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高响应度的NMOS 型栅体互连光电探测器\r\n\t\t

本站小编 Free考研考试/2022-01-16

\r谢 生1,王雪飞1,兰馗博1,毛陆虹2,董威锋1,丛 佳2,孙邵凡\r1\r
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AuthorsHTML:\r谢 生1,王雪飞1,兰馗博1,毛陆虹2,董威锋1,丛 佳2,孙邵凡\r1\r
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AuthorsListE:\rXie Sheng1,Wang Xuefei1,Lan Kuibo1,Mao Luhong2,Dong Weifeng1,Cong Jia2,Sun Shaofan\r1\r
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AuthorsHTMLE:\rXie Sheng1,Wang Xuefei1,Lan Kuibo1,Mao Luhong2,Dong Weifeng1,Cong Jia2,Sun Shaofan\r1\r
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Unit:\r1. 天津大学微电子学院天津市成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072;
2. 天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072\r
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Unit_EngLish:\r1. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology,School of Microelectronics,Tianjin University,Tianjin 300072,China;
2. School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China\r
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Abstract_Chinese:\r针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS 工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS 型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS 管和T-well/N-well 结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T 阱电势,进而控制NMOS 管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20 μm×20 μm 的NMOS-PD,选用整个T 阱区作为光敏区域(16 μm×16 μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18 μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400~700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED 作为光源,当输出光功率密度Popt=5 mW/cm2、漏源偏压VDS=0.4 V 时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz 的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过103 A/W.与硅基CMOS 工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.\r
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Abstract_English:\rThis study aims to design a novel N-channel metal oxide semiconductor transistor-type photodetector(NMOS-PD) with high responsivity for ultra-weak light detection based on standard CMOS technology to improve the responsivity of photodetectors in optoelectronic integrated circuits. NMOS-PD comprises a gate/body-tied NMOS transistor and photodiode formed by a T-well/N-well junction. The photovoltage induced by the photodiode controls the gate and threshold voltages of the NMOS transistor,thereby improving the sensitivity of NMOS-PD. After simulation calculation and optimization,a total area of 20 μm×20 μm was adopted for the NMOS-PD. Moreover,the whole T-well region was selected as the photosensitive area(16 μm×16 μm)to increase light absorption. The designed NMOS-PD was fabricated in UMC 0.18 μm CMOS technology. Results showed that the output characteristics of NMOS-PD were as similar to that of the NMOS transistor,and the designed NMOS-PD demonstrated a good spectral response between 400 and 700 nm. When the device was biased by a drain voltage of 0.4 V and illuminated by a 630 nm LED source with an average output power density of 5 mW/cm2,a responsivity of 1 550 A/W was obtained. The device could normally operate up to 200 kHz. Although the responsivity gradually decreased as the light intensity was enhanced,it still exceeded 103 A/W. In comparison with traditional silicon photodetectors fabricated in standard CMOS,the designed NMOS-PD could operate properly under low voltage with low power consumption and exhibited high multiplying amplification capability under weak light conditions. Therefore,the proposed NMOS-PD has potential applications in the field of ultra-weak light imaging detection.\r
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Keyword_Chinese:光电探测器;响应度;弱光探测;CMOS工艺\r

Keywords_English:photoelectric device;responsivity;weak light detection;CMOS technology\r


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