CN109904273B - 一种cmos spad光电器件的等效电路 - Google Patents
一种cmos spad光电器件的等效电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109904273B CN109904273B CN201910016321.3A CN201910016321A CN109904273B CN 109904273 B CN109904273 B CN 109904273B CN 201910016321 A CN201910016321 A CN 201910016321A CN 109904273 B CN109904273 B CN 109904273B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- well
- central
- impedance
- junction
- resistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 101000822633 Pseudomonas sp 3-succinoylsemialdehyde-pyridine dehydrogenase Proteins 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明请求保护一种CMOS SPAD器件的等效电路，主要包括P+/中心N阱结阻抗、器件内部两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗等。在等效电路中加入电流源是为了模拟光生载流子在器件内部的运动情况，其中，P+/中心N阱结的阻抗可以分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，Ra、La、Rl代表倍增区阻抗，Rd、Rs代表漂移区阻抗。由于倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟引起的，所以在倍增区中存在电感La元件；电容C代表P+/中心N阱的结电容。器件内部两侧的P+/N阱结阻抗采用电容Cp+/n‑well和电阻Rp+/n‑well串联的方式代替，在中心N阱/P衬底结阻抗中除了包括N阱区域电阻Rwell、和中心N阱/P衬底结电容Csub1，还加入了并联方式的电容Csub2和电阻Rsub。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，涉及到SPAD光电器件的光电性能分析，尤其涉及CMOS SPAD光电器件的等效电路模型设计。
背景技术
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)又称为SPAD，是一种工作在盖革模式(工作电压大于击穿电压)下的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode)。由于SPAD工作在盖革模式下，可以对单个光子进行探测，因而该器件在汽车的LIDAR系统、质子发射谱(PET)、光子及量子通信技术、荧光寿命成像、三维成像技术等领域都有着巨大的应用前景。
CMOSSPAD的器件结构，可以按其保护环的类型分为两大类。一种是扩散型保护环结构，也就是在PN结边缘处采用轻掺杂的N阱或P阱，这种类型的SPAD器件的暗计数率普遍较高，一般在几十KHz到几百KHz之间。另一种是虚拟保护环结构，这种结构的特点是PN结位于渐变的深N阱中，靠近PN结处的深N阱掺杂浓度较低，而远离PN的深N阱掺杂浓度较高，这样在PN结边缘处形成虚拟保护环。这种结构的暗计数率要低很多，一般在几Hz到几百Hz之间。
在由工作在盖革模式下的CMOSAPD器件所构成的高灵敏度传感器中，每一个像素中的传感器是一个单光子雪崩二极管，可以同时满足异常时间分辨率和光学灵敏度的要求。目前，对于CMOS SPAD器件等效电路模型的研究工作还处在起步阶段。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种CMOS SPAD光电器件的等效电路。本发明的技术方案如下：
一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，所述CMOS SPAD光电器件包括阳极、阴极、P+、N+、N阱、中心N阱及P-衬底，中心N阱和P+之间的区域为雪崩区，其特征在于，所述等效电路包括P+/中心N阱结阻抗、两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗，所述P+/中心N阱结的阻抗分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，电阻Ra、电感La及电阻Rl代表倍增区阻抗，电阻Ra和电感La串联后与电阻Rl并联，Ra、La、电阻Rd、电阻Rs代表漂移区阻抗，电阻Rd的一端和倍增区阻抗的电阻Rl相连接，电阻Rd的另一端和电阻Rs相连接；电阻Rl两端还并联有电容C，电容C代表P+/中心N阱的结电容；
所述两侧的P+/N阱结阻抗包括电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well，电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well串联；
所述中心N阱/P衬底结阻抗包括N阱区域电阻Rn-well/p-sub、中心N阱/P衬底结电容Csub1，还包括并联的电容Csub2和电阻Rsub，并联后的电容Csub2和电阻Rsub与中心N阱/P衬底结电容Csub1相连接；
焊盘阻抗Zpad依次与电感Lp1、电阻Rp1相连接，Rp1还分别与电容Cp、电阻Rp+/n-well相连接，焊盘阻抗Zpad还依次与电感Lp2、电阻Rp2相连接，Rp2还分别与电阻Rp+/n-well、电阻Rl、电阻Rp+/n-well相连接，P+/中心N阱结阻抗两端还设置有电流源Ip。
进一步的，所述电路中的Rp1、Rp2、Lp1、Lp2、Cp为寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
进一步的，倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟。
进一步的，通过调节器件的P+层的掺杂浓度、中心N阱层的浓度和厚度以及保护环的宽度，以确定等效电路模型中核心元件La、Ra、Rl、C、Rd、Rs的参数，从而得到等效电路模型的频率响应特性特性曲线，明确影响频率响应带宽的主要因素。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明主要针对P+/中心N阱的SPAD器件结构提出了一种等效电路模型，由于该结构存在由三个相邻N阱构成的n-虚拟保护环，所以在器件的的两侧也形成了PN结，故在前人的研究基础上又加了两侧PN结的等效电路，由于两侧PN结不是器件的主要工作区，所以两侧PN结的等效电路采用电阻和电容串联的方式来模拟。提出这样一种等效电路可以更好的分析器件的频率响应，从而明确限制频率响应带宽的主要因素，为设计高灵敏度的SPAD器件奠定理论基础。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例CMOS SAPD器件结构图；
图2CMOS SAPD器件等效电路模型图；
