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Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung
Elektrotechnik und Informationstechnik, 2005-02-02
BetreuerIn: Prof., Ph.D. Bedrich J. Hosticka ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abt. Elektrotechnik und Informationstechnik,
Institut für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik
GutachterIn: Prof., Ph.D. Bedrich J. Hosticka ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abt. Elektrotechnik und Informationstechnik,
Institut für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik
GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat. Dieter Jäger ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abt. Elektrotechnik und Informationstechnik,
Institut für Technologien der Informationstechnik
Schlüsselwörter in Deutsch: Photosensorbauelement,
Bildsensor, hochdynamisch, Isochor-Diagramm,
Messfehlerunempfindlichkeit, Teststrukturen, Oxidperforation,
Quantenwirkungsgrad, CPSE, Rauschquelle, Mehrschichtfolgen,
Ersatzschaltbild, Absorptionsvorgang, Emissionsvorgang, CCD, CMOS,
Photodiode, Rauschen, kTC-Rauschen
Schlüsselwörter in Englisch: image sensor, high-dynamic, Isochor
diagram, measuring error insensitivity, test-structures, oxide
perforation, quantum efficiency, CPSE, noise sources, multi-layer
sequences, equivalent circuit diagram, absorption process, emission
process, CCD, CMOS, photodiode, noise, kTC noise
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Abstrakt in Deutsch
Die Dissertation behandelt das Thema der Charakterisierung und
Optimierung CMOS-kompatibler Photosensorbauelemente (CPSE). Zum
Verständnis der Funktionsweise eines CPSE sind fundierte
Grundkenntnisse in den Bereichen der Strahlen-, Wellen- und
Quantenoptik erforderlich. Alle diesbezüglich erforderlichen
Zusammenhänge und Grundgleichungen werden daher zu Beginn dieser Arbeit
vorgestellt. Dazu gehört insbesondere die statistische Untersuchung der
Absorptions- und Emissionsvorgänge im Bereich der Quantenoptik, da
diese Vorgänge die Grundlage für das Verständnis der elementaren
Rauschvorgänge innerhalb eines CPSE bilden. Nach einer Einführung in
die technologischen Realisierungsmöglichkeiten wird jedes Element des
Ersatzschaltbildes analytisch untersucht. Der optische
Quantenwirkungsgrad wird dazu für beliebige Winkel und optische
Mehrschichtfolgen erarbeitet. Der interne Quantenwirkungsgrad wird mit
einem neuartigen mathematischen Ansatz ermittelt und bietet dadurch
deutlich mehr Möglichkeiten bei der Anwendung und Interpretation der
Ergebnisse, als dies mit den klassischen physikalischen Ansätzen
möglich ist, die in der Regel von Näherungslösungen ausgehen. Die
natürliche Betriebsgrenze eines Sensors und damit dessen
Leistungsfähigkeit legen die auftretenden Rauschphänomene fest. Neben
den bereits aus der Literatur bekannten Rauschquellen wird mittels der
Systemtheorie rein analytisch bewiesen, dass die Aussagen von Einstein
bezüglich des kTC-Rauschens einer einzelnen RC-Kombination auch für
gekoppelte RC-Kombinationen gelten.
Dadurch ist eine stark vereinfachte Betrachtungsweise der CPSE und der
benötigten Verstärkerschaltungen in Switched Capacitor Technik (SC)
möglich. Verschiedene Optimierungsansätze zur Verbesserung des
optischen Quantenwirkungsgrades, wie zum Beispiel die gezielte
Oxidperforation, werden vorgestellt und realisiert. Die zum Entwurf
notwendigen elektrooptischen Parameter lassen sich in der Regel durch
die Vermessung spezieller Teststrukturen bestimmen. In dieser Arbeit
werden dazu, unter dem Aspekt einer möglichst hohen
Messfehlerunempfindlichkeit, neuartige Teststrukturen entwickelt,
gefertigt und vermessen. Diese Ergebnisse führen zu der Entwicklung
eines Isochor-Diagramms, welches es gestattet alle wichtigen
Entwurfsparameter durch ein einfaches Ablesen des Diagramms direkt zu
bestimmen. Das Isochor-Diagramm trägt damit maßgeblich zur
Konzeptionierung einer hochdynamische Kamera samt Bildsensor bei.
Insbesondere der geforderte automotive Anwendungsfall kann eingehend
berücksichtigt werden. Das Erreichen der geforderten Zielparameter wird
durch die Vermessung des Bildsensors in der Kamera belegt
Abstrakt in Englisch
The thesis treats the topic of the characterization and optimization of
CMOS compatible photo sensor elements (CPSE). To understand the
functionality of a CPSE a pro founded basic knowledge is necessary in
the fields of the ray-, wave and quantum optics. Therefore all in this
context necessary and principal equations are presented at the
beginning of this work. In addition belongs in particular the statistic
investigation of the absorption and emission processes in the field of
the quantum optics, since these processes are the basis to understand
the elementary noise sources within a CPSE. After an introduction to
the available technological realization each element of the equivalent
circuit diagram is analyzed. The optical quantum efficiency is
developed intended for arbitrary angles and optical multi-layer
sequences. The internal quantum efficiency is determined with a new
mathematical approach and offers thereby more possibilities of the
interpretation of the results compared to the classical physical
approach which usually proceed from approximation solutions. The
physical operation limit of a sensor and thus its efficiency is
specified by the power of the noise sources. In this work it is
analytically proven that the statements of Einstein concerning the kTC
noise of an individual RC combination also apply to coupled RC
combinations. Thus a highly simplified viewpoint of the CPSE and the
Switched Capacitor amplifier is possible. Several optimization
strategies to improve the optical quantum efficiency, for example the
oxide perforation, are introduced and realized. The electro optical
parameters can be usually determined by the measurement of special
test-structures. Furthermore in this work new test-structures are
developed, manufactured and measured under the aspect of high
insensitivity to measurement errors. These results lead to the
development of an Isochor diagram which permits all important design
parameters. The Isochor diagram contributes thereby considerably to the
conceptual design of a high-dynamic camera including image sensor. In
particular the demanded application in the automotive field can be
considered in detail. The achievement of the required goal parameters
is documented by the measurement of the image sensor in the camera
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