23974

مقاوم سازي آشكارسازهاي بهمني تك فوتون در برابر تابش يوننده و مدولاسيون اختلال زماني با تغيير طول موج در اين ادوات

كارشناسي ارشد

مهندسي برق - گرايش افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1397-1400

1400/3/22

جناب آقاي دكتر محمدعظيم كرمي

برق

تابش يوننده موجب افزايش نرخ جريان تاريك (DCR ) آشكارسازهاي بهمني تك فوتون شده (SPAD ) و در برخي موارد عملكرد آن ها را به طور كامل مختل ميكند. از اين رو مشخصهيابيSPAD و يافتن روشهايي براي مقاوم سازي اين قطعات در برابر تابش از اهميت بالايي برخوردار است. هدف اصلي اين رساله ارائه راهكاري موثر براي مقاوم سازي SPAD در برابر تابش يوننده ميباشد. به همين منظور حلقه محافظ جديدي در ساختار SPADتعريف نموديم كه براي بررسي ميزان اثر بخشي آن، دو ساختار SPAD با توزيع چگالي اتم ناخالصي كاملا مشابه ولي حلقه هاي محافظ مختلف (يكي با حلقه محافظ رايج در مراجع و ديگري با حلقه محافظ جديد)، براساس كميتهاي فن آوري 180 نانومتر CMOS ولتاژ بالا شبيه سازي شد. در نهايت ميزان افزايش DCR پس از تابش اشعه ايكس با دز يوننده كل Mrad1 و ولتاژ كاتد 4/24 ولت، براي ساختاررايج و ساختار با حلقه محافظ جديد به ترتيب cps 1438 و cps 311 بدست آمد، كه نشانگر افزايش مقاومت در برابر تابش ساختار با حلقه محافظ جديد نسبت به ساختار رايج ميباشد. مشخصه اختلال زماني SPAD شامل دو بخش گاوسي و دنباله ميباشد، كه در ساختارهاي SPAD با توزيع چگالي اتم ناخالصي p+/n-well و يا p+/Deep n-well، با افزايش طول موج، انحراف معيار تابع گاوسي افزايش مييابد. در اين رساله همچنين با استفاده از روابط موجود در مراجع و شبيه سازي يك ساختار SPAD در فنآوري 150 نانومترCMOS، نشان داده شده است كه زمان ساخت بهمن (τ) تابعي از مكان جذب فوتون در راستاي عمق بوده و اين زمان در ساختار هاي با توزيع چگالي اتم ناخالصي p+/n-well و يا p+/Deep n-well با افزايش عمق جذب فوتون، افزايش مييابد. سپس از تئوري فوق در مدولاسيون تابع گاوسي اختلال زماني با تغيير طول موج فوتون استفاده شد. در نهايت مقايسه توابع گاوسي محاسبه شده با نتايج اندازهگيري براي دو SPAD موجود در ادبيات و در دو طول موج مختلف نشان داد كه تغييرات انحراف از معيار با تغيير طول موج، از طريق زمان ساخت بهمن قابل مدلسازي است.

1400/04/06

Ionizing radiation tolerance enhancement in Single-Photon Avalanche Diodes and jitter modulation by photon wavelength variation in these devices

6/12/2022 12:00:00 AM

Ionizing radiation increases the dark current rate (DCR) of single photon avalanche detectors (SPAD) and in some cases completely disrupts their performance. Therefore, characterizing SPAD and finding solutions to make these components harden against radiation is of great importance. In this thesis, a new guard ring is studied to improve ionizing radiation tolerance of CMOS SPADs. To evaluate the new guard ring effectiveness, two SPAD structures with completely same doping profiles but different guard rings (one with a conventional guard ring in the literature and the other with a new guard ring), has been simulated based on 180 nm high voltage CMOS technology parameters. After 1Mrad X-ray radiation with a cathode voltage of 24.4 V, the increase in dark count rate compared to pre-irradiation is 1438 counts per second (cps) and 311 cps for the conventional structure and the new structure respectively which indicates an increase in radiation tolerance of the new structure compared to the conventional structure. Jitter characteristic of SPAD devices is consists of two parts: Gaussian and tail parts. In p+/n-well or p+/deep n-well SPAD structures, the standard deviation of the Gaussian part increases with increasing the photon wavelength. In this thesis, using the formulas in the literature and simulation of a SPAD structure in 150 nm CMOS technology, it is shown that the avalanche buildup time (τ) is a function of the photon absorption depth and τ increases with increasing photon absorption depth in p+/n-well or p+/deep n-well SPAD structures. the abovementioned theory was used for the Gaussian function modulation by photon wavelength variation. Finally, the comparison of the calculated Gaussian functions with the measurement results for the two SPADs in the literature and at two different wavelengths showed that the standard deviation’s dependency on wavelength can be modeled by avalanche buildup time (τ) variation.

آشكارساز بهمني تك فوتون , دز يوننده كل , مقاوم سازي , اختلال زماني

single photon avalanche diodes , total ionizing dose , hardening , timing jitter