基于tcad的emccd仿真研究

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1、基于TCAD的EMCCD仿真研究1211111白雪平韩露汪朝敏熊平李立刘昌举石念(1.重庆光电技术研究所，重庆400060；2.重庆邮电大学，重庆400060)摘要：基于EMCCD的倍增原理，利用Synopsys公司Sentaurus仿真工具，建立了EMCCD仿真模型。采用雪崩倍增物理模型，通过在倍增寄存器上施加高压驱动，实现了信号电荷的倍增和电压对增益的控制，验证了EMCCD的倍增原理，为EMCCD研制提供设计依据。关键词：EMCCD；仿真模型；雪崩倍增；高压驱动；增益StudyontheEMCCDSimulationBasedontheTCAD121111

2、1BAIXue-ping,HANLu,WANGChao-min,XIONGPing,LILi,LIUChange-ju,SHINian（1.ChongqingOptoelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060;2.ChongQingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400060）Abstract:BasedontheoperatingprincipleofEMCCD,simulationmodelofEMCCDisbuiltusingsimulation

3、toolSentauruscreatedbySynopsyscompany.Avalanchegenerationmodelisintroduced,highdrivingvoltageisappliedtotheCCM,signalchargeismultipliedandvoltage’scontrolongainisgot,theprincipleofmultiplyingisverified,andthedesigningparameterofEMCCDisobtained.Keyword：EMCCD;simulationmodel;avalanche

4、multiplying;highdrivingvoltage;gain1、引言[1]EMCCD是近几年发展起来的新颖微光探测图像传感器，具有高灵敏度、大动态范围、高信噪比等优点，在微光监视、生物分子探测以及天文观测领域得到越来越广泛的应用。EMCCD技术，也被称作“片上增益技术”，是一种全新的微弱光信号增强探测技术，与普通CCD不同之处就在于EMCCD在读出寄存器和读出放大器之间增加了电荷载流子倍增寄存器CCM（ChargeCarrierMultiplier)，EMCCD的成[2]像区、存储区和读出寄存器都和传统CCD结构相同。电荷载流子倍增寄存器利用载流子的

5、碰撞电离效应实现电荷载流子接近零噪声的电荷级放大倍增，从而有效提高传感器的探测灵敏度。本文基于EMCCD的结构和工作原理，建立倍增寄存器仿真模型，该模型由三级倍增寄存器组成。通过在倍增寄存器上施加高压驱动，实现了稳定倍增。2、EMCCD结构和工作原理EMCCD的成像区、存储区和读出寄存器都和传统帧转移CCD结构相同，但是在读出寄存器和输出放大器间多出了一串增益寄存器结构（如图1所示）。图2是增益寄存器剖面图，每级倍增寄存器由四个电极Ф1、Фdc、Ф2和Ф3组成。1图1EMCCD的结构示意图图2倍增寄存器剖面图通过在增益寄存器上施加如图3所示的驱动脉冲（其幅值并

6、不代表实际电压[3]大小），增益寄存器电荷转移过程如图4所示，其中两个电极（Ф1和Ф3）由标准幅值时钟驱动，Ф2加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多，而在Ф2前的Фdc加的是一个小的直流电压。由于Ф2和Фdc巨大的电压差，在Ф2和Фdc间产生巨大的电场强度足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，即所谓的倍增或增益。当所有的电荷都转移到高场区并且倍增后，电荷向下一个电极转移。当Ф2由高电平转为低电平时，Ф3由低电平转为高电平，电荷由Ф2转到Ф3下的势阱。接着Ф3由高电平转为低电平，Ф1由低电平转为高电平，电荷由Ф3转到Ф1下的临时势阱，电

7、荷在Фdc下不做停留，当电荷完全转到Ф1电极下时，直接从Ф1转到Ф2。电荷每经过一级倍增单元，就发生一次倍增。单级增益g一般是很n小的，但经过n次倍增后，总增益G（Gg(1)）会变得非常可观；同时单级增益是随机的，理论上每次都不一样，但概率上其值固定在一个范围内，Ф2电极上的电压越高，单级增益越大。同时对倍增寄存器发生碰撞电离的级数也可以控制，即可以控制倍增级数以保证最终的增益值。因此可以通过调整倍增时序Ф2电压幅值和倍增级数来保证最终的增益值。2图3倍增寄存器驱动时钟图4单级倍增单元的电荷转移5雪崩倍增在半导体器件中是一种很普遍的现象，当载流子经过10V

8、/cm量[4]级、宽度为1um的电场时