طراحي، مدل‌سازي سه‌بعدي و بهينه‌سازي فوتوديود براي حسگرهاي تصويربرداري CMOS با نسبت سيگنال به نويز بالا

دكتري تخصصي

رياضيات ابزاري است كه مي‌توان براي مدل‌سازي در راستاي شرح پديده‌هاي فيزيكي، توصيف قطعات ساخته شده و بررسي نتايج آزمايش‌ها استفاده نمود. در اين رساله پاره‌اي از خلأ‌هاي مربوط به مدل‌سازي ديودهاي نوري پين شده بيان و با مدل‌هاي فيزيكيِ نوين، توصيف جديدي از حسگرهاي تصويربرداري CMOS و ديودهاي نوري پين شده ارائه شده است. در اين رساله، بررسي تفصيلي‌اي از مدل‌هاي پيشين ارائه شده و خلأ‌هاي مربوط به مدل‌سازيِ حسگرهاي CMOS در دو زمينه ظرفيت خازني ديود نوري پين شده و فرايند پين شدن ديود نوري بيان شده‌اند. براي توسعه‌ي مدل ظرفيت خازني، توجه ويژه‌اي به ناحيه دروني شده و به عنوان خازن سري با خازن‌هاي اتصال‌هاي pn در نظر گرفته شده است. با در نظر گرفتنِ خازن سري، محاسبه ظرفيت خازني بر حسب ولتاژ ديود نوريِ پين شده با دقتي بيشتر از تحقيقات گذشته انجام شده است. براي ارزيابي مدل، مقايسه‌اي با نتايج اندازه‌گيري انجام شده است. براي توسعه‌ي مدل مربوط به پين شدن، از تعريف ناحيه دروني با ابعاد متغير استفاده شده است. مدلِ پيشنهادي سيستمي از 5 معادله و 5 مجهول است. در محاسباتِ انجام شده كه برنامه رايانه‌اي آن به زبان MATLAB به همراه مقاله منتشر شده است، مي‌توان ابعاد يا چگالي ناخالصي‌ها يا تعداد الكترون‌ها را به عنوان مجهول در نظر گرفته و محاسبات را انجام داد. شايان ذكر است كه مدل ارائه شده اولين مدل در بين مقاله‌هاي منتشر شده است كه امكان محاسبه مشخصه پين شدن، تعداد الكترون‌ها بر حسب ولتاژ، را فراهم مي‌كند. ارزيابي مدل پيشنهادي با دو نتيجه‌ي اندازه‌گيري انجام شده است. سومين مدلِ توسعه داده شده هم مربوط به پين شدن ديود نوري پين شده است كه با محاسبه تعداد الكترون‌هاي جمع شده در نواحي بار فضا، امكان انجام محاسبات براي ساختارهاي سه بعدي را فراهم مي‌كند. در مدلِ پيشنهادي، محاسباتِ مربوط به ناحيه‌ي دروني هم توسعه يافته و در اين بخش از تحقيق به صورت ساده‌تر و با دقت بيشتري ارائه شده است. ارزيابي مدل، با سه نتيجه اندازه‌گيري انجام شده است و دقت بيشتري در محاسبه مشخصه پين شدن گزارش شده است. در ادامه به فرايند طراحيِ ديود نوري پين شده پرداخته شده و قوانين لازم براي طراحي ديود نوري در حسگرهاي CMOS بررسي شده‌اند. در پايان، طراحي و بهينه‌سازي ديود نوري براي دو نمونه از ديودهاي نوري نويني كه در اين رساله ارائه شده انجام شده است. در نمونه اول، ساختاري با گيت عمودي مشترك بين دو پيكسل طراحي شده كه در بين مقالاتِ ارائه شده، براي اولين بار امكان انتقال كامل بار از عمق به سطح پيكسل را توسط يكي از ديواره‌هاي خازنيِ پيكسل فراهم مي‌كند. ارزيابيِ پيكسل ارائه شده با بررسي دقيق خروجي‌هاي زمانيِ شبيه‌سازي‌ها و محاسبات رياضي انجام شده است. در نمونه دوم، ديود نوريِ پين شده با تغييرِ تنها يك ماسك در زمان ساخت بهينه شده است. بهينه‌سازي در راستاي ايجاد ميداني در ديود نوري براي هدايت الكترون‌ها به سمت درگاه و در نتيجه افزايش سرعت انتقال بار انجام شده است. ايده‌ي پيشنهادي، در نهايت موجب كاهش 30 درصديِ زمان انتقال بار شده است. ارزيابي درستيِ شبيه‌سازي‌ها با مقايسه‌ي نتيجه‌هاي يكي از شبيه‌سازي‌ها با اندازه‌گيري انجام شده است. در ادامه عملكرد پيكسل با محاسبات رياضي تاييد شده است.

195370

دانشگاه علم و صنعت ايران

الكترونيك - افزاره و نيمه هادي

دكتر محمد عظيم كرمي