專利名稱：一種光電探測器讀出電路的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光電探測器讀出電路的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
光電探測器(PD) —般由半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)制成，是光纖通信和光電 檢測系統(tǒng)中光信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng) 域有廣泛用途，在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自 動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外 遙感等方面。讀出電路(R0TC)作為探測器信號調(diào)理和輸出部分，對探測器組 件的性能起著至關(guān)重要的作用，讀出電路在光電探測器中的主要功能是對探 測器微弱信3進(jìn)行預(yù)處理(如積分、放大、濾波、采樣/保持等)并在信號 處理級間提供一個接口 。而讀出電路的結(jié)構(gòu)對讀出電路的性能起著決定性作 用，因此設(shè)計一個具有高性能的讀出電路是最為關(guān)鍵的。在設(shè)計光電器件讀出 電路時，為了更加定性地分析光電探測器的內(nèi)部電學(xué)特性并且細(xì)化探測器的各 項(xiàng)性能指標(biāo)，可以通過建立相應(yīng)的光電器件等效電路模型進(jìn)行分析。目前己經(jīng) 對一些典型的光電探測器件(如QWIP、 APD及RCE等器件)建立了一些等效電路 模型，這些模型是在求解PD器件內(nèi)部物理方程的基礎(chǔ)上得到的，然而這些模型 均需要在精確掌握光電探測器的使用材料參數(shù)以及制造工藝的基礎(chǔ)上求解大量 的物理特性方程(柏松方程、電流連續(xù)性方程和載流子速率方程等)從而得出。 研究發(fā)現(xiàn)，光電探測器器件內(nèi)部的物理特性參數(shù)過多以及在求解大量的物理特 性方程時基于多種假設(shè)得到的近似表達(dá)式均會在很大程度上影響等效電路模型的精度，從而為其讀出電路的設(shè)計帶來困難。而且求解過程中，由于光電探測 器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其使用的各種材料參數(shù)，也會使得建模過程中的程序編制復(fù)雜 化，因此目前這種對光電探測器的等效電路的建模方法具有一定的局限性，而 且程序編制復(fù)雜、精度低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的 一種光電探測器讀出電路 的設(shè)計方法，它通過對光電探測器的電特性進(jìn)行精確測試，得到探測器的電特 性方程，以此建立等效電路的模型，然后經(jīng)電路模擬軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對其 進(jìn)行修正與完善，大大簡化了電路建模過程，便于準(zhǔn)確地得到等效電路模型的 電性能參數(shù)，使建模得到的等效電路能更好的反映器件特性，設(shè)計出與之匹配 的光電探測器讀出電路。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種光電探測器讀出電路的設(shè)計方法，其特 征在于包括下列步驟(1)、光電探測器的電特性曲線擬合a、 根據(jù)測試作出光電探測器的電流一電壓特性(I一V)特性曲線，并用Origin軟件擬合得到I與V之間的函數(shù)關(guān)系/二/(K)，由此在等效電路模型中可以實(shí)現(xiàn)一個或多個電壓控制電流源，使輸出電流為電壓的函數(shù)；b、 根據(jù)測試作出光電探測器的電容一電壓(C一V)特性曲線以及電容一 頻率(C-F)特性曲線，并用Origin軟件擬合得到C與V之間的函數(shù)關(guān)系 C = g(F)，由此在等效電路模型中可以用一個電容來實(shí)現(xiàn)，其電容大小為電壓 的函數(shù)；c、 根據(jù)CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的反饋原理，使得光電探測器等效電路模型的輸出電壓大小為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的參考電壓^,值，由此可以得到等效電路模型的輸出阻抗i = = ;(2) 、光電探測器等效電路的建模根據(jù)上述得到的電壓控制電流源/ = 電容C = g(K)、阻抗* = 4,// = ^,//^)建立光電探測器等效電路模型，并用電路模擬軟件對其進(jìn)行 修正與完善；(3) 、光電探測器讀出電路的設(shè)計將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參 數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出光電探測器讀出電路的匹配設(shè)計。