图3等效电路模型频率响应图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示为CMOS SPAD光电器件的结构图。由图可知，在该结构中PN结由重掺杂的P型区与轻掺杂的N阱组成，雪崩区(对应图中的11区域)位于PN结处，雪崩区下方的N阱是主要的光吸收区(对应图中的12区域)。三个N阱之间存在横向扩散，导致PN结边缘处形成了n-虚拟保护环，避免器件过早边缘击穿。该SPAD光电器件的工作原理是入射光射入器件被光吸收区(对应图中的12区域)吸收时，器件内部产生光生载流子，光生载流子在高电场(PN结反向偏压)的作用下漂移运动到雪崩区(对应图中的11区域)，进入雪崩区后，载流子由于碰撞电离进行成倍的增加，从而在器件的输出端形成非常大的光电流。
如图2所示为CMOS SAPD器件的等效电路模型图。由图可知，等效电路模型主要由P+/中心N阱结阻抗、器件两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗等构成。P+/中心N阱结阻抗主要由两部分构成，分别是器件的倍增区阻抗和漂移区阻抗。由于倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟，所以在倍增区中存在电感La元件，电容C表示P+/中心N阱结的结电容，由于SPAD的反向偏置电流是有限的，所以在器件的倍增区会存在电阻Ra和Rl；而电阻Rd和Rs代表的是漂移区的阻抗。对于中心N阱/P衬底结阻抗主要由中心N阱电阻Rn-well/p-sub和中心N阱/P衬底结电容Csub1串联组成，考虑到P型衬底的寄生效应，所以在该阻抗中还加入了采用并联方式的电阻Rsub和电容Csub2。对于器件内部两侧的P+/N阱结阻抗则是由N阱电阻Rp+/n-well和P+/N阱结电容Cp+/n-well串联组成。在等效电路模型中加入了电流源为了模拟光生载流子在器件内部的运动情况，且电流源并联在器件的核心工作区域内(P+/中心N阱的耗尽区)。同时在等效电路模型中还加入了焊盘阻抗和寄生元件阻抗，电路中的Rp1、Rp2、Lp1、Lp2、Cp寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
如图3所示为等效电路模型的频率响应图。由图可知，偏置电流I0＝0.3mA时，频率响应并没有出现峰值，且响应带宽约为1.5GHz。当偏置电流I0＝0.4mA时，频率响应出现了峰值，且响应带宽约为1.8GHz。这说明随着偏置电流的增加响应带宽也会随着增加，主要是因为等效电路模型中的电感La会随着偏置电流的增加而减少，从而使得频率响应出现了峰值，导致带宽增加。为提高器件的响应度奠定了良好的理论基础。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，所述CMOS SPAD光电器件包括阳极、阴极、P+、N+、N阱、中心N阱及P-衬底，中心N阱和P+之间的区域为雪崩区，其特征在于，所述等效电路包括P+/中心N阱结阻抗、两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗，所述P+/中心N阱结的阻抗分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，电阻Ra、电感La及电阻Rl代表倍增区阻抗，电阻Ra和电感La串联后与电阻Rl并联，Ra、La、电阻Rd、电阻Rs代表漂移区阻抗，电阻Rd的一端和倍增区阻抗的电阻Rl相连接，电阻Rd的另一端和电阻Rs相连接；电阻Rl两端还并联有电容C，电容C代表P+/中心N阱的结电容；
所述两侧的P+/N阱结阻抗包括电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well，电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well串联；
所述中心N阱/P衬底结阻抗包括N阱区域电阻R n-well/ p-sub、中心N阱/P衬底结电容Csub1，还包括并联的电容Csub2和电阻Rsub，并联后的电容Csub2和电阻Rsub与中心N阱/P衬底结电容Csub1相连接；
焊盘阻抗Zpad依次与电感Lp1、电阻Rp1相连接，Rp1还分别与电容Cp、电阻Rp+/n-well相连接，焊盘阻抗Zpad还依次与电感Lp2、电阻Rp2相连接，Rp2还分别与电阻Rp+/n-well、电阻Rl、电阻Rp+/n-well相连接，P+/中心N阱结阻抗两端还设置有电流源Ip；
倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟。
2.根据权利要求1所述的一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，其特征在于，所述电路中的电阻Rp1、电阻Rp2、电感Lp1、电感Lp2、电容Cp为寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
3.根据权利要求1所述的一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，其特征在于，通过调节P+层的掺杂浓度、中心N阱层的浓度和厚度以及虚拟保护环的宽度，以确定等效电路模型中核心元件La、Ra、Rl、C、Rd、Rs的参数，从而得到等效电路模型的频率响应特性特性曲线，明确影响频率响应带宽的主要因素。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910016321.3A CN109904273B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种cmos spad光电器件的等效电路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910016321.3A CN109904273B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种cmos spad光电器件的等效电路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109904273A CN109904273A (zh) | 2019-06-18 |
| CN109904273B true CN109904273B (zh) | 2020-11-24 |
Family
ID=66943729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910016321.3A Active CN109904273B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种cmos spad光电器件的等效电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109904273B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110197859B (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-01 | 重庆邮电大学 | 一种工作在可见光波段的高带宽cmos apd光电器件 |
