高速硅光电探测器的研究

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高速硅光电探测器具有效率高、成本低、可与CMOS电路集成等优点,是水下无线光通信“卡脖子”的核心器件。本论文以提高Si光电探测器的频率响应带宽为目标,围绕带宽限制因素展开深入研究,提出耦合等效模型,优化光电探测器结构,最终研制出-3 V下400 MHz@850 nm的高速Si光电探测器。本文的主要研究内容如下:1、等效电路模型是研究高速光电探测器的常用方法,然而传统的等效电路仅仅考虑了 RC时间常数的影响,但是,当器件尺寸降低、或者材料迁移率低时,载流子输运成为光电探测器高速性能的主要限制因素,传统等效电路不再适用。为此,提出了一种新型的耦合等效电路,包括传统的RC限制电路和载流子输运RC限制电路,并通过压控电流源(VCCS)连接。依据对载流子漂移-扩散方程、连续性方程的拉普拉斯变换,载流子输运限制电路中R、C都被赋予了实际物理意义(对应于载流子浓度、载流子寿命、扩散分量、工艺完备性等),等效电路仿真结果与实验测量结果吻合,得出本征区扩散是限制器件带宽的主要因素,为设计和分析高速光电探测器提供了 一种有效手段。2、基于耦合等效电路仿真结果,优化设计结构,制备出了垂直结构硅PIN高速光电探测器。测试结果表明,在-3V下,频率响应带宽达 400 MHz,响应度达 0.338 A/W@850 nm。
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