红外焦平面失效现象仿真研究

在性能较差的红外焦平面器件中，其背景图像经常出现一些现象，比如“黑线”、“锯齿”、“滴落圆”等，其原因可能是红外焦平面器件有缺陷或其读出电路存在问题。本文针对红外焦平面可能出现的各种缺陷，将其等效为失效性模型，用EDA软件分别对采用DI和CTIA两种读出结构的红外焦平面进行失效性等效模拟分析。通过对3×3和10×10规模的红外焦平面输出信号进行模拟，分析了背景图像中失效现象产生的原因。红外焦平面失效现象模拟分析得出的结果，为红外焦平面读出电路结构的改进提供了参考依据。     

Kink效应对低温CMOS读出电路的影响

在深低温下（T〈50K），CMOS器件会出现Kink效应，即Ⅰ-Ⅴ特性曲线会发生扭曲。当漏源电压较大时（Vds〉4V），漏电流突然加大，电流曲线偏离正常的平方关系。本文通过实验表明，Kink效应对CMOS读出电路中的一些电路结构产生较严重的影响，Kink效应会导致源跟随器输出产生严重的非线性；对于共源放大器和两级运放，Kink效应会使其增益产生非线性。最后，针对影响低温读出电路性能的Kink效应进行分析和研究，提出在低温CMOS读出集成电路设计中如何解决这些问题的方案。     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

线性模式主被动碲镉汞APD探测器测试研究

碲镉汞雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）探测器在主被动模式下能同时获取目标物体的强度信息和时间信息,实现实时的三维探测。高精度时间标定的测试方法是验证三维测距的基础。文中分析了盖革模式和线性模式的优缺点,针对一种线性模式主被动HgCdTe APD探测器的读出电路结构进行了分析,并对TOF计算方法进行了研究,在此基础上搭建了一套高精度时间标定的测试平台,对系统和环境噪声进行了测试,得到噪声带来的时间抖动为179 ps。对测试仪器带来的固定时延进行了校准,对影响TOF精度的电压、电容、斜坡发生器的精度以及高精度电压源的精度等参数进行了理论分析,在77 K下完成了线性模式HgCdTe APD探测器的主、被动信息的测试。测试结果得到低温下电路线性度高达99.9%,饱和电荷容量为7 Me?,时间精度抖动的均方根为2.107 ns,证明该测试平台和方法能有效地评估探测器的性能,为红外精准探测提供了参考。     

红外焦平面列级ADC数字读出电路测试技术研究

数字化红外焦平面器件是焦平面发展的重要方向,其核心是读出电路集成高性能模数转换器(ADC)。分析了读出电路数字化输出后焦平面性能参数的评价方法,阐述了红外焦平面列级ADC的静态测试和动态测试方法,提出了基于斜坡电压输入的过采样原理测试ADC静态性能,提升无误码分辨率测试正确性。针对ADC静态测试和动态测试要求,结合Labview软件和数字采集卡搭建了软硬件测试平台,并通过一款数字焦平面芯片的测试,验证了测试方法和平台适用于行列级ADC数字化读出电路的测试评价。     

面向高工作温度应用的带间级联红外光电器件

高温工作探测器是第三代红外焦平面发展的重要方向之一.带间级联探测器结合了势垒结构与多级吸收区结构的特点,通过多量子阱弛豫和隧穿实现光生载流子单方向输运,可以有效降低来自PN结耗尽区的产生-复合暗电流;利用多级短吸收区结构,在扩散长度很短的情况下仍然可以有效地收集光生载流子,从而可以提高探测器在高工作温度下的探测性能.本...     

同时模式的中波/长波碲镉汞双色红外探测器

采用光刻胶喷涂技术,突破了碲镉汞双色探测器加工的非平面离子注入和金属化开口等工艺.基于分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p3-p2-P1型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过MW光电二极管n型注入区的开口刻蚀、非平面的MW/LW同步B+注入、台面侧向钝化和爬坡金属化,得到了同时模式的128×128面阵MW/LW双色探测器.在液氮温度下,MW/LW双色探测器两个波段的光电二极管截止波长λc分别为5.10μm和10.10μm,对应的峰值探测率Dλp*分别为2.02×1011cmHz1/2/W和3.10×1010cmHz1/2/W.通过对同时模式双色探测器材料与芯片结构的优化设计,HgCdTe双色探测器MW向LW、LW向MW的光谱串音分别抑制到了3.8%和4.4%.     

一种程控实现任意行选的红外焦平面读出电路

设计了一种可应用于多光谱红外光谱仪的红外焦平面读出集成电路。电路可以选择任意连续或非连续行的积分信号进行读出而无须逐行读出,从而大大增加了系统的灵活性和帧频。同时,电路采用滚动式IWR工作模式,为此根据读出单元是否有积分开关设计了两种复位积分控制模块;单元内部可采用DI,CTIA等读出结构。此电路具有明确的工程应用价值。     

高光谱应用的带可调复位时间CDS的低噪声红外焦平面读出电路

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路（ROIC）提出了低噪声的设计要求。相关双采样（CDS）是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×512规模、15 μm 像元中心距的读出电路。输入级集成了低噪声CTIA与本文提出的可调复位时间CDS（AICDS）,所设计的时序产生器使CDS复位时间可以延长0~270个时钟周期。通过延长复位时间减少这个时间间隔,噪声电子数可以由39 e^-减少到18.3 e^-。SPECTRE仿真结果和实验测试结果证实了提出的AICDS结构可以提升高光谱应用读出电路的噪声性能,因此可以广泛应用。     

通过成结模拟器研究n+-n--p碲镉汞高温探测器

第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言,n⁺-n^--p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生,从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。基于自行开发的成结模拟器,对n⁺-n^--p结构的高温器件进行了工艺仿真和器件仿真,获得成结过程的制备参数,并结合抑制表面漏电的组分梯度钝化工艺,将高工作温度下的暗电流抑制至理论极限,研制出可以在更高温度工作下的碲镉汞n-on-p红外焦平面探测器。经测试,中波n-on-p红外焦平面器件在不同工作温度下性能优异,在80K工作温度下噪声等效温差（NETD）达到了6.1 mK,有效像元率为99.96%;而在150K工作温度下噪声等效温差（NETD）为11.0 mK,有效像元率为99.50%,达到了同类器件的理论极限。