| CN112465134B (zh) * | 2020-11-26 | 2022-05-03 | 重庆邮电大学 | 一种基于lif模型的脉冲神经网络神经元电路 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02105643A (ja) * | 1988-10-13 | 1990-04-18 | Nec Corp | 光受信回路 |
| US7898001B2 (en) * | 2008-12-03 | 2011-03-01 | Stmicroelectronics (Research & Development) Limited | Single photon detector and associated methods for making the same |
| CN101661521B (zh) * | 2009-07-21 | 2012-05-09 | 中山大学 | 一种雪崩光电二极管等效电路模型的建立方法 |
| CN101789040B (zh) * | 2010-01-27 | 2011-09-14 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 盖革模式apd被动淬火与恢复集成电路的设计方法 |
| US8860166B2 (en) * | 2010-03-23 | 2014-10-14 | Stmicroelectronics S.R.L. | Photo detector array of geiger mode avalanche photodiodes for computed tomography systems |
| CN101931021A (zh) * | 2010-08-28 | 2010-12-29 | 湘潭大学 | 单光子雪崩二极管及基于此的三维coms图像传感器 |
| GB201014843D0 (en) * | 2010-09-08 | 2010-10-20 | Univ Edinburgh | Single photon avalanche diode for CMOS circuits |
| CN103116699B (zh) * | 2013-01-24 | 2016-02-03 | 南京邮电大学 | 一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法 |
| CN104794294B (zh) * | 2015-04-27 | 2017-11-24 | 重庆邮电大学 | 一种Ge/Si SACM结构雪崩光电二极管的等效电路模型建立方法 |
| CN108550592B (zh) * | 2018-04-02 | 2020-08-04 | 重庆邮电大学 | 一种低暗计数率cmos spad光电器件 |
| CN209373601U (zh) * | 2018-12-13 | 2019-09-10 | 厦门理工学院 | 一种spad等效电路 |
-
2019
- 2019-01-08 CN CN201910016321.3A patent/CN109904273B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109904273A (zh) | 2019-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6346911B2 (ja) | 半導体基板用集積フォトダイオード | |
| RU2666525C2 (ru) | Устройство фотоэлектрического преобразования, аппарат измерения дальности и система обработки информации | |
| CN105810775B (zh) | 一种基于cmos图像传感器工艺的np型单光子雪崩二极管 | |
| KR100723137B1 (ko) | 포토다이오드 소자 및 이를 이용한 광센서용 포토다이오드어레이 | |
| US20020020846A1 (en) | Backside illuminated photodiode array | |
| CN103872168B (zh) | 用于硅基光电集成电路芯片中的光电探测器及制备方法 | |
| CN111344601B (zh) | 射线探测器和射线探测面板 | |
| CN109904273B (zh) | 一种cmos spad光电器件的等效电路 | |
| CN103904152B (zh) | 光电探测器及其制造方法和辐射探测器 | |
| CN103000645A (zh) | 具有可控制的光谱响应的光电探测器 | |
| CN104247018B (zh) | 受光器件 | |
| CN110246903A (zh) | 低噪声宽光谱响应的单光子雪崩光电二极管及其制作方法 | |
| EP3387680A1 (en) | Avalanche photodetectors | |
| CN111628034B (zh) | 光电探测装置的制造方法 | |
| CN209282223U (zh) | 一种背照式光电二极管 | |
| CN101414612B (zh) | 半导体受光元件和照度传感器 | |
| Kamrani et al. | Premature edge breakdown prevention techniques in CMOS APD fabrication | |
| CN205488130U (zh) | 一种光电探测器、暗电流抑制电路及可见光传感器 | |
| US9768340B2 (en) | Photodiode with a dark current suppression junction | |
| JP2002314116A (ja) | Ｐｉｎ構造のラテラル型半導体受光素子 | |
| CN112271229B (zh) | 一种硅基背照pin器件结构 | |
| US20030087466A1 (en) | Phototransistor device | |
| CN211980629U (zh) | 半导体装置和光电探测系统 | |
| Huiming et al. | Modeling of pinned photodiode for CMOS image sensor | |
| CN109904260B (zh) | 光传感半导体单元、光传感半导体阵列及光感应系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240223 Address after: 210000 Room 201, 8 / F, building a, qiaomengyuan, Nanjing, Jiangsu Province, No. 100, Tianjiao Road, Qilin science and Technology Innovation Park, Nanjing, Jiangsu Province Patentee after: Nanjing Modular Smart Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 400065 No. 2, Chongwen Road, Nan'an District, Chongqing Patentee before: CHONGQING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |