随着半导体工艺水平的提升，使制造背照式CMOS图像传感器成为可能。相比于传统CMOS图像传感器，背照式结构大幅度提升了CMOS图像传感器的光电转换效率。背照式CMOS凭着其低成本、低功耗、易于集成以及制造工艺与CMOS工艺兼容等优势，在很多领域已逐步取代CCD图像传感器。然而，传统的背照式CMOS图像传感器存在噪声水平高，暗电流大以及图像拖尾等问题，极大地限制了背照式CMOS图像传感器在微弱光照条件的应用。针对这一问题，本论文在传统背照CMOS图像传感器的基础上，引入钉扎雪崩光电二极管(Pinned Avalanche Photodiode：PAPD)结构。通过优化器件结构和相关参数，提升了背照式 CMOS图像传感器在微光条件下的表现。此外还验证了相关双采样电路能有效降低微光像素单元的噪声。　　本研究分析了PAPD中的碰撞电离过程，建立了电场强度和倍增增益的物理模型，为PAPD结构的优化奠定理论基础。接着，基于三维数值仿真平台Sentaurus TCAD对 PAPD结构进行了仿真。分析了 p+层对表面复合电流的影响，优化了衬底掺杂浓度，从而减小了体内复合电流。此外，还分别研究了浮扩散电容的掺杂浓度、栅长以及防穿通层(Anti-Punch Through：APT)对沟道泄漏电流的影响。分析结果表明，栅长越长，电荷泄漏速度越慢。APT层的加入也能有效减小泄漏电流，但加入APT层同时还会引入一个较大的寄生电容，从而影响器件的瞬态特性。另外，还研究了衬底偏压和钳位电压对N阱内电子浓度的影响，建立了钳位电压与各区域掺杂浓度的模型。当衬底浓度和N阱浓度分别为1×1015cm-3和2×1015cm-3时，N阱内空间电荷的浓度等于掺杂浓度，实现了完全耗尽，从而有效抑制了图像拖尾。最后，为了减小固定图形噪声对像素单元信噪比的影响，采用了相关双采样电路对像素单元的噪声特性来进行优化。为了提升背照式 CMOS图像传感器在微光条件下的应用，论文在传统背照式CMOS图像传感器的基础上引入了PAPD结构，并对相关参数和器件结构进行了优化。为了抑制像素单元的固定图像噪声，设计了相关双采样电路。结果表明，经过优化的像素单元具有更低的泄漏电流，更低的噪声水平，并有效抑制了图像拖尾。本论文的研究结果对微光CMOS图像传感器的设计具有一定指导意义。