專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光存儲(chǔ)單元的倒空ctia讀出電路的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光存儲(chǔ)單元的倒空CTIA讀出 電路的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
光存儲(chǔ)技術(shù)是通過(guò)光學(xué)方法讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，光探測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)和極化方向等 的變化，從而讀出存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。讀出電路(R0IC)的主要功能是對(duì)光電 器件中存儲(chǔ)、探測(cè)或攝像單元的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(如積分、放大、濾波、 采樣/保持等)并在信號(hào)處理級(jí)間提供接口。
經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)受光激發(fā)，入射光子可轉(zhuǎn)變成空間分離的電 子-空穴對(duì)而被存儲(chǔ)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，隨后再通過(guò)施加偏壓驅(qū)使所存儲(chǔ)的電子和 空穴向器件的兩極移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)讀出。 一種低維度量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié) 構(gòu)的光存儲(chǔ)傳感器是通過(guò)反向偏壓使器件存儲(chǔ)電子和空穴，正向偏壓使光信號(hào) 讀出。這類(lèi)器件正常工作時(shí)，需要給它提供正負(fù)偏壓控制信號(hào)，稱(chēng)作倒空信號(hào)。
現(xiàn)有CTIA型讀出電路是一種通用的光電器件讀出電路，它本身并沒(méi)有根 據(jù)低維度量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)傳感器的基本特性而良身定制，特 別是沒(méi)有提供倒空信號(hào)，它不能很好地讀出低維度量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)的 光存儲(chǔ)傳感器的光信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的 一種光存儲(chǔ)單元的倒空 CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)方法，它通過(guò)對(duì)光存儲(chǔ)單元器件的電特性進(jìn)行精確測(cè)試， 得到器件的電特性方程，以此建立能正確反映器件特性的等效電路，然后根據(jù)200910049784.6
等效電路作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路，它能夠更好地讀出光存儲(chǔ)單元器件的 響應(yīng)信號(hào)，能為低維度量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)傳感器提供倒空信號(hào)， 尤其方便集成設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與可操作性。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種光存儲(chǔ)單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)
計(jì)方法，包括光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試、等效電路的建模，特點(diǎn)是將等
效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后
根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計(jì)，具體包括以下步驟
(一) 、光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試
由濾光片光功率為liiW，波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器提供光照強(qiáng)度，在 室溫或低溫下對(duì)光存儲(chǔ)單元器件進(jìn)行電流一電壓特性(I一V)、電容一電壓特 性(C一V)的測(cè)試，并建立(I一V) 、 (C一V)的特性曲線。
(二) 、光存儲(chǔ)單元器件的等效電路建模 根據(jù)測(cè)試得到的電流一電壓特性以及電容一電壓特性，通過(guò)擬合分別得到
I與V之間以及C與V的函數(shù)關(guān)系，由此在等效電路模型中可以用一個(gè)或多個(gè) 電壓控制電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流為電壓的函數(shù)、用一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電容為電壓 的函數(shù)、用一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗為電壓的函數(shù)，從而得到簡(jiǎn)化的準(zhǔn)確的光存儲(chǔ) 單元器件等效電路模型。
(三) 、CTIA讀出電路的建立
