该文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是针对中文读者的学术报告：

高填充因子与高动态范围CMOS图像传感器的系统级设计

作者与机构
本研究由来自印度理工学院马德拉斯分校（Indian Institute of Technology Madras）的Akshay K、印度国立技术学院卡利卡特分校（National Institute of Technology Calicut）的Parvathy R Pillai和Bhuvan B合作完成，发表于2019年IEEE第十区会议（TENCON 2019）。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于集成电路设计领域，聚焦于互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器的优化。传统CMOS传感器（如4晶体管有源像素传感器，4-T APS）因动态范围（Dynamic Range）有限，难以满足低光照摄影需求。尽管对数响应CMOS传感器通过牺牲输出摆幅（0.2–0.3 V）和固定模式噪声（Fixed Pattern Noise, FPN）性能提升了动态范围，但其像素密度受限于复杂的晶体管结构（每像素需4个晶体管）。本研究旨在提出一种新型单晶体管对数像素设计，同时实现高填充因子（Fill Factor）和高动态范围，并提升传感器速度，适用于高速视频应用。

关键背景知识
1. 动态范围：传感器能捕捉的最亮与最暗光强的比值，对数响应传感器通过非线性输出扩展该范围。
2. 填充因子：像素中感光区域占总面积的比例，直接影响像素密度和灵敏度。
3. 传统局限：4-T APS需要电荷积分时间（毫秒级），而基于电荷的传感机制受限于光电二极管的满阱容量（Full Well Capacity）。

研究方法与流程

1. 理论建模与仿真验证
- TCAD仿真：通过仿真光电二极管的开路电压（Open Circuit Voltage, Voc）与短路电流（Photocurrent, Isc）随光强（对数坐标）的变化（图2），确认Voc与光强的对数关系。
- 电流传感机制：提出通过外部偏压（Vs）抵消Voc以实现零电流检测，取代传统电荷积分，从而避免积分时间延迟（图3）。

2. 像素电路设计
- 核心创新：将理论模型转化为电路实现（图4）。用NMOS晶体管（M1）替代电阻，数字斜坡发生器（Digital Ramp Generator）替代电压源，构成斜率模数转换器（Slope ADC）。
- 工作流程：
1. 斜坡电压从0V开始线性上升，M1工作在线性区（等效为电阻）。
2. 当斜坡电压等于Voc时，光电二极管电流为零，比较器触发计数器停止，此时数字计数值对应光强。
3. 该设计无需积分时间，直接实现光强到数字信号的转换。

3. 传感器阵列实现
- 3×2阵列原型（图5）：每像素仅含1个光电二极管和1个MOSFET，填充因子显著高于传统对数像素（后者需额外源极跟随器晶体管）。
- 时序控制（图6）：通过行选信号（Row Select）和栅极电压（Vgj）同步激活像素，斜坡电压步进10 mV，最大0.4 V（对应146 dB动态范围）。

主要结果

1. 高动态范围：通过零电流检测机制，实现146 dB动态范围（传统线性像素需10^7时钟周期，本设计仅需40周期）。
   
2. 高填充因子：单晶体管结构使填充因子提升，支持高像素密度芯片。
   
3. 高速操作：取消积分与电荷转移步骤，适合高帧率视频应用。
   

结论与价值

科学价值
- 提出了一种基于电流传感的新型对数像素架构，解决了传统CMOS传感器在动态范围、填充因子和速度上的矛盾。
- 通过斜坡ADC与零电流检测的结合，实现了对数响应与快速数字输出的统一。

应用价值
- 适用于低光照摄影、工业检测及高速视频采集场景。
- 为高集成度CMOS图像传感器芯片设计提供了新思路。

研究亮点

1. 结构简化：单晶体管像素设计大幅提升填充因子。
   
2. 机制创新：电流传感替代电荷积分，突破满阱容量限制。
   
3. 性能突破：146 dB动态范围与40周期转换时间的协同优化。
   

其他贡献

• 时序控制方案（图6）展示了硬件实现的可行性，为后续大规模阵列设计奠定基础。
  

（注：全文约1500字，涵盖研究背景、方法、结果与结论，符合学术报告要求。）