【摘要】：隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,其應(yīng)用已從數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、智能控制等傳統(tǒng)強(qiáng)光領(lǐng)域擴(kuò)展到生物熒光檢測、疾病診斷及微弱天文信號觀測等弱光探測領(lǐng)域。然而,傳統(tǒng)有源像素單元中的鉗位光電二極管沒有電荷放大機(jī)制,響應(yīng)度較低,所以不適合微弱光信號探測的應(yīng)用。此外,具有高響應(yīng)度的雪崩光電二極管雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱光信號的探測,但是雪崩倍增過程需要較高的工作電壓,使其難以兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS讀出電路。因此,研制與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的高響應(yīng)度光電探測器及其像素單元電路成為弱光探測領(lǐng)域亟待解決的問題。本文基于UMC 0.18μm CMOS工藝對高響應(yīng)度光電探測器及其像素單元電路進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容包括:1、設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)深的柵體互聯(lián)MOSFET型光電探測器,一種由N阱/P型襯底構(gòu)成的光電二極管和柵體互聯(lián)PMOS晶體管構(gòu)成,另一種由N阱/T阱構(gòu)成的光電二極管和柵體互聯(lián)NMOS晶體管構(gòu)成。仿真結(jié)果表明,柵體互聯(lián)PMOS型探測器在500~700nm波長范圍內(nèi)具有較高的響應(yīng)度,在光強(qiáng)小于10μW/cm~2時(shí),響應(yīng)度超過了10~4A/W,且隨著光強(qiáng)的增大而下降,但整體上超過了100A/W。而柵體互聯(lián)NMOS型探測器在450~650nm波長范圍內(nèi)具有較高的響應(yīng)度,在漏源偏壓為0.2V時(shí)具有較低的暗電流和較高信噪比,比相同尺寸和摻雜條件下的PMOS型探測器性能更好。2、為滿足紫外探測需求,設(shè)計(jì)了一種適合紫外/藍(lán)光探測的光電探測器。該探測器由柵體互聯(lián)NMOS晶體管和橫向淺結(jié)光電二極管構(gòu)成。其中,淺結(jié)光電二極管用以增強(qiáng)對紫外/藍(lán)光的吸收。仿真結(jié)果表明,該探測器具有低的工作電壓和暗電流,對300~550nm波長的光具有高的響應(yīng)度。在光強(qiáng)小于1μW/cm~2時(shí),響應(yīng)度優(yōu)于10~5A/W,隨著光強(qiáng)增大,響應(yīng)度逐漸降低,但總體仍超過10~3A/W。3、對柵體互聯(lián)PMOS型和NMOS型兩種探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)和流片測試。測試結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)探測器芯片具有良好的直流響應(yīng)度,能夠在幾百KHz帶寬下正常工作,基本滿足CMOS圖像傳感器的要求,有效證明了設(shè)計(jì)思路的合理性。4、基于柵體互聯(lián)MOSFET型探測器設(shè)計(jì)了電壓型和電流型兩種像素單元電路。其中,電壓型采用傳統(tǒng)的4管有源像素單元結(jié)構(gòu),電流型采用電流比較器和反相器的組合結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,電壓型像素單元電路的動態(tài)范圍較小,適用于微弱光探測,而電流型像素單元電路具有較大的動態(tài)范圍,不僅適用于弱光探測,也能滿足較強(qiáng)光的探測。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN15;TN386
【圖文】：

雪崩效應(yīng)

PN結(jié)形成過程

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本文編號：2741605