一种基于BSIM的光敏探测器仿真模型及其建模方法

技术领域

本发明涉及光敏探测器建模技术领域，具体涉及一种基于BSIM的光敏探测器仿真模型及其建模方法。

背景技术

由于数码和视频相机、移动成像、监控和生物测定领域的需求，光敏探测器市场一片繁荣，正经历指数式增长。传统上，CCD是占据主导地位的技术。但随着CMOS技术的快速发展，使得CMOS光敏探测器(CMOS image sensor，CIS)技术在诸多领域得到广泛应用。基于复合介质栅的光敏探测器由于其自身结构，有着结合CCD和CIS两种光敏探测器的优势，有望成为新一代的主流的光敏探测器。

尽管技术发展迅速，但是光敏探测器的电路设计方法并不够完善。有一定原因是缺乏精准的模型去描述其电学性能。传统的BSIM(Berkeley short channel insulatedgate field effect transistor model)没有对光敏探测器建模的功能。因此，对于包含光敏探测器的半导体电路设计，仍迫切需要提供一种准确的光敏探测器仿真模型。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种光敏探测器仿真模型及其建模方法，在电路仿真过程中通过仿真模型来模拟器件实际的工作状态。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于BSIM的光敏探测器仿真模型，包括电学模型和光电模型，所述电学模型采用BSIM模型，其结构与光敏探测器的等效模型相同，用来模拟光敏探测器的电学特性；所述光电模型包括RC电路，用来模拟光敏探测器的曝光、读取和复位过程。

进一步地，所述光敏探测器为CCD光敏探测器、CMOS光敏探测器或者基于复合介质栅的光敏探测器。

进一步地，所述CCD光敏探测器的电学模型包括MOS电容、复位晶体管、源跟随器和选择晶体管，其中，复位晶体管的源极连接MOS电容和源跟随器的栅极，源跟随器的源极和选择晶体管的源极相连；所述CCD光敏探测器的光电模型包括三条RC电路，用来模拟曝光、读取和复位过程。

进一步地，所述CMOS光敏探测器的电学模型包括pn结电容、复位晶体管、源跟随器和选择晶体管，其中，复位晶体管的源极连接pn结电容和源跟随器的栅极，源跟随器的源极和选择晶体管的源极相连；所述CMOS光敏探测器的光电模型包括三条RC电路，用来模拟曝光、读取和复位过程。

进一步地，所述基于复合介质栅光敏探测器的电学模型包括MOS电容和MOSFET部分，所述MOS电容和MOSFET部分共用复合介质栅，复合介质栅的结构自下而上包括底层介质层、浮栅、顶层介质层和控制栅；所述基于复合介质栅光敏探测器的电学模型包括4个端口：栅极、衬底、源极、漏极，所述基于复合介质栅光敏探测器的光电模型包括三条RC电路，用来模拟曝光、读取和复位过程。

进一步地，所述电学模型中的衬底表面电压和光电模型中的感光电压之间存在以下关系式：

其中，q为光敏探测器收集的电荷量，ε为硅的介电常数，k为玻尔兹曼常数，T为温度，N

本发明还提供一种基于BSIM的光敏探测器仿真模型的建模方法，该建模方法包括：

利用BSIM模型建立电学模型，所述电学模型与光敏探测器的等效模型相同，用来模拟光敏探测器的电学特性；

建立光电模型，用来模拟光敏探测器的曝光、等待、读取和复位过程；

基于光敏探测器的电流电压曲线和电容电压曲线的测试数据，提取模型参数，然后对所述学模型和光电模型的参数进行修正，得到优化后的基于BSIM光敏探测器模型。

本发明所提出的模型及建模方法能很好反应光敏探测器物理结构特性，满足设计对器件模型需求。利用本发明提供的器件建模方法，并可被SPICE工具(一种电路设计仿真软件)调用，仿真结果表明，使用该建模方法得到的器件模型，可以准确模拟器件的曝光、等待、读取和复位等过程，保证模型IV/CV准确性。同时，此建模方法适用于多种光敏探测器，包括CDD光敏探测器、CMOS光敏探测器、基于复合介质栅的光敏探测器等，有助于提升电路设计的效率和准确性，缩短产品设计周期及降低成本。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种模型的流程示意图；

图2为本发明实施例中基于复合介质栅光敏探测器的结构示意图；

图3为基于复合介质栅的光敏探测器等效模型的电路结构示意图；

图4为本发明实施例中CCD光敏探测器的结构示意图；

图5为本发明实施例中CMOS光敏探测器的结构示意图；

图6为模拟感光的电路结构示意图；

图7为模拟最大感光电压的电路结构示意图；

图8为模拟复位的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案做进一步地详细描述。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。

本发明一种基于BSIM的光敏探测器的仿真模型，包括电学模型xcell和光电模型xsense两部分，其中电学模型xcell与器件的等效模型相同，用来模拟光敏探测器的电学特性。光电模型xsense由多条RC电路组成，用来模拟光敏探测器的曝光、读取和复位等过程。对于本实施例不同的光敏探测器而言，光电模型xsense基本相同，包括三条RC电路，区别在于电学模型xcell不同。

参见图1，图1为本申请实施例提供的一种模型的流程示意图。

在步骤101中，建立光敏探测器等效模型。本实施例利用如图2所示的基于复合介质栅的光敏探测器，其制作在一P型半导体衬底202上，包括MOS电容201和读取晶体管203部分共用复合介质栅，其中复合介质栅自下而上包括共用的底层介质层202、浮栅205、顶层介质层206和控制栅207。其中，MOS电容201用来感光将光信号转换为电信号，读取晶体管203用来读取电信号。

