[发明专利]一种石墨烯光电探测器的大动态范围读出电路及方法

说明书

本发明属于CMOS集成电路设计技术领域，涉及一种石墨烯光电探测器的大动态范围读出电路及方法；所述读出电路包括偏置模块、积分模块、电压比较模块、开关选择模块；所述偏置模块用于向积分模块提供静态工作点偏置电压以及将石墨烯光电探测器产生的光电信号注入到积分模块；所述积分模块用于对石墨烯光电探测器产生的电流信号进行处理，将电流信号转换为电压信号；所述电压比较模块用于对积分模块的输出电压和阈值电压进行比较；所述开关选择模块用于根据电压比较模块的输出选择不同的积分电容。本发明根据石墨烯光电探测器中产生的光电流大小而选择不同的积分电容，提升了石墨烯光电探测器在微光的探测速率和动态范围，降低了电路的噪声。

技术领域

本发明属于CMOS集成电路设计技术领域，特别是涉及一种石墨烯光电探测器的大动态范围读出电路及方法。

背景技术

光电探测器技术广泛应用于军事、民用领域。它的原理是由辐射引起被照射材料的电导率发生变化，它的工作机理包括以下过程：(1)感光器件在辐照下形成光生载流子，载流子的扩散或者漂移运动形成光电流，其中光电流与感光器件的材料有关，不同材料在相同的辐照范围内光响应不同，产生的光电流也有差异；(2)对感光器件产生的电流信号进行读出，即对光电流进行积分，通过读出电路将电流信号变换为电压信号，读出电路通过积分电路将电流信号转换为电压信号，读出电路是光电探测器系统中的一个重要组成部分，读出效果会影响最终的成像质量；(3)对电压信号进行一系列的处理最终形成图像。

以碲镉汞、锑化铟等材料为代表的传统光电探测器具有响应速度快、量子效率高等特点，但是也存在制造成本高、体积大以及与CMOS工艺线不兼容的等问题。而以石墨烯代表的新型材料光电探测器载流子迁移速率高、体积小、与CMOS工艺线兼容且在动态范围方面展现了巨大的潜力，有望弥补传统光电探测器额不足。

石墨烯光电探测器的感光器件的动态范围大，光电流的变化范围大。当前对于石墨烯光电探测器的研究大多数是研究石墨烯感光器件的性能，对于将石墨烯器件与读出电路集成后的研究较少。读出电路的作用是将石墨烯感光器件产生的微弱的电流信号转换为电压信号，读出电路的读出性能对石墨烯光电探测器的探测效果影响非常大。当前石墨烯光电测器读出电路采用的是传统电容反馈跨阻抗放大型(CTIA)的读出电路的结构，这种电路结构的采用一个固定的积分电容，该电路结构会存在探测动态范围低、探测效率低以及噪声大问题。一方面，当积分电容设置过小，积分电容会迅速饱和探测器的动态范围会降低从而影响探测效果。另外一方面，当积分电容设置过大，积分过程变得缓慢从而影响探测速率。

发明内容

为了解决现有石墨烯光电探测器中读出电路在积分过程中，由于只采用了单个积分电容而造成的动态范围低和探测速率低的问题，本发明提供了一种石墨烯光电探测器的大动态范围读出电路及方法。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种石墨烯光电探测器的大动态范围读出电路，所述读出电路包括偏置模块、积分模块、电压比较模块、开关选择模块；所述偏置模块用于向积分模块提供静态工作点偏置电压，以及将石墨烯光电探测器产生的光电信号注入到所述积分模块；所述积分模块用于对石墨烯光电探测器产生的电流信号进行处理，并将电流信号转换为电压信号；所述电压比较模块用于对来自积分模块的输出电压和阈值电压进行比较；所述开关选择模块用于根据电压比较模块的输出选择不同的积分电容。

进一步的，所述偏置模块包括偏置电压Vsk、偏置电压Vdet、偏置电压Vref；其中，所述偏置电压Vsk连接所述像元电阻RB的一端，所述偏置电压Vdet连接所述感光像元电阻RL的一端，所述暗像元电阻RB的另一端和所述偏置电压Vdet的另一端相连接，且暗像元和感光像元电阻相连的连接端分别与所述积分模块连接；所述偏置电压Vref与所述积分模块连接。