Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/447
Title: Estudo comparativo de tecnologias CMOS e SOI-CMOS aplicadas a fotodiodos laterais PIN
Authors: Novo, C.
Issue Date: 2013
Abstract: A detecção óptica tem várias aplicações comerciais importantes, tais como sistemas de imagem, armazenamento de dados ópticos, comunicação óptica de dados, aplicações nas áreas médica, de meio-ambiente e espacial. Tais funções exigem a utilização de fotodetectores eficientes, tais como os fotodiodos PIN. Este trabalho consiste em um estudo sobre as características dos fotodiodos PIN de silício, tais como sua responsividade, eficiência quântica, fotocorrente e corrente de escuro. Através dessa análise foi possível demonstrar a adequação destes dispositivos às diferentes aplicações dependendo do tipo de tecnologia utilizada (CMOS SOI ou BULK). Por meio de simulações numéricas foi constatado que o fotodiodo PIN CMOS SOI, com camada de silício de 80nm, apresenta maior responsividade na faixa de comprimento de onda () de 400nm. Já a responsividade dos fotodiodos PIN CMOS BULK atinge seu valor máximo para 470nm. Este fato demonstra que a tecnologia SOI estudada é vantajosa na faixa do ultravioleta do espectro eletromagnético. Também foram realizadas simulações numéricas com dispositivos multifingers. Um dos parâmetros analisados foi o comprimento da sua região intrínseca (LI). Para os fotodiodos PIN CMOS SOI totalmente depletados, a maior eficiência quântica total (aproximadamente de 50% com =390nm), foi obtida para LI de 35,5µm, pois a região fotossensível é maior. Já nos dispositivos parcialmente depletados, a maior eficiência foi obtida com LI de 13,4µm, devido à menor influência do fenômeno de recombinação de portadores. O comprimento de difusão dos portadores minoritários (elétrons) foi estimado entre 3,71 e 11,11µm. A corrente de escuro se mostrou mais evidente em dispositivos BULK, já que há maior área de junção. A tensão reversa (VD) e a temperatura são parâmetros importantes para determinar a intensidade desta corrente. Outro parâmetro estudado neste trabalho foi a tensão de polarização de porta traseira, que altera a intensidade da fotocorrente que passa de 28pA em acumulação, para mais de 40pA em depleção nos fotodiodos SOI. Os resultados experimentais de intensidade de corrente e relação de sinal-ruído relativos aos dispositivos multifinger de tecnologia 2µm testados demonstraram o mesmo comportamento previsto nas simulações numéricas a respeito da polarização de porta traseira (VBG), sendo que a maior relação sinal-ruído foi obtida em acumulação do filme de silício (VBG negativa), sendo aproximadamente quatro vezes maior que aquela apresentada com VBG=0V; especialmente em altas temperaturas (maior que 360 K). Todas as características analisadas neste trabalho fundamentam a utilização dos fotodiodos SOI para aplicações específicas de baixos comprimentos de onda, tais como medidas de concentração de gases, mensuração de proteínas e níveis bacterianos, medidas de concentração de DNA e leitura de dados ópticos como o Blue-Ray. Além disso, aplicações que necessitam de resposta em velocidade alta também são indicadas para utilização do fotodiodo PIN SOI. Em contrapartida, os dispositivos BULK apresentam melhor desempenho quando toda a faixa do espectro visível é comparada, por isso, são indicados para sistemas de imagem em geral como a câmera digital.
Optical detection has several important commercial applications, such as imaging systems, optical data storage, optical data communication, medical applications, environmental and special areas. These functions require the use of efficient photodetectors, such as PIN photodiodes. This work consists of a study on the characteristics of silicon PIN photodiodes, such as its responsivity, quantum efficiency, dark current and photocurrent. Through this analysis it was possible to demonstrate the suitability of these devices for different applications depending on the type of used technology used (BULK or SOI). Through numerical simulations it was found that the PIN photodiode CMOS SOI with 80nm of silicon film, shows greater responsivity in the range of wavelength () of 400nm. Although for BULK photodiodes, the responsivity reaches its maximum value at 470nm. This fact shows that the SOI technology is advantageous in the ultraviolet range of the electromagnetic spectrum. Also numerical simulations were performed in multifingers devices, in which one of the main parameter analyzed was the length of its intrinsic region (LI). For PIN photodiodes fully depleted CMOS SOI, the total quantum efficiency (approximately 50% with = 390nm) was obtained for LI of 35.5 µm, since the photosensitive region is larger. Already in the partially depleted devices, greater efficiency was obtained with 13.4µm of LI, where it is detected smaller influence of the recombination phenomenon. Thus, the diffusion length of the minority carriers (electrons) was estimated between 3.71 and 11.11 microns. The dark current was more evident in BULK devices, since there is a greater junction area. Moreover, the reverse voltage (VD) and the temperature are important parameters to determine the intensity of this current. One of the main parameters studied in this work was the back-gate bias, which alters the intensity of the photocurrent from 28pA in accumulation to 40pA in depletion for SOI photodiodes. The experimental results of photocurrent and signal-to-noise ratio of multifinger technology showed the same behavior predicted in numerical simulations about the back-gate bias (VBG), and the highest signal to noise ratio was obtained in accumulation of silicon film (negative VBG), approximately four times greater than that presented with VBG = 0V, especially at high temperatures (greater than 360 K). All traits analyzed in this study justify the use of SOI photodiodes for specific applications of low wavelengths, such as gas concentration measurements, measurement of protein and bacterial levels, measures of DNA concentration and optical data reading such as the Blue- Ray. In addition, applications that require high response speed are also indicated for SOI PIN photodiodes. Although, BULK devices have better performance when the entire range of the visible spectrum is compared, so they are suitable for general imaging systems like digital cameras.
Keywords: Polarização (Ciências sociais)
Temperatura
Publisher: Centro Universitário da Fei, São Bernardo do Campo
URI: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/447
Appears in Collections:Teses e Dissertações

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
fulltext.pdf2.36 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.