工艺参数下光电探测器的器件模拟

　　图1   TSMC 0.35pm CMOS工艺参数下光电探测器的器件模拟

　　图1（a）模拟了工作二极管响应电流与外加反压的关系曲线，三条曲线分别为无光照、光照强度分别为1WZcm2、25w/cm2，光波长为0.85gm时工作二极管的响应电流，以二极管面积为20×20 ptm＇计算，输入光功率分别为4 pW（-23 dBm）和100 pW（-10 dBm），图中可见无光照的响应电流（对应暗电流）约为10-15A数量级，光照强度为1 Wcm2时产生0.16 μtA光电流，响应度为0.04 A/W。光照强度为25 W；cm＇时产生4.8 pA光电流，响应度为0.048 A/W。后者完全能够满足CMOS放大器输入的要求，由于器件的面积较小，暗电流可以不考虑。图1（b）模拟了工作二极管响应电流与光强的关系曲线，光波长为0.85 gm，三条曲线为外加反压分别为3 V、5 V、9 V时工作二极管的响应电流，由图中可见，外加电压对响应电流影响不大。光强10～100 W/cm2之间的光电流增长较快，这也说明该二极管适用于强光工作。图1（c）给出注入光强度为1 W/cm2，外加电压为3V时工作二极管和屏蔽二极管的波长响应，工作二极管的峰值波长响应为0.68 ptm，屏蔽二极管的峰值波长响应为0.79μm，且工作二极管光电流（IN+）低于屏蔽二极管。这是因为工作二极管的吸收区较浅而且工作二极管的吸收区面积较小，这样，响应波长就短，电流就低。在频率要求低和高响应度的场合就可以用下面的屏蔽二极管工作，这样，光电流会大一些。图1（d）给出注入光强度为1 W/cm2，光波长为850 nm，外加电压分别为3V、5V、9V时工作二极管和屏蔽二极管的光调制频率响应，图中可见，工作二极管调制频率带宽高于屏蔽二极管。这是因为工作二极管光生载流子的扩散成分很少，而屏蔽二极管光生载流子的扩散成分较多。另外，外加电压越高，工作二极管调制频率带宽就越高。这是因为外加电压越高，空间电荷区越大，工作二极管光生载流子的扩散成分会更少，所以调制频率带宽就更高。一般深亚微米工艺CMOS集成电路的工作电压是3.3 V或更低，如果希望用提高反向偏压的方式来提高探测器的工作速度，可以采用双电源工作，即将探测器电源和电路的工作电源分开。

　　该探测器与CMOS可以与跨阻抗放大器（TIA）相接［54～55]，实现探测器与接收电路单片集成。整个OEIC采用LUCENT 0.35 gm标准CMOS工艺实现，在850nm波长下的工作速率可以达到1.25 Gb/s。电路的灵敏度可以通过调节接收器电路各级间的相互关系来实现，例如可以调节电路的工作电压从而调节放大器的增益和带宽关系。误码率（BER）和灵敏度也是折中关系，当对误码率的要求不高时，可以减小入射光功率，从而使OEIC在较小灵敏度下工作。然而根据前面的分析可知，由于N阱结深很浅，大部分的光生载流子被屏蔽二极管吸收，对信号电流有贡献的仅仅是一小部分光生电荷，因而这种光电探测器总的来说响应度较低，在反偏电压接近击穿电压（约10V）的时候，响应度只能达到约0.01～0.04A/W[54-56]。因而和前面模拟结果相似，该探测器需要工作在大的注入光功率下。