將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參 數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲(chǔ)單元器件匹配的具有增益可調(diào)的CTIA讀 出電路。CTIA讀出電路由電容d、 C2、 C。與選通開(kāi)關(guān)K,、 1(2組成的積分電容構(gòu) 成，并通過(guò)積分電容調(diào)節(jié)增益，積分電容值由等效電路模型的輸出電流Id計(jì)而得，其中電容d、 G為可調(diào)電容，它分別與控制開(kāi)關(guān)K,和K2串聯(lián)。 (四)、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)
在上述等效電路、CTIA讀出電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分 壓電路，電阻分壓電路由電阻R1、 R2串接而成，電阻R1為可變，它的一端接 復(fù)位脈沖信號(hào)RS，另一端接電阻R2，電阻R2的另一端接地；電阻R1、 R2共 同連接端與等效電路的輸入電阻Ri的正極連接；等效電路的輸出電阻Ro的正 極與CTIA讀出電路的積分運(yùn)送器A的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號(hào)RS通過(guò)一個(gè)反 相器得到倒相的脈沖信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)有效的倒空脈沖信 號(hào)，并作用于光存儲(chǔ)器件的公共端。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 它能夠更好地讀出光存儲(chǔ)器件的響應(yīng)信號(hào)，能為低維度量子點(diǎn)-量子阱 混合結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)傳感器件的信號(hào)讀出。
2、 倒空脈沖信號(hào)作用于器件公共端，V。。,4俞出的倒空脈沖對(duì)運(yùn)放工作點(diǎn)影 響很小，確保運(yùn)放具有穩(wěn)定的工作性能。
3、 將倒空信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓，可以得到不同電平幅度的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié) 分壓電阻可實(shí)現(xiàn)連續(xù)改變倒空脈沖幅度，使得新型光電器件工作在最佳工作 點(diǎn)。


圖1為光存儲(chǔ)單元器件電流一電壓曲線圖 圖2為光存儲(chǔ)單元器件電容一電壓曲線圖 圖3為光存儲(chǔ)單元器件偏壓[-3， l]電流一電壓曲線擬合圖 圖4為光存儲(chǔ)單元器件偏壓[1， 4]電流一電壓曲線擬合5為光存儲(chǔ)單元器件電容一電壓曲線擬合圖 圖6為光存儲(chǔ)單元器件等效電路圖 圖7為CTIA讀出電路圖 圖8為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖9為本發(fā)明的仿真結(jié)果圖
具體實(shí)施例方式
下面以一種量子點(diǎn)-量子阱結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)傳感器的等效電路建模過(guò)程及讀 出電路設(shè)計(jì)的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，其具體步驟如下 實(shí)施例1
(一)、光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試
采用Keithley 4200—SCS為核心的光存儲(chǔ)器特性測(cè)試設(shè)備對(duì)光存儲(chǔ)單元器 件進(jìn)行電流一電壓特性(I一V)、電容一電壓特性(C —V)的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)電腦 控制下的儀器自動(dòng)掃描、采集和處理數(shù)據(jù)，將測(cè)量結(jié)果圖形化。由于光存儲(chǔ)器 件對(duì)環(huán)境中的光和熱極其敏感，測(cè)試中使用了杜瓦瓶使測(cè)試結(jié)果更加精確，測(cè) 試中用波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器與光功率為ltiW (未聚焦)的濾光片精確模擬 光存儲(chǔ)器件工作時(shí)的光照條件。測(cè)試溫度設(shè)為室溫(293K)，偏置電壓Vh^設(shè)置 在一3V至4V范圍，光存儲(chǔ)單元器件的(I一V)特性測(cè)試在4200帶前放 (Pre-Ampilfier) SMU模塊中完成。光存儲(chǔ)單元器件的暗電流及在波長(zhǎng)633nm、 光功率為luW (未聚焦)時(shí)的響應(yīng)電流與偏置電壓(I一V)特性曲線見(jiàn)附圖l。
光存儲(chǔ)單元器件的(C一V)特性測(cè)試在4200的CVU模塊中完成，考慮到了測(cè) 試環(huán)境對(duì)測(cè)試電容在連接方面的補(bǔ)償(Connection Compensation)影響。運(yùn)用 4200分析儀中的選項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償分析，最后得到連接補(bǔ)償后的器件(C一V)特性，模型采用的是并聯(lián)模型(Parallel Model)。光存儲(chǔ)單元器件在lMHz頻率下的電 容與偏置電壓(C一V)特性曲線見(jiàn)附圖2。 (二)、光存儲(chǔ)單元器件的等效電路建模
a、 I-V特性曲線的擬合