所述步驟(1)擬合得I與V之間的函數(shù)關(guān)系/ = ."1/)為一次擬合或分段擬合，如I-V曲線光滑，選擇一次擬合，得到擬合函數(shù)關(guān)系/ = 如I-V曲線具有突變性，則選擇分段擬合，得到兩部分?jǐn)M合函數(shù)關(guān)系即/^/");/2=婦。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、 電路建模程序簡單、精度高，大大減少了光電探測器內(nèi)部的物理特性 參數(shù)過多而影響模型精度以及復(fù)雜程序的編制。2、 等效電路模型整合了器件的所有電特性，結(jié)構(gòu)簡單、明了，方便光電探測器設(shè)計相匹配的讀出電路。3、 探測器的讀出電路采用了 CTIA結(jié)構(gòu)，通過開關(guān)選通來得到不同的積 分電容大小，從而能在不同的偏置電壓下得到比較理想的輸出結(jié)果，讀出電路 信號偏差小，動態(tài)范圍大的優(yōu)良性能。


圖1為光電探測器在顯微鏡下的顯示圖 圖2為電流一電壓特性曲線圖 圖3為電容一電壓特性曲線4為電容一頻率特性曲線5為偏壓
電流一電壓特性曲線擬合6為偏壓[1.5， 3.5]電流一電壓特性曲線擬合7為電容一電壓特性曲線擬合8為等效電路9為等效電路與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比曲線圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1近年來，異質(zhì)結(jié)光電探測器在研制和應(yīng)用方面已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)并且取 得了很大的進(jìn)展。由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體單晶材料的禁帶寬度、介電常 數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等物理參數(shù)均不同，異質(zhì)結(jié)會表現(xiàn)出不同于同質(zhì)結(jié)的性 質(zhì)。研究表明，利用異質(zhì)結(jié)制作的激光器、電致發(fā)光二極管、光電探測器、應(yīng) 變傳感器等，比用同質(zhì)結(jié)制作的同類元件的性能優(yōu)越。下面以一種新型的新原理、高增益異質(zhì)結(jié)光電探測器的等效電路建模過程 及讀出電路設(shè)計的實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其具體歩驟如下一、對光電探測器的進(jìn)行電特性測試a、根據(jù)測試作出光電探測器的電流一電壓特性(I一V)特性曲線，并用 Origin軟件擬合得I與V之間的函數(shù)關(guān)系/ = /(「)，由此在等效電路模型中可以 用電壓控制電流源實(shí)現(xiàn)，使輸出電流為電壓的函數(shù)。參閱附圖l，光電探測器的電特性測試采用由美國Keithley公司生產(chǎn)的 4200—TR半導(dǎo)體器件特性自動測試系統(tǒng)。該光電探測器通過4200—TR中的KITE
(Keithley Interactive Test Environment)交互式測試環(huán)境和測試引擎的設(shè) 置實(shí)現(xiàn)電腦控制下的儀器自動掃描、采集和處理數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理將測量 的結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示，如附圖l為該新型光電探測器在顯微鏡下的顯示圖。由 于光電探測器是一種對環(huán)境中的光和熱極其敏感的器件，在測試中使用了杜瓦 瓶。杜瓦瓶的使用保證了測試的精確性，避免一些外界光照對測試的影響，能 夠使得到光電探測器的測試結(jié)果更加精確，從而有利于等效電路的建模與讀出 電路的設(shè)計。測試中加入了激光器與濾光片用以精確模擬光電探測器工作時的 光照條件。
參閱附圖2，對光電探測器進(jìn)行電流一電壓(I—V)特性的測試，測試的 溫度設(shè)定為室溫(293K)，光電探測器工作時的偏置電壓(^J設(shè)置在一3.5V 至0V的范圍。光電探測器的I一V特性測試在4200—TR的前放(Pre—Ampilfier) SMU模塊中完成。附圖2是實(shí)驗(yàn)測得的新型異質(zhì)結(jié)光電探測器的暗電流及在波 長633nm、光功率為200nW時的響應(yīng)電流與偏置電壓(I一V)特性曲線。
