CMOS太赫兹探测器研究及电路设计

发布时间：2020-05-15 03:33

【摘要】：太赫兹波因其安全性、透视性、信息承载量大等特性受到广泛重视和研究,太赫兹探测器则是太赫兹技术的核心。CMOS太赫兹探测器因具有低成本、低功耗、高集成度等优势,是目前太赫兹探测器研究中的热点。本文结合实验室已有成果,提出了一种基于源漏非对称结构的新型CMOS太赫兹探测器,从原理、仿真、流片及实验表征上对其性能进行了研究;进一步对探测器阵列放大电路进行了设计和优化。论文研究成果包含下面三个方面:1.利用标准0.18μm工艺制备了基于源漏非对称结构的新型CMOS太赫兹探测器。仿真结果表明,减少栅端与源端LDD之间重叠面积可有效降低栅源寄生电容CGS,提高探测器性能。通过在标准工艺中的NSD掩膜版中增加Block区域,制备了源漏非对称结构探测器,并对其进行了性能表征。实验结果表明:探测器的电压响应RV 比标准对称探测器提高了 155%,噪声等效功率NEP降低了70%。2.对制备的太赫兹探测器进行了频率特性表征,并基于该探测器搭建了双透镜太赫兹成像系统。研究了成像系统分辨率和源不均匀性对测量的影响。结果表明:制备的探测器在250GHz和650GHz之间均有较高响应,搭建的成像系统分辨率大约为3mm。3.设计了用于探测器阵列的放大电路并进行优化。针对太赫兹探测器阵列结构,设计片上40dB放大器并进行面积优化,大量节省了芯片面积。在阵列结构中,将放大器的第一级放大电路置入像素单元,第二第三级放大电路行共用;设计译码器控制像素单元的输入输出。仿真结果显示:放大器增益、相位裕度以及等效输入噪声分别为40dB、63.72°和16.56nV/Hz0.5@1KHz,满足设计指标。
【图文】：

对比图,太赫兹,探测器,线阵

将放大电路、ＡＤＣ等集成与一体，因此这一类ＣＭＯＳ太赫兹探测器得到了迅速逡逑发展。逡逑图１－２是近年来各种类型的太赫兹探测器单管及线阵的性能对比图。从图中逡逑可以看到ＣＭＯＳ太赫兹探测器的ＮＥＰ可以低至２０ｐＷ／／／ｚ°＿５，性能已远超热辐逡逑射计、高莱管以及热释电探测器，并且十分接近肖特基管太赫兹探测器。而在阵逡逑列方面，热辐射计性能最佳，ＣＭＯＳ探测器的阵列设计还有待研究和发展。然而逡逑工作在室温下以及工艺上的优势，己经使得ＣＭＯＳ太赫兹探测器拥有了无限广逡逑阔的发展前景。逡逑ｌＯｘｌＯ＂６＂！逦ｒｌＯｘｌＯ＇６逡逑厶逡逑６逦－６逦Ｍｉｃｒｏ－ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ逡逑１ｘ１０邋－；逦１ｘ１０逦ａＦＰＡ逡逑ａ邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｄｅｔｅｃｔｏｒ逡逑＾邋１００ｘｌ0＇９－ｒ逦？逦１００ｘ１０３逡逑工逦■邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｄｅｔｅｃｔｏｒ逡逑ｇ邋１０ｘｌ０９．ｆ逦▲逦？逦。逦ｌＯｘｌＯ＇９逡逑２邋？邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｄｅｔｅｃｔｏｒ逡逑窆邋１ｘ１０＇；逦ＩｘｌＯ＊逡逑ａ邋？逦＾逦？邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｄｅｔｅｃｔｏｒ逡逑１００ｘｌ０１？ｒ逦？逦ｍ逦Ａ逦＾逦ｌＯＯｘｌＯ１２邋＃Ｇ0ｌａｙ（：ｅｌ１逡逑Ａ逦■厶■邋Ｊ逦Ａ逡逑－１２逦▲邋－１２逡逑１０ｘ１０邋－Ｉ逦逦逦，，逦．逦１逦．逦［１０ｘ１０逡逑２００６逦２００８逦２０１０逦２０１２逦２０１４逦２０１６逡逑Ｙｅａｒ逡逑图１－２各类型太赫兹探测器单管及线阵性能对比图逡逑１．３本文主要内容逡逑本文主要提出了两种不同的ＣＭＯＳ太赫兹探测器

原理图,电压响应,实物,原理图

其中是探测器漏端输出信号的电压，则是探测器接收到的入射信号功逡逑率。逡逑图２－２是电压响应／Ｖ测量原理及实物图，整个测量系统包括一台可以提供稳逡逑定直流电压的电压源，ＴＨｚ信号源，－台提供斩波信号的信号发生器，一台能起逡逑到混频作用的倍频器，一台用于读取输出电压数据的锁相放大器，一台太赫兹频逡逑段的功率计以及可以电动控制的位移台。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２电压响应＾测量的（ａ）原理图和（ｂ）实物图逡逑电压响应Ｋ测量的具体步骤如下：逡逑（１）首先由信号发生器提供方波调制信号，频率可以选取大于１ＫＨＺ以抑制逡逑ｉ／ｙ噪声，利用功率计测量源端出射的信号总功率，记为Ｐｔｃｔａｉ：逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441

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