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HgCdTe e-APD主被动读出电路设计

陈国强  
【摘要】:碲镉汞红外雪崩光电二极管(APD)阵列作为最近十几年发展起来的新型探测器,以其高增益,高灵敏度和高速探测的优点,是微弱信号探测,三维主被动探测应用的重要器件。 HgCdTe e-APD空穴离化系数β和电子离化系数α比k=β/α远小于1,仅有电子一种载流子发生雪崩效应。HgCdTe e-APD工作于线性模式,具有接近1的过剩噪声因子,在低反向偏置电压(5~15V)可以取得高的增益(100~1000)。 本文分析阐述了HgCdTeAPD主被动双模式成像读出电路性能要求和实现原理。 1、建立HgCdTe APD小信号电路模型。HgCdTe APD工作于反向偏置电压下,77K温度下APD归一化暗电流(GNDC)与反向偏置电压成指数关系,采用一阶线性模型的常规探测器小信号模型不再适用于APD,设计了APD探测器的二阶折线小信号模型。 2、实现主被动信号电路。电路结构采用CTIA输入级,集成了3个积分电容,其中两个电容可以选通,总积分电容可有900fF,600fF,400fF和100fF四种模式,适应主被动不同成像模式的需求。基于噪声、面积和功耗的考虑,放大器采用共源共栅结构。 3、实现雪崩击穿高压偏置。读出电路为APD焦平面提供高的反向偏置电压,并且如果APD焦平面中某些像元因材料的非均匀性发生雪崩击穿,使读出电路输入端短接到高的偏置电压下,读出电路依然可以正常工作,实现雪崩击穿高压保护。读出电路采用标准CMOS5V工艺。BCD工艺的高压LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)需要很大的面积,不能满足中心距100μm的APD焦平面的要求。 4、实现过饱和保护功能。对于n-on-p型APD,探测器公共端电压小于零,例如-8.5V。CTIA积分饱和后会引起输入端电压迅速降低至零以下,引起衬底PN结正偏。设计了过饱和保护电路控制积分电容积分,使CTIA最大输出维持在接近饱和的电压而不发生饱和。 验证芯片采用上华0.5um三层金属两层栅工艺,完成了对读出电路的测试分析,实验表明电路设计的各功能都能成功实现。


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1 陈国强;HgCdTe e-APD主被动读出电路设计[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2014年
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