激光引起的CMOS传输门闩锁效应的瞬态分析
- 介绍
CMOS传输门已广泛应用于模拟和混合信号处理电路,如相关双采样(CDS)电路和开关电容电路。由于CMOS技术的复杂性,寄生CMOS电路中可能会有一些潜在的闩锁效应路径。一旦在一定条件下触发了,它将在电源和地面之间形成一个大电流。在有些情况下,多余的电流足以致你受到永久性的伤害。在CMOS电路中，闩锁效应的结构通常是由一个集总元件模型构成,它只包含两个寄生双极晶体管。这种集总元件模型描述了最敏感的闩锁效应结构,并且可以提供一个简单的闩锁效应的图片。众所周知,CMOS电路的闩锁效应可以在电源节点电压或电流瞬变时,过电压条件,或由光电流触发。CMOS电路在光电探测器的广泛使用,使人们对CMOS电路的辐照效应产生越来越多的关注。改善CMOS 电路的反放射性质是必需的。正如我们所知,闩锁效应是激光引起的一种重要的辐照效应。因此,对激光触发的闩锁效应的研究对CMOS电路的理论和应用方面非常重要。CMOS电路在不同脉冲宽度的瞬态辐射效应被详细研究了。实验结果表明,闩锁效应的功率阈值随脉冲宽度的增加而减小。此外,对闩锁效应引起的高功率微波脉冲进行了研究，比如脉冲频率、脉冲宽度和偏置电压。当处于一个特定的频率时，功率阈值随脉冲重复频率（PRF）降低。
本文中，对光电流瞬态激励的效果已经有过研究,激发条件下基于集总元件等效电路模型的CMOS传输门的闩锁效应已经被发现。此外,提出了从未封闭到封闭状态过渡的动态过程以及获得了光电流阈值之间脉冲宽度和重复频率的关系。
- 激光感应闩锁效应的建模
2.1.闩锁效应的建模
先前的等效电路模型主要是基于CMOS反相器,PMOS的源极和NMOS晶体管的漏极电极分别连接到电源电压和地面。在这里,闩锁效应的模型已经修改成了CMOS传输门的结构电路开关。CMOS传输门的物理结构所示图1所示。它表明PMOS的源电极,NMOS的漏极和PMOS的漏极,NMOS的源电极分别连接到输入信号和输出信号。因此,集总元件等效电路模型在CMOS传输门简单的计划成如图2所示。
图1：CMOS传输门的物理结构
图2：CMOS传输门闩锁效应的集总元件等效电路
为理解闩锁效应修改模型的瞬态机制,强调洞察力和微观物理学的过程而不是定量的准确性。我们关注的是瞬态动态的基本性质和提供由时变光电流触发的动态响应的物理描述。输入信号和输出信号都连接到寄生双极晶体管的发射器,我们使用V1(t)和V2(t)分别表示发射器在Q1和Q2的电压信号。C和Ip(t)分别代表了等效衬底电容和光电流。光电流可以由连接N / P-substrate P / N-well和N -well/ P-substrate来生成。然而,产生闩锁效应的重大贡献通常归于N-well/ P-substrate结,因为N-well/ P-substrate结的光敏区比其他的PN结更大。本文中的模型可适用于局部或总体光电流,但只有当主要的局部光电流是N-well/ P-substrate结产生的才考虑。由激光诱发的简化闩锁效应等效电路模型如图3所示。在描述寄生晶体管的基本Ebers-Moll模型中，恒定传输因素里的电荷存储效应和二阶效应的因素将不考虑;此外,晶体管的pn结被认为是理论描述中理想的分段线性二极管。在N-well的大部分技术中，衬底电阻Rs1通常大与阱电阻Rw1 (Rs1 gt; Rw1)。
2.2.闩锁效应的瞬态物理过程
整个反应过程分为四个步骤的操作,我们假设晶体管击穿电压Vbe = Vb。然后,当Vbe lt; Vb时寄生的双极型晶体管保持关闭，在Vbe P Vb时击穿。Vbe和Vb分别是基极发射极电压和击穿电压。
过程1：最初的光电流Ip(t)从零开始增加,两个晶体管都由于发射极和基极结两端的正向偏压电压不足而停止工作。等效电路如图4所示。
过程2:随着光电流Ip(t)的增大,一个晶体管将处于正向有源区,另外一个仍然保持停止。基极-发射极分流电阻较大的晶体管首先被击穿。因此,当Rs1 gt; Rw1时Q1开始作用。IA 1是过程2电路中所需的最小电流。图5中给出了等效电路。
过程3:两个晶体管开始工作。在这个过程,最终趋势是I(t)将在合适的注入激光条件的辐射下继续增加。这些条件将由之后的函数激励以及设备参数所影响。IA 2是保持电路所需的最小电流。过程3的等效电路如图6中所示。
