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Tof图像传感器由于在激光三维成像、自动驾驶、机器人视觉、手势识别等方面的广阔应用前景成为研究的热点。和基于间接时差测距法的Tof图像传感器对比,基于直接时差测距法的Tof图像传感器有成像速度快,受光子噪声影响小等优点,因而更多的适用于快速运动场景成像和远距离探测,其精度主要由单光子雪崩二极管(SPAD)探测器性能和时间数字转换(TDC)电路精度决定,这也是该技术的发展难点,本文针对该问题做了深入的研究。第一,传统技术的SPAD普遍器件面积大,雪崩击穿电压高,不利于高度集成。本文基于SMIC 0.13μm CIS工艺,优化设计出具有较低雪崩击穿电压和较小器件面积的SPAD结构,通过Silvaco TCAD工艺器件特性仿真证明该结构设计满足边缘电场低等要求,并根据不同的结构尺寸,设计了11个SPAD版本,根据流片测试结果来实际验证。第二,SPAD淬灭电路的设计。根据设计要求,本文采用改进型的主动淬灭电路,通过电流控制模式以提高电路的响应速度,利用低压CMOS晶体管实现了性能良好的主动淬灭电路。将整体死时间控制在了5ns,具有迅速淬灭、结构简单,版图面积小、高集成度的优点,并由时序要求设计了精确的延时电路,从而对复位开关进行复位控制。第三,高精度TDC电路设计,本文根据直接计数法和游标法,设计了由粗精度测量和细精度测量组成的TDC电路,其中细精度测量是设计重点,通过游标法两级延时链的方式来实现,从而达到ps量级的时间分辨率。本文优化设计的SPAD具有较低雪崩击穿电压,淬灭电路具有很快的淬灭速度,整体死时间约为5ns,达到目前文献报道中最好的性能。同时整体像素结构版图所占面积很小,从而具有很高的集成度。目前国外对Tof图像传感器的研究较为领先。国内研究成果和理论水平都与国外有较大差距,大多停留在软件仿真层面上,本设计在完成像素单元设计后通过SMIC 0.13μm CIS工艺流片来实际验证,关于这方面的研究,对提高我国在该领域的研究水平有着非常重要的意义。