用于光通信的光电传感器设计

楼卓格　张永超　陈隆杰

摘 要：本文提出一种用于光通信的光电传感器。基于标准硅0.5μm CMOS 工艺，设计了高带宽高增益单片光电集成传感器芯片。主要由标准硅工艺兼容的光电探测器、芯片放大电路和带隙基准组成。根据仿真分析，芯片放大电路增益为88.12dB，其-3dB带宽为138MHz。

关键词：光电集成；光电传感器；仿真分析

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

1 引言

现使用广泛的光电探测器与芯片放大电路都是各自独立的，集成度低并且成本较高。本文提出一种高带宽高增益的单片光电集成传感器芯片。基于标准硅0.5μm CMOS工艺，将硅光电探测器（Photodetector，PD）与芯片放大电路单片集成。光电集成电路不仅有效降低光电传感器芯片的生产和封装成本，同时能减少由于器件之间的互连线造成的寄生效应，提高器件的稳定性和可靠性[1]。

2 结构设计

本文提出的光电传感器芯片主要由标准硅0.5μm CMOS工艺兼容的光电探测器（PD）、芯片放大电路和带隙基准组成[2]。硅基芯片在对于650nm至850nm波长范围的入射光源具有良好的响应度。入射光源拥有相对较大的渗透深度，因此在设计光电探测器时，需要充分考虑渗透深度的影响[3-4]。

如图1为所设计的PD半边结构剖面图。PN结位于各个N-WELL与P-SUB之间。在N+上引出的金属串联在一起并作为PD的正极引出，在P+上方的金属串联在一起并作为PD的负极引出，接入芯片放大电路。此种设计P-N结位置较深，更加有利于光生载流子的收集。相比单一N-WELL与P衬底的组合结构，此结构增大了PN结面积。因此能够获得相对更多的光生电流。

芯片放大电路主单元如图2所示。采用了改进型的限幅放大器作为放大电路主单元。

图3为改进型限幅放大器的小信号等效电路图。根据基尔霍夫定律，有：

比较传统的差分限幅放大器的低频增益式和本文改进型限幅放大器的低频增益，可以看到本文所使用的改进型结构电路低频增益是传统结构增益的fAC倍，fAC由R2与R1的比值决定[5]，可以使用较大R2/R1的电阻以获得较大的增益，但是该值过大会引起输出电压裕度的下降。

3 仿真分析

基于Cadence软件对设计的芯片电路使用Spectre功能仿真分析。建立等效电路模型模拟光电探测器接收光信号。将输入信号频率设置为50MHz正弦波，偏置电流设置为4μA，电流幅值设置为4μA，结电容大小设置为15pF。

使用Spectre功能仿真，图4和图5给出了芯片放大电路的瞬态特性和交流特性曲线。由图可知，仿真输出直流点为4.54V，幅值为0.04V。芯片放大电路增益为88.12dB，其-3dB带宽为138MHz。

4 结论

本文在标准0.5μm CMOS工艺的基础上设计了高带宽高增益的光电传感器芯片，实现光电探测器与芯片电路的单片集成。设计了一种光电探测器结构以及改进型限幅放大器结构。相对于传统限幅放大器，改进型限幅放大器增益提升了fAC倍。对芯片电路仿真结果显示，芯片放大电路增益为88.12dB，其-3dB带宽为138MHz。

參考文献：

[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.集成光电子学[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[4]黄德修.半导体光电子学[M].北京：电子工业出版社，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.

作者简介：楼卓格（1991-），男，浙江永康人，硕士研究生，助教，研究方向：光电集成电路方向。