单芯片集成紫外探测器及其读出电路设计-微电子学与固体电子学专业论文.docxVIP

湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 I I II II 摘 要 目前，市面上存在的紫外探测器普遍具有响应度低、紫外选择性差、量子效 率低、噪声大、微弱光信号探测能力差等缺点，基于实验室已有的硅基探测器基 础，结合 CMOS 工艺特点，以半导体器件物理为理论基础，研究紫外探测器的 相关原理，旨在提高紫外探测器的弱光响应灵敏度，增强紫外探测器的选择性， 并降低其噪声；同时，揭示系统集成紫外探测器的可能性，为单芯片集成紫外探 测系统提供新思路。 通过学习典型多阳极紫外光电二极管理论知识与分析其模拟数据，对紫外探 测器做了相应的优化与改进，最终得到了一种可用于单芯片集成的紫外-红外互 补型结构紫外探测器，实现了高响应度、高选择性及低噪声的光电探测。新型紫 外-红外互补型结构紫外探测器在传统紫外探测器的结构基础上，增加了一个红 外探测器用以实现电流补偿。在红外波段照射范围，紫外探测器比红外探测器的 响应要小很多，欲使探测器实现探测功能，必须使得紫外探测器对红外光和可见 光信息的响应与红外探测器在此波段的响应相同。本文通过调节两个探测器的面 积比例，使 AUV/AIR=15 来实现这一要求。通过 Silvaco 软件对设计的探测器进行 了 TCAD 仿真验证，结果表明新型探测器具有低暗电流、高紫外响应速度以及 高紫外选择性。 本文进一步研究了针对所设计新型紫外探测器的 CMOS 读出电路技术，并设 计了一款与探测器相匹配的低功耗读出电路结构。该读出电路采用折叠式共源共 栅结构运算放大器，详细介绍了读出电路各参数指标的计算过程，并对输入失调 电压、共模抑制比、电源抑制比、转换速率和不同情况下的噪声特性、输出特性 进行了仿真验证，结果表明该电路具有高精度、低噪声等优良性能。 本文采用标准 0.5μm CMOS 工艺对新型紫外探测器及其读出电路进行了版 图设计并流片，实现了器件与电路的单芯片集成，最后完成该探测系统的测试工 作。 关键词：紫外探测器；选择性；CMOS；读出电路；运算放大器 Abstract At present, the UV detector on the market have disadvantages with low degree of UV response defects, poor selectivity, low quantum efficiency, large noise, weak sign al detection ability and so on. Because of the laboratory has successfully developed the silicon based detectors, combined with characteristics of CMOS process, based on the theory of semiconductor device physics, study the principles of UV detector. It aimed at improving the sensitivity and selectivity of UV detector. At the same time, provide the new train of thought for the single chip integration ultraviolet detection system and make it be possible. Through the study of theoretical knowledge of typical multi anode UV photodiode and analyzing the simulated data, a novel purple infrared complementary structure of UV