高响应度光电探测器及像素单元电路的设计与实现

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1、高响应度光电探测器及像素单元电路的设计与实现DesignandImplementationofhighresponsivityphotodetectorandpixelunitcircuit工程领域：集成电路工程作者姓名：董威锋指导教师：谢生副教授企业导师：陈力颖天津大学微电子学院二零一七年十月摘要随着CMOS图像传感器技术的飞速发展，其应用已从数码相机、摄像机、智能控制等传统强光领域扩展到生物荧光检测、疾病诊断及微弱天文信号观测等弱光探测领域。然而，传统有源像素单元中的钳位光电二极管没有电荷放大机制，响应度较低，所以不适合微弱光信号探测的应用

2、。此外，具有高响应度的雪崩光电二极管虽然能够实现对微弱光信号的探测，但是雪崩倍增过程需要较高的工作电压，使其难以兼容标准CMOS读出电路。因此，研制与标准CMOS工艺兼容的高响应度光电探测器及其像素单元电路成为弱光探测领域亟待解决的问题。本文基于UMC0.18μmCMOS工艺对高响应度光电探测器及其像素单元电路进行了研究，主要内容包括：1、设计了两种不同结深的栅体互联MOSFET型光电探测器，一种由N阱/P型衬底构成的光电二极管和栅体互联PMOS晶体管构成，另一种由N阱/T阱构成的光电二极管和栅体互联NMOS晶体管构成。仿真结果表明，栅体互联P

3、MOS型探测器在500~700nm波长范围内具有较高的响应度，在光强小于10μW/cm2时，响应度超过了104A/W，且随着光强的增大而下降，但整体上超过了100A/W。而栅体互联NMOS型探测器在450~650nm波长范围内具有较高的响应度，在漏源偏压为0.2V时具有较低的暗电流和较高信噪比，比相同尺寸和掺杂条件下的PMOS型探测器性能更好。2、为满足紫外探测需求，设计了一种适合紫外/蓝光探测的光电探测器。该探测器由栅体互联NMOS晶体管和横向浅结光电二极管构成。其中，浅结光电二极管用以增强对紫外/蓝光的吸收。仿真结果表明，该探测器具有低的工

4、作电压和暗电流，对300~550nm波长的光具有高的响应度。在光强小于1μW/cm2时，响应度优于105A/W，随着光强增大，响应度逐渐降低，但总体仍超过103A/W。3、对栅体互联PMOS型和NMOS型两种探测器结构进行了版图设计和流片测试。测试结果表明，本文所设计探测器芯片具有良好的直流响应度，能够在几百KHz带宽下正常工作，基本满足CMOS图像传感器的要求，有效证明了设计思路的合理性。4、基于栅体互联MOSFET型探测器设计了电压型和电流型两种像素单元电路。其中，电压型采用传统的4管有源像素单元结构，电流型采用电流比较器和反相器的组合结构

5、。仿真结果表明，电压型像素单元电路的动态范围较小，适用于微弱光探测，而电流型像素单元电路具有较大的动态范围，不仅适用于弱光探测，也能满足较强光的探测。关键词：高响应度，标准CMOS工艺，光电探测器，像素单元电路IABSTRACTWiththerapiddevelopmentofCMOSimagesensortechnology,theapplicationsofCMOSimagesensorhavebeenextendedfromthestronglightdetectiontotheweaklightdetection,suchasbiolo

6、gicalfluorescencedetection,diseasediagnosis,observationofweakastronomicalsignal.However,itisnotsuitablefortheapplicationsofweaklightdetectionduetothelackofchargeamplificationinPinnedPhotodiode(PPD).What’smore,AvalanchePhotodiode(APD)withhighresponsivitycanrealizethedetection

7、ofweaklightsignal.ButtheAPDisnotcompatibletothestandardreadoutcircuitsduetothehighbiasvoltageforavalanchemultiplication.Therefore,researchonhighresponsivityphotodetectorcompatiblewithstandardCMOSprocessanditspixelunitcircuit,havebecomeanurgentproblemintheweaklightdetection.T

8、oachievehighresponsivityphotodetectorsandpixelunitcircuitbasedonUMC0.18μmCM