本文關鍵詞：復合型紫外探測器的建模與設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著民事和軍事工業(yè)的崛起,紫外探測技術的研究受到了學術界和產業(yè)界的熱捧。然而,市場需求的擴大化使得紫外探測器需要操作的環(huán)境也越來越復雜、苛刻。因此,波長選擇性高、光強探測范圍廣、溫度穩(wěn)定好、工藝簡單以及低成本成為了以市場為導向的紫外探測器的發(fā)展方向。而基于標準CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝的紫外探測系統(tǒng)能夠克服如今市面上存在的紫外探測器的諸多缺點。目前,單芯片集成的硅基紫外探測系統(tǒng)主要的研究瓶頸在于滿足波長選擇性和微光探測要求的紫外探測器的設計。本論文宗旨是提出復合型紫外器件設計方案,并從理論和試制兩方面驗證它的可行性。主要從基本半導體感光物理原理出發(fā),針對目前研究存在的缺陷,結合CMOS工藝特點和已有的研究基礎,提出復合型器件設計的研究思路。通過CMOS工藝下三種基本感光器件的原理分析研究,合理利用三者之間的優(yōu)勢和避免其劣勢,提出了結合三者特點的復合型器件結構的設計方案。另外,通過建立基于電荷控制的靜態(tài)模型、Pwell/Nwell二極管/PMOSFET模型以及P+-Nwell-Pwell壓控模型三種模型,從理論的角度分析器件的光閾值特性、I-V特性以及光譜特性,獲得結構帶來的復合器件的性能信息。然后,按照CMOS工藝的標準,設置仿真的參數,利用MATLAB求解特性方程-與數值模擬。根據仿真結果和流片工藝的設計規(guī)則,確定了最終流片的器件結構。本文基于GSMC 0.18μm CMOS工藝,提出的復合型器件以30×30陣列形式進行了流片試制,面積共為378.5μm×378.5μm,其中感光面積的比例為79.3%,并完成了部分芯片測試工作。本文主要對器件的光譜響應、轉移特性和輸出特性進行了詳細的分析。復合型器件能夠通過調節(jié)陽極偏置電壓VRS來獲得較大的波長選擇性。固定陽極偏置電壓VRS在-0.5 V,器件的波長選擇性增加到103量級。器件最合適的工作電壓是在0 V~-2 V之間,在該電壓范圍內,由光照產生的背柵效應最顯著。與傳統(tǒng)的硅基紫外光電二極管的響應度(約0.2 A/W)相比,本工作設計的紫外探測器有了很大的提高。當柵壓在-0.5 V到-1.2 V之間時,DC響應具有較大的增長趨勢。另外,測試結果表明,器件能夠成功地探測到對極弱(ultral-weak)光。然而,與模型的仿真結果一致,器件對光照強度的響應具有明顯的飽和性。
【關鍵詞】：感光器件 復合型 紫外偏藍 數值模型 CMOS工藝
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN23
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 課題背景與選題依據9
• 1.2 硅基紫外探測技術的目的及意義9-11
• 1.3 硅基紫外探測技術的國內外研究現狀11-12
• 1.4 研究意義與方法12-13
• 1.5 研究創(chuàng)新點13-14
• 1.6 論文主要研究內容與章節(jié)安排14-15
• 第二章 基本原理分析15-33
• 2.1 標準CMOS工藝中的感光器件15-19
• 2.1.1 硅片中的硅吸收特性16-17
• 2.1.2 PN結的光生伏打效應17-19
• 2.2 光電二極管19-26
• 2.2.1 光電二極管的工作原理19-21
• 2.2.2 光電二極管的性能指標21-22
• 2.2.3 基于光電二極管結構的硅基紫外探測器22-26
• 2.3 光柵Photo-Gate26-30
• 2.3.1 光柵的工作原理26-27
• 2.3.2 光柵的性能特性參數27-28
• 2.3.3 基于光柵結構的硅基紫外探測器28-30
• 2.4 光雙極型晶體管30-32
• 2.4.1 光雙極型的工作原理30-31
• 2.4.2 光雙極型晶體管的性能參數31-32
• 2.5 復合型紫外探測器件設計可行性分析32
• 2.6 本章小結32-33
• 第三章 復合型紫外探測器件設計33-40
• 3.1 器件結構33-34
• 3.2 工作原理34-35
• 3.3 數值模擬方法35-38
• 3.3.1 半導體器件的計算機模擬35-36
• 3.3.2 數學基礎36-38
• 3.4 本章小結38-40
• 第四章 復合型紫外探測器的物理模型40-54
• 4.1 基于電荷控制的靜態(tài)特性模型40-43
• 4.1.1 基于電荷控制的靜態(tài)特性模型建立41-43
• 4.2 P_(well)/N_(well)二極管/PMOSFET模型43-45
• 4.3 P~+-N_(well)-P_(well)壓控模型45-48
• 4.4 模型的仿真與分析48-52
• 4.4.1 光閾值特性分析48-50
• 4.4.2 I-V特性分析50-51
• 4.4.3 光響應特性分析51-52
• 4.5 本章小結52-54
• 第五章 復合型紫外探測器件的實現54-62
• 5.1 復合型紫外探測器件的流片54-56
• 5.1.1 流片器件結構54-55
• 5.1.2 流片器件版圖設計55-56
• 5.2 復合型紫外探測器件的測試56-61
• 5.2.1 復合型紫外紫外探測器轉移特性的測試57-58
• 5.2.2 復合型紫外紫外探測器光譜響應特性的測試58-60
• 5.2.3 復合型紫外紫外探測器I-V特性的測試60-61
• 5.3 本章小結61-62
• 第六章 總結與展望62-64
• 6.1 工作總結62
• 6.2 不足與展望62-64
• 參考文獻64-69
• 致謝69-70
• 附錄A 個人簡歷70-71
• 附錄B 攻讀碩士學位期間成果71

  本文關鍵詞：復合型紫外探測器的建模與設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：257714