漏电流对CMOS探测器成像品质的影响分析

唐庆博 唐超 张恒浩

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

遥感器设计技术

漏电流对CMOS探测器成像品质的影响分析

唐庆博 唐超 张恒浩

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

CMOS探测器近年来在工业、民用、航天等领域得到了广泛的应用，而漏电流对 CMOS探测器成像品质影响的研究却较少。文章针对CMOS探测器在低读出速率时造成图像噪声过大的原因进行了分析，发现CMOS探测器的漏电流是产生该种图像噪声主要成因，并对不同读出速率下的像质进行了试验分析。理论和试验结果表明：在较低的读出速率时，CMOS探测器的漏电流产生的噪声过大，导致图像噪声的增大，影响了像质。因此，设计CMOS相机时应重点考虑低读出速率时，CMOS探测器漏电流对像质的影响，必要时要增加缓存，以便获得更好的像质。文章将为CMOS探测器在低速读出应用、设计提供一定的参考。

漏电流 图像探测器 图像噪声 读出速率 空间相机

0 引言

互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）探测器是一种新发展的固体图像传感器，其工作过程为：光子信号由光敏单元转换为电压信号输出，经过后续的放大、AD 转换等过程转换为数字图像信号[1]。相对于CCD探测器而言，CMOS探测器具有空间抗辐射能力强、动态范围大、读出速度快、成本低、体积小、质量轻、集成度高、功耗低等优点，现在广泛应用于航空航天、生物医学、工业、天文观测等诸多领域[1-4]。CMOS探测器的每个光敏二极管都搭配了放大器，该放大器很容易受到供电或相邻电路干扰等影响，带来噪声，同时放大增益的不同也会引起很大的固定模式噪声，因此，与CCD相比，CMOS 探测器往往存在更大的噪声[2]。文献[1]、文献[4-15]对CMOS探测器的噪声产生原因进行了广泛的研究和分析，本文主要研究CMOS探测器漏电流对图像噪声的影响。

1 漏电流的机理

CMOS探测器的漏电流[3-4]是指光电探测器产生的与半导体光电效应无关的电流，它可能是由于热激发或其他机制产生的空穴电子对形成的。漏电流由于多种原因产生，文献[16-19]总结分析了CMOS探测器中漏电流产生的原因，如图1所示。

图1中I1是pn结反向偏置漏电流；I2是亚阈值漏电流；I3是氧化通道漏电流；I4是由于热载流子注入引起的栅极漏电流；I5是由于栅极导致漏电流（GIDL）；I6是漏源之间通道穿过的漏电流。其中，I2、I5、I6电流是在关闭状态的漏电流，而I1、I3电流在开和关状态时均会产生；I4电流在关闭状态时产生，但是主要发生在转变时晶体管偏置状态。CMOS探测器的漏电流为上述各种因素产生的漏电流的总和。

漏电流与暗电压的关系如图2所示，图中ID是漏电流密度；VD是探测器暗电压；VG是采样晶体管电压。

为研究漏电流对 CMOS探测器的影响，在设计CMOS相机时，CMOS探测器选用ONSEMI公司2k×2k CMOS 芯片 LUPA4000。根据LUPA 4000的手册，像元结构6T，每个像元包含光敏二极管、复位晶体管、采样晶体管、存储单元、2个放大器和行选通开关。图 3为 LUPA 4000的 6T 像元结构的等效电路的示意图。CMOS探测器的像元结构，尤其是采样晶体管对于图像噪声会产生影响，采样晶体管在图3中用红色圆圈标识。

根据LUPA 4000的器件手册 ，LUPA 4000探测器暗电压约为1.3V，因此，相当于采样晶体管的VD为1.3V，VG=0V，如图2点划线所示。故此可以估计出采样晶体管上的漏电流密度约为ID=3×10-10A/cm2。

根据漏电流及图像读出的时间关系计算漏电流产生的噪声[8]

式中 N为漏电流产生的图像噪声；ID为漏电流密度；A为CMOS探测器像元的面积；T为图像读出第一个像素与最后一个像素的时间差；q为单个电子的电荷量；CE为单个电子对应的DN值。

LUPA4000探测器的ID=3×10-10A/cm2，A=1.44×10-6cm2，q=1.602 189 2×10-19C/e-，CE=0.012 8DN/e-。当读出速率为 4MHz，图像从上部开始逐行扫描，图像下部的最后一行结束扫描，读出第一行与最后一行（全画幅2 048×2 048）的时间差约为：T=2 047×1 024×250ns=524ms。根据式（1）探测器的像素漏电流积累的噪声电荷与时间成正比，致使图像下部相比于图像上部积累了更多的图像噪声，故此图像下部的噪声比图像上部的噪声大。根据式（1），可以算出漏电流产生的噪声为

