（微电子学与固体电子学专业论文）新型gaasingaas量子效应光电探测器读出设计.pdf

r u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 r e g i s t e r e dn o ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 2 l e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i r e a d o u t d e s i g n 0 nn o v e l g a a s i n g a a sq u a n t u me f f e c t p h o t o d e t e c t o r d e p a r t m e n t ：坠金巳垒! 也竺望! q ! 星! 宝! q 坠i e 堕g i 坠呈曼! = i 望g m a j o r ： m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o i i ds t a t ee i e c t r o n i c s s p e c i a i i t y ：亘望! 皇g 垒! 竺堡i 望i ! 垒塾堕s y 墨! 曼啦坠壁苎i g 卫 s u p e r v i s o r ：里! = q ! 垒苎墨q 堡坚q 里垒壁g 堡i 坠 g r a d u a t e ： 型垒望g 至q 望g ：卫垦丛 m a y ，20 1 l 在文中作了明确说 作者签名： 日期：如忙白月3 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 新型g a a 虮n g a a s 学攻读学位期间在导师指 读出设计系本人在华东师范大 ( 请勾选) 学位论文，本论文的 研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用 此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学 位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 木， 于年，月日解密，解密后适用上述授权。 ( v2 不保密，适用上述授权。 导师签名 宰“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 一 日 墼夥 盘 、q 王 降 名 豳 戤 如 人托 王丞鍪硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 罗乐研究员中科院上海微系统与主席 信息技术研究所 茅惠兵教授华东师范大学 沈建华副教授华东师范大学 器具有的高灵敏度、大动态范围 针对传统c d s 的不足，还设计 t s m c o 3 5 “n 也p 4 mn 阱c m o s 工 艺对读出电路进行设计、仿真、版图布局及验证，实现了流片。 比较了o 3 5 “m 工艺的c t i a 读出电路和0 5 肛m 工艺的s i 读出电路对接2 8 探测器阵列测试结果，获得了积分时间、探测器偏压及光照功率等工作条件与响 应电压、噪声等关键参数的关系。测试结果表明c t i a 读出条件的探测器偏压稳 定，输出信号线性度9 9 8 ，输出信号摆幅超过2 v ；而s i 读出结构的信噪比较 高、芯片面积及功耗更小。通过对读出电路改进方案进行了设计与仿真，证明改 进设计可以降低读出噪声，提高动态范围和灵敏度。 通过对微弱交流信号模拟前端接收放大器的测试结果分析，模拟仿真了加入 带隙基准源，为放大器提供基准电压及偏置电压，减少外部环境的影响，用仪表 放大器消除共模噪声，用带通滤波器进一步削弱噪声。 关键字：g a a s i n g a a s 量子效应光电探测器，读出电路，噪声，动态范围，灵敏 度 a b s t r a c t b a l s e do nn o v e lg a a s i n g a a sq u a i l t u mp h o t o d e t e c t o r sl l a v eh i g hs e n s i t i v i 饥 1 a 唱ed y 瑚m i cr a l l g e ，e t c f e a t u 】r e s ，t h ec t i a c d sr e a d o u ts t m c t u r eh a sb e e nd e s i g n e d ， m es o u r c ef o l l o w e rc d sc i r c u i th a sd e s i g n e d 向r t h e r ，w l l i c hc o u l da v o i dt i l