近年来随着CMOS工艺制程的不断进步,CMOS图像传感器的性能不断提升。由于CMOS图像传感器具有低成本,低功耗,高性能的特点,在数码电子产品、医疗设备、工业监控等社会生活和工业生产领域得到了广泛的应用,已经逐渐取代CCD图像传感器。四管有源像素是目前CMOS图像传感器的主流像素结构,钳位二极管的引入很好的抑制了像素的表面暗电流和复位噪声,实现了真正意义上的相关双采样,使CMOS图像传感器的性能得到了质的飞越。因此对于4T像素的研究与优化具有重要的意义。本文结合4T像素的工作机理,分析了图像拖影产生的原因,结合像素的工艺流程,对于4T像素的光吸收效率,图像残留,电荷转移速度提出了改进的方法并通过Sentaurus-TCAD仿真软件进行验证。首先,本文提出了通过一次能量小剂量大的离子注入和一次能量大剂量小的离子注入形成N埋层的方法,增加了PPD的结深,大大提高了像素的光吸收效率,尤其对于长波光的吸收效率提高幅度接近10%。然后通过在N埋层中增加一次离子注入形成掺杂浓度的梯度分布,消除了栅长较短的小尺寸像素PPD的N埋层中容易出现的一个势垒,优化了电荷的转移,降低了残留电子的浓度。在仿真中电荷转移后残留的电子浓度峰值可以从2.59×109/cm3减小到2.62×107/cm3。接下来提出了非均匀沟道的构想。通过在传输栅沟道处增加一次P型的离子注入,形成P+P的掺杂分布,来达到消除势阱和势垒,减小图像拖影的目的,并且通过仿真寻找到了最佳的工艺参数。最后设计了一种适用于大尺寸像素的感光区结构。这种设计通过将像素的感光区分为对称的两部分来在大尺寸像素中达到类似小尺寸像素的电荷转移效果,经过仿真验证对于总面积相等的PPD,改进后的像素在牺牲一定的阱容量的情况下电荷转移时间能够缩短至原先的50%以下,非常适合高速工作环境。综上所述,论文给出的研究方法和仿真结果对于高性能CMOS图像传感器的像素设计特别是对光的吸收效率,图像拖影的消除以及大尺寸像素的设计有一定的指导意义。