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硕士学位论文：用于生物芯片的光电传感器研究 摘要 经过全球几代科学家的不懈努力，二大尖端科技纳米技术和基因技术一 一迅猛发展，它们开始走出象牙塔进入了基础研究和实际应用并重的崭新发展阶 段。生物芯片项目结合此两种技术旨在探测人类体液中的微小粒子。 生物芯片将量子点修饰于生物分子得到具有特定荧光特性的分子探针，分子 探针中的量子点在通过微通道的时候被激光激发辐射出荧光，光电传感器收集荧 光并将其转化为电信号，电信号经过放大、模数转换得到数字信号，数字信号经 过数字信号处理电路得到最终的输出结果。 本论文在介绍完生物芯片的现实意义及整体构架之后，回顾了必要的光辐射 学和光度学，在此基础之上简要描述了光检测系统，并且给出了评价光检测系统 中的重要部件光辐射探测器的主要参数 本论文结合光学理论和半导体器件物理知识提出了二极管的光电转化模型， 并以此模型为基础对p + n w e l l 二极管和n w e l l p s u b 二极管的光谱响应度进行了仿 真，讨论了反偏电压和反射系数对响应度的影响 为了探测微弱信号，除了要准确计算光电转化效率还要考虑光电二极管暗电 流的影响。本文根据光电器件的结构，结合提出的光电转化模型，从物理成因的 角度，指出了存在于光电二极管中暗电流的六种成因。 作为与后级电路的接口同时也是为了满足光电传感器研究工作进一步发展 的需要，本论文在接下来的章节里深入分析了一种有源像素传感器的随机噪声和 固定模式噪声。 在论文的结尾处给出了芯片照片和采用s m i c 0 1 8 9 m 工艺对芯片进行仿真 得到的结果，测试工作正在进行。 关键词：光电探测器；光电流：暗电流；c l v i o s ：p + n w e l l ；n w e l l p s u b 中图分类号：t n 4 9 2 硕士学位论文：用于生物芯片的光电传感器研究 a b s t r a c t ( 英文摘要) h u n d r e d so fs c i e n t i s t sa n de n g i n g c l 苫h a v ew o r k e dh a r df o ra l m o s tac e n t u r yt o m a k el l a n ot e c h n o l o g ya n dg o n ee n g i n e e r i n ga v a i l a b l e b i o c h i pp r q e c ti sp r o p o s e db y s c h o o lo fl i f es c i e n c ea n ds c h o o lo fm i e r o e l e c l 】r o n i c si no r d e ri od e t e c tp a r t i c l ei n b o d yf l u i d t h i st h e m si sap a r to f t h i sp r o j e c t t h et h e s i si n m s t u c e st h ea r c h i t e c t u r eo f b i o c h i pa n ds u m m a r i z 髂t h eb a s i co p t i c s t h a ti si m p o r t a n tf o rt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g n e r sw h ow a n tt or e s e a r c hp h o t o d e t e c t o r s b a s e do nt h eo p t i c so p t i c a ls y s t e m sf o rd e t e c t i n gl i g h t - e m i t t i n gr e p o r t e ri s d e s c r i b e da n dp c d o 咖c cm e t 五c sf o rp h o t od e t c c t o r sa 肥g i v e n a p h o t o d i o d em o d e li sb u i l tb a s e do i lo p t i c sa n ds e m i c o n d u c t o rd t mp h y s i c s t h ep r o p o s e dm o d e lt a k e sp h o t o e u r r e n ti na c t i v er e g i o na n dt h ei n 】p a c to ft h e r e f l e c t a n c et ot h er e s p o n s i v i t yi n t oc o n s i d e r a t i o n t h er e s p o n s i v i t yc u f v e so f p + n w e l l d i o d ea n dn w e l