专利名称：一种光电探测器读出电路的设计方法
技术领域：
本发明涉及电路设计技术领域，尤其是一种光电探测器读出电路的设计方法。
背景技术：
光电探测器(PD) —般由半导体材料的光电效应制成，是光纤通信和光电 检测系统中光信号转换的关键器件。光电探测器在军事和国民经济的各个领 域有广泛用途，在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自 动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外 遥感等方面。读出电路(R0TC)作为探测器信号调理和输出部分，对探测器组 件的性能起着至关重要的作用，读出电路在光电探测器中的主要功能是对探 测器微弱信3进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持等)并在信号 处理级间提供一个接口 。而读出电路的结构对读出电路的性能起着决定性作 用，因此设计一个具有高性能的读出电路是最为关键的。在设计光电器件读出 电路时，为了更加定性地分析光电探测器的内部电学特性并且细化探测器的各 项性能指标，可以通过建立相应的光电器件等效电路模型进行分析。目前己经 对一些典型的光电探测器件(如QWIP、 APD及RCE等器件)建立了一些等效电路 模型，这些模型是在求解PD器件内部物理方程的基础上得到的，然而这些模型 均需要在精确掌握光电探测器的使用材料参数以及制造工艺的基础上求解大量 的物理特性方程(柏松方程、电流连续性方程和载流子速率方程等)从而得出。 研究发现，光电探测器器件内部的物理特性参数过多以及在求解大量的物理特 性方程时基于多种假设得到的近似表达式均会在很大程度上影响等效电路模型的精度，从而为其读出电路的设计带来困难。而且求解过程中，由于光电探测 器的复杂结构及其使用的各种材料参数，也会使得建模过程中的程序编制复杂 化，因此目前这种对光电探测器的等效电路的建模方法具有一定的局限性，而 且程序编制复杂、精度低。 发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的 一种光电探测器读出电路 的设计方法，它通过对光电探测器的电特性进行精确测试，得到探测器的电特 性方程，以此建立等效电路的模型，然后经电路模拟软件进行仿真验证，对其 进行修正与完善，大大简化了电路建模过程，便于准确地得到等效电路模型的 电性能参数，使建模得到的等效电路能更好的反映器件特性，设计出与之匹配 的光电探测器读出电路。本发明的目的是这样实现的 一种光电探测器读出电路的设计方法，其特 征在于包括下列步骤(1)、光电探测器的电特性曲线拟合a、 根据测试作出光电探测器的电流一电压特性(I一V)特性曲线，并用Origin软件拟合得到I与V之间的函数关系/二/(K)，由此在等效电路模型中可以实现一个或多个电压控制电流源，使输出电流为电压的函数；b、 根据测试作出光电探测器的电容一电压(C一V)特性曲线以及电容一 频率(C-F)特性曲线，并用Origin软件拟合得到C与V之间的函数关系 C = g(F)，由此在等效电路模型中可以用一个电容来实现，其电容大小为电压 的函数；c、 根据CTIA型读出结构的反馈原理，使得光电探测器等效电路模型的输出电压大小为CTIA型读出结构的参考电压^,值，由此可以得到等效电路模型的输出阻抗i = = ;(2) 、光电探测器等效电路的建模根据上述得到的电压控制电流源/ = 电容C = g(K)、阻抗* = 4,// = ^,//^)建立光电探测器等效电路模型，并用电路模拟软件对其进行 修正与完善；(3) 、光电探测器读出电路的设计将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参 数，然后根据相应参数作出光电探测器读出电路的匹配设计。所述步骤(1)拟合得I与V之间的函数关系/ = ."1/)为一次拟合或分段拟合，如I-V曲线光滑，选择一次拟合，得到拟合函数关系/ = 如I-V曲线具有突变性，则选择分段拟合，得到两部分拟合函数关系即/^/");/2=婦。本发明与现有技术相比具有以下优点1、 电路建模程序简单、精度高，大大减少了光电探测器内部的物理特性 参数过多而影响模型精度以及复杂程序的编制。2、 等效电路模型整合了器件的所有电特性，结构简单、明了，方便光电探测器设计相匹配的读出电路。3、 探测器的读出电路采用了 CTIA结构，通过开关选通来得到不同的积 分电容大小，从而能在不同的偏置电压下得到比较理想的输出结果，读出电路 信号偏差小，动态范围大的优良性能。
图1为光电探测器在显微镜下的显示图 图2为电流一电压特性曲线图 图3为电容一电压特性曲线4为电容一频率特性曲线5为偏压
电流一电压特性曲线拟合6为偏压[1.5， 3.5]电流一电压特性曲线拟合7为电容一电压特性曲线拟合8为等效电路9为等效电路与实验结果对比曲线图具体实施方式