e p i x e l c r o s s t a l k 1 1 1 e ya r ep r o c e s s e d b yt h et s m c o 3 5 p 舵p 4 mnw e l lc m o st e c l l l l 0 1 0 弘 t h en e g r a t i o nt i m e ，d e t e c t o rb i a sv o l t a g e ，l i g h tp o 、v e ra n dr e s p o n s ev 0 1 t a g e ， n o i s ea 1 1 ds oo nh a v ec o n t r a l s t e db e t w e e nt e s tr e s u l t so f0 5 m c m o sp r o c e s ss ia u l d o 35 p mc m o s p r o c e s sc t i ar e a d o u tc i r c u i tw h i c ha r ed o c k i i l gw i t l l2 8d e t e c t o r a 饿l y t h ec t i ar e a d o u ts t n l c t u r ei sa b l et os t a b i l i z eb i a so ft h ed e t e c t o r s h o 、】 j 1 1 9 9 8 l i n e 撕t ) ，a 1 1 do v e r2 vo u t p u ts i g n a ls w i n g t h es ir e a d o u ts t m c t u r eh a l sh i g h e r o u t p u ts i g n a lt 0n o i s er a t i o ，s m a l l e rc l l i pa r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o n f i m l l y ，t h e i m p r o v e dc t i ah a sd e s i g na n ds i m u l a t e df o ri i i l p r o v i n gt h ed y n 锄i cm g ea n d s e n s i t i v i 够 b a s e do nt e s tr e s u l t so ft 1 1 ew e a ks i g n a la n a l o g 角o n t e n dr e c e i v e r 锄p l i f i e r ，t h e b a n d g a pr e f i e r e n c et 0p r o v i d er e f e r e n c ev o l t a g ea n db i a sv o l t a g e ，t h ei n s t r u m e n t a t i o n 踟p l i 丘e ra n db a n d p a s sf i l t e r 、e r ea d d e dt ow e a k e nn o i s em r d l e r k e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r ；q u a n t u me 毹c t ；r e a d o u tc i r c u i t ；n o i s e ；d y n a m i c r a n g e ；s e n s i t i v i 够 i i 课题来源： 本课题来源于科技部重大项目( 2 0 0 6 c b 9 3 2 8 0 2 ，2 0 1 1 c b 9 3 2 9 0 3 ) 和上海市配套项 目( 0 7 8 0 1 4 1 9 4 ) 。 i i l 摘要i a b s t r a c t 一i i 第一章绪论1 1 1 论文研究背景1 1 2 研究内容与方法2 1 3 论文创新点2 第二章量子效应光电探测器读出设计与实现3 2 1c tl a 读出结构设计与分析3 2 2 相关双采样( c d s ) 单元的设计9 2 2 1c d s 工作原理9 2 2 2c d s 的设计与改进l o 2 3 本章小结1 l 第三章量子效应光电探测读出测试与改进12 3 1 新型g a a s in g a a s 最子效应光电探测器特性1 2 3 2c tla 读出电路与器件对接测试13 3 3 自积分( s 1 ) 读出电路与器件对接测试1 7 3 4c t i a 与s i 读出结构对比1 8 3 5 读出结构改进设计1 9 3 5 1 不同积分电容c t i a 读出结构的测试与分析2 0 3 5 2 增益可调放大器的设计与分析2 l 3 5 3 模拟仿真2 4 3 6 本章小结2 6 第四章微弱信号模拟前端接收电路测试与改进2 7 4 1 微弱信号模拟前端接收电路的工作原理。