f p s u bd i o d es t m u l a t e db yt h i sm o d e l 勰垂吼 t h ed a r ke u r r e mt h a tp l a c e sal i m i to nt h ea b m t yo fs u b s e q u e n td e t l 茁t i o n e l e c t r o n i c st od e t e c ts m a l ls i g n a l sf r o mt h ep h o t od e t e c t o ri sa si m p o r t a n ta st h e r e s p o n s i v i t yi np h o t od i o d ei no r d e rt od e t e c tw e a kf l u o r e s c e n c e t h et h e s i ss p e g i f i e s s i xk i n d so f p h y r s i c a lc 孤s e so f d a r kc u r r e n t t e m p o r a ln o i s ea n df i x e dp a t t e mn o i s e ( f p n ) i nt h ea c t i v ep i x e l 鸵n s o f 衄i s u s e d 丛t h ei n t e r f a c ec i r c u i tt or e a d o u tt h el i g h tc u r r e n t & r e 锄a l y z 日i nt h ef o l l o w i n g c h a p t e r s i m u l a t i o nr e s u l t so fp h o t od e t e c t o rc h i pu s i n gs m i cs t a n d a r dc m o so 1 8 9 , m p r o c e s sa r eg i v e na a dt h ep h o t oo f t h ec h i pi sg i v e na tt h ee n do f t h et h e s i s k e y w o r & ：p h o t od e t e c t o r ；l i 啦c u r r e n t ；d a r kc u r r e n t ；c m o s ；p + i n w e l l ； n w e l i p s u b 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：圣堑日期：至蟹：2 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名：瞵弩磐日期：必 硕士学位论文：用于生物芯片的光电传感器研究 第一章引言 1 1研究的意义和背景 经过全球几代科学家的不懈努力，二大尖端科技纳米技术和基因技术一 迅猛发展，它们开始走出象牙塔进入了基础研究和实际应用并重的崭新发展阶 段。 在2 0 0 3 年度肆虐亚洲各国并波及北美尤其给中国大陆地区带来严重影响的 非典型性肺炎( s a r s ) ，在短短几天之内就能够使世界多个城市成为疫区。在这 类来势凶猛的突发性疫情面前传统医学手段的低效性暴露无疑这种突如其来的 灾难促使我们思考能否找到一种简洁快速的方法来应对此种突发性卫生公共事 件 病患者为了采集血样和各种体液常常需要到医院排队等候很长时间才有结 果，对于那些行走不便的老年人或者具有特定生理障碍的残疾人士来说长时间的 等待使他们痛苦不堪，而对于那些每日奔波于世界各大城市的商务人士来说长时 间的等待更是令他们忍无可忍 生物芯片项目的提出为解决以上的问题以及其他一些长期存在于医疗事业 中的困难开辟了一条新的途径。 1 2生物芯片的基本工作原理 生物芯片的工作原理如图1 1 所示，量子点修饰于特定分子获得具有荧光特 性的分子探针，此种特定分子能够与目标分子结合。选择合适的分子探针，使之 与目标物发生如图1 2 所示的反应，反应得结果是分子探针与待测得目标物结合 到一起通过测量量子点的浓度就能够得到相应的待测目标物的浓度。反应得到 钓目标物一分子探针复合物在微流体控制系统得驱动下流过微通道，如图1 3 所 示，在微通道的壁管上捧列着微型荧光探测器。当被测物流经荧光探测器上方附 近( 图1 3 中虚线内的区域) 时，量子点被激光激发辐射出荧光，荧光的大小可 被探测器转化为电信号并且放大，放大后的信号经过模数转换器转换成数字信 号，然后经过数字信号处理模块得到最终结果 第一章引言 ld n a 、抗体、蛋白质的样品处理和选择、量子点偶联识别分子 、l 荧光探针与目标物作用 ( 样品输出界面，m e m s 或者其它驱动方法) 微流控制系统、量子点荧光激发 光学生化探测系统 电信号的收集与调制 电信号放大 功能集成电路、分析数据 图l _ l 生物芯片结构图 目标物分子探针 目标物分子 探针复合物 图1 2 目标物与分子探针复合 2 第一章引言 图1 3 生物流体导管与光学探测单元示意图 1 。