和0.8μm像素一起的，它可以分别切换108Mp和12Mp的全分辨率和binning分辨率。通过合并9个光电二极管，特别是在低照度条件下，它提高了灵敏度。然而，由于高读取噪声，先前的3x3非像素在低照明条件下遭受相对较差的图像质量。在这项工作中，分析了在非单元结构中根据3x3binning方法的噪声特性，并提出了新的9电荷和方法来提高微光信噪比，并在0.64μm像素中进行了演示。
2. 像素架构
在之前的工作中，将三个1x3共享像素单元合并以生成具有相同颜色的3x3像素。在非binning模式中，我们使用了3电荷和3电压平均模式（由3S3A表示），这表明共享的3个PD中的信号电子被添加到浮动扩散（FD）中，并且三个垂直输出在电压域被平均。另一方面，在这项工作中，采用了用于非装仓的9个电荷和（由9S表示），并且3S3A之间的9S的主要差异是FD节点共同共享的9个PD的数量，像素的物理结构如下图（a）和（b）所示：
由于9个像素共享相同的FD，所以在binning模式下影响高照明条件的SNR的FWC由FD动态范围而不是PD的FWC来确定。因此，重要的是增加FD电容，使其能够吸收尽可能多的电子。为了使FD电容更大，同时使用相邻FD节点的电容的技术由复位（RG）和双转换增益（DCG）晶体管控制。在大量使用FD电容的模式中，FD节点连接到相邻的9共享FD节点，并且总共18个像素与单个节点连接。使用这种方法，FD电容与9共享FD电容相比增加了4倍以上，电路示意图如上图的（c）和（d）段。
在下表中简单地比较了9S和传统3S3A模式的特性：
由于平均值的结果，即使物理FD电容相同，转换增益也降低到1/3。结果，3S3A的输入参考噪声（具体地说是电子单位）是9S的输入参考噪音的3倍。为了比较9S和3S3A之间的SNR，通过以lsb为单位对信号和噪声进行划分来分析信号和噪声。9S的光子散粒噪声由于其信号而相对较大，并且3S3A的暗噪声由于3S3A平均噪声而小于9S模式。在低照度条件下（N>>S），信号电平接管了总噪声，因此，9S的SNR优于3S3A。
下图显示了9S和传统3S3A之间的SNR作为照度的函数的差异：
请注意，对于照度＜10lux的情况，9S的SNR高于3S3A的SNR，这正如我们所讨论的。
3. 结果与讨论
9共享像素结构在像素中放置晶体管（例如源极跟随器（SF）、RG、DCG、SEL晶体管）方面具有优势。随着共享像素数量的增加，存在用于施加多指SF的晶体管的额外空间。通过使用多指SF，SF的沟道面积增加，并且宽度增加与并联使用的宽度一样多，以最大化跨导率。因此，0.64μm像素的随机电报噪声与0.8μm像素相似，即使像素间距降低到0.64μm。此外，还证实了读取噪声从3.4e-降低到1.9e-，直方图对比如下图所示。
注意，电子单元中的读取噪声由于降低平均值影响的转换增益的影响而增加，对于lsb和电子单元，它可以分别用N/√3和√3N表示，其中N表示全模式噪声。
将9S模式的测量特性与传统3S3A的测量特性进行比较如下表所示:
我们可以清楚地注意到9S模式优于传统3S3A模式。SNR特性，特别是在低照度（1lux）下，由于读取噪声而得到改善。FWC、暗电流和白点是CIS性能的关键因素，与之前发表的研究保持在相同水平。
4.结束语
我们证明了0.64μm的9S CMOS图像传感器的读取噪声和SNR特性，将9S的0.64μm和3S3A的0.8μm以单位像素进行比较。我们引入了一种新的binning方案来提高低照度下的信噪比，并在转换增益、噪声和信噪比方面对9S和传统的3S3A进行了比较。所提出的9电荷和binning方法可以显著改善读取噪声，并且已经完成了在低照明条件下可以提供相当于大像素的图像质量和在高照明条件下提供高分辨率的3x3非单元结构。
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