2 7 4 2 微弱信号模拟前端接收电路测试2 8 4 3 微弱信号模拟前端接收电路的改进设计3 0 4 3 1 带隙基准源的设计3 0 4 3 2 仪表放大器设计3 4 4 3 3 带通滤波电路设计3 6 4 4 本章小结3 8 第五章总结展望4 0 参考文献4l 附j i 乏4 5 致谢4 6 0 绪论 遥感，机载探测、跟踪，微光夜视侦察、 【l - 5 】。随着探测器材料和集成电路技术 的快速发展，光电探测技术朝着像素更小，分辨率更高、感应的光谱更丰富，功 能更智能方向快速发展。成像系统中焦平面阵列( f p a ) 是核心部件，它决定成 像波段、灵敏度及动态范围等关键参数【6 ，7 】。 焦平面阵列由探测器阵列和读出电路组成。探测器将接受到光信号转换为电 信号并传输到读出电路进行积分放大、采样保持。通过输出缓冲和多路传输系统， 最终送达监视系统形成图像。 l r d c t p ( a ) 自积分( s i ) ( b ) 电容互阻跨导放大器( c t i a ) 图1 1 不同的读出电路结构 读出电路是探测器阵列和后续信号处理电路间的接口电路，它将探测到的电 流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路可以处理的电信号。合适的积分电 容设置的读出电路影响探测器的偏置工作点，焦平面的读出噪声、速度、分辨率、 灵敏度和动态范围。c m o s 标准工艺已成为读出电路设计主流。不同结构的读出 电路特点不同，可满足不同类型探测器的读出要求。图1 1 ( a ) 的s i 读出结构 简单，面积小，但不能稳定探测器偏压，积分非线性，如源跟随管阈值电压不一 致还会引入了固定图像噪声。图1 1 ( b ) 的c t i a 读出结构可以稳定控制探测器 偏压，注入效率提高，线性度好，结构复杂，但面积和功耗相对较大，输入阻抗 与探测器电流无关6 1 。本文依据新型g a a s i n g a a s 量子效应光电探测器的性 能特点，设计t s m c o 3 5 “砣p 4 mn 阱c m o s 工艺c t i a 型读出电路，经过对比 测试和分析，提出修改方案。 1 2 研究内容与方法 首先分析c t i a 读出结构的性能参数，考虑c d s 抑制噪声原理，提出可削 弱像素串扰的源极跟随c d s 电路。用t s m c o 3 5 肚m 2 p 4 mn 阱c m o s 工艺对读 出电路进行设计、仿真、版图布局及验证，成功实现了流片。 读出电路与光电探测器对接后封装入杜瓦瓶，杜瓦瓶固定于光学平台，氦氖 激光器发射的激光经过衰减聚焦后辐照到单个探测器表面，用a g i l e n t6 0 5 2 a 混 合信号示波器观察电路的工作时序，采集输出响应电压。改变光照强度、积分时 间、探测器偏压等条件，研究响应电压、噪声、动态范围、灵敏度等参数与工作 条件的关系，寻找探测器和电路匹配工作点。 分析s i 及c t i a 读出结构的测试结果，针对传统c t i a 结构难以兼顾灵敏度 和动态范围的缺陷，提出增益自动可调放大器结构，应用t s m c o 3 5 p i n 2 p 4 mn 阱c m o s 工艺对改进的读出结构进行s p e c 仃e 仿真验证，获得可增强读出灵敏度， 拓展了读出动态范围的效果。 1 3 论文创新点 ( 1 ) 研究分析读出电路的动态范围、灵敏度、噪声、输出摆幅及像素串扰 等性能参数，用t s m c 0 3 5 “m 2 p 4 mn 阱c m o s 工艺设计了c t i a _ 源极跟随c d s 读出电路，对设计方案进行仿真和版图设计，实现了流片。 ( 2 ) 对探测器与读出电路进行对接测试，依据测试结果分析动态范围、灵 敏度、输出摆幅及匹配工作点设置等，通过对s i 及c t i a 读出结构的测试结果 比较分析，提出改进方案。 ( 3 ) 依据微弱信号模拟前端接收放大器的测试结果，仿真设计了能够减少 外界影响的带隙基准源，能削弱共模噪声、增大差模增益的仪表放大器和带通滤 波器，结果表明电路输出信号包含的谐波分量及噪声得到削弱。 2 器读出设计与实现 控制、噪声、动态范围、灵敏度等 性能参数。 1 动态范围和灵敏度 动态范围定义为最大不饱和电流和最小可探测电流之比，其中最小电流定义 为无光照条件下的噪声变化。假设探测器的响应电流可表示为瓤= q m 积，i l i t 和 。= g 。栅，i n t ，则动态范围【17 】： 伽：2 0 l 。g 竽：2 0 l 。g 譬 ( 2 - 1 ) l m mq n o l s e 可以看出，减小噪声电子数，增大最大电荷容量，可改进读出电路动态范围。 灵敏度定义为单位曝光量作用下器件的响应电压f 1 刀： 胆：告：氅净 ( 2 - 2 ) h 矿日y p 叫 式中，v 。