（电工理论与新技术专业论文）高速高线性度bicmos光电耦合隔离放大器设计.pdf

学位论文版权使用授权书 j i i i i i ll f r j ii i i i i i i i i l l l i i i i i i i i i i l l l l l l l l l l l l 肌 y 18 9 4 5 6 2 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期干u ( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学雠文储虢扬运 2 口1 1 年厶月f 叩日 导师签名：1 3 猡立 年月 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： f1 l 韵j 日期：2 0 11 年5 月6 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 在工业自动化检测、计算机数据采集系统、测量仪器仪表等诸多工业控制与 测量工作中，需要解决的一个共性问题就是工业现场模拟信号采集时的抗干扰问 题。事实证明，采用光电耦合隔离放大器是行之有效的方法之一。由于其结构简 单、体积小、抗干扰能力强，所以被广泛应用。 然而，长期以来模拟量光电隔离一直是数据采集和测控电路中的一个比较棘 手的问题，主要原因是普通光电耦合器件一般线性范围都很窄，且温度系数较大， 元件参数分散。因此，线性度是光隔离放大器的一个重要参数，它表示光隔离放 大器的信号传输精度。 论文对国内外光电耦合隔离放大电路的设计方法做了广泛的调查研究，分析 了这些方法的工作原理和各自的优缺点。在吸收国内外先进光电子与微电子集成 技术的基础上，为满足工业模拟信号采集对线性度和速度日益增长的要求，设计 了一种新型的b i c m o s 光电耦合隔离放大器。文中根据要求设计了高发射效率 且能与标准的c m o s 工艺兼容的硅发光二极管光发射器；设计了高速并能与标 准b i c m o s 工艺兼容的p i n 雪崩光电二极管光接收器；同时还根据光电耦合效 率和速度的不同要求，设计了相应的c m o s 输入放大电路和b i c m o s 输出放大 电路。论文还针对光电子与微电子工艺技术的不同特点，对整个光发射器电路的 线性度、响应速度、抗干扰能力等性能指标作出了改进。 根据所设计的光发射器和光接收器的结构、工艺特点分别进行了电路建模与 分析，通过p s p i c e8 0 软件对它们组成的光电耦合器进行了数值模拟。采用标准 的台积电( t s m c ) 0 3 5l x mb i c m o s 工艺模型，用p s p i c e8 0 软件对所设计的 b i c m o s 光电耦合隔离放大器的整体电路进行了仿真试验。结果表明：在5v 的 电源电压下，所设计的b i c m o s 光电耦合隔离放大器增益线性度达到5 5 1 0 - 5 ， 3d b 带宽达8 5m h z ，静态功耗为6 1 3m w ，而时延只有5 6 8n s ，实现了预期 的设计要求。 关键词：高速；高线性度；光电集成电路；b i c m o s ；光电耦合隔离放大器 中图分类号：t n 4 3 3 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts u c ha si n d u s t r i a la u t o m a t i o nt e s t i n g c o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，ac o m m o np r o b l e mt o b es o l v e di st h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mw h e nt h ea n a l o gs i g n a lo fi n d u s t r i a ls i t ei s c o l l e c t e d i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ei s o l a t i o na m p l i f i e rw h i c hu s e so p t i c a lc o u p l i n gi s o n eo ft h ee f f e c t i v ew a y s i ti sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e a n da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h