參閱附圖1，根據(jù)光存儲(chǔ)單元器件(i-v)曲線的多拐點(diǎn)特性，采用分段擬 合再整合的方法進(jìn)行曲線擬合，分段點(diǎn)設(shè)在+ lV處，擬合采用Origin軟件。
參閱附圖3、附圖4，根據(jù)曲線擬合得到兩個(gè)函數(shù)關(guān)系I,X[l—K(V)]、 I2XK(V)。
參閱附圖6，在光存儲(chǔ)器等效電路中用兩個(gè)電壓控制電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)擬合得 到兩個(gè)函數(shù)關(guān)系，即用兩個(gè)電壓控制電流源I,X[l—K(V)]、 LXK(V)實(shí)現(xiàn)不同 偏壓下的光電流輸出，即光存儲(chǔ)器等效電路模型中的電壓控制電流源部分(I)。
b、 C-V特性曲線的擬合
參閱附圖2，根據(jù)光存儲(chǔ)單元器件(C一V)特性曲線，直接用Origin軟件 進(jìn)行曲線的數(shù)值擬合，其曲線擬合結(jié)果參閱附圖5。
參閱附圖6，根據(jù)擬合后(C-V)的函數(shù)關(guān)系得到電容Cp，即光存儲(chǔ)器等
效電路模型中的電容部分(n)。
c、 等效電路的建模
根據(jù)CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的反饋原理，使得光存儲(chǔ)單元器件等效電路模型的 輸出電壓大小為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的參考電壓^,值，在5V單電源供電系統(tǒng)中，
K"/約為2. 5V;根據(jù)輸出電壓和輸出電路可以得到等效電路的輸出電阻Ro。
參閱附圖6，將上述得到的兩個(gè)電壓控制電流源I,X [1—K(V) ] 、 I2XK(V)、 電容Cp、輸出電阻Ro以及虛擬的輸入電阻Ri組合在一起便可得到簡(jiǎn)化而精確的光存儲(chǔ)器等效電路模型，等效電路模型由電壓控制電流源部分(1)、電容部
分(n)、輸出電阻部分(in)、輸入電阻部分(iv)組成，其中輸入電阻部 分(iv)中的v為存儲(chǔ)單元器件的偏置電壓，用于控制(i)、 (n)、 (in)部 分的各電路參數(shù)。Ri是為了引入入射光而增加的虛擬輸入電阻，用來(lái)彌補(bǔ)輸入
端的完整性，可認(rèn)為與輸出阻抗量級(jí)不變，假定為10MQ。
(三) 、CTIA讀出電路的建立
參閱附圖7，將上述等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到 讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲(chǔ)單元器件匹配的CTIA 讀出電路。
根據(jù)CTIA讀出結(jié)構(gòu)的工作(積分)原理CmtxAr = /,x7;nl，對(duì)5V單電 源系統(tǒng)，考慮運(yùn)放的輸出電壓范圍，zlZ—般定為2V， 7, ,積分時(shí)間是與測(cè)試電 路性能相關(guān)，由等效電路模型的輸出電流Id，計(jì)算得到匹配的積分電容值。為 了適應(yīng)不同偏壓范圍器件的輸出電流變化，避免CTIA讀出結(jié)構(gòu)輸出飽和，把 CTIA讀出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有增益可調(diào)的CTIA單元，通過(guò)積分電容調(diào)節(jié)增益，參 閱附圖7，把電容C,、 C2、 C。與選通開(kāi)關(guān)Id、 K2串聯(lián)來(lái)組成積分電容 Cmt=CQ+《.C1+《2.C2。這里的積分電容由三部分組成基準(zhǔn)電容C。，可調(diào)電 容C,和可調(diào)電容C2，其中電容C,和C2分別與控制開(kāi)關(guān)K,和K2串聯(lián)。積分電容 為C,w =CQ+《.CI+《2.C2，這里K,、 fc分別對(duì)應(yīng)串聯(lián)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，開(kāi)關(guān)閉合時(shí) 取值為l，斷開(kāi)時(shí)取值為0， CTIA讀出部分是根據(jù)光存儲(chǔ)單元器件響應(yīng)電流變 化范圍而設(shè)計(jì)，并有增益可調(diào)積分功能。
(四) 、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)
參閱附圖8，在上述等效電路(B)、 CTIA讀出電路(D)的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分壓電路(E)。電阻分壓電路(E)由電阻R1、 R2串接而 成，電阻R1為可變，它的一端接復(fù)位脈沖信號(hào)RS，另一端接電阻R2，電阻R2 的另一端接地；電阻R1、 R2共同連接端與等效電路(B)的輸入電阻Ri正極連 接；等效電路(B)的輸出電阻Ro正極與CTIA讀出電路(D)的積分運(yùn)送器A 的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號(hào)RS通過(guò)一個(gè)反相器得到倒相的脈沖信號(hào)，該信號(hào) 再經(jīng)過(guò)電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)有效的倒空脈沖信號(hào)，并作用于光存儲(chǔ)單元器件的公 共端。復(fù)位信號(hào)RS運(yùn)放的正向輸入端接參考電壓Vw，負(fù)向輸入端接光存儲(chǔ)單 元器件等效電路模型的輸出端，用于對(duì)光電流I4只分讀出。光存儲(chǔ)單元器件公 共端接公共電壓V。。 ，公共電壓通過(guò)倒空脈沖信號(hào)的分壓得到，調(diào)節(jié)分壓電阻 R,，可以改變倒空脈沖電壓信號(hào)幅度。器件上電極電壓V,—。,與公共端電壓V 之差就是器件的實(shí)際偏壓，V，是電壓幅度可調(diào)的倒空信號(hào)，則器件的實(shí)際偏 壓就是一個(gè)幅度可調(diào)的具有倒空特點(diǎn)的偏置電壓。
