23025

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

دكتري تخصصي

الكترونيك - افزاره و نيمه هادي

1399/7/4

دكتر محمد عظيم كرمي

برق

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.

1399/10/29

Design, 3-D Modeling and Optimization of a Photodiode for High SNR CMOS Image Sensors

9/26/2021 12:00:00 AM

Mathematics is a tool that can be used to describe physical phenomena, describe a fabricated device and investigate measurement results. In this thesis, some of the less studied research topics are investigated and a new description of CMOS image sensors and pinned photodiodes are introduced by proposing novel mathematical models. In this thesis, a thorough investigation of prior studies is performed and it is concluded that two of the less studied subjects in modeling of CMOS image sensors are pinned photodiode capacitance and pinned photodiode's pinning process. In order to model PPD capacitance, inner region is proposed as a series capacitance to pn junction capacitances. By incorporating the series capacitance, the calculation of total capacitance vs. PPD potential is performed more accurately compared to previous models. In order to evaluate the model, a comparison is presented with an experimental result. To develop the pinning process model, the definition of inner region with variable boundaries is incorporated. The proposed model is a system of equations with 5 different equations and 5 unknown parameters. In the calculations of the model which is performed using MATLAB and published alongside the paper, it is possible to calculate dimensions or dopant concentrations or electron population as unknown parameters. It should be mentioned that the proposed model is the first published model that is capable of calculating PPD pinning characteristic, PPD electron population as a function of PPD potential. The evaluation of the model is performed by comparing with two experimental PPD pinning characteristics. The third model which can also be used to calculate the PPD characteristic, is a more general model which is capable of calculating the PPD characteristics for 3-D PPDs such as non-rectangular PPDs or PPDs with dimensions smaller than or comparable to 1 µm. The model benefits from the calculations of PPD SCR electron population and also the calculation of PPD inner region SCR. The evaluations are performed by comparing the results with two experimentally obtained PPD pinning characteristics. It is shown that the model is more accurate compared to the previous model. Moreover, the design process of CMOS image sensors is investigated and a list of necessary rules to design a CMOS image sensor is introduced. In the end, the design process and optimization of two novel CMOS image sensors are described. In the first device, a CDTI is used as a shared vertical transfer gate which is capable of complete vertical charge transfer despite the fact that a large parasitic capacitance exists between the transfer gate and the buried PPD. The evaluations are performed by using mathematics and carefully investigating the device outputs. The second device is designed to achieve a faster charge transfer by only changing one mask in the fabrication process. The idea resulted in 30% reduction in charge transfer time. The evaluation of the device simulations are performed by comparing the simulation with experimental results. Finally, the device performance is evaluated by using mathematics.