CIS和单PD探测器的对比：动态范围

核心观点：CIS的动态范围是电路定义的参数，受限制于电容容量；而大注入导致的空间电荷屏蔽是PD器件动态范围的根本物理边界。

在CMOS图像传感器（CIS）中，动态范围（Dynamic Range, DR）的物理上限并非由光电二极管（PD）的本征光吸收能力决定，而是由像素级电路的电荷存储容量所主导。具体而言，4T有源像素（4-Transistor Active Pixel）中的浮动扩散节点（Floating Diffusion, FD）或附加的横向溢出积分电容（Lateral Overflow Integration Capacitor, LOFIC）构成了一个积分电容器网络，其满阱容量（Full Well Capacity, FWC）直接决定了像素可线性存储的最大信号电荷量。该机制可类比为水桶储水：电容值  相当于水桶的截面积，而电压摆幅  相当于桶高，二者共同决定了系统的最大储水量。其定量关系为：

进而，CIS的动态范围定义为最大可存储信号电荷与最小可读噪声电荷之比，通常以分贝表示为：

其中  为读出链路的总噪声电子数（含kTC噪声、源跟随器1/f噪声及ADC量化噪声）。由此可见，通过电路手段——如双转换增益（DCG）切换FD电容、或引入LOFIC扩展积分电容、或通过多帧融合——可在不改变PD材料与结构的前提下，将单曝光动态范围从传统的60–70 dB扩展至100 dB以上，甚至超过120 dB。这充分说明，CIS的动态范围是电路定义的参数，而非器件物理的必然结果。

CIS动态范围示意图

然而，必须明确的是，3T/4T像素架构仅是光电二极管的一种集成化读出方式，其本质是将电荷在像素内积分后顺序读出。若将PD作为分立器件使用，则可采用电容跨阻放大器（CTIA, Capacitive Transimpedance Amplifier）或电阻跨阻放大器（RTIA, Resistive Transimpedance Amplifier）等不同的外围电路实现实时电流-电压转换。

PD常见的读出电路类型

在CTIA模式下，光电流  在反馈积分电容  上连续积分，输出电压 ；在RTIA模式下，则通过高阻值反馈电阻  将光电流直接转换为电压 。此时，信号读出不依赖于水桶模式的积累读出，不再受限于像素内电容的物理储荷上限，系统的动态范围转而由PD器件的本征线性度、暗电流密度及材料击穿特性所主导。换言之，当PD脱离CIS的4T积分-转移框架、通过CTIA/RTIA直接读出时，其动态范围重新回归为器件与材料属性的函数。

众所周知，在强光辐照条件下，PD的线性响应会受到大注入效应（High-Level Injection）的物理限制。当入射光功率足够高时，光生载流子浓度  与  可与耗尽区内的背景掺杂浓度  或  相比拟，甚至远超后者。此时，大量非平衡载流子在空间电荷区（Space Charge Region, SCR）内积累，形成与内建电场方向相反的光生空间电荷场，从而对固有的耗尽区电场分布产生显著的屏蔽效应（Space Charge Screening / Field Screening）。

随着光功率进一步增大，光注入水平达到特定阈值时，耗尽区电场可被完全屏蔽，器件进入非线性饱和区，电场在吸收区内的分布被严重扭曲，载流子的漂移分量被削弱，有效收集长度缩短，复合率剧增，导致光生载流子的收集效率饱和。最终结果是，光电流不再随光功率线性增长。这一限制根植于半导体材料的介电弛豫、大注入下的非平衡输运，载流子输运特性及结型器件的泊松方程约束（电中性条件约束）：

简单从公式上理解，在强注入下，光生载流子项

显著改变空间电荷密度，进而使电势分布  与原始平衡态偏离。

因此，大注入导致的空间电荷屏蔽是PD器件动态范围的根本物理边界，它无法通过读出电路的优化予以消除，只能通过材料选择（如采用宽禁带材料以抑制本征载流子浓度）、器件结构优化（如减薄吸收层以加速载流子提取），Uni-traveling-carrier photodiode等设计实现单载流子输运抑制复合，或提高反向偏压以维持耗尽区电场来部分缓解。

改善大注入的方法

核心观点：可以看到PD和CIS的动态范围问题一个是工程问题，一个是物理边界问题。大部分CIS的工作条件远没有达到器件PD的物理边界。因此学术界很多优化材料和器件设计来拉高器件物理边界的方法对CIS像素阵列并不适用。