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深入解析：如何通过降低MOSFET RDS(on)提升有源像素传感器性能
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深入解析：如何通过降低MOSFET RDS(on)提升有源像素传感器性能

背景：有源像素传感器对器件性能的严苛要求

在现代CMOS图像传感器中，有源像素传感器（APS）因其优异的集成度与性能表现，已全面取代传统无源像素结构。然而，其性能高度依赖于底层晶体管的电气特性，尤其是用于复位、读出和选择功能的MOSFET。其中，导通电阻 RDS(on) 的大小直接决定了像素单元的工作效率与稳定性。

1. RDS(on)在像素电路中的具体影响

在典型的四晶体管（4T）有源像素传感器中，包含：

  • 复位晶体管（Reset Transistor）
  • 源极跟随器（Source Follower）
  • 行选择晶体管（Row Select Transistor）
  • 可能的缓冲放大器

这些晶体管均需具备极低的RDS(on)，以确保：

  • 快速复位：复位晶体管必须在短时间内完成像素节点的电平重置，避免残留电荷影响下一帧图像。
  • 低延迟读出：选择晶体管的低导通电阻可加速信号从像素传输至列总线，支持高速视频采集。
  • 保持信号完整性：过高的电阻会导致信号衰减与失真，尤其在高分辨率阵列中更为明显。

2. 影响RDS(on)的主要因素分析

根据公式：
RDS(on) = 1 / (μ × Cox × W/L × VGS - VT)，其中：

  • μ：载流子迁移率
  • Cox：单位面积栅电容
  • W/L：沟道宽长比
  • VGS：栅源电压
  • VT：阈值电压

可见，降低RDS(on)可通过：

  • 提升沟道材料迁移率（如使用硅锗、应变硅）
  • 增大W/L比例（但受限于像素面积）
  • 提高栅压或降低阈值电压（需权衡静态功耗）
  • 采用新型栅介质与金属栅结构

3. 实际设计中的权衡与解决方案

在实际芯片设计中，存在多个矛盾点：

  • 面积与性能的平衡：增大晶体管尺寸虽能降低RDS(on)，但会牺牲像素填充因子。
  • 功耗与速度的冲突：提高栅压可降低电阻，但会增加漏电流，导致静态功耗上升。
  • 工艺复杂性提升：先进结构（如GAA）虽性能优越，但制造成本高昂。

为此，工程师常采用混合方案，例如：

  • 仅在关键路径（如复位/选择管）使用低RDS(on)器件
  • 利用自适应偏置技术动态调节栅极电压，兼顾待机与工作状态
  • 采用双阈值晶体管，在不同工作模式下切换使用

4. 案例研究：某高端手机摄像头传感器的优化实践

某主流厂商在其最新一代旗舰手机图像传感器中，采用改进型FD-SOI（Fully Depleted SOI）工艺，配合超薄栅氧与镍硅化物接触技术，使关键MOSFET的平均RDS(on)降低至原设计的60%。实测结果显示：

  • 像素读出速度提升约35%
  • 暗电流下降18%
  • 在120fps视频模式下功耗降低22%

5. 结语：迈向更智能的像素时代

随着人工智能、增强现实和自动驾驶等领域的爆发式增长，对图像传感器的实时性、能效与可靠性提出了前所未有的挑战。未来，通过系统级协同优化——包括材料创新、结构革新与算法辅助——进一步降低MOSFET的RDS(on)，将是实现“更小、更快、更省”的有源像素传感器的关键路径。

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