3论文的主要研究内容 荧光分子被激发后产生的荧光比较微弱，经过光电传感器后得到的电流也相 当微弱。为了探测微弱的荧光必须要建立光电转化模型以确定在荧光照度一定的 前提下后级电路所需处理的电流大小或者在后级电路所能处理的最小电流一定 的前提下所需的最小荧光照度。 本论文创新意义的工作主要有： l 、在查阅大量相关文献的基础上，结合光学知识和半导体器件物理知 识提出了c m o s 光电二极管的光电转化模型 2 、根据光电器件的结构，结合提出的光电转化模型，从物力成因的角 度指出了各种存在于光电器件中的暗电流 3 、为了项目迸一步发展的需要，针对一种有源像素光电传感器读出电 路进行了分析。 4 、 采用s m i c o 1 8 t u n 工艺对光电传感器芯片进行了仿真，并且流片， 测试工作正在进行。 3 第一章引言 1 4论文的组织结构 本论文共有五章，第一章为引言，对项目的背景知识、项目意义以及作者所 从事的主要工作进行了概括。后面的章节将对光电传感器工作原理进行详细的分 析和讨论，这些部分组织如下： 第二章首先介绍了光学基础知识，包括光辐射、光度学以及两者之间的关系。 这些是光学的基础知识，也正是从事集成电路设计的工作人员们所缺少的基础知 识，只有以此为基础才能够进一步理解光电效应。然后介绍了基本的光电检测系 统，并且进一步总结了光电检测系统中的重要部件光电转化器件的特征 第三章提出了光电二极管模型，并且结合光学知识和半导体器件物理知识， 以微分方程为手段，详细准确地阐述了光电二极管模型的由来以及其中各种参数 的确定过程。在此基础上应用半导体物理知识、器件表面物理知识阐述了光电二 极管暗电流的物理成因。 第四章为了项目的进一步发展需要，在本章之内分析了一种有源像素的光电 流读出电路，这一章将为光电二极管与后级电路的完美结合做出一个良好的铺 垫 第五章给出了采用s 枷【c o 1 8 岬i 艺对传感器芯片进行仿真的结果及芯片 照片，测试工作正在进行。 第六章是总结与展望。总结了整个论文的内容，并且指出了一些可以进一步 改善的地方。 4 硕士学位论文：用于生物芯片的光电传感器研究 第二章光学基础 许多经典著作对光学【1 1 【5 】内容都进行了深刻阐述，本章只对与光电二极管 相关的光学基础知识作简单回顾。首先介绍光辐射和光度学，然后介绍光电检测 系统和光电转换器件。 2 1光辐射基础 2 1 1辐射波谱和光辐射 以电磁波形式或粒子( 光子) 形式传播的能量，他们可以用光学元件反射、 成像或色散，这种能量及传播过程被称为光辐射。从图2 1 中的电磁波谱可看出， 光辐射包括紫外辐射、可见光辐射和红外辐射三部分，他们位于x 射线和微波 辐射之间。 光辐射的光谱区的标尺通常采用波长，有时也用频率，他们之问的关系是 五：三 ( 2 1 ) ， 式中九代表波长，y 代表频率，c 是真空中光速。每个光子的能量叫做光子能量， 可以用下式来表示 e = h y ( 2 2 ) 式中e 表示频率为y 的一个光子的能量，h 是普朗克常数。 广义地讲光是指光辐射：而从狭义上讲，通常人们提到的“光”指的就是可 见光。可见光是波长在3 8 0 7 6 0 n m 范围内的光辐射，也就是人视觉能感受到的 。光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉为不同的颜色，如图 2 1 所示。 紫外辐射的波长范围是4 0 0 l o n m 。为了研究方便，通常将其分为三部分： 近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外辐射在空气中几乎会被完全吸收掉， 只能在真空中传播，所以又被称为真空紫外辐射。 红外辐射的波长范围位于0 7 6 1 0 0 0 1 m l 。该区域的划分收探铡嚣发展的影 响，通常分为近红、中红外和远红外三部分，如图2 1 所示。 5 波长( m ) 2 x 1 0 6 “l o 缸i o ， 1 3 x l 妒 7 砷 2 1 2 2 1 2 1 第二章光学基础 光辐射中的物理量 辐射能 红外辐射 譬外辐射 图2 a 电磁波谱 竣馏l m ) 辐射能q 是以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位是j ( 焦耳) 。 6 讫 蛳 研 悦 仍 枷 蛳 抛 m 第二章光学基础 2 1 2 2辐射通量 辐射通量中又称为辐射功率。是以辐射形式发射、传播或接收的功率。单位 是w ( 瓦) 。 2 1 2 3辐射传播中的立体角 l 图2 2 立体角的概念 在图2 2 中，l 为一辐射源，n 表示面元a 的法线方向，它与辐射方向交角 大小是口。 l 向空间发射辐射，如果介质中无辐射吸收，则辐射在图中所作锥体的任意 一个截面上都是相同的。该立体角的度量有下式给出。 m ：o g o s t z r 1 单位是s t ( 球面度) 。式中尺为辐射源到面元。与辐射方向交点的距离。 