復(fù)位脈沖信號(hào)幅度為0-5V，設(shè)脈沖幅度電壓V,，那么調(diào)節(jié)分壓電阻可以 得到O-V,范圍的倒空電壓，CTIA的參考電壓U呆持恒定，那么器件反偏存 儲(chǔ)的偏置電壓為V^-V，；器件正偏讀出的偏置電壓仍為Vre,。如調(diào)節(jié)分壓電阻 得到倒空脈沖幅度為0-4V，參考電壓為2V,于是器件的反相偏置電壓為-2V， 器件正偏讀出的偏置電壓為2V。
參閱附圖9，本發(fā)明可以明顯看到有積分、2pS倒空脈沖信號(hào)和復(fù)位信號(hào)， 其中積分電容為2pF。
以上實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，并非用以限制本發(fā)明專(zhuān)利，凡為 本發(fā)明等效實(shí)施，均應(yīng)包含于本發(fā)明專(zhuān)利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光存儲(chǔ)單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)方法，包括光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試、等效電路的建模，其特征在于將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計(jì)，具體包括以下步驟(一)、光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試由濾光片光功率為1μW，波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器提供光照強(qiáng)度，在室溫或低溫下對(duì)光存儲(chǔ)器件進(jìn)行電流-電壓特性(I-V)、電容-電壓特性(C-V)的測(cè)試，并建立(I-V)、(C-V)的特性曲線；(二)、光存儲(chǔ)器件的等效電路建模根據(jù)測(cè)試得到的電流-電壓特性以及電容-電壓特性，通過(guò)擬合分別得到I與V之間以及C與V的函數(shù)關(guān)系，由此在等效電路模型中可以用一個(gè)或多個(gè)電壓控制電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流為電壓的函數(shù)、用一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電容為電壓的函數(shù)、用一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗為電壓的函數(shù)，從而得到簡(jiǎn)化的準(zhǔn)確的光存儲(chǔ)單元器件等效電路模型；(三)、CTIA讀出電路的建立將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲(chǔ)單元器件匹配的具有增益可調(diào)的CTIA讀出電路。CTIA讀出電路由電容C1、C2、C0與選通開(kāi)關(guān)K1、K2組成的積分電容構(gòu)成，它通過(guò)積分電容調(diào)節(jié)增益，積分電容值由等效電路模型的輸出電流Id計(jì)算而得，其中電容C1、C2為可調(diào)電容，它分別與控制開(kāi)關(guān)K1和K2串聯(lián)；(四)、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)在上述等效電路、CTIA讀出電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分壓電路，電阻分壓電路由電阻R1、R2串接而成，電阻R1為可變，它的一端接復(fù)位脈沖信號(hào)RS，另一端接電阻R2，電阻R2的另一端接地；電阻R1、R2共同連接端與等效電路的輸入電阻Ri的正極連接；等效電路的輸出電阻Ro的正極與CTIA讀出電路的積分運(yùn)送器A的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號(hào)RS通過(guò)一個(gè)反相器得到倒相的脈沖信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)有效的倒空脈沖信號(hào)，并作用于光存儲(chǔ)器件的公共端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光存儲(chǔ)單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)計(jì)方法，包括光存儲(chǔ)單元器件的電學(xué)特性測(cè)試、等效電路的建模，特點(diǎn)是將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計(jì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，精度高的優(yōu)點(diǎn)，能更好地讀出低維度量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)器件的響應(yīng)信號(hào)，倒空脈沖對(duì)運(yùn)放工作點(diǎn)影響很小，確保運(yùn)放具有穩(wěn)定的工作性能和最佳工作點(diǎn)。
文檔編號(hào)G11C11/21GK101540197SQ20091004978
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者斌 徐, 李峻蔚, 詹國(guó)鐘, 鄭厚植, 郭方敏 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)