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具有高响应率宽响应范围的硅光电晶体管的设计与研究

作　者: 周泉
导　师: 郭树旭；常玉春
学　校: 吉林大学
专　业: 电路与系统
关键词: CMOS 穿通光电晶体管高响应率宽响应范围
分类号: TN322
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文介绍了一种基于0.5μm标准CMOS制造工艺的NPN型光电晶体管,即高响应率宽响应范围硅光电晶体管。该器件是由两个基区长度不同的横向结构的晶体管连接而成,发射极和集电极分别相连。其原理是器件工作在穿通状态,基区产生的光生载流子引起发射结势垒高度下降,大量电子可以从发射极被注入,从而产生很大的光生电流。该器件与传统光电晶体管比较,具有较低的暗电流,在偏置电压为2V时,暗电流只有1μA左右。器件有很高的光电响应率,对弱光响应特别敏感,实际测得在入射光功率密度为0.0125μW/cm2时,器件光电响应率可达106A/W,仿真结果显示在较强入射光照情况下其光电响应率也可以达到104A/W,远远高于其他光电器件在同等入射光功率密度条件下的响应率,可见,该器件的光电响应范围极宽,动态范围可以达到120dB以上。本文设计的这种硅光电晶体管不仅具有极高的光电响应率及很宽的响应范围,而且体积小,结构简单,与标准CMOS工艺完全兼容,制造时不需要特殊工艺步骤,这不但降低了制造该类光电器件的成本,而且便于与读出电路的集成,从而研制出更加灵巧的光电检测系统。

全文目录

内容提要  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 光电检测技术以及光电器件的发展与现状  8-9
  1.2 本论文的研究目的与意义  9-10
  1.3 本论文的结构  10-12
第二章光电基本理论与常用光电器件  12-22
  2.1 电流输运理论  12-13
    2.1.1 热电子发射理论  12-13
    2.1.2 扩散理论  13
  2.2 光电器件的基本特性参数  13-16
  2.3 常用光电器件的种类  16-22
    2.3.1 PIN 光电二极管  16-17
    2.3.2 雪崩光电二极管(APD)  17-19
    2.3.3 光电晶体管  19-20
    2.3.4 穿通基区异质结光电晶体管  20-22
第三章高响应率宽响应范围硅光电晶体管  22-38
  3.1 结构与原理  22-24
  3.2 电流输运过程及分析  24-30
    3.2.1 器件的简化结构  24-25
    3.2.2 公式推算与分析  25-30
  3.3 数值仿真结果与分析  30-38
    3.3.1 基区电势分布  31-32
    3.3.2 载流子浓度分布  32-33
    3.3.3 伏安特性  33-35
    3.3.4 响应率及响应范围  35-36
    3.3.5 瞬态光响应  36-38
第四章高响应率宽响应范围硅光电晶体管的设计与制造  38-45
  4.1 基本参数的选取设计  38-41
    4.1.1 基区掺杂浓度对伏安特性的影响  38-39
    4.1.2 晶体管A 基区长度LA 对伏安特性的影响  39-40
    4.1.3 晶体管B 基区长度LB 对光生电流的影响  40-41
    4.1.4 结深对器件穿通性能的影响  41
  4.2 器件结构的优化  41-43
  4.3 器件的制造及工艺  43-45
第五章高响应率宽响应范围硅光电晶体管的测试  45-49
  5.1 伏安特性测试及分析  45-46
  5.2 光响应率测试及分析  46-47
  5.3 瞬态光响应测试及分析  47-48
  5.4 光谱响应特性  48-49
第六章结论  49-50
参考文献  50-53
致谢  53-54
摘要  54-57
Abstract  57-60

具有高响应率宽响应范围的硅光电晶体管的设计与研究

内容摘要

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