过程4:两个晶体管变得饱和,这样电路进入了一种低阻抗的状态。然后,闩锁效应发生。
通过分析不同区域的电路结构,I(t)，IC和R在三个过程的表达式在表1中获得。根据在过程1和过程2中的当前表达式,由于光电流Ip(t)的影响，IC(t)总是正向而且电容器电压VC随时间增大。但在过程3,最终趋势是I(t)将在a1 a2 gt; 1时迅速增加,这样IC(t)将在一段时间是负的。最后两个晶体管将成饱和电路，电路进入过程4。
图3激光诱导闩锁效应的简化等效电路模型
图4过程1等效电路
图5过程2等效电路
图6过程3等效电路
3.仿真设置和参数提取
正如众所周知的,激光辐照下的硅基CMOS电路有光电效应和辐射效应的影响。本文只研究了激光脉冲辐射下互补金属氧化物半导体传输门的光电效应。此外,由于光电二极管CMOS电路有一个很短的响应时间，光电流脉冲上升时间被忽视。电路终端电流仅仅依靠光电流的大小,而不是它的变化率。因此,图中光电流脉冲的波形是代表电路中当前对入射激光的响应脉冲。本节模拟了在不同激光脉冲宽度下的瞬态响应过程。由于复杂的制造过程,寄生电路的参数几乎不可能直接测量。因此,从不同的CMOS电路闩锁效应的实验结果中提取参数可能是一个好方法。在这篇文章中,模型的参数是来自参考文献。
- 模型验证和应用
当电路被激光辐照,光载流子活跃在p基底和n阱,由于内置的pn结电场,导致光电流的产生。这个过程可以使得横向NPN和纵向PNP晶体管导通,这可能减少闩锁效应的效果。这效果是和激光脉冲宽度和重复频率密切相关的。为了验证激光闩锁效应模型的有效性,在本节对脉冲宽度和脉冲重复频率的物理机制按仿真规定进行了分析和检查。如果闩锁效应只由一个激光脉冲导致,辐照时间就等于脉冲宽度。另一方面,当闩锁效应是由许多激光脉冲导致时，辐照时间就不等于脉冲宽度。在本节中我们讨论了一个激光脉冲诱发的闩锁效应,所以辐照时间等于脉冲宽度。导致闩锁效应的光电流阈值与对应的脉冲宽度如图7所示,光电流触发闩锁效应的阈值随脉冲宽度减小。
图7：导致闩锁效应的电流阈值(Ip)与脉冲宽度(tw)
对绿色激光在使用不同初始传输的复合晶体时的表现的研究
摘要：本文报道一种使用Nd:YAG / Cr4 :掺钕钇铝石榴石复合晶体和II型相匹配KTP晶体的线性腔结构LD泵浦的被动q开关绿色激光。其平均输出功率、脉冲宽度和在不同的泵功率下的脉冲重复率依赖Cr4 :掺钕钇铝石榴石的初始传输，对此进行了测量和分析。Cr4 :掺钕钇铝石榴石在80%的初始传播条件,泵浦功率为13.97 w的情况下，平均输出功率为681兆瓦,脉冲宽度为200纳秒和脉冲重复率为9.1 khz。激光运行在基模状态。
- 介绍
全固态q开关激光器实际应用于信息存储领域,相干通讯行业、医学等。相比于采用声光、电光调制器的主动q开关激光器,被动q开关激光器的优点有简单,紧密,效率高,成本低。因此,二极管泵浦被动q开关激光器在最近几年吸引了大量的关注。在被动的q开关激光器性能中饱和吸收体扮演了重要的角色。由于其损伤阈值高、导热性良好,光学性质稳定，Cr4 :掺钕钇铝石榴石晶体作为被动q开关在全固态激光器中广泛使用。到目前为止,已经报告了许多种用不同的激光晶体（例如Nd:YVO4,Nd:YAG,Nd:GdVO4）的Cr4 :掺钕钇铝石榴石被动q开关532纳米绿色激光系统。但据报道,在Nd:YVO4和Nd:GdVO4激光被动的q开关中，单脉冲能量是有限的,因为激光材料的大型发射截面和短暂的荧光寿命。从高脉冲能量和简单腔的观点来看,对被动q开关激光来说，Nd:YAG是更有利的激光介质，当Cr4 :掺钕钇铝石榴石作为饱和吸收体时。
使用直接键合技术将Cr4 :掺钕钇铝石榴石晶体和Nd:YAG晶体组合成一体,它可以有效提高激光输出能量,压缩脉冲宽度,减少谐振器的长度。复合晶体是用于开发高度紧凑的532 nm绿色激光系统,主要是用来产生芯片激光。相关参考文献表明,复合晶体很少用于实现线性腔中的被动q开关绿色激光器,所以我们使用一个平凹腔结构和Nd:YAG / Cr4 :掺钕钇铝石榴石复合晶体实现被动的q开关532纳米绿色激光系统。对不同的初始传输下的Cr4 :掺钕钇铝石榴石激光性能进行测量和分析，包括平均输出功率、重复频率、脉冲宽度,在532nm处得到681兆瓦的高平均输出功率。