对于整个空间来说 q = 肛= 4 t t 若在d q 中的通量为d ，则从l 出发的总通量是 o = 船 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 1 2 4辐射强度 辐射强度可定义为在给定方向上包含该方向的立体角元内辐射源所发出的 辐射通量d 西除以该立体角元d 口，即在给定方向上的辐射强度为 ，：竺( 2 6 ) 地 7 第二章光学基础 单位是w s r ( 瓦，立体角) ，如果辐射源发出的总通量毋在空间方向上是均匀分 布的，则 2 ，1 ，2 5辐射亮度 j ：旦 4 石 d o ( 2 7 ) 图2 3 辐射亮度示意图 如图2 3 所示，辐射源面上一点沿给定方向的辐射亮度l 可以定义为在绘定 方向上包含该点的面元d a 的辐射强度d i 除以该面元在垂直于给定方向的平面上 的投影面积，即 ：旦 刎鬻d ( 2 8 ) 。o d d d a c o s 9 单位是w 嫱l n 2 ( 瓦球面度- 米2 ) ，式中0 为给定方向与面元法线问的夹角。 如果一个辐射源其表面辐射亮度l 不随方向变化，则称之为朗伯辐射体，简 称朗伯体。 s 第二章光学基础 2 1 2 6辐射出射度 d m 图2 4 辐射出射度示意图 如图2 4 所示，辐射出射度m 等于离开辐射源面上一面元的通量d o 除以该 面元面积6 a ，即 m ：塑 d a 单位是w m 2 。 对于朗伯体计算其辐射出射度。 如图2 5 所示，用极坐标表示立体角为 m ：粤 ：( 5 r ! s i no d 妒x r d e )= - - - = s i n 0 d e d 口 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由辐射亮度定义，从d a 上发出的辐射亮度是 2 lt 拉 椰= 幽p c o s 口s i n 蚴 ( 2 1 1 ) 由于朗伯体亮度与方向无关，所以l 可以提到积分号外，故 2 f 柏 揶= 删j c o s 护s i n 甜脚 ( 2 1 2 ) 9 第二章光学基础 因为 所以 z y 又根据辐射出射度定义 图2 5 朗伯体辐射出射度示意图 d o = l d a 石 m ：翌 d a = l d d l = 窟l ( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) x l 一2 = 石 够 吻 似 m r 弓； h p 一 础 忙，j日 第二章光学基础 2 1 2 7辐射照度 在辐射接收面上的辐射照度e 等于投射在包括该点的一个面元上的辐射通 量d 中除以该面元的面积d a ，即 e ：查( 2 1 7 ) 谢 这个量在单位上与辐射出射度相同，但辐射出射量是描写辐射源的，而辐射 照度是描写辐射接收面的。 2 2 光度学基础 2 2 1光通量 通量这个术语在光辐射测量领域经常用到，它是指在单位时间内通过一个面 积的能量流。由此可见，它与功率的意义是相同的由于光度学和辐射度学的历 史原因，在光辐射测量领域里，很多时候是用通量( m ) 这个术语。在光度学中， 光通量明确地被定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大 小，单位是l m ( 流明) 。 因此，当用到光通量这个术语时，已经把看不见的红外线和紫外线摔出在外 了。而且在数值上也不等于看的见的那部分光辐射功率的值。光通量表示用标准 眼来评价的光辐射通量，可以用下式表示 o ，= 以扣以) y o m ( 2 1 8 ) j 上式中的是明视觉函数。p 诅) 是被定义在可见光光谱范围内的，因此上式只 要在可见光光谱范围内积分就可以了。在可见光光谱范围之外的明视觉函数 为零，即人眼是看不见紫外线和红外线的。4 协) 为光谱辐射通量，即在单位波长 间隔内光的实际功率( 以w 为单位) 。k 。是一个转换常数，叫做最大光谱光效 能，它的值是一个国际协议值，规定为k , = 6 8 3 t m w ，表示在人眼视觉系统最敏 感的波长( 5 5 5 n m ) 上每瓦光功率相应得流明数。 人眼对波长不同的光响应度是不同的，对此可以用光谱光效能这个量来描 述。光谱光效能k 与光谱辐射通量霸和光谱光通量吼之间有如下关系： 删= 裂 ( 2 1 9 ) 第二章光学基础 k ( ”表示在某一波长上每一瓦光功率可以产生多少流明的光通量。显然由于 人眼对不同波长的光敏感程度不一整个可见光光谱内的每一个波长所对应的 k ( ”值都是不一样的。k ( 柚值在可见光光谱中部波长为5 5 5 n m 左右达到最大值， 用k m 来表示 为了更加通用，将k 值在峰值波长处规一化，得到一个只表示相对值的函 数明视觉函数附) ，即 y “) ：丛生 ( 2 2 0 ) 。 j | 【 不同人的视觉特性是有差别的。1 9 2 4 年国际照明委员会( c ) 根据吉普逊 等几组科学家对2 0 0 多名观察着测定的结果【6 】，推荐了一个标准的明视觉函数 如表格2 1 所示。 