基于CMOS工艺的SPAD阵列及像素单元电路设计
发布时间：2021-02-20 17:39
随着社会的发展,人们对于微弱光的图像检测需求越来越急缺,而单光子探测就是解决该种问题十分有效的手段,相比于基于电荷耦合器的CMOS图像传感器和PMT的光电转换器,该技术具有探测的灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单及易于大规模集成的优势。在航空航天、生物医药、信号传输等方面获得广泛应用,虽然具有广阔的应用前景,但该技术的发展困难是如何进行单片集成与大规模阵列应用,本文将对此展开研究。第一、传统单光子探测中,为了保证探测器件的光子探测效率,通常将器件尺寸设计过大,但这样的设计对于降低阵列面积,提高阵列的集成度是个十分巨大的挑战。故而本文将基于0.18μm CMOS工艺设计适用于大规模阵列探测器的小尺寸SPAD结构,通过优化设计,确定器件结构,绘制版图流片与进行测试验证。第二、针对无SAPD仿真模型的问题,本文将在充分调研阅读文献的基础上提出一款适用于电路仿真的器件SPICE模型,为电路设计铺平道路。其次为SPAD设计两款结构简单、性能可靠的淬灭电路:负载可变与电容淬灭电路,通过仿真表明,电路的淬灭时间低于5ns、复位时间低于1ns,满足整体死区时间小于1ns,达到高速探测的应用需求。且进行电...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 单光子探测原理
1.3 SPAD探测的研究现状和发展趋势
1.4 论文主要工作和结构安排
第二章 单光子雪崩光电二级管探测器的研究基础
2.1 雪崩光电二极管工作原理
2.2 SPAD的性能指标
2.2.1 光子探测效率
2.2.2 雪崩倍增因子
2.2.3 暗计数率
2.2.4 后脉冲
2.3 SPAD的淬灭与复位
2.3.1 被动式淬灭电路
2.3.2 主动式淬灭
2.3.3 门控淬灭式电路
2.4 SPAD的计数电路
2.4.1 数字计数电路
2.4.2 模拟计数电路
2.5 本章小结
第三章 单光子雪崩光电二级管的设计
3.1 CMOS工艺的SPAD结构发展
3.2 SPAD的保护环结构
3.3 SPAD的结构设计
3.4 仿真分析
3.5 SPAD的版图设计与测试验证
3.5.1 SPAD的版图设计
3.5.2 SPAD的测试验证
3.6 本章小结
第四章 单光子雪崩光电二极管的淬灭电路
4.1 淬灭电路的仿真模型
4.2 淬灭电路的设计
4.2.1 设计要求
4.2.2 负载可变淬灭电路设计
4.2.3 电容感应淬灭电路
4.2.4 延迟电路设计
4.3 仿真结果与分析
4.3.1 延迟电路仿真分析
4.3.2 负载可变淬灭电路仿真
4.3.3 电容淬灭电路仿真
4.4 本章小结
第五章 单光子雪崩二极管的计数电路
5.1 计数电路设计要求
5.2 数字计数电路
5.3 模拟计数电路
5.4 仿真分析
5.5 版图设计
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献
作者攻读硕士期间取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间-数字转换器研究综述[J]. 罗敏,宫月红,喻明艳. 微电子学. 2014(03)
[2]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真[J]. 王成,孟丽娅,王庆祥,闫旭亮. 半导体技术. 2014(04)
[3]SPAD的EDA模型及其在集成淬火电路设计中的应用[J]. 周扬,陈永平. 半导体光电. 2010(05)
[4]基于盖革模式APD阵列的激光雷达性能分析[J]. 刘晓波,李丽. 航空兵器. 2009(06)
[5]高灵敏度电子倍增CCD的发展现状[J]. 张灿林,陈钱,周蓓蓓. 红外技术. 2007(04)
[6]通讯波段单光子探测器的研制[J]. 刘云,韩正甫,吴青林,戴逸民,郭光灿. 量子光学学报. 2007(01)
[7]光子计数成像原理及其应用[J]. 赵勋杰. 红外与激光工程. 2003(01)
[8]探测器光谱灵敏度的一种测量方法[J]. 蒋月娟. 光学仪器. 2000(02)
博士论文