eo p t i c a li s o l a t i o no fa n a l o gc i r c u i t sh a sa l w a y sb e e nam u c hd i f f i c u l t p r o b l e m i ti sg e n e r a l l yb e c a u s et h el i n e a rr a n g eo fa v e r a g eo p t i c a lc o u p l i n gd e v i c ei s v e r yn a r r o w , a n dt h et e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n ti sr e l a t i v e l yl a r g ea n dc o m p o n e n t p a r a m e t e r sa r ed i s p e r s e d l i n e a r i t yi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fo p t i c a li s o l a t i o n a m p l i f i e ra n di tr e p r e s e n t st h et r a n s m i s s i o na c c u r a c yo ft h es i g n a lo fo p t i c a li s o l a t i o n a m p l i f i e r t h i sp a p e rh a sd o n ee x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no nt h em e t h o do ft h eo p t i c a lc o u p l e d i s o l a t i o na m p l i f i e rc i r c u i td e s i g na th o m ea n da b r o a d a f t e ra n a l y s i so ft h e s em e t h o d s w o r kp r i n c i p l ea n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，an e wt y p eo fb i c m o s o p t i c a lc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e ri sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n t e g r a t i o no f t h ea b s o r p t i o no fa d v a n c e do p t o e l e c t r o n i ca n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h i sn e w o p t i c a lc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e ri st om e e tt h ei n d u s t r i a la n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o n a n ds p e e do ft h ei n c r e a s i n gl i n e a r i t yr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e q u e s t ， s i l i c o nl i g h t e m i t t i n gd i o d e sw h i c ha r et h eo p t i c a lc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e r t h e l i g h te m i t t e ra r ed e s i g n e d i ti sc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dc m o sp r o c e s sa n do w n s h i g he m i s s i o ne 币c i e n c y b e s i d e s ，p i na v a l a n c h ep h o t o d i o d e sw h i c ha let