表2 1v ( ”函数表 波长( r i m ) v ( ”波长( n m )v 波长( r i m )v 3 8 00 0 0 0 0 45 1 50 6 0 8 2 0 6 5 00 1 0 7 0 0 3 8 50 0 0 0 0 65 2 00 7 1 0 0 0 6 5 5 0 0 8 1 6 0 3 9 00 o 0 0 1 25 2 50 7 9 3 2 06 6 0o 0 6 l o o 3 9 5o 0 0 0 2 25 3 00 8 6 2 0 0 6 6 5o 0 4 4 8 5 4 0 0o 0 0 0 4 05 3 5 0 9 1 4 6 56 7 0o 0 3 2 0 0 4 0 50 0 0 0 6 45 4 0 0 9 5 4 0 06 7 50 0 2 3 2 0 4 1 00 0 0 1 2 l 5 4 50 9 8 0 3 06 8 00 0 1 7 0 0 4 1 5 0 0 0 2 1 85 5 00 9 9 4 9 56 8 50 0 1 1 9 2 4 2 0o 0 0 4 0 05 5 5l - 0 0 0 0 06 9 0 o 0 0 8 2 1 4 2 5 0 0 0 7 3 05 6 00 9 9 5 0 06 9 50 0 0 5 7 2 4 3 0o 0 1 1 6 05 6 50 9 7 8 6 07 0 0o 0 0 4 1 0 4 3 5o 0 1 6 8 4 5 7 00 9 5 2 0 07 0 50 0 0 2 9 3 4 4 0 0 0 2 3 0 05 7 50 9 1 5 4 07 1 00 0 0 2 0 9 4 4 5 0 0 2 9 8 05 8 00 8 7 0 0 07 1 50 0 0 1 4 8 4 5 00 0 3 8 0 05 8 50 8 1 6 3 0 7 2 00 0 0 1 0 5 第二章光学基础 4 5 5o 0 4 8 0 05 9 0o 7 5 7 0 07 2 50 o 0 0 7 4 4 6 0o 0 6 0 0 05 9 5o 6 9 4 9 07 3 0o o 0 0 5 2 4 6 50 0 7 3 9 06 0 0o 6 3 1 0 07 ：3 50 0 0 0 3 6 4 7 00 。0 9 0 9 86 0 50 5 6 6 8 07 4 00 0 0 0 2 5 4 7 5o 1 1 2 6 06 1 0o 5 0 3 0 07 4 5o 0 0 0 1 7 4 8 00 1 3 9 0 26 1 5o 4 4 1 2 07 5 0o o o o l 2 4 8 50 1 6 9 3 06 2 0o 3 8 1 0 07 5 50 o 0 0 0 8 4 9 0o t 2 0 8 0 26 2 5o 。3 2 1 0 07 6 0o o ( ) 0 0 6 4 9 5o 2 5 8 6 06 3 00 2 6 5 0 07 6 5o 0 0 0 0 4 5 0 00 3 2 3 0 06 3 50 2 1 7 7 7 0o 0 0 0 0 3 5 0 5o 4 0 7 3 0 6 4 0 0 i 1 5 7 7 5o o 0 0 0 2 5 1 0 o 5 0 3 0 0 6 4 5o 1 3 8 2 07 8 00 o o 0 0 1 2 2 2 发光强度 光源发光的时候向四面八方发射出光芒。但不难想象，它向各个方向发出的 光通量可能是不一样的。在某些方向上可能大些，在另外一些方向上可能小些。 于是可以定义发光强度这个量，来描述光源在某一方向上发出光通量能力的大 小我们可以把这个指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量除以这 个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度，用公式表示为 l = 等 ( 2 2 1 ) 式中d q 是立体角元，d 中是该立体角元包含的光通量。发光强度的单位是c a ( 坎 德拉) 。 2 2 3照度 当有一定数量的光通量到达一个接受面时，我们说这个面被照亮了，照明程 度的大小可以用照度这个量来描述。照度定义为落到某一面元上的光通量与这个 面元面积之商，即 e = 拿6 1 ( 2 2 2 ) 1 3 第二章光学基础 照度的单位是勒克司( i x ) 2 2 4亮度 设想一个具有一定面积的光源，我们除了可以用发光强度来描述它在某一方 向上的发光能力之外，还想进一步知道它每一单位面积在这个方向上的发光能 力，这就要用到亮度的概念。亮度表示每单位面积上的发光强度，即 ：旦 幽螂? (223)d(d _ d q 相c o s 口 式中0 是观察方向与平面法向方向的夹角，亮度的单位是c d m 2 。 2 3光检测系统介绍 对于生物应用来说，光检测系统是根据荧光分子的特征来设计的。荧光分子 的特征主要是指荧光分子的吸收光谱、发射光谱以及吸收激光、发射荧光的量子 效率。光检测系统的各个组成部分，比如滤光片、透镜、光源和光电探测器，都 需要根据荧光分子的特征仔细选择。详细地介绍整个光学系统已经超出了本篇论 文的讨论范围，为了对光电探测器有一个更为全面地理解，这一节只是对光学系 统进行极为简要的介绍。 2 3 1荧光分子特征 如果入射光的波长在荧光分子的吸收光谱内，那么荧光分子就能够吸收光子 激发出高能电子，高能电子最终要返回较低的能级达到稳定结构。高能电子在从 较高能级向较低能级跃迁的时候，电子能量减少，同时释放出光子。