發(fā)布時間：2019-05-08 10:03

【摘要】：目前,市面上存在的紫外探測器普遍具有響應(yīng)度低、紫外選擇性差、量子效率低、噪聲大、微弱光信號探測能力差等缺點,基于實驗室已有的硅基探測器基礎(chǔ),結(jié)合CMOS工藝特點,以半導(dǎo)體器件物理為理論基礎(chǔ),研究紫外探測器的相關(guān)原理,旨在提高紫外探測器的弱光響應(yīng)靈敏度,增強紫外探測器的選擇性,并降低其噪聲;同時,揭示系統(tǒng)集成紫外探測器的可能性,為單芯片集成紫外探測系統(tǒng)提供新思路。通過學(xué)習(xí)典型多陽極紫外光電二極管理論知識與分析其模擬數(shù)據(jù),對紫外探測器做了相應(yīng)的優(yōu)化與改進,最終得到了一種可用于單芯片集成的紫外-紅外互補型結(jié)構(gòu)紫外探測器,實現(xiàn)了高響應(yīng)度、高選擇性及低噪聲的光電探測。新型紫外-紅外互補型結(jié)構(gòu)紫外探測器在傳統(tǒng)紫外探測器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加了一個紅外探測器用以實現(xiàn)電流補償。在紅外波段照射范圍,紫外探測器比紅外探測器的響應(yīng)要小很多,欲使探測器實現(xiàn)探測功能,必須使得紫外探測器對紅外光和可見光信息的響應(yīng)與紅外探測器在此波段的響應(yīng)相同。本文通過調(diào)節(jié)兩個探測器的面積比例,使AUV/AIR=15來實現(xiàn)這一要求。通過Silvaco軟件對設(shè)計的探測器進行了TCAD仿真驗證,結(jié)果表明新型探測器具有低暗電流、高紫外響應(yīng)速度以及高紫外選擇性。本文進一步研究了針對所設(shè)計新型紫外探測器的CMOS讀出電路技術(shù),并設(shè)計了一款與探測器相匹配的低功耗讀出電路結(jié)構(gòu)。該讀出電路采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)運算放大器,詳細介紹了讀出電路各參數(shù)指標(biāo)的計算過程,并對輸入失調(diào)電壓、共模抑制比、電源抑制比、轉(zhuǎn)換速率和不同情況下的噪聲特性、輸出特性進行了仿真驗證,結(jié)果表明該電路具有高精度、低噪聲等優(yōu)良性能。本文采用標(biāo)準0.5μm CMOS工藝對新型紫外探測器及其讀出電路進行了版圖設(shè)計并流片,實現(xiàn)了器件與電路的單芯片集成,最后完成該探測系統(tǒng)的測試工作。
[Abstract]:At present, the UV detectors in the market generally have the disadvantages of low responsivity, poor UV selectivity, low quantum efficiency, large noise and poor detection ability of weak optical signals. Based on the existing silicon-based detectors in the laboratory, According to the characteristics of CMOS technology and based on the physics of semiconductor devices, the principle of UV detector is studied in order to improve the sensitivity of UV detector, enhance the selectivity of UV detector, and reduce the noise of UV detector. At the same time, the possibility of the system integrating UV detector is revealed, which provides a new idea for single chip integrated UV detector system. By studying the theoretical knowledge of typical multi-anode UV photodiode and analyzing its simulation data, the UV detector is optimized and improved. Finally, a kind of UV-IR complementary UV detector which can be used in single-chip integrated UV-IR detector is obtained, and the photoelectric detector with high responsivity, high selectivity and low noise is realized. Based on the structure of the traditional UV detector, a new UV-IR complementary structure UV detector is added to realize the current compensation. In the infrared range, the response of the ultraviolet detector is much smaller than that of the infrared detector, in order to make the detector realize the detection function. The response of the UV detector to the infrared and visible light information must be the same as that of the infrared detector in this band. This paper makes AUV/AIR=15 realize this requirement by adjusting the area ratio of the two detectors. The TCAD simulation results show that the new detector has low dark current, high UV response speed and high UV selectivity. The results of TCAD simulation by Silvaco software show that the detector has low dark current, high UV response speed and high UV selectivity. In this paper, the CMOS readout circuit technology for the new UV detector is further studied, and a low power readout circuit structure matching with the detector is designed. The readout circuit adopts folding common-source common-gate operational amplifier. The calculation process of each parameter index of readout circuit is introduced in detail, and the input offset voltage, common mode rejection ratio and power supply rejection ratio are discussed in detail. The simulation results show that the circuit has good performance such as high precision, low noise and so on. In this paper, a novel ultraviolet detector and its readout circuit are designed by using the standard 0.5 渭 m CMOS process, and the monolithic integration of the detector and the circuit is realized. Finally, the test work of the detection system is completed.
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN23

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本文編號：2471824