h eo p t i c a l r e c e i v e r sa n da r ec o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dh i g h s p e e db i c m o sp r o c e s sa r ed e s i g n e d t o o i na d d i t i o n ，c m o si n p u ta m p l i f i e ra n db i c m o s o u t p u ta m p l i f i e ra r ep r e s e n t e d f o rt h eo p t i c a lc o u p l e de 壤c i e n c ya n ds p e e d a st ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e no p t o e l e c t r o n i c sa n dm i c r o e l e c t r o n i c s ，t h ec i r c u i tl i n e a r i t y ，r e s p o n s es p e e da n d a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya r ea l s oi m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g n e d ，w er e s p e c t i v e l y p u tu pc i r c u i tm o d e l i n ga n da n a l y s i s ，a n ds i m u l a t et h eo p t o c o u p l e r t h a ti sm a d eu po f o p t i c a lt r a n s m i t t e ra n do p t i c a lr e c e i v e rb yp s p i c e8 0 w i t ht h es t a n d a r dt s m c 0 35 p a nb i c m o sp r o c e s sm o d e l ，t h ew h o l ec i r c u i to fd e s i g n e db i c m o so p t i c a l l y c o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e ri ss i m u l a t e db yp s p i c e8 0 t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h e5 v s u p p l yv o l t a g et h eg a i nl i n e a r i t yo fo p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e ri su pt o5 5 1 0 ；3d bb a n d w i d t hi su pt o8 5m h z ，a n dt h es t a t i cp o w e rc a nr e a c h6 1 3m w ， w h i l ed e l a yi so n l y5 6 8n s s ot h ed e s i g na c h i e v e st h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h i g hs p e e d ；h i g hl i n e a r i t y ；o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ； b i c m o s ；o p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e r i l 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的价值及意义1 1 2 发展历史及现状2 1 3 高速高线性度光电耦合隔离放大器的基本问题3 1 4 论文章节安排4 第二章微电子与光电子集成器件设计基础5 2 1 载流子复合与寿命5 2 1 1 直接辐射复合5 2 1 2 直接俄歇复合6 2 1 3 经由中心的复合7 2 2 载流子的速场特性7 2 3 碰撞离化现象9 2 3 1 阈值离化能9 2 3 1隧穿碰撞离化能1 l 2 3 1 碰撞离化率1 1 2 4 光电耦合隔离放大器的性能指标1 2 