像素层面，CIS和PD和单点非成像探测器的PD有什么区别？

一. 主要区别：一个更类似光电容，一个更类似光电二极管

CIS的PD两端电压不是恒定的,基于积分形式，随着积分过程，耗尽区缩小，类似水桶 ；但是一般非成像器件的单点器件PD电压被钳位，电荷被及时抽走，类似水龙头。

1. CIS中PD电压为什么变化？

在CIS（尤其是4T像素结构）中，PD在曝光期间处于浮置状态：

曝光前：通过RST管将PD复位到某一高电位（如），随后RST关断，PD浮置

曝光期间：光子产生电子-空穴对，电子在PD中积累

电压变化：根据 ，积累的电荷导致PD电位

线性下降

这里的电压变化本身就是光强信息，是CIS成像的物理基础。如果PD电压被强制恒定，电荷无法积累，信号就丢失了。

PD电压的动态变化范围直接决定了满阱容量和SNR。

CIS和单PD探测器的对比---动态范围

2. 一般非成像PD为什么电压恒定？

在光电检测、光通信接收机等应用中，PD通常接入有源偏置电路：

各种有源偏置电路

• PD阴极通过低阻抗节点（TIA虚地或固定偏压）箝位，光生电流被即时转换为输出电压，但

PD两端电压由偏置电路强制维持, 这就保证了

响应速度（耗尽区宽度恒定，载流子渡越时间稳定） ， 线性度（避免空间电荷效应导致电场畸变），带宽（结电容恒定，RC时间常数稳定）

当然，还有部分零偏置情况（光伏模式），用于精密测量，PD工作在零偏附近，但电压仍由外部负载决定，不会自由浮动积累电荷。

实际上，CIS的PD在曝光期间的行为更像一个"电容器"而不是一个"二极管",它利用的是PD的电荷存储能力（势阱）, 而一般PD利用的是PD的光电转换+电流输出能力

如果强行给CIS的PD加恒定偏压（比如曝光期间不关闭RST），就会变成连续读出模式，此时读出电路将变得异常复杂，就不能实现大规模阵列了。

值得一提的是，CIS的像素电容是有意设计的信号机制（积分型工作），不影响器件速度，而一般PD的电容是不期望的寄生效应，尤其是在高速探测场景，需要尽可能降低这一电容，从而降低RCdelay。

二、 CIS的PD像素演进过程

刚刚提到， CIS的PD在曝光期间的行为更像一个"电容器"而不是一个"二极管"，在CIS早期，研究者们也是朝着photogate方向研究的，但是后来这一结构被淘汰，而Photogate 的本质是一个受控的 MOS 电容

PG 开启时：表面形成反型层/积累层，光生电子被拉入势阱

PG 关闭时：电荷被"困"在势阱中，随后通过转移栅（TX）读出

本质：完全就是一个可控的 MOS 电容，电荷在势阱中积分，与 PD 的物理机制一致

Photogate 在提出时的优势也很明显，首先它基于MOS电容结构，暗电流低，通过栅压控制，还可将收集区推离表面缺陷，进一步降低缺陷导致的暗电流噪声；其次栅压控制势阱深度，类似CDD的像素结构，灵敏度高，电荷转移效率接近 100% 。

那么为什么 Photogate 后来被淘汰了呢？主要是以下问题：

多晶硅栅对短波长光（蓝/紫光，~400-450nm）有强烈吸收，降低短波波段量子效率（QE），色彩还原严重失真

填充因子（Fill Factor）极低，PG 的实现需要大面积的栅极金属/多晶硅覆盖，额外的 PG 时钟信号布线，转移栅（TX）和复位管（RST）的隔离区，导致FF很低，感光面积被大量非感光结构占据。

PG需要额外的时钟相位。独立的时钟驱动（不同于 TX 和 RST），增加了像素内布线复杂度、行驱动电路负担、 功耗和噪声耦合路径等，这些都增加了像素阵列电路设计的复杂度。

Pinned Photodiode （PPD）的提出：继承了PG和PD优点，克服了缺点

钉扎光电二极管（PPD）继承了光电的门电荷积分优点，同时通过以下机制克服了其根本局限性。首先，为了抑制表面产生的暗电流，P⁺钉扎层将峰值电场重新定位到体硅中，使电荷收集区域与Si/SiO₂界面陷阱和缺陷在空间上分离。其次，N⁺掩埋层与P⁻外延层和P型衬底共同建立了一个内建电场该，电场自然形成一个用于存储光生电荷的势阱，从而无需外部多晶硅栅极来创建和调制表面电势。第三，通过设计N⁺掺杂分布并控制传输栅极（TX）偏置，以确保完全耗尽和接近100%的传输，效率实现了高效的电荷传输。

关键的创新之处在于通过离子注入实现的超薄P⁺钉扎层。其厚度比传统多晶硅栅极小约一个数量级，从而在蓝紫光波段的光吸收可以忽略不计。将通过耗尽区边界推向体硅，P⁺层有效地将表面状态与有源电荷收集区域隔离开来。因此，与传统的N⁺/P型衬底光电二极管相比，暗电流降低了一到两个数量级，同时填充因子和量子效率得到显著了提高。