是读出电路输出的响应电压，h v 是探测器单元接受到的曝光量， 瓯= k 。所以减小积分电容或延长积分时间可以提高灵敏度，但是减小积 分电容会减小读出电路的电荷容量，减小读出电路的动态范围。 2 噪声 c m o s 电路主要包括m o s 管和电容两种元件。m o s 晶体管的热噪声产生 于沟道中存在的热载流子。m o s 晶体管工作频率小于l o ok h z ，其噪声主要是 1 f 噪声，即闪烁噪声： ，ik1 v 孔，2 石鬲7 ( 2 3 ) 式中，k 是工艺常数，相同工艺下，p m o s 管k 值比n m o s 管k 值小3 0 0 倍。 固定图形噪声称为空间噪声，是因为半导体材料和制造工艺的原因，读出阵 列每个像元电路的性能不一致而出现偏差，产生了阵列电路特有的空间噪声。由 于读出结构和电路工作方式引入的积分和采样电容都要通过m o s 开关周期复 位或接通，m o s 管开关等效的导通沟道电阻所产生的热噪声就加到电容上，从 而形成复位和读出噪声( k t c ) 【1 8 ，19 1 。k t c 噪声与探测器电容，读出电路总线 电容和外部电容有关，均方根噪声值为乏f 万。m o s 管的热噪声计算公式： 站i 晴= 等 ( 2 4 ) 在c m o s 电路中，这些噪声会传输到后级，所以读出电路设计需考虑噪声处理。 3 c t i a 积分精度 c t i a 工作先复位开关导通，并把c t i a 输出电压复位到删硝： 一阿2 南+ ( 2 5 ) 式中a 是运放的开环增益，v o s 是运放的失调电压。当复位开关关断，通过电流 积分输出电压从基准电压开始减小或者增大至删肼。 ，南( + 等 p 6 ， 式中，t 是积分时间，i 为积分电流，由于放大器的有限增益及失调电压的存在， 影响c t i a 输出电压的精确性2 0 1 。使输出摆幅和积分线性度变差，带来更大的固 定图形噪声( f p n ) 。 c t i a 读出结构是由运算放大器和负反馈网络构成的电压串联负反馈放大电 路，具有高增益，宽输出摆l 幅，低等效输入噪声等性能的运算放大器才能使c t i a 很好地读出探测器信号。运算放大器具有足够开环增益，加负反馈时，闭环传输 函数与运算放大器的增益几乎无关，而且具备负反馈网络的运算放大器，一定程 度减少非线性失真，抑制反馈环内噪声，扩展带宽，改变运算放大器输入和输出 电阻等2 2 1 。图2 。l 即是采用由差分跨导高增益级、补偿电路及共源输出器等组 成的双端输入单端输出的两级运算放大器结构。 c m o s 电路中的噪声主要是m o s 管的1 f 噪声及热噪声，表示如下： 昏 警+ 赤j 弘7 ， 4 管的k f = 5 l o 2 4 f a ( 2 8 ) ( 2 9 ) p 三= g 。，r ；k 二+ p ：，+ 尺? 悖：t p ：l + g ：2 p ：+ g 三3 p 磊+ g ：4 p 孟) j ( 2 - 1 0 ) 电压噪声谱密度p 三除运放增益g 卅。r 。，r ：，得等效输入电压噪声谱密度： 小2 晶 1 + ( 舒圳 p 运放主要工作在低频模式，故主要关注m o s 管l f 噪声： p ：= 去( ) ( 2 - 1 2 ) 其中肚景代入上式，得： 昏2 蠕) 2 x ( 舞 p 图2 1 c t i a 中运放的原理图 为使运算放大器噪声尽量低，第一级差分放大器的增益要大，p m o s 管为输入源 极耦合晶体管，第一级差分放大器的负载晶体管栅长应比输入晶体管更长，输入 源极耦合晶体管的宽长比尽量大。综合增益、带宽以及输入输出摆幅等参数，通 过计算确定各个m o s 管宽长比【2 3 】。 图2 2 运放的直流输出特性 cr e s o o n l 一。一一。 ! 。l 一一一一一r ； i 4 b u v j n畦q s zj f v e o u f ) ) o j l ! 一一一， ： f n q l h z ) 图2 3 运放的交流输出特性 采用t s m c 0 3 5 “m 2 p 4 mn 阱c m o s 工艺对运放进行s p e c 仃e 直流输入扫描 仿真。从图2 2 的直流输出特性可以看出，运放输入电压 2 2 ，3 4 】区间，输出曲 线呈线性，说明运放的共模输入电压在该区间时，所有m o s 管均工作在饱和区， 运放保持较高的开环增益。图2 2 还表明，运放的共模输出摆幅为o 3 4 9 v ，使 得c t i a 具备较大的输出摆幅。图2 3 为运放的交流输出特性，可以看出，运放 一v n 口岫 定探测器的上电 两级运算放大器 的相位裕度接近 4 为运放的等效 ，说明运放具备 j ： ，j 一。八 ，； 仲m l i 图2 4 运放的等效输入噪声 表2 1c m o s 运放的性能列表 7 表2 1 总结了c m o s 运放的性能指标，运放的正负电压摆率均超过1 0 v “s ， 而c t i a 结构要求在3 “s 时间内实现2 3 v 的电压复位，所以电压摆率够用。