1 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065
2 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
为获得高增益的电子轰击型CMOS（EBCMOS）成像器件，根据载流子输运理论，采用蒙特卡罗方法，研究了EBCMOS基底在不同掺杂方式和结构参数下的电荷收集效率。结果表明：当基底均匀掺杂时，减小掺杂浓度、降低基底厚度及缩小近贴距离可以有效提高电荷收集效率；当基底梯度掺杂时，减小重掺杂浓度区域的范围，可以有效提高电荷收集效率。仿真优化后器件的电荷收集效率最高可达到86.28%，为国产EBCMOS器件的研制提供了理论支撑。
光学器件 夜视技术 电子轰击型CMOS 电荷收集效率 梯度掺杂
1 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013
2 中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210016
本文提出了一种基于 CMOS 0.18 μm工艺的改进型高响应度太赫兹探测器线阵，各探测像素单元由高增益片上天线、高耦合度差分自混频功率探测电路和集成电压放大器组成。其中，差分探测电路利用源极差分驱动场效应管的交叉耦合电容，将太赫兹差分信号耦合至场效应管的栅极与源极，增强场效应管沟道内自混频太赫兹信号的强度，实现高响应度。其次，该探测器配备高增益片上环形差分天线与集成电压放大器，可有效放大混频后的信号，进而提高系统信噪比，最终达到增强探测器响应度的目的。探测器1 × 3线阵系统充分利用CMOS工艺多层结构的特点，将电压放大器布置在天线地平面下方，提高了芯片面积的利用率，有效降低了制作成本，整个系统的面积为0.5 mm2。测试结果表明，当场效应管的栅极偏置为0.42 V时，该探测系统对0.3 THz辐射信号的电压响应度（Rv）最大可达到43.8 kV/W，对应的最小噪声等效功率（NEP）为20.5 pW/Hz1/2。动态测试结果显示该探测器可对不同材质的隔挡物进行区分。
互补金属氧化物半导体 太赫兹 探测器 宽带天线 高响应度 CMOS THz detector broadband antenna high responsiveness
1 中国科学院光学天文重点实验室（国家天文台），北京 100101
2 中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190
3 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
相机是光学望远镜观测系统的重要组成部分，为了提高天文光学观测的精度和效能，开展了天文光学相机性能的检测技术研究。根据天文观测对光学相机的性能需求，给出了相机性能检测项目、检测方法、检测实验和数据处理方法，检测项目包括增益、读出噪声、满阱电荷、线性度、本底稳定性、像元响应不均匀性、暗电流等。基于这套方法，在实验室对sCMOS和CCD两款相机进行了实测，获得了相机的性能参数，结果显示，sCMOS 12-bit档位较CCD 1 MHz 4×档位，读出噪声低约1倍，暗电流高约17倍，动态范围低约3星等，像元响应不均匀性高约1倍，两款相机都具有较高的线性度和本底稳定性，该sCMOS具有辉光，不适合长时间曝光观测。该方法可以检测获得适用于天文光学观测的相机性能参数，便于开展天文实测工作，实现相同相机不同档位或不同相机之间的性能对比，定期对相机进行检测可以建立其全生命周期性能参数数据库，对相机的健康状态管理及观测系统故障诊断具有现实意义。
CCD CMOS 性能检测 天文观测 CCD CMOS performance testing astronomical observations 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230316
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronics and Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China
2 Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology, School of Microelectronics, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060, China
CMOS image sensors produced by the existing CMOS manufacturing process usually have difficulty achieving complete charge transfer owing to the introduction of potential barriers or Si/SiO2 interface state traps in the charge transfer path, which reduces the charge transfer efficiency and image quality. Until now, scholars have only considered mechanisms that limit charge transfer from the perspectives of potential barriers and spill back effect under high illumination condition. However, the existing models have thus far ignored the charge transfer limitation due to Si/SiO2 interface state traps in the transfer gate channel, particularly under low illumination. Therefore, this paper proposes, for the first time, an analytical model for quantifying the incomplete charge transfer caused by Si/SiO2 interface state traps in the transfer gate channel under low illumination. This model can predict the variation rules of the number of untransferred charges and charge transfer efficiency when the trap energy level follows Gaussian distribution, exponential distribution and measured distribution. The model was verified with technology computer-aided design simulations, and the results showed that the simulation results exhibit the consistency with the proposed model.