由于吸收的 光子能量比释放出的光子能量高，因此吸收的光比释放出的光具有更短的波长。 图2 6 荧光分子吸收、发射光谱 7 1 4 第二章光学基础 图2 6 给出的是一个典型的荧光分子吸收、发射光谱的例子【刀，横坐标是波 长，纵坐标是归一化的辐射强度。吸收光谱曲线( 虚线) 波长稍短，发射光谱曲 线( 实线) 波长稍长，两者之间相差一个常数，吸收光与发射光的能量差被周围 的荧光分子从新吸收。 2 3 2光学系统 光学系统可以分为光成像系统( i m a g i n gs y s t e m ) 和光收集系统 ( 1 i g h t - c o l l e c t i n gs y s t e m ) 。光收集系统需要收集尽可能多的光，把光能量损失降到 最低。虽然光成像系统也需要尽可能多地收集光。但是为了收集到跟多空问信息， 因此光成像系统需要将图像失真降到最小。下面对光收集系统进行一个简单的回 顾。 一个典型的光收集系统至少包括光源、滤光片( 用以得到特定波长的激发光 或减小激发光强度) 、透镜( 将光聚焦在荧光分子或光电探测器上，也可以用来 控制光路) 、光电探测器。 通常光源有连续的发射光谱，发射光谱中的一部分能够被荧光分子吸收。有 些光源可以发射单色光，发射连续光谱的光源可以通过单色仪转化为发射单色光 的光源 一个带通的滤光片放在光源与荧光分子之间用以除去不必要的光谱成分，只 允许能够被荧光分子吸收的光通过。为了防止光漂白，也需要增加滤光片来减小 激发光强度。 荧光分子被激发，向各个方向辐射出荧光，荧光中只有一部分能够被收集到。 在光路中，荧光被透镜较准为平行光或者经透镜聚焦在光电探测器上。在荧光传 播过程中透镜用来保证光能量损失最小。 2 4 光辐射探测器件性能的主要表征量 光辐射探测器是光检测系统中的重要器件，其性能主要表现在：探测器的响 应度，探测器探测微弱信号的能力，探测器的线性、时间特性和温度特性。 2 4 1探测器的响应度 探测器的响应度又称积分灵敏度或积分响应度，它表示单位光辐射量产生的 电流量，即 r - - 三 ( 2 2 4 ) o 1 5 第二章光学基础 式中中为光辐射通量，i 为探测器的输出电流，r 即为探测器的响应度。单位是 a w ( 安培瓦) 。 实际探测器对光辐射的反应都会存在波长的选择性，光谱响应度就是用来描 写不同波长处的响应度，又称光谱响应。如果探测器对波长为九的光辐射通量产 生的输出电流为l ，则其光谱响应度为 r o ) 。南 2 2 5 ) 单位是a w 。它与积分响应度的关系是 孟= 很显然只有光谱响应度不为零的光谱区才是探测器可以利用的光谱区。 2 4 2量子效率 量子效率通常是对某一特定波长而言的，量子效率t 1 定义为探测器每秒产 生的光电子数与每秒接受到的波长为九的光子数之商。每秒产生的光电子数为 一i ：尘盟：墨丝丝 ( 2 2 7 ) gg 式中，表示探测器的输出电流2 g 表示电子电荷； 瞰”表示特定波长处单位波长间隔内的光辐射功率； 魂表示波长间隔 每秒接受的波长为九的光量子数为 ：业 式中h 代表普朗克常量，y 表示辐射频率。由( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 两式可得 剃! 勉 舭 2 4 3暗电流 当探测器没有接受光照时，输出的电流称为暗电流 1 6 f 一 = 第二章光学基础 d ：生 ( 2 3 0 ) = 罢，o ( 2 3 1 ) 。 o ” 拈害舶蝴 眩捌 = i f j 捻o d ，斗。蝴 o j 第二章光学基础 2 4 8探测器的时间特性 用于描述探测器时间特性的表征量是响应时间。当探测器接受到光辐射时， 它输出的电信号要经过一定时间才能上升到与该光辐射功率相对应的稳定值：当 辐射消失时，探测器输出电信号也要经过一定时间才能下降到接受光辐射之前的 原值。一般说来，这个上升时间和下降时间是相等的，称为响应时间，用t 来表 示。响应时自j 在用探测器进行快速探测时是一个重要的特征量。 2 4 9 探测器的温度特性 探测器的温度特性通常用单位温度变化所导致其灵敏度、暗电流、噪声等表 征量的变化率来描述，称为温度系数，即 辟：f 丝 知 i q ) f ( 2 3 3 ) 式中丁是温度变化量，q 为某一特征量，q 为温度变化导致的特征量的变化 量，册即为温度系数。 1 8 硕士学位论文：用于生物芯片的光电传感器研究 第三章光电二极管模型 基于c m o s 工艺的光电二极管有如图3 1 所示的三种结构：n w e l l p s u b 二极 管、p + n w e l l 二极管和n + p s u b 二极管。在生物探测应用中，由于荧光很微弱， 因此光电二极管的灵敏度和暗电流就显得很重要本章分为两部分分别从光电 流和暗电流两方面对光电二极管进行讨论。 图3 1 基于c m o s 工艺的光电二极管结构 3 1光电流 光照在二极管上产生的电流叫做光电流。 3 。1 1半导体对光子的吸收 当光照射半导体时，光子可以被半导体吸收，也可能穿透半导体，这取决于 光子能量和半导体的禁帝宽度e g 。