2 4 1电流传输比一正向电流特性1 2 2 4 2 电流传输比一环境温度特性13 2 4 3 输入输出间绝缘耐压1 3 2 4 4 响应时间l3 2 4 5 转换速率与建立时间1 3 2 4 6 功耗1 3 2 4 7 噪声1 4 第三章b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计1 5 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 3 1 设计目标_ 15 3 2 光电耦合隔离放大器的整体结构设计1 5 3 3 高效与标准微电子工艺兼容的光发射器件设计1 5 3 3 1 硅基光发射二极管1 6 3 3 2 与标准微电子工艺兼容的硅发光二极管19 3 3 3 速率方程模型2 0 3 4 高速高灵敏度光接收器件设计2 2 3 4 1 光电晶体管2 2 3 4 2p i n 型光电二极管o 2 3 3 4 3p i n 结构雪崩光电二极管2 4 3 5 输入放大器a l 的设计2 6 3 5 1 传统的输入放大器a l 设计2 6 3 5 2 高稳定性输入放大器a l 的设计2 6 3 6 输出放大器a 2 的设计：2 8 3 5 1 传统的输出放大器a 2 的设计2 8 3 5 2 高速输出放大器a 2 的设计2 8 3 7 偏置电路设计3 0 第四章放大器性能改善的措施j 3l 4 1 改善放大器线性度的措施一3 1 4 1 1输入放大器的非线性分析3l 4 1 2 源极退化技术3 4 4 1 3 光电耦合隔离放大器的非线性分析3 5 4 1 4 并列互补l e d 连接形式。3 5 4 2 抗噪声电路设计3 5 4 2 1 光电二极管与输出放大器的噪声分析3 6 4 2 2 噪声过滤电路设计3 7 4 3 元器件工艺优化与参数优选3 8 4 3 1c m o s 器件的工艺优化3 8 4 3 2 光电集成下的b i c m o s 工艺优化3 8 江苏大学硕士学位论文 4 3 3 隔离放大器的整体结构及其参数的优选3 9 第五章隔离放大器的电路建模与p s p i c e 仿真4 l 5 1 光电器件的建模41 5 1 1l e d 电路模型4 l 5 1 2p i n 雪崩光电二极管的电路模型4 5 5 2 光电耦合器性能分析5 0 5 3光电耦合隔离放大器的电压传输特性分析5l 5 4光电耦合隔离放大器的幅频特性5 2 5 5共模抑制( 锄r r ) 特性5 3 5 6阶跃响应特性5 4 5 7 时延一功耗积d p 与电源电压d 的特性曲线5 5 第六章结论与展望5 6 致 射5 8 参考文献5 9 附录p i n 雪崩光电二极管具体模型参数6 3 攻读硕士研究生期间发表的论文6 6 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的价值及意义 在工业领域，对传统设备技术改造的一个主要方法就是将计算机与原有设备 有机结合，构成新的数字化和智能化测控系统，从而提升原有传统设备的功能。 提高企业的管理水平已成为当今企业竞相采用的增效策略。然而，需要进行自动 监控设备的种类越来越多，自动监控距离也越来越远。因此，工业模拟信号及检 测信号之间的隔离已成为防止系统之间彼此相互干扰的必要措施和亟待解决的 问趔1 1 。如今现代仪表与检测系统的智能化程度越来越高，因此当多个检测仪表 与控制系统相联时，必须考虑系统的共地干扰问题。如不采取有效的隔离措施， 将会影响整个系统的j 下常工作。尤其在信号远距离传输的过程中，常常会因为引 入强干扰而使放大电路输出的信号严重失真，其干扰噪声甚至淹没有效信号，从 而严重影响系统的正常工作。因此，需要在信号采集系统与控制系统或信息处理 系统之间引入电隔离以及有效信号放大措施。目前，可采用的隔离技术主要有两 种方式：一种是能量隔离，即电源的隔离，采用的是磁隔离技术；而另一种则是 信号隔离，可以利用光电耦合隔离器件对信号实施隔离【2 j 。 光电耦合隔离放大器正是将电路的输入部分和输出部分在电气上完全隔离 的放大电路【3 】。它采用微电子与光电子集成技术，以切断输入部分和输出部分电 路之间的直接联系，避免干扰信号混入输出信号，又可以放大有用信号使其畅通 无阻。然而，光电耦合隔离放大器对速度、工作带宽、信号传输的线性度、电路 增益和稳定性等指标有较高的设计难度【4 】。随着应用的日益扩大，对隔离放大器 的性能提出越来越高的要求，因此高速度、高线性度、小尺寸的模拟信号光电耦 合隔离放大器的设计日益受到广泛的关注1 5 j 。 目前国内关于高性能光电耦合隔离放大器设计的研究还处于起步阶段，力量 相对比较薄弱，人才也相当匮乏。近几年来，在市场需求的驱动作用下，高性能 光电耦合集成电路技术得到了一些发展，但其成熟程度还远远不能满足实际工作 的需要。