为 使c t i a 读出结构具备较高的积分精度，运算放大器除具备较高增益，还要具备 较小的失调电压。可在电路设和版图设计两方面注意：在电路设计时，增大m 5 管栅长、减小流经m 5 管的电流；版图设计时，尽量确保运放中的差分m o s 管 对称分布，采用折叠栅指结构，减小m o s 管寄生参数，以减小运放失调电压。 c t i a 复位积分器作为接收探测器输出信号的列放大器读出单元，积分电容 对探测器响应电流积分，把电流转换成电压信号： = 罢等 ( 2 1 4 ) 乃是有效输出信号， 圪甜= 圪，其中为运算放大器正向输入参考电压。 如探测器光电流经过c t i a 结构，上式取减号；否则取加号。设计运放的输出摆 幅o 3 4 9 v ，光电流流经c t i a 结构：0 3 圪w 2 5 ；否则2 5 4 9 。图 2 5 为输入电流2 5 i a ，积分时间1 4 0us 时，c t i a 的仿真结果。 图2 5 c t i a 的仿真结果 8 单元的设计 s h s s r 图2 6 传统c d s 结构图 由于需要读出的探测器暗电流为1 0 1 3 a 量级，阻抗很大。在设计读出电路 时，考虑抑制读出电路m o s 管1 f 噪声、复位、读出噪声( k t c 噪声) 及固定 图形噪声。相关双采样技术是成功的噪声抑制技术，图2 6 是传统c d s 电路结 构。s h s 在积分开始时，对应输出的v 0 1 只包含噪声；s h r 在积分结束时，对应 输出的v 0 2 包含噪声和信号。c d s 理论：来自同一电路的噪声电压在时间上具有 相关性；白噪声通过一阶低通滤波器后成为有色信号，时间上也有相关性；可通 过很短时间内两次采样同一像元信号，用差分器将双采样信号相减，达到消除或 削弱读出噪声目的。c d s 电路对k t c 噪声和固定图形噪声的相关系数： j p r ( f ) = p a 77r 矿c ( 2 1 5 ) 式中，f 是两次采样的时间间隔，r 。仃c 是电容节点漏电阻，c 为电容。上式 表明f 越小，r 。f f c 越大，c d s 电路对读出噪声的相关系数就越大，抑制噪声 效果也越好。 通过c d s 电路，差分放大器输出端的电压信号： ：娶 ( 1 - p - f ) 】 乙 ( 2 1 6 ) 可以看出，由于f 的存在，k t c 噪声不可能完全消除，而r 。f f c 的存在可以消 9 除大部分k t c 噪声。 2 2 2c d s 的设计与改进 图2 6 传统c d s 结构中的采样电容与输出总线及列选开关等直接相连。当 输出信号总线金属和衬底间寄生电容及其列选开关中的栅漏电容与采样电容发 生电荷转移，造成不精确采样，导致在输出下一列像素信号读出时，输出总线寄 生电容还保存着上一像素电荷，两者叠加造成像素间的串扰。在大规模阵列中， 输出总线长度远大于现有2 8 读出电路输出总线长度，列选开关更多，寄生电 容更大，甚至大于采样电容，像素间的串扰会更加严重。 图2 7 加驱动c d s 电路结构 图2 7 的c d s 结构在双采样单元中，每个采样电容后接一个源极跟随器驱 动电路，隔离采样电容和输出总线电容，驱动输出总线电容。当探测器工作，向 读出电路注入电流，积分电压小于参考电压v 碍f ，积分信号在零至参考电压范围， 采用p m o s 源极跟随器时p m o s 衬底接电源，消除背栅效应对开启电压的影响， 从而提高线性度。当考虑读出电路流出响应电流模式，积分信号在参考电压至电 源范围，积分信号在参考电压至电源范围内，采用n m o s 源极跟随器时，n m o s 衬底接地。如采样电容太大，芯片面积就大。根据工艺参数采样电容设计4 p f 。 为了避免输出非线性，p m o s 源极跟随器两个m o s 管的宽长比分别为6 “州2 “m 和2 0 r 2 “m ，n m o s 源极跟随器的宽长比分别为2 0 i l m 2 肛m 和6 p “l 2 p m 。用 c a d e n c e 软件进行s p e c t r e 模拟仿真，结果分别如图2 8 和2 9 所示。 可以看出，p m o s 源极跟随器的电压增益为o 9 ，v 吡比v i 。移动了1 5 v ，偏 置电流大于2 0pa ，足够驱动输出总线电容，而且在输入电压( o 4 ) v 区间内， 输出实现线性，适用于电流注入读出结构；n m o s 源极跟随器的电压增益为0 7 5 ， v o m 比v i 。移动了1 5 v ，偏置电流也大于2 0ua 。可以发现，改进c d s 结构在无 l o 输出的积分时间段，输出总线通过源极跟随器负载钳位在固定电平，输出端电压 不随最后单元的电位变化，避免了像素间的串扰。 