發(fā)布時(shí)間：2017-09-23 16:15

  本文關(guān)鍵詞：單光子雪崩二極管建模及基于熒光壽命成像的像素單元設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 光子探測效率 暗計(jì)數(shù)率 后脈沖幾率 EDA仿真 熒光壽命 模擬計(jì)數(shù)

【摘要】：蓋革模式下的單光子雪崩二極管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)是一種能夠探測極微弱光信號的探測器,在量子物理、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而關(guān)于SPAD器件的理論研究,都是基于經(jīng)驗(yàn)公式和半導(dǎo)體物理的理論公式推導(dǎo)而來,所有的理論結(jié)果都需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,這加大了器件的研究成本。在仿真模型方面,目前CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝廠商并沒有提供準(zhǔn)確的可供電路仿真的SPAD EDA模型,給系統(tǒng)的仿真帶來困難。在熒光壽命應(yīng)用方面,目前比較成熟的技術(shù)是TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting),但其占用了較大版圖面積,應(yīng)用TCSPC浪費(fèi)了電路性能。針對上述存在的一些問題,首先,本文深入研究了影響探測器探測效率、暗計(jì)數(shù)率、后脈沖幾率的物理機(jī)制。對探測效率綜合考慮上表面吸收、下表面吸收、耗盡層吸收三個(gè)物理機(jī)制,結(jié)合Silvaco仿真工具提取器件的電場分布和雪崩觸發(fā)幾率分布,從而計(jì)算探測效率隨過偏壓、探測區(qū)面積、波長的變化關(guān)系,并與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對,驗(yàn)證理論的正確性。同時(shí)深入探討了影響暗計(jì)數(shù)率的三個(gè)物理機(jī)制—熱產(chǎn)生、缺陷輔助遂穿、帶帶遂穿,分析在低場和強(qiáng)場下,分別是那種機(jī)制占主導(dǎo)作用,并文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對,分析誤差原因。對后脈沖幾率,假定了兩個(gè)陷阱能級對后脈沖幾率的影響,研究了陷阱電子和空穴從俘獲到再次釋放的過程,最終計(jì)算出后脈沖幾率。其次,在上述理論模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)行為性的單光子探測器EDA(Electronic Design Automation)仿真模型,該模型不僅可以模擬器件的電流電壓特性,而且首次將上述的理論計(jì)算得到光子探測效率,暗計(jì)數(shù)率和后脈沖幾率,轉(zhuǎn)化為器件仿真時(shí)的噪聲參數(shù),使EDA模型的仿真結(jié)果更加符合實(shí)際器件的工作狀態(tài)。該仿真模型應(yīng)用硬件描述語言Verilog-A來實(shí)現(xiàn),語言中包含一些隨機(jī)分布函數(shù),利用這些函數(shù),可以很好地實(shí)現(xiàn)器件的行為性特性的仿真建模。最后,設(shè)計(jì)一個(gè)檢測熒光壽命的像素單元電路,該電路應(yīng)用時(shí)間門控探測方法,利用兩個(gè)門控窗口,通過大量的累計(jì)實(shí)驗(yàn),將兩個(gè)門控窗口內(nèi)到達(dá)的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)出來,最終確定熒光的壽命。因?yàn)榇蟛糠譄晒獾膲勖荚趎s級,所以需要通過單穩(wěn)態(tài)電路將光子脈沖壓縮為300ps左右的精度。該電路與時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)相比,不需要記錄每個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間,因而壓縮單個(gè)像素單元的面積,使得大規(guī)模的陣列集成成為可能。同時(shí)該電路可以工作于兩種狀態(tài)下,門控模式用作熒光壽命的測量,連續(xù)模式則可以用作單光子的模擬計(jì)數(shù)。
【關(guān)鍵詞】：光子探測效率 暗計(jì)數(shù)率 后脈沖幾率 EDA仿真 熒光壽命 模擬計(jì)數(shù)
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN312.7
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 單光子探測器的研究背景和意義10
• 1.2 單光子探測器(SPAD)結(jié)構(gòu)的演變10-14
• 1.2.1 襯底探測型器件11
• 1.2.2 表面探測型器件11-12
• 1.2.3 CMOS工藝下的表面探測型器件12-14
• 1.3 熒光壽命成像的應(yīng)用14
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)16-18
• 第二章 單光子二極管的理論基礎(chǔ)及熒光壽命探測方法18-27
• 2.1 SPAD器件工作原理18-19
• 2.2 SPAD器件的關(guān)鍵性能參數(shù)19-21
• 2.2.1 光子探測效率19
• 2.2.2 暗計(jì)數(shù)率19-20
• 2.2.3 后脈沖20
• 2.2.4 串?dāng)_率20-21
• 2.3 常用電路結(jié)構(gòu)及熒光壽命探測方法21-25
• 2.3.1 被動(dòng)淬滅電路21
• 2.3.2 主動(dòng)淬滅復(fù)位電路21-22
• 2.3.3 陣列級電路結(jié)構(gòu)22-23
• 2.3.4 門控探測方法23-24
• 2.3.5 時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)24-25
• 2.3.6 基于掃描相機(jī)的熒光壽命成像25
• 2.4 本章小結(jié)25-27
• 第三章 單光子二極管器件理論建模27-38
• 3.1 器件統(tǒng)計(jì)物理模型建立27-28
• 3.2 光子探測效率的建模28-29
• 3.3 暗計(jì)數(shù)率建模29-30
• 3.4 后脈沖幾率建模30-31
• 3.5 Geiger mode TCAD仿真31-33
• 3.6 模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證33-36
• 3.7 本章小結(jié)36-38
• 第四章 單光子二極管EDA仿真模型38-51
• 4.1 SPAD基本模型38-40
• 4.2 改進(jìn)的SPAD Verilog-A仿真模型40-44
• 4.2.1 光子探測脈沖40-42
• 4.2.2 暗計(jì)數(shù)脈沖42-43
• 4.2.3 后脈沖43-44
• 4.3 Verilog-A模型實(shí)現(xiàn)過程44-45
• 4.4 模型仿真驗(yàn)證45-50
• 4.5 本章小結(jié)50-51
• 第五章 熒光成像像素單元電路及其版圖研究51-60
• 5.1 像素級單元51-55
• 5.1.1 施密特觸發(fā)電路52-53
• 5.1.2 門控電路53-55
• 5.2 像素級單元仿真分析55-58
• 5.3 像素級單元的版圖設(shè)計(jì)58-59
• 5.4 本章小結(jié)59-60
• 第六章 總結(jié)與展望60-63
• 6.1 論文總結(jié)60-61
• 6.2 研究展望61-63
• 參考文獻(xiàn)63-66
• 附錄1 攻讀碩士學(xué)位期間撰寫的論文66-67
• 附錄2 攻讀碩士學(xué)位期間申請的專利67-68
• 附錄3 攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目68-69
• 致謝69

【相似文獻(xiàn)】

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8 記者 劉霞;科學(xué)家實(shí)現(xiàn)快速操控光的量子狀態(tài)[N];科技日報(bào);2012年

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本文編號：906216