高灵敏度的量子效应探测器的建模和微光探测

针对新型量子点-量子阱光电探测器在不同的辐照功率和器件偏压下的电特性测试,采用曲线拟合的方法,得到不同辐照光功率下的I-V、C-V之间的函数关系,应用Verilog-A语言建立等效电路模型,然后利用电路模拟软件进行验证,为读出电路的设计提供准确的便于和读出电路一起模拟仿真的探测器模型。针对这种探测器低温下具有的暗电流小、灵敏度高、光电转换效率高等优点,设计了电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)结构的读出电路。芯片集成后和2×8阵列的量子效应探测器封装在陶瓷基板上,低温下(77 K)采用633 nm He-Ne激光聚焦照射探测器,测试得到探测器的微光响应电压。实验结果表明,当器件在50 pW光功率、29.3μs的积分时间、偏压约-3.1 V时,读出电路与探测器对接后12个像元有响应电压;增大光功率至500 pW时,16个像元都有响应;读出电路与探测器对接后平均响应电压为18 mV,平均电压响应率达到3.6×107 V/W。     

太赫兹量子阱探测器的暗电流抑制电路研究

主要研究了太赫兹量子阱探测器读出电路中的暗电流抑制模块。首先从理论上分析了太赫兹量子阱探测器产生暗电流和光电流的原理。由于太赫兹量子阱探测器中电子输运行为非常复杂,难以通过理论推导建立精确等效电路模型的解析表达式。通过对太赫兹量子阱探测器的电流电压实验数据进行拟合,提出压控电流源等效电路模型。利用此模型设计读出电路信号源及暗电流抑制模块,结合读出电路进行仿真验证电路模型的准确性。发现与传统暗电流抑制电路相比,压控电流源电路模型能够在器件工作偏压变化时对其暗电流进行精确抑制,提高读出电路性能,因此更适合作为太赫兹量子阱探测器读出电路的暗电流抑制模块。     

新型电流镜积分红外量子阱探测器读出电路的设计分析

设计了一种偏压可调电流镜积分(Current Mirroring Integration,CMI)红外量子阱探测器焦平面CMOS读出电路。该电路适应根据偏压调节响应波段的量子阱探测器,其中探测器偏压从0.61 V到1.55V范围内可调。由于CMI的电流反馈结构,使得输入阻抗接近0,注入效率达0.99;且积分电容可放在单元电路外,从而可以在一定的单元面积下,增大积分电容,提高了电荷处理能力和动态范围;为提高读出电路的性能,电路加入撇除(Skimming)方式的暗电流抑制电路。采用特许半导体(Chartered)0.35 m标准CMOS工艺对所设计的电路(16×1阵列)进行流片,测试结果表明:在电源电压为3.3V,积分电容为1.25pF时,电荷处理能力达到1.3×107个电子;输出摆幅达到1.76V;功耗为25mW;动态范围为75dB;测试结果显示CMI可应用于高性能FPA。     

GaAs/InGaAs量子点探测器件微光读出研究

GaAs/InGaAs量子点光电探测器,在633 nm激光辐射3.5 nW条件下,器件偏压-1.4 V时,测得响应电流8.9×10-9A,电流响应率达到2.54 A/W,量子注入效率超过90%。基于GaAs/InGaAs量子点光电探测器的高量子注入效率、高灵敏度等特点,采用具有稳定的电压偏置,高注入效率和低噪声特点的CTIA(电容互阻跨导放大器)作为列放大器读出结构,输出部分采用相关双采样(CDS)结构去除系统和背景噪声。实验结果表明,在3.5 nW的微光辐射下,器件偏压为-2.5 V时,50μm×50μm像素探测器与读出电路互联后有7.14×107V/W的电压响应率。     

新型量子光电探测器读出与显示

对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析,给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果,设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。探测器有一个-0.8V的阈值电压,偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W,且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接后在77K条件测试,读出电路的线性度好于99.5%,信噪比达到67dB,探测器偏压为-1.5V,积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。     

