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红外焦平面技术在航天、国防建设中起着非常重要的作用,在工业和民用领域也有着极其广泛的应用,研发高性能的相关部件已成为集微电子、材料、光学、低温和硅微机械加工于一体的高科技综合技术的一个研究热点。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列和读出电路阵列两部分组成。CMOS读出电路是读出电路的主流方向,也是红外焦平面阵列技术的一个关键部件。它的性能直接影响红外焦平面阵列的性能,影响红外系统的性能。随着紫外探测器关键技术的突破,面向紫外焦平面阵列的读出电路也成为目前的研究热点。
本论文针对读出电路中的暗电流、温度特性、低功耗、阵列均匀性设计与测试检验等关键问题进行了详细的分析研究,依据相应的研究成果,针对量子阱红外焦平面阵列和GaN基紫外焦平面阵列完成了128×128读出电路芯片的实验芯片的设计、流片以及测试分析。论文的创新点和研究成果如下:
1.通过在像素级输入电路内引入新型的“撇取”机制,抵消了探测器的暗电流,保证了读出电路工作在快照模式时仍可以提供较高的输出电压动态范围。
2.论文创新了自偏置电流源的“电阻温度补偿”的方法,利用多晶硅电阻与N阱电阻不同的温度特性,实现了自偏置低温电流源,使其具有和常温工作相同的偏置电流,保证了读出电路在低温环境下正常工作。
3.在低温工作的CMOS电路研究中,从CMOS器件物理原理出发,提出了“低温预测”的方法,对MOS器件的关键参数(如,阈值电压VTH,和迁移率μ等)进行低温值预估,由预估值来进行读出电路的模拟电路单元的设计。该方法有效地解决了常规CMOS工艺缺少低温SPICE模型的问题。
4.使用了亚阈值跨阻放大器技术对输入电路进行低功耗设计,同时在系统层引入了功耗管理机制,实现了读出电路的低功耗优化。经过优化,读出电路的功耗从300mW降至50mW。
5.提出内建电注入的方法实现读出电路封装前的功能测试和非均匀性测试。基于该方法完成了128×128红外读出电路单元电路和阵列的测试,证明了方法的有效性。
6.基于GaN基紫外探测器的电学特性,论文提出采用低泄漏电流直接注入电路作为单元输入电路以实现对紫外探测器pA级微弱光电流的读出。
论文的实验验证工作中使用了特许半导体0.35um CMOS混合信号工艺,设计了两款128×128读出电路。一款电路面向QWIP的红外读出电路,当工作在低温环境(77K)时,其转换增益可达1×107Ω,输出电压摆幅为0.8V,动态范围可达76dB,功耗小于60mW。另一款电路面向GaN的紫外读出电路,转换增益可达8×1010Ω,输出电压摆幅为1V,功耗小于50mW。测试结果表明,论文的分析结论是正确的,所设计的读出电路在常温和低温下具有较好的性能,可广泛应用于红外和紫外焦平面阵列。