- 实验原理
饱和吸收器是一种非线性吸收介质。其吸收系数随光强的增大而逐渐降低。在高光照强度水平下饱和吸收体会“浸透”或“漂白”,造成高速传输。其吸收系数可以表示为：
其中a0是小信号吸收系数,I是入射光的强度,Is是饱和吸收光强度。在初始阶段,活跃的发射光强度非常弱。由公式1可得，吸收系数相当高,光透明度很低。随着泵增加,反转的工作物质数量逐渐积累,活跃发射光强度增加。当活跃发射光强度与饱和吸收体的饱和磁化强度几乎相同时,将生成巨脉冲。
被动的q开关激光的输出性能受很多因素的影响。理论研究表明:饱和吸收体初始传输减少、脉冲宽度和重复频率变得越来越低,泵浦功率增加,脉冲宽度和重复频率变得越来越高;Cr4 之间的距离:掺钕钇铝石榴石激光晶体增加,脉冲宽度和重复频率变得更宽、更高。因此,实验用复合晶体减少Nd:YAG和Cr4 :掺钕钇铝石榴石之间的距离来实现窄脉冲宽度。此外,拥有复合晶体的激光器用TEC冷却器容易控制温度,实现高功率下的窄脉冲泵浦。
- 实验装置
实验装置如图1所示。谐振器是一个100毫米长度的平面凹腔。平凹空腔结构提供了一些优势,比如补偿热透镜的作用,生成高光束质量激光输出,失调灵敏度相对较低。泵源是一个发射808纳米的最大可用输出功率为30 w的光纤耦合激光二极管。泵浦光由一个没有变焦的聚焦光学系统耦合到激光晶体,晶体内束斑半径为200米。其中M1是平面镜,AR涂层是808nm,HR涂层为1064 nm和532 nm。M3是一个凹透镜，拥有100毫米的曲率半径,AR涂层是532 nm，而HR涂层是1064nm,是绿色激光的输出镜。为保持532 nm激光能进入激光晶体,M2置于Nd:YAG / Cr4 :掺钕钇铝石榴石晶体和KTP晶体之间,AR涂层是1064纳米而HR涂层是532nm。
初始传输(T0)为75%和80%的复合晶体Nd:YAG / Cr4 :掺钕钇铝石榴石用于研究被动的q开关的绿色激光的性能。复合晶体的尺寸为4毫米times;4毫米times;10毫米(Nd:YAG掺杂1.0。% Nd3 离子是8毫米和Cr4 :掺钕钇铝石榴石是2毫米)。为改善输出效率,在实验中复合晶体的双面的AR涂层都涂为808 nm和1064nm。II-typed相匹配的大小为7毫米times;7毫米times;5毫米的KTP晶体用于倍频,其双面HR涂层分别涂为1064 nm和532 nm。将复合晶体和KTP晶体用铟箔包裹并放置在铜块中,由TEC冷却系统进行温度控制，分别将温度控制在15和25摄氏度。
图1：设置波长为532纳米的激光被动q开关
- 结果与讨论
根据上面的系统,对初始传输为75%和80%的复合晶体的相关参数分别进行了测量。在不同初始传输的Cr4 :掺钕钇铝石榴石的平均输出功率、脉冲重复率、峰值功率和在入射光泵功率下的脉冲能量如图2所示。
根据图2，脉冲重复率、平均功率、峰值功率、脉冲能量随泵浦功率增加而增加。在相同泵功率下，T0 = 80%时的平均功率峰值功率、脉冲能量低于T0 = 75%时,但重复率较高。这是因为T0 = 80%的复合晶体比T0 = 75%的复合晶体需要更短时间达到饱和,重复率较高,每个一段时间的积累的粒子数反转少于T0 = 75%的复合晶体。因此,其峰值功率将相对较低。T0 = 75%的阈值高于T0 = 80%。由于严重的热量影响,高功率泵浦条件下,复合晶体T0 = 75%将使谐振腔不稳定,导致输出功率降低了。T0 = 75%的复合晶体的光纤对光纤转换效率高于T0 = 80%的,因为相同的泵浦功率下，T0 = 75%的峰值功率高于在T0 = 80%时的,而有着更高的峰值功率的基本激光频率会导致更高的倍频转换效率。此外,我们发现,脉冲宽度随着泵浦功率的增加而变得狭窄,以及在相同的泵浦功率下，复合晶体在T0 = 75%时比在T0 = 80%时有着更窄的脉冲宽度,与参考文献一致。
使用T0 = 75%下的复合晶体,泵浦功率为11.52 w时，532 nm下的平均输出功率为485兆瓦，重复率为6.9 khz。相应的单脉冲宽度是167 ns，峰值
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