j ，”t 一一： 图2 8 p m o s 源极跟随器仿真结果 2 3 本章小结 图2 9 n m o s 源极跟随器仿真结果 设计高性能的读出结构是探测器读出电路设计的重要部分。本章详细阐述了 c t i a 读出结构的设计原理，阐述了c d s 消除或削弱1 f 噪声、低频噪声、k t c 噪声和固定图形噪声的设计原，针对传统c d s 结构难以避免像素串扰的缺点， 加入了源极跟随器把积分电容和电路的寄生电容隔离开，并通过了 t s m c o 3 5 肛m 2 p 4 mn 阱c m o s 工艺进行s p e c t r e 仿真设计。 第三章量子效应光电探测读出测试与改进 3 1 新型g a a s in g a a s 量子效应光电探测器特性 6 e 埘2 o 童6 e 埘2 譬 厶 对 u6 7 5 e 0 1 2 _ 4321o v o l t a g e ( v ) 图3 1 探测器的i v 曲线 43_ 21o12345 、，o l t a g v ) 图3 2 探测器的c v 曲线 新型低维量子结构光电探测器的响应波长4 0 0 1 0 6 4 啪1 2 4 2 踞6 1 ，通过内部光 电倍增结构，探测器响应率大于l w 。图3 1 是6 3 3 m n 辐射不同功率光照时探 测器的i 。v 特性曲线，器件响应曲线非对称，正偏压条件下探测器响应率和负向 偏置有一定差异。探测器阈值电压约+ o 6 v 。当偏置电压大于某一阈值，探测器 的响应电流跳变并急剧增大。图3 2 为探测器c v 特性曲线，器件在改变辐射功 率和偏压条件下，自身电容从6 6 5 p f 变化到6 9 5 p f 。负偏压时器件平均电容约 1 2 舻舻吣 似 敬 呶 敏 散 敏 似 呶 舨 4 3 3 2 2 1 1 5 5 一一lup_ijnu 2 2 由 七 雠 旺 6 6 2 2 m ! ! l 耋 6 b _ 4- 3 - 2- 1o12345 v o l t a g c ( v ) 图3 3 探测器响应率 _ 4 - 3- 2- 10123 45 v b l t a g e ( v ) 图3 4 探测器光电流与暗电流比值 3 2c tia 读出电路与器件对接测试 3 给出了探 响应电流和 且随着光强 在器件和电路对接以前，先对电路芯片进行测试，由于读出电路输入端输入 电流为零，1 6 路输出应该平坦一致。图3 5 是n m o s 源极跟随器c t i a c d s 读 出芯片的测试结果，可以看出，1 6 路输出平坦一致，均在2 5 v 基准电压的基础 上向下迁移约1 5 v 电压，芯片可以正常工作。 柏 寻 柏 加 o 寻 j - 一口一_1曙口_、上ii_i 图3 5 读出电路未与探测器对接时的测试结果 图3 6 读出电路与探测器阵列 挑选出的功能完整和性能良好的读出电路芯片与探测器阵列对接( 图3 6 ) ， 安装在杜瓦中，固定在光学平台上，h e - n e 激光源，发射出的辐射经过衰减聚焦 照射到器件表面，a g i l e n t 数字示波器采集读出电路输出信号。设量子效应器件 的公共端电位v d e tb i a s 小于单元探测器电位，即小于v 佗f 。当v d i 船 0 i n t c r g r a t j o nt i m c ( s ) 图3 9 输出响应电压与积分时间关系 1 4 1 2 1 o o 8 o 6 0 4 0 2 o o 2 o1 51 00 5 o oo 51 o1 52 o2 5 b i 船v o l t a g e ( v ) 图3 1 0 输出响应电压与探测器偏压的关系 1 0 o 9 o 8 o 7 0 6 o 5 o 4 0 3 o 2 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 04 5 05 0 0 l i g h tp o w e r ( n w ) 图3 1 1 输出响应电压与光功率的关系 应用a g i l e n t 数字示波器对高灵敏度探测阵列输出信号采样1 0 0 次求得噪声 1 6 v盛暑一口譬口0d若 一v p管lioascoqsa匣 一一笛里o熬coa8篮 考虑响 小趋势，输出电压 响，输出电压最大 输入端探测器工作 频率约1 2 t i m 【2 8 】，积分时间增大，探测器和列放大器的工作频率下降，可以减小 噪声带宽，功率频谱密度不变时，读出噪声减小【2 9 ，3 0 1 。 3 3 自积分( s1 ) 读出电路与器件对接测试 表3 2s l 结构对接器件测试条件 v l v 2 v c o m t c p 测试温度 4 v 4 v o v 3i 工s 室温( 约3 0 0 k ) i n t e g r a t i o nt i m e ( s ) 图3 1 2 s l 读出电路输出电压与积分时间关系 自积分读出结构测试条件如表3 2 示，探测器公共端接0 v ，v 1 和v 2 都接 4 0 v ，选定一个单元测试，设光照强度1 9 5 n w ，改变积分时间测s i 读出电路的 响应电压。