CMOS图像传感器凭借其高集成度、低成本和低功耗等优势,已经广泛应用于移动设备、消费电子、汽车电子、空间成像、安防监控和医疗成像等领域。随着有源像素尺寸的不断缩小,CMOS图像传感器在更小的芯片尺寸上实现了更高的分辨率,但也出现了满阱容量、信噪比和动态范围降低等问题。作为新一代主流图像传感器的候选方案,量子图像传感器在理论上有效解决了以上问题,其同时具有单光子计数、空间过采样和时间过采样三大特征,且在微光成像、高分辨率成像、大动态成像和高速摄像等领域具有广阔的应用前景。因此,在现有理论的基础上,对基于单光子计数有源像素的量子图像传感器开展更加深入的研究具有重要的意义。本文以量子图像传感器有源像素为核心,从理论建模、特性分析和设计仿真三个方面开展研究。首先,基于概率统计学,提出了一种量子图像传感器信号链模型。该模型描述了量子图像传感器信号、噪声、信号误差、光响应、信噪比和动态范围等特性,进而得出了扩展高精度光子和光生电子计数曝光区间以及提高信噪比和动态范围的主要方法。其次,基于有源像素理论,提出了两种高转换增益有源像素器件结构。通过降低两种器件结构浮空扩散节点与传输栅及复位栅之间的交叠面积或形成非交叠区域,降低了浮空扩散节点总电容值,从而提高了像素转换增益,进而有效降低了其折合到输入端的读出噪声。最后,基于0.18μm标准CMOS工艺,提出了五组高转换增益有源像素器件设计方案。通过TCAD仿真平台对以上方案进行工艺和电学仿真,分析了其结构、掺杂、电压、电荷、电势和电容等仿真结果,得出了其转换增益、交叠电容、复位电压和图像拖尾等性能参数,进而从仿真角度证明了以上两种高转换增益有源像素在保证浮空扩散节点完全复位以及电荷完全转移的前提下,能够将四管有源像素的转换增益由89.8μV/e-分别提升至115.1μV/e-和118.2μV/e-,其预期转换增益提升比例分别为28%和31%。