如果光子能量小于e 暑，光子能量不会吸收， 半导体对光来说是透明的，光将投射过半导体 如果光子能量大于e 皇，光子能够和价电子作用，把电子激发到导带。这个 过程如图3 2 所示。光子和价电子的相互作用使得导带中产生一个电子，价带里 产生一个空穴，额外的能量作为电子空穴对的动能，在半导体中以焦耳热的形 式散发掉。 h r 吗t r 吗咿e l 图3 2 光子与价电子的作用 1 9 l 第三章光电二极管模型 e f x e ( x + d x ) 图3 3 光在不同位置的吸收 假设一束光照在光电二极管表面，表面照度是疡，单位是w m 2 。坐标工垂 直光电二极管表面指向半导体内部。如图3 3 所示，在位置x 处光的照度是点 如果在单位距离内光被吸收的能量与光能量成正比，比例系数是口。那么在单位 时间里砸离矗之内半导体吸收的能量是 a 匹g ) 矗 ( 3 1 ) 式中a 被称为吸收系数，单位是m 1 。由图3 3 可得 昱( r ) 一e g + 叫= 葩g 皿 ( 3 2 ) 即 掣：捌g ) ( 3 3 ) 盘 初始条件 e ( o ) = e o ( 3 4 ) 微分方程的解是 e ( x ) = e o e 一 ( 3 5 ) 照度随着深入半导体材料的距离指数衰减。图3 4 画出了不同吸收系数前提 下光辐射照度随距离的变化情况。从图中可以看出，在相同的位置处，a 越大照 度毋) 越小。这说明对于不同吸收系数的物质而言，在距表面相同的位置处的照 度不同，吸收系数越大的物质，在相同位置处的照度越小，大部分的光能量在物 第三章光电二极管模型 质表面被吸收，吸收系数小的物质，在相同位置处的照度越大，大部分的光能量 在物体内部被吸收 图3 4 不同温度系数情况下照度与距离的关系 半导体的吸收系数是光能和禁带宽度的函数【8 】。对于硅而言吸收系数与光 波长之间的关系可以表示为 9 】 l e g i o 口= 1 3 2 1 3 l 一3 6 7 9 8 5 l , + 4 8 1 8 9 3 名一2 2 7 5 6 2 a 3 ( 3 6 ) 根据上式画出硅的吸收系数与波长的关系如图3 5 所示，由图中可知随着波 长的增加硅的吸收系数不断减小，这说明当一束白光照在硅表面时，短波主要在 硅表面被吸收掉，长波主要在硅内部被吸收掉 - 、 、 二 、 、 | | o | | j | | | | o | | 第三章光电二极管模型 3 1 2电子空穴对的产生 当光子能量大于e | 时，光子能量被半导体吸收，从而产生电子一空穴对。辐 射照度鳅) 的单位是w m 2 ，吐b ) 表示单位体积内吸收能量的比率。假设吸收一 个能量为鲫的光子产生目i 个电子空穴对，盯i 被称为内量子效率( 对于可见光 来说, i l l 6 】) ，那么电子一空穴对的产生率是 2 ：创 一口握b ) 3 m ：竺翌f 丝型 肋 单位是个m 3 s 。 3 1 3光电流的产生 一 n + 耘 图3 6 光电二极管模型 光电二极管模型如图3 6 所示坐标原点在二极管表面，坐标方向垂直于半 导体表面指向半导体内部。其中是p 区宽度，矿是耗尽区宽度，是n 区宽 度，昨是反偏电压，光垂直入射p i l 结表面。当光照射在耗尽区时，半导体吸收 光子产生的电子空穴对被耗尽去内的电场分开产生漂移电流；当光照射在耗尽 区之外的中性区域时中性区中的少数载流子浓度被改变了，于是产生扩散电流 3 1 3 1 p 型中性区的光电流 在稳态情况下，p 型半导体中性区内的少数载流子浓度满足连续性方程公式 ( 3 8 ) ! 劐一：一地( 3 - 8 ) j 2 d 2 x ed i 其中6 n 。是过剩少数载流子浓度，厶是少子扩散长度，d n 是扩散系数 第三章光电二极管模型 为了解该微分方程，需要两个边界条件。假设受主杂质原子密度i ，施主 杂质原子密度d ，本证载流子浓度甩i ，内建电势v b i ，k 是波尔兹曼常数，r 是温 度，q 是电子电量 内建电势差表达式是 忙讪( 竿 9 ， 其中 ( 3 9 ) 式两边取对数得 假设杂质完全电离，则有 诈：l r ( 3 1 0 ) g n , e 2 n ( 3 1 i ) ( 3 1 2 ) 其中p p o 为p 区内多子空穴的热平衡浓度。在n 区，可以写出 n 堕 ( 3 1 3 ) p o - - - - 意 3 ” 其中n 曲为p 区内少子电子的热平衡浓度。将式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 代入式( 3 i i ) 可得 _ ! 垒 甩= o e ” ( 3 1 4 ) 反偏时，式( 3 1 4 ) 中的i 可以由( i 斗k ) 代替。那么公式( 3 1 3 ) 可以写成 丛垒：生! 2 n n o e 。- 。 ( 3 1 5 ) d f r ， 。 。o e 打e ” 采用小注入假设，多子电子的浓度n a o 基本保持不变，但少子浓度嘞会有明显偏 离热平衡值n t , o 。由公式( 3 。1 4 ) 和公式( 3 1 5 ) 可得 一丛垒：垦 2 w 。n 打 ( 3 1 6 ) = n # e r 第三章光电二极管模型 由公式( 3 1 6 ) 得到边界条件 一卜刁 假设在光电二极管表面有一个欧姆接触这意味着在半导体表面处有无限大 的表面复合速度，即该处的过剩少数载流子浓度为零。