测试结果见图3 1 2 。当积分时间4 m s 时，读出响应电压不再发生变 化，达到饱和，输出摆幅为1 1 v 。为分析积分时间与响应电压的关系，采用简 单线性回归对测试结果拟合得： 1 7 1 o o o o o v墨一0冀cod = o 0 3 7 0 7 + 2 0 2 5 e 1 3 厂l e x p r 一1 3 4 0 6 e 11 刀( 3 1 ) + 0 2 7 4 8 厂1 一e x p f ，一0 0 0 0 1l 刀 r s q u a r e = o 9 9 6 7 6 ；s d 2 0 o 0 0 2 8 明显看出输出电压与积分时间不是线性关系。选择积分时间1 0 0 p s ，改变光照强 度，测试结果见图3 1 3 ，随辐照功率增大输出电压也增大，辐照功率1 2 p w 时， 响应电压0 6 5 v 。设积分时间为4 m s ，应用a g i l e n t 数字示波器对探测器阵列输 出信号采样1 0 0 次求得噪声平均值为2 0 9 5 m v ，扣除仪器空测噪声2 m v ，实际 读出噪声0 0 9 5 m v 。测得读出响应电压为1 1 v ，则信噪比7 7 6 d b 。 o o 2 o x lo 74 o x l0 76 o x lo 。78 o x l0 71 o x l0 61 2 x 1o l i g h tp o w e r ( n w ) 图3 1 3 s i 输出电压与光照功率关系 3 4c tia 与sl 读出结构对比 由于c t i a 结构包含一个运算放大器，只要其增益足够大，就会具有“虚 短”特性，探测器的上电极电压等于是加在运放另一端的参考电压v 陀f ，稳定探 测器另一端电极偏压，探测器就可获得稳定偏压。器件与c t i a 对接后，积分电 压与积分时间和光照强度均能成精确的线性关系。s i 结构简单，只包含复位开 关、行选开关以及源极跟随器等结构。探测器的下电极接地电位，复位开关选通 后，复位电压加在上电极上，探测器丌始“自积分”。但是积分电压会改变探测 器的上电极电压，导致探测器偏压不稳定，器件的响应电流和电容都会相应发生 变化，导致积分电压与积分时间和光照强度均不是线性关系。 c t i a 积分电容较小时，可以读出弱光辐射的探测器响应电流，灵敏度较高； c t 认积分电容较大时，可以读出强光辐射下探测器响应电流。一旦选定积分电 1 8 _)戋ilocod8酲 压较 增加 较大 读出 约为 6 8 d b ；而s i 读出结构的平均噪声0 0 9 5 m v ，读出信噪比约为7 7 6 d b 。 c t i a 结构的积分电容确定，最大电荷容量就固定，如积分电容4 p f ，最大 电荷容量为4 8 0 1 07 。由于探测器偏压稳定，c t 认结构可以实现较大的输出摆 幅，测试得到输出摆幅超过2 v 。而s i 结构的电荷容量与探测器的结电容有关， 积分时探测器的偏压会发生变化，受到探测器自身的阈值电压的影响，s i 读出 结构输出的信号电压的幅度范围相对较小，经测试约在1 1 v 左右。 c t i a 读出结构的注入效率与运放增益有关，c t i a 的运放增益可以达到 9 0 d b ，所以注入效率基本等于1 。s i 读出结构的注入效率与源极跟随器的增益， 探测器自身结电容，源极跟随器寄生电容、输出信号线寄生电容和选通开关寄生 电容等组成的总线电容有关。探测器电容约6 8 p f ，输出总线电容约3 p f ，源极跟 随器增益为0 8 ，所以注入效率远小于1 。 基于以上分析，c t i a 和s i 读出结构各自具有不同特点。由于c t i a 具有输 出线性、读出速率快等优点，被广泛应用于光电成像系统。基于上述分析，考虑 了c t 认改进方案，在增加不多的芯片面积和功耗情况下，实现高灵敏度和大动 态范围设计改进。 3 5 读出结构改进设计 高灵敏度大动态范围量子点量子阱探测器感应的辐射功率范围很宽，从 n w 、uw 、m w ，甚至更高量级。在1 0 v 工作偏压下，暗电流小于1 0 d 2 a ，6 3 3 啪 激光辐照功率4 0 n w 时，器件有1 0 母a 的响应电流输出，8 0 0 n w 辐照下，器件的 响应电流达到1 0 。7 a ；当辐照功率大于pw 甚至m w 量级时，响应电流更大，超 过1 0 。6 a 。但是传统的光电探测器读出电路动态范围在6 0 d b 7 0 d b ，甚至更低【3 l 】， 难以满足探测器的读出要求，导致场景中的明亮部分或较暗区域细节丢失。 