实施例1近年来，异质结光电探测器在研制和应用方面已经成为了研究热点并且取 得了很大的进展。由于形成异质结的两种半导体单晶材料的禁带宽度、介电常 数、折射率、吸收系数等物理参数均不同，异质结会表现出不同于同质结的性 质。研究表明，利用异质结制作的激光器、电致发光二极管、光电探测器、应 变传感器等，比用同质结制作的同类元件的性能优越。下面以一种新型的新原理、高增益异质结光电探测器的等效电路建模过程 及读出电路设计的实施例，对本发明作进一步说明，其具体歩骤如下一、对光电探测器的进行电特性测试a、根据测试作出光电探测器的电流一电压特性(I一V)特性曲线，并用 Origin软件拟合得I与V之间的函数关系/ = /(「)，由此在等效电路模型中可以 用电压控制电流源实现，使输出电流为电压的函数。参阅附图l，光电探测器的电特性测试采用由美国Keithley公司生产的 4200—TR半导体器件特性自动测试系统。该光电探测器通过4200—TR中的KITE
(Keithley Interactive Test Environment)交互式测试环境和测试引擎的设 置实现电脑控制下的仪器自动扫描、采集和处理数据，并通过数据处理将测量 的结果进行图形化显示，如附图l为该新型光电探测器在显微镜下的显示图。由 于光电探测器是一种对环境中的光和热极其敏感的器件，在测试中使用了杜瓦 瓶。杜瓦瓶的使用保证了测试的精确性，避免一些外界光照对测试的影响，能 够使得到光电探测器的测试结果更加精确，从而有利于等效电路的建模与读出 电路的设计。测试中加入了激光器与滤光片用以精确模拟光电探测器工作时的 光照条件。
参阅附图2，对光电探测器进行电流一电压(I—V)特性的测试，测试的 温度设定为室温(293K)，光电探测器工作时的偏置电压(^J设置在一3.5V 至0V的范围。光电探测器的I一V特性测试在4200—TR的前放(Pre—Ampilfier) SMU模块中完成。附图2是实验测得的新型异质结光电探测器的暗电流及在波 长633nm、光功率为200nW时的响应电流与偏置电压(I一V)特性曲线。
将上述测试得到的电流一电压(I-V)特性曲线，用Origin软件进行曲线 拟合，附图2中显示的是负向的器件偏压和负向的器件响应光电流。拟合过程 有一次拟合和分段拟合，对于一次拟合得到函数关系，用于等效电路建模比较 简单。但一次拟合适用于具有光滑、单调的曲线。对于这种相对比较复杂的i-v 曲线，用一次拟合得到的匹配程度不高，因而采用分段拟合。考虑到等效电路 建模的直观性，将电压和电流均设置为正向。另外考虑到附图2中曲线的多拐 点特性，以及曲线拟合的特点，采用了分段拟合再整合的方法可以得到理想的拟合结果。对附图2中的I-V特性进行曲线拟合，其拟合过程如附图5及附图
6所示，这里把分段点设在偏置电压平坦区域1.5V处，这样做是考虑到了曲线 拟合的光滑性、匹配性以及等效电路的可实现性。由此运用Origin软件进行 数值拟合可以得到两部分的拟合函数关系
/,= 86.97+^^ (— re
(1) /2 =/2(D = 84.44+5.46xe(I/—194)/。4704 Fe[1.5 3.5] (2)
这里出现了一个难点，如何把这两个分段的函数关系整合。需要有一个开关函
数，同时要求该开关函数以1. 5V作为开关的分界点，因此可以用取整函数int ()
来实现
x-1.5-5 (3) ，=L y " Ml
/ = /(K) = /, x [1 —/2 x ( 5 )
(5)式中LX[l—K(V)]， LXK(V)分别表示不同偏压下的光电流大小， 此处可以用两个电压控制电流源I,、l2在等效电路中实现上述的两个函数关系， 即附图8中光电探测器等效电路模型的I(电流控制电压源)部分所示。
b、根据测试作出光电探测器的电容一电压(C一V)特性曲线以及电容一 频率(C一F)特性曲线，用Origin软件拟合得到C与V之间的函数关系C = ，
在等效电路模型中可以用一个电容来实现，其电容大小为电压的函数，并且用 (C一F)来验证函数C:g(F)的对应量级。
参阅附图3及附图4，进行电探测器的电容一电压(C一V)及电容一频率 (C一F)特性测试，测试在4200—TR的CVU模块中完成。在C一V、 C一F特性的测试中考虑到了测试环境对测试电容在连接方面的补偿(Connection Compensation)影响。运用Keithly4200—TR分析仪中的选项进行补偿分析， 最后得到考虑了连接补偿后的器件的C一V、 C一F特性；模型采用的是最常用 的并联模型(Parallel Model)。附图3是实验测得的新型异质结光电探测器 在1MHz频率下的电容与偏置电压(C一V)特性曲线，附图4是实验测得的新 型异质结光电探测器在偏置电压下的电容与频率(C一F)特性曲线。
将上述测试得到的电容一电压(C-V)特性，用Origin软件对附图3的C-V 特性进行曲线拟合，拟合过程如附图7所示，得到相应的C-V函数关系为
= g(r) = 1.56 + 6二。2sx0 -'丄。—(丄.91)/。" ) (w7)
