基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.     

0.5 μm工艺CMOS有源像素传感器的总剂量辐射效应

采用⁶⁰Co-γ射线对某国产0.5 μm CMOS N阱工艺CMOS有源像素传感器(APS)的整体电路和像素单元结构进行了电离总剂量辐射效应研究,重点考察了器件的饱和输出信号、像素单元输出信号、暗信号等参数的变化规律.随着辐射剂量的增大,饱和输出信号逐渐减小且与像素单元饱和输出信号变化基本一致;暗信号随总剂量的增大而显著增大.研究结果表明,0.5 μm工艺CMOS APS电离总剂量辐射效应引起参数退化的主要原因是光敏二极管周围的整个LOCOS(Local oxidation of silicon)隔离氧化层产生了大量的辐射感生电荷.     

γ射线电离辐射对商用CMOS APS性能参数的影响

研究了γ射线电离辐射效应对商用CMOS有源像素传感器(APS)性能参数的影响,着重分析了量子效率、转换增益、暗电流、坏点和脉冲颗粒噪声等参数。研究结果表明:当受到1 000 Gy辐射后,APS失去工作能力,无信号输出或像素灰度值仅为0,110,255 DN。60Coγ射线的离位截面约为10-25cm2(0.1 b)。当剂量率低于58.3 Gy/h且辐照时间较短时,辐射对量子效率及转换增益无影响,坏点产生数为0,总剂量效应使3T-APS的本底噪声升高到4.62 DN但对4T PPD APS几乎无影响。脉冲颗粒噪声引起的各灰度值像素数量分布呈泊松分布,并与剂量率正相关。     

CMOS有源像素传感器的中子辐照位移损伤效应

为研究空间高能粒子位移损伤效应引起的星用CMOS图像传感器性能退化,对国产CMOS有源像素传感器进行了中子辐照试验,当辐射注量达到预定注量点时,采用离线的测试方法,定量测试了器件的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出电压、像素单元输出电压等参数的变化规律。通过对CMOS图像传感器敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析,并根据半导体器件辐射效应理论,深入研究了器件参数退化机理。试验结果表明,暗信号和暗信号非均匀性随着中子辐照注量的增大而显著增大,饱和输出电压基本保持不变。暗信号的退化是因为位移效应在体硅内引入大量体缺陷增加了耗尽区内热载流子产生率,暗信号非均匀性的退化主要来自于器件受中子辐照后在像素与像素之间产生了大量非均匀性的体缺陷能级。另外,还在样品芯片上引出了独立的像素单元测试管脚,测试了不同积分时间下像素单元输出信号。     

传输栅掺杂对CMOS有源像素满阱容量及暗电流的影响（英文）

研究了传输栅掺杂,即N+TG和P+TG,对满阱容量以及暗电流的影响。沟道电势分布受传输栅与衬底功函数差的影响,随着钳位光电二极管和浮动扩散节点之间的势垒高度的增加,feedforward效应被抑制,满阱容量增加。另一方面,处于电荷积累状态的沟道可以降低暗电流。基于四管有源像素工作过程进行仿真,结果表明,在曝光期间不加负栅压的情况下,基于P+TG的像素的满阱容量相对N+TG的提高了26.9%,其暗电流为N+TG的0.377倍。当电荷转移效率大于99.999%时,N+TG的开启电压需高于2.3 V,而P+TG的开启电压需高于3.0 V。     

集成PIN光敏元的CMOS探测器光电响应特性研究

传统的CMOS图像传感器一般采用基于LV-CMOS工艺的N阱/P型衬底制备的PN光电二极管或者PPD二极管作为光敏元。PIN光敏元具有结电容小、量子效率高的特点。采用HV-CMOS(高压CMOS)工艺可以实现CMOS电路与PIN光敏元的单片集成。本文研究了集成PIN光敏元的CMOS探测器的光电响应特性以及NEP随像素大小和复位电压的变化关系。研究表明,将光敏元从PN光电二极管改为PIN光电二极管后,像素电荷增益可以提高一个数量级左右;同时,像素的瞬态电荷增益要大于传统认为的1/Cpd,并与二极管的大小以及复位电压紧密相关。研究发现,小像素因其更高的电荷增益和更低的等效噪声,更加适合弱信号下的短积分时间快速探测。若配合微透镜的使用,小像素在微光探测方面可以获得更大的优势。     

面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器

提出了一种面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器.该高速图像传感器主要包括CMOS像素单元阵列、相关双采样(CDS)阵列、可编程增益放大(PGA)阵列、单次比较模数转换(ADC)阵列和控制模块.该传感器集成了光信号采集和行并行信号处理等功能,以大于1000 frame/s的速度输出数字信号或数字图像,同时实现了行并行...     

CCD固体成像器件性能测试方法的研究

CCD图像传感器是目前科学成像领域主流的固体成像器件。一般而言, 当成像系统中使用CCD器件时, 首先需要测量它的一些性能指标, 这是判断该CCD器件是否满足整个系统性能要求的重要依据。对CCD成像器件性能的测试方法进行了探讨, 涉及的参数包括增益、噪声、电荷转移效率、线性和满阱电荷等。研究重点是如何应用扩展像素边界反应方法及同位素X射线方法检测CCD的电荷转移效率, 以及利用X射线方法测量器件的增益。最后以理论研究为基础, 发展并提出了一套切实可行的CCD器件检测方法, 同时基于E2V公司4K×4K芯片CCD203_82进行了性能测试实验, 实验结果也验证了本文提出的测试方法的可行性和可靠性。     

