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三维成像系统的应用领域极其广泛，个人消费电子、汽车电子、游戏娱乐、工业生产、生物医疗、科学研究、国防军事等都有涉及。但目前三维成像系统存在体积大、价格高、不便携、难操作等劣势极大的限制了其应用。为了使三维成像系统小型化、可便携、低成本，采用单芯片集成是最佳的选择方案之一。对于单芯片集成三维成像系统，最核心的问题是设计基于标准CMOS工艺的单光子雪崩二极管，并设计合适的像素读出电路。本文分析了CMOS单光子雪崩二极管的技术难点，基于旺宏0.5um标准CMOS工艺设计了单光子雪崩二极管的结构，并通过数值仿真、器件仿真和流片测试进行了验证；对单光子雪崩二极读出电路、三维像素电路进行了分析与设计，并经仿真后流片。具体工作如下：1、分析研究了单光子雪崩二极管的工作原理、工作性能及工作模式。先阐述了单光子雪崩二极管的工作机制与条件；接着对单光子雪崩二极管的性能参数进行了分析，包括光子探测率、暗计数率、死时间、后脉冲、时间分辨率等；结合单光子雪崩二极的工作原理，分析了在被动、主动、门模式电路下单光子雪崩二极管的工作性能。2、结合标准CMOS工艺，分析了制作CMOS单光子雪崩二极管的难点，利用标准CMOS工艺的层次设计了单光子雪崩二极管新的器件结构，解决了边缘过早击穿的问题，使得CMOS电路的低电压与单光子雪崩二极管工作的高电压兼容。提出了单光子雪崩二极管蜂窝阵列结构。建立单光子雪崩二极管的数值仿真模型，分析了雪崩淬灭、瞬态响应等。采用TCAD器件仿真工具Atlas进行了边缘过早击穿抑制的验证。对单光子进行了版图设计、投片试制与光电测试，结果表明光谱响应峰值在460nm，雪崩脉冲响应明显。3、研究了可用于CMOS工艺完全集成的单光子雪崩二极管的读出电路。对单管被动淬灭-被动恢复像素电路，双阈值被动淬灭-主动恢复电路进行了分析、仿真验证，其特点在于像素结构简单，晶体管数目少，电路紧凑；分析设计了片上可测深度距离信息的全差分三维像素电路，包括全差分运算放大器、开关电容反馈电路、光电探测器等电路。对各电路进行了其仿真验证，其中全差分OTA增益为73dB，相位裕度为62°；像素输出线性度高。最终对其进行版图设计与流片。