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时间延时积分(Time-Delay Integration, TDI)型图像传感器是一类以扫描方式对物体进行成像的图像传感器。与普通线阵图像传感器相比，TDI型图像传感器具有高灵敏度和高信噪比的特点，适合于在暗光条件下或对高速运动物体进行成像，广泛应用于空间遥感、航空成像、工业监测和安全监控领域。与电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)型TDI图像传感器相比，基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺的TDI图像传感器在制造成本、芯片功耗和可集成性方面优势明显，而基于CMOS工艺的有源像素作为图像传感器的感光单元，对传感器的成像质量有着重要影响。本文立足于CMOS工艺平台，开展面向TDI型CMOS图像传感器的有源像素研究。本文分析了TDI型CMOS图像传感器的工作方式，阐明了其对有源像素中电荷转移速度与暗电流水平的要求，得出了像素设计的方向和重点。以CMOS标准工艺平台为基础，通过对多种像素结构进行流片验证，并对测试数据进行分析和评估，最终完成了大尺寸像素的设计优化，所设计像素成功应用于一款128级TDI型CMOS图像传感器中，芯片采用0.18um工艺实现，测试结果表明传感器在灵敏度和信噪比等指标上都获得了提升。针对TDI型CMOS图像传感器的特殊设计要求，如低功耗设计、高动态范围设计和低成本设计等方向，本文从传感器的像素结构优化出发，提出了相应的解决方案，这些研究对于高性能TDI型CMOS图像传感器的设计具有一定的指导意义。本文的主要创新点包括：1、基于提高大尺寸像素中电荷转移速度的设计考虑，提出了一种光电二极管内非均匀掺杂的方案。采用该方案可使二极管内形成横向电场，有助于提高电子的转移速度，从而满足TDI型传感器的高读出速率要求。2、基于低功耗TDI型CMOS图像传感器设计考虑，提出了像素内电荷累加的方案，使用该方案可降低像素阵列外累加器的累加频率，该累加频率的下降可使读出电路的功耗相应降低。3、基于高动态范围TDI型CMOS图像传感器设计考虑，提出了在阵列中使用高低两种不同转换增益像素结构的方案，该方案利用了TDI的累加方式，信号的高动态范围融合完成于TDI的累加过程之中，其动态范围扩展的同时，信噪比水平也得到了提高。