近年来，CMOS图像传感器凭借其噪声小、集成度高、成本低等特点，市场份额已经赶超CCD图像传感器，被广泛应用在各种成像领域。对于CMOS图像传感器来说，像素的性能对传感器的成像质量起着最为关键的作用，故本文针对像素的量子效率、满阱容量、暗电流和电荷转移特性，进行了像素的设计和优化，并重点研究了强曝光下影响图像拖尾的电荷回流现象。
　　本文通过采用六管像素结构使全局曝光CMOS图像传感器能够兼容微光成像的高转换增益模式，分析了像素实现高低转换增益两种模式的工作原理。基于0.18μmCMOS图像传感器专用工艺平台，采用插指结构的光电二极管结构，根据量子效率、满阱容量、暗电流和电荷转移效率等关键性能参数对CMOS图像传感器像素进行设计、仿真和优化。尤其是，针对强曝光下影响图像拖尾性能的电荷回流现象进行了研究和分析，基于热电子发射理论和漂移-扩散理论对电荷回流进行物理建模，分析电荷回流的物理机制，成功的解释了电荷转移过程中传输管栅压和浮空扩散节点复位电压对回流到钳位光电二极管区域电荷数量的影响。并最终给出像素的版图设计和测试结果。
　　基于本文对像素的设计与优化，完成基于2k×2k阵列大小的像素版图设计，并且在均匀光照条件下，对CMOS图像传感器像素进行测试，测试结果表明其高低转换增益分别可以达到95.45μV/e-和20.85μV/e-，满阱容量从31474e-提高到74696e-，同时通过TCAD仿真得到电荷转移效率可以达到100%，即实现零拖尾。