CMOS image sensor charge transfer interface state traps Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 114104
1 西安理工大学, 西安 710048
2 西安电子科技大学, 西安 710071)
为抑制像素阵列在曝光阶段的暗电流对图像传感器动态范围和输出图像质量的影响, 基于同步自适应的暗电流跟踪机制, 提出一种电路与系统级暗电流积分补偿方法。通过采样输出有效光电信号, 在无源处理阶段同步进行暗电流消除。该方法不仅可以补偿不同区域暗电流对有效光电信号的影响, 而且可解决传统暗电流消除方法对读出电路动态范围会造成衰减的问题。基于该方法, 在55 nm CMOS工艺下设计了一种752×512阵列规模的CMOS图像传感器, 实现了完整的电路设计、版图设计与后端物理验证。结果显示, 采用集成暗电流补偿技术的采样放大电路对暗电流最小补偿精度可以达到12 bit, 补偿范围最大可以达到500 mV, 单列功耗仅有1584 μW, 同时可实现1~4倍的增益, 最小增益步进625%。实现了从模拟前端根除暗电流对CMOS图像传感器图像质量和动态范围的影响, 为高端、高性能的CMOS图像传感器设计提供了一定的理论支撑。
CMOS图像传感器 暗电流补偿 同步自适应 动态范围 可编程增益放大器 CMOS image sensor dark current compensation synchronous adaptive dynamic range programmable gain amplifier (PGA)
中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060
基于CMOS工艺设计了一款轨到轨运算放大器, 整体电路包括偏置电路、输入级、输出级以及ESD保护电路。电路中的输入级使用了一种全新的架构, 通过一对耗尽型NMOS管作为输入管, 实现轨到轨输入, 同时在输入级采用了共源共栅结构, 能够提供较高的共模输入范围和增益; 在输出级, 为了得到满摆幅输出而采用了AB类输出级; 同时ESD保护电路采用传统的GGMOS电路, 耐压大于2 kV。经过仿真后可知, 电路的输入偏置电流为150 fA, 在负载为100 kΩ的情况下, 输出最高和最低电压可达距电源轨和地轨的20 mV范围内, 当电源电压为5 V时能获得80 dB的CMRR和120 dB的增益, 相位裕度约为50°, 单位增益带宽约为15 MHz。
轨到轨 运算放大器 CMOS： 单对输入级 rail-to-rail operational amplifier CMOS single pair input stage
1 武汉大学 物理科学与技术学院, 武汉 43007
2 武汉大学 物理科学与技术学院, 武汉 430072
设计了一种双宽带毫米波低噪声放大器。该低噪声放大器可通过射频开关对无源电感重新配置, 使其可以分别工作在中心频率为28 GHz和32 GHz的频段下, 适用于5G毫米波通信。该可重构低噪声放大器基于55 nm CMOS工艺设计。后仿真结果表明, 该可重构低噪声放大器在控制电压(Vs)为0 V的情况下, 在中心频率为28 GHz时, 增益为23 dB, 输入1 dB压缩点为-54 dBm; 在-3 dB带宽261~322 GHz(61 GHz)内, 噪声系数为41~44 dB; 在Vs为12 V的情况下, 在中心频率变为32 GHz时, 增益为20 dB, 输入1 dB压缩点为-75 dBm; 在-3 dB带宽28~34 GHz(6 GHz)内, 噪声系数为44~47 dB。芯片面积为070×055 mm2, 在12 V的电源电压下功耗为252 mW。
低噪声放大器 5G毫米波 可重构 宽带 low noise amplifier 5G millimeter-wave CMOS CMOS reconfigurable wideband
1 云南大学 材料与能源学院，云南 昆明 650500
2 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
3 云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南 昆明 650223
由于紫外光在硅中的穿透深度有限，以及多晶硅栅极对紫外光的吸收，导致传统的硅基CMOS图像传感器在紫外光波段的响应不高。在此，本文选择一种低成本的下转换法来提升CMOS图像传感器的紫外响应能力，采用真空热蒸发法分别在石英衬底和CMOS图像传感器的像敏面上蒸镀了晕苯薄膜，并对薄膜的光学性能、红外光谱、光稳定性和热稳定性进行了研究。实验结果表明，晕苯薄膜能吸收紫外光并发射出500 nm的绿色荧光，可以与CMOS图像传感器的光谱响应峰值很好地匹配；同时，发现晕苯红外吸收光谱的实验值和计算值基本吻合；薄膜在200 ℃温度下退火20 min后，其发射峰的荧光强度保持在原来的95.7%；在280 nm激发波长照射大约60 min后，发光强度呈指数衰减至初始值的64%。采用CMOS单色相机在可见光（400~780 nm）和紫外光（365 nm）下定性分析了薄膜的紫外增强效果，发现蒸镀晕苯薄膜后的CMOS单色相机可以提高对紫外光的灵敏度。
CMOS图像传感器 紫外增强 下转换 晕苯 CMOS image Sensor ultraviolet enhancement down conversion Coronene 
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
This paper describes a promising route for the exploration and development of 3.0 THz sensing and imaging with FET-based power detectors in a standard 65 nm CMOS process. Based on th plasma-wave theory proposed by Dyakonov and Shur, we designed high-responsivity and low-noise multiple detectors for monitoring a pulse-mode 3.0 THz quantum cascade laser (QCL). Furthermore, we present a fully integrated high-speed 32 × 32-pixel 3.0 THz CMOS image sensor (CIS). The full CIS measures 2.81 × 5.39 mm2 and achieves a 423 V/W responsivity (Rv) and a 5.3 nW integral noise equivalent power (NEP) at room temperature. In experiments, we demonstrate a testing speed reaching 319 fps under continuous-wave (CW) illumination of a 3.0 THz QCL. The results indicate that our terahertz CIS has excellent potential in cost-effective and commercial THz imaging and material detection.
power detectors quantum cascade laser (QCL) CMOS image sensor (CIS) terahertz Journal of Semiconductors
2023, 44(10): 102401
杭州欣美成套电器制造有限公司， 杭州 311200
针对无源RFID低功耗的应用需求，基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺设计了一种低功耗CMOS温度传感器。该传感器首先基于双晶体管电路将温度信号转换为与之成正比的电压信号，并进一步转换为电流信号，然后通过振荡器电路转换为频率信号，最终经计数器后转换为与温度对应的二进制数字信号输出。仿真结果表明，在-20~100 ℃范围内传感器具有良好的线性度和温度精度，且传感器总功耗仅为1.05 μW，可满足无源RFID领域应用需求。
无源RFID CMOS温度传感器 谐振电路 计数器 passive RFID CMOS temperature sensor oscillating circuit counter