目前国内的光电耦合隔离放大器仍然主要依靠进口国外产品，如美国 b u r r - b r o w n 公司开发的i s o l 0 0 双极型光隔离放大器，该光隔离放大器以其抗干 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 扰能力强、有限信号变化范围内线性度高、工作稳定可靠等优点，被用于工业测 控设备、电力通信监测装置、精密光学测量系统中【6 l 。然而，目前i s o l 0 0 芯片的 功耗较高且响应速度慢，用于工业低频设备中尚可，但不能用于高速通信系统中， 且功耗高不符合中国“节能减排”的方针政策。因此，研究具有中国自主知识产 权的高速、高线性度、低功耗的光电耦合隔离放大器对微电子与光电子技术的应 用与发展具有十分重要的意义。 1 2 发展历史及现状 过程控制、实时监测、生物医学仪器、数据采集系统等的许多仪器设备的控 制系统都需要与高压环路隔离，并能消除环流、抑制共模信号、实现信号高线性 度精确传输的耦合隔离器件。为了满足这种功能的需要，一系列人们称之为光电 耦合隔离放大器的模拟集成电路有了快速的发展。图1 1 所示为光电耦合隔离放 大器的发展沿革。 叫毋遵 叫 ( a ) ( d ) 图1 1 光电耦合隔离放人器的发展历史 f i g 1 1h i s t o r yo fo p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t i o na m p l i f i e r s 图1 1 a 为简单的光电二极管对，它代表了早期的普通非线性光电耦合器。 这种光电耦合器的传递函数非线性不仅与二极管特性有关，而且是由于发光二极 管老化造成增益不均衡以及光在介质中形成传输不均衡所造成的。此外，由于二 极管的单向导电性，所以整个电路只在单向直流供电的情况下运行。图1 1 b 采 用带有光电耦合负反馈环节的运算放大器作为主电路，尽管电路仍然只在单向直 流供电情况下运行，但是由于引入光电晶体管和放大器反馈环节，故使整个电路 2 江苏大学硕士学位论文 的线性度和工作稳定性都得到了极大的改善7 1 。如果光学器件互相匹配且运算放 大器为理想器件，则光电二极管的电流相等。这样输出电压、发光二极管两端电 压以及输入电流的关系式为： u o = u , e d + 五嘏l ( 卜1 ) 式中，当五水l 仇e d 时，整个传递函数近似为线性关系。由于每个光路的传 输特性都是互相匹配的，所以整个电路的稳定性得到了改进。图1 1 c 所示的光 电耦合隔离放大器在图1 1 b 基础上进行了整体性能的改进，该电路不仅引入输 入放大器环节且在该环节引入反馈环节，以补偿电路的非线性失真【8 1 。如今，非 理想电流源的输入信号已经被精确地处理，这样通过串联一个电阻便可变换为电 压源信号。输出放大器用作跨导转换器将镜像输入电流转化为输出电压信号【9 1 。 与图1 1 b 相比，输出电压( u o = 正擅l ) 直接以地为参考电位，不仅大大提高输 入电流信号的线性度，而且使补偿电路与工作电路公用一个l e d 。图1 1 d 输入 级为双极性电路，该电路引入二重光路及附加运算放大器电路来组成求和输出电 路。虽然该电路具有理想的工作特性，但电路过于复杂，且信号相应的传输速度 依旧不高【l o 】。 1 3 高速高线性度光电耦合隔离放大器的基本问题 光电耦合隔离放大器的发展方向是高速度及高线性度。光电子与微电子集成 电路的设计使得整个隔离放大器可以工作在几乎是线性的放大状态，同时整个放 大器又具有很高的信号传输速度，能够实时传输较高频率的检测信号，但目前存 在着以下几个难处： ( 1 ) 传统放大器为了保证较高的线性度，常采用光电晶体管作为光接收器， 而光电晶体管相应的速度较慢，难以达到高频信号的传输要求。而采用光电二极 管可以提高传统放大器的传输速度，但光电二极管相应的线性度较低。此外，微 电子器件的线性度以及光电耦合器的传输线性度也严重地影响着整体电路的线 性度高低。 ( 2 ) 由于硅材料存在间接带隙特性，使得硅的发光效率不高，而其它半导 体材料虽然具有较高的发光效率，但由于与标准微电子工艺不兼容，使得集成复 杂度加大【1 1 1 。 ( 3 ) 随着模拟集成电路电源电压的不断降低，光耦合隔离放大器易受工业 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 控制作业环境中强电路的干扰及温度的影响，从而引起有用信号的传输失真。 1 4 论文章节安排 论文工作针对前面所涉及的问题，以设计高速、高线性度b i c m o s 光电耦 合隔离放大器。笔者按照如下的章节架构，来展开论文工作： 第一章是绪论。介绍了课题的研究意义、光电耦合隔离放大器的发展背景以 及研究者面临的问题。 