將上述測試得到的電流一電壓(I-V)特性曲線，用Origin軟件進(jìn)行曲線 擬合，附圖2中顯示的是負(fù)向的器件偏壓和負(fù)向的器件響應(yīng)光電流。擬合過程 有一次擬合和分段擬合，對于一次擬合得到函數(shù)關(guān)系，用于等效電路建模比較 簡單。但一次擬合適用于具有光滑、單調(diào)的曲線。對于這種相對比較復(fù)雜的i-v 曲線，用一次擬合得到的匹配程度不高，因而采用分段擬合。考慮到等效電路 建模的直觀性，將電壓和電流均設(shè)置為正向。另外考慮到附圖2中曲線的多拐 點(diǎn)特性，以及曲線擬合的特點(diǎn)，采用了分段擬合再整合的方法可以得到理想的擬合結(jié)果。對附圖2中的I-V特性進(jìn)行曲線擬合，其擬合過程如附圖5及附圖
6所示，這里把分段點(diǎn)設(shè)在偏置電壓平坦區(qū)域1.5V處，這樣做是考慮到了曲線 擬合的光滑性、匹配性以及等效電路的可實(shí)現(xiàn)性。由此運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行 數(shù)值擬合可以得到兩部分的擬合函數(shù)關(guān)系
/,= 86.97+^^ (— re
(1) /2 =/2(D = 84.44+5.46xe(I/—194)/。4704 Fe[1.5 3.5] (2)
這里出現(xiàn)了一個難點(diǎn)，如何把這兩個分段的函數(shù)關(guān)系整合。需要有一個開關(guān)函
數(shù)，同時要求該開關(guān)函數(shù)以1. 5V作為開關(guān)的分界點(diǎn)，因此可以用取整函數(shù)int ()
來實(shí)現(xiàn)
x-1.5-5 (3) ，=L y " Ml
/ = /(K) = /, x [1 —/2 x ( 5 )
(5)式中LX[l—K(V)]， LXK(V)分別表示不同偏壓下的光電流大小， 此處可以用兩個電壓控制電流源I,、l2在等效電路中實(shí)現(xiàn)上述的兩個函數(shù)關(guān)系， 即附圖8中光電探測器等效電路模型的I(電流控制電壓源)部分所示。
b、根據(jù)測試作出光電探測器的電容一電壓(C一V)特性曲線以及電容一 頻率(C一F)特性曲線，用Origin軟件擬合得到C與V之間的函數(shù)關(guān)系C = ，
在等效電路模型中可以用一個電容來實(shí)現(xiàn)，其電容大小為電壓的函數(shù)，并且用 (C一F)來驗(yàn)證函數(shù)C:g(F)的對應(yīng)量級。
參閱附圖3及附圖4，進(jìn)行電探測器的電容一電壓(C一V)及電容一頻率 (C一F)特性測試，測試在4200—TR的CVU模塊中完成。在C一V、 C一F特性的測試中考慮到了測試環(huán)境對測試電容在連接方面的補(bǔ)償(Connection Compensation)影響。運(yùn)用Keithly4200—TR分析儀中的選項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償分析， 最后得到考慮了連接補(bǔ)償后的器件的C一V、 C一F特性；模型采用的是最常用 的并聯(lián)模型(Parallel Model)。附圖3是實(shí)驗(yàn)測得的新型異質(zhì)結(jié)光電探測器 在1MHz頻率下的電容與偏置電壓(C一V)特性曲線，附圖4是實(shí)驗(yàn)測得的新 型異質(zhì)結(jié)光電探測器在偏置電壓下的電容與頻率(C一F)特性曲線。
將上述測試得到的電容一電壓(C-V)特性，用Origin軟件對附圖3的C-V 特性進(jìn)行曲線擬合，擬合過程如附圖7所示，得到相應(yīng)的C-V函數(shù)關(guān)系為
= g(r) = 1.56 + 6二。2sx0 -'丄?！?丄.91)/。" ) (w7)
附圖4中C-F測試結(jié)果用于驗(yàn)證Og (V)函數(shù)關(guān)系的正確性，(6)式是根據(jù)測 試條件在1MHz頻率下得到的結(jié)果，根據(jù)附圖4得到1MHz時候的電容值就在 1.6pF左右，說明得到的函數(shù)關(guān)系是準(zhǔn)確的。最后根據(jù)擬合結(jié)果的C-V關(guān)系得 到了附圖8中光電探測器等效電路模型的n (電容)部分。
c、根據(jù)CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的反饋原理，使得光電探測器等效電路模型的輸 出電壓大小為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的參考電壓^,值，在5V單電源供電系統(tǒng)中，^ 約為2.5V。等效電路的輸出阻抗由(7)式得到，即附圖8中的I11 (阻抗) 部分
& = L, 〃。," = 4, 〃 = 4, 〃(。 = ~ /化x [1 —+ /2 )} (7)
二、光電探測器等效電路的建模 a、建立光電探測器等效電路
將上述得到的電壓控制電流源I,、 L、電容Cp、輸出阻抗R。組合在一起便可得到簡化、準(zhǔn)確的光電探測器等效電路模型。
參閱附圖8，等效電路由輸入電阻R,、電壓控制電流源L、 I'、電容Cp、
輸出阻抗R。組成，輸入電阻R,的正、負(fù)兩極接探測器的偏置電壓，輸入電阻 Ri的負(fù)極接地，將電壓控制電流源I, 、 L、電容Cp、輸出阻抗R。依次并聯(lián)相接， 并聯(lián)相接后的負(fù)極與輸入電阻Ri的負(fù)極一同接地，并聯(lián)相接后的正、負(fù)兩極為 等效電路的輸出端，附圖8中I為電流控制電壓源I,、 12部分，II為電容Cp
