DI和CTIA读出集成电路输入特性的理论研究

宋鹏云 叶振华 爱博 黄洪雷 陈晓宁 胡瑞军 丁李 何

收稿日期： 2015-10-01 / 录用日期： 2016-01-04 / 网络出版日期： 2016-02-10 Ó Springer Science+Business Media 纽约 2016

摘要 先进的混合红外焦平面阵列由半导体光电探测器芯片与硅CMOS读出集成电路（ROIC）凸块键合组成。在ROIC的众多读出结构中，直接注入（DI）和电容反馈跨阻放大器（CTIA）被广泛使用。本文分别基于DI和CTIA的结构讨论了DI和CTIA的输入特性，特别是注射效率。DI的注入效率与注入电流有关，在小背景光电流下较低;然而，DI由于其结构简单，可实现超低功耗。CTIA的注入效率与注入电流无关，即使在低背景光电流下也很高，但由于其结构更复杂，CTIA的功耗相对高于DI。

关键词 IRFPA DI CTIA Injection efficiency

本文是 NUSOD 光电器件数值仿真专题集的一部分

客座编辑：Julien Javaloyes、Weida 胡、Slawek Sujecki 和 Yuh-Renn Wu。

&振华 Ye'zhye@mail.sitp.ac.cn

中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与探测器重点实验室， 上海200083

中国科学院大学， 北京100039， 中国

河南科技大学， 洛阳471023， 中国

光学定量电子 （2016） 48：185 DOI： 10.1007/s11082-016-0376-6

1 引言

通常，混合红外焦平面阵列（IRFPA）可分为两大部分，即探测器阵列和读出集成电路（ROIC）。IRFPA的主要功能是提供红外探测器信号转换和放大，以及将来自许多探测器的数据进行时间多路复用，以达到最少数量的输出。大多数ROIC使用前置放大器，在固定积分时间内累积探测器光子感应电流。因此，重要的是要避免光电流损失并提高注入效率，以便在集成电容器上积累尽可能多的光电流。在不同类型的前置放大器中，直接注入（DI）和电容反馈跨阻放大器（CTIA）被广泛使用。DI利用MOSFET的漏极，为检波器阵列提供ROIC的低阻抗访问。CTIA使用差分放大器反相端的反馈电容作为积分电容，就像积分器一样。本文根据DI和CTIA读数的结构，对输入特性，特别是注入效率进行了讨论和比较。

2 计算与分析

2.1 输入读数

DI 读数具有一个小晶胞，已用于需要良好图像分辨率的大型红外混合凝视焦平面阵列（Lin 等人，2009 年;Beletic 等人，2008 年）。图1显示了DI及其小信号响应等效电路的原理图结构。DI 中的光子电流通过输入晶体管的源极注入到在帧开始之前已复位的集成电容器上 （Johnson 1994;Johnson 1999）。当光子电流积分时，它会在整个帧中为电容器充电。

从图1b中可以看出，I是恒流，包括直流暗电流和背景光子电流。I是小信号光子电流。C和r分别为积分电容及其漏电阻。MOSFET的栅极电压保持恒定，以确保漏极电流在低功耗亚阈值（弱反相）模式下工作，其中跨导g满足

图1 DI和小信号响应等效电路的结构示意图

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P. Song 等人。

其中 Iis 注入电流，V 是栅源电压，n 是亚阈值斜率参数，k T 是玻尔兹曼常数和温度的乘积。探测器的光电二极管通常以反向偏置方式工作，以避免更高的探测器噪声和非线性光响应。当小信号光子电流入射时，其中一部分注入MOSFET，另一部分通过动态反向偏置检测器电阻R分流，从而产生非单位注入效率，定义为（Vampola 1993）

根据图1b，通过使用定义，DI g的注入效率可以很容易地推导出为

þ 1=Rg

其中使用 Rand g 的并联关系。从式（2）中可以清楚地看出，gis与g密切相关。同时，根据式（1），g受MOSFET漏极电流的影响，即背景电流和直流暗电流。如果DI在高背景光电流下工作，则g将具有较大的值，并最终导致高注入效率，反之亦然。

图 2 显示了根据方程，在 110 K 的低温下，在 R 的两个值范围内，注入电流 I 的炉子。（1）和（2）。可以清楚地看出，g随着注入电流I的降低以及动态反向偏置电阻的降低而降低，如图2a、b所示。如图2a所示，尽管R大至10 X，但以极低的注入电流突破了非常低的水平，这表明DI读数不适用于低背景光电流或低注入电流的情况。在图2b中，I比图2a中的I高，尽管R值较小，但仍保持高位。这只是长波长HgCdTe IRFPAs探测器的情况（Quan等人，2006;Ye 等人，2004 年;胡 等人，2009 年;Qiu et al. 2014），其中采用