因此得到第二个边界条件 为 吼( o ) = o ( 3 1 8 ) 根据边界条件( 3 ，1 7 ) 3 1 8 ) 解微分方程( 3 8 ) 得 吼g ) = 印k + g e k + a e - 。 ( 3 1 9 ) 其中 q = - a 鲁笔一 吒 p 上一e 兰 g ：卅譬譬一 已一e e k e0 一捅 蚴l 口2 一音l p 型半导体中产生的电流密度是 以：呐竺掣 盘 一硼q a e j c r l , 。塑 竺= 巴 一生 e l e e 4 一e 2 4 + 础一嘶 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 _ 2 3 ) 蝌蜂生产尘皇 第三章光电二极管模型 公式( 3 2 3 ) 中与光电二极管表面照度e 0 成正比的一项是光电流矗h l ，另一 项是二极管反向饱和电流，将成为暗电流的一部分。 p 型半导体中的光谱响应度是 驴每 ：! 碰 如a ：一 呈竺苎翌! e 一口( e 兰；十8 一：手 一2+ 删一4 ( 3 2 4 ) 公式( 3 2 4 ) 中中。是在光电二极管表面处光的辐射通量，彳是光电二极管感光面 积。 3 1 3 2耗尽区中的光电流 图3 7 耗尽区内光电流的产生 当光照在中性区时，中性区内的少数载流子浓度发生改变，从而产生扩散电 流。光照在耗尽区的情况如图3 7 所示。耗尽区的半导体吸收光子能量，产生电 子一空穴对，在内建电场和反偏电压的共同作用下电子空穴迅速分开，电子进入n 区，空穴进入p 区。耗尽区产生的光电流密度是 2 5 第三章光电二极管模型 光谱响应度是 e + 厶：= g 扣g 皿 咋 ( 3 2 5 ) = 鼍“) 见：二丝 麓d ( 3 2 6 ) = 孛4 ) u 。叫 3 1 3 3 n 型中性区内的光电流 使用与p 型半导体相似的办法，在n 型半导体区域内可以列出微分方程及边 界条件 犀( f 。+ 矿) = 一见。( - 一e 一鲁 靓眈+ w + w a = o ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 其中国是1 1 区中过剩空穴浓度，p o 是热平衡状态下n 区中的少子空穴浓度， d p 是少子空穴的扩散系数，厶是少子空穴的扩散长度。解方程可得 。三三 4 g ) = g po + g e o + & 一口( 3 3 0 ) 其中 c ，= 一b c l = 一b + + ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 出q氟可 警 第三章光电二极管模型 一确 啤i 矿一言l + g 哦五秘一口帆+ ) t 刳 量玉 e l + e l ， 墨 监 p ，一p 正， ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 公式( 3 3 4 ) 中与光电二极管表面辐射照度e 0 成正比的一项是光电流，另一项是 二极管反向饱和电流，将成为暗电流的一部分 1 3 型半导体中光谱响应度是 马= 每 ：生兰 e 爿 ：一! 塑：兰：1 3 1 3 4 扩散长度和扩散系数 ( 3 3 5 ) 上面计算光谱响应度的过程中，需要用到少子扩散长度和扩散系数。对于电 路设计人员来说准确地掌握这两个量的数值是困难的，不过幸运的是光谱效率对 少子迁移率和寿命的依赖并不强烈 i o 】。 根据少数载流子扩散长度的定义可知 三：而( 3 3 6 ) 式中d 是少数载流子扩散系数，f 是少数载流子寿命。根据爱因斯坦关系可知 第三章光电二极管模型 d ：堑 q p 是迁移率。少数载流子寿命和迁移率的随着工艺的变化而变化， 给出了用以计算少数载流子寿命和迁移率的经验公式 土：7 8 1 0 m d + 1 8 。1 0 “以 ( 3 3 7 ) 文献【lq 1 2 ( 3 3 8 ) 胪蒲+ 1 3 。 ( 3 3 9 ) 一1 ：3 4 5 1 0 川以+ 0 9 5 x 1 0 - ，1 川 ( 3 4 0 ) 以2 瑶1 1 两8 0 + 2 3 2 ( 3 4 1 ) 舻四+ 2 3 2 。4 8 x l 矿， 根据以上公式画出扩散系数与掺杂浓度以及扩散长度与掺杂浓度之间的关 系，如图3 8 、图3 9 、图3 1 0 、图3 1 1 所示。 。 i 一舅 x 、 。 慕 一。、= = ? 、t - i j j | | | | j j | | j | | | | j | | | | j 第三章光电二极管模型 、 ：、 n i 慕 ， 专 l i ： 、吐= i ? 山r 盯a 眦_ - - - 阿c n 一 图3 9 少数空穴扩散系数与掺杂浓度的关系 l l 、 。 蔓 0 、 、； i 图3 1 0 少数电子扩散长度与掺杂浓度的关系 一搴5一善点8言l-e耋 孛s口，王c|g巷c口善 第三章光电二极管模型 i l 、 、 、 弋 蓦 、， ：。： 图3 1l 少子空穴扩散长度与掺杂浓度的关系 3 1 3 5反射系数 由于采用c m o s 工艺制造的器件在硅片表面往