【摘 要】
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近年来,单光子探测、采集与处理技术的应用已经逐步扩展到军事、工业、农业、宇宙等方方面面,这些领域都涉及到将光信号转变成电信号的处理。在生产和经济领域中的应用更为常见,比如,精密测量、工业过程测量和控制、医疗检测等应用中。在单光子采集和处理过程中,首先通过光电探测器件接收光信号,然后通过光电读出电路接收光电流,将其转换成电压信号,最终将电压信号放大并数字化处理。因此,改进光电探测器件和光电信号读出电
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近年来,单光子探测、采集与处理技术的应用已经逐步扩展到军事、工业、农业、宇宙等方方面面,这些领域都涉及到将光信号转变成电信号的处理。在生产和经济领域中的应用更为常见,比如,精密测量、工业过程测量和控制、医疗检测等应用中。在单光子采集和处理过程中,首先通过光电探测器件接收光信号,然后通过光电读出电路接收光电流,将其转换成电压信号,最终将电压信号放大并数字化处理。因此,改进光电探测器件和光电信号读出电路的性能,是提高光电探测器灵敏度和精度的关键。(1)本文主要针对高速、微弱可见光和近红外光的探测,完成一种探测器件与读出电路芯片级研究。首先分析了光电探测器工作原理和指标,研究了探测器的宽光谱、高响应度、高速和微弱信号探测等性能参数。阐述了光电探测器件和光电读出电路的工作原理,并对其结构的各项性能指标进行了设计和优化。(2)课题通过光电器件和电路结构设计、仿真、版图设计、版图验证和后仿真验证流程,设计和实现了一种高性能的光电探测器件和光电模拟信号读出电路,完成了一种光信号探测系统芯片级的设计。基于中芯国际(SMIC)0.18μm CMOS工艺,设计了一种高边缘击穿,扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD)作为探测器件获取光信号。其次,基于旺宏电子(MXIC)0.5μm CMOS工艺,设计了一款微弱和高速光电模拟信号读出电路,主要包括低温度系数带隙基准电压源电路、高线性度主运算放大器、单位增益缓冲电路和低延迟比较器电路等。(3)通过光电信号测试,本文设计的圆形P+/深n阱雪崩光电二极管器件在500mV过量偏压下,可在490 nm至775 nm波长范围内实现超过40%的光子探测效率。此外,该器件雪崩击穿电压和暗计数率,分别为15.14 V和105 HZ。通过Cadence软件仿真,整体读出电路能够实现80 nA/1 MHZ的光电流的接收。读出电路包括7.85 ppm/°C的低温漂带隙基准电路、120.6 dB共模抑制比的高线性主运放、单位增益缓冲电路和63 ns/1 MHZ的比较器。并且通过恒温恒湿平台测试,带隙基准电压源电路的温度系数为10.26 ppm/°C,验证了其电路具有低温漂性能。光电信号读出芯片面积为672μm*780μm。
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