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[硕士论文] 柯庆福
微电子学与固体电子学 厦门大学 2011(学位年度)
摘要:光盘存储技术在信息社会中发挥着越来越重要的作用,PDIC(PhotodetectorIntegrated Circuit)是光盘存储系统光学头的关键元件之一。与传统混合集成的PDIC相比,单片光电集成的PDIC具有低成本、高性能的优势,现已成为硅基光电集成(OEIC)研究的一个热点。虽然全球绝大部分光学头生产厂商都在中国大陆,但PDIC芯片都依靠进口。相比国外,国内对于该技术的研究还处在起步阶段,因此研究单片光电集成的PDIC对于打破国外垄断、提高我国DVD光学头产业的整体技术水平及核心竞争力具有一定的积极意义。
   商业化的BCD(Bipolar CMOS DMOS)工艺比标准CMOS工艺多了一个N型埋层,N型外延层中杂质掺杂浓度较低,利用这一特点可以构建P+/N型外延层/N阱埋层(类似PIN)结构的光电探测器。因此,本文采用低成本的0.5μmBCD工艺研制了用于DVD机的单片集成PDIC,主要的工作内容如下:
   1.从低成本角度出发,利用BCD工艺埋层的BN+特点设计了与工艺完全兼容的适合650nm波长的P+/N-EPI/BN+光电探测器,并给出一个完整的等效电路模型。
   2.设计了基于互补式自偏置差分放大器(CSDA)结构的三级负反馈跨阻放大器。为了提高负载能力设计了一个两级运放作为单位增益缓冲器。采用Spectrer软件对负反馈跨阻放大器进行了仿真设计。
   3.为了抑制电源扰动对跨阻放大器的性能影响,设计了一种低压线性稳压器(LDO)。仿真结果表明其输出电压可以达4.36V,有较好的电源抑制比。
   4.采用Cadence软件完成单片集成PDIC的版图设计,并在无锡华润上华流片加工。版图面积约981×1982μm2。
   5.根据实验室的测试条件对流片回来芯片进行了两种形式的封装,并做了具体的测试。测试结果:2.5V反向偏压下,PIN探测器结电容约为0.356PF,650nm波长的响应度约0.185A/W,PDIC中A~D部分的带宽65MHz左右,响应度为21.82mV/μW~28.08mVu/μW;E、F部分的响应度为42.29mV/μW~47.31mV/μW:输出失调电压均小于20mV;功耗约130mw。所测指标均能达到设计要求。
   本文在国内条件下采用低成本的标准BCD工艺自主完成了DVD光学头中PDIC的光电单片集成,研制过程中克服了Si基光电集成中的难题:
   1.成功解决Si基光电集成的难点---利用标准BCD工艺研制出高性能(高探测灵敏度,高传输速率)的650nm的硅基光探测器。
   2.自主建立了一种新的包含光电流、暗电流、结电容、并联和串联电阻、以及噪声特性在内的光电探测器完整的等效电路模型,实现PD与负反馈跨阻放大器(TIA,Tranimpedance Amplifier)的协同设计。
   3.在电路设计中,充分考虑并解决了纵向结构的光探测器PD和横向结构电放大器TIA之间的结构、工艺兼容性问题;解决在光照下电子电路避免光信号干扰的问题。
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST SA
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摘要:针对应用于DVD光学头的关键部件PDIC,设计了一种芯片面积小、输出失调电压低的单片集成的硅基PDIC.芯片采用CSMC的0.5 μm BCD工艺,集成了p-i-n探测器与前置放大电路.重点介绍了p-i-n光电探测器及前置放大电路的设计思想.仿真结果表明,用于光电检测的p-i-n光电探测器在650 nm光照下响应度达0.2 A/W,互阻放大器的-3 dB带宽达到94 MHz,跨阻增益达150 kΩ.可以满足DVD系统的性能要求....
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST SA
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摘要:针对应用于850 nm光通信中的10/100 Mbit/s收发器,提出采用0.5μm标准CMOS工艺对其光接收芯片实现Si基单片集成.整体芯片面积为0.6 mm~2,共集成了一个双光电二极管的(DPD)光电探测器和一个跨阻前置放大电路,功耗为100 mW,并给出了具体的测试性能结果.结果表明,在850 nm光照下,光接收芯片带宽达到53 MHz,工作速率为72 Mbit/s.重点介绍了DPD光电探测器的原理和结构,并给出了相应的制造过程和电路等效模型,对整个光接收芯片进行了多种实用性测试,可以满足系统的性能要求....
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