1 9 3 5 1 不同积分电容c t i a 读出结构的测试与分析 o1 0 02 0 03 0 04 0 0 l j g h tp o w e “n w ) 图3 1 4 不同积分电容的输出电压与光功率的关系 2 04 06 08 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 i l l t e g m t i o nt i m e ( u s ) 图3 1 5 不同积分电容的输出电压与积分时间的关系 图3 1 4 是c t i a 读出结构4 p f 积分电容和1 2 p f 积分电容的输出电压与光功 率变化关系。在背景电流为0 n w 黑箱内，6 3 3 i h n 激光计辐射功率从2 2 n w 4 0 0 n w 范围变化，探测器工作偏压1 5 v 时，积分时间2 0 s ，可以看到，随着光强增加， 4 p f 积分电容和1 2 p f 积分电容的响应电压都增加，但是在2 0 0 n w 辐照下，4 p f 积分电容的响应电压已经饱和，输出电压2 3 5 v ，再增强光照功率，输出电压不 变；1 2 p f 积分电容读出随辐照功率增加而线性增加，直到4 0 0 n w 辐照都没有饱 和，显示出较大的动态范围，但是输出电压相对要小。在图3 1 4 弱光条件下， 4 p f 积分电容的响应电压比1 2 p f 积分电容的大很多，更适合弱光辐照读出。 图3 1 5 是c t i a 读出结构4 p f 积分电容和1 0 p f 积分电容的响应电压与积分 时间关系，探测器偏压1 0 v ，6 3 3 啪辐照功率1 9 2 n w ，积分时间变化从2 0 至 2 0 出电路灵敏度，读出信号电流较大时采用较大的积分电容，避免积分饱和，也就 增大了动态范围。 3 5 2 增益可调放大器的设计与分析 设计低噪声增益自动可调放大器读出结构，依据不同情况选用不同的增益进 行积分，实现灵敏度和动态范围的统一。文献【3 2 】在信号放大前先与比较器的阈 值比较，确定放大器增益，文献【3 3 】中的探测器输出信号先积分，当积分信号超 过一定阈值后再调节放大器增益。 图3 1 6 是设计的增益自动调节放大器读出结构，与传统c t i a 结构相比，并 联了三个积分电容，分别是c 1 、c 2 及c 3 ，且c 3 c 2 c 1 ，两个较大的电容与 c 1 并联；在积分电路的输出端添加了滤波电容c 0 ，为滤去积分电压高频分量； 在增益控制电路和积分电路间添加闭环增益2 倍的同相比例放大器；增加由比较 器和两个异步清零d 触发器，积分电容选通开关、三个电容的复位开关及配套 的反相器构成的积分电容可调控制电路。当行选开关闭合，复位信号导通复位开 关k 1 ，复位信号传输至异步清零d 触发器，使d 触发器的q 端输出低电平， q 端输出高电平，两路输出通过反相器加到c 2 及c 3 上，使c l 、c 2 及c 3 复位。 积分电容复位后，c 1 开始积分，比较器检测经同相比例放大器放大的积分电压 以控制触发器，触发器的输出控制读出电路增益。 图3 1 6 中的复位开关及积分电容选通开关均采用c m o s 开关，是n m o s 和 p m o s 开关并联得到，其导通电阻是n m o s 和p m o s 导通电阻的并联。c m o s 开关不管输入电压是高如v d d 还是低如g n d ，输出电压始终能跟随输入电压。 2 1 图3 1 6 低噪声增益可调放大器 图3 1 7 增益可调放大器积分曲线 图3 1 6 中比较器的正相输入端设阈值电压0 8 v ，积分电路输出端连接同相 比例放大器的正相输入端，经同相比例放大器放大后连接比较器的负相输入端。 积分电压经2 倍放大后与比较器设定的阈值电压比较，当放大的信号电压小于饱 和电压后比较器翻转，输出脉冲信号触发第一触发器，触发器输出信号闭合k 2 ， c 2 电容与c 1 并联，积分电容为c l + c 2 ，由于c 2 复位，故积分器输出电压： = 一糍 ( 3 - 2 ) 当输出电压大于饱和电压，比较器复位至低电平，由于c 2 先复位后并联c 1 进 容并联时的积分电容输出 次饱和，比较器再次翻转 积分电容为c 1 + c 2 + c 3 ， g n d 图3 1 8 比较器电路 ( 3 - 3 ) 电路工作过程中会出现意外干扰和噪声，使比较器错误翻转。为了稳定可靠 地控制和改变读出电路增益，控制电路中的比较器采用图3 1 8 的迟滞比较器【3 4 】。 对比较器采用t s m co 3 5um2 p 4 mn 阱c m o s 工艺进行s p e c 打e 模拟仿真，仿 真结果如图3 1 9 。当比较器负相端的输入电压小于0 8 v 时，比较器会跳转输出 一个高电平，通过控制p m 2 、p m 3 宽长比与p m l 、p m 5 宽长比的比值，调节正负阈 值电压。比较器的正负闽值电压不能太小，一般不低于图3 1 8 所示的m o s 管阂 值电压o 7 v ，否则比较器在第一次翻转后不能恢复到低电平，增益调节能力下 降，减小读出电路的动态范围。一般情况下