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基于红外焦平面读出电路应用的多层stack 电容设计及SPICE模型研究
作者：叶伟戴佼容刘斯扬孙伟锋
来源：《航空兵器》2014年第04期
摘要：基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种应用于红外焦平面读出电路的多层堆叠（stack）电容结构，测试结果表明，相比单一形式电容，stack电容的单位面积值增大两倍以上，因而能够有效地提升红外焦平面读出电路的电荷存储能力。此外，本文还为设计的多层stack电容建立了一套描述其电学特性的SPICE模型，模型均方根误差在2%以内，因此可以准确描述stack电容的电学特性，满足了红外焦平面读出电路的仿真设计要求。
关键词：红外焦平面读出电路；stack电容；SPICE模型；BSIM3V3模型；边缘效应
中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）04-0049-05
0引言
红外焦平面阵列（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）是一种高性能的红外固体图像传感器，也是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。它主要由红外探测器阵列和读出电路（ReadoutCircuit，ROIC）阵列组成[1-4]，其工作性能不仅与探测器性能，如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关，还与信号的输出性能，如电路输入级的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率，读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等有关。对于许多成熟的红外焦平面探测器技术来说，目前限制红外焦平面阵列性能的不再是红外探测器阵列，而是红外焦平面阵列中的读出电路部分。红外焦平面读出电路中的积分电容则体现了电路存储电荷的能力，积分电容容量的增加能够有效提升焦平面阵列的电荷处理能力，进而提升红外焦平面的动态范围、信噪比以及灵敏度，提高图像信号的质量。
与当前红外读出电路大多采用的单层MOS电容相比，采用多层stack电容的较少，目前报道的采用的stack电容多为两层或者三层[5-7]。多层stack电容采用纵向“堆叠”的工艺，能够在有限的空间内有效增大红外读出电路的积分电容容量，很好地平衡电容容量和占用面积的关系。
SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型是工艺代工厂和电路设计者之间的桥梁，很多研究机构以及EDA供应商在SPICE模型的研究上投入了大量的精力。然而，到目前为止还没有出现能够描述stack电容电学特性的SPICE模型。