2、像素单元基础：4T像素结构详解、光电二极管(PD)设计、传输栅极(TG)与浮置扩散区(FD)

好，我们直接进入正题。像素单元，说白了就是CIS图像传感器的“眼睛”。你想想看，没有它，光信号怎么变成电信号？今天咱们就聊聊最经典的4T像素结构，以及里面几个关键器件——光电二极管、传输栅极和浮置扩散区。

2.1 4T像素结构：为什么是四个晶体管？

4T像素，顾名思义，就是每个像素里用了四个晶体管。哪四个？传输管（TG）、复位管（RST）、源跟随器（SF）和行选管（RS）。我刚开始接触CIS时，觉得3T结构更简单，为什么非要搞4T？

原因其实很直接：降低噪声。3T像素最大的问题是复位噪声和暗电流噪声很难消除。4T结构引入了一个“浮置扩散区”（FD），配合传输栅极，可以实现真正的相关双采样（CDS）。

我个人习惯把4T像素的工作流程分成四步：

1. 复位：RST打开，FD被复位到高电位（VDD）。
2. 采样复位电平：读出FD的复位电压（VRST）。
3. 转移：TG打开，PD中的光生电荷全部转移到FD。
4. 采样信号电平：读出FD的信号电压（VSIG）。

你看，VRST和VSIG的差值，就是真正的光信号。这个差值里，复位噪声被减掉了。

2.2 光电二极管(PD)设计：光生电荷的“水库”

光电二极管，就是像素里收集光生电荷的地方。它的设计直接决定了量子效率（QE）和满阱容量（FWC）。

PD的结构有很多种，最常用的是钉扎光电二极管（PPD）。为什么叫“钉扎”？因为它在表面形成了一层P+钉扎层，把表面复合中心给“钉”住了，从而大大降低了暗电流。

设计PD时，我主要关注三个参数：

• 结深：决定了蓝光和红光的响应。结深太浅，蓝光吸收好但红光吸收差；结深太深，红光吸收好但蓝光容易在表面复合。我一般会根据工艺节点和光谱需求来折中。
• 掺杂浓度：影响耗尽区宽度和满阱容量。浓度太高，耗尽区窄，FWC小；浓度太低，容易穿通。我记得有个项目，为了追求高FWC，把N型掺杂浓度降得很低，结果发现PD和FD之间发生了穿通，电荷还没转移就漏过去了。
• 面积：像素尺寸定了，PD面积也就定了。但要注意，PD不能做得太大，否则会影响TG和FD的布局。

2.3 传输栅极(TG)：电荷转移的“阀门”

TG的作用，就是把PD里的电荷“瞬间”转移到FD。这个“瞬间”有多快？通常要求在几十纳秒内完成。如果转移不彻底，就会产生残影（image lag）。

TG的设计，说白了就是电势分布的设计。TG打开时，PD和FD之间的电势要形成一个“斜坡”，让电荷能顺利滑过去。如果中间有个“坑”，电荷就会陷在里面。

我常用的优化手段：

• 栅氧化层厚度：薄氧化层可以降低阈值电压，提高转移效率。但太薄了容易漏电。
• 沟道掺杂：在TG下方做一层轻掺杂的P型层，可以调节电势分布，防止势垒形成。
• TG与PD的重叠：重叠区域太小，转移效率低；重叠区域太大，会增加暗电流。我一般控制在0.1~0.2um之间。

2.4 浮置扩散区(FD)：电荷到电压的“转换器”

FD是一个电容节点，它的作用是把电荷转换成电压。转换增益（CG）由FD的电容决定：CG = q / CFD。电容越小，增益越高。

FD的设计，我主要关注两点：

1. 电容大小：电容太小，增益高但满阱容量小；电容太大，满阱容量大但增益低。需要根据应用场景来平衡。比如，暗光环境下需要高增益，那就把FD做小一点。
2. 漏电流：FD的漏电流会直接增加暗噪声。我一般会在FD周围加一圈P型环，隔离衬底噪声。

我记得有一次，客户要求高动态范围，我们就把FD的电容做大了。结果发现，虽然动态范围上去了，但暗光下的信噪比下降了。后来我们采用了双转换增益（DCG）技术，通过切换FD的电容来适应不同光照条件。嗯，这个技术现在很流行。

2.5 小结：4T像素的“平衡艺术”

你看，4T像素的设计，其实就是一场平衡艺术。PD要兼顾QE和FWC，TG要兼顾转移效率和漏电，FD要兼顾增益和动态范围。任何一个环节出了问题，都会影响最终图像质量。

我个人觉得，做像素设计，最重要的是理解工艺与设计的交互。你光看仿真结果是不够的，必须了解工艺的波动范围。比如，注入能量的偏差、退火温度的变化，都会影响PD的结深和TG的阈值电压。

好了，这一章就到这里。下一章我们会聊聊像素阵列的布局和读出电路，到时候再细讲。