【摘要】：隨著CMOS圖像傳感器技術的飛速發(fā)展,其應用已從數碼相機、攝像機、智能控制等傳統強光領域擴展到生物熒光檢測、疾病診斷及微弱天文信號觀測等弱光探測領域。然而,傳統有源像素單元中的鉗位光電二極管沒有電荷放大機制,響應度較低,所以不適合微弱光信號探測的應用。此外,具有高響應度的雪崩光電二極管雖然能夠實現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,使其難以兼容標準CMOS讀出電路。因此,研制與標準CMOS工藝兼容的高響應度光電探測器及其像素單元電路成為弱光探測領域亟待解決的問題。本文基于UMC 0.18μm CMOS工藝對高響應度光電探測器及其像素單元電路進行了研究,主要內容包括:1、設計了兩種不同結深的柵體互聯MOSFET型光電探測器,一種由N阱/P型襯底構成的光電二極管和柵體互聯PMOS晶體管構成,另一種由N阱/T阱構成的光電二極管和柵體互聯NMOS晶體管構成。仿真結果表明,柵體互聯PMOS型探測器在500~700nm波長范圍內具有較高的響應度,在光強小于10μW/cm~2時,響應度超過了10~4A/W,且隨著光強的增大而下降,但整體上超過了100A/W。而柵體互聯NMOS型探測器在450~650nm波長范圍內具有較高的響應度,在漏源偏壓為0.2V時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,設計了一種適合紫外/藍光探測的光電探測器。該探測器由柵體互聯NMOS晶體管和橫向淺結光電二極管構成。其中,淺結光電二極管用以增強對紫外/藍光的吸收。仿真結果表明,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度。在光強小于1μW/cm~2時,響應度優(yōu)于10~5A/W,隨著光強增大,響應度逐漸降低,但總體仍超過10~3A/W。3、對柵體互聯PMOS型和NMOS型兩種探測器結構進行了版圖設計和流片測試。測試結果表明,本文所設計探測器芯片具有良好的直流響應度,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,有效證明了設計思路的合理性。4、基于柵體互聯MOSFET型探測器設計了電壓型和電流型兩種像素單元電路。其中,電壓型采用傳統的4管有源像素單元結構,電流型采用電流比較器和反相器的組合結構。仿真結果表明,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,也能滿足較強光的探測。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN15;TN386
【圖文】：

雪崩效應

PN結形成過程

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本文編號：2741605