图2 在110 K值范围R：拉格值范围的拉格值范围下，DI的注入效率随注入电流的变化

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DI读数在实践中（Dawson等人，2001）。因此，注入电流是影响g的主要因素。

2.2 CTIA读数

CTIA读数包含一个积分电容器，该电容器放置在运算放大器的反馈环路上，具有巨大的开环增益（Zhai等人，2013年;Wang 等人，2012 年;Qiu 等人，2015 年;江 等人，2014 年;Li 等人，2007 年;Bai 等人，2014 年）。图3显示了CTIA及其小信号响应等效电路的原理图结构（Johnson and Lomheim 1991;Johnson 等人，2009 年;Hsieh 和 Wu 1997）。由于采用了运算放大器，CTIA的结构比DI更复杂。由于集成电容器上的米勒效应，其电容可以做得非常小，以获得低噪声和高灵敏度的性能。

在图3中，Cand Care积分电容和检测器电容分别，I是比背景光电流小得多的小信号光电流，R是动态反向偏置检测器电阻，A是运算放大器的开环增益。根据节点 P 的时间基尔霍夫电流方程

I1/4 1 个音符 C ð

ÞC dV

其中假设检测器接地，运算放大器的Vis输入电压，使用V0ðÞ1/4V的初始条件求解上述微分方程，得到

V t t Þ 1/4 i r þ v IR

ÞC þC

使用上述两个方程和积分电流

图3 CTIA结构示意图和小信号响应等效电路

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P. Song 等人。

I 1/4 1 th

ÞC dV

以及精确定义的注射效率

我们获得了CTIA的注射效率

克 1

R 1 th A ð

TH C

其中使用泰勒展开近似，t 是积分时间。从式（3）可以看出，CTIA的注入效率与注入电流无关，受积分时间t和读出特性（如运算放大器A和积分电容C）的影响。由于t和C在读出电路设计过程中存在许多局限性，因此提高CITA注入效率的最有效方法是增加A。

图4显示了根据式（3）在R的两个值范围内，CTIA读数的注入效率如何随积分时间而变化，假设A为10，C与C一起为100 fF。从图4a，b中可以看出，与DI读数类似，g也随着R的降低而降低。在图4中，由于A值较大，a在积分时间t的大变化范围内几乎保持100%，这意味着几乎所有的光子电流都有效地积分在C上。只有当 Rdrops 低至 10 X 时，如图 4b 所示，才在积分时间足够长的情况下达到非常低的水平。这意味着 gis 对 Rand CTIA 不敏感，当 R 下降到足够低时，不适合长时间积分。

2.3 DI和CTIA的进样效率比较

从上面的讨论可以看出，由于DI的结构简单，注入效率gof DI在很大程度上依赖于注入电流I，并且还与动态反向偏置检测器电阻R有关。随着 I 和 R 的减少而降低。相比之下，CTIA采用运算放大器，因此结构更复杂。注射效率 gof

图4 CTIA的注射效率随积分时间的变化，在R的两个值范围内：一个拉格值范围，b范围的较小值

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CTIA与注入电流无关，并且由于A的巨大值，对动态反向偏置检测器电阻R不敏感（Yazici等人，2010;Sun 等人，2013 年;Hoffman 等人，2005 年）。仅当 R 下降到非常低的水平并且积分时间 t 足够长时，gis 才会变低。需要注意的是，由于集成过程中MOSFET的亚阈值模式，探测器偏置不受积分电容器电压的影响，因此gis与t无关。另一方面，gis 依赖于 t，因为检测器偏置在积分过程中受到积分电容器电压的影响。

3 结论

DI和CTIA读数的进样效率基于其小信号等效电路进行推导和计算。在大注入电流值下，DI的注入效率很高。CTIA的注入效率与注入电流无关，对R不敏感，在积分时间和R变化的大范围内，其注入效率几乎保持在100%。因此，DI更适合在高光通量和高注入电流下工作，并且由于MOSFET的亚阈值模式而具有超低功耗，而CTIA适合在低光通量和注入电流下工作，并且由于其结构更复杂而具有更高的功耗。DI 和 CITA 之间的选择取决于不同的情况和关注点。

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