AlInGaAs/AlGaAs垂直腔面发射激光器温度特性的对比研究

通过测量、对比材料生长和器件制备条件基本相似，但是谐振腔腔模波长与增益峰值波长相对位置明显不同的两类氧化物限制型应变AlInGaAs/AlGaAs量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)在261—369K温度范围内输出光功率-电流的变温曲线，同时结合测试得到的两类样品的白光反射谱、光荧光谱以及模拟计算得到的不同温度下VCSEL反射谱和增益谱，分析了输出光功率、阈值电流、斜率效率和激射波长随温度变化的关系，掌握了新材料AlInGaAs的温度特性，得到了谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置对VCSEL输出特性，尤其是对阈值的影响规律，指出获得室温工作阈值最低且稳定的VCSEL的一个方法是调整谐振腔腔模波长和增益峰值波长的相对位置，并利用这种方法获得了特征温度T₀=333K的AlInGaAs/AlGaAs量子阱VCSEL器件. 关键词： AlInGaAs 垂直腔面发射激光器 特征温度     

光抽运半导体激光器增益特性研究

以InGaAs/GaAs应变量子阱材料为例,介绍了考虑能带及波函数的混合效应的6×6Luttinger-Kohn哈密顿量,提出用有限差分法求解含Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程,数值模拟得到导带和价带的能带结构,计算应变量子阱的跃迁矩阵元,进而用Lorentzian线形函数计算材料增益。讨论了量子阱阱宽、注入载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响。计算结果表明,压应变使得量子阱有效带隙增大,降低了材料增益的透明电流密度,继而降低器件的阈值,改善器件的输出特性;增益峰值波长和发射波长之间合适的偏差,会使光抽运半导体激光器的阈值电流和工作电流随温度有较小的变化。     

纳型卫星CMOS遥感相机及其实验研究

为了满足纳型卫星遥感系统的要求,设计了基于互补型金属氧化物半导体CMOS(complementarymetalox idesemiconductor)图像传感器的遥感相机。通过热平衡实验,得到了CMOS相机平均暗输出和暗不一致性随温度的变化曲线。它适于在15～50℃的温度环境中工作,并可经受-25～60℃卫星舱内的温度变化的考验。光度标定实验表明:该相机的数字输出线性度好,可用于获取所需要的图像。     

1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性

研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器厘米bar模块的温度特性,测试分析了该模块的输出光功率、阈值电流、转换效率和光谱随注入电流及管芯温度变化的特性。结果表明,器件在15~55 ℃范围内所测的输出光功率由40.7 W降低到29.4 W,阈值电流由9.29 A升高到17.24 A,转换效率由54.22%降低到37.55%,光谱漂移为0.37 nm/℃,特征温度为68.6 K。实验结果表明,为保持器件性能的稳定,在实际应用过程中应该使器件的温度控制在15~25 ℃范围内。     

A New CMOS Read-out IC for Uncooled Microbolometer Infrared Image Sensor

An uncooled microbolometer image sensor, used in an IR image sensor, is made by a micro electro mechanical systems (MEMS) process, so the value of the microbolometer resistor has a process variation. Also, the reference resistor, which is used to connect to the microbolometer, is fabricated by a standard CMOS process, and the difference between the values of the microbolometer resistor and the reference resistor generates an unwanted output signal for the same input from the sensor array. In order to minimize this problem, a new CMOS read-out integrated circuit (ROIC) was designed. Instead of a single input mode, a differential input mode scheme and a simple method to compensate the resistor value are proposed. Using results from a computer simulation, it is observed that the output characteristic of the ROIC was improved and the effect of the process variation was decreased without using complex compensation circuits. Based on the simulation results, a prototype device including an ROIC that was fabricated by a standard 0.25um CMOS process and a microbolometer with a 16 x 16 sensor array was fabricated and characterized.     

808nm半导体激光芯片电光转换效率的温度特性机理研究

提高808 nm大功率半导体激光器电光转换效率具有重要的学术意义和商业价值,是实现器件小型化、轻量化、高可靠性的必要前提.本文以腔长1.5 mm的传导冷却封装808 nm半导体激光阵列为研究对象,在热沉温度-40—25?C范围内对其进行光电特性测试,对不同温度下电光转换效率的影响因子进行了实验研究和理论分析.结果表明:在-40?C环境温度下,最高电光转换效率从室温25?C时的56.7%提高至66.8%,内量子效率高达96.3%,载流子泄漏损耗的占比贡献由16.6%下降至3.1%.该研究对实现808 nm高效率半导体激光芯片的自主研发具有重要意义.     

两种高速CMOS图像传感器的应用与测试

采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 280×1 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明：该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

半导体温差发电过程的模型分析与数值仿真

本文提出一种新型的半导体温差发电模型,在温差发电过程的数值模拟中考虑了热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响.同时进一步运用有限元的数值计算方法对不同电臂对数和不同型号温差发电模型的温度场、电压场进行了数值仿真计算,并对仿真结果进行分析.结果表明:采用127对热电单元模型计算的能量转换效率随冷热端温差增大而迅速提高,与采用1对热电单元模型计算的能量转换效率之差从冷热端温差为20℃的0.39%提高到冷热端温差为220℃时的5.16%,能量转换效率比1对热电单元平均高出3.02%.冷端温度恒定在30℃时,温差发电芯片的输出电压、功率以及能量转换效率均随着电偶臂的横截面积的增大而提高,且电偶臂冷热两端的温差越大提高幅度也越大,而温差发电芯片内阻则与电偶臂横截面积成反比关系,当温差为220℃时对应的输出功率最高达28.9 W.