第二章简要介绍微电子与光电子集成技术的设计基础，主要包括微电子以及 光电子技术设计的物理基础、以及评判设计是否优越的光电耦合隔离放大器的性 能指标。 第三章给出光电耦合隔离放大器的各个组成部分的具体设计，包括光发射器 件、光接收器件、输入放大器、输出放大器和偏置电路等。 第三章介绍光电耦合隔离放大器的整体电路设计以及采取的改善线性度、提 高抗干扰能力、优选元器件工艺参数等措施。 第五章对光电器件进行电路建模，并使用p s p i c e 工具进行数值模拟及整体电 路的仿真，比较得出的结果与设计要求的差距，并进行分析、研究。 最后在结论中给出论文工作的结论及成果，并对所做工作进行了总结。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章微电子与光电子集成器件设计基础 此章将讨论光电子与微电子集成器件的设计基础以及光电耦合隔离放大器 的性能指标。因为在设计中，只有充分掌握光电子器件与微电子器件的物理基础 才能准确地构造出器件的电路模型，实现对电路的设计和模拟；同时只有充分掌 握光电耦合隔离放大器的性能指标才能设计出高性能的光电耦合隔离放大器。 2 1 载流子复合与寿命 非平衡载流子的复合与寿命是半导体光电器件的重要物理量，这些物理量有 的以模型参数的形式出现，有的用经验公式表示。它们的准确描述对于光电子器 件设计以及构造光电子器件电路模型，都起着至关重要的作用【1 2 l 。 非平衡载流子的寿命是表征材料质量的一个很重要的参数。寿命的一般定义 形式为： 。 d n d t - - - - a n r ( 2 - 1 ) 式中：a n 为非平衡载流子密度；a n r 为非平衡载流子的复合率；1 r 表示单位 时间内每一非平衡载流子被复合掉的几率；r 是反映复合快慢的时间常数，它标 志着非平衡载流子在被复合前的平均存在时间，即非平衡载流子的寿命。非平衡 载流子的寿命与非平衡载流子的复合机理密切相关。总得来说，复合过程可分为 三种：直接辐射复合、直接俄歇复合及经由中心的复合【1 3 j 。 2 1 1 直接辐射复合 直接辐射复合( 又称为带问辐射复合) 是导带电子与价带空穴直接复合，同 时发射光子的过程。这一复合过程的净复合率为： r f = 厂( 疗o + p o + 刀) a n ( 2 2 ) 式中，为复合系数，2 0 、1 2 0 分别为平衡态电子和空穴密度。根据寿命计算公式 龟一风( r z a n ) 以及式( 2 2 ) 可得非平衡载流子的寿命为： 龟= 1 r ( n o + p o + a n ) ( 2 3 ) 对于小注入载流子情形，a n n o + 册，有： 5 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 = 1 r a n ( 2 5 ) 实际应用中，往往把式( 2 2 ) 写成更一般的形式： r r = 彳，i a n + a r 2 a n 2 ( 2 6 ) 式中a ，l ：r ( n o 却o ) ，a r z = r ，对于大注入载流子情形，式( 2 6 ) 可写成： r ，= a r 2 a n 2 ( 2 7 ) 对于小注入载流子情形，可写成： r ，= 么f i a n ( 2 8 ) 借助小注入载流子寿命式( 2 - 4 ) ，式( 2 - 8 ) 可写成更常用的形式： r ，= a n r r s ( 2 9 ) 式( 2 - 6 ) 式( 2 - 9 ) 是构造光电子器件电路模型常采用的形式。 2 1 2 直接俄歇复合 直接俄歇复合过程是在导带电子和价带空穴发生复合的同时，把第三个载流 子激发到更高的能量状态。这是一种非辐射复合，在窄带半导体材料中起着重要 的作用。总的来说，直接俄歇复合有两种过程，一种是两个电子和一个空穴参与 的过程( c c h ) ，另一种是一个电子和两个空穴参与的过程( c h h ) 【1 4 】。俄歇复 合总的净复合率为： r 。= r n ( n o + a n ) + 饰o + ，z ) ( n o 却o + 刀) 刀 ( 2 1 0 ) 式中，确是c c h 过程的复合系数；r p 是c h h 过程的复合系数。依据载流子寿命 定义，由直接俄歇复合导致非平衡载流子的寿命可表示为： 龟= l j r ( n o + a n ) + 唧( p o + a n ) ， ( n o 十肋+ 力) ( 2 一1 1 ) 小注入条件下，寿命可写为： = 1 ( r n o + r p p o ) ( n o + p o ) ( 2 1 2 ) 大注入条件下，寿命可写为： = 1 ( h + 饰) 矛 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 0 ) 写成更一般形式： r a = 么a l 刀+ 么a 2 力2 + 么a 3 ( 2 1 4 ) 式中：a a l - - ( r n o + r p p o ) ( n o + p o ) ，a a 2 = 2 ( r n ”o + r 护o ) + 厂n p o + 厂p 刀o ，a a 3 - - r n + r p 。 