[1]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于0.18um CMOS工艺的时间数字转换器的设计与实现[D]. 李乾锋.东南大学 2015
[2]基于CMOS工艺的盖革模式SPAD像元电路研究[D]. 王成.重庆大学 2014
[3]一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计[D]. 刘晓磊.华中科技大学 2011
[4]320×256红外焦平面读出电路研究[D]. 陈彦宇.电子科技大学 2008
本文编号：3043107
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 单光子探测原理
1.3 SPAD探测的研究现状和发展趋势
1.4 论文主要工作和结构安排
第二章 单光子雪崩光电二级管探测器的研究基础
2.1 雪崩光电二极管工作原理
2.2 SPAD的性能指标
2.2.1 光子探测效率
2.2.2 雪崩倍增因子
2.2.3 暗计数率
2.2.4 后脉冲
2.3 SPAD的淬灭与复位
2.3.1 被动式淬灭电路
2.3.2 主动式淬灭
2.3.3 门控淬灭式电路
2.4 SPAD的计数电路
2.4.1 数字计数电路
2.4.2 模拟计数电路
2.5 本章小结
第三章 单光子雪崩光电二级管的设计
3.1 CMOS工艺的SPAD结构发展
3.2 SPAD的保护环结构
3.3 SPAD的结构设计
3.4 仿真分析
3.5 SPAD的版图设计与测试验证
3.5.1 SPAD的版图设计
3.5.2 SPAD的测试验证
3.6 本章小结
第四章 单光子雪崩光电二极管的淬灭电路
4.1 淬灭电路的仿真模型
4.2 淬灭电路的设计
4.2.1 设计要求
4.2.2 负载可变淬灭电路设计
4.2.3 电容感应淬灭电路
4.2.4 延迟电路设计
4.3 仿真结果与分析
4.3.1 延迟电路仿真分析
4.3.2 负载可变淬灭电路仿真
4.3.3 电容淬灭电路仿真
4.4 本章小结
第五章 单光子雪崩二极管的计数电路
5.1 计数电路设计要求
5.2 数字计数电路
5.3 模拟计数电路
5.4 仿真分析
5.5 版图设计
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献
作者攻读硕士期间取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间-数字转换器研究综述[J]. 罗敏,宫月红,喻明艳. 微电子学. 2014(03)
[2]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真[J]. 王成,孟丽娅,王庆祥,闫旭亮. 半导体技术. 2014(04)
[3]SPAD的EDA模型及其在集成淬火电路设计中的应用[J]. 周扬,陈永平. 半导体光电. 2010(05)
[4]基于盖革模式APD阵列的激光雷达性能分析[J]. 刘晓波,李丽. 航空兵器. 2009(06)
[5]高灵敏度电子倍增CCD的发展现状[J]. 张灿林,陈钱,周蓓蓓. 红外技术. 2007(04)
[6]通讯波段单光子探测器的研制[J]. 刘云,韩正甫,吴青林,戴逸民,郭光灿. 量子光学学报. 2007(01)
[7]光子计数成像原理及其应用[J]. 赵勋杰. 红外与激光工程. 2003(01)
[8]探测器光谱灵敏度的一种测量方法[J]. 蒋月娟. 光学仪器. 2000(02)
博士论文
[1]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于0.18um CMOS工艺的时间数字转换器的设计与实现[D]. 李乾锋.东南大学 2015
[2]基于CMOS工艺的盖革模式SPAD像元电路研究[D]. 王成.重庆大学 2014
[3]一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计[D]. 刘晓磊.华中科技大学 2011
[4]320×256红外焦平面读出电路研究[D]. 陈彦宇.电子科技大学 2008
本文编号：3043107
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3043107.html