附图4中C-F测试结果用于验证Og (V)函数关系的正确性，(6)式是根据测 试条件在1MHz频率下得到的结果，根据附图4得到1MHz时候的电容值就在 1.6pF左右，说明得到的函数关系是准确的。最后根据拟合结果的C-V关系得 到了附图8中光电探测器等效电路模型的n (电容)部分。
c、根据CTIA型读出结构的反馈原理，使得光电探测器等效电路模型的输 出电压大小为CTIA型读出结构的参考电压^,值，在5V单电源供电系统中，^ 约为2.5V。等效电路的输出阻抗由(7)式得到，即附图8中的I11 (阻抗) 部分
& = L, 〃。," = 4, 〃 = 4, 〃(。 = ~ /化x [1 —+ /2 )} (7)
二、光电探测器等效电路的建模 a、建立光电探测器等效电路
将上述得到的电压控制电流源I,、 L、电容Cp、输出阻抗R。组合在一起便可得到简化、准确的光电探测器等效电路模型。
参阅附图8，等效电路由输入电阻R,、电压控制电流源L、 I'、电容Cp、
输出阻抗R。组成，输入电阻R,的正、负两极接探测器的偏置电压，输入电阻 Ri的负极接地，将电压控制电流源I, 、 L、电容Cp、输出阻抗R。依次并联相接， 并联相接后的负极与输入电阻Ri的负极一同接地，并联相接后的正、负两极为 等效电路的输出端，附图8中I为电流控制电压源I,、 12部分，II为电容Cp
部分，ni为输出阻抗R。部分，iv为探测器的偏置电压v部分用于控制i、n、 ni部分的各种电路参数值，其中R,是一个虚设的输入电阻(即是为了引入入
射光而增加的虚拟电阻)，主要是用来弥补输入端的完整性，其值的具体大小
不影响等效电路的建模，可以认为与输出阻抗是一个量级的，这里假定为10M Q 。
b、对等效电路模型进行仿真模拟验证
参阅附图8，通过Cadence软件对该等效电路模型进行仿真模拟，将仿真 得到的等效电路模型工-V特性结果与实验测试数据进行对比，如附图9所示， 两者能很好地吻合，由此能够验证等效电路模型的正确性。用该等效电路模型 作为读出电路的信号源，可以更好地设计匹配的读出电路。
三、光电探测器读出电路的设计
将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，通过优化得到合理的读 出结构的相应参数，然后根据相应参数作出与光电探测器更加匹配的读出电路 设计。
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权利要求
1、一种光电探测器读出电路的设计方法，其特征在于包括下列步骤(1)、光电探测器的电特性曲线拟合a、根据测试作出光电探测器的电流—电压特性(I—V)特性曲线，并用Origin软件拟合得到I与V之间的函数关系I＝f(V)，由此在等效电路模型中可以实现一个或多个电压控制电流源，使输出电流为电压的函数；b、根据测试作出光电探测器的电容—电压(C—V)特性曲线以及电容—频率(C—F)特性曲线，并用Origin软件拟合得到C与V之间的函数关系C＝g(V)，由此在等效电路模型中可以用一个电容来实现，其电容大小为电压的函数；c、根据CTIA型读出结构的反馈原理，使得光电探测器等效电路模型的输出电压大小为CTIA型读出结构的参考电压Vref值，由此可以得到等效电路模型的输出阻抗R＝Vref/I＝Vref/f(V)；(2)、光电探测器等效电路的建模根据上述得到的电压控制电流源I＝f(V)、电容C＝g(V)、阻抗R＝Vref/I＝Vref/f(V)建立光电探测器等效电路模型，并用电路模拟软件对其进行修正与完善；(3)、光电探测器读出电路的设计将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数，然后根据相应参数作出光电探测器读出电路的匹配设计。
2、根据权利要求1所述光电探测器读出电路的设计方法，其特征在于所 述歩骤(1)拟合得I与V之间的函数关系/ = /(「)为一次拟合或分段拟合，如 I-V曲线光滑，选择一次拟合，得到拟合函数关系/ = 如I-V曲线具有突变性，则选择分段拟合，得到两部分拟合凼数关系即/^/化)；/2=/((/2)。
全文摘要
本发明公开了一种光电探测器读出电路的设计方法，特点是将光电探测器的电特性曲线拟合，使输出电流为电压的函数、电容为电压的函数，在等效电路模型中可以实现一个或多个电压控制电流源及电容、输出阻抗来实现，由此建立等效电路模型，并用电路模拟软件对其进行修正与完善，最后将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数并作出光电探测器读出电路的匹配设计。本发明与现有技术相比具有电路建模程序简单、结构明了、精度高的优点，大大方便了光电探测器设计相匹配的读出电路，而且具有读出电路信号偏差小，动态范围大的优良性能。
文档编号G01J1/44GK101504313SQ20091004711
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者叶宇诚, 斌 徐, 朱自强, 李峻蔚, 胡大鹏, 褚君浩, 詹国钟, 郭方敏, 韩建强 申请人:华东师范大学