对于大注入情形，有： r a = a a 3 a n j ( 2 1 5 ) 6 江苏大学硕士学位论文 对于小注入情形，有： r a = 彳。i a n - a n r a s ( 2 一1 6 ) 2 1 3 经由中心的复合 通过复合中心的复合过程，是大多数半导体材料导电过程中的重要的复合机 理。这一过程涉及电子和空穴在复合中心俘获和释放载流子，其净复合率为： r t = 础( 伽十琊+ 刀) c 。( 伽+ ，2 + 刀i ) + 邻( 娜+ 一+ p 1 ) ( 2 1 7 ) 式中：c ”c p 分别为电子和空穴俘获系数；m 为复合中心密度；而y i - - n i e x p ( e t 一层) k 力，p l = n i e x p ( e i - - e t ) k t 其中，晟为复合中心能级；最为本征费米能 级；忱为本征载流子密度。依据式( 2 1 7 ) ，非平衡载流子寿命可写为： 飞= c n ( 疗o + ，2 + 挖1 ) + 印( p 0 + a n + p 0 c c r , u , ( n o + p o + a n ) ( 2 1 8 ) 小注入条件下，寿命为： = c ( n o + n 1 ) + 印( p 0 + p 1 ) c “( n o 却o ) ( 2 1 9 ) 大注入条件下，寿命为； = ( 靠+ c p ) 靠邰m ( 2 2 0 ) 式( 2 1 7 ) 不象式( 2 2 ) 和式( 2 1 0 ) 那样写成一般的形式，但在大注入和小 注入条件下，复合率可以分别表示为： 大注入条件： r t = a n r t m ( 2 2 1 ) 小注入条件： r t = a n r t s ( 2 2 2 ) 2 2 载流子的速场特性 在速率场特性中迁移率是表征半导体材料质量的重要参数之一，它决定半导 体载流子在电场中的运动速度，而运动速度对电场的依赖关系与电场的强度有 关，对应于低电场情况，运动速度与场强成i e e i - , t 15 1 ，可写为： v = 1 t f ( 2 2 3 ) 式中：，为载流子的运动速度；f 为电场；为低场迁移率。迁移率主要取决 于载流子的有效质量和晶格振动以及晶体缺陷对载流子的散射效应，通过电场作 用下的电子运动动力学方程可得： 7 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 安：g f 一上 ( 2 2 4 ) 面2 矿一i u 式中m 。为电子的有效质量，r p 为动能驰豫时问。方程右端g ，体现电场对电子的 加速作用，m 。咖体现了品格振动、杂质和晶体缺陷对电子碰撞散射作用，电子 的运动动量被碰撞作用所限制。低频时，由于式( 2 2 4 ) 左端的量值远小于比右 端任何一项，于是式可写为： 1 ，：q _ s l f( 2 2 5 )1 ，=l z 一 在场强较低的情况下，由于印和m n 均与，无关，于是将式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 5 ) ， 可得： “：堕( 一2 6 ) 2 - 2 0 2 - 二 k 式( 2 - 2 6 ) 表明：低场迁移率与载流子有效质量成反比，与动能驰豫时问成正比。 在高场强情况下，式( 2 2 3 ) 表征的这一载流子运动速度对电场的线性依赖关系 不再成立。载流子运动速度对电场的依赖关系是很复杂的，不同的材料有不同的 依赖关系。在一些应用场合，通常采用经验公式 i “1 9 1 。对于硅材料，电子和空 穴运动速度对电场的依赖关系表示为： s i 材料电子运动速度： v n2 而丽p f ( 2 - 2 7 ) 式中心( t 刀巩n + 瓦毋丽嗍n _ 8 8 ( m o o ) - 0 。5 7 ( c m 2 v s - i ) ，t o n = 7 4 1 0 8 r 2 3 3 ( c m 2 v s 1 ) ，v - - o 8 8 ( t 3 0 0 ) - 0 1 4 6 ，c n = 1 2 6 1 0 1 7 ( t 3 0 0 ) 2 4 ( c m 。) ， 载流子密度n v = a + d 。