部分，ni為輸出阻抗R。部分，iv為探測器的偏置電壓v部分用于控制i、n、 ni部分的各種電路參數(shù)值，其中R,是一個虛設(shè)的輸入電阻(即是為了引入入
射光而增加的虛擬電阻)，主要是用來彌補(bǔ)輸入端的完整性，其值的具體大小
不影響等效電路的建模，可以認(rèn)為與輸出阻抗是一個量級的，這里假定為10M Q 。
b、對等效電路模型進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證
參閱附圖8，通過Cadence軟件對該等效電路模型進(jìn)行仿真模擬，將仿真 得到的等效電路模型工-V特性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如附圖9所示， 兩者能很好地吻合，由此能夠驗(yàn)證等效電路模型的正確性。用該等效電路模型 作為讀出電路的信號源，可以更好地設(shè)計匹配的讀出電路。
三、光電探測器讀出電路的設(shè)計
將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，通過優(yōu)化得到合理的讀 出結(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光電探測器更加匹配的讀出電路 設(shè)計。
10
權(quán)利要求
1、一種光電探測器讀出電路的設(shè)計方法，其特征在于包括下列步驟(1)、光電探測器的電特性曲線擬合a、根據(jù)測試作出光電探測器的電流—電壓特性(I—V)特性曲線，并用Origin軟件擬合得到I與V之間的函數(shù)關(guān)系I＝f(V)，由此在等效電路模型中可以實(shí)現(xiàn)一個或多個電壓控制電流源，使輸出電流為電壓的函數(shù)；b、根據(jù)測試作出光電探測器的電容—電壓(C—V)特性曲線以及電容—頻率(C—F)特性曲線，并用Origin軟件擬合得到C與V之間的函數(shù)關(guān)系C＝g(V)，由此在等效電路模型中可以用一個電容來實(shí)現(xiàn)，其電容大小為電壓的函數(shù)；c、根據(jù)CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的反饋原理，使得光電探測器等效電路模型的輸出電壓大小為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的參考電壓Vref值，由此可以得到等效電路模型的輸出阻抗R＝Vref/I＝Vref/f(V)；(2)、光電探測器等效電路的建模根據(jù)上述得到的電壓控制電流源I＝f(V)、電容C＝g(V)、阻抗R＝Vref/I＝Vref/f(V)建立光電探測器等效電路模型，并用電路模擬軟件對其進(jìn)行修正與完善；(3)、光電探測器讀出電路的設(shè)計將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出光電探測器讀出電路的匹配設(shè)計。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述光電探測器讀出電路的設(shè)計方法，其特征在于所 述歩驟(1)擬合得I與V之間的函數(shù)關(guān)系/ = /(「)為一次擬合或分段擬合，如 I-V曲線光滑，選擇一次擬合，得到擬合函數(shù)關(guān)系/ = 如I-V曲線具有突變性，則選擇分段擬合，得到兩部分?jǐn)M合凼數(shù)關(guān)系即/^/化)；/2=/((/2)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光電探測器讀出電路的設(shè)計方法，特點(diǎn)是將光電探測器的電特性曲線擬合，使輸出電流為電壓的函數(shù)、電容為電壓的函數(shù)，在等效電路模型中可以實(shí)現(xiàn)一個或多個電壓控制電流源及電容、輸出阻抗來實(shí)現(xiàn)，由此建立等效電路模型，并用電路模擬軟件對其進(jìn)行修正與完善，最后將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)并作出光電探測器讀出電路的匹配設(shè)計。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有電路建模程序簡單、結(jié)構(gòu)明了、精度高的優(yōu)點(diǎn)，大大方便了光電探測器設(shè)計相匹配的讀出電路，而且具有讀出電路信號偏差小，動態(tài)范圍大的優(yōu)良性能。
文檔編號G01J1/44GK101504313SQ20091004711
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者葉宇誠, 斌 徐, 朱自強(qiáng), 李峻蔚, 胡大鵬, 褚君浩, 詹國鐘, 郭方敏, 韓建強(qiáng) 申請人:華東師范大學(xué)