即同一幅图像中，图像下部与图像上部图像噪声大约相差为18.09DN。同理依据式（1）可以计算出，读出速率为 10MHz、20MHz、25MHz的图像噪声，不同读出速率时漏电流影响的图像噪声的理论分析结果，如表1所示。

表1 不同读出速率漏电流影响的图像噪声Tab.1 Image noise influenced by the leakage current under different readout rates

2 试验结果及分析

根据以上的分析，试验温度为23℃时，在4MHz、10MHz、20MHz和25MHz读出速率下进行试验。图4为在读出速率为4MHz时，实际采集的一幅图像。在图中上部和下部分别选取同样大小的区域，选取的背景颜色大致相同的进行分析，如图所示分别为区域1和区域2；图4中可以看出，区域2及其附件区域的噪声较大比区域1及其附件区域有更多的噪声点；图4的右侧分别显示出了区域1和区域2的噪声，区域1中的噪声为14.399DN，区域2中的噪声为35.651DN。

采集暗场图像，分别在图像上部和下部取同样大小的区域，进行分析，不同读出速率下图像噪声试验结果如图5所示。

从图4和图5中可以看出，在读出速率低时，由于漏电流的影响在图像的下部产生较多的噪声，从而使得图像上部和图像下部的噪声分布不均匀；而读出速率提高时，漏电流的影响较弱，图像下部噪声比图像上部仅有小幅度的增加，整幅图像的噪声分布较一致。

将不同读出速率、同一位置图像上部和下部的图像噪声试验数据和理论分析的结果进行对比，结果如表2所示。

表2 图像噪声试验结果和分析结果数据Tab.2 Image noise experiment result and analysis result data

从表2中可以看出，理论分析与试验结果的趋势一致。图像噪声的产生是多方面的，包括热噪声、散粒噪声、闪烁噪声等，漏电流噪声只是图像噪声中的一种，所以理论分析比试验结果略小，最大的差异为3.16DN。相机工作时，读出速率高，CMOS探测器采集到的图像，由于漏电流产生的图像噪声较小，其图像上部和下部的差别会降低，图像的一致性会更好，而且图像的整体噪声也较小。因此，在设计CMOS相机时，应重点考虑图像的读出速率，可以增加缓存，如增加一片 SDRAM，提高图像读取速率。保证图像上部和下部的一致性，也能够明显的降低图像噪声。

3 结束语

本文对漏电流对图像噪声的影响进行了理论分析，并进行了相关的试验验证。理论分析和试验结果表明：由于CMOS探测器结构的特殊性，如果CMOS探测器的图像读出速率较低，会造成CMOS探测器的漏电流增大，漏电流造成图像噪声过大，导致图像噪声在图像上部和图像下部不一致。故此，在设计CMOS相机时应重点考虑降低图像读出速率对图像噪声的影响，必要时要增加缓存，以便获得更好的像质。

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The Influence of the Leakage Current to CMOS Image Quality

TANG Qingbo TANG Chao ZHANG Henghao

（R&D Centre, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China）

CMOS image sensor is widely used in industrial, civil, aerospace and other fields in recent years. However, the influence of the leakage current to the CMOS image quality is less studied. According to the mechanism analysis of the CMOS sensor, it is found that the leakage current of the CMOS image sensor is the main reason of the image noise. The leakage current mechanism of CMOS image sensor is analyzed and image quality is analyzed under different readout rates. Theoretical and experimental results show that the image noise is increased at lower readout rates, because of the influence of the leakage current of the CMOS. And the results show that the image noise will increase at the bottom of image. Therefore, designing CMOS camera should consider the effects of low readout rate to image noise, and it is necessary to increase cache for obtaining better image quality. The study of this paper will provide strong guidance for CMOS design in low-speed readout applications.

leakage current; image sensor; image noise; readout rate; space camera

TN29

A

1009-8518(2017)03-0053-05

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.006

唐庆博，男，1979年生，2004年获北京交通大学电力电子与电力传动专业硕士学位，高级工程师。研究方向为空间目标识别及图像预处理技术。E-mail：13910695360@163.com。

（编辑：王丽霞）

2017-03-17