图3是本发明实施例的基于复合介质栅的光敏探测器等效模型所采用的电路结构示意图。参照图3，本发明实施例的基于复合介质栅的光敏探测器等效模型是基于标准的BSIM仿真模型进行的。电学模型xcell部分为4端口元件，分别有分别有控制栅极Gate、衬底Bulk、源极Source、漏极Drain，与器件的等效模型相同，用来模拟基于复合介质栅的光敏探测器的电学特性。MOSFET部分采用标准的BSIM模型，为一个NMOS晶体管(即读取晶体管203)。MOS电容部分的FG指浮栅节点电压，net_surf为MOS电容部分的衬底表面电压，c1_cg为控制栅极Gate和浮栅FG之间的电容，c2_fg为浮栅FG和衬底表面电压net_surf之间的电容，c2_surf为衬底表面电压net_surf和衬底Bulk之间的耗尽区电容，浮栅FG和NMOS管栅极之间的R1用来模拟浮栅内的压降，Gleaked1用来模拟漏端漏电流。

其工作机理如下所述：

光信号的收集和存储，控制栅极Gate加零偏压或很小的正偏压脉冲，衬底Bulk加负偏压脉冲，在衬底中形成耗尽层，当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在栅极电压的驱使下移动到衬底和衬底表面处。进一步地，光信号的放大和读出，上述界面处存储光电子后会使得衬底表面电压net_surf电位发生改变，该电位的改变会使得浮栅FG的电位发生改变，从而使得用以读取的读取晶体管产生阈值电压的漂移，通过对曝光前后读取晶体管阈值电压变化的测量确定出沟道中收集到的光电子的数目。进一步地，像素的复位，控制栅极Gate需要加一很小的负压脉冲，衬底Bulk接地可实现像素的复位。

图4是本发明实施例的基于CCD光敏探测器等效模型所采用的电路结构示意图。参照图4，本发明实施例的基于CCD光敏探测器等效模型是基于标准的BSIM仿真模型进行的。电学模型包括MOS电容，晶体管部分采用标准的BSIM模型，包括复位晶体管M

图5是本发明实施例的基于CMOS光敏探测器等效模型所采用的电路结构示意图。参照图5，本发明实施例的基于CMOS光敏探测器等效模型是基于标准的BSIM仿真模型进行的。电学模型包括pn结电容，晶体管部分采用标准的BSIM模型，包括复位晶体管M

在步骤101，建立光敏探测器的感光复位模型xsense，适用于多种光敏探测器，包括CCD光敏探测器、CMOS光敏探测器、基于复合介质栅的光敏探测器等。xsense部分用来模拟光敏探测器的曝光、等待、读取和复位等过程。图6为模拟感光的电路结构示意图，感光时，开关g1_en_expose开启，g2_en_expose是g1_en_expose的逆向开关。电流源I1_expose对电容c_com充电，初始感光电压net_expose_internal增大，衬底表面电压net_surf下降，浮栅电压FG下降，等同于读取晶体管阈值增大，以此模拟曝光后xcell阈值电压变化。其中，电流源I1_expose是光强的函数，光写入效率只和当前所加的光强有关，光强越强，感光电压net_expose变化越快。

对电学模型中的衬底表面电压net_surf和光电模型中的感光电压net_expose之间建立数学关系，模拟基于复合介质栅光敏探测器的感光功能，其关系式为：

其中，q为光敏探测器收集的电荷量，ε为硅的介电常数，k为玻尔兹曼常数，T为温度，N

曝光结束后，开关g1_en_expose断开，逆向开关g2_en_expose开启，电流源I1_expose停止向电容c_com充电，感光电压net_expose保持不变，衬底表面电压net_surf也保持不变。

复位时有两种模式，mode0为强制复位，将电容完全放电，net_expose为0。mode1为更接近真实器件工作的软复位模式，根据栅衬电压的大小电容部分放电。图7为模拟最大感光电压的电路结构示意图，图8为模拟复位的电路结构示意图。图7中net_maxwrite_vgb为最大写入电压，器件收集电荷量饱和值只与栅衬偏压相关，故net_maxwrite_vgb只与栅衬偏压相关，偏压越大饱和值越大。器件的复位是将栅衬偏压减小，从而降低饱和值而将电荷量排出的过程。复位时，栅衬电压减小，g3c开关开启，最小栅衬电压net_min_vgb降低。取net_min_vgb和net_maxwrite_vgb最小值为net3_expose,对其加上co_0和co_1系数得到net4_expose，以便调节饱和值大小，计算公式如下：

net4_expose＝co_1*net3_expose+co_0

通过以下公式可以使net_expose具有饱和值，并且只与栅衬电压和系数有关，计算公式如下；

其中，net_expose_internal为图6中的初始电压，satura为饱和系数，可以调节饱和趋势。

在步骤102中，基于光敏探测器电流电压曲线IV测试数据，并在器件不同位置打接触孔进行电容电压曲线CV测试，得到底层介质层电容参数、顶层介质层电容参数、MOSFET栅极和漏极之间电容参数、MOSFET栅极和源极之间电容参数、MOSFET漏极和衬底之间电容参数、MOSFET源极和衬底之间电容参数、光敏探测器IV特性参数。

在步骤103中，对将上述实际测试的参数代入光敏探测器电学模型和光电模型中，得到优化后的基于BSIM光敏探测器模型，可将所述模型插入到SPICE工具现有的器件模型文件中。所述光敏传感器仿真模型相较于的BSIM模型，可以准确模拟器件的曝光、等待、读取和复位等过程，保证模型IV/CV准确性，此建模方法适用于多种光敏探测器，包括CCD光敏探测器、CMOS光敏探测器、基于复合介质栅的光敏探测器等，有助于提升器件设计的效率和准确性，缩短产品设计周期及降低成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之中。