用于光通信的光電傳感器設計

樓卓格　張永超　陳隆杰

摘 要：本文提出一種用于光通信的光電傳感器?；跇藴使?.5μm CMOS 工藝，設計了高帶寬高增益單片光電集成傳感器芯片。主要由標準硅工藝兼容的光電探測器、芯片放大電路和帶隙基準組成。根據(jù)仿真分析，芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

關鍵詞：光電集成；光電傳感器；仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.139

1 引言

現(xiàn)使用廣泛的光電探測器與芯片放大電路都是各自獨立的，集成度低并且成本較高。本文提出一種高帶寬高增益的單片光電集成傳感器芯片?；跇藴使?.5μm CMOS工藝，將硅光電探測器（Photodetector，PD）與芯片放大電路單片集成。光電集成電路不僅有效降低光電傳感器芯片的生產和封裝成本，同時能減少由于器件之間的互連線造成的寄生效應，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

2 結構設計

本文提出的光電傳感器芯片主要由標準硅0.5μm CMOS工藝兼容的光電探測器（PD）、芯片放大電路和帶隙基準組成[2]。硅基芯片在對于650nm至850nm波長范圍的入射光源具有良好的響應度。入射光源擁有相對較大的滲透深度，因此在設計光電探測器時，需要充分考慮滲透深度的影響[3-4]。

如圖1為所設計的PD半邊結構剖面圖。PN結位于各個N-WELL與P-SUB之間。在N+上引出的金屬串聯(lián)在一起并作為PD的正極引出，在P+上方的金屬串聯(lián)在一起并作為PD的負極引出，接入芯片放大電路。此種設計P-N結位置較深，更加有利于光生載流子的收集。相比單一N-WELL與P襯底的組合結構，此結構增大了PN結面積。因此能夠獲得相對更多的光生電流。

芯片放大電路主單元如圖2所示。采用了改進型的限幅放大器作為放大電路主單元。

圖3為改進型限幅放大器的小信號等效電路圖。根據(jù)基爾霍夫定律，有：

比較傳統(tǒng)的差分限幅放大器的低頻增益式和本文改進型限幅放大器的低頻增益，可以看到本文所使用的改進型結構電路低頻增益是傳統(tǒng)結構增益的fAC倍，fAC由R2與R1的比值決定[5]，可以使用較大R2/R1的電阻以獲得較大的增益，但是該值過大會引起輸出電壓裕度的下降。

3 仿真分析

基于Cadence軟件對設計的芯片電路使用Spectre功能仿真分析。建立等效電路模型模擬光電探測器接收光信號。將輸入信號頻率設置為50MHz正弦波，偏置電流設置為4μA，電流幅值設置為4μA，結電容大小設置為15pF。

使用Spectre功能仿真，圖4和圖5給出了芯片放大電路的瞬態(tài)特性和交流特性曲線。由圖可知，仿真輸出直流點為4.54V，幅值為0.04V。芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

4 結論

本文在標準0.5μm CMOS工藝的基礎上設計了高帶寬高增益的光電傳感器芯片，實現(xiàn)光電探測器與芯片電路的單片集成。設計了一種光電探測器結構以及改進型限幅放大器結構。相對于傳統(tǒng)限幅放大器，改進型限幅放大器增益提升了fAC倍。對芯片電路仿真結果顯示，芯片放大電路增益為88.12dB，其-3dB帶寬為138MHz。

參考文獻：

[1]S.M.Sze.Physics of semiconductor devicds （2nd Edition）[M]. JOHN WILEY& SONS，New York，1981.

[2]Sanborn Keith， Ma Dongsheng，Ivanov Vadim. A sub-1-V low-noise bandgap voltage reference[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2007，42（11）：2466-2481.

[3]唐天同等.集成光電子學[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

[4]黃德修.半導體光電子學[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5]HOLDENRIED D H，LYNCH M W，et al，Modified CMOS Cherry-Hooper amplifiers with source follower feedback in 0.35μm technology[C].29th European Solid-State Circuits Conference，2003：553-556.

作者簡介：樓卓格（1991-），男，浙江永康人，碩士研究生，助教，研究方向：光電集成電路方向。