论文部分内容阅读
长波红外探测器（波长在10微米以上）在低温目标探测、超视距探测和抗干扰目标识别等领域具有极其重要的用途，因此一直是红外探测器技术发展的一个重要方向。目前，几乎所有的光导探测器都是不带读出电路(ROIC)的器件，对系统应用造成很大的限制。长波光导探测器之所以未实现焦平面集成，主要原因之一是没有合适的光导型焦平面ROIC。事实上，非致冷微测辐射热计红外焦平面(Bolometer UFPA)就是一种常温工作的光导型焦平面器件，借鉴其ROIC的设计思路，可以尝试研制HgCdTe长波光导焦平面的ROIC。由于目前没有成熟的CMOS电路低温仿真模型，HgCdTe探测器的阻抗也与UFPA相差很大，长波光导焦平面的ROIC研制还需要研究解决若干关键问题。本课题通过建立电路的低温仿真模型，结合HgCdTe长波光导探测器的工作特性，建立合适的电路拓扑结构，设计出相应的电路;通过对电路的测试对设计方法进行实验验证，研制出适用于红外焦平面的低噪声长波光导探测器CMOS电路，实现课题的技术设想。该研究成果对于长波红外探测器技术的发展具有重要的学术价值和应用价值。
本文首先阐述课题研究背景、意义，指出CMOS低温建模和长波红外光导探测器电路研究的必要性，并分析目前国内外研究状况、水平及发展趋势，接着提出本文研究的基本思想和实施方案。通过低温建模的基本原理与方法，针对0.5微米DPTM工艺，设计出系列化MOS管和无源器件并进行了流片，通过低温测试，得到大量原始数据，经过整理和分析后，利用SIMPRO软件建立起0.5微米低温CMOS模型，然后再利用该模型进行MOS单管的低温仿真，把其仿真结果和测试结果进行对比分析，验证了低温模型的准确性。
本文依据红外探测器基本理论、长波光导探测器工作原理及电特性，经过理论计算得到长波光导探测器对电路的设计要求，并对传统的光导探测器电路进行了噪声分析。然后本文在分析传统的各种焦平面电路的设计方法和各种光导探测器读出电路的基础上，通过分析CMOS的各种噪声机理，提出减小CMOS电路噪声的方法。结合已建低温CMOS模型，设计出低噪声低温差分放大器。通过检验，该放大器可成功应用于光伏型红外探测器信号的读出，为长波光导探测器电路拓扑结构提供标准放大器模块。针对HgCdTe长波光导探测器的阻抗与CMOS相差太大，本文采用了以下电路结构:差分放大器采用对称正负电源供电，差分对的一输入端与地之间接低阻抗探测器，另一输入端与地之间接与探测器相同大小的匹配电阻，负输入端与输出端之间接高反馈电阻形成负反馈，偏置电阻由信号大小决定等设计方案，有效地解决了低阻抗探测器与高阻CMOS的匹配问题。另外，通过尽量加大偏置电阻和探测器电阻的比值，还能有效地降低Vbias端引入的电路噪声。
为了设计性能优良的低输入阻抗低噪声长波光导探测器电路，本课题通过设计电容耦合方式、前端桥式方式、单端放大方式、CTIA方式等多种电路，并对这些电路进行仿真分析，最后确定10个电路进行版图设计并流片，通过对这10个电路进行测试与分析，发现AMP8桥式电路方式性能最佳，该电路与长波红外光导探测器连接后在低温下能正常工作，其放大倍数达到3万倍，3dB带宽大于4KHz，等效输入噪声小于1.5μV等性能指标，成功获得性能优良的HgCdTe长波光导探测器电路。论文最后对研究工作进行了总结和展望。
本论文的主要创新点是:针对0.5微米DPTM工艺建立了实用的低温模型，并利用该模型设计了低温低噪声差分放大器，并成功设计了性能优良的低噪声长波光导红外探测器CMOS电路，解决了高阻抗CMOS电路与低阻抗探测器匹配的问题，为实现高性能长波光导红外焦平面器件的研制奠定了重要的理论基础。但如何实现该电路的工程化，如何进一步设计出超大规模的面阵电路，在今后的应用研究工作中尚有许多问题亟待解决。