28077

شبيه‌سازي، تحليل و بهينه‌سازي جامع نويز همشنوايي الكتريكي در حسگرهاي تصويربرداري CMOSبراي طيف مرئي

دكترا

برق- الكترونيك

1396

1401/12/3

دكتر محمد عظيم كرمي

مهندس برق

در اين رساله خلاء‌هاي تحقيقاتي تاثير مولفه‌هاي بخش الكتريكي يك آرايه خطي از سه سلول‌ تصويربرداريCMOS با فوتوديود پين شده بر همشنوايي الكتريكي در طيف مرئي بررسي، مشخصه‌يابي و تحليل شده است. نتايج شبيه‌سازي و محاسبات نشان مي‌دهد نسبت بازده كوانتومي به همشنوايي الكتريكي بر حسب ابعاد سلول در همه طول موج‌هاي مرئي يك رابطه خطي است كه شيب مثبت اين نمودار خطي با كاهش طول موج افزايش مي‌يابد. تاثير افزايش غلظت ناخالصي لايه رونشاني سلول بر همشنوايي الكتريكي در طول موج‌هاي كوتاه كمتر است و شيب منفي نمودار خطي نسبت بازده كوانتومي به همشنوايي الكتريكي بر حسب غلظت ناخالصي لايه رونشاني از ناخالصي‌هاي با غلظت بيشتر از cm-3 1014 افزايش مي‌يابد. براي رسيدن به كمترين همشنوايي الكتريكي، بسته به طول موج بايستي ضخامت و غلظت ناخالصي لايه رونشاني سلول متناسب با آن طول موج انتخاب شود كه از اين طريق مي‌توان تا بيش از 66 درصد همشنوايي الكتريكي را كاهش داد. با افزايش عمق و عرض چاه عايق بين سلول‌هاي آرايه، همشنوايي الكتريكي كاهش مي‌يابد، در مقابل براي چاه‌هاي عايق با عمق كمتر از عمق p-well سلول مي‌توان با انتخاب چاه عايق كم عمق همشنوايي الكتريكي را تا بيش از 12 درصد كاهش داد. افزايش زمان نورگيري باعث افزايش همشنوايي الكتريكي مي‌شود و همچنين بيشترين تاثير زمان نورگيري بر همشنوايي الكتريكي مربوط به طول موج‌هاي بلند محدوده مرئي و ضخامت‌هاي لايه رونشاني بين 5/2 تا 4 ميكرون است. با افزايش شدت نور ضريب همبستگي و رابطه خطي بين همشنوايي الكتريكي و طول موج در ضخامت‌ها و غلظت‌هاي مختلف ناخالصي لايه رونشاني افزايش مي‌يابد. در طول موج‌هاي كوتاه محدوده مرئي افزايش غلظت ناخالصي ناحيهp-well سلول و در طول موج‌هاي بلند كاهش غلظت ناخالصي اين ناحيه باعث كاهش همشنوايي الكتريكي مي‌شود. با افزايش عمق فوتوديود در لايه رونشاني سلول، همشنوايي الكتريكي بويژه در طول موج‌هاي بلند كاهش مي‌يابد كه در ضخامت‌ و غلظت‌هاي كمتر لايه رونشاني، تاثير افزايش عمق فوتوديود بر كاهش همشنوايي الكتريكي بيشتر است. وجود يك كانال عبور حامل‌ها به سلول‌هاي مجاور واقع در زير ناحيه p-well سلول، عامل اصلي ايجاد همشنوايي الكتريكي است كه مي‌توان با تغيير رخ‌نماي غلظت ناخالصي در نواحي مرزي بين سلول‌ها در مقابل اين كانال به جاي استفاده از چاه‌هاي عايق بين سلول‌ها، همشنوايي الكتريكي را كاهش داد.

1402/01/19

Comprehensive Simulation, Analysis and Optimization of Electrical Crosstalk Noise in CMOS Image Sensors for the Visible Spectrum

2/22/2024 12:00:00 AM

In this thesis, the effect of electrical parameters of the linear array of three pinned photodiode CMOS image sensor pixels on electrical crosstalk in the visible spectrum has been investigated, characterized and analyzed. The results of simulations and calculations show that the ratio of quantum efficiency to electrical crosstalk as a function of pixel size in all visible wavelengths is a linear, and the positive slope of this linear graph increases with decreasing wavelength. The effect of increasing the doping concentration of the pixel’s epitaxial layer on electrical crosstalk is less in short wavelengths and the negative slope of the linear graph of the ratio of quantum efficiency to electrical crosstalk as a function of doping concentration from doping concentration greater than 1014 cm-3 increases. To achieve the lowest electrical crosstalk, depending on the wavelength, the thickness and the impurity concentration of the pixel’s epitaxial layer should be selected according to that wavelength, which can reduce the electrical crosstalk by more than 66%. By increasing the depth and width of the trench isolation between the pixels, the electrical crosstalk decreases. On the other hand, for trench isolation with a depth less than the depth of the pixel’s p-well, by choosing shallow trench isolation, the electrical crosstalk can be reduced by more than 12%. Increasing exposure time increases electrical crosstalk and also the greatest effect of exposure time on electrical crosstalk is related to long wavelengths and epitaxial layer thicknesses between 2.5 and 4 microns. With the increase in light intensity, the correlation coefficient and the linear relationship between electrical crosstalk and wavelength in different thicknesses and doping concentrations of the epitaxial layer increase. In the short wavelengths, the increase in the doping concentration of the p-well area and in the long wavelengths, the decrease in the doping concentration in this area causes a decrease in electrical crosstalk. By increasing the depth of the photodiode in the pixel’s epitaxial layer, the electrical crosstalk decreases, especially in long wavelengths. In the thickness and lower doping concentrations of the pixel’s epitaxial layer, the effect of increasing the depth of the photodiode on reducing the electrical crosstalk is greater. The existence of a channel for carriers to pass to adjacent cells located under the p-well region of the cell is the main cause of electrical crosstalk. By changing the doping concentration profile in the border areas between cells, instead of using trench isolation between cells, the passage of carriers can be prevented.

حسگرهاي تصويربرداري , همشنوايي الكتريكي , سلول , فوتوديود

Image Sensors , Electrical Crosstalk , Pixel , Photodiode

mehdi khabir

mohammad azim karami