23978

طراحي و شبيه¬سازي ساختار مورد استفاده در پيكسل ديود بهمني تك فوتون به منظور بهبود عملكرد

كارشناسي ارشد

مهندسي برق الكترونيك گرايش افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1396

20/12/99

دكتر جمشيد فريبرز

برق

بهبود فناوري آشكارسازهاي شناخته شده و جستجو براي روش‌هاي جديد آشكارسازي فوتون، هر دو زمينه فعال تحقيقاتي هستند كه با هدف دستيابي به سيستم‌هاي آشكارسازي با بازده و كيفيت بالاتر انجام مي‌شود. آشكارسازها بايد داراي ويژگي‌هاي مطلوب همچون بازده آشكارسازي بالا، شمارش تاريكي كم، زمان پاسخ سريع و ناپايداري كم باشند. علاوه بر اين، براي كاربردهاي خاصي، نياز به آشكارسازهايي است كه نه‌تنها به تك فوتون‌ها حساس هستند بلكه هم¬چنين مي‌توانند تعداد فوتون‌هاي تصادفي را كه به‌طور هم‌زمان وارد مي‌شوند، تعيين كنند. فتوديودهاي بهمني، افزاره¬هاي مناسبي براي آشكارسازي و شمارش فوتون¬ها هستند كه در دهه¬هاي اخير خيلي مورد توجه قرار گرفته¬اند. در اين پايان¬نامه، نخست خلاصه‌اي از پارامترهاي فيزيكي، ساختار و عملكرد آشكارسازهاي ديود بهمني تك فوتون، ارائه شده است، سپس به تحقيقات و پيشرفت‌هاي حاصل براي بهبودسازي عملكرد اين آشكارسازها در چند دهه گذشته، اشاره شده است و بعد از آن، ساختار جديد پيكسل فتوديود بهمني سه¬پايه¬اي، معرفي شده است كه اين ساختار جديد، قابليت اجرا در فناوري استاندارد CMOS را دارد. با اين ساختار جديد، مي¬توان زمان خاموشي، احتمال وقوع پس از پالس و شمارش تاريكي را كاهش داد و در نتيجه دقت و سرعت عملكرد پيكسل و هم¬چنين شمارش تعداد فوتون¬ها را افزايش داد. درنهايت، به منظور فشرده¬سازي و كمتر شدن اندازه پيكسل، سه ساختار جديد از فتوديود بهمني سه¬ پايه¬اي معرفي شده-اند كه براي كاربرد در ساختار اين پيكسل جديد، به عنوان افزاره آشكارساز، مناسب هستند. در اين پايان¬نامه براي صحت¬سنجي عملكرد پيكسل از نرم افزارهاي شبيه¬ساز مدار و هم چنين براي صحت سنجي عملكرد افزار¬ه¬ها از نرم افزار سيلواكو استفاده شده است.

1400/03/19

Design and simulation of the structure used in the pixel of a single-photon avalanche diode to improve the operation

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Improving known detectors technology and researching for new methods of photon de-tection are both active fields of researches aimed at achieving detection systems with higher efficiency and quality. Detectors should have desirable characteristics such as high detec-tion efficiency, low darkness enumeration, fast response time, and low instability. In addi-tion, for specific applications, detectors are needed that are not only sensitive to single pho-tons but can also determine the number of incident photons simultaneously. single-photon avalanche diodes are suitable devices for detecting and counting photons, which have received much attention in recent decades. In this dissertation, first, a summary of the physical parameters, structure, and operation of single-photon avalanche diode detec-tors is presented, then the research and advances to improve the performance of these detec-tors over the past few decades are mentioned, followed by the proposed new three-terminals avalanche photodiode pixel structure, which can be implemented in standard CMOS tech-nology. With this new structure, it is possible to reducing the hold-off time, the probability of occurrence afterpulse, and the darkness counting, and thus increasing the accuracy and speed of pixel operation as well as counting the number of photons. Finally, in order to shrink and reduce the pixel size, three new structures of the three-terminals avalanche pho-todiodes have been introduced that are suitable for use in the structure of this new pixel as a detector. Keywords: Photon counting, Readout circuit, Triterminals avalanche photodiode, Afterpulse, quenching time, hold-off time

شمارش فوتون، مدار بازخواني، فتوديود بهمني سه¬ پايه¬اي، پس از پالس، زمان خاموشي.

Photon counting , Readout circuit , Triterminals avalanche photodiode , Afterpulse , quenching time , hold-off time