改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种用于改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法。

背景技术：

1、由于半导体探测器灵敏度高，响应迅速，体积小，易于集成，因此在光电探测领域应用广泛。基于bjt结构的光电晶体管探测器及雪崩光电二极管探测器在实现增益特性的同时，会带来噪声。

2、噪声决定了最小可探测信号的强度(灵敏度)，对超弱光信号探测、单光子探测具有重大意义。通常情况下，器件设计需要在低噪声和高增益之间折中考虑。光电晶体管的噪声主要来源于两种可追溯的波动：光子到达率的波动；器件固有的机制，例如产生自由载流子的波动、扩散和复合的波动以及1/f机制等。

3、差分放大是抑制噪声、放大有用信号通常采用的方法。目前已有的差分光电晶体管结构设计是两个光电晶体管并联，共用一层衬底。而并联设计存在的缺点是需要额外制作滤光屏蔽层，工艺复杂，成本高。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法，以解决现有技术存在的问题，本发明能够直接输出差分电压信号，用于抑制噪声、提高灵敏度，并且工艺简单、成本低廉。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，包括反向串联的第一光电晶体管和第二光电晶体管，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管均包括依次设置的发射区、基区和集电区；

4、所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区均通过本征层连接至衬底层，所述第一光电晶体管的集电区的自由面设置第一电极，所述第二光电晶体管的集电区的自由面设置第二电极。

5、进一步地，当衬底层为n型半导体材料时，所述发射区和集电区采用n型半导体材料，所述基区采用p型半导体材料。

6、进一步地，所述发射区的n型半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，基区的p型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区的n型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。

7、进一步地，当衬底层为p型半导体材料层时，所述发射区和集电区采用p型半导体材料，所述基区采用n型半导体材料。

8、进一步地，所述发射区的p型半导体材料的掺杂浓度1019cm-3，基区的n型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区的p型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。

9、进一步地，所述衬底层的厚度为30μm到100μm。

10、进一步地，所述发射区的厚度为基区厚度的2倍，集电区厚度为基区厚度的10～30倍，基区的厚度为1μm。

11、进一步地，使用时，所述衬底层接地，所述第一电极和第二电极之间接电压输入。

12、进一步地，所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区之间接电压输出。

13、改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构的使用方法，第一光电晶体管受到光激发而第二光电晶体管不受光激发，第一光电晶体管的电场方向和第二光电晶体管的电场方向相反，第一光电晶体管中，集电区受到入射光激发产生光生载流子，载流子在电场作用下发生漂移形成光电流，基区中的载流子积累使第一光电晶体管的基极电势上升，导致发射区中的电子大量移向集电区，从而实现放大作用，产生增益，对第一光电晶体管和第二光电晶体管的输出做差分即实现对信号源噪声的消除或抑制。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、本发明基于差分放大思想，利用基于bjt结构的两个结构相同、反向串联的光电晶体管，使第一光电晶体管1受光激发而第二光电晶体管2不受光激发，利用bjt的放大特性使光电流信号得到放大，经过放大的光电流信号再通过高阻层4转化为电压信号，对第一光电晶体管1和第二光电晶体管2的输出做差分即能实现差分电压信号的直接输出，从而有助于抑制或消除信号噪声，提高信噪比。噪声决定了最小可探测信号的强度(灵敏度)，因此该器件结构有助于拓展器件探测下限。

16、与并联式差分光电晶体管不同，本发明的串联式结构能避免制作滤光屏蔽层，能简化工艺步骤和降低成本。

技术特征：

1.改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，包括反向串联的第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)，所述第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)均包括依次设置的发射区(5)、基区(6)和集电区(7)；

2.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，当衬底层(3)为n型半导体材料时，所述发射区(5)和集电区(7)采用n型半导体材料，所述基区(6)采用p型半导体材料。

3.根据权利要求2所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的n型半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，基区(6)的p型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层(4)的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区(7)的n型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。

4.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，当衬底层(3)为p型半导体材料层时，所述发射区(5)和集电区(7)采用p型半导体材料，所述基区(6)采用n型半导体材料。

5.根据权利要求4所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的p型半导体材料的掺杂浓度1019cm-3，基区(6)的n型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层(4)的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区(7)的p型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。

6.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述衬底层(3)的厚度为30μm到100μm。

7.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的厚度为基区(6)厚度的2倍，集电区(7)厚度为基区(6)厚度的10～30倍，基区(6)的厚度为1μm。

8.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，使用时，所述衬底层(3)接地，所述第一电极(8)和第二电极(9)之间接电压输入。

9.根据权利要求8所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述第一光电晶体管(1)的发射区(5)和第二光电晶体管(2)的发射区(5)之间接电压输出。

10.权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构的使用方法，其特征在于，第一光电晶体管(1)受到光激发而第二光电晶体管(2)不受光激发，第一光电晶体管(1)的电场方向和第二光电晶体管(2)的电场方向相反，第一光电晶体管(1)中，集电区(7)受到入射光激发产生光生载流子，载流子在电场作用下发生漂移形成光电流，基区(6)中的载流子积累使第一光电晶体管(1)的基极电势上升，导致发射区(5)中的电子大量移向集电区(7)，从而实现放大作用，产生增益，对第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)的输出做差分即实现对信号源噪声的消除或抑制。

技术总结
本发明公开了一种改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法，包括反向串联的第一光电晶体管和第二光电晶体管，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管均包括依次设置的发射区、基区和集电区；所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区均通过本征层连接至衬底层，所述第一光电晶体管的集电区的自由面设置第一电极，所述第二光电晶体管的集电区的自由面设置第二电极。本发明能够直接输出差分电压信号，用于抑制噪声、提高灵敏度，并且工艺简单、成本低廉。

技术研发人员：周磊簜,范婷婷
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15