复合型紫外探测器的建模与设计

发布时间：2017-03-20 12:02

  本文关键词：复合型紫外探测器的建模与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着民事和军事工业的崛起,紫外探测技术的研究受到了学术界和产业界的热捧。然而,市场需求的扩大化使得紫外探测器需要操作的环境也越来越复杂、苛刻。因此,波长选择性高、光强探测范围广、温度稳定好、工艺简单以及低成本成为了以市场为导向的紫外探测器的发展方向。而基于标准CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的紫外探测系统能够克服如今市面上存在的紫外探测器的诸多缺点。目前,单芯片集成的硅基紫外探测系统主要的研究瓶颈在于满足波长选择性和微光探测要求的紫外探测器的设计。本论文宗旨是提出复合型紫外器件设计方案,并从理论和试制两方面验证它的可行性。主要从基本半导体感光物理原理出发,针对目前研究存在的缺陷,结合CMOS工艺特点和已有的研究基础,提出复合型器件设计的研究思路。通过CMOS工艺下三种基本感光器件的原理分析研究,合理利用三者之间的优势和避免其劣势,提出了结合三者特点的复合型器件结构的设计方案。另外,通过建立基于电荷控制的静态模型、Pwell/Nwell二极管/PMOSFET模型以及P+-Nwell-Pwell压控模型三种模型,从理论的角度分析器件的光阈值特性、I-V特性以及光谱特性,获得结构带来的复合器件的性能信息。然后,按照CMOS工艺的标准,设置仿真的参数,利用MATLAB求解特性方程-与数值模拟。根据仿真结果和流片工艺的设计规则,确定了最终流片的器件结构。本文基于GSMC 0.18μm CMOS工艺,提出的复合型器件以30×30阵列形式进行了流片试制,面积共为378.5μm×378.5μm,其中感光面积的比例为79.3%,并完成了部分芯片测试工作。本文主要对器件的光谱响应、转移特性和输出特性进行了详细的分析。复合型器件能够通过调节阳极偏置电压VRS来获得较大的波长选择性。固定阳极偏置电压VRS在-0.5 V,器件的波长选择性增加到103量级。器件最合适的工作电压是在0 V~-2 V之间,在该电压范围内,由光照产生的背栅效应最显著。与传统的硅基紫外光电二极管的响应度(约0.2 A/W)相比,本工作设计的紫外探测器有了很大的提高。当栅压在-0.5 V到-1.2 V之间时,DC响应具有较大的增长趋势。另外,测试结果表明,器件能够成功地探测到对极弱(ultral-weak)光。然而,与模型的仿真结果一致,器件对光照强度的响应具有明显的饱和性。
【关键词】：感光器件 复合型 紫外偏蓝 数值模型 CMOS工艺
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN23
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景与选题依据9
• 1.2 硅基紫外探测技术的目的及意义9-11
• 1.3 硅基紫外探测技术的国内外研究现状11-12
• 1.4 研究意义与方法12-13
• 1.5 研究创新点13-14
• 1.6 论文主要研究内容与章节安排14-15
• 第二章 基本原理分析15-33
• 2.1 标准CMOS工艺中的感光器件15-19
• 2.1.1 硅片中的硅吸收特性16-17
• 2.1.2 PN结的光生伏打效应17-19
• 2.2 光电二极管19-26
• 2.2.1 光电二极管的工作原理19-21
• 2.2.2 光电二极管的性能指标21-22
• 2.2.3 基于光电二极管结构的硅基紫外探测器22-26
• 2.3 光栅Photo-Gate26-30
• 2.3.1 光栅的工作原理26-27
• 2.3.2 光栅的性能特性参数27-28
• 2.3.3 基于光栅结构的硅基紫外探测器28-30
• 2.4 光双极型晶体管30-32
• 2.4.1 光双极型的工作原理30-31
• 2.4.2 光双极型晶体管的性能参数31-32
• 2.5 复合型紫外探测器件设计可行性分析32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 复合型紫外探测器件设计33-40
• 3.1 器件结构33-34
• 3.2 工作原理34-35
• 3.3 数值模拟方法35-38
• 3.3.1 半导体器件的计算机模拟35-36
• 3.3.2 数学基础36-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 复合型紫外探测器的物理模型40-54
• 4.1 基于电荷控制的静态特性模型40-43
• 4.1.1 基于电荷控制的静态特性模型建立41-43
• 4.2 P_(well)/N_(well)二极管/PMOSFET模型43-45
• 4.3 P~+-N_(well)-P_(well)压控模型45-48
• 4.4 模型的仿真与分析48-52
• 4.4.1 光阈值特性分析48-50
• 4.4.2 I-V特性分析50-51
• 4.4.3 光响应特性分析51-52
• 4.5 本章小结52-54
• 第五章 复合型紫外探测器件的实现54-62
• 5.1 复合型紫外探测器件的流片54-56
• 5.1.1 流片器件结构54-55
• 5.1.2 流片器件版图设计55-56
• 5.2 复合型紫外探测器件的测试56-61
• 5.2.1 复合型紫外紫外探测器转移特性的测试57-58
• 5.2.2 复合型紫外紫外探测器光谱响应特性的测试58-60
• 5.2.3 复合型紫外紫外探测器I-V特性的测试60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 6.1 工作总结62
• 6.2 不足与展望62-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录A 个人简历70-71
• 附录B 攻读硕士学位期间成果71

  本文关键词：复合型紫外探测器的建模与设计，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：257714