基于逐元暗电流抑制的红外探测器读出电路研究

在航天应用领域,大部分中长波红外探测器都工作在高背景下.由于线列碲镉汞(HgCdTe)红外探测器本身的暗电流较大且各像元的暗电流具有很大的非均匀性,采用常规读出电路方案时的输出信号动态范围过小,甚至部分像元的信号电压也无法读出.采用将电压 电流转换和电流存储单元相结合的方法,设计了一种具有逐元背景抑制功能的中波红外探测器线列读出电路.该方法不仅可以抑制不同像元的暗电流,而且还可以有效提高电路的信噪比,并可增大输出信号的动态范围.电路测试结果表明,在90 K低温下,电路输出摆幅为2V,输出电压的非均匀性下降了70％,因此该研究对中长波红外探测器的工程化设计具有重要的指导意义.     

GaN基APD日盲紫外探测器读出电路设计

基于GaN基APD（雪崩二极管）日盲紫外探测器工作原理,我们设计了GaN-APD日盲紫外探测器的读出电路(ROIC)。考虑到GaN-APD日盲紫外探测器的特性,我们重点研究了80V高压击穿保护电路、暗电流消除电路以及为CTIA运放电路的电流偏置电路和带隙基准电路。在此基础上,我们设计了1×8的电路并进行了仿真验证,读出电路耐高压不小于80V,当积分电容为4pF,积分时间为25us,时钟频率为100KHz的时候,电路的电荷存储能力为5.6×107个,输出电压摆幅在0～2.25V,读出电路的输出电压线性度不低于99%。     

AIInGaN／GaN PIN紫外光电探测器的研制

用AlInGaN四元合金代替AlGaN作为PIN探测器的有源层,研制出AlInGaNPIN紫外探测器。详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试。测试结果表明,器件的正向开启电压约为1．5V,反向击穿电压大于40V;室温-5V偏压下,暗电流为33pA,350nm处峰值响应度为0．163A／W,量子效率为58％。     

AlInGaN/GaN PIN紫外光电探测器的研制

用AlInGaN四元合金代替AlGaN作为PIN探测器的有源层,研制出AlInGaNPIN紫外探测器.详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试.测试结果表明,器件的正向开启电压约为1.5 V,反向击穿电压大于40 V;室温-5 V偏压下,暗电流为33 pA,350 nm处峰值响应度为0.163 A/W,量子效率为58%.     

低维异质结构光存储单元的等效电路建模及模型

通过新型量子点-量子阱混合异质结构的光存储单元的实际测试结果进行了等效电路建模,运用模型描述响应电流与偏置电压以及器件电容与偏置电压之间的关系.将该新型光子存储器件的实验数据与建模仿真结果进行了对比,发现两者能较好地吻合,从而验证了等效电路模型的正确性.该模型用于实现对该光存储器件器响应信号的匹配读出,对该类型光电器件读出电路的研究具有指导作用.     

基于红外探测器的前置放大器噪声特性分析

红外探测器的快速发展引起了国内外的广泛关注,但其读出电路的发展却相对滞后。如何降低电路噪声是读出电路研究热点之一,本文就红外探测器的电压型和跨导型两种基本结构前置放大器,建立了噪声等价模型,分析比较了其信噪比。并根据具体探测器对前置放大器进行了优化设计,以广泛适用于各种类型的红外探测器。     

Design and evaluation of current-mode image sensors in CMOS-technology

Three different current-mode-output CMOS image sensor structures comprising of a pixel cell and an appropriate readout circuit have been analyzed and compared with regard to their noise behavior, fixed-pattern noise (FPN), and the dynamic range. First, a standard integrating pixel cell with a readout circuit containing a voltage-to-current converter is proposed. Second, a pixel cell based on a switched current cell is analyzed. The third sensor cell uses a feedback loop to control the reverse bias voltage of the photodiode to reduce the settling time of the pixel cell and the influence of the photodiodes's dark current. The necessary amplifier is partly located in the pixel cell and partly in the readout circuit. In all sensors, correlated double sampling is used to suppress the FPN.     

