21044

۲۱۰۴۴

طراحي، شبيه‌سازي و بهينه سازي يك حسگر تصويربرداري بر پايه CMOS به‌منظور بهبود نسبت سيگنال به نويز در سيستم‌هاي هشداردهنده ليزري

كارشناسي ارشد

افزاره هاي ميكرو و نانو الكترونيك

۱۳۹۸

۱۳۹۸/۳/۱۲

دكتر شهرام محمدنژاد

برق

در دهه‌هاي اخير فتوديودهاي بهمني InP/InGaAs در سيستم‌هاي مخابرات نوري از راه دور و سيستم‌هاي هشداردهنده ليزري، به دليل داشتن سرعت بالا، بهره- پهناي باند بالا توجه زيادي را به خود جلب كرده است. سيستم‌هاي هشدار دهنده ليزري به‌منظور تشخيص سيگنال‌هاي نوري در محدوده طول موجي مادون قرمز نزديك (NIR) به كار مي‌روند و از سيستم عامل‌هايي از جمله كارخانه‌ها، كشتي‌ها و ... محافظت مي‌كنند. هشدار دهنده ليزري شامل چندين زيرسيستم است كه از ميان آن‌ها زيرسيستم آشكارسازي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. محدوديت‌هاي فيزيكي تحميل‌شده از سوي تابش خورشيد به هشداردهنده ليزري و تضعيف اتمسفر موجب شده كه آشكارسازي توان پايين (1-10μW) تهديدات ليزري مشكل شود. بدين سبب آشكارسازهاي بهمني به جهت دارا بودن حساسيت بسيار بالا، مورد استفاده قرار گرفتند. در اين پايان نامه به منظور بهبود نسبت سيگنال به نويز(SNR) در سيستم آشكارسازي، افزاره پيشنهادي فتوديود بهمني InP/InGaAs با لايه‌هاي جذب، گريدينگ، بار و تكثير جداسازي شده (SAGCM APD) باوجود دو حلقه محافظ و سه لايه نازك InGaAsP طراحي شده است. علاوه بر اين، بهينه سازي ضخامت لايه تكثير منجر به كاهش مشخصات نويز در طراحي افزاره SAGCM APD شده است. نتايج محاسبات نشان داد بهينه سازي لايه تكثير موجب كاهش ضريب نويز اضافي شده و مقدار آن برابر 2.6% به دست آمده كه از ديگر كارهاي مشابه 10.3% كمتر است. به‌علاوه، جريان تاريك و جريان نوري در 0.9V_br به ترتيب 0.01nA و 40μA حاصل شده است. بنابراين بازدهي و پاسخ دهي نوري سيستم آشكارسازي افزايش يافته و مشخصات نويز كاهش مي‌يابند. بر اساس شبيه سازي ها، ولتاژ شكست، ولتاژ Vpt و ولتاژ باياس در ميانگين بهره برابر 10 به ترتيب 39V ، 14V و 37V به دست مي‌آيد و اين منجر به ساده سازي باياس و كاهش توان مصرفي مي‌شود. در ساختار پيشنهادي با كاهش مشخصات نويز، در نهايت نسبت سيگنال به نويز در هشداردهنده ليزري، 345dB محاسبه شده كه نسبت به ساير كارهاي مشابه تقريباً 100dB بهبود يافته است.

1398/06/26

Design, simulate and optimization a CMOS-based imaging sensor to improve signal-to-noise ratio in laser warning systems

6/1/2020 12:00:00 AM

In recent decades, InP/InGaAs avalanche photodiodes have attracted much attention in laser warning and long distance optical communication systems due to their high bit rate and gain-bandwidth. Laser warning systems are used to detect optical signals in the near-infrared wavelength range (NIR) and protect operating systems such as factories, ships, and more. Laser warning include several subsystems, among which the detection subsystem plays an important role. The physical limitations imposed by the sun's exposure to laser warning and the attenuation of the atmosphere have made it difficult to detect low-power (1-10μW) laser threats. Therefore, avalanche detectors were used for their high sensitivity. In this thesis, to improve the noise characteristics in laser detection systems, separate absorption, grading, charge, and multiplication InP/InGaAs avalanche photodiode (SAGCM APD) with double guard rings and three thin layers of InGaAsP has been simulated. In addition, the multiplication width of SAGCM APD has been optimized which enhances the noise characteristics. The excess noise factor in the constant mean gain of 10 has been reduced 10.3% in comparison with recent SAGCM APDs. The Photocurrent and dark current are acquired as 40 μA and 0.01 nA resulting in superior electrical properties among the other works. Thus, the efficiency and photo-responsivity of detection system are increased and noise characteristics are decreased. According to simulations, the breakdown, punch-through and bias voltages at mean gain of 10 are 39 V, 14 V and 37 V, respectively which lead to simplification of the biasing and reduction of the power consumption. The calculated results show that the reduction of dark current and the excess noise factor increase the SNR for about 5 orders of magnitude.