其中：a 、d 分别为受主离子和施主离子密度；魄 为饱和运动速度，它与温度的关系为： v s = 2 4 1 0 7 1 + o 8 e x p ( t 6 0 0 ) 1 ( c ms - 1 ) ( 2 2 8 ) s i 材料空穴运动速度： 咋= 蠢( 2 - 2 9 ) 8 江苏大学硕士学位论文 式中纬( t 矾v q ，丽南丽咖_ 5 4 t o ) 彻( c m 2 v - l s - 1 ) 懒_ 1 3 6 x1 0 8 严3 3 ( c m 2 v 掣) ，v - - 0 8 8 ( t 3 0 0 ) - 0 1 4 6 ，c p - - 2 3 5 1 0 1 7 ( t 3 0 0 ) 2 4 ( c m 。3 ) 。 对于g a a s 、a i g a a s 、i n p 等i i i - v 族材料，空穴运动速度对电场的依赖关系与式 ( 2 - 2 8 ) 形式相同，电子的运动速度可描述为： v n = 等卷笋( 2 - 3 0 ) 式中只h 为阈值电场。对于g a a s 材料，典型值为：n - 5 0 0 0e m 2 v 1 s ，v 。o 8 5 x1 0 7 1 0 x1 0 7 c m s 1 ，凡2 5k v c m 。 2 3 碰撞离化现象 碰撞离化现象是雪崩半导体光接收器件的物理基础，在构造雪崩半导体光接 收器件电路模型时，须加以考虑。它主要包括阈值离化能、隧穿碰撞离化能以及 碰撞离化率三种物理量，其中涉及的最重要的物理量就是碰撞离化率。 2 3 1 阈值离化能 半导体中的碰撞离化过程是自由载流子在电场的作用下得到加速获得足够 的能量使电子从价带进入导带的过程。对于不同带隙的材料，产生碰撞离化所要 求的电场强度不同。室温下窄带隙材料，如i n a s ( 最= o 3 3e v ) ，要求电场达到 1 0 4 v c m 一，对于宽带隙材料，如g a p ( e g - 2 2 4e v ) ，则要求电场达到1 0 5 v c m 。 以上。产生碰撞离化的最小能量定义为阈值离化能，用e t h 表示。碰撞离化率与 阈值离化能密切相关，因此研究阈值离化能对于研究碰撞离化是非常重要的。 电子和空穴的碰撞离化率，一般用仅和表示，定义为：沿电场的方向，一 个电子或一个空穴碰撞离化产生一个电子一空穴对所运行的平均距离的倒数。半 导体中碰撞离化的出现将导致雪崩倍增效应，雪崩增益的大小由碰撞离化率、场 区的长度以及载流子注入条件决定。阈值离化能与材料的能带结构有关，计算阈 值离化能时需考虑碰撞过程的能量守恒和动量守恒，典型能带结构有以下几种形 式1 2 睨3 1 。 l 、两个抛物形带结构 一个具有有效质量为m 。的导带和一个有效质量为m p 的价带。电子碰撞离化 阂值离化能： 高速高线性度b i c m o s 光电耦合隔离放大器设计 空穴碰撞离化阈值离化能： 吲1 + 3 1 ) e t h p 刚+ 等 协3 2 ) 2 、三个抛物形带结构 一个具有有效质量为m n 的导带、一个有效质量为m d h 的重空穴带和一个有 效质量为脚争。的自旋劈裂带，两个价带间隙为f 。这个带结构与闪锌矿半导体， 如g a a s 的带结构相似。电子碰撞离化阈值离化能： e t h n 郫+ 嚣爿 治3 3 ， 空穴碰撞离化阈值离化能： 吲1 + 糕) ( 2 - 3 4 ) 注意式( 2 3 3 ) ，当孝= 岛时，空穴阈值离化能恰好等于带隙，比电子阈值离化 能小，这正是a i o 0 6 5 g a o 9 3 5 s b 材料中具有明显空穴碰撞离化现象的原因。 3 、一个非抛物形导带和一个抛物形价带结构 对于一些i i i v 半导体材料，导带底附近能带形状可描述为： h z k z 2 m n = e ( 1 + 鲫 ( 2 3 5 ) 目为描述能带偏离抛物形的一个参数。对于这种情况，电子碰撞离化阈值离化能 为： 叫而l + 2 p ) 【l + 篇唧 ( 2 _ 3 6 ) 式中p - - m n m p 。 4 、实际i i i v 族半导体材料能带结构 对于g a a s 和i n p 等具有各向异性非抛物形带结构的材料，为获得精确而有 意义的阈值离化能，应采用实际带结构进行计算。这种计算是很复杂的，这里只 给出一些结果，见表2 1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 表2 1g a a s 、i n p 材料的阈值离化能( 温度3 0 0k ) t a b 2 1 g a 、a s 、i n pm a t e r i a lt h r e s h o l di o n i z a t i o ne n e r g y ( t e m p e r a t u r e3 0 0k ) 2 3 1隧穿碰撞离化能 一般情况下，要产生碰撞离化，要求运动的载流子的能量必须超过阈值离化 能，然而也有例外，在电场强度很高的情况下，能量低于阂值离化能的载流子也 可能产生碰撞离化，这就是隧穿碰撞离化过程。这是由碰撞离化和z e n e r 隧穿共 同作用的结果，概念上与光