背景暗电流抑制的红外探测器读出电路输入级设计

主要研究红外探测器读出电路的输入级设计,针对短波红外信号,电容反馈互导放大器型(CTIA)读出电路具有高注入效率的特点。本文设计了一种带有背景暗电流抑制的CTIA型读出电路输入级结构,该结构在77 K低温环境,大于300μs的长积分时间工作。探测器接收短波小信号,注入电流0~800 pA,与传统的CTIA型读出电路输入级相比,有效实现对背景暗电流的抑制作用,提供探测器偏压的稳定度提高93.2%,同时,积分线性度达到99.97%,具有良好的积分均匀性、灵敏度和动态范围。     

基于场效应管的光电式电流传感器

提出一种新型光电式电流传感器。利用电流取样电阻将被测电流转换为电压,并利用场效应管(FET)的转移特性和发光二极管(LED)将被测电流信号转换为光强度信号,再将光信号由塑料光纤(POF)传输到光电探测器(PD),可以实现直流电流(DC)、方波脉冲电流(PC)以及工频交流电流(AC)的光学传感。综合利用FET的转移特性和PD的开路电压,并合理选择FET的静态工作点,可以实现DC的线性传感。在0.03～17.00A范围内,DC测量的非线性误差低于0.44%;方波脉冲电流响应的延迟时间约为160ns。本文提出的传感器具有响应速度快、结构简单、成本低和可实现绝缘测量等优点。     

Dark current reduction in stacked-type CMOS-APS for charged particle imaging

A stacked CMOS-active pixel sensor (APS) with a newly devised pixel structure for charged particle detection has been developed. At low operation temperatures (<200 K), the dark current of the CMOS-APS is determined by the hot carrier effect. A twin well CMOS pixel with a p-MOS readout and n-MOS reset circuit achieves low leakage current as low as 5/spl times/10/sup -8/ V/s at the pixel electrode under liquid nitrogen temperature of 77 K. The total read noise floor of 0.1 mV/sub rms/ at the pixel electrode was obtained by nondestructive readout correlated double sampling (CDS) with the CDS interval of 21 s.     

基于探测器阵列组件的光斑辅助定位系统的设计

设计并实现了一种基于探测器阵列组件的光斑辅助定位系统。该系统以120元Si-PIN探测器作为光电传感器,将其排列为正方形,由120路光电转换电路将每个光电传感器采集到的电流信号转换为电压信号并与预先设置的阈值电平进行比较,以判断该点探测器是否探测到光信号,在CPLD时序控制下将每个探测器的响应情况通过数据采集电路实时传送至上位机。将探测器阵列组件放置在指定位置,通过调节光源位置直至上位机反映的图像为对准后的形式,由此实现光斑辅助定位。经测试表明,该系统能实现240mm×240mm大面积、精度2mm的光斑位置实时探测和辅助定位,且相对传统方式更加简单可行。     

单片降压型DC-DC转换器的控制电路设计

基于峰值电流检测脉宽调制技术原理,设计了一种新颖的应用于单片降压型DC-DC转换器的控制电路。针对峰值电流采样和PWM比较器电路技术,提出了一种新颖的电路结构。其中,PWM比较器和逻辑及驱动电路由升压电路驱动,节省了一个电平转换电路,降低了电路功耗;PWM比较器直接对功率管和镜像管电流采样,无需使用运算放大器,简化了电路结构。采用华虹宏力BCD350GE工艺进行设计,流片测试表明,电路可实现3V到36 V宽幅输入,500 mA满载输